(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる半導体基板であって、基板裏面を平坦面とすると共に、基板表面をアズグロウンとし、かつ前記結晶のＣ軸が基板表面の接面に対して垂直であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項２】
前記基板表面を凹面とすることを特徴とする請求項１記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項３】
前記基板が自立基板であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項４】
前記基板が発光ダイオード用基板であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項５】
前記III−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成がInxGayAl1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項６】
前記基板は、直径が５０ｍｍ以上の円形であり、前記基板の中央部の厚さが２００μｍ以上、かつ前記基板の中央部と周辺部との厚さの差が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項７】
前記基板のキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項８】
前記基板表面における転位密度が１×１０８ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層が形成されてなるIII−Ｖ族窒化物系発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びにIII−Ｖ族窒化物系発光素子に関し、特に、発光素子を製造した際に発光波長のばらつきが小さくなるようなIII−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに発光波長の基板面内均一性に優れたIII−Ｖ族窒化物系発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きくバンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子、特に青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に用いられている。また、最近では、更に短波長の紫外ＬＥＤや、これらＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤが実用化され始めている。
【０００３】
半導体のデバイスを作製する場合、その下地基板にはエピタキシャル成長する結晶と格子定数や線膨張係数の同じ基板を使用する、いわゆるホモエピタキシャル成長を行うのが一般的である。例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのエピタキシャル成長を行うための基板には、ＧａＡｓ単結晶基板が用いられている。
【０００４】
しかし、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶に限っては、これまでに実用に足るサイズ、特性のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造することができなかった。このため、これまでに実用化されている窒化物系発光ダイオードは、そのほとんどが格子定数の近いサファイア基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてIII−Ｖ族窒化物系半導体結晶をヘテロエピタキシャル成長させることにより製造されている。従って、ヘテロ成長であることに起因した様々な問題が発生していた。
【０００５】
例えば、サファイア基板とＧａＮの線膨張係数の違いに起因して、エピタキシャル成長後の基板が大きく反ってしまうという問題が生じていた。これは、エピタキシャル成長後のフォトリソグラフィ工程やチップ加工工程において、基板の割れを生じさせるなど、歩留り低下の原因となる。
【０００６】
また、サファイア基板とＧａＮでは、格子定数が異なるため、窒化物結晶を単結晶成長させるために、一旦本来の結晶成長温度よりも低い温度でバッファ層を堆積させる必要があり、これが結晶成長の工程時間を延ばす要因になっている。更に、サファイア基板上の成長では、サファイアとＧａＮの格子定数差に起因して、ＧａＮエピ層中に１０８から１０９個／ｃｍ−２もの多量の転位が発生してしまう。この転位は、発光素子の出力や信頼性を阻害する要因となる。従来の青色系のＬＥＤでは、これまで転位が問題とされることは少なかったが、今後、より高出力化が求められるようになり、また、紫外ＬＥＤの実現に向けて短波長化が促進されると、デバイス特性に及ぼす転位の影響が大きくなってくることが予想されており、何らかの対策が必要となっている。
【０００７】
これらの問題を解決するため、近年、ＧａＮの自立単結晶基板が開発されてきた。ＧａＮ自立基板の製造方法としては、例えば、下地基板に開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術、いわゆるＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ＥＬＯ法をさらに発展させた方法として、ＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＥＬＯ法は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯ法と共通するが、選択成長の際にマスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上面に至る貫通転位を低減する。ＦＩＥＬＯ法を用いて、例えばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去すれば、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ自立基板を得ることができる。
【０００９】
上記以外にも、低転位のＧａＮ自立基板を得る方法として、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits）法が開発されている（例えば、非特許文献２、特許文献２参照）。ＤＥＥＰ法は、ＧａＡｓ基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてＧａＮを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることにより、その他の領域を低転位化するものである。
【００１０】
また、転位密度の低いIII族窒化物系半導体基板の製造方法として、サファイアＣ面（（０００１）面）基板上にＧａＮ層を形成し、その上にチタン膜を形成後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で基板を熱処理してＧａＮ層中に空隙を形成し、更に、ＧａＮ層上にＧａＮ半導体層を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
これらＥＬＯ法やＤＥＥＰ法等の方法を用いて異種基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を成長し、その後、下地基板からＧａＮ層を剥離して得られたＧａＮ基板は、特に低転位結晶の必要なレーザーダイオード（ＬＤ）の開発に主に用いられているが、最近では、ＬＥＤ用の基板としても使われるようになってきている。これらの方法で得られたＧａＮ基板は、通常アズグロウン（as grown）の状態では、その表面にピットやヒロック等のモフォロジが現れており、また、裏面も梨地状に荒れている。このため、そのままではデバイス作製のためのエピタキシャル層を成長させることが難しく、基板の表面と裏面を研磨加工して鏡面に仕上げてから、デバイス作製に使用するのが一般的である。
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５７９９号公報
【特許文献３】特開２００３−１７８９８４号公報
【非特許文献１】Akira Usui et. al.,「Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy」, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 36(1997) pp. L899-L902
【非特許文献２】Kensaku Motoki et. al., 「Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001)pp. L140-L143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そもそも、ＳｉやＧａＡｓといった従来から用いられている半導体基板では、結晶インゴットから基板を切り出して製造されるため、基板の表面で結晶方位の分布が大きく異なるという問題は発生し得ない。しかし、ＧａＮ自立基板では、異種基板上に厚くエピタキシャル成長した結晶を成長後に剥離させて基板としているので、結晶成長中にエピ層に蓄積された歪が下地基板の剥離と同時に開放され、基板に反りを生じることが多い。このため、基板の表面における結晶方位分布は、基板の反りの影響を反映する形で、基板面内で分布を持ってしまう。この状況を、図８を用いて説明する。
【００１３】
図８（ａ）は、理想的なＧａＮ基板の結晶方位分布を示す基板の断面模式図である。ここで、矢印は結晶のＣ軸方向を示している。しかしながら、実際の基板は、裏面が凸面になるような向きの反りを生じる。この場合、基板の結晶方位は、基板の反りに従って曲げられるので、反りを生じた基板の結晶方位は、基板中で図８（ｂ）に示すような分布を持つことになる。このため、現在、両面が研磨されたＧａＮ基板が多く使用されているが、この基板は、図８（ｃ）に示すように、見かけは平坦でも、もともと反った基板の表裏面を平坦に加工しただけなので、基板の内部では結晶方位が反りに起因した分布を持ってしまっている。
【００１４】
なお、上記の説明では、全てＣ面のジャスト基板を例にして延べたが、発光素子用の基板には、結晶方位を故意に傾けた、いわゆるオフ基板が用いられることも多い。この場合は、上記の模式図における矢印の方向を一定方向に少し傾けて考えれば良く、ジャスト基板、オフ基板のいずれに対しても、同様に考えることが可能である。
【００１５】
また、ＧａＮ基板は、前述のように厚膜のエピタキシャル成長結晶を一枚ずつ成長して剥がすという製法を採るため、基板の断面形状は、結晶成長時の膜厚分布を反映した形状になる。即ち、膜厚が面内で均一な場合は、図８（ｂ）に示したように、アズグロウンの基板表面は凹面になる。しかし、実際は、基板面内で結晶成長速度を完全に同じにすることは難しく、膜厚に分布が生じる。結晶成長時の膜厚分布が、中央で薄く外周部ほど厚くなるような分布を持つ場合は、更に基板表面の凹面の度合いは強くなる。逆に、結晶成長時の膜厚分布が、中央で厚く外周部に行くに従って薄くなるような分布を持つ場合は、図８（ｄ）のように基板表面が凸面になることもある。通常は、プロセス工程が容易なこと、及び他の半導体基板における実例を参酌して、基板表面は平坦な方が良いという技術常識があることより、アズグロウン表面で使用するＧａＮ基板を製造する場合、その表面形状がなるべく平坦化すべく、結晶成長時の膜厚分布を中央がやや厚くなるように制御している（図８（ｅ）参照）。
【００１６】
しかしながら、本発明者の研究の結果、これまで述べたような、反りのある結晶の表面を平坦化加工して作成したＧａＮ基板、或いは、膜厚分布を制御して表面形状を平坦面に近づけたアズグロウン表面を持つＧａＮ基板では、その上に発光素子を形成した場合に、基板面内における素子の発光波長のばらつきが大きく、設計した波長の素子が取得できる歩留りが低いという問題のあることが明らかになった。
【００１７】
従って、本発明の目的は、上記の新規な課題を解決すること、具体的には、基板面内で結晶の反りに起因する結晶の方位のばらつきが存在するような場合でも、発光波長のばらつきが小さくなるようなIII−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに発光波長の基板面内均一性に優れたIII−Ｖ族窒化物系発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発光素子、例えば、ＩｎＧａＮ層を含むＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造の発光素子の発光波長は、ＩｎＧａＮ層の組成、膜厚に大きく左右される。ＩｎＧａＮ層の組成、及び膜厚を左右する成長速度は、下地となるＧａＮ基板のオフ角度に依存性を持つ。従って、基板の面内で結晶方位の分布を有するようなＧａＮ基板上に発光素子を作成した場合、これまでは、当然、結晶方位の分布に依存した発光波長の基板面内分布が出現すると考えられてきた。
【００１９】
しかし、本発明者は、ＩｎＧａＮ層の組成、成長速度が、下地となるＧａＮ基板のオフ角度に依存性を持つのは、結晶成長界面に存在する原子のステップ密度がＧａＮ基板のオフ角度に依存するためであり、成長界面を（マクロ的な視野で）平坦化するべきだというこれまでの技術常識から離れて、下地となるＧａＮ基板にオフ角度の分布が存在していても、成長界面における原子のステップ密度をほぼ一定に保てば、発光波長のばらつきを小さくすることができることを見出した。
【００２０】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、即ち、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板は、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる半導体基板であって、基板裏面を平坦面とすると共に、基板表面をアズグロウンとし、かつ前記結晶のＣ軸が基板表面の接面に対して垂直であることを特徴とする。
【００２１】
前記基板表面を凹面とすることが好ましい。
【００２３】
前記基板を自立基板とすることができる。更に、前記基板を発光ダイオード用基板とすることもできる。
【００２４】
前記III−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。
【００２５】
前記基板は、直径が５０ｍｍ以上の円形であり、前記基板の中央部の厚さが２００μｍ以上、かつ前記基板の中央部と周辺部との厚さの差が１００μｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
前記基板のキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上、前記基板表面における転位密度が１×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００３１】
前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層を形成してIII−Ｖ族窒化物系発光素子とすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板によれば、ＩｎＧａＮ層を含むＭＱＷ構造のＬＥＤを製造したときに、基板面内での素子の発光波長ばらつきを大幅に低減することが可能となる。
【００３３】
また、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法によれば、表面の研磨工程を省いているため、製造工程が従来のものよりも簡便で、製造にかかるコストを大幅に下げられるばかりでなく、研磨工程に起因する不良の発生確率も低減することができる。
【００３４】
更に、本発明のIII−Ｖ族窒化物系発光素子によれば、発光波長の基板面内均一性に優れたものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本実施形態に係るＧａＮ系自立基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる自立した半導体単結晶基板であって、基板の表面はアズグロウンで凹面であり、基板の裏面は平坦に研磨され、かつ結晶のＣ軸が基板の表面に対して略垂直ないし所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする。以下、これらの点を中心に詳しく説明する。
【００３６】
（自立基板）
まず、自立基板（自立した基板）とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、自立基板の厚さを２００μｍ以上とするのが好ましい。
【００３７】
（アズグロウンの基板表面）
基板表面は、アズグロウンの表面としている。ここで、アズグロウンの表面とは、結晶成長したままの状態であり、研削や研磨などの加工工程を加えていない表面という意味である。表面の汚れを除去するためのエッチングや洗浄は、ここでいう加工工程には含まれない。
【００３８】
基板表面をアズグロウンの状態で使うことにより、研磨加工工程での基板の製造歩留り低下を防ぐことができる。ＧａＮのＣ面基板は表裏の特性に大きな差があり、表面とするＧａ面は、裏面のＮ面に較べて硬く、研磨速度が稼げない。また、化学的にも非常に安定で、エッチングが難しいため、スクラッチのような傷が入りやすい。そこで、Ｇａ面の研磨工程が省略できれば、基板の製造歩留りが向上し、大幅なコストの低減が図れることになる。さらに、このようにＧａ面は研磨が難しいため、研磨による加工歪が残留し易いという問題もある。残留加工歪があると、基板の上にエピ層を成長させたとき、エピ層表面のモフォロジが乱れたり、エピ層中に新たな結晶欠陥が発生したりするという問題がある。基板をアズグロウンで用いれば、この加工歪が残留することもなく、前述の残留加工歪に起因する問題も発生しない。
また、ＬＤ用の基板では、デバイスの作成プロセスに微細加工が必要なことから基板表面の平坦性が重要視されるが、ＬＥＤ用基板では、微細な加工はそれほど必要ではなく、それよりもコスト競争力が重視される傾向がある。このため、ＬＥＤ用基板としては従来なされていた表面の研磨加工工程を行わない、アズグロウン表面を持つ基板を使用するのが好ましい。
【００３９】
（凹面の基板表面）
また、基板表面を凹面としている。基板表面を凹面とするのは、異種基板上にＧａＮの窒化物系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することによって得られたＧａＮ基板は、裏面側が凸面になるように反る傾向があるためである。反っている基板の結晶方位は、基板の裏面の形によって律速され、基板の表面の凹凸方向には依存しない。即ち、基板が裏面側に凸に反っている場合、結晶のＣ軸は、結晶の膜厚分布によって変わる表面形状に依存せず、常に図８（ｂ）や図８（ｄ）に示したように、湾曲した裏面に対して垂直になる分布をとる。
【００４０】
（結晶のＣ軸が基板の表面に対して略垂直ないし所定の角度だけ傾斜）
前述したように、発光デバイスを製造するためのエピ成長において、発光波長の基板面内ばらつきを低減するためには、エピ成長時の結晶成長界面における原子のステップ密度を、基板面内で均一にすることが望ましい。そのためには、基板の任意の点における結晶のＣ軸が、その点における基板表面に対して常に略垂直（オフ基板にあっては、一定のオフ角度）にする。従って、裏面が凸に反る傾向を有する基板においては、その表面は凹面であって、かつ、結晶のＣ軸が基板の表面に対して略垂直とする。ここで、基板のアズグロウン表面には少なからずヒロックやテラスと呼ばれるようなモフォロジが存在し、必ずしも平滑な面にはなっていない。従って、基板の表面が凹面になっているとは、表面を曲面に近似した時に、この近似曲面が凹面であれば良く、略垂直というのは、この近似曲面に対して±１°程度のばらつきを含んで垂直になっていれば良いという意味である。オフ基板においては、前記の垂直という記述を所定の角度と読み替えればよい。
【００４１】
即ち、基板は、基板表面の任意の点における結晶のＣ軸方向と、基板表面を球面に近似したとき、同点の近似面に対する法線方向との角度差が１°以内であることが望ましい。これは、同角度差が１°を超えると、その点をミクロに観察した時、表面に微傾斜面が出てしまい、成長界面における原子のステップ密度を基板面内でほぼ一定に保つことが難しくなるからである。基板がオフ基板でなく、かつ基板の形状が軸対象であれば、基板表面を球面に近似したとき、基板の中央における近似面に対する法線方向は、Ｃ軸方向と等しくなり、基板表面の任意の点における結晶のＣ軸方向と、基板表面を球面に近似したとき、同点の近似面に対する法線方向との角度差は、基板の最外周部で最も大きくなる。基板がオフ基板の場合は、基板の最外周部で、かつ中心を通りオフ方向に沿った線上の１点において、角度差が最も大きくなる。従って、結晶のＣ軸方向と、基板表面を球面に近似したときの近似面に対する法線方向との角度差は、基板面内で±１°以内のばらつき範囲内に納まっていることが望ましいと言い換えることもできる。
【００４２】
（基板裏面）
基板裏面は平坦に研磨加工している。裏面を平坦に研磨加工するのは、基板にエピ成長を行う際に、基板とサセプタとの密着性を良くするためである。基板の裏面全面が、サセプタと均等に接触していないと、サセプタからの熱伝導が不均一になって、エピ成長中の基板温度が面内で不均一になってしまう。基板温度の面内ばらつきは、結晶成長速度や組成、不純物濃度のばらつきとなって現れるため、特性の面内均一性の高いエピを成長することができなくなってしまう。エピの成長装置には、基板の裏面をサセプタと密着させない、フェイスダウン方式も存在するが、この場合も、基板の裏面に均熱板と呼ぶ平板を置くことが一般的であり、基板の裏面と均熱板との距離にばらつきがあれば、前述の温度ばらつきが生じ、特性の均一性に支障を来たす結果になる。
【００４３】
また、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ面）は、表面（Ｇａ面）に較べて研磨が容易であり、裏面の平坦化研磨は、表面ほど工数の増加、歩留りの低下をもたらさない。裏面は、エピ成長時のサセプタとの密着性が問題なく得られる程度に平坦であれば良く、必ずしも鏡面になっている必要はない。即ち、ラップ面や研削面、あるいはこれに歪除去のための処理（エッチング等）を施した面であっても構わない。
【００４４】
（基板寸法）
基板寸法としては、直径が５０ｍｍ以上の円形であり、基板の中央部の厚さが２００μｍ以上、基板の中央部と周辺部との厚さの差が１００μｍ以下であることが望ましい。発光素子、特にＬＥＤは、民生品に多用される汎用素子であり、量産できることが実用化、普及に不可欠な案件である。基板の直径を５０ｍｍ以上とすれば、先行するＧａＡｓ基板などで既に量産用のプロセス装置が開発されており、量産ラインへの適用が容易になる。また、基板の中央部（表面が凹面の基板にあっては、最も薄い部分）の厚さを２００μｍ以上とするのは、２００μｍよりも薄いと、ピンセット等のハンドリング時に基板が割れる危険が急激に高まるためである。基板の中央部と周辺部との厚さの差を１００μｍ以下とするのは、発光素子のプロセス、特にフォトリソグラフィのプロセスを容易にするためである。基板の中央部と周辺部との厚さの差が１００μｍよりも大きいと、フォトリソグラフィのプロセスで、レジストが均一に塗布されなかったり、コンタクト式のマスクアライナでマスクを基板に密着させたときに、基板のエッジがチッピングを起こしたりする原因となる。また、基板面内でマスクパターンの焦点が均一に合わなくなるなどの不具合が生じてしまう。
【００４５】
（基板の導電型、キャリア濃度）
基板の導電型は、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであり、一律に決めることはできないが、例えば、Ｓｉ、Ｓ、Ｏ等をドープしたＮ型や、ＭｇやＺｎ等をドープしたｐ型とすることができる。また、基板のキャリア濃度の絶対値も、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであるから、一律に決めることはできない。しかし、ＬＥＤ用の基板にあっては、裏面電極のコンタクトが容易に取れる程度の導電性基板であることが望ましく、このためには、基板のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上であることが望ましい。特に、ＬＥＤ用の基板のキャリア濃度としては、あまり高すぎても、基板の結晶性を下げ、また透明性を損なう原因にもなるため、５×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下に制御することがより望ましい。
【００４６】
（基板の転位密度）
基板の表面における転位密度は、１×１０８ｃｍ−２以下であることが望ましい。基板上に成長されるエピタキシャル成長層中には、下地基板からの転位が引き継がれることが判明している。エピ層中の転位は、デバイスの特性を阻害し、信頼性を低下させる要因となる。主に短波長、高出力のＬＥＤやＬＤ用途に使用する際に、これらのデバイスの特性を劣化させず、また、信頼性を保つ観点から、エピ層中の転位密度、即ち基板表面の転位密度を１×１０８ｃｍ−２以下にすることが望ましい。
【００４７】
（基板の材料）
本実施形態の基板の材料としては、ＧａＮのみならず、一般式：ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すIII−Ｖ族窒化物系半導体を用いることができる。III−Ｖ族窒化物系半導体結晶には、ＧａＮを始めとしてＡｌＧａＮやＩｎＮ、また、これらの混晶が実用に供されている。基板という観点で見たとき、ある程度の大口径でかつ厚みの厚い結晶を容易に得ることができ、また、ホモエピタキシャル成長も容易なのがＧａＮであるが、これ以外には、ＡｌＮやＡｌＧａＮの基板が使い勝手の点で有利である。また、これらの基板表面は(0001)のIII族面であることが望ましい。ＧａＮ系の結晶は極性が強く、III族面の方がＶ族面（窒素面）より化学的及び熱的に安定で、デバイスの作製が容易であるからである。
【００４８】
（基板の製造方法）
本実施形態の基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる。
ＧａＮ系半導体単結晶は、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長）により成長することが望ましい。これは、ＨＶＰＥ法は結晶成長速度が速く、厚膜成長を必要とする基板の作製に適するからである。また、ＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する方法には、ボイド形成剥離法（ＶＡＳ法）を用いることができる。ＶＡＳ法は、大口径の基板を再現良く剥離することが可能で、かつ、低転位で特性の均一なＧａＮ系自立基板を得ることができるという点で優れている。異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する手法を用いるのは、現状、直径φ２インチ以上でかつハンドリングに耐える十分な厚さを有するＧａＮ系自立基板の成長方法は、ＶＡＳ法や、ＦＩＥＬＯ法にレーザーリフトオフ法を組み合わせたような手法に限られているためである。また、この手法であれば、アズグロウンの状態でもＬＥＤ用のエピ層を直接成長するのに十分足る表面モフォロジを持った結晶を成長させることができる。
【００４９】
（ＧａＮ系発光素子）
本実施形態のＧａＮ系自立基板は、その上にＭＯＶＰＥ法でIII−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させ、発光ダイオードを製造する用途に適している。アズグロウンの表面を持つ基板は、前述のようにヒロックなどの凹凸を有するモフォロジとなるため、微細なフォトリソグラフィプロセスを必要とするＬＤの製造よりも、ＬＥＤの製造が好ましい。ＬＥＤの製造には、基板表面に対する平坦性がＬＤほど要求されておらず、それよりも基板単価を下げることが重要であり、これを満足することのできるアズグロウン表面基板が好適である。ＬＥＤのエピタキシャル成長にＭＯＶＰＥ法を用いるのが望ましいのは、高発光出力を達成するエピの成長技術が確立されているからである。本実施形態のＧａＮ系自立基板を用いて、ＩｎＧａＮ層を含むＭＱＷ構造のＬＥＤを製造することにより、基板面内での素子の発光波長ばらつきを大幅に低減することが可能となる。
【実施例１】
【００５０】
（表面がアズグロウンで裏面が研磨されたＧａＮ自立基板の製造）
図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した。
まず、直径２インチ径のＣ面ジャストサファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、２０ｎｍの低温成長ＧａＮバッファ層を介してＳｉドープＧａＮ層３を０．５μｍ成長させた（ａ）。成長条件は、圧力を常圧とし、バッファ層成長時の基板温度を６００℃、エピ層成長時の基板温度を１１００℃とした。原料は、III族原料としてＴＭＧを、Ｖ族原料としてＮＨ３を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は４μｍ／ｈとした。エピ層のキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３とした。
【００５１】
次に、このＳｉドープＧａＮ層３上に、金属Ｔｉ薄膜５を２０ｎｍの厚さに蒸着した（ｂ）。こうして得られた基板を電気炉に入れ、２０％のＮＨ３を含有するＨ２気流中において１０５０℃で２０分間熱処理した。その結果、ＧａＮ層３の一部がエッチングされて高密度の空隙層（ボイド層）６が発生し、またＴｉ層は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたＴｉＮ層７に変化した（ｃ）。
【００５２】
この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、キャリアガス中に８×１０−３ａｔｍのＧａＣｌ及び４．８×１０−２ａｔｍのＮＨ３からなる原料ガスを含有する供給ガス用いて、ＧａＮ層８を６００μｍの厚さに成長させた（ｄ）。ここで、キャリアガスは、Ｈ２を５％含有するＮ２ガスを用いた。ＧａＮ層の成長条件は、常圧及び１０８０℃の基板温度とした。またＧａＮ結晶の成長工程において、ドーピング原料ガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を基板領域に供給することによりＳｉをドープした。成長が終了した後、ＨＶＰＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層８はボイド層６を境に下地基板から自然に剥離し、ＧａＮの自立基板が得られた。
【００５３】
得られたＧａＮ自立基板９は、裏面側に凸向きに反りを生じており、表面は、裏面の反りの形状を反映した凹面形状になっていた（ｅ）。即ち、この時点におけるＧａＮの自立基板９の膜厚面内分布は、ほぼ均一になっていた。次に、得られたＧａＮ自立基板９の裏面を、ダイヤモンドスラリーにて金属定盤上でラップ研磨し、平坦化した。その結果、中央部が薄く、周辺部が厚い膜厚分布を持つＧａＮ自立基板１０が得られた（ｆ）。基板の厚さをダイヤルゲージで測定したところ、基板中央部では３０５μｍ、基板外周の最も厚い部分では３６５μｍであった。
【００５４】
この基板の裏面（平坦面）を基準面にして、基板表面におけるＣ軸の傾き分布をＸ線回折測定により求めた。基板面内５点で測定したＣ軸の傾きは、基板の反りを反映して、いずれも基板の中央部を向くような分布を持っており、面内で±０.３°のばらつきがあることが分かった。
【００５５】
図２は、このＧａＮ自立基板１０について、測定により得られたＣ軸の傾き分布の様子を示すものである。図中の矢印は、その地点における結晶のＣ軸の傾きを示すベクトルであり、矢印の向きが傾きの方向、矢印の長さが傾きの大きさを表している。
【００５６】
裏面の平坦面に対して結晶のＣ軸は、図２に示すような傾き分布を生じていたが、基板の表面も凹面に反っていることから、測定点におけるＣ軸の方向は、基板表面に対しては、基板のどの位置を取っても、常に垂直であった。この関係を、図３に基づいて説明する。
【００５７】
図３は、ＧａＮ自立基板１０について、測定したＣ軸の傾きと基板との関係を示すものである。この図に示すように、基板表面１０ａで測定したＧａＮ結晶のＣ軸の方向は、基板裏面１０ｂに対して傾きを持っており、測定点毎にこの傾きの大きさ、方向は異なっていた。しかし、測定点における基板表面１０ａの接面に対しては、Ｃ軸の方向は、どの測定点においても、常に垂直という関係が保たれていた。
【００５８】
このＧａＮ自立基板１０の転位密度を、カソードルミネッセンスによるダークスポットの密度で評価したところ、基板の中央部で３.５×１０６ｃｍ−２、面内９点の平均で４.２×１０６ｃｍ−２であった。また、ＧａＮ自立基板１０のキャリア濃度を、渦電流測定で得られた基板のシート抵抗、及び、移動度と基板の厚さから計算により求めたところ、３.０×１０１８ｃｍ−３という値が得られた。
【実施例２】
【００５９】
（青色ＬＥＤ用エピタキシャル層の形成）
実施例１で得られたＧａＮ自立基板１０上に、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いて青色ＬＥＤ用エピタキシャル層を形成した。
図４に、形成したエピタキシャル層構成を示す。成長した層は、ＧａＮ自立基板１０側から順に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層２１、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０.１５ＧａＮクラッド層２２、３周期のＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層２３、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０.１５ＧａＮクラッド層２４、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０.１０ＧａＮクラッド層２５、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６である。
【００６０】
次に、このＬＥＤエピタキシャル層のＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行った。ＰＬの発光波長は、面内で最大±２ｎｍのばらつきを持っていたが、次に説明する比較例と対比しても、ばらつきの程度としては十分に小さいものであった。
［比較例］
【００６１】
（両面が研磨されたＧａＮ自立基板の製造）
実施例１と同様の方法で得られたＧａＮ自立基板１０の表面を、ダイヤモンドスラリーを用いてラップ、ポリシュ研磨し、鏡面に仕上げた。この段階で、ＧａＮ自立基板は、表裏面とも平坦な形状となったが、結晶のＣ軸の傾きは、実施例１と同様に存在していた。即ち、比較例では、表面が平坦に研磨加工されたことから、基板表面とＣ軸の成す角度が基板面内で±０.３°のばらつきを有していることになる。
【００６２】
両面を平坦に研磨加工したこの基板の表面に、実施例２と同様のＬＥＤ構造エピタキシャル層を成長し、ＰＬ発光波長の基板面内分布を調べたところ、面内で最大±８.５ｎｍのばらつきを有していた。
【実施例３】
【００６３】
（表面がアズグロウンで裏面が研磨された、オフ角を有するＧａＮ自立基板の製造）
図５に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した。
まず、ｍ軸方向に０.３５°のオフ角を有する市販の直径２.５インチ径の単結晶Ｃ面サファイア基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ＴＮＧとＮＨ３を原料として、アンドープＧａＮ層１３を３００ｎｍ成長させた（ａ）。
【００６４】
次に、このアンドープＧａＮ層１３上に、金属Ｔｉ薄膜１５を２５ｎｍの厚さに蒸着した（ｂ）。こうして得られた基板を電気炉に入れ、２０％のＮＨ３を含有するＨ２気流中において１０００℃で２５分間熱処理した。その結果、ＧａＮ層１３の一部がエッチングされて高密度の空隙層（ボイド層）１６が発生し、またＴｉ層は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたＴｉＮ層１７に変化した（ｃ）。
【００６５】
この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、その上にＧａＮ層１８を５００μｍの厚さに成長させた（ｄ）。成長に用いた原料はＮＨ３とＧａＣｌで、キャリアガスは、Ｎ２とＨ２の混合ガスを用いた。ＧａＮ層の成長条件は、常圧及び１０４０℃の基板温度とした。ＨＶＰＥの結晶成長速度は、約１２０μｍ／ｈであった。ＧａＮ層１８は成長終了後の降温過程において、ボイド層１６を境にサファイア基板１から剥離し、ＧａＮの自立基板が得られた。
【００６６】
得られたＧａＮ自立基板１９は、裏面側に凸向きに反りを生じており、表面は裏面の反りの形状を反映した凹面形状になっていた（ｅ）。
【００６７】
次に、得られたＧａＮ自立基板１９の裏面を、ダイヤモンド砥石の研削機を用いて平坦化し、加工歪を除去するために、加熱した水酸化カリウム溶液中に浸して裏面をわずかにエッチングした。また、面取り機を使って、基板の外径をφ５０.８ｍｍに整形した。その結果、中央部が薄く、周辺部が厚い膜厚分布を持つ、直径２インチのＧａＮ自立基板２０が得られた。ＧａＮ自立基板２０の厚さをダイヤルゲージで測定したところ、基板中央部では３１８μｍ、基板外周の最も厚い部分では３４５μｍであった。
【００６８】
この基板の裏面（平坦面）を基準面にして、基板表面におけるＣ軸の傾き分布をＸ線回折測定により求めた。基板面内５点で測定したＣ軸の傾きは、下地サファイアのオフ角と基板の反りを反映して、いずれも基板の外周側の一点を向くような分布を持っており、面内で＋０.３５°〜＋０.６５°のばらつきがあることが分かった。
【００６９】
図６は、このＧａＮ自立基板２０について、測定により得られたＣ軸の傾き分布の様子を示すものである。図中の矢印は、その地点における結晶のＣ軸の傾きを示すベクトルであり、矢印の向きが傾きの方向、矢印の長さが傾きの大きさを表している。
【００７０】
裏面の平坦面に対して結晶のＣ軸は、図６に示すような傾き分布を生じていたが、基板の表面も凹面に反っていることから、測定点におけるＣ軸の方向は、基板表面に対しては、基板のどの位置を取っても、常にほぼ０.５°と一定の傾きを持っていた。この関係を、図７に基づいて説明する。
【００７１】
図７は、ＧａＮ自立基板２０について、測定したＣ軸の傾きと基板との関係を示すものである。この図に示すように、基板表面２０ａで測定したＧａＮ結晶のＣ軸の方向は、基板裏面２０ｂに対して傾きを持っており、測定点毎にこの傾きの大きさ、方向は異なっていた。しかし、測定点における基板表面２０ａの接面に対しては、Ｃ軸の方向は、どの測定点においても、常にほぼ一定という関係が保たれていた。
【００７２】
この基板の転位密度を、カソードルミネッセンスによるダークスポットの密度で評価したところ、基板の中央部で２.５×１０６ｃｍ−２、面内９点の平均で２.１×１０６ｃｍ−２であった。また、基板のキャリア濃度を渦電流測定で得られた基板のシート抵抗、及び移動度と基板の厚さから計算により求めたところ、９.１×１０１７ｃｍ−３という値が得られた。実施例３では、結晶をＨＶＰＥ法で成長する際に、特にドーピングガスを流すことはしなかったが、炉の構成部材である石英からＳｉがオートドープされるため、このような高いキャリア濃度を示した。
［他の実施形態］
【００７３】
以上、本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、実施例においてはＧａＮ結晶成長をＨＶＰＥ法で行ったが、ＧａＮ結晶成長の一部にＭＯＶＰＥ法を組合せても良い。
【００７４】
また、結晶成長の初期又は途中の段階で、結晶成長界面に複数の凹凸を出しながら成長を行わせるために、ＳｉＯ２等のマスクを用いる周知のＥＬＯ技術を組合せて用いても良い。
【００７５】
また、実施例では下地基板にサファイア基板を用いたが、ＧａＡｓやＳｉ、ＺｒＢ２、ＺｎＯ等のように、従来ＧａＮ系エピタキシャル層用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。
【００７６】
更に、実施例ではＳｉドープのＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、アンドープや他のドーパント、例えばＭｇやＦｅ、Ｓ、Ｏ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｅ等をドープしたＧａＮの自立基板に適用することもできる。
【００７７】
また、実施例ではＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、勿論ＡｌＧａＮの自立基板に適用することもできる。
【００７８】
なお、実施例では、基板が表側に向けて凹面に反っている例を説明したが、仮に基板が表側に向けて凸面に反る場合であっても、本発明を適用可能である。この場合は、実施例で記載した、基板の中央と周辺での膜厚の関係を逆にして考えれば良いだけである。
【００７９】
また、本発明はIII−Ｖ族窒化物系半導体（ＧａＮ等）の自立基板に適用されるが、本発明の技術的思想は下地基板をつけたままのＧａＮ系エピタキシャル基板（テンプレート）にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施例１に係るＧａＮ自立基板の製造方法を示す模式図である。
【図２】実施例１に係るＧａＮ自立基板中のＣ軸の傾きの方向と大きさを示す平面図である。
【図３】実施例１に係るＧａＮ自立基板のＣ軸の傾きと基板との関係を示す模式図である。
【図４】実施例２に係るＬＥＤエピ構造を示す断面図である。
【図５】実施例３に係るＧａＮ自立基板の製造方法を示す模式図である。
【図６】実施例３に係るＧａＮ自立基板中のＣ軸の傾きの方向と大きさを示す平面図である。
【図７】実施例３に係るＧａＮ自立基板のＣ軸の傾きと基板との関係を示す模式図である。
【図８】ＧａＮ基板とＣ軸方向との関係を示す模式図であり、（ａ）は理想的なＧａＮ基板の結晶方位分布、（ｂ）は実際上のＧａＮ基板の結晶方位分布、（ｃ）は（ｂ）を研磨後のＧａＮ基板の結晶方位分布、（ｄ）は実際上のＧａＮ基板の結晶方位分布（膜厚分布が中央が厚く外周部が薄い場合）、（ｅ）は実際上のＧａＮ基板の結晶方位分布（膜厚分布を中央がやや厚くなるように制御した場合）である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１１  サファイア基板
３  ＳｉドープＧａＮ層
５，１５  Ｔｉ薄膜
６，１６  ボイド層
７，１７  ＴｉＮ層
８，１８  ＧａＮ層
９，１９  ＧａＮ自立基板
１０，２０  ＧａＮ自立基板
１０ａ  基板表面
１０ｂ  基板裏面
１３  アンドープＧａＮ層
２１  ｎ型ＧａＮバッファ層
２２  ｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮクラッド層
２３  ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層
２４  ｐ型Ａｌ０．１５ＧａＮクラッド層
２５  ｐ型Ａｌ０．１０ＧａＮクラッド層
２６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１，３３，３５，３７，３９  ＧａＮ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004696935.tif 000006
【図６】
0004696935.tif 000007
【図７】
0004696935.tif 000008
【図８】
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