(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に、
ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層と
この第一層上に形成される第二層と、
前記第二層上に形成されたＧａＮ層である第三層とを積層させる工程と、
前記第一層、第二層、第三層およびサファイア基板を冷却する工程と、
前記サファイア基板を除去し、少なくとも前記第三層を有するIII族窒化物半導体自立基板を得る工程とを含み、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）により構成され、組成ｘが第一層の組成ａよりも大きく、組成ｘが層厚方向に沿って、前記第三層側に向かって増加する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の前記第二層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、前記第三層側に向かって連続的に増加する組成分布を有する前記第二層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、組成ｘが２段階以上にわたって階段状に増加する組成分布を有する前記第二層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ハイドライド気相成長法を使用し、Ａｌソースボートに供給するＨＣｌガスの供給量を増加させることにより、第二層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記サファイア基板を除去した後、少なくとも前記第三層を有する前記III族窒化物半導体自立基板の表面および裏面を研磨する工程を含むIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、前記第一層として、ＧａＮ層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、膜厚５０μｍ以下の前記第一層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、膜厚１００μｍ以上の前記第三層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程の前段で、前記サファイア基板を、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程での前記サファイア基板の温度よりも低い温度とし、
前記サファイア基板上に低温成長ＧａＮバッファ層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体自立基板の製造方法およびIII族窒化物半導体自立基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ基板上に半導体層を積層した青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）や、青色のレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体素子が使用されている。
このような半導体素子に使用されるＧａＮ基板は、サファイア基板上にＧａＮ層を積層することにより製造されている。
このようなＧａＮ基板は、裏面にサファイア基板が設けられているため、半導体レーザを構成した際に劈開しにくい。これに加え、サファイア基板は絶縁体であるため、半導体素子において、ｐ電極、ｎ電極をいずれもＧａＮ基板上に積層された半導体層側に設けなければならないという課題もある。これにより、半導体素子が大型化してしまう。
そこで、ＧａＮ自立基板を作製することが求められており、例えば、特許文献１に記載された方法が提案されている。
特許文献１では、サファイア基板上にＧａＮを成膜した後、サファイア基板側から研磨をして、ＧａＮ自立基板を得ている。より詳細に説明すると、サファイア基板上にＧａＮを成長させてＨＶＰＥ法により一定の厚さの１次のＧａＮ層を形成する。次に、研磨によりサファイア基板の一部を除去し、１次のＧａＮ層上に２次のＧａＮ層を成長させる。そして、再度、サファイア基板を研磨して除去し、このサファイア基板が完全に除去された１次のＧａＮ層および２次のＧａＮ層上に再び所定の厚さのＧａＮ層を成長させてＧａＮ単結晶を成長させる。そして、最後にＧａＮ単結晶を研磨してＧａＮ自立基板を得る。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１‐１３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、サファイア基板を複数回にわたって研磨しており、サファイア基板の除去に手間を要する。
【０００５】
本発明の目的は、サファイア基板をスムーズに除去できるIII族窒化物半導体自立基板の製造方法、およびIII族窒化物半導体自立基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、サファイア基板上に、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層と、この第一層上に形成される第二層と、前記第二層上に形成されたＧａＮ層である第三層とを積層させる工程と、前記第一層、第二層、第三層およびサファイア基板を冷却する工程と、前記サファイア基板を除去し、少なくとも前記第三層を有するIII族窒化物半導体自立基板を得る工程とを含み、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、変化する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の前記第二層を形成するIII族窒化物半導体自立基板の製造方法が提供される。
【０００７】
ここで、第一層の組成ａが略一定であるとは、組成ａに対し±０．０５程度の変動を含んでいてもよく、±０．０５範囲内の変動があっても一定であるとみなされる。また、組成の値（ａ、１−ａが異なる値である場合には、値の小さいほう）に対して、１０μｍあたり±５％の範囲の変動があってもよい。
また、本発明において、サファイア基板を除去する工程では、サファイア基板に外力を加えて、サファイア基板を除去してもよく、また、外力を加えずに、サファイア基板が自然に分離され、サファイア基板が除去されもよい。
また、サファイア基板は、必ずしもサファイア基板単体で除去される必要はなく、例えば、サファイア基板に第一層の一部、さらには、第二層の一部が付着した状態で除去されてもよい。少なくとも第三層と、サファイア基板とが分離できればよい。
【０００８】
サファイア基板上に、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、変化する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の第二層と、ＧａＮ層である第三層を形成し、その後冷却することにより、サファイア基板にくもの巣上のクラックが入る。
そのため、大きな外力を加えなくても、サファイア基板をスムーズに除去することができ、III族窒化物半導体自立基板を容易に得ることができる。
【０００９】
また、第二層内では、Ａｌ組成が変化しているので、第二層内でミスフィット転位が生じる。第一層〜第三層の格子定数の違いにより、第二層にストレスが加わると、第二層で発生しているミスフィット転位に起因してアレイ状のクラックが発生する。この第二層で発生するアレイ状のクラックにより、第三層に加わる応力が低減されることとなり、第三層でのクラックの発生を低減させることができる。
また、第二層の厚みを３μｍ以上とすることで、第一層から第三層表面への貫通転位の伝播を減少させることができ、第三層表面でのクラックの発生を抑制することもできる。
さらに、本発明では、第二層の厚みを１００μｍ以下としているので、必要以上に第二層を厚く形成せず、製造コストの低減を図ることができる。
また、サファイア基板上に、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、第三層側に向かって増加する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の第二層と、ＧａＮ層である第三層を形成することで、反りが少ないIII族窒化物半導体自立基板を得ることができる。
【００１０】
この際、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、組成ｘが第一層の組成ａよりも大きく、組成ｘが層厚方向に沿って、前記第三層側に向かって増加する前記第二層を形成することが好ましい。
ここで、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、前記第三層側に向かって連続的に増加する組成分布を有する前記第二層を形成してもよい。
組成ｘが第三層に向かって増加する組成分布とすることで、第一層と第二層との界面でのＡｌ組成の差を小さくすることができ、第二層および第一層界面でのＡｌＧａＮの多結晶化を防止することができる。
【００１１】
さらに、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、組成ｘが２段階以上にわたって階段状に増加する組成分布を有する前記第二層を形成してもよい。
組成ｘが２段階以上にわたって階段状に増加する組成分布を有する第二層では、組成ｘが急激に変化する組成不連続界面が形成されることとなる。この組成不連続界面にてミスフィット転位を集中して発生させることができ、これにより、第二層に多数のアレイ状のクラックを確実に生じさせることができる。このアレイ状のクラックは、サファイア基板側に伝播し、サファイア基板にクラックが生じると考えられるため、サファイア基板をより容易に分離することができる。
【００１２】
この際、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、ハイドライド気相成長法を使用し、Ａｌソースボートに供給するＨＣｌガスの供給量を増加させることにより、第二層を形成することが好ましい。
このようにＨＣｌガスの供給量を増加させることにより、発生する塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）の量を増加させることで、組成ｘが増加する組成分布を有する第二層を容易に製造することができる。
【００１３】
さらに、前記サファイア基板を除去した後、少なくとも前記第三層を有する前記III族窒化物半導体自立基板の表面および裏面を研磨してもよい。
第三層表面には結晶成長に伴うモホロジーが存在する。また、III族窒化物半導体自立基板裏面は、サファイア基板との分離面が存在する。そこで、III族窒化物半導体自立基板の表裏面を研磨することで、欠陥の少ないIII族窒化物半導体自立基板を提供することができる。
ここで、III族窒化物半導体自立基板の表裏面を研磨して、第一層、第二層を研磨により除去し、第三層のみをIII族窒化物半導体自立基板として使用してもよい。
【００１４】
第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、前記第一層として、ＧａＮ層を形成することが好ましい。
第一層をＧａＮ層とすることで、第二層は、一対のＧａＮ層に挟まれて配置されることとなる。ＡｌＧａＮやＡｌＮを含む第二層よりも第一層の方が格子定数が大きいため、第一層上に第二層を積層すると反りが生じる。この反りを、第二層よりも格子定数の大きいＧａＮ層である第三層を設けることにより、戻すことができる。これにより、反りがより一層低減されたIII族窒化物半導体自立基板を得ることができる。
【００１５】
さらに、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程では、１００μｍ以上の前記第三層を形成することが好ましい。
第三層の厚みを１００μｍ以上とすれば、第二層のミスフィット転位に起因するクラックや、第二層からの貫通転位が第三層表面にまで達することを防止できる。
また、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程の前段で、前記サファイア基板を、第一層、第二層、第三層を積層させる前記工程での前記サファイア基板の温度よりも低い温度とし、前記サファイア基板上に低温成長ＧａＮバッファ層を形成してもよい。
低温成長ＧａＮバッファ層を形成することで、サファイア基板のみを容易に分離することが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれは、上述したいずれかの製造方法により製造されたIII族窒化物半導体自立基板を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、サファイア基板をスムーズに除去することができるIII族窒化物半導体自立基板の製造方法、さらには、この製造方法により製造されたIII族窒化物半導体自立基板が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、III族窒化物半導体自立基板１は、概ね以下のようにして製造される。
サファイア基板１０上に、
ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層１１と、
この第一層１１上に形成される第二層１２と、
第二層１２上に形成されたＧａＮ層である第三層１３とを積層させる工程と、
第一層１１、第二層１２、第三層１３およびサファイア基板１０を冷却する工程と、
サファイア基板１０を除去し、少なくとも第三層１３を有するIII族窒化物半導体自立基板１を得る工程とを実施する。
第一層１１、第二層１２、第三層１３を積層する前記工程では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、変化する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の第二層１２を形成する。
【００１９】
以下に、III族窒化物半導体自立基板１の製造工程について詳細に説明する。
第一層１１、第二層１２、第三層１３を積層する工程では、図１（Ａ）に示すように、第一層１１〜第三層１３をＨＶＰＥ法により形成する。
まず、はじめに、サファイア基板１０上にＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層１１を形成する。ここで、第一層１１の組成ａが略一定であるとは、組成ａに対し±０．０５程度の変動を含む概念であり、±０．０５範囲内の変動があっても一定であるとみなされる。また、組成の値（ａ、１−ａが異なる値である場合には、値の小さいほう）に対して、１０μｍあたり±５％の範囲の変動があってもよい。
サファイア基板１０上には、０．０１〜１０μｍの低温成長ＧａＮバッファ層Ｂが形成されている。この低温成長ＧａＮバッファ層Ｂは、加熱したサファイア基板１０上にＮＨ３ガスを供給するとともに、ＧａソースボートにＨＣｌガスを供給してＧａＣｌガスを発生させ、ＧａＣｌガスを供給することにより形成される。
なお、低温成長ＧａＮバッファ層Ｂを形成する際のサファイア基板１０の温度は、第一層１１〜第三層１３を積層する際のサファイア基板１０の温度よりも低い。また、低温成長ＧａＮバッファ層Ｂは、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により積層してもよい。
なお、０．００５〜０．５μｍの該低温成長ＧａＮバッファ層を形成し、さらに、この低温成長ＧａＮバッファ層上に引き続いて０．１〜１０μｍの高温成長ＧａＮ層を積層してもよい。この高温ＧａＮ層上に第一層１１を積層する。
【００２０】
第一層１１は、エピタキシャル成長層であり、例えば、ＧａＮ層とすることが好ましい。  この第一層１１の厚みは、０．０１μｍ〜１００μｍである。ただし、第一層１１の結晶性を向上させるためには、１μｍ以上であることが好ましい。また、第一層１１の厚みは５０μｍ以下であることが好ましい。
このような第一層１１は、加熱されたサファイア基板１０上にＮＨ３ガスを供給するとともに、ＧａソースボートにＨＣｌガスを供給してＧａＣｌガスを発生させ、ＧａＣｌガスを供給することにより形成される。
【００２１】
次に、第一層１１上に第二層１２を形成する。
第二層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、変化する組成分布を有する。
本実施形態では、第二層１２の組成ｘは、０<ｘ<１である。
また、第一層１１の組成ａは第一層に接する第二層面の組成ｘより小さく、第三層１３に接する面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなる。さらには、組成ｘは第一層１１側から第三層１３側に向かって増加している。
また、第二層の組成ｘは、層全体にわたって変化していることが好ましい。
【００２２】
ここで、組成ｘは、図２に示すように、２段階以上にわたって階段状に増加していてもよく、また、図３に示すように連続して増加していてもよい。
例えば、階段状に増加する場合には、図２に示すように、第二層１２を５層構成（層１２１〜１２５）とすることができる。例えば、各層１２１〜１２５の組成ｘが第一層１１側から第三層１３側に向かい、０．１ずつ増加するような構成を採用することができる。第一層１１側の層１２１をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、層１２２をＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ、層１２３をＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ、層１２４をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、層１２５をＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎとすることができる。
また、階段状に組成を増加させる場合には、第二層１２を構成する層の数は、２〜３０層が好ましく、なかでも、２〜１５層が特に好ましい。
【００２３】
一方、組成ｘが図３に示すように連続して増加する場合には、Ａｌ原子はＡｌＧａＮ層中に取り込まれやすいため、図３に示すように、Ａｌ供給量を線形に変化させてもＡｌ組成比を示す曲線が湾曲した形状となりやすい。
【００２４】
また、第二層１２の厚みは、３μｍ以上、１００μｍ以下である。なかでも、５μｍ以上であることが好ましい。また、製造コスト等を考慮すると、５０μｍ以下、特に２５μｍ以下であることが好ましい。
このような第二層１２は、第一層１１を積層する場合と同じく、ＧａＣｌを発生させるとともに、ＡｌソースボートにＨＣｌガスを供給して、ＡｌＣｌ３を発生させ、これを第一層１１上に供給する。
ここで、組成ｘは第一層１１側から第三層１３側に向かって増加させるためには、ＨＣｌガスの供給量を徐々に上げ、ＡｌＣｌ３の発生量を徐々に増加させればよい。
なお、第二層１２における組成ｘの変動幅（最も小さい組成ｘと、最も大きな組成ｘとの差）は、０．３以上、０．７以下であることが好ましい。
【００２５】
次に、第二層１２上に第三層１３を形成する。第三層１３は、ＧａＮ層である。この第三層１３の膜厚は、１００μｍ以上である。
このような第三層１３は、ＧａソースボートにＨＣｌガスを供給し、ＧａＣｌを発生させ、これを第二層１２上に供給することで形成される。
【００２６】
以上のようにして、積層される第一層１１〜第三層１３の合計の厚みは、３００μｍ以上である。
次に、第一層１１〜第三層１３とサファイア基板１０とを冷却する。
その後、図１（Ｂ）に示すように、第一層１１〜第三層１３と、サファイア基板１０とを分離する。サファイア基板１０に外力を加えることで、サファイア基板１０を剥離してもよく、また、冷却後、放置するだけで、自然にサファイア基板１０が剥離されてもよい。
また、サファイア基板１０の剥離は、第一層１１とサファイア基板１０との界面で生じてもよく、また、第一層１１、さらには、第二層１２の一部がサファイア基板１０に付着した状態で剥離されてもよい。
【００２７】
その後、分離されたIII族窒化物半導体自立基板１の表裏面を研磨する。III族窒化物半導体自立基板１の第三層１３表面には、結晶成長に伴うモホロジーが存在する。またIII族窒化物半導体自立基板１の裏面には、サファイア基板１０との剥離面がある。これらを除去するために、III族窒化物半導体自立基板１の表裏面を機械研磨（例えば、ダイアモンド両面研磨）し、両面を少なくとも３０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上除去する。
仕上がり厚さを１００〜８００μｍ、さらに好ましくは、１５０〜６００μｍにすることで、加工歩留まりがよく、かつ、厚すぎないIII族窒化物半導体自立基板を得ることができる。
なお、さらなる品質向上のために、機械研磨工程の後に、化学機械研磨（ＣＭＰ）して、表面を０．０１〜２０μｍ除去すれば、デバイス構造作製用のエピタキシャル成長用基板として直ちに使用できるIII族窒化物半導体自立基板１を提供することができる。
ここで、III族窒化物半導体自立基板１は、第一層１１、第二層１２、第三層１３を備えるものであってもよく、また、第二層１２、第三層１３のみを有するものであってもよい。
さらには、III族窒化物半導体自立基板１は、図１（Ｃ）に示すように、第三層１３のみから構成されるものであってもよい。
【００２８】
以下、本実施形態のIII族窒化物半導体自立基板１の製造方法の効果について述べる。
本実施例では、サファイア基板１０上に、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層１１と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１（本実施形態では、０<ｘ<１））層により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、第三層１３側に向かって増加する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の第二層１２と、ＧａＮ層である第三層１３を形成し、その後、冷却することにより、サファイア基板１０にくもの巣上のクラックが入る。
そのため、大きな外力を加えなくても、サファイア基板１０をスムーズに除去することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、第二層１２内では、Ａｌ組成が徐々に変化しているので、第二層１２内でミスフィット転位が生じる。第一層１１〜第三層１３の格子定数の違いにより、第二層１２にストレスが加わると、第二層１２で発生しているミスフィット転位に起因してアレイ状のクラックが発生する。この第二層１２で発生するアレイ状のクラックにより、第三層１３に加わる応力が低減されることとなり、第三層１３でのクラックの発生を低減させることができる。
さらに、第二層の厚みを３μｍ以上とすることで、第一層１１から第三層１３表面への貫通転位の伝播を減少させることができ、第三層１３表面でのクラックの発生をさらに抑制することもできる。
【００３０】
また、本実施形態では、第二層１２の組成ｘを、第三層１３側に向かって増加する組成としている。そのため、第一層１１と第二層１２との界面におけるＡｌ組成の差を小さくすることができる。従って、第一層１１側の組成ｘを大きな値とし、組成ｘを徐々に第三層１３に向かって減少させていく場合にくらべ、第二層１２と第一層１１でのミスフィット転位の発生を抑制できる。
【００３１】
また、第二層１２を、階段状に増加する組成分布を有するものとすれば、第二層１２中には、組成ｘが急激に変化する組成不連続界面が形成されることとなる。この組成不連続界面にてミスフィット転位を集中して発生させることができ、これにより、第二層１２に多数のアレイ状のクラックを確実に生じさせることができる。このアレイ状のクラックは、サファイア基板１０側に伝播し、サファイア基板１０にクラックが生じると考えられるため、サファイア基板１０をより容易に分離することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、組成ｘが第三層１３に向かって増加する第二層１２を形成する際に、Ａｌソースボートに対するＨＣｌガスの供給量を増加させている。これにより、発生するＡｌＣｌ３の量が増加することとなり、第二層１２が形成される。
ここで、ＧａＣｌの発生量を減少させて、組成ｘが第三層１３に向かって増加する第二層１２を形成する方法も考えられるが、ＧａＣｌガスの発生量を正確に減少させることは難しく、所望の組成分布を有する第二層１２を形成することができないおそれがある。
これに対し、本実施形態のように、Ａｌソースボートに対するＨＣｌガスの供給量を増加させる方法を採用すれば、組成ｘが第三層１３に向かって増加する第二層１２を容易に形成することができる。
【００３３】
また、本実施形態では、第三層１３の厚みを１００μｍ以上としている。第三層の厚みを１００μｍ以上とすれば、第二層１２のミスフィット転位に起因するアレイ状のクラックや、第二層１２からの貫通転位が第三層内で削減できる。
【００３４】
さらに、本実施形態では、サファイア基板１０上に低温成長ＧａＮバッファ層Ｂを形成した上に良質の第一層１１、第二層１２、第三層１３を形成することで、低温成長バッファ層Ｂと、サファイア基板１０との界面から、サファイア基板１０が分離される。第一層１１や、第二層１２の一部がサファイア基板１０とともに剥がれることを防止でき、サファイア基板１０のみを容易に除去することができる。低温バッファ層ＢはＨＶＰＥ法で形成して、同一プロセス内で連続的に第一層１１、第二層１２、第三層１３を成長することも可能である。
【００３５】
また、サファイア基板１０上に、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定である第一層１１と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に沿って、第三層１３側に向かって増加する組成分布を有し、厚みが３μｍ以上、１００μｍ以下の第二層１２と、ＧａＮ層である第三層１３を形成することで、反りが少ないIII族窒化物半導体自立基板１を得ることができる。
これに加え、本実施形態では、第一層１１をＧａＮ層としている。そのため、第二層１２は、一対のＧａＮ層に挟まれて配置されることとなる。これにより、反りがよりいっそう低減されたIII族窒化物半導体自立基板１を得ることができる。
【００３６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、第一層１１として、ＧａＮ層を形成したが、第一層１１は、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが略一定であればよい。
また、第三層を１００μｍ以上としたが、これに限らず、第三層は１００μｍ以下であってもよい。
【００３７】
さらに、第一層〜第三層の積層方法は、前記実施形態で示した積層方法に限られず、例えば、ＦＩＥＬＯ（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）法により、第一層を形成した後、第二層、第三層を積層してもよい。
また、前記実施形態では、第一層１１の下方に低温成長バッファ層Ｂを設けたが、第一層を低温成長バッファ層としてもよい。さらには、サファイア基板１０上に低温成長バッファ層Ｂを成長して、その上に成長温度が９００〜１１５０℃で高温成長ＧａＮ層を設けたが、第一層を低温成長バッファ層としてもよい。
さらに、前記実施形態では、第二層１２は、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０<ｘ<１）を有するものとしたが、これに限らず、複数の層のうち、一層がＡｌＮ層や、ＧａＮ層であってもよい。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例では、III族窒化物半導体自立基板をＨＶＰＥ法により製造した。
まず、高純度ガリウム（Ｇａ）を石英製のＧａソースボートの中に充填し、さらに、高純度アルミニウム（Ａｌ）をアルミナ製のＡｌソースボートの中に充填した。そして、Ｇａソースボート、Ａｌソースボートを、水平型石英製リアクタ内の所定配置にそれぞれ配置した
下地基板としてのサファイア基板は、直径２インチの円形で、（０００１）ｃ面で（１０−１０）方向に０．２５°に偏位した面を有するものを用いた。サファイア基板表面には有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法で成長した厚さ２μｍのＧａＮ層があらかじめ形成されている。このようなサファイア基板を、ホルダー上に配置して毎分１０回転させた。
【００３９】
ここで、以下の説明において、ガスの供給量の単位として、標準状態に換算したガスの単位であるＳＣＣＭを用いる。
まず、窒素（Ｎ２）ガスを前記リアクタ内に導入して、リアクタ内の空気を置換した後、窒素を止めた。そして、Ｎ２ガスを１００００ＳＣＣＭ導入し、抵抗ヒーターによってリアクタ内を昇温した。ここでの加熱方法はリアクタを外壁から加熱する所謂ホットウオール法である。
昇温中はＮＨ３ガスを３０００ＳＣＣＭで導入して、ＧａＮ層の分解を防いだ。Ａｌソースボート、Ｇａソースボート、サファイア基板の温度が、それぞれ５００℃、８００℃、１０５０℃に保持されていることを確認した後、ＡｌＧａＮエピタキシャル基板の気相成長を開始した。
【００４０】
はじめに、サファイア基板上に１５００ＳＣＣＭのＮＨ３ガスを供給した。
次に、ＮＨ３ガスの供給量を変えることなく、ＧａソースボートにＨＣｌガスを５０ＳＣＣＭで供給して、ＧａＣｌを５０ＳＣＣＭで生成させた。そして、サファイア基板上にＧａＣｌを供給してエピタキシャル成長を開始した。
ＧａＣｌの供給を１０分間、行なった。これにより、ＧａＮ層である第一層が形成された。第一層の厚みは、１７μｍであった。
【００４１】
次に、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌガスの供給量を変えることなく、ＡｌソースボートにＨＣｌガスを供給してＡｌＣｌ３を生成した。そして、このＡｌＣｌ３をサファイア基板上に供給した。
ＡｌＣｌ３の供給量は、階段状に増加させた。
具体的には、ＨＣｌガスを３０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量１０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
次にＨＣｌガスを６０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量２０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスを９０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量３０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスを１２０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量４０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスを１５０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量５０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスを１８０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量６０ＳＣＣＭ）で２分間供給した。
これにより、６層からなる階段状に組成が変化した第二層が得られた。
第二層の厚みは、１１μｍであった。
【００４２】
その後、ＡｌソースボートへのＨＣｌガスの供給を停止した。ＮＨ３ガスの供給量は、変化させず、Ｇａソースボートに供給するＨＣｌガスを１５０ＳＣＣＭ（ＧａＣｌ供給量１５０ＳＣＣＭ）とし、２時間供給して、一定組成のＧａＮ層を成長させて、第三層を形成した。
第三層の厚みは、６１０μｍであった。
【００４３】
次に、第一層〜第三層が形成されたサファイア基板を、リアクタ内で室温まで冷却した。その後、リアクタから第一層〜第三層が形成されたサファイア基板を取り出した。サファイア基板を裏面側から観察したところ、サファイア基板の表面側（第一層が積層されている側）からクラックが入っているのが確認された。また、サファイア基板上に第一層〜第三層が積層された積層体の反りは曲率半径２６０ｃｍであった。
次に、Ｘ線回折装置を用いて２θ−ω測定により各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から、第一層〜第三層の組成を求めた。
一般に、組成ｃをもつＡｌｃＧａ１−ｃＮの格子定数ｄ（ｃ）は、ＡｌＮの格子定数０．４９８１ｎｍとＧａＮの格子定数０．５１８５ｎｍとの差に基づいて求めることができる。格子定数ｄ（ｃ）と、ＡｌＮの格子定数と、ＧａＮの格子定数との間に、以下の関係が成立する。
ｄ（ｃ）＝０．４９８１＋（０．５１８５−０．４９８１）×（１−ｃ）…（式１）
この式１に基づいて算出した第三層の組成ｃは０であった。すなわち、第三層がＧａＮ層であることが確認できた。
また、式１に基づいて、第二層の各層の組成を求めたところ、第一層側から順に、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、Ａｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎ、Ａｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎ、Ａｌ０．７１Ｇａ０．２９Ｎとなっていた。
【００４４】
次に、以上のような第一層〜第三層が設けられたサファイア基板をピンセットで軽く力を加えたところ、サファイア基板が割れて、サファイア基板のみが分離された。サファイア基板を除去する際の衝撃により、第一層〜第三層の一部に亀裂が入ったが、直径２インチの基板の６分の１程度の大きさの亀裂のないIII族窒化物半導体自立基板を得ることができた。
【００４５】
このようにして得られたIII族窒化物半導体自立基板を光学顕微鏡で観察したところ、第二層にアレイ状のクラックが発生しており、このクラックは、第一層にまで達していた。
一方、第三層表面にはクラックが生じておらず、第二層のクラックは第三層表面にまで達していないことがわかった。
その後、III族窒化物半導体自立基板の表裏面をダイアモンド研磨した。これにより、第一層、第二層が除去され、３００μｍの透明なIII族窒化物半導体自立基板（ＧａＮ自立基板）が得られた。
【００４６】
（実施例２）
ＭＯＣＶＤ法によって低温成長ＧａＮバッファ層が０．０７μｍ形成された（０００１）ｃ面サファイア基板を用意した。そして、このサファイア基板上に実施例１と同様の方法により、第一層〜第三層を積層した。低温成長ＧａＮバッファ層が０．０７μｍ形成された（０００１）ｃ面サファイア基板を使用した点以外は、実施例１と同じである。
サファイア基板を裏面側から観察したところ、サファイア基板の表面側（第一層が積層されている側）からクラックが入っているのが確認された。また、サファイア基板上に第一層〜第三層が積層された積層体の反りは曲率半径３１０ｃｍであった。
実施例１と同様に、第一層〜第三層が設けられたサファイア基板をピンセットで軽く力を加えたところ、サファイア基板が割れサファイア基板のみが分離された。これにより、III族窒化物半導体自立基板を得ることができた。
このようにして得られたIII族窒化物半導体自立基板を光学顕微鏡で観察したところ、第二層にアレイ状のクラックが発生しており、このクラックは、第一層にまで達していた。
一方、第三層表面にはクラックが生じておらず、第二層のクラックは第三層表面にまで達していないことがわかった。
その後、III族窒化物半導体自立基板の表裏面をダイアモンド研磨した。これにより、第一層、第二層が除去され、３００μｍの透明なIII族窒化物半導体自立基板（ＧａＮ自立基板）が得られた。
【００４７】
（比較例１）
実施例１と同様にＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ層が２μｍ形成された（０００１）ｃ面サファイア基板上に第一層を形成した。
次に、第一層上に第二層を形成した。
第二層の製造方法は、以下の通りである。
実施例１と同様にＮＨ３ガスと、ＧａＣｌガスとを供給し、さらに、ＡｌソースボートにＨＣｌガスを供給した。
ＨＣｌガスを６０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量２０ＳＣＣＭ）で1分間供給した。
次に、ＨＣｌガスを１２０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量４０ＳＣＣＭ）で1分間供給した。
このようにして製造される第二層の厚みは、２μｍであった。
その後、実施例１と同様に第三層を形成した。
次に、実施例１と同じく、第一層〜第三層が設けられたサファイア基板を冷却した。
Ｘ線回折装置を用いて２θ−ω測定により各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から、第二層の各層の組成を求めたところ、第一層側から順に、
Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ｎとなっていた。
次に、以上のような第一層〜第三層が設けられたサファイア基板をピンセットで軽く力をくわえたところ、サファイア基板が割れ、サファイア基板が除去された。
このようにして得られたIII族窒化物半導体自立基板を光学顕微鏡で観察したところ、第三層表面にはクラックが生じていた。
【００４８】
（比較例２）
実施例２と同様のＭＯＣＶＤ法によって低温成長ＧａＮバッファ層が０．０７μｍ形成された（０００１）ｃ面サファイア基板上に実施例２と同様に第一層を形成した。
次に、第一層上に第二層を形成した。
ここで、第二層は、組成ｘが一定の層とした。
第二層の製造方法は、以下の通りである。
実施例２と同様にＮＨ３ガスと、ＧａＣｌガスとを供給した。
ＨＣｌガスを９０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量３０ＳＣＣＭ）で４分間供給した。
第二層の厚みは４μｍであった。
その後、実施例と同様の条件で、第三層を積層し、冷却を行なった。
Ｘ線回折装置を用いて２θ−ω測定により各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から、第二層の組成ｘを求めたところ、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎであった。
サファイア基板を裏面側から観察したところ、サファイア基板にクラックが入っていた。また、第二層には、アレイ状のクラックが発生し、それが第三層表面まで伝播して、表面には多くのクラックが発生した。さらに、また、サファイア基板上に第一層〜第三層が積層された積層体の反りは曲率半径４２ｃｍであった。
次に、以上のような第一層〜第三層が設けられたサファイア基板は冷却工程後に数個に割に割れ、ピンセットでつついたところ、さらに細かく割れてしまった。そのため、III族窒化物半導体自立基板を得ることはできなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態にかかるIII族窒化物半導体自立基板の製造工程を示す模式図である。
【図２】実施形態にかかる第一層〜第三層のＡｌ組成比を示す図である。
【図３】実施形態にかかる第一層〜第三層のＡｌ組成比を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    III族窒化物半導体自立基板
１０    サファイア基板
１１    第一層
１２    第二層
１３    第三層
１２１    層
１２２    層
１２３    層
１２４    層
１２５    層
Ｂ    低温成長バッファ層
【図１】
0004689526.tif 000002
【図２】
0004689526.tif 000003
【図３】
0004689526.tif 000004