(57)【要約】【課題】  ＧａＮ結晶成長におけるピット径の増大を抑制して、基板取得率の高いＧａＮ結晶基板が得られるＧａＮ結晶基板の製造方法を提供する。【解決手段】  下地基板１の上に気相成長法によってＧａＮ結晶４を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、上記ＧａＮ結晶４を成長させる工程において、ファセット面５Ｆを有するピット６を結晶成長面に形成し、ピット６のピット径増加率を２０％以下とすることを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法。【選択図】        図１
2005209803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成し、前記ピットのピット径増加率を２０％以下とすることを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法。
【請求項２】
下地基板の上に開口窓を有するマスク層を形成する工程と、前記マスク層の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程とを含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成し、前記ピットのピット径増加率を２０％以下とすることを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法。
【請求項３】
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、さらに前記ＧａＮ結晶の成長温度が１０００℃以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＧａＮ結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ（ＬＤ）などの発光デバイスなどに用いられるＧａＮ単結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるＬＥＤ、ＬＤなどの発光デバイスの基板に適した大型で転位密度の低いＧａＮ結晶基板の製造方法として、下地基板の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる際に、ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成し、ピットのファセット面の境界線上で転位を閉じ込めまたは転位を消滅させて、大型で転位密度の小さいＧａＮ結晶基板を成長させる方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、上記ＧａＮ結晶基板の製造方法において、ＧａＮ結晶の成長とともに上記ピットが成長してピット径が大きくなり、成長させたＧａＮ結晶を薄板状に切り出してＧａＮ結晶基板として得られる有効ＧａＮ結晶部分が少なくなるという問題が生じた。
【特許文献１】特開２００１−１０２３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記状況に鑑み、本発明は、ＧａＮ結晶成長におけるピット径の増大を抑制して、成長させたＧａＮ結晶を薄板状に切り出してＧａＮ結晶基板とできる有効ＧａＮ結晶部分を増大させることにより、効率的に多くのＧａＮ結晶基板が得られる（すなわち基板取得率の高い）ＧａＮ結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を解決するため、本発明は、下地基板の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、上記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成し、ピットのピット径増加率を２０％以下とすることを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法である。
【０００６】
また、本発明は、下地基板の上に開口窓を有するマスク層を形成する工程と、マスク層の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程とを含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成し、前記ピットのピット径増加率を２０％以下とすることを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法。
【０００７】
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の製造方法において、ＧａＮ結晶を成長させる工程におけるＧａＮ結晶の成長温度が１０００℃以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように、本発明によれば、ＧａＮ結晶成長におけるピット径の増大を抑制して、基板取得率の高いＧａＮ結晶基板が得られるＧａＮ結晶基板の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の一の製造方法は、図１を参照して、下地基板１の上に気相成長法によってＧａＮ結晶４を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、上記ＧａＮ結晶４を成長させる工程において、ファセット面５Ｆを有するピット６を結晶成長面４Ａに形成し、このピット６のピット径増加率を２０％以下とするものである。ピット径の増加率を２０％以下とすることにより、ＧａＮ結晶の厚さが大きくなってもピット径の増大を抑制することができ、ＧａＮ結晶を厚さＨ（μｍ）まで成長させたときにＧａＮ結晶基板として切り出せるＧａＮ結晶の有効厚さＨe（μｍ）を大きくすることにより基板取得率を向上することができる。
【００１０】
ここで、下地基板としては、特に制限はないが、ＧａＮ結晶と格子不整合のない同種基板であるＧａＮ基板、格子不整合の小さい異種基板であるＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板などが好ましく用いられる。また、下地基板は１層構造に限られず、たとえば異種基板であるサファイア基板、ＳｉＣ基板上にＧａＮ層を形成させたものは同種基板として用いることができる。下地基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板などの異種基板を用いる場合は、格子不整合を緩和してＧａＮ結晶の転位密度を下げるために、図２を参照して、下地基板１の上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程において、まず下地基板１の上に気相成長法によりＧａＮのアモルファス層であるＧａＮバッファ層３を形成させた後、このＧａＮバッファ層３の上に気相成長法によりＧａＮ結晶４を成長させることが好ましい。
【００１１】
気相成長法としては、特に制限はなく、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（Metal-organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相堆積）法、ＭＯＣ（Metal-organic Chloride Vapor Phase Epitaxy；有機金属塩化物気相成長）法、昇華法などが挙げられる。これらの中で、厚いＧａＮ基板を得るためには、成長速度の大きいＨＶＰＥ法が好ましく用いられる。
【００１２】
ファセット面とは、結晶の成長方向に垂直な面（成長面）以外の面をいう。ここではｃ軸方向に成長させているためｃ面が成長面となり、ｃ面以外はファセット面となる。ＧａＮ結晶は、６方晶系であるため、成長面であるｃ面は（０００１）で表わされる。ＧａＮ結晶において出現頻度の高いファセット面は、｛１−２１２｝、｛１−２１１｝、｛ｎ−２ｎｎｋ｝（ｎ、ｋは整数）、｛１−１０１｝、｛１−１０２｝、｛ｎ−ｎ０ｋ｝（ｎ、ｋは整数）の各面であり、中でも｛１−２１２｝面が代表的なファセット面である。なお、｛１−２１２｝などの表示は、集合的な表示であって、たとえば、｛１−２１２｝面は、（１−２１２）、（２−１−１２）、（１１−２２）、（−１２−１２）、（−２１１２）、（−１−１２２）の６つの個別面を含む。
【００１３】
ここで、上記ファセット面を有するピットを結晶成長面に形成して結晶成長を行なうことにより結晶の転位密度が小さくなる理由を説明する。図６を参照して、ＧａＮ結晶成長の際に結晶成長面５にファセット面５Ｆとして｛１−２１２｝面を有する逆六角錐ＱＲＳＴＵＶ−Ｐ形状のピット６が形成された場合を考える。ファセット面５ＦにおけるＧａＮ結晶の成長方向Ｆａ、Ｆｂおよび転位進行方Ｄａ、Ｄｂ向は、ファセット面に立てた法線を底面に投影した方向であり、図６および図７に示すように、これらの転位は内側に収束する。この結果、ＧａＮ結晶の転位はファセット面境界線５Ｍに収束され、ファセット面境界線５Ｍの転位（転位進行方向Ｄｍ）はさらにファセット面中心点５Ｐに収束され、それ以外の部分の転位が減少する。また、ファセット面境界線５Ｍおよびファセット面中心点５Ｐに収束された転位は、互いの相互作用によって大部分が消滅するため、ＧａＮ結晶の成長とともに転位密度が減少する。かかる機構により、転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の良質なＧａＮ結晶が得られる。
【００１４】
結晶成長面に上記ファセット面を有するピットの形成は、たとえば、成長温度、成長速度、原料ガス分圧などの結晶の成長条件に依存する。たとえば、成長温度が低いほど、成長速度を上げるほど、原料ガスの分圧を上げるほど上記ピットの形成が促進される傾向にある。
【００１５】
たとえば、ＨＶＰＥ法において、上記ファセット面を有するピットを形成してＧａＮ結晶を成長させるためには、成長温度を８５０℃〜１１００℃程度、成長速度を５０μｍ／ｈｒ〜２００μｍ／ｈｒ程度、ＧａＣｌガス分圧を０．５ｋＰａ〜４ｋＰａ程度、ＮＨ3ガス分圧を５ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に設定することが好ましい。
【００１６】
本発明においては、上記ピットのピット径増加率を２０％以下とする。ここで、ピット径増加率とは、ＧａＮ結晶の厚さに対するピット径の増加率をいい、図１を参照して、ＧａＮ結晶の厚さをＨ（μｍ）、ピット径をＬ（μｍ）とすると、ピット径の増加率（％）は下式（１）で定義される。
【００１７】
ピット径増加率（％）＝１００×Ｌ／Ｈ              （１）
ピット径増加率を２０％以下とすることにより、ＧａＮ結晶からより多くのＧａＮ結晶基板を得ることができる。たとえば、図１においてはピット径増加率が２０％のＧａＮ結晶４を、図５においてはピット径増加率が４０％のＧａＮ結晶４を示す。いずれも同じ厚さＨ（μｍ）まで成長させたときに、ＧａＮ結晶基板として取り出せるＧａＮ結晶の有効厚さＨe（μｍ）は、ピット径増加率の小さい図１のＧａＮ結晶が大きくなる。かかる観点から、ピット径増加率は１０％以下が好ましい。なお、ここでピット径増加率とは、ＧａＮ結晶の成長の際に結晶成長面に形成される各ピットにおけるピット径増加率の平均値をいう。
【００１８】
すなわち、ＧａＮ結晶を厚さＨ（μｍ）まで成長させたときのＧａＮ結晶基板として切り出せるＧａＮ結晶の有効厚さをＨe（μｍ）とするとき、基板取得率（％）を下式（２）で定義すると、ピット径増加率が小さくなると基板取得率が向上することがわかる。
【００１９】
基板取得率（％）＝１００×Ｈe／Ｈ                （２）
ここで、ピット径が大きくなる理由として、図６を参照してＣ面とファセット面とのなす角をθとするときＣ面の成長速度ＶＣがファセット面の成長速度ＶＦに対してＶＣ＞ＶＦｓｉｎθとなること、大きくなったピットが合体してより大きなピットが形成されることなどが挙げられる。
【００２０】
すなわち、ピット径増加率を低減するためには、ファセット面の成長速度に対するＣ面の成長速度を小さくしてＶＣ≦ＶＦｓｉｎθとすること、ピットが合体するような結晶成長エネルギーを与えないことが有効な方法である。このためには、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、ＧａＮ結晶の成長温度が１０００℃以下であることが好ましい。ＧａＮ結晶の成長温度を下げることにより、ファセット面の成長速度に対するＣ面の成長速度を下げるとともに、結晶成長エネルギーが小さくなりピットの合体が抑制されるため、ピット径増加率を小さくすることができる。ＧａＮ結晶の成長温度を１０００℃以下とすることにより、容易にピット径増加率を２０％以下にすることができる。かかる観点から、ＧａＮ結晶の成長温度が９５０℃以下であることがより好ましく、９００℃以下であることがさらに好ましい。
【００２１】
また、ＧａＮ結晶の成長温度を下げることに伴い、ＧａＮ結晶の成長速度は小さいことが好ましい。ＧａＮ結晶の成長速度は１５０μｍ／ｈｒ以下が好ましく、１２０μｍ／ｈｒ以下がより好ましく、１００μｍ／ｈｒ以下がさらに好ましい。
【００２２】
また、ＧａＮ結晶の成長速度を小さくする観点から、ＧａＮ結晶を成長させる際の原料ガスの分圧は小さいことが好ましい。ＨＶＰＥ法においては、ＧａＣｌガス分圧は０．５ｋＰａ〜２．０ｋＰａ以下が好ましく、０．５ｋＰａ〜１．５ｋＰａがより好ましい。ＮＨ3ガス分圧は、５ｋＰａ〜１５ｋＰａが好ましく、５ｋＰａ〜１０ｋＰａがより好ましい。
【００２３】
また、本発明にかかるＧａＮ結晶基板の他の製造方法は、図３を参照して、下地基板１の上に開口窓を有するマスク層２を形成する工程と、マスク層２の上に気相成長法によってＧａＮ結晶４を成長させる工程とを含むＧａＮ結晶基板の製造方法であって、上記ＧａＮ結晶４を成長させる工程において、ファセット面５Ｆを有するピット６を結晶成長面５Ａに形成し、このピット６のピット径増加率を２０％以下とするものである。下地基板の上に形成された開口窓を有するマスク層の上にＧａＮ結晶を成長させると、マスク層はＧａＮ結晶の成長を抑制する作用を有するため、ＧａＮ結晶はマスク層２の開口窓下の下地基板１上から成長が始まり、マスク層を覆うように成長していくため、下地基板の転位の影響を小さくすることができ、ＧａＮ結晶の転位をさらに小さくすることができる。
【００２４】
この場合においても、下地基板としては、特に制限はなく、ＧａＮ結晶と格子不整合のない同種基板であるＧａＮ基板、格子不整合の小さい異種基板であるサファイア基板、ＳｉＣ基板などが好ましく用いられる。下地基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板などの異種基板を用いる場合は、格子不整合を緩和してＧａＮ結晶の転位密度を下げるために、図４を参照して、下地基板１の上に開口窓を有するマスク層２を形成する工程の後、この開口窓を有するマスク層２上に気相成長法によってＧａＮ結晶を成長させる工程において、まずマスク層２の開口窓下の下地基板１上に気相成長法により、ＧａＮのアモルファス層であるＧａＮバッファ層３を形成させた後、このＧａＮバッファ層３およびマスク層２の上に気相成長法によりＧａＮ結晶４を成長させることが好ましい。
【００２５】
開口窓を有するマスク層の形成は、下地基板にマスク材料を被覆した後、フォトリソグラフィにより開口窓を設けることにより行なう。ここで、マスク材料としては、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などが挙げられる。
【００２６】
マスク層の開口窓の設け方にも、特に制限はなく、ドット形状、ストライプ形状いずれを採用することも可能である。ドット形状とは、円形、正方形などの孤立した点が規則的に分布するものをいい、ＧａＮ結晶をＣ面方向に成長させる場合には隣接する３つの開口窓が正三角形の頂点となるように配列することが好ましい。ストライプ形状とは、多数の平行帯状の被覆部と開口窓部を交互に設けるものをいう。
【００２７】
図３を参照して、マスク層２における隣接する開口窓の間の距離Ｓには、特に制限はないが、ピットの合体を低減してピット径の増加を抑制する観点から、隣接する開口窓の間の距離Ｓが２μｍ以上であることが好ましく、４μｍ以上であることがより好ましい。
【実施例】
【００２８】
（実施例１〜実施例４、比較例１）
図１を参照して、下地基板１として同種基板であるＧａＮ基板を用いて、ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶４の成長を行なった。本実施例で用いたＨＶＰＥ装置は、反応炉の内部にＧａ金属を収容したボートを設け、ＨＣｌガスおよびキャリアガスをボートに向けて導入できるようにし、ボートの下方に下地基板を置き、下地基板の近傍にＮＨ3ガスおよびキャリアガスが導入できるようにされている。反応炉の周囲にはヒータが設けられてあり、ボートおよび下地基板を加熱できる。反応炉の下部には排気口が設けられており、減圧ポンプによって減圧される。８５０℃以上に加熱されたボート内のＧａ融液とＨＣｌガスが反応してＧａＣｌガスが生成し、ＧａＣｌガスとＮＨ3ガスが反応して、下地基板上にＧａＮ結晶を成長させることができる。ここで、キャリアガスとしてＨ2ガスを用いた。
【００２９】
ＨＶＰＥ法により、表１に示す成長温度、ＧａＣｌ分圧、ＮＨ3分圧、成長速度で下地基板の上にＧａＮ結晶を約２ｍｍの厚さに成長させた。さらに、ＧａＮ結晶をワイヤーソーまたは内周刃でスライスし、表面を研磨して所定厚さのＧａＮ結晶基板を得た。ＧａＮ結晶の転位密度、ピット径増加率および基板取得率を表１にまとめた。
【００３０】
（実施例５〜実施例８、比較例２）
図３を参照して、下地基板１として同種基板であるＧａＮ基板を用いて、下地基板の上に開口窓を有するマスク層２を形成した後、マスク層２の上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶４を成長させた。
【００３１】
開口窓を有するマスク層は、ＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍのＳｉＯ2層を形成した後、フォトリソグラフィにより、隣接する３つの開口窓（一辺２μｍの正方形）が正三角形の頂点となるようにドット形状に配列（隣接する開口窓の間の距離が４μｍ）された開口窓を設けることにより、形成した。
【００３２】
ＨＶＰＥ法により、表１に示す成長温度、ＧａＣｌ分圧、ＮＨ3分圧、成長速度で下地基板の上にＧａＮ結晶を約２ｍｍの厚さに成長させた。さらに、ＧａＮ結晶をワイヤーソーまたは内周刃でスライスし、表面を研磨して所定厚さのＧａＮ結晶基板を得た。ＧａＮ結晶の転位密度、ピット径増加率および基板取得率を表１にまとめた。
【００３３】
【表１】
2005209803.tif 000003
【００３４】
（実施例９〜実施例１２、比較例３）
図２を参照して、下地基板１として異種基板であるＧａＡｓ基板を用いて、下地基板１の上にＧａＮバッファ層３を形成した後、さらにＧａＮ結晶４を成長させた。
【００３５】
ＧａＮバッファ層３として、ＨＶＰＥ法により、下地基板１を５００℃に加熱保持して、ＧａＣｌ分圧０．２ｋＰａ、ＮＨ3分圧を１５ｋＰａとして、厚さ約７０ｎｍのＧａＮのアモルファス層を形成した。
【００３６】
ＨＶＰＥ法により、表２に示す成長温度、ＧａＣｌ分圧、ＮＨ3分圧、成長速度で、ＧａＮバッファ層３の上にＧａＮ結晶４を約２ｍｍの厚さに成長させた。さらに、ＧａＡｓ基板を王水中でエッチング除去した後、ＧａＮ結晶をワイヤーソーまたは内周刃でスライスし、表面を研磨して所定厚さのＧａＮ結晶基板を得た。ＧａＮ結晶の表２に示す転位密度、ピット径増加率および基板取得率を表２にまとめた。
【００３７】
（実施例１３〜実施例１６、比較例４）
図４を参照して、下地基板１として異種基板であるＧａＡｓ基板を用いて、下地基板１の上に開口窓を有するマスク層２を形成した後、マスク層２の上にＨＶＰＥ法により、ＧａＮバッファ層を形成し、さらにＧａＮ結晶４を成長させた。
【００３８】
開口窓を有するマスク層２は、実施例４〜実施例６の場合と同様にして形成した。また、ＧａＮバッファ層３は、実施例７〜実施例９の場合と同様にして形成した。下地基板１の上に形成された開口窓を有するマスク層２の上にＧａＮバッファ層３を成長させると、マスク層２はＧａＮバッファ層３の成長を抑制する作用を有するため、ＧａＮバッファ層３は、まずマスク層２の開口窓下の下地基板１上に形成される。本実施例の場合は、マスク層の厚さは１００ｎｍ、ＧａＮバッファ層の厚さは７０ｎｍであるため、ＧａＮバッファ層はマスク層の開口窓部のみに形成されている。
【００３９】
ＨＶＰＥ法により、表２に示す成長温度、ＧａＣｌ分圧、ＮＨ3分圧、成長速度で、ＧａＮバッファ層３の上にＧａＮ結晶４を約２ｍｍの厚さに成長させた。さらに、ＧａＡｓ基板を王水中でエッチング除去した後、ＧａＮ結晶をワイヤーソーまたは内周刃でスライスし、表面を研磨して所定厚さのＧａＮ結晶基板を得た。ＧａＮ結晶の表２に示す転位密度、ピット径増加率および基板取得率を表２にまとめた。
【００４０】
【表２】
2005209803.tif 000004
【００４１】
表１および表２から明らかなように、ピット径増加率が２０％以下のとき基板取得率は８３％以上となり、ピット径増加率が１０％以下のとき基板取得率は９１％以上となり、ピット径増加率を低減することにより、基板取得率が向上した。また、開口窓を有するマスク層を設けることによって、ＧａＮ結晶の転位がさらに抑制された。
【００４２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
上記のように、本発明は、効率的に多くのＧａＮ結晶基板を得るために、ＧａＮ結晶基板の製造方法として広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかるＧａＮ結晶基板の一の製造方法を示す概略断面図である。
【図２】本発明にかかるＧａＮ結晶基板の別の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】本発明にかかるＧａＮ結晶基板の他の製造方法を示す概略断面図である。
【図４】本発明にかかるＧａＮ結晶基板のさらに他の製造方法を示す概略断面図である。
【図５】ＧａＮ結晶基板の従来の製造方法を示す概略断面図である。
【図６】ＧａＮ結晶の結晶成長面に出現するピットを説明する立体模式図である。
【図７】ＧａＮ結晶の結晶成長面に出現するピットを上面から見た平面模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  下地基板、２  マスク層、３  ＧａＮバッファ層、４  ＧａＮ結晶、５  結晶成長面、５Ｃ  Ｃ面、５Ｆ  ファセット面、５Ｍ  ファセット面境界線、５Ｐ  ファセット面中心点、６  ピット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005209803.tif 000007
【図４】
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【図５】
2005209803.tif 000009
【図６】
2005209803.tif 000010
【図７】
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