(57)【要約】【課題】低欠陥密度の窒化ガリウム単結晶基板を製造可能とする。【解決手段】窒化ガリウム単結晶基板１上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴット２（必要により外形加工によって円柱状の窒化ガリウムインゴット３とする）の成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板４ａを、種結晶基板として用い、その種結晶基板である窒化ガリウム単結晶基板１上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴット２を作製し、この新たな窒化ガリウムインゴット２を切り出して窒化ガリウム単結晶基板４を製造する。この製造工程を繰り返し行うことにより、低欠陥の窒化ガリウム単結晶基板が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
【請求項２】
窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出され且つ平坦化された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
【請求項３】
前記新たな窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を次の新たな種結晶基板として、前記結晶成長を繰り返し行うことにより、窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法により製造された窒化ガリウム単結晶基板であって、欠陥密度が１×１０5個／ｃｍ2未満である窒化ガリウム単結晶基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色から紫外域の発光ダイオード用やレーザーダイオード用などの基板として使用される窒化ガリウム単結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム単結晶基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体材料は、バンドギャップが大きく、直接遷移型であるため、短波長発光素子への応用が、盛んに行われている。
【０００３】
窒化物系半導体素子は、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線気相成長法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）などの気相成長法を用いて、下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。
【０００４】
しかし、上記の成長方法により得られた窒化物系半導体素子の窒化物半導体結晶中には、多数の結晶欠陥が存在している。これらの結晶欠陥は、窒化物系半導体系発光素子の特性の悪化、寿命低下の原因になる。このため、結晶欠陥の低下が望まれる。窒化物半導体結晶中の欠陥が多くなる原因としては、窒化物半導体の格子定数と整合する異種の下地基板がないためと考えられる。従って、窒化物半導体と格子定数が整合する窒化ガリウム（ＧａＮ）の自立基板が要望されている。
【０００５】
ＧａＮ自立基板の作製方法は、成長速度が速いことから、ＨＶＰＥ法が主流であり、ＨＶＰＥ法によりサファイア基板上にＧａＮ厚膜を成長させた後、サファイア基板を機械研磨やレーザー剥離法により除去して、ＧａＮ自立基板を作製する方法が知られている。
【０００６】
しかし、上記方法により作製したＧａＮ自立基板には結晶欠陥が多く存在し、結晶欠陥を多く含んだＧａＮ自立基板上に窒化物系半導体素子を作製しても、窒化物系半導体素子は多数の結晶欠陥を含んだものとなってしまう。窒化物系半導体素子中の結晶欠陥を減らすためには、ＧａＮ自立基板の結晶欠陥を減らすことが必要である。結晶欠陥を減らす方法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth、以下単にラテラル成長という）法により、ＧａＮ自立基板の欠陥を減らすことが行われている。
【０００７】
例えば、特許文献１や特許文献２には、ＧａＡｓ基板上にＨＶＰＥ法のラテラル成長によってＧａＮ厚膜を成長し、ＧａＡｓ基板をエッチングで剥がすことでＧａＮ自立基板を得ること、更には、そのＧａＮ基板上にＨＶＰＥ法によってＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長し、エピタキシャル成長したＧａＮインゴットから、軸方向に直角な方向に切り出して複数の自立したＧａＮ基板を得るという提案がある。また、特許文献３には、ＧａＮインゴットを成長方向と平行な面でスライス加工してＧａＮ基板とするという提案がある。
【特許文献１】特開２０００−１２９００号公報
【特許文献２】特開２０００−２２２１２号公報
【特許文献３】特開２００２−２９８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記ＨＶＰＥ法のラテラル成長で得られたアズグロウン（as-grown）のＧａＮ自立基板の内には、欠陥密度が１×１０5個／ｃｍ3を下回る低欠陥領域の部分を有する基板も得られているが、この低欠陥領域の部分は非常に限定された部分であり、以下の問題がある。
【０００９】
（ａ）低欠陥が要求されるレーザー素子の場合には、ＧａＮ自立基板のかなり限定された部分(低欠陥領域部分)でしか、レーザー素子を作ることができない。即ち、ＧａＮ自立基板上に製品となるレーザー素子チップが得られる面積歩留が非常に悪い。
【００１０】
（ｂ）欠陥密度が１×１０5個／ｃｍ2を超えて高い欠陥密度領域の部分までＧａＮ自立基板を活用しようとした場合、それほど低欠陥性は要求されないが、十分な熱放散が必要なハイパワー用ＬＥＤ素子の用途が考えられる。しかし、このような用途でも、レーザー素子の場合と同様に、ＧａＮ自立基板のかなり限定された部分でしかＬＥＤ素子を作ることが出来ず（低欠陥領域でない部分からＬＥＤ素子を作っても、信頼性のないＬＥＤ素子となってしまう）、かなり高コストのＬＥＤ素子となってしまう。
【００１１】
このように、現状の低欠陥と言われているＧａＮ自立基板は、非常に使いにくいものになっている。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、面全体が低欠陥密度のＧａＮ基板を製造することが可能な窒化ガリウム単結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム単結晶基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。
【００１４】
第２の発明は、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出され且つ平坦化された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。
【００１５】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記新たな窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を次の新たな種結晶基板として、前記結晶成長を繰り返し行うことにより、窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。
【００１６】
上記第１〜第３の発明において、前記窒化ガリウムの結晶成長には、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、又はＭＢＥ法などが用いられる。
【００１７】
第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明により製造された窒化ガリウム単結晶基板であって、欠陥密度が１×１０5個／ｃｍ2未満である窒化ガリウム単結晶基板である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの、結晶欠陥の少ない成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、この種結晶基板上に窒化ガリウムの単結晶を成長させているので、低欠陥である窒化ガリウム基板が得られる。特に、新たな窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を次の新たな種結晶基板として、結晶成長を繰り返し行うことにより、面全体が低欠陥である窒化ガリウム単結晶基板を製造することができる。従って、窒化物系レーザーなど低欠陥が要求される素子や、それほど低欠陥性は必要としないが熱放散が重要なハイパワーの窒化物系ＬＥＤなどの製造において、窒化ガリウム基板上の素子の面積歩留を大幅に改善することが可能になり、大幅なコストダウンを実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態の製造工程を示す。まず、初めの種結晶基板となるＧａＮ単結晶基板１（単に、ＧａＮ基板１ともいう）を用意する。この種結晶基板となるＧａＮ単結晶基板１の作製は、例えば、サファイア基板上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜を成長させた後、サファイア基板を除去してＧａＮ単結晶基板１を作製する。或いは、ＧａＡｓ基板上にストライプ窓や円形窓を多数有するマスクを形成し、その上にＨＶＰＥ法によるラテラル成長によって、厚膜のＧａＮ結晶を成長し、その後ＧａＡｓ基板を除去することでＧａＮ単結晶基板１を作製したりしてもよい。
【００２０】
次に、ＧａＮ単結晶基板１上に、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させ（図１（ａ））、数ミリの厚さのＧａＮインゴット２を作製する。ＨＶＰＥ法では、ホットウォール型反応炉内にＧａ融液の貯液容器を設置し、このＧａ融液に塩化水素（ＨＣｌ）ガスとキャリアガスの水素ガスを吹き付けて、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を合成し、合成したＧａＣｌを水素ガスと共にＧａＮ基板１付近に流し、アンモニア（ＮＨ3）と反応させて、加熱したＧａＮ基板１上にＧａＮ結晶を成長させる。ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長には、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法を用いることもできる。
【００２１】
次に、外形研削機を用いた外形加工により、ＧａＮインゴット２の外形を整え（図１（ｂ））、円柱状のＧａＮインゴット３とする。
【００２２】
次に、この円柱状のＧａＮインゴット３を、その軸方向に直角な方向にスライサーなどにより切断し（又は劈開により）、ＧａＮ基板４（ウェハ）を切り出す（図１（ｃ））。この切り出したＧａＮ基板４のうちで、円柱状のＧａＮインゴット３の上半分の部分、すなわちＧａＮインゴット３の後半に成長した部分（成長後半部分）から切り出したＧａＮ基板４のうちの一枚（例えば、図示例では、成長後半部分の二枚のうち、最上部のＧａＮ基板４ａ）を、種結晶基板に選択する（図１（ｄ））。
【００２３】
次いで、上記選択されたＧａＮ基板４ａを種結晶基板として用い、この種結晶基板であるＧａＮ単結晶基板１上に、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させて（図１（ａ））、新たなＧａＮインゴット２を作製する。更に、この新たなＧａＮインゴット２の外形を整えて（図１（ｂ））、円柱状のＧａＮインゴット３とし、円柱状のＧａＮインゴット３を切断してＧａＮ基板４を切り出す（図１（ｃ））。切り出されたＧａＮインゴット３のうちの成長後半部分のＧａＮ基板４の一枚を、新たな種結晶基板に選択する（図１（ｄ））。
【００２４】
以上の工程（図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を１サイクルとする）を繰り返し行う。結晶欠陥の少ないＧａＮインゴットの成長後半部分から切り出したＧａＮ基板４を種結晶基板に用いているので、繰り返し成長を行うにつれて、得られるＧａＮ基板４の欠陥密度が減少して行く。
【００２５】
図３は、上記第１の実施形態（及び後述の第２の実施形態）により作製したＧａＮ基板４（及びＧａＮ基板５）の欠陥密度が、成長回数に伴ってどのように変化するかを調べた結果をプロットしたグラフである。図３から分かるように、成長条件にもよるが、繰り返し成長を行うにつれて欠陥密度が減少して行く。最終的にどのレベルで欠陥密度が飽和ないし収束するのかは分からないが、常に欠陥の少ないＧａＮインゴット３の成長後半部分（上半分）から切り出したＧａＮ基板４（又はＧａＮ基板５）を種結晶に用いることにより、安定して１×１０5個／ｃｍ2を下回る低欠陥なＧａＮ基板１を製造できるようになる。
【００２６】
上記繰り返し成長により、切り出されたＧａＮ基板４の欠陥密度が所定値より低く、例えば１×１０5個／ｃｍ2未満となった以降に、得られたＧａＮ基板４の表面および裏面を、ラッピング・ポリッシング等の研磨（必要により面取り）を施して平坦化し（図１（ｅ））、平坦化されたＧａＮ基板５を完成品（製品）とする（図１（ｆ））。この完成品のＧａＮ基板５は、面全体が低欠陥密度の透明な基板である。
【００２７】
図２に、本発明の第２の実施形態の製造工程を示す。基本的には上記第１の実施形態と同様であるが、円柱状に外形加工されたＧａＮインゴット３の成長後半部分から切り出されたＧａＮ基板４に対し、更にラッピング・ポリッシング等の研磨（必要により面取り）を施して平坦化したＧａＮ基板５（図示例では、最上部のＧａＮ基板５ａ）を、新たな種結晶基板として選択（図２（ｇ））する点で相違している。
【００２８】
即ち、この平坦化されたＧａＮ基板５（５ａ）を種結晶基板として用い、この種結晶基板であるＧａＮ単結晶基板１上に、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させ（図２（ａ））、新たなＧａＮインゴット２を作製し、更に、この新たなＧａＮインゴット２の外形を整え（図２（ｂ））、円柱状のＧａＮインゴット３とし、円柱状のＧａＮインゴット３を切断（又は劈開）してＧａＮ基板４を切り出し（図２（ｃ））、切り出されたＧａＮ基板４のうちの成長後半部分（上半分）のＧａＮ基板４に研磨等の表面加工を施して平坦化し（図２（ｅ））、この平坦化したＧａＮ基板５を新たな種結晶基板に選択する（図１（ｇ））。
【００２９】
以上の工程（図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）を１サイクルとする）を繰り返し行うことにより、図３に示すように、面全体の結晶欠陥が少ないＧａＮ基板５が得られる。ＧａＮ基板５の欠陥密度が、例えば１×１０5個／ｃｍ2以下となった時点から、得られたＧａＮ基板５を完成品（製品）とし（図２（ｆ））、ＧａＮ基板５上に窒化物系レーザーなどを作製する。
【００３０】
上記第１の実施形態において、ＧａＮインゴット３の最上部から得られるＧａＮ基板４ａを種結晶基板として用いる場合を説明したが、ＧａＮインゴット３の最上部（最上面）から切り出されたＧａＮ基板４ａには、その表面に成長縞やピットなどの荒れが見られる場合があり、このような場合にはＧａＮ基板上にきれいな結晶を成長できないので、第２の実施形態のように、ＧａＮ基板の表面を研磨等により加工して平坦化したＧａＮ基板を種結晶基板として用いるのがよい。また、ＧａＮインゴット３の成長後半部分から切り出されたＧａＮ基板４の荒れが特に酷くない場合や、ＧａＮインゴット３の成長後半部分の途中から切り出されたＧａＮ基板４を用いる場合にも、研磨等により表面を加工したＧａＮ基板を種結晶基板に用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の第１の実施形態を示す工程図である。
【図２】本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の第２の実施形態を示す工程図である。
【図３】第１および第２の実施形態で製造されたＧａＮ基板に対する成長回数と欠陥密度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１    ＧａＮ単結晶基板（ＧａＮ基板）
２    ＧａＮインゴット
３    円柱状のＧａＮインゴット
４    切り出されたＧａＮ基板
４ａ    最上部のＧａＮ基板
５    平坦化されたＧａＮ基板
５ａ    最上部のＧａＮ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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