(57)【要約】  本発明は、上記課題を解決するため、III族窒化物半導体で構成され、主面が半極性面であり、主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲＭＳは０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板を提供する。また、本発明は、さらに主面のＣＬ像における暗点密度が５×１０６ｃｍ−２以下であるIII族窒化物半導体基板を提供することができる。本発明が提供するIII族窒化物半導体基板上にデバイスを形成することで、デバイスの品質を向上させることができる。
2020162346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体で構成され、主面が半極性面であり、前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲＭＳは、０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲａは０．０５ｎｍ以上１．２０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲｖは−１０．０ｎｍ以上−０．０５ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲｐは０．０５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面のＣＬ（Cathodoluminescence）像における暗点密度は５×１０６ｃｍ−２以下であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面は、｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面（Ｘは１以上の整数）であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項７】
下地基板を準備する準備工程と、
前記下地基板の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長してIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
前記III族窒化物半導体層からIII族窒化物半導体基板を切り出す切出工程と、
前記III族窒化物半導体基板の表面を加工する加工工程と、
を有し、
前記下地基板は、
III族窒化物半導体で構成された第１の層を含み、
前記第１の層の主面が、前記下地基板の前記主面となり、
前記第１の層の前記主面は、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌは０未満の半極性面であり、
前記第１の層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記切出工程では、主面が｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面（Ｘは１以上の整数）である前記III族窒化物半導体基板を切り出すIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連する技術が特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１及び特許文献２に開示されているように、III族窒化物半導体結晶のｃ面上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成した場合、ピエゾ電界に起因して内部量子効率が低下する。そこで、いわゆる半極性面（極性面及び無極性面と異なる面）上にデバイスを形成する試みがなされている。【０００３】
また、関連する技術が特許文献３及び特許文献４に開示されている。特許文献３と特許文献４に開示されているように、バルク状III族窒化物半導体結晶から半極性面を主面として有する結晶片を切り出して、その結晶片を接合することで、半極性面を主面としたIII族窒化物半導体結晶を製造する試みがなされている。【０００４】
また、関連する技術が特許文献５に開示されている。特許文献５に開示されているように、ｃ面からｍ軸方向に傾斜した半極性面である（２０−２１）面等を主面としたＧａＮ系半導体光素子を製造する試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６０７５５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２７１７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３２９８号公報
【特許文献４】特開２０１３−８２６２８号公報
【特許文献５】特開２０１２−１５５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の半極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板は、主面の表面粗さが比較的大きかった。基板の主面の表面粗さが大きいと、その上に形成されるデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）の品質が低下する。【０００７】
本発明は、半極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板上に形成されるデバイスの品質を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
III族窒化物半導体で構成され、主面が半極性面であり、前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲＭＳは、０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板が提供される。【０００９】
また、本発明によれば、
下地基板を準備する準備工程と、
前記下地基板の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長してIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
前記III族窒化物半導体層からIII族窒化物半導体基板を切り出す切出工程と、
前記III族窒化物半導体基板の表面を加工する加工工程と、
を有し、
前記下地基板は、
III族窒化物半導体で構成された第１の層を含み、
前記第１の層の主面が、前記下地基板の前記主面となり、
前記第１の層の前記主面は、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌは０未満の半極性面であり、
前記第１の層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板上に形成されるデバイスの品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１２】
【図１】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図２】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示す工程図である。
【図３】本実施形態の準備工程Ｓ１０の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態のIII族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態のIII族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０の処理の流れの一例を示す工程図である。
【図６】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特徴を示す図である。
【図７】本実施形態の実施例のIII族窒化物半導体基板の特徴を示す図である。
【図８】比較例のIII族窒化物半導体基板の特徴を示す図である。
【図９】本実施形態の実施例のIII族窒化物半導体基板の特徴を示す図である。
【図１０】比較例のIII族窒化物半導体基板の特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜前提事項＞
以下、本発明のIII族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。
【００１４】
本実施形態では、「ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える半極性面」を「Ｇａ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。また、「ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の半極性面」を「Ｎ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。
【００１５】
＜概要＞
まず、本実施形態の概要について説明する。本実施形態では、III族窒化物半導体で構成され、主面が半極性面であり、主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲＭＳは０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板を提供する。このように主面の表面粗さが比較的小さいIII族窒化物半導体基板上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成することで、主面の表面粗さが比較的大きい従来のIII族窒化物半導体基板上にデバイスを形成する場合に比べて、デバイスの品質が向上する。
【００１６】
なお、本実施形態では、「露出面である主面がＮ極性側の半極性面であり、結晶性が良好なIII族窒化物半導体層を含む下地基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる」、「ミラー指数で表される｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面を主面として基板を製造する（Ｘは１以上の整数）」（｛１１−２Ｘ｝面が好ましいが、１°以内程度のオフ角を許容する）等の特徴を有する製造方法でIII族窒化物半導体基板を製造することで、上述のように主面の表面粗さが良好となったIII族窒化物半導体基板を実現する。
【００１７】
＜III族窒化物半導体基板の製造方法＞
次に、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の一例を詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、準備工程Ｓ１０と、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０と、切出工程Ｓ３０と、加工工程Ｓ４０とを有する。
【００１９】
各工程の概要を説明する。準備工程Ｓ１０では、図２（１）に示すように、下地基板１を準備する。III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０では、図２（２）に示すように、下地基板１上にIII族窒化物半導体層２を形成する。切出工程Ｓ３０では、III族窒化物半導体層２の一部又は全部を、III族窒化物半導体基板として切り出す。加工工程Ｓ４０では、切出工程Ｓ３０で切り出したIII族窒化物半導体基板の表面を加工する。以下、各工程を詳細に説明する。
【００２０】
「準備工程Ｓ１０」
準備工程Ｓ１０では、III族窒化物半導体層と他の層（例：バッファ層、サファイア基板等）とが積層した下地基板、又は、III族窒化物半導体層の単層からなる下地基板を準備する。
【００２１】
下地基板に含まれるIII族窒化物半導体層は、露出面である主面がＮ極性側の半極性面である。そして、当該III族窒化物半導体層は、結晶性が良好である。具体的には、当該III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。
【００２２】
また、当該III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。
【００２３】
当該III族窒化物半導体層の最大径は、例えばΦ５０ｍｍ以上Φ６インチ以下である。III族窒化物半導体層の厚さは、例えば５０ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００２４】
ここで、上述のような特徴を有する下地基板の製造方法を説明する。図３のフローチャートは、準備工程Ｓ１０の処理の流れの一例を示す。図示するように、準備工程Ｓ１０は、基板準備工程Ｓ１１と、熱処理工程Ｓ１２と、先流し工程Ｓ１３と、バッファ層形成工程Ｓ１４と、成長工程Ｓ１５とを有する。
【００２５】
基板準備工程Ｓ１１では、サファイア基板を準備する。サファイア基板の直径は、例えば、１インチ以上である。また、サファイア基板の厚さは、例えば、２５０μｍ以上である。
【００２６】
サファイア基板の主面の面方位は、その上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つである。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。基板準備工程Ｓ１１では、主面が所望の面方位であるサファイア基板を準備する。
【００２７】
サファイア基板の主面は、例えば｛１０−１０｝面、又は、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面である。
【００２８】
｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、例えば、｛１０−１０｝面を任意の方向に０°より大０．５°以下の中の何れかの角度で傾斜した面であってもよい。
【００２９】
また、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°未満の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。または、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。例えば、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．５°以上１．５°以下、１．５°以上２．５°以下、４．５°以上５．５°以下、６．５°以上７．５°以下、９．５°以上１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。
【００３０】
熱処理工程Ｓ１２は、基板準備工程Ｓ１１の後に行われる。熱処理工程Ｓ１２では、サファイア基板に対して、以下の条件で熱処理を行う。
【００３１】
温度：８００℃以上９３０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上７６０ｔｏｒｒ以下
熱処理時間：５分以上２０分以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただし、成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）
【００３２】
なお、サファイア基板に対する熱処理は、窒化処理を行いながら行う場合と、窒化処理を行わずに行う場合とがある。窒化処理を行いながら熱処理を行う場合、熱処理時に例えば０．５ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下のＮＨ３がサファイア基板上に供給される（ただし成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）。また、窒化処理を行わずに熱処理を行う場合、熱処理時にＮＨ３が供給されない。
【００３３】
熱処理時の窒化処理の有無は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。
【００３４】
熱処理時の温度８００℃以上９３０℃以下は、主面（成長面）がＮ極性側の半極性面であって、結晶性が良好なIII族窒化物半導体層を形成するための温度条件である。
【００３５】
先流し工程Ｓ１３は、熱処理工程Ｓ１２の後に行われる。先流し工程Ｓ１３では、サファイア基板の主面上に以下の条件で金属含有ガスを供給する。先流し工程Ｓ１３は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内で行われてもよい。
【００３６】
温度：５００℃以上１０００℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下、１秒
以上６０秒以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
【００３７】
上記条件は、金属含有ガスとして有機金属原料であるトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムを供給する場合のものである。当該工程では、トリメチルアルミニウムトリエチルアルミニウムに代えて他の金属を含有する金属含有ガスを供給し、アルミニウム膜に代えて、チタン膜、バナジウム膜や銅膜等の他の金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。また、有機金属原料から生成するメタン、エチレン、エタン等の炭化水素化合物との反応膜である炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化バナジウムや炭化銅等の他の炭化金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。
【００３８】
先流し工程Ｓ１３により、サファイア基板の主面上に金属膜及び炭化金属膜が形成される。当該金属膜の存在が、その上に成長させる結晶の極性を反転させるための条件となる。すなわち、先流し工程Ｓ１３の実施は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００３９】
バッファ層形成工程Ｓ１４は、先流し工程Ｓ１３の後に行われる。バッファ層形成工程Ｓ１４では、サファイア基板の主面上にバッファ層を形成する。バッファ層の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００４０】
バッファ層は、例えば、ＡｌＮ層である。例えば、以下の条件でＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させ、バッファ層を形成してもよい。
【００４１】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上９５０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：０．５ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
【００４２】
バッファ層形成工程Ｓ１４の成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。
【００４３】
また、バッファ層形成工程Ｓ１４における成長条件（比較的低めの所定の成長温度、具体的には８００〜９５０℃、および比較的低い圧力）は、Ｎ極性側を維持しながらＡｌＮを成長させるための条件となる。すなわち、バッファ層形成工程Ｓ１４における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００４４】
成長工程Ｓ１５は、バッファ層形成工程Ｓ１４の後に行われる。成長工程Ｓ１５では、バッファ層の上に、以下の成長条件でIII族窒化物半導体結晶（例：ＧａＮ結晶）をエピタキシャル成長させ、成長面が所定の面方位（Ｎ極性側の半極性面）となっているIII族窒化物半導体層を形成する。III族窒化物半導体層の厚さは、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下である。
【００４５】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上１０２５℃以下 
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
ＴＭＧａ供給量：２５ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：１ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
成長速度：１０μｍ／ｈ以上
【００４６】
成長工程Ｓ１５における成長条件（比較的低い成長温度、比較的低い圧力、比較的速い成長速度）は、Ｎ極性側を維持しながらＧａＮを成長させるための条件となる。すなわち、成長工程Ｓ１５における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００４７】
以上説明した基板準備工程Ｓ１１、熱処理工程Ｓ１２、先流し工程Ｓ１３、バッファ層形成工程Ｓ１４及び成長工程Ｓ１５を有する準備工程Ｓ１０により、上述のような特徴を有する下地基板、具体的にはIII族窒化物半導体層と他の層（例：バッファ層、サファイア基板等）とが積層した下地基板が得られる。そして、当該積層体から上記他の層を除去することで、III族窒化物半導体層の単層からなる下地基板が得られる。
【００４８】
上記他の層を除去する手段は特段制限されない。例えば、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との間の線膨張係数差に起因する応力を利用して、これらを分離してもよい。そして、バッファ層を研磨やエッチング等で除去してもよい。
【００４９】
その他の除去例として、サファイア基板とバッファ層との間に剥離層を形成してもよい。例えば、炭化物（炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル）が分散した炭素層、及び、炭化物（炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル）の層の積層体をサファイア基板上に形成した後に、窒化処理を行った層を剥離層として形成してもよい。
【００５０】
このような剥離層の上にバッファ層及びIII族窒化物半導体層を形成した後、当該積層体を、III族窒化物半導体層を形成する際の加熱温度よりも高い温度で加熱すると、剥離層の部分を境界にして、サファイア基板側の部分と、III族窒化物半導体層側の部分とに分離することができる。そして、III族窒化物半導体層側の部分から、バッファ層等を研磨やエッチング等で除去してもよい。
【００５１】
以下の実施例で示すが、Ｇａ極性側の半極性面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど結晶性が悪化する。結果、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は大きくなる。このため、Ｇａ極性側の半極性面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、結晶性が良好で、かつ、厚膜なIII族窒化物半導体層を製造することが困難である。
【００５２】
一方、以下の実施例で示すが、Ｎ極性側の半極性面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなっても結晶性がほとんど変化しない。このため、Ｎ極性側の半極性面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長する本実施形態の場合、上述のように結晶性が良好で、かつ、厚膜（例：１００μｍ以上）なIII族窒化物半導体層を製造することができる。
【００５３】
III族窒化物半導体層の単層からなる下地基板の製造方法の他の例として、図３に示すフローでサファイア基板、バッファ層及びIII族窒化物半導体層がこの順に積層した積層体を製造した後、当該積層体の上に（III族窒化物半導体層の上に）、例えばＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を厚膜成長させてＨＶＰＥ層を形成してもよい。結果、積層体の上に、露出面がＮ極性側の半極性面となったIII族窒化物半導体のＨＶＰＥ層が得られる。ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる成長条件は特段制限されず、従来技術に準じたものを採用すれば、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を厚膜成長させることができる。そして、ＨＶＰＥ層からスライスなどして、III族窒化物半導体層の単層からなる下地基板を得てもよい。
【００５４】
「III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０」
図１に戻り、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０では、下地基板の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長してIII族窒化物半導体層を形成する。図４のフローチャートは、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０の処理の流れの一例を示す。図示するように、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０は、固着工程Ｓ２１と、第１の成長工程Ｓ２２と、冷却工程Ｓ２３と、第２の成長工程Ｓ２４とを有する。
【００５５】
固着工程Ｓ２１では、下地基板をサセプターに固着させる。例えば、図５（１）に示すような下地基板１０を、図５（２）に示すようにサセプター２０に固着させる。図示する下地基板１０は、III族窒化物半導体層１２と、他の層１１とを含む積層体である。他の層１１は、サファイア基板、バッファ層等を含む。なお、下地基板１０は、III族窒化物半導体層１２の単層であってもよい。
【００５６】
サセプター２０は、第１の成長工程Ｓ２２や第２の成長工程Ｓ２４での加熱で反り得る下地基板１０の反り力で変形しない特性等を有する。このようなサセプター２０の例として、カーボンサセプター、シリコンカーバイドコートカーボンサセプター、ボロンナイトライドコートカーボンサセプター、石英サセプター等が例示されるがこれらに限定されない。
【００５７】
次に、下地基板１０をサセプター２０に固着させる方法について説明する。本実施形態では、図５（２）に示すように、下地基板１０の裏面（他の層１１の露出面）をサセプター２０の面に固着する。これにより、下地基板１０の変形を抑制する。固着する方法としては、第１の成長工程Ｓ２２や第２の成長工程Ｓ２４での加熱や、当該加熱で反り得る下地基板１０の反り力等により剥がれない方法が要求される。例えば、アルミナ系、カーボン系、ジルコニア系、シリカ系、ナイトライド系等の接着剤を用いて固着する方法が例示される。
【００５８】
図４に戻り、第１の成長工程Ｓ２２では、図５（３）に示すように、サセプター２０に下地基板１０を固着させた状態で、III族窒化物半導体層１２の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させる。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第１の成長層３０を形成する。例えば、以下の成長条件でＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層（第１の成長層３０）を形成する。
【００５９】
成長温度：９００℃〜１１００℃
成長時間：１ｈ〜５０ｈ
Ｖ／III比：１〜２０
成長膜厚：１００μｍ〜１０ｍｍ
【００６０】
第１の成長工程Ｓ２２では、サセプター２０、下地基板１０及び第１の成長層３０を含む積層体の側面に沿って、多結晶のIII族窒化物半導体が形成される。多結晶のIII族窒化物半導体は、上記積層体の側面の全部又は大部分に付着する。付着した多結晶のIII族窒化物半導体は互いに繋がり、環状となる。そして、上記積層体は、環状の多結晶のIII族窒化物半導体の内部でホールドされる。
【００６１】
なお、第１の成長工程Ｓ２２では、上記積層体の側面に加えて、サセプター２０の裏面にも、多結晶のIII族窒化物半導体が形成され得る。多結晶のIII族窒化物半導体は、上記積層体の側面及びサセプター２０の裏面の全部又は大部分に付着する。付着した多結晶のIII族窒化物半導体は互いに繋がり、カップ状の形状となる。そして、上記積層体は、カップ状の多結晶のIII族窒化物半導体の内部でホールドされる。
【００６２】
図４に戻り、冷却工程Ｓ２３では、サセプター２０、下地基板１０及び第１の成長層３０を含む積層体を冷却する。ここでの冷却の目的は、第１の成長層３０とサファイア基板１１との線膨張係数差に起因して発生する歪み（応力）を利用して第１の成長層３０にクラックを発生させることで、応力を緩和することである。第２の成長工程Ｓ２４の前に、応力を緩和していることが望まれる。当該目的を達成できれば、その冷却の方法は特段制限されない。例えば、第１の成長工程Ｓ２２の後、上記積層体をＨＶＰＥ装置の外に一旦取り出し、室温まで冷却してもよい。
【００６３】
図５（３）に示すように、冷却工程Ｓ２３の後の第１の成長層３０には、クラック（裂け目、ひび割れ等）３１が存在する。クラック３１は、図示するように、第１の成長層３０の表面に存在し得る。なお、クラック３１は、第１の成長工程Ｓ２２の間に発生したものであってもよいし、冷却工程Ｓ２３の間に発生したものであってもよい。
【００６４】
図４に戻り、第２の成長工程Ｓ２４では、図５（４）に示すように、サセプター２０に下地基板１０を固着させた状態で、第１の成長層３０の上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させる。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第２の成長層４０を形成する。例えば、以下の成長条件でＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層（第２の成長層４０）を形成する。第１の成長層３０を形成するための成長条件と第２の成長層４０を形成するための成長条件は、同じであってもよいし、異なってもよい。
【００６５】
成長温度：９００℃〜１１００℃
成長時間：１ｈ〜５０ｈ
Ｖ／III比：１〜２０
成長膜厚：１００μｍ〜１０ｍｍ
【００６６】
第２の成長工程Ｓ２４では、第１の成長工程Ｓ２２で形成された環状の多結晶のIII族窒化物半導体を残した状態で、第１の成長層３０の上に第２の成長層４０を形成する。環状の多結晶のIII族窒化物半導体を残す目的は、クラック３１に起因して複数の部分に分離し得る第１の成長層３０を外周からホールドすることで、当該分離を抑制することである。第１の成長層３０が複数の部分に分離してしまうと、複数の部分ごとの面方位ずれや、ハンドリング性、作業性等が悪くなる。また、一部の部品がなくなったり、粉々になったりすることで、元の形状を再現できなくなる恐れもある。本実施形態によれば面方位ずれや分離を抑制できるので、当該不都合を抑制できる。
【００６７】
なお、第１の成長工程Ｓ２２で形成された多結晶のIII族窒化物半導体の全部をそのまま残してもよいが、上記目的を実現できればよく、必ずしも、第１の成長工程Ｓ２２で形成された多結晶のIII族窒化物半導体の全部を残さなくてもよい。すなわち、多結晶のIII族窒化物半導体の一部を除去してもよい。
【００６８】
第２の成長工程Ｓ２４においても、多結晶のIII族窒化物半導体が形成される。多結晶のIII族窒化物半導体は、サセプター２０、下地基板１０、第１の成長層３０及び第２の成長層４０を含む積層体の側面や、サセプター２０の裏面に沿って形成され得る。
【００６９】
また、第２の成長工程Ｓ２４では、クラック３１が存在する第１の成長層３０の表面上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させ、第２の成長層４０を形成する。この場合、成長面（第１の成長層３０の表面）は、クラック３１部分において不連続となる。クラック３１を境に互いに分かれた第１の表面領域及び第２の表面領域各々から成長したIII族窒化物半導体は、成長が進むと互いに接合し、一体化する。
【００７０】
「切出工程Ｓ３０」
図１に戻り、切出工程Ｓ３０では、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ２０で形成されたIII族窒化物半導体層（第２の成長層４０）からIII族窒化物半導体基板を切り出す。切出工程Ｓ３０では、主面が｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面であるIII族窒化物半導体基板を切り出す（Ｘは１以上の整数）。III族窒化物半導体基板の反対側の主面は｛−１−１２−Ｘ｝面、又は、｛−１−１２−Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面となる。
【００７１】
例えば、図５（５）に示すように、サセプター２０、下地基板１０、第１の成長層３０及び第２の成長層４０を含む積層体をスライスして第２の成長層４０の少なくとも一部をサセプター２０から分離し、III族窒化物半導体基板としてもよい。なお、サセプター２０から分離した第２の成長層４０の少なくとも一部をスライスして、複数のIII族窒化物半導体基板を得てもよい。また、スライスの他、研削、研磨、燃焼、分解、溶解などの方法を利用して、第２の成長層４０の少なくとも一部をサセプター２０から分離してもよい。
【００７２】
「加工工程Ｓ４０」
図１に戻り、加工工程Ｓ４０では、切出工程Ｓ３０で切り出したIII族窒化物半導体基板の表面を加工する。例えば、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等の表面平坦化技術を利用して、III族窒化物半導体基板の表面を平坦化する。
【００７３】
＜III族窒化物半導体基板の構成＞
次に、上記III族窒化物半導体基板の製造方法で製造されるIII族窒化物半導体基板（以下、「本実施形態のIII族窒化物半導体基板」と呼ぶ）の構成を説明する。
【００７４】
本実施形態のIII族窒化物半導体基板はIII族窒化物半導体で構成される。本実施形態のIII族窒化物半導体基板の主面は半極性面であり、｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面である（Ｘは１以上の整数）。なお、上記主面と表裏の関係にあるもう一方の主面は｛−１−１２−Ｘ｝面、又は、｛−１−１２−Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面となる。以下、｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面である主面を「Ｇａ極性側の主面」と呼ぶ。
【００７５】
本実施形態のIII族窒化物半導体基板の直径は１０ｍｍ以上６インチ以下、厚さは２５０μｍ以上２ｍｍ以下である。
【００７６】
そして、本実施形態のIII族窒化物半導体基板は、Ｇａ極性側の主面の表面粗さが、従来の半極性基板の主面の表面粗さに比べて小さいという特徴を有する。
【００７７】
具体的には、Ｇａ極性側の主面の表面粗さＲＭＳは、主面の中心部５μｍ×５μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であり、主面の中心部１μｍ×１μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下である。ＲＭＳの測定方法は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Spectroscopy : AFM）である。
【００７８】
また、Ｇａ極性側の主面の表面粗さＲａは、主面の中心部５μｍ×５μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上１．２０ｎｍ以下であり、主面の中心部１μｍ×１μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上１．２０ｎｍ以下である。Ｒａの測定方法は、ＡＦＭである。
【００７９】
また、Ｇａ極性側の主面の表面粗さＲｖは、主面の中心部５μｍ×５μｍ角のエリアでの測定結果が−１０．０ｎｍ以上−０．０５ｎｍ以下であり、主面の中心部１μｍ×１μｍ角のエリアでの測定結果が−６．０ｎｍ以上−０．０５ｎｍ以下である。Ｒｖの測定方法は、ＡＦＭである。
【００８０】
また、Ｇａ極性側の主面の表面粗さＲｐは、主面の中心部５μｍ×５μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であり、主面の中心部１μｍ×１μｍ角のエリアでの測定結果が０．０５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。Ｒｐの測定方法は、ＡＦＭである。
【００８１】
また、Ｇａ極性側の主面のＣＬ（Cathodoluminescence）像における暗点密度は５×１０６以下である。暗点は欠陥を示す。すなわち、本実施形態のIII族窒化物半導体基板は、表面の欠陥がこのように十分低減されている。なお、主面の中心部５０μｍ×５０μｍ角のエリアでの暗点密度を算出した。
【実施例】
【００８２】
＜第１の評価＞
第１の評価では、上述した「下地基板のIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすことで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位をＮ極性側の半極性面にできることを示す。また、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の少なくとも１つを満たさなかった場合、III族窒化物半導体層の成長面の面方位がＧａ極性側の半極性面になることを示す。【００８３】
まず、主面の面方位がｍ面（（１０−１０）面）からａ面と平行になる方向に２°傾斜した面であるサファイア基板を用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。【００８４】
そして、用意したサファイア基板に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ１２を実施した。【００８５】
温度：１０００〜１０５０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
熱処理時間：１０分または１５分
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【００８６】
なお、熱処理工程Ｓ１２の際に、２０ｓｌｍのＮＨ３を供給し、窒化処理を行った。【００８７】
その後、以下の条件で先流し工程Ｓ１３を行った。【００８８】
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【００８９】
その後、以下の条件でバッファ層形成工程Ｓ１４を行い、ＡｌＮ層を形成した。【００９０】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量：９０ｓｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【００９１】
その後、以下の条件で成長工程Ｓ１５を行い、III族窒化物半導体層を形成した。【００９２】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
成長速度：１０μｍ／ｈ以上【００９３】
なお、第１のサンプルの成長温度は９００℃±２５℃に制御し、第２のサンプルの成長温度は１０５０℃±２５℃に制御した。すなわち、第１のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすサンプルである。第２のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の一部（成長工程Ｓ１５における成長温度）を満たさないサンプルである。【００９４】
第１のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（−１−１２−４）面から−a面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。一方、第２のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（１１−２４）面からa面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。すなわち、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」を満たすか否かにより、成長面の面方位がＧａ極性となるかＮ極性となるかを調整できることが分かる。【００９５】
なお、本発明者らは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中のその他の一部を満たさない場合、また、全部を満たさない場合においても、成長面の面方位がＧａ極性となることを確認している。【００９６】
＜第２の評価＞
第２の評価では、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整できることを示す。【００９７】
まず、主面の面方位が様々なサファイア基板を複数用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。【００９８】
そして、用意したサファイア基板各々に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ１２を行った。【００９９】
温度：１０００〜１０５０℃
圧力：２００ｔｏｒｒ
熱処理時間：１０分
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【０１００】
なお、熱処理時の窒化処理の有無を異ならせたサンプルを作成した。具体的には、熱処理時に２０ｓｌｍのＮＨ３を供給し、窒化処理を行うサンプルと、熱処理時にＮＨ３を供給せず、窒化処理を行わないサンプルの両方を作成した。【０１０１】
その後、以下の条件で先流し工程Ｓ１３を行った。【０１０２】
温度：８８０〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【０１０３】
なお、先流し工程Ｓ１３を行うサンプルと、行わないサンプルの両方を作成した。【０１０４】
その後、サファイア基板の主面（露出面）上に、以下の条件で、約１５０ｎｍの厚さのバッファ層（ＡｌＮバッファ層）を形成した。【０１０５】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：５１８４
ＴＭＡｌ供給量：９０ｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【０１０６】
なお、成長温度は、サンプルごとに、７００℃以上１１１０℃以下の範囲で異ならせた。【０１０７】
その後、バッファ層の上に、以下の条件で、約１５μｍの厚さのIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）を形成した。【０１０８】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００〜１１００℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：３２１
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｃｃｍ（ランプアップ）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（ランプアップ）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【０１０９】
以上のようにして、サファイア基板と、バッファ層と、III族窒化物半導体層とがこの順に積層したIII族窒化物半導体基板１を製造した。【０１１０】
表１乃至７に、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」と、III族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係を示す。【０１１１】
【表１】
2020162346.tif 000003
【０１１２】
【表２】
2020162346.tif 000004
【０１１３】
【表３】
2020162346.tif 000005
【０１１４】
【表４】
2020162346.tif 000006
【０１１５】
【表５】
2020162346.tif 000007
【０１１６】
【表６】
2020162346.tif 000008
【０１１７】
【表７】
2020162346.tif 000009
【０１１８】
表中の「サファイア主面」の欄には、サファイア基板の主面の面方位が示されている。「昇温時の窒化処理」の欄には、熱処理工程１Ｓ０の際の昇温時の窒化処理の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「トリメチルアルミニウム先流し工程の有無」の欄には、トリメチルアルミニウム先流し工程の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「ＡｌＮバッファ成長温度」の欄には、バッファ層形成工程における成長温度が示されている。「ＧａＮ成長温度」の欄には、ＧａＮ層形成工程における成長温度が示されている。「III族窒化物半導体層の成長面」の欄には、III族窒化物半導体層の成長面の面方位が示されている。【０１１９】
当該結果によれば、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面をＧａ極性側の半極性面の中で調整できることが分かる。そして、第１の評価の結果と第２の評価の結果とに基づけば、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たしたうえで、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面をＮ極性側の半極性面の中で調整できることが分かる。【０１２０】
＜第３の評価＞
本手法により作製したサンプル（下地基板のIII族窒化物半導体層）の結晶性について評価した。試料は３種類を準備した。サンプルＡは、本実施形態の製造方法（図３のフロー参照）により作製したものであり、｛−１−１２−３｝面を成長面として成長したものである。サンプルＢ、Ｃは比較用サンプルであり、サンプルＢは｛１０−１０｝面を成長面として成長したものである。また、サンプルＣは｛１１−２２｝面を成長面として成長したものである。【０１２１】
図６に、各サンプルに対し、各種ＧａＮ膜厚時にエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸の投影軸に平行に入射し測定した場合の｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ半値幅を示す。但し、主面が｛１１−２３｝面であるサンプルＣは、消滅則により｛１１−２３｝面のエックス線回折が得られないため、｛１１−２２｝面のＸＲＣ半値幅を測定した。【０１２２】
図６より、サンプルＡはＧａＮ層の膜厚が大きくなっても、ＸＲＣ半値幅がほとんど変化しないことが分かる。これに対し、サンプルＢ及びＣは、ＧａＮ層の膜厚が大きくなるにつれて、ＸＲＣ半値幅が大きくなる傾向が読み取れる。【０１２３】
＜第４の評価＞
本手法により作製したサンプルの結晶性について評価した。サンプルＤ（実施例）は、本実施形態の製造方法（図３のフロー参照）により作製したものであり、その詳細は以下の通りである。【０１２４】
まず、主面の面方位がｍ面（（１０−１０）面）からａ面と平行になる方向に２°傾斜した面であるサファイア基板を用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。【０１２５】
そして、用意したサファイア基板に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ１２を実施した。【０１２６】
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
熱処理時間：１０分
キャリアガス供給量：４ｓｌｍ【０１２７】
なお、熱処理工程Ｓ１２の際に、２ｓｌｍのＮＨ３を供給し、窒化処理を行った。【０１２８】
その後、以下の条件で先流し工程Ｓ１３を行った。【０１２９】
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：５０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：４ｓｌｍ【０１３０】
その後、以下の条件でバッファ層形成工程Ｓ１４を行い、ＡｌＮ層を形成した。【０１３１】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量：５０ｓｃｃｍ
ＮＨ３供給量：２ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ【０１３２】
その後、以下の条件で成長工程Ｓ１５を行い、III族窒化物半導体層を形成した。【０１３３】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００℃±２５℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
成長速度：１０μｍ／ｈ以上【０１３４】
サンプルＥ（比較例）は、サンプルＤと同様の手法により作製したものであるが、下記の点が異なる。【０１３５】
熱処理工程Ｓ１２では、熱処理温度を１０００℃〜１０５０℃とし、キャリアガス流量を１５ｓｌｍとした。また、ＮＨ３供給量は２０ｓｌｍとした。【０１３６】
先流し工程Ｓ１３では、トリメチルアルミニウム供給量を９０ｓｃｃｍとし、キャリアガス流量を１５ｓｌｍとした。【０１３７】
バッファ層形成工程Ｓ１４では、トリメチルアルミニウム供給量を９０ｓｃｃｍとし、ＮＨ３供給量を５ｓｌｍとした。【０１３８】
サンプルＤ、サンプルＥのそれぞれについてＸ線極点図を測定した。測定の結果、サンプルＤの主面、サンプルＥの主面のいずれも｛−１−１２−４｝面から１０°以内のオフ角を有する面となっていることを確認した。【０１３９】
そして、サンプルＤ及びサンプルＥ各々について、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅を測定した。具体的には以下の手順で測定した。【０１４０】
（１）試作した下地基板（サンプルＤ及びサンプルＥ各々）の中心部にＸ線を照射し、（０００−２）面回折ＸＲＣを測定する。具体的には、下地基板をＸ線回折装置にセットし、入射Ｘ線に対し、ディテクタと下地基板を（０００−２）面の回折が得られうる理論角度に設定する。その上で、下地基板を鉛直方向に４０°以上５０°以下の角度で傾ける。更に、下地基板を面内方向に回転させて（０００−２）面回折ピークが得られる回転角を探索する。最後に、（０００−２）面回折ピークが最も良好に得られるよう、基板面内回転方向以外の各種角度を調整し、測定を行う。下地基板を上記の手順で測定した場合、（０００−２）面回折ピークは、Ｘ線をｍ軸に平行に入射した場合にのみ得られる。つまり、この測定は、ｍ軸方向の軸合わせを兼ねる。【０１４１】
（２）ｍ軸入射ＸＲＣの測定を行う。具体的には、（０００−２）面ＸＲＣを測定した部分（下地基板の中心部）で｛１１−２２｝面の軸立（最も良好な回折が得られるよう、基板面内回転方向以外の各種角度を調整する）を行う。その後、中心部と、中心部からｍ軸方向に２０ｍｍ離れた２点との合計３点について、｛１１−２２｝面ＸＲＣの測定を行う。【０１４２】
（３）ｃ投影軸入射ＸＲＣの測定を行う。具体的には、（２）記載の測定終了後、下地基板を面内方向に９０°回転する。これにより、Ｘ線はｃ投影軸（ｃ軸を主面に投影した投影軸）に対して入射する形になる。その後、中心部で｛１１−２２｝面の軸立を行い、中心部と、中心部からｃ投影軸方向に２０ｍｍ離れた２点との合計３点について、｛１１−２２｝面ＸＲＣの測定を行う。【０１４３】
サンプルＤの測定結果を図７に、サンプルＥの測定結果を図８に示す。（ｍ）に対応付する値は、エックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であり、「ｍ軸入射」に対応する値は測定点３点の平均値である。（ｃ）に対応する値は、エックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であり、「ｃ軸投影軸入射」に対応する値は測定点３点の平均値である。測定点の概略は図示の通りである。【０１４４】
図７より、本実施形態の製造方法で作製された下地基板のIII族窒化物半導体層は、主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は５００ａｒｃｓｅｃ以下となることが分かる。また、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅も５００ａｒｃｓｅｃ以下となることが分かる。【０１４５】
さらに、「III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｍ軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値」、及び、「III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｃ軸を主面に投影した投影軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値」、における最大値と最小値の差が５０ａｒｃｓｅｃ．以内であることがわかる。すなわち、両者間の異方性が小さいことがわかる。【０１４６】
一方、図８より、本実施形態の製造方法で作製されなかった下地基板のIII族窒化物半導体層は、主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は５００ａｒｃｓｅｃを超えることが分かる。また、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅も５００ａｒｃｓｅｃを超えることが分かる。【０１４７】
ｍ面サファイア基板上に窒化物半導体を結晶成長した場合、その窒化の有無や窒化温度、成膜温度の違いにより窒化物半導体の成長面や結晶性、結晶軸の配向性が異なることが知られている。実施例と比較例はバッファ層の成膜温度が同じであることから、製造条件のうち、最も大きな影響を与えているのは熱処理工程Ｓ１２の温度であると考えられる。【０１４８】
実施例の結果から、熱処理工程Ｓ１２の温度を８００℃以上９３０℃以下に調整することにより、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅が良好となることが分かる。熱処理工程Ｓ１２の温度がバッファ層およびIII族窒化物半導体結晶の結晶性および結晶軸の配向性に大きな影響を与えていることが分かる。【０１４９】
＜第５の評価＞
本実施形態の製造方法（図１のフロー参照）により作製したIII族窒化物半導体基板の特性を評価する。【０１５０】
「実施例のサンプルの製造方法」
実施例のサンプルの製造方法を説明する。まず、径がΦ４インチで、主面の面方位がｍ面のサファイア基板の上に、バッファ層を介して、ＭＯＣＶＤ法でIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）を形成した下地基板を準備した。この時の成膜条件はサンプルＤと同一とした。III族窒化物半導体層の主面の面方位は（−１−１２−３）、最大径はΦ４インチ、厚さは１５μｍであった。【０１５１】
次に、当該下地基板をカーボンサセプターに固着した。具体的には、アルミナ系の接着剤を用いて、サファイア基板の裏面をカーボンサセプターの主面に貼りあわせた。【０１５２】
次に、カーボンサセプターに下地基板を固着させた状態で、III族窒化物半導体層の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体（ＧａＮ）を成長させた。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第１の成長層（ＧａＮ層）を形成した。成長条件は以下の通りである。【０１５３】
成長温度：１０４０℃
成長時間：１５時間
Ｖ／III比：１０
成長膜厚：４．４ｍｍ【０１５４】
次に、カーボンサセプター、下地基板及び第１の成長層を含む積層体を、ＨＶＰＥ装置から取り出し、室温まで冷却した。当該冷却後の第１の成長層の表面にはクラックが存在した。【０１５５】
次に、クラックが存在する第１の成長層の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体（ＧａＮ）を成長させた。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第２の成長層（ＧａＮ層）を形成した。成長条件は以下の通りである。【０１５６】
成長温度：１０４０℃
成長時間：１４時間
Ｖ／III比：１０
成長膜厚：３．０ｍｍ（第１の成長層３０と第２の成長層４０との合計膜厚は７．４ｍｍ）【０１５７】
第２の成長層の最大径はおよそΦ４インチであった。また、第２の成長層と、その外周沿いの多結晶のIII族窒化物半導体とを含む面の最大径はおよそ１３０ｍｍであった。また、第２の成長層に割れは生じていなかった。【０１５８】
次に、第２の成長層をスライスし、｛１１−２３｝面及び｛−１−１２−３｝面が主面となるようにIII族窒化物半導体基板を取り出した。その後、III族窒化物半導体基板の主面を機械研磨および化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：CMP）で研磨した。なお、｛１１−２３｝面及び｛−１−１２−３｝面が主面となるようにスライス、研磨等したが、これらの加工後に実際に得られたIII族窒化物半導体基板の主面は、｛１１−２３｝面から１°以内のオフ角を有する面、及び、｛−１−１２−３｝面から１°以内のオフ角を有する面となる場合もあった。【０１５９】
同様の方法によりバルク結晶を複数個作製し、それぞれのバルクより基板を作製した。【０１６０】
「比較例のサンプルの製造方法」
比較例のサンプルでは、ＭＯＣＶＤ法によるIII族窒化物半導体層の成膜時の成膜条件をサンプルＥと同一として下地基板を成膜した。サファイア基板の直径はφ２インチとした。【０１６１】
得られた下地基板上に下記の条件でＨＶＰＥ法によるＧａＮの結晶成長を行った。成長後、室温への冷却時に熱応力により厚膜をサファイア基板から剥離させることにより、φ２インチの半分サイズ（半円状）のIII族窒化物半導体自立厚膜を得た。【０１６２】
成長温度：１０４０℃
成長時間：１８時間
Ｖ／ＩＩＩ比：１０【０１６３】
得られた自立厚膜上に下記条件を用いたＨＶＰＥ法により２回のＧａＮ結晶成長を行い、III族窒化物半導体バルク結晶を得た。【０１６４】
成長温度：１０４０℃
成長時間：１２時間＋１１．５時間
Ｖ／III比：１０【０１６５】
得られたバルク結晶をスライスし、｛１１−２３｝面及び｛−１−１２−３｝面を主面とするIII族窒化物半導体基板を取り出した。その後、III族窒化物半導体基板の主面を機械研磨および化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：CMP）で研磨した。【０１６６】
「評価結果（実施例）」
実施例では、上記方法で３枚のIII族窒化物半導体基板を製造した。それぞれの基板について１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲＭＳは１．１４ｎｍ、１．１３ｎｍ、１．０７ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲＭＳは１．４１ｎｍ、０．９９ｎｍ、０．９１ｎｍであった。【０１６７】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲａは０．８４ｎｍ、０．８９ｎｍ、０．８５ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲａは１．０３ｎｍ、０．７８ｎｍ、０．７２ｎｍであった。【０１６８】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲｖは−４．６０ｎｍ、−５．０３ｎｍ、−４．３５ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲｖは−７．０９ｎｍ、−４．４３ｎｍ、−３．４９ｎｍであった。【０１６９】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲｐは９．１８ｎｍ、４．０６ｎｍ、４．２３ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲｐは２．７０ｎｍ、４．９２ｎｍ、４．３６ｎｍであった。【０１７０】
次に、図９（１）乃至（３）各々に、複数のIII族窒化物半導体基板各々の中心部５０μｍ×５０μｍ角のエリアのＣＬ画像を示す。図９（１）のサンプルの暗点密度は１．３×１０６ｃｍ−２であり、図９（２）のサンプルの暗点密度は０．８８×１０６ｃｍ−２であり、図９（３）のサンプルの暗点密度は１．２０×１０６ｃｍ−２であった。【０１７１】
「評価結果（比較例）」
比較例では、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲＭＳは２．５３ｎｍ、２．６２ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲＭＳは３．１０ｎｍ、３．１２ｎｍであった。【０１７２】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲａは２．０１ｎｍ、２．０５ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲａは２．２７ｎｍ、２．３９ｎｍであった。【０１７３】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲｖは−８．１２ｎｍ、−７．９５ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲｖは−９．１ｎｍ、−９．８３８ｎｍであった。【０１７４】
また、１μｍ×１μｍ角のエリアで測定したＲｐは１．２５ｎｍ、１．１４ｎｍであった。また、５μｍ×５μｍ角のエリアで測定したＲｐは３．６１ｎｍ、２．４１ｎｍであった。【０１７５】
次に、図１０（１）乃至（２）に、III族窒化物半導体基板における５０μｍ×５０μｍ角のエリアのＣＬ画像を示す。図１０（１）のサンプルの暗点密度は８．１２×１０６ｃｍ−２であり、図１０（２）のサンプルの暗点密度は５．２４×１０６ｃｍ−２であった。比較例のサンプルは実施例のサンプルに比べ、多数の暗点、すなわち、結晶欠陥が内包されていた。【０１７６】
実施例と比較例を比較すると判る通り、自立基板の表面粗さと結晶性には一定の相関が認められる。また、自立基板の結晶性はＭＯＣＶＤ下地基板の結晶性と相関があり、ＭＯＣＶＤ下地基板の結晶性を改善することにより、自立基板の表面粗さが改善されることが判る。【０１７７】
以下、参考形態の例を付記する。
１．  III族窒化物半導体で構成され、主面が半極性面であり、前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲＭＳは、０．０５ｎｍ以上１．５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
２．  １に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲａは０．０５ｎｍ以上１．２０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
３．  １又は２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲｖは−１０．０ｎｍ以上−０．０５ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
４．  １から３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の５μｍ×５μｍ角のエリアで測定した表面粗さＲｐは０．０５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
５．  １から４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面のＣＬ像における暗点密度は５×１０６ｃｍ−２以下であるIII族窒化物半導体基板。
６．  １から５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面は、｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面（Ｘは１以上の整数）であるIII族窒化物半導体基板。
７．  下地基板を準備する準備工程と、
前記下地基板の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長してIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
前記III族窒化物半導体層からIII族窒化物半導体基板を切り出す切出工程と、
前記III族窒化物半導体基板の表面を加工する加工工程と、
を有し、
前記下地基板は、
III族窒化物半導体で構成された第１の層を含み、
前記第１の層の主面が、前記下地基板の前記主面となり、
前記第１の層の前記主面は、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌは０未満の半極性面であり、
前記第１の層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
８．  ７に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記切出工程では、主面が｛１１−２Ｘ｝面、又は、｛１１−２Ｘ｝面に対し１°以内のオフ角を有する面（Ｘは１以上の整数）である前記III族窒化物半導体基板を切り出すIII族窒化物半導体基板の製造方法。【０１７８】
この出願は、２０１９年２月７日に出願された日本出願特願２０１９−０２０５０２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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