JP5999443B2 - ＩＩＩ 族窒化物半導体結晶の製造方法およびＧａＮ基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、III 族窒化物半導体結晶の製造方法およびＧａＮ基板の製造方法に関する。特に、フラックス法を用いたIII 族窒化物半導体結晶の製造方法およびＧａＮ基板の製造方法に関するものである。
半導体結晶を作成する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、そして、液相エピタキシー法などがある。液相エピタキシー法には、Ｎａフラックスを使用するフラックス法がある。
フラックス法とは、金属ナトリウムと金属ガリウムの混合融液中に、加圧下で窒素を融解させＧａＮ結晶を成長させる方法である。この方法では、比較的低温（〜１０００℃）、低圧（〜１０ＭＰａ）でＧａＮ結晶を成長させることができるため、低コストで高品質なＧａＮ基板の製造方法として期待されている。
フラックス法により、種結晶となる下地層（ＧａＮ、ＡｌＮ）の上にＧａＮ結晶を成長させる場合には、ＧａＮ結晶の結晶性は、下地層の結晶性を引き継いだものとなる。つまり、成長させる半導体結晶の転位密度は、下地層の転位密度を引き継ぐこととなる。そのため、育成した半導体結晶の転位密度は、およそ５×１０6 ／ｃｍ2 〜１×１０7 ／ｃｍ2 程度である。
このようなＧａＮ結晶の転位密度は小さいほどよい。例えば、転位密度が１×１０5 ／ｃｍ2 以下であるとよい。転位密度の値がより小さいＧａＮ結晶を得るためには、ＧａＮ結晶の育成中に転位密度を大幅に低減させる必要がある。このような方法として、例えば、特許文献１には、種結晶にマスクを形成し、横方向に成長させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、マスク上に伝播する転位を低減できるもののマスクからの応力が半導体結晶に加わり、（１）成長させる結晶の会合部で新たな転位が発生すること、（２）クラックが発生すること、という２つの問題点があった。
また、大口径化したウエハ上に半導体結晶を成長させる場合、成長基板から、半導体結晶を容易に取り外すことができるとなおよい。例えば、半導体結晶として転位密度の低いＧａＮ結晶を形成し、そのＧａＮ結晶をＧａＮ基板として用いる場合に好適だからである。したがって、成長基板から剥離しやすい半導体結晶を形成することが好ましい。
本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、成長基板の転位密度の伝播やクラックの発生を確実に低減できるとともに種結晶の剥離が容易であるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法およびＧａＮ基板の製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、下地層の上にマスク層を形成して、下地層が露出している露出箇所と下地層が露出していない非露出箇所とを形成するマスク層形成工程と、III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、を有する。マスク層形成工程では、露出箇所として、離散的に配置された複数の成長開始領域と、成長開始領域同士を接続する接続部と、を形成する。半導体結晶形成工程では、下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させるとともに、マスク層の上に混合融液の成分を含む非結晶部を形成する。ここで、成長開始領域の内幅は１μｍ以上２０００μｍ以下である。接続部の幅は２００μｍ以下である。成長開始領域の内幅は、接続部の幅の２倍より大きい。
このIII 族窒化物半導体結晶の製造方法では、マスク層の形成されている非露出箇所からは半導体結晶が成長せず、マスク層の形成されていない露出箇所から半導体結晶が成長する。ここで、マスク層とは、半導体結晶の成長を阻害する成長阻害層である。そのため、下地層のうち露出箇所からの転位のみが成長させる半導体結晶に引き継がれる。これにより、下地層からの転位の一部を引き継がず、転位密度の低い半導体結晶を成長させることができる。そして、非結晶部は、成長させた半導体結晶や下地層に密着していない。非結晶部は、育成温度では、液体であるからである。そのため、マスクからの応力が半導体結晶にほとんどかからない状態で、半導体結晶は成長する。したがって、会合部での転位の発生を最小限に抑えることができる。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、下地層の上にマスク層を形成して、下地層が露出している露出箇所と下地層が露出していない非露出箇所とを形成するマスク層形成工程と、III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、を有する。マスク層形成工程では、露出箇所として、離散的に配置された複数の成長開始領域と、成長開始領域同士を接続する接続部と、を形成する。半導体結晶形成工程では、マスク層の上に混合融液の成分を含む非結晶部を形成するとともに、成長開始領域から接続部に沿ってIII 族窒化物半導体結晶を横方向に成長させる。このとき、接続部における転位は、成長させる半導体層に引き継がれない。成長開始領域同士の距離が大きかったとしても、均一に横方向成長させることができる。つまり、転位を有効に低減することができる。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、マスク層形成工程では、露出箇所として、成長開始領域を三角形の頂点の位置に配置するとともに、接続部を三角形の一辺となる位置に配置してマスク層を形成する。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、マスク層形成工程では、接続部の長手方向を下地層のｍ軸から５°以内の方向として接続部を形成する。
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、下地層の上に第１のマスク層を形成する第１のマスク層形成工程と、混合融液中で第１のマスク層の上に第１のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１の半導体結晶形成工程と、第１のIII 族窒化物半導体結晶の上に第２のマスク層を形成する第２のマスク層形成工程と、混合融液中で第２のマスク層の上に第２のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２の半導体結晶形成工程と、を有する。
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、第２のマスク層形成工程では、第１のマスク層の露出箇所からみてマスク層の主面に垂直な方向の位置に、第２のマスク層を形成する。
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、マスク層形成工程では、原子層堆積法によりマスク層を形成する。
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、マスク層形成工程では、Ａｌ2 Ｏ3 から成るマスク層を形成する。
第９の態様におけるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、マスク層形成工程では、ＺｒＯ2 もしくはＴｉＯ2 から成るマスク層を形成する。
第１０の態様におけるＧａＮ基板の製造方法は、下地層の上にマスク層を形成して、下地層が露出している露出箇所と下地層が露出していない非露出箇所とを備える種結晶を形成するマスク層形成工程と、ＧａとＮａとを少なくとも含む混合融液中で下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、ＧａＮ結晶を種結晶から取り外す半導体結晶分離工程と、を有する。マスク層形成工程では、露出箇所として、離散的に配置された複数の成長開始領域と、成長開始領域同士を接続する接続部と、を形成する。半導体結晶形成工程では、下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させるとともに、マスク層の上に混合融液の成分を含む非結晶部を形成する。成長開始領域の内幅は１μｍ以上２０００μｍ以下である。接続部の幅は２００μｍ以下である。成長開始領域の内幅は、接続部の幅の２倍より大きい。
この製造方法により製造されたＧａＮ基板では、マスクにより転位の伝播が遮断されるとともに、会合部での転位もほとんど発生しない。すなわち、このＧａＮ基板の転位は、従来のＧａＮ基板の転位に比べて十分に小さい。また、ＧａＮ結晶に密着している種結晶の接触面積は十分に小さい。そのため、種結晶から容易にＧａＮ結晶を分離することができる。
第１１の態様におけるＧａＮ基板の製造方法は、下地層の上にマスク層を形成して、下地層が露出している露出箇所と下地層が露出していない非露出箇所とを備える種結晶を形成するマスク層形成工程と、ＧａとＮａとを少なくとも含む混合融液中で下地層の露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、ＧａＮ結晶を種結晶から取り外す半導体結晶分離工程と、を有する。マスク層形成工程では、露出箇所として、離散的に配置された複数の成長開始領域と、成長開始領域同士を接続する接続部と、を形成する。半導体結晶形成工程では、マスク層の上に混合融液の成分を含む非結晶部を形成するとともに、成長開始領域から接続部に沿ってIII 族窒化物半導体結晶を横方向に成長させる。
第１２の態様におけるＧａＮ基板の製造方法において、マスク層形成工程では、露出箇所として、成長開始領域を三角形の頂点の位置に配置するとともに、接続部を三角形の一辺となる位置に配置してマスク層を形成する。
第１３の態様におけるＧａＮ基板の製造方法において、マスク層形成工程では、接続部の長手方向をｍ軸から５°以内の方向として接続部を形成する。
第１４の態様におけるＧａＮ基板の製造方法において、半導体結晶分離工程では、ＧａＮ結晶から種結晶を取り外す際に、非結晶部から混合融液の成分を流れ出させる。
本発明によれば、残留応力やクラックがなく、転位密度が大幅に低減されたIII 族窒化物半導体結晶の製造方法およびＧａＮ基板の製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、図を参照しつつ説明する。しかし、これらは例示であり、これらの実施形態に限定されるものではない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
以下の実施形態では、第１の実施形態から第３の実施形態までに、III 族窒化物半導体結晶の製造方法について説明する。第４の実施形態では、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明したIII 族窒化物半導体結晶の製造方法を用いるＧａＮ基板の製造方法について説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態では、ＧａＮ自立基板の上にIII 族窒化物半導体結晶を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法について説明する。
第１の実施形態について説明する。本実施形態では、ＧａＮ自立基板の上にIII 族窒化物半導体結晶を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法について説明する。
１．III 族窒化物半導体結晶
１−１．ＧａＮ結晶
図１に、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法により製造されるＧａＮ結晶Ｃ１０の概略構成を示す。本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０は、フラックス法により製造されたものである。ＧａＮ結晶Ｃ１０は、種結晶Ｔ１０と、ＧａＮ層１５０と、を有する。種結晶Ｔ１０は、ＧａＮ基板Ｇ１０と、マスク層１４０と、を有する。また、種結晶Ｔ１０のマスク層１４０と、ＧａＮ層１５０との間には、非結晶部Ｘ１０が形成されている。
１−１．ＧａＮ結晶
図１に、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法により製造されるＧａＮ結晶Ｃ１０の概略構成を示す。本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０は、フラックス法により製造されたものである。ＧａＮ結晶Ｃ１０は、種結晶Ｔ１０と、ＧａＮ層１５０と、を有する。種結晶Ｔ１０は、ＧａＮ基板Ｇ１０と、マスク層１４０と、を有する。また、種結晶Ｔ１０のマスク層１４０と、ＧａＮ層１５０との間には、非結晶部Ｘ１０が形成されている。
マスク層１４０は、下地層であるＧａＮ基板Ｇ１０の上に形成されている。具体的には、その形成箇所は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の一部１６１の上である。マスク層１４０は、フラックスに対する耐性を有する層である。マスク層１４０の材質は、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 である。そのため、マスク層１４０からは半導体結晶は成長しない。つまり、マスク層１４０は、ＧａＮ層１５０の成長を阻害する成長阻害層である。
非結晶部Ｘ１０は、半導体結晶が形成されずに、フラックスの成分で満たされている領域である。非結晶部Ｘ１０は、マスク層１４０の表面（主面）１４１と、ＧａＮ層１５０と、により囲まれている。育成温度では、非結晶部Ｘ１０は、液体である。そのため、非結晶部Ｘ１０は、マスク層１４０やＧａＮ層１５０と密着していない。
ＧａＮ層１５０は、ＧａＮから成るＧａＮ単結晶である。ＧａＮ層１５０は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の残部１６２の上と、非結晶部Ｘ１０の上に形成されている。なお、ＧａＮ層１５０の底面は、ほぼ平坦である。また、後述する実施例で説明するように、ＧａＮ層１５０の膜厚を１ｍｍ程度とすることができる。
１−２．結晶の転位密度
本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０には、非結晶部Ｘ１０がある。ここで、ＧａＮは、非結晶部Ｘ１０から成長しない。したがって、ＧａＮ層１５０は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の残部１６２の上から成長した半導体層である。そのため、ＧａＮ層１５０のうち、非結晶部Ｘ１０の上に形成されている領域には、ＧａＮ基板Ｇ１０からの転位が引き継がれることはない。そのため、ＧａＮ層１５０の結晶性はよい。転位密度の小さいＧａＮ結晶を得るためには、マスク層１４０の面積を可能な限り大きくとればよい。ただし、マスク層１４０の面積があまりにも小さいと、ＧａＮが成長しにくい。具体的には、非結晶部Ｘ１０上の転位密度の値は、１×１０5 ／ｃｍ2 以下である。ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の残部１６２を起点として成長するＧａＮ結晶は、マスク層の中央付近で隣接する結晶と会合することとなる。この会合においても、後述の実施例に記載のとおり、転位はほとんど発生しない。
本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０には、非結晶部Ｘ１０がある。ここで、ＧａＮは、非結晶部Ｘ１０から成長しない。したがって、ＧａＮ層１５０は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の残部１６２の上から成長した半導体層である。そのため、ＧａＮ層１５０のうち、非結晶部Ｘ１０の上に形成されている領域には、ＧａＮ基板Ｇ１０からの転位が引き継がれることはない。そのため、ＧａＮ層１５０の結晶性はよい。転位密度の小さいＧａＮ結晶を得るためには、マスク層１４０の面積を可能な限り大きくとればよい。ただし、マスク層１４０の面積があまりにも小さいと、ＧａＮが成長しにくい。具体的には、非結晶部Ｘ１０上の転位密度の値は、１×１０5 ／ｃｍ2 以下である。ＧａＮ基板Ｇ１０の主面１６０の残部１６２を起点として成長するＧａＮ結晶は、マスク層の中央付近で隣接する結晶と会合することとなる。この会合においても、後述の実施例に記載のとおり、転位はほとんど発生しない。
１−３．結晶の分離性
本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０では、ＧａＮ層１５０を、種結晶Ｔ１０から容易に分離することができる。これは、種結晶Ｔ１０に残存する反り等に起因する応力やマスク層１４０からの応力が種結晶Ｔ１０とＧａＮ層１５０との境界面に集中するからである。そのため、育成の降温時に自然剥離することもある。また、育成終了後、軽い衝撃を加えることで剥離させることもできる。分離後のＧａＮ層１５０および種結晶Ｔ１０を図２に示す。このように、ＧａＮ層１５０と、ＧａＮ基板Ｇ１０とは、剥離しやすい。混合融液の成分を含む非結晶部Ｘ１０があるためである。
本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ１０では、ＧａＮ層１５０を、種結晶Ｔ１０から容易に分離することができる。これは、種結晶Ｔ１０に残存する反り等に起因する応力やマスク層１４０からの応力が種結晶Ｔ１０とＧａＮ層１５０との境界面に集中するからである。そのため、育成の降温時に自然剥離することもある。また、育成終了後、軽い衝撃を加えることで剥離させることもできる。分離後のＧａＮ層１５０および種結晶Ｔ１０を図２に示す。このように、ＧａＮ層１５０と、ＧａＮ基板Ｇ１０とは、剥離しやすい。混合融液の成分を含む非結晶部Ｘ１０があるためである。
このように、転位の遮断を意図して非結晶部Ｘ１０を形成することにより、結晶性に優れるとともに、種結晶Ｔ１０から剥離しやすいIII 族窒化物半導体結晶を製造することができる。
２．種結晶
２−１．種結晶
本実施形態では、図１に示すＧａＮ結晶Ｃ１０をフラックス法により成長させる。そこで、そのフラックス法に用いる種結晶Ｔ１０について説明する。その種結晶Ｔ１０を図３および図４に示す。図３は、種結晶Ｔ１０の上方からみた平面図である。図４は、図３のＡＡ断面を示す断面図である。
２−１．種結晶
本実施形態では、図１に示すＧａＮ結晶Ｃ１０をフラックス法により成長させる。そこで、そのフラックス法に用いる種結晶Ｔ１０について説明する。その種結晶Ｔ１０を図３および図４に示す。図３は、種結晶Ｔ１０の上方からみた平面図である。図４は、図３のＡＡ断面を示す断面図である。
２−２．種結晶の形状
図３に示すように、種結晶Ｔ１０は、ＧａＮ基板Ｇ１０と、マスク層１４０と、を有している。マスク層１４０は、三角形に近い形状で、周期的に配置されている。マスク層１４０に覆われていないＧａＮ基板Ｇ１０の露出箇所Ｒ１０は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、を有している。第１の領域Ｒ１は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面上に配置されている。第１の領域Ｒ１は、円形に近い形状をしている。第１の領域Ｒ１は、ＧａＮ結晶が成長し始める起点となる箇所、すなわち成長開始領域である。
図３に示すように、種結晶Ｔ１０は、ＧａＮ基板Ｇ１０と、マスク層１４０と、を有している。マスク層１４０は、三角形に近い形状で、周期的に配置されている。マスク層１４０に覆われていないＧａＮ基板Ｇ１０の露出箇所Ｒ１０は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、を有している。第１の領域Ｒ１は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面上に配置されている。第１の領域Ｒ１は、円形に近い形状をしている。第１の領域Ｒ１は、ＧａＮ結晶が成長し始める起点となる箇所、すなわち成長開始領域である。
第２の領域Ｒ２は、ＧａＮ基板Ｇ１０の主面上に線状に配置されている。隣り合う３つの第１の領域Ｒ１は、三角形を構成する。この三角形は、正三角形に近い形状である。また、第２の領域Ｒ２は、隣り合う第１の領域Ｒ１同士、すなわち、成長開始領域を接続する接続部である。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１を起点に成長し始めたＧａＮ結晶が広がるためのガイドの役割を担うガイド部である。すなわち、ＧａＮ層の横方向の成長を促すためのものである。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１が形成する三角形の一辺に相当する位置に配置されている。そして、第１の領域Ｒ１は、その三角形の頂点の位置に配置されることとなる。このように、マスク層１４０は、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２により区画されて配置されている。
そして、第１の領域Ｒ１の内幅Ｗ１は、１μｍ以上２０００μｍ以下の範囲内である。内幅Ｗ１が１μｍより短いと、ＧａＮ結晶の成長が起こらなくなったり、均一な成長ができなくなる。一方、内幅Ｗ１が２０００μｍを超えると、転位を低減させる効果が十分に得られない。また、この内幅Ｗ１は、１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内であると好ましい。
そして、第２の領域Ｒ２の幅Ｗ２は、２００μｍ以下である。幅Ｗ２は、内幅Ｗ１に対して、十分に小さくする。具体的には、次式を満たすようにする。
Ｗ１ ＞ ２×Ｗ２
フラックス法では、２つの異なる種類の領域が存在する場合、それらのうちの面積の大きい種結晶に選択的に成長することを本発明者らは発見した。そのため、上記の内幅Ｗ１、幅Ｗ２の範囲内では、内幅Ｗ１の領域のみに半導体結晶を成長させることができ、第２の領域Ｒ２からの転位を発生させることなく、第２の領域Ｒ２がガイドの役割を果たす。
Ｗ１ ＞ ２×Ｗ２
フラックス法では、２つの異なる種類の領域が存在する場合、それらのうちの面積の大きい種結晶に選択的に成長することを本発明者らは発見した。そのため、上記の内幅Ｗ１、幅Ｗ２の範囲内では、内幅Ｗ１の領域のみに半導体結晶を成長させることができ、第２の領域Ｒ２からの転位を発生させることなく、第２の領域Ｒ２がガイドの役割を果たす。
ＧａＮ基板Ｇ１０の主面の全面積に対してマスク層１４０が占める面積の比（面積比）は、５０％以上が好ましい。本実施形態では、ＧａＮ層の横方向の成長を促す第２の領域Ｒ２を形成するため、マスク層１４０の面積比を大きくしても半導体結晶を安定に成長させることができる。
３．原子層堆積法
本実施形態では、原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いて、マスク層１４０を形成する。原子層堆積法は、膜質や膜厚の再現性に優れている。マスク層１４０の材質は、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 である。そして、形成するマスク層１４０の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。マスク層１４０の一辺の長さは、２０μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内である。原子層堆積法により成膜されたＡｌ2 Ｏ3 は緻密な膜である。そのため、成膜されたＡｌ2 Ｏ3 は、フラックス中にほとんど溶け出さないことがわかった。
本実施形態では、原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いて、マスク層１４０を形成する。原子層堆積法は、膜質や膜厚の再現性に優れている。マスク層１４０の材質は、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 である。そして、形成するマスク層１４０の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。マスク層１４０の一辺の長さは、２０μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内である。原子層堆積法により成膜されたＡｌ2 Ｏ3 は緻密な膜である。そのため、成膜されたＡｌ2 Ｏ3 は、フラックス中にほとんど溶け出さないことがわかった。
マスク層１４０の材質は、Ａｌ2 Ｏ3 以外の材質を用いてもよい。例えば、ＴｉＯ2 やＺｒＯ2 である。一方、Ｓｉを含有するＳｉＯ2 やＳｉＮ4 を用いると、フラックス中にＳｉ原子が溶け出し、成長を阻害することがわかった。
４．半導体結晶製造装置
本実施形態の半導体結晶製造装置について説明する。図５に示す半導体結晶製造装置１０は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体を成長させるための装置である。半導体結晶製造装置１０は、図５に示すように、圧力容器２０と、反応容器１１と、坩堝１２と、加熱装置１３と、供給管１４、１６と、排気管１５、１７と、を有している。
本実施形態の半導体結晶製造装置について説明する。図５に示す半導体結晶製造装置１０は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体を成長させるための装置である。半導体結晶製造装置１０は、図５に示すように、圧力容器２０と、反応容器１１と、坩堝１２と、加熱装置１３と、供給管１４、１６と、排気管１５、１７と、を有している。
圧力容器２０は、円筒形のステンレス製であり、耐圧性を有している。また、圧力容器２０には、供給管１６、排気管１７が接続されている。圧力容器２０の内部には、反応容器１１と加熱装置１３とが配置されている。このように反応容器１１を圧力容器２０の内部に配置しているため、反応容器１１にさほど耐圧性が要求されない。そのため、反応容器１１として低コストのものを使用することができ、再利用性も向上する。
反応容器１１はＳＵＳ製であり耐熱性を有している。反応容器１１内には、坩堝１２が配置される。坩堝１２の材質は、たとえばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、アルミナ、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）などである。坩堝１２には、ＧａとＮａを含む混合融液２１が保持され、混合融液２１中には種結晶Ｔ１０が収容される。
反応容器１１には、供給管１４、排気管１５が接続されており、供給管１４、排気管１５に設けられた弁（図示しない）により反応容器１１内の換気、窒素の供給、反応容器１１内の圧力の制御、を行う。また、圧力容器２０にも供給管１６より窒素が供給され、供給管１６、排気管１７の弁（図示しない）で窒素の供給量、排気量を調整することで、圧力容器２０内の圧力と反応容器１１内の圧力とがほぼ同じになるよう制御する。また、加熱装置１３により、反応容器１１内の温度を制御する。
また、半導体結晶製造装置１０には、坩堝１２を回転させて坩堝１２中に保持される混合融液２１を攪拌することができる装置が設けられている。そのため、ＧａＮ結晶の育成中に混合融液２１を撹拌して混合融液２１中のＮａ、Ｇａ、窒素の濃度分布が均一となるようにすることができる。これにより、ＧａＮ結晶を均質に育成することができる。坩堝１２を回転させる装置は、反応容器１１内部から圧力容器２０外部まで貫通する回転軸２２と、反応容器１１の内部に回転軸２２と連結されて配置され、坩堝１２を保持するターンテーブル２３と、回転軸２２の回転を制御する駆動装置２４と、によって構成されている。この駆動装置２４による回転軸２２の回転によってターンテーブル２３を回転させ、ターンテーブル２３上に保持されている坩堝１２を回転させる。
なお、反応容器１１として耐圧性を有したものを使用すれば、必ずしも圧力容器２０は必要ではない。また、ＧａＮ結晶育成中のＮａの蒸発を防止するために、坩堝１２には蓋を設けてもよい。また、坩堝１２の回転に替えて、あるいは加えて、坩堝１２を揺動させる装置を設けてもよい。
５．III 族窒化物半導体結晶の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ａ）マスク層形成工程
（Ｂ）半導体結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ａ）マスク層形成工程
（Ｂ）半導体結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。
５−１．（Ａ）マスク層形成工程
まず、ＧａＮ基板Ｇ１０を用意する。ＧａＮ基板Ｇ１０は、ＧａＮ自立基板である。その転位密度は、５×１０6 ／ｃｍ2 程度である。また、ＧａＮ基板Ｇ１０は、マスク層を形成するための下地層でもある。そして、ＧａＮ基板Ｇ１０の上に、原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いてマスク層１４０を形成する。その際に、ＧａＮ基板Ｇ１０が露出している露出箇所Ｒ１０と、ＧａＮ基板Ｇ１０が露出していない非露出箇所と、を形成する。これにより、図４に示すような種結晶Ｔ１０が得られる。
まず、ＧａＮ基板Ｇ１０を用意する。ＧａＮ基板Ｇ１０は、ＧａＮ自立基板である。その転位密度は、５×１０6 ／ｃｍ2 程度である。また、ＧａＮ基板Ｇ１０は、マスク層を形成するための下地層でもある。そして、ＧａＮ基板Ｇ１０の上に、原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いてマスク層１４０を形成する。その際に、ＧａＮ基板Ｇ１０が露出している露出箇所Ｒ１０と、ＧａＮ基板Ｇ１０が露出していない非露出箇所と、を形成する。これにより、図４に示すような種結晶Ｔ１０が得られる。
５−２．（Ｂ）半導体結晶形成工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法を用いて、種結晶Ｔ１０の上に半導体結晶を成長させる。つまり、図５に示すように、半導体製造装置１０の内部に種結晶Ｔ１０および原材料を収容する。ここで用いる原材料（フラックス）を表１に示す。ここで、Ｇａ比は５％以上４０％以下の範囲内であるとよい。また、炭素比を、Ｎａに対して０ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内で変えてもよい。つまり、フラックスは、炭素を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよいが、より望ましくは、０．０１ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内である。なお、表１の値は、あくまで例示であり、これ以外の値であってもよい。
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法を用いて、種結晶Ｔ１０の上に半導体結晶を成長させる。つまり、図５に示すように、半導体製造装置１０の内部に種結晶Ｔ１０および原材料を収容する。ここで用いる原材料（フラックス）を表１に示す。ここで、Ｇａ比は５％以上４０％以下の範囲内であるとよい。また、炭素比を、Ｎａに対して０ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内で変えてもよい。つまり、フラックスは、炭素を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよいが、より望ましくは、０．０１ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内である。なお、表１の値は、あくまで例示であり、これ以外の値であってもよい。
ここで成長させる半導体結晶は、もちろんIII 族窒化物半導体結晶である。例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のいずれであってもよい。まず、種結晶Ｔ１０と、表１に示す原材料とを、露点および酸素濃度の管理されたグローブボックス内で計量する。なお、これらは例示であり、これとは異なる値を用いてもよい。次に、種結晶Ｔ１０および原材料を、アルミナ製の坩堝の内部に入れる。そして、その坩堝をＳＵＳ製の内容器の内部に入れる。そして、その内容器を圧力容器の内部のターンテーブル２３上に置く。そして、圧力容器を真空引きした後に、昇圧および昇温する。このときに、原料の一つである窒素ガスを反応容器１１の内部に供給する。
［表１］
Ｇａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｎａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｃ ０．０１ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％（Ｎａに対して）
Ｇａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｎａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｃ ０．０１ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％（Ｎａに対して）
ここで、この工程で用いた坩堝内の条件を表２に示す。例えば、温度は、８７０℃である。圧力は４ＭＰａである。この条件下では、上記の原材料は融解し、混合融液となっている。攪拌条件は、２０ｒｐｍで攪拌を行う。その際に、攪拌部材の回転方向の反転を適宜行う。このとき、種結晶Ｔ１０のメルトバックを生じさせてもよい。
［表２］
温度 ８５０℃以上 １０００℃以下
圧力 ３ＭＰａ以上 １０ＭＰａ以下
攪拌条件 ０ｒｐｍ以上 １００ｒｐｍ以下
育成時間 ２０時間以上 ２００時間以下
温度 ８５０℃以上 １０００℃以下
圧力 ３ＭＰａ以上 １０ＭＰａ以下
攪拌条件 ０ｒｐｍ以上 １００ｒｐｍ以下
育成時間 ２０時間以上 ２００時間以下
そして、加圧等によりフラックス中の原料濃度が過飽和した後に、混合融液中で図４に示す種結晶Ｔ１０からＧａＮ層１５０が成長し始める。このＧａＮ層１５０は、半導体の単結晶である。このときＧａＮ層１５０は、第１の領域Ｒ１の表面を起点として横方向および上方向に成長する。そして、図６に示すように、第１の領域Ｒ１から成長するＧａＮ層１５０は、第１の領域Ｒ１を埋めてさらに横方向および上方向に成長する。このとき、ＧａＮ層（１５０）のうちの第２の領域Ｒ２がある箇所については、第２の領域Ｒ２に沿って横方向に成長する。
しかし、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２のない箇所、すなわちマスク層１４０の上では、図６に示すように、１の起点から斜め方向に成長したＧａＮ層（１５０）は、他の起点から斜め方向に成長したＧａＮ層（１５０）と合流、会合する。このように、第１の領域Ｒ１から成長するＧａＮ層１５０と、マスク層１４０により覆われた非結晶部Ｘ１０が形成される。そして、合流したＧａＮ層１５０は、上方向に成長し、図１に示すＧａＮ結晶Ｃ１０が得られる。育成時間は、表２に示すように、２０時間以上２００時間以下の範囲内である。非結晶部Ｘ１０の厚さは、ＧａＮの横方向の成長速度と縦方向の成長速度を調整することで制御可能である。安定した非結晶部Ｘ１０を形成するためには、横方向の成長速度を縦方向の成長速度の１．３倍以上となるように、育成温度、圧力、炭素の含有量等を調整する。
６．変形例
６−１．III 族窒化物半導体結晶
本実施形態では、ＧａＮ層１５０を形成することとした。しかし、ＧａＮに限らず、他のIII 族窒化物半導体結晶を製造する際にも適用することができる。つまり、ＡｌX ＩｎY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を製造することができる。この場合には、III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で半導体結晶を成長させることとすればよい。
６−１．III 族窒化物半導体結晶
本実施形態では、ＧａＮ層１５０を形成することとした。しかし、ＧａＮに限らず、他のIII 族窒化物半導体結晶を製造する際にも適用することができる。つまり、ＡｌX ＩｎY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を製造することができる。この場合には、III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で半導体結晶を成長させることとすればよい。
６−２．下地層の構造
本実施形態では、ＧａＮ基板Ｇ１０を下地層とした。しかし、ＧａＮ基板の上にさらにＧａＮ層を形成することしてもよい。その場合には、ＧａＮ基板の上に形成したＧａＮ層を下地層とみることができる。また、ＧａＮ基板およびその上のＧａＮ層を合わせた２層を下地層とみることもできる。
本実施形態では、ＧａＮ基板Ｇ１０を下地層とした。しかし、ＧａＮ基板の上にさらにＧａＮ層を形成することしてもよい。その場合には、ＧａＮ基板の上に形成したＧａＮ層を下地層とみることができる。また、ＧａＮ基板およびその上のＧａＮ層を合わせた２層を下地層とみることもできる。
６−３．第２の領域
第２の領域Ｒ２を、ＧａＮ層１５０のｍ軸と垂直な位置に配置するとよい。第２の領域Ｒ２による半導体の横方向の成長を促す効果を、より高めることができるからである。実際には、第１の領域Ｒ２の長手方向をＧａＮ基板Ｇ１０のｍ軸に対して５°以下の範囲内の方向に配置するように形成する。また、第２の領域Ｒ２が形成されていない場合であっても、非結晶部Ｘ１０を形成することができる場合がある。
第２の領域Ｒ２を、ＧａＮ層１５０のｍ軸と垂直な位置に配置するとよい。第２の領域Ｒ２による半導体の横方向の成長を促す効果を、より高めることができるからである。実際には、第１の領域Ｒ２の長手方向をＧａＮ基板Ｇ１０のｍ軸に対して５°以下の範囲内の方向に配置するように形成する。また、第２の領域Ｒ２が形成されていない場合であっても、非結晶部Ｘ１０を形成することができる場合がある。
７．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ１０として、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２を形成したものを用いることとした。そして、ＧａＮ基板Ｇ１０の第１の領域Ｒ１から半導体結晶を成長させる。マスク層１４０の上には、非結晶部Ｘ１０が形成される。非結晶部Ｘ１０の上部のＧａＮ層１５０には、非結晶部Ｘ１０の下の半導体層からの転位（格子欠陥）は引き継がれない。つまり、形成されるＧａＮ結晶の転位密度は十分に低い。さらに非結晶部Ｘ１０があるため、会合部で新たな転位がほとんど発生しない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体結晶を形成することができる。また、マスク層１４０からの応力はＧａＮ層１５０に働かない。そのため、残留応力やクラックのほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ１０として、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２を形成したものを用いることとした。そして、ＧａＮ基板Ｇ１０の第１の領域Ｒ１から半導体結晶を成長させる。マスク層１４０の上には、非結晶部Ｘ１０が形成される。非結晶部Ｘ１０の上部のＧａＮ層１５０には、非結晶部Ｘ１０の下の半導体層からの転位（格子欠陥）は引き継がれない。つまり、形成されるＧａＮ結晶の転位密度は十分に低い。さらに非結晶部Ｘ１０があるため、会合部で新たな転位がほとんど発生しない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体結晶を形成することができる。また、マスク層１４０からの応力はＧａＮ層１５０に働かない。そのため、残留応力やクラックのほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。実際には、種結晶に形成される第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の数は図に示したものに比べてもっと多い。ただし、規則的に第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２が形成されていることに変わりない。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、種結晶として、サファイア基板にＧａＮ層を形成したものを用いる。それ以外の点は、第１の実施形態と同じである。したがって、第１の実施形態と異なる点を説明する。
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、種結晶として、サファイア基板にＧａＮ層を形成したものを用いる。それ以外の点は、第１の実施形態と同じである。したがって、第１の実施形態と異なる点を説明する。
１．III 族窒化物半導体結晶
１−１．ＧａＮ結晶
図７に、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法により製造されるＧａＮ結晶Ｃ２０の断面構造を示す。ＧａＮ結晶Ｃ２０は、種結晶Ｔ２０と、ＧａＮ層２５０と、を有している。そして、種結晶Ｔ２０と、ＧａＮ層２５０との間の位置には、非結晶部Ｘ２０が形成されている。
１−１．ＧａＮ結晶
図７に、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法により製造されるＧａＮ結晶Ｃ２０の断面構造を示す。ＧａＮ結晶Ｃ２０は、種結晶Ｔ２０と、ＧａＮ層２５０と、を有している。そして、種結晶Ｔ２０と、ＧａＮ層２５０との間の位置には、非結晶部Ｘ２０が形成されている。
種結晶Ｔ２０は、サファイア基板Ｓ２０と、低温バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、マスク層２４０と、を有している。ＧａＮ層２５０は、露出箇所２６２と非結晶部Ｘ２０とに接触している。また、マスク層２４０の側面２４２にも接触している。
本実施形態のＧａＮ結晶Ｃ２０は、図８に示すように、ＧａＮ層２５０を種結晶Ｔ２０から容易に分離することができる。非結晶部Ｘ２０は育成温度で液体であり、非結晶部Ｘ２０と、ＧａＮ層２５０もしくはマスク層２４０とは、ほとんど密着していないためである。
２．種結晶
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法に用いる種結晶Ｔ２０について説明する。種結晶Ｔ２０は、図９に示すように、サファイア基板Ｓ２０と、低温バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、マスク層２４０と、を有している。サファイア基板Ｓ２０は、ｃ面サファイア基板である。低温バッファ層２２０は、ＧａＮもしくはＡｌＮから成る層である。ＧａＮ層２３０は、マスク層２４０を形成するための下地層である。マスク層２４０は、ＧａＮ層２５０の成長の起点とならない成長阻害層である。それ以外の点については、第１の実施形態の種結晶Ｔ１０と同様である。
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法に用いる種結晶Ｔ２０について説明する。種結晶Ｔ２０は、図９に示すように、サファイア基板Ｓ２０と、低温バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、マスク層２４０と、を有している。サファイア基板Ｓ２０は、ｃ面サファイア基板である。低温バッファ層２２０は、ＧａＮもしくはＡｌＮから成る層である。ＧａＮ層２３０は、マスク層２４０を形成するための下地層である。マスク層２４０は、ＧａＮ層２５０の成長の起点とならない成長阻害層である。それ以外の点については、第１の実施形態の種結晶Ｔ１０と同様である。
３．III 族窒化物半導体結晶の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ｃ−１）低温バッファ層形成工程
（Ｃ−２）下地層形成工程
（Ａ）マスク層形成工程
（Ｂ）半導体結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ｃ−１）低温バッファ層形成工程
（Ｃ−２）下地層形成工程
（Ａ）マスク層形成工程
（Ｂ）半導体結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。
３−１．（Ｃ−１）低温バッファ層形成工程
まず、成長基板であるサファイア基板Ｓ２０に、低温バッファ層２２０を形成する（図７参照）。サファイア基板Ｓ２０は、ｃ面サファイアである。そして、サファイア基板Ｓ２０上に低温バッファ層２２０を成長させる。成長させる方法として、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法等がある。これらのいずれを用いてもよい。低温バッファ層２２０は、ＧａＮから成る層である。または、ＡｌＮから成る層であってもよい。
まず、成長基板であるサファイア基板Ｓ２０に、低温バッファ層２２０を形成する（図７参照）。サファイア基板Ｓ２０は、ｃ面サファイアである。そして、サファイア基板Ｓ２０上に低温バッファ層２２０を成長させる。成長させる方法として、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法等がある。これらのいずれを用いてもよい。低温バッファ層２２０は、ＧａＮから成る層である。または、ＡｌＮから成る層であってもよい。
３−２．（Ｃ−２）下地層形成工程
次に、低温バッファ層２２０の上に、ＧａＮ層２３０を形成する（図７参照）。このＧａＮ層２３０は、下地層である。ここで、ＧａＮ層２３０の厚みは、１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であるとよい。なお、この下地層形成工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法とのうち、いずれを用いてもよい。
次に、低温バッファ層２２０の上に、ＧａＮ層２３０を形成する（図７参照）。このＧａＮ層２３０は、下地層である。ここで、ＧａＮ層２３０の厚みは、１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であるとよい。なお、この下地層形成工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法とのうち、いずれを用いてもよい。
３−３．（Ａ）マスク層形成工程
そして、ＧａＮ層２３０の上に、マスク層２４０を形成する（図７参照）。このマスク層２４０のパターンは、図３に示したマスク層１４０と同様である。
そして、ＧａＮ層２３０の上に、マスク層２４０を形成する（図７参照）。このマスク層２４０のパターンは、図３に示したマスク層１４０と同様である。
３−３．（Ｂ）半導体結晶形成工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法により、種結晶Ｔ２０上に半導体結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料は、表１に示したものでよい。また、フラックス法で用いる条件は、表２に示したものでよい。
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法により、種結晶Ｔ２０上に半導体結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料は、表１に示したものでよい。また、フラックス法で用いる条件は、表２に示したものでよい。
昇温昇圧により、フラックス中の原料濃度が過飽和した後に、第１の領域を起点として、ＧａＮ層２５０が成長する。そして、非結晶部Ｘ２０が形成されるとともに、ＧａＮ層２５０が形成される。これにより、図７に示すＧａＮ結晶Ｃ２０が製造される。
４．製造されたIII 族窒化物半導体結晶
ＧａＮ結晶Ｃ２０は、ＧａＮ層２５０を有している。ＧａＮ層２５０の性質は、第１の実施形態で説明したＧａＮ層１５０とほぼ同じである。ＧａＮ層２５０の転位密度の値は、１×１０5 ／ｃｍ2 以下である。さらに、このＧａＮ層２５０では、転位密度が全面にわたって均一である。複数の非結晶部Ｘ２３が、規則的に配置されているからである。また、種結晶Ｔ２１とＧａＮ層２５０との間の分離性については、サファイア基板Ｓ２０からの応力があるため、第１の実施形態のＧａＮ層１５０よりも分離しやすい。
ＧａＮ結晶Ｃ２０は、ＧａＮ層２５０を有している。ＧａＮ層２５０の性質は、第１の実施形態で説明したＧａＮ層１５０とほぼ同じである。ＧａＮ層２５０の転位密度の値は、１×１０5 ／ｃｍ2 以下である。さらに、このＧａＮ層２５０では、転位密度が全面にわたって均一である。複数の非結晶部Ｘ２３が、規則的に配置されているからである。また、種結晶Ｔ２１とＧａＮ層２５０との間の分離性については、サファイア基板Ｓ２０からの応力があるため、第１の実施形態のＧａＮ層１５０よりも分離しやすい。
５．変形例
５−１．サファイア基板
本実施形態では、ｃ面サファイア基板Ｓ２０を用いることとした。ａ面サファイア基板等、その他のサファイア基板を用いることができる。
５−１．サファイア基板
本実施形態では、ｃ面サファイア基板Ｓ２０を用いることとした。ａ面サファイア基板等、その他のサファイア基板を用いることができる。
５−２．その他の変形例
本実施形態においても、第１の実施形態で説明した全ての変形例を適用することができる。
本実施形態においても、第１の実施形態で説明した全ての変形例を適用することができる。
６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ２０として、第１の領域および第２の領域を形成したものを用いることとした。マスク層２４０の上には、非結晶部Ｘ２０が形成される。非結晶部Ｘ２０の上部のＧａＮ層２５０には、非結晶部Ｘ２０の下の半導体層からの転位（格子欠陥）は引き継がれない。つまり、形成されるＧａＮ結晶の転位密度は十分に低い。さらに非結晶部Ｘ２０があるため、会合部で新たな転位がほとんど発生しない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体結晶を形成することができる。また、マスク層２４０からの応力はＧａＮ層２５０に働かない。そのため、残留応力やクラックのほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ２０として、第１の領域および第２の領域を形成したものを用いることとした。マスク層２４０の上には、非結晶部Ｘ２０が形成される。非結晶部Ｘ２０の上部のＧａＮ層２５０には、非結晶部Ｘ２０の下の半導体層からの転位（格子欠陥）は引き継がれない。つまり、形成されるＧａＮ結晶の転位密度は十分に低い。さらに非結晶部Ｘ２０があるため、会合部で新たな転位がほとんど発生しない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体結晶を形成することができる。また、マスク層２４０からの応力はＧａＮ層２５０に働かない。そのため、残留応力やクラックのほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図１０に示すように２段階のマスク層を有するＧａＮ結晶Ｃ３０を製造する。
第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図１０に示すように２段階のマスク層を有するＧａＮ結晶Ｃ３０を製造する。
１．III 族窒化物半導体結晶
ＧａＮ結晶Ｃ３０は、ＧａＮ基板Ｇ３０と、第１のマスク層３２０と、ＧａＮ層３３０と、第２のマスク層３４０と、ＧａＮ層３５０と、を有している。図１０に示すように、ＧａＮ層３３０の成長の起点である露出箇所３６１からみて、ＧａＮ基板Ｇ３０の主面に垂直な方向の延長線上に、第２のマスク層３４０が形成されている。そのため、ＧａＮ基板Ｇ３０から成長するＧａＮ層３３０の転位Ｚ３は、第２のマスク層３４０により妨げられる。また、第１のマスク層３２０の上方には、ほとんど転位は存在しない。このため、ＧａＮ結晶Ｃ３０の転位密度は、第１の実施形態や第２の実施形態のものと比べて、より小さい。特に、本実施形態では、会合部での転位の発生を抑えることができるため、複数回のマスクの形成により、転位のほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
ＧａＮ結晶Ｃ３０は、ＧａＮ基板Ｇ３０と、第１のマスク層３２０と、ＧａＮ層３３０と、第２のマスク層３４０と、ＧａＮ層３５０と、を有している。図１０に示すように、ＧａＮ層３３０の成長の起点である露出箇所３６１からみて、ＧａＮ基板Ｇ３０の主面に垂直な方向の延長線上に、第２のマスク層３４０が形成されている。そのため、ＧａＮ基板Ｇ３０から成長するＧａＮ層３３０の転位Ｚ３は、第２のマスク層３４０により妨げられる。また、第１のマスク層３２０の上方には、ほとんど転位は存在しない。このため、ＧａＮ結晶Ｃ３０の転位密度は、第１の実施形態や第２の実施形態のものと比べて、より小さい。特に、本実施形態では、会合部での転位の発生を抑えることができるため、複数回のマスクの形成により、転位のほとんどないＧａＮ結晶が得られる。
２．製造方法
本実施形態では、下地層の上に第１のマスク層を形成する第１のマスク層形成工程と、混合融液中で第１のマスク層の上に第１のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１の半導体結晶形成工程と、第１のIII 族窒化物半導体結晶の上に第２のマスク層を形成する第２のマスク層形成工程と、混合融液中で第２のマスク層の上に第２のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２の半導体結晶形成工程と、を実施する。なお、第２のマスク層形成工程では、第１のマスク層の露出箇所からみてマスク層の主面に垂直な方向の位置に、第２のマスク層を形成する。もちろん、第２のマスク層の形成位置は、この位置からずれた位置であってもよい。第２のマスク層形成工程は、第１のＧａＮ層３３０を研磨し、平坦化した後に行うことが好ましい。
本実施形態では、下地層の上に第１のマスク層を形成する第１のマスク層形成工程と、混合融液中で第１のマスク層の上に第１のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１の半導体結晶形成工程と、第１のIII 族窒化物半導体結晶の上に第２のマスク層を形成する第２のマスク層形成工程と、混合融液中で第２のマスク層の上に第２のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２の半導体結晶形成工程と、を実施する。なお、第２のマスク層形成工程では、第１のマスク層の露出箇所からみてマスク層の主面に垂直な方向の位置に、第２のマスク層を形成する。もちろん、第２のマスク層の形成位置は、この位置からずれた位置であってもよい。第２のマスク層形成工程は、第１のＧａＮ層３３０を研磨し、平坦化した後に行うことが好ましい。
２．変形例
第２の実施形態で用いたサファイア基板の上に、本実施形態の２段階のマスク層を形成することとしてもよい。また、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した変形例と組み合わせてもよい。
第２の実施形態で用いたサファイア基板の上に、本実施形態の２段階のマスク層を形成することとしてもよい。また、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した変形例と組み合わせてもよい。
（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明したIII 族窒化物半導体結晶の製造方法を用いたＧａＮ基板の製造方法について説明する。
第４の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明したIII 族窒化物半導体結晶の製造方法を用いたＧａＮ基板の製造方法について説明する。
１．III 族窒化物半導体結晶の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明した各工程の後に、次に示す工程を有する。
（Ｄ）半導体結晶分離工程
本実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法は、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明した各工程の後に、次に示す工程を有する。
（Ｄ）半導体結晶分離工程
１−１．（Ｄ）半導体結晶分離工程
前述したように、非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０の形成されたＧａＮ結晶Ｃ１０、Ｃ２０では、ＧａＮ層１５０、２５０が成長基板から剥離しやすい。育成温度で液体である非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０があるために、ＧａＮ層１５０、２５０との密着していないからである。そこで、図２および図８で示したように、ＧａＮ結晶と、成長基板とを分離する。また、膨張係数の差を利用して、加熱冷却を利用してもよい。この分離により、非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０であった箇所から、液体成分が流れ出す。この液体成分は、ＧａやＮａに吸収された水分等である。
前述したように、非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０の形成されたＧａＮ結晶Ｃ１０、Ｃ２０では、ＧａＮ層１５０、２５０が成長基板から剥離しやすい。育成温度で液体である非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０があるために、ＧａＮ層１５０、２５０との密着していないからである。そこで、図２および図８で示したように、ＧａＮ結晶と、成長基板とを分離する。また、膨張係数の差を利用して、加熱冷却を利用してもよい。この分離により、非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０であった箇所から、液体成分が流れ出す。この液体成分は、ＧａやＮａに吸収された水分等である。
なお、実際には、マスク層１４０、２４０や非結晶部Ｘ１０、Ｘ２０の一部がＧａＮ結晶に付着したままとなることも起こりうる。その場合であっても、その面を削れば問題ない。これにより、ＧａＮ自立基板が製造される。
２．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のＧａＮ基板の製造方法は、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明した方法を用いて形成されたＧａＮ結晶を成長基板から取り外してＧａＮ自立基板とする方法である。
以上詳細に説明したように、本実施形態のＧａＮ基板の製造方法は、第１の実施形態から第３の実施形態までで説明した方法を用いて形成されたＧａＮ結晶を成長基板から取り外してＧａＮ自立基板とする方法である。
１．実施例１
１−１．マスク層形成
実施例１について説明する。本実施例では、第１の実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法を用いた。そのため、ｃ面ＧａＮ自立基板を用いた。ＧａＮ自立基板の直径は、２インチ（５０．８ｍｍ）であった。ＧａＮ自立基板の上に、原子層堆積法を用いてＡｌ2 Ｏ3 を１００ｎｍの厚みで形成した。
１−１．マスク層形成
実施例１について説明する。本実施例では、第１の実施形態のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法を用いた。そのため、ｃ面ＧａＮ自立基板を用いた。ＧａＮ自立基板の直径は、２インチ（５０．８ｍｍ）であった。ＧａＮ自立基板の上に、原子層堆積法を用いてＡｌ2 Ｏ3 を１００ｎｍの厚みで形成した。
次に、フォトリソグラフィによりレジストのパターニングを実施した。そして、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）に浸漬することにより、下地層（ＧａＮ）が露出するまでＡｌ2 Ｏ3 をエッチングした。そして、レジストマスクを除去した後に、洗浄した。ここで、マスク層のパターンを正三角形に近い形状とし、その一辺の長さを、３００μｍとし、第１の領域Ｒ１の内幅Ｗ１を、９０μｍとした。また、第２の領域Ｒ２とＧａＮのｍ軸とがなす角の角度を５°以下とした。
１−２．育成
次に、半導体結晶製造装置の内部に、種結晶を収容した。また、原材料として、Ｇａを３０ｇ、Ｎａを３０ｇ、炭素（Ｃ）を８０ｍｇ、半導体結晶製造装置の内部に収容した。そして、窒素ガスを供給しつつ、昇温、昇圧した。装置内部の温度は、８７０℃であった。圧力は、４ＭＰａであった。適宜反転しつつ、２０ｒｐｍで撹拌を行った。ＧａＮ結晶を育成を６０時間かけて行った。
次に、半導体結晶製造装置の内部に、種結晶を収容した。また、原材料として、Ｇａを３０ｇ、Ｎａを３０ｇ、炭素（Ｃ）を８０ｍｇ、半導体結晶製造装置の内部に収容した。そして、窒素ガスを供給しつつ、昇温、昇圧した。装置内部の温度は、８７０℃であった。圧力は、４ＭＰａであった。適宜反転しつつ、２０ｒｐｍで撹拌を行った。ＧａＮ結晶を育成を６０時間かけて行った。
１−３．得られたＧａＮ結晶
これにより、ＧａＮ結晶が得られた。非結晶部Ｘ１０に相当する部分が形成されていることを確認した。そのため、成長させたＧａＮ層は、種結晶から容易に分離することができた。その分離の際に、実際にフラックス成分が流れ出てきたことを確認した。成長させたＧａＮ層の膜厚は、０．９ｍｍであった。得られた結晶の転位密度は、全面均一で１×１０5 ／ｃｍ2 以下であった。
これにより、ＧａＮ結晶が得られた。非結晶部Ｘ１０に相当する部分が形成されていることを確認した。そのため、成長させたＧａＮ層は、種結晶から容易に分離することができた。その分離の際に、実際にフラックス成分が流れ出てきたことを確認した。成長させたＧａＮ層の膜厚は、０．９ｍｍであった。得られた結晶の転位密度は、全面均一で１×１０5 ／ｃｍ2 以下であった。
得られたＧａＮ結晶の断面を走査型電子顕微鏡で観察した写真を図１１に示す。図１１に示すように、非結晶部の痕跡が観察された。なお、観察時には、非結晶部のフラックス成分を洗浄し、除去した状態のものを観察した。また、図１１の写真における縦方向の線は、転位ではなく、断面を観察する際の切断時に不可避的にできる割れ目である。
表面を研磨し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を実施して平坦化した後、ＫＯＨでＧａＮの表面をエッチングしてピットを観測した。その顕微鏡写真を図１２に示す。ピットは第１の領域Ｒ１の上方の位置に形成されていたが、第２の領域Ｒ２の上方の位置にはほとんど形成されていなかった。この結果から、半導体結晶は、第１の領域Ｒ１を起点として成長したといえる。
１０…半導体結晶製造装置
Ｇ１０、Ｇ２０、Ｇ３０…ＧａＮ基板
１４０、２４０、３２０、３４０…マスク層
１５０、２５０、３５０…ＧａＮ層
２２０…低温バッファ層
Ｔ１０、Ｔ２０…種結晶
Ｘ１０、Ｘ２０、Ｘ３０、Ｘ４０…非結晶部
Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０…ＧａＮ結晶
Ｒ１０…露出箇所
Ｒ１…第１の領域
Ｒ２…第２の領域
Ｇ１０、Ｇ２０、Ｇ３０…ＧａＮ基板
１４０、２４０、３２０、３４０…マスク層
１５０、２５０、３５０…ＧａＮ層
２２０…低温バッファ層
Ｔ１０、Ｔ２０…種結晶
Ｘ１０、Ｘ２０、Ｘ３０、Ｘ４０…非結晶部
Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０…ＧａＮ結晶
Ｒ１０…露出箇所
Ｒ１…第１の領域
Ｒ２…第２の領域
Claims (14)
- 下地層の上にマスク層を形成して、前記下地層が露出している露出箇所と前記下地層が露出していない非露出箇所とを形成するマスク層形成工程と、
III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で前記下地層の前記露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、
を有し、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
離散的に配置された複数の成長開始領域と、
前記成長開始領域同士を接続する接続部と、
を形成し、
前記半導体結晶形成工程では、
前記下地層の前記露出箇所から前記III 族窒化物半導体結晶を成長させるとともに、
前記マスク層の上に前記混合融液の成分を含む非結晶部を形成し、
前記成長開始領域の内幅は１μｍ以上２０００μｍ以下であり、
前記接続部の幅は２００μｍ以下であり、
前記成長開始領域の内幅は、前記接続部の幅の２倍より大きいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 下地層の上にマスク層を形成して、前記下地層が露出している露出箇所と前記下地層が露出していない非露出箇所とを形成するマスク層形成工程と、
III 族金属とＮａとを少なくとも含む混合融液中で前記下地層の前記露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、
を有し、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
離散的に配置された複数の成長開始領域と、
前記成長開始領域同士を接続する接続部と、
を形成し、
前記半導体結晶形成工程では、
前記マスク層の上に前記混合融液の成分を含む非結晶部を形成するとともに、
前記成長開始領域から前記接続部に沿って前記III 族窒化物半導体結晶を横方向に成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
前記成長開始領域を三角形の頂点の位置に配置するとともに、
前記接続部を三角形の一辺となる位置に配置して前記マスク層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項３に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
前記接続部の長手方向を前記下地層のｍ軸から５°以内の方向として前記接続部を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記下地層の上に第１のマスク層を形成する第１のマスク層形成工程と、
前記混合融液中で前記第１のマスク層の上に第１のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１の半導体結晶形成工程と、
前記第１のIII 族窒化物半導体結晶の上に第２のマスク層を形成する第２のマスク層形成工程と、
前記混合融液中で前記第２のマスク層の上に第２のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２の半導体結晶形成工程と、
を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項５に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記第２のマスク層形成工程では、
前記第１のマスク層の前記露出箇所からみて前記マスク層の主面に垂直な方向の位置に、前記第２のマスク層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
原子層堆積法により前記マスク層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
Ａｌ2 Ｏ3 から成る前記マスク層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
ＺｒＯ2 もしくはＴｉＯ2 から成る前記マスク層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 下地層の上にマスク層を形成して、前記下地層が露出している露出箇所と前記下地層が露出していない非露出箇所とを備える種結晶を形成するマスク層形成工程と、
ＧａとＮａとを少なくとも含む混合融液中で前記下地層の前記露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、
ＧａＮ結晶を前記種結晶から取り外す半導体結晶分離工程と、
を有し、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
離散的に配置された複数の成長開始領域と、
前記成長開始領域同士を接続する接続部と、
を形成し、
前記半導体結晶形成工程では、
前記下地層の前記露出箇所から前記III 族窒化物半導体結晶を成長させるとともに、
前記マスク層の上に前記混合融液の成分を含む非結晶部を形成し、
前記成長開始領域の内幅は１μｍ以上２０００μｍ以下であり、
前記接続部の幅は２００μｍ以下であり、
前記成長開始領域の内幅は、前記接続部の幅の２倍より大きいこと
を特徴とするＧａＮ基板の製造方法。 - 下地層の上にマスク層を形成して、前記下地層が露出している露出箇所と前記下地層が露出していない非露出箇所とを備える種結晶を形成するマスク層形成工程と、
ＧａとＮａとを少なくとも含む混合融液中で前記下地層の前記露出箇所からIII 族窒化物半導体結晶を成長させる半導体結晶形成工程と、
ＧａＮ結晶を前記種結晶から取り外す半導体結晶分離工程と、
を有し、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
離散的に配置された複数の成長開始領域と、
前記成長開始領域同士を接続する接続部と、
を形成し、
前記半導体結晶形成工程では、
前記マスク層の上に前記混合融液の成分を含む非結晶部を形成するとともに、
前記成長開始領域から前記接続部に沿って前記III 族窒化物半導体結晶を横方向に成長させること
を特徴とするＧａＮ基板の製造方法。 - 請求項１０または請求項１１に記載のＧａＮ基板の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
前記露出箇所として、
前記成長開始領域を三角形の頂点の位置に配置するとともに、
前記接続部を三角形の一辺となる位置に配置して前記マスク層を形成すること
を特徴とするＧａＮ基板の製造方法。 - 請求項１２に記載のＧａＮ基板の製造方法において、
前記マスク層形成工程では、
前記接続部の長手方向をｍ軸から５°以内の方向として前記接続部を形成すること
を特徴とするＧａＮ基板の製造方法。 - 請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載のＧａＮ基板の製造方法において、
前記半導体結晶分離工程では、
前記ＧａＮ結晶から前記種結晶を取り外す際に、前記非結晶部から前記混合融液の成分を流れ出させること
を特徴とするＧａＮ基板の製造方法。
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| JP2006005044A (ja) * | 2004-06-16 | 2006-01-05 | Rohm Co Ltd | 窒化物系半導体発光素子及びその製造方法 |
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