CN110431258A - Iii族氮化物半导体基板 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供一种III族氮化物半导体基板(自支撑基板(30))，其由III族氮化物半导体晶体构成，处于正背关系的露出的第一主表面和第二主表面均为半极性面，在室温条件下，照射波长为325nm、输出为10mW以上且40mW以下的氦‑镉(He‑Cd)激光，以面积1mm2为单位进行成像(mapping)的光致发光(PL，photoluminescence)测定中的所述第一主表面和第二主表面各自的发光波长的变动系数均为0.05％以下，所述变动系数是通过以发光波长的标准偏差除以发光波长的平均值来算出的。如果在该自支撑基板(30)上制作器件，可抑制器件间的品质的偏差。

Description

III族氮化物半导体基板
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物半导体基板。
背景技术
包含以半极性面为主表面的III族氮化物半导体层的基板，正在开发途中。在专利文献1中，公开了相关的技术。
在专利文献1中公开了一种基板，其具有由III族氮化物半导体构成的层，该层的主表面的法线从[11-22]轴向+c轴方向以5度以上且17度以下的范围倾斜。
作为其制造方法，公开了如下方法：在主表面为规定的面方位的基底基板(蓝宝石基板、III族氮化物半导体基板等)上，通过MOCVD(金属有机化学气相沉积，metal organicchemical vapor deposition)法、分子束外延法、HVPE(氢化物气相外延，Hydride VaporPhase Epitaxy)法等，以具有Ga极性成分的半极性面作为生长面，使III族氮化物半导体外延生长，由此，形成如上所述的层。
在专利文献2中公开了，将从以半极性面为主表面的复数个小片分别生长的结晶接合，制造包含以半极性面为主表面的III族氮化物半导体层的基板。
现有技术文件
专利文献
专利文献1：日本特开2016-12717号。
专利文献2：日本特许第5332168号。
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1所公开的技术那样，在将具有Ga极性成分的半极性面作为生长面的生长中，意外的氧原子的引入量变大。因此，生长得越厚结晶性越紊乱。另外，在专利文献2所公开的技术的情况下，在复数个小片的边界上的接合部产生凹陷、缺陷等。其结果，晶体的光学特性紊乱(基板面内的光学特性变得不均匀)。当在这样的基板上制作复数个器件(光学器件等)时，在复数个器件之间品质可能会产生偏差。本发明的课题在于解决该问题。
解决课题的手段
根据本发明提供一种III族氮化物半导体基板，其中，其由III族氮化物半导体晶体构成，处于正背关系的露出的第一主表面和第二主表面均为半极性面，在室温条件下，照射波长为325nm、输出为10mW以上且40mW以下的氦-镉(He-Cd)激光，以面积1mm2为单位进行成像(mapping)的光致发光(PL，photoluminescence)测定中的所述第一主表面和第二主表面各自的发光波长的变动系数均为0.05％以下。
发明的效果
根据本发明，能够抑制在III族氮化物半导体基板上制作的复数个器件间的品质的偏差。
附图说明
通过以下所述的优选实施方式及其附带的以下附图进一步阐明上述目的及其他目的、特征及优点。
图1是表示本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法的处理流程的一个实例的流程图。
图2是示意性地表示本实施方式的模板基板20的一个实例的侧视图。
图3是示意性地表示本实施方式的自支撑基板10的一个实例的侧视图。
图4是示意性地表示通过本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法得到的结构体的一个实例的侧视图。
图5是示意性地表示通过本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法得到的结构体的一个实例的侧视图。
图6是示意性地表示本实施方式的自支撑基板30的一个实例的侧视图。
图7是表示本实施方式的自支撑基板10及模板基板20的特性的图。
图8是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图9是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图10是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图11是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图12是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图13是表示本实施方式的自支撑基板30的特性的图。
图14是示出比较例的基板的特性的图。
图15是示出比较例的基板的特性的图。
图16是示出比较例的基板的特性的图。
图17是示出比较例的基板的特性的图。
图18是示出比较例的基板的特性的图。
图19是示出比较例的基板的特性的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法进行说明。另外，图终归只是用于说明发明的结构的概略图，各部件的大小、形状、数量、不同部件的大小的比率等不限于图示的内容。
首先，对III族氮化物半导体基板的制造方法的概要进行说明。根据包含特征性的复数个工序的本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法，能够采用MOCVD法，在蓝宝石基板上，将N极性侧的半极性面(用密勒指数(hkml)表示，l小于0的半极性面)作为生长面使III族氮化物半导体进行生长。结果，可获得露出面为N极性侧的半极性面的III族氮化物半导体层位于蓝宝石基板上的模板基板、或从该模板基板除去蓝宝石基板而得的III族氮化物半导体的自支撑基板。
并且，根据本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法，可在上述模板基板或自支撑基板上，通过HVPE法，以N极性侧的半极性面作为生长面，使III族氮化物半导体进行厚膜生长。结果，得到露出面为N极性侧的半极性面的III族氮化物半导体的块状晶体。然后，通过对块状晶体进行切片等，得到多个III族氮化物半导体的自支撑基板。
接着，详细说明III族氮化物半导体基板的制造方法。图1表示本实施方式的III族氮化物半导体基板的制造方法的处理流程的一个实例。如图所示，具有基板准备工序S10、热处理工序S20、预流工序S30、缓冲层形成工序S40、第一生长工序S50和第二生长工序S60。虽然未图示，但在第二生长工序S60之后，也可以具有切出工序。
在基板准备工序S10中，准备蓝宝石基板。蓝宝石基板10的直径例如为1英寸以上。另外，蓝宝石基板10的厚度例如为250μm以上。
蓝宝石基板的主表面的面方位是控制在其上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素中的1个。该要素与III族氮化物半导体层的生长面的面方位的关系在以下的实施例中示出。在基板准备工序S10中，准备主表面为所希望的面方位的蓝宝石基板。
蓝宝石基板的主表面例如是{10-10}面、或使{10-10}面向规定方向倾斜规定角度的面。
使{10-10}面向规定方向倾斜规定角度的面，例如可以是使{10-10}面向任意方向以大于0°且0.5°以下范围内的任意角度倾斜的面。
另外，使{10-10}面向规定的方向倾斜规定角度的面，也可以是使{10-10}面向与a面平行的方向以大于0°且小于10.5°范围内的任意角度倾斜的面。或者，使{10-10}面向规定的方向倾斜规定角度的面，也可以是使{10-10}面向与a面平行的方向以大于0°且10.5°以下范围内的任意角度倾斜的面。例如，使{10-10}面向规定的方向倾斜规定角度的面，也可以是使{10-10}面向与a面平行的方向以0.5°以上且1.5°以下、1.5°以上且2.5°以下、4.5°以上且5.5°以下、6.5°以上且7.5°以下、9.5°以上且10.5°以下范围内的任意角度倾斜的面。
热处理工序S20在基板准备工序S10之后进行。在热处理工序S10中，在以下的条件下对蓝宝石基板进行热处理。
温度：800℃以上且1200℃以下。
压力：30torr以上且760torr以下。
热处理时间：5分钟以上且20分钟以下。
载气：H2、或H2和N2(H2比率0～100％)。
载气供给量：3slm以上且50slm以下(其中，由于供给量根据生长装置的尺寸而变动，因此不限于此)。
另外，对蓝宝石基板的热处理有一边进行氮化处理一边进行的情况和不进行氮化处理而进行的情况。在进行氮化处理的同时进行热处理的情况下，在热处理时，将0.5slm以上且20slm以下的NH3供给到蓝宝石基板上(其中，由于供给量根据生长装置的尺寸而变动，因此不限于此)。另外，在不进行氮化处理而进行热处理的情况下，在热处理时不供给NH3。
热处理时的氮化处理的有无，有时会成为控制在蓝宝石基板的主表面上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素中的1个。该要素与III族氮化物半导体层的生长面的面方位的关系在以下的实施例中示出。
在热处理工序S20之后进行预流工序S30。在预流工序S30中，在以下条件下向蓝宝石基板的主表面上供给含金属气体。例如，可以在MOCVD设备中执行预流工序S30。
温度：500℃以上且1000℃以下。
压力：30torr以上且200torr以下。
三甲基铝供给量、供给时间：20ccm以上且500ccm以下，1秒以上且60秒以下。
载气：H2、或H2和N2(H2比率0～100％)。
载气供给量：3slm以上且50slm以下(其中，气体的供给量根据生长装置的尺寸、结构而变动，因此不限定于此)。
上述条件是供给作为含金属气体的有机金属原料的三甲基铝、三乙基铝的情况。在该工序中，也可以供给含有其它金属的含金属气体来代替三甲基铝、三乙基铝，以在蓝宝石基板的主表面上形成钛膜、钒膜或铜膜等其它金属膜来代替铝膜。另外，也可以在蓝宝石基板的主表面上形成作为与由有机金属原料生成的甲烷、乙烯、乙烷等烃化合物的反应膜的碳化铝、碳化钛、碳化钒或碳化铜等其它的碳化金属膜。
通过预流工序S30，在蓝宝石基板的主表面上形成金属膜、碳化金属膜。该金属膜的存在会成为用于使在其上生长的结晶的极性反转的条件。即，实施预流工序S30是用于使在蓝宝石基板的主表面上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位为N极性侧的面的复数个要素中的一个。
缓冲层形成工序S40在预流工序S30之后进行。在缓冲层形成工序S40中，在蓝宝石基板的主表面上形成缓冲层。缓冲层的厚度例如为20nm以上且300nm以下。
缓冲层例如为AlN层。例如，可以在以下条件下外延生长AlN晶体以形成缓冲层。
生长方法：MOCVD法。
生长温度：800℃以上且950℃以下。
压力：30torr以上且200torr以下。
三甲基铝供给量：20ccm以上且500ccm以下。
NH3供给量：0.5slm以上且10slm以下。
载气：H2、或H2和N2(H2比率0～100％)。
载气供给量：3slm以上且50slm以下(其中，气体的供给量根据生长装置的尺寸、结构而变动，因此不限定于此)。
缓冲层形成工序S40的生长条件有时会成为控制在蓝宝石基板的主表面上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素中的1个。该要素与III族氮化物半导体层的生长面的面方位的关系在以下的实施例中示出。
此外，缓冲层形成工序S40中的生长条件(较低的规定的生长温度，具体而言为800～950℃及较低的压力)会成为用于在维持N极性的同时使AlN生长的条件。即，缓冲层形成工序S40中的生长条件是用于使在蓝宝石基板的主表面上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位为N极性侧的面的复数个要素中的1个。
第一生长工序S50在缓冲层形成工序S40之后进行。在第一生长工序S50中，在以下生长条件下在缓冲层上外延生长III族氮化物半导体晶体(例如，GaN晶体)，以形成生长面成为预定的面方位(N极性侧的半极性面)的III族氮化物半导体层(第一生长层)。第一生长层的厚度例如为1μm以上且20μm以下。
生长方法：MOCVD法。
生长温度：800℃以上且1025℃以下。
压力：30torr以上且200torr以下。
TMGa供给量：25sccm以上且1000sccm以下。
NH3供给量：1slm以上且20slm以下。
载气：H2、或H2和N2(H2比率0～100％)。
载气供给量：3slm以上且50slm以下(其中，气体的供给量根据生长装置的尺寸、结构而变动，因此不限定于此)。
生长速率：10μm/h以上。
第一生长工序S50中的生长条件(相对低的生长温度、相对低的压力、相对快的生长速率)会成为用于在维持N极性的同时生长GaN的条件。即，第一生长工序S50中的生长条件是用于使在蓝宝石基板的主表面上外延生长的III族氮化物半导体层的生长面的面方位为N极性侧的面的复数个要素之一。
如上所述，如图2所示，可以制造依次层叠蓝宝石基板21、缓冲层22和III族氮化物半导体层(第一生长层23)并且第一生长层23的生长面24的面方位成为N极性侧的半极性面的模板基板20。此外，通过在上述条件的范围内调整制造条件，能够使生长面24的面方位成为所希望的半极性面。
另外，如图2所示，在得到蓝宝石基板21、缓冲层22、III族氮化物半导体层(第一生长层)23依次层叠而成的层叠体后，通过除去蓝宝石基板21和缓冲层22，可以制造由如图3所示的第一生长层23构成的自支撑基板10。
用于去除蓝宝石基板21和缓冲层22的手段没有特别限制。例如，可以通过利用由蓝宝石基板21和第一生长层23之间的线性膨胀系数差异引起的应力来将它们分离。然后，可以通过研磨、蚀刻等去除缓冲层22。
作为另一去除示例，可以在蓝宝石基板21和缓冲层22之间形成剥离层。例如，也可以在蓝宝石基板21上形成分散有碳化物(碳化铝、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒或碳化钽)的碳层和碳化物(碳化铝、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒或碳化钽)的层的层叠体后，将进行氮化处理后的层作为剥离层来形成。
在这样的剥离层之上形成缓冲层22和第一生长层23之后，当在高于形成第一生长层23时的加热温度的温度条件下加热该层叠体时，能够以剥离层的部分为边界，分离成蓝宝石基板21侧的部分和第一生长层23侧的部分。通过以研磨或蚀刻等方式从第一生长层23侧的部分除去缓冲层22等，从而能够得到如图3所示的由第一生长层23构成的自支撑基板10。
第二生长工序S60在第一生长工序S50之后进行。在第二生长工序S60中，在上述的模板基板20(参照图2)的第一生长层23、或自支撑基板10(参照图3)的第一生长层23的主表面(N极性侧的半极性面)上，以以下的生长条件外延生长III族氮化物半导体晶体(例如：GaN晶体)，形成生长面成为规定的面方位(N极性侧的半极性面)的III族氮化物半导体层(第二生长层)。第二生长层的厚度例如为1.0mm以上。
生长方法：HVPE法。
生长温度：900℃以上且1100℃以下。
生长时间：1小时以上。
V/III比：1以上且20以下。
生长膜厚：1.0mm以上。
另外，第二生长工序S60也可以不连续地进行，而是分为复数个步骤进行。例如，也可以用HVPE法生长到规定膜厚后，暂时冷却，然后再用HVPE法生长到规定膜厚。在第一步中形成III族氮化物半导体层后，暂时冷却，就会在该III族氮化物半导体层上产生裂纹。由此，内部应力被缓和。然后，当在具有裂纹的III族氮化物半导体层上外延生长III族氮化物半导体时，夹着裂纹而分开的晶体彼此随着生长而相互会合。而且，由于通过上述冷却缓和了内部应力，因此即使厚膜化，块状晶体也不易发生破裂。
另外，第二生长工序S60也可以在使模板基板20或自支撑基板10固定于碳基座等基座的状态下直接进行。由此，能够抑制由第二生长工序S60中的加热引起的模板基板20或自支撑基板10的变形。另外，作为使其固定的方法，例如有使用氧化铝系的粘接剂的方法等，但不限于此。通过这些特征方法，可以实现最大直径为50mm以上且4英寸以下的大的大口径的块状晶体。
通过以上，可得到具有模板基板20和第二生长层25的层叠体(参照图4)、或具有自支撑基板10和第二生长层25的层叠体(参照图5)。
在第二生长工序S60之后进行的切出工序中，通过从包含第一生长层23及第二生长层25的块状晶体，以切片等切取III族氮化物半导体层，而得到由III族氮化物半导体层构成的自支撑基板30(参照图6)。自支撑基板30的厚度例如为300μm以上且1000μm以下。通过切片等切取的III族氮化物半导体层既可仅仅由第二生长层25形成，也可包括第一生长层23和第二生长层25，还可仅仅由第一生长层23形成。
但是，通过切片等切取的III族氮化物半导体层优选为包括第一生长层23和第二生长层25的块状晶体内的生长厚度(将第一生长层23的生长开始时刻作为0计算的厚度)在3mm以上的部分。其理由是，结晶内的位错缺陷密度为约1×107cm-2或小于1×107cm-2，作为器件用基板具有适当的品质。
接着，对通过上述制造方法得到的自支撑基板(III族氮化物半导体基板)30的构成及特征进行说明。
自支撑基板30由III族氮化物半导体晶体构成，处于正背关系的露出的第一主表面和第二主表面均为半极性面。将第一主表面设为N极性侧的半极性面，将第二主表面设为Ga极性侧的半极性面(由密勒指数(hkml)表示，l大于0的半极性面)。自支撑基板30由以N极性侧的半极性面作为生长面而外延生长成的III族氮化物半导体晶体构成。
如以下的实施例所示，通过上述特征性的制造方法制造的自支撑基板30具有如下特征：在室温(10℃以上且30℃以下)条件下，照射波长为325nm、输出为10mW以上且40mW以下的氦-镉(He-Cd)激光，以面积1mm2单位进行成像的PL测定中的第一主表面和第二主表面各自的发光波长的变动系数均为0.05％以下。即，第一主表面和第二主表面的发光波长在面内的偏差都极小。需要说明的是，发光波长的变动系数是通过发光波长的标准偏差除以发光波长的平均值而算出的。
另外，如以下的实施例所示，通过上述特征性的制造方法制造的自支撑基板30具有在上述条件下进行的PL测定中的第二主表面(Ga极性侧的半极性面)的发光强度的变动系数为15％以下、优选为10％以下的特征。即，第二主表面的PL测定中的发光强度在面内的偏差小。需要说明的是，发光强度的变动系数是通过将发光强度的标准偏差除以发光强度的平均值而算出的。
另外，如以下的实施例所示，通过上述特征性的制造方法制造的自支撑基板30具有在上述条件下进行的PL测定中的第一主表面和第二主表面各自的PL光谱的半值宽度的变动系数均为3.0％以下的特征。即，第一主表面和第二主表面的PL测定中的PL光谱的半值宽度在面内的偏差都小。另外，PL光谱的半值宽度的变动系数是通过PL光谱的半值宽度的标准偏差除以PL光谱的半值宽度的平均值而算出的。
这样，通过上述特征性的制造方法，可实现以半极性面为主表面、抑制了面内的光学特性的偏差的自支撑基板30(III族氮化物半导体基板)。通过在该自支撑基板30上制作复数个器件(光学器件等)，能够抑制复数个器件间的品质的偏差。另外，能够提高成品率。特别是，通过在自支撑基板30的第二主表面(Ga极性侧的半极性面)上制作器件(光学器件等)，可以实现更优选的效果。
另外，如上所述，用上述特征性制造方法制造的块状晶体的最大直径大至50mm以上且4英寸以下。以从这样的大口径的块状晶体切出的方式而得到的自支撑基板30也成为最大径为50mm以上且4英寸以下的大口径。
<<实施例>>
＜第一评价＞
在第一评价中，确认通过全部满足上述的“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”，能够使III族氮化物半导体层的生长面的面方位为N极性侧的面。另外，确认在不满足上述的“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”中的至少1个的情况下，III族氮化物半导体层的生长面的面方位为Ga极性侧的面。
首先，准备主表面的面方位为从m面((10-10)面)向与a面平行的方向倾斜了2°的面的蓝宝石基板。蓝宝石基板的厚度为430μm，直径为2英寸。
然后，在以下的条件下，对准备好的蓝宝石基板实施热处理工序S20。
温度：1000～1050℃。
压力：100torr。
载气：H2、N2。
热处理时间：10分钟或15分钟。
载气供给量：15slm。
需要说明的是，在热处理工序S20时，供给20slm的NH3，进行氮化处理。
然后，在以下的条件下进行预流工序S30。
温度：800～930℃。
压力：100torr。
三甲基铝供给量、供给时间：90sccm，10秒。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
然后，在以下的条件下进行缓冲层形成工序S40，形成AlN层。
生长方法：MOCVD法。
生长温度：800～930℃。
压力：100torr。
三甲基铝供给量：90sccm。
NH3供给量：5slm。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
然后，在以下条件下进行第一生长工序S50，以形成III族氮化物半导体层。
生长方法：MOCVD法。
压力：100torr。
TMGa供给量：50-500sccm(连续变化)。
NH3供给量：5-10slm(连续变化)。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
生长速率：10μm/h以上。
另外，第一试样的生长温度控制在900℃±25℃，第二试样的生长温度控制在1050℃±25℃。即，第一试样是全部满足上述的“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”的试样。第二试样是不满足上述的“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”中的一部分(第一生长工序S50中的生长温度)的试样。
第一试样的III族氮化物半导体层的生长面的面方位为从(-1-12-4)面向-a面方向倾斜5.0°且向与m面平行的方向倾斜8.5°以下的面。另一方面，第二试样的III族氮化物半导体层的生长面的面方位为从(11-24)面向a面方向倾斜5.0°且向与m面平行的方向倾斜8.5°以下的面。即，可知通过是否满足上述的“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”，能够调整生长面的面方位为Ga极性还是N极性。
图7中示出了第一试样中的(-1-12-4)面或(11-24)面的XRD极点测定结果。可以确认衍射峰是从极点的中心点偏移几度的位置。如果详细测定角度的偏差，则可以确认是-a面方向5.0°且与m面平行的方向8.5°的位置，或者a面方向5.0°且与m面平行的方向8.5°的位置。
另外，本发明人等确认了，在不满足上述“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”中的其他一部分的情况下、或者全部不满足的情况下，生长面的面方位会成为Ga极性。
＜第二评价＞
在第二评价中，确认通过调整上述的“用于调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素”，能够调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位。
首先，准备复数个主表面的面方位为各种各样的蓝宝石基板。蓝宝石基板的厚度为430μm，直径为2英寸。
然后，在以下的条件下对准备好的蓝宝石基板分别进行了热处理工序S20。
温度：1000～1050℃。
压力：200torr。
热处理时间：10分钟。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
另外，制作了在热处理时有无氮化处理方面不同的试样。具体而言，制作了在热处理时供给20slm的NH3而进行氮化处理的试样、和在热处理时不供给NH3而不进行氮化处理的试样这两种试样。
然后，在以下的条件下进行预流工序S30。
温度：880～930℃。
压力：100torr。
三甲基铝供给量、供给时间：90sccm、10秒。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
另外，制作了进行预流工序S30的试样和不进行预流工序S30的试样这两者。
然后，在以下条件下在蓝宝石基板的主表面(露出面)上形成厚度约为150nm的缓冲层(AlN缓冲层)。
生长方法：MOCVD法。
压力：100torr。
V/III比：5184。
TMAl供给量：90ccm。
NH3供给量：5slm。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
另外，使每个试样的生长温度在700℃以上且1110℃以下的范围内且不同。
然后，在以下条件下在缓冲层上形成厚度约为15μm的III族氮化物半导体层(GaN层)。
生长方法：MOCVD法。
生长温度：900～1100℃。
压力：100torr。
V/III比：321。
TMGa供给量：50-500ccm(斜升(ramp up))。
NH3供给量：5-10slm(斜升)。
载气：H2、N2。
载气供给量：15slm。
如上所述，制造了依次层叠蓝宝石基板、缓冲层和III族氮化物半导体层而成的III族氮化物半导体基板1。
表1～7中示出了“用于调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素”与III族氮化物半导体层的生长面的面方位的关系。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
[表6]
[表7]
表中的“蓝宝石主表面”一栏中，示出了蓝宝石基板的主表面的面方位。在“升温时的氮化处理”一栏中，示出了热处理工序S20时的升温时有无氮化处理(“有”或“无”)。“有无三甲基铝预流工序”一栏中示出了有无三甲基铝预流工序(“有”或“无”)。在“AlN缓冲生长温度”一栏中，示出了缓冲层形成工序中的生长温度。在“GaN生长温度”一栏中，示出了GaN层形成工序中的生长温度。在“III族氮化物半导体层的生长面”一栏中，示出了III族氮化物半导体层的生长面的面方位。
根据该结果可知，通过调整上述的“用于调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素”，能够在半极性且Ga极性之中调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位。并且，根据第一评价的结果和第二评价的结果，可知在全部满足“用于使III族氮化物半导体层的生长面的面方位成为N极性侧的面的复数个要素”的基础上，通过调整“用于调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位的复数个要素”，能够在半极性且N极性之中调整III族氮化物半导体层的生长面的面方位。
＜第三评价＞
在第三评价中，通过PL测定来评价自支撑基板30的光学特性。
[实施例]
首先，通过MOCVD法，在具有向a面方向2°的偏离角的Φ4英寸m面蓝宝石基板上，经由缓冲层形成GaN层(第一生长层23)。第一生长层23的主表面(露出面)是N极性侧的半极性面。具体地说，第一生长层23的主表面(露出面)是具有从(-1-12-4)面向c面方向具有约5°、向m面方向具有约8°的偏离角的面。
然后，在第一生长层23上，用HVPE法生长GaN晶体，形成GaN层(第二生长层25)。然后，通过与生长方向垂直地切割由第一生长层23和第二生长层25构成的块状晶体内的生长厚度3mm以上的部分，切出Φ54mm左右的晶体，然后，进行整形研磨。其结果，得到以Φ50mm的大致为(-1-12-4)面作为主表面的自支撑基板。
比较例
从c面生长的GaN块状晶体中，切出以大致为(11-24)面作为主表面的10mm方形的小片。然后，将9张该小片以3行×3列放置在支撑台上。另外，均以大致为(11-24)面露出的方式载置。然后，在该小片上，用HVPE法生长GaN晶体，形成GaN层。
其结果，获得了30mm×30mm×5mm左右的大致为(11-24)面作为主表面的GaN晶体。将该GaN晶体以与生长方向垂直地切片成复数张，通过整形研磨，得到以约25mm2方形的大致为(11-24)面作为主表面的自支撑基板。
此时，将从接近9张小片的部分切出的自支撑基板作为比较例1，将从接近最终生长表面的部分(远离9张小片的部分)切出的基板作为比较例2。另外，比较例1在自支撑基板的一部分中产生缺口。另外，比较例2在一部分中产生了裂纹。
这样，在实施例中，将N极性侧的半极性面作为生长面，通过HVPE法进行厚膜生长，在比较例中，将Ga极性侧的半极性面作为生长面，通过HVPE法进行厚膜生长。
“PL测定”
在以下的测定条件下，对作为实施例所得到的自支撑基板的表面和背面的2个主表面(大致为(-1-12-4)面、大致为(11-24)面)、以及比较例1和比较例2的(11-24)面进行PL测定。
照射激光：He-Cd激光器(波长325nm、额定输出35mW)。
成像装置：株式会社我们系统公司((株)ワイ·システムズ社)制的YWaferMapperGS4。
测量温度：室温。
成像单元(测量单元)：1mm2方形。
测量波长范围：340～700nm。
测定对象区域(实施例)：大致位于自支撑基板的中心的Φ46mm的圆内。
测定对象区域(比较例1和2)：大致位于自支撑基板的中心的□25mm的区域。
另外，在比较例1以及比较例2的测定结果的统计处理中，将进行了试样区域外的成像而导致的误差值排除在外。因此，以下记述的统计结果不包含误差值的影响，全部是比较例试样的测定结果。
图8至图10表示对实施例的大致为(-1-12-4)面的PL测定的结果。图11至图13表示对实施例的大致为(11-24)面的PL测定的结果。图14至图16表示对比较例1的大致为(11-24)面的PL测定的结果。图17至图19表示对比较例2的大致为(11-24)面的PL测定的结果。如上所述，实施例和比较例的测定对象区域不同。这从这些图的成像数据也可以看出。
图8、图11、图14和图17示出了将复数个测定单位各个发光波长进行成像的图像和发光波长的直方图。图中“Av”是发光波长的平均值，“StdDev”是发光波长的标准偏差。由这些结果可知，实施例的大致为(-1-12-4)面及大致为(11-24)面与比较例1及比较例2相比，在面内的发光波长的偏差小。
图9、图12、图15和图18中，示出将复数个测定单位各个发光强度进行成像的图像和发光强度的直方图。图中“Av”是发光强度的平均值，“StdDev”是发光强度的标准偏差。另外，图15和图18的直方图中的图中下侧的峰是对测定对象区域以外的区域的颜色进行计数而得到的。由这些结果可知，与比较例1和比较例2相比，实施例的大致为(11-24)面的面内发光强度的偏差小。
图10、图13、图16和图19示出了通过将复数个测量单元中的各个的PL光谱(每个波长的发光强度的光谱)的半值宽度进行成像的图像和该半值宽度的直方图。图中“Av”是该半值宽度的平均值，“StdDev”是该半值宽度的标准偏差。由这些结果可知，实施例的大致为(-1-12-4)面及大致为(11-24)面与比较例1及比较例2相比，面内的上述半值宽度的偏差小。
在此，表8中示出了实施例的大致为(-1-12-4)面、大致为(11-24)面、比较例1及比较例2各自的测定结果。表中示出了各发光波长的平均值、发光波长的变动系数、发光强度的平均值、发光强度的变动系数、上述半值宽度的平均值及上述半值宽度的变动系数。
[表8]
根据该表可知，实施例的大致为(-1-12-4)面及大致为(11-24)面的发光波长的变动系数均为0.05％以下。另外，比较例1和比较例2的发光波长的变动系数均大于0.05％。
另外，由该表可知，实施例的大致为(11-24)面的发光强度的变动系数为15％以下，优选为10％以下。另外，比较例1和比较例2的发光强度的变动系数均大于15％。
另外，由该表可知，实施例的大致为(-1-12-4)面及大致为(11-24)面的上述半值宽度的变动系数均为3.0％以下。另外，比较例1及比较例2的上述半值宽度的变动系数均大于3.0％。
由以上可以确认，实施例的大致为(-1-12-4)面及大致为(11-24)面与比较例1及比较例2相比，面内的光学特性的偏差小。在比较例1和比较例2的测定结果中可以看到条纹状的特异的结果，它们相当于在结晶生长前放置的小片之间的边界的上部。即，是小片接合成长的影响。没有这样的特异点也是实施例的特征之一。
＜第四评价＞
接着，确认通过本实施方式的制造方法，能够得到以半极性面为主表面、最大直径为50mm以上且4英寸以下的大口径的自支撑基板30。
首先，准备了在直径为Φ4英寸、主表面的面方位为m面的蓝宝石基板21上经由缓冲层22通过MOCVD法形成有GaN层(第一生长层23)的模板20。第一生长层23的主表面的面方位是从(-1-12-4)面向c面方向具有约5°、向m面方向具有约8°的偏离角的面，直径为Φ4英寸。
接着，将该模板基板20固定在碳基座上。具体地，使用氧化铝系粘合剂将蓝宝石基板21的背面粘合到碳基座的主表面。
接着，在使模板基板20固定于碳基座的状态下，在第一生长层23的主表面上通过HVPE法生长III族氮化物半导体(GaN)。由此，形成由单晶的III族氮化物半导体构成的GaN层(第二生长层25的一部分)。生长条件如下。
生长温度：1040℃。
生长时间：15小时。
V/III比：10。
生长膜厚：4.4mm。
接着，从HVPE装置取出包含碳基座、模板基板20及第二生长层25的一部分的层叠体，冷却至室温。观察冷却后的层叠体，表面存在裂纹。另外，沿着上述层叠体的外周附着有多晶的III族氮化物半导体，它们相互连接而成为环状，在其内部保持上述层叠体。
接着，在残留多晶的III族氮化物半导体的状态下，在存在裂纹的GaN层(第二生长层25的一部分)的主表面上通过HVPE法生长III族氮化物半导体(GaN)。由此，形成由单晶的III族氮化物半导体构成的GaN层(第二生长层25的另一部分)。生长条件如下。
生长温度：1040℃。
生长时间：14小时。
V/III比：10。
生长膜厚：3.0mm(第二生长层25的总膜厚度是7.4mm)。
第二生长层25的最大直径大约为Φ4英寸。此外，包含第二生长层25和沿其外周的多晶的III族氮化物半导体的面的最大直径约为130mm。此外，在第二生长层25中未产生裂纹。
接着，将第二生长层25切片，得到复数个自支撑基板30。在自支撑基板30上没有产生裂纹，最大直径大约为Φ4英寸。
以下，附注参考方式的例子。
1.一种III族氮化物半导体基板，其中，其由III族氮化物半导体晶体构成，处于正背关系的露出的第一主表面和第二主表面均为半极性面，在室温条件下，照射波长为325nm、输出为10mW以上且40mW以下的氦-镉(He-Cd)激光，以面积1mm2为单位进行成像的PL测定中的所述第一主表面和第二主表面各自的发光波长的变动系数均为0.05％以下。
2.根据1所述的III族氮化物半导体基板，其中，在上述条件下进行的PL测定中的上述第二主表面的发光强度的变动系数为15％以下。
3.根据2所述的III族氮化物半导体基板，其中，所述第二主表面的发光强度的变动系数为10％以下。
4.根据2所述的III族氮化物半导体基板，其中，所述第二主表面为Ga极性侧的半极性面。
5.根据1所述的III族氮化物半导体基板，其中，在上述条件下进行的PL测定中的上述第一主表面和第二主表面各自的PL光谱的半值宽度的变动系数均为3.0％以下。
6.根据1～5中任一项所述的III族氮化物半导体基板，其中，所述III族氮化物半导体基板的膜厚为300μm以上且1000μm以下。
本申请要求基于2017年3月17日提交的日本申请特愿2017-052384号的优先权，其公开内容全部并入此处。

Claims (6)

1.一种III族氮化物半导体基板，其中，
其由III族氮化物半导体晶体构成，处于正背关系的露出的第一主表面和第二主表面均为半极性面，在室温条件下，照射波长为325nm、输出为10mW以上且40mW以下的氦-镉激光，以面积1mm2单位进行成像的光致发光测定中的所述第一主表面和第二主表面各自的发光波长的变动系数均为0.05％以下。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体基板，其中，
在所述条件下进行的光致发光测定中的所述第二主表面的发光强度的变动系数为15％以下。
3.如权利要求2所述的III族氮化物半导体基板，其中，
所述第二主表面的发光强度的变动系数为10％以下。
4.如权利要求2所述的III族氮化物半导体基板，其中，
所述第二主表面为Ga极性侧的半极性面。
5.如权利要求1所述的III族氮化物半导体基板，其中，
在所述条件下进行的光致发光测定中的所述第一主表面和第二主表面各自的光致发光谱的半值宽度的变动系数均为3.0％以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的III族氮化物半导体基板，其中，
所述III族氮化物半导体基板的膜厚是300μm以上且1000μm以下。
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