JP2005330132A - Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶基板およびその製造方法ならびにｉｉｉ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造ロット内におけるデバイス特性のばらつきが小さい半導体デバイスおよびその製造方法を提供するとともに、この半導体デバイスの製造に適したＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 下地基板１１上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を成長させる工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を下地基板１１から分離する工程とを含み、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２がｃ軸方向に成長し、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびその製造方法ならびにＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関し、詳しくは、ロット内における発光強度のばらつきの小さいＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下ＬＥＤという）、レーザダイオード（Laser Diode、以下ＬＤという）などの半導体デバイスには、発光領域が可視光領域にあること、発光強度が高いことなどから、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が好ましく用いられる。特に、発光部を形成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させる基板にもＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の裏面（ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が形成されていない面）に電極を形成できることから、半導体デバイスの駆動電圧を小さくすることができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させた半導体デバイスが開発されている（たとえば、非特許文献１参照）。

ここで、上記半導体デバイスは、従来、下地基板上にＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法；Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの気相法によりＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させた後、下地基板からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を分離して、このＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの気相法により１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させ、得られた積層体の両面に電極を形成した後、チップに分割することによって製造されている。

しかし、上記の従来の半導体デバイスの製造方法においては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長後、下地基板から分離した際に、ＩＩＩ族窒化物半導体基板には結晶成長面が凹状となる反りを生じる。これは、結晶の成長が進むにつれて結晶欠陥が減るためと考えられる。ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板に生じたこの反りが、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の結晶成長面にさらにＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させる際のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の温度分布を不均一にさせ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の結晶が不均一に成長するため、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロットに相当する）から得られる半導体デバイス間の特性（たとえば、発光強度など）のばらつきが大きくなり、歩留まりが低下するという問題があった。
西田敏夫，「ＡｌＧａＮ系紫外発光ダイオード］，日本結晶成長学会誌，社団法人日本結晶成長学会，２００２年，第２９巻，第３号，ｐ３２−３９

上記問題点を解決するため、本発明は、製造ロット内におけるデバイス特性のばらつきが小さい半導体デバイスおよびその製造方法を提供するとともに、この半導体デバイスの製造に適したＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、下地基板上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を下地基板から分離する工程とを含み、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板がｃ軸方向に成長し、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法において、下地基板を極性結晶からなる極性下地基板とし、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程において、極性下地基板の陰性元素からなる原子層上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させることができる。ここで、上記極性下地結晶基板を、ウルツ鉱型または閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する下地基板とすること、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶基板またはＩＶ−ＩＶ族半導体結晶基板とすることができる。

また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法において、上記下地基板を無極性結晶からなる無極性下地基板とし、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程の少なくとも初期において、ＩＩＩ族元素および窒素元素以外の元素の原子をドーピングしながらＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させることができる。ここで、上記無極性下地基板を、単体結晶からなる下地基板、またはコランダム型の結晶構造を有する下地基板とすることができる。また、ドーピングに用いるドーピング元素をＩＶ族元素とすることができる。

本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法によって得られた、下地基板との分離面がＩＩＩ族元素からなる原子面であるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板において、下地基板との分離面となるＩＩＩ族元素からなる原子面が凸状となる反りを有し、かつ反り比が１×１０^-3以下とすることができる。

本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法であって、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板における下地基板との分離面上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させる工程をさらに含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法である。

さらに、本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法によって得られた、発光強度のロット内分布が１５％以下であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスである。

上記のように、本発明によれば、製造ロット内におけるデバイス特性のばらつきが小さい半導体デバイスおよびその製造方法を提供するとともに、この半導体デバイスの製造に適したＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびその製造方法を提供することができる。

（実施形態１）
本発明にかかる一のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法は、図１を参照して、図１（ａ）に示すように、下地基板１１上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を成長させる工程と、図１（ｂ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を下地基板１１から分離する工程とを含み、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２がｃ軸方向に成長し、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長するものである。かかる製造方法によって得られたＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２は、図１（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２における下地基板１１との分離面がＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａに該当し、この面上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層３０を成長させることが可能となり、デバイス特性にばらつきのない安定したＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造することができる。

かかるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を得ることにより、デバイス特性にばらつきのない安定したＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造することができる点について、従来の製造方法と対比させて以下に説明する。

ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を有するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの従来の製造方法においては、図３を参照して、図３（ａ）に示すように、ＨＶＰＥ法などの気相法により、ヒータ６１を内蔵したステージ６２上で下地基板３１を所定温度で加熱しながら、下地基板３１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２を成長させる。

下地基板などを構成する結晶が、〔ｈｋｌ〕軸方向と〔−ｈ−ｋ−ｌ〕軸方向とで幾何学的に等価でなく、＜ｈｋｌ＞軸に垂直な対抗する２面である（ｈｋｌ）面と（−ｈ−ｋ−ｌ）面とを構成する原子が相違するものを極性結晶という。たとえば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の一つである立方晶系のＧａＡｓは極性結晶に該当し、＜１１１＞軸に垂直な対抗する２面として、（１１１）面にＧａからなる原子面が、（−１−１−１）面にＡｓからなる原子面が現れる。またこのときの＜ｈｋｌ＞軸を極性軸という。これに対して、上記極性軸を有さない結晶を無極性結晶という。本明細書においては、極性結晶からなる下地基板を極性下地基板、無極性結晶からなる下地基板を無極性下地基板という。

従来の製造方法においては、図３（ａ）に示すように、下地基板として無極性基板、または結晶を成長させる面に結晶基板を構成する元素のうちよりイオン化エネルギーの小さい陽性元素からなる原子面３１ａである極性基板を用いていたため、この下地基板３１上に成長する六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を構成するＩＩＩ族元素および窒素元素は、＜０００１＞軸（ｃ軸）方向に成長して、窒素元素からなる原子層が最初に成長し、その上に、ＩＩＩ族元素からなる原子層、窒素元素からなる原子層、ＩＩＩ族元素からなる原子層・・・の順に交互に成長して、下地基板との接触面は窒素元素からなる原子面３２ｂであり、結晶成長面はＩＩＩ族元素からなる原子面３２ａであるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２が成長する。

次に、図３（ｂ）に示すように、下地基板３１とＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２との界面をレーザなどで切断することにより、または下地基板３１をエッチングすることなどにより、下地基板３１からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２を分離する。このとき、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２は結晶の成長が進むにつれて結晶欠陥が減ることにより、下地基板との接触面から結晶成長面に行くほど体積が減るため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２には、結晶成長面であるＩＩＩ族元素からなる原子面３２ａが凹状となる反りが生じる。

このようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いてＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造する場合は、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法などの気相法により、ヒータ６３を内蔵するステージ６４上でＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２を所定温度で加熱しながら、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２のＩＩＩ族元素からなる原子面３２ａ上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させるが、このとき、ステージ６４に接するＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２の窒素元素からなる原子面３２ｂが凸状になっているため、ステージ６４からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２への熱伝導が不均一となり、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０の結晶が不均一に成長するため、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロット）から得られる半導体デバイス間のデバイス特性（たとえば、発光強度など）のばらつきが大きくなった。

これに対して、本発明にかかる一のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法においては、図１を参照して、まず、図１（ａ）に示すように、ヒータ６１を内蔵したステージ６２上で下地基板１１を所定温度で加熱しながら、下地基板１１上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２をｃ軸方向に、ＩＩＩ族元素からなる原子層を最初に成長させる。

ここで、下地基板１１上に最初にＩＩＩ族元素からなる原子層を成長させるために、下地基板が極性下地基板の場合は、図１（ａ）に示すように、極性下地基板において結晶を成長させる面として結晶基板を構成する元素のうちよりイオン化エネルギーの大きい陰性元素からなる原子面１１ｂを用いる。たとえば、極性下地基板としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の一つであるＧａＡｓ基板を用いる場合は、結晶を成長させる面としてＧａに比べてイオン化エネルギーの大きい陰性元素であるＡｓからなる原子面を用いる。

極性下地基板の陰性元素からなる原子面１１ｂ上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板をｃ軸方向に成長させると、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を構成するＩＩＩ族元素および窒素元素は、極性下地基板の陰性元素からなる原子面１１ｂ上に、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長し、その上に、窒素元素からなる原子層、ＩＩＩ族元素からなる原子層、窒素元素からなる原子層・・・の順に交互に成長して、下地基板との接触面はＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであり、結晶成長面は窒素元素からなる原子面１２ｂであるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２が成長する。

ここで、下地基板上に上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる方法には、特に制限はなく、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの各種気相成長法が好ましく用いられる。これらの中では、厚いＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板が容易に得られる点から、結晶の成長速度が大きいＨＶＰＥ法が特に好ましく用いられる。

次に、図１（ｂ）に示すように、下地基板１１からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を分離する。下地基板１１からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２を分離する方法には、特に制限はないが、下地基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２との界面をレーザなどで切断する方法、または下地基板２１をエッチングする方法などがある。このとき、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２は結晶の成長が進むにつれて結晶欠陥が減ることにより、下地基板との接触面から結晶成長面に行くほど体積が減るため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２には、結晶成長面である窒素元素からなる原子面１２ｂが凹状に、下地基板との分離面となるＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａが凸状となる反りが生じる。

このようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いてＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造する場合は、図１（ｃ）に示すように、ヒータ６３を内蔵したステージ６４上でＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を所定温度で加熱しながら、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２のＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａ上に、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させる。

ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板は、通常のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板に比べて、ＩＩＩ族元素からなる原子層と窒素元素からなる原子層との配列を逆にして成長させたものであるため、反りの方向が逆転したＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板が得られる。したがって、ステージ６４に接するＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２の窒素元素からなる原子面１２ｂが凹状になっているため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２とステージ６４とは均一に接触せず、両者間に空間が形成されるが、この空間は閉空間であるため、ステージ６４からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２への熱伝導の均一性が確保される。このため、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０の結晶が均一に成長し、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロット）から得られる半導体デバイス間のデバイス特性（たとえば、発光強度など）のばらつきが小さくなる。

このように、図１を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２において、下地基板１１との分離面となるＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａが凸状となる反りが生じることにより、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロット）から得られる半導体デバイス間のデバイス特性（たとえば、発光強度など）のばらつきが小さくなる。また、この反り比は、１×１０^-3以下であることが好ましい。反り比が１×１０^-3を超えると、図１（ｃ）を参照して、ステージ６４からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２への熱伝導の均一性が低下するため好ましくない。

上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法において、上記極性下地基板として、ウルツ鉱型または閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する下地基板を用いることができる。ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶は、〔０００１〕軸方向と〔０００−１〕軸方向とで幾何学的に等価でなく、＜０００１＞軸に垂直な対抗する２面である（０００１）面と（０００−１）面とを構成する原子が相違する極性結晶である。また、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する結晶は、〔１１１〕軸方向と〔−１−１−１〕軸方向とで幾何学的に等価でなく、＜１１１＞軸に垂直な対抗する２面である（１１１）面と（−１−１−１）面とを構成する原子が相違する極性結晶である。

また、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法において、上記極性下地基板として、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶基板またはＩＶ−ＩＶ族半導体結晶基板を用いることができる。ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶またはＩＶ−ＩＶ族半導体結晶は、六方晶系としてはウルツ鉱型の結晶構造をとり、立方晶系としては閃亜鉛鉱型の結晶構造をとり、極性結晶となる。このようなＩＩ−ＶＩ族半導体結晶基板としてＣｄＴｅ基板などが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶基板としてＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板などが、ＩＶ−ＩＶ族半導体結晶基板としてＳｉＣ基板などが挙げられる。

（実施形態２）
本発明にかかる別のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法について、図２を参照して説明する。本実施形態においては、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長するように六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板をｃ軸方向に成長させる際に、下地基板として無極性下地基板を用いる点で、極性下地基板を用いる実施形態１と異なる。

無極性下地基板上に、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長するように六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板をｃ軸方向に成長させるためには、図２を参照して、図２（ａ）に示すように、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程の少なくとも初期において、上記ＩＩＩ族元素および窒素元素以外の元素の原子（これをドーピング原子２２ｄという）をドーピングしながらＩＩＩ族窒化物半導体基板を成長させる。

無極性下地基板を用いても、六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板をｃ軸方向に成長させる際に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の原料となるＩＩＩ族元素および窒素元素以外の元素の原子をドーピングすることにより、そのメカニズムは不明であるが、図２（ａ）に示すように、非極性下地基板上に、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長し、その上に、窒素元素からなる原子層、ＩＩＩ族元素からなる原子層、窒素元素からなる原子層・・・の順に交互に成長して、下地基板との接触面はＩＩＩ族元素からなる原子面２２ａであり、結晶成長面は窒素族元素からなる原子面２２ｂであるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板２２が成長する。ここで、ＩＩＩ族元素および窒素元素以外の元素の原子のドーピングは、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程において少なくとも初期に行なえば足りる。無極性基板上に最初にＩＩＩ族元素からなる原子層を成長させることができれば十分だからである。

ここで、上記無極性基板には、特に制限はないが、単体結晶からなる基板、結晶の成長軸である〔１１１〕軸方向と〔−１−１−１〕軸方向とで幾何学的に等価なコランダム型の結晶構造を有する基板が好ましく用いられる。単体結晶からなる基板としてはＳｉ基板などが、コランダム型の結晶構造を有する基板としてはサファイア基板などが挙げられる。

また、最初にＩＩＩ族元素からなる原子層が成長するように上記ＩＩＩ族窒化物半導体基板を成長させるドーピング原子としては、特に制限はないが、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の結晶性への影響が小さい点から、Ｃ（炭素原子）、Ｓｉ（珪素原子）などのＩＶ族元素の原子が好ましく用いられる。

（実施形態３）
本発明にかかる一のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板は、図１（ｂ）に示すような、上記の製造方法によって得られた、下地基板との分離面がＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであり結晶成長面が窒素元素からなる原子面１２ｂであるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板である。

（実施形態４）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、図１または図２を参照して、図１（ａ）または図２（ａ）に示すように、下地基板１１，１２上に最初にＩＩＩ族元素から成る原子層が成長するように六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２をｃ軸方向に成長させる工程と、図１（ｂ）または図２（ｂ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２を下地基板１１，２１から分離する工程と、図１（ｃ）または図２（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１２，２２における下地基板との分離面上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させる工程とを含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法である。

さらに、本ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法をより詳しく説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法については、実施形態１（図１（ａ）および図１（ｂ）を参照）または実施形態２（図２（ａ）および図２（ｂ）を参照）と同様である。

上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法によって得られたＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２における下地基板との分離面上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させることによりＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造する。

すなわち、図１（ｃ）または図２（ｃ）に示すように、ヒータ６３を内蔵したステージ６４上でＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を所定温度で加熱しながら、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２における下地基板との分離面であるＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａ，２２ａ上に、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０として、たとえばｎ型ＧａＮ層４１、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４２、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４３、ｐ型ＧａＮ層４４を順次成長させる。

ここで、本発明におけるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２は、従来のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２に比べて、ＩＩＩ族元素からなる原子層と窒素元素からなる原子層との配列を逆にして成長させたものであるため、反りの方向が逆転したＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板が得られる。したがって、ステージ６４に接するＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２の窒素元素からなる原子面１２ｂ，２２ｂが凹状になっているため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２とステージ６４とは均一に接触せず、両者間に空間が形成されるが、この空間は閉空間であるため、ステージ６４からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２への熱伝導の均一性が確保される。このため、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０の結晶が均一に成長し、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロット）から得られる半導体デバイス間のデバイス特性（たとえば、発光強度など）のばらつきが小さくなる。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２においてＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させる面として、レーザなとによる切断またはエッチングにより形成された下地基板との分離面を用いるため、面内の平坦性が高く、さらなる研磨を簡易化または省略することができ、半導体デバイスの製造効率が向上する。

次に、図１（ｄ）または図２（ｄ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２の下面である窒素元素からなる原子面１２ｂ，２２ｂ上にｎ側電極５１を形成し、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０の最上面（ｐ型ＧａＮ層４４の上面に相当）上にｐ側電極５２を形成する。

さらに、図１（ｅ）または図２（ｅ）に示すように、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０から構成される１つの積層体（１つのロット）をチップに分割して、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを得る。

（実施形態５）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、図１（ｅ）または図２（ｅ）に示すような、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２のＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａ，２２ａ上に、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０として、ｎ型ＧａＮ層４１、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４２、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４３、ｐ型ＧａＮ層４４が形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２，２２の下面（ＩＩＩ族窒化物半導体層が形成されていない面）上にｎ側電極５１が形成され、ｐ型ＧａＮ層３５の上面上にｐ側電極５２が形成されているＬＥＤである。ここで、均質なＬＥＤを得る点から、ＬＥＤ発光強度のロット内分布は、１５％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。

以下、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造方法に基づいて作製された半導体デバイスを実施例として、従来のＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造方法に基づいて作製された半導体デバイスを比較例として具体的に説明する。

（比較例１）
図３を参照して、図３（ａ）に示すように、ＨＶＰＥ法により、極性のある下地基板３１である直径５０ｍｍ、厚さ４００μｍの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＧａＡｓ基板の陽性元素からなる原子面３１ａである（１１１）面（Ｇａ面）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２として厚さ３００μｍのＧａＮ基板を成長させた。次に、図３（ｂ）に示すように、下地基板３１であるＧａＡｓ基板を王水によりエッチングして、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２として直径Ｗが５０ｍｍ、厚さＨが３００μｍの六方晶系ＧａＮ基板を得た。このＧａＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面３２ａであるＧａからなる原子面が凹状となる反りが発生し、その反り高さＣは４１μｍ、反り比Ｒは８．２×１０^-4であった。ここで、反り高さＣとは、図３（ｂ）に示すように、基板の円周端面を通る平面と最大反りとの高さをいい、反り比Ｒとは、そり高さＣを基板の直径Ｗで除した値をいう。

次に、図３（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２である上記ＧａＮ基板のＩＩＩ族元素からなる原子面３２ａであるＧａ面上に、ＭＯＣＶＤ法により、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０として、厚さ５μｍのｎ型ＧａＮ層４１、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４２、厚さ６０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４３、厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層４４を順次成長させた。なお、上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させる際のステージ６４の設定温度は１０００℃とした。

次に、図３（ｄ）に示すように、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板３２およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０から構成される積層体を各チップに分離したときにＧａＮ基板の下面の中央部となる位置に直径８０μｍ×厚さ１００ｎｍのｎ側電極５１を形成し、ｐ型ＧａＮ層４４の上面に厚さ１００ｎｍのｐ側電極５２を形成した。

さらに、図３（ｅ）に示すように、上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体を、幅Ｗ_Dが５００μｍ×５００μｍのチップに分割して、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス３０としてのＬＥＤを得た。分光光度計による測定により、これらのＬＥＤからはいずれも発光ピーク波長が４５０ｎｍの発光スペクトルが得られた。

ここで、直径が５０ｍｍの上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成される１つの積層体（１つのロット）において、中心から直径２０ｍｍ以内の領域からチップに分割したＬＥＤのうち４つのＬＥＤにおける発光ピーク波長の強度の平均をロット中心部平均発光強度Ｉ_cとし、中心から直径４０ｍｍ以上の領域からチップに分割したＬＥＤのうち４つのＬＥＤにおける発光ピーク波長の強度の平均をロット端部平均発光強度Ｉ_eとして、以下の式（１）によりＬＥＤの発光強度ロット内分布Ｉ_d（％）を算出した。

Ｉ_d（％）＝（Ｉ_c−Ｉ_e）／Ｉ_c×１００ （１）
また、比較例１におけるロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度を１として、以下の実施例における中心部発光強度Ｉ_cの相対強度を評価した。

本比較例におけるＬＥＤのロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは３０％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例１）
図１を参照して、図１（ａ）に示すように、ＨＶＰＥ法により、極性のある下地基板１１である直径５０ｍｍ、厚さ４００μｍの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＧａＡｓ基板の陰性元素からなる原子面１１ｂである（−１−１−１）面（Ａｓ面）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２として厚さ３００μｍのＧａＮ基板を成長させた。次に、図１（ｂ）に示すように、下地基板１１である上記ＧａＡｓ基板を王水によりエッチングして、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２として直径Ｗが５０ｍｍ、厚さＨが３００μｍの六方晶系ＧａＮ基板を得た。このＧａＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであるＧａ面が凸状となる反りが発生し、その反り高さＣは３４μｍ、反り比Ｒは６．８×１０^-4であった。

次に、図１（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２である上記ＧａＮ基板のＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであるＧａ面上に、ＭＯＣＶＤ法により、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０として、厚さ５μｍのｎ型ＧａＮ層４１、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４２、厚さ６０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４３、厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層４４を順次成長させた。なお、上記のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させる際のステージ６４の設定温度は１０００℃とした。

次に、図１（ｄ）に示すように、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０から構成される積層体を各チップに分離したときにＧａＮ基板の下面の中央部となる位置に直径８０μｍ×厚さ１００ｎｍのｎ側電極５１を形成し、ｐ型ＧａＮ層４４の上面に厚さ１００ｎｍのｐ側電極５２を形成した。

さらに、図１（ｅ）に示すように、上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２およびＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０から構成される１つの積層体（１つのロット）を、幅Ｗ_Dが５００μｍ×５００μｍのチップに分割して、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１０としてのＬＥＤを得た。分光光度計による測定により、これらのＬＥＤからはいずれも発光ピーク波長が４５０ｎｍの発光スペクトルが得られた。本実施例におけるＬＥＤのロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは３％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例２）
図１を参照して、図１（ａ）に示すように、ＨＶＰＥ法により、極性のある下地基板１１である直径５０ｍｍ、厚さ５００μｍの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＩｎＰ基板の陰性元素からなる原子面１１ｂである（−１−１−１）面（Ｐ面）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２として厚さ３００μｍの六方晶系ＡｌＮ基板を成長させた。その後は、実施例１と同様にして下地基板１１からＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２であるＡｌＮ基板を分離した。このＡｌＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであるＡｌ面が凸状となる反りが発生し、その反り高さＣは４４μｍ、反り比Ｒは８．８×１０^-4であった。

次に、実施例１と同様にして、このＡｌＮ基板のＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであるＡｌ面上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶層４０を成長させた。その後は、実施例１と同様にしてＬＥＤを得た。本実施例におけるＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍ、ロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは８％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例３）
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の成長の際に、ＨＶＰＥ法により、極性のある下地基板１１である直径５０ｍｍ、厚さ３００μｍのウルツ鉱型の結晶構造を有するＳｉＣ基板の陰性元素からなる原子面１１ｂである（０００−１）面（Ｃ面）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板１２として厚さ３００μｍの六方晶系ＡｌＮ基板を成長させたこと、下地基板からＩＩＩ族窒化物半導体を分離する際に、下地基板であるＳｉＣ基板とＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板であるＧａＮ基板との界面をレーザで切断したこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ基板、ＬＥＤを得た。

本実施例におけるＡｌＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面１２ａであるＡｌ面が凸状となる反りが発生し、その反り高さＣは１６μｍ、反り比Ｒは３．２×１０^-4であった。また、本実施例におけるＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍ、ロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは８％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例４）
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の成長の際に、図２（ａ）を参照して、ＨＶＰＥ法により、極性のない下地基板として直径５０ｍｍ、厚さ３００μｍの単体結晶基板であるＳｉ基板の（１１１）面上に、ドーパント原料としてジクロロシランガスを供給することよりドーピング原子２２ｄとしてＳｉをドーピングしながらＧａＮ結晶を厚さ５μｍ成長させた後、ジクロロシランガスの供給を停止しさらにＧａＮ結晶を成長させて、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板２２として厚さ３００μｍの六方晶系ＧａＮ基板を得たこと、下地基板からＩＩＩ族窒化物半導体を分離する際に、下地基板であるＳｉ基板をフッ酸を用いてエッチングしたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ基板、ＬＥＤを得た。

本実施例におけるＧａＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面２２ａであるＧａ面が凸状となる反りが発生し、その反り高さＣは１２μｍ、反り比Ｒは２．４×１０^-4であった。また、本実施例におけるＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍ、ロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは９％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例５）
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の成長の際に、図２（ａ）を参照して、ＨＶＰＥ法により、極性のない下地基板である直径５０ｍｍ、厚さ４００μｍのコランダム型の結晶構造を有するサファイア基板の（１１１）面上に、ドーパント原料としてメタンガスを供給することよりドーピング原子２２ｄとしてＣをドーピングしながらＧａＮ結晶を厚さ５μｍ成長させた後、メタンガスの供給を停止しさらにＧａＮ結晶を成長させて、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板２２として厚さ３００μｍの六方晶系ＧａＮ基板を得たこと、下地基板からＩＩＩ族窒化物半導体を分離する際に、下地基板であるサファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板であるＧａＮ基板との界面をレーザで切断したこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ基板、ＬＥＤを得た。

本実施例におけるＧａＮ基板には、ＩＩＩ族元素からなる原子面２２ａであるＧａ面が凸状となる反りが発生し、その反り高さＣは３３μｍ、反り比Ｒは６．６×１０^-4であった。また、本実施例におけるＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍ、ロット中心部平均発光強度Ｉ_cの相対強度は１、発光強度ロット内分布Ｉ_dは５％であった。結果を表１にまとめた。

表１から明らかなように、下地基板上にＩＩＩ族元素からなる原子面が最初に成長するようにｃ軸方向に結晶成長させた六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いて、このＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板における下地基板との分離面であるＩＩＩ族元素からなる原子面上に、１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させて形成したＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおける発光強度のロット内分布のばらつきが小さくなった。ここで、上記ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの発光強度のロット内分布のばらつきは、１５％以下にすることか好ましく、１０％以下にすることがさらに好ましい。また、本発明にかかる製造方法によって得られたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの発光ピーク波長およびロット中心部平均発光強度の相対強度は、従来の製造方法によって得られたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスと同等であった。

上記のように、本発明は、１つのロットから得られる半導体デバイス間のデバイス特性のばらつきが小さい半導体デバイスおよびその製造方法に広く利用することができる。

本発明にかかる一のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する断面模式図である。（ａ）は下地基板上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程を示し、（ｂ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を下地基板から分離する工程を示し、（ｃ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板における下地基板との分離面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程を示し、（ｄ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体に電極を形成する工程を示し、（ｅ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体をチップに分割する工程を示す。 本発明にかかる別のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する断面模式図である。（ａ）は下地基板上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程を示し、（ｂ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を下地基板から分離する工程を示し、（ｃ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板における下地基板との分離面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程を示し、（ｄ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体に電極を形成する工程を示し、（ｅ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体をチップに分割する工程を示す。 従来のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板およびＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する断面模式図である。（ａ）は下地基板上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程を示し、（ｂ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を下地基板から分離する工程を示し、（ｃ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の成長面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程を示し、（ｄ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体に電極を形成する工程を示し、（ｅ）はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の積層体をチップに分割する工程を示す。

符号の説明

１０，２０，３０ ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、１１，２１，３１ 下地基板、１１ａ，２１ａ，３１ａ 陽性元素からなる原子面、１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ 陰性元素からなる原子面、１２，２２，３２ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板、１２ａ，２２ａ，３２ａ ＩＩＩ族元素からなる原子面、１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ 窒素元素からなる原子面、２２ｄ ドーピング原子、４０ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層、４１ ｎ型ＧａＮ層、４２ Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、４３ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、４４ ｐ型ＧａＮ層、５１ ｎ側電極、５２ ｐ側電極、６１，６３ ヒータ、６２，６４ ステージ。

Claims (11)

1. 下地基板上に六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を前記下地基板から分離する工程とを含み、
   前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板がｃ軸方向に成長し、ＩＩＩ族元素からなる原子層が最初に成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
2. 前記下地基板が極性結晶からなる極性下地基板であって、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程において、前記極性下地基板の陰性元素からなる原子層上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
3. 前記極性下地結晶基板が、ウルツ鉱型または閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する下地基板である請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
4. 前記極性下地結晶基板が、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶基板またはＩＶ−ＩＶ族半導体結晶基板である請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
5. 前記下地基板が無極性結晶からなる無極性下地基板であって、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させる工程の少なくとも初期において、ＩＩＩ族元素および窒素元素以外の元素の原子をドーピングしながら前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を成長させることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
6. 前記無極性下地基板が、単体結晶からなる下地基板、またはコランダム型の結晶構造を有する下地基板である請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
7. 前記ドーピングに用いられるドーピング元素が、ＩＶ族元素である請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板の製造方法によって得られた、下地基板との分離面がＩＩＩ族元素からなる原子面であるＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板。
9. 前記下地基板との分離面となるＩＩＩ族元素からなる原子面が凸状となる反りを有し、かつ反り比が１×１０^-3以下である請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板。
10. 請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法であって、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶基板における下地基板との分離面上に１層以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長させる工程をさらに含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。
11. 請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法によって得られた、発光強度のロット内分布が１５％以下であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。

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