JP2006290684A - Ｉｉｉ族窒化物結晶基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 異種基板を用いて割れがなく反りの少ないＩＩＩ族窒化物結晶基板を製造する方法およびその製造方法により得られるＩＩＩ族窒化物結晶基板を提供する。
【解決手段】 下地基板１上に直接または中間層２を介してＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の化学組成を有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１を成長させる工程と、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）の化学組成を有する第２のＩＩＩ族窒化物結晶層１２を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させる工程と、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層１２を加工してＡｌ_yＧａ_1-yＮの化学組成を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板１３を形成する工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種の電子デバイスの基板として適用され得る割れがなく反りの少ないＩＩＩ族窒化物結晶基板およびその製造方法に関する。

ＧａＮ結晶基板、Ａｌ_pＧａ_1-pＮ結晶基板（０＜ｐ＜１）などのＩＩＩ族窒化物結晶基板は、禁制帯幅が大きくバンド間遷移も直接遷移型であるため、各種の電子デバイス用基板として重要である。かかるＩＩＩ族窒化物結晶基板を、大量にかつ低コストで得るためには、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板などの異種基板上に、大型で厚さの大きいＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させ、このＩＩＩ族窒化物結晶層を加工してＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する技術の開発が望まれている。

しかし、上記異種基板とＩＩＩ族窒化物結晶とは格子定数の不整合から、異種基板上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる際には、ＩＩＩ族窒化物結晶に割れや反りが発生するという問題があった。

一方、異種基板上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法としては、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層を成長させ、このＡｌＮバッファ層上にＧａＮ結晶層を成長させる方法（たとえば、非特許文献１を参照）、サファイア基板上にＡｌ_qＧａ_1-qＮバッファ層（０＜ｑ＜１）を成長させ、このＡｌ_qＧａ_1-qＮバッファ層上にＡｌ_rＧａ_1-rＮ結晶層（０＜ｒ＜ｑ）を成長させる方法（たとえば、特許文献１を参照）、ＳｉＣ基板上に厚さ５ｎｍ〜２μｍのＡｌ_sＧａ_1-sＮバッファ層（０＜ｓ＜１、基板から離れるに従ってＡｌの組成比ｓが小さくなるように組成傾斜されている）を成長させ、この組成傾斜Ａｌ_sＧａ_1-sＮバッファ層上にＧａＮ結晶層を成長させる方法（たとえば、特許文献２を参照）などが提案されている。

しかし、上記の方法は、いずれも異種基板をテンプレートとして、各々の異種基板上に各々のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを形成するための方法であり、上記ＩＩＩ族窒化物結晶層から各種電子デバイス用基板となりうるＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることは困難である。
特開２００１−３０８４６４号公報 特許第３６０４２０５号公報 Ｈ．Ａｍａｎｏ、他１名、"Ｎｏｖｅｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｎｉｔｒｉｄｅｓ ｂｙ ＭＯＶＰＥ"、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｄｅｎｓｅ．Ｍａｔｔｅｒ，１３，（２００１）ｐ６９３５−６９４４

本発明は、異種基板を用いて割れがなく反りの少ないＩＩＩ族窒化物結晶基板を製造する方法およびその製造方法により得られるＩＩＩ族窒化物結晶基板を提供することを目的とする。

本発明は、下地基板上に直接または中間層を介してＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の化学組成を有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる工程と、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）の化学組成を有する第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させる工程と、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を加工してＡｌ_yＧａ_1-yＮの化学組成を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法においては、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。また、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の成長の際にＡｌの組成比ｘを減少させ、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての１次微分ｄｘ／ｄＬを、ｄｘ／ｄＬ＜０とすることができる。さらに、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての２次微分ｄ²ｘ／ｄＬ²＞０を、ｄ²ｘ／ｄＬ²＞０とすることができる。また、第１のＩＩＩ族窒化物層を成長させる際に第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘを段階的に減少させる部分を含み、段階的に減少させたＡｌの組成比の不連続的変化Δｘ、および、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面におけるＡｌ組成比の不連続的変化Δｘ_Sを、いずれも０．０１以下とすることができる。さらに、ＨＶＰＥ法により、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層および第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させることができる。

また、本発明は、上記のいずれかの製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物結晶基板である。本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板においては、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の最大主面長をＤとするとき、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面内における各点の結晶方位と平均結晶方位とのずれ角を０．３×Ｄ度以下とすることができる。

本発明によれば、異種基板を用いて割れがなく反りの少ないＩＩＩ族窒化物結晶基板を製造する方法およびその製造方法により得られるＩＩＩ族窒化物結晶基板を提供することができる。

本発明は、図１を参照して、図１（ａ）に示すように、下地基板１上に直接または中間層２を介してＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の化学組成を有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１を成長させる工程と、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）の化学組成を有する第２のＩＩＩ族窒化物結晶層１２を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させる工程と、図１（ｂ）に示すように、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層１２を加工してＡｌ_yＧａ_1-yＮの化学組成を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板１３を形成する工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法である。

ここで、中間層２としては、とくに制限はないが、成長させるＩＩＩ族窒化物結晶層の転位密度を下げるためのＩＩＩ族窒化物バッファ層、各種マスク層などが挙げられる。また、下地基板１の主面が凹凸に加工させていてもよい。

下地基板１上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１としてＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦１）を成長させ、その上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶層としてＡｌ_yＧａ_1-yＮ層（０≦ｙ＜ｘ）を成長させると、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦１）は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層（０≦ｙ＜ｘ）に比べてＡｌの組成比が高いことから、その格子定数が小さく、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の成長の際にかかる引張応力を緩和することができるため、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく厚く成長させることが可能となる。また、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、単独で使用が可能なＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成することが可能となる。このように、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく１ｍｍ以上成長させるためには、本発明は、さらに以下の特徴を備えていることが好ましい。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法において、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることが好ましい。すなわち、本発明における第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを、従来のＩＩＩ族窒化物バッファ層の好ましい厚さとされる数十ｎｍ〜数μｍに比べて、極めて厚い５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることにより、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の割れが抑制され反りが低減されることを見出した。

詳細な理由は不明であるが、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さが５０μｍ未満であると、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層による第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の引張応力緩和の効果が小さく、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層に割れまたは反りが発生しやすくなるものと考えられる。一方、この第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さが１０００μｍを超えると、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層による圧縮応力が大きくなりすぎ、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層に割れまたは反りが発生しやすくものと考えられる。かかる観点から、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以上１００μｍ以下がさらに好ましい。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法において、図１および図２を参照して、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１の成長の際にＡｌの組成比ｘを減少させ、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１の結晶成長開始面１１ａから結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての１次微分ｄｘ／ｄＬが、ｄｘ／ｄＬ＜０であることが好ましい。すなわち、図２の曲線ａおよび曲線ｂに示すように、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の成長において、結晶成長開始面１１ａから結晶成長方向への距離Ｌが増大するにつれてＡｌの組成比ｘを減少させることが好ましい。

第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘに上記のような傾斜を設けることにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面付近において、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌ組成比ｘと第２のＩＩＩ族窒化物結晶層ｙとの差を小さくすることができ、第１のＩＩＩ族族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との間の応力を低減することができ、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の割れを抑制し反りを低減するものと考えられる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法において、図１および図２を参照して、さらに、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１の結晶成長開始面１１ａから結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての２次微分ｄ²ｘ／ｄＬ²が、ｄ²ｘ／ｄＬ²＞０であることがより好ましい。すなわち、図２の曲線ｂに示すように、Ａｌの組成比ｘの減少曲線が下に凸（結晶成長のはじめのｘの減少量が大きく、結晶成長の終わりのｘの減少量が小さい）であることが好ましい。なお、曲線ａは、直線状にｘが減少する場合であり、ｄｘ／ｄＬ＜０、かつ、ｄ²ｘ／ｄＬ²＝０で表される。

第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘに上記のような傾斜を設けることにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面付近において、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌ組成比ｘと第２のＩＩＩ族窒化物結晶層ｙとの差を小さくすることができるとともに、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層成長中の引っ張り応力を小さくすることができ、割れや反りを発生させることなく厚い第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を形成できる。その結果、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の挿入効果を大きくすることができ、割れがなく反りの少ない良好な第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を形成することが可能になる。

第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の実際の成長においては、Ａｌの組成比ｘの連続的な減少は必ずしも容易ではないため、段階的に減少変化させる部分が含まれる場合がある。このように段階的に減少させたＡｌの組成比ｘの不連続的変化が十分小さければ、Ａｌの組成比ｘを連続的に減少させたときと同様の効果が得られる。また、同様の観点から、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面におけるＡｌの組成比の不連続変化も十分小さいことが好ましい。

たとえば、図３を参照して、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる際に第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘを段階的に減少させる部分を含み、段階的に減少させたＡｌの組成比の不連続的変化Δｘ、および、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面におけるＡｌ組成比の不連続的変化Δｘ_Sを、いずれも０．０１以下とすることにより、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させることができる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法において、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層および第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる方法には、特に制限はなく、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法などの各種気相法が挙げられる。迅速に厚いＩＩＩ族窒化物結晶層が得られる観点から、ＨＶＰＥ法が好ましい。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法において、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を加工してＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する工程には、特に制限はなく、たとえば、図１（ｂ）に示すように、第２の窒化物結晶層を切り出して、その表面を研削および／または研磨することによりＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成することができる。第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の切り出しには、ダイヤモンドカッターなどによる機械的切削方法の他、レーザなどによる熱的剥離方法などを用いることができる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法により、割れが無く反りの少ないＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができる。本発明においては、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を切り出して、その表面を研削および／または研磨してＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成することから、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の反りをその外形から測定しても意味がない。そこで、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の反りは、図４を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１３の主面１３ｈ内の各点における結晶方位（各結晶成長方向の格子面に対する法線をいう、以下同じ）Ｃ_p（ｐは各測定点を示す）と、その主面全体における平均結晶方位Ｃとの間のずれ角θ_p（ｐは各測定点を示す）により評価することとした。

図１（ａ）を参照して、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層１１上に成長させられた第２のＩＩＩ族窒化物結晶層には引張応力がかかっているため、切り出された第２のＩＩＩ族窒化物結晶層１２は、その図１（ｂ）に示すような反りを生じる。この反りよって、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長面１２ｇにも反りが生じる。ここで、この結晶成長面１２ｇの結晶成長方向を示めす法線である結晶方位を定義すると、研削および／または研磨によって平滑な主面１３ｈが形成されたＩＩＩ族窒化物結晶基板１３においても、その主面１３ｈ内の各点における結晶方位Ｃ_pは、結晶成長面１２ｇに垂直に形成されるため、結晶成長面１２ｇの反りを反映したものとなる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、図４を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１２の最大主面長をＤとするとき、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面１２ｈ内における各点の結晶方位Ｃ_pの平均結晶方位Ｃからのずれ角θ_p（以下、単に結晶方位のずれ角という）が０．３×Ｄ度以下であることが好ましい。基板の主面内における結晶方位のずれ角が０．３×Ｄ度以下であれば、その主面の全面に均質なエピタキシャル膜を成長させやすいからである。ここで、平均結晶方位とは、各点の結晶方位を平均した方位をいう。なお、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面内における各点の結晶方位は、Ｘ線回折法を用いて解析することができる。

上記のように、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、反りが小さいため、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（表面弾性波）デバイスなどの半導体デバイス用の基板として広く用いることができる。

図５を参照して、ＨＶＰＥ法により、下地基板１であるＧａＡｓ基板上にＡｌＮバッファ層を形成し、このＡｌＮバッファ層上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶層であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．５）層を成長させ、このＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶層であるＧａＮ層（Ａｌ_yＧａ_1-yＮにおいてｙ＝０）を成長させた。

図５を参照して、本実施例において用いられるＨＶＰＥ装置５００は、反応室５０１内に下地基板１を保持するための基板ホルダ５０２が配置され、反応室５０１に導入するＡｌ塩化物ガス５３を合成するためのＡｌ塩化物合成室５０３、反応室５０１に導入するＧａ塩化物ガス５５を合成するためのＧａ塩化物合成室５０５、反応室５０１にＮ原料ガス５７を導入するためのＮ原料ガス導入管５０７および反応後のガスを排気するための排気管５０８が配設されている。また、Ａｌ塩化物合成室５０３にはＡｌが収納されているＡｌボート５０４が、Ｇａ塩化物合成室５０５にはＧａが収納されているＧａボート５０６が配置されている。また、Ａｌ塩化物合成室５０３、Ｇａ塩化物合成室５０５および反応室５０１の周囲には、それぞれＡｌボート５０４、Ｇａボート５０６および下地基板１を加熱するためのヒータ５１３，５１５，５１７が配設されている。

上記ＨＶＰＥ装置５００においては、以下のようにして反応室５０１に導入するＡｌ塩化物ガス５３およびＧａ塩化物ガス５５を合成する。Ａｌ塩化物ガス５３は、Ａｌ塩化物合成室５０３内に配置されているＡｌボート５０４をヒータ５１３により５００℃に加熱し、Ａｌ塩化物合成室５０３内に導入された第１のＨＣｌガス５１とＡｌボート５０４内のＡｌとを反応させることにより得られる。Ｇａ塩化物ガス５５は、Ｇａ塩化物合成室５０５内に配置されているＧａボート５０６をヒータ５１５により８００℃に加熱し、Ｇａ塩化物合成室５０５内に導入された第２のＨＣｌガス５２とＧａボート５０６内のＧａとを反応させることにより得られる。ここで、第１のＨＣｌガスおよび第２のＨＣｌガスは、それぞれＨ₂ガスなどのキャリアガスとともにＡｌ塩化物合成室５０３およびＧａ塩化物合成室５０５に導入される。

まず、Ａｌ塩化物ガス５３およびＮＨ₃ガス５７をキャリアガスであるＨ₂ガスとともに反応室５０１内に導入し、反応室５０１内に配置された下地基板１である直径５．０４ｃｍ×厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板（（１１１）Ａ面）上で、Ａｌ塩化物ガス５３とＮＨ₃ガス５７とを５００℃で反応させて厚さ５０ｎｍのＡｌＮバッファ層を成長させた。

次に、Ａｌ塩化物ガス５３、Ｇａ塩化物ガス５５およびＮＨ₃ガス５７をキャリアガスであるＨ₂ガスとともに反応室５０１内に導入し、上記ＡｌＮバッファ層上でＡｌ塩化物ガス５３とＧａ塩化物ガス５５とＮＨ₃ガス５７とを１０００℃で反応させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶層である厚さＴμｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．５）を成長させた。ここで、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌ組成比の調整は、第１のＨＣｌガスと第２のＨＣｌガスとの流量比を調整することにより生成するＡｌ塩化物ガスとＧａ塩化物ガスとの流量比を調整することにより行なった。また、Ａｌ組成比の不連続変化が０．０１以下となるようにＡｌ塩化物ガスとＧａ塩化物ガスとの流量比の調整を行なった。

次に、Ｇａ塩化物ガス５５およびＮＨ₃ガス５７をキャリアガスであるＨ₂ガスとともに反応室５０１内に導入し、上記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層上でＧａ塩化物ガス５５とＮＨ₃ガス５７とを１０００℃で反応させて第２のＩＩＩ族窒化物結晶層である厚さ２ｍｍのＧａＮ層を成長させた。

ここで、上記の第１および第２のＩＩＩ族窒化物結晶層の成長においては、ＩＩＩ族窒化物結晶層の成長速度および化学組成を均一にするために、下地基板１は水平面に対して１０°の角度をつけて配置し、６０ｒｐｍで回転させた。

次に、成長させた第２のＩＩＩ族窒化物結晶層であるＧａＮ層からＩＩＩ族窒化物結晶基板である直径５．０４ｃｍ×厚さ５００μｍのＧａＮ基板を切り出した。ＧａＮ基板の切り出し位置は、ＧａＮ層における結晶成長開始面から結晶成長方向に１０００μｍの位置からとした。このＧａＮ基板を鏡面に研磨し、エッチングした後、Ｘ線回折法によりＧａＮ基板の主面内における各点の［０００１］方向の結晶方位と平均結晶方位との間のずれ角（結晶方位のずれ角）を評価した。ここで、測定点としては、ＧａＮ基板の主面である（０００１）面の中央点と、中央点から［１１−２０］方向に±２ｃｍずらした点と、中央点から［１−１００］方向に±２ｃｍずらした点との５点を採用した。

上記の手法により、以下の場合について、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層、第２の窒化物結晶層を成長させ、ＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成し、そのＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面内における各点の結晶方位のずれ角を評価した。

Ａｌの組成比ｘを０．５として厚さを変えて第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させたものを、実施例１，２および比較例１〜４として、表１にまとめた。なお、第２のＩＩＩ族窒化物結晶層に割れが発生したものについては、ＩＩＩ族窒化物結晶基板を切り出すことができないので、割れと記載した。

また、Ａｌの組成比ｘを０．５×（Ｔ−Ｌ）／Ｔ（ここで、Ｌは第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離、Ｔは第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを示し、０≦Ｌ≦Ｔの関係にある）（このときＬとｘとは、ｄｘ／ｄＬ＜０かつｄ²ｘ／ｄＬ²＝０の関係を満たす）と減少させながら厚さＴを変えて第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させたものを実施例３〜６、比較例５，６として表２にまとめた。

また、Ａｌの組成比ｘを０．５×（Ｌ−１．５×Ｔ）⁶／（１．５×Ｔ）⁶（ここで、Ｌは第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離、Ｔは第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを示し、０≦Ｌ≦Ｔの関係にある）（このときＬとｘとは、ｄｘ／ｄＬ＜０かつｄ²ｘ／ｄＬ²＞０の関係を満たす）と減少させながら厚さＴを変えて第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させたものを実施例７〜１１、比較例７として表３にまとめた。

なお、ＡｌＮバッファ層および第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させることなく、下地基板であるＧａＡｓ基板上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶層であるＧａＮ層を成長させると、ＧａＮ層に割れが発生した。

表１から明らかなように、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘを０．５とした場合は、厚さＴを５０μｍ〜１００μｍとしたときに、割れることなく反りの少ない第２のＩＩＩ族窒化物結晶層およびＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができた。

表２から明らかなように、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘを０．５×（Ｔ−Ｌ）／Ｔとした場合（すなわち、Ｌとｘとが、ｄｘ／ｄＬ＜０かつｄ²ｘ／ｄＬ²＝０の関係を満たす場合）は、厚さＴが１０μｍ〜５００μｍの広い範囲に渡って、割れることなく反りの少ない第２のＩＩＩ族窒化物結晶層およびＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができた。特に、厚さＴが５０μｍ〜５００μｍの広い範囲で、結晶方位のずれ角が０．３×Ｄ度以下の反りが極めて少ない２のＩＩＩ族窒化物結晶層およびＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができた。

表３から明らかなように、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｘを０．５×（Ｌ−１．５×Ｔ）⁶／（１．５×Ｔ）⁶とした場合（すなわち、Ｌとｘとが、ｄｘ／ｄＬ＜０かつｄ²ｘ／ｄＬ²＞０の関係を満たす場合）は、厚さＴが１０μｍ〜１０００μｍの非常に広い範囲に渡って、割れることなく反りの少ない第２のＩＩＩ族窒化物結晶層およびＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができた。特に、厚さＴが５０μｍ〜１０００μｍの非常に広い範囲で、結晶方位のずれ角が０．３×Ｄ度以下の反りが極めて少ない第２のＩＩＩ族窒化物結晶層およびＩＩＩ族窒化物結晶基板を得ることができた。

本実施例においては、下地基板としてＧａＡｓ基板を用いたが、サファイア基板、ＳｉＣ基板その他の異種基板を用いることができる。また、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始の際のＡｌの組成比ｘを０．５としたが、このＡｌ組成比に限定されず、０≦ｙ＜ｘ≦１を満たす任意の組成比を採用することができる。ここで、ｙは第２のＩＩＩ族窒化物結晶層のＡｌの組成比ｙを意味する。

上記のように、本発明によれば、異種基板を下地基板として用いても、割れがなく反りの小さい第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させることができるため、大型で厚さの大きいＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造が可能となる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法を示す模式図である。ここで、（ａ）は第１および第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる工程を示し、（ｂ）はＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する工程を示す。 第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる工程における下地基板からの距離ＬとＡｌの組成比ｘとの関係の一例を示す図である。 第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる工程における下地基板からの距離ＬとＡｌの組成比ｘとの関係の他の例を示す図である。 ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面内における各点の結晶方位と平均結晶方位との間のずれ角を説明する模式図である。 本発明に用いられるＨＶＰＥ装置の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 下地基板、２ 中間層、１１ 第１のＩＩＩ族窒化物結晶層、１１ａ 結晶成長開始面、１２ 第２のＩＩＩ族窒化物結晶層、１２ｇ 結晶成長面、１２ｈ，１３ｈ 主面、 １３ ＩＩＩ族窒化物結晶基板、５１ 第１のＨＣｌガス、５２ 第２のＨＣｌガス、５３ Ａｌ塩化物ガス、５５ Ｇａ塩化物ガス、５７ ＮＨ₃ガス、５００ ＨＶＰＥ装置、５０１ 反応室、５０２ 基板ホルダ、５０３ Ａｌ塩化物合成室、５０４ Ａｌボート、５０５ Ｇａ塩化物合成室、５０６ Ｇａボート、５０７ Ｎ原料導入管、５０８ 排気管、５１３，５１５，５１７ ヒータ。

Claims (8)

1. 下地基板上に直接または中間層を介してＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の化学組成を有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させる工程と、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）の化学組成を有する第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を割れることなく１ｍｍ以上の厚さに成長させる工程と、前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を加工してＡｌ_yＧａ_1-yＮの化学組成を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
2. 前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の厚さを５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
3. 前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の成長の際にＡｌの組成比ｘを減少させ、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての１次微分ｄｘ／ｄＬが、ｄｘ／ｄＬ＜０であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
4. 前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離ＬにおけるＡｌの組成比ｘのＬについての２次微分ｄ²ｘ／ｄＬ²が、ｄ²ｘ／ｄＬ²＞０であることを特徴とする請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
5. 前記第１のＩＩＩ族窒化物層を成長させる際にＡｌの組成比ｘを段階的に減少させる部分を含み、段階的に減少させたＡｌの組成比の不連続的変化Δｘ、および、第１のＩＩＩ族窒化物結晶層と第２のＩＩＩ族窒化物結晶層との界面におけるＡｌ組成比の不連続的変化Δｘ_Sが、いずれも０．０１以下であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法。
6. ＨＶＰＥ法により、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶層および前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶層を成長させることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物基結晶板の製造方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかの製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物結晶基板。
8. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の最大主面長をＤとするとき、前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面内における各点の結晶方位と平均結晶方位との間のずれ角が０．３×Ｄ度以下である請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板。

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