JP2006310362A - Ｉｉｉ族窒化物結晶の表面処理方法、ｉｉｉ族窒化物結晶基板、エピタキシャル層付ｉｉｉ族窒化物結晶基板および半導体デバイス - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物結晶の表面処理方法、ｉｉｉ族窒化物結晶基板、エピタキシャル層付ｉｉｉ族窒化物結晶基板および半導体デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 効率よくＩＩＩ族窒化物結晶に平滑で加工変質層が薄い良品質の表面を形成するＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法を提供する。
【解決手段】 ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面をポリシングするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法であって、ポリシングに用いられるポリシング液１７のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ≧−５０ｘ＋１０００（式（１））およびｙ≦−５０ｘ＋１９００（式（２））のいずれもの関係を満たすことを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法に関する。さらに、本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法により得られたＩＩＩ族窒化物結晶基板に関する。
ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶などのＩＩＩ族窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板を形成するための材料として非常に有用なものである。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶とは、ＩＩＩ族元素と窒素とにより形成されている結晶、たとえば、ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ結晶（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）などをいう。
半導体デバイスの基板として用いられるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、ＩＩＩ族窒化物結晶の外周に形状形成加工を施した後に所定の厚さにスライスし、表面を機械研磨または機械研削することによって得られるが、かかるスライス、機械研磨または機械研削によって、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面側領域に厚い加工変質層（結晶表面の研削または研磨によって結晶の表面側領域に形成される結晶格子が乱れた層をいう、以下同じ）が形成され、またはＩＩＩ族窒化物結晶の表面粗さが大きくなる。このＩＩＩ族窒化物結晶基板の加工変質層の厚さが大きくなるほど、またその表面粗さが大きくなるほど基板表面の品質が低下し、このＩＩＩ族窒化物結晶表面上にエピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物結晶層の表面は凹凸が大きくなりまた結晶性が低下する。そのため、良質な半導体デバイスを形成することができない。
このため、ＩＩＩ族窒化物結晶からＩＩＩ族窒化物結晶基板を形成する方法として、ＩＩＩ族窒化物結晶を所定の厚さにスライスし、表面を機械研磨または機械研削した後に、さらに表面をドライエッチング（たとえば、特許文献１を参照）または化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing）（たとえば、特許文献２〜４を参照）によるポリシングを行なうことにより、上記加工変質層を除去し、表面粗さをさらに低減することが広く行なわれていた。
しかし、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の表面をドライエッチングする方法では、上記加工変質層を除去することができるが、表面粗さをさらに小さくすることが困難であった。
また、従来のポリシングは、被研磨物であるＩＩＩ族窒化物結晶の硬度以下に硬度の低い砥粒を含むスラリーを研磨パッドに供給しながら、ＩＩＩ族窒化物結晶を研磨パッドに押し当てることによりＩＩＩ族窒化物結晶の表面を行なっているが、ＩＩＩ族窒化物結晶は硬質で反応性に乏しいため、従来のポリシングでは、研磨速度が非常に低く、非効率的であった。
近年、ダイヤモンド、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などで形成されている硬質砥粒とコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）、ヒュームドチタニア（ＴｉＯ2）などで形成されている軟質砥粒とを含むスラリーを用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶をポリシングする方法（たとえば、特許文献４を参照）が提案され、ＩＩＩ族窒化物結晶の研磨速度とともに表面の平滑さを高めることを可能とした。しかし、特許文献４に開示するポリシング方法においては、硬質砥粒を含むため、表面の平滑さをより高めることは困難であった。そこで、高い研磨速度を維持しながら、より平滑な表面が得られるポリシング方法が求められていた。
特開２００１−３２２８９９号公報 米国特許第６５９６０７９号明細書 米国特許第６４８８７６７号明細書 特開２００４−３１１５７５号公報
本発明は、半導体デバイスに用いることができるＩＩＩ族窒化物結晶基板を効率的に得るため、効率よくＩＩＩ族窒化物結晶に平滑で加工変質層が薄い良品質の表面を形成するＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法を提供することを目的とする。
本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法であって、ポリシングに用いられるポリシング液のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ≧−５０ｘ＋１０００（式（１））およびｙ≦−５０ｘ＋１９００（式（２））のいずれもの関係を満たすことを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法である。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法においては、ポリシング液に酸化剤を含めることができる。また、ポリシング液のｐＨを６以下または８以上とすることができる。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法においては、ポリシング液に砥粒を含めることができ、この砥粒を、ＩＩＩ族窒化物結晶よりも硬度の高い高硬度砥粒、ＩＩＩ族窒化物結晶の硬度以下に硬度の低い低硬度砥粒、または高硬度砥粒と低硬度砥粒との混合砥粒とすることができる。ここで、高硬度砥粒の粒径を１μｍ以下とすることができる。また、高硬度砥粒をダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＺｒＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒とすることができる。また、低硬度砥粒をＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、ＭｎＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＧｅＯ2、ＣａＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒とすることができる。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法においては、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面を機械研削または機械研磨し、機械研削または機械研磨されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における加工変質層の厚さを５０ｎｍ以下とすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲｙを５ｎｍ以下とすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることができる。さらに、ポリシング後のＩＩＩ族窒化物結晶を熱処理することができる。
本発明は、上記の表面処理方法により得られたＩＩＩ族窒化物結晶基板である。また、本発明は、表面粗さＲｙが１ｎｍ以下であるＩＩＩ族窒化物結晶基板である。また、本発明は、表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下である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主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行とすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下とすることができる。
本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＩＩＩ族窒化物結晶基板である。
本発明は、上記ＩＩＩ族窒化物結晶基板を含む半導体デバイスである。さらに、本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、発光素子を搭載する導電体とを備え、発光素子はＩＩＩ族窒化物結晶基板側が発光面側であり、最外半導体層側が搭載面側であり、半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイスである。
本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物結晶に平滑で加工変質層が薄い良品質の表面を効率よく形成することができ、半導体デバイスに用いることができるＩＩＩ族窒化物結晶基板を効率的に得ることができる。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法は、図１を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面をポリシングするＩＩＩ族窒化物結晶１の表面処理方法であって、ポリシングに用いられるポリシング液１７のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、以下の式（１）および式（２）
ｙ≧−５０ｘ＋１０００ ・・・（１）
ｙ≦−５０ｘ＋１９００ ・・・（２）
のいずれもの関係を満たすことを特徴とする。
ここで、ポリシングとは、ポリシング液を用いて被研磨物の表面を化学的および／または機械的に平滑化することをいい、たとえば、図１を参照して、定盤１５上に固定された研磨パッド１８を回転軸１５ｃを中心にして回転させながら、ポリシング液供給口１９から研磨パッド１８上にポリシング液１７を供給するとともに、ＩＩＩ族窒化物結晶１を固定した結晶ホルダ１１上に重り１４を載せてその回転軸１１ｃを中心にして回転させながらＩＩＩ族窒化物結晶１を、上記研磨パッド１８に押し当てることによって、ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面をポリシングすることができる。
また、酸化還元電位とは、溶液中に共存する酸化体と還元体の間の平衡状態によって定まるエネルギーレベル(電位)を意味する。測定によって得られる酸化還元電位は、比較電極に対する値であり、比較電極の種類が異なれば、同一溶液の測定値は見かけ上異なる。一般の学術論文などでは比較電極として標準水素電極(Ｎ．Ｈ．Ｅ）が用いられることが多い。本願における酸化還元電位は、標準水素電極(Ｎ．Ｈ．Ｅ）を比較電極とした値として示す。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ポリシング液１７のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ＜−５０ｘ＋１０００であると、ポリシング液１７の酸化力が弱く、ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面の研磨速度が低くなる。一方、ｙ＞−５０ｘ＋１９００であると、酸化力が強くなりすぎ、研磨パッド、定盤などの研磨設備に対する腐食作用が強くなり、安定したポリシングが困難となる。
また、研磨速度を高く維持する観点からは、さらに、ｙ≧−５０ｘ＋１３００であることが好ましい。すなわち、ポリシング液１７のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、以下の式（２）および式（３）
ｙ≦−５０ｘ＋１９００ ・・・（２）
ｙ≧−５０ｘ＋１３００ ・・・（３）
のいずれもの関係を満たすことが好ましい。
通常のポリシング液に含まれる塩酸、硫酸などの酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどの塩基は、化学的に安定なＩＩＩ族窒化物結晶の表面を酸化して加工変質層をエッチング除去する力が弱い。このため、ポリシング液に酸化剤を添加して、酸化還元電位を高くする、すなわち酸化力を高めることが好ましい。酸化剤の添加量は、ポリシング液１７のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ≧−５０ｘ＋１０００（式（１））およびｙ≦−５０ｘ＋１９００（式（２））のいずれもの関係を満たすように調節する。
ここで、ポリシング液に添加する酸化剤としては、特に制限はないが、研磨速度を高める観点から、次亜塩素酸、トリクロロイソシアヌル酸などの塩素化イソシアヌル酸、ジクロロイソシアヌル酸ナトリウムなどの塩素化イソシアヌル酸塩、過マンガン酸カリウムなどの過マンガン酸塩、ニクロム酸カリウムなどのニクロム酸塩、臭素酸カリウムなどの臭素酸塩、チオ硫酸ナトリウムなどのチオ硫酸塩、硝酸、過酸化水素水、オゾンなどが好ましく用いられる。なお、これらの酸化剤は、単独で用いても、２以上を併用してもよい。
本発明において用いられるポリシング液１７のｐＨは、６以下または８以上であることが好ましい。ｐＨが６以下の酸性ポリシング液またはｐＨが８以上の塩基性ポリシング液をＩＩＩ族窒化物結晶に接触させて、ＩＩＩ族窒化物結晶の加工変質層をエッチング除去することにより、研磨速度を高めることができる。かかる観点から、ポリシング液１７のｐＨは４以下または１０以上であることがより好ましい。
ここで、ｐＨの調整に用いられる酸および塩基には特に制限はなく、たとえば、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸などの無機酸、ギ酸、酢酸、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、コハク酸、フタル酸、フマル酸などの有機酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ4ＯＨ、アミンなどの塩基の他、硫酸塩、炭酸塩、リン酸塩などの塩を用いることができる。また、上記酸化剤の添加により、ｐＨを調整することもできる。
本発明において用いられるポリシング液には、砥粒が含まれることが好ましい。この砥粒により研磨速度をより高めることができる。ポリシング液に含めれる砥粒には、特に制限はなく、ＩＩＩ族窒化物結晶よりも硬度の高い高硬度砥粒、ＩＩＩ族窒化物結晶の硬度以下に硬度の低い低硬度砥粒、または高硬度砥粒と低硬度砥粒との混合砥粒を用いることができる。
ここで、本発明にかかるポリシングにおいて、高硬度砥粒を用いることにより研磨速度をより高めることができ、低硬度砥粒を用いることにより結晶表面のモフォロジーをよくすることができる。また、高硬度砥粒と低硬度砥粒との混合砥粒を用いることにより、研磨速度を高く維持しながら、平滑で加工変質層が薄い良品質の結晶表面を形成することができる。
上記観点から、ポリシング液に含まれる砥粒は、高硬度砥粒と低硬度砥粒の混合体積比が、高硬度砥粒：低硬度砥粒＝５：９５〜５０：５０であることが好ましく、１０：９０〜３０：７０であることがより好ましい。
本発明にかかるポリシングにおいて、高硬度砥粒の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。高硬度砥粒によってＩＩＩ族窒化物結晶の表面が機械的に除去されて研磨が可能となるため、高硬度砥粒の粒径を小さくすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面に形成される傷および凹凸の深さを小さくし、表面をより平滑化することが可能となる。かかる観点から、高硬度砥粒の粒径は０．５μｍ以下であることがより好ましい。
ここで、上記高硬度砥粒は、被研磨物であるＩＩＩ族窒化物結晶よりも硬度の高い砥粒であれば特に制限はないが、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＺｒＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒であることが好ましい。かかる材質を含む高硬度砥粒を用いることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面のポリシングにおける研磨速度を高くすることができる。
また、上記低硬度砥粒は、被研磨物であるＩＩＩ族窒化物結晶の硬度以下に硬度の低い砥粒であれば特に制限はないが、ＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、ＭｎＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＧｅＯ2、ＣａＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒であることが好ましい。かかる材質を含む低硬度砥粒を用いることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシングにより形成される表面の品質を向上させることができる。ここで、表面の品質が向上することとは、表面粗さが小さくなることおよび／または加工変質層が薄くなることを意味する。また、表面の品質が低下することとは、表面粗さが大きくなることおよび／または加工変質層が厚くなることを意味する。
なお、砥粒は、単一の金属元素を含む酸化物に限定されず、２種類以上の金属元素を含む酸化物（たとえば、フェライト、ペロブスカイト、スピネルまたはイルメナイトなどの構造を有するもの）であってもよい。また、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの窒化物、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3などの炭酸化物、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉなどの金属、炭素（具体的には、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、Ｃ６０など）を用いることもできる。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面を機械研削または機械研磨し、機械研削または機械研磨されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングすることができる。ポリシングの前に機械研削または機械研磨を組み合わせることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶表面の研磨速度を高め、かつ、平滑で加工変質層が薄い良品質のＩＩＩ族窒化物結晶表面を形成することができる。
ここで、機械研削とは、図２を参照して、たとえば、砥粒をボンドで固めた砥石２２を砥石台金２３に固定してその回転軸２３ｃを中心に回転させながら、結晶ホルダ２１に固定されその回転軸２１ｃを中心に回転しているＩＩＩ族窒化物結晶１の表面に送り出すことにより、ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面を削り取りながら平滑化することをいう。また、機械研磨とは、図３を参照して、たとえば定盤３５をその回転軸３５ｃを中心に回転させながら、スラリー供給口３９から定盤３５上に砥粒３６を分散したスラリー３７を供給するとともに、ＩＩＩ族窒化物結晶１を固定した結晶ホルダ３１上に重り３４を載せてその回転軸３１ｃを中心にして回転させながら、ＩＩＩ族窒化物結晶１を上記定盤３５に押し当てることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶１の表面を平滑化することをいう。機械研磨において、砥粒を分散したスラリーを用いることに替えて、図示はしないが、上記砥粒をボンドで固めた砥石をＩＩＩ族窒化物結晶に回転させながら押し当てることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面を研磨することも可能である。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、図１を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶１のポリシング後における加工変質層１ａの厚さは５０ｎｍ以下であることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後の加工変質層を５０ｎｍ以下とすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層（エピタキシャル成長によって形成された層をいう、以下同じ）を形成することができる。かかる観点から、上記加工変質層の厚さは１０ｎｍ以下であることがより好ましい。ここで、結晶性が良好とは、その結晶における各々の結晶格子についてのサイズの分布および／または面方位のずれの分布が小さい理想的な結晶構造に近い状態であることを意味する。たとえばＸ線回折におけるロッキングカーブの半価幅が小さいほど結晶性が良好である。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲｙは５ｎｍ以下であることが好ましい。本願において、表面粗さＲｙとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積としてとして１０μｍ角（１０μｍ×１０μｍ＝１００μｍ2、以下同じ）だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から最も高い山頂までの高さと最も低い谷底までの深さとの和をいう。ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後の表面粗さＲｙを５ｎｍ以下とすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。かかる観点から、上記表面粗さＲｙは１ｎｍ以下であることがより好ましい。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲａは０．５ｎｍ以下であることが好ましい。本願において、表面粗さＲａとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積として１０μｍ角だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から測定曲面までの偏差の絶対値を合計してそれを基準面積で平均した値をいう。ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。かかる観点から、上記表面粗さＲａは０．１ｎｍ以下であることがより好ましい。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ポリシング後におけるＩＩＩ族窒化物結晶の表面酸化層の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、表面酸下層の厚さは、エリプソメトリー、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）またはＲＢＳ（ラザフォード後方散乱法）などにより評価することができる。ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後の表面酸化層を３ｎｍ以下にすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。かかる観点から、上記表面酸化層の厚さは２ｎｍ以下であることがより好ましい。
また、上記ポリシング後におけるＩＩＩ族窒化物結晶表面の不純物の量については、原子番号が１９以上の元素の原子は１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下、Ｏ（酸素）およびＣ（炭素）を除く原子番号が１から１８までの元素の原子は１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが好ましい。また、Ｏ原子およびＣ原子は、ＩＩＩ族窒化物結晶表面に存在する全元素の原子に対して、それぞれ４０原子％以下であることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物結晶表面におけるＩＩＩ族元素の原子およびＮ原子は、ＩＩＩ族窒化物結晶表面に存在するＩＩＩ族元素原子およびＮ原子の和に対して、それぞれ４０原子％〜６０原子％であることが好ましい。ここで、原子番号が１９以上の元素の原子ならびにＯおよびＣを除く原子番号が１から１８までの元素の原子の量は、ＴＸＲＦ（全反射蛍光Ｘ線分析法）により評価することができる。Ｏ原子、Ｃ原子、Ｎ原子およびＩＩＩ族元素の原子の量は、ＸＰＳ、ＡＥＳなどにより評価することができる。ＩＩＩ族窒化物結晶表面を上記の化学組成とすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。
さらに、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法において、ポリシング後のＩＩＩ族窒化物結晶を熱処理することが好ましい。かかる熱処理により、ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲｙおよび表面粗さＲａの値をさらに低減することができる。この熱処理は、非酸化性雰囲気下、より好ましくは還元性雰囲気下（具体的には、Ｎ2ガス雰囲気下、ＮＨ3ガス雰囲気下、Ｈ2ガス雰囲気下など）で、９００℃〜１１００℃程度で行なうことが好ましい。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、上記のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法により得られたＩＩＩ族窒化物結晶基板である。上記の表面処理方法により得られたＩＩＩ族窒化物結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平滑化されているため、この上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、具体的には、各種方法により成長させたＩＩＩ族窒化物結晶を、必要に応じて外周の形状形成加工、および所定の面に平行にスライスした後、上記の方法により機械研削または機械研磨し、その表面を上記の方法によりポリシングすることによって得られる。
なお、上記ＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法には特に制限はないが、大きなバルク状のＩＩＩ族窒化物結晶を効率的に成長させる観点から、ＨＶＰＥ（ハライドまたはハイドライド気相エピタキシャル成長）法、昇華法などの気相成長法またはフラックス法などの液相成長法が好ましく用いられる。たとえば、ＧａＮ結晶の成長にはＨＶＰＥ法、フラックス法などが好ましく用いられ、ＡｌＮ結晶の成長には、ＨＶＰＥ法、昇華法などが好ましく用いられる。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、その表面粗さＲｙが１ｎｍ以下である。上記のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法を用いることによって、従来では得られていなかった表面粗さＲｙが１ｎｍ以下の極めて平坦な表面を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板が得られる。かかるＩＩＩ族窒化物結晶基板上には、モフォロジーが極めて良好なエピタキシャル層を形成することができる。
また、本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、その表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下である。上記のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法を用いることによって、従来では得られていなかった表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下の極めて平坦な表面を有するＩＩＩ族窒化物結晶基板が得られる。かかるＩＩＩ族窒化物結晶基板上には、モフォロジーが極めて良好なエピタキシャル層を形成することができる。
また、上記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面は、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行であることが好ましい。ここで、Ｃ面とは｛０００１｝面および｛０００−１｝面を、Ａ面とは｛１１−２０｝面およびその等価面を、Ｒ面とは｛０１−１２｝面およびその等価面を、Ｍ面とは｛１０−１０｝面およびその等価面を、Ｓ面とは｛１０−１１｝面およびその等価面を意味する。ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面がウルツ鉱型構造における上記各面に平行または平行に近い状態（たとえば、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が０．０５°未満）とすることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶基板上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成しやすくなる。
また、上記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下であることが好ましい。０．０５°以上のオフ角を設けることによりＩＩＩ族窒化物結晶基板上に形成するエピタキシャル層の欠陥を低減することができる。しかし、オフ角が１５°を超えるとエピタキシャル層に階段状の段差ができやすくなる。かかる観点から、オフ角は、０．１°以上１０°以下であることがより好ましい。
本発明にかかるエピタキシャル層付ＩＩＩ族窒化物結晶基板は、上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有する。上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、この上にエピタキシャル成長させられたＩＩＩ族窒化物層は良好なモフォロジーを有する。ここで、ＩＩＩ族窒化物層には、特に制限がなく、たとえばＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ層（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）などが挙げられる。また、ＩＩＩ族窒化物層エピタキシャル成長をさせる方法にも、特に制限がなく、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法などが好ましく挙げられる。
本発明にかかる半導体デバイスは、上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板を含む。上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、このＩＩＩ族窒化物結晶基板上にモフォロジーおよび結晶性の良好なエピタキシャル層を形成して品質のよい半導体デバイスを形成することができる。本発明にかかる半導体デバイスとしては、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（High Electron Mobility Trａnsistor；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デバイス（Surface Acoustic Wave Device；表面弾性波素子）などが挙げられる。
また、本発明にかかる半導体デバイスは、図４を参照して、上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０を含む半導体デバイス４００であって、ＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層４５０と、ＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０の他方の主面に形成された第１の電極４６１と、半導体層４５０の最外半導体層上に形成された第２の電極４６２とを含む発光素子と、発光素子を搭載する導電体４８２とを備え、発光素子は、ＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０側が発光面側であり、最外半導体層側が搭載面側であり、半導体層４５０は、ｐ型半導体層４３０と、ｎ型半導体層４２０と、ｐ型半導体層４３０とｎ型半導体層４２０との間に形成される発光層４４０とを含む。上記構成を有することにより、ＩＩＩ族窒化物結晶基板面側を発光面側とする半導体デバイスを形成することができる。
かかる半導体デバイスは、半導体層側が発光面側である半導体デバイスと比較して、発光層での発熱に対する放熱性に優れる。そのため、高電力で作動させても半導体デバイスの温度上昇が緩和され、高輝度の発光を得ることができる。また、サファイア基板などの絶縁性基板では、半導体層にｎ側電極およびｐ側電極の２種類の電極を形成する片面電極構造をとる必要があるが、本発明にかかる半導体デバイスは、半導体層とＩＩＩ族窒化物結晶基板にそれぞれ電極を形成する両面電極構造をとることができ、半導体デバイスの主面の大部分を発光面とすることができる。さらに、半導体デバイスの実装の際に、ワイヤボンデイングが１回で足りるなど製造工程が簡略化できるなどの利点がある。
（実施例１）
本実施例は、ＨＶＰＥ法で成長させたＧａＮ結晶の表面を、機械研磨し、さらにポリシングすることにより処理する場合の実施例である。
（１−１）ＧａＮ結晶の成長
下地基板として直径５０ｍｍのＧａＡｓ結晶基板を用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。大気圧の反応炉の内部にＧａ金属を収容したボートを８００℃に加熱し、このボートにＨＣｌガスとキャリアガス（Ｈ2ガス）との混合ガスを導入してＧａＣｌガスを生成させるとともに、反応炉内にＮＨ3ガスとキャリアガス（Ｈ2ガス）との混合ガスを導入することにより、ＧａＣｌガスとＮＨ3ガスとを反応させて、反応炉内に設置された下地基板（ＧａＡｓ結晶基板）上に厚さ３ｍｍのＧａＮ結晶を成長させた。ここで、ＧａＮ結晶の成長温度は１０５０℃、反応炉内のＨＣｌガス分圧は２ｋＰａ、ＮＨ3ガス分圧は３０ｋＰａとした。
（１−２）ＧａＮ結晶基板表面の機械研磨
上記ＨＶＰＥ法により得られたＧａＮ結晶を結晶成長面である（０００１）面に平行な面でスライスして直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＧａＮ結晶基板を得た。図３を参照して、このＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）のＮ原子面側のＣ面（（０００−１）面）をセラミックス製の結晶ホルダ３１にワックスで貼り付けた。ラップ装置（図示せず）に直径３００ｍｍの定盤３５を設置し、スラリー供給口３９からダイヤモンドの砥粒３６が分散されたスラリー３７を定盤３５に供給しながら、定盤３５をその回転軸３５ｃを中心にして回転させるとともに、結晶ホルダ３１上に重り３４を載せることによりＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）を定盤３５に押し付けながら、ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）を結晶ホルダ３１の回転軸３１ｃを中心にして回転させることにより、ＧａＮ結晶の表面（Ｇａ原子面側のＣ面、（０００１）面）の機械研磨を行なった。ここで、定盤３５としては銅定盤または錫定盤を用いた。砥粒径が６μｍ、３μｍ、１μｍの３種類のダイヤモンド砥粒を準備し、機械研磨の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。研磨圧力は１００ｇ／ｃｍ2〜５００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）および定盤３５の回転数はいずれも３０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍとした。かかる機械研磨によりＧａＮ結晶基板の表面は鏡面となった。この機械研磨後のＧａＮ結晶基板の加工変質層の厚さは３８０ｎｍ、Ｒｙは１０ｎｍ、Ｒａは１ｎｍであった。
（１−３）ＧａＮ結晶基板表面のポリシング
図１を参照して、上記機械研磨後におけるＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）のＮ原子面側のＣ面（（０００−１）面）をセラミックス製の結晶ホルダ１１にワックスで貼り付けた。ポリッシュ装置（図示せず）に設置された直径３００ｍｍの定盤１５上に研磨パッド１８を設置し、ポリシング液供給口１９から砥粒１６が分散されたポリシング液１７を研磨パッド１８に供給しながら、回転軸１５ｃを中心にして研磨パッド１８を回転させるとともに、結晶ホルダ１１上に重り１４を載せることによりＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）を研磨パッド１８に押し付けながら、ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）を結晶ホルダ１１の回転軸１１ｃを中心にして回転させることにより、ＧａＮ結晶の表面（Ｇａ原子面側のＣ面、（０００１）面）のポリシングを行なった。ここで、ポリシング液１７として、砥粒１６である粒径０．１μｍのコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）を含み、酸化剤であるジクロロイソシアヌル酸ナトリウム（以下、Ｎａ−ＤＣＩＡという）が添加され、ｐＨが９．５、酸化還元電位が９８０ｍＶに調整された炭酸ナトリウム水溶液を用いた。また、研磨パッド１８としては、ポリウレタンのスウェードパッド（ニッタ・ハース株式会社製Supreme RN-R）を用い、定盤１５としてはステンレス定盤を用いた。研磨圧力は２００ｇ／ｃｍ2〜１０００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）および研磨パッド１８の回転数はいずれも２０ｒｐｍ〜９０ｒｐｍ、研磨時間は６０分間とした。
このポリシングにおける研磨速度は０．４μｍ／ｈｒであった。また、ポリシング後におけるＧａＮ結晶の加工変質層の厚さは８ｎｍであり、ＧａＮ結晶表面の表面粗さＲｙは１．８ｎｍ、表面粗さＲａは０．１５ｎｍであった。ここで、ＧａＮ結晶における加工変質層の厚さの評価は、結晶をへき開面で破断した断面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察により行なった。また、ＧａＮ結晶表面の表面粗さＲｙおよび表面粗さＲａの評価は、ＧａＮ結晶基板表面の１０μｍ角の範囲内におけるＡＦＭ（原子間力顕微鏡）観察により行なった。なお、加工変質層とは、結晶表面の研削または研磨によって結晶の表面側領域に形成される結晶格子が乱れた層をいい、ＴＥＭ観察によりその層の存在およびその厚さを確認できる。また、ポリシング後におけるＧａＮ結晶の表面酸化層の厚さは１ｎｍであり、このＧａＮ結晶表面におけるＧａ原子とＮ原子の比率はそれぞれ５０原子％と５０原子％であった。ここで、表面酸化層の厚さおよびＧａ原子とＮ原子との比率の評価は、ＸＰＳにより行なった。
（１−４）ＧａＮ結晶基板の熱処理
上記ポリシング後のＧａＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ＮＨ3ガスを１ｓｌｍ（標準状態のガスが１分間に１リットル流れる流量の単位をいう、以下同じ）流しながら１０００℃まで昇温した後、ＮＨ3ガスを０．５ｓｌｍ〜５ｓｌｍ流しながら１０００℃で１０分間保持することによって、ＧａＮ結晶基板の熱処理を行なった。
（１−５）ＧａＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記ＭＯＣＶＤ装置において、上記熱処理後のＧａＮ結晶基板上に、１０００℃で、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ（トリメチルガリウム、以下同じ）ガスを６０分間流すことにより、ＧａＮ結晶基板上にエピタキシャル層として厚さが２μｍのＧａＮ層を形成した。このエピタキシャル層の表面粗さＲｙは１．４ｎｍ、表面粗さＲａは０．１２ｎｍの鏡面となった。結果を表１にまとめた。
（比較例１）
ポリシング液１７として、砥粒１６である粒径０．１μｍのコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）を含み、ｐＨが７．３、酸化還元電位が４５０ｍＶに調整された水溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の表面処理を行ない、エピタキシャル層を形成した。研磨速度は０μｍ／ｈｒと研磨が進まず、ポリシング後におけるＧａＮ結晶の加工変質層の厚さは３８０ｎｍであった。ポリシング後のＧａＮ結晶表面の表面粗さＲｙは１２ｎｍ、表面粗さＲａは０．９１ｎｍであった。また、このＧａＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲｙは１００ｎｍを超え、表面粗さＲａは１０ｎｍを超えた。結果を表１にまとめた。
（比較例２）
ポリシング液１７として、砥粒１６である粒径０．１μｍのコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）を含み、ｐＨが８．９、酸化還元電位が４６０ｍＶに調整された炭酸ナトリウム水溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の表面処理を行ない、エピタキシャル層を形成した。研磨速度は０μｍ／ｈｒと研磨が進まず、ポリシング後におけるＧａＮ結晶の加工変質層の厚さは３８０ｎｍであった。ポリシング後のＧａＮ結晶表面の表面粗さＲｙは８．４ｎｍ、表面粗さＲａは０．７１ｎｍであった。また、このＧａＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲｙは１００ｎｍを超え、表面粗さＲａは１０ｎｍを超えた。結果を表１にまとめた。
（実施例２）
ポリシング液１７として、砥粒１６である粒径０．１μｍのコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）を含み、酸化剤であるトリクロロイソシアヌル酸（以下、ＴＣＩＡという）が添加され、ｐＨが２．４、酸化還元電位が１４２０ｍＶに調整された硝酸水溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の表面処理を行ない、エピタキシャル層を形成した。結果を表１にまとめた。
（実施例３〜実施例５）
ポリシング液１７として、砥粒１６であるＡｌ2Ｏ3を含み、酸化剤であるＴＣＩＡが添加され、ｐＨが３．５、酸化還元電位が１２００ｍＶに調整された硝酸水溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の表面処理を行ない、エピタキシャル層を形成した。ここで、砥粒１６は、粒径０．５μｍ（実施例３）、粒径１．０μｍ（実施例４）、粒径２．０μｍ（実施例５）のものを用いた。結果を表１にまとめた。
（実施例６）
ポリシング液１７として、砥粒１６であるＡｌ2Ｏ3（高硬度砥粒）とコロイダルシリカ（ＳｉＯ2）（低硬度砥粒）とをＡｌ2Ｏ3：ＳｉＯ2＝１０：９０の割合で含み、酸化剤であるＴＣＩＡが添加され、ｐＨが３．５、酸化還元電位が１２００ｍＶに調整された酒石酸水溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の表面処理を行ない、エピタキシャル層を形成した。ここで、Ａｌ2Ｏ3砥粒は粒径０．５がμｍのものを用い、ＳｉＯ2砥粒は粒径が０．１μｍのものを用いた。結果を表１にまとめた。
（比較例３）
ＧａＮ結晶基板を実施例１と同様に機械研磨した後、ポリシングに替えて、平行平板式ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置によりドライエッチングを行なった。エッチングガスとしてＣｌ2ガスとＡｒガスとの混合ガス（流量は、Ｃｌ2ガスおよびＡｒガスのいずれも２５ｓｃｃｍ（標準状態のガスが１分間に１ｃｍ3流れる流量の単位をいう、以下同じ））を用いて、圧力３．９９Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）雰囲気下、パワー２００Ｗで、１５分間ドライエッチングを行なった。結果を表１にまとめた。
Figure 2006310362
表１より明らかなように、ポリシング液のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ≧−５０ｘ＋１０００（式（１））およびｙ≦−５０ｘ＋１９００（式（２））のいずれもの関係を満たすポリシング液を用いてポリシングすることにより、平滑で加工変質層が薄い良品質のＧａＮ結晶表面ならびにモフォロジーおよび結晶品質の良好なエピタキシャル層が得られた。
また、ポリシング液に含まれる砥粒として、低硬度砥粒（ＳｉＯ2）を用いると加工変質層を薄くすることができ、高硬度砥粒（Ａｌ2Ｏ3）を用いると研磨速度を高くすることができた。また、粒径が１．０μｍ以下の高硬度砥粒を用いることにより加工変質層を５０ｎｍ以下とすることができた。さらに、高硬度砥粒と低硬度砥粒との混合砥粒を用いることにより、研磨速度を高く維持したまま加工変質層を薄くすることができた。
一方、ＲＩＥなどのドライエッチングでは、短時間で加工変質層を除去することができるが、ＧａＮ結晶表面のモフォロジーが低下し（ＧａＮ結晶表面の表面粗さＲｙ，Ｒａが大きくなり）、エピタキシャル層表面のモフォロジーも低下した（エピタキシャル層の表面粗さＲｙ，Ｒａも大きくなった）。
（実施例７〜実施例１０）
実施例７〜実施例１０は、フラックス法で成長させたＧａＮ結晶の表面を、機械研磨し、さらにポリシングすることにより処理する場合の実施例である。
（２−１）ＧａＮ結晶の成長
下地基板として上記ＨＶＰＥ法により得られた直径５０ｍｍのＧａＮ結晶基板を用いて、フラックス法によりＧａＮ結晶を成長させた。Ｇａ原料として金属Ｇａと、フラックスとして金属Ｎａとを、モル比でＧａ：Ｎａが１：１となるように坩堝に収容して、加熱することにより８００℃のＧａ−Ｎａ融液を得た。このＧａ−Ｎａ融液に、Ｎ原料として５ＭＰａのＮ2ガスを溶解させて、厚さ０．６ｍｍのＧａＮ結晶を成長させた。
（２−２）ＧａＮ結晶基板表面の機械研磨
上記フラックス法により得られたＧａＮ結晶を結晶成長面である（０００１）面に平行な面が表面となるように切断などの加工を行い、直径５０ｍｍｍ×厚さ０．４ｍｍのＧａＮ結晶基板を得た。このＧａＮ結晶基板の機械研磨は、実施例１と同様に行なった。
（２−３）ＧａＮ結晶基板表面のポリシング
上記機械研磨後のＧａＮ結晶基板の表面を、ポリシング液のｐＨおよび酸化還元電位、ポリシング液に添加する酸化剤、高硬度砥粒、低硬度砥粒を表２に示すようにした以外は、実施例１と同様にしてポリシングした。
（２−４）ＧａＮ結晶基板の熱処理
上記ポリシング後のＧａＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の熱処理を行なった。
（２−５）ＧａＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記ＭＯＣＶＤ装置において、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板上にエピタキシャル層として厚さが２μｍのＧａＮ層を形成した。結果を表２にまとめた。
Figure 2006310362
表２から明らかなように、ｐＨを４以下または１０以上としたポリシング液を用いることにより、ｐＨが８のポリシング液に比べて、１．３倍以上の研磨速度でのポリシングが可能となった。
（実施例１１〜実施例１７）
実施例１１〜実施例１７は、ＨＶＰＥ法で成長させたＧａＮ結晶の表面を、機械研削し、さらにポリシングすることにより処理する場合の実施例である。
（３−１）ＧａＮ結晶の成長
実施例１と同様にして、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。
（３−２）ＧａＮ結晶基板表面の機械研削
上記ＨＶＰＥ法により得られたＧａＮ結晶を結晶成長面である（０００１）面に平行な面でスライスして直径５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのＧａＮ結晶基板を得た。図２を参照して、このＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）のＮ原子面側のＣ面（（０００−１）面）をセラミックス製の結晶ホルダ２１にワックスで貼り付けた。研削機としては、インフィード型のものを用いた。砥石２２は、外径８０ｍｍ×幅５ｍｍのリング形状をした、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を用いた。ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１）を結晶ホルダ２１に固定してその回転軸２１ｃを中心にして回転させるとともに、砥石２２砥石台金２３に固定してその回転軸２３ｃを中心にして回転させながら、砥石２２をＧａＮ結晶の表面に送り込むことによってＧａＮ結晶の表面（Ｇａ原子面側のＣ面、（０００１）面）の機械研削を行なった。砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍ、１μｍの４種類のダイヤモンド砥石を準備し、機械研削の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。かかる機械研削によりＧａＮ結晶の表面は鏡面となった。
（３−３）ＧａＮ結晶基板表面のポリシング
上記機械研磨後のＧａＮ結晶基板の表面を、ポリシング液のｐＨおよび酸化還元電位、ポリシング液に添加する酸化剤、高硬度砥粒、低硬度砥粒を表３に示すようにした以外は、実施例１と同様にしてポリシングした。ここで、高硬度砥粒における硬度は、ＳｉＣ＞Ａｌ2Ｏ3＞Ｃｒ2Ｏ3＞ＺｒＯ2の順である。
（３−４）ＧａＮ結晶基板の熱処理
上記ポリシング後のＧａＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板の熱処理を行なった。
（３−５）ＧａＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記ＭＯＣＶＤ装置において、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶基板上にエピタキシャル層として厚さが２μｍのＧａＮ層を形成した。結果を表３にまとめた。
Figure 2006310362
表３から明らかなように、各種の高硬度砥粒と各種の低硬度砥粒とを混合した砥粒を含むポリシングを用いたポリシングによっても、研磨速度が大きくかつＧａＮ結晶表面のモフォロジーが良好である表面処理を行なうことができた。ここで、高硬度砥粒の硬度の低下または粒径の低下とともに、ＧａＮ結晶の加工変質層、表面粗さＲｙおよび表面粗さＲａはいずれも低減し、ＧａＮ結晶基板表面の品質が向上した。また、ＧａＮ結晶基板表面のモフォロジーの向上により、ＧａＮ結晶基板上に形成されるエピタキシャル層のモフォロジーも向上した。
（実施例１８〜実施例２３）
実施例１８〜実施例２３は、ＨＶＰＥ法で成長させたＧａＮ結晶（４−１）を種々の面方位にスライスしてＧａＮ結晶基板を作製した後、このＧａＮ結晶基板を実施例１と同様にして機械研磨し（４−２）、さらに、表４に示す条件でポリシング（４−３）した実施例である。結果を表４にまとめた。
Figure 2006310362
表４から明らかなように、ＧａＮ結晶基板の主面がＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれの面であっても、本発明にかかるポリシングにより、研磨速度が大きくかつＧａＮ結晶表面の品質が良好である表面処理を行なうことができた。また、表４から明らかなように、研磨速度が大きい面は、Ｃ面（Ｎ原子面側）＞Ａ面＞Ｍ面＞Ｓ面＞Ｒ面＞Ｃ面（Ｇａ原子面側）の順番であった。
（実施例２４〜実施例３０）
実施例２４〜実施例３０は、昇華法で成長させたＡｌＮ結晶の表面を、機械研磨し、さらにポリシングすることにより処理する場合の実施例である。
（５−１）ＡｌＮ結晶の成長
ＡｌＮ種結晶（直径５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）のＡｌ原子面側のＣ面（（０００１）面）上に、昇華法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させた。
まず、ＢＮ製の坩堝の下部にＡｌＮ粉末などのＡｌＮ原料を収納し、内径５０ｍｍの坩堝の上部にＡｌＮ種結晶を配置した。次に、坩堝の周囲にＮ2ガスを流しながら、坩堝内の温度を上昇させた。坩堝内の昇温中は、坩堝のＡｌＮ種結晶の温度をＡｌＮ原料側の温度よりも高くして、昇温中にＡｌＮ種結晶の表面をエッチングにより清浄するとともに、昇温中にＡｌＮ種結晶および坩堝内部から放出された不純物を、坩堝に設けた排気口を通じて除去した。
次に、坩堝のＡｌＮ種結晶側の温度を２１００℃、ＡｌＮ原料側の温度を２１５０℃にして、ＡｌＮ原料からＡｌＮを昇華させて、坩堝の上部に配置されたＡｌＮ種結晶上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶を成長させた。ＡｌＮ結晶成長中も、坩堝の周囲にＮ2ガスを流し続け、坩堝の周囲のガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように、Ｎ2ガス流量を制御した。上記の結晶成長条件で５０時間ＡｌＮ結晶を成長させた。
（５−２）ＡｌＮ結晶基板表面の機械研磨
上記昇華法により得られたＡｌＮ結晶を、結晶成長面であるＡｌＮ種結晶の（０００１）面と平行な面でスライスし、直径５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ結晶基板を得た。このＡｌＮ結晶基板の機械研磨は、実施例１と同様に行なった。
（５−３）ＡｌＮ結晶基板表面のポリシング
上記機械研磨後のＡｌＮ結晶基板の表面を、ポリシング液のｐＨおよび酸化還元電位、ポリシング液に添加する酸化剤、高硬度砥粒、低硬度砥粒を表５に示すようにした以外は、実施例１と同様にしてポリシングした。
（５−４）ＧａＮ結晶基板の熱処理
上記ポリシング後のＡｌＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の熱処理を行なった。
（５−５）ＡｌＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記ＭＯＣＶＤ装置において、上記熱処理後のＡｌＮ結晶基板上に、１０００℃で、流量が２ｓｌｍのＴＭＧガスを６０分間流すことにより、ＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層として厚さが２μｍのＧａＮ層を形成した。結果を表５にまとめた。
Figure 2006310362
表５より明らかなように、ポリシング液のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、ｙ≧−５０ｘ＋１０００（式（１））およびｙ≦−５０ｘ＋１９００（式（２））のいずれもの関係を満たすポリシング液を用いてポリシングすることにより、平滑で加工変質層が薄い良品質のＡｌＮ結晶表面ならびにモフォロジーおよび結晶の良好なエピタキシャル層が得られた。
（実施例３１）
ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させる際に、ＳｉをＧａＮ結晶にドーピングしてｎ型のＧａＮ結晶を得た。得られたｎ型のＧａＮ結晶を、実施例１と同様の機械研磨および実施例６と同様のポリシングを行い、ｎ型のＧａＮ結晶基板を得た。
次に、図４を参照して、このｎ型のＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０）の一方の主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型半導体層４２０としての厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ層４２１（ドーパント：Ｓｉ）および厚さ１５０ｎｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４２２（ドーパント：Ｓｉ）、発光層４４０、ｐ型半導体層４３０としての厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４３１（ドーパント：Ｍｇ）および厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層４３２（ドーパント：Ｍｇ）を順次形成して、半導体デバイスとしての発光素子を得た。ここで、発光層４４０は、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層で形成される障壁層の４層と、厚さ３ｎｍのＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層で形成される井戸層の３層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
次に、ｎ型のＧａＮ結晶基板の他方の主面上に第１の電極４６１として、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ１０００ｎｍのＡｌ層、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ２０００ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、窒素雰囲気中で加熱することにより、直径１００μｍのｎ側電極を形成した。一方、ｐ型ＧａＮ層４３２上に第２の電極４６２として、厚さ４ｎｍのＮｉ層、厚さ４ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、ｐ側電極を形成した。上記積層体を４００μｍ角にチップ化した後に、上記ｐ側電極をＡｕＳｎで形成されたはんだ層４７０で導電体４８２にボンディングした。さらに、上記ｎ側電極と導電体４８１とをワイヤ４９０でボンディングして、発光装置としての半導体デバイス４００を得た。
このようにして、ＧａＮ結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板４１０）側が発光面側であり、半導体層４５０の最外半導体層であるｐ型ＧａＮ層４３２側が導電体４８２への搭載面側である発光装置が得られる。また、分光器を用いてこの発光装置の発光スペクトルを測定したところ４５０ｎｍにピーク波長を有していた。
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。
本発明に用いられるＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングする方法を示す断面模式図である。 本発明に用いられるＩＩＩ族窒化物結晶の表面を機械研削する方法を示す断面模式図である。 本発明に用いられるＩＩＩ族窒化物結晶の表面を機械研磨する方法を示す断面模式図である。 本発明にかかる一の半導体デバイスを示す断面模式図である。
符号の説明
１ ＩＩＩ族窒化物結晶、１ａ 加工変質層、１１，２１，３１ 結晶ホルダ、１１ｃ，１５ｃ，２１ｃ，２３ｃ，３１ｃ，３５ｃ 回転軸、１４，３４ 重り、１５，３５ 定盤、１６，３６ 砥粒、１７ ポリシング液、１８ 研磨パッド、１９ ポリシング液供給口、２２ 砥石、２３ 砥石台金、３７ スラリー、３９ スラリー供給口、４００ 半導体デバイス、４１０ ＩＩＩ族窒化物結晶基板、４２０ ｎ型半導体層、４２１ ｎ型ＧａＮ層、４２２ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、４３０ ｐ型半導体層、４３１ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、４３２ ｐ型ＧａＮ層、４４０ 発光層、４５０ 半導体層、４６１ 第１の電極、４６２ 第２の電極、４７０ はんだ層、４８１，４８２ 導電体。

Claims (19)

  1. ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法であって、
    前記ポリシングに用いられるポリシング液のｐＨの値ｘと酸化還元電位の値ｙ（ｍＶ）とが、以下の式（１）および式（２）のいずれもの関係を満たすことを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
    ｙ≧−５０ｘ＋１０００ ・・・（１）
    ｙ≦−５０ｘ＋１９００ ・・・（２）
  2. 前記ポリシング液のｐＨが６以下または８以上である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  3. 前記ポリシング液には砥粒が含まれ、前記砥粒は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶よりも硬度の高い高硬度砥粒、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の硬度以下に硬度の低い低硬度砥粒、または前記高硬度砥粒と前記低硬度砥粒との混合砥粒である請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  4. 前記高硬度砥粒の粒径が１μｍ以下である請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  5. 前記高硬度砥粒が、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＺｒＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒である請求項３または請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  6. 前記低硬度砥粒が、ＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、ＭｎＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＧｅＯ2、ＣａＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3からなる群から選ばれる少なくとも１つの材質を含む砥粒である請求項３から請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  7. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶の表面を機械研削または機械研磨し、前記機械研削または機械研磨されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をポリシングする請求項１から請求項６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  8. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における加工変質層の厚さが５０ｎｍ以下である請求項１から請求項７のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  9. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲｙが５ｎｍ以下である請求項１から請求項８のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  10. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶のポリシング後における表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下である請求項１から請求項９のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  11. 前記ポリシング後のＩＩＩ族窒化物結晶を熱処理する請求項１から請求項１０のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の表面処理方法により得られたＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  13. 表面粗さＲｙが１ｎｍ以下であるＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  14. 表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下であるＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  15. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面が、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行である請求項１２から請求項１４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  16. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下である請求項１２から請求項１４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  17. 請求項１２から請求項１６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  18. 請求項１２から請求項１６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板を含む半導体デバイス。
  19. 請求項１２から請求項１６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶基板を含む半導体デバイスであって、
    前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、前記半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、前記発光素子を搭載する導電体とを備え、
    前記発光素子は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶基板側が発光面側であり、前記最外半導体層側が搭載面側であり、
    前記半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイス。
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