JP2007317752A - テンプレート基板 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率の改善されたテンプレート基板と、その製造方法を提供すること。また、大きな反りの発生が防止されたテンプレート基板と、その製造方法を提供すること。
【解決手段】異種基板上に窒化物半導体からなる結晶層を積層してなるテンプレート基板において、該結晶層が横方向成長により形成された結晶を含んでおり、該横方向成長により形成された結晶が、Ｍｇを含む結晶を含んでいる。
Ｍｇの添加は窒化物半導体結晶の横方向成長を促進する効果があるので、テンプレート基板を製造する際に、横方向成長させる窒化物半導体結晶にＭｇを添加すると、窒化物半導体結晶が異種基板の表面を層状に覆うまでの時間が短かくなるとともに、結晶の横方向の成長速度に対する膜厚方向の成長速度が小さくなるので、より小さな膜厚の窒化物半導体結晶で、異種基板の表面を層状に覆うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種基板上に窒化物半導体からなる結晶層を積層してなるテンプレート基板に関する。

窒化物半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される３族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
異種基板とは、窒化物半導体と異なる材料からなる単結晶基板のことである。窒化物半導体の技術分野において、この呼称は一般的なものとなっている（例えば、特許文献１、特許文献２）。窒化物半導体結晶の成長に適した異種基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、スピネル基板、ＺｎＯ基板、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ_３）基板、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ_２）基板、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ_３）基板、ＺｒＢ_２基板、ＴｉＢ_２基板などが知られている。
本明細書においては、異種基板であって、その結晶成長面に凹部および凸部が設けられた基板を、「加工基板」と呼ぶことにする。

特許文献３には、サファイアからなる加工基板（以下、「サファイア加工基板」ともいう。）の上に、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶層を積層してなるテンプレート基板が開示されている。このようなテンプレート基板は、レーザダイオード（ＬＤ）素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子などの窒化物半導体素子を製造するための基板として、好適に用いることができる。また、このようなテンプレート基板の上に、ＨＶＰＥ法等の方法を用いてＧａＮ単結晶を数百μｍの膜厚に形成し、その後、サファイア加工基板を適当な方法により除去することによって、ＧａＮ基板を製造することができる。

図５に、特許文献３に開示されたテンプレート基板の断面構造を模式的に示す。図５において１０はサファイア加工基板であり、２０はＧａＮバッファ層であり、３０はＳｉ添加ＧａＮ結晶層である。このテンプレート基板は、Ｃ面サファイア基板の表面に、幅ｗ１が６μｍ、深さｄが２μｍの溝を、周期１２μｍとなるように（よって、凸部の幅ｗ２が６μｍとなるように）、サファイアの[１１−２０]方向に平行に形成してサファイア加工基板１０とし、その上に有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、膜厚約２０ｎｍのＧａＮバッファ層と、膜厚９μｍのＳｉ添加ＧａＮ結晶を、順次積層することによって製造される。

図６は、図５に示すテンプレート基板の製造過程におけるＳｉ添加ＧａＮ結晶の成長の様子を模式的に示したものである。図６（ａ）は、サファイア加工基板１０上に、基板温度５５０℃でＧａＮバッファ層２０を形成したところである。ＧａＮバッファ層の形成後、基板温度を１０００℃に昇温して、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、シランを供給すると、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶３０が最初はサファイア加工基板の凸部上に形成される。引き続き原料ガスを供給すると、図６（ｃ）に示すように、最初に凸部上に形成された結晶（点線で表示）が種結晶となって、その表面から厚さ方向だけでなく横方向（結晶層の厚さ方向に直交する方向）にも結晶が成長し、最終的には、図６（ｄ）に示すように、凸部上から成長したＳｉ添加ＧａＮ結晶同士が互いにつながって、サファイア加工基板の表面を覆う結晶層が形成される。なお、図示を省略しているが、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶の成長はサファイア加工基板の溝内でも起こる。溝の幅ｗ１に比べて深さｄが十分に深い場合には、溝内で成長するＳｉ添加ＧａＮ結晶が溝内を充填する前に、凸部上から成長したＳｉ添加ＧａＮ結晶が溝を塞ぎ、サファイア加工基板とＳｉ添加ＧａＮ結晶層との間に空洞が形成される。

特許第３４６８０８２号公報 特許第３７１４１８８号公報 特開２０００−１０６４５５号公報 特開２００３−３１８４４１号公報

図５に示すテンプレート基板において、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶層３０はＧａＮバッファ層２０を介してサファイア加工基板１０の凸部上面と接合している一方、サファイア加工基板の凹部（溝）上では、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶層とサファイア加工基板との間が空洞で隔てられている。そのために、サファイア加工基板の表面において、凸部上面が占める面積を小さくする程、サファイアとＧａＮとの格子定数差および熱膨張率差に起因してＳｉ添加ＧａＮ結晶が受ける応力歪みが小さくなり、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶層に欠陥やクラックが発生し難くなる。また、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶の結晶性は、凸部上に形成される部分よりも凹部上に形成される部分の方が良好となる。なぜなら、後者には、横方向成長により形成される転位欠陥密度の低い結晶が含まれることになるからである。よって、凸部上面が占める面積を小さくする程、Ｓｉ添加ＧａＮ結晶層中に占める結晶性の良好な部分の割合が大きくなる。また、このテンプレート基板をＧａＮ基板の製造に用いた場合は、凸部上面が占める面積が小さい程、サファイア加工基板をＧａＮ結晶から分離することが容易となる。

このように、加工基板における凸部上面の面積を小さくすることにより得られる利点が多数存在することから、テンプレート基板に用いる加工基板は、凸部間の間隔を大きく設計する（図５に示す例では、凹部の幅ｗ１を大きく設計する）ことが好ましい。
しかしながら、凸部間の間隔を大きくすると、テンプレート基板の製造時に、凸部上から横方向に成長する結晶同士がつながって加工基板の表面を覆うまでに要する時間が長くなるので、テンプレート基板の製造効率が低下する問題がある。
また、凸部間の間隔を大きくすると、テンプレート基板の製造時に、凸部上から横方向に成長する結晶同士がつながって加工基板の表面を覆うまでに要する時間が長くなる結果、該結晶の膜厚が大きくなり、加工基板と窒化物半導体との間に熱膨張率差がある場合には、テンプレート基板に大きな反りが発生するという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたものである。
本発明の目的は、ひとつには、製造効率の改善されたテンプレート基板と、その製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、大きな反りの発生が防止されたテンプレート基板と、その製造方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、改善された品質を有する窒化物半導体結晶層を備えたテンプレート基板と、その製造方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、ｎ型窒化物半導体結晶の製造に適したテンプレート基板と、その製造方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、ｎ型窒化物半導体基板の新規な製造方法を提供することである。

第１の発明によれば、異種基板上に窒化物半導体からなる結晶層を積層してなるテンプレート基板において、該結晶層が横方向成長により形成された結晶を含んでおり、該横方向成長により形成された結晶が、Ｍｇ（マグネシウム）を含む結晶を含んでいる。
Ｍｇの添加は窒化物半導体結晶の横方向成長を促進する効果があるので、テンプレート基板を製造する際に、横方向成長させる窒化物半導体結晶にＭｇを添加すると、窒化物半導体結晶が異種基板の表面を層状に覆うまでの時間が短かくなるとともに、結晶の横方向の成長速度に対する膜厚方向の成長速度が小さくなるので、より小さな膜厚の窒化物半導体結晶で、異種基板の表面を層状に覆うことが可能となる。
横方向成長を促進するために窒化物半導体結晶に添加するＭｇの濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上とすることが好ましく、特に、１×１０^１９ｃｍ^−３以上となるようにすることが好ましい。ただし、Ｍｇの添加量を多くし過ぎた場合には、結晶性の低下が生じることから、添加するＭｇの濃度は、１×１０^２１ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。
横方向成長により形成する窒化物半導体結晶の好ましい組成はＧａＮである。３元結晶であるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮよりも、構成元素の数が少ない２元結晶のＧａＮの方が、欠陥密度の低い高品質の結晶を得る目的に適しているからである。

第２の発明によれば、第１の発明に係るテンプレート基板の製造において、横方向成長により形成する結晶を、異種基板の結晶成長面上に部分的に形成した不純物無添加の窒化物半導体結晶を種結晶として成長させる。横方向成長により形成される結晶の品質は、種結晶の品質に影響されるので、不純物を添加したものよりも結晶性が良好な、無添加の窒化物半導体結晶を種結晶とするわけである。

第３の発明によれば、第１の発明に係るテンプレート基板の製造において、横方向成長により形成する窒化物半導体結晶を、異種基板の結晶成長面上に部分的に形成した、ファセット構造を呈する窒化物半導体結晶を種結晶として成長させる。ここで、ファセット構造を呈する窒化物半導体結晶とは、露出した斜めファセットを表面として有する結晶である。結晶をファセット構造を呈するように成長させると、その成長過程で転位のベンディングが繰り返し発生するため、転位の合体消滅が促進される。従って、ファセット構造を呈する結晶は、ファセット構造を呈さない結晶と比べて、表面近傍の転位密度が低減された、結晶性の良好なものとなる。そこで、横方向成長により形成する結晶の品質向上のために、このような結晶を種結晶として用いるわけである。
特に、窒化物半導体結晶にＭｇを添加するとファセット構造の形成が難しくなる（ファセット構造の形成が起こる条件が極めて狭くなる）ことから、ファセット構造を呈する結晶は、不純物を添加しないで形成することが好ましい。

第４の発明によれば、第１の発明に係るテンプレート基板において、横方向成長により形成される結晶に含まれる、Ｍｇを含む結晶を覆って、該結晶よりも低いＭｇ濃度を有する窒化物半導体結晶からなる被覆層を設ける。このような被覆層を設けることにより、テンプレート基板上に、無添加のまたはドナーを添加したｎ型窒化物半導体結晶を成長させたときに、テンプレート基板側から該ｎ型窒化物半導体結晶内へのＭｇの拡散が阻止される。
この被覆層の内部に、または、この被覆層が被覆するＭｇを含む結晶とこの被覆層との間には、結晶組成の異なる窒化物半導体結晶間の界面であるヘテロ界面を、ひとつ以上設けることが好ましい。ヘテロ界面は、当該界面を越えてＭｇが拡散することを抑制する効果を有するからである。
この被覆層の内部に、ドナーを添加してｎ型導電性とした部分を設けることも、Ｍｇを含む結晶から被覆層の内部にＭｇが拡散するのを抑制するうえで好ましい。

第５の発明は、窒化物半導体基板の製造方法に関するものであり、Ｍｇが添加された窒化物半導体結晶を含むテンプレート基板の上に、無添加のまたはドナーを添加したｎ型窒化物半導体結晶を厚膜に成長させた後、まず、窒化物半導体結晶部分からテンプレート基板に含まれる異種基板を除去し、次に、窒化物半導体結晶部分から、Ｍｇが含まれる部分を研磨または研削により除去する。

第６の発明によれば、異種基板上に窒化物半導体からなる結晶層を積層してなるテンプレート基板の製造の際に、異種基板の結晶成長面を選択成長用のマスクで部分的に覆い、該マスクの上方において窒化物半導体結晶を横方向に成長させることによって、横方向成長により形成される結晶の大面積化を図るにあたり、該マスクをＭｇ化合物で形成する。窒化物半導体結晶の成長時にマスクの劣化が発生しても、Ｍｇ化合物からなるマスクからは窒化物半導体結晶の横方向成長を促進するＭｇが放出されるので、該結晶の横方向成長が抑制されることがない。

第１の発明によれば、Ｍｇの添加によって、横方向成長により形成される窒化物半導体結晶が異種基板の表面を層状に覆うまでの時間が短くなるので、テンプレート基板の製造時間が短縮され、その製造効率が改善される。また、より小さな膜厚の窒化物半導体結晶で異種基板の表面を層状に覆うことが可能となるので、テンプレート基板に大きな反りが発生するのを防止することができる。
第２の発明によれば、横方向成長により形成する窒化物半導体結晶を、結晶性の良好な、無添加の窒化物半導体結晶を種結晶として形成するので、テンプレート基板における窒化物半導体結晶層の品質を改善することができる。
第３の発明によれば、横方向成長により形成する窒化物半導体結晶を、結晶性の良好な、ファセット構造を呈する窒化物半導体結晶を種結晶として形成するので、テンプレート基板における窒化物半導体結晶層の品質を改善することができる。
第４の発明によれば、Ｍｇを含む窒化物半導体結晶層を備えながらも、ｎ型窒化物半導体結晶を成長させたときに、当該テンプレート基板側から該ｎ型窒化物半導体結晶内へのＭｇの拡散が阻止される、ｎ型窒化物半導体結晶の製造に適したテンプレート基板が得られる。
第５の発明によれば、Ｍｇを含む窒化物半導体結晶層を供えたテンプレート基板を用いながらも、Ｍｇにより汚染されていないｎ型窒化物半導体基板を得ることのできる、ｎ型窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
第６の発明によれば、選択成長用のマスクを用いて窒化物半導体結晶の成長を行う際に、該マスクの劣化に起因して結晶の横方向成長が抑制されることが防止されるので、テンプレート基板の製造効率が改善され、また、テンプレート基板における大きな反りの発生を防止することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るテンプレート基板の断面構造を図１に模式的に示す。
図１において、１はサファイア加工基板であり、２はＧａＮバッファ層であり、３はＧａＮ結晶層である。サファイア加工基板１の結晶成長面には、幅Ｗ１が８μｍ、深さＤが１．５μｍの溝が、周期１０μｍとなるように、すなわち、凸部の幅Ｗ２が２μｍとなるように、サファイアの[１１−２０]方向に平行に形成されている。ＧａＮバッファ層２の膜厚は４０ｎｍである。

ＧａＮ結晶層３は、サファイア加工基板１の凸部上面に、ＧａＮバッファ層２を介して形成されている、無添加のＧａＮからなる種結晶部３ａと、種結晶部３ａの表面を起点として成長している、Ｍｇ添加ＧａＮからなるＭｇ添加部３ｂと、Ｍｇ添加部３ｂが上面平坦となるまで成長した後、その上に積層された無添加のＧａＮからなる被覆層３ｃと、から構成されている。種結晶部３ａは厚さＴａが０．４μｍであり、ファセット構造を呈するように成長している。Ｍｇ添加部３ｂは、厚さＴｂが１μｍであり、そのＭｇ濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３である。Ｍｇ添加部３ｂは、横方向に成長した部分を含んでいる。被覆層３ｃは、厚さＴｃが１μｍであり、その表面近傍におけるＭｇ濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３未満である。ＧａＮ結晶は、サファイア加工基板の凹部内にも成長しているが（図示を省略している）、該凹部を充填しておらず、該凹部上においてサファイア加工基板とＧａＮ結晶層との間には空洞が存在している。ＧａＮ結晶層は、薄いＧａＮバッファ層を介して、サファイア加工基板の凸部の上部とのみ接している。

図１に示すテンプレート基板は、次のようにして製造することができる。
まず、Ｃ面サファイア基板の表面に、フォトリソグラフィ技法を用いて凸部のパターンにパターニングしたエッチングマスクを形成したうえで、サファイア基板の表面を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により加工して溝を形成することにより、サファイア加工基板１を作製する。なお図１では溝の側壁面が垂直面となっているが、斜面となっていてもよい。該側壁面の傾斜は６０°以上とすることが望ましい。

次に、周知のＭＯＶＰＥ法を用いて、ＧａＮバッファ層２およびＧａＮ結晶層３を形成する。ＧａＮバッファ層は、基板温度を３００℃〜６００℃程度として形成する低温バッファ層である。ＧａＮバッファ層２の形成後、基板温度を７００〜９５０℃に設定し、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアを基板上に供給して、基板の凸部上にファセット構造を呈する無添加のＧａＮ結晶である種結晶部３ａを形成する。ファセット構造の形成を促進するには、更に、雰囲気中の水素濃度を高くしたり、成長炉内の圧力を低くする。

種結晶部３ａの形成後、基板温度を１０００℃以上に上昇させ、原料としてＴＭＧとアンモニアに加えて、Ｍｇ源であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を基板上に供給して、Ｍｇ添加部３ｂを形成する。横方向成長を促進するうえでは、基板温度は１０５０℃以上、とりわけ、１１００℃以上とすることが好ましい。

Ｍｇ添加部３ｂの形成後、基板温度を室温まで降下させて、基板を一旦ＭＯＶＰＥ装置から取り出す。次に、ＭＯＶＰＥ装置内を洗浄して、成長系内に残留したＣｐ_２Ｍｇを除去する。その後、再び、ＭＯＶＰＥ装置内に基板を戻して、基板温度を１０００℃とし、原料としてＴＭＧとアンモニアを供給して、Ｍｇ添加部３ｂの上に被覆層３ｃを形成する。
このようにして、図１に示すテンプレート基板を製造することができる。

本第１の実施形態において、加工基板の材料はサファイアに限定されるものではなく、窒化物半導体結晶の成長に使用可能な周知の異種基板を加工してなる加工基板を、任意に用いることができる。加工基板の結晶成長面における凹部および凸部のパターンは、平坦な結晶成長面にストライプ状の溝を平行に形成してなるパターンに限定されるものではなく、任意のパターンを採用し得る。例えば、上面形状が三角形、四角形（平行四辺形、方形）、六角形、円形、楕円形等である、角柱状または角錐台状の凸部が、多数、規則的・周期的に分散配置されたパターンや、あるいは、平坦面の中に開口形状が三角形、四角形（平行四辺形、方形）、六角形、円形、楕円形等である窪みが規則的・周期的に分散配置されたパターンが例示される。その他、特許文献３、特許文献４などの公知文献に記載された加工基板の凹部および凸部のパターンを参照してもよい。
どのようなパターンを採用する場合も、加工基板上に成長する窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向に伸びる段差によって凹部と凸部の境界が規定されるように、パターンの方向を設定することが望ましい。

加工基板における、凸部上面の面積の、加工前の平坦な結晶成長面の面積に対する比率を、「凸部上面の面積比」と定義すると（凹部が溝状である図１の例では、Ｗ１＋Ｗ２に対するＷ２の比となる）、横方向成長により形成される結晶の割合を多くするために、凸部上面の面積比は４０％以下とすることが好ましく、３０％以下とすることがより好ましく、２５％以下とすることが更に好ましい。
凸部上面は、凹凸パターンの形成時に不良が発生しないように、また、該凸部上面において窒化物半導体の結晶成長が正常に生じるように、少なくとも対向する２辺間の距離が１μｍである正六角形が包含される大きさに形成することが望ましい。
凹部上において、加工基板とＧａＮ結晶層との間に空洞が確実に形成されるようにするには、凹部の深さに応じて、凸部間の間隔（図１の例ではＷ１）と、ＧａＮ結晶層のＭｇ添加部に添加するＭｇの濃度を設定する。Ｍｇ添加部の横方向成長が最も促進される条件では、凹部の深さを１μｍ〜１．５μｍとしたとき、凸部間の間隔を１０μｍ以下とすれば、凹部上に空洞を形成することができる。凹部をこれよりも深く形成する場合には、凸部間の間隔を更に大きくしても、凹部上に空洞を形成することが可能である。
サファイアのような難加工性の基板では凹部の形成に時間がかかるため、凹部の深さを３μｍ以下とし、凸部間の間隔を２０μｍ以下とすることが好ましい。

加工基板とＧａＮ結晶層との間のバッファ層はＧａＮバッファ層に限定されるものではなく、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化物半導体材料からなるバッファ層の他、公知のバッファ層を任意に用いることができる。バッファ層の使用は必須ではない。

加工基板の凸部上に形成する種結晶部の結晶組成はＧａＮに限定されないが、好ましくは、ＧａＮである。また、種結晶部とそれに続いて成長させるＭｇ添加部との間での欠陥の発生を抑えるために、種結晶部とＭｇ添加部とは結晶組成を同じとすることが好ましい。ファセット構造を呈する結晶が得られる成長条件と、横方向成長が促進される成長条件とは基本的に異なるが、種結晶部をファセット構造を呈するように形成した後、横方向成長が促進される成長条件でＭｇ添加部を横方向に成長させたときに、両部分の結晶組成のずれが発生しないようにするには、両部分を２元結晶のＧａＮで形成することが望ましい。３元以上の結晶は、同じ組成のものを異なる成長条件で形成することが難しい。
種結晶部は、ファセット構造を呈するように成長させた後、更に、成長温度を上げるなどして成長させることによって、ファセット構造を呈さない形状にしたものであってもよい。種結晶部は、横方向に成長した部分を含んでいてもよく、該部分を加工基板の凹部上に張り出すように形成してもよい。
種結晶部はファセット構造を呈するように成長させることが好ましいが、必須ではない。また、無添加とすることが好ましいが、必須ではない。従って、例えば、種結晶部にもＭｇを添加し、種結晶部の形成の後、特に成長条件や材料供給条件を変化させることなく、連続してＭｇ添加部の形成を行ってもよい。

Ｍｇ添加部の結晶組成はＧａＮに限定されないが、好ましくは、ＧａＮである。結晶組成中のＡｌの組成比を大きくすると、窒化物半導体結晶の横方向成長速度が低下する傾向がある。また、Ｉｎを組成に含む窒化物半導体結晶は、例えばＭＯＶＰＥ法では基板温度を９００℃未満に抑えないと形成できないため、結晶成長速度の絶対値が低い。
Ｍｇ添加部は全体にＭｇを一様な濃度に添加してもよいが、Ｍｇ添加部の成長開始時にＭｇ原料の供給量をゼロから一気に大きくすると異常成長が発生する場合があるので、Ｍｇ添加部の成長開始時はＭｇ原料の供給量を徐々に増加させていってもよい。
Ｍｇ添加部は上面が平坦化するまで成長させることが好ましいが、必須ではなく、例えば、隣接するＭｇ添加部どうしがつながる前にＭｇ添加部の成長を止めて、次の被覆層の成長を開始してもよい。つまり、被覆層の形成を、Ｍｇ添加部を表面平坦に成長させてから行うことは必須ではなく、被覆層が横方向成長により形成された結晶を含むようにしてもよい。

上記の例において、Ｍｇ添加部を形成後、被覆層を形成する前に基板をいったんＭＯＶＰＥ装置から取り出しているのは、Ｍｇ原料であるＣｐ_２Ｍｇの蒸気圧が低く、Ｍｇ添加部の成長時に用いた後も配管の内壁等に吸着して成長系内に残留し、その後に成長する結晶に比較的高濃度で混入する現象（いわゆる「メモリー効果」）の影響を避けるためである。従って、装置内を洗浄する代わりに、被覆層の形成だけを、予め洗浄した別の結晶成長装置を用いて行ってもよい。その場合の結晶成長装置はＭＯＶＰＥ装置でなくてもよく、例えば、ＨＶＰＥ装置であってもよい。
なお、被覆層の形成方法はこれに限定されるものではなく、例えば、Ｍｇ添加部を形成後、同じ装置を用いて被覆層を厚く形成することによって、メモリー効果により被覆層に混入するＭｇの濃度を下げていくこともできる。

被覆層の結晶組成はＧａＮに限定されない。例えば、被覆層をＡｌＧａＮで形成すると、Ｍｇ添加部と被覆層の間にヘテロ界面が形成され、Ｍｇ添加部に含まれるＭｇの被覆層側への拡散が抑制される。この効果は、恐らく、ヘテロ界面に発生する電荷によって、イオン化されたＭｇが該界面に吸着されるために生じると考えられる。被覆層中にＡｌＧａＮ薄膜とＧａＮ薄膜とを交互に積層した部分（超格子構造を含む）を設けると、Ｍｇ添加部から被覆層の表面側へのＭｇの拡散をより効果的に抑制することができる。
被覆層には、Ｓｉ等のドナーを添加してｎ型導電性とした部分を設けてもよい。Ｍｇ添加部はアクセプターであるＭｇの働きでｐ型導電性を示すが、その上に直接または無添加の部分を介して、ｎ型導電性の層を形成すると、電荷移動が発生して内蔵電界が形成され、これが電位障壁となって、イオン化したＭｇがＭｇ添加部から被覆層に向かって拡散することが抑制される。

第１の実施形態において、サファイア加工基板１の凹部とＧａＮ結晶層３との間に空洞を確実に形成するために、図２に示すように、加工基板の凹部の表面に選択成長用のマスクＭを設けておき、その上からＧａＮバッファ層２とＧａＮ結晶層３の形成を行ってもよい。
選択成長用のマスクは、周知のＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）で一般に用いられているものであり、具体的には、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化チタン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、タングステンなどからなる非晶質薄膜が挙げられる。
窒化物半導体結晶の成長時の基板温度は一般に高温であり、特にＭＯＶＰＥ法では窒素原料として反応性の高いアンモニアが用いられ、キャリアガスとして還元性の水素ガスが用いられることから、結晶成長時にはマスクの劣化が発生し易い。劣化したマスクから放出される物質は窒化物半導体結晶に取り込まれ、その結晶成長の仕方に影響を与える可能性がある。Ｓｉを含むマスクからは、劣化時にＳｉが放出され、窒化物半導体結晶の横方向成長を阻害する可能性がある。従って、好ましくは、マスクはＳｉを含まない物質で形成する。本発明者等は好ましいマスクとして、Ｍｇ化合物からなるマスクを提案する。Ｍｇ化合物からなるマスクは劣化・分解しても、放出される物質に結晶の横方向成長を促進するＭｇが含まれるので、横方向成長の阻害が生じ難い。好ましいＭｇ化合物としては、熱安定性の高い酸化マグネシウムが例示される。

このように、加工基板の凹部内の表面のうち、少なくとも一部をマスクで覆うことによって、該凹部内での窒化物半導体結晶の成長を抑制できる。よって、マスクを用いない実施形態と比べると、凹部を同じ深さに形成した場合には、凸部間の間隔をより大きくすることができる。
なお、図２に示す例では、加工基板の凹部表面にマスクを形成した後にバッファ層の形成を行っているが、先に加工基板の表面にバッファ層を形成し、次に、凹部表面に形成されたバッファ層上にマスクを形成し、その後、マスクで覆われていない、凸部表面に形成されたバッファ層の上からＧａＮ結晶を成長させてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るテンプレート基板は、第１の実施形態に係るテンプレート基板と同様に、異種基板の、窒化物半導体結晶層と接する側の表面が凹凸状となっており、その凹部と窒化物半導体結晶層との間には、空洞が存在する。しかしながら、第１の実施形態では、結晶成長面に凹部および凸部を設けた加工基板をまず作製し、その上に窒化物半導体結晶を成長させるのに対して、第２の実施形態では、まず、平坦な結晶成長面を有する異種基板上に窒化物半導体結晶層を積層した後で、加工を行い、その後再び窒化物半導体結晶を成長させる。以下、これを図３を用いて説明する。

第２の実施形態では、まず、図３（ａ）に示すように、平坦な結晶成長面を有するサファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２を介して、後にその一部が種結晶部３ａとなる無添加のＧａＮ結晶３Ａを積層する。
次に、このＧａＮ結晶３Ａの表面にフォトリソグラフィ技法を用いてパターニングしたエッチングマスクを形成したうえで、ＲＩＥ法によりエッチング加工を行い、サファイア基板に達する凹部を形成する。それによって、図３（ｂ）に示すように、サファイア基板の表面が凹凸状とされ、その凸部上のみにＧａＮ結晶層３Ａの一部が種結晶部３ａとして残った状態を得る。このとき、エッチング条件の制御や、エッチングマスクの形状を工夫することなどにより、凸部上に残す種結晶部３ａを斜めファセットが露出した形状に形成することも可能である。種結晶部３ａを斜めファセットが露出した形状にすると、次にＭｇ添加部３ｂを横方向に伸びるように成長させたときに、転位のベンディングを発生させることができる。
そして、図３（ｃ）に示すように、この種結晶部３ａを起点として、Ｍｇを添加したＧａＮ結晶からなるＭｇ添加部３ｂを横方向に伸びるように成長させて、図３（ｄ）に示すように、上面が凹凸状となったサファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２を介して、種結晶部３ａとＭｇ添加部３ｂとからなるＧａＮ結晶層３が形成されてなる、テンプレート基板を得る。

第２の実施形態における、異種基板、バッファ層、種結晶部、Ｍｇ添加部などの好ましい態様は、基本的に、第１の実施形態の場合と同様である。第２の実施形態においても、Ｍｇ添加部を成長させる前に、露出したサファイア基板の表面の少なくとも一部を、選択成長用のマスクで覆ってよい。また、第２の実施形態に係るテンプレート基板においても、Ｍｇ添加部を覆う、Ｍｇ添加部よりもＭｇ濃度の低い被覆層を設けることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、異種基板の変形を伴う加工を行わない。以下、第３の実施形態に係るテンプレート基板の製造例を、図４を用いて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、平坦な結晶成長面を有するサファイア基板１上に、選択成長用のマスクＭを部分的に形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、マスクＭの上から、ＧａＮバッファ層２を介して、無添加のＧａＮ結晶を成長させて、種結晶部３ａを形成する。この図の例では、種結晶部がファセット構造を呈するように形成されている。ここまでの工程の具体的詳細については、従来公知のＥＬＯ法を参照することができる。
次に、図４（ｃ）に示すように、種結晶部３ａを起点として、Ｍｇを添加したＧａＮ結晶からなるＭｇ添加部３ｂを横方向に伸びるように成長させると、やがて、図４（ｄ）に示すように、隣り合った種結晶部から成長したＭｇ添加部３ｂがつながって、サファイア基板１上に、マスクＭを挟んで、種結晶部３ａとＭｇ添加部３ｂとからなるＧａＮ結晶層３が形成されてなるテンプレート基板が得られる。

第３の実施形態に係るテンプレート基板も、Ｍｇ添加による横方向成長の促進効果によってＭｇ添加部が短時間でマスク表面を層状に覆うので、効率よく製造することができる。また、Ｍｇ添加部が比較的小さな膜厚でマスク表面を覆うので、大きな反りのないテンプレート基板となる。
第３の実施形態に係るテンプレート基板においても、Ｍｇ添加部を覆う、Ｍｇ添加部よりもＭｇ濃度の低い被覆層を設けることができる。

第３の実施形態では異種基板に凹部を設けないので、横方向に成長する窒化物半導体結晶は、マスクに接した状態で形成される。そのため、第１の態様や第２の態様と比べて、マスクの分解により放出される物質が窒化物半導体結晶に混入し易い。そのために、マスクをＭｇ化合物で形成することによる効果が、第１の態様や第２の態様よりも顕著となる。

［実施例１］
Ｃ面サファイア基板上に平行ストライプ状のエッチングマスクを形成後、ＲＩＥ法によるエッチング加工を行うことにより、Ｃ面上に凹部としてサファイアの［１１−２０］方向に延びる幅８μｍ、深さ１．５μｍの溝が２μｍ間隔（すなわち、周期１０μｍ）で設けられたサファイア加工基板を作製した。このサファイア加工基板をＭＯＶＰＥ装置に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、表面のクリーニングを行った。その後基板温度を４００℃まで下げ、原料としてＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニアを供給し、ＡｌＧａＮ低温バッファ層を形成した。
次に、基板温度を８００℃に昇温し、原料としてＴＭＧとアンモニアを供給して、サファイア加工基板の凸部上にファセット構造を呈する無添加のＧａＮ結晶を、０．４μｍの厚さに形成した。このとき、サファイア加工基板の凹部内にもＧａＮ結晶が形成された。続いて、基板温度を１１００℃まで上げ、原料としてＴＭＧ、アンモニア、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）を供給し、凸部上のＧａＮ結晶を種結晶として、Ｍｇ添加ＧａＮ結晶を成長させた。ＥｔＣｐ_２Ｍｇの供給量は得られるＭｇ添加ＧａＮ結晶中のＭｇ濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３となるように設定した。このＭｇ添加ＧａＮ結晶は横方向に成長し、サファイア加工基板の凹部内から成長した結晶と合体することなく該凹部を塞いで、表面平坦な結晶層を形成した。このようにして、バッファ層を介してサファイア加工基板の凸部の上部とのみ接する厚さ１μｍのＧａＮ結晶層を備えたテンプレート基板を得た。
このテンプレート基板に含まれるＧａＮ結晶層について、Ｘ線回折装置を用いて（００２）面反射ピークの半値幅を測定したところ、３５０ａｒｃｓｅｃであった。

［実施例２］
ＡｌＧａＮバッファ層の形成後、サファイア加工基板の凸部上に無添加のＧａＮ結晶を形成する工程を省略し、ＡｌＧａＮバッファ層上に直接Ｍｇ添加ＧａＮ結晶を成長させたこと以外は、実施例１と同様にしてテンプレート基板を作製した。この場合、サファイア加工基板の凸部上にファセット構造を呈するＧａＮ結晶は形成されなかったが、凸部上から横方向に成長したＭｇ添加ＧａＮ結晶は凹部内から成長した結晶と合体することなく凹部を塞ぎ、表面平坦な結晶層を形成した。このようにして、バッファ層を介してサファイア加工基板の凸部の上部とのみ接する厚さ１μｍのＧａＮ結晶層を備えたテンプレート基板を得た。
このテンプレート基板に含まれるＧａＮ結晶層について、Ｘ線回折装置を用いて（００２）面反射ピークの半値幅を測定したところ、４２０ａｒｃｓｅｃであった。

［比較例１］
Ｍｇ添加ＧａＮ結晶を成長させる代わりに、無添加のＧａＮ結晶を成長させたことを除き、実施例１と同様の方法によりテンプレート基板の作製を試みた。しかし、基板上の多くの領域で、サファイア加工基板の凸部上から横方向に成長したＧａＮ結晶と、凹部内から成長した結晶とが合体したために、サファイア加工基板の凸部の上部とのみ接するＧａＮ結晶層を備えたテンプレート基板を得ることはできなかった。

［比較例２］
サファイア加工基板における溝の深さを４μｍとしたことを除き、比較例１と同様の方法によりテンプレート基板の作製を試みたところ、サファイア加工基板の凸部上から横方向に成長した無添加ＧａＮ結晶が、凹部内から成長した結晶と合体することなく凹部を塞ぎ、表面が平坦な結晶層を形成した。すなわち、バッファ層を介してサファイア加工基板の凸部の上部とのみ接するＧａＮ結晶層を備えたテンプレート基板を得ることができた。ただし、無添加ＧａＮ結晶を４μｍ以上の膜厚に成長させる必要があった。そのために、実施例１の場合と比べ、テンプレート基板の製造に要する時間が長くなり、また、テンプレート基板の反りが大きくなった。

［実施例３］
サファイア基板のＣ面に設ける溝（凹部）の幅を１０μｍ、溝の形成周期を１２μｍ（溝の間隔は２μｍのまま）とするとともに、溝の内部表面上に選択成長用マスクとして膜厚０．１μｍの酸化マグネシウム膜を形成したこと以外は、実施例１と同様にしてテンプレート基板を作製した。なお、溝の内部表面上に酸化マグネシウム製マスクが形成されたサファイア加工基板は、ＲＩＥ法による溝の加工に続いて、エッチングマスクが形成された状態のサファイア基板上に電子ビーム蒸着法で酸化マグネシウム膜を形成し、その後、エッチングマスクをその上に堆積した酸化マグネシウム膜ごと除去することにより形成した。本実施例では、選択成長用マスクを用いたために、凸部間の間隔を１０μｍに広げたにもかかわらず、隣接した凸部上から成長したＭｇ添加ＧａＮ結晶同士を合体させて、バッファ層を介してサファイア加工基板の凸部の上部とのみ接する厚さ１μｍの表面平坦なＧａＮ結晶層を有するテンプレート基板を得ることができた。

［実施例４］
実施例１で得たテンプレート基板を、再び、内部を洗浄済みのＭＯＶＰＥ装置に装着し、該テンプレート基板のＭｇ添加ＧａＮ結晶層上に、Ｓｉを１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した膜厚０．２μｍのＧａＮ結晶層を形成し、更に、その上に、膜厚０．０１μｍのＧａＮとＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを交互に１０層ずつ積層した超格子層を積層した。このようにして、Ｍｇ添加ＧａＮ結晶層を被覆する被覆層を形成したテンプレート基板を得た。
上記テンプレート基板をＨＶＰＥ装置に装着して、その超格子層上に厚さ５００μｍの無添加ＧａＮ結晶を成長させた。次に、サファイア加工基板の裏面側からレーザ光を照射して、レーザリフトオフ法により、サファイア加工基板をＧａＮ結晶から分離した。分離により露出した、テンプレート基板に由来する窒化物半導体層を、超格子層まで含めて全て、研磨によって除去し、無添加ＧａＮ基板を得た。

本発明の一実施形態に係るテンプレート基板の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るテンプレート基板の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るテンプレート基板の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るテンプレート基板の製造方法を説明するための図である。 従来のテンプレート基板の構造を示す断面図である。 従来のテンプレート基板の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１ サファイア加工基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ＧａＮ結晶層
３ａ 種結晶部
３ｂ Ｍｇ添加部
３ｃ 被覆層

Claims (11)

1. 異種基板上に窒化物半導体からなる結晶層を積層してなるテンプレート基板であって、
   前記結晶層が、横方向成長により形成された結晶を含んでおり、
   該横方向成長により形成された結晶が、Ｍｇを含む結晶を含んでいるテンプレート基板。
2. 前記Ｍｇを含む結晶が、Ｍｇを１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３の濃度で含む結晶である、請求項１に記載のテンプレート基板。
3. 前記横方向成長により形成された結晶が、前記異種基板の結晶成長面上に部分的に形成された無添加の結晶を種結晶として成長した結晶である、請求項１または２に記載のテンプレート基板。
4. 前記横方向成長により形成された結晶が、前記異種基板の結晶成長面上に部分的に形成されたファセット構造を呈する結晶を種結晶として成長した結晶である、請求項１〜３のいずれかに記載のテンプレート基板。
5. 前記結晶層が、前記Ｍｇを含む結晶を覆い、該結晶よりも低いＭｇ濃度を有する被覆層を有している、請求項１〜４のいずれかに記載のテンプレート基板。
6. 前記被覆層の内部または、前記被覆層と前記Ｍｇを含む結晶との間に、少なくともひとつのヘテロ界面を有する、請求項５に記載のテンプレート基板。
7. 前記被覆層が、ドナーの添加によりｎ型伝導性とされた部分を含んでいる、請求項５または６に記載のテンプレート基板。
8. 前記被覆層の表面近傍のＭｇ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である、請求項５〜７のいずれかに記載のテンプレート基板。
9. 前記異種基板と前記横方向成長により形成された結晶との間に空洞が存在している、請求項１〜８のいずれかに記載のテンプレート基板。
10. 前記異種基板と前記横方向成長により形成された結晶とに挟まれた位置に選択成長用マスクを含んでいる、請求項１〜９のいずれかに記載のテンプレート基板。
11. 前記選択成長用マスクがＭｇ化合物からなる、請求項１０に記載のテンプレート基板。