JP2008127252A - 窒化物半導体インゴット及びこれから得られる窒化物半導体基板並びに窒化物半導体インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体基板のコストの低廉化および高品質化を図ることができる長尺な窒化物半導体インゴット及びその製造方法を提供する。また、その窒化物半導体インゴットを用いた基板を提供する。
【解決手段】窒化物半導体インゴットは、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）炉１を用いて製造され、２０ｍｍを超える長さ及び２インチ以上の直径を有し、最表面の転位密度が１．５×１０⁶ｃｍ-²以下である。これによりＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和される。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体デバイス用の基板を形成する場合に広く用いることができる窒化物半導体インゴット及びこれから得られる窒化物半導体基板並びに窒化物半導体インゴットの製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ），窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体は、青色発光ダイオード(ＬＥＤ)やレーザーダイオ−ド（ＬＤ）用材料として脚光を浴びている。さらに、窒化物半導体は、耐熱性や耐環境性が良いという特徴を活かして、電子デバイス用素子への応用開発も始まっている。

現在広く実用化されている窒化物半導体成長用の基板はサファイアであり、単結晶サファイア基板の上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法が一般に用いられている。

サファイア基板はＧａＮと格子定数が異なるため、サファイア基板上に直接窒化物半導体を成長させたのでは単結晶膜を得ることができない。

このため、サファイア基板上に一旦低温でＡｌＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上に窒化物半導体を成長させる方法が考案されている（特許文献１，２参照）。

この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、ＧａＮ窒化物半導体の単結晶エピタキシャル成長は可能になった。

しかし、この方法でも、やはり基板と結晶の格子のずれは如何ともし難く、エピ層は無数の欠陥を有している。この欠陥は、ＬＤや高輝度ＬＥＤを製作する上で障害となることが予想される。

上記のような理由から、窒化物半導体自立基板のニーズは非常に高い。ＧａＮは、ＳｉやＧａＡｓのように融液から大型のインゴットを引き上げることが困難なため、例えば超高温高圧法，フラックス法，ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などの種々の方法が試みられている。ＨＶＰＥ法によるＧａＮ基板はこの中でも最も開発が進んでおり、徐々にではあるが市場への流通も始まっている。

現在市場に流通しているＧａＮ基板は、サファイアやＧａＡｓ等の異種基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮの厚膜を形成した後に異種基板を除去することによって製造されている。

この方法は、ＧａＮ基板１枚毎に、予め１枚の下地の異種基板を用意する必要があり、ＨＶＰＥ法を用いても、一度に成長できるのは高々１０枚分程度と少ないため、ＳｉやＧａＡｓのように大型のインゴットから一気に多数の基板を切り出す方法に比べるとどうしても製造コストが嵩んでしまう。そのためＧａＮ基板の価格は他の半導体基板に比べて異常に高く、その普及の大きな障害となっている。

ＧａＮ基板の製造コスト低減手段のひとつに、ＨＶＰＥ法によってＧａＮのインゴットを形成し、従来の半導体基板同様にスライスによって一気に多数の基板を製造する方法が考えられる。この方法を用いると、下地基板が不要になり、ＨＶＰＥの段取り工程も省略できるため、大きなコスト低減効果が期待できる。
米国特許ＵＳ５７３３７９６号公報 米国特許ＵＳ６３６２０１７号公報

しかしながら、従来における窒化物半導体インゴットは、結晶品質を考慮しないものでも高々２０ｍｍ程度の厚さが限界であり、それ以上の厚さにすると、クラックの発生が顕著になり製造できなかった。この結果、窒化物半導体インゴットから多数の窒化物半導体基板を切り出すことができず、コストの低廉化を図ることができないという問題があった。

従って、本発明の目的は、窒化物半導体基板のコストの低廉化を図ることができる窒化物半導体インゴット及びその製造方法を提供することにある。また、その窒化物半導体インゴットを用いた基板を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットをスライスすることにより得られ、２５．４ｍｍ以上の直径と０．２ｍｍ以上の厚さを有する窒化物半導体基板を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットをスライスすることにより得られ、２５．４ｍｍ以上の直径と０．２ｍｍ以上の厚さを有し、表面と、前記表面との平行度が最も高い低指数面とのなす角度の、基板面内における最大値と最小値との差が０．０５度以下である窒化物半導体基板を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、成長炉内に厚さが１００μｍ以上２５０μｍ以下である種基板を配置する工程と、前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含む窒化物半導体インゴットの製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、成長炉内に格子面の反りの曲率半径が２０ｍ以上である種基板を配置する工程と、前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含む窒化物半導体インゴットの製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、成長炉内に転位密度が２×１０⁶ｃｍ-²以下である種基板を配置する工程と、前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含む窒化物半導体インゴットの製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、成長炉内に種基板を配置する工程と、前記成長炉内にＧａを配置し、ＨＣｌガスを導入する工程と、前記成長炉内にＮＨ_３を導入する工程と、前記ＨＣｌと前記ＧａからＧａＣｌを発生させるＧａＣｌ発生部の温度と前記成長炉内でＧａＮを析出させる成長部の温度とが等しくなるように温度条件を制御する工程と、前記温度条件下で前記種基板上に２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含む窒化物半導体インゴットの製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、成長炉内に種基板を配置する工程と、前記成長炉内にＧａＣｌを導入する工程と、前記成長炉内にＮＨ_３を導入する工程と、前記成長炉内で前記ＧａＣｌと前記ＮＨ_３の供給に基づいて成長させるインゴットの成長速度変動を５％以下に制御する工程と、前記成長速度変動条件下で前記種基板上に２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含む窒化物半導体インゴットの製造方法を提供する。

本発明者は、厚さ方向の欠陥密度の傾斜や、種結晶として用いるＧａＮ基板の結晶方位のばらつきによって生じる応力の大きさによってインゴットにクラックの発生が始まる臨界厚が決まり、インゴットの厚さが臨界厚を超えるとクラックの発生が始まる、という点に着目し、ＧａＮインゴットの成長中に発生する応力の原因に関して鋭意検討した結果、以下（１）〜（４）に列挙するような原因と対策を見出した。

（１）結晶方位の面内ばらつき
一般に、異種基板上のＨＶＰＥ成長のように、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ様式の成長過程（薄膜成長過程の初期段階において、３次元的な島状膜が形成される）によって得られたＧａＮ基板は表面からみて凹面に反っている。研磨によって外見上平坦になるように加工しても、結晶の格子面は反ったままであり、結晶方位の面内ばらつきを内在している。そのような基板を種結晶としてインゴットの成長を行うと、格子点の数が変わらないにも関わらず、成長表面の面積が縮小するため、圧縮応力が生じる原因となる。例えば、厚さ３．５ｍｍのＧａＮが曲率半径３０ｍで撓んだ場合、単純な歪み量とフックの法則から、表面側の圧縮応力は約１７．５ＭＰａ程度と見積もられる。臨界厚ｈ_cは応力σの二乗に逆比例し、次のように表される。

ここで、Γは単位長さ当たりのクラックの生成エネルギーで、２Ｊ／ｍ²程度である。Ｅはヤング率で、約１５０ＧＰａ程度と報告されている。νはポアソン比で、０．３８程度である。Ｚはクラックの形態によって変わる係数で、ランダムな配列の場合には２程度の値をとる。各パラメータの値を代入すると、ｈ_cは約０．５６ｍｍとなり、厚さ３．５ｍｍよりも小さい。つまり、この結晶は割れていることになる。実際には、圧縮応力によって結晶全体の反りが緩和する。このため、実際の臨界厚は計算値よりもかなり大きくなると考えられるが、いずれにしても臨界厚は応力に非常に敏感であり、応力は種基板の反りが大きい（曲率半径が小さい）ほど大きくなる。

以上のような事情に鑑み、応力の発生を抑制するために、「反り(結晶方位分布)の小さい種基板を用いる」と「なるべく薄い種基板を用いる」という、２つの方法を見出した。

（１−１）結晶方位分布の小さい種基板を用いる
図１は、種基板の結晶格子の反りの曲率半径とその種基板を用いてインゴットを製造する場合のインゴットの臨界厚（最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットが得られるインゴットの最大厚さ）との相関を調べた結果を示す図である。インゴットの製造条件は後述する第１の実施の形態と同様の条件で種基板の曲率半径のみ変えて行った。曲率半径が２０ｍ以上の種基板を用いることで急激に臨界厚が増大し、１４ｍｍを超える臨界厚が得られることが明らかになった。また、曲率半径が３０ｍ以上の種基板を用いることで、従来に無い２０ｍｍ以上の臨界厚が得られることがわかった。これに関しては、元々反りの小さい種基板を用いても良く、反りがある程度大きい種基板であっても、機械的に押さえつけるなどの手段によって反りを矯正しても良い。

（１−２）なるべく薄い種基板を用いる
内部応力が生じても、種基板が変形すれば応力は緩和される。種基板が厚く、剛性が大きい場合には応力が緩和されず、臨界厚は小さくなる。薄い種基板を用いれば、応力の発生に応じて速やかに変形が生じ、応力が緩和される。すると、格子面が平坦に近づくため、新たな応力の発生も同時に抑制することが可能である。具体的に種基板をどれほど薄くする必要があるかは、格子の曲率半径や成長条件等によって変わるので一概には言えないが、２５０μｍ以下にすることによって顕著な効果を発揮する。薄いほうには原理的には下限値は無いが、ハンドリングで割れないようにするためには１００μｍ以上の厚さを有することが望ましい。

（２）転位密度の傾斜
ＧａＮを厚く成長するのに従って、転位密度が減少することが知られている。刃状成分をもつ転位が減少すると、それに伴って余剰の半格子面が減少する。そのため、成長進行に伴って結晶の体積が減少し、応力が発生する原因となる。

転位の減少速度は転位密度の平方根に反比例すると考えられるため、元々転位密度の小さい基板を種とすることが重要である。その効果は転位密度が小さいほど顕著に表れる。その許容値は、インゴットの成長条件等によっても変わるので一概には言えないが、概して２×１０⁶ｃｍ-²以下のものを用いた場合に良好な結果が得られる場合が多い。逆にいえば、用いる種基板の転位密度に応じた臨界厚が存在し、臨界厚の範囲でインゴット成長を繰り返していくことにより、次第に転位が減少していくので、次第に長尺成長が可能になっていく。

（３）不純物や点欠陥濃度の傾斜
Ｇａ及びＮサイトが、よりイオン半径の大きい不純物によって置換されれば平均的な格子定数は増大し、小さい不純物によって置換されれば収縮する。空孔もそのような体積変化の原因となる。従って、結晶中に不純物や点欠陥の濃度分布が存在すると、内部応力の原因となる。具体的には、原料やドーパントガスの偏流による空間的な不均一と、原料ノズルや炉壁への多結晶の堆積や、超厚膜化に伴う成長表面位置の移動に伴う成長速度等の時間的な変動に起因する不均一とがある。

そのような濃度分布を抑制するためには、空間的な均一性を高めるための流れの制御と、時間的な均一性を高めるために、ガスパージによる多結晶堆積の抑制や、成長速度に合わせた結晶位置の後退機構とが有効である。炉内に存在する不純物の濃度や、Ｖ／III比等の成長条件にもよることではあるが、成長中の成長速度変動を５％以下に抑えることによって、多くの場合この効果を顕著に発揮させることができる。

（４）温度分布
結晶の成長方向又は面内方向に非線形な温度分布が生じると、熱応力が発生し、結晶の変形やクラック発生の原因となる。このため、炉内の温度分布を均一にすることが非常に重要である。

このような手段を組み合わせて採用することにより、窒化物半導体インゴットの内部応力を顕著に抑制することができ、クラックのない長尺結晶の成長を実現できる。

また、半導体ウエハにおける「表面と、表面との平行度が最も高い低指数面とのなす角度」は、通常「オフ角度」と称される。オフ角度は、その上にエピタキシャル成長される薄膜の特性に大きな影響を及ぼすパラメータである。オフ角度が異なれば、表面に現れるダングリングボンドやステップの密度が変化するため、不純物の取り込み量や、平滑膜を得るための最適な成長速度が変化する。

例えば、同じ条件でＩｎＧａＮ発光層の成長を行っても、基板のオフ角度が異なればＩｎとＧａの結晶中に取り込まれる量に違いが生じる。従って、オフ角度の面内ばらつきは、発光素子の活性層に用いられるＩｎＧａＮの組成分布を生じ、発光むらとして現れる。発光むらに伴う波長のばらつきの許容度については、デバイスに求められる条件によって異なるが、光のエネルギーに換算して２０ｍｅＶ以下であれば問題になることは殆どない。

図２は、オフ角度のばらつきによる発光波長（フォトンエネルギー）ばらつきの変化を示す図である。フォトンエネルギーのばらつきは、オフ角度の減少とともに減少することが図より明らかであり、特に、オフ角度が０．０５度以下で２０ｍｅＶと減少が顕著である。このことから、フォトンエネルギーばらつきを抑えるにはオフ角度の面内ばらつきを０．０５度とすることが望ましい。

本発明によると、長さ２０ｍｍを超えるクラックの無い長尺で高品質の窒化物半導体結晶の成長を可能とし、もって窒化物半導体基板のコストの低廉化を図ることができる。

[第１の実施の形態]
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体インゴットの製造方法に用いるＨＶＰＥ炉を模式化して示す図である。

図３において、ＨＶＰＥ炉１は、石英反応管２２全体を外側に配置したヒータ２１によって加熱するホットウォール式の成長炉である。このＨＶＰＥ炉１を用い、直径５０．８ｍｍ（２インチ），厚さ２００μｍのＧａＮ基板を種結晶として窒化物半導体インゴットの成長を試みた。Ｘ線回折法によって種基板の結晶格子の反りを調べたところ、その曲率半径は約４０ｍであった。

III族原料としてはＧａＣｌを用いた。ＧａＣｌは、石英反応管２２上流からＨＣｌ導入管２４を通じてキャリアガスと共に導入されたＨＣｌガスと反応管内部のＧａ融液溜め（発生部）２６内部のＧａ融液２５とを互いに反応させて発生させる。Ｖ族原料は、III族原料とは独立にＮＨ₃導入管２３を通じて導入され、基板直前でIII族原料と混合し、基板ホルダ２７に取り付けられた種基板（析出部）２８上にＧａＮを析出する。

ＨＶＰＥ成長の条件は、ＧａＣｌ分圧を４×１０^-2ａｔｍ，ＮＨ₃分圧を３．６×１０^-1ａｔｍとし、成長温度は１０７３℃とした。ＧａＣｌは、成長部上流に設けたＧａ融液ボートにＨＣｌガスを流すことで発生させた。Ｇａ融液部の温度は８５７℃とした。炉内圧力は常圧で、設計成長速度は１．２ｍｍ／ｈである。この条件で３時間のＧａＮインゴットの成長を試みたところ、クラックの全く生じない厚さ４．５ｍｍの結晶が得られた。成長速度は時間に比例して増大し、成長終了直前では１．８ｍｍ／ｈであった。

そこで、より長尺のインゴットの成長を試みたところ、最長で２２ｍｍまでは最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを発生させずに結晶を得ることができた。種基板の結晶方位の分布が小さかったために成長に伴う応力の発生が小さかったことと、種基板が薄かったために小さな応力でさらに反りが回復し、応力の新たな発生も抑制されたために長尺成長が可能になったものと考えられる。得られた結晶の転位密度をカソードルミネセンス法によって調べたところ、種基板では５×１０⁶ｃｍ^-2であったものが結晶成長の厚さとともに減少し、最も厚い位置において７×１０⁵ｃｍ^-2にまで減少していることがわかった。

このように薄くて反りの小さい基板を使用してインゴットを成長させ、直径５０．８ｍｍで従来にはない長さ２０ｍｍ以上である２２ｍｍのインゴットを得ることができた。

（比較例）
これに対し、直径５０．８ｍｍ，厚さ４２０μｍのＧａＮ基板を種基板として、ＨＶＰＥ法によって同様の成長条件で厚さ３．６ｍｍのインゴットの成長を試みた。Ｘ線回折法によって種基板の結晶格子の反りを調べたところ、その曲率半径は約１０ｍであった。

成長終了後、炉内から結晶を取り出すと、表面近傍及び最外部から３ｍｍを除く部分にも無数のクラックが生じていた。断面観察の結果から、厚さ３ｍｍを超えたあたりからクラックの発生が始まったものと推定された。また、結晶の全厚は４．５ｍｍであり、設計したよりも厚くなっていた。成長後の原料ノズルを観察すると、ノズルの縁に多結晶ＧａＮが多量に付着し、ノズルが７ｍｍ程度伸長していることがわかった。このノズルの伸長と厚膜化による成長表面位置のノズルへの接近が、成長速度増大の原因と考えられる。ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析および陽電子消滅法によって成長結晶の頭部および尾部の不純物と空孔の総量を調査したところ、頭部では２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、尾部では４×１０¹⁸ｃｍ^-3と見積もられた。得られた結晶の転位密度をカソードルミネセンス法によって調べたところ、種基板では５×１０⁶ｃｍ^-2であったものが厚さとともに減少し、種基板の表面から２．８ｍｍの位置で転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2にまで減少していたが、その後は逆に増大に転じ、４．５ｍｍの最表面では３×１０⁶ｃｍ^-2にまで増大してしまっていた。転位の増大は、蓄積した応力を緩和するために起こったものと考えられる。

[第１の実施の形態の効果]
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）ＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和され、従来には無いＧａＮインゴットの長尺化を可能にしてコストの低廉化を図ることができる。

（２）ＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和されることで、ＧａＮインゴット及びＧａＮ基板の高品質化を図ることができる。

[第２の実施の形態]
第１の実施の形態において得られたＧａＮインゴットをワイヤソーを用いてスライスし、それらの両面を研磨することによって新たに直径５０．８ｍｍ，厚さ２００μｍのＧａＮ基板を得た。これを種基板として、ＨＶＰＥ法によってインゴットの成長を試みた。この種基板の転位密度は７×１０⁵ｃｍ^-2であった。第２の実施の形態においても成長速度は時間に比例して増大し、成長終了直前では１．８ｍｍ／ｈであった。Ｘ線回折法によって種基板の結晶格子の反りを調べたところ、その曲率半径は約６０ｍであった。

第１の実施の形態と同様の成長条件でＧａＮインゴットの成長を試みたところ、最長で２６ｍｍと、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットをさらに長尺化することができた。種基板の結晶方位の分布がさらに小さくなったことと、種基板の転位密度が小さかったために厚さの増大に伴う転位密度の変化率が小さくなったことが、さらなる長尺化が可能になったものと考えられる。得られた結晶の転位密度をカソードルミネセンス法によって調べたところ、種基板の表面から２６ｍｍの位置において５×１０⁵ｃｍ^-2にまで減少していることがわかった。

このように低転位基板と組み合わせてインゴットを成長させ、直径５０．８ｍｍで従来にはない長さ２５ｍｍ以上である２６ｍｍのインゴットを得ることができた。

[第２の実施の形態の効果]
上記した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同様にＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和され、ＧａＮインゴットの長尺化、コストの低廉化、ＧａＮインゴット及びＧａＮ基板の高品質化を図ることができる。

[第３の実施の形態]
ＨＶＰＥ成長炉のＧａ融液部（すなわち、ＧａＣｌ発生部）の温度を成長部（析出部）と同じ１０７３℃に設定し、炉内温度分布の均一化をはかり、第２の実施の形態と同様にして厚さ２００μｍのＧａＮ基板を種基板として用い、ＧａＮインゴットの成長を試みたところ、最長で２９ｍｍと、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットをさらに長尺化することができた。第３の実施の形態においても成長速度は時間に比例して増大し、成長終了直前では１．８ｍｍ／ｈであった。炉内温度分布が改善され、熱応力が減少したことが、さらなる長尺化ができた原因と考えられる。実際、ＳＩＭＳ分析および陽電子消滅法によってインゴット中の不純物及び空孔濃度の総量を調べたところ、頭部でも尾部でも４×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、非常に均質であることがわかった。得られた結晶の転位密度をカソードルミネセンス法によって調べたところ、種基板の表面から２９ｍｍの位置において３×１０⁵ｃｍ^-2にまで減少していることがわかった。

このように温度改善でインゴットを成長させ、直径５０．８ｍｍで従来にはない長さ２５ｍｍ以上である２９ｍｍのインゴットを得ることができた。

[第３の実施の形態の効果]
上記した第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同様にＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和され、ＧａＮインゴットの長尺化、コストの低廉化、ＧａＮインゴット及びＧａＮ基板の高品質化を図ることができる。

また、種基板の厚さを２５０μｍとして、それ以外の条件を上記した第３の実施の形態と同様としてインゴットの成長を試みたところ、この場合についても直径５０．８ｍｍで長さが最長で２９ｍｍの最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットが得られることを確認できた。

[第４の実施の形態]
ＨＶＰＥ炉の原料ノズルに多結晶堆積防止のパージ機構を設け、また成長速度と同じ速度で基板位置を後退させ、成長表面を炉内の常に同じ位置になるように制御を加えた上で第３の実施の形態と同様にしてＧａＮインゴットの成長を試みたところ、最長で３１ｍｍと、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットをさらに長尺化することができた。結晶の長さは設計値と一致し、成長中の成長速度変動が抑制できており、不純物や空孔濃度の変動に起因する内部応力の発生が抑えられたことが長尺化できた原因と考えられる。得られた結晶の転位密度をカソードルミネセンス法によって調べたところ、種基板の表面から３１ｍｍの位置において２×１０⁵ｃｍ^-2にまで減少していることがわかった。

このインゴットをマルチワイヤソーを用いて切断し、厚さ０．６ｍｍのアズスライスウェハ３５枚を得た。それらの両面を研磨し、外形を整えることによって直径５０．８ｍｍで厚さ０．４２ｍｍのＧａＮ基板が得られた。得られたＧａＮ基板の転位密度はいずれも３×１０⁵ｃｍ^-2以下であり、非常に高品質であることがわかった。

このように時間変動を無くして、直径５０．８ｍｍで従来にはない長さ３０ｍｍ以上である３１ｍｍのインゴットを得ることができた。

[第４の実施の形態の効果]
上記した第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同様にＧａＮインゴット中の内部応力が顕著に緩和され、ＧａＮインゴットの長尺化、コストの低廉化、ＧａＮインゴット及びＧａＮ基板の高品質化を図ることができる。

また、種基板の厚さを１００μｍとして、それ以外の条件を上記した第４の実施の形態と同様としてインゴットの成長を試みたところ、この場合についても直径５０．８ｍｍで長さが最長で３１ｍｍの最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないインゴットが得られることを確認できた。

以上、本発明の窒化物半導体インゴット及びこれから得られる窒化物半導体基板並びに窒化物半導体インゴットの製造方法を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）各実施の形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＡｌＮやＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ等の混晶の単結晶自立基板を得る場合にも適用することもできる。良好なインゴットを得るための条件は異なると思われるが、同様の成長様式をとる他の物質系にも本発明の技術思想は同様に適用できると考えられる。

（２）各実施の形態では、ＨＶＰＥ法によって窒化物半導体インゴット及び窒化物半導体基板を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）やＭＢＥ（分子線エピタキシー）、及びＮａ等を用いたフラックス法等の様々な成長法によっても得ることができる。

本発明に基づいて得られるIII族窒化物半導体基板は、窒化物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１は、窒化物半導体インゴットの臨界厚とその種基板の結晶格子の反りとの関係を示す図である。 図２は、オフ角度のばらつきによる発光波長（フォトンエネルギー）ばらつきの変化を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体インゴットの製造方法に用いるＨＶＰＥ炉を模式化して示す図である。

符号の説明

１…ＨＶＰＥ炉、２１…ヒータ、２２…石英反応管、２３…ＮＨ₃導入管、２４…ＨＣｌ導入管、２５…Ｇａ融液、２６…融液溜め、２７…基板ホルダ、２８…種基板

Claims (11)

1. 窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まないことを特徴とする窒化物半導体インゴット。
2. 前記窒化物半導体は、転位密度の最小値が１．５×１０⁶ｃｍ-²以下である請求項１に記載の窒化物半導体インゴット。
3. 窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットをスライスすることにより得られ、２５．４ｍｍ以上の直径と０．２ｍｍ以上の厚さを有することを特徴とする窒化物半導体基板。
4. 窒化物半導体で形成されて２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットをスライスすることにより得られ、２５．４ｍｍ以上の直径と０．２ｍｍ以上の厚さを有し、表面と、前記表面との平行度が最も高い低指数面とのなす角度の、基板面内における最大値と最小値との差が０．０５度以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
5. 前記窒化物半導体基板の転位密度が１．５×１０⁶ｃｍ-²以下である請求項３または４に記載の窒化物半導体基板。
6. 成長炉内に厚さが１００μｍ以上２５０μｍ以下である種基板を配置する工程と、
   前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体インゴットの製造方法。
7. 成長炉内に格子面の反りの曲率半径が２０ｍ以上である種基板を配置する工程と、
   前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体インゴットの製造方法。
8. 成長炉内に転位密度が２×１０⁶ｃｍ-²以下である種基板を配置する工程と、
   前記種基板上に窒化物半導体を析出させることによって２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体インゴットの製造方法。
9. 成長炉内に種基板を配置する工程と、
   前記成長炉内にＧａを配置し、ＨＣｌガスを導入する工程と、
   前記成長炉内にＮＨ_３を導入する工程と、
   前記ＨＣｌと前記ＧａからＧａＣｌを発生させるＧａＣｌ発生部の温度と前記成長炉内でＧａＮを析出させる成長部の温度とが等しくなるように温度条件を制御する工程と、
   前記温度条件下で前記種基板上に２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体インゴットの製造方法。
10. 成長炉内に種基板を配置する工程と、
    前記成長炉内にＧａＣｌを導入する工程と、
    前記成長炉内にＮＨ_３を導入する工程と、
    前記成長炉内で前記ＧａＣｌと前記ＮＨ_３の供給に基づいて成長させるインゴットの成長速度変動を５％以下に制御する工程と、
    前記成長速度変動条件下で前記種基板上に２０ｍｍを超える長さ及び５０．８ｍｍ以上の直径を有し、最外部から３ｍｍを除く部分にクラックを含まない窒化物半導体インゴットを成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体インゴットの製造方法。
11. 成長させた前記窒化物半導体インゴットの転位密度の最小値が１．５×１０⁶ｃｍ-²である請求項６，７，８，９，または１０に記載の窒化物半導体インゴットの製造方法。

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