JP2008303086A - 窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して窒化物半導体結晶を成長させる窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板を提供する。
【解決手段】窒化物半導体結晶の成長方法は、使用される領域を含む表面を有し、窒化物半導体からなる基板を準備する工程（Ｓ１０）と、ハイドライド気相成長法により、基板の表面上に窒化物半導体結晶を成長させる工程（Ｓ２０）とを備えている。準備する工程（Ｓ１０）では、使用される領域に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％未満である基板を準備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板に関し、たとえば一般室で窒化物半導体結晶を成長させることができる窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板に関する。

３．４ｅＶのエネルギーバンドギャップおよび高い熱伝導率を有するＧａＮ（窒化ガリウム）結晶などの窒化物半導体結晶は、短波長の光デバイスやパワー電子デバイスなどの半導体デバイス用の材料として注目されている。このような結晶を成長させるために、従来から、たとえば窒化物半導体基板を結晶成長させる基板（種基板）として、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法を採用している。

ＨＶＰＥ法に用いられる基板上に異物が存在していると、基板上に成長させる結晶に悪影響を及ぼし、異常成長する可能性がある。異常成長すると、使用できない、または異常成長した部分を除去して、異常成長した結晶において使用することができる領域のみに加工する必要がある。しかし、異常成長の形状および異常成長する部分を予見できないので、異常成長した部分を除去することは、手間とコストとを要する。そのため、現状では、準備する基板において、結晶を成長させる表面上の異物を除去している。たとえば非特許文献１には、半導体分野においては基板の表面に存在する異物の大きさが数１０ｎｍ程度になるように基板を洗浄することが開示されている。

また、基板の異物を除去する方法として、たとえば特開２００６−３５２０７５号公報（特許文献１）に窒化物系化合物半導体の洗浄方法が開示されている。特許文献１の洗浄方法によれば、窒化物系化合物半導体などの化合物半導体表面において不純物や微粒子といった異物の付着を抑制することができる。

そして、基板の表面を洗浄した後は、清浄なクリーン環境を維持できるクリーンルームで結晶成長させている。非特許文献２には、典型的なクリーンルームのスペックが開示されている。
特開２００６−３５２０７５号公報 「すぐ使える洗浄技術」、工業調査会、ＩＳＢＮ４−７６９３−４１４９−０、ｐ．６０−６１ 「最新洗浄技術総覧」、ＩＳＢＮ４−９１５９５７−２９−２、ｐ．８０１

しかしながら、上記特許文献１に開示の洗浄方法による基板を用いて、上記非特許文献２に開示のクリーンルームで結晶成長をさせると、クリーンルームの環境の整備などの多くの手間や、管理コストなどのコストを要する。そのため、結晶成長をさせてなる半導体基板を製造するためのコストが高くなるという問題がある。

それゆえ本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して窒化物半導体結晶を成長させる窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板を提供することである。

本発明者は、従来の基板の洗浄が過剰に行なわれていると考え、良好な結晶成長に影響を与えない条件を鋭意研究した結果、ＨＶＰＥ法による結晶成長において異常成長が行なわれない条件を見出した。

すなわち、本発明の窒化物半導体結晶の成長方法は、使用される領域を含む表面を有し、窒化物半導体からなる基板を準備する工程と、ハイドライド気相成長法により、基板の表面上に窒化物半導体結晶を成長させる工程とを備えている。準備する工程では、使用される領域に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％未満である基板を準備する。

本発明の窒化物半導体結晶の成長方法によれば、上記大きさおよび面積の異物が存在する基板を準備することによって、成長させる工程において、異常成長が行なわれず、良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。また、成長させる工程に用いられる装置をクリーンルームでなく一般室に配置できるなど、成長させる工程を実施する環境に要するコストを低減できる。そのため、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して結晶を成長させることができる。

なお、上記「異物」とは、基板から窒化物半導体結晶を成長させるために障害となる（良好な成長を妨げる）微粒子や不純物などを意味する。

また、上記「使用される領域」とは、基板の表面において、成長させる工程において成長させる窒化物半導体結晶のうち、基板またはデバイスに用いられる窒化物半導体結晶を成長させる領域を意味する。

また、上記「異物の大きさ」は、光学顕微鏡を用いて測定される異物の基板表面への射影面積の平方根を意味する。上記「異物の面積」は、光学顕微鏡を用いて測定される、使用される領域におけるそれぞれの異物の基板表面への射影面積の合計の値を意味する。

上記窒化物半導体結晶の成長方法において好ましくは、準備する工程では、基板の使用される領域に存在する異物の大きさおよび面積を測定する工程と、測定する工程で、基板の使用される領域に１０μｍを超える大きさの異物がある場合、および使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％以上である場合の少なくともいずれかの場合に、基板を洗浄する工程とが実施される。

これにより、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して結晶を成長させることができる上記異物の大きさおよび面積の条件を満たす基板を容易に得られる。

本発明の窒化物半導体結晶基板は、上記窒化物半導体結晶の成長方法により、基板の表面上に窒化物半導体結晶を成長させて得られる被成長基板から少なくとも基板を除去して得られる。

これにより、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減した窒化物半導体結晶基板が得られる。

なお、上記「被成長基板」とは、基板と、基板上に形成された窒化物半導体結晶とを備えるものを意味する。

本発明の窒化物半導体結晶の成長方法および窒化物半導体結晶基板によれば、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して窒化物半導体結晶を成長させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法を説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法に用いる基板の概略断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法に用いるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。図４は、本発明の実施の形態１における被成長基板を示す概略断面図である。図５は、本発明の実施の形態１における別の被成長基板を示す概略断面図である。

まず、図１および図２に示すように、使用される領域１２を含む表面１１を有し、窒化物半導体からなる基板１０を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。準備する工程（Ｓ１０）では、使用される領域１２に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％未満である基板１０を準備する。

なお、「使用される領域１２」とは、基板１０の表面１１において、後述の成長させる工程（Ｓ２０）において成長させる窒化物半導体結晶２０（図４および図５参照）のうち、基板またはデバイスに用いられる窒化物半導体結晶２１を成長させる領域である。使用される領域１２は、たとえば、図２に示すように、ハンドリングなどによって異物が付着しやすい基板１０の外周縁から内部に向けて５ｍｍ程度の領域１３を除く領域、相対的に異物が多く存在する領域１３を除く領域、後の工程で除去する外周の領域１３を除く領域などである。使用される領域１２は、基板１０の表面１１のすべての領域であってもよい。

使用される領域１２において存在する異物の大きさは、１μｍ以上１０μｍ以下であり、１μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。１０μｍを超える異物が使用される領域１２に存在すると、後述する成長させる工程（Ｓ２０）においてクラックまたは新たな転位の発生、多結晶化、モフォロジーの荒れ、または表面に凹凸が形成されるなどの異常成長が生じる。５μｍ以下とすることによって、過剰な洗浄を抑制するとともに、異常成長を効果的に抑制することができる。一方、１μｍ以上とすることによって、光学顕微鏡により認識が可能であり、異常成長を生じる異物を識別することができる。

なお、上記異物の大きさは、使用される領域１２に複数の異物が存在する場合には、その全ての異物の光学顕微鏡で測定される大きさが上記範囲内である。ただし、使用される領域１２に、光学顕微鏡で検出されない１μｍ未満の異物が存在していてもよい。

使用される領域１２において異物が覆う面積は、使用される領域１２の面積の０．０１％未満であり、０％を超えて０．００５％以下であることがより好ましい。０．０１％を超えると、異物の間隔が狭くなりすぎて、後述の成長させる工程（Ｓ２０）において１０μｍを超えるの大きさの異物が存在する場合と同様の影響が生じて、異常成長が生じる。０．００５％以下とすることによって、過剰な洗浄を抑制するとともに、異常成長を効果的に抑制できる。一方、１μｍ以上１０μｍ以下の異物が少なくとも１つ存在していることから、０％を超える。

なお、上記異物の覆う面積は、使用される領域１２に複数の異物が存在する場合には、その全ての異物が覆う面積の和が上記範囲内である。ただし、使用される領域１２に、光学顕微鏡で検出されない１μｍ未満の異物が存在してもよく、光学顕微鏡で検出されない１μｍ未満の異物は、上記異物の覆う面積には含まれない。

また、使用される領域１２に１０μｍを超える大きさの異物が存在する場合、および使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％以上である場合の少なくともいずれかに、使用される領域１２上に窒化物半導体結晶が異常成長する理由は、以下のように考えられる。ＨＶＰＥ法は気相成長法であることから、異物周りでガス流が乱れて、異物上の成長条件が設定した条件から外れてしまう。たとえば基板に対して横方向に原料ガスを供給して窒化物半導体結晶を成長させる場合には、異物の部分で結晶成長が途切れ、異物の周りの結晶に歪みが発生し、転位が生じる。一方、使用される領域１２に存在する異物の大きさが１０μｍ以下であり、かつ使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％未満である場合には、異物によるガス流および成長条件等への影響が小さいため、異物の存在により正常な結晶成長を阻害せず、異常成長を生じない。

準備する工程（Ｓ１０）で準備される基板１０は、窒化物半導体からなり、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなることが好ましく、窒化ガリウムからなることがより好ましい。Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ基板および窒化ガリウム基板を基板１０として用いることによって、その格子定数から、後述する成長させる工程（Ｓ２０）において、より品質の良い結晶を成長させることができる。

また、基板１０は、成長させる工程（Ｓ２０）で成長させる窒化物半導体と同じ材料であることが好ましい。たとえばＧａＮ結晶を成長させる場合には、基板１０はＧａＮ基板であることが好ましい。基板１０と成長させる窒化物半導体結晶が同種であると、格子定数などの物性定数が同じであるので、成長させる窒化物半導体結晶の結晶性をより良好に維持できる。

準備する工程（Ｓ１０）では、たとえば以下のように実施することによって、上述した基板１０が得られる。具体的には、図１および図２に示すように、使用される領域１２を含む表面１１を有する基板を準備する（Ｓ１１）。次いで、基板の表面１１を洗浄する工程（Ｓ１２）を実施する。なお、洗浄とは、洗浄、研磨、またはラッピングなどを含む。

なお、本実施の形態の洗浄する工程（Ｓ１２）では、表面１１に存在する異物の大きさおよび面積が従来よりも広いため、従来行なっていた洗浄よりも簡略化することができる。

その後、基板の使用される領域１２に存在する異物の大きさおよび面積を測定する工程（Ｓ１３）を実施する。測定する工程（Ｓ１３）では、使用される領域１２に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下の大きさであり、使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％未満であるか否かを測定する。詳細には、光学顕微鏡を用いて使用される領域１２に存在する異物の基板表面への射影面積の平方根を測定し、使用される領域１２に異物が複数存在するときは、それぞれの異物について光学顕微鏡を用いて異物の基板表面への射影面積の平方根を測定することによって、異物の大きさを測定する。また、光学顕微鏡を用いて、使用される領域１２におけるそれぞれの異物の基板表面への射影面積を測定して、その合計の値を求めることによって、異物の面積を測定する。

なお、測定される工程（Ｓ１３）において用いられる光学顕微鏡は、特に限定されず、一般公知の光学顕微鏡を用いることができる。また、光学顕微鏡での測定に用いられる光源は、特に限定されないが、簡便性および必要な分解能の観点から、可視光を光源として備えた光学顕微鏡を用いることが好ましい。

基板の使用される領域１２に１０μｍを超えるの大きさの異物が存在することが測定された場合、および使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％以上であることが測定された場合の少なくともいずれかの場合には、測定する工程（Ｓ１３）においてＮＯと判断される。この場合には、基板の表面１１を洗浄する工程（Ｓ１２）を実施する。

一方、使用される領域１２に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下の大きさであり、使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％未満である場合には、測定する工程（Ｓ１３）においてＹＥＳと判断される。この場合には、後述する成長させる工程（Ｓ２０）を実施する。

なお、測定する工程（Ｓ１３）では、光学顕微鏡での測定精度の理由から、使用される領域１２における異物の大きさが１μｍ未満である場合は測定できず、異物は存在しないことになる。この場合には、後述の成長させる工程（Ｓ２０）において異常成長はしないが、必要以上の洗浄が実施されたことになる。そのため、本発明では１μｍ以上の大きさの異物が基板１０の使用される領域１２上に存在している。

また、測定する工程（Ｓ１３）においてＹＥＳと判断された後に、表面１１において使用させる領域１２以外の領域１３を除去する工程を実施してもよい。

また、準備する工程（Ｓ１０）は上述した工程（Ｓ１１〜Ｓ１３）に特に限定されず、たとえば上記工程（Ｓ１２〜Ｓ１３）の少なくとも一部を省略してもよい。たとえば、ある基板１０について洗浄する工程（Ｓ１２）での条件を決定した後には、別の基板１０を準備する工程（Ｓ１０）では、洗浄する工程（Ｓ１２）のみ実施する。

次に、図１〜図５に示すように、ハイドライド気相成長法により、基板１０の表面１１上に窒化物半導体結晶２０を成長させる工程（Ｓ２０）を実施する。成長させる工程（Ｓ２０）では、たとえば図３に示すＨＶＰＥ装置を用いる。成長させる工程（Ｓ２０）で用いられるＨＶＰＥ装置１００は、クリーンルームでなく、一般室に配置されている。本実施の形態では、たとえば窒化物半導体結晶の一例としてＧａＮ結晶を成長させる場合について説明する。

図３に示すように、ＨＶＰＥ装置１００は、第１ガスが充填された第１ガスボンベ１０１と、第２ガスが充填された第２ガスボンベ１０２と、第１ガス入口１０３と、第２ガス入口１０４と、ソースボート１０５と、ヒータ１０６と、排気口１０７と、基板ホルダー１０８と、石英反応管１１０とを備えている。ＨＶＰＥ装置１００は、たとえば横型反応炉としている。

第１ガスは、たとえばＮＨ₃（アンモニア）ガスとし、第１ガスボンベ１０１にはＮＨ₃ガスが充填されている。第２ガスは、たとえばＨＣｌ（塩化水素）ガスとし、第２ガスボンベ１０２には、たとえばＨＣｌガスが充填されている。ソースボート１０５は、たとえばＧａ（ガリウム）が充填されている。ヒータ１０６は、ＨＶＰＥ装置１００の内部をたとえば１１００℃まで加熱する能力を有している。排気口１０７は、反応後のガスを外部に排出するための部材である。

なお、ＨＶＰＥ装置１００は、第１ガスおよび第２ガスのキャリアガスとしてＨ₂（水素）ガス、窒素ガス、アルゴンガスなどのキャリアガスが充填されているキャリアガスボンベ（図示せず）を備えていてもよい。

また、ＨＶＰＥ装置１００は、基板加熱用の局所加熱機構（基板ヒータ）を備えていることが好ましい。局所加熱機構（図示せず）は、たとえば基板ホルダー１０８に埋め込んだ抵抗加熱ヒータを用いることができる。

成長させる工程（Ｓ２０）では、まず、準備する工程（Ｓ１０）で準備した基板１０を基板ホルダー１０８上に配置する。

次に、ソースボート１０５をたとえば約８００℃に加熱する。そして、第２ガス入口１０４を開ける。そして、第２ガス入口から供給されるＨＣｌガスとソースボート１０５のＧａとを式（１）のように反応させて、ＧａＣｌガスを生成する。
Ｇａ＋ＨＣｌ＝ＧａＣｌ＋１／２Ｈ₂・・・・・式（１）

次に、基板１０の温度がたとえば１０００℃になるように加熱する。次に、第１ガス入口１０３を開ける。そして、生成したＧａＣｌガスと第１ガス入口１０３から供給されるＮＨ₃ガスとを基板１０の表面１１に当たるように流して（供給して）、下記の式（２）のように反応させて、基板１０の表面１１上にＧａＮ結晶からなる膜を成膜する。なお、この工程では、基板１０に供給されるガスの流れは、常に一定となるように制御することが好ましい。また、排気口１０７で、反応後のガスを外部に排出する。
ＧａＣｌ＋ＮＨ₃＝ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ₂・・・・・式（２）

成長させる工程（Ｓ２０）を実施することにより、図４に示す基板１０と、基板１０上に成長した窒化物半導体結晶２０とを備えた被成長基板３０が得られる。

なお、成長工程（Ｓ２０）において、第１ガスの流量、第２ガスの流量、原料の種類、または原料の量などを調整することにより、窒化物半導体結晶２０の厚みや窒化物半導体結晶２０の材質などを適宜変更できる。

また、準備する工程（Ｓ１０）後に基板１０の使用される領域１２以外の領域１３を除去する工程を実施せずに、成長させる工程（Ｓ２０）を実施してもよい。この場合には、図５に示すように、成長させる工程（Ｓ２０）により、使用される領域１２上には窒化物半導体結晶２１が良好に成長し、使用される領域１２以外の領域１３上には窒化物半導体結晶２２が異常成長する。そのため、デバイスに形成するいずれかのプロセスまたは基板として用いる際に、異常成長した窒化物半導体結晶２２を除去する工程を実施する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法によれば、準備する工程（Ｓ１０）では、使用される領域１２に１μｍ以上１０μｍ以下の大きさの異物が存在するとともに、使用される領域１２において異物が覆う面積が使用される領域１２の面積の０．０１％未満である基板１０を準備する。

従来のＨＶＰＥ法による窒化物半導体結晶の成長方法では、基板の表面が清浄であるほど良好な結晶が成長することが知られているので、基板の表面の異物を非常に低いレベルまで（たとえば数１０ｎｍ程度の大きさになるまで）除去するために、基板の洗浄には多くの手間およびコストを要していた。本発明者は、従来の基板の洗浄は過剰に行なわれていると考え、ＨＶＰＥ法による窒化物半導体結晶の成長に悪影響を与えない異物の条件があるのではないかという点に着目して鋭意研究した結果、ＨＶＰＥ法による窒化物半導体結晶の成長において異常成長が行なわれない上記条件を見出した。そのため、成長させる工程（Ｓ２０）で準備される基板１０上に形成される窒化物半導体結晶は、良好な結晶性を維持できる。

また、上記条件で基板を準備すると、準備する工程（Ｓ１０）で基板１０の洗浄工程（Ｓ１２）を簡略化できる。また、成長させる工程（Ｓ２０）では、ＨＶＰＥ装置１００をクリーンルーム内に配置する必要がなくなり、一般室に配置できる。そのため、クリーン環境の整備および管理コストを削減できる。その結果、本発明によれば、窒化物半導体結晶の成長方法に要するコストを低減できる。

（実施の形態２）
図６を参照して、本発明の実施の形態２における窒化物半導体結晶基板について説明する。図６に示すように、実施の形態２における窒化物半導体結晶基板４０は、実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法により、基板１０の表面１１上に窒化物半導体結晶２０を成長させて得られる被成長基板３０から少なくとも基板１０を除去して得られる。なお、図６は、本発明の実施の形態２における結晶基板を示す概略断面図である。

具体的には、図６に示すように、たとえば、基板１０と、基板１０の表面１１上に成長した窒化物半導体結晶２０のうち、不要な部分、相対的に良好に成長してない部分を除去する。なお、図６は、図４に示す使用させる領域１２のみの上に窒化物半導体結晶２０を成長させた被成長基板３０から除去する場合を示しているが、特にこれに限定されない。たとえば、図５に示す被成長基板３０では、使用される領域１２以外の領域１３上に成長させた窒化物半導体結晶２２（図５参照）などをさらに除去する。

除去する方法としては、たとえば切断または研削などの方法を用いることができる。なお、切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーなどで機械的に被成長基板３０の窒化物半導体結晶２０を分割（スライス）することをいう。研削とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで被成長基板３０の基板１０と、基板１０の表面１１上に成長した窒化物半導体結晶２０のうち、除去したい部分を機械的に削り取ることをいう。

また、被成長基板３０の除去する部分は、上述した部分に特に限定されず、たとえば窒化物半導体結晶２０の表面１１に平行な面や表面１１に対して任意の傾きを有する面をスライスすることもできる。

また、窒化物半導体結晶基板４０の表面について、研磨などをさらに実施してもよい。研磨する方法については特に限定されず、任意の方法を採用できる。

以上の工程を実施することにより、図６に示すような、窒化物半導体結晶基板４０が得られる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２における窒化物半導体結晶基板４０は、実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法により基板１０の表面１１上に窒化物半導体結晶２０を成長させて得られる被成長基板３０から少なくとも基板１０を除去して得られる。これにより、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減した窒化物半導体結晶基板４０が得られる。

本実施例では、良好に窒化物半導体結晶を成長するための基板に表面に付着する異物の条件を調べた。

具体的には、表面に異物が付着したＧａＮからなる基板を準備して、ＨＶＰＥ法により、基板の表面上に窒化物半導体結晶を成長させる工程（Ｓ２０）を実施した。

成長させる工程（Ｓ２０）後の被成長基板を観察したところ、良好に成長した部分と、多結晶化やモフォロジー荒れ、および表面の凹凸が発生するなどの異常成長した部分とがあった。そして、成長した窒化物半導体結晶の状態と、基板の表面の状態とを比較するため、この被成長基板に対して、窒化物半導体結晶の表面（窒化物半導体結晶において基板と対向する面と反対側の面）側から研削研磨加工を行ない、その表面の状態を観察した。

その結果、良好に成長した部分下の基板の表面には異物が存在している箇所があった。また、異常成長した部分下の基板の表面には、異物が存在していた。

また、良好に成長した部分下の基板の表面と異常成長した部分下の基板との違いは、基板の表面上に存在している異物の大きさおよび異物が覆う面積に起因することを発見した。

そこで、異物の大きさおよび異物が覆う面積について、複数の被成長基板について同様の観察を行なった。その結果を図７および図８に示す。なお、図７は、異物の大きさと異常成長の有無との関係を示す図である。図８は、基板の表面において異物が覆う面積と異常成長の有無との関係を示す図である。

図７に示すように、異物の大きさが１０μｍ以下において、２点のデータを除き、基板上の窒化物半導体結晶は異常成長がなかった。その２点のデータに該当する異物の大きさが１０μｍ以下であって異常成長があった基板は、異物が覆う面積の和が基板の面積の０．０１％以上であった。また、異物の大きさが１０μｍを超えると、基板上に窒化物半導体結晶は異常成長した。この結果から、異物の大きさが１０μｍを超えると、基板上の窒化物半導体結晶は異常成長することがわかった。さらに、異物の大きさが１０μｍ以下であっても、異物が覆う面積の和が基板の面積の０．０１％以上である場合には、基板上の窒化物半導体結晶は異常成長することがわかった。

なお、１０μｍを超える大きさの異物が付着した基板のうち、３点のデータは、基板上に窒化物半導体が異常成長しなかったが、ＨＶＰＥ装置１００内部の温度分布やガス流量分布が完全に均一でないことから、異常成長しなかったと考えられる。そのため、安全率を鑑みて、本発明では、この３点のデータを考慮せずに、常に異常成長しない条件として異物の大きさは１０μｍ以下と決定した。

また、図８に示すように、基板の表面に付着していた異物が覆う面積について調べた結果、１０μｍ以下の異物が覆う面積の和が基板の面積の０．０１％以上であると、基板上の窒化物半導体結晶は異常成長したことがわかった。また、異物が覆う面積の和が基板の面積の０．０１％未満であると、その基板上の窒化物半導体結晶は良好に成長した。この場合には、基板に付着していた異物の大きさは全て１０μｍ以下であった。

以上より、実施例１によれば、使用される領域において存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％未満である基板上に、ＨＶＰＥ法により窒化物半導体結晶を成長させると、使用される領域上に良好に成長することがわかった。

本実施例では、使用される領域において存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％未満である基板上に、ＨＶＰＥ法により窒化物半導体結晶を成長させることの効果について調べた。

実施例２では、実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法にしたがって、図３に示すＨＶＰＥ装置１００を用いて、窒化物半導体結晶を成長させた。なお、本実施例では、使用する領域は、基板の表面全体とした。

具体的には、準備する工程（Ｓ１０）では、まず、基板としてＧａＮ基板を準備した。そして、ＧａＮ基板を研削およびラッピングした。その後、クリーンルーム内で、アセトンおよびイソプロピルアルコールを用いた超音波洗浄を複数回繰り返した。その後、光学顕微鏡を用いてＧａＮ基板の表面に存在する異物を測定した結果、１μｍ以上１０μｍ以下の大きさの異物がＧａＮ基板全体に数１０個存在する一方、１０μｍを超える大きさの異物は存在しなかった。また、ＧａＮ基板に存在する異物が覆う面積は、ＧａＮ基板の表面の面積の０．０１％未満であった。

成長させる工程（Ｓ２０）では、ＧａＮ基板を一般室内に配置されたＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダー１０８に、フィルタを通した空気を流しながら、異物が付着しないようにＧａＮ基板を載置した。

また、ＮＨ₃ガスを内部に充填した第１ガスボンベ１０１と、ＨＣｌを内部に充填した第２ガスボンベ１０２とを準備した。そして、ソースボート１０５にＧａを充填した。そして、第１または第２ガス入口１０３，１０４を介してキャリアガスとして水素ガスを導入しながらヒータ１０６を加熱した。

次いで、第２ガス入口１０４を開けて、第２ガス入口１０４から供給されるＨＣｌガスとソースボート１０５のＧａとを反応させて、ＧａＣｌ（塩化ガリウム）ガスを生成した。

その後、第１ガス入口１０３を開けて、ＧａＮ基板に生成したＧａＣｌガスと第１ガス入口１０３から供給されるＮＨ₃ガスとを基板の表面に当たるように流して、反応させて、ＧａＮ基板の表面上にＧａＮ結晶を成長させた。

なお、ＨＣｌガスおよびＮＨ₃ガスの分圧をそれぞれ調整して、多結晶が発生せず、かつ結晶の成長速度を１００μｍ／ｈ以下にした。

そして、厚みが１ｍｍのＧａＮ結晶をＧａＮ基板の表面上に成長させた後、ＧａＮ結晶の温度を室温まで降下させた。これにより、基板と、基板の表面上に成長されたＧａＮ結晶とを備える被成長基板を得た。

得られたＧａＮ結晶を調べたところ、異常成長した部分がなく、良好に成長したことが確認できた。

以上より、実施例２によれば、使用される領域に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、使用される領域において異物が覆う面積が使用される領域の面積の０．０１％未満である基板上に窒化物半導体結晶を成長させることによって、窒化物半導体結晶は異常成長がないとともに、成長させる工程をクリーンルームでなく一般室で実施できることが確認できた。

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実施の形態では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でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の窒化物半導体結晶の成長方法は、良好な結晶性を維持するとともに、コストを低減して窒化物半導体結晶を成長させることができる。そのため、本発明の窒化物半導体結晶の成長方法により得られる窒化物半導体結晶は、たとえば発光ダイオード、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デバイスなどに好適に用いることができる。

本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法に用いる基板の概略断面図である。 本発明の実施の形態１における窒化物半導体結晶の成長方法に用いるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。 本発明の実施の形態１における被成長基板を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における別の被成長基板を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２における結晶基板を示す概略断面図である。 異物の大きさと異常成長の有無との関係を示す図である。 基板の表面において異物が覆う面積と異常成長の有無との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 基板、１１ 表面、１２ 使用される領域、１３ 領域、２０〜２２ 窒化物半導体結晶、３０ 被成長基板、４０ 窒化物半導体結晶基板、１００ ＨＶＰＥ装置、１０１ 第１ガスボンベ、１０２ 第２ガスボンベ、１０３ 第１ガス入口、１０４ 第２ガス入口、１０５ ソースボート、１０６ ヒータ、１０７ 排気口、１０８ 基板ホルダー、１１０ 石英反応管。

Claims (3)

1. 使用される領域を含む表面を有し、窒化物半導体からなる基板を準備する工程と、
   ハイドライド気相成長法により、前記基板の前記表面上に窒化物半導体結晶を成長させる工程とを備え、
   前記準備する工程では、前記使用される領域に存在する異物の大きさが１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記使用される領域において前記異物が覆う面積が前記使用される領域の面積の０．０１％未満である前記基板を準備する、窒化物半導体結晶の成長方法。
2. 前記準備する工程では、前記基板の前記使用される領域に存在する前記異物の大きさおよび面積を測定する工程と、
   前記測定する工程で、前記基板の前記使用される領域に１０μｍを超える大きさの異物がある場合、および前記使用される領域において前記異物が覆う面積が前記使用される領域の面積の０．０１％以上である場合の少なくともいずれかの場合に、前記基板を洗浄する工程とが実施される、請求項１に記載の窒化物半導体結晶の成長方法。
3. 請求項１または２に記載の窒化物半導体結晶の成長方法により、前記基板の前記表面上に前記窒化物半導体結晶を成長させて得られる被成長基板から少なくとも基板を除去して得られる、窒化物半導体結晶基板。

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