JP2009051686A - Ｉｉｉ族窒化物結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転位密度の低減が可能なＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法を提供する。
【解決手段】本ＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法は、液相法により、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて、下地基板１０の主面１０ｍ上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させる方法であって、下地基板１０は少なくとも主面１０ｍ側にＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａを含み、下地基板１０の主面１０ｍの法線１０ｍｖは、ＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａの＜０００１＞方向１０ｃｖに対して１°以上１０°以下の傾き角を有し、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の成長の際に、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面２０ｃに対して実質的に平行な方向に伝搬させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の外周部に排出させることを特徴とする。
【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各種半導体デバイスの基板として好ましく用いられる転位密度が低いＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法に関する。

Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ結晶（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１、以下同じ）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各種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、各種半導体デバイスの特性を向上させるために、転位密度が低く結晶性のよいＩＩＩ族窒化物結晶基板が必要とされている。

ここで、ＩＩＩ族元素を含む融液を用いる液相法は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法に比べて、転位密度の低いＩＩＩ族窒化物結晶の成長が可能であると期待されている。

たとえば、特開２００４−２４４３０７号公報（以下、特許文献１という）は、基板と、その基板上に形成された半導体層と、その半導体層の上方に形成されたＩＩＩ族窒化物結晶とを備えるＩＩＩ族窒化物基板であって、上記半導体層が、組成式Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_1-u-vＮ(０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１)で表される半導体からなり、その半導体層の表面が（０００１）面のステップが階段状に配置された一方向に傾斜した面であり、その傾斜した面と上記（０００１）面とのなす角が、０．０５°以上であり、さらに、上記半導体層上に形成されたＩＩＩ族窒化物結晶のキャリア濃度の面内ばらつきが、キャリア濃度の平均値の１／５以上５倍以下であるＩＩＩ族窒化物基板を開示する。

また、上記特許文献１は、かかるＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法として、基板上に、組成式Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_1-u-vＮ(０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１)で表される半導体であって、その表面に（０００１）面が存在する半導体層を形成する工程と、その半導体層の（０００１）面に対して傾斜した面となるように半導体層の表面を処理する工程と、窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも１つのＩＩＩ族金属元素と溶剤とを含む融液に、その半導体層の表面を接触させることによって、少なくとも１つのＩＩＩ族元素と窒素とを反応させて上記半導体層上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含む。

上記特許文献１の方法においては、半導体層の表面が、（０００１）面が露出した階段状に加工されている。そのため、結晶育成時の異常成長を防止できる。また通常の種結晶基板を用いた場合と比較して、表面平坦性が高い結晶を得ることができる。特に、液相成長において、傾斜した基板を用いることにより、傾斜した基板を用いない場合に比べて、成長速度の向上と結晶中に取り込まれる不純物濃度の均一性が向上することが可能となる。

ここで、液相法により主面が（０００１）面であるＩＩＩ族窒化物基板上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させた場合、ＩＩＩ族窒化物基板の転位がＩＩＩ族窒化物結晶の成長方向である＜０００１＞方向に伝搬しＩＩＩ族窒化物結晶の成長表面に到達する。ＩＩＩ族窒化物結晶を厚く成長させると、バーガーズベクトルの方向が異なる転位同士が引力により合体して消滅することにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度が低減する。

しかし、結晶の転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満になると、転位間の間隔が大きくなるため上記のような転位の合体が生じる可能性が極めて低くなる。すなわち、液相法により転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満のＩＩＩ族窒化物結晶基板にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる場合、下地基板であるＩＩＩ族窒化物結晶基板に比べて転位密度が低いＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることは困難であった。
特開２００４−２４４３０７号公報

本発明は、転位密度の低減が可能なＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法を提供することを目的とする。

本発明は、液相法によりＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて下地基板の主面上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法であって、下地基板は少なくとも主面側にＩＩＩ族窒化物結晶層を含み、下地基板の主面の法線は、ＩＩＩ族窒化物結晶層の＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角を有し、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に、第１のＩＩＩ族窒化物結晶に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面に対して実質的に平行な方向に伝搬させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶の外周部に排出させることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法において、下地基板の主面における転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であって、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長後の成長面における転位密度を下地基板の主面における転位密度の１／１０以下とすることができる。

また、本発明は、上記の成長方法により得られた第１のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、液相法によりＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含み、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面の法線は、＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角を有し、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に、第２のＩＩＩ族窒化物結晶に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面に対して実質的に平行な方向に伝搬させて第２のＩＩＩ族窒化物結晶の外周部に排出させることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法において、下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板傾き方向と第１のＩＩＩ族窒化物結晶の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向のなす角度を５０°以上１３０°以下とすることができる。また、下地基板の主面における転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であって、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長後の成長面における転位密度を下地基板の主面における転位密度の１／１００以下とすることができる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法において、アルカリ金属元素を、ＮａおよびＬｉの少なくともいずれかとすることができる。

また、本発明は、上記の成長方法により得られた第１のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第３のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法である。

また、本発明は、上記の成長方法により得られた第２のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第４のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法である。

本発明によれば、転位密度の低減が可能なＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法を提供することができる。

（実施形態１）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の一実施形態は、図１を参照して、液相法により、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて、下地基板１０の主面１０ｍ上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させる方法である。ここで、下地基板１０は少なくとも主面１０ｍ側にＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａを含み、下地基板１０の主面１０ｍの法線１０ｍｖは、ＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａの＜０００１＞方向１０ｃｖに対して１°以上１０°以下の傾き角θ１を有する。これにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の成長の際に、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面２０ｃに対して実質的に平行な方向に伝搬させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の外周部に排出させる。

本発明において用いられる液相法には、転位密度の低い結晶を効率よく成長させる観点から、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液が用いられる。このようなＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法は、フラックス法と呼ばれている。アルカリ金属元素としては、窒素含有ガスとして供給される窒素を融液中に効率よく溶解させる観点からＮａおよびＬｉの少なくともいずれかであることが好ましい。具体的には、図３を参照して、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液３２内に下地基板１０を配置し、融液３２中に窒素含有ガス３４を供給して、下地基板１０の主面１０ｍ上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させる方法が好ましい。

本実施形態において用いられる下地基板１０は、少なくとも主面側にＩＩＩ族窒化物結晶領域１０ａを含み、主面１０ｍの法線１０ｍｖはＩＩＩ族窒化物結晶領域１０ａの＜０００１＞方向１０ｃｖに対して１°以上１０°以下の傾き角θを有する。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶領域１０ａは主面１０ｍを有する。この様な主面１０ｍ上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させると、下地基板１０から受け継ぎ、または、結晶成長の際に発生して、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面２０ｃに対して実質的に平行な方向に伝搬させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の外周部に排出させることができ、結晶の転位密度を低減することができる。結晶の｛０００１｝面、＜０００１＞方向は、結晶のＸ線回折により特定することができる。また、結晶の転位の伝搬の様子（転位伝搬線２０ｄ）は、光散乱トモグラフ法により観察することができる。なお、＜０００１＞方向とは、結晶幾何学的に等価な［０００１］方向および［０００−１］方向を含む総称である。また、｛０００１｝面とは、結晶幾何学的に等価な（０００１）面および（０００−１）面を含む総称である。

このような低減方法は、バーガーズベクトルの方向が異なる転位同士が引力により合体して消滅することによる転位密度の低減とは異なり、結晶の転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満となっても、転位密度をさらに低減することができる。結晶の表面における転位密度は、カソードルミネッセンス法により測定することができる。

図２を参照して、下地基板１０の主面１０ｍは、ミクロ的には、複数の｛０００１｝面（ｃ面）である複数のテラス面１０ｍｃと、複数の｛１−１００｝表面（ｍ面）または｛１−１０Ｘ｝（Ｘは整数）面（ｍ面が傾斜した面）である複数のステップ面１０ｔとで構成される複数のステップ１０ｓを有する階段状の凹凸面である。なお、主面１０ｍの法線とは、主面１０ｍをマクロ的に見た平面についての法線をいうものとする。

この様な主面１０ｍ上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させると、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０は、主面１０ｍのテラス面１０ｍｃからこのテラス面１０ｍｃに垂直な方向と、主面１０ｍのステップ面からテラス面１０ｔに平行な方向に成長する。このため、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の成長中の結晶成長面２０ａ，２０ｂには、複数の｛０００１｝面（ｃ面）である複数のテラス面２０ａｃ，２０ｂｃと、複数の｛１−１００｝表面（ｍ面）または｛１−１０Ｘ｝（Ｘは整数）面（ｍ面が傾斜した面）である複数のステップ面２０ａｔ，２０ｂｔとで構成される複数のステップ２０ａｓ，２０ｂｓが形成される。ここで、テラス面２０ａｃ，２０ｂｃに平行な方向の結晶成長は、テラス面２０ａｃ，２０ｂｃに垂直な方向の結晶成長に比べて優勢である。また、転位は結晶の成長方向に伝搬する。このため、下地基板１０の主面から受け継がれ、または、結晶成長の際に発生して、結晶に残留する転位を｛０００１｝面に実質的に平行に伝搬させて（図１（ｂ）および図２（ｂ）の転位伝搬線２０ｄを参照）、結晶の外周部に排出させることができるものと考えられる。ここで、転位伝搬線２０とは、転位の伝搬の軌跡を示す線をいう。

ここで、結晶に残留する転位が伝搬する方向である｛０００１｝面に実質的に平行な方向とは、フラックス法においてテラス面２０ａｃ，２０ｂｃに平行な方向の結晶成長速度は、テラス面２０ａｃ，２０ｂｃに垂直な方向の結晶成長速度に比べて約２倍以上となることから、｛０００１｝面に対する傾き角φ（これは、転位伝搬線２０ｄと｛０００１｝面２０ｃとのなす転位伝搬角φである）が約２６°以下の方向を意味する。

第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の成長とともに、ステップ面２０ａｔ，２０ｂｔが転位とともに結晶の外周部へ移動（ステップ・フロー）して、ある結晶成長面２０ｅにおいてステップ面が消滅する。さらに、結晶が｛０００１｝面に垂直な方向に成長して結晶成長面２０ｓを有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０が得られる。この様にして、結晶成長面２０ｓにおける転位密度が低減したＩＩＩ族窒化物結晶が得られる。

下地基板１０において、ＩＩＩ族窒化物結晶領域１０ａの＜０００１＞方向１０ｃｖに対する主面１０ｍの法線１０ｍｖの傾き角θ１は、１°以上１０°以下である。かかる傾き角θ１が、１°より小さいと下地基板１０の主面１０ｍに存在するステップ１０ｓの数が少なく転位を｛０００１｝面と実質的に平行な方向に効率的に伝搬させることができなくなり、１０°より大きいと主面１０ｍに存在するステップ１０ｓの数が多くなり、結晶成長中にステップ２０ａｓ，２０ｂｓが合体してマクロステップ化する（図示せず）。マクロステップが生じると、マクロステップに融液が巻き込まれて第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０中に液胞が生じやすくなる。かかる観点から、傾き角θ１は、１°以上５°以下であることがより好ましい。傾き角θ１を１°以上５°以下とすることにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０中の液胞の発生を皆無とすることができる。

また、下地基板の主面の法線が＜０００１＞方向１０ｃｖから傾いている方向１０ｈは、下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板傾き方向１０ｋと同じである。ここで、上記転位の伝搬のメカニズムから、図１および図５（ａ）を参照して、転位伝搬線２０ｄを｛０００１｝面に投影した方向は、下地基板の主面の法線が＜０００１＞方向１０ｃｖから傾いている方向１０ｈおよび基板傾き方向１０ｋと同じである。また、下地基板１０の主面１０ｍ側のＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａおよび第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０は、いずれも結晶構造が同じであるため、各部の｛０００１｝面１０ｃ，２０ｃが互いに平行である。なお、図５（ａ）のＩＢ方向の概略断面図が図１（ｂ）に相当する。

また、主面１０ｍの法線１０ｍｖが＜０００１＞方向１０ｃｖから傾いている方向１０ｈは、特に制限はないが、結晶構造の対称性の観点から、＜０００１＞方向から、＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向に傾いていることが好ましい。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法においては、バーガーズベクトルの方向が異なる転位同士が引力により合体して消滅することによる転位密度の低減とは異なり、下地基板の転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であっても、成長させる結晶の転位密度をさらに低減させ、結晶成長後の成長面２０ｓにおける転位密度を下地基板１０の主面１０ｍにおける転位密度の１／１０以下とすることができる。

（実施形態２）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の他の実施形態は、図４を参照して、実施形態１の成長方法により得られた第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に主面２０ｍを形成する工程（図４（ａ））と、液相法により、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍ上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０を成長させる工程（図４（ｂ））とを含む。ここで、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍの法線は、＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角を有する。これにより、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の成長の際に、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面３０ｃに対して実質的に平行な方向に伝搬させて第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の外周部に排出させる。

本実施形態における第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際の転位の低減のメカニズムは、実施形態１における第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際の転位の低減のメカニズムと同様である。したがって、図４および図５（ｂ）を参照して、転位伝搬線３０ｄを｛０００１｝面１０ｃに投影した方向は、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面の法線が＜０００１＞方向２０ｃｖから傾いている方向２０ｈおよび基板傾き方向２０ｋと同じである。また、下地基板１０の主面１０ｍ側のＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａ、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０および第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０は、いずれも結晶構造が同じであるため、各部の｛０００１｝面１０ｃ，２０ｃ，３０ｃが互いに平行であり、＜０００１＞方向１０ｃｖ，２０ｃｖが同一である。なお、図５（ｂ）のＩＶＢ方向の概略断面図が図４（ｂ）に相当する。

また、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際の転位の低減のメカニズムが、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際の転位の低減のメカニズムと同様であることから、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の結晶成長後の成長面３０ｓにおける転位密度は第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍにおける転位密度の１／１０以下とすることができる。また、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍにおける転位密度は、下地基板１０の主面１０ｍにおける転位密度（１×１０⁷ｃｍ^-2未満）の１／１０以下とすることができる。したがって、本実施形態において、下地基板１０の主面１０ｍにおける転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であっても、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の結晶成長後の成長面３０ｓにおける転位密度を下地基板１０の主面１０ｍにおける転位密度の１／１００以下とすることができる。

なお、本実施形態における第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に主面２０ｍを形成する工程において、主面２０ｍを形成方法には、特に制限はなく、切断、切削、研磨など各種の方法が可能である。

また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法において、図５を参照して、下地基板１０の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板傾き方向１０ｋと第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向２０ｋとのなす角度が、５０°以上１３０°以下であることが好ましい。

図５（ａ）を参照して、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の転位伝搬線２０ｄを｛０００１｝面１０に投影した方向は、下地基板の主面の法線が＜０００１＞方向１０ｃｖから傾いている方向および基板傾き方向１０ｋと同じである。また、図５（ｂ）を参照して、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の転位伝搬線３０ｄを｛０００１｝面１０ｃに投影した方向は、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の主面の法線が＜０００１＞方向２０ｃｖから傾いている方向および基板傾き方向２０ｋと同じである。

したがって、下地基板の主面の法線が＜０００１＞方向１０ｃｖから傾いている方向（この方向は基板傾き方向１０ｋと同じ）と第２のＩＩＩ族窒化物結晶の主面の法線が＜０００１＞方向２０ｃｖから傾いている方向（この方向は基板傾き方向２０ｋと同じ）を異ならせることにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶における転位伝搬方向と第２のＩＩＩ族窒化物結晶における転位伝搬方向を異ならせることができ、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に結晶の外周部に排出できなかった転位を第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に結晶の外周部に排出することができ、ＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度をより低減することができる。

ここで、下地基板１０の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板傾き方向１０ｋと第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向２０ｋとのなす角度、すなわち第１のＩＩＩ族窒化物結晶における転位伝搬線を｛０００１｝面に投影した方向と第２のＩＩＩ族窒化物結晶におｐける｛０００１｝面に投影した方向とのなす角度が、５０°以上１３０°以下であると、６回対称性のウルツ鉱型結晶構造を有する第１のＩＩＩ族窒化物結晶および第２のＩＩＩ族窒化物結晶の結晶の転位の伝搬方向が、＜１−１００＞方向と結晶幾何学的に等価ないずれかの２方向、＜１１−２０＞方向と結晶幾何学的に等価ないずれかの２方向、＜１−１００＞方向と結晶幾何学的に等価ないずれかの方向および＜１１−２０＞方向と結晶幾何学的に等価ないずれかの１方向を含むことができることから、転位密度の低減が大きくなる。

（実施形態３）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法のさらに他の実施形態は、図６を参照して、実施形態１の成長方法により得られた第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に主面２０ｍを形成する工程（図６（ａ））と、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍ上に第３のＩＩＩ族窒化物結晶４０を成長させる工程（図６（ｂ）とを含む。転位密度が低減した第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍ上に、第３のＩＩＩ族窒化物結晶４０を成長させることにより、結晶成長後の成長面４０ｓの転位密度が低減した第３のＩＩＩ族窒化物結晶４０が得られる。

ここで、第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０に主面２０ｍを形成する方法には、特に制限はなく、特に制限はなく、切断、切削、研磨など各種の方法が可能である。また、主面２０ｍの面方位は、特に制限はないが、ＩＩＩ族窒化物結晶は＜０００１＞方向への結晶成長が容易であるため、一般に｛０００１｝面２０ｃに平行とされる。また、第３のＩＩＩ族窒化物結晶４０の結晶成長方法は、特に制限はなく、本発明の液相法の他、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法を用いることができる。結晶成長速度が高い観点から、ＨＶＰＥ法が好ましい。

（実施形態４）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法のさらに他の実施形態は、図７を参照して、実施形態２の成長方法により得られた第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０に主面３０ｍを形成する工程（図７（ａ））と、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の主面３０ｍ上に第４のＩＩＩ族窒化物結晶５０を成長させる工程（図７（ｂ））とを含む。転位密度が著しく低減した第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０の主面３０ｍ上に、第４のＩＩＩ族窒化物結晶５０を成長させることにより、結晶成長後の成長面５０ｓの転位密度が低減した第４のＩＩＩ族窒化物結晶５０が得られる。

ここで、第２のＩＩＩ族窒化物結晶３０に主面３０ｍを形成する方法には、特に制限はなく、特に制限はなく、切断、切削、研磨など各種の方法が可能である。また、主面３０ｍの面方位は、特に制限はないが、ＩＩＩ族窒化物結晶は＜０００１＞方向への結晶成長が容易であるため、一般に｛０００１｝面３０ｃに平行とされる。また、第４のＩＩＩ族窒化物結晶５０の結晶成長方法は、特に制限はなく、本発明の液相法の他、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法を用いることができる。結晶成長速度が高い観点から、ＨＶＰＥ法が好ましい。

（実施例１）
図１（ａ）を参照して、まず、下地基板１０として直径２インチ（５．０８ｃｍ）×厚さ３５０μｍのウルツ鉱型ＧａＮ結晶基板を準備した。この下地基板（ＧａＮ結晶基板）１０は、主面１０ｍが（０００１）表面であり、その主面１０ｍの法線が［０００１］方向から［１−１００］方向に２°の傾き角θ１を有しており、その主面１０ｍは研磨加工により鏡面にされている。この下地基板の主面における転位密度をカソードルミネセンス法により暗点として検出し測定したところ、面内平均転位密度は５．０×１０⁶ｃｍ^-2であった。

図１（ｂ）を参照して、次に、液相法としてＮａフラックス法により下地基板１０の主面１０ｍ上に第１のＧａＮ結晶（第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０）を厚さ１００００μｍに成長させた。具体的には、図３を参照して、アルミナ坩堝３０中に下地基板１０をその主面１０ｍを上に向けて坩堝底面に置き、２００ｇの金属Ｇａと１５０ｇの金属Ｎａを入れて８００℃まで加熱し、下地基板１０に接触する金属Ｇａと金属Ｎａとを含む融液３２を形成した。この融液３２に圧力が５ＭＰａの窒素ガス（窒素含有ガス３４）を４００時間供給し、結晶成長速度２５μｍ／ｈで第１のＧａＮ結晶（第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０）を成長させた。このＧａＮ結晶の結晶成長後の成長表面の面方位は（０００１）であった。

次に、成長させたこのＧａＮ結晶を坩堝から取り出し、その表面を研磨加工し鏡面化した。この鏡面化されたＧａＮ結晶表面について、下地基板と同様にカソードルミネセンス法により面内平均転位密度を調べたところ、転位密度は８．０×１０⁴ｃｍ^-2であった。このＧａＮ結晶の転位伝播の様子を光散乱トモグラフ法により観察したところ、下地基板に近い成長初期において、転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し、結晶外周側面に到達していることが確認された。また、蛍光顕微鏡により結晶内部を観察したところ、液胞は認められなかった。

（実施例２）
その主面１０ｍの法線の［０００１］方向から［１−１００］方向への傾き角が４°であること以外は、実施例１と同様にして第１のＧａＮ結晶を成長させ、その表面を鏡面化した。このＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、６．５×１０⁴ｃｍ^-2であり、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認され、結晶内部に液胞は認められなかった。

（実施例３）
その主面１０ｍの法線の［０００１］方向から［１−１００］方向への傾き角が８°であること以外は、実施例１と同様にして第１のＧａＮ結晶を成長させ、その表面を鏡面化した。このＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、５．２×１０⁴ｃｍ^-2であり、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認された。なお、結晶内部には、実用上支障の無い範囲であると推測されるが、若干の液胞が認められた。

（比較例１）
下地基板の主面の法線が［０００１］方向（傾き角θ１が０°）であること以外は実施例１と同様にして第１のＧａＮ結晶を成長させ、その表面を鏡面化した。このＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、５．３×１０⁶ｃｍ^-2であり、転位は（０００１）面に対してほぼ垂直な方向に伝播していることを確認され、結晶内部に液胞は認められなかった。

（比較例２）
その主面１０ｍの法線の［０００１］方向から［１−１００］方向への傾き角が１１°であること以外は、実施例１と同様にして第１のＧａＮ結晶を成長させ、その表面を鏡面化した。このＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、５．１×１０⁴ｃｍ^-2であり、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認されたが、結晶内部に多数の液胞が認められた。

（実施例４）
実施例１で得られたＧａＮ結晶（第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０）の表面を研削および研磨することにより、主面２０ｍの法線が［０００１］方向から［１−１００］方向に２°の傾き角を有する主面２０ｍを形成した。この主面２０ｍ上に実施例１と同様のＮａフラックス法により第２のＧａＮ結晶（第２のＩＩＩ族窒化物結晶）を厚さ１００００μｍに成長させ、その表面を鏡面化した。この第２のＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、６．０×１０⁴ｃｍ^-2と第１のＧａＮ結晶の転位密度よりさらに僅かに低減し、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認され、結晶内部に液胞は認められなかった。

（実施例５）
図４および図５を参照して、実施例１で得られた第１のＧａＮ結晶（第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０）の表面を研削および研磨することにより、主面２０ｍの法線が［０００１］方向から［０１−１０］方向に２°の傾き角θ２を有する主面２０ｍを形成した。本実施例においては、下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板の傾き方向は［１−１００］方向であり、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向は［０１−１０］方向であり、これらの２方向のなす角度χは１２０°であった。この主面２０ｍ上に実施例１と同様のＮａフラックス法により第２のＧａＮ結晶（第２のＩＩＩ族窒化物結晶）を厚さ１００００μｍに成長させ、その表面を鏡面化した。この第２のＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、５．０×１０³ｃｍ^-2と第１のＧａＮ結晶の転位密度よりさらに著しく低減し、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認され、結晶内部に液胞は認められなかった。

（実施例６）
図４および図５を参照して、実施例１で得られた第１のＧａＮ結晶（第１のＩＩＩ族窒化物結晶２０）の表面を研削および研磨することにより、主面２０ｍの法線が［０００１］方向から［１１−２０］方向に２°の傾き角θ２を有する主面２０ｍを形成した。本実施例においては、下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板の傾き方向は［１−１００］方向であり、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向は［１１−２０］方向であり、これらの２方向のなす角度χは９０°であった。この主面２０ｍ上に実施例１と同様のＮａフラックス法により第２のＧａＮ結晶（第２のＩＩＩ族窒化物結晶）を厚さ１００００μｍに成長させ、その表面を鏡面化した。この第２のＧａＮ結晶について、表面における平均転位密度は、３．０×１０³ｃｍ^-2と第１のＧａＮ結晶の転位密度よりさらに著しく低減し、下地基板に近い成長初期において転位は（０００１）面に対して実質的に平行な方向に伝播し結晶外周側面に到達していることが確認され、結晶内部に液胞は認められなかった。

実施例１〜３および比較例１，２から、主面の法線が＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角をする下地基板の主面上に、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長させることにより、第１のＩＩＩ族窒化物結晶に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面に対して実質的に平行な方向に伝搬させて第１のＩＩＩ族窒化物結晶の外周部に排出させて、結晶成長後の結晶成長面における転位密度が低減した第１のＩＩＩ族窒化物結晶が得られることがわかった。

また、実施例１，４〜６から、主面の法線が＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角をする下地基板の主面上に、第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長させ、さらに主面の法線が＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角をする第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長させることにより、結晶成長後の結晶成長面における転位密度がさらに低減した第２のＩＩＩ族窒化物結晶が得られることがわかった。特に、下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板の傾き方向と第１のＩＩＩ族窒化物結晶の法線を上記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向のなす角度を５０°〜１３０°とすることにより、第２のＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度を著しく低減できることがわかった。

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。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は下地基板を示し、（ｂ）は下地基板の主面上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる様子を示す。 本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の一実施形態を示す概略部分拡大断面図である。ここで、（ａ）は図１（ａ）におけるＩＩＡ部分を拡大したものを示し、（ｂ）は図１（ｂ）におけるＩＩＢ部分を拡大したものを示す。 液相法でＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる一例を示す概略断面図である。 本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の他の実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は第１のＩＩＩ族窒化物結晶基板に主面を形成する工程を示し、（ｂ）は第１のＩＩＩ族窒化物結晶基板に主面上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程を示す。 本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法の他の実施形態を示す概略平面図である。ここで、（ａ）は下地基板の主面上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させた状態を示し、（ｂ）は第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させた状態を示す。 本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法のさらに他の実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は第１のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程を示し、（ｂ）は第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第３のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程を示す。 本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法のさらに他の実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は第２のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程を示し、（ｂ）は第２のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第４のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程を示す。

符号の説明

１０ 下地基板、１０ａ ＩＩＩ族窒化物結晶層、１０ｃ，１０ｍｃ，２０ｃ，２０ａｃ，２０ｂｃ，３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ ｛０００１｝面、１０ｃｖ，２０ｃｖ ＜０００１＞方向、１０ｈ，１０ｋ，２０ｈ，２０ｋ 方向、１０ｍ，２０ｍ，３０ｍ 主面、１０ｍｖ，２０ｍｖ 法線、１０ｓ，２０ａｓ，２０ｂｓ ステップ、１０ｔ，２０ａｔ，２０ｂｔ ステップ面、２０，３０，４０，５０ ＩＩＩ族窒化物結晶、２０ａ，２０ｂ，２０ｅ，２０ｓ，３０ｓ，４０ｓ，５０ｓ 結晶成長面、２０ｄ，３０ｄ 転位伝搬線、３０ 坩堝、３２ 融液、３４ 窒素含有ガス。

Claims (8)

1. 液相法により、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて、下地基板の主面上に第１のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法であって、
   前記下地基板は少なくとも前記主面側にＩＩＩ族窒化物結晶層を含み、
   前記下地基板の主面の法線は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶層の＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角を有し、
   前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面に対して実質的に平行な方向に伝搬させて前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の外周部に排出させることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
2. 前記下地基板の主面における転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であって、
   前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長後の成長面における転位密度が前記下地基板の主面における転位密度の１／１０以下である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
3. 請求項１の成長方法により得られた第１のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、液相法により、ＩＩＩ族金属元素とアルカリ金属元素とを含む融液を用いて、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第２のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含み、
   前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面の法線は、＜０００１＞方向に対して１°以上１０°以下の傾き角を有し、
   前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶の成長の際に、前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶に残留する転位の少なくとも一部を｛０００１｝面に対して実質的に平行な方向に伝搬させて前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶の外周部に排出させることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
4. 前記下地基板の主面の法線を｛０００１｝面に投影した基板傾き方向と前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の法線を前記｛０００１｝面に投影した結晶傾き方向とのなす角度が、５０°以上１３０°以下である請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
5. 前記下地基板の主面における転位密度が１×１０⁷ｃｍ^-2未満であって、
   前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長後の成長面における転位密度が前記下地基板の主面における転位密度の１／１００以下である請求項３または請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
6. 前記アルカリ金属元素は、ＮａおよびＬｉの少なくともいずれかである請求項１から請求項５までのいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
7. 請求項１または請求項２の成長方法により得られた前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、前記第１のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第３のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。
8. 請求項３から請求項５までのいずれかの成長方法により得られた前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程と、前記第２のＩＩＩ族窒化物結晶の主面上に第４のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程とを含むＩＩＩ族窒化物結晶の成長方法。

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