JP2010168274A

JP2010168274A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法およびテンプレート基板

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Publication number: JP2010168274A
Application number: JP2009293464A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nakada; 尚幸中田; Koji Okuno; 浩司奥野; Yasuhisa Ushida; 泰久牛田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: JP5293592B2

Abstract

【課題】結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造すること。
【解決手段】ａ面サファイア基板１０の表面１０ａに、ＩＣＰエッチングで長手方向がサファイア基板１０のｍ軸方向に平行なストライプ状に凹部１１を形成する（図１（ａ））。次に、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、１０２０〜１０６０℃まで昇温する。続いて、凹部１１の側面１１ａにＧａＮ結晶１３をエピタキシャル成長させる（図１（ｂ））。成長が進むと、サファイア基板１０の表面１０ａはＧａＮ結晶１３に覆われていき、平坦なＧａＮ結晶１３が形成される（図１（ｃ））。このＧａＮ結晶１３の主面はｍ面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。

従来、III 族窒化物半導体からなる半導体素子を作製する場合、サファイア基板などの成長基板上にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向に積層させていた。しかし、III 族窒化物半導体のｃ軸方向には結晶構造の歪に起因してピエゾ電界が発生し、素子性能の低下の要因となっており、たとえば発光素子では内部量子効率の低下が生じていた。

そこで近年、ピエゾ電界による素子性能の低下を回避するために、ａ面、ｍ面、ｒ面などの非極性面、半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を結晶成長させる技術が検討されている。また、ａ面、ｍ面、ｒ面などの非極性面、半極性面を主面とするＧａＮ基板、ＧａＮテンプレート基板を作製し、これを成長基板として用いることが検討されている。

その技術の１つとして、成長基板としてｍ面やａ面を主面とするＧａＮ基板を用いる方法が知られている。ｍ面、ａ面のＧａＮ基板は、成長基板上にｃ面を主面とするＧａＮ層を厚く成長させ、このＧａＮ層をｍ面やａ面に平行に切り出すことで作製している。

また、特許文献１には、主面をａ面またはｍ面とするサファイア基板を成長基板として用い、この成長基板に長手方向をｃ軸方向とするストライプ状の凹部を形成し、成長基板表面、凹部側面の一方の面、および凹部底面の一部にＳｉＯ₂からなるマスクを形成し、凹部側面の他方の面のみにバッファ層を形成し、バッファ層を設けた凹部側面からＧａＮを成長させることで、主面をａ面またはｍ面とするＧａＮ結晶を得られることが示されている。

特開２００６−３６５６１

しかし、従来の方法で得られるｍ面、ａ面のＧａＮ基板は、ＧａＮ層の厚さにより基板のサイズが決まるため、大きなサイズの基板を作製することができなかった。また、ＧａＮ層は、成長基板に近い側ほど結晶性が悪く、成長基板から遠い側ほど結晶性がよいため、このＧａＮ層を切り出して得られるｍ面、ａ面のＧａＮ基板には、その面内に結晶性のばらつきが生じていた。

また、特許文献１の方法では、マスクやバッファ層を選択的に形成することが難しく、結晶性のよいａ面またはｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を再現性よく成長させることが難しかった。

そこで本発明の目的は、ａ面、ｍ面、ｒ面などの非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を、再現性よく形成することができるIII 族窒化物半導体の製造方法を提供すること、および成長基板上に非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体が形成されたテンプレート基板を提供することである。

第１の発明は、成長基板の表面に、エッチングによって凹部を形成する凹部形成工程と、凹部形成工程の後、成長基板を水素とアンモニアを含む雰囲気中で、III 族窒化物半導体の成長温度まで昇温する昇温工程と、凹部側面に、成長温度でIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる結晶成長工程と、を有し、成長温度は、III 族窒化物半導体が主として凹部側面から成長基板の主面に平行な方向へ成長する値である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、ｎ型化、ｐ型化などのために不純物がドープされているもの、およびＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示し、ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが用いられる。

また、凹部側面とは、成長基板に凹部を形成することで露出した面のうち、成長基板の主面に平行でない面を意味する。

成長基板には、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、スピネル、などの六方晶系の材料を用いることができるが、入手の容易さ、III 族窒化物半導体との格子整合性などの点からサファイア基板を用いるのが望ましい。

凹部側面からIII 族窒化物半導体を主として成長基板の主面に平行な方向へ成長させるには、たとえば平面状の成長基板の主面に垂直な方向へIII 族窒化物半導体を成長させる際の成長温度よりも低い成長温度とすれば可能となる。III 族窒化物半導体を平面状の成長基板の主面に垂直な方向に、ｃ軸方向へ成長させる際の成長温度は、通常１１００℃より高い温度であるから、成長温度を１１００℃以下とすれば、凹部側面からIII 族窒化物半導体を基板の主面に平行の方向で、主としてｃ軸方向へ成長させることができる。また、成長温度は１０２０℃以上が望ましい。１０２０℃よりも低いとIII 族窒化物半導体の結晶性が悪化してしまうからである。したがって、成長温度を１０２０〜１０６０℃とすれば、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性がより良くなるので望ましい。さらに望ましいのは１０３０〜１０５０℃である。

成長基板表面に形成する凹部の平面パターンは、ストライプ状、格子状、六角形や三角形、円形などのドット状、など任意のパターンでよい。また、凹部の成長基板垂直方向の断面についても、所望のIII 族窒化物半導体の主面の面方位に応じて、矩形、台形、くさび形など任意の形状としてよい。

第２の発明は、第１の発明において、成長温度は、III 族窒化物半導体を、平面状の成長基板に一様に、成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明から第２の発明において、成長基板は、サファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。この場合、III 族窒化物半導体を成長させる凹部側面は、サファイアｃ面またはａ面との成す角がなるべく小さいことが望ましい。これは、成す角が小さいほどIII 族窒化物半導体がｃ軸方向へ成長しやすいからである。逆に言えば、サファイアｃ面またはａ面との成す角が大きい側面からは、III 族窒化物半導体が成長しづらいということである。最も望ましいのは、III 族窒化物半導体を成長させる凹部側面がｃ面またはａ面であることである。

第４の発明は、第３の発明において、凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、結晶成長工程は、サファイアのｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第５の発明は、第４の発明において、成長基板は、ａ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第６の発明は、第４の発明において、成長基板は、ｍ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第７の発明は、第４の発明から第６の発明において、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に凹部を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、成長温度は、１０２０〜１１００℃であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第９の発明は、第３の発明において、凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、結晶成長工程は、サファイアのａ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１０の発明は、第９の発明において、成長基板は、ｃ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１１の発明は、第９の発明または第１０の発明において、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に凹部を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１２の発明は、第１の発明から第１１の発明において、エッチングはドライエッチングであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１３の発明は、第１２の発明において、ドライエッチングはＩＣＰエッチングであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１４の発明は、表面に凹部が形成された、ａ面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ｍ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第１５の発明は、表面に凹部が形成された、ｍ面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第１６の発明は、第１４の発明または第１５の発明において、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に凹部が形成されていることを特徴とするテンプレート基板である。

第１７の発明は、表面に凹部が形成された、ｃ面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第１８の発明は、第１７の発明において、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に凹部が形成されていることを特徴とするテンプレート基板である。

第１の発明によると、成長基板に形成した凹部の側面に、III 族窒化物半導体を成長基板の主面に平行な方向へエピタキシャル成長させることができ、非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を、高品質に形成することができる。また、成長基板を熱処理などによりエッチングダメージを回復させる工程を行わないので、製造工程が簡素であり、量産性に優れている。なお、形成されるIII 族窒化物半導体の主面の面方位は、成長基板の結晶構造、格子定数、成長基板主面の面方位、凹部側面の面方位などに依存する。たとえば、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、主面をａ面とし、凹部側面をｃ面とすれば、主面をｍ面とするIII 族窒化物半導体を得ることができ、主面をｍ面とし、凹部側面をｃ面とすれば、主面をａ面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。

また、第２の発明によると、成長基板の凹部側面からIII 族窒化物半導体を主として成長基板の主面に平行な方向へエピタキシャル成長させることができる。

また、第３の発明のように、成長基板にはサファイアを用いることができ、低コストで大面積の非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第４、９の発明のように、III 族窒化物半導体はサファイアｃ面またはａ面に結晶成長しやすいことから、凹部側面をｃ面またはａ面とすることで効率的に結晶性のよい非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第５の発明のように、ａ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。また、第６の発明のように、ｍ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第７の発明のように、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状の凹部とすれば、結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第８の発明のように、III 族窒化物半導体の成長温度は１０２０〜１１００℃とするのが望ましく、これにより凹部側面に成長するIII 族窒化物半導体の成長方向を、ｃ軸方向が支配的となるようにすることができ、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性をより良くすることができる。

また、第１０の発明のように、ｃ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ａ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第１１の発明のように、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状の凹部とすれば、結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第１２の発明のように、エッチングにはドライエッチングを用いることができ、特に第１３の発明のようにＩＣＰエッチングを採用することができる。

また、第１４の発明から第１８の発明によるテンプレート基板は、III 族窒化物半導体層の結晶性、平坦性が優れており、このテンプレート基板上にIII 族窒化物半導体を積層させて半導体素子を作製すれば、ピエゾ電界による影響のない半導体素子を得ることができる。

実施例１のＧａＮテンプレート基板の製造工程について示した図。ＧａＮ結晶１３表面のＸ線回折結果を示した図。昇温工程における水素流量とＸ線ロッキングカーブ半値幅との関係を示したグラフ。ＧａＮ結晶１３の表面を撮影した写真。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１は、ｍ面を主面とするＧａＮテンプレート基板の製造方法である。その製造工程について、図１を参照に説明する。

（凹部形成工程）
まず、ａ面を主面とするサファイア基板１０（本発明の成長基板に相当）の表面１０ａに、マスクを用いてＩＣＰエッチングすることで、長手方向がサファイア基板１０のｍ軸方向に平行なストライプ状に凹部１１を形成する（図１（ａ））。凹部１１のｃ軸に平行な面での断面は矩形であり、凹部１１の側面１１ａにはサファイアのｃ面が露出し、凹部１１の底面１１ｂには、サファイアのａ面が露出する。

なお、通常は、ＩＣＰエッチングによるサファイア基板１０のダメージを回復させるために、凹部１１を形成した後、サファイア基板１０を１０００℃以上に加熱する処理を行うが、実施例１では、このダメージ回復の熱処理は行わず、凹部１１の側面１１ａや凹部１１の底面１１ｂにＩＣＰエッチングによるダメージが残った状態とする。

（昇温工程）
次に、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、成長温度まで昇温する。

（結晶成長工程）
続いて、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）を導入し、凹部１１の側面１１ａにＧａＮ結晶１３をエピタキシャル成長させる。ＧａＮ結晶１３は、サファイア基板１０のｃ軸方向と、ＧａＮ結晶１３のｃ軸方向が一致するように成長する。このＧａＮ結晶１３のｃ軸方向の極性については、凹部１１の側面１１ａから凹部１１内側（中心側）へと向かう方向が−ｃ方向である。すなわち、側面１１ａから垂直に、ＧａＮは−ｃ軸方向に成長することになり、その成長面は、−ｃ面となる。

ここで、ＧａＮ結晶１３がサファイア基板１０の表面１０ａや凹部１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ凹部１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるように、ＧａＮ結晶１３の成長温度を調整する。たとえば、ＧａＮ結晶１３の成長温度を、通常ＧａＮを平坦な成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度とすればよい。通常ＧａＮを平坦な成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度は、１１００℃よりも高い温度である。よって、ＧａＮの成長温度を１１００℃以下とすることで、ＧａＮ結晶１３がサファイア基板１０の表面１０ａや凹部１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ凹部１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるようにすることができる。

このようにしてＧａＮ結晶１３を結晶成長させると、ＧａＮ結晶１３はｃ軸方向（−ｃ方向）、すなわちサファイア基板１０に対して水平に凹部１１の内側方向へ早く成長していき、サファイア基板１０に垂直な方向へも少しずつ成長していく（図１（ｂ））。そしてさらに成長が進むと、凹部１１はＧａＮによって埋められ、サファイア基板１０に水平な方向（−ｃ方向と＋ｃ方向の双方）への成長によってサファイア基板１０の表面１０ａも次第にＧａＮに覆われていき、最後にはサファイア基板１０上に平坦なＧａＮ結晶１３が形成される（図１（ｃ））。このＧａＮ結晶１３の主面は、ｍ面となる。これは、サファイア基板１０の凹部１１の側面１１ａがｃ面であるためであり、ＧａＮとサファイアとの格子定数の違いなどに起因するものである。

以上に示した実施例１のＧａＮテンプレート基板製造方法により、結晶性、表面平坦性の高い、ｍ面を主面とするＧａＮ結晶１３が得られる。これは、以下の理由によるものと考えられる。まず、ＩＣＰエッチングによるサファイア基板へのダメージは、ａ面を主面とするサファイア基板上にｃ面を主面とするＧａＮ結晶が成長するのを抑制しているものと考えられる。また、ＧａＮ結晶１３の成長温度を適切な値とすることで、サファイア基板１０の表面１０ａや、凹部１１の底面１１ｂからはＧａＮ結晶１３が成長せず、凹部１１の側面１１ａからのみＧａＮ結晶１３がエピタキシャル成長し、かつ、ＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向、つまりサファイア基板１０に水平な方向への成長が支配的な条件となったと考えられる。このとき、サファイアとＧａＮとの格子整合性などから、ＧａＮ結晶１３のサファイア基板１０に平行な面はｍ面となる。また、昇温工程においてサファイアが窒化してＡｌＮ膜が形成され、このＡｌＮ膜がバッファとして働くことで、凹部１１の側面１１ａからＧａＮがエピタキシャル成長しやすくなっている、とも考えられる。これらの理由により、ＧａＮ結晶１３はサファイア基板１０に平行なｃ面の結晶が混在せず、ｍ面を主とした結晶となり、また、サファイア基板１０に水平な方向への成長が支配的であるため、すみやかにサファイア基板１０の表面１０ａを覆うことができ、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａは平坦となる。

ＧａＮ結晶１３の結晶性、表面１３ａの平坦性について、各種の依存性を以下の実験により考察した。

図２は、ａ面を主面とするサファイア基板１０として直径３インチのものを使用し、サファイア基板１０の凹部１１の幅を１．５μｍ、深さを０．７μｍ、凹部１１の間隔を１．５μｍとし、ＧａＮ結晶１３の成長温度を１０４０℃としたときの、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａのＸ線回折結果である。また、比較のためサファイア基板１０に凹部を形成しなかった場合についても示している。昇温工程における水素の流量は、平坦なサファイア基板に一様に垂直方向に成長する際と同じ量（以下、標準量）、その３倍、４倍と変えて測定した。図２のように、サファイア基板１０に凹部１１を形成しなかった場合は、（０００２）面および（０００４）面（いずれもｃ面）に起因するピークが見られるが、ｍ面に起因するピークは見られず、ｍ面を主面とするＧａＮ結晶が得られていないことがわかる。一方、実施例１の方法でＧａＮ結晶１３を形成した場合は、いずれの水素流量の場合も（１０−１０）面および（２０−２０）面（ともにｍ面）に起因するピークが見られ、ｃ面やａ面に起因するピークは見られなかった。したがって、実施例１の方法で形成したＧａＮ結晶１３は、主面をｍ面とする結晶であり、結晶性が高いことがわかる。

図３は、ＧａＮ結晶１３のｃ面、ｍ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、昇温工程における水素の流量との関係について調べた結果を示すグラフである。サファイア基板１０、凹部１１のサイズ、ＧａＮ結晶１３の成長温度は図２の場合と同様である。昇温工程における水素の流量についても、図２の場合と同様に変化させた。ｍ面については、試料をａ軸周りとｃ軸周りの２通りに回転させて、ｍ面のｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、ｍ面のａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅を測定した。図３において四角形のプロットはｃ面、三角形のプロットはｍ面ｃ軸方向、丸のプロットはｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅である。

図３のように、ｍ面ｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、水素流量を標準量とした場合ではおよそ１０００秒、標準量の３倍や４倍ではおよそ１５００秒であった。よって、ｍ面ｃ軸方向の配向性については水素流量を標準量とした場合が優れていることがわかった。また、ｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、いずれの場合でもおよそ５００秒であり、ｍ面ａ軸方向の配向性は水素流量によらず高いことがわかった。また、ｃ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、水素流量を標準量とした場合でおよそ１５００秒、標準量の３倍、４倍とした場合でおよそ２５００秒であった。よって、ｃ面の配向性については水素流量を標準量とした場合が高いことがわかった。

この図２、３の結果から、ＧａＮ結晶１３の結晶性が最も優れているのは、水素流量を標準量とした場合であり、この時の水素とアンモニアの混合雰囲気中における水素の割合は、おおよそ５０％である。

図４は、水素流量を標準量、その３倍、４倍と変化させたときの、ＧａＮ結晶１３表面について撮影した写真である。比較のためサファイア基板１０に凹部１１を形成しなかった場合のＧａＮ結晶１３表面についても示している。サファイア基板１０、凹部１１のサイズ、ＧａＮ結晶１３の成長温度は図２、３の場合と同様である。水素流量を標準量の３倍、４倍とした場合に比べて、水素流量を標準量とした場合の方が平坦性が高いことがわかった。一方、サファイア基板１０に凹部１１を形成しなかった場合では、小さな六角形状の凹凸が多数みられ、平坦性は低い。

また、ＧａＮ結晶１３の成長温度を変化させて、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａを観察したところ、１０２０〜１０６０℃で平坦性が高く、特に１０３０〜１０５０℃ではさらに高かった。最も平坦性に優れていたのは、１０４０℃の時であった。

なお、実施例では、成長基板としてサファイア基板を用いているが、サファイア以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、スピネル、などの六方晶系の材料を用いることができる。また、各実施例では、成長基板の凹部形成にＩＣＰエッチングを用いているが、他のドライエッチング法を用いてもよい。

また、実施例はＧａＮテンプレート基板の製造方法であるが、本発明はＧａＮに限らず、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどIII 族窒化物半導体について適用することができる。また、面方位についても、実施例のようにｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体に限らず、成長基板の主面の面方位、成長基板に形成した凹部側面の面方位、成長基板の格子定数を考慮することで、任意の非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができる。たとえば、ｍ面を主面とするサファイア基板を用い、凹部側面をｃ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。また、ｃ面を主面とするサファイア基板を用い、凹部側面をａ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。

また、実施例では凹部の平面パターンをストライプ状に形成したが、格子状、ドット状など任意のパターンを採用することができる。ただし、III 族窒化物半導体は特にｃ軸方向に極性があり、凹部側面の方位が異なると、極性方向の異なるＧａＮ結晶が成長し、極性方向が混在した結晶となる。したがって、凹部側面の面方位が多数異なるようなパターンは、極性方向が多数混在したIII 族窒化物半導体結晶となって望ましくない。この点で、ストライプ状とすれば、側面は２面であり、得られるIII 族窒化物半導体の極性方向は２方向で少ないため、他のパターンに比べて有利である。また、ストライプ状とすれば、凹部側面を広くとることができるので、III 族窒化物半導体の結晶性や平坦性が他のパターンよりも高くなる点でも有利である。

極性方向が異なる結晶となることを回避するために、凹部側面のうち、いくつかの面にマスク等を形成してIII 族窒化物半導体結晶を成長させないようにしてもよい。たとえば、ストライプ状に形成された凹部の２つの側面のうち、一方の側面にマスクを形成して、他方の側面からのみIII 族窒化物半導体を成長させれば、得られるIII 族窒化物半導体の極性方向は一方向のみであり、良質なIII 族窒化物半導体が得られる。

また、凹部側面を傾斜させるなどして結晶成長しづらい面方位とすることで、極性方向の混在を回避してもよい。たとえば、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、凹部側面がサファイアｃ面またはａ面と成す角が小さいほど成長しやすく、凹部側面をｃ面またはａ面とするのが最も成長しやすい。そこで、たとえばIII 族窒化物半導体を結晶成長させる凹部側面をｃ面とし、それ以外の結晶成長させたくない凹部側面をｃ面に対して傾斜させることで、極性方向の混在を回避することが可能である。

本発明によると、ｍ面、ａ面、ｒ面などの非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体が得られるので、ピエゾ電界による影響が回避されたIII 族窒化物半導体素子を容易に作製することができる。

１０：サファイア基板
１１：凹部
１３：ＧａＮ結晶

Claims

成長基板の表面に、エッチングによって凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部形成工程の後、前記成長基板を水素とアンモニアを含む雰囲気中で、III 族窒化物半導体の成長温度まで昇温する昇温工程と、
前記凹部側面に、前記成長温度でIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる結晶成長工程と、
を有し、
前記成長温度は、前記III 族窒化物半導体が主として前記凹部側面から前記成長基板の主面に平行な方向へ成長する値である、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長温度は、III 族窒化物半導体を、平面状の成長基板に一様に、成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度である、
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
前記結晶成長工程は、サファイアのｃ面である前記凹部側面に前記III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長基板は、ａ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長基板は、ｍ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長温度は、１０２０〜１１００℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、
前記結晶成長工程は、サファイアのａ面である前記凹部側面に前記III 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記成長基板は、ｃ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項９に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記エッチングは、ドライエッチングであることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
前記ドライエッチングは、ＩＣＰエッチングであることを特徴とする請求項１２に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
表面に凹部が形成された、ａ面を主面とするサファイア基板と、
前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
を備え、
前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
前記III 族窒化物半導体層の主面は、ｍ面である、
ことを特徴とするテンプレート基板。
表面に凹部が形成された、ｍ面を主面とするサファイア基板と、
前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
を備え、
前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
前記III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、
ことを特徴とするテンプレート基板。
長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載のテンプレート基板。
表面に凹部が形成された、ｃ面を主面とするサファイア基板と、
前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
を備え、
前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、
前記III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、
ことを特徴とするテンプレート基板。
長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のテンプレート基板。