JP2013116849A - Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲に亘って均一な低転位密度の領域を有するIII族窒化物結晶を低コストで製造できるIII族窒化物結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】種結晶上に、気相成長法によってIII族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、前記種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみで前記III族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物半導体基板の製造方法に関するものである。

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III族窒化物半導体は、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、III族窒化物半導体は、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。

上記のようなデバイスの高性能化のためには、エピタキシャル層中の結晶欠陥を減らすことが重要である。近年、ＨＶＰＥ法による高品質なＧａＮ基板が開発され、次世代ＤＶＤ向けのレーザダイオード用途を中心に普及しつつある。

ＧａＮ基板の転位密度低減手法としては、ＦＩＥＬＯ（Facet Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）による方法が有名である（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、ＧａＮを傾斜したファセットを形成させながら成長すると、ファセットに出会った転位が屈曲するので、成長方向への転位の伝播を抑制できる。このＦＩＥＬＯの原理をより積極的に応用した転位低減技術が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法では、傾斜ファセット表面を維持し、凹凸のファセット表面で厚膜を成長することで転位を特定部位に掃き集め、その他の部分を局所的に低転位化する技術である。

A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai and A. A. Yamaguchi: Jpn. J. Appl. Phys., 36 (1997), L899 K. Motoki, T. Okahisa, N. Matsumoto, M. Matsushima, H. Kimura, H. Kasai, K. Takemoto, K.Uematsu, T. Hirano, M. Nakayama, S. Nakahata, M. Ueno, D. Hara, Y. Kumagai, A. Koukitu and H.Seki: Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001), L140

しかしながら、上記従来方法によるＧａＮ基板には、未だ改善の余地を大きく残している。製造コストの低減は、その中でも最も大きな課題のひとつである。ＧａＮ基板を１枚作るために毎回下地基板を準備する必要があり、高コストとなるからである。この問題を解決するために、ＧａＮの高速成長や多数枚成長、あるいはＧａＮの分厚いバルクインゴットを成長させ、そこから一気に多数枚のＧａＮ基板を切り出す方法（バルク法）などが検討されている。これらの中でも、バルク法は、現在出回っているＣ面以外の任意の結晶面をもつ基板を作製可能なこともあり、非常に期待されている。

しかし、ＧａＮのインゴットを成長することは決して容易なことではない。特に、クラックの問題は深刻である。ＧａＮ結晶を分厚く成長すると、成長中になぜか微細なクラックが発生しはじめ、非常に荒れた表面になってしまう。そのような荒れた表面上に成長したＧａＮは非常に欠陥密度が高く、実用にならない。このような傾向は、成長速度が大きいときほど顕著になる。１００μｍ／ｈ程度の比較的に遅い成長速度では、微細クラックの問題はあまり顕著ではなく、実際、厚さ５.８ｍｍ程度、直径２インチの無クラックＧａＮインゴットの作製が報告されている（久保ら、2nd International Symposium on Growth of III-Nitrides (2008)、 発表番号I-Tu-5、“Bulk GaN crystals grown by HVPE”）。しかし、それ以上の成長速度では大きな問題になる。インゴット成長であるから、非常に分厚く成長させるので、経済的な観点からなるべく高速で成長を行いたいのに、非常に厄介な問題である。

また、転位密度の低減も重要な課題である。今現在、市場に出回っているＧａＮ基板の転位密度は、１０⁶ｃｍ^-2程度である。窒化物デバイスのポテンシャルをさらに引き出すためには、転位密度をさらに低減する必要がある。転位密度は、ＧａＮを厚く成長するほど減少することが知られている。この転位低減は、厚膜成長の間に、符号の異なるバーガースベクトルをもつ転位同士が引き合い、徐々に接近し、合体消滅することによると考えられる。この機構による転位密度の低減速度は、転位密度の減少とともに著しく遅くなってしまう。これは、転位密度が減少してくると、転位同士の距離が大きくなることと、転位同士の引力相互作用が弱くなることとが原因と考えられる。
一方、別の転位密度の低減方法としては、上述した非特許文献１、２による方法がある。１０⁴〜１０⁵ｃｍ^-2程度の低転位密度の領域を有するＧａＮが得られるものの、低転位領域の幅は０.５ｍｍ程度と狭く、高転位密度領域の狭間にある。このため、デバイス作製は位置を精密に合わせて行う必要があり、また、作製できるデバイスのサイズも限られてしまうという問題がある。

本発明の目的は、広範囲に亘って均一な低転位密度の領域を有するIII族窒化物結晶を、低コストで製造できるIII族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、種結晶上に、気相成長法によってIII族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、前記種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみで前記III族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体結晶の製造方法を提供することにある。

上記態様において、前記種結晶として種結晶基板を用い、前記種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物半導体結晶の外周部に、前記種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長工程を有し、前記平坦面消失成長工程では、成長中の前記III族窒化物半導体結晶にクラックが発生しない低速結晶成長とすると共に、前記平坦面消失成長工程の後に、前記傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面上に、前記III族窒化物半導体結晶を成長する前記凸面成長工程を行うことが好ましい。

また上記態様において、前記種結晶として種結晶基板を用い、前記種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物半導体結晶の外周部に、前記種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長工程を有し、前記平坦面消失成長工程では、前記種結晶基板の成長面となる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導体結晶を成長すると共に、前記平坦面消失成長工程の後に、前記傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面上に、前記III族窒化物半導体結晶を成長する前記凸面成長工程を行うことが好ましい。

前記種結晶基板の成長面となる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導体結晶を成長することによって前記平坦面消失成長工程を行うことが好ましい。

前記凸面成長工程における前記III族窒化物半導体結晶の成長速度が、３００μｍ／ｈ以上であることが好ましい。

また、上記態様において、前記複数の面が全てＣ面以外の面であり、前記複数のＣ面以外の面は、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（但し、ｍは自然数）及び／または６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（但し、ｎは自然数）を含むことが好ましい。

前記凸面形状の成長面を有する前記III族窒化物半導体結晶を切断して得られた前記凸面形状の成長面部を含む頂部を、前記種結晶として用いて、前記凸面成長工程を行うことが好ましい。

本発明の一態様は、上記態様のIII族窒化物半導体結晶の製造方法によって得られた前記III族窒化物半導体結晶を、切断することによってIII族窒化物半導体基板を作製する工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、広範囲に亘って均一な低転位密度の領域を有するIII族窒化物結晶を低コストで製造できる。

本発明の一実施例に係るＧａＮ結晶の製造方法及びＧａＮ基板の製造方法の製造工程を示す工程図である。 本発明の一実施例に係るＧａＮ結晶の製造方法及びＧａＮ基板の製造方法の製造工程を示す工程図である。 比較例に係るＧａＮ結晶の製造方法の製造工程を示す工程図である。 比較例に係るＧａＮ結晶の製造方法及びＧａＮ基板の製造方法の製造工程を示す工程図である。

以下に、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物半導体基板の製造方法の概要を説明する。以下の説明では、ＧａＮをIII族窒化物半導体の代表例として説明する。

上述したように、ＧａＮのインゴットを高速で成長する際の問題は、クラックの発生である。本発明者は、そのようなクラックの生じたＧａＮインゴットを仔細に観察した結果、Ｃ面（（０００１）面）に非常に高密度のクラックが生じ、劣悪な表面状態になっている場合であっても、Ｃ面に隣接して自発的に生じるサイドファセット部分には全くクラックが生じていないことに気がついた。
すなわち、例えば円盤状のＣ面ＧａＮ基板を種結晶としてＧａＮのインゴット成長を行った場合、成長条件にもよるが、Ｃ面が厚くなっていくのに従って、Ｃ面に隣接して、傾斜したサイドファセットが発達してくる（その分、Ｃ面の面積は縮小する）。成長速度が大きい場合、Ｃ面にはクラックが生じやすいのだが、非常に高密度のクラックが発生した場合でも、実はサイドファセットは全く健全なままである場合が殆どである。このことから、本発明者は、ＧａＮのインゴット表面にＣ面が無い状態で結晶成長を行えば、高速成長を行っても無クラック化を容易に達成できるという発想を得た。Ｃ面基板の取得効率を考えれば、なるべくＣ面の縮小を抑制するように成長に工夫を凝らすのが常識だが、本発明はまさに逆転の発想である。

Ｃ面が無い状態での結晶成長を行う具体的な方法としては、まずは平板状のＣ面ＧａＮ基板を種結晶として厚く成長していく方法がある。サイドファセットが発達しやすい成長条件を選び、積極的にＣ面を縮小させる。ただし、種結晶基板の直径が大きい場合は、Ｃ面が消失するまでにはかなり厚く成長させる必要があるので、それまでの過程では、クラックが生じるのを避けるために、低速で結晶成長を行う必要がある。しかし、Ｃ面を消失させるためには、通常は種結晶基板の半径と同程度の厚さにまで成長させる必要があるので、低速成長では時間がかかってしまう。
これを避けるための方法としては、クラックの生じない厚さのうちにＣ面を消失させることが可能な程度の所定の直径の種結晶基板を用いることも有効である。あるいは、種結晶の側壁面が｛１０−１２｝面などの低指数面で囲まれるようにすることも有効である。具体的には、例えば、所定の結晶面を側壁面として備えた種結晶基板を用いるか、所定形状の開口を有するマスクを、所定の結晶方位をあわせて種結晶基板に重ねて、前記開口を通じて結晶成長を行うことによっても実現できる。

一旦Ｃ面が消失してしまえば、その後は高速でクラックのないインゴットを成長することができる。従って、効率よく低コストでＧａＮ結晶を製造できる。Ｃ軸方向への結晶成長はもちろんのこと、成長条件や種結晶基板を保持する基板ホルダを工夫することによって、直径方向（Ｃ軸方向に直交する方向）にインゴットを拡大させて成長することも可能である。成長終了後、インゴットをＣ面と平行にスライスするなどしてＧａＮ基板の製造を行うが、Ｃ面が消失し成長面全体が凸型形状のインゴット頂部を、そのまま次のインゴット成長の種結晶として用いることも有効である。

本発明は、低欠陥密度のＧａＮを得るのにも有効な技術である。すなわち、インゴットの成長面全体がインゴットの成長方向とは傾斜したファセットで覆われた状態で成長を行うことにより、転位が屈曲するので、転位密度が低減する。ファセットによる転位の屈曲効果を利用した代表的な転位低減方法については既に述べたが（非特許文献１、２）、それらの従来技術の難点は、ファセットの谷の部分が必ず存在するために、屈曲した転位が谷（凹部）の部分に集まってしまうことである。すなわち、転位密度が高い領域と低い領域とができ、転位密度のミクロな濃淡が出来てしまうということである。本発明では、成長面全体を凸型形状とするため、屈曲した転位は専ら結晶の側面に排出され、特定の場所に集合することがない。従って、低転位密度と転位密度の均一性とを高次元で両立することが可能になる。ミクロとマクロの境目に関しては、一般に明確な定義があるわけではないが、ここでは、ミクロという用語は、光学顕微鏡スケール以下のサイズ、例えば、１ｍｍ以下のサイズという意味で用いている。一方、マクロという用語は、ウェハ全面での分布を記述するような、１ｃｍ以上のスケールの意味で用いている。

上記の説明では、III族窒化物結晶としてＧａＮについて記載したが、本発明は、ＧａＮ以外にもＡｌＮやＡｌＧａＮ等の他のIII族窒化物半導体およびそれらの混晶にも適用可能である。また、上記の説明では、Ｃ軸方向の結晶成長について記載したが、本発明は、Ｃ軸方向に限らず、Ａ軸方向、Ｍ軸方向、その他方向への成長にも適用できる。

次に、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物基板の製造方法の一実施形態を説明する。

本実施形態に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみでIII族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法である。
III族窒化物半導体結晶の成長面全体を凸面形状にしながら成長する凸面成長とすることによって、クラックの発生がなく、しかも広範囲に亘って均一な低転位密度の領域を有するIII族窒化物結晶を製造できる。更に、高速成長を実現できるので、低コストでIII族窒化物半導体結晶を製造できる。

前記複数の面から構成される凸面形状の前記成長面内に、凹形状部分が存在しないようにして成長するのが好ましい。凸面形状の成長面で屈曲した転位が凹形状部分に集まって、高転位密度の領域が生じるのを避けるためである。

III族窒化物半導体結晶の成長方向をＣ軸方向とし、複数の面が全てＣ面以外の面とするのが好ましい。なお、III族窒化物半導体結晶の成長方向は、Ｃ軸に限らず、Ｍ軸やＡ軸等、任意に選ぶことができる。
前記複数のＣ面以外の面には、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（但し、ｍは自然数）が含まれるのが好ましい。特に、ｍ＝１，２，３のいずれかとするのがよい。すなわち、６つの等価な｛１０−１１｝面、６つの等価な｛１０−１２｝面、６つの等価な｛１０−１３｝面のいずれかが含まれるのがよい。
また、前記複数のＣ面以外の面には、６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（但し、ｎは自然数）を含まれるのが好ましい。特に、ｎ＝１，２，３のいずれかとするのがよい。
また、前記複数のＣ面以外の面は、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（但し、ｍは自然数）と、６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（但し、ｎは自然数）との合計１２面で構成されているのが好ましい。特に、ｍ＝１，２，３のいずれか、ｎ＝１，２，３のいずれかとするのがよい。

生産性の観点から、凸面成長工程で成長するIII族窒化物半導体結晶の直径（成長方向に垂直な方向の径）が、１０ｍｍ以上であること、また、凸面成長工程におけるIII族窒化物半導体結晶の成長速度が、３００μｍ／ｈ以上であることが好ましい。凸面成長とすることによって、クラックを発生させることなく、３００μｍ／ｈ以上の高速成長が可能となる。凸面成長工程で成長するIII族窒化物半導体結晶の直径は、２５ｍｍ以上、更には４０ｍｍ以上とするのがより好ましい。また、凸面成長工程におけるIII族窒化物半導体結晶の成長速度は、５００μｍ／ｈ以上、更には、１０００μｍ／ｈ以上とするのがより好ましい。

前記種結晶として種結晶基板を用いる場合、種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物半導体結晶の外周部に、種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、種結晶基板の中心側にある種結晶基板の主面に平行なIII族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長を行う。これにより、傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面が形成される。この凸面形状の成長面上に、III族窒化物半導体結晶の凸面成長を行えばよい。

前記種結晶基板には、側壁面が主面に対して傾斜した面を有する種結晶基板を用いるようにするのが好ましい。種結晶基板の主面がＣ面で、Ｃ軸方向にIII族窒化物半導体結晶を成長する場合には、主面に対して傾斜した面である前記側壁面としては、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（ｍは自然数、特にｍ＝１，２，３のいずれかとするのがよい）、あるいは、６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（ｎは自然数、特にｎ＝１，２，３のいずれかとするのがよい）が好ましい。

また、前記種結晶基板の成長面となる主面上に、多角形状の開口を有するマスクを、この開口の各辺が主面の所定の結晶方位に一致するようにして重ね、開口部分の主面上にIII族窒化物半導体結晶を成長することによって、平坦面消失成長を行うようにしてもよい。例えば、正六角形の開口を持つマスクを用い、正六角形の各辺が＜１１−２０＞と一致するようにすると、成長結晶の外周に｛１０−１ｍ｝面が成長し、あるいは、正六角形の各辺を＜１０−１０＞と一致するようにすると、成長結晶の外周に｛１１−２ｎ｝面が成長する。

平坦面消失成長工程では、成長中のIII族窒化物半導体結晶にクラックが発生しない低速結晶成長とし、凸面成長工程では、３００μｍ／ｈ以上の高速結晶成長とするのが好ましい。III族窒化物半導体の結晶成長、特に、３００μｍ／ｈ以上の高速結晶成長には、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法を用いるのが好ましい。

凸面形状の成長面を有するIII族窒化物半導体結晶を切断して得られた凸面形状の成長面部を含む頂部を、前記種結晶として用いて、凸面成長を行うのが好ましい。この場合、凸面形状の成長面部を含む頂部を再利用でき、しかも平坦面消失成長を省略できる。

III族窒化物半導体基板（ウェハ）は、上記III族窒化物半導体結晶の製造方法で製造したIII族窒化物半導体結晶（インゴット）を、切断することによって得られる。
III族窒化物半導体結晶のインゴットから一度に多数枚のIII族窒化物半導体ウェハが得られる。また、インゴットが得られるので、III族窒化物半導体結晶の成長方向に垂直な面（例えば、Ｃ面）以外の任意の結晶面をもつウェハを作製することが可能である。

次に、本発明の具体的な実施例を説明する。

（実施例１）
本発明に関わる実施例１のＧａＮ結晶の製造方法及びＧａＮ基板の製造方法を、図１を用いて説明する。図１は、製造工程を示す工程図であって、図１（ａ）,（ｃ）は平面図（上面図）であり、図１（ｂ）,（ｄ）,（ｅ）における上部は平面図（上面図）、下部は側面図である。

始めに、種結晶として、直径２インチ、厚さ４３０μｍの円盤状のＣ面ＧａＮ基板１１を準備した（図１（ａ））。このＧａＮ基板１１の転位密度をＣＬ（Cathodoluminescence；カソードルミネッセンス）法によって測定した。観察視野は１ｍｍ角とした。ＧａＮ基板１１の面内の平均の転位密度は５×１０^６ｃｍ^-2であり、観察したスケール内での良好な均一性を有し、面内分布も略均一であった。

このＧａＮ基板１１をＨＶＰＥ炉の基板ホルダにセットし、ＧａＮ基板１１のＧａ極性面に、III族窒化物半導体結晶としてＧａＮ結晶（ＧａＮインゴット）１２のホモエピタキシャル成長を行った。原料にはＧａＣｌとＮＨ_３を用いた。キャリアガスにはＨ₂とＮ₂との混合ガスを用いた。ＧａＣｌとＮＨ₃の分圧はそれぞれ０.３ｋＰａおよび１６ｋＰａとした。成長温度は１０５０℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、Ｃ軸方向の成長速度は約１５０μｍ／ｈであった。

成長初期のＧａＮインゴット１２の形状は、全体として概略円錐台状であって、ＧａＮインゴット１２の上面１２ａはＣ面であり、ＧａＮインゴット１２の側面はフラット面部１２ｂと円錐面部１２ｃとからなる傾斜面となっていた。フラット面部１２ｂは｛１０−１１｝面であり、円錐台状の傾斜した側面に沿って６０度おきに６箇所に現れた。すなわち、ＧａＮインゴット１２は、円錐台状の側面（円錐面）が、６箇所でフラット面（｛１０−１１｝面）で切り取られたような形状をしていた。なお、円錐面部１２ｃは、肉眼では円錐面に見えるが、顕微鏡で拡大して観察すると、｛１０−１１｝面と｛１１−２２｝面とが細かく交互に並んだギザギザ状の表面となっていた。
傾斜した側面では、成長の進行とともに、｛１０−１１｝面からなるフラット面部１２ｂが徐々に発達・拡大し、ＧａＮインゴット１２の最厚部が約５ｍｍに達したところで、円錐面部１２ｃが上面１２ａ外周に接しなくなり、フラット面部１２ｂのみが上面１２ａ外周に接し、Ｃ面からなる上面１２ａ形状が六角形になった。そのまま成長を継続し、インゴット１２の最厚部が約６ｍｍになった時点で成長を停止した（図１（ｂ））。

ＨＶＰＥ炉から試料を取り出したところ、六角形状のＣ面を主面（上面１２ａ）とするインゴット１２が形成されていた。クラックは発生していなかった。このインゴット１２の最表面（上面１２ａ）から約１ｍｍの位置で切断し、厚さ約１ｍｍの六角形状のＣ面ＧａＮ基板１３を切り出した（図１（ｃ））。ＧａＮ基板１３は、上面１３ａがＣ面であり、６つの側面１３ｂが｛１０−１１｝面である。

この六角形状のＧａＮ基板１３を再び種結晶としてＨＶＰＥ炉にセットし、ＧａＮ基板１３上にＧａＮインゴット１４のホモエピタキシャル成長を行った。ＧａＣｌとＮＨ₃の分圧はそれぞれ０.７ｋＰａおよび１６ｋＰａとした。また、成長温度は１０１０℃とした。このとき、Ｃ軸方向の成長速度は約３３０μｍ／ｈであった。この条件で成長を続けると、ＧａＮインゴット１４上面のＣ面に隣接して６つの｛１０−１３｝面の側面が発達し、Ｃ面は六角形状のまま徐々に小さくなって、六角錐台状の頂部（図示せず）ができた。また、この六角錐台状の頂部の下部に、｛１０−１３｝面の側面に隣接して垂直な６つの｛１０−１０｝面からなる六角柱状の直胴部１４ｂが出現した。ＧａＮインゴット１４の最厚部が約１９ｍｍに達した時点で完全にＣ面が消失し、六角錐状の頂部１４ａとなった。この六角錐状の頂部１４ａが、本発明の凸面成長工程における凸面形状の成長面となる。さらに成長を継続し、最厚部が２５ｍｍになった時点で成長を停止した（図１（ｄ））。

ＨＶＰＥ炉から試料を取り出したところ、インゴット１４は、｛１０−１３｝面からなる六角錐状の頂部１４ａと、この頂部１４ａの下部に｛１０−１０｝面からなる六角柱状の直胴部１４ｂとから構成されていた。クラックは発生していなかった。このインゴット１４の直胴部１４ｂをＣ面と平行にスライスし、複数枚のＧａＮウェハブランクを切り出した。これらのＧａＮウェハブランクの両面を研磨して、厚さ４３０μｍ、直径（正六角形の外接円の直径である対角長）が約４６ｍｍの六角形状のＣ面ＧａＮ基板１５を得た（図１（ｅ））。インゴット１４の頂部１４ａは加工せず、後述の実施例２における種結晶とした。

得られたＧａＮ基板１５のうち、直胴部１４ｂ上端付近から切り出されたものに関して、ＣＬ法により転位密度の分布を調べた。観察視野は１ｍｍ角とし、複数箇所を撮影した。その結果、ＧａＮ基板１５の中心から２０ｍｍ以内の部分では約１×１０⁶ｃｍ^-2と良好な値であった。また、それよりも外周の部分では約５×１０⁵ｃｍ^-2と、さらに良好な値を示していた。いずれの領域においても、観察したスケール内で良好な均一性を有していた。外周部分の転位密度が中心付近の転位密度よりも低いのは、外周部分は傾斜したファセット面（｛１０−１３｝面）で成長されたために、その部分では転位の屈曲が起こり、Ｃ軸方向への伝播が抑制されたためと考えられる。

（実施例２）
本発明に関わる実施例２を、図２を用いて説明する。図２は、ＧａＮ結晶及びＧａＮ基板の製造工程を示す工程図であって、図２（ａ）,（ｂ）,（ｃ）のそれぞれにおいて、上部は平面図（上面図）、下部は側面図である。

上記実施例１で残った｛１０−１３｝面の六角錐状の頂部を、実施例２の種結晶２１として用いた（図２（ａ））。この六角錐状の種結晶２１をＨＶＰＥ炉にセットし、種結晶２１上にＧａＮインゴット２２のホモエピタキシャル成長を行った。ＧａＣｌとＮＨ₃の分圧はそれぞれ２.５ｋＰａおよび４９ｋＰａとした。また、成長温度は１０１０℃とした。このとき、Ｃ軸方向の成長速度は約１２００μｍ／ｈであった。成長中、インゴット２２の｛１０−１３｝面からなる頂部２３は六角錐状の形状をそのまま維持し、頂部２３の下部には｛１０−１０｝面からなる六角柱状の直胴部２４が形成され、この直胴部２４の長さが増大した。直胴部２４の長さが１２ｍｍに到達したところで成長を停止し、成長したインゴット２２を成長炉から取り出した（図２（ｂ））。

取り出したインゴット２２の直胴部２４をＣ面と平行にスライスし、複数枚のウェハブランクを得た。これらのＧａＮウェハブランクの両面を研磨して、厚さ４３０μｍ、直径（対角長）約４６ｍｍの六角形状のＣ面ＧａＮ基板２５を得た（図２（ｃ））。

得られたＧａＮ基板２５のうち、直胴部２４の上端付近から切り出されたものに関して、ＣＬ法により転位密度の分布を調べた。観察視野は１ｍｍ角とし、複数箇所を撮影した。ＧａＮ基板２５の面内の平均転位密度は１×１０⁵ｃｍ^-2であり、観察したスケール内で良好な均一性を有し、面内分布も略均一であった。実施例１と比較して、実施例２で転位密度のマクロな均一性がさらに向上したのは、凸面成長で厚くインゴット２２を形成したために、傾斜ファセットによって低転位化した部分が直胴部２４の中心にまで拡大したためと考えられる。

（比較例１）
本発明に関わる比較例１を、図３を用いて説明する。図３は、ＧａＮ結晶の製造工程を示す工程図であって、図３（ａ）は平面図（上面図）、図３（ｂ）の上部は平面図（上面図）、下部は側面図である。

はじめに、実施例１と同じ、直径２インチ、厚さ４３０μｍの円盤状のＣ面ＧａＮ基板３１を準備した（図３（ａ））。このＧａＮ基板３１をＨＶＰＥ炉にセットし、ＧａＮ基板３１のＧａ極性面に、ＧａＮのホモエピタキシャル成長を行った。原料にはＧａＣｌとＮＨ３を用いた。ＧａＣｌとＮＨ₃の分圧は、実施例２と同じく、それぞれ２.５ｋＰａおよび４９ｋＰａとした。成長温度は１０１０℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、Ｃ軸方向の成長速度は約１２００μｍ／ｈであった。１０時間の成長の後、厚さ約１２ｍｍのインゴット３２が得られた（図３（ｂ））。

このインゴット３２の上面３２ａは平坦なＣ面であり、その周囲は基本的には円錐状になっていたが、この円錐状の側面の六箇所に｛１０−１１｝面で削ぎ落としたようなフラット面部３２ｂが形成されていた。円錐台状のインゴット３２の横断面形状は次第に六角形に近づきつつあった。円錐状の円錐面部３２ｃに隣接する部分を起点に無数の微細なクラックが発生していた。成長中に微細クラックが生じ、その上からさらにＧａＮが成長されたために、表面の凹凸が非常に激しかった。

（比較例２）
本発明に関わる比較例を、図４を用いて説明する。図４は、ＧａＮ結晶及びＧａＮ基板の各製造工程を示す断面図である。

はじめに、直径２インチのＣ面サファイア基板４１を準備した（図４（ａ））。このサファイア基板４１上に、ＭＯＶＰＥ（metal-organic vapor phase epitaxy；有機金属気相成長）法を用いて厚さ１μｍのＧａＮ薄膜４２を成長させ、ＧａＮテンプレートとした（図４（ｂ））。このＧａＮテンプレート上に、フォトリソグラフィを用いて、Ｐｔ（白金）のストライプマスク４３を形成した（図４（ｃ））。マスク４３の厚さは１００ｎｍ、幅は１μｍとした。マスク４３の間隔は５００μｍとし、ストライプの方向は＜１１−２０＞とした。

このマスク付テンプレートをＨＶＰＥ炉にセットし、ＧａＮの成長を行った。原料にはＧａＣｌとＮＨ₃を用いた。ＧａＣｌとＮＨ_３の分圧はそれぞれ２.５ｋＰａおよび４９ｋＰａとした。成長温度は１０８０℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、Ｃ軸方向の成長速度は約１０００μｍ／ｈであった。ＧａＮの成長はマスク開口部４４から始まり、まず｛１０−１１｝面の２面が交差する山形状の三角形断面のＧａＮ４５が形成された（図４（ｄ））。
成長を継続すると、隣同士のマスク開口部４４に生じた三角断面のＧａＮ４５がマスク４３上で互いに衝突し、マスク４３を覆ったマスク４３上部の衝突部には、ＧａＮインゴット４７の谷が形成され、全体として約５００μｍ周期の凹凸の洗濯板断面形状（三角波形状）の表面４６となった（図４（ｅ））。

その後、さらに成長を継続しても、表面４６は平坦化せず、元の三角波形状が維持されたままで厚膜化が進んだ。ＧａＮインゴット４７の最厚部が約１０ｍｍになった時点で成長を停止し、成長したＧａＮインゴット４７を炉から取り出した（図４（ｆ））。ＧａＮインゴット４７の方がサファイア基板４１よりも剛性が勝っていたためか、サファイア基板４１は、成長終了後の降温中に割れて自然に分離した。
取り出したインゴット４７の直胴部をＣ面と平行にスライスし、複数枚のウェハブランクを得た。これらのＧａＮウェハブランクの両面を研磨して、厚さ４３０μｍのＣ面ＧａＮ基板４８を得た（図４（ｇ））。

得られたＧａＮ基板４８のうち、インゴット４７の最も上部から切り出されたものに関して、ＣＬ法により転位密度の分布を調べた。観察視野は１ｍｍ角で、複数箇所を撮影した。転位の分布は、マクロスケールでは略均一であったが、ミクロスケールでは、約５００μｍ周期の転位密度の濃淡を示していた。すなわち、成長中に凸部（山部）であった部分は３×１０⁵ｃｍ^-2と良好な転位密度であったが、成長中に谷部であった部分では、谷底の部分に転位が集中し、１×１０⁸ｃｍ^-2以上の高転位密度領域が形成されていた。

上記実施例においては、ＨＶＰＥ法で成長したＧａＮインゴットについてのみ記したが、フラックス法やアモノサーマル法など他の成長方法でも有効なことは明らかである。また、ＧａＮ以外に、ＡｌＮ等の他のIII族窒化物半導体およびそれらの混晶に対しても適用可能である。上記実施例においては、インゴットの成長方向はＣ軸方向、スライスはＣ面と平行な方向についてのみ記したが、成長方向およびスライス面は、Ｍ軸やＭ面等、任意に選定することができる。

１１ Ｃ面ＧａＮ基板
１２ ＧａＮインゴット
１２ａ 上面
１２ｂ フラット面部
１２ｃ 円錐面部
１３ Ｃ面ＧａＮ基板
１４ ＧａＮインゴット
１４ａ 頂部
１４ｂ 直胴部
１５ Ｃ面ＧａＮ基板
２１ 種結晶
２２ ＧａＮインゴット
２３ 頂部
２４ 直胴部
２５ Ｃ面ＧａＮ基板

Claims (10)

1. 種結晶上に、気相成長法によってIII族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、
   前記種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみで前記III族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
2. 前記種結晶として種結晶基板を用い、前記種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物半導体結晶の外周部に、前記種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長工程を有し、
   前記平坦面消失成長工程では、成長中の前記III族窒化物半導体結晶にクラックが発生しない低速結晶成長とすると共に、
   前記平坦面消失成長工程の後に、前記傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面上に、前記III族窒化物半導体結晶を成長する前記凸面成長工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
3. 前記種結晶として種結晶基板を用い、前記種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物半導体結晶の外周部に、前記種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長工程を有し、
   前記平坦面消失成長工程では、前記種結晶基板の成長面となる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導体結晶を成長すると共に、
   前記平坦面消失成長工程の後に、前記傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面上に、前記III族窒化物半導体結晶を成長する前記凸面成長工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
4. 前記種結晶基板の成長面となる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導体結晶を成長することによって前記平坦面消失成長工程を行うことを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
5. 前記凸面成長工程における前記III族窒化物半導体結晶の成長速度が、３００μｍ／ｈ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
6. 前記複数の面が全てＣ面以外の面であり、
   前記複数のＣ面以外の面は、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（但し、ｍは自然数）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
7. 前記複数の面が全てＣ面以外の面であり、
   前記複数のＣ面以外の面は、６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（但し、ｎは自然数）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
8. 前記複数の面が全てＣ面以外の面であり、
   前記複数のＣ面以外の面は、６つの等価な｛１０−１ｍ｝面（但し、ｍは自然数）と、６つの等価な｛１−１２ｎ｝面（但し、ｎは自然数）との合計１２面で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
9. 前記凸面形状の成長面を有する前記III族窒化物半導体結晶を切断して得られた前記凸面形状の成長面部を含む頂部を、前記種結晶として用いて、前記凸面成長工程を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法によって得られた前記III族窒化物半導体結晶を、切断することによってIII族窒化物半導体基板を作製する工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。

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