JP2013193915A - Ｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 転位が少なく、ウエハ全体にわたって結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を製造することのできるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を提供することである。
【解決手段】 成長基板であるＧａＮ基板Ｇ１０の上に、マスク層１４０を形成する。次に、フォトリソグラフィーにより、マスク層１４０からＧａＮ基板Ｇ１０までに達する凹部Ｘ１１を複数形成して、種結晶Ｔ１０とする。種結晶Ｔ１０を単結晶の原材料とともに、坩堝内に入れて、昇圧および昇温する。凹部Ｘ１１で露出しているＧａＮ基板Ｇ１０は、フラックスによりメルトバックを起こす。ＧａＮ基板Ｇ１０の溶解により、凹部Ｘ１１は広がり、凹部Ｘ１２となる。ＧａＮ層１５０は、マスク層１４０の表面１４４を基点として、成長する。転位は、凹部Ｘ１２の斜面から延びて互いに合流する。
【選択図】図７

Description

本発明は、III 族窒化物半導体単結晶の製造方法に関する。さらに詳細には、フラックス法を使用したIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法に関するものである。

半導体結晶を作成する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、そして、液相エピタキシー法などがある。液相エピタキシー法には、Ｎａフラックスを使用するフラックス法がある。

フラックス法では、ＧａＮ単結晶が成長する前に、フラックスの温度上昇中に種結晶となる下地層（ＧａＮやＡｌＮ）の一部もしくは全部が消失する場合がある。この現象をメルトバックという。例えば、特許文献１には、フラックスの温度を、成長させる単結晶の成長温度よりも低い温度に保持することで、単結晶をやや成長させる技術が開示されている（特許文献１の段落［００１０］）。これにより、下地層の消失を抑制することとしている。

特開２００６−１３１４５４号公報

ところで、フラックス法により、下地層の上にＧａＮ単結晶を成長させる場合には、ＧａＮ単結晶の結晶性は、下地層の結晶性を引き継いだものとなる。つまり、成長させる単結晶の転位密度は、下地層の転位密度も引き継ぐこととなる。特許文献１の場合にも同様の問題が生じる。この場合の転位密度はおよそ１×１０⁶ ／ｃｍ² 程度である。

このようなＧａＮ単結晶の転位密度は小さいほどよい。例えば、転位密度が１×１０⁵ ／ｃｍ² 以下であるとよい。このように、転位密度の値がより小さいＧａＮ単結晶を得るためには、ＧａＮ単結晶の育成中に転位密度を大幅に低減させる必要がある。

一方、フラックス法を用いてＧａＮ単結晶を成長させる場合には、下地層はメルトバックを受ける。メルトバックを受けた下地層は、平坦ではなく、凹凸が形成されることが多い。そして、この後の半導体単結晶の成長により、転位の一部は曲げられ、凹凸形状から延びる転位は減少する。このメルトバックにより、転位の一部は減少するものの、それでは十分ではない。このメルトバックは不均一に起こるため、ウエハ全体を低転位にすることは困難である。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、転位が少なく、ウエハ全体にわたって結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を製造することのできるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を提供することである。

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法は、フラックスを使用してIII 族窒化物半導体単結晶を成長させるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法である。そして、下地層の上にＡｌ_X Ｉｎ_Y Ｇａ_(1-X-Y) Ｎ（０＜Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）から成るマスク層を形成するマスク層形成工程と、マスク層の厚みの全部および下地層の厚みの一部を除去することにより下地層の露出している凹部を複数箇所に形成する凹部形成工程と、フラックスにより、凹部に露出している下地層をメルトバックさせるとともに、凹部を覆うようにIII 族窒化物半導体単結晶を成長させる半導体単結晶形成工程と、を有する。

このIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、坩堝内の温度を上昇させるに伴って、形成した凹部から下地層がフラックス中に溶解する。ここで、マスク層をＡｌを含むIII 族窒化物半導体で形成すると、そのマスク層はフラックス中にほとんど溶解せず、そのマスク層の下層に位置する下地層（ＧａＮ層）も、ほとんど溶解しないで残るということが初めて見出された。つまり、凹部（開口部）のみが選択的にメルトバックを受けることとなる。そのため、凹部は深くなり、種結晶の表面の凹凸が増大する。そして、マスク層の表面および凹部の種結晶を基点として、III 族窒化物半導体単結晶が形成される。この単結晶を成長させる際に、凹部から斜め方向に延びる転位は、互いに合流する。これにより、転位密度の小さいIII 族窒化物半導体単結晶を製造することができる。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、マスク層形成工程では、マスク層としてＡｌＧａＮ層を形成する。ＡｌＧａＮ層は、フラックスにほとんど溶解しないばかりでなく、高品質な単結晶を成長させることができるからである。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、マスク層形成工程では、マスク層におけるＡｌ組成比Ｘを０．０２以上１．００以下の範囲内とする。この範囲内ときに、マスク層がフラックスに溶解しにくい。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、マスク層形成工程では、マスク層におけるＡｌ組成比Ｘを０．０３以上０．５０以下の範囲内とする。この範囲内ときに、その上に成長させる単結晶を高品質に形成することができる。

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、半導体単結晶形成工程では、メルトバックにより、下地層の（１，０，−１，１）面を露出させた後に、III 族窒化物半導体単結晶を成長させる。転位の合流が生じやすいからである。

第６の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、半導体単結晶形成工程では、メルトバックにより、下地層のｃ面を露出させた後に、III 族窒化物半導体単結晶を成長させる。

第７の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、マスク層の厚みを、２ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内とする。この範囲内ときに、マスク層がフラックスにさらに溶解しにくく、単結晶を高品質に成長させることができる。

第８の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、フラックスとして、炭素（Ｃ）の濃度が０ｍｏｌ／ｌ以上２ｍｏｌ／ｌ以下の範囲内のものを用いる。この範囲内ときに、フラックス中の炭素の溶解度が増加するため、下地層の溶解を促進する。

第９の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、凹部形成工程では、開口幅が１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内の凹部を形成する。このときに、適度な大きさの凹凸形状が下地層に形成され、転位の減少の度合いが大きい。

第１０の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、複数の凹部は、マスク層の表面上に格子状に配置されている。そのため、メルトバックにより、格子状に配置された凹部から六角錘形状の凹面が形成される。

第１１の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、複数の凹部は、ストライプ状に配置されている。ａ軸方向の成長速度が速いため、より多くの転位を曲げることができる。

第１２の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、マスク層形成工程の前に、下地層として、ＧａＮ層を形成する下地層形成工程を有する。メルトバックにより、下地層を溶解させることができる。

第１３の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、下地層が、ＧａＮ基板である。この場合には、メルトバックにより、ＧａＮ基板が溶解する。そして、凹部がＧａＮ基板にまで侵食する。

第１４の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、下地層が、サファイア基板上に形成されたＧａＮ層である。この場合には、サファイア基板に形成されたＧａＮ層が溶解する。

本発明によれば、転位が少なく、ウエハ全体にわたって結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を製造することのできるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法が提供されている。

第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その１）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その２）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その３）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その４）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その５）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その６）である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法により製造されたIII 族窒化物半導体単結晶における転位を示す概念図である。 従来のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法により製造されたIII 族窒化物半導体単結晶における転位を示す概念図である。 第２の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その１）である。 第２の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その２）である。 第２の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図（その３）である。 第３の実施形態に係るIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を説明するための図である。

以下、具体的な実施形態について、図を参照しつつ説明する。しかし、これらは例示であり、これらの実施形態に限定されるものではない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。

以下の実施形態では、メルトバックをほとんど起こさないマスク層と、主にメルトバックを起こす凹部を形成する。そして、凹部から延びる転位を互いに合流させる。この転位の合流を意図的に起こすことにより、転位密度の低い半導体単結晶を製造する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施の形態では、フラックス法を用いて、ＧａＮ基板の上にIII 族窒化物半導体単結晶を製造する方法である。

１．III 族窒化物半導体単結晶の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ｃ）マスク層形成工程
（Ｄ）凹部形成工程
（Ｅ）半導体単結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。

１−１．（Ｃ）マスク層形成工程
まず、ＧａＮ基板Ｇ１０を用意する。ＧａＮ基板Ｇ１０は、ＧａＮ自立基板である。その転位密度は、５×１０⁶ ／ｃｍ² 程度である。また、ＧａＮ基板Ｇ１０は、マスク層を形成するための下地層でもある。そして、ＧａＮ基板Ｇ１０の上に、マスク層１４０を形成する。このマスク層１４０は、この後の半導体単結晶形成工程で供給されるフラックスにより、メルトバックをほとんど受けないか、または、下地層に比べ大幅にエッチング速度が遅い層である。これにより、図１に示すような積層体Ｂ１１が得られる。

ここで、マスク層１４０の組成は、Ａｌ_X Ｉｎ_Y Ｇａ_(1-X-Y) Ｎ（０＜Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）である。そして、マスク層１４０は、ＡｌＧａＮ層であるとよい。マスク層１４０におけるＡｌ組成比Ｘは、０．０２以上１．０以下であるとよい。特に、マスク層１４０におけるＡｌ組成比Ｘは、表１に示すように、０．０３以上０．５０以下の範囲内であればなおよい。Ａｌの組成比Ｘが０．０３未満であると、フラックスによるメルトバックの効果が大きい。Ａｌの組成比Ｘが０．５０より大きいと、後述する半導体単結晶形成工程で成長させるＧａＮ結晶の結晶品質が悪いものとなる。

そして、表１に示すように、マスク層１４０の厚みは、２ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内であればよい。マスク層１４０の厚みが２ｎｍ未満であると、後述するメルトバックの効果が十分ではない。一方、マスク層１４０の厚みが２μｍを超えると、後述する半導体単結晶形成工程で成長させるＧａＮ結晶の結晶品質が悪いものとなる。

［表１］
マスク層のＡｌ組成比 ０．０３以上 ０．５０以下
マスク層の厚み ２ｎｍ以上 ２μｍ以下

１−２．（Ｄ）凹部形成工程
１−２−１．凹部を形成する手順
次に、積層体Ｂ１１に複数の凹部を形成する。図２に示すように、マスク層１４０の厚みの全部およびＧａＮ基板Ｇ１０の厚みの一部を除去するとともに、ＧａＮ基板Ｇ１０の露出している凹部Ｘ１１を、複数箇所に形成するのである。これにより、図２に示すように、複数の凹部Ｘ１１を形成された種結晶Ｔ１０を製造する。この凹部Ｘ１１の形成には、例えば、フォトリソグラフィーを用いればよい。まず、レジストのパターニングを行う。次に、ドライエッチングにより、マスク層１４０の厚みの全部およびＧａＮ基板Ｇ１０の厚みの一部を除去することにより、複数の凹部Ｘ１１を形成する。このとき、凹部Ｘ１１を形成後のマスク層１４０は、下地層を覆うマスク部である。そして、レジストマスクを除去する。これにより、図２に示す種結晶Ｔ１０が得られる。その後、複数の凹部Ｘ１１の形成された種結晶Ｔ１０を洗浄する。

１−２−２．凹部を形成された種結晶
図２に示すように、凹部Ｘ１１は、マスク層１４０面上に格子状に等間隔で配置されている。ただし、必ずしも等間隔である必要は無い。図２では、種結晶Ｔ１０をマスク層１４０の側から見た場合に、凹部Ｘ１１の形状は正方形である。しかし、この凹部Ｘ１１の平面形状は正方形に限らない。六角形等の多角形であってもよい。また、円形であってもよい。また、中心点に対称な形状に限らず、非対称な形状であってもよい。

図３は、図２のＡＡ断面を示す断面図である。凹部Ｘ１１は、マスク層１４０を貫通するとともに、ＧａＮ基板Ｇ１０の厚みの一部を抉る非貫通孔である。マスク層１４０の厚みは、２ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内であるが、凹部Ｘ１１の深さＤ１は、マスク層１４０の厚みより大きい。凹部Ｘ１１の深さＤ１は、１μｍ以上５μｍ以下の範囲内である。ただし、凹部Ｘ１１の形成により、ＧａＮ層であるＧａＮ基板Ｇ１０の一部が凹部Ｘ１１の底面に露出している必要がある。

そして、凹部Ｘ１１の開口部の幅（開口幅）Ｗ１は、１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内である。１μｍより小さい場合および１０００μｍより大きい場合には、転位を低減する効果が小さい。

そして、凹部Ｘ１１と、その隣り合う凹部Ｘ１１との間の間隔Ｗ２は、２μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内である。間隔Ｗ２は、２μｍ以上５００μｍ以下の範囲内であると、より好ましい。間隔Ｗ２が２μｍ未満の場合には、サイドエッチングによりマスク層のメルトバックが起こる場合がある。その場合には、後述する半導体単結晶形成工程で成長させる半導体層の横方向の成長の基点となるべき表面１４２の面積が不均一となり、結晶性の高い半導体結晶が得られないこととなる。

また、凹部Ｘ１１は、底面Ｇ１２と、側面Ｇ１１、１４１とを有している。底面Ｇ１２は、ＧａＮ基板Ｇ１０の一部である。側面Ｇ１１、１４１は、マスク層１４０の表面１４２にほぼ垂直である。側面Ｇ１１、１４１は、ＧａＮ基板Ｇ１０およびマスク層１４０にわたって形成されている。

１−３．（Ｅ）半導体単結晶形成工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法を用いて、種結晶Ｔ１０上に半導体単結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料を表２に示す。ここで、Ｇａ比は３０％以下であるとよい。また、炭素比を、０ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内で変えてもよい。つまり、フラックスは、炭素を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよいが、より望ましくは、０．０１ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内である。なお、表２の値は、あくまで例示であり、これ以外の値であってもよい。

この半導体単結晶は、もちろんIII 族窒化物半導体単結晶である。例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のいずれであってもよい。まず、種結晶Ｔ１０と、表２に示す原材料とを、露点および酸素濃度の管理されたグローブボックス内で計量する。なお、これらは例示であり、これとは異なる値を用いてもよい。次に、種結晶Ｔ１０および原材料を、アルミナ製の坩堝の内部に入れる。そして、その坩堝をＳＵＳ製の内容器の内部に入れる。そして、その内容器を圧力容器の内部のターンテーブル上に置く。そして、圧力容器を真空引きした後に昇圧および昇温する。

［表２］
Ｇａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｎａ ２０ｇ〜８０ｇ
Ｃ ０．１ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％（Ｎａに対して）

ここで、この半導体単結晶形成工程で用いた坩堝内の条件を表３に示す。温度は、８７０℃である。圧力は３ＭＰａである。攪拌条件は、２０ｒｐｍで攪拌を行う。その際に、攪拌部材の回転方向の反転を適宜行う。育成時間は１００時間である。

［表３］
温度 ８５０℃〜９００℃
圧力 ３ＭＰａ〜１０ＭＰａ
攪拌条件 ０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ
育成時間 ２０〜２００時間

この半導体単結晶形成工程では、メルトバックにより、凹部Ｘ１１の内側面として露出しているＧａＮ基板Ｇ１０が初期には溶解する。具体的には、底面Ｇ１２および側面Ｇ１１がフラックスに溶解する。一方、マスク層１４０は、フラックスに溶解しにくい。ただし、マスク層１４０の下地層であるＧａＮ基板Ｇ１０が溶けるため、マスク層１４０も横方向からゆっくり溶ける。これにより、凹部Ｘ１１は、大きくなる。具体的には、縦方向に深くなるとともに、横方向にわずかに広がる。そして、図４に示すように、凹部Ｘ１２が形成された種結晶Ｔ１１が製造される。ここで、ａ軸は、ＢＢ断面に垂直である。ｍ軸は、ＢＢ断面に平行である。

図５は、図４におけるＢＢ断面を示す断面図である。凹部Ｘ１２は、底面Ｇ１４と、斜面Ｇ１３および側面１４３と、を有している。底面Ｇ１４は、ＧａＮ基板Ｇ１０の露出しているｃ面である。斜面Ｇ１３は、表面１４４に近づくほど、開口している向きに傾いている。斜面Ｇ１３は、（１，０，−１，１）面、または（１，１，−２，２）面に近い面である。側面１４３は、マスク層１４０の側面である。

図６に示すように、メルトバックおよび加圧により、フラックスが飽和した後に、ＧａＮ層１５０が成長する。この成長は、斜面Ｇ１３および底面Ｇ１４が露出した後に起こる。具体的には、マスク層１４０の表面１４４および斜面Ｇ１３および底面Ｇ１４を基点として、ＧａＮ層１５０が成長する。ここで、マスク層１４０の表面１４４から、図６中の横方向および上方向にＧａＮ層１５０が成長する。また、凹部Ｘ１２の内部にも、ＧａＮが形成される。すなわち、凹部Ｘ１２を覆うように、ＧａＮ層１５０が形成されるのである。このように、フラックスにより、凹部Ｘ１１に露出しているＧａＮ基板Ｇ１０をメルトバックさせるとともに、凹部Ｘ１２を覆うようにＧａＮ層１５０を成長させる。なお、底面Ｇ１４の深さは、５μｍ以上とすることが望ましい。

２．製造されたIII 族窒化物半導体単結晶
２−１．ＧａＮ単結晶
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法により、図６に示すように、ＧａＮ単結晶Ｂ１２が得られる。ＧａＮ単結晶Ｂ１２は、ＧａＮ基板Ｇ１０と、マスク層１４０と、ＧａＮ層１５０とを有している。下地層であるＧａＮ基板Ｇ１０の断面は、凹面と凸面とが交互に繰り返す凹凸形状となっている。その凹凸の凹部には、ｃ面（底面Ｇ１４）が露出している。一方、凹凸の凸部にも、ｃ面（凸面Ｇ１５）が露出している。そして、凹部と凸部との間には、（１，０，−１，１）面（斜面Ｇ１３）、または（１，１，−２，２）面が露出している。マスク層１４０は、下地層であるＧａＮ基板Ｇ１０の凸面Ｇ１５の上に配置されている。なお、凸部Ｘ１３については、ＧａＮ基板Ｇ１０を研磨することとしてもよい。

２−２．単結晶の転位密度
図７に、ＧａＮ層１５０において、凹部Ｘ１２から延びる転位の形状を示す。図７に示すように、凹部Ｘ１２からの転位は、（１，０，−１，１）面および（１，１，−２，２）面から図７の横方向に延びる。凹部Ｘ１２は四角錘形状の凹面である。そのため、各転位は、図７に示すように、四角錘形状の中心に向って延びることとなる。そして、各転位は、互いに合流して結合する。そして、合流後の転位の一部は消滅し、残部は半導体層の上方に向って延びる。この転位の合流および結合を繰り返すことにより、転位は減少する。したがって、ＧａＮ層１５０の結晶性はよい。

具体的には、ＧａＮ層１５０の転位密度の値は、１×１０⁴ ／ｃｍ² 以下である。さらに、このＧａＮ層１５０では、転位密度が全面にわたって均一である。形成した複数の凹部Ｘ１１が、規則的に配置されているからである。このように、本実施形態で製造されたＧａＮ層１５０の結晶性は、十分に高い。下地層からの転位の伝播がないからである。また、後述する実施例で説明するように、膜厚が１ｍｍ程度のＧａＮ層１５０を製造することができる。このように、転位の合流を意図してメルトバックしやすい箇所とそうでない箇所を形成することにより、結晶性に優れるとともに、膜厚の厚いIII 族窒化物半導体単結晶を製造することができる。

２−３．従来のフラックス法により製造された単結晶
ここで、比較のために、従来のフラックス法により製造された単結晶の転位について説明する。図８に示すように、従来のフラックス法では、下地層に凹部もしくは凸部がまばらに形成されることとなる。この場合には本実施形態のように、転位が合流することがある。しかし、その転位の合流の度合いは不十分である。本実施形態のように、転位の合流を意図して製造されているわけではないからである。

３．メルトバックのコントロール
メルトバックは、フラックス中の窒素濃度が飽和するまで、継続する。したがって、メルトバックの程度については、表４に示す条件を変えてやることにより制御することができる。なお、これらの条件は、後述する他の実施形態でも同様である。

［表４］
温度
窒素濃度
窒素圧力
時間（昇温時間）
炭素濃度
フラックス組成比（Ｇａ／Ｎａ）

４．変形例
４−１．III 族窒化物半導体単結晶
本実施形態では、ＧａＮ層１５０を形成することとした。しかし、他のIII 族窒化物半導体単結晶を製造する際にも適用することができる。つまり、Ａｌ_X Ｉｎ_Y Ｇａ_(1-X-Y) Ｎ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を製造することができる。

５．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ１０として、凹部Ｘ１１が形成されているものを用いることとした。このように、主にメルトバックを受けるＧａＮ基板Ｇ１０と、ほとんどメルトバックを受けないマスク層１４０とを形成する。そのため、ＧａＮ基板Ｇ１０の凹部Ｘ１２から延びる転位が互いに合流する。これにより、形成されるＧａＮ層１５０には転位がほとんど引き継がれない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を形成することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。種結晶に形成される凹部の数は、図に示したものに比べて実際にはもっと多い。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、成長基板として、サファイア基板上に形成したＧａＮテンプレートを用いる。それ以外の点は、第１の実施形態と同じである。したがって、第１の実施形態と異なる点を説明する。

１．III 族窒化物半導体単結晶の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法は、次に示す工程を有する。
（Ａ）低温バッファ層形成工程
（Ｂ）下地層形成工程
（Ｃ）マスク層形成工程
（Ｄ）凹部形成工程
（Ｅ）半導体単結晶形成工程
したがって、以下、これらの工程について順に説明する。

１−１．（Ａ）低温バッファ層形成工程
まず、成長基板であるサファイア基板Ｓ３０に、低温バッファ層３２０を形成する（図９参照）。サファイア基板Ｓ３０は、ｃ面サファイアである。そして、サファイア基板Ｓ３０上に低温バッファ層３２０をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法等がある。これらのいずれを用いてもよい。低温バッファ層３２０は、ＧａＮから成る層である。または、ＡｌＮから成る層であってもよい。

１−２．（Ｂ）下地層形成工程
次に、低温バッファ層３２０の上に、ＧａＮ層３３０を形成する（図９参照）。このＧａＮ層３３０は、下地層である。ここで、ＧａＮ層３３０の厚みは、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であるとよい。なお、この下地層形成工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）と、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）と、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）と、液相エピタキシー法とのうち、いずれを用いてもよい。

１−３．（Ｃ）マスク層形成工程
そして、ＧａＮ層３３０の上に、マスク層３４０を形成する（図９参照）。ここで形成するマスク層３４０のＡｌ組成比および厚みは、表１に示したものと同じでよい。

１−４．（Ｄ）凹部形成工程
次に、フォトリソグラフィーにより、凹部Ｘ３１を形成する。これにより、図９に示すような種結晶Ｔ３０が製造される。凹部Ｘ３１は、第１の実施形態の凹部Ｘ１１と同様である（図３参照）。ここで、凹部Ｘ３１は、マスク層３４０を貫通するとともに、ＧａＮ層３３０の厚みの一部を抉る非貫通孔である。この凹部Ｘ３１の開口部の開口幅Ｗ７は、第１の実施形態の幅Ｗ１と同じである（図３参照）。凹部Ｘ３１の深さＤ４は、第１の実施形態の深さＤ１と同じである（図３参照）。凹部Ｘ３１と、それと隣り合う凹部Ｘ３１との間の間隔Ｗ８は、第１の実施形態の間隔Ｗ２と同じである（図３参照）。もちろん、これらは、異なる値を用いてもよい。

１−５．（Ｅ）半導体単結晶形成工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法により、種結晶Ｔ３０上に半導体単結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料は、表２に示したものでよい。また、フラックス法で用いる条件は、表３に示したものでよい。

メルトバックにより、ＧａＮ層３３０は露出箇所から溶解する。そのため、凹部Ｘ３１は、深くなるとともに、やや横方向にわずかに広がる。したがって、凹部Ｘ３１は広がり、図１０に示すように、凹部Ｘ３２が形成される。凹部Ｘ３２は、底面３３４と、斜面３３３、側面３４３とで囲まれている。ここで、斜面３３３は、（１，０，−１，１）面、または（１，１，−２，２）面に近い面である。

メルトバックおよび加圧により、フラックスが飽和した後に、マスク層３４０の表面３４４および斜面３３３および底面３３４を基点として、ＧａＮ層３５０が成長する。ここで、マスク層３４０の表面３４４から、図１１中の横方向および上方向にＧａＮ層３５０が成長する。また、凹部Ｘ３２の内部にも、ＧａＮが形成される。すなわち、凹部Ｘ３２を覆うように、ＧａＮ層３５０が形成されるのである。

２．製造されたIII 族窒化物半導体単結晶
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法により製造されたIII 族窒化物半導体単結晶では、図１１に示すように、凸部Ｘ３３が形成されている。凸部Ｘ３３は、底面３３４と、斜面３３３、側面３４３とに囲まれている。

本実施形態のＧａＮ層３５０における転位は、図７に示した第１の実施形態におけるＧａＮ層１５０と同様に減少している。このＧａＮ層３５０の転位密度の値は、１×１０⁵ ／ｃｍ² 以下である。

さらに、このＧａＮ層３５０では、転位密度が全面にわたって均一である。形成した複数の凹部Ｘ３１が、規則的に配置されているからである。このように、本実施形態で製造されたＧａＮ層３５０の結晶性は、十分に高い。下地層からの転位の伝播がないからである。また、後述する実施例で説明するように、膜厚が１ｍｍ程度のＧａＮ層３５０を製造することができる。このように、転位の合流を意図してメルトバックしやすい箇所とそうでない箇所を形成することにより、結晶性に優れるとともに、膜厚の厚いIII 族窒化物半導体単結晶を製造することができる。また、育成初期に大幅に転位が低減できるため、反りの少ないＧａＮ単結晶が得られる。

３．変形例
３−１．III 族窒化物半導体単結晶
本実施形態では、ＧａＮ層３５０を形成することとした。しかし、他のIII 族窒化物半導体単結晶を製造する際にも適用することができる。つまり、Ａｌ_X Ｉｎ_Y Ｇａ_(1-X-Y) Ｎ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を製造することができる。

４．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法では、フラックス法に用いる種結晶Ｔ３０として、凹部Ｘ３１が形成されているものを用いることとした。このように、主にメルトバックを受けるＧａＮ層３３０と、ほとんどメルトバックを受けないマスク層３４０とを形成する。そのため、ＧａＮ層３３０の凹部Ｘ３２から延びる転位が互いに合流する。これにより、形成されるＧａＮ層３５０には転位がほとんど引き継がれない。したがって、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を形成することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。種結晶に形成される凹部の数は、実際にはもっと多い。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、図１２に示すように、凹部Ｘ４１がストライプ状に配置されている。凹部Ｘ４１の側面４３０は、ＧａＮ層のａ面である。つまり、凹部Ｘ４１の内側面には、ＧａＮ層のａ面が露出している。この場合、ａ面のＧａＮの成長速度が速いため、容易に平坦化する。図１２において開口幅をＷ９で示す。間隔をＷ１０で示す。

このようにしても、転位同士が互いに合流して、形成されるIII 族窒化物半導体単結晶の転位は減少する。つまり、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体単結晶を形成することができる。

１．実施例１
実施例１について説明する。本実施例では、第１の実施形態のように、下地層として、直径２インチ（５０．８ｍｍ）のＧａＮ基板Ｇ１０を用いた。

１−１．マスク層形成工程
まず、ＧａＮ基板Ｇ１０の上にＡｌＧａＮ層を形成した。ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比は、０．１であった。ＡｌＧａＮ層の厚みを、１００ｎｍとした。

１−２．凹部形成工程
続いて、フォトリソグラフィーにより、凹部Ｘ１１を形成した。凹部Ｘ１１の深さＤ１を１μｍとした。凹部Ｘ１１の幅Ｗ１を５０μｍとした。隣り合う凹部Ｘ１１間の間隔Ｗ２を３０μｍとした。これにより、種結晶Ｔ１０を作成した。

１−３．半導体単結晶形成工程
次に、種結晶１０を原材料とともに、坩堝の内部に入れた。材料は、Ｇａを３０ｇ、Ｎａを３０ｇ、Ｃを８０ｍｇとした。このときのフラックスにおける炭素比は、０．５ｍｏｌ％である。そして、坩堝内部の温度を、８７０℃とした。坩堝内部の圧力を３ＭＰａとした。結晶を成長させるために、原材料を適宜反転しつつ、２０ｒｐｍで攪拌部材を攪拌することとした。そして、育成時間を１００時間とした。

その結果、膜厚１．５ｍｍのＧａＮ結晶が得られた。このＧａＮ単結晶の結晶性は、全面にわたってほぼ均一であった。得られた単結晶の転位密度は、１×１０⁴ ／ｃｍ² 以下であった。そして、クラック等の発生もなく、表面も、平坦であった。

２．実施例２
実施例２について説明する。本実施例では、第３の実施形態のように、サファイア基板Ｓ３０を用いた。このサファイア基板Ｓ３０として、直径２インチ（５０．８ｍｍ）のものを用いた。そして、種結晶Ｔ３０を作成するために、ＭＯＣＶＤ法を用いた。

ここで用いたキャリアガスは、水素（Ｈ₂ ）もしくは窒素（Ｎ₂ ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いた。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いた。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いた。

２−１．低温バッファ層形成工程
まず、低温バッファ層３２０として、ＧａＮから成る層を形成した。

２−２．下地層形成工程
次に、低温バッファ層３２０の上にＧａＮ層３３０を形成した。このＧａＮ層３３０の厚みは、１０μｍである。

２−３．マスク層形成工程
次に、ＧａＮ層３３０の上にＡｌＧａＮ層３４０を形成した。ＡｌＧａＮ層３４０におけるＡｌの組成比は、０．２であった。ＡｌＧａＮ層３４０の厚みは、５０ｎｍである。

２−４．凹部形成工程
続いて、フォトリソグラフィーにより、凹部Ｘ３１を形成した。凹部Ｘ３１の深さＤ４を１μｍとした。凹部Ｘ３１の開口幅Ｗ７を１００μｍとした。隣り合う凹部Ｘ３１間の間隔Ｗ８を３０μｍとした。これにより、種結晶Ｔ１０を作成した。

２−５．半導体単結晶形成工程
次に、種結晶３０を原材料とともに、坩堝の内部に入れた。材料は、Ｇａを３０ｇ、Ｎａを３０ｇ、Ｃを８０ｍｇとした。このときのフラックスにおける炭素比は、０．５ｍｏｌ％である。そして、坩堝内部の温度を、８７０℃とした。坩堝内部の圧力を３ＭＰａとした。結晶を成長させるために、原材料を適宜反転しつつ、２０ｒｐｍで攪拌部材を攪拌することとした。そして、育成時間を１００時間とした。

その結果、膜厚１．５ｍｍのＧａＮ単結晶が得られた。このＧａＮ単結晶の結晶性は、全面にわたってほぼ均一であった。得られた単結晶の転位密度は、１×１０⁵ ／ｃｍ² 以下であった。

３２０…低温バッファ層
３３０…ＧａＮ層（下地層）
１４０、３４０…マスク層
１４１、１４３、３３１、３４１、３４３…側面
１４２、１４４、３４２、３４４…表面
３３２、３３４…底面
３３３…斜面
１５０、３５０…ＧａＮ層
Ｇ１０…ＧａＮ基板
Ｇ１１…側面
Ｇ１２…底面
Ｇ１３…斜面
Ｇ１４…底面
Ｓ３０…サファイア基板
Ｔ１０、Ｔ１１、Ｔ３０、Ｔ３１…種結晶
Ｗ１、Ｗ３、Ｗ７、Ｗ９…開口幅
Ｗ２、Ｗ４、Ｗ８、Ｗ１０…間隔
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４…深さ
Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ３１、Ｘ３２、Ｘ４１…凹部
Ｘ１３、Ｘ３３…凸部

Claims (14)

1. フラックスを使用してIII 族窒化物半導体単結晶を成長させるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   下地層の上にＡｌ_X Ｉｎ_Y Ｇａ_(1-X-Y) Ｎ（０＜Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）から成るマスク層を形成するマスク層形成工程と、
   前記マスク層の厚みの全部および前記下地層の厚みの一部を除去することにより前記下地層の露出している凹部を複数箇所に形成する凹部形成工程と、
   フラックスにより、前記凹部に露出している前記下地層をメルトバックさせるとともに、前記凹部を覆うようにIII 族窒化物半導体単結晶を成長させる半導体単結晶形成工程と、
   を有すること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記マスク層形成工程では、
   前記マスク層としてＡｌＧａＮ層を形成すること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記マスク層形成工程では、
   前記マスク層におけるＡｌ組成比Ｘを０．０２以上１．００以下の範囲内とすること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
4. 請求項３に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記マスク層形成工程では、
   前記マスク層におけるＡｌ組成比Ｘを０．０３以上０．５０以下の範囲内とすること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記半導体単結晶形成工程では、
   メルトバックにより、前記下地層の（１，０，−１，１）面を露出させた後に、前記III 族窒化物半導体単結晶を成長させること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記半導体単結晶形成工程では、
   メルトバックにより、前記下地層のｃ面を露出させた後に、前記III 族窒化物半導体単結晶を成長させること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記マスク層の厚みを、２ｎｍ以上２μｍ以下の範囲内とすること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記フラックスとして、炭素（Ｃ）の濃度が０ｍｏｌ／ｌ以上２ｍｏｌ／ｌ以下の範囲内のものを用いること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
   前記凹部形成工程では、
   開口幅が１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内の凹部を形成すること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
    複数の前記凹部は、
    前記マスク層の表面上に格子状に配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
11. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
    複数の前記凹部は、
    ストライプ状に配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
    前記マスク層形成工程の前に、
    前記下地層として、ＧａＮ層を形成する下地層形成工程を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
    前記下地層が、
    ＧａＮ基板であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。
14. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法において、
    前記下地層が、
    サファイア基板上に形成されたＧａＮ層であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法。

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