JP2018100189A - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板、及び、ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物半導体基板、及び、ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】サファイア基板と、半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体層とが積層した基板の当該露出面上にIII族窒化物半導体を厚膜成長するための技術。
【解決手段】半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板を準備する準備工程Ｓ１０と、III族窒化物半導体層の上に、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する成長工程Ｓ２０と、を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
関連する技術が特許文献１と特許文献２に開示されている。特許文献１と特許文献２に開示されているように、III族窒化物半導体結晶のｃ面上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成した場合、ピエゾ電界に起因して内部量子効率が低下する。そこで、いわゆる半極性面（極性面及び無極性面と異なる面）上にデバイスを形成する試みがなされている。
特開２０１２−１６０７５５号公報 特開２０１６−１２７１７号公報
本発明者らは、サファイア基板と、半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体層とが積層した基板の当該露出面上にIII族窒化物半導体を厚膜成長した場合、III族窒化物半導体層にクラックが生じ、それに起因してサファイア基板から剥離する場合があることを新たに見出した。場合によっては、サファイア基板側にもクラックが発生し得る。
本発明は、サファイア基板と、半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体層とが積層した基板の当該露出面上にIII族窒化物半導体を厚膜成長するための新たな技術を提供することを課題とする。
本発明によれば、
半極性面を主面として有するサファイア基板と、
前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板が提供される。
また、本発明によれば、
半極性面を主面として有するサファイア基板と、前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、有し、前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板を準備する準備工程と、
前記III族窒化物半導体層の上に、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
前記前工程の後、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
本発明によれば、サファイア基板と、半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体層とが積層した基板の当該露出面上にIII族窒化物半導体を厚膜成長するための新たな技術が実現される。
本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の一例の側面模式図である。 本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の一例の平面模式図である。 本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の上にIII族窒化物半導体層４０を形成して得られた本実施形態のIII族窒化物半導体基板の一例の側面模式図である。 本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法の処理の流れの一例を示す工程図である。 実施例１のIII族窒化物半導体基板において、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視におけるサファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向との関係を示す図である。 比較例１のIII族窒化物半導体基板において、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視におけるサファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向との関係を示す図である。 比較例２のIII族窒化物半導体基板において、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視におけるサファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向との関係を示す図である。 実施例１のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体層を厚膜成長した後の状態を示す図である。 比較例１のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体層を厚膜成長した後の状態を示す図である。 比較例２のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体層を厚膜成長した後の状態を示す図である。
以下、本発明のIII族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。
図１のフローチャートは、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示す。図示するように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、準備工程Ｓ１０と、成長工程Ｓ２０とを有する。
準備工程Ｓ１０では、半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、が積層したIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板）を準備する。当該III族窒化物半導体基板は、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とが直交しないという特徴を有する。半極性面は、極性面（ｃ面）、及び、無極性面（ａ面及びｍ面）と異なる面である。
以下、準備工程Ｓ１０で準備するIII族窒化物半導体基板（以下、「テンプレートIII族窒化物半導体基板」という）について詳細に説明する。
図２に、テンプレートIII族窒化物半導体基板１の一例の側面模式図を示す。図２に示すように、テンプレートIII族窒化物半導体基板１は、サファイア基板１０及びIII族窒化物半導体層３０を有する。テンプレートIII族窒化物半導体基板１は、サファイア基板１０及びIII族窒化物半導体層３０に加えて、その他の層を含んでもよい。図示する例では、サファイア基板１０と、バッファ層２０と、III族窒化物半導体層３０とがこの順に積層している。
なお、サファイア基板１０とIII族窒化物半導体層３０との間に、バッファ層２０以外のその他の層が介在してもよい。以下で詳細を説明するが、図２に示すテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法の一例において、サファイア基板１０上にバッファ層２０を形成する前に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを、サファイア基板１０の主面１１上に供給する工程を含むことができる。当該工程の結果、サファイア基板１０とバッファ層２０との間に、これら金属の膜、または、有機金属原料から生成するメタン、エチレン、エタン等の炭化水素化合物との反応膜である炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化銅や炭化バナジウムの炭化金属膜等が形成されてもよいし、されなくてもよい。当該金属の膜が形成される場合、当該金属の膜はサファイア基板１０の主面１１全体に一様に広がっていてもよいし、主面１１上に点在してもよい。
サファイア基板１０の主面１１は、半極性面である。例えば、主面１１は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面である。サファイア基板１０の厚さは２５０μｍ以上である。また、サファイア基板１０の直径は、１インチ以上である。
バッファ層２０は、例えばＡｌＮ層、ＴｉＮ層である。バッファ層２０の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
III族窒化物半導体層３０は、サファイア基板１０の主面１１上に、バッファ層２０を介して位置する。III族窒化物半導体層３０は、III族窒化物半導体結晶（例：ＧａＮ結晶）で構成される。III族窒化物半導体層３０の厚さは、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下である。
III族窒化物半導体層３０の成長面３１（露出面）は、−Ｃ面から−ａ面方向に３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面である。例えば、成長面３１は、｛１１−２３｝面（例：（−１−１２−３）面）をｍ面と平行になる方向に−１６．０°以上１６．０°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面である。
図３に、テンプレートIII族窒化物半導体基板１の一例の平面模式図を示す。当該図は、サファイア基板１０の主面１１に垂直な方向での平面視で、テンプレートIII族窒化物半導体基板１をIII族窒化物半導体層３０側から観察した様子を示す。図には、当該平面視で観察されるサファイア基板１０の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向とが示されている。図示する矢印は、サファイア基板１０の＜０００２＞方向、及び、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向各々を、主面１１に平行な面上に投影した方向を示している。
図示するように、テンプレートIII族窒化物半導体基板１は、主面１１に垂直な方向での平面視において、サファイア基板１０の＜０００２＞方向（＜０００２＞方向を主面１１に平行な面上に投影した方向）と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向（＜１０−１０＞方向を主面１１に平行な面上に投影した方向）とが直交しないという特徴を有する。
主面１１に垂直な方向での平面視におけるサファイア基板１０の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向とのなす角は、直交でなければよいが、例えば、以下の実施例で示すように、４４．５°以上４５．５°以下にすることができる。
図１に戻り、成長工程Ｓ２０では、III族窒化物半導体層３０の成長面３１上に、III族窒化物半導体（例：ＧａＮ結晶）をエピタキシャル成長する。結果、図４に示すように、テンプレートIII族窒化物半導体基板１のIII族窒化物半導体層３０上にIII族窒化物半導体層４０が形成されたIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
成長工程Ｓ２０におけるIII族窒化物半導体の成長方法は設計的事項である。III族窒化物半導体の成長方法は、例えば、気相エピタキシャル成長（例：ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy））、液相エピタキシャル成長、固相エピタキシャル成長等を選択することができる。成長条件は、従来技術に準じたものとすることができる。
なお、以下の実施例で示すように、本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１上にIII族窒化物半導体を厚膜成長しても、クラックや剥がれ等の不都合が発生しにくい。このため、成長工程Ｓ２０では、III族窒化物半導体を厚膜成長することができる。III族窒化物半導体層４０の厚さは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１００μ、以上１０００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。
半極性面であるIII族窒化物半導体層３０の成長面３１上にエピタキシャル成長して得られたIII族窒化物半導体層４０は、成長面４１が同様に半極性面となっている。例えば、成長面４１は、｛１１−２３｝面（例：（−１−１２−３）面）をｍ面と平行になる方向に０°より大１０．０°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面である。
以上説明したように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法によれば、サファイア基板１０と、III族窒化物半導体層３０とが積層したテンプレートIII族窒化物半導体基板１（さらに、バッファ層２０等が積層してもよい）上に、III族窒化物半導体層４０を形成したIII族窒化物半導体基板（図４参照）を製造することができる。
また、本実施形態の製造方法では、サファイア基板１０の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向との相対的な向き関係が特徴的な関係（主面１１に垂直な方向での平面視で、互いに直交しない）となっているテンプレートIII族窒化物半導体基板１上に、III族窒化物半導体層４０を形成する。
以下の実施例で示すように、サファイア基板１０の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向とが、主面１１に垂直な方向での平面視で直交している場合、III族窒化物半導体層４０を５０μｍ以上の厚膜に成長すると、III族窒化物半導体層３０及びIII族窒化物半導体層４０にクラックが入りやすい。そして、当該クラックに起因して、III族窒化物半導体層３０及びIII族窒化物半導体層４０がバラバラになり、意図せずサファイア基板１０から剥離するという不都合が発生しやすくなる。
サファイア基板１０の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層３０の＜１０−１０＞方向とが、上記特徴的な関係となっているテンプレートIII族窒化物半導体基板１上にIII族窒化物半導体層４０を形成する本実施形態の場合、III族窒化物半導体層４０を５０μｍ以上１０００μｍ以下と厚膜に成長しても、III族窒化物半導体層３０及びIII族窒化物半導体層４０にクラックが発生しにくい。
すなわち、本実施形態によれば、サファイア基板１０と、半極性面を露出面（成長面３１）として有するIII族窒化物半導体層３０とが積層したテンプレートIII族窒化物半導体基板１の当該露出面（成長面３１）上に、III族窒化物半導体を厚膜成長することが可能となる。
本実施形態の製造方法で得られたIII族窒化物半導体基板は、例えば、光デバイスや電子デバイス等のデバイスを形成するための基板として利用することができる。また、本実施形態の製造方法で得られたIII族窒化物半導体基板は、例えば、任意の手段でIII族窒化物半導体層４０をサファイア基板１０等から切り離し、III族窒化物半導体層４０を自立基板として利用することができる。
次に、本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法の一例を説明する。図５のフローチャートは、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示す。図示するように、本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法は、サファイア基板準備工程Ｓ１１と、加熱工程Ｓ１２と、前工程Ｓ１３と、バッファ層形成工程Ｓ１４と、III族窒化物半導体層形成工程Ｓ１５とを有する。例えば、図１に示す準備工程Ｓ１０が、これらの工程を含んでもよい。
なお、以下で説明するテンプレートIII族窒化物半導体基板１の製造方法はあくまで一例である。準備工程Ｓ１０で準備するテンプレートIII族窒化物半導体基板１は、上述した要件を備えていればよく、当該製造方法で得られたものに限定されない。
サファイア基板準備工程Ｓ１１では、図６（１）に示すように、主面１１が半極性面であるサファイア基板１０を準備する。例えば、サファイア基板準備工程Ｓ１１では、主面１１が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板１０を準備する。
サファイア基板１０の直径は、例えば、１インチ以上である。また、サファイア基板１０の厚さは、例えば、２５０μｍ以上である。
加熱工程Ｓ１２では、窒化処理を行いながら、サファイア基板１０を加熱する。例えば、以下の条件で、サファイア基板１０を加熱する。
温度：８００℃以上１２００℃以下
圧力：５０ｔｏｒｒ以上２５０ｔｏｒｒ以下
熱処理時間：１５分
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：８．５ｓｌｍ以上９．５ｓｌｍ以下
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．０ｓｌｍ以上２．０ｓｌｍ以下
ＮＨ３供給量：１５ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下
前工程Ｓ１３では、加熱工程Ｓ１２の後、サファイア基板１０上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガス（前処理ガス）を供給する。前処理ガスは、例えば、トリメチルアルミニウム等である。例えば、以下の条件で、当該ガスを供給する。
温度：５００℃以上１０００℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
処理時間：１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：８．５ｓｌｍ以上９．５ｓｌｍ以下
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．０ｓｌｍ以上２．０ｓｌｍ以下
ＮＨ３供給量：０ｓｌｍ
前処理ガス（例：トリメチルアルミニウム）供給量：８５ｃｃｍ以上９５ｃｃｍ以下
バッファ層形成工程Ｓ１４では、前処理工程Ｓ１３の後、図６（２）に示すように、サファイア基板１０の主面１１上にバッファ層２０を形成する。バッファ層２０をＡｌＮ層とする場合、例えば、以下の条件でＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させ、バッファ層２０を形成する。結果、膜厚２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバッファ層２０が形成される。
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上９５０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
Ｖ／III比：４０００以上６０００以下
ＴＭＡｌ供給量：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：２．５ｓｌｍ以上７．５ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：８．５ｓｌｍ以上９．５ｓｌｍ以下
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．０ｓｌｍ以上２．０ｓｌｍ以下
III族窒化物半導体層形成工程Ｓ１５では、図６（３）に示すように、バッファ層２０の上に、III族窒化物半導体層３０を形成する。例えば、以下の成長条件でIII族窒化物半導体結晶（例：ＧａＮ）をエピタキシャル成長させ、III族窒化物半導体層３０を形成する。結果、膜厚１０μｍ以上１５μｍ以下のIII族窒化物半導体層３０が形成される。
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上１０２５℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
Ｖ／III比：２００以上５００以下
ＴＭＧａ供給量：５０ｃｃｍ以上１０００ｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：９．０ｓｌｍ以上１１．０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：１３．０ｓｌｍ以上１４．０ｓｌｍ以下
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．０ｓｌｍ以上２．０ｓｌｍ以下
以上により、上述した特徴を有する本実施形態のテンプレートIII族窒化物半導体基板１が得られる。このようなテンプレートIII族窒化物半導体基板１を利用することで、サファイア基板１０と、半極性面を露出面（成長面３１）として有するIII族窒化物半導体層３０とが積層した基板（テンプレートIII族窒化物半導体基板１）の当該露出面（成長面３１）上にIII族窒化物半導体（III族窒化物半導体層４０）を厚膜成長することが可能となる。
（１）「III族窒化物半導体基板の準備」
実施例１、比較例１及び比較例２各々に対応するテンプレートIII族窒化物半導体基板を準備した。
＜実施例１＞
半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは「直交しない」テンプレートIII族窒化物半導体基板を準備した。具体的には、以下のようにして、III族窒化物半導体基板を製造した。
まず、以下のサファイア基板を用意した（サファイア基板準備工程Ｓ１１）。
主面（露出面）：（１０−１０）面をａ面と平行になる方向に２．０°傾斜した面
厚さ：４３０μｍ
直径：２インチ
用意したサファイア基板を、以下の条件で加熱した（加熱工程Ｓ１２）。
温度：１０００℃〜１０５０℃
圧力：２００ｔｏｒｒ
熱処理時間：１５分
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：９ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
ＮＨ３供給量：２０ｓｌｍ
加熱工程Ｓ１２後のサファイア基板に、以下の条件で、前工程Ｓ１３を行った。
温度：９００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
処理時間：１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：９ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
ＮＨ３供給量：０ｓｌｍ
前処理ガス（トリメチルアルミニウム）供給量：９０ｓｃｃｍ
熱処理後、サファイア基板の主面（露出面）上に、以下の条件で、膜厚１５０ｎｍのＡｌＮ層（バッファ層）を形成した。
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：５１８４
ＴＭＡｌ供給量：９０ｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：９ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
その後、バッファ層２０の上に、以下の条件で、膜厚１５μｍのＧａＮ層（III族窒化物半導体層）を形成した。
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００〜１０２０℃（連続変化）
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：３２１
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：１３．５ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
以上のようにして、実施例１のテンプレートIII族窒化物半導体基板を製造した。
図７に、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視における、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層（ＧａＮ）の＜１０−１０＞方向との関係（極点座標測定結果）を示す。図示するように、実施例１では、「互いに直交しない」関係となっている。これらのなす角は、４４．５°以上４５．５°以下であった。
＜比較例１＞
半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは「直交する」テンプレートIII族窒化物半導体基板を準備した。
具体的には、主面（露出面）が（１０−１０）面を第１の面と平行になる方向に２．０°傾斜した面であるサファイア基板を用い、バッファ層形成工程Ｓ１４及びIII族窒化物半導体層形成工程Ｓ１５を下記成長条件として、テンプレートIII族窒化物半導体基板を製造した。なお、加熱工程Ｓ１２と前工程Ｓ１３は実施例１と同じとした。
「バッファ層形成工程Ｓ１４」
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：１０５０〜１０７５℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：５１８４
ＴＭＡｌ供給量：９０ｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：９ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
「III族窒化物半導体層形成工程Ｓ１５」
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：１０７５〜１１００℃（連続変化）
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：３２１
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：１３．５ｓｌｍ
Ｎ２（キャリアガス）供給量：１．５ｓｌｍ
図８に、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視における、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層（ＧａＮ）の＜１０−１０＞方向との関係（極点座標測定結果）を示す。図示するように、比較例１では、「互いに直交する」関係となっている。
＜比較例２＞
半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは「直交する」テンプレートIII族窒化物半導体基板を準備した。
具体的には、主面（露出面）が（１０−１０）面をａ面と平行になる方向に５．０°傾斜した面であるサファイア基板を用いて、比較例1と同等な製造方法でテンプレートIII族窒化物半導体基板を製造した。
図９に、サファイア基板の主面に垂直な方向での平面視における、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層（ＧａＮ）の＜１０−１０＞方向との関係（極点座標測定結果）を示す。図示するように、比較例２では、「互いに直交する」関係となっている。
（２）「III族窒化物半導体層を厚膜成長」
（１）で準備した実施例１、比較例１及び比較例２各々のテンプレートIII族窒化物半導体基板上に、以下の条件で、膜厚２００μｍのＧａＮ層を形成した。
成長方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０４０℃
圧力：９８５ｈＰａ
Ｖ／III比：１０
ＧａＣｌ供給量：２００ｓｃｃｍ
ＮＨ３供給量：２ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２
Ｈ２（キャリアガス）供給量：８ｓｌｍ
図１０乃至図１２に、テンプレートIII族窒化物半導体基板上にＧａＮ層を厚膜成長したIII族窒化物半導体基板の外観を示す。図１０が実施例１、図１１が比較例１、図１２が比較例２のIII族窒化物半導体基板を示す。
図１０乃至図１２より、実施例１はIII族窒化物半導体基板に全くクラックが発生していない。これに対し、比較例１及び比較例２は、III族窒化物半導体層にクラックが発生し、これに起因して、サファイア基板から剥離した箇所が確認された。なお、ＧａＮの劈開面であるｍ面を起点として、III族窒化物半導体層にクラックが発生していた。
また、比較例１及び比較例２は、サファイア基板の一部にもクラックが発生していた。
以上の結果より、半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないテンプレートIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体を厚膜成長する場合と、これらが直交するテンプレートIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体を厚膜成長する場合とでは、直交しないテンプレートIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体を厚膜成長する方が、クラックや剥がれ等の不都合が発生しにくいことが分かる。
また、実施例１の製造方法により、半極性面を主面として有するサファイア基板と、当該主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、当該主面に垂直な方向での平面視において、サファイア基板の＜０００２＞方向と、III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないテンプレートIII族窒化物半導体基板を製造できることが分かる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 半極性面を主面として有するサファイア基板と、
前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板。
２． １に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であり、
前記III族窒化物半導体層は、−Ｃ面から−ａ面方向に３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体基板。
３． １又は２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の上に、膜厚５０μｍ以上１０００μｍ以下のIII族窒化物半導体層をさらに有するIII族窒化物半導体基板。
４． 半極性面を主面として有するサファイア基板と、前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板を準備する準備工程と、
前記III族窒化物半導体層の上に、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
５． ４に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程では、前記III族窒化物半導体層の上に、膜厚５０μｍ以上１０００μｍ以下のIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
６． ４又は５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記準備工程は、
前記主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
前記前工程の後、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
７． ６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記バッファ層形成工程では、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
８． 主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
前記前工程の後、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
９． ８に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記バッファ層形成工程では、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
１ III族窒化物半導体基板
１０ サファイア基板
１１ 主面
２０ バッファ層
３０ III族窒化物半導体層
３１ 成長面
４０ III族窒化物半導体層
４１ 成長面
また、本発明によれば、
主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
前記前工程の後、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
具体的には、主面（露出面）が（１０−１０）面をａ面と平行になる方向に２．０°傾斜した面であるサファイア基板を用い、バッファ層形成工程Ｓ１４及びIII族窒化物半導体層形成工程Ｓ１５を下記成長条件として、テンプレートIII族窒化物半導体基板を製造した。なお、加熱工程Ｓ１２と前工程Ｓ１３は実施例１と同じとした。
本発明によれば、
半極性面を主面として有するサファイア基板と、
前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とのなす角が４４．５°以上４５．５°以下であるIII族窒化物半導体基板が提供される。
また、本発明によれば、
半極性面を主面として有するサファイア基板と、前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とのなす角が４４．５°以上４５．５°以下であるIII族窒化物半導体基板を準備する準備工程と、
前記III族窒化物半導体層の上に、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌを含むガスを供給する前工程と、
前記前工程の後、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

Claims (9)

  1. 半極性面を主面として有するサファイア基板と、
    前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、
    を有し、
    前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板。
  2. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
    前記主面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であり、
    前記III族窒化物半導体層は、−Ｃ面から−ａ面方向に３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面を露出面として有するIII族窒化物半導体基板。
  3. 請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
    前記III族窒化物半導体層の上に、膜厚５０μｍ以上１０００μｍ以下のIII族窒化物半導体層をさらに有するIII族窒化物半導体基板。
  4. 半極性面を主面として有するサファイア基板と、前記主面上に位置するIII族窒化物半導体層と、を有し、前記主面に垂直な方向での平面視において、前記サファイア基板の＜０００２＞方向と、前記III族窒化物半導体層の＜１０−１０＞方向とは直交しないIII族窒化物半導体基板を準備する準備工程と、
    前記III族窒化物半導体層の上に、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する成長工程と、
    を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
  5. 請求項４に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記成長工程では、前記III族窒化物半導体層の上に、膜厚５０μｍ以上１０００μｍ以下のIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
  6. 請求項４又は５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記準備工程は、
    前記主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
    窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
    前記前工程の後、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
    前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
    を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
  7. 請求項６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記バッファ層形成工程では、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
  8. 主面が、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．０°より大、１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であるサファイア基板を準備するサファイア基板準備工程と、
    窒化処理を行いながら、前記サファイア基板を加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程の後、前記サファイア基板上に、ＮＨ３は供給せず、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖの中の何れかを含むガスを供給する前工程と、
    前記前工程の後、前記主面上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
    前記バッファ層の上に、III族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層形成工程と、
    を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
  9. 請求項８に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記バッファ層形成工程では、８００℃以上９５０℃以下の成長温度で、前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
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