JP2023092803A - 結晶成長用基板、窒化ガリウム基板、半導体基板、および窒化ガリウム基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が異なる場合であっても、バッファ層を用いずに、結晶基板上に、表面の平坦性が良好であり、欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することが可能な結晶成長用基板、ならびにそれを用いた窒化ガリウム基板および窒化ガリウム基板の製造方法を提供する。【解決手段】本開示は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板１と、上記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部３を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層２と、を有し、上記結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が、２．２％超４９．４％未満であり、上記マスク層の開口部では上記結晶基板の面が露出し、上記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている、結晶成長用基板を提供する。【選択図】図１

Description

本開示は、結晶成長用基板、窒化ガリウム基板、半導体基板、および窒化ガリウム基板の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）は、パワーデバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の各種半導体素子の材料として注目されている。

窒化ガリウム結晶基板の製造方法としては、一般的に、サファイア基板等の結晶基板を用いて、エピタキシャル成長法により窒化ガリウム結晶を成長させる方法が知られている。

しかしながら、サファイア基板と窒化ガリウム結晶とでは格子定数が大きく異なるため、窒化ガリウム結晶に欠陥が生じやすく、良質な結晶が得られないという問題や、窒化ガリウム結晶の表面が荒れてしまい平坦性が悪いという問題がある。

そのため、サファイア基板上に格子不整合を緩和するための窒化アルミニウム等のバッファ層を形成し、バッファ層上にエピタキシャル成長法により窒化ガリウム結晶を成長させる方法が用いられている（非特許文献１）。

また、窒化ガリウム結晶のエピタキシャル成長法において、結晶欠陥の低減技術として、いわゆるＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法が知られている（特許文献１）。ＥＬＯ法においては、例えば、結晶基板上にマスク層を形成し、マスク層の開口部に窒化ガリウム結晶を成長させることによって、転位を低減することができるとされている。しかしながら、ＥＬＯ法においても、通常、サファイア基板上にはバッファ層が形成される。

国際公開第２０１３／１０５６１８号

Ｉｓａｍｕ ＡＫＡＳＡＫＩ ａｎｄ Ｈｉｒｏｓｈｉ ＡＭＡＮＯ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６．（１９９７）ｐｐ．５３９３－５４０８

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が異なる場合であっても、バッファ層を用いずに、結晶基板上に、表面の平坦性が良好であり、欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することが可能な結晶成長用基板、ならびにそれを用いた窒化ガリウム基板および窒化ガリウム基板の製造方法を提供することを目的とする。

本開示の一実施形態は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、上記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、を有し、上記結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が、２．２％超、４９．４％未満であり、上記マスク層の開口部では上記結晶基板の面が露出し、上記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている、結晶成長用基板を提供する。

本開示の結晶成長用基板においては、上記マスク層の開口部のピッチが、０．０３μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

また、本開示の結晶成長用基板においては、上記マスク層の開口部のピッチが、窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍であることが好ましい。

また、本開示の結晶成長用基板においては、上記結晶基板がサファイア基板であることが好ましい。

本開示の他の実施形態は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、上記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、上記結晶基板の上記マスク層側の面に上記マスク層を覆うように配置された窒化ガリウム層と、を有し、上記結晶基板と上記窒化ガリウム層との格子不整合率が、２．２％超、４９．４％未満であり、上記マスク層の開口部では上記結晶基板と上記窒化ガリウム層とが接しており、上記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている、窒化ガリウム基板を提供する。

本開示の窒化ガリウム基板においては、上記マスク層の開口部のピッチが、０．０３μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

また、本開示の窒化ガリウム基板においては、上記マスク層の開口部のピッチが、窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍であることが好ましい。

また、本開示の窒化ガリウム基板においては、上記結晶基板がサファイア基板であることが好ましい。

本開示の他の実施形態は、上述の窒化ガリウム基板を有する、半導体基板を提供する。

また、本開示の他の実施形態は、上述の結晶成長用基板を準備する準備工程と、上記結晶成長用基板の上記マスク層の開口部内の上記結晶基板の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、上記マスク層を覆うように窒化ガリウム層を形成する窒化ガリウム層形成工程と、を有する、窒化ガリウム基板の製造方法を提供する。

本開示においては、結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が異なる場合であっても、バッファ層を用いずに、結晶基板上に、表面の平坦性が良好であり、欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することが可能であるという効果を奏する。

本開示における結晶成長用基板を例示する概略平面図および断面図である。 本開示における窒化ガリウム基板の製造方法を例示する工程図である。 本開示における窒化ガリウム基板を例示する概略平面図および断面図である。 実施例１の窒化ガリウム基板のＳＥＭ写真である。 実施例２の窒化ガリウム基板のＳＥＭ写真である。 実施例３の窒化ガリウム基板のＳＥＭ写真である。 比較例１の窒化ガリウム基板のＳＥＭ写真である。

下記に、図面等を参照しながら本開示の実施の形態を説明する。ただし、本開示は多くの異なる態様で実施することが可能であり、下記に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、図面は説明をより明確にするため、実際の形態に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表わされる場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

本明細書において、ある部材の上に他の部材を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」、あるいは「下に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある部材に接するように、直上、あるいは直下に他の部材を配置する場合と、ある部材の上方、あるいは下方に、さらに別の部材を介して他の部材を配置する場合との両方を含むものとする。また、本明細書において、ある部材の面に他の部材を配置する態様を表現するにあたり、単に「面に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある部材に接するように、直上、あるいは直下に他の部材を配置する場合と、ある部材の上方、あるいは下方に、さらに別の部材を介して他の部材を配置する場合との両方を含むものとする。

以下、本開示における結晶成長用基板、窒化ガリウム基板、半導体基板、および窒化ガリウム基板の製造方法について詳細に説明する。

Ａ．結晶成長用基板
本開示における結晶成長用基板は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、上記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、を有し、上記結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が、２．２％超、４９．４％未満であり、上記マスク層の開口部では上記結晶基板の面が露出し、上記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている。

本開示における結晶成長用基板について図を参照しながら説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本開示における結晶成長用基板の一例を示す概略平面図および断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。図１（ａ）、（ｂ）に例示するように、結晶成長用基板１０は、結晶基板１と、結晶基板１の一方の面に配置され、複数の開口部３を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層２と、を有している。結晶基板１は、窒化ガリウムとの格子不整合率が所定の範囲内であり、マスク層２の開口部３では結晶基板１の面が露出している。また、マスク層２の開口部３は正三角格子状に配置されている。

図２（ａ）～（ｄ）は、本開示における結晶成長用基板を用いて窒化ガリウムを結晶成長させる方法の工程図である。図２（ａ）に示すような結晶成長用基板１０を用いて、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させると、図２（ｂ）に示すように、結晶成長用基板１０におけるマスク層２の開口部３内の結晶基板１の面から窒化ガリウム結晶４ａの成長が開始する。これは、マスク層２は窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有しており、マスク層２の面では窒化ガリウム結晶が成長しにくいからである。エピタキシャル成長では、図２（ｃ）に示すように、窒化ガリウム結晶４ａは、厚さ方向に成長するとともに、水平方向に成長する。そして、窒化ガリウム結晶４ａは柱状に成長していき、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶４ａが会合して一体となり、図２（ｄ）に示すように、窒化ガリウム層４が形成される。

ここで、窒化ガリウムは六方晶系であり、六方格子を有している。また、結晶基板は窒化ガリウムを結晶成長させることが可能なものであり、後述するように、例えば、窒化ガリウムと同じ六方晶系、または六方晶系で近似できる菱面体晶系（三方晶系）であり、六方格子を有している。また、図１（ａ）に示すように、結晶成長用基板１０におけるマスク層２の開口部３は正三角格子状に配置されている。そのため、マスク層の開口部を、結晶基板および窒化ガリウムの六方格子に重なるように配置することができる。これより、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶が会合して一体となる際に、平坦化しやすくなり、平坦な表面を有する窒化ガリウム結晶を得ることができる。

このように本開示においては、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が所定の範囲内であり、結晶基板と窒化ガリウムとの格子定数が大きく異なる場合であっても、本開示の結晶成長用基板を用いることで、表面の平坦性が良好な窒化ガリウム結晶を製造することができる。また、本開示においては、結晶基板の一方の面に所定のマスク層が配置されていることにより、マスク層が配置されていない場合と比較して、窒化ガリウム結晶の欠陥を少なくし品質を高めることができる。また、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶が会合して一体となる際に平坦化しやすいため、結晶成長用基板上に形成される窒化ガリウム層の厚さが比較的薄い場合であっても、窒化ガリウム層の平坦性を良くすることができる。これにより、製造効率を高め、製造コストを削減することができる。

以下、本開示における結晶成長用基板の各構成について説明する。

１．マスク層
本開示におけるマスク層は、結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有する部材である。

マスク層の開口部は、正三角格子状に規則的に配置されている。なお、マスク層の開口部が正三角格子状に配置されているとは、マスク層の開口部が、開口部の中心が正三角格子の頂点に位置するように配置されていることをいう。

マスク層の開口部のピッチは、例えば、０．０３μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．６μｍ以上２μｍ以下であることがより好ましい。マスク層の開口部のピッチが上記範囲内であることにより、結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が大きく異なる場合でも、結晶成長用基板上に形成される窒化ガリウム層の表面が平坦になりやすく、平坦性が良好であり欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することができる。一方、マスク層の開口部のピッチが大きすぎる場合には、結晶成長用基板上に形成される窒化ガリウム層の厚さを厚くしないと表面が平坦にならない。そのため、製造効率が低下し、製造コストが増大する可能性がある。また、窒化ガリウム層の厚さが厚くなると、割れや反りが生じる可能性がある。一方、マスク層の開口部のピッチが小さすぎると、開口部の形成が困難になる可能性がある。

ここで、窒化ガリウム（六方晶系）の格子定数は、ａ＝３．１８Å、ｃ＝５．１７Åである。マスク層の開口部のピッチは、窒化ガリウムの格子定数ａ（３．１８Å）の整数倍であることが好ましい。マスク層の開口部のピッチが窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍であることにより、マスク層の開口部内の結晶基板の面から窒化ガリウム結晶が柱状に成長し、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶が会合する際に、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶の格子定数を合いやすくすることができる。その結果、窒化ガリウム結晶が平坦化しやすく、結晶成長用基板上に形成される窒化ガリウム層の厚さが比較的薄い場合であっても、窒化ガリウム層の平坦性を良くすることができる。また、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶の界面において欠陥が生じるのを抑制することができる。よって、結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が異なる場合でも、結晶成長用基板を用いることで、平坦性が良好であり欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することができる。

なお、マスク層の開口部のピッチは、窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍に対して誤差を有していてもよい。

ここで、マスク層の開口部のピッチとは、一の開口部の中心から、その開口部の最も近くに位置する他の開口部の中心までの距離をいう。

また、マスク層の開口部の大きさは、例えば、２０ｎｍ以上、５μｍ以下であってもよく、２００ｎｍ以上、２μｍ以下であってもよい。マスク層の開口部の大きさが大きすぎると、開口部の形成が困難になる可能性がある。また、マスク層の開口部の大きさが大きすぎると、１つの開口部内で結晶基板の面に種となる結晶核が複数生成しやすくなり、欠陥が生じやすくなる可能性がある。

なお、マスク層の開口部の大きさは、円相当直径であり、具体的には、マスク層の開口部の面積に相当する、真円の直径をいう。

ここで、マスク層の開口部のピッチおよび大きさは、例えば、結晶成長用基板の光学顕微鏡観察または電子顕微鏡観察により測定することができる。

マスク層の開口部の平面視形状としては、特に限定されるものではなく、例えば、円形状、正方形状、長方形状、六角形状等が挙げられる。

マスク層は、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有する。窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料としては、例えば、結晶系が、窒化ガリウムと同じ六方晶系、または六方晶系で近似できる菱面体晶系（三方晶系）であり、窒化ガリウムとの格子不整合率が、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率よりも大きい材料；結晶系が、窒化ガリウムと同じ六方晶系、および六方晶系で近似できる菱面体晶系（三方晶系）ではない材料；およびアモルファス材料等が挙げられる。また、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料として、窒化ガリウムのエピタキシャル成長温度よりも融点が低い材料等を用いることもできる。

マスク層の材料が、結晶系が、窒化ガリウムと同じ六方晶系、または六方晶系で近似できる菱面体晶系（三方晶系）であり、窒化ガリウムとの格子不整合率が、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率よりも大きい材料である場合、マスク層と窒化ガリウムとの格子不整合率は、例えば、２．２％超であることが好ましい。一方、マスク層と窒化ガリウムとの格子不整合率の上限は、特に限定されないが、例えば、４９．４％未満であることが好ましい。マスク層と窒化ガリウムとの格子不整合率が上記範囲であることにより、マスク層の表面に窒化ガリウムを結晶成長するのを抑制することができる。

ここで、マスク層と窒化ガリウムとの格子不整合率は、マスク層の材料のａ軸の長さと窒化ガリウムのａ軸の長さとの差の絶対値を、窒化ガリウムのａ軸の長さで除した値に１００を乗じた値である。なお、上述したように、窒化ガリウムのａ軸の長さは、格子定数ａであり、３．１８Åである。

窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料の具体例としては、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、ダイヤモンドライクカーボン等が挙げられる。中でも、酸化ケイ素が好ましい。酸化ケイ素は、成膜が容易であり、またリソグラフィ加工も容易である。

マスク層の厚さとしては、例えば、１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが好ましい。マスク層の厚さが薄すぎると、均一な膜が得られない可能性がある。また、マスク層の厚さが厚すぎると、開口部の形成が困難になる可能性がある。

ここで、マスク層の厚さは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）により観察されるマスク層の厚さ方向の断面から測定した値であり、無作為に選んだ１０箇所の厚さの平均値とすることができる。なお、他の部材の厚さの測定方法についても同様とすることができる。

結晶基板の一方の面にマスク層を形成する方法としては、均一な膜が得られる方法であれば特に限定されるものではなく、材料に応じて適宜選択される。例えば、塗布法；真空蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等の蒸着法；等が挙げられる。

また、マスク層に開口部を形成する方法としては、例えば、電子線リソグラフィ法、フォトリソグラフィ法、ナノインプリントリソグラフィ法等が挙げられる。

２．結晶基板
本開示における結晶基板は、その表面に、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な部材である。

窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板としては、結晶系が、窒化ガリウムと同じ六方晶系、または六方晶系で近似できる菱面体晶系（三方晶系）であることが好ましい。

結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率は、２．２％超、４９．４％未満である。本開示の結晶成長用基板においては、このように、結晶基板と窒化ガリウムとで格子定数が異なる場合でも、結晶基板の一方の面に複数の開口部を有するマスク層が配置され、マスク層の開口部が正三角格子状に配置されていることにより、結晶成長用基板を用いることで、表面の平坦性が良好であり欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を製造することができる。また、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が大きすぎると、窒化ガリウムを結晶成長させることが困難になったり、欠陥が生じやすくなったりする可能性がある。

なお、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率は、結晶基板のａ軸の長さと窒化ガリウムのａ軸の長さとの差の絶対値を、窒化ガリウムのａ軸の長さで除した値に１００を乗じた値である。なお、上述したように、窒化ガリウムのａ軸の長さは、格子定数ａであり、３．１８Åである。

結晶基板としては、上記の窒化ガリウムとの格子不整合率を持たすものであれば特に限定されないが、例えば、サファイア基板、炭化ケイ素基板等が挙げられる。中でも、サファイア基板が好ましい。サファイア基板は、耐熱性および透明性に優れている。また、エピタキシャル成長による窒化ガリウム結晶の製造にはサファイア基板が汎用されている。

本開示の結晶成長用基板において、上記マスク層の開口部では結晶基板の面が露出している。すなわち、マスク層の開口部内の結晶基板の面には、従来のような、格子不整合を緩和するためのバッファ層は配置されていない。

結晶基板の厚さは、特に限定されるものではない。

結晶基板の作製方法は、一般的な方法を適用することができる。また、結晶基板として市販品を用いてもよい。

Ｂ．窒化ガリウム基板
本開示における窒化ガリウム基板は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、上記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、上記結晶基板の上記マスク層側の面に上記マスク層を覆うように配置された窒化ガリウム層と、を有し、上記結晶基板と上記窒化ガリウム層との格子不整合率が、２．２％超４９．４％未満であり、上記マスク層の開口部では上記結晶基板と上記窒化ガリウム層とが接しており、上記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている。

図３は、本開示における窒化ガリウム基板の一例を示す概略断面図である。図３に例示するように、窒化ガリウム基板２０は、窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板１と、結晶基板１の一方の面に配置され、複数の開口部３を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層２と、結晶基板１のマスク層２側の面にマスク層２を覆うように配置された窒化ガリウム層４と、を有している。結晶基板１は、窒化ガリウム層４との格子不整合率が所定の範囲内であり、マスク層２の開口部３では結晶基板１と窒化ガリウム層４とが接している。また、図１（ａ）に示すように、マスク層２の開口部３は正三角格子状に配置されている。

本開示においては、上述の「Ａ．結晶成長用基板」の項に記載したように、結晶基板と窒化ガリウム層との格子不整合率が所定の範囲内であり、結晶基板と窒化ガリウム層との格子定数が大きく異なる場合であっても、表面の平坦性が良好な窒化ガリウム層結晶を製造することができる。また、本開示においては、結晶基板の一方の面に所定のマスク層が配置されていることにより、マスク層が配置されていない場合と比較して、窒化ガリウム層の欠陥を少なくし品質を高めることができる。また、窒化ガリウム層の厚さが比較的薄い場合であっても、窒化ガリウム層の平坦性を良くすることができるため、製造効率を高め、製造コストを削減することができる。

以下、本開示における窒化ガリウム基板の各構成について説明する。

１．マスク層
本開示におけるマスク層は、結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有する部材である。

マスク層については、上述の結晶成長用基板におけるマスク層と同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。

２．結晶基板
本開示における結晶基板は、窒化ガリウム層との格子不整合率が所定の範囲内である部材である。

結晶基板については、上述の結晶成長用基板における結晶基板と同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。

また、結晶基板と窒化ガリウム層との格子不整合率については、上述の結晶成長用基板における結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率と同様とすることができる。

本開示の窒化ガリウム基板において、上記マスク層の開口部では結晶基板と窒化ガリウム層とが接している。すなわち、マスク層の開口部において、結晶基板と窒化ガリウム層との間には、従来のような、格子不整合を緩和するためのバッファ層は配置されていない。

３．窒化ガリウム層
本開示における窒化ガリウム層は、結晶基板のマスク層側の面に、マスク層を覆うように配置される部材である。

窒化ガリウム層は、マスク層の開口部に位置する結晶基板の面を結晶成長面として、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させることにより形成することができる。なお、エピタキシャル成長による窒化ガリウム層の形成方法については、後述の「Ｃ．窒化ガリウム基板の製造方法」の項に記載する。

窒化ガリウム層の厚さとしては、特に限定されない。本開示においては、窒化ガリウム層の厚さが比較的薄い場合でも、窒化ガリウム層の平坦性を良くすることができる。また、例えば、マスク層の開口部に位置する結晶基板の面を結晶成長面として、窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させた後、この窒化ガリウム結晶の面を結晶成長面として、窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させてもよく、この場合には、窒化ガリウム層の厚さを比較的厚くすることができ、欠陥をさらに少なくし品質を高めることができる。

Ｃ．半導体基板
本開示における半導体基板は、上述の窒化ガリウム基板を有する。

本開示の半導体基板においては、上記窒化ガリウム基板における窒化ガリウム層を半導体基板または半導体層として用いることができる。

本開示の半導体基板においては、用途等に応じて、上記窒化ガリウム基板の窒化ガリウム層側の面に、素子、電子部品、配線、電極等が配置される。

また、本開示の半導体基板は、結晶基板およびマスク層を除去して用いてもよい。

本開示の半導体基板の用途としては、例えば、パワーデバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、太陽電池等を挙げることができる。

Ｄ．窒化ガリウム基板の製造方法
本開示の窒化ガリウム基板の製造方法は、上述の結晶成長用基板を準備する準備工程と、上記結晶成長用基板の上記マスク層の開口部内の上記結晶基板の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、上記マスク層を覆うように窒化ガリウム層を形成する窒化ガリウム層形成工程と、を有する。

図２（ａ）～（ｄ）は、本開示の窒化ガリウム基板の製造方法の一例を示す工程図である。まず、図２（ａ）に示すように、結晶成長用基板１０を準備する。次に、結晶成長用基板１０のマスク層２の開口部３内の結晶基板１の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させると、図２（ｂ）に示すように、結晶成長用基板１０におけるマスク層２の開口部３内の結晶基板１の面から窒化ガリウム結晶４ａの成長が開始する。これは、マスク層２は窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有しており、マスク層２の面では窒化ガリウム結晶が成長しにくいからである。エピタキシャル成長では、図２（ｃ）に示すように、窒化ガリウム結晶４ａは、厚さ方向に成長するとともに、水平方向に成長する。そして、窒化ガリウム結晶４ａは柱状に成長していき、隣接する柱状の窒化ガリウム結晶４ａが会合して一体となり、図２（ｄ）に示すように、マスク層２を覆うように、窒化ガリウム層４が形成される。

本開示においては、上述の「Ａ．結晶成長用基板」の項に記載したように、結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が所定の範囲内であり、結晶基板と窒化ガリウムとの格子定数が大きく異なる場合であっても、表面の平坦性が良好な窒化ガリウム層を形成することができる。また、本開示においては、結晶基板の一方の面に所定のマスク層が配置されていることにより、マスク層が配置されていない場合と比較して、窒化ガリウム層の欠陥を少なくし品質を高めることができる。また、窒化ガリウム層の厚さが比較的薄い場合であっても、窒化ガリウム層の平坦性を良くすることができるため、製造効率を高め、製造コストを削減することができる。

以下、本開示における窒化ガリウム基板の製造方法における各工程について説明する。

１．準備工程
本開示においては、上述の結晶成長用基板を準備する準備工程を行う。

結晶成長用基板の作製方法については、上述の「Ａ．結晶成長用基板」の項に記載したので、ここでの説明は省略する。

また、準備工程では、予め作製された結晶成長用基板を使用してもよい。

２．窒化ガリウム層形成工程
本開示においては、上記結晶成長用基板のマスク層の開口部内の結晶基板の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、マスク層を覆うように窒化ガリウム層を形成する窒化ガリウム層形成工程を行う。

エピタキシャル成長法としては、例えば、気相エピタキシャル成長法が挙げられる。気相エピタキシャル成長法としては、例えば、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）等が挙げられる。中でも、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が好ましい。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）は、結晶成長速度が速く、薄膜の精度が良好である。

エピタキシャル成長時の温度および圧力等の条件としては、一般的な窒化ガリウム結晶のエピタキシャル成長の条件と同様とすることができる。

また、窒化ガリウム層形成工程は、結晶成長用基板のマスク層の開口部内の結晶基板の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、マスク層を覆うように第１窒化ガリウム層を形成する第１結晶成長工程と、第１窒化ガリウム層のマスク層とは反対の面に、窒化ガリウムをさらにエピタキシャル成長させて、第２窒化ガリウム層を形成する第２結晶成長工程とを有していてもよい。この場合、第２窒化ガリウム層の厚さを比較的厚くすることができ、欠陥をさらに少なくし品質を高めることができる。また、窒化ガリウム基板から第２窒化ガリウム層を分離して、第２窒化ガリウム層を窒化ガリウムバルク基板として用いることができる。

窒化ガリウム層形成工程が、第１結晶成長工程および第２結晶成長工程を有する場合、第１結晶成長工程および第２結晶成長工程でのエピタキシャル成長法は、上記のエピタキシャル成長法であればよく、同じであってもよく、異なっていてもよい。中でも、第２結晶成長工程でのエピタキシャル成長法は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）であることが好ましい。ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）は、他の気相エピタキシャル成長法と比較して、結晶成長速度が速いことから、製造効率を高めることができる。また、第１結晶成長工程でのエピタキシャル成長法は、上述のように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）であることが好ましい。

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。

以下、実施例および比較例を挙げて本開示を具体的に説明する。

［実施例１］
（１）結晶成長用基板の作製
まず、外径φ５０．８ｍｍ、厚さ０．４３ｍｍのサファイア基板上に、化学気相成長法(ＣＶＤ法)により、厚さ２０ｎｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次いで、二酸化ケイ素膜上に、フォトレジストを塗布してレジスト層を形成し、レジスト層を所定のパターンで露光し、現像液で溶解して、レジストパターンを形成した。続いて、レジストパターンをマスクとして、二酸化ケイ素膜をドライエッチングした後、レジストパターンを除去した。これにより、二酸化ケイ素からなり、φ０．２μｍの円形状の開口部を複数有するマスク層を形成した。マスク層において、開口部は正三角格子状に配置されており、開口部のピッチは０．６３６μｍであった。このようにして、結晶成長用基板を得た。なお、サファイア基板と窒化ガリウムとの格子不整合率は、４９．４％である。

（２）窒化ガリウム層の形成
次に、結晶成長用基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、窒化ガリウム層を形成した。これにより、窒化ガリウム基板を得た。

実施例１では、窒化ガリウムのエピタキシャル成長厚が約２μｍのときに、滑らかな面状になった。

［比較例１］
サファイア基板上にマスク層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。

［比較例２］
（１）結晶成長用基板の作製
外径φ５０．８ｍｍ、厚さ０．４３ｍｍのサファイア基板上に、ＨＶＰＥ法により、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、窒化ガリウムからなるバッファ層を形成した。バッファ層上に、実施例１と同様にして、マスク層を形成した。これにより、結晶成長用基板を得た。

（２）窒化ガリウム層の形成
実施例１と同様にして、結晶成長用基板上に、窒化ガリウム層を形成し、窒化ガリウム基板を得た。

比較例２では、実施例１と比べて、滑らかな面状になるまでのエピタキシャル成長時間が約２倍であった。

［実施例２］
マスク層について、開口部の大きさをφ０．３２μｍとし、開口部のピッチを２．３８５μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。

実施例２では、実施例１と比べて、均一な面状になるまでのエピタキシャル成長時間が約５倍であった。また、実施例２では、比較例１と比べて、窒化ガリウム層の表面の平坦性が低かった。これは、実施例２では、実施例１と比べて、開口部の大きさに対して開口部のピッチが長いため、隣接する窒化ガリウム結晶が結合しにくいからであると考えられる。

［実施例３］
マスク層について、開口部の大きさをφ１．６μｍとし、開口部のピッチを２．３８５μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。

実施例３では、均一な面状になるまでのエピタキシャル成長時間が、実施例１と同程度であった。また、実施例３では、窒化ガリウム層の表面の平坦性が、実施例１と同程度であった。これは、実施例３では、開口部のピッチは実施例２と同様であるが、開口部の大きさは実施例２よりも大きいため、開口部間の距離が短くなり、結晶成長速度が速くなったからであると考えられる。

［評価］
（１）平坦性
実施例１～３および比較例１の窒化ガリウム基板について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、表面および断面を観察した。図４～７にそれぞれ実施例１～３および比較例１のＳＥＭ写真を示す。実施例１～３では、窒化ガリウム層の表面の平坦性が良好であった。一方、比較例１では、窒化ガリウム層の表面の凹凸が多かった。

（２）欠陥
実施例１～３および比較例１の窒化ガリウム基板について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、表面および断面を観察した。実施例１～３では、比較例１と比べて、欠陥が少なかった。

１ … 結晶基板
２ … マスク層
３ … 開口部
４ … 窒化ガリウム層
１０ … 結晶成長用基板
２０ … 窒化ガリウム基板

Claims (10)

1. 窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、
   前記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、を有し、
   前記結晶基板と窒化ガリウムとの格子不整合率が、２．２％超４９．４％以下であり、
   前記マスク層の開口部では前記結晶基板の面が露出し、
   前記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている、結晶成長用基板。
2. 前記マスク層の開口部のピッチが、０．０３μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載の結晶成長用基板。
3. 前記マスク層の開口部のピッチが、窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍である、請求項１または請求項２に記載の結晶成長用基板。
4. 前記結晶基板がサファイア基板である、請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の結晶成長用基板。
5. 窒化ガリウムを結晶成長させることが可能な結晶基板と、
   前記結晶基板の一方の面に配置され、複数の開口部を有し、窒化ガリウムを結晶成長させにくい材料を含有するマスク層と、
   前記結晶基板の前記マスク層側の面に前記マスク層を覆うように配置された窒化ガリウム層と、を有し、
   前記結晶基板と前記窒化ガリウム層との格子不整合率が、２．２％超４９．４％未満であり、
   前記マスク層の開口部では前記結晶基板と前記窒化ガリウム層とが接しており、
   前記マスク層の開口部が正三角格子状に配置されている、窒化ガリウム基板。
6. 前記マスク層の開口部のピッチが、０．０３μｍ以上５μｍ以下である、請求項５に記載の窒化ガリウム基板。
7. 前記マスク層の開口部のピッチが、窒化ガリウムの格子定数ａの整数倍である、請求項５または請求項６に記載の窒化ガリウム基板。
8. 前記結晶基板がサファイア基板である、請求項５から請求項７までのいずれかの請求項に記載の窒化ガリウム基板。
9. 請求項５から請求項８までのいずれかの請求項に記載の窒化ガリウム基板を有する、半導体基板。
10. 請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の結晶成長用基板を準備する準備工程と、
    前記結晶成長用基板の前記マスク層の開口部内の前記結晶基板の面に、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させて、前記マスク層を覆うように窒化ガリウム層を形成する窒化ガリウム層形成工程と、
    を有する、窒化ガリウム基板の製造方法。

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