JP4035971B2 - 半導体結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体（Ａｌ _1-x-y Ｇａ _y Ｉｎ _x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ≦１）から成る半導体結晶を成長させ、下地基板から独立した良質の半導体結晶を得る方法に関する。
また、本発明は、ＬＥＤ等に代表される各種の半導体素子の結晶成長基板の製造等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る半導体結晶を成長させ、その下地基板から独立した半導体結晶を得る従来技術としては、例えば、公開特許公報「特開平７−２０２２６５：III族窒化物半導体の製造方法」に記載されている湿式エッチングによる方法や、或いは、サファイア基板上にＨＶＰＥ法等により厚膜のＧａＮ（目的の半導体結晶）を成長させ、レーザ照射や研磨等によりサファイア基板を取り除く方法等が一般に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術においては、下地基板（例：サファイア等）とIII族窒化物系化合物半導体との間の熱膨張率差や格子定数差等に起因して、結晶成長工程完了後の降温時等に目的の単結晶（例：ＧａＮ等）に応力が加わり、目的の単結晶に転位やクラックが多数発生すると言う問題がある。
また、厚膜成長の場合には、成長中にさえ目的の単結晶にクラックが入り、部分的に小片剥離が発生する等の問題が非常に生じ易い。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、下地基板から独立した良質の半導体結晶を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体（Ａｌ _1-x-y Ｇａ _y Ｉｎ _x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ≦１）から成る半導体結晶を成長させ、下地基板から独立した良質の半導体結晶を得る製造工程において、III族窒化物系化合物半導体から成る目的の半導体結晶層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃよりも前に実施する工程として、半導体結晶層Ｃに対して結晶成長面を供するIII族窒化物系化合物半導体から成る保護層Ｂと下地基板との間に積層された、保護層Ｂのインジウム (In) 組成比よりもインジウム (In) 組成比の大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る分離層Ａを熱処理により蒸発させる分離層消失工程αを設け、分離層消失工程αにおける前記熱処理の温度Ｔ _X と、半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ _C と、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ _B との大小関係を、Ｔ _B ＜Ｔ _X ≦Ｔ _C とすることである。
【０００６】
即ち、例えば、サファイア等から成る下地基板とＧａＮ膜等から成る目的の半導体結晶層Ｃの間に、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎ等から成る分離層ＡとＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ等から成る保護層Ｂを成長させておく等の手段が考えられる。
例えば、これらの様な構成によれば、分離層Ａが熱分解により蒸発する温度を保護層Ｂが熱分解により蒸発する温度よりも十分に低くできるので、分離層Ａのみを昇温により熱分解することが可能となる。
このため、半導体結晶層Ｃの成膜前に分離層Ａのみを熱分解により消失させることができるため、半導体結晶層Ｃが下地基板から受ける応力等の悪影響を防止して半導体結晶層Ｃを成長させることができる。即ち、独立した保護層Ｂ上に成長する半導体結晶層Ｃは、格子定数差や熱膨張係数差に基づく応力等の下地基板からの影響を受けない。
【０００７】
これらの作用により、膜厚の半導体結晶層Ｃ（例：ＧａＮ膜等）の成膜前に、下地基板を保護層Ｂから分離できるので、格子定数差や熱膨張係数差等による転位やクラックが発生せず、高品質な半導体結晶層Ｃが得られる。この様にして得られる膜厚の半導体結晶層Ｃ（例：ＧａＮ膜等）は、例えば半導体素子の結晶成長基板等として大いに利用できるため、その産業上の利用価値は大きい。
また、上記の製造方法は、結晶成長工程のみで実施可能なため、レーザ照射、研磨等の工程が不要となる。このため、下地基板は研磨や破損等されずにそのまま残るので、上記の製造方法によれば、下地基板の再利用も可能となる。
【０００８】
【０００９】
ただし、ここで言う「III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「Ａｌ_1-x-yＧａ_yＩｎ_xＮ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ≦１」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、ｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のIII族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の少なくとも一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の少なくとも一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等もまた、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃａ）等を添加することができる。
また、上記のｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等を添加することができる。
また、これらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。
尚、本明細書においては、上記の「III族窒化物系化合物半導体」のことを単に「III族窒化物」等と言う場合がある。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
分離層Ａの分解温度（Ｔ_X）は、分離層Ａや保護層Ｂの組成等を調整することにより、保護層Ｂの成膜温度（Ｔ_B）と半導体結晶層Ｃの成膜温度（Ｔ_C）の間の温度に設定することができる。そして、この様な設定によれば、半導体結晶層Ｃの成膜開始までに、分離層Ａは必然的な昇温処理に伴う熱分解により必然的に消失できるので、下地基板からの応力等による悪影響を自動的に防止しつつ半導体結晶層Ｃを成長させることができる。
【００１４】
また、例えば、半導体結晶の組成「Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ」において、保護層Ｂのインジウム(In)組成比ｘ１を０．２程度とし、分離層Ａのインジウム(In)組成比ｘ２を０．５程度（＞ｘ１）にする等の設定が良い。例えば、この様なインジウム(In)組成比ｘ１，ｘ２の設定により、分離層消失工程αにおいて、分離層Ａのみを十分に消失させ、かつ、保護層Ｂを良質或いは安定に残留させることができる。
【００１５】
また、第２の手段は、上記の第１の手段の下地基板として、サファイア、スピネル、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ ₂ ）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＭｇＯ，ＺｎＯ、又はＭｇＡｌ ₂ Ｏ ₄ を用ることである。
これらの下地基板の材料としては、上記の分離層消失工程αにおける熱処理の温度に耐え得る材料であれば何でも良く、 III 族窒化物系化合物半導体に対する、公知或いは任意の結晶成長基板を使用することができる。
また、第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、上記の半導体結晶層Ｃとして、窒化ガリウム（ＧａＮ）を９００℃〜１１００℃で結晶成長させることである。
半導体結晶層Ｃのより具体的な組成としては、半導体の結晶成長基板等に最適で非常に有用な窒化ガリウム（ＧａＮ）が、今のところ産業上最も利用価値が高いものと考えられる。また、１０００℃前後で窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させることにより、最も品質の高い単結晶を得ることができる。
ただし、ＡｌＧａＮや、或いはＡｌＧａＩｎＮ等についても、勿論産業上の利用価値は大きいので、半導体結晶層Ｃのより具体的な組成としてこれらを選択しても良い。
【００１６】
また、第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段における保護層Ｂとして、「Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ（０．０≦ｘ≦０．８）」を結晶成長させることである。より望ましくは、保護層Ｂのインジウム(In)組成比ｘは、０．０５〜０．５程度が良い。
【００１７】
また、更に望ましくは、分離層Ａのインジウム(In)組成比や分離層消失工程αにおける熱処理温度等にも依存するが、概ねｘの値は０．１〜０．３程度が理想的と考えられる。例えば、この様なインジウム(In)組成比の設定により、分離層消失工程αにおいて、保護層Ｂを良質或いは安定に残留させることができる。
ただし、保護層ＢはＧａＮから形成することも十分に可能である。
【００１８】
また、保護層Ｂの膜厚は、０．１〜１００μｍ程度が良く、更により望ましくは、保護層Ｂの膜厚は、５〜２０μｍ程度が良い。この厚さが厚過ぎると必要以上に結晶成長時間を要することになり望ましくない。また、この厚さが薄過ぎると、基板取り出し工程等で保護層Ｂをハンドリングする際に、保護層Ｂが破断或いは損傷され易くなるため望ましくない。
【００１９】
また、第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段における分離層Ａとして、「Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ（０．０５≦ｘ≦１．０）」を結晶成長させることである。より望ましくは、分離層Ａのインジウム(In)組成比ｘは、０．３〜０．７程度が良い。
【００２０】
また、更に望ましくは、保護層Ｂのインジウム(In)組成比や分離層消失工程αにおける熱処理温度等にも依存するが、概ねｘの値は０．４〜０．６程度が理想的と考えられる。例えば、この様なインジウム(In)組成比の設定により、分離層消失工程αにおいて、分離層Ａを十分に消失させることができる。
【００２１】
また、分離層Ａの膜厚は、０．１〜１００μｍ程度が良く、更により望ましくは、分離層Ａの膜厚は、５〜２０μｍ程度が良い。この厚さが厚過ぎると必要以上に結晶成長時間を要することになり望ましくない。また、この厚さが薄過ぎると、下地基板（例：サファイア）と保護層Ｂとを確実に分離できなくなる場合が生じ得る等の都合により望ましくない。
【００２２】
また、第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、分離層消失工程αにおける熱処理の温度Ｔ_Xを７００℃以上、１１００℃以下とすることである。
この温度Ｔ_Xの最適値は、各半導体層Ａ，Ｂ，Ｃの組成等にも依存するが、熱処理時間を短くすると共に保護層Ｂの結晶性を維持するために、温度Ｔ_Xは概ね半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_Cと同程度か或いは１０００℃前後が最も望ましいものと考えられる。
【００２３】
また、第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、単結晶成長工程ｃよりも後に実施する工程として、保護層Ｂを熱処理により蒸発させる保護層消失工程βを設けることである。
例えば、ＧａＮ等から成る半導体結晶層Ｃの結晶成長後に、保護層Ｂの分解温度（例：１１００〜１２００℃程度）まで反応室を昇温すれば、保護層Ｂをも消失させることができ、よって半導体結晶層Ｃだけが残るため、単一層から成る独立した半導体単結晶を得ることができる。
ただし、単結晶成長工程ｃ実施後、必ずしも保護層Ｂを除去する必要は無い。即ち、この保護層消失工程βを本発明の製造工程中に設けるか否かの是非は、最終的に形成される半導体素子の構造、機能、性能、用途、単価等の各種の要件に照らして総合的に判断すれば良い。
【００２４】
また、第８の手段は、上記の第７の手段において、保護層消失工程βにおける熱処理の温度を９００℃以上、１２００℃以下とすることである。この熱処理温度の最適値は、保護層Ｂや半導体結晶層Ｃの組成等に依存するが、上記の温度範囲内で半導体結晶層Ｃに対するダメージを抑制しつつ保護層Ｂを比較的効率よく消失させることができる。
【００２５】
上記の熱処理温度が高過ぎると、半導体結晶層Ｃに対するダメージが大きくなり、結晶性の良い半導体結晶が得られない。また、上記の熱処理温度が低過ぎると、保護層Ｂを確実に消失させることが困難となるか、消失させるための時間が長くなってしまい望ましくない。
例えば、半導体結晶層ＣをＧａＮから形成し、保護層Ｂのインジウム(In)組成比ｘを０．２前後にした場合、保護層消失工程βにおける熱処理の温度は１１５０℃程度が望ましい。この様な温度設定により、半導体結晶層Ｃの結晶性を良好に維持しつつ、保護層Ｂを十分に消失させることができる。
【００２６】
また、第９の手段は、上記の第１乃至第８の何れか１つ手段における、分離層消失工程αよりも前に実施する工程として、分離層消失工程αにおける熱分解から保護層Ｂを保護するキャップ層を保護層Ｂの上に積層しておくキャップ層積層工程を設けることである。
【００２７】
このキャップ層の組成、成長温度及び膜厚は、半導体結晶層Ｃの結晶成長が開始される時点までに、このキャップ層が熱分解作用により丁度過不足無く消失される様に設定しておくことが望ましい。
この様なキャップ層の積層及び消失により、熱処理等の高温下において、保護層Ｂの表面、即ち半導体結晶層Ｃの結晶成長面の結晶性を十分良質に維持しておくことができる。したがって、半導体結晶層Ｃをより確実に良質な単結晶にすることができる。
また、キャップ層の組成を半導体結晶層Ｃの組成と略同じ組成に設定しておく方法も有効である。これにより、キャップ層の一部が完全に消失し切らずに、保護層Ｂ上に一部残った場合にも、高品質の半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始することが可能或いは容易となる。
【００２８】
尚、この様なキャップ層に幾らか関連する文献としては、例えば、公開特許公報「特開平１１−６８１５９：３族窒化物半導体素子の製造方法」等があり、本文献には、本発明の上記のキャップ層に関連する基本的な作用原理が、より一般的に記載されている。
【００２９】
また、第１０の手段は、上記の第９の手段において、キャップ層として、半導体結晶層Ｃと略同組成のIII族窒化物系化合物半導体を半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_Cよりも低い成長温度で結晶成長させることである。
また、第１１の手段は、上記の第９又は第１０の手段において、キャップ層として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を８００℃〜１０００℃の成長温度で結晶成長させることである。
例えば、これらの方法によっても、上記の第９の手段を順調或いは良好に実施することが可能である。
【００３０】
また、第１２の手段は、上記の第１乃至第１１の何れか１つの手段において、単結晶成長工程ｃの全体若しくは遅くとも途中以降の結晶成長を、それまで実施していた結晶成長法（例：ＭＯＶＰＥ法等）よりも結晶成長速度の速い第２の結晶成長法（例：ＨＶＰＥ法）で実施することである。
【００３１】
例えば、半導体結晶層Ｃがある程度の厚さ（例：約１０〜５０μｍ）に形成されるまでは、良質の単結晶を成長させ易い結晶成長法（例：ＭＯＶＰＥ法等）を採用し、その後は、膜厚を効率よく成長させることが容易な結晶成長法（例：ＨＶＰＥ法）を採用すれば、短時間に結晶性の良質な厚膜（例：約１００〜２００μｍ）の半導体結晶を得ることが可能となる。
【００３２】
また、第１３の手段は、上記の第１乃至第１２の何れか１つの手段において、分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_A、又は、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_Bを４００℃〜９００℃とすることである。
これらの温度設定により、目的の半導体結晶層Ｃに成長面を供する保護層Ｂの結晶性を良質にすることができる。また、これらの半導体層Ａ，Ｂの結晶成長温度は、４５０℃〜７００℃程度がより望ましい。
【００３３】
更に詳しくは、分離層Ａの成長温度は、分離層Ａのインジウム組成比ｘが０．４〜０．６程度の場合、５００℃〜７００℃程度がより望ましい。また、分離層Ｂの成長温度は、分離層Ｂのインジウム組成比ｘが０．１〜０．３程度の場合、６００℃〜８００℃程度がより望ましい。この様な温度設定により、所望のインジウム組成比の単結晶膜を高品質に形成でき、且つ、分離層消失工程αにおいて、保護層Ｂを良質或いは安定に残留させることができる。
【００３４】
また、第１４の手段は、上記の第１乃至第１３の何れか１つの手段において、分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_Aと、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_Bとの大小関係を「Ｔ_A≦Ｔ_B」とすることである。
即ち、例えば、分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_Aを５００℃程度にし、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_Bを６５０℃程度にすると、結晶性の良質な単結晶（半導体結晶層Ｃ）が得られる場合が少なくない。また、これらの結晶成長温度Ｔ_A，Ｔ_Bは更に接近していても良い。
これらの温度設定により、保護層Ｂの構造を分離層Ａの構造よりも分離層消失工程中の熱処理過程においてより安定にすることができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）
本発明の第１実施例においては、III族窒化物系化合物半導体（ＧａＮ）から成る目的の半導体結晶層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃの途中まで（半導体結晶層Ｃが約３０μｍの膜厚に成長するまでの前半）をＭＯＶＰＥ法で実施し、その後の半導体結晶層Ｃの積層（半導体結晶層Ｃが約１５０μｍの膜厚に成長するまでの後半）をＨＶＰＥ法で実施する。
【００３６】
図１は、本第１実施例における単結晶成長工程ｃ（上記の前半）に至るまでの反応室の温度変化を示すグラフである。本グラフ中における記号ａは第１のIII族窒化物半導体（Ｇａ_0.50Ｉｎ_0.50Ｎ）より成る分離層Ａを結晶成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「分離層積層工程」を示しており、また、記号ｂは第２のIII族窒化物半導体（Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ）より成る保護層Ｂを結晶成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「保護層積層工程」を、更に記号ｃは第３のIII族窒化物半導体、即ち、ＧａＮから成る目的の半導体結晶層Ｃを結晶成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「単結晶成長工程」をそれぞれ示している。
また、記号αは、上記の分離層Ａを熱処理（昇温）により気化させる「分離層消失工程」を示している。
【００３７】
図２は、本第１実施例における各主要工程前後のIII族窒化物半導体の積層構成を表す断面図である。
以下、図１及び図２を用いて、本第１実施例における目的のＧａＮ単結晶（半導体結晶層Ｃ）の製造工程について、順を追って説明する。
【００３８】
１．クリーニング工程
まず最初に、反応室を排気し、サファイア基板１０１が装着されたサセプタを約１０００℃まで昇温することにより、サファイア基板１０１の結晶成長面をクリーニングする。
【００３９】
２．ＭＯＶＰＥ法（分離前）
（１）バッファ層成膜工程
次に、サファイア基板１０１の結晶成長面上にＡｌＮより成るバッファ層１０２を約５００Å成膜する。この時の結晶成長温度は約４２０℃とする。
（２）分離層積層工程ａ
次に、第１のIII族窒化物半導体（Ｇａ_0.50Ｉｎ_0.50Ｎ）より成る膜厚約１０μｍの分離層Ａを積層する。この時の結晶成長温度Ｔ_Aは約５００℃とする。
（３）保護層積層工程ｂ
次に、第２のIII族窒化物半導体（Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ）より成る膜厚約１０μｍの保護層Ｂを積層する。この時の結晶成長温度Ｔ_Bは約６５０℃とする。
以上の製造工程により、図２（ａ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得られる。
【００４０】
３．分離層消失工程α
次に、排気処理後、反応室の温度（熱処理温度Ｔ_X）を約１０００℃まで昇温し、上記の分離層Ａを気化させることにより、バッファ層１０２を有するサファア基板１０１から膜厚約１０μｍの保護層Ｂを分離する。
この分離層Ａの分解温度は、保護層Ｂの成膜温度（約６５０℃）以上であり、半導体結晶層Ｃの成膜温度（約１０００℃）以下であるため、分離層Ａは熱分解により消失（気化）し、保護層Ｂは下地基板（サファイア基板１０１）から分離される。
以上の製造工程により、図２（ｂ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得られる。
【００４１】
４．下地基板取り出し工程
次に、反応室を略常温まで降温することにより、バッファ層１０２を有するサファア基板１０１（下地基板）と膜厚約１０μｍの保護層Ｂを冷却し、サファア基板１０１を反応室から取り出す。
【００４２】
５．単結晶成長工程
（１）排気・昇温工程
次に、反応室を排気し、約１０００℃（半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C）まで昇温する。
（２）単結晶成長工程ｃ（前半）
次に、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＮから成る目的の半導体結晶層Ｃの一部（膜厚約３０μｍ）を積層する。
（３）単結晶成長工程ｃ（後半）
その後、ＨＶＰＥ法（第２の結晶成長法）により、上記の膜厚約３０μｍのＧａＮ単結晶（半導体結晶層Ｃの一部）を基板として、上記の半導体結晶層Ｃが約１５０μｍに成長するまで結晶成長を実施する。この時の結晶成長温度は１０００℃程度で良い。
以上の製造工程により、図２（ｃ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得られる。
【００４３】
６．保護層消失工程β
その後、保護層Ｂの分解温度（約１１５０℃程度）まで昇温することにより、保護層Ｂを熱分解（気化）により消失させる。これにより、半導体結晶層Ｃ（ＧａＮ層）だけが残るため、独立したＧａＮ基板を得ることができる。
以上の製造工程により、図２（ｄ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得られる。
ただし、本工程βは省略しても良い。
【００４４】
以上の製造工程により、膜厚の半導体結晶層Ｃ（ＧａＮ膜）の成膜前に、下地基板を保護層Ｂから分離できるので、下地基板（サファイア基板１０１）との格子定数差や熱膨張係数差等に基づいた応力に伴う転位やクラックが膜厚の半導体結晶層Ｃ中に発生せず、高品質な半導体結晶層Ｃが得られる。
【００４５】
（第２実施例）
図３は、本第２実施例における各主要工程前後のIII族窒化物半導体の積層構成を表す断面図である。
本第２実施例は、上記の第１実施例の製造方法を基本とし、保護層積層工程ｂの後に、前記のＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎから成る膜厚約１０μｍの保護層Ｂの上に、更に、約９００℃程度でＧａＮ層Ｃ′（キャップ層Ｃ′）を２０μｍ成長させて、その後１０００℃程度に昇温し、それから中間に位置する分離層Ａを蒸発させて、「サファイア基板１０１とＡｌＮバッファ層１０２から成る下地基板側」と「ＧａＮ層Ｃ′と保護層Ｂから成る新たな結晶成長基板側」とを分離するものである。
【００４６】
例えば、以上の様な方法によれば、上記のキャップ層Ｃ′（ＧａＮ層Ｃ′）の保護膜としての働きにより、９００〜１０００℃付近で熱分解等によるダメージを幾分受けがちな保護層Ｂの結晶性を比較的安定に保ちつつ、半導体結晶層Ｃを結晶成長させる単結晶成長工程ｃを順調或いは良好に開始することが、可能又は容易となる。
【００４７】
このキャップ層Ｃ′の組成、成長温度及び膜厚は、半導体結晶層Ｃの結晶成長が開始される時点までに、このキャップ層が熱分解作用により丁度過不足無く消失される様に設定しておくことが望ましい。
この様なキャップ層Ｃ′の積層及び消失により、熱処理等の高温下においても、保護層Ｂの表面（半導体結晶層Ｃの結晶成長面）の結晶性を十分良質に維持しておくことができ、よって、半導体結晶層Ｃをより確実に良質な単結晶にすることができる。
【００４８】
例えば上記の様に、一般に、キャップ層Ｃ′の組成を半導体結晶層Ｃの組成と略同じ組成に設定しておく方法が有効である。これにより、キャップ層の一部が完全に消失し切らずに、保護層Ｂ上に一部残った場合にも、高品質の半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始又は継続することができる。
【００４９】
また、キャップ層Ｃ′として、半導体結晶層Ｃと略同組成のIII族窒化物系化合物半導体を半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_Cよりも低い成長温度で結晶成長させる方法も有効である。この様な方法によれば、半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C付近において、キャップ層Ｃ′を比較的容易に消失させることが可能となる。このため、キャップ層Ｃ′が熱分解作用により丁度過不足無く消失される様に設定しておくことが比較的容易になる。また更に、半導体結晶層Ｃとキャップ層Ｃ′とが同組成のため、キャップ層Ｃ′の一部が完全に消失し切らずに、保護層Ｂ上に一部残った場合にも、高品質の半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始（或いは継続）することが可能或いは容易となる。
【００５０】
尚、上記の各実施例において、ＨＶＰＥ法は、ＭＯＶＰＥ法等にて実施しても良い。即ち、第２の結晶成長法を用いずに、終始１種類の結晶成長法で結晶成長を実施しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例における単結晶成長工程ｃに至るまでの反応室の温度変化を示すグラフ。
【図２】 本発明の第１実施例における各主要工程前後のIII族窒化物半導体の積層構成を表す断面図。
【図３】 本発明の第２実施例における各主要工程前後のIII族窒化物半導体の積層構成を表す断面図。
【符号の説明】
Ａ … 分離層（第１のIII族窒化物）
Ｂ … 保護層（第２のIII族窒化物）
Ｃ … 目的の単結晶層（第３のIII族窒化物）
Ｃ′ … キャップ層
ａ … 分離層積層工程
ｂ … 保護層積層工程
ｃ … 単結晶成長工程
α … 分離層消失工程
β … 保護層消失工程
１０１ … 下地基板（サファイア基板）
１０２ … バッファ層（ＡｌＮ層）
Ｔ_X … 分離層消失工程αにおける熱処理の温度
Ｔ_C … 半導体結晶層Ｃの結晶成長温度
Ｔ_B … 保護層Ｂの結晶成長温度

Claims (14)

1. 下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体（Ａｌ _1-x-y Ｇａ _y Ｉｎ _x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ≦１）から成る半導体結晶を成長させ、前記下地基板から独立した良質の半導体結晶を得る方法であって、
   III族窒化物系化合物半導体から成る目的の半導体結晶層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃよりも前に実施する工程として、
   前記半導体結晶層Ｃに対して結晶成長面を供するIII族窒化物系化合物半導体から成る保護層Ｂと前記下地基板との間に積層された、前記保護層Ｂのインジウム (In) 組成比よりもインジウム (In) 組成比の大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る分離層Ａを熱処理により蒸発させる分離層消失工程αを有し、
   前記分離層消失工程αにおける前記熱処理の温度Ｔ _X と、前記半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ _C と、前記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ _B との大小関係を、Ｔ _B ＜Ｔ _X ≦Ｔ _C とすることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. 前記下地基板として、サファイア、スピネル、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ₂）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＭｇＯ，ＺｎＯ、又はＭｇＡｌ₂Ｏ₄を用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶の製造方法。
3. 前記半導体結晶層Ｃとして、窒化ガリウム（ＧａＮ）を９００℃〜１１００℃で結晶成長させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体結晶の製造方法。
4. 前記保護層Ｂとして、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ（０．０≦ｘ≦０．８）を結晶成長させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
5. 前記分離層Ａとして、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ（０．０５≦ｘ≦１．０）を結晶成長させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
6. 前記分離層消失工程αにおける前記熱処理の温度Ｔ_Xを７００℃以上、１１００℃以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
7. 前記単結晶成長工程ｃよりも後に実施する工程として、前記保護層Ｂを熱処理により蒸発させる保護層消失工程βを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
8. 前記保護層消失工程βにおける前記熱処理の温度を９００℃以上、１２００℃以下としたことを特徴とする請求項７に記載の半導体結晶の製造方法。
9. 前記分離層消失工程αよりも前に実施する工程として、前記分離層消失工程αにおける熱分解から前記保護層Ｂを保護するキャップ層を前記保護層Ｂの上に積層しておくキャップ層積層工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
10. 前記キャップ層として、前記半導体結晶層Ｃと略同組成のIII族窒化物系化合物半導体を前記半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_Cよりも低い成長温度で結晶成長させることを特徴とする請求項９に記載の半導体結晶の製造方法。
11. 前記キャップ層として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を８００℃〜１０００℃の成長温度で結晶成長させることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の半導体結晶の製造方法。
12. 前記単結晶成長工程ｃの全体若しくは遅くとも途中以降の結晶成長を、それまで実施していた結晶成長法よりも結晶成長速度の速い第２の結晶成長法で実施することを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
13. 前記分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_A、又は、前記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_Bを４００℃〜９００℃としたことを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
14. 前記分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_Aと、前記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_Bとの大小関係をＴ_A≦Ｔ_Bとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。

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