JP4980476B2 - 窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板の製造方法及び製造装置、とりわけ、基板形成周辺部におけるＧａＮ結晶の異常成長を抑制することができる、製造方法及び製造装置に関する。

従来技術

ＧａＮ系化合物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子用の材料等、電子デバイス用素子等にも用いられている。

とりわけ、近年では、窒化ガリウム系発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと蛍先体を組み合わせた白色ＬＥＤの照明ヘの応用が急速に進んでいる。白色ＬＥＤは白熱灯と比較して消費電力が少なく、寿命が長いため、白熱灯の代替照明として注目を浴びている。このため、ＧａＮ系化合物半導体を安価に、大量に生産されることが必要とされている。

ＧａＮ自立基板の製造方法としては、様々な方法が用いられており（超高温高圧法、フラックス法、気相成長法等）、特に、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）が技術的に確立し、実際、複数チップの生産に使用されている。

図１を用いて、ＨＶＰＥ法の概要を説明する。ＨＶＰＥ法は、窒化ガリウムの原料として気体である塩化ガリウムガスとアンモニアガスを供給し、基板上で窒化ガリウムを析出させる方法である。反応炉全体にはキャリアガスとして水素が流される。塩化ガリウムは、溶解した金属ガリウムに塩化水素ガスを吹き付けることによって発生させる。このとき反応炉の中では、下記化学反応が生じて、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスが合成される。
２Ｇａ＋２ ＨＣｌ → ２ＧａＣＩ十Ｈ_２
サセプターに保持された種基板上では、上記合成ＧａＣｌガスと、吹き込まれたアンモニア（ＮＨ_３）が、下記化学反応をし、窒化ガリウム（ＧａＮ）が合成され、種基板上で窒化ガリウムの結晶成長が生じる。
ＧａＣｌ十ＮＨ_３ → ＧａＮ十ＨＣｌ十Ｈ_２
副反応として、下記化学反応が生じ、塩化アンモニウムも生成される。
ＨＣｌ＋ＮＨ_３ → ＮＨ_４Ｃｌ

図１のＨＶＰＥ装置に用いられるサセプターは、図２（従来）に示すものが一般的である。図２示すサセプター４１には、種基板を保持するためのポケット部４２を備えてなる。ポケット部４２に配置された種基板の上部に原料ガスが到達して、種基板の表面上で化学反応により窒化ガリウムが析出し窒化ガリウムが成長する。

図３（従来）を用いて、ＨＶＰＥ法よる窒化ガリウム自立成長について説明する。図３（ａ）に示すように、サファイア種基板２１を用いて、その種基板上に厚い窒化ガリウム層２２を成長した後、サファイア種基板を窒化ガリウム層から剥離することによって、前記層２２を窒化ガリウム自立基板として分離できる。この剥離には、レーザリフトオフ法と呼ばれる方法が一般的に用いられている。この方法では、サファイア種基板では吸収されず、窒化ガリウム層で吸収されて熱にかわる波長のレーザ光２３を、図３（ａ）に示すようにサファイア種基板側から照射して、サファイア種基板に接する窒化ガリウムの薄い層を溶かすことによって、図３（ｂ）に示すように窒化ガリウムを分離する、方法である。

他方、ＨＶＰＥ法よる窒化ガリウム自立成長においては、図３（ａ）に示すように種基板の周辺部で、窒化ガリウム層の厚みが厚くなり、種基板の側面及び裏面にも窒化ガリウムが結晶成長してしまうという異常な成長が起こることが指摘されている（Crowning：クラウン現象、又はPoor Ｍorphology：貧弱形状形成現象）。その結果、異常成長部分でのストレスのため、図３（ｂ）に示すように、割れ２４が発生し、それが引き金となり自立基板化した窒化ガリウム層の割れが多発してしまう。この現象は、ＨＶＰＥ法による成長では一般的なこととして知られている

これに対して、特許文献１（日本国特開２００９−９１１６３）では、基板上に種結晶層を形成する種結晶層形成工程と、前記種結晶層上にマスクを形成するマスク形成工程と、前記マスクが形成された前記種結晶層上にＧａＮ単結晶を成長させる成長工程とを備えてなるＧａＮ単結晶の製造方法が提案されている。また、特許文献２（日本国特開２００７−５６５８）では、表クラウンと裏クラウンをウエットエッジングで除去する方法が提案されている。また、基板上に、中間層やバッファー層を形成させる方法をも提案されているものの、クラウン現象を有効に抑制するものではない。

この為、今尚、種基板の側面及び裏面にも窒化ガリウムが結晶成長してしまうという異常な成長を抑制し、その結果、窒化ガリウム自立基板の破損、クラック等を有効に防止し、低廉で、大量に窒化ガリウム自立基板を生産する方法及び装置の開発が要求されている。

特開２００９−９１１６３ 特開２００７−５６５８

本発明者等は、本発明時において、気相成長法において、サセプターと種基板との間に、種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、この種基板とこのサブサセプターとの間に間隙を有してなる、サセプターを採用することにより、種基板の両末端周辺部位における窒化ガリウム結晶の異常成長を有効に抑制することができる、との知見を得た。本発明は、この知見に基づいて成されたものである。

よって、本発明の第１の態様は、気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造方法を提案することができ、この製造方法は、
前記窒化ガリウムとは異なる種基板を配置してなるサセプターに、窒化ガリウム結晶を形成する原料ガスを供給し、
前記サセプターにおける前記種基板において、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制し、窒化ガリウム自立基板を気相成長させることを含んでなり、
前記サセプターが、前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである。

本発明の第２の態様は、気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造装置を提案することができ、この製造装置は、
窒化ガリウム結晶を形成する原料ガスと、キャリアガスの各供給部と、
前記原料ガスを反応させ、窒化ガリウム自立基板を気相成長させるための、種基板を備えたサセプターと、
排気機構とを備えてなるものであり、
前記サセプターが、前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである、窒化ガリウム自立基板の製造装置。

本発明の第３の態様は、気相成長法による窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する方法を提案することができ、この方法は、
気相成長法により、種基板を備えたサセプターにおい窒化ガリウム結晶を気相成長させ、
前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなる、前記サセプターを用いて、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである。

本発明の第４の態様は、窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する為のサセプターを提案することができ、このサセプターは、
気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造方法及び製造装置、並びに、気相成長法による窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する方法において使用されるものであり、
種基板と、
前記種基板を固定するポケット部分と、
前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、
前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである、サセプター。

本発明は、種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制することが可能となり、その結果、平滑な窒化ガリウム自立基板層を形成させ、かつ、窒化ガリウム自立基板層の分離時に、破損及びクラック等の発生を事前に防止することができるとの効果を有するものである。

発明の実施の態様

１．サセプター
本発明（生産方法、製造方法、異常成長抑制方法、サセプター）は、その発明特定事項として、
種基板と、前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、
前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、
前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものを備えてなる。

本発明によるサセプターを、図４を用いて説明する。図４は、本発明によるサセプター１１の一例を示す断面概略図である。サセプター１１は母材（石英ガラス等）で製造され、種基板１４がポケット部１２に固定（設置）され、この種基板１４両末端の周辺部には、前記サセプター１１と前記種基板１４との間に、前記種基板１４と反応しないサブサセプター１３が嵌め込まれている。

サブサセプター
本発明は、サブサセプターを採用し、好ましくは、種基板とサブサセプターとの材質は同一ものを採用する。原料ガスに曝されるサブサセプターの表面では、窒化ガリウムの結晶成長（選択成長）が抑制され、結果として種基板両末端周辺部での異常成長が抑制されることとなる。また、原料ガスが種基板の表面及びサブサセプターの表面において殆ど消費されることから、種基板の側面又は裏面への原料ガスの回り込みが有効に抑制され、当該部位での窒化ガリウムの結晶の異常成長をも抑制することができる。

間隙（間隔）／厚み
窒化ガリウム結晶層の厚さを厚いものとする際に、種基板とサブサセプターとの間を符合させることなく、適正な間隙を持たせることが好ましい。この間隙（間隔）の存在により（図４の１４と、１３及び１３‘の間）、種基板上に成長する窒化ガリウム結晶層とサブサセプターに成長する窒化ガリウム結晶層が結合することを有効に抑制することが可能であり、その結果、窒化ガリウム自立基板（窒化ガリウム結晶層と同義語として使用することがある）を種基板から剥離することが容易に行うことができる。その結果、剥離工程における、新たなストレス発生等により生じる、窒化ガリウム結晶層の割れ等を防止することが可能となる。

種基板とサブサセプターとの間隙を設定する場合、原料濃度等を考えることが必要である。原料濃度等を熟考すると、種基板と、サブサセプターにおける横方向への結晶成長の速度は、種基板と垂直方向への成長速度の半分程度である。このことから、本発明の態様によれば、種基板とサブサセプターとの間隙の大きさは、窒化ガリウム自立基板の厚みと同一であることが好ましい。また、好ましくは、種基板とサブサセプターとの間隙の大きさは、０超過２ｍｍ以下であり、好ましくは下限値が０．２ｍｍ以上であり、上限値が２ｍｍ以下である。この間隙の大きさが上記範囲内にあることにより、窒化ガリウム結晶の異常成長を有効に抑制することが可能となる。

材質
本発明にあっては、サブサセプターは、種基板と同一の材質であってよい。本発明にあっては、種基板と、サブサセプターとは、サファイアが好ましくは使用することができる。しかしながら、本願発明にあっては、種基板と異なる材質のものであっても使用することができ、好ましくは、多結晶又は単結晶の物質を用いることが可能である。異常成長を促進する「選択成長」は、そもそも、結晶成長が非晶質の物質上では起こりにくいが、多結晶又は単結晶の物質上では起こりやすい現象に起因している。この為、種基板の回りを種基板とは異なる材質である、多結晶又は単結晶の物質で取り囲めば、種基板と同種の物質で取り囲んだ場合と同様の効果を得られることが可能である。本発明の好ましい態様によれば、サブサセプターは、単結晶又は多結晶の炭化ケイ素、単結晶又は多結晶の窒化アルミニウムが用いることができる。この場合、種基板は異なる材質のものであり、好ましくは、サファイアである。

サブサセプターは、窒化ガリウム結晶が成長する際、種基板と反応しないものが使用され、好ましくは、窒化ガリウム結晶が成長する温度で分解しないものがよい。従って、サブサセプターは、種基板と同質又は異なる材料（異種の多結晶あるいは単結晶物質）であって、少なくとも室温（約２５℃）以上であり、好ましくは１０５０℃以上（窒化ガリウム結晶層を成長させる好ましい温度）、より好ましくは１２００℃程度まで、分解することがなく、かつ、種基板と反応しない安定な物質が好ましい。

サブサセプターの形状は、様々な形状とすることができるが、好ましくは、円柱、皿状、環状（リング）等であってよい。

窒化ガリウム自立基板（窒化ガリウム結晶層）の厚み
窒化ガリウム自立基板の厚みは、例えば、窒化ガリウム自立基板をサファイア基板から剥離させて製造する場合、研磨など次工程を考慮して、０．２５ｍｍ以上、好ましくは０．４ｍｍ以上とすることが好ましい。他方、選択成長の抑制を十分に行うためには、逆に、窒化ガリウム自立基板の厚さは２ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
本発明にあっては、窒化ガリウム結晶の気相成長を考慮すれば、種基板とサブサセプターの間隙大きさと、窒化ガリウム自立基板の厚さは、それぞれ、０超過２ｍｍ以下であることが好ましい。

気相成長法
本発明にあっては、気相成長法（物理的、化学的）が用いられるが、好ましくは化学気相成長法を用いられる。化学気相成長法（ＣＶＤ）は、反応管内で加熱した目的基板物質上に、原料ガスを供給し、該基板表面又は気相中で化学反応により薄膜を形成させる方法である。本発明にあっては、化学気相成長法は、熱ＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が挙げられ、ハイドライド気相成長法が好ましくは用いられる。ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）の内容は、既に説明した。

２．製造方法
本発明は、気相成長方法と、本発明固有のサセプターを用いて、窒化ガリウム自立基板を製造する方法を提供することができる。この製造方法は、種基板において気相成長させた窒化ガリウム自立基板を、自然に、又は人工的に剥離して得られた窒化ガリウム自立基板を、更にエッチング又は研磨する工程（要素）を含んでなる、製造方法（製造装置）においても使用することができる。

また、本発明の別の態様によれば、種基板の上に、バッファー層、金属層、剥離層等の中間層を形成させた後に、窒化ガリウムを気相成長させる工程（要素）を含んでなる、窒化ガリウム自立基板の製造方法（製造装置）においても使用することができる。

本発明の好ましい態様によれば、窒化ガリウム結晶成長を行う際に自然に中間層（剥離層）が形成される方法としては、
種基板としてサファイア基板を用い、サファイア基板を１０５０℃以上の高温でアンモニアガスにさらすことで、サファイア基板を窒化処理し、サファイア基板表面に適当な大きさと密度の窒化アルミニウムを形成した後に、
低温で種基板表面に窒化ガリウムドット及び剥離性物質からなる第一の層を形成し、
前記第１の層上に、５００〜６００℃の低温で窒化ガリウム結晶からなる第２の層を成長させ、
前記第２の層上に、１０００℃以上の高温で窒化ガリウム結晶からなる第３の層を成長させるとともに剥離性物質を気化させて取り除き、及び
温度を室温まで低下させる過程で、種基板と窒化ガリウムの熱膨張係数の差により生ずる応力を窒化ガリウムドットに集中させ、窒化ガリウムドットのみが割れることにより、前記第２の層および第３の層からなる窒化ガリウム結晶サファイアから自然剥離させ、その後表面および裏面を研磨して、窒化ガリウム自立基板を得るものが挙げられる。

従って、本発明は、剥離層を種基板と窒化ガリウム自立基板層の間に挿入する窒化ガリウム自立基板の製造方法における製造工程にも使用することができる。つまり、本願発明によるサセプターを、窒化ガリウム結晶の気相成長から使用し、種基板から窒化ガリウム自立基板を剥離する工程までの一連の製造工程で使用することができる。この結果、窒化ガリウム自立基板の割れを防ぎ、製造歩留まりを大きく改善することができる。

３．製造装置
本発明による製造装置の内容を、図５を用いて説明する。この製造装置は、気相成長法による窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する、本発明によるサセプター及び製造方法を説明することもできる。

図５は、本発明によるサセプターを備えたＨＶＰＥ装置の一例である。 ＨＶＰＥ装置は、反応管５１と、反応管全体が部分的な温度制御可能な電気炉５８とで構成されてなる。
石英製反応管５１は、ガリウム（Ｇａ）リザーバ５２と、ガリウムリザーバに原料ガスである塩化水素ガス（ＨＣｌ）を供給するガス導入部５３と、別の原料であるアンモニアガス（ＮＨ３）を供給するガス導入部５４と、キャリアガスである水素（Ｈ_２）を供給するガス導入部５５と、種基板５９を保持し回転するサセプター５６と、およびガス排気機構５７を備えてなる。本発明による製造装置は、本発明固有のサセプター５６を備えてなることから、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制することを可能とする。

４．用途
本発明の製造方法、製造装置、抑制方法等は、窒化ガリウム系発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと蛍先体を組み合わせた白色ＬＥＤの照明に使用される、窒化ガリウムの製造等に用いられる。

図１は、ＨＶＰＥ装置の概略断面図である。 図２は、従来のサセプターの概略断面図である。 図３は、従来の窒化ガリウム自立成長におけるクラウン現象を説明する外車区断面図である。 図４は、本発明によるサブサセプタを搭載したサセプターの概略断面図である。 図５は、本発明によるサセプターを備えたＨＶＰＥ装置の一例を示す図である。

実施の態様

本発明による実施例により、ＨＶＰＥ装置で窒化ガリウム層を成長させた時、特に種基板両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長の抑制効果と、種基板から窒化ガリウムを剥離させるときの効果について説明する。本実施例においては、図５に示すＨＶＰＥ装置を用いて、窒化ガリウム層を成長した。

実施例１
実施例１は、図４に示すサセプターを用いて、サファイア種基板と、サブサセプターとしてサファイアリングを装填し、サファイア種基板とサブサセプターの間隙を１００μｍ程度にした際の、窒化ガリウムの結晶成長について示すものである。ポケット部の深さは種基板と同じ４３０μｍであった。

厚さ４３０μｍのサファイア種基板をサセプターに固定し、高純度ガリウム（Ｇａ）を石英製のＧａリザーバの中に充填して、ＨＶＰＥ装置（リアクタ）内の所定の位置にそれぞれ配置した。サファイア種基板は、直径２インチの円形で、（０，０，０，１）c（Ｇａ）面で（１，０，−１，０）方向に０．２５°に偏位した面を有するものを用いた。サセプターは中心を軸として、回転させる。以下の説明において、ガスの供給量の単位としては、標準状態に換算した単位であるＳＬＭおよびＳＣＣＭを使用する。

窒素（Ｎ_２）ガスを前記リアクタ内に供給して、リアクタ内の空気を置換した後、窒素（Ｎ_２）ガスを１SLMで供給した。そして、ヒータによって加熱した。加熱方法は、リアクタの外壁をヒータにより加熱するいわゆるホットウォール法である。ホットウォール法の場合、石英製リアクタの外側と内側の温度はほぼ一致する。そのため、サファイア種基板に近い石英製リアクタ外側近傍に熱電対を配置して温度を測定し、この温度をサファイア種基板の温度とした。

次に、基板温度が１０８０℃まで上がって安定したことを確認したのち、リアクタ内にアンモニア（ＮＨ_３）ガス２SLM、水素（Ｈ_２）ガス５SLMを流し、サファイア種基板温度を１０８０℃まで上げ、そのまま３０分間保持した。この処理により、サファイア種基板表面が窒化されて局部的にＡｌＮが形成された。

その後、サファイア種基板温度を５００℃まで下げ、アンモニアガスおよび水素ガスの流量はそのままとした。サファイア種基板温度が５００℃になり温度が安定したことを確認したのち、４５０℃に保持したＧａリザーバに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを８０ＳＣＣＭ流した。この工程で、窒化ガリウムドット及び塩化アンモニウムからなる層が成長するが、その層の厚さは８００ｎｍとした。

窒化ガリウムドット及び塩化アンモニウムからなる層がその上に成長したサファイア種基板を５００℃から６００℃に上昇させた。アンモニアガス、水素ガスおよび塩化水素ガスの流量と、Ｇａリザーバの温度はそのまま保持した。 サファイア種基板温度が５２０℃を超えると、塩化アンモニウムの成長は抑制され、窒化ガリウムの成長比率が上昇し、やがて窒化ガリウムドットを起点とした窒化ガリウムの成長により、窒化ガリウムが基板表面と平行な方向に広がり、やがて窒化ガリウムの層が形成される。この層を、窒化ガリウム低温バッファー層と呼ぶ。ここで窒化ガリウム低温バッファー層の厚さは１８０ｎｍとした。

サファイア種基板温度を１０４０℃にさらに上げた。この温度領域では、熱処理効果により、塩化アンモニウムが完全に分解され、高温での窒化ガリウム層が成長する。このとき高温成長した窒化ガリウムでは窒化ガリウム低温バッファー層と異なり、結晶欠陥が少ない高品質な窒化ガリウム層となっている。

窒化ガリウムの厚さが、おおむね４００μｍ成長するような時間成長した後、塩化水素ガスの供給を停止し、サファイア種基板温度を下げた。サファイア種基板温度が５００℃になったところでアンモニアガスと水素ガスの供給を停止し、かわりに窒素ガスを１ＳＬＭ供給し、さらに室温まで冷却した。室温まで冷却したのち、基板を取りだすとサファイア種基板から、窒化ガリウム層が割れることなく自然に剥離していた。自然剥離していた歩留まりは、約８３％であった。

このとき実際に成長した窒化ガリウム層の厚さは、サファイア種基板中心部で４０６μｍであった。また基板の外周部では、外周から１ｍｍ中に入った部分が最も厚く、成長した窒化ガリウム層の厚さは４１８μｍだった。この値は、通常のサセプターを持ったＨＶＰＥ装置で成長した場合の基板周辺部分の成長に比べて、種基板の周辺部の異常成長は著しく抑制されていることが判る。基板側面や基板裏側での窒化ガリウムの成長も、ほとんど抑制されていた。

基板が割れることなく、自然剥離したのは、サファイア種基板の周辺部、側面部、裏面周辺部での窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制したためであり、サファイア種基板の周辺をサブサセプターであるサファイアリングで囲ったサセプターを用いたことの効果である。また、サブサセプターに成長した窒化ガリウムも自然剥離し、ＨＶＰＥ装置のメンテナンスも簡単になった。

実施例２
実施例２は、実施例１において、サファイア種基板とサブサセプター（サファイアリング）の間隙を６００μｍとして窒化ガリウムの結晶成長について行った実施例を示す。ポケット部の深さは種基板と同じ４３０μｍである。
使用したサファイア種基板や、窒化ガリウム層の成長プロセスは実施例１と同様である。このとき実際に成長した窒化ガリウム層の厚さは、サファイア基板中心部で４１０μｍであった。また基板の外周部では、外周から１ｍｍ中に入った部分が最も厚く、成長した窒化ガリウム層の厚さは４２２μｍだった。実施例１と同じくサファイア種基板周辺部での窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制していることが判る。

また、室温（約２５℃）まで冷却したのち、基板を取りだすと、窒化ガリウム層と、サセプター内のサブサセプターであるサファイアリング部分に成長した窒化ガリウム層が結合することなく、その結果、サファイア種基板上に成長した窒化ガリウム層が割れることなく、サファイア種基板から自然に剥離していた。窒化ガリウム層が割れることなく、自然剥離していた歩留まりは、約９６％であった。

実施例２の結果から、サファイア種基板とサブサセプターであるサファイアの間隙を適正な大きさに調整することにより、窒化ガリウム結晶層と、サブサセプターであるサファイアリング部分に若干成長した窒化ガリウム層が結合することがないことが理解された。この結果、窒化ガリウム結晶を十分に成長させることができ、サファイア種基板上に成長した窒化ガリウム層が割れることなく、サファイア基板から、自然に剥離する効果をさらに改善することができることが理解された。

実施例３
実施例３は、実施例１において、図１に示すサセプターに、サブサセプターとして、サファイアリングに代えて室温から１２００℃までで安定で、かつ多結晶構造を有する炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたものを示す。

実施例１および２で示すのと同様の成長プロセスで、サファイア種基板の上に窒化ガリウム自立基板層を成長させた。このとき、サファイア種基板とサブサセプターとしての炭化珪素リングの間隙は、実施例２と同じく、６００μｍとした。ポケット部の深さはサファイア種種基板と同じ４３０μｍである。

実際に成長した窒化ガリウム層の厚さは、サファイア種基板中心部で４０２μｍであった。また基板の外周部では、外周から１ｍｍ中に入った部分が最も厚く、成長した窒化ガリウム層の厚さは４１８μｍだった。サブサセプターとしての炭化珪素リングを使用した結果、サファイア種基板周辺部周辺部での窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制していることが理解された。

また、室温（約２５℃）まで冷却したのち、サファイア種基板を取りだすと、窒化ガリウム層と、サブサセプターとしての炭化珪素リング部分に僅かに成長した窒化ガリウム層とは結合することはなかった。その結果、サファイア種基板上に成長した窒化ガリウム層が割れることなく、サファイア種基板から自然に剥離していた。窒化ガリウム層が割れることなく、自然剥離していた窒化ガリウム自立基板の歩留まりは、約９２％であった。

実施例４
実施例４は、図１に示すサセプターで、実施例２と同じく、サファイア種基板とサブサセプター（サファイアリング）の間隙を６００μｍとして窒化ガリウムの結晶成長について行った実施例を示す。ポケット部の深さは種基板と同じ４３０μｍである。

このサセプターを用いたＨＶＰＥ装置に、サファイア種基板とサブサセプター（サファイアリング）をサセプター上に装填し、窒素（Ｎ_２）ガスを前記リアクタ内に供給して、リアクタ内の空気を置換した後、窒素（Ｎ_２）ガスを１SLMで供給した。そして、ヒータによってリアクタ内を加熱した。次にサファイア種基板温度が１０８０℃まで上がって安定したことを確認した後、リアクタ内にアンモニア（ＮＨ_３）ガス２SLM、水素（Ｈ_２）ガス５SLMを流し、サファイア種基板温度を１０８０℃まで上げ、そのまま３０分間保持した。

その後、サファイア基板温度を１０５０℃まで下げ、アンモニアガスおよび水素ガスの流量はそのままとした。基板温度が１０５０℃になり温度が安定したことを確認したのち、４５０℃に保持したＧａリザーバに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを８０ＳＣＣＭ流した。このプロセスにより、窒化ガリウム層は剥離層などを挟むことなく、サファイア種基板上に直接成長する。成長する窒化ガリウム層の厚さはおおむね４００μｍとなるように設定した。

成長が終了したのち、成長した窒化ガリウム層が割れないように、ゆっくりとリアクタの温度を落とし、室温まで冷却されたのを確認して取りだした。このとき、サファイア種種基板上の窒化ガリウムと、サブサセプター上に若干成長した窒化ガリウム層は、結合していないことが理解された。

成長した窒化ガリウム層の厚さを測定したところ、サファイア種基板の中心部で３９８μｍであった。またサファイア種基板の外周部では、外周から１ｍｍ中に入った部分が最も厚く、成長した窒化ガリウム層の厚さは４１１μｍだった。この値から、種基板周囲を種基板と同じ物質で囲んだ構造のサセプターを用いることで、基板周辺部の異常成長は著しく抑制できることが理解された。

比較例１
図４に示すサセプターで、サファイア種基板周囲を囲むリングを石英製とし、実施例１と同じ成長プロセスで窒化ガリウム層を成長した。このとき窒化ガリウムの成長厚みはおよそ３８５μｍであった。基板外周から１ｍｍ入ってところがもっとも窒化ガリウム層の厚さが厚く、５３９μｍであった。通常のサセプターを待ったＨＶＰＥ装置で成長した場合の基板周辺部分の成長に比べて、種基板の周辺部の異常成長は抑制されていなかった。また側面および裏面にも窒化ガリウムの成長が見られた。
この成長プロセスでは剥離層を入れていたため、ある程度割れることなく窒化ガリウム自立基板層が自動剥離したが、割れずに剥離する歩留まりは６８％であった。基板外周部の異常成長に伴う割れの発生については、効果は見られなかった。

Claims (10)

1. 気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造方法であって、
   種基板に、剥離層を形成し、
   種基板を配置してなるサセプターに、窒化ガリウム結晶を形成する原料ガスを供給し、
   前記サセプターにおける前記種基板において、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制し、窒化ガリウム自立基板を気相成長させることを含んでなり、
   前記サセプターが、前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、原料ガスが供給される側において、前記種基板の表面と、前記サブサセプターの表面と、前記サセプターの表面とが同一平面にあり、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである、窒化ガリウム自立基板の製造方法。
2. 前記間隙の大きさが、前記窒化ガリウム自立基板の厚みと同一である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記間隙の大きさと、前記窒化ガリウム自立基板の厚みが、それぞれ、０ｍｍ超過２ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記サブサセプターが、サファイア、単結晶又は多結晶の炭化ケイ素、単結晶又は多結晶の窒化アルミニウムである、請求項１〜３の何れか一項に記載の製造方法。
5. 前記サブサセプターが、室温以上１２００℃以下の温度範囲で分解しないものであり、又は、前記種基板と反応しないものである、請求項１〜４の何れか一項に記載の製造方法。
6. 前記気相成長法が、ハイドライド気相成長法である、請求項１〜５の何れか一項に記載の製造方法。
7. 前記サセプターが、非晶質の物質である、請求項１〜６の何れか一項に記載の製造方法。
8. 気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造装置であって、
   窒化ガリウム結晶を形成する原料ガスと、キャリアガスの各供給部と、
   前記原料ガスを反応させ、窒化ガリウム自立基板を気相成長させるための、種基板を備えたサセプターと、
   排気機構とを備えてなるものであり、
   前記種基板が、該種基板の上に形成された剥離層を備えてなり、
   前記サセプターが、前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、前記原料ガスが供給される側において、前記種基板の表面と、前記サブサセプターの表面と、前記サセプターの表面とが同一平面にあり、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものである、窒化ガリウム自立基板の製造装置。
9. 気相成長法による窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する方法であって、
   種基板に、剥離層を形成し、
   気相成長法により、種基板を備えたサセプターにおいて窒化ガリウム結晶を気相成長させ、
   前記種基板を固定するポケット部分と、前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、原料ガスが供給される側において、前記種基板の表面と、前記サブサセプターの表面と、前記サセプターの表面とが同一平面にある、前記サセプターを用いて、前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する、抑制方法。
10. 窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する為のサセプターであって、
    気相成長法による窒化ガリウム自立基板の製造方法及び製造装置、並びに、気相成長法による窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制する方法において使用されるものであり、
    種基板と、
    前記種基板を固定するポケット部分と、
    前記サセプターと前記種基板との間に、前記種基板と反応しないサブサセプターとを備えてなり、かつ、前記種基板と前記サブサセプターとの間に間隙を有してなり、原料ガスが供給される側において、前記種基板の表面と、前記サブサセプターの表面と、前記サセプターの表面とが同一平面にあり、
    前記種基板の両末端周辺部における窒化ガリウム結晶の異常成長を抑制するものであり、
    前記種基板が、該種基板の上に形成された剥離層を備えてなる、サセプター。

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