JP5440546B2 - 結晶成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶成長方法、結晶基板、および半導体デバイスに関し、たとえば良好な結晶性を維持するとともに大面積の結晶の成長方法、結晶基板、および半導体デバイスに関する。

３．４ｅＶのエネルギーバンドギャップおよび高い熱伝導率を有するＧａＮ（窒化ガリウム）結晶などのＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶は、短波長の光デバイスやパワー電子デバイスなどの半導体デバイス用の材料として注目されている。このような結晶を成長させるために、従来から、たとえばＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法を採用することができる。ＨＶＰＥ法は、成長速度が速く、容易に結晶を成長できる。

ＨＶＰＥ法によって、サファイアやＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の異種基板上に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ結晶を成長させる場合、結晶系の違いや格子不整合による結晶の割れや、転位密度の増大などが生じてしまう。そのため、たとえば特開２００４−３３１４５３号公報（特許文献１）などに、結晶系の違いや格子定数差を緩和させるために、バッファ層を種基板上に形成し、該バッファ層上に結晶を成長させる方法が開示されている。

しかし、上記特許文献１などに記載のバッファ層を形成する方法で結晶成長させると、結晶系の違いや格子定数差を緩和させることはできるものの、歪みを完全に抑制することができない。そのため、大面積の結晶を成長させようとすると、成長させる際の反りが大きくなり、割れの発生や、結晶性の劣化、成長させる結晶面内での結晶軸のばらつきを招いてしまう。その結果、現在、成長可能な結晶の面積は２インチ程度である。

このような問題を回避するために、同種基板を種基板として用いることが考えられるが、実用的な同種基板を得られる方法として、現在確立されているのは、ＨＶＰＥ法で成長させた結晶から作製する方法である。しかし、現状では、２インチ程度の同種基板が得られないため、大面積成長ができない。

特開２００４−３３１４５３号公報

以上のように、現状ではＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ結晶の成長面積は、大きくても２インチ程度であり、成長させた結晶の大面積化には限界があるという問題がある。

それゆえ本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、結晶性を良好に維持するとともに、成長させる結晶の面積を大きくする結晶成長方法、結晶基板、および半導体デバイスを提供することである。

本発明の結晶成長方法は、複数の種基板を、種基板の成長する面が｛００１｝面に対して−５度以上５度以下傾斜している表面となるように種基板の側部側にずらして配置する配置工程と、ハイドライド気相成長法により、複数の種基板の各々の表面上にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶を成長させる成長工程とを備えている。成長工程では、複数の種基板の各々の表面上に成長した結晶の各々が一体化するように１１００℃を超えて１３００℃以下の温度で成長させることを特徴としている。

また、本発明の結晶成長方法は、複数の種基板を、種基板の側部側にずらして配置する配置工程と、ハイドライド気相成長法により、複数の種基板の各々の表面上にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶を成長させる成長工程とを備えている。そして、成長工程では、複数の種基板の各々の表面上に成長した結晶の各々が一体化するように成長させることを特徴としている。

本発明の結晶成長方法によれば、各々の種基板の面積が小さいので、成長した各々の結晶の反りを小さくでき、割れなどを防止できる。各々の種基板上の成長する結晶の反りが小さいことから、各々の結晶間の結晶軸のずれも小さく、また、その小さなずれによる歪みについても一体化する際に緩和される効果が現れる。その結果、割れることなく一体化する結晶の結晶性を良好に維持できる。すなわち、結晶性が良好で、かつ成長させる結晶面内の結晶軸のばらつきが小さな大面積の結晶の成長を図ることができる。上記表面上に結晶を成長させることによって、結晶を一体化して成長させやすい。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板は、サファイア、炭化シリコン、窒化アルミニウム、および窒化ガリウムのいずれかであってもよい。また、上記結晶成長方法において好ましくは、種基板は、サファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかであり、成長工程では、種基板の温度は、１１００℃を超えて１４００℃以下であることを特徴としている。これにより、結晶を一体化して成長させることができる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板は、サファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかであり、成長工程では、種基板の温度は、１１５０℃を超えて１４００℃以下であることを特徴としている。これにより、結晶性をより向上して結晶を成長させやすい。また、成長する結晶をスライスする際の割れを防止できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板は、窒化ガリウムであり、成長工程では、種基板の温度は、１１００℃を超えて１３００℃以下であることを特徴としている。

窒化ガリウム基板は品質の良いものが得られやすいことに加えて、その格子定数から、種基板として用いることにより、品質のよい結晶を成長させることができる。また、上記温度範囲とすることによって、種基板の損傷を抑えつつ、結晶を一体化させることができる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板は、窒化ガリウムであり、成長工程では、種基板の温度は１１５０℃を超えて１２５０℃以下であることを特徴としている。

窒化ガリウム基板は品質の良いものが得られやすいことに加えて、その格子定数から、種基板として用いることにより、品質のよい結晶を成長させることができる。また、上記温度範囲とすることによって、結晶性をより向上して結晶を成長させやすく、長尺の結晶の成長が可能となる。また、成長する結晶をスライスする際の割れを防止できる。

上記結晶成長方法においては好ましくは、成長工程では、複数の種基板間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて１度以内となるように配置されている表面上に各々の結晶を成長させることを特徴としている、上記表面上に結晶を成長させることによって、結晶を一体化して成長させやすい。

上記結晶成長方法においては好ましくは、成長工程では、複数の種基板間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて０．２度以内となるように配置されている表面上に各々の結晶を成長させることを特徴としている、上記表面上に結晶を成長させることによって、結晶を一体化して成長させやすいことに加えて、一体化した結晶の結晶性が良好となる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程では、一体化した結晶の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となるように結晶を成長させることを特徴としている。上記結晶成長方法により、種基板の表面上に上記範囲の不純物濃度の低い結晶を得られる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程では、一体化した結晶はｎ型不純物がドーピングされるように結晶を成長させることを特徴としている。

これにより、種基板の表面上に、発光素子や電子素子などの半導体デバイスの基板に好適な結晶を成長できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、ｎ型不純物は、酸素およびシリコンの少なくともいずれか一方であることを特徴としている。

上記不純物を意図的にドーピングして制御できるので、種基板の表面上に所望の結晶を得られる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程では、一体化した結晶の厚みが２００μｍ以上となるように成長させることを特徴としている。これにより、種基板の表面上に成長した結晶の基板化が実現可能になる。

本発明の結晶基板は、上記結晶成長方法により得られる被成長基板から少なくとも種基板を除去して得られる。これにより、結晶性を良好に維持して、面積の大きい結晶基板を得られる。

なお、上記「被成長基板」とは、種基板と、種基板上に形成された結晶とを備えるものを意味する。

本発明の半導体デバイスは、上記結晶基板を備えている。結晶性を良好に維持して、面積の大きい結晶基板を備えているので、有用な半導体デバイスを得られる。

本発明の結晶成長方法によれば、複数の種基板の表面上に結晶を成長させるので、成長させる結晶の結晶性を良好に維持するとともに、成長させる結晶の結晶性を良好に維持し、成長させる結晶面内の結晶軸のばらつきを小さくするとともに、成長させる結晶の面積を大きくすることができる。

本発明の実施の形態における結晶成長方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における結晶成長方法に用いるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。 本発明の実施の形態１における結晶成長方法に用いる種基板の上面図である。 本発明の実施の形態１における被成長基板を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態１における別の被成長基板を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態２における結晶基板を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態３における半導体デバイスを示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１における結晶成長方法を説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態１における結晶成長方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態１における結晶成長方法に用いるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。図３は、本発明の実施の形態１における結晶成長方法に用いる種基板の上面図である。図４は、本発明の実施の形態１における被成長基板を示す概略側面図である。図５は、本発明の実施の形態１における別の被成長基板を示す概略側面図である。

まず、図１〜図３に示すように、複数の種基板１０を、種基板の側部１１側にずらして配置する配置工程（Ｓ１０）を実施する。すなわち、図２に示すＨＶＰＥ装置１００を構成する基板ホルダー１０８上に、複数の種基板１０をその側部１１をずらした状態で配列している。

具体的には、図３に示すように、配置工程（Ｓ１０）では、複数の種基板１０を組み合わせて大きな表面積を有する第２の種基板１５を形成している。

また、配置工程（Ｓ１０）では、図２および図３に示すように、複数の種基板１０の側部１１が隣り合う（並列する）ように、配列することが好ましい。これにより、後述する成長工程（Ｓ２０）において、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶の各々が一体化するように成長させることが容易にできる。なお、種基板１０の側部１１とは、種基板１０の外周縁の一部を意味する。

また、配置工程（Ｓ１０）では、種基板１０が重ならないように配置されることが好ましい。また、各々の種基板１０の表面１２上に成長させる結晶を一体化させる観点から、隣り合う種基板１０の隙間を狭くして配置することがより好ましい。たとえば成長させる結晶がＧａＮ（窒化ガリウム）である場合には、隣り合う種基板１０の間隔は２００μｍ以下であることが好ましい。

配置される各々の種基板１０は、成長させる結晶の結晶性が良好になる面積であることが好ましい。たとえば成長させる結晶がＧａＮ（窒化ガリウム）である場合には、各々の種基板１０の面積は２０ｃｍ^２以下であることが好ましい。２０ｃｍ^２以下とすることによって、成長させる結晶の品質をより良好にできる。

また、種基板１０は２枚以上配置されていれば特に限定されない。
また、種基板１０の形状は特に限定されず、図３に示すように平面形状が四角形などの矩形であってもよいし、円形であってもよいが、並列に配置できる観点から四角形であることが好ましい。

次に、図１、図２、および図４に示すように、ハイドライド気相成長法により、複数の種基板１０の各々の表面１２上に結晶２０を成長させる成長工程（Ｓ２０）を実施することが好ましい。成長工程（Ｓ２０）では、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶２０の各々が一体化するように成長させる。これにより、図４に示す種基板１０と、種基板１０上に成長した結晶２０とを備えた被成長基板３０が得られる。

具体的には、まず、種基板１０を加熱して所定の温度に保持する。保持される種基板１０の温度は、種基板１０がサファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかである場合には、１１００℃を超えて１４００℃以下とすることが好ましく、１１５０℃を超えて１４００℃以下とすることがより好ましい。本願発明者は、種基板１０がサファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかである場合には、種基板１０の温度を１１００℃以下の温度とすると、種基板１０の（００１）面上の結晶成長では、結晶を一体化する成長ができなかったことに対して、１１００℃を超える温度にすると、一体化して結晶が成長することを、新たに見出したことに基づくもので、このことにより結晶を一体化させた大面積の成長が可能となるのである。また、１１５０℃を超える温度とすることによって、得られる結晶２０の結晶性が向上するとともに、被成長基板３０をスライスおよび研磨したときに結晶２０の割れの発生を低減できるので、歩留まりを向上できることを見出した。一方、種基板１０の温度を１４００℃以下とすることによって、成長させる結晶の生成速度よりも分解速度が大きくなることを防止できるため、成長速度の低下を防止できることを見出した。

種基板１０が窒化ガリウムであることが好ましく、この場合は、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の温度は、１１００℃を超えて１３００℃以下であることが好ましく、１１５０℃を超えて１２５０℃以下であることがより好ましい。窒化ガリウム基板は品質の良いものが得られやすいことに加えて、その格子定数から、種基板１０として用いることにより、より品質の良い結晶を成長させることができる。種基板１０を、１１００℃を超える温度にすることにより、一体化して結晶が成長し、大面積の成長が可能となる。種基板１０の温度が１１５０℃を超えると、得られる結晶性がより向上することに加えて、被成長基板３０をスライスおよび研磨したときに結晶２０の割れの発生を低減できるので、歩留まりを向上できる。一方、種基板１０の温度を１３００℃以下とすることによって、種基板１０の分解速度を遅くできるので、種基板１０の損傷を抑制できることを見出した。また、種基板１０の温度を１２５０℃以下とすることによって、長時間に渡って結晶を成長させる場合でも種基板１０の損傷を抑制できるので、長尺または厚みの大きい結晶を成長できることを見出した。

なお、上記種基板１０の温度は、種基板加熱用の局所加熱機構（基板ヒータ）などを用いた加熱など任意の方法により、上記範囲内に制御することができる。

次に、上記所定の温度に保持される種基板１０上に、ＨＶＰＥ法により結晶２０を成長させる。ＨＶＰＥ法により結晶を成長させることによって、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶の各々が一体化する。また、ＨＶＰＥ法により成長させる結晶２０は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶である。

実施の形態１における結晶成長方法は、たとえば図２に示すＨＶＰＥ装置１００を用いて行なう。ＨＶＰＥ装置１００は、第１ガスボンベ１０１と、第２ガスボンベ１０２と、第１ガス入口１０３と、第２ガス入口１０４と、ソースボート１０５と、ヒータ１０６と、排気口１０７と、基板ホルダー１０８と、石英反応管１１０とを備えている。

ＨＶＰＥ装置１００は、たとえば横型反応炉としている。第１ガスは、たとえばＮＨ₃（アンモニア）ガスとし、第１ガスボンベ１０１にはＮＨ₃ガスが充填されている。第２ガスは、たとえばＨＣｌ（塩化水素）ガスとし、第２ガスボンベ１０２には、たとえばＨＣｌガスが充填されている。ソースボート１０５は、たとえばＧａ（ガリウム）が充填されている。ヒータ１０６は、ＨＶＰＥ装置１００の内部をたとえば１１００℃まで加熱する能力を有している。排気口１０７は、反応後のガスを外部に排出するための部材である。

なお、ＨＶＰＥ装置１００は、第１ガスおよび第２ガスのキャリアガスとしてＨ₂（水素）ガス、窒素ガス、アルゴンガスなどのキャリアガスが充填されているキャリアガスボンベ（図示せず）を備えていてもよい。

また、ＨＶＰＥ装置１００は、種基板加熱用の局所加熱機構（基板ヒータ）を備えていることが好ましい。局所加熱機構は、たとえば基板ホルダー１０８に埋め込んだ抵抗加熱ヒータを用いることができる。

ＨＶＰＥ法により結晶成長させる方法は、まず、ソースボート１０５に原料、たとえばＧａを供給する。そして、ソースボート１０５を加熱する。そして、第２ガス入口１０４を開ける。そして、第２ガス入口１０４から供給される第２ガスボンベ１０２に貯蔵されている第２ガスとソースボート１０５の原料とを反応させて反応ガス、たとえば原料がＧａの場合には塩化ガリウムを生成する。そして、第１ガス入口１０３を開ける。そして、反応ガスと第１ガス入口１０３から供給される第１ガスボンベ１０１に貯蔵されている第１ガスとを種基板１０の表面１２に当たるように流して（供給して）反応させる。なお、種基板１０に供給されるガスの流れは、常に一定となるようにすることが好ましい。また、ヒータ１０６により、ＨＶＰＥ装置１００の内部をたとえば７００℃以上１１００℃以下の温度で加熱する。また、排気口１０７で、反応後のガスを外部に排出する。

この際、種基板１０の｛００１｝面（ｃ面）に対して−５度以上５度以下傾斜している表面１２上に各々の結晶２０を成長させることが好ましい。ｃ面と同じまたはｃ面に近い面（ｃ面に対して−５度以上５度以下）上に結晶２０を成長させると、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長する結晶の各々が一体化しやすくなる。なお、集合面を｛｝で示している。

また、複数の種基板１０間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて１度以内となるように配置されている表面１２上に各々の結晶２０を成長させることが好ましい。複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長する結晶の各々が一体化しやすくなる。

また、複数の種基板１０間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて０．２度以内となるように配置されている表面１２上に各々の結晶２０を成長させることが好ましい。複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長する結晶の各々が一体化しやすくなることに加えて、一体化した結晶の結晶性を良好にすることができる。

成長工程（Ｓ２０）を実施すると、図４に示すように、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶２０の各々が一体化して、１つの結晶２０となる。すなわち、各々の種基板１０の合計の面積と実質的に同一の大面積の結晶２０が得られる。種基板１０上に形成される結晶２０は、種基板１０の各々の表面１２上に成長されてなり、各々の表面１２上に成長した各々の結晶の反りは小さい。そのため、各々の結晶間の結晶軸のずれが小さくなることに加えて、種基板１０間の境界でその結晶軸のずれによる歪みも緩和されて、割れなどが発生せず、かつ結晶性が良好で、成長させる結晶面内の結晶軸のばらつきを小さくできる。

なお、ＨＶＰＥ法では、バックグラウンドからの不純物汚染が少ないため、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるように結晶成長させることができる。

また、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０はｎ型不純物がドーピングされるように結晶２０を成長させることができる。上述したように、結晶２０は、混入する不純物濃度が低いため、目的に応じて特定の不純物を所定量ドーピングすることによって、目的に応じた結晶を成長させることが容易である。

ｎ型不純物は、ドーピングのし易さの観点から、Ｏ（酸素）およびＳｉ（シリコン）の少なくともいずれか一方であることが好ましい。

ｎ型不純物をドーピングする方法は特に限定されないが、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ結晶の原料ガス（第１および第２のガスなど）とともにｎ型不純物を含有するガスを反応させる方法が、実施し易さの観点から好的に用いられる。たとえば、Ｓｉをドーピングする場合には、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロロシラン）ガス、またはＳｉＣｌ₄（四塩化シリコン）ガスなどが、Ｏをドーピングする場合には、Ｏ₂ガスなどを用いることができる。

また、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０の厚みＤが２００μｍ以上となるように成長させることが好ましい。ＨＶＰＥ法は、結晶成長速度が大きいため、成長時間を制御することによって、大きな厚みＤを有する結晶を成長させることができる。厚みＤを２００μｍ以上とすることによって、各種半導体デバイスの基板として単独で用いることができる結晶を容易に得られる。

また、成長工程（Ｓ２０）では、第１ガスの流量、第２ガスの流量、原料の種類、または原料の量などを調整することにより、結晶２０の厚みＤや結晶２０の材質などを適宜変更できる。

なお、実施の形態１における配置工程（Ｓ１０）では、図２〜図４に示すように、複数の種基板１０を側部１１が隣り合うように配列し、成長工程（Ｓ２０）で種基板１０の表面１２上に結晶を成長させているが、複数の種基板１０の側部１１側にずらして配置すれば特にこれに限定されない。配置工程（Ｓ１０）では、たとえば図５に示すように、複数の種基板１０のうち隣り合う種基板１０の側部１１が一部重なるように配置してもよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態１における結晶成長方法によれば、複数の種基板１０を、種基板１０の側部１１側にずらして配置する配置工程（Ｓ１０）と、ハイドライド気相成長法により、複数の種基板１０の各々の表面１２上にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶２０を成長させる成長工程（Ｓ２０）とを備え、成長工程（Ｓ２０）では、複数の種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶２０の各々が一体化するように成長させることを特徴としている。異種の種基板を用いる場合、その種基板の面積が大きくなると、成長させる際の反りが大きくなり割れが発生したり、結晶の結晶性が悪くなる。また、同種の種基板を用いると、そのような問題はないが、現状では２インチ程度の同種の種基板か得られないので、成長面積をそれ以上に大きくできない。しかし、実施の形態１における結晶成長方法では、各々の種基板１０の面積が小さいので、種基板１０として同種基板を用いることができ、種基板１０が異種基板でも各々の種基板１０の表面１２から割れなどが生じず、結晶性が良好な結晶を成長できる。また、結晶成長速度が高いＨＶＰＥ法により結晶２０を成長させているので、各々の種基板１０の表面１２から成長する結晶が一体化しやすい。そのため、結晶性（品質）を良好に維持して、一体化した結晶２０の大面積化を図ることができる。よって、種基板１０の各々の面積によらず、複数の種基板１０の合計の面積（ただし、各々の種基板１０が重なっている場合には重なっている面積を除く）と実質的に同一の大面積のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶を成長させることができる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板１０は、サファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかであり、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の温度は、１１００℃を超えて１４００℃以下であることを特徴としている。種基板１０がサファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかである場合には、１１００℃を超える温度とすることによって、種基板１０の表面１２上に成長する結晶が横方向への成長も促進されるため、種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶２０の各々が一体化することが可能となる。一方、種基板１０の温度を１４００℃以下とすることによって、成長させる結晶の生成速度よりも分解速度が大きくなることを防止できるため、成長速度の低下を防止できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板１０は、サファイア、炭化シリコン、および窒化アルミニウムのいずれかであり、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の温度は、１１５０℃を超えて１４００℃以下であることを特徴としている。１１５０℃を超える温度とすることによって、得られる結晶２０の結晶性が向上するとともに、除去工程（Ｓ３０）で被成長基板３０をスライスおよび研磨したときに結晶２０の割れの発生を低減できるので、歩留まりを向上できる。一方、種基板１０の温度を１４００℃以下とすることによって、成長させる結晶の生成速度よりも分解速度が大きくなることを防止できるため、成長速度の低下を防止できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板１０は、窒化ガリウムであり、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の温度は、１１００℃を超えて１３００℃以下であることを特徴としている。窒化ガリウム基板は品質の良いものが得られやすいことに加えて、その格子定数から、種基板１０として用いることにより、品質のよい結晶２０を成長させることができる。また、１１００℃を超える温度とすることによって、各々の結晶の一体化が可能となる。一方、１３００℃以下の温度とすることによって、分解速度を抑制して、種基板１０の損傷を抑制できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、種基板１０は、窒化ガリウムであり、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の温度は１１５０℃を超えて１２５０℃以下であることを特徴としている。１１５０℃を超える温度とすることによって、得られる結晶性がより向上することに加えて、被成長基板３０をスライスおよび研磨したときの結晶２０の割れの発生を低減できるので、歩留まりを向上できる。１２５０℃以下の温度とすることによって、長時間に渡って成長させる場合でも種基板１０の損傷を抑制できるので、長尺の結晶２０を成長できる。

なお、種基板１０は、ＧａＮ結晶を成長させる場合には、種基板１０はＧａＮ基板であることが好ましい。これにより、種基板１０と成長させる結晶が同種であり、格子定数などの物性定数が同じであるので、結晶性をより良好に維持するとともに、一体化した結晶を成長させやすい。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、種基板１０の｛００１｝面に対して−５度以上５度以下傾斜している表面１２上に各々の結晶２０を成長させることを特徴としている。当該表面１２上に結晶２０を成長させることによって、結晶２０を一体化して成長させやすい。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、複数の種基板１０間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて１度以内となるように配置されている表面１２上に各々の結晶２０を成長させることを特徴としている。当該表面１２上に結晶２０を成長させることによって、結晶２０を一体化して成長させやすい。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、複数の種基板１０間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて０．２度以内となるように配置されている表面１２上に各々の結晶２０を成長させることを特徴としている。当該表面１２上に結晶２０を成長させることによって、結晶２０を一体化して成長させやすいことに加えて、一体化した結晶の結晶性を良好にできる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となるように結晶を成長させることを特徴としている。実施の形態１における結晶成長方法により、種基板１０の表面１２上に上記範囲の不純物濃度の低い結晶２０を得られる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０はｎ型不純物がドーピングされるように結晶を成長させることを特徴としている。これにより、発光素子や電子素子などの半導体デバイスの基板に好適な一体化した結晶２０を種基板１０の表面１２上に成長できる。

上記結晶成長方法において好ましくは、ｎ型不純物は、酸素およびシリコンの少なくともいずれか一方であることを特徴としている。上記不純物を意図的にドーピングして制御できるので、種基板１０の表面１２上に所望の結晶２０を得られる。

上記結晶成長方法において好ましくは、成長工程（Ｓ２０）では、一体化した結晶２０の厚みＤが２００μｍ以上となるように成長させることを特徴としている。これにより、種基板１０の表面１２上に成長した結晶２０の基板化が実現可能になる。

（実施の形態２）
図６を参照して、本発明の実施の形態２における結晶基板について説明する。図６に示すように、実施の形態２における結晶基板４０は、実施の形態１における結晶成長方法により得られる被成長基板３０から少なくとも種基板１０を除去して得られる。なお、図６は、本発明の実施の形態２における結晶基板を示す概略側面図である。

具体的には、図６に示すように、たとえば、種基板１０と、種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶のうち、結晶の各々が一体化していない部分とを除去する。

除去する方法としては、たとえば切断または研削などの方法を用いることができる。なお、切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーなどで機械的に被成長基板３０の結晶２０を分割（スライス）することをいう。研削とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで被成長基板３０の種基板１０と、種基板１０の各々の表面１２上に成長した結晶のうち、結晶の各々が一体化していない部分とを機械的に削り取ることをいう。

また、被成長基板３０の除去する部分は、上述した部分に特に限定されず、たとえば結晶２０の表面１２に平行な面や表面１２に対して任意の傾きを有する面をスライスすることもできる。

また、結晶基板４０の表面について、研磨などをさらに実施してもよい。研磨する方法については特に限定されず、任意の方法を採用できる。

除去することにより、図６に示すような、一体化した結晶２０のみからなる結晶基板４０が得られる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２における結晶基板４０は、上記結晶成長方法により得られる被成長基板３０から少なくとも種基板１０を除去して得られる。これにより、結晶性を良好に維持して、面積の大きい結晶基板４０を得られる。

（実施の形態３）
図７を参照して、本発明の実施の形態３における半導体デバイスを説明する。実施の形態３における半導体デバイスは、実施の形態２の結晶基板４０を備えている。なお、図７は、本発明の実施の形態３における半導体デバイスを示す概略断面図である。

図７に示すように、実施の形態３では、半導体デバイスとして、発光ダイオード２００としている。発光ダイオード２００は、結晶基板４０と、結晶基板４０の裏面上に形成されたｎ型電極２０１と、結晶基板４０の表面上に形成されたｎ型バッファ層２０２と、ｎ型バッファ層２０２上に形成されたｎ型障壁層２０３と、ｎ型障壁層２０３上に形成された井戸層２０４と、井戸層２０４上に形成されたｐ型障壁層２０５と、ｐ型障壁層２０５上に形成されたｐ型コンタクト層２０６と、ｐ型コンタクト層２０６上に形成されたｐ型電極２０７とを備えている。

なお、実施の形態３では、半導体デバイスの一例として発光ダイオードを例に挙げて説明したが、特にこれに限定されない。半導体デバイスとしては、たとえば発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device：表面弾性波素子）などが挙げられる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３における半導体デバイスによれば、実施の形態２における結晶基板４０を備えている。半導体デバイスは、結晶性を良好に維持するとともに、大面積である結晶基板４０を備えているので、優れた半導体デバイスを、１枚の結晶基板４０から、従来より多数得られる。特に、大きな面積が必要な大電力デバイスなどには、その効果が大きい。

なお、実施の形態２における結晶基板４０は、半導体デバイスの基板に好適に用いることができる。

［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、実施の形態１の結晶成長方法にしたがって、図２に示すＨＶＰＥ装置１００を用いて、結晶を成長させた。具体的には、まず、配置工程（Ｓ１０）では、石英反応管１１０の内部に９枚の種基板を、種基板の側部側に隙間ができないように縦３枚、横３枚の平面形状が正方形状になるように並列に配置した。種基板は、鏡面研磨後に、研磨によるダメージ層が除去された窒化ガリウム基板を用いた。また、各々の種基板は、３０ｍｍ四方の平面形状が略正方形で、｛１００｝面および｛０１０｝面がその端面に出ていた。厚みは４００μｍであった。また、各々の種基板の表面の面方位は、｛００１｝面であった。また、各々の種基板間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて０．２度以内であった。

また、ＮＨ₃ガスを内部に充填した第１ガスボンベ１０１と、ＨＣｌを内部に充填した第２ガスボンベ１０２とを準備した。そして、ソースボート１０５にＧａを充填した。

次に、成長工程（Ｓ２０）を実施した。具体的には、第１または第２ガス入口１０３，１０４を介してキャリアガスとして水素ガスを導入しながらヒータ１０６の加熱温度を９００℃に上昇させた。また、種基板の温度が１２００℃となるように種基板の裏面側に設置された基板ヒータにより種基板を加熱した。

そして、ヒータ１０６の加熱温度を９００℃に維持するとともに、種基板の温度を１２００℃に維持した状態で、第２ガス入口１０４を開けて、第２ガス入口１０４から供給されるＨＣｌガスとソースボート１０５のＧａ（ガリウム）とを反応させて、ＧａＣｌ（塩化ガリウム）ガスを生成した。

そして、第１ガス入口１０３を開けて、成長工程（Ｓ２０）で種基板に生成したＧａＣｌガスと第１ガス入口１０３から供給されるＮＨ₃ガスとを種基板の表面に当たるように流して、反応させて、種基板の表面上にＧａＮ結晶を成長させた。

なお、ＨＣｌガスおよびＮＨ₃ガスの分圧をそれぞれ調整して、多結晶が発生せず、かつ結晶の成長速度が３０μｍ／ｈ以上となるようにした。

そして、厚みＤが４００μｍのＧａＮ結晶を種基板の表面上に成長させた後、ＧａＮ結晶の温度を室温まで降下させた。これにより、種基板と、種基板の表面上に成長されたＧａＮ結晶とを備える被成長基板を得た。

（実施例２）
実施例２では、基本的には実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、ＧａＮ結晶の厚みＤを１０ｍｍまで成長させた点においてのみ異なる。

（実施例３）
実施例３では、基本的には実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、第１および第２ガスとして、塩化水素ガスおよびアンモニアガスに加えて、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）をさらに導入した点においてのみ異なる。これにより、種基板と、種基板の表面上に形成されたｎ型不純物としてシリコンを含むＧａＮ結晶とを備える被成長基板を得た。

（実施例４）
実施例４では、基本的には実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１３００℃にした点においてのみ異なる。

（実施例５）
実施例５では、基本的には実施例２と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１１５０℃にした点においてのみ異なる。

（実施例６）
実施例６では、基本的には実施例２と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１２５０℃にした点においてのみ異なる。

（実施例７）
実施例７では、基本的には実施例２と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１３００℃にした点においてのみ異なる。

（比較例１）
比較例１では、基本的には実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１１００℃とした点においてのみ異なる。

（比較例２）
比較例２では、基本的には実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１０００℃とした点においてのみ異なる。

（比較例３）
比較例３では、基本的には、実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板の温度を１４００℃とした点においてのみ異なる。

（測定方法）
実施例１〜７および比較例１〜３の結晶成長方法により得られた被成長基板を石英反応管１１０から取り出して結晶の状態を目視および光学顕微鏡でそれぞれ観察した。

また、実施例２、５、６の被成長基板は、得られたＧａＮ結晶を除去前の種基板の表面に対して平行な方向にスライスして、厚みＤが４００μｍであるＧａＮ結晶基板を１０枚作製し、作製した基板の状態を目視および光学顕微鏡で確認した。

また、実施例１、３、４について、被成長基板から種基板を研削により除去して得られたＧａＮ結晶を鏡面研磨した後、研磨によるダメージ層を除去して、９０ｍｍ角のＧａＮ結晶基板を得た。さらに、１０枚の実施例２、５、６のＧａＮ結晶基板について、鏡面研磨した後、研磨によるダメージ層を除去して、９０ｍｍ角のＧａＮ結晶基板を得た。実施例１、３、４および１０枚の実施例２、６のＧａＮ結晶基板についてＸＲＤ（X-ray diffraction：Ｘ線回折法）による結晶分析をそれぞれ行なった。

また、実施例１、３、４および１０枚の実施例２、６のＧａＮ結晶基板についてＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：二次イオン質量分析）による分析を行なって、不純物濃度を測定した。

（測定結果）
実施例１〜６および比較例１〜３の被成長基板について外観を観察した結果、実施例１〜６では、種基板の表面上に９０ｍｍ角の面積でＧａＮ結晶が一体となって割れなく成長していたことが確認できた。

一方、比較例１、２の被成長基板については、一体化して成長しなかった。また、比較例３の被成長基板については、種基板が損傷を受けて成長しなかった。この結果から、種基板は窒化ガリウムであり、成長工程では種基板の温度は１１００℃を超えて１３００℃以下とすることによって、成長させる結晶を一体化できることが確認できた。

また、実施例７の外観を観察した結果、種基板が成長中に徐々に損傷を受けて、成長の途中から異常成長となっていた。実施例４、６では、問題なく一体化して成長していた結果とあわせると、種基板の温度が１２５０℃を超えて１３００℃以下では、結晶厚さ４００μｍのような薄い結晶の成長では、問題なく一体化成長するが、結晶厚さ１０ｍｍのような厚い結晶の成長では、種基板の損傷が蓄積されて、成長途中に異常成長を引き起こしてしまうことがわかった。すなわち、種基板の温度が１１００℃を超えて１２５０℃以下することによって、一体化して成長する結晶厚みを厚く成長できることが確認できた。

また、実施例２、５、６の被成長基板からスライスして得られたＧａＮ結晶基板の状態を確認したところ、実施例２、６のものは１０枚とも割れていなかった。一方、実施例５のものは、１０枚中４枚が割れていた。この結果から、種基板は窒化ガリウムであり、成長工程では種基板の温度は１１５０℃を超えて１２５０℃以下とすることによって、一体化して成長する結晶の厚みを厚くでき、成長させた結晶をスライスする際の割れを防止できることが確認できた。

また、実施例１、３、４および１０枚の実施例２、６のＧａＮ結晶基板のＸＲＤによる結晶性分析の結果、（００４）面のロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）がすべて４０秒以下と良好であった。この結果から、種基板は窒化ガリウムであり、成長工程では種基板の温度は１１００℃を超えて１３００℃以下とすることによって、成長させる結晶を一体化できるとともに、良好な結晶性を実現できることが確認できた。

また、ＳＩＭＳによる不純物濃度の測定の結果、実施例１、４、および１０枚の実施例２、６のＧａＮ結晶基板については、最も多く含まれていた不純物である酸素の濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3であって、ＧａＮ結晶基板に含まれる不純物の濃度のすべてを合わせても１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であった。実施例３のＧａＮ結晶基板については、最も多く含まれていた不純物としてシリコンが最も多く含まれており、そのシリコンの濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度であった。

なお、実施例３では、シリコン源としてジクロロシランを用いたが、ジクロロシランの代わりに、または共に四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄）を用いても、実施例３と同様の結果が得られることが推定される。また、ジクロロシランや四塩化シリコン以外のシリコン源を用いても、実施例３と同様の結果が得られることが推定される。

（比較例４）
比較例４では、基本的には、実施例１と同様の結晶成長方法を行なったが、種基板をサファイアとした点、および種基板の温度を１４５０℃とした点においてのみ異なる。その結果、窒化ガリウム結晶の生成よりも分解が速くなり、窒化ガリウム結晶が成長しなかった。また、種基板の温度を１４５０℃とすると、原料ガスの条件を変更したいずれの条件であっても、同様に、窒化ガリウム結晶の生成よりも分解が速くなり、窒化ガリウム結晶が成長しなかった。比較例４によれば、種基板がサファイアの場合には、１４００℃を超えると、結晶が成長しないことが確認できた。

本発明の実施例によれば、複数の種基板を側部側にずれるように配置し、種基板の表面上に結晶成長させると、結晶性を良好に維持して、一体化して成長し、大面積の結晶基板を得られることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の結晶成長方法により得られるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶は、良好な結晶性を維持するとともに、大面積化を測ることができる。そのため、たとえば発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴなどの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイスなどに好適に用いることができる。

１０ 種基板、１１ 側部、１２ 表面、１５ 第２の種基板、２０ 結晶、３０ 被成長基板、４０ 結晶基板、１００ ＨＶＰＥ装置、１０１ 第１ガスボンベ、１０２ 第２ガスボンベ、１０３ 第１ガス入口、１０４ 第２ガス入口、１０５ ソースボート、１０６ ヒータ、１０７ 排気口、１０８ 基板ホルダー、１１０ 石英反応管、２００ 発光ダイオード、２０１ ｎ型電極、２０２ ｎ型バッファ層、２０３ ｎ型障壁層、２０４ 井戸層、２０５ ｐ型障壁層、２０６ ｐ型コンタクト層、２０７ ｐ型電極。

Claims (8)

1. 複数の種基板を、前記種基板の成長する面が｛００１｝面に対して−５度以上５度以下傾斜している表面となるように前記種基板の側部側にずらして配置する配置工程と、
   ハイドライド気相成長法により、複数の前記種基板の各々の表面上にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）結晶を成長させる成長工程とを備え、
   前記成長工程では、複数の前記種基板の各々の表面上に成長した前記結晶の各々が一体化するように１１００℃を超えて１３００℃以下の温度で成長させることを特徴とする、結晶成長方法。
2. 前記種基板は、サファイア、炭化シリコン、窒化アルミニウム、および窒化ガリウムのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の結晶成長方法。
3. 前記成長工程では、複数の前記種基板間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて１度以内となるように配置されている表面上に各々の前記結晶を成長させること特徴とする、請求項１または請求項２に記載の結晶成長方法。
4. 前記成長工程では、複数の前記種基板間の（１００）方向および（０１０）方向および（００１）方向の結晶軸のずれが、すべて０．２度以内となるように配置されている表面上に各々の前記結晶を成長させること特徴とする、請求項１または請求項２に記載の結晶成長方法。
5. 前記成長工程では、一体化した前記結晶の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となるように前記結晶を成長させることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の結晶成長方法。
6. 前記成長工程では、一体化した前記結晶はｎ型不純物がドーピングされるように前記結晶を成長させることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の結晶成長方法。
7. 前記ｎ型不純物は、酸素およびシリコンの少なくともいずれか一方であることを特徴とする、請求項６に記載の結晶成長方法。
8. 前記成長工程では、一体化した前記結晶の厚みが２００μｍ以上となるように成長させることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の結晶成長方法。

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