JP5746544B2 - 窒化物半導体用基板および窒化物半導体用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のような窒化物半導体用基板、および窒化ガリウム（ＧａＮ）のような窒化物半導体用基板の製造方法に関する。

周期律表の１３族（旧ＩＩＩ族）の元素を含む窒化物半導体、特にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）を含む（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系の窒化物半導体（以下、これらをまとめて「ＧａＮ等の窒化物半導体」と称する）は、その組成に応じてバンドギャップを連続的に調整することができるとともに、発光波長を紫外線から赤色まで幅広く変化させることができるという特徴を有する。このため、ＧａＮ等の窒化物半導体は、紫外から可視光領域までの領域における発光／受光デバイス用材料として開発が進められている。

例えば、可視光領域では、この材料系を用いた青色〜緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、信号機または大型ディスプレイ用の光源として利用されている。また、近紫外の領域で発光するＧａＮ等の窒化物半導体のＬＥＤと、蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤは、年々効率が向上しており、２００９年には実験室レベルではあるものの、２４９ｌｍ（ルーメン）／Ｗの高い効率での発光が可能であることが報告されている。また、ＧａＮ等の窒化物半導体を使用した、青色で発光するレーザダイオード（ＬＤ）は、高記録密度ディスクに欠くことのできない光源になりつつある。さらに、ＧａＮ等の窒化物半導体は、５００℃以上の高温でも劣化しにくく安定なため、ＧａＮ等の窒化物半導体は、高温環境で使用可能な、または冷却不要のデバイス用材料としても注目されている。

このようなＧａＮ等の窒化物半導体を含むデバイスは、通常、基板（以下、「窒化物半導体用基板」と称する）上に形成される。「窒化物半導体用基板」は、単結晶基材の上にバッファ層を形成した後、該バッファ層の上に、窒化物半導体層（エピタキシャル層）をエピタキシャル成長させることにより構成される。バッファ層は、単結晶基材とエピタキシャル層の間の格子定数のミスマッチを緩和するために設置される。

従来より、前記単結晶基材としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶を用いた製品が最も高い市場占有率を占めているものの、研究開発品および一部の製品には、窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶、珪素（Ｓｉ）単結晶が使用されている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基材を使用した場合、該基材とエピタキシャル層との間の格子整合性を高めることが可能となる。

特開２０００−１３３８４１号公報

Ｎａｏｙａ Ｍｕｒａｔａ，Ｈｉｋａｒｉ Ｔｏｃｈｉｓｈｉｔａ， Ｙｕｕｉ Ｓｈｉｍｉｚｕ，Ｔｓｕｔｏｍｕ Ａｒａｋｉ，ａｎｄ Ｙａｓｕｓｈｉ Ｎａｎｉｓｈｉ：Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ３７， ｐｐ．Ｌ１２１４−Ｌ１２１６，（１９９８）

前述のように、現在、ＧａＮ等の窒化物半導体を含むデバイス用の単結晶基材としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶、または珪素（Ｓｉ）が使用されている。

しかしながら、このような単結晶基材は、大型化が難しいという問題がある。例えば、現在、最も主流となっている基材であるサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶の直径は、今のところ、最大でも６インチ〜８インチ程度が限界である。また、窒化ガリウム単結晶の直径は、最大でも４インチ程度しかない。また、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶も最大４インチ程度である。このため、当然、このような基材上に形成されるＧａＮ等の窒化物半導体についても、大型化を図ることが難しく、これがＧａＮ等の窒化物半導体の用途拡大を阻害する要因の一つとなっている。また、仮に、将来、単結晶基材の大型化が可能になったとしても、そのような単結晶基材は、極めて高額なものになってしまう可能性が高い。従って、この場合、ＧａＮ等の窒化物半導体を有する各種デバイスも、結果的に高コスト化してしまう。

一方、シリコン（Ｓｉ）単結晶基材は、他の単結晶基材に比べて比較的大きな、最大１２インチ程度のものが得られるが、シリコン（Ｓｉ）単結晶基材は、ごく一部の製品にしか使われていない。これは、シリコン基材特有の問題点、すなわちＧａＮとの格子不整合が１７％と大きく、結晶欠陥を低減することが難しいことに起因している。また、Ｓｉのバンドギャップは、１．１２ｅＶと他の基材に比べて小さいため、ＬＥＤに適用した場合には、シリコンが可視光を吸収してしまうという問題もある。このため、シリコン（Ｓｉ）単結晶基材を使用したＬＥＤは、効率が低く、シリコン（Ｓｉ）単結晶基材は、ＬＥＤ用途としての主要な基材になっていない。

そこで、このような問題に対処するため、ＧａＮ等の窒化物半導体用の基材として、単結晶の代わりに、石英ガラスを使用することが提案されている（非特許文献１、特許文献１）。

しかしながら、通常の場合、石英ガラス基材上にＧａＮ層を成長させると、得られるＧａＮ層は、多配向の多結晶質層となる。このような多配向の多結晶質層は、エピタキシャル成長層に比べて、特性が劣ることが知られている。例えば、石英ガラス基材上に形成された多結晶質ＧａＮ層を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）の輝度は、サファイア単結晶基材上にＧａＮの単結晶（エピタキシャル）層を成長させることにより構成されたＬＥＤに比べて、輝度が１／１００程度まで低下してしまう（特許文献１）。

一方、多配向ではなく、石英ガラス基材上にエピタキシャル層により近い形態として単一配向したＧａＮ膜の作製についても報告されている（非特許文献１）。しかし、この単一配向したＧａＮ膜についても、ＬＥＤが発光したとの報告はなく、また製品化もされていない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本発明では、大型化が比較的容易で、比較的安価な窒化物半導体用基板を提供することを目的とする。また、そのような窒化物半導体用基板を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板であって、
前記基材は、石英ガラスで構成され、
前記バッファ層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含み、
前記窒化物半導体層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体で構成され、
前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、前記アモルファス層および前記結晶化層は、同じ材料で構成され、窒化珪素または酸窒化珪素を含み、前記アモルファス層と前記結晶化層の合計は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有し、または
前記応力緩和層は、前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、前記結晶成分を含むアモルファス層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含み、前記結晶成分を含むアモルファス層は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有することを特徴とする窒化物半導体用基板が提供される。

本発明による窒化物半導体用基板において、前記応力緩和層は、一つまたは複数の貫通溝を有し、該貫通溝により、前記応力緩和層は、複数の島状に分離されていても良い。

また、本発明による窒化物半導体用基板において、前記貫通溝は、略ストライプ状の溝または略格子状の溝であっても良い。

また、本発明による窒化物半導体用基板において、前記基材は、前記応力緩和層の貫通溝に対応する凹部を有しても良い。

さらに、本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板の製造方法であって、
（ａ）石英ガラス製の基材を準備するステップと、
（ｂ）前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップであって、前記アモルファス層は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有するステップと、
（ｃ）前記アモルファス層の表面を結晶化させ、前記アモルファス層と同じ材料の結晶化層を形成するステップと、
（ｄ）前記結晶化層の上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含むバッファ層を設置するステップと、
（ｅ）前記バッファ層上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体層を成長させるステップと、
を有することを特徴とする窒化物半導体用基板の製造方法が提供される。

本発明による製造方法において、前記（ｂ）のステップは、前記基材を室温〜４００℃の範囲の温度に保持した状態での、窒化珪素または酸窒化珪素のスパッタ法により行われても良い。

また、本発明による製造方法において、前記（ｃ）のステップは、前記アモルファス層を、プラズマ窒化処理、マイクロ波照射処理、またはレーザアニール処理することにより行われても良い。

また、本発明による製造方法において、前記（ｃ）のステップと（ｄ）のステップの間に、
（ｃ'）前記アモルファス層および前記結晶化層に、一つまたは複数の貫通溝を形成するステップを有しても良い。

また、本発明による製造方法において、前記（ｃ'）のステップにおいて形成される貫通溝の少なくとも一つは、前記基材の内部にまで到達しても良い。

本発明では、大型化が比較的容易で、比較的安価な窒化物半導体用基板を提供することが可能となる。また、そのような窒化物半導体用基板を製造する方法を提供することができる。

従来の窒化物半導体用基板の構成を概略的に示した図である。 本発明による窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。 本発明による別の窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。 本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。 本発明による半導体用基板の製造方法のフローを概略的に示した図である。 実施例１に係るサンプルのＸ線回折パターンを示すグラフである。 比較例１に係るサンプルのＸ線回折パターンを示すグラフである。 比較例２に係るサンプルのＸ線回折パターンを示すグラフである。 実施例１に係るサンプルにおいて得られた紫外線照射時の発光スペクトルを示したグラフ（実線）、および比較例１に係るサンプルにおいて得られた紫外線照射時の発光スペクトルを示したグラフ（点線）である。

以下、図面を参照して、本発明について説明する。

本発明の構成および特徴をより良く理解するため、まず、従来のＧａＮ半導体用基板について簡単に説明する。

図１には、従来のＧａＮ半導体用基板の構成を概略的に示す。

図１に示すように、従来のＧａＮ半導体用基板１０は、単結晶基材２０、バッファ層６０、およびＧａＮエピタキシャル層８０を、この順に積層することにより構成される。

単結晶基材２０は、上部に各層を積層支持するために使用される部材である。単結晶基材２０は、例えばサファイア単結晶、ＧａＮ単結晶、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶、または珪素（Ｓｉ）単結晶で構成されている。

バッファ層６０は、通常、ＧａＡｌＮのような、ガリウム（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物で構成される。

バッファ層６０は、上部に形成されるＧａＮエピタキシャル層８０と単結晶基材２０との間の格子定数のミスマッチを緩和する役割を有する。すなわち、バッファ層６０を設けず、単結晶基材２０上に直接ＧａＮエピタキシャル層８０を成長させた場合、ＧａＮエピタキシャル層８０は、単結晶基材２０との格子定数のミスマッチのため、転位やクラックのような結晶欠陥を多数含むようになり、実際にデバイスとして動作させた場合、注入キャリヤが失活してしまう。これに対して、単結晶基材２０とＧａＮエピタキシャル層８０との間にバッファ層６０を設置した場合、ＧａＮエピタキシャル層８０内での結晶欠陥の発生が有意に抑制される。

ＧａＮエピタキシャル層８０は、バッファ層６０の上部に、ＧａＮをエピタキシャル成長させることにより構成される。

このようなＧａＮ半導体用基板１０の上部に、さらに各種半導体素子等を形成することにより、ＬＥＤなどのデバイスを製造することができる。

しかしながら、このようなＧａＮ半導体用基板１０の構成では、単結晶基材２０を使用するため、大型化が難しいという問題がある。例えば、現在のサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶基材の直径は、今のところ、最大でも６インチ〜８インチ程度が限界である。また、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基材も最大４インチ程度である。また、現在使用されているＧａＮ単結晶基材の直径は、最大でも４インチ程度しかない。

また、このようなＧａＮ半導体用基板１０は、高価な単結晶基材２０を有するため、材料コストおよび製造コストを抑制することが難しいという問題がある。このため、このＧａＮ半導体用基板１０をベースとして製造される各種デバイスも、結果的に高コストなものになってしまう。

そこで、このような問題に対処するため、単結晶基材２０の代わりに、石英ガラス製の基材を使用することが考えられる。

しかしながら、通常の場合、石英ガラス基材上にＧａＮ層を成長させると、得られるＧａＮ層は、多配向の多結晶質層になってしまうという問題がある。このような多配向の多結晶質層は、エピタキシャル成長された層に比べて、特性が劣ることが知られている。例えば、石英ガラス基材上に形成された多結晶質ＧａＮ層を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）の輝度は、サファイア単結晶基材上にＧａＮエピタキシャル層を成長させることにより構成されたＬＥＤに比べて、輝度が１／１００程度まで低下してしまう（特許文献１）。

なお、ＧａＮ半導体基板の基材として、石英ガラス基材を使用した場合、最終的に得られるＧａＮ半導体デバイスの特性が劣化してしまう原因としては、以下の要素が考えられる。
（ｉ）多配向の多結晶膜のため、結晶表面の凹凸が大きく、金属電極のコンタクトが単結晶基材の場合に比べて不十分になるため、いわゆる接触抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなってしまう。
（ｉｉ）多配向の多結晶膜のため、金属電極から注入されたキャリヤが発光領域（ｐｎ接合部）にたどり着くまでに、複雑なパスを通って、様々の結晶方位を向いた多配向の結晶粒子の境界（粒界）を通過せざるをえない。このため、キャリヤが発光領域にたどり着く前に、粒界に存在する結晶欠陥が非発光中心に捕えられてしまい、失活してしまう。

そこで、多配向の膜からエピタキシャル膜と同様に、ある特定の結晶方位に揃った単一配向の膜に変えることにより、多配向の膜に比べて粒界の数を減少させ、輝度を向上させることができると考えられる。しかしながら、この単一配向膜によるＬＥＤも、多配向のＬＥＤと同様、未だ実用化されるに至っていない。

このように石英ガラス基材を使ったＬＥＤが実用化に至っていない要因として、例えば、石英ガラス基材と、バッファ層およびその上部のＧａＮ層との間の熱膨張係数のミスマッチが特性劣化の一因として考えられる。例えば、石英ガラスの熱膨張係数は、おおよそ０．５４×１０^−６／Ｋであるのに対して、ＧａＮの熱膨張係数は、おおよそ４．６〜５．１×１０^−６／Ｋであり、ＡｌＮの熱膨張係数は、おおよそ４．３×１０^−６／Ｋである。従って、石英ガラス基材とバッファ層およびＧａＮ層との間で、熱膨張係数は、大きく異なっていることが予想される。また、ＧａＮ層の成長の際には、石英ガラス基材は、８００℃〜１０００℃もの高温に保持される。このため、ＧａＮ層の冷却過程などにおいて、石英ガラス基材と、バッファ層およびＧａＮ層との間には、大きな歪みが発生してしまう。このような歪みは、クラックおよび／または転位のような、ＧａＮ層中の欠陥の発生原因になると予想される。

これに対して、本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板において、
前記基材は、石英で構成され、
前記バッファ層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含み、
前記窒化物半導体層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体で構成され、
前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、または前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、
前記応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含むと言う特徴を有する。

本発明では、従来の単結晶基材２０の代わりに、比較的安価で、大面積のものも比較的容易に利用することできる石英ガラス製の基材を使用する。このため、本発明による窒化物半導体用基板は、比較的安価に製造することが可能となる。また、本発明による窒化物半導体用基板では、大型化にも比較的容易に対応することができる。

また、本発明では、石英ガラス基材とバッファ層との間に、応力緩和層が設けられる。この応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含む。窒化珪素および酸窒化珪素は、石英基材（熱膨張係数：約０．５４×１０^−６／Ｋ）とバッファ層（ＧａＮの熱膨張係数：約４．６〜５．１×１０^−６／Ｋ）の中間程度の熱膨張係数を有する。例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の熱膨張係数は、約３．３×１０^−６／Ｋである。従って、本発明では、窒化物半導体層を成長時から室温に冷却させる過程において、石英ガラス基材と窒化物半導体層およびバッファ層との間に発生し得る応力歪みを有意に抑制することができる。このため、本発明による窒化物半導体用基板では、窒化物半導体層中に、クラックおよび／または転位のような結晶欠陥が発生することが有意に抑制される。また、これにより、本発明による窒化物半導体用基板を用いて、所望の特性（例えば発光特性、輝度特性）を有するデバイスを構成することが可能になる。

（本発明による窒化物半導体用基板の構成）
次に、図２を参照して、本発明による窒化物半導体用基板の構成について詳しく説明する。

図２には、本発明による窒化物半導体用基板の構成の一例を概略的に示す。

図２に示すように、本発明による窒化物半導体用基板１００は、石英ガラス基材１２０、応力緩和層１２５、バッファ層１６０、および窒化物半導体層１８０を、この順に設置することにより構成される。

石英ガラス基材１２０は、上部に積層される各部材を支持する役割を有する。なお、本発明では、比較的容易かつ安価に、大きな面積を有する石英ガラス基材１２０を準備することができることに留意する必要がある。

応力緩和層１２５は、アモルファス層１３０および結晶化層１５０を有する。

アモルファス層１３０は、アモルファス相を有する。結晶化層１５０は、アモルファス層１３０の上部に設置され、アモルファス層１３０の結晶化相を有する。また、アモルファス層１３０および結晶化層１５０は、石英ガラスの熱膨張係数と、窒化ガリウムおよび窒化アルミニウムのような窒化物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する。例えば、アモルファス層１３０および結晶化層１５０は、窒化珪素（熱膨張係数約３．３×１０^−６／Ｋ）および／または酸窒化珪素を含む。

窒化珪素は、例えばＳｉ_３Ｎ_４のような、Ｓｉ_ｘＮ_ｙの組成であっても良い。ここで、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１である。また、酸窒化珪素は、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚの組成であっても良い。ここで、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｚ≦１である。なお、実際の成膜プロセスでは、純粋な窒化珪素の層を形成することは難しく、窒化珪素の成膜を実施した場合であっても、得られる層は、多少の酸素を含み、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚの組成となる傾向にあることに留意する必要がある。

応力緩和層１２５のアモルファス層１３０は、石英ガラス基材１２０とバッファ層１６０および窒化物半導体層１８０との間の熱膨張係数のミスマッチによって、窒化物半導体層１８０に生じ得る応力歪みを緩和する役割を有する。すなわち、石英ガラス基材１２０とバッファ層１６０との間に、両者の中間程度の熱膨張係数を有するアモルファス層１３０を設置することにより、窒化物半導体層１８０を成長させる際およびその後の冷却過程などにおいて、窒化物半導体層１８０に生じ得る応力歪みにより、窒化物半導体層１８０内に多数の欠陥が形成されてしまうという問題、さらにはこれにより窒化物半導体層１８０の特性（例えば輝度）が劣化してしまうという問題を回避することが可能となる。

応力緩和層１２５の結晶化層１５０は、アモルファス層１３０の上部に、バッファ層１６０を介して、多配向でなく単一配向した窒化物半導体層１８０を結晶成長させる役割を有する。すなわち、結晶化層１５０が存在しない場合、アモルファス層１３０上に、バッファ層１６０を介した場合は多配向になってしまい、単一配向した窒化物半導体層１８０を形成させることは、極めて難しい。しかしながら、本発明では、応力緩和層１２５は、表面に結晶化された結晶化層１５０を有するため、応力緩和層１２５の上部に、バッファ層１６０を介して単一配向した窒化物半導体層１８０を適正に形成させることができるようになる。

応力緩和層１２５（アモルファス層１３０および結晶化層１５０）は、窒化珪素および／または酸窒化珪素の他、各種金属化合物を含有しても良い。そのような金属化合物には、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、および／またはイリジウム（Ｉｒ）が含まれる。

応力緩和層１２５は、後述するように、例えば、スパッタリング法などの成膜法により、石英ガラス基材１２０上に窒化珪素および／または酸窒化珪素のアモルファス層１３０を形成した後、得られたアモルファス層１３０の表面に対して、プラズマ窒化処理を行うことにより形成される。プラズマ窒化処理により、アモルファス層１３０の表面が結晶化され、アモルファス層１３０の上部に、窒化珪素および／または酸窒化珪素の結晶化層１５０を形成することができる。

バッファ層１６０は、従来のＧａＮ半導体用基板１０のバッファ層６０と同様、ＧａＡｌＮのような、ガリウム（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物で構成される。バッファ層１６０は、上部に形成される窒化物半導体層１８０と結晶化層１５０との間の格子定数のミスマッチを緩和する役割を有する。

窒化物半導体層１８０は、従来のＧａＮ半導体用基板１０のＧａＮをはじめとする、Ｇａを含んだ窒化物層である。具体的には、Ｇａと同族元素を含む窒化物であって、例えばガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびインジウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体である。これらは、化学式では、Ｇａ_ＸＡｌ_1-ＸＮ（０≦Ｘ≦１）、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）等で一般的に表すことが可能な窒化物である。ここで、また、それらの混晶系であるＧａ_ＸＡｌ_ＹＩｎ_{（1−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であっても良い。ここで、窒化物半導体層１８０がＡｌを含む場合、Ｇａに比べて半導体のバンドギャップがワイドギャップ化するため、発光は、紫外光領域へシフトする。また、窒化物半導体層１８０がＩｎを含む場合、逆にバンドギャップがナローギャップ化するため、そのような窒化物半導体層１８０を含む半導体用基板は、青色や緑色の可視光領域で発光する発光デバイスとして利用できる。

前述のように、本発明による窒化物半導体用基板１００では、石英ガラス基材１２０とバッファ層１６０の間に、応力緩和層１２５が設置されている。このため、本発明では、窒化物半導体層１８０を成長させたり、成長過程から室温に冷却する過程において、石英ガラス基材１２０と窒化物半導体層１８０およびバッファ層１６０との間に発生し得る応力歪みを有意に抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層１８０中に、クラックおよび／または転位のような結晶欠陥が発生することが有意に抑制される。

（本発明による別の窒化物半導体用基板）
次に、図３を参照して、本発明による別の窒化物半導体用基板について説明する。

図３には、本発明による別の窒化物半導体用基板２００の構成の一例を概略的に示す。

図３に示すように、この窒化物半導体用基板２００は、基本的に、図２に示した窒化物半導体用基板１００と同様の構成を有する。従って、図３において、図２と対応する部材には、図２の部材の参照符号に、１００を加えた参照符号が付されている。

ただし、この窒化物半導体用基板２００は、図２に示した窒化物半導体用基板１００とは異なり、応力緩和層２２５、すなわちアモルファス層２３０および結晶化層２５０は、応力緩和層２２５を貫通する少なくとも一つの貫通溝２５５を有する。

このような貫通溝２５５は、例えばＧａＮ層２８０が形成された後、窒化物半導体用基板２００が室温まで冷却される際など、窒化物半導体用基板２００が応力を受けたときに、該応力を膜の成長方向に対して垂直な方向、すなわち図の左右方向に緩和する機能を有する。従って、図３に示した窒化物半導体用基板２００は、図２に示した窒化物半導体用基板１００に比べて、よりいっそう効果的に内部に生じる応力歪みを抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層２８０内に欠陥が導入されることを抑制することができる。

なお、貫通溝２５５のパターン形態は、特に限られない。貫通溝２５５は、例えば、第１の方向に延在するストライプ状の溝であっても良く、あるいは第１および第２の２つの方向に延在する格子状（正方形状、長方形状、菱形状等）のパターンを有しても良い。また、貫通溝２５５は、その他の形態であっても良い。

貫通溝２５５の幅は、特に限られないが、幅は、例えば４μｍ〜２００μｍの範囲であっても良い。また、貫通溝２５５によって分断された応力緩和層２２５は、例えば、縦および横幅が、４μｍ〜５ｍｍの範囲の寸法を有しても良い。

（本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板）
次に、図４を参照して、本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板について説明する。

図４には、本発明による別の窒化物半導体用基板３００の構成の一例を概略的に示す。

図４に示すように、この窒化物半導体用基板３００は、基本的に、図２に示した窒化物半導体用基板１００と同様の構成を有する。従って、図４において、図２と対応する部材には、図２の部材の参照符号に、２００を加えた参照符号が付されている。

ただし、この窒化物半導体用基板３００は、図２に示した窒化物半導体用基板１００とは異なり、応力緩和層３２５の上面から石英ガラス基材３２０の内部にまで至る、少なくとも一つの溝３５６を有する。

このような溝３５６は、前述の窒化物半導体用基板２００に設けられた貫通溝２５５と同様に、窒化物半導体用基板３００が応力歪みを受けたときに、該応力を膜の成長方向に対して垂直な方向、すなわち図の左右方向に緩和する機能を有する。従って、図４に示した窒化物半導体用基板３００においても、図３に示した窒化物半導体用基板２００と同様、窒化物半導体用基板３００の内部に生じる応力歪みを抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層３８０内に欠陥が導入されることを抑制することができる。

なお、図４の例では、溝３５６の幅は、応力緩和層３２５と石英ガラス基材３２０との間で、異なっている。しかしながら、これは単なる一例であって、応力緩和層３２５と石英ガラス基材３２０との間で、溝３５６の幅は、等しくなっていても良い。ただし、溝３５６を応力緩和層３２５および石英ガラス基材３２０のエッチング処理により形成した場合、両者のエッチング速度の違いにより、図４のような、応力緩和層３２５と石英ガラス基材３２０の間で、幅が異なる形態の溝３５６が生じる傾向にある。

（本発明による窒化物半導体用基板の製造方法）
次に、前述のような構成を有する本発明による窒化物半導体用基板１００の製造方法の一例について説明する。なお、以下の説明は、窒化物半導体用基板１００の製造方法の一例に過ぎず、本発明による窒化物半導体用基板１００は、別の製造方法で製作されても良いことは、当業者には明らかである。

図５には、本発明による窒化物半導体用基板の製造方法のフローを概略的に示す。図５に示すように、本発明による窒化物半導体用基板の製造方法は、
（ａ）石英ガラス製の基材を準備するステップ（ステップＳ１１０）と、
（ｂ）前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップ（ステップＳ１２０）と、
（ｃ）前記アモルファス層の表面を結晶化させ、結晶化層を形成するステップ（ステップＳ１３０）と、
（ｄ）前記結晶化層の上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含むバッファ層を設置するステップ（ステップＳ１４０）と、
（ｅ）前記バッファ層上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体層を成長させるステップ（ステップＳ１５０）と、
を有する。以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ１１０）
まず、石英ガラス基材が準備される。石英ガラス基材の厚さは、特に限られず、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であっても良い。なお、本発明では、比較的容易かつ安価に、大きな面積を有する石英ガラス基材を準備することができることに留意する必要がある。

（ステップＳ１２０）
次に、石英ガラス基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層が設置される。アモルファス層の設置方法は、特に限られない。例えば、アモルファス層は、スパッタリング法、化学気相成膜（ＣＶＤ）法のような、通常の成膜法を適用して、設置されても良い。特に、スパッタリング法では、室温〜１００℃のような比較的低い温度範囲で、アモルファス状の窒化珪素または酸窒化珪素を形成することができる。

なお、前述のように、実際の成膜プロセスでは、純粋な窒化珪素の層を形成することは難しく、窒化珪素の成膜を実施した場合であっても、得られる層は、多少の酸素を含み、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚの組成となる傾向にあることに留意する必要がある。

アモルファス層の厚さは、特に限られないが、例えば、０．１μｍ〜１０μｍの範囲であっても良い。

（ステップＳ１３０）
次に、前述のステップＳ１２０において形成されたアモルファス層の表面に対して、結晶化処理が行われ、結晶化層が形成される。この結晶化層は、完全に結晶になっていなくても構わず、一部はアモルファス層もしくは、アモルファス層の中に１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の微結晶を含有していても良い。

結晶化処理は、例えば、アモルファス層の表面に対して、プラズマ窒化処理を行うことにより形成されても良い。プラズマ窒化処理により、アモルファス層の上部表面が結晶化され、窒化珪素および／または酸窒化珪素の結晶化層を形成することができる。同様に、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置によって、マイクロ波をアモルファス層の表面に対して照射処理することにより形成しても良い。あるいは、結晶化処理は、アモルファス層の表面に対して、レーザアニール処理を行うことにより形成されても良い。

結晶化層の厚さは、特に限られないが、例えば、１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であっても良い。

なお、応力緩和層（および石英ガラス基材）に、前述の図３のような貫通溝２５５または図４のような溝３５６を形成する場合、この段階で、応力緩和層がパターン処理されても良い。パターン処理方法は、特に限られず、貫通溝２５５または溝３５６は、従来のようなマスクを用いたエッチング処理等を用いて形成しても良い。

（ステップＳ１４０）
次に、結晶化層の上部に、ＧａＮおよび／またはＡｌＮを含むバッファ層が設置される。

バッファ層は、ＣＶＤ法など、一般的な成膜法により形成される。成膜の際の温度は、例えば４００℃〜５００℃程度である。

バッファ層の厚さは、特に限られないが、例えば、０．１μｍ〜１０μｍの範囲であっても良い。

（ステップＳ１５０）
次に、バッファ層の上部に、ＧａＮおよび／またはＡｌＮを含む窒化物半導体層が形成される。

窒化物半導体層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法、およびハライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）法など、一般的な成膜法により形成される。成膜の際の温度は、例えば８００℃〜１０００℃程度である。

前述のように、本発明では、石英ガラス基材とバッファ層との間に、両者の中間程度の熱膨張係数を有する応力緩和層が設けられている。従って、窒化物半導体層の成膜処理の際に、基材の温度を８００℃〜１０００℃まで加熱したり、その後冷却したりしても、バッファ層および窒化物半導体層中に大きな応力歪みが発生することが有意に抑制される。従って、本発明では、微細クラックなどの欠陥が少なく、有意な特性を有する窒化物半導体層を形成することができる。

窒化物半導体層の厚さは、特に限られないが、例えば、０．５μｍ〜１０μｍの範囲であっても良い。

以上の工程により、本発明による窒化物半導体用基板を製造することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
以下の方法で、実施例１に係る窒化物半導体用基板を製作した。

まず、石英ガラス製の基材（直径３インチφ、厚さ０．７ｍｍ）を準備した。

次に、この石英ガラス基材の一方の表面上に、窒化珪素層を形成した。窒化珪素層の形成には、スパッタリング装置（ＣＦＳ−４ＥＰ、芝浦エレテック社製）を使用し、室温でのスパッタリング処理により窒化珪素層を形成した。窒化珪素層の厚さは、約１μｍである。なお、成膜後に、Ｘ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ、Ｒｉｇａｋｕ社製）により、窒化珪素層の層状態を分析したところ、この層は、アモルファス状態であることが確認された。

次に、アモルファス窒化珪素層に対して、窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Ｖｅｅｃｏ社製の装置ＥＰＩ−ＲＦＳ−４５０により、９００℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。

これにより、アモルファス窒化珪素層の上部に、約２５０ｎｍ（ＴＥＭによる観測値）の窒化珪素の結晶化層が形成された。

次に、窒化珪素の結晶化層の上に、ＧａＡｌＮのバッファ層を設置した。バッファ層は、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法（ＲＣ３１００ＳＲＡＮ、エピクエスト社製）より形成した。厚さは、約８０ｎｍであった。

次に、バッファ層の上部に、窒化ガリウム層を成長させた。窒化ガリウム層の成長には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法（ＲＣ３１００ＳＲＡＮ、エピクエスト社製）を使用した。これにより、厚さが約０．９μｍの窒化ガリウム層が形成された。

以上の工程により、実施例１に係る窒化物半導体用基板（以下、「実施例１に係るサンプル」と称する）を得た。

（比較例１）
まず、実施例１と同様に、石英ガラス製の基材（直径３インチφ、厚さ０．７ｍｍ）を準備した。

次に、実施例１のような窒化珪素層は形成させずに、石英ガラス製の基材の上から直接、窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Ｖｅｅｃｏ社製の装置ＥＰＩ−ＲＦＳ−４５０を用いて、９００℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。この窒化プラズマ処理の条件は、実施例１と同じである。

これにより、石英ガラス製の基材上部に、約１ｎｍ〜５ｎｍの極めて薄い窒化珪素の結晶化層が形成された。

次に、窒化珪素の結晶化層の上に、ＧａＡｌＮのバッファ層を設置した。バッファ層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法（ＲＣ３１００ＳＲＡＮ、エピクエスト社製）により形成した。厚さは、約８０ｎｍであった。このバッファ層の作製条件も、実施例１と同じである。

次に、バッファ層の上部に、窒化ガリウム層を成長させた。窒化ガリウム層の成長には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法（ＲＣ３１００ＳＲＡＮ、エピクエスト社製）を使用した。これにより、厚さが約０．９μｍの窒化ガリウム層が形成された。この窒化ガリウム層の作製条件は、実施例１と同じである。

以上の工程により、比較例１に係る窒化物半導体用基板（以下、「比較例１に係るサンプル」と称する）を得た。

（比較例２）
以下の方法で、比較例２に係る窒化物半導体用基板を製作した。

まず、サファイアの単結晶基材（直径１０ｍｍφ、厚さ０．５ｍｍ）を準備した。

次に、比較例１の場合と同様に、サファイアの基材の上から窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Ｖｅｅｃｏ社製の装置ＥＰＩ−ＲＦＳ−４５０を用いて、９００℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。この窒化プラズマ処理の条件は、比較例１と同じである。

次に、この単結晶基材の一方の表面上に、実施例１と同様の方法により、ＧａＡｌＮのバッファ層を設置した。バッファ層は、厚さが約８０ｎｍであった。

次に、バッファ層の上部に、前述の実施例と同様の方法により、窒化ガリウムのエピタキシャル層を成長させた。エピタキシャル層の厚さは、約１．１μｍであった。

以上の工程により、比較例２に係る窒化物半導体用基板（以下、「比較例２に係るサンプル」と称する）を得た。

（評価）
実施例１、比較例１、および比較例２に係るサンプルを用いて、表面のＸ線回折分析を行った。

図６（ａ）、図６（ｂ）、および図６（ｃ）には、それぞれ、実施例１、比較例１、および比較例２に係るサンプルのＸ線回折パターンを示す。図６（ａ）に示すように、実施例１に係るサンプルでは、２θが３４゜付近の位置に、窒化ガリウムの（０００２）を主配向とする鋭いピークが観測されている。また、２θが７３゜付近の位置に、窒化ガリウムの（０００４）を主配向とする微小ピークが観測されている。（０００２）と（０００４）は、同一方位であることから、実施例１に係るサンプルは、単一配向性を有すると言える。

また、図６（ｂ）からわかるように、比較例１に係るサンプルにおいても、同様に、２θが３４゜付近の位置に、窒化ガリウムの（０００２）を主配向とする鋭いピークが認められ、２θが７３゜付近の位置に、窒化ガリウムの（０００４）を主配向とする微小ピークが認められる。また、比較例２においても、同様の位置にピークが観測されている。（０００２）と（０００４）は、同一方位であることから、比較例１および比較例２においても、サンプルは、単一配向性を有する。

このように、石英ガラス基材を使用した実施例１に係るサンプルにおいても、（０００２）と（０００４）は同一方位であることから、従来の単結晶基材を使用して構成した比較例２に係るサンプルと同様、単一配向性を有する窒化ガリウム層が形成されていることが確認された。また、実施例１に係るサンプルにおける（０００２）を主配向とするピークの半値幅は、比較例２に係るサンプルのものとほぼ等しくなっていることから、窒化ガリウム層は、転位やクラックなどの結晶欠陥の極めて少ない状態になっていることが予想される。

図７には、実施例１に係るサンプルにおいて得られた発光スペクトル（実線）を示す。この図は、室温において実施例１に係るサンプルに、紫外線を照射した際に得られた発光スペクトルにおいて、光子エネルギー（横軸）と発光強度（縦軸）の関係を示している。

一方、この図７には、室温において、比較例１に係るサンプルに紫外線を照射した場合の発光スペクトル（点線）も同時に示されている。

図７の実線から明らかなように、得られた発光のピークは、約３．４０ｅＶの位置にあり、この値は、従来のサファイア単結晶基材を有する窒化物半導体用基板の値である、約３．４２６ｅＶに近い。また、実施例１に係るサンプルにおいて、スペクトルの半値幅は、約１０８ｍｅＶとなった。この値は、サファイアの単結晶基材を有する窒化物半導体用基板において報告されている半値幅（７５ｍｅＶ）に近い。

一方、図６（ｂ）に示すように、比較例１においても、石英ガラス基材の表面を直接、窒素プラズマ処理を施したことに起因して、（０００２）を主配向とする単一配向からなる窒化ガリウム層が得られている。しかしながら、図７の点線から明らかなように、その発光のピークは、３．３８ｅＶの位置にあり、実施例１のピークの位置に比べて低エネルギー側に位置している。また、その発光ピークの半値幅も、１３０ｍｅＶとなった。この半値幅は、実施例１の半値幅に比べて大きい。この結果は、石英ガラス基材の表面を直接プラズマ処理しただけでは、単一配向した窒化ガリウム薄膜の成長は可能であるものの、石英ガラス基材の極表面（２〜５ｎｍ）しか窒化させることができないため、成長層が応力緩和層として機能していないことを示している。

このように、本発明による窒化物半導体用基板（実施例１に係るサンプル）は、従来の単結晶基材を有する窒化物半導体用基板（比較例２に係るサンプル）に比べて、遜色ない良好な発光特性を示すことが確認された。

本発明は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）用の基板、半導体レーザ素子用の基板、およびその他の各種発光素子用の基板として使用することができる。

１０ 従来のＧａＮ半導体用基板
２０ 単結晶基材
６０ バッファ層
８０ ＧａＮエピタキシャル層
１００ 本発明による窒化物半導体用基板
１２０ 石英基材
１２５ 応力緩和層
１３０ アモルファス層
１５０ 結晶化層
１６０ バッファ層
１８０ 窒化物半導体層
２００ 本発明による別の窒化物半導体用基板
２２０ 石英基材
２２５ 応力緩和層
２３０ アモルファス層
２５０ 結晶化層
２５５ 貫通溝
２６０ バッファ層
２８０ 窒化物半導体層
３００ 本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板
３２０ 石英基材
３２５ 応力緩和層
３３０ アモルファス層
３５０ 結晶化層
３５６ 溝
３６０ バッファ層
３８０ 窒化物半導体層

Claims (9)

1. 基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板であって、
   前記基材は、石英ガラスで構成され、
   前記バッファ層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含み、
   前記窒化物半導体層は、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体で構成され、
   前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
   該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、前記アモルファス層および前記結晶化層は、同じ材料で構成され、窒化珪素または酸窒化珪素を含み、前記アモルファス層と前記結晶化層の合計は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有し、または
   前記応力緩和層は、前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、前記結晶成分を含むアモルファス層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含み、前記結晶成分を含むアモルファス層は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有することを特徴とする窒化物半導体用基板。
2. 前記応力緩和層は、一つまたは複数の貫通溝を有し、該貫通溝により、前記応力緩和層は、複数の島に分離されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体用基板。
3. 前記貫通溝は、略ストライプ状の溝または略格子状の溝であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体用基板。
4. 前記基材は、前記応力緩和層の貫通溝に対応する凹部を有することを特徴とする請求項２または３に記載の窒化物半導体用基板。
5. 基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板の製造方法であって、
   （ａ）石英ガラス製の基材を準備するステップと、
   （ｂ）前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップであって、前記アモルファス層は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さ（ただし０．１μｍは除く）を有するステップと、
   （ｃ）前記アモルファス層の表面を結晶化させ、前記アモルファス層と同じ材料の結晶化層を形成するステップと、
   （ｄ）前記結晶化層の上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の窒化物を含むバッファ層を設置するステップと、
   （ｅ）前記バッファ層上に、ガリウム（Ｇａ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体層を成長させるステップと、
   を有することを特徴とする窒化物半導体用基板の製造方法。
6. 前記（ｂ）のステップは、前記基材を室温〜４００℃の範囲の温度に保持した状態での、窒化珪素または酸窒化珪素のスパッタ法により行われることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
7. 前記（ｃ）のステップは、前記アモルファス層を、プラズマ窒化処理、マイクロ波照射処理、またはレーザアニール処理することにより行われることを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。
8. 前記（ｃ）のステップと（ｄ）のステップの間に、
   （ｃ’）前記アモルファス層および前記結晶化層に、一つまたは複数の貫通溝を形成するステップを有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一つに記載の製造方法。
9. 前記（ｃ’）のステップにおいて形成される貫通溝の少なくとも一つは、前記基材の内部にまで到達することを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
   
   

Images