JP6711644B2 - 窒化物半導体の製造基板、及び窒化物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は窒化物半導体の製造基板、及び窒化物半導体の製造方法に関するものである。
特許文献１は従来の単結晶薄膜の形成方法を開示している。この単結晶薄膜の形成方法は、先ず、単結晶基板上に非晶質薄膜を形成する。そして、エッチングによって非晶質薄膜に線状の開口部を形成し、単結晶基板の表面を露出させる。そして、減圧した状態で、分子ビームを単結晶基板の表面に対して４０°以下の入射角度で開口部に入射させ、開口部の露出した単結晶基板の表面に単結晶薄膜を成長させる。そして、縦方向に単結晶薄膜を成長させると共に、非晶質薄膜上で横方向に単結晶薄膜を成長させる。これにより、この単結晶薄膜の形成方法は単結晶薄膜に基板の転位が影響することなく結晶品質の良好な単結晶薄膜を形成することができる。
しかし、特許文献１の単結晶薄膜の形成方法は、減圧した状態で分子ビームを単結晶基板に対して入射させる。さらに、この単結晶薄膜の形成方法は単結晶薄膜を所望の厚みにするため、単結晶基板に対する分子ビームの入射角度を変更する必要がある。このため、この単結晶薄膜の形成方法は装置の構造が複雑になり、単結晶薄膜を形成するのに手間が掛かるおそれがある。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、品質の良好な窒化物半導体を製造することができる窒化物半導体の製造基板、及び窒化物半導体の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
本発明の窒化物半導体の製造方法は、基板本体、及び前記基板本体の表面に設けられたＧａＮ層を併せてエッチングして、前記ＧａＮ層で形成されて液相成長によって側面が横方向に結晶成長する台形状に形成された複数の凸状部、及び前記基板本体の表面であり、隣り合う前記凸状部の間に設けられ、前記液相成長によって結晶成長しない非結晶成長部を形成し、前記側面から前記非結晶成長部にわたり湾曲して形成する第１工程と、
液相成長によって横方向に結晶成長した隣り合う前記凸状部のそれぞれの側面の互いの裏面がほぼ平坦に繋がるように、複数の前記凸状部のそれぞれの側面を横方向に結晶成長させる結晶成長工程と、を備えていること特徴とする。
液相成長によって横方向に結晶成長した隣り合う前記凸状部のそれぞれの側面の互いの裏面がほぼ平坦に繋がるように、複数の前記凸状部のそれぞれの側面を横方向に結晶成長させる結晶成長工程と、を備えていること特徴とする。
本発明の窒化物半導体の製造方法は、隣り合う凸状部のそれぞれの側面が互いの裏面をほぼ平坦にして繋がる。つまり、この窒化物半導体の製造方法は結晶品質が良好で、より大きい窒化物半導体を製造することができる。
したがって、本発明の窒化物半導体の製造方法は品質の良好な窒化物半導体を提供することができる。
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
本発明の窒化物半導体の製造方法は、前記結晶成長工程を実行した後、熱膨張係数の違いによって生じる応力によって前記基板本体から前記凸状部を分離する冷却工程を備え得る。この場合、この窒化物半導体の製造方法は、基板本体から凸状部を容易に分離することができる。これにより、この窒化物半導体の製造方法は、基板本体を研削等で取り除く作業を行うことなく窒化物半導体の自立基板を容易に製造することができる。
次に、従来の窒化物半導体の製造方法について図示を省略して説明する。
先ず、ＧａＮ（窒化ガリウム）テンプレート基板（以降、テンプレート基板という）を準備する。ここで、テンプレート基板とは（０００１）面が表面であるサファイアで形成された基板本体の表面全体に、所定の厚みで（０００１）面が表面であるＧａＮ層が積層されたものである。
次に、テンプレート基板のＧａＮ層の表面全体にＡｌＯ（酸化アルミニウム）層を積層する。詳しくは、ＡｌＯ層をフォトリソグラフィ等を用いてエッチングして、ＧａＮ層の表面に複数のＡｌＯ層のパターンを形成する。詳しくは、これら複数のＡｌＯ層のパターンは表面からの平面視においてそれぞれが帯状をなしている。これら複数のＡｌＯ層のパターンは帯状の左右方向の幅が所定の寸法である。また左右方向に隣り合う帯状のＡｌＯ層の間が所定の寸法である。つまり、これら帯状のＡｌＯ層はＧａＮ層の表面に等間隔の縞状に配置して形成されている。こうして、従来の窒化物半導体の製造基板を形成する。
こうして形成された従来の窒化物半導体の製造基板に液相成長である電流制御型液相成長（Liquid phase electroepitaxy：ＬＰＥＥ）を用いて窒化物半導体を結晶成長させる。詳しくは、先ず、平板状に形成された底壁、及び底壁の周囲から立ち上がる周囲壁を有した容器（ボートという）の底壁の表面に従来の窒化物半導体の製造基板を載置する。このとき、従来の窒化物半導体の製造基板は複数のＡｌＯ層が積層された側が表面側である。
そして、ボート内であり、従来の窒化物半導体の製造基板の表面側に窒化物半導体の材料であるＧａ（ガリウム）、及びＧｅ（ゲルマニウム）を所定のモル比で混合した溶液であるメルト及び電極を配置する。このとき、電極はメルトに埋没している。この電極は電源と電気的に接続されている。また、この電極は従来の窒化物半導体の製造基板、及びボートに触れていない。
こうして構成されたボート、従来の窒化物半導体の製造基板、メルト、及び電極を反応管の中にセットして、反応管に蓋を取り付けて密閉する。そして、反応管を炉内に投入して反応管内の温度を上げて従来の窒化物半導体の製造基板の温度を所定の温度まで上げる。そして、反応管内にＨ2（水素）、及びＮＨ3（アンモニア）を混合した混合ガスを所定の流量で供給し、電極に電流を流す。すると、ＮＨ3がメルトに溶け込み、エッチングしてＡｌＯ層が除去されて露出した従来の窒化物半導体の製造基板のＧａＮ層の表面にメルトからＧａＮが析出して結晶成長する。このとき、積層されたＡｌＯ層の表面にはメルトからＧａＮが析出して結晶成長しない。このように、限定された領域に結晶成長させることを選択成長という。
そして、結晶成長を続けると、ＡｌＯ層が除去されて露出した従来の窒化物半導体の製造基板のＧａＮ層の表面にメルトから析出したＧａＮが、ＡｌＯ層の表面より表面側に突出して結晶成長する。そして、さらに結晶成長を続ける。すると、ＡｌＯ層が除去されて露出した従来の窒化物半導体の製造基板のＧａＮ層の表面に（０００１）面が形成される。そして、さらに結晶成長を続けると、（０００１）面が形成されたＧａＮの領域は横方向に結晶成長する。こうして、従来の窒化物半導体の製造基板を用いて表面が平坦で横方向に成長した窒化物半導体を得ることができる。
このとき、電極に流す電流の大きさを調節することによって、メルトからＧａＮが析出する量を所望の量に調節することができる。また、反応管内に供給するＮＨ3の濃度や流量を調節することによっても、メルトからＧａＮが析出する量を所望の量に調節することができる。この窒化物半導体はＡｌＯ層が積層している領域のＧａＮ層の転位が伝播していない。つまり、この窒化物半導体はテンプレート基板のＧａＮ層が有する転位が、結晶成長したＧａＮに伝播することを抑えて、結晶成長したＧａＮの単位面積当たりの転位の量である転位密度を抑えることができる。このように、限定した領域に結晶を選択成長させて、転位密度をより抑えた結晶を得る方法をマイクロチャンネルエピタキシー法という。
しかし、従来の窒化物半導体の製造基板を用いて製造された窒化物半導体はＡｌＯ層が積層していない領域のＧａＮ層の転位が伝播する。これを貫通転位という。また、この窒化物半導体は結晶成長の初期段階で（１０−１１）面等が形成されつつ結晶成長する。このとき、この窒化物半導体は貫通転位が屈曲して（１０−１１）面等に対して垂直方向に延びてＡｌＯ層の表面側に回り込む。つまり、この窒化物半導体は横方向に結晶成長する際に、貫通転位が横方向に拡がる。
＜実施例１〜５＞
そこで、窒化物半導体を横方向に結晶成長する際に、貫通転位が横方向に拡がらないようにするため、結晶成長の初期段階で（１０−１１）面が形成されないように、予め左右側面が切り立った形状にＧａＮを形成した場合について検証する実験を実施した。この実験を実施するため、実施例１の窒化物半導体の製造基板、及び実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルを用意した。
そこで、窒化物半導体を横方向に結晶成長する際に、貫通転位が横方向に拡がらないようにするため、結晶成長の初期段階で（１０−１１）面が形成されないように、予め左右側面が切り立った形状にＧａＮを形成した場合について検証する実験を実施した。この実験を実施するため、実施例１の窒化物半導体の製造基板、及び実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルを用意した。
実施例１の窒化物半導体の製造基板の作製手順について図示を省略して説明する。
先ず、テンプレート基板を準備する。テンプレート基板のＧａＮ層の厚みはおよそ４．５μｍである。表面側から見たテンプレート基板の大きさはおよそ９ｍｍ×９ｍｍである。次に、テンプレート基板のＧａＮ層の表面を硫酸を含んだエッチング液を用いてエッチングする。これにより、テンプレート基板のＧａＮ層の表面に付着した異物等を溶解して除去する。
次に、テンプレート基板のＧａＮ層の表面にＳｉＯ2（２酸化ケイ素）を積層する。そして、ＳｉＯ2を所定の外形に形成する。詳しくは、フォトリソグラフィ等を用いて、ＳｉＯ2をＧａＮ層の表面に等間隔の縞状に形成する。このとき、ＳｉＯ2が除去された領域はＧａＮ層の表面が露出する。
次に、テンプレート基板のＧａＮ層の表面、及び縞状に配置して形成されたＳｉＯ2の表面に電子ビーム蒸着装置を用いてＡｕ（金）を５００Åの厚みで蒸着して積層する。
次に、ＧａＮ層の表面に縞状に配置して形成されたＳｉＯ2を除去する。このとき、ＳｉＯ2の表面に蒸着して積層されたＡｕも共に除去される。また、ＧａＮ層の表面に蒸着して積層されたＡｕは除去されない。この工程をリフトオフという。こうして、ＧａＮ層の表面に縞状のＡｕが積層して形成される。
次に、３５０℃に加熱した４０ｍｌのピロリン酸にＧａＮ層の表面にＡｕが縞状に形成されたテンプレート基板を５分間浸す。このとき、熱電対を用いてピロリン酸の温度を測定する。これにより、Ａｕが積層していないテンプレート基板のＧａＮ層がピロリン酸によってエッチングされ除去される。このとき、Ａｕが積層していないテンプレート基板のＧａＮ層の裏面に位置する基板本体の表面もエッチングされ僅かに除去される。また、Ａｕが積層しているテンプレート基板のＧａＮ層、及び基板本体は除去されない。そして、ＧａＮ層の表面にＡｕが縞状に形成されたテンプレート基板を純水で洗浄する。
次に、ＧａＮ層の表面にＡｕが縞状に形成されたテンプレート基板を王水に浸す。これにより、ＧａＮ層の表面に積層され縞状に形成されたＡｕを除去する。そして、テンプレート基板を純水で洗浄する。こうして、実施例１の窒化物半導体の製造基板を製造することができる。
実施例１の窒化物半導体の製造基板は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板本体１０Ａ、複数の凸状部１０Ｂ、及び複数の非結晶成長部１０Ｄを備えている。基板本体１０Ａはテンプレート基板１０を形成しているサファイアである。基板本体１０Ａはサファイアの（０００１）面が表面（表面とは図１（Ａ）における紙面に対する手前側である。以下同じ）である。
複数の凸状部１０Ｂはテンプレート基板１０を形成しているＧａＮ層である。これら凸状部１０Ｂはそれぞれが一方向に延びた帯状をなし、基板本体１０Ａの表面に互いに平行に形成されている。これら凸状部１０Ｂは隣り合う間の寸法がおよそ３０μｍである。また、これら凸状部１０Ｂはそれぞれの幅がおよそ１０μｍ、厚みがおよそ４．５μｍである。つまり、これら凸状部１０Ｂは基板本体１０Ａの表面に周期がおよそ４０μｍで形成されている。また、これら凸状部１０Ｂは左右側面１０Ｃ（左右は図１（Ａ）における左右である。以下同じ）が切り立って形成されている。また、これら凸状部１０Ｂはそれぞれの左右側面１０Ｃから基板本体１０Ａの表面にわたりそれぞれが左右方向に拡がり湾曲している。つまり、複数の凸状部１０Ｂは基板本体１０Ａの表面に設けられ台形状に形成されている。
複数の非結晶成長部１０Ｄは複数の凸状部１０Ｂの間にそれぞれが形成されている。これら非結晶成長部１０Ｄはテンプレート基板１０の基板本体１０Ａの表面が露出した部分である。つまり、非結晶成長部１０Ｄは基板本体１０Ａの表面であり、隣り合う凸状部１０Ｂの間に設けられている。非結晶成長部１０Ｄは厚みが薄くなる方向に表面が僅かに窪み湾曲している。
次に、実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルを製造する製造方法について図示を省略して説明する。
実施例１の窒化物半導体の製造基板に液相成長であるＬＰＥＥを用いて結晶成長させる。先ず、実施例１の窒化物半導体の製造基板を、アセトン、メタノール、及び純水の順番で５分間ずつ洗浄する。
次に、実施例１の窒化物半導体の製造基板を硫酸を含んだエッチング液に浸して３分間エッチングする。次に、容器であるボートの底壁の表面に実施例１の窒化物半導体の製造基板を載置する。このとき、実施例１の窒化物半導体の製造基板は凸状部１０Ｂが表面側になるようにボートの底壁の表面に配置される。
次に、ボート内であり、実施例１の窒化物半導体の製造基板の表面側に窒化物半導体の材料であるＧａを１グラム載置する。そして、第１電極を配置する。第１電極はＷ（タングステン）で形成されている。第１電極は表面側から見た平面視において４角形状の４つの開口が田の字状に設けられ形成されている。第１電極は電線が引き出されている。第１電極は予めメタノールで洗浄されている。第１電極は実施例１の窒化物半導体の製造基板、及びボートに触れていない。
そして、さらにＧａを１グラム載置する。そして、ドライヤー等を用いてＧａを加熱してＧａを熔解させる。次に、第２電極を配置する。第２電極はＷ（タングステン）で形成されている。第２電極は表面側から見た平面視において４角形状の４つの開口が田の字状に形成されている。第２電極は電線が引き出されている。第２電極は予めメタノールで洗浄されている。第２電極は実施例１の窒化物半導体の製造基板、第１電極、及びボートに触れていない。そして、第１電極、及び第２電極のそれぞれから引き出された電線を、後述する反応管の蓋に設けられた一対の端子のそれぞれに溶接する。これら端子は互いに電気的に接続されていない。これら端子は電源の＋端子、−端子にそれぞれが電気的に接続されている。
次に、ボート内であり、実施例１の窒化物半導体の製造基板の表面側に載置されたＧａにＧｅを０．６８グラム加える。こうして、Ｇａ及びＧｅのモル比が３：１であるメルトが実施例１の窒化物半導体の製造基板の表面側に載置される。このとき、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃは基板本体１０Ａに近づくにつれて左右方向に拡がり湾曲しているため、メルトが凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃに満遍なく触れることができる。
次に、こうして構成されたボート、実施例１の窒化物半導体の製造基板、メルト、第１電極、及び第２電極を反応管の中にセットして、反応管に蓋を取り付けて密閉する。そして、ロータリーポンプ等を用いて反応管内を真空にした後、反応管内にＮ2（窒素）を充填する。
次に、反応管内にＮ2を５０ｓｃｃｍの流量で供給する。そして、反応管を炉内に投入する。そして、炉内の温度を５００℃にして９０分間保持する。次に、反応管内へのＮ2の供給を停止し、反応管内へＨ2を７０ｓｃｃｍの流量で供給する。そして、炉内の温度を９６０℃にする。そして、炉内の温度が９６０℃に到達したところで、反応管内に１％に希釈したＮＨ3を３０ｓｃｃｍの流量で供給する。
次に、結晶成長工程を実行する。先ず、第１電極、及び第２電極との間に４Ａ（アンペア）の電流を流す。すると、メルト中に溶け込んでいるＮ原子が基板側に輸送される。そして、メルトから実施例１の窒化物半導体の製造基板の凸状部１０Ｂの左右側面１０ＣにＧａＮが析出して凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長する。このとき、凸状部１０Ｂは表面に（０００１）面が平坦に形成されるため、（０００１）面方向にほとんど結晶成長しない。つまり、複数の凸状部１０Ｂは液相成長によって左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長する。このとき、メルトが凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃに満遍なく触れているため、凸状部１０Ｂの厚みと同じ厚みで凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長することができる。こうして、表面及び裏面が平坦で横方向に成長した窒化物半導体を得ることができる。このとき、第１電極、及び第２電極との間に流す電流の大きさを調節することによって、メルトから凸状部１０Ｂの左右側面１０ＣにＧａＮが析出する量を所望の量に調節することができる。また、反応管内に供給するＮＨ3の濃度や流量を調節することによっても、メルトから凸状部１０Ｂの左右側面１０ＣにＧａＮが析出する量を所望の量に調節することができる。
そして、所望の時間、第１電極と第２電極との間に所定の電流値の電流を流して結晶成長した後、反応管内へのＮＨ3の供給を停止して、第１電極と第２電極との間に電流を流すことを停止する。そして、反応管内へ供給しているＨ2の流量を１００ｓｃｃｍにして、炉の加熱を停止する。こうして、結晶成長工程を終了する。
次に、冷却工程を実行する。詳しくは、炉の加熱を停止して結晶成長工程を終了した後、反応管、反応管内にセットされたボート、実施例１の窒化物半導体の製造基板、メルト、第１電極、及び第２電極を自然冷却する。このとき、熱膨張係数の違いによって生じる応力によってテンプレート基板１０の基板本体１０Ａから凸状部１０Ｂが分離することができる。そして、反応管、反応管内にセットされたボート、実施例１の窒化物半導体の製造基板、メルト、第１電極、及び第２電極の温度がほぼ室温に到達した後、反応管内へのＨ2の供給を停止する。こうして冷却工程を終了する。
そして、ロータリーポンプ等を用いて反応管内を真空にした後、反応管内にＮ2を充填する。そして、反応管を密閉している蓋を反応管から外し、ボート、実施例１の窒化物半導体の製造基板、メルト、第１電極、及び第２電極を反応管から取り出す。そして、ボートから実施例１の窒化物半導体の製造基板を取り出す。このとき、実施例１の窒化物半導体の製造基板にはメルトが付着している。このため、実施例１の窒化物半導体の製造基板を王水に浸して、付着したメルトを溶解して除去する。こうして実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて窒化物半導体を製造することができる。
実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて上記の製造方法を実行して実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルを製造した。実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルは、表１に示すように、結晶成長の成長時間をそれぞれ変更している。実施例２〜５の窒化物半導体のサンプルは反応管内に供給するＮＨ3の流量を３０ｓｃｃｍ、及び第１電極と第２電極との間に流す電流の電流値を４Ａ（アンペア）とし、実施例１の窒化物半導体の製造基板の温度を９６０℃にして結晶成長させた。
実施例２の窒化物半導体のサンプルは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂの表面に（０００１）面が平坦に形成されている。また、実施例２の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの幅がおよそ９．５μｍ、厚みがおよそ４μｍである。つまり、実施例２の窒化物半導体のサンプルは結晶成長をさせる前の実施例１の窒化物半導体の製造基板の凸状部１０Ｂの幅、及び厚みの寸法とほぼ同じである。これは、実施例２の窒化物半導体のサンプルの凸状部１０Ｂが表面及び左右側面１０Ｃがメルトバックによってエッチングされた後、再び結晶成長し２０ｈかけて実施例１の窒化物半導体の製造基板の凸状部１０Ｂの幅、及び厚みの寸法とほぼ同じになったと考えられる。なお、実施例２の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂがメルトバックによってエッチングされると表面が平坦でなくなる。そして、実施例２の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの表面に平坦な（０００１）面が形成されるまで凸状部１０Ｂの表面が結晶成長する。
また、実施例２の窒化物半導体のサンプルはメルトから非結晶成長部１０ＤにＧａＮが析出して結晶成長していない。つまり、実施例２の窒化物半導体のサンプルは非結晶成長部１０Ｄが液相成長によって結晶成長せず、凸状部１０Ｂのみが結晶成長している。つまり、実施例２の窒化物半導体のサンプルは良好に選択成長している。
実施例３の窒化物半導体のサンプルは、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂの表面に（０００１）面が平坦に形成されている。また、実施例３の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの幅がおよそ１７μｍ、厚みがおよそ４．５μｍである。つまり、実施例３の窒化物半導体のサンプルは実施例２の窒化物半導体のサンプルに比べて凸状部１０Ｂが（０００１）面方向に結晶成長していない。
また、実施例３の窒化物半導体のサンプルは実施例１の窒化物半導体の製造基板に比べて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向におよそ４μｍ結晶成長している。このことから、実施例３の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが良好に横方向に結晶成長していることがわかった。また、実施例３の窒化物半導体のサンプルはメルトから非結晶成長部１０ＤにＧａＮが析出して結晶成長していない。つまり、実施例３の窒化物半導体のサンプルは非結晶成長部１０Ｄが液相成長によって結晶成長せず、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向に結晶成長している。つまり、実施例３の窒化物半導体のサンプルは良好に選択成長している。
実施例４の窒化物半導体のサンプルは、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂの表面に（０００１）面が平坦に形成されている。また、実施例４の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの幅がおよそ２３μｍ、厚みがおよそ４．５μｍである。つまり、実施例４の窒化物半導体のサンプルは実施例２、３の窒化物半導体のサンプルに比べて凸状部１０Ｂが（０００１）面方向に結晶成長していない。
また、実施例４の窒化物半導体のサンプルは実施例１の窒化物半導体の製造基板に比べて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向におよそ７μｍ結晶成長している。このことから、実施例４の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが良好に横方向に結晶成長していることがわかった。また、実施例４の窒化物半導体のサンプルはメルトから非結晶成長部１０ＤにＧａＮが析出して結晶成長していない。つまり、実施例４の窒化物半導体のサンプルは非結晶成長部１０Ｄが液相成長によって結晶成長せず、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向に結晶成長している。つまり、実施例４の窒化物半導体のサンプルは良好に選択成長している。また、実施例４の窒化物半導体のサンプルは実施例３の窒化物半導体のサンプルに比べて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向におよそ３μｍ結晶成長している。
実施例５の窒化物半導体のサンプルは、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂの表面に（０００１）面が平坦に形成されている。また、実施例５の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの幅がおよそ２６μｍ、厚みがおよそ４．５μｍである。つまり、実施例５の窒化物半導体のサンプルは実施例２〜４の窒化物半導体のサンプルに比べて凸状部１０Ｂが（０００１）面方向に結晶成長していない。
また、実施例５の窒化物半導体のサンプルは実施例１の窒化物半導体の製造基板に比べて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向におよそ９μｍ結晶成長している。また、実施例５の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長し、隣り合う凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長した部分が繋がっている様子が観察された（図９（Ａ）、（Ｂ）参照。）。つまり、実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて窒化物半導体を製造する製造方法は、結晶成長工程において、液相成長であるＬＰＥＥによって横方向に結晶成長した隣り合う凸状部１０Ｂのそれぞれの左右側面１０Ｃの互いの裏面がほぼ平坦に繋がるように、複数の凸状部１０Ｂのそれぞれの左右側面１０Ｃを横方向に結晶成長させる。このことから、実施例５の窒化物半導体のサンプルは凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが良好に横方向に結晶成長していることがわかった。
また、実施例５の窒化物半導体のサンプルはメルトから非結晶成長部１０ＤにＧａＮが析出して結晶成長していない。つまり、実施例５の窒化物半導体のサンプルは非結晶成長部１０Ｄが液相成長によって結晶成長せず、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向に結晶成長している。つまり、実施例５の窒化物半導体のサンプルは良好に選択成長している。また、実施例５の窒化物半導体のサンプルは実施例４の窒化物半導体のサンプルに比べて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃのそれぞれが横方向におよそ２μｍ結晶成長している。
図６に示すように、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長する量は成長時間が長くなるにつれて増加している。しかし、成長時間が６０ｈを越えると、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長する量の増加する割合が小さくなっている。これは、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長するにつれて、隣り合う凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃの間の寸法がより小さくなる。これにより、隣り合う凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃの間に存在するメルトの量が少なくなるため、隣り合う凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃの間で原料の奪い合いが生じて、メルトから凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃに析出するＧａＮの量が減少したためと考えられる。
また、凸状部１０Ｂの表面が縦方向である（０００１）面方向に結晶成長する量は増加していない。これは、凸状部１０Ｂの厚みがメルトバックによってエッチングされて薄くなり、表面に平坦な（０００１）面が再び形成されるまで凸状部１０Ｂの表面が（０００１）面方向に結晶成長するが、表面に平坦な（０００１）面が形成された後、凸状部１０Ｂの表面が（０００１）面方向にほとんど結晶成長しなかったためと考えられる。
次に、実施例５の窒化物半導体のサンプルにおいて、凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長して隣り合う凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが横方向に結晶成長した部分（以降、横方向成長部１１という）が繋がった様子が観察されたため、実施例５の窒化物半導体のサンプルについて、ＳＥＭ、及びＣＬ法（カソードルミネッセンス法）を用いて詳しく観察した。
また、凸状部１０Ｂの表面に黒い点が現われている。これは貫通転位である。また、凸状部１０Ｂは表面の転位密度が２．８×１０8ｃｍ-2であった。また、横方向成長部１１には貫通転位である黒い点がほとんど見られない。このことから、実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて窒化物半導体を製造することによって、横方向成長部１１に貫通転位等の転位がない窒化物半導体を製造できることがわかった。
図８（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂの断面に黒い線が現われている。これは貫通転位である。また、横方向成長部１１には貫通転位である黒い線は現われていない。
図９（Ａ）に示すように、隣り合う横方向成長部１１が繋がった部分は表面、及び裏面のそれぞれがほぼ平坦に繋がっている。これは、実施例１の窒化物半導体の製造基板の非結晶成長部１０Ｄの表面が、厚みが薄くなる方向に僅かに窪み湾曲しているため、結晶成長工程において、メルトが横方向成長部１１の側面にしっかりと触れることができたためと考えられる。
また、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂ、及び隣り合う横方向成長部１１が繋がった部分は厚みがおよそ８μｍである。つまり、実施例１の窒化物半導体の製造基板に比べて凸状部１０Ｂの厚みがおよそ２倍である。また、図９（Ｂ）に示すように、凸状部１０Ｂ、及び隣り合う横方向成長部１１が繋がった部分は表側と裏側とで発光の仕方が異なっている。このことから、凸状部１０Ｂ、及び横方向成長部１１は表側と裏側とで２層に形成されていると考えられる。これは、凸状部１０Ｂ、及び横方向成長部１１の結晶成長が２段階に行われたことを示唆している。
このように、この窒化物半導体の製造基板は凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃから非結晶成長部１０Ｄにわたり湾曲している。このため、この窒化物半導体の製造基板はＬＰＥＥにおいて、窒化物半導体を形成する材料が溶解したメルトが凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃの厚み方向に満遍なく触れることができる。これにより、この窒化物半導体の製造基板は凸状部１０Ｂの左右側面１０Ｃが斑なく横方向に結晶成長し、良好に窒化物半導体を形成することができる。また、この窒化物半導体の製造基板はＬＰＥＥによって窒化物半導体を形成する。つまり、ＬＰＥＥは窒化物半導体を形成する際に、減圧したり分子ビームを用いたりする必要がないため、窒化物半導体を容易に形成することができる。
また、この窒化物半導体の製造方法は、実施例１の窒化物半導体の製造基板を用いて、ＬＰＥＥによって横方向に結晶成長した隣り合う凸状部１０Ｂのそれぞれの左右側面１０Ｃの互いの裏面がほぼ平坦に繋がるように、複数の凸状部１０Ｂのそれぞれの左右側面１０Ｃを横方向に結晶成長させる結晶成長工程を備えている。このため、この窒化物半導体の製造方法は、隣り合う凸状部１０Ｂのそれぞれの左右側面１０Ｃが互いの裏面をほぼ平坦にして繋がる。つまり、この窒化物半導体の製造方法は結晶品質が良好で、より大きい窒化物半導体を製造することができる。
したがって、この窒化物半導体の製造基板、及び窒化物半導体の製造方法は品質の良好な窒化物半導体を提供することができる。
また、この窒化物半導体の製造方法は、結晶成長工程を実行した後、熱膨張係数の違いによって生じる応力によって基板本体１０Ａから凸状部１０Ｂを分離する冷却工程を備えている。このため、この窒化物半導体の製造方法は、基板本体１０Ａから凸状部１０Ｂを容易に分離することができる。これにより、この窒化物半導体の製造方法は、基板本体１０Ａを研削等で取り除く作業を行うことなく窒化物半導体の自立基板を容易に製造することができる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜５に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、王水を用いて表面処理しているが、これに限らず、硝酸、硫酸、塩酸、過酸化水素水、及びこれらの酸の混合液を用いて表面処理しても良い。
（２）実施例１〜５では、基板本体に（０００１）面を表面にしたサファイアを用いているが、これに限らず、他の面を表面にしたサファイア基板、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｓｉ（ケイ素）、及びＧａＮ等を用いても良い。
（３）テンプレート基板のＧａＮ層の表面にＡｌＯを積層する代わりにＳｉＯ2やＳｉＮ（窒化ケイ素）等を積層しても良い。
（４）実施例２〜５では、ＬＰＥＥを用いて結晶成長しているが、これに限らず、他の液相成長法を用いて結晶成長させて窒化物半導体を製造しても良い。
（１）実施例１では、王水を用いて表面処理しているが、これに限らず、硝酸、硫酸、塩酸、過酸化水素水、及びこれらの酸の混合液を用いて表面処理しても良い。
（２）実施例１〜５では、基板本体に（０００１）面を表面にしたサファイアを用いているが、これに限らず、他の面を表面にしたサファイア基板、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｓｉ（ケイ素）、及びＧａＮ等を用いても良い。
（３）テンプレート基板のＧａＮ層の表面にＡｌＯを積層する代わりにＳｉＯ2やＳｉＮ（窒化ケイ素）等を積層しても良い。
（４）実施例２〜５では、ＬＰＥＥを用いて結晶成長しているが、これに限らず、他の液相成長法を用いて結晶成長させて窒化物半導体を製造しても良い。
１０Ａ…基板本体
１０Ｂ…凸状部
１０Ｃ…左右側面（側面）
１０Ｄ…非結晶成長部
１０Ｂ…凸状部
１０Ｃ…左右側面（側面）
１０Ｄ…非結晶成長部
Claims (2)
- 基板本体、及び前記基板本体の表面に設けられたＧａＮ層を併せてエッチングして、前記ＧａＮ層で形成されて液相成長によって側面が横方向に結晶成長する台形状に形成された複数の凸状部、及び前記基板本体の表面であり、隣り合う前記凸状部の間に設けられ、前記液相成長によって結晶成長しない非結晶成長部を形成し、前記側面から前記非結晶成長部にわたり湾曲して形成する工程と、
液相成長によって横方向に結晶成長した隣り合う前記凸状部のそれぞれの側面の互いの裏面がほぼ平坦に繋がるように、複数の前記凸状部のそれぞれの側面を横方向に結晶成長させる結晶成長工程と、を備えていること特徴とする窒化物半導体の製造方法。 - 前記結晶成長工程を実行した後、熱膨張係数の違いによって生じる応力によって前記基板本体から前記凸状部を分離する冷却工程を備え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の製造方法。
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