JP6781058B2 - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体基板の製造方法に関する。

一般に発光素子を構成する窒化物半導体層は下地基板の極性面（Ｃ面）上に形成されるが、極性面上に形成された窒化物半導体層を用いて発光素子を構成した場合には、その発光素子における発光層内に内部電界が生じ、電子と正孔の存在場所が分離され、これにより発光効率が低下してしまうおそれがある。この点については、極性面ではなくＭ面等の無極性面または｛１１−２２｝面等の半極性面の上に窒化物半導体層を形成することで、発光素子における発光層内の内部電界を弱めて、発光効率が向上することが理論的に予測されている。

極性面以外の無極性面または半極性面を主面に有する窒化物半導体基板を得る手法としては、例えば、極性面を成長面として厚膜化したバルク結晶を縦方向にスライスして所望の面を切り出す手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、例えば、高指数面のサファイアやシリコン基板上にＧａＮを成長することで、無極性面のＧａＮを実現する手法も検討されている（例えば特許文献２参照）。

特許第５２７１４８９号公報 特許第５２５２４６５号公報

しかしながら、極性面以外の無極性面または半極性面は結晶成長が困難であるため、これらの面を表面に有する高品質なエピタキシャル成長用基板を効率的に得ることは、上述した従来の技術を利用しても必ずしも容易ではない。
例えば、特許文献１に記載の手法の場合、下地基板として低転位なＧａＮ単結晶を利用できるという利点はあるものの、バルク結晶の厚膜化は数ｍｍ厚程度が限度であるため、これをスライスして所望の面を切り出しても、数ｍｍ幅の基板しか得られず、基板大口径化の実現が困難である。
また、例えば、特許文献２に記載の手法の場合、大口径な基板を利用できるという利点はあるものの、異種基板上の成長であるため、高品質な結晶が得られないおそれがある。

本発明は、半極性面の主面を持つ窒化物半導体の自立基板を得る場合に、その自立基板の大口径化を容易に実現することでき、しかも低転位で高品質な自立基板を効率的に得ることができる技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
窒化物半導体単結晶からなり、断面形状が矩形状に形成され、少なくとも極性面の主面と無極性面の側面とを有する複数の種結晶基板を用意する第一工程と、
前記複数の種結晶基板を、前記極性面同士が接し、かつ、一方の前記極性面の一部が露出するように、前記断面形状を所定の傾斜角で傾けた状態で基台上に並べて配置して、前記基台の側とは反対側を前記極性面の一部と前記無極性面とによる階段形状とする第二工程と、
前記階段形状の上に窒化物半導体単結晶を成長させて窒化物半導体単結晶層を形成する第三工程と、
前記窒化物半導体単結晶層から半極性面の主面を持つ窒化物半導体の自立基板を得る第四工程と、
を備える窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

本発明によれば、半極性面の主面を持つ窒化物半導体の自立基板を得る場合に、その自立基板の大口径化を容易に実現することでき、しかも低転位で高品質な自立基板を効率的に得ることができる

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体自立基板の製造手順の概要を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体自立基板の製造に用いる成長装置の一構成例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体自立基板を製造する際の結晶成長の概要を模式的に示す説明図（その１）である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体自立基板を製造する際の結晶成長の概要を模式的に示す説明図（その２）である。

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

（１）窒化物半導体基板の製造方法
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体自立基板の製造手順の概要を模式的に示す断面図である。
本実施形態では、窒化物半導体の自立基板として、窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶からなる基板（以下、「ＧａＮ基板」ともいう）を製造する場合を例に挙げる。

ＧａＮ結晶は、六方晶構造（ウルツ鉱型結晶構造）を有している。このような六方晶構造のＧａＮ結晶において、極性を有する面（極性面）としては、｛０００１｝面および｛０００−１｝面が挙げられる。また、極性面と垂直な無極性面としては、｛１０−１０｝面および｛１１−２０｝面が挙げられる。
本明細書においては、極性面を「Ｃ面」と称し、特に｛０００１｝面を「＋Ｃ面」、｛０００−１｝面を「−Ｃ面」と称する場合がある。また、無極性面である｛１０−１０｝面を「Ｍ面」、同じく無極性面である｛１１−２０｝面を「Ａ面」と称する場合がある。なお、本明細書において「Ｃ面」や「Ｍ面」等といった特定の指数面を称する場合には、±０．０１°以内の精度で計測される各結晶軸から１０°以内のオフ角を有する範囲内の面、好ましくはオフ角が５°以内、より好ましくは３°以内である面を含むものとする。ここで、オフ角とは、面の法線方向とＧａＮ結晶の軸方向とのなす角をいう。
また、六方晶構造のＧａＮ結晶には、極性面以外の面で無極性面から傾いた面である半極性面がある。半極性面としては、例えば、Ｃ面からｍ軸方向（Ｍ面と垂直な軸方向）に傾いた｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面、｛１０−１３｝面、｛２０−２１｝面等が挙げられる。これら｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面、｛１０−１３｝面、｛２０−２１｝面は、半極性面の中でも例外的に成長により平坦面を得やすい面として知られている。

本実施形態では、以下に説明する「第一工程」から「第四工程」までを順に実施することで、半極性面の主面２１を持つＧａＮ基板２０を製造する。

（第一工程：種結晶基板の用意）
第一工程では、図１（ｂ）に示すように、複数の種結晶基板１０を用意する。用意する種結晶基板１０の数は、特に限定されるものではなく、製造しようとするＧａＮ基板２０のサイズや形状等に応じて適宜決定すればよい。

種結晶基板１０は、ＧａＮ基板２０を製造するための基（種）となるもので、窒化物半導体の一例であるＧａＮの単結晶からなり、断面形状が矩形状に形成されたものである。そして、矩形状の断面形状を囲う四つの表面１１，１２のうち、互いに対向する二つの主面１１が極性面であるＣ面となっている。さらに詳しくは、二つの主面１１のうちの一方の面が＋Ｃ面１１ａであり、他方の面が−Ｃ面１１ｂとなっている。また、これらの面１１と交差する二つの側面１２については、いずれも無極性面であるＭ面となっている。なお、ここでは、側面１２がＭ面である場合を例に挙げるが、これに限定されることはなく、無極性面であれば例えばＡ面であっても構わない。つまり、種結晶基板１０は、少なくとも極性面の主面１１と無極性面の側面１２とを有するものであればよい。

矩形状の断面形状は、複数の種結晶基板１０のそれぞれについて略同一であり、例えばＣ面１１によって構成される長辺が１０〜２００ｍｍ程度、Ｍ面１２によって構成される短辺が０．３〜５．０ｍｍ程度となるように形成することが考えられる。複数の種結晶基板１０のそれぞれの断面形状が略同一であれば、後述するように並べて配置することが容易に実現可能となり、同じく後述する階段形状を構成する上で好適なものとなるからである。なお、ここで挙げた断面形状サイズは、好適な一具体例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。

複数の種結晶基板１０の平面形状については、それぞれを例えば矩形状とすることが考えられるが、特に限定されるものではなく、後述するように並べて配置可能であれば適宜設定されたもので構わない。

このような複数の種結晶基板１０を、本実施形態では、主面１３が極性面であるＧａＮ基板１４を複数片に分割することで得るものとする。さらに詳しくは、ＧａＮ基板１４を無極性面であるＭ面で劈開して複数片に分割し、これにより複数の種結晶基板１０を得るものとする。

そのために、本実施形態では、第一工程にあたり、先ず、複数の種結晶基板１０を得る際に用いられるベース材料として、図１（ａ）に示すように、主面１３がＣ面であるＧａＮ基板１４を用意する。ＧａＮ基板１４は、公知の手法により、下地基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させ、成長させた結晶をスライスしてその表面を研磨すること等により作製されたものであればよい。現在の技術水準では、直径２インチ程度のものであれば、その主面１３内におけるオフ角のばらつき（すなわち、オフ角の最大値と最小値との差）が例えば０．３°以内と比較的小さく、また欠陥密度や不純物濃度の少ない良質な基板を、比較的安価に得ることができる。

ＧａＮ基板１４を用意したら、次いで、そのＧａＮ基板１４を無極性面であるＭ面で劈開して複数片に分割する。劈開は、例えばレーザースクライブ装置による切り込みを利用して行う、といった公知の手法を利用して行えばよい。これにより、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１４から複数の種結晶基板１０が得られることになる。

このように、本実施形態では、ＧａＮ基板１４を劈開して複数の種結晶基板１０を得るので、均質な複数の種結晶基板１０を容易に得ることが実現可能となる。

（第二工程：種結晶基板の配置）
第二工程では、第一工程で用意した複数の種結晶基板１０を、後述する成長装置２００が備える基台２０８上に並べて配置する。

複数の種結晶基板１０の配置にあたっては、先ず、図１（ｃ）に示すように、配置する種結晶基板１０のそれぞれについて、その断面形状を所定の傾斜角θで傾ける。ここでいう「所定の傾斜角θ」とは、その断面形状におけるｃ軸方向（Ｃ面と垂直な軸方向）と基台２０８の法線方向とがなす角度のことであり、その断面形状のＣ面１１と基台２０８の上面とがなす角度と一致する。

所定の傾斜角θは、最終的に得られるＧａＮ基板２０の主面２１となる半極性面を決定する上で重要なパラメータとなるものである。つまり、傾斜角θの設定次第で主面２１がどのような半極性面となるかが決定されることになる。なお、所定の傾斜角θの具体例、および、その傾斜角θと半極性面との関係については、詳細を後述する。

そして、断面形状を所定の傾斜角θで傾けたら、その傾斜角θで傾けた状態のまま、図１（ｄ）に示すように、複数の種結晶基板１０のそれぞれを、隣り合う種結晶基板１０のＣ面１１同士が接し、かつ、一方のＣ面１１の一部が露出するように、基台２０８上に並べて配置する。さらに詳しくは、隣り合う種結晶基板１０における一方の＋Ｃ面１１ａともう一方の−Ｃ面１１ｂとが互いに接するように、それぞれの種結晶基板１０を基台２０８の面上に並べる。このとき、平面である基台２０８の面上に略同一の断面形状を有する複数の種結晶基板１０を並べることになるが、それぞれの種結晶基板１０がいずれも傾斜角θで傾けた状態であるため、複数の種結晶基板１０を並べると、基台２０８の側とは反対側において、隣り合う種結晶基板１０における一方のＣ面１１の一部が覆われずに露出することになるのである。このように複数の種結晶基板１０を並べて配置することで、基台２０８の側とは反対側には、これら複数の種結晶基板１０によって、露出した状態のＣ面１１の一部とＭ面１２とによる階段形状１５が構成される。

階段形状１５を構成するＣ面１１、すなわち複数の種結晶基板１０を並べて配置した際に一部が露出することになるＣ面１１は、＋Ｃ面と−Ｃ面のいずれであっても実現可能であるが、後述する理由により＋Ｃ面（すなわち｛０００１｝面）であることが好ましい。したがって、本実施形態では、階段形状１５を構成するＣ面１１が＋Ｃ面であるように、複数の種結晶基板１０の向きを規定しつつそれぞれを並べるものとする。

また、階段形状１５を構成するＣ面（本実施形態においては＋Ｃ面）１１については、複数の種結晶基板１０のそれぞれにおけるオフ角分布が１°以内であることが好ましい。オフ角分布とは、複数の種結晶基板１０の間でのオフ角のばらつき（すなわち、オフ角の最大値と最小値との差）のことをいい、上述したように１°以内であることが好ましいが、より好ましくは０．３°以内、さらに好ましくは０．１５°以内であるものとする。このように、階段形状１５を構成するＣ面１１のオフ角分布を揃えることで、詳細を後述するように階段形状１５の上にＧａＮ結晶を成長させる際に、低転位で高品質な結晶を得ることが可能となるからである。

複数の種結晶基板１０を所定の傾斜角θで傾けた状態で配置する際には、その傾斜角θで傾けた傾斜面を有した配置治具１６を用いることが考えられる。配置治具１６を用いれば、その配置治具１６が有する傾斜面に種結晶基板１０のＣ面１１を沿わせるように配置することで、複数の種結晶基板１０のそれぞれを容易かつ適切に傾斜角θで傾けて配置することができるようになる。このような種結晶基板１０の配置を実現する配置治具１６の形成材料としては、例えば、優れた耐熱性や機械的強度等を持つ、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）、カーボン、石英等を用いることが好ましい。

なお、配置治具１６としては、種結晶基板１０を支持する側の治具１６ａと種結晶基板１０を抑える側の治具１６ｂとのそれぞれを対にして用いることが考えられるが、少なくとも支持する側の治具１６ａがあれば、複数の種結晶基板１０を傾斜角θで傾けて配置することが可能となる。また、複数の種結晶基板１０の配置にあたり、必ずしも配置治具１６を要することはなく、例えば、種結晶基板１０が配置される基台２０８の上面を傾斜した階段状にして対応するようにしても構わない。

（第三工程：ＧａＮ結晶の成長）
第三工程では、第二工程において複数の種結晶基板１０によって形成した階段形状１５の上に、窒化物半導体単結晶であるＧａＮ結晶を成長させて、ＧａＮ結晶層２２を形成する。

本実施形態において、ＧａＮ結晶の成長は、ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）を用いて行う。
図２は、本実施形態において用いるＨＶＰＥ装置の一具体例を示す模式図である。

ＨＶＰＥ装置２００は、石英やアルミナ等の耐熱性材料からなり、成膜室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成膜室２０１内には、複数の種結晶基板１０および配置治具１６が配置される基台としてのサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、その回転機構２１６の駆動に合わせて回転可能に構成されている。これらのサセプタ２０８および回転機構２１６は、カーボン、またいは炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ホウ素（ＢＮ）等のコーティングを施したカーボンで構成されることが好ましく、それ以外の部材であれば不純物の少ない高純度石英で構成されることが好ましい。また、特に１３００℃以上の高温にさらされる領域の部材については、高純度石英に代えてアルミナで構成されることが好ましい。

気密容器２０３の一端には、ガス生成器２３３ａ内へ塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するガス供給管２３２ａ、成膜室２０１内へアンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、および、成膜室２０１内へ窒素（Ｎ_２）ガスを供給するガス供給管２３２ｃが接続されている。そして、ガス供給管２３２ｃには、水素（Ｈ_２）ガスを供給するガス供給管２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｄには、上流側から順に、流量制御器２４１ａ〜２４１ｄ、バルブ２４３ａ〜２４３ｄがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａの下流には、原料としてのＧａ融液を収容するガス生成器２３３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、ＨＣｌガスとＧａ融液との反応により生成された塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを、サセプタ２０８上に配置された種結晶基板１０等に向けて供給するノズル２４９ａが接続されている。ガス供給管２３２ｂ，２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に配置された種結晶基板１０等に向けて供給するノズル２４９ｂ，２４９ｃがそれぞれ接続されている。ノズル２４９ａ〜２４９ｄは、サセプタ２０８の表面に対して交差する方向にガスを流すよう配置されている。

気密容器２０３の他端には、成膜室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０にはポンプ（あるいはブロワ）２３１が設けられている。気密容器２０３の外周にはガス生成器２３３ａ内やサセプタ２０８上の種結晶基板１０等を所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７が、気密容器２０３内には成膜室２０１内の温度を測定する温度センサ２０９が、それぞれ設けられている。ＨＶＰＥ装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。

第三工程では、上述した構成のＨＶＰＥ装置２００を用いて、例えば以下に説明する処理手順により、複数の種結晶基板１０による階段形状１５の上にＧａＮ結晶を成長させる。
先ず、ＨＶＰＥ装置２００においては、ガス生成器２３３ａ内に原料としてＧａ融液を収容しておく。そして、サセプタ２０８を回転させるとともに、成膜室２０１内の加熱および排気を実施しながら、成膜室２０１内へＨ_２ガス（あるいはＨ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガス）を供給する。さらには、成膜室２０１内が所望の成長温度、成長圧力に到達し、成膜室２０１内が所望の雰囲気となった状態で、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂからガス供給を行い、複数の種結晶基板１０による階段形状１５の上に、成膜ガスとしてＧａＣｌガスとＮＨ_３ガスとを供給する。これらの成膜ガスは、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガスまたはこれらの混合ガスからなるキャリアガスと混合して供給してもよい。また、ＮＨ_３ガスの供給は、種結晶基板１０の劣化を防止する観点から成長温度が５００℃に達した段階から開始するのが好ましい。

これにより、第三工程では、図１（ｅ）に示すように、階段形状１５の上に、ＧａＮ結晶がエピタキシャル成長し、ＧａＮ結晶層２２が形成されることとなる。

第三工程を実施する際の処理条件としては、以下が例示される。
成膜温度（種結晶基板の温度）：９８０〜１１００℃、好ましくは、１０５０〜１１００℃
成膜圧力（成膜室内の圧力）：９０〜１０５ｋＰａ、好ましくは、９０〜９５ｋＰａ
ＧａＣｌガスの分圧：１．５〜１５ｋＰａ
ＮＨ_３ガスの分圧／ＧａＣｌガスの分圧：４〜２０
Ｎ_２ガスの分圧／Ｈ_２ガスの分圧：０〜１

ここで、階段形状１５の上へのＧａＮ結晶のエピタキシャル成長について、さらに詳しく説明する。
図３は、本実施形態に係る窒化物半導体自立基板を製造する際の結晶成長の概要を模式的に示す説明図（その１）である。

第三工程では、階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる。階段形状１５は、図３（ａ）に示すように、種結晶基板１０のＣ面（本実施形態においては＋Ｃ面）１１とＭ面１２とが露出して構成されている。ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長は、一般に、ｃ軸に沿った方向（図中矢印Ａ方向）に成長する場合のほうがｍ軸に沿った方向（図中矢印Ｂ方向）に成長する場合よりも成長速度が速い。したがって、階段形状１５の上へのＧａＮ結晶のエピタキシャル成長にあたっては、Ｃ面１１による影響の方がＭ面１２による影響よりも支配的となる。

その場合において、階段形状１５を構成するＣ面１１が＋Ｃ面（すなわち｛０００１｝面）であれば、階段形状１５の上へのＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に際して＋Ｃ面が露出していることになるので、図３（ｂ）に示すように、＋Ｃ面から支配的な影響を受けつつその＋Ｃ面に則してエピタキシャル成長させるＧａＮ結晶の極性の向きが揃うことになる。したがって、例えば−Ｃ面が露出している場合とは異なり、ＧａＮ結晶の極性の向きが揃うことで、周囲の結晶とは極性が反転した領域である極性反転区（インバージョンドメイン）が存在してしまうことがなく、低転位で高品質なＧａＮ結晶を得る上で非常に好適である。

また、その場合に、階段形状１５を構成するＣ面１１におけるオフ角分布が１°以内であれば、複数の種結晶基板１０の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させても、それぞれのＣ面１１におけるオフ角分布が揃うことになり、その結果として低転位で高品質なＧａＮ結晶を得ることが可能となる。

ところで、第三工程において、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長によって得られるＧａＮ結晶層２２は、階段形状１５の上に形成される。そのため、ＧａＮ結晶層２２は、以下のような過程を経て形成されることになる。
図４は、本実施形態に係る窒化物半導体自立基板を製造する際の結晶成長の概要を模式的に示す説明図（その２）である。

ＧａＮ結晶層２２は、ＧａＮ結晶の成長初期段階では、図４（ａ）に示すように、その表面の形状が階段形状１５に沿ったものとなる。ところが、ＧａＮ結晶の成長が続いてＧａＮ結晶層２２が厚くなるにつれて、図４（ｂ）に示すように、表面の形状が階段形状１５から乖離し、ＧａＮ結晶層２２がある程度の厚さ(例えば、５００μｍ以上)になると、図４（ｃ）に示すように、表面が平坦化する。平坦化した後におけるＧａＮ結晶層２２の表面は、最終的に得られるＧａＮ基板２０の主面２１と同様の半極性面である。

このような過程を経て得られるＧａＮ結晶層２２については、そのＧａＮ結晶層２２を構成するＧａＮ結晶のそれぞれの極性の向きが揃っており、低転位で高品質なものであることが好ましい。そのためには、少なくともＧａＮ結晶層２２の表面が平坦化するまでの間、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に対して、階段形状１５を構成する＋Ｃ面１１ａからの影響が及ぶ状態が続くようにすることが考えられる。

このことから、階段形状１５を構成する基になる複数の種結晶基板１０については、図４（ｄ）に示すように、第三工程で得ようとするＧａＮ結晶層２２の半極性面のジャスト面２３に対して階段形状１５が傾きαを有する位置関係となるように、第二工程で配置する際の傾斜を傾斜角θ＋αに設定するようにしてもよい。つまり、かかる場合には、ジャスト面２３に対する傾きαの分だけ、種結晶基板１０を配置する際の傾斜の角度が大きくなる方向に傾くように、それぞれの傾斜を傾斜角θ＋αに設定しておくのである。

このように、ジャスト面２３に対して階段形状１５が傾きαを有する位置関係となるように、それぞれの種結晶基板１０の傾斜が傾斜角θ＋αに設定されていれば（すなわち、ジャスト面２３に揃える場合に比べて少し大きめに傾ければ）、階段形状１５の上へのＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に際して、ＧａＮ結晶層２２の表面が平坦化するまで、＋Ｃ面からの成長面が露出し続けることになる。したがって、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に対して、階段形状１５を構成する＋Ｃ面１１ａからの影響が及ぶ状態が続くことになるので、エピタキシャル成長させるＧａＮ結晶の極性の向きを常に揃えることが可能となり、低転位で高品質な結晶を得る上で非常に好適である。

つまり、第二工程において、ＧａＮ結晶層２２の成長表面が平坦化するまで階段形状１５の＋Ｃ面１１ａからの成長面が露出し続けるように、複数の種結晶基板１０を配置する際の傾斜を傾斜角θ＋αに設定しておけば、第三工程において、階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる際に、そのＧａＮ結晶の極性の向きを常に揃えることが可能となり、低転位で高品質な結晶を得ることが実現可能となるのである。

傾きαの具体的な大きさについては、例えば０．２〜３°程度とすることが考えられるが、本発明がこれに限定されるものではなく、上述したように＋Ｃ面１１ａからの影響が及ぶ状態が続くような大きさであればよい。

なお、第三工程においては、ＧａＮ結晶層２２の成長表面が平坦化するまでＧａＮ結晶のエピタキシャル成長を続けることが考えられるが、必ずしもその必要はなく、後述する第四工程でＧａＮ結晶層２２からの自立基板の切り出しが可能であれば、ＧａＮ結晶層２２の成長表面が平坦化する前の段階（すなわち、階段形状１５による影響が残っている段階）でＧａＮ結晶のエピタキシャル成長を終了してもよい。成長表面が平坦化する前であっても、ＧａＮ結晶層２２においては、ＧａＮ結晶の極性の向きが揃った状態であると考えられ、そこから切り出す自立基板について低転位で高品質なものとなるからである。

ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長が終了し、階段形状１５の上にＧａＮ結晶層２２が形成された状態となったら、ＨＶＰＥ装置２００では、成膜室２０１内へＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガスを供給し、成膜室２０１内を排気した状態で、ガス生成器２３３ａへのＨＣｌガスの供給、成膜室２０１内へのＨ_２ガスの供給、ヒータ２０７による加熱をそれぞれ停止する。そして、成膜室２０１内の温度が５００℃以下となったらＮＨ_３ガスの供給を停止し、その後、成膜室２０１内の雰囲気をＮ_２ガスへ置換して大気圧に復帰させるとともに、成膜室２０１内を搬出可能な温度にまで低下させ、ＧａＮ結晶層２２で接合させた状態の複数の種結晶基板１０を成膜室２０１内から搬出する。

（第四工程：自立基板の切り出し）
第四工程では、第三工程で得られたＧａＮ結晶層２２から自立基板を切り出し、これにより半極性面の主面２１を持つＧａＮ基板２０を得る。

具体的には、ＨＶＰＥ装置２００の成膜室２０１内から搬出した種結晶基板１０上のＧａＮ結晶層２２を、成長表面が平坦化していればその成長表面と平行にスライスして、裏面側の種結晶基板１０を除去する。なお、成長表面が平坦化していなくても、平坦化した場合と同視できる方向にスライスする。このスライス加工は、例えばワイヤーソーや放電加工機等を用いて行うことが可能である。

これにより、図１（ｆ）に示すように、１枚以上の自立基板（すなわち、半極性面の主面２１を持つＧａＮ基板２０）を得ることができる。その後、ＧａＮ基板２０の表面（半極性面）に所定の研磨加工を施すことで、この面をエピレディなミラー面とする。なお、ＧａＮ基板２０の裏面は、ラップ面あるいはミラー面とする。

（２）傾斜角と半極性面との関係
次に、上述した手順の製造方法において、種結晶基板１０の傾斜角θと、ＧａＮ基板２０の主面２１を構成する半極性面との関係について、具体的に説明する。

ＧａＮ基板２０の主面２１を構成する半極性面としては、例えば、例外的に成長により平坦面を得やすい面である｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面、｛１０−１３｝面、または、｛２０−２１｝面のいずれかが挙げられる。このような半極性面を対象とした場合、以下に述べるように傾斜角θを設定することで、高品質なＧａＮ基板２０を実現することが可能となる。

（｛１０−１１｝面を対象とした場合）
例えば、｛１０−１１｝面を対象とした場合であれば、種結晶基板１０の傾斜角θを６２°に設定する。そして、６２°に設定した傾斜角θで傾けた状態で、複数の種結晶基板１０のそれぞれを配置する。このときの傾斜角θの設定値は、上述した傾きαを加味し、傾斜角θの設定値に傾きαの分を加えた状態（例えば、６２．２〜６５°とした状態）で、複数の種結晶基板１０を配置するのが好ましい。

このような設定角で形成される階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることで、平坦な｛１０−１１｝面を表面に有するＧａＮ結晶層２２を得ることが可能となる。そして、十分な厚さにＧａＮ結晶層２２を成長させた後に、そのＧａＮ結晶層２２をスライスして裏面側の種結晶基板１０を除去することで、｛１０−１１｝面を主面２１に持った大面積かつ低転位な自立基板であるＧａＮ基板２０を得ることが実現可能となる。

（｛１０−１２｝面を対象とした場合）
例えば、｛１０−１２｝面を対象とした場合であれば、種結晶基板１０の傾斜角θを４３°に設定する。そして、４３°に設定した傾斜角θで傾けた状態で、複数の種結晶基板１０のそれぞれを配置する。このときの傾斜角θの設定値は、上述した傾きαを加味し、傾斜角θの設定値に傾きαの分を加えた状態（例えば、４３．２〜４６°とした状態）で、複数の種結晶基板１０を配置するのが好ましい。

このような設定角で形成される階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることで、平坦な｛１０−１２｝面を表面に有するＧａＮ結晶層２２を得ることが可能となる。そして、十分な厚さにＧａＮ結晶層２２を成長させた後に、そのＧａＮ結晶層２２をスライスして裏面側の種結晶基板１０を除去することで、｛１０−１２｝面を主面２１に持った大面積かつ低転位な自立基板であるＧａＮ基板２０を得ることが実現可能となる。

（｛１０−１３｝面を対象とした場合）
例えば、｛１０−１３｝面を対象とした場合であれば、種結晶基板１０の傾斜角θを３２°に設定する。そして、３２°に設定した傾斜角θで傾けた状態で、複数の種結晶基板１０のそれぞれを配置する。このときの傾斜角θの設定値は、上述した傾きαを加味し、傾斜角θの設定値に傾きαの分を加えた状態（例えば、３２．２〜３５°とした状態）で、複数の種結晶基板１０を配置するのが好ましい。

このような設定角で形成される階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることで、平坦な｛１０−１３｝面を表面に有するＧａＮ結晶層２２を得ることが可能となる。そして、十分な厚さにＧａＮ結晶層２２を成長させた後に、そのＧａＮ結晶層２２をスライスして裏面側の種結晶基板１０を除去することで、｛１０−１３｝面を主面２１に持った大面積かつ低転位な自立基板であるＧａＮ基板２０を得ることが実現可能となる。

（｛２０−２１｝面を対象とした場合）
例えば、｛２０−２１｝面を対象とした場合であれば、種結晶基板１０の傾斜角θを７５°に設定する。そして、７５°に設定した傾斜角θで傾けた状態で、複数の種結晶基板１０のそれぞれを配置する。このときの傾斜角θの設定値は、上述した傾きαを加味し、傾斜角θの設定値に傾きαの分を加えた状態（例えば、７５．２〜７８°とした状態）で、複数の種結晶基板１０を配置するのが好ましい。

このような設定角で形成される階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることで、平坦な｛２０−２１｝面を表面に有するＧａＮ結晶層２２を得ることが可能となる。そして、十分な厚さにＧａＮ結晶層２２を成長させた後に、そのＧａＮ結晶層２２をスライスして裏面側の種結晶基板１０を除去することで、｛２０−２１｝面を主面２１に持った大面積かつ低転位な自立基板であるＧａＮ基板２０を得ることが実現可能となる。

（３）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

（ａ）本実施形態では、断面形状が矩形状に形成され少なくとも極性面の主面１１と無極性面の側面１２とを有する複数の種結晶基板１０を用意し（第一工程）、これらのそれぞれを所定の傾斜角θで傾けた状態で並べて配置し（第二工程）、これにより形成された階段形状１５の上にＧａＮ結晶を成長させてＧａＮ結晶層２２を形成し（第三工程）、そのＧａＮ結晶層２２から自立基板を切り出して半極性面の主面２１を持つＧａＮ基板２０を得る（第四工程）。
したがって、半極性面の主面２１を持つＧａＮ基板２０を得る場合において、複数の種結晶基板１０を並べて配置することで（第一工程）、基板大口径化を容易に実現することが可能となる。
また、複数の種結晶基板１０を並べる際に、それぞれの種結晶基板１０を傾けた状態で配置し、これにより形成された極性面と無極性面とによる階段形状１５を利用しつつ、極性面の一部が露出する階段形状１５の上へのエピタキシャル成長によりＧａＮ結晶層２２を得るので（第二工程〜第三工程）、そのＧａＮ結晶層２２について低転位で高品質な結晶が得られる。
また、エピタキシャル成長させる成長面が階段形状１５のままで良いので（第三工程）、成長面として半極性面を露出させるための研磨処理等を必要とすることがなく、ＧａＮ基板２０の生産性向上等を図る上で非常に有用である。
さらには、階段形状１５の上にＧａＮ結晶層２２を成長させ（第三工程）、そのＧａＮ結晶層２２から直接的にＧａＮ基板２０を得るので（第四工程）、種結晶基板１０同士を結合保持するために多結晶のバインダー等を必要とすることがなく、ＧａＮ基板２０の生産性向上等を図る上で非常に有用である。しかも、ＧａＮ基板２０には、バインダー等による多結晶領域が残存しないので、低転位で高品質なＧａＮ基板２０を得る上でも非常に有用である。

（ｂ）本実施形態によれば、複数の種結晶基板１０を用意するのにあたり（第一工程）、主面１３が極性面であるＧａＮ基板１４を無極性面で劈開して複数片に分割することで、複数の種結晶基板１０を得る。したがって、均質な複数の種結晶基板１０を容易に得ることが実現可能となり、それぞれの種結晶基板１０の上に成長させるＧａＮ結晶層２２について低転位で高品質な結晶を得る上で非常に好適であり、またＧａＮ基板２０の生産性向上等を図る上でも非常に好適である。

（ｃ）本実施形態によれば、階段形状１５を構成する極性面が｛０００１｝面（すなわち＋Ｃ面）である。このように、極性面が＋Ｃ面であれば、階段形状１５の上へのエピタキシャル成長に際して＋Ｃ面が露出していることになるので、その＋Ｃ面に則してエピタキシャル成長させるＧａＮ結晶の極性の向きが揃うことになり、低転位で高品質な結晶を得る上で非常に好適である。

（ｄ）本実施形態で説明したように、第三工程で得ようとするＧａＮ結晶層２２の半極性面のジャスト面２３に対して階段形状１５が傾きαを有する位置関係となるように、第二工程で配置する際の傾斜を傾斜角θ＋αに設定すれば、階段形状１５の上へのＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に際して、ＧａＮ結晶層２２の表面が平坦化するまで、＋Ｃ面からの成長面が露出し続けることになる。したがって、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に対して、階段形状１５を構成する＋Ｃ面からの影響が及ぶ状態が続くことになるので、エピタキシャル成長させるＧａＮ結晶の極性の向きを常に揃えることが可能となり、低転位で高品質な結晶を得る上で非常に好適である。
つまり、第二工程において、ＧａＮ結晶層２２の成長表面が平坦化するまで階段形状１５の＋Ｃ面からの成長面が露出し続けるように、複数の種結晶基板１０を配置する際の傾斜を傾斜角θ＋αに設定しておけば、第三工程において、階段形状１５の上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる際に、そのＧａＮ結晶の極性の向きを常に揃えることが可能となり、低転位で高品質な結晶を得ることが実現可能となるのである。
なお、ＧａＮ結晶層２２の形成は、その成長表面が平坦化する前の段階（すなわち、階段形状１５による影響が残っている段階）で終了してもよい。成長表面が平坦化する前であっても、ＧａＮ結晶層２２においては、ＧａＮ結晶の極性の向きが揃った状態であると考えられ、そこから切り出すＧａＮ基板２０について低転位で高品質なものとなるからである。

（ｅ）本実施形態で説明したように、複数の種結晶基板１０の＋Ｃ面のオフ角分布が１°以内であれば、階段形状１５を構成するＣ面のオフ角分布が揃うことになる。したがって、階段形状１５の上にＧａＮ結晶を成長させる際に、低転位で高品質な結晶を得ることが可能となる。

（ｆ）本実施形態で説明したように、複数の種結晶基板１０の配置に際して、傾斜角θで傾けた傾斜面を有した配置治具１６を用いれば、その配置治具１６が有する傾斜面に種結晶基板１０のＣ面１１を沿わせるように配置することで、複数の種結晶基板１０のそれぞれを容易かつ適切に傾斜角θで傾けて配置することができるようになり、ＧａＮ基板２０の生産性向上等を図る上で有用である。

＜他の実施形態＞
以上に、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、複数の種結晶基板１０を得るのにあたり、主面１３が極性面であるＧａＮ基板１４を無極性面であるＭ面で劈開する場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはなく、例えばＧａＮ基板１４を他の無極性面であるＡ面で劈開して複数の種結晶基板１０を得るようにしても構わない。Ａ面で劈開して得た種結晶基板１０を用いた場合には、Ｃ面からａ軸方向（Ａ面と垂直な軸方向）に傾いた｛１１−２１｝面、｛１１−２２｝面、または、｛１１−２３｝面等について、これらの半極性面を主面２１に持ったＧａＮ基板２０を得ることが実現可能となる。

また、上述の実施形態では、階段形状１５の上にＧａＮ結晶層２２を形成する第三工程において、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いる場合について説明したが、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、第三工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等のＨＶＰＥ法以外の気相成長法を用いるようにしてもよい。その場合であっても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。

また、上述の実施形態では、窒化物半導体がＧａＮである場合を例に挙げたが、本発明はこのような態様に限定されない。すなわち、本発明は、ＧａＮに限らず、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物結晶、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表される窒化物結晶からなる自立基板を製造する際にも、好適に適用可能である。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

［付記１］
本発明の一態様によれば、
窒化物半導体単結晶からなり、断面形状が矩形状に形成され、少なくとも極性面の主面と無極性面の側面とを有する複数の種結晶基板を用意する第一工程と、
前記複数の種結晶基板を、前記極性面同士が接し、かつ、一方の前記極性面の一部が露出するように、前記断面形状を所定の傾斜角で傾けた状態で基台上に並べて配置して、前記基台の側とは反対側を前記極性面の一部と前記無極性面とによる階段形状とする第二工程と、
前記階段形状の上に窒化物半導体単結晶を成長させて窒化物半導体単結晶層を形成する第三工程と、
前記窒化物半導体単結晶層から半極性面の主面を持つ窒化物半導体の自立基板を得る第四工程と、
を備える窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

［付記２］
付記１に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板を、主面が前記極性面である窒化物半導体単結晶基板を前記無極性面で劈開して複数片に分割することで得る。

［付記３］
付記１または２に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記階段形状を構成する前記極性面が｛０００１｝面である。

［付記４］
付記３に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記半極性面のジャスト面に対して前記階段形状が傾きを有する位置関係となるように、前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角を設定する。

［付記５］
付記３または４に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記窒化物半導体単結晶層の成長表面が平坦になるまで前記階段形状の前記極性面からの成長面が露出し続けるように、前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角を設定する。

［付記６］
付記１から４のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記窒化物半導体単結晶層の成長表面が階段形状を有した状態で、前記窒化物半導体単結晶層から前記自立基板を切り出す。

［付記７］
付記１から６のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板の前記極性面におけるオフ角分布が１°以内である。

［付記８］
付記１から７のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板の配置に際して、前記傾斜角で傾けた傾斜面を有した治具を用いる。

［付記９］
付記１から８のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角が前記基台の面上に対して６２〜６５°の傾斜を有した角であり、
前記自立基板における前記半極性面が｛１０−１１｝面である。

［付記１０］
付記１から８のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角が前記基台の面上に対して４３〜４６°の傾斜を有した角であり、
前記自立基板における前記半極性面が｛１０−１２｝面である。

［付記１１］
付記１から８のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角が前記基台の面上に対して３２〜３５°の傾斜を有した角であり、
前記自立基板における前記半極性面が｛１０−１３｝面である。

［付記１２］
付記１から８のいずれか一つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、好ましくは、
前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角が前記基台の面上に対して７５〜７８°の傾斜を有した角であり、
前記自立基板における前記半極性面が｛２０−２１｝面である。

１０…種結晶基板、１１…主面（極性面、Ｃ面）、１１ａ…＋Ｃ面、１１ｂ…−Ｃ面、１２…側面（無極性面、Ｍ面）、１４…ＧａＮ基板、１５…階段形状、１６，１６ａ，１６ｂ…配置治具、２０…ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）、２１…主面（半極性面）、２２…ＧａＮ結晶層、２３…ジャスト面

Claims (3)

1. 窒化物半導体単結晶からなり、断面形状が矩形状に形成され、少なくとも極性面の主面と無極性面の側面とを有する複数の種結晶基板を用意する第一工程と、
   前記複数の種結晶基板を、前記極性面同士が接し、かつ、一方の前記極性面の一部が露出するように、前記断面形状を所定の傾斜角で傾けた状態で基台上に並べて配置して、前記基台の側とは反対側を前記極性面の一部と前記無極性面とによる階段形状とする第二工程と、
   前記階段形状の上に窒化物半導体単結晶を成長させて窒化物半導体単結晶層を形成する第三工程と、
   前記窒化物半導体単結晶層から半極性面の主面を持つ窒化物半導体の自立基板を得る第四工程と、
   を備え、
   前記階段形状を構成する前記極性面が｛０００１｝面であり、
   前記窒化物半導体単結晶層の成長表面が平坦になるまで前記階段形状の前記極性面からの成長面が露出し続けるように、前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角を設定する
   窒化物半導体基板の製造方法。
2. 前記複数の種結晶基板を、主面が前記極性面である窒化物半導体単結晶基板を前記無極性面で劈開して複数片に分割することで得る
   請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
3. 前記半極性面のジャスト面に対して前記階段形状が傾きを有する位置関係となるように、前記複数の種結晶基板を配置する際の前記傾斜角を設定する
   請求項１または２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。