JP7339096B2 - Manufacturing method of nitride semiconductor substrate and nitride semiconductor substrate - Google Patents

Manufacturing method of nitride semiconductor substrate and nitride semiconductor substrate Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板および積層構造体に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor substrate and a laminated structure.

III族窒化物半導体の単結晶からなる自立基板(以下、「窒化物半導体基板」ともいう)を得るために、様々な方法が開示されている(例えば特許文献1)。 Various methods have been disclosed for obtaining a free-standing substrate (hereinafter also referred to as a "nitride semiconductor substrate") made of a single crystal of a group III nitride semiconductor (for example, Patent Document 1).

特開2003-178984号公報JP 2003-178984 A

本発明の目的は、結晶品質が良好な窒化物半導体基板を容易かつ安定的に得ることにある。 An object of the present invention is to easily and stably obtain a nitride semiconductor substrate having good crystal quality.

本発明の一態様によれば、
気相成長法を用いた窒化物半導体基板の製造方法であって、
下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上にIII族窒化物半導体からなる第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層上に金属層を形成する工程と、
熱処理を行い、前記第1下地層中にボイドを形成する工程と、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する第2下地層を、前記第1下地層の上方にエピタキシャル成長させ、該第2下地層の前記主面を鏡面化させる工程と、
(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記第2下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記第2下地層の前記主面よりも上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、前記(0001)面を前記頂面から少なくとも一度消失させ、3次元成長層を成長させる工程と、
前記3次元成長層をスライスし、前記窒化物半導体基板を形成する工程と、
を有する
窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate using a vapor deposition method, comprising:
preparing an underlying substrate;
forming a first underlying layer made of a group III nitride semiconductor on the underlying substrate;
forming a metal layer on the first underlayer;
heat-treating to form voids in the first underlayer;
A second underlayer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane is epitaxially grown above the first underlayer, and the second underlayer is mirroring the main surface of the stratum;
A single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface with an exposed (0001) plane is directly epitaxially grown on the main surface of the second underlayer, and is composed of an inclined interface other than the (0001) plane. A plurality of concave portions are formed on the top surface, the inclined interface is gradually expanded upward from the main surface of the second underlayer, and the (0001) plane disappears from the top surface at least once. , growing a three-dimensional growth layer;
slicing the three-dimensional growth layer to form the nitride semiconductor substrate;
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having

本発明の他の態様によれば、
2インチ以上の直径を有し、III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
9×1017cm-3以上の酸素濃度を有する高酸素濃度領域を有し、
前記主面において前記高酸素濃度領域が占める面積割合は、80%以上である
窒化物半導体基板が提供される。
According to another aspect of the invention,
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more, made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane,
Having a high oxygen concentration region having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more,
A nitride semiconductor substrate is provided in which the area ratio of the high oxygen concentration region in the main surface is 80% or more.

本発明の更に他の態様によれば、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、鏡面化された主面を有し、前記主面に対して最も近い低指数の結晶面が(0001)面である下地層と、
前記下地層上に設けられ、III族窒化物半導体の単結晶からなり、(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を表面に有する3次元成長層と、
を有し、
前記3次元成長層は、9×1017cm-3以上の酸素濃度を有するIII族窒化物半導体の単結晶からなる高酸素濃度領域を有し、
前記3次元成長層は、前記主面に沿って切った沿面断面であって、前記高酸素濃度領域が占める面積割合が80%以上である断面を有する
積層構造体が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
an underlying layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, having a mirror-finished main surface, and having a (0001) plane as the closest low-index crystal plane to the main surface;
a three-dimensional growth layer provided on the underlayer, made of a single crystal of a group III nitride semiconductor, and having a plurality of recesses on the surface thereof, the recesses being formed by tilted interfaces other than the (0001) plane;
has
The three-dimensional growth layer has a high oxygen concentration region made of a group III nitride semiconductor single crystal having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more,
The layered structure is provided, wherein the three-dimensionally grown layer has a creeping cross section cut along the main surface, and the high oxygen concentration region occupies an area ratio of 80% or more.

本発明によれば、結晶品質が良好な窒化物半導体基板を容易かつ安定的に得ることができる。 According to the present invention, a nitride semiconductor substrate having good crystal quality can be obtained easily and stably.

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。1 is a flow chart showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention; 下地構造体作製工程を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a base structure fabricating process. (a)~(e)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (e) are schematic cross-sectional views showing part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)~(c)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (c) are schematic cross-sectional views showing part of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention; FIG. (a)~(b)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (b) are schematic cross-sectional views showing part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the nitride semiconductor substrate which concerns on one Embodiment of this invention. (a)は、傾斜界面およびc面のそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件下での成長過程を示す概略断面図であり、(b)は、傾斜界面が拡大しc面が縮小する第1成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。(a) is a schematic cross-sectional view showing the growth process under standard growth conditions in which neither the tilted interface nor the c-plane expands or shrinks; 1 is a schematic cross-sectional view showing a growth process under No. 1 growth conditions; FIG. (a)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板を示す概略上面図であり、(b)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板のm軸に沿った概略断面図であり、(c)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板のa軸に沿った概略断面図である。1A is a schematic top view showing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross section along the m-axis of the nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention; FIG. FIG. 2C is a schematic cross-sectional view along the a-axis of the nitride semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の主面を走査型電子顕微鏡により観察したカソードルミネッセンス像を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a cathodoluminescence image of a main surface of a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention observed with a scanning electron microscope; FIG. 実施例の積層構造体の表面を光学顕微鏡により観察した観察像を示す図である。It is a figure which shows the observation image which observed the surface of the laminated structure of the Example with the optical microscope. 実施例の積層構造体の断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。It is a figure which shows the observation image which observed the cross section of the laminated structure of an Example with the fluorescence microscope. (a)および(b)は、実施例の積層構造体の他の部分における断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。(a) and (b) are diagrams showing observation images obtained by observing a cross section of another portion of the laminated structure of the example with a fluorescence microscope. 実施例の窒化物半導体基板の主面を多光子励起顕微鏡により観察した観察像を示す図である。It is a figure which shows the observation image which observed the main surface of the nitride semiconductor substrate of an Example with the multiphoton excitation microscope. 図14の点線四角部分を拡大した観察像を示す図である。14. It is a figure which shows the observation image which expanded the dotted-line square part of FIG. 実施例の窒化物半導体基板において、厚さ方向に焦点を変化させたときの、多光子励起顕微鏡により観察した観察像を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an observation image observed with a multiphoton excitation microscope when the focus is changed in the thickness direction in the nitride semiconductor substrate of the example. (a)は、実施例の窒化物半導体基板のm軸に沿った方向に対してX線回折のロッキングカーブ測定を行った結果を示す図であり、(b)は、実施例の窒化物半導体基板のm軸に直交するa軸に沿った方向に対してX線回折のロッキングカーブ測定を行った結果を示す図である。(a) is a diagram showing the result of rocking curve measurement of X-ray diffraction in the direction along the m-axis of the nitride semiconductor substrate of the example, and (b) is the nitride semiconductor of the example. It is a figure which shows the result of having performed the rocking-curve measurement of X-ray diffraction with respect to the direction along a-axis orthogonal to the m-axis of a board|substrate. (a)は、サンプル1および2の吸収スペクトルを示す図であり、(b)は、(a)に理論式を追加した図である。(a) is a diagram showing absorption spectra of samples 1 and 2, and (b) is a diagram obtained by adding a theoretical formula to (a). (a)は、サンプル1の透過スペクトルを示す図であり、(b)は、サンプル1の反射スペクトルを示す図である。(a) is a diagram showing the transmission spectrum of Sample 1, and (b) is a diagram showing the reflection spectrum of Sample 1. FIG.

<発明者等の得た知見>
まず、発明者等の得た知見について説明する。
<Knowledge acquired by the inventors, etc.>
First, the findings obtained by the inventors will be described.

上述の特許文献1における方法は、VAS法(Void-assisted Separation Method)と呼ばれる。VAS法は、例えば、以下のようにして行われる。 The method in Patent Document 1 mentioned above is called a VAS method (Void-assisted Separation Method). The VAS method is performed, for example, as follows.

まず、所定の下地基板上に、III族窒化物半導体からなる第1結晶層を形成する。第1結晶層を形成したら、第1結晶層上に金属層を形成する。金属層を形成したら、所定のガスを含む雰囲気中で熱処理を行うことで、金属層中に微細な穴を形成するとともに、金属層の網目(ナノネット)を介して第1結晶層中にボイドを形成する。第1結晶層中にボイドを形成したら、第1結晶層の上方に、III族窒化物半導体からなる第2結晶層を形成する。このとき、上述のボイドの一部が残存する。第2結晶層を形成したら、第2結晶層の成長温度から降温する際に、上述の残存したボイドを起因として、第2結晶層を下地基板から剥離させる。第2結晶層を剥離させたら、第2結晶層をスライスおよび研磨することで、高い結晶品質を有する窒化物半導体基板が得られる。 First, a first crystal layer made of a Group III nitride semiconductor is formed on a predetermined underlying substrate. After forming the first crystal layer, a metal layer is formed on the first crystal layer. After forming the metal layer, heat treatment is performed in an atmosphere containing a predetermined gas to form fine holes in the metal layer and to create voids in the first crystal layer through the mesh (nanonet) of the metal layer. to form After the voids are formed in the first crystal layer, a second crystal layer made of a Group III nitride semiconductor is formed above the first crystal layer. At this time, some of the voids described above remain. After the second crystal layer is formed, the second crystal layer is separated from the base substrate due to the remaining voids described above when the temperature is lowered from the growth temperature of the second crystal layer. After separating the second crystal layer, the second crystal layer is sliced and polished to obtain a nitride semiconductor substrate having high crystal quality.

ここで、III族窒化物半導体の単結晶からなる結晶層を、c面を成長面として厚く成長させると、結晶層の表面における転位密度は、当該結晶層の厚さに対して反比例する傾向がある。 Here, when a crystal layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor is grown thick with the c-plane as the growth plane, the dislocation density on the surface of the crystal layer tends to be inversely proportional to the thickness of the crystal layer. be.

そこで、上述のVAS法において、第2結晶層の転位密度を低減させるため、第1結晶層の上方に第2結晶層を厚く成長させることが考えられる。 Therefore, in order to reduce the dislocation density of the second crystal layer in the above-described VAS method, it is conceivable to grow the second crystal layer thicker above the first crystal layer.

しかしながら、上述のVAS法では、第2結晶層の下地基板側には、結晶の初期核が引き合うことで生じた引張応力が蓄積している。一方で、第2結晶層に生じた引張応力によって、第2結晶層のc面は、凹の球面状に湾曲している。凹に湾曲したc面上に第2結晶層を厚く成長させると、第2結晶層が厚くなるにしたがって、第2結晶層に加わる応力が徐々に圧縮応力に変化していく。このため、第2結晶層のうちの下地基板側と表面側との応力差が徐々に大きくなる。応力差が過大となると、第2結晶層にクラックが生じてしまう可能性がある。 However, in the above-described VAS method, the tensile stress generated by the attraction of the initial nuclei of the crystal accumulates on the underlying substrate side of the second crystal layer. On the other hand, the c-plane of the second crystal layer is curved into a concave spherical shape due to the tensile stress generated in the second crystal layer. When the second crystal layer is grown thick on the concavely curved c-plane, the stress applied to the second crystal layer gradually changes to compressive stress as the second crystal layer becomes thicker. Therefore, the stress difference between the base substrate side and the surface side of the second crystal layer gradually increases. If the stress difference becomes excessive, cracks may occur in the second crystal layer.

このように、VAS法において、c面を成長面として第2結晶層を厚く成長させることは困難となる。 Thus, in the VAS method, it is difficult to grow the second crystal layer thick using the c-plane as the growth plane.

本発明は、発明者が見出した上記知見に基づくものである。 The present invention is based on the above knowledge discovered by the inventor.

<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。
<One embodiment of the present invention>
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(1)窒化物半導体基板の製造方法
図1~図8を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法について説明する。図1は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。図2は、下地構造体作製工程を示すフローチャートである。図3(a)~(e)、図4(a)~(c)、図6(a)~図7は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。図5は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略斜視図である。なお、図3(a)~(e)では、下地基板1の下側を省略している。また、図5は、図4(b)の時点での斜視図に相当し、下地構造体10上に成長する3次元成長層30の一部を示している。また、図4(c)、図6(a)~図7において、点線は、転位を示している。
(1) Method for Manufacturing Nitride Semiconductor Substrate A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. FIG. 1 is a flow chart showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. FIG. 2 is a flow chart showing the base structure fabricating process. 3(a) to (e), FIGS. 4(a) to (c), and FIGS. 6(a) to 7 are schematic cross-sectional views showing part of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. is. FIG. 5 is a schematic perspective view showing part of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. 3A to 3E, the lower side of the underlying substrate 1 is omitted. 5 corresponds to a perspective view at the time of FIG. 4(b) and shows part of the three-dimensional growth layer 30 growing on the base structure 10. FIG. 4(c) and 6(a) to 7, dotted lines indicate dislocations.

なお、以下では、ウルツ鉱構造を有するIII族窒化物半導体の結晶において、<0001>軸(例えば[0001]軸)を「c軸」といい、(0001)面を「c面」という。なお、(0001)面を「+c面(III族元素極性面)」といい、(000-1)面を「-c面(窒素(N)極性面)」ということがある。また、<1-100>軸(例えば[1-100]軸)を「m軸」といい、{1-100}面を「m面」という。なお、m軸は<10-10>軸と表記してもよい。また、<11-20>軸(例えば[11-20]軸)を「a軸」といい、{11-20}面を「a面」という。 In the following, the <0001> axis (for example, the [0001] axis) is referred to as the "c-axis" and the (0001) plane is referred to as the "c-plane" in the group III nitride semiconductor crystal having the wurtzite structure. The (0001) plane is sometimes referred to as the "+c plane (group III element polar plane)", and the (000-1) plane is sometimes called the "-c plane (nitrogen (N) polar plane)". Also, the <1-100> axis (for example, the [1-100] axis) is called the "m-axis", and the {1-100} plane is called the "m-plane". Note that the m-axis may also be expressed as the <10-10> axis. The <11-20> axis (for example, the [11-20] axis) is called the "a-axis", and the {11-20} plane is called the "a-plane".

図1に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法は、例えば、下地構造体作製工程S100と、3次元成長工程S200と、剥離工程S300と、スライス工程S400と、研磨工程S500と、を有している。 As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment includes, for example, a base structure forming step S100, a three-dimensional growth step S200, a peeling step S300, a slicing step S400, and a polishing step. S500 and.

(S100:下地構造体作製工程)
まず、例えば、上述のVAS法により下地構造体10を作製する。
(S100: Underlying Structure Preparing Step)
First, for example, the base structure 10 is manufactured by the above-described VAS method.

具体的には、下地構造体作製工程S100は、例えば、下地基板準備工程S110と、第1下地層形成工程S120と、金属層形成工程S130と、ボイド形成工程S140と、第2下地層形成工程S150と、を有している。 Specifically, the underlying structure fabricating step S100 includes, for example, an underlying substrate preparing step S110, a first underlying layer forming step S120, a metal layer forming step S130, a void forming step S140, and a second underlying layer forming step. and S150.

(S110:下地基板準備工程)
まず、図3(a)に示すように、下地基板1を準備する。下地基板1は、例えば、III族窒化物半導体と異なる材料からなっている。具体的には、下地基板1は、例えば、サファイア基板である。なお、下地基板1は、例えば、Si基板またはガリウム砒素(GaAs)基板であってもよい。
(S110: base substrate preparation step)
First, as shown in FIG. 3A, a base substrate 1 is prepared. The underlying substrate 1 is made of, for example, a material different from the Group III nitride semiconductor. Specifically, the underlying substrate 1 is, for example, a sapphire substrate. Note that the base substrate 1 may be, for example, a Si substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate.

下地基板1の直径は、例えば、2インチ(50.8mm)以上である。また、下地基板1の厚さは、例えば、300μm以上1mm以下である。 The diameter of the underlying substrate 1 is, for example, 2 inches (50.8 mm) or more. Further, the thickness of the underlying substrate 1 is, for example, 300 μm or more and 1 mm or less.

下地基板1は、例えば、エピタキシャル成長面となる主面1sを有している。主面1sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面である。 The underlying substrate 1 has, for example, a main surface 1s that serves as an epitaxial growth surface. A low-index crystal plane closest to the principal plane 1s is, for example, the c-plane.

本実施形態では、下地基板1のc面が、主面1sに対して傾斜している。下地基板1のc軸は、主面1sの法線に対して所定のオフ角で傾斜している。下地基板1の主面1s内でのオフ角は、主面1s全体に亘って均一である。下地基板1の主面1sの中心におけるオフ角の大きさを、例えば、0°超1°以下とする。下地基板1の主面1s内でのオフ角は、後述する第2下地層6の主面6sの中心におけるオフ角に影響する。 In this embodiment, the c-plane of the underlying substrate 1 is inclined with respect to the main surface 1s. The c-axis of the underlying substrate 1 is inclined at a predetermined off angle with respect to the normal to the main surface 1s. The off angle within the main surface 1s of the underlying substrate 1 is uniform over the entire main surface 1s. The magnitude of the off-angle at the center of the main surface 1s of the underlying substrate 1 is, for example, greater than 0° and less than or equal to 1°. The off angle within the main surface 1s of the base substrate 1 affects the off angle at the center of the main surface 6s of the second base layer 6, which will be described later.

(S120:第1下地層形成工程)
次に、図3(b)に示すように、下地基板1の主面1s上に、III族窒化物からなる第1下地層(第1結晶層)2を形成する。
(S120: first base layer forming step)
Next, as shown in FIG. 3B, on the main surface 1s of the underlying substrate 1, a first underlying layer (first crystal layer) 2 made of group III nitride is formed.

具体的には、例えば、有機金属気相成長(MOVPE)法により、所定の成長温度に加熱された下地基板1に対して、III族原料ガスおよび窒素原料ガスを供給する。例えば、III族原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)ガスと、窒素原料ガスとしてのアンモニアガス(NH)と、を供給することで、第1下地層2として、低温成長GaNバッファ層と、GaN層と、を下地基板1の主面1s上にこの順で成長させる。なお、GaN層の成長時には、例えば、n型ドーパントガスとしてのモノシラン(SiH)ガスを供給することで、GaN層中にn型不純物をドーピングしてもよい。 Specifically, for example, a Group III source gas and a nitrogen source gas are supplied to the base substrate 1 heated to a predetermined growth temperature by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). For example, by supplying trimethylgallium (TMG) gas as a III-group source gas and ammonia gas (NH 3 ) as a nitrogen source gas, the first underlayer 2 is a low-temperature-grown GaN buffer layer, a GaN layers are grown on the main surface 1s of the base substrate 1 in this order. During the growth of the GaN layer, the GaN layer may be doped with an n-type impurity by supplying monosilane (SiH 4 ) gas as an n-type dopant gas, for example.

このとき、第1下地層2としての低温成長GaNバッファ層の成長条件を、GaN層の所望の結晶品質が得られるよう調整する。具体的には、低温成長GaNバッファ層の成長温度を、例えば、400℃以上600℃以下とする。 At this time, the growth conditions for the low-temperature-grown GaN buffer layer as the first underlayer 2 are adjusted so as to obtain the desired crystal quality of the GaN layer. Specifically, the growth temperature of the low-temperature-grown GaN buffer layer is, for example, 400° C. or higher and 600° C. or lower.

また、このとき、第1下地層2としてのGaN層の成長条件を、後述のボイド形成工程S140において所望のボイドが形成されるよう調整する。具体的には、GaN層の成長温度を、例えば、1,000℃以上1,200℃以下とする。 Also, at this time, the growth conditions of the GaN layer as the first underlayer 2 are adjusted so that desired voids are formed in the void forming step S140 described later. Specifically, the growth temperature of the GaN layer is, for example, 1,000° C. or higher and 1,200° C. or lower.

また、このとき、例えば、第1下地層2の表面を鏡面化させる。なお、ここでいう「鏡面」とは、表面における隣り合う凹凸の高低差の最大値が可視光の波長以下である面のことをいい、当該第1下地層2の表面には、c面以外のファセットが露出したヒロックが生じていてもよい。具体的には、第1下地層2の表面の二乗平均平方根粗さRMSを、例えば、10nm未満、好ましくは1nm未満とする。このように第1下地層2の表面を鏡面化させることで、後述のボイド形成工程S140においてボイドの出現具合を下地基板1の主面1s全体に亘って略均一にすることができる。 Moreover, at this time, for example, the surface of the first underlayer 2 is mirror-finished. The term “mirror surface” as used herein refers to a surface on which the maximum value of the height difference between adjacent unevenness on the surface is equal to or less than the wavelength of visible light. facets exposed hillocks may occur. Specifically, the root-mean-square roughness RMS of the surface of the first underlayer 2 is, for example, less than 10 nm, preferably less than 1 nm. By mirror-finishing the surface of the first underlayer 2 in this manner, the appearance of voids can be made substantially uniform over the entire main surface 1s of the undersubstrate 1 in the void formation step S140 described later.

(S130:金属層形成工程)
次に、図3(c)に示すように、第1下地層2上に金属層3を形成する。例えば、真空蒸着またはスパッタにより、金属層3を形成する。
(S130: Metal layer forming step)
Next, as shown in FIG. 3(c), a metal layer 3 is formed on the first underlayer 2. Next, as shown in FIG. For example, the metal layer 3 is formed by vacuum deposition or sputtering.

金属層3は、後述のボイド形成工程S140における熱処理により、自身の中に微細な穴を形成し、第1下地層2の分解を促進させ、第1下地層2にボイドを形成するよう構成される材料からなることが好ましい。具体的には、この条件を満たす金属層3としては、例えば、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、レニウム(Re)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、白金(Pt)または金(Au)などが挙げられる。本実施形態では、金属層3を、例えば、Ti層とする。 The metal layer 3 is heat-treated in the void forming step S140 described later to form fine holes in itself, promote decomposition of the first underlayer 2, and form voids in the first underlayer 2. It is preferably made of a material that Specifically, examples of the metal layer 3 satisfying this condition include titanium (Ti), scandium (Sc), yttrium (Y), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), and niobium (Nb). ), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), rhenium (Re), iron (Fe), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), rhodium (Rh ), iridium (Ir), nickel (Ni), palladium (Pd), manganese (Mn), copper (Cu), platinum (Pt) or gold (Au). In this embodiment, the metal layer 3 is, for example, a Ti layer.

このとき、金属層3の厚さを、例えば、1μm以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは100nm以下とする。金属層3の厚さを1μm以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは100nm以下とすることで、後述のボイド形成工程S140において金属層3(金属窒化層5)の平坦性の低下を抑制することができる。これにより、金属窒化層5上に形成する第2下地層6の結晶品質の低下を抑制することができる。なお、金属層3の厚さの下限値は、特に限定されない。ただし、後述のボイド形成工程S140において金属窒化層5を安定的に形成する観点では、金属層3の厚さは、例えば、0.5nm以上とすることが好ましい。 At this time, the thickness of the metal layer 3 is, for example, 1 μm or less, preferably 300 nm or less, more preferably 100 nm or less. By setting the thickness of the metal layer 3 to 1 μm or less, preferably 300 nm or less, and more preferably 100 nm or less, it is possible to suppress deterioration in flatness of the metal layer 3 (metal nitride layer 5) in the void formation step S140 described later. can be done. Thereby, deterioration of the crystal quality of the second underlayer 6 formed on the metal nitride layer 5 can be suppressed. Note that the lower limit of the thickness of the metal layer 3 is not particularly limited. However, from the viewpoint of stably forming the metal nitride layer 5 in the void forming step S140 described later, the thickness of the metal layer 3 is preferably 0.5 nm or more, for example.

(S140:ボイド形成工程)
金属層3を形成したら、所定の熱処理を行い、第1下地層2中にボイドを形成する。
(S140: void formation step)
After forming the metal layer 3 , a predetermined heat treatment is performed to form voids in the first underlayer 2 .

具体的には、上述の下地基板1を電気炉内に投入し、所定のヒータを有するサセプタ上に下地基板1を載置する。下地基板1をサセプタ上に載置したら、ヒータにより下地基板1を加熱し、所定のガスを含む雰囲気中で熱処理を行う。 Specifically, the base substrate 1 described above is put into an electric furnace, and the base substrate 1 is placed on a susceptor having a predetermined heater. After the base substrate 1 is placed on the susceptor, the base substrate 1 is heated by a heater and heat-treated in an atmosphere containing a predetermined gas.

このとき、例えば、窒素(N)ガスおよび窒素含有ガスのうち少なくともいずれかを含む雰囲気中で熱処理を行う。窒素含有ガスとしては、例えば、NHガスおよびヒドラジン(N)ガスのうち少なくともいずれかが挙げられる。これにより、金属層3を凝集させつつ窒化し、表面に高密度の微細な穴(貫通孔)を有する網目状の金属窒化層5(金属窒化層5のナノネットともいう)を形成することができる。 At this time, for example, the heat treatment is performed in an atmosphere containing at least one of nitrogen (N 2 ) gas and nitrogen-containing gas. Examples of the nitrogen-containing gas include at least one of NH 3 gas and hydrazine (N 2 H 4 ) gas. As a result, the metal layer 3 is aggregated and nitrided to form a network-like metal nitride layer 5 (also referred to as a nanonet of the metal nitride layer 5) having high-density fine holes (through holes) on the surface. can.

さらに、このとき、例えば、水素(H)ガスおよび水素含有ガスのうち少なくともいずれかを含む雰囲気中で熱処理を行う。水素含有ガスとしては、例えば、上述のNHガスおよびNガスのうち少なくともいずれかが挙げられる。これにより、金属窒化層5の網目を介して第1下地層2の一部をエッチングし、該第1下地層2中に高密度のボイドを形成することができる。 Furthermore, at this time, for example, the heat treatment is performed in an atmosphere containing at least one of hydrogen (H 2 ) gas and hydrogen-containing gas. The hydrogen-containing gas includes, for example, at least one of the NH 3 gas and N 2 H 4 gas described above. As a result, a portion of the first underlayer 2 can be etched through the mesh of the metal nitride layer 5 to form high-density voids in the first underlayer 2 .

なお、このとき、金属窒化層5のナノネットを形成する工程と、第1下地層2中にボイドを形成する工程とを、同時に行ってもよいし、或いは、異なる雰囲気で分けて行ってもよい。 At this time, the step of forming the nanonet of the metal nitride layer 5 and the step of forming the voids in the first underlayer 2 may be performed simultaneously, or may be performed separately in different atmospheres. good.

また、このとき、熱処理条件を、第1下地層2の所定のボイド率が得られるように調整する。具体的には、雰囲気中の水素化物ガスの分圧比率を、例えば、10%以上95%以下、好ましくは50%以下とする。また、熱処理温度を、例えば、1,000℃以上1,100℃以下とする。また、熱処理時間を、例えば、1分以上100分以下とする。 Also, at this time, the heat treatment conditions are adjusted so that the first underlayer 2 has a predetermined void ratio. Specifically, the partial pressure ratio of the hydride gas in the atmosphere is, for example, 10% or more and 95% or less, preferably 50% or less. Also, the heat treatment temperature is, for example, 1,000° C. or higher and 1,100° C. or lower. Also, the heat treatment time is set to, for example, 1 minute or more and 100 minutes or less.

以上のボイド形成工程S140より、図3(d)に示すように、ボイド含有第1下地層4を形成する。 Through the void forming step S140 described above, the void-containing first underlayer 4 is formed as shown in FIG. 3(d).

(S150:第2下地層形成工程)
ボイド含有第1下地層4を形成したら、図3(e)に示すように、ボイド含有第1下地層4の上方に、III族窒化物半導体の単結晶からなる第2下地層(第2結晶層)6をエピタキシャル成長させる。
(S150: second base layer forming step)
After forming the void-containing first underlayer 4, as shown in FIG. layer) 6 is epitaxially grown.

具体的には、例えば、下地基板1を所定の気相成長装置内に搬入する。次に、ハイドライド気相成長(HVPE)法により、所定の成長温度に加熱された下地基板1に対して、III族原料ガスおよび窒素原料ガスを供給する。例えば、塩化ガリウム(GaCl)ガスと、NHガスとを供給することで、第2下地層6としてのGaN層を、ボイド含有第1下地層4および金属窒化層5上にエピタキシャル成長させる。なお、第2下地層6としてのGaN層の成長時には、例えば、n型ドーパントガスとしてのジクロロシラン(SiHCl)ガスおよびテトラクロロゲルマン(GeCl)ガスの少なくともいずれかを供給することで、GaN層中にn型不純物をドーピングしてもよい。 Specifically, for example, the underlying substrate 1 is carried into a predetermined vapor phase growth apparatus. Next, a Group III raw material gas and a nitrogen raw material gas are supplied to the underlying substrate 1 heated to a predetermined growth temperature by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). For example, gallium chloride (GaCl) gas and NH 3 gas are supplied to epitaxially grow a GaN layer as the second underlayer 6 on the void-containing first underlayer 4 and the metal nitride layer 5 . When growing the GaN layer as the second underlayer 6, for example, by supplying at least one of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas and tetrachlorogermane (GeCl 4 ) gas as an n-type dopant gas, , the GaN layer may be doped with an n-type impurity.

第2下地層6の成長初期では、島状結晶の初期核が生成する。このとき、第2下地層6の島状結晶の頻度は、金属窒化層5のナノネット上に成長する際の過飽和度と、当該ナノネットの開口幅のばらつきとに依存する。第2下地層6を成長させていくと、島状結晶の初期核が横方向成長する。その後、隣接する初期核との距離が近づいたときに、初期核の表面が2つ存在しているよりも、初期核の表面が1つに結合したほうが、エネルギー的に安定となる。このため、隣接する初期核同士は、強制的に引き合う(会合する)。第2下地層6の全体に亘って初期核同士が会合していくことで、第2下地層6の主面6sが形成される。 In the initial stage of growth of the second underlayer 6, initial nuclei of island crystals are generated. At this time, the frequency of the island-like crystals in the second underlayer 6 depends on the degree of supersaturation when growing on the nanonets of the metal nitride layer 5 and the variation in the opening width of the nanonets. As the second underlayer 6 grows, initial nuclei of island crystals grow laterally. After that, when the distance between the adjacent initial nuclei becomes closer, it is more energetically stable when the surfaces of the initial nuclei are bonded to one than when there are two surfaces of the initial nuclei. Therefore, adjacent initial nuclei are forced to attract each other (associate). The primary surface 6 s of the second underlayer 6 is formed by the association of the initial nuclei over the entire second underlayer 6 .

このとき、例えば、第2下地層6の主面6sを鏡面化させる。なお、ここでいう「鏡面」は、上述と同様に、表面における隣り合う凹凸の高低差の最大値が可視光の波長以下である面のことをいい、当該第2下地層6の主面6sには、c面以外のファセットが露出したヒロックが生じていてもよい。具体的には、第2下地層6の主面6sの二乗平均平方根粗さRMSを、例えば、10nm未満、好ましくは1nm未満とする。詳細は(4)において後述するが、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、後述の3次元成長層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。これにより、後述の3次元成長層30の最近接頂部間平均距離を3次元成長工程S200での第1成長条件に基づいて制御し、最近接頂部間距離を長くすることができる。 At this time, for example, the main surface 6s of the second underlayer 6 is mirror-finished. The term “mirror surface” as used herein refers to a surface on which the maximum value of the height difference between adjacent irregularities on the surface is equal to or less than the wavelength of visible light, as described above. may have hillocks where facets other than the c-plane are exposed. Specifically, the root-mean-square roughness RMS of the main surface 6s of the second underlayer 6 is, for example, less than 10 nm, preferably less than 1 nm. Details will be described later in (4), but by mirror-finishing the main surface 6s of the second underlayer 6, the growth mode of the three-dimensional growth layer 30 described later can be changed to the islands generated in the initial growth of the second underlayer 6. It can be changed from the growth morphology of the crystals. As a result, the average distance between the nearest vertexes of the three-dimensional growth layer 30, which will be described later, can be controlled based on the first growth conditions in the three-dimensional growth step S200, and the distance between the nearest vertices can be increased.

なお、このとき、下地基板1の主面1sに最も近い低指数の結晶面をc面としたことで、第2下地層6の鏡面化した主面6sに最も近い低指数の結晶面もc面となる。 At this time, since the low-index crystal plane closest to the main surface 1 s of the underlying substrate 1 is the c-plane, the low-index crystal plane closest to the mirror-finished main surface 6 s of the second underlayer 6 is also the c-plane. face.

また、このとき、第2下地層6の成長条件を、島状成長する結晶の初期核を所定の頻度で生成させるよう調整する。具体的には、第2下地層6の成長温度を、例えば、1,000℃以上1,100℃以下とする。また、第2下地層6の成長時におけるIII族原料ガスとしてのGaClガスの分圧に対する窒素原料ガスとしてのNHガスの流量の分圧の比率(以下、「V/III比」ともいう)を、例えば、1以上50以下とする。 Also, at this time, the growth conditions of the second underlayer 6 are adjusted so that initial nuclei of island-like crystals are generated at a predetermined frequency. Specifically, the growth temperature of the second underlayer 6 is, for example, 1,000° C. or higher and 1,100° C. or lower. Also, the ratio of the partial pressure of the flow rate of NH3 gas as the nitrogen source gas to the partial pressure of GaCl gas as the group III source gas during the growth of the second underlayer 6 (hereinafter also referred to as "V/III ratio") is, for example, 1 or more and 50 or less.

また、このとき、第2下地層6の厚さを、例えば、100μm以上1.5mm以下、好ましくは200μm以上500μm以下とする。 At this time, the thickness of the second underlayer 6 is, for example, 100 μm or more and 1.5 mm or less, preferably 200 μm or more and 500 μm or less.

第2下地層6の厚さが100μm未満であると、第2下地層6の主面6sを鏡面化することが困難となる。また、第2下地層6の厚さが100μm未満であると、第2下地層6が堅牢となっていないため、後述の3次元成長工程S200において、第2下地層6と3次元成長層30との間における近距離の応力差に起因して、第2下地層6にクラックが生じてしまう可能性がある。これに対し、第2下地層6の厚さを100μm以上とすることで、第2下地層6の主面6sを容易に鏡面化することができる。これにより、3次元成長層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から確実に変化させ、後述の3次元成長工程S200において3次元成長する3次元成長層30の最近接頂部間距離を容易に長くすることができる。また、第2下地層6の厚さを100μm以上とすることで、第2下地層6の所定の堅牢性を得ることができる。これにより、後述の3次元成長工程S200において、第2下地層6と3次元成長層30との間における近距離の応力差に起因した第2下地層6のクラックの発生を抑制することができる。さらに第2下地層6の厚さを200μm以上とすることで、第2下地層6の主面6sを安定的に鏡面化することができる。また、第2下地層6の厚さを200μm以上とすることで、第2下地層6のクラックの発生を安定的に抑制することができる。 If the thickness of the second underlayer 6 is less than 100 μm, it becomes difficult to make the main surface 6s of the second underlayer 6 a mirror surface. Further, if the thickness of the second underlayer 6 is less than 100 μm, the second underlayer 6 is not robust. Cracks may occur in the second underlayer 6 due to the short-range stress difference between the . On the other hand, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 100 μm or more, the main surface 6s of the second underlayer 6 can be easily mirror-finished. As a result, the growth mode of the three-dimensional growth layer 30 is reliably changed from the growth mode of the island-shaped crystals generated in the initial stage of growth of the second underlayer 6, and the three-dimensional growth is performed in the three-dimensional growth step S200 described later. The distance between the nearest tops of the growth layer 30 can be easily increased. Further, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 100 μm or more, the second underlayer 6 can be provided with predetermined robustness. As a result, in the three-dimensional growth step S200, which will be described later, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the second underlayer 6 due to the short-distance stress difference between the second underlayer 6 and the three-dimensional growth layer 30. . Furthermore, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 200 μm or more, the main surface 6s of the second underlayer 6 can be stably mirror-finished. Further, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 200 μm or more, the occurrence of cracks in the second underlayer 6 can be stably suppressed.

一方で、第2下地層6の厚さが1.5mm超であると、第2下地層6自体の厚膜化に起因して、第2下地層6にクラックが生じてしまう可能性がある。これに対し、第2下地層6の厚さを1.5mm以下とすることで、第2下地層6自体の厚膜化に起因した第2下地層6のクラックの発生を抑制することができる。さらに第2下地層6の厚さを500μm以下とすることで、第2下地層6のクラックの発生を安定的に抑制することができる。 On the other hand, when the thickness of the second underlayer 6 exceeds 1.5 mm, cracks may occur in the second underlayer 6 due to thickening of the second underlayer 6 itself. . On the other hand, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 1.5 mm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the second underlayer 6 due to the thickening of the second underlayer 6 itself. . Furthermore, by setting the thickness of the second underlayer 6 to 500 μm or less, the occurrence of cracks in the second underlayer 6 can be stably suppressed.

また、このとき、第2下地層6は、ボイド含有第1下地層4から金属窒化層5の穴を介してボイド含有第1下地層4および金属窒化層5上に成長する。ボイド含有第1下地層4中のボイドの一部は、第2下地層6によって埋め込まれるが、ボイド含有第1下地層4中のボイドの他部は、残存する。第2下地層6と金属窒化層5との間には、当該ボイド含有第1下地層4中に残存したボイドを起因として、平らな空隙が形成される。この空隙が後述の第2下地層6の剥離を生じさせることとなる。 Also, at this time, the second underlayer 6 grows from the void-containing first underlayer 4 through the holes in the metal nitride layer 5 onto the void-containing first underlayer 4 and the metal nitride layer 5 . Some of the voids in the void-containing first underlayer 4 are filled by the second underlayer 6, but other parts of the voids in the void-containing first underlayer 4 remain. A flat gap is formed between the second underlayer 6 and the metal nitride layer 5 due to the voids remaining in the void-containing first underlayer 4 . This gap causes the peeling of the second underlayer 6, which will be described later.

また、このとき、第2下地層6には、その成長過程で生じる初期核同士が引き合うことによって、引張応力が導入されている。このため、第2下地層6中に生じた引張応力に起因して、第2下地層6のc面が凹むように内部応力が働く。また、第2下地層6の主面6s側の転位密度が低く、一方で、第2下地層6の下地基板1側の転位密度が高くなっている。このため、第2下地層6の厚さ方向の転位密度差に起因しても、第2下地層6のc面が凹むように内部応力が働く。このため、第2下地層6のc面は、主面6sに対して凹の球面状に湾曲する。ここでいう「球面状」とは、球面近似される曲面状のことを意味している。また、ここでいう「球面近似」とは、真円球面または楕円球面に対して所定の誤差の範囲内で近似されることを意味している。上述のようにc面が湾曲することで、第2下地層6の主面6sの中心の法線に対してc軸がなすオフ角は、所定の分布を有する。 At this time, a tensile stress is introduced into the second underlayer 6 due to attraction between initial nuclei generated during the growth process. Therefore, due to the tensile stress generated in the second underlayer 6, an internal stress acts such that the c-plane of the second underlayer 6 is depressed. Further, the dislocation density on the main surface 6s side of the second underlayer 6 is low, while the dislocation density on the undersubstrate 1 side of the second underlayer 6 is high. Therefore, due to the difference in dislocation density in the thickness direction of the second underlayer 6 as well, internal stress works so that the c-plane of the second underlayer 6 is depressed. Therefore, the c-plane of the second underlayer 6 is curved in a concave spherical shape with respect to the main surface 6s. The term "spherical" as used herein means a curved surface that is approximated to a spherical surface. Also, the term "spherical surface approximation" as used herein means approximating a perfect circular spherical surface or an elliptical spherical surface within a predetermined error range. Since the c-plane is curved as described above, the off-angle formed by the c-axis with respect to the normal to the center of the main surface 6s of the second underlayer 6 has a predetermined distribution.

また、このとき、詳細を図示していないが、第2下地層6の全体が、上述のc面の湾曲に倣って若干反る。具体的には、第2下地層6の主面6sは、(主面6s側から見て)c面の湾曲に倣って若干凹に湾曲する。一方で、第2下地層6の裏面(下地基板1側の面)は、上述の引張応力に起因して外周側から剥離する。これらのため、第2下地層6の裏面は、(裏面側から見て)若干凸に湾曲する。 Also, at this time, although not shown in detail, the entire second underlayer 6 is slightly warped following the curvature of the c-plane described above. Specifically, the principal surface 6s of the second underlayer 6 (as viewed from the principal surface 6s side) curves slightly concave following the curvature of the c-plane. On the other hand, the back surface of the second base layer 6 (the surface facing the base substrate 1) is peeled off from the outer peripheral side due to the tensile stress described above. For these reasons, the back surface of the second underlayer 6 is slightly convex (as viewed from the back surface side).

以上の下地構造体作製工程S100により、下地構造体10が得られる。 The underlying structure 10 is obtained by the underlying structure manufacturing step S100 described above.

(S200:3次元成長工程)
その後、図4(b)、図4(c)、および図5に示すように、c面30cが露出した頂面30uを有するIII族窒化物半導体の単結晶を、第2下地層6の主面6s上に直接的にエピタキシャル成長させる。これにより、3次元成長層30を成長させる。
(S200: Three-dimensional growth step)
Thereafter, as shown in FIGS. 4B, 4C, and 5, a group III nitride semiconductor single crystal having a top surface 30u with an exposed c-plane 30c is applied to the second underlayer 6 as the main layer. It is epitaxially grown directly on the surface 6s. Thereby, the three-dimensional growth layer 30 is grown.

このとき、c面以外の傾斜界面30iで囲まれて構成される複数の凹部30pを単結晶の頂面30uに生じさせ、第2下地層6の上方に行くにしたがって、該傾斜界面30iを徐々に拡大させ、c面30cを徐々に縮小させる。これにより、c面30cを頂面30uから少なくとも一度消失させる。その結果、表面が傾斜界面30iのみで構成される3次元成長層30を成長させる。 At this time, a plurality of recesses 30p surrounded by inclined interfaces 30i other than the c-plane are formed on the top surface 30u of the single crystal. , and the c-plane 30c is gradually reduced. As a result, the c-plane 30c disappears from the top surface 30u at least once. As a result, a three-dimensional growth layer 30 whose surface consists only of the inclined interface 30i is grown.

また、このとき、3次元成長層30において、c面以外の傾斜界面30iを成長面として成長させた傾斜界面成長領域70(図中灰色部)を形成する。また、後述するように、3次元成長層30のうち第2下地層6の主面6sに沿った沿面断面において傾斜界面成長領域70が占める面積を、例えば、80%以上とする。 At this time, in the three-dimensional growth layer 30, an inclined interface growth region 70 (gray portion in the drawing) is formed by growing the inclined interface 30i other than the c-plane as a growth plane. Further, as will be described later, the area occupied by the inclined interface growth region 70 in the three-dimensional growth layer 30 along the main surface 6s of the second underlayer 6 is, for example, 80% or more.

このように、3次元成長工程S200では、鏡面化した第2下地層6の主面6sをあえて荒らすように、3次元成長層30を3次元成長させる。なお、3次元成長層30は、このような成長形態を形成したとしても、上述のように、単結晶で成長させる。この点において、3次元成長層30は、サファイアなどの異種基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる前に該異種基板上にアモルファスまたは多結晶として形成されるいわゆる低温成長バッファ層とは異なるものである。 As described above, in the three-dimensional growth step S200, the three-dimensional growth layer 30 is grown three-dimensionally so as to intentionally roughen the main surface 6s of the mirror-finished second underlayer 6 . Note that the three-dimensional growth layer 30 is grown as a single crystal as described above even if such a growth form is formed. In this respect, the three-dimensional growth layer 30 is different from a so-called low-temperature-grown buffer layer formed as amorphous or polycrystalline on a foreign substrate such as sapphire before epitaxially growing a Group III nitride semiconductor on the foreign substrate. is.

本実施形態では、3次元成長層30として、例えば、第2下地層6を構成するIII族窒化物半導体と同じIII族窒化物半導体からなる層をエピタキシャル成長させる。具体的には、例えば、HVPE法により、下地構造体10を加熱し、当該加熱された下地構造体10に対してGaClガスおよびNHガスを供給することで、3次元成長層30としてGaN層をエピタキシャル成長させる。 In this embodiment, as the three-dimensional growth layer 30, for example, a layer made of the same Group III nitride semiconductor as the Group III nitride semiconductor forming the second underlayer 6 is epitaxially grown. Specifically, for example, the underlying structure 10 is heated by the HVPE method, and GaCl gas and NH 3 gas are supplied to the heated underlying structure 10 to form a GaN layer as the three-dimensional growth layer 30. is epitaxially grown.

ここで、3次元成長工程S200では、上述の成長過程を発現させるために、例えば、所定の第1成長条件下で、3次元成長層30を成長させる。 Here, in the three-dimensional growth step S200, the three-dimensional growth layer 30 is grown under predetermined first growth conditions, for example, in order to develop the growth process described above.

まず、図8(a)を用い、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件について説明する。図8(a)は、傾斜界面およびc面のそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。 First, referring to FIG. 8(a), reference growth conditions under which neither the inclined interface 30i nor the c-plane 30c expand or contract will be described. FIG. 8(a) is a schematic cross-sectional view showing the growth process under standard growth conditions in which the tilted interface and the c-plane, respectively, do not expand or contract.

図8(a)において、太い実線は、単位時間ごとの3次元成長層30の表面を示している。図8(a)で示されている傾斜界面30iは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面とする。また、図8(a)において、3次元成長層30のうちのc面30cの成長レートをGc0とし、3次元成長層30のうちの傾斜界面30iの成長レートをGとし、3次元成長層30においてc面30cと傾斜界面30iとのなす角度をγとする。また、図8(a)において、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度γを維持したまま、3次元成長層30が成長するものとする。なお、3次元成長層30のc面30cのオフ角が、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度γに比べて無視できるものとする。 In FIG. 8A, the thick solid line indicates the surface of the three-dimensional growth layer 30 for each unit time. The inclined interface 30i shown in FIG. 8A is assumed to be the most inclined interface with respect to the c-plane 30c. In FIG. 8A, the growth rate of the c-plane 30c in the three-dimensional growth layer 30 is Gc0 , the growth rate of the inclined interface 30i in the three-dimensional growth layer 30 is Gi , and the three-dimensional growth Let γ be the angle formed by the c-plane 30c and the inclined interface 30i in the layer 30 . Also, in FIG. 8A, it is assumed that the three-dimensional growth layer 30 is grown while maintaining the angle γ between the c-plane 30c and the inclined interface 30i. It is assumed that the off-angle of the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is negligible compared to the angle γ formed between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

図8(a)に示すように、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしないとき、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡は、c面30cに対して垂直となる。このことから、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件は、以下の式(a)を満たす。
c0=G/cosγ ・・・(a)
As shown in FIG. 8A, when the inclined interface 30i and the c-plane 30c neither expand nor contract, the trajectory of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c is perpendicular to the c-plane 30c. . Therefore, the reference growth condition under which the tilted interface 30i and the c-plane 30c do not expand or contract satisfies the following formula (a).
G c0 = G i /cosγ (a)

次に、図8(b)を用い、傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小する第1成長条件について説明する。図8(b)は、傾斜界面が拡大しc面が縮小する第1成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。 Next, the first growth condition under which the inclined interface 30i expands and the c-plane 30c contracts will be described with reference to FIG. 8(b). FIG. 8(b) is a schematic cross-sectional view showing the growth process under the first growth condition in which the tilted interface expands and the c-plane shrinks.

図8(b)においても、図8(a)と同様に、太い実線は、単位時間ごとの3次元成長層30の表面を示している。また、図8(b)で示されている傾斜界面30iも、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面とする。また、図8(b)において、3次元成長層30のうちのc面30cの成長レートをGc1とし、3次元成長層30のうちの傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡の進行レートをRとする。また、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡と、c面30cとのなす角度のうち、狭いほうの角度をγR1とする。R方向とG方向とのなす角度をγ’としたとき、γ’=γ+90-γR1である。なお、3次元成長層30のc面30cのオフ角が、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度γに比べて無視できるものとする。 In FIG. 8(b), similarly to FIG. 8(a), the thick solid line indicates the surface of the three-dimensional growth layer 30 for each unit time. The inclined interface 30i shown in FIG. 8B is also assumed to be the most inclined interface with respect to the c-plane 30c. In FIG. 8B, the growth rate of the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is assumed to be Gc1 , and the progress of the trajectory of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is Let the rate be R1 . Also, let γ R1 be the narrower angle between the locus of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c and the c-plane 30c. When the angle between the R1 direction and the Gi direction is γ', γ'=γ+90− γR1 . It is assumed that the off-angle of the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is negligible compared to the angle γ formed between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

図8(b)に示すように、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡の進行レートRは、以下の式(b)で表される。
=G/cosγ’ ・・・(b)
As shown in FIG. 8B, the traveling rate R1 of the trajectory of the intersection between the inclined interface 30i and the c-plane 30c is represented by the following equation (b).
R 1 =G i /cos γ' (b)

また、3次元成長層30のうちのc面30cの成長レートGc1は、以下の式(c)で表される。
c1=RsinγR1 ・・・(c)
Also, the growth rate Gc1 of the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is represented by the following equation (c).
G c1 =R 1 sin γ R1 (c)

式(c)に式(b)を代入することで、Gc1は、Gを用いて、以下の式(d)で表される。
c1=GsinγR1/cos(γ+90-γR1) ・・・(d)
By substituting the formula (b) into the formula (c), G c1 is represented by the following formula (d) using G i .
G c1 = G i sinγ R1 /cos(γ+90−γ R1 ) (d)

傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小するためには、γR1<90°となることが好ましい。したがって、傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小する第1成長条件は、式(d)とγR1<90°とにより、以下の式(1)を満たすことが好ましい。
c1>G/cosγ ・・・(1)
ただし、上述のように、Gは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iの成長レートであり、γは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iと、c面30cとのなす角度である。
In order for the inclined interface 30i to expand and the c-plane 30c to contract, it is preferable that γ R1 <90°. Therefore, the first growth condition under which the inclined interface 30i expands and the c-plane 30c shrinks preferably satisfies the following formula (1) based on the formula (d) and γ R1 <90°.
G c1 >G i /cosγ (1)
However, as described above, G i is the growth rate of the tilted interface 30i that is most tilted with respect to the c-plane 30c, and γ is the growth rate of the tilted interface 30i that is most tilted with respect to the c-plane 30c. is the angle formed by

または、第1成長条件下でのGc1が、基準成長条件下でのGc0よりも大きいことが好ましいと考えることもできる。このことからも、Gc1>Gc0に式(a)を代入することにより、式(1)が導出されうる。 Alternatively, it can be considered that G c1 under the first growth condition is preferably greater than G c0 under the reference growth condition. From this also, the formula (1) can be derived by substituting the formula (a) for G c1 >G c0 .

なお、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iを拡大させる成長条件が最も厳しい条件となることから、第1成長条件が式(1)を満たせば、他の傾斜界面30iも拡大させることが可能となる。 Since the growth condition for enlarging the inclined interface 30i that is most inclined with respect to the c-plane 30c is the strictest condition, if the first growth condition satisfies the formula (1), the other inclined interfaces 30i should also be enlarged. becomes possible.

具体的には、例えば、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが{10-11}面であるとき、γ=61.95°である。したがって、第1成長条件は、例えば、以下の式(1’)を満たすことが好ましい。
c1>2.13G ・・・(1’)
Specifically, for example, when the most inclined interface 30i with respect to the c-plane 30c is the {10-11} plane, γ=61.95°. Therefore, the first growth condition preferably satisfies, for example, the following formula (1').
G c1 >2.13 G i (1′)

または、後述するように、例えば、傾斜界面30iがm≧3の{11-2m}面である場合には、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが{11-23}面であるため、γ=47.3°である。したがって、第1成長条件は、例えば、以下の式(1”)を満たすことが好ましい。
c1>1.47G ・・・(1”)
Alternatively, as will be described later, for example, when the inclined interface 30i is the {11-2m} plane with m≧3, the inclined interface 30i most inclined with respect to the c-plane 30c is the {11-23} plane. Therefore, γ=47.3°. Therefore, the first growth condition preferably satisfies, for example, the following formula (1'').
G c1 >1.47 G i (1″)

本実施形態の第1成長条件としては、例えば、3次元成長工程S200での成長温度を、典型的にc面を成長面としてIII族窒化物層を成長させる場合での成長温度よりも低くする。具体的には、3次元成長工程S200での成長温度を、例えば、980℃以上1,020℃以下、好ましくは1,000℃以上1,020℃以下とする。 As the first growth condition of the present embodiment, for example, the growth temperature in the three-dimensional growth step S200 is typically set to be lower than the growth temperature when the group III nitride layer is grown with the c-plane as the growth plane. . Specifically, the growth temperature in the three-dimensional growth step S200 is, for example, 980° C. or higher and 1,020° C. or lower, preferably 1,000° C. or higher and 1,020° C. or lower.

また、本実施形態の第1成長条件として、例えば、3次元成長工程S200でのV/III比を、典型的にc面を成長面としてIII族窒化物層を成長させる場合でのV/III比よりも大きくしてもよい。具体的には、3次元成長工程S200でのV/III比を、例えば、2以上20以下、好ましくは、2以上15以下とする。 Further, as the first growth condition of the present embodiment, for example, the V/III ratio in the three-dimensional growth step S200 is set to V/III when the group III nitride layer is grown typically using the c-plane as the growth plane. It may be larger than the ratio. Specifically, the V/III ratio in the three-dimensional growth step S200 is, for example, 2 or more and 20 or less, preferably 2 or more and 15 or less.

実際には、第1成長条件として、式(1)を満たすように、成長温度およびV/III比のうち少なくともいずれかをそれぞれ上記範囲のなかで調整する。 In practice, as the first growth condition, at least one of the growth temperature and the V/III ratio is adjusted within the above range so as to satisfy the formula (1).

なお、本実施形態の第1成長条件のうちの他の条件は、例えば、以下のとおりである。
成長圧力:90~105kPa、好ましくは、90~95kPa
GaClガスの分圧:1.5~15kPa
ガスの流量/Hガスの流量:0~1
Other conditions of the first growth conditions of the present embodiment are, for example, as follows.
Growth pressure: 90-105 kPa, preferably 90-95 kPa
GaCl gas partial pressure: 1.5 to 15 kPa
N 2 gas flow rate/H 2 gas flow rate: 0 to 1

ここで、本実施形態の3次元成長工程S200は、例えば、3次元成長層30の成長中の形態に基づいて、2つの工程に分類される。具体的には、本実施形態の3次元成長工程S200は、例えば、傾斜界面拡大工程S220と、傾斜界面維持工程S240と、を有している。これらの工程により、3次元成長層30は、例えば、傾斜界面拡大層32と、傾斜界面維持層34と、を有することとなる。 Here, the three-dimensional growth step S200 of this embodiment is classified into two steps, for example, based on the shape of the three-dimensional growth layer 30 during growth. Specifically, the three-dimensional growth step S200 of this embodiment includes, for example, an inclined interface enlarging step S220 and an inclined interface maintaining step S240. Through these steps, the three-dimensional growth layer 30 will have, for example, the inclined interface enlarging layer 32 and the inclined interface maintaining layer 34 .

(S220:傾斜界面拡大工程)
まず、図4(b)、図4(c)および図5に示すように、III族窒化物半導体の単結晶からなる3次元成長層30の傾斜界面拡大層32を、上述の第1成長条件下で、第2下地層6上にエピタキシャル成長させる。
(S220: Inclined interface enlarging step)
First, as shown in FIGS. 4(b), 4(c) and 5, the inclined interface enlarging layer 32 of the three-dimensionally grown layer 30 made of single crystal of group III nitride semiconductor is grown under the first growth conditions described above. Below, it is epitaxially grown on the second underlayer 6 .

傾斜界面拡大層32が成長する初期段階では、第2下地層6の主面6sの法線方向(c軸に沿った方向)に、c面30cを成長面として所定の厚さで傾斜界面拡大層32をステップフロー成長(2次元成長)させる。すなわち、鏡面化された表面を有する傾斜界面拡大層32を、第2下地層6の主面6sに沿った方向に連続的に(該主面6s全体に亘って)所定の厚さで形成する。このとき、該c面30cを成長面として成長した傾斜界面拡大層32の一部(「初期層」ともいう)の厚さを、例えば、1μm以上100μm以下、好ましくは1μm以上20μm以下とする。 In the initial stage of growth of the inclined interface enlarging layer 32, the inclined interface is enlarged by a predetermined thickness in the normal direction (direction along the c-axis) of the main surface 6s of the second underlayer 6 with the c-plane 30c as the growth plane. Layer 32 is step-flow grown (two-dimensional growth). That is, the inclined interface enlarging layer 32 having a mirror-finished surface is continuously formed in the direction along the main surface 6s of the second underlayer 6 (over the entire main surface 6s) with a predetermined thickness. . At this time, the thickness of a part of the inclined interface enlarging layer 32 grown with the c-plane 30c as the growth plane (also referred to as the “initial layer”) is, for example, 1 μm or more and 100 μm or less, preferably 1 μm or more and 20 μm or less.

その後、第1成長条件下で傾斜界面拡大層32を徐々に成長させることで、図4(c)および図5に示すように、傾斜界面拡大層32のうちc面30cを露出させた頂面30uに、c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせる。c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pは、当該頂面30uにランダムに形成される。これにより、c面30cとc面以外の傾斜界面30iとが表面に混在する傾斜界面拡大層32が形成される。 After that, by gradually growing the inclined interface enlarging layer 32 under the first growth conditions, as shown in FIGS. A plurality of concave portions 30p composed of inclined interfaces 30i other than the c-plane are formed in 30u. A plurality of recesses 30p composed of inclined interfaces 30i other than the c-plane are randomly formed on the top surface 30u. As a result, an inclined interface enlarging layer 32 is formed in which the c-plane 30c and the inclined interface 30i other than the c-plane coexist on the surface.

なお、ここでいう「傾斜界面30i」とは、c面30cに対して傾斜した成長界面のことを意味し、c面以外の低指数のファセット、c面以外の高指数のファセット、または面指数で表すことができない傾斜面を含んでいる。なお、c面以外のファセットは、例えば、{11-2m}、{1-10n}などである。ただし、mおよびnは0以外の整数である。 The term "inclined interface 30i" as used herein means a growth interface that is inclined with respect to the c-plane 30c. contains slopes that cannot be represented by Note that facets other than the c-plane are, for example, {11-2m}, {1-10n}, and the like. However, m and n are integers other than 0.

本実施形態では、上述の鏡面化した第2下地層6上に傾斜界面拡大層32を成長させ、且つ、式(1)を満たすように第1成長条件を調整したことで、傾斜界面30iとして、例えば、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。これにより、c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることができる。具体的には、該傾斜角度を47.3°以下とすることができる。 In the present embodiment, the tilted interface enlarging layer 32 is grown on the mirror-finished second underlayer 6, and the first growth conditions are adjusted so as to satisfy the formula (1). , for example {11-2m} planes with m≧3. This makes it possible to moderate the angle of inclination of the {11-2m} plane with respect to the c-plane 30c. Specifically, the inclination angle can be 47.3° or less.

第1成長条件下で傾斜界面拡大層32をさらに成長させることで、図4(c)に示すように、第2下地層6の主面6sよりも上方に行くにしたがって、傾斜界面拡大層32において、c面以外の傾斜界面30iを徐々に拡大させ、c面30cを徐々に縮小させる。なお、このとき、第2下地層6の上方に行くにしたがって、該第2下地層6の主面6sに対する、傾斜界面30iがなす傾斜角度が徐々に小さくなっていく。これにより、最終的に、傾斜界面30iのほとんどが、上述したm≧3の{11-2m}面となる。 By further growing the inclined interface enlarging layer 32 under the first growth conditions, as shown in FIG. , the inclined interface 30i other than the c-plane is gradually enlarged, and the c-plane 30c is gradually reduced. At this time, the inclination angle formed by the inclined interface 30i with respect to the main surface 6s of the second underlayer 6 gradually decreases as the second underlayer 6 is moved upward. As a result, most of the inclined interfaces 30i eventually become {11-2m} planes with m≧3 as described above.

さらに傾斜界面拡大層32を成長させていくと、傾斜界面拡大層32のc面30cは頂面30uから少なくとも一度消失し、傾斜界面拡大層32の最表面(最上面)は傾斜界面30iのみで構成される。 As the inclined interface enlarging layer 32 is further grown, the c-plane 30c of the inclined interface enlarging layer 32 disappears from the top surface 30u at least once, and the outermost surface (uppermost surface) of the inclined interface enlarging layer 32 is only the inclined interface 30i. Configured.

このように、傾斜界面拡大層32の頂面30uにc面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせ、c面30cを消失させることで、図4(c)に示すように、該傾斜界面拡大層32の表面に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを形成する。複数の谷部30vのそれぞれは、傾斜界面拡大層32の表面のうち下に凸の変曲点であって、c面以外の傾斜界面30iのそれぞれが発生した位置の上方に形成される。一方で、複数の頂部30tのそれぞれは、傾斜界面拡大層320の表面のうち上に凸の変曲点であって、互いに相反する方向を向いて拡大した一対の傾斜界面30iを挟んでc面30cが(最後に)消失した位置またはその上方に形成される。谷部30vおよび頂部30tは、第2下地層6の主面6sに沿った方向に交互に形成される。 In this way, a plurality of recesses 30p constituted by inclined interfaces 30i other than the c-plane are formed on the top surface 30u of the inclined interface enlarging layer 32, and the c-plane 30c disappears. Then, a plurality of valleys 30v and a plurality of tops 30t are formed on the surface of the inclined interface enlarging layer 32. As shown in FIG. Each of the plurality of valleys 30v is a downwardly convex inflection point on the surface of the inclined interface enlarging layer 32, and is formed above the position where each of the inclined interfaces 30i other than the c-plane is generated. On the other hand, each of the plurality of apexes 30t is an upwardly convex inflection point in the surface of the inclined interface enlarging layer 320, and is a c-plane across a pair of inclined interfaces 30i enlarged in opposite directions. 30c is formed at or above the (last) vanished position. The valleys 30v and the tops 30t are alternately formed in the direction along the principal surface 6s of the second underlayer 6 .

本実施形態では、上述のように、第2下地層形成工程S150において、下地基板1の主面1s上に、鏡面化した主面6sを有する第2下地層6を成長させた。さらに、上述のように、傾斜界面拡大層32が成長する初期段階において、第2下地層6の主面6s上に、傾斜界面30iを生じさせずにc面30cを成長面として傾斜界面拡大層32を所定の厚さで成長させた。その後、当該傾斜界面拡大工程S220において、傾斜界面拡大層32の表面に、c面以外の傾斜界面30iを生じさせる。これにより、複数の谷部30vは、第2下地層6の主面6sから上方に離れた位置に形成されることとなる。 In the present embodiment, as described above, the second underlayer 6 having the mirror-finished main surface 6s is grown on the main surface 1s of the base substrate 1 in the second underlayer forming step S150. Furthermore, as described above, in the initial stage of growth of the inclined interface enlarging layer 32, the inclined interface enlarging layer is grown on the main surface 6s of the second underlayer 6 with the c-plane 30c as the growth surface without forming the inclined interface 30i. 32 was grown with a given thickness. Thereafter, in the inclined interface enlarging step S220, an inclined interface 30i other than the c-plane is generated on the surface of the inclined interface enlarging layer 32. As shown in FIG. As a result, the plurality of valleys 30v are formed at positions spaced upward from the main surface 6s of the second underlayer 6 .

以上のような傾斜界面拡大層32の成長過程により、転位は、以下のように屈曲して伝播する。具体的には、図4(c)に示すように、第2下地層6内においてc軸に沿った方向に延在していた複数の転位は、第2下地層6から傾斜界面拡大層32のc軸に沿った方向に向けて伝播する。傾斜界面拡大層32のうちc面30cを成長面として成長した領域では、傾斜界面拡大層32のc軸に沿った方向に向けて転位が伝播する。しかしながら、傾斜界面拡大層32において、転位が露出した成長界面がc面30cから傾斜界面30iに変化すると、当該転位は、傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて屈曲して伝播する。すなわち、転位は、c軸に対して傾斜した方向に屈曲して伝播する。これにより、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、一対の頂部30t間での略中央の上方において、局所的に転位が集められることとなる。その結果、後述の傾斜界面維持層34の表面における転位密度を低減させることができる。 Through the growth process of the tilted interface enlarging layer 32 as described above, dislocations bend and propagate as follows. Specifically, as shown in FIG. 4C, the plurality of dislocations extending in the direction along the c-axis in the second underlayer 6 spread from the second underlayer 6 to the inclined interface enlarging layer 32 . propagates along the c-axis of . In the region of the inclined interface enlarging layer 32 grown with the c-plane 30c as the growth plane, dislocations propagate in the direction along the c-axis of the inclined interface enlarging layer 32 . However, in the tilted interface enlarging layer 32, when the growth interface where the dislocation is exposed changes from the c-plane 30c to the tilted interface 30i, the dislocation bends and propagates in a direction substantially perpendicular to the tilted interface 30i. That is, the dislocation propagates while bending in a direction tilted with respect to the c-axis. As a result, dislocations are locally collected above substantially the center between the pair of top portions 30t in the steps after the inclined interface enlarging step S220. As a result, the dislocation density on the surface of the later-described graded interface maintaining layer 34 can be reduced.

このとき、本実施形態では、第2下地層6の主面6sに垂直な任意の断面を見たときに、複数の谷部30vのうちの1つを挟んで複数の頂部30tのうちで最も接近する一対の頂部30t同士が、第2下地層6の主面6sに沿った方向に離間した平均距離(「最近接頂部間平均距離」ともいう)Lを、例えば、100μm超とする。傾斜界面拡大工程S220の初期段階から第2下地層6上に微細な六角錐状の結晶核を生じさせる場合などのように、最近接頂部間平均距離Lが100μm以下であると、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、転位が屈曲して伝播する距離が短くなる。このため、傾斜界面拡大層32のうち一対の頂部30t間の略中央の上方で充分に転位が集められない。その結果、後述の傾斜界面維持層34の表面における転位密度が充分に低減されない可能性がある。これに対し、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることで、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、転位が屈曲して伝播する距離を、少なくとも50μm超、確保することができる。これにより、傾斜界面拡大層32のうち一対の頂部30t間の略中央の上方に、充分に転位を集めることができる。その結果、後述の傾斜界面維持層34の表面における転位密度を充分に低減させることができる。 At this time, in the present embodiment, when an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 6s of the second underlayer 6 is viewed, one of the plurality of valleys 30v is interposed between the plurality of tops 30t, which are the most The average distance (also referred to as “average distance between closest apexes”) L by which a pair of apexes 30t that are close to each other are separated in the direction along the main surface 6s of the second underlayer 6 is, for example, more than 100 μm. When the average distance L between the nearest apexes is 100 μm or less, as in the case where fine hexagonal pyramidal crystal nuclei are generated on the second underlayer 6 from the initial stage of the inclined interface enlarging step S220, the enlarging of the inclined interface does not occur. In the steps after step S220, the dislocation bends and propagates a shorter distance. For this reason, dislocations are not sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30t in the inclined interface enlarging layer 32 . As a result, the dislocation density on the surface of the later-described graded interface maintaining layer 34 may not be sufficiently reduced. On the other hand, in the present embodiment, by setting the average distance L between the nearest vertexes to more than 100 μm, in the steps after the tilted interface enlarging step S220, the distance in which the dislocation bends and propagates is ensured to be at least more than 50 μm. be able to. As a result, dislocations can be sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30 t in the inclined interface enlarging layer 32 . As a result, it is possible to sufficiently reduce the dislocation density on the surface of the later-described graded interface maintaining layer 34 .

本実施形態では、例えば、3次元成長層30において、最近接頂部間平均距離が100μm以下となる部分が無いことが好ましい。言い換えれば、第2下地層6の主面6sに垂直な任意の断面を見たときに、3次元成長層30の表面全体に亘って、最近接頂部間平均距離が100μm超となっていることが好ましい。これにより、後述の傾斜界面維持層34の表面全体に亘って、転位密度を略均一に低減させることができる。 In the present embodiment, for example, in the three-dimensional growth layer 30, it is preferable that there is no portion where the average distance between the closest tops is 100 μm or less. In other words, when an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 6s of the second underlayer 6 is viewed, the average distance between the closest tops is more than 100 μm over the entire surface of the three-dimensional growth layer 30. is preferred. As a result, the dislocation density can be substantially uniformly reduced over the entire surface of the later-described graded interface preserving layer 34 .

一方で、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを800μm未満とする。最近接頂部間平均距離Lが800μm以上であると、面内全体に亘って転位を集めるために、c面30cを面内全体に亘って消失させるのに時間がかかる。このため、基板50の生産性が低下する。また、最近接頂部間平均距離Lが800μm以上であると、傾斜界面拡大層32の谷部30vから頂部30tまでの高さが過剰に高くなることがある。結晶表面の谷部30vは、埋め込み成長等の対策を施さない限り、基板50をスライスしたときの貫通ピットの原因となる。このため、基板50の取得歩留まりが低下する可能性がある。これに対し、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを800μm未満とすることで、c面30cを面内全体に亘って消失させる時間を短くすることができる。これにより、基板50の生産性を向上させることができる。また、最近接頂部間平均距離Lを800μm未満とすることで、傾斜界面拡大層32の谷部30vから頂部30tまでの高さを低くすることができる。これにより、基板50をスライスしたときに谷部30vに起因した貫通ピットが発生して良品基板が取得できなくなる領域を極力少なくすることができる。その結果、基板50の取得歩留まりを向上させることができる。 On the other hand, in the present embodiment, the average distance L between the closest tops is less than 800 μm. If the average distance L between the closest tops is 800 μm or more, it takes a long time to eliminate the c-plane 30c over the entire in-plane because dislocations are collected over the entire in-plane. Therefore, the productivity of the substrate 50 is lowered. Moreover, when the average distance L between the closest top portions is 800 μm or more, the height from the valley portion 30v to the top portion 30t of the inclined interface enlarging layer 32 may become excessively high. The valleys 30v on the crystal surface cause penetrating pits when the substrate 50 is sliced unless measures such as burying growth are taken. Therefore, the yield of obtaining the substrate 50 may decrease. On the other hand, in the present embodiment, by setting the average distance L between the closest tops to less than 800 μm, it is possible to shorten the time for the c-plane 30c to disappear over the entire plane. Thereby, the productivity of the substrate 50 can be improved. Further, by setting the average distance L between the closest tops to less than 800 μm, the height from the valleys 30v to the tops 30t of the inclined interface enlarging layer 32 can be reduced. As a result, when the substrate 50 is sliced, it is possible to minimize the area where a non-defective substrate cannot be obtained due to the occurrence of penetrating pits caused by the valley portion 30v. As a result, the yield of obtaining the substrate 50 can be improved.

また、このとき、傾斜界面拡大層320には、成長過程での成長面の違いに基づいて、c面30cを成長面として成長したc面成長領域(第1c面成長領域)60と、c面以外の傾斜界面30iを成長面として成長した傾斜界面成長領域70(図中灰色部)とが形成される。 At this time, the inclined interface enlarging layer 320 includes a c-plane growth region (first c-plane growth region) 60 grown with the c-plane 30c as the growth plane and a c-plane An inclined interface growth region 70 (gray portion in the drawing) is formed by growing using the inclined interface 30i other than the above as a growth surface.

また、このとき、c面成長領域60では、傾斜界面30iが発生した位置に谷部60aを形成し、c面30cが消失した位置に山部60bを形成する。また、c面成長領域60では、山部60bを挟んだ両側に、c面30cと傾斜界面30iとの交点の軌跡として、一対の傾斜部60iを形成する。 At this time, in the c-plane growth region 60, valleys 60a are formed at positions where the inclined interfaces 30i are generated, and peaks 60b are formed at positions where the c-plane 30c disappears. In the c-plane growth region 60, a pair of inclined portions 60i are formed on both sides of the mountain portion 60b as loci of intersections between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

また、このとき、第1成長条件が式(1)を満たすことで、隣接する2つの谷部60aのそれぞれの中心を通る断面を見たときの一対の傾斜部60iのなす角度βを、例えば、70°以下とする。 Further, at this time, when the first growth condition satisfies the formula (1), the angle β formed by the pair of inclined portions 60i when looking at the cross section passing through the respective centers of the two adjacent valley portions 60a is, for example, , 70° or less.

これらの領域については、詳細を後述する。 Details of these areas will be described later.

(S240:傾斜界面維持工程)
傾斜界面拡大層32の表面からc面30cを消失させた後、傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220と同様に、上述の第1成長条件で維持する。
(S240: inclined interface maintenance step)
After the c-plane 30c has disappeared from the surface of the inclined interface enlarging layer 32, the growth conditions in the inclined interface maintaining step S240 are maintained at the first growth conditions described above, similarly to the inclined interface enlarging step S220.

これにより、図6(a)に示すように、傾斜界面成長領域70が沿面断面の80%以上の面積を占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って3次元成長層30の成長を継続させる。その結果、傾斜界面拡大層32上に傾斜界面維持層34が形成される。 As a result, as shown in FIG. 6(a), the three-dimensional growth layer 30 is grown over a predetermined thickness while maintaining the state where the inclined interface growth region 70 occupies 80% or more of the creeping cross section. continue. As a result, the graded interface maintaining layer 34 is formed on the graded interface enlarging layer 32 .

ここで、3次元成長工程S200において、上述のように転位の伝播方向を確実に曲げて転位密度を低減させるためには、3次元成長層30の任意の位置で成長界面の履歴を見たときに、少なくとも一度はc面30cが消失していることが重要となる。このため、3次元成長工程S200の早い段階(例えば上述の傾斜界面拡大工程S220)で、少なくとも一度はc面30cが消失することが望ましい。 Here, in the three-dimensional growth step S200, in order to reliably bend the dislocation propagation direction and reduce the dislocation density as described above, when the history of the growth interface is observed at an arbitrary position of the three-dimensional growth layer 30, Furthermore, it is important that the c-plane 30c disappears at least once. Therefore, it is desirable that the c-plane 30c disappears at least once in an early stage of the three-dimensional growth step S200 (for example, the above-described inclined interface enlarging step S220).

しかしながら、傾斜界面維持工程S240では、c面30cを少なくとも一度消失させた後であれば、傾斜界面維持層34の表面の一部においてc面30cが再度出現してもよい。ただし、第2下地層6の主面6sに沿った沿面断面(以下、単に「沿面断面」ともいう)において傾斜界面成長領域70の占める面積割合が80%以上となるように、傾斜界面維持層34の表面において、主に傾斜界面30iを露出させることが好ましい。沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合が80%未満となると、成長中にクラックが発生する可能性がある。また、スライスおよび研磨などの加工を施すことが困難となる可能性がある。これに対し、本実施形態では、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合を80%以上とすることで、成長中のクラックの発生を抑制することができ、また、スライスおよび研磨などの加工を容易に施すことができる。 However, in the inclined interface maintaining step S240, the c-plane 30c may reappear on a part of the surface of the inclined interface maintaining layer 34 after the c-plane 30c has disappeared at least once. However, the sloped interface maintaining layer is added so that the sloped interface growth region 70 accounts for 80% or more of the creepage cross section along the main surface 6s of the second underlayer 6 (hereinafter also simply referred to as the "creepage cross section"). At the surface of 34, it is preferable to expose mainly the inclined interface 30i. If the area ratio occupied by the inclined interface growth region 70 is less than 80% in the creeping cross section, cracks may occur during growth. Moreover, it may be difficult to perform processing such as slicing and polishing. On the other hand, in the present embodiment, by setting the area ratio of the inclined interface growth region 70 to 80% or more in the creeping cross section, it is possible to suppress the occurrence of cracks during the growth, and the slicing, polishing, and the like can be suppressed. Processing can be easily applied.

なお、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合は、高ければ高いほどよく、100%であることが好ましい。 It should be noted that the higher the ratio of the area occupied by the inclined interface growth region 70 in the creeping cross section, the better, and is preferably 100%.

しかしながら、上述のように、3次元成長工程200では、例えば、傾斜界面維持層34の表面の一部においてc面30cが再度出現し、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合が100%未満となることがある。この場合、3次元成長層30の一部に、傾斜界面成長領域70とc面成長領域(第2c面成長領域)80とが混在する。傾斜界面成長領域70では、n型不純物としての酸素を相対的に取り込みやすいのに対して、混在したc面成長領域80では、酸素の取り込みが相対的に抑制される。このため、c面成長領域80中における酸素濃度が傾斜界面成長領域70中の酸素濃度よりも低くなり、c面成長領域80中のキャリア濃度が傾斜界面成長領域70中のキャリア濃度よりも低くなる。その結果、傾斜界面成長領域70とc面成長領域80とが混在した領域からスライスした基板50では、キャリア濃度の面内ばらつきが生じてしまう可能性がある。 However, as described above, in the three-dimensional growth process 200, for example, the c-plane 30c reappears in part of the surface of the inclined interface sustaining layer 34, and the area ratio of the inclined interface growth region 70 in the creeping cross section is 100%. may be less than In this case, part of the three-dimensional growth layer 30 includes both the inclined interface growth region 70 and the c-plane growth region (second c-plane growth region) 80 . In the inclined interface growth region 70, oxygen as an n-type impurity is relatively easily incorporated, whereas in the mixed c-plane growth region 80, the incorporation of oxygen is relatively suppressed. Therefore, the oxygen concentration in the c-plane growth region 80 becomes lower than the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70, and the carrier concentration in the c-plane growth region 80 becomes lower than the carrier concentration in the inclined interface growth region 70. . As a result, in the substrate 50 sliced from the region where the inclined interface growth region 70 and the c-plane growth region 80 are mixed, in-plane variations in carrier concentration may occur.

そこで、本実施形態の3次元成長工程S200では、例えば、傾斜界面成長領域70中に取り込まれる酸素の濃度以上の濃度で、導電型不純物を添加することが好ましい。導電型不純物としては、例えば、n型不純物としてのSiまたはGeのうち少なくともいずれかである。例えば、3次元成長工程S200のうちの少なくとも傾斜界面維持工程S240において基板50のスライス予定位置に傾斜界面維持層34を成長しているときに、上述の濃度で導電型不純物を添加すればよい。なお、3次元成長層30の全体に、上述の濃度で導電型不純物を添加してもよい。このような導電型不純物の添加により、c面成長領域中のキャリア濃度が相対的に低くなることを抑制することができる。その結果、基板50において、キャリア濃度の面内ばらつきを抑制することができる。 Therefore, in the three-dimensional growth step S200 of the present embodiment, for example, it is preferable to add the conductivity type impurity at a concentration higher than the concentration of oxygen taken into the inclined interface growth region 70 . Conductive impurities include, for example, at least one of Si and Ge as n-type impurities. For example, at least in the inclined interface maintaining step S240 of the three-dimensional growth step S200, when the inclined interface maintaining layer 34 is grown at the planned slicing position of the substrate 50, the conductivity type impurity may be added at the above concentration. Incidentally, the conductive impurity may be added to the entire three-dimensional growth layer 30 at the concentration described above. Addition of such a conductivity type impurity can suppress a relative decrease in the carrier concentration in the c-plane growth region. As a result, in-plane variations in carrier concentration can be suppressed in the substrate 50 .

また、このとき、傾斜界面維持工程S240において、第1成長条件下で、主に傾斜界面30iを成長面として傾斜界面維持層34を成長させることで、上述のように、傾斜界面拡大層32において傾斜界面30iが露出した位置で、c軸に対して傾斜した方向に向けて屈曲して伝播した転位は、傾斜界面維持層34においても同じ方向に伝播し続ける。これにより、傾斜界面維持層34のうち、隣接する傾斜界面30iの会合部で、局所的に転位が集められる。傾斜界面維持層34において隣接する傾斜界面30iの会合部に集められた複数の転位のうち、互いに相反するバーガースベクトルを有する転位同士は、会合時に消失する。また、隣接する傾斜界面30iの会合部に集められた複数の転位の一部は、ループを形成し、c軸に沿った方向(すなわち、傾斜界面維持層34の表面側)に伝播することが抑制される。なお、傾斜界面維持層34において隣接する傾斜界面30iの会合部に集められた複数の転位のうちの他部は、その伝播方向をc軸に対して傾斜した方向からc軸に沿った方向に再度変化させ、傾斜界面維持層34の表面側まで伝播する。このように複数の転位の一部を消失させたり、複数の転位の一部をc面拡大層42の表面側に伝播することを抑制したりすることで、傾斜界面維持層34の表面における転位密度を低減することができる。また、転位を局所的に集めることで、傾斜界面維持層34のうち、転位がc軸に対して傾斜した方向に向けて伝播した部分の上方に、低転位密度領域を形成することができる。 At this time, in the inclined interface maintaining step S240, the inclined interface maintaining layer 34 is grown mainly using the inclined interface 30i as the growth surface under the first growth conditions, so that the inclined interface enlarging layer 32 At the position where the tilted interface 30i is exposed, the dislocation that has propagated while bending in the direction tilted with respect to the c-axis continues to propagate in the tilted interface maintaining layer 34 in the same direction. As a result, dislocations are locally collected at the meeting portions of the adjacent inclined interfaces 30 i in the inclined interface maintaining layer 34 . Of the plurality of dislocations gathered at the meeting portion of the adjacent inclined interfaces 30i in the inclined interface maintaining layer 34, the dislocations having mutually opposite Burgers vectors disappear at the time of meeting. Moreover, some of the plurality of dislocations collected at the meeting portion of the adjacent inclined interfaces 30i can form loops and propagate in the direction along the c-axis (that is, the surface side of the inclined interface maintaining layer 34). Suppressed. The other portion of the plurality of dislocations collected at the meeting portion of the adjacent inclined interfaces 30i in the inclined interface maintaining layer 34 propagates in a direction along the c axis from a direction inclined with respect to the c axis. It is changed again and propagates to the surface side of the inclined interface maintaining layer 34 . By eliminating some of the plurality of dislocations or suppressing propagation of some of the plurality of dislocations to the surface side of the c-plane enlarging layer 42 in this way, the dislocations on the surface of the inclined interface maintaining layer 34 Density can be reduced. In addition, by locally collecting dislocations, a low dislocation density region can be formed above a portion of the tilted interface maintaining layer 34 where dislocations are propagated in a direction tilted with respect to the c-axis.

また、このとき、3次元成長工程S200において、下地構造体10上に、傾斜界面拡大層32および傾斜界面維持層34を有する3次元成長層30を3次元成長させることで、下地構造体10の第2下地層6に蓄積した引張応力を3次元成長層30により相殺する応力相殺効果(応力緩和効果)を得ることができる。 At this time, in the three-dimensional growth step S200, the three-dimensional growth layer 30 having the inclined interface enlarging layer 32 and the inclined interface maintaining layer 34 is three-dimensionally grown on the underlying structure 10, thereby forming the underlying structure 10. A stress cancellation effect (stress relaxation effect) can be obtained in which the tensile stress accumulated in the second underlayer 6 is canceled out by the three-dimensional growth layer 30 .

3次元成長層30による応力相殺効果が得られる理由の1つとして、例えば、以下のような理由が考えられる。 One of the reasons why the three-dimensional growth layer 30 can obtain the stress canceling effect is, for example, as follows.

3次元成長工程S200において形成される傾斜界面成長領域70では、c面成長領域60と比較して、酸素を取り込みやすい。このため、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、上述のc面成長領域60中の酸素濃度よりも高くなる。つまり、傾斜界面成長領域70は、高酸素濃度領域として考えることができる。 Compared to the c-plane growth region 60, the inclined interface growth region 70 formed in the three-dimensional growth step S200 incorporates oxygen more easily. Therefore, the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70 is higher than the oxygen concentration in the c-plane growth region 60 described above. That is, the inclined interface growth region 70 can be considered as a high oxygen concentration region.

このように、高酸素濃度領域中に酸素を取り込むことで、高酸素濃度領域の格子定数を、高酸素濃度領域以外の他の領域の格子定数よりも大きくすることができる(参考:Chris G. Van de Walle, Physical Review B vol.68, 165209 (2003))。第2下地層6、または3次元成長層30のうちc面30cを成長面として成長したc面成長領域60には、第2下地層6のc面の湾曲によって、c面の曲率中心に向かって集中する応力が加わっている。これに対して、高酸素濃度領域の格子定数を相対的に大きくすることで、高酸素濃度領域には、c面30cを沿面方向の外側に広げる応力を生じさせることができる。これにより、高酸素濃度領域よりも下側でc面30cの曲率中心に向かって集中する応力と、高酸素濃度領域のc面30cを沿面方向の外側に広げる応力とを相殺させることができる。 By incorporating oxygen into the high oxygen concentration region in this way, the lattice constant of the high oxygen concentration region can be made larger than the lattice constant of the regions other than the high oxygen concentration region (reference: Chris G. Van de Walle, Physical Review B vol.68, 165209 (2003)). In the c-plane growth region 60 grown from the second underlayer 6 or the three-dimensional growth layer 30 with the c-plane 30c as the growth plane, the curvature of the c-plane of the second underlayer 6 causes the c-plane to grow toward the center of curvature of the c-plane. There is a stress that concentrates on On the other hand, by relatively increasing the lattice constant of the high oxygen concentration region, it is possible to generate stress in the high oxygen concentration region that expands the c-plane 30c outward in the surface direction. As a result, the stress that concentrates toward the center of curvature of the c-plane 30c below the high oxygen concentration region and the stress that spreads the c-plane 30c in the high oxygen concentration region outward in the surface direction can be offset.

このように3次元成長層30による応力相殺効果を得ることで、第2下地層6中に引張応力が蓄積した状態で3次元成長層30を厚く成長させたとしても、3次元成長層30のうちの下地構造体10側と表面側とで応力差が生じることを抑制することができる。これにより、3次元成長層30にクラック等が発生することを抑制することができる。 By obtaining the stress canceling effect of the three-dimensional growth layer 30 in this way, even if the three-dimensional growth layer 30 is grown thick while the tensile stress is accumulated in the second underlayer 6, the three-dimensional growth layer 30 will not be damaged. It is possible to suppress the occurrence of a stress difference between the underlying structure 10 side and the surface side. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like in the three-dimensional growth layer 30 .

また、このとき、上述の応力相殺効果を得ることにより、クラックを発生させることなく、傾斜界面維持層34の厚さを厚くすることができる。具体的には、傾斜界面維持層34の厚さを、例えば、傾斜界面拡大層32の谷部30vから頂部30tまでの凹凸高さ分に、300μm以上10mm以下を加算した厚さとする。凹凸高さ分に加算する傾斜界面維持層34の厚さを300μm以上とすることで、後述のスライス工程S400において、傾斜界面維持層34から少なくとも1枚以上の基板50をスライスすることができる。一方で、凹凸高さ分に加算する傾斜界面維持層34の厚さを10mmとすることで、最終的な厚さを650μmとし、700μm厚の基板50を傾斜界面維持層34からスライスする場合に、カーフロス200μm程度を考慮しても、少なくとも10枚の基板50を得ることができる。 Moreover, at this time, the thickness of the inclined interface preserving layer 34 can be increased without causing cracks by obtaining the above-described stress canceling effect. Specifically, the thickness of the inclined interface maintaining layer 34 is, for example, a thickness obtained by adding 300 μm or more and 10 mm or less to the unevenness height from the valley portion 30 v to the top portion 30 t of the inclined interface enlarging layer 32 . By setting the thickness of the inclined interface preserving layer 34 added to the height of the unevenness to 300 μm or more, at least one or more substrates 50 can be sliced from the inclined interface preserving layer 34 in the slicing step S400 described later. On the other hand, by setting the thickness of the sloped interface preserving layer 34 to be added to the height of the unevenness to 10 mm, the final thickness is 650 μm. , at least 10 substrates 50 can be obtained even if the kerf loss of about 200 μm is considered.

また、このとき、上述の応力相殺効果を得ることにより、傾斜界面維持層34の厚さを厚くするにつれて、凹の球面状に湾曲した傾斜界面維持層34のc面を、徐々に平坦にしていくことができる。すなわち、傾斜界面維持層34のc面の曲率半径を徐々に大きくすることができる。 At this time, by obtaining the above-described stress canceling effect, as the thickness of the inclined interface maintenance layer 34 is increased, the c-plane of the inclined interface maintenance layer 34 curved in a concave spherical shape is gradually flattened. can go That is, the radius of curvature of the c-plane of the inclined interface maintaining layer 34 can be gradually increased.

また、このとき、3次元成長層30の高酸素濃度領域の格子定数を相対的に大きくし、c面30cを徐々に平坦にしていきながら、3次元成長層30を成長させることで、3次元成長層30のc面30cの平坦化に伴って、3次元成長層30の下の第2下地層6に対してc面を平坦とする応力を与えることができる。これにより、as-grownの状態で主面6s側に凹に湾曲していた第2下地層6全体を、徐々に平坦に矯正していくことができる。 At this time, the lattice constant of the high oxygen concentration region of the three-dimensional growth layer 30 is relatively increased, and the three-dimensional growth layer 30 is grown while gradually flattening the c-plane 30c. As the c-plane 30c of the growth layer 30 is flattened, a stress for flattening the c-plane can be applied to the second underlayer 6 under the three-dimensional growth layer 30 . As a result, the entire second underlayer 6, which is concavely curved toward the main surface 6s in the as-grown state, can be gradually flattened.

また、このとき、傾斜界面維持層34の成長の最後において、主に傾斜界面30iを成長面とした成長が維持されていれば、傾斜界面維持層34の表面において、第2下地層6の主面6sに対する傾斜界面30iがなす傾斜角度を必ずしも維持しなくてもよい。例えば、傾斜界面維持層34の成長の最後において、傾斜界面維持層34の凹部30pの少なくとも一部を埋め込んでもよい。この場合、傾斜界面30iの傾斜角度を徐々に緩やかにし、{11-2m}面の指数mを徐々に大きくしていってもよい。 Further, at this time, if the growth of the inclined interface preserving layer 34 is maintained mainly with the inclined interface 30 i as the growth surface at the end of the growth of the inclined interface preserving layer 34 , the second underlayer 6 is mainly formed on the surface of the inclined interface preserving layer 34 . The inclination angle formed by the inclined interface 30i with respect to the surface 6s may not necessarily be maintained. For example, at the end of the growth of the graded interface preserving layer 34, at least part of the recesses 30p of the graded interface preserving layer 34 may be embedded. In this case, the inclination angle of the inclined interface 30i may be gradually moderated, and the index m of the {11-2m} plane may be gradually increased.

以上の3次元成長工程S200により、傾斜界面拡大層32および傾斜界面維持層34を有する3次元成長層30が形成される。 Through the three-dimensional growth step S200 described above, the three-dimensional growth layer 30 having the inclined interface enlarging layer 32 and the inclined interface maintaining layer 34 is formed.

(S300:剥離工程)
3次元成長層30の成長が終了した後、図6(b)に示すように、第2下地層6および3次元成長層30を有する積層構造体90を、下地基板1から剥離させる。
(S300: peeling step)
After the growth of the three-dimensional growth layer 30 is completed, the laminated structure 90 having the second base layer 6 and the three-dimensional growth layer 30 is separated from the base substrate 1 as shown in FIG. 6(b).

具体的には、気相成長装置のチャンバ内を冷却する過程において、上述の積層構造体90と下地基板1との間に、これらの線膨張係数差によって、応力を発生させる。例えば、サファイアからなる下地基板1は、主にGaNからなる積層構造体90よりも大きい線膨張係数を有するため、下地基板1を積層構造体90に対して収縮させる応力を発生させる。 Specifically, in the process of cooling the inside of the chamber of the vapor phase growth apparatus, stress is generated between the laminated structure 90 and the underlying substrate 1 due to the difference in linear expansion coefficients. For example, the base substrate 1 made of sapphire has a larger coefficient of linear expansion than the laminated structure 90 mainly made of GaN, so that stress is generated that causes the base substrate 1 to contract with respect to the laminated structure 90 .

これにより、金属窒化層5と第2下地層6との間に形成された平らな空隙を起因として、上述の積層構造体90を下地基板1から自然に剥離させる。その結果、積層構造体90にクラックを生じさせることなく、積層構造体90を下地基板1から剥離させることができる。 As a result, due to the flat gap formed between the metal nitride layer 5 and the second underlayer 6 , the laminate structure 90 described above is naturally peeled off from the undersubstrate 1 . As a result, the laminated structure 90 can be separated from the underlying substrate 1 without causing cracks in the laminated structure 90 .

このとき、上述のように、3次元成長層30の成長過程で、3次元成長層30のc面30cの平坦化に倣って、第2下地層6全体を徐々に平坦にしたことで、下地基板1から剥離した積層構造体90において、第2下地層6の裏面を平坦にすることができる。 At this time, as described above, by following the flattening of the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 during the growth process of the three-dimensional growth layer 30, the whole of the second underlayer 6 is gradually flattened. In the laminated structure 90 separated from the substrate 1, the back surface of the second base layer 6 can be flattened.

以上の工程により、本実施形態の積層構造体90が得られる。 Through the steps described above, the laminated structure 90 of the present embodiment is obtained.

なお、以上の第2下地層形成工程S150から剥離工程S300までの工程を、下地基板1を大気暴露することなく、同一の気相成長装置内で連続的に行う。これにより、第2下地層6と3次元成長層30との間の界面に、意図しない高酸素濃度領域(傾斜界面成長領域70よりも過剰に高い酸素濃度を有する領域)が形成されることを抑制することができる。 The steps from the second base layer forming step S150 to the peeling step S300 described above are continuously performed in the same vapor phase growth apparatus without exposing the base substrate 1 to the atmosphere. This prevents the formation of an unintended high oxygen concentration region (region having an excessively higher oxygen concentration than the inclined interface growth region 70) at the interface between the second underlayer 6 and the three-dimensional growth layer 30. can be suppressed.

(S400:スライス工程)
次に、図7に示すように、例えば、第2下地層6の主面6sと略平行な切断面に沿ってワイヤーソーにより3次元成長層30をスライスする。これにより、アズスライス基板としての窒化物半導体基板50(基板50ともいう)を少なくとも1つ形成する。このとき、基板50の厚さを、例えば、300μm以上700μm以下とする。
(S400: Slicing step)
Next, as shown in FIG. 7, for example, the three-dimensional growth layer 30 is sliced with a wire saw along a cut plane substantially parallel to the main surface 6s of the second underlayer 6. Next, as shown in FIG. Thus, at least one nitride semiconductor substrate 50 (also referred to as substrate 50) is formed as an as-sliced substrate. At this time, the thickness of the substrate 50 is, for example, 300 μm or more and 700 μm or less.

このとき、例えば、傾斜界面維持層34をスライスすることで、基板50を形成する。また、例えば、第2下地層6から継続するc面成長領域60が最後に消失した位置(すなわちc面成長領域60の山部60b)から上方に離れた位置で、傾斜界面維持層34をスライスする。これにより、転位が低減された基板50を安定的に得ることができる。 At this time, for example, the substrate 50 is formed by slicing the inclined interface maintaining layer 34 . Further, for example, the inclined interface maintaining layer 34 is sliced at a position above the position where the c-plane growth region 60 continuing from the second underlayer 6 disappears last (that is, the crest 60b of the c-plane growth region 60). do. Thereby, the substrate 50 with reduced dislocations can be stably obtained.

(S500:研磨工程)
次に、研磨装置により基板50の両面を研磨する。なお、このとき、最終的な基板50の厚さを、例えば、250μm以上650μm以下とする。
(S500: polishing step)
Next, both surfaces of the substrate 50 are polished by a polishing device. At this time, the final thickness of the substrate 50 is, for example, 250 μm or more and 650 μm or less.

以上の工程S100~S500により、本実施形態に係る基板50が製造される。 Through the steps S100 to S500 described above, the substrate 50 according to the present embodiment is manufactured.

(半導体積層物の作製工程および半導体装置の作製工程)
基板50が製造されたら、例えば、基板50上にIII族窒化物半導体からなる半導体機能層をエピタキシャル成長させ、半導体積層物を作製する。半導体積層物を作製したら、半導体積層物を用いて電極等を形成し、半導体積層物をダイシングし、所定の大きさのチップを切り出す。これにより、半導体装置を作製する。
(Semiconductor Laminate Manufacturing Process and Semiconductor Device Manufacturing Process)
After the substrate 50 is manufactured, for example, a semiconductor functional layer made of a Group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the substrate 50 to produce a semiconductor laminate. After manufacturing the semiconductor laminate, electrodes and the like are formed using the semiconductor laminate, the semiconductor laminate is diced, and chips of a predetermined size are cut out. Thus, a semiconductor device is manufactured.

(2)積層構造体
次に、図6(b)を用い、本実施形態に係る積層構造体90について説明する。
(2) Laminated Structure Next, a laminated structure 90 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 6(b).

本実施形態の積層構造体90は、例えば、第2下地層6と、3次元成長層30と、を有している。なお、第2下地層6は、単に「下地層」と言い換えることができる。 The laminated structure 90 of this embodiment has, for example, the second base layer 6 and the three-dimensional growth layer 30 . In addition, the second underlayer 6 can be simply referred to as "underlayer".

第2下地層6は、例えば、III族窒化物の単結晶からなっている。第2下地層6は、例えば、鏡面化された主面6s(の痕跡)を有している。第2下地層6の主面6sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面である。 The second underlayer 6 is made of, for example, a group III nitride single crystal. The second underlayer 6 has, for example, (a trace of) a mirror-finished main surface 6s. The closest low-index crystal plane to the main surface 6s of the second underlayer 6 is, for example, the c-plane.

第2下地層6は、例えば、第2下地層形成工程S150での成長面の違いに基づいて、主面6sと反対の裏面側に、下地側傾斜界面成長領域(下地側高酸素濃度領域)(不図示)を有している。下地側傾斜界面成長領域は、第2下地層6の初期核が横方向成長したときに、傾斜界面を成長面として成長した領域である。下地側傾斜界面成長領域は、例えば、後述の傾斜界面成長領域70の酸素濃度と同等の酸素濃度を有している。 The second underlayer 6 is formed, for example, on the back surface side opposite to the main surface 6s based on the difference in the growth surface in the second underlayer forming step S150. (not shown). The underlayer-side inclined interface growth region is a region grown using the inclined interface as a growth surface when the initial nucleus of the second underlayer 6 grows laterally. The underlayer-side inclined interface growth region has, for example, an oxygen concentration equivalent to that of an inclined interface growth region 70, which will be described later.

3次元成長層30は、例えば、第2下地層6上に成長している。 The three-dimensional growth layer 30 is grown on the second underlayer 6, for example.

3次元成長層30は、例えば、III族窒化物半導体の単結晶の頂面30uに、c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせ、c面30cを消失させることで形成される複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを有している。第2下地層6の主面6sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離は、例えば、100μm超である。 The three-dimensional growth layer 30 is formed, for example, by forming a plurality of recesses 30p constituted by inclined interfaces 30i other than the c-plane on the top surface 30u of the single crystal of the group III nitride semiconductor, thereby eliminating the c-plane 30c. It has a plurality of valleys 30v and a plurality of crests 30t formed therein. When viewing an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 6s of the second underlayer 6, the average distance between the closest tops is, for example, more than 100 μm.

また、3次元成長層30は、例えば、成長過程での成長面の違いに基づいて、c面成長領域(第1低酸素濃度領域)60と、傾斜界面成長領域(高酸素濃度領域)70と、を有している。 Also, the three-dimensional growth layer 30 is divided into, for example, a c-plane growth region (first low oxygen concentration region) 60 and an inclined interface growth region (high oxygen concentration region) 70 based on the difference in the growth plane during the growth process. ,have.

c面成長領域60は、c面30cを成長面として成長した領域である。c面成長領域60では、上述のように、傾斜界面成長領域70と比較して、酸素の取り込みが抑制される。このため、c面成長領域60中の酸素濃度は、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度よりも低くなる。具体的には、c面成長領域60中の酸素濃度は、例えば、5×1016cm-3以下、好ましくは3×1016cm-3以下である。 The c-plane grown region 60 is a region grown using the c-plane 30c as a growth plane. As described above, in the c-plane growth region 60, oxygen uptake is suppressed compared to the inclined interface growth region 70. FIG. Therefore, the oxygen concentration in the c-plane growth region 60 is lower than that in the inclined interface growth region 70 . Specifically, the oxygen concentration in the c-plane growth region 60 is, for example, 5×10 16 cm −3 or less, preferably 3×10 16 cm −3 or less.

c面成長領域60は、第2下地層6の主面6s上に設けられている。 The c-plane growth region 60 is provided on the major surface 6s of the second underlayer 6 .

c面成長領域60は、例えば、断面視で、複数の谷部60aおよび複数の山部60bを有する。なお、ここでいう谷部60aおよび山部60bのそれぞれは、積層構造体90の断面を蛍光顕微鏡等で観察したときに発光強度差に基づいて観察される形状の一部分を意味し、3次元成長層30の成長途中で生じる最表面の形状の一部分を意味するものではない。複数の谷部60aのそれぞれは、断面視で、c面成長領域60のうち下に凸の変曲点であって、傾斜界面30iが発生した位置に形成される。複数の谷部60aのうち少なくとも1つは、第2下地層6の主面6sから上方に離れた位置に設けられている。一方で、複数の山部60bのそれぞれは、断面視で、c面成長領域60のうち上に凸の変曲点であって、互いに相反する方向を向いて拡大した一対の傾斜界面30iを挟んでc面30cが(最後に)消失した位置に形成される。谷部60aおよび山部60bは、第2下地層6の主面6sに沿った方向に交互に形成される。 The c-plane growth region 60 has, for example, a plurality of valleys 60a and a plurality of peaks 60b in a cross-sectional view. Here, each of the valley portion 60a and the peak portion 60b means a part of the shape observed based on the difference in emission intensity when the cross section of the laminated structure 90 is observed with a fluorescence microscope or the like, and is three-dimensionally grown. It does not mean a part of the shape of the outermost surface that occurs during the growth of the layer 30 . Each of the plurality of troughs 60a is formed at a position where the inclined interface 30i is generated, which is a downwardly convex inflection point in the c-plane growth region 60 in a cross-sectional view. At least one of the plurality of troughs 60a is provided at a position spaced upward from the main surface 6s of the second underlayer 6 . On the other hand, each of the plurality of peaks 60b is an upwardly convex inflection point in the c-plane growth region 60 in a cross-sectional view, and sandwiches a pair of inclined interfaces 30i expanded in opposite directions. is formed at the position where the c-plane 30c (finally) disappears. The trough portions 60a and the peak portions 60b are alternately formed in the direction along the main surface 6s of the second underlayer 6 .

第2下地層6の主面6sに垂直な任意の断面を見たときに、3次元成長層30の成長過程での最近接頂部間平均距離は、c面成長領域60の山部60b間の平均距離に相当する。c面成長領域60の山部60b間の平均距離は、例えば、100μm超である。 When viewing an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 6s of the second underlayer 6, the average distance between the nearest peaks during the growth process of the three-dimensional growth layer 30 is Corresponds to the average distance. The average distance between peaks 60b of the c-plane growth region 60 is, for example, over 100 μm.

c面成長領域60は、断面視で、複数の山部60bのうちの1つを挟んだ両側に、c面30cと傾斜界面30iとの交点の軌跡として設けられる一対の傾斜部60iを有している。なお、ここでいう傾斜部60iは、積層構造体90の断面を蛍光顕微鏡等で観察したときに発光強度差に基づいて観察される形状の一部分を意味し、3次元成長層30の成長途中で生じる最表面の傾斜界面30iを意味するものではない。 The c-plane growth region 60 has a pair of inclined portions 60i provided as trajectories of intersections of the c-plane 30c and the inclined interface 30i on both sides of one of the plurality of mountain portions 60b in a cross-sectional view. ing. Note that the inclined portion 60i here means a portion of the shape observed based on the difference in emission intensity when the cross section of the laminated structure 90 is observed with a fluorescence microscope or the like. It does not mean the resulting uppermost inclined interface 30i.

隣接する2つの谷部60aのそれぞれの中心を通る断面を見たときの一対の傾斜部60iのなす角度βは、例えば、70°以下、好ましくは、20°以上65°以下である。一対の傾斜部60iのなす角度βが70°以下であることは、第1成長条件において、3次元成長層30のうちのc面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iの成長レートGに対する、3次元成長層30のうちのc面30cの成長レートGc1の比率Gc1/Gが高かったことを意味する。これにより、c面以外の傾斜界面30iを容易に生じさせることができる。その結果、傾斜界面30iが露出した位置で、転位を容易に屈曲させることが可能となる。また、一対の傾斜部60iのなす角度βを70°以下とすることで、第2下地層6の上方に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを容易に生じさせることができる。さらに、一対の傾斜部60iのなす角度βを65°以下とすることで、c面以外の傾斜界面30iをさらに容易に生じさせることができ、第2下地層6の上方に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tをさらに容易に生じさせることができる。なお、一対の傾斜部60iのなす角度βを20°以上とすることで、3次元成長層30の谷部30vから頂部30tまでの高さが高くなることを抑制することができる。これにより、基板50をスライスしたときに谷部30vに起因した貫通ピットが発生して良品基板が取得できなくなる領域を極力少なくすることができる。 An angle β formed by a pair of inclined portions 60i when viewing a cross section passing through the respective centers of two adjacent valley portions 60a is, for example, 70° or less, preferably 20° or more and 65° or less. The fact that the angle β formed by the pair of inclined portions 60i is 70° or less means that the growth rate G i of the inclined interface 30i most inclined with respect to the c-plane 30c in the three-dimensional growth layer 30 under the first growth condition is , means that the ratio G c1 /G i of the growth rate G c1 of the c-plane 30 c of the three-dimensional growth layer 30 was high. This makes it possible to easily generate the inclined interface 30i other than the c-plane. As a result, the dislocation can be easily bent at the position where the inclined interface 30i is exposed. Further, by setting the angle β formed by the pair of inclined portions 60i to be 70° or less, it is possible to easily generate the plurality of valley portions 30v and the plurality of peak portions 30t above the second underlayer 6 . Furthermore, by setting the angle β formed by the pair of inclined portions 60i to 65° or less, the inclined interface 30i other than the c-plane can be more easily generated, and above the second underlayer 6, a plurality of valleys can be formed. 30v and multiple tops 30t can be produced more easily. By setting the angle β formed by the pair of inclined portions 60i to 20° or more, it is possible to suppress the height from the valley portion 30v to the top portion 30t of the three-dimensional growth layer 30 from increasing. As a result, when the substrate 50 is sliced, it is possible to minimize the area where a non-defective substrate cannot be obtained due to the occurrence of penetrating pits caused by the valley portion 30v.

一方で、傾斜界面成長領域70は、c面以外の傾斜界面30iを成長面として成長した領域である。傾斜界面成長領域70では、c面成長領域60と比較して、酸素を取り込みやすい。このため、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、c面成長領域60中の酸素濃度よりも高くなる。なお、傾斜界面成長領域70中に取り込まれる酸素は、例えば、気相成長装置内に意図せずに混入する酸素、または気相成長装置を構成する部材(石英部材等)から放出される酸素等である。具体的には、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、例えば、9×1017cm-3以上5×1019cm-3以下である。 On the other hand, the inclined interface growth region 70 is a region grown using the inclined interface 30i other than the c-plane as a growth plane. The inclined interface growth region 70 incorporates oxygen more easily than the c-plane growth region 60 . Therefore, the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70 is higher than that in the c-plane growth region 60 . The oxygen taken into the inclined interface growth region 70 is, for example, oxygen that is unintentionally mixed into the vapor phase growth apparatus, or oxygen that is released from members (such as quartz members) constituting the vapor phase growth apparatus. is. Specifically, the oxygen concentration in the graded interface growth region 70 is, for example, 9×10 17 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 or less.

傾斜界面成長領域70は、c面成長領域60の上に設けられている。傾斜界面成長領域70の下面は、例えば、c面成長領域60の形状に倣って形成される。 The sloped interface growth region 70 is provided on the c-plane growth region 60 . The lower surface of the inclined interface growth region 70 is formed following the shape of the c-plane growth region 60, for example.

傾斜界面成長領域70の少なくとも一部は、第2下地層6の主面6sに沿って連続して設けられている。すなわち、3次元成長層30を第2下地層6の主面6sに沿って切った沿面断面を複数見たときに、c面30cを成長面として成長したc面成長領域を含まない断面が、3次元成長層30の厚さ方向の少なくとも一部に存在していることが望ましい。 At least part of the inclined interface growth region 70 is provided continuously along the main surface 6 s of the second underlayer 6 . That is, when viewing a plurality of creepage cross sections of the three-dimensional growth layer 30 cut along the main surface 6s of the second underlayer 6, the cross section that does not include the c-plane growth region grown with the c-plane 30c as the growth plane is It is desirable to exist in at least part of the three-dimensional growth layer 30 in the thickness direction.

主に傾斜界面30iを成長面として傾斜界面維持層34を継続的に成長させたことで、3次元成長層30を第2下地層6の主面6sに沿って切った沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合は、例えば、80%以上である。 By continuously growing the inclined interface sustaining layer 34 mainly using the inclined interface 30i as the growth surface, the three-dimensional growth layer 30 is grown at the inclined interface in the creeping cross section cut along the main surface 6s of the second underlayer 6. The area ratio occupied by the region 70 is, for example, 80% or more.

なお、上述のように、所定の沿面断面において、傾斜界面成長領域70の占める面積割合が100%未満となることがある。すなわち、傾斜界面成長領域70とc面成長領域(第2低酸素濃度領域)80とが混在した沿面断面が生じることがある。c面成長領域80は、例えば、上述のc面成長領域60の酸素濃度と同等の酸素濃度を有している。 As described above, the area ratio of the inclined interface growth region 70 may be less than 100% in a predetermined creeping cross section. In other words, a creeping cross section in which the inclined interface growth region 70 and the c-plane growth region (second low oxygen concentration region) 80 are mixed may occur. The c-plane growth region 80 has, for example, the same oxygen concentration as that of the c-plane growth region 60 described above.

3次元成長層30の成長過程で、c面成長領域80が発生したり消失したりしているため、平面視でのc面成長領域80の大きさは、第2下地層6から3次元成長層30の表面に向けてランダムに変化している。 During the growth process of the three-dimensional growth layer 30, the c-plane growth regions 80 appear and disappear. It varies randomly towards the surface of layer 30 .

また、3次元成長層30の成長過程で、c面30cが少なくとも一度消失しているため、c面成長領域80は、第2下地層6から3次元成長層30の表面(最上面)まで連続していない。 In addition, since the c-plane 30c disappears at least once during the growth process of the three-dimensional growth layer 30, the c-plane growth region 80 is continuous from the second underlayer 6 to the surface (uppermost surface) of the three-dimensional growth layer 30. not.

また、本実施形態では、3次元成長層30の成長過程で、c面以外の傾斜界面30iが露出した位置で、該傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて、転位が屈曲して伝播することで、傾斜界面維持層34では、複数の転位の一部が消失したり、複数の転位の一部が傾斜界面維持層34の表面側に伝播することが抑制されたりしている。これにより、傾斜界面維持層34の表面における転位密度は、第2下地層6の主面6sにおける転位密度よりも低減されている。 Further, in the present embodiment, during the growth process of the three-dimensional growth layer 30, the dislocation bends in the direction substantially perpendicular to the inclined interface 30i at the position where the inclined interface 30i other than the c-plane is exposed. By propagating, in the graded interface preserving layer 34, some of the plurality of dislocations are eliminated, or propagation of some of the plurality of dislocations to the surface side of the graded interface preservation layer 34 is suppressed. Thereby, the dislocation density on the surface of the graded interface maintaining layer 34 is lower than the dislocation density on the main surface 6 s of the second underlayer 6 .

その他、本実施形態では、3次元成長層30の表面全体は+c面に配向して構成されており、3次元成長層30は、極性反転区(インバージョンドメイン)を含んでいない。この点において、本実施形態の積層構造体90は、いわゆるDEEP(Dislocation Elimination by the Epitaxial-growth with inverse-pyramidal Pits)法により形成された積層構造体とは異なり、すなわち、ピットの中心に位置するコアに極性反転区を含む積層構造体とは異なっている。 In addition, in the present embodiment, the entire surface of the three-dimensional growth layer 30 is oriented along the +c plane, and the three-dimensional growth layer 30 does not include polarity inversion domains (inversion domains). In this respect, the laminated structure 90 of the present embodiment is different from the laminated structure formed by the so-called DEEP (Dislocation Elimination by the Epitaxial-growth with inverse-pyramidal pits) method, that is, it is positioned at the center of the pit. It is different from a laminated structure that contains a polarity reversal area in the core.

(3)窒化物半導体基板(窒化物半導体自立基板、窒化物結晶基板)
次に、図9および10を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板50について説明する。図9(a)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板を示す概略上面図であり、(b)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板のm軸に沿った概略断面図であり、(c)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板のa軸に沿った概略断面図である。図10は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の主面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したカソードルミネッセンス像を示す模式図である。
(3) Nitride semiconductor substrate (nitride semiconductor free-standing substrate, nitride crystal substrate)
Next, the nitride semiconductor substrate 50 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9A is a schematic top view showing the nitride semiconductor substrate according to this embodiment, and FIG. 9B is a schematic cross-sectional view along the m-axis of the nitride semiconductor substrate according to this embodiment, (c) is a schematic cross-sectional view along the a-axis of the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment. FIG. 10 is a schematic diagram showing a cathodoluminescence image of the main surface of the nitride semiconductor substrate according to this embodiment observed with a scanning electron microscope (SEM).

本実施形態において、上述の製造方法によって得られる基板50は、例えば、III族窒化物半導体の単結晶からなる自立基板である。本実施形態では、基板50は、例えば、GaN自立基板である。 In this embodiment, the substrate 50 obtained by the manufacturing method described above is, for example, a self-supporting substrate made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor. In this embodiment, the substrate 50 is, for example, a GaN free-standing substrate.

基板50の直径は、例えば、2インチ以上である。また、基板50の厚さは、例えば、300μm以上1mm以下である。 The diameter of substrate 50 is, for example, 2 inches or more. Also, the thickness of the substrate 50 is, for example, 300 μm or more and 1 mm or less.

基板50は、例えば、エピタキシャル成長面となる主面50sを有している。本実施形態において、主面50sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面50cである。 The substrate 50 has, for example, a main surface 50s that serves as an epitaxial growth surface. In the present embodiment, the closest low-index crystal plane to the principal plane 50s is, for example, the c-plane 50c.

なお、基板50の主面50sは、例えば、鏡面化されており、基板50の主面50sの二乗平均粗さRMSは、例えば、1nm未満である。 The main surface 50s of the substrate 50 is, for example, mirror-finished, and the root-mean-square roughness RMS of the main surface 50s of the substrate 50 is, for example, less than 1 nm.

また、本実施形態では、基板50は、例えば、上述のように、極性反転区(インバージョンドメイン)を含んでいない。 Also, in this embodiment, the substrate 50 does not include, for example, inversion domains, as described above.

(不純物濃度)
次に、図10を用い、基板50の主面50s中の不純物濃度に関する特徴について説明する。
(impurity concentration)
Next, with reference to FIG. 10, features related to the impurity concentration in the main surface 50s of the substrate 50 will be described.

図10に示すように、基板50は、例えば、高酸素濃度領域70を有している。高酸素濃度領域70は、例えば、図6(a)で示したような傾斜界面30iを成長面として成長した傾斜界面成長領域70である。なお、これらについて同じ符号を用いる。高酸素濃度領域70中の酸素濃度は、上述のように、例えば、9×1017cm-3以上5×1019cm-3以下である。 As shown in FIG. 10, the substrate 50 has a high oxygen concentration region 70, for example. The high oxygen concentration region 70 is, for example, an inclined interface growth region 70 grown using the inclined interface 30i as a growth surface as shown in FIG. 6(a). In addition, the same code|symbol is used about these. The oxygen concentration in the high oxygen concentration region 70 is, for example, 9×10 17 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 or less as described above.

高酸素濃度領域70は上述のように高濃度の酸素を含んでいるため、少なくともIII族窒化物半導体のバンドギャップエネルギー付近における発光の少なくとも一部の波長を含む波長範囲で撮像したときのカソードルミネッセンス像(CL像)(または多光子励起顕微鏡像(2PPL像))では、高酸素濃度領域70は相対的に明るく観察される。 Since the high-oxygen-concentration region 70 contains high-concentration oxygen as described above, cathodoluminescence when imaged in a wavelength range including at least part of the wavelength of light emitted near the bandgap energy of the group III nitride semiconductor In the image (CL image) (or multiphoton excitation microscope image (2PPL image)), the high oxygen concentration region 70 is observed relatively bright.

高酸素濃度領域70の平面視での形状は、例えば、3次元成長層30の成長過程で生じた凹部30pの平面視での形状を反映し、略六角形の少なくとも一部を有している。高酸素濃度領域70の平面視での形状のうち、1つの略六角形は、他の略六角形と交差していてもよい。なお、2PPL像では、3次元成長層30の成長過程で生じた凹部30pの稜線の痕跡が、高酸素濃度領域70内に見えることがある。 The shape of the high oxygen concentration region 70 in plan view reflects, for example, the shape in plan view of the recess 30p generated in the growth process of the three-dimensional growth layer 30, and has at least a portion of a substantially hexagonal shape. . Among the shapes of the high oxygen concentration region 70 in a plan view, one substantially hexagon may intersect another substantially hexagon. In the 2PPL image, traces of the ridgelines of the concave portions 30p generated during the growth process of the three-dimensional growth layer 30 may be seen in the high oxygen concentration region 70. FIG.

本実施形態では、主面50sにおいて高酸素濃度領域70が占める面積割合は、例えば、80%以上である。言い換えれば、主面50sにおいて、20%以下の面積割合で、低酸素濃度領域80が存在していてもよい。 In the present embodiment, the area ratio of the high oxygen concentration region 70 in the main surface 50s is, for example, 80% or more. In other words, the low oxygen concentration region 80 may exist at an area ratio of 20% or less in the main surface 50s.

低酸素濃度領域80は、例えば、図6(a)で示した傾斜界面維持層34においてc面30cが再度出現したc面成長領域80である。なお、これらについて同じ符号を用いる。低酸素濃度領域80中の酸素濃度は、上述のように、例えば、5×1016cm-3以下、好ましくは3×1016cm-3以下である。 The low oxygen concentration region 80 is, for example, a c-plane growth region 80 in which the c-plane 30c reappears in the graded interface preserving layer 34 shown in FIG. 6(a). In addition, the same code|symbol is used about these. The oxygen concentration in the low oxygen concentration region 80 is, for example, 5×10 16 cm −3 or less, preferably 3×10 16 cm −3 or less, as described above.

平面視での低酸素濃度領域80の大きさは、例えば、基板50の主面50sの反対側の裏面から主面50sに向けてランダムに変化している。 The size of the low-oxygen-concentration region 80 in plan view varies, for example, randomly from the back surface opposite to the main surface 50s of the substrate 50 toward the main surface 50s.

低酸素濃度領域80は、例えば、基板50の主面50sの反対側の裏面から主面50sに向けて連続的に繋がっていない。 For example, the low oxygen concentration region 80 is not continuously connected from the back surface opposite to the main surface 50s of the substrate 50 toward the main surface 50s.

一方で、主面50sにおいて高酸素濃度領域70が占める面積割合は、100%であってもよく、すなわち、基板50は低酸素濃度領域80を有していなくてもよい。 On the other hand, the area ratio of the high oxygen concentration region 70 in the main surface 50s may be 100%, that is, the substrate 50 may not have the low oxygen concentration region 80 .

なお、主面50sにおいて高酸素濃度領域70が占める面積割合に基づいて、基板50の主面50s全体を平均した酸素濃度は、例えば、7×1017cm-3以上5×1019cm-3以下である。 Based on the area ratio of the high oxygen concentration region 70 in the main surface 50s, the average oxygen concentration of the entire main surface 50s of the substrate 50 is, for example, 7×10 17 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 . It is below.

本実施形態において、上述の製造方法によって得られる基板50は、例えば、n型である。本実施形態の基板50は、n型不純物として、例えば、上述の酸素(O)だけでなく、SiおよびGeの少なくともいずれかも含んでいる。基板50中の合計のn型不純物濃度は、例えば、1.0×1018cm-3以上1.0×1020cm-3以下である。 In this embodiment, the substrate 50 obtained by the manufacturing method described above is, for example, n-type. The substrate 50 of the present embodiment contains at least one of Si and Ge as well as the oxygen (O) described above, for example, as n-type impurities. The total n-type impurity concentration in the substrate 50 is, for example, 1.0×10 18 cm −3 or more and 1.0×10 20 cm −3 or less.

本実施形態の基板50では、SiおよびGeの少なくともいずれかだけでなく、Oも活性化している。このため、基板50中の自由電子濃度は、例えば、基板50中のO、SiおよびGeの合計の濃度と同等となっている。 In the substrate 50 of this embodiment, not only at least one of Si and Ge, but also O is activated. Therefore, the free electron concentration in the substrate 50 is equivalent to the total concentration of O, Si and Ge in the substrate 50, for example.

なお、本実施形態において、上述の製造方法によって得られる基板50中のn型不純物(導電型不純物)以外の不純物の濃度は低くなっている。 In this embodiment, the concentration of impurities other than the n-type impurities (conductivity-type impurities) in the substrate 50 obtained by the manufacturing method described above is low.

例えば、上述の製造方法によって得られる基板50中の水素濃度は、フラックス法またはアモノサーマル法などによって得られる基板よりも低くなっている。 For example, the hydrogen concentration in the substrate 50 obtained by the above manufacturing method is lower than that of the substrate obtained by the flux method, the ammonothermal method, or the like.

具体的には、基板50中の水素濃度は、例えば、1×1017cm-3未満、好ましくは5×1016cm-3以下である。 Specifically, the hydrogen concentration in the substrate 50 is, for example, less than 1.times.10.sup.17 cm.sup. -3 , preferably 5.times.10.sup.16 cm.sup. -3 or less.

(光学特性)
次に、基板50の光学特性について説明する。
(optical properties)
Next, optical properties of the substrate 50 will be described.

本実施形態の基板50は上述のように高酸素濃度領域70を有している。しかしながら、可視光域における基板50の吸収係数は、例えば、VAS法で得られる高品質な窒化物半導体基板のそれと同等となっている。 The substrate 50 of this embodiment has the high oxygen concentration region 70 as described above. However, the absorption coefficient of the substrate 50 in the visible light region is equivalent to that of a high-quality nitride semiconductor substrate obtained by the VAS method, for example.

具体的には、本実施形態の基板50では、500nm以上700nm以下の波長範囲における吸収係数は、例えば、0.15cm-1以下である。なお、当該波長範囲における基板50の吸収係数は、例えば、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板の吸収係数よりも低くなることがある。 Specifically, in the substrate 50 of the present embodiment, the absorption coefficient in the wavelength range from 500 nm to 700 nm is, for example, 0.15 cm −1 or less. Note that the absorption coefficient of the substrate 50 in the wavelength range may be lower than, for example, the absorption coefficient of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method.

また、本実施形態で製造される基板50は、結晶歪みが小さく、また、導電型不純物以外の不純物(例えば、n型不純物を補償する不純物等)をほとんど含んでいない状態となっている。これにより、本実施形態の基板50では、以下のように、自由キャリア吸収に基づく赤外域の吸収係数を、自由キャリア濃度および波長の関数として近似することができる。 In addition, the substrate 50 manufactured in this embodiment has a small crystal strain and hardly contains impurities other than conductive impurities (for example, impurities compensating for n-type impurities). As a result, in the substrate 50 of the present embodiment, the absorption coefficient in the infrared region based on free carrier absorption can be approximated as a function of free carrier concentration and wavelength as follows.

具体的には、波長をλ(μm)、27℃における基板50の吸収係数をα(cm-1)、基板50中の自由電子濃度をn(cm-3)、Kおよびaをそれぞれ定数としたときに、本実施形態の基板50では、少なくとも1μm以上2.5μm以下の波長範囲における吸収係数αが、最小二乗法で以下の式(3)により近似される。
α=nKλ ・・・(3)
(ただし、1.5×10-19≦K≦6.0×10-19、a=3)
Specifically, the wavelength is λ (μm), the absorption coefficient of the substrate 50 at 27° C. is α (cm −1 ), the free electron concentration in the substrate 50 is n (cm −3 ), and K and a are constants. Then, in the substrate 50 of the present embodiment, the absorption coefficient α in the wavelength range of at least 1 μm to 2.5 μm is approximated by the following equation (3) by the least-squares method.
α= nKλa (3)
(However, 1.5×10 −19 ≦K≦6.0×10 −19 , a=3)

なお、波長2μmにおいて、式(3)から求められる吸収係数αに対する、実測される吸収係数の誤差は、例えば、±0.1α以内、好ましくは±0.01α以内である。 At a wavelength of 2 μm, the error of the actually measured absorption coefficient with respect to the absorption coefficient α obtained from Equation (3) is, for example, within ±0.1α, preferably within ±0.01α.

本実施形態の基板50では、上述のように、高酸素濃度領域70と低酸素濃度領域80とが混在することがある。しかしながら、この場合であっても、高酸素濃度領域70と低酸素濃度領域80とは、基板50の主面50s内で均等にランダムに分散している。低酸素濃度領域80の平面視での大きさは、厚さ方向にランダムに変化している。また、低酸素濃度領域80は、厚さ方向に連続していない。このため、分光測定装置において、低酸素濃度領域80の平面視での大きさよりも充分に大きい所定の光照射サイズで、基板50の光学特性を測定したときには、基板50中における酸素濃度の面内分布の影響および酸素濃度の厚さ方向分布の影響を平均化した情報が得られる。したがって、本実施形態の基板50では、透過率および反射率の面内ばらつきは小さくなる。 In the substrate 50 of this embodiment, the high oxygen concentration region 70 and the low oxygen concentration region 80 may coexist as described above. However, even in this case, the high-oxygen concentration regions 70 and the low-oxygen concentration regions 80 are evenly and randomly dispersed within the main surface 50s of the substrate 50 . The size of the low-oxygen concentration region 80 in plan view varies randomly in the thickness direction. Also, the low oxygen concentration region 80 is not continuous in the thickness direction. Therefore, when the optical characteristics of the substrate 50 are measured with a spectrometer using a predetermined light irradiation size sufficiently larger than the size of the low oxygen concentration region 80 in plan view, the in-plane oxygen concentration in the substrate 50 is Information is obtained that averages the effect of the distribution and the effect of the oxygen concentration distribution in the thickness direction. Therefore, in the substrate 50 of the present embodiment, in-plane variations in transmittance and reflectance are reduced.

具体的には、基板50の主面50s内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の透過率を測定したときに、500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における透過率の、主面50s内のばらつきは、例えば、±0.5%以内、好ましくは±0.3%以内である。 Specifically, when the transmittance of light in the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is measured at a plurality of different points in the main surface 50s of the substrate 50, the transmission at each wavelength within the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less The variation of the ratio within the main surface 50s is, for example, within ±0.5%, preferably within ±0.3%.

ただし、透過率測定の条件としては、光照射サイズは、例えば、3mm×3mmとする。また、主面50sの法線に対する光の入射角は、0°とする。また、透過率測定におけるリファレンスは無しとし、すなわち、光が全透過する場合に、透過率が100%とする。測定点は、例えば、3点以上とし、5点以上とすることが好ましい。 However, as a condition for transmittance measurement, the light irradiation size is, for example, 3 mm×3 mm. Also, the incident angle of light with respect to the normal to the main surface 50s is assumed to be 0°. Also, there is no reference in the transmittance measurement, that is, the transmittance is assumed to be 100% when all the light is transmitted. The number of measurement points is, for example, 3 or more, preferably 5 or more.

また、基板50の主面50s内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の反射率を測定したときに、500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における反射率の、主面50s内のばらつきは、例えば、±0.5%以内、好ましくは±0.3%以内である。 Further, when the reflectance of light in the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is measured at a plurality of different points in the main surface 50 s of the substrate 50, the reflectance at each wavelength within the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less, The variation within the main surface 50s is, for example, within ±0.5%, preferably within ±0.3%.

ただし、反射率測定の条件としては、光照射サイズは、例えば、10mm×5mmとする。また、主面50sの法線に対する光の入射角は、8°とする。また、反射率測定におけるリファレンスはAlミラーとする。測定点は、例えば、3点以上とし、5点以上とすることが好ましい。 However, as a condition for reflectance measurement, the light irradiation size is set to, for example, 10 mm×5 mm. Also, the incident angle of light with respect to the normal to the main surface 50s is 8°. An Al mirror is used as a reference in reflectance measurement. The number of measurement points is, for example, 3 or more, preferably 5 or more.

なお、上述の吸収係数、透過率および反射率については、実施例において詳細を後述する。 Details of the above absorption coefficient, transmittance and reflectance will be described later in Examples.

(暗点)
次に、図10を用い、本実施形態の基板50の主面50sにおける暗点について説明する。なお、ここでいう「暗点」とは、多光子励起顕微鏡における主面50sの観察像や、主面50sのカソードルミネッセンス像などにおいて観察される発光強度が低い点のことを意味し、転位だけでなく、異物または点欠陥を起因とした非発光中心も含んでいる。なお、「多光子励起顕微鏡」とは、二光子励起蛍光顕微鏡と呼ばれることもある。
(scotoma)
Next, dark spots on the main surface 50s of the substrate 50 of this embodiment will be described with reference to FIG. The term "dark point" as used herein means a point having a low emission intensity observed in an observation image of the main surface 50s with a multiphoton excitation microscope, a cathodoluminescence image of the main surface 50s, or the like. However, it also contains non-radiative centers caused by foreign matter or point defects. Note that the “multiphoton excitation microscope” is also called a two-photon excitation fluorescence microscope.

本実施形態では、高純度のGaN単結晶が得られるVAS法により作製された下地構造体10を用いて基板50が製造されているため、基板50中に、異物または点欠陥を起因とした非発光中心が少ない。 In the present embodiment, since the substrate 50 is manufactured using the base structure 10 manufactured by the VAS method that can obtain high-purity GaN single crystals, non-uniformity caused by foreign matter or point defects in the substrate 50 is present. Fewer luminescent centers.

したがって、図10に示した基板50の主面50sのCL像(または2PPL像)において、暗点の95%以上、好ましくは99%以上は、異物または点欠陥を起因とした非発光中心ではなく、転位(貫通転位)dとなる。 Therefore, in the CL image (or 2PPL image) of the main surface 50s of the substrate 50 shown in FIG. 10, 95% or more, preferably 99% or more of the dark spots are not non-luminous centers caused by foreign matter or point defects. , dislocation (threading dislocation) d.

また、本実施形態では、上述の製造方法により、傾斜界面維持層34において転位が局所的に集められ、傾斜界面維持層34の表面における転位密度が、第2下地層6の主面6sにおける転位密度よりも低減されている。これにより、傾斜界面維持層34をスライスして形成される基板50の主面50sにおいても、転位密度が低減されている。 In addition, in the present embodiment, dislocations are locally collected in the graded interface maintaining layer 34 by the manufacturing method described above, and the dislocation density on the surface of the graded interface maintaining layer 34 is reduced to the dislocation density on the main surface 6s of the second underlayer 6. reduced than density. As a result, the dislocation density is also reduced in the main surface 50s of the substrate 50 formed by slicing the inclined interface maintaining layer 34 .

また、本実施形態では、図10に示すように、上述の製造方法により、高酸素濃度領域70の略六角形の中心には、局所的に転位dが集中している。以下、高酸素濃度領域70内で転位dが相対的に集中した領域を「転位集中領域dca」ともいう。転位集中領域dcaの外側には、低転位密度領域が広く形成されている。 Further, in this embodiment, as shown in FIG. 10, dislocations d are locally concentrated at the center of the substantially hexagonal high oxygen concentration region 70 by the above-described manufacturing method. Hereinafter, the region in which the dislocations d are relatively concentrated in the high oxygen concentration region 70 is also referred to as "dislocation concentrated region dca". A low dislocation density region is widely formed outside the dislocation concentrated region dca.

また、本実施形態では、上述の製造方法により、パターン加工を施さない状態の下地構造体10を用いて、3次元成長工程S200を行ったことで、3次元成長層30をスライスして形成される基板50の主面50sにおいて、下地構造体10のパターン加工に起因して規則的に発生する高転位密度領域が形成されていない。言い換えれば、本実施形態の基板50では、転位集中領域dcaが存在したとしても、転位集中領域dcaはランダムに配置される。また、本実施形態の基板50の転位集中領域dcaでの転位密度は、下地構造体10にパターン加工を施した場合のそれよりも低くなっている。 In addition, in the present embodiment, the three-dimensional growth step S200 is performed using the underlying structure 10 that has not been patterned by the above-described manufacturing method, so that the three-dimensional growth layer 30 is sliced and formed. In the main surface 50 s of the substrate 50 , the high dislocation density regions that are regularly generated due to the patterning of the underlying structure 10 are not formed. In other words, in the substrate 50 of the present embodiment, even if dislocation concentrated regions dca exist, the dislocation concentrated regions dca are randomly arranged. Further, the dislocation density in the dislocation concentrated region dca of the substrate 50 of this embodiment is lower than that in the case where the underlying structure 10 is patterned.

具体的には、本実施形態では、多光子励起顕微鏡により視野250μm角で基板50の主面50sを観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度が3×10cm-2を超える領域が存在しない。また、転位密度が1×10cm-2未満である領域が主面50sの80%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上存在する。なお、カソードルミネッセンス像の観察によっても、多光子励起顕微鏡と同様の結果が得られる。 Specifically, in the present embodiment, when the main surface 50s of the substrate 50 is observed with a multiphoton excitation microscope in a field of view of 250 μm square and the dislocation density is obtained from the dark spot density, the dislocation density is 3×10 6 cm There are no regions above 2 . Further, the region having a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 is present in 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more of the main surface 50s. Observation of the cathodoluminescence image also yields the same result as obtained with the multiphoton excitation microscope.

なお、本実施形態の製造方法を用いた場合では、転位密度が1×10cm-2未満である領域の割合の上限値は、例えば、主面50sの99%となることがある。 Note that when the manufacturing method of the present embodiment is used, the upper limit of the proportion of the region with a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 may be 99% of the main surface 50s, for example.

言い換えれば、本実施形態では、基板50の主面50s全体を平均した転位密度は、例えば、1×10cm-2未満であり、好ましくは、5.5×10cm-2未満であり、より好ましくは3×10cm-2以下である。 In other words, in the present embodiment, the average dislocation density of the entire main surface 50s of the substrate 50 is, for example, less than 1×10 6 cm −2 , preferably less than 5.5×10 5 cm −2 . , more preferably 3×10 5 cm −2 or less.

また、本実施形態の基板50の主面50sは、例えば、上述の3次元成長工程S200での最近接頂部間平均距離Lに基づいて、小さくとも50μm角の無転位領域を含んでいる。また、50μm角の無転位領域は、例えば、上述の転位集中領域dcaを除く基板50の主面50s全体に亘って散在している。また、本実施形態の基板50の主面50sは、例えば、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上、好ましくは800個/cm以上、より好ましくは1600個/cm以上の密度で有している。重ならない50μm角の無転位領域の密度が1600個/cm以上である場合は、例えば、主面50sが250μm角の任意の視野内に少なくとも1つの50μm角の無転位領域を有する場合に相当する。 Further, the main surface 50s of the substrate 50 of the present embodiment includes a dislocation-free region of at least 50 μm square based on the average distance L between the closest tops in the three-dimensional growth step S200 described above, for example. Dislocation-free regions of 50 μm square are scattered over the entire main surface 50s of the substrate 50 except for the dislocation concentrated regions dca described above, for example. In addition, the main surface 50s of the substrate 50 of the present embodiment has, for example, 100/cm 2 or more, preferably 800/cm 2 or more, more preferably 1600/cm 2 or more dislocation-free regions of 50 μm square that do not overlap. has a density of When the density of non-overlapping 50 μm-square dislocation-free regions is 1600/cm 2 or more, for example, the main surface 50s has at least one 50 μm-square dislocation-free region within an arbitrary 250 μm-square field of view. do.

なお、重ならない50μm角の無転位領域の密度の上限値は、例えば、30000個/cm程度である。 The upper limit of the density of non-overlapping 50 μm square dislocation-free regions is, for example, about 30000/cm 2 .

参考までに、転位を集める特段の工程を行わない従来の製造方法で得られる基板では、無転位領域の大きさが50μm角よりも小さいか、或いは、50μm角の無転位領域の密度は100個/cmよりも低くなる。また、従来のELO法により得られる基板においても、無転位領域の大きさが50μm角よりも小さいか、或いは、50μm角の無転位領域の密度が100個/cmよりも低くなる。 For reference, in a substrate obtained by a conventional manufacturing method that does not perform a special step of collecting dislocations, the size of the dislocation-free regions is smaller than 50 μm square, or the density of the dislocation-free regions of 50 μm square is 100 pieces. / cm2 . Also, in the substrate obtained by the conventional ELO method, the size of the dislocation-free regions is smaller than 50 μm square, or the density of the dislocation-free regions of 50 μm square is lower than 100/cm 2 .

また、本実施形態では、上述のように基板50が低酸素濃度領域80を有する場合であっても、3次元成長層30の成長過程でc面30cが少なくとも一度消失しているため、主面50s側の低酸素濃度領域80の下方において、転位が屈曲されている。これにより、例えば、主面50sにおける低酸素濃度領域80が、上述の小さくとも50μm角の無転位領域を含んでいる場合がある。 Further, in the present embodiment, even when the substrate 50 has the low oxygen concentration region 80 as described above, the c-plane 30c disappears at least once during the growth process of the three-dimensional growth layer 30. Below the low oxygen concentration region 80 on the 50s side, dislocations are bent. As a result, for example, the low-oxygen-concentration region 80 in the main surface 50s may include a dislocation-free region of at least 50 μm square as described above.

また、本実施形態では、上述のように転位集中領域dcaでの転位密度が低くなっていることで、多光子励起顕微鏡により転位集中領域dcaを含む50μm角の視野で主面50sを観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度は、例えば、3×10cm-2未満である。なお、転位集中領域dcaを含む50μm角の視野では少なくとも1つの暗点が存在すると考えられることから、転位集中領域dcaを含む50μm角の視野での、転位密度の下限値は、例えば、4×10cm-2である。 Further, in the present embodiment, the dislocation density in the dislocation concentrated regions dca is low as described above, so that the main surface 50s can be observed with a multiphoton excitation microscope in a 50 μm square field of view including the dislocation concentrated regions dca. The dislocation density obtained from the dark spot density is, for example, less than 3×10 6 cm −2 . Since it is considered that at least one dark spot exists in the 50 μm-square field of view including the dislocation concentrated region dca, the lower limit of the dislocation density in the 50 μm-square field of view including the dislocation concentrated region dca is, for example, 4× 10 4 cm −2 .

(基底面転位)
次に、図10を用い、本実施形態の基板50の主面50sにおける基底面転位bpdについて説明する。
(basal plane dislocation)
Next, basal plane dislocations bpd on the main surface 50s of the substrate 50 of this embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態では、後述の傾斜界面成長領域70の応力相殺効果に起因して、3次元成長層30には、結晶歪みが加わり、基底面転位が生じうる。このため、図10に示すように、3次元成長層30をスライスして形成される基板50の主面50sのCL像では、基底面転位bpdが観察されることがある。 In the present embodiment, crystal strain is applied to the three-dimensional growth layer 30 due to the stress cancellation effect of the tilted interface growth region 70 described later, and basal plane dislocations may occur. Therefore, as shown in FIG. 10 , basal plane dislocations bpd may be observed in the CL image of the main surface 50s of the substrate 50 formed by slicing the three-dimensional growth layer 30 .

しかしながら、本実施形態では、マスク層を用いたELO法などで得られる基板と比較して、基板50の主面50sにおける基底面転位bpdが少ない。 However, in this embodiment, the number of basal plane dislocations bpd in the main surface 50s of the substrate 50 is less than that of a substrate obtained by the ELO method using a mask layer.

具体的には、主面50sのCL像において、長さ200μmの任意の仮想的な線分lsを引いたときに、該線分lsと基底面転位bpdとの交点の数は、例えば、10点以下、好ましくは5点以下である。なお、線分lsと基底面転位bpdとの交点の数の最小値は、例えば、0点である。 Specifically, in the CL image of the main surface 50s, when an arbitrary virtual line segment ls having a length of 200 μm is drawn, the number of intersections between the line segment ls and the basal plane dislocations bpd is, for example, 10. points or less, preferably 5 points or less. The minimum number of intersections between the line segment ls and the basal plane dislocations bpd is, for example, 0 points.

(バーガースベクトル)
次に、本実施形態の基板50における転位のバーガースベクトルについて説明する。
(Bergers vector)
Next, the Burgers vector of dislocations in the substrate 50 of this embodiment will be described.

本実施形態では、上述の製造方法で用いられる第2下地層6の主面6sにおける転位密度が低いため、第2下地層6上に3次元成長層30を成長させる際に、複数の転位が結合(混合)することが少ない。これにより、3次元成長層30から得られる基板50内において、大きいバーガースベクトルを有する転位の生成を抑制することができる。 In the present embodiment, since the dislocation density in the main surface 6s of the second underlayer 6 used in the manufacturing method described above is low, a plurality of dislocations are generated when the three-dimensional growth layer 30 is grown on the second underlayer 6. Less likely to combine (mix). Thereby, generation of dislocations having a large Burgers vector can be suppressed in the substrate 50 obtained from the three-dimensional growth layer 30 .

具体的には、本実施形態の基板50では、例えば、バーガースベクトルが<11-20>/3、<0001>、または<11-23>/3のうちいずれかである転位が多い。なお、ここでの「バーガースベクトル」は、例えば、透過電子顕微鏡(TEM)を用いた大角度収束電子回折法(LACBED法)により測定可能である。また、バーガースベクトルが<11-20>/3である転位は、刃状転位であり、バーガースベクトルが<0001>である転位は、螺旋転位であり、バーガースベクトルが<11-23>/3である転位は、刃状転位と螺旋転位とが混合した混合転位である。 Specifically, in the substrate 50 of the present embodiment, for example, there are many dislocations whose Burgers vector is <11-20>/3, <0001>, or <11-23>/3. The “Bergers vector” here can be measured by, for example, a large angle convergence electron diffraction method (LACBED method) using a transmission electron microscope (TEM). Further, a dislocation with a Burgers vector of <11-20>/3 is an edge dislocation, a dislocation with a Burgers vector of <0001> is a screw dislocation, and a Burgers vector of <11-23>/3 is a screw dislocation. Some dislocations are mixed dislocations in which edge dislocations and screw dislocations are mixed.

本実施形態では、基板50の主面50sにおける転位を無作為に100個抽出したときに、バーガースベクトルが<11-20>/3、<0001>または<11-23>/3のうちいずれかである転位の数の割合は、例えば、50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上である。なお、基板50の主面50s内の少なくとも一部において、バーガースベクトルが2<11-20>/3または<11-20>などである転位が存在していてもよい。 In the present embodiment, when 100 dislocations on the main surface 50s of the substrate 50 are randomly extracted, the Burgers vector is <11-20>/3, <0001> or <11-23>/3. is, for example, 50% or more, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. Dislocations having a Burgers vector of 2<11-20>/3 or <11-20> may be present in at least a portion of the main surface 50s of the substrate 50 .

(c面の曲率半径)
次に、図9を用い、本実施形態の基板50におけるc面50cの曲率半径について説明する。
(curvature radius of c-plane)
Next, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 of this embodiment will be described with reference to FIG.

図9(b)および(c)に示すように、本実施形態では、基板50の主面50sに対して最も近い低指数の結晶面としてのc面50cは、例えば、上述した基板50の製造方法に起因して、平坦となっているか、或いは、球面状に湾曲している。なお、基板50のc面50cは、例えば、主面50sに対して凹の球面状に湾曲していてもよいし、或いは、凸の球面状に湾曲していてもよい。または、基板50のc面50cは、例えば、略平坦となっていれば、主面50sに対して凹の球面状に湾曲した部分と、主面50sに対して凸の球面状に湾曲した部分と、を有していてもよい。 As shown in FIGS. 9B and 9C, in the present embodiment, the c-plane 50c as the low-index crystal plane closest to the major surface 50s of the substrate 50 is, for example, the substrate 50 manufactured as described above. Due to the method, it is either flat or spherically curved. In addition, the c-plane 50c of the substrate 50 may be curved in a concave spherical shape with respect to the main surface 50s, or may be curved in a convex spherical shape, for example. Alternatively, if the c-surface 50c of the substrate 50 is substantially flat, for example, a portion curved in a spherical shape concave with respect to the main surface 50s and a portion curved in a spherical shape convex with respect to the main surface 50s and may have

本実施形態では、基板50のc面50cは、例えば、m軸に沿った断面およびa軸に沿った断面のそれぞれにおいて、平坦となっているか、或いは、球面近似される曲面状となっている。 In this embodiment, the c-plane 50c of the substrate 50 is, for example, flat in each of the cross section along the m-axis and the cross-section along the a-axis, or has a curved surface that approximates a spherical surface. .

ここで、基板50の主面50s内での位置のうち、m軸に沿った方向の座標を「x」とする。一方で、基板50の主面50s内での位置のうち、a軸に沿った方向の座標を「y」とする。なお、基板50の主面50sの中心の座標(x,y)を(0,0)とする。また、主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのうち、m軸に沿った方向成分を「θ」とし、a軸に沿った方向成分を「θ」とする。なお、θ=θ +θ である。 Let “x” be the coordinate in the direction along the m-axis among the positions within the main surface 50 s of the substrate 50 . On the other hand, among the positions within the main surface 50s of the substrate 50, let the coordinate in the direction along the a-axis be "y". The coordinates (x, y) of the center of the main surface 50s of the substrate 50 are set to (0, 0). Of the off angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s, the directional component along the m-axis is defined as "θ m ", and the directional component along the a-axis is defined as "θ a ". Note that θ 2m 2a 2 .

本実施形態では、基板50のc面50cが上述のように平坦となっているか、或いは、球面状に湾曲していることから、オフ角m軸成分θおよびオフ角a軸成分θは、それぞれ、xの1次関数およびyの1次関数で近似的に表すことができる。 In the present embodiment, since the c-plane 50c of the substrate 50 is flat or spherically curved as described above, the off-angle m-axis component θm and the off-angle a-axis component θa are , can be approximately represented by a linear function of x and a linear function of y, respectively.

具体的には、例えば、主面50s内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、主面50sへ入射したX線と主面50sとがなすピーク角度ωを、直線上の位置に対してプロットしたときに、ピーク角度ωを位置の1次関数で近似することができる。なお、ここでいう「ピーク角度ω」とは、主面50sへ入射したX線と主面50sとがなす角度であって、回折強度が最大となる角度のことをいう。上述のように近似された1次関数の傾きの逆数により、c面50cの曲率半径を求めることができる。 Specifically, for example, the X-ray rocking curve measurement of the (0002) plane is performed at each position on a straight line passing through the center in the main surface 50s, and the peak formed by the X-ray incident on the main surface 50s and the main surface 50s When the angle ω is plotted against position on a line, the peak angle ω can be approximated by a linear function of position. Here, the “peak angle ω” is the angle formed by the X-ray incident on the main surface 50s and the main surface 50s, and is the angle at which the diffraction intensity is maximized. The radius of curvature of the c-plane 50c can be obtained from the reciprocal of the slope of the linear function approximated as described above.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径は、例えば、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc面の曲率半径よりも大きくなっている。 In this embodiment, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is, for example, larger than the radius of curvature of the c-plane of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method.

具体的には、c面50cのX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときに、当該1次関数の傾きの逆数により求められるc面50cの曲率半径は、例えば、15m以上、好ましくは20m以上、より好ましくは30m以上、さらに好ましくは40m以上である。 Specifically, when the peak angle ω is approximated by a linear function of position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane 50c, the radius of curvature of the c-plane 50c obtained by the reciprocal of the slope of the linear function is, for example, , 15 m or more, preferably 20 m or more, more preferably 30 m or more, and even more preferably 40 m or more.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径の上限値は、大きければ大きいほどよいため、特に限定されるものではない。基板50のc面50cが略平坦となる場合は、該c面50cの曲率半径が無限大であると考えればよい。 In the present embodiment, the upper limit of the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is not particularly limited because the larger the better. When the c-plane 50c of the substrate 50 is substantially flat, it can be considered that the radius of curvature of the c-plane 50c is infinite.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径が大きいことにより、基板50の主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのばらつきを、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc軸のオフ角のばらつきよりも小さくすることができる。 In the present embodiment, since the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is large, the variation in the off-angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s of the substrate 50 is measured by the conventional VAS method. It can be made smaller than the variation of the off-angle of the c-axis of the substrate.

また、本実施形態では、c面50cのX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときに、マスク層を用いたELO法などで得られる基板と比較して、1次関数に対するωの誤差が小さい。 In addition, in the present embodiment, when the peak angle ω is approximated by a linear function of the position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane 50c, it is 1 The error of ω with respect to the following function is small.

具体的には、上述のように近似した1次関数に対する、測定されたピーク角度ωの誤差は、例えば、0.05°以下、好ましくは0.02°以下、より好ましくは0.01°以下である。なお、少なくとも一部のピーク角度ωが1次関数と一致することがあるため、当該誤差の最小値は、0°である。 Specifically, the error of the measured peak angle ω with respect to the linear function approximated as described above is, for example, 0.05° or less, preferably 0.02° or less, more preferably 0.01° or less. is. Note that the minimum value of the error is 0° because at least part of the peak angle ω may match the linear function.

(半導体積層物におけるフォトルミネッセンス特性)
次に、基板50を用いて半導体積層物を作製したときの、半導体層のフォトルミネッセンス特性について説明する。
(Photoluminescence characteristics in semiconductor laminate)
Next, the photoluminescence characteristics of the semiconductor layer when the semiconductor laminate is produced using the substrate 50 will be described.

本実施形態では、上述のように基板50が高酸素濃度領域70を有しているが、基板50を用いて半導体積層物を作製したときに、基板50上に成長させた半導体層に対して、基板50を起因とした結晶歪みが生じることがほとんどない。このため、基板50上に成長させた半導体層のフォトルミネッセンスにおいて、半導体層の結晶歪みに起因したピークシフトが小さいか、或いは無い。 In this embodiment, the substrate 50 has the high oxygen concentration region 70 as described above. , crystal distortion caused by the substrate 50 hardly occurs. Therefore, in the photoluminescence of the semiconductor layer grown on the substrate 50, the peak shift caused by the crystal strain of the semiconductor layer is small or absent.

具体的には、以下の特性が得られる。まず、基板50と、所定のIII族窒化物半導体のノンドープの単結晶を基板50の主面50s上にエピタキシャル成長させた半導体層と、を有する積層物を作製する。一方で、基板50と同一のIII族窒化物半導体で高酸素濃度領域70よりも低い酸素濃度を面内均一に有する単結晶からなる基準基板と、上述の半導体層と同一の単結晶を基準基板上にエピタキシャル成長させた基準半導体層と、を有する基準積層物を作製する。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、半導体が意図的に添加した不純物を含まないことを意味し、半導体が不可避不純物を含む場合を含んでいる。次に、本実施形態の積層物の半導体層および基準積層物の基準半導体層のそれぞれにおけるフォトルミネッセンスを温度差1℃未満で(例えば27℃で)測定する。この場合に、本実施形態の積層物の半導体層における最大ピーク波長と、基準積層物の半導体層における最大ピーク波長との差は、例えば、1nm以下である。 Specifically, the following characteristics are obtained. First, a laminate having a substrate 50 and a semiconductor layer formed by epitaxially growing a non-doped single crystal of a predetermined Group III nitride semiconductor on the main surface 50s of the substrate 50 is produced. On the other hand, a reference substrate made of a single crystal which is the same group III nitride semiconductor as the substrate 50 and has an in-plane uniform oxygen concentration lower than that of the high oxygen concentration region 70, and a reference substrate which is the same single crystal as the semiconductor layer described above. and a reference semiconductor layer epitaxially grown thereon. The term "non-doped" as used herein means that the semiconductor does not contain intentionally added impurities, and includes the case where the semiconductor contains unavoidable impurities. Next, the photoluminescence in each of the semiconductor layer of the laminate of this embodiment and the reference semiconductor layer of the reference laminate is measured with a temperature difference of less than 1° C. (for example, at 27° C.). In this case, the difference between the maximum peak wavelength in the semiconductor layer of the laminate of this embodiment and the maximum peak wavelength in the semiconductor layer of the reference laminate is, for example, 1 nm or less.

(4)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。
(4) Effects obtained by this embodiment According to this embodiment, one or more of the following effects can be obtained.

(a)3次元成長工程S200において、3次元成長層30を構成する単結晶の表面にc面以外の傾斜界面30iを生じさせることで、傾斜界面30iが露出した位置で、該傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて、転位を屈曲させて伝播させることができる。これにより、転位を局所的に集めることができる。転位を局所的に集めることで、互いに相反するバーガースベクトルを有する転位同士を消失させることができる。または、局所的に集められた転位がループを形成することで、転位が3次元成長層30の表面側に伝播することを抑制することができる。このようにして、3次元成長層30の表面における転位密度を低減することができる。その結果、第2下地層6の主面6sにおける転位密度よりも転位密度を低減させた基板50を得ることができる。 (a) In the three-dimensional growth step S200, by forming an inclined interface 30i other than the c-plane on the surface of the single crystal constituting the three-dimensional growth layer 30, at the position where the inclined interface 30i is exposed, Dislocations can be bent and propagated in a direction substantially perpendicular to them. This allows dislocations to be locally collected. By locally gathering dislocations, dislocations having mutually opposite Burgers vectors can be eliminated. Alternatively, locally collected dislocations form loops, thereby suppressing propagation of dislocations to the surface side of the three-dimensional growth layer 30 . In this way, the dislocation density on the surface of the three-dimensional growth layer 30 can be reduced. As a result, the substrate 50 having a lower dislocation density than the main surface 6s of the second underlayer 6 can be obtained.

(b)3次元成長工程S200では、3次元成長層30の頂面30uから少なくとも一度c面30cを消失させる。これにより、第2下地層6から伝播する転位を、3次元成長層30における傾斜界面30iが露出した位置で、確実に屈曲させることができる。 (b) In the three-dimensional growth step S200, the c-plane 30c disappears from the top surface 30u of the three-dimensional growth layer 30 at least once. Thereby, the dislocations propagating from the second underlayer 6 can be reliably bent at the position where the inclined interface 30i in the three-dimensional growth layer 30 is exposed.

ここで、3次元成長工程において、c面が残存した場合について考える。この場合、c面が残存した部分では、第2下地層から伝播した転位が、屈曲されずに略鉛直上方向に伝播し、3次元成長層の表面にまで到達する。このため、c面が残存した部分の上方では、転位が低減されず、高転位密度領域が形成されてしまう。 Here, consider the case where the c-plane remains in the three-dimensional growth process. In this case, in the portion where the c-plane remains, the dislocation propagated from the second underlayer propagates substantially vertically upward without being bent, and reaches the surface of the three-dimensional growth layer. Therefore, dislocations are not reduced above the portion where the c-plane remains, and a high dislocation density region is formed.

これに対し、本実施形態によれば、3次元成長工程S200において、3次元成長層30の頂面30uから少なくとも一度c面30cを消失させることで、少なくとも一度、3次元成長層30の表面をc面以外の傾斜界面30iのみにより構成することができる。これにより、第2下地層6から伝播する転位を、3次元成長層30の表面全体に亘って、確実に屈曲させることができる。転位を確実に屈曲させることで、複数の転位の一部を消失させ易くし、または、複数の転位の一部を3次元成長層30の表面側に伝播し難くすることができる。その結果、3次元成長層30から得られる基板50の主面50s全体に亘って転位密度を低減することが可能となる。 On the other hand, according to the present embodiment, in the three-dimensional growth step S200, the c-plane 30c disappears from the top surface 30u of the three-dimensional growth layer 30 at least once, thereby changing the surface of the three-dimensional growth layer 30 at least once. It can be composed only of the inclined interface 30i other than the c-plane. Thereby, dislocations propagating from the second underlayer 6 can be reliably bent over the entire surface of the three-dimensional growth layer 30 . By reliably bending the dislocations, some of the plurality of dislocations can be made easier to disappear, or some of the plurality of dislocations can be less likely to propagate to the surface side of the three-dimensional growth layer 30 . As a result, it becomes possible to reduce the dislocation density over the entire main surface 50s of the substrate 50 obtained from the three-dimensional growth layer 30 .

(c)下地構造体10上に3次元成長層30を3次元成長させることで、上述のように、下地構造体10の第2下地層6に蓄積した引張応力を3次元成長層30により相殺する応力相殺効果(応力緩和効果)を得ることができる。 (c) By three-dimensionally growing the three-dimensional growth layer 30 on the underlying structure 10, the tensile stress accumulated in the second underlying layer 6 of the underlying structure 10 is offset by the three-dimensional growth layer 30 as described above. A stress canceling effect (stress relaxation effect) can be obtained.

このように3次元成長層30による応力相殺効果を得ることで、第2下地層6中に引張応力が蓄積した状態で3次元成長層30を厚く成長させたとしても、3次元成長層30のうちの下地構造体10側と表面側とで応力差が生じることを抑制することができる。これにより、3次元成長層30にクラック等が発生することを抑制することができる。 By obtaining the stress canceling effect of the three-dimensional growth layer 30 in this way, even if the three-dimensional growth layer 30 is grown thick while the tensile stress is accumulated in the second underlayer 6, the three-dimensional growth layer 30 will not be damaged. It is possible to suppress the occurrence of a stress difference between the underlying structure 10 side and the surface side. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like in the three-dimensional growth layer 30 .

(d)本実施形態では、上述した3次元成長層30による応力相殺効果を得ることで、3次元成長層30から得られる基板50のc面50cの曲率半径を容易に制御することができる。例えば、基板50のc面50cの曲率半径を、第2下地層を3次元成長層30と同じ厚さで成長させ3次元成長工程を行わずに第2下地層をスライスした場合の窒化物半導体基板、すなわち従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板の曲率半径よりも大きくすることができる。これにより、基板50の主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのばらつきを、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc軸のオフ角のばらつきよりも小さくすることができる。 (d) In the present embodiment, by obtaining the above-described stress canceling effect of the three-dimensional growth layer 30, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 obtained from the three-dimensional growth layer 30 can be easily controlled. For example, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is the same as that of the nitride semiconductor obtained by growing the second underlayer to the same thickness as the three-dimensional growth layer 30 and slicing the second underlayer without performing the three-dimensional growth step. The radius of curvature of the substrate, that is, the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method can be made larger. As a result, the variation in the off-angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s of the substrate 50 can be made smaller than the variation in the off-angle of the c-axis of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method. .

以上の(a)~(d)のように、本実施形態では、結晶品質が良好な基板50を容易かつ安定的に得ることができる。 As described in (a) to (d) above, in this embodiment, the substrate 50 with good crystal quality can be obtained easily and stably.

(e)本実施形態では、ボイド形成工程S140と3次元成長工程S200との間に第2下地層形成工程S150を行い、第2下地層6の主面6sを鏡面化させる。これにより、3次元成長層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。 (e) In the present embodiment, the second underlayer formation step S150 is performed between the void formation step S140 and the three-dimensional growth step S200 to mirror-finish the main surface 6s of the second underlayer 6 . As a result, the growth mode of the three-dimensional growth layer 30 can be changed from the growth mode of the island-shaped crystals generated in the initial stage of growth of the second underlayer 6 .

ここで、ボイド形成工程S140直後に第2下地層形成工程S150を行わずに3次元成長工程S200を行うと、3次元成長層の成長初期から、ボイド含有第1下地層の上方に金属窒化層を介して、3次元成長層が島状結晶として成長する。この場合、3次元成長層の島状結晶の頻度は、上述のように、金属窒化層のナノネット上に成長する際の過飽和度と、当該ナノネットの開口幅のばらつきとに依存する。このため、3次元成長層の頂部が密に形成され、3次元成長層の最近接頂部間平均距離が短くなる。3次元成長層の最近接頂部間平均距離が短くなると、転位が充分に集められない。その結果、3次元成長層の表面における転位密度を充分に低減することができない可能性がある。 Here, if the three-dimensional growth step S200 is performed without performing the second underlayer formation step S150 immediately after the void formation step S140, the metal nitride layer is formed above the void-containing first underlayer from the initial stage of growth of the three-dimensional growth layer. A three-dimensional growth layer grows as island crystals via the . In this case, the frequency of island crystals in the three-dimensional growth layer depends on the degree of supersaturation when growing on the nanonets of the metal nitride layer and the variation in the opening width of the nanonets, as described above. Therefore, the tops of the three-dimensional growth layer are densely formed, and the average distance between the nearest tops of the three-dimensional growth layer is shortened. If the average distance between the nearest apexes of the three-dimensional grown layer is short, dislocations cannot be collected sufficiently. As a result, it may not be possible to sufficiently reduce the dislocation density on the surface of the three-dimensional growth layer.

これに対し、本実施形態では、ボイド形成工程S140後に、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、上述のように、3次元成長層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。 On the other hand, in the present embodiment, after the void forming step S140, the main surface 6s of the second underlayer 6 is mirror-finished, so that the growth mode of the three-dimensional growth layer 30 is changed to that of the second underlayer 6 as described above. 6 can be changed from the island-like crystal growth morphology generated in the initial stage of growth.

すなわち、鏡面化した第2下地層6上に成長する3次元成長層30を、成長初期から島状結晶として成長させるのではなく、3次元成長工程S200での上述の第1成長条件に依存して3次元成長させることができる。このとき、3次元成長層30の最近接頂部間平均距離は、上述の第1成長条件としての、c面30cのc軸方向の成長レートGc0と傾斜界面30iの傾斜方向の成長レートGとの違いに依存する。これにより、3次元成長層30の最近接頂部間平均距離を第1成長条件に基づいて制御し、最近接頂部間距離を長くすることができる。 That is, the three-dimensional growth layer 30 grown on the mirror-finished second underlayer 6 is not grown as island crystals from the initial stage of growth, but depends on the first growth conditions in the three-dimensional growth step S200. can be grown three-dimensionally. At this time, the average distance between the nearest peaks of the three-dimensional growth layer 30 is the growth rate G c0 of the c-plane 30c in the c-axis direction and the growth rate G i depends on the difference between This makes it possible to control the average distance between the nearest apexes of the three-dimensional growth layer 30 based on the first growth condition and lengthen the distance between the nearest apexes.

また、本実施形態では、ボイド形成工程S140後に、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、ボイド含有第1下地層4および金属窒化層5の状態にかかわらず、第2下地層6の主面6sのモフォロジを全体に亘って略均一にすることができる。第2下地層6の主面6sのモフォロジを略均一にすることで、3次元成長工程S200において傾斜界面30iの発生状態を、3次元成長層30の表面全体に亘って略均一にすることができる。これにより、3次元成長層30の表面の一部に、最近接頂部間距離が短い領域が形成されることを抑制し、3次元成長層30の表面全体に亘って、最近接頂部間距離を略均一に長くすることができる。 In addition, in the present embodiment, after the void formation step S140, the main surface 6s of the second underlayer 6 is mirror-finished so that the second underlayer 6 can be formed regardless of the states of the void-containing first underlayer 4 and the metal nitride layer 5 The morphology of the main surface 6s of the stratum 6 can be made substantially uniform throughout. By making the morphology of the main surface 6s of the second underlayer 6 substantially uniform, the state of occurrence of the inclined interface 30i in the three-dimensional growth step S200 can be made substantially uniform over the entire surface of the three-dimensional growth layer 30. can. As a result, it is possible to suppress the formation of a region having a short distance between the nearest vertices on a part of the surface of the three-dimensional growth layer 30, and the distance between the nearest vertexes is reduced over the entire surface of the three-dimensional growth layer 30. It can be lengthened substantially uniformly.

これらの結果、本実施形態では、3次元成長層30の表面の一部に、転位密度が過度に高い領域が形成されることを抑制し、3次元成長層30の表面全体に亘って、転位密度を低くすることができる。 As a result, in the present embodiment, formation of a region with an excessively high dislocation density on a part of the surface of the three-dimensional growth layer 30 is suppressed, and dislocations are formed over the entire surface of the three-dimensional growth layer 30. Density can be lowered.

(f)本実施形態では、第2下地層6の主面6sの平坦化、第2下地層6の主面6s上へのマスク層の形成、および主面6sへの凹凸パターンの形成のうち、いずれのパターン加工も施さないas-grownの状態の下地構造体10に対して、3次元成長工程S200を行う。 (f) In the present embodiment, among the planarization of the main surface 6s of the second underlayer 6, the formation of the mask layer on the main surface 6s of the second underlayer 6, and the formation of the uneven pattern on the main surface 6s, , the three-dimensional growth step S200 is performed on the underlying structure 10 in the as-grown state that is not patterned.

ここでいう「マスク層」とは、例えば、いわゆるELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法において用いられ、酸化シリコンなどからなり所定の開口を有するマスク層のことを意味する。また、ここでいう「凹凸パターン」は、例えば、いわゆるペンデオエピタキシー法において用いられ、主面を直接パターニングしたトレンチおよびリッジのうち少なくともいずれかのことを意味する。ここでいう凹凸パターンの高低差は、例えば、100nm以上である。 The term "mask layer" as used herein means a mask layer which is used in, for example, the so-called ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method and which is made of silicon oxide or the like and has a predetermined opening. Further, the "concavo-convex pattern" referred to here means at least one of trenches and ridges directly patterned on the main surface, which is used, for example, in the so-called pendeo-epitaxy method. The height difference of the uneven pattern here is, for example, 100 nm or more.

上述のELO法やペンデオエピタキシー法では、マスク層または凹凸パターンの形成のため、基板の主面上にフォトレジストをパターニングする工程を行う。このとき、基板がas-grownの状態であって、主面に凹凸が生じていると、露光ギャップにばらつきが生じ、面内でパターンばらつきが生じてしまう可能性がある。このため、上述のフォトレジストのパターニング工程を行う前に、基板の主面を平坦化しなければならない。その結果、ELO法やペンデオエピタキシー法では、多くの工程が必要となる。 In the above-described ELO method and pendeo-epitaxy method, a step of patterning a photoresist on the main surface of the substrate is performed in order to form a mask layer or an uneven pattern. At this time, if the substrate is in an as-grown state and the main surface is uneven, the exposure gap may vary, resulting in pattern variations within the surface. Therefore, the main surface of the substrate must be planarized before performing the above-described photoresist patterning step. As a result, the ELO method and pendeoepitaxy method require many steps.

これに対し、本実施形態では、上述の製造方法により、パターン加工を施さないas-grownの状態の下地構造体10上に直接的に、3次元成長層30を3次元成長させることができる。これにより、所定の加工工程(スライス工程、平坦化(研磨)工程、フォトリソグラフィ工程、マスク層形成工程、凹凸パターン加工工程など)を不要とすることができ、本実施形態の工程数を削減することができる。その結果、本実施形態の歩留まりを向上しつつ、製造コストを低減することができる。 In contrast, in the present embodiment, the three-dimensional growth layer 30 can be three-dimensionally grown directly on the underlying structure 10 in the as-grown state without patterning by the above-described manufacturing method. As a result, predetermined processing steps (slicing, planarization (polishing), photolithography, mask layer formation, uneven pattern processing, etc.) can be eliminated, and the number of steps in the present embodiment can be reduced. be able to. As a result, the manufacturing cost can be reduced while improving the yield of the present embodiment.

また、本実施形態では、上述の製造方法により、パターン加工を施さないas-grownの状態の下地構造体10を用いて、3次元成長工程S200を行うことで、3次元成長層30をスライスして形成される基板50の主面50sにおいて、下地構造体10のパターン加工に起因して規則的に発生する高転位密度領域が形成されていない。言い換えれば、本実施形態の基板50では、転位集中領域dcaが存在したとしても、転位集中領域dcaをランダムに配置し、転位集中領域dcaでの転位密度を低くすることができる。 Further, in the present embodiment, the three-dimensional growth step S200 is performed using the as-grown base structure 10 that is not patterned by the above-described manufacturing method, thereby slicing the three-dimensional growth layer 30. In the main surface 50s of the substrate 50 formed in this way, a high dislocation density region that is regularly generated due to the patterning of the underlying structure 10 is not formed. In other words, in the substrate 50 of the present embodiment, even if the dislocation concentrated regions dca exist, the dislocation concentrated regions dca can be randomly arranged to reduce the dislocation density in the dislocation concentrated regions dca.

(g)3次元成長工程S200のうち、傾斜界面拡大層32が成長する初期段階では、c面30cを成長面として所定の厚さで傾斜界面拡大層32を2次元成長させた後に、該傾斜界面拡大層32の頂面30uに複数の凹部30pを生じさせる。言い換えれば、傾斜界面拡大層32が3次元成長し始める前に、鏡面化された表面を有する傾斜界面拡大層32(初期層)を所定の厚さで形成する。これにより、3次元成長工程S200において、3次元成長層30における傾斜界面30iの出現具合を、安定的に面内で均一にすることができる。 (g) In the three-dimensional growth step S200, in the initial stage of growth of the inclined interface enlarging layer 32, the inclined interface enlarging layer 32 is two-dimensionally grown to a predetermined thickness using the c-plane 30c as the growth surface, and then the inclined interface enlarging layer 32 is A plurality of recesses 30p are formed in the top surface 30u of the interface enlarging layer 32. As shown in FIG. In other words, the tilted interface enlarging layer 32 (initial layer) having a mirror-finished surface is formed with a predetermined thickness before the tilted interface enlarging layer 32 begins to grow three-dimensionally. As a result, in the three-dimensional growth step S200, the appearance of the inclined interface 30i in the three-dimensional growth layer 30 can be stably made uniform within the plane.

(h)3次元成長工程S200では、3次元成長層30の表面からc面30cを消失させた後に、傾斜界面成長領域70が沿面断面の80%以上の面積を占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って3次元成長層30の成長を継続させる。これにより、傾斜界面30iが露出した位置で転位を屈曲させる時間を充分に確保することができる。ここで、c面が消失してから直ぐにc面成長をさせると、転位が充分に屈曲されずに、3次元成長層の表面に向けて略鉛直方向に伝播してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、c面以外の傾斜界面30iが露出した位置で転位を屈曲させる時間を充分に確保することで、第2下地層6側から3次元成長層30の表面に向けて略鉛直方向に転位が伝播することを抑制することができる。これにより、3次元成長層30における転位の集中を抑制することができる。 (h) In the three-dimensional growth step S200, after the c-plane 30c has disappeared from the surface of the three-dimensional growth layer 30, while maintaining a state in which the inclined interface growth region 70 occupies an area of 80% or more of the creeping cross section, a predetermined continue to grow the three-dimensional growth layer 30 over a thickness of . As a result, it is possible to secure a sufficient time for bending the dislocations at the position where the inclined interface 30i is exposed. Here, if the c-plane is grown immediately after the c-plane disappears, there is a possibility that the dislocations will propagate substantially vertically toward the surface of the three-dimensional growth layer without being bent sufficiently. On the other hand, in the present embodiment, by securing a sufficient time for bending the dislocations at the position where the tilted interface 30i other than the c-plane is exposed, It is possible to suppress the dislocation from propagating in the substantially vertical direction. Thereby, concentration of dislocations in the three-dimensional growth layer 30 can be suppressed.

(i)3次元成長工程S200では、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合を80%以上とすることで、上述のように3次元成長層30の応力相殺効果を安定的に発現させることができる。これにより、3次元成長層30の成長中におけるクラックの発生を抑制することができる。その結果、3次元成長層30を容易に厚く成長させることが可能となる。 (i) In the three-dimensional growth step S200, the stress canceling effect of the three-dimensional growth layer 30 is stably exhibited as described above by setting the area ratio of the inclined interface growth region 70 to 80% or more in the creeping cross section. be able to. Thereby, the occurrence of cracks during the growth of the three-dimensional growth layer 30 can be suppressed. As a result, the three-dimensional growth layer 30 can be easily grown thick.

(j)3次元成長工程S200では、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合を80%以上とすることで、c面成長領域が広く占める場合と比較して、3次元成長層30に対してスライスおよび研磨などの加工を容易に施すことができる。 (j) In the three-dimensional growth step S200, by setting the area ratio of the inclined interface growth region 70 to 80% or more in the creeping cross section, the three-dimensional growth layer 30 has a larger area than when the c-plane growth region occupies a large area. On the other hand, processing such as slicing and polishing can be easily applied.

(k)本実施形態では、上述の鏡面化した第2下地層6上に3次元成長層30を成長させ、且つ、3次元成長工程S200において式(1)を満たすように第1成長条件を調整することで、3次元成長工程S200において、傾斜界面30iとして、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。これにより、c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることができる。具体的には、該傾斜角度を47.3°以下とすることができる。c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることとで、複数の頂部30tの周期を長くすることができる。具体的には、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることができる。 (k) In the present embodiment, the three-dimensional growth layer 30 is grown on the mirror-finished second underlayer 6, and the first growth conditions are set so as to satisfy the formula (1) in the three-dimensional growth step S200. By adjusting, in the three-dimensional growth step S200, a {11-2m} plane with m≧3 can be generated as the inclined interface 30i. This makes it possible to moderate the angle of inclination of the {11-2m} plane with respect to the c-plane 30c. Specifically, the inclination angle can be 47.3° or less. By making the inclination angle of the {11-2m} plane gentle with respect to the c-plane 30c, the period of the plurality of top portions 30t can be lengthened. Specifically, when viewing an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1 s of the base substrate 1 , the average distance L between the closest tops can be more than 100 μm.

なお、参考までに、通常、所定のエッチャントを用い窒化物半導体基板にエッチピットを生じさせると、該基板の表面に、{1-10n}面により構成されるエッチピットが形成される。これに対し、本実施形態において所定の条件で成長させた3次元成長層30の表面では、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。したがって、通常のエッチピットに比較して、本実施形態では、製法特有の傾斜界面30iが形成されると考えられる。 For reference, when etch pits are formed in a nitride semiconductor substrate using a predetermined etchant, etch pits composed of {1-10n} planes are formed on the surface of the substrate. On the other hand, on the surface of the three-dimensional growth layer 30 grown under predetermined conditions in this embodiment, {11-2m} planes where m≧3 can be generated. Therefore, it is considered that the sloped interface 30i peculiar to the manufacturing method is formed in this embodiment as compared with a normal etch pit.

(l)本実施形態では、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることで、転位が屈曲して伝播する距離を、少なくとも50μm超、確保することができる。これにより、3次元成長層30のうち一対の頂部30t間の略中央の上方に、充分に転位を集めることができる。その結果、3次元成長層30の表面における転位密度を充分に低減させることができる。 (l) In the present embodiment, when an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1s of the base substrate 1 is viewed, the average distance L between the closest tops is set to be more than 100 μm, so that the dislocation bends and propagates. can be ensured to be at least greater than 50 μm. As a result, dislocations can be sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30 t in the three-dimensional growth layer 30 . As a result, the dislocation density on the surface of the three-dimensional growth layer 30 can be sufficiently reduced.

(m)本実施形態では、剥離工程S300において、下地基板1から剥離した積層構造体90の反りを抑制することができる。 (m) In the present embodiment, warpage of the laminated structure 90 separated from the base substrate 1 can be suppressed in the separation step S300.

ここで、従来のVAS法で得られる基板を用い、3次元成長工程を行った場合について考える。従来のVAS法では、基板の主面は研磨されて平坦にされるが、基板のc面は、上述のように、凹の球面状に湾曲している。当該基板の平坦な主面上に、c面を徐々に平坦にしていきながら3次元成長層を成長させると、3次元成長層のc面の平坦化に伴って、3次元成長層の下の基板に対してc面を平坦とする応力が働く。このため、3次元成長層の成長前では平坦であった基板が、3次元成長層の成長過程で主面側に凸に反っていくことがある。基板が主面側に凸に反ると、積層構造体の裏面が凹に反ってしまう。裏面が凹に反ると、スライス工程において、スライス用の治具に対して積層構造体を安定的に固定することができない。その結果、スライスなどの加工の歩留まりが低下してしまうおそれがある。 Here, consider the case where a substrate obtained by the conventional VAS method is used and a three-dimensional growth process is performed. In the conventional VAS method, the major surface of the substrate is polished flat, but the c-plane of the substrate is curved like a concave spherical surface as described above. When the three-dimensional growth layer is grown on the flat main surface of the substrate while gradually flattening the c-plane, the three-dimensional growth layer below the three-dimensional growth layer grows along with the flattening of the c-plane of the three-dimensional growth layer. A stress acts on the substrate to flatten the c-plane. Therefore, the substrate, which was flat before the growth of the three-dimensional growth layer, may warp convexly toward the main surface during the growth process of the three-dimensional growth layer. If the substrate warps convexly toward the main surface side, the back surface of the laminated structure warps concavely. If the back surface warps concavely, the laminated structure cannot be stably fixed to a jig for slicing in the slicing process. As a result, the yield of processing such as slicing may decrease.

これに対し、本実施形態では、3次元成長層30の高酸素濃度領域の格子定数を相対的に大きくし、c面30cを徐々に平坦にしていきながら、3次元成長層30を成長させることで、3次元成長層30のc面30cの平坦化に伴って、3次元成長層30の下の第2下地層6に対してc面を平坦とする応力を与えることができる。これにより、as-grownの状態で主面6s側に凹に湾曲していた第2下地層6全体を、徐々に平坦に矯正していくことができる。第2下地層6全体を徐々に平坦することで、剥離工程S300で下地基板1から剥離した積層構造体90において、第2下地層6の裏面を平坦にすることができる。第2下地層6の裏面を平坦にすることで、スライス工程において、スライス用の治具に対して積層構造体を安定的に固定することができる。その結果、スライスなどの加工の歩留まりを向上させることが可能となる。 In contrast, in the present embodiment, the lattice constant of the high oxygen concentration region of the three-dimensional growth layer 30 is relatively increased, and the three-dimensional growth layer 30 is grown while gradually flattening the c-plane 30c. As the c-plane 30c of the three-dimensional growth layer 30 is flattened, stress can be applied to the second underlayer 6 under the three-dimensional growth layer 30 to flatten the c-plane. As a result, the entire second underlayer 6, which is concavely curved toward the main surface 6s in the as-grown state, can be gradually flattened. By gradually flattening the entire second base layer 6, the back surface of the second base layer 6 can be flattened in the laminated structure 90 separated from the base substrate 1 in the peeling step S300. By flattening the back surface of the second base layer 6, the laminated structure can be stably fixed to the jig for slicing in the slicing process. As a result, it is possible to improve the yield of processing such as slicing.

(n)スライス工程S400では、傾斜界面維持層34をスライスすることで、基板50を形成する。また、第2下地層6から継続するc面成長領域60が最後に消失した位置から上方に離れた位置で、傾斜界面維持層34をスライスする。これにより、3次元成長層30において転位が集められる過程の部分を避けることができる。その結果、転位が低減された基板50を安定的に得ることができる。 (n) In the slicing step S400, the substrate 50 is formed by slicing the inclined interface preserving layer . In addition, the inclined interface preserving layer 34 is sliced at a position above the position where the c-plane growth region 60 continuing from the second underlayer 6 has finally disappeared. This makes it possible to avoid the portion where dislocations are collected in the three-dimensional growth layer 30 . As a result, the substrate 50 with reduced dislocations can be stably obtained.

<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、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。
<Other embodiments>
The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

上述の実施形態では、基板50がGaN自立基板である場合について説明したが、基板50は、GaN自立基板に限らず、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III族窒化物半導体、すなわち、AlInGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式で表されるIII族窒化物半導体からなる自立基板であってもよい。 In the above-described embodiment, the case where the substrate 50 is a GaN free-standing substrate has been described, but the substrate 50 is not limited to a GaN free-standing substrate, and may be aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium nitride (InN), or the like. ), indium gallium nitride (InGaN), aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), etc. It may be a self-supporting substrate made of a group III nitride semiconductor represented by a composition formula of 0≦x+y≦1).

上述の実施形態では、基板50がn型である場合について説明したが、基板50はp型であったり、または半絶縁性を有していたりしてもよい。例えば、基板50を用いて高電子移動度トランジスタ(HEMT)としての半導体装置を製造する場合には、基板50は、半絶縁性を有していることが好ましい。 In the above embodiments, the substrate 50 is of n-type, but the substrate 50 may be of p-type or semi-insulating. For example, when manufacturing a semiconductor device as a high electron mobility transistor (HEMT) using the substrate 50, the substrate 50 preferably has semi-insulating properties.

上述の実施形態では、3次元成長工程S200において、傾斜界面成長領域70中に取り込まれる酸素の濃度以上の濃度で、n型不純物を添加する場合について説明したが、上述のようにp型の基板50を得る場合には、3次元成長工程S200において、傾斜界面成長領域70中に取り込まれる酸素の濃度以上の濃度で、p型不純物を添加してもよい。 In the above-described embodiment, in the three-dimensional growth step S200, the case where the n-type impurity is added at a concentration higher than the concentration of oxygen taken into the inclined interface growth region 70 has been described. 50, in the three-dimensional growth step S200, a p-type impurity may be added at a concentration equal to or higher than the concentration of oxygen taken into the inclined interface growth region .

上述の実施形態では、3次元成長工程S200において、第1成長条件として主に成長温度を調整する場合について説明したが、第1成長条件が式(1)を満たせば、当該第1成長条件として、成長温度以外の成長条件を調整したり、成長温度と成長温度以外の成長条件とを組み合わせて調整したりしてもよい。 In the above-described embodiment, the case where the growth temperature is mainly adjusted as the first growth condition in the three-dimensional growth step S200 has been described. Alternatively, the growth conditions other than the growth temperature may be adjusted, or the growth temperature and the growth conditions other than the growth temperature may be combined for adjustment.

上述の実施形態では、傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220と同様に、上述の第1成長条件で維持する場合について説明したが、傾斜界面維持工程S240での成長条件が第1成長条件を満たせば、該傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220での成長条件と異ならせてもよい。 In the above-described embodiment, the case where the growth conditions in the inclined interface maintaining step S240 are maintained at the above-described first growth conditions as in the inclined interface expanding step S220 has been described, but the growth conditions in the inclined interface maintaining step S240 satisfies the first growth condition, the growth condition in the inclined interface maintaining step S240 may be different from the growth condition in the inclined interface expanding step S220.

上述の実施形態では、スライス工程S400において、ワイヤーソーを用い、本成長層44をスライスする場合について説明したが、例えば、外周刃スライサー、内周刃スライサー、放電加工機等を用いてもよい。 In the above-described embodiment, in the slicing step S400, a wire saw is used to slice the main growth layer 44. However, for example, an outer peripheral blade slicer, an inner peripheral blade slicer, an electric discharge machine, or the like may be used.

上述の実施形態では、積層構造体90のうちの傾斜界面維持層34をスライスすることで、基板50を得る場合について説明したが、この場合に限られない。例えば、積層構造体90をそのまま用いて、半導体装置を作製するための半導体積層物を製造してもよい。具体的には、積層構造体90を作製したら、半導体積層物作製工程において、積層構造体90上に半導体機能層をエピタキシャル成長させ、半導体積層物を作製する。半導体積層物を作製したら、積層構造体90の裏面側を研磨し、積層構造体90のうち、第2下地層6と、傾斜界面拡大層32と、を除去する。これにより、上述の実施形態と同様に、傾斜界面維持層34と、半導体機能層と、を有する半導体積層物が得られる。この場合によれば、基板50を得るためのスライス工程S400および研磨工程S500を省略することができる。 In the above-described embodiment, the case where the substrate 50 is obtained by slicing the inclined interface preserving layer 34 of the laminated structure 90 has been described, but the present invention is not limited to this case. For example, the stacked structure 90 may be used as it is to manufacture a semiconductor stack for manufacturing a semiconductor device. Specifically, after the laminated structure 90 is produced, a semiconductor functional layer is epitaxially grown on the laminated structure 90 in a semiconductor laminated structure producing step to produce a semiconductor laminated structure. After the semiconductor laminate is produced, the back side of the laminated structure 90 is polished to remove the second base layer 6 and the inclined interface enlarging layer 32 from the laminated structure 90 . As a result, a semiconductor laminate having the graded interface maintaining layer 34 and the semiconductor functional layer is obtained as in the above-described embodiments. In this case, the slicing step S400 and polishing step S500 for obtaining the substrate 50 can be omitted.

以下、本発明の効果を裏付ける各種実験結果について説明する。 Various experimental results supporting the effects of the present invention will be described below.

(1)実験1
(1-1)窒化物半導体基板の作製
以下のようにして、実施例および比較例の窒化物半導体基板を作製した。なお、実施例については、窒化物半導体基板をスライスする前の積層構造体も作製した。以下、「窒化物半導体基板」を「基板」と略すことがある。
(1) Experiment 1
(1-1) Fabrication of Nitride Semiconductor Substrate Nitride semiconductor substrates of Examples and Comparative Examples were fabricated as follows. For the examples, a laminated structure was also fabricated before slicing the nitride semiconductor substrate. Hereinafter, "nitride semiconductor substrate" may be abbreviated as "substrate".

[実施例の窒化物半導体基板の作製条件]
(下地基板)
材質:サファイア
直径:2インチ
厚さ:400μm
主面に対して最も近い低指数の結晶面:c面
主面に対するマスク層等のパターン加工なし。
(第1下地層)
・低温成長バッファ層:
材質:GaN
成長温度:550℃
厚さ:50nm
・GaN層:
材質:アンドープ(アンインテンショナリドープ)GaN
成長温度:1,050℃
厚さ:350nm
なお、GaN層の表面を鏡面化させた。
(金属層)
材質:Ti
厚さ:20nm
(熱処理条件)
2段階の熱処理を行った。
第1熱処理:
雰囲気:Nガス80%、NHガス20%
温度:1,050℃
時間:10分
第2熱処理:
雰囲気:Hガス80%、NHガス20%
温度:1,050℃
時間:20分
(第2下地層)
材質:アンドープ(アンインテンショナリドープ)GaN
成長温度:1,050℃
厚さ:約1000μm
なお、第2下地層の主面を鏡面化させた。
主面に対するマスク層等のパターン加工なし。
(3次元成長層)
材質:GaN
成長方法:HVPE法
第1成長条件:
成長温度を980℃以上1,020℃以下とし、V/III比を2以上20以下とした。このとき、第1成長条件が式(1)を満たすように、成長温度およびV/III比のうち少なくともいずれかをそれぞれ上記範囲のなかで調整した。
3次元成長層の厚さ:約1.45mm
なお、傾斜界面維持層中に所定量のSiを添加した。
(スライス条件)
窒化物半導体基板の厚さ:約400μm
カーフロス:200μm
なお、実施例では、傾斜界面維持層から2枚の基板をスライスした。
(研磨条件)
研磨厚さ:200μm
[Conditions for manufacturing nitride semiconductor substrates of Examples]
(underlying substrate)
Material: Sapphire Diameter: 2 inches Thickness: 400 μm
Low-index crystal plane closest to the principal plane: c-plane No patterning such as a mask layer for the principal plane.
(First underlayer)
・Low temperature growth buffer layer:
Material: GaN
Growth temperature: 550°C
Thickness: 50nm
・GaN layer:
Material: Undoped (unintentionally doped) GaN
Growth temperature: 1,050°C
Thickness: 350nm
Note that the surface of the GaN layer was mirror-finished.
(metal layer)
Material: Ti
Thickness: 20nm
(Heat treatment conditions)
A two-stage heat treatment was performed.
First heat treatment:
Atmosphere: N2 gas 80%, NH3 gas 20%
Temperature: 1,050°C
Time: 10 minutes Second heat treatment:
Atmosphere: H2 gas 80%, NH3 gas 20%
Temperature: 1,050°C
Time: 20 minutes (second underlayer)
Material: Undoped (unintentionally doped) GaN
Growth temperature: 1,050°C
Thickness: about 1000 μm
Note that the main surface of the second underlayer was mirror-finished.
No patterning such as a mask layer on the main surface.
(three-dimensional growth layer)
Material: GaN
Growth method: HVPE method First growth condition:
The growth temperature is 980° C. or higher and 1,020° C. or lower, and the V/III ratio is 2 or higher and 20 or lower. At this time, at least one of the growth temperature and the V/III ratio was adjusted within the above range so that the first growth condition satisfies the formula (1).
Three-dimensional growth layer thickness: about 1.45 mm
A predetermined amount of Si was added to the graded interface maintaining layer.
(slicing conditions)
Thickness of nitride semiconductor substrate: about 400 μm
Calf loss: 200 μm
In the example, two substrates were sliced from the inclined interface maintaining layer.
(polishing conditions)
Polishing thickness: 200 μm

[比較例1の窒化物半導体基板の作製条件]
比較例1では、従来のVAS法と同様の条件で基板を作製した。
(下地基板)
実施例と同じ。
(第1結晶層、金属層、および熱処理条件)
実施例の第1下地層、金属層、および熱処理条件と同じ。
(第2結晶層)
実施例の第2下地層と同じ(厚さも同じ)。
(3次元成長層)
なし。
(剥離条件)
第2結晶層成長温度からの降温時に自然剥離。
(スライスおよび研磨条件)
第2結晶層から1枚の基板をスライスした点以外の条件は、実施例と同じ。
[Conditions for manufacturing nitride semiconductor substrate of Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, a substrate was produced under the same conditions as the conventional VAS method.
(underlying substrate)
Same as Example.
(First crystal layer, metal layer, and heat treatment conditions)
Same as the first underlayer, metal layer, and heat treatment conditions in the example.
(Second crystal layer)
Same as the second underlayer of the example (same thickness).
(three-dimensional growth layer)
none.
(Peeling conditions)
Spontaneous exfoliation when the temperature is lowered from the growth temperature of the second crystal layer.
(slicing and polishing conditions)
The conditions are the same as in the example except that one substrate is sliced from the second crystal layer.

[比較例2の窒化物半導体基板の作製条件]
(下地基板)
実施例と同じ。
(第1結晶層、金属層、および熱処理条件)
実施例の第1下地層、金属層、および熱処理条件と同じ。
(第2結晶層)
厚さを1700μmとした点以外の条件は、実施例の第2下地層と同じ。
(3次元成長層)
なし。
[Conditions for manufacturing nitride semiconductor substrate of Comparative Example 2]
(underlying substrate)
Same as Example.
(First crystal layer, metal layer, and heat treatment conditions)
Same as the first underlayer, metal layer, and heat treatment conditions in the example.
(Second crystal layer)
The conditions are the same as those of the second underlayer of the example except that the thickness is 1700 μm.
(three-dimensional growth layer)
none.

(1-2)評価
(積層構造体の観察)
蛍光顕微鏡を用い、実施例の基板をスライスする前の積層構造体の断面を観察した。なお、光学顕微鏡を用い、積層構造体の表面も観察した。
(1-2) Evaluation (observation of laminated structure)
Using a fluorescence microscope, the cross section of the laminated structure before slicing the substrate of the example was observed. The surface of the laminated structure was also observed using an optical microscope.

(多光子励起顕微鏡による窒化物半導体基板の観察)
多光子励起顕微鏡を用い、実施例および比較例1の基板のそれぞれの主面を観察した。このとき、視野250μmごとに主面全体に亘って暗点密度を測定することで、転位密度を測定した。なお、これらの基板における暗点の全てが貫通転位であることは、厚さ方向に焦点をずらして測定することにより確認している。また、このとき、視野250μmでの全測定領域数に対する、転位密度が1×10cm-2未満である領域(低転位密度領域)の数の割合を求めた。
(Observation of nitride semiconductor substrate by multiphoton excitation microscope)
Using a multiphoton excitation microscope, the principal surfaces of the substrates of Example and Comparative Example 1 were observed. At this time, the dislocation density was measured by measuring the dark spot density over the entire main surface at every 250 μm visual field. It is confirmed that all the dark spots in these substrates are threading dislocations by performing measurements while shifting the focal point in the thickness direction. At this time, the ratio of the number of regions having a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 (low dislocation density regions) to the total number of measured regions in a field of view of 250 μm was obtained.

また、実施例の基板において、焦点を主面からずらした観察も行った。 In addition, the substrate of the example was also observed with the focal point shifted from the main surface.

(X線ロッキングカーブ測定)
実施例および比較例1の基板のそれぞれの、(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行った。このとき、それぞれの基板の主面内のうち、中心を通りm軸方向に沿った直線上、および中心を通りm軸に直交するa軸方向に沿った直線上で、5mm間隔で設定した複数の測定点において、該測定を行った。このとき、基板の主面内の位置として正に定義している側からX線を入射させた。測定の結果、主面へ入射したX線と主面とがなすピーク角度ωを、直線上の位置に対してプロットし、ピーク角度ωを位置の1次関数で近似した。当該1次関数の傾きの逆数により、c面の曲率半径を求めた。なお、本実験で用いた装置における上述の配置では、1次関数の傾きが負となったときに、c面が凸であったことを意味する。
(X-ray rocking curve measurement)
The X-ray rocking curves of the (0002) plane of each of the substrates of Example and Comparative Example 1 were measured. At this time, within the main surface of each substrate, on a straight line passing through the center along the m-axis direction and on a straight line along the a-axis direction passing through the center and perpendicular to the m-axis, a plurality of substrates set at intervals of 5 mm The measurement was performed at the measurement point of At this time, the X-ray was made incident from the side defined positively as the position within the main surface of the substrate. As a result of the measurement, the peak angle ω between the X-ray incident on the main surface and the main surface was plotted against the position on the straight line, and the peak angle ω was approximated by a linear function of the position. The radius of curvature of the c-plane was obtained from the reciprocal of the slope of the linear function. In the arrangement of the device used in this experiment, when the slope of the linear function is negative, it means that the c-plane is convex.

(1-3)結果
<実施例の積層構造体の観察結果>
図11は、実施例の積層構造体の表面を光学顕微鏡により観察した観察像を示す図である。図12は、実施例の積層構造体の断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。なお、図12は、<11-20>軸に沿った断面である。図13(a)および(b)は、実施例の積層構造体の他の部分における断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。
(1-3) Results <Observation Results of Laminated Structures of Examples>
FIG. 11 is a diagram showing an observation image obtained by observing the surface of the laminated structure of the example with an optical microscope. FIG. 12 is a diagram showing an observation image obtained by observing the cross section of the laminated structure of the example with a fluorescence microscope. Note that FIG. 12 is a cross section along the <11-20> axis. FIGS. 13A and 13B are diagrams showing observation images obtained by observing a cross section of another portion of the laminated structure of the example with a fluorescence microscope.

図12、図13(a)および(b)に示すように、実施例の積層構造体では、3次元成長層は、成長過程での成長面の違い(すなわち、酸素濃度の違い)に基づいて、c面を成長面として成長したc面成長領域と、傾斜界面を成長面として成長した傾斜界面成長領域と、を有していた。 As shown in FIGS. 12, 13(a) and (b), in the laminated structure of the example, the three-dimensionally grown layer is grown on the basis of the difference in the growth surface (that is, the difference in oxygen concentration) during the growth process. , a c-plane growth region grown with the c-plane as the growth plane, and an inclined interface growth region grown with the inclined interface as the growth plane.

傾斜界面成長領域の少なくとも一部は、第2下地層の主面に沿って連続して設けられていた。すなわち、3次元成長層を第2下地層の主面に沿って切った沿面断面を複数見たときに、c面を成長面として成長したc面成長領域を含まない断面が、3次元成長層の厚さ方向の少なくとも一部に存在していたことを確認した。 At least part of the inclined interface growth region was provided continuously along the main surface of the second underlayer. That is, when viewing a plurality of creepage cross sections of the three-dimensional growth layer cut along the main surface of the second underlayer, the cross section that does not include the c-plane growth region grown with the c-plane as the growth plane is the three-dimensional growth layer. It was confirmed that it existed in at least a part of the thickness direction.

第2下地層上のc面成長領域は、複数の谷部および複数の山部を有していた。c面成長領域のうち一対の傾斜部のなす角度の平均値は、およそ43°だった。また、最近接頂部間平均距離は、およそ145.6μmであった。 The c-plane growth region on the second underlayer had multiple valleys and multiple peaks. The average angle formed by the pair of inclined portions in the c-plane grown region was about 43°. Also, the average distance between the closest tops was about 145.6 μm.

図12、図13(a)および(b)に示すように、断面視で傾斜界面成長領域と重なる位置にも、c面成長領域が存在していた。3次元成長層の成長過程で、c面成長領域が発生したり消失したりしたため、断面視でc面成長領域の幅(言い換えれば平面視でのc面成長領域の大きさ)は、第2下地層から3次元成長層の表面に向けてランダムに変化していた。 As shown in FIGS. 12, 13(a) and 13(b), the c-plane growth region was also present at a position overlapping the inclined interface growth region in a cross-sectional view. Since the c-plane growth region appeared and disappeared during the growth process of the three-dimensional growth layer, the width of the c-plane growth region in cross-section (in other words, the size of the c-plane growth region in plan view) It varied randomly from the underlayer toward the surface of the three-dimensional growth layer.

また、c面が少なくとも一度消失したため、c面成長領域は、第2下地層から3次元成長層の表面(最上面)まで連続していなかった。 In addition, since the c-plane disappeared at least once, the c-plane growth region was not continuous from the second underlayer to the surface (uppermost surface) of the three-dimensional growth layer.

図11に示すように、3次元成長層の表面には、c面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部が生じていた。3次元成長層の表面に生じた凹部内には、光って見える面が6つ形成され、すなわち、凹部は6つの傾斜界面を有していた。 As shown in FIG. 11, the surface of the three-dimensionally grown layer had a plurality of depressions formed by inclined interfaces other than the c-plane. Six shiny surfaces were formed in the recesses formed on the surface of the three-dimensional growth layer, that is, the recesses had six inclined interfaces.

剥離させた下地基板のオリエンテーションフラットの方向から考えて、凹部内の稜線は、<1-100>軸方向に沿っており、また、凹部を構成する傾斜界面は、<11-20>軸から傾斜した方向を法線方向とする面(すなわち{11-2m}面)であった。 Considering the direction of the orientation flat of the peeled base substrate, the ridgeline in the recess is along the <1-100> axis direction, and the inclined interface forming the recess is inclined from the <11-20> axis. It was a plane (that is, the {11-2m} plane) whose normal direction was the direction of the plane.

図12に示した<11-20>軸に沿った方向の断面において、3次元成長層における傾斜界面の、下地基板の主面に対する角度は、約43°以上47°以下であった。 In the cross section along the <11-20> axis shown in FIG. 12, the angle of the inclined interface in the three-dimensional growth layer with respect to the main surface of the underlying substrate was about 43° or more and 47° or less.

ここで、GaNの{0001}面に対する{11-2m}の角度は、以下のとおりである。
{11-21}面:72.9°
{11-22}面:58.4°
{11-23}面:47.3°
{11-24}面:39.1°
Here, the angle of {11-2m} with respect to the {0001} plane of GaN is as follows.
{11-21} plane: 72.9°
{11-22} plane: 58.4°
{11-23} plane: 47.3°
{11-24} plane: 39.1°

以上のことから、3次元成長層の表面に生じた傾斜界面は、m≧3の{11-2m}面であることを確認した。また、傾斜界面の多くは、{11-23}面であることを確認した。 From the above, it was confirmed that the inclined interface generated on the surface of the three-dimensional growth layer was the {11-2m} plane with m≧3. It was also confirmed that most of the inclined interfaces were {11-23} planes.

<実施例、比較例1および2の比較>
[実施例と比較例2との比較]
まず、実施例と比較例2とを比較する。
<Comparison of Example and Comparative Examples 1 and 2>
[Comparison between Example and Comparative Example 2]
First, Example and Comparative Example 2 are compared.

第2結晶層を厚く成長させた比較例2では、結晶層成長後に室温まで降温させた状態を確認したところ、第2結晶層が微細に割れていた。また、第2結晶層の割れた断面から、結晶が異常成長していた。このことから、第2結晶層の成長中に、第2結晶層が割れていたものと考えられる。比較例2では、充分な厚さおよび直径を有する第2結晶層を得ることが出来なかったため、窒化物半導体基板の作製を行わなかった。 In Comparative Example 2 in which the second crystal layer was grown thick, fine cracks were found in the second crystal layer when the temperature was lowered to room temperature after the growth of the crystal layer. In addition, crystals grew abnormally from the cracked cross section of the second crystal layer. From this, it is considered that the second crystal layer was cracked during the growth of the second crystal layer. In Comparative Example 2, no nitride semiconductor substrate was fabricated because a second crystal layer having a sufficient thickness and diameter could not be obtained.

これに対し、実施例では、3次元成長層の成長が終了した後に室温まで降温させたところ、金属窒化層と第2下地層との間を境に、積層構造体が下地基板から剥離していた。剥離後の積層構造体には、割れ(クラック)が見られなかった。 On the other hand, in Example, when the temperature was lowered to room temperature after the growth of the three-dimensional growth layer was completed, the laminated structure separated from the underlying substrate at the boundary between the metal nitride layer and the second underlying layer. Ta. No cracks were observed in the laminated structure after peeling.

[実施例と比較例1との比較]
次に、実施例と比較例1とを比較する。実施例および比較例1の結果を表1に示す。
[Comparison between Example and Comparative Example 1]
Next, Example and Comparative Example 1 are compared. Table 1 shows the results of Example and Comparative Example 1.

Figure 0007339096000001
Figure 0007339096000001

(多光子励起顕微鏡による窒化物半導体基板の観察結果)
図14は、実施例の窒化物半導体基板の主面を多光子励起顕微鏡により観察した観察像を示す模式図である。なお、太線四角部は、50μ角の無転位領域を示している。図15は、図14の点線四角部分を拡大した観察像を示す図である。図16は、実施例の窒化物半導体基板において、厚さ方向に焦点を変化させたときの、多光子励起顕微鏡により観察した観察像を示す図である。
(Observation result of nitride semiconductor substrate by multiphoton excitation microscope)
FIG. 14 is a schematic diagram showing an observation image of the main surface of the nitride semiconductor substrate of the example, observed with a multiphoton excitation microscope. In addition, the thick-line square indicates a dislocation-free region of 50 μ square. FIG. 15 is a diagram showing an observation image in which the dotted square portion of FIG. 14 is enlarged. FIG. 16 is a view showing images observed with a multiphoton excitation microscope when the focus is changed in the thickness direction in the nitride semiconductor substrate of the example.

図14に示すように、実施例の基板は、相対的に明るく観察される高酸素濃度領域を有していた。実施例の基板の主面において高酸素濃度領域が占める面積割合は、80%以上であった。 As shown in FIG. 14, the substrate of Example had a relatively bright high oxygen concentration region. The area ratio occupied by the high oxygen concentration region in the main surface of the substrate of the example was 80% or more.

表1に示すように、実施例の基板では、主面における平均転位密度が、比較例1の基板に比べて、大幅に低減され、5.5×10cm-2未満であった。 As shown in Table 1, in the substrate of Example, the average dislocation density on the main surface was significantly reduced compared to the substrate of Comparative Example 1, and was less than 5.5×10 5 cm −2 .

また、実施例の基板では、転位密度が3×10cm-2を超える領域が存在しなかった。また、実施例の基板では、転位密度が1×10cm-2未満である領域(低転位密度領域)が主面の90%以上存在していた。 Moreover, in the substrate of the example, there was no region where the dislocation density exceeded 3×10 6 cm −2 . Further, in the substrates of the examples, a region having a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 (low dislocation density region) was present in 90% or more of the main surface.

また、図14に示すように、実施例の基板の主面は、小さくとも50μm角の無転位領域を含んでいた。また、実施例の基板の主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上の密度で有していた。具体的には、実施例の基板の主面は、重ならない50μm角の無転位領域の密度は、5000個/cm程度であった。 In addition, as shown in FIG. 14, the main surface of the substrate of Example included a dislocation-free region of at least 50 μm square. In addition, the main surface of the substrate of the example had non-overlapping dislocation-free regions of 50 μm square at a density of 100/cm 2 or more. Specifically, in the main surface of the substrate of the example, the density of non-overlapping 50 μm square dislocation-free regions was about 5000/cm 2 .

また、図15に示すように、暗く観察された低酸素濃度領域を拡大して確認したところ、当該低酸素濃度領域が、小さくとも50μm角の無転位領域を有していた。 Further, as shown in FIG. 15, when the low-oxygen-concentration region observed dark was enlarged and confirmed, the low-oxygen-concentration region had a dislocation-free region of at least 50 μm square.

また、図14において、多光子励起顕微鏡により転位集中領域を含む50μm角の視野で実施例の基板の主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度は、3×10cm-2未満であった。 Further, in FIG. 14, when the main surface of the substrate of the example was observed with a multiphoton excitation microscope in a field of view of 50 μm square including the dislocation concentrated region and the dislocation density was obtained from the dark spot density, the dislocation density was 3×. It was less than 10 6 cm −2 .

図14に示すように、実施例の基板は、基底面転位(bpd)を有していた。実施例の基板のCL像を観察したところ、当該主面のCL像において、長さ200μmの任意の仮想的な線分を引いたときに、該線分と基底面転位との交点の数は、10点以下であった。 As shown in FIG. 14, the example substrate had basal plane dislocations (bpd). Observation of the CL image of the substrate of the example showed that when an arbitrary virtual line segment with a length of 200 μm was drawn in the CL image of the main surface, the number of intersections between the line segment and the basal plane dislocations was , was less than 10 points.

図16に示すように、実施例の基板において、厚さ方向に焦点を変化させながら観察も行ったところ、領域Aは、表面(主面)側で出現し、表面よりも深い位置では、消失していた。また、領域Bは、厚さ方向の位置に応じて、出現したり消失したりしていた。また、領域Cは、表面近傍で消失していた。以上のことから、平面視での低酸素濃度領域の大きさは、基板の主面の反対側の裏面から主面に向けてランダムに変化していた。また、低酸素濃度領域は、消失した部分が存在したことから、基板の主面の反対側の裏面から主面に向けて連続的に繋がっていなかった。 As shown in FIG. 16, when observing the substrate of the example while changing the focus in the thickness direction, the region A appears on the surface (main surface) side and disappears at a position deeper than the surface. Was. Also, the region B appeared or disappeared depending on the position in the thickness direction. Also, region C disappeared near the surface. From the above, the size of the low-oxygen-concentration region in plan view changed randomly from the back surface opposite to the main surface of the substrate toward the main surface. In addition, the low-oxygen-concentration region was not continuously connected from the back surface on the opposite side of the main surface of the substrate to the main surface because there was a missing portion.

(c面の曲率半径)
次に、表1、図17(a)および(b)を用い、c面の曲率半径について説明する。
(curvature radius of c-plane)
Next, the radius of curvature of the c-plane will be described with reference to Table 1 and FIGS. 17(a) and (b).

図17(a)は、実施例の窒化物半導体基板のm軸に沿った方向に対してX線回折のロッキングカーブ測定を行った結果を示す図であり、(b)は、実施例の窒化物半導体基板のm軸に直交するa軸に沿った方向に対してX線回折のロッキングカーブ測定を行った結果を示す図である。なお、図中のRはc面の曲率半径を示し、負のRは、上述のように、c面が主面に対して凸に湾曲していたことを意味している。 FIG. 17(a) is a diagram showing the results of rocking curve measurement of X-ray diffraction in the direction along the m-axis of the nitride semiconductor substrate of the example, and (b) is a nitride semiconductor substrate of the example. FIG. 10 is a diagram showing the result of rocking curve measurement of X-ray diffraction in the direction along the a-axis perpendicular to the m-axis of the semiconductor substrate. In addition, R in the figure indicates the radius of curvature of the c-plane, and a negative R means that the c-plane was curved convexly with respect to the main surface, as described above.

表1、図17(a)および(b)に示すように、実施例の基板におけるc面の曲率半径(の絶対値)は、比較例1の基板におけるc面の曲率半径に比べて大きく、22m以上であった。 As shown in Table 1, FIGS. 17A and 17B, the radius of curvature (absolute value) of the c-plane in the substrate of Example is larger than the radius of curvature of the c-plane in the substrate of Comparative Example 1, It was over 22m.

図17(a)および(b)に示した基板は、実施例の積層構造体のうち表面に近い側からスライスしたものである。当該基板では、c面が主面に対して凸の球面状に湾曲していた。 The substrates shown in FIGS. 17(a) and 17(b) are obtained by slicing from the side near the surface of the laminated structure of the example. In the substrate, the c-plane was curved in a convex spherical shape with respect to the main surface.

一方で、図示していないが、実施例の積層構造体のうち第2下地層に近い側からスライスした基板では、c面が主面に対して若干凹となっていたが、c面の曲率半径が大きく、c面がほぼ平坦であった。第2下地層に近い側からスライスした基板におけるc面の曲率半径の絶対値は、表面に近い側からスライスした基板におけるc面の曲率半径の絶対値よりも大きかった。当該基板におけるc面の曲率半径は、1053mであった。 On the other hand, although not shown, in the substrate sliced from the side close to the second underlayer of the laminated structure of the example, the c-plane was slightly concave with respect to the main surface, but the curvature of the c-plane was small. The radius was large and the c-plane was almost flat. The absolute value of the radius of curvature of the c-plane in the substrate sliced from the side closer to the second underlayer was larger than the absolute value of the radius of curvature of the c-plane in the substrate sliced from the side closer to the surface. The radius of curvature of the c-plane in the substrate was 1053 m.

実施例のこれらの基板では、c面のX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときに、1次関数に対する誤差が小さかった。具体的には、上述のように近似した1次関数に対する、測定されたピーク角度ωの誤差は、0.01°以下であった。 For these substrates of the example, when the peak angle ω was approximated by a linear function of the position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane, the error with respect to the linear function was small. Specifically, the error of the measured peak angle ω with respect to the linear function approximated as described above was less than or equal to 0.01°.

(実験1のまとめ)
以上の実施例によれば、3次元成長工程において、式(1)を満たすように第1成長条件を調整した。これにより、3次元成長層の成長過程で、c面を少なくとも一度確実に消失させることができた。c面を少なくとも一度消失させたことで、3次元成長層における傾斜界面が露出した位置で、転位を確実に屈曲させることができた。その結果、基板の主面における転位密度を低減することができたことを確認した。
(Summary of Experiment 1)
According to the above examples, in the three-dimensional growth process, the first growth conditions were adjusted so as to satisfy the formula (1). As a result, the c-plane could be reliably eliminated at least once during the growth process of the three-dimensional growth layer. By eliminating the c-plane at least once, the dislocation could be reliably bent at the position where the tilted interface in the three-dimensional growth layer was exposed. As a result, it was confirmed that the dislocation density on the main surface of the substrate could be reduced.

また、実施例によれば、鏡面化した第2下地層上に3次元成長層を成長させ、かつ、式(1)を満たすように第1成長条件を調整したことで、傾斜界面として、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができた。これにより、3次元成長層において、最近接頂部間平均距離を100μm超とすることができた。その結果、基板の主面における転位密度を充分に低減させることができたことを確認した。また、最近接頂部間平均距離を100μm超とすることで、小さくとも50μm角の無転位領域を形成することができたことを確認した。 Further, according to the embodiment, by growing the three-dimensional growth layer on the mirror-finished second underlayer and by adjusting the first growth conditions so as to satisfy the formula (1), m {11-2m} planes with ≧3 could be produced. As a result, in the three-dimensional growth layer, the average distance between the closest tops was able to exceed 100 μm. As a result, it was confirmed that the dislocation density on the main surface of the substrate could be sufficiently reduced. Moreover, it was confirmed that a dislocation-free region of at least 50 μm square could be formed by setting the average distance between the closest tops to more than 100 μm.

また、実施例によれば、傾斜界面成長領域の応力相殺効果によって、3次元成長層の成長中におけるクラックの発生を抑制することができたことを確認した。 Moreover, according to the example, it was confirmed that the occurrence of cracks during the growth of the three-dimensional growth layer could be suppressed by the stress cancellation effect of the inclined interface growth region.

また、実施例によれば、傾斜界面成長領域の応力相殺効果によって、実施例の基板のc面の曲率半径を、比較例1のc面の曲率半径よりも大きくすることができた。これにより、実施例の基板におけるc軸のオフ角のばらつきを、比較例1におけるc軸のオフ角のばらつきを小さくすることができたことを確認した。 Further, according to the example, the radius of curvature of the c-plane of the substrate of the example could be made larger than the radius of curvature of the c-plane of the substrate of the comparative example 1 due to the stress cancellation effect of the inclined interface growth region. As a result, it was confirmed that the variation in the off-angle of the c-axis in the substrate of Example and the variation in off-angle of the c-axis in Comparative Example 1 could be reduced.

なお、実施例では、傾斜界面成長領域の応力相殺効果によって、c面が、積層構造体の第2下地層側から表面側に向けて凹から凸へ変化していることを確認した。したがって、積層構造体からスライスする厚さ方向の位置を最適化すれば、c面が極めて平坦な基板を得ることができると考えられる。 In the examples, it was confirmed that the c-plane changed from concave to convex toward the surface side from the second underlayer side of the laminated structure due to the stress cancellation effect of the inclined interface growth region. Therefore, it is considered that a substrate having an extremely flat c-plane can be obtained by optimizing the position in the thickness direction of slicing from the laminated structure.

(2)実験2
(2-1)窒化物半導体基板の作製
以下のようにして、サンプル1および2の基板を作製した。
(2) Experiment 2
(2-1) Fabrication of Nitride Semiconductor Substrate Substrates of Samples 1 and 2 were fabricated as follows.

[サンプル1の窒化物半導体基板の作製条件]
3次元成長工程においてSiを添加しなかった点を除いて、実験1の実施例と同様に基板を作製した。なお、基板の厚さは、323μmとした。
[Preparation conditions for nitride semiconductor substrate of sample 1]
A substrate was fabricated in the same manner as in Experiment 1, except that Si was not added in the three-dimensional growth process. The thickness of the substrate was set to 323 μm.

[サンプル2の窒化物半導体基板の作製条件]
第2結晶層成長工程において1×1018cm-3のSiを添加した点を除いて、実験1の比較例1と同様に基板を作製した。
[Preparation conditions for nitride semiconductor substrate of sample 2]
A substrate was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1 of Experiment 1, except that 1×10 18 cm −3 of Si was added in the second crystal layer growth step.

(2-2)評価
(二次イオン質量分析法(SIMS))
SIMSにより、サンプル1の基板中の酸素濃度を測定した。
(2-2) Evaluation (secondary ion mass spectrometry (SIMS))
The oxygen concentration in the substrate of sample 1 was measured by SIMS.

(ホール測定)
ホール測定により、サンプル1の基板の移動度並びに比抵抗、サンプル1の基板中の自由電子濃度を測定した。
(Hall measurement)
By Hall measurement, the mobility and resistivity of the substrate of Sample 1, and the free electron concentration in the substrate of Sample 1 were measured.

(光学測定)
サンプル1および2の基板のそれぞれの、透過率および反射率を測定した。
(optical measurement)
The transmittance and reflectance of each of the substrates of Samples 1 and 2 were measured.

透過率および反射率の測定には、島津社製のSolidSpec-3700DUV紫外可視近赤外分光光度計を用いた。測定条件は以下の通りである。
スリット幅:8nm(波長720nm以下)、32nm(波長720nm以上)
測定速度:低速
光源:ハロゲンランプ(波長310nm以上)
検出器:
光電子増倍管(PMT)(波長870nm以下)
InGaAs(波長870nm~1650nm)
PbS(波長1650nm以上)
付属装置 大型試料室 積分球(60mmφ)スペクトラロン
入射角:(Ga面から入射)
透過率測定:0°
反射率測定:8°
光照射サイズ:
透過率測定:3mm×3mm
反射率測定:10mm×5mm
リファレンス:
透過率測定:なし
反射率測定:Alミラー
A Shimadzu SolidSpec-3700 DUV UV-Vis-NIR spectrophotometer was used to measure transmittance and reflectance. The measurement conditions are as follows.
Slit width: 8 nm (wavelength 720 nm or less), 32 nm (wavelength 720 nm or more)
Measurement speed: Slow Light source: Halogen lamp (wavelength 310 nm or more)
Detector:
Photomultiplier tube (PMT) (wavelength 870 nm or less)
InGaAs (wavelength 870 nm to 1650 nm)
PbS (wavelength 1650 nm or more)
Attached equipment Large sample chamber Integrating sphere (60 mmφ) Spectralon Incident angle: (incident from Ga surface)
Transmittance measurement: 0°
Reflectance measurement: 8°
Light irradiation size:
Transmittance measurement: 3mm x 3mm
Reflectance measurement: 10mm x 5mm
reference:
Transmittance measurement: None Reflectance measurement: Al mirror

サンプル1の基板では、主面の中心と、中心からm軸方向およびa軸方向のそれぞれに15mm離れた位置の4点とにおいて、透過率および反射率を測定した。その後、基板の主面の中心における透過率および反射率に基づいて、吸収係数を求めた。 For the substrate of sample 1, the transmittance and reflectance were measured at the center of the main surface and four points at positions 15 mm apart from the center in the m-axis direction and the a-axis direction. After that, the absorption coefficient was obtained based on the transmittance and reflectance at the center of the main surface of the substrate.

なお、サンプル2の基板では、主面の中心において、透過率および反射率を測定し、その結果に基づいて、吸収係数を求めた。 For the substrate of sample 2, the transmittance and reflectance were measured at the center of the main surface, and the absorption coefficient was determined based on the results.

(2-3)結果
<SIMS測定結果>
SIMS測定の結果、サンプル1の基板中の酸素濃度は、1×1018cm-3であった。
(2-3) Results <SIMS measurement results>
As a result of SIMS measurement, the oxygen concentration in the substrate of sample 1 was 1×10 18 cm −3 .

<ホール測定結果>
ホール測定の結果、サンプル1の基板の移動度は254cm/V・sであった。サンプル1の基板の比抵抗は0.0232Ω・cmであった。
<Hall measurement result>
As a result of Hall measurement, the mobility of the substrate of sample 1 was 254 cm 2 /V·s. The specific resistance of the substrate of sample 1 was 0.0232 Ω·cm.

また、サンプル1の基板中の自由電子濃度は、1.06×1018cm-3であった。サンプル1の基板中の自由電子濃度は、基板中の酸素濃度とほぼ同等であった。 Also, the free electron concentration in the substrate of sample 1 was 1.06×10 18 cm −3 . The free electron concentration in the substrate of sample 1 was almost the same as the oxygen concentration in the substrate.

このことから、サンプル1の基板中の自由電子濃度は、サンプル2の基板中の自由電子濃度とほぼ同等であったと考えられる。 From this, it is considered that the free electron concentration in the substrate of Sample 1 was almost the same as the free electron concentration in the substrate of Sample 2.

<光学測定結果>
図18(a)および(b)を用い、サンプル1および2の基板のそれぞれにおける吸収係数について説明する。図18(a)は、サンプル1および2の吸収スペクトルを示す図であり、(b)は、(a)に理論式を追加した図である。なお、図18(b)における理論式は、K=2.2×10-19、a=3としたときの上述の式(3)である。
<Optical measurement result>
The absorption coefficients of the substrates of Samples 1 and 2 will be described with reference to FIGS. 18(a) and 18(b). FIG. 18(a) is a diagram showing absorption spectra of samples 1 and 2, and (b) is a diagram obtained by adding a theoretical formula to (a). The theoretical formula in FIG. 18(b) is the above formula (3) when K=2.2×10 −19 and a=3.

図18(a)に示すように、可視光域では、サンプル1の基板の吸収係数は、サンプル2の基板の吸収係数と同等以下であった。具体的には、サンプル1の基板では、500nm以上700nm以下の波長範囲における吸収係数は、0.15cm-1以下であった。 As shown in FIG. 18A, the absorption coefficient of the substrate of sample 1 was equal to or lower than that of the substrate of sample 2 in the visible light region. Specifically, the substrate of Sample 1 had an absorption coefficient of 0.15 cm −1 or less in the wavelength range of 500 nm to 700 nm.

赤外域では、自由キャリア吸収によるサンプル1の基板の吸収係数は、サンプル2の基板の吸収係数とほぼ一致していた。このことから、サンプル1の基板の自由電子濃度がサンプル2の基板中の自由電子濃度とほぼ同等であったことが裏付けられた。 In the infrared region, the absorption coefficient of the substrate of sample 1 due to free carrier absorption almost coincided with the absorption coefficient of the substrate of sample 2. This confirms that the free electron concentration in the substrate of Sample 1 was substantially the same as the free electron concentration in the substrate of Sample 2.

さらに、図18(b)に示すように、サンプル1(および2)の基板では、K=2.2×10-19、a=3としたときに、少なくとも1μm以上2.5μm以下の波長範囲における吸収係数αが、最小二乗法で上述の式(3)により近似することができた。このとき、波長2μmにおいて、式(3)から求められる吸収係数αに対する、実測される吸収係数の誤差は、例えば、±0.1α以内であった。 Furthermore, as shown in FIG. 18(b), in the substrate of sample 1 (and 2), when K=2.2×10 −19 and a=3, the wavelength range is at least 1 μm or more and 2.5 μm or less. can be approximated by the above equation (3) by the method of least squares. At this time, at a wavelength of 2 μm, the error of the actually measured absorption coefficient with respect to the absorption coefficient α obtained from Equation (3) was, for example, within ±0.1α.

次に、図19(a)および(b)を用い、サンプル1の基板における透過率および反射率の面内分布について説明する。図19(a)は、サンプル1の透過スペクトルを示す図であり、(b)は、サンプル1の反射スペクトルを示す図である。なお、図19(a)は、サンプル1の5つの測定点のうち、最も透過率の差が大きかった2点の透過スペクトルを示している。図19(b)は、サンプル1の5つの測定点のうち、最も反射率の差が大きかった2点の反射スペクトル(実線および破線)を示している。 Next, the in-plane distribution of transmittance and reflectance on the substrate of Sample 1 will be described with reference to FIGS. 19A is a diagram showing the transmission spectrum of Sample 1, and FIG. 19B is a diagram showing the reflection spectrum of Sample 1. FIG. Note that FIG. 19A shows the transmission spectra of two points with the largest transmittance difference among the five measurement points of Sample 1. FIG. FIG. 19B shows reflection spectra (solid line and dashed line) of two points with the largest difference in reflectance among the five measurement points of sample 1. FIG.

図19(a)に示すように、サンプル1の透過率の面内ばらつきは小さかった。具体的には、サンプル1の基板では、500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における透過率の、主面内のばらつきは、±0.3%以内であった。 As shown in FIG. 19A, the in-plane variation in transmittance of sample 1 was small. Specifically, in the substrate of Sample 1, the variation in the transmittance within the main surface at each wavelength within the wavelength range of 500 nm to 700 nm was within ±0.3%.

また、図19(b)に示すように、サンプル1の反射率の面内ばらつきは小さかった。具体的には、サンプル1の基板では、500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における反射率の、主面内のばらつきは、±0.3%以内であった。 In addition, as shown in FIG. 19B, the in-plane variation in reflectance of sample 1 was small. Specifically, in the substrate of Sample 1, the variation in the reflectance within the main surface at each wavelength within the wavelength range of 500 nm to 700 nm was within ±0.3%.

(実験2のまとめ)
以上の実験2によれば、可視光域では、サンプル1の基板の吸収係数は、サンプル2の基板の吸収係数と同等以下であった。サンプル1の基板は高酸素濃度領域を有しているが、特異な吸収が生じておらず、サンプル1の基板は、サンプル2のようなVAS法で得られる基板と同等の高い結晶品質を有していたことを確認した。つまり、サンプル1の基板を、LED用基板として充分に適用可能であることを確認した。
(Summary of Experiment 2)
According to Experiment 2 described above, the absorption coefficient of the substrate of Sample 1 was equal to or lower than that of the substrate of Sample 2 in the visible light region. Although the substrate of sample 1 has a high oxygen concentration region, no peculiar absorption occurs, and the substrate of sample 1 has a high crystal quality equivalent to the substrate obtained by the VAS method like sample 2. I confirmed that I did. In other words, it was confirmed that the substrate of Sample 1 is sufficiently applicable as an LED substrate.

また、実験2によれば、自由キャリア吸収によるサンプル1の基板の吸収係数は、サンプル2の基板の吸収係数とほぼ一致していた。また、サンプル1の基板において、自由キャリア吸収に基づく赤外域の吸収係数を、自由キャリア濃度および波長の関数として近似することができた。これらのことからも、サンプル1の基板は、サンプル2のようなVAS法で得られる基板と同等の高い結晶品質を有していたことを確認した。また、サンプル1の基板では、赤外域における吸収係数が、ばらつくことなく、式(3)により近似可能であることで、赤外線照射によりサンプル1の基板を加熱したときに、該基板を精度良くかつ再現性良く加熱することが可能となることを確認した。 Further, according to Experiment 2, the absorption coefficient of the substrate of Sample 1 due to free carrier absorption substantially coincided with the absorption coefficient of the substrate of Sample 2. Also, in the substrate of sample 1, the absorption coefficient in the infrared region based on free carrier absorption could be approximated as a function of free carrier concentration and wavelength. Also from these facts, it was confirmed that the substrate of Sample 1 had a high crystal quality equivalent to that of the substrate obtained by the VAS method, such as Sample 2. Further, in the substrate of Sample 1, the absorption coefficient in the infrared region can be approximated by the formula (3) without variation, so that when the substrate of Sample 1 is heated by infrared irradiation, the substrate can be accurately and It was confirmed that heating can be performed with good reproducibility.

上述の実験1の結果によれば、実施例の基板において、高酸素濃度領域と低酸素濃度領域とは、基板の主面内で均等にランダムに分散していた。低酸素濃度領域の平面視での大きさは、厚さ方向にランダムに変化していた。また、低酸素濃度領域は、厚さ方向に連続していなかった。実験2の結果は当該実験1の結果を支持し、サンプル1の基板では、透過率および反射率の面内ばらつきは小さかったことを確認した。 According to the results of Experiment 1 described above, in the substrate of Example, the high oxygen concentration region and the low oxygen concentration region were evenly and randomly distributed within the main surface of the substrate. The size of the low-oxygen-concentration region in plan view varied randomly in the thickness direction. Also, the low oxygen concentration region was not continuous in the thickness direction. The results of Experiment 2 supported the results of Experiment 1, and it was confirmed that the substrate of Sample 1 had small in-plane variations in transmittance and reflectance.

<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。
<Preferred embodiment of the present invention>
Preferred embodiments of the present invention are described below.

(付記1)
気相成長法を用いた窒化物半導体基板の製造方法であって、
下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上にIII族窒化物半導体からなる第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層上に金属層を形成する工程と、
熱処理を行い、前記第1下地層中にボイドを形成する工程と、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する第2下地層を、前記第1下地層の上方にエピタキシャル成長させ、該第2下地層の前記主面を鏡面化させる工程と、
(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記第2下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記第2下地層の前記主面よりも上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、前記(0001)面を前記頂面から少なくとも一度消失させ、3次元成長層を成長させる工程と、
前記3次元成長層をスライスし、前記窒化物半導体基板を形成する工程と、
を有する
窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 1)
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate using a vapor deposition method, comprising:
preparing an underlying substrate;
forming a first underlying layer made of a group III nitride semiconductor on the underlying substrate;
forming a metal layer on the first underlayer;
heat-treating to form voids in the first underlayer;
A second underlayer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane is epitaxially grown above the first underlayer, and the second underlayer is mirroring the main surface of the stratum;
A single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface with an exposed (0001) plane is directly epitaxially grown on the main surface of the second underlayer, and is formed of an inclined interface other than the (0001) plane. A plurality of concave portions are formed on the top surface, the inclined interface is gradually expanded upward from the main surface of the second underlayer, and the (0001) plane disappears from the top surface at least once. , growing a three-dimensional growth layer;
slicing the three-dimensional growth layer to form the nitride semiconductor substrate;
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having

(付記2)
前記3次元成長層を成長させる工程では、
前記3次元成長層において前記傾斜界面を成長面として成長させた傾斜界面成長領域を形成し、
前記3次元成長層を前記主面に沿って切った沿面断面において前記傾斜界面成長領域が占める面積割合を、80%以上とする
付記1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 2)
In the step of growing the three-dimensional growth layer,
forming an inclined interface growth region grown in the three-dimensional growth layer using the inclined interface as a growth surface;
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to Supplementary Note 1, wherein the sloped interface growth region accounts for 80% or more of the surface area of the three-dimensional growth layer cut along the main surface.

(付記3)
前記3次元成長層を形成する工程は、
前記(0001)面を前記頂面から消失させた後に、前記傾斜界面成長領域が前記沿面断面の80%以上の面積を占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って前記単結晶の成長を継続させ、傾斜界面維持層を形成する工程を有する
付記2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 3)
The step of forming the three-dimensional growth layer includes:
After the (0001) plane has disappeared from the top surface, the single crystal is grown over a predetermined thickness while maintaining a state in which the inclined interface growth region occupies an area of 80% or more of the creeping cross section. 3. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to appendix 2, further comprising the step of forming the graded interface preserving layer.

(付記4)
前記3次元成長層をスライスする工程では、
前記傾斜界面維持層をスライスする
付記3に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 4)
In the step of slicing the three-dimensional growth layer,
3. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to appendix 3, wherein the inclined interface maintaining layer is sliced.

(付記5)
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記傾斜界面成長領域中に取り込まれる酸素の濃度以上の濃度で、導電型不純物を添加する
付記2~4のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 5)
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
5. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 2 to 4, wherein the conductive impurity is added at a concentration equal to or higher than the concentration of oxygen introduced into the inclined interface growth region.

(付記6)
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記(0001)面を成長面として所定の厚さで前記単結晶を成長させた後に、該単結晶の前記頂面に前記複数の凹部を生じさせる
付記1~5のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 6)
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
6. The method according to any one of appendices 1 to 5, wherein after the single crystal is grown to a predetermined thickness using the (0001) plane as a growth surface, the plurality of recesses are formed in the top surface of the single crystal. A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.

(付記7)
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記傾斜界面として、m≧3である{11-2m}面を生じさせる
付記1~6のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 7)
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
7. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 1 to 6, wherein the inclined interface is a {11-2m} plane where m≧3.

(付記8)
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記単結晶の前記頂面に前記複数の凹部を生じさせ、前記(0001)面を消失させることで、前記3次元成長層の表面に、複数の谷部および複数の頂部を形成し、
前記主面に垂直な任意の断面を見たときに、前記複数の谷部のうちの1つを挟んで前記複数の頂部のうちで最も接近する一対の頂部同士が前記主面に沿った方向に離間した平均距離を、100μm超とする
付記1~7のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 8)
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
forming a plurality of valleys and a plurality of tops on the surface of the three-dimensional growth layer by forming the plurality of recesses on the top surface of the single crystal and eliminating the (0001) plane;
When viewing an arbitrary cross section perpendicular to the main surface, a pair of apexes closest to each other among the plurality of apexes sandwiching one of the plurality of troughs is in a direction along the main surface. 8. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 1 to 7, wherein the average distance between the two is more than 100 μm.

(付記9)
前記3次元成長層を形成する工程では、
最も接近する前記一対の頂部同士の前記平均距離を、800μm未満とする
付記8に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 9)
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to appendix 8, wherein the average distance between the pair of apexes that are closest to each other is less than 800 μm.

(付記10)
前記窒化物半導体基板をスライスする工程では、
前記窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径を、前記第2下地層を前記3次元成長層と同じ厚さで成長させ、前記3次元成長層を形成する工程を行わずに前記第2下地層をスライスした場合の窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径よりも大きくする
付記1~9のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 10)
In the step of slicing the nitride semiconductor substrate,
The radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate is reduced by growing the second underlayer to the same thickness as the three-dimensional growth layer and forming the three-dimensional growth layer without performing the step of forming the three-dimensional growth layer. 2. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 1 to 9, wherein the radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate when the underlying layer is sliced is larger than that of the substrate.

(付記11)
前記窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径を、15m以上とする
付記10に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to appendix 10, wherein the radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate is 15 m or more.

(付記12)
2インチ以上の直径を有し、III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
9×1017cm-3以上の酸素濃度を有する高酸素濃度領域を有し、
前記主面において前記高酸素濃度領域が占める面積割合は、80%以上である
窒化物半導体基板。
(Appendix 12)
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more, made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane,
Having a high oxygen concentration region having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more,
The nitride semiconductor substrate, wherein the area ratio of the high oxygen concentration region in the main surface is 80% or more.

(付記13)
5×1016cm-3以下の酸素濃度を有する低酸素濃度領域を有する
付記12に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 13)
13. The nitride semiconductor substrate according to appendix 12, which has a low oxygen concentration region having an oxygen concentration of 5×10 16 cm −3 or less.

(付記14)
前記主面における前記低酸素濃度領域は、小さくとも50μm角の無転位領域を含む
付記13に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 14)
14. The nitride semiconductor substrate according to appendix 13, wherein the low oxygen concentration region in the main surface includes a dislocation-free region of at least 50 μm square.

(付記15)
平面視での前記低酸素濃度領域の大きさは、前記主面と反対の裏面から前記主面に向けて変化している
付記13又は14に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 15)
15. The nitride semiconductor substrate according to Supplementary Note 13 or 14, wherein the size of the low oxygen concentration region in plan view changes from the back surface opposite to the main surface toward the main surface.

(付記16)
前記低酸素濃度領域は、前記主面と反対の裏面から前記主面に向けて連続的に繋がっていない
付記13~15のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 16)
16. The nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 13 to 15, wherein the low oxygen concentration region is not continuously connected from the back surface opposite to the main surface toward the main surface.

(付記17)
5×1016cm-3以下の酸素濃度を有する低酸素濃度領域を有しない
付記13~16のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 17)
17. The nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 13 to 16, which does not have a low oxygen concentration region having an oxygen concentration of 5×10 16 cm −3 or less.

(付記18)
500nm以上700nm以下の波長範囲における吸収係数は、0.15cm-1以下である
付記12~17のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 18)
18. The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 17, wherein the absorption coefficient in the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is 0.15 cm −1 or less.

(付記19)
波長をλ(μm)、27℃における前記窒化物半導体基板の吸収係数をα(cm-1)、前記窒化物半導体基板中の自由電子濃度をn(cm-3)、Kおよびaをそれぞれ定数としたときに、
少なくとも1μm以上2.5μm以下の波長範囲における前記吸収係数αは、最小二乗法で以下の式(3)により近似され、
波長2μmにおいて、前記式(3)から求められる前記吸収係数αに対する、実測される前記吸収係数の誤差は、±0.1α以内である
付記12~18のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
α=nKλ ・・・(3)
(ただし、1.5×10-19≦K≦6.0×10-19、a=3)
(Appendix 19)
λ (μm) is the wavelength, α (cm −1 ) is the absorption coefficient of the nitride semiconductor substrate at 27° C., n (cm −3 ) is the free electron concentration in the nitride semiconductor substrate, and K and a are constants. when
The absorption coefficient α in the wavelength range of at least 1 μm or more and 2.5 μm or less is approximated by the following formula (3) by the least squares method,
19. The nitride semiconductor according to any one of appendices 12 to 18, wherein at a wavelength of 2 μm, the error of the actually measured absorption coefficient with respect to the absorption coefficient α obtained from the formula (3) is within ±0.1α. substrate.
α= nKλa (3)
(However, 1.5×10 −19 ≦K≦6.0×10 −19 , a=3)

(付記20)
前記主面内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の透過率を測定したときに、
500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における前記透過率の、前記主面内のばらつきは、±0.5%以内である
付記12~19のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 20)
When measuring the transmittance of light in a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less at a plurality of different points in the main surface,
20. The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 19, wherein the transmittance at each wavelength within a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less has a variation within the main surface of ±0.5%. .

(付記21)
前記主面内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の反射率を測定したときに、
500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における前記反射率の、前記主面内のばらつきは、±0.5%以内である
付記12~20のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 21)
When measuring the reflectance of light in a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less at a plurality of different points in the main surface,
21. The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 20, wherein the reflectance at each wavelength within the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less has a variation within the main surface of ±0.5%. .

(付記22)
前記主面内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、前記主面へ入射したX線と前記主面とがなすピーク角度ωを、前記直線上の位置に対してプロットし、前記ピーク角度ωを前記位置の1次関数で近似したときに、
前記1次関数の傾きの逆数により求められる前記(0001)面の曲率半径は、15m以上であり、
前記1次関数に対する、測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.05°以下である
付記12~21のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 22)
An X-ray rocking curve measurement of the (0002) plane is performed at each position on a straight line passing through the center in the main surface, and a peak angle ω formed between the X-ray incident on the main surface and the main surface is measured on the straight line. When plotting against the position of and approximating the peak angle ω with a linear function of the position,
The curvature radius of the (0001) plane obtained by the reciprocal of the slope of the linear function is 15 m or more,
22. The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 21, wherein an error of the measured peak angle ω with respect to the linear function is 0.05° or less.

(付記23)
多光子励起顕微鏡により視野250μm角で前記主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度が3×10cm-2を超える領域が前記主面に存在せず、転位密度が1×10cm-2未満である領域が前記主面の80%以上存在する
付記12~22のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 23)
When the principal surface is observed with a multiphoton excitation microscope in a field of view of 250 μm square and the dislocation density is obtained from the dark spot density, there is no region on the principal surface where the dislocation density exceeds 3×10 6 cm −2 , 23. The nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 12 to 22, wherein 80% or more of the main surface has a region with a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 .

(付記24)
前記主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上の密度で有する
付記12~23のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 24)
24. The nitride semiconductor substrate according to any one of Appendices 12 to 23, wherein the main surface has non-overlapping dislocation-free regions of 50 μm square at a density of 100/cm 2 or more.

(付記25)
前記主面は、転位が相対的に集中した転位集中領域を有し、
多光子励起顕微鏡により前記転位集中領域を含む50μm角の視野で前記主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度は、3×10cm-2未満である
付記12~24のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 25)
The main surface has a dislocation concentrated region in which dislocations are relatively concentrated,
Note that the dislocation density is less than 3×10 6 cm −2 when the main surface is observed with a multiphoton excitation microscope in a 50 μm square field of view including the dislocation concentrated region and the dislocation density is obtained from the dark spot density. 25. The nitride semiconductor substrate according to any one of 12 to 24.

(付記26)
前記主面のカソードルミネッセンス像において長さ200μmの任意の仮想的な線分を引いたときに、該線分と基底面転位との交点の数は、10点以下である
付記12~25のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 26)
Any one of Appendices 12 to 25, wherein when an arbitrary virtual line segment with a length of 200 μm is drawn in the cathodoluminescence image of the main surface, the number of intersections between the line segment and the basal plane dislocations is 10 or less. 1. The nitride semiconductor substrate according to claim 1.

(付記27)
前記窒化物半導体基板と、所定のIII族窒化物半導体のノンドープの単結晶を前記主面上にエピタキシャル成長させた半導体層と、を有する積層物を作製し、
前記窒化物半導体基板と同一のIII族窒化物半導体で前記高酸素濃度領域よりも低い酸素濃度を有する単結晶からなる基準基板と、前記半導体層と同一の単結晶を前記基準基板上にエピタキシャル成長させた基準半導体層と、を有する基準積層物を作製し、
前記積層物の前記半導体層と前記基準積層物の前記基準半導体層とのそれぞれにおけるフォトルミネッセンスを温度差1℃未満で測定した場合に、
前記積層物の前記半導体層における最大ピーク波長と、前記基準積層物の前記基準半導体層における最大ピーク波長との差は、1nm以下である
付記12~26のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 27)
fabricating a laminate having the nitride semiconductor substrate and a semiconductor layer obtained by epitaxially growing a non-doped single crystal of a predetermined Group III nitride semiconductor on the main surface;
A reference substrate made of a single crystal of the same III-nitride semiconductor as the nitride semiconductor substrate and having an oxygen concentration lower than that of the high oxygen concentration region, and a single crystal of the same semiconductor layer as the semiconductor layer are epitaxially grown on the reference substrate. creating a reference stack having a reference semiconductor layer;
When the photoluminescence in each of the semiconductor layer of the laminate and the reference semiconductor layer of the reference laminate is measured with a temperature difference of less than 1° C.,
27. The nitride semiconductor according to any one of appendices 12 to 26, wherein a difference between the maximum peak wavelength in the semiconductor layer of the laminate and the maximum peak wavelength in the reference semiconductor layer of the reference laminate is 1 nm or less. substrate.

(付記28)
III族窒化物半導体の単結晶からなり、鏡面化された主面を有し、前記主面に対して最も近い低指数の結晶面が(0001)面である下地層と、
前記下地層上に設けられ、III族窒化物半導体の単結晶からなり、(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を表面に有する3次元成長層と、
を有し、
前記3次元成長層は、9×1017cm-3以上の酸素濃度を有するIII族窒化物半導体の単結晶からなる高酸素濃度領域を有し、
前記3次元成長層は、前記主面に沿って切った沿面断面であって、前記高酸素濃度領域が占める面積割合が80%以上である断面を有する
積層構造体。
(Appendix 28)
an underlying layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, having a mirror-finished main surface, and having a (0001) plane as the closest low-index crystal plane to the main surface;
a three-dimensional growth layer provided on the underlayer, made of a single crystal of a group III nitride semiconductor, and having a plurality of recesses on the surface thereof, the recesses being formed by tilted interfaces other than the (0001) plane;
has
The three-dimensional growth layer has a high oxygen concentration region made of a group III nitride semiconductor single crystal having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more,
The laminated structure, wherein the three-dimensionally grown layer has a creeping cross section cut along the main surface, the cross section having an area ratio of 80% or more of the high oxygen concentration region.

(付記29)
前記3次元成長層は、前記下地層の前記主面上に設けられ、5×1016cm-3以下の酸素濃度を有するIII族窒化物半導体の単結晶からなる低酸素濃度領域を有し、
前記低酸素濃度領域は、前記下地層から前記3次元成長層の前記表面まで連続していない
付記28に記載の積層構造体。
(Appendix 29)
The three-dimensional growth layer is provided on the main surface of the underlayer and has a low oxygen concentration region made of a group III nitride semiconductor single crystal having an oxygen concentration of 5×10 16 cm −3 or less,
29. The laminated structure according to appendix 28, wherein the low oxygen concentration region is discontinuous from the underlayer to the surface of the three-dimensionally grown layer.

(付記30)
前記沿面断面を複数見たときに、前記低酸素濃度領域を含まない断面が、前記3次元成長層の厚さ方向の少なくとも一部に存在する
付記29に記載の積層構造体。
(Appendix 30)
29. The laminated structure according to Supplementary Note 29, wherein, when viewing a plurality of the creeping cross sections, a cross section that does not include the low oxygen concentration region exists in at least a portion of the thickness direction of the three-dimensionally grown layer.

(付記31)
前記主面に垂直な任意の断面を見たときに、
前記低酸素濃度領域の上面は、複数の谷部および複数の山部を有し、
前記複数の谷部のうちの1つを挟んで前記複数の山部のうちで最も接近する一対の山部同士が前記主面に沿った方向に離間した平均距離は、100μm超である
付記29又は30に記載の積層構造体。
(Appendix 31)
When looking at any cross section perpendicular to the main surface,
The upper surface of the low oxygen concentration region has a plurality of valleys and a plurality of peaks,
Supplementary note 29 that the average distance between the pair of peaks that are closest to each other among the plurality of peaks across one of the plurality of valleys in the direction along the main surface is more than 100 μm. 31. or the laminated structure according to 30.

(付記32)
前記下地層は、前記主面と反対側に、9×1017cm-3以上の酸素濃度を有するIII族窒化物半導体の単結晶からなる高酸素濃度領域を有する
付記28~30のいずれか1つに記載の積層構造体。
(Appendix 32)
31. Any one of Appendices 28 to 30, wherein the underlying layer has, on the side opposite to the main surface, a high oxygen concentration region made of a group III nitride semiconductor single crystal having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more. The laminated structure according to 1.

1 下地基板
2 第1下地層
3 金属層
4 ボイド含有第1下地層
5 金属窒化層
6 第2下地層
10 下地構造体
30 3次元成長層
50 窒化物半導体基板(基板)
1 base substrate 2 first base layer 3 metal layer 4 void-containing first base layer 5 metal nitride layer 6 second base layer 10 base structure 30 three-dimensional growth layer 50 nitride semiconductor substrate (substrate)

Claims (18)

気相成長法を用いた窒化物半導体基板の製造方法であって、
下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上にIII族窒化物半導体からなる第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層上に金属層を形成する工程と、
熱処理を行い、前記第1下地層中にボイドを形成する工程と、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する第2下地層を、前記第1下地層の上方にエピタキシャル成長させ、該第2下地層の前記主面を鏡面化させる工程と、
(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記第2下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記第2下地層の前記主面よりも上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、前記(0001)面を前記頂面から少なくとも一度消失させ、3次元成長層を成長させる工程と、
前記3次元成長層をスライスし、前記窒化物半導体基板を形成する工程と、
を有する
窒化物半導体基板の製造方法。
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate using a vapor deposition method, comprising:
preparing an underlying substrate;
forming a first underlying layer made of a group III nitride semiconductor on the underlying substrate;
forming a metal layer on the first underlayer;
heat-treating to form voids in the first underlayer;
A second underlayer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane is epitaxially grown above the first underlayer, and the second underlayer is mirroring the main surface of the stratum;
A single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface with an exposed (0001) plane is directly epitaxially grown on the main surface of the second underlayer, and is composed of an inclined interface other than the (0001) plane. A plurality of concave portions are formed on the top surface, the inclined interface is gradually expanded upward from the main surface of the second underlayer, and the (0001) plane disappears from the top surface at least once. , growing a three-dimensional growth layer;
slicing the three-dimensional growth layer to form the nitride semiconductor substrate;
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having
前記3次元成長層を成長させる工程では、
前記3次元成長層において前記傾斜界面を成長面として成長させた傾斜界面成長領域を形成し、
前記3次元成長層を前記主面に沿って切った沿面断面において前記傾斜界面成長領域が占める面積割合を、80%以上とする
請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of growing the three-dimensional growth layer,
forming an inclined interface growth region grown in the three-dimensional growth layer using the inclined interface as a growth surface;
2. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the sloped interface growth region occupies 80% or more of the surface area of the three-dimensional growth layer cut along the main surface.
前記3次元成長層を形成する工程は、
前記(0001)面を前記頂面から消失させた後に、前記傾斜界面成長領域が前記沿面断面の80%以上の面積を占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って前記単結晶の成長を継続させ、傾斜界面維持層を形成する工程を有する
請求項2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
The step of forming the three-dimensional growth layer includes:
After the (0001) plane has disappeared from the top surface, the single crystal is grown over a predetermined thickness while maintaining a state in which the inclined interface growth region occupies an area of 80% or more of the creeping cross section. 3. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 2, further comprising the step of forming the graded interface sustaining layer.
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記傾斜界面成長領域中に取り込まれる酸素の濃度以上の濃度で、導電型不純物を添加する
請求項2又は3に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
4. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein a conductivity type impurity is added at a concentration equal to or higher than the concentration of oxygen introduced into said inclined interface growth region.
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記(0001)面を成長面として所定の厚さで前記単結晶を成長させた後に、該単結晶の前記頂面に前記複数の凹部を生じさせる
請求項1~4のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein after the single crystal is grown to a predetermined thickness using the (0001) plane as a growth plane, the plurality of recesses are formed on the top surface of the single crystal. A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記傾斜界面として、m≧3である{11-2m}面を生じさせる
請求項1~5のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
6. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein a {11-2m} plane in which m≧3 is generated as the inclined interface.
前記3次元成長層を形成する工程では、
前記単結晶の前記頂面に前記複数の凹部を生じさせ、前記(0001)面を消失させることで、前記3次元成長層の表面に、複数の谷部および複数の頂部を形成し、
前記主面に垂直な任意の断面を見たときに、前記複数の谷部のうちの1つを挟んで前記複数の頂部のうちで最も接近する一対の頂部同士が前記主面に沿った方向に離間した平均距離を、100μm超とする
請求項1~6のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of forming the three-dimensional growth layer,
forming a plurality of valleys and a plurality of tops on the surface of the three-dimensional growth layer by forming the plurality of recesses on the top surface of the single crystal and eliminating the (0001) plane;
When viewing an arbitrary cross section perpendicular to the main surface, a pair of apexes closest to each other among the plurality of apexes sandwiching one of the plurality of troughs is in a direction along the main surface. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the average distance between the two is more than 100 µm.
前記窒化物半導体基板をスライスする工程では、
前記窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径を、前記第2下地層を前記3次元成長層と同じ厚さで成長させ、前記3次元成長層を形成する工程を行わずに前記第2下地層をスライスした場合の窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径よりも大きくする
請求項1~7のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
In the step of slicing the nitride semiconductor substrate,
The radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate is reduced by growing the second underlayer to the same thickness as the three-dimensional growth layer and forming the three-dimensional growth layer without performing the step of forming the three-dimensional growth layer. 8. The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate obtained by slicing the second underlying layer is larger than that of the sliced underlying layer.
2インチ以上の直径を有し、III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
9×1017cm-3以上の酸素濃度を有する高酸素濃度領域を有し、
前記主面において前記高酸素濃度領域が占める面積割合は、80%以上であり、
前記主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm 以上の密度で有し、
前記主面内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の透過率を測定したときに、
500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における前記透過率の、前記主面内のばらつきは、±0.5%以内である
窒化物半導体基板。
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more, made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane,
Having a high oxygen concentration region having an oxygen concentration of 9×10 17 cm −3 or more,
The area ratio occupied by the high oxygen concentration region in the main surface is 80% or more,
the main surface has non-overlapping 50 μm square dislocation-free regions at a density of 100/cm 2 or more;
When measuring the transmittance of light in a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less at a plurality of different points in the main surface,
Variation in the main surface of the transmittance at each wavelength within a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is within ±0.5%.
Nitride semiconductor substrate.
前記主面内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の反射率を測定したときに、
500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における前記反射率の、前記主面内のばらつきは、±0.5%以内である
請求項に記載の窒化物半導体基板。
When measuring the reflectance of light in a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less at a plurality of different points in the main surface,
10. The nitride semiconductor substrate according to claim 9 , wherein the reflectance at each wavelength within a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less has a variation within the main surface of ±0.5%.
2インチ以上の直径を有し、III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more, made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor, and having a main surface whose closest low-index crystal plane is the (0001) plane,
9×109x10 1717 cmcm -3-3 以上の酸素濃度を有する高酸素濃度領域を有し、Having a high oxygen concentration region having an oxygen concentration of more than
前記主面において前記高酸素濃度領域が占める面積割合は、80%以上であり、The area ratio occupied by the high oxygen concentration region in the main surface is 80% or more,
前記主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cmThe main surface has 100 dislocation-free regions of 50 μm square that do not overlap each other. 2 以上の密度で有し、having a density of greater than or equal to
前記主面内の異なる複数点で、500nm以上700nm以下の波長範囲の光の反射率を測定したときに、When measuring the reflectance of light in a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less at a plurality of different points in the main surface,
500nm以上700nm以下の波長範囲内のそれぞれの波長における前記反射率の、前記主面内のばらつきは、±0.5%以内である Variation of the reflectance within the main surface at each wavelength within a wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is within ±0.5%.
窒化物半導体基板。Nitride semiconductor substrate.
5×1016cm-3以下の酸素濃度を有する低酸素濃度領域を有する
請求項9~11のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
12. The nitride semiconductor substrate according to claim 9, having a low oxygen concentration region having an oxygen concentration of 5×10 16 cm −3 or less .
前記主面における前記低酸素濃度領域は、小さくとも50μm角の無転位領域を含む
請求項12に記載の窒化物半導体基板。
13. The nitride semiconductor substrate according to claim 12 , wherein said low oxygen concentration region in said main surface includes a dislocation-free region of at least 50 [mu]m square.
平面視での前記低酸素濃度領域の大きさは、前記主面と反対の裏面から前記主面に向けて変化している
請求項12又は13に記載の窒化物半導体基板。
14. The nitride semiconductor substrate according to claim 12 , wherein the size of said low oxygen concentration region in plan view changes from the back surface opposite to said main surface toward said main surface.
前記低酸素濃度領域は、前記主面と反対の裏面から前記主面に向けて連続的に繋がっていない
請求項1214のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
15. The nitride semiconductor substrate according to any one of claims 12 to 14 , wherein said low oxygen concentration region is not continuously connected from the back surface opposite to said main surface toward said main surface.
5×1016cm-3以下の酸素濃度を有する低酸素濃度領域を有しない
請求項9に記載の窒化物半導体基板。
10. The nitride semiconductor substrate according to claim 9, which does not have a low oxygen concentration region having an oxygen concentration of 5×10 16 cm −3 or less.
500nm以上700nm以下の波長範囲における吸収係数は、0.15cm-1以下である
請求項9~16のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
17. The nitride semiconductor substrate according to claim 9, wherein the absorption coefficient in the wavelength range of 500 nm or more and 700 nm or less is 0.15 cm −1 or less.
波長をλ(μm)、27℃における前記窒化物半導体基板の吸収係数をα(cm-1)、前記窒化物半導体基板中の自由電子濃度をn(cm-3)、Kおよびaをそれぞれ定数としたときに、
少なくとも1μm以上2.5μm以下の波長範囲における前記吸収係数αは、最小二乗法で以下の式(3)により近似され、
波長2μmにおいて、前記式(3)から求められる前記吸収係数αに対する、実測される前記吸収係数の誤差は、±0.1α以内である
請求項9~17のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
α=nKλ ・・・(3)
(ただし、1.5×10-19≦K≦6.0×10-19、a=3)
λ (μm) is the wavelength, α (cm −1 ) is the absorption coefficient of the nitride semiconductor substrate at 27° C., n (cm −3 ) is the free electron concentration in the nitride semiconductor substrate, and K and a are constants. when
The absorption coefficient α in the wavelength range of at least 1 μm or more and 2.5 μm or less is approximated by the following formula (3) by the least squares method,
The nitride according to any one of claims 9 to 17 , wherein the error of the measured absorption coefficient with respect to the absorption coefficient α obtained from the formula (3) at a wavelength of 2 μm is within ±0.1α. semiconductor substrate.
α= nKλa (3)
(However, 1.5×10 −19 ≦K≦6.0×10 −19 , a=3)
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