JPWO2016132815A1 - 窒化物半導体自立基板作製方法 - Google Patents

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Abstract

成長層（１０３ａ）の上に、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長してＧａＮの結晶からなるブール（１０４）を形成する。バッファ層（１０２）の形成に用いたＭＯＶＰＥ装置を用いた連続処理により、アンモニアおよびトリメチルガリウムをソースとしたＭＯＶＰＥ法で、成長層（１０３ａ）を構成する各成長島を核とし、ＧａＮをエピタキシャル成長させればよい。

Description

本発明は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＮなどの窒化物半導体の結晶からなる窒化物半導体自立基板作製方法に関する。
近年、発光ダイオードやレーザなどの発光素子に用いる半導体材料として、III族窒化物半導体が着目されている。例えば、III族窒化物半導体としてＧａＮやＩｎＧａＮなどがある。この窒化物半導体は、赤外光から紫外光の広い波長範囲に対応するバンドギャップエネルギーを有し、青色や緑色などの発光ダイオード（ＬＥＤ）や、発振波長が紫外域から赤外域の半導体レーザの材料として有望視されている。省エネの照明用に実用化され、広く市販されている白色ＬＥＤは、窒化物半導体からなる青色ＬＥＤと、黄色の蛍光材料との組み合わせから、構成されている。例えば、市販の高密度のＤＶＤ（Digital Versatile Disk）の記録・読み出しには、窒化物半導体からなる波長４００〜４１０ｎｍの半導体レーザが用いられている。
このような素子においては、結晶性の良い半導体薄膜が必須である。一般に、半導体素子は、単結晶基板上に基板と同種の材料からなる単結晶薄膜を複数積層した構造からなっている。このことによって、欠陥の少ない高品質な単結晶薄膜の成長が可能となっている。欠陥のうち、特に注目すべきは、転位である。光素子においては、この転位密度は、発光効率や素子寿命などの素子特性に大きな影響を与える。例えば、ＩｎＰ系の光ファイバ通信に用いられる半導体レーザにおいては、この転位密度を１０3／ｃｍ2以下にすることによって初めてシステムからの要求である素子寿命１０万時間を確保できている。
ところが、窒化物半導体の場合、例えば、窒化物半導体の中心材料であるＧａＮにおいては、窒素（Ｎ）の気相・固相間の平衡蒸気圧が、従来からあるIII-V族半導体材料、例えば、ＩｎＰの燐（Ｐ）の平衡蒸気圧に較べて数桁高い。このため、ＧａＮ単結晶基板を安価で作製することはできない。現在市販の白色ＬＥＤや青色交通信号機などには、サファイア基板が用いられている。ＧａＮとサファイアとの間の格子不整は１３．８％あり、ＧａＮ中には密度１０8-9／ｃｍ2もの貫通転位が存在している。このため、白色ＬＥＤの効率も、現状では、蛍光灯の２倍を超える程度である１８０ｌｍ／ｗでしかない。
殺菌灯として期待されている波長２６０ｎｍの紫外ＬＥＤでは、転位密度の減少に伴い発光効率は改善されている（非特許文献１参照）。しかしながら、材料固有のバンドギャップエネルギの制限から、発光層とキャリア注入層（クラッド層）との間のバンドギャップ差を大きくできないため、発光効率は限界に達している。
また、窒化物半導体には、窒化物半導体の物性から、高いパフォーマンを有するトランジスタも期待されている。キャリアを基板表面に平行に移動する、いわゆる、横型トランジスタ、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、貫通転位が電子の移動度を低下させてしまう。また、基板表面に垂直な方向にキャリアを移動させる縦型トランジスタは、高耐圧・大電力動作が期待されているが、キャリアが貫通転位と平行に走行するために、横型トランジスタより貫通転位の影響を受ける。
以上のことを検討すると、基板としての１つの解は、ＧａＮ基板を用いることである。現在、「自立基板」と称されるＧａＮ基板が市販されている。市販されているＧａＮ自立基板の価格は、直径２インチで２０万円程度である。この基板は、ＧａＡｓやサファイアなどの単結晶基板上へのＧａＮ成長、基板剥離、ＧａＮの切断、ＧａＮ基板の研磨の工程を通して作製されている。紫外ＬＥＤの場合、このＧａＮ自立基板を用いることによって、ＬＥＤ構造内の転位密度を低減でき、発光効率を１桁以上向上させることが実現されている（非特許文献２参照）。
H. Hirayama, H.Hirayama, S. Fujikawa, N.Noguchi, J. Norimatsu, T.Takano, K. Tsubaki, and N. Kamata, "222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire", phys. stat. sol. (a), vol.206, pp.1176-1182, 2009. K. Akita, T. Nakamura, and H. Hirayama, " Effects of GaN substrates on InAlGaN quaternary UV LEDs", phys. stat. sol. (a), vol.201, pp.2624-2627, 2004. E. S. Hellman, "The Polarity of GaN: a Critical Review", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. vol.3, pp.11.1-11.11, 1998.
ところで、現在、一般には、サファイア基板を成長基板として用い、この上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて膜厚１〜２μｍ程度のＧａＮ単結晶薄膜を結晶成長し、その後、成長速度がＭＯＶＰＥ法に較べて二桁早いハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて、厚膜ＧａＮを成長し、この後、成長基板を除去してインゴット状のＧａＮ膜を形成し、これを所望の厚さの基板に切り出すことで、ＧａＮ自立基板を作製している。現状では、インゴット状のＧａＮ膜は、Ｇａ極性（III族極性）で成長されている。この極性は、従来から実用化されてきたＧａＡｓやＩｎＰの立方晶状の結晶構造であるジンクブレンド型にはないＧａＮの結晶構造である六方晶状の結晶構造であるウルツ鉱型特有の特性である。
以下、図５を用いて上記極性について説明する。図５は、ウルツ鉱型のｃ軸方向に結晶成長したときの極性を示す説明図である。図５の（ａ）に示すように、Ｇａ（＋Ｃ）極性成長の場合には、Ｎ原子１個がＧａ原子１個で捕獲されている。一方、図５の（ｂ）に示すように、Ｎ（−Ｃ）極性では、Ｎ原子１個がＧａ原子３個で捕獲されている。このように、Ｎ極性成長では、Ｇａ極性成長の場合より、Ｎ原子が捕獲されやすいことになる。従って、極性によって、結晶成長の状況が左右されることが容易に類推される。
市販のＬＥＤなどは、全てＧａ極性成長で作製されている。この理由は、Ｎ極性成長に較べて、成長が容易なためである（非特許文献３参照）。Ｇａ極性で作製されるＧａＮ自立基板用の厚膜ＧａＮ成長後の状態を図６を用いて説明する。直径２インチのＧａＮ基板を得るために、直径２．５インチのサファイア基板６０１が用いられている。成長させているＧａＮ膜６０２の側壁の面方位は、｛１−１０１｝または｛１−１０２｝となり、ＧａＮ膜６０２の膜厚が厚くなるのにともない直径が小さくなる。成長したＧａＮ膜６０２の膜厚が７〜８ｍｍ程度に到達すると、最上面の直径が２インチにまで小さくなり、これ以上成長させることができない状態となる。この厚さでは、６枚程度しかＧａＮ自立基板が作製できない。このため、現状の作製技術では、一枚の自立基板の作製のために、高いコストを要し、ＧａＮ自立基板が高価になってしまうという問題がある。
さらに、市販のＧａＮ自立基板においては、サファイアなどの基板とＧａＮとの間の界面での貫通転位密度は、前述したように１０8-9／ｃｍ2である。ＧａＮブール成長時の厚膜化にともない、結晶中に生じる歪みによって貫通転位は合体が進み、貫通転位密度は減少する。しかしながら、ＧａＮを厚さ７〜８ｍｍ程度しか成長できないために、成長後の表面での貫通転位密度としては１０5-6／ｃｍ2存在している。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より安価に貫通転位密度の少ない窒化物半導体自立基板が作製できるようにすることを目的とする。
本発明に係る窒化物半導体自立基板作製方法は、結晶からなる成長基板の主表面上に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのいずれかの窒化物半導体からなるバッファ層を形成する第１工程と、バッファ層を加熱して単結晶化し、上面がＮ極性とされた六角柱状の複数の成長島からなる結晶化層を形成する第２工程と、成長基板の平面に平行な方向への成長を促進させることにより成長島を凝集させて連続した成長層を形成する第３工程と、成長層の上に、主表面をＮ極性とした状態で窒化物半導体を結晶成長して窒化物半導体の結晶からなるブールを形成する第４工程と、ブールより成長基板を取り除く第５工程と、ブールを分割して複数の窒化物半導体自立基板を作製する第６工程とを備える。
上記窒化物半導体自立基板作製方法において、成長基板は、サファイアから構成されば良い。この場合、第１工程では、バッファ層を形成する前に結晶からなる成長基板の主表面を窒化することで、第４工程で、主表面をＮ極性とした状態で窒化物半導体を結晶成長すればよい。
上記窒化物半導体自立基板作製方法において、成長基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶から構成されていても良い。この場合、第１工程では、バッファ層を形成する前に結晶からなる成長基板の主表面を窒化することで、第４工程で、主表面をＮ極性とした状態で窒化物半導体を結晶成長してもよい。また、窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮのいずれかである場合、第４工程では、成長層の上にＡｌＮからなるＡｌＮ層を形成し、形成したＡｌＮ層の表面を酸化し、表面を酸化したＡｌＮ層の表面を窒化した後、主表面をＮ極性とした状態で窒化物半導体を結晶成長するとよい。また、窒化物半導体は、ＡｌＮである場合、第４工程では、成長層の表面を酸化し、表面を酸化した成長層の表面を窒化した後、主表面をＮ極性とした状態で窒化物半導体を結晶成長すればよい。また、成長基板は、主表面がｃ面より０．４〜１．２°傾斜しているとよい。特に、傾斜角については、成長基板は、主表面がｃ面よりｍ軸を回転軸として０．４〜１．２°傾斜しているとよい。
以上説明したように、本発明によれば、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのいずれかの窒化物半導体を結晶成長して窒化物半導体の結晶からなるブールを形成するようにしたので、より安価に窒化物半導体自立基板が作製できるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。 図２は、本発明の実施の形態２における他の窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。 図３は、本発明の実施の形態３における他の窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。 図４は、主表面をＧａ極性とした状態でＧａＮを結晶成長した場合の問題を説明するための説明図である。 図５は、ＧａＮ基板表面の極性について説明する説明図である。 図６は、Ｇａ極性で作製される窒化物半導体自立基板用の厚膜ＧａＮ成長後の状態を説明するための説明図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。
まず、第１工程Ｓ１０１で、図１の（ａ）に示すように、結晶からなる成長基板１０１の主表面を窒化する。成長基板１０１は、例えば、サファイアから構成されている。例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置の成長炉内で窒化すればよい。まず、成長炉内に基板１０１を搬入して密閉し、成長炉内にアンモニアガスを供給し、また、基板１０１の温度を１０５０℃に加熱する。供給するアンモニアガスの流量は、５standard little/ｍｉｎ．（ｓｌｍ）とし、成長炉内の圧力は８６６５９．３Ｐａ（６５０Ｔｏｒｒ）とする。この環境下で５分窒化する。
次に、第２工程Ｓ１０２で、図１の（ｂ）に示すように、窒化された成長基板１０１の主表面上に、ＧａＮからなるバッファ層１０２を形成する。例えば、アンモニアおよびトリメチルガリウム（ＴＥＧ）を原料とした有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、例えば５５０℃程度の低温条件として結晶とはなっていないバッファ層１０２を形成すればよい。バッファ層１０２は、厚さ２０ｎｍ程度に形成すればよい。例えば、成長炉内への原料輸送のキャリアガスは水素とし、Ｖ族原料であるアンモニアは流量５ｓｌｍとし、アンモニア供給量とIII族原料であるＴＥＧ供給量との比（V/III比）は２０００とし、成長炉圧力６５０Ｔｏｒｒとする。また、成長時間を３分間とする。
次に、第３工程Ｓ１０３で、バッファ層１０２を加熱することで単結晶化し、図１の（ｃ）に示すように、上面がＮ極性とされた六角柱状の複数の成長島からなる結晶化層１０３を形成する。例えば、バッファ層１０２形成に用いたＭＯＶＰＥ装置内で、１０５０℃程度に加熱すればよい。例えば、成長炉圧力を６５０Ｔｏｒｒとし、成長炉内には、ガスは窒素ガスおよびアンモニアガスを供給し、処理時間を５分間とする。この加熱処理により、バッファ層１０２の一部は蒸発（気化）し、一部が結晶化し、薄い六角柱状の複数の成長島が形成れるようになる。また、成長基板１０１の主表面が窒化されているので、各成長島の上面は、Ｎ極性となっている。
次に、第４工程Ｓ１０４で、成長基板１０１の平面に平行な方向への成長を促進させることにより成長島を凝集させ、図１の（ｄ）に示すように、連続した成長層１０３ａを形成する。例えば、成長炉内への原料輸送のキャリアガスは水素とし、アンモニアは流量５ｓｌｍとし、Ｇａ下量のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）は、V/III比を１５００の条件とし、成長炉圧力６５０Ｔｏｒｒとする。また、成長時間１時間とする。成長層１０３ａは、層厚１．７μｍ程度に形成する。結晶化層１０３を構成している成長島は上面側をＮ極性としているので、エピタキシャル成長するＧａＮも、成長表面側がＮ極性となり、成長層１０３ａの主表面はＮ極性となる。
次に、第５工程Ｓ１０５で、図１の（ｅ）に示すように、成長層１０３ａの上に、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長してＧａＮの結晶からなるブール１０４を形成する。バッファ層１０２の形成に用いたＭＯＶＰＥ装置を用いた連続処理により、アンモニアおよびトリメチルガリウムをソースとしたＭＯＶＰＥ法で、成長層１０３ａを構成する各成長島を核とし、ＧａＮをエピタキシャル成長させればよい。
例えば、成長炉内への原料輸送のキャリアガスは水素（１０ｓｌｍ）とし、アンモニアは流量１５ｓｌｍとし、Ｇａ下量のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）は、V/III比を１５００の条件とし、成長炉圧力６５０Ｔｏｒｒとする。この条件によれば、成長速度は、毎時７μｍとなる。成長島は上面側をＮ極性としているので、エピタキシャル成長するＧａＮも、成長表面側がＮ極性となる。また、既に平坦な成長層１０３ａが形成された上における成長であり、成長速度を高めても、平坦な状態でＧａＮが成長できる。
なお、上述したＭＯＶＰＥ法によりＧａＮをある程度エピタキシャル成長させた後、続いて、ＨＣｌとＧａソースとを反応させることで生成したＧａＣｌガスおよびＮＨ3ガスを用いたハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法により、ＧａＮをエピタキシャル成長させることでブール１０４を形成してもよい。なお、ＧａＣｌの代わりにＧａＣｌ3を用いることで、より効率的にＧａＮをエピタキシャル成長させることができる。ハイドライド気相成長法によれば、成長速度が速いので、より短時間で所望とする大きさ（厚さ）のブール１０４が形成できるようになる。
ここで、より結晶性のよい状態でブール１０４を形成するために、成長基板１０１は、主表面がｃ面より０．４〜１．２°傾斜したものを用いるとよい。特に、ｍ軸を回転軸として、成長基板１０１の主表面をｃ面から傾けるとよい。このような微傾斜面を主表面とすることで、よく知られたステップフロー成長となり、エピタキシャル成長において、ステップ成長を促進でき、ステップの並んだ平坦な表面が得られるようになり、結晶性のよいブール１０４が形成できるようになる。なお、ａ軸回転の場合は、エピタキシャル成長中にステップバンチングが生じ、表面の凹凸が激しくなる。
以上のようにすることで所望の厚さのブール１０４を形成した後、第６工程Ｓ１０６で、図１の（ｆ）に示すように、成長基板１０１を除去する。例えば、内周刃やワイヤソウなどを用いて切断することで成長基板１０１を除去し、単独の状態のブール１０４を作製すればよい。別の方法としては、波長ＹＡＧレーザの波長１．０６μｍの３倍波あるいは４倍波の紫外光を基板裏面側から照射し、基板近傍のＧａＮに光を吸収させることによってＧａＮを熔解し、剥離する方法もある。また、切断により除去した後、研削研磨してブール１０４の表面を鏡面に加工する。この後、第７工程Ｓ１０７で、図１の（ｇ）に示すように、所望の厚さに切り出すことで複数の窒化物半導体自立基板１０５を作製する。例えば、ブール１０４を円盤状に切断して複数の円板状結晶を作製し、作製した円盤状の結晶を鏡面研磨して窒化物半導体自立基板１０５を完成させる。実施の形態１では、ＧａＮ自立基板が作製される。
以上に示したように、主表面をＮ極性としてブールを形成することで、より厚く形成できるようになり、１つのブールからより多くの窒化物半導体自立基板が作製できるようになり、より安価に窒化物半導体自立基板が作製できるようになる。
一般には、ＧａＮの結晶成長では、主表面をＧａ極性とされているが、この条件では、結晶成長するとともに主表面の面積が小さくなる。このため、従来では、７〜８ｍｍ程度の厚さにまでしか形成できていない。一方で、主表面をＮ極性として結晶成長させれば、成長させている結晶層表面の面積が、成長基板の主表面の面積と同等あるいはそれ以上となるため、主表面の面積を縮小させることなく、より厚く形成できる。この性質は、結晶のハビットによっている。
また、より厚く形成することで、基板の表面側においては、貫通転位などの欠陥を減少させることができるようになる。基板とＧａＮとの格子不整のために基板とＧａＮとの界面に発生する転位密度は、膜厚の増加と共に減少する。結晶中に存在している歪みのために、隣接する二本の貫通転位が転位ループを形成し、一本となるためである。Ｇａ極性成長の場合、ＧａＮと基板との界面に存在していた貫通転位密度１０8-9／ｃｍ3は、７〜８ｍｍ厚さ成長すると１０5-6／ｃｍ3に減少する。このため、本発明における窒化物半導体自立基板の表面においては、より結晶性のよい状態とすることができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。前述した実施の形態１では、成長基板をサファイアから構成する場合について説明したが、これに限るものではない。成長基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶から構成することで、より容易に、かつより結晶性のよい状態で窒化物半導体自立基板が作製できるようになる。以下、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板を用いた実施の形態２における窒化物半導体自立基板作製方法について説明する。
まず、第１工程Ｓ２０１で、図２の（ａ）に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板２０１の主表面を窒化する。次に、第２工程Ｓ２０２で、図２の（ｂ）に示すように、窒化された成長基板２０１の主表面上に、ＧａＮからなるバッファ層２０２を形成する。例えば、アンモニアおよびトリメチルガリウムをソースとしたＭＯＶＰＥ法により、例えば５５０℃程度の低温条件として結晶とはなっていないバッファ層２０２を形成すればよい。バッファ層２０２は、厚さ２０ｎｍ程度に形成すればよい。
次に、第３工程Ｓ２０３で、バッファ層２０２を加熱することで単結晶化し、図２の（ｃ）に示すように、上面がＮ極性とされた六角柱状の複数の成長島からなる結晶化層２０３を形成する。例えば、バッファ層２０２形成に用いたＭＯＶＰＥ装置内で、１０５０℃程度に加熱すればよい。この加熱処理により、バッファ層２０２の一部は蒸発（気化）し、一部が結晶化し、薄い六角柱状の複数の成長島が形成れるようになる。また、成長基板２０１の主表面が窒化されているので、各成長島の上面は、Ｎ極性となっている。
次に、第４工程Ｓ１０４で、成長基板１０１の平面に平行な方向への成長を促進させることにより成長島を凝集させ、図２の（ｄ）に示すように、連続した成長層２０３ａを形成する。
次に、第５工程Ｓ２０４で、図２の（ｄ）に示すように、成長層２０３ａの上に、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長してＧａＮの結晶からなるブール２０４を形成する。バッファ層２０２形成に用いたＭＯＶＰＥ装置を用いた連続処理により、アンモニアおよびトリメチルガリウムをソースとしたＭＯＶＰＥ法により、成長層２０３ａを構成する各成長島を核とし、ＧａＮをエピタキシャル成長させればよい。成長島は上面側をＮ極性としているので、エピタキシャル成長するＧａＮも、成長表面側がＮ極性となる。
なお、上述したＭＯＶＰＥ法によりＧａＮをある程度エピタキシャル成長させた後、続いて、ＨＣｌとＧａソースとを反応させることで生成したＧａＣｌガスおよびＮＨ3ガスを用いたＨＶＰＥ法により、ＧａＮをエピタキシャル成長させることでブール２０４を形成してもよい。ハイドライド気相成長法によれば、成長速度が速いので、より短時間で所望とする大きさ（厚さ）のブール２０４が形成できるようになる。前述したように、なお、ＧａＣｌの代わりにＧａＣｌ3を用いるようにしても良い。
以上のようにすることで所望の厚さのブール２０４を形成した後、第６工程Ｓ２０６で、図２の（ｆ）に示すように、成長基板２０１を除去する。ＳｃＡｌＭｇＯ4結晶から成長基板２０１を構成しているので、劈開により、ほとんどの部分を除去することができる。また、残っている部分は、フッ酸により溶解除去すればよい。このように成長基板２０１を除去することで、得られたブール２０４（成長層２０３ａ）の表面は、加工によるダメージがなく、原子ステップが出現している状態となる。この後、第７工程Ｓ２０７で、図２の（ｇ）に示すように、所望の厚さに切り出す（分割）ことで複数の窒化物半導体自立基板２０５を作製する。例えば、ブール２０４を円盤状に切断して複数の円板状結晶を作製し、作製した円盤状の結晶を鏡面研磨して窒化物半導体自立基板２０５を完成させる。実施の形態２でも、ＧａＮ自立基板が作製される。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における他の窒化物半導体自立基板作製方法について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における窒化物半導体自立基板作製方法を説明するための説明図である。実施の形態３においても、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板を用いる。
まず、第１工程Ｓ３０１で、図３の（ａ）に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板３０１の主表面を窒化することなく、成長基板３０１の主表面上に、ＧａＮからなるバッファ層３０２を形成する。例えば、アンモニアおよびトリエチルガリウムをソースとしたＭＯＶＰＥ法により、例えば５５０℃程度の低温条件として結晶とはなっていないバッファ層３０２を形成すればよい。バッファ層３０２は、厚さ２０ｎｍ程度に形成すればよい。
次に、第２工程Ｓ３０２で、図３の（ｂ）に示すように、バッファ層３０２を加熱することで単結晶化し、上面がＧａ極性とされた六角柱状の複数の成長島からなる結晶化層３０３を形成する。例えば、バッファ層３０２形成に用いたＭＯＶＰＥ装置内で、１０５０℃程度に加熱すればよい。この加熱処理により、バッファ層３０２の一部は蒸発（気化）し、一部が結晶化し、薄い六角柱状の複数の成長島が形成れるようになる。また、成長基板３０１の主表面が窒化されていないので、各成長島の上面は、Ｇａ極性となっている。
次に、第３工程Ｓ３０３で、成長基板表面に平行な方向への成長を促進させることにより成長島を凝集させ、図３の（ｃ）に示すように、連続した成長層３０３ａを形成する。成長層３０３ａは、主表面がＧａ極性となっている。
次に、第４工程Ｓ３０４で、図３の（ｄ）に示すように、成長層３０３ａの上に、ＡｌＮ層３０４を厚さ０．５μｍ程度成長する。例えば、ＭＯＶＰＥ法により成長させれば良い。成長原料はアンモニア、およびアルミニウム原料トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。成長温度は１２００℃、成長炉圧力は３００Ｔｏｒｒである。この結果、平坦なＡｌ極性（III族極性）のＡｌＮ層３０４が形成される。次いで、形成したＡｌＮ層３０４の表面を酸素雰囲気に曝して表面を酸化し、表面に酸化層を形成する。次いで、表面の酸化層を窒化する。
次に、第５工程Ｓ３０５で、表面を酸化し引き続いて窒化したＡｌＮ層３０４の上に再度、ＧａＮを成長させる。例えば、ＭＯＶＰＥ法により成長させれば良い。これらの結果、主表面がＮ極性とされたＧａＮの膜を結晶成長させることができる。これに続き、ＨＶＰＥ法によりＧａＮをより厚く成長させれば、図３の（ｅ）に示すように、ブール２０４をえることができる。
以上のようにすることで所望の厚さのブール３０５を形成した後、第６工程Ｓ３０６で、図３の（ｆ）に示すように、成長基板３０１を除去する。ＳｃＡｌＭｇＯ4結晶から成長基板３０１を構成しているので、劈開により、ほとんどの部分を除去することができる。また、残っている部分は、フッ酸により溶解除去すればよい。このように成長基板３０１を除去することで、得られたブール３０５（成長層２０３ａ）の表面は、加工によるダメージがなく、原子ステップが出現している状態となる。この後、第７工程Ｓ３０７で、図３の（ｇ）に示すように、所望の厚さに切り出す（分割）ことで複数の窒化物半導体自立基板３０６を作製する。例えば、ブール３０５を円盤状に切断して複数の円板状結晶を作製し、作製した円盤状の結晶を鏡面研磨して窒化物半導体自立基板３０６を完成させる。
以上に示したように、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長してＧａＮの結晶からなるブールを形成するようにしたので、ＧａＮの結晶の厚膜化にともないその直径が拡大し、膜厚の制限がなくなり、Ｇａ極性の場合より遙かに厚いＧａＮブールを成長できるため、より安価に窒化物半導体自立基板が作製できるようになる。また、ＳｃＡｌＭｇＯ4結晶から構成した成長基板を用いることで、上述したように成長基板の除去が極めて容易となる。
また、ＳｃＡｌＭｇＯ4結晶のＧａＮとの格子不整合は、−１．９であり、サファイアの場合の１３．８に比較して非常に小さい。このため、得られる窒化物半導体自立基板における転位密度が低減できる。全てをＭＯＶＰＥ法で成長した場合および一部をハイドライド気相成長法で成長した場合のいずれにおいても、以下の表１に示すように、サファイア基板を用いた場合に比較して、ＳｃＡｌＭｇＯ4結晶を用いた場合の方が、低い転位密度となっている。
Figure 2016132815
以上に説明したように、本発明では、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長してＧａＮの結晶からなるブールを形成するようにしたので、所望とする厚さにブールが形成できるようになり、より安価に窒化物半導体自立基板が作製できるようになる。
主表面をＧａ極性とした状態での結晶成長では、図４に示すように、基板４０１の上にエピタキシャル成長させているＧａＮ膜４０２の側部に、付随成長４０３が生じる。付随成長４０３には、引っ張り応力が掛かっている。この結果、エピタキシャル成長中にＧａＮ膜４０２に転位が入りやすい。さらに、原子空孔も生じやすい。転位や空孔は、結晶欠陥として働き、エピタキシャル成長層の特性を劣化させる。これに対し、主表面をＮ極性とした状態でＧａＮを結晶成長する場合には、上述した付随成長はほとんど生じない。この結果、高品質のブールを得ることができる。
また、成長基板をＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶から構成することで、より容易により安価に窒化物半導体自立基板が作製できるようになる。また、例えば、ＧａＮのブールの厚さを２０ｃｍとすることが可能であり、この場合、貫通転位密度を１０3／ｃｍ2にすることができる。この値は、従来から実用化されてきたＧａＡｓやＩｎＰの場合と同等であり、素子寿命の向上にも有効である。
また、成長基板をＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶から構成することで、得られる窒化物半導体自立基板における転位密度を低減させることができるようになる。より低い転位密度の窒化物半導体自立基板を用いることで、長寿命のレーザの作製、発光ダイオードの高輝度化、発光波長が紫外域の発光ダイオードにおける発光効率の向上、より高出力のトランジスタなどが実現できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した同様の方法で、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、もしくはＩｎＮの自立基板を作製できる。特に、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板を用いる場合、ＩｎＧａＮは、ＳｃＡｌＭｇＯ4との格子定数差が最も小さく好適である。
ただし、ＡｌＮの自立基板作製の場合、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶からなる成長基板の主表面を窒化しない条件では、成長層を形成した後、新たにＡｌＮ層を形成することはなく、ＡｌＮからなる成長層の表面を酸化し、続いて窒化した後、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させ、ＡｌＮからなるブールを形成するようにすれば良い。
１０１…成長基板、１０２…バッファ層、１０３…結晶化層、１０３ａ…成長層、１０４…ブール、１０５…窒化物半導体自立基板。

Claims (8)

  1. 結晶からなる成長基板の主表面上に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのいずれかの窒化物半導体からなるバッファ層を形成する第１工程と、
    前記バッファ層を加熱して単結晶化し、上面がＮ極性とされた六角柱状の複数の成長島からなる結晶化層を形成する第２工程と、
    前記成長基板の平面に平行な方向への成長を促進させることにより前記成長島を凝集させて連続した成長層を形成する第３工程と、
    前記成長層の上に、主表面をＮ極性とした状態で前記窒化物半導体を結晶成長して前記窒化物半導体の結晶からなるブールを形成する第４工程と、
    前記ブールより前記成長基板を取り除く第５工程と、
    前記ブールを分割して複数の窒化物半導体自立基板を作製する第６工程と
    を備えることを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  2. 請求項１記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    前記成長基板は、サファイアから構成されていることを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  3. 請求項２記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    前記第１工程では、前記バッファ層を形成する前に結晶からなる成長基板の主表面を窒化することで、前記第４工程で、主表面をＮ極性とした状態で前記窒化物半導体を結晶成長する
    ことを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  4. 請求項１記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    前記成長基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶から構成されていることを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  5. 請求項４記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    前記第１工程では、前記バッファ層を形成する前に結晶からなる成長基板の主表面を窒化することで、前記第４工程で、主表面をＮ極性とした状態で前記窒化物半導体を結晶成長する
    ことを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  6. 請求項４記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮのいずれかであり、
    前記第４工程では、前記成長層の上にＡｌＮからなるＡｌＮ層を形成し、形成した前記ＡｌＮ層の表面を酸化し、表面を酸化した前記ＡｌＮ層の表面を窒化した後、主表面をＮ極性とした状態で前記窒化物半導体を結晶成長する
    ことを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  7. 請求項４記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    窒化物半導体は、ＡｌＮであり、
    前記第４工程では、前記成長層の表面を酸化し、表面を酸化した前記成長層の表面を窒化した後、主表面をＮ極性とした状態で前記窒化物半導体を結晶成長する
    ことを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体自立基板作製方法において、
    前記成長基板は、主表面がｃ面より０．４〜１．２°傾斜していることを特徴とする窒化物半導体自立基板作製方法。
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