JP2006347786A - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板表面のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるクラックの発生、および転位密度を低減させることができるIII族窒化物半導体基板、III族窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０上に形成されたマスク１９、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１、第一層１１上に形成される第二層１２、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３を備える。第一層１１は、マスク１９の開口部１９１内部を埋め込むとともに、被覆部１９２の上面を覆っている。第二層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布である。組成ａ、ｂ、ｘはａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。
【選択図】 図１
【解決手段】III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０上に形成されたマスク１９、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１、第一層１１上に形成される第二層１２、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３を備える。第一層１１は、マスク１９の開口部１９１内部を埋め込むとともに、被覆部１９２の上面を覆っている。第二層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布である。組成ａ、ｂ、ｘはａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。
【選択図】 図１
Description
本発明は、III族窒化物半導体基板およびIII族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
近年、III族窒化物半導体基板は、青色ＬＥＤ、短波長ＬＤ、紫外光ＬＥＤ、白色ＬＥＤ等に使用されており、その市場は拡大傾向にある。
III族窒化物半導体基板としては、従来から、ＧａＮ基板が使用されている。しかしながら、このＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を含む素子構造を形成した場合には、ＧａＮ基板の格子定数と、ＡｌＧａＮ層の格子定数との差により、ＡｌＧａＮ層に歪みが生じることがある。たとえば、ＧａＮ基板上にレーザ構造体を形成する場合、クラッド層としてＡｌの組成の高いＡｌＧａＮ層を使用することがある。Ａｌの組成の高いＡｌＧａＮ層をクラッド層とすることで、光閉じこめ効果を向上させることができるからである。
この場合には、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ基板との格子定数の差が大きくなり、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じる可能性が高い。
そのため、従来のＧａＮ基板にかえて、Ａｌを含んだＡｌＧａＮ基板を使用することが望まれている。
III族窒化物半導体基板としては、従来から、ＧａＮ基板が使用されている。しかしながら、このＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を含む素子構造を形成した場合には、ＧａＮ基板の格子定数と、ＡｌＧａＮ層の格子定数との差により、ＡｌＧａＮ層に歪みが生じることがある。たとえば、ＧａＮ基板上にレーザ構造体を形成する場合、クラッド層としてＡｌの組成の高いＡｌＧａＮ層を使用することがある。Ａｌの組成の高いＡｌＧａＮ層をクラッド層とすることで、光閉じこめ効果を向上させることができるからである。
この場合には、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ基板との格子定数の差が大きくなり、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じる可能性が高い。
そのため、従来のＧａＮ基板にかえて、Ａｌを含んだＡｌＧａＮ基板を使用することが望まれている。
ここで、従来の典型的なＡｌＧａＮ基板の製造方法について、図９を使って説明する。有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって、サファイア基板２０上に１μｍ程度のＧａＮバッファ層２１を成長させ、その上に０．１〜２μｍ程度のＡｌＧａＮ層２２を直接、成長させる（特許文献１参照）。ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成は、０．３〜０．５の範囲であり、ＡｌＧａＮ層２２におけるＡｌＮ組成は、一定である。
特開２００３−１９２４９６号公報
しかしながら、本発明者らが、ＧａＮバッファ層２１にＡｌＧａＮ層２２を直接、形成する従来の方法により、ＡｌＧａＮ基板を作製した場合、以下の課題が生じることが、明らかとなった。
すなわち、ＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層は２μｍ以上の厚さになると表面にアレイ状のクラックが高密度に発生することがわかった。また、ＡｌＮ組成が０．１を超えた場合にも、アレイ状のクラックが発生しやすいことも明らかとなった。なお、ＡｌＧａＮ基板で生じるアレイ状のクラックは、ＧａＮ基板でのクラックとは異なるものである。
さらには、従来の方法により製造されたＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層は、転位密度が高いということも明らかとなった。
クラックが多く、転位密度の高いＡｌＧａＮ層を有する基板上に、レーザ構造体等を形成した場合には、良好なデバイス特性は得られないと考えられる。
すなわち、ＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層は２μｍ以上の厚さになると表面にアレイ状のクラックが高密度に発生することがわかった。また、ＡｌＮ組成が０．１を超えた場合にも、アレイ状のクラックが発生しやすいことも明らかとなった。なお、ＡｌＧａＮ基板で生じるアレイ状のクラックは、ＧａＮ基板でのクラックとは異なるものである。
さらには、従来の方法により製造されたＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層は、転位密度が高いということも明らかとなった。
クラックが多く、転位密度の高いＡｌＧａＮ層を有する基板上に、レーザ構造体等を形成した場合には、良好なデバイス特性は得られないと考えられる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板表面のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるクラックの発生を低減させることができ、さらに、基板表面のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層における転位密度の低減を図ることができるIII族窒化物半導体基板およびIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
本発明者は、鋭意検討した結果、従来のＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層におけるアレイ状のクラックの発生には、ＧａＮバッファ層とＡｌＧａＮ層との熱膨張係数の違い、格子定数の違いが大きく影響していると推測した。
ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との熱膨張係数の違いによって、引っ張り応力が生じる。この引っ張り応力が、ＡｌＧａＮ層でのアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
また、ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との格子定数の違いにより、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じると考えられ、この歪みもアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
さらに、本発明者は、鋭意検討した結果、貫通転位により、ＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層の転位密度が高くなっていると推測した。
本発明は、このような知見推測に基づくものである。
ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との熱膨張係数の違いによって、引っ張り応力が生じる。この引っ張り応力が、ＡｌＧａＮ層でのアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
また、ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との格子定数の違いにより、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じると考えられ、この歪みもアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
さらに、本発明者は、鋭意検討した結果、貫通転位により、ＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層の転位密度が高くなっていると推測した。
本発明は、このような知見推測に基づくものである。
本発明によれば、開口部が形成された絶縁膜と、組成ａが一定のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、前記絶縁膜の前記開口部内部を埋め込み、前記絶縁膜上を覆う第一層と、この第一層上に形成される第二層と、前記第二層上に形成され、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層と、
を備え、前記第二層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、前記第三層に接する表面の組成ｘが、前記第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有し、前記組成ａ、ｂ、ｘにおいてａ<ｘ<ｂとなる関係が成立していることを特徴とするIII族窒化物半導体基板が提供される。
を備え、前記第二層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、前記第三層に接する表面の組成ｘが、前記第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有し、前記組成ａ、ｂ、ｘにおいてａ<ｘ<ｂとなる関係が成立していることを特徴とするIII族窒化物半導体基板が提供される。
ここで、本発明の第二層では、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなっていればよい。すなわち、本発明の第二層では、組成ｘの値が第一層側から、第三層側に向かって単純増加する組成分布であってもよく、また、組成ｘが第一層側から、第三層側に向かって増加した後、一旦減少し、再度増加するといった組成分布になっていてもよい。
さらに、本発明では、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成される第一層は、低温成長したバッファ層であってもよく、III族窒化物半導体基板の下地基板であってもよい。
また、本発明では、第一層の組成ａは一定であるとしているが、ここでいう一定とは、組成ａに対し、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動を含む概念であり、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動があっても、一定であるとみなされる。同様に第三層において、組成ｂが一定であるとは、組成ｂに対し、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動を含む概念である。
また、本発明では、第一層の組成ａは一定であるとしているが、ここでいう一定とは、組成ａに対し、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動を含む概念であり、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動があっても、一定であるとみなされる。同様に第三層において、組成ｂが一定であるとは、組成ｂに対し、−１０％〜＋１０％の範囲内の変動を含む概念である。
本発明では、第一層と、第三層との間に、第二層を設けている。この第二層は、組成ｘが層厚方向に変化するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により、構成されるため、第一層と、第三層との間の熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、第三層に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層でのアレイ状のクラックの発生を低減させることができる。
これに加え、第二層は、組成ｘが層厚方向に変化するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成されるため、第一層と、第三層との間の格子定数の差も緩和することができる。格子定数の差に基づく歪みが第三層で発生しにくくなるため、第三層でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減させることができる。
また、本発明のIII族窒化物半導体基板を製造する際には、下地基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の開口部から、第一層を成長させる。下地基板上に絶縁膜を形成することで、第一層のうち、少なくとも絶縁膜上に形成される部分には貫通転位が伝播しない。これにより、第一層の上方に形成される第二層、第三層への貫通転位の伝播を低減させることができ、第三層の転位密度の低減を図ることができる。
ここで、第一層の成長方法は特に限定されるものではなく、例えば、ＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）法によって成長してもよく、また、ＦＩＥＬＯ（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）法により成長してもよい。
ＦＩＥＬＯ法により第一層を成長させた場合には、第一層は、下地基板に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成しながら成長するため、開口部を通過した貫通転位がファセット面で折れ曲がり、上方の第二層、第三層への貫通転位の伝播を効果的に抑制することができる。
これにより、第三層の転位密度の低減を確実に図ることができる。
ここで、第一層の成長方法は特に限定されるものではなく、例えば、ＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）法によって成長してもよく、また、ＦＩＥＬＯ（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）法により成長してもよい。
ＦＩＥＬＯ法により第一層を成長させた場合には、第一層は、下地基板に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成しながら成長するため、開口部を通過した貫通転位がファセット面で折れ曲がり、上方の第二層、第三層への貫通転位の伝播を効果的に抑制することができる。
これにより、第三層の転位密度の低減を確実に図ることができる。
また、本発明では、III族窒化物半導体基板の製造方法であって、下地基板上に開口部が形成された絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の前記開口部から、組成ａが一定のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）層を成長させて第一層を形成する工程と、前記第一層上に、組成ｘが前記組成ａよりも大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される第二層を成長させる工程と、前記第二層上に、組成ｂが一定で、かつ、組成ｂが前記組成ｘよりも大きいＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層を成長させる工程とを含み、第二層を成長させる前記工程では、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有する第二層を成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法も提供することができる。
本発明によれば、基板表面のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるクラックの発生を低減させることができ、さらに、基板表面のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層における転位密度の低減を図ることができるIII族窒化物半導体基板および、III族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
本発明のIII族窒化物半導体基板は、下地基板を備えるものであってもよい。
また、下地基板上に前記絶縁膜が直接形成されていてもよく、下地基板上にバッファ層が形成されており、このバッファ層上に絶縁膜が形成されていてもよい。
下地基板上にバッファ層を形成することで、このバッファ層上に形成される第一層〜第三層の結晶性をより一層高めることができる。
また、下地基板上に前記絶縁膜が直接形成されていてもよく、下地基板上にバッファ層が形成されており、このバッファ層上に絶縁膜が形成されていてもよい。
下地基板上にバッファ層を形成することで、このバッファ層上に形成される第一層〜第三層の結晶性をより一層高めることができる。
本発明では、前記絶縁膜は、所定の配列ピッチでドット状に配列された複数の絶縁膜部、或いは、所定の配列ピッチでストライプ状に配列された複数の絶縁膜部を備え、前記配列ピッチは、２〜１５μｍであってもよい。
ここで、絶縁膜部の配列ピッチとは、配列方向に沿って隣接する一対の絶縁膜部の幅の中点間の距離をいう。なお、絶縁膜部の幅とは、複数の絶縁膜部の配列方向の幅である。
絶縁膜部の配列ピッチを２〜１５μｍとすることで、結晶性の高い第一層を形成することができる。
ここで、絶縁膜部の配列ピッチとは、配列方向に沿って隣接する一対の絶縁膜部の幅の中点間の距離をいう。なお、絶縁膜部の幅とは、複数の絶縁膜部の配列方向の幅である。
絶縁膜部の配列ピッチを２〜１５μｍとすることで、結晶性の高い第一層を形成することができる。
さらに、本発明では、前記絶縁膜は、酸化シリコン、又は窒化シリコンにより構成されることが好ましい。
なかでも、絶縁膜は、加工しやすいＳｉＯ２により構成されることが好ましい。
なかでも、絶縁膜は、加工しやすいＳｉＯ２により構成されることが好ましい。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１には、本実施形態のIII族窒化物半導体基板１の断面図が示されている。
III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０と、下地基板１０上に形成されたＧａＮバッファ層Ｂと、このＧａＮバッファ層Ｂ上に形成されたマスク（絶縁膜）１９と、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１と、この第一層１１上に形成される第二層１２と、第二層１２上に形成され、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３とを備える。
III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０と、下地基板１０上に形成されたＧａＮバッファ層Ｂと、このＧａＮバッファ層Ｂ上に形成されたマスク（絶縁膜）１９と、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１と、この第一層１１上に形成される第二層１２と、第二層１２上に形成され、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３とを備える。
第一層１１は、マスク１９の開口部１９１から成長したものであり、マスク１９の開口部１９１内部を埋め込むとともに、マスク１９の被覆部１９２の上面を覆っている。
第二層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有している。組成ａ、ｂ、ｘにおいては、ａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。
第二層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有している。組成ａ、ｂ、ｘにおいては、ａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。
以下に、III族窒化物半導体基板１の構成について、より詳細に説明する。
下地基板１０は、単結晶基板が好ましく、例えば、サファイア基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、ガリウムリン（ＧａＰ）基板である。
下地基板１０は、単結晶基板が好ましく、例えば、サファイア基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、ガリウムリン（ＧａＰ）基板である。
なかでも、下地基板１０としてサファイア基板を使用することが好ましい。サファイア基板は、安価で、品質がよいからである。また、サファイア基板上には、良質の窒化物エピタキシャル層（第一層１１〜第三層１３）を形成することができるという点からもサファイア基板を使用することが好ましい。このようなサファイア基板上に、第一層１１等を形成する際には、サファイア基板の（０００１）ｃ面、（１１−２０）ａ面、或いは（１０−１０）ｍ面で、オフアングルが０〜１０°である面が選択される。なかでも、（０００１）ｃ面で、オフアングルが０．１〜１°である面が、より好ましい。
また、下地基板１０としては、ＧａＮ基板を使用してもよい。
また、下地基板１０としては、ＧａＮ基板を使用してもよい。
ＧａＮバッファ層Ｂは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ＨＶＰＥ法等により、形成される。このＧａＮバッファ層Ｂは４００〜６５０℃で低温成長したものである。なお、ＧａＮバッファ層Ｂ上に１０００〜１２００℃の高温で成長させたＧａＮ層を形成してもよい。ＧａＮバッファ層Ｂの層厚は、０．０１μｍ〜５０μｍであればよく、なかでも、０．０５〜２０μｍであることが好ましい。成長時間を考慮すると、０．０５〜３μｍであることが特に好ましい。
マスク１９は、ＧａＮバッファ層Ｂ上に形成されたものであり、図２にも示すように、ＧａＮバッファ層Ｂを覆う複数の被覆部（絶縁膜部）１９２と、被覆部１９２間に形成された開口部１９１とを有する。
図２は、ＧａＮバッファ層Ｂ上にマスク１９を形成した状態を示す平面図である。
マスク１９の厚みは、０．０１〜５μｍである。このマスク１９は、Ｓｉを構成元素とする絶縁膜である。マスク１９は、ＳｉＯ２あるいは、ＳｉＮｘにより構成されるものであることが好ましい。なかでも、加工の容易さの点から、マスク１９は、ＳｉＯ２により構成されることが特に好ましい。
また、マスク１９は、単層構成であってもよく、多層構成であってもよい。
図２は、ＧａＮバッファ層Ｂ上にマスク１９を形成した状態を示す平面図である。
マスク１９の厚みは、０．０１〜５μｍである。このマスク１９は、Ｓｉを構成元素とする絶縁膜である。マスク１９は、ＳｉＯ２あるいは、ＳｉＮｘにより構成されるものであることが好ましい。なかでも、加工の容易さの点から、マスク１９は、ＳｉＯ２により構成されることが特に好ましい。
また、マスク１９は、単層構成であってもよく、多層構成であってもよい。
各被覆部１９２は平面略矩形形状であり、互いに大きさ形状が等しくなっている。この被覆部１９２は、下地基板１０であるサファイア基板の<１０−１０>方向およびサファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向に沿って所定の間隔をあけて、ドット状に配置されている。
被覆部１９２の対向する２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向に沿っており、被覆部１９２の対向する他の２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向に沿っている。
被覆部１９２の配列ピッチＰ１，Ｐ２は、２〜１５μｍであり、なかでも、３〜１１μｍであることが好ましい。配列ピッチＰ１，Ｐ２を３〜１１μｍとすることで、第一層１１の結晶性を向上させることができる。
また、配列ピッチＰ１に対する被覆部１９２の幅Ｗ１は配列ピッチの３０〜７０％であることが好ましい。また、配列ピッチＰ２に対する被覆部１９２の幅Ｗ２も配列ピッチＰ２の３０〜７０％であることが好ましい。被覆部１９２の幅Ｗ１，Ｗ２を配列ピッチＰ１，Ｐ２の３０〜７０％とすることで、結晶性のよい第一層１１を形成することができる。
ここで、配列ピッチＰ１は、隣接する被覆部１９２の幅Ｗ１の中点間の距離をいい、配列ピッチＰ２は、隣接する被覆部１９２の幅Ｗ２の中点間の距離をいう。
また、被覆部１９２のサファイア基板の<１０−１０>方向の断面形状、および、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向の断面形状は、特に限定されるものではないが、長方形形状、台形形状等が例示できる。
被覆部１９２の対向する２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向に沿っており、被覆部１９２の対向する他の２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向に沿っている。
被覆部１９２の配列ピッチＰ１，Ｐ２は、２〜１５μｍであり、なかでも、３〜１１μｍであることが好ましい。配列ピッチＰ１，Ｐ２を３〜１１μｍとすることで、第一層１１の結晶性を向上させることができる。
また、配列ピッチＰ１に対する被覆部１９２の幅Ｗ１は配列ピッチの３０〜７０％であることが好ましい。また、配列ピッチＰ２に対する被覆部１９２の幅Ｗ２も配列ピッチＰ２の３０〜７０％であることが好ましい。被覆部１９２の幅Ｗ１，Ｗ２を配列ピッチＰ１，Ｐ２の３０〜７０％とすることで、結晶性のよい第一層１１を形成することができる。
ここで、配列ピッチＰ１は、隣接する被覆部１９２の幅Ｗ１の中点間の距離をいい、配列ピッチＰ２は、隣接する被覆部１９２の幅Ｗ２の中点間の距離をいう。
また、被覆部１９２のサファイア基板の<１０−１０>方向の断面形状、および、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向の断面形状は、特に限定されるものではないが、長方形形状、台形形状等が例示できる。
開口部１９１は、サファイア基板の<１０−１０>方向およびサファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向に延びており、格子状に形成されている。この開口部１９１からは、ＧａＮバッファ層Ｂが露出する。
再度、図１を参照して、第一層１１〜第三層１３について説明する。
第一層１１は、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａは、一定である。この第一層１１は、エピタキシャル成長層である。
ここで、第一層１１としては、ａ＝０のＧａＮ層であることが好ましい。ＧａＮ層は、その初期成長が安定であるからである。また、一般に下地基板１０として、表面に０．０１〜１０μｍのＧａＮ層を成長させた基板が使用されることが多いため、第一層１１をＧａＮ層とすることが好ましい。
第一層１１は、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａは、一定である。この第一層１１は、エピタキシャル成長層である。
ここで、第一層１１としては、ａ＝０のＧａＮ層であることが好ましい。ＧａＮ層は、その初期成長が安定であるからである。また、一般に下地基板１０として、表面に０．０１〜１０μｍのＧａＮ層を成長させた基板が使用されることが多いため、第一層１１をＧａＮ層とすることが好ましい。
この第一層１１の層厚は０．０１〜１００μｍである。なかでも、１μｍ以上であることが好ましい。エピタキシャル成長では、１μｍ以上成長させると、結晶性が向上するからである。また、第一層１１は、２０μｍ以下であることが好ましい。第一層１１を２０μｍを超えるものとすると、コストかかるうえ、第一層１１に割れが発生する可能性があるからである。
第二層１２は、エピタキシャル成長した層であり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）である。この第二層１２では、アレイ状のクラックが発生している。
第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有する。
本実施形態では、第二層１２の組成ｘは、第一層１１から第三層１３に向かい５段階にわたって階段状に増加している。本実施形態では、第二層１２は、５層構成（層１２１〜１２５）となっている。例えば、各層１２１〜１２５の組成ｘが第一層１１側から第三層１３側に向かい、０．１ずつ増加するような構成を採用することができる。第一層１１側の層１２１をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、層１２２をＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ、層１２３をＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ、層１２４をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、層１２５をＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎとすることができる。
なお、第三層１３に接する層１２５の組成ｘは、第三層１３のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）の組成ｂの３０％以上の値であることが好ましい。
第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有する。
本実施形態では、第二層１２の組成ｘは、第一層１１から第三層１３に向かい５段階にわたって階段状に増加している。本実施形態では、第二層１２は、５層構成（層１２１〜１２５）となっている。例えば、各層１２１〜１２５の組成ｘが第一層１１側から第三層１３側に向かい、０．１ずつ増加するような構成を採用することができる。第一層１１側の層１２１をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、層１２２をＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ、層１２３をＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ、層１２４をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、層１２５をＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎとすることができる。
なお、第三層１３に接する層１２５の組成ｘは、第三層１３のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）の組成ｂの３０％以上の値であることが好ましい。
ここで、組成ｘを階段状に増加させるためには、第二層１２を形成する際に、Ａｌ原料ガス供給量とＧａ原料ガス供給量との比を変化させればよい。
また、第二層１２の組成ｘを階段状に増加させる場合には、第二層１２が多層構成となるが、第二層１２は、２層以上、３０層以下であることが好ましい。結晶の品質、コストを考慮すると、２層以上、１５層以下であることがより好ましい。
また、第二層１２を構成する各層の厚みは０．２〜５０μｍであることが好ましい。
第二層１２全体の層厚は、２〜１００μｍであることが好ましいが、コスト等を考慮すると、３〜５０μｍであることがより好ましく、なかでも、３〜２５μｍであることが特に好ましい。
第二層１２の層厚を３μｍ以上とすることで、第三層１３表面でのアレイ状のクラックを確実に減少させることができる。
また、第二層１２の組成ｘを階段状に増加させる場合には、第二層１２が多層構成となるが、第二層１２は、２層以上、３０層以下であることが好ましい。結晶の品質、コストを考慮すると、２層以上、１５層以下であることがより好ましい。
また、第二層１２を構成する各層の厚みは０．２〜５０μｍであることが好ましい。
第二層１２全体の層厚は、２〜１００μｍであることが好ましいが、コスト等を考慮すると、３〜５０μｍであることがより好ましく、なかでも、３〜２５μｍであることが特に好ましい。
第二層１２の層厚を３μｍ以上とすることで、第三層１３表面でのアレイ状のクラックを確実に減少させることができる。
第三層１３は、エピタキシャル成長により形成された層であり、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層である。
第三層１３のＡｌｂＧａ１−ｂＮの組成ｂは、０．1≦ｂ≦１であることが好ましい。従って、第三層１３は、ＡｌＮであってもよい。
さらに、０．３≦ｂ≦１であることがより好ましく、さらには、０．５≦ｂ≦１であることが特に好ましい。
第三層１３のＡｌｂＧａ１−ｂＮの組成ｂは、０．1≦ｂ≦１であることが好ましい。従って、第三層１３は、ＡｌＮであってもよい。
さらに、０．３≦ｂ≦１であることがより好ましく、さらには、０．５≦ｂ≦１であることが特に好ましい。
この第三層１３の層厚は、３μｍを超えることが好ましい。第三層１３と、第二層１２との界面でミスフィット転位が生じてしまったとしても、第三層１３の層厚を３μｍを超えるものとしておけば、第三層１３表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を低減することができる。
さらに、第三層１３の層厚を３μｍを超えるものとすることで、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことを防止できる。
なお、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことをより確実に防止し、さらに、第三層１３表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を確実に低減するためには、第三層１３の層厚を５μｍ以上とすることが好ましい。第三層１３の成長の安定性およびコスト等を考慮すると、第三層１３の層厚は、５〜３００μｍ、さらに好ましくは５〜５０μｍである。
さらに、第三層１３の層厚を３μｍを超えるものとすることで、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことを防止できる。
なお、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことをより確実に防止し、さらに、第三層１３表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を確実に低減するためには、第三層１３の層厚を５μｍ以上とすることが好ましい。第三層１３の成長の安定性およびコスト等を考慮すると、第三層１３の層厚は、５〜３００μｍ、さらに好ましくは５〜５０μｍである。
以上のようなIII族窒化物半導体基板１は、発光ダイオード、半導体レーザの基板として使用することができる。例えば、III族窒化物半導体基板１上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、電極等のレーザ構造体を形成し、半導体レーザを構成することができる。
このようなIII族窒化物半導体基板１は、以下のようにして製造することができる。
まず、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により、４００〜７００℃（より好ましくは４５０〜６００℃）で下地基板１０上にＧａＮバッファ層Ｂを形成する。
なお、良質なＧａＮバッファ層Ｂを形成するために、ＧａＮバッファ層Ｂを形成する前段で、９００〜１２００℃で下地基板１０表面を清浄化してもよい。清浄化する際の温度は、９００〜１２００℃であればよいが、１０００℃以上であれば、確実に清浄化を図ることができる。
まず、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により、４００〜７００℃（より好ましくは４５０〜６００℃）で下地基板１０上にＧａＮバッファ層Ｂを形成する。
なお、良質なＧａＮバッファ層Ｂを形成するために、ＧａＮバッファ層Ｂを形成する前段で、９００〜１２００℃で下地基板１０表面を清浄化してもよい。清浄化する際の温度は、９００〜１２００℃であればよいが、１０００℃以上であれば、確実に清浄化を図ることができる。
次に、ＧａＮバッファ層Ｂ上にマスク１９を形成する。具体的には、ＧａＮバッファ層Ｂ上面を覆うＳｉＯ2膜を形成し、このＳｉＯ2膜上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクは、マスク１９と同じパターンを有する。このレジストマスクが形成された下地基板１０をエッチング液に浸すと、レジストマスクの開口部から露出したＳｉＯ2膜が除去され、マスク１９が形成される。
次に、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）およびアンモニア（ＮＨ3）、或いは、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、およびアンモニア（ＮＨ3）を原料とし、ＨＶＰＥ法により、マスク１９の開口部１９１から第一層１１を成長させる。第一層１１は被覆部１９２を覆うように横方向成長し、被覆部１９２上で合体する。そして、第一層１１により、マスク１９が完全に埋め込まれる。
次に、ＧａＣｌ、ＡｌＣｌ３の供給量を調整して、第二層１２を形成する。さらに、ＧａＣｌ、ＡｌＣｌ３の供給量を調整して、第三層１３を形成する。
なお、ＧａＮバッファ層Ｂ、第一層１１〜第三層１３を全てＨＶＰＥ法で製造する必要はなく、例えば、下地基板１０上にＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層Ｂを形成し、さらに、ＨＶＰＥ法により、第一層１１〜第三層１３を形成してもよい。
なお、各層１１〜１３の形成をＨＶＰＥ法により行えば、各層１１〜１３の層厚を厚くすることが可能である。
なお、ＧａＮバッファ層Ｂ、第一層１１〜第三層１３を全てＨＶＰＥ法で製造する必要はなく、例えば、下地基板１０上にＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層Ｂを形成し、さらに、ＨＶＰＥ法により、第一層１１〜第三層１３を形成してもよい。
なお、各層１１〜１３の形成をＨＶＰＥ法により行えば、各層１１〜１３の層厚を厚くすることが可能である。
以下に、III族窒化物半導体基板１の作用効果について説明する。
本実施形態では、第一層１１と第三層１３との間に、第二層１２を設けている。第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される層である。この第二層１２により、第一層１１と、第三層１３との間の熱膨張係数の差を緩和することができる。そのため、第三層１３に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。
これに加え、第二層１２を設けることで、第一層１１と、第三層１３との間の格子定数の差を緩和することができる。格子定数の差に基づく歪みが第三層１３で発生しにくくなるため、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減することができる。
本実施形態では、第一層１１と第三層１３との間に、第二層１２を設けている。第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される層である。この第二層１２により、第一層１１と、第三層１３との間の熱膨張係数の差を緩和することができる。そのため、第三層１３に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。
これに加え、第二層１２を設けることで、第一層１１と、第三層１３との間の格子定数の差を緩和することができる。格子定数の差に基づく歪みが第三層１３で発生しにくくなるため、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減することができる。
本実施形態のIII族窒化物半導体基板１は、第二層１２により第一層１１および第三層１３間の熱膨張係数の差、格子定数の差を緩和するとともに、さらに、第二層１２中で発生する欠陥により、第三層１３でのクラックの発生を低減することができる。
すなわち、第二層１２内では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘが層厚方向に変化しているため、ミスフィット転位によりある程度の欠陥が生じる可能性がある。特に、本実施形態では、組成ｘが階段状に増加する組成分布としているので、第二層１２において、組成ｘが急激に変化する組成不連続面を形成することができ、組成不連続面において、欠陥を生じさせることが可能となる。
第一層１１〜第三層１３の熱膨張係数の違い、格子定数の違いにより、ストレスが第二層１２に加わると、第二層１２の前記欠陥により、組成不連続面に多数のクラックが発生する。この第二層１２のクラックの存在により、第三層１３に加わる引っ張り応力が低減されることとなり、第三層１３表面でのアレイ状のクラックの発生をさらに、低減させることが可能となる。
また、第二層１２の組成不連続面には、欠陥やクラックが生じるため、第一層１１および第二層１２間でミスフィット転位が生じたとしても、第二層１２の組成不連続面の欠陥やクラックによりミスフィット転位の伝播が阻害されることとなる。これにより、第三層表面でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減させることができる。
すなわち、第二層１２内では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘが層厚方向に変化しているため、ミスフィット転位によりある程度の欠陥が生じる可能性がある。特に、本実施形態では、組成ｘが階段状に増加する組成分布としているので、第二層１２において、組成ｘが急激に変化する組成不連続面を形成することができ、組成不連続面において、欠陥を生じさせることが可能となる。
第一層１１〜第三層１３の熱膨張係数の違い、格子定数の違いにより、ストレスが第二層１２に加わると、第二層１２の前記欠陥により、組成不連続面に多数のクラックが発生する。この第二層１２のクラックの存在により、第三層１３に加わる引っ張り応力が低減されることとなり、第三層１３表面でのアレイ状のクラックの発生をさらに、低減させることが可能となる。
また、第二層１２の組成不連続面には、欠陥やクラックが生じるため、第一層１１および第二層１２間でミスフィット転位が生じたとしても、第二層１２の組成不連続面の欠陥やクラックによりミスフィット転位の伝播が阻害されることとなる。これにより、第三層表面でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減させることができる。
第三層１３のＡｌｂＧａ１−ｂＮの組成ｂを０．１以上とした場合、従来のように、第三層１３を第一層１１上に直接、形成すると、第三層１３にアレイ状のクラックが発生してしまうが、本実施形態では、第二層１２を設けているので、第三層１３の組成ｂを０．１以上としても、第三層１３でアレイ状のクラックがほとんど発生することがない。
さらに、本実施形態では、第二層１２の第三層１３に接する層１２５の組成ｘの値を第三層１３の組成ｂの３０％以上としているので、第二層１２と、第三層１３との間に生じる格子定数の差および熱膨張係数の差を小さくすることができる。
これにより、第二層１２と、第三層１３との格子定数の差による、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。また、第二層１２と、第三層１３との熱膨張係数の差により生じる引っ張り応力を小さくすることができ、第三層１３におけるアレイ状のクラックの発生を低減することができる。
これにより、第二層１２と、第三層１３との格子定数の差による、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。また、第二層１２と、第三層１３との熱膨張係数の差により生じる引っ張り応力を小さくすることができ、第三層１３におけるアレイ状のクラックの発生を低減することができる。
本実施形態では、第一層をマスク１９の開口部１９１から成長させている。下地基板１０上にマスク１９を形成することで、下地基板１０およびＧａＮバッファ層Ｂの界面で発生する貫通転位の伝播が、マスク１９の被覆部１９２により阻害されることとなる。これにより、第一層１１の上方に形成される第二層１２、さらには第三層１３に伝播される貫通転位を低減させることができ、転位密度の低い第三層１３を形成することが可能となる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、前記実施形態では、下地基板１０と、第一層１１との間に、ＧａＮバッファ層Ｂを形成したが、これに限らず、例えば、ＡｌＮのバッファ層を形成してもよい。
また、ＧａＮバッファ層Ｂを形成せずに、下地基板１０上に第一層１１を直接形成してもよい。さらには、第一層を低温成長させて、バッファ層としてもよい。
たとえば、前記実施形態では、下地基板１０と、第一層１１との間に、ＧａＮバッファ層Ｂを形成したが、これに限らず、例えば、ＡｌＮのバッファ層を形成してもよい。
また、ＧａＮバッファ層Ｂを形成せずに、下地基板１０上に第一層１１を直接形成してもよい。さらには、第一層を低温成長させて、バッファ層としてもよい。
また、前記実施形態では、下地基板１０上に第一層１１〜第三層１３を形成したが、第一層１１としてＧａＮ基板を使用し、このＧａＮ基板上に第二層、第三層を形成してもよい。
前記実施形態では、第二層１２は、多層構成であり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘは、第一層１１から第三層１３に向かい２段階以上にわたって階段状に増加するとしたが、これに限られるものではない。
例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第二層１２を単層構成とし、第一層１１から第三層１３に向かい、なだらかに組成ｘが増加するものとしてもよい。
さらに、第一層１１から第三層１３に向かい直線的に組成ｘが増加するものとしてもよい。
例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第二層１２を単層構成とし、第一層１１から第三層１３に向かい、なだらかに組成ｘが増加するものとしてもよい。
さらに、第一層１１から第三層１３に向かい直線的に組成ｘが増加するものとしてもよい。
また、図４に示すように、組成ｘが第一層側から、第三層側に向かって増加した後、一旦減少し、再度増加するといった繰り返しの組成分布になっていてもよい。
さらに、前記実施形態では、III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０を備えるものとしたが、これに限らず、下地基板１０を有しない構成としてもよい。例えば、下地基板上に第一層〜第三層を形成し、第一層と下地基板との界面からエッチング等により、下地基板を分離してもよい。
さらに、前記実施形態では、III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０を備えるものとしたが、これに限らず、下地基板１０を有しない構成としてもよい。例えば、下地基板上に第一層〜第三層を形成し、第一層と下地基板との界面からエッチング等により、下地基板を分離してもよい。
また、前記実施形態では、第一層１１はマスク１９の開口部１９１から成長し、被覆部１９２を覆うように横方向成長するとしたが、第一層１１の成長態様はこれに限られるものではない。
平面多角形形状の被覆部をドット状に配置した場合には、諸条件を調整することで、次のように第一層が成長することがある。
第一層を形成する際に、諸条件を調整する（例えば、ＨＶＰＥ法により第一層を形成し、ＮＨ3ガスの供給量と、ＨＣｌガスの供給量との比であるＶ／III比を３０以上とする）ことで、被覆部の角部に第一層の３次元核を形成することができる。この３次元核を基準として、マスクの開口部や被覆部に第一層が広がり、下地基板の基板面に対して傾斜したファセット面を有する構造体が形成される。
第一層の成長を続けると、マスクの被覆部の角部から成長した構造体同士が、マスクの被覆部上面のほぼ中央で合体する。また、前記構造体同士は、開口部の被覆部に囲まれた部分のほぼ中央でも合体する。
さらに、第一層の成長を続けると、第一層は、マスクの開口部や被覆部を完全に埋め込む。
平面多角形形状の被覆部をドット状に配置した場合には、諸条件を調整することで、次のように第一層が成長することがある。
第一層を形成する際に、諸条件を調整する（例えば、ＨＶＰＥ法により第一層を形成し、ＮＨ3ガスの供給量と、ＨＣｌガスの供給量との比であるＶ／III比を３０以上とする）ことで、被覆部の角部に第一層の３次元核を形成することができる。この３次元核を基準として、マスクの開口部や被覆部に第一層が広がり、下地基板の基板面に対して傾斜したファセット面を有する構造体が形成される。
第一層の成長を続けると、マスクの被覆部の角部から成長した構造体同士が、マスクの被覆部上面のほぼ中央で合体する。また、前記構造体同士は、開口部の被覆部に囲まれた部分のほぼ中央でも合体する。
さらに、第一層の成長を続けると、第一層は、マスクの開口部や被覆部を完全に埋め込む。
このように、第一層が、下地基板に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成しながら、第一層が成長する場合には、マスクの開口部を通過した貫通転位がファセット面で折れ曲がり、上方の第二層、第三層への貫通転位の伝播を効果的に抑制することができる。これにより、第三層中での結晶欠陥の発生を確実に防止できる。
さらに、前記実施形態では、マスク１９の被覆部１９２の対向する２辺は、下地基板１０であるサファイア基板の<１０−１０>方向に沿っており、被覆部１９２の対向する他の２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向に沿っているとしたが、マスク１９の被覆部１９２の辺の方向は、これに限られるものではない。例えば、被覆部１９２の対向する２辺をサファイア基板の<１−１００>方向に沿うものとし、他の対向する２辺をサファイア基板の<１１−２０>方向に沿うものとしてもよい。この場合には、開口部１９１は、サファイア基板の<１−１００>方向およびサファイア基板の<１１−２０>方向に沿って延びるものとなる。
このように、被覆部１９２の対向する２辺をサファイア基板の<１−１００>方向に沿うものとし、他の対向する２辺をサファイア基板の<１１−２０>方向に沿うものとした場合には、次のようにして、第一層１１が成長することがある。
開口部１９１のうち、サファイア基板の<１−１００>方向に沿った部分から、サファイア基板の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有する構造体が形成され、第一層１１が成長する。
一方、開口部１９１のうち、サファイア基板の<１１−２０>方向に沿った部分からは、第一層１１が横方向成長し、サファイア基板の<１−１００>方向に沿った断面形状がＴ字型の第一層１１が成長する。これらの第一層１１は、被覆部１９２上で合体し、第一層１１により、マスク１９が完全に埋め込まれる。
この場合においても、第一層１１は、下地基板１０に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成しながら、成長するため、マスク１９の開口部１９１を通過した貫通転位がファセット面で折れ曲がり、上方の第二層１２、第三層１３への貫通転位の伝播を効果的に抑制することができる。これにより、第三層１３中での結晶欠陥の発生を確実に防止できる。
一方、開口部１９１のうち、サファイア基板の<１１−２０>方向に沿った部分からは、第一層１１が横方向成長し、サファイア基板の<１−１００>方向に沿った断面形状がＴ字型の第一層１１が成長する。これらの第一層１１は、被覆部１９２上で合体し、第一層１１により、マスク１９が完全に埋め込まれる。
この場合においても、第一層１１は、下地基板１０に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成しながら、成長するため、マスク１９の開口部１９１を通過した貫通転位がファセット面で折れ曲がり、上方の第二層１２、第三層１３への貫通転位の伝播を効果的に抑制することができる。これにより、第三層１３中での結晶欠陥の発生を確実に防止できる。
さらに、前記実施形態では、被覆部１９２の形状を平面矩形形状としたが、被覆部の形状はこれに限られるものではなく、例えば、平面三角形形状、平面六角形形状、平面円形形状であってもよい。
また、前記実施形態では、被覆部１９２がドット状に配置されたマスク１９を使用したが、これに限らず、例えば、図５に示すように、被覆部３９２がストライプ状に配置されたマスク３９を使用してもよい。マスク３９は、平面矩形形状の被覆部３９２と、平面矩形形状の開口部３９１とが交互に配置されたものである。被覆部３９２の長手方向を、下地基板（サファイア基板）の<１−１００>方向に沿った方向とすることが好ましい。このように被覆部３９２を配置することで、ファセット面を有する構造体を形成しながら、第一層１１を成長させることができる。
なお、マスク３９の被覆部３９２の配列ピッチは、２〜１５μｍであることが好ましい。
また、前記実施形態では、被覆部１９２がドット状に配置されたマスク１９を使用したが、これに限らず、例えば、図５に示すように、被覆部３９２がストライプ状に配置されたマスク３９を使用してもよい。マスク３９は、平面矩形形状の被覆部３９２と、平面矩形形状の開口部３９１とが交互に配置されたものである。被覆部３９２の長手方向を、下地基板（サファイア基板）の<１−１００>方向に沿った方向とすることが好ましい。このように被覆部３９２を配置することで、ファセット面を有する構造体を形成しながら、第一層１１を成長させることができる。
なお、マスク３９の被覆部３９２の配列ピッチは、２〜１５μｍであることが好ましい。
（実施例）
本実施例では、図１に示した構造のIII族窒化物半導体基板をＨＶＰＥ法により、製造した。
まず、高純度ガリウム（Ｇａ）をＨＶＰＥ装置の石英製のＧａソースボートの中に充填し、高純度アルミニウム（Ａｌ）をアルミナ製のＡｌソースボートの中に充填した。そして、Ｇａソースボート、Ａｌソースボートを、水平型石英製のリアクタ内の所定配置にそれぞれ配置した。
本実施例では、図１に示した構造のIII族窒化物半導体基板をＨＶＰＥ法により、製造した。
まず、高純度ガリウム（Ｇａ）をＨＶＰＥ装置の石英製のＧａソースボートの中に充填し、高純度アルミニウム（Ａｌ）をアルミナ製のＡｌソースボートの中に充填した。そして、Ｇａソースボート、Ａｌソースボートを、水平型石英製のリアクタ内の所定配置にそれぞれ配置した。
下地基板としては、サファイア基板を使用した。サファイア基板は、直径２インチの円形で、（０００１）ｃ面で（１０−１０）方向に０．２５°に偏位した面を有するものを用いた。サファイア基板には、有機金属気相成長法により、厚さ２μｍのＧａＮバッファ層があらかじめ形成されている。
このサファイア基板上のＧａＮバッファ層上に前記実施形態と同様のマスクを形成した。マスクは、ＳｉＯ２膜であり、前記実施形態と同様、複数の被覆部がサファイア基板の<１０−１０>方向およびサファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向にドット状に配置されている。
サファイア基板の<１０−１０>方向の被覆部の配列ピッチは、７μｍであり、また、サファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向の配列ピッチも７μｍである。また、開口部のサファイア基板の<１０−１０>方向の幅および、サファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向の幅は、いずれも４μｍであった。
さらに、被覆部は、平面略矩形形状であり、対向する２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向に沿っている。また、被覆部の対向する他の２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向に沿っている。
サファイア基板の<１０−１０>方向の被覆部の配列ピッチは、７μｍであり、また、サファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向の配列ピッチも７μｍである。また、開口部のサファイア基板の<１０−１０>方向の幅および、サファイア基板の<１０−１０>方向に直交する方向の幅は、いずれも４μｍであった。
さらに、被覆部は、平面略矩形形状であり、対向する２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向に沿っている。また、被覆部の対向する他の２辺は、サファイア基板の<１０−１０>方向と直交する方向に沿っている。
次に、マスクが形成されたサファイア基板をＨＶＰＥ装置のホルダー上に配置して回転させた。
以下の説明において、ガスの供給量の単位としては、標準状態に換算した単位であるＳＣＣＭを使用する。
窒素（Ｎ２）ガスを前記リアクタ内に供給してリアクタ内の空気を置換した後、Ｎ２ガスを１００００ＳＣＣＭで供給した。そして、ヒータによってリアクタ内を加熱した。ここでの加熱方法は、リアクタの外壁をヒータにより加熱する所謂ホットウオール法である。
ＮＨ３ガスを３０００ＳＣＣＭで導入して、ＧａＮバッファ層の表面のＧａＮの解離を防いだ。Ａｌソースボート、Ｇａソースボート、サファイア基板の温度が、それぞれ５００℃、８００℃、１０５０℃に保持されていることを確認した後、第一層の気相成長を開始した。
窒素（Ｎ２）ガスを前記リアクタ内に供給してリアクタ内の空気を置換した後、Ｎ２ガスを１００００ＳＣＣＭで供給した。そして、ヒータによってリアクタ内を加熱した。ここでの加熱方法は、リアクタの外壁をヒータにより加熱する所謂ホットウオール法である。
ＮＨ３ガスを３０００ＳＣＣＭで導入して、ＧａＮバッファ層の表面のＧａＮの解離を防いだ。Ａｌソースボート、Ｇａソースボート、サファイア基板の温度が、それぞれ５００℃、８００℃、１０５０℃に保持されていることを確認した後、第一層の気相成長を開始した。
はじめにサファイア基板上に１５００ＳＣＣＭでＮＨ３ガスを供給した。次にＮＨ３の流量を変えることなく、ＧａソースボートにＨＣｌガスを５０ＳＣＣＭで供給して、ＧａＣｌを５０ＳＣＣＭで生成させた。このＧａＣｌをマスクが形成されたサファイア基板上に供給した。１０分間、ＧａＣｌの供給を行った。これにより、ＧａＮ層である第一層が形成された。第一層は、エピタキシャル成長した層である。
次に、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌガスの供給量を変えることなく、ＡｌソースボートにＨＣｌガスを供給してＡｌＣｌ３を生成し、このＡｌＣｌ３を第一層が形成されたサファイア基板上に供給した。ＡｌＣｌ３の供給量を階段状に増加させて、第二層を成長させた。
具体的には、ＨＣｌガスの供給量を３０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量１０ＳＣＣＭ）として、２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスの供給量を６０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量２０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
具体的には、ＨＣｌガスの供給量を３０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量１０ＳＣＣＭ）として、２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスの供給量を６０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量２０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスの供給量を９０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量３０ＳＣＣＭ）として、２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスの供給量を１２０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量４０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスの供給量を１５０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量５０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
以上より、５層からなる第二層が形成された。
次に、ＨＣｌガスの供給量を１２０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量４０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスの供給量を１５０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量５０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
以上より、５層からなる第二層が形成された。
次に、ＮＨ３ガスの供給量とＧａＣｌガスの供給量を変えることなく、Ａｌソースボートに供給するＨＣｌガスの供給量を１８０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ３供給量６０ＳＣＣＭ）とし、３０分間供給して、第三層を形成した。
このようにして形成された第一層、第二層、第三層の層厚は、それぞれ１７μｍ、８μｍ、２８μｍであった。
このようにして形成された第一層、第二層、第三層の層厚は、それぞれ１７μｍ、８μｍ、２８μｍであった。
フィリップス社のＸ線回折装置Ｘｐｅｒｔ-ＭＲＤの２θ−ω測定により各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から、第一層〜第三層の組成を求めた。
一般に、組成ｃをもつＡｌｃＧａ１−ｃＮの格子定数ｄ（ｃ）は、ＡｌＮの格子定数０．４９８１ｎｍとＧａＮの格子定数０．５１８５ｎｍとの差に基づいて求めることができる。格子定数ｄ（ｃ）と、ＡｌＮの格子定数と、ＧａＮの格子定数とでは、以下の関係が成立する。
ｄ（ｃ）＝０．４９８１＋（０．５１８５−０．４９８１）×（１−ｃ）…（式１）
この式１に基づいて、第三層の組成ｂを求めたところ、ｂ＝０．７２であった。
また、式１に基づいて、第二層の各層の組成を求めたところ、第一層側から順に、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、Ａｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎ、Ａｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎとなっていた。
ｄ（ｃ）＝０．４９８１＋（０．５１８５−０．４９８１）×（１−ｃ）…（式１）
この式１に基づいて、第三層の組成ｂを求めたところ、ｂ＝０．７２であった。
また、式１に基づいて、第二層の各層の組成を求めたところ、第一層側から順に、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、Ａｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎ、Ａｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎとなっていた。
光学顕微鏡で、製造したIII族窒化物半導体基板の第三層の表面を観察したところ、図６に示すように、アレイ状のクラックの発生がないことが確認された。
III族窒化物半導体基板の下地基板は、無色透明なサファイア基板であるので、III族窒化物半導体基板の裏側のサファイア基板側から光学顕微鏡で観察したところ、図７に示すように、第一層および第二層にアレイ状のクラックが発生しているのが、確認された。
アレイ状のクラックは第一層および第二層で生じているが、第三層表面にまでは及んでいないことが確認された。
また、電子線加速電圧５ｋＶ、観察倍率１００００倍で、発光波長２２０または３６０ｎｍのカソードルミネッセンス(ＣＬ)像から、ダークスポットを数えることで、III族窒化物半導体基板の転位密度を求めた。III族窒化物半導体基板の転位密度は８×１０８ｃｍ−２あった。
III族窒化物半導体基板の下地基板は、無色透明なサファイア基板であるので、III族窒化物半導体基板の裏側のサファイア基板側から光学顕微鏡で観察したところ、図７に示すように、第一層および第二層にアレイ状のクラックが発生しているのが、確認された。
アレイ状のクラックは第一層および第二層で生じているが、第三層表面にまでは及んでいないことが確認された。
また、電子線加速電圧５ｋＶ、観察倍率１００００倍で、発光波長２２０または３６０ｎｍのカソードルミネッセンス(ＣＬ)像から、ダークスポットを数えることで、III族窒化物半導体基板の転位密度を求めた。III族窒化物半導体基板の転位密度は８×１０８ｃｍ−２あった。
（比較例）
表面にＧａＮ層が形成されたサファイア基板（実施例で使用したサファイア基板と同じもの）上に、ＧａＮバッファ層、第一層、第三層を形成した。
ＧａＮバッファ層、第一層、第三層の形成方法は、実施例と同じである。比較例は、第一層と第三層との間に第二層を形成しない点およびマスクを形成しない点において、実施例と異なっている。
比較例において、第一層の層厚は１８μｍ、第三層の層厚は、２９μｍであった。
表面にＧａＮ層が形成されたサファイア基板（実施例で使用したサファイア基板と同じもの）上に、ＧａＮバッファ層、第一層、第三層を形成した。
ＧａＮバッファ層、第一層、第三層の形成方法は、実施例と同じである。比較例は、第一層と第三層との間に第二層を形成しない点およびマスクを形成しない点において、実施例と異なっている。
比較例において、第一層の層厚は１８μｍ、第三層の層厚は、２９μｍであった。
フィリップス社のＸ線回折装置Ｘｐｅｒｔ-ＭＲＤの２θ−ω測定で各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から実施例と同様に組成を計算したところ、第三層の組成ｂは０．７であった。
顕微鏡で、第三層の表面を観察したところ、図８に示すように、アレイ状のクラックが発生していることが確認できた。このクラックは第三層の表面に高密度で発生していた。
また、実施例と同様の方法で転位密度を求めたところ、比較例における転位密度は、５×１０９ｃｍ−２であった。
顕微鏡で、第三層の表面を観察したところ、図８に示すように、アレイ状のクラックが発生していることが確認できた。このクラックは第三層の表面に高密度で発生していた。
また、実施例と同様の方法で転位密度を求めたところ、比較例における転位密度は、５×１０９ｃｍ−２であった。
１ III族窒化物半導体基板
１０ 下地基板
１１ 第一層
１２ 第二層
１３ 第三層
１９ マスク
２０ サファイア基板
２１ バッファ層
２２ ＡｌＧａＮ層
３９ マスク
１２１ 層
１２２ 層
１２３ 層
１２４ 層
１２５ 層
１９１ 開口部
１９２ 被覆部
３９１ 開口部
３９２ 被覆部
Ｂ バッファ層
Ｗ１ 幅
Ｗ２ 幅
Ｐ１ 配列ピッチ
Ｐ２ 配列ピッチ
１０ 下地基板
１１ 第一層
１２ 第二層
１３ 第三層
１９ マスク
２０ サファイア基板
２１ バッファ層
２２ ＡｌＧａＮ層
３９ マスク
１２１ 層
１２２ 層
１２３ 層
１２４ 層
１２５ 層
１９１ 開口部
１９２ 被覆部
３９１ 開口部
３９２ 被覆部
Ｂ バッファ層
Ｗ１ 幅
Ｗ２ 幅
Ｐ１ 配列ピッチ
Ｐ２ 配列ピッチ
Claims (6)
- 開口部が形成された絶縁膜と、
組成ａが一定のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、前記絶縁膜の前記開口部内部を埋め込み、前記絶縁膜上を覆う第一層と、
この第一層上に形成される第二層と、
前記第二層上に形成され、組成ｂが一定のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層と、
を備え、
前記第二層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、前記第三層に接する表面の組成ｘが、前記第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有し、
前記組成ａ、ｂ、ｘにおいてａ<ｘ<ｂとなる関係が成立していることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。 - 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
下地基板を備え、
前記下地基板上に前記絶縁膜が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。 - 請求項２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記下地基板上に形成されたバッファ層を備え、
前記バッファ層上に前記絶縁膜が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記絶縁膜は、所定の配列ピッチでドット状に配列した複数の絶縁膜部、或いは、所定の配列ピッチでストライプ状に配列した複数の絶縁膜部を備え、
前記配列ピッチは、２〜１５μｍであることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記絶縁膜は、酸化シリコン、又は窒化シリコンにより構成されることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。 - III族窒化物半導体基板の製造方法であって、
下地基板上に開口部が形成された絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記開口部から、組成ａが一定のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ<１）層を成長させて第一層を形成する工程と、
前記第一層上に、組成ｘが前記組成ａよりも大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される第二層を成長させる工程と、
前記第二層上に、組成ｂが一定で、かつ、組成ｂが前記組成ｘよりも大きいＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層を成長させる工程とを含み、
第二層を成長させる前記工程では、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有する第二層を成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
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-
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