JP2015098413A - 自立基板の製造方法および自立基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡便な工程で、反りを低減した自立基板を提供するものである。【解決手段】自立基板の製造方法は、窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程、下地基板２１０上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程、および、第１の窒化物半導体層２２０の上に厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、自立基板の製造方法および自立基板に関する。

窒化物半導体の自立基板を製造する際に、窒化物半導体層と下地基板との格子不整合や、熱膨張係数の違いに起因して、製造した自立基板が反ってしまうという点が問題となる。

特許文献１には反りや残留歪みの少ない自立窒化物基板の製造方法が記載されているが、ＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy）を用いて極性を制御したＺｎＯや窒化物からなるバッファー層を形成する必要がある。

特開２００８−７４６７１号公報

本発明は、簡便な工程で、反りを低減した自立基板を提供する。

本発明によれば、
窒化物半導体からなる下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層を形成する工程とを含む自立基板の製造方法が提供される。

本発明によれば、
窒化物半導体からなる下地基板と、
前記下地基板上に形成され、炭素を不純物として含む第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成された、厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層とを含む自立基板が提供される。

本発明によれば、簡便な工程で、反りを低減した自立基板を提供することができる。

第１の実施形態に係る自立基板の製造方法を説明するための図である。 下地基板の反りについて説明するための図である。 下地基板の反りについて説明するための図である。 下地基板の反りについて説明するための図である。 第１の実施形態に係る自立基板の製造に用いるＨＶＰＥ装置の構造を示す図である。 実施例１で得られた下地基板と第１の窒化物半導体層の積層体を示す図である。 実施例１で形成した第１の窒化物半導体層における、炭素の含有濃度を測定した結果を示す図である。 実施例２で得られた下地基板と第１の窒化物半導体層からなる積層体の中心からの位置と反り量との関係を示した図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る自立基板の製造方法を説明するための図である。本実施形態によれば、自立基板の製造方法は、窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程、下地基板２１０上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程、および、第１の窒化物半導体層２２０の上に、厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程を含む。以下で詳細に説明する。

図１（ａ）のように、窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程について説明する。はじめに、基材層を用意する、基材層はたとえばサファイア基板である。次に、基材層上に、炭化物層を形成する。炭化物層としては、たとえば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により炭化アルミニウム層を形成しても良い。また、たとえば、スパッタリング法により炭化チタン層を形成しても良い。

次に、窒化ガス中で加熱することで炭化物層を窒化する。窒化ガスはたとえばアンモニアを用いることができる。

そして、窒化された炭化物層上に、たとえばハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いてＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。ＨＶＰＥ法については後述する。ＩＩＩ族窒化物半導体層はたとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）である。ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、取り扱い性の観点から、５０μｍ以上であることが好ましい。

そして、基材層、炭化物層、およびＩＩＩ族窒化物半導体層で構成された積層体を、ＩＩＩ族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、ＩＩＩ族窒化物半導体層から基材層を剥離する。ＩＩＩ族窒化物半導体層がＧａＮからなる場合、ＩＩＩ族元素の液体はＧａの液体である。得られたＩＩＩ族窒化物半導体層を含む基板をリン酸と硫酸の混合液で洗浄し、下地基板２１０とする。ただし、下地基板２１０を準備する方法は上記に限定するものではない。

次に、下地基板２１０上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程について説明する。本実施形態では、第１の窒化物半導体層２２０をＭＯＣＶＤ法により形成する。

下地基板２１０をＭＯＣＶＤ装置内に取り付け、ＩＩＩ族原料ガスおよび窒素原料ガスをキャリアガスと共に下地基板２１０表面へ供給することで、下地基板２１０上へ第１の窒化物半導体層２２０を形成する。この際、たとえば下地基板２１０および第１の窒化物半導体層２２０がいずれもＧａＮの場合、下地基板２１０において、下地基板２１０の反りにより凹となる面に第１の窒化物半導体層２２０を形成する。下地基板２１０の温度はたとえば５００℃に維持しておく。キャリアガスは窒素（Ｎ_２）ガスや水素（Ｈ_２）ガスである。たとえば、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）もしくはトリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３、ＴＥＧ）を、窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いれば、ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層２２０を形成することができる。第１の窒化物半導体層２２０を形成する際に、ＩＩＩ族原料ガスから分解したメチル基もしくはエチル基と、キャリアガスとしての水素（Ｈ_２）もしくはアンモニアから分解した水素（Ｈ_２）とから、メタン（ＣＨ_４）やエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が生成される。このように生成されたメタンやエタンを用い、第１の窒化物半導体層２２０に炭素を不純物として導入することができる。第１の窒化物半導体層２２０を形成する際に、下地基板２１０の温度およびＩＩＩ族原料ガスの供給量を調整することで、第１の窒化物半導体層２２０に含有させる濃度を制御しつつ炭素を導入できる。

ここで、第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程の後における下地基板２１０の曲率半径の絶対値は、第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程の前の下地基板２１０の曲率半径の絶対値よりも大きくなる。つまり、下地基板２１０上に炭素を不純物として含む第１の窒化物半導体層２２０を形成することで、基板の反りを低減できる。基板の曲率半径は後述するように、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により測定することが出来る。なお、反りが低減すること、すなわち反りが小さくなることとは、曲率半径の絶対値が大きくなることを意味する。

確実に、下地基板２１０の反りを低減するためには、第１の窒化物半導体層２２０を１５μｍ以上の厚さで形成することが好ましく、５０μｍ以上の厚さで形成することがより好ましい。

また、確実に、下地基板２１０の反りを低減するためには、形成した第１の窒化物半導体層２２０における最上面近傍の炭素の濃度は５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることがより好ましい。また、形成した第１の窒化物半導体層２２０における最上面近傍の炭素の濃度は１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

ここで、図２、図３、図４を参照して、本明細書における下地基板の「反り」の詳細な定義について説明する。

本明細書において下地基板の「反り」とは、下地基板の外形に顕在化した反りのみならず、結晶構造上の反りも含む。図２〜図４の各図は断面図であり、下地基板となる層や下地基板において、成長面５０５に対して垂直な結晶軸の方向を点線の矢印で示している。

下地基板を準備する工程として、たとえば基材層５０１の上に下地基板となる層５０２ａ、５０２ｂを結晶成長させ、その後、層５０２ａ、５０２ｂを基材層５０１から剥離する方法や、長尺（厚膜）のバルク結晶５０４から下地基板を切り出す方法などがある。基板の反りは、結晶成長段階での結晶軸の傾き、もしくは結晶軸が傾こうとする力に起因する。

第１の例として、図２（ａ）のように基材層５０１の上に下地基板となる層５０２ａを結晶成長させ、その後、基材層５０１から層５０２ａを剥離して、図２（ｂ）のような剥離した層５０２ａからなる基板５０３ａを下地基板として準備する方法がある。
剥離前の図２（ａ）の状態では、基材層５０１の中心と、外周縁部とで、基材層５０１上に積層した層５０２ａの結晶軸は互いに平行である。しかし、剥離後には図２（ｂ）のように基板５０３ａの外形は反った形状となる。この理由は明らかではないが、積層した層５０２ａには残留応力が存在していたり、転位が存在していたりするためであると考えられる。基板５０３ａの外形がこのように反った形状となる結果、基板５０３ａの外周縁部における結晶軸の方向は、基板５０３ａの中心における結晶軸の方向に対して傾く。この結晶軸の傾きの大きさから、基板５０３ａすなわち下地基板の外形的な反りの曲率半径が求められる。

また、第２の例として、長尺（厚膜）のバルク結晶５０４（図３（ａ））から所定の厚みの基板５０３ｂを切り出す方法がある。
この場合、成長面５０５の周縁部における結晶軸の方向は、成長面５０５の中心における結晶軸の方向に対して傾いている。
たとえば、図３（ａ）に示される互いに並行な２本の破線の位置にてそれぞれバルク結晶５０４を切断することにより基板５０３ｂを切り出した場合、切り出された基板５０３ｂは、一例として図３（ｂ）のように外形上の反りが無い平板状をなしている。しかし、このような平板状の基板５０３ｂにおいても、結晶軸に注目すると、基板５０３ｂの外周縁部における結晶軸の方向は、基板５０３ｂの中心における結晶軸の方向に対して傾いている。この結晶軸の傾きは、長尺のバルク結晶５０４における反りに起因する。よって、本例の場合は、基板５０３ｂの外形形状ではなく、結晶軸の傾きを評価することが、反りを本質的に評価することになる。

さらに、成長段階での結晶軸の傾きに外形上の反りの影響が加わる複合的な状態もあり得る。
たとえば、第１の例と同様の方法で下地基板を準備した場合に、図４（ａ）のように剥離前の段階で、下地基板となる層５０２ｂの成長面５０５が曲面となることがある。この層５０２ｂを基材層５０１から剥離すると、剥離した層５０２ｂからなる基板５０３ｄは、応力によって図４（ｂ）のように反った外形となる。結晶軸に注目すると、剥離前の段階で、基材層５０１の外周縁部における層５０２ｂの結晶軸の方向は、基材層５０１の中心付近における層５０２ｂの結晶軸の方向に対して傾いている。そして、剥離後には基板５０３ｄが外形的に反ることで、結晶軸の傾きはより大きくなる。
また、長尺のバルク結晶５０４を図３（ａ）のように切断して基板５０３ｃとしても、応力によって図３（ｃ）のような反った外形の基板５０３ｃとなる場合もある。この場合も同様に、切り出した基板５０３ｃの結晶軸の傾きは、長尺のバルク結晶５０４の結晶軸の傾きよりも大きくなる。

以上の様に、外形上の反り、成長段階での結晶軸の傾き、およびそれらが複合した結晶軸の傾きのいずれをとっても、基板の中心における結晶軸の方向に対する、基板の外周縁部における結晶軸の方向の傾きを評価することが、反りを本質的に評価することになる。
なお、結晶軸の傾きは、たとえばＸＲＤにより測定することができ、結晶軸を法線とした面の曲率半径に換算することができる。

次に図１に戻り、図１（ｂ）のように、第１の窒化物半導体層２２０の上に、第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程について説明する。本実施形態では、第２の窒化物半導体層２３０をＨＶＰＥ法により形成する。

図５は、本実施形態に係る自立基板の製造に用いるＨＶＰＥ装置１００の構造を示す図である。ＨＶＰＥ装置１００は反応管１２１、基板ホルダ１２３、ＩＩＩ族ガス供給部１３９、窒素原料ガス供給部１３７、ドーピングガス供給管１２５、ガス排出管１３５、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０を備える。基板ホルダ１２３は反応管１２１内に設けられている。ＩＩＩ族ガス供給部１３９は、ＩＩＩ族原料ガスを反応管１２１内のうち基板ホルダ１２３を含む成長領域１２２に供給する。窒素原料ガス供給部１３７は、窒素原料ガスを成長領域１２２に供給する。ドーピングガス供給管１２５は、ドーピングガスを成長領域１２２に供給する。ガス排出管１３５は、反応管１２１内のガスを排出する。

ＨＶＰＥ装置１００では、基板ホルダ１２３に保持された基板１３３上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる。基板ホルダ１２３は回転軸１３２に取り付けられており、回転自在となっている。

反応管１２１には、第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６が接続され、第１のガス供給管１２４の供給口と第２のガス供給管１２６の供給口の間には遮蔽板１３６が設けられている。以後、反応管１２１のうち、第１のガス供給管１２４、ドーピングガス供給管１２５、および第２のガス供給管１２６の供給口に近い側を上流側と呼び、ガス排出管１３５に近い側を下流側と呼ぶ。遮蔽板１３６は反応管１２１の上流側の空間を上層と下層のふたつの層に分離している。当該下層の領域には、ソースボート１２８が備えられており、ソースボート１２８にはＩＩＩ族原料１２７が保持されている。第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６から供給されるガスは、必要に応じて反応管１２１内をパージするパージガスに切り替えることができる。パージガスはたとえば窒素（Ｎ_２）ガスである。

第１のガス供給管１２４からは反応管１２１内へ窒素原料ガスがキャリアガスと共に供給される。第２のガス供給管１２６からは反応管１２１内へハロゲン含有ガスがキャリアガスと共に供給される。ドーピングガス供給管１２５からは反応管１２１内へドーピングガスが供給される。キャリアガスはたとえば窒素（Ｎ_２）ガスや水素（Ｈ_２）ガスである。

窒素原料ガス供給部１３７は、第１のガス供給管１２４と、反応管１２１のうち遮蔽板１３６より上層の領域（ドーピングガス供給管１２５およびその内部を除く）とを含む。ＩＩＩ族ガス供給部１３９は、第２のガス供給管１２６、ソースボート１２８、ＩＩＩ族原料１２７、および反応管１２１のうち遮蔽板１３６より下層の領域を含む。窒素原料ガス供給部１３７およびＩＩＩ族ガス供給部１３９の周囲には第１のヒータ１２９が配置されている。

第１のガス供給管１２４から供給された窒素原料ガスは窒素原料ガス供給部１３７中を下流に向かって通過し、基板１３３表面に供給される。その際、窒素原料ガス供給部１３７内は第１のヒータ１２９から加えられる熱により、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度に維持されている。この熱により、窒素原料ガス供給部１３７では窒素原料ガスの分解が促進される。

ＩＩＩ族ガス供給部１３９では、第２のガス供給管１２６から供給されたハロゲン含有ガスとソースボート１２８に保持されたＩＩＩ族原料１２７とから、ＩＩＩ族原料ガスが生成される。生成されたＩＩＩ族原料ガスは、基板ホルダ１２３に保持された基板１３３の表面に供給される。その際、ＩＩＩ族ガス供給部１３９内は第１のヒータ１２９から加えられる熱により、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度に維持されている。第２のガス供給管１２６から供給されたハロゲン含有ガスは、ＩＩＩ族ガス供給部１３９中を下流に向かって通過する際、ソースボート１２８中に保持されたＩＩＩ族原料１２７の表面または揮発したＩＩＩ族原料１２７と接触する。そして、ＩＩＩ族原料ガスが生成される。

反応管１２１のうち、窒素原料ガス供給部１３７およびＩＩＩ族ガス供給部１３９の下流側に位置する成長領域１２２には、基板１３３を保持した基板ホルダ１２３が配置されている。成長領域１２２には、窒素原料ガス供給部１３７から窒素原料ガスが供給され、ＩＩＩ族ガス供給部１３９からＩＩＩ族原料ガスが供給される。そして、この基板１３３上にＩＩＩ族窒化物半導体層が形成される。成長領域１２２の周囲には第２のヒータ１３０が配置されており、必要に応じて成長領域１２２に熱を加える。ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する間、基板ホルダ１２３を、回転軸１３２を軸として回転させることで、基板１３３の面内で均一な層を得ることができる。

次に、ＨＶＰＥ装置１００を用いて第１の窒化物半導体層２２０上に第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程について説明する。本実施形態では、第２の窒化物半導体層２３０がＧａＮからなり、第２の窒化物半導体層２３０にｎ型不純物としてＳｉを添加する例について説明する。ただし、これに限定されるものではない。

ＨＶＰＥ装置１００装置の基板ホルダ１２３に第１の窒化物半導体層２２０を形成した下地基板２１０を取り付ける。窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を、ＩＩＩ族原料１２７としてガリウム（Ｇａ）を、ハロゲン含有ガスとして塩化水素（ＨＣｌ）を、ドーピングガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）もしくはモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いて第２の窒化物半導体層２３０を形成する。ハロゲン含有ガスがＨＣｌであり、ＩＩＩ族原料１２７がＧａである場合、ＩＩＩ族ガス供給部１３９ではガリウム塩化物（ＧａＣｌ）を含むＩＩＩ族原料ガスが生成され、成長領域１２２へ供給される。そして、第１の窒化物半導体層２２０上にＧａＮから成る第２の窒化物半導体層２３０が形成される。

第２の窒化物半導体層２３０を形成する際、成長領域１２２の温度はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持する。このとき、下地基板を除去した際の取り扱い性の観点から、第２の窒化物半導体層２３０を５０μｍ以上の厚さで形成することが好ましく、５００μｍ以上の厚さで形成することがより好ましい。なお、本実施形態では、第２の窒化物半導体層２３０をｎ型不純物を含む層とする例について説明したが、アンドープ（ｕｎ−ｄｏｐｅ）層とすることもできるし、ｐ型不純物を含む層とすることもできる。たとえば、第２の窒化物半導体層２３０をＧａＮとする場合、Ｍｇ，Ｚｎなどをｐ型不純物として含有させることができる。

本実施形態では、第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程の後に、下地基板２１０を除去する工程をさらに含む。なお、本実施形態では、下地基板２１０を除去する工程において、第２の窒化物半導体層２３０以外の層を除去する例について説明する。図１（ｂ）のように下地基板２１０、第１の窒化物半導体層２２０および第２の窒化物半導体層２３０から成る積層体の、下地基板２１０側の面を研磨し、下地基板２１０および第１の窒化物半導体層２２０を除去することで、図１（ｃ）のように第２の窒化物半導体層２３０からなる自立基板を作製することができる。

本実施形態の変形例として、第１の窒化物半導体層２２０と第２の窒化物半導体層２３０との間や、第２の窒化物半導体層２３０の上にはさらに他の層をエピタキシャル成長させて形成しても良い。

本実施形態では、下地基板２１０を除去する工程において、第２の窒化物半導体層２３０以外の層を除去する例について説明したが、下地基板２１０のみを除去し、第１の窒化物半導体層２２０と第２の窒化物半導体層２３０からなる自立基板を作製することもできる。その場合、第１の窒化物半導体層２２０は、自立基板をもとに作製するデバイスにおいて高抵抗層として機能する。

下地基板２１０、第１の窒化物半導体層２２０、および第２の窒化物半導体層２３０はいずれも同じ窒化物半導体からなることが好ましい。格子定数や熱膨張率の違いが小さいため、結晶性の良い層が形成できるためである。たとえば、下地基板２１０、第１の窒化物半導体層２２０、および第２の窒化物半導体層２３０はいずれもＧａＮからなることが好ましい。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態では、下地基板２１０上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層２２０を形成することで、下地基板２１０に生じていた基板の反りを低減できる。

下地基板２１０は異種基板の上に成長して準備されるため、格子定数の不整合や熱膨張率の違いにより反りが生じる。下地基板２１０がＧａＮの場合、この反りは凹形状となる。このときたとえば、下地基板２１０の凹形状に沿った面上に直接、第２の窒化物半導体層２３０のようにｎ型不純物を含む窒化物半導体層の厚膜を形成した場合、反りが維持される、または反りが更に顕著になる。そこで、本実施形態のように、第１の窒化物半導体層２２０を形成することで反りを低減した上で、第２の窒化物半導体層２３０を形成することによって、反りを低減した自立基板を作製することができる。

この方法では、炭素を不純物として含む第１の窒化物半導体層２２０を形成するという簡便な方法で、反りを低減した自立基板を作製することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る自立基板の製造方法は、第１の窒化物半導体層２２０をＨＶＰＥ法により形成する点、含有される炭素の濃度が、下地基板２１０から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように第１の窒化物半導体層２２０を形成する点を除いて、第１の実施形態に係る自立基板の製造方法と同様である。以下に詳細に説明する。

まず、第１の実施形態に係る方法と同様の方法で下地基板２１０を準備する。そして、下地基板２１０をＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダ１２３に取り付け、下地基板２１０上に第１の窒化物半導体層２２０を形成する。この際、たとえば下地基板２１０および第１の窒化物半導体層２２０がいずれもＧａＮの場合、下地基板２１０において、下地基板２１０の反りにより凹となる面に第１の窒化物半導体層２２０を形成する。本実施形態では、第１の窒化物半導体層２２０がＧａＮから成る例について説明するが、これに限定されるものではない。第１の窒化物半導体層２２０は、ドーパントとして炭素を含む化合物を原料ガスと共に導入しながら形成する。

窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を、ＩＩＩ族原料１２７としてガリウム（Ｇａ）を、ハロゲン含有ガスとして塩化水素（ＨＣｌ）を、ドーピングガスとしてたとえばメタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）等の炭化水素系化合物を用いることができる。この場合、第１の窒化物半導体層２２０として、炭素を不純物として含むＧａＮ層が形成される。第１の窒化物半導体層２２０を形成する際、成長領域１２２の温度はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持する。

第１の窒化物半導体層２２０を形成する際、含有される炭素の濃度が、下地基板２１０から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように第１の窒化物半導体層２２０を形成する。具体的には、窒素原料ガスとＩＩＩ族原料ガスを成長領域１２２に供給する際、ドーピングガスの供給量を０ｃｃ／ｍｉｎから所望の値まで連続的に増加させる。含有される炭素の濃度が、下地基板２１０から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように第１の窒化物半導体層２２０を形成することによって、下地基板２１０と第１の窒化物半導体層２２０の界面での結晶の格子定数や熱膨張率の変化が小さくなり、結晶性の良い第１の窒化物半導体層２２０および第２の窒化物半導体層２３０を形成することができる。また、クラックの導入を抑制することができる。

ここで、第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程の後における下地基板２１０の曲率半径の絶対値は、第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程の前における下地基板２１０の曲率半径の絶対値よりも大きくなる。つまり、下地基板２１０上に炭素を不純物として含む第１の窒化物半導体層２２０を形成することで、基板の反りを低減できる。基板の曲率半径は上述したように、ＸＲＤにより測定することが出来る。

確実に、下地基板２１０の反りを低減するためには、第１の窒化物半導体層２２０を１５μｍ以上の厚さで形成することが好ましく、５０μｍ以上の厚さで形成することがより好ましい。

また、確実に、下地基板２１０の反りを低減するためには、形成した第１の窒化物半導体層２２０における最上面近傍の炭素の濃度は５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることがより好ましい。また、形成した第１の窒化物半導体層２２０における最上面近傍の炭素の濃度は１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

次に、第１の実施形態に係る方法と同様の方法で、第１の窒化物半導体層２２０上に第２の窒化物半導体層２３０を形成する。第２の窒化物半導体層２３０は第１の窒化物半導体層２２０と同様にＨＶＰＥ法で形成する。このとき、ドーピングガスのみを炭素含有ガスからｎ型不純物を含有するガスに切り替えれば、第１の窒化物半導体層２２０とｎ型不純物を含む第２の窒化物半導体層２３０を連続的に形成することができる。ｎ型不純物を含むガスは、たとえばジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）もしくはモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いることができる。

第２の窒化物半導体層２３０を形成する際、成長領域１２２の温度はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持する。このとき、下地基板を除去した際の取り扱い性の観点から、第２の窒化物半導体層２３０を５０μｍ以上の厚さで形成することが好ましく、５００μｍ以上の厚さで形成することがより好ましい。本実施形態では、第２の窒化物半導体層２３０をｎ型不純物を含む層とする例について説明したが、アンドープ（ｕｎ−ｄｏｐｅ）の層とすることもできるし、ｐ型不純物を含む層とすることもできる。たとえば、第２の窒化物半導体層２３０をＧａＮとする場合、Ｍｇ，Ｚｎなどをｐ型不純物として含有させることができる。

本実施形態では、第１の実施形態と同様、第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程の後に、下地基板２１０を除去する工程をさらに含んでもよい。また、変形例として、第１の窒化物半導体層２２０と第２の窒化物半導体層２３０との間や、第２の窒化物半導体層２３０の上にはさらに他の層をエピタキシャル成長させて形成しても良い。

下地基板２１０、第１の窒化物半導体層２２０、および第２の窒化物半導体層２３０はいずれも同じ窒化物半導体からなることが好ましい。格子定数や熱膨張率の違いが小さいため、結晶性の良い層が形成できるためである。たとえば、下地基板２１０、第１の窒化物半導体層２２０、および第２の窒化物半導体層２３０はいずれもＧａＮからなることが好ましい。

本実施形態では、第１の窒化物半導体層２２０をＨＶＰＥ法により形成し、含有される炭素の濃度が、下地基板２１０から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように第１の窒化物半導体層２２０を形成する例について説明したが、この組み合わせに限定されるものではない。第１の窒化物半導体層２２０を形成する際に、ＨＶＰＥ法を用い、炭素を含むドーピングガスを一定の供給量で基板表面へ供給してもよい。また、第１の窒化物半導体層２２０を形成する際に、ＭＯＣＶＤ法を用い、含有される炭素の濃度が下地基板２１０から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように調整して第１の窒化物半導体層２２０を形成してもよい。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態においては第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。加えて、以下の作用および効果が得られる。

第１の窒化物半導体層２２０および第２の窒化物半導体層２３０をいずれもＨＶＰＥ法で形成するため、下地基板２１０と第１の窒化物半導体層２２０の積層体を取り出すことなく同一のＨＶＰＥ装置内で第２の窒化物半導体層２３０を形成することができる。つまり、より簡便に自立基板を製造できる。

さらに、第１の窒化物半導体層２２０と第２の窒化物半導体層２３０とを同一の装置内で形成することにより、第１の窒化物半導体層２２０と第２の窒化物半導体層２３０の界面に汚染などが生じず、より結晶品質の良い自立基板を製造できる。また、第１の窒化物半導体層２２０を形成する工程と第２の窒化物半導体層２３０を形成する工程の間で積層体を冷却する必要が無いため、製造効率が良く、結晶品質の良い自立基板を製造できる。

次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
第１の実施形態と同様の方法で下地基板２１０上に第１の窒化物半導体層２２０を形成した。ただし、第１の窒化物半導体層２２０を形成する際、含有する炭素の濃度が面内で不均一な傾斜分布を持つようにした。

第１の実施形態と同様の方法で準備した下地基板２１０をＭＯＣＶＤ装置内に取り付け、第１の窒化物半導体層２２０を形成した。下地基板２１０は直径φ５０ｍｍのＧａＮ自立基板とした。準備した下地基板２１０は、下地基板２１０を形成する際の成長方向を上として凹形状に反っていた。ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧを、窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを、キャリアガスとしてＨ_２およびＮ_２を用い、ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層２２０を形成した。また、ＩＩＩ族原料ガスとして用いたＴＭＧから分解して生成されたメタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）を用い、第１の窒化物半導体層２２０に不純物として炭素を含有させた。この際、成長温度を基板面内で分布を持つように温度バランス設定をすることにより、含有する炭素の濃度が第１の窒化物半導体層２２０の面内で不均一な分布を持つように形成した。

第１の窒化物半導体層２２０の成長条件として、成長温度は９００℃、ＴＭＧの供給量は５００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスの供給量は５ｓｌｍ、キャリアガスの供給量はＨ_２について１３．５ｓｌｍ、Ｎ_２について１．５ｓｌｍとし、下地基板２１０上に厚さ１５μｍの第１の窒化物半導体層２２０層を形成した。

図６は、本実施例で得られた下地基板２１０と第１の窒化物半導体層２２０の積層体を示す図である。本図の右向き方向をｘ軸方向、上向き方向をｙ軸方向とすると、＋ｘ方向および＋ｙ方向に向かって色が濃く、すなわち炭素の濃度が高くなっていることが分かる。図７は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）により、図６に示した積層体の面内の３点について、第１の窒化物半導体層２２０における炭素（Ｃ）の含有濃度を測定した結果である。水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、珪素（Ｓｉ）の含有濃度、二次イオン強度も合わせて示している。横軸は第１の窒化物半導体層２２０の表面からの深さ、縦軸は各元素の濃度もしくは二次イオン強度を示している。第１の窒化物半導体層２２０の表面近傍の炭素濃度は、（ｘ，ｙ）＝（−２０，０）の位置において５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、（ｘ，ｙ）＝（０，０）の位置において９×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、（ｘ，ｙ）＝（２０，０）の位置において３×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。よって、この結果からも、＋ｘ方向に向かって炭素の濃度が高くなっていることが分かる。なお、ＳＩＭＳ測定において、試料の露出した表面近傍では、測定値が凹凸や吸着物などの影響を受ける。そのため、本測定における各元素の濃度は、数値が一定になっている部分の値を最上面近傍の濃度として読み取った。

第１の窒化物半導体層２２０を形成する前の下地基板２１０の曲率半径はｘ軸方向に２．２５ｍであり、ｙ軸方向に２．８５ｍであった。一方、第１の窒化物半導体層２２０を形成した後の下地基板２１０の曲率半径、つまり下地基板２１０と第１の窒化物半導体層２２０の積層体の曲率半径はｘ軸方向に４．９９ｍであり、ｙ軸方向に１１．０２ｍであった。曲率半径はＸＲＤによって測定した。このように、第１の窒化物半導体層２２０を形成することにより、曲率半径が大きくなっており、下地基板２１０の反りが低減できたことが分かる。

図８は、この積層体の中心からの位置と反り量との関係を示した図である。横軸をｘまたはｙ座標（基板中心を原点とする）とし、縦軸を反り量として表している。そして、第１の窒化物半導体層２２０を形成する前の下地基板２１０のｘ方向の反り量を実線で、第１の窒化物半導体層２２０を形成する前の下地基板２１０のｙ方向の反り量を破線で、第１の窒化物半導体層２２０を形成した後の下地基板２１０の反り量を実線と丸印で表している。反り量は、ＸＲＤによって測定、算出した。図８から、ｘ軸方向においてもｙ軸方向においても、炭素の濃度が高い領域で、反り量がより小さくなっていることが分かる。

本実施例により、ＭＯＣＶＤ法で下地基板２１０上に第１の窒化物半導体層２２０を形成することによって下地基板２１０の反りが低減すること、および、反りを低減させる効果が第１の窒化物半導体層２２０に含有する炭素の濃度に依存することが確認できた。

（実施例２）
第２の実施形態と同様の方法で下地基板２１０上に第１の窒化物半導体層２２０を形成した。ただし、ＨＶＰＥ法で第１の窒化物半導体層２２０を形成する際、ドーピングガスの供給量は一定とした。

第１の実施形態と同様の方法で準備した下地基板２１０をＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダ１２３に取り付け、第１の窒化物半導体層２２０を形成した。下地基板２１０は直径２インチのＧａＮ自立基板とした。準備した下地基板２１０は、下地基板２１０を形成する際の成長方向を上として凹形状に反っていた。ハロゲン含有ガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガスを、ＩＩＩ族原料としてＧａを、窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを、キャリアガスとしてＨ_２を用い、ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層２２０を形成した。ドーピングガスとしてメタン（ＣＨ_４）を用い、第１の窒化物半導体層２２０に不純物として炭素を含有させた。

第１の窒化物半導体層２２０の成長条件として、成長温度は１０４０℃、ＨＣｌガスの供給量は４００ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ_３ガスの供給量は１Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ_４ガスの供給量は５０ｃｃ／ｍｉｎ、キャリアガスの供給量は１７．７Ｌ／ｍｉｎとし、下地基板２１０上に厚さ２０μｍの第１の窒化物半導体層２２０を形成した。

形成した第１の窒化物半導体層２２０の最上面近傍について、ＳＩＭＳ分析により含有する炭素の濃度を測定したところ、３．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。また、Ｘ線回折法における（０００４）ロッキングカーブの半値幅は第１の窒化物半導体層２２０の面内平均で５６ａｒｃｓｅｃであり、良好な結晶性を有することが分かった。

第１の窒化物半導体層２２０を形成する前の下地基板２１０の面内の曲率半径の平均値は４．２ｍであった。そして、第１の窒化物半導体層２２０を形成した後の下地基板２１０の面内の曲率半径の平均値、つまり下地基板２１０と第１の窒化物半導体層２２０の積層体面内の、曲率半径の平均値は５．７ｍであった。曲率半径はＸＲＤによって測定した。このように、第１の窒化物半導体層２２０を形成することにより、曲率半径が大きくなっており、下地基板２１０の反りが低減できたことが分かる。

本実施例により、ＨＶＰＥ法で下地基板２１０上に第１の窒化物半導体層２２０を形成することによって下地基板２１０の反りが低減することが確認できた。

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。

１００ ＨＶＰＥ装置
１２１ 反応管
１２２ 成長領域
１２３ 基板ホルダ
１２４ 第１のガス供給管
１２５ ドーピングガス供給管
１２６ 第２のガス供給管
１２７ ＩＩＩ族原料
１２８ ソースボート
１２９ 第１のヒータ
１３０ 第２のヒータ
１３２ 回転軸
１３３ 基板
１３５ ガス排出管
１３６ 遮蔽板
１３７ 窒素原料ガス供給部
１３９ ＩＩＩ族ガス供給部
２１０ 下地基板
２２０ 第１の窒化物半導体層
２３０ 第２の窒化物半導体層

Claims (14)

1. 窒化物半導体からなる下地基板を準備する工程と、
   前記下地基板上に炭素を不純物として導入しながら第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第１の窒化物半導体層の上に、厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層を形成する工程とを含む自立基板の製造方法。
2. 請求項１に記載の自立基板の製造方法において、
   前記第２の窒化物半導体層を形成する工程の後に、前記下地基板を除去する工程をさらに含む自立基板の製造方法。
3. 請求項２に記載の自立基板の製造方法において、
   前記下地基板を除去する工程では、前記第２の窒化物半導体層以外の層を除去する自立基板の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
   前記第１の窒化物半導体層における最上面近傍の炭素の濃度を５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする自立基板の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
   前記第２の窒化物半導体層はｎ型不純物を含む層とする自立基板の製造方法。
6. 請求項５に記載の自立基板の製造方法において、
   前記ｎ型不純物をＳｉとする自立基板の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
   前記下地基板、前記第１の窒化物半導体層、および前記第２の窒化物半導体層はいずれも窒化ガリウムからなる自立基板の製造方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
   前記第１の窒化物半導体層を形成する工程の後における前記下地基板の曲率半径の絶対値は、前記第１の窒化物半導体層を形成する工程の前の前記下地基板の曲率半径の絶対値よりも大きい自立基板の製造方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
   前記第１の窒化物半導体層を１５μｍ以上の厚さで形成する自立基板の製造方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
    前記第１の窒化物半導体層を有機金属気相成長法により形成する自立基板の製造方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
    前記第１の窒化物半導体層をハイドライド気相成長法により形成する自立基板の製造方法。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
    前記第２の窒化物半導体層をハイドライド気相成長法により形成する自立基板の製造方法。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
    含有される炭素の濃度が、前記下地基板から厚み方向に遠ざかるにつれて連続的に高くなるように前記第１の窒化物半導体層を形成する自立基板の製造方法。
14. 窒化物半導体からなる下地基板と、
    前記下地基板上に形成され、炭素を不純物として含む第１の窒化物半導体層と、
    前記第１の窒化物半導体層の上に形成された、厚さが５０μｍ以上である第２の窒化物半導体層とを含む自立基板。