JP4084541B2 - 半導体結晶及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横方向結晶成長作用を利用して、下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る基板層を形成することにより結晶成長基板を得る、半導体結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に例示する様に、例えばシリコン（Ｓｉ）等から成る下地基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体を結晶成長させ、その後常温まで冷却すると、窒化物半導体層に転位やクラックが多数入ることが一般に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、成長層（窒化物半導体層）に転位やクラックが多数入ると、その上にデバイスを作製した場合に、デバイス中に格子欠陥や転位、変形、クラック等が多数生じる結果となり、デバイス特性の劣化を引き起こす原因となる。
また、例えばシリコン（Ｓｉ）等から成る下地基板を除去し、成長層のみを残して、独立した基板（結晶）を得ようとする場合、上記の転位やクラック等の作用により、大面積（１cm²以上）のものが得られない。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、クラックが無く、転位の密度が低い高品質の半導体結晶（結晶成長基板）を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、横方向結晶成長作用を利用して下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る基板層を形成することにより下地基板から独立した半導体結晶を得る製造工程において、下地基板上に多数の突起部を形成する突起部形成工程と、この突起部の表面の少なくとも一部を基板層が結晶成長を開始する最初の成長面としてこの成長面が各々互いに連結されて少なくとも一連の略平面に成長するまで基板層を結晶成長させる結晶成長工程と、突起部を破断することにより基板層と下地基板とを分離する分離工程とを設け、基板層と下地基板とを冷却または加熱することにより、基板層と下地基板との熱膨張係数差に基づく応力を発生させ、この応力を利用して上記の突起部の破断を実施することである。
【０００６】
ただし、ここで言う「III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、ｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のIII族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等もまた、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃａ）等を添加することができる。
また、上記のｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等を添加することができる。
また、これらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。
【０００７】
例えば、図１に例示する様に、多数の突起部を有する下地基板上にIII族窒化物系化合物より成る基板層（半導体結晶）を成長させる場合、突起部の大きさや配置間隔や結晶成長諸条件等を調整することにより、各突起部間（突起部の側方）に、半導体結晶が積層されていない「空洞」が形成可能となる。このため、突起部の高さに比して基板層の厚さを十分に大きくすれば、内部応力または外部応力がこの突起部に集中的に作用し易くなる。その結果、特にこれらの応力は、突起部に対する剪断応力等として作用し、この応力が大きくなった時に、突起部が破断する。従って、この応力を利用すれば、容易に下地基板と基板層とを分離（剥離）することが可能となる。この手段により、下地基板から独立した結晶（基板層）を得ることができる。
また、上記の「空洞」が大きく形成される程、突起部に応力（剪断応力）が集中し易くなる。
【０００８】
また、例えば、図１からも分かる様に、上記の様な突起部を形成することにより、下地基板と基板層（又は、所望の半導体結晶層）との接触部位が狭く限定されるため、両者の格子定数差に基づく歪が生じ難くなり、「下地基板と基板層の間の格子定数差に基づく応力」が緩和される。このため、基板層（所望の半導体結晶）が結晶成長する際に、成長中の基板層に働く不要な応力が抑制されて転位やクラックの発生密度が低減される。
【０００９】
尚、下地基板と基板層とを分離（剥離）する際に、下地基板側に基板層の一部が残っても良いし、或いは、基板層側に下地基板の一部（例：突起部の破断残骸）が残っても良い。即ち、上記の分離工程は、これらの材料の一部の残骸を皆無とする様な各材料の完全な分離を前提（必要条件）とするものではない。
【００１０】
また、基板層と下地基板との熱膨張係数差に基づく応力を容易に生成することが可能となる。
【００１１】
また、第２の手段は、横方向結晶成長作用を利用して下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る基板層を形成することにより半導体結晶を得る製造工程において、下地基板上に多数の突起部を形成する突起部形成工程と、この突起部の表面の少なくとも一部を基板層が結晶成長を開始する最初の成長面としてこの成長面が各々互いに連結されて少なくとも一連の略平面に成長するまで基板層を結晶成長させる結晶成長工程とを設け、この結晶成長工程においてIII族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整することにより、下地基板の突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域におけるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａと、突起部の頭頂部における結晶成長速度ｂとの差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御することである。
【００１２】
この手段によれば、突起部の頭頂部付近の結晶成長速度が相対的に大きくなり、上記の露出領域付近の結晶成長は比較的抑制されて、頭頂部付近からの結晶成長が支配的となる。この結果、突起部の頭頂部付近から開始される基板層の横方向成長（ＥＬＯ）が顕著となり、基板層の結晶成長時に基板層に働く「下地基板と基板層の間の格子定数差に基づく応力」が緩和される。従って、基板層の結晶構造が安定し、基板層に転位やクラックが発生し難くなる。
また、基板層の横方向成長（ＥＬＯ）が顕著となれば、例えば、突起部の側方（各突起部間）に比較的大きな空洞ができる場合もある。
【００１３】
例えば、図１に例示する様に、適当な大きさ、間隔、或いは周期で下地基板の表面上に凹凸を形成した場合、一般に、下地基板の外周側壁付近の周辺部分以外では、凸部（突起部）の上面付近に比べて、凹部（谷部）の方が結晶材料の単位時間・単位面積当たりの供給量は少なくなり易い。この傾向は、結晶材料のガス流の流量、温度、方向等にも依存するが、これらの諸条件を最適、或いは好適に制御することにより、上記の差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御することが可能となる。
【００１４】
また、第３の手段は、上記の第１の手段の結晶成長工程において、III族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整することにより、下地基板の突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域におけるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａと、突起部の頭頂部における結晶成長速度ｂとの差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御することである。
【００１５】
この場合にも、上記の手段と同様に、基板層の結晶成長時に基板層に働く「下地基板と基板層の間の格子定数差に基づく応力」が緩和され、基板層の結晶構造が安定し、基板層に転位やクラックが発生し難くなる。この作用・効果は、各突起部間（突起部の側方）に空洞ができる程に横方向成長が顕著な場合に、比較的顕著となる。
また、突起部の側方（各突起部間）に空洞が形成されれば、突起部に剪断応力が集中し易くなり、上記の分離工程において下地基板と基板層とを剪断応力により分離し易くなる。この作用・効果は、各突起部間（突起部の側方）の空洞が大きくなる程、顕著となる。
【００１６】
また、第４の手段は、上記の第２または第３の手段において、上記の原料供給量ｑを１μmol／min以上、１００μmol／min以下とすることである。
【００１７】
より望ましくは、上記の原料供給量ｑは、５μmol／min以上、９０μmol／min以下が良い。更に望ましい値としては、形成される突起部の大きさや形、配置間隔等の下地基板の仕様や、供給原料の種類や供給流方向、結晶成長法等の諸条件にも依るが、概ね１０〜８０μmol／min程度が理想的である。この値は、大き過ぎると上記の差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御することが難しくなるので、各突起部間（突起部の側方）に大きな空洞を形成することが難しくなる。従って、この様な場合には、格子定数差に基づく結晶内の応力が比較的緩和され難く、転位が発生する等、基板層の単結晶の結晶性が劣化し易くなってしまい望ましくない。
【００１８】
また、応力（剪断応力）により、下地基板と基板層とを分離する際にも、突起部側方の空洞が無いか或いはこの空洞が小さいと、突起部に応力が集中し難くなり、突起部の破断が起り難くなってしまい望ましくない。
一方、原料供給量ｑが小さ過ぎると、結晶成長時間が掛かり過ぎて生産性の面で不利となり、望ましくない。
【００１９】
また、第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、下地基板の材料として、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いることである。
また、その他の下地基板の材料としては、例えば、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄等が有用で、また、サファイア、スピネル、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ₂）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）等も使用可能である。
ただし、熱膨張係数差に基づく剪断応力を用いて下地基板と基板層とを分離する場合には、両材料間の熱膨張係数差が小さくならない組み合わせを選択することが望ましく、また、下地基板側には、破断が起り易い材料を選択することが望ましい。
【００２０】
また、第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、下地基板の材料としてＳｉ（１１１）を用い、突起部形成工程において下地基板の突起部間の谷部の露出領域にＳｉ（１１１）面が露出しない様に突起部を形成することである。
本手段によれば、上記の谷部の露出面の結晶成長速度ａを小さく抑制できるため、上記の差分（ｂ−ａ）を、結晶性を維持したまま安定的に略最大化することが可能となる。
【００２１】
また、第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段の突起部形成工程後に、少なくとも突起部の表面に「Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）」より成るバッファ層を形成する工程を設けることである。
【００２２】
ただし、上記のバッファ層とは別に、更に、上記のバッファ層と略同組成（例：ＡｌＮや、ＡｌＧａＮ）の中間層を周期的に、又は他の層と交互に、或いは、多層構造が構成される様に、積層しても良い。
【００２３】
この様なバッファ層（或いは、中間層）の積層により、格子定数差に起因する基板層（成長層）に働く応力を緩和できる等の従来と同様の作用原理により、結晶性を向上させることが可能となる。
【００２４】
また、第８の手段は、上記の第７の手段において、バッファ層の膜厚を突起部の縦方向の高さ以下に成膜することである。また、絶対的な目安としては、バッファ層の膜厚は、およそ0.０１μｍ以上、１μｍ以下が望ましい。
この手段により、バッファ層の上に形成される所望の結晶層（例：ＧａＮ層）のみを良質に横方向に成長させることができる。即ち、この手段により、バッファ層の上に形成される結晶層に結晶成長時に掛かる「格子定数差に基づく応力」が軽減され、転位密度が効果的に低減できる。
【００２５】
バッファ層等を形成するＡｌＮやＡｌＧａＮ等は、下地基板の露出した表面の略全面に成膜され易く、また、元来、所望の結晶の成長層等を形成するＧａＮの方が、ＡｌＮやＡｌＧａＮ等よりも横方向成長し易い傾向に有る様だが、上記の手段によれば、より確実に大きな「空洞」を突起部の側方に形成することができる。
【００２６】
また、この手段により、基板層を下地基板から分離した際に、基板層の裏面（下地基板が有った側の面）にも、結晶層（バッファ層の上に形成される所望の層）が直に広範囲に露出する。従って、基板層の裏面に電極を形成する際に、電気抵抗を抑制することが容易となる。
【００２７】
尚、バッファ層の膜厚は、上記の通りおよそ0.０１μｍ〜１μｍ程度が概ね妥当な範囲であるが、より望ましくは、0.１μｍ以上、0.５μｍ以下が良い。この膜厚が厚過ぎると、空洞が小さくなり易くなり望ましくない。また、この膜厚を薄くし過ぎると、略均一にバッファ層を成膜することが困難となる。特に、突起部の上部付近においてバッファ層の成膜ムラ（十分に成膜されない部位）が生じると、結晶性にもムラが生じ易くなり、望ましくない。
【００２８】
また、第９の手段は、上記の第１乃至第８の何れか１つの手段の結晶成長工程において、基板層の膜厚を５０μｍ以上とすることである。
【００２９】
結晶成長させる基板層（III族窒化物系化合物半導体）の厚さは、約５０μｍ以上が望ましく、この厚さが厚い程、基板層に対する引っ張り応力が緩和されて、基板層の転位やクラックの発生密度を減少できる。また、更には、同時に基板層を強固にでき、上記の剪断応力を上記の突起部に集中させ易くなる。
【００３０】
また、第１０の手段は、上記の第１乃至第９の何れか１つの手段の結晶成長工程において、結晶成長速度の遅い結晶成長法から、結晶成長速度の速い結晶成長法に、途中で結晶成長法を変更することである。
【００３１】
例えば、結晶成長面が一連の略平面状に成るまでは、上記の差分（ｂ−ａ）を略最大にし易い結晶成長法（例：ＭＯＶＰＥ法）を採用し、その後は、膜厚を効率よく５０μｍ以上にすることが容易な結晶成長法（例：ＨＶＰＥ法）を採用すれば、短時間に結晶性の良質な半導体結晶を得ることが可能となる。
【００３２】
また、第１１の手段は、上記の第１乃至第１０の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部が略等間隔又は略一定周期で配置される様に上記の突起部を形成することである。
【００３３】
これにより、横方向成長の成長条件が全体的に略均等となり、結晶性の良否にムラが生じ難くなる。また、突起部間の谷部の上方が、基板層によって完全に覆われるまでの時間に、局所的なバラツキが生じ難くなるため、例えば、結晶成長速度の遅い結晶成長法から、結晶成長速度の速い結晶成長法に、途中で結晶成長法を変更する場合に、その時期を的確に、早期に、或いは一意に決定することが容易となる。
また、本手段により、上記の空洞が各々略均等な大きさとなり、上記の剪断応力を各突起部に略均等に分配することが可能となるため、全突起部の破断がムラなく生じ、下地基板と基板層との分離が確実に実施できる様になる。
【００３４】
また、第１２の手段は、上記の第１１の手段の突起部形成工程において、１辺が0.１μｍ以上の略正三角形を基調とする２次元三角格子の格子点上に突起部を形成することである。
この手段により、上記の第１１の手段をより具体的に正確、確実に実施でき、よって、転位の数を確実に低減することができる。
【００３５】
また、第１３の手段は、上記の第１乃至第１２の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部の水平断面形状を、略正三角形、略正六角形、略円形、又は四角形に形成することである。
この手段により、III族窒化物系化合物半導体より形成される結晶の結晶軸の方向が各部で揃い易くなるため、或いは、任意の水平方向に対して突起部の水平方向の長さ（太さ）を略一様に制限できるため、転位の数を抑制することができる。特に、正六角形や正三角形は、半導体結晶の結晶構造と合致し易いのでより望ましい。また、円形や四角形は製造技術の面で形成し易いと言う、現行一般の加工技術水準の現状に照らしたメリットが有る。
【００３６】
また、第１４の手段は、上記の第１乃至第１３の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部の配置間隔（配置周期）を0.１μｍ以上、１０μｍ以下とすることである。より望ましくは、結晶成長の実施条件にも依存するが、突起部の配置間隔は、0.５〜８μｍ程度が良い。ただし、この配置間隔とは、互いに接近する各突起部の中心点間の距離のことを言う。
【００３７】
この手段により、突起部の谷部の上方を基板層で覆うことが可能となると同時に、突起部間に空洞を形成することが可能となる。
この値が小さ過ぎると、ＥＬＯの作用が殆ど得られなくなり、結晶性が劣化する。また、形成される空洞が小さくなり過ぎて、基板層の膜厚を必要以上に大きくしない限り、突起部を破断することが容易でなくなる。
【００３８】
また、この値が大きくなり過ぎると、確実に突起部の谷部の上方を基板層で覆うことができなくなり、結晶性が均質かつ良質の結晶（基板層）が得られなくなる。
或いは、この値が更に大き過ぎると、谷部の露出面が広大となり過ぎて、ＥＬＯの作用が殆ど得られなくなり、また、空洞が全く形成されなくなるため、結晶性が劣化し、また、基板層の膜厚を必要以上に大きくしない限り、突起部を破断することが容易でなくなる。
【００３９】
また、第１５の手段は、上記の第１乃至第１４の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部の縦方向の高さを0.５μｍ以上、２０μｍ以下とすることである。より望ましくは、結晶成長の実施条件にも依存するが、突起部の縦方向の高さは、0.８〜５μｍ程度が良い。
この高さが短過ぎると、突起部が無い場合と同様に、ＥＬＯの作用が殆ど得られなくなり、結晶性が劣化する。また、この高さが短過ぎると、上記の空洞が形成されなくなる。
また、この高さが高過ぎると、突起部の形成自身が困難となったり、突起部の形成に必要以上に時間がかかったり、下地基板の材料が必要以上に消費されたりして望ましくない。また、この高さが高過ぎると、剪断応力が突起部の縦方向に分散されてしまい、突起部を確実に破断させることが難しくなる。
【００４０】
また、第１６の手段は、上記の第１乃至第１５の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部の横方向の太さ、幅、又は直径を0.１μｍ以上、１０μｍ以下とすることである。より望ましくは、結晶成長の実施条件にも依存するが、突起部の横方向の太さ、幅、又は直径は、0.５〜５μｍ程度が良い。
この太さが太過ぎると、格子定数差に基づいて基板層（成長層）に働く応力の影響が大きくなり、基板層の転位数が増加し易くなる。また、細過ぎると、突起部自身の形成が困難となるか、或いは、突起部の頭頂部の結晶成長速度ｂが遅くなり、望ましくない。
【００４１】
また、応力（剪断応力等）により突起部を破断させる際にも、突起部の横方向の太さ、幅、又は直径が大き過ぎると、確実に破断されない部分が生じ易くなり、望ましくない。
また、格子定数差に基づいて基板層（成長層）に働く応力の影響の大小は、突起部の横方向の太さ（長さ）だけに依るものではなく、突起部の配置間隔等にも依存する。そして、これらの設定範囲が不適切であれば、上記の様に格子定数差に基づく応力の影響が大きくなり、基板層の転位数が増加し易くなり、望ましくない。
【００４２】
また、突起部の頭頂部付近の横方向の太さ、幅、又は直径には、上記の様に最適値又は適正範囲があるため、突起部の上面、底面、又は水平断面の形状は、少なくとも局所的に閉じた形状（島状）、更には、外側に向かって凸状に閉じた形状が良く、より望ましくは、この上面、底面、又は水平断面の形状は、略円形や略正多角形等が良い。この様な設定により、任意の水平方向に対して確実に、上記の最適値又は適正範囲を実現することが容易となる。
【００４３】
また、第１７の手段は、上記の第１乃至第１６の何れか１つの手段において、結晶成長工程よりも前に、各種エッチング、電子線照射処理、光学的処理、化学的処理、或いは切削や研磨その他の物理的処理により、下地基板の突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域の結晶性又は分子構造を劣化又は変化させることにより、この露出領域におけるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａを低下させることである。
この手段により、前記の結晶成長速度の差分（ｂ−ａ）をより大きくすることができる。従って、この手段によれば、突起部の頭頂部付近の結晶成長速度が相対的に大きくなるため、前記と同様の作用により、基板層の結晶成長時に基板層に働く「下地基板と基板層の間の格子定数差に基づく応力」が緩和され、基板層に転位やクラックが発生し難くなる。
【００４４】
また、第１８の手段は、上記の何れか１つの分離工程において、下地基板と基板層とから成る基板を成長装置の反応室に残し、略一定流量のアンモニア（NH₃)ガスを反応室に流したままの状態で、基板を概ね「−１００℃／ｍｉｎ〜−0.５℃／ｍｉｎ」程度の冷却速度で略常温まで冷却することである。
例えば、この様な手段により、基板層の結晶性を良質に維持したまま、前記の分離工程を実施することができる。
【００４５】
また、第１９の手段は、少なくとも、上記の何れか１つの分離工程よりも後に、基板層の裏面に残った突起部の破断残骸を化学的或いは物理的な加工処理により除去する残骸除去工程を設けることである。
この手段によれば、基板層の裏面（下地基板を剥離させた側の面）に、半導体発光素子等の電極を形成した際に、電極と基板層との界面付近に生じる電流ムラや電気抵抗を抑制でき、よって駆動電圧の低減や、或いは発光強度の向上等を図ることができる。
【００４６】
更に、突起部の破断残骸を除去することにより、電極を半導体発光素子等の反射鏡としても利用する際には、鏡面付近での光の吸収や散乱が低減されて反射率が向上するので、発光強度が向上する。
また、例えば、研磨等の物理的な加工処理によりこの残骸除去工程を実施した場合等には、基板層の裏面のバッファ層までをも取り除いたり、或いは、基板層の裏面の平坦度を向上したりすることもできるので、電流ムラや電気抵抗の抑制、或いは、鏡面付近での光の吸収や散乱の低減等の、上記の作用効果を更に補強することができる。
【００４７】
【００４８】
また、第２０の手段は、上記の第１乃至第１９の何れか１つの手段に依る半導体結晶の製造方法を用いて製造された半導体結晶を結晶成長基板とした結晶成長により、III族窒化物系化合物半導体発光素子を製造することである。
この手段によれば、結晶性が良質で、内部応力の少ない半導体より、III族窒化物系化合物半導体発光素子を製造することが可能又は容易となる。
以上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
以下、本発明の実施例における半導体結晶（結晶成長基板）の製造手順の概要を例示する。
【００５０】
〔１〕突起部形成工程
図２に示す様に、シリコンより成る単結晶の下地基板１０１のＳｉ（１１１）面上に、フォトリソグラフィーを利用したドライエッチングにより、直径約１μｍ、高さ約１μｍの略円柱形状の突起部１０１ａを約２μｍの配置間隔で形成した。配列形態としては、一辺が約２μｍの略正三角形を基調とする２次元三角格子の各格子点上に突起部１０１ａの円柱底面の中心が配置される様に、突起部１０１ａを形成した。ただし、下地基板１０１の厚さは約２００μｍとした。
【００５１】
〔２〕結晶成長工程
本結晶成長工程では、図４に示す様に、結晶の成長面が、突起部１０１ａの上面（初期状態）から各々互いに連結されて一連の略平面状に成長するまでの成長工程を有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に従って実施し、その後、この基板層（結晶層）が２００μｍ程度の厚膜に成長するまでの成長工程をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）に従って実施した。
尚、本結晶成長工程では、アンモニア(NH₃)ガス、キャリアガス(H₂,N₂)、トリメチルガリウム(Ga(CH₃)₃)ガス（以下「TMG」と記す）、及びトリメチルアルミニウム(Al(CH₃)₃）ガス（以下「TMA」と記す）を用いた。
【００５２】
（ａ）まず、上記の突起部１０１ａが設けられた下地基板１０１（図２）を有機洗浄及び酸処理により洗浄し、結晶成長装置の反応室に載置されたサセプタに装着し、常圧でH₂を反応室に流しながら温度1100℃で下地基板１０１をベーキングした。
【００５３】
（ｂ）次に、上記の下地基板１０１の上に、ＭＯＶＰＥ法に従って、Ｈ₂，NH₃，ＴＭＧ，ＴＭＡを供給して、ＡｌＧａＮバッファ層（基板層第１層）１０２ａを成膜した。このＡｌＧａＮバッファ層１０２ａの結晶成長温度は、約１１００℃、膜厚は約0.３μｍであった。（図３）
（ｃ）このＡｌＧａＮバッファ層（基板層第１層）１０２ａの上に、基板層第２層の一部、即ち、膜厚約５μｍのＧａＮ層１０２ｂを、H₂、NH₃及びＴＭＧを供給して、成長温度１０７５℃で結晶成長させた。この工程により、図４に示す様に、基板層第２層（ＧａＮ層１０２ｂ）の一部が横方向成長し、谷部即ち突起部１０１ａの側方に大きな空洞ができた。
尚、この時のＴＭＧ供給速度は、概ね４０μmol／min程度であり、基板層第２層（ＧａＮ層１０２ｂ）の結晶成長速度は、約１μｍ／Ｈｒ程度であった。
【００５４】
（ｄ）その後、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）に従って、上記のＧａＮ層（基板層第２層）１０２ｂを、更に、２００μｍまで結晶成長させた。このＨＶＰＥ法におけるＧａＮ層１０２ｂの結晶成長速度は、約４５μｍ／Ｈｒ程度であった。
【００５５】
〔３〕分離工程
（ａ）上記の結晶成長工程の後、アンモニア（NH₃)ガスを結晶成長装置の反応室に流したまま、下地基板１０１と、（ＡｌＧａＮバッファ層１０２ａとＧａＮ層１０２ｂとから成る）基板層１０２を略常温まで冷却した。この時の冷却速度は、概ね「−５０℃／ｍｉｎ〜−５℃／ｍｉｎ」程度であった。
【００５６】
（ｂ）その後、これらを結晶成長装置の反応室から取り出すと、下地基板１０１から剥離したＧａＮ結晶が得られた。ただし、この結晶は、ＧａＮ層１０２ｂの裏面に、ＡｌＧａＮバッファ層１０２ａの小さな一部分の残骸と突起部１０１ａの破断残骸とが残留したままのものであった。
【００５７】
〔４〕破断残骸除去工程
上記の分離工程の後、フッ酸に硝酸を加えた混合液を用いたエッチング処理により、ＧａＮ結晶の裏面に残ったＳｉより成る突起部１０１ａの破断残骸を除去した。
【００５８】
以上の製造方法により、膜厚約２００μｍの結晶性の非常に優れた良質のＧａＮ結晶（ＧａＮ層１０２ｂ）、即ち、下地基板１０１から独立した所望の半導体基板を得ることができた。
【００５９】
尚、上記の実施例では、図２に例示した様に、下地基板の突起部や谷部は鉛直面と水平面により構成されているが、これらは任意の斜面や曲面等から形成しても良い。従って、図２（ｃ）に例示した下地基板上に形成される谷部の断面形状は、略矩形の凹字型以外にも、例えば、略Ｕ字型や略Ｖ字型等の形に形成しても良く、一般にこれらの形状、大きさ、間隔、配置、配向等は任意である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の作用を説明する、突起部を有する下地基板と、その上に成長した半導体結晶の、部分的な断片の模式的な斜視図。
【図２】 本発明の実施例に係わる、下地基板（Ｓｉ基板）１０１の部分的な断片の模式的な斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、及び断面図（ｃ）。
【図３】 基板層第１層（ＡｌＧａＮバッファ層）１０２ａが成膜された下地基板１０１の模式的な斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、及び断面図（ｃ）。
【図４】 基板層１０２（層１０２ａ及び層１０２ｂ）が積層された下地基板１０１の模式的な斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、及び断面図（ｃ）。
【図５】 従来の下地基板上の半導体結晶の模式的な断面図。
【符号の説明】
１０１ … 下地基板（Ｓｉ基板）
１０１ａ … 突起部
１０２ … 基板層（窒化物半導体層）
１０２ａ … 基板層第１層（ＡｌＧａＮバッファ層）
１０２ｂ … 基板層第２層（ＧａＮ単結晶層）

Claims (20)

1. 横方向結晶成長作用を利用して、下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る基板層を形成することにより、前記下地基板から独立した半導体結晶を得る方法であって、
   前記下地基板上に多数の突起部を形成する突起部形成工程と、
   前記突起部の表面の少なくとも一部を前記基板層が結晶成長を開始する最初の成長面として、この成長面が各々互いに連結されて少なくとも一連の略平面に成長するまで、前記基板層を結晶成長させる結晶成長工程と、
   前記突起部を破断することにより、前記基板層と前記下地基板とを分離する分離工程とを有し、
   前記基板層と前記下地基板とを冷却または加熱することにより、前記基板層と前記下地基板との熱膨張係数差に基づく応力を発生させ、この応力を利用して前記突起部を破断することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. 横方向結晶成長作用を利用して、下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る基板層を形成することにより、半導体結晶を得る方法であって、
   前記下地基板上に多数の突起部を形成する突起部形成工程と、
   前記突起部の表面の少なくとも一部を前記基板層が結晶成長を開始する最初の成長面として、この成長面が各々互いに連結されて少なくとも一連の略平面に成長するまで、前記基板層を結晶成長させる結晶成長工程と
   を有し、
   前記結晶成長工程において、前記III族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整することにより、
   前記下地基板の前記突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域における前記III族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａと、前記突起部の頭頂部における結晶成長速度ｂとの差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御する
   ことを特徴とする半導体結晶の製造方法。
3. 前記結晶成長工程において、前記III族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整することにより、
   前記下地基板の前記突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域における前記III族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａと、前記突起部の頭頂部における結晶成長速度ｂとの差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶の製造方法。
4. 前記原料供給量ｑを１μmol／min以上、１００μmol／min以下としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体結晶の製造方法。
5. 前記下地基板の材料として、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
6. 前記下地基板の材料として、Ｓｉ（１１１）を用い、
   前記突起部形成工程において、前記下地基板の前記突起部間の谷部の露出領域に、Ｓｉ（１１１）面が露出しない様に前記突起部を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
7. 前記突起部形成工程後、少なくとも前記突起部の表面に「Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）」より成るバッファ層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
8. 前記バッファ層の膜厚を前記突起部の縦方向の高さ以下に成膜することを特徴とする請求項７に記載の半導体結晶の製造方法。
9. 前記結晶成長工程において、前記基板層の膜厚を５０μｍ以上としたことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
10. 前記結晶成長工程において、結晶成長速度の遅い結晶成長法から、結晶成長速度の速い結晶成長法に、途中で結晶成長法を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
11. 前記突起部形成工程において、前記突起部が略等間隔または略一定周期で配置される様に前記突起部を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
12. 前記突起部形成工程において、１辺が0.１μｍ以上の略正三角形を基調とする２次元三角格子の格子点上に前記突起部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体結晶の製造方法。
13. 前記突起部形成工程において、前記突起部の水平断面形状を、略正三角形、略正六角形、略円形、又は四角形に形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
14. 前記突起部形成工程において、前記突起部の配置間隔を0.１μｍ以上、１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
15. 前記突起部形成工程において、前記突起部の縦方向の高さを 0.５μｍ以上、２０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
16. 前記突起部形成工程において、前記突起部の横方向の太さ、幅、又は直径を0.１μｍ以上、１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１５の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
17. 前記結晶成長工程よりも前に、
    各種エッチング、電子線照射処理、光学的処理、化学的処理、或いは物理的処理により、
    前記下地基板の前記突起部間の谷部の少なくとも一部の露出領域の結晶性又は分子構造を劣化又は変化させることにより、前記露出領域における前記III族窒化物系化合物半導体の結晶成長速度ａを低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項１６の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
18. 前記分離工程において、
    前記下地基板と前記基板層とから成る基板を成長装置の反応室に残し、略一定流量のアンモニア（NH₃)ガスを前記反応室に流したままの状態で、
    前記基板を概ね「−１００℃／ｍｉｎ〜−0.５℃／ｍｉｎ」程度の冷却速度で略常温まで冷却することを特徴とする請求項１又は、請求項３乃至請求項１７の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
19. 少なくとも前記分離工程よりも後に、
    前記基板層の裏面に残った前記突起部の破断残骸を化学的或いは物理的な加工処理により除去する残骸除去工程を有する
    ことを特徴とする請求項１又は、請求項３乃至請求項１８の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
20. 請求項１乃至請求項１９の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法を用いて製造された前記半導体結晶を結晶成長基板として、結晶成長により製造することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

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