JP4915128B2 - 窒化物半導体ウエハ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本件発明は、III−Ｖ族窒化物半導体から成る窒化物半導体素子を形成するための窒化物半導体ウエハに関し、特に、結晶品質と量産性に優れた窒化物半導体ウエハとその製造方法に関する。

III−Ｖ族の窒化物半導体は、緑色〜紫外及び白色発光ダイオード、緑色〜紫外レーザダイオード、フォトダイオード、ＨＥＭＴ等の種々の電子デバイスに用いられている。

従来の窒化物半導体を応用する電子デバイスは、一般に、サファイアあるいは炭化珪素といった、堆積する窒化物半導体層と異なる異種ウエハの上に造られている。最もよく使われる有機金属化学的気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」）では、アンモニアと金属有機化合物からＧａＮが気相成長するが、バルク単結晶層の生成は不可能であった。また、バッファ層の利用によって単位面積あたりの転位数が減らされるが、この方法では約１０^８/ｃｍ^２までにしか低減できないのが現状である。

そこで、最近では窒化物半導体層の欠陥密度を低減させるために横方向成長法が使われている（例えば、特許文献１）。この方法では、サファイアウエハの上にＧａＮ層を成長させ、その上にさらに線状あるいは網状のＳｉＯ_２を堆積させる。このように準備された基板に対しＧａＮの横方向成長が行われることによって、ＧａＮの転位密度が約１０^７/ｃｍ^２以下に抑制される。

窒化物半導体を応用した電子デバイスは、半導体層に存在する転位や応力によって素子寿命を含めた基本特性が大きく左右される。しかし、サファイア等の異種ウエハを用いたヘテロエピタキシャル成長を行っている限り、転位や応力の低減には限界がある。そこでサファイア等の異種ウエハに代えて、ホモエピタキシャル成長が可能な窒化物半導体ウエハ上を作製する試みがされている。

例えば、横方向成長法によって低転位密度のＧａＮ層を形成した後、さらにハライド気相成長法（以下、「ＨＶＰＥ法」）等によってＧａＮ層を厚膜に成長し、その後サファイアウエハを除去すれば、ＧａＮ単結晶から成るウエハを得ることができる（特許文献２）。

また、ＧａＮ単結晶を直接成長させることも種々検討されている。例えば、ＨＮＰ法（非特許文献１）においては、溶解したガリウムの中で、つまり液相で結晶の成長を行い,１０ｍｍ程度のＧａＮ結晶を生成している。尚、ガリウム内に十分な窒素を溶解させるには、温度を１５００℃、窒素の圧力を１５kbarに設定する必要がある。一方、比較的低温、低圧でＧａＮ単結晶を成長させる方法として、超臨界アンモニアの利用も提案されている（非特許文献２、３等）。

さらに、特許文献３では、ＧａＮ単結晶インゴットを成長方向と平行な面でスライス加工してウエハとすることが提案されている。具体的には、まず、ＧａＡｓ基板上に横方向成長法を用いながらＧａＮをｃ軸成長させて数ｃｍの厚さを有するＧａＮインゴットを作製する。このＧａＮインゴットからＣ面、Ｍ面、Ａ面を有するＧａＮ種結晶を形成する。そして、各ＧａＮ種結晶上にｃ軸、ｍ軸、又はａ軸成長させたＧａＮ単結晶から、成長方向に平行な面（ｃ軸成長であればＡ面又はＭ面、ｍ軸成長であればＡ面又はＣ面、ａ軸成長であればＭ面又はＣ面）にスライスし、ＧａＮ単結晶ウエハを作製する。この方法は、転位が成長方向に平行に走ることを利用して、低転位密度のＧａＮ単結晶ウエハを得ようとするものである。

特開平１１−４３３９８号公報 特開平１０−３１２９７１号公報 特開２００２−２９８９７号公報 特表２００４−５３３３９１号公報 "Prospects for high-pressure crystal growth of III-V nitrides" S, Porowski et al., Inst.Phys.Conf.Series, 137, 369 (1998) "Ammono method of BN, AlN, and GaN synthesis and crystal growth" R. Dwilinski et al., Proc. EGW-3, Warsaw, June 22-24, 1998, MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research "Crystal Growth of gallium nitride in supercritical ammonia" J. W. Kolis et al., J. Cryst. Growth 222, 431-434 (2001)

しかしながら、上記従来の窒化物半導体ウエハの製造方法では、十分に低い転位密度と広いウエハ面積を両立することは困難であった。

例えば、特許文献２のような横方向成長法と異種基板の剥離によって窒化物半導体ウエハを製造すれば、従来の異種ウエハと同様に広い面積を持った窒化物半導体ウエハを得ることができる。しかしながら、横方向成長法の過程で、ＳｉＯ_２マスク上は転位が減少するが、ＳｉＯ_２マスク同士の開口部には異種ウエハとの界面で発生した転位がそのまま残る。従って、ウエハ内に局所的に高転位密度の領域が残ってしまう。

また、非特許文献１のＨＮＰ法や、非特許文献２又は３の超臨界アンモニアを利用した成長方法では、転位密度の低いＧａＮ単結晶が得られるものの、従来の異種ウエハのようなインチサイズのウエハを量産性良く作製することは困難である。

さらに、特許文献３の方法によれば、理論上は、転位密度が全面に渡って低く、かつ、インチサイズの広さを持った窒化物半導体ウエハを製造することが可能である。しかしながら、特許文献３の方法によってインチサイズのウエハを製造するには、ＧａＮ単結晶を少なくとも数ｃｍ以上の厚さに成長する必要がある。ところが、現状の気相成長技術では、数ｃｍ以上の厚さにＧａＮ単結晶を成長しようとした場合、種々の問題が発生する。例えば、一般的なＨＶＰＥ法によってＧａＮ単結晶を成長しようとした場合、長時間に渡って気相成長を続けるとＧａメタルの付着が気相成長装置内に発生し、原料ガスの流量バランスが乱れやすくなる。また、ＧａＮ種結晶はもともと異種ウエハからヘテロエピタキシャル成長されているため、異種ウエハとの界面で発生した歪みが結晶内に残存している。また、その歪みによる応力の影響はＧａＮ単結晶の膜厚が厚くなるほど大きくなる。従って、数ｃｍ以上もの厚さにＧａＮ単結晶を成長すると、モホロジ異常や結晶欠陥が発生し易くなる。

そこで本件発明は、低い転位密度と広いウエハ面積を両立可能な窒化物半導体ウエハ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本件発明に係る窒化物半導体ウエハの製造方法は、
（ａ）六方晶系の窒化物半導体から成ると共に、対向する２つの主面がいずれもＣ面から成る一次ウエハを得る工程と、
（ｂ）前記一次ウエハをＭ面に沿って切断して複数の窒化物半導体バーを得る工程と、
（ｃ）前記複数の窒化物半導体バーを、隣り合う窒化物半導体バーのＣ面同士が対向し、各窒化物半導体バーのＭ面が上面となるように配列する工程と、
（ｄ）配列された前記窒化物半導体バーの上面に窒化物半導体を再成長させることにより、連続したＭ面を主面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、
を具えている。

尚、本件発明において、「ｘ軸成長」（ｘは、ｃ、ｍ、ａ等）という用語は、成長させる結晶の主面がＸ面（Ｘは、Ｃ、Ｍ、Ａ等）となるような結晶成長をいい、その成長方法はバッファ層を介した成長であっても、いわゆる横方向成長であっても良い。また、「ウエハ」とは、半導体素子を形成するための板状基板を指す。「ウエハ」は、円形に限らず、矩形などの種々の形状をとることができる。ウエハの「主面」とは、板状であるウエハの最も面積の広い２つの面（上面又は下面）を指す。

本件発明によって製造する窒化物半導体ウエハは、低転位密度であり、かつ、窒化物半導体素子の製造に十分な広い面積を有する。即ち、本件発明では、一次ウエハから窒化物半導体バーを切り出し、それを配列した上に再成長を行うため、一次ウエハは結晶性が良好に維持できる程度の膜厚で成長すればよい。また、再成長層の下地となる窒化物半導体バー内では転位がＭ面と平行に延伸しているため、窒化物半導体バーの上面（Ｍ面）に向かって進む貫通転位は少ない。さらに、窒化物半導体バーを配列した上に窒化物半導体層６を再成長する際にも個々の窒化物半導体バー同士が分離しているため、ウエハの面積を大きくしても応力の増大が抑制される。従って、窒化物半導体バーの配列本数を増やせば、結晶性を低下させずに窒化物半導体ウエハの面積を簡単に大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施形態１．
図１は、一般式がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される六方晶系の窒化物半導体をｃ軸成長することによって形成された一次ウエハ２を示す模式図である。一次ウエハ２は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＡｓ等の窒化物半導体と異なる異種ウエハ上に窒化物半導体をｃ軸成長させた後、異種ウエハを除去することによって作製することができる。一次ウエハ２は、窒化物半導体が良好な結晶で成長できるように、２００μｍ以上であって、５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の膜厚となっていることが望ましい。

また、図１に示すように、一次ウエハ２はＣ面から成る２つの主面を有し、一方の主面がＣ^＋面、他方の主面がＣ⁻面となっている。本件明細書では、Ｎ終端するＣ面（＝（０００−１）面）を「Ｃ⁻面」と表記し、Ｇａ終端（又は他の金属元素で終端）するＣ面（＝（０００１面）を「Ｃ^＋面」と表記する。例えば窒化物半導体がＧａＮの場合、サファイアＣ面等の異種ウエハ上にｃ軸成長させたときの成長面はＧａ終端となり、サファイア基板を除去した後の除去面はＮ終端となることが知られている。

本実施の形態では、図１に示す一次ウエハ２をあるＭ面に沿って短冊状にスライスし、窒化物半導体バー４を切り出す。六方晶系の窒化物半導体結晶では、Ｃ面に直交する面として（１−１００）面、（１０−１０）面、（０１−１０）面、（−１１００）面、（−１０１０）面、（０−１１０）面という６つの面があり、これらは集合的にＭ面（＝{１-１００}面）と称される。６つのＭ面は正六角形の６辺をなすように並ぶことができる（隣接するＭ面相互は１２０度の角度をなす）。一次ウエハ２から窒化物半導体バー４を切り出すためのＭ面は、いずれか１つのＭ面であり、それは上記６つのＭ面のいずれであっても良い。

図２は、切り出された窒化物半導体バー４を模式的に示す斜視図である。Ｍ面に沿って短冊状に切り出された複数の窒化物半導体バー４は、略四角柱状であり、互いに対向する側面の組を２組有している。一方の組の側面はＭ面から成り、他方の組の側面はＣ面（Ｃ^＋面とＣ⁻面）から成る。一般にｃ軸成長された窒化物半導体中の転位は結晶の成長方向、即ちｃ軸方向に向かって進行する。このため、切り出した窒化物半導体バー４の内部において、転位はＭ面と平行な面に延伸している。尚、窒化物半導体バー４の「側面」とは、略四角柱状であるバーの最も面積の広い４つの面を指す。窒化物半導体バー４は、窒化物半導体ウェハを成長させる支持体として用いることができる。この成長方法には、気相成長法や、超臨界状態の窒素含有溶媒中で溶解させた窒化物を結晶化させる成長方法等がある。

この窒化物半導体バー４を、図３に示すように、一方のＭ面が上面となるように互いに平行に配列する。本実施の形態では、各窒化物半導体バー４がＣ面同士で密着するように配列している。

この配列された窒化物半導体バー４の上面に窒化物半導体層を再成長させれば、図４に示すように、窒化物半導体バー４の配列の上にＭ面を主面とした窒化物半導体層６（以下、「再成長層６」と称することがある）が得られる。こうしてＭ面を主面とした窒化物半導体ウエハ８が得られる。尚、窒化物半導体ウエハ８は、そのまま用いても良いし、結晶性の良好な上層部だけをワイヤーソー等の適当な手段で切り出して用いてもよい。

この窒化物半導体ウエハ８は、低転位密度であり、かつ、窒化物半導体素子の製造に十分な広い面積を有している。即ち、窒化物半導体バー４は、もともと一次ウエハ２から切り出されたものであり、その一次ウエハ２は結晶性が良好に維持できる程度の膜厚で成長されている。このため窒化物半導体バー４の結晶性は良好であり、その上に再成長した窒化物半導体層６の結晶性も良好なものとなる。また、再成長層６の下地となる窒化物半導体バー４内では転位４０がＭ面と平行に延伸しているため、窒化物半導体バー４の上面（Ｍ面）に向かって進む貫通転位は殆ど存在しない。従って、その窒化物半導体バー４の上面に再成長された窒化物半導体層６は、窒化物半導体バー４に比べて転位密度が極めて低くなる。しかも、窒化物半導体バー４の配列本数を増やせば、結晶性を低下させずに窒化物半導体ウエハ８の面積を簡単に大きくすることができる。

また、このようにして形成された窒化物半導体ウエハ８は、歪応力の点でも有利である。即ち、一般に、異種ウエハ上に成長された窒化物半導体層は、異種ウエハとの格子不整合差や熱膨張係数差に起因する応力を内在している。この応力は異種ウエハを除去した後も完全にはなくならないため、一次ウエハ２にも一定の応力が内在している。そして一次ウエハに内在している応力は、一次ウエハ２の面積が大きくなる程顕著になる。本実施の形態では一次ウエハ２を適当な幅で分割して窒化物半導体バー２としているため、個々の窒化物半導体バー２に内在している応力は小さくなる。しかも、窒化物半導体バー２を配列した上に窒化物半導体層６を再成長する際も、個々の窒化物半導体バー２同士が分離していることによって応力の増大が抑制される。

さらに、本実施の形態の窒化物半導体ウエハ８は、主面がＭ面である点においても従来のＣ面が主面であるウエハに比べて有利である。即ち、前述の通り、Ｃ面には結晶の終端面の構成によって２つの極性が存在しており、その極性が窒化物半導体素子における歪みの原因となり得る。例えば、ｃ軸配向した窒化物半導体で活性層にＩｎＧａＮ層を用いた場合、発光波長が紫外域から長くなるにつれ、発光効率が低下する問題がある。これは自発分極や活性層内に生じるピエゾ電界によって電子―正孔対が空間的に分離されるためと推定される。そこで無極性の成長面をもつ窒化物半導体ウェハをつくれば、活性層の成長軸方向に分極電場が生じることを抑制し、発光性再結合の確率が向上する。窒化物半導体のＭ面は、Ｃ面のような極性を有していない。従って、本実施の形態のようにＭ面を主面とする窒化物半導体ウエハ８を用いれば、発光効率の高い優れた窒化物半導体素子の形成が可能となる。

尚、本実施の形態の窒化物半導体ウエハ８は、最初の作製には多くのステップが必要となるが、一度作製してしまえば、簡単に複製することができる。即ち、図５に示すように、上述の方法で作製した窒化物半導体ウエハ８を基板として窒化物半導体を成長すれば、同様の結晶性を持った窒化物半導体層を簡単に成長させることができる。そして、成長後のウエハを主面に平行にスライスすれば、新たな窒化物半導体ウエハ８’や８’’を得ることができる。例えば、窒化物半導体ウエハ８上に約２ｍｍ厚で窒化物半導体を成長させ、４００μｍの膜厚にワイヤーソーでスライスすれば、４〜５枚の窒化物半導体ウエハ８を一度に複製できる。従って、低転位で広面積の窒化物半導体ウエハを、低コストかつ高いスループットで製造することができる。

以下、本実施の形態における窒化物半導体ウエハ８について、各製造ステップを詳細に説明する。
１．一次ウエハ２の作製
一次ウエハ２は、ｃ軸成長させた六方晶系の窒化物半導体から成るウエハであれば、どのような方法で作製したものでも良い。一次ウエハ２を構成する六方晶系の窒化物半導体は、特に限定されないが、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、より好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、最も好ましくは窒化ガリウムであることが望ましい。

また、一次ウエハ２の膜厚があまり薄すぎると、切り出した窒化物半導体バー４を配列した際にバー同士の接続面の数が多くなるため好ましくない。また、一次ウエハ２があまり薄いと、窒化物半導体バー４のＭ面を研磨する工程も難しくなる。そこで、一次ウエハ２の膜厚は、２００μｍ以上、好ましくは５００μｍ以上とすることが望ましい。一方、一次ウエハ２の膜厚があまり厚すぎると、一次ウエハ２の結晶性が低下し易くなり、また一次ウエハ２内の応力も大きくなり易い。そこで、一次ウエハ２の膜厚は、３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

一次ウエハ２の主面の広さは、適当な大きさの窒化物半導体バー４を切り出すことができれば、特に限定されない。即ち、最終的に作製する窒化物半導体ウエハ８の広さは、配列させる窒化物半導体バー４の数によって調整できるため、窒化物半導体ウエハ８の広さは一次ウエハ２の主面の広さに直接は制約されない。従って、一次ウエハ２の主面は、最終的に作製する窒化物半導体ウエハ８の主面よりも狭くても良い。また、一次ウエハ２は、円形、矩形などどのような形状でも良く、細長い矩形であっても良い。特に、一次ウエハ２が細長い矩形である場合は、その長手方向に沿ったＭ面で窒化物半導体バー４を切り出すことによって、より長い窒化物半導体バー４を得ることができる。

尚、一次ウエハ２の主面の最大径があまり小さいと、切り出せる窒化物半導体バー４の長さが短くなり、広面積の窒化物半導体ウエハ８を得ようとする際に、窒化物半導体バー４の配列数が多くなる。そこで、一次ウエハ２の主面は、最大径が少なくとも１０ｍｍ以上、より好ましくは１インチ以上であることが好ましい。また、一次ウエハ２の主面の最小径があまり小さいと、四角柱の窒化物半導体バー４のＣ面からなる側面が狭くなり、窒化物半導体バー４の機械的強度が低下するため好ましくない。そこで、一次ウエハ２の主面は、最小径が少なくとも１０ｍｍ以上、より好ましくは１インチ以上であることが望ましい。

また、一次ウエハ２は、主面であるＣ面にオフ角が形成されていても良い。Ｃ面がオフ角を有することによって、一次ウエハ２の結晶性が向上する利点がある。但し、オフ角があまり大き過ぎるとステップバンチングという問題が生じる。そこでオフ角は、１°以下、好ましくは０．２°以下、さらに好ましくは０．０５°以下であることが好ましい。ここである面のオフ角は、３方向について考えることができる。例えば、図２０に示すように、Ｍ面であれば、ｍ軸周りのツイスト角α、ｃ軸に対するチルト角β、ａ軸に対するチルト角γという３つのオフ角がある。同様に、Ｃ面であれば、ｃ軸周りのツイスト角α、ａ軸に対するチルト角β、ｍ軸に対するチルト角γの３つのオフ角がある。また、一次ウエハ２にオフ角を形成する場合、上下の主面に形成するオフ角が同一であることが好ましい。例えば、異種ウエハ上に一次ウエハ２を成長させる場合、異種ウエハにオフ角を形成することによって成長面であるＣ^＋面にオフ角が形成されていた場合、異種ウエハの除去面であるＣ⁻面にも同一のオフ角を形成しておくことが好ましい。一次ウエハ２のＣ⁻面へのオフ角の形成は、一次ウエハ２の結晶軸の方位をＸ線で測定しながら、傾斜角の制御可能なステージ上で一ウエハ２のＣ⁻面を研磨することによって行うことができる。ここでオフ角が同一とは、オフ角を形成する方位及びその角度の大きさが同一であることをいう。

この場合の一次ウエハ２は、互いに対向する２つのＣ面に同一のオフ角が形成されており、その中の転位はＣ面に略垂直な方向に進行することになる。このような一次ウエハ２であれば、窒化物半導体バー４を切り出して配列した際に、切り出した窒化物半導体バー４のＣ面同士の整合が良好となる。また、窒化物半導体バー４内の転位はＭ面に平行な方向に進行することになるため、窒化物半導体バー４の上に再成長させる窒化物半導体層６の結晶性が良好となる。尚、窒化物半導体バー４同士を離して配列した場合にも、窒化物半導体バー４のＣ面が有するオフ角が揃っていることにより、再成長させる窒化物半導体層６の結晶性が良好となる。

さらに、一次ウエハ２の主面であるＣ面における表面粗さは、５０００Å以下、より好ましくは３０００Å以下であることが好ましい。本件明細書における「表面粗さ」とは、非接触粗さ測定機によって測定したＲａをさす。対照物にレーザーを当てて反射光のズレを読み取ることにより、表面粗さＲａを測定できる。測定装置にはＭＰ２０００（チャップマン製）を用いる。例えば、測定範囲を5ｍｍ、カットオフを80μｍとして表面粗さＲａを測定する。Ｃ面の表面粗さを小さくしておくことにより、窒化物半導体バー４のＣ面同士を接続した際に、より密着させることができる。従って、一次ウエハ２のＣ面の表面粗さを小さく制御することによって、窒化物半導体層６を再成長した際に窒化物半導体バー４同士の接続面における成長異常の発生を抑制することができる。尚、窒化物半導体バー４同士を離して配列した場合にも、窒化物半導体バー４のＣ面の表面粗さが小さいことにより、再成長させる窒化物半導体層６の結晶性が良好となる。

一次ウエハ２は、種々の方法で作製することができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン等の異種ウエハ上に窒化物半導体をｃ軸成長させた後に、異種ウエハを除去することによって一次ウエハ２を作製することができる。この方法によれば、広い面積の一次ウエハ２を簡易に作製することができる。より具体的には、以下の方法で一次ウエハ２を作製すれば、低転位密度であり、かつ、必要な厚さと面積を有する一次ウエハ２を得ることができる。

１）異種ウエハ上への窒化物半導体成長
まず、異種ウエハ上で窒化物半導体を横方向成長させて転位密度の低い窒化物半導体層を形成し、さらにＨＶＰＥ法などによって所定膜厚まで成長する。ここで「横方向成長法」とは、成長する基板の主面に平行な方向への成長過程を含む全ての成長方法を指す。例えば、異種ウエハ上に半導体をヘテロエピタキシャル成長させる際に、適当な選択成長の手法を用いることでウエハ主面に略平行な横方向の成長を起こす方法である。ウエハ主面に略平行な方向に結晶を成長させることによって、転位も横方向に成長させ、成長表面における転位密度を低減させることができる。本実施の形態では、従来知られている種々の横方向成長方法のいずれを用いても良い。例えば、窒化物半導体層を横方向成長させる手法としては、図６Ａに示すように、異種ウエハ４６上に窒化物半導体層４８を形成し、さらにＳｉＯ_２等のマスク５０を周期的に形成する方法がある。マスク５０の窓部から選択的に成長した窒化物半導体層５２はマスク５０上を横方向に成長するため、異種ウエハ４６との界面で発生した転位４０の密度を減少させることができる。また、図６Ｂに示すように、異種ウエハ４６上に成長させた窒化物半導体層４８をエッチングして局所的に異種ウエハ４６の表面を露出させる方法もある。窒化物半導体４８を成長起点にして窒化物半導体５２が横方向に成長するため、異種ウエハとの界面で発生した転位４０の密度を減少させることができる。

また、図６Ａに示す方法において、ＳｉＯ_２等のマスク５０上を横方向に成長した窒化物半導体５２同士が接合する前に一旦成長を止め、ＳｉＯ_２等のマスク５０を除去してから窒化物半導体５２同士を接合させる方法もある。さらに、窒化物半導体が横方向に成長する過程でファセット面を形成するようにし、転位をループ状に終端させる方法も知られている。

この横方向成長の後、さらに窒化物半導体層５４をＨＶＰＥ法等によって成長させる。これによって窒化物半導体層が単独で自立できるような膜厚とする。例えば、窒化物半導体層の膜厚が２００〜２５０μｍの厚さとなるまで成長させる。尚、異種ウエハ上に横方向成長を行った直後は転位が周期的に集中した領域が存在するが、その後、窒化物半導体を厚膜に成長する過程で転位が面内で分散し、転位の面内分布が均一になっていく。

２）異種ウエハの除去
そして、異種ウエハの裏面からレーザを照射する、異種ウエハを裏面から研磨する、等の方法によって異種ウエハを剥離する。尚、異種ウエハの除去を下記の窒化物半導体の厚膜成長前に行うことにより、異種ウエハとの熱膨張係数差や格子定数差に基づく反りやクラック発生を抑制することができる。

３）窒化物半導体層の厚膜成長
その後、ＨＶＰＥ法等の適当な方法によって窒化物半導体を厚膜に成長させる。例えば、１〜２ｍｍの膜厚となるまで窒化物半導体を成長させる。このようにして必要な膜厚を持った一次ウエハ２を得ることができる。尚、この過程において、横方向成長によって分布していた転位がさらに分散する。また、このＨＶＰＥ法等による厚膜の成長過程ではｃ軸方向に転位が進行する。このため、窒化物半導体バー４を切り出した際に、Ｍ面に平行な方向に転位が延伸することになる。

また、上記方法に代えて、一次ウエハ２を超臨界状態の窒素含有溶媒中で溶解させた窒化物を結晶化させる成長方法によって形成しても良い。具体的には、（ａ）容器中、ガリウム含有フィードストック、アルカリ金属含有組成物、結晶成長用シード及び窒素含有溶媒を投入し、（ｂ）窒素含有溶媒を超臨界状態にし、（ｃ）第１の温度と第１の圧力で、ガリウム含有フィードストックを少なくとも部分的に溶解し、（ｄ）窒素含有溶媒が超臨界状態にある間に、前記第１の温度より高温である第２の温度と前記第１の圧力より低圧である圧力で、ガリウム含有窒化物を結晶化するガリウム含有窒化物結晶を成長させる方法である。

２．窒化物半導体バー４の作製
窒化物半導体バー４は、一次ウエハ２をＭ面に沿って短冊状にスライスすることによって得られる。一次ウエハ２からの窒化物半導体バー４の切り出しは、例えば、次のようにして行うことができる。

ａ）一次ウエハ２のＭ面決定／Ｍ面出し
まず、一次ウエハ２のＭ面をカット面検査装置を使って決定する。カット面検査装置とは、結晶の表面の傾きをＸ線を用いて測定するものである。図７に示すように、六方晶系の窒化物半導体は、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面が互いに直交している。また、ｃ軸、ｍ軸、ａ軸も互いに直交している。従って、例えば、ｃ軸方向の傾きとａ軸方向の傾きを測定すれば、ある面のＭ面からの傾きがわかる。Ｍ面からの傾きが分かれば研削等によってＭ面を出すことができる。

ｂ）一次ウエハ２のスライス
次に、図８Ａに示すように、工程（ａ）で出したＭ面を基準として、一次ウエハ２をＭ面に沿って短冊状にスライスする。スライスには、例えば、ワイヤソー１０を用いることができる。ワイヤソー１０でスライスする際のスライス間隔（＝窒化物半導体バー４の幅に相当）が狭すぎると、窒化物半導体バー４の機械的強度が不足するため好ましくない。一方、スライス間隔が広すぎる場合は一次ウエハ２から取れる窒化物半導体バー２の数が少なくなる。そこで、ワイヤソー１０でスライスする際のスライス間隔は、０．５μｍ〜３ｍｍ、より好ましくは１μｍ〜２ｍｍであることが望ましい。

ｃ）Ｍ面の研磨
次に、ワイヤソー１０でスライスしたＭ面を研磨する。Ｍ面の研磨の際には、カット面検査装置を用いて正しいＭ面の方位を確認しながら、研磨面の角度を調整することが好ましい。例えば、図８Ｂに示すように、２軸の角度調整が可能なステージ１２上にスライスした窒化物半導体バー４を固定すれば、Ｘ線を用いてｃ軸とａ軸に対する研磨面の傾きを測定しながら、研磨面の角度を調整することができる。研磨としては、ダイヤモンド砥粒等の粗めの砥粒でＭ面を粗研磨した後、さらに５０〜１００ｎｍのコロイダルシリカ等を用いて精研磨することが好ましい。Ｍ面は比較的良好な劈開性を有するため、ある程度の精度で研磨面の方位を制御すれば、精研磨の後では理想的なＭ面を出すことができる。

このようにして形成された窒化物半導体バー４は、互いに対向する側面を２組有する略四角柱状であり、側面の一方の組はＣ面から成ると共に、面の他方の組はＭ面から成る。この窒化物半導体バー４中の転位は主としてＭ面に略平行な方向に延伸することになる。このような窒化物半導体バー４は、Ｍ面を上面にして、Ｃ面同士を対向するように配列すれば、窒化物半導体をＭ面成長させるための基板を構成することができる。しかも、窒化物半導体バー４中の転位はＭ面に平行に延伸しているため、そのような基板上に再成長させた窒化物半導体層は転位密度が非常に低くなる。さらに、窒化物半導体バー４の配列数を変えるだけで、基板の大きさも自由に制御できる。従って、上記の窒化物半導体バー４は、窒化物半導体を成長させるための基板として優れた特性を有している。

また、窒化物半導体バー４は、上面及び下面がＡ面から成ることが好ましい。このとき窒化物半導体バー４の上面及び下面は４つの側面に直交する。窒化物半導体バー４の上面及び下面がＡ面から成ることにより、窒化物半導体バー４を２次元にマトリックス配列して再成長基板を構成した際に、再成長層の結晶性が向上する。即ち、窒化物半導体バー４同士の接続面がＡ面及びＣ面となり、再成長させるための主面がＭ面となるため、窒化物半導体バー４同士の接続部における結晶の成長状態が良好となり、再成長層６の結晶性が向上する。これはＭＯＣＶＤ法等で窒化物半導体を再成長する際に、成長速度がａ軸＞ｃ軸＞ｍ軸の順に速くなるためと考えられる。

また、窒化物半導体バー４のＣ面から成る２つの側面は、表面粗さが１０００Å以下であることが好ましい。これによって窒化物半導体バー４の側面同士の接続面が密着できるようになるため、窒化物半導体バー４の配列の上に再成長させる窒化物半導体層６の結晶性が向上する。また、窒化物半導体バー４同士を離して配列させた場合にも、窒化物半導体バーー４の側面から成長する再成長層の結晶性が良好となる。

また、窒化物半導体バー４のＣ面から成る２つの側面の両方に、同一のオフ角が形成されていることが好ましい。但し、オフ角があまり大き過ぎるとステップバンチングという問題が生じる。そこでオフ角は、１°以下、好ましくは０．２°以下、さらに好ましくは０．０５°以下であることが望ましい。同一のオフ角をつけた窒化物半導体バー４同士であれば、配列した際にＣ面同士の整合が良好となる。尚、窒化物半導体バー４同士を離して配列した場合にも、窒化物半導体バー４のＣ面が有するオフ角が揃っていることにより、再成長させる窒化物半導体層６の結晶性が良好となる。上記オフ角が形成されていることによって、バー配列上への再成長時の再現性が向上する。

さらに、窒化物半導体バー４のＭ面から成る２つの側面は、少なくとも一方の表面粗さが１００Å以下、より好ましくは２０Å以下であることが望ましい。少なくとも一方のＭ面の表面粗さが１００Å以下であれば、その面を再成長面とすることにより、再成長層６のモホロジが良好となる。

３．窒化物半導体バー４の配列
窒化物半導体バー４は、図３に示すように、一方のＭ面が上面となるように互いに平行に配列する。本実施の形態では、各窒化物半導体バー４がＣ面同士で密着するように配列している。このときＣ面同士の組合せには、Ｃ^＋面とＣ⁻面、Ｃ^＋面とＣ^＋面、Ｃ⁻面とＣ⁻面の３通りがある。本実施に形態では、いずれの組合せを用いることもできるが、（１）Ｃ^＋面とＣ^＋面、（２）Ｃ^＋面とＣ⁻面、（３）Ｃ⁻面とＣ⁻面の順に次に再成長させる窒化物半導体の状態が良好になる。但し、３本以上の窒化物半導体バー４を配列させる場合、全ての接続面をＣ^＋面とＣ^＋面の組合せにすることはできない。従って、全ての接続面における状態を一定にするには、隣接する窒化物半導体バーのＣ^＋面とＣ⁻面が対向するように配列することが好ましい。

また、窒化物半導体バー４は、ｃ軸方向に一次元に並べて配列するだけでなく、図１９に示すように、ｃ軸方向とａ軸方向に二次元に配列しても良い。この場合、窒化物半導体バー４のＣ面同士を対向させ、Ａ面同士を対向させる。窒化物半導体のＡ面は極性を有しないため、Ｃ面同士の組合せと異なり、Ａ面同士の組合せは一通りになる。窒化物半導体バー４を二次元に配列することによって、より面積の大きな再成長基板を構成することができる。

４．窒化物半導体層６の再成長
図４に示すように、窒化物半導体バー４の配列の上に窒化物半導体層６を再成長し、窒化物半導体ウエハ８を得る。再成長させる窒化物半導体層６は、窒化物半導体バー４と同一組成であっても、異なる組成であっても良い。但し、最終的に得る窒化物半導体ウエハ８の結晶性の観点からは、再成長させる窒化物半導体層６が窒化物半導体バー４と同一組成であることが好ましい。また、窒化物半導体ウエハ８に導電性を持たせるために、適当な不純物を窒化物半導体層６に添加しても良い。

窒化物半導体層６の再成長は、例えば、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の適当な気相成長によって行うことができる。また、気相成長法と超臨界状態の窒素含有溶媒中で溶解させた窒化物を結晶化させる窒化物の成長方法（以下、アンモノ法）とを組み合わせて窒化物半導体層６を多層成長させてもよい。窒化物半導体層６の再成長は、成長条件を変えながら複数回行っても良い。例えば、まず減圧ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体バー４の配列上に窒化物半導体層を５０〜２００μｍ程度の膜厚に成長した後、ＨＶＰＥ法によって２００μｍ以上の厚膜に成長しても良い。特に、減圧下でＭＯＣＶＤ法による成長をさせると、窒化物半導体層が横方向に優先的に成長するため、窒化物半導体バー４同士の接続部分の結晶性を良好にできる。減圧ＭＯＣＶＤの圧力は、例えば、５００Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは４００Ｔｏｒｒ以下にすることが好ましい。その他には、ＭＯＣＶＤ法／アンモノ法／ＨＶＰＥ法やアンモノ法／ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法／ＨＶＰＥ法がある。

再成長させる窒化物半導体層６の膜厚は、５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下とすることが望ましい。これは再成長させる窒化物半導体層６の膜厚が厚すぎると、気相成長装置における原料の供給バランスが崩れて結晶性が低下し易いからである。また、窒化物半導体バー４は、異種ウエハから成長した際に生じた応力を内在している場合があるため、再成長させる窒化物半導体層６が厚すぎると、その応力の影響も顕著もなる。一方、再成長させる窒化物半導体層６の膜厚があまり薄すぎては、窒化物半導体バー４同士の接続部の影響が再成長層６の表面に残る可能性が高い。そこで再成長させる窒化物半導体層６の膜厚は、３０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上とすることが望ましい。

窒化物半導体層６を再成長した後、そのまま窒化物半導体ウエハ８として使用しても良いし、再成長した窒化物半導体層６のうち結晶性の良好な部分だけをワイヤーソー等で切り出して窒化物半導体ウエハ８としても良い。

５．窒化物半導体ウエハ８の複製
図５に示すように、窒化物半導体ウエハ８の上に窒化物半導体を適当な方法によって成長した後、ワイヤーソー等でウエハ主面に平行にスライスすることによって、複製された窒化物半導体ウエハ８’、８’’等を得ることができる。複製された窒化物半導体ウエハ８’や８’’は、もとの窒化物半導体ウエハ８と同じ面積を有し、かつ、もとの窒化物半導体ウエハ８と同様に低転位となる。

窒化物半導体ウエハ８を複製するための窒化物半導体は、窒化物半導体ウエハ８と同一組成であっても、異なる組成であっても良い。但し、複製する窒化物半導体ウエハ８’等の結晶性の観点からは、成長させる窒化物半導体がもとの窒化物半導体ウエハ８と同一組成であることが好ましい。また、複製した窒化物半導体ウエハ８’等に導電性を持たせるために、適当な不純物を添加しながら窒化物半導体を成長しても良い。

窒化物半導体ウエハ８上への窒化物半導体の成長は、ＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法等の気相成長法、アンモノ法等の適当な方法によって行うことができる。中でも、厚膜成長が可能なＨＶＰＥ法で窒化物半導体を成長させることが好ましい。

窒化物半導体ウエハ８の上に窒化物半導体を厚く成長させれば、一度の結晶成長によって多数の複製ウエハを得ることができる。一方、あまりに厚く成長させると、複製した窒化物半導体ウエハ８’等の結晶性が低下し易くなる。そこで、窒化物半導体ウエハ８の上に成長させる窒化物半導体の膜厚は、０．５〜５ｃｍであることが好ましい。また、スライスによって切り出す窒化物半導体ウエハ８’等の膜厚は、０．５〜１ｍｍであることが好ましい。これは、あまりに薄すぎると複製した窒化物半導体ウエハ８’等の機械的強度が不足する一方、あまりに厚すぎると一度の成長で得られる窒化物半導体ウエハ８’等の取れ数が減少するからである。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る窒化物半導体バー４の配列示す端面図である。本実施の形態では、窒化物半導体バー４の再成長面となるＭ面にオフ角がつけてある。その他の点は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態によれば、窒化物半導体バー４の配列の上に窒化物半導体層６を再成長する際に、再成長層６の結晶性を向上できる。即ち、オフ角のついたＭ面は微小なステップを有しており、その微小なステップが成長核となって均一な再成長が可能となる。また、個々の窒化物半導体バー４のＭ面にオフ角がついていると、窒化物半導体バー４同士の接続部７において比較的大きな段差部１４が形成される。この段差部１４は、窒化物半導体層６を再成長する際の成長核となるため、接続部７における再成長層６の結晶性を改善できる。即ち、窒化物半導体バー４同士の接続部７には、窒化物半導体バー４同士の間に微細なギャップが生じ易く、そのギャップにおいて原料の供給不足等による結晶の異常成長が起きる場合がある。窒化物半導体バー４同士の接続部７に段差部１４が形成されることにより、接続部７において再成長が優先的に進行するため、接続部７における結晶の異常成長を抑制できる。

ここでＭ面につけるオフ角は、５°以下、より好ましくは０．２°以下であることが望ましい。即ち、オフ角が小さ過ぎると、ステップや段差１４が有効に形成されず、オフ角による結晶性の改善効果が低下する。一方、オフ角が大きすぎると、ステップバンチングという問題が生じる。また、オフ角をつける方位は、窒化物半導体バー４同士の接合面に対して垂直方向（図２０におけるβまたはγ）とすることが好ましく、オフ角を１°以下、好ましくは０．２°以下とすることが好ましい。これは、オフ角が大きすぎると連続したＭ面が難しくなるためである。

窒化物半導体バー４のＭ面にオフ角をつけるには、図８Ｂに示したようなＭ面の研磨工程において、所望のオフ角がつくように研磨面を制御すれば良い。即ち、窒化物半導体バー４のＭ面の研磨工程において、Ｘ線によって研磨面のａ軸とｃ軸に対する傾きを測定し、Ｍ面に所定のオフ角がついた面が研磨されるようにステージ１２を調整すれば良い。

尚、窒化物半導体バー４のＭ面から成る一組の側面の一方にオフ角がついていても良いし、その両方にオフ角がついていても良い。但し、窒化物半導体バー４同士を配列した際に段差部１４を有効に形成するためには、一方のＭ面にだけオフ角がついていることが好ましい。また、同じ理由から、両方のＭ面にオフ角がついている場合は、成長面となるＭ面により大きなオフ角がついていることが好ましい。さらに、両方のＭ面に同じ大きさのオフ角をつけながら、オフ角をつける方位を変えても良い。このことによっても、窒化物半導体バー４同士の接続部に有効な段差部１４を形成することができる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る窒化物半導体バー４の配列を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、窒化物半導体バー４のＣ面から成る側面に嵌合可能な凹凸を形成する。その他の点は実施の形態１と同様である。

図１０に示すように、窒化物半導体バー４の一方のＣ面には、窒化物半導体バー４の長手方向に平行な突条１６が形成されており、他方のＣ面には突条１６と嵌合可能な凹溝１８が形成されている。そして、窒化物半導体バー４を配列する際には、隣接するＣ面同士の間で突条１６と凹溝１８を嵌め合わせる。これによって、窒化物半導体バー４の配列のＭ面への窒化物半導体層６の再成長が良好となる。即ち、窒化物半導体バー４の配列上に窒化物半導体層６を再成長させる場合、窒化物半導体バー４が成長装置内に気流等によって微小なずれを起こす場合がある。この微小なずれは、窒化物半導体バー同士の接続部における結晶方位のずれにつながる。結晶方位のずれがあると、そこで異なる面の成長がおきる等の異常成長につながり、窒化物半導体ウエハ８の品質を低下させる。本実施の形態のように、窒化物半導体バー４同士を突条１６と凹溝１８によって連結すれば、窒化物半導体バー４同士の結晶方位にずれが生じることを防止し、結晶性の良好な窒化物半導体ウエハ８を安定して得ることができる。

窒化物半導体バー４のＣ面への突条１６形成には、例えば、図１１に示すような研削が適している。即ち、窒化物半導体バー４をｘ、ｙの２軸に移動可能なテーブル２０の上に設置し、ｚ軸方向に移動可能なダイヤモンド砥石２２によって研削する。また、微細な突条１６を高い寸法精度で形成するために、投影研削盤を使用することが好ましい。投影研削盤とは、図１１に示すように、ワーク（＝窒化物半導体バー４）に下方から光を当て、上部のスクリーン２４に写る影２６を見ながら研削を行うものである。投影研削盤を用いれば、微細な突条１６を高い寸法精度で形成することができる。

一方、窒化物半導体バー４のＣ面への凹溝１８の形成には、例えば、図１２に示すようなワイヤー放電加工を用いることが好ましい。ワイヤー放電加工とは、図１２に示すように、ワイヤー３２に電流を流し、ワイヤー３２とワーク（＝窒化物半導体バー４）との間の放電による加工を行う装置である。ワークである窒化物半導体バー４をテーブル２８に固定されたチャック３０によって挟み、純水浴又は油浴３４中に入れる。そして、ワイヤー３２と窒化物半導体バー４との間に放電を起こし、放電による熱（６０００〜７０００℃）で窒化物半導体を溶かしながら加工する。ワイヤー３２は、導電性の良い真鍮か熱に強いタングステンであることが好ましい。また、加工中にワイヤー３２を連続的に送ることにより、ワイヤー３２を冷却することが好ましい。ワイヤー３２の直径は、０．２〜０．０５ｍｍであることが好ましい。このワイヤー放電加工によって、微細な凹溝１８を精度良く形成することができる。

尚、突条１６と凹溝１８の形状はこれに限定されず、互いに嵌合可能であればどのような形状でも良い。例えば、突条１６と凹溝１８に変えて、点状の凸部とそれに嵌合する凹部を設けても良い。また、１つの窒化物半導体バー４に複数の凹凸を形成しても良い。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る窒化物半導体バー４の配列を示す端面図である。本実施の形態では、窒化物半導体を再成長する前に、窒化物半導体バー４のＣ面と再成長面となるＭ面とが交差する稜部を面取りする。その他の点は、実施の形態３と同様である。尚、「稜部を面取り」するとは、２つの面が交差する稜部の角を稜線に沿って一部除去し、当該稜部に前記２つの面のいずれとも斜めに交差する新たな面を形成することを指す。

窒化物半導体バー４のＣ面と再成長面となるＭ面とが交差する稜部を面取りすることにより、Ｃ面及びＭ面のいずれに対しても斜めに交差する２つの傾斜面３６及び３７を形成することができる。尚、傾斜面３６及び３７は、窒化物半導体バー４のａ軸に対して平行であることが好ましい。傾斜面３６及び傾斜面３７によって挟まれた部分は、窒化物半導体バー４同士の接続部にＶ字溝３８を形成する。このＶ字溝３８は、窒化物半導体バー４に窒化物半導体層６を再成長させる際の成長核となるため、窒化物半導体バー４同士の接続部における窒化物半導体６の再成長を促進することが期待できる。また、図１４に示すように、Ｖ字溝３８における窒化物半導体層６の成長はファセット成長となるため、窒化物半導体バー４と窒化物半導体層６の界面で発生した転位４０がループを形成して消滅し、転位密度を低減することができる。特に、窒化物半導体バー４同士の接続部７は、再成長させる窒化物半導体層６に新たな転位が発生し易い領域であるため、この領域でファセット成長を起こすことによって、再成長層６の転位密度を好ましく低減することができる。

尚、Ｖ字溝３８を形成する傾斜面３６及び３７は、（１０−１２）面等のＲ面とすることが好ましい。これによって、Ｖ字溝３８におけるファセット成長が促進され、再成長層６の転位密度が一層低減できる。また、傾斜面３６及び３７のａ軸に垂直な方向における幅は、１００〜５００μｍであることが好ましい。傾斜面３６及び３７の幅が狭すぎては、Ｖ字溝３８が浅くなりファセット成長が得にくくなる。一方、傾斜面３６及び３７の幅が広すぎては、Ｖ字溝３８が深くなり過ぎ、再成長層６の表面にＶ溝が残り易くなるためである。

また、Ｖ字溝３８を形成する傾斜面３６及び３７は、いずれか一方だけを形成しても良い。即ち、窒化物半導体バー４の一方のＣ面と再成長面となるＭ面とが交差する稜部だけを面取りしても良い。但し、図１３及び１４に示すように、両方の傾斜面３６及び３７を同じ大きさ、同じ角度で形成すれば、Ｖ字溝３８が左右対称になり、再成長する窒化物半導体層６の表面が平坦になり易い。

実施の形態５．
図１５は、実施の形態５に係る窒化物半導体バー４の配列を模式的に示す斜視図である。図１６は、図１５に示す窒化物半導体バー４の配列上に、窒化物半導体層を再成長させる工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、窒化物半導体バー４の上面（＝Ｍ面）に、窒化物半導体バー４同士の接続部７を覆うようにストライプ状の保護膜４２を形成している。その他の点は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態によれば、窒化物半導体バー４同士の接続部７を覆うように保護膜４２を形成しているため、再成長層６における転位密度が一層低くなる。即ち、実施の形態１における窒化物半導体バー４同士の接続部は、結晶方位の僅かなズレや、微細なギャップが形成され易いため、再成長層６の結晶性が局所的に悪くなる場合がある。窒化物半導体バー４同士の接続部を保護膜４２で覆えば、窒化物半導体バー４同士の接続部に多少のギャップや結晶方位ズレがあっても再成長層６の結晶性に影響しなくなる。また、保護膜４２が窒化物半導体層６が直接成長しにくい異種材料で構成されていれば、保護膜４２同士の間の窓部から成長した窒化物半導体層６が保護膜４２上にも横方向に成長するため、保護膜４２との格子不整合に起因する転位の発生もなく、窒化物半導体層６の表面に現れる転位も減少する。また、窒化物半導体バー４は、転位がＭ面に略平行に延伸しているため、通常の横方向成長と異なり、保護膜４２同士の窓部における転位密度も十分に低くなる。従って、低転位かつ広面積の窒化物半導体ウエハ８を得ることができる。

本実施の形態で用いる保護膜４２は、例えば、酸化珪素、窒化珪素、高融点金属等から構成することができる。ここで高融点金属とは、ＷやＴｉ、Ｃｕ等の融点が１２００℃以上の金属を指す。

実施の形態６．
図１７は、実施の形態６における窒化物半導体バー４の配列を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、窒化物半導体バー４同士を互いに密着させず、所定の間隔を空けて配列する。その他の点は、実施の形態１と同様である。

窒化物半導体バー４の配列は、例えば、次のようにすることができる。実施の形態１と同様に、Ｍ面が上面となり、隣り合う窒化物半導体バー４同士のＣ面が向かい合うようにして、窒化物半導体バー４を一定の間隔を置きながらｃ軸方向に配列する。このとき隣り合う窒化物半導体バー４のＣ面同士が互いに平行になるように配列することが好ましい。また、窒化物半導体バー４は、サファイア等、窒化物半導体が直接成長しにくい基板４４の上に配列することが好ましい。

一般に窒化物半導体のｃ軸方向の成長速度は、ｍ軸方向の成長速度よりも速い。従って、図１７のように配列された窒化物半導体バー４の上に窒化物半導体層６を再成長させると、図１８に示すように、隣接する窒化物半導体バー４の上面及び側面（又は上面）から成長した窒化物半導体が横方向に延びて互いに接合する。そして、全面に連続した再成長層６を得ることができる。

この方法は、いわゆる図６Ｂに示す横方向成長に類似するが、以下の点で大きく異なる。まず、従来の横方向成長と異なり、種結晶となる窒化物半導体バー４の上面はＭ面となっており、その側面はＣ面となっている。前述の通り、窒化物半導体のｃ軸方向の成長速度は、ｍ軸方向の成長速度よりも大きい。このため、図６Ｂに示す横方向成長に比べて、再成長層６が平坦となり易い。しかも、種結晶となる窒化物半導体バー４の内部において転位４０はウエハ主面に平行に延伸している。従って、窒化物半導体バー４の上面からは縦方向に伸びる貫通転位が殆ど発生せず、全面に低転位な窒化物半導体ウエハ８が得られる。

実施の形態７．
図１９は、実施の形態７に係る窒化物半導体バー４の配列を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、実施の形態６で配列させた窒化物半導体バー４を、さらにａ軸方向にも配列し、窒化物半導体バー４を２次元マトリックス状に配列させる。これによって、より広い面積を持った窒化物半導体ウエハ８を得ることができる。

尚、本実施の形態においては、略四角柱状の窒化物半導体バー４の上面及び下面はＡ面としておくことが好ましい。これによってａ軸方向に配列した窒化物半導体バー４のＡ面同士が対向するようになる。一般に窒化物半導体の成長速度は、ａ軸方向＞ｃ軸方向＞ｍ軸方向の順に大きくなる。従って、図１９のように配列された窒化物半導体バー４の上に窒化物半導体層６を再成長させると、隣接する窒化物半導体バー４の上面及び側面（又は上面）から成長した窒化物半導体がａ軸方向及びｃ軸方向に延びて互いに接合する。そして、全面に連続した再成長層６を得ることができる。

本実施の形態においても、実施の形態６と同様に、種結晶となる窒化物半導体バー４の内部において転位４０はウエハ主面に平行に延伸している。従って、窒化物半導体バー４の上面から縦方向に伸びる貫通転位が殆ど発生せず、全面に低転位な窒化物半導体ウエハ８が得られる。

実施の形態８．
本実施形態では、窒化物半導体バー同士を接合させる工程を２回以上行う。最初にｃ軸方向に成長したウエハから第１の窒化物半導体バーを形成する。第１の窒化物半導体バーの形成方法は他の実施形態に記載の方法を用いてもよい。この第１の窒化物半導体バーのＭ面を上面にして第１の窒化物半導体バー同士を接合させ、その上に第１の窒化物半導体を成長させることで、Ｍ面を主面とするウエハを形成する。次に、このウエハから第１の窒化物半導体以外を除去する。次に第１の窒化物半導体から第２の窒化物半導体バーを形成する。この第２の窒化物半導体バーのＣ面を上面にして第２の窒化物半導体バー同士を接合させ、その上に第２の窒化物半導体を成長させることで、Ｃ面を主面とするウエハを形成する。次に、このウエハから第２の窒化物半導体以外を除去することによって、全面に低転位なＣ面を主面とする窒化物半導体ウエハが得られる。

実施の形態９．
上述した実施の形態において、窒化物半導体ウエハから窒化物半導体バーを形成する工程で窒化物半導体バーのＲ面を上面として該窒化物半導体バー同士を接合させる。その上に第１の窒化物半導体を成長させることで、Ｒ面を主面とするウエハを形成する。次に、このウエハから第１の窒化物半導体以外を除去することによって、全面に低転位なＲ面を主面とする窒化物半導体ウエハが得られる。

実施の形態１０．
上述した実施の形態において、窒化物半導体ウエハから窒化物半導体バーを形成する工程で窒化物半導体バーのＡ面またはＭ面、Ｒ面のいずれか１面を上面として該窒化物半導体バー同士を接合させる。その上に第１の窒化物半導体を成長させる。次に、このウエハから第１の窒化物半導体以外を除去する。第１の窒化物半導体から第２の窒化物半導体バーを形成する。この第２の窒化物半導体バーのＣ面またはＡ面、Ｍ面、Ｒ面のいずれか１面を上面として該窒化物半導体バー同士を接合させる。その上に第２の窒化物半導体を成長させる。次に、このウエハから第２の窒化物半導体以外を除去することによって、全面に低転位な窒化物半導体ウエハが得られる。

従来の窒化物半導体ウエハでは、lattice bowingによりウエハ中央部のオフ角を合わせても外周部では異なる値になる。この値の差は、ウエハの径が大きくなるに比例して顕著に大きくなる。
本発明の窒化物半導体ウエハのオフ角分布は、窒化物半導体バーごとの加工誤差と接合する窒化物半導体バー単体のlattice bowingによって決まる。窒化物半導体バーの大きさは、最終的に使用する窒化物半導体ウエハと比べると格段に小さいためlattice bowingの影響も小さくなる。
具体的には本発明の窒化物半導体ウエハでは、ウエハのサイズが大きくなってもウエハ両端間のオフ角誤差が小さくなる。例えば、窒化物半導体ウエハのサイズが２インチであれば、上記オフ角誤差が従来のウエハでは０．２８６°になるのに対して、本発明のウエハは０．２５７°である。更に３インチになれば、オフ角誤差は従来のウエハでは０．４３０°になるのに対して、本実施形態のウエハでは０．２５７°と上記誤差を少ない範囲に維持されている。つまり、本発明の窒化物半導体ウエハは、オフ角誤差がウエハのサイズに依存されないため、本発明は大面積ウエハの製造には特に好ましい。

（１）一次ウエハ２の作製
ＭＯＣＶＤ反応装置内において、２インチφのＣ面を主面とし、所定のオフ角を有するサファイア基板を配置する。主面の有するオフ角は、ａ軸に対するチルト角が０．１５〜０．３°となり、ｍ軸に対するチルト角が０〜０．１°となるようにする。次に、前記基板の温度を５００℃にする。次に、前記オフ角を有する基板上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層を成長した後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層を４μｍの膜厚で成長させる。

下地層を成長した後、ウェハーを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０〜３００μｍ、ストライプ間隔（窓部）５〜３００μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成する。
保護膜を形成した後、ＭＯＣＶＤ反応装置内において、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮ層を成長する。
次に、ウェハーをＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）装置に移送し、原料にＧａメタル、ＨＣｌガス、及びアンモニアを用い、キャリアガスにＨ_２を用いてＧａＮよりなる窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させる。このようにＨＶＰＥ法で１００μｍ以上のＧａＮ厚膜を成長させると結晶欠陥を低減させることができる。以上の工程より２００〜２５０μｍの膜厚でＧａＮを成長させた。

次に、サファイア基板の裏面から波長２４９ｎｍのＫｒＦレーザを照射し、サファイア基板を剥離して、φ約３０ｍｍ、膜厚約２００〜２５０μｍのＣ面を主面とするＧａＮ基板を得た。

そして得られた厚膜のＧａＮ基板の２つの主面（＝Ｃ面）を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、面粗さＲａを約２０〜３０Åにした。こうして厚さ約１．９ｍｍのＧａＮから成る一次ウエハ２を得た。

（２）窒化物半導体バー４の作製
次に、ＧａＮから成る一次ウエハ２をカット面検査装置にかけ、Ｍ面を決定した。そして一次ウエハ２を側面から研削し、Ｍ面を露出させた。研削に用いるダイヤモンド砥粒の粒径は、約４０〜１２０μｍとした。

そして露出させたＭ面を基準として、ワイヤーソーによって一次ウエハ２を幅２ｍｍで短冊状にスライスし、窒化物半導体バー４を得た。個々の窒化物半導体バー４を再びカット面検査装置にかけ、スライスしたＭ面を粒径４〜８μｍのダイヤモンド砥粒で粗研磨し、さらに粒径０．１〜２μｍのダイヤモンド砥粒で研磨した。そして粒径約８０ｎｍのコロイダルシリカを用いて精研磨した。精研磨した後のＭ面は、表面粗さＲａが５〜１０Åであった。

（３）窒化物半導体バー４の配列
そしてＭ面が上面となり、隣接する窒化物半導体バー４のＣ^＋面とＣ⁻面が接するように、４本の窒化物半導体バー４を配列した。

（４）窒化物半導体層６の再成長
次に精研磨したＭ面が成長面となるように、窒化物半導体バー４の配列をＨＶＰＥ成長装置に設置した。ＨＶＰＥ成長装置内には、ボート内にＧａ金属を設置した。そして、温度を９８０℃に上げ、Ｈ_２をキャリアガスとしてＮＨ_３を１．００ｌ／ｍｉｎ供給し、Ｈ_２をキャリアガスとしてＨＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ供給して、膜厚が約３００μｍのＧａＮを成長させた。そして温度を９００℃にし、Ｈ_２をキャリアガスとしてＮＨ_３を０．７５ｌ／ｍｉｎ供給し、Ｈ_２をキャリアガスとしてＨＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ供給して、さらに膜厚が２００〜３００μｍのＧａＮを成長させた。

成長させたＧａＮ層の部分をワイヤーソーを用いてスライスすることにより、φ２５ｍｍ、膜厚１０００μｍ、主面がＭ面である窒化物半導体ウエハ８を作製した。窒化物半導体ウエハ８は、ＸＲＤのＦＷＨＭが１００Ｓ以下であった。また、ＣＬ測定によるＥＰＤは２．６×１０^４個／ｃｍ^２以下であった。

実施例１において、サファイア基板を剥離した後、φ約３０ｍｍ、膜厚約２００〜２０００μｍのＣ面を主面とするＧａＮ基板を得た。そのＧａＮ基板の上に、Ｇａメタル、ＨＣｌガスを原料ガスとし、アンモニアをキャリアガスとしたＨＶＰＥ法により、総膜厚が３ｍｍとなるまでＧａＮ層を成長させた。その他の条件は同様とする。

図１は、実施の形態１における一次ウエハを模式的に示す斜視図である。 図２は、実施の形態１における窒化物半導体バーを模式的に示す斜視図である。 図３は、実施の形態１における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す斜視図である。 図４は、実施の形態１における窒化物半導体ウエハを模式的に示す斜視図である。 図５は、実施の形態１において、窒化物半導体ウエハを複製する方法を模式的に示す斜視図である。 図６Ａは、実施の形態１において、一次ウエハの製造方法の一例を示す断面図である。 図６Ｂは、実施の形態１において、一次ウエハの製造方法の別の一例を示す断面図である。 図７は、六方晶系の窒化物半導体における各結晶面と結晶軸の関係を示す模式図である。 図８Ａは、実施の形態１において、一次ウエハをスライスする工程を示す模式図である。 図８Ｂは、実施の形態１において、窒化物半導体バーのＭ面を研磨する工程を示す模式図である。 図９は、実施の形態２における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す端面図である。 図１０は、実施の形態３における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す斜視図である。 図１１は、実施の形態３において、窒化物半導体バーに突条を形成する工程を示す模式図である。 図１２は、実施の形態３において、窒化物半導体バーに凹溝を形成する工程を示す模式図である。 図１３は、実施の形態４における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す端面図である。 図１４は、実施の形態４において、窒化物半導体層を再成長させる工程を模式的に示す部分拡大図である。 図１５は、実施の形態５における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す斜視図である。 図１６は、実施の形態５において、窒化物半導体層を再成長させる工程を模式的に示す断面図である。 図１７は、実施の形態６における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す斜視図である。 図１８は、実施の形態６において、窒化物半導体層を再成長させる工程を模式的に示す断面図である。 図１９は、実施の形態７における窒化物半導体バーの配列を模式的に示す斜視図である。 図２０は、窒化物半導体のＭ面につけるオフ角を示す模式図である。

符号の説明

２ 一次ウエハ、
４ 窒化物半導体バー、
６ 再成長層、
８ 窒化物半導体ウエハ、
８’、８’’ 複製された窒化物半導体ウエハ、
１２ ２軸調整台座、
１４ 段差部
１６ 突条（凸部）
１８ 凹溝（凹部）
４０ 転位

Claims (14)

1. （ａ）六方晶系の窒化物半導体から成ると共に、対向する２つの主面がいずれもＣ面から成る一次ウエハを得る工程と、
   （ｂ）前記一次ウエハをＭ面に沿って分離して複数の窒化物半導体バーを得る工程と、
   （ｃ）前記複数の窒化物半導体バーを、隣り合う窒化物半導体バーのＣ面同士が対向し、各窒化物半導体バーのＭ面が上面となるように密着させて配列して、更にそれらを接合させる工程と、
   （ｄ）接合された前記窒化物半導体バーの上面に窒化物半導体を再成長させることにより、連続したＭ面を主面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、を具えた窒化物半導体ウエハの製造方法。
2. 請求項１に記載の方法で製造された窒化物半導体ウエハ上に、窒化物半導体を再成長させ、前記窒化物半導体ウエハから分離することにより、Ｍ面を主面とする窒化物半導体ウエハを複製することを特徴とする窒化物半導体ウエハの製造方法。
3. 超臨界アンモニア流体中で窒化物半導体をｃ軸成長させることによって前記一次ウエハを得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
4. 前記工程（ａ）において、前記対向する２つの主面にオフ角を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
5. 前記工程（ｃ）において上面となるＭ面にオフ角を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
6. 前記工程（ｄ）の前に、前記窒化物半導体バーの一方のＣ面と再成長面となるＭ面とが交差する稜部を面取りすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
7. さらに、他方のＣ面と再成長面となるＭ面とが交差する辺も面取りすることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
8. 前記工程（ｃ）において、前記複数の窒化物半導体バーを互いのＣ面同士が対向し且つ互いのＡ面同士が対向するようにマトリックス状に配列することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
9. 前記工程（ｃ）において、前記複数の窒化物半導体バーを互いのＣ＋面とＣ−面が対向するように配列することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
10. 前記工程（ｄ）において、前記配列された窒化物半導体バーの上面に前記窒化物半導体バー同士の接合界面を覆う保護膜を形成した後、前記窒化物半導体の再成長を行うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
11. 窒化物半導体から成り、互いに対向する側面を２組有する略四角柱状の窒化物半導体バーであって、
    前記側面の一方の組はＣ面から成ると共に、前記側面の他方の組はＭ面から成り、前記窒化物半導体バー中の転位は主として前記Ｍ面に略平行な方向に延伸しており、
    前記Ｍ面から成る２つの側面の少なくとも一方に、オフ角が形成されていることを特徴とする窒化物半導体バー。
12. 前記窒化物半導体バーの前記側面に直交する上面及び下面は、いずれもＡ面から成ることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体バー。
13. 前記Ｃ面から成る２つの側面は、表面粗さが５０００Å以下であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の窒化物半導体バー。
14. 前記Ｃ面から成る側面と前記Ｍ面から成る側面とが交差する稜部の少なくとも１つが面取りされていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の窒化物半導体バー。

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