特許 5865440 β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5865440

(24)【登録日】2016年1月8日

(45)【発行日】2016年2月17日

(54)【発明の名称】β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/16 20060101AFI20160204BHJP

   C30B 15/34 20060101ALI20160204BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20160204BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/16

   C30B15/34

   H01L21/205

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-135457(P2014-135457)

(22)【出願日】2014年6月30日

(65)【公開番号】特開2016-13934(P2016-13934A)

(43)【公開日】2016年1月28日

【審査請求日】2014年11月28日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 刊行物２０１４年第６１回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集、ＤＶＤ−ＲＯＭ第１７１頁発行者名公益社団法人応用物理学会発行日平成２６年３月３日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［刊行物等］集会名、開催場所２０１４年第６１回応用物理学会春季学術講演会、青山学院大学相模原キャンパス発行者名公益社団法人応用物理学会開催日平成２６年３月１７日、１８日、１９日、２０日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［刊行物等］ウェブサイトのアドレスｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ−ｉｍｇ／ｊｓａｐ２０１４ｓ／１９ｐ−Ｅ１０−１０／ｐｄｆ／ｓｕｂｊｅｃｔ掲載日平成２６年３月３日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】000153236

【氏名又は名称】株式会社光波

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(74)【代理人】

【識別番号】100119208

【弁理士】

【氏名又は名称】岩永 勇二

(74)【代理人】

【識別番号】100124246

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 和光

(74)【代理人】

【識別番号】100145171

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 浩行

(72)【発明者】

【氏名】輿 公祥

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 信也

(72)【発明者】

【氏名】滝沢 勝

(72)【発明者】

【氏名】山岡 優

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】増井 建和

【審査官】 今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２７１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４１３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Sasaki, K., et al.，"Ga2O3 schottky barrier diodes fabricated by using single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates"，IEEE Electron Device Letters，２０１３年 ４月，Vol. 34, No. 4,，pp. 493-495

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ ２９／１６

Ｃ３０Ｂ １５／３４

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＥＦＧ結晶製造装置により、肩広げを行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を製造する工程と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を備え、
前記ＥＦＧ製造装置は、ルツボを閉塞する蓋上に設けられたアフターヒータ及びルツボ上にルツボの方向へ熱を反射する反射板を備えたものとすることにより、
平均転位密度を７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満としたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項2】

ＥＦＧ結晶製造装置により、肩広げを行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を製造する工程と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を備え、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に、ＣＭＰ及びその後にドライエッチングを施すことにより、平均転位密度を７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満としたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項3】

前記ＥＦＧ結晶製造装置は、
前記アフターヒータ及び前記反射板を備え、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に、ＣＭＰ及びその後にドライエッチングを施すことにより、
前記平均転位密度を６．１４×１０^４ｃｍ^−２以下とする、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項4】

主面の面方位が（−２０１）、（１０１）、又は（００１）である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項5】

双晶を含まない、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項6】

直径が２インチ以上である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項7】

双晶面と主面との交線に垂直な方向の最大幅が２インチ以上の、双晶面を含まない領域を有し、平均転位密度が７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造する請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【請求項8】

前記平均転位密度が６．１４×１０^４ｃｍ^−２以下である請求項７に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＥＦＧ法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を育成する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された方法によれば、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を種結晶との接触部分から下方向に徐々に幅を広げながら、すなわち幅方向に肩を広げながら成長させることにより、種結晶よりも幅の大きな平板状の結晶を得ることができる。

【0003】

非特許文献１には、育成したβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶のピット密度が９×１０^４ｃｍ^−２であることが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Hideo Aida, Kengo Nishiguchi, Hidetoshi Takeda, Natsuko Aota, Kazuhiko Sunakawa, Yoichi Yaguchi, “Growth of β-Ga2O3 Single Crystals by the Edge-Defined, Film Fed Growth Method”, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 47, No. 11, pp. 8506-8509 (2008).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来、高品質といえる酸化ガリウム単結晶は作られておらず、また、従来の技術では、特許文献１に開示されている程度の品質の酸化ガリウム単結晶を得ることしかできないため、より高品質な酸化ガリウム単結晶を作ることができるかどうかもわからなかった。

【0006】

したがって、本発明の目的は、結晶品質に優れたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［８］のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供する。

【0008】

［１］ＥＦＧ結晶製造装置により、肩広げを行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を製造する工程と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を備え、前記ＥＦＧ製造装置は、ルツボを閉塞する蓋上に設けられたアフターヒータ及びルツボ上にルツボの方向へ熱を反射する反射板を備えたものとすることにより、平均転位密度を７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満としたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
［２］ＥＦＧ結晶製造装置により、肩広げを行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を製造する工程と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を備え、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に、ＣＭＰ及びその後にドライエッチングを施すことにより、平均転位密度を７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満としたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【0009】

［３］前記ＥＦＧ結晶製造装置は、前記アフターヒータ及び前記反射板を備え、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に、ＣＭＰ及びその後にドライエッチングを施すことにより、前記平均転位密度を６．１４×１０^４ｃｍ^−２以下とする、前記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【0010】

［４］主面の面方位が（−２０１）、（１０１）、又は（００１）である、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【0011】

［５］双晶を含まない、前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【0012】

［６］直径が２インチ以上である、 前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【0013】

［７］双晶面と主面との交線に垂直な方向の最大幅が２インチ以上の、双晶面を含まない領域を有し、平均転位密度が７．３１×１０^４ｃｍ^−２未満であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造する前記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
［８］前記平均転位密度が６．１４×１０^４ｃｍ^−２以下である［７］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、結晶品質に優れたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の平面図である。

【図2】図２（ａ）、（ｂ）は、双晶を僅かに含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の断面図である。

【図3】図３は、第１の実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の垂直断面図である。

【図4】図４は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。

【図5】図５は、種結晶を切り出すためのβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する様子を表す斜視図である。

【図6】図６は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の平均転位密度の累積相対度数分布を示すグラフである。

【図7】図７は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。

【図8】図８は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

〔第１の実施の形態〕
（β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の構造）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の平面図である。図１（ａ）は、双晶を含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を表し、図１（ｂ）は、双晶を僅かに含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を表す。

【0017】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる。ここで、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｎｂ等の元素が添加されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶である。

【0018】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶は単斜晶系に属するβ−ガリア構造を有し、不純物を含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３結晶の典型的な格子定数はａ_０＝１２．２３Å、ｂ_０＝３．０４Å、ｃ_０＝５．８０Å、α＝γ＝９０°、β＝１０３．８°である。

【0019】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面の面方位は、特定の面方位に限定されず、例えば、（−２０１）、（１０１）、又は（００１）である。

【0020】

図１（ａ）に示される双晶を含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の直径は、２インチ以上であることが好ましい。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１は、後述する、双晶の少ない種結晶を用いて、幅方向に肩を広げない方法により育成された、双晶を含まない、又はほとんど含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から切り出されるため、２インチ以上という大型の双晶を含まない基板として切り出すことができる。

【0021】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、（１００）面における劈開性が強く、結晶成長の過程で（１００）面を双晶面（対称面）とする双晶が生じやすい。

【0022】

図１（ｂ）に示される双晶を僅かに含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１は、２インチ以上の直径を有することが好ましく、幅Ｗｓが２インチ以上の双晶面３を含まない領域２を有することがより好ましい。ここで、領域２の幅Ｗｓは、双晶面３とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面の交線に垂直な方向の最大幅である。双晶面３を含む領域をエピタキシャル結晶成長の下地として用いることは好ましくないため、領域２の幅Ｗｓは大きい方がよい。

【0023】

図２（ａ）、（ｂ）は、双晶を僅かに含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の中心を通り、双晶面３に垂直な断面を表す。図面の右側の軸は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の母結晶であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶のａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向を表す。

【0024】

図２（ａ）はβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の片側に双晶面３が存在する場合の領域２の例を示し、図２（ｂ）はβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の両側に双晶面３が存在する場合の領域２の例を示す。図２（ａ）、（ｂ）には、一例として、主面４が（−２０１）面であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の断面を示す。

【0025】

（β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法）
図３は、第１の実施の形態に係るＥＦＧ(Edge Defined Film Fed Growth)結晶製造装置１０の垂直断面図である。

【0026】

ＥＦＧ結晶製造装置１０は、石英管１８内に設置されたＧａ_２Ｏ_３系融液３０を受容するルツボ１１と、このルツボ１１内に設置されたスリット１２ａを有するダイ１２と、ダイ１２の開口部１２ｂを含む上面を露出させるようにしてルツボ１１の開口部を閉塞する蓋１３と、種結晶３１を保持する種結晶保持具１４と、種結晶保持具１４を昇降可能に支持するシャフト１５と、ルツボ１１を載置するための支持台１６と、石英管１８の内壁に沿って設けられた断熱材１７と、石英管１８の周囲に設けられた高周波誘導加熱用の高周波コイル１９と、石英管１８及び断熱材１７を支持する基部２２と、基部２２に取り付けられた脚部２３とを有する。

【0027】

ＥＦＧ結晶製造装置１０は、さらに、ルツボ１１上のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２が育成される領域を囲むように設けられたＩｒ等からなるアフターヒーター２０と、アフターヒーター２０上に蓋のように設けられたＩｒ等からなる反射板２１を有する。アフターヒーター２０及び反射板２１は、ＥＦＧ結晶製造装置１０から自由に着脱することができる。

【0028】

ルツボ１１は、Ｇａ_２Ｏ_３系原料を溶解させて得られたＧａ_２Ｏ_３系融液３０を収容する。ルツボ１１は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液３０を収容しうるＩｒ等の高い耐熱性を有する材料からなる。

【0029】

ダイ１２は、ルツボ１１内のＧａ_２Ｏ_３系融液３０を毛細管現象により上昇させるためのスリット１２ａを有する。ダイ１２は、ルツボ１１と同様に、Ｉｒ等の高い耐熱性を有する材料からなる。

【0030】

蓋１３は、ルツボ１１から高温のＧａ_２Ｏ_３系融液３０が蒸発することを防止し、蒸発物がルツボ１１外の部材に付着することを防ぐ。

【0031】

高周波コイル１９は、石英管１８の周囲に螺旋状に配置され、図示しない電源から供給される高周波の電流により、ルツボ１１及びアフターヒーター２０を誘導加熱する。これにより、ルツボ内のＧａ_２Ｏ_３系原料が溶解してＧａ_２Ｏ_３系融液３０が得られる。

【0032】

断熱材１７は、ルツボ１１の周囲に所定の間隔を有して設けられている。断熱材１７は、保温性を有し、誘導加熱されたルツボ１１等の急激な温度変化を抑制することができる。

【0033】

アフターヒーター２０は、誘導加熱により発熱し、反射板２１は、アフターヒーター２０及びルツボ１１から発せられた熱を下方に反射する。アフターヒーター２０は、ホットゾーンの径方向（水平方向）の温度勾配を低減することができ、反射板２１は、ホットゾーンの結晶成長方向の温度勾配を低減することができることが、本願発明者により確認されている。

【0034】

アフターヒーター２０及び反射板２１をＥＦＧ結晶製造装置１０に設けることにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２のＸ線ロッキングカーブの半値幅及び平均転位密度を低減できる。このため、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅及び平均転位密度が小さいβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２から得ることができる。

【0035】

図４は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の成長中の様子を表す斜視図である。図４においては、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の周囲の部材の図示を省略する。

【0036】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を育成するには、まず、ルツボ１１内のＧａ_２Ｏ_３系融液３０をダイ１２のスリット１２ａを通してダイ１２の開口部１２ｂまで上昇させ、種結晶３１をダイ１２の開口部１２ｂにあるＧａ_２Ｏ_３系融液３０に接触させる。次に、Ｇａ_２Ｏ_３系融液３０に接触させた種結晶３１を鉛直方向に引き上げ、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を成長させる。

【0037】

種結晶３１は、双晶面を含まない、又はほぼ含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶である。種結晶３１は、育成するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２と幅及び厚さがほぼ等しい。このため、幅方向Ｗ及び厚さ方向Ｔに肩を広げることなく、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を育成することができる。

【0038】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の育成は幅方向Ｗに肩を広げる工程を含まないため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の双晶化が抑えられる。なお、厚さ方向Ｔへの肩広げは、幅方向Ｗの肩広げと異なり、双晶が生じにくいため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の育成は厚さ方向Ｔに肩を広げる工程を含んでもよいが、厚さ方向Ｔへの肩広げを行わない場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２のほぼ全体が基板を切り出すことのできる平板状の領域となり、基板製造のコストを低減することができるため、図４に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の厚さを確保するために厚さの大きい種結晶３１を用いて、厚さ方向Ｔへの肩広げを行わないことが好ましい。

【0039】

また、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を肩を広げて育成する場合、肩広げの角度によって結晶の配向性の劣化や転位の増加が起こるおそれがあるが、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の育成は少なくとも幅方向Ｗに肩を広げる工程を含まないため、肩広げに起因する結晶の配向性の劣化や転位の増加を抑えることができる。

【0040】

種結晶３１の水平方向に向いた面３３の面方位と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の主面３４の面方位が一致する。このため、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２から主面４の面方位が（−２０１）であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を切り出す場合は、種結晶３１の面３３の面方位が（−２０１）である状態でβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を育成する。

【0041】

次に、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２と同等の幅を有する幅広の種結晶３１を四角柱状の幅の小さい種結晶を用いて形成する方法について述べる。

【0042】

図５は、種結晶３１を切り出すためのβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６を育成する様子を表す斜視図である。

【0043】

種結晶３１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の双晶面を含まない、又はほとんど含まない領域から切り出される。このため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の幅（幅方向Ｗの大きさ）は、種結晶３１の幅よりも大きい。

【0044】

また、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の厚さ（厚さ方向Ｔの大きさ）は、種結晶３１の厚さより小さくてもよいが、その場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６から直接種結晶３１を切り出すのではなく、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６から切り出した種結晶を用いて厚さ方向Ｔに肩を広げて育成したβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から種結晶３１を切り出す。

【0045】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の育成には、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の育成に用いられるＥＦＧ結晶製造装置１０とほぼ同じ構造のＥＦＧ結晶製造装置１００を用いることができるが、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の幅、又は幅と厚さがβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２と異なるため、ＥＦＧ結晶製造装置１００のダイ１１２の幅、又は幅と厚さは、ＥＦＧ結晶製造装置１０のダイ１２と異なる。ダイ１１２の開口部１１２ｂの大きさは、ダイ１２の開口部１２ｂと通常は等しいが、等しくなくてもよい。

【0046】

種結晶３５は、育成するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６よりも幅の小さい四角柱状のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶である。

【0047】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６を育成するには、まず、ルツボ１１内のＧａ_２Ｏ_３系融液３０をダイ１１２のスリットを通してダイ１１２の開口部１１２ｂまで上昇させ、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心から幅方向Ｗにずれた状態で、種結晶３５をダイ１１２の開口部１１２ｂにあるＧａ_２Ｏ_３系融液３０に接触させる。このとき、より好ましくは、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１１２の幅方向Ｗの端の上にある状態で、種結晶３５をダイ１１２の上面を覆うＧａ_２Ｏ_３系融液３０に接触させる。

【0048】

次に、Ｇａ_２Ｏ_３系融液３０に接触させた種結晶３５を鉛直方向に引き上げ、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６を成長させる。

【0049】

上述のように、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、（１００）面における劈開性が強く、結晶成長の肩広げの過程で（１００）面を双晶面（対称面）とする双晶が生じやすい。そのため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２からなるべく大きな双晶を含まない結晶を切り出すために、（１００）面がβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の成長方向に平行になるような方向、例えばｂ軸方向やｃ軸方向、にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を成長させることが好ましい。

【0050】

特に、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶はｂ軸方向へ成長しやすい性質を有するため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２をｂ軸方向に成長させることがより好ましい。

【0051】

また、育成するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶が幅方向への肩広げ工程において双晶化するときは、種結晶に近い領域に双晶面が生じやすく種結晶から離れた位置では双晶面が生じにくい。

【0052】

本実施の形態のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の育成方法は、このようなβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の双晶化の性質を利用したものである。本実施の形態によれば、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心から幅方向Ｗにずれた状態でβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６を成長させるため、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心にある状態でβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６を成長させる場合と比較して、種結晶３５からの距離が大きい領域がβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６中に生じる。このような領域には双晶面が生じにくいため、幅広の種結晶３１を切り出すことができる。

【0053】

なお、上記の種結晶３５を用いたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６の育成、及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３６からの種結晶の切り出しには、特願２０１３−１０２５９９に開示された技術を適用することができる。

【0054】

次に、育成したβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を切り出す方法の一例について述べる。

【0055】

まず、例えば、厚さが１８ｍｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を育成した後、単結晶育成時の熱歪緩和と電気特性の向上を目的とするアニールを行う。このアニールは、例えば、窒素等の不活性雰囲気において、１４００〜１６００℃の温度を６〜１０時間保持することにより行われる。

【0056】

次に、種結晶３１とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の分離を行うため、ダイヤモンドブレードを用いて切断を行う。まず、カーボン系のステージに熱ワックスを介してβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を固定する。切断機にステージに固定されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２をセッティングし、切断を行う。ブレードの粒度は＃２００〜＃６００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましく、切断速度は毎分６〜１０ｍｍくらいが好ましい。切断後は、熱をかけてカーボン系ステージからβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を取外す。

【0057】

次に、超音波加工機やワイヤー放電加工機を用いてβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の縁を円形に加工する。また、円形に加工されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２の縁にオリエンテーションフラットを形成してもよい。

【0058】

次に、マルチワイヤーソーにより、円形に加工されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を１ｍｍ程度の厚さにスライスし、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を得る。この工程において、所望のオフセット角をつけてスライスを行うことができる。ワイヤーソーは固定砥粒方式のものを用いることが好ましい。スライス速度は毎分０．１２５〜０．３ｍｍ程度が好ましい。

【0059】

次に、加工歪緩和、及び電気特性向上、透過性向上を目的とするアニールをβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１に施す。昇温時には酸素雰囲気でのアニールを行い、昇温後に温度を保持する間は窒素雰囲気等の不活性雰囲気に切替えてアニールを行う。保持温度は１４００〜１６００℃が好ましい。

【0060】

次に、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１のエッジに所望の角度にて面取り（べベル）加工を施す。

【0061】

次に、ダイヤモンドの研削砥石を用いて、所望の厚さになるまでβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を研削する。砥石の粒度は＃８００〜１０００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましい。

【0062】

次に、研磨定盤とダイヤモンドスラリーを用いて、所望の厚さになるまでβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を研磨する。研磨定盤は金属系やガラス系の材質のものが好ましい。ダイヤモンドスラリーの粒径は０．５μｍ程度が好ましい。

【0063】

次に、ポリッシングクロスとＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）用のスラリーを用いて、原子レベルの平坦性が得られるまでβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を研磨する。ポリッシングクロスはナイロン、絹繊維、ウレタン等の材質のものが好ましい。スラリーにはコロイダルシリカを用いることが好ましい。ＣＭＰ工程後のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面の平均粗さはＲａ０．０５〜０．１ｎｍくらいである。

【0064】

さらに、ＣＭＰ工程後、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１に塩素系ガス等を用いたドライエッチングを施すことが好ましい。このドライエッチングにより、ＣＭＰによりβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の表面に生じた研磨ダメージを除去することができる。

【0065】

（β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の転位密度）

【0066】

図６は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の平均転位密度の累積相対度数分布を示すグラフである。

【0067】

図６にプロットされたマーク◇、△、○は、アフターヒーター２０及び反射板２１を有するＥＦＧ結晶製造装置１０により育成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２から切り出されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の値である。

【0068】

図６にプロットされたマーク◆、●は、アフターヒーター２０及び反射板２１を有しないＥＦＧ結晶製造装置１０により育成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２から切り出された、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の値である。

【0069】

マーク◇、◆は、上記のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の製造方法におけるＣＭＰ工程までを実施したβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の値である。また、マーク△、○、●は、そのＣＭＰ工程後の塩素系ガスを用いたドライエッチングまでを実施したβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の値である。このドライエッチングのエッチング深さは、マーク△に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１に対して４μｍ、マーク○、●に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１に対して１０μｍである。

【0070】

図６に係る平均転位密度を測定したβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４は、いずれも（−２０１）面である。

【0071】

転位密度は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４のエッチピットの密度を計測することにより得られたものである。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４の表面の転位密度とエッチピットの密度とは、ほぼ等しいことが確認されている。

【0072】

エッチピットの計測は、各基板の主面４にリン酸エッチングを施した後に行った。リン酸エッチングを実施すると、欠陥が存在する部分においてはエッチング速度が大きくなるため、窪み（エッチピット）が生じる。このエッチピット部の欠陥評価を行った結果、エッチピット部にほぼ１対１で対応する転位が観察された。このことから、エッチピット密度から転位密度を推定できることが明らかになった。

【0073】

上記の平均転位密度は、各基板の主面４上の５点（中心点及びその周囲の４点）におけるエッチピットの密度（１ｃｍ^２あたりの個数）を、光学顕微鏡を用いて計測し、それらを平均したものである。

【0074】

図６は、ＣＭＰ工程の後にドライエッチングを施すことにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の転位密度を低減できることを示している。また、ドライエッチングのエッチング深さが４μｍの場合よりも、１０μｍの場合の方が、転位密度を低減できることを示している。

【0075】

また、図６は、ＣＭＰ工程の後にドライエッチングを施す場合には、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶３２を育成するＥＦＧ結晶製造装置１０がアフターヒーター２０及び反射板２１を有する場合に、有しない場合と比較して、転位密度が低くなることを示している。

【0076】

なお、ＣＭＰ工程の後にドライエッチングを施さない場合に、ＥＦＧ結晶製造装置１０がアフターヒーター２０及び反射板２１を有することによる転位密度の低減が見られないのは、転位密度がＣＭＰによる研磨ダメージの影響を強く受けているためと考えられる。上述のように、ＣＭＰ後にドライエッチングを実施すれば、このようなＣＭＰによる研磨ダメージを除去することができる。

【0077】

なお、アフターヒーター２０及び反射板２１による単結晶育成時の温度勾配の低減効果、並びにＣＭＰ工程後のドライエッチングの効果は主面４の面方位に依らずに発揮されるため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４の面方位が（−２０１）以外である場合、例えば（１０１）、又は（００１）である場合であっても、主面４の面方位が（−２０１）面である場合と同様に平均転位密度が低下する傾向があり、ほぼ等しい平均転位密度を有すると考えられる。

【0078】

以下の表１に、図６に示される各測定点の数値を表す。

【0079】

【表1】

【0080】

図６、表１に示されるように、本実施の形態の基板の製造方法の特徴である、アフターヒーター２０及び反射板２１を有するＥＦＧ結晶製造装置１０による単結晶育成、並びにＣＭＰ工程の後のドライエッチングのいずれも実施されない場合のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の転位密度の最小値は７．３１×１０^４ｃｍ^−２である。

【0081】

そして、アフターヒーター２０及び反射板２１を有するＥＦＧ結晶製造装置１０による単結晶育成、並びにＣＭＰ工程の後のドライエッチングのいずれかを実施した場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の転位密度を７．３１×１０^４ｃｍ^−２よりも小さくすることができる。

【0082】

特に、アフターヒーター２０及び反射板２１を有するＥＦＧ結晶製造装置１０による単結晶育成、並びにＣＭＰ工程の後のドライエッチングの両者を実施することが好ましい。この場合、例えば、ドライエッチングのエッチング深さが１０μｍであるときは、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の転位密度を６．１４×１０^４ｃｍ^−２、１．４２×１０^４ｃｍ^−２、又は７．５２×１０^３ｃｍ^−２とすることができる。

【0083】

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１を含む半導体積層構造体についての形態である。

【0084】

（半導体積層構造体の構造）
図７は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体４０の垂直断面図である。半導体積層構造体４０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４上にエピタキシャル結晶成長により形成された窒化物半導体層４２を有する。また、図７に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２の格子不整合を緩和するために、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２との間にバッファ層４１を設けることが好ましい。

【0085】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１は、ＳｉやＳｎ等の導電型不純物を含んでもよい。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の厚さは、例えば、４００μｍである。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１は、第１の実施の形態で示したように、転位密度が低い。このため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１上にエピタキシャル成長により形成される窒化物半導体層４２も、転位が少ない。

【0086】

バッファ層４１は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる。バッファ層４１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１上にアイランド状に形成されてもよいし、膜状に形成されてもよい。バッファ層４１は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。

【0087】

また、バッファ層４１は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ結晶の中でも、特にＡｌＮ結晶（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。バッファ層４１がＡｌＮ結晶からなる場合、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２との密着性がより高まる。バッファ層４１の厚さは、例えば、１〜５ｎｍである。

【0088】

バッファ層４１は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４上に４００〜６００℃程度の成長温度でＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。

【0089】

窒化物半導体層４２は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなり、特に、高い品質の結晶が得られやすいＧａＮ結晶（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。窒化物半導体層４２の厚さは、例えば、５μｍである。窒化物半導体層４２は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。

【0090】

窒化物半導体層４２は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１の主面４上にバッファ層４１を介して、１０００〜１１００℃程度の成長温度でＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。

【0091】

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体４０を含む半導体素子についての形態である。以下に、その半導体素子の一例として、ＬＥＤ素子について説明する。

【0092】

（半導体素子の構造）
図８は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子５０の垂直断面図である。ＬＥＤ素子５０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１上のバッファ層５２と、バッファ層５２上のｎ型クラッド層５３と、ｎ型クラッド層５３上の発光層５４と、発光層５４上のｐ型クラッド層５５と、ｐ型クラッド層５５上のコンタクト層５６と、コンタクト層５６上のｐ側電極５７と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１のバッファ層５２と反対側の面上のｎ側電極５８とを有する。

【0093】

また、バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６から構成される積層体の側面は、絶縁膜５９に覆われる。

【0094】

ここで、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１、バッファ層５２、及びｎ型クラッド層５３は、第１の実施の形態の半導体積層構造体４０を構成するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１、バッファ層４１、及び窒化物半導体層４２をそれぞれ分割又はパターニングしたものである。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１、バッファ層５２、及びｎ型クラッド層５３の厚さは、例えば、それぞれ４００μｍ、５ｎｍ、５μｍである。

【0095】

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１は、導電型不純物を添加することにより導電性を付与することができるため、ＬＥＤ素子５０のような、厚さ方向に通電する縦型の半導体素子に用いることができる。また、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１は、広範囲の波長の光に対して透明であるため、ＬＥＤ素子５０のような発光素子において、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１側から光を取り出すことができる。

【0096】

半導体積層構造体４０の窒化物半導体層４２から形成されるｎ型クラッド層５３は、転位が少ないため、ｎ型クラッド層５３上にエピタキシャル成長により形成される発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６も、転位が少ない。このため、ＬＥＤ素子５０は、リーク特性、信頼性、駆動特性等に優れる。

【0097】

発光層５４は、例えば、３層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ１０ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ６ｎｍのＧａＮ結晶膜と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる。発光層５４は、例えば、成長温度７００〜８００℃で各結晶膜をｎ型クラッド層５３上にエピタキシャル成長させることにより形成される。

【0098】

ｐ型クラッド層５５は、例えば、厚さ１００ｎｍの、濃度５．０×１０^１９／ｃｍ^３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。ｐ型クラッド層５５は、例えば、成長温度９００〜１０５０℃でＭｇを含むＧａＮ結晶を発光層５４上にエピタキシャル成長させることにより形成される。

【0099】

コンタクト層５６は、例えば、厚さ１０ｎｍの、濃度１．５×１０^２０／ｃｍ^３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。コンタクト層５６は、例えば、成長温度９００〜１０５０℃でＭｇを含むＧａＮ結晶をｐ型クラッド層５５上にエピタキシャル成長させることにより形成される。

【0100】

バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６の形成においては、Ｇａ原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)ガス、Ｉｎ原料としてＴＭＩ(トリメチルインジウム)ガス、Ｓｉ原料としてＭｔＳｉＨ_３（モノメチルシラン）ガス、Ｍｇ原料としてＣｐ_２Ｍｇ(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガス、Ｎ原料としてＮＨ_３(アンモニア)ガスを用いることができる。

【0101】

絶縁膜５９は、ＳｉＯ_２等の絶縁材料からなり、例えば、スパッタリングにより形成される。

【0102】

ｐ側電極５７及びｎ側電極５８は、それぞれコンタクト層５６及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１にオーミック接合する電極であり、例えば、蒸着装置を用いて形成される。

【0103】

ＬＥＤ素子５０は、ウェハ状態のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１（β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板１）上に、バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、コンタクト層５６、ｐ側電極５７、及びｎ側電極５８を形成した後、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１をダイシングによって、例えば、３００μｍ角のチップサイズに分離することにより得られる。

【0104】

ＬＥＤ素子５０は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板５１側から光を取り出すＬＥＤチップであり、キャンタイプのステムにＡｇペーストを用いて実装される。

【0105】

なお、上述のように、第１の実施の形態の半導体積層構造体４０を含む半導体素子として、発光素子であるＬＥＤ素子５０を一例として挙げたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、レーザーダイオード等の他の発光素子や、トランジスタ等の他の素子であってもよい。半導体積層構造体４０を用いて他の素子を形成する場合であっても、ＬＥＤ素子５０と同様に、エピタキシャル成長により半導体積層構造体４０上に形成される層の転位が少ないため、高品質の素子を得ることができる。

【0106】

（実施の形態の効果）
上記第１の実施の形態によれば、転位密度が低く、かつ、双晶を含まない、又はほとんど含まない、結晶品質に優れたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得ることができる。

【0107】

上記第２の実施の形態によれば、結晶品質に優れたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を用いることにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板上に高品質の結晶膜をエピタキシャル成長させ、結晶品質に優れた半導体積層構造体を得ることができる。

【0108】

上記第３の実施の形態によれば、結晶品質に優れた半導体積層構造体を用いることにより、半導体積層構造体上に高品質の結晶膜をエピタキシャル成長させ、結晶品質に優れた高性能の半導体素子を得ることができる。

【0109】

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

【0110】

また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0111】

１…β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板、 ２…双晶面を含まない領域、 ３…双晶面、 ４…主面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】