特許 6208416 ＧａＮ半導体単結晶の製造方法

(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】6208416

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】ＧａＮ半導体単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20170925BHJP

   C30B 19/06 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/38 D

   C30B19/06 Z

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-198663(P2012-198663)

(22)【出願日】2012年9月10日

(65)【公開番号】特開2014-51426(P2014-51426A)

(43)【公開日】2014年3月20日

【審査請求日】2014年12月19日

【審判番号】不服2016-9712(P2016-9712/J1)

【審判請求日】2016年6月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(72)【発明者】

【氏名】山崎 史郎

(72)【発明者】

【氏名】守山 実希

【合議体】

【審判長】 新居田 知生

【審判官】 宮澤 尚之

【審判官】 山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６８２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８３７１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

C30B29/38

C30B19/06

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フラックスを使用してＧａＮ半導体単結晶を成長させるＧａＮ半導体単結晶の製造方法において、
坩堝の内部に種結晶基板およびフラックスおよび原材料を入れて前記坩堝を回転させつつＧａＮ半導体単結晶を成長させる半導体単結晶成長工程を有し、
前記半導体単結晶成長工程は、前記坩堝の回転速度の加速、減速を含む時間変化特性における最大回転速度である一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）で前記坩堝を回転させる一定速度回転期間を周期的に有し、
前記坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）が大きくなるほど、前記坩堝の目標回転速度ω１（ｒｐｍ）が小さくなる特性の下記の数式（１．２）及び（１．３）を用いて、成長に用いる前記坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）に応じて前記目標回転速度ω１（ｒｐｍ）を求め、その求められた目標回転速度ω１（ｒｐｍ）に対して、下記の数式（１．１）を満たす範囲の値を前記一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）として決定して、前記半導体単結晶成長工程における前記坩堝の回転を制御して、前記種結晶基板上に、表面の平坦な前記ＧａＮ半導体単結晶を成長させる
ω１−４ ≦ ω_c ≦ ω１＋４ …（１．１）
ω１ ＝ １０^z …（１．２）
ｚ ＝ −０．７８×ｌｏｇ₁₀（Ｒ）＋３．１ …（１．３）
ことを特徴とするＧａＮ半導体単結晶の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のＧａＮ半導体単結晶の製造方法において、
前記一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）を、前記目標回転速度ω１（ｒｐｍ）に対して、
ω１−２ ≦ ω_C ≦ ω１＋２
の範囲内の値に設定する
ことを特徴とするＧａＮ半導体単結晶の製造方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のＧａＮ半導体単結晶の製造方法において、
前記半導体単結晶成長工程は、
前記坩堝の回転を停止から前記一定速度回転期間の前記一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）まで加速する加速期間と、
前記加速期間に続いて前記坩堝を前記一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）で回転させる前記一定速度回転期間と、
前記坩堝の回転を前記一定速度回転期間の前記一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）から停止まで減速する減速期間と、
前記減速期間の終了後、次の加速期間の開始までの間において前記坩堝の回転を停止する回転停止期間と
を有する
ことを特徴とするＧａＮ半導体単結晶の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＧａＮ半導体単結晶の製造方法に関する。さらに詳細には、フラックス法を使用したＧａＮ半導体単結晶の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体結晶を作成する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、そして、液相エピタキシー法などがある。液相エピタキシー法には、Ｎａフラックスを使用するフラックス法がある。

【0003】

フラックス法では、サファイア基板等に、窒化ガリウム層（ＧａＮ層）を形成して種結晶基板とし、その種結晶基板に半導体単結晶を成長させることが一般的である。その場合、坩堝の内部に種結晶基板および原材料およびフラックスを入れた後、反応室の内部で温度や圧力を調整しつつ半導体単結晶を成長させる。そして、融液を攪拌することにより、窒素ガスを気液界面から融液の内部に向って送る技術が開示されている（例えば、特許文献１の段落［０００３］や表１等参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−１６８２３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、径の大きい基板を用いて単結晶を作成するには、それに応じて内径の大きい坩堝を用いる必要がある。ここで、ある決まった回転速度で坩堝を回転させた場合に、内径の大きな坩堝と、内径の小さな坩堝とでは、坩堝の内壁付近の融液に加わる遠心力は異なる。つまり、坩堝を回転させた場合に、内径の大きい坩堝ほど、坩堝の内壁付近の融液の波面が高くなる。

【0006】

例えば、内径の小さい坩堝をある決まった回転速度で回転させることで表面の平坦な半導体単結晶を成長させることができたとする。しかし、その同じ回転速度で、その坩堝より内径の大きな坩堝を用いて半導体単結晶を成長させた場合には、中央付近が凹んでいる半導体単結晶が作成されることとなる。このように、好適に半導体単結晶を成長できる回転速度を設定したとしても、坩堝のサイズによって、できた半導体単結晶の表面が平坦であったり、平坦でなかったりする。そのため、直径の大きな半導体単結晶を成長させて、表面の平坦な半導体単結晶を得るのは困難である。

【0007】

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、坩堝の内径によらず、表面の平坦なＧａＮ半導体の単結晶を製造することのできるＧａＮ半導体単結晶の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様におけるＧａＮ半導体単結晶の製造方法は、フラックスを使用してＧａＮ半導体単結晶を成長させる方法である。また、坩堝の内部に種結晶基板およびフラックスおよび原材料を入れて坩堝を回転させつつＧａＮ半導体単結晶を成長させる半導体単結晶成長工程を有する。そして、半導体単結晶成長工程は、坩堝の回転速度の加速、減速を含む時間変化特性における最大回転速度である一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）で坩堝を回転させる一定速度回転期間を周期的に有し、坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）が大きくなるほど、坩堝の目標回転速度ω１（ｒｐｍ）が小さくなる特性の下記の数式（１．２）及び（１．３）を用いて、成長に用いる坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）に応じて目標回転速度ω１（ｒｐｍ）を求め、その求められた目標回転速度ω１（ｒｐｍ）に対して、下記の数式（１．１）を満たす範囲の値を一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）として決定して、半導体単結晶成長工程における坩堝の回転を制御して、種結晶基板上に、表面の平坦なＧａＮ半導体単結晶を成長させる
ω１−４ ≦ ω_c ≦ ω１＋４ …（１．１）
ω１ ＝ １０^z …（１．２）
ｚ ＝ −０．７８×ｌｏｇ₁₀（Ｒ）＋３．１ …（１．３）
ことを特徴とするＧａＮ半導体単結晶の製造方法である。

【0009】

このＧａＮ半導体単結晶の製造方法では、坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）に応じて、半導体単結晶の成長時の坩堝の一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）として異なる値を設定することとしている。つまり、内径Ｒが大きい坩堝ほど、一定回転速度ω_c を小さくするのである。これにより、半導体単結晶の成長時に、坩堝の内壁付近の融液の波面が高くなることおよび中央付近の融液の波面が低くなることを防止することができる。そして、成長した半導体単結晶では、中央部分に凹みがほとんどできていない。つまり、平坦な半導体単結晶が得られる。なお、融液の波面と、成長させる半導体単結晶の膜厚分布との間に関係性がある理由については、必ずしも明らかではない。種結晶の結晶成長面の近傍における融液の流れに影響があるものと推測される。実際の実験により得られた融液の波面と半導体単結晶の膜厚分布との相関については、後述する。

【0010】

【0011】

第２の態様におけるＧａＮ半導体単結晶の製造方法は、一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）を、目標回転速度ω１（ｒｐｍ）に対して、
ω１−２ ≦ ω_c ≦ ω１＋２
の範囲内の値に設定することを特徴とする。これにより、融液の攪拌をより好適に行うことができる。

【0012】

他の態様におけるＧａＮ半導体単結晶の製造方法では、半導体単結晶成長工程の前に、基板にシード層を形成して種結晶基板とする種結晶基板作成工程を有する。種結晶基板にシード層があるため、半導体単結晶を好適に成長させることができる。

【0013】

第３の態様におけるＧａＮ半導体単結晶の製造方法では、半導体単結晶成長工程は、坩堝の回転を停止から一定速度回転期間の一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）まで加速する加速期間と、加速期間に続いて坩堝を一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）で回転させる一定速度回転期間と、坩堝の回転を一定速度回転期間の一定回転速度ω_c（ｒｐｍ）から停止まで減速する減速期間と、減速期間の終了後、次の加速期間の開始までの間において坩堝の回転を停止する回転停止期間と、を有する。回転停止期間では、坩堝の回転速度はゼロである。

【0014】

【0015】

【0016】

他の態様における自立基板の製造方法は、上記に記載のＧａＮ半導体単結晶の製造工程と、ＧａＮ半導体単結晶の表面の少なくとも一方の面を研磨する工程と、を有する。この自立基板の直径は、十分に大きい。

【0017】

他の態様における半導体装置の製造方法は、上記に記載の自立基板の製造工程と、自立基板の上にＧａＮ半導体層を形成する工程と、ＧａＮ半導体層または自立基板とコンタクトする電極を形成する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、坩堝の内径の大きさによらず、表面の平坦なＧａＮ半導体の単結晶を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶を示す図である。

【図2】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶を製造するための結晶成長装置の構成を説明するための図である。

【図3】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶の製造方法における種結晶基板の作成方法を説明するための図である。

【図4】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶の製造方法における半導体単結晶成長工程での坩堝の回転モードを説明するためのグラフである。

【図5】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶の製造方法における坩堝の内径と坩堝の回転速度との関係を示すグラフ（その１）である。

【図6】実施例に係るＧａＮ半導体単結晶の製造方法における坩堝の内径と坩堝の回転速度との関係を示すグラフ（その２）である。

【図7】実施例に係る縦型構造の半導体装置の構造を説明する図である。

【図8】実施例に係る横型構造の半導体装置の構造を説明する図である。

【図9】実施例に係る半導体発光素子の構造を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、具体的な実施例について、図を参照しつつ説明する。実施例は、フラックス法を用いた、ＧａＮ半導体単結晶と自立基板と半導体装置の製造方法である。これらは例示であり、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。

【実施例1】

【0021】

１．半導体単結晶
実施例に係る結晶ＣＲを図１に示す。図１に示すように、結晶ＣＲは、サファイア基板１１と、バッファ層１２と、ＧａＮ層１３と、単結晶ＣＲ１と、を有している。単結晶ＣＲ１は、ＧａＮ半導体から成る単結晶である。単結晶ＣＲ１は、結晶ＣＲからサファイア基板１１等を除去することにより得られる。

【0022】

２．結晶成長装置
実施例に係る結晶成長装置２０を図２に示す。結晶成長装置２０は、フラックス法を用いてIII 族窒化物半導体の単結晶を成長基板上に成長させるためのものである。結晶成長装置２０は、図２に示すように、給気管２１と、排気管２２と、断熱材２３と、反応室２４と、圧力容器２５と、ターンテーブル２７と、回転軸２８と、モーター３１と、モーター制御部３２と、ヒーターＨと、を有している。

【0023】

結晶成長装置２０は、図２に示すように、ターンテーブル２７の上に坩堝２６をセットすることができるようになっている。坩堝２６は、ターンテーブル２７の回転とともに回転することができるようになっている。なお、この回転の中心は回転軸２８である。坩堝２６の回転速度については、モーター３１の回転を制御することにより、制御することができるようになっている。本実施例では、この坩堝２６の内径と、結晶成長時における坩堝２６の回転速度との関連性に特徴点がある。その詳細については後述する。

【0024】

圧力容器２５は、反応室２４を収容するためのものである。圧力容器２５の材質は、例えば、ＳＵＳである。もちろん、他の材質のものであってもよい。反応室２４は、その内部に坩堝２６を配置して、半導体単結晶を成長させるための環境条件を与えるためのものである。

【0025】

給気管２１は、反応室２４の内部に窒素ガス（Ｎ₂ ）を供給するための管である。排気管２２は、反応室２４の内部から窒素ガス（Ｎ₂ ）を排出するための管である。これらにより、反応室２４の内圧を調整することができる。ヒーターＨは、圧力容器２５および反応室２４の内部を加熱するためのものである。また、反応室２４の内部の温度を調整することができるようになっている。断熱材２３は、反応室２４の内部の熱が外部に逃げないようにするための部材である。

【0026】

ターンテーブル２７は、坩堝２６を載置するための載置部である。そのため、ターンテーブル２７は、反応室２４の内部に配置されている。なお、坩堝２６は、アルミナ製である。もちろん、その他の材質のものであってもよい。回転軸２８は、ターンテーブル２７を支持するとともに、モーター３１からの動力をターンテーブル２７に伝達するためのものである。また、回転軸２８は、モーター３１の駆動を受けて回転する回転の中心となるものである。

【0027】

モーター３１は、回転軸２８を回転させるための回転駆動部である。モーター制御部３２は、モーター３１の回転を制御するためのものである。モーター制御部３２は、モーター３１の回転方向を制御するとともに、モーター３１の回転速度と、モーター３１の回転速度の上昇および減少をも制御する。つまり、モーター制御部３２は、後述する回転モードにしたがって坩堝２６の回転を制御することとなるものである。

【0028】

３．ＧａＮ半導体の単結晶の製造方法
３−１．種結晶基板作成工程
次に、半導体単結晶の製造方法について説明する。図３に示すように、テンプレート１０を作成するテンプレート作成工程について説明する。テンプレート１０は、フラックス法により半導体の単結晶を成長させるために用いられる種結晶基板である。まず、サファイア基板１１を用意する。そして、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１１のｃ面上に、バッファ層１２を形成する。バッファ層１２は、例えば、ＡｌＮである。また、ＴｉＮやＧａＮであってもよい。

【0029】

次に、バッファ層１２の上に、ＧａＮ層１３を作成する。これにより、テンプレート１０が作成される。これらのバッファ層１２およびＧａＮ層１３は、シード層である。ただし、ＧａＮ自立基板（ウエハ）を用いた場合には、バッファ層１２を形成する必要は無い。なお、ＧａＮ層１３は、もちろん、ＧａＮから成る層であるが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮであってもよい。このＧａＮ層１３は、成長条件によっては、フラックス中でメルトバックを起こす層である。その場合には、ＧａＮ層１３の一部はフラックス中に溶解する。

【0030】

３−２．半導体単結晶成長工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法を用いて、テンプレート１０上に半導体単結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料を表１に示す。ここで、Ｇａ比は３０％以下であるとよい。もちろん、３０％より大きくても構わない。また、炭素比を、０ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内で変えてもよい。つまり、フラックスは、炭素を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよいが、より望ましくは、０．０１ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下の範囲内である。なお、表１の値は、あくまで例示であり、これ以外の値であってもよい。また、これ以外にドーピング元素を添加してもよい。

【0031】

ここで成長させる半導体単結晶は、もちろんＧａＮ半導体単結晶である。まず、テンプレート１０と、表１に示す原材料とを、露点および酸素濃度の管理されたグローブボックス内で計量する。なお、これらは例示であり、これとは異なる値を用いてもよい。次に、テンプレート１０および原材料およびフラックスを、坩堝２６の内部に入れる。そして、その坩堝２６を反応室２４のターンテーブル２７上に置く。この後、圧力容器２５を真空引きした後に昇圧および昇温する。そして、坩堝２６を回転させつつ半導体単結晶を成長させる。

【0032】

［表１］
原材料 坩堝の内径 坩堝の内径
５９ｍｍ １８０ｍｍ
Ｇａ １１ｇ １０３ｇ
Ｎａ １７ｇ １６０ｇ
Ｃ ０．１ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％（Ｎａに対して）

【0033】

ここで、この半導体単結晶形成工程で用いた坩堝内の各種条件を表２に示す。温度は、８７０℃である。圧力は３ＭＰａである。坩堝２６の内径は、例えば、５９ｍｍである。この場合における坩堝２６の回転速度は、５４ｒｐｍである。本実施例では、後述するように、坩堝２６を回転させる回転速度は、坩堝２６の内径によって異なる値を設定する。育成時間はおよそ１００時間である。

【0034】

［表２］
温度 ８５０℃〜９００℃
圧力 ３ＭＰａ〜１０ＭＰａ
攪拌速度 ０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ（坩堝の内径に依存する）
育成時間 ２０〜２００時間

【0035】

４．坩堝の回転速度
４−１．坩堝の回転モード
前述したように、半導体単結晶成長工程では、坩堝２６を回転しつつ、半導体単結晶を成長させる。本実施例は、坩堝２６の一定速度回転期間における一定回転速度に特徴のあるものである。本実施例では、坩堝２６を回転させる一定回転速度ω_C は、坩堝２６の内径Ｒに応じて異なる値を設定することに特徴点を有する。

【0036】

本実施例における坩堝２６の回転モードを、図４に示す。図４に示すように、坩堝２６の回転モードは、正回転と負回転とを交互に繰り返すものである。ここで、正回転における坩堝２６の回転速度をプラスとし、負回転における坩堝２６の回転速度をマイナスとする。

【0037】

攪拌期間は、加速期間Ａ１と、正回転での一定速度回転期間Ａ２と、減速期間Ａ３と、加速期間Ａ４と、負回転での一定速度回転期間Ａ５と、減速期間Ａ６と、を有している。そして、これらのサイクルを半導体単結晶成長工程において継続して実行する。ここで、加速するとは、坩堝２６の回転速度の絶対値を上昇させることをいう。減速するとは、坩堝２６の回転速度の絶対値を減少させることをいう。

【0038】

加速期間Ａ１は、坩堝２６の回転速度ωを目標回転速度ω１まで加速する期間である。正回転での一定速度回転期間Ａ２は、一定の目標回転速度ω１で坩堝２６を回転させる期間である。減速期間Ａ３は、坩堝２６の回転速度ωを目標回転速度ω１から減速する期間である。加速期間Ａ４は、坩堝２６の回転速度ωを目標回転速度−ω１まで加速する期間である。負回転での一定速度回転期間Ａ５は、一定の目標回転速度−ω１で坩堝２６を回転させる期間である。減速期間Ａ６は、坩堝２６の回転速度ωを目標回転速度−ω１から減速する期間である。

【0039】

図４に示すように、正回転での一定速度回転期間Ａ２における目標回転速度（ω１）の絶対値と、負回転での一定速度回転期間Ａ５における目標回転速度（−ω１）の絶対値とは、等しい。正回転での一定速度回転期間Ａ２における目標回転速度（ω１）の絶対値は、坩堝２６の回転速度の最大値である。負回転での一定速度回転期間Ａ５における目標回転速度（−ω１）の絶対値も、同様である。したがって、本実施例では、坩堝２６の回転速度の絶対値の最大値は、正回転での一定速度回転期間Ａ２における目標回転速度（ω１）の回転の場合と、負回転での一定速度回転期間Ａ５における目標回転速度（−ω１）の回転の場合とである。

【0040】

なお、ここで、加速期間Ａ１と、減速期間Ａ３と、加速期間Ａ４と、減速期間Ａ６のそれぞれの長さは、等しい。また、正回転での一定速度回転期間Ａ２の長さと、負回転での一定速度回転期間Ａ５の長さとは等しい。そして、加速期間Ａ１に対する正回転での一定速度回転期間Ａ２の長さの比（（Ａ２の長さ）／（Ａ１の長さ））は、０．５以上２．５以下の範囲内である。もちろん、上記は例示であり、これら以外の値を設定してもよい。

【0041】

４−２．坩堝の回転速度
ここで、坩堝２６内の融液における微小体積ΔＶにかかる遠心力を、次のように見積もることができる。
（１／２）×ρ×ΔＶ×ｒ×ω²
ρ： 融液の密度
ΔＶ： 融液の微小体積
ｒ： 坩堝の回転中心から微小体積の重心までの距離
ω： 坩堝の回転速度
このように、坩堝２６の回転中心からの距離ｒが大きいほど、坩堝２６内の融液における微小体積ΔＶにかかる遠心力は大きい。ここでは、融液の密度ρは、均一であるとした。

【0042】

その結果、融液の液面は、ほぼ回転放物面になる。つまり、坩堝２６の内径Ｒが大きいほど、坩堝２６の内壁付近の融液が盛り上がる。坩堝２６の内壁付近の融液が大きく盛り上がった状態で半導体単結晶を成長させると、基板の中央付近で厚みの薄く、基板の外周部付近で厚みの厚い半導体単結晶ができてしまう。そのため、本実施例では、内径Ｒの大きい坩堝２６を用いる場合に、坩堝２６の一定回転速度ω_c として小さい値を設定する。

【0043】

本実施例では、坩堝２６の時間的に変化する回転速度ωを次式（１）の範囲とする。つまり、坩堝２６の回転速度ωを坩堝２６の内径に応じて変える。
−ω１−４ ≦ ω ≦ ω１＋４ ………（１）
ω１ ＝ １０^z
ｚ ＝ −０．７８×ｌｏｇ₁₀（Ｒ）＋３．１
ω： 坩堝の回転速度（ｒｐｍ）
Ｒ： 坩堝の内径（ｍｍ）
ここで、式（１）における目標回転速度ω１は、後述する実験結果の数値を近似することにより求めた曲線である。目標回転速度ω１は、坩堝２６の内径にのみ依存する。

【0044】

式（１）の範囲を図４の矢印Ｄ１で示す。このように本実施例では、坩堝２６の回転速度ωの範囲を式（１）の範囲内とする。これにより、坩堝２６の内壁付近で融液の波面が高くなりすぎるおそれがない。

【0045】

そして、坩堝２６の時間的に変化する回転速度ωの最大値であって一定速度回転期間における一定回転速度ω_c （以下、単に、「一定回転速度ω_c 」と記す。）を次式（２）に示す。
ω１−４ ≦ ω_c ≦ ω１＋４ ………（２）
ω１ ＝ １０^z
ｚ ＝ −０．７８×ｌｏｇ₁₀（Ｒ）＋３．１
ω_c ： 坩堝の一定回転速度（ｒｐｍ）
Ｒ： 坩堝の内径（ｍｍ）

【0046】

式（２）の範囲を図４の矢印Ｄ２で示す。坩堝２６の回転速度ωの最大値である一定回転速度ω_c の範囲が、式（２）の範囲であるため、坩堝２６の内壁付近の融液が盛り上がるおそれはほとんどない。

【0047】

５．実験
５−１．実験方法
内径Ｒの異なる３種類の坩堝２６を用意した。表３に示すように、これらの内径Ｒはそれぞれ、５９ｍｍ、１１５ｍｍ、１８０ｍｍである。そして、これら３種類の坩堝を、一定回転速度ω_c を変えてＧａＮ半導体の単結晶を製造する。そして、製造した単結晶の形状を観察する。坩堝２６の一定回転速度ω_c の違いにより、中央部で膜厚が厚い単結晶と、外周部で膜厚が厚い単結晶とが製造されることとなる。

【0048】

坩堝２６の内径Ｒを５９ｍｍとしたときには、坩堝２６を２０ｒｐｍ、５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍの３種類の一定回転速度ω_c で回転させた。坩堝２６の内径Ｒを１１５ｍｍとしたときには、坩堝２６を２５ｒｐｍ、５０ｒｐｍの２種類の一定回転速度ω_c で回転させた。坩堝２６の内径Ｒを１８０ｍｍとしたときにも、坩堝２６を２５ｒｐｍ、５０ｒｐｍの２種類の一定回転速度ω_c で回転させた。

【0049】

５−２．実験結果
表３に、実験結果を示す。中央膜厚Ｔ１とは、ＧａＮ半導体の単結晶における中央部の膜厚のことをいう。外周膜厚Ｔ２とは、ＧａＮ半導体の単結晶における外周部、すなわち、外周付近の膜厚のことをいう。これらの差（Ｔ１−Ｔ２）がゼロに近ければ、ＧａＮ半導体の単結晶の表面は平坦である。実際には、成長条件のばらつきによって、平均膜厚は、ロット毎に異なる。そのため、（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１で評価している。なお、（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１の値がプラスのときには、中央付近の膜厚のほうが厚い。一方、（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１の値がマイナスのときには、外周付近の膜厚のほうが厚い。

【0050】

そして、内径Ｒの坩堝２６を用いて次に示す直径の単結晶ＣＲ１を成長させた。
坩堝２６の内径Ｒ 単結晶ＣＲ１の直径
５９ｍｍ ５０ｍｍ
１１５ｍｍ １００ｍｍ
１８０ｍｍ １５２．４ｍｍ
もちろん、上記以外の直径の単結晶ＣＲ１を成長させることは可能である。ただし、坩堝２６の内径Ｒよりもある程度小さい直径である必要がある。このように、式（１）および式（２）を満たす回転速度で坩堝２６を回転させることにより、単結晶の直径が１３０ｍｍ以上１７０ｍｍ以下の範囲内では、表面の平坦な単結晶ＣＲ１が得られた。表３に示すように、ほぼ０．５ｍｍ程度以上の厚みの単結晶ＣＲ１を成長させることができた。

【0051】

表３の最右欄の回転速度（Ｔ１＝Ｔ２）は、中央膜厚Ｔ１と外周膜厚Ｔ２とが等しくなる一定回転速度ω_c を算出した値である。坩堝２６の内径Ｒが５９ｍｍのときの一定回転速度ω_c （Ｔ１＝Ｔ２）を、５０ｒｐｍの（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１と、１００ｒｐｍの（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１の２点から、線形近似により算出した。なお、５０ｒｐｍの（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１として、実験ｂ〜ｆまでの平均値をとった。坩堝２６の内径Ｒが５９ｍｍのときに中央膜厚Ｔ１と外周膜厚Ｔ２とが等しくなる一定回転速度ω_c は、５４ｒｐｍである。

【0052】

同様に、坩堝２６の内径Ｒが１１５ｍｍのときに中央膜厚Ｔ１と外周膜厚Ｔ２とが等しくなる一定回転速度ω_c は、３０ｒｐｍである。坩堝２６の内径Ｒが１８０ｍｍのときに中央膜厚Ｔ１と外周膜厚Ｔ２とが等しくなる一定回転速度ω_c は、２３ｒｐｍである。

【0053】

【表3】

【0054】

図５に実験結果を示す。図５の横軸は、坩堝の内径Ｒ（ｍｍ）である。図５の縦軸は、坩堝の一定回転速度ω_C （ｒｐｍ）である。図５に、上記の３点を「□」印で示す。つまり、坩堝２６の内径Ｒが５９ｍｍのときの一定回転速度５４ｒｐｍと、坩堝２６の内径Ｒが１１５ｍｍのときの一定回転速度３０ｒｐｍと、坩堝２６の内径Ｒが１８０ｍｍのときの一定回転速度２３ｒｐｍとを示す。そして、これらの３点を近似したものが、式（１）の目標回転速度ω１である。式（１）の目標回転速度ω１を図５に示す太い実線として示す。この近似を行うにあたって、上記の３点から最小自乗近似法により、式（１）の目標回転速度ω１と坩堝の内径Ｒとの関係式を求めた。その際に、縦軸および横軸を対数としたグラフに各点をプロットし、直線近似を行った。

【0055】

そして、ω１＋４を図５の破線で示す。ω１−４を図５の二点鎖線で示す。したがって、式（２）に示す一定回転速度ω_c の範囲は、図５の二点鎖線と破線との間の範囲である。よって、坩堝２６の一定回転速度ω_c を、ω１−４（図５に二点鎖線）からω１＋４（図５の破線）までの範囲内で設定して回転させつつ半導体の単結晶を成長させればよい。

【0056】

図６に実験結果を別の形式で示す。図６中の「凹」印は、基板の中心部分で半導体単結晶が凹んでいたことを示している。図６中の「凸」印は、基板の中心部分で半導体単結晶が膨らんでいたことを示している。

【0057】

図６に示すように、坩堝２６の一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）をあげるほど、半導体単結晶における膜厚の中央部分が凹む傾向にある。これは、半導体単結晶の育成時に、融液の波面が、坩堝２６の外側領域で高く、坩堝２６の中央付近で低いためである。一方、坩堝２６の一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）を小さくするほど、半導体単結晶における膜厚の中央部分が出っ張る傾向にある。これは、融液の波面が水平に近い状態であると、半導体単結晶における膜厚の中央部分が成長しやすいためである。

【0058】

このように、一定回転速度ω_c が速すぎると、単結晶ＣＲ１は凹形状となる。逆に、一定回転速度ω_c が遅すぎると、単結晶ＣＲ１は凸形状となる。本実施例では、坩堝２６の内壁周辺における融液の波面を、それほど高くないようにすることにより、表面の平坦な単結晶ＣＲ１を成長させる。なお、一定回転速度ω_c が遅いと、単結晶ＣＲ１の上に雑晶が生じることがある。

【0059】

６．変形例
６−１．回転速度ωの範囲
本実施例では、時間関数の回転速度ω（ｒｐｍ）の最大値である一定回転速度ω_c を式（２）の範囲内とすることとした。しかし、一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）を次の式（３）の範囲内とするとなおよい。つまり、一定回転速度ω_c （ｒｐｍ）をより目標回転速度ω１に近い値とするのである。
ω１−２ ≦ ω_c ≦ ω１＋２ ………（３）
ω１ ＝ １０^z
ｚ ＝ −０．７８×ｌｏｇ₁₀（Ｒ）＋３．１
ω_c ： 坩堝の一定回転速度（ｒｐｍ）
Ｒ： 坩堝の内径（ｍｍ）

【0060】

６−２．回転停止期間
本実施例では、回転モードを図４に示すような正回転と負回転とを交互に繰り返すモードとした。しかし、回転を停止する回転停止期間があってもよい。その場合であっても、種結晶表面における融液の流線分布を時間的に変化させることができるからである。この場合、例えば、減速期間Ａ３と、加速期間Ａ４との間に、回転停止期間を設定することができる。

【0061】

また、正回転のみであってもよい。つまり、正回転の一定速度回転期間と、加速期間と、減速期間とを有することとするのである。その場合であっても、種結晶表面における融液の流線分布を時間的に十分に変化させるために、回転を停止させる回転停止期間を設けるとよい。

【0062】

６−３．ＧａＮ半導体単結晶
本実施例では、ＧａＮから成る半導体単結晶を形成することとした。

【0063】

６−４．複数個の半導体単結晶の成長
本実施例では、坩堝１個に対して１個の半導体単結晶を成長させることとした。しかし、大口径の坩堝１個に対して複数個の半導体単結晶を成長させることもできる。これにより、生産性は向上する。

【0064】

７．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施例のＧａＮ半導体単結晶の製造方法では、フラックス法により単結晶を成長させた。そして、単結晶を成長させるテンプレート１０を収容した坩堝２６の回転速度ωを、その坩堝２６の内径Ｒから定めることとした。したがって、坩堝２６を変える度に、あらためて坩堝２６の回転速度を設定しなおす必要は無い。これにより、単結晶を成長させるテンプレート１０の基板の径によらず、好適な半導体単結晶を成長させることができる。

【0065】

なお、本実施例は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、本実施例では、テンプレート１０におけるバッファ層１２およびＧａＮ層１３を形成するにあたって、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等、その他の方法を用いてもよい。

【実施例2】

【0066】

実施例１では、ＧａＮ半導体単結晶について説明した。本実施例では、そのＧａＮ半導体単結晶を自立基板としたものおよびその自立基板を用いた半導体装置について説明する。

【0067】

１．縦型構造の半導体装置
本実施形態に係るパワー素子１００を図７に示す。パワー素子１００は、縦型構造の半導体装置である。パワー素子１００は、図７中の下側に示すように、ドレイン電極Ｄ１と、図７中の上側に示すように、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１とを有している。

【0068】

パワー素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。パワー素子１００は、上記の電極の他に、図７に示すように、基板１１０と、ｎ型層１２０と、ｐ型層１３０と、ｎ型層１４０と、絶縁膜１５０と、を有している。ｎ型層１２０は、基板１１０の側から順に、ｎ⁺ ＧａＮ層１２１と、ｎ^- ＧａＮ層１２２と、を有している。ソース電極Ｓ１は、ｎ型層１４０とコンタクトしている。ドレイン電極Ｄ１は、基板１１０とコンタクトしている。

【0069】

２．自立基板
基板１１０は、実施例１の結晶ＣＲから作製された自立基板である。ここで、自立基板とは、円板状のもの（ウエハ）の他、素子分離後のものも含むものとする。そのために、結晶ＣＲからサファイア基板１１等を取り外す。この取り外しには、レーザーリフトオフ法など、公知の技術を用いてもよい。そして、単結晶ＣＲ１の両面を研磨等の加工をすることにより、基板１１０が得られる。また、この基板１１０に、凹凸形状等を形成することとしてもよい。また、両面を研磨したものでなくとも、両面のうちの少なくとも一方の面を研磨したものであってもよい。

【0070】

３．変形例
３−１．横型構造の半導体装置
本実施例では、縦型構造の半導体装置について説明した。しかし、本実施例の自立基板を、図８に示すような横型構造の半導体装置２００について適用してもよい。図８の半導体装置２００は、ＨＦＥＴである。半導体装置２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、第１キャリア走行層２３０と、第２キャリア走行層２４０と、キャリア供給層２５０と、絶縁膜２６０と、ドレイン電極Ｄ２と、ソース電極Ｓ２と、ゲート電極Ｇ２と、を有している。ここで、基板２１０は、単結晶ＣＲ１を加工したものである。

【0071】

３−２．半導体発光素子
また、図９に示すような半導体発光素子３００について適用してもよい。以上説明したように、実施例１の製造方法により得られた単結晶ＣＲ１を種々の半導体装置に適用することができる。半導体発光素子３００は、基板３１０と、半導体層と、ｐ電極Ｐ３と、ｎ電極Ｎ３と、を有している。ここで、基板３１０は、単結晶ＣＲ１を加工したものである。

【0072】

半導体層は、基板３１０の主面の上から、バッファ層３２０と、ｎ型コンタクト層３３０と、ｎ型ＥＳＤ層３４０と、ｎ型ＳＬ層３５０と、発光層３６０と、ｐ型クラッド層３７０と、ｐ型コンタクト層３８０とを、この順序で配置されるように形成されたものである。ｐ電極Ｐ３は、ｐ型コンタクト層３８０とコンタクトしている。ｎ電極Ｎ３は、ｎ型コンタクト層３３０とコンタクトしている。

【符号の説明】

【0073】

ＣＲ…結晶
ＣＲ１…単結晶
１０…テンプレート
１１…サファイア基板
１２…バッファ層
１３…ＧａＮ層
２０…結晶成長装置
２１…給気管
２２…排気管
２３…断熱材
２４…反応室
２５…圧力容器
２７…ターンテーブル
２８…回転軸
３１…モーター
３２…モーター制御部
Ｈ…ヒーター
２６…坩堝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】