特許 6694210 半導体基板の製造方法

(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】6694210

(24)【登録日】2020年4月21日

(45)【発行日】2020年5月13日

(54)【発明の名称】半導体基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 25/04 20060101AFI20200427BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20200427BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20200427BHJP

   C23C 16/02 20060101ALI20200427BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20200427BHJP

【ＦＩ】

   C30B25/04

   C30B29/38 D

   C23C16/34

   C23C16/02

   H01L21/205

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-149146(P2015-149146)

(22)【出願日】2015年7月29日

(65)【公開番号】特開2017-30984(P2017-30984A)

(43)【公開日】2017年2月9日

【審査請求日】2018年5月25日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２６年度 独立行政法人科学技術振興機構 研究成果展開事業 スーパークラスタープログラム、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】304020177

【氏名又は名称】国立大学法人山口大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡田 成仁

(72)【発明者】

【氏名】只友 一行

【審査官】 ▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２６３６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３７６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０９２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２７２１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース基板の表面を、口径が１〜５００ｎｍである多数の開口が形成されたシリコン窒化膜の薄膜で被覆し、前記薄膜の多数の開口から露出した前記ベース基板の表面からＨＶＰＥ法により４００〜７００℃でＧaＮの半導体を堆積させて前記薄膜上にＬＴ-半導体層を形成した後、前記ＬＴ-半導体層からＨＶＰＥ法により９００〜１１５０℃でＧaＮの半導体を結晶成長させて前記ＬＴ-半導体層上にＨＴ-半導体層を形成する半導体基板の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、
前記薄膜が厚さ０．１〜１００ｎｍである半導体基板の製造方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載された半導体基板の製造方法において、
前記ＬＴ-半導体層を形成する前に、Ｎ_２ガス及びＮＨ_３ガスを供給しながら、前記薄膜で表面を被覆した前記ベース基板をサーマルクリーニングする半導体基板の製造方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載された半導体基板の製造方法において、
前記ベース基板がサファイア基板である半導体基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高品質の半導体発光・電子デバイス等の半導体装置を製造するという観点から、ＧａＮ基板に対するニーズが高まっている。

【0003】

そのＧａＮ基板の製造方法について、例えば、特許文献１には、Ｓｉ基板上に第１のＧａＮ層を形成し、エッチングでＳｉ基板を除去した後、第１のＧａＮ層の表面に複数の空隙を有するＳｉを含む薄膜を設け、それらの複数の空隙に露出した第１のＧａＮ層から結晶成長した第２のＧａＮ層を形成するＧａＮ基板の製造方法が開示されている。

【0004】

特許文献２には、サファイア基板上に第１のＧａＮ層を形成し、その表面に周期的なストライプ状のシリコン窒化膜のマスクを設け、ＳｉＮｘ膜のマスクの間に露出した第１のＧａＮ層から結晶成長した第２のＧａＮ層を形成するＧａＮ基板の製造方法が開示されている。

【0005】

特許文献３には、サファイア基板上に単結晶の緩衝層を設け、その上にＧａＮ層を形成するＧａＮ基板の製造方法が開示されている。

【0006】

特許文献４には、サファイア基板上に網目構造の金属膜を形成し、その金属膜の網目を通してＧａＮ層を形成するＧａＮ基板の製造方法が開示されている。

【0007】

ところで、ＧａＮ基板に対するニーズが高まっているにも拘わらず、その市場規模が小さい理由として、ＧａＮ基板が高価であること及び結晶品質が十分でないことが挙げられる。ＧａＮ基板が高価であるのは、製造工程の煩雑さが原因であり、その煩雑さを省略しようとすると、ＧａＮ基板の結晶品質が著しく低下してしまうこととなる。例えば、通常、ＧａＮ基板の製造では、結晶成長速度の速いＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法が採用されるが、サファイア基板上にＨＶＰＥ法で直接的に結晶成長させたＧａＮは、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で製造したＧａＮの結晶品質に遠く及ばない。具体的には、非特許文献１に、ＧａＮの結晶性の指標となるＸＲＣ−ＦＷＨＭ（Ｘ線ロッキングカーブ半値幅）について、ＭＯＶＰＥ法で製造したＧａＮでは２００arcsecであるのに対し、サファイア基板上にＨＶＰＥ法で直接的に結晶成長させたＧａＮでは６００arcseと、前者の３倍であり、前者と比べて後者の結晶品質が非常に低いことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００５−０５７０６４号公報

【特許文献2】特開２００６−２３７５４１号公報

【特許文献3】特開２００７−１０３９５５号公報

【特許文献4】特開２００５−１１９９２１号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Journal of Crystal Growth 290 (2006) 473-478

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の課題は、ベース基板上に結晶品質が良好な半導体層を得ることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、ベース基板の表面を、口径が１〜５００ｎｍである多数の開口が形成されたシリコン窒化膜の薄膜で被覆し、前記薄膜の多数の開口から露出した前記ベース基板の表面からＨＶＰＥ法により４００〜７００℃でＧaＮの半導体を堆積させて前記薄膜上にＬＴ-半導体層を形成した後、前記ＬＴ-半導体層からＨＶＰＥ法により９００〜１１５０℃でＧaＮの半導体を結晶成長させて前記ＬＴ-半導体層上にＨＴ-半導体層を形成する半導体基板の製造方法である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ベース基板の表面を被覆する薄膜に形成された多数の開口から露出したベース基板の表面から相対的に低温で半導体を堆積させて薄膜上にＬＴ-半導体層を形成した後、ＬＴ-半導体層から相対的に高温で半導体を結晶成長させてＬＴ-半導体層上にＨＴ-半導体層を形成することにより、ベース基板上に結晶品質が良好なＨＴ-半導体層を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】表面を薄膜で被覆したベース基板の断面図である。

【図1B】表面を薄膜で被覆したベース基板の斜視図である。

【図2】ＬＴ-半導体層の形成を示す説明図である。

【図3】ＨＶＰＥ装置の構成を示す図である。

【図4】ＨＴ-半導体層の形成を示す説明図である。

【図5】半導体基板の分離を示す説明図である。

【図6】半導体発光素子の断面図である。

【図7】ＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層の形成のタイミングチャートである。

【図8A】実施例のＨＴ-ＧａＮ層の表面をデジタルカメラで撮影した写真である。

【図8B】比較例のＨＴ-ＧａＮ層の表面をデジタルカメラで撮影した写真である。

【図9A】実施例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の顕微鏡観察写真のノマルスキー像である。

【図9B】比較例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の顕微鏡観察写真のノマルスキー像である。

【図10A】実施例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の走査型電子顕微鏡による観察写真である。

【図10B】参考例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の走査型電子顕微鏡による観察写真である。

【図11A】実施例のＨＴ-ＧａＮ層の表面のＣＬ像である。

【図11B】参考例のＨＴ-ＧａＮ層の表面のＣＬ像である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

【0015】

（ベース基板準備）
実施形態に係る半導体基板の製造方法では、まず、図１Ａ及びＢに示すようなベース基板１１を準備する。

【0016】

ベース基板１１としては、例えば、サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３のコランダム構造の単結晶の基板）、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板等が挙げられる。これらのうちサファイア基板が好ましい。ベース基板１１の厚さは例えば１００μｍ〜１ｃｍである。

【0017】

ベース基板１１の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。本願における「主面」とは、後述の半導体層の積層方向に対して垂直な面をいい、通常は表面における最も広い面である。

【0018】

ベース基板１１の表面は、主面のみで構成されていてもよく、また、凹部側面又は凸部側面を含んでいてもよい。これらの凹部側面或いは凸部側面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、他の面方位の結晶面であってもよい。

【0019】

（薄膜被覆）
実施形態に係る半導体基板の製造方法では、図１Ａ及びＢに示すように、ベース基板１１の表面を、多数の開口１２ａが形成された薄膜１２で被覆する。

【0020】

薄膜１２の膜厚は、好ましくはモノレイヤー以上であり、具体的には、好ましくは０．１ｎｍ以上、より好ましくは０．２ｎｍ以上であり、また、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは４ｎｍ以下である。薄膜１２に形成された開口１２ａの口径は、好ましくはナノサイズであり、具体的には、好ましくは１ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上、更に好ましくは２０ｎｍ以上であり、また、好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下である。

【0021】

薄膜１２としては、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）が挙げられる。口径がナノサイズの多数の開口１２ａが形成されたシリコン窒化膜の薄膜１２は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で堆積時間を例えば１〜１０秒程度とすることにより容易に成膜することができる。なお、シリコン窒化膜は、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法で成膜することもできるが、膜厚が均一で品質の良好なシリコン窒化膜を得る観点からは、プラズマＣＶＤ法で成膜することが好ましい。

【0022】

薄膜１２は、ＳｉＯ_２膜等の酸化膜で構成してもよく、成長炉を工夫すれば、これらはＨＶＰＥ法で成膜することができる。薄膜１２は、その他の誘電体膜で構成してもよく、また、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ等の金属膜で構成してもよい。

【0023】

薄膜１２の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法やＨＶＰＥ法の他、蒸着法やスパッタリング法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法であってもよい。

【0024】

（ＬＴ-半導体層形成）
実施形態に係る半導体基板の製造方法では、図２に示すように、薄膜１２の多数の開口１２ａから露出したベース基板１１の表面から相対的に低温で半導体を堆積させて薄膜１２上にＬＴ-半導体層１３を形成する。

【0025】

薄膜１２上のＬＴ-半導体層１３の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上、より好ましくは２０ｎｍ以上であり、また、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下である。

【0026】

ＬＴ-半導体層１３を形成する半導体は、配向性を有する結晶であることが好ましいが、アモルファスライクであってもよい。従って、ＬＴ-半導体層１３を形成する半導体は、アモルファスライクであってもよいので、有効な形成条件の範囲を非常に広くとることができる。

【0027】

ＬＴ-半導体層１３を形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等が挙げられるが、これらのうちＧａＮが好ましい。

【0028】

ＬＴ-半導体層１３の形成方法としては、例えば、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等が挙げられるが、これらのうち堆積速度が速いという観点ではＨＶＰＥ法が好ましい。

【0029】

図３はＨＶＰＥ装置２０の一例を示す。

【0030】

ＨＶＰＥ装置２０は、外周にヒータ２１ａが設けられた反応室２１を備えている。

【0031】

反応室２１にはガス供給系２２が設けられている。ガス供給系２２は、ＧａＣｌガス供給部２３、窒素源ガス供給部２４、及びキャリアガス供給部２５を有する。ＧａＣｌガス供給部２３は、反応室２１内に設けられた金属Ｇａの融液を貯留するためのリザーバ２３ａ、反応室２１内に外部から導入されてリザーバ２３ａに接続されたＨＣｌガス供給管２３ｂ、及びリザーバ２３ａから延びて反応室２１内で開口したＧａＣｌガス供給管２３ｃで構成されている。窒素源ガス供給部２４及びキャリアガス供給部２５は、それぞれガス供給管で構成されている。なお、ＧａＣｌガス供給部２３のＨＣｌガス供給管２３ｂ、窒素源ガス供給部２４、及びキャリアガス供給部２５は、それぞれのガス供給源から延びている。

【0032】

ＧａＣｌガス供給部２３では、ＨＣｌガス供給管２３ｂからリザーバ２３ａにＨＣｌガスが供給され、そのＨＣｌガスがリザーバ２３ａ内の融解したＧａと接触して反応することによりＧａＣｌガスを生成し、そのＧａＣｌガスを、ＧａＣｌガス供給管２３ｃを介して反応室２１内に供給するように構成されている。窒素源ガス供給部２４及びキャリアガス供給部２５は、それぞれ窒素源ガス及びキャリアガスを反応室２１内に供給するように構成されている。なお、ＧａＣｌガス供給部２３、窒素源ガス供給部２４、及びキャリアガス供給部２５のそれぞれのガス流量はマスフローコントローラにより制御されている。

【0033】

反応室２１には、ベース基板１１を支持する基板支持部２６が設けられている。また、反応室２１からは外部に管状のガス排出部２７が延びている。

【0034】

以上の構成のＨＶＰＥ装置２０を用いてＧａＮのＬＴ-半導体層１３を形成する場合、薄膜１２で表面を被覆したベース基板１１を基板支持部２６にセットした後、まず、キャリアガス供給部２５からキャリアガスを供給しながらサーマルクリーニングを行うことが好ましい。キャリアガスとしては、例えば、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス等が挙げられる。キャリアガスは、単一種だけを用いても、また、複数種を用いても、どちらでもよい。薄膜１２を保護する観点からは、単一種のＮ_２ガスを用いることが好ましい。同様の観点から、サーマルクリーニングの間、窒素源ガス供給部２４からキャリアガスとして窒素源ガス（ＮＨ_３ガス）も供給することが好ましい。クリーニング温度は例えば９００〜１１５０℃であり、クリーニング時間は例えば１〜２０分である。

【0035】

その後、反応室２１内に、キャリアガス供給部２５からのキャリアガスの供給を継続しながら、ＧａＣｌガス供給部２３からＧａＣｌガス、及び窒素源ガス供給部２４から窒素源ガスをそれぞれ供給し、ＧａＣｌと窒素源とを反応させる。

【0036】

窒素源ガスとしては、例えばＮＨ_３ガス等が挙げられる。窒素源ガスは、単一種だけを用いても、また、複数種を用いても、どちらでもよい。

【0037】

ＬＴ-半導体層１３を形成する成長条件として、反応室２１内の温度、つまり、成長温度は、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上であり、また、好ましくは７００℃以下、より好ましくは６００℃以下である。反応室２１内の圧力は、好ましくは１×１０^４〜２×１０^５Ｐａ、より好ましくは５×１０^４〜１．５×１０^５Ｐａである。Ｖ（窒素源ガス）／III（ＧａＣｌガス）の流量比は、好ましくは１〜４０、より好ましくは５〜２０である。

【0038】

（ＨＴ-半導体層形成）
実施形態に係る半導体基板の製造方法では、図４に示すように、ＬＴ-半導体層１３を形成した後、ＬＴ-半導体層１３から相対的に高温で半導体を結晶成長させてＬＴ-半導体層１３上にＨＴ-半導体層１４を形成する。

【0039】

ＨＴ-半導体層１４を形成する半導体は、配向性を有する結晶であり、その主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよく、更に、極性面であっても、非極性面であっても、半極性面であっても、いずれでもよい。

【0040】

ＨＴ-半導体層１４を形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等が挙げられるが、これらのうちＧａＮが好ましい。

【0041】

ＨＴ-半導体層１４の形成方法としては、例えば、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法等が挙げられるが、これらのうち結晶成長速度が速いという観点からはＨＶＰＥ法が好ましい。ＨＴ-半導体層１４の形成方法は、ＬＴ-半導体層１３の形成方法と同一であることが好ましい。

【0042】

図３に示すＨＶＰＥ装置２０を用いてＧａＮのＬＴ-半導体層１３を形成した後、その上にＧａＮのＨＴ-半導体層１４を形成する場合、反応室２１内を昇温し、反応室２１内に、ＧａＣｌガス供給部２３からＧａＣｌガス、窒素源ガス供給部２４から窒素源ガス、及びキャリアガス供給部２５からキャリアガスをそれぞれ供給し、ＧａＣｌと窒素源とを反応させる。

【0043】

窒素源ガス及びキャリアガスとしては、ＬＴ-半導体層１３の形成に用いたのと同一のものを用いることが好ましい。

【0044】

ＨＴ-半導体層１４を形成する結晶成長条件として、反応室２１内の温度、つまり、結晶成長温度は、ＬＴ-半導体層１３の形成時の結晶成長温度よりも高く、好ましくは９００℃以上、より好ましくは９５０℃以上であり、また、好ましくは１２００℃以下、より好ましくは１１５０℃以下である。反応室２１内の圧力は、好ましくは１×１０^４〜２×１０^５Ｐａ、より好ましくは５×１０^４〜１．５×１０^５Ｐａである。反応室２１内の圧力は、ＬＴ-半導体層１３の形成時の圧力条件と同一であることが好ましい。

【0045】

なお、ＨＴ-半導体層１４を形成させた後、その表面を平坦化させるために研磨を行ってもよい。

【0046】

（半導体基板の分離）
実施形態に係る半導体基板の製造方法では、ベース基板１１からＬＴ-半導体層１３及びＨＴ-半導体層１４、又は、ＨＴ-ＧａＮ層１４を分離して、図５に示すように半導体基板１０を作製する。半導体基板１０の厚さは例えば２００〜１０００μｍである。このベース基板１１からの半導体基板１０の分離は、それらの熱膨張係数の相違を利用することにより容易に行うことができる。

【0047】

なお、ベース基板１１上にＬＴ-半導体層１３及びＨＴ-半導体層１４が形成されたものをそのまま半導体基板とすることもできる。

【0048】

半導体基板１０は、例えば、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子、太陽電池、電子デバイス等の半導体装置の製造に用いられる。例えば、図６に示すような半導体発光素子Ｌを製造する場合、半導体基板１０上に、ＭＯＶＰＥ法等でｎ型半導体層１５、多重量子井戸層１６、及びｐ型半導体層１７を順に形成した後、部分的に反応性イオンエッチング等でｎ型半導体層１５を露出させ、スパッタリング法等でｎ型半導体層１５上にｎ型電極１８及びｐ型半導体層１７上にｐ型電極１９をそれぞれ形成すればよい。

【0049】

以上に説明した実施形態に係る半導体基板の製造方法によれば、ベース基板１１の表面を被覆する薄膜１２に形成された多数の開口１２ａから露出したベース基板１１の表面から相対的に低温で半導体を堆積させて薄膜１２上にＬＴ-半導体層１３を形成した後、ＬＴ-半導体層１３から相対的に高温で半導体を結晶成長させてＬＴ-半導体層１３上にＨＴ-半導体層１４を形成することにより、ベース基板１１上に結晶品質が良好なＨＴ-半導体層１４を得ることができる。従って、これにより、結晶品質が良好で、大口径で、且つ低コストの半導体基板を製造することができる。

【0050】

また、本来ＨＶＰＥ法は、厚膜を堆積させるのに長けた方法であり、薄膜の堆積には適しない。ＭＯＶＰＥ法で低温においてＧａＮの薄膜を成膜する場合、その膜厚は３０ｎｍが最適といわれているが、ＨＶＰＥ法でその膜厚を制御することは難しく、更にその上に条件を合わせてＨＶＰＥ法で高温において厚膜のＧａＮ膜を最適化して成膜することには困難を伴う。しかしながら、実施形態に係る半導体基板の製造方法によれば、ＨＶＰＥ法で薄膜１２上に形成されたＬＴ-半導体層１３は、三次元の核形成を促すこととなり、ＨＶＰＥ法でＨＴ-半導体層１４が好適に結晶成長するバッファ層として機能する。つまり、ＨＶＰＥ法で薄膜１２上にＬＴ-半導体層１３を形成することにより、ベース基板上に直接的に半導体を結晶成長させる場合における堆積条件の最適化と同様の効果を得ることができる。従って、実施形態に係る半導体基板の製造方法は、ＨＶＰＥ法でのＬＴ-半導体層１３及びＨＴ-半導体層１４の形成に特に有効である。

【実施例】

【0051】

（ＧａＮ基板の作製）
＜実施例＞
表面が主面のｃ面であるサファイア基板を準備した。

【0052】

このサファイア基板をＰＥＣＶＤ装置にセットし、プラズマＣＶＤ法で、その表面をシリコン窒化膜の薄膜で被覆した。シリコン窒化膜の成膜条件は、成膜時間を２秒、ＲＦ電力を１００Ｗ、ＳｉＨ_４ガスを２０％及びＮ_２ガスを８０％含有する混合ガスの流量を１３ｓｃｃｍ（ＳｉＨ_４ガスの流量２．６ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガスの流量を８９０ｓｃｃｍ、Ｈ_２ガスの流量を３８０ｓｃｃｍ、アッパーヒーターの温度を１５０℃、及びダウンヒーターの温度を３００℃とした。成膜されたシリコン窒化膜の薄膜は、厚さが０．１〜１０ｎｍであり、口径が概ね１０〜１００ｎｍのナノサイズの多数の開口が形成されたものであった。

【0053】

次に、このサファイア基板をＨＶＰＥ装置に移し、ＨＶＰＥ法で、シリコン窒化膜の薄膜上にＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層を形成した。具体的には、図７に示すタイミングに従って各処理を行った。

【0054】

まず、サファイア基板をＨＶＰＥ装置にセットした後、反応室内にキャリアガスとしてのＮ_２ガスを２０ｓｌｍ及びＮＨ_３ガスを８ｓｌｍの流量でそれぞれ供給しながら７０分間をかけて反応室内の温度を１０００℃まで昇温し、その状態を５分間保持してシリコン窒化膜の薄膜で表面を被覆したサファイア基板のサーマルクリーニングを行った。

【0055】

続いて、６０分間をかけて反応室内の温度を６００℃まで下げ、ＧａＣｌガスの供給を開始し、その状態を１０秒間保持してシリコン窒化膜の薄膜上にＧａＮを堆積させてＬＴ-ＧａＮ層を形成した。このとき、ＮＨ_３ガスの流量を８ｓｌｍ及びＧａＣｌガスの流量を０．８ｓｌｍとした（Ｖ／III＝１０）。ＬＴ-ＧａＮ層の厚さは３０ｎｍであった。

【0056】

次いで、反応室内へのＧａＣｌガスの供給を停止し、６０分間をかけて反応室内の温度を１０４０℃まで昇温し、再び反応室内へのＮＨ_３ガス及びＧａＣｌガスの供給を開始し、その状態を１５分間保持してＬＴ-ＧａＮ層上にＧａＮを結晶成長させてＨＴ-ＧａＮ層を形成した。このとき、反応室内にＮＨ_３ガスを８ｓｌｍの流量で供給すると共に、ＧａＣｌガスを０．８ｓｌｍの流量で供給した（Ｖ／III＝１０）。ＨＴ-ＧａＮ層の厚さは３０μｍであった。

【0057】

そして、反応室内へのＧａＣｌガスの供給を停止し、反応室内の温度を室温まで下げた後、反応室内へのアンモニア、キャリアガスの供給を停止し、ＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層が形成されたサファイア基板を取り出した。

【0058】

＜比較例＞
表面が主面のｃ面であるサファイア基板を用い、その表面上にＨＶＰＥ法でＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層を形成した。

【0059】

＜参考例＞
表面が主面のｃ面であるサファイア基板を用い、その表面上に良好な結晶品質を得ることができるＭＯＶＰＥ法でＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層を形成した。

【0060】

（評価方法及びその結果）
＜表面観察＞
図８Ａ及びＢは、実施例及び比較例のＨＴ-ＧａＮ層の表面をデジタルカメラで撮影した写真を示す。図９Ａ及びＢは、実施例及び比較例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の顕微鏡観察写真のノマルスキー像を示す。

【0061】

これらによれば、表面をシリコン窒化膜の薄膜で被覆したサファイア基板を用いてＨＶＰＥ法でＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層を形成した実施例では、ＧａＮが平坦に結晶成長し、表面が鏡面であるのに対し、サファイア基板の表面に直接的にＨＶＰＥ法でＬＴ-ＧａＮ層及びＨＴ-ＧａＮ層を形成した比較例では、ＧａＮが三次元的に結晶成長し、表面が劣悪な凹凸面であることが分かる。

【0062】

図１０Ａ及びＢは、実施例及び参考例のＨＴ-ＧａＮ層の表面の走査型電子顕微鏡による観察写真を示す。図１１Ａ及びＢは、実施例及び参考例のＨＴ-ＧａＮ層の表面のＣＬ像を示す。

【0063】

これらによれば、実施例は参考例と同等レベルの良好な結晶品質のＨＴ-ＧａＮ層を有することが分かる。なお、実施例の暗点密度は３．６×１０^８ｃｍ^−２であり、参考例の暗点密度は３．６×１０^８ｃｍ^−２であった。

【0064】

＜ＸＲＣ−ＦＷＨＭ＞
実施例、比較例、及び参考例のそれぞれについて、対称面（００２）のＸＲＣ−ＦＷＨＭを求めた。なお、実施例及び参考例のそれぞれについて、非対称面（１０２）のＸＲＣ−ＦＷＨＭを求めた。表１はその結果を示す。

【0065】

【表1】

【0066】

これによれば、実施例のＨＴ-ＧａＮ層の結晶品質は、参考例よりも若干劣ってはいるものの、比較例よりも著しく優れることが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本発明は半導体基板の製造方法の技術分野について有用である。

【符号の説明】

【0068】

Ｌ 半導体発光素子
１０ 半導体基板
１１ ベース基板
１２ 薄膜
１２ａ 開口
１３ ＬＴ-半導体層
１４ ＨＴ-半導体層
１５ ｎ型半導体層
１６ 多重量子井戸層
１７ ｐ型半導体層
１８ ｎ型電極
１９ ｐ型電極
２０ ＨＶＰＥ装置
２１ 反応室
２１ａ ヒータ
２２ ガス供給系
２３ ＧａＣｌガス供給部
２３ａ リザーバ
２３ｂ ＨＣｌガス供給管
２３ｃ ＧａＣｌガス供給管
２４ 窒素源ガス供給部
２５ キャリアガス供給部
２６ 基板支持部
２７ ガス排出部

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】