特許 6894825 ＩＩＩ族窒化物半導体基板、及び、ＩＩＩ族窒化物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】6894825

(24)【登録日】2021年6月8日

(45)【発行日】2021年6月30日

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体基板、及び、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20210621BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20210621BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20210621BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20210621BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/38 D

   C30B25/18

   C23C16/34

   H01L21/205

【請求項の数】6

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2017-208241(P2017-208241)

(22)【出願日】2017年10月27日

(65)【公開番号】特開2019-77601(P2019-77601A)

(43)【公開日】2019年5月23日

【審査請求日】2020年9月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000165974

【氏名又は名称】古河機械金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110928

【弁理士】

【氏名又は名称】速水 進治

(72)【発明者】

【氏名】後藤 裕輝

(72)【発明者】

【氏名】布田 将一

【審査官】 長谷川 真一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／００４７２２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０２３８４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０４２５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４６３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０１２７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２８３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１２５８９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００６／０８７９５８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５、２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５、２１／４６９

Ｈ０１Ｌ ２１／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板と、
前記サファイア基板上に位置し、主面が半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の面であるIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板。

【請求項2】

請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を前記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板。

【請求項3】

請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｍ軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値、及び、
前記III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を前記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｃ軸を前記主面に投影した投影軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値、
における最大値と最小値の差が５０ａｒｃｓｅｃ．以内であるIII族窒化物半導体基板。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板の上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を成長させてＨＶＰＥ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記ＨＶＰＥ層からIII族窒化物半導体基板を切り出すIII族窒化物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、III族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

関連する技術が特許文献１と特許文献２に開示されている。特許文献１と特許文献２に開示されているように、III族窒化物半導体結晶のｃ面上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成した場合、ピエゾ電界に起因して内部量子効率が低下する。そこで、いわゆる半極性面（極性面及び無極性面と異なる面）上にデバイスを形成する試みがなされている。

【0003】

また、関連する技術が特許文献３と特許文献４に開示されている。特許文献３と特許文献４に開示されているように、バルク状III族窒化物半導体結晶から半極性面を主面として有する結晶片を切り出して、その結晶片を接合して作製した、半極性面を主面としたIII族窒化物半導体結晶を製造する試みがなされている。

【0004】

また、関連する技術が特許文献５に開示されている。特許文献５に開示されているように、ｃ面からｍ軸方向に傾斜した半極性面である（２０−２１）面及び（２０−２−１）面を主面としたＧａＮ系半導体光素子を製造する試みがなされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１６０７５５号公報

【特許文献2】特開２０１６−１２７１７号公報

【特許文献3】特開２０１０−１３２９８号公報

【特許文献4】特開２０１３−８２６２８号公報

【特許文献5】特開２０１２−１５５５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させるための技術を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に位置し、主面が半極性面であるIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。

【図2】本実施形態のIII族窒化物半導体基板との相違を示す実施例である。

【図3】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図4】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の一例を示す側面模式図である。

【図5】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の一例を示す側面模式図である。

【図6】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。

【図7】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。

【図8】本実施形態のIII族窒化物半導体基板との相違を示す図である。

【図9】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。

【図10】比較例の測定結果を示す図である。

【図11】実施例の測定結果を示す図である。

【図12】ＸＲＣの測定点を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明のIII族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。

【0011】

まず、本実施形態の概要について説明する。特徴的な複数の工程を含む本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法によれば、サファイア基板上に、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させることができる。結果、露出面がＮ極性側の半極性面となったIII族窒化物半導体層がサファイア基板上に位置するIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板）が得られる。また、当該テンプレート基板から、又は、当該テンプレート基板の上にIII族窒化物半導体を厚膜成長した積層体からサファイア基板を剥離することで、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させることで得られたIII族窒化物半導体層からなるIII族窒化物半導体基板（自立基板）が得られる。

【0012】

なお、本実施形態では、「半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える面」を、「Ｇａ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。また、「半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の面」を、「Ｎ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。

【0013】

また、特徴的な本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の中の一部を調整することで、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅が５００ａｒｃｓｅｃ以下となるIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板）が得られる。

【0014】

さらに、特徴的な本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の中の一部を調整することで、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅が５００ａｒｃｓｅｃ以下となるIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板）が得られる。

【0015】

このようなIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板、自立基板）上にデバイスを形成することで、内部量子効率の向上が実現される。以下、詳細に説明する。

【0016】

まず、III族窒化物半導体基板（テンプレート基板）の製造方法を説明する。図３は、III族窒化物半導体基板（テンプレート基板）の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図示するように、III族窒化物半導体基板（テンプレート基板）の製造方法は、基板準備工程Ｓ１０と、熱処理工程Ｓ２０と、先流し工程Ｓ３０と、バッファ層形成工程Ｓ４０と、成長工程Ｓ５０とを有する。

【0017】

基板準備工程Ｓ１０では、サファイア基板を準備する。サファイア基板の直径は、例えば、１インチ以上である。また、サファイア基板の厚さは、例えば、２５０μｍ以上である。

【0018】

サファイア基板の主面の面方位は、その上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つである。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。基板準備工程Ｓ１０では、主面が所望の面方位であるサファイア基板を準備する。

【0019】

サファイア基板の主面は、例えば｛１０−１０｝面、又は、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面である。

【0020】

｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、例えば、｛１０−１０｝面を任意の方向に０°より大０．５°以下の中の何れかの角度で傾斜した面であってもよい。

【0021】

また、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°未満の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。または、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。例えば、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．５°以上１．５°以下、１．５°以上２．５°以下、４．５°以上５．５°以下、６．５°以上７．５°以下、９．５°以上１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。

【0022】

熱処理工程Ｓ２０は、基板準備工程Ｓ１０の後に行われる。熱処理工程Ｓ２０では、サファイア基板に対して、以下の条件で熱処理を行う。

【0023】

温度：８００℃以上１２００℃以下、好ましくは８００℃以上９３０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上７６０ｔｏｒｒ以下
熱処理時間：５分以上２０分以下
キャリアガス：Ｈ_２、又は、Ｈ_２とＮ_２（Ｈ_２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただし、成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）

【0024】

なお、サファイア基板に対する熱処理は、窒化処理を行いながら行う場合と、窒化処理を行わずに行う場合とがある。窒化処理を行いながら熱処理を行う場合、熱処理時に０．５ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下のＮＨ_３がサファイア基板上に供給される（ただし成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）。また、窒化処理を行わずに熱処理を行う場合、熱処理時にＮＨ_３が供給されない。

【0025】

熱処理時の窒化処理の有無は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。

【0026】

熱処理時の温度８００℃以上１２００℃以下は、上述した主面がＮ極性側の半極性面となったIII族窒化物半導体層を有する本実施形態のテンプレート基板や自立基板を製造するための温度条件である。そして、熱処理時の温度８００℃以上９３０℃は、上述した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅が５００ａｒｃｓｅｃ以下となる本実施形態のテンプレート基板を製造するための温度条件である。

【0027】

先流し工程Ｓ３０は、熱処理工程Ｓ２０の後に行われる。先流し工程Ｓ３０では、サファイア基板の主面上に以下の条件で金属含有ガスを供給する。先流し工程Ｓ３０は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内で行われてもよい。

【0028】

温度：５００℃以上１０００℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下、１秒
以上６０秒以下
キャリアガス：Ｈ_２、又は、Ｈ_２とＮ_２（Ｈ_２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）

【0029】

上記条件は、金属含有ガスとして有機金属原料であるトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムを供給する場合のものである。当該工程では、トリメチルアルミニウムトリエチルアルミニウムに代えて他の金属を含有する金属含有ガスを供給し、アルミニウム膜に代えて、チタン膜、バナジウム膜や銅膜等の他の金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。また、有機金属原料から生成するメタン、エチレン、エタン等の炭化水素化合物との反応膜である炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化バナジウムや炭化銅等の他の炭化金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。

【0030】

先流し工程Ｓ３０により、サファイア基板の主面上に金属膜及び炭化金属膜が形成される。当該金属膜の存在が、その上に成長させる結晶の極性を反転させるための条件となる。すなわち、先流し工程Ｓ３０の実施は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。

【0031】

バッファ層形成工程Ｓ４０は、先流し工程Ｓ３０の後に行われる。バッファ層形成工程Ｓ４０では、サファイア基板の主面上にバッファ層を形成する。バッファ層の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

【0032】

バッファ層は、例えば、ＡｌＮ層である。例えば、以下の条件でＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させ、バッファ層を形成してもよい。

【0033】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上９５０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下
ＮＨ_３供給量：０．５ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ_２、又は、Ｈ_２とＮ_２（Ｈ_２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）

【0034】

バッファ層形成工程Ｓ４０の成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。

【0035】

また、バッファ層形成工程Ｓ４０における成長条件（比較的低めの所定の成長温度、具体的には８００〜９５０℃、および比較的低い圧力）は、Ｎ極性側を維持しながらＡｌＮを成長させるための条件となる。すなわち、バッファ層形成工程Ｓ４０における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。

【0036】

成長工程Ｓ５０は、バッファ層形成工程Ｓ４０の後に行われる。成長工程Ｓ５０では、バッファ層の上に、以下の成長条件でIII族窒化物半導体結晶（例：ＧａＮ結晶）をエピタキシャル成長させ、成長面が所定の面方位（Ｎ極性側の半極性面）となっているIII族窒化物半導体層を形成する。III族窒化物半導体層３０の厚さは、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下である。

【0037】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上１０２５℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
ＴＭＧａ供給量：２５ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：１ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ_２、又は、Ｈ_２とＮ_２（Ｈ_２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
成長速度：１０μｍ／ｈ以上

【0038】

成長工程Ｓ５０における成長条件（比較的低い成長温度、比較的低い圧力、比較的速い成長速度）は、Ｎ極性側を維持しながらＧａＮを成長させるための条件となる。すなわち、成長工程Ｓ５０における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。

【0039】

以上の条件で製造することで、図４に示すような、サファイア基板２１と、バッファ層２２と、III族窒化物半導体層２３とがこの順に積層し、III族窒化物半導体層２３の成長面２４の面方位がＮ極性側の半極性面となっているIII族窒化物半導体基板２０を製造することができる。また、製造条件を上記条件の範囲で調整することで、成長面２４の面方位を所望の半極性面とすることができる。

【0040】

次に、III族窒化物半導体基板（自立基板）の製造方法を説明する。

【0041】

例えば、図３に示すフローで図４に示すような積層体（テンプレート基板）を製造した後、当該積層体からサファイア基板２１及びバッファ層２２を除去する（剥離工程）ことで、図５に示すようなIII族窒化物半導体層２３からなるIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）を製造することができる。サファイア基板２１及びバッファ層２２を除去する手段は特段制限されない。例えば、サファイア基板２１とIII族窒化物半導体層２３との間の線膨張係数差に起因する応力を利用して、これらを分離してもよい。そして、バッファ層２２を研磨やエッチング等で除去してもよい。

【0042】

その他の除去例として、サファイア基板２１とバッファ層２２との間に剥離層を形成してもよい。例えば、炭化物（炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル）が分散した炭素層、及び、炭化物（炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル）の層の積層体をサファイア基板２１上に形成した後に、窒化処理を行った層を剥離層として形成してもよい。

【0043】

このような剥離層の上にバッファ層２２及びIII族窒化物半導体層２３を形成した後、当該積層体を、III族窒化物半導体層２３を形成する際の加熱温度よりも高い温度で加熱すると、剥離層の部分を境界にして、サファイア基板２１側の部分と、III族窒化物半導体層２３側の部分とに分離することができる。III族窒化物半導体層２３側の部分から、バッファ層２２等を研磨やエッチング等で除去することで、図５に示すようなIII族窒化物半導体層２３からなるIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）を得ることができる。

【0044】

自立基板のその他の製造方法の例として、図３に示すフローで図４に示すような積層体（テンプレート基板）を製造した後、当該テンプレート基板の上に（III族窒化物半導体層２３の上に）、例えばＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を厚膜成長させてＨＶＰＥ層を形成してもよい。結果、テンプレート基板の上に（III族窒化物半導体層２３の上に）、露出面がＮ極性側の半極性面となったIII族窒化物半導体のＨＶＰＥ層が得られる。ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる成長条件は特段制限されず、従来技術に準じたものを採用すれば、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を厚膜成長させることができる。そして、ＨＶＰＥ層からスライスなどして、III族窒化物半導体基板１０（自立基板）を得てもよい。

【0045】

次に、上記製造方法で得られたIII族窒化物半導体基板２０（テンプレート基板）及びIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）の構成及び特徴を説明する。

【0046】

図４に示すように、III族窒化物半導体基板２０（テンプレート基板）は、サファイア基板２１と、サファイア基板２１の上に形成されたバッファ層２２と、バッファ層２２の上に形成されたIII族窒化物半導体層２３とを有する。III族窒化物半導体層２３の主面（成長面２４）は、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の面である。

【0047】

III族窒化物半導体層２３の膜厚は、１μｍ以上２０μｍ以下である。そして、III族窒化物半導体層２３の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。

【0048】

また、III族窒化物半導体層２３の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。

【0049】

以下の実施例で示すが、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど結晶性が悪化する。結果、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は大きくなる。このため、成長面が半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える面の場合、結晶性が良好で、かつ、厚膜なIII族窒化物半導体層を製造することが困難である。

【0050】

一方、以下の実施例で示すが、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなっても結晶性がほとんど変化しない。半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長する本実施形態の場合、結晶性が上述のように良好で、かつ、上述のように厚膜（例えば１００μｍ以上）なIII族窒化物半導体層を製造することができる。

【0051】

図５に示すように、III族窒化物半導体基板１０（自立基板）は、III族窒化物半導体結晶で構成されたIII族窒化物半導体層２３からなる。III族窒化物半導体基板１０（自立基板）の膜厚は１００μｍ以上である。

【0052】

自立基板は、III族窒化物半導体結晶で構成され、表裏の関係にある露出した第１の主面１１及び第２の主面１２はいずれも半極性面である。第１の主面１１及び第２の主面１２各々に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。また、第１の主面１１及び第２の主面１２各々に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下である。

【0053】

なお、サファイア基板上に、成長面が半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超えるIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した後、III族窒化物半導体層からサファイア基板を除去すると、外観は、図５に示す本実施形態のIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）と同じになる。しかし、このような基板と、本実施形態のIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）とは、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する際の成長面が「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える」か「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満」かにおいて、相違する。

【0054】

当該違いは、膜厚と、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差との関係をみることで確認できる。

【0055】

上述の通り、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど結晶性が悪化し、ＸＲＣの半値幅は大きくなる。すなわち、膜厚が大きくなるほど、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差は大きくなる。

【0056】

一方、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなっても結晶性がほとんど変化しない。すなわち、膜厚が大きくなっても、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差は所定レベル以下となる。

【0057】

以上より、膜厚が所定範囲である際の表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差を確認することで、そのIII族窒化物半導体基板が「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える」成長面上にエピタキシャル成長してできたものか、それとも、「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満」の成長面上にエピタキシャル成長してできたものかを確認することができる。

【0058】

具体的には、「膜厚が３００μｍ以上である場合、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差が１００ａｒｃｓｅｃ以下」を満たす場合、「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満」の成長面上にエピタキシャル成長してできたIII族窒化物半導体基板であるといえる。そして、「膜厚が３００μｍ以上である場合、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差が１００ａｒｃｓｅｃより大」を満たす場合、「半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える」成長面上にエピタキシャル成長してできたIII族窒化物半導体基板であるといえる。

【0059】

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

【0060】

本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法によれば、サファイア基板上に、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させることができる。結果、図４に示すように、露出面（成長面２４）がＮ極性側の半極性面となったIII族窒化物半導体層２３がサファイア基板２１上に位置するIII族窒化物半導体基板２０（テンプレート基板）が得られる。また、図５に示すように、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させることで得られたIII族窒化物半導体層２３からなるIII族窒化物半導体基板１０（自立基板）が得られる。

【0061】

このようなIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板、自立基板）上にデバイスを形成することで、内部量子効率の向上が実現される。

【0062】

また、本実施形態のIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板、自立基板）を用いれば、面方位がＮ極性側の半極性面である主面上にデバイスを形成することができる。かかる場合、半極性面の効果によるピエゾ分極の低減だけでなく、自発分極の低減も実現される。このため、内部電界によっておこるシュタルク効果が抑制できる。

【0063】

また、本発明者らは、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、表面状態が平坦になりやすいことを確認している。Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、ピットや、ｍ面成分由来のファセットが発生しやすい。このような点においても、本実施形態のIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板、自立基板）は優れる。

【0064】

また、本発明者らは、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、不純物の取り込みが小さいことを確認している。具体的には、同じ装置及び同じ成長条件で成長させた２種類の極性面（Ｎ極性側の半極性面及びＧａ極性側の半極性面）のＨａＬＬ測定を行ったところ、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、キャリア濃度が１ケタ小さいことを確認した。これは、Ｏの取り込みが低減できたためと推測される。このような点においても、本実施形態のIII族窒化物半導体基板（テンプレート基板、自立基板）は優れる。

【0065】

また、本実施形態によれば、サファイア基板上に形成され、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の露出した主面を有するIII族窒化物半導体層と、下地基板としてサファイア基板を有するIII族窒化物半導体基板が提供される。また、上記III族窒化物半導体基板上に結晶成長を行うことにより、表裏の関係にある露出した第１及び第２の主面はいずれも半極性面であるIII族窒化物半導体自立基板が提供される。

【0066】

本実施形態により提供されるIII族窒化物半導体自立基板の表裏の関係にある露出した第１及び第２の主面は、例えば、一方が、ｃ面からａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面であり、もう一方は、−ｃ面から−ａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面である。また、下地基板としてサファイア基板を有するIII族窒化物半導体基板の主面は、例えば−ｃ面からａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面である。

【0067】

特に主面上に発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）を形成した場合、ｃ面からａ面方向へ３９．１°傾いた面（（１１−２４）面）は、Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000) pp. 413-416にて報告されている図１に示すように、ピエゾ電界が０となる為、無極性面のｍ面及び、ａ面と同等のシュタルク効果による内部量子効率の低下の抑制効果によって消費電力の低減、発光効率の向上が得られる。また、−ｃ面から−ａ面方向へ３９．１°傾いた主面（（−１−１２−４）面）は、半極性面の効果によるピエゾ分極の低減だけでなく、窒素原子からガリウム原子の向きに発生している自発分極の低減も実現される。このため、発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）の活性層に生じる内部電界によっておこるシュタルク効果を更に抑制できるので、更なる発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）の性能向上が得られる。

【0068】

特許文献１と特許文献２で提供されるIII族窒化物半導体層は共に半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える主面を有しており、本実施形態により提供される半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の主面を有するIII族窒化物半導体層及びサファイア基板を有するIII族窒化物半導体基板と比較して、デバイスの内部量子効率は低い。

【0069】

本実施形態により提供される、下地基板としてサファイア基板を有するIII族窒化物半導体基板を用いれば、サファイア基板を周知技術、慣用技術を含む何らかの方法で除去すれば、用いたサファイア基板の大きさと同等の大口径かつ、基板面内の結晶性、表面平坦性、不純物濃度、面方位の軸ブレが均一かつ、緻密な製造技術を必要としないIII族窒化物半導体自立基板の製造が可能となる。ここでいう周知技術、慣用技術とは、例えば、化学的エッチングや機械研磨、熱応力を利用した結晶剥離などである。

【0070】

特許文献３と特許文献４の方法で提供されるIII族窒化物半導体自立基板は、ｃ面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板から任意の面方位に切出した結晶片を接合して作製した、半極性面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板である。これを実現するためには、バルク結晶から結晶片を大量に切出す工程や、結晶片を高同じ結晶軸方向に高い精度で揃えた上で接合する工程が必要となる為、高い歩留りを実現するための緻密な技術が必要となる。また、結晶片を接合して基板の口径を大きくする為、接合部に原子位置のずれが生じ、当該部では高密度の転位が発生する。このため、基板の結晶性の低下と転位密度の面内分布むらが発生してしまう。また、接合面がｃ面、ｍ面、及び、ｍ面からｃ面方向へ傾斜した面である場合には｛１１−２２｝面や｛１０−１１｝面などのファセット面が出現し、図２に示すように大きな窪みや結晶成長異常が発生してしまうため、表面平坦性の顕著な悪化と接合強度不足が生じ、基板のハンドリングに困難が生じる。

【0071】

また、図２に示すような大きな窪みや結晶成長異常に起因する表面平坦性の顕著な悪化と接合強度不足による基板のハンドリングの困難を解決する為、特許文献３と特許文献４の方法を用いて、接合面をａ面及びａ面からの傾斜面のみにする事が容易に考えられるが、この場合も、接合面での原子位置のずれによる転位発生と、これに伴う転位密度の面内分布むらは解決できない。また、ａ面またはａ面を傾斜させた面で結晶の接合を行うことから、本実施形態により提供される、a面の傾斜面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板の製造はできない。

【0072】

本実施形態により提供されるIII族窒化物半導体自立基板の第１および第２の主面はいずれも例えばa面の傾斜面である為、側面に劈開面（ｍ面）を有している。劈開面を有した基板を提供することにより、半導体レーザー（ＬＤ）において光共振に必要不可欠な、原子が規則的きれいに並んだ、平坦性に優れた反射鏡面を容易に得る事が可能となる。

【0073】

特許文献５で提供される（２０−２１）面及び（２０−２−１）面を主面としたＧａＮ系半導体レーザー素子は、主面がｍ面の傾斜面である為に、側面に劈開面を有していない。したがって、光共振が得られる平坦性の高い反射鏡面を得る事が出来ない。よって、製品の製造にあたり側面を平坦化するための高度かつ緻密な技術が必要となり、製造工程が煩雑化している。また、平坦性が劣る反射鏡面を用いる為、劈開面を利用しミラー構造を作製したＧａＮ系半導体光レーザー素子に比べ、性能がおとる。

【実施例】

【0074】

＜第１の評価＞
第１の評価では、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすことで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位をＮ極性側の半極性面にできることを確認した。また、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の少なくとも１つを満たさなかった場合、III族窒化物半導体層の成長面の面方位がＧａ極性側の半極性面になることを確認した。

【0075】

まず、主面の面方位がｍ面（（１０−１０）面）からａ面と平行になる方向に２°傾斜した面であるサファイア基板を用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。

【0076】

そして、用意したサファイア基板に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ２０を実施した。

【0077】

温度：１０００〜１０５０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
熱処理時間：１０分または１５分
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0078】

なお、熱処理工程Ｓ２０の際に、２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、窒化処理を行った。

【0079】

その後、以下の条件で先流し工程Ｓ３０を行った。
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0080】

その後、以下の条件でバッファ層形成工程Ｓ４０を行い、ＡｌＮ層を形成した。

【0081】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量：９０ｓｃｃｍ
ＮＨ_３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0082】

その後、以下の条件で成長工程Ｓ５０を行い、III族窒化物半導体層を形成した。

【0083】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ_３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
成長速度：１０μｍ／ｈ以上

【0084】

なお、第１のサンプルの成長温度は９００℃±２５℃に制御し、第２のサンプルの成長温度は１０５０℃±２５℃に制御した。すなわち、第１のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすサンプルである。第２のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の一部（成長工程Ｓ５０における成長温度）を満たさないサンプルである。

【0085】

第１のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（−１−１２−４）面から−a面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。一方、第２のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（１１−２４）面からa面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。すなわち、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」を満たすか否かにより、成長面の面方位がＧａ極性となるかＮ極性となるかを調整できることが分かる。

【0086】

図６に第１のサンプルにおける、（−１−１２−４）面、又は、（１１−２４）面のＸＲＤ極点測定結果を示す。回折ピークは極点の中心点から数度ずれた位置であることが確認できる。角度のずれを詳細に測定すると−a面方向５．０°かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°又は、ａ面方向５．０°かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°の位置であることが確認できる。

【0087】

図７に第１のサンプルにおける、図４に示す露出面（成長面２４）がＮ極性であることを確認した結果を示す。また、比較として図８に＋ｃ面の厚膜成長ＧａＮ自立基板から第１のサンプルと同等の面方位になるようにスライスを行って作製したIII族窒化物半導体自立基板の結果を示す。第１のサンプル及び、＋ｃ面 ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板ともに、両面（基板の表と裏）に１．５μｍダイヤ研磨を施し、りん酸硫酸混合液を１５０℃に保ち３０分間のエッチングを行った。

【0088】

図７及び図８より、第１のサンプルの露出面（成長面２４）と＋ｃ面ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板の裏面（Ｎ極性面）のエッチング表面状態が同等であることが確認できる。また、第１のサンプルの剥離面と＋ｃ面ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板の表面（Ｇａ極性面）のエッチング表面状態が同等であることが確認できるので、図４に示す露出面（成長面２４）がＮ極性であることが確認できる。

【0089】

なお、本発明者らは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中のその他の一部を満たさない場合、また、全部を満たさない場合においても、成長面の面方位がＧａ極性となることを確認している。

【0090】

＜第２の評価＞
第２の評価では、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整できることを確認した。

【0091】

まず、主面の面方位が様々なサファイア基板を複数用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。

【0092】

そして、用意したサファイア基板各々に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ２０を行った。

【0093】

温度：１０００〜１０５０℃
圧力：２００ｔｏｒｒ
熱処理時間：１０分
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0094】

なお、熱処理時の窒化処理の有無を異ならせたサンプルを作成した。具体的には、熱処理時に２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、窒化処理を行うサンプルと、熱処理時にＮＨ_３を供給せず、窒化処理を行わないサンプルの両方を作成した。

【0095】

その後、以下の条件で先流し工程Ｓ３０を行った。
温度：８８０〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0096】

なお、先流し工程Ｓ３０を行うサンプルと、行わないサンプルの両方を作成した。

【0097】

その後、サファイア基板の主面（露出面）上に、以下の条件で、約１５０ｎｍの厚さのバッファ層（ＡｌＮバッファ層）を形成した。

【0098】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：５１８４
ＴＭＡｌ供給量：９０ｃｃｍ
ＮＨ_３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0099】

なお、成長温度は、サンプルごとに、７００℃以上１１１０℃以下の範囲で異ならせた。

【0100】

その後、バッファ層の上に、以下の条件で、約１５μｍの厚さのIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）を形成した。

【0101】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００〜１１００℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：３２１
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｃｃｍ（ランプアップ）
ＮＨ_３供給量：５〜１０ｓｌｍ（ランプアップ）
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0102】

以上のようにして、サファイア基板と、バッファ層と、III族窒化物半導体層とがこの順に積層したIII族窒化物半導体基板１を製造した。

【0103】

表１乃至７に、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」と、III族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係を示す。

【0104】

【表1】

【0105】

【表2】

【0106】

【表3】

【0107】

【表4】

【0108】

【表5】

【0109】

【表6】

【0110】

【表7】

【0111】

表中の「サファイア主面」の欄には、サファイア基板の主面の面方位が示されている。「昇温時の窒化処理」の欄には、熱処理工程Ｓ２０の際の昇温時の窒化処理の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「トリメチルアルミニウム先流し工程の有無」の欄には、トリメチルアルミニウム先流し工程の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「ＡｌＮバッファ成長温度」の欄には、バッファ層形成工程における成長温度が示されている。「ＧａＮ成長温度」の欄には、ＧａＮ層形成工程における成長温度が示されている。「III族窒化物半導体層の成長面」の欄には、III族窒化物半導体層の成長面の面方位が示されている。

【0112】

当該結果によれば、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面を半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える面の中で調整できることが分かる。そして、第１の評価の結果と第２の評価の結果とに基づけば、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たしたうえで、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面を、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の中で調整できることが分かる。

【0113】

＜第３の評価＞
本手法により作製したサンプルの結晶性について評価した。試料は３種類を準備した。サンプルＡは、本明細記載の手法により作製したものであり、｛１１−２３｝面を成長面としている。サンプルＢ、Ｃは比較用サンプルであり、サンプルＢは｛１０−１０｝面を成長面とした。また、サンプルＣは｛１１−２２｝面を成長面とした。なお、｛１１−２３｝面は｛−１−１２−４｝面から１０°以内のオフ角を有する面に該当する。

【0114】

図９に、各サンプルに対し、複数のＧａＮ膜厚時にエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸の投影軸に平行に入射し測定した場合の｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ半値幅を示す。 但し、主面が｛１１−２３｝面であるサンプルＣは、消滅則により｛１１−２３｝面のエックス線回折が得られないため、｛１１−２２｝面のＸＲＣ半値幅を測定した。

【0115】

図９より、サンプルＡはＧａＮ層の膜厚が大きくなっても、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ半値幅がほとんど変化しないことが分かる。これに対し、サンプルＢ及びＣは、ＧａＮ層の膜厚が大きくなるにつれて、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ半値幅が大きくなる傾向が読み取れる。

【0116】

＜第４の評価＞
本手法により作製したサンプルの結晶性について評価した。サンプルＤ（実施例）は、本明細記載の手法により作製したものであり、その詳細は以下の通りである。

【0117】

まず、主面の面方位がｍ面（（１０−１０）面）からａ面と平行になる方向に２°傾斜した面であるサファイア基板を用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。

【0118】

そして、用意したサファイア基板に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ２０を実施した。

【0119】

温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
熱処理時間：１０分
キャリアガス供給量：４ｓｌｍ

【0120】

なお、熱処理工程Ｓ２０の際に、２ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、窒化処理を行った。

【0121】

その後、以下の条件で先流し工程Ｓ３０を行った。
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：５０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：４ｓｌｍ

【0122】

その後、以下の条件でバッファ層形成工程Ｓ４０を行い、ＡｌＮ層を形成した。

【0123】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量：５０ｓｃｃｍ
ＮＨ_３供給量：２ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ

【0124】

その後、以下の条件で成長工程Ｓ５０を行い、III族窒化物半導体層を形成した。

【0125】

成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００℃±２５℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ_３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ_２、Ｎ_２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
成長速度：１０μｍ／ｈ以上

【0126】

サンプルＥ（比較例）は、サンプルＤと同様の手法により作製したものであるが、下記の点が異なる。

【0127】

熱処理工程Ｓ２０では、熱処理温度を１０００℃〜１０５０℃とし、キャリアガス流量を１５ｓｌｍとした。また、ＮＨ_３供給量は２０ｓｌｍとした。

【0128】

先流し工程Ｓ３０では、トリメチルアルミニウム供給量を９０ｓｃｃｍとし、キャリアガス流量を１５ｓｌｍとした。

【0129】

バッファ層形成工程Ｓ４０では、トリメチルアルミニウム供給量を９０ｓｃｃｍとし、ＮＨ_３供給量を５ｓｌｍとした。

【0130】

テンプレート基板の試作後、サンプルＤ、サンプルＥのそれぞれについてＸ線極点図を測定した。測定の結果、サンプルＤの主面、サンプルＥの主面のいずれも｛−１−１２−４｝面から１０°以内のオフ角を有する面となっていることを確認した。

【0131】

そして、サンプルＤ及びサンプルＥ各々について、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅を測定した。具体的には以下の手順で測定した（図１２参照）。

【0132】

（１） 試作したテンプレート基板（サンプルＤ及びサンプルＥ各々）の中心部にＸ線を照射し、（０００−２）面回折ＸＲＣを測定する。具体的には、テンプレート基板をＸ線回折装置にセットし、入射Ｘ線に対し、ディテクタとテンプレート基板を（０００−２）面の回折が得られうる理論角度に設定する。その上で、テンプレート基板を鉛直方向に４０°以上５０°以下の角度で傾ける。更に、テンプレート基板を面内方向に回転させて（０００−２）面回折ピークが得られる回転角を探索する。最後に、（０００−２）面回折ピークが最も良好に得られるよう、基板面内回転方向以外の各種角度を調整し、測定を行う。本明細に記載の方法で作製したテンプレート基板を上記の手順で測定した場合、（０００−２）面回折ピークは、Ｘ線をｍ軸に平行に入射した場合にのみ得られる。つまり、この測定は、ｍ軸方向の軸合わせを兼ねる。
（２） ｍ軸入射ＸＲＣの測定を行う。具体的には、（０００−２）面ＸＲＣを測定した部分（テンプレート基板の中心部）で｛１１−２２｝面の軸立（最も良好な回折が得られるよう、基板面内回転方向以外の各種角度を調整する）を行う。その後、中心部と、中心部からｍ軸方向に２０ｍｍ離れた２点との合計３点について、｛１１−２２｝面ＸＲＣの測定を行う。
（３） ｃ投影軸入射ＸＲＣの測定を行う。具体的には、（２）記載の測定終了後、テンプレート基板を面内方向に９０°回転する。これにより、Ｘ線はｃ投影軸（ｃ軸を主面に投影した投影軸）に対して入射する形になる。その後、中心部で｛１１−２２｝面の軸立を行い、中心部と、中心部からｃ投影軸方向に２０ｍｍ離れた２点との合計３点について、｛１１−２２｝面ＸＲＣの測定を行う。

【0133】

サンプルＤの測定結果を図１１に、サンプルＥの測定結果を図１０に示す。（ｍ）に対応付する値は、エックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であり、「ｍ軸入射」に対応する値は測定点３点の平均値である。（ｃ）に対応する値は、エックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であり、「ｃ軸投影軸入射」に対応する値は測定点３点の平均値である。測定点の概略は図示の通りである。

【0134】

図１１より、本実施形態の製造方法で作製されたIII族窒化物半導体基板は、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は５００ａｒｃｓｅｃ以下となることが分かる。また、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅も５００ａｒｃｓｅｃ以下となることが分かる。

【0135】

さらに、「III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｍ軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値」、及び、「III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｃ軸を主面に投影した投影軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値」、における最大値と最小値の差が５０ａｒｃｓｅｃ．以内であることがわかる。すなわち、両者間の異方性が小さいことがわかる。

【0136】

一方、図１０より、本実施形態の製造方法で作製されなかったIII族窒化物半導体基板は、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は５００ａｒｃｓｅｃを超えることが分かる。また、III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を上記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と上記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅も５００ａｒｃｓｅｃを超えることが分かる。

【0137】

ｍ面サファイア基板上に窒化物半導体を結晶成長した場合、その窒化の有無や窒化温度、成膜温度の違いにより窒化物半導体の成長面や結晶性、結晶軸の配向性が異なることが知られている。実施例と比較例はバッファ層の成膜温度が同じであることから、製造条件のうち、最も大きな影響を与えているのは熱処理工程Ｓ２０の温度であると考えられる。

【0138】

実施例の結果から、熱処理工程Ｓ２０の温度を８００℃以上９３０℃以下に調整することにより、｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅が良好となることが分かる。熱処理工程の温度がバッファ層およびIII族窒化物半導体結晶の結晶性および結晶軸の配向性に大きな影響を与えていることが分かる。

【0139】

以下、参考形態の例を付記する。
１． サファイア基板と、
前記サファイア基板上に位置し、主面が半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の面であるIII族窒化物半導体層と、
を有し、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）の半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板。
２． １に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を前記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であるIII族窒化物半導体基板。
３． １または２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の前記主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｍ軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｍ軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値、及び、
前記III族窒化物半導体層の主面に対してエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸を前記主面に投影した投影軸に平行に入射し、エックス線の入射方向と前記主面のなす角度を走査して測定した｛１１−２２｝面に対するＸＲＣの半値幅であって、ｃ軸を前記主面に投影した投影軸方向に２０ｍｍずつ離れた３点での測定値、
における最大値と最小値の差が５０ａｒｃｓｅｃ．以内であるIII族窒化物半導体基板。
４． １から３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記III族窒化物半導体層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であるIII族窒化物半導体基板。
５． １から４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を成長させてＨＶＰＥ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
６． ５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記ＨＶＰＥ層からIII族窒化物半導体基板を切り出すIII族窒化物半導体基板の製造方法。

【符号の説明】

【0140】

１０ III族窒化物半導体基板
１１ 第１の主面
１２ 第２の主面
２０ III族窒化物半導体基板
２１ サファイア基板
２２ バッファ層
２３ III族窒化物半導体層
２４ 成長面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】