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(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】
(24)【登録日】2023-05-24
(45)【発行日】2023-06-01
(54)【発明の名称】半導体基板の製造方法及びそれに用いる下地基板
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20230525BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20230525BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20230525BHJP
C23C 16/04 20060101ALI20230525BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20230525BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/18
C23C16/34
C23C16/04
H01L21/205
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019029358
(22)【出願日】2019-02-21
(65)【公開番号】P2020132482
(43)【公開日】2020-08-31
【審査請求日】2021-09-21
【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）平成２９年度、国立研究開発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委託研究、産業技術力強化法第１７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】弁理士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】山本 一郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－１９３３７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０３０７６３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｃ３０Ｂ ２５／１８
Ｃ２３Ｃ １６／３４
Ｃ２３Ｃ １６／０４
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板本体と、前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で１５μｍ以上８０μｍ以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクとを備え、相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出した下地基板を準備するステップと、前記下地基板における前記複数の短周期マスク間に露出した前記基板本体を起点として半導体を結晶成長させることにより、各々、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に小さい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の小三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップと、
前記下地基板における前記複数の長周期マスク間に、各々、前記複数の小三角ファセット構造のうちの２以上を取り込むとともに、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に大きい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の大三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップと、
を含む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、前記複数の大三角ファセット構造のそれぞれの斜めファセット面から、前記半導体がエピタキシャルラテラル成長して相互に隣接する前記大三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成するステップと、
前記複数の大三角ファセット構造のそれぞれの上に、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように前記半導体が前記大三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で結晶成長した第２厚膜成長層を形成するステップと、
を更に含み、
前記複数の大三角ファセット構造の上の複数の前記第２厚膜成長層が合体することにより前記第１厚膜成長層を埋設す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、前記半導体がＧａＮである半導体基板の製造方法。
【請求項4】
請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、相互に隣接する前記長周期マスク間の間隔が１００μｍ以上３０００μｍ以下である半導体基板の製造方法。
【請求項5】
請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、前記複数の長周期マスクが前記基板本体上に設けられている周期が１００μｍ以上１０００μｍ以下である半導体基板の製造方法。
【請求項6】
請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、前記短周期マスクの幅の前記長周期マスクの幅に対する比が１／１０以上１／２以下である半導体基板の製造方法。
【請求項7】
請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔の相互に隣接する前記長周期マスク間の間隔に対する比が１／１０以上１／２以下である半導体基板の製造方法。
【請求項8】
請求項１に記載された半導体基板の製造方法において、相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔が、前記短周期マスクの幅よりも大きい半導体基板の製造方法。
【請求項9】
請求項８に記載された半導体基板の製造方法において、相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔の前記短周期マスクの幅に対する比が２以上２０以下である半導体基板の製造方法。
【請求項10】
半導体基板を製造するために用いられる下地基板であって、基板本体と、
前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、
前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で１５μｍ以上８０μｍ以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクと、
を備え、
相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出した下地基板。
【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及びそれに用いる下地基板に関する。
【背景技術】
【0002】
高効率の発光デバイスやパワーデバイスを得るためには、転位密度の低い高品質なＧａＮ基板が必要である。例えば、特許文献１及び２には、転位密度の低いＧａＮ基板を製造することを目的として、下地基板上に複数のＧａＮの三角ファセット構造を形成した後、相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成し、複数の三角ファセット構造のそれぞれの上に逆三角形の第２厚膜成長層を形成するとともに、相互に隣接する第２厚膜成長層を合体させて第１厚膜成長層を埋設することが開示されている。また、非特許文献１及び２にも、ＧａＮを低転位化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１８－３０７６３号公報
【文献】特開２０１８－３０７６４号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】Journal of Crystal Growth 350 (2012) 44-49 Huiyuan Geng, Haruo Sunakawa, Norihiko Sumi, Kazutomi Yamamoto, A. Atsushi Yamaguchi, Akira Usui Growth and strain characterization of high quality GaN crystal by HVPE
【文献】Journal of Crystal Growth 305 (2007) 377-383 Kensaku Motoki, Takuji Okahisa, Ryu Hirota, Seiji Nakahata,Koji Uematsu, Naoki Matsumoto Dislocation reduction in GaN crystal by advanced-DEEP
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の課題は、転位が分散した半導体基板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】
【0006】
本発明は、基板本体と、前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で１５μｍ以上８０μｍ以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクとを備え、相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出した下地基板を準備するステップと、前記下地基板における前記複数の短周期マスク間に露出した前記基板本体を起点として半導体を結晶成長させることにより、各々、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に小さい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の小三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップと、前記下地基板における前記複数の長周期マスク間に、各々、前記複数の小三角ファセット構造のうちの２以上を取り込むとともに、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に大きい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の大三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップとを含む半導体基板の製造方法である。
【0007】
本発明は、半導体基板を製造するために用いられる下地基板であって、基板本体と、前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で１５μｍ以上８０μｍ以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクとを備え、相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出している。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、複数の小三角ファセット構造を形成し、各々、その複数の小三角ファセット構造のうちの２以上を取り込んだ複数の大三角ファセット構造を形成することにより、転位が分散した半導体基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】実施形態に係る半導体基板の製造方法で用いる下地基板の斜視図である。
【図1B】実施形態に係る半導体基板の製造方法で用いる下地基板の平面図である。
【図2A】小三角ファセット構造形成ステップにおける下地基板上の結晶成長状態を示す斜視図である。
【図2B】小三角ファセット構造形成ステップにおける下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図3A】大三角ファセット構造形成ステップにおける下地基板上の結晶成長状態を示す斜視図である。
【図3B】大三角ファセット構造形成ステップにおける下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図4A】厚膜成長ステップの前半における下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図4B】厚膜成長ステップの変形例の前半における下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図5A】厚膜成長ステップの後半における下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図5B】厚膜成長ステップの変形例の後半における下地基板上の結晶成長状態を示す断面図である。
【図6】下地基板の変形例の平面図である。
【図7A】実施例１で用いた下地基板の平面図である。
【図7B】実施例２で用いた下地基板の平面図である。
【図7C】実施例３で用いた下地基板の平面図である。
【図8】下地基板上にＧａＮを結晶成長させたときのタイミングチャートである。
【図9】下地基板上に結晶成長させたＧａＮの断面の蛍光顕微鏡像である。
【図10】転位密度の分布を求める方法の説明図である。
【図11】ＧａＮ層の表面のＡ～Ｅ領域での転位密度の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【0011】
実施形態に係る半導体基板の製造方法は、下地基板準備工程と半導体結晶成長工程とを備える。なお、以下では、ＧａＮを半導体とするＧａＮ基板の製造例を示すが、特にこれに限定されるものではなく、半導体がＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＮ等であってもよい。
【0012】
（下地基板準備工程）
下地基板準備工程では、ＧａＮ基板を製造するために用いられる図１Ａ～１Ｃに示すような下地基板１０を準備する。下地基板１０は、基板本体１１と、各々、その上に設けられた長周期マスク１２及び短周期マスク１３とを備える。
下地基板準備工程では、ＧａＮ基板を製造するために用いられる図１Ａ～１Ｃに示すような下地基板１０を準備する。下地基板１０は、基板本体１１と、各々、その上に設けられた長周期マスク１２及び短周期マスク１３とを備える。
【0013】
基板本体１１は、マスク間に露出する本体表面が、後にそこから結晶成長させる同一の半導体のＧａＮで構成されていることが好ましい。したがって、基板本体１１は、ＧａＮ基板、又は、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等の基材表面にＧａＮ膜が設けられたものであることが好ましい。基板表面を構成するＧａＮの主面は、特に限定されるものではないが、ｃ面であることが好ましい。なお、基板本体１１は、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等であってもよい。
【0014】
長周期マスク１２は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）等で形成されている。長周期マスク１２は、基板本体１１上に、複数が一定周期Ｐ１で間隔Ｗ１をおいて一方向に平行にストライプ状に延びるように設けられている。長周期マスク１２は、幅方向が基板本体１１のａ軸方向又はｍ軸方向に一致するように設けられていることが好ましい。
【0015】
長周期マスク１２の幅ｗ１は、好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。長周期マスク１２の幅ｗ１は、長さ方向に一定であることが好ましい。
【0016】
相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１は、好ましくは１００μｍ以上３０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ以上９００μｍ以下、より更に好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１は、長さ方向に一定であることが好ましい。相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１は、長周期マスク１２の幅ｗ１よりも大きいことが好ましい。相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１の長周期マスク１２の幅ｗ１に対する比（Ｗ１／ｗ１）は、好ましくは５以上５０以下、より好ましくは５以上２５以下、更に好ましくは１０以上２５以下である。
【0017】
長周期マスク１２の幅ｗ１及び相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１の和、すなわち、長周期マスク１２の周期Ｐ１は、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。長周期マスク１２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【0018】
短周期マスク１３は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）等で形成されている。短周期マスク１３は、基板本体１１上に長周期マスク１２及び短周期マスク１３を同時形成する観点から、長周期マスク１２と同一材料で形成されていることが好ましい。短周期マスク１３は、基板本体１１上における相互に隣接する長周期マスク１２間に、長周期マスク１２と平行に、複数が一定周期Ｐ２で間隔Ｗ２をおいて一方向に平行にストライプ状に延びるように設けられている。
【0019】
短周期マスク１３は、その幅ｗ２が長周期マスク１２とは構成が異なる。短周期マスク１３の幅ｗ２は、長周期マスク１２の幅ｗ１よりも小さいことが好ましい。短周期マスク１３の幅ｗ２は、好ましくは１μｍ以上１５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以上１０μｍ以下、更に好ましくは３μｍ以上５μｍ以下である。短周期マスク１３の幅ｗ２の長周期マスク１２の幅ｗ１に対する比（ｗ２／ｗ１）は、好ましくは１／１０以上１／２以下である。短周期マスク１３の幅ｗ２は、長さ方向に一定であることが好ましい。
【0020】
相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２は、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以上６０μｍ以下、更に好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２は、相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１よりも短いが、前者の後者に対する比（Ｗ２／Ｗ１）は、好ましくは１／１０以上１／２以下、より好ましくは１／５以上１／２以下である。相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２は、長さ方向に一定であることが好ましい。相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２は、幅方向の両端の短周期マスク１３のそれぞれと、それに隣接した長周期マスク１２との間隔と同一であることが好ましい。つまり、相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１が複数の短周期マスク１３によって等分割されていることが好ましい。
【0021】
相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２は、短周期マスク１３の幅ｗ２よりも大きいことが好ましい。相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２の短周期マスク１３の幅ｗ２に対する比（Ｗ２／ｗ２）は、好ましくは２以上２０以下、より好ましくは５以上１５以下、更に好ましくは８以上１２以下である。相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２の短周期マスク１３の幅ｗ２に対する比（Ｗ２／ｗ２）は、相互に隣接する長周期マスク１２間の間隔Ｗ１の長周期マスク１２の幅ｗ１に対する比（Ｗ１／ｗ１）よりも小さいことが好ましい。
【0022】
短周期マスク１３の幅ｗ２及び相互に隣接する短周期マスク１３間の間隔Ｗ２の和、すなわち、短周期マスク１３の周期Ｐ２は、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以上６０μｍ以下、更に好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。短周期マスク１３の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。短周期マスク１３の厚さは、基板本体１１上に長周期マスク１２及び短周期マスク１３を同時形成する観点から、長周期マスク１２の厚さと同一であることが好ましい。なお、長周期のマスク１２を選択成長させれば、短周期マスク１３の厚さを、長周期のマスク１２の厚さよりも薄くすることも可能である。
【0023】
（半導体結晶成長工程）
半導体結晶成長工程では、気相成長装置を用い、反応室において、気相成長法のＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）により、下地基板１０の長周期マスク１２及び短周期マスク１３を設けた側の表面に原料ガスを接触させることにより半導体のＧａＮを結晶成長させる。原料ガスには、Ｇａ源ガスとしてＧａとＨＣｌガスとから得られるＧａＣｌガスが挙げられ、Ｎ源ガスとしてＮＨ３ガスが挙げられる。また、キャリアガスとして例えばＨ２ガスやＮ２ガスが挙げられる。
半導体結晶成長工程では、気相成長装置を用い、反応室において、気相成長法のＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）により、下地基板１０の長周期マスク１２及び短周期マスク１３を設けた側の表面に原料ガスを接触させることにより半導体のＧａＮを結晶成長させる。原料ガスには、Ｇａ源ガスとしてＧａとＨＣｌガスとから得られるＧａＣｌガスが挙げられ、Ｎ源ガスとしてＮＨ３ガスが挙げられる。また、キャリアガスとして例えばＨ２ガスやＮ２ガスが挙げられる。
【0024】
実施形態に係る半導体基板の製造方法の半導体結晶成長工程は、小三角ファセット構造形成ステップ、大三角ファセット構造形成ステップ、及び厚膜成長ステップを含む。
【0025】
＜小三角ファセット構造形成ステップ＞
小三角ファセット構造形成ステップでは、図２Ａ及びＢに示すように、下地基板１０のマスク間に露出した基板本体１１の本体表面を起点としてＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮは、長周期マスク１２及び短周期マスク１３により結晶成長が規制され、マスク間に露出した基板本体１１の本体表面からエピタキシャル成長する。したがって、マスク間に露出した基板本体１１の本体表面がＧａＮのｃ面であれば、ＧａＮがｃ面成長する。そして、ＧａＮは、各マスク間において、結晶成長するに従って所定方向である長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
小三角ファセット構造形成ステップでは、図２Ａ及びＢに示すように、下地基板１０のマスク間に露出した基板本体１１の本体表面を起点としてＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮは、長周期マスク１２及び短周期マスク１３により結晶成長が規制され、マスク間に露出した基板本体１１の本体表面からエピタキシャル成長する。したがって、マスク間に露出した基板本体１１の本体表面がＧａＮのｃ面であれば、ＧａＮがｃ面成長する。そして、ＧａＮは、各マスク間において、結晶成長するに従って所定方向である長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
【0026】
以上のようにして、下地基板１０上に、各々、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に沿った断面形状が相対的に小さい三角形を構成するようにＧａＮが結晶成長した突条の複数の小三角ファセット構造２１を、それらが長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に並んで配設されるように形成する。ここで、本出願における「三角形」は、３本の線分の辺で構成された三角形の他、３本の辺のうちの少なくとも１本が弓形に外向きに膨出又は内向きに没入した略三角形も含む。
【0027】
小三角ファセット構造形成ステップでのＧａＮの結晶成長条件は、小三角ファセット構造２１の形成に好適なように適宜選択すればよい。
【0028】
＜大三角ファセット構造形成ステップ＞
大三角ファセット構造形成ステップでは、図３Ａ及びＢに示すように、小三角ファセット構造２１上にＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮは、小三角ファセット構造２１の表面からエピタキシャル成長する。そして、ＧａＮは、各長周期マスク１２間において、それらの間に形成された小三角ファセット構造２１を全て取り込み、結晶成長するに従って長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
大三角ファセット構造形成ステップでは、図３Ａ及びＢに示すように、小三角ファセット構造２１上にＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮは、小三角ファセット構造２１の表面からエピタキシャル成長する。そして、ＧａＮは、各長周期マスク１２間において、それらの間に形成された小三角ファセット構造２１を全て取り込み、結晶成長するに従って長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
【0029】
以上のようにして、下地基板１０上に、各々、長周期マスク１２間の小三角ファセット構造２１を全て取り込むとともに、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に沿った断面形状が相対的に大きい三角形を構成するようにＧａＮが結晶成長した突条の複数の大三角ファセット構造２２を、それらが長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に並んで配設されるように形成する。なお、この大三角ファセット構造形成ステップは、小三角ファセット構造形成ステップと同時進行であってもよい。
【0030】
大三角ファセット構造形成ステップでのＧａＮの結晶成長条件は、小三角ファセット構造形成ステップと同一であってもよく、大三角ファセット構造２２の形成に好適なように適宜選択すればよい。
【0031】
＜厚膜成長ステップ＞
厚膜成長ステップでは、大三角ファセット構造２２上にＧａＮを結晶成長させる。このとき、図４Ａに示すように、ＧａＮは、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの斜面の斜めファセット面からエピタキシャルラテラル成長（Epitaxial Lateral Overgrowth：以下「ＥＬＯ成長」という。）して相互に隣接する大三角ファセット構造２２間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２３を形成する（第１厚膜成長ステップ）。それと同時に、ＧａＮは、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの上に、その頂上に連続して、大三角ファセット構造２２の底面、したがって、下地基板１０の表面のマスク間に露出した基板本体１１の本体表面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴って長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側に漸次拡大し、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように第２厚膜成長層２４を形成する（第２厚膜成長ステップ）。そして、これらの第１及び第２厚膜成長層２３，２４に加え、小三角ファセット構造２１及び大三角ファセット構造２２を含み、全体として単一のＧａＮ層２０（半導体層）が構成される。
厚膜成長ステップでは、大三角ファセット構造２２上にＧａＮを結晶成長させる。このとき、図４Ａに示すように、ＧａＮは、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの斜面の斜めファセット面からエピタキシャルラテラル成長（Epitaxial Lateral Overgrowth：以下「ＥＬＯ成長」という。）して相互に隣接する大三角ファセット構造２２間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２３を形成する（第１厚膜成長ステップ）。それと同時に、ＧａＮは、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの上に、その頂上に連続して、大三角ファセット構造２２の底面、したがって、下地基板１０の表面のマスク間に露出した基板本体１１の本体表面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴って長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側に漸次拡大し、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように第２厚膜成長層２４を形成する（第２厚膜成長ステップ）。そして、これらの第１及び第２厚膜成長層２３，２４に加え、小三角ファセット構造２１及び大三角ファセット構造２２を含み、全体として単一のＧａＮ層２０（半導体層）が構成される。
【0032】
また、下地基板１０の構成及びＧａＮの結晶成長条件を適宜選択すれば、図４Ｂに示すように、ＧａＮは、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの斜面の斜めファセット面からＥＬＯ成長して相互に隣接する大三角ファセット構造２２間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２３を形成する（第１厚膜成長ステップ）。しかる後、ＧａＮは、第１厚膜成長層２３の形成とともに、複数の大三角ファセット構造２２のそれぞれの上に、大三角ファセット構造２２の頂上から間隔をおいて、大三角ファセット構造２２の底面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴って長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向の寸法が両側に漸次拡大し、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように第２厚膜成長層２４を形成する（第２厚膜成長ステップ）。そして、これらの第１及び第２厚膜成長層２３，２４に加え、小三角ファセット構造２１及び大三角ファセット構造２２を含んで、全体として単一のＧａＮ層２０（半導体層）が構成される。
【0033】
ここで、本出願における「逆三角形」は、３本の線分の辺で構成された逆三角形の他、３本の辺のうちの少なくとも１本が弓形に外向きに膨出又は内向きに没入した略逆三角形も含む。
【0034】
第１及び第２厚膜成長層２３，２４におけるＧａＮの結晶成長が進むと、図５Ａ（図４Ａに対応）及び５Ｂ（図４Ｂに対応）に示すように、第１厚膜成長層２３による相互に隣接する大三角ファセット構造２２間の凹部の埋め込みが完了し、それに続いて、複数の大三角ファセット構造２２の上の複数の第２厚膜成長層２４が合体することにより第１厚膜成長層２３を埋設し、最終的に、小三角ファセット構造２１及び大三角ファセット構造２２並びに第１及び第２厚膜成長層２３，２４を含むＧａＮ層２０の表面の平坦化が図られる。
【0035】
厚膜成長ステップでのＧａＮの結晶成長条件は、小三角ファセット構造形成ステップ又は大三角ファセット構造形成ステップと同一であってもよく、第１及び第２厚膜成長層２３，２４の形成に好適なように適宜選択すればよい。
【0036】
以上のようにして下地基板１０上に作製したＧａＮ層２０に水平方向に亀裂を入れて下地基板１０から分離することにより半導体基板のＧａＮ基板を得ることができる。この実施形態に係る半導体基板の製造方法によれば、上記の通り、下地基板１０上に、複数の小三角ファセット構造２１を形成し、各々、その複数の小三角ファセット構造２１のうちの２以上を取り込んだ複数の大三角ファセット構造２２を形成することにより、転位が分散したＧａＮ基板を製造することができる。これは、小三角ファセット構造２１からのＥＬＯ成長及び大三角ファセット構造２２からのＥＬＯ成長の２回のＥＬＯ成長により、転位の集中と分散とが２回起こったためであると考えられる。
【0037】
得られたＧａＮ基板は、半導体発光素子（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）、太陽電池、その他の電子デバイス等に用いることができる。このＧａＮ基板は、転位が分散しているので、リーク電流を低減することができるという観点から、パワーデバイスに用いることが特に好適である。
【0038】
なお、上記実施形態では、各々、一方向にストライプ状に延びる長周期マスク１２及び短周期マスク１３が設けられた下地基板１０を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、基板本体１１上に、平面視で相対的に大きい複数の六角形のハニカム形状を形成するように長周期マスク１２が設けられるとともに、長周期マスク１２の各六角形内に、平面視で相対的に小さい複数の六角形のハニカム形状を形成するように短周期マスク１３が設けられ、したがって、三方向にストライプ状に延びる長周期マスク１２及び短周期マスク１３が設けられた下地基板１０を用いてもよい。
【0039】
また、上記実施形態では、短周期マスク１３が長周期マスク１２と幅が異なる構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、短周期マスク１３が長周期マスク１２と幅が同一で且つ厚さが異なる構成であってもよい。
【0040】
また、上記実施形態では、長周期マスク１２及び短周期マスク１３の２種のマスクを設けた下地基板１０を用いて小三角ファセット構造２１及び大三角ファセット構造２２の二段階で三角ファセット構造を形成する構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、短周期マスク間に一定周期で間隔をおいて第３のマスクを設けた下地基板を用いて三段階で三角ファセット構造を形成する構成であってもよく、更に４種以上のマスクを設けた下地基板を用いて多段階で三角ファセット構造を形成する構成であってもよい。
【実施例】
【0041】
（ＧａＮ層の形成）
以下の実施例１～３及び比較例のＧａＮ層の形成実験を行った。なお、表１には、それぞれで用いた下地基板の構成を示す。
以下の実施例１～３及び比較例のＧａＮ層の形成実験を行った。なお、表１には、それぞれで用いた下地基板の構成を示す。
【0042】
＜実施例１＞
主面がｃ面のサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法で厚さ３μｍ程度のＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた基板本体１１上に、各々、ａ軸方向に延びるようにストライプ状に延びるＳｉＯ２の長周期マスク１２及び短周期マスク１３を設けた下地基板１０を作製した。図７Ａに示すように、長周期マスク１２の幅ｗ１を１０μｍ及び長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を２００μｍとした。短周期マスク１３の幅ｗ２を３μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を２６μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で７等分に分割した。
主面がｃ面のサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法で厚さ３μｍ程度のＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた基板本体１１上に、各々、ａ軸方向に延びるようにストライプ状に延びるＳｉＯ２の長周期マスク１２及び短周期マスク１３を設けた下地基板１０を作製した。図７Ａに示すように、長周期マスク１２の幅ｗ１を１０μｍ及び長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を２００μｍとした。短周期マスク１３の幅ｗ２を３μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を２６μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で７等分に分割した。
【0043】
そして、この下地基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮを結晶成長させた。具体的には、図８に示すように、まず、Ｎ２ガスを流しながら、下地基板の温度を５００℃まで昇温した。下地基板の温度が５００℃になったとき、Ｎ２ガスを停止するとともに、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを流し始めた。Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを流しながら、下地基板の温度を更に１０４０℃まで昇温した。しかる後、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスに加えてＨＣｌガスを流し始め、ＨＣｌガスを１８０分間流して下地基板上にＧａＮを結晶成長させた（第１ステップ）。このとき、ＨＣｌガスの流量を０．４０ｓｌｍ及びＮＨ３ガスの流量を２４．０ｓｌｍとした（Ｖ／ＩＩＩ比＝６０）。
【0044】
次いで、ＨＣｌガスの供給時間が１８０分になったときにＨＣｌガスを停止し、その後、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを継続して流しながら、下地基板の温度を１１００℃まで昇温した。下地基板の温度が１１００℃になったとき再びＨＣｌガスを流し始め、ＨＣｌガスを３３０分間流してＧａＮを結晶成長させた（第２ステップ）。このとき、ＨＣｌガスの流量を０．８０ｓｌｍ及びＮＨ３ガスの流量を８．０ｓｌｍとした（Ｖ／ＩＩＩ比＝１０）。
【0045】
続いて、ＨＣｌガスの供給時間が３３０分になったときＨＣｌガスを停止し、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを継続して流しながら、下地基板の温度を１０００℃まで下げた。下地基板の温度が１０００℃になったとき再びＨＣｌガスを流し始め、ＨＣｌガスを３０分間流してＧａＮを結晶成長させた（第３ステップ）。このとき、ＨＣｌガスの流量は０．２６ｓｌｍ及びＮＨ３ガスの流量は８．０ｓｌｍとした（Ｖ／ＩＩＩ比＝３０）。
【0046】
ＨＣｌガスの供給時間が３０分になったときＨＣｌガスを停止し、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを継続して流しながら、下地基板の温度を３００℃まで下げた。下地基板の温度が３００℃になったとき、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを停止するとともに、Ｎ２ガスを流し始め、そのまま室温まで冷却した。
【0047】
第１～第３ステップのＧａＮの結晶成長により、図９に示すように、下地基板上には、小三角ファセット構造及び大三角ファセット構造並びに第１及び第２厚膜成長層を含む表面が平坦なＧａＮ層が形成された。なお、第１ステップの結晶成長条件は、小三角ファセット構造及び大三角ファセット構造の形成に好適なものであり、第２及び第３ステップの結晶成長条件は、第１及び第２厚膜成長層の形成による表面の平坦化に好適なものである。
【0048】
＜実施例２＞
図７Ｂに示すように、短周期マスク１３の幅ｗ２を５μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を３６μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で５等分に分割した下地基板１０を用いたことを除いて実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成した。
図７Ｂに示すように、短周期マスク１３の幅ｗ２を５μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を３６μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で５等分に分割した下地基板１０を用いたことを除いて実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成した。
【0049】
＜実施例３＞
図７Ｃに示すように、短周期マスク１３の幅ｗ２を４μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を４７μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で４等分に分割した下地基板１０を用いたことを除いて実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成した。
図７Ｃに示すように、短周期マスク１３の幅ｗ２を４μｍ及び短周期マスク１３間の間隔Ｗ２を４７μｍとし、長周期マスク１２間の間隔Ｗ１を短周期マスク１３で４等分に分割した下地基板１０を用いたことを除いて実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成した。
【0050】
＜比較例＞
長周期マスクのみを設け、短周期マスクを設けていない下地基板を用いたことを除いて実施例１～３と同様にしてＧａＮ層を形成した。この比較例では、第１～第３ステップのＧａＮの結晶成長により、下地基板上には、大三角ファセット構造並びに第１及び第２厚膜成長層を含む表面が平坦なＧａＮ層が形成された。
長周期マスクのみを設け、短周期マスクを設けていない下地基板を用いたことを除いて実施例１～３と同様にしてＧａＮ層を形成した。この比較例では、第１～第３ステップのＧａＮの結晶成長により、下地基板上には、大三角ファセット構造並びに第１及び第２厚膜成長層を含む表面が平坦なＧａＮ層が形成された。
【0051】
【表1】
【0052】
（転位密度の分布）
実施例１～３及び比較例のそれぞれで得られたＧａＮ層の表面について、図１０に示すように、長周期マスク１２の１ピッチ分の６０μｍ幅の部分を、長周期マスクの幅方向に５等分に分割し、各々、２１μｍ×６０μｍの長方形のＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、Ｄ領域、及びＥ領域とした。そして、Ａ～Ｅ領域のそれぞれについて、表面のＣＬ像の暗点密度から転位密度を求めた。また、Ａ～Ｅ領域の平均転位密度を算出した。
実施例１～３及び比較例のそれぞれで得られたＧａＮ層の表面について、図１０に示すように、長周期マスク１２の１ピッチ分の６０μｍ幅の部分を、長周期マスクの幅方向に５等分に分割し、各々、２１μｍ×６０μｍの長方形のＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、Ｄ領域、及びＥ領域とした。そして、Ａ～Ｅ領域のそれぞれについて、表面のＣＬ像の暗点密度から転位密度を求めた。また、Ａ～Ｅ領域の平均転位密度を算出した。
【0053】
図１１は、Ａ～Ｅ領域での転位密度の分布を示す。これによれば、図７Ａ～Ｃに示すような基板本体１１上に長周期マスク１２及び短周期マスク１３を設けた下地基板１０を用い、小三角ファセット構造及び大三角ファセット構造を形成してＧａＮ層を構成した実施例１～３では、Ａ～Ｅ領域間に転位密度の大きなばらつきは認められず、したがって、転位が分散していることが分かる。一方、基板本体上に長周期マスクのみを設けた下地基板を用い、大三角ファセット構造のみを形成してＧａＮ層を構成した比較例では、Ａ～Ｅ領域間に転位密度の大きなばらつきが認められ、転位が偏在していることが分かる。
【0054】
表２は、実施例１～３及び比較例の平均転位密度を示す。これによれば、実施例１～３の方が比較例よりも平均転位密度が低く、したがって、実施例１～３では、転位が分散しているのに加えて、全体として低転位化されていることが分かる。
【0055】
【表2】
【産業上の利用可能性】
【0056】
本発明は、半導体基板の製造方法及びそれに用いる下地基板の技術分野について有用である。
【符号の説明】
【0057】
１０ 下地基板
１１ 基板本体
１２ 長周期マスク
１３ 短周期マスク
２０ ＧａＮ層
２１ 小三角ファセット構造
２２ 大三角ファセット構造
２３ 第１厚膜成長層
２４ 第２厚膜成長層
１１ 基板本体
１２ 長周期マスク
１３ 短周期マスク
２０ ＧａＮ層
２１ 小三角ファセット構造
２２ 大三角ファセット構造
２３ 第１厚膜成長層
２４ 第２厚膜成長層
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】