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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】2023-12-04
(45)【発行日】2023-12-12
(54)【発明の名称】半導体基板及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20231205BHJP
C30B 25/16 20060101ALI20231205BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231205BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/16
H01L21/205
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019108822
(22)【出願日】2019-06-11
(65)【公開番号】P2020200222
(43)【公開日】2020-12-17
【審査請求日】2022-02-04
(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
(72)【発明者】
【氏名】金子 拓司
【審査官】山本 一郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０５００６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０９３８３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１６２４３７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１２４７３４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｃ３０Ｂ ２５／１６
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学気相成長法による半導体基板の製造方法であって、サファイア基板の直上にＧａＮを結晶成長させて低温バッファ層を形成し、
前記低温バッファ層の直上に、前記低温バッファ層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でIII族窒化物半導体を結晶成長させて中間半導体層を形成し、
前記中間半導体層の直上に、前記中間半導体層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でＧａＮを結晶成長させて厚さが１μｍ以上１０μｍ以下のメイン半導体層を形成し、
前記中間半導体層がＩｎＧａＮの第１層とＧａＮの第２層との交互積層構造を有する半導体超格子を含み、前記第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率が４．０％以上であ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、前記交互積層構造において、前記ＩｎＧａＮの第１層及び前記ＧａＮの第２層を１単位として、その積層数が５以上１０以下である半導体基板の製造方法。
【請求項3】
化学気相成長法による半導体基板の製造方法であって、サファイア基板の直上にＧａＮを結晶成長させて低温バッファ層を形成し、
前記低温バッファ層の直上に、前記低温バッファ層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でIII族窒化物半導体を結晶成長させて中間半導体層を形成し、
前記中間半導体層の直上に、前記中間半導体層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でＧａＮを結晶成長させて厚さが１μｍ以上１０μｍ以下のメイン半導体層を形成し、
前記中間半導体層がＩｎＧａＮの第１層とＧａＮの第２層との交互積層構造を有する半導体超格子を含み、前記交互積層構造において、前記ＩｎＧａＮの第１層及び前記ＧａＮの第２層を１単位として、その積層数が５以上１０以下である半導体基板の製造方法。
【請求項4】
サファイア基板と、前記サファイア基板の直上に設けられたＧａＮで形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の直上に設けられたIII族窒化物半導体で形成された中間半導体層と、
前記中間半導体層の直上に設けられたＧａＮで形成されたメイン半導体層と、
を備え、
前記中間半導体層がＩｎＧａＮの第１層とＧａＮの第２層との交互積層構造を有する半導体超格子を含み、前記交互積層構造において、前記ＩｎＧａＮの第１層及び前記ＧａＮの第２層を１単位として、その積層数が５以上１０以下である半導体基板。
【請求項5】
サファイア基板と、前記サファイア基板の直上に設けられたＧａＮで形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の直上に設けられたIII族窒化物半導体で形成された中間半導体層と、
前記中間半導体層の直上に設けられたＧａＮで形成されたメイン半導体層と、
を備え、
前記中間半導体層がＩｎＧａＮの第１層とＧａＮの第２層との交互積層構造を有する半導体超格子を含み、前記第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率が４．０％以上である半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体基板及びその製造方法に関する。
【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、高品質なＧａＮ基板が必要である。そのようなＧａＮ基板の製造方法として、非特許文献１には、サファイア基板上にＴｉＣバッファ層を設け、そのＴｉＣバッファ層上にＧａＮ層を結晶成長させ、それをサファイア基板から分離してＧａＮ基板を製造することが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
今後、ＧａＮ基板に対する需要は益々高まることが予想されるが、低コストであることから、化学気相成長法によるＧａＮ基板の製造に期待が寄せられている。ところが、化学気相成長法の場合、製造するＧａＮ基板に大きな反りが発生するため、基板面内の品質の均一性の要求による制約から、大口径化を図ることができないという問題がある。
【0005】
本発明の課題は、化学気相成長法により半導体基板を製造する際に、反りの発生を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、化学気相成長法による半導体基板の製造方法であって、ベース基板上に半導体を結晶成長させて低温バッファ層を形成し、前記低温バッファ層上に、前記低温バッファ層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度で半導体を結晶成長させて中間半導体層を形成し、前記中間半導体層上に、前記中間半導体層を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度で半導体を結晶成長させてメイン半導体層を形成する。
【0007】
本発明は、ベース基板と、前記ベース基板上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成された低温バッファ層と、前記低温バッファ層上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成された中間半導体層と、前記中間半導体層上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成されたメイン半導体層とを備え、前記中間半導体層が半導体超格子を含む半導体基板である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、化学気相成長法により半導体基板を製造する際に、低温バッファ層とメイン半導体層との間に中間半導体層を設け、その中間半導体層を形成するときの結晶成長温度を、低温バッファ層を形成するときの結晶成長温度よりも高く且つメイン半導体層を形成するときの結晶成長温度よりも低くすることにより、反りの発生を抑制することができる。
【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における低温バッファ層形成ステップを示す第１の説明図である。
【図1B】実施形態に係る半導体基板の製造方法における低温バッファ層形成ステップを示す第２の説明図である。
【図2A】実施形態に係る半導体基板の製造方法における中間半導体層形成ステップを示す第１の説明図である。
【図2B】実施形態に係る半導体基板の製造方法における中間半導体層形成ステップを示す第２の説明図である。
【図3】実施形態に係る半導体基板の製造方法におけるメイン半導体層形成ステップを示す説明図である。
【図4A】実施例１の半導体基板の作製におけるタイミングチャートである。
【図4B】実施例２の半導体基板の作製におけるタイミングチャートである。
【図4C】実施例３～５の半導体基板の作製におけるタイミングチャートである。
【図5】ＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率と半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示すグラフである。
【図6】ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数と半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示すグラフである。
【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では、化学気相成長法（ＣＶＤ）により半導体基板の製造を行う。化学気相成長法（ＣＶＤ）としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が挙げられる。
【0012】
実施形態に係る半導体基板の製造方法は、低温バッファ層形成ステップと、中間半導体層形成ステップと、メイン半導体層形成ステップとを含む。
【0013】
＜低温バッファ層形成ステップ＞
低温バッファ層形成ステップでは、図１Ａに示すように、反応室Ｃ内のステージＳにベース基板１０をセットした後、反応室Ｃ内にIII族元素源ガス及びＮ源ガスをキャリアガスとともに供給し、図１Ｂに示すように、ベース基板１０上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させて低温バッファ層１１を形成する。
低温バッファ層形成ステップでは、図１Ａに示すように、反応室Ｃ内のステージＳにベース基板１０をセットした後、反応室Ｃ内にIII族元素源ガス及びＮ源ガスをキャリアガスとともに供給し、図１Ｂに示すように、ベース基板１０上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させて低温バッファ層１１を形成する。
【0014】
ベース基板１０としては、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。ベース基板１０の主面は、ａ面、ｃ面、ｍ面、及びｒ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が、高品質の半導体基板を製造する観点から、これらのうちのｃ面であることが好ましい。ここで、「主面」とは、半導体の積層成長方向に対して垂直な面をいい、通常は基板表面における最も広い面である。
【0015】
低温バッファ層１１を形成するIII族窒化物半導体としては、例えば、二元化合物のＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ；三元化合物のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ；四元化合物のＡｌＧａＩｎＮ等のIII族窒化物半導体が挙げられる。低温バッファ層１１を形成するIII族窒化物半導体は、後述のメイン半導体層１３を形成するIII族窒化物半導体と同一であることが好ましい。
【0016】
III族元素源ガスとしては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）では、例えば、ＴＭＧガス、ＴＥＧガス、ＴＭＩガス、ＴＥＩガス、ＴＭＡガス、ＴＥＡガス等が挙げられ、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）では、例えば、ＧａＣｌガス、ＧａＣｌ３ガス、ＩｎＣｌガス、ＩｎＣｌ３ガス、ＡｌＣｌガス、ＡｌＣｌ３ガス等が挙げられる。Ｎ源ガスとしては、例えば、ＮＨ３ガス、Ｎ２Ｈ４ガス等が挙げられる。キャリアガスとしては、例えば、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス等が挙げられる。キャリアガスは、これらのうちの一方又は両方を用いることが好ましく、Ｈ２ガスを用いることがより好ましい。III族元素源ガスによるIII族原子の供給モル数に対する窒素源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比は、一般的には、例えば１０００以上３００００以下、特にＩｎＧａＮを結晶成長させる場合には、例えば１００００以上３００００以下である。
【0017】
低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度は、例えば４００℃以上６００℃以下である。低温バッファ層１１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【0018】
なお、低温バッファ層１１の形成前に、ベース基板１０の基板表面をサーマルクリーニングすることが好ましい。
【0019】
＜中間半導体層形成ステップ＞
中間半導体層形成ステップでは、低温バッファ層形成ステップから条件を変更し、図２Ａに示すように、低温バッファ層１１上に、低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でIII族窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させて中間半導体層１２を形成する。
中間半導体層形成ステップでは、低温バッファ層形成ステップから条件を変更し、図２Ａに示すように、低温バッファ層１１上に、低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度でIII族窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させて中間半導体層１２を形成する。
【0020】
中間半導体層１２を形成するIII族窒化物半導体としては、低温バッファ層１１と同様、例えば、二元化合物のＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ；三元化合物のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ；四元化合物のＡｌＧａＩｎＮ等のIII族窒化物半導体が挙げられる。III族元素源ガス、Ｎ源ガス、及びキャリアガスも、低温バッファ層１１の形成の場合と同様のものが挙げられる。キャリアガスは、Ｎ２ガス及びＨ２ガスのうちの一方又は両方を用いることが好ましく、Ｎ２ガスを用いることがより好ましい。
【0021】
III族元素源ガスによるIII族原子の供給モル数に対する窒素源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比は、例えば５０００以上４００００以下である。III族元素源ガスの流量は、低温バッファ層形成ステップでの流量よりも少ないことが好ましい。窒素源ガスの流量は、低温バッファ層形成ステップでの流量よりも多いことが好ましい。
【0022】
中間半導体層１２は、単一種のIII族窒化物半導体で構成されていてもよいが、後述する製造する半導体基板の反りの発生を抑制する観点から、複数種のIII族窒化物半導体の積層体の半導体超格子を含むことが好ましい。
【0023】
半導体超格子は、製造する半導体基板の反りの発生を抑制する観点から、図２Ｂに示すように、三元化合物のIII族窒化物半導体の第１層１２１と、それから一方のIII族元素が減じられた二元化合物のIII族窒化物半導体の第２層１２２との交互積層構造を有することが好ましい。具体的には、かかる半導体超格子の中間半導体層１２としては、例えばＩｎＧａＮとＧａＮとの交互積層構造等が挙げられる。また、この場合、二元化合物又は三元化合物のIII族窒化物半導体は、同様の観点から、後述のメイン半導体層１３を形成するIII族窒化物半導体と同一であることが好ましく、二元化合物のIII族窒化物半導体がメイン半導体層１３を形成するIII族窒化物半導体と同一であることがより好ましい。
【0024】
半導体超格子は、製造する半導体基板の反りの発生を抑制する観点から、三元化合物のIII族窒化物半導体の第１層１２１及び二元化合物のIII族窒化物半導体の第２層１２２の積層体を１単位として、その積層数が、好ましくは２以上、より好ましくは５以上、更に好ましくは１０以上であり、一方、高い結晶品質を維持する観点から、好ましくは２５以下である。
【0025】
三元化合物のIII族窒化物半導体中のIII族元素における上記一方のIII族元素のモル分率は、製造する半導体基板の反りの発生を抑制する観点から、好ましくは２．０％以上、より好ましくは１０．０％以上であり、更に好ましくは２０．０％以上であり、一方、高い結晶品質を維持する観点から、好ましくは２５．０％以下である。
【0026】
中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度は、低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度よりも高く、製造する半導体基板の反りの発生を抑制する観点から、好ましくは５００℃以上１０００℃以下、より好ましくは６００℃以上９００℃以下、更に好ましくは６５０℃以上８５０℃以下である。中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度と、低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度との温度差は、同様の観点から、好ましくは１００℃以上５００℃以下、より好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、更に好ましくは２００℃以上４００℃以下である。
【0027】
中間半導体層１２が半導体超格子を含む場合、複数種のIII族窒化物半導体の結晶成長温度が同一であってもよく、また、複数種のIII族窒化物半導体の結晶成長温度が種類毎に異なってもよい。なお、この結晶成長温度により、III族窒化物半導体中のIII族元素のモル分率を制御することができる。
【0028】
中間半導体層１２の厚さは、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。中間半導体層１２が半導体超格子を含む場合、各III族窒化物半導体の厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【0029】
＜メイン半導体層形成ステップ＞
メイン半導体層形成ステップでは、中間半導体層形成ステップから条件を変更し、図３に示すように、中間半導体層１２上に、中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度で半導体をエピタキシャル結晶成長させてメイン半導体層１３を形成する。
メイン半導体層形成ステップでは、中間半導体層形成ステップから条件を変更し、図３に示すように、中間半導体層１２上に、中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度よりも高い結晶成長温度で半導体をエピタキシャル結晶成長させてメイン半導体層１３を形成する。
【0030】
メイン半導体層１３を形成するIII族窒化物半導体としては、低温バッファ層１１及び中間半導体層１２と同様、例えば、二元化合物のＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ；三元化合物のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ；四元化合物のＡｌＧａＩｎＮ等のIII族窒化物半導体が挙げられる。III族元素源ガス、Ｎ源ガス、及びキャリアガスも、低温バッファ層１１及び中間半導体層１２の形成の場合と同様のものが挙げられる。キャリアガスは、Ｎ２ガス及びＨ２ガスのうちの一方又は両方を用いることが好ましく、Ｈ２ガスを用いることがより好ましい。
【0031】
III族元素源ガスによるIII族原子の供給モル数に対する窒素源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比は、例えば１０００以上５０００以下である。III族元素源ガスの流量は、低温バッファ層形成ステップ及び中間半導体層形成ステップでの流量よりも多いことが好ましい。
【0032】
メイン半導体層１３を形成するときの結晶成長温度は、中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度よりも高く、例えば９００℃以上１４００℃以下である。メイン半導体層１３を形成するときの結晶成長温度と、中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度との温度差は、好ましくは２００℃以上６００℃以下、より好ましくは３００℃以上５００℃以下である。メイン半導体層１３の厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。
【0033】
本実施形態で製造される半導体基板は、ベース基板１０と、そのベース基板１０上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成された低温バッファ層１１と、その低温バッファ層１１上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成された中間半導体層１２と、その中間半導体層１２上にIII族窒化物半導体が結晶成長して形成されたメイン半導体層１３とを備えたものである。そして、中間半導体層１２は、複数種のIII族窒化物半導体の積層体の半導体超格子を含んでいてもよい。また、メイン半導体層１３は、ベース基板１０から分離されて自立基板を構成していてもよい。なお、メイン半導体層１３をベース基板１０から自発分離させる観点からは、中間半導体層１２が、三元化合物のIII族窒化物半導体の第１層１２１と、それから一方のIII族元素が減じられた二元化合物のIII族窒化物半導体の第２層１２２との交互積層構造を有し、それらの三元化合物及び二元化合物のIII族窒化物半導体の積層体を１単位として、その積層数が１５以上であることが好ましい。また、同様の観点からは、三元化合物のIII族窒化物半導体中のIII族元素における別のIII族元素のモル分率が１５．０％以上であることが好ましい。
【0034】
以上の実施形態に係る半導体基板の製造方法によれば、化学気相成長法により半導体基板を製造する際に、低温バッファ層１１とメイン半導体層１３との間に中間半導体層１２を設け、その中間半導体層１２を形成するときの結晶成長温度を、低温バッファ層１１を形成するときの結晶成長温度よりも高く且つメイン半導体層１３を形成するときの結晶成長温度よりも低くすることにより、反りの発生を抑制することができる。したがって、これにより、化学気相成長法により製造する半導体基板の大口径化を図ることができる。
【実施例】
【0035】
有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）による半導体基板の作製実験について説明する。
【0036】
（半導体基板）
以下の実施例１～５の半導体基板の作製を行った。
以下の実施例１～５の半導体基板の作製を行った。
【0037】
＜実施例１＞
図４Ａは、実施例１の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
図４Ａは、実施例１の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
【0038】
まず、ＭＯＶＰＥ装置の反応室のステージに、主面がｃ面のサファイア基板をセットし、（ｉ）反応室内にＮＨ３ガスを５ｓｌｍの流量でキャリアガスのＨ２ガスとともに流し始め、圧力１００ｋＰａの下、サファイア基板の温度を室温から１１５０℃まで昇温し、その温度を一定時間保持してサーマルクリーニングした後、４６０℃まで温度を降下させた。
【0039】
（ii）サファイア基板の温度が４６０℃になった時、ＴＭＧガスを５ｓｃｃｍの流量で流し始め、３０８．８秒間ＴＭＧガスを流し、サファイア基板上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮの低温バッファ層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を１７６５４とした。ＴＭＧガスを停止した後、サファイア基板の温度を８００℃まで昇温し、その過程でキャリアガスをＨ２ガスからＮ２ガスに切り替えた。
【0040】
（iii）サファイア基板の温度が８００℃になった時、ＮＨ３ガスの流量を６．５ｓｌｍに変更するとともに、ＴＭＧガスを３．９ｓｃｃｍの流量で流し始め、１３１秒間ＴＭＧガスを流し、低温バッファ層上にＧａＮを結晶成長させて単層のＧａＮ層の中間半導体層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を２８６５０とした。ＴＭＧガスを停止した後、サファイア基板の温度を１１５０℃まで昇温し、その過程でキャリアガスをＮ２ガスからＨ２ガスに切り替えた。
【0041】
（iv）サファイア基板の温度が１１５０℃になった時、ＮＨ３ガスの流量を５ｓｌｍに変更するとともに、ＴＭＧガスを３４．８ｓｃｃｍで流し始め、６０分間ＴＭＧガスを流し、中間半導体層上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮのメイン半導体層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を２５３６とした。ＴＭＧガスを停止した後、サファイア基板の温度を室温まで降温し、その過程でキャリアガスをＨ２ガスからＮ２ガスに切り替えた。
【0042】
以上のようにして、中間半導体層をＧａＮの単層で構成した実施例１の半導体基板を得た。
【0043】
＜実施例２＞
図４Ｂは、実施例２の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
図４Ｂは、実施例２の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
【0044】
実施例１の実験方法と同一の方法で、ＭＯＶＰＥ装置の反応室のステージに、主面がｃ面のサファイア基板をセットし、（ｉ）サーマルクリーニング、（ii）低温バッファ層の形成、及び（iii）ＧａＮ層の形成を行った。
【0045】
（iv）ＴＭＧガスを３．９ｓｃｃｍの流量で流すのに加えて、ＴＭＩガスを４００ｓｃｃｍの流量で流し始め、１２６秒間ＴＭＧガス及びＴＭＩガスを流し、ＧａＮ層上にＩｎＧａＮを結晶成長させてＩｎＧａＮの第１層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子及びＴＭＩガスによるＩｎ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を６５９４とした。
【0046】
（ｖ）ＴＭＩガスを停止し、１３１秒間ＴＭＧガスを３．９ｓｃｃｍの流量で流し、ＩｎＧａＮの第１層上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮの第２層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を２８６５０とした。
【0047】
（vi）（iv）及び（ｖ）の操作をあと９回繰り返し、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が１０である半導体超格子を含む中間半導体層を形成した。ＴＭＧガスを停止した後、サファイア基板の温度を１１５０℃まで昇温し、その過程でキャリアガスをＮ２ガスからＨ２ガスに切り替えた。
【0048】
その後、実施例１の（iv）の実験方法と同一の方法で、（vii）中間半導体層上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮのメイン半導体層を形成した。
【0049】
以上のようにして、中間半導体層が、（iii）のＧａＮ層と、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数を１０とした半導体超格子とを含む実施例２の半導体基板を得た。中間半導体層の第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率は４．０％であった。
【0050】
＜実施例３＞
図４Ｃは、実施例３の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
図４Ｃは、実施例３の半導体基板の作製におけるタイミングチャートを示す。
【0051】
実施例１の実験方法と同一の方法で、ＭＯＶＰＥ装置の反応室のステージに、主面がｃ面のサファイア基板をセットし、（ｉ）サーマルクリーニング、（ii）低温バッファ層の形成、（iii）ＧａＮ層の形成を行った。その後、サファイア基板の温度を７００℃まで降下させた。
【0052】
（iv）サファイア基板の温度が７００℃になった時、ＴＭＧガスを３．９ｓｃｃｍの流量で流すのに加えて、ＴＭＩガスを４００ｓｃｃｍの流量で流し始め、２０２秒間ＴＭＧガス及びＴＭＩガスを流し、ＧａＮ層上にＩｎＧａＮを結晶成長させてＩｎＧａＮの第１層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子及びＴＭＩガスによるＩｎ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を６５９４とした。ＴＭＩガスを停止した後、サファイア基板の温度を８００℃まで昇温した。
【0053】
（ｖ）サファイア基板の温度が８００℃に達してから１３１秒間ＴＭＧガスを３．９ｓｃｃｍの流量で流し、ＩｎＧａＮの第１層上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮの第２層を形成した。このとき、ＴＭＧガスによるＧａ原子の供給モル数に対するＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を２８６５０とした。その後、サファイア基板の温度を７００℃まで降下させた。
【0054】
（vi）（iv）及び（ｖ）の操作をあと９回繰り返し、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が１０である半導体超格子を含む中間半導体層を形成した。ＴＭＧガスを停止した後、サファイア基板の温度を１１５０℃まで昇温し、その過程でキャリアガスをＮ２ガスからＨ２ガスに切り替えた。
【0055】
その後、実施例１の実験方法と同一の方法で、（vii）中間半導体層上にＧａＮを結晶成長させてＧａＮのメイン半導体層を形成した。
【0056】
以上のようにして、中間半導体層が、（iii）のＧａＮ層と、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数を１０とした半導体超格子とを含む実施例３の半導体基板を得た。中間半導体層の第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率は２３．４％であった。
【0057】
＜実施例４＞
実施例３の（iv）～（vi）の操作において、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が５である半導体超格子を含む中間半導体層を形成したことを除いて、実施例３で作製したものと同一構成の半導体基板を作製し、それを実施例４とした。
実施例３の（iv）～（vi）の操作において、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が５である半導体超格子を含む中間半導体層を形成したことを除いて、実施例３で作製したものと同一構成の半導体基板を作製し、それを実施例４とした。
【0058】
＜実施例５＞
実施例３の（iv）～（vi）の操作において、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が２０である半導体超格子を含む中間半導体層を形成したことを除いて、実施例３で作製したものと同一構成の半導体基板を作製し、それを実施例５とした。実施例５の半導体基板では、メイン半導体層のＧａＮが自発分離していた。
実施例３の（iv）～（vi）の操作において、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体を１単位として、その積層数が２０である半導体超格子を含む中間半導体層を形成したことを除いて、実施例３で作製したものと同一構成の半導体基板を作製し、それを実施例５とした。実施例５の半導体基板では、メイン半導体層のＧａＮが自発分離していた。
【0059】
（半導体基板の基板表面の曲率半径）
実施例１～４のそれぞれについて、基板表面の曲率半径を測定した。図５は、実施例１～３基づいた、第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率と、半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示す。図６は、実施例１、３、及び４に基づいた、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数と、半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示す。なお、実施例１は、中間半導体層が半導体超格子を含まないので、Ｉｎのモル分率は０％であり、積層体の積層数は０である。
実施例１～４のそれぞれについて、基板表面の曲率半径を測定した。図５は、実施例１～３基づいた、第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率と、半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示す。図６は、実施例１、３、及び４に基づいた、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数と、半導体基板の基板表面の曲率半径との関係を示す。なお、実施例１は、中間半導体層が半導体超格子を含まないので、Ｉｎのモル分率は０％であり、積層体の積層数は０である。
【0060】
図５によれば、第１層のＩｎＧａＮ中のIII族元素におけるＩｎのモル分率が高くなると、基板表面の曲率半径が大きくなり、したがって、反りの発生が抑制されることが分かる。図６によれば、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数が多くなっても、基板表面の曲率半径が大きくなり、したがって、反りの発生が抑制されることが分かる。また、ＩｎＧａＮの第１層及びＧａＮの第２層の積層体の積層数が多くなると、メイン半導体層のＧａＮの自発分離が促進されることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明は、半導体基板及びその製造方法の技術分野について有用である。
【符号の説明】
【0062】
１０ ベース基板
１１ 低温バッファ層
１２ 中間半導体層
１２１ 第１層
１２２ 第２層
１３ メイン半導体層
Ｃ 反応室
Ｓ ステージ
１１ 低温バッファ層
１２ 中間半導体層
１２１ 第１層
１２２ 第２層
１３ メイン半導体層
Ｃ 反応室
Ｓ ステージ
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】