(57)【要約】下地基板６は、支持基板１、および支持基板１の主面１ａ上に設けられ、１３族元素窒化物結晶からなり、結晶育成面３ａを有する下地結晶層３を備える。下地結晶層３が隆起部５を備えている。隆起部５と支持基板１との間に、支持基板１の材質と１３族元素窒化物結晶との反応物、１３族金属および／またはボイドが存在する。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、および
前記支持基板の主面上に設けられ、１３族元素窒化物結晶からなり、結晶育成面を有する下地結晶層を備えている下地基板であって、
前記下地結晶層が隆起部を備えており、前記隆起部と前記支持基板との間に、前記支持基板の材質と前記１３族元素窒化物結晶との反応物、１３族金属および／またはボイドが存在することを特徴とする、下地基板。
【請求項２】
前記隆起部を前記支持基板の前記主面に垂直な断面で見たときに、前記結晶育成面が湾曲線を形成しており、この湾曲線において前記結晶育成面の前記主面からの高さが滑らかに変化していることを特徴とする、請求項１記載の下地基板。
【請求項３】
前記隆起部を前記支持基板の前記主面に垂直な断面で見たときに、前記主面の法線に対する前記前記１３族元素窒化物結晶の特定結晶軸の角度が滑らかに変化していることを特徴とする、請求項２記載の下地基板。
【請求項４】
前記特定結晶軸がｃ軸であることを特徴とする、請求項３記載の下地基板。
【請求項５】
前記支持基板が酸化アルミニウムからなり、前記反応物が、アルミニウム、１３族元素および酸素を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項６】
前記隆起部に亀裂または凹部が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項７】
前記隆起部と前記支持基板との間に前記反応物が存在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項８】
前記隆起部と前記支持基板との間に前記１３族金属が存在することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項９】
前記隆起部と前記支持基板との間に前記ボイドが存在することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の下地基板、および
前記下地結晶層上に設けられた機能層
を備えていることを特徴とする、機能素子。
【請求項１１】
支持基板、および
前記支持基板の主面上に設けられ、１３族元素窒化物結晶からなり、結晶育成面を有する下地結晶層を備えている下地基板であって、
前記下地結晶層が隆起部を備えており、
前記隆起部を前記支持基板の前記主面に垂直な断面で見たときに、前記結晶育成面が湾曲線を形成しており、この湾曲線において前記結晶育成面の前記主面からの高さが滑らかに変化していることを特徴とする、下地基板。
【請求項１２】
前記隆起部を前記支持基板の前記主面に垂直な断面で見たときに、前記主面の法線に対する前記前記１３族元素窒化物結晶の特定結晶軸の角度が滑らかに変化していることを特徴とする、請求項１１記載の下地基板。
【請求項１３】
前記特定結晶軸がｃ軸であることを特徴とする、請求項１２記載の下地基板。
【請求項１４】
前記下地結晶層と前記支持基板との間にボイドが存在することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項１５】
前記下地結晶層と前記支持基板との間に、前記支持基板の材質と前記１３族元素窒化物結晶との反応物が存在することを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項１６】
前記支持基板が酸化アルミニウムからなり、前記反応物が、アルミニウム、１３族元素および酸素を含むことを特徴とする、請求項１５記載の下地基板。
【請求項１７】
前記隆起部と前記支持基板との間に１３族金属が存在することを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項１８】
前記隆起部に亀裂または凹部が形成されていることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか一つの請求項に記載の下地基板。
【請求項１９】
請求項１１〜１８のいずれか一つの請求項に記載の下地基板、および
前記下地結晶層上に設けられた機能層
を備えていることを特徴とする、機能素子。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子として、サファイア（α−アルミナ単結晶）上に各種窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成したものが知られている。例えば、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層（ＭＱＷ）、及びｐ型ＧａＮ層が順に積層形成された構造を有するものが量産化されている。【０００２】
窒化ガリウム等の１３族元素窒物結晶層を育成するための下地基板（テンプレート基板）としては、下地基板の下地結晶層の結晶育成面に凹凸を設けることが提案されている。すなわち、特許文献１〜３では、下地基板の結晶育成面に凹凸を形成することにより、転位低減や、結晶中の応力を低減する手法が開示されている。【０００３】
特許文献２では、下地結晶層の育成面を平坦なc面とし、かつｃ面と平行な面を有さず、c面に対して傾斜した傾斜面を連続させて凹凸を形成している。
特許文献３では、下地基板の結晶育成面に、＋ｃ面の平坦部と、非+c面が露出した平坦な傾斜面とを形成している。特許文献３では、下地基板の結晶育成面に矩形の凹凸を形成している。【０００４】
更に、特許文献４では、サファイア基板上に種結晶膜を形成する際に、サファイア基板と種結晶膜との界面に沿って、加熱やレーザを用いてボイドを形成するとともに、ボイド率を１２．５％以下とすることを提案している。これによって、窒化ガリウム結晶層のクラックやひび割れを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許5359740
【特許文献２】特開2017-36174
【特許文献３】特開2005-281067
【特許文献４】特許6144630
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
１３族元素窒化物結晶は、a軸方向には結晶会合しやすいが、m軸方向には会合しにくい。このため、特許文献１〜３の下地基板では、１３族元素窒化物結晶を厚膜成長させた時に、c軸、a軸以外の軸方向へ成長させた領域において、結晶の不会合が生じたり、ピットを十分低減することが難しく、転位密度の低減に限界があった。そのため、その基板の不会合やピット上にLEDを作製すると、リークが発生し、製造歩留まりを下げることが判明してきた。【０００７】
本発明の課題は、下地結晶層の結晶育成面上に１３族元素窒化物結晶層を育成するための下地基板において、１３族元素窒化物結晶層における転位密度を更に低減できる構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、支持基板、および
前記支持基板の主面上に設けられ、１３族元素窒化物結晶からなり、結晶育成面を有する下地結晶層を備えている下地基板であって、
前記下地結晶層が隆起部を備えており、前記隆起部と前記支持基板との間に、前記支持基板の材質と前記１３族元素窒化物結晶との反応物、１３族金属および／またはボイドが存在することを特徴とする。【０００９】
また、本発明は、
支持基板、および
前記支持基板の主面上に設けられ、１３族元素窒化物結晶からなり、結晶育成面を有する下地結晶層を備えている下地基板であって、
前記下地結晶層が隆起部を備えており、
前記隆起部を前記支持基板の前記主面に垂直な断面で見たときに、前記結晶育成面が湾曲線を形成しており、この湾曲線において前記結晶育成面の前記主面からの高さが滑らかに変化していることを特徴とする。【００１０】
また、本発明は、前記下地基板、および
前記下地結晶層上に設けられた機能層
を備えていることを特徴とする、機能素子に係るものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、下地結晶層が隆起部を備えており、下地結晶層と支持基板との間に、支持基板の材質と前記１３族元素窒化物結晶との反応物、１３族金属および／またはボイドが存在する構造を提供する。このような構造であると、結晶育成面上で１３族元素窒化物結晶層が会合し易くなり、会合不良に伴うピットが低減され、１３族元素窒化物結晶層の転位密度が低減される。【００１２】
また、下地結晶層に隆起部を設けるとともに、隆起部を支持基板の主面に垂直な断面で見たときに、結晶育成面が湾曲線を形成しており、この湾曲線において結晶育成面の主面からの高さを滑らかに変化させる構造を提供する。このような構造であると、結晶育成面上で１３族元素窒化物結晶層が会合し易くなり、会合不良に伴うピットが低減され、１３族元素窒化物結晶層の転位密度が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、支持基板１上に下地結晶層２を設けた状態を示し、（ｂ）は、下地結晶層３に隆起部５を設けた状態を示す。
【図２】（ａ）は、下地結晶層３上に薄い１３族元素窒化物結晶層７を設けた状態を示し、（ｂ）は、下地結晶層３上に１３族元素窒化物結晶層８の厚膜を設けた状態を示す。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、下地結晶層３に隆起部５、５Ａ、５Ｂを設けた状態を示す。
【図４】（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、下地結晶層３に隆起部５Ｃ、５Ｄ、５Ｅを設けた状態を示す。
【図５】（ａ）は、下地結晶層３に隆起部５Ｃを設けた状態を示し、（ｂ）は、下地結晶層３に、隆起部５と平坦部３ｄとを設けた状態を示し、（ｃ）は、下地結晶層３に、複数連続する隆起部５を設けた状態を示す。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、下地結晶層３の隆起部の平面パターンを示す。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、下地結晶層３の隆起部の平面パターンを示す。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、下地結晶層３の隆起部の平面パターンを示す。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、下地結晶層３の隆起部の平面パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、支持基板１の主面１ａ上に下地結晶層２を成膜する。１ｂは支持基板１の底面である。次いで、支持基板１の底面１ｂ側から、矢印Ａのようにレーザ光を照射する。このレーザ光は支持基板１を透過し、下地結晶層２と支持基板１との界面に到達する。
【００１５】
ここで、レーザ光のエネルギーを調節することで、図１（ｂ）に示すように、支持基板の材質と下地結晶層との反応物４が、支持基板と下地結晶層との間に生成するようにする。本例では、反応物４が、支持基板１の主面１ａおよび下地結晶層３の界面３ｂに接している。この結果、隆起部４の上側では下地結晶層３の湾曲部３ｃが湾曲し、隆起する。一方、反応物４が生成しない場所では、下地結晶層３が支持基板の主面１ａに接した状態となる。３ａは結晶育成面であり、６は下地基板である。
なお、反応物の代わりに１３族金属が生成していてよく、あるいは反応物と１３族金属との両方が生成していてよい。
【００１６】
次いで、図２（ａ）に示すように、下地結晶層３の育成面３ａに、１３族元素窒化物結晶７（薄膜）を育成できる。２０は、機能素子の育成面である。
あるいは、図２（ｂ）に示すように、下地結晶層３の育成面３ａに、１３族元素窒化物結晶８（厚膜）を育成できる。２０は、機能素子の育成面である。この時点で、１３族元素窒化物結晶８を支持基板１から剥離せずにテンプレート（template）基板として使用することも可能である。しかし、１３族元素窒化物結晶８を支持基板から分離して自立基板とし、この自立基板をテンプレート基板として使用できる。
【００１７】
次いで、１３族元素窒化物結晶７、８上に機能素子構造を形成する。こうした機能素子構造の種類は特に限定されないが、発光素子を例示できる。また、結晶上に機能層を複数層形成することができる。
【００１８】
好ましくは、図１（ｂ）に示すように、隆起部５を支持基板１の主面１ａに垂直な断面（図１（ｂ）の断面）で見たときに、結晶育成面３の湾曲部３ｃが湾曲線を形成しており、湾曲線において結晶育成面３ｃの主面１ａからの高さｈが滑らかに変化している。高さｈは、法線Ｐ方向での支持基板主面に対する高さである。こうした構造であれば、結晶育成面上に１３族元素窒化物結晶層７、８を成膜するときに、結晶育成面上で１３族元素窒化物結晶層が会合し易くなり、会合不良に伴うピットが低減され、１３族元素窒化物結晶層の転位密度が低減される。
【００１９】
以下、本発明の構成要素について更に説明する。
本発明の製法では、支持基板上に１３族元素窒化物からなる下地結晶層を設ける。
ここで、支持基板の材質は、下地結晶層上に形成する１３族元素窒化物の有するバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料を選択する。下地結晶層上に形成する１３族元素窒化物材料が窒化ガリウムの場合、バンドギャップが約３．４ｅｖであるため、支持基板の材質としては、サファイア、結晶配向性アルミナ、酸化ガリウム、ＡｌxＧａ1-xＮ(０＜ｘ≦１)を例示できる。好ましくは、支持基板の材質の組成がＡｌ２Ｏ３である。
【００２０】
支持基板の下地結晶層と反対側の底面は、鏡面であってよく、粗面であってもよいが、粗面が好ましい。これによって、支持基板に入射するレーザ光が支持基板の底面で散乱された後に、界面の下地結晶層に照射されるため、レーザ光のビームプロファイル（beam profile）の影響を受けにくい。支持基板の下地結晶層と反対側の底面が粗面である場合には、この粗面の表面粗さＲａは、０．１μｍ〜２μｍとすることが望ましい。
【００２１】
支持基板の底面が鏡面である場合には、レーザ光のスポットを用いて隆起部パターンを形成し易い。あるいは、支持基板の底面に、裏面にレーザを透過しない保護層を形成し、保護層をパターニングすることにより、表面の隆起パターンを制御することも出来る
【００２２】
降温直後に支持基板にクラックを発生させないという観点からは、支持基板の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることが更に好ましい。また、取り扱いの観点からは、支持基板の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
支持基板上に、１３族元素窒化物からなる下地結晶層を設ける。
下地結晶層を形成する際には、まず支持基板上にバッファ層を設け、続けて下地結晶層を育成することが好ましい。
【００２４】
こうしたバッファ層の形成方法は気相成長法が好ましく、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、ＭＢＥ法、昇華法を例示できる。
【００２５】
下地結晶層は、一層であってよく、あるいは支持基板側のバッファ層を含んでいて良い。下地結晶層の形成方法は気相成長法を好ましい一例として挙げることができ、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法を例示できる。有機金属化学気相成長法が特に好ましい。
【００２６】
また、下地結晶層を構成する１３族元素窒化物において、１３族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第１３族元素のことである。１３族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。
【００２７】
下地結晶層の厚さは、結晶育成時のメルトバックや消失を防止するという観点からは、０．５μｍ以上が好ましく、２μｍ以上が更に好ましい。また、下地結晶層の厚さは、生産性の観点からは１５μｍ以下が好ましい。
【００２８】
次いで、支持基板側からレーザ光を照射することによって、下地結晶層と支持基板との間に、支持基板の材質と１３族元素窒化物結晶との反応物、１３族金属および／またはボイドを生成させ、下地結晶層を隆起させることによって、反応物、１３族金属および／またはボイド上に隆起部を設けることができる。
【００２９】
この場合、レーザ光照射により、１３族元素窒化物結晶層ＡＮが (Aは、Ga, In, Ta, Alなどの１３族元素から選ばれる一つあるいは二つ以上の元素)がＡとＮに分解し、Ａが支持基板内に拡散して反応物4が生成する。この反応物4は、少なくとも、Ａと支持基板を構成する元素とを含む組成物である。ここで、反応物は、Ａと支持基板を構成する元素との合金であってよく、あるいはＡと支持基板を構成する元素と酸素との組成物であってもよい。支持基板を構成する元素は好ましくはアルミニウムである。
【００３０】
好適な実施形態においては、反応物の組成は、反応物全体として以下のものである。
Ａ（ＡがＡｌ以外の単一１３族元素、またはＡｌを含む複数の１３族元素）：０．１〜９９．５ｍｏｌ％（好ましくは０．１〜４０ｍｏｌ％、特に好ましくは０．５〜４０ｍｏｌ％）
Ａｌ：０．５〜９９ｍｏｌ％（好ましくは２９〜５４ｍｏｌ％、特に好ましくは２９〜５０．５ｍｏｌ％）
Ｏ：０〜５０ｍｏｌ％（好ましくは３１〜５０ｍｏｌ％、特に好ましくは３１〜４９ｍｏｌ％）
支持基板が酸化アルミニウムであり、ＡがＡｌである場合には、反応物の組成は、反応物全体として以下のものが好ましい。
Ａｌ：  ５０〜１００ｍｏｌ％（好ましくは５０〜７２ｍｏｌ％、特に好ましくは５１〜６９ｍｏｌ％）
Ｏ：０〜５０ｍｏｌ％（好ましくは２８〜５０ｍｏｌ％、特に好ましくは３１〜４９ｍｏｌ％）
【００３１】
ただし、反応物全体として均一な組成分布を有している必要はなく、反応物の組成が傾斜組成になっていてよい。例えば、反応物のうち支持基板側において、アルミニウムおよび酸素のｍｏｌ比が相対的に高くなっていてよく、１３族元素のモル比が低くなっていてよい。一方、下地結晶層側においては、アルミニウムおよび酸素のｍｏｌ比が相対的に低くなっていてよく、１３族元素のモル比が高くなっていてよい。
【００３２】
また、ある実施形態においては、１３族元素窒化物結晶層側に以下の組成の反応物Ａ、反応物Ｂまたは１３族元素Ａ（AはＡｌ以外の１３族元素）からなる金属が生成していてよい。
（反応物Ａ）
Ａ：８７〜９７．５ｍｏｌ％
Ａｌ：０．５〜３ｍｏｌ％
Ｏ：２〜１０ｍｏｌ％
（反応物Ｂ）
Ａ：９５〜９９．５ｍｏｌ％
Ａｌ：０．５〜５ｍｏｌ％
【００３３】
更に、ある実施形態においては、１３族元素窒化物結晶層から支持基板へと向かって以下の第一層、第二層、第三層が生成している。
第一層：  反応物Ａ、反応物Ｂまたは１３族元素Ａ（AはＡｌ以外の１３族元素）からなる金属
第二層：
Ａ：０．５〜４０ｍｏｌ％
Ａｌ：２９〜５０.５ｍｏｌ％
Ｏ：３１〜４９ｍｏｌ％
第三層：
Ａ：０．１〜０．４ｍｏｌ％
Ａｌ：５０〜５４ｍｏｌ％
Ｏ：４５〜５０ｍｏｌ％
【００３４】
なお、反応物の組成分析方法は以下のとおりである。
測定装置：
元素分析装置（日本電子製ＪＥＤ−２３００Ｔ）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶ、X線取出角２１．９°、立体角０．９８ｓｒ、取込時間３０秒にて分析する。
【００３５】
反応物や１３族金属の厚さは特に限定されない。１３族元素窒化物結晶層の反りやクラックを抑制するという観点からは、反応物や１３族金属の厚さは、１ｎｍ以上が好ましい。また、隆起部を生成させるという観点からは、反応物や１３族金属の厚さは１０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上が更に好ましい。また、１３族元素窒化物結晶層の転位密度低減という観点からは、反応物や１３族金属の厚さは、５００ｎｍ以下が好ましく、４００ｎｍ以下が更に好ましい。
【００３６】
ここで、支持基板側から照射するレーザ光のエネルギーを調節することによって、支持基板の主面上に前記反応物や１３族金属を生成させることができるが、隆起部下に反応物と１３族金属とボイドとを同時に生成させることができるし、あるいは隆起部下にボイドのみを生成させることもできる。
【００３７】
例えば、図３（ａ）の例では、隆起部５下に反応物４が生成しており、反応物４によって下地結晶層が隆起している。一方、図３（ｂ）の例では、支持基板１と下地結晶層３との間にボイド９が生成しており、ボイド９によって下地結晶層３が隆起し、隆起部５Ａを形成している。
【００３８】
また、図３（ｃ）の例では、支持基板１と下地結晶層３との間にボイド９、反応物４が生成しており、ボイド９、反応物４によって下地結晶層３が隆起し、隆起部５Ｂを形成している。また、図４（ａ）の例でも、支持基板１と下地結晶層３との間にボイド９が生成しており、ボイド９によって下地結晶層３が隆起し、隆起部５Ｃを形成している。本例では、ボイド９は反応物４の上側にある。
【００３９】
更に、ボイドが下地結晶層３内に亀裂を生じていても良く、またボイドが下地結晶層３の隆起部の表面に達することで凹部を形成していてもよい。例えば、図４（ｂ）の例では、隆起部５Ｄの内側にボイド９が細長く延びており、一種の亀裂を形成している。また、図４（ｃ）の例では、隆起部５Ｅの下側にボイド９が生成しているが、ボイド９の先端が隆起部５Ｅの表面まで延びており、凹部を形成している。
【００４０】
更に、図５（ａ）の例では、支持基板１と下地結晶層３との間にボイド９、反応物４が生成しており、ボイド９、反応物４によって下地結晶層３が隆起し、隆起部５Ｃを形成している。ただし、反応物４は隆起部内で片側に寄っており、ボイド９は隆起部内で反応物とは反対側に寄っている。
【００４１】
例えば図１（ｂ）を参照して示すように、隆起部５を支持基板１の主面１ａに垂直な断面で見たときに、結晶育成面３の湾曲部３ｃが湾曲線を形成しており、この湾曲線において結晶育成面３ａの主面１ａからの高さｈが滑らかに変化している。隆起部表面の結晶育成面３の湾曲部３ｃの高さｈを微分すると、結晶育成面３ａの傾斜角度が得られる。ゆえに、結晶育成面３が滑らかに変化するということは、すなわち、結晶育成面３ａの傾斜角度が連続的に変化し、傾斜角度が不連続に変化する角部がないことを意味する。ただし、局所的に凹部または亀裂（クラック）が存在することは許容するものとする。
【００４２】
このため、隆起部の結晶育成面の断面輪郭形状は具体的には限定されないが、例えば真円円弧、楕円円弧、双曲線状、放物線状、レーストラックなど種々の形状を例示できる。
【００４３】
各隆起部の寸法は特に限定されない。しかし、１３族元素窒化物結晶層の転位密度低減という観点からは、隆起部を平面的に見たときの面積は、１μｍ２〜０．８ｍｍ２であることが好ましい。また、隆起部の主面から高さｈの最大値は、生産性の観点からは、１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１００〜７００ｎｍであることが更に好ましい。
【００４４】
また、下地結晶層の結晶育成面全体に占める隆起部の面積比率は、本発明の観点からは、５〜８０％であることが好ましく、生産性の観点からは１５〜６０％であることが更に好ましい。
【００４５】
隆起部の寸法は、ZYGO（キャノン製の「三次元光学プロファイラーNewView7300」を用い、観察条件は5倍とする）で1.4mm×1mmで測定し、観察される隆起部の高さを計測し、算術平均をとって、平均隆起高さとした。また、隆起の面積比率は、画像解析ソフトウエア  WinROOF  (三谷商事（株）製)を用いて2値化処理し算出した。
【００４６】
また、図５（ｂ）に示すように、隆起部５の間に平坦部３ｄが設けられていて良い。あるいは、図５（ｃ）に示すように、隣接する隆起部５が、平坦部を介することなしに連続していてよい。この場合には、隣接する隆起部５の間には凹み１０が生成する。
【００４７】
隆起部の平面的形状は特に限定されない。例えば図６（ａ）に示す例では、結晶育成面３ａに島状の隆起部５が多数形成されており、隣あう隆起部５の間に平坦部３ｄが設けられている。各隆起部は分離相を形成しており、平坦部３ｄは網目状の連続相を形成している。
【００４８】
図６（ｂ）に示す例では、隆起部５Ｅがストライプ状にパターニングされている。ただし、隆起部５Ｅを拡大すると、多数の隆起部が図５（ｂ）に示すように連続していてもよい。このため、隆起部５Ｅのエッジ１１は直線的ではなく、不規則な曲線を構成していてよい。
【００４９】
隆起部の全体的なパターニングを行う場合には、隆起部パターンは特に限定されない。図７（ａ）、図７（ｂ）に示す例では、ストライプ状の隆起部５Ｅが多数並列されている。また、図８（ａ）の例では、網目格子状の隆起部５Ｆが形成されており、図８（ｂ）の例では、隆起部５がドット状ないし散点状に形成されている。
【００５０】
更に、図９（ａ）、図９（ｂ）の例では、それぞれ、隆起部５Ｇ、５Ｈが渦巻き状に形成されている。ただし、図９（ａ）の例では渦巻きの中心が結晶育成面内にあり、図９（ｂ）の例では、渦巻きの中心が結晶育成面外にある。
【００５１】
ボイドとは、支持基板や下地結晶層の材質や反応物が充填されていない空隙を意味する。
ボイドの面積（支持基板主面に垂直な断面における面積）は、１μｍ２〜０．８ｍｍ２であることが好ましい。また、ボイドの高さ（前記主面と垂直な法線Ｐの方向の寸法）は、１０００ｎｍ以下であることが好ましく、５００ｎｍ以下であることが更に好ましい。この高さの下限は特にないが、１ｎｍ以上であってよい。
【００５２】
また、下地結晶層の結晶育成面全体に占めるボイドの面積比率は、本発明の観点からは、５〜８０％であることが好ましく、生産性の観点からは１５〜６０％であることが更に好ましい。
【００５３】
ボイドの存在および高さは、前記断面を電子顕微鏡で観察することで計測する。この条件は以下のとおりである。
測定装置：
電子顕微鏡（日立ハイテクノロジー製 ＳＵ８２４０）を用いて微構造観察する。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて断面を形成したサンプルに対して、加速電圧３ｋＶにて観察する。
ボイドの平面(2次元)的形状および面積は、サンプルの裏面から光を照射し、微分干渉顕微鏡で透過像を観察することで視認できる。
【００５４】
好適な実施形態では、隆起部５を支持基板１の主面１ａに垂直な断面で見たときに（図１（ｂ）参照）、主面の法線Ｐに対する１３族元素窒化物結晶の特定結晶軸αの角度θが滑らかに変化している。これによって、その上に形成する１３族元素窒化物結晶層の転位密度を一層効果的に低減できる。この特定結晶軸は、ｃ軸、ｍ軸、ａ軸であってもよいが、ｃ軸であることが特に好ましい。
【００５５】
例えば図２（ａ）に示すように、下地結晶層上に薄膜の１３族元素窒化物結晶層７を形成する場合には、その転位密度を低減できる。また、図２（ｂ）に示すように下地結晶層上に厚膜の１３族元素窒化物結晶層８を形成する場合には、１３族元素窒化物結晶層の転位密度低減に加えて、クラックを抑制できるし，また１３族元素窒化物結晶層の反りも抑制できる。
【００５６】
レーザ光の波長は、加工するべき種結晶層を構成する１３族元素窒化物の有するバンドギャップより大きなエネルギーを有し、支持基板材質の有するバンドギャップより小さなエネルギーを有する波長とする。こうすることで、支持基板側からレーザを照射した時に、支持基板内ではレーザが透過し、種結晶層を構成する13族元素窒化物でレーザ光が吸収され、加熱されることにより加工することが出来る。
エネルギー(単位：ｅＶ)と波長(単位：ｎｍ)の変換は、エネルギーをＥ、波長をλとすると、
λ≒1240/E
からなる近似式で計算出来る。
【００５７】
例えば、支持基板が酸化アルミニウム（例えばサファイアや結晶配向性アルミナ）であり、種結晶層を構成する１３属元素窒化物が窒化ガリウムの場合は、バンドギャップがそれぞれ、約３．４ｅＶ、約８．６ｅＶであるので、レーザの波長は１４４ｎｍから３６４ｎｍの間で選択する必要がある。
【００５８】
レーザ光源としては、Nd：YAGレーザの第3高調波、第4高調波、第5高調波、F2エキシマレーザ、ArFエキシマレーザ、KrFエキシマレーザ、XeClエキシマレーザ、XeFエキシマレーザ、YVO4レーザの第3高調波、第4高調波、YLFレーザの第3高調波、第4高調波を例示できる。特に好ましいレーザ光源は、Nd：YAGレーザの第3高調波、Nd：YAGレーザの第4高調波、YVO4レーザの第3高調波、第4高調波、KrFエキシマレーザがある。
【００５９】
レーザの照射形は、円形、楕円形、方形、線状でも良い。
レーザプロファイルは、ビームプロファイラーを通して整形しても良い。レーザプロファイルは、ガウシアン、ガウシアンライク、ドーナツ、シルクハットでも良い。ガウシアン、シルクハットが望ましい。
レーザの照射サイズやエネルギー密度を調整するために、レンズやスリット、アパーチャーを通した後に、レーザを基板に照射しても良い。
【００６０】
好適な実施形態においては、パルスレーザを使用することにより、隆起部の形成を調節することが好ましい。レーザのパルス幅に関しては特に制限がないが、100fsから200nsのレーザを使用できる。望ましくはより短パルスで、短パルスほど界面GaNの加熱時間が短くなるため、レーザ照射で分解したGaNから発生した窒素の加熱、膨張が減る。隆起部サイズの制御性の観点からは、このレーザのパルス幅は、200ｎｓ以下が好ましく、1ｎｓ以下が更に好ましい。
【００６１】
光ビームのエネルギー密度は、200〜350mJ/cm2が好ましく、250〜300 mJ/cm2が更に好ましい。このエネルギー密度が小さいと、界面の１３族元素窒化物結晶が無反応になり、高すぎると界面GaNが１３族元素と窒素に分解し、良好な隆起部が生成しにくくなる。
【００６２】
バルスレーザ光の照射は、1パルスを重ならないように照射しても良く、望ましくは、レーザスキャン速度や繰り返し周波数を制御してレーザスポットが重なるようにする。弱いエネルギーのレーザ光を重ねて照射することにより、急激な１３族元素窒化物結晶の分解による窒素の気化を抑制することが出来、ひいては１３族元素窒化物結晶の異状部を小さく出来る。
【００６３】
レーザ光の焦点位置を、下地結晶／支持基板の界面に位置するように加工しても良く、デフォーカスして照射しても良い。
【００６４】
支持基板の底面上に拡散板を置き、拡散板を通してレーザを照射しても良い。拡散板の材料は、使用するレーザが透過する材料から選択する。拡散板の例として、表面が荒らしてあるだけのサファイア基板でもよく、透光性のセラミック板を使用しても良い。また、表面に規則または不規則凹凸を形成した拡散板でも良い。
【００６５】
支持基板を加熱しながらレーザを照射しても良い。加熱すると反りが減るので、基板面内で均一な加工が出来る。
【００６６】
下地結晶層上に、フォトレジスト、金属蒸着膜等の表面保護層を形成することにより、支持基板側からレーザを照射した時に発生する異常部を抑制できる。
【００６７】
下地結晶層は支持基板に接合することで設けることもできる。この接合法は、直接接合や接着剤による接着を例示できる。また、この場合の支持基板の材質はシリコンであってもよい。この場合には、支持基板側からレーザ光を照射した時に生ずる異常部を抑制できる。
【００６８】
レーザスキャンはパターニングしても良いが、支持基板全面にスキャンしてもよく、これによって基板の全体にわたって転位低減効果が得られる。
【００６９】
パターニングされた隆起部の平面的パターンは、平面的にみて面内で均一であることが好ましく、同種のパターンが規則的に反復されていることが好ましい。具体的には、メッシュ状、ストライプ状、ドット状、スパイラル状等が挙げられる（図７〜図９参照）。
【００７０】
ボイドの形成は、レーザ照射による１３族元素窒化物の分解で界面にも形成される。このモードのボイドは、主として、界面よりも、下地結晶層の内部に形成されることが多い。ただし、ボイドが生成しても隆起部が生成されるわけではなく、下地結晶層を変形させるような十分な圧力が加わらなければ隆起部は形成されない。
【００７１】
次いで、下地結晶層上に１３族元素窒化物結晶を育成する。この場合には、フラックス法で１３族元素窒化物結晶を育成することが好ましいが、アモノサーマル法、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法であってもよい。この１３族元素窒化物において、１３族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第１３族元素のことである。また１３族元素窒化物は、具体的にはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、AlGaNまたはこれらの混晶が好ましい。
【００７２】
１３族元素窒化物結晶を支持基板からの剥離後に自立させるという観点からは、１３族元素窒化物結晶の厚さは、３００μｍ以上であることが好ましく、５００μｍ以上であることが更に好ましい。また、特に１３族元素窒化物結晶を自然剥離するためには、その厚さは１０００μｍ以上であることが好ましい。
【００７３】
１３族元素窒化物結晶は、好ましくは単結晶である。単結晶の定義について述べておく。結晶の全体にわたって規則正しく原子が配列した教科書的な単結晶を含むが、それのみに限定する意味ではなく、一般工業的に流通している単結晶という意味である。すなわち、結晶がある程度の欠陥を含んでいたり、歪みを内在していたり、不純物がとりこまれていたりしていてもよく、多結晶（セラミックス）と区別して、これらを単結晶と呼んで用いているのと同義である。
【００７４】
１３族元素窒化物結晶をフラックス法によって育成する場合には、フラックスの種類は、窒化ガリウム結晶を生成可能である限り、特に限定されない。好適な実施形態においては、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むフラックスを使用し、ナトリウム金属を含むフラックスが特に好ましい。
【００７５】
フラックスには、金属原料物質を混合し、使用する。金属原料物質としては、単体金属、合金、金属化合物を適用できるが、単体金属が取扱いの上からも好適である。
フラックス法における１３族元素窒化物結晶の育成温度や育成時の保持時間は特に限定されず、フラックスの組成に応じて適宜変更する。一例では、ナトリウムまたはリチウム含有フラックスを用いて窒化ガリウム結晶を育成する場合には、育成温度を８００〜９５０℃とすることが好ましく、８５０〜９００℃とすることが更に好ましい。
【００７６】
フラックス法では、窒素原子を含む気体を含む雰囲気下で１３族元素窒化物結晶を育成する。このガスは窒素ガスが好ましいが、アンモニアでもよい。雰囲気の圧力は特に限定されないが、フラックスの蒸発を防止する観点からは、１０気圧以上が好ましく、３０気圧以上が更に好ましい。ただし、圧力が高いと装置が大がかりとなるので、雰囲気の全圧は、２０００気圧以下が好ましく、５００気圧以下が更に好ましい。雰囲気中の窒素原子を含む気体以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。
【００７７】
好適な実施形態においては、１３族元素窒化物結晶を支持基板から分離する。本発明によれば、隆起部の支持基板面内における面積比率を制御することにより、育成した１３族元素窒化物結晶を自然剥離させたり、あるいは他の方法で剥離させたりすることができる。自然剥離の場合には、工程数を減らすことができるので有利である。一方、自然剥離させずに加工によって１３族元素窒化物結晶を分離する場合には、分離条件を人為的に制御することが可能なことから、歩留まりを一層高くすることができ、基板径が大きくなっても歩留まりの低下は少ない。
【００７８】
１３族元素窒化物結晶を支持基板から加工によって分離するには、レーザリフトオフ法（ＬＬＯ）や研削加工が好ましい。これら加工によって１３族元素窒化物結晶を支持基板から分離する場合にも、界面反応層や１３族金属やボイドがない場合と比べて歩留まりが向上する。この理由は、例えば研削加工により支持基板厚が薄くなってくると、支持基板が自然と界面反応層や13族金属やボイドを起点として剥離してくるためである。これに対して、界面反応層や13族金属やボイドがない場合には、研削加工によりサファイア基板厚が薄くなってくると、１３族元素窒化物結晶に大きな力が加わり、この結晶にクラックが発生し易くなる。
【００７９】
こうして得られた１３族元素窒化物結晶上に機能素子構造を形成する。この機能素子構造は、高輝度・高演色性の白色ＬＥＤや高速高密度光メモリ用青紫レーザディスク、ハイブリッド自動車用のインバータ用のパワーデバイスなどに用いることができる。
【実施例】
【００８０】
（実施例Ａ１）
実施例Ａ１では、図１に示す方法によって、図２（ａ）に示すような構造体（１）（表１参照）を得た。
具体的には、直径４インチ、厚さ１．３ｍｍの単結晶サファイアｃ面基板１をＭＯＣＶＤ炉（有機金属気相成長炉）内に入れ、水素雰囲気中で１１５０℃にて１０分間加熱し、表面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を５００℃まで下げ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを原料として窒化ガリウム層を２０ｎｍの厚さに成長させて、下地結晶層を形成した。次いで、基板温度を１１００℃まで上げ、ＴＭＧとアンモニアとを原料として、窒化ガリウムからなる下地結晶層２を５μｍの厚さに成長させた。【００８１】
次いで、支持基板１の底面１ｂ側からレーザ光を照射し、隆起部を形成した。底面１ｂは研削仕上げし、表面粗さRaを0.1〜0.3μmにした。
レーザ光源としては、YVO4レーザの第3高調波（波長３５５ｎｍ）を使用し、パルスレーザとした。出力を１０ｗとし、繰り返し周波数は１００ｋＨｚとし、パルス幅は２０ｎｓとし、焦点距離２００ｍｍのレンズで集光した。ワーキングディスタンス(レンズ-サンプル間距離)=150mmとした。ガルバノスキャナーを用いてレーザをラスタースキャンし、レーザ照射のショットピッチと行間を変え、表１に示すようなボイド、反応物および隆起部が形成された下地結晶層を得た。【００８２】
次いで、下地基板を、１０分間のアセトン洗浄、イソプロピルアルコールを用いた１０分間の超音波洗浄に供し、その後に純水流水で１０分間洗浄した。
次いで、Ｎａフラックス法によって、各下地結晶層上に窒化ガリウム結晶８を育成した。
下地基板を、内径１９０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ｇａ：２００ｇ
・金属Ｎａ：２００ｇ【００８３】
このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で８７０℃、４．０ＭＰａまで昇温加圧後、溶液を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶を約４時間成長させた。結晶成長終了後、３時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収したところ、それぞれ、厚さ８０μｍの窒化ガリウム結晶８が成膜されていた。【００８４】
次いで、研磨加工して、フラックス法GaN層の厚みを10umにした。その後、微分干渉顕微鏡で表面観察したところ、ピットや結晶の不会合は観察されなかった。また、X線ロッキンカーブを測定したところ、半値幅は、(0002)面反射で120秒、(10-12)面で150秒と、特にC軸が揺らぐことはなかった。【００８５】
次いで、窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表１に示す。【００８６】
（比較例Ａ１）
実施例Ａ1と同様にして構造体（１）を得た。ただし、実施例Ａ１とは異なり、レーザ光の照射を行わず、また隆起部を形成しなかった。得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表１に示す。【００８７】
【表１】
2019064783.tif 000003
【００８８】
（実施例Ｂ１）
図２（ｂ）に示すような構造体（２）（表２参照）を得た。
ただし、実施例Ａ１と同様にして下地基板を作製した。この際、隆起部の高さ、寸法、ボイド、反応物の有無は表２に示すように変更した。【００８９】
次いで、Ｎａフラックス法によって、各下地結晶層上に窒化ガリウム結晶８を育成した。
下地基板を、内径１９０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ｇａ：２００ｇ
・金属Ｎａ：２００ｇ【００９０】
このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で８７０℃、４．０ＭＰａまで昇温加圧後、溶液を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶を約５０時間成長させた。結晶成長終了後、３時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収したところ、それぞれ、厚さ１ｍｍの窒化ガリウム結晶８が成膜されていた。【００９１】
次いで、各例について、レーザリフトオフ法によって、窒化ガリウム結晶を支持基板から剥離させた。サファイア基板側からレーザを照射し、レーザ光源としては、Nd：YAGレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を使用し、パルスレーザとした。繰り返し周波数は１０Ｈｚとし、パルス幅は１０ｎｓ、焦点距離７００ｍｍのレンズで集光し、レンズと基板表面との距離を４００ｍｍとし、レーザリフトオフ時の光エネルギー密度は500mJ/cm2とし、パルスレーザによる照射ドットが重なるように、基板全体をスキャンした。【００９２】
次いで、研磨加工して総厚４００μｍとし、微分干渉顕微鏡で表面観察したところ、ピットや結晶の不会合は観察されなかった。また、X線ロッキンカーブを測定したところ、半値幅は、(0002)面反射で70秒、(10-12)面で80秒と、特にC軸が揺らぐことはなかった。【００９３】
そして、各例について、得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表２に示す。【００９４】
（比較例Ｂ１）
実施例Ａ1と同様にして構造体（２）を得た。ただし、実施例Ａ１とは異なり、レーザ光の照射を行わず、また隆起部を形成しなかった。得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表２に示す。【００９５】
【表２】
2019064783.tif 000004
【００９６】
（実施例Ｃ１〜Ｃ４）
実施例Ｂ１と同様にして構造体（２）を得た。ただし、実施例Ｂ１とは異なり、隆起部の平均高さを表３に示すように変更した。得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表３に示す。【００９７】
【表３】
2019064783.tif 000005
【００９８】
（実施例Ｄ１〜Ｄ５）
実施例Ｂ１と同様にして構造体（２）を得た。ただし、実施例Ｂ１とは異なり、隆起部の面積比率を表４に示すように変更した。得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表４に示す。【００９９】
【表４】
2019064783.tif 000006
【０１００】
（実施例Ｅ１）
実施例Ｂ１と同様にして構造体（３）（表５参照）を得た。
ただし、実施例Ｂ１とは異なり、窒化ガリウム層をＨＶＰＥ法で成膜した。
具体的には、下地基板をＨＶＰＥ炉に入れ、８００℃に加熱されたソースボート(source boat)上の金属ガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）ガスとを反応させることにより、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを生成し、塩化ガリウムガスと、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガス、キャリアガスとしての水素（Ｈ２）とを、加熱された上記種結晶基板の主表面に供給することにより、基板上で窒化ガリウム結晶を成長させた。結晶成長は、１１００℃まで昇温し窒化ガリウム結晶を５時間成長させたところ、厚さ１ｍｍの窒化ガリウム結晶８が成膜されていた。【０１０１】
窒化ガリウム結晶層の成長後に、研磨加工し、微分干渉顕微鏡で表面観察したところ、ピットや結晶の不会合は観察されなかった。また、X線ロッキンカーブを測定したところ、半値幅は、(0002)面反射で80秒、(10-12)面で90秒と、特にC軸が揺らぐことはなかった。【０１０２】
次いで、窒化ガリウム層を実施例Ｂ１と同様にして支持基板から剥離させ、転位密度、反りおよびクラックを測定した。結果を表５に示す。【０１０３】
（比較例Ｅ１）
実施例Ｅ１と同様にして構造体を作製した。
ただし、実施例Ｅ１とは異なり、レーザ光の照射を行わず、また隆起部を形成しなかった。得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定し、結果を表５に示す。【０１０４】
【表５】
2019064783.tif 000007
【０１０５】
（実施例Ｆ１〜Ｆ３および比較例Ｆ１〜Ｆ３）
実施例Ｂ１と同様にして構造体（２）を得た。ただし、実施例Ｂ１とは異なり、支持基板側から照射するパルスレーザのエネルギー密度が、表６、表７に示す値となるようにレーザー出力を変更した。レーザ照射のショットピッチは２０μｍ、行間は５０μｍであった。【０１０６】
得られた下地基板について、反応物、ボイド、金属ガリウム、隆起部を測定した。また、得られた窒化ガリウム結晶層の転位密度、反りおよびクラックを測定した。これらの結果を表６、表７に示す。【０１０７】
【表６】
2019064783.tif 000008
【０１０８】
【表７】
2019064783.tif 000009
【０１０９】
以上からわかるように、本発明の実施例では、窒化ガリウム層の反りが小さく、クラックも観察されなかった。更に下地結晶層下に反応物が生成した場合には、窒化ガリウム層の転位密度も著しく低減した。
比較例Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３では、反応物が生成していないので、窒化ガリウムに反りが大きく、クラックが生成していた。
【図１】
2019064783.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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