(57)【要約】 【課題】  下地基板の上にマスクを設けその上にＧａＮをＨＶＰＥ成長させマスク端部から立ち上がるファセットを維持しながら成長させると、マスクの部分は欠陥集合領域Ｈとなりファセット成長した部分は単結晶低転位領域となるが、欠陥集合領域Ｈが多結晶だったり方位が傾斜した単結晶だったりする。クラックの生じない自立ＧａＮ基板を製造する方法を提供すること。【解決手段】初め低温で成長させマスク上に多結晶微粒子を生成し高温でエピタキシャル成長させ露出部だけに窒化ガリウム薄膜が成長するようにし、マスクの端から傾斜して伸びるファセットを充分に広くなるようにし、ファセットから方位反転した爪状の突起がマスクの上方へ伸びるようにする。突起が伸び合体し、その上に成長する部分は方位反転結晶の欠陥集合領域Ｈとなる。熱膨張率異方性の違いがなくクラックが発生しない基板を与えることができる。【選択図】図５
2006066496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板を準備し、下地基板の上にエピタキシャル成長を阻害する材料によって平行線状（ストライプ）または孤立点状（ドット）である所定のマスクパターンを部分的に形成し、マスクに覆われた被覆部とマスクに覆われない露出部を設け、その上から窒化ガリウムをエピタキシャル成長するに際して、その結晶成長の初期に、露出部ではエピタキシャル成長がなされるが、被覆部ではエピタキシャル成長がなされず、被覆部の端から露出部にかけて、窒化ガリウムのファセット面からなる斜面が形成され、その斜面から、露出部の窒化ガリウムとは極性が１８０度異なり反転した窒化ガリウムの突起が形成され、成長と共に露出部の窒化ガリウムの厚さが増加する一方、突起はマスクの被覆部とは接触しないで伸びて成長し、さらに被覆部の両側から突起の成長が進行し、当該マスク被覆部の上部中央付近で複数の突起が合体し当該マスク被覆部全面を覆い、さらに結晶成長の進行と共に、全体の厚さが増加し、当該マスク被覆部領域上にのみ、露出部とは極性の異なった極性反転領域Ｈを形成することを特徴とする窒化ガリウムの結晶成長方法。
【請求項２】
窒化ガリウムの結晶成長の際に、成長温度４００℃から６００℃の低温である第１の温度で結晶成長した後、成長温度９００℃から１１００℃の第２の温度でエピタキシャル成長中にファセット面からなる斜面が形成され、その斜面から窒化ガリウムの突起が形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
【請求項３】
マスクパターン上には、窒化ガリウムの微細な多結晶粒が付着していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
【請求項４】
窒化ガリウムのエピタキシャル成長の初期において、窒化ガリウムの極性の異なった極性反転領域がマスク被覆部全面を覆う段階の結晶成長速度を、３０〜１００μｍ／ｈとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
【請求項５】
下地基板を準備し、下地基板の上にエピタキシャル成長を阻害する材料によって平行線状（ストライプ）または孤立点状（ドット）であるマスクを形成し、マスクに覆われた被覆部とマスクに覆われない露出部を設け、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させ、マスク被覆部には窒化ガリウム薄膜ができない状態を保ち、露出部にｃ軸が直上を向く（０００１）窒化ガリウム単結晶膜を生成し、被覆部の端から露出部に向かって傾斜して立ち上がるファセット面を形成し、成長の初期にマスク被覆部に接触せず被覆部の上部へ伸びｃ軸が下を向いた（０００−１）反転方位単結晶である突起をファセット面から突出するように生成し、露出部のファセットを維持しながら正方位（０００１）窒化ガリウムを成長させるとともに、突起を伸長させて被覆部の上方で被覆部の両側から伸びてきた複数の突起を合体させ被覆部の上方に反転方位（０００−１）単結晶領域Ｈを作り、露出部のファセット面を埋め込まないようにして、露出部の上に正方位（０００１）のファセット面に続く単結晶低転位Ｚ領域と、隣接する単結晶低転位領域Ｚ、Ｚの間に平坦なＣ面を維持して成長する正方位（０００１）のＣ面成長領域Ｙを生成し、反転方位単結晶Ｈとファセット成長した単結晶低転位領域Ｚの間に方位反転に伴う結晶粒界Ｋを生成し、反転方位単結晶Ｈの内部には突起が合体したときの不整合による結晶粒界Ｋ’を生成し、さらに気相成長を続けファセットを埋め込まずＺ、Ｙ、Ｈ領域が厚みを増すようにし、…ＨＺＹＺＨ…構造、或いは…ＨＺＨＺ…構造の窒化ガリウムと下地基板の複合基板とし、下地基板とマスクを除去し、表面を研磨し、…ＨＺＹＺＨ…構造、或いは…ＨＺＨＺ…構造の窒化ガリウム自立基板を得ることを特徴とする窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項６】
窒化ガリウム以外の材料の基板の上に、薄い窒化ガリウム薄膜をエピタキシャル成長させたものを下地基板とすることを特徴とする請求項１または５に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項７】
ファセット面が上向きに成長することによりファセット面に存在した転位をファセット面集合の底へと集結し、反転方位単結晶Ｈと結晶粒界Ｋに集めて、一部は消滅させ残りは反転方位結晶Ｈと結晶粒界Ｋに永久的に拘束して、単結晶低転位随伴領域ＺとＣ面成長領域Ｙの転位を減少させるようにし、反転方位単結晶Ｈが欠陥集合領域として機能するようにしたことを特徴とする請求項５または６に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項８】
下地基板の上でマスクに覆われていなかった露出部の上には連続的に上面がガリウム面である正方位（０００１）の単結晶Ｚ、Ｙが、マスク被覆部の上には上面が窒素面である反転方位単結晶Ｈが連続的に成長することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項９】
露出部の上で被覆部に隣接する部分に成長したファセット成長領域Ｚは｛１１−２２｝、｛１−１０１｝ファセット面を上面に保ちながら成長し、ファセット成長領域Ｚ、Ｚに挟まれるＣ面成長領域Ｙは平坦なＣ面（０００１）を上面に保ちながら成長し、被覆部の上で合体した突起の上に成長した反転方位領域Ｈは、より低い傾き角の上面を保ちながら成長することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１０】
反転方位領域Ｈのより低い傾きの上面は、水平面に対して２５度〜３５度傾斜したファセット面であることを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１１】
反転方位領域Ｈのより低い傾きのファセット面は、｛１１−２−６｝面または｛１１−２−５｝面であるか、あるいはそれからわずか（１０度以内）に傾いた別のファセット面であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１２】
成長の初期にファセット面から伸長する突起は反転方位をもち、上面は低い傾き角の｛１１−２−６｝面または｛１１−２−５｝面であるか、あるいはそれからわずか（１０度以内）に傾いた別のファセット面であり、下面はより大きい傾き角の｛１１−２２｝ファセット面であることを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１３】
成長初期に反転方位をもつ突起が合体したことによってできた不整合面から連続して伸びる結晶粒界（Ｋ’）を反転方位領域Ｈの内部に保持しながら成長し、内部の結晶粒界（Ｋ’）も集結した転位の一部を打ち消し、残りを捕獲拘束することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１４】
下地基板の上に形成するマスクは一定幅ｗをもった被覆部をピッチｐで平行に並べた平行線形状（ストライプマスク）であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１５】
ストライプマスクの被覆部の幅はｗ＝５μｍ〜１００μｍであり、ピッチはｐ＝１００μｍ〜１０００μｍである事を特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１６】
ストライプマスクの被覆部、露出部はＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に伸びるものであることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１７】
下地基板の上に形成するマスクは一定寸法ｄをもった孤立被覆部をピッチｐで規則正しく並べた孤立点集合形状（ドットマスク）であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１８】
ドットマスクの孤立被覆部の寸法はｄ＝５μｍ〜１００μｍであり、ピッチはｐ＝１００μｍ〜１０００μｍである事を特徴とする請求項１７に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項１９】
窒化ガリウムの結晶成長の際に、成長温度４００℃から６００℃の低温である第１の温度で結晶成長した後、成長温度９００℃から１１００℃の第２の温度でエピタキシャル成長中にファセット面が形成され、そのファセット面から窒化ガリウムの突起が形成されることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２０】
マスク上には、窒化ガリウムの微細な多結晶粒からなる層が堆積していることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２１】
成長の初期において低温で窒化ガリウムを成長したことによって被覆部の上に付着した微小な窒化ガリウム多結晶粒子が、ファセットと同じ方位をもった結晶がファセット下部から被覆部へ水平に伸びるのを防ぎ、方位反転した突起が被覆部から離隔してファセット途中から伸びるようにする作用を有することを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２２】
窒化ガリウムのエピタキシャル成長の初期において、窒化ガリウムの極性の異なった反転方位（０００−１）単結晶領域Ｈがマスク被覆部全面を覆う段階の結晶成長速度を、３０〜１００μｍ／ｈとすることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２３】
マスク材質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯの何れかであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２４】
下地基板は、サファイヤ単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶、ＧａＰ単結晶、ＧａＮ単結晶、ＡｌＮ単結晶の何れかである事を特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項２５】
予め意図された複数の位置に予め意図された寸法形状の反転方位（０００−１）をもつ単結晶である方位反転領域Ｈが存在し、方位反転領域Ｈに隣接して予め意図された寸法の複数の正方位（０００１）をもつ単結晶低転位領域Ｚが連続して存在し、隣接する複数の単結晶低転位領域Ｚ、Ｚに挟まれた（０００１）方位単結晶であるＣ面成長領域Ｙが存在し、方位反転領域Ｈと単結晶低転位領域Ｚの境界に方位反転による結晶粒界Ｋを有し、方位反転領域Ｈの内部にも不整合面からなる結晶粒界Ｋ’を有し、結晶粒界Ｋ、Ｋ’において多数の転位を捕獲拘束しており、予め意図された寸法形状の…ＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造、あるいは…ＺＨＺＨ…構造を有することを特徴とする窒化ガリウム基板。
【請求項２６】
方位反転領域Ｈ内部の結晶粒界Ｋ’は反転方位結晶を突き合わせた不整合面であり方位に５゜以内のずれがあることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項２７】
反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙの、３５０ｎｍ帯の光に対する吸収係数は１０００〜１００００ｃｍ−１であり、５５０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の光に対する吸収係数は１〜１０ｃｍ−１であり、４５０ｎｍ帯に対する反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚの吸収係数は１〜１０ｃｍ−１、Ｃ面成長領域Ｙの吸収係数は１０〜１００ｃｍ−１であって、吸収係数のＹ／Ｚの比およびＹ／Ｈの比は５〜２０であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項２８】
Ｈ３ＰＯ４：Ｈ２ＳＯ４＝１：１のエッチング液に対する２７０℃でのエッチング速度が、反転方位領域Ｈにおいては１０μｍ／時より速く、単結晶低転位領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙにおいては０．１μｍ／時より遅く、エッチング速度のＨ／Ｙの比、Ｈ／Ｚの比は１００以上である事を特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項２９】
（０００４）面からのＸ線回折の半値幅（ＦＷＨＭ）が、単結晶低転位領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙにおいて１０〜１０００アークセカンドであり、反転方位領域Ｈにおいて１００〜３６００アークセカンドであり、半値幅のＨ／Ｙ比およびＨ／Ｚ比が３〜１０であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３０】
電気抵抗率が、反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚにおいて１０−４〜１０−１Ωｃｍであり、Ｃ面成長領域Ｙにおいて１０−２〜１０７Ωｃｍであり、電気抵抗率のＹ／Ｈ比およびＹ／Ｚ比が１０〜１０７であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３１】
紫外線を照射したときのホトルミネセンススペクトルには３６０ｎｍと５６０ｎｍにピークをもち、３６０ｎｍのピーク値を５６０ｎｍのピーク値で割った３６０／５６０比が、反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚにおいて１〜１０００であり、Ｃ面成長領域Ｙで０．０１〜１０であって、ホトルミネセンスの３６０／５６０比のＹ／Ｈ比およびＹ／Ｚ比が１０〜１０５である事を特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３２】
反りの曲率半径が６００ｍｍ〜５００００ｍｍであることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３３】
Ｃ面成長領域Ｙの酸素濃度は１０１８ｃｍ−３以下で、単結晶低転位領域Ｚと反転方位領域Ｈの酸素濃度は１０１６〜１０２０ｃｍ−３であって、酸素濃度のＹ／Ｈ比およびＹ／Ｚ比は１０−１〜１０−５であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３４】
一辺が１０ｍｍ〜１６０ｍｍで、厚さが５μｍ以上２０００μｍ以下である矩形形状である事を特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３５】
直径が１０ｍｍ〜１６０ｍｍで、厚さが５μｍ以上２０００μｍ以下である円形形状である事を特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３６】
反転方位領域Ｈと、Ｃ面成長領域Ｙの上面における幅が、下面に於ける幅よりも、厚みの０．００１〜０．１倍だけ狭くなっており、単結晶低転位領域Ｚの上面に於ける幅が下面に於ける幅よりも厚みの０．００１〜０．１倍だけ広くなっていることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３７】
転位を捕獲拘束している結晶粒界Ｋ、Ｋ’の転位密度は１０６ｃｍ−２〜１０９ｃｍ−２であり、反転方位領域Ｈの転位密度は５×１０６ｃｍ−２〜５×１０８ｃｍ−２であり、単結晶低転位領域Ｚの５０％以上において転位密度は５×１０６ｃｍ−２未満であり、Ｃ面成長領域Ｙの６０％以上において転位密度は５×１０６ｃｍ−２未満であり、Ｚ領域とＨ領域の転位密度の比率Ｚ／Ｈは１０−３〜１０−１で、Ｙ領域とＨ領域の転位密度の比率Ｙ／Ｈは１０−３〜１０−１であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３８】
反転方位領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙが平行に存在する窒化ガリウム結晶であって、熱伝導度は平行方向、垂直方向に差異が無く、等方的であり、１５０Ｗ／ｍＫ〜２２０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３９】
反転方位領域Ｈのビッカース硬度が１２００〜１５００Ｈｖ、単結晶低転位随伴領域Ｚのビッカース硬度が１２００〜１８００Ｈｖ、Ｃ面成長領域Ｙのビッカース硬度が１３００〜１８００Ｈｖであり、Ｃ面成長領域Ｙのビッカース硬度が最大であることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項４０】
研磨した窒化ガリウム結晶であって、キズ密度については反転方位領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙによる差異がなく、０〜１×１０５本／ｍｍであることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項４１】
反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙは平行線状に…ＨＺＹＺＨＺＹＺ…という順で繰り返し存在し、反転方位領域の幅は５μｍ〜１００μｍであり、繰り返しのピッチは１００μｍ〜１０００μｍである事を特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項４２】
反転方位領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙは＜１−１００＞方向に伸びるものであることを特徴とする請求項４１に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項４３】
反転方位領域Ｈは５μｍ〜１００μｍの寸法をもつ孤立した複数の領域で１００μｍ〜１０００μｍピッチで規則正しく並んでおり、単結晶低転位領域Ｚは孤立した反転方位領域Ｈを囲んで存在する複数の領域で、Ｃ面成長領域Ｙは連続した一つの領域であって全ての単結晶低転位随伴領域Ｚと接触していることを特徴とする請求項２５に記載の窒化ガリウム基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、３−５族窒化物系化合物半導体からなる青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青色半導体レーザ（ＬＤ）などの発光デバイスの基板として用いられる窒化ガリウムの結晶成長方法に関する。また発光ダイオードや半導体レーザなど青色発光デバイスの基板に用いられる窒化ガリウムの結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、すでに青色ＬＥＤを初めすでに実用化がなされている。窒化物半導体を用いた青色発光デバイスは現在でも殆どが基板としてサファイヤを用いている。サファイヤ基板の上に、窒化物半導体ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ層を成長させＩｎＧａＡｓを活性層とする青色青緑色のＬＥＤ、ＬＤが作製される。サファイヤは化学的に安定な基板であり発光デバイスの基板として適合している。窒化ガリウムとサファイヤの格子ミスフィットは大きい。しかしだからといって欠陥が転位などから増殖するということはない。デバイスは安定である。それは一つにはサファイヤの優れた特性であり、もう一つはＬＥＤの場合電流密度が低いので欠陥増殖などの劣化が進みにくいということもある。
【０００３】
サファイヤ基板にも欠点がある。それは、劈開性がない、絶縁体である、ミスマッチが大きいということである。
【０００４】
サファイヤ基板の上に作製したＩｎＧａＮ系の発光ダイオードの場合はサファイヤウエハ−を機械的にダイシングしてチップに切り分ける。サファイヤに劈開性がないから歩留まりが低くコスト高になっていた。青色半導体レーザの場合は共振器面を劈開面に作るということができない。共振器面を簡単に作ることができる半導体レーザの特性など品質の面で問題であった。
【０００５】
サファイヤは絶縁体基板なので、通常のＬＥＤやＬＤのように基板底面にｎ電極を設けることができない。ｎ型ｐ型のＧａＮ、ＩｎＧａＮのエピ層を積んだあと一部をエッチングしｎ型ＧａＮ膜を一部露出させそこをｎ電極とする。リードピンとｎ電極をワイヤボンデイングで接続する必要がある。横方向に電流を流すのでｎ型ＧａＮ膜は厚くしなければならない。そのため工程数、工程時間が増大しコスト高を招いていた。
【０００６】
ｐ電極、ｎ電極を上面から取り出すのでチップ面積を広くしなければならない。それもコストを押し上げていた。
【０００７】
サファイヤ基板の上に窒化物薄膜を積層すると格子のミスマッチのためにエピ層の中に多数の転位など欠陥が発生するという問題もある。現に市販されているサファイヤ基板の上に作製したＧａＮエピ層には１０９〜１０１０ｃｍ−２程度の高密度の転位密度が存在するといわれている。サファイヤよりも格子ミスマッチの小さいＳｉＣ基板を用いたＧａＮ系エピ層でも同様な高密度の転位密度が見られ大差ないようである。
【０００８】
もっともこの高密度転位密度は発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合は殆ど問題にならない。そこから欠陥が増殖しないからである。電流密度が高い半導体レーザ（ＬＤ）の場合は転位から欠陥が成長してゆく可能性があり、半導体レーザの寿命を制限する原因になるのではないかと考えられている。サファイヤ基板は青色、紫外発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）の基板として今も主流をなしている。
【０００９】
しかしそれにもかかわらず、ＧａＮ系発光素子の最も理想的な基板は窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であると本発明者は考える。
【００１０】
もしも高品質のＧａＮ単結晶基板が得られるならば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどのエピ層との格子ミスマッチの問題は起こらない。
【００１１】
サファイヤと違い、窒化ガリウムは明確な劈開をもつ。チップ切り出し時に自然劈開によってきれいに切断できる。それは半導体レーザの共振器を歩留まり高く作製することを可能にする。
【００１２】
窒化ガリウムはドーピングできるので、ｎ型不純物をドープすることによって導電性あるｎ型基板を作ることができる。そうすれば底面をｎ電極にできる。下面にｎ電極、上面にｐ電極を取ることができる。上下に電極を設けられるからチップサイズを減らすことができる。またワイヤボンデイング工程を一つ減らすことができる。
【００１３】
そのように窒化ガリウム単結晶基板が望まれる。しかし大型高品質単結晶の窒化ガリウム基板を製造する技術は未だ存在しない。
【００１４】
平衡状態を保った液相からの結晶化は、超高圧高温の環境で可能だと言われている。が、小粒の結晶粒が少量製造できるだけで実用的でない。
【００１５】
これに対し、異種物質の下地基板の上に、窒化ガリウムの層を厚く気相成長させて、そのあと下地基板を除去することによって窒化ガリウムの単体の基板を得るという方法が本発明者によって試みられている。
【００１６】
窒化ガリウム（ＧａＮ）の気相成長は、もともとサファイヤ基板の上に０．１μｍ〜２μｍ程度のＧａＮ薄膜を成長させるときに利用された技術である。いまでもＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ薄膜成長に用いられている。ＭＯＣＶＤ法が主流である。これはＧａの有機金属とアンモニアを気相で吹き込んで加熱されたサファイヤの上で反応させ反応生成物をサファイヤ基板の上に積層するものである。ドーパントの有機金属気体を添加することによってドーピングも容易に行える。
【００１７】
またＧａＮ薄膜をサファイヤ基板の上に成長させると転位密度が高くなるのでそれを減らすためにエピタキシャルラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ：ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）という手法が用いられる事もある。これはマスクを基板に付けておきマスク上を横方向成長するようにし横方向成長したものが衝突し成長の方向を横方向から縦方向に転換させ、その時に転位密度を減らすようにした工夫である。薄膜成長の工夫で、０．１μｍ〜０．５μｍ程度とごくごく薄い時に成長方向を変えて転位を減らす方法でその後はＣ面をもって成長させる。本来、薄膜の転位密度を減らすための手法である。
【００１８】
本発明者はＥＬＯを厚い基板の製造にも転用することを考えていくつもの発明をしている。サファイヤを下地にすると簡単には取れないので、下地基板にはＧａＡｓ単結晶を用いる。ＧａＡｓ（１１１）基板の上に小さい窓を規則正しく配列したマスクを設けマスクの上からＧａＮ膜を気相成長させる。初め、窓から露呈したＧａＡｓ基板の上にＧａＮが縦成長し横方向成長に変わってマスクに乗り上げる。転位の伸びる方向も横方向になり衝突して転位が減る。その後は上向きのＣ面成長となる。薄膜でなくて数百μｍ程度の厚いＧａＮをＥＬＯによって成長させ下地基板のＧａＡｓを除去してＧａＮの自立膜を得るようにしたのが本発明者による特許文献１、２である。
【００１９】
本発明者による特許文献３はＧａＮ膜をさらに厚く成長させて複数枚の基板を切り出し、一挙に複数枚のＧａＮ基板を製造する方法を提案している。これらの新しい手法によってＧａＮ基板の商業ベースでの製造が初めて可能になった。本発明者による特許文献１、２、３はＥＬＯを拡張して初期に転位を減らすようにして低転位の自立基板を得ようとしたものである。
【００２０】
ところが、これらＣ面成長する方法によるＧａＮ基板は未だに転位密度の高いもので（１０１０ｃｍ−２程度）であった。その上に窒化物系の薄膜を積層するのであるが、基板自体に転位密度が多数ある場合は、もともとある転位から出発した多数の欠陥がエピ層に受け継がれる。だから基板自体が高品質のものでないと、その上に良好な発光デバイスを作ることができない。ＥＬＯはもともと薄膜（０．１μｍ〜１μｍ程度）の転位を減らすものであり厚い基板（数百μｍ）の場合はあまり有効でないということである。成長の初期に転位が一次的に減っても、その後増大する。
【００２１】
そこで転位密度の小さいＧａＮ基板を製造することを目的として、さらに本発明者は研究を進めた。そして特許文献４にファセット成長法とでも呼ぶべき新規な優れた窒化ガリウム結晶成長法を提案した。それは従来のＣ面成長とは全く違って独自のものである。本発明者が創案したものは、三次元的なファセット構造を結晶表面に作り出し、例えば逆６角錐型のファセットからなるピットが多数並ぶような構造を作り、それを埋め込まないでピットを維持しながら気相成長を持続させ、ファセットの傾斜面の法線方向成長により転位をピットの底へ掃き込むことによって転位密度を実効的に減少させる。
【００２２】
平均するとＣ軸方向に成長しているが表面はＣ面でないファセット面を多数含む。かりにファセット成長法と呼ぶことができる。図１（ａ）、（ｂ）によってそれを説明する。図１（ａ）は三次元的ファセットを持って成長する窒化ガリウム結晶４の表面のピットを含む一部を拡大した斜視図である。結晶４の表面には平坦部７（Ｃ面成長部）もあるが、逆六角錐形状のピット５が多数存在する。ピット５の六面はファセット面６である。これは｛１１−２２｝面であることが多い。平均的な成長方向は上方（ｃ軸方向（０００１））であるが、ファセット６はその法線の方向に成長するファセット面に存在した転位は傾斜面が法線方向に盛り上がるので稜線８の方へ移動する。転位は稜線８をさらに滑り落ちてピット５の底にたまる。ここで、｛…｝は面の包括表現、（…）は面の個別表現、＜…＞は方向の包括表現、［…］は方向の個別表現である。図２はピットの平面図で、転位の動きを水平面に投影したものである。ファセット６を維持しながら成長すると転位が稜線８へ移り、さらに稜線８を伝わって中心の多重点Ｄへ集まる。
【００２３】
三次元的なファセット構造は、逆１２角錐状のピットであってもよい。これらのファセット面６の多くは、｛１１−２２｝面や｛１−１０１｝面である。ファセット成長法は、これらのファセットピット５を多数作り出し、これらを埋め込まないようにして成長を続ける。結晶成長とともにファセット面６も上方へと持ち上がってゆく。するとファセット面６に存在した転位は、ファセット面の法線をＣ面に投影した方向へ移動する。つまり転位は稜線の下とピットの中央へ集められる。
【００２４】
稜線の下に集積したものは６面の面状欠陥１０となる（図１（ｂ））。ピット底に集結したものは線状欠陥１１となる。掃き集められた転位は線状欠陥（転位集合束）１１、面状欠陥１０に集められる。そのように多数の転位がピット中央の欠陥１０、１１に集まり集結する。方々に分散していた転位がピット底へ掃き集められるのだから、その他の部分の転位密度は減少する。ピット底の転位が集まった部分を転位集合部と呼ぶ。その他の部分の転位が減少するという優れた効果のある方法である。それが本発明者による特許文献４に述べられたファセット成長法である。極めて斬新な手法である。ＥＬＯのように成長の初期だけ転位を衝突させて減らすのではない。成長の間を通じて転位をピット底（線状欠陥１１、面状欠陥１０）へ集め続けるので効果が持続する。転位密度減少の度合いは高く、その他の部分の転位密度は１０−５〜１０−７程度に減少することもある。
【００２５】
このファセット成長法は優れた新規な方法であったが、なお問題があることが分かった。図３（１）、（２）によって特許文献４のファセット成長法の欠点を明らかにする。図３（１）はファセット成長によって転位がピット５底の線状転位集合部１１に集められたものを示す。
【００２６】
（１）ＧａＮ膜を厚く成長させるに従って、ファセットピット６中央の転位集合部１１（線状転位集合部）に一旦集まった転位が広がりはじめる。図３（２）のように転位１３がピット底からモヤ状に分布し広がる傾向が現れる。つまり線状転位集合部１１には転位を永久的に拘束する力がない。だからそれ以上周辺部の転位密度が下がらなくなる。モヤ状転位広がり１３がファセット成長部の方へ拡大するとその部分の転位が再び増加する。
【００２７】
（２）ファセット面からなるピット５の生成位置はランダムである。偶然に支配される。積極的に制御できない。転位を集結させた転位集合束１１の位置もランダムであり、予め決めておくことができない。どこにピット５ができるのか？ということは偶然に支配される。確率的なものである。デバイスを作るとき転位密度集結部を避けて作る必要があるとするとファセットピットの所在がランダムであるというのは不都合である。どこにピットができて転位が集結するのか？ということが予め決まった方が良い。ファセット成長法には、これらの新しい課題が浮かび上がってきた。これらの課題を解決するために、本発明者は次のような工夫を考えた。
【００２８】
本発明者らは、転位のモヤ状の広がり１３がピット底から発生するのは、ファセット面からなるピット中央底（線状転位集合部１１）に転位が集結しても、集結部分に転位が一時的に滞留するだけで転位間には反発力が働き成長がさらに進むと分散し始めモヤ状に広がるためだと推量した。単にファセットを維持して成長させるだけでは一旦補集した転位をつなぎ止めておくことができない。
【００２９】
そこで本発明者は特許文献６に示すドットマスクファセット成長法を新たに創案した。これは下地基板の上に孤立した円形、矩形の被覆部を規則正しくピッチｐで並ぶようにドットマスクを作っておき、その上に窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるものである。
【００３０】
図４によって説明する。下地基板２１の上にマスク（被覆部）２３を作っておく。下地基板露出部２９で結晶成長はすぐに始まり薄膜が積層される。被覆部２３の上の成長が遅れ、境界部にファセット２６が生ずる。ドット状に被覆部２３を作るから被覆部２３の周りに必ずファセット２６からなるピット２５ができる。被覆部２３の上に欠陥集合領域Ｈが生ずる。露呈部のファセット面２６に続いて成長する部分Ｚは単結晶になるが、もともと存在した転位はピット２５の底へ集まるのでファセット成長する部分Ｚは低転位となる。ファセット成長領域は、Ｈに伴って存在するから単結晶低転位随伴領域Ｚともいう。幾何学的にファセット成長する部分Ｚで全体を覆い尽くせないから、Ｃ面（２７）成長する部分Ｙが残る。Ｃ面成長領域Ｙも転位がファセット領域に引き寄せられるので低転位になる。Ｚで覆い尽くせない領域ということで単結晶低転位余領域Ｙともいう。こうして
【００３１】
マスク被覆部の直上      ＝欠陥集合領域Ｈ
露出部直上ファセット直下＝単結晶低転位随伴領域Ｚ
Ｃ面成長部              ＝単結晶低転位余領域Ｙ
【００３２】
という複合構造を持った窒化ガリウム基板となる。特許文献４のファセット成長法のときは、欠陥が集合する部分とその他の部分という区別だけがあったが、特許文献５では、その他の部分といってもファセット成長した部分（単結晶低転位随伴領域Ｚ）とＣ面成長する部分（単結晶低転位余領域Ｙ）があるということが初めて認識された。つまり２つの部分でなく、３つの区別される部分がある、ということが初めて明らかになった。そしてマスクの周辺部を上向きに延長した筒状体がＨとＺの境界となり、それが結晶粒界Ｋとなる。転位は欠陥集合領域Ｈ、結晶粒界Ｋに集められ、ここで一部消滅し残りは捕獲拘束され再び分散しない。モヤ状の広がり１３はこれによってなくなる。そのような明確な転位消滅捕獲機構が欠陥集合領域Ｈ、結晶粒界Ｋによって作られた。
【００３３】
そのように特許文献５はマスクを予め下地基板の上に作っておきマスクの上に欠陥集合領域Ｈができるのだから、特許文献４の転位を集合する線状転位集合部１１の位置が決まることになる。これは同時に低転位単結晶領域Ｚ、Ｙの位置をも決めることになる。そして転位拘束は永久的でモヤ状再分散が起こらない。特許文献５はマスクを付けることによって、不安定であった転位集合部分１１の代わりに、位置決めされた欠陥集合領域Ｈを作り、これによって転位捕獲を永久化した。偶然が支配し転位再分散を許した特許文献５のファセット成長法を著しく改善したものである。
【００３４】
特許文献６は平行線状の被覆部をもつマスクを下地基板に形成して窒化ガリウムをファセット成長するものである。マスクが平行線であるから半導体レーザなどのデバイスを作製する場合に便利である。
【００３５】
特許文献７はドッドマスクファセット成長法の特許文献５の優先権を主張した出願である。特許文献８はストライプマスクファセット成長法の特許文献６の優先権を主張した出願である。
【００３６】
【特許文献１】特願平９ー２９８３００号
【特許文献２】特願平１０−９００８０号
【特許文献３】特願平１３−１０２５４６号
【特許文献４】特願２００１−１０２３０７号
【特許文献５】特願２００１−２８４３２３号（ドット）
【特許文献６】特願２００１−３１１０１８号（ストライプ）
【特許文献７】特願２００２−２３０９２５号（ドット）
【特許文献６】特願２００２−２６９３８７号（ストライプ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
マスク２３を下地基板２１に付けておき、その上にファセット成長させるマスクファセット成長法はまことに優れた方法であった。そのマスクはＥＬＯのマスクとは違って、被覆部上（Ｈ領域）と露呈部上（Ｚ、Ｙ）にできるものがそもそも違うのである。転位を集結したＨ領域はマスク位置で一義的に決まる。Ｈ領域が一旦捕集した転位は永久に拘束される。転位のモヤ状広がり１３ができない。
【００３８】
ところが、そのような精緻な方法にもなお問題があるということが分かった。マスク上にできる欠陥集合領域Ｈの正体がハッキリと定まらないということである。欠陥集合領域Ｈは多結晶の場合もあるし、結晶方位が正方向に少し傾いた単結晶であることもあり、結晶方位が負方向（１８０度近く）に少し傾いた単結晶であることもある。
【００３９】
そのように欠陥集合領域Ｈの本質が不定多種多様であるということは問題である。窒化ガリウムはｃ軸方向とａ軸、ｂ軸、ｄ軸（４軸で表現して）方向ではその性質が異なる。熱膨張率もｃ軸方向とａ軸方向では大きく異なる。気相成長法では１０００℃もの高温にして成長させそれを室温にまで冷却するから、ｃ軸方向の縮みとａ軸方向の縮みはかなり違う。１０００℃もの温度変化をするから、わずかな熱膨張率の相違であってもｃ軸、ａ軸方向の熱膨張率の差（熱膨張率異方性）が大きな応力を生じる。
【００４０】
欠陥集合領域Ｈが多結晶であれば、熱膨張率は平均の値になる。だから欠陥集合領域Ｈと周りの低欠陥単結晶領域Ｚとの熱膨張率の異方性が異なる。そのために冷却すると強い内部応力が生じマイクロクラックが発生する。下地基板を除くと窒化ガリウム結晶はバラバラになるか、そうでなくても破断しやすいものになる。
【００４１】
欠陥集合領域Ｈが正方向に軸の傾いた単結晶である場合、周囲の低欠陥単結晶領域Ｚと方位が異なるからやはり温度変化によって応力が発生し、クラックが生ずる。折角窒化ガリウム基板を作っても割れてしまって使えないということになる。
【００４２】
欠陥集合領域Ｈが負方向に軸の傾いた単結晶である場合も同様であり熱膨張率の異方性が内外で不一致になりクラックが発生する。
【００４３】
欠陥集合領域Ｈと単結晶低転位領域Ｚで熱膨張率の異方性を合わせる必要がある。そのためには方位が完全に合致しているか、完全に反転しているかどちらかでなければならない。それ以外の軸方向が食い違う単結晶だということでは必ず熱膨張率異方性の食い違いがクラックを発生させる。
【００４４】
欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚの方位が合致していれば熱膨張率異方性が合致するからクラックは発生しない。それはいいのであるが、それだと全体が単結晶になり境界に不連続がないので転位を永久的に捕獲集結できない。モヤ状再拡散を阻止できない。
【００４５】
境界が転位を閉じ込め転位を集結した空間を閉鎖しなければならない。熱膨張率異方性を合致させ、境界になんらかの不連続を与えるためには欠陥集合領域Ｈと単結晶低転位領域Ｚの方位が反転しているという他はない。ＨとＺがいずれも単結晶であって方位が逆転していれば判然と境界に欠陥ができる。それでいてａ軸、ｃ軸の熱膨張率異方性は一致するから１０００℃の温度変化であっても熱膨張率の差が顕在化することはない。つまり低欠陥単結晶領域Ｚのａ軸、ｂ軸、ｄ軸、ｃ軸は、欠陥集合領域Ｈの−ａ軸、−ｂ軸、−ｄ軸、−ｃ軸になる（図１５）。熱膨張率はａ軸方向でも−ａ軸方向でも同じなのであるから異方性は完全に一致する。
【００４６】
方位が逆転すると、その境界に必ず結晶粒界ができる。結晶粒界があれば転位を永久的に捕獲拘束できる。そういうわけでクラックを発生させないためには、マスク被覆部の上にできる欠陥集合領域Ｈは方位反転していなければならないということがわかる。
【００４７】
ところが特許文献５〜８の技術では、欠陥集合領域Ｈが多結晶になったり傾斜方位単結晶になったり反転方位になったりして一定しない。
【００４８】
必ず反転方位の欠陥集合領域Ｈを生成する、一段と進んだ技術が望まれる。本発明の目的はそのようにマスクファセット法においてマスク上に必ず方位反転した欠陥集合領域Ｈを形成する成長方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００４９】
本発明者は、熱膨張率の異方性によってクラックが生じないためには閉鎖欠陥集合領域Ｈが、周囲と１８０度方位が異なった反転方位でなければならないということに気付いた。しかし単にファセットを保持しながら成長しただけでは、閉鎖欠陥集合領域Ｈの位置が決まらないし反転方位にならない。マスクを予め下地基板に付けて結晶成長すると、閉鎖欠陥集合領域Ｈの位置は決まるが反転方位にならない。多結晶になったり単結晶になっても斜めに傾いている事が多くてクラック発生を防ぐことができない。方位が１８０度反転していることを本明細書では方位反転と呼んだり、あるいは極性反転と呼ぶこともある。
【００５０】
本発明者は、閉鎖欠陥集合領域Ｈが反転方位でなかったケースと反転方位になっていたケースの違いを徹底的に解析した。そして方位反転領域の形成されるメカニズムを解明することができた。
【００５１】
本発明者らは数多くの実験結果を検討し、反転方位が閉鎖欠陥集合領域Ｈに形成されるのは、ある特定の現象が成長の初めに生じた時のみであることを突き止めた。
【００５２】
反転方位領域は、マスク被覆部と露出部の境界の辺りの傾斜面の下部付近から反転方位結晶が横向き突起状に発生し伸びてマスク被覆部の上で合体し、被覆部を覆い、その上に反転方位結晶がそれを種として成長するのである。マスク被覆部と露呈部の境界から立ち上がる斜面の下部付近から、反転方位結晶が突起状に突然に多数発生する。そういう特異な現象が起こる。突起部分には反転方位が既に存在しており、それらが結合合体して、さらにはマスク被覆部の両側から延びてきたものが結合合体して、反転方位の種結晶を被覆部の直上に作るのである。反転方位種結晶の上に成長したものは当然に反転方位の欠陥集合領域Ｈとなるのである。
そのような突起発生がなくマスク被覆部へ接触しながら結晶が横方向に成長する場合は反転方位はできない。ＥＬＯと同じようになってしまう。
【００５３】
本発明者らは、マスク被覆部、露出部の状態と、結晶成長条件、結晶成長の経過などを、走査型電子顕微鏡などを駆使して研究を進めた。その結果マスク被覆部の上に、方位反転領域を安定して形成するためには次のような条件が必要だということがわかって来た。
【００５４】
（１）マスク材料はエピタキシャル成長を阻害する材料であること。
【００５５】
（２）被覆部上に成長する窒化ガリウム結晶の横方向の進行を、マスクの端部でせき止めた状態で比較的長い時間保持すること。そのときマスク端部でせき止められた傾斜面は｛１１−２２｝面であることが多い。マスク端部でせき止められマスクの上にかぶらない状態が続くので、ファセット面が広がる。そのような広いファセット面があって、次のような現象が起こる。
【００５６】
（３）マスク端部で横方向進行をせき止められたファセット面から、爪のような突起が所々に突出し始める。突起は他の部位と方位が１８０度反転した方位反転領域である。これが重要であり、ＥＬＯのようにマスクの上に乗り上げるのではなくマスクの上方で突起発生が起こる。
【００５７】
（４）形成され始めた反転方位の突起の数が増え成長が進み、それぞれが大きくなってくる。
【００５８】
（５）反転方位の爪状突起は上面が低傾斜角のファセット面であり｛１１−２−６｝か、｛１１−２−５｝面である。突起の下面はマスクから浮いておりマスクに接触していない。突起の下面は、対向するファセットと平行であるが法線方向が反対であり反平行の面となっている。しかし面指数は｛１１−２１｝である。それは方位反転しているからである。
【００５９】
（６）マスクの周囲、あるいは両側から複数の突起がマスクの上方へ伸びてきてマスクの中央部で合体する。合体してできたものは方位反転領域である。
【００６０】
（７）ぶつかった部分は格子不整合な境界（Ｋ’）をもったまま反転方位をもちながら厚く成長してゆく。ファセット成長している正方位領域と反転方位領域の間には方位反転に伴う結晶粒界（Ｋ）ができる。
【００６１】
（８）窒化ガリウムはファセットを維持しながら成長させるので、転位はファセットの斜面によってファセットの突き合わせ部の中心に向かって集められる。集められた転位は一部消滅し残りは方位反転領域Ｈ、その周囲の結晶粒界（Ｋ）や不整合による結晶粒界（Ｋ’）に捕獲拘束される。その他の正方位部分の転位は著しく減少する。そのように転位密度が集結する部分（Ｈ、Ｋ、Ｋ’）を予め決めることができる。低転位になる部分（Ｚ、Ｙ）をも予め決めることができる。
【００６２】
このようなメカニズムで成長した窒化ガリウム結晶には、反転方位領域がマスク上に明確に存在し、その内部では全体に渡って結晶方位が反転していることを確かめた。反転方位の欠陥集合領域Ｈが正方位の単結晶で囲まれているから熱膨張率の異方性が内外で一致する。そのために温度変化があってもクラックが発生せず歩留まり高く低転位高品質窒化ガリウム基板を製造できる。それは単結晶ではないが低転位単結晶部分（Ｚ）を広く持っている。
【００６３】
そのように本発明の方位反転領域は、被覆部の端部から伸びる傾斜ファセット面の途中から発生し、延伸し合体し、マスクの上方、マスクと非接触の位置で連合した方位反転部を形成し、それを種結晶として上部へ成長するのでマスク被覆部の上方には方位が反転した領域が生ずるのである。つまりマスクの上にできる欠陥集合領域Ｈが反転方位になるのである。そのような現象は新規のものであって、本発明者の特許文献５〜８においては未だに知られていなかったものである。
【発明の効果】
【００６４】
本発明はマスク上にできる欠陥集合領域Ｈを必ず方位反転単結晶にすることができる。その他の部分とは方位が１８０度回転しているだけであるから、熱膨張率の異方性が同一になる。成長時の温度（１０００℃程度）から室温までの温度変化が大きくても熱膨張率異方性が食い違わないから内部応力の発生は少ない。そのために下地基板をとってもバラバラにくだけないし基板としたときにクラックが発生しない。クラックがないから安定な自立基板として得る事ができる。これまで存在しなかった大型の窒化ガリウムの基板をそれによって歩留まりよく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
図５によって本発明のマスクファセット反転方位成長法を説明する。
図５（１）のように下地基板６１の上にマスク被覆部６３をＣＶＤ、スパッタリングなどによって設ける。マスクはエピタキシャル成長を阻害するものである。マスクは孤立ドット状でも平行線状ストライプ状でもよい。被覆部６３と露出部６９の区別ができる。低温（３００℃〜７００℃）で窒化ガリウムを気相成長させる。
【００６６】
多結晶ＧａＮ微粒子７０が露呈部６９にも被覆部６３の上にも付着する。これが重要である。高温で成長させると被覆部にはＧａＮが付かないが低温だから多結晶微粒子７０が被覆部に付く。多結晶微粒子７０が反転方位をファセット面に形成する重要な役割をする。
【００６７】
図５（２）においては高温（９００℃〜１２００℃）でエピタキシャル成長させている。露出部にはＧａＮの（０００１）単結晶６４の薄膜が成長する。しかしマスク被覆部６３の上には窒化ガリウムが堆積しない。そのため被覆部両側に傾斜面ができる。それは低ミラー指数のファセット６６であり、｛１１−２２｝面である事が多い。ストライプマスクの場合はマスクを＜１−１００＞方向に作って｛１１−２２｝面が傾斜面に現れるようにする。ドットマスクの場合は｛１１−２２｝面よりなる逆六角錐ピットとなる。｛１１−２２｝面といっているが、これは包括表現であって６つの個別面を含む表現である。
【００６８】
ファセット成長する領域の外側に平坦面６７をもって成長するＣ面成長領域Ｙが生ずる。それはマスクの形状による。ストライプマスクの場合は狭くできるが、ドット型マスクの場合はＣ面成長部Ｙがかなりの面積を占めることもある。マスクの阻止力が強くてなかなか被覆部６３の上に結晶が溜まらないからファセット面６６の面積がかなり広くなる。
【００６９】
図５（３）に示すように広くなったファセット面６６から多数の爪状の突起６８が内側向けて発生する。突起６８は方位が反転しており、（０００−１）単結晶となっている。突起６８の上面は緩やかな傾斜面となっており、突起６８の下面は対向するファセット面６６の傾斜と平行で向きが正反対になっている。左のファセット面をＡ、左突起の上面をＢ、下面をＣ、右のファセット面をＤ、右突起の上面をＥ、下面をＦとし、個別指数で表現すると、
【００７０】
Ａ（１１−２２）        Ｄ（−１−１２２）
Ｂ（−１−１２−６）    Ｅ（１１−２−６）
Ｃ（−１−１２２）      Ｆ（１１−２２）
【００７１】
となる。反平行であるのにＡ＝Ｆ、Ｄ＝ＣであるのはＢ、Ｃ、Ｅ、Ｆは方位反転しているからである（図１５）。上向き面Ｂ、Ｅの第４指数が負であるのはやはり方位反転のためである。突起６８は被覆部６３と非接触であって浮き上がっている。それは被覆部に微少な多結晶７０が存在しそれが接触を妨げるからである。
【００７２】
図５（４）に示すようにファセット６６から伸びた突起６８はさらに伸長する。突起６８は数多く発生し、それぞれが中央に向かって伸びる。伸びている間、マスク６３に触れない。
【００７３】
対向して伸長してきた突起６８、６８は中央部で合体する。図５（５）に示すように、合体した部分が格子不整合による結晶粒界Ｋ’となる。合体して緩やかな傾斜をもつ円錐（ドットの場合）またはＶ溝（ストライプの場合）となる。そのように突起合体部の上に成長した部分は二重傾斜の円錐、Ｖ溝となる。突起はもともと方位反転して（０００−１）になり、それを種結晶としてその上には方位反転結晶が成長する。それが欠陥集合領域Ｈである。内部の結晶粒界Ｋ’も成長してゆく。結晶粒界Ｋ’は左右に揺らぐので常にマスクの中心にあるとは限らない。
【００７４】
ファセット成長した部分は正方位（０００１）で低転位の単結晶となる。それが単結晶低転位領域Ｚである。Ｃ面成長した部分は単結晶低転位余領域Ｙである。そのように３つの領域ができる。それは特許文献５〜８と同様であるが、本発明では欠陥集合領域Ｈが必ず反転方位となっているということである。そして欠陥集合領域Ｈと単結晶低転位領域Ｚの間に反転によって結晶粒界Ｋが生ずる。結晶粒界Ｋは集結した転位を消滅捕獲する作用がある。
【００７５】
図６はドットマスクを下地基板に形成して本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた場合の成長後の状態を示す結晶一部の斜視図である。下地基板６１の上にエピタキシャル成長した窒化ガリウム結晶６４がある。逆六角錐のピットが多数見える。その底がドットマスクの位置に対応している。ファセット６６の下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。ピットのない平坦部（Ｃ面（０００１））の下にあるのがＣ面成長領域Ｙである。これら３つの領域Ｈ、Ｚ、Ｙは物理的、光学的、化学的に大きく異なる。
【００７６】
図９はストライプマスクを下地基板に形成して本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた場合の成長後の状態を示す斜視図である。下地基板６１の上にエピタキシャル成長した窒化ガリウム結晶６４がある。窒化ガリウム結晶６４には平行山谷構造が見える。谷の底がストライプマスク６３の位置に対応する。マスクと谷の間にあるのが方位反転欠陥集合領域Ｈである。谷の両側にファセット６６がある。ファセット６６の下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。この場合はＣ面成長部Ｙがない。後で述べるがＣ面成長部Ｙは電気抵抗が高く発光素子を作る場合に、Ｙ領域がない方が良いという場合もある。ファセット成長の条件を巧みに調整してファセット６６を広く肥大させＹ領域を０にすることができる。図９はそのような場合を示す。山の稜線がするどく尖っている。その場合、…ＨＺＨＺ…繰り返し構造となる。
ストライプマスクでＣ面成長領域Ｙがあるものもある。図１０にそれを示す。単結晶低転位随伴領域Ｚ、Ｚの間にＣ面成長領域Ｙがある。山の稜線が平坦になる。この場合は、…ＨＺＹＺＨＺＹＺ…という繰り返し構造になる。
ドットマスクの場合もストライプマスクの場合もこれらＨ、Ｚ、Ｙの３つの領域は物理的、光学的、化学的に大きく異なる。
【００７７】
ファセット面から方位反転突起が突出するには、ファセット面が充分に広くなるまで、マスク端部が結晶の乗り上げを防止していなければならない。
窒化ガリウムの結晶成長がマスク（被覆部）の端部でせき止められている時は、窒化ガリウムのファセット面は、｛１１−２２｝面であることが多い。
またこのとき、ファセット面｛１１−２２｝によって結晶の横方向の伸長がせき止められているときは、マスク（被覆部）の上には、窒化ガリウムの多結晶粒子が孤立して付着している。その多結晶微粒子が、結晶の横方向のマスクへの乗り上げを抑制しているらしい。
【００７８】
なぜ、方位反転した突起がファセット面から突出するのか？ということは未だによく分からない。詳細は不明である。マスクの上にある、多結晶微粒子の存在が重要な役割をしているものと思われる。マスク上の多結晶微粒子が、反転方位結晶の出現に誘発的な効果をもっているようである。
【００７９】
本発明の骨子は、窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板上に、エピタキシャル成長を阻害する作用のあるマスクを、ドット状（孤立点状）またはストライプ（平行線状）状に設け、露呈部と被覆部を作り出し、露呈部上に正方位（０００１）単結晶窒化ガリウムを成長させるのであるが、マスク被覆部が窒化ガリウム膜の成長を阻止し、成長の初期には露呈部だけに厚い結晶ができ、マスク端（境界）からファセット面が露呈部側に伸び、ファセット面が広くなり、対向するファセット面から、マスクより浮いて反転方位の突起が伸長し始め、突起がマスクの上を覆うように周囲から複数個伸長してマスクの上で合体し、その反転方位結晶を種結晶として、マスク被覆部の上方には反転方位領域が発生し、被覆部の上には正方位単結晶が生成し、正方位、反転方位の結晶が同時に堆積してゆき、複合的な窒化ガリウムの結晶を作り出す。方位反転領域と正方位領域の間には方位反転に伴う結晶粒界Ｋが発生する。この結晶粒界Ｋが転位を消滅捕捉拘束するという作用がある。
【００８０】
下地基板はそのまま使っても良い。予め窒化ガリウムの薄膜をその上に成長させておいた複合体を下地基板として用いても良い。ＧａＮ／基板の複合体を下地基板としてマスクをその上に作る。
【００８１】
ファセット面を埋め込まないで法線方向にファセットが成長するようにするので、ファセット面やそれに隣接する部分に存在した転位はファセット面の底の方へと移動してゆきマスク被覆部と露呈部の境界に到る。そこには先述の結晶粒界Ｋがあり、結晶粒界Ｋが転位を捕獲して一部を消滅させる。残りの転位も拘束して再び放散しないようにする。そうして結晶粒界Ｋがモヤ状の転位の再放散１３（図３（２））が起こらないようにする。方位反転結晶Ｈの内部にも転位が集積される。それで方位反転領域を欠陥集合領域Ｈと呼ぶこともできる。ここに転位を集結するから、その他の部分の転位を減らすことができる。
【００８２】
露出部の上に成長する結晶は（０００１）正方位の単結晶である。その上面はＧａ面である。被覆部の上に成長する結晶Ｈは方位反転（０００−１）の単結晶である。その上面は窒素面である。
【００８３】
露呈部の上で被覆部の近くに生成する窒化ガリウムはファセット面をもって成長し、成長の途中でファセット面が消えることのないようにする。
【００８４】
そのファセット面は、ストライプマスクの場合は｛１１−２２｝面ファセットである。そうなるようにマスクを＜１−１００＞方向の平行線状に形成するのである（図９、１０）。
【００８５】
ドットマスクの場合は自然に｛１１−２２｝面が現れて被覆部を底とし、その周囲に逆６角錐（ロート状）のピットを形成する（図６）。｛１１−２２｝面といっても３回対称性があるから６つの個別面を含んでいる。マスクの廻りに逆１２角錐が現れる場合もある。それは｛１１−２２｝面と｛１−１０１｝面である。これらの面の傾斜は５５゜〜６５゜程度で強い傾斜である。ファセット面として成長する部分はファセット成長領域Ｚと呼ぶ。
【００８６】
ファセットから反転方位の突起が側方へ発生する。方位反転した突起の上面は、ファセット領域Ｚの傾斜よりも緩やかな傾斜をもつ。それは水平に対し２５゜〜３５゜の傾斜をもつ。それは｛１１−２−５｝面、｛１１−２−６｝面あるいはそれから少し（５゜以内）傾いたファセット面である。
【００８７】
方位反転突起の下面は、対向するファセット面と同じ傾斜をもち、それは｛１１−２２｝面である（図１５）。面の向きが反対であるのに同じミラー指数であるのは、方位が反転しているからである。
【００８８】
被覆部の上で反転方位の突起が合体するのであるが、それらの突起は方位が反転しているといっても別個にファセット面の斜面に発生するのだから、わずかに方位が食い違うこともある。その方位の食い違いのため反転方位突起が両側から伸び橋渡しをし、合体したときに合わせ目に不整合を有することがある。不整合が結晶粒界Ｋ’を発生する。その結晶粒界Ｋ‘は方位反転領域Ｈの真ん中にできる。周辺部の結晶粒界Ｋとは別のものである。発生する原因も異なる。反転方位が成長するに従い結晶粒界Ｋ’も上方に成長してゆく。
【００８９】
初めに形成するマスクは孤立点を多数周期的に配置するドットマスクでもよいし、平行線上に被覆部、露呈部を形成するストライプマスクでもよい。
【００９０】
ドットマスクの場合ドットは円、矩形などなんでもよいが直径ｄは５μｍ〜１００μｍ程度がよい。周期配列のピッチはｐ＝１００μｍ〜１０００μｍの範囲であり好ましくはｐ＝３００μｍ〜５００μｍ程度がよい。
【００９１】
ストライプマスクの場合、幅のある被覆部の幅はｗ＝５μｍ〜１００μｍとする。ピッチはｐ＝１００μｍ〜１０００μｍの程度である。露呈部幅はｓ＝２００μｍ〜４００μｍの程度である。
【００９２】
ドットマスクの場合はファセット成長領域Ｚ、Ｚの間にファセットが存在できない部分が残る。それは平坦なＣ面成長領域Ｙである。Ｃ面成長領域Ｙもファセット成長領域も方位は同じで単結晶であるが、電気的、光学的、化学的な性質が違う。だから露呈部上に成長した部分も二つ（Ｚ、Ｙ）に分けて考えるべきである。だから、…ＨＺＹＺＨ…という繰り返し構造になる。
【００９３】
ストライプマスクの場合も、ファセット成長領域Ｚ、Ｚの間にファセットが存在しないＣ面成長領域Ｙがあることもある。その場合は…ＨＺＹＺＨ…という構造になる。しかし平行線のマスクだから常にＣ面成長領域Ｙができるわけではない。ファセット成長領域を広げるとＹ領域を消去できる。その場合は、…ＨＺＨＺＨ…というようにＹのない構造となる（図９）。
【００９４】
反転方位の突起が発生するためには、マスクの上に予め微細な多結晶粒子が分布しているという条件が必要なようである。
【００９５】
マスク材質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯなどが適している。
【００９６】
下地基板は、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮの単結晶などが適する。
【００９７】
あるいはサファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ等の単結晶に薄くＧａＮ薄膜を成長させて表面をＧａＮで被覆したものであってもよい。
【００９８】
そのようにして得られた窒化ガリウムは単結晶でなく、３つの区別される領域からなる。それらの領域の定義と性質を次に述べる。性質の一部はまだ述べていないものもあるので、これより後で詳しく述べる。
【００９９】
欠陥集合領域Ｈ…反転方位領域。突起が合体した結晶から成長する。被覆部の上にできる。（０００−１）の単結晶。酸素を多く含む。電気抵抗は低い。
【０１００】
低欠陥単結晶領域Ｚ…ファセット成長した部分にできる領域。露呈部の上で被覆部に隣接する部分にできる。単結晶低転位随伴領域Ｚともファセット成長領域Ｚとも呼ぶ。酸素を多く含み、電気抵抗は低い。
【０１０１】
単結晶低転位余領域Ｙ…Ｃ面成長した部分にできる領域。ドットマスクの場合は必ず発生する。ストライプマスクの場合は存在することもあり存在しない場合もある。Ｃ面成長領域Ｙとも呼ぶ。酸素をあまり含まない。電気抵抗は高い。炭素を多く含む。
【０１０２】
そして、ＨとＺの間に結晶粒界Ｋが、Ｈの内部に結晶粒界Ｋ’ができる。これも重要である。
【０１０３】
境界の結晶粒界Ｋ…方位が逆転しているからＨ／Ｚ間にできる。ファセット成長によって集合した転位を捕獲し一部消滅させ、残りを拘束収容する。
【０１０４】
内部の結晶粒界Ｋ’…突起の不整合によって欠陥集合領域Ｈの中心にできる結晶粒界であり成長とともに伸びるが欠陥集合領域Ｈの端に寄ることもあり左右に揺らぐ。
【０１０５】
窒化ガリウムは透明なので肉眼でそれらを区別できない。光学顕微鏡でも違いが分からない。蛍光顕微鏡、カソードルミネッセンス（ＣＬ）によって区別することができる。
【実施例１】
【０１０６】
本発明はマスクとして平行線状（ストライプ）のものを採用しても、孤立点状（ドット）のものを採用しても実施することができる。ストライプマスクを使うものを実施例１とし、ドットマスクを使うものを実施例２として説明する。
【０１０７】
［実施例１（ストライプマスクパターン）］
下地基板として２インチ径のサファイヤ基板（Ｓ１）、ＧａＡｓ基板（Ｓ２）、予めＭＯＣＶＤ法によって１．５μｍの厚さの窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長させたサファイヤ基板（Ｓ３）を準備した。サファイヤ基板（Ｓ１）は、Ｃ面を主面とする。ＧａＡｓ基板（Ｓ２）は主面を（１１１）Ａ面とした。（１１１）Ａ面というのはＧａ面のことで、（１１１）Ｂ面というのはＡｓ面のことである。サファイヤ基板に成長させた窒化ガリウム膜はＣ面配向した鏡面状のものである。
【０１０８】
Ｓ１：２インチサファイヤ基板 
Ｓ２：２インチ（１１１）Ａ面ＧａＡｓ基板
Ｓ３：２インチＧａＮ／サファイヤ基板 
【０１０９】
３種類の基板に、プラズマＣＶＤ法によって、０．１μｍ厚みのＳｉＯ２膜を形成した。フォトリソグラフィによって下記の４種類の平行櫛形パターン（ストライプと呼ぶ）を形成した。ストライプパターンは、成長すべきＧａＮの＜１−１００＞方位に平行になるよう規則的に設ける。
【０１１０】
ＧａＡｓ（１１１）Ａ面にはＧａＡｓ＜１−１０＞方向に平行にＧａＮ＜１１−２０＞方向が、ＧａＡｓ＜１１−２＞方向にＧａＮ＜１−１００＞方向が軸を同一にして成長することが分かっている。上の方位はつまりＧａＡｓ（１１１）Ａ面の＜１１−２＞方位に平行にストライプマスクを形成するということである。
【０１１１】
Ａ１：線幅ｗ  ５μｍ、    ピッチｐ  ３００μｍ、露呈部幅ｓ  ２９５μｍ
Ａ２：線幅ｗ  ２０μｍ、  ピッチｐ  ３００μｍ、露呈部幅ｓ  ２８０μｍ
Ａ３：線幅ｗ  ５０μｍ、  ピッチｐ  ３００μｍ、露呈部幅ｓ  ２５０μｍ
Ａ４：線幅ｗ  ２００μｍ、ピッチｐ  ５００μｍ、露呈部幅ｓ  ３００μｍ
【０１１２】
Ｓ１〜Ｓ３の基板に、Ａ１〜Ａ４のストライプマスクを設けた。１２種類のマスク付き基板の上に、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｅｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）によってＧａＮ膜を成長させた。この実施例におけるＨＶＰＥ法は、反応炉内部にＧａ金属を収容したＧａボートを上方に備え、外部から炉の全体を加熱できるようにし、Ｇａボートを８００℃に維持し、Ｇａメタル融液に対して上方からＨＣｌ＋Ｈ２のガスを吹き付け、ＧａＣｌを合成する。Ｇａボートの下方に、加熱された下地基板を設置しておき上方から流れてきたＧａＣｌにアンモニアガス（ＮＨ３＋Ｈ２）を吹き付けてＧａＮを合成して基板の上にＧａＮ膜を成膜するようになっている。水素（Ｈ２）はキャリヤガスで最も大量に供給される。炉内部は全体としてほぼ１気圧である。
【０１１３】
［バッファ層の形成］ 
基板温度：  ４９０℃ 
ＨＣｌ分圧：  ０．００２  ａｔｍ  （２００Ｐａ）
ＮＨ３分圧：  ０．２  ａｔｍ  （２００００Ｐａ）
成長時間：    １５分 
【０１１４】
［エピタキシャル層の形成］ 
基板温度：    １０１０℃ 
ＨＣｌ分圧：  ０．０２  ａｔｍ  （２０００Ｐａ）
ＮＨ３分圧：    ０．２５  ａｔｍ  （２５０００Ｐａ） 
成長時間：    １５分、 
３０分、 
６０分、 
６００分 
【０１１５】
成長時間は上記の４種類とし、その成長時間が経過すると試料を炉から取り出して観察、評価を行った。特に６００分（１０時間）成長させた試料については、観察評価したあと、研削加工によって下地基板、マスクを削り落とし、表面も研削加工し、平板な基板とした。その後研磨加工し平坦な表面をもつ基板とした。これは透明平坦平滑な基板である。様々な異なる部分構造をもつものであるが透明だから肉眼では区別が付かない。
【０１１６】
（１）結晶成長の観察
ＧａＡｓ下地基板の上に幅２０μｍの平行ラインを３００μｍピッチで設けた（露呈部幅２８０μｍ）マスクを設けた試料（Ｓ２＊Ａ３）について、１５分、３０分、６０分、６００分で取り出し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって初期の結晶成長の様子を調べた。
【０１１７】
窒化ガリウム膜の成長開始後１５分で取り出した試料を観察したところマスクの上では連続的な被膜がなく、微細な多結晶粒子がわずかに乗っているだけであった。マスクで覆われていないＧａＡｓ露出部においてＧａＮの厚いエピタキシャル結晶成長膜が見られた。露出部のＧａＮ膜厚は２５μｍ程度であった。マスク上は空間で、ＧａＡｓ露出部では厚い膜ができているから、マスクで落ち窪んだ形状になる。
【０１１８】
結晶は平行に山と谷がいくつも並ぶ山溝形状となる（図５（２））。マスクの周辺で結晶は斜めの壁を形成する。斜め壁は｛１１−２２｝ファセットであった。そうなるようにストライプマスクの方向を予め＜１−１００＞方向に決めたのである。
【０１１９】
成長開始後３０分で取り出した試料を見ると、マスク上では微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部（露呈部）では、窒化ガリウム膜の厚みは増加しており、膜厚は５０μｍ程度であった。マスク周辺部での高低差が５０μｍ程度になりマスク周辺部のファセット面が広がっている。｛１１−２２｝ファセット面において、斜面にゴツゴツした突起が内側向きほぼ平行に多数形成されていた（図５（３））。この突起はファセット面からマスク溝へほぼ平行に伸びて行く。突起の上面は、水平面に対して２５゜〜３５゜程度の傾きをもち、根元で｛１１−２２｝ファセット面に連続していた。
【０１２０】
成長開始後６０分で取り出した試料を見ると、線状マスク上では依然として微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部（露呈部）での結晶成長は進行し膜厚は１００μｍ程度に達した。山谷構造がよりハッキリしてきた。マスクの左右では｛１１−２２｝ファセット面よりなる傾斜溝が生成される。対向するファセットを個別指数で表現すると（１１−２２）、（−１−１２２）である。３０分成長の時に現れたゴツゴツした突起はさらに伸びる（図５（４））。突起の一部は、マスク（溝）の上方で結合している。隣接部位から伸びた突起もマスク上方で結合している。
【０１２１】
突起が結合したものがストライプマスクの上を覆うようになる。結合突起とマスクの間には空間が残っていた。突起の伸長速度が同じでないため結合部はマスク中心線上にあるとは限らない。優勢な突起と劣勢な突起が結合した場合マスク中心より劣勢な突起の側へずれて結合する。結合した突起はゆるい傾斜のＶ溝を（図５（５）のＢＥ）形成する。Ｖ溝の傾斜角度は水平に対して２５゜〜３５゜の程度であった。
【０１２２】
だからマスクの上には２段傾斜のＶ溝ができる。外側のきつい傾斜は｛１１−２２｝、｛１−１０１｝ファセット面で水平面に対し約６０゜程度の傾斜をもつ。その下端から続く内側の傾斜面は２５゜〜３５゜の緩い傾斜をもち突起が結合したことによってできたものである。そのようにＶ溝と山が一定ピッチｐで平行に並ぶような形状となる。
【０１２３】
成長開始後６００分で取り出した試料を見ると、平均の厚みは約１ｍｍに達していた。線状（ストライプ）マスクの近傍は、６０分の試料と殆ど同じで、２重傾斜面のＶ溝が存在していた。つまり６０゜程度の強い傾斜面（ファセット面）とその内側に２５゜〜３５゜程度の浅い傾斜面が続くＶ溝となる。マスク上部のＶ溝が埋め込まれることなく、そのまま維持されていた。マスクの直上は突起結合によって生じた浅い傾斜面であり、マスクから外れた部分に６０゜程度の｛１１−２２｝ファセット面よりなる平行傾斜面ができる（図９、図１０）。
【０１２４】
このＶ溝は成長とともに広がる。隣接するＶ溝の間は平坦面（Ｃ面）となっている。線状（ストライプ）マスク直上で浅い傾斜面の下の平行直線部分が欠陥集合領域Ｈである。マスクの両側でファセットの下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。隣接Ｚ領域の間の平坦面はＣ面成長領域Ｙである。つまり、このＧａＮは平行な…ＺＨＺＹＺＨＺ…構造よりなる結晶である。露出部では高い山ができ、マスクの上は低いＶ溝になっているので、マスク中央に稜線をもつ三角プリズムを多数平行に横に寝かせた形状を呈している。プリズムの稜線が鋭い線状の場合もある。それはＹを欠落するもので、…ＺＨＺＨＺＨＺＨ…というＨとＺが交代する構造である（図９）。プリズムの稜線が平坦面となっているものもある。平坦面はＣ面でありそれはＣ面成長領域Ｙである。その場合は上述のような…ＺＨＺＹＺＨＺ…構造となる（図１０）。
【０１２５】
部分構造が異なるが透明なので目視ではこれらを区別できない。構造が異なる部分を含むのであるがクラックは全く発生していなかった。
【０１２６】
この１０時間成長後のＧａＮ／ＧａＡｓ基板について研削、研磨加工を行った。ＧａＡｓ下地基板とマスクを研削加工によって削り落とした。表面の凹凸も研削で削り落とした。次いで、両面を研磨して平坦で透明なＧａＮ自立基板とした。直径が２インチで厚みが約１ｍｍ程度の基板である。顕微鏡で表面を観察したが、全面においてクラックが発生していなかった。
【０１２７】
（２）結晶の評価 
こうして得られたＧａＮ自立基板を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、電子線回折、ＣＢＥＤ、ＣＬなど種々の手段によって評価した。
【０１２８】
マスク上を覆い尽くした浅い角度をもってＶ溝の部分を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により解析した。電子線回折によって評価したが、マスク上のＶ溝と、それ以外の山の部分で回折パターンに差異はなかった。
【０１２９】
さらにＣＢＥＤ（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｂｅａｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）という手法によって解析した。それによるとＶ溝では、それ以外の部分に対し結晶方位が丁度１８０度反転しているという事が分かった。それ以外の部分というのはマスクで覆われない下地基板露呈部の上に成長した部分である。
【０１３０】
また研磨加工を施したＧａＮ基板の表面をＫＯＨ水溶液中で温度を上げてエッチングした。表面側のマスクに対応する部分が選択的にエッチングされるということが分かった。ＧａＮのＧａ面はＫＯＨではエッチングされずＮ面がエッチングされることが分かっている。
【０１３１】
この結果から、マスク上の成長部（Ｈ）は、それ以外（Ｙ、Ｚ）の部分に対して、Ｃ軸が丁度１８０゜反転している単結晶であることが分かる。つまりマスク以外の露呈部に成長した部分（Ｚ、Ｙ）は上面がＧａ面である（０００１）結晶であり、マスク上に成長した部分（Ｈ）は、上面が窒素面である（０００−１）単結晶であることがわかった。裏面はその反対である。図８にそのような構造を示す。
【０１３２】
方位が反転し合う領域Ｈ、Ｚがマスク境界を上に延ばした面において隣接している。方位が反転しているので境界が粒界（Ｋ）となる。その粒界（Ｋ）が、集結した転位を一部消滅させ転位を捕獲して分散させない閉じた空間を形成する。転位がばらけたモヤ状の分散がこれによってなくなる。粒界（Ｋ）が生成するということが転位を減少させる上で極めて効果的である。しかも方位が１８０度反転しているから熱的な異方性の違いが顕在化せずクラックが発生しないという優れた利点がある。
【０１３３】
マスク端部の｛１１−２２｝ファセット面の斜面から横向き求心的に発生したゴツゴツした爪状突起は初めから、Ｃ軸方向が反転した反転方位結晶である。突起の上に結晶成長がなされ、反転方位結晶がマスク上の全体に広がり、マスク上の領域全体が反転方位単結晶となる。そのようなメカニズムによってマスク上だけが方位反転単結晶（Ｈ）になる。ファセット領域Ｚとの境界が結晶粒界（Ｋ）となる。
【０１３４】
さらにカソードルミネッセンス、蛍光顕微鏡を用いて結晶評価を継続した。
両面研磨して得られた基板は、大部分（Ｚ、Ｙ）の表面を（０００１）面つまりＣ面とする基板である。ただストライプマスクのあった部分に成長した部分だけ（Ｈ）、表面が（０００−１）面（窒素面）になっている。
【０１３５】
カソードルミネセンス（ＣＬ）像によって結晶評価を行った。窒化ガリウム基板そのものの表面はフラットで透明均一に見えるが、バンド端の３６０ｎｍを測定波長としてＣＬ像を取ると、成長の履歴が色々のコントラストとなって現れるので上記の領域を区別して観察できる。
【０１３６】
ＣＬ像によると、暗いコントラストの５０μｍ幅程度の複数の領域が、ストライプマスク位置に対応し、規則正しく３００μｍピッチで平行に並んでいる。ストライプマスクに対応する暗いコントラストの領域は方位反転領域となっていることが分かった。マスク上の部分は暗いコントラストに見えるが一部は明るいコントラストの部分もあった。
【０１３７】
外側の（｛１１−２１｝）ファセット成長した部分は明るいコントラストになっている。マスク上で成長した領域（Ｈ）とその外側のファセット成長した領域（Ｚ）とは明確に区別できる。マスク上領域（Ｈ）と外部（Ｚ）との境界が、結晶粒界（Ｋ）に相当している。結晶粒界（Ｋ）の部分は、明確な暗い線状のコントラストとして観察される。明るいコントラスト（Ｚ）（Ｚ）の間に、暗いコントラストの部分が線状に存在した。これはＣ面成長した部分（Ｙ）である。同じ方位なのであるが、｛１１−２１｝ファセットで成長した履歴をもつものはＣＬ像では明るく、（０００１）Ｃ面で成長した履歴の部分はＣＬ像では暗い。
【０１３８】
さらにストライプマスク上の方位反転領域（Ｈ）の内部を観察すると、その内部にも結晶粒界（Ｋ’）に相当する明確な暗い線状のコントラストが認められる。それは線状マスク両側のファセットから伸びてきた爪状の突起（方位反転領域）が線状マスク上方で合体することによってできた結晶粒界（Ｋ’）である。異なるファセットから成長してくるから結晶方位が必ずしも一致せず幾分ずれるので粒界ができる。粒界（Ｋ’）の位置は、浅い角度をもったＶ溝の底に対応する。
【０１３９】
さらに反転方位領域（Ｈ）の中の粒界（Ｋ’）の位置は結晶成長厚さによっても変化する。結晶成長初期の６０分成長の試料においては、粒界（Ｋ’）がストライプマスク幅のほぼ中央に位置して存在していた。しかし結晶成長１０時間のＧａＮ基板についてＣＬ像を観察すると、マスク幅の中央に粒界（Ｋ’）があることもあるが偏っていることもある。それは結晶成長の進行とともに粒界（Ｋ’）の位置が左右に変動してゆくためであろう。たとえばマスク幅中央から大きくずれて境界の粒界（Ｋ）と重なって存在する場合もある。そのように突起が結合してできた粒界（Ｋ’）は常に方位反転領域の中央部にあるとは限らない。
【０１４０】
ＣＬに限らず、蛍光顕微鏡を用いても、反転方位領域（Ｈ）の内部の粒界（Ｋ’）を観察できる。
【０１４１】
反転方位領域（Ｈ）を含む試料を切り出して、透過電子顕微鏡で、内部粒界（Ｋ’）の解析を行った。反転方位領域（Ｈ）内の粒界（Ｋ’）の両側部分から、電子線回折をして比較を行った。２０以上の点において測定を行った結果、粒界（Ｋ’）を境としてその両側で、結晶方位が少しずれた不整合面であることがわかった。もちろん特別な場合に方位がぴったり一致する場合もある。場所によってばらつきもある。試料によって差異がある。方位に少しの差異があるが、それでも粒界（Ｋ’）の両側の部分の結晶方位の差異は５゜以内であった。
【０１４２】
成長初期の段階で取り出した試料（１５分、３０分、６０分）を再び詳細に観察した。成長開始後３０分に取り出した試料に現れていたゴツゴツした爪状の突起については、側方から見ると、上斜面と下斜面に囲まれた楔型断面をしている。これが何かということが問題である。
【０１４３】
突起の上斜面の水平に対する傾斜角は、２５度〜３５度で緩やかな傾斜面となっている。下斜面の傾斜角は５５度〜６５度の強い傾斜を持っている。それは対向するファセット面｛１１−２２｝の傾きと丁度平行である。法線方向が反対だから丁度反平行であるということができる。もしも結晶軸が同一であれば、下斜面は、対向ファセット面と反平行だから指数にマイナス１を掛けて｛−１−１２−２｝となる筈である。しかし既に説明したように突起は周囲とは方位が１８０度反転した単結晶で方位反転領域だということがわかっている。だから下斜面は再び面指数にマイナス１をかけて｛１１−２２｝面だということになる。突起の下斜面は、対向するファセット面と平行で法線方向が反対であるが、方位が逆転しているのでミラー（Ｍｉｌｌｅｒ指数）は同一になるのである。
【０１４４】
方位が逆転しているから突起の上向き面の第４指数はマイナスに、下向き面の第４指数はプラスになる。突起の緩やかな上向きの傾斜面は｛１１−２−６｝、｛１１−２−５｝、一般に｛１１−２−ｎ｝（ｎ≧３）と書くことができる。
【０１４５】
３０分成長の試料では、ファセット面から斜めに平行の突起群が発生しマスクに接触せずマスクの上方を内向きに伸長する。６０分成長の試料では内向きの爪状突起が中間部で合体して浅い傾斜のピットを作っている。浅いピットの外側により強い傾斜面が連続することになる。二段傾斜のＶ溝となる。６０分成長以後は、マスクの上の突起合体部の上に方位反転結晶が成長し、ファセット部分の上にはファセットを維持しつつ正方位の結晶が成長する。Ｃ面成長部分（Ｙ）もそのまま上方へ成長し厚みを増してゆく。
【０１４６】
そのような複雑な成長をする。６００分で１ｍｍ近くに成長し研削、研磨した試料について、カソードルミネセンス（ＣＬ）によって転位密度を測定した。カソードルミネセンスによると貫通転位が存在すると黒点となって現れる。黒点の数を数えることによって貫通転位の数を知る事ができる。
【０１４７】
方位反転領域（Ｈ）では、転位密度は１０６ｃｍ−２〜１０９ｃｍ−２で高い値であった。これは他の部分にあった転位を掃き集め、それが方位反転領域（Ｈ）に集積しているからである。ファセット成長した領域（Ｚ）と、Ｃ面成長した部分（Ｙ）での転位密度は１０５〜１０７ｃｍ−２であり、Ｚ、Ｙ領域（非反転；正方位単結晶）の部分の転位密度は大幅に減少していることが確認された。
【０１４８】
通常サファイヤ基板の上に窒化ガリウム薄膜を成長させた場合、窒化ガリウム薄膜には、１０８ｃｍ−２〜１０１０ｃｍ−２の高密度の転位が発生する。それに比べて、本発明は、窒化ガリウム結晶中の転位密度を大きく低減でき著しい転位削減効果があることが分かる。
【０１４９】
（３）マスクパターン種類の影響
以上の例では、Ａ３マスク（平行；線幅ｗ＝５０μｍ；ピッチｐ＝３００μｍ）のものについて述べてきた。Ａ１、Ａ２、Ａ４マスクを用いたものについてもほぼ同様の結果が得られた。ただ、マスクＡ１（線幅ｗ＝５μｍ、ピッチｐ＝３００μｍ）を作製してＧａＮをその上に成長させたものは、マスクが狭い為にその上に発生する方位反転領域（Ｈ）が狭く、その内部に発生するはずの粒界（Ｋ’）が分かりにくくなる傾向があった。Ａ１マスクの場合、（成長時間を長くして）ＧａＮ層を厚くすると反転方位領域（Ｈ）自体が消失することもあった。Ａ１マスクは最良ではないが本発明が期待した効果を上げることはでき、マスク寸法の下限を与えるものと思われる。
【０１５０】
マスクＡ２（線幅ｗ＝２０μｍ、ピッチｐ＝３００μｍ）は、Ａ３マスクとほぼ同じで良好な結果をもたらすことができた。
【０１５１】
マスクＡ４（線幅ｗ２００μｍ、ピッチ５００μｍ）の場合は、被覆部の幅が２００μｍ、半幅が１００μｍであるから、突起が成長して結合するまで１００μｍ伸長しなければならず結合までに時間がかかる。その後から方位反転領域（Ｈ）が成長するので転位の集積、消滅が不完全になることもある。またマスク被覆部の部分はデバイスの重要な部分には使えず、その比率が増加するので望ましくない。だからストライプマスクの線幅ｗの望ましい値は５μｍ〜１００μｍ程度である。
【０１５２】
（４）基板種類の影響 
ＧａＡｓを下地基板（Ｓ２）とした場合について述べてきたが、下地基板として、サファイヤ基板（Ｓ１）を使用した場合、あるいはＭＯＣＶＤ法で１．５μｍ厚みのＧａＮ層をサファイヤ基板上に被覆したＧａＮ／サファイヤ複合基板（Ｓ３）の上に、同様のマスクＡ１〜Ａ４を形成して、ＧａＮをファセット成長させた場合も同じような結果が得られた。
【０１５３】
サファイヤ基板を下地基板にした場合（Ｓ１）、前述のＧａＡｓ基板（Ｓ２）のときと同様のマスク、同様の成長条件で、ＧａＮバッファ層、ＧａＮエピ層を成長させた。成長時間も、１５分、３０分、６０分、６００分とした。初めは、下地基板露出部だけに成長がおこりストライプ（平行線状）マスクの上に成長がおこらない。露呈部に結晶の山ができマスクは谷になるから山谷が交代する平行畝構造となる。マスクの両側に平行ファセット面ができる。ファセットが充分に高くなるとファセットから爪状突起（反転方位領域（Ｈ））が伸び中央で合体して、その上に反転方位領域（Ｈ）が成長し、ファセット領域には単結晶低転位領域Ｚが成長し、ファセットとファセットの境界の平坦面にはＣ面成長部Ｙが成長した。反転方位領域（Ｈ）と単結晶低転位領域Ｚの間には粒界（Ｋ）が発生した。反転方位（Ｈ）が欠陥集合領域であることもわかった。反転方位領域（Ｈ）の内部にも粒界（Ｋ’）があることも確認された。それは爪状突起が結合合体したときの不整合が上方へ連続的に伸びた粒界（Ｋ’）である。
【０１５４】
１．５μｍのＧａＮ膜をＭＯＣＶＤ法で被覆したサファイヤ基板（Ｓ３）を下地基板にした場合も同じように、線状（ストライプ）マスクを作り、その上に低温バッファ層、高温のエピ層を成長させた。成長時間の刻みも１５分、３０分、６０分、６００分とした。初め、露出部だけにＧａＮ結晶成長がおこり、マスク部には微粒子が僅かに付着しているだけであった。マスク周囲に斜めのファセットが形成される。ファセットが広がりその側面から爪状突起が発生してそれが合体する。合体したものは方位反転領域であり、その上に成長したものは方位反転している。それが欠陥集合領域Ｈである。ファセット部分に続いて単結晶低転位領域Ｚが成長し、平坦部分にはＣ面成長部分Ｙができる。反転方位領域（Ｈ）と単結晶低転位領域（Ｚ）の間には方位反転によって結晶粒界（Ｋ）ができる。反転方位領域（Ｈ）の内部にも結晶粒界（Ｋ’）ができる。そのようにＧａＡｓ基板（Ｓ２）の場合と同様であった。
【実施例２】
【０１５５】
［実施例２（ドットマスクパターン）］
実施例１と同様に、基板として２インチ径のサファイヤ基板（Ｓ１）、ＧａＡｓ基板（Ｓ２）、予めＭＯＣＶＤ法によって１．５μｍの厚さの窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長させたサファイヤ基板（Ｓ３）を準備した。サファイヤ基板（Ｓ１）は、Ｃ面を主面とする。ＧａＡｓ基板（Ｓ２）は主面を（１１１）Ａ面とした。サファイヤ基板に成長させた窒化ガリウム膜はＣ面配向した鏡面状のものである。
【０１５６】
Ｓ１：２インチサファイヤ基板 
Ｓ２：２インチ（１１１）Ａ面ＧａＡｓ基板
Ｓ３：２インチＧａＮ／サファイヤ基板 
【０１５７】
３種類の基板に、プラズマＣＶＤ法によって、０．１μｍ厚みのＳｉＯ２膜を形成した。フォトリソグラフィによって下記の４種類のドットパターンを形成した。ドットパターンは、ＥＬＯとは異なり連続した１枚の被覆膜に窓を設けるのではなく、連続した露呈部分の中に、孤立した被覆部分を多数規則正しく配置するということである。
【０１５８】
Ｂ１：ドット径ｄ      ５μｍ、  ピッチｐ  ３００μｍ
Ｂ２：ドット径ｄ    ２０μｍ、  ピッチｐ  ３００μｍ
Ｂ３：ドット径ｄ    ５０μｍ、  ピッチｐ  ３００μｍ
Ｂ４：ドット径ｄ  ２００μｍ、  ピッチｐ  ５００μｍ
【０１５９】
Ｓ１〜Ｓ３の基板に、Ｂ１〜Ｂ４のドットマスクを設けた。１２種類のマスク付き基板の上に、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｅｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）によってＧａＮ膜を成長させた。この実施例におけるＨＶＰＥ法は、反応炉内部にＧａ金属を収容したＧａボートを上方に備え、Ｇａボートを８００℃に維持し、Ｇａメタル融液に対して上方からＨＣｌ＋Ｈ２のガスを吹き付け、ＧａＣｌを合成する。Ｇａボートの下方に、加熱された下地基板を設置しておき上方から流れてきたＧａＣｌにアンモニアガス（ＮＨ３＋Ｈ２）を吹き付けてＧａＮを合成して基板の上にＧａＮ膜を成膜するようになっている。水素（Ｈ２）はキャリヤガスで最も大量に供給される。炉内部は全体としてほぼ１気圧である。
【０１６０】
［バッファ層の形成］ 
基板温度：  ４９０℃ 
ＨＣｌ分圧：  ０．００２  ａｔｍ  （２００Ｐａ）
ＮＨ３分圧：    ０．２  ａｔｍ  （２００００Ｐａ）
成長時間：    １５分
【０１６１】
［エピタキシャル層の形成］ 
基板温度：    １０１０℃ 
ＨＣｌ分圧：  ０．０２  ａｔｍ  （２０００Ｐａ） 
ＮＨ３分圧：  ０．２５  ａｔｍ  （２５０００Ｐａ）
成長時間：    １５分、 
３０分、 
６０分、 
６００分 
【０１６２】
成長時間は上記の４種類とし、その成長時間が経過すると試料を炉から取り出して観察、評価を行った。特に６００分（１０時間）成長させた試料については、観察評価したあと、研削加工によって下地基板、マスクを削り落とし、表面も研削加工し、平板な基板とした。その後、研磨加工し平坦な表面をもつ基板とした。これは透明平坦平滑な基板である。
【０１６３】
（１）結晶成長の観察
実施例１と同様に、ＧａＡｓ下地基板の上に５０μｍ径のドットを３００μｍピッチで設けたマスクを設けた試料（Ｓ２＊Ｂ３）について、１５分、３０分、６０分、６００分で取り出し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって初期の結晶成長の様子を調べた。
【０１６４】
窒化ガリウム膜の成長開始後１５分で取り出した試料を観察したところマスクの上では連続的な被膜がなく、微細な多結晶粒子が薄く乗っているだけであった。マスクで覆われていないＧａＡｓ露出部においてＧａＮの厚いエピタキシャル結晶成長膜が見られた。膜厚は２５μｍ程度であった。マスク上は空間でＧａＡｓ露出部では厚い膜ができているから、マスクで落ち窪んだ形状になる。マスクの周辺で斜めの壁を形成する。斜め壁は｛１１−２２｝ファセットあるいは｛１−１０１｝ファセットなどであった。
【０１６５】
成長開始後３０分で取り出した試料を見ると、マスク上では微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない（図５（２））。非マスク部（露呈部）では、窒化ガリウム膜の厚みは増加しており、膜厚は５０μｍ程度であった。マスク周辺部での高低差が５０μｍ程度になりマスク周辺部のファセット面が広がっている。｛１１−２２｝ファセット面において、斜面にゴツゴツした突起が内側向きに多数形成されていた（図５（３））。この突起はファセット面から求心的に伸びて行く。突起の上面は、水平面に対して２５゜〜３５゜程度の傾きを持ち、根元で｛１１−２２｝ファセット面に連続していた。
【０１６６】
成長開始後６０分で取り出した試料を見ると、マスク上では依然として微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部（露呈部）での結晶成長は進行し膜厚は１００μｍ程度に達した。ドットの廻りでは｛１１−２２｝面、あるいはそれと｛１−１０１｝面からなるファセット面よりなる６角錘、１２角錐のピットが生成される。３０分成長の時に現れた突起はさらに伸びて、マスクの上方で結合している。隣接部位から伸びた突起もマスク上方で結合している。突起が結合したものがマスクの上を覆っていた。結合突起とマスクの間には空間が残っていた。
【０１６７】
突起の伸長速度が同じでないため結合部はマスク中心にあるとは限らない。優勢な突起と劣勢な突起が結合した場合マスク中心より劣勢な突起の側へずれて結合する。結合した突起はゆるい傾斜の逆錘形状となる。その角度は水平に対して２５゜〜３５゜の程度であった。
【０１６８】
だからマスクの上には２段傾斜の穴ができる。外側の穴は｛１１−２２｝、｛１−１０１｝ファセット面で水平面に対し約６０゜程度の強い傾斜をもつ。その下端から続く内側の傾斜穴は２５゜〜３５゜の緩い傾斜をもち突起が結合したことによってできたものである。
【０１６９】
成長開始後６００分で取り出した試料を見ると、平均の厚みは約１ｍｍに達していた。ドットマスクの近傍は、６０分の試料と殆ど同じで、２重傾斜面の穴が存在していた。つまり６０゜程度の強い傾斜面（ファセット面）とその内側に２５゜〜３５゜程度の浅い傾斜面が続く穴となりマスク上部の穴が埋め込まれることなくそのまま維持されていた。マスクの直上は突起結合によって生じた浅い傾斜面であり、マスクから外れた部分に６０゜程度の｛１１−２２｝｛１−１０１｝ファセット面よりなる穴ができる。この穴は成長とともに広がる。擂り鉢形状の穴となる（図６）。
【０１７０】
隣接する穴の間は平坦面（Ｃ面）となっている。マスク直上で浅い傾斜面の下の部分が欠陥集合領域Ｈである。ファセットの下部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。隣接穴の間の平坦面はＣ面成長領域Ｙである。つまり、このＧａＮはＨ、Ｚ、Ｙよりなる結晶である。構造が異なるが透明なので目視ではこれらを区別できない。構造が異なる部分を含むのであるがクラックは全く発生していなかった。
【０１７１】
この１０時間成長後のＧａＮ／ＧａＡｓ基板について研削、研磨加工を行った。ＧａＡｓ下地基板とドットマスクを研削加工によって削り落とした。表面の凹凸も研削で削り落とした。ついで両面を研磨して平坦で透明なＧａＮ自立基板とした。直径が２インチで厚みが約１ｍｍ程度の基板である。顕微鏡で表面を観察したが、全面においてクラックが発生していなかった。
【０１７２】
（２）結晶の評価
こうして得られたＧａＮ自立基板を種々の手段によって評価した。
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、電子線回折、ＣＢＥＤにより実施例１と同じ評価方法によって、マスク上の成長部（Ｈ）は、それ以外（Ｙ、Ｚ）の部分に対して、Ｃ軸が丁度１８０゜反転している単結晶であることが分かった。つまりマスク以外の露呈部に成長した部分（Ｚ、Ｙ）は上面がＧａ面である（０００１）結晶であり、マスク上に成長した部分（Ｈ）は、上面が窒素面である（０００−１）単結晶であることがわかった。方位が反転した領域が隣接しているから境界が粒界（Ｋ）となる。その粒界が、集結した転位を一部消滅させ転位を捕獲して分散させない閉じた空間を形成する。転位がばらけたモヤ状の分散がこれによってなくなる。
【０１７３】
ドットマスクを使用した場合においても、マスク端部の｛１１−２２｝ファセット面の斜面から横向き求心的に発生したゴツゴツした爪状突起は初めから、Ｃ軸方向が反転した反転方位結晶である。突起の上に結晶成長がなされ、反転方位結晶がマスク上の全体に広がり、マスク上の領域全体が反転方位単結晶となる。そのようなメカニズムによってマスク上だけが方位反転単結晶（Ｈ）になる。境界が結晶粒界（Ｋ）となる。
【０１７４】
さらにカソードルミネッセンス、蛍光顕微鏡を用いて結晶評価を継続した。
両面研磨して得られた基板は、大部分（Ｚ、Ｙ）の表面を（０００１）面つまりＣ面とする基板である。ただドットマスクのあった部分に成長した部分だけ（Ｈ）が、表面が（０００−１）面になっている。
【０１７５】
実施例１と同じようにＣＬ像によって結晶評価を行った。ＣＬ像によると、ドット形状の明確な暗いコントラストで区別された領域が、マスク位置に対応し、規則正しく、３００μｍピッチで６回対称の位置に並んでいる。暗いコントラストのドットマスクに対応する領域は方位反転領域（極性反転）となっていることが分かった。その領域と外部との境界が、結晶粒界（Ｋ）に相当している。結晶粒界（Ｋ）の部分は、明確な暗い線状のコトラストとして観察される。
【０１７６】
さらにドット状の方位反転領域（Ｈ）の内部を観察すると、その内部にも結晶粒界（Ｋ’）に相当する明確な暗い線状のコントラストが認められる場所も多い。それはドットマスク周辺部のファセットから伸びてきた爪状の突起（方位反転領域）がマスク上方で合体することによってできた結晶粒界である。異なるファセットから成長してくるから結晶格子が必ずしも一致せず幾分ずれるので粒界ができるのである。優先的に成長してきた反転方位領域が二つあれば、合体により粒界（Ｋ’）は一本観察される。この反転方位領域（Ｈ）内部にできる粒界の位置に関しては規則性は少ない。
【０１７７】
さらに反転方位領域（Ｈ）の中の粒界（Ｋ’）の位置は結晶成長厚さによっても変化する。特に結晶成長１０時間のＧａＮ基板についてＣＬ像を観察すると、方位反転領域の中に結晶粒界が見られない場合もある。その原因は、結晶成長の進行とともに、粒界の位置が変化してゆくためであろう。例えばマスク中央からずれて、方位反転領域の境界部と粒界（Ｋ’）が合致して存在する場合もある。その場合は、反転方位領域の内部に粒界（Ｋ’）が存在しないことになる。
【０１７８】
その反転方位領域（Ｈ）の内部の粒界（Ｋ’）に対し、透過電子顕微鏡で、解析を行い、反転方位領域（Ｈ）内の粒界の両側部分から、電子線回折をして比較を行った。多数の点において測定を行った結果、ストライプマスクの場合（実施例１）と同様に、粒界（Ｋ’）を境としてその両側で、結晶方位が少しずれた不整合面であることがわかった。もちろん特別な場合に方位がぴったり一致する場合もある。場所によってばらつきもある。試料によって差異がある。方位に少しの差異があるが、それでも粒界（Ｋ’）の両側の部分の結晶方位の差異は５゜以内であった。
【０１７９】
成長初期の段階で取り出した試料（１５分、３０分、６０分）を再び詳細に観察した。成長開始後３０分に取り出した試料に現れていたゴツゴツした爪状の突起については、側方から見ると、上斜面と下斜面に囲まれた楔型断面をしている。これが何かということが問題である。上斜面の水平に対する傾斜角は、２５度〜３５度で緩やかな傾斜面となっている。
【０１８０】
下斜面の傾斜角は５５度〜６５度の強い傾斜面となっている。それは対向するファセット面｛１１−２２｝の傾きと丁度平行である。法線方向が反対だから丁度反平行であるということができる。もしも結晶軸が同一であれば、下斜面は、対向ファセット面と反平行だから指数にマイナス１を掛けて｛−１−１２−２｝となる筈である。しかし既に説明したように（図１５）突起は周囲とは方位が１８０度反転した単結晶で方位反転領域だということがわかっている。
【０１８１】
だから下斜面は再び面指数にマイナス１をかけて｛１１−２２｝面だということになる。突起の下斜面は、対向するファセット面と平行で法線方向が反対であるが、方位が逆転しているのでミラー（Ｍｉｌｌｅｒ指数）は同一になるのである。方位が逆転しているから上向き面の第４指数はマイナスに、下向き面の第４指数はプラスになる。突起の緩やかな上向きの傾斜面は｛１１−２−６｝、｛１１−２−５｝、一般に｛１１−２−ｎ｝（ｎ≧３）と書くことができる。ドッドマスクの場合ファセット面が｛１−１０１｝の場合もあり、それに対向する突起の場合は、下斜面が｛１−１０１｝で上斜面が｛１−１０−ｍ｝（ｍ≧２）と書くことができる。
【０１８２】
３０分成長の試料では、ファセット面から斜めに突起群が発生しマスクに接触せずマスクの上方を内向きに伸長する。６０分成長の試料では内向きの爪状突起が中間部で合体して浅い傾斜のピットを作っている。浅いピットの外側により強い傾斜面が連続することになる。二段傾斜の穴となる。６０分成長以後は、マスクの上の突起合体部の上に方位反転結晶が成長し、ファセット部分の上にはファセットを維持しつつ正方位の結晶が成長する。Ｃ面成長部分（Ｙ）もそのまま上方へ成長し厚みを増してゆく。
【０１８３】
そのような複雑な成長をする。６００分で１ｍｍ近くに成長し研削、研磨した試料について、カソードルミネセンス（ＣＬ）によって転位密度を測定した。方位反転領域（Ｈ）では、転位密度は１０６ｃｍ−２〜１０９ｃｍ−２で高い値であった。これは他の部分にあった転位を掃き集め、それが方位反転領域（Ｈ）に集積しているからである。ファセット成長した領域（Ｚ）と、Ｃ面成長した部分（Ｙ）での転位密度は１０４〜１０７ｃｍ−２であり、１０６ｃｍ−２以下の部分が多かった。Ｚ、Ｙ領域（正方位単結晶）の部分の転位密度は大幅に減少していることが確認された。
【０１８４】
通常サファイヤ基板の上に窒化ガリウム薄膜を成長させた場合、窒化ガリウム薄膜には、１０８ｃｍ−２〜１０１０ｃｍ−２の高密度の転位が発生する。それに比べて、本発明は、窒化ガリウム結晶のＺ、Ｙでの転位密度を大きく低減でき、著しい転位削減効果があることが分かる。
【０１８５】
（３）マスクパターン種類の影響
以上の例では、Ｂ３マスク（ドット径５０μｍ、ピッチ３００μｍ）のものについて述べてきた。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ４マスクを用いたものについてもほぼ同様の結果が得られた。
ただ、マスクＢ１（ドット径５μｍ、ピッチ３００μｍ）を作製してＧａＮをその上に成長させたものは、マスクが狭い為にその上に発生する方位反転領域（Ｈ）が狭く、その内部に発生するはずの粒界（Ｋ’）が分かりにくくなる傾向があった。Ｂ１マスクの場合、（成長時間を長くして）ＧａＮ層を厚くすると反転方位領域（Ｈ）自体が消失することもあった。
Ｂ１マスクは最良ではないが本発明が期待した効果を上げることはでき、マスク寸法の下限を与えるものと思われる。
【０１８６】
マスクＢ２（ドット径２０μｍ、ピッチ３００μｍ）は、Ｂ３マスクとほぼ同じで良好な結果をもたらすことができた。
【０１８７】
マスクＢ４（ドット径２００μｍ、ピッチ５００μｍ）の場合は、ドットの直径が２００μｍ、半径が１００μｍであるから、突起が成長して結合するまで１００μｍ伸長しなければならず結合までに時間がかかる。その後から方位反転領域（Ｈ）が成長するので転位の集積、消滅が不完全になることもある。またドットの部分はデバイスの重要な部分には使えず、その比率が増加するので望ましくない。だからドットの望ましい直径ｄは５μｍ〜１００μｍ程度である。
【０１８８】
（４）基板種類の影響
ＧａＡｓを下地基板（Ｓ２）とした場合について述べてきたが、下地基板として、サファイヤ基板（Ｓ１）を使用した場合、あるいはＭＯＣＶＤ法で１．５μｍ厚みのＧａＮ層をサファイヤ基板上に被覆したＧａＮ／サファイヤ複合基板（Ｓ３）の上に、同様のマスクＢ１〜Ｂ４を形成して、ＧａＮをファセット成長させた場合も同じような結果が得られた。
【０１８９】
サファイヤ基板を下地基板にした場合（Ｓ１）、前述のＧａＡｓ基板（Ｓ２）の時と同様のマスク、同様の成長条件で、ＧａＮバッファ層、ＧａＮエピ層を成長させた。成長時間も、１５分、３０分、６０分、６００分とした。初めは、下地基板露出部だけに成長がおこりドットマスクの上に成長がおこらない。マスクの周囲にファセットピットができ、ファセットから爪状突起（反転方位領域（Ｈ））が伸び中央で合体して、その上に反転方位領域（Ｈ）が成長し、ファセット領域には単結晶低転位領域Ｚが成長し、ファセットとファセットの境界の平坦面にはＣ面成長部Ｙが成長した。反転方位領域（Ｈ）と単結晶低転位領域Ｚの間には粒界（Ｋ）が発生した。反転方位（Ｈ）が欠陥集合領域であることもわかった。反転方位領域（Ｈ）の内部にも粒界（Ｋ’）があることも確認された。それは爪状突起が結合合体した時の不整合が上方へ連続的に伸びた粒界（Ｋ’）である。
【０１９０】
１．５μｍのＧａＮ膜をＭＯＣＶＤ法で被覆したサファイヤ基板（Ｓ３）を下地基板にした場合も同じように、ドットマスクを作り、その上に低温バッファ層、高温のエピ層を成長させた。成長時間の刻みも１５分、３０分、６０分、６００分とした。初め、露出部だけにＧａＮ結晶成長がおこり、マスク部には微粒子が僅かに付着しているだけであった。マスク周囲に斜めのファセットが形成される。ファセットが広がり、その側面から爪状突起が発生して、それが合体する。合体したものは方位反転領域であり、その上に成長したものは方位反転している。それが欠陥集合領域Ｈである。ファセット部分に続いて単結晶低転位領域Ｚが成長し、平坦部分にはＣ面成長部分Ｙができる。反転方位領域（Ｈ）と単結晶低転位領域（Ｚ）の間には方位反転によって結晶粒界（Ｋ）ができる。反転方位領域（Ｈ）の内部にも結晶粒界（Ｋ’）ができる。そのようにＧａＡｓ基板（Ｓ２）の場合と同様であった。
【実施例３】
【０１９１】
［実施例３（マスク種類の影響）］
これまでの実施例１、２においてはマスクの材質としてＳｉＯ２を用いた。その他のマスク材質を検討した。サファイヤ基板上に、Ｓｉ３Ｎ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯの薄膜を０．１μｍの厚さで堆積し、Ａ３マスク（ｗ＝５０μｍ、ｐ＝３００μｍ；ストライプ）を作製した。実施例１に記載のように、ＧａＮバッファ層、エピ層を成長させた。エピ層は３０分成長させた。
【０１９２】
その実験において、どのマスクを使った場合でも、山谷構造ができ溝の両側には｛１１−２２｝ファセットができた。そして｛１１−２２｝ファセットから突起が平行に内側向きに発生することも確認した。それはやはり反転方位領域であることが全てのマスクの試料について確かめられた。それはつまり上記のどのマスクを使っても本発明を実施することが可能だということである。
【実施例４】
【０１９３】
［実施例４（３００ｎｍ〜２０００ｎｍの光に対する吸収係数）］
本発明のＧａＮ基板は、欠陥集合領域（突起上成長部；反転方位）Ｈ、低欠陥単結晶領域（ファセット成長部；正方位）Ｚ、単結晶低転位余領域（Ｃ面成長部；正方位）よりなり、…ＺＨＺＹＺＨＺＹＺ…あるいは…ＺＨＺＨＺ…という繰り返し構造を持っている。結晶方位と生成原因の違いについてはこれまで詳しく説明した。これら３つの領域は結晶方位、履歴の違いだけでなく、光学的、物理的、物性的な相違点がある。
【０１９４】
ここでは紫外〜近赤外の３００ｎｍ〜２０００ｎｍの光に対する吸収を測定した結果を説明する。実際には３５０ｎｍ帯、４５０ｎｍ帯、５５０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の光源を用いて吸収を測定した。６５０ｎｍ以上の光に対してはＨ、Ｚ、Ｙ間で不均一性はない。
【０１９５】
試料ＧａＮ基板は厚みｄ＝０．４ｍｍであり、０．１ｍｍφの試験光を試料に当て、入射光Ｐｉと、反射光Ｐｆと、透過光Ｐｔの強度を測定し、
α＝ｌｏｇ｛Ｐｉ／（Ｐｉ−Ｐｔ−Ｐｆ）｝／ｄ
によって吸収係数を計算した。欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙの吸収係数をαＨ、αＺ、αＹとする。
【０１９６】
【表１】
2006066496.tif 000003
【０１９７】
３５０ｎｍの紫外光に対して吸収が大きいのはＧａＮのバンドギャップより大きいエネルギーを持ちバンドギャップ遷移が起こるからである。緑の５５０ｎｍ、赤の６５０ｎｍに対してＨ、Ｚ、Ｙともに１ｃｍ−１〜１０ｃｍ−１の程度である。青色の４５０ｎｍ帯に対し、Ｈ、Ｚ領域は吸収が小さい（１〜１０ｃｍ−１）が、Ｙ領域は吸収が大きく（１０〜１００ｃｍ−１）なる。その比率は５〜２０倍になる。Ｃ面成長領域Ｙには炭素がより多く含まれているということを意味するのである。
【実施例５】
【０１９８】
［実施例５（燐酸：硫酸＝１：１エッチング液に対するエッチング速度）］
燐酸：硫酸＝１：１エッチング液に本発明のＧａＮ基板を漬け、２７０℃に保持し１０分間エッチングした。欠陥集合領域（突起上成長部；反転方位）Ｈのエッチング速度は速くて１０μｍ／時以上であった。低欠陥単結晶領域（ファセット成長部；正方位）Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙ（Ｃ面成長部；正方位）に対するエッチング速度は０．１μｍ／時未満であった。Ｈ領域のエッチング速度と、Ｙ、Ｚ領域のエッチング速度の比率は１００以上である。Ｚ、Ｙ領域の表面はＧａ面であり殆どエッチングできない。しかし欠陥の多いＨ領域は表面が窒素面でありエッチング速度が速いのである。
【０１９９】
【表２】
2006066496.tif 000004
【実施例６】
【０２００】
［実施例６（ＸＲＤ）］
Ｘ線源：  Ｃｕ−Ｋα１線
分光器：  ２結晶（Ｇｅ（２２０））＋ミラー 
スリット：  ０．５ｍｍ×０．２ｍｍ 
入射方向：  ＜１１−２０＞ 
回折面：  （０００４） 
【０２０１】
Ｘ線を試料の（１１−２０）面に垂直な方向＜１１−２０＞から入射し、反対側の＜−１−１２０＞方向へ回折させたＸ線のスペクトルを求めピークの半値幅（ＦＷＨＭ（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ））を測定した。これは（０００４）面からの回折のピークである。ピークの半値幅が大きいという事は（０００４）面の規則性が弱いということで、半値幅が狭いということは良質の単結晶だということである。単位はアークセカンドであり、１度の１／６０である。
【０２０２】
【表３】
2006066496.tif 000005
【０２０３】
どの領域も（０００４）面からの回折Ｘ線のピークは鋭い。つまりＨ、Ｚ、Ｙ領域とも高品質の単結晶であるということである。しかし欠陥集合領域Ｈはやはり結晶の乱れが大きいので半値幅が広がる。それが他の部位の３〜１０倍だということである。Ｘ線の（０００４）回折でｃ軸方向の格子定数を測定できる。それによれば、Ｈ、Ｚ、Ｙ領域ともに、（０００４）面間隔は０．５１８５ｎｍ±０．０００１ｎｍであった。つまりｃ軸長さは２．０７４ｎｍである。この結果は３領域ともに同一の結晶系をもち格子定数も等しいということである。
【実施例７】
【０２０４】
［実施例７（電気抵抗）］
３端子ガイド法（図７）を用いて局所的な電気抵抗を測定した。
図７に示すように、対象となる基板の底面全体に電極５２を付ける。上面の周辺部をガード電極５３によって覆う（内径９０μｍ）。上面中央部に測定用電極５５（外径７０μｍ）を付ける。上面の二つの電極間は１０μｍの間隙（平均直径８０μｍ）がある。ガード電極５３は接地、測定用電極５５は電流計５７を通して接地する。可変電源５６から底部電極５２に電圧Ｖをかける。電流計５７に流れる電流Ｉを求める。ＶをＩで割ったものがリング間隙（１０μｍ）の抵抗Ｒである。
【０２０５】
ρ（Ωｃｍ）＝Ｒ（Ω）×Ｓ（ｃｍ２）／Ｌ（ｃｍ）
【０２０６】
によって基板の局所的な抵抗率ρを求めることができる。それによってＨ、Ｚ、Ｙの抵抗率を測定した。
【０２０７】
【表４】
2006066496.tif 000006
【０２０８】
これまで述べたエッチング速度、ＸＲＤの不均一性は、欠陥集合領域Ｈが特異なものであったが、抵抗率ρに関しては、Ｃ面成長領域Ｙ（単結晶低転位余領域）が特異で特に抵抗率が高い。それはＨ、Ｚでは酸素が大量にドープされるのに、Ｃ面成長領域Ｙでは酸素がドープされないことによると思われる。
【実施例８】
【０２０９】
［実施例８（ホトルミネッセンス；ＰＬ）］
波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザの光を、０．１ｍｍφに絞ってＧａＮ基板（０．４ｍｍ厚み）試料のＨ、Ｚ、Ｙ領域に当て、それらの領域から放射されるホトルミネッセンスのスペクトルを調べた。
【０２１０】
図１１は欠陥集合領域Ｈのホトルミネッセンスのスペクトルである。横軸は波長（ｎｍ）で縦軸はルミネッセンス強度である。バンドギャップに対応する３６０ｎｍで鋭く高い（１７３０）ピークがある。緑黄橙色の波長にわたって低い（１８０）が幅広い山がある。
【０２１１】
図１２は低欠陥単結晶領域Ｚのホトルミネッセンスのスペクトルである。バンドギャップの３６０ｎｍにはやはり高く細い（１７５０）ピークがある。黄色橙色の波長にわたって低い山（９０）がある。
【０２１２】
図１３は単結晶低転位余領域（Ｃ面成長領域）Ｙのホトルミネッセンスである。縦軸が前の二つよりも約１／３の目盛りになっている。３６０ｎｍのピークは著しく低く（７０）なり、５６０ｎｍを中心として黄色橙色の広いピークが持ち上がっており高く（１６０）なっている。これはＣ面成長領域に炭素が多く含まれるからであろうと推定される。３６０ｎｍの山の高さを、５６０ｎｍの山の高さで割った値で、バンドギャップ遷移の強さを表現できる。
【０２１３】
Ｈ領域は１７３０／１８０＝９．６ 
Ｚ領域は１７５０／９０＝１９．４ 
Ｙ領域は７０／１６０＝０．４４ 
【０２１４】
である。ホトルミネッセンスに関していえば、Ｙ領域（Ｃ面成長）が特異な領域だということである。 
【０２１５】
【表５】
2006066496.tif 000007
【０２１６】
これまで述べたエッチング速度、ＸＲＤの不均一性は、欠陥集合領域Ｈが特異なものであったが、ホトルミネッセンスに関しては、Ｃ面成長領域Ｙ（単結晶低転位余領域）が特異である。それはＨ、Ｚでは炭素が混入しないのに、Ｃ面成長領域Ｙでは炭素が入ることによると思われる。
【実施例９】
【０２１７】
［実施例９（反り）］
基板の反りはデバイスをその上に作製する際に重要な評価基準となる。それは局所的な性質でなく、Ｈ、Ｚ、Ｙの区別はない。本発明によって作られたＧａＮ自立基板の反りは曲率半径Ｒで表現すると、最小でＲｍｉｎ＝６００ｍｍ、最大で５００００ｍｍである。本発明で作られたＧａＮ基板は通常、反りの曲率半径が１５００ｍｍ以上である。先に述べた実施例に係る基板の曲率半径を測定したが、反り曲率半径は１０００ｍｍ〜５００００ｍｍの範囲にあって、反りの少ない良好な基板であることがわかる。反りの測定は触針法によって行った。針を基板の中心に当ててその高さを求める方法である。
【実施例１０】
【０２１８】
［実施例１０（不純物濃度の測定）］
研磨したＧａＮ基板のＨ、Ｚ、Ｙの領域について、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によって不純物濃度を測定した。それはＣｓ＋イオンを加速して対象に当て内部の原子をイオンとして叩きだし表面から出てくるイオンの軌道を質量分析磁石で彎曲させ、ある彎曲角へ来るイオンの数を計数して表面に存在する不純物濃度を求めるものである。
表面をエッチングして行く破壊検査であるから、ある程度の深さまでの不純物濃度を調べることができる。対象物の測定深さは０〜５μｍである。測定領域は５０μｍφの局所的な範囲である。酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）、砒素（Ａｓ）の濃度を、Ｈ、Ｚ、Ｙについて測定した。 
【０２１９】
【表６】
2006066496.tif 000008
【０２２０】
シリコン、砒素の濃度についてはＨ、Ｚ、Ｙについて差異はない。注目すべきものは酸素である。酸素濃度は、Ｃ面成長部Ｙにおいて特に低い。酸素はＣ面成長ではなかなか取り込まれない。ファセット成長面から酸素が容易にＺ、Ｈへ入る。酸素のＹ／Ｚ比、Ｙ／Ｈ比は１０−１〜１０−５というように低い。それはＹ領域の抵抗が特に高いという電気伝導度の不均一性と整合している。
【実施例１１】
【０２２１】
［実施例１１（基板の寸法）］
本発明の方法で作製されたＧａＮ自立基板は次のような寸法範囲をもつ。
矩形基板：      １０ｍｍ≦１辺≦１６０ｍｍ 
円形基板：      １０ｍｍ≦直径≦１６０ｍｍ 
厚さ：            ５μｍ≦厚さ≦２０００μｍ
矩形ウエハの場合、半導体レーザを作製するとき、共振器面の方位確認が容易である。円形ウエハの場合、エピタキシャル成長の時にガス流れが均一になるからエピタキシャル成長の異常が起こりにくい。
【０２２２】
直径が１０ｍｍ以下、一辺が１０ｍｍ以下であると、ウエハプロセスにおけるスループットが低い。直径が１６０ｍｍ以上、一辺が１６０ｍｍ以上になると反りが大きくなる可能性があり、エピタキシャル成長時のガス流れが不均一になる。ＧａＡｓを下地基板とする場合は、市販されているＧａＡｓの最大の大きさが６インチ（１６０ｍｍ）であるから、それによっても直径が限定される。
【実施例１２】
【０２２３】
［実施例１２（三次元的構造：図１４）］
蛍光顕微鏡観察によって、各領域の厚み方向の幅の変動をも知る事ができる。Ｈ、Ｚ、Ｙ領域の幅は成長とともに僅かに変化する。Ｈ領域とＹ領域の幅は、エピタキシャル成長の進行とともに減少する。Ｚ領域の幅は逆に増加する。であるからＧａ面（上面）における、Ｈ、Ｙ領域の幅は、窒素面（下面）における幅よりも狭い。図１４に、Ｈ、Ｚ、Ｙ領域の幅の変動を示す。厚みをｔとすると、幅の変動は０．００１ｔ〜０．１ｔの程度である。
【０２２４】
【表７】
2006066496.tif 000009
【０２２５】
本発明の方法によって、厚さ４００μｍ、直径５０ｍｍ、（Ｈ−Ｈ間）ピッチ４００μｍのＧａＮ基板を作製した。Ｎ面（下面）でＨ領域の平均の幅は約２０μｍで、Ｇａ面（上面）でＨ領域の平均幅は１５μｍであった。Ｚ領域は下面で３８５μｍの幅、上面で約３８０μｍの幅を持っていた。Ｙ領域は１０μｍ〜４０μｍの幅を持っていた。
【０２２６】
そのようにＺ領域がＧａ面で広がるということは有利なことである。半導体レーザを作る場合、欠陥の多いＨ領域や、電気抵抗の高いＹ領域をさけ、欠陥が少なく電気伝導度の高いＺ領域に電流狭窄領域を作らなければならない。Ｚ領域の広い方が設計の自由度が高く都合が良い。Ｇａ面の上にデバイスを作るのだからＧａ面側でＺ領域が広がるのは好都合である。
【実施例１３】
【０２２７】
［実施例１３（転位密度）］
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）またはカソードルミネセンス（ＣＬ）観察によって、各領域の転位密度を測定できる。
【０２２８】
１０μｍ×１０μｍの視野をもつＴＥＭによって対象点から＜１−１００＞方向に１０視野を取り、Ｈ−Ｈ間を＜１１−２０＞方向に視野を走査して転位を計数し、対象点における転位密度を求めた。
【０２２９】
欠陥集合領域Ｈで転位密度が高く、ファセット成長領域（単結晶低転位随伴領域）ＺとＣ面成長（単結晶低転位余領域）Ｙは転位密度が低い。同じＧａＮ基板でも場所によってばらつきがある。
次に２枚のＧａＮ基板試料１、２について転位密度測定の例を示す。
【０２３０】
［転位密度測定；ＧａＮ基板試料１（ＴＥＭ）］
Ｈ；    １×１０７ｃｍ−２〜２×１０７ｃｍ−２ 
Ｚ；    １×１０５ｃｍ−２〜１×１０７ｃｍ−２ 
Ｙ；    ２×１０４ｃｍ−２〜２×１０５ｃｍ−２
【０２３１】
［転位密度測定；ＧａＮ基板試料２（ＴＥＭ）］ 
Ｈ；    ５×１０７ｃｍ−２〜１×１０８ｃｍ−２ 
Ｚ；    ３×１０５ｃｍ−２〜３×１０７ｃｍ−２ 
Ｙ；    ２×１０５ｃｍ−２〜１×１０６
ｃｍ−２
【０２３２】
試料によって転位密度はばらつくが、欠陥集合領域Ｈで高く、ファセット成長領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙでは低いということは常に言える（Ｈ＞Ｙ、Ｈ＞Ｚ）。欠陥集合領域Ｈでの転位密度は、５×１０６〜５×１０８ｃｍ−２の範囲にある。Ｚ領域での転位密度は５０％以上の領域で５×１０６ｃｍ−２より低い。Ｙ領域での転位密度は６０％以上の領域で５×１０６ｃｍ−２より低い。
【０２３３】
【表８】
2006066496.tif 000010
【実施例１４】
【０２３４】
［実施例１４（熱伝導）］
本発明の方法で作製研磨した１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．８ｍｍの角型ＧａＮ基板を用いて熱伝導度を測定した。これは熱伝導の異方性の有無を調べるためのものである。だから初めから異方性がないドット型のものは測定していない。
【０２３５】
ストライプ型の場合は、ストライプに平行方向の熱伝導と、ストライプを横切る方向の熱伝導に違いがある可能性がある。基板に直交する方向の熱伝導を測定するのは比較的容易である。が、横方向でしかも局所的な熱伝導を測るのは難しい。直接に熱伝導を測定できない。誘導的な手段で熱伝導度を求めた。
【０２３６】
レーザフラッシュ法で熱拡散係数Ｄ（ｍ２／ｓ）を測定した。示差走査熱量分析法（ＤＳＣ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）によって比熱Ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）を測定した。密度ρ（ｋｇ／ｍ３）はアルキメデス法によって測定した。熱伝導度Ｑ（Ｗ／ｍＫ）は次の式によって計算することができる（Ｗ＝Ｊ／ｓである）。
【０２３７】
Ｑ（Ｗ／ｍｓ）＝ρ（ｋｇ／ｍ３）×Ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）×Ｄ（ｍ２／ｓ）
【０２３８】
密度ρ、比熱Ｃには方向性がない。熱拡散係数Ｄには方向性がある。ＧａＮ基板試料３〜７の５つの基板について、ストライプに平行のものＤｐとストライプを横切るものＤｔを測定した。それによってストライプ平行の熱伝導率Ｑｐと、ストライプ垂直の熱伝導率Ｑｔを求めることができる。
【０２３９】
【表９】
2006066496.tif 000011
【０２４０】
試料によってばらつきはあるが、ＱｔとＱｐに関しては前者が大きいもの（試料４、７）もあり、後者が大きい（試料３、５、６）もある。その差は試料間ばらつきよりも小さい。熱伝導度には異方性がないものと考えられる。その他の試料についても測定したが、本発明のＧａＮ基板の熱伝導度の範囲は１５０Ｗ／ｍＫ〜２２０Ｗ／ｍＫである。
【実施例１５】
【０２４１】
［実施例１５（ビッカース硬度Ｈｖ）］
本発明の方法で作製研磨した前述の試料３〜７（１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．８ｍｍの角型ＧａＮ基板）について、Ｈ、Ｚ、Ｙ領域の個別のビッカース硬度Ｈｖを測定した。ダイヤモンド四角錘圧子を対象点に当て試験荷重Ｐ（ｋｇｆ）を掛けて試料面に窪みを作った。できた窪みの対角線長ａを測定し、そのときの試験荷重Ｐとから（ＪＩＳ  Ｚ２２４４に準拠）次の式によってビッカース硬度Ｈｖを計算した。
【０２４２】
Ｈｖ＝１．８５４４×Ｐ／ａ２
【０２４３】
試験荷重Ｐの範囲は、５０〜２００ｋｇｆである。
【０２４４】
【表１０】
2006066496.tif 000012
【０２４５】
試料４、５、６、７において、欠陥集合領域Ｈの硬度が最も低い。Ｈ領域は上面が窒素面でＧａ面より硬度が低いのではないかと思われる。試料３のようにＺが最も硬度が低くなっているものもあり、ばらつきがある。Ｃ面成長領域Ｙが最も硬度が高い。それは結晶構造の規則性が高いためか炭素混入が多いためか、あるいは他の原因によるのか不明である。
【０２４６】
Ｈ領域のビッカース硬度は１２００〜１５００Ｈｖ、Ｚ領域のビッカース硬度は１２００〜１８００Ｈｖ、Ｙ領域のビッカース硬度は１３００〜１８００Ｈｖの程度である。
【実施例１６】
【０２４７】
［実施例１６（キズ密度の測定）］
本発明の方法で作製研磨した前述の試料３〜７（１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．８ｍｍの角型ＧａＮ基板）について、Ｈ、Ｚ、Ｙ領域の個別のキズ密度測定を行った。キズは研磨において発生したもので結晶成長とは直接に関係はない。キズがあまりに多いものは発光デバイスの基板として不適であるが、本発明のＧａＮ基板はキズ密度も低くて満足できるものである。
【０２４８】
キズの検査は微分干渉顕微鏡を用いた。対物レンズの倍率は４０倍である。試料の縦３００μｍ×横４００μｍの矩形範囲を微分干渉顕微鏡で写真撮影し、写真面に任意の部位に任意の方向に試験線を引き、試験線と交差するキズの数を数え、それを１ｍｍ長さの本数に換算してキズ密度（本／ｍｍ）とした。
【０２４９】
【表１１】
2006066496.tif 000013
【０２５０】
キズ密度は研磨に大きく左右される。試料間でのキズ密度ばらつきは大きい。試料４のように殆ど０本／ｍｍのものもあり、試料３のように１０４本／ｍｍを越えるものもある。しかしＨ、Ｚ、Ｙの領域間ではばらつきはないようである。いずれの領域でもキズ密度は０〜１×１０５本／ｍｍである。それはデバイス作製用の基板としては充分なものである。
【実施例１７】
【０２５１】
実施例１のサファイヤ基板を用いて、Ａ３のストライプパターンを形成し、実施例１と同じ条件にてバッファ層を形成し、その後、１０００℃に昇温し、表１２の条件でエピタキシャル層を６０分成長して、マスク保護層上の極性反転領域（方位反転領域）Ｈの形成状況を確認した。
【０２５２】
【表１２】
2006066496.tif 000014
【０２５３】
成長の結果、極性反転領域Ｈの形成は、条件１および条件５では十分に形成なされず、連続していなかったり、あるいは形成されていない領域が見られたり、不十分であった。しかし、条件２、条件３、条件４においては、良好であった。これより、成長速度は、３０〜１００μｍ／ｈの範囲にあることが好ましいと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０２５４】
【図１】特許文献４に提案したファセット成長法におけるファセットが法線方向に成長することによって転位を稜線とピット底へ集中させる転位の集結機構を説明するための斜視図。図１（ａ）は成長の初期を、図１（ｂ）は成長が進行した後、線状の転位集合欠陥、面状の転位集合欠陥ができることを説明している。
【０２５５】
【図２】特許文献４に提案したファセット成長法におけるファセットが法線方向に成長することによって転位を稜線とピット底へ集中させる転位の集結機構を説明するための平面図。
【０２５６】
【図３】本発明者が提案したファセット成長法では転位の集合した束が一旦ピット底に形成されるが、成長とともに束がばらけて再び転位が周囲に拡散してモヤ状の転位広がりができることを説明する図。図３（１）が一旦転位がピット底に集められた線状転位集合束を示し、図３（２）はそれが成長の進行とともにモヤのように広がっていく様子を示す。
【０２５７】
【図４】本発明者が特許文献４の転位集合部不確定、転位再拡散の問題を解決するために創案した（特許文献５〜８）マスクを下地基板の上に形成しておいてその上にファセット成長させることによってマスクを転位集合部とし、転位を閉じ込めた閉鎖欠陥領域Ｈとすることを説明する図。図４（１）はファセット成長することによって転位が閉鎖欠陥集合領域Ｈに集まる様子を示す。図４（２）はファセットが埋まらないように成長を続けると欠陥集合領域Ｈもそのまま成長しファセット面の上にもそのまま低欠陥単結晶領域Ｚが成長し、Ｃ面成長する単結晶低転位余領域Ｙも同じように成長して行く様子を示す。
【０２５８】
【図５】本発明の窒化ガリウムの成長方法を示す結晶の一部断面図。図５（１）は下地基板の上にマスク（被覆部）を設け低温で窒化ガリウムを気相成長させると、被覆部の上にも多結晶微細粒子が付着することを説明する図。図５（２）は高温でエピタキシャル成長させると露出部の上だけに窒化ガリウムが成長し正方位（０００１）の単結晶となり被覆部は膜ができないので、マスク被覆部から立ち上がるファセット面ができることを示す図。図５（３）はファセット面から横向きマスクに非接触で方位反転の突起が突出することを示す図。図５（４）は両方から突起がさらに延びたものを示す。図５（５）は延びた突起が被覆部の直上で結合して反転方位の種結晶となりその上に反転方位の単結晶が成長してゆくことを示す図。
【０２５９】
【図６】ドットマスクを下地基板の上に形成して、その上から本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた成長後の複合基板の一部の斜視図。下地基板の上に窒化ガリウム結晶ができるが６角錐のファセットピットが多数できる。ピット底が欠陥集合領域Ｈであり、ファセットの下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚであり、低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｚの間のＣ面成長する部分が単結晶低転位余領域Ｙである。
【０２６０】
【図７】窒化ガリウム基板の局所的な電気抵抗率を測定するための電極形成を示す図。
【０２６１】
【図８】本発明の窒化ガリウム基板において、成長の進行とともに、欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙの幅は縮小し、単結晶低転位領域Ｚの幅は拡大する事を示す図。
【０２６２】
【図９】ストライプマスクを下地基板の上に形成して、その上から本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた成長後の複合基板の一部の斜視図。下地基板の上に窒化ガリウム結晶ができるがマスクが平行線状なので山谷（Ｖ溝）構造が多数できる。プリズムを横平行に並べた形状になっている。マスクの上Ｖ溝の底が欠陥集合領域Ｈであり、ファセットの下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｚの間のＣ面成長する部分が単結晶低転位余領域Ｙであるが、ここではＺが優勢でＹは消滅している。
【０２６３】
【図１０】ストライプマスクを下地基板の上に形成して、その上から本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた成長後の複合基板の一部の斜視図。下地基板の上に窒化ガリウム結晶ができるがマスクが平行線状なので山谷（Ｖ溝）構造が多数できる。マスクの上Ｖ溝の底が欠陥集合領域Ｈであり、ファセットの下の部分が低欠陥単結晶領域Ｚである。低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｚの間のＣ面成長する部分が単結晶低転位余領域Ｙであり、…ＨＺＹＺＨＺＹ…繰り返し構造を持っている。
【０２６４】
【図１１】本発明によって作製した窒化ガリウム基板の欠陥集合領域Ｈに３５０ｎｍの紫外線を当てたときのホトルミネッセンスのスペクトル図。横軸はホトルミネッセンス波長（ｎｍ）、縦軸はホトルミネッセンス強度。３６０ｎｍのピーク値を５６０ｎｍのピーク値で割った３６０ｎｍ／５６０ｎｍの発光強度比が１７３０／１８０＝９．６である。
【０２６５】
【図１２】本発明によって作製した窒化ガリウム基板の単結晶低転位随伴領域Ｚ（ファセット成長領域）に３５０ｎｍの紫外線を当てたときのホトルミネッセンスのスペクトル図。横軸はホトルミネッセンス波長（ｎｍ）、縦軸はホトルミネッセンス強度。３６０ｎｍのピーク値を５６０ｎｍのピーク値で割った３６０ｎｍ／５６０ｎｍの発光強度比が１７５０／９０＝１９．４である。
【０２６６】
【図１３】本発明によって作製した窒化ガリウム基板のＣ面成長領域（単結晶低転位余領域）Ｙに３５０ｎｍの紫外線を当てたときのホトルミネッセンスのスペクトル図。横軸はホトルミネッセンス波長（ｎｍ）、縦軸はホトルミネッセンス強度。３６０ｎｍのピーク値を５６０ｎｍのピーク値で割った３６０ｎｍ／５６０ｎｍの発光強度比が７０／１６０＝０．４４である。
【０２６７】
【図１４】ドットマスクを形成して本発明の方法で結晶成長させたときにファセットピットが発生しファセット面から内向きの突起が多数発生する様子を説明するためのピットの平面図。
【０２６８】
【図１５】ファセット面の内側の正方位（０００１）結晶Ｚ、Ｙとファセット面（１１−２２）の外側の反転方位（０００−１）突起、欠陥集合領域Ｈの内部の結晶主軸が互いに全く反対であることを説明する図。
【符号の説明】
【０２６９】
Ｈ  欠陥集合領域（反転方位領域） 
Ｚ  単結晶低転位随伴領域（ファセット成長領域） 
Ｙ  単結晶低転位余領域（Ｃ面成長領域） 
Ｋ  ＺとＨの間の結晶粒界 
Ｋ’突起が結合されるときの不整合によってＨの内部にできる結晶粒界
４  窒化ガリウム結晶 
５  ピット 
６  ファセット面 
７  Ｃ面（（０００１）面） 
８  ピットの稜線 
１１  線状転位集合束 
１３  モヤ状転位広がり 
２３  マスク（被覆部） 
２４  窒化ガリウム結晶 
２５  ピット 
２６  ファセット面 
２７  Ｃ面（（０００１）面） 
２９  露出部 
６３  マスク（被覆部） 
６４  窒化ガリウム結晶 
６５  ピット 
６６  ファセット面 
６７  Ｃ面（（０００１）面） 
６８  方位反転突起 
６９  露出部 
７０  多結晶微小粒子 
【図１】
2006066496.tif 000015
【図２】
2006066496.tif 000016
【図３】
2006066496.tif 000017
【図４】
2006066496.tif 000018
【図５】
2006066496.tif 000019
【図６】
2006066496.tif 000020
【図７】
2006066496.tif 000021
【図８】
2006066496.tif 000022
【図９】
2006066496.tif 000023
【図１０】
2006066496.tif 000024
【図１１】
2006066496.tif 000025
【図１２】
2006066496.tif 000026
【図１３】
2006066496.tif 000027
【図１４】
2006066496.tif 000028
【図１５】
2006066496.tif 000029