(57)【要約】      （修正有）【課題】その主表面上に積層欠陥密度の低い窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ得る非極性または半極性ＧａＮ基板と、その製造に必要な技術の提供。【解決手段】第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面１１の法線ベクトルが＜１０−１０＞方向となす角度が０〜１０°であり、ｎ型キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−２以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が５０ｃｍ−１以下である、窒化ガリウム基板。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面の法線ベクトルが＜１０−１０＞方向となす角度が０〜１０°であり、ｎ型キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−２以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が５０ｃｍ−１以下である、窒化ガリウム基板。
【請求項２】
前記積層欠陥密度が１０ｃｍ−１以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項３】
前記ｎ型キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−２以上である、請求項１または２に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項４】
前記ｎ型キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−２以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項５】
前記第１主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が５倍未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項６】
酸素濃度が４×１０１８ｃｍ−２以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項７】
当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、該結晶の＜１０−１０＞方向と、がなす角度が０〜１０°である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項８】
第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面の法線ベクトルが＜１０−１０＞方向となす角度が０〜１０°であり、酸素濃度が４×１０１８ｃｍ−２以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が５０ｃｍ−１以下である、窒化ガリウム基板。
【請求項９】
前記積層欠陥密度が１０ｃｍ−１以下である、請求項８に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項１０】
前記第１主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が５倍未満である、請求項８または９に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項１１】
ｎ型キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−２以上である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項１２】
ｎ型キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−２以上である、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項１３】
当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、該結晶の＜１０−１０＞方向と、がなす角度が０〜１０°である、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程を有する、半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
半導体発光デバイスの製造方法である請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板から分離されたＧａＮ層が、異組成基板に接合された構造を有する、ＧａＮ層接合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物半導体は、周期表の第１３族に属する金属元素の窒化物で構成される半導体であり、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体、窒化ガリウム系半導体などとも呼ばれる。窒化物半導体は、（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ、ＢｘＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１,０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１,０≦ｘ＋ｙ≦１）などの組成式を用いて表記される場合がある。
不純物でドープすることにより、窒化物半導体は導電性とすることができる。Ｏ（酸素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）などがｎ型不純物として知られている。Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）などがｐ型不純物として知られている。
窒化物半導体は、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
【０００３】
ＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法（特許文献１）やアモノサーマル法（特許文献２、特許文献３）により成長させたバルクＧａＮ結晶をスライスする方法で製造される。
非極性または半極性ＧａＮ基板は、Ｃ面サファイア基板あるいはＣ面ＧａＮ基板上にｃ軸成長したバルクＧａＮ結晶を、非極性面または半極性面が主表面として現われるようにスライスする方法で得ることが可能である（非特許文献１）。この方法は、積層欠陥密度が低い非極性または半極性ＧａＮ基板が得られる点で有利であるものの、大面積基板の製造には適していない。そこで、最近では非極性または半極性ＧａＮ基板をシードに用いたホモエピタキシャル成長により、バルクＧａＮ結晶を製造することが検討されている（特許文献４）。
【０００４】
特許文献４によれば、非極性または半極性ＧａＮ基板をシードに用いて、積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下のＧａＮ結晶をホモエピタキシャル成長させるには、成長させるＧａＮ結晶とシードの間の不純物濃度差を３×１０１８ｃｍ−３以下にする必要があるとのことである。この文献には、不純物濃度４×１０１８ｃｍ−３以上かつ積層欠陥密度１００ｃｍ−１以下のＧａＮ結晶を、非極性ＧａＮ基板上にホモエピタキシャル成長させた例は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ９９／２３６９３号
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ２００２／１０１１２５号
【特許文献３】特表２００６−５０９７１０号公報
【特許文献４】特開２０１２−０６６９８３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kenji Fujito, et al., phys. stat. sol. (a) 205 (2008) 1056
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非極性または半極性ＧａＮ基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させたとき、該結晶中に新たに形成され、あるいは、該ＧａＮ基板から該結晶に引き継がれる積層欠
陥は、該結晶で構成される半導体デバイスの特性を悪化させる。
従って、本発明の主たる目的は、その主表面上に積層欠陥密度の低い窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ得る非極性または半極性ＧａＮ基板と、その製造に必要な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、非極性または半極性ＧａＮ結晶の主表面に現われた基底面転位が、該主表面上に成長する窒化物半導体結晶における積層欠陥の発生に関与していることを見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
本発明の第１の側面によれば、以下に挙げる窒化ガリウム基板と、窒化物半導体結晶の製造方法が提供される。
（ａ１）第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面は非極性面または半極性面であり、該第１主表面内の任意の２５０μｍ四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下である、窒化ガリウム基板。
（ａ２）前記第１主表面における基底面転位密度が１×１０４ｃｍ−２以下である、（ａ１）に記載の窒化ガリウム基板。
（ａ３）前記第１主表面における基底面転位密度が１０ｃｍ−２以下である、（ａ２）に記載の窒化ガリウム基板。
（ａ４）前記第１主表面内の任意の２５０μｍ四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が１×１０４ｃｍ−２以下である、（ａ２）または（ａ３）に記載の窒化ガリウム基板。
（ａ５）前記第１主表面の面積が１．０ｃｍ２以上である、（ａ１）〜（ａ４）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ａ６）前記第１主表面における積層欠陥密度が１０ｃｍ−１以下である、（ａ１）〜（ａ５）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ａ７）前記第１主表面がＭ面である、（ａ１）〜（ａ６）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ａ８）前記第１主表面が、スライス加工により形成されたダメージ層を除去することにより露出せしめられた窒化ガリウム結晶の表面である、（ａ１）〜（ａ７）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ａ９）前記（ａ１）〜（ａ８）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の、前記第１主表面上に、窒化物半導体結晶を成長させる結晶成長工程を有する、窒化物半導体結晶の製造方法。
（ａ１０）前記結晶成長工程では、気相成長法により窒化物半導体結晶を成長させる、（ａ９）に記載の製造方法。
（ａ１１）前記気相成長法がＨＶＰＥ法である、（ａ１０）に記載の製造方法。
（ａ１２）前記結晶成長工程ではバルク窒化物半導体結晶を成長させる、（ａ１１）に記載の製造方法。
（ａ１３）前記気相成長法がＭＯＣＶＤ法である、（ａ１０）に記載の製造方法。
（ａ１４）前記結晶成長工程では窒化物半導体結晶薄膜を成長させる、（ａ１３）に記載の製造方法。
（ａ１５）前記結晶成長工程において、前記第１主表面の直上に成長させる窒化物半導体結晶がＧａＮ結晶である、（ａ９）〜（ａ１４）のいずれかに記載の製造方法。
【００１０】
本発明の第２の側面によれば、以下に挙げる窒化ガリウム基板と、半導体デバイスの製造方法が提供される。
（ｂ１）第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面がＭ面であり、キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下である、窒化ガリウム基板。
（ｂ２）キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上である、（ｂ１）に記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ３）キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である、（ｂ２）に記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ４）酸素濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上である、（ｂ１）〜（ｂ３）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ５）第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面がＭ面であり、酸素濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下である、窒化ガリウム基板。
（ｂ６）前記第１主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が５倍未満である、（ｂ４）または（ｂ５）に記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ７）前記積層欠陥密度が５０ｃｍ−１以下である、（ｂ１）〜（ｂ６）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ８）前記積層欠陥密度が１０ｃｍ−１以下である、（ｂ７）に記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ９）前記第１主表面内の任意の２５０μｍ四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下である、（ｂ１）〜（ｂ８）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ１０）前記第１主表面の面積が１．０ｃｍ２以上である、（ｂ１）〜（ｂ９）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ１１）当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、当該結晶の＜１０−１０＞方向と、がなす角度が０〜１０°である、（ｂ１）〜（ｂ１０）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
（ｂ１２）（ｂ１）〜（ｂ１１）のいずれかに記載の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程を有する、半導体デバイスの製造方法。
（ｂ１３）半導体発光デバイスの製造方法である、（ｂ１２）に記載の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
その主表面上に積層欠陥密度の低い窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ得る非極性または半極性ＧａＮ基板と、その製造に必要な技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、単結晶基板や複合基板が通常有する形状を説明する図面であり、図１（ａ）は円板の斜視図であり、図１（ｂ）は矩形の主表面を有する板の斜視図である。
【図２】ＨＶＰＥ法で使用される結晶成長装置の概念図である。
【図３】アモノサーマル法で使用される結晶成長装置の概念図である。
【図４】ライン形開口部を有するマスクパターンを形成したＣ面ＧａＮ基板の−Ｃ面（Ｎ極性面）上における、ＧａＮ結晶の成長の様子を示す模式図である。
【図５】二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。
【図６】二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。
【図７】二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。
【図８】ＧａＮ基板を用いて製造し得る半導体発光デバイスの構造例を示す断面図である。
【図９】ＧａＮ基板を用いて製造し得る半導体発光デバイスの構造例を示す断面図である。
【図１０】ＧａＮ層接合基板の構造を説明するための模式図である。
【図１１】サセプター上に２枚のシード基板を並べたところを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書では、窒化物半導体単結晶の表面を、極性面、非極性面および半極性面に区分
する。
極性面は、＋Ｃ面および−Ｃ面の総称とする。
＋Ｃ面とは、その法線ベクトルが［０００１］方向となす角度が０〜１０°である表面を意味する。
−Ｃ面とは、その法線ベクトルが［０００−１］方向となす角度が０〜１０°である表面を意味する。
ＧａＮ単結晶の場合、＋Ｃ面はＧａ極性面であり、−Ｃ面はＮ極性面である。
【００１４】
非極性面は、Ｍ面およびＡ面の総称とする。
Ｍ面とは、その法線ベクトルが＜１０−１０＞方向となす角度が０〜１０°である表面を意味する。
Ａ面とは、その法線ベクトルが＜１１−２０＞方向となす角度が０〜１０°である面を意味する。
半極性面は、極性面と非極性面のいずれにも該当しない表面を意味する。半極性面には、その法線ベクトルが、＜３０−３１＞方向、＜３０−３−１＞方向、＜２０−２１＞方向、＜２０−１−１＞方向、＜１０−１１＞方向、＜１０−１−１＞方向、＜１０−１２＞方向、＜１０−１−２＞方向、＜１０−１３＞方向、＜１０−１−３＞方向、＜１１−２１＞方向、＜１１−２−１＞方向、＜１１−２２＞方向、＜１１−２−２＞方向、＜１１−２３＞方向および＜１１−２−３＞方向から選ばれる方向と平行である表面が含まれるが、限定されるものではない。
【００１５】
図１に、ＧａＮ基板、サファイア基板等の単結晶基板や、ＧａＮテンプレート等の複合基板が通常有する形状を示す。
図１（ａ）において、基板１の形状は円板、すなわち円形の主表面を有する板である。図１（ｂ）において、基板１は、矩形の主表面を有する板である。図１（ａ）および（ｂ）の各例において、基板１は、互いに平行な２つの主表面１１と、端面１２とを有している。主表面１１と端面１２との境界を滑らかにするための面取りは、必要に応じて施すことができる。また、図１の各例には設けられていないが、基板には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットや、表裏面の識別のためのインデックス・フラットを、必要に応じて設けることができる。
【００１６】
本明細書において、非極性ＧａＮ基板とは、非極性面である主表面を有するＧａＮ基板を意味する。また、半極性ＧａＮ基板とは、半極性面である主表面を有するＧａＮ基板を意味する。
本明細書にいうＭ面ＧａＮ基板は、Ｍ面である主表面を有するＧａＮ基板を意味する。従って、Ｍ面基板には、主表面の法線がＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向となす角度が０°であるジャスト基板が含まれる他、主表面の法線がＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向となす角度が１０°以下であるオフ角付き基板が含まれる。
本明細書にいうＣ面ＧａＮ基板は、Ｃ面である主表面を有するＧａＮ基板を意味する。従って、Ｃ面基板には、主表面の法線がＧａＮ結晶の［０００１］方向となす角度が０°であるジャスト基板が含まれる他、主表面の法線がＧａＮ結晶の［０００１］方向となす角度が１０°以下であるオフ角付き基板が含まれる。
Ｃ面ＧａＮ基板は、ＧａＮ結晶が持つ本来的な性質のために、一方の主表面が＋Ｃ面となり、他方の主表面が−Ｃ面となる。
【００１７】
［１］第１側面
１．非極性または半極性ＧａＮ基板
本発明の第１側面によれば、第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面は非極性面または半極性面であり、該第１主表面内の任意の２５０μｍ四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下である、非極性
または半極性ＧａＮ基板が提供される（実施形態１）。
但し、第１主表面の外縁部に、機械加工に起因する欠陥密度の高いダメージ領域が形成されている場合には、かかるダメージ領域を除外して、第１主表面の基底面転位密度を算出するものとする（以下において第１主表面の基底面転位密度に言及する場合も同様とする）。
基底面転位密度は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定できる他、ＳＥＭ−ＣＬ法（走査型電子顕微鏡とカソードルミネッセンスを組み合わせた方法）、試料表面をエッチングして形成したピットの数をＡＦＭや光学顕微鏡で観察する方法等により、測定することができる。
実施形態１に係る非極性または半極性ＧａＮ基板において、第１主表面全体で平均した基底面転位密度は、７×１０５ｃｍ−２以下、さらには５×１０５ｃｍ−２以下、さらには２×１０５ｃｍ−２以下、さらには１×１０５ｃｍ−２以下、さらには１×１０４ｃｍ−２以下、さらには１×１０３ｃｍ−２以下、さらには１０ｃｍ−２以下、さらには０ｃｍ−２であることがより好ましい。
第１主表面全体で平均した基底面転位密度が１×１０４ｃｍ−２以下である場合においては、更に、第１主表面内の任意の２５０μｍ四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が１×１０４ｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００１８】
実施形態１に係る非極性または半極性ＧａＮ基板において、第１主表面全体で平均した積層欠陥密度は、好ましくは１０ｃｍ−１以下、より好ましくは５ｃｍ−１以下、さらに好ましくは１ｃｍ−１以下である。基板の主表面に現われた積層欠陥は、該主表面上にエピタキシャル成長する窒化物半導体結晶に伝播する。
非極性または半極性ＧａＮ基板の積層欠陥密度は、試料を液体窒素で冷却して行う低温カソードルミネッセンス（ＬＴＣＬ）測定により評価することができる。室温でのカソードルミネッセンス測定によっては、積層欠陥密度は評価できない。
実施形態１に係る非極性または半極性ＧａＮ基板において、第１主表面の反対側の第２主表面における基底面転位密度は特に限定されない。
【００１９】
実施形態１に係るＧａＮ基板は、周期表の第１周期または第２周期に属する、窒素（Ｎ）および希ガス元素（ＨｅおよびＮｅ）以外の非金属元素、即ち、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）およびフッ素（Ｆ）を含有してもよい。これらの元素の濃度の総和は１×１０１７ｃｍ−３を超えてもよいが、１×１０２０ｃｍ−３を超えないことが望ましい。
実施形態１に係るＧａＮ基板は、ケイ素（Ｓｉ）を含有してもよく、その濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上、さらには５×１０１７ｃｍ−３以上であってもよい。実施形態１に係るＧａＮ基板のケイ素濃度は、好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００２０】
実施形態１に係るＧａＮ基板は、アルカリ金属濃度が低いことが好ましい。実施形態１に係るＧａＮ基板のアルカリ金属濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下、さらには５×１０１６ｃｍ−３以下、さらには１×１０１６ｃｍ−３以下、さらには１×１０１５ｃｍ−３以下であることがより好ましい。
実施形態１に係るＧａＮ基板は、点欠陥を含有していてもよい。
実施形態１に係るＧａＮ基板において、第１主表面の面積は、通常１ｃｍ２以上、好ましくは２ｃｍ２以上、より好ましくは５ｃｍ２以上であり、１０ｃｍ２以上であってもよい。
【００２１】
２．非極性または半極性ＧａＮ基板の製造方法
実施形態１に係るＧａＮ基板は、限定されるものではないが、次の手順により製造することができる。
（i）Ｃ面ＧａＮテンプレートをシードに用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させ、そのＧａＮ結晶を加工してＣ面ＧａＮ基板（一次基板）を作製する。
（ii）一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法によりＧａＮ結晶を成長させ、そのＧａＮ結晶を加工してＭ面ＧａＮ基板（二次基板）を作製する。
（iii）二次基板をシードに用いて、アモノサーマル法によりＧａＮ結晶を成長させ、そのＧａＮ結晶を加工して、非極性または半極性ＧａＮ基板（実施形態１に係るＧａＮ基板）を作製する。
各ステップの詳細を以下に説明する。
【００２２】
２．１  一次基板（Ｃ面ＧａＮ基板）の作製
一次基板用のＧａＮ結晶は、予めＧａＮ層の表面に選択成長用のマスクパターンを形成したＣ面ＧａＮテンプレートをシードに用いて、ＨＶＰＥ法により成長させる。
Ｃ面ＧａＮテンプレートとは、ＧａＮとは異なる化学組成を有する単結晶基板を基材とし、その一方の主表面上にｃ軸成長した単結晶ＧａＮ層を有する、複合基板である。単結晶ＧａＮ層の表面は、ＧａＮの＋Ｃ面である。
Ｃ面ＧａＮテンプレートの基材は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、Ｇａ２Ｏ３基板、ＡｌＮ基板などである。単結晶ＧａＮ層はＭＯＣＶＤ法により形成され、その厚さは例えば０．５〜１００μｍである。
【００２３】
マスクパターンは、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような、ＧａＮの気相成長を阻害する材料からなる薄膜で形成する。
マスクパターンの好適例はストライプパターン（ライン＆スペースパターン）である。ストライプパターンにおけるライン幅（マスク幅）は２０μｍ〜１００μｍ、スペース幅は２００μｍ〜３０００μｍとすることができる。ストライプの方向は、単結晶ＧａＮ層のｍ軸に平行とする。
【００２４】
ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶の成長は、図２に概念図を示す結晶成長装置を用いて行うことができる。
図２に示す結晶成長装置２は、成長炉２００、成長炉内にガスを導入するための導入管２０１〜２０５、金属ガリウムを保持するリザーバー２０６、成長炉を取り囲むように配置されたヒーター２０７、シード基板を載置するためのサセプター２０８、成長炉内からガスを排出するための排気管２０９を備えている。
成長炉２００、導入管２０１〜２０５、リザーバー２０６、排気管２０９の材質は、好ましくは石英である。サセプター２０８の材質は好ましくはカーボンであり、特に表面がＳｉＣでコーティングされたものが好ましい。
【００２５】
導入管２０１、２０２、２０４、２０５を通して成長炉２００に導入されるガスＧ１、Ｇ２、Ｇ４およびＧ５は、アンモニア（ＮＨ３）、キャリアガス、シールドガス、ドーピングガス等である。導入管２０３を通してリザーバー２０６に供給される塩化水素（ＨＣｌ）は、リザーバーに保持された金属ガリウムと反応してガス状塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生じる。ＨＣｌは、通常、キャリアガスで希釈されてリザーバー２０６に供給されるので、リザーバーを通して成長炉内に導入されるガスＧ３は、ＧａＣｌとＨＣｌとキャリアガスを含んでいる。
キャリアガスおよびシールドガスとして好ましく使用されるのは水素ガス（Ｈ２）および窒素ガス（Ｎ２）である。
成長炉２００内でＧａＣｌとＮＨ３が反応して生じるＧａＮが、シード基板上にエピタキシャル成長する。
【００２６】
結晶成長時の基板温度は、好ましくは９００〜１２００℃の範囲内で適宜調節することができる。
結晶成長時の成長炉内圧力は、好ましくは５０〜１２０ｋＰａの範囲内で適宜調節することができる。
シード基板上で均一に結晶が成長するように、サセプター２０８は回転させることが好ましい。回転速度は例えば１〜５０ｒｐｍとすることができる。
【００２７】
結晶成長速度は、例えば、８０〜３００μｍ／ｈの範囲内で調節することができる。成長炉内におけるＧａＣｌおよびＮＨ３のいずれか一方または両方の分圧を増加させることにより、成長速度を増加させることができる。ＧａＣｌ分圧は、好ましくは２×１０２〜２×１０３Ｐａである。ＮＨ３分圧は、好ましくは４×１０３〜１×１０４Ｐａである。
ここでいうガス分圧は、成長炉内の圧力（Ｐ）に対して、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占める当該ガスの体積流量の比率（ｒ）を乗じた値（Ｐ×ｒ）をいうものとする。以下においてＨＶＰＥ法における成長炉内のガス分圧に言及する場合も同様とする。
【００２８】
ＨＶＰＥ法で成長させたバルクＧａＮ結晶の外形を適宜な形状に加工した後、スライス加工、表面エッチングによるダメージ層除去、主表面の平坦化等、必要な加工を行い、Ｃ面ＧａＮ基板を作製する。次のステップでエピタキシャル成長に利用する−Ｃ面（Ｎ極性面）はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）仕上げする。
【００２９】
２．２  二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）の作製
二次基板用のＧａＮ結晶は、一次基板（Ｃ面ＧａＮ基板）をシードに用いて、アモノサーマル法により成長させる。成長工程に先立ち、一次基板の−Ｃ面（Ｎ極性面）には選択成長用のマスクパターンを形成する。
マスクパターンには、ＧａＮのａ軸に平行な、幅１００μｍ程度のライン形の開口部を設ける。マスクは、アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長中に溶解または分解しない金属、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｐｄ、やそれらの合金で形成する。
【００３０】
シード上に成長させるＧａＮの原料は好ましくは多結晶ＧａＮであるが、限定されるものではなく、金属ガリウム（ゼロ価のガリウム）を含有していてもよい。多結晶ＧａＮとしては、金属ガリウム、酸化ガリウム、水酸化ガリウム等をアンモニアと反応させる方法で製造したものや、金属ガリウムを高温高圧下で窒素と反応させる方法で製造したものを用いることができる。多結晶ＧａＮに不純物として含まれる酸素の濃度は、通常、５×１０２０ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０２０ｃｍ−３以下、より好ましくは５×１０１９ｃｍ−３以下である。
溶媒に用いるアンモニアが含有する水、酸素等の不純物の量は、好ましくは１０ｐｐｍ以下、より好ましくは０．１ｐｐｍ以下である。
鉱化剤には、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化水素のような、ハロゲン元素を含むものを好ましく用いることができる。鉱化剤の純度は、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．９９％以上である。
【００３１】
アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長は、図３に概念図を示す結晶成長装置を用いて行うことができる。
図３に示す結晶成長装置３において、結晶成長は筒形のオートクレーブ３０１中に装填される筒形の成長容器３２０中で行われる。成長容器３２０は、バッフル３０５で相互に区画された結晶成長領域３０６および原料溶解領域３０９を内部に有する。結晶成長領域３０６には、白金ワイヤー３０４で吊された種結晶３０７が設置されている。原料溶解領域３０９には原料３０８が装填されている。
真空ポンプ３１１、アンモニアボンベ３１２および窒素ボンベ３１３が接続されたガスラインがバルブ３１０を介してオートクレーブ３０１と接続されている。成長容器３２０にアンモニアを充填する際には、マスフローメーター３１４を用いてアンモニアボンベ３１２から供給されるアンモニアの量を確認することができる。
【００３２】
結晶成長の際には、種結晶、原料、鉱化剤および溶媒を封入した成長容器３２０をオートクレーブ３０１内に装填し、更にオートクレーブ３０１と成長容器３２０の間の空間にも溶媒を充填したうえで、オートクレーブ３０１を密閉する。そして、オートクレーブ３０１ごとヒーター（図示せず）で加熱して、成長容器３２０内を超臨界状態または亜臨界状態とする。
結晶成長中における成長容器３２０内の圧力は、通常１２０ＭＰａ以上、好ましくは１５０ＭＰａ以上、より好ましくは１８０ＭＰａ以上であり、また、通常７００ＭＰａ以下、好ましくは５００ＭＰａ以下、より好ましくは３５０ＭＰａ以下であり、３００ＭＰａ以下であってもよい。
結晶成長中における成長容器３２０内の温度は、通常５００℃以上、好ましくは５１５℃以上、より好ましくは５３０℃以上であり、また、通常７００℃以下、好ましくは６５０℃以下、より好ましくは６３０℃以下である。
原料溶解領域３０９は、結晶成長領域３０６よりも高温とする。原料溶解領域と結晶成長領域の温度差は、好ましくは５℃以上、より好ましくは１０℃以上であり、また、好ましくは１００℃以下、より好ましくは８０℃以下である。
【００３３】
一次基板の−Ｃ面上では、図４に模式的に示すように、マスクパターンの開口部から、ｍ軸方向を厚さ方向とする板状のＧａＮ結晶が成長する。
このＧａＮ結晶から二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）を切り出す。次のステップでエピタキシャル成長に用いる主表面は、ラッピングと、それに続くＣＭＰによって平坦化する。スライス加工およびラッピングにより導入されるダメージ層を、ＣＭＰによって完全に取り除くために、同じ条件でスライス加工およびラッピングしたＧａＮ結晶の断面ＳＥＭ−ＣＬ観察を行って、除去すべきダメージ層のおよその厚さを予め調べておき、その厚さを考慮してＣＭＰ量を設定する。
【００３４】
２．３  非極性または半極性ＧａＮ基板の作製
二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）をシードに用いて、アモノサーマル法によりＧａＮ結晶を成長させる。
アモノサーマル法を用いる場合に好ましく使用し得る原料、溶媒および鉱化剤は、二次基板用のＧａＮ結晶を成長させる場合と同様である。使用し得る結晶成長装置や、結晶成長時の好ましい条件も、二次基板用のＧａＮ結晶を成長させる場合と同様である。
二次基板上に成長したＧａＮ結晶から、実施形態１に係る非極性または半極性ＧａＮ基板を切り出す。二次基板の主表面に平行にスライスすれば、Ｍ面ＧａＮ基板が得られる。他の方向にスライスすれば、Ｍ面以外の非極性面や様々な半極性面を主表面として有するＧａＮ基板を得ることができる。
スライス後、少なくとも一方の主表面を、ラッピングと、それに続くＣＭＰによって平坦化する。スライス加工およびラッピングにより導入されるダメージ層を、ＣＭＰによって完全に取り除くために、同じ条件でスライス加工およびラッピングしたＧａＮ結晶の断面ＳＥＭ−ＣＬ観察を行って、除去すべきダメージ層のおよその厚さを予め調べておき、その厚さを考慮してＣＭＰ量を設定する。
【００３５】
３．非極性または半極性ＧａＮ基板の用途
実施形態１に係るＧａＮ基板の、低い基底面転位密度を有する第１主表面上には、エピタキシャル成長によって、積層欠陥の少ない高品質な窒化物半導体結晶を形成することができる。
実施形態１に係る非極性または半極性ＧａＮ基板と、該基板の第１主表面の直上に成長する窒化物半導体層とは、下記式（１）で表される格子不整合度の条件を充たすことが好ましい。
２｜ａ１−ａ２｜/［ａ１＋ａ２］≦１×１０−３  ・・・式（１）
上記式（１）において、ａ１およびａ２は、それぞれ、ＧａＮと該窒化物半導体層の、第１主表面に平行な結晶軸の格子定数を表している。
該格子不整合度は、５×１０−４以下であることがより好ましく、１×１０−４以下であることがさらに好ましく１×１０−５以下であることが特に好ましい。
【００３６】
実施形態１に係るＧａＮ基板の第１主表面上に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、各種の半導体デバイス構造を形成することができる。半導体デバイスの具体例としては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品、電圧アクチュエータなどがある。
実施形態１に係るＧａＮ基板の第１主表面上に、バルクＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることもできる。すなわち、実施形態１に係るＧａＮ基板は、バルクＧａＮ結晶を成長させるためのシードとして用いることができる。
【００３７】
［２］第２側面
１．Ｍ面ＧａＮ基板
本発明の第２側面によれば、第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面がＭ面であり、キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下である、Ｍ面ＧａＮ基板が提供される（実施形態２ａ）。
本発明の第２側面によれば、更に、第１主表面およびその反対側の第２主表面を有し、該第１主表面がＭ面であり、ｎ型不純物濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、該第１主表面における積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下であるＭ面ＧａＮ基板が提供される（実施形態２ｂ）。
以下では、実施形態２ａおよび２ｂを総称して実施形態２という場合がある。
上記実施形態２において、第１主表面における積層欠陥密度とは、第１主表面全体で平均した積層欠陥密度を意味している。但し、第１主表面の外縁部に、機械加工に起因する欠陥密度の高いダメージ領域が形成されている場合には、かかるダメージ領域を除外して、第１主表面の積層欠陥密度を算出するものとする（以下において第１主表面の積層欠陥密度に言及する場合も同様とする）。
【００３８】
ＧａＮ基板のキャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上であるとき、その表面には低接触抵抗の電極を容易に形成することができる。ＧａＮ基板のキャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上、さらには５×１０１８ｃｍ−３以上であるとき、その表面に低接触抵抗の電極を形成することは一層容易となる。
実施形態２に係るＭ面ＧａＮ基板のキャリア濃度に特に上限はないが、１×１０１９ｃｍ−３を超えると電極との接触抵抗の低減効果は飽和する傾向がある。例えば発光デバイス用途においては、５×１０１９ｃｍ−３を超えるキャリア濃度がＧａＮ基板に要求されることは稀である。
【００３９】
不純物としてＧａＮに添加し得る元素については公知技術を適宜参照することができ、限定されるものではないが、好ましくは酸素（Ｏ）およびケイ素（Ｓｉ）が挙げられる。酸素とケイ素はいずれか一方のみを用いてもよいし、両方を用いることもできる。
不純物に酸素を用いて３×１０１８ｃｍ−３以上のキャリア濃度を得るには、酸素の濃度を４×１０１８ｃｍ−３以上とすることが望ましい。
ＧａＮ基板中の不純物濃度はＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により測定することができる。また、キャリア濃度はラマン分光により測定することができる。
【００４０】
実施形態２に係るＭ面ＧａＮ基板は、第１主表面における積層欠陥密度が１００ｃｍ−１以下という低い値であるために、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法やＭＢＥ（分子ビームエピタキシー）法によって、該第１主表面上に高品質の窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
第１主表面における積層欠陥密度は、好ましくは５０ｃｍ−１以下であり、より好ましくは１０ｃｍ−１以下である。
Ｍ面ＧａＮ基板の積層欠陥密度は、試料を液体窒素で冷却して行う低温カソードルミネッセンス（ＬＴＣＬ）測定により評価することができる。室温でのカソードルミネッセンス測定によっては、積層欠陥密度を評価することはできない。
【００４１】
２．Ｍ面ＧａＮ基板の製造方法
実施形態２に係るＭ面ＧａＮ基板は、前述の実施形態１に係るＭ面ＧａＮ基板をシードに用いて、ＨＶＰＥ法で成長させたＧａＮ結晶から製造することができる。
Ｍ面ＧａＮ基板をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させたとき、その成長方向は、該基板の主表面（Ｍ面）に垂直な方向となる。ここで、成長方向とは、基板の主表面上に成長するＧａＮ結晶層の厚さ方向のことである。
成長中の結晶表面が鏡面となる条件を採用することにより、酸素で均一にドープされたＧａＮ結晶を得ることができる。かかる条件では、成長中の結晶の表面をＭ面が占めるからである。かかる条件で成長させたＧａＮ結晶から切り出したＭ面ＧａＮ基板では、主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が５倍未満となる。
一例では、複数枚のシード基板をサセプター上にタイルのように並べ、その複数枚のシード基板上にひとつの連続したＧａＮ結晶層を成長させることもできる。
Ｍ面ＧａＮ基板の主表面上にＧａＮ結晶をホモエピタキシャル成長させる場合、該主表面のオフ角を大きくする程、積層欠陥は発生し難くなる。従って、シード基板の主表面のオフ角は２°以上とすることが好ましく、５°以上とすることがより好ましい。
ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶の成長は、前述の図２に概念図を示す結晶成長装置を用いて行うことができる。
特に、以下に説明する（ａ）昇温ステップ、（ｂ）初期成長ステップ、及び（ｃ）主成長ステップをこの順に含む二段階成長法を行うことにより、積層欠陥密度の低減されたＧａＮ結晶を得ることができる。
【００４２】
（ａ）昇温ステップ
昇温ステップでは、シード基板にＧａＣｌを供給することなく、基板温度を室温からＴ１まで上昇させる。Ｔ１は好ましくは８３０℃以上、８７０℃以下である。昇温レートは、好ましくは１２℃／ｍｉｎ以上、３０℃／ｍｉｎ以下である。昇温レートは昇温ステップの全期間にわたって一定としてもよいし、途中で変更してもよい。
昇温ステップにおいて成長炉内に導入することのできる雰囲気ガスは、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２等であり、少なくともＮＨ３とＮ２の両方を導入することが好ましい。成長炉内に導入するＮＨ３の体積流量は、成長炉内に導入する全てのガスの体積流量の総和の１５％以上とすることが好ましい。
【００４３】
（ｂ）初期成長ステップ
初期成長ステップでは、シード基板にＧａＣｌおよびＮＨ３を供給してＧａＮ結晶を成長させながら、基板温度をＴ１からＴ２まで上昇させる。Ｔ２は好ましくは９４０℃以上、１０５０℃以下である。昇温レートは、好ましくは１１℃／ｍｉｎ以上、２４℃／ｍｉｎ以下である。
初期成長ステップにおける成長炉内圧力を１．０×１０５Ｐａとした場合、ＧａＣｌ分圧は好ましくは２．０×１０２Ｐａ以上、５．０×１０２Ｐａ以下であり、ＮＨ３分圧は好ましくは８．０×１０３Ｐａ以上、１．２×１０４Ｐａ以下である。
初期成長ステップでは、成長炉内に導入する全てのガスのうち体積流量にして７０％以
上、更には９０％以上を、Ｎ２が占めるようにすることが好ましい。その他のガスとして、初期成長ステップでは成長炉内にＨ２を導入することができる。
【００４４】
（ｃ）主成長ステップ
主成長ステップでは、基板温度をＴ２に保ちながらシード基板上にＧａＣｌおよびＮＨ３を供給して、ＧａＮ結晶を厚膜に成長させる。主成長ステップにおける成長炉内圧力は、好ましくは５０ｋＰａ以上、１２０ｋＰａ以下である。
主成長ステップにおける成長炉内圧力を１．０×１０５Ｐａとした場合、ＧａＣｌ分圧は好ましくは２．０×１０２Ｐａ以上、５．０×１０２Ｐａ以下であり、ＮＨ３分圧は好ましくは８．０×１０３Ｐａ以上、１．５×１０４Ｐａ以下である。
主成長ステップでは、成長炉内に導入する全てのガスのうち体積流量にして７０％以上、更には９０％以上を、Ｎ２が占めるようにすることが好ましい。その他のガスとして、主成長ステップでは成長炉内にＨ２を導入することができる。
【００４５】
上記の二段階成長法で採用し得る基板温度プロファイルを図５〜図７に例示する。
図５の例では昇温ステップから初期成長ステップにかけて昇温レートが一定である。図６の例では、昇温ステップと初期成長ステップの間に、基板温度を一定に保持する温度保持ステップを設けている。温度保持ステップの期間は適宜設定することができ、例えば、１分以上６０分以下である。
図７の例では、初期成長ステップの前半と後半で昇温レートを変えている。この例では昇温レートの変更を不連続的に行っているが、徐々に変更することもできる。
【００４６】
昇温成長ステップおよび主成長ステップでは、ドーピングガスを供給しながらＧａＮ結晶を成長させることができる。
酸素ドープ用のドーピングガスとしては、酸素ガス（Ｏ２）または水（Ｈ２Ｏ）を、ケイ素ドープ用のドーピングガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、クロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）、テトラフロロシラン（ＳｉＦ４）などを、好ましく用いることができる。
【００４７】
ドーピングガスの供給を行う代わりに、成長炉、導入管、リザーバー等の、結晶成長装置を構成する石英製部材から発生する酸素含有ガスを利用して、ＧａＮ結晶を酸素ドープすることも可能である。結晶成長中の石英製部材の温度が高くなる程、酸素含有ガスの発生量が増加し、ＧａＮ結晶中の酸素濃度が高くなる。ＧａＮ結晶中の酸素濃度を低く抑える必要がある場合には、前述の特許文献４（特開２０１２−０６６９８３号公報）に記載された手法を参照することができる。一例を挙げると次の通りである。
【００４８】
１）成長炉の内部に高純度ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製のライナー管を配置し、その内側にシード基板を配置することによって、石英製の成長炉から発生する酸素含有ガスがシード基板に接触することを防止する。
２）上記１）において、成長炉とライナー管の間にシールドガスとして高純度の窒素ガスを流すことにより、成長炉から発生する酸素含有ガスがシード基板に接触することを更に効果的に抑制できる。
３）シード基板を載置するサセプターに局所加熱機構を設け、その局所加熱機構とヒーターを併用してシード基板を加熱する。そうすれば、シード基板を所定温度に加熱するために必要なヒーター出力を下げられるので、シード基板とともにヒーターで加熱されていた成長炉、導入管、リザーバー等の石英部材の温度を下げることができ、ひいてはこれらの石英部材からの酸素含有ガスの発生量を抑えることができる。
４）遮熱板等の手段を用いてヒーターの熱がリザーバーに伝わり難くすることで、リザーバーの温度を下げることができ、ひいては、リザーバーからの酸素含有ガスの発生量を抑
えることができる。
【００４９】
上記の二段階成長法で成長させたバルクＧａＮ結晶の外形を適宜な形状に加工した後、スライス加工、表面エッチングによるダメージ層除去、主表面の平坦化等、必要な加工を行う。少なくとも一方の主表面は、ラッピングと、それに続くＣＭＰによって平坦化する。スライス加工およびラッピングにより導入されるダメージ層を、ＣＭＰによって完全に取り除くために、同じ条件でスライス加工およびラッピングしたＧａＮ結晶の断面ＳＥＭ−ＣＬ観察を行って、除去すべきダメージ層のおよその厚さを予め調べておき、その厚さを考慮してＣＭＰ量を設定する。
以上の手順により、目的とするＭ面ＧａＮ基板を得ることができる。
【００５０】
３．Ｍ面ＧａＮ基板の用途
３．１  半導体発光デバイス
実施形態２に係るＧａＮ基板は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光デバイスの製造に好ましく用いることができる。
実施形態２に係るＧａＮ基板を用いて製造し得る半導体発光デバイスの構造例を図８に示す。図８は断面図であり、半導体発光デバイス４０Ａは、ＧａＮ基板４１の主表面上にＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）で成長された半導体積層体Ｌを有している。半導体積層体ＬはＧａＮ基板４１側から順にｎ型層４２、発光層４３、ｐ型層４４を含んでいる。ｎ型層４２は、例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮで形成され、Ｓｉでドープされる。発光層４３は、例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ井戸層とＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）障壁層を交互に積層することにより形成される。ｐ型層４４は、例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮで形成され、Ｍｇでドープされる。
ｐ型層４４の上面には正電極４５が形成されている。積層体の部分的なエッチングにより露出したｎ型層の表面には、負電極４６が形成されている。
【００５１】
ＧａＮ基板４１の積層欠陥密度を低減させることにより、その上に成長する半導体積層体Ｌの品質が高くなり、半導体発光デバイス４０Ａの発光効率が良好となる。
また、ＧａＮ基板４１のｎ型キャリア濃度を高めることにより、その電気抵抗が低くなり、ｎ型層４２とともに電流の経路として働くようになるために、半導体発光デバイス４０Ａの動作電圧が低減される。
図９に示す、負電極４６をＧａＮ基板４１の裏面上に有する半導体発光デバイス４０Ｂでは、ＧａＮ基板４１のキャリア濃度を高めることによる動作電圧の低減効果がより顕著となる。なぜなら、ＧａＮ基板４１の電気抵抗の低下によるデバイスの直列抵抗の低下に加えて、ＧａＮ基板４１のキャリア濃度の増加によって負電極４６とＧａＮ基板４１の間の接触抵抗が低くなるからである。
【００５２】
３．２  ＧａＮ層接合基板
実施形態２に係るＧａＮ基板を用いて、ＧａＮ層接合基板を製造することができる。
ＧａＮ層接合基板とは、図１０に模式的に示すように、ＧａＮとは化学組成が異なる異組成基板にＧａＮ層が接合している複合基板であり、発光デバイスその他の半導体デバイスの製造に使用することができる。
ＧａＮ層接合基板は、典型的には、ＧａＮ基板の主表面近傍にイオンを注入する第１ステップと、そのＧａＮ基板の主表面側を異組成基板に接合する第２ステップと、イオン注入された領域を境としてＧａＮ基板を分離することによって、異組成基板に接合したＧａＮ層を形成する第３ステップを、この順に実行することによって製造することができる。
従って、実施形態２に係るＧａＮ基板を用いて製造されるＧａＮ層接合基板は、該実施形態２に係るＧａＮ基板から分離されたＧａＮ層が、異組成基板に接合された構造を有することになる。
【００５３】
ＧａＮ層接合基板に使用し得る異組成基板としては、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＺｎＳ基板、石英基板、スピネル基板、カーボン基板、ダイヤモンド基板、Ｇａ２Ｏ３基板、ＺｒＢ２基板、Ｍｏ基板、Ｗ基板などが例示される。
ＧａＮ層接合基板の構造、製造方法および用途については、特開２００６−２１０６６０号公報、特開２０１１−４４６６５号公報等を参照することができる。
【００５４】
３．３  その他の用途
実施形態２に係るＭ面ＧａＮ基板は、発光デバイスだけでなく、各種の半導体デバイスを製造するための基板として用いることができる。例えば、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品、電圧アクチュエータなどである。
【００５５】
［３］実験結果
１．実験１
（１）一次基板（Ｃ面ＧａＮ基板）の準備
主表面にマスクパターンを形成したＣ面ＧａＮテンプレート上にＨＶＰＥ法で成長させたＧａＮ結晶から切り出した、ＣＭＰ仕上げされた−Ｃ面（Ｎ極性面）を有する、Ｃ面ＧａＮ基板を準備した。
【００５６】
（２）二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）の作製
準備した一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。具体的な手順は次の通りである。
（i）原料として、ＮＨ３とＧａＣｌを気相反応させて製造した多結晶ＧａＮを準備した。また、鉱化剤としてフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）およびヨウ化水素（ＨＩ）を準備した。
シードに用いる一次基板の−Ｃ面上には、幅１００μｍのライン形開口部を有するマスクパターンをＴｉＷ合金で形成した。開口部の長手方向はＧａＮのａ軸に平行とした。
【００５７】
（ii）Ｐｔ−Ｉｒ合金製の筒形の成長容器の下部（原料溶解領域）に、多結晶ＧａＮとＮＨ４Ｆを装填した。ＮＨ４Ｆの量は、後に成長容器に導入するＮＨ３に対するフッ素原子のモル比が０．５％となるように設定した。次いで、成長容器の上部（結晶成長領域）と下部を区画する白金製バッフルを成長容器内に設置した。バッフル設置後、シードに用いる一次基板を白金製ワイヤーで吊るした状態で結晶成長領域内に設置した。
【００５８】
（iii）チューブ付きのＰｔ−Ｉｒ製キャップを成長容器の上部に溶接により取り付けるとともに、該チューブをガスラインに接続した。次いで、成長容器の下部を液体窒素で冷却したうえで、該チューブを通して成長容器内にＨＩを導入した。ＨＩの量は、次に成長容器に導入するＮＨ３に対するヨウ素原子のモル比が２％となるように設定した。
ＨＩの導入後、ガスラインを切り換えて、ＮＨ３を成長容器内に導入した。ＮＨ３の量は、−３３℃の液体ＮＨ３の体積に換算して、成長容器の有効容積の約５５％とした。
【００５９】
（iv）ＮＨ３導入後、チューブを溶接により封じ切って成長容器を密封し、その密封した成長容器を、バルブ付きのニッケル基合金製筒形オートクレーブに挿入した。そして、該バルブを通して成長容器とオートクレーブの間の空間にもＮＨ３を充填したうえで、該バルブを閉じてオートクレーブを密閉した。該空間に充填したＮＨ３の量は、−３３℃の液体ＮＨ３の体積に換算して、該空間の容積の約５６％とした。
【００６０】
（v）独立に制御可能な複数のヒーターを備える電気炉を用いてオートクレーブを外部から加熱した。成長容器内の平均温度（結晶成長領域と原料溶解領域の温度の平均値）が６００℃、結晶成長領域と原料溶解領域の温度差が２０℃となるようにヒーターを制御して、３０日間保持した。このときのオートクレーブ内の圧力は２１５ＭＰａであった。
【００６１】
（vi）３０日が経過した後、オートクレーブのバルブを開放して、成長容器とオートクレーブの間の空間に充填されていたＮＨ３を放出させるとともに、それによって生じる成長容器内外の圧力差を利用して成長容器を割った。そして、成長容器内のＮＨ３も排出されたことを確認のうえ、一次基板を取り出した。
成長容器から取り出した一次基板の−Ｃ面上では、マスクパターンの開口部から、ｃ軸方向の寸法が７ｍｍでｍ軸方向を厚さ方向とする板状のＧａＮ結晶が成長していた。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、３５ｍｍ（長さ）×７ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のＭ面基板（二次基板）を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
【００６２】
（３）三次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）の作製
上記手順にて作製した二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）をシードとして、アモノサーマル法によりＧａＮ結晶を成長させた。
シードが異なること、ＮＨ３に対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ０．５％および１．５％となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を２０日間としたことを除いて、二次基板用のＧａＮ結晶を成長させたときと同様の手順で三次基板用のＧａＮ結晶を成長させた。
【００６３】
２０日間の成長により得られたＧａＮ結晶のサイズは、４０ｍｍ（ａ軸方向）×１０ｍｍ（ｃ軸方向）×６ｍｍ（ｍ軸方向）であった。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、１７ｍｍ（長さ）×８ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板（三次基板）を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−２°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板のＳＩＭＳ分析を行ったところ、水素濃度が１．４×１０１９ｃｍ−３、酸素濃度が８．７×１０１８ｃｍ−３、フッ素濃度が７×１０１７ｃｍ−３であった。また、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）による分析では、基底面転位は検出されなかった。低温カソードルミネッセンス法（１０ｋＶ、４ｎＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）による分析では、この基板の積層欠陥密度は０ｃｍ−１であった。
これらの測定において、１視野当りの観察領域は、１０００倍視野では９０μｍ×１２０μｍ、２００倍視野では６００μｍ×４００μｍであった。
【００６４】
（４）ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶成長
上記手順にて作製した三次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）をシード基板に用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。
ＧａＮ結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はＮ２およびＮＨ３のみをシード基板に供給しながら、基板温度を８５０℃まで上昇させ（昇温ステップ）、この温度で１５分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した８００℃に加熱されたリザーバーに対し、Ｎ２で希釈したＨＣｌを供給することによって、シード基板へのＧａＣｌの供給を開始するとともに、２１℃／分のレートで基板温度を上昇させた（初期成長ステップ）。
基板温度が９５０℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつＧａＣｌとＮＨ３をシード基板に供給してＧａＮ結晶を２０時間成長させた（主成長ステップ）。
【００６５】
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は３．１×１０２Ｐａ、アンモニア分圧は９．８×１０３Ｐａとなるように制御した。キャリアガスにはＮ２およびＨ２を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるＮ２の比率を４８％とした。
成長したＧａＮ結晶は三次基板の主表面を膜状に覆っており、その厚さは約０．８ｍｍであった。
【００６６】
アズグロンのＧａＮ結晶膜を常温カソードルミネセッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）で分析した結果、基底面転位密度は９．４×１０５ｃｍ−２であった。
また、アズグロンのＧａＮ結晶膜を低温カソードルミネッセンス法（加速電圧５ｋＶ、電流５００ｐＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）で分析した結果、積層欠陥は検知されなかった。
また、アズグロンのＧａＮ結晶膜の、ＳＩＭＳ分析により測定した酸素濃度は４.０×１０１８ｃｍ−３であり、ラマン分光法により測定した主表面近傍のキャリア濃度は２．５×１０１８ｃｍ−３であった。
この酸素濃度値は、シードに用いた三次基板の酸素濃度（８．７×１０１８ｃｍ−３）よりも低く、その差は４．７×１０１８ｃｍ−３であった。
ＧａＮ結晶膜に含まれる酸素は、原料中に混入していたＨ２Ｏ等の酸素化合物、あるいは、気相成長装置を構成する石英製部材に由来するものと考えられた。
【００６７】
２．実験２
（１）一次基板（Ｃ面ＧａＮ基板）の作製
Ｃ面サファイア基板上に単結晶ＧａＮ層を成長させてなるＣ面ＧａＮテンプレートを準備し、そのＧａＮ層の表面上に、厚さ８０ｎｍの窒化ケイ素膜でマスクパターンを形成した。窒化ケイ素膜の形成にはプラズマＣＶＤ法を用い、パターニングにはフォトリソグラフィおよびドライエッチングの技法を用いた。
マスクパターンは、ライン幅（マスク幅）が５０μｍでスペース幅が８００μｍの、８５０μｍピッチのストライプパターン（ライン＆スペースパターン）とし、ストライプの方向は単結晶ＧａＮ層のｍ軸に平行とした。
【００６８】
上記マスクパターンを形成したＣ面ＧａＮテンプレート上に、ＨＶＰＥ法でアンドープＧａＮ結晶を成長させた。成長開始から１５分間は基板温度を９７０℃とし、その後は基板温度を１０２０℃に上げて成長を続けた。成長中の成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は７．４×１０２Ｐａ、アンモニア分圧は１．１×１０４Ｐａに制御した。成長時間は５５時間とした。
こうして成長させたＧａＮ結晶から、厚さ３３０μｍのＣ面基板（一次基板）を切り出した。−Ｃ面にはラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
【００６９】
（２）二次基板（Ｍ面基板）の作製
上記手順にて作製したＣ面ＧａＮ基板の−Ｃ面に、ＧａＮのａ軸に平行な幅１００μｍのライン形開口部を有するマスクパターンをＴｉＷ合金で形成したものをシードに用いて、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。
アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長、および、そのＧａＮ結晶からの三次基板（Ｍ面基板）の作製は、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ０．５％および０．７５％となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を４３日間に変更したことを除いて、上記実験１の（２）に記載の方法と同様にして行った
。
成長させたＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、２７ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（幅）×４７０μｍ（厚さ）のＭ面基板（二次基板）を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
【００７０】
（３）三次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）の作製
上記手順にて作成したＭ面ＧａＮ基板をシードに用いて、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。異なる種結晶を用いたことと、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ０．５％および１．５％となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を１６日間としたことを除いて、二次基板用のＧａＮ結晶を成長させたときと同様の手順で三次基板用のＧａＮ結晶を成長させた。
【００７１】
得られたＧａＮ結晶のサイズは、３２ｍｍ（ａ軸方向）×１２ｍｍ（ｃ軸方向）×６ｍｍ（ｍ軸方向）であった。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、２７ｍｍ（長さ）×７ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板（三次基板）を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−２°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板のＳＩＭＳ分析を行ったところ、酸素濃度が２．３×１０１８ｃｍ−３であった。また、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）による分析では、基底面転位は検出されなかった。低温カソードルミネッセンス法（１０ｋＶ、４ｎＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）による分析では、この基板の積層欠陥密度は０ｃｍ−１であった。
【００７２】
（４）ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶成長
上記手順にて作製した三次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）をシード基板に用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。
この例では、２枚のシード基板を、図１１に断面図を示すように、一方のＣ面と他方の−Ｃ面とが突き当たるようにサセプター上に並べて載置した。サセプターを上方から見たときの各シード基板のａ軸同士がなす角度は０．５°以内となるようにした。
ＧａＮ結晶の成長には前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内にシード基板を載置した後、最初はＮ２およびＮＨ３のみをシード基板に供給しながら、基板温度を８５０℃まで上昇させ（昇温ステップ）、この温度で１５分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した８００℃に加熱されたリザーバーに対し、Ｎ２で希釈したＨＣｌを供給することによって、シード基板へのＧａＣｌの供給を開始するとともに、２１℃／分のレートで基板温度を上昇させた（初期成長ステップ）。
基板温度が９５０℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつＧａＣｌとＮＨ３をシード基板に供給してＧａＮ結晶を７２時間成長させた（主成長ステップ）。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は３．８×１０２Ｐａ、アンモニア分圧は１．２×１０４Ｐａとなるように制御した。キャリアガスにはＮ２およびＨ２を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるＮ２の比率を４８％とした。
【００７３】
成長したＧａＮ結晶は一方のシード基板上から他方のシード基板上にかけて連続した膜状を呈しており、その厚さは約５．１ｍｍであった。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、２５．５ｍｍ（長さ）×１２．５ｍｍ（幅）×３５４μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−５°とし、［−１２−１０］方向は±０
．１°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
【００７４】
得られたＭ面ＧａＮ基板の１枚について、その主表面（成長厚さ約２ｍｍの部分に相当）における基底面転位密度および積層欠陥密度を測定した。結果は、常温カソードルミネッセンス法（加速電圧７ｋＶ、電流２ｎＡ、１０００倍視野）で測定した基底面転位密度が３．１×１０５ｃｍ−２であり、低温カソードルミネッセンス法（加速電圧７ｋＶ、電流２ｎＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）で測定した積層欠陥密度が１．８ｃｍ−１であった。
このＭ面ＧａＮ基板のラマン分光法で測定した主表面近傍のキャリア濃度は５．８×１０１８〜１．３×１０１９ｃｍ−３であった。
キャリアの由来は、気相成長時にＧａＮ結晶中に取り込まれた酸素と考えられた。
【００７５】
３．実験３
（１）Ｍ面ＧａＮ基板の作製  サファイア基板上に有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法により単結晶ＧａＮ層を成長させてなる、Ｃ面ＧａＮテンプレートを準備した。
そのＣ面ＧａＮテンプレートのＧａＮ層上に、厚さ８０ｎｍの窒化ケイ素膜からなり、ドットパターンと三角格子パターンとを重ね合せたパターンを呈する、選択成長用のマスクパターンを形成した。
上記重ね合せパターンに含まれるドットパターンは、一辺８００μｍの正方形を単位格子とする正方格子の各格子位置に、正六角形のドットを配置したパターンとした。正方格子は、単位格子である正方形の２辺がＧａＮ層のａ軸に平行、他の２辺がＧａＮ層のｍ軸に平行となるように配向させた。各ドットは、正六角形の各辺がＧａＮ層のｍ軸と平行になるように配置した。各ドットのサイズは、正六角形の平行な２辺の間の距離が１００μｍ、すなわち、正六角形の一辺の長さが５７．７μｍとなるように定めた。
上記重ね合せパターンに含まれる三角格子パターンは、ライン幅Ｗを２μｍ、隣接する格子点同士を結んで得られる正三角形の高さを２０μｍとした。従って、格子ピッチ（隣接する２つの格子点間の距離）Ｐは２３．１μｍとなった。三角格子パターンは、三角格子を構成するラインの各々が、ＧａＮ層のａ軸に平行となるように配向させた。
【００７６】
次いで、選択成長マスクを形成した上記Ｃ面ＧａＮテンプレート上に、ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶を成長させた。成長温度は、最初の１５分間は９６５℃とし、その後、１００５℃まで上げた。成長圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は１．０×１０３Ｐａ、ＮＨ３分圧は１．０×１０４Ｐａとした。成長時間は５１時間とした。
ファセット成長モードが発生することにより、成長するＧａＮ結晶は酸素でドープされた。酸素は、原料中に混入していたＨ２Ｏ等の酸素化合物、あるいは、気相成長装置を構成する石英製部材に由来するものと考えられた。
アズグロンＧａＮ結晶の厚さは９．９ｍｍで、その表面は凹凸を有しており、ファセット成長が維持されたことを示していた。
Ｘ線回折分析により調べたアズグロン結晶の（０００１）面の曲率半径は、ａ軸方向が５９ｍ、ｍ軸方向が１３ｍであった。
【００７７】
得られたＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、３０ｍｍ（長さ）×５ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−５°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）で評価したところ、８．０×１０５ｃｍ−２であった。
【００７８】
（２）ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶成長
上記（１）で作製したＭ面ＧａＮ基板をシード基板に用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。
ＧａＮ結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はＮ２およびＮＨ３のみをシード基板に供給しながら、基板温度を８５０℃まで上昇させ（昇温ステップ）、この温度で１５分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した８００℃に加熱されたリザーバーに対し、Ｎ２で希釈したＨＣｌを供給することによって、シード基板へのＧａＣｌの供給を開始するとともに、２１℃／分のレートで基板温度を上昇させた（初期成長ステップ）。
基板温度が９５０℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつＧａＣｌとＮＨ３をシード基板に供給してＧａＮ結晶を５０時間成長させた（主成長ステップ）。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は４．１×１０２Ｐａ、アンモニア分圧は１．３×１０４Ｐａとなるように制御した。キャリアガスにはＮ２およびＨ２を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるＮ２の比率を４８％とした。
【００７９】
得られたＧａＮ結晶層の厚さは約４．０ｍｍであった。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有するオフ角付きＭ面基板を複数枚切り出した。オフ角は［０００１］方向に−５°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。
作製した複数のＭ面ＧａＮ基板の１枚について、主表面（成長厚さ約２ｍｍの部分に相当）における積層欠陥密度を低温カソードルミネッセンス法（加速電圧７ｋＶ、電流２ｎＡ、３００倍視野、試料温度８２Ｋ）で評価したところ、２７ｃｍ−１であった。
【００８０】
４．実験４
（１）一次基板（Ｃ面ＧａＮ基板）の作製
成長炉内のＧａＣｌ分圧を１．４×１０３Ｐａ、ＮＨ３分圧を１．１×１０４Ｐａとしたこと以外は、前記実験３．（１）と同様にして、選択成長用のマスクパターンを設けたＣ面ＧａＮテンプレート上にＨＶＰＥ法でＧａＮ結晶を成長させた。
アズグロンＧａＮ結晶の厚さは１０．１ｍｍで、その表面は凹凸を有しており、ファセット成長が維持されたことを示していた。
Ｘ線回折分析により調べたアズグロン結晶の（０００１）面の曲率半径は、ａ軸方向が２２ｍ、ｍ軸方向が１９１ｍであった。
このＧａＮ結晶から、直径７０ｍｍのＣ面基板を切り出した。＋Ｃ面にはラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
【００８１】
（２）二次基板（Ｍ面ＧａＮ基板）の作製
上記（１）で作製したＣ面ＧａＮ基板の＋Ｃ面上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。成長温度を最初の１時間４０分は１０６５℃とし、その後、１００５℃まで下げた。成長圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は６．３×１０２Ｐａ、ＮＨ３分圧は７．４×１０３Ｐａとした。成長時間はトータルで２０時間とした。
アズグロンＧａＮ結晶の厚さは３．０ｍｍで、その表面は鏡面（Ｃ面）であった。
このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、３０ｍｍ（長さ）×２．５ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−５°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス
法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）で評価したところ、１．０×１０４ｃｍ−２以下であった。
【００８２】
（３）ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶成長
上記（２）で作製した二次基板をシード基板に用いて、ＨＶＰＥ法でＧａＮ結晶を成長させた。
ＧａＮ結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はＮ２およびＮＨ３のみをシード基板に供給しながら、基板温度を８５０℃まで上昇させ（昇温ステップ）、この温度で１５分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した８００℃に加熱されたリザーバーに対し、Ｎ２で希釈したＨＣｌを供給することによって、シード基板へのＧａＣｌの供給を開始するとともに、２１℃／分のレートで基板温度を上昇させた（初期成長ステップ）。
基板温度が９５０℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつＧａＣｌとＮＨ３をシード基板に供給してＧａＮ結晶を１５時間成長させた（主成長ステップ）。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は４．１×１０２Ｐａ、アンモニア分圧は１．３×１０４Ｐａとなるように制御した。キャリアガスにはＮ２およびＨ２を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるＮ２の比率を４８％とした。
【００８３】
得られたＧａＮ結晶層の膜厚は約１．５ｍｍであった。
アズグロンＧａＮ結晶の積層欠陥密度を、低温カソードルミネッセンス法（７ｋＶ、２ｎＡ、３００倍視野、試料温度８２Ｋ）で評価したところ０ｃｍ−１であった。
【００８４】
５．実験５
（１）Ｍ面ＧａＮ基板の作製  サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によりノンドープＧａＮ層をエピタキシャル成長させてなる、Ｃ面ＧａＮテンプレートを準備した。次いで、そのＧａＮ層の表面上に窒化ケイ素膜で選択成長用のマスクパターンを形成した。
マスクパターンは、ライン幅（マスク幅）が５０μｍでスペース幅が８００μｍの、８５０μｍピッチのストライプパターン（ライン＆スペースパターン）とし、ストライプの方向はＧａＮ層のｍ軸に平行とした。
マスクパターンを設けた上記Ｃ面ＧａＮテンプレート上に、更にＭＯＣＶＤ法でアンドープＧａＮ層を横方向エピタキシャル成長させて、シード基板を得た。このシード基板上に、ＨＶＰＥ法でＧａＮ結晶を成長させた。成長温度は１０１０℃、成長圧力は１．０×１０５Ｐａ、ＧａＣｌ分圧は６．６×１０２Ｐａ、ＮＨ３分圧は７．６×１０３Ｐａとした。成長時間は６４時間とした。
【００８５】
アズグロンＧａＮ結晶の厚さは８．３ｍｍであった。このＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、５０ｍｍ（長さ）×５ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のオフ角付きＭ面基板を切り出した。オフ角は［０００１］方向に−５°とし、［−１２−１０］方向は±０．１°以内となるようにした。両面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）で評価したところ、５×１０６ｃｍ−２であった。
【００８６】
（２）ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶成長
上記（１）で作製したＭ面ＧａＮ基板をシード基板に用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させた。
ＧａＮ結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内のサセプター上にシード基板を載置した後、最初はＮ２およびＮＨ３のみをシード基板に供給しながら、基板温度を８５０℃まで上昇させ、この温度で１５分間保持した。次いで、金属ガリウムを保持した８００℃に加熱されたリザーバーに対し、Ｎ２で希釈したＨＣｌを供給することによって、シード基板へのＧａＣｌの供給を開始するとともに、２１℃／分のレートで基板温度を上昇させた。基板温度が９５０℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつＧａＣｌとＮＨ３をシード基板に供給してＧａＮ結晶を３０時間成長させた。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は１．０×１０５Ｐａとし、ＧａＣｌ分圧は３．５×１０２Ｐａ、ＮＨ３分圧は１．１×１０４Ｐａとした。
【００８７】
得られたＧａＮ結晶層の膜厚は約０．８ｍｍであった。
アズグロンＧａＮ結晶の基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）にて評価したところ、１．５×１０６ｃｍ−２であった。
また、アズグロンＧａＮ結晶の積層欠陥密度を低温カソードルミネッセンス法（５ｋＶ、５００ｐＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）にて評価したところ、１．５×１０２ｃｍ−１であった。
【００８８】
６．実験６
（１）Ｍ面ＧａＮ基板の作製
上記実験５の（１）と同様の方法でＣ面ＧａＮテンプレート上に成長させたＧａＮ結晶から、長辺がａ軸に平行で短辺がｃ軸に平行な長方形の主表面を有する、２０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（幅）×３３０μｍ（厚さ）のＭ面ジャスト基板（オフ角を設けないＭ面基板）を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法（３ｋＶ、１００ｐＡ、１０００倍視野）で評価したところ、５×１０６ｃｍ−２であった。
【００８９】
（２）アモノサーマル法によるＧａＮ結晶成長
上記（１）で作製したＭ面ＧａＮ基板をシードに用いて、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。
アモノサーマル法の条件は、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ０．２％および１．５ｌ％となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、育成日数を９．１日とした他は、上記実験１の（２）で用いた条件と同様とした。
アズグロンＧａＮ結晶のサイズは、１１ｍｍ（ｃ軸方向）×２０ｍｍ（ａ軸方向）×１．８ｍｍ（ｍ軸方向）であった。
このＧａＮ結晶から、複数枚のＭ面基板を切り出した。切り出した基板の両方の主表面にラッピングおよびＣＭＰ処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このＭ面ＧａＮ基板の主表面における積層欠陥密度を、低温カソードルミネッセンス法（５ｋＶ、５００ｐＡ、２００倍視野、試料温度８２Ｋ）にて測定したところ、１．５×１０２ｃｍ−１であった。
【００９０】
実験１〜６の結果をまとめたものを表１に示す。
【００９１】
【表１】
2018087120.tif 000003
【符号の説明】
【００９２】
１                基板
１１              主表面
１２              端面
２                結晶成長装置
２００            成長炉
２０１〜２０５    導入管
２０６            リザーバー
２０７            ヒーター
２０８            サセプター
２０９            排気管
３                結晶成長装置
３０１            オートクレーブ
３０４            白金ワイヤー
３０５            バッフル
３０６            結晶成長領域
３０７            種結晶
３０８            原料
３０９            原料溶解領域
３１０            バルブ
３１１            真空ポンプ
３１２            アンモニアボンベ
３１３            窒素ボンベ
３１４            マスフローメーター
３２０            成長容器
４０Ａ            半導体発光デバイス
４０Ｂ            半導体発光デバイス
４１              ＧａＮ基板
４２              ｎ型層
４３              発光層
４４              ｐ型層
４５              正電極
４６              負電極
【図１】
2018087120.tif 000004
【図２】
2018087120.tif 000005
【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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【図１０】
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【図１１】
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