(57)【要約】【課題】窒化物結晶基板中のキャリア濃度および移動度のうち少なくともいずれかを略均一に分布させることができる技術を提供する。【解決手段】主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される主面の反射率に基づいて求められる窒化物結晶基板の主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する主面の中央におけるキャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１）（０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５）を満たす。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、
前記キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する前記主面の中央における前記キャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１）を満たす
窒化物結晶基板。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【請求項２】
前記比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１’）を満たす
請求項１に記載の窒化物結晶基板。
０．８≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．２  ・・・（１’）
【請求項３】
前記窒化物結晶基板の前記主面内の中央側で、反射型フーリエ変換赤外分光法により求められる前記キャリア濃度ＮＩＲの極値である第１キャリア濃度ＮＩＲ１を有する中央側領域と、
前記窒化物結晶基板の前記主面の中央から半径２０ｍｍ以下の位置で前記中央側領域を囲み、前記第１キャリア濃度ＮＩＲ１と反対の極値である第２キャリア濃度ＮＩＲ２を有する外周側領域と、
を有し、
前記第１キャリア濃度ＮＩＲ１および前記第２キャリア濃度ＮＩＲ２のうち大きいほうをＭａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）としたときに、｜ＮＩＲ１−ＮＩＲ２｜／Ｍａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）×１００で求められる最大面内キャリア濃度差は、１８％以下である
請求項１又は２に記載の窒化物結晶基板。
【請求項４】
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中央における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たす
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【請求項５】
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率により求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たす
窒化物結晶基板。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【請求項６】
前記比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２’）を満たす
請求項４又は５に記載の窒化物結晶基板。
０．７≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．１  ・・・（２’）
【請求項７】
前記窒化物結晶基板の主面における転位密度は、５×１０６個／ｃｍ２以下である
請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
【請求項８】
シリコンおよびゲルマニウムのうち少なくともいずれかを含み、
前記窒化物結晶基板中の酸素の濃度は、前記窒化物結晶基板中のシリコンおよびゲルマニウムの合計の濃度に対して１／１０倍以下である
請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
【請求項９】
シリコンおよびゲルマニウムのうち少なくともいずれかを含み、
前記窒化物結晶基板中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は、前記窒化物結晶基板中のシリコンおよびゲルマニウムの合計の濃度に対して１／１０倍以下である
請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
【請求項１０】
前記窒化物結晶基板は、ｎ型不純物を含み、
波長をλ（μｍ）、２７℃における前記窒化物結晶基板の吸収係数をα（ｃｍ−１）、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中の自由電子濃度をＮｅ（ｃｍ−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における前記吸収係数αは、最小二乗法で式（３）により近似され、
波長２μｍにおいて、式（３）から求められる前記吸収係数αに対する、実測される前記吸収係数の誤差は、±０．１α以内である
請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
α＝ＮｅＫλａ  ・・・（３）
（ただし、１．５×１０−１９≦Ｋ≦６．０×１０−１９、ａ＝３）
【請求項１１】
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法。
【請求項１２】
前記結晶層を形成する工程では、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記窒化物結晶基板の主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、
前記キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記キャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすように、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
請求項１１に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【請求項１３】
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側の移動度を測定し、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法。
【請求項１４】
前記結晶層を形成する工程では、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記窒化物結晶基板の主面の反射率により求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たすように、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
請求項１３に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【請求項１５】
前記結晶層を形成する工程では、
前記結晶層の成長レートが徐々に低くなるのに対して、前記導電型不純物の添加量を徐々に減少させる
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【請求項１６】
前記結晶層を形成する工程では、
前記結晶層の成長レートが徐々に高くなるのに対して、前記導電型不純物の添加量を徐々に増加させる
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物結晶基板および窒化物結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物は、発光デバイスや電子デバイスなどの半導体装置を構成する材料として広く用いられている。例えば、窒化物結晶基板上に半導体層がエピタキシャル成長した半導体積層物をダイシングすることで、複数の半導体装置が切り分けられる（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４６４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化物結晶基板中のキャリア濃度や移動度がばらついていると、切り分けられた複数の半導体装置間でデバイス特性がばらついてしまう可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、窒化物結晶基板中のキャリア濃度および移動度のうち少なくともいずれかを略均一に分布させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、
前記キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する前記主面の中央における前記キャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１）を満たす
窒化物結晶基板が提供される。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率により求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たす
窒化物結晶基板が提供される。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【０００８】
本発明の更に他の態様によれば、
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の更に他の態様によれば、
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側の移動度を測定し、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化物結晶基板中のキャリア濃度および移動度のうち少なくともいずれかを略均一に分布させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る窒化物結晶基板１０を示す概略平面図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る窒化物結晶基板１０を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における室温（２７℃）で測定した吸収係数の、自由電子濃度依存性を示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を示す図であり、（ｂ）は、自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を比較する図である。
【図４】ローレンツ−ドルーデモデルによる屈折率ｎおよび消衰係数ｋについての演算結果の具体例を示す説明図であり、（ａ）はキャリア濃度が７×１０１５ｃｍ−３である場合の演算結果を示す図であり、（ｂ）はキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３である場合の演算結果を示す図である。
【図５】（ａ）は、単層の光学モデルの一例を示す模式図であり、（ｂ）は、２層の光学モデルの一例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る窒化物結晶基板１０の主面の、反射型ＦＴＩＲ法により測定される反射率スペクトルと、ローレンツ−ドルーデモデルによりフィッティングした反射率スペクトルとを示す図である。
【図７】（ａ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＩＲの関係を示す図であり、（ｂ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃの関係を示す図である。
【図８】（ａ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＩＲの関係を示す図であり、（ｂ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＥｌｅｃに対する、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃの関係を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る窒化物結晶基板１０の製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の一実施形態に係る窒化物結晶基板１０の製造方法を示す概略断面図である。
【図１１】ＨＶＰＥ装置２００の概略構成図である。
【図１２】ＨＶＰＥ装置２００と、ＦＴＩＲ測定装置５０と、を示す概略構成図である。
【図１３】（ａ）〜（ｇ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０の製造方法を示す概略断面図である。
【図１４】（ａ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０を示す概略平面図であり、（ｂ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０を示す概略断面図である。
【図１５】（ａ）は、サンプル１のキャリア濃度分布を示す図であり、（ｂ）は、サンプル２のキャリア濃度分布を示す図である。
【図１６】（ａ）は、サンプル３のキャリア濃度分布を示す図であり、（ｂ）は、サンプル４のキャリア濃度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜発明者等の得た知見＞
まず、発明者等の得た知見について説明する。
【００１３】
（１）窒化物結晶基板中のキャリア濃度分布
窒化物結晶基板を製造する方法として、例えば、ＶＡＳ（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）法が知られている。従来のＶＡＳ法により製造された窒化物結晶基板では、製造工程中に結晶層に生じる反りに起因して、窒化物結晶基板中のキャリア濃度が該基板の主面の中央側から径方向の外側に向かって略同心円状に分布することがある。以下、その原因について説明する。
【００１４】
図１３（ａ）〜（ｇ）を用い、比較例の窒化物結晶基板９０の製造方法について説明する。図１３（ａ）〜（ｇ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０の製造方法を示す概略断面図である。図１３（ｅ）〜（ｇ）において、第２結晶層９６の色が濃いほど、キャリア濃度が高いことを示している。以下、窒化物結晶基板９０を「基板９０」と略す。
【００１５】
図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように、まず、結晶成長面となる主面９１ｓを有する下地基板９１（以下、「基板９１」と略す）を準備する。基板９１を準備したら、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、基板９１の主面９１ｓ上に第１結晶層９２を成長させる。第１結晶層９２を成長させたら、第１結晶層９２上に金属層９３を蒸着させる。金属層９３を蒸着させたら、例えば、水素（Ｈ２）ガスおよびアンモニア（ＮＨ３）ガスを含む雰囲気中で熱処理を行う。これにより、金属層９３を窒化し、表面に微細な穴を有する金属窒化層９５を形成する。また、金属窒化層９５の穴を介して第１結晶層９２の一部をエッチングすることで、第１結晶層９２中に高密度のボイドを形成し、ボイド含有第１結晶層９４を形成する。
【００１６】
次に、図１３（ｅ）に示すように、えば、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により、ボイド含有第１結晶層９４および金属窒化層９５上に、所定の導電型不純物を含む第２結晶層９６を成長させる。
【００１７】
このとき、成膜ガスの供給は、例えば、いわゆるサイドフローにより、主面に平行な方向から行われる。サイドフローの場合、例えば、結晶成長過程の初期および中盤では成長レートが比較的高いのに対して、結晶成長過程の終盤では成長レートが低下する傾向がある。結晶成長が進むにつれて、結晶成長面がガスチャネルに対して相対的に徐々に高いところへ移動することが１つの要因と考えられる。
【００１８】
導電型不純物の添加量は、結晶の成長レートが高い場合には少なくなり、結晶の成長レートが低い場合には多くなる傾向がある。このため、結晶成長が進むにつれて成長レートが低下すると、第２結晶層９６の厚さ方向の下方から上方に向かうにつれて、第２結晶層９６中の不純物濃度は徐々に増加することとなる。つまり、第２結晶層９６中の不純物濃度は、厚さ方向にグラデーションがかかった分布となる。ただし、この段階では、第２結晶層９６の結晶成長面の面内方向においては、不純物濃度は均一となっている。
【００１９】
また、このとき、ボイド含有第１結晶層９４中のボイドの一部は、第２結晶層９６によって埋め込まれるが、ボイド含有第１結晶層９４中のボイドの他部は、残存する。第２結晶層９６と金属窒化層９５との間には、当該ボイド含有第１結晶層９４中に残存したボイドを起因として、平らな空隙が形成される。この空隙が後述の第２結晶層６の剥離を生じさせることとなる。
【００２０】
また、このとき、第２結晶層９６の成長過程において、島状の初期核同士が引き合うことに起因して、第２結晶層９６に引張応力が導入される。また、初期核が横方向成長していく過程で転位が曲げられることにより、第２結晶層９６の転位密度が厚さ方向に徐々に減少する。
【００２１】
第２結晶層６の成長が終了した後、冷却過程において、第２結晶層９６は、ボイド含有第１結晶層９４および金属窒化層９５を境に基板９１から自然に剥離する。
【００２２】
このとき、第２結晶層９６には、上述のように引張応力が導入されている。また、第２結晶層９６には、上述のように、厚さ方向に転位密度差が生じている。これらのため、第２結晶層９６には、その主面９６ｓ側が凹むように内部応力が働く。
【００２３】
その結果、図１３（ｆ）に示すように、第２結晶層９６は、基板９１から剥離された後に、その主面９６ｓ側が凹となるように反る。このため、第２結晶層９６中の厚さ方向にグラデーションがかかった不純物濃度分布は、第２結晶層９６の主面９６ｓの中央が凹むように反る（曲げられる）こととなる。また、不純物濃度が均一となっていた第２結晶層９６の主面９６ｓは、その中央が凹むように反ることとなる。
【００２４】
次に、図１３（ｇ）に示すように、第２結晶層９６の主面９６ｓの中心の法線方向に対して略垂直な切断面ＳＳで、第２結晶層６をスライスする。これにより、比較例の基板９０が得られる。
【００２５】
ここで、図１４（ａ）および（ｂ）を用い、比較例の基板９０について説明する。図１４（ａ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０を示す概略平面図であり、図１４（ｂ）は、比較例に係る窒化物結晶基板９０を示す概略断面図である。図１４（ａ）および（ｂ）において、点線は、等キャリア濃度線を示している。
【００２６】
第２結晶層９６中の厚さ方向にグラデーションがかかった不純物濃度分布が反ったことで、図１４（ａ）に示すように、第２結晶層９６をスライスすることで得られる比較例の基板９０中の導電型不純物濃度は、平面視で主面９０ｓの中央側から径方向の外側に向かって略同心円状に分布する。このため、比較例の基板９０中のキャリア濃度は、平面視で主面９０ｓの中央側から径方向の外側に向かって略同心円状に分布する。例えば、基板９０の主面９０ｓの中央側領域９０ｃでは、キャリア濃度が高く、基板９０の主面９０ｓの中央側領域９０ｃを囲む外周側領域９０ｏでは、キャリア濃度が低くなる。
【００２７】
また、図１４（ｂ）に示すように、比較例の基板９０中のキャリア濃度は、断面視においても主面９０ｓの中央側から外側に向かって略同心円状に分布する。基板９０の主面９０ｓの中央側では、キャリア濃度が高く、基板９０の裏面側では、キャリア濃度が低くなる。
【００２８】
このように基板９０中のキャリア濃度が略同心円状に分布していると、当該基板９０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつく可能性があった。また、キャリア濃度が基板９０の厚さ方向に分布を有していると、第２結晶層９６から得られる複数の基板９０間でキャリア濃度が異なってしまう可能性があった。
【００２９】
（２）ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度
半導体の分野では、半導体中のキャリア濃度を、反射型フーリエ変換赤外分光（ＦＴＩＲ：Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法により測定される主面の反射率に基づいて求めることがある。なお、以下において、ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められるキャリア濃度を、「ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度」ともいう。当該方法では、半導体の被測定面である主面近傍で光の反射が生じるため、半導体の主面近傍のキャリア濃度を求めることができる。
【００３０】
しかしながら、従来の製造方法により製造される窒化物結晶基板では、以下の二つの要因に起因して、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて、キャリア濃度を精度良く求めることができなかった。
【００３１】
（ｉ）吸収係数のばらつき
窒化物結晶基板に対して赤外域の光を照射すると、自由キャリアによる吸収（自由キャリア吸収）が生じうる。自由キャリア吸収による吸収係数は、キャリア濃度に対して単調増加する傾向を有する。
【００３２】
しかしながら、従来のＶＡＳ法以外の製造方法により製造される窒化物結晶基板では、結晶歪みが大きく、転位密度が高かった。このため、従来の窒化物結晶基板中では、転位散乱が生じ、転位散乱に起因して、吸収係数が過剰に大きくなったり、ばらついたりしていた。また、従来の窒化物結晶基板中には、酸素（Ｏ）や、導電型不純物以外の不純物が意図せずに混入していた。このため、これらの不純物に起因して、吸収係数が過剰に大きくなったり、ばらついたりしていた。
【００３３】
吸収係数が過剰に大きくなったり、ばらついたりすると、後述の消衰係数ｋが過剰に大きくなったり、ばらついたりすることとなる。このため、従来の窒化物結晶基板では、消衰係数ｋのばらつきに起因して、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて、キャリア濃度を精度良く求めることができなかった。
【００３４】
（ｉｉ）キャリア濃度のばらつき
従来の製造方法により製造される窒化物結晶基板では、キャリア濃度が厚さ方向にばらつくことがあった。具体的には、例えば、上述のように、従来のＶＡＳ法などにより製造される窒化物結晶基板中のキャリア濃度は、断面視で略同心円状に分布していた。後述の式(4)の誘電率εを用いて、反射型ＦＴＩＲ法を使用する事で、この同心円状のキャリア濃度分布を非破壊かつ非接触で測定できると予想される。しかし、従来の窒化物結晶基板では、転位散乱や厚み方向のキャリア濃度の不均一性が原因で、ＬＯフォノンによる減衰項が大きく、キャリア濃度を精度良く求めることができなかった。
【００３５】
（３）電気的測定により求められるキャリア濃度との比較
半導体の分野では、半導体中のキャリア濃度を、ホール測定や後述の方法などの電気的測定により求めることがある。これにより、半導体中で厚さ方向の全体に亘って平均化されたキャリア濃度を求めることができる。半導体中でキャリア濃度にばらつきが生じていなければ、ＦＴＩＲ法により求められる半導体の主面側のキャリア濃度と、電気的測定により求められるキャリア濃度とが一致することとなる。
【００３６】
しかしながら、従来の製造方法により製造される窒化物結晶基板では、上述のように、キャリア濃度が厚さ方向に分布を有していたため、ＦＴＩＲ法により求められる基板の主面側のキャリア濃度と、電気的測定により求められるキャリア濃度とが異なっていた。
【００３７】
また、従来の製造方法により製造される窒化物結晶基板では、上述のように、吸収係数のばらつきや、キャリア濃度のばらつきが生じていたため、ＦＴＩＲ法により求められる基板の主面側のキャリア濃度の精度が低かった。このため、ＦＴＩＲ法により求められる基板の主面側のキャリア濃度と、電気的測定により求められるキャリア濃度とが異なっていた。
【００３８】
以上の（１）〜（３）の知見から、窒化物結晶基板の結晶品質を向上させることで、ＦＴＩＲ法により求められる基板の主面側のキャリア濃度の精度を向上させるとともに、窒化物結晶基板中のキャリア濃度を略均一に分布させることができる技術が望まれていた。なお、窒化物結晶基板中の移動度についても同様の技術が望まれていた。
【００３９】
本発明は、発明者等が見出した上記知見に基づくものである。
【００４０】
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４１】
（１）窒化物結晶基板の概要
図１を用い、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０について説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０を示す概略平面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０を示す概略断面図である。図１（ａ）および（ｂ）において、点線は、等キャリア濃度線を示している。
【００４２】
以下において、基板等の主面は、主に基板等の上側主面のことをいい、基板等の表面ということもある。また、基板等の裏面は、基板等の下側主面のことをいう。
【００４３】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の窒化物結晶基板１０（以下、基板１０ともいう）は、半導体積層物または半導体装置などを製造する際に用いられる円板状の基板として構成されている。基板１０は、ＩＩＩ族窒化物の単結晶からなり、本実施形態では、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶からなっている。
【００４４】
基板１０は、エピタキシャル成長面となる主面１０ｓを有している。基板１０の主面は、いわゆるエピレディ面であり、基板１０の主面１０ｓの表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、例えば、１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
【００４５】
また、基板１０の直径Ｄは、特に制限されるものではないが、例えば、２５ｍｍ以上である。基板１０の直径Ｄが２５ｍｍ未満であると、半導体装置の生産性が低下しやすくなる。このため、基板１０の直径Ｄは、２５ｍｍ以上であることが好ましい。また、基板１０の厚さＴは、例えば、１５０μｍ以上２ｍｍ以下である。基板１０の厚さＴが１５０μｍ未満であると、基板１０の機械的強度が低下し自立状態の維持が困難となる可能性がある。このため、基板１０の厚さＴは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。ここでは、例えば、基板１０の直径Ｄを２インチとし、基板１０の厚さＴを４００μｍとする。
【００４６】
本実施形態には、基板１０の主面１０ｓに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、（０００１）面（＋ｃ面、Ｇａ極性面）である。以下、（０００１）面をｃ面という。
【００４７】
本実施形態では、基板１０の主面１０ｓに対して最も近い低指数の結晶面としてのｃ面は、例えば、後述する基板１０の製造方法に起因して、主面１０ｓに対して凹の球面状に湾曲している。ここでいう「球面状」とは、球面近似される曲面状のことを意味している。また、ここでいう「球面近似」とは、真円球面または楕円球面に対して所定の誤差の範囲内で近似されることを意味している。
【００４８】
本実施形態では、基板１０のｃ面が上述のように凹の球面状に湾曲していることから、少なくとも一部のｃ軸（＜０００１＞軸）は、主面１０ｓの法線に対して傾斜している。主面１０ｓの法線に対してｃ軸がなす角度である「オフ角」は、主面１０ｓ内で所定の分布を有している。基板１０のオフ角は、例えば、基板１０の主面１０ｓの中央から径方向へ向かう距離の一次式で近似的に表すことができる。主面１０ｓ内の任意の位置において、当該一次式から求められるオフ角に対する、実測したオフ角の誤差は、例えば、±０．１２°以内、好ましくは±０．０６°以内、より好ましくは±０．０２°以内である。また、基板１０のオフ角の大きさ（オフ量）は、例えば、０°以上１．２°以下である。
【００４９】
また、基板１０は、導電型不純物を含んでいる。これにより、基板１０中には、所定濃度の自由キャリアが生成されている。本実施形態では、基板１０は、例えば、ｎ型不純物（ドナー）としては、シリコン（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）のうち少なくともいずれかを含んでいる。基板１０中にｎ型不純物がドーピングされていることにより、基板１０中には、所定濃度の自由電子が生成されている。
【００５０】
（２）窒化物結晶基板の結晶品質
本実施形態では、基板１０の結晶品質が良好であることで、基板１０は、例えば、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面１０ｓの反射率に基づいて、主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲを測定可能に構成されている。
【００５１】
具体的には、基板１０は、例えば、以下の少なくともいずれかの結晶品質に係る要件を満たしている。
【００５２】
（転位密度）
本実施形態では、後述のＶＡＳ法により基板１０を製造することにより、基板１０の結晶歪みが小さくなっており、基板１０の主面１０ｓにおける転位密度は、例えば、５×１０６個／ｃｍ２以下である。基板１０の主面１０ｓにおける転位密度が５×１０６個／ｃｍ２超であると、転位散乱が生じ、転位散乱に起因して、吸収係数が過剰に大きくなったり、ばらついたりする可能性がある。また、基板１０の主面１０ｓにおける転位密度が５×１０６個／ｃｍ２超であると、基板１０上に形成される半導体層において局所的な耐圧を低下させてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態のように、基板１０の主面１０ｓにおける転位密度を５×１０６個／ｃｍ２以下とすることにより、転位散乱の影響を小さくすることができ、吸収係数の過剰な増大やばらつきを抑制することができる。また、基板１０の主面１０ｓにおける転位密度を５×１０６個／ｃｍ２以下とすることにより、基板１０上に形成される半導体層において局所的な耐圧の低下を抑制することができる。
【００５３】
また、基板１０の結晶歪みが小さくなっているため、基板１０にはクラックが生じていない。これにより、基板１０を半導体装置製造用基板として安定的に用いることができる。
【００５４】
（不純物濃度）
また、本実施形態では、後述の製造方法により基板１０を製造することにより、ｎ型不純物として用いられるＳｉ、ＧｅおよびＯのうち、添加量の制御が比較的難しいＯの濃度が極限まで低くなっており、基板１０中のｎ型不純物の濃度は、添加量の制御が比較的容易であるＳｉおよびＧｅの合計濃度によって決定されている。
【００５５】
すなわち、基板１０中のＯの濃度は、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度に対して無視できるほど低く、例えば、１／１０以下である。具体的には、例えば、基板１０中のＯの濃度は１×１０１７ａｔ・ｃｍ−３未満であり、一方で、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度は１×１０１８ａｔ・ｃｍ−３以上１．０×１０１９ａｔ・ｃｍ−３以下である。これにより、基板１０中のｎ型不純物の濃度を、添加量の制御が比較的容易であるＳｉおよびＧｅの合計濃度によって制御することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅを、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、後述の製造方法により基板１０を製造することにより、基板１０中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は、基板１０中のｎ型不純物の濃度（すなわちＳｉおよびＧｅの合計の濃度）に対して無視できるほど低く、例えば、１／１０以下である。具体的には、例えば、基板１０中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は１×１０１７ａｔ・ｃｍ−３未満である。これにより、ｎ型不純物からの自由電子の生成に対する阻害要因を低減することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅを、基板１０中のｎ型不純物の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができる。
【００５７】
なお、本発明者等は、後述の製造方法を採用することにより、基板１０中の各元素の濃度を、上記要件を満たすよう安定的に制御することができることを確認している。
【００５８】
後述の製造方法によれば、基板１０中のＯおよび炭素（Ｃ）の各濃度を５×１０１５ａｔ・ｃｍ−３未満まで低減させることができ、さらには、基板１０中の鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ボロン（Ｂ）等の各濃度を１×１０１５ａｔ・ｃｍ−３未満まで低減させることが可能であることが分かっている。また、この方法によれば、これら以外の元素についても、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による測定における検出下限値未満の濃度にまで低減させることが可能であることが分かっている。
【００５９】
（吸収係数）
本実施形態では、基板１０は、例えば、基板１０の自由キャリア吸収に基づいて、赤外域の吸収係数について所定の要件を満たしている。以下、詳細を説明する。
【００６０】
図２は、本実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における室温（２７℃）で測定した吸収係数の、自由電子濃度依存性を示す図である。なお、図２は、後述の製造方法によってＳｉをドープして製造されるＧａＮ結晶からなる基板の測定結果を示している。図２において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸はＧａＮ結晶の吸収係数α（ｃｍ−１）を示している。また、ＧａＮ結晶中の自由電子濃度をＮｅとし、所定の自由電子濃度ＮｅごとにＧａＮ結晶の吸収係数αをプロットしている。なお、ここでの自由電子濃度Ｎｅは、電気的測定により求められる値である。
【００６１】
図２に示すように、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲において、自由キャリア吸収に起因して、長波長に行くにしたがってＧａＮ結晶における吸収係数αが大きくなる（単調に増加する）傾向を示す。また、ＧａＮ結晶中の自由電子濃度Ｎｅが高くなるにしたがって、ＧａＮ結晶における自由キャリア吸収が大きくなる傾向を示す。
【００６２】
本実施形態の基板１０は、後述の製造方法によって製造されたＧａＮ結晶からなっているため、本実施形態の基板１０は、上述のように、結晶歪みが小さく、また、Ｏやｎ型不純物以外の不純物（例えば、ｎ型不純物を補償する不純物等）をほとんど含んでいない状態となっている。これにより、本実施形態の基板１０は、図２のような吸収係数の自由電子濃度依存性を示す。その結果、本実施形態の基板１０では、以下のように、赤外域の吸収係数を自由キャリア濃度および波長の関数として近似することができる。
【００６３】
具体的には、波長をλ（μｍ）、２７℃における基板１０の吸収係数をα（ｃｍ−１）、基板１０中の自由電子濃度をＮｅ（ｃｍ−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下（好ましくは１μｍ以上２．５μｍ以下）の波長範囲における吸収係数αが、式（３）により近似される。
α＝ＮｅＫλａ  ・・・（３）
（ただし、１．５×１０−１９≦Ｋ≦６．０×１０−１９、ａ＝３）
【００６４】
なお、「吸収係数αが式（３）により近似される」とは、吸収係数αが最小二乗法で式（３）により近似されることを意味する。つまり、上記規定は、吸収係数が式（３）と完全に一致する（式（３）を満たす）場合だけでなく、所定の誤差の範囲内で式（３）を満たす場合も含んでいる。なお、波長２μｍにおいて、式（３）から求められる吸収係数αに対する、実測される吸収係数の誤差は、例えば、±０．１α以内、好ましくは±０．０１α以内である。
【００６５】
なお、式（３）における自由電子濃度Ｎｅは、例えば、後述のように、基板１０の比抵抗と渦電流法により測定される基板１０の移動度μＥｌｅｃとに基づいて求められる自由電子の濃度ＮＥｌｅｃである。
【００６６】
上記波長範囲における吸収係数αは、式（３’）を満たすと考えてもよい。
１．５×１０−１９Ｎｅλ３≦α≦６．０×１０−１９Ｎｅλ３  ・・・（３’）
【００６７】
また、上記規定を満たす基板１０のなかでも高品質な基板では、上記波長範囲における吸収係数αは、式（３”）により近似される（式（３”）を満たす）。
α＝２．２×１０−１９Ｎｅλ３  ・・・（３”）
【００６８】
なお、「吸収係数αが式（３”）により近似される」との規定は、上述の規定と同様に、吸収係数が式（３”）と完全に一致する（式（３”）を満たす）場合だけでなく、所定の誤差の範囲内で式（３”）を満たす場合も含んでいる。なお、波長２μｍにおいて、式（３）から求められる吸収係数αに対する、実測される吸収係数の誤差は、例えば、±０．１α以内、好ましくは±０．０１α以内である。
【００６９】
図２では、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値を細線で示している。具体的には、自由電子濃度Ｎｅが１．０×１０１７ｃｍ−３のときの吸収係数αの実測値を細い実線で示し、自由電子濃度Ｎｅが１．２×１０１８ｃｍ−３のときの吸収係数αの実測値を細い点線で示し、自由電子濃度Ｎｅが２．０×１０１８ｃｍ−３のときの吸収係数αの実測値を細い一点鎖線で示している。一方で、図２では、式（３）の関数を太線で示している。具体的には、自由電子濃度Ｎｅが１．０×１０１７ｃｍ−３のときの式（３）の関数を太い実線で示し、自由電子濃度Ｎｅが１．２×１０１８ｃｍ−３のときの式（３）の関数を太い点線で示し、自由電子濃度Ｎｅが２．０×１０１８ｃｍ−３のときの式（３）の関数を太い一点鎖線で示している。図２に示すように、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値は、式（３）の関数によって精度良くフィッティングすることができる。なお、図２の場合（Ｓｉドープの場合）では、Ｋ＝２．２×１０−１９としたときに、吸収係数αが式（３）に精度良く近似される。
【００７０】
また、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における吸収係数αが式（３）により近似されることから、所定の波長λでは、基板１０の吸収係数αは、自由電子濃度Ｎｅに対してほぼ比例する関係を有している。
【００７１】
図３（ａ）は、本実施形態に係る製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を示す図である。図３（ａ）において、下側の実線（α＝１．２×１０−１８ｎ）は、Ｋ＝１．５×１０−１９およびλ＝２．０を式（３）に代入した関数であり、上側の実線（α＝４．８×１０−１８ｎ）は、Ｋ＝６．０×１０−１９およびλ＝２．０を式（３）に代入した関数である。また、図３（ａ）では、ＳｉをドープしたＧａＮ結晶だけでなく、ＧｅをドープしたＧａＮ結晶も示している。また、透過測定により吸収係数を測定した結果と、分光エリプソメトリ法により吸収係数を測定した結果とを示している。
【００７２】
図３（ａ）に示すように、波長λを２．０μｍとしたとき、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αは、自由電子濃度Ｎｅに対してほぼ比例する関係を有している。また、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶における吸収係数αの実測値は、１．５×１０−１９≦Ｋ≦６．０×１０−１９の範囲内で、式（１）の関数によって精度良くフィッティングすることができる。なお、後述の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶は高品質であるため、吸収係数αの実測値は、Ｋ＝２．２×１０−１９としたときの式（３）の関数、すなわち、α＝１．８×１０−１８ｎによって精度よくフィッティングすることができる場合が多い。
【００７３】
このように、基板１０の吸収係数が精度良く式（３）によって近似されることにより、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅに対する、基板１０の吸収係数αのばらつきを抑制することができる。基板１０の吸収係数αのばらつきが抑制されていることは、後述の消衰係数ｋのばらつきが抑制されていることを意味する（α＝４πｋ／λ）。これにより、本実施形態の基板１０では、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて、後述のキャリア濃度Ｎｃ（自由電子濃度Ｎｅ）および移動度μＩＲを精度良く求めることができる。
【００７４】
（３）窒化物結晶基板中のキャリア濃度および移動度
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態の基板１０中の導電型不純物濃度は、例えば、ＶＡＳ法に起因して、基板１０の主面１０ｓの中央側から径方向の外側に向かって略同心円状に分布している。これにより、本実施形態の基板１０中のキャリア濃度は、例えば、基板１０の主面１０ｓの中央側から径方向の外側に向かって略同心円状に分布している。
【００７５】
なお、ここでいう「略同心円状の分布」では、例えば、分布の中心が基板１０の主面１０ｓの中央からずれていてもよい。また、等キャリア濃度線で囲まれる形状が完全な円状でなくてもよく、例えば、楕円状や歪んだ円状であってもよい。
【００７６】
本実施形態では、基板１０中のキャリア濃度は、例えば、平面視で主面１０ｓの中央側から略同心円状に分布している。基板１０の主面１０ｓの中央を含む所定の領域を「中央側領域１０ｃ」とし、基板１０の主面１０ｓの中央から所定距離離れた位置で中央側領域１０ｃを囲む領域を「外周側領域１０ｏ」としたとき、例えば、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃでは、キャリア濃度が若干高く、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃを囲む外周側領域１０ｏでは、キャリア濃度が若干低くなっている。
【００７７】
また、基板１０中のキャリア濃度は、例えば、断面視においても主面９０ｓの中央側から略同心円状に分布している。例えば、基板１０の主面１０ｓの中央側では、キャリア濃度が若干高く、基板１０の裏面側では、キャリア濃度が若干低くなっている。
【００７８】
しかしながら、本実施形態では、後述の製造方法により導電型不純物の添加量を適切に制御することで、基板１０中のキャリア濃度が略均一となっている。すなわち、基板１０の主面１０ｓの中央側のキャリア濃度と、基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化されたキャリア濃度との差が小さい。また、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃでのキャリア濃度と、基板１０の主面１０ｓの外周側領域１０ｏでのキャリア濃度との差が小さい。なお、移動度の分布もキャリア濃度の分布と同様である。
【００７９】
なお、本実施形態では、基板１０中のキャリア濃度および移動度が完全に均一となっていてもよい。つまり、基板１０中のキャリア濃度および移動度は、必ずしも、基板１０の主面１０ｓの中央から略同心円状に分布していなくてもよい。
【００８０】
本実施形態において、基板１０中におけるキャリア濃度および移動度の分布は、例えば、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められるキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲによって規定される。以下、詳細を説明する。
【００８１】
（３−１）反射型ＦＴＩＲ法によるキャリア濃度および移動度の求め方
反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面１０ｓの反射率に基づいた、基板１０の主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲの求め方について説明する。
【００８２】
光学モデルの解析に用いられる誘電関数モデルとしては、例えば、ローレンツ−ドルーデ（Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｄｒｕｄｅ）モデルが知られている。ローレンツ−ドルーデモデルでは、自由キャリア吸収だけでなく、ＬＯフォノンとプラズモンとのカップリングも考慮される。
【００８３】
具体的には、ローレンツ−ドルーデモデルでの誘電率（複素誘電率）εは、式（４）で求められる。
【００８４】
【数１】
2019199376.tif 000003
【００８５】
ただし、ε∞は、高周波誘電率である。ωＬＯ、ωＴＯ、およびωｐは、それぞれ、ＬＯフォノン周波数、ＴＯフォノン周波数、およびプラズマ周波数である。ΓＬＯ、ΓＴＯおよびγは、それぞれ、ＬＯフォノン減衰定数（ｄａｍｐｉｎｇ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）、ＴＯフォノン減衰定数および自由キャリア減衰定数である。
【００８６】
また、プラズマ周波数ωｐは、式（５）で求められる。
【００８７】
【数２】
2019199376.tif 000004
【００８８】
ただし、Ｎｃ、ｅ、ｍ＊は、それぞれ、キャリア濃度、素電荷、自由キャリアの有効質量である。
【００８９】
また、自由キャリア減衰定数γは、式（６）で求められる。
【００９０】
【数３】
2019199376.tif 000005
【００９１】
ただし、μは、移動度である。
【００９２】
ここで、式（４）の誘電率εは、ε≡ε１＋ｉε２として定義される。また、複素屈折率Ｎは、Ｎ≡ｎ−ｉｋとして定義される。ただし、ｎは屈折率であり、ｋは消衰係数である。なお、ｋ＞０である。
【００９３】
屈折率ｎは、ε１およびε２を用いて、式（７）で求められる。
【００９４】
【数４】
2019199376.tif 000006
【００９５】
消衰係数ｋは、ε１およびε２を用いて、式（８）で求められる。
【数５】
2019199376.tif 000007
【００９６】
図４は、ローレンツ−ドルーデモデルによる屈折率ｎおよび消衰係数ｋについての演算結果の具体例を示す説明図であり、図４（ａ）はキャリア濃度が７×１０１５ｃｍ−３である場合の演算結果を示す図であり、図４（ｂ）はキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３である場合の演算結果を示す図である。
【００９７】
ただし、ＧａＮ結晶において、
ε∞＝５．３５、
ｍｅ＊＝０．２２ｍ０、
ωＬＯ＝７３５ｃｍ−１、
ωＴＯ＝５５７ｃｍ−１、
ΓＬＯ＝１２ｃｍ−１、
ΓＴＯ＝６ｃｍ−１、
図４（ａ）でのγ＝３５．４ｃｍ−１、
図４（ｂ）でのγ＝１３２．６ｃｍ−１、
とした。
【００９８】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、屈折率ｎおよび消衰係数ｋは、キャリア濃度Ｎｃおよび移動度μに応じて、近赤外領域（６００〜２５００ｃｍ−１）および遠赤外領域（０〜５００ｃｍ−１）において異なっている。これらの違いが反射率に反映されることとなる。
【００９９】
次に、基板１０の主面１０ｓでの反射を想定し、図５（ａ）の光学モデルを考える。図５（ａ）は、単層の光学モデルの一例を示す模式図である。図５（ａ）において、媒質Ｎ０は大気または真空であり、媒質Ｎ１は基板１０である。また、ｒｉｊは、媒質Ｎｉから媒質Ｎｊに向けて入射し、媒質Ｎｊから媒質Ｎｉに向けて反射した光の振幅反射係数である。
【０１００】
光の反射は、媒質の複素屈折率に依存する。また、光は、媒質に入射するときの電界の方向によってｐ偏光とｓ偏光とに区別される。ｐ偏光とｓ偏光とは、それぞれ異なる反射を示す。媒質間の境界面に垂直で入射光・反射光を含む面を「入射面」と呼び、ｐ偏光は、入射面内で電界が振動する偏光であり、ｓ偏光は、入射面に垂直に電界が振動する偏光である。
【０１０１】
ｐ偏光の振幅反射係数ｒｐは、式（９）で求められる。
【０１０２】
【数６】
2019199376.tif 000008
【０１０３】
一方、ｓ偏光の振幅反射係数ｒｓは、式（１０）で求められる。
【０１０４】
【数７】
2019199376.tif 000009
【０１０５】
ただし、式（９）および式（１０）において、θｉは、媒質Ｎｉからの光の入射角である。また、Ｎｔｉは、媒質ｉから媒質ｔに入射する光の複素屈折率である。
【０１０６】
強度反射率は、式（１１）で求められる。
【０１０７】
【数８】
2019199376.tif 000010
【０１０８】
なお、垂直入射の場合（θｉ＝０）では、式（１２）で求められる。
【０１０９】
【数９】
2019199376.tif 000011
【０１１０】
図５（ａ）において、媒質Ｎ０と媒質Ｎ１との界面で反射される光の強度反射率Ｒは、以下の手順で求められる。まず、媒質Ｎ１としてのＧａＮ結晶におけるε∞、ｍ＊、ωＬＯ、ωＴＯ、ΓＬＯおよびΓＴＯを式（１）〜式（３）に代入し、媒質Ｎ１の誘電率εを求める。媒質Ｎ１の誘電率εを求めたら、式（７）および式（８）により、媒質Ｎ１における屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求める。なお、媒質Ｎ０を真空と仮定し、ｎ＝１、ｋ＝０とする。屈折率ｎおよび消衰係数ｋを求めたら、式（９）および式（１０）のそれぞれにおいて、ｉ＝０およびｔ＝１とし、Ｎ０およびＮ１を代入することで、ｒ０１，ｐおよびｒ０１，ｓを求める。ｒ０１，ｐおよびｒ０１，ｓを求めたら、当該ｒ０１，ｐおよびｒ０１，ｓを式（１１）に代入する。これにより、強度反射率Ｒが求められる。なお、媒質Ｎ１におけるキャリア濃度Ｎｃおよび移動度μが後述のフィッティングパラメータとなる。
【０１１１】
ここで、図６を用い、基板１０の反射率スペクトルのフィッティングについて説明する。図６は、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０の主面の、反射型ＦＴＩＲ法により測定される反射率スペクトルと、ローレンツ−ドルーデモデルによりフィッティングした反射率スペクトルとを示す図である。なお、図６における反射率スペクトルの測定では、θ０＝３０°とした。
【０１１２】
図６に示すように、反射型ＦＴＩＲ法の測定により、基板１０の主面１０ｓの反射率スペクトル（図中実線）が得られる。反射率スペクトルが得られたら、媒質Ｎ１としての基板１０におけるキャリア濃度Ｎｃおよび移動度μをフィッティングパラメータとして、上述した理論式から求められる強度反射率Ｒ（図中破線）を、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルに対してフィッティングする。フィッティングの結果、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとが最も良く一致したときの、基板１０におけるキャリア濃度Ｎｃおよび移動度μを求める。
【０１１３】
このようにして、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面１０ｓの反射率に基づいて、基板１０の主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲと、基板１０の主面１０ｓ側の移動度μＩＲとが求められる。
【０１１４】
なお、反射型ＦＴＩＲ法による測定において、基板１０の主面１０ｓでの光の反射は、基板１０の主面１０ｓ近傍で生じる。このため、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面１０ｓの反射率に基づいて求められるキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲは、基板１０の内部を反映した物性値ではなく、基板１０の主面１０ｓ側のみを反映した物性値となる。
【０１１５】
（３−２）電気的測定によるキャリア濃度および移動度の求め方
本実施形態において、基板１０のキャリア濃度ＮＥｌｅｃおよび移動度μＥｌｅｃは、以下の方法で求められる。
【０１１６】
渦電流法により、基板１０の移動度μＥｌｅｃを測定する。触針式の抵抗測定器により、基板１０の抵抗を測定する。また、マイクロメータにより、基板１０の厚さを測定する。基板１０の抵抗（シート抵抗）および基板１０の厚さを求めたら、比抵抗ρに換算する。これらの測定により求められた基板１０の移動度μＥｌｅｃおよび比抵抗ρを式（１３）に代入することで、基板１０のキャリア濃度ＮＥｌｅｃが求められる。
１／ρ＝ｅＮＥｌｅｃμＥｌｅｃ  ・・・（１３）
【０１１７】
なお、上述の方法で求められる基板１０のキャリア濃度ＮＥｌｅｃおよび移動度μＥｌｅｃは、Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法のホール測定により求められるキャリア濃度および移動度と一致することを確認している。
【０１１８】
また、上述の渦電流法では、基板１０の厚さ方向の全体に亘って移動度μＥｌｅｃの測定が行われる。このため、上述の方法により求められる基板１０のキャリア濃度ＮＥｌｅｃおよび移動度μＥｌｅｃは、バルクとしての基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化された物性値となる。
【０１１９】
（３−３）キャリア濃度比
本実施形態では、上述したように、基板１０の主面１０ｓの中央側のキャリア濃度と、基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化されたキャリア濃度との差が小さい。これにより、電気的測定により求められる基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる基板１０の主面１０ｓの中央におけるキャリア濃度ＮＩＲの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが小さくなっている。なお、以下において、ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃを「キャリア濃度比」ともいう。
【０１２０】
図７（ａ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＩＲの関係を示す図であり、（ｂ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃの関係を示す図である。なお、キャリア濃度ＮＩＲは、主面１０ｓの中央における反射率に基づいて求めた値である。また、反射率スペクトルに対するフィッティングには、図中の各定数を用いた。なお、θ０＝３０°とした。
【０１２１】
図７（ａ）に示すように、本実施形態では、（ＮＥｌｅｃ，ＮＩＲ）の実測点がＮＩＲ＝ＮＥｌｅｃの直線に近くなっている。つまり、電気的測定により求められるキャリア濃度ＮＥｌｅｃと、反射型ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度ＮＩＲとがほぼ一致している。
【０１２２】
この結果から、本実施形態では、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとを精度良くフィッティングさせることができ、基板１０の主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲを精度良く測定することができたことが分かる。つまり、本実施形態の基板１０の結晶品質が良好であることが、間接的に確認可能である。
【０１２３】
また、この結果から、反射型ＦＴＩＲ法により求められる基板１０の主面１０ｓの中央におけるキャリア濃度と、電気的測定により求められる基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化されたキャリア濃度との差が小さいことが分かる。つまり、基板１０中のキャリア濃度が厚さ方向に略均一となっていることが分かる。
【０１２４】
図７（ｂ）に示すように、本実施形態のキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、１に近い所定の範囲内に収まっている。具体的には、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、例えば、式（１）を満たしている。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【０１２５】
好ましくは、例えば、ｎ型不純物がＳｉであるか、或いは、ＮＥｌｅｃが９×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１８ｃｍ−３以下である場合において、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、例えば、式（１’）を満たしている。
０．８≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．２  ・・・（１’）
【０１２６】
キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが０．５未満または１．５超であると、基板１０中のキャリア濃度が厚さ方向に不均一であることとなる。基板１０がＶＡＳ法により製造されているため、基板１０中のキャリア濃度が主面１０ｓに沿った方向においても不均一であることに相当する。基板１０中のキャリア濃度が主面１０ｓに沿った方向において不均一であると、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつく可能性がある。これに対し、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃを０．５以上１．５以下とすることで、基板１０中のキャリア濃度が厚さ方向だけでなく主面１０ｓに沿った方向においても略均一となる。これにより、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつくことを抑制することができる。さらに、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃを０．８以上１．２以下とすることで、複数の半導体装置間でのデバイス特性の差を小さくすることができる。
【０１２７】
なお、基板１０の主面１０ｓ側において反射型ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度をＮＩＲＦとし、基板１０の裏面側において反射型ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度をＮＩＲＲとしたときに、キャリア濃度比ＮＩＲＦ／ＮＩＲＲは、例えば、式（１”）を満たすことを確認している。
０．５≦ＮＩＲＦ／ＮＩＲＲ≦１．５  ・・・（１”）
【０１２８】
なお、ｎ型不純物がＧｅである場合（図中四角印）では、キャリア濃度ＮＥｌｅｃが大きくなるにつれて、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが徐々に１から離れていく傾向を有している。これは、以下の理由によるものと考えられる。フェルミ効果は、結晶中の自由キャリアが増加するにつれて、格子定数が変化する効果である。ＧａＮ結晶中で自由キャリアが増加することによるフェルミ効果は、ｎ型不純物がＳｉおよびＧｅのいずれの場合であっても、プラスとなる。一方、サイズ効果は、不純物の原子半径に依存して、結晶中に不純物濃度が増加するにつれて、格子定数が変化する効果である。ＧａＮ結晶中でＳｉ濃度が増加することによるサイズ効果はマイナスである。一方、ＧａＮ結晶中でＧｅ濃度が増加することによるサイズ効果は、Ｓｉよりも小さい。これらの効果を合わせると、ｎ型不純物がＳｉである場合では、フェルミ効果とサイズ効果とが相殺されるのに対して、ｎ型不純物がＧｅである場合では、フェルミ効果とサイズ効果とがプラスとなる。このため、ｎ型不純物がＧｅである場合では、キャリア濃度ＮＥｌｅｃ（すなわちＧｅ濃度）が大きくなるにつれて、Ｓｉの場合に比べてＬＯフォノン減衰定数ΓＬＯに差が生じ、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが徐々に１から離れていく傾向を有していたと考えられる。
【０１２９】
（３−４）移動度比
本実施形態では、上述したように、基板１０の主面１０ｓの中央側の移動度と、基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化された移動度との差が小さい。これにより、電気的測定により求められる基板１０中の移動度μＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる基板１０の主面１０ｓの中央における移動度μＩＲの比率μＩＲ／μＥｌｅｃが小さくなっている。なお、以下において、μＩＲ／μＥｌｅｃを「移動度比」ともいう。
【０１３０】
図８（ａ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＥｌｅｃに対する、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＩＲの関係を示す図であり、（ｂ）は、電気的測定により求められる窒化物結晶基板１０中の移動度μＥｌｅｃに対する、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃの関係を示す図である。なお、移動度μＩＲは、主面１０ｓの中央における反射率に基づいて求めた値である。また、反射率スペクトルに対するフィッティングには、図中の各定数を用いた。
【０１３１】
図８（ａ）に示すように、本実施形態では、（μＥｌｅｃ，μＩＲ）の実測点がμＩＲ＝μＥｌｅｃの直線に近くなっている。つまり、電気的測定により求められる移動度μＥｌｅｃと、反射型ＦＴＩＲ法により求められる移動度μＩＲとがほぼ一致している。
【０１３２】
この結果から、本実施形態では、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとを精度良くフィッティングさせることができ、基板１０の主面１０ｓ側の移動度μＩＲを精度良く測定することができたことが分かる。つまり、本実施形態の基板１０の結晶品質が良好であることが、間接的に確認可能である。
【０１３３】
また、この結果から、反射型ＦＴＩＲ法により求められる基板１０の主面１０ｓの中央における移動度と、電気的測定により求められる基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化された移動度との差が小さいことが分かる。つまり、基板１０中の移動度が厚さ方向に略均一となっていることが分かる。
【０１３４】
図８（ｂ）に示すように、本実施形態の移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃは、１に近い所定の範囲内に収まっている。具体的には、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃは、例えば、式（２）を満たしている。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【０１３５】
好ましくは、例えば、ｎ型不純物がＳｉであるか、或いは、μＥｌｅｃが１００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上４００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以下である場合において、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃは、例えば、式（２’）を満たしている。
０．７≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．１  ・・・（２’）
【０１３６】
移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが０．６未満または１．４超であると、基板１０中の移動度が厚さ方向に不均一であることとなる。基板１０がＶＡＳ法により製造されているため、基板１０中の移動度が主面１０ｓに沿った方向においても不均一であることに相当する。基板１０中の移動度が主面１０ｓに沿った方向において不均一であると、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつく可能性がある。これに対し、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃを０．６以上１．４以下とすることで、基板１０中の移動度が厚さ方向だけでなく主面１０ｓに沿った方向においても略均一となる。これにおり、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつくことを抑制することができる。さらに、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃを０．７以上１．１以下とすることで、複数の半導体装置間でのデバイス特性の差を小さくすることができる。
【０１３７】
（３−５）最大面内キャリア濃度差
本実施形態では、上述したように、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃでのキャリア濃度と、基板１０の主面１０ｓの外周側領域１０ｏでのキャリア濃度との差が小さい。
【０１３８】
ここで、基板１０の主面１０ｓの中央側の中央側領域１０ｃにおいて、反射型ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度ＮＩＲの極値（極大値または極小値）を「第１キャリア濃度ＮＩＲ１」とする。また、基板１０の主面１０ｓの中央から半径２０ｍｍ以下の位置で中央側領域１０ｃを囲む外周側領域１０ｏにおいて、反射型ＦＴＩＲ法により求められるキャリア濃度ＮＩＲであって、第１キャリア濃度ＮＩＲ１と反対の極値を「第２キャリア濃度ＮＩＲ２」とする。また、第１キャリア濃度ＮＩＲ１および第２キャリア濃度ＮＩＲ２のうち大きいほうを「Ｍａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）」とする。
【０１３９】
本実施形態では、｜ＮＩＲ１−ＮＩＲ２｜／Ｍａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）×１００で求められる最大面内キャリア濃度差は、例えば、１８％以下であり、好ましくは、６％以下である。最大面内キャリア濃度差が１８％超であると、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、中央側領域１０ｃから得られる半導体装置と、外周側領域１０ｏから得られる半導体装置との間でデバイス特性の差が大きくなる可能性がある。これに対し、最大面内キャリア濃度を１８％以下とすることで、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、中央側領域１０ｃから得られる半導体装置と、外周側領域１０ｏから得られる半導体装置との間でデバイス特性の差が大きくなることを抑制することができる。さらに、最大面内キャリア濃度を６％以下とすることで、中央側領域１０ｃから得られる半導体装置と、外周側領域１０ｏから得られる半導体装置との間でデバイス特性の差を小さくすることができる。
【０１４０】
（４）窒化物結晶基板の製造方法
図９および図１０を用い、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０の製造方法について説明する。図９は、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０の製造方法を示すフローチャートである。なお、ステップをＳと略している。図１０（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態に係る窒化物結晶基板１０の製造方法を示す概略断面図である。
【０１４１】
図９に示すように、本実施形態の基板１０の製造方法では、例えば、ＶＡＳ法により基板１０を製造する。具体的には、本実施形態の基板１０の製造方法は、例えば、下地基板準備工程Ｓ１１０と、第１結晶層形成工程Ｓ１２０と、金属層形成工程Ｓ１３０と、ボイド形成工程Ｓ１４０と、第２結晶層形成工程Ｓ１５０と、剥離工程Ｓ１６０と、スライス工程Ｓ１７０と、研磨工程Ｓ１８０と、を有している。
【０１４２】
（Ｓ１１０：下地基板準備工程）
まず、図１０（ａ）に示すように、下地基板１（結晶成長用基板ともいう。以下、「基板１」と略すことがある）を準備する。基板１は、例えば、サファイア基板である。なお、基板１は、例えば、Ｓｉ基板またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板であってもよい。基板１は、例えば、成長面となる主面１ｓを有している。主面１ｓに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、ｃ面である。
【０１４３】
本実施形態では、基板１のｃ面が、例えば、主面１ｓに対して傾斜している。基板１のｃ軸は、例えば、主面１ｓの法線に対して所定のオフ角で傾斜している。なお、基板１の主面１ｓ内でのオフ角は、主面全体に亘って均一である。
【０１４４】
（Ｓ１２０：第１結晶層形成工程）
次に、図１０（ｂ）に示すように、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、所定の成長温度に加熱された基板１に対して、ＩＩＩ族原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、窒化剤ガスとしてのアンモニアガス（ＮＨ３）および所定の導電型ドーパントガスとしてのモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給する。これにより、基板１の主面１ｓ上に、第１結晶層（下地成長層）２として、低温成長ＧａＮバッファ層およびＳｉドープＧａＮ層をこの順で成長させる。このとき、低温成長ＧａＮバッファ層の厚さおよびＳｉドープＧａＮ層の厚さを、それぞれ、例えば、２０ｎｍ、０．５μｍとする。
【０１４５】
（Ｓ１３０：金属層形成工程）
次に、図１０（ｃ）に示すように、第１結晶層２上に金属層３を蒸着させる。金属層３として、例えば、チタン（Ｔｉ）層を形成する。また、金属層３の厚さを例えば２０ｎｍとする。
【０１４６】
（Ｓ１４０：ボイド形成工程）
次に、図１０（ｄ）に示すように、上述の基板１を電気炉内に投入し、所定のヒータを有するサセプタ上に基板１を載置する。基板１をサセプタ上に載置したら、ヒータにより基板１を加熱し、水素ガスまたは水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理を行う。具体的には、例えば、２０％のＮＨ３ガスを含有するＨ２ガス気流中において、所定の温度で２０分間熱処理を行う。なお、熱処理温度を、例えば、８５０℃以上１，１００℃以下とする。このような熱処理を行うことで、金属層３を窒化し、表面に高密度の微細な穴を有する金属窒化層５を形成する。また、上述の熱処理を行うことで、金属窒化層５の穴を介して第１結晶層２の一部をエッチングし、該第１結晶層２中に高密度のボイドを形成する。これにより、ボイド含有第１結晶層４を形成する。
【０１４７】
（Ｓ１５０：第２結晶層形成工程）
次に、ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）２００を用いて、ボイド含有第１結晶層４および金属窒化層５上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる第２結晶層（本格成長層）６を形成する。このとき、光学的測定により第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、該結晶成長面側のキャリア濃度に応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。以下、詳細を説明する。
【０１４８】
（ｉ）ＨＶＰＥ装置
図１１を用い、第２結晶層６の成長に用いるＨＶＰＥ装置２００の構成について説明する。図１１は、ＨＶＰＥ装置２００の概略構成図である。
【０１４９】
図１１に示すように、ＨＶＰＥ装置２００は、成膜室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成膜室２０１内には、インナーカバー２０４が設けられている。インナーカバー２０４に囲われる位置には、基板１が配置されるサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、その回転機構２１６の駆動に合わせて回転可能に構成されている。
【０１５０】
気密容器２０３の一端には、ガス生成器２３３ａ内へ塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するガス供給管２３２ａ、インナーカバー２０４内へアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、インナーカバー２０４内へ導電型不純物を含むドーパントガスを供給するガス供給管２３２ｃ、インナーカバー２０４内へパージガスとして窒素（Ｎ２）ガスおよび水素（Ｈ２）ガスの混合ガス（Ｎ２／Ｈ２ガス）を供給するガス供給管２３２ｄ、および、成膜室２０１内へパージガスとしてのＮ２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｅには、上流側から順に、流量制御器２４１ａ〜２４１ｅ、バルブ２４３ａ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａの下流には、原料としてのＧａ融液を収容するガス生成器２３３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、ＨＣｌガスとＧａ融液との反応により生成された塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを、サセプタ２０８上に配置された基板１に向けて供給するノズル２４９ａが設けられている。ガス供給管２３２ｂ，２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に配置された基板１に向けて供給するノズル２４９ｂ，２４９ｃがそれぞれ接続されている。ノズル２４９ａ〜２４９ｃは、サセプタ２０８の表面に対して平行な方向にガスを流すよう配置されている。すなわち、これらのガスの供給は、いわゆるサイドフローで行われる。
【０１５１】
ドーパントガスとしては、例えば、Ｓｉドープの場合であればジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスまたはシラン（ＳｉＨ４）ガス、Ｇｅドープの場合であればジクロロゲルマン（ＧｅＨ２Ｃｌ２）ガスまたはゲルマン（ＧｅＨ４）ガスを、それぞれ用いる。ただし、必ずしもこれらに限定されるものではない。ドーパントガスは、例えば、Ｎ２／Ｈ２ガス等のキャリアガスとの混合ガスとしてノズル２４９ｃから供給される。なお、ドーパントガスがハロゲン化物ガスである場合には、例えば、当該ハロゲン化物ガスの熱分解を抑える目的で、ＨＣｌガスをドーパントガスとともに流してもよい。
【０１５２】
気密容器２０３の他端には、成膜室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０には、ポンプ（あるいはブロワ）２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、ガス生成器２３３ａ内やサセプタ２０８上の基板１を領域別に所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７ａ，２０７ｂが設けられている。また、気密容器２０３内には成膜室２０１内の温度を測定する温度センサ（不図示）が設けられている。
【０１５３】
上述したＨＶＰＥ装置２００の構成部材のうち、特に各種ガスの流れを形成するための各部材については、後述するような低不純物濃度の結晶成長を行うことを可能にすべく、例えば、以下に述べるように構成されている。
【０１５４】
具体的には、図１１中においてハッチング種類により識別可能に示しているように、気密容器２０３のうち、ゾーンヒータ２０７ａ，２０７ｂの輻射を受けて結晶成長温度（例えば１，０００℃以上）に加熱される領域であって、基板１に供給するガスが接触する領域である高温領域を構成する部材として、石英非含有およびホウ素非含有の材料からなる部材を用いることが好ましい。具体的には、高温領域を構成する部材として、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）コートグラファイトからなる部材を用いることが好ましい。その一方で、比較的低温領域では、高純度石英を用いて部材を構成することが好ましい。つまり、比較的高温になりＨＣｌガス等と接触する高温領域では、高純度石英を用いず、ＳｉＣコートグラファイトを用いて各部材を構成する。詳しくは、インナーカバー２０４、サセプタ２０８、回転軸２１５、ガス生成器２３３ａ、各ノズル２４９ａ〜２４９ｃ等を、ＳｉＣコートグラファイトで構成する。なお、気密容器２０３を構成する炉心管は石英とするしかないので、成膜室２０１内には、サセプタ２０８やガス生成器２３３ａ等を囲うインナーカバー２０４が設けられているのである。気密容器２０３の両端の壁部や排気管２３０等については、ステンレス等の金属材料を用いて構成すればよい。
【０１５５】
例えば、「Ｐｏｌｙａｋｏｖ  ｅｔ  ａｌ.  Ｊ.  Ａｐｐｌ.  Ｐｈｙｓ.  １１５,  １８３７０６  （２０１４）」によれば、９５０℃で成長することにより、低不純物濃度のＧａＮ結晶の成長が実現可能なことが開示されている。ところが、このような低温成長では、得られる結晶品質の低下を招き、熱物性、電気特性等において良好なものが得られない。
【０１５６】
これに対し、本実施形態の上述したＨＶＰＥ装置２００によれば、比較的高温になりＨＣｌガス等と接触する高温領域では、ＳｉＣコートグラファイトを用いて各部材を構成している。これにより、例えば、１，０５０℃以上というＧａＮ結晶の成長に適した温度域においても、石英やステンレス等に起因するＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等の不純物が結晶成長部へ供給されることを遮断することができる。その結果、高純度で、かつ、熱物性および電気特性においても良好な特性を示すＧａＮ結晶を成長させることが実現可能である。
【０１５７】
なお、ＨＶＰＥ装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。
【０１５８】
（ｉｉ）ＦＴＩＲ測定装置
次に、図１２を用い、ＨＶＰＥ装置２００に付属されるＦＴＩＲ測定装置５０について説明する。図１２は、ＨＶＰＥ装置２００と、ＦＴＩＲ測定装置５０と、を示す概略構成図である。なお、図１２は、図１１のＡ−Ａ’線断面図である。図１２においては、ゾーンヒータ２０７ｂが省略されている。
【０１５９】
図１２に示すように、ＦＴＩＲ測定装置５０は、例えば、本体部（測定部）５１と、光出射部５３と、受光部５５と、解析部５６と、を有している。
【０１６０】
本体部５１は、例えば、所定の赤外光を干渉光（インターフェログラム）に変換し、該干渉光を外部に出射するよう構成されている。具体的には、本体部５１は、例えば、光源（不図示）と、ハーフミラー（不図示）と、固定ミラー（不図示）と、移動ミラー（不図示）と、を有している。光源からの赤外光は、ハーフミラーに斜め入射し、透過光と反射光とに分割される。透過光は固定ミラーで反射され、反射光は移動ミラーで反射される。これらの光はハーフミラーに戻り合成される。これにより、干渉光が生成される。このとき、移動ミラーの位置を反射光に沿って移動させることで、異なる干渉光が得られることになる。一方で、本体部５１は、例えば、基板１からの反射光を検出するよう構成されている。
【０１６１】
光出射部５３は、例えば、光ファイバ５２を介して本体部５１に接続されている。光出射部５３は、例えば、気密容器２０３と、インナーカバー２０４の開口２０４ａとを介して、サセプタ２０８上の基板１に対して所定の入射角θｉで干渉光を照射するよう構成されている。
【０１６２】
受光部５５は、例えば、光ファイバ５４を介して本体部５１に接続されている。受光部５５は、例えば、気密容器２０３と、インナーカバー２０４の開口２０４ｂとを介して、サセプタ２０８上の基板１からの反射光を受光するよう構成されている。
【０１６３】
解析部５６は、例えば、本体部５１が検出した基板１からの反射光を、フーリエ変換を用いたスペクトル解析を行うよう構成されている。さらに、解析部５６は、例えば、上述した理論式から求められる強度反射率Ｒを、実測された反射率スペクトルに対してフィッティングすることで、成長中の第２結晶層６のキャリア濃度Ｎｃを求めるよう構成されている。解析部５６は、ＨＶＰＥ装置２００のコントローラ２８０に接続され、該コントローラ２８０に対して解析結果を送信するよう構成されている。
【０１６４】
（ｉｉｉ）成長プロセス
ＨＶＰＥ装置２００およびＦＴＩＲ測定装置５０を用い、以下の手順により、第２結晶層６を成長させる。以下、ＨＶＰＥ装置２００を構成する各部の動作は、コントローラ２８０により制御される。
【０１６５】
成膜室２０１内への基板１の搬入が完了したら、炉口を閉じ、成膜室２０１内の加熱、排気、およびサセプタ２０８の回転を実施しながら、成膜室２０１内へのＨ２ガス、或いは、Ｈ２ガスおよびＮ２ガスの供給を開始する。そして、成膜室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、成膜室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂからのＨＣｌガス、ＮＨ３ガスの供給を開始し、基板１の主面１ｓに対してＧａＣｌガス、ＮＨ３ガスおよびドーパントガスを含む成膜ガスを供給する。
【０１６６】
これにより、図１０（ｅ）に示すように、ボイド含有第１結晶層４および金属窒化層５上に、第２結晶層６が形成される。このとき、例えば、ドーパントガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを供給することで、第２結晶層６中に、ｎ型不純物としてのＳｉが添加される。
【０１６７】
このとき、ゾーンヒータ２０７ａでは、例えば７００〜９００℃の温度に設定し、ゾーンヒータ２０７ｂでは、例えば１，０００〜１，２００℃の温度に設定する。これにより、サセプタ２０８は１，０００〜１，２００℃の所定の温度に調整される。なお、サセプタ２０８の温度が１，０００〜１，２００℃の範囲内では、内部ヒータ（不図示）を用いた温度制御を実施してもよい。
【０１６８】
本ステップのその他の処理条件としては、以下が例示される。
処理圧力：０．５〜２気圧
ＧａＣｌガスの分圧：０．１〜２０ｋＰａ
ＮＨ３ガスの分圧／ＧａＣｌガスの分圧：１〜１００
Ｈ２ガスの分圧／ＧａＣｌガスの分圧：０〜１００
ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスの分圧：２．５×１０−５〜１．３×１０−３ｋＰａ
【０１６９】
（ｉｖ）キャリア濃度によるフィードバック制御
第２結晶層６の成長過程では、サイドフローで成膜ガスが供給される。このため、成膜ガスの供給位置が固定され、成膜ガスが流れるガスチャネルがほぼ一定であるのに対して、第２結晶層６の結晶成長が進むにつれて、第２結晶層６の結晶成長面の位置が相対的に変化する。例えば、本実施形態のＨＶＰＥ装置２００では、第２結晶層６の結晶成長が進むにつれて、成膜ガスチャネルに対する第２結晶層６の結晶成長面の位置が相対的に徐々に高くなる。
【０１７０】
このため、例えば、結晶成長過程の初期および中盤では成長レートが比較的高いのに対して、結晶成長過程の終盤では成長レートが低下する傾向がある。このとき、導電型不純物の添加量は、結晶の成長レートが高い場合には少なくなり、結晶の成長レートが低い場合には多くなる傾向がある。このため、結晶成長が進むにつれて成長レートが低下すると、第２結晶層６の厚さ方向の下方から上方に向かうにつれて、第２結晶層９６中の不純物濃度は徐々に増加してしまう可能性がある。
【０１７１】
そこで、本実施形態では、例えば、光学的測定により第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃをｉｎ−ｓｉｔｕで測定し、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。これにより、例えば、第２結晶層６中のキャリア濃度を厚さ方向に均一にすることができる。
【０１７２】
なお、本実施形態では、上述のＨＶＰＥ装置２００を用いることで、第２結晶層６の結晶品質を良好にすることができる。これにより、第２結晶層６の成長中であっても、光学的測定により、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃを精度良く測定することが可能である。
【０１７３】
本実施形態では、光学的測定として、例えば、上述の反射型のＦＴＩＲ測定装置５０を用いる。
【０１７４】
具体的には、第２結晶層６が徐々に成長している基板１に対して干渉光を照射し、該基板１からの反射光を受光することで、反射スペクトルを検出する。反射率スペクトルが得られたら、上述した理論式から求められる強度反射率Ｒを、実測された反射率スペクトルに対してフィッティングする。フィッティングの結果、実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとが最も良く一致したときの、第２結晶層６の結晶成長面側におけるキャリア濃度Ｎｃを求める。第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃを求めたら、当該キャリア濃度Ｎｃに基づいて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。
【０１７５】
このとき、ＦＴＩＲ測定装置５０によるｉｎ−ｓｉｔｕ測定では、基板１からの反射光だけでなく、加熱される基板１側からの熱輻射よる赤外光も受光される。このため、例えば、以下の手順で、熱輻射よる赤外光の影響を排除する。具体的には、まず、基板１０を製造する前に、予め、表面で光が全反射するリファレンス基板を準備し、該リファレンス基板を第２結晶層６の成長温度まで加熱する。なお、リファレンス基板としては、第２結晶層６の成長温度以上の融点を有する金属が形成された基板を用いる。具体的には、リファレンス基板は、白金（Ｐｔ）が形成されたサファイア基板である。リファレンス基板が加熱されたら、該リファレンス基板に対して干渉光を照射し、リファレンス基板からの全反射光と熱輻射による赤外光とを含むリファレンススペクトルを測定する。実際の第２結晶層６の成長過程では、リファレンススペクトルに対する、基板１からの反射光と熱輻射による赤外光とを含む反射スペクトルの比を算出することで、熱輻射による赤外光の影響を排除する。
【０１７６】
また、このとき、第２結晶層６の厚さに応じて、フィッティングに適用される光学モデルを変化させる。
【０１７７】
（結晶成長過程の初期）
結晶成長過程の初期では、基板１と、ボイド含有第１結晶層４と、金属窒化層５と、第２結晶層６と、を有する積層構造からの反射光スペクトルが得られる。しかしながら、金属窒化層５より下側からの反射成分は小さいため、実際の積層構造を、金属窒化層５と第２結晶層６とのみからなる２層構造として考えることができる。
【０１７８】
ここで、金属窒化層５と第２結晶層６とのみからなる２層構造での反射を想定し、図５（ｂ）の光学モデルを考える。図５（ｂ）は、２層の光学モデルの一例を示す模式図である。媒質Ｎ０は大気または真空であり、媒質Ｎ１は第２結晶層６であり、媒質Ｎ２は金属窒化層５である。
【０１７９】
当該２層構造の光学モデルにおいて、振幅反射係数ｒ０１２には、第２結晶層６での多重反射が考慮される。振幅反射係数ｒ０１２は、フレネル方程式を用いた式（１４）により求められる。
【０１８０】
【数１０】
2019199376.tif 000012
【０１８１】
式（１４）における位相変化βは、式（１５）で求められる。なお、式（１５）において、θ１およびθ０は、いずれも光の入射角度である。また、Ｎ１は、第２結晶層６の複素屈折率である。
【０１８２】
【数１１】
2019199376.tif 000013
【０１８３】
図５（ｂ）において、２層構造の光学モデルにおける光の強度反射率Ｒは、以下の手順で求められる。まず、式（１）〜式（３）、式（７）および式（８）により、媒質Ｎ１および媒質Ｎ２における屈折率ｎ１およびｎ２、消衰係数ｋ１およびｋ２を求める。屈折率および消衰係数を求めたら、式（９）および式（１０）により、ｒ０１，ｐ、ｒ０１，ｓ、ｒ１２，ｐおよびｒ１２，ｓを求める。当該ｒ０１，ｐ、ｒ０１，ｓ、ｒ１２，ｐおよびｒ１２，ｓを求めたら、これらの振幅反射係数を式（１４）に代入し、ｒ０１２，ｐおよびｒ０１２，ｓを求める。ｒ０１２，ｐおよびｒ０１２，ｓを求めたら、当該ｒ０１２，ｐおよびｒ０１２，ｓを式（１１）に代入する。これにより、２層構造の光学モデルにおける強度反射率Ｒが求められる。
【０１８４】
ＦＴＩＲ法により反射スペクトルが得られたら、媒質Ｎ１としての第２結晶層６におけるキャリア濃度Ｎｃ、移動度μおよび厚さｄ１をフィッティングパラメータとして、上述した理論式から求められる強度反射率Ｒを、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルに対してフィッティングする。フィッティングの結果、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとが最も良く一致したときの、第２結晶層６の結晶成長面側におけるキャリア濃度Ｎｃ並びに移動度μと、第２結晶層６の厚さｄ１とを求める。これらのフィッティングパラメータを求めたら、キャリア濃度Ｎｃに基づいて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。
【０１８５】
なお、２層構造の光学モデルが適用されるのは、第２結晶層６の厚さｄ１が１００μｍ以下である。上述のフィッティングにより求められる第２結晶層６の厚さｄ１が１００μｍ超となったら、以下の光学モデルが適用される。
【０１８６】
（結晶成長過程の中盤および終盤）
第２結晶層６の厚さｄ１が１００μｍ超となる結晶成長過程の中盤および終盤では、金属窒化層５の表面や金属窒化層５より下側における反射成分が小さくなるため、実際の積層構造を、第２結晶層６のみからなる単層構造として考えることができる。
【０１８７】
したがって、上述の基板１０の強度反射率Ｒを求めたときと同様の手順により、第２結晶層６が成長しているときの積層構造の強度反射率Ｒを求めることができる。
【０１８８】
ＦＴＩＲ法により反射スペクトルが得られたら、媒質Ｎ１としての第２結晶層６におけるキャリア濃度Ｎｃおよび移動度μをフィッティングパラメータとして、上述した理論式から求められる強度反射率Ｒを、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルに対してフィッティングする。フィッティング後には、結晶成長過程の初期と同様にして、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに基づいて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。
【０１８９】
（真性キャリア濃度の影響）
上述の制御に用いられる第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃは、第２結晶層６の成長温度でのキャリア濃度である。ＧａＮ結晶からなる第２結晶層６では、温度が高くなるにつれて、バンド間（価電子帯と伝導帯との間）で熱励起される真性キャリア濃度が高くなる。しかしながら、たとえ第２結晶層６の温度が結晶成長温度となったとしても、ＧａＮ結晶のバンド間で熱励起される真性キャリア濃度は、およそ７×１０１５ｃｍ−３未満であり、導電型不純物のドーピングによってＧａＮ結晶中に生成される自由キャリアの濃度（例えば１×１０１７ｃｍ−３以上）よりも充分に低い。すなわち、第２結晶層６の成長温度での第２結晶層６のキャリア濃度Ｎｃは、室温での第２結晶層６のキャリア濃度Ｎｃとほぼ等しいと考えることができる。したがって、第２結晶層６の成長温度での第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに基づいて、室温での完成後の基板１０中のキャリア濃度を予測しながら、導電型不純物の添加量をフィードバック制御することが可能である。
【０１９０】
（ｖ）フィードバック制御の具体的内容
本実施形態では、例えば、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに応じて、第２結晶層６中のキャリア濃度が厚さ方向に均一となるように、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。
【０１９１】
具体的には、例えば、完成後の基板１０においてキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすように、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。
【０１９２】
例えば、本実施形態のＨＶＰＥ装置２００のように、第２結晶層６の成長レートが徐々に低くなる装置では、第２結晶層６の成長レートが徐々に低くなるのに対して、導電型不純物の添加量を徐々に減少させる。これにより、第２結晶層６の成長レートの低下に起因して、第２結晶層６中の導電型不純物の濃度が相対的に増加することを抑制することができる。このとき、導電型不純物の添加量を徐々に減少させるために、例えば、ドーパントガスの分圧を減少させる。なお、第２結晶層６の成長レートが徐々に低くなってきたら、ＧａＣｌガスの分圧を増加させ、成長レートの低下を抑制してもよい。
【０１９３】
なお、例えば、第２結晶層６の成長レートが徐々に高くなる装置では、第２結晶層６の成長レートが徐々に高くなるのに対して、導電型不純物の添加量を徐々に増加させてもよい。これにより、第２結晶層６の成長レートの上昇に起因して、第２結晶層６中の導電型不純物の濃度が相対的に低下することを抑制することができる。このとき、導電型不純物の添加量を徐々に増加させるために、例えば、ドーパントガスの分圧を増加させる。なお、第２結晶層６の成長レートが徐々に高くなってきたら、ＧａＣｌガスの分圧を減少させ、成長レートの上昇を抑制してもよい。
【０１９４】
これらの制御により、完成後の基板１０におけるキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすようにすることができる。
【０１９５】
（ｖｉ）結晶成長過程について
第２結晶層形成工程Ｓ１５０では、第２結晶層６は、ボイド含有第１結晶層４から金属窒化層５の穴を介してボイド含有第１結晶層４および金属窒化層５上に成長する。ボイド含有第１結晶層４中のボイドの一部は、第２結晶層６によって埋め込まれるが、ボイド含有第１結晶層４中のボイドの他部は、残存する。第２結晶層６と金属窒化層５との間には、当該ボイド含有第１結晶層４中に残存したボイドを起因として、平らな空隙が形成される。この空隙が後述の剥離工程Ｓ１６０での第２結晶層６の剥離を生じさせることとなる。
【０１９６】
また、このとき、第２結晶層６の成長過程において、島状の初期核同士が引き合うことに起因して、第２結晶層６に引張応力が導入される。また、第２結晶層６を形成する初期核が横方向成長していく過程で転位が曲げられることにより、第２結晶層６の転位密度が厚さ方向に徐々に減少する。
【０１９７】
また、このとき、第２結晶層６は、基板１の配向性が引き継がれて成長される。すなわち、このときの第２結晶層６の主面内でのオフ角は、基板１の主面１ｓ内でのオフ角と同様に、主面全体に亘って均一となる。
【０１９８】
また、このとき、第２結晶層６の厚さを、例えば、６００μｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上とする。なお、第２結晶層の厚さの上限値は特に限定されるものではないが、生産性向上の観点から、第２結晶層６の厚さを５０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【０１９９】
（Ｓ１６０：剥離工程）
第２結晶層６の成長が終了したら、成膜室２０１内へＮＨ３ガス、Ｎ２ガスを供給しつつ、また、成膜室２０１内を排気した状態で、ガス生成器２３３ａへのＨＣｌガスの供給、成膜室２０１内へＨ２ガスの供給、ゾーンヒータ２０７ａ、２０７ｂによる加熱をそれぞれ停止する。そして、成膜室２０１内の温度が５００℃以下に降温したらＮＨ３ガスの供給を停止し、成膜室２０１内の雰囲気をＮ２ガスへ置換して大気圧に復帰させる。そして、成膜室２０１内を、例えば２００℃以下の温度、すなわち、気密容器２０３内からの基板１の搬出が可能となる温度へと降温させる。
【０２００】
このとき、第２結晶層６を成長させるために用いたＨＶＰＥ装置２００を冷却する過程において、第２結晶層６は、ボイド含有第１結晶層４および金属窒化層５を境に基板１から自然に剥離する。
【０２０１】
このとき、第２結晶層６には、引張応力が導入されている。このため、第２結晶層６中に生じた引張応力に起因して、第２結晶層６には、その表面側が凹むように内部応力が働く。また、第２結晶層６の主面（表面）６ｓ側の転位密度が低く、一方で、第２結晶層６の裏面側の転位密度が高くなっている。このため、第２結晶層６の厚さ方向の転位密度差に起因しても、第２結晶層６には、その表面側が凹むように内部応力が働く。
【０２０２】
その結果、図１０（ｆ）に示すように、第２結晶層６は、基板１から剥離された後に、その表面側が凹となるように反る。
【０２０３】
しかしながら、上述の第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御したことで、第２結晶層６中のキャリア濃度は厚さ方向に均一となっている。このため、第２結晶層６が反ったとしても、剥離後の第２結晶層６中のキャリア濃度分布を略均一に維持することができる。
【０２０４】
なお、第２結晶層６が反るため、第２結晶層６のｃ面は、第２結晶層６の主面６ｓの中心の法線方向に垂直な面に対して凹の球面状に湾曲する。第２結晶層６の主面６ｓの中心の法線に対してｃ軸がなすオフ角は、所定の分布を有する。
【０２０５】
成膜室２０１内を充分に降温させたら、基板１および第２結晶層６を成膜室２０１内から外部へ搬出する。
【０２０６】
（Ｓ１７０：スライス工程）
次に、図１０（ｇ）に示すように、例えば、第２結晶層６の主面６ｓの中心の法線方向に対して略垂直な切断面ＳＳにワイヤソーを案内することで、第２結晶層６をスライスする。
【０２０７】
これにより、アズスライス基板としての基板１０を形成する。このとき、基板１０の厚さを、例えば、４５０μｍとする。
【０２０８】
（Ｓ１８０：研磨工程）
次に、研磨装置により基板１０の両面を研磨する。
【０２０９】
以上により、ＧａＮの単結晶からなる基板１０が得られる。
【０２１０】
完成後の基板１０では、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、例えば、式（１）を満たすこととなる。また、上述のキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃを満たせば、これと同時に、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃは、例えば、式（２）を満たすこととなる。また、基板１０の最大面内キャリア濃度差は、例えば、１８％以下となる。なお、基板１０の主面１０ｓに対して最も近い低指数の結晶面は、主面１０ｓに対して凹の球面状に湾曲したｃ面となる。
【０２１１】
（５）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
【０２１２】
（ａ）本実施形態の基板１０は、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面１０ｓの反射率に基づいて、主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲを測定可能に構成されている。本実施形態の製造方法により製造される基板１０は、結晶歪みが小さく、また、Ｏや導電型不純物以外の不純物をほとんど含んでいない状態となっているためと考えられる。このように基板１０の結晶品質が良好であることにより、基板１０において、ＦＴＩＲ法により実測された反射率スペクトルと、理論式から求められる強度反射率Ｒとを精度良くフィッティングさせることができ、基板１０の主面１０ｓ側のキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲを精度良く測定することができる。
【０２１３】
（ｂ）本実施形態の基板１０では、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）（０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５）を満たしている。電気的測定により求められる基板１０中のキャリア濃度ＮＥｌｅｃは、基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化された物性値である。一方で、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて求められる基板１０中のキャリア濃度ＮＩＲは、基板１０の主面１０ｓ側のみを反映した物性値である。したがって、上述のようにキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすことで、反射型ＦＴＩＲ法により求められる基板１０の主面１０ｓの中央側（中央近傍）におけるキャリア濃度と、電気的測定により求められる基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化されたキャリア濃度との差が小さくなっている。つまり、基板１０中のキャリア濃度が厚さ方向に略均一となっている。本実施形態では、基板１０がＶＡＳ法により製造されているため、基板１０中のキャリア濃度が厚さ方向だけでなく主面１０ｓに沿った方向においても略均一であることに相当する。これにより、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつくことを抑制することができる。
【０２１４】
（ｃ）本実施形態の基板１０では、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）（０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４）を満たしている。反射型ＦＴＩＲ法により求められる基板１０の主面１０ｓの中央側（中央近傍）における移動度と、電気的測定により求められる基板１０の厚さ方向の全体に亘って平均化された移動度との差が小さくなっている。本実施形態では、基板１０がＶＡＳ法により製造されているため、基板１０中の移動度が厚さ方向だけでなく主面１０ｓに沿った方向においても略均一であることに相当する。この理由からも、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、複数の半導体装置間でデバイス特性がばらつくことを抑制することができる。
【０２１５】
（ｄ）本実施形態の基板１０では、｜ＮＩＲ１−ＮＩＲ２｜／Ｍａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）×１００で求められる最大面内キャリア濃度差は、１８％以下である。これにより、基板１０から複数の半導体装置を切り分けたときに、中央側領域１０ｃから得られる半導体装置と、外周側領域１０ｏから得られる半導体装置との間でデバイス特性の差が大きくなることを抑制することができる。
【０２１６】
（ｅ）本実施形態では、後述のＶＡＳ法により基板１０を製造することにより、基板１０の結晶歪みが小さくなっており、基板１０の主面１０ｓにおける転位密度は、５×１０６個／ｃｍ２以下である。これにより、転位散乱の影響を小さくすることができ、吸収係数の過剰な増大やばらつきを抑制することができる。
【０２１７】
（ｆ）本実施形態では、基板１０中のＯの濃度は、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度に対して１／１０以下である。これにより、基板１０中のｎ型不純物の濃度を、添加量の制御が比較的容易であるＳｉおよびＧｅの合計濃度によって制御することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅを、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができる。
【０２１８】
（ｇ）本実施形態では、基板１０中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は、基板１０中のＳｉおよびＧｅの合計の濃度に対して１／１０以下である。これにより、ｎ型不純物からの自由電子の生成に対する阻害要因を低減することができる。その結果、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅを、基板１０中のｎ型不純物の濃度と等しくなるよう精度良く制御することができる。
【０２１９】
（ｈ）本実施形態の製造方法により製造される基板１０は、上述のように、結晶歪みが小さく、また、Ｏやｎ型不純物以外の不純物（例えば、ｎ型不純物を補償する不純物等）をほとんど含んでいない状態となっている。これにより、本実施形態の基板１０では、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における吸収係数αを所定の定数Ｋおよび定数ａを用いて式（３）（α＝ＮｅＫλａ）により近似することができる。
【０２２０】
なお、参考までに、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、吸収係数αを、式（３）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難である。
【０２２１】
ここで、図３（ｂ）は、自由電子濃度に対する波長２μｍでの吸収係数の関係を比較する図である。図３（ｂ）において、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数だけでなく、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載されたＧａＮ結晶の吸収係数も示している。
論文（Ａ）：Ａ．Ｓ．  Ｂａｒｋｅｒ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ７  （１９７３）  ｐ７４３  Ｆｉｇ．８
論文（Ｂ）：Ｐ．  Ｐｅｒｌｉｎ，  Ｐｈｙｓｉｃｓｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒ  ７５  （１９９５）  ｐ２９６  Ｆｉｇ．１  ０．３ＧＰａの曲線から推定。
論文（Ｃ）：Ｇ．  Ｂｅｎｔｏｕｍｉ，  Ｍａｔｅｒｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｂ５０  （１９９７）  ｐ１４２−１４７  Ｆｉｇ．１
論文（Ｄ）：Ｓ．  Ｐｏｒｏｗｓｋｉ，  Ｊ．  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  １８９−１９０  （１９９８）  ｐ．１５３−１５８  Ｆｉｇ．３  ただし、Ｔ＝１２Ｋ
【０２２２】
図３（ｂ）に示すように、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載の従来のＧａＮ結晶における吸収係数αは、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αよりも大きかった。また、従来のＧａＮ結晶における吸収係数αの傾きは、本実施形態の製造方法により製造されるＧａＮ結晶の吸収係数αの傾きと異なっていた。なお、論文（Ａ）および（Ｃ）では、吸収係数αの傾きが、自由電子濃度Ｎｅが大きくなるにしたがって変化しているようにも見受けられた。このため、論文（Ａ）〜（Ｄ）に記載の従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αを、式（３）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難であった。具体的には、例えば、定数Ｋが上記規定の範囲よりも高くなっていたり、定数ａが３以外の値となっていたりする可能性があった。
【０２２３】
これは、以下の理由によるものと考えられる。従来のＧａＮ結晶中には、その製造方法に起因して、大きな結晶歪みが生じていたと考えられる。ＧａＮ結晶中に結晶歪みが生じていると、ＧａＮ結晶中に転位が多くなる。このため、従来のＧａＮ結晶では、転位散乱が生じ、転位散乱に起因して、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。または、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、意図せずに混入するＯの濃度が高くなっていたと考えられる。ＧａＮ結晶中にＯが高濃度に混入すると、ＧａＮ結晶の格子定数ａおよびｃが大きくなる（参考：Ｃｈｒｉｓ  Ｇ．  Ｖａｎ  ｄｅ  Ｗａｌｌｅ，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ｖｏｌ．６８，  １６５２０９  （２００３））。このため、従来のＧａＮ結晶では、Ｏによって汚染された部分と、比較的純度の高い部分との間で、局所的な格子不整合が生じ、ＧａＮ結晶中に結晶歪みが生じていたと考えられる。その結果、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。または、従来の製造方法によって製造されるＧａＮ結晶では、ｎ型不純物を補償する補償不純物が意図せずに混入し、補償不純物の濃度が高くなっていたと考えられる。補償不純物の濃度が高いと、所定の自由電子濃度を得るために、高濃度のｎ型不純物が必要となる。このため、従来のＧａＮ結晶では、補償不純物およびｎ型不純物を含む合計の不純物濃度が高くなり、結晶歪みが大きくなっていたと考えられる。その結果、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αが大きくなったり、ばらついたりしたと考えられる。なお、実際にＯを含み格子が歪んだＧａＮ自立基板では、同じ自由電子濃度を有する本実施形態の基板１０と比較して、（移動度が低く）吸収係数αが高いことを確認している。
【０２２４】
このような理由により、従来のＧａＮ結晶では、吸収係数αを、式（３）によって上記規定の定数Ｋおよび定数ａを用いて精度良く近似することが困難であった。このように吸収係数αが過剰に大きくなったり、ばらついたりすると、消衰係数ｋが過剰に大きくなったり、ばらついたりすることとなる。このため、従来のＧａＮ結晶では、消衰係数ｋのばらつきに起因して、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて、キャリア濃度を精度良く求めることができなかった。
【０２２５】
これに対し、本実施形態の製造方法により製造される基板１０は、結晶歪みが小さく、また、Ｏやｎ型不純物以外の不純物をほとんど含んでいない状態となっている。本実施形態の基板１０の吸収係数は、結晶歪み起因の散乱（転位散乱）による影響が小さく、主にイオン化不純物散乱に依存している。これにより、基板１０の吸収係数αのばらつきを小さくすことができ、基板１０の吸収係数αを所定の定数Ｋおよび定数ａを用いて式（３）により近似することができる。基板１０の吸収係数が精度良く式（３）によって近似されることにより、基板１０中の自由電子濃度Ｎｅに対する、基板１０の吸収係数αのばらつきを抑制することができる。基板１０の吸収係数αのばらつきが抑制されていることは、消衰係数ｋのばらつきが抑制されていることを意味する（α＝４πｋ／λ）。これにより、本実施形態の基板１０では、反射型ＦＴＩＲ法により測定される主面の反射率に基づいて、キャリア濃度Ｎｃ（自由電子濃度Ｎｅ）および移動度μＩＲを精度良く求めることができる。
【０２２６】
（ｉ）第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、光学的測定により第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃをｉｎ−ｓｉｔｕで測定し、結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃに応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する。第２結晶層６の成長中にリアルタイムで第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度Ｎｃを測定することで、第２結晶層６の成長中であっても、完成後の基板１０のキャリア濃度分布を予測しながら導電型不純物の添加量をフィードバック制御することができる。これにより、例えば、第２結晶層６中のキャリア濃度を厚さ方向に均一にすることができる。ＶＡＳ法では、第２結晶層６が基板１から剥離する際に反ることになる。しかしながら、第２結晶層６中のキャリア濃度を厚さ方向に均一にすることで、第２結晶層６が反ったとしても、剥離後の第２結晶層６中のキャリア濃度分布を略均一に維持することができる。その結果、第２結晶層６をスライスした基板１０中のキャリア濃度を、厚さ方向および主面１０ｓに沿った方向のそれぞれにおいて略均一にすることができる。
【０２２７】
（ｊ）第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、第２結晶層６中のキャリア濃度を厚さ方向に略均一とすることで、第２結晶層６から複数の基板１０をスライスしたときに、基板１０中のキャリア濃度のスライス位置依存性を小さくすることができる。これにより、複数の基板１０間でのキャリア濃度差の発生を抑制することができる。
【０２２８】
（ｋ）本実施形態のＨＶＰＥ装置２００のように、第２結晶層６の成長レートが徐々に低くなる装置では、第２結晶層６の成長レートが徐々に低くなるのに対して、導電型不純物の添加量を徐々に減少させる。これにより、第２結晶層６の成長レートの低下に起因して、第２結晶層６中の導電型不純物の濃度が相対的に増加することを抑制することができる。
【０２２９】
一方で、第２結晶層６の成長レートが徐々に高くなる装置では、第２結晶層６の成長レートが徐々に高くなるのに対して、導電型不純物の添加量を徐々に増加させてもよい。これにより、第２結晶層６の成長レートの上昇に起因して、第２結晶層６中の導電型不純物の濃度が相対的に低下することを抑制することができる。
【０２３０】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【０２３１】
上述の実施形態では、基板１０がＧａＮからなっている場合について説明したが、基板１０は、ＧａＮに限らず、例えば、ＡｌＮ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物からなっていてもよい。
【０２３２】
上述の実施形態では、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃでは、キャリア濃度が若干高く、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃを囲む外周側領域１０ｏでは、キャリア濃度が若干低くなっている場合について説明したが、この場合に限られない。例えば、第２結晶層形成工程Ｓ１５０におけるガスチャネルに対して第２結晶層６の結晶成長面が徐々に近づく場合には、結晶成長過程の初期および中盤では成長レートが比較的低いのに対して、結晶成長過程の終盤では成長レートが高くなることが考えられる。したがって、このような場合には、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃでは、キャリア濃度が若干低く、基板１０の主面１０ｓの中央側領域１０ｃを囲む外周側領域１０ｏでは、キャリア濃度が若干高くなっていてもよい。
【０２３３】
上述の実施形態では、基板１０において、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たし、且つ、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）を満たす場合について説明したが、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすことと、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）を満たすこととのうち、少なくともいずれか一方が成り立っていればよい。これにより、キャリア濃度の略均一性および移動度の略均一性のうち少なくともいずれか一方の効果を得ることができる。
【０２３４】
上述の実施形態では、ｎ型不純物を含む基板１０において、自由電子についてキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たし、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）を満たす場合について説明したが、ｐ型不純物を含む基板１０においても、ホールについてキャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たし、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）を満たすことが可能である。なお、ホールについてのキャリア濃度比ＮＩＲおよび移動度比μＩＲを求めるときには、ＬＯ−ｐｈｏｎｏｎ  ｈｏｌｅ  ｐｌａｓｍｏｎ−ｃｏｕｐｌｉｎｇモデルを用いる必要がある。
【０２３５】
上述の実施形態では、ＶＡＳ法を用いて第２結晶層形成工程Ｓ１５０を行い、当該第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、光学的測定により測定された第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度に応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する場合について説明したが、ＶＡＳ法以外の結晶成長方法を用い、上述のフィードバック制御を適用してもよい。ただし、ＶＡＳ法のほうが、転位密度を低減することができる点で好ましい。
【０２３６】
上述の実施形態では、第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、光学的測定として、反射型ＦＴＩＲ法により第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度に応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する場合について説明したが、光学的測定として、反射型ＦＴＩＲ法以外の方法により結晶層の結晶性帳面側のキャリア濃度を測定し、上述のフィードバック制御を適用してもよい。反射型ＦＴＩＲ法以外の方法としては、分光エリプソメトリ法などが挙げられる。
【０２３７】
上述の実施形態では、第２結晶層形成工程Ｓ１５０において、第２結晶層６の結晶成長面側のキャリア濃度に応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御する場合について説明したが、第２結晶層６の結晶性帳面側の移動度に応じて、導電型不純物の添加量をフィードバック制御してもよい。このとき、例えば、基板１０の移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）を満たすように、上述のフィードバック制御を実施してもよい。
【実施例】
【０２３８】
以下、本発明の効果を裏付ける各種実験結果について説明する。
【０２３９】
（１）窒化物結晶基板の製造
以下の条件で、窒化物結晶基板のサンプル１〜４を製造した。
【０２４０】
（サンプル１〜３）
材質：ＧａＮ
導電型不純物：Ｓｉ
製造方法：ＶＡＳ法
キャリア濃度のフィードバック制御：有（厚さ方向に均一化）
基板厚さ：４００μｍ
主面に対して最も近い低指数の結晶面：（０００１）面
【０２４１】
（サンプル４）
キャリア濃度のフィードバック制御：無
他条件はサンプル１〜３と同様
なお、不純物濃度は、サンプル１〜４でそれぞれ異なる値とした。
【０２４２】
（２）評価
（反射型ＦＴＩＲ法によるキャリア濃度および移動度の測定）
反射型ＦＴＩＲ法により窒化物結晶基板の主面の反射率スペクトルを測定した。理論式から求められる強度反射率Ｒを、実測された反射率スペクトルに対してフィッティングすることで、窒化物結晶基板の主面の中央側におけるキャリア濃度ＮＩＲおよび移動度μＩＲを求めた。なお、理論式の各定数は、図７（ａ）に記載の数値を用いた。
【０２４３】
さらに、反射型ＦＴＩＲ法による反射率スペクトルの測定を、窒化物結晶基板の主面全体に亘って行うことにより、窒化物結晶基板の主面におけるキャリア濃度ＮＩＲの分布を測定した。その結果、最大面内キャリア濃度差を求めた。
【０２４４】
（電気的測定によるキャリア濃度および移動度の測定）
渦電流法により、窒化物結晶基板の移動度μＥｌｅｃを測定した。触針式の抵抗測定器により、窒化物結晶基板の抵抗（シート抵抗）を測定した。マイクロメータにより、窒化物結晶基板の厚さを測定した。窒化物結晶基板の抵抗および厚さに基づいて、比抵抗ρに換算した。これらの測定により求められた窒化物結晶基板の移動度μＥｌｅｃおよび比抵抗ρを式（１３）に代入することで、窒化物結晶基板のキャリア濃度ＮＥｌｅｃを求めた。
【０２４５】
（キャリア濃度比および移動度比の算出）
上述の測定結果を用い、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃおよび移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃを求めた。
【０２４６】
（３）結果
サンプル１〜４の評価結果を以下の表１に示す。
【０２４７】
【表１】
2019199376.tif 000014
【０２４８】
図１５（ａ）は、サンプル１のキャリア濃度分布を示す図であり、図１５（ｂ）は、サンプル２のキャリア濃度分布を示す図である。図１６（ａ）は、サンプル３のキャリア濃度分布を示す図であり、図１６（ｂ）は、サンプル４のキャリア濃度分布を示す図である。なお、図１５（ａ）〜図１６（ｂ）では、それぞれ、赤色で示される最大値および青色で示される最小値が異なっている。
【０２４９】
（サンプル４）
フィードバック制御を行わなかったサンプル４では、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが０．５未満であり、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが０．６未満であった。サンプル４では、第２結晶層形成工程において、第２結晶層のキャリア濃度のフィードバック制御を行わなかったため、第２結晶層中のＳｉ濃度が厚さ方向にグラデーションがかかった分布となっていたと考えられる。その結果、第２結晶層から得られた窒化物結晶基板中のキャリア濃度が厚さ方向に不均一となっていたと考えられる。
【０２５０】
図１６（ｂ）に示すように、サンプル４では、窒化物結晶基板の主面側のキャリア濃度ＮＩＲが、最大値が中央からずれているが、略同心円状の分布を有していた。サンプル４では、キャリア濃度ＮＩＲの最大値と最小値との差が大きく、キャリア濃度ＮＩＲが主面に沿った方向に不均一となっていた。このため、最大面内キャリア濃度差が１８％超となっていた。サンプル４では、剥離工程において、第２結晶層中の厚さ方向にグラデーションがかかった不純物濃度分布が反ったため、第２結晶層から得られた窒化物結晶基板中のキャリア濃度が主面に沿った方向に不均一となっていたと考えられる。
【０２５１】
（サンプル１〜３）
フィードバック制御を行ったサンプル１〜３では、キャリア濃度比ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）（０．５以上１．５以下）を満たすとともに、好ましい範囲である式（１）’（０．８以上１．２以下）も満たしていた。また、移動度比μＩＲ／μＥｌｅｃが式（２）（０．６以上１．４以下）を満たすとともに、好ましい範囲である式（２）’（０．７以上１．１以下）も満たしていた。サンプル１〜３では、第２結晶層形成工程において、第２結晶層のキャリア濃度のフィードバック制御を行ったため、第２結晶層中のＳｉ濃度を厚さ方向に略均一にすることができた。その結果、第２結晶層から得られた窒化物結晶基板中のキャリア濃度を厚さ方向に略均一にすることができたことを確認した。
【０２５２】
図１５（ａ）、図１５（ｂ）および図１６（ａ）に示すように、サンプル１〜３では、窒化物結晶基板の主面側のキャリア濃度ＮＩＲが略同心円状の分布を有していた。しかしながら、サンプル１〜３では、キャリア濃度ＮＩＲの最大値と最小値との差が小さく、キャリア濃度ＮＩＲが主面に沿った方向に略均一となっていた。これにより、最大面内キャリア濃度差は、１８％以下となっているとともに、好ましい範囲として６％以下となっていた。サンプル１〜３では、フィードバック制御により第２結晶層中のキャリア濃度を厚さ方向に均一にしたことで、剥離工程において、第２結晶層が反っても、剥離後の第２結晶層中のキャリア濃度分布を略均一に維持することができた。その結果、第２結晶層から得られる窒化物結晶基板中のキャリア濃度を主面が沿った方向に略均一とすることができたことを確認した。
【０２５３】
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
【０２５４】
（付記１）
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、
前記キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する前記主面の中央における前記キャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１）を満たす
窒化物結晶基板。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【０２５５】
（付記２）
前記比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃは、式（１’）を満たす
付記１に記載の窒化物結晶基板。
０．８≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．２  ・・・（１’）
【０２５６】
（付記３）
前記窒化物結晶基板の前記主面内の中央側で、反射型フーリエ変換赤外分光法により求められる前記キャリア濃度ＮＩＲの極値である第１キャリア濃度ＮＩＲ１を有する中央側領域と、
前記窒化物結晶基板の前記主面の中央から半径２０ｍｍ以下の位置で前記中央側領域を囲み、前記第１キャリア濃度ＮＩＲ１と反対の極値である第２キャリア濃度ＮＩＲ２を有する外周側領域と、
を有し、
前記第１キャリア濃度ＮＩＲ１および前記第２キャリア濃度ＮＩＲ２のうち大きいほうをＭａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）としたときに、｜ＮＩＲ１−ＮＩＲ２｜／Ｍａｘ（ＮＩＲ１，ＮＩＲ２）×１００で求められる最大面内キャリア濃度差は、１８％以下である
付記１又は２に記載の窒化物結晶基板。
【０２５７】
（付記４）
前記最大キャリア濃度差は、６％以下である
付記３に記載の窒化物結晶基板。
【０２５８】
（付記５）
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中央における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たす
付記１〜４のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【０２５９】
（付記６）
主面を有し、ＩＩＩ族窒化物の結晶からなる窒化物結晶基板であって、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記主面の反射率により求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たす
窒化物結晶基板。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【０２６０】
（付記７）
前記比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２’）を満たす
請求項５又は６に記載の窒化物結晶基板。
０．７≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．１  ・・・（２’）
【０２６１】
（付記８）
前記窒化物結晶基板の主面における転位密度は、５×１０６個／ｃｍ２以下である
付記１〜７のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板。
【０２６２】
（付記９）
シリコンおよびゲルマニウムのうち少なくともいずれかを含み、
前記窒化物結晶基板中の酸素の濃度は、前記窒化物結晶基板中のシリコンおよびゲルマニウムの合計の濃度に対して１／１０倍以下である
付記１〜８のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
【０２６３】
（付記１０）
シリコンおよびゲルマニウムのうち少なくともいずれかを含み、
前記窒化物結晶基板中のｎ型不純物以外の不純物の濃度は、前記窒化物結晶基板中のシリコンおよびゲルマニウムの合計の濃度に対して１／１０倍以下である
付記１〜９のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板。
【０２６４】
（付記１１）
前記窒化物結晶基板は、ｎ型不純物を含み、
波長をλ（μｍ）、２７℃における前記窒化物結晶基板の吸収係数をα（ｃｍ−１）、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中の自由電子濃度をＮｅ（ｃｍ−３）、Ｋおよびａをそれぞれ定数としたときに、少なくとも１μｍ以上３．３μｍ以下の波長範囲における前記吸収係数αは、最小二乗法で式（３）により近似され、
波長２μｍにおいて、式（３）から求められる前記吸収係数αに対する、実測される前記吸収係数の誤差は、±０．１α以内である
付記１〜１０のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板。
α＝ＮｅＫλａ  ・・・（３）
（ただし、１．５×１０−１９≦Ｋ≦６．０×１０−１９、ａ＝３）
【０２６５】
（付記１２）
クラックが生じていない
付記１１に記載の窒化物結晶基板。
【０２６６】
（付記１３）
前記主面に対して最も近い低指数の結晶面は、前記主面に対して凹の球面状に湾曲した（０００１）面である
付記１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板。
【０２６７】
（付記１４）
前記主面の法線に対する前記結晶の＜０００１＞軸のオフ角は、前記主面の中央から径方向へ向かう距離の一次式で近似され、
前記主面内の任意の位置において、前記一次式から求められる前記オフ角に対する、実測した前記オフ角の誤差は、±０．１２°以内である
付記１３に記載の窒化物結晶基板。
【０２６８】
（付記１５）
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法。
【０２６９】
（付記１６）
前記結晶層を形成する工程では、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記窒化物結晶基板の主面の反射率に基づいて求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側のキャリア濃度をＮＩＲとし、前記窒化物結晶基板の比抵抗と渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度とに基づいて求められる前記窒化物結晶基板中のキャリア濃度をＮＥｌｅｃとしたときに、
前記キャリア濃度ＮＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記キャリア濃度ＮＩＲとの比率ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃが式（１）を満たすように、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
付記１５に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
０．５≦ＮＩＲ／ＮＥｌｅｃ≦１．５  ・・・（１）
【０２７０】
（付記１７）
下地基板上に、所定の導電型不純物を含むＩＩＩ族窒化物の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側の移動度を測定し、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
窒化物結晶基板の製造方法。
【０２７１】
（付記１８）
前記結晶層を形成する工程では、
反射型フーリエ変換赤外分光法により測定される前記窒化物結晶基板の主面の反射率により求められる前記窒化物結晶基板の前記主面側の移動度をμＩＲとし、渦電流法により測定される前記窒化物結晶基板の移動度をμＥｌｅｃとしたときに、
前記移動度μＥｌｅｃに対する前記主面の中心における前記移動度μＩＲとの比率μＩＲ／μＥｌｅｃは、式（２）を満たすように、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
付記１７に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
０．６≦μＩＲ／μＥｌｅｃ≦１．４  ・・・（２）
【０２７２】
（付記１９）
前記結晶層を形成する工程では、
前記結晶層の成長レートが徐々に低くなるのに対して、前記導電型不純物の添加量を徐々に減少させる
付記１５〜１８のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【０２７３】
（付記２０）
前記結晶層を形成する工程では、
前記結晶層の成長レートが徐々に高くなるのに対して、前記導電型不純物の添加量を徐々に増加させる
付記１５〜１８のいずれか１項に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【０２７４】
（付記２１）
前記結晶層を形成する工程では、
前記下地基板が搬入される反応容器内のうち、前記下地基板とともに所定の結晶成長温度に加熱される領域であって、前記下地基板に供給される成膜ガスが接触する領域である高温領域を構成する部材として、少なくとも表面が石英非含有およびホウ素非含有の材料からなる部材を用いる
付記１５〜２０のいずれか１つに記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【０２７５】
（付記２２）
前記高温領域を構成する部材として、炭化ケイ素コートグラファイトからなる部材を用いる
付記２１に記載の窒化物結晶基板の製造方法。
【０２７６】
（付記２３）
下地基板上に、所定の導電型不純物を含む半導体の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側のキャリア濃度を測定し、前記結晶成長面側の前記キャリア濃度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
結晶基板の製造方法
【０２７７】
（付記２４）
下地基板上に、所定の導電型不純物を含む半導体の結晶からなる結晶層を形成する工程と、
前記結晶層をスライスし、窒化物結晶基板を作製する工程と、
を有し、
前記結晶層を形成する工程では、
光学的測定により前記結晶層の結晶成長面側の移動度を測定し、前記結晶成長面側の前記移動度に応じて、前記導電型不純物の添加量をフィードバック制御する
結晶基板の製造方法
【符号の説明】
【０２７８】
１  下地基板（基板）
２  第１結晶層
３  金属層
４  ボイド含有第１結晶層
５  金属窒化層
６  第２結晶層
１０  窒化物結晶基板（基板）
【図１】
2019199376.tif 000015
【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】
2019199376.tif 000021
【図８】
2019199376.tif 000022
【図９】
2019199376.tif 000023
【図１０】
2019199376.tif 000024
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2019199376.tif 000028
【図１５】
2019199376.tif 000029
【図１６】
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