(57)【要約】【課題】例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供する。【解決手段】ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板。
【請求項２】
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、前記表面側基板の主面の面内方向における線膨張係数と同等である請求項１に記載のＧａＮ基板。
【請求項３】
前記表面側基板の前記結晶成長面は、ＧａＮ結晶のＮ極性面で構成されており、
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、ＧａＮ結晶のａ軸方向の線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向の線膨張係数のいずれかと同等である請求項１または２に記載のＧａＮ基板。
【請求項４】
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向又はＭ軸方向のいずれかに優先配向してなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ基板。
【請求項５】
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向に優先配向してなり、
前記裏面側基板の主面をＸ線回折により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上である請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ基板。
【請求項６】
前記裏面側基板の厚さが２０ｍｍ以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載のＧａＮ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体自立基板を作製する際や、発光素子や高速トランジスタ等の半導体デバイスを作製する際、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶からなる基板（ＧａＮ基板）を用意し、この基板の表面上に、結晶をエピタキシャル成長させる処理が行われる場合がある（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２０１１−０１６６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の結晶成長処理を例えば１２００℃以上の温度条件下で行うと、ＧａＮ基板がサーマルエッチングにより消失することがあり、結晶成長を継続することができないことがある。
【０００５】
本発明の目的は、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、結晶成長を継続できるＧａＮ基板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、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、結晶成長を継続できるＧａＮ基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかるＧａＮ基板の断面構成図である。
【図２】結晶成長処理において用いられる気相成長装置の概略図である。
【図３】（ａ）は、本発明の一実施形態の変形例にかかるＧａＮ基板において、表面側基板にボウル状の反りが生じた様子を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態の変形例にかかるＧａＮ基板において、表面側基板にドーム状の反りが生じた様子を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の他の変形例にかかるＧａＮ基板の断面構成図であり、表面側基板にドーム状の反りが生じた様子を示す図である。
【図５】（ａ）は、実施例にかかる裏面側基板の写真であり、（ｂ）は、（ａ）に示す裏面側基板の結晶配向性の評価結果を示すグラフ図であり、（ｃ）は、（ａ）に示す裏面側基板の面内配向性の評価結果を示すグラフ図である。
【図６】図５（ａ）に示す裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数の温度依存性の評価結果を示すグラフ図である。
【図７】実施例にかかるＧａＮ基板の写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態にかかるＧａＮ基板１０の構成および製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。
【００１０】
（１）ＧａＮ基板の構成
図１に示すように、ＧａＮ基板１０は、ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板１１（以下、基板１１と略す）と、ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板１２（以下、基板１２と略す）と、を備える。
【００１１】
基板１１は、例えば、サファイア基板等の下地基板上にＧａＮ結晶（ＧａＮ単結晶）をエピタキシャル成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨することにより作製することができる。結晶成長の手法としては、気相成長法や液相成長法を問わず、あらゆる公知の手法を用いることが可能である。基板１１は、例えば、直径２〜６インチの円板形状とすることができる。基板１１の厚さは、ＧａＮ基板１０の製造コスト低減のためには極力薄くするのが好ましいが、後述する基板１１と基板１２との接合を歩留まりよく実施するには、自立可能な厚さを有することが好ましい。これらから、基板１１の厚さは、例えば、０．４〜１．０ｍｍの厚さとするのが好ましい。
【００１２】
基板１１が備える２つの主面（表裏面）は、それぞれ、ウルツ鉱構造（六方晶）であるＧａＮ結晶の極性面により構成されている。すなわち、基板１１が備える一方の主面はＮ極性面（−ｃ面、（０００−１）面）により構成されており、基板１１が備える他方の主面はＧａ極性面（＋ｃ面、（０００１）面）により構成されている。これら２つの極性面のうち、Ｎ極性面は、Ｇａ極性面に比べて熱分解耐性が高く、サーマルエッチングされにくいという特性を有する。
【００１３】
ＧａＮ結晶のＧａ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力の窒素（Ｎ２）ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気、すなわち、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）等のハロゲン化物や、アンモニア（ＮＨ３）等の窒化水素や、水素（Ｈ２）等を含む場合、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、上述のサーマルエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。
【００１４】
これに対し、ＧａＮ結晶のＮ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｇａ極性面のそれよりも小さく、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさである。１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気下において、ＧａＮ結晶のＮ極性面のサーマルエッチングレートは、１２００℃以上１３００℃未満の温度下では０．５μｍ／ｈｒ未満、１３００℃以上１３５０℃以下の温度下では４μｍ／ｈｒ未満、１３５０℃超１４００℃以下の温度下では１０μｍ／ｈｒ未満の大きさであることを確認済である。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ２等を含む雰囲気）である場合であっても、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさであり、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートよりも遥かに小さくなることを確認済である。
【００１５】
基板１２は、例えば、下地基板上にＧａＮ多結晶を成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨することにより作製することができる。結晶成長の手法としては、気相成長法や液相成長法を問わず、あらゆる公知の手法を用いることが可能である。基板１２は、例えば、直径２〜６インチの円板形状とすることができる。基板１２は、その表裏を貫通するピット等の貫通孔を有していない。
【００１６】
基板１２の厚さは、後述の結晶成長処理において消失しない厚さとするのが好ましい。ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、６０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、上記雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ２等を含む雰囲気）である場合、ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、上述のサーマルエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。このことから、基板１２の厚さは、例えば２０ｍｍ以上であることが好ましい。基板１２の厚さをこのように設定することで、上述の温度条件下（上述の雰囲気下）でＧａＮ基板１０を加熱した際、基板１２は少なくとも１０時間は消失しないことになる。
【００１７】
基板１２の主面の面内方向における線膨張係数（以下、「基板１２の線膨張係数」とも称する）は、基板１１の主面の面内方向における線膨張係数（以下、「基板１１の線膨張係数」とも称する）と同等であることが好ましい。本明細書における「基板１２の線膨張係数が、基板１１の線膨張係数と同等である」とは、例えば１００〜３００℃における基板１２の線膨張係数と基板１１の線膨張係数との差が、１×１０−６／Ｋ以内、好ましくは０．７×１０−６／Ｋ以内であることを意味する。本実施形態では、上述のように基板１１の主面がＧａＮ結晶の極性面で構成されていることから、ここでいう「基板１１の線膨張係数」とは、ＧａＮ結晶のａ軸方向における線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向における線膨張係数の少なくともいずれかの線膨張係数をいう。ＧａＮ結晶のａ軸方向における線膨張係数は、例えば３００℃の温度下で５．５９×１０−６／Ｋであり、ＧａＮ結晶のＭ軸方向における線膨張係数はａ軸方向における線膨張係数と同程度である。基板１２をこのような構成とすることで、後述の結晶成長処理において、基板１１と基板１２との膨張量を揃えることができる。なお、本発明者は、１００〜３００℃の温度範囲における基板１２の線膨張係数と基板１１の線膨張係数との差が、上述の差であれば、ＧａＮ基板１０の温度を後述の処理温度まで昇温した後室温程度まで降温した場合であっても、基板１１が基板１２から剥離したり、基板１１，１２にクラックが発生したり、ＧａＮ基板１０の結晶成長面となる基板１１の面が分解したりすること等がないことを確認済みである。
【００１８】
基板１２を構成する結晶は、基板１２の主面に対してａ軸方向（＜１１−２０＞方向）又はＭ軸方向（＜１０−１０＞方向）のいずれかに優先配向してなる。ここでいう「結晶がａ軸方向に優先配向してなる」とは、例えば、基板１２の主面を構成する結晶群のうち半数以上の結晶が基板１２の主面に対してａ軸方向に配向していること、すなわち、結晶のａ軸配向度が５０％以上であることを意味する。また、「結晶が基板１２の主面に対してａ軸方向に配向している」とは、結晶のａ軸が基板１２の主面に対して垂直に配向していることを意味する。これらの点は、本明細書において「Ｍ軸方向に優先配向してなる」という文言を用いる場合も同様である。ａ軸配向度が高い基板１２、すなわちａ軸配向性が強い基板１２としては、主面をＸ線回折（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上、好ましくは２５００ｃｐｓ以上である基板が例示される。
【００１９】
本実施形態では、基板１２の作製時に用いられる上述の下地基板として、熱分解法により作製され、面内方向と厚さ方向との間で異方性を有する基板を用いている。このような下地基板としては、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）やパイロリティック窒化硼素（ＰＢＮ）からなる基板が例示される。このような基板を下地基板として用いると、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強く、主面の面内方向における線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等である基板１２を得ることができる。
【００２０】
なお、ＰＧからなる基板等のａ軸配向性が強い基板を下地基板として用いた場合、ａ軸配向性が強く、基板１２の主面の面内方向にＧａＮ結晶のｃ軸成分を多く含む基板１２が得られる。また、ＰＢＮからなる基板等のＭ軸配向性が強い基板を下地基板として用いた場合、Ｍ軸配向性が強く、基板１２の主面の面内方向にＧａＮ結晶のｃ軸成分を多く含む基板１２が得られる。これらのような基板１２の主面の面内方向における線膨張係数は、通常、ＧａＮ単結晶のｃ軸方向における線膨張係数に近くなると考えられる。しかしながら、本実施形態では、下地基板の結晶成長面を構成する結晶粒の平均粒径や、下地基板上に成長するＧａＮ多結晶の成長条件等を制御して基板１２を構成する結晶粒の粒径（最大粒径、平均粒径）を制御することで、基板１２を構成する結晶群の粒界を制御している。その結果、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数を、基板１１の線膨張係数と同等とすることが可能となる。本発明者は、基板１２の平均粒径を例えば７５〜１７５μｍ、好ましくは１２５〜１５０μｍ、より好ましくは１４３μｍ程度とすることで、ａ軸配向性が強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等となることを確認済みである。
【００２１】
基板１２の作製時に用いられる下地基板として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなり、所定粒径（平均粒径、最大粒径）を有する複数の結晶粒（結晶粉末）を焼結することで作製され、主面を構成する複数の結晶粒のうち多数の結晶粒が所定の同一方位へ配向してなる基板等を用いてもよい。このような下地基板を用いた場合であっても、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強く、主面の面内方向における線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等である基板１２を得ることができる。
【００２２】
ＧａＮ基板１０は、基板１１のＧａ極性面と、基板１２が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が当接（密着）して直接接合されて構成されている。これにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａは、サーマルエッチングレートの比較的小さなＮ極性面により構成されることとなる。また、サーマルエッチングレートの比較的大きなＧａ極性面は、ＧａＮ基板１０の表裏面全体にわたって露出しない状態となる。なお、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の表面１０ａは結晶成長面として用いられ、非結晶成長面である裏面１０ｂは加熱されたサセプタ２０８に当接する被支持面として用いられる。
【００２３】
ＧａＮ基板１０を上述の構成とすることで、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２をエッチング犠牲層として作用させることができ、サーマルエッチングされやすい基板１１のＧａ極性面の露出を回避することが可能となる。
【００２４】
なお、ＧａＮ基板１０の表面１０ａを構成する結晶のオフ角θは、それぞれ、任意の向き、任意の大きさに設定することができる。ここで「オフ角」とは、ＧａＮ基板１０の主面（表面１０ａ）に直交する軸と、この主面を構成するＧａＮ結晶のｃ軸と、のなす角のことをいう。表面１０ａにおけるオフ角θを０．５〜５°の範囲内の角度とすることで、結晶成長面である表面１０ａにおいて、結晶成長のきっかけとなる結晶のステップを適正に確保することができ、後述の結晶成長処理において、ＧａＮ結晶の成長レートを実用的な大きさとすることが容易となる。
【００２５】
（２）ＧａＮ基板の製造方法
続いて、基板１１，１２を接合してＧａＮ基板１０を製造する方法について説明する。
【００２６】
まず、上述のように構成された基板１１，１２をそれぞれ用意する。後述する接合手法を用いる場合、基板１１，１２の接合強度を高める観点から、接合面となる基板１１のＧａ極性面および基板１２の一方の主面を、それぞれ研磨等して鏡面化しておくことが好ましい。
【００２７】
続いて、基板１１，１２の接合面のそれぞれに対し、真空（減圧）雰囲気中でＡｒガス等の希ガスのプラズマを照射（プラズマ処理）する。これにより、基板１１，１２の接合面上に形成されていた自然酸化膜や、これらの接合面上に付着していた不純物等を除去しつつ、基板１１，１２の接合面の全面を活性化させることが可能となる。具体的には、基板１１，１２の接合面に、ガリウム（Ｇａ）原子のダングリングボンド（未結合手）を生じさせることが可能となる。なお、基板１１，１２の接合面の活性化は、上述のプラズマ処理の他、イオン処理、薬液による化学処理、洗浄処理、ＣＭＰ処理等により行ってもよい。その後、基板１１，１２を大気中に曝露する。これにより、基板１１，１２の接合面に存在するＧａ原子の未結合手のうち少なくとも一部が、大気中に含まれる水分等と反応し、ヒドロキシ基（−ＯＨ基）によって終端される。そして、例えば、室温（２０〜３０℃の範囲内の所定の温度、約２７℃）〜４００℃の温度下で、基板１１および基板１２の接合面同士を互いに当接（圧接）させる。続いて、基板１１と基板１２との積層体の温度を例えば４００〜１０００℃までさらに上昇させ、アニール処理（熱処理）を行い、基板１１と基板１２との接合面で脱水反応を生じさせる。これらの工程を経ることにより、基板１１，１２が、接合面を介して直接的に、すなわち、原子レベルで強固に接合し、上述のＧａＮ基板１０が得られる。
【００２８】
なお、基板１１と基板１２とを接合する方法は、上述した手法に限定されない。例えば、基板１１，１２の接合面を薬液と純水で洗浄処理した後、０．１〜１０ＭＰａ程度の高圧力をかけて基板１１，１２を接合する高圧接合法や、基板１１，１２の接合面を薬液と純水で洗浄処理した後、１０−６〜１０−３Ｐａ程度の高真空雰囲気下で基板１１，１２を接合する高真空接合法は、上述した手法と同様に接着剤を用いる必要がないことから、好適に用いることができる。
【００２９】
（３）結晶成長処理
続いて、上述のＧａＮ基板１０を用い、その表面１０ａ上にＧａＮ結晶をＮ極性面方向（−ｃ軸方向）にエピタキシャル成長させる処理の一例について説明する。この処理は、例えば、図２に示す気相成長装置２００を用いて行うことができる。
【００３０】
気相成長装置２００は、石英等の耐熱性材料により構成され、成長室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成長室２０１内には、ＧａＮ基板１０を保持する支持部材としてのサセプタ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、回転自在に構成されている。
【００３１】
気密容器２０３の一端には、ＧａＣｌ３ガスを供給するガス供給管２３２ａ、ＮＨ３ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、窒素（Ｎ２）ガスを供給するガス供給管２３２ｃがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃには、水素（Ｈ２）ガスを供給するガス供給管２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜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上に保持されたＧａＮ基板１０に向けて供給するノズル２４９ａ〜２４９ｃが、それぞれ接続されている。
【００３２】
ガス供給管２３２ａには、ガス流の上流側から順に、ガス生成器２３３ａ、バルブ２４３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａの内部には、常温で固体である固体原料（固体のＧａＣｌ３）が収容される。ガス生成器２３３ａの外部には、固体原料を加熱して気化ガス（ＧａＣｌ３ガス）を得るためのヒータ２０７ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、キャリアガスとしてのＮ２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス生成器２３３ａ内で発生させたＧａＣｌ３ガスは、ガス供給管２３２ｅから供給されたキャリアガスによって成長室２０１内へ運ばれる。ガス供給管２３２ａ，２３２ｅには、ＧａＣｌ３ガスの液化や固化を防ぐための配管ヒータ（不図示）が設けられている。
【００３３】
ガス供給管２３２ｂ〜２３２ｅには、ガス流の上流側から順に、流量制御器２４１ｂ〜２４１ｅ、バルブ２４３ｂ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅよりも上流側と、ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ａよりも下流側との間には、バイパス管２３２ｆが接続されている。バイパス管２３２ｆにはバルブ２４３ｆが設けられている。バルブ２４３ｅ，２４３ａを閉じた状態で、バルブ２４３ｆを開くことで、ガス生成器２３３ａをバイパスして成長室２０１内へＮ２ガスを供給することが可能となっている。
【００３４】
気密容器２０３の他端には、成長室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２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、サセプタ２０８上に保持されたＧａＮ基板１０を所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７が設けられている。気密容器２０３内には、成長室２０１内の温度を測定する温度センサ２０９が設けられている。気相成長装置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。
【００３５】
結晶成長処理では、上述の気相成長装置２００により、例えば以下の処理手順が実施される。まず、ＧａＮ基板１０を気密容器２０３内へ投入（搬入）し、サセプタ２０８上に保持する。また、固体原料をガス生成器２３３ａ内に収容し、ヒータ２０７ａにより加熱して気化させ、ＧａＣｌ３ガスを発生させる。また、ガス供給管２３２ａ，２３２ｅを所望の温度となるように加熱する。そして、成長室２０１内の加熱および排気を実施しながら、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを閉じた状態で、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆを適宜開き、成長室２０１内へＨ２ガス、或いは、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスを供給する。そして、成長室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、また、成長室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、バルブ２４３ｆを閉じ、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを開いて、ＧａＮ基板１０の表面１０ａに対しＧａＣｌ３ガスとＮＨ３ガスとを供給する。これにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に、ＧａＮ結晶が、−ｃ軸方向に向けてエピタキシャル成長する。ＮＨ３ガスの供給は、ＧａＣｌ３ガスの供給よりも先に開始してもよい。なお、表面１０ａ上に成長させるＧａＮ結晶の面内均一性を高めるため、結晶成長処理は、サセプタ２０８を回転させた状態で実施するのが好ましい。結晶成長が完了したら、バルブ２４３ｅ，２４３ａ，２４３ｂを閉じ、成長室２０１内へのＧａＣｌ３ガス、ＮＨ３ガスの供給を停止する。その後、バルブ２４３ｃ，２４３ｆの少なくともいずれかを開き、パージガスとしてのＮ２ガスの成長室２０１内への供給を継続しながら成長室２０１内を降温させ、処理後のＧａＮ基板１０を気密容器２０３内から搬出し、本実施形態の結晶成長処理を終了する。
【００３６】
結晶成長処理の条件としては、以下が例示される。
ガス生成器２３３ａの温度：９０〜１１０℃
ガス供給管２３２ａ，２３２ｅの温度：２００〜２１０℃
キャリアガスの流量：８０〜１２０ｓｃｃｍ
成長室２０１内におけるＮＨ３ガスの分圧／ＧａＣｌ３ガスの分圧：１８〜２２
処理温度（ＧａＮ基板１０の温度）：１２００〜１４００℃、好ましくは、１２５０〜１３００℃
処理圧力（成長室２０１内の圧力）：９０〜１０５ｋＰａ、好ましくは、９０〜９５ｋＰａ
【００３７】
ここで行う結晶成長は、上述したように、ＧａＮ結晶の−ｃ軸方向に向けた成長である。この方向への成長は、Ｇａ極性面方向（＋ｃ軸方向）に向けた成長で採用される温度条件、すなわち、９００〜１１００℃の温度条件下では、進行させることが困難である。そこで、本実施形態では、温度条件を上述のように高く設定することにより、−ｃ軸方向に向けた結晶成長を、実用的なレートで、例えば、８０〜９０μｍ／ｈｒのレートで進行させるようにしている。
【００３８】
但し、上述の温度条件下では、表面がＮ極性面、裏面がＧａ極性面により構成されたＧａＮ基板を種結晶基板として用いると、裏面のサーマルエッチングが過剰に進行し、種結晶基板の消失を招くことになる。本実施形態のＧａＮ基板１０では、基板１２がエッチング犠牲層として作用することから、温度条件を上述のように高く設定する必要がある−ｃ軸方向に向けた結晶成長であっても、基板１１の消失を回避することが可能となり、この方向への結晶成長を確実に進行（継続）させることが可能となる。ＧａＮ多結晶により構成された裏面１０ｂのサーマルエッチングレートは、上述のように、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度条件下では、２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上述のように、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２は例えば２０ｍｍ以上の厚さを有することから、上述の温度条件下では、基板１２は少なくとも１０時間は消失しないことになる。基板１２が消失しない限り、基板１１の接合面、すなわち、サーマルエッチングされやすいＧａ極性面は露出しないことから、本実施形態におけるＧａＮ基板１０は、上述の温度条件下において、種結晶基板として好適に用い続けることが可能である。
【００３９】
なお、表面１０ａ上にＧａＮ結晶を成長させると、基板１１に反りが生じる場合がある。というのも、基板１１の主面には、所定のオフ角の面内分布（例えば直径が２インチ程度の基板であれば、その主面内に±０．３°程度のオフ角の面内分布）が存在する。このため、上述の結晶成長処理において表面１０ａ（基板１１のＮ極性面）上に成長させる結晶の成長面（Ｎ極性面）には、その面内方向に、圧縮応力あるいは引張応力が加わることになる。これらの応力が結晶成長の進行に伴って徐々に大きくなることにより、基板１１にボウル状（凹状）あるいはドーム状（凸状）の反りが生じる場合がある。例えば、基板１１をＶＡＳ（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）法により作製した場合、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に結晶が成長することで、基板１１にボウル状の反りが生じやすくなる。本実施形態では、基板１１，１２を非常に高い接合強度で直接接合していることから、基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１の接合面、すなわちＧａ極性面は露出しない。そのため、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０の消失を、より確実に回避することが可能となる。
【００４０】
以上、１２００℃以上の温度条件下で行うＧａＮ結晶の成長手法の一例について説明したが、本実施形態で利用可能な成長手法は、上述の手法に限定されない。例えば、結晶成長が行われる成長室の内部でＧａ原料とＣｌ２ガス等を反応させてＧａＣｌ３ガスを発生させるＴｒｉ−ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１００ｋＰａ、１１００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてハロゲン元素非含有のＧａ蒸気とＮＨ３ガスとを供給するノンハロゲンＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１０５ｋＰａ、１２００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとＮＨ３ガスとを供給する高温ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。これらの場合であっても、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２をエッチング犠牲層として作用させることができる。
【００４１】
（４）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。
【００４２】
（ａ）ＧａＮ単結晶で構成された基板１１のＧａ極性面およびＧａＮ多結晶で構成された基板１２の一方の主面をそれぞれ接合面として、基板１１，１２を直接接合してＧａＮ基板１０を構成することで、結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０を１２００℃以上の温度に加熱した際、基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。このことから、ＧａＮ基板１０を、温度条件を高く設定する必要がある結晶成長処理、例えば−ｃ軸方向に向けたＧａＮ結晶の成長処理において、種結晶基板等として好適に用いることができる。
【００４３】
（ｂ）基板１２を作製する際、基板１２を構成する結晶群の粒界を制御することで、ａ軸配向性又はＭ軸配向性の強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数を基板１１と同等の線膨張係数、すなわちＧａＮ結晶のａ軸方向又はＭ軸方向における線膨張係数とすることができる。また、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２の作製時に用いる下地基板は、ｃ軸配向性が強い基板の作製時に用いる下地基板よりも入手が容易であることから、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２は、ｃ軸配向性が強い基板よりも容易に製造することができる。
【００４４】
（ｃ）基板１２の主面の面内方向における線膨張係数が、基板１１の主面の面内方向における線膨張係数と同等であることから、上述の結晶成長処理において、基板１１と基板１２との膨張量を確実に揃えることができる。これにより、ＧａＮ基板１０に生じる反りをより小さくでき、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶の品質をさらに向上させることができる。また、基板１１と基板１２との間の界面に生じる熱応力を低減できることから、基板１１と基板１２との接合状態が解除されること、すなわち基板１１が基板１２から剥がれることを抑制できる。
【００４５】
（ｄ）基板１１と基板１２とを、これらの間に基板１１，１２（ＧａＮ）と線膨張係数が異なる層（例えばＧａＮ以外の材料からなる層）を挟むことなく直接接合させている。このため、上述の結晶成長処理において、ＧａＮと線膨張係数が異なる層を挟むことに起因してＧａＮ基板１０に加わる応力を抑制できる。これにより、ＧａＮ基板１０に生じる反りを小さくでき、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶の品質を向上させることができる。
【００４６】
（ｅ）基板１１と基板１２とを上述の手法により原子レベルで直接接合させることから、これらの接合強度を非常に高いものとすることが可能となる。そのため、上述の結晶成長処理においてオフ角の面内分布に起因して基板１１に反りが生じた場合であっても、Ｇａ極性面の露出を防止することができ、基板１１の消失をより確実に回避することが可能となる。
【００４７】
（ｆ）基板１１と基板１２とを、接着剤を用いることなく直接接合することにより、上述の結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶中に接着剤の成分が混入することを回避することができ、この結晶の品質を向上させることができる。
【００４８】
（ｇ）基板１２をＧａＮ多結晶で構成することで、基板１２をＧａＮ単結晶で構成する場合よりも、基板１２を低コストで製造できる。
【００４９】
（変形例）
本実施形態は、以下に示す変形例のように変更することが可能である。
【００５０】
［変形例１］
図３（ａ）、図３（ｂ）にそれぞれＧａＮ基板１０Ａの断面構成図を示すように、基板１１と基板１２との間に閉空間として構成された空隙１３を設けてもよい。そして、基板１１のＧａ極性面および基板１２の一方の主面を接合面とし、これらの面の外周部のみを当接させて互いに接合してもよい。空隙１３は、例えば、基板１１又は基板１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周部に、凹部（掘り込み部）を設けることで形成することができる。図３（ａ）、図３（ｂ）は、基板１２の接合面の内周部に、平面視で円形状の凹部を設けた場合を例示している。基板１２の接合面に凹部を設ける場合、基板１２の最薄部の厚さを例えば２０ｍｍ以上とすることが好ましい。基板１１，１２の接合部の幅（接合最小幅）は、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じたとしても、連続した接合状態を維持できる幅であって、かつ、基板１１の反りを極力阻害しない幅とする。
本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。
【００５１】
また、基板１１と基板１２とをこれらの外周部で互いに接合させることにより、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の外周部の接合状態が維持され、基板１１のＧａ極性面が露出しない。このため、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ａを用いた場合であっても、基板１１の消失を回避することが可能となる。
【００５２】
また、上述の結晶成長処理においてＧａＮ基板１０Ａを加熱した際、基板１１のＧａ極性面がサーマルエッチングされ、Ｇａ極性面からＧａが蒸発したとしても、空隙１３を閉空間として構成することにより、発生したＧａ蒸気を空隙１３内に封じ込めることが可能となる。そのため、ＧａＮ基板１０Ａの加熱をそのまま継続しても、空隙１３内がＧａＮの平衡蒸気圧に達することで、それ以上のＧａＮの昇華（Ｇａの蒸発）は進行しなくなる。このことから、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０Ａの消失をより確実に回避することが可能となる。
【００５３】
また、空隙１３を設けることにより、上述の結晶成長処理において、図３（ａ）に例示するようなボウル状の反り、あるいは、図３（ｂ）に例示するようなドーム状の反りが、基板１１に生じた場合に、基板１１の反りが殆ど阻害されなくなる。結果として、表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を大幅に緩和（解放）させることができ、結晶２０の品質を大幅に向上させることができる。
【００５４】
［変形例２］
基板１１，１２の接合は、接合面のうち内周側の接合強度を外周側の接合強度よりも低くするように実施してもよい。接合面内における接合強度分布（面内強度分布）をこのように設定することにより、図４にＧａＮ基板１０Ｂの断面構成図を示すように、上述の結晶成長処理において基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１および基板１２のうちいずれか一方の基板の内周部が、一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離し、基板１１の内周部が基板１２から解放されることとなる。
【００５５】
上述の面内強度分布は、例えば、基板１１，１２の接合時にプラズマ処理を実施する際、基板１１，１２の接合面の内周にマスク等を施してプラズマを照射させないようにし、基板１１，１２の接合面の内周側にＯＨ基終端等を作らせないようにすることにより、実現することができる。
【００５６】
また例えば、上述の面内強度分布は、基板１１又は基板１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周側にスマートカット（登録商標）等の水素脆化加工を施すことにより実現することもできる。基板１１，１２のいずれかに対してこのような加工を施すことにより、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１，１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周側、すなわち、上述の水素脆化加工を施した部分を意図的に破断（接合面の表面のうち内周側を剥離）させ、基板１１の内周部を基板１２から解放させることが可能となる。なお、この加工を基板１１に施す際、対象となる基板には、接合面（Ｇａ極性面）側から水素イオン等を打ち込むことが好ましい。
【００５７】
本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。
【００５８】
また、本変形例によれば、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の少なくとも外周部の接合状態が維持され、基板１１のＧａ極性面が露出しない。このため、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ｂを用いた場合であっても、その消失を回避することが可能となる。
【００５９】
また、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１あるいは基板１２の内周部が剥離することにより、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を緩和させることができ、この結晶２０の品質を向上させることができる。
【００６０】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の一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。
【００６１】
上述の実施形態および変形例では、ＧａＮ基板の結晶成長面をＮ極性面で構成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば上述の変形例では、ＧａＮ基板の結晶成長面をＧａ極性面で構成してもよい。
【００６２】
本発明は、上述の結晶成長処理においてＧａＮ結晶を成長させる場合に限らず、例えば、窒化アルミニウム（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）等の窒化物結晶、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる際にも、好適に適用可能である。
【００６３】
また、上述の実施形態や変形例は、適宜組み合わせることができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６５】
実施例として、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）からなる下地基板を用い、この下地基板上にＧａＮ多結晶をハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨し、ＧａＮ多結晶からなる裏面側基板を作製した。図５（ａ）に、得られた裏面側基板、すなわち研磨後であって自立状態にある裏面側基板の写真を示す。
【００６６】
本実施例の裏面側基板の結晶配向性の評価をＸＲＤにより行った。この評価は、波長１．５４０５６ÅであるＣｕのＫα１線を用い、θ―２θ法の面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定により行っている。図５（ｂ）に裏面側基板が有する２つの主面のうち一方の主面の回折パターンを示す。図５（ｂ）の縦軸は、回折強度（ｃｐｓ：ｃｏｕｎｔ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）を示し、横軸は、回折角度２θ（°）を示している。図５（ｂ）から、（１１−２０）面のピーク強度が２５００ｃｐｓ以上であり、本実施例の裏面側基板（の主面）はａ軸方向性が強いことが分かる。
【００６７】
また、本実施例の裏面側基板の面内配向性の評価を行った。この評価は、裏面側基板（試料）の面内方向および裏面側基板の傾き角を変更可能なＸ線回折装置を用いて行った。上述のように、本実施例の裏面側基板はａ軸配向性が強いことから、この評価では、裏面側基板の傾き角（Ｐｓｉ軸の角度）を３１．６°に固定し、裏面側基板の面内方向（Ｐｈｉ軸の角度）を変更しながら裏面側基板を構成する結晶の（１１−２２）面の面内配向性を確認した。図５（ｃ）に、この評価で得た裏面側基板の一方の主面の回折パターンを示す。図５（ｃ）の縦軸は、回折強度（ｃｐｓ）を示し、横軸は、Ｐｈｉ軸の回転角度φ（°）を示している。図５（ｃ）から、裏面側基板の主面には明確な面内配向性がないこと、すなわち裏面側基板はＧａＮ多結晶で構成されていることが分かる。
【００６８】
また、本実施例の裏面側基板の線膨張係数の温度依存性の評価を行った。図６に、本実施例の裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数の温度依存性の評価結果のグラフ図を示す。また、図６に、ＧａＮ単結晶のａ軸方向における線膨張係数の温度依存性、およびＧａＮ単結晶のＭ軸方向における線膨張係数の温度依存性のグラフ図もそれぞれ示す。図６から、本実施例の裏面側基板の線膨張係数は、ＧａＮ単結晶のａ軸方向およびＭ軸方向の線膨張係数と同等であることが分かる。その結果、本実施例の裏面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成される表面側基板と、を接合してなるＧａＮ基板が、上述の結晶成長処理において種結晶基板として用いられた場合、表面側基板と裏面側基板との膨張量を揃えることができ、表面側基板と裏面側基板との間の界面に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【００６９】
図７に、ＧａＮ単結晶で構成される表面側基板と、ＧａＮ多結晶で構成される裏面側基板と、を、直接接合してなるＧａＮ基板の写真を示す。本実施例のＧａＮ基板は、表面側基板のＧａ極性面および裏面側基板の一方の主面を接合面とし、上述の実施形態に記載の手法により直接接合している。図７から、表面側基板と裏面側基板とを、接着剤を用いることなく、高い接合強度で直接接合できていることが分かる。
【００７０】
＜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。
【００７１】
（付記１）
本発明の一態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板が提供される。
【００７２】
（付記２）
付記１の基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、前記表面側基板の主面の面内方向における線膨張係数と同等である。
【００７３】
（付記３）
付記１または２の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板の前記結晶成長面は、ＧａＮ結晶のＮ極性面で構成されており、
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、ＧａＮ結晶のａ軸方向の線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向の線膨張係数のいずれかと同等である。
【００７４】
（付記４）
付記１〜３のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向又はＭ軸方向のいずれかに優先配向してなる。
【００７５】
（付記５）
付記１〜４のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向に優先配向してなり、
前記裏面側基板の主面をＸ線回折（ＸＲＤ）により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上、好ましくは２５００ｃｐｓ以上である。
【００７６】
（付記６）
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の厚さが２０ｍｍ以上である。
【００７７】
（付記７）
付記１〜６のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板に反りが生じた場合であっても、前記接合面のうち少なくとも外周部の接合状態が維持される。
【００７８】
（付記８）
付記７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板とが、これらの外周部で互いに接合されてなり、
前記表面側基板と前記裏面側基板との間には、閉空間として構成された空隙が設けられている。
【００７９】
（付記９）
付記７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板との接合面のうち、内周側の接合強度が外周側の接合強度よりも低く、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板がドーム状に反ろうとする際、前記表面側基板および前記裏面側基板のうちいずれか一方の基板の内周部が、前記一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離するよう構成されている。
【符号の説明】
【００８０】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  ＧａＮ基板
１１                  表面側基板
１２                  裏面側基板
【図１】
2019073425.tif 000003
【図２】
2019073425.tif 000004
【図３】
2019073425.tif 000005
【図４】
2019073425.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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