(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム含有窒化物結晶であって、
長さが５ミリメートルを超える結晶基板部材と；
半極性配向を有する少なくとも１つの表面であって、前記半極性配向は、ｍ面配向およびｃ面配向の両方から５度以上の角度でミスカットされている表面と；
１０１６ｃｍ―３を超える不純物濃度であって、少なくとも１つの不純物は、Ｏ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、ＭｎおよびＦｅから選択され、前記少なくとも１つの不純物は、前記結晶の少なくとも１つの表面に平行な方向において分布を有し、前記結晶の少なくとも１つの表面は、前記少なくとも１つの不純物のより高い不純物濃度及びより低い不純物濃度の少なくとも４つの交互の帯を含み、前記より高い不純物濃度は、前記より低い不純物濃度と比較して１．０５倍〜４０倍高い不純物濃度と
を備えたガリウム含有窒化物結晶。
【請求項２】
前記半極性配向は、｛６０−６±１｝、｛５０−５±１｝、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０−５±２｝、｛２０−２±１｝、｛３０−３±２｝、｛４０−４±３｝および｛５０−５±４｝の何れかの３度以内である請求項１に記載の結晶。
【請求項３】
前記長さは２５ミリメートルを超える請求項１に記載の結晶。
【請求項４】
少なくとも１つの表面の転位密度は１０７ｃｍ−２未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項５】
少なくとも１つの表面の結晶配向に対応する対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は１５０秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項６】
前記結晶内の少なくとも１つの不純物の分布は、前記より高い不純物濃度および前記より低い不純物濃度の少なくとも８つの交互の帯を含み、前記より高い不純物濃度は前記より低い不純物濃度と比較して１．０５倍〜１０倍高い請求項１に記載の結晶。
【請求項７】
前記結晶基板部材は、実質的にウルツ鉱構造を有し、他の結晶構造を実質的に含まず、前記他の結晶構造は前記実質的にウルツ鉱構造である構造の体積の１％未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項８】
前記少なくとも１つの不純物はＯおよびＨから選択され、前記分布は前記より高い不純物濃度および前記より低い不純物濃度の少なくとも８つの交互の帯を含み、前記より高い不純物濃度は前記より低い不純物濃度と比較して１．１倍〜２倍高い請求項１に記載の結晶。
【請求項９】
少なくとも１つの表面の転位密度は１０６ｃｍ−２未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１０】
少なくとも１つの表面の結晶配向と関連付けられた最低次対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は１５０秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１１】
少なくとも１つの表面の転位密度は１０５ｃｍ−２未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１２】
少なくとも１つの表面の転位密度は１０４ｃｍ−２未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１３】
少なくとも１つの表面の結晶配向に対応する対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は１００秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１４】
少なくとも１つの表面の結晶配向と関連付けられた最低次対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は１００秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１５】
少なくとも１つの表面の結晶配向に対応する対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は５０秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１６】
少なくとも１つの表面の結晶配向に対応する最低次対称Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は５０秒未満である請求項１に記載の結晶。
【請求項１７】
前記帯は、前記少なくとも１つの表面に平行な方向において周期的分布を有し、０．０１ミリメートル〜１０センチメートルの周期を有する、請求項１に記載の結晶。
【請求項１８】
前記帯は、前記少なくとも１つの表面に平行な方向において周期的分布を有し、０．１ミリメートル〜５０ミリメートルの周期を有する、請求項１に記載の結晶。
【請求項１９】
前記帯は、前記少なくとも１つの表面に平行な方向において周期的分布を有し、１ミリメートル〜１０ミリメートルの周期を有する、請求項１に記載の結晶。
【請求項２０】
ガリウム含有窒化物結晶であって、
長さが２５ミリメートルを超える結晶基板部材と；
半極性配向を有する少なくとも１つの表面であって、前記半極性配向は、ｍ面配向およびｃ面配向の両方から５度以上の角度でミスカットされ、｛６０−６±１｝、｛５０−５±１｝、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０−５±２｝、｛２０−２±１｝、｛３０−３±２｝、｛４０−４±３｝および｛５０−５±４｝のうち１つの３度以内である表面と；
１０１６ｃｍ―３を超える不純物濃度であって、少なくとも１つの不純物は、Ｏ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆ、Ｃｌ、ＢｒおよびＩから選択され、前記少なくとも１つの不純物は、前記結晶の少なくとも１つの表面に平行な方向において分布を有し、前記結晶の少なくとも１つの表面は、前記少なくとも１つの不純物のより高い不純物濃度及びより低い不純物濃度の少なくとも４つの交互の帯を含み、前記より高い不純物濃度は、前記より低い不純物濃度と比較して１．０５倍〜１０倍高い不純物濃度と
を備えたガリウム含有窒化物結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮出願第６１／６５５，１７２号（出願日：２０１２年６月４日）の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の利益を主張する。同文献を参考のために援用する。
政府ライセンス権  
本発明は、米国エネルギー省から付与された契約ＤＥ−ＳＣ０００６１６８における政府援助に基づく。政府は本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
本開示は主に、結晶成長のための材料の処理に関する。より詳細には、本開示は、アモノサーマル技術（例えば、アモノ塩基性またはアモノ酸性技術）によってガリウム含有窒化物結晶を得るための方法を提供する。しかし、他の技術も利用可能である。特定の実施形態において、本開示は、窒化物結晶の大規模処理のための装置を提供するが、他の結晶および材料も処理され得る。このような結晶および材料を挙げると、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、IｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ、ならびにバルクまたはパターン基板の製造のための他の材料がある。このようなバルクまたはパターン基板は、多様な用途に用いられ得る（例えば、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分離および水素生成デバイス、光検出器、集積回路、パワーエレクトロニクス、トランジスタ、他のデバイスなど）。
【背景技術】
【０００３】
窒化ガリウム含有結晶材料は、従来の光電子デバイス（例えば、青色発光ダイオードおよびレーザ）の製造の出発点となる。このような光電子デバイスは、組成が堆積窒化物層と異なるサファイアまたは炭化ケイ素基板上に製造されることが多かった。従来の有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）方法の場合、ＧａＮ堆積は、気相のアンモニアおよび有機金属化合物から行われる。この方法は成功するが、従来の成長速度に起因して、ＧａＮ材料のバルク層を提供することが困難になる。さらに、転位密度も高いため、光電子デバイス性能の劣化に繋がる。
【０００４】
バルク単結晶窒化ガリウムを得るための他の技術が提案されている。このような技術を挙げると、気相中のハロゲン化物および水素化物を用いたエピタキシャル析出がある（例えば、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）（Ｍｏｔｏｋｕ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｓｙｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、２３７−２３９、９１２（２００２））。残念なことに、ＨＶＰＥ技術には欠陥がある。すなわち、場合によっては、転位密度、ストレスなどに起因して、バルク単結晶窒化ガリウムの品質が、高品質レーザダイオードに対して不十分であることが多い。また、ＨＶＰＥのスケールアップが困難であり、特に半極性ブールおよびウェーハの製造において高コストになりがちである。
【０００５】
超臨界アンモニアを用いた技術が提案されている。Ｐｅｔｅｒｓは、窒化アルミニウムのアモノサーマル合成について記載している（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  １０４、４１１−４１８（１９９０））。Ｄｗｉｌｉｎｓｋｉらによれば、ガリウムおよびアンモニアのうち後者がアルカリ金属アミド（ＫＮＨ２またはＬｉＮＨ２）を含む場合、ガリウムおよびアンモニアからの合成により、微結晶窒化ガリウムを得ることが可能であることが分かっている。上記および他の技術については、「ＡＭＭＯＮＯ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ＢＮ、ＡＩＮ、ａｎｄ  ＧａＮ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  Ｃｒｓｙｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ」（Ｐｒｏｃ．ＥＧＷ−３、Ｗａｒｓａｗ、Ｊｕｎ．２２−２４、１９９８、ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、「Ｃｒｓｙｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｉｎ  ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ａｍｍｏｎｉａ」（Ｋｏｌｉｓ  ｅｌ  ａｌ．、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ、２２２、４３１−４３４（２００１））およびＫｏｌｉｓ  ｅｔ  ａｌ．、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４９５、３６７−３７２（１９９８）に記載がある。しかし、これらの超臨界アンモニアプロセスを用いたバルク単結晶の大規模製造は、特に半極性ブールおよびウェーハについては達成されていなかった。
【０００６】
Ｄｗｉｌｉｎｓｋｉ（米国特許第６，６５６，６１５号および第７，３３５，２６２号）およびＤ’Ｅｖｅｌｙｎ（米国特許第７，０７８，７３１号および第７，１０１，４３３号）には、従来のＧａＮのアモノサーマル結晶成長における装置および方法が開示されている。これらの方法は、比較的小型のＧａＮ結晶の成長においては有用であるが、大規模製造においては制約がある。内径が４０ｍｍである従来の装置の場合、小直径のＧａＮ結晶の成長には有用であるが、ＧａＮブールの大規模成長には不適切である。さらに、単一のレーザ穿孔穴を通じてワイヤを用いた従来の種結晶懸濁液の場合、小結晶には適しているものの、大規模製造には適応することができない。その他にも、制約が存在する。
上記から、特に半極性ブールおよびウェーハのための大規模ＧａＮ結晶成長における向上した技術が望まれていることが理解される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６６５６６１５号公報
【特許文献２】米国特許第７３３５２６２号公報
【特許文献３】米国特許第７０７８７３１号公報
【特許文献４】米国特許第７１０１４３３号公報
【発明の概要】
【０００８】
本開示によれば、ガリウム含有窒化物結晶の材料の処理に関する技術が提供される。より詳細には、本開示は、アモノサーマル技術（例えば、アモノ塩基性技術およびアモノ酸性技術だが、これに限定されない）によってガリウム含有窒化物結晶を得るための方法を提供する。特定の実施形態において、本開示は、ガリウム含有窒化物結晶の大規模処理のための装置を提供する。しかし、本明細書中に開示される方法を用いて、他の結晶および材料を処理することも可能である。このような結晶および材料を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ、ＢＮおよびその合金や、バルク基板またはパターン基板製造のための他のものがある。このようなバルク基板またはパターン基板は、多様な用途に利用することが可能である（例えば、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分離および水素生成デバイス、光検出器、集積回路、パワーエレクトロニクス、トランジスタおよび他のデバイス）。
【０００９】
第１の側面において、以下を含むガリウム含有窒化物結晶またはウェーハが提供される：長さが約５ミリメートルを超える結晶基板部材と、半極性配向を有する大面積表面であって、上記半極性配向は、上記ｍ面配向およびｃ面配向それぞれから少なくとも約５度だけミスカットされ、大面積表面と、Ｏ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｃｕ、ＭｎおよびＦｅから選択された約１０１６ｃｍ―３の少なくとも１つの不純物よりも高い不純物濃度であって、上記少なくとも１つの不純物は、上記結晶またはウェーハの少なくとも１つの大面積表面に沿った分布を有し、上記結晶またはウェーハは、少なくとも４帯の交互のより高い不純物濃度および／またはより低い不純物濃度の上記少なくとも１つの不純物を含み、上記より高い不純物濃度は、上記より低い不純物濃度よりも約１．０５倍〜約４０倍高い。
【００１０】
第２の側面において、以下を含むガリウム含有窒化物半極性ウェーハの製造方法が提供される：ガリウム含有原料を提供することと、鉱化剤を提供することと、複数のガリウム含有窒化物シードプレートを提供することであって、上記複数のシードプレートはそれぞれ、第１の大面積表面を含み、上記第１の大面積表面は、ｍ面、ｃ面および｛１０−１±１｝から選択された約５度の成長内において第１の結晶配向を有し、上記複数のシードプレートそれぞれの成長配向は、約５度内に相当し、上記複数のシードプレートのうち少なくとも２つの第１の結晶配向は少なくとも約０．０５度だけ異なる、ことと、上記複数のシードプレートをシードラック中に支持することであって、上記シードラックは処理条件下において実質的に硬質である、ことと、上記原料と、上記鉱化剤と、上記複数のシードプレートを支持する上記シードラックとをスケーラブルコンテナ中に配置することと、上記スケーラブルコンテナ中に窒素含有溶媒を導入することと、上記スケーラブルコンテナ中に含まれる上記原料、上記鉱化剤および上記複数のシードプレートを超臨界流体中において約４００℃を超える温度〜約１ｋｂａｒよりも高い圧力で処理することと、上記複数のシードプレートそれぞれをブール中で成長させることであって、上記ブールの厚さは少なくともＤｓｉｎξであり、Ｄは上記半極性ウェーハの最小直径であり、ξは、成長配向と第１の半極性結晶配向との間の約５度以上の角度である、ことと、上記スケーラブルコンテナから上記複数のブールを除去することと、上記複数のブールのうち少なくとも１つをスライスして、直径が少なくともＤに等しい少なくとも１つの半極性ウェーハとすること。
【００１１】
第３の側面において、ガリウム含有窒化物半極性ウェーハの製造方法が提供される。上記方法は、以下を含む：ガリウム含有原料を提供することと、鉱化剤を提供することと、複数のガリウム含有窒化物シードプレートを提供することであって、上記複数のシードプレートはそれぞれ大面積表面を含み、上記大面積表面はそれぞれ、ｍ面と｛１０−１±１｝との中間の半極性結晶配向を有し、上記［０００１］ｃ方向における約５〜約−５度のミスカットと、上記＜１１−２０＞ａ方向における１度以下のミスカットとを含む、ことと、上記複数のシードプレートをシードラック中に支持することと、上記原料と、上記鉱化剤と、上記複数のシードプレートを支持している上記シードラックとをスケーラブルコンテナ中に配置することと、上記スケーラブルコンテナ内に窒素含有溶媒を導入することと、上記原料と、上記鉱化剤と、上記スケーラブルコンテナ内に収容された複数のシードプレートとを超臨界流体中において約４００℃よりも高い温度で約１ｋｂａｒよりも高い圧力で処理することと、上記複数のシードプレートそれぞれを少なくとも０．５ミリメートルの厚さでブール内に成長させることであって、上記成長は、少なくとも１つの成長表面が少なくとも２面を含み、上記面の成長配向が約２０度〜約７５度の角度で異なり、上記複数のブールそれぞれの厚さが少なくともＤｓｉｎξとなり、Ｄは半極性ウェーハの最小直径であり、ξは、上記成長配向と上記半極性結晶配向との間の約５度以上の角度である、ことと、上記複数のブールを上記スケーラブルコンテナ中へ除去することと、上記複数のブールのうち少なくとも１つをスライスまたは切断して、直径が少なくとも２５ミリメートルに等しい少なくとも１つの半極性ウェーハとすること。
【００１２】
本開示は、上記の利益および公知のプロセス技術における他の利益を達成する。しかし、本明細書および添付図面を参照すれば、本開示の本質および利点についてのさらなる理解を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の実施形態による結晶成長フレーム構造を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示の実施形態による結晶成長フレーム構造を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示の実施形態による結晶成長シードラック構造を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示の実施形態による結晶成長シードラック構造を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本開示の実施形態による結晶成長シードラック構造を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の実施形態による結晶成長装置の処理方法を示す簡単な図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の実施形態による結晶成長装置の処理方法を示す簡単な図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示の実施形態による結晶成長プロセスを示す簡単な図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本開示の実施形態による結晶成長プロセスを示す簡単な図である。
【図５】図５は、本開示の実施形態による結晶成長プロセスを示すフローチャートの簡単な図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本開示の実施形態による肉厚ブールの成長および後続のウエハ成形の方法を示す簡単な図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本開示の実施形態による肉厚ブールの成長および後続のウエハ成形の方法を示す簡単な図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本開示の実施形態による肉厚ブールの成長および後続のウエハ成形の方法を示す簡単な図である。
【図７】図７は、本開示の実施形態による２つの隣接ウェーハ接合結晶間の結晶誤配向を示す簡単な図である。
【図８】図８は、本開示の実施形態による、２つの安定成長配向間の半極性配向の２面成長を示す簡単な図である。
【図９】図９は、本開示の実施形態による肉厚ブール成長および後続ウエハ成形の方法を示す簡単な図である。
【図１０】図１０は、本開示の実施形態による結晶成長プロセスのための装置の簡単な図である。
【図１１】図１１は、本開示の実施形態による結晶成長プロセスを示すフローチャートである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本開示の特定の実施形態において用いられるような半極性結晶成長のための種結晶に適した結晶配向の範囲を示す簡単な図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本開示の特定の実施形態において用いられるような半極性結晶成長のための種結晶に適した結晶配向の範囲を示す簡単な図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本開示の特定の実施形態において用いられるような半極性結晶成長のための種結晶に適した結晶配向の範囲を示す簡単な図である。
【図１３】図１３は、本開示の実施形態による成長ブールの写真である。
【図１４】図１４は、本開示の実施形態による半極性窒化ガリウムブールの大規模アモノサーマル製造のためのプロセスを示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示によれば、ウェーハを含む結晶の成長のための材料の処理に関連する技術が提供される。より詳細には、本開示はアモノ塩基性またはアモノ酸性技術によってガリウム含有窒化物結晶を得る方法を提供するが、他の方法もあり得る。特定の実施形態において、本開示は、窒化物結晶の大規模処理のための装置を提供するが、他の結晶および材料も処理可能である。このような結晶および材料を挙げると、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＢＮおよびその合金およびバルク基板またはパターン基板の製造のための他の材料がある。このようなバルク基板またはパターン基板は、多様な用途に用いることが可能である（例えば、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分離および水素生成デバイス、光検出器、パワーエレクトロニクス、集積回路およびトランジスタおよび他のデバイス）。ガリウム含有窒化物結晶のアモノサーマル結晶成長（例えば、アモノ酸性およびアモノ塩基性の改変例を含む）のための適切な装置の一例を図１２に示す。
【００１５】
以下の説明において、本装置は垂直方向に配置されているものとして説明を進めていく。あるいは、特定の実施形態において、上記装置は水平方向に方向付けられるかまたは垂直と水平との間の斜角において方向付けられ、高圧力装置内の超臨界流体の対流を促進させるようにロックされ得る。本方法は、密閉可能容器および高圧力装置と共に用いることが可能である。適切な装置の例について、例えば、米国特許第７，１０１，４３３号、第７，１２５，４５３号、第７，１６０，３８８号、第７，９４２，９７０号、および第８，０９７，０８１号ならびに米国公開第２００９／０３０１０１３Ｓ８Ａ１号および第２０１０／０３２０７４４Ａ１号に記載がある。また、本開示の実施形態による結晶成長プロセスを実行するための一般的ステップを羅列する図５も参照する。図示のように、図５はひとえに例示であり、本明細書中に記載の特許請求の範囲を限定することを意図していない。図５に示す一般的ステップは、異なる順序で行ってもよいし、あるいは１つまたは複数のステップを省略または追加してもよい。当業者であれば、他の改変例、変更例および代替例があることを認識する。
【００１６】
種結晶および原材料のためのフレーム１００の模式図を図１Ａおよび図１Ｂに示す。フレーム１００により、種結晶および原材料を結晶成長のための適切な構成内にロードした後、スケーラブルコンテナ（例えば、オートクレーブ、またはオートクレーブあるいは内部加熱型高圧力装置内に配置されるカプセルなどの高圧力装置）内に配置することが可能になり、その後の取り扱いが簡便になるような形態をとる。上記フレームは、結晶成長条件下において良好な剛性を保持し、結晶成長環境に対して実質的および化学的に不活性であり、成長結晶の汚染に実質的に貢献することもないし、あるいは顕著な腐食を発生することもない。上記フレームおよびその構成要素の構成材料を挙げると、例えば、以下のうち１つ以上がある：銅、銅合金、金、金合金、銀、銀合金、パラジウム、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、チタン、バナジウム、クロム、クロム合金、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、上記のうち任意のものの組み合わせなど。上記フレームの形成に用いることが可能な鉄合金を非限定的に挙げると、ステンレススチールがある。上記フレームの形成に用いることが可能なニッケル合金を非限定的に挙げると、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）などがある。なお、ここでも、他の改変例、変更例および代替例があり得る。特定の実施形態において、上記フレームの構成要素は、硬度およびクリープ抵抗の向上のため、少なくとも２つの要素を含む合金から作製される。上記フレームおよびその構成要素は、ワイヤ、ワイヤクロスまたはメッシュ、フォイル、プレート、シート、角棒、丸棒、長方形棒、六角形棒、チューブ、ねじ棒、ナット、バネおよびファスナーを含み得る。上記フレームおよびその構成要素の取り付け方法としては、溶接、アーク溶接、抵抗溶接、超音波溶接、ろう付け、締め付け、ファスナーによる取り付け（例えば、ネジ、ボルト、バネ、ねじ棒、ナットなどのうち少なくとも１つを用いたもの）がある。
【００１７】
上記フレームは、構成要素として以下を含み得る：バッフル、原材料バスケットおよび種結晶板を吊すためのシードラック１０２、および上記した構成要素のうち少なくとも２つを取り付けるための手段。特定の実施形態において、図１Ａに示すように、対象成長結晶の溶解度が温度上昇と共に上昇する場合に適するように、原材料バスケットをバッフルの下側に配置し、シードラックをバッフルの上方に配置する。特定の実施形態において、図１Ｂに示すように、成長対象結晶の溶解度が温度上昇と共に低下する場合（すなわち、逆行型溶解度）に適するように、原材料バスケットをバッフルの上方に配置し、シードラックをバッフルの下側に配置する。結晶成長領域１２２（すなわち、シードラックを含む領域）のための容積を、栄養領域１２１（すなわち、原材料バスケットを含む領域）の容積よりも大きくしてもよい。特定の実施形態において、結晶成長領域の容積と栄養領域の容積との間の比は、約１と約５である。特定の実施形態において、この比は約１．２５と約３であるかまたは約１．５と約２．５である。上記フレームの全体直径および高さを選択する際には、上記フレームが高圧力装置内に近密に設置され、利用可能な容積利用が最大化され、かつ流体力学が最適化されるように、選択を行う。上記フレームの直径は、約０．５インチ〜１インチ、約１インチ〜約２インチ、約２インチ〜約３インチ、約３インチ〜約４インチ、約４インチ〜約６インチ、約６インチ〜約８インチ、約８インチ〜約１０インチ、約１０インチ〜約１２インチ、約１２インチ〜約１６インチ、約１６インチ〜約２４インチ、または約２４インチを超える。上記フレームの全体的高さと上記フレームの直径との間の比は、約１〜約２、約２〜約４、約４〜約６、約６〜約８、約８〜約１０．約１０〜約１２、約１２〜約１５、約１５〜約２０、または約２０を超える。
【００１８】
上記バッフルは、上記密閉可能容器を２つの別個の領域（例えば、栄養領域１２１および結晶成長領域１２２）に分割する手段を提供する。スケーラブルコンテナへ挿入されるフレームは、１つ以上のディスクを含む。上記２つの領域は、相互に流体連通する。すなわち、上記２つの領域間の対流が可能になる。なぜならば、上記バッフルは、スケーラブルコンテナの内径に対して複数の貫通穴、開口部および／または環状隙間を有するからである。そのため、バッフルの断面積の一部が開口する。特定の実施形態において、上記バッフルは、約０．５％〜約３０％の部分的開口領域を有するが、他の割合の場合もある。特定の実施形態において、上記バッフルの有する部分的開口領域は、約２％〜約２０％または約５％〜約１５％である。上記バッフルは、高圧力高温度（ＨＰＨＴ）条件下において溶媒および超臨界流体が（バッフル内の貫通穴を自由に通過することにより）スケーラブルコンテナ内の全体を移動することを可能にしつつ、少なくとも１つの（またはそれ以上の）量の原料を特定の領域またはチャンバ１０８の端部（例えば、原材料バスケット内）に閉じ込める機能を果たす。特定の実施形態において、この機能は、結晶成長などの用途において特に有用である。結晶成長においては、超臨界流体により、１つの材料（例えば、栄養材料）が、バッフル配置によって規定されたチャンバの一領域から種結晶上の結晶成長が行われる別の領域へと移動する。特定の実施形態において、上記バッフルの直径は、フレーム全体の最大直径に等しい。また、特定の実施形態において、上記バッフルの直径はフレーム全体の最大直径よりも若干小さく、これにより環状空間が得られ、この環状空間を通じて結晶成長条件下において流体の流動が可能になる。上記バッフルの直径は、フレーム全体の最大直径よりも約０．５インチ以下だけ小さくてもよい。特定の実施形態において、上記バッフルの直径は、上記フレーム全体の最大直径よりも大きい。上記バッフルの直径は、フレーム全体の最大直径よりも約０．１インチ以上大きくてもよい。上記バッフル内の開口部は、容易に詰まらないような充分な大きさを有する必要がある。実施形態において、上記バッフルの開口部の直径は、約０．０２０インチ〜約０．５インチである。特定の実施形態において、上記バッフルの開口部の直径は、約０．０５０インチ〜約０．２５インチである。ある特定の実施形態において、上記バッフルは、厚さが約０．０２０インチ〜約０．５インチの単一のディスクを含む。特定の実施形態において、上記バッフルは、厚さが約０．０２０インチ〜約０．２５インチの単一のディスクを含む。特定の実施形態において、上記バッフルは、２つのディスク、３つのディスク、またはそれ以上のディスクを含む。いくつかの複数ディスクの実施形態において、上記ディスクの開口部の１つ以上は、相互に積み上げられる。また、特定の複数ディスクの実施形態において、上記ディスクの開口部の１つ以上は、相互に積み上げられない。そのため、複数のディスクバッフルの実施形態における有効な部分的開口領域は、各ディスクの部分的開口領域の上境界および生成物として、各ディスクの部分的開口領域間に存在する。
【００１９】
上記原材料バスケットにより、原材料（例えば、原料および鉱化剤）をスケーラブルコンテナに移動させるための簡便な手段が得られ、これにより、原材料バスケット中の原料粒子と結晶成長領域との間の領域からの流体対流が可能となり、成長実行終了時においてリアクタからの未消費原料が除去される。特定の実施形態において、上記原材料バスケットは、図面中に模式的に示すようなワイヤメッシュまたはワイヤクロスを含む。メッシュまたはクロス中のワイヤの直径は、約０．００１インチ〜約０．２５インチ、約０．００５インチ〜約０．１２５インチ、または約０．０１０インチ〜約０．０８０インチであり得る。上記メッシュまたはクロスは、ワイヤ間の開口空間とメッシュまたはクロス部分の全体面積との間の比から成る開口領域の割合により、規定することができる。開口領域の割合は、約１％〜約９９％、約２％〜約５０％または約５％〜約３０％であり得る。上記ワイヤメッシュまたはワイヤクロスは、機械的支持を向上させるため、より直径の大きいワイヤまたはロッドを含むフレーム内に設けてもよいし、上記フレームの周囲に設けてもよいし、および／または必要に応じて上記に取り付けてもよい。特定の実施形態において、原材料バスケットは、複数の貫通穴、スロット、スリットまたは開口部を設けたフォイルまたはプレートを含む。ワイヤメッシュ、ワイヤクロスまたはフォイルまたはプレートの開口部のサイズは、（原材料のうちほとんどが結晶成長動作によりエッチングおよび／または消費された後であっても）原材料粒子が結晶成長時において通り抜けることができないような小さなサイズにすべきである。ある特定の実施形態において、ワイヤメッシュ、ワイヤクロスまたはフォイルまたはプレートの開口部の直径は、約０．００５インチ〜約０．５インチである。特定の実施形態において、上記開口部の直径は、約０．０１０インチ〜約０．１２５インチまたは約０．０２５インチ〜約０．０８０インチである。特定の実施形態において、ワイヤメッシュによって被覆可能な開口部を備えた中空パイプを上記原材料バスケット内に配置した後、原材料バスケット内の原材料粒子間の領域と、結晶成長領域との間の流体連通を向上させるように原材料をロードする。このような中空パイプの適切な構成については、例えば米国特許第３，２４５，７６０号に開示がある。
【００２０】
特定の実施形態において、種結晶の破損の可能性を最小限に抑えるため、原料を原材料バスケット内に配置した後、種結晶をシードラック上に配置する。上記原料は、多様な形態で供給することができる。特定の実施形態において、上記原料は、単結晶、または大量あるいは砂利状の多結晶材料を含む。特定の実施形態において、上記原料は、大量の焼結多結晶材料を含む。窒化ガリウムの場合、上記原料は、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）リアクタの壁または雑表面上の副生成物である単結晶または多結晶ＧａＮ堆積から導出することができる。特定の実施形態において、上記原料は、ＨＶＰＥによって基板上に成長された単結晶または多結晶ＧａＮプレートを含む。特定の実施形態において、上記原料は、例えば米国特許第６，８６１，１３０号に開示されるような焼結ＧａＮ粉末から導出される。特定の実施形態において、上記原料は、円柱状の微細構造を含む多結晶ＧａＮプレートから導出される（例えば、米国公開第２０１０／０１５１１９４Ａ１号に開示のもの）。特定の実施形態において、上記原料は、アモノサーマル方法によって成長されたＧａＮを含み得る（副生成物材料を含む）。上記原料は、ＩＩＩ族金属酸化物として提供された酸素、あるいはＩＩＩ族金属窒化物内における置換型または格子間不純物で約１０１９ｃｍ−３、約１０１８ｃｍ―３または約１０１７ｃｍ―３を下回る濃度で提供された酸素を含み得る。上記原料は、ｎ型ドーパント（例えば、ＳｉまたはＯ）、ｐ型ドーパント（例えば、ＭｇまたはＺｎ）、代償性ドーパント（例えば、ＦｅまたはＣｏ）または磁気ドーパント（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ）を約１０１６ｃｍ―３〜約１０２１ｃｍ―３の濃度で含み得る。上記原料は、２００ｐｐｍを超えないレベルでゲッターをさらに含み得る。特定の実施形態において、上記原料の粒径分布は、約０．０２０インチ〜約５インチである。特定の実施形態において、上記原料の粒径分布は、約０．０５０インチ〜約０．５インチである。特定の実施形態において、上記原料の合計表面積は、シードラック中に配置された種結晶プレート全ての合計表面積よりも少なくとも３倍大きい。本明細書中用いられる「プレート」という用語は、種結晶を含む。
【００２１】
特定の実施形態において、ソース材料は、高温において溶融する金属を含む（例えば、ガリウムまたはインジウム）。特定の実施形態において、上記鉱化剤は、高温において溶融する金属を含む（例えば、ナトリウム、カリウムまたはリチウム）。この金属がオートクレーブまたはカプセルの内面と直接接触した場合、合金を形成し、上記オートクレーブまたはカプセルの完全性を低下させることがある。そのため、特定の実施形態において、少なくとも１つの坩堝を原材料バスケット内またはその近隣に配置する。この坩堝は、少なくとも１つの金属を含む。上記坩堝は、超臨界流体結晶成長環境に対して実質的および化学的に不活性とすべきであり、上記少なくとも１つの金属と反応または合金になるべきではない。特定の実施形態において、上記坩堝は、モリブデン、タンタル、ニオブ、インジウム、白金、パラジウム、金、銀、ニッケル、クロム、ルテニウム、ロジウム、タングステンまたは上記のうちいずれかの組み合わせを含む。また、特定の実施形態において、上記坩堝は、アルミナ、マグネシア、カルシア、ジルコニア、ハフニア、イットリア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ガリウム、または上記のうちいずれかの組み合わせを含む。上記坩堝は、焼結多結晶材料または他の多結晶材料を含み得る。
【００２２】
上記シードラックにより、種結晶またはプレートを上記スケーラブルコンテナへと移動させるための簡便な手段が得られ、上記種結晶またはプレートと上記バッフルの他方側の栄養領域との間の流体対流が可能になり、成長実行終了時において成長結晶が上記リアクタから除去される。上記シードラックは、容易にロードおよびアンロードできるべきであり、利用可能な結晶成長容積の効率的利用を可能にすべきであり、結晶の破損および他の収率損失を最低限に抑えるべきである。
【００２３】
特定の実施形態において、上記種結晶またはプレートは窒化ガリウムを含む。特定の実施形態において、上記種結晶またはプレート（シードプレート）は、窒化アルミニウム、インジウム窒化物、インジウム窒化ガリウム、サファイア、炭化ケイ素、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、酸化亜鉛、窒化ホウ素などを含み得る。上記シードプレートの最小横方向寸法は、少なくとも約１センチメートルである。特定の実施形態において、上記シードプレートの最大横方向寸法は、少なくとも約２センチメートルであり、最小横方向寸法は少なくとも１センチメートルである。特定の実施形態において、上記シードプレートの最小横方向寸法は、少なくとも約３センチメートル、少なくとも約４センチメートル、少なくとも約５センチメートル、少なくとも約６センチメートル、少なくとも約８センチメートルまたは少なくとも約１０センチメートルである。特定の実施形態において、上記シードプレートは窒化ガリウムのバルク単結晶である。特定の実施形態において、上記シードプレートは、水素化物気相エピタキシーによって成長された結晶から生成される。特定の実施形態において、上記シードプレートは、アモノサーマル的に成長された結晶から生成される。特定の実施形態において、上記シードプレートは、溶液から成長された結晶から作製される。特定の実施形態において、上記シードプレートは、米国特許出願第６１／０７８，７０４号に開示された方法により、作製される。同文献全体を参考のため援用する。特定の実施形態において、シードプレートの大面積表面の転位密度は、約１０６ｃｍ―２未満である。特定の実施形態において、シードプレートの大面積表面の転位密度は、約１０５ｃｍ―２未満、約１０４ｃｍ―２未満、約１０３ｃｍ―２未満であり、特定の実施形態において約１０２ｃｍ―２未満である。特定の実施形態において、大面積表面の結晶配向に対応するＸ線回折ピークの半値全幅は、約３００秒未満、約１５０秒未満、約１００秒未満または約５０秒未満である。
【００２４】
窒化ガリウムの六角相は、ウルツ鉱構造結晶（空間群Ｐ６３ｍｃ；点群６ｍｍ）であり、別個の成長セクターを含む。ある成長条件下において、＋ｃ方向、−ｃ方向、ｍ方向、ａ方向および他の結晶方向において異なる速度で成長が起こる。一般的に、高速成長方向では成長して消失しがちであり、そのため、得られた結晶はより低い成長方向と関連付けられた面によって主に終了される。アモノサーマル成長条件下において最も頻繁に発生する面は、ｃ面（０００１）および（０００−１）およびｍ面｛１−１００｝である。他の面（例えば、a面｛１１−２０｝および半極性｛１０−１１｝および／または｛１０−１−１｝）は、それほど頻繁には発生せず、発生しても小面積である。比較的成長が遅い寸法において既に大型になっている種結晶またはプレートを用い、比較的高速の成長方向において主要な結晶成長を行うことにより、製造効率が向上する。特定の実施形態において、上記シードプレートの大面積面は、事前選択された成長条件下において安定している。すなわち、面を形成せず、これは、（０００１）、（０００−１）、｛１０−１０｝、｛１１−２０｝、｛１０−１１｝または｛１０−１−１｝配向のシードプレートを選択することにより促進される。「大面積面」および「大面積表面」という用語は、本明細書中同様に用いられる。
【００２５】
加えて、不純物取り込みの傾向も、成長セクター毎に異なる。例えば、Ｆｒａｙｓｓｉｎｅｔら（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌｕｍｅ２３０、ｐａｇｅｓ４４２−４４７（２００１））に記載されているように、点欠陥に起因する自由キャリアの濃度は、特定の技術によって成長された非意図的ドープバルクＧａＮ結晶の＋ｃ成長セクターおよび−ｃ成長セクター内において顕著に異なる。類似の結果が他の著者によって報告されており、一般的傾向としては、（０００−１）または−ｃ成長セクターの方が、（０００１）または＋ｃ成長セクターより高い不純物濃度を含む。不純物取り込みに差があると望ましくない理由として、少なくとも２つの理由がある。第１に、結晶中に濃度勾配が存在する場合、結晶製造業者は一貫した製品仕様を維持することが困難になる。第２に、結晶中に濃度勾配が存在する場合、ひずみが発生する（典型的には、ＧａＮ中の不純物に起因して、格子定数が若干増加する）。その結果、撓み、亀裂、転位および他の欠陥が発生する。１つの成長セクター内のみにおいて結晶成長を発生させることにより、製造効率（例えば、収率、製品品質および製品の一貫性）が向上する。
【００２６】
特定の実施形態において、図４Ａの図４Ａ００に示すように、製造成長を主にｍ面上において発生させることが望ましい。例えば、所定の成長条件下で、結晶成長がｍ方向においてよりもａ方向においてより高速に発生する場合があり、また、＋ｃ方向または−ｃ方向よりもｍ方向においてより高速に発生する場合がある。このような所定の成長条件下において、結晶の核形成および成長が自発的に発生することにより、六角形プレートレットの形が得られ、大型のｃ面と、長いｍ面終端側縁部および直径未満の厚さが得られる。ｍ方向における成長が望ましい別の理由として、結晶品質が向上し、不純物取り込みが低減し、または逆にドーパントまたはバンドギャップ改質剤（例えば、ＡｌまたはＩｎ）を取り込む能力が増加するからである。ｍ方向における成長により、半極性基板配向を調製するための有用な手段が得られる。ｍ面配向種結晶またはプレート上の対向する面双方により、ｍ面が構成され、よって、このような種結晶の使用により、単結晶成長セクターにおける成長が可能となる。
【００２７】
特定の実施形態において、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃの図２Ａ００、２Ｂ００および２Ｃ００のそれぞれに示すように、種結晶をシードラックへ取り付ける。個々の種結晶またはプレートは、ほぼ同じ高さおよび／または幅を有するように選択または切断することができ、これにより、複数の種結晶またはプレートをシードラック段内において相互に隣接して配置することができる。上記種結晶は、矩形の大面積面または表面を持ち得る。上記種結晶は、上側および下側のシードラックバー間に配置され、クリップによって所定位置に保持され得る。上記クリップは、上記種結晶をバネ力によって固定することができる。なぜならば、上記種結晶は、上記クリップの他方側間の分離部が独立および弛緩しているとき、クリップは上記分離部よりも肉厚であるからである。実施形態の代替例において、上記クリップ、種結晶およびシードラックの近隣に配置されたファスナー（例えば、対向端部上にナットを備えた一定長さのねじ棒）によって前記種結晶を上記クリップへと固定する。特定の実施形態において、上記クリップを先ず種結晶へと固定した後、上記シードラックへと取り付ける。特定の実施形態において、上記クリップは、ひずみや欠陥生成を最小化させるために、結晶を成長させる少なくとも１つの開口部を有する。特定の実施形態において、上記シードラックは、上記種結晶の対向端部がスライドされる凹部、スロット、中空部などを含む。フォイルの断片を上記種結晶と上記シードラック内の凹部との間に配置し、結晶成長後の除去を促進してもよい。特定の実施形態において、結晶成長の前、最中または後に種または結晶が破損する可能性を最小化し、かつリアクタ中の所望の位置に高精度に保持するように、各種結晶が少なくとも２つの位置において上記シードラックへと取り付けられる。隣接する種結晶またはプレートは、結晶セパレータプレートによって分離され得る。上記結晶セパレータプレートは、上記シードラックバー（単数または複数）上でスライドされる穴を持ち得、シードラックバーなどの上をスライドするために片側に開口するスロットを持ち得る。
【００２８】
特定の実施形態において、穴またはスロットが上記種結晶またはプレート中に設けられ、上記種結晶またはプレートが少なくとも１つのワイヤまたはフォイルストリップによって上記シードラックから吊される。特定の実施形態において、上記種結晶は、少なくとも２つ、少なくとも３つ、または少なくとも４つのワイヤまたはフォイルストリップによって吊される。上記種結晶またはプレートの穴またはスロットの形成は、レーザ穿孔または切断、超音波穿孔、機械的穿孔またはフライス加工、研削、研磨、放電機械加工、水ジェット切断、水ジェット誘導型レーザ穿孔または切断などによって行うことができる。
【００２９】
特定の実施形態において、図４ｃに示すように、製造成長をｃ面（すなわち、極性面、＋ｃ方向（［０００１］Ｇａ極性方向）または−ｃ方向（［０００−１］Ｎ極性方向）上において主に発生させることが望ましい。例えば、所定の成長条件下において、結晶成長は、ｍ方向においてよりも、＋ｃまたは−ｃ方向においてより高速に発生し得る。このような所定の成長条件下において、核形成および成長結晶が自発的に行われることにより、六角形柱、角柱または針形状が発生し、小型ｃ面と、長いｍ面終端側縁部と、直径未満の長さとが得られる。＋ｃまたは−ｃ方向における成長が望ましい別の理由として、結晶品質の向上、不純物取り込みの低減、または逆にドーパントまたはバンドギャップ改質剤（例えば、ＡｌまたはＩｎ）の取り入れ能力の向上がある。ｃ面配向種結晶またはプレート上の対向する面は異なる面を構成し、よって、このような種結晶を単独で使用することにより、２つの別個の結晶成長セクターにおける成長が得られる。単結晶成長セクターにおける成長は、複数対のｃ面配向種結晶またはプレートを背面合わせで積層し、類似の面を対面させることにより、達成することができる。例えば、２つのｃ面配向種結晶またはプレートのｃ面は相互に近隣に対向し、これにより、上記２つのｃ面配向種結晶またはプレートの＋ｃ面が外側を向き、これにより、単結晶配向における成長が発生する。逆に、２つのｃ面配向種結晶またはプレートのうち＋ｃ面を相互に近隣配置して、上記２つのｃ面配向種結晶またはプレート面の−ｃ面が外方を向き、これにより単結晶配向における成長が得られる。複数対の種結晶を直接接触するように配置してもよいし、あるいは、結晶セパレータプレートによって分離させてもよい。背面合わせで配置された複数対の種結晶は、所定の間隔によって分離させてもよい。上記所定のギャップは、約５ミリメートル未満、約２ミリメートル未満、約１ミリメートル未満、約０．３ミリメートル未満、約０．１ミリメートル未満、約０．０３ミリメートル未満または約０．０１ミリメートル未満であり得る。上記所定のギャップは本質的にゼロであり得る（すなわち、上記種結晶は直接接触する）。上記複数対の種結晶またはプレートが成長実行時において共に成長する場合、所望であれば、上記実行後に上記複数対の種結晶またはプレートを分離させてもよいし、あるいは、後続実行において種（双）晶として用いてもよい。大面積面双方が＋ｃ表面または−ｃ表面を構成しているｃ面配向双晶（すなわち、極性表面）が種として適している。なぜならば、大面積面上の成長は、単結晶方向のみにおいて発生するからである。少なくとも１つの双子接点または積層欠陥は、実質的に平行に配置され、大面積表面に対して例えば約０．５度内、約０．１度内、約０．０５度内または約０．０１度内で配置され、上記双晶中に存在し得る。双晶の模式図を図４Ｂに示す。交互の影は、ツイン、粒子境界または他の境界によって分離された粒子を示す。特定の実施形態において、上記複数対の種結晶の後側は、例えば、米国公開第２０１２／００００４１５号に記載の技術を用いて共にウェーハ接合されてもよい。同文献全体を参考のため援用する。
【００３０】
特定の実施形態において、製造成長を半極性｛１０−１±１｝ファミリーの面上において主に発生させることが望ましい（すなわち、（１−１０１）、（−１１０１）、（１０−１１）、（−１０１１）、（０１−１１）、（０−１１１）、（１−１０−１）、（−１１０−１）、（１０−１−１）、（−１０１−１）、（０１−１−１）、または（０−１１−１）面のうちの１つ）。簡潔に表現するため、面の｛ｈｋｉｌ｝ファミリーを本明細書中において｛ｈｋｉｌ｝面、｛ｈｋｉｌ｝面または｛ｈｋｉｌ｝面と呼ぶ。同様に、簡潔に表現するため、方向の＜ｈｋｉｌ＞ファミリーを本明細書中＜ｈｋｉｌ＞方向、＜ｈｋｉｌ＞または｛ｈｋｉｌ｝方向と呼ぶ。半極性方向における成長が望ましい理由として、結晶品質向上、不純物取り込みの低下、または逆にドーパントまたはバンドギャップ改質剤（例えば、ＡｌまたはＩｎ）の取り込み能力の向上がある。｛１０−１−１｝面に対して垂直な成長も、｛１０−１−１｝−配向ウェーハの生成において適切である。｛１０−１&#8211;１｝−配向種結晶またはプレート上の反対側面は異なる面を構成するため、このような種結晶を単独で用いた場合、２つの別個の結晶成長セクターにおける成長が可能になる。単結晶成長セクターにおける成長は、複数対の｛１０−１−１｝−配向種結晶またはプレートを背面合わせで積層することにより達成することができ、｛１０−１１｝配向面は相互に対向する。これら複数対の種結晶は、相互に接触して配置してもよいし、あるいは、結晶セパレータプレートによって分離してもよい。上記複数対の種結晶またはプレートが成長実行時に同時に成長する場合、上記実行後に上記複数対の種結晶またはプレートを分離させてもよいし、あるいは、所望であれば、後続の実行において種（双）晶として用いてもよい。大面積面双方が｛１０−１−１｝面を構成している｛１０−１−１｝配向双晶は、種として適している。なぜならば、大面積面上の成長は、単結晶方向のみにおいて発生するからである。大面積表面に対して実質的に平行な少なくとも１つの双子接点、積層欠陥、粒子境界または他の境界、配向が双晶中に存在し得る。双晶の模式図を図４Ｂに示す。交互の影は、ツイン、粒子境界または他の境界によって分離された粒子を示す。図４Ｂに示すように、成長表面は平坦であってもよいし、あるいは図６に示すように2面体にしてもよく、これについて以下にさらに説明する。特定の実施形態において、例えば米国公開第２０１２／００００４１５号に記載の技術を用いて、複数対の種結晶の背面側を共にウェーハ接合する。同文献全体を参考のため援用する。
【００３１】
特定の実施形態において、製造成長を半極性｛６０−６±１｝面、｛５０―５±１｝面、｛４０−４±１｝面、｛３０−３±１｝面、｛５０―５±２｝面、｛２０−２±１｝面、｛３０−３±２｝面、｛４０−４±３｝面または｛５０―５±４｝面上に主に発生させることが望ましい。これらの半極性面上における成長が望ましい理由としては、デバイス性能の向上、結晶品質の向上、不純物取り込みの低減、または逆にドーパントまたはバンドギャップ改質剤（例えば、ＡｌまたはＩｎ）の取り込み能力の向上がある。｛６０−６±１｝、｛５０−５±１｝、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０−５±２｝、（２０−２±１｝、｛３０−３±２］、｛４０−４±３｝または｛５０−５±４｝面に対して垂直な成長も、｛６０−６±１｝、｛５０−５±１）、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０−５±２｝、｛２０−２±１｝、｛３０−３±２｝、｛４０−４±３｝または｛５０−５±４｝配向ウェーハの生成において適している。｛６０−６±１｝、｛５０―５±１｝、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０―５±２｝、｛２０−２±１｝、｛３０−３±２｝、｛４０−４±３｝または｛５０−５±４｝−配向種結晶またはプレート上の対向面は異なる面を構成し、これにより、このような種結晶の単独使用により、２つの別個の結晶成長セクターにおける成長が可能となる。特定の実施形態において、単結晶成長セクターにおける成長は、複数対の｛６０−６−１｝−、｛５０−５−１｝−、｛４０−４−１｝−、｛３０−３−１｝−、｛５０−５−２｝−、｛２０−２−１｝−、｛３０−３−２｝−、｛４０−４−３｝−または｛５０―５−４｝−配向種結晶またはプレートを背面合わせで積層することによって達成され、｛６０−６１｝−、（５０―５１｝−、｛４０−４１｝−、｛３０−３１｝−、｛５０―５２｝−、｛２０−２１｝−、｛３０−３２｝−、｛４０−４３｝−または｛５０−５４｝−配向面が相互に対向する。これら複数対の種結晶は、相互に直接接触して配置してもよいし、あるいは結晶セパレータプレートによって分離してもよい。複数対の種結晶またはプレートを成長実行時において共に成長させる場合、所望であれば上記実行後に上記複数対の種結晶またはプレートを分離させてもよいし、あるいは、後続実行において種（双）晶として用いてもよい。｛６０−６−１｝−、｛５０―５−１｝−、｛４０−４−１｝−、｛３０−３−１｝−、｛５０−５−２｝−、｛２０−２−１｝−、｛３０−３−２｝−、｛４０−４−３）−または｛５０―５−４｝−配向双晶において、外方を向く大面積面が｛６０−６−１｝、｛５０―５−１｝、｛４０−４−１｝、｛３０−３−１｝、｛５０―５−２｝、｛２０−２−１｝、｛３０−３−２｝、｛４０−４−３｝または｛５０―５−４｝表面を構成し、この配向双晶が種結晶として適切に利用される。なぜならば、大面積面内の成長は単結晶方向のみにおいて発生するからである。上記大面積表面に対して実質的に平行な少なくとも１つの双子接点、積層欠陥、粒子境界または他の境界が、上記双晶中に存在し得る。他の実施形態において、単結晶成長セクターにおける成長が、複数対の｛６０−６１｝−、｛５０−５１｝−、｛４０−４１｝−、｛３０−３１｝−、｛５０−５２｝−、｛２０−２１｝−、｛３０−３２｝−、｛４０−４３｝−または｛５０―５４｝配向種結晶またはプレートを背面合わせで積層することにより達成され、｛６０−６−１｝、｛５０―５−１｝、｛４０−４−１｝、｛３０−３−１｝、｛５０―５−２｝、｛２０−２−１）、｛３０−３−２｝、｛４０−４−３｝または｛５０―５−４｝配向面は相互に対面する。これらの複数対の種結晶は、相互に直接接触して配置してもよいし、あるいは、結晶セパレータプレートによって分離してもよい。上記複数対の種結晶またはプレートを成長実行時において同時に成長させる場合、所望であれば、上記実行後に上記複数対の種結晶またはプレートを分離させてもよいし、あるいは、後続実行において種（双）晶として用いてもよい。｛６０−６１｝−、｛５０―５１｝−、｛４０−４１｝−、｛３０−３１｝―、｛５０―５２｝−、｛２０−２１｝−、｛３０−３２｝−、｛４０−４３｝−または｛５０−５４｝−配向双晶において、外方を向く大面積面が｛６０−６１｝、｛５０―５１｝、｛４０−４１｝、｛３０−３１｝、｛５０―５２｝、｛２０−２１｝、｛３０−３２｝、｛４０−４３｝または｛５０―５４｝表面を構成し、この双晶は種結晶として適切に使用できる。なぜならば、上記大面積面上の成長は単結晶方向のみにおいて発生するからあである。上記大面積表面に対して実質的に平行な少なくとも１つの双子接点、積層欠陥、粒子境界または他の境界は、上記双晶中に存在し得る。
【００３２】
特定の実施形態において、製造成長を半極性面上において主に発生させることが望ましい。半極性面は（ｈｋｉｌ）ミラー指数によって指定され、ｉ＝−｛ｈ＋ｋ）ｌは非ゼロであり、ｈおよびｋのうち少なくとも１つは非ゼロである。例えば、（１０−１−１）面上の成長の方が（１０−１１）面上の成長よりも望ましい理由として、より高い成長速度、結晶品質の向上、不純物取り込みの低減または逆にドーパントまたはバンドギャップ改質剤（例えば、ＡｌまたはＩｎ）の取り込み能力の向上がある。半極性方向における成長は、半極性配向ウェーハの生成において理想的であり得る。半極性配向種結晶またはプレート上の対向面は異なる面を構成するため、このような種結晶の単独使用により、２つの別個の結晶成長セクターにおける成長が可能になる。単結晶成長セクターにおける成長は、複数対の半極性配向種結晶またはプレートを背面合わせで積層することにより得られ、類似の面は相互に対向する。例えば、２つの半極性種結晶またはプレートのうち（１０−１１）面を相互に近接して配置してもよく、これにより、上記２つの種結晶またはプレート面の（１０−１−１）面が外方を向き、単結晶配向における成長が得られる。より一般的には、２つの半極性種結晶またはプレートの（ｈｋｉｌ）面は相互に近接して配置することができ、これにより、上記２つの種結晶またはプレートの（ｈｋｉ−ｌ）面が外方を向き、単結晶配向における成長が得られる。これら複数対の種結晶は、直接接触して配置してもよいし、あるいは結晶セパレータプレートによって分離してもよい。上記複数対の種結晶またはプレートを成長実行時において同時に成長させる場合、所望であれば、上記実行後に分離させてもよいし、あるいは、後続の実行において種（双）晶として用いてもよい。上において、双方の大面積面が同一半極性配向を構成する半極性双晶は、種として適切に用いられる。なぜならば、大面積面上の成長は単結晶方向のみにおいて発生するからである。
【００３３】
特定の実施形態において、半極性種結晶は背面合わせで配置することができ、実質的に同一結晶配向を有する外方を向く表面を有し、ウェーハ接合、ダイ接合などにより積層を行うことができる。同様に、複数対の半極性種結晶の内方を向く表面は、相互に実質的に同一の結晶配向（および各外方を向く表面と異なる結晶配向）を有する。例えば、金、チタン金、シリコン金、金スズ、金インジウム、銅スズ、金ゲルマニウム、アルミニウムゲルマニウム、ニッケル、チタン、クロム、ロジウム、ルテニウム、銅、アルミニウム、金属窒化物、シリカ（ＳｉＯ２）のうち１つ以上で上記結晶の後側をコーティングし、上記結晶の後側を相互に接触して配置させ、相互に加熱および／または圧縮して接合を形成する。
【００３４】
特定の実施形態において、特に種またはシードプレートが双晶または２つの結晶のウェーハ接合またはダイ接合複合材料を構成する場合、望ましくない成長（例えば、アモノサーマル結晶成長プロセス時におけるリエントラントツインまたは多結晶の結晶の高速成長）を回避するため、上記結晶（単数または複数）の１つ以上の縁部を不動態化することができる。特定の実施形態において、例えば熱蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタリングなどにより、少なくとも１つの縁部をニッケル、クロム、チタン、金、白金または銀のうち少なくとも１つでコーティングすることができる。
【００３５】
特定の実施形態において、名目非極性（nominally nonpolar）のｍ面結晶の製造成長を、ミスカット（例えば、＋ｃ［０００１］、−ｃ［０００−１］または［１１−２０］方向における約０．５度〜約５度）を有する面上において主に発生させることが望ましい。このような配向は実際は半極性であり、このような種結晶の平行面の前部および後部は、結晶的に同等である。例えば、平行面種の前面がｍから＋ｃに向かって５度だけミスカットされている場合、後面はｍから−ｃに向かって５度だけミスカットされる。（上記表面が平行になるように切断する代わりに）上記種の前側大面積表面および後側大面積表面双方を切断して実質的に同一の結晶配向を露出させることでくさび角度を前面と後面との間に発生させることにより、この問題を回避することができる。例えば、種の両側を（平行に切断する代わりに）ｍから−ｃに向かって３度で切断することで、前面と後面との間に６度のくさび角度が形成される。
【００３６】
非極性ｍ面種結晶の片側または両側上のミスカット角度は、−ｃ［０００−１］方向に向かって約５度未満、約２度未満または約１度未満であり得る。非極性ｍ面種結晶の片側または両側上のミスカット角度は、＜１１−２０＞ａ方向に向かって約１度未満、約０．５度未満、約０．２度未満または約０．１度未満であり得る。非極性ｍ面種結晶の片側または両側上のミスカット角度は、軸上＜１０−１０＞ｍ面および［０００１］＋ｃ方向間において約０〜約２度または約０〜約１度である。
【００３７】
特定の実施形態において、対象の半極性面は、アモノサーマル成長条件下において安定している。例えば、多くの場合、｛１０−１−１｝面が安定しており、他の条件下において｛１０−１１｝面は安定している。このような場合、図６Ａに示すように、肉厚ブールを成長させ、ブールの大面積表面に平行に切断することにより、ウェーハを製造させる。簡潔に示すため、１つ以上の種結晶の片側のみにおける成長を図示している。後側の成長は、上述したように双晶、ウェーハまたはダイ接合結晶または背面取り付け結晶の利用により対称非等価配向上の成長を用いることなく、達成され得る。特定の実施形態において、上記種結晶の後側を単にマスクすることで、成長を抑制または回避できる。例えば、上記結晶の後側を、金、チタン金、シリコン金、金スズ、金インジウム、銅スズ、金ゲルマニウム、アルミニウムゲルマニウム、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、タンタル、ニオブ、モリブデン、レニウム、ロジウム、ルテニウム、銅、アルミニウム、白金、銀、金属窒化物、シリカ（ＳｉＯ２）などのうち１つ以上を含む組成を有する１つ以上の層でコーティングしてもよいし、あるいはプレートの近隣に配置するかまたはプレートと接触して配置してもよい。上記１つ以上の層は、接着層、拡散障壁層および不活性層のうち１つ以上を含み得る。特定の実施形態において、図６Ａの種結晶またはプレート６Ａ００は、図６Ａの下行に示すような、また米国公開番号第２０１２／００００４１５号に記載のように、高精度にタイル張りされた種結晶モザイクを含み得る。同文献全体を参考のため援用する。
【００３８】
図７に示すダイアグラム７００において、第１の窒化物結晶７０１および第２の窒化物結晶７０２が接着層７０４によってハンドル基板７０３へと接合される。座標系７２１（ｘ１ｙ１ｚ1）は第１の窒化物結晶７０１の結晶配向を示し、ｚ１は、表面７１１のノミナル配向に対して垂直な負面であり、ｘ１およびｙ１は、ｚ１に対して直角なベクトルである。例えば、表面７１１が（０００１）配向を有する場合、ｚ１は［０００−１］に沿った単位ベクトルであり、ｘ１およびｙ１は、［１０−１０］および［１−２１０］に沿うようにそれぞれ選択することができる。第１の窒化物結晶７０１の表面７１１が（１０−１０）配向を有する場合、Ｚ１は、［−１０１０］に沿った単位ベクトルであり、ｘ１およびｙ１は、［１−２１０］および［０００１］に沿うようにそれぞれ選択することができる。同様に、座標系７２２（ｘ２ｙ２ｚ２）は第２の窒化物結晶７０２の結晶配向を示し、ｚ２は、第２の窒化物結晶７０２の表面７１２のノミナル配向に対して垂直な負面であり、ｘ２およびｙ２はｚ２に対して直角なベクトルであり、ここで、（ｘ２ｙ２ｚ２）に対応する結晶方向の同一表現法を（ｘ１ｙ１ｚ１）についても用いる。第１の窒化物結晶と第２の窒化物結晶との間の結晶誤配向は、３つ角度α、βおよびg によって指定することができる。ここで、αは、ｘ１およびｘ２間の角度であり、βは、ｙ１およびｙ２間の角度であり、gは、ｚ１およびｚ２間の角度である。第１および第２の窒化物結晶の表面配向はほぼ同一であるため、極性誤配向角度gは極めて小さく、例えば、０．５度未満、０．２度未満、０．１度未満、０．０５度未満、０．０２度未満または０．０１度未満。配置時において窒化物結晶の配向が高精度に制御されているため、誤配向角度αおよびβも極めて小さく、例えば、１度未満、０．５度未満、０．２度未満、０．１度未満、０．０５度未満、０．０２度未満、または０．０１度未満。典型的には、g はαおよびβ以下になる。さらなる隣接窒化物結晶間の結晶誤配向も同様に極めて小さい。特定の実施形態において、隣接窒化物結晶間の極性誤配向角度gは０．５度未満であり、隣接窒化物結晶間の方位角誤配向角度αおよびβを１度未満にすることができる。
【００３９】
特定の実施形態において、複数のシードプレートはそれぞれ、単結晶または１つ以上の低角度粒子境界（例えば、高精度配向タイル結晶の合体によって形成されるもの）を含む結晶を含む。このような単結晶種を、図６Ａ中の下側から２行目に示す。
【００４０】
特定の実施形態において、図６Ａの下から３行目および４行目に模式的に示すように、複数の半極性種結晶をそれぞれ成長させて肉厚ブールとした後、成長面に対してほぼ平行にスライスまたは切断する。成長したブールの厚さは、約０．５ミリメートル〜約５０ミリメートルまたは約２ミリメートル〜約２５ミリメートルであり得る。スライス、切断、鋸切断の作業は、当該分野において公知の方法によって行うことができ、例えば、内径鋸切断、外径鋸切断、固定研磨多ワイヤ鋸切断、固定研磨多刃鋸切断、多刃スラリー鋸切断、多ワイヤスラリー鋸切断、イオン注入および層分離などがある。ウェーハのラッピング、研磨および化学機械研磨は、当該分野において公知の方法に従って行うことができる。
【００４１】
特定の実施形態において、少なくとも１つの表面制御添加剤をアモノサーマル成長環境に付加することで、所望の半極性成長配向を安定させる。例えば、熱水成長時における異なる晶癖／配向を安定化させるために、多様な種類の制御添加剤が示されている（（ａ）Ｅｒｃｍｉｎａ、ｅｔ  ａｌ．、「Ｏｎ  ｔｈｅ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ｉｍｐｕｒｉｔｙ  ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｎ  ｇｒｏｗｔｈ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｏｆ  ＫＤＰ  ｃｒｙｓｔａｌｓ―ＩＩ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｂｉｖａｌｅｎｔ  ａｎｄ  ｔｉｒｉｖａｌｅｎｔ  ｉｏｎｓ  ｏｎ  ｇｒｏｗｔｈ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ａｎｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ＫＤＰ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ、Ｇｒｏｗｔｈ２７３、５８６（２００５）；（ｂ）Ｗａｎｇ、ｅｔａｌ．、「Ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｇｌｏｗｔｈ  ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｄｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＺｎＯ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」（Ｊ．Ｃｒｙｓｌ．Ｇｒｏｗｔｈ３０４、７３（２００７））。ガリウム含有窒化物結晶を成長させる場合、上記表面制御添加剤は、以下のうち少なくとも１つを含み得る：アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、希土類金属、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｇｅ、Ａｓ、ＳｅＩｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、ＢｉまたはＰｏ。
【００４２】
特定の実施形態において、＜１０−１−１＞方向上に成長させ、およびウェーハの前側ではなく後側を研磨することにより、安定成長配向の対向面（例えば、｛１０−１１｝）を作製することができる。
【００４３】
図６Ｂに模式的に示す特定の実施形態において、安定面により、所望の半極性配向に対して斜め方向の配向が形成される。このシナリオは、例えば、ｍ面と、｛１０−１−１｝間の中間の配向に当てはめることができる（例えば、｛２０−２−１｝またはその後側である（２０−２１））。バイファセット形態は、ブールへの成長時において保持され、上記ブールは上記所望の半極性配向に対してほぼ平行にスライスされる。特定の実施形態において、図６Ｂ中の種結晶またはプレート６Ｂ００は、高精度に連結された種結晶モザイク含み得る（例えば、図６Ｂの下列に示すもの、米国公開番号第２０１２／００００４１５号に記載のもの）。特定の実施形態において、平行な溝部のパターンを種結晶表面上に形成して、バイファセット成長を開始することができる。これらの溝部は、鋸切断、ドライエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、レーザスクライビング、研削などによって形成することができる。これらの溝部の深さは、約１マイクロメータ〜約１ミリメートルまたは約１０マイクロメータ〜約３００マイクロメータであり得る。これらの溝部の幅は、約１０マイクロメータ〜約１ミリメートルであり得る。これらの溝部は、［０００±１］±ｃ−方向に対して実質的に平行に配向され得る。特定の実施形態において、平行マスク線のパターンを結晶表面上に形成して、バイファセット成長を開始することができる。これらのマスク線は、以下のうち少なくとも１つを含み得る：ニッケル、クロム、チタン、金、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、レニウム、白金、ロジウム、ルテニウムまたは銀。また、これらのマスク線は、例えば熱蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタリングなどによって堆積させることができる。これらのマスク線は、例えば、接着層、拡散障壁層および不活性層などの2つ以上の層を含み得る。これらのマスク線の厚さは、約０．０１マイクロメータ〜約１００マイクロメータであり得、幅は約１０マイクロメータ〜約１０ミリメートルであり得る。溝部または上記線または上記結晶タイルモザイクの周期は、約０．０１ミリメートル〜約１０センチメートル、約０．１ミリメートル〜約５０ミリメートル、または約１ミリメートル〜約１０ミリメートルであり得る。これらのマスク線は、［０００±１］±ｃ方向に対して実質的に平行に配向され得る。
【００４４】
上記ブールの１つの表面の各セグメントのバイファセット成長を図８の図８００中に模式的に示す。所望の半極性配向８４０に対して垂直な表面８３０は、面８１０に対して垂直な面８１１に対して角度ξ１で誤配向され、所与の成長条件下において安定的に成長し、面８２０に対して垂直な面８２２に対して角度ξ２で誤配向され、同一成長条件下において同様に安定的に成長する。面８１０および８２０間の頂点８５０の成長前部は、面８１０の垂線８１１に対して角度ε１で誤配向され、面８２０の垂線８２２に対して角度ε２で誤配向される。δ１＋δ２およびε１＋ε２の合計はそれぞれ、面８１０および８２０間の角度θに等しく、角度θは、上記ガリウム含有窒化物結晶の結晶構造と、上記安定した成長面の性質とによって決定される。角度θは、約２０度〜約７５度であり得る。所望の半極性表面垂線８３０に対する成長前頂点８５０の伝搬方向は、θによって決定され、成長面８１０および８２０の成長速度（成長速度）ｖ１およびｖ２それぞれによって決定される。時間差ｄｔにおいて、面８１０および８２０は、距離ｖ１ｄｔおよびｖ２ｄｔだけそれぞれ前進する。頂点８５０は、ｖ１ｄｔ／ｃｏｓε１＝ｖ２ｄｔ／ｃｏｓε２だけ前進する。後者の式を解き、ε２＝θ―ε１であることを踏まえると、頂点角度は方程式（１）によって得られることになる。
【００４５】
数１
ε１＝ｔａｎ−１［（ｘ−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ］     （１）
【００４６】
式中、ｘ＝ｖ２／ｖ１は、面８２０および８１０の成長速度の比である。特定の実施形態において、上記成長比xは、約１／５〜約５、約１／３〜約３、約１／２〜約２または約３／４〜約４／３の範囲で維持される。
【００４７】
頂点間の伝搬および隣接する頂点間の谷の伝搬は、速度ｖ１／ｃｏｓε１＝ｖ２／ｃｏｓε２において、面８１０の垂線８１１に対して角度ε１において発生する。ウェーハブルブールが成長する速度を規定する表面垂線８３０の方向における谷の１方向の正味の成長速度は、ｖ＝ｖ１ｃｏｓ（δ１−ε１）／ｃｏｓ（ε１）となる。
【００４８】
特定の実施形態において、ｍ面および｛１０−１−１｝間のＧａＮの半極性配向の成長、成長面８１０はｍ面であり得、成長面８２０は（１０−１−１）およびθ＝２８．０４度であり得る。いくつかの半極性面に対するδ１の値が表１中に記載されており、ε１および成長速度比ｖ／v（１０−１０）の値が、いくつかの（１０−１−ｌ）／ｍ面成長速度比ｘおよび表２中の半極性面について記載されている。δ１の値は、ノミナル半極性面が高精度に軸上において生成されたとの前提をとる。大面積種結晶の半極性配向のミスカットの仕様について、以下に説明する。
【００４９】
【表１】
0005788433.tif 000002
【００５０】
【表２】
0005788433.tif 000003
【００５１】
表２によると、ｍ面に比較的近い半極性配向では、バイファセット成長時における正味のブール成長速度は、広範囲の成長速度比ｖ（１０−１−１）／ｖ（１０−１０）のｍ面のブール成長速度に近い。（１０−１−１）により近い半極性配向について、正味のブール成長速度は（１０−１−１）のブール成長速度により近いが、好適に保持される。
【００５２】
図６Ｂに模式的に示す準１次元のバイファセット成長前部に加えて、さらなる面が成長時において存在し得る。しかし、特定の実施形態において、２つのみの非結晶的に同等の面が、成長結晶表面のうち８０％を超えて、９０％を超えて、９５％を超えてまたは特定の実施形態において９８％を超えて被覆する。特定の実施形態において、これらの２つの非結晶的に同等の配向が、ｍ面および｛ｌ０−１−１｝を構成する。
【００５３】
不純物の取り込みは一般的には結晶配向によって変動し、バイファセット成長は不純物内容の大きな変動の原因となると考えられ得、ストレス、亀裂および他の望ましくない特徴の原因になり得る。例えば、Ｃｚｅｒｎｅｔｚｋｉ  ｅｔ  ａｌ．（Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ（ａ）２００、９（２００３））によれば、酸素取り込みは（０００１）成長セクターにおいてよりも（０００−１）成長セクターにおいて顕著に大きくなることが報告されており、その結果、ひずみおよび半径ひずみがわずか０．１メートルになる。Ｍｏｔｏｋｉ  ｅｔ  ａｌ．（米国公開番号第２００２／０１８９５３２）によれば、ｍ面内成長時における酸素取り込みは、同様の条件下におけるｃ面成長時のものよりも５０倍高い。
【００５４】
驚くべきことに、本発明者らによれば、ｍ面および｛１０−１−１｝バイファセット半極性成長時における不純物取り込み（酸素を含む）の場合、ごく僅かな不純物変動しか発生せず、望ましくないストレスまたは亀裂は発生しないことが分かった。前回の報告に基づいて、例えば、ｍ面対｛１０−１−１｝成長セクターにおける不純物濃度における逸脱が５０倍以上であると考えられる。また、驚くべきことに、ｍ面および｛１０−１−１｝における鉱化剤の不純物取り込みは、ｃ面よりも顕著に高いが、互いに比較的類似した速度である。
【００５５】
バイファセット成長によって成長されたブールと、このようなブールからスライスされたウェーハとは、以下のうち少なくとも１つを含む不純物を含み得る：Ｏ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆ、Ｃl、Ｂｒ、Ｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、ＭｎまたはＦｅ。上記不純物は、約１ｘ１０１６ｃｍ―３〜約１ｘ１０２０ｃｍ―３または約１ｘ１０１７ｃｍ―３〜約１ｘ１０１９ｃｍ―３の濃度で含まれる。不純物分布は、少なくとも４帯、少なくとも８帯または少なくとも１６帯の高い濃度および低い濃度の交互を含み得、上記より高い不純物濃度は、約１．０５〜約４０、約１．０５〜約１０、約１．１〜約５または約１．１〜約２倍だけ上記より低い不純物濃度も高い。交互の高い不純物濃度および低い不純物濃度の帯は、上記表面に対して平行な方向において、約０．０１ミリメートル〜約１０センチメートル、約０．１ミリメートル〜約５０ミリメートルまたは特定の実施形態において約１ミリメートル〜約１０ミリメートルの周期において、周期的な分布を持ち得る。アモノサーマル的に成長されたガリウム含有窒化物結晶は、ウルツ鉱構造によって特徴付けられ得る。上記ウルツ鉱構造は、立法エンティティを実質的に含まず、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長における光吸収係数は約１０ｃｍ―１、５ｃｍ―１。２ｃｍ―１、１ｃｍ―１、または０．５ｃｍ―１以下である。アモノサーマル的に成長された窒化ガリウム結晶は、長さが約５ミリメートルを超える結晶基板部材を含み得、ウルツ鉱構造を有し、他の結晶構造を実質的に含まず、その他の構造は、上記実質的ウルツ鉱構造に対して体積が約０．１％未満である。
【００５６】
特定の実施形態において、上記シードプレートの大面積表面における転位密度は、約１０６ｃｍ―２未満である。特定の実施形態において、上記シードプレートの大面積表面における転位密度は、約１０５ｃｍ―２未満、約１０４ｃｍ―２未満、約１０３ｃｍ―２未満または約１０２ｃｍ―２未満である。特定の実施形態において、上記大面積面の結晶配向に対応する対称ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は、３００秒未満、１５０秒未満、１００秒未満、５０秒未満、４０秒未満、３０秒未満または２０秒未満である。特定の実施形態において、上記大面積面の結晶配向と関連付けられた最低次対称ｘ線ロッキングカーブの半値全幅は、３００秒未満、１５０秒未満、１００秒未満、５０秒未満、４０秒未満、３０秒未満または２０秒未満である。特定の実施形態において、シードプレートの大面積表面上の平均転位密度は、約１０７ｃｍ−２未満、約１０６ｃｍ―２未満、約１０５ｃｍ―２未満または約１０４ｃｍ―２未満である。
【００５７】
バイファセット成長前部は、タイル結晶の合体後も安定しており、マクロ面表面であっても「ホッケーパック」結晶の成長を可能にする。上記ブールの厚さは、約０．５ミリメートル〜約５０ミリメートルまたは約２ミリメートル〜約１０ミリメートルであり得る。上記ブールの直径は、約５ミリメートル〜約３００ミリメートルまたは約２５ミリメートル〜約１５０ミリメートルであり得る。上記ブールは、図６Ｂに示すように正味の成長方向に対してほぼ平行にスライスすることができる。バイファセット形態は、最上部ウェーハ内に保持され、このウェーハは、次の実行のための種結晶として用いることができる。バイファセット成長により、斜角（図６Ｃを参照）においてスライスできるような充分な厚さにブールを成長させる必要無く、大直径半極性ブールの成長が可能となる。より肉薄のブールを成長させることにより、例えばより多数の種をロードできる能力、結晶品質向上などにより、リアクターのループット向上が可能になる。さらに、特定のブール厚さについて、バイファセット成長モードにより、斜角（図６Ｃを参照）においてスライスした場合と比較して、特定の配向の半極性ウェーハの収率を高くすることが可能になる。
【００５８】
図６Ｃに模式的に示すような特定の実施形態において、ブール成長を、半極性ウェーハ配向に対して斜め方向に行う。このような方法は、本質的に任意の半極性配向に適用可能であり、所望の配向が不安定でありかつバイファセット形態を提供できない場合において最適なアプローチである。この場合、ブールの端部から、ウエハ成形後にくさび形状結晶が得られる。残りのくさび型結晶は、後続の成長実行において種または栄養として用いることができる。
【００５９】
図９のダイアグラム９００に模式的に示すような特定の実施形態において、上記種またはシードプレートの最大横方向寸法は、厚さｔを有する半極性ウェーハの標的直径Ｄよりも実質的に大きい。例えば、所望の半極性面に対する表面垂線９０１を安定したブール成長の方向９０６に対して角度ξだけ傾けることができる。ここで、ξは、約５度〜約６０度である。換言すると、所望の半極性配向８４０を安定した成長面９１１に対して角度ξだけ傾けることができる。上記成長による所望の配向のウェーハを方向９０６においてスライス可能にするために、種９４１を少なくともＤｓｉｎξ＋ｔ＋ｗの厚さ９６１まで成長させることができ、ここでｗはスライスおよび研磨と関連付けられた切断損失である。特定の実施形態において、種９４１は、約２Ｄ〜約１０Ｄの範囲の最大寸法９５１を持つものとして提供される。特定の実施形態において、種９４１は、約Ｄｓｉｎξ〜約１．５Ｄｓｉｎξまたは約Ｄｓｉｎξ〜約１．１Ｄｓｉｎξの厚さまで成長される。図９中の面から得られた種の幅は、約Ｄ〜約１．２Ｄであり得る。特定の実施形態において、Ｄは、約２５ミリメートル〜約３００ミリメートルである。特定の実施形態において、安定成長面９１１は、（０００１）、（０００−１）、｛１０−１０｝、｛１０−１１｝および｛１０−１−１｝から選択される。
【００６０】
ＧａＮ基板上のＩＩＩ窒化物材料のエピタキシャル成長は、ノミナル結晶配向に対するミスカットに対して感度を持ち得る。例えば、Ｈｉｒａｉ  ｅｔ  ａｌ．（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９１．１９１９０６（２００７））によると、ｍ面基板上における有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によるエピタキシャルＧａＮ層およびＬＥＤ構造が開示されている。上記ｍ面基板は、軸上、またはａ方向において０．２°、０．５°、２°または５°だけ、または−ｃ方向において０．４５°、５．４°または９．７°だけミスカットされる。Ｈｉｒａｉ  ｅｔ  ａｌ．によれば、上記軸上構造の表面形態は、ピラミッド型ヒロックによって占有され、上記ミスカット角度を０．５°以上に増加させることにより、上記ヒロックを大幅に無くすことが可能である。しかし、ミスカット角度が２°以上である場合、上記表面形態は劣化した。同様に、Ｙａｍａｄａ  ｅｔ  ａｌ．（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ、３１０、４９６８（２００８））において、ｍ面基板上にＭＯＣＶＤによって成長されたＩｎＧａＮ／ＧａＮエピタキシャル構造についての研究が記載されている。上記ｍ面基板は、高精度に軸上であるかまたはａ方向において１°、５°または１０°だけミスカットされるか、＋ｃ方向において１°、２°、３°または１０°だけミスカットされるか、または&#8211;ｃ方向において１°、２°、３°、５°または１０°だけミスカットされる。上記文献によれば、表面の粗さ、ヒロックの存在および発光波長は上記ミスカット角度に対して感度を有し、１°または２°の差において顕著な効果が多く得られた。また、Ｌａｉ  ｅｔ  ａｌ．（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ３１２、９０２（２０１０））において生成されたｍ面基板は、＋ｃ方向において０．１°または０．７°だけミスカットされるかまたはａ方向において０．１°だけミスカットされ、＋ｃ方向において０．１°または０．３°だけミスカットされる。これらの著者によれば、これらの基板上に堆積されたＩｎＧａＮ／ＧａＮエピタキシャル構造の表面の粗さおよび発光波長は、上記ミスカット角度に対して感度を有し、差が０．２°まで縮まり、大きな効果がみられた。a方向内におけるミスカットが僅か０．１°である場合において、+ｃ方向におけるミスカット角度が０．１°ではなく０．３°である場合、純粋なｎ型ＧａＮ層の表面の粗さは、２５倍も高くなった。さらなる例として、Ｉｓｏｂｅ  ｅｔ  ａｌ．（Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌｉｄｉ（ａ）２０８、１１９１（２０１１））によれば、０．３°、１．２°、３°または４°だけｃ方向においてミスカットされたｍ面バルクＧａＮ基板上に、ＡＩＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を成長させた。純粋なＧａＮは、層の厚さの９９％を構成しているため、観察された効果のうちほとんどは、単純なＧａＮオンＧａＮエピタキシーによるものである。著者らによれば、ミスカット角度の増加と共に、表面の粗さおよび結晶品質が大幅に低下した。すなわち、ミスカット角度が０．３°から１．２°へ増加した場合、大きな減少が見られた。基板誤配向角度に対する感度を裏付けるものとして、Ｌｉｎ  ｅｔ  ａｌ．（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２、０８２１０２（２００９））によれば、-ｃ方向において１°だけミスカットされたｍ面基板上にエピタキシーを行った場合、軸上基板上においてエピタキシーを行った場合よりも表面形態およびレーザダイオードデバイス性能が顕著に上昇したことが開示されている。
【００６１】
エピタキシー上の表面配向についてのこれらの効果は、ＭＯＣＶＤ成長に限定されない。例えば、Ｓａｗｉｃｋａ  ｅｔ  ａｌ．（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．ＴｅｃｌｉｎｏｌｏｇｙＢ２９、０３Ｃ１３５（２０１１））において、ｍ面に近接する基板上における分子線エピタキシー（ＭＢＥ）は異方性が高く、その形態は、ミスカット角度およびミスカット方向の双方に依存していた。
【００６２】
上記議論においては、近隣ｍ面基板上におけるＧａＮエピタキシーについて焦点を当てていたが、基板誤配向に対するエピタキシーの感度は、ｍ面またはさらにはＧａＮに対する固有のものではない。例えば、Ｘｕ  ｅｔ  ａｌ．（Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌｉｄｉ（ａ）２０２、７２７（２００５））によれば、軸上ｃ面ＧａＮ基板上のＭＯＣＶＤエピタキシー上のヒロック形成について報告されているが、ｍ方向またはａ方向において１、２、４または８度だけミスカットを行った場合、平滑な層の成長が可能となった。結晶成長時における表面形態は、全体的堆積速度、表面移動、新規層の核形成および成長種のステップおよびよじれ部への「付着」間における競合によって決定され、後者はミスカット角度に対して極めて高感度であることが周知である。
【００６３】
例えばアモノサーマル成長などの、所与の方法による最適な結晶成長プロセスは、一般的には、種結晶の異なる結晶配向によって異なる。そのため、効率的な製造プロセスを行うためには、多数の種結晶（例えば、少なくとも３個、少なくとも１０個、少なくとも２５個、少なくとも５０個、少なくとも１００個、少なくとも２５０個、少なくとも５００個、少なくとも１０００個）上における成長が必要であり、これらの種結晶はそれぞれ、成長プロセス時において同様に振る舞う。上記の議論から導き出される結論の１つとして、アモノサーマルＧａＮ結晶の効率的な製造プロセスを達成するためには、各種結晶の表面配向を超高精度（例えば、０．０５°未満）まで制御する必要がある。しかし、驚くべきことに、本発明者らによれば、１つの種結晶から別の種結晶への誤配向角度が約０．０５度よりも高い場合、約０．１度よりも高い場合、約０．２度よりも高い場合、約０．３度よりも高い場合、約０．４度よりも高い場合、約０．５度よりも高い場合、約０．７度よりも高い場合、または約１度よりも高い場合、高忠実度のアモノサーマル結晶成長を達成することが可能である（ただし、上記配向が特定の結晶方向において約１〜約５度に相当する場合）。このような規定により、各大面積面の結晶配向についての公差を極めて厳密に維持するためのコストと比較して、種結晶作製のためのコストを大幅に低減することが可能になる。ノミナルｍ面種結晶上の成長の場合、本例に記載のように、本発明者によれば、ｃ方向におけるミスカット角度が［０００−１］において約５度〜［０００＋１］において約１度であり、ａ方向におけるミスカット角度が複数の種それぞれの各大面積表面について約１度以下である場合、高品質の成長を達成できることが分かった。本発明者らによれば、ｍ面と（１０−１−１）との間の半極性配向のバイファセット成長の場合、ｃ方向におけるミスカット角度が［０００−１］方向において約５度〜［０００＋１］方向において約１度、かつａ方向におけるミスカット角度が複数の種のそれぞれの各大面積表面について約１度以下である場合、高品質成長を達成できることが分かった。ノミナルｃ面種結晶上における成長の場合、本発明者らによれば、ｍ方向におけるミスカット角度が約５度未満でありかつａ方向におけるミスカット角度が複数の種それぞれの各大面積表面について約５度以下である場合、高品質成長を達成できることが分かった。この結晶配向の仕様を模式的に図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示す。
【００６４】
特定の実施形態において、上記種結晶またはプレートは、矩形形状またはほぼ矩形形状である。ほぼ矩形の形状は、ｍ面またはａ面シードプレートに特に適している。特定の実施形態において、上記種結晶またはプレートの角を曲線状または面取りすることにより、破損の可能性を最小化する。矩形形状は、取り付け時において簡便であり、また、高圧力結晶成長リアクタ内の空間も効率的に利用できる。特定の実施形態において、上記種結晶またはプレートは、六角形またはほぼ六角形の形状を有する。六角形形状は、ｃ面配向種結晶またはプレートの作業において特に便利である。特定の実施形態において、上記種結晶またはプレートは、円形、楕円形、ほぼ円形または楕円形の形状を有する。
【００６５】
特に非矩形の種結晶またはプレートを備えた特定の実施形態において、上記種結晶は、図２Ｃに示すように非矩形の近密にパッキングされた様態で配置され得る。棒の線形アレイを配置して垂直方向に積層された複数の段とする代わりに、上記シードラックは、ハニカム型配置構成を含み得、六角形、円形、矩形または他の形状の切り抜きが規則的パターンで配置される。上記ハニカム構造は、ワイヤ放電機械加工、水ジェット切断、鋸切断、フライス加工、穿孔などにより、シートから形成され得る。あるいは、上記ハニカム構造を垂直強化構造を備えた屈曲状準水平棒からから作製することも可能である。
【００６６】
上記種結晶は、実質的に垂直方向において１つ以上の軸方向に配置された段内に配置され得る。３つよりも多くの種結晶、１０よりも多くの種結晶、約２０よりも多くの種結晶、約３５よりも多くの種結晶、約５０よりも多くの種結晶、約７５よりも多くの種結晶、約１００よりも多くの種結晶、約２００よりも多くの種結晶、約５００、または約１，０００よりも多くの種結晶を上記シードラック内に配置することができる。隣接行間の間隔、所与の行の隣接種間の間隔およびスケーラブルコンテナ（オートクレーブ、ライナーまたはカプセル）の内径からの間隔は、上記種結晶をブールに成長させた後に、上記結晶が相互に成長せずかつ（流体流れが妨害されないように）充分な隙間が残るような大きさの隙間となるように選択する。あるいは、上記種結晶は、水平方向に配置してもよいし、あるいは、水平方向と垂直方向との間の角度で配置してもよい。
【００６７】
フレーム中に種結晶および原材料をロードした後、上記フレームを密閉可能容器内に配置する。上記スケーラブルコンテナは、オートクレーブまたはカプセルを構成し得る。上記オートクレーブまたはカプセルは、内部加熱型高圧力装置と共に用いられるように設計される。少なくとも１つの鉱化剤が付加され得る。上記鉱化剤は、以下を含み得る：アルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ）、アルカリ土類金属（例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａ）またはアルカリまたはアルカリ土類水素化物、アミド、イミド、アミド−イミド、窒化物またはアジド。上記鉱化剤は、アンモニウムハロゲン化物（例えば、ＮＨ４Ｆ、ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ４ＢｒまたはＮＨ４Ｉ）、ガリウムハロゲン化物（例えば、ＧａＦ３、ＧａＣｌ３、ＧａＢｒ３、ＧａI３またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒＨＩ、Ｇａ、ＧａＮおよびＮＨ３のうち１つ以上との反応によって形成され得る化合物を含んでもよい。上記鉱化剤は、他のアルカリ、アルカリ土類またはアンモニウム塩、他のハロゲン化物、尿素、硫黄または硫化物塩、またはリンまたはリン含有塩を含み得る。上記鉱化剤は、金属、粉末、顆粒、または少なくとも１つの圧縮成形体またはピルのものを使用できる。上記鉱化剤は、原材料バスケットに付加してもよいし、坩堝中に付加してもよいし、あるいは高圧力装置またはカプセル中に直接配置してもよい。特定の実施形態において、上記鉱化剤は、空気への露出がない高圧力装置またはカプセルに追加される（例えば、グローブボックス）。
【００６８】
その後、上記スケーラブルコンテナを密閉する（ただし、ガス、液体または真空マニホルドへの接続部は除く）。一実施形態において、上記スケーラブルコンテナは、米国特許第７，３３５，２６２号に開示されているようなオートクレーブを含む。特定の実施形態において、スケーラブルコンテナは、金属缶（例えば、米国特許第７，１２５，４５３に開示のもの）、コンテナ（例えば、米国公開番号第２００７／０２３４９４６号に開示のもの）またはカプセル（例えば、米国出願第１２／１３３，３６５号に開示のもの）を含む。上記スケーラブルコンテナの内径は、約１インチ〜約２インチ、約２インチ〜約３インチ、約３インチ〜約４インチ、約４インチ〜約６インチ、約６インチ〜約８インチ、約８インチ〜約１０インチ、約１０インチ〜約１２インチ、約１２インチ〜約１６インチ、約１６インチ〜約２４インチ、または約２４インチ以上であり得る。スケーラブルコンテナの内径とフレーム外径との間の隙間は、約０．００５インチ〜約１インチまたは約０．０１０インチ〜約０．２５インチであり得る。上記スケーラブルコンテナの内側高さとその内径との間の比は、約１〜約２、約２〜約４、約４〜約６、約６〜約８、約８〜約１０、１０〜約１２、約１２〜約１５、１５〜約２０または約２０を超える。
【００６９】
特定の実施形態において、上記スケーラブルコンテナを脱気して、空気、水分および他の揮発性汚染成分を除去する。特定の実施形態において、上記高圧力装置またはカプセルを脱気時において約２５℃〜約５００℃の温度まで加熱する。特定の実施形態において、高圧力処理時において用いられた加熱要素と同じ加熱要素を用いて、上記スケーラブルコンテナを加熱する。ある特定の実施形態において、上記カプセルを内部加熱型圧力装置内に配置して加熱し、後者のためのヒーターを用いて加熱する。
【００７０】
特定の実施形態において、図３Ａおよび図３Ｂの図３Ａ００および３Ｂ００にそれぞれ示すように、充填されたフレームを含むオートクレーブまたはカプセルを浄化して、空気、水分および他の揮発性汚染成分を除去する。浄化を行うことにより、脱気に相対して、空気、水分および他の揮発性汚染成分をより良好に除去することができる。なぜならば、上記オートクレーブまたはカプセルの内部への管または長穴内の伝導性が限定されているからである。その後、特定の実施形態では、上記オートクレーブまたはカプセルを少なくとも１つの充填管またはパージ管を介してガス源へと接続し、上記カプセルの内容物は空気に露出されない。上記ガス源は、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム、フレオン、フッ素含有ガス、溶媒蒸気または上記のうちいずれかの組み合わせのうち少なくとも１つを含み得る。特定の実施形態において、第１の充填管またはパージ管および第２の充填管またはパージ管の双方は、ガス源および／または排気管へと接続される。特定の実施形態において、内側パージ管を充填管または外側パージ管内に配置し、一端が上記オートクレーブまたはカプセルの下端部の近隣に配置されるように配置する。上記内側パージ管および外側パージ管は、銅、銅合金、金、金ベースの合金、銀、銀合金、パラジウム、白金、インジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、モリブデンおよびこれらの組み合わせのうち少なくとも１つから作製することができる。上記内側パージ管または外側パージ管を形成する際に用いることが可能な鉄合金を非限定的に挙げると、ステンレススチールがある。上記内側パージ管または外側パージ管を形成する際に用いることが可能なニッケル合金を非限定的に挙げると、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）などがある。上記内側パージ管の外径は、図示のように、上記充填管または外側パージ管の内径よりも少なくとも０．０１０インチだけ小さくすることができる。上記内側パージ管は、Ｔ固定具または他の適切な技術によって上記充填管または外側パージ管へ接続することができ、これにより、上記内側パージ管を通じて導入されたパージガスが上記オートクレーブまたはカプセルの下端近隣から出ていき、上記オートクレーブまたはカプセルの長さを沿って通過した後、上記内側パージ管およびＴ固定具の外部の充填管または外側パージ管中の上記環状空間を通じて排気し、これにより、特定の実施形態に従って気相汚染成分を効率的に除去することが可能になる。上記Ｔ固定具とおよび上記内側パージ管との間の界面は、スライディングシール（例えば、Ｏリングまたは差動的にポンプされた１組のテフロン（登録商標）シールまたはＯリング）であり得る。上記パージガスの流量は、約０．０５〜約５０標準リットル／分であり得る。上記オートクレーブまたはカプセルを、パージ動作中において例えば約２５℃〜約５００℃の温度まで加熱することができ、これにより、水および他の吸収された汚染成分をより効率的に除去することができる。上記パージガスの流れを遮断した後、窒素含有溶媒蒸気（例えば、気相アンモニア）を上記オートクレーブまたはカプセルを通じて送って、上記パージガスのうちほとんどまたは全てを除去する。
【００７１】
特定の実施形態において、その後、例えば、第２の充填管またはパージ管などのガス流路の入口を液体窒素含有溶媒（例えば、アンモニア）の源へと接続することができる。上記スケーラブルコンテナおよび充填管（単数または複数）を冷却してもよいし、あるいは液体溶媒送達システムおよび移動ラインを加熱して、前者を後者よりも約１〜５０℃だけ冷たくする。その後、液体溶媒を約０．１〜約１，０００粒子／分の速度において上記スケーラブルコンテナ中へと導入する。室温において、アンモニアの蒸気圧力は、ほぼ１０気圧である。よって、上記溶媒源の温度に応じて、溶媒送達時におけるシステム圧力を約７気圧よりも高く、約８気圧よりも高く、約９気圧よりも高く、または約１０気圧よりも高くすることができる。一実施形態において、上記パージ排気管を閉鎖し、充填動作時において上記液体上方の窒素含有溶媒蒸気を強制的に液化して液状にする。これらの実施形態において、上記オートクレーブまたはカプセルを活性冷却して、上記溶媒蒸気の液化によって放出された熱を消散させる。特定の実施形態において、上記パージ排気管に逆止め弁を固定して、上記圧力が所定の閾値を超えた場合、残留パージガスまたは溶媒蒸気を放出可能とする。しかし、空気または他の気体は、上記オートクレーブ中へ逆流することはできない。上記スケーラブルコンテナ中の溶媒の量は、液体送達システムを用いることにより、決定することができる。上記液体送達システムは、送達される液体の質量を高精度に監視および制御することが可能である。高精度計測された高純度液体アンモニアの送達に適した装置の一例として、ｉＣｏｎＤｙｎａｍｉｃｓ、ＬＬＣによって製造されたＩｎＳｃａｌｅ（登録商標）システムがある。特定の実施形態において、上記スケーラブルコンテナへと送達されたアンモニア量は、少なくとも１つのアンモニア供給シリンダの重量損失により、定量化される。液体充填時において溶媒ガスが排出されると、アンモニアが溶媒である場合、溶媒を水溶液中にトラップし、ｐＨ変化と、上記スケーラブルコンテナ中の液体量を決定するために合計液体送達量からこの量を減算した値とを計算することにより、通気溶媒の量を測定することができる。上記溶媒がアンモニアと異なる場合でも、放出された溶媒量を測定するために同様の方法を行うことができる。
【００７２】
特定の実施形態において、溶媒は、高圧力の蒸気としてスケーラブルコンテナへと送達される。その後、上記ガス流路（例えば、第２の充填管またはパージ管）の入口を気相溶媒源へと接続する。上記スケーラブルコンテナおよび充填管（単数または複数）を冷却してもよいし、あるいは、上記溶媒送達システムおよび移動ラインを加熱して、前者が後者よりも約１〜約５０℃だけ低温になるようにしてもよい。その後、気相溶媒を約０．１〜約１，０００グラム／分の速度で上記スケーラブルコンテナ中へと導入し、上記スケーラブルコンテナ中において液化させる。上記溶媒蒸気の圧力は、上記スケーラブルコンテナの温度における平衡蒸気圧力よりも高くすべきである。上記スケーラブルコンテナの温度および上記溶媒送達システムの温度に応じて、溶媒送達時における圧力は、約７気圧よりも高く、約８気圧よりも高く、約９気圧よりも高く、または約１０気圧よりも高くすることができる。特定の実施形態において、上記パージ排気管を閉鎖し、充填動作時において、上記液体の上方の溶媒蒸気を強制的に液化させる。本実施形態において、上記スケーラブルコンテナを活性冷却して、溶媒蒸気の液化から発生する熱を消散させる。特定の実施形態において、上記パージ排気管に逆止め弁を固定して、上記圧力が所定の閾値を超えた場合、残留パージガスまたは溶媒蒸気を放出可能とする。しかし、空気または他の気体は、上記オートクレーブ中へ逆流することはできない。質量流計測器を備えた蒸気送達システムを用いることにより、上記スケーラブルコンテナ中の溶媒量を測定することができる。特定の実施形態において、上記スケーラブルコンテナへと送達されたアンモニア量は、少なくとも１つのアンモニア供給シリンダの重量損失により、定量化される。液体充填時において溶媒ガスを放出させると、アンモニアが溶媒である場合、溶媒を水溶液中にトラップし、ｐＨ変化と、カプセル中の液体量を決定するために合計液体送達量からこの量を減算した値とを計算することにより、放出した溶媒の量を測定することができる。上記溶媒がアンモニアと異なる場合でも、放出溶媒量を測定するために同様の方法を行うことができる。
【００７３】
内側パージ管が存在する場合、上記スケーラブルコンテナ（例えば、オートクレーブまたはカプセル）を充填した後、上記内側パージ管を除去することができる。特定の実施形態において、上記内側パージ管を充填ステップの前でパージステップ後に除去してもよい。その後、上記オートクレーブに対する仕切り弁または上記カプセルに対する充填管（単数または複数）を密閉する。密閉後、上記オートクレーブまたは上記カプセルの内部中の空気は実質的にゼロであり、その内部に収容された少なくとも１つの原料を処理することができ、汚染の危険性も低減することができる。もちろん、他の改変例、変更例および代替例も可能である。
【００７４】
特定の実施形態において、その後オートクレーブを結晶成長条件まで加熱することができる。特定の実施形態において、上記カプセルをオートクレーブ、内部加熱型圧力装置または他の高圧力装置内に配置し、結晶成長条件まで加熱する。特定の実施形態において、上記熱サイクルは、プレ反応セグメントを含む。上記プレ反応セグメントは、鉱化剤、多結晶窒化ガリウム、溶解ガリウム含有複合体などを形成する。特定の実施形態において、上記オートクレーブ中の雰囲気を実行時において変更することができる。例えば、ガリウム金属とアンモニアとの間の反応によって形成された過剰なＨ２を仕切り弁を通じて流出させるかまたは加熱されたパラジウム薄膜を通じて消散させる。アジド鉱化剤の堆積によって形成された過剰な窒素は、上記仕切り弁を通じて流出させることができる。アンモニアを更に付加して、上記高圧力装置中の溶媒を補充することができる。
【００７５】
結晶成長のための適切な熱サイクルが、例えば米国特許第６，６５６，６１５号および第７，０７８，７３１号中に開示されている。上記結晶は、主に大直径面に対して垂直方向に成長するが、横方向にも成長することができる。結晶セパレータプレートにより、上記結晶の相互の成長を回避することができる。
【００７６】
結晶成長を所定の期間にわたって行った後、上記オートクレーブまたは高圧力装置を冷却する。上記オートクレーブまたはカプセルを約１００℃よりも低い温度、約７５℃よりも低い温度、約５０℃よりも低い温度、または約３５℃よりも低い温度まで冷却した場合、上記オートクレーブの弁が開口するかまたは上記カプセルが通気され、アンモニアが除去される。特定の実施形態において、上記スケーラブルコンテナは高温において通気される。特定の実施形態において、この通気は、上記スケーラブルコンテナに取り付けられた弁を開けることによって達成される。特定の実施形態において、気相アンモニアを上記オートクレーブまたはカプセルから放出させ、酸性水溶液を通じてバブリングして、化学的にトラップさせる。特定の実施形態において、気相アンモニアをフレームを通過させて、アンモニアを燃焼させて、Ｈ２ＯおよびＮ２を形成する。
【００７７】
冷却、アンモニア除去および上記オートクレーブまたは内部加熱型高圧力装置およびカプセルの開口後、上記フレームを上記オートクレーブまたはカプセルから取り外し、成長した結晶を上記シードラックから取り外す。必要ならば、適切な酸（例えば、塩酸、硫酸、硝酸およびフッ化水素酸のうち少なくとも１つ）中におけるエッチングにより、結晶材料によって成長しすぎたクリップの部分を除去することができる。
【００７８】
上記において、半極性バルクＧａＮブールのアモノサーマル成長について記載してきた。特定の実施形態において、１つ以上の半極性バルクＧａＮブールは、当該分野において公知の他の方法によって成長される（例えば、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）またはフラックス方法）。安定面（例えば、ｍ面および｛１０−１１１｝）を形成するように高インデックス面が成長されかつバイファセット成長が継続的に行われるように、条件を選択することができる。例えば、特定の実施形態において、任意の公知の方法を用いて、２つ以上の半極性ＧａＮウェーハを基板または種ホルダ上に高精度にタイル張りする。例えば、米国特許出願第２０１２／０１１２３２０号（Ｋｕｂｏ  ｅｔ  ａｌ.）において、２つ以上のＧａＮウェーハを基板上に並べ、ＨＶＰＥによって合体させる方法についての開示がある。上記タイルウェーハをその後ＨＶＰＥ結晶成長リアクタ中に配置し、約９００℃を超える温度においてＨＶＰＥによって成長させて、これにより、上記タイル結晶を合体させ、バイファセット成長前部を形成する。別の特定の実施形態において、平行な溝部のパターンを種結晶表面上に形成して、バイファセットＨＶＰＥ成長を開始する。これらの溝部は、［０００±１］±ｃ方向に対して実質的に平行に配向する。別の特定の実施形態において、平行なマスク線のパターンを種結晶表面上に形成して、バイファセットＨＶＰＥ成長を開始する。上記マスク線は、ＳｉＯ２およびＳｉＮｘのうち少なくとも１つを含み得、例えば熱蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタリング、化学蒸着、プラズマ化学蒸着などによって堆積させることができる。上記マスク線は、［０００±１］±ｃ方向に対して実質的に平行に配向する。上記溝部種結晶またはマスク種結晶をその後ＨＶＰＥ結晶成長リアクタ中に配置し、ＨＶＰＥによって約９００℃を超える温度において成長させて、バイファセット成長前部を形成する。
【００７９】
単一ワイヤまたは多ワイヤ鋸、内径鋸、外径鋸などを用いて、１つ以上のウェーハを、成長したままのブールから作製することができる。鋸切断の前、上記ブールをｘ線ゴニオメーターを用いて高精度に配置することができ、これにより、ウェーハを所定のミスカット角度で作製する。スライス後、上記結晶ウェーハに対し、当該分野において公知の方法により、ラッピング、研磨および化学機械的研磨を行う。いくつかの実施形態において、上記ウェーハの大面積表面における平均転位密度は、約１０７ｃｍ―２未満である。いくつかの実施形態において、上記ウェーハの大面積表面における平均転位密度は、約１０６ｃｍ―２未満、約１０５ｃｍ―２未満、約１０４ｃｍ―２未満、約１０３ｃｍ―２未満、または約１０２ｃｍ―２未満である。いくつかの実施形態において、上記大面積面の結晶配向に対応する対称Ｘ線回折ロッキングカーブの半値全幅は、３００秒未満、１５０秒未満、１００秒未満、５０秒未満、４０秒未満、３０秒未満または２０秒未満である。いくつかの実施形態において、上記大面積面の結晶配向と関連付けられた最低次対称Ｘ線回折ロッキングカーブの半値全幅は、３００秒未満、１５０秒未満、１００秒未満、５０秒未満、４０秒未満、３０秒未満または２０秒未満である。特定の実施形態において、上記ウェーハの半極性配向は、｛６０−６±１｝、｛５０−５±１｝、｛４０−４±１｝、｛３０−３±１｝、｛５０―５±２｝、｛２０−２±１｝｝｛３０−３±２｝、｛４０−４±３｝および｛５０−５±４｝のうち１つの約３度内である。
【００８０】
図５は、ガリウム含有窒化物結晶の成長のためのシステムのブロック図である。図５に示すように、システム５００の方法は、原材料を原材料バスケット内に投入するステップ（ステップ５０５を参照）から開始し、次に以下のステップに進む：シードラックに種結晶またはプレートをつるすステップ（ステップ５１０を参照）、フレームをオートクレーブまたはカプセル中に配置するステップ（ステップ５１５を参照）、鉱化剤をオートクレーブまたはカプセルに追加するステップ（ステップ５２０を参照）、オートクレーブまたはカプセルを脱気またはパージするステップ（ステップ５２５を参照）。特定の実施形態において、ステップは、脱気またはパージ時において上記オートクレーブまたはカプセルをベーキングする動作を含む（ステップ５３０を参照）。その後、次のステップは、オートクレーブまたはカプセルに液体アンモニアを充填する動作を行うことができる（ステップ５３５を参照）、オートクレーブカプセルを所定のプロセス温度およびプロセス圧力まで加熱するための加熱部材へ電気エネルギーを提供して、溶媒を超臨界状態にするステップ（ステップ５４０を参照）。終了ステップは、上記オートクレーブまたはカプセルを冷却し、結晶を除去するための動作を含む（ステップ５４５を参照）。さらなる終了ステップは、結晶をスライスおよび研磨して、ウェーハを形成する動作を含み得る（ステップ５５０を参照）。
【００８１】
上記結晶ウェーハは、以下のものを作製するための基板として有用である：光電子および電子デバイス（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、光検出器、なだれフォトダイオード、トランジスタ、整流器およびサイリスタのうち少なくとも１つ、トランジスタ、整流器、Ｓｃｈｏｔｔｋｙ整流器、サイリスタ、ｐ−ｉ−ｎダイオード、金属−半導体−金属ダイオード、高電子可動性トランジスタ、金属半導体電界効果トランジスタ、金属酸化物電界効果トランジスタ、パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、パワー金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属絶縁体電界効果トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、電力絶縁バイポーラトランジスタ、電力垂直接合電界効果トランジスタ、カスケードスイッチ、内側サブバンドエミッタ、量子井戸赤外光検出器、量子ドット赤外光検出器、太陽電池および光電気化学水分離用ダイオードおよび水素生成デバイスのうちの１つ。
【００８２】
特定の実施形態において、上記ステップの順序のうちいずれかにより、本開示の実施形態による方法が得られる。特定の実施形態において、本開示は、バスケット構造を有する圧力装置によって生成される結晶材料を提供する方法を提供する。他の代替例も可能であり、本明細書中に記載の特許請求の範囲から逸脱することなく、ステップを追加したり、１つ以上のステップを省略したり、または１つ以上のステップを異なる順序にすることができる。
【００８３】
図１０は、結晶成長のための高圧力装置１０００（一種の結晶成長リアクタ）の簡単な図１０００である。図示されているのは、カプセル１００１と、上記カプセル内に配置された３個、４個、１０個、２０個、５０個、１００個以上の種結晶である。上記カプセルは、加熱部材１００７内に配置される。上記加熱部材は、少なくとも２つの独立的に制御可能なゾーンを複数規定する。これらのゾーンは、端ゾーン１０２０と、結晶成長領域１２２と、バッフルゾーン１０２４と、栄養領域１２１とを含み得る。少なくとも上記結晶成長領域またはゾーン１２２および栄養領域またはゾーン１２４は、アモノサーマル結晶成長において必要である。独立的に制御可能なバッフルゾーン１０２４は、プロセス最適化において有用であり得る。軸方向端部損失に起因して、上部ゾーンの上部および下ゾーンの下部中にさらなる高温ゾーンが無い場合、上記結晶成長領域および上記栄養領域それぞれよりも低温になる。１つ以上の端ゾーンを設けることにより、上記端部へさらなる加熱を提供して、軸方向熱損失を補償し、１つ以上の端部における温度低下を低減またはゼロにすることができる。この特定の配置構成は、垂線溶解度を備えたシステムに適している（例えば、ＮＨ４Ｃｌを鉱化剤として用いる場合）。他の場合において、例えば、アモノ塩基性成長の場合またはＮＨ４Ｃｌを鉱化剤として用いる場合、成長ゾーンおよび栄養ゾーンの位置を逆転させて、上記栄養ゾーンを上記成長ゾーンの上方に配置する。一般的に、成長時において、上側ゾーン（単数または複数）は、下側ゾーン（単数または複数）よりも低温になる。加熱部材を連続環状セラミック部材１０３０内に配置する。環状セラミック部材１０３０は、高強度筺体１０１０内に配置される。１つ以上の環状プラグ１０３４およびエンドキャップ１０３２を提供することができる（例えば、軸方向熱絶縁のためのもの）。上記装置の端部は、上端フランジ１０１２および下端フランジ１０１４によって密閉され得る。軸１００６は、上記カプセル、上記加熱部材、上記連続環状セラミック部材および上記高強度筺体に共通する。
【００８４】
図１１は、結晶成長プロセスを示すフローチャートの簡単な図である。図示のように、方法１１００により、結晶材料がバスケット構造およびシードフレームを有する圧力装置中において生成される（例えば、オートクレーブまたはオートクレーブ内のカプセルまたは内部加熱型高圧力装置）。図示のように、上記方法は、少なくとも３つのｍ面種結晶、半極性種結晶またはｃ面種結晶と共に開始され、これらの各側部は、上記したようなミスカットを有する（動作１１０５を参照）。次に、上記方法は、種結晶をフレーム上に吊るす手段を提供する（動作１１１０を参照）、上記フレームは、オートクレーブまたはカプセル内への配置に適している（動作１１１５を参照）。次に、鉱化剤を上記オートクレーブまたはカプセルへと追加する（動作１１２０を参照）。その後、上記オートクレーブまたはカプセルに液体アンモニアを充填する（動作１１２５を参照）。結晶材料を形成するために、上記方法は、電気エネルギーを加熱部材へ提供して、上記オートクレーブまたはカプセルを所定のプロセス温度および所定のプロセス圧力まで加熱して、溶媒を超臨界状態にする（動作１１３０を参照）。方法１１００は、上記オートクレーブまたはカプセルを冷却し、上記結晶を除去することによって終了する（動作１１３５を参照）。
【００８５】
図１２Ａは、特定の本開示の実施形態において用いられるようなｍ面結晶成長のための種結晶に適した結晶配向の範囲を示す簡易ダイアグラム１２Ａ００である。アモノサーマルＧａＮ結晶の効率的な製造プロセスを達成するために、各種結晶の表面配向を極めて高精度に制御する必要がある（例えば、約０．０５°未満）ことがわかる。しかし、驚くべきことに、例に示すように、本発明者らによれば、複数のシードプレートそれぞれの各大面積表面についてｃ方向におけるミスカット角度が［０００−１］に向けて約５度および［０００＋１］に向けて約１度でありかつａ方向におけるミスカット角度が約１度以下である場合、ｍ面に近い種結晶またはシードプレートの高忠実度アモノサーマル結晶成長を達成することが可能であることが分かった。このような規定により、大面積面の結晶配向についての公差を極めて厳密に維持するためのコストと比較して、種作製のためのコストを大幅に低減することが可能になる。特定の実施形態において、半極性ウェーハは、図６Ｃおよび図９に示すようにｍ面に対して垂直にブールを成長させた後に斜角でスライスすることにより、作製される。
【００８６】
図１２Ｂは、簡易ダイアグラム１２Ｂ００であり、特定の本開示の実施形態において用いられるようなｍ面および｛１０−１−１｝間の半極性配向１２８０を用いてバイファセット結晶を成長させるために適した結晶配向の範囲を示す。本発明者らによれば、上記種のためのｃ方向におけるミスカット角度が上記ノミナル半極性配向に対して［０００−１］の方向に約５度および［０００＋１］の方向に約５度であり、複数のシードプレートそれぞれの各大面積表面についてa方向におけるミスカット角度が約１度以下である場合、高忠実度アモノサーマル結晶成長を達成することが可能である。このような規定により、効率的製造のための各大面積面の結晶配向についての公差を極めて厳密に維持するためのコストと比較して、種作製のためのコストを大幅に低減することが可能になる。特定の実施形態において、半極性ウェーハは、図６Ｂに示すように半極性面に対して垂直にブールを成長させた後にほぼ平行な角度でスライスすることにより、作製される。
【００８７】
図１２Ｃは、簡易ダイアグラムであり、特定の本開示の実施形態において用いられるようなｃ面結晶成長のための種結晶に適した結晶配向の範囲を示す。本発明者らによれば、ｍ方向およびａ方向それぞれにおけるミスカット角度が複数のシードプレートそれぞれの各大面積表面について約５度未満である場合、高忠実度アモノサーマル結晶成長を達成することが可能である。このような規定により、効率的製造のための各大面積面の結晶配向についての公差を極めて厳密に維持するためのコストと比較して、種作製のためのコストを大幅に低減することが可能になる。特定の実施形態において、半極性ウェーハは、図６ｃおよび図９に示すようにｃ面に対して垂直にブールを成長させた後に斜角角度でスライスすることにより、作製される。
【００８８】
図１３に示す写真１３００は、本開示の実施形態による成長後のブールを示す。種結晶の（２０−２−１）面をアモノサーマル的に成長させて、安定した大面積（１０−１−１）および（１０−１０）面と、さらなるｍ面および｛１０−１−１｝側面とを形成する。この結晶の成長条件を例４に示す。
【００８９】
図１４に示すチャート１４００は、半極性窒化ガリウムブールの大規模アモノサーマル製造プロセスを示す。図示のように、上記プロセスは、複数の動作を有する。これら複数の動作のうち任意の動作を任意の実施形態において（例えば、プロセッサ、ツール、リアクタ）通信経路１４０５を介して他の任意の動作と通信させることができる。より詳細には、上記プロセスは、ガリウム含有窒化物半極性ウェーハの作製方法を記述する。上記方法は、以下を含む：ガリウム含有原料を提供すること（動作１４１０を参照し）、鉱化剤を提供すること（動作１４２０を参照）、複数のガリウム含有窒化物シードプレートを提供することであって、上記複数のシードプレートはそれぞれ、第１の結晶配向を含む第１の大面積表面を有し、上記複数のシードプレートそれぞれの上記第１の結晶配向は、ｍ面、ｃ面および｛１０−１±１｝から選択された成長配向の約５度内であり、約５度内に相当し、上記複数のシードプレートの少なくとも２つの第１の結晶配向は、少なくとも約０．０５度だけ異なる（動作１４３０を参照）、また、上記複数のシードプレートをシードラック中に支持することであって、上記シードラックは、処理条件下において実質的に硬質である（動作１４４０を参照）ことと、上記原料と、上記鉱化剤と、上記複数のシードプレートを支持している上記シードラックとをスケーラブルコンテナ中に配置すること（動作１４５０を参照）と、窒素含有溶媒を上記スケーラブルコンテナ中に導入すること（動作１４６０を参照）と、上記スケーラブルコンテナ中に収容された上記原料、上記鉱化剤および上記複数のシードプレートを超臨界流体中において約４００℃よりも高い温度および約１ｋｂａｒよりも高い圧力で処理すること（動作１４７０を参照）と、上記複数のシードプレートそれぞれを成長させてブールとすることであって、上記ブールの厚さは少なくともＤｓｉｎξであり、ここで、Ｄは上記半極性ウェーハの最小直径であり、ξは、上記成長配向と上記半極性ウェーハ配向との間の約５度以上である角度である（動作１４８０を参照）ことと、複数の成長したブールを上記スケーラブルコンテナから除去すること（動作１４９０を参照）と、上記複数の成長したブールをそれぞれスライスして、直径が少なくともＤに等しい少なくとも１つの半極性ウェーハとすること（動作１４９５を参照）。
【実施例】
【００９０】
本開示によって提供される実施形態について、以下の例を参照してさらに例示する。当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、材料および方法双方における多くの変更例を実行することができることは明らかである。
例１
【００９１】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途に提供した。第１の種結晶の大面積表面は、ｍ面から［１１−２０］に向かってほぼ０．０３度だけミスカットし、ほぼ０．０５度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第２の種結晶の大面積表面は、ｍ面から０．１度未満の角度で［１１−２０］に向かってかつほぼ１度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第３の種結晶の大面積表面は、ｍ面から０．１度未満の角度で［１１−２０］に向かってミスカットし、またほぼ４度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第４の種結晶の大面積表面は、ｍ面から０．１度未満の角度で［１１−２０］に向かってかつほぼ７度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。上記種結晶を、１５％開口領域バッフルと、ほぼ３０．６グラムの多結晶ＧａＮ栄養（nutrient）と、５．５グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、２８．６グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６４５℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６６５℃まで加熱し、これらの温度をほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記結晶は、０．９〜２．２ミリメートルの厚さに成長した。その後、上記結晶を顕微鏡下において調査して、上記結晶の結晶化度をＸ線回折ロッキングカーブ分析によって定量化した。
【００９２】
軸上ｍ面結晶は、前面および後面双方において優れた表面形態を示した。（１００）反射、約［１１−２０］のロッキング、（１００）反射、約［０００１］のロッキングおよび軸外（１０２）反射のＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値はそれぞれ、側部１上においてほぼ２８秒、３２秒および２０秒であった。側部２上において、対応する値はそれぞれ、ほぼ２６秒、３２秒および２６秒であった。これらの値は、優れた結晶化度を示す。
【００９３】
［０００−１］に向かう１度のミスカットで開始したｍ面結晶も、前面および後面双方上において優れた表面形態を示した。上記前面および後面はどちらとも、ほぼ軸上ｍ面上において成長したようにみえる。対称（１００）反射、約［１１−２０］のロッキング、対称（１００）反射、約［０００１］のロッキング、および非対称または軸外（１０２）反射についてのＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値はそれぞれ側部１上で、ほぼ６７秒、５３秒および４３秒であり、最初に［０００１］に向かって１度でミスカットされた面に対応する。最初に［０００−１］に向かって１度でミスカットされた面に対応する側部２上とにおいて、対応する値はそれぞれ、ほぼ８６秒、８５秒および４６秒であった。これらの値は、優れた結晶化度を示す。
【００９４】
［０００−１］に向かい４度でのミスカットから開始したｍ面結晶は、前面および後面どちらにおいても、良好な表面形態を示した。最初に［０００−１］に向かってミスカットされた面は、軸上ｍ面として成長したようにみえ、顕著な｛１０−１−１｝面を示した。最初に［０００１］に向かってミスカットされた面は、若干より粗かった。（１００）反射、約［１１−２０］のロッキング、（１００）反射、約［０００１］のロッキングおよび軸外（１０２）反射についてのＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値はそれぞれ、ほぼ７５秒、２２１秒および５１秒であった。最初に［０００１］に向かって４度でミスカットされた面に対応する側部１上と、最初に［０００−１］に向かって４度でミスカットされた面に対応する側部２上とにおいて、対応する値はそれぞれ、ほぼ４０秒、１４４秒および１３４秒であった。これらの値は、特に［０００１］に向かってミスカットされた面上において結晶化度が若干低下したことを示す。
【００９５】
［０００−１］に向かった７度でのミスカットから開始したｍ面結晶は、一面上においては良好な表面形態を示したが、その他の面は高い粗さを示した。最初に［０００−１］に向かってミスカットされた面は、軸上ｍ面として成長したようにみえ、顕著な｛１０−１−１｝面を示した。最初に［０００１］に向かってミスカットされた面は、顕著により粗かった。（１００）反射、約［１１−２０］のロッキング、（１００）反射、約［０００１］のロッキングおよび軸外（１０２）反射についてのＸ線回折ロッキングカーブの半値全幅値は側部１上でそれぞれ、ほぼ１０２秒、２９２秒および６０秒であった。最初に［０００１］に向かって７度でミスカットされた面に対応する側部１上と、最初に［０００−１］に向かって７度でミスカットされた面に対応する側部２上とにおいて、対応する値はそれぞれ、ほぼ７３秒、１２３秒および５５秒であった。これらの値は、特に［０００１］に向かってミスカットされた面上において結晶化度が大幅に低下したことを示す。
例２
【００９６】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途に提供した。第１の種結晶の大面積表面は、ｍ面から［１１−２０］に向かってほぼ０．０３度だけミスカットし、ほぼ０．０５度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第２の種結晶の大面積表面は、ｍ面からほぼ４．９度の角度で［１１−２０］に向かってかつほぼ１．２度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第３の種結晶の大面積表面は、ｍ面からほぼ４．６度で［１１−２０］に向かってかつほぼ７．２度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。上記種結晶を、１５％開口領域バッフルと、ほぼ３７．１グラムの多結晶ＧａＮ栄養と、２．６グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、２９．６グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６４５℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６６５℃まで加熱し、これらの温度においてほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記結晶は、０．８〜１．５ミリメートルの厚さに成長していた。その後、上記結晶を顕微鏡下において調査した。
【００９７】
軸上ｍ面結晶は、前面および後面双方において優れた表面形態を示した。しかし、１度だけ［０００−１］に向かってかつ５度だけ［１１−２０］に向かってミスカットされた種上で成長した結晶は、より粗く、また、７．２度で［０００−１］に向かってかつ４．６度で［１１−２０］に向かってミスカットされた種上で成長した結晶は、両面とも極めて粗くかつ不規則であった。表面が粗かったため、Ｘ線回折測定は行わなかった。
例３
【００９８】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途に提供した。第１の種結晶の大面積表面は、ｍ面から［１１−２０］に向かってほぼ０．０３度だけミスカットし、ほぼ０．０５度だけ［０００−１］に向かってミスカットした。第２の種結晶の大面積表面は、（１０−１−１）からほぼ０．０１度だけかつ［−１２−１０］に向かってほぼ０．３９度だけ［０００１］に向かってミスカットした。上記種結晶を、１５％開口領域バッフルと、ほぼ３６．９グラムの多結晶ＧａＮ栄養と、２．７グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、２９．１グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６５０℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６８０℃まで加熱し、これらの温度をほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記結晶は、０．６〜２．２ミリメートルの厚さに成長した。上記結晶を顕微鏡下において調査した。
【００９９】
軸上ｍ面結晶は、前面および後面双方において優れた表面形態を示した。上記半極性結晶の｛１０−１−１｝表面は平坦であり、良好な表面形態を示した。しかし、上記結晶の後側は、ノミナル配向が｛１０−１１｝であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。上記結晶の｛１０−１−１｝表面をＸ線回折によって特徴付けた。（１０−１）反射、［０００１］に平行なロッキング、［０００１］に垂直なロッキングおよび軸外（１０２）反射についてのＸ線回折ロッキングカーブの半値全幅値はそれぞれ、ほぼ５２秒、１９８秒および１２５秒であり、良好な結晶化度を示した。
例４
【０１００】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途のために提供した。第１の種結晶の大面積表面は、［２０−２−１］面から［−１２−１０］に向かってほぼ０．０３度だけミスカットし、ほぼ０．１５度だけ［０００１］に向かってミスカットした。第２の種結晶の大面積表面は、［３０−３−１］面からー０．０．１度未満の角度で［−１２−１０］に向かってかつほぼ０．４３度だけ［０００１］に向かってミスカットした。上記種結晶を、３３％開口領域バッフルと、ほぼ３９．２グラムの多結晶ＧａＮ栄養と、２．７グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、３０．１グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６４５℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６６５℃まで加熱し、これらの温度をほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記結晶は、１．４〜２．６ミリメートルの厚さに成長していた。その後、上記結晶を顕微鏡下において調査した。
【０１０１】
上記結晶上の大面積表面は、最初に（２０−２−ｌ）配向されて２つの良好に形成された面を形成し、図１３に示すようにｍ面および（１０−１−１）を含んでいた。これらのｍ面および（１０−Ｉ−１）面はどちらとも、良好な表面形態を示した。しかし、上記結晶の後側は、ノミナル配向が（２０−２１）であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。
【０１０２】
上記結晶上の大面積表面は、最初に（３０−３&#8211;１）配向されて２つの良好に形成された面を形成し、ｍ面および（１０−１−１）を含んでいた。これらのｍ面および（１０−Ｉ−１）面はどちらとも、良好な表面形態を示した。しかし、上記結晶の後側は、ノミナル配向が（３０&#8211;３１）であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。上記結晶の（３０−３−１）側部は、ｍ面および（１０−１−１）面の相対的領域が異なる点を除いて、上記（２０−２−１）結晶と外観が極めて類似していた。この類似性は、上記２つの配向間における［０００１］に向かうチルト角におけるほぼ５度の差ともに一貫しており、ミスカット角度が小さい限り（例えば、約１度未満）、［０００１］に沿った一定範囲のミスカットにおいてバイファセット成長がスムーズに進んでいることを示す。
例５
【０１０３】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途に提供した。第１の種結晶の大面積表面は、（２０−２−１）面から［１１−２０］に向かって度未満でミスカットし、１〜−１度だけ［０００１］に向かってミスカットした。第２の種結晶の大面積表面は、（３０−３−１）面から［１１−２０］に向かって度未満だけミスカットし、１〜−１度だけ［０００１］に向かってミスカットした。上記種結晶を、３３％開口領域バッフルと、ほぼ４６．３グラムの多結晶ＧａＮ栄養と、２．７グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、２９．６グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６５０℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６８０℃まで加熱し、これらの温度をほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記種結晶は、厚さが１．１ミリメートル〜２．４ミリメートルまで成長した。上記結晶を顕微鏡下において調査した。
【０１０４】
上記結晶上の大面積表面は、最初に（２０−２−ｌ）配向されて２つの良好に形成された面を形成し、ｍ面および（１０−１−１）を含んでいた。これらのｍ面および（１０−Ｉ−１）面はどちらとも、良好な表面形態を示した。しかし、上記結晶の後側は、ノミナル配向が（２０−２１｝であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。上記結晶の（２０−２−１｝側部上のｍ面および（１０−１−１）面双方を、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって特徴付けた。上記ｍ面上のＯ不純物の測定濃度は、３．４×１０１９ｃｍ−３であり、上記（１０−１−１）面の濃度である２．９×１０１９ｃｍ―３よりもほぼ１７％だけ高い。上記ｍ面上のＨ不純物の測定濃度は、６×１０１９ｃｍ−３であり、上記（１０−１−１）面の濃度である３．３×１０１９ｃｍ―３よりもほぼ１．８倍だけ高い。上記ｍ面面上のＦ不純物の測定濃度は、５．５×１０１７ｃｍ−３であり、上記（１０−１−１）面の濃度である１．５×１０１７ｃｍ―３よりもほぼ３．７倍だけ高い。
【０１０５】
上記結晶上の大面積表面は、最初に（３０−３−１）配向されて２つの良好に形成された面を形成し、ｍ面および（１０−１−１）を含んでいた。これらのｍ面および（１０−Ｉ−１）面はどちらとも、良好な表面形態を示した。しかし、上記結晶の後側は、ノミナル配向が（３０&#8211;３１）であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。上記結晶の（３０−３−１）側部は、ｍ面および（１０−１−１）面の相対的領域が異なる点を除いて、上記（２０−２−１）結晶と外観が極めて類似していた。この類似性は、上記２つの配向間における［０００１］に向かうチルト角におけるほぼ５度の差ともに一貫しており、a−ミスカット角度が小さい限り（例えば、約１度未満）、［０００１］に沿った一定範囲のミスカットにおいてバイファセット成長がスムーズに進んでいることを示す。
例６
【０１０６】
ＨＶＰＥによって厚さをほぼ０．３ミリメートルまで成長させたいくつかのバルクＧａＮ結晶を、アモノサーマル成長のための種結晶用途に提供した。上記種結晶の大面積表面を（２０−２−１）面からほぼ０．０５度だけ［−１２−１０］に向かってミスカットし、ほぼ０．１２度だけ［０００１］に向かってミスカットした。（２０−２−１）表面を３つの平行な１００ミクロン深さでありかつ５０ミクロン幅のトレンチと共に上記種のａ方向に沿ってレーザースクライブし、ほぼ１ミリメートル間隔を空けて配置した。上記種結晶を、３３％開口領域バッフルと、ほぼ４９．０グラムの多結晶ＧａＮ栄養と、２．６グラムのＮＨ４Ｆ鉱化剤と、３０グラムのアンモニアと共に銀カプセル中に配置し、カプセルを密閉した。上記カプセルを内部加熱型高圧力装置内に配置し、上側栄養ゾーンについてはほぼ６５０℃の温度まで加熱し、より低い結晶成長ゾーンについてはほぼ６８０℃まで加熱し、これらの温度をほぼ４５時間にわたって保持した後、冷却して取り出した。上記種結晶は、厚さが１．５ミリメートルまで成長した。上記結晶を顕微鏡下において調査した。
【０１０７】
上記種結晶上の大面積表面は、最初に（２０−２−１）配向されて、いくつかのｍ面および（１０−１−１）面を形成していた。最も外側の面、１つの側部上のｍ面および他方の面上の（１０−１−１）は、図３に図示しかつ例４および例５に記載したものと外観が類似していた。これら２つの主要面はそれぞれ、各側部上のレーザスクライブされたトレンチの最も外側を越えて成長していた。しかし、これら２つの主要面間において、１つの側部上のｍ面および他方面上の（１０−１−１）間において、２つのさらなる面である（１０−１−１）および他方のｍ面が、元々の中央レーザスクライブされた成長トレンチ上にセンタリングされていた。断面をみると、結晶表面は、ｍ面、（１０−１−１）面、第２のｍ面および第２の（１０−１−１）面の順の図６Ｂの半分に類似していた。またｍ面および（１０−１−１）面はどちらとも、良好な表面形態を示した。上記結晶の後側は、ノミナル配向が（２０−２１）であり、表面形態が粗くかつ不規則であった。
【０１０８】
例５に示したＳＩＭＳ結果に基づいて、上記トレンチの［−１２−１０］方向に対して垂直な線に沿った元々の（２０−２−１）配向表面のＨ、Ｏ、Ｆの不純物分布は、上記不純物の交互のより高い不純物濃度およびより低い不純物濃度の４つの帯を含み、上記より高い不純物濃度は、より低い不純物濃度のより高い約１．１５倍〜約４倍だけ高いことを予想する。また、平坦化後に不純物分布は同じであり、（２０−２−１）表面を形成すると考える。より幅広に分離されたレーザスクライブ済みのトレンチにより、同様に作製された結晶は、交互のより高い不純物濃度およびより低い不純物濃度の８本、１６本、３２本またはそれ以上の帯を含む有し、半極性窒化ガリウムウェーハのコスト効果の高い製造に適している。
【０１０９】
上記において上記特定の実施形態について詳述してきたが、多様な変更例、代替的構造および相当例を用いることが可能である。よって、上記の記載および例示は、本開示の範囲を限定するものとしてとられるべきではない。本開示の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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