(57)【要約】【課題】結晶成長面が平坦で結晶成長速度が高いＧａＮ結晶の成長方法を提供する。【解決手段】本窒化ガリウム結晶の成長方法は、窒化アルミニウム結晶の主面上に、ハイドライド気相成長法により窒化ガリウム結晶を成長させる方法であって、その主面は窒化アルミニウム結晶の（０００１）Ａｌ表面であり、窒化ガリウム結晶の成長温度が１１００℃より高く１４００℃より低いことを特徴とする。【選択図】図１
2008230868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム結晶の主面上に、ハイドライド気相成長法により窒化ガリウム結晶を成長させる方法であって、
前記主面は前記窒化アルミニウム結晶の（０００１）Ａｌ表面であり、
前記窒化ガリウム結晶の成長温度が１１００℃より高く１４００℃より低いことを特徴とする窒化ガリウム結晶の成長方法。
【請求項２】
前記窒化ガリウム結晶の成長温度が１２００℃以上１３００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶の成長方法。
【請求項３】
前記窒化アルミニウム結晶は、炭化ケイ素基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウム結晶の成長方法。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム結晶は、昇華法により成長させられることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の窒化ガリウム結晶の成長方法。
【請求項５】
前記窒化ガリウム結晶は、３ｍｍ以上の厚さに成長させられることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の窒化ガリウム結晶の成長方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかの成長方法により成長させた窒化ガリウム結晶を加工して得られる窒化ガリウム結晶基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられる窒化ガリウム結晶（以下、ＧａＮ結晶ともいう）の成長方法に関する。さらに詳しくは、結晶性のよいＧａＮ結晶が高い結晶成長速度で歩留まりよく得られるＧａＮ結晶の成長方法およびＧａＮ結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスを形成するための材料として非常に有用なものである。かかるＧａＮ結晶を作製するための方法としては、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相堆積）法などの気相成長法が提案されている（たとえば、Akira Usui，他３名，“Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy”，Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 36，(1997)，L899-L902（以下、非特許文献１という）を参照）。
【０００３】
上記の気相成長法においては、ＧａＮ結晶を成長させるための基板が必要となるが、ＧａＮ結晶は高価で入手が困難であるため、入手が容易で安価な炭化ケイ素基板（以下、ＳｉＣ基板ともいう）、ケイ素基板（以下、Ｓｉ基板ともいう）、サファイア基板などＧａＮと化学組成の異なる異種基板上にＧａＮ結晶を成長させる。ここで、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはサファイア基板とＧａＮ結晶とでは格子定数および線膨張係数が異なるため、結晶性の高いＧａＮ結晶を成長させるために、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはサファイア基板上に非結晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）のバッファ層を形成し、その後昇温してバッファ層を結晶化させた後、その上にＧａＮ結晶を成長させることが行なわれている（たとえば、H. Amano，他３名，“Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer”，Appl. Phys. Lett.，Vol. 48，No. 5，(1986)，353-355（以下、非特許文献２という）を参照）。
【０００４】
しかし、非特許文献１および非特許文献２に開示される結晶成長方法では、成長させるＧａＮ結晶の厚さが大きくなるほど、割れ（クラック）が生じやすい。また、上記バッファ層は完全な単結晶ではないため、結晶性のよいＧａＮ結晶を成長させることは困難であった。
【０００５】
ここで、ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法は、結晶の成長速度が低く、厚いＧａＮ結晶を作製するためには不利である。また、ＨＶＰＥ法は、ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法に比べて結晶の成長速度が高く、厚い結晶を容易に作製できる点で有利であるが、結晶成長面に凹凸が形成されやすく、成長させた結晶から得られる基板の歩留まりが低下するという問題があった。
【非特許文献１】Akira Usui，他３名，“Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy”，Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 36，(1997)，L899-L902
【非特許文献２】H. Amano，他３名，“Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer”，Appl. Phys. Lett.，Vol. 48，No. 5，(1986)，353-355
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するため、結晶成長面が平坦で結晶成長速度が高いＧａＮ結晶の成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、窒化アルミニウム結晶の主面上に、ハイドライド気相成長法により窒化ガリウム結晶を成長させる方法であって、その主面は窒化アルミニウム結晶の（０００１）Ａｌ表面であり、窒化ガリウム結晶の成長温度が１１００℃より高く１４００℃より低いことを特徴とする窒化ガリウム結晶の成長方法である。
【０００８】
本発明にかかる窒化ガリウム結晶の成長方法は、窒化ガリウム結晶の成長温度を１２００℃以上１３００℃以下ですることができる。また、窒化アルミニウム結晶は、炭化ケイ素基板上に形成され得る。また、窒化アルミニウム結晶は、昇華法により成長させられ得る。また、窒化ガリウム結晶は、３ｍｍ以上の厚さに成長させられ得る。
【０００９】
また、本発明は、上記の成長方法により成長させた窒化ガリウム結晶を加工して得られる窒化ガリウム結晶基板である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、結晶成長面が平坦で結晶成長速度が高いＧａＮ結晶の成長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施形態１）
本発明にかかる窒化ガリウム結晶（ＧａＮ結晶）の成長方法の一実施形態は、図１を参照して、窒化アルミニウム結晶（ＡｌＮ結晶）１の主面上に、ハイドライド気相成長法により窒化ガリウム結晶（ＧａＮ結晶）３を成長させる方法であって、その主面は窒化アルミニウム結晶（ＡｌＮ結晶）１の（０００１）Ａｌ表面であり、窒化ガリウム結晶（ＧａＮ結晶）３の成長温度が１１００℃より高く１４００℃より低いことを特徴とする。
【００１２】
ＡｌＮ結晶は、ＳｉＣ結晶、Ｓｉ結晶またはサファイア結晶などに比べて、ＧａＮ結晶と同じ結晶構造をとり、また結晶定数も近い。このため、結晶性が高いＡｌＮ結晶であれば、その主面上に、バッファ層を形成することなく、直接結晶性の高いＧａＮ結晶を成長させることができる。
【００１３】
ＡｌＮ結晶１において、その上にＧａＮ結晶３を成長させる主面は、特に制限はないが、ＡｌＮ結晶の主面が大きく大口径のＧａＮ結晶が得られる観点から、（０００１）表面であることが好ましい。ここで、（０００１）Ａｌ表面とは、（０００１）Ａｌ面に対して実質的に平行な表面を意味する。たとえば、（０００１）Ａｌ表面には、その表面と（０００１）面とのなすオフ角が５°以下のＡｌ表面（Ａｌ原子が現われている表面をいう）が含まれる。なお、かかるオフ角は、Ｘ線回折により測定することができる。
【００１４】
また、ＡｌＮ結晶１において、その主面にＡｌ原子面が現われる場合と、Ｎ原子面が現われる場合がある。ここで、Ａｌ原子が現われる表面（Ａｌ表面）には、結晶成長面がＧａ表面であるＧａＮ結晶が成長し、Ｎ原子が現われる表面（Ｎ表面）には結晶成長面がＮ表面であるＧａＮ結晶が成長する。ここで、ＧａＮ結晶成長においては、Ｇａ表面を結晶成長面として成長する場合が、他の場合に比べて結晶性が高くなる。したがって、ＡｌＮ結晶の主面である（０００１）Ａｌ表面が、（０００１）面に対して小さなオフ角（たとえば、５°以下）を有していても、ＧａＮ結晶はＧａ表面を結晶成長面として成長するため、結晶性の高いＧａＮ結晶が得られる。
【００１５】
ＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ法により成長させる。ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶の成長においては、たとえば、図４に示すようなＨＶＰＥ装置１０を用いる。このＨＶＰＥ装置１０は、反応容器１１にＡｌＮ結晶１が主面上に形成されたＳｉＣ基板９を載せるためのサセプタ１３、ＡｌＮ結晶１上にガリウム原料ガス６を導入するためのガリウム原料ガス導入口１１ａ、ＡｌＮ結晶１上に窒素原料ガス７を導入するための窒素原料ガス導入口１１ｂ、反応後のガスを排気するための排気口１１ｃ、ＡｌＮ結晶１を加熱するためにサセプタ１３内に組み込まれたヒータ１５、反応容器１１を加熱するためのヒータ１７が配設されている。また、サセプタ１３はその上に載置される基板を回転させることができる。
【００１６】
図４を参照して、上記ＨＶＰＥ装置１０を用いて、たとえば、以下のようにしてＧａＮ結晶を作製することができる。反応容器１１内に設置されたサセプタ１３上に、主面上にＡｌＮ結晶１が形成されたＳｉＣ基板９を配置し、ガリウム原料ガス６としてたとえばＧａＣｌガスを、窒素原料ガス７としてたとえばＮＨ3ガスを、反応容器１１内に導入して、ガリウム原料ガス６と窒素原料ガス７とを反応させて、ＡｌＮ結晶１上にＧａＮ結晶３を成長させる。ガリウム原料ガス６の分圧を５０Ｐａ〜１×１０4Ｐａ程度、窒素原料ガス７の分圧を５×１０3Ｐａ〜５×１０4Ｐａ程度、ガリウム原料ガス６と窒素原料ガス７とのガス比（モル比）を１：１０〜１：１０００程度、ＧａＮ結晶の成長温度は、通常は１０００℃〜１１００℃で、本実施形態においては１１００℃より高く１４００℃より低くする。
【００１７】
ここで、ガリウム原料ガスおよび窒素原料ガスの導入に際しては、Ｈ2ガス、Ｎ2ガスまたはＡｒガスなどのキャリアガスを用いることができる。ガリウム原料ガスまたは窒素原料ガスに上記キャリアガスを加えることにより、ガリウム原料ガスまたは窒素原料ガスの導入量を安定化させるとともに、ガリウム原料ガスと窒素原料ガスとの反応性を調節することができ、効率よく結晶性のよいＧａＮ結晶が得られる。
【００１８】
上記、ＨＶＰＥ法は、ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法に比べて結晶の成長速度が高く、厚い結晶を容易に作製できる。しかし、図１を参照して、ＨＶＰＥ法において通常用いられる結晶成長温度１０００℃以上１１００℃以下でＡｌＮ結晶の主面上にＧａＮ結晶を成長させると、結晶成長面３ｇに複数のファセット３ｆにより構成される六角錘状の凹部３ｐが形成されやすく、結晶成長面３ｇが凹凸面となりやすいため、成長させたＧａＮ結晶３から得られるＧａＮ結晶基板３ｓの歩留まりが低下する。
【００１９】
上記凹部３ｐの形成を抑制し、結晶成長面３ｇを平坦化させて、成長させたＧａＮ結晶から得られる基板の歩留まりを高めるため、ＧａＮ結晶の成長温度は、ＧａＮ結晶から１１００℃よりも高くする。また、結晶成長速度を高く維持するため、ＧａＮ結晶の成長温度は１４００℃よりも低くする。かかる観点から、ＧａＮ結晶の成長温度は、１１００℃より高く１４００℃より低いことが必要であり、１２００℃以上１３００℃以下であることが好ましい。
【００２０】
なお、下地基板としてＧａＮ基板を用いて、上記の１１００℃より高く１４００℃より低い結晶成長温度でＧａＮ結晶を成長させると、ＧａＮ基板の（０００−１）Ｎ面側から分解が生じやすい。特に、１２５０℃を超える場合には、ＧａＮ基板の分解が大きくなる。このため、ＧａＮ基板においては、本実施形態の温度領域、特に１２５０℃以上の高温におけるＧａＮ結晶の成長は困難である。
【００２１】
また、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはサファイア基板上にＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層を形成し、その上に１１００℃より高く１４００℃より低い結晶成長温度でＧａＮ結晶を成長させる場合は、ＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層の分解がＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはサファイア基板によって抑制されるが、成長させるＧａＮ結晶に割れ（クラック）が発生しやすい。かかる割れの発生は、バッファ層に起因する多量の転位が結晶成長面３ｇで発生し、これらの転位が成長によって合体消滅する際に発生する応力によるものと考えられる。
【００２２】
本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法において、ＧａＮ結晶を成長させるためのＡｌＮ結晶は、自立結晶基板であっても、他の基板上に形成された結晶層であってもてもよい。自立ＡｌＮ結晶基板は、他の基板上に形成されたＡｌ結晶層に比べて、結晶性がよくまた反りが少ないため、結晶性のよいＧａＮ結晶を成長させることができる。しかし、自立ＡｌＮ結晶基板は高価であり大口径の基板の入手が困難である。これに比べて、他の基板、たとえばＳｉＣ基板は廉価であり大口径の基板の入手が容易である。かかる観点から、図１（ａ）を参照して、ＡｌＮ結晶１は、ＳｉＣ基板９の主面９ｍ上に形成されていることが好ましい。
【００２３】
本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法において、図１（ａ）を参照して、ＡｌＮ結晶１は、昇華法により成長させられることが好ましい。ここで、本実施形態における昇華法とは、図５を参照して、ＡｌＮ粉末などのＡｌＮ原料５を昇華させた後、再度固化させてＡｌＮ結晶１を得る方法をいう。昇華法による結晶成長においては、たとえば、図５に示すような高周波加熱方式の縦型の昇華炉２０を用いる。この縦型の昇華炉２０における反応容器２１の中央部には、排気口２３ｃを有する窒化ケイ素（ＢＮ）製の坩堝２３が設けられ、坩堝２３の周りに坩堝２３の内部から外部への通気を確保するように加熱体２５が設けられている。また、反応容器２１の外側中央部には、加熱体２５を加熱するための高周波加熱コイル２７が設けられている。さらに、反応容器２１の端部には、反応容器２１の坩堝２３の外部にＮ2ガスを流すためのＮ2ガス導入口２１ａおよびＮ2ガス排気口２１ｃと、坩堝２３の下面および上面の温度を測定するための放射温度計２９が設けられている。
【００２４】
図５を参照して、上記縦型の昇華炉２０を用いて、たとえば、以下のようにして本実施形態で用いられるＡｌＮ結晶１を作製することができる。坩堝２３の下部にＡｌＮ粉末などのＡｌＮ原料５を収納し、反応容器２１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル２７を用いて加熱体２５を加熱することにより坩堝２３内の温度を上昇させて、坩堝２３のＡｌＮ原料５側の温度を、それ以外の部分の温度よりも高く保持することによって、ＡｌＮ原料５からＡｌＮを昇華させて、坩堝２３の上部でＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶１を成長させる。ここで、坩堝２３の上部にＡｌＮ結晶を成長させるための下地基板（たとえば、ＳｉＣ基板９）を配置することにより、この下地基板上にＡｌＮ結晶１を成長させることができる。
【００２５】
ここで、ＡｌＮ結晶１の成長中は、坩堝２３のＡｌＮ原料５側の温度は１８００℃〜２２００℃程度とし、坩堝２２の上部のＳｉＣ基板９の温度をＡｌＮ原料５側の温度より１℃〜１００℃程度低くすることにより、ＳｉＣ基板のような異種基板上の成長であっても、他の成長方法では得られない結晶性のよいＡｌＮ結晶１が得られる。また、結晶成長中も反応容器２１内の坩堝２２の外側にＮ2ガスを、ガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように流し続けることにより、ＡｌＮ結晶１への不純物の混入を低減することができる。
【００２６】
なお、坩堝２３内部の昇温中は、坩堝２３のＡｌＮ原料５側の温度よりもそれ以外の部分の温度を高くすることにより、坩堝２３内部の不純物を排気口２３ｃを通じて除去することができ、ＡｌＮ結晶１への不純物の混入を低減することができる。
【００２７】
上記昇華法によって、転位密度が１×１０6ｃｍ-2以下である結晶性のよいＡｌＮ結晶１が得られる。なお、昇華法の条件を最適化することによって、ＡｌＮ結晶１の転位密度を１×１０3ｃｍ-2〜１×１０5ｃｍ-2程度まで低減することが可能である。
【００２８】
上記のように、昇華法によれば、下地基板の有無にかかわらず、結晶性のよいＡｌＮ結晶が得られるからである。大口径のＡｌＮ結晶が得られる観点から、下地基板上にＡｌＮ結晶を成長させることが好ましい。下地基板としては、成長させるＧａＮ結晶に対して格子定数が近く、またＡｌＮ昇華法での成長雰囲気下であっても分解しない観点から、ＳｉＣ基板が好ましい。
【００２９】
本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法において、図１（ｂ）を参照して、ＧａＮ結晶は、その厚さＴが３ｍｍ以上になるように成長させられることが好ましい。ＧａＮ結晶の厚さＴを３ｍｍ以上とすることにより、ＧａＮとＡｌＮとの熱膨張係数の差に起因してＧａＮ結晶成長後の冷却の際に生じる熱応力によって、ＧａＮ結晶に割れ（クラック）が発生することなく、ＡｌＮ結晶（たとえば、自立ＡｌＮ結晶基板またはＳｉ基板上に形成されたＡｌＮ結晶層）からＧａＮ結晶を剥離することができる。
【００３０】
（実施形態２）
本発明にかかる窒化ガリウム結晶基板（以下、ＧａＮ結晶基板ともいう）は、図１（ｃ）を参照して、実施形態１の成長方法により成長させた窒化ガリウム結晶（ＧａＮ結晶）３を加工して得られるＧａＮ結晶基板３ｓである。
【００３１】
本実施形態のＧａＮ結晶基板は、実施形態１の成長方法により成長させたＧａＮ結晶を加工したものであるため、結晶性の高いＧａＮ結晶基板が効率的に歩留まりよく得られる。
【００３２】
ここで、ＧａＮ結晶３を加工する方法には、特に制限はないが、たとえば、図１（ｃ）を参照して、ＧａＮ結晶３を切り出すことによりＧａＮ結晶基板３ｓが得られる。切り出し面は、特に制限はないが、大口径の基板を得る観点から、ＡｌＮ結晶１の主面１ｍに平行な面であることが好ましい。また、ＧａＮ結晶基板３ｓは、その主面３ｓｍ上に結晶性のよい半導体層を形成させる観点から、その主面３ｓｍが研磨またはエッチングなどにより鏡面化されることが好ましい。研磨方法は、特に制限はなく、機械的研磨方法、化学機械的研磨方法（ＣＭＰ）が好ましく用いられる。エッチング方法は、特に制限はなく、気相エッチング、液相エッチングが好ましく用いられる。
【実施例】
【００３３】
１．ＡｌＮ結晶の準備
図１（ａ）および図２を参照して、直径４インチ（１０１．６ｍｍ）で厚さ０．５ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣ基板９（主面９ｍが（０００１）Ｓｉ面に対して４°のオフ角を有する）上に、昇華法により厚さ５〜１０μｍのＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）を成長させた。成長したＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）の主面の面方位は、Ｘ線回折により測定したところ、（０００１）Ａｌ面であり、すなわち、ＡｌＮ結晶１の主面と（０００１）面とのなすオフ角は４°であった。なお、図１（ａ）は、図２のＩＡにおける断面図に相当する。ＡｌＮ結晶１の成長温度として、放射温度計によりＳｉＣ基板の裏面（０００−１）Ｃ面側の温度を測定したところ、１８５０℃であった。図１（ａ）および図２を参照して、ＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）は、ＳｉＣ基板９上にほぼ均一に平坦に成長していたが、光学顕微鏡により観察したところ、平均直径が１００〜２００μｍ程度の不定形のピット１ｐ（ＡｌＮ結晶１が成長していない部分をいう、以下同じ）が、２０ｃｍ-2の密度で存在していた。ここで、また、このＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）は、（０００４）面についてのＸ線回折ピークの半値幅が３０ａｒｃｓｅｃと結晶性が高く、溶融ＫＯＨ／ＮａＯＨによるエッチングにより測定した平均転位密度が１×１０6ｃｍ-2と低かった。なお、上記ＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）のピット１ｐは、ＡｌＮ結晶層の厚さが大きくなると消滅する場合もある。
【００３４】
２．ＧａＮ結晶の成長
図１（ｂ）を参照して、上記昇華法によって得られた転位密度が低く結晶性の高いＡｌＮ結晶層（ＡｌＮ結晶１）上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶３を成長させた。
【００３５】
具体的には、図４を参照して、反応容器１１内のサセプタ１３上に、主面９ｍ上にＡｌＮ結晶１が形成されたＳｉＣ基板９を配置し、反応容器１１に、ＧａＣｌガス（ガリウム原料ガス６）およびＮＨ3ガス（窒素原料ガス８）を導入した。ＧａＣｌガスおよびＮＨ3ガスのキャリアガスとしてＨ2ガスを用いた。ここで、ＧａＣｌガスの分圧を２×１０3Ｐａとし、ＮＨ3ガスの分圧を２×１０4Ｐａとし、ＧａＣｌガス、ＮＨ3ガスおよびＨ2ガスの総流量を２０ＳＬＭ（ＳＬＭとは、standard liter per minuteの略であり、標準状態（１０１３ｈＰａ、０℃）における１分間当たりの流量をリットルで表した単位をいう）とした。
【００３６】
また、ＧａＮ結晶の成長温度は、ＧａＮ結晶成長中のＡｌＮ結晶の温度を測定することができないため、サセプタ１３上に熱電対を組み込んだセラミックス基板（たとえば、ＡｌＮセラミック基板）を配置し（図示せず）、上記ＧａＮ結晶の成長条件とに合わせた設定条件でＨＶＰＥ装置１０を運転したときのセラミックス基板の温度とした。実際は、このセラミックス基板の温度が所定温度となるようにＨＶＰＥ装置１０の条件設定を行ない、この条件で上記ＧａＮ結晶を成長させた。ここで、ＧａＮ結晶の成長温度を、１０５０℃（比較例１）、１１００℃（比較例２）、１１５０℃（実施例１）、１２００℃（実施例２）、１２５０℃（実施例３）、１３００℃（実施例４）、１３５０℃（実施例５）、１４００℃（比較例３）、１４５０℃（比較例４）として、それぞれ、ＧａＮ結晶を成長させた。ＧａＮ結晶の成長時間は、いずれの場合も５０時間とした。このときの、ＧａＮ結晶の成長速度は、それぞれ、５１０μｍ／ｈｒ（比較例１）、４６０μｍ／ｈｒ（比較例２）、３５０μｍ／ｈｒ（実施例１）、３３０μｍ／ｈｒ（実施例２）、３１０μｍ／ｈｒ（実施例３）、２４０μｍ／ｈｒ（実施例４）、５０μｍ／ｈｒ（実施例５）、１５μｍ／ｈｒ（比較例３）であった。比較例４の場合は、ＧａＮ結晶が成長していなかった。結果を表１にまとめた。
【００３７】
３．ＧａＮ結晶の評価
１０５０℃〜１３００℃の温度範囲内でＧａＮ結晶を成長させた場合は、割れ（クラック）の発生のない直径４インチ（１０１．６ｍｍ）のＧａＮ結晶が得られた（比較例１，２、実施例１〜４）。また、これらの結晶は、ＨＶＰＥ装置から取り出た時には、ＡｌＮ結晶およびＳｉＣ基板が割れてＧａＮ結晶から剥離していた。１３５０℃でＧａＮ結晶を成長させた場合は、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶およびＳｉＣ基基板が、いずれも割れていた（実施例５）。また、１４００℃でＧａＮ結晶を成長させた場合は、ＧａＮ結晶が割れてＡｌＮ結晶が形成されたＳｉＣ基板から剥離していた（比較例３）。結果を表１にまとめた。
【００３８】
図１（ｂ）および図３を参照して、得られたＧａＮ結晶３の結晶成長表面３ｇには、（０００１）Ｇａ面３ｃが現われた。この結晶成長面３ｇにおける（０００１）Ｇａ面３ｃの出現は、ＧａＮ結晶のＸ線回折により確認された。さらに、結晶成長温度が低い場合は、結晶成長表面３ｇに複数のファセット３ｆで構成される凹部３ｐが形成され、結晶成長面３ｇは凹凸面となった。結晶成長面３ｇの平坦性を、以下に定義する（０００１）Ｇａ面占有率（％）で評価した。以下に定義するように、（０００１）Ｇａ面占有率が高いほど結晶成長面が平坦であることを示し、（０００１）Ｇａ面占有率が低いほど結晶成長面の凹凸が大きいことを示す。なお、図１（ｂ）は、図３のＩＢにおける断面図に相当する。
【００３９】
（０００１）Ｇａ面占有率（％）は、ＡｌＮ結晶の主面１ｍからの厚さＴが１０ｍｍに成長したときのＧａＮ結晶３の結晶成長面３ｇの総面積Ｓに対する（０００１）Ｇａ面の面積Ｓcの百分率と定義し、次式（１）
（０００１）Ｇａ面占有率（％）＝１００×Ｓc／Ｓ        （１）
で表わされる。ただし、結晶成長温度が１３５０℃および１４００℃の場合は、ＧａＮ結晶が１０ｍｍまでの厚さまで成長していなかったため、結晶成長後の厚さにおける結晶成長面の（０００１）Ｇａ面占有率とした。なお、上記Ｓは、結晶成長面３ｇにおける凹部３ｐの面積Ｓpと上記Ｓcとの和である。
【００４０】
ここで、（０００１）Ｇａ面占有率（％）の測定は、所定の厚さに成長させたＧａＮ結晶の結晶成長面を蛍光顕微鏡で観察することにより行なった。蛍光顕微鏡によれば、蛍光強度の違いにより（０００１）Ｇａ面３ｃの部分と凹部３ｐの部分との判別が可能である。
【００４１】
本実施例においては、ピット１ｐが存在するＡｌＮ結晶上にＧａＮ結晶を成長させたが、ピット１ｐが存在しないＡｌＮ結晶上にＧａＮ結晶を成長させた場合でも、ＧａＮ結晶の結晶成長面に（０００１）Ｇａ面３ｃの部分と凹部３ｐとが生じることが確認されている。
【００４２】
ＧａＮ結晶の成長温度と（０００１）Ｇａ面占有率との関係は、１０５０℃のとき１２％（比較例１）、１１００℃のとき７５％（比較例２）、１１５０℃のとき９１％（実施例１）、１２００℃のとき９７％（実施例２）、１２５０℃〜１４００℃の範囲内のとき１００％（実施例３〜５、比較例３）であった。結果を表１にまとめた。
【００４３】
また、ＧａＮ結晶の成長温度と（０００４）面についてのＸ線回折ピークの半値幅との関係は、それぞれ、１０５０℃のとき１５０ａｒｃｓｅｃ（比較例１）、１１００℃のとき９０ａｒｃｓｅｃ（比較例２）、１１５０℃のとき４０ａｒｃｓｅｃ（実施例１）、１２００℃のとき３０ａｒｃｓｅｃ（実施例２）、１２５０℃のとき２０ａｒｃｓｅｃ（実施例３）、１３００℃のとき２０ａｒｃｓｅｃ（実施例４）、１３５０℃のとき４０ａｒｃｓｅｃ（実施例５）、１４００℃のとき７０ａｒｃｓｅｃ（比較例３）であった。結果を表１にまとめた。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１を参照して、（０００１）Ｇａ面占有率については、結晶成長温度が１０５０℃、１１００℃と低いときは低いが（比較例１，２）、結晶成長温度が１１５０℃では９１％に向上し（実施例１）、結晶成長温度が１２００℃では９７％に向上し（実施例２）、結晶成長温度が１２５０℃〜１４００℃の範囲では１００％となった（実施例３〜５、比較例３）。
【００４６】
また、結晶成長速度については、結晶成長温度が１０５０℃から１２００℃まで低下しているが（比較例１，２、実施例１，２）、これは結晶成長面が凹凸面から平坦面に移行することによる見かけ上の成長速度の低下と考えられる。結晶成長温度が１２００℃から１３００℃までは結晶成長速度の低下の割合が小さい（実施例２〜４）。結晶成長温度が１３００℃より高くなると結晶成長速度が急激に低下し（実施例５、比較例３）、結晶成長温度が１４５０℃ではＧａＮ結晶が成長しなかった（比較例４）。
【００４７】
したがって、以上のことから、ＡｌＮ結晶上に、ＨＶＰＥ法により、１１００℃より高く１４００℃より低い結晶成長温度で、好ましくは１２００℃以上１３００℃以下の結晶成長温度で、ＧａＮ結晶を成長させることにより、高い結晶成長速度で結晶成長面の平坦性が高いＧａＮ結晶を成長させることができることがわかった。
【００４８】
また、１１００℃より高く１４００℃より低い結晶成長温度で成長されたＧａＮ結晶は、（０００４）面についてのＸ線回折ピークの半値幅が２０ａｒｃｓｅｃ〜４０ａｒｃｓｅｃであり、優れた結晶性を有することがわかった。
【００４９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ＡｌＮ結晶上にＧａＮ結晶を成長させる方法の一実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）はＡｌＮ結晶を示す概略断面図であり、（ｂ）はＧａＮ結晶を成長させる様子を示す概略断面図であり、（ｃ）はＧａＮ結晶を加工する様子を示す概略断面図である。
【図２】ＡｌＮ結晶を示す概略平面図である。
【図３】成長したＧａＮ結晶を示す概略平面図である。
【図４】本発明において、ＧａＮ結晶を成長させるためのＨＶＰＥ装置を示す概略断面図である。
【図５】本発明において、ＡｌＮ結晶を成長させるための昇華炉を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＡｌＮ結晶、１ｍ，３ｓｍ，９ｍ  主面、１ｐ  ピット、３  ＧａＮ結晶、３ｃ  （０００１）Ｇａ面、３ｆ  ファセット、３ｇ  結晶成長面、３ｐ  凹部、３ｓ  ＧａＮ結晶基板、５  ＡｌＮ原料、６  ガリウム原料ガス、７  窒素原料ガス、９  ＳｉＣ基板、１０  ＨＶＰＥ装置、１１，２１  反応容器、１１ａ  ガリウム原料ガス導入口、１１ｂ  窒素原料ガス導入口、１１ｃ，２３ｃ  排気口、１３  サセプタ、１５，１７  ヒータ、２０  昇華炉、２１ａ  Ｎ2ガス導入口、２１ｃ  Ｎ2ガス排気口、２３  坩堝、２５  加熱体、２７  高周波加熱コイル、２９  放射温度計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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