(57)【要約】【課題】エピタキシャル成長速度が均一であって、きれいな劈開性をもち低転位の単結晶窒化ガリウム結晶を製造する。【解決手段】異種基板の上に多数の孤立した遮蔽部を形成しＧａＮを気相成長させて遮蔽部に続く閉鎖欠陥集合領域Ｈを有する充分に厚いＧａＮ結晶を製造し、裏面の基板を除き研磨するか、あるいはＧａＮ結晶を面と平行に切り出して１００μｍ〜５００μｍの厚みの自立したＧａＮ骨格基板とし、塩化水素ガスによるドライエッチングをしてＧａＮ骨格基板から閉鎖欠陥集合領域Ｈを除き、単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙだけを含むＧａＮ骸骨基板とし、ＧａＮ骸骨基板の上にＧａＮを気相成長させて閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まないＧａＮ脱欠陥集合結晶を製造する。【選択図】　　図１
2004059363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異種基板の上に多数の孤立した遮蔽部を形成しＧａＮをファセット成長させて遮蔽部に続く閉鎖欠陥集合領域Ｈ及びファセットピットとその廻りの単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙを有する充分に厚いＧａＮ結晶を製造し、裏面の基板を除き研磨するかあるいはＧａＮ結晶を面と平行に切り出して５０μｍ〜５００μｍの厚みの自立したＧａＮ骨格基板とし、塩化水素ガスによるドライエッチングをしてＧａＮ骨格基板から閉鎖欠陥集合領域Ｈを除き、単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙだけを含むＧａＮ骸骨基板とし、ＧａＮ骸骨基板の上にＧａＮを気相成長させて閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まないＧａＮ脱欠陥集合結晶を製造することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
異種基板の上に多数の孤立した遮蔽部を形成しＧａＮをファセット成長させて遮蔽部に続く閉鎖欠陥集合領域Ｈ及びファセットピットとその廻りの単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙを有する充分に厚いＧａＮ結晶を製造し、裏面の基板を除きファセットピットまで研磨するかあるいはＧａＮ結晶を面と平行にファセット面の高さで切り出して５０μｍ〜１００μｍの厚みの自立したＧａＮ骸骨基板とし、ＧａＮ骸骨基板の上にＧａＮを気相成長させて閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まないＧａＮ脱欠陥集合結晶を製造することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、３−５族窒化物半導体（ＩｎＧａＮ系）青色発光素子（ＩｎＧａＮ−半導体レーザ（ＬＤ）、ＩｎＧａＮ−発光ダイオード（ＬＥＤ））の基板として利用できる単結晶ＧａＮ基板の製造方法に関する。特に大口径で転位の少ない単結晶ＧａＮ基板を製造することのできる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３−５族窒化物半導体発光素子というのは、活性層にＩｎＧａＮを用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）である。ＩｎとＧａの比率を変えバンドギャップを変えることによって、青色、緑色、近紫外光を発生することができる。サファイヤを基板としたＩｎＧａＮ−ＬＥＤはすでに実績があり広く利用されている。サファイヤ基板のＩｎＧａＮ−ＬＤも実用化を目指しているところである。それらの素子は、サファイヤ基板上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属ＣＶＤ）によってＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮの薄膜をエピタキシャル成長させる。
【０００３】
サファイヤ基板上のＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ薄膜は格子不整合であり結晶欠陥密度は高い。欠陥が多いにも拘らずＧａＮの結晶構造は堅牢であり高密度の電流を注入して発光させてもＬＥＤは劣化しない。ＬＤの場合は電流密度がもっともっと高いので劣化の恐れはより高い。それで歩留まりに問題はあるが実用的な輝度、寿命をもつサファイヤ基板ＩｎＧａＮ−ＬＤも試作されている。
【０００４】
だからＩｎＧａＮ系の発光素子で実績のあるのはサファイヤ基板のものだけである。ＧａＮは六方晶系であり３回対称性がある。サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）は三方晶系であり３回対称性や６回対称性がない。対称性が異なり晶系も違う。それにも拘らずサファイヤのＣ面の上にＧａＮのＣ面を成長させることができる。
【０００５】
サファイヤ基板のＩｎＧａＮ発光素子は実績があるといってもなお難点がある。サファイヤはＣ面に直交する劈開がない。だから自然劈開によってウエハをチップに切り出すことができない。機械的にダイシングして切り出すしかない。サファイヤは極めて硬く堅牢な材料であるからそれは容易でない。無理な応力が掛かったりして歩留まりを下げる一つの原因である。
【０００６】
劈開がないというのはＬＤ（半導体レーザ）ではより重大な問題となる。半導体レーザの場合は平滑平行な劈開面を共振器とするのが好都合である。ところがサファイヤには劈開がないから自然劈開面を共振器にできない。そのように劈開がないというのがサファイヤ基板の欠点の一つである。
【０００７】
もう一つの欠点はサファイヤが絶縁物だということである。そのためにｎ電極を基板の底面に付けた上下電極構造の素子にすることができない。上方のｐ型層からｎ型層まで切り込み、露出したｎ型層にｎ電極を付け、頂部のｐ型層にｐ電極を付けるということになる。それはチップ面積を肥大化させ、実装時にワイヤボンディングが二回必要になる、という欠点がある。
【０００８】
そこでサファイヤ基板に代わってＧａＮ基板を用いるということが考えられる。ｎ−ＧａＮ単結晶基板がもしも存在すれば、その上にＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどの薄膜をエピタキシャル成長させてＬＥＤやＬＤを製造できるはずである。ｎ型不純物をドープしてｎ型にできれば電気抵抗が低い基板を作成でき基板の底面にｎ電極を設けることができる。ＧａＮ単結晶は｛１−１００｝面が劈開面だから、それに沿って自然劈開できるはずである。しかしＧａＮ単結晶は自然に存在しないし製造も容易でない。まだ信頼できる大型ＧａＮ単結晶製造技術はない。
【０００９】
適当な単結晶基板の上にＧａＮを厚く気相成長させて基板を除去するとＧａＮの単結晶基板が得られるように思われるが歪みが大きくて厚いＧａＮ層を形成することができない。
【００１０】
そこで孤立した結晶粒を独立して発生させ、それを合わせて応力を軽減するという方法が試みられた。多数の孤立した結晶核を生成するために多数の窓を規則正しく配置したマスクを基板の上に付け、その上からＧａＮを気相成長させるエピタキシャルラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ法：Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）というものが創案された。窓は１μｍ〜２μｍ程度の小さい開口部であり、窓と窓の間隔も１μｍ〜２μｍ程度で細かいものである。これは実に多くの文献がある。
【００１１】
（１）碓井彰「ハイドライドＶＰＥによる厚膜ＧａＮ結晶の成長」電子情報通信学会論文誌Ｃ−ＩＩ，ｖｏｌ．Ｊ８１，Ｎｏ．１，ｐ５８−６４（１９９８年１月）
【００１２】
（２）酒井朗、碓井彰「ＧａＮ選択横方向成長による転位密度の低減」応用物理第６８巻第７号、ｐ７７４−７７９、１９９９
【００１３】
（３）特願平９−２９８３００号
【００１４】
（４）特願平１０−９００８号
【００１５】
などにＥＬＯ法によるＧａＮ薄膜の成長を述べている。マスクの窓にＧａＮ結晶が成長し、窓を越えて錘状のＧａＮができる。錘状のＧａＮの頂点まで成長すると、横方向の成長になってマスクの上へと結晶がのびてゆく。横方向成長して来た結晶は隣接窓からの結晶と相合してマスクを埋め尽くす。そのときに転位が衝突するから転位が消滅して、かなり転位密度が減少する。それ以後は上向き成長になり転位も上向きにいつまでも存続する。こうしてできたＧａＮ膜はいずれも少し厚い程度の薄膜であり自立膜にはできない。あまり厚く堆積させると歪みが大きくなって剥離してしまう。これによっても転位密度は１０７ｃｍ−２以下にはならない。実用になる厚い結晶を作製するにはより一層高度の工夫が望まれる。
【００１６】
（５）特願平１１−２７３８８２号（ファセット成長法）
【００１７】
本出願人はＣ面成長でなくファセット成長させることによって上向きに延びている転位をファセット面の境界に掃引し、さらにファセットピットの中心に集めるようにしてピット底に膨大な数の転位を凝集させ、その他のファセット面部分の転位を飛躍的に減少させる全く新規斬新な製造方法を発明した。Ｃ面は基板面に平行に生成される。それとは異なりＣ面とある一定角傾斜した低面指数のファセット面が正六角形錘、正十二角錘のピットを積極的に作り出し、それを維持しながら気相成長させる。それをファセット成長と呼ぶ。
【００１８】
例えば｛１１−２２｝或いは｛１−１０１｝などという互いに６０度の角度をなすファセット面の集合は正六角錘のピットを形成する。｛１１−２２｝と｛１−１０１｝が混合すると正１２角錘のピットを形成する。そのようなファセット面を埋め込んでしまうと通常のＣ面成長になり転位も垂直上向きにいつまでもいつまでも延びてゆくので転位密度は減らない。しかし温度を少し低めに保ち条件を調整しながらファセット面を維持しながら成長すると、ファセット面の境界へ転位が集まり、境界から底へと転位が移動する。その結果そのファセットピットに属していたほぼ全ての転位がピットの底の狭い部分に集まり凝縮され太い転位の糸のようなものになる。それは転位を１０３個ととか１０４個とかを集めたものである。だからそれ以外の部分の転位が減少する。これはＣ面成長でなく、初めてファセット成長を採用したもので精妙な着想に基づくものであった。
【００１９】
（６）特開２００２−２９８９７号（単結晶ＧａＮ基板の製造方法と単結晶ＧａＮ基板）
【００２０】
これはファセット成長とは違った方法で転位を減らすＧａＮ単結晶の成長方法を提案している。ＧａＮは六方晶系に属するということを前に述べた。代表的な面はＣ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｍ面｛１−１００｝の３つの面である。初めＣ面成長して充分な厚さのＧａＮ単結晶を生成し、それを成長軸を含む面で切断してＡ面またはＭ面を出し、Ａ面の上にＡ面成長させる、あるいはＭ面の上にＭ面成長させる。Ａ面成長したものを成長方向と平行な面で切ってＭ面、Ｃ面を出す。そのようにして成長方向を９０度変えて成長させるようにするとそれによって転位が著しく減少する、というものである。しかし、これは本発明とはあまり関係がないのでそれ以上説明しない。
【００２１】
（７）特願２００１−２８４３２３号（ドット状の閉鎖欠陥集合領域Ｈ）
これは、ファセット成長を維持してピット底に転位を集合させるところまでは従来例（５）と同じである。しかし従来例（５）はどこにファセットピット（転位の集合点）ができるかということを予め指定することができない。ファセットピットの位置は偶然によって決まった。それではＬＤの基板にするのには不便である。転位の集合点（ファセットピットの底）を予め決定しておきたいものである。そこで初めに基板の上にドット（点）状遮蔽部（種）を適当な間隔（２００μｍ〜５００μｍ）で縦横に設けてファセット成長させることによって遮蔽部の部分に転位の凝集した部分が局在するようにした。
【００２２】
それを閉鎖欠陥集合領域Ｈと呼ぶ。Ｐｔ、Ｍｏ、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどのマスク（遮蔽部）を基板上に形成すると遮蔽部上の成長が遅れて遮蔽部がファセットピットの底になり遮蔽部の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。閉鎖欠陥集合領域Ｈの周囲のファセット面に続いて成長した部分は転位が少なく電気抵抗の低い単結晶低転位随伴領域Ｚとなる。ファセット面でなくＣ面成長した余領域は転位が少ないが電気抵抗の高い単結晶低転位余領域Ｙとなる。先述の従来例（７）はドッド状の遮蔽部（種）を縦横に孤立して規則正しく並べたものである。だから閉鎖欠陥集合領域Ｈも縦横に規則正しく生成される。これは閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布が均一であるからクラックが発生しにくく優れたＧａＮ単結晶基板を製造することができる。但し劈開は不完全である。劈開面の延長上に閉鎖欠陥集合領域Ｈがあると、そこで劈開しなくなるからである。
【００２３】
（８）特願２００１−３１１０１８号（ストライプ状の閉鎖欠陥集合領域Ｈ）
【００２４】
これはドット状の遮蔽部ではなくて、直線状の幅をもった遮蔽部を基板の上に一定間隔（２００μｍ〜５００μｍ）で設けておき、その上にＧａＮをファセット成長したものである。遮蔽部の上に転位の集中した閉鎖欠陥集合領域Ｈが成長するが、それは平行直線状に形成される。その両側に低転位の単結晶低転位随伴領域Ｚができる。
【００２５】
それらがある方向に直線状に延びるので単結晶低転位随伴領域Ｚの部分にＬＤのチップが位置するようにＩｎＧａＮ−ＬＤを作製し遮蔽部の延長方向と直交する方向に劈開するようにできる。単結晶低転位随伴領域の部分は単結晶だから、それに直交する方向の劈開は完全である。つまり遮蔽部延長方向と直交する方向に劈開しやすい。それはＬＤチップを劈開によって分離できるという可能性を与える。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
実際には細かい窓をもつマスクを基板に付けて窓からＧａＮを島状に成長させるラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）と、大きい遮蔽部をもつファセット成長法を組み合わせる。ＥＬＯ法で転位は１０７ｃｍ−２程度に低下する。ファセット成長法を組み合わせると転位は１０５ｃｍ−２に落ちる。両方の手法を併用するのでマスクの構造は複雑である。
【００２７】
前述の従来例（７）、（８）の方法は規則正しい点状配列あるいは平行直線配列した閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚを生成できる。ファセット成長したものは凹凸があるが、研磨によって凹凸を除き、エッチング或いは研磨によって裏面の基板を除く。だから平坦で自立したＧａＮの単結晶基板を製造することができる。転位密度は１０５ｃｍ−２程度に低下させることができる。そこまでは良いのであるが、そのＧａＮ単結晶を基板として、その上に薄膜をエピタキシャル成長させた時に新たな問題が起こる。
【００２８】
ＬＥＤやＬＤを作製するためにはＧａＮ基板の上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮの薄膜をＭＯＣＶＤ法などで成長させる必要がある。何層にもエピタキシャル成長するので、それぞれの層は均一膜厚で均一でなければならない。
【００２９】
しかしＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜のエピタキシャル成長速度が、閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙの上でそれぞれ同一でない。結晶方位が同じで単結晶であるＹとＺはあまり変わらないが、閉鎖欠陥集合領域Ｈの上にはＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど窒化物半導体系の薄膜は成長しにくくてエピタキシャル成長の速度が遅い。閉鎖欠陥集合領域Ｈでは単結晶でなくて粒界や反転した結晶など様々の不規則性を含む。するとエピタキシャル成長が一様にゆかない。膜厚に不均一性が出てくる。エピタキシャル成長層が平坦にならないとデバイスの特性が悪い。
【００３０】
その上にエピタキシャル成長したときに平坦なエピタキシャル層ができるようなＧａＮ単結晶基板を製造する方法を提供することが本発明の第１の目的である。
内部応力が低く歪みの小さいＧａＮ単結晶基板を製造する方法を提供することが本発明の第２の目的である。判然とした劈開性をもつＧａＮ基板の製造方法を提供することが本発明の第３の目的である。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、異種基板の上に多数の孤立した遮蔽部を形成しＧａＮを気相成長させて遮蔽部に続く閉鎖欠陥集合領域Ｈを有する充分に厚いＧａＮ結晶を製造し、裏面の基板を除き研磨するかあるいはＧａＮ結晶を面と平行に切り出して１００μｍ〜５００μｍの厚みの自立したＧａＮ骨格基板とし、塩化水素ガスによるドライエッチングをしてＧａＮ骨格基板から閉鎖欠陥集合領域Ｈを除き、単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙだけを含むＧａＮ骸骨基板とし、ＧａＮ骸骨基板の上にＧａＮを気相成長させて閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まないＧａＮ脱欠陥集合結晶を製造する。
【００３２】
基板の上に被覆部を設けて閉鎖欠陥集合領域Ｈを含む厚いＧａＮ結晶を成長させるところまでは先述の従来例（７）と同じである。本発明は切断、研磨によってその窒化ガリウム結晶の表面近くの部分を取り出す。それを骨格基板と呼ぶ。それを塩化水素ガスによるドライエッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを完全に除去する。閉鎖欠陥集合領域Ｈだった部分は穴になってしまう。閉鎖欠陥集合領域Ｈを除いて、単結晶部分Ｚ、Ｙだけからなる穴を多数有するＧａＮ骸骨結晶を得る。骸骨結晶の上にＧａＮを再び成長させると、閉鎖欠陥集合領域Ｈがないから全面に低転位のＧａＮが成長する。これを脱欠陥集合結晶と呼ぶ。
【００３３】
中間に表れる骨格基板と骸骨基板の区別は注意が必要である。厚膜ＧａＮ結晶の表面近くだけを水平に採取した（研磨、切断）のが骨格基板である。それは閉鎖欠陥集合領域Ｈを含む場合もあり含まない場合もある。
【００３４】
ファセットピットより深い部分を含んで骨格基板とした場合は、閉鎖欠陥集合領域Ｈを含む。骨格基板が閉鎖欠陥集合領域Ｈを含む場合は塩化水素ガスエッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除き骸骨基板とする。その場合、骨格基板と骸骨基板は判然と違う。
【００３５】
骨格基板が閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まない場合は塩化水素ガスエッチングは省く。その場合は骨格基板＝骸骨基板である。ファセットピットの深さより浅い部分だけを骨格基板とした場合は、閉鎖欠陥集合領域Ｈがないので骨格基板＝骸骨基板である。
【００３６】
骸骨基板の上にさらにＧａＮを気相成長させると閉鎖欠陥集合領域Ｈのない脱欠陥集合ＧａＮ結晶ができる。
【００３７】
ＧａＮ基板の成長を二段階で行う巧妙な方法である。二段階で成長を行うことによって閉鎖欠陥集合領域Ｈの部分の無い、全体が一様な低転位の単結晶の窒化ガリウムの脱欠陥集合結晶を製造することができる。
【００３８】
複雑な手法であるが、塩化水素ガス（ＨＣｌ）エッチングが選択性をもっており、閉鎖欠陥集合領域Ｈだけをエッチング除去できるという新規な性質を本発明者が発見し、それが本発明を可能にしている。塩素エッチングが、Ｈ、Ｚ、Ｙに対して異なるエッチング結果をもたらすという新規な知見を本発明者が見出したのが本発明の眼目である。そのような選択エッチングについての報告は未だになかった。本発明者が初めて気付いたものである。
【００３９】
閉鎖欠陥集合領域Ｈだけに働いてＨを除去してしまう塩化水素ガス選択エッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去して単結晶部分Ｚ、Ｙだけにした骸骨基板を中間的な基板として作製できる。
【００４０】
その骸骨基板に再び気相成長によってＧａＮを成長させると、穴の部分が埋められて全体が一様な単結晶のＧａＮ脱欠陥集合結晶となるのである。
【００４１】
もしも閉鎖欠陥集合領域Ｈだけを除去する手段がなければ本発明は実行の条件が難しくなる。先述のように深いファセットピットを形成しピットよりも薄い骨格結晶を作る必要がある。これは可能であるが生産性が良くない。しかし閉鎖欠陥集合領域Ｈだけを除く手法を見出したので広い条件範囲で本発明を実施することが可能である。
【００４２】
閉鎖欠陥集合領域Ｈも単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙも同じＧａＮであって化学的な性質は変わらない筈であるが、閉鎖欠陥集合領域Ｈは粒界や多結晶の集合なので塩化水素ガスエッチングを受け易いのであろう。
【００４３】
図１によって工程を述べる。図１（１）は単結晶である異種基板２の上に規則的にあるいは不規則に孤立した被覆部３を設けたものを示す。被覆部３、３の間は広い露出部４となっている。異種基板２というのはＧａＡｓ（１１１）単結晶、サファイヤ（０００１）単結晶、Ｍｏ単結晶などである。ＧａＮは六方晶系でｃ軸周りに３回対称性がある。ＧａＡｓは立方晶系で［１１１］軸周りに三回対称性がある。だから（１１１）面を使う。
【００４４】
サファイヤは三方晶系でｃ軸周りに三回対称性がないが、その上にＧａＮをｃ軸方向に成長させることができる。但しサファイヤ基板に対して３０度回転した方向のＧａＮ結晶が成長する。サファイヤの［２−１−１０］方向とＧａＮの［１−１−００］方向が合致する。被覆部３はＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ｐｔ、Ｎｉなどであり、基板よりもＧａＮが成長しにくい材料とする。
【００４５】
図１（２）は基板２の上に窒化ガリウムを気相成長させたものである。気相成長の方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣ法、ＭＯＣＶＤ法、昇華法などがある。基板の露出部４にＧａＮ結晶核が成長しやすい、つまり成長速度が早い。反対に被覆部３の上には成長しにくい。成長速度の差があり、被覆部３の上は凹部となる。その凹部は低面指数の結晶面である。それをファセット６と言う。ファセット６が集合してできた凹部だからファセットピット５と言う。被覆部の上は成長が遅れるので凹部ができ、それがファセットピット５となる。ファセットピット５の底と被覆部３の間に転位が掃引され凝縮する。粒界、多結晶、反転結晶などの複雑な集合である。だからそれを閉鎖欠陥集合領域Ｈと言う。
【００４６】
ファセット６のすぐ下の部分が単結晶低転位随伴領域Ｚである。隣接するファセットピット５、５の間のＣ面成長している部分が単結晶低転位余領域Ｙである。閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域ＹはＣＬ（カソードルミネセンス）によって判然と区別できる。ファセット面ではＧａＮはファセット面の法線の方向に成長する。それがファセット成長である。ファセット成長条件を維持して成長させる。
【００４７】
図１（３）はさらにＧａＮが成長した様子を示す。ファセットピット５はそのまま上へ上がる。閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙともに上にのびる。適当な厚み（例えば２ｍｍ）に達するとＧａＮ成長を一旦停止する。
【００４８】
基板を除去してＧａＮの自立膜として裏面を研磨して薄くする。あるいは、インゴットからウエハを切り出すように内周刃スライサーなどでＧａＮの表面近くを切り出す。
【００４９】
そうしてできたものが図１（４）、図１（５）のような骨格基板である。図１（４）の骨格基板７はファセットピットの全体を含み閉鎖欠陥集合領域Ｈをも含む。その場合は塩化水素ガスドライエッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去する。それが骸骨基板８である。図１（４）で初めから薄い骨格基板とした場合は閉鎖欠陥集合領域Ｈが存在しない。その場合は塩化水素ガスエッチングしないで用いる。それが骸骨基板８である。骸骨基板８は閉鎖欠陥集合領域Ｈを含まない。それが重要である。骸骨基板８は表面、裏面、ファセットピットなどを持つ穴の多い基板である。それは単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙだけを含む。
【００５０】
骸骨基板８を出発基板として再びＧａＮを気相成長する（ＨＶＰＥ法、ＭＯＣ法、ＭＯＣＶＤ法、昇華法）。すると転位集合のない脱欠陥集合結晶９となる。それを研磨して平坦で一様な低転位の窒化ガリウム単結晶を得る。それが図１（６）の状態である。
【００５１】
【発明の実施の形態】
例えばドットタイプサンプルを用いて本発明の方法を試みる。（１１１）ＧａＡｓ基板に規則正しく縦横に並ぶ遮蔽部（ＳｉＯ２、ＳｉＮ）を設けた（それをドットタイプと言う）ものを出発基板としてＨＶＰＥ法で、その上にＧａＮを成長させる。遮蔽部が底部となるファセットピットができ、それが成長してゆきファセットピットの底部に閉鎖欠陥集合領域Ｈが、ファセットの下に単結晶低転位随伴領域Ｚが、隣接単結晶低転位随伴領域Ｚ、Ｚの間に単結晶低転位余領域Ｙが成長する。
【００５２】
１．　そのようなＧａＮ結晶の厚み２ｍｍ以上のサンプルを成長させる。図１（３）の状態になる。ＧａＮの表面には正六角錘、正十二角錘の穴（ピット）が見える。それは｛２−１−１２｝面のファセットか、あるいは｛１−１０１｝面のファセットである。ファセットピットの中心底に続く細い糸状の部分が転位の集合した閉鎖欠陥集合領域Ｈである。それは図１、図２、図３において黒ベタで示している。
【００５３】
閉鎖欠陥集合領域Ｈの周囲にあって、ファセット面の下にあるのが単結晶低転位随伴領域Ｚである。隣接ファセットピットの間のＣ面成長部分が単結晶低転位余領域Ｙである。
【００５４】
図１（３）の結晶は厚みが２ｍｍ以上ある。ファセット面は開口している。ファセットのサイズは初めに設けた遮蔽部の寸法によって規定できる。ファセットの傾斜角は面方位によって決まっているのでファセットピットの深さはファセットピットの広さによって決まる。充分に広いファセットピットを形成しておけばピット深さを大きくできる。たとえば２００μｍとか５００μｍの深さをもつ広いファセットピットを形成することもできる。
【００５５】
２．　成長炉から一旦取り出して基板を除去する。それが図２の斜視図に示したＧａＮ結晶である。それをそのまま内周刃スライサーなどで切断してもよいが、あるいはさらに裏面を加工し、表面から５０μｍ〜５００μｍの厚みまで薄膜化する。裏面を加工するというのはＧａＡｓ基板のような出発基板を取り除くということと、ＧａＮ結晶の裏面を研磨して薄くするということである。
【００５６】
すると図３や図１（５）に示すようにたくさんの正六角穴を含む薄い結晶が得られる。それはファセットピットである。ファセットの深さ以下の厚み（５０μｍ〜１００μｍ）に切断面２０で切断して研磨してしまえば、図３の骸骨基板８のように閉鎖欠陥集合領域Ｈは全くそれで除去されたことになる。それは骨格基板であり骸骨基板である。
しかしファセットピットより結晶が厚い場合、閉鎖欠陥集合領域が残留している。それを骨格基板と呼ぶ。その場合は次の３の工程によって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去して骸骨基板を得る。
【００５７】
３．　ＧａＮ骨格基板を再度成長炉内に挿入し、塩化水素ガスによるドライエッチングによって、閉鎖欠陥集合領域Ｈ部分だけ選択的にエッチングして除去する。サンプルはファセットピットの穴だらけで低転位部分だけが残った骸骨基板８となる。それを図６に示す。閉鎖欠陥集合領域Ｈが完全に除去されてそこは穴になっている。閉鎖欠陥集合領域Ｈは他の部分と違って多結晶、粒界などの欠陥の集合であり、その上にエピタキシャル成長させるとその速度が遅くデバイス製造に不向きである。
【００５８】
しかし本発明は塩化水素ガスエッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除く。図２のＧａＮ基板から閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去したものは図６のようになる。閉鎖欠陥集合領域Ｈだった部分は穴となる。あとに残ったのは単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙであり、それにＧａＮ成長させるとできたものは一様な単結晶である。単結晶部分だけだとエピタキシャル成長は均一条件となり一様な膜厚のものを生成することができる。
【００５９】
この工程はファセットピット深さより基板厚みが大きく閉鎖欠陥集合領域Ｈが残存している場合だけ必要である。図３や図１（５）のように閉鎖欠陥集合領域Ｈが初めから無いときは３の塩素エッチング工程は省略できる。ファセットの大きさによるが、それは５０μｍ〜１００μｍ程度の薄いものである。
４．　低速成長条件で低転位部分から選択的に削り落とした制御位置部分を埋め込むように成長させ、全面に低転位の２インチ以上の窒化物半導体結晶を得る。それが図５に示す脱欠陥集合結晶９である。
【００６０】
工程３を行うと、エピ成長速度に影響する面方位が全面に渡り同一になるため、平坦なエピ成長が可能となる。また再成長させる下地は厚膜成長により転位を低減した部分であるから、再成長させた基板の全面に渡って低転位領域が形成される。その点が重要である。骸骨基板８には閉鎖欠陥集合領域Ｈが全くない。ファセット面の｛１１−１２｝、｛１−１０１｝面よりなる穴が存在し、そのような傾斜した穴には穴面に立てた法線の方向にＧａＮが成長する。法線の方向に成長しても穴が直ちに埋まるわけではなくて穴は上方へ移動するだけである。単結晶低転位余領域ＹにおいてはＣ面成長する。ファセット面法線方向に成長した部分もＣ面成長した部分も同じ結晶方位をもつ。
【００６１】
他の条件も調整しつつ温度を上げるとファセット面も埋まり、やがて全体がＣ面成長するようにもできる。最終場面ではＣ面成長させるというようにしてもよい。或いは反対に、できるだけ単結晶低転位余領域Ｙの少ない、単結晶低転位随伴領域Ｚの広い骨格結晶を作っておきファセット成長を主体にして結晶成長するようにもできる。そうすると酸素をｎ型ドーパントとして吸収し電気抵抗の低い結晶ができる。閉鎖欠陥集合領域Ｈが無いので結晶表面はどこもかも同等であり成長速度や条件はほぼ等しくなる。
【００６２】
また歪みも同時に一旦開放するために、再成長させたサンプルには劈開に影響するほどの歪みは残留せず、劈開によるレーザ共振器面の作製が可能となる。
【００６３】
成長後の基板処理とエッチングにより、転位集中領域である異なる面方位部分（閉鎖欠陥集合領域Ｈ）を除去し、全面低転位の窒化物半導体（ＧａＮ）を２インチサイズ（５０ミリ）以上で成長させる事が可能になる。
エピ成長時にも成長速度差の問題はなくなり、良好なデバイス特性を確認した。
【００６４】
【発明の効果】
本発明は、異種物質単結晶基板の上に規則的或いは不規則な配置の被覆部を有するマスクを設け、気相成長法によって、基板の上に窒化ガリウムをファセット成長させ、十分な厚さに達したら成長をやめて取り出し、異種物質基板を除き、窒化ガリウム結晶板の裏面を研磨するか、あるいは窒化ガリウム結晶の表面に近い部分だけを面平行に薄く切り出して骨格基板とし、塩化水素ガス選択エッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈだけを除去して骸骨基板とし、骸骨基板の上へさらに窒化ガリウムを気相成長させて、一様な窒化ガリウムの単結晶基板を得るようにしたものである。
【００６５】
閉鎖欠陥集合領域Ｈが存在しない窒化ガリウム単結晶基板であるから単結晶ＧａＮ本来の劈開性がある。自然劈開を利用してＬＤの共振器面を作成できる。閉鎖欠陥集合領域Ｈが存在しないので応力が減り歪みが小さくなる。その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜をエピタキシャル成長した場合、成長速度の差異がなく一様なエピタキシャル成長膜ができる。本発明のＧａＮ結晶によって、凹凸のない平坦なエピタキシャル成長膜ができＬＥＤ、ＬＤなどのデバイスを歩留まり良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ基板の製造方法を説明するための工程図。図１（１）は異種基板の上に孤立被覆部を多数形成した状態を示す。図１（２）は基板・被覆部の上にＧａＮをファセット成長させると、被覆部の上には閉鎖欠陥集合領域Ｈ、ファセットピットの底が対応し、ファセット成長した部分は単結晶低転位随伴領域ＺになりＣ面成長した部分が単結晶低転位余領域Ｙになることを示す。図１（３）はさらにファセット成長させて表面にファセットピットを有する厚いＧａＮの結晶を得た状態を示す。図１（４）は厚いＧａＮ結晶から異種基板を除去し裏面を研磨して薄くし、あるいはスライサーでＧａＮ結晶を薄く切断した閉鎖欠陥集合領域Ｈを含む骨格基板を示す。図１（５）はＧａＮ結晶をより薄く研磨、切断して閉鎖欠陥集合領域Ｈのない骨格基板を作った状態を示す。図１（６）は骨格基板から塩化水素ガスエッチングによって閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去した骸骨基板をもとにしてＧａＮを再び気相成長させて欠陥集合のない脱欠陥集合結晶９を得たことを示す。
【図２】異種基板の上に被覆部を設け、その上にＧａＮをファセット成長させ厚いＧａＮ結晶を得てから基板を除いたＧａＮ結晶の斜視図。
【図３】図２のＧａＮ結晶の表面近くを薄く切り出して骸骨基板とすることを示すＧａＮ結晶の斜視図。
【図４】図３のＧａＮ結晶の表面近くを切り取って作った骸骨基板の斜視図。
【図５】骸骨基板の上にＧａＮを気相成長させて作った欠陥集合のない一様な低転位の脱欠陥集合結晶の斜視図。
【図６】図２のＧａＮ結晶を塩化水素ガスエッチングして閉鎖欠陥集合領域Ｈを除去し、その部分が穴になっている骸骨基板の斜視図。
【符号の説明】
Ｈ　閉鎖欠陥集合領域
Ｚ　単結晶低転位随伴領域
Ｙ　単結晶低転位余領域
２　異種基板
３　被覆部
４　露出部
５　ファセットピット
６　ファセット
７　骨格基板
８　骸骨基板
９　脱欠陥集合結晶
２０　切断面
【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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【図６】
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