ＧａＮ単結晶基板及びＧａＮ単結晶基板の製造方法
【課題】発光素子、電子デバイス用素子に用いられるＧａＮ自立基板であって、素子の歩留りの向上ができるＧａＮ自立基板及びＧａＮ自立基板の製造方法を提供する。
【解決手段】サファイア基板上に形成したＧａＮ薄膜上にマスクを形成して下地基板とした後、前記下地基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度１１００℃以上１４００℃以下、ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対する前記Ｖ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の第１の条件で マスクが形成されていないＧａＮ薄膜の領域から、断面が略三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶を成長させ、つづいて第２の条件で選択横方向成長させることにより、ＧａＮ単結晶を成長させる。こうして得られたＧａＮ単結晶は基板表面と、基板表面に含まれる極性反転区（インバージョンドメイン）とを備え、極性反転区の基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下となる。
【解決手段】サファイア基板上に形成したＧａＮ薄膜上にマスクを形成して下地基板とした後、前記下地基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度１１００℃以上１４００℃以下、ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対する前記Ｖ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の第１の条件で マスクが形成されていないＧａＮ薄膜の領域から、断面が略三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶を成長させ、つづいて第２の条件で選択横方向成長させることにより、ＧａＮ単結晶を成長させる。こうして得られたＧａＮ単結晶は基板表面と、基板表面に含まれる極性反転区（インバージョンドメイン）とを備え、極性反転区の基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ単結晶基板及びＧａＮ単結晶基板の製造方法に関する。特に、本発明は、異常成長を低減することができるＧａＮ単結晶基板及びＧａＮ単結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物化合物半導体としてのＧａＮ系化合物半導体は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）等の発光素子用の材料などに用いられている。また、ＧａＮ系化合物半導体は、耐熱性、耐環境性に優れているので、電子デバイス用素子にも用いられている。
【０００３】
このような発光素子、電子デバイス用素子に用いられるＧａＮ自立基板の製造方法として、例えば、超高温高圧法、フラックス法、ハライド気相エピタキシー（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法等についての開発が進んでいる。ここで、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ自立基板を得ることができるものの、従来のＨＶＰＥ法により形成されるＧａＮ自立基板上に所定の化合物半導体層をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル成長後の基板表面の一部に窪み及び盛り上がりが生じる異常成長の問題が発生する場合がある（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Liliental-Weber et. al., Journal of Electronic Materials, May 2005 p. 605
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載されている方法において得られるＧａＮ自立基板においてはＧａＮ自立基板の表面に異常成長した領域が含まれている。このようなＧａＮ自立基板の上に発光素子等の構造をエピタキシャル成長させた場合、異常成長した領域上においてはエピタキシャル成長させた半導体層に乱れが生じる。したがって、非特許文献１に記載されている方法を用いて得られるＧａＮ自立基板では、発光素子等の歩留りを向上させることは困難である。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、素子の歩留りの向上ができるＧａＮ自立基板及びＧａＮ自立基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基板表面と、基板表面に含まれる極性反転区とを備え、極性反転区の基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶基板が提供される。
【０００７】
また、上記ＧａＮ単結晶基板において、極性反転区の最大外径が１ｍｍ以下であってもよい。
【０００８】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度が１１００℃以上１４００℃以下の範囲内であり、ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対するＶ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の成長条件で、前記基板の表面における極性反転区の個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶を前記基板上に成長させる成長工程を備えるＧａＮ単結晶の製造方法が提供される。
【０００９】
また、上記ＧａＮ単結晶の製造方法は、成長工程が、０．０１％から０．１％の分圧の塩化水素（ＨＣｌ）ガスを更に添加する工程を有していてもよい。また、基板上に種結晶層を形成する種結晶層形成工程と、種結晶層上にマスクを形成するマスク形成工程とを更に備え、成長工程が、マスクが形成された種結晶層上にＧａＮ単結晶を成長させてもよい。また、マスク形成工程が、赤外領域の波長の光を吸収する材料を用いてマスクを形成し、成長工程が、種結晶層上のマスクが形成されていない領域からＧａＮ単結晶を選択横方向成長させてもよい。更に、マスク形成工程が、マスクをＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮのいずれかから形成してもよい。
【００１０】
また、上記ＧａＮ単結晶の製造方法は、マスク形成工程が、２０ｎｍ以上１ｍｍ以下のサイズのマスクを形成してもよい。また、成長工程は、ＧａＮ単結晶の成長を中断する成長中断工程と、成長中断工程中に、７００℃から９００℃の温度範囲内において０．００１％から０．０５％の分圧の塩化水素ガスを添加してＧａＮ単結晶に熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後に、ＧａＮ単結晶の成長を再開する成長再開工程とを有していてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＧａＮ自立基板の製造方法によれば、ＧａＮ単結晶中に発生するインバージョンドメインの大きさ及び個数密度を低減させることにより、発光素子等の素子の歩留りの向上ができるＧａＮ自立基板を製造すること、及び当該ＧａＮ自立基板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】
【００１２】
［実施の形態］
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の部分断面図を示し、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の基板表面の部分拡大図を示す。
【００１３】
（ＧａＮ自立基板１０）
本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、上面視にて略円形に形成される。ＧａＮ自立基板１０は、一例として、上面視における直径が約５０．８ｍｍ（２インチ）の略円形であって、厚さが約１ｍｍに形成される。そして、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、図１（ａ）に示すように、Ｇａ極性面１１０が露出している基板表面１０ａから基板裏面１０ｂに実質的に至る極性反転区としてのインバージョンドメイン１００を有する。なお、インバージョンドメイン１００とは、周囲の結晶とは極性が反転した領域を指す。したがって、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０のインバージョンドメイン１００は、Ｎ極性を有する領域である。
【００１４】
具体的に、ＧａＮ自立基板１０は、所定の平均長のインバージョンドメイン１００を所定の個数密度で有する。より具体的には、基板表面１０ａの総面積に対する複数のインバージョンドメイン１００それぞれの面積の和の比が２％以下であると共に、基板表面１０ａ内におけるインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００１５】
また、図１（ｂ）に示すように、基板表面１０ａ上には複数のインバージョンドメイン１００（例えば、インバージョンドメイン１００ａ、インバージョンドメイン１００ｂ、インバージョンドメイン１００ｃ、インバージョンドメイン１００ｄ等）がそれぞれ離間して形成される。また、基板表面１０ａに形成される複数のインバージョンドメイン１００のサイズとしての最大の径（最大外径）が１ｍｍ以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。なお、インバージョンドメイン１００は、略円形状、不定形のアメーバ形状、ライン形状等を含む様々な形に形成される。したがって、本実施の形態においてインバージョンドメイン１００の最大外径とは、インバージョンドメイン１００の外形寸法のうち最大の部分をいう。
【００１６】
（ＧａＮの極性）
ここで、ＧａＮの極性について説明する。ＧａＮはＷｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造を有する。Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造は、ｃ面に関して反転対称性を有さない。したがって、Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造はｃ軸方向について極性を有し、＋ｃ軸方向と−ｃ軸方向とが区別されることとなる。ここで、＋ｃ軸方向の面はＧａ極性面又はＧａ面、−ｃ軸方向の面はＮ極性面又はＮ面と呼ぶ。
【００１７】
そして、Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造は、１つの原子を当該原子とは異なる４つの原子が包囲する四面体構造を基本構造とする。Ｇａ原子を中心とした四面体構造を考えると、Ｇａ原子の下側にＮ原子との３本の結合手が配置される向きに結晶を置いたとき、上の方向が＋ｃ軸方向となる。このように規定した場合、当該結晶の上側の面がＧａ極性面となり、Ｇａ極性面の反対側の面がＮ極性面となる。そして、Ｇａ極性面中にＮ極性面が混在している場合、Ｎ極性面が存在する領域がインバージョンドメインとなる。
【００１８】
更に、ＧａＮの物理的・化学的特性は、Ｇａ極性面とＮ極性面とで異なる。例えば、Ｇａ極性面の硬度はＮ極性面の硬度よりも大きく、Ｇａ極性面のエッチングレートはＮ極性面のエッチングレートよりも極めて小さい。すなわち、Ｇａ極性面の方がＮ極性面よりも堅牢であり、化学的に安定である。また、ＧａＮ結晶上にエピタキシャル成長をする場合、Ｇａ極性面上に形成されるエピタキシャル層の表面は平坦になりやすく、Ｎ極性面上に形成されるエピタキシャル層の表面は凹凸が形成されやすい。したがって、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等のデバイスを形成する場合、ＧａＮのＧａ極性面上に所定のエピタキシャル層を形成する。
【００１９】
この場合において、Ｇａ極性面中にＮ極性面が含まれている場合、すなわちＧａ極性面中にインバージョンドメイン１００が含まれている場合には、インバージョンドメイン１００が存在する領域の上において、異常成長が発生する。エピタキシャル成長等の結晶成長における結晶の成長速度は原料の原子の吸着と脱離との競合が律速段階となるので、Ｇａ極性面よりも化学的に不安定なインバージョンドメイン１００上での結晶の成長速度は、Ｇａ極性面上における結晶の成長速度よりも小さい。これにより、インバージョンドメイン１００上においては、エピタキシャル成長時に窪み（ピット）が発生すると考えられる。また、インバージョンドメイン１００上に吸着しなかった原料は、インバージョンドメイン１００の周辺に局所的に供給される。これにより、インバージョンドメイン１００周辺の結晶の成長速度が増加するので、インバージョンドメイン１００のピット周辺のエピタキシャル層は盛り上がるように形成される。
【００２０】
（インバージョンドメイン１００の評価方法）
極小領域に存在するインバージョンドメイン１００の検出は、例えば、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いた収束電子線回折（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＣＢＥＤ）法を用いてＧａＮ結晶表面の極性を判定することにより判断できる。
【００２１】
また、直径が約５０．８ｍｍの領域等の広い領域に分散して存在しているインバージョンドメイン１００の分布状況は、微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて評価する。具体的には、研磨されたＧａＮ自立基板の表面を微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて観察する。この場合に、所定の深さの窪みが観察されるが、この窪みがインバージョンドメイン１００に対応するので、この窪みの分布状況を観察する。これにより、観察対象のＧａＮ自立基板上に分布しているインバージョンドメイン１００の分布状況を評価することができる。
【００２２】
このような評価方法は、本発明者が得た以下の知見から確立されたものである。すなわち、研磨されたＧａＮ自立基板の表面を微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて観察すると、数十ｎｍ程度の深さを有する窪みが観察される場合がある。ＣＢＥＤ法を用いてこの窪みの内部の極性判定を実施したところ、窪みの内部の領域がＮ極性面であるという知見を本発明者は得た。つまり、このような窪みとインバージョンドメインとが一対一に対応している知見を本発明者は得た。これにより、微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いた簡便な手段により、広範囲に分布するインバージョンドメインを評価することができるようになったものである。
【００２３】
（インバージョンドメイン１００の面積比）
基板表面１０ａの複数のインバージョンドメイン１００の合計の面積が基板表面１０ａの面積に占める割合であるインバージョンドメイン１００の面積比が大きいＧａＮ自立基板ほど、当該ＧａＮ自立基板から形成される発光素子等の素子の歩留りは低下する。インバージョンドメイン１００の面積比が１０％を超えることは通常少ないものの、本発明の実施の形態においてはよりインバージョンドメイン１００の面積比が小さくなるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。本実施の形態においては、インバージョンドメイン１００の面積比が所定値以下、具体的には、２％以下となるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００２４】
図２は、インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度と歩留りとの相関を示す。
【００２５】
（インバージョンドメイン１００の個数密度）
上述したインバージョンドメイン１００の面積比が所定値以下の場合でも、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数の密度（個数密度）が所定値より大きいＧａＮ自立基板の場合、当該ＧａＮ自立基板から形成される発光素子等の素子の歩留りは低下する。
【００２６】
すなわち、例えばインバージョンドメイン１００の面積比が１％であるＧａＮ自立基板上に所定のデバイス構造を形成した後、この自立基板からチップサイズが０．５ｍｍ２のチップを切り出す場合を想定する。切り出したチップにインバージョンドメイン１００が含まれていると、当該チップは不良品となる。この場合、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上の所定の位置に集合している場合と、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上に均一又はある程度の割合で分散している場合とを比べると、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上に分散している場合の方が切り出すチップの歩留りは低下する。したがって、基板表面１００ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数密度が所定値以下となるように、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００２７】
ここで、ＧａＮ自立基板１０の基板表面１０ａ上に所定のデバイス構造をエピタキシャル成長により形成すると、インバージョンドメイン１００の周辺部はインバージョンドメイン１００上における異常成長により盛り上がる。これにより、インバージョンドメイン１００の存在は、ＧａＮ自立基板１０上に所定のデバイス構造をエピタキシャル成長した後のデバイス作成プロセスにおいて歩留りの低下をもたらす。
【００２８】
また、インバージョンドメイン１００は、その周辺にインバージョンドメイン１００の直径の１０倍から１００倍程度の広さを有する高不純物濃度領域を伴う場合がある。これは、ＨＶＰＥ法による結晶成長時において、Ｇａ極性面とＮ極性面との成長速度の違いによりインバージョンドメイン１００を中心として形成されるピットの内壁面がｃ面に比べて不純物を取り込みやすいことに起因すると考えられる。この高不純物濃度領域は、ＧａＮ自立基板の表面を研磨してピットを平坦にした場合であっても残存する。
【００２９】
したがって、高不純物濃度領域上に所定のデバイス構造を形成した場合、高不純物濃度領域上に形成されたデバイスは、高不純物濃度領域が存在しない領域（健全部）上に形成されたデバイスとは特性が異なり、歩留りが低下する。例えば、インバージョンドメイン１００の個数密度が２５ｃｍ−２である場合、面積の観点から計算される歩留りは平均で８７．５％となるが、上述したようにインバージョンドメイン１００の周辺の盛り上がり、及び高不純物濃度領域の存在により、インバージョンドメイン１００の個数密度が２５ｃｍ−２では実際のデバイス構造を形成する場合の歩留りの向上には不十分である。
【００３０】
ここで図２を参照する。図２においては、０．５ｍｍ２のチップサイズよりも小さいインバージョンドメイン（ＩＤ）１００の基板表面１０ａ上における個数密度と、それぞれの個数密度のインバージョンドメイン１００を有するＧａＮ自立基板から０．５ｍｍ２のチップサイズのチップを切り出した場合の歩留りとの関係を示している。図２を参照すると分かるように、インバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２を超えると歩留りが急激に低下する知見を本発明者は得た。すなわち、インバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２を超えると、急激に歩留りが４５％未満となる知見を本発明者は得た。したがって、本発明の実施の形態においては、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００３１】
なお、図２を参照すると分かるように、ＩＤ個数密度が１ｃｍ−２の時に歩留りは９８％であり、ＩＤ個数密度が５ｃｍ−２の時に歩留りは８９％であり、ＩＤ個数密度が１０ｃｍ−２の時に歩留りは７６％であり、ＩＤ個数密度が２０ｃｍ−２の時に歩留りは４７％であり、ＩＤ個数密度が２２ｃｍ−２の時に歩留りは２２％であり、ＩＤ個数密度が２５％ｃｍ−２の時に歩留りは５％であり、ＩＤ個数密度が３０ｃｍ−２及び４０ｃｍ−２の時に歩留りは略０％であった。
【００３２】
図３は、インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合における、インバージョンドメイン（ＩＤ）のサイズと歩留りとの相関を示す。なお、図３を参照すると分かるように、ＩＤサイズが０．２５ｍｍの時に歩留りは７６％であり、ＩＤサイズが０．５ｍｍの時に歩留りは７６％であり、ＩＤサイズが０．７５ｍｍの時に歩留りは６４％であり、ＩＤサイズが１ｍｍの時に歩留りは５１％であり、ＩＤサイズが１．２ｍｍの時に歩留りは７％であり、ＩＤサイズが１．５ｍｍ及び２ｍｍの時に歩留りは略０％であった。
【００３３】
（インバージョンドメイン１００の最大外径）
インバージョンドメイン１００の形状が非常に細長い形状を有する場合、インバージョンドメイン１００の面積比及び個数密度が適切な値であっても、ＧａＮ自立基板から切り出すチップの歩留りが低下する場合がある。例えば、インバージョンドメイン１００のサイズがチップサイズの直径を超えた場合、計算上、歩留りはインバージョンドメイン１００の長さに比例して低下する。実際のプロセス上においては、インバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍを超えると、歩留りが非常に低下する。
【００３４】
図３を参照すると、インバージョンドメイン１００の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合、インバージョンドメイン１００のサイズ（ＩＤサイズ）が１ｍｍを超えると、歩留りが急激に低下する知見を本発明者は得た。すなわち、インバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍを超えると、急激に歩留りが５０％以下に低下する。したがって、本発明の実施の形態においては、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍ以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。なお、インバージョンドメイン１００のサイズが０．５ｍｍ以下となると、歩留りが約７５％程度となった。
【００３５】
図４の（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す。また、図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る下地基板の模式的な上面の状態を示す。
【００３６】
（ＧａＮ自立基板１０の製造方法）
まず、図４（ａ）に示すように、（０００１）面、すなわちｃ面を有する基板としてのサファイア基板２０上に、有機金属気相エピタキシー（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法を用いて種結晶層としての所定厚のＧａＮ薄膜３０を形成する。一例として、１μｍの厚さのＧａＮ薄膜３０を形成する。サファイア基板２０の直径は、一例として、約５０．８ｍｍ（２インチ）である。なお、サファイア基板２０等の異種基板の代わりにＧａＮ種結晶基板を基板として用いることもできる。すなわち、ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ薄膜３０を基板としてのＧａＮ種結晶基板上に形成することもできる。
【００３７】
続いて、ＧａＮ薄膜３０の上に所定の材料から形成されるマスク層を形成する。一例として、マスク層としてのＳｉＯ２層を熱ＣＶＤにより形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、形成したマスク層を所定形状のマスク４０にフォトリソグラフィー法を用いて加工する。具体的には、幅が１０μｍ、長さが２０μｍの複数のマスク４０が、縦横方向それぞれにおいて５μｍ間隔でＧａＮ薄膜３０上に配列するようにマスク層を加工する。これにより、本実施の形態に係る下地基板５０を形成する。
【００３８】
すなわち、図５（ａ）に示すように、所定の大きさ（サイズ）を有する所定形状の複数のマスク４０が、所定の間隔をおいてＧａＮ薄膜３０上の仮想的な直線に沿って点在する下地基板５０を形成する。本発明の実施の形態に係るマスク４０は、一例として、図５（ａ）に示すように、第１の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０と、第１の直線に隣接する第２の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０とが互い違いになるように配置される。
【００３９】
なお、図５（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態の変形例に係るマスク４０においては、第１の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０と、第１の直線に隣接する第２の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０とが並列するように配置することもできる。
【００４０】
次に、形成した下地基板５０を、ＨＶＰＥ装置内に導入する。そして、所定の成長条件を用い、マスク４０が形成されている側のＧａＮ薄膜３０上であって、マスク４０が形成されていない領域からＧａＮの単結晶の成長を開始させる。具体的な成長条件は、一例として、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、所定濃度の塩化水素（ＨＣｌ）ガスと金属Ｇａから形成されるＧａＣｌ及びＮＨ３を原料ガスとして用いる。ＧａＣｌの流量及びＮＨ３の流量はいずれも１００ｓｃｃｍに設定する（ＩＩＩ族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）＝１）。そして、成長温度を１１００℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（第１の成長条件）。
【００４１】
このような第１の成長条件でＧａＮ単結晶の成長を実施すると、図４（ｃ）に示すように、マスク４０が形成されていないＧａＮ薄膜３０の領域から、断面が略三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶１２０が成長する。この場合において、一部のマスク４０上にＮ極性を有するインバージョンドメイン１００が核発生する。
【００４２】
続いて、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長条件を以下の第２の成長条件に変更して、更にＧａＮ単結晶としての成長結晶１２２を成長する。一例として、ＨＶＰＥ装置において成長するＧａＮ単結晶の合計の厚さが１ｍｍになるまでサファイア基板２０の面に水平方向とサファイア基板２０の面の法線方向との双方の方向に沿ってＧａＮ単結晶が成長する。すなわち、成長結晶１２２は、選択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯ）によって形成される単結晶である。
【００４３】
第２の成長条件は、一例として、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、所定濃度のＨＣｌガスと金属Ｇａから形成されるＧａＣｌ及びＮＨ３を原料ガスとして用いる。ＧａＣｌの流量及びＮＨ３の流量はいずれも５００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝１）。そして、成長温度を１１００℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（第２の成長条件）。成長結晶１２２のサファイア基板２０の反対側の面は、略平坦な平坦面１２２ａである。平坦面１２２ａの一部分には、インバージョンドメイン１００に起因する凹部１２２ｂが形成される。
【００４４】
成長結晶１２２の成長後、成長結晶１２２を有するサファイア基板２０をＨＶＰＥ装置から取り出す。そして、サファイア基板２０の側から所定出力のＹＡＧレーザを照射する。レーザを照射すると、サファイア基板２０と成長結晶１２２との界面付近のＧａＮが熱分解する。これにより、下地基板５０とＨＶＰＥ装置において成長したＧａＮ単結晶としての成長結晶１２２（ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜）とを分離する（レーザ剥離法）。
【００４５】
次に、下地基板５０から剥離して得られるＧａＮ厚膜の両面を研削及び／又は研磨する。これにより、図４（ｅ）に示すような、ＧａＮ自立基板１０が得られる。ＧａＮ自立基板１０は、Ｇａ極性面１１０が露出する基板表面１０ａと、基板表面１０ａの反対側の基板裏面１０ｂとを有する。また、ＧａＮ自立基板１０は、基板表面１０ａから基板裏面１０ｂまでを実質的に貫く所定形状、所定の個数密度のインバージョンドメイン１００を有する。一例として、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、個数密度が１２ｃｍ−２であり、平均長が２μｍのインバージョンドメイン１００を有する。
【００４６】
なお、このＧａＮ自立基板１０上に所定のレーザ構造を有する化合物半導体積層構造を形成したところ、化合物半導体層の表面は略平滑であった。そして、化合物半導体積層構造を形成したＧａＮ自立基板１０からレーザダイオードを作成したところ、歩留りは約７５％であった。
【００４７】
ここで、インバージョンドメイン１００の発生を抑制するために、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法においては、以下の条件を採用することが好ましい。以下の説明では、図４の工程に対応させて好ましい条件について説明する。
【００４８】
（種結晶層の製造）
まず、図４（ａ）に示すように、２インチの外径であり、（０００１）面を表面に有するサファイア基板２０上に、種結晶層としてのＧａＮ薄膜３０を形成する。ＧａＮ薄膜３０は、一例として、１μｍ厚となるようにサファイア基板２０の表面にＭＯＶＰＥ法により形成される。なお、図４（ａ）においては、サファイア基板２０上にＧａＮ薄膜３０を直接に形成しているが、ＧａＮ薄膜３０とサファイア基板２０との間の格子不整合を緩和する低温バッファ層（図示しない）をサファイア基板２０上に形成することもできる。例えば、約５００℃の成長温度で数十ｎｍ程度の膜厚となるようにサファイア基板２０上にＧａＮを形成することにより、低温バッファ層を形成することができる。そして、ＧａＮ薄膜３０の成長前に約１０００℃の熱処理を、低温バッファ層を有するサファイア基板２０に施す。
【００４９】
ここで、低温バッファ層はＡｌＮ薄膜から形成することもできる。低温バッファ層をＡｌＮ薄膜から形成する場合、約６００℃の成長温度で約５０ｎｍ程度の膜厚となるように、サファイア基板２０上にＡｌＮ薄膜を形成する。そして、ＧａＮ薄膜３０の成長前に約１０４０℃の熱処理を、ＡｌＮ薄膜を有するサファイア基板２０に施す。
【００５０】
（ＥＬＯ法の成長条件）
図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すようなＨＶＰＥ装置によるＥＬＯ法でのＧａＮ単結晶の成長においては、まず、種結晶層としてのＧａＮ薄膜３０上にマスクを形成する。このマスクは、通常、ＳｉＯ２等から形成される。ＳｉＯ２等のマスクは極性を有さないので、マスク上にＧａＮ単結晶の核が発生した場合、この核の上に形成されるＧａＮ結晶の極性を一定の方向に揃えるように制御することは困難である。したがって、以下のＥＬＯ法の成長条件を採用することが好ましい。
【００５１】
（ＥＬＯ法の成長条件−Ｎ面結晶が成長しにくい成長条件）
図６は、本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＶ／ＩＩＩ比とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す。
【００５２】
ＨＶＰＥ装置において下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長させるときのＶ／ＩＩＩ比を０．４から２の範囲で変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。また、各Ｖ／ＩＩＩ比において成長温度を１０００℃から１４００℃に変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００５３】
その結果、図６を参照すると分かるように、成長温度が高く、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど、得られるＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。特に、Ｖ／ＩＩＩ比が０．４から１．０の範囲内であり、成長温度が１１００℃から１４００℃の範囲内でインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となることが分かった。
【００５４】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、高温成長、かつ、低Ｖ／ＩＩＩ比での成長条件を採用することが好ましい。具体的には、成長条件を１１００℃から１４００℃の範囲内に設定すると共に、Ｖ／ＩＩＩ比を０．４以上１．０以下の範囲内に設定する。なお、Ｖ／ＩＩＩ比が０．４未満の場合、成長するＧａＮ結晶の表面にＧａのドロップレットが生じる場合がある。また、成長温度が１４００℃を超えるような高温の場合、ＧａＮ自立基板１０を作成するために要する所定の成長速度を得ることが困難となり、経済性を考慮すると上記の成長温度を採用することが好ましい。
【００５５】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０上に核発生しにくい成長条件）
図７は、本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＨＣｌ添加量とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す。
【００５６】
図４（ｃ）の工程において、ＨＶＰＥ装置内で下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長させるときのＨＣｌ添加量を０から０．１％の範囲で変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。また、各ＨＣｌ添加量において成長温度を１０００℃から１４００℃に変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００５７】
その結果、図７を参照すると分かるように、成長温度が高く、ＨＣｌ添加量が多いほど、得られるＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。特に、ＨＣｌ添加量が０．０１％から０．１％の範囲内であり、成長温度が１１００℃から１４００℃の範囲内でインバージョンドメイン１００の個数密度が約１７ｃｍ−２以下となることが分かった。
【００５８】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、マスク４０を有する下地基板５０上へのＧａＮ単結晶の成長開始から、マスク４０をＧａＮ単結晶で埋め込むまでの間に、過飽和度、すなわちＧａＮ成長速度を抑制することが好ましい。ＧａＮ成長速度は、成長温度を高温化すると共に、ＨＣｌ等のエッチング性を有するガスをＨＶＰＥ装置に導入することで抑制することができる。具体的には、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長温度を１１００℃から１４００℃の範囲内に設定すると共に、ＨＣｌ分圧を０．０１％から０．１％の範囲内に設定する。なお、成長温度が１４００℃を超える場合、又はＨＣｌ濃度が０．１％より高い場合には、経済性を満たすような成長速度を得ることが困難である。
【００５９】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０のサイズ）
図８は、本実施の形態に係るマスクの長さを変化させたときのインバージョンドメイン（ＩＤ）の最大外径の平均長を示す。
【００６０】
マスク４０の長さを様々に変化させて複数の下地基板５０を作成した。具体的に、マスク４０の長さは、０．０１μｍから５０ｍｍの範囲で変化させた。そして、複数の下地基板５０のそれぞれにＧａＮ単結晶をＨＶＰＥ装置において成長させた。そして、得られたＧａＮ単結晶の表面を観察することによりインバージョンドメイン１００の上面視における長さを計測して、各マスク４０の長さごとの平均長を算出した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００６１】
その結果、図８に示すように、マスク長を１ｍｍ以下とすることにより、インバージョンドメイン１００の最大外径の平均長が急激に減少することが分かった。しかし、マスク長が０．０２μｍ（２０ｎｍ）以下においては、所望の転位低減効果は得られなかった。したがって、マスク４０のサイズ、すなわちマスク長は、２０ｎｍ以上から１ｍｍ以下の範囲内で形成することが好ましい。
【００６２】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、マスク４０のサイズは小さいことが好ましい。具体的には、マスク４０のマスク長は２０ｎｍ以上１ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。これは、マスク４０上にインバージョンドメイン１００の核が発生した場合、マスク４０のサイズが所定値より大きいと、マスク４０上に生じた核がそれぞれ連結して大きなインバージョンドメイン１００に発達してしまう場合があるからである。
【００６３】
一例として、従来用いられるストライプ形状のマスクにおいては、マスクの幅は数μｍ程度であるが、マスクの長さ方向の形状は、ウエハの一端から多端まで連続している。すなわち、従来用いられるストライプ形状のマスクにおいて、マスクの長さの最大値はマスクが形成されるウエハの直径に略等しい程度となる。このような従来のストライプ形状のマスクにおいては、インバージョンドメイン１００が大きく発達しやすい。したがって、マスク４０のサイズを小さくすることによりインバージョンドメイン１００が大きく発達することを抑制することが好ましい。なお、マスク４０のサイズを０．０２μｍ以下とすると、転位低減の効果が得られにくくなる。また、マスク４０の幅は、従来のストライプ形状のマスクと同程度である。
【００６４】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０の材質）
表１は、本発明の実施の形態に係るマスクの材質とインバージョンドメインの個数密度との関係を示す。
【００６５】
【表１】
【００６６】
図４（ｂ）の工程において、マスク４０の材料を表１に示す複数の材料のそれぞれを用いて形成した。すなわち、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮからマスク４０をそれぞれ形成した。そして、それぞれの材料から形成したマスク４０を用いて、図４（ｂ）から（ｅ）の工程を経てそれぞれについてのＧａＮ自立基板を得た。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００６７】
その結果、表１を参照すると分かるように、赤外領域の波長の光に対して透明なＳｉＯ２又はＳｉＮから形成したマスク４０に比べて、赤外領域の波長の光を所定の割合で吸収するＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮから形成したマスク４０を用いた方がインバージョンドメイン１００の個数密度が大幅に低下することが分かった。したがって、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板を作成する場合、マスク４０を形成する材料としては、ＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮを用いることがより好ましい。
【００６８】
すなわち、本発明の実施の形態に係るマスク４０は、赤外線を所定の割合で吸収する材料、つまり、熱輻射によって温度が上昇しやすい材料から形成することが好ましい。熱輻射によって温度が上昇しやすい材料からマスク４０を形成すると、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長においてＨＶＰＥ装置から下地基板５０、及び成長結晶１２０又は成長結晶１２２に供給される熱のうち一部の熱の熱輻射によってマスク４０が加熱される。そして、マスク４０の温度が上昇する。これにより、インバージョンドメイン１００に発達するような核がマスク４０上に発生することを抑制することができる。
【００６９】
（エッチング条件依存性）
図９は、結晶成長を中断させ、所定の熱処理を施した場合における熱処理の各条件に対するＧａＮ単結晶中のインバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度の関係を示す。
【００７０】
まず、図４（ａ）から図４（ｄ）までの工程を経て得られた基板に対して所定の熱処理（エッチング処理）を施した。すなわち、第２の成長条件を経て得られた基板に対して、以下の条件で熱処理（エッチング処理）を施した。熱処理条件は、熱処理温度（エッチング温度）が６００℃から１０００℃の範囲内、熱処理時にＨＶＰＥ装置に導入するＨＣｌ濃度（エッチャント濃度）が０％から０．０５％の範囲内、そして熱処理時間（エッチング時間）を３０分である。
【００７１】
そして、上記の熱処理を施した基板上に、第２の成長条件と同一の成長条件（第３の成長条件）を用いて、再びＧａＮ単結晶を成長させた。その結果、図９に示すように、熱処理時の温度が高く、ＨＣｌ添加量が多いほど形成されたＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。なお、熱処理温度が６００度以下の場合、ＨＣｌを添加してもエッチングの効果は認められなかった。
【００７２】
すなわち、本発明の実施の形態においては、成長結晶中にインバージョンドメイン１００が混入したとき、結晶成長を一時的に中断してインバージョンドメイン１００をエッチングにより除去してから再び結晶成長を開始することにより、インバージョンドメインの個数密度が低いＧａＮ自立基板１０を形成することができる。すなわち、インバージョンドメイン１００が存在していた領域を、インバージョンドメイン１００が存在していない領域と同一方位を有する結晶によって埋め込んだＧａＮ自立基板１０が形成されることとなる。
【００７３】
具体的には、結晶成長を中断して、比較的低温下でＨＣｌを用いて成長結晶をエッチングする。このエッチングにより、Ｇａ極性面の結晶領域を保ちつつインバージョンドメイン１００が存在する領域を選択的にエッチングすることができる。ここで、エッチング時の温度は、ＧａＮの自発的な熱分解が起こらず、Ｇａ極性面の双方が分解しない温度に設定する。
【００７４】
すなわち、熱処理温度を、インバージョンドメイン１００が存在する領域に対するエッチングレートよりもＧａ極性面に対するエッチングレートの方が小さくなる温度に設定する。また、エッチングに用いるＨＣｌ濃度についてもインバージョンドメイン１００が選択的にエッチングされる濃度、すなわち、インバージョンドメイン１００が存在する領域に対するエッチングレートよりもＧａ極性面に対するエッチングレートの方が小さくなるように設定する。具体的に、エッチング時の温度は７００℃から９００℃の範囲に設定すると共に、ＨＣｌ濃度は０．００１％から０．０５％の範囲内に設定する。
【００７５】
図１０は、比較例に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す。また、図１１は、比較例に係る下地基板の模式的な上面の状態を示す。更に、図１２は、比較例に係るＧａＮ自立基板の表面の部分拡大図を示す。
【００７６】
比較例に係るＧａＮ自立基板１２の製造においては、下地基板５１のマスク４１の形状、ＧａＮ単結晶の成長条件等が本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０の製造と異なる点を除き略同一の工程を経る。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００７７】
まず、図１０（ａ）に示すように、ｃ面を有するサファイア基板２０上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて１μｍ厚のＧａＮ薄膜３０を形成する。続いて、ＧａＮ薄膜３０の上にＳｉＯ２からなるストライプ形状のマスク４１を熱ＣＶＤにより形成する。マスク４１の幅は１０μｍ、マスク開口部、すなわち、ストライプ形状の第１のマスク４１と第２のマスクとの間隔は５μｍとなるようにマスク４１を形成する。これにより、比較例に係る下地基板５１を形成する。すなわち、図１１に示すように、所定の大きさを有する所定形状の複数のストライプ形状のマスク４１が、所定の間隔をおいてＧａＮ薄膜３０上に配列する下地基板５１を形成する。
【００７８】
次に、形成した下地基板５１を、ＨＶＰＥ装置内に導入する。そして、比較例に係る第１の成長条件を用いて下地基板５１上にＧａＮ結晶を成長させる。比較例に係る第１の成長条件は、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、原料ガスとしてＧａＣｌ及びＮＨ３を用いる。ＧａＣｌの流量を２０ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量を１０００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝５０）。そして、成長温度を１０４０℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（比較例に係る第１の成長条件）。
【００７９】
このような比較例に係る第１の成長条件でＧａＮ単結晶の成長を実施すると、図１０（ｃ）に示すように、マスク４１が形成されていないＧａＮ薄膜３０の領域から、断面が三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶１２１が成長する。この場合において、大部分のマスク４１上にＮ極性を有するインバージョンドメイン１０１が核発生する。
【００８０】
続いて、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長条件を以下の比較例に係る第２の成長条件に変更して、更にＧａＮ単結晶としての成長結晶１２３を成長する。この成長においては、ＧａＮ単結晶の合計の厚さが１ｍｍになるまでサファイア基板２０の面に水平方向とサファイア基板２０の面の法線方向との双方の方向に沿ってＧａＮ単結晶が成長する。
【００８１】
比較例に係る第２の成長条件は、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、原料ガスとしてＧａＣｌ及びＮＨ３を用いる。ＧａＣｌの流量を３００ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量を１５００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝５）。そして、成長温度を１０４０℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（比較例に係る第２の成長条件）。成長結晶１２３のサファイア基板２０の反対側の面は、インバージョンドメイン１０１を有する凹部１２３ｂと、Ｇａ極性を有する凸部１２３ａとからなる凹凸形状を有する。
【００８２】
成長結晶１２３の成長後、成長結晶１２３を有するサファイア基板２０をＨＶＰＥ装置から取り出す。そして、レーザ剥離法を用いて下地基板５１と成長したＧａＮ単結晶としての成長結晶１２３（ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜）とを分離する。次に、剥離して得られるＧａＮ厚膜の両面を研磨する。これにより、図１０（ｅ）に示すような、比較例に係るＧａＮ自立基板１２が得られる。
【００８３】
ＧａＮ自立基板１２は、Ｇａ極性面１１０が露出する基板表面１２ａと、基板表面１２ａの反対側の基板裏面１２ｂとを有する。そして、上記の工程で作成した比較例に係るＧａＮ自立基板１２は、インバージョンドメイン１０１を２５ｃｍ−２の個数密度で有していた。また、インバージョンドメイン１０１の平緊張は２．５ｍｍであった。比較例に係るＧａＮ自立基板１２の表面は、図１２に示すように、複数の細長いインバージョンドメイン１０１が、ストライプ形状のマスク４１に沿って分布した形状を呈していた。
【００８４】
なお、このＧａＮ自立基板１２上に所定のレーザ構造を有する化合物半導体積層構造を形成したところ、化合物半導体層の表面に、インバージョンドメイン１０１を中心とした複数の窪みが形成された。また、複数の窪みの周囲にはそれぞれ大きな盛り上がり（異常成長領域）が生じていた。比較例に係るＧａＮ自立基板１２からチップサイズが０．５ｍｍ２のＬＤを作成したところ、インバージョンドメインが存在する領域で劈開面が乱れて正常な共振器は非常に少数しか形成されなかった。また、ＧａＮ自立基板１２の基板表面１２ａは研磨して形成した面であるものの、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０と比べて凹凸の程度が大きく、共振器等を形成する際のフォトリソグラフィー工程において、ガラスマスクとＧａＮ自立基板１２との密着性が悪かった。そのため、比較例に係るＧａＮ自立基板１２から得られたＬＤチップの歩留りは約１％程度であった。
【００８５】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法によれば、ＧａＮ単結晶基板のｃ面内に含まれるインバージョンドメインの個数密度及び大きさを低減することができる。これにより、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板上に所定の化合物半導体層をエピタキシャル成長した場合、異常成長が発生することを抑制することができるので、発光素子等の歩留りを飛躍的に向上させることができる。
【００８６】
上述した本発明の実施の形態においては、５０．８ｍｍ（２インチ）の外径を有するＧａＮ自立基板について説明したが、７６．２ｍｍ（３インチ）の外径を有するサファイア基板等を下地基板として用いることもできる。すなわち、３インチの外径を有するサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板を基板として用い、本発明の実施の形態と同様の製造条件を用いて、３インチの外径を有するＧａＮ自立基板を製造することもできる。本発明者は、３インチの外径を有するサファイア基板を下地基板として用い、本発明の実施の形態と同様の製造条件を用いて、３インチの外径を有するＧａＮ自立基板を製造した。その結果、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板と同様な特性を示す３インチの外径を有するＧａＮ自立基板が得られた。なお、下地基板として用いるサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板の外形は２インチ又は３インチに限られず、外径のより大きなサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板を下地基板として用いることもできる。
【００８７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の部分断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の基板表面の部分拡大図である。
【図２】インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度と歩留りとの相関を示す図である。
【図３】インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合における、インバージョンドメイン（ＩＤ）のサイズと歩留りとの相関を示す図である。
【図４】（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る下地基板の模式的な上面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＶ／ＩＩＩ比とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＨＣｌ添加量とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す図である。
【図８】本実施の形態に係るマスクの長さを変化させたときのインバージョンドメイン（ＩＤ）の最大外径の平均長を示す図である。
【図９】結晶成長を中断させ、所定の熱処理を施した場合における熱処理の各条件に対するＧａＮ単結晶中のインバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度の関係を示す図である。
【図１０】比較例に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す図である。
【図１１】比較例に係る下地基板の模式的な上面図である。
【図１２】比較例に係るＧａＮ自立基板の表面の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０、１２ ＧａＮ自立基板
１０ａ、１２ａ 基板表面
１０ｂ、１２ｂ 基板裏面
２０ サファイア基板
３０ ＧａＮ薄膜
４０、４１ マスク
５０、５１ 下地基板
１００、１０１ インバージョンドメイン
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ インバージョンドメイン
１０２ 最大外径
１１０ Ｇａ極性面
１２０、１２１、１２２、１２３ 成長結晶
１２２ａ 平坦面
１２２ｂ 凹部
１２３ａ 凸部
１２３ｂ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ単結晶基板及びＧａＮ単結晶基板の製造方法に関する。特に、本発明は、異常成長を低減することができるＧａＮ単結晶基板及びＧａＮ単結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物化合物半導体としてのＧａＮ系化合物半導体は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）等の発光素子用の材料などに用いられている。また、ＧａＮ系化合物半導体は、耐熱性、耐環境性に優れているので、電子デバイス用素子にも用いられている。
【０００３】
このような発光素子、電子デバイス用素子に用いられるＧａＮ自立基板の製造方法として、例えば、超高温高圧法、フラックス法、ハライド気相エピタキシー（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法等についての開発が進んでいる。ここで、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ自立基板を得ることができるものの、従来のＨＶＰＥ法により形成されるＧａＮ自立基板上に所定の化合物半導体層をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル成長後の基板表面の一部に窪み及び盛り上がりが生じる異常成長の問題が発生する場合がある（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Liliental-Weber et. al., Journal of Electronic Materials, May 2005 p. 605
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載されている方法において得られるＧａＮ自立基板においてはＧａＮ自立基板の表面に異常成長した領域が含まれている。このようなＧａＮ自立基板の上に発光素子等の構造をエピタキシャル成長させた場合、異常成長した領域上においてはエピタキシャル成長させた半導体層に乱れが生じる。したがって、非特許文献１に記載されている方法を用いて得られるＧａＮ自立基板では、発光素子等の歩留りを向上させることは困難である。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、素子の歩留りの向上ができるＧａＮ自立基板及びＧａＮ自立基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基板表面と、基板表面に含まれる極性反転区とを備え、極性反転区の基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶基板が提供される。
【０００７】
また、上記ＧａＮ単結晶基板において、極性反転区の最大外径が１ｍｍ以下であってもよい。
【０００８】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度が１１００℃以上１４００℃以下の範囲内であり、ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対するＶ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の成長条件で、前記基板の表面における極性反転区の個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶を前記基板上に成長させる成長工程を備えるＧａＮ単結晶の製造方法が提供される。
【０００９】
また、上記ＧａＮ単結晶の製造方法は、成長工程が、０．０１％から０．１％の分圧の塩化水素（ＨＣｌ）ガスを更に添加する工程を有していてもよい。また、基板上に種結晶層を形成する種結晶層形成工程と、種結晶層上にマスクを形成するマスク形成工程とを更に備え、成長工程が、マスクが形成された種結晶層上にＧａＮ単結晶を成長させてもよい。また、マスク形成工程が、赤外領域の波長の光を吸収する材料を用いてマスクを形成し、成長工程が、種結晶層上のマスクが形成されていない領域からＧａＮ単結晶を選択横方向成長させてもよい。更に、マスク形成工程が、マスクをＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮのいずれかから形成してもよい。
【００１０】
また、上記ＧａＮ単結晶の製造方法は、マスク形成工程が、２０ｎｍ以上１ｍｍ以下のサイズのマスクを形成してもよい。また、成長工程は、ＧａＮ単結晶の成長を中断する成長中断工程と、成長中断工程中に、７００℃から９００℃の温度範囲内において０．００１％から０．０５％の分圧の塩化水素ガスを添加してＧａＮ単結晶に熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後に、ＧａＮ単結晶の成長を再開する成長再開工程とを有していてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＧａＮ自立基板の製造方法によれば、ＧａＮ単結晶中に発生するインバージョンドメインの大きさ及び個数密度を低減させることにより、発光素子等の素子の歩留りの向上ができるＧａＮ自立基板を製造すること、及び当該ＧａＮ自立基板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】
【００１２】
［実施の形態］
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の部分断面図を示し、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の基板表面の部分拡大図を示す。
【００１３】
（ＧａＮ自立基板１０）
本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、上面視にて略円形に形成される。ＧａＮ自立基板１０は、一例として、上面視における直径が約５０．８ｍｍ（２インチ）の略円形であって、厚さが約１ｍｍに形成される。そして、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、図１（ａ）に示すように、Ｇａ極性面１１０が露出している基板表面１０ａから基板裏面１０ｂに実質的に至る極性反転区としてのインバージョンドメイン１００を有する。なお、インバージョンドメイン１００とは、周囲の結晶とは極性が反転した領域を指す。したがって、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０のインバージョンドメイン１００は、Ｎ極性を有する領域である。
【００１４】
具体的に、ＧａＮ自立基板１０は、所定の平均長のインバージョンドメイン１００を所定の個数密度で有する。より具体的には、基板表面１０ａの総面積に対する複数のインバージョンドメイン１００それぞれの面積の和の比が２％以下であると共に、基板表面１０ａ内におけるインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００１５】
また、図１（ｂ）に示すように、基板表面１０ａ上には複数のインバージョンドメイン１００（例えば、インバージョンドメイン１００ａ、インバージョンドメイン１００ｂ、インバージョンドメイン１００ｃ、インバージョンドメイン１００ｄ等）がそれぞれ離間して形成される。また、基板表面１０ａに形成される複数のインバージョンドメイン１００のサイズとしての最大の径（最大外径）が１ｍｍ以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。なお、インバージョンドメイン１００は、略円形状、不定形のアメーバ形状、ライン形状等を含む様々な形に形成される。したがって、本実施の形態においてインバージョンドメイン１００の最大外径とは、インバージョンドメイン１００の外形寸法のうち最大の部分をいう。
【００１６】
（ＧａＮの極性）
ここで、ＧａＮの極性について説明する。ＧａＮはＷｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造を有する。Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造は、ｃ面に関して反転対称性を有さない。したがって、Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造はｃ軸方向について極性を有し、＋ｃ軸方向と−ｃ軸方向とが区別されることとなる。ここで、＋ｃ軸方向の面はＧａ極性面又はＧａ面、−ｃ軸方向の面はＮ極性面又はＮ面と呼ぶ。
【００１７】
そして、Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型の結晶構造は、１つの原子を当該原子とは異なる４つの原子が包囲する四面体構造を基本構造とする。Ｇａ原子を中心とした四面体構造を考えると、Ｇａ原子の下側にＮ原子との３本の結合手が配置される向きに結晶を置いたとき、上の方向が＋ｃ軸方向となる。このように規定した場合、当該結晶の上側の面がＧａ極性面となり、Ｇａ極性面の反対側の面がＮ極性面となる。そして、Ｇａ極性面中にＮ極性面が混在している場合、Ｎ極性面が存在する領域がインバージョンドメインとなる。
【００１８】
更に、ＧａＮの物理的・化学的特性は、Ｇａ極性面とＮ極性面とで異なる。例えば、Ｇａ極性面の硬度はＮ極性面の硬度よりも大きく、Ｇａ極性面のエッチングレートはＮ極性面のエッチングレートよりも極めて小さい。すなわち、Ｇａ極性面の方がＮ極性面よりも堅牢であり、化学的に安定である。また、ＧａＮ結晶上にエピタキシャル成長をする場合、Ｇａ極性面上に形成されるエピタキシャル層の表面は平坦になりやすく、Ｎ極性面上に形成されるエピタキシャル層の表面は凹凸が形成されやすい。したがって、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等のデバイスを形成する場合、ＧａＮのＧａ極性面上に所定のエピタキシャル層を形成する。
【００１９】
この場合において、Ｇａ極性面中にＮ極性面が含まれている場合、すなわちＧａ極性面中にインバージョンドメイン１００が含まれている場合には、インバージョンドメイン１００が存在する領域の上において、異常成長が発生する。エピタキシャル成長等の結晶成長における結晶の成長速度は原料の原子の吸着と脱離との競合が律速段階となるので、Ｇａ極性面よりも化学的に不安定なインバージョンドメイン１００上での結晶の成長速度は、Ｇａ極性面上における結晶の成長速度よりも小さい。これにより、インバージョンドメイン１００上においては、エピタキシャル成長時に窪み（ピット）が発生すると考えられる。また、インバージョンドメイン１００上に吸着しなかった原料は、インバージョンドメイン１００の周辺に局所的に供給される。これにより、インバージョンドメイン１００周辺の結晶の成長速度が増加するので、インバージョンドメイン１００のピット周辺のエピタキシャル層は盛り上がるように形成される。
【００２０】
（インバージョンドメイン１００の評価方法）
極小領域に存在するインバージョンドメイン１００の検出は、例えば、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いた収束電子線回折（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＣＢＥＤ）法を用いてＧａＮ結晶表面の極性を判定することにより判断できる。
【００２１】
また、直径が約５０．８ｍｍの領域等の広い領域に分散して存在しているインバージョンドメイン１００の分布状況は、微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて評価する。具体的には、研磨されたＧａＮ自立基板の表面を微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて観察する。この場合に、所定の深さの窪みが観察されるが、この窪みがインバージョンドメイン１００に対応するので、この窪みの分布状況を観察する。これにより、観察対象のＧａＮ自立基板上に分布しているインバージョンドメイン１００の分布状況を評価することができる。
【００２２】
このような評価方法は、本発明者が得た以下の知見から確立されたものである。すなわち、研磨されたＧａＮ自立基板の表面を微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて観察すると、数十ｎｍ程度の深さを有する窪みが観察される場合がある。ＣＢＥＤ法を用いてこの窪みの内部の極性判定を実施したところ、窪みの内部の領域がＮ極性面であるという知見を本発明者は得た。つまり、このような窪みとインバージョンドメインとが一対一に対応している知見を本発明者は得た。これにより、微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いた簡便な手段により、広範囲に分布するインバージョンドメインを評価することができるようになったものである。
【００２３】
（インバージョンドメイン１００の面積比）
基板表面１０ａの複数のインバージョンドメイン１００の合計の面積が基板表面１０ａの面積に占める割合であるインバージョンドメイン１００の面積比が大きいＧａＮ自立基板ほど、当該ＧａＮ自立基板から形成される発光素子等の素子の歩留りは低下する。インバージョンドメイン１００の面積比が１０％を超えることは通常少ないものの、本発明の実施の形態においてはよりインバージョンドメイン１００の面積比が小さくなるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。本実施の形態においては、インバージョンドメイン１００の面積比が所定値以下、具体的には、２％以下となるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００２４】
図２は、インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度と歩留りとの相関を示す。
【００２５】
（インバージョンドメイン１００の個数密度）
上述したインバージョンドメイン１００の面積比が所定値以下の場合でも、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数の密度（個数密度）が所定値より大きいＧａＮ自立基板の場合、当該ＧａＮ自立基板から形成される発光素子等の素子の歩留りは低下する。
【００２６】
すなわち、例えばインバージョンドメイン１００の面積比が１％であるＧａＮ自立基板上に所定のデバイス構造を形成した後、この自立基板からチップサイズが０．５ｍｍ２のチップを切り出す場合を想定する。切り出したチップにインバージョンドメイン１００が含まれていると、当該チップは不良品となる。この場合、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上の所定の位置に集合している場合と、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上に均一又はある程度の割合で分散している場合とを比べると、インバージョンドメイン１００がＧａＮ自立基板上に分散している場合の方が切り出すチップの歩留りは低下する。したがって、基板表面１００ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数密度が所定値以下となるように、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００２７】
ここで、ＧａＮ自立基板１０の基板表面１０ａ上に所定のデバイス構造をエピタキシャル成長により形成すると、インバージョンドメイン１００の周辺部はインバージョンドメイン１００上における異常成長により盛り上がる。これにより、インバージョンドメイン１００の存在は、ＧａＮ自立基板１０上に所定のデバイス構造をエピタキシャル成長した後のデバイス作成プロセスにおいて歩留りの低下をもたらす。
【００２８】
また、インバージョンドメイン１００は、その周辺にインバージョンドメイン１００の直径の１０倍から１００倍程度の広さを有する高不純物濃度領域を伴う場合がある。これは、ＨＶＰＥ法による結晶成長時において、Ｇａ極性面とＮ極性面との成長速度の違いによりインバージョンドメイン１００を中心として形成されるピットの内壁面がｃ面に比べて不純物を取り込みやすいことに起因すると考えられる。この高不純物濃度領域は、ＧａＮ自立基板の表面を研磨してピットを平坦にした場合であっても残存する。
【００２９】
したがって、高不純物濃度領域上に所定のデバイス構造を形成した場合、高不純物濃度領域上に形成されたデバイスは、高不純物濃度領域が存在しない領域（健全部）上に形成されたデバイスとは特性が異なり、歩留りが低下する。例えば、インバージョンドメイン１００の個数密度が２５ｃｍ−２である場合、面積の観点から計算される歩留りは平均で８７．５％となるが、上述したようにインバージョンドメイン１００の周辺の盛り上がり、及び高不純物濃度領域の存在により、インバージョンドメイン１００の個数密度が２５ｃｍ−２では実際のデバイス構造を形成する場合の歩留りの向上には不十分である。
【００３０】
ここで図２を参照する。図２においては、０．５ｍｍ２のチップサイズよりも小さいインバージョンドメイン（ＩＤ）１００の基板表面１０ａ上における個数密度と、それぞれの個数密度のインバージョンドメイン１００を有するＧａＮ自立基板から０．５ｍｍ２のチップサイズのチップを切り出した場合の歩留りとの関係を示している。図２を参照すると分かるように、インバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２を超えると歩留りが急激に低下する知見を本発明者は得た。すなわち、インバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２を超えると、急激に歩留りが４５％未満となる知見を本発明者は得た。したがって、本発明の実施の形態においては、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となるようにＧａＮ自立基板１０は形成される。
【００３１】
なお、図２を参照すると分かるように、ＩＤ個数密度が１ｃｍ−２の時に歩留りは９８％であり、ＩＤ個数密度が５ｃｍ−２の時に歩留りは８９％であり、ＩＤ個数密度が１０ｃｍ−２の時に歩留りは７６％であり、ＩＤ個数密度が２０ｃｍ−２の時に歩留りは４７％であり、ＩＤ個数密度が２２ｃｍ−２の時に歩留りは２２％であり、ＩＤ個数密度が２５％ｃｍ−２の時に歩留りは５％であり、ＩＤ個数密度が３０ｃｍ−２及び４０ｃｍ−２の時に歩留りは略０％であった。
【００３２】
図３は、インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合における、インバージョンドメイン（ＩＤ）のサイズと歩留りとの相関を示す。なお、図３を参照すると分かるように、ＩＤサイズが０．２５ｍｍの時に歩留りは７６％であり、ＩＤサイズが０．５ｍｍの時に歩留りは７６％であり、ＩＤサイズが０．７５ｍｍの時に歩留りは６４％であり、ＩＤサイズが１ｍｍの時に歩留りは５１％であり、ＩＤサイズが１．２ｍｍの時に歩留りは７％であり、ＩＤサイズが１．５ｍｍ及び２ｍｍの時に歩留りは略０％であった。
【００３３】
（インバージョンドメイン１００の最大外径）
インバージョンドメイン１００の形状が非常に細長い形状を有する場合、インバージョンドメイン１００の面積比及び個数密度が適切な値であっても、ＧａＮ自立基板から切り出すチップの歩留りが低下する場合がある。例えば、インバージョンドメイン１００のサイズがチップサイズの直径を超えた場合、計算上、歩留りはインバージョンドメイン１００の長さに比例して低下する。実際のプロセス上においては、インバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍを超えると、歩留りが非常に低下する。
【００３４】
図３を参照すると、インバージョンドメイン１００の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合、インバージョンドメイン１００のサイズ（ＩＤサイズ）が１ｍｍを超えると、歩留りが急激に低下する知見を本発明者は得た。すなわち、インバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍを超えると、急激に歩留りが５０％以下に低下する。したがって、本発明の実施の形態においては、基板表面１０ａにおけるインバージョンドメイン１００のサイズが１ｍｍ以下となるように、ＧａＮ自立基板１０は形成される。なお、インバージョンドメイン１００のサイズが０．５ｍｍ以下となると、歩留りが約７５％程度となった。
【００３５】
図４の（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す。また、図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る下地基板の模式的な上面の状態を示す。
【００３６】
（ＧａＮ自立基板１０の製造方法）
まず、図４（ａ）に示すように、（０００１）面、すなわちｃ面を有する基板としてのサファイア基板２０上に、有機金属気相エピタキシー（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法を用いて種結晶層としての所定厚のＧａＮ薄膜３０を形成する。一例として、１μｍの厚さのＧａＮ薄膜３０を形成する。サファイア基板２０の直径は、一例として、約５０．８ｍｍ（２インチ）である。なお、サファイア基板２０等の異種基板の代わりにＧａＮ種結晶基板を基板として用いることもできる。すなわち、ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ薄膜３０を基板としてのＧａＮ種結晶基板上に形成することもできる。
【００３７】
続いて、ＧａＮ薄膜３０の上に所定の材料から形成されるマスク層を形成する。一例として、マスク層としてのＳｉＯ２層を熱ＣＶＤにより形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、形成したマスク層を所定形状のマスク４０にフォトリソグラフィー法を用いて加工する。具体的には、幅が１０μｍ、長さが２０μｍの複数のマスク４０が、縦横方向それぞれにおいて５μｍ間隔でＧａＮ薄膜３０上に配列するようにマスク層を加工する。これにより、本実施の形態に係る下地基板５０を形成する。
【００３８】
すなわち、図５（ａ）に示すように、所定の大きさ（サイズ）を有する所定形状の複数のマスク４０が、所定の間隔をおいてＧａＮ薄膜３０上の仮想的な直線に沿って点在する下地基板５０を形成する。本発明の実施の形態に係るマスク４０は、一例として、図５（ａ）に示すように、第１の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０と、第１の直線に隣接する第２の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０とが互い違いになるように配置される。
【００３９】
なお、図５（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態の変形例に係るマスク４０においては、第１の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０と、第１の直線に隣接する第２の直線に沿って所定の間隔をおいて配置される複数のマスク４０とが並列するように配置することもできる。
【００４０】
次に、形成した下地基板５０を、ＨＶＰＥ装置内に導入する。そして、所定の成長条件を用い、マスク４０が形成されている側のＧａＮ薄膜３０上であって、マスク４０が形成されていない領域からＧａＮの単結晶の成長を開始させる。具体的な成長条件は、一例として、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、所定濃度の塩化水素（ＨＣｌ）ガスと金属Ｇａから形成されるＧａＣｌ及びＮＨ３を原料ガスとして用いる。ＧａＣｌの流量及びＮＨ３の流量はいずれも１００ｓｃｃｍに設定する（ＩＩＩ族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）＝１）。そして、成長温度を１１００℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（第１の成長条件）。
【００４１】
このような第１の成長条件でＧａＮ単結晶の成長を実施すると、図４（ｃ）に示すように、マスク４０が形成されていないＧａＮ薄膜３０の領域から、断面が略三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶１２０が成長する。この場合において、一部のマスク４０上にＮ極性を有するインバージョンドメイン１００が核発生する。
【００４２】
続いて、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長条件を以下の第２の成長条件に変更して、更にＧａＮ単結晶としての成長結晶１２２を成長する。一例として、ＨＶＰＥ装置において成長するＧａＮ単結晶の合計の厚さが１ｍｍになるまでサファイア基板２０の面に水平方向とサファイア基板２０の面の法線方向との双方の方向に沿ってＧａＮ単結晶が成長する。すなわち、成長結晶１２２は、選択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯ）によって形成される単結晶である。
【００４３】
第２の成長条件は、一例として、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、所定濃度のＨＣｌガスと金属Ｇａから形成されるＧａＣｌ及びＮＨ３を原料ガスとして用いる。ＧａＣｌの流量及びＮＨ３の流量はいずれも５００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝１）。そして、成長温度を１１００℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（第２の成長条件）。成長結晶１２２のサファイア基板２０の反対側の面は、略平坦な平坦面１２２ａである。平坦面１２２ａの一部分には、インバージョンドメイン１００に起因する凹部１２２ｂが形成される。
【００４４】
成長結晶１２２の成長後、成長結晶１２２を有するサファイア基板２０をＨＶＰＥ装置から取り出す。そして、サファイア基板２０の側から所定出力のＹＡＧレーザを照射する。レーザを照射すると、サファイア基板２０と成長結晶１２２との界面付近のＧａＮが熱分解する。これにより、下地基板５０とＨＶＰＥ装置において成長したＧａＮ単結晶としての成長結晶１２２（ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜）とを分離する（レーザ剥離法）。
【００４５】
次に、下地基板５０から剥離して得られるＧａＮ厚膜の両面を研削及び／又は研磨する。これにより、図４（ｅ）に示すような、ＧａＮ自立基板１０が得られる。ＧａＮ自立基板１０は、Ｇａ極性面１１０が露出する基板表面１０ａと、基板表面１０ａの反対側の基板裏面１０ｂとを有する。また、ＧａＮ自立基板１０は、基板表面１０ａから基板裏面１０ｂまでを実質的に貫く所定形状、所定の個数密度のインバージョンドメイン１００を有する。一例として、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０は、個数密度が１２ｃｍ−２であり、平均長が２μｍのインバージョンドメイン１００を有する。
【００４６】
なお、このＧａＮ自立基板１０上に所定のレーザ構造を有する化合物半導体積層構造を形成したところ、化合物半導体層の表面は略平滑であった。そして、化合物半導体積層構造を形成したＧａＮ自立基板１０からレーザダイオードを作成したところ、歩留りは約７５％であった。
【００４７】
ここで、インバージョンドメイン１００の発生を抑制するために、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法においては、以下の条件を採用することが好ましい。以下の説明では、図４の工程に対応させて好ましい条件について説明する。
【００４８】
（種結晶層の製造）
まず、図４（ａ）に示すように、２インチの外径であり、（０００１）面を表面に有するサファイア基板２０上に、種結晶層としてのＧａＮ薄膜３０を形成する。ＧａＮ薄膜３０は、一例として、１μｍ厚となるようにサファイア基板２０の表面にＭＯＶＰＥ法により形成される。なお、図４（ａ）においては、サファイア基板２０上にＧａＮ薄膜３０を直接に形成しているが、ＧａＮ薄膜３０とサファイア基板２０との間の格子不整合を緩和する低温バッファ層（図示しない）をサファイア基板２０上に形成することもできる。例えば、約５００℃の成長温度で数十ｎｍ程度の膜厚となるようにサファイア基板２０上にＧａＮを形成することにより、低温バッファ層を形成することができる。そして、ＧａＮ薄膜３０の成長前に約１０００℃の熱処理を、低温バッファ層を有するサファイア基板２０に施す。
【００４９】
ここで、低温バッファ層はＡｌＮ薄膜から形成することもできる。低温バッファ層をＡｌＮ薄膜から形成する場合、約６００℃の成長温度で約５０ｎｍ程度の膜厚となるように、サファイア基板２０上にＡｌＮ薄膜を形成する。そして、ＧａＮ薄膜３０の成長前に約１０４０℃の熱処理を、ＡｌＮ薄膜を有するサファイア基板２０に施す。
【００５０】
（ＥＬＯ法の成長条件）
図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すようなＨＶＰＥ装置によるＥＬＯ法でのＧａＮ単結晶の成長においては、まず、種結晶層としてのＧａＮ薄膜３０上にマスクを形成する。このマスクは、通常、ＳｉＯ２等から形成される。ＳｉＯ２等のマスクは極性を有さないので、マスク上にＧａＮ単結晶の核が発生した場合、この核の上に形成されるＧａＮ結晶の極性を一定の方向に揃えるように制御することは困難である。したがって、以下のＥＬＯ法の成長条件を採用することが好ましい。
【００５１】
（ＥＬＯ法の成長条件−Ｎ面結晶が成長しにくい成長条件）
図６は、本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＶ／ＩＩＩ比とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す。
【００５２】
ＨＶＰＥ装置において下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長させるときのＶ／ＩＩＩ比を０．４から２の範囲で変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。また、各Ｖ／ＩＩＩ比において成長温度を１０００℃から１４００℃に変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００５３】
その結果、図６を参照すると分かるように、成長温度が高く、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど、得られるＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。特に、Ｖ／ＩＩＩ比が０．４から１．０の範囲内であり、成長温度が１１００℃から１４００℃の範囲内でインバージョンドメイン１００の個数密度が２０ｃｍ−２以下となることが分かった。
【００５４】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、高温成長、かつ、低Ｖ／ＩＩＩ比での成長条件を採用することが好ましい。具体的には、成長条件を１１００℃から１４００℃の範囲内に設定すると共に、Ｖ／ＩＩＩ比を０．４以上１．０以下の範囲内に設定する。なお、Ｖ／ＩＩＩ比が０．４未満の場合、成長するＧａＮ結晶の表面にＧａのドロップレットが生じる場合がある。また、成長温度が１４００℃を超えるような高温の場合、ＧａＮ自立基板１０を作成するために要する所定の成長速度を得ることが困難となり、経済性を考慮すると上記の成長温度を採用することが好ましい。
【００５５】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０上に核発生しにくい成長条件）
図７は、本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＨＣｌ添加量とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す。
【００５６】
図４（ｃ）の工程において、ＨＶＰＥ装置内で下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長させるときのＨＣｌ添加量を０から０．１％の範囲で変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。また、各ＨＣｌ添加量において成長温度を１０００℃から１４００℃に変化させて、成長後のＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度を比較した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００５７】
その結果、図７を参照すると分かるように、成長温度が高く、ＨＣｌ添加量が多いほど、得られるＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。特に、ＨＣｌ添加量が０．０１％から０．１％の範囲内であり、成長温度が１１００℃から１４００℃の範囲内でインバージョンドメイン１００の個数密度が約１７ｃｍ−２以下となることが分かった。
【００５８】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、マスク４０を有する下地基板５０上へのＧａＮ単結晶の成長開始から、マスク４０をＧａＮ単結晶で埋め込むまでの間に、過飽和度、すなわちＧａＮ成長速度を抑制することが好ましい。ＧａＮ成長速度は、成長温度を高温化すると共に、ＨＣｌ等のエッチング性を有するガスをＨＶＰＥ装置に導入することで抑制することができる。具体的には、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長温度を１１００℃から１４００℃の範囲内に設定すると共に、ＨＣｌ分圧を０．０１％から０．１％の範囲内に設定する。なお、成長温度が１４００℃を超える場合、又はＨＣｌ濃度が０．１％より高い場合には、経済性を満たすような成長速度を得ることが困難である。
【００５９】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０のサイズ）
図８は、本実施の形態に係るマスクの長さを変化させたときのインバージョンドメイン（ＩＤ）の最大外径の平均長を示す。
【００６０】
マスク４０の長さを様々に変化させて複数の下地基板５０を作成した。具体的に、マスク４０の長さは、０．０１μｍから５０ｍｍの範囲で変化させた。そして、複数の下地基板５０のそれぞれにＧａＮ単結晶をＨＶＰＥ装置において成長させた。そして、得られたＧａＮ単結晶の表面を観察することによりインバージョンドメイン１００の上面視における長さを計測して、各マスク４０の長さごとの平均長を算出した。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００６１】
その結果、図８に示すように、マスク長を１ｍｍ以下とすることにより、インバージョンドメイン１００の最大外径の平均長が急激に減少することが分かった。しかし、マスク長が０．０２μｍ（２０ｎｍ）以下においては、所望の転位低減効果は得られなかった。したがって、マスク４０のサイズ、すなわちマスク長は、２０ｎｍ以上から１ｍｍ以下の範囲内で形成することが好ましい。
【００６２】
すなわち、ＨＶＰＥ装置に投入した下地基板５０上にＧａＮ単結晶を成長する場合、マスク４０のサイズは小さいことが好ましい。具体的には、マスク４０のマスク長は２０ｎｍ以上１ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。これは、マスク４０上にインバージョンドメイン１００の核が発生した場合、マスク４０のサイズが所定値より大きいと、マスク４０上に生じた核がそれぞれ連結して大きなインバージョンドメイン１００に発達してしまう場合があるからである。
【００６３】
一例として、従来用いられるストライプ形状のマスクにおいては、マスクの幅は数μｍ程度であるが、マスクの長さ方向の形状は、ウエハの一端から多端まで連続している。すなわち、従来用いられるストライプ形状のマスクにおいて、マスクの長さの最大値はマスクが形成されるウエハの直径に略等しい程度となる。このような従来のストライプ形状のマスクにおいては、インバージョンドメイン１００が大きく発達しやすい。したがって、マスク４０のサイズを小さくすることによりインバージョンドメイン１００が大きく発達することを抑制することが好ましい。なお、マスク４０のサイズを０．０２μｍ以下とすると、転位低減の効果が得られにくくなる。また、マスク４０の幅は、従来のストライプ形状のマスクと同程度である。
【００６４】
（ＥＬＯ法の成長条件−マスク４０の材質）
表１は、本発明の実施の形態に係るマスクの材質とインバージョンドメインの個数密度との関係を示す。
【００６５】
【表１】
【００６６】
図４（ｂ）の工程において、マスク４０の材料を表１に示す複数の材料のそれぞれを用いて形成した。すなわち、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮからマスク４０をそれぞれ形成した。そして、それぞれの材料から形成したマスク４０を用いて、図４（ｂ）から（ｅ）の工程を経てそれぞれについてのＧａＮ自立基板を得た。なお、その他の成長条件は図４の上記説明と略同様であるので説明を省略する。
【００６７】
その結果、表１を参照すると分かるように、赤外領域の波長の光に対して透明なＳｉＯ２又はＳｉＮから形成したマスク４０に比べて、赤外領域の波長の光を所定の割合で吸収するＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮから形成したマスク４０を用いた方がインバージョンドメイン１００の個数密度が大幅に低下することが分かった。したがって、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板を作成する場合、マスク４０を形成する材料としては、ＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮを用いることがより好ましい。
【００６８】
すなわち、本発明の実施の形態に係るマスク４０は、赤外線を所定の割合で吸収する材料、つまり、熱輻射によって温度が上昇しやすい材料から形成することが好ましい。熱輻射によって温度が上昇しやすい材料からマスク４０を形成すると、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長においてＨＶＰＥ装置から下地基板５０、及び成長結晶１２０又は成長結晶１２２に供給される熱のうち一部の熱の熱輻射によってマスク４０が加熱される。そして、マスク４０の温度が上昇する。これにより、インバージョンドメイン１００に発達するような核がマスク４０上に発生することを抑制することができる。
【００６９】
（エッチング条件依存性）
図９は、結晶成長を中断させ、所定の熱処理を施した場合における熱処理の各条件に対するＧａＮ単結晶中のインバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度の関係を示す。
【００７０】
まず、図４（ａ）から図４（ｄ）までの工程を経て得られた基板に対して所定の熱処理（エッチング処理）を施した。すなわち、第２の成長条件を経て得られた基板に対して、以下の条件で熱処理（エッチング処理）を施した。熱処理条件は、熱処理温度（エッチング温度）が６００℃から１０００℃の範囲内、熱処理時にＨＶＰＥ装置に導入するＨＣｌ濃度（エッチャント濃度）が０％から０．０５％の範囲内、そして熱処理時間（エッチング時間）を３０分である。
【００７１】
そして、上記の熱処理を施した基板上に、第２の成長条件と同一の成長条件（第３の成長条件）を用いて、再びＧａＮ単結晶を成長させた。その結果、図９に示すように、熱処理時の温度が高く、ＨＣｌ添加量が多いほど形成されたＧａＮ単結晶に含まれるインバージョンドメイン１００の個数密度が低下することが分かった。なお、熱処理温度が６００度以下の場合、ＨＣｌを添加してもエッチングの効果は認められなかった。
【００７２】
すなわち、本発明の実施の形態においては、成長結晶中にインバージョンドメイン１００が混入したとき、結晶成長を一時的に中断してインバージョンドメイン１００をエッチングにより除去してから再び結晶成長を開始することにより、インバージョンドメインの個数密度が低いＧａＮ自立基板１０を形成することができる。すなわち、インバージョンドメイン１００が存在していた領域を、インバージョンドメイン１００が存在していない領域と同一方位を有する結晶によって埋め込んだＧａＮ自立基板１０が形成されることとなる。
【００７３】
具体的には、結晶成長を中断して、比較的低温下でＨＣｌを用いて成長結晶をエッチングする。このエッチングにより、Ｇａ極性面の結晶領域を保ちつつインバージョンドメイン１００が存在する領域を選択的にエッチングすることができる。ここで、エッチング時の温度は、ＧａＮの自発的な熱分解が起こらず、Ｇａ極性面の双方が分解しない温度に設定する。
【００７４】
すなわち、熱処理温度を、インバージョンドメイン１００が存在する領域に対するエッチングレートよりもＧａ極性面に対するエッチングレートの方が小さくなる温度に設定する。また、エッチングに用いるＨＣｌ濃度についてもインバージョンドメイン１００が選択的にエッチングされる濃度、すなわち、インバージョンドメイン１００が存在する領域に対するエッチングレートよりもＧａ極性面に対するエッチングレートの方が小さくなるように設定する。具体的に、エッチング時の温度は７００℃から９００℃の範囲に設定すると共に、ＨＣｌ濃度は０．００１％から０．０５％の範囲内に設定する。
【００７５】
図１０は、比較例に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す。また、図１１は、比較例に係る下地基板の模式的な上面の状態を示す。更に、図１２は、比較例に係るＧａＮ自立基板の表面の部分拡大図を示す。
【００７６】
比較例に係るＧａＮ自立基板１２の製造においては、下地基板５１のマスク４１の形状、ＧａＮ単結晶の成長条件等が本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０の製造と異なる点を除き略同一の工程を経る。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００７７】
まず、図１０（ａ）に示すように、ｃ面を有するサファイア基板２０上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて１μｍ厚のＧａＮ薄膜３０を形成する。続いて、ＧａＮ薄膜３０の上にＳｉＯ２からなるストライプ形状のマスク４１を熱ＣＶＤにより形成する。マスク４１の幅は１０μｍ、マスク開口部、すなわち、ストライプ形状の第１のマスク４１と第２のマスクとの間隔は５μｍとなるようにマスク４１を形成する。これにより、比較例に係る下地基板５１を形成する。すなわち、図１１に示すように、所定の大きさを有する所定形状の複数のストライプ形状のマスク４１が、所定の間隔をおいてＧａＮ薄膜３０上に配列する下地基板５１を形成する。
【００７８】
次に、形成した下地基板５１を、ＨＶＰＥ装置内に導入する。そして、比較例に係る第１の成長条件を用いて下地基板５１上にＧａＮ結晶を成長させる。比較例に係る第１の成長条件は、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、原料ガスとしてＧａＣｌ及びＮＨ３を用いる。ＧａＣｌの流量を２０ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量を１０００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝５０）。そして、成長温度を１０４０℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（比較例に係る第１の成長条件）。
【００７９】
このような比較例に係る第１の成長条件でＧａＮ単結晶の成長を実施すると、図１０（ｃ）に示すように、マスク４１が形成されていないＧａＮ薄膜３０の領域から、断面が三角形状のＧａＮ単結晶としての成長結晶１２１が成長する。この場合において、大部分のマスク４１上にＮ極性を有するインバージョンドメイン１０１が核発生する。
【００８０】
続いて、ＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶の成長条件を以下の比較例に係る第２の成長条件に変更して、更にＧａＮ単結晶としての成長結晶１２３を成長する。この成長においては、ＧａＮ単結晶の合計の厚さが１ｍｍになるまでサファイア基板２０の面に水平方向とサファイア基板２０の面の法線方向との双方の方向に沿ってＧａＮ単結晶が成長する。
【００８１】
比較例に係る第２の成長条件は、以下のとおりである。すなわち、キャリアガスにＨ２を用い、原料ガスとしてＧａＣｌ及びＮＨ３を用いる。ＧａＣｌの流量を３００ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量を１５００ｓｃｃｍに設定する（Ｖ／ＩＩＩ比＝５）。そして、成長温度を１０４０℃、成長圧力を１００ｋＰａに設定する（比較例に係る第２の成長条件）。成長結晶１２３のサファイア基板２０の反対側の面は、インバージョンドメイン１０１を有する凹部１２３ｂと、Ｇａ極性を有する凸部１２３ａとからなる凹凸形状を有する。
【００８２】
成長結晶１２３の成長後、成長結晶１２３を有するサファイア基板２０をＨＶＰＥ装置から取り出す。そして、レーザ剥離法を用いて下地基板５１と成長したＧａＮ単結晶としての成長結晶１２３（ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜）とを分離する。次に、剥離して得られるＧａＮ厚膜の両面を研磨する。これにより、図１０（ｅ）に示すような、比較例に係るＧａＮ自立基板１２が得られる。
【００８３】
ＧａＮ自立基板１２は、Ｇａ極性面１１０が露出する基板表面１２ａと、基板表面１２ａの反対側の基板裏面１２ｂとを有する。そして、上記の工程で作成した比較例に係るＧａＮ自立基板１２は、インバージョンドメイン１０１を２５ｃｍ−２の個数密度で有していた。また、インバージョンドメイン１０１の平緊張は２．５ｍｍであった。比較例に係るＧａＮ自立基板１２の表面は、図１２に示すように、複数の細長いインバージョンドメイン１０１が、ストライプ形状のマスク４１に沿って分布した形状を呈していた。
【００８４】
なお、このＧａＮ自立基板１２上に所定のレーザ構造を有する化合物半導体積層構造を形成したところ、化合物半導体層の表面に、インバージョンドメイン１０１を中心とした複数の窪みが形成された。また、複数の窪みの周囲にはそれぞれ大きな盛り上がり（異常成長領域）が生じていた。比較例に係るＧａＮ自立基板１２からチップサイズが０．５ｍｍ２のＬＤを作成したところ、インバージョンドメインが存在する領域で劈開面が乱れて正常な共振器は非常に少数しか形成されなかった。また、ＧａＮ自立基板１２の基板表面１２ａは研磨して形成した面であるものの、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板１０と比べて凹凸の程度が大きく、共振器等を形成する際のフォトリソグラフィー工程において、ガラスマスクとＧａＮ自立基板１２との密着性が悪かった。そのため、比較例に係るＧａＮ自立基板１２から得られたＬＤチップの歩留りは約１％程度であった。
【００８５】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法によれば、ＧａＮ単結晶基板のｃ面内に含まれるインバージョンドメインの個数密度及び大きさを低減することができる。これにより、本実施の形態に係るＧａＮ自立基板上に所定の化合物半導体層をエピタキシャル成長した場合、異常成長が発生することを抑制することができるので、発光素子等の歩留りを飛躍的に向上させることができる。
【００８６】
上述した本発明の実施の形態においては、５０．８ｍｍ（２インチ）の外径を有するＧａＮ自立基板について説明したが、７６．２ｍｍ（３インチ）の外径を有するサファイア基板等を下地基板として用いることもできる。すなわち、３インチの外径を有するサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板を基板として用い、本発明の実施の形態と同様の製造条件を用いて、３インチの外径を有するＧａＮ自立基板を製造することもできる。本発明者は、３インチの外径を有するサファイア基板を下地基板として用い、本発明の実施の形態と同様の製造条件を用いて、３インチの外径を有するＧａＮ自立基板を製造した。その結果、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板と同様な特性を示す３インチの外径を有するＧａＮ自立基板が得られた。なお、下地基板として用いるサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板の外形は２インチ又は３インチに限られず、外径のより大きなサファイア基板又はＧａＮ種結晶基板を下地基板として用いることもできる。
【００８７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の部分断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の基板表面の部分拡大図である。
【図２】インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度と歩留りとの相関を示す図である。
【図３】インバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度が約１０ｃｍ−２の場合における、インバージョンドメイン（ＩＤ）のサイズと歩留りとの相関を示す図である。
【図４】（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る下地基板の模式的な上面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＶ／ＩＩＩ比とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置におけるＧａＮ単結晶成長でのＨＣｌ添加量とインバージョンドメイン（ＩＤ）の密度との関係を示す図である。
【図８】本実施の形態に係るマスクの長さを変化させたときのインバージョンドメイン（ＩＤ）の最大外径の平均長を示す図である。
【図９】結晶成長を中断させ、所定の熱処理を施した場合における熱処理の各条件に対するＧａＮ単結晶中のインバージョンドメイン（ＩＤ）の個数密度の関係を示す図である。
【図１０】比較例に係るＧａＮ自立基板の製造工程の流れを示す図である。
【図１１】比較例に係る下地基板の模式的な上面図である。
【図１２】比較例に係るＧａＮ自立基板の表面の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０、１２ ＧａＮ自立基板
１０ａ、１２ａ 基板表面
１０ｂ、１２ｂ 基板裏面
２０ サファイア基板
３０ ＧａＮ薄膜
４０、４１ マスク
５０、５１ 下地基板
１００、１０１ インバージョンドメイン
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ インバージョンドメイン
１０２ 最大外径
１１０ Ｇａ極性面
１２０、１２１、１２２、１２３ 成長結晶
１２２ａ 平坦面
１２２ｂ 凹部
１２３ａ 凸部
１２３ｂ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面と、
前記基板表面に含まれる極性反転区とを備え、
前記極性反転区の前記基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】
前記極性反転区の最大外径が１ｍｍ以下である
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項３】
基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度が１１００℃以上１４００℃以下の範囲内であり、前記ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対する前記Ｖ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の成長条件で、前記基板の表面における極性反転区の個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶を前記基板上に成長させる成長工程を備えるＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記成長工程が、０．０１％から０．１％の分圧の塩化水素（ＨＣｌ）ガスを更に添加する工程を有する
請求項３に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記基板上に種結晶層を形成する種結晶層形成工程と、
前記種結晶層上にマスクを形成するマスク形成工程と
を更に備え、
前記成長工程が、前記マスクが形成された前記種結晶層上にＧａＮ単結晶を成長させる
請求項３又は４に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記マスク形成工程が、赤外領域の波長の光を吸収する材料を用いて前記マスクを形成し、
前記成長工程が、前記種結晶層上の前記マスクが形成されていない領域から前記ＧａＮ単結晶を選択横方向成長させる
請求項５に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記マスク形成工程が、前記マスクをＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮのいずれかから形成する
請求項５又は６に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記マスク形成工程が、２０ｎｍ以上１ｍｍ以下のサイズの前記マスクを形成する
請求項５から７のいずれか１項に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記成長工程は、
前記ＧａＮ単結晶の成長を中断する成長中断工程と、
前記成長中断工程中に、７００℃から９００℃の温度範囲内において０．００１％から０．０５％の分圧の塩化水素ガスを添加して前記ＧａＮ単結晶に熱処理を施す熱処理工程と、
前記熱処理後に、前記ＧａＮ単結晶の成長を再開する成長再開工程と
を有する請求項３から８のいずれか１項に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項１】
基板表面と、
前記基板表面に含まれる極性反転区とを備え、
前記極性反転区の前記基板表面における個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】
前記極性反転区の最大外径が１ｍｍ以下である
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項３】
基板上にＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入し、成長温度が１１００℃以上１４００℃以下の範囲内であり、前記ＩＩＩ族原料ガスの分圧に対する前記Ｖ族原料ガスの分圧の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．４以上１以下の範囲内の成長条件で、前記基板の表面における極性反転区の個数密度が２０ｃｍ−２以下であるＧａＮ単結晶を前記基板上に成長させる成長工程を備えるＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記成長工程が、０．０１％から０．１％の分圧の塩化水素（ＨＣｌ）ガスを更に添加する工程を有する
請求項３に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記基板上に種結晶層を形成する種結晶層形成工程と、
前記種結晶層上にマスクを形成するマスク形成工程と
を更に備え、
前記成長工程が、前記マスクが形成された前記種結晶層上にＧａＮ単結晶を成長させる
請求項３又は４に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記マスク形成工程が、赤外領域の波長の光を吸収する材料を用いて前記マスクを形成し、
前記成長工程が、前記種結晶層上の前記マスクが形成されていない領域から前記ＧａＮ単結晶を選択横方向成長させる
請求項５に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記マスク形成工程が、前記マスクをＴｉＮ、ＺｒＮ、又はＨｆＮのいずれかから形成する
請求項５又は６に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記マスク形成工程が、２０ｎｍ以上１ｍｍ以下のサイズの前記マスクを形成する
請求項５から７のいずれか１項に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記成長工程は、
前記ＧａＮ単結晶の成長を中断する成長中断工程と、
前記成長中断工程中に、７００℃から９００℃の温度範囲内において０．００１％から０．０５％の分圧の塩化水素ガスを添加して前記ＧａＮ単結晶に熱処理を施す熱処理工程と、
前記熱処理後に、前記ＧａＮ単結晶の成長を再開する成長再開工程と
を有する請求項３から８のいずれか１項に記載のＧａＮ単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−９１１６３（Ｐ２００９−９１１６３Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６０１６２（Ｐ２００７−２６０１６２）
【出願日】平成１９年１０月３日（２００７．１０．３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３日（２００７．１０．３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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