ＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびＧａＮ基板の製造方法
【課題】発光効率を向上させた発光素子などの半導体装置を得ることが可能なＧａＮ基板、当該ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャル層付き基板、半導体装置およびＧａＮ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ基板は、主表面を有するＧａＮ基板であって、主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］に対応するベクトルＡＢを、互いに異なる２つのオフ角θ１およびθ２だけ傾斜させたベクトルＡＤの方向に傾斜させる。
【解決手段】ＧａＮ基板は、主表面を有するＧａＮ基板であって、主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］に対応するベクトルＡＢを、互いに異なる２つのオフ角θ１およびθ２だけ傾斜させたベクトルＡＤの方向に傾斜させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびＧａＮ基板の製造方法に関し、より特定的には、半極性面を利用可能なＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびＧａＮ基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮを用いたレーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている。このようなＧａＮを用いたＬＤやＬＥＤは、これまでサファイア基板やＳｉＣ基板、あるいはＧａＮ基板の（０００１）面上にエピタキシャル層を積層することにより形成されていた。ここで、上述したＧａＮ基板などの（０００１）面は極性面であることから、発光波長が５００ｎｍより長波長の領域について、ＬＥＤの発光効率が低下するという問題があった。
【０００３】
このような問題に対して、ＧａＮの結晶において従来の（０００１）面ではなく（１１−２２）面という半極性の結晶面上に量子井戸構造を形成することで、上述した長波長の領域についての発光効率を向上させることが報告されている（非特許文献１参照）。また、このような半極性の結晶面が主表面に露出したＧａＮ基板の製造方法も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２９８３１９号公報
【非特許文献１】”ニュースリリース：半極性面バルクＧａＮ基板上へのＬＥＤ開発に成功”、［online］、平成１８年６月３０日、京都大学、［平成１９年６月１日検索］、インターネット（http://www.kyoto-u.ac.jp/notice/05_news/documents/060630_1.htm）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記非特許文献１に開示されたＬＥＤは、マイクロファセットとして自然形成された半極性の結晶面を利用しており、その結晶面は（１１−２２）面と固定され、サイズも小さいものであった。しかし、ＬＥＤやＬＤなどの効率的な製造を考えれば、半極性の結晶面が主表面に露出した（つまり、主表面の法線ベクトルに対し、所定の面方位（たとえば、［０００１］方向）が所定の方向に所定角度だけ傾斜している、いわゆるオフ角を有する）２インチ以上の大口径ＧａＮ基板を用いてＬＥＤなどを製造することが好ましい。また、主表面の法線ベクトルに対する面方位の傾斜角度の値を調整することで（つまり基板の主表面に露出する結晶面を変更することで）、ＬＥＤやＬＤの特性を改善できる可能性も考えられる。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、発光効率を向上させた発光素子などの半導体装置を工業的に安価に得ることが可能な２インチ以上の大口径ＧａＮ基板、当該ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャル層付き基板、半導体装置およびＧａＮ基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、上述した特許文献１に示したＧａＮ基板の製造方法を利用して、さまざまなオフ角を有するＧａＮ基板を作成し、当該ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤを試作し、その特性を調査した。その結果、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が１つの面方位（１つのオフ角方向）に傾斜することでＧａＮ基板の表面に露出する結晶面を半極性面にすることができるとともに、当該面方位［０００１］を他の面方位（他のオフ角方向）にさらに傾斜させることで、ＧａＮ基板の主表面内の波長分布のばらつきを制御できる（小さくすることが可能である）ことを発見した。すなわち、この発明に従ったＧａＮ基板は、主表面を有するＧａＮ基板であって、主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。
【０００７】
このようにすれば、面方位［０００１］を１つめのオフ角方向に傾斜させることでＧａＮ基板の主表面を半極性面とした状態で、当該主表面上にエピタキシャル層を形成できる。このため、ＧａＮ基板の（０００１）面などの極性面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤなどの発光素子を製造する場合より、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれる発光素子において発光効率を向上させたり、印加する電流量の変化による波長シフト量を小さくすることができる。さらに、面方位［０００１］を２つ目のオフ角方向にさらに傾斜させることにより、ＧａＮ基板の主表面における面内波長分布のばらつきを制御することができる。この結果、当該ＧａＮ基板を用いることで優れた特性のＬＥＤなどの半導体装置を安定して製造することができる。
【０００８】
この発明に従ったエピタキシャル層付き基板は、上記ＧａＮ基板と、当該ＧａＮ基板の主表面上に形成されたエピタキシャル成長層とを備える。このようにすれば、当該エピタキシャル成長層はＧａＮ基板の半極性面上に形成されるので、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率の向上した発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なエピタキシャル層付き基板を提供することができる。
【０００９】
この発明に従った半導体装置は、上記エピタキシャル層付き基板を用いている。この場合、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率が向上したり、印加する電流量による波長シフト量が小さい発光素子などの半導体装置を得ることができる。
【００１０】
この発明に従ったＧａＮ基板の製造方法は、以下の工程を備える。すなわち、まず、主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程を実施する。下地基板の主表面上にＧａＮ結晶層を成長させる工程を実施する。ＧａＮ結晶層から下地基板を除去することにより、ＧａＮ結晶層からなるＧａＮ基板を得る工程を実施する。ＧａＮ基板は、主表面を有し、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。下地基板における基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板における面方位［０００１］のオフ角方向での傾斜角度が調整される。このようにすれば、本発明に従ったＧａＮ基板を容易に得ることができる。また、下地基板の基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板のオフ角方向での傾斜角度を任意に変更したＧａＮ基板を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発光波長が５００ｎｍより長波長側の波長領域において発光効率を向上させた発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置およびＧａＮ基板の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１３】
図１は、本発明によるＧａＮ基板を示す斜視模式図である。図２は、図１に示したＧａＮ基板の結晶構造を説明するための模式図である。図３は、図２に示したＧａＮ基板の結晶構造における面方位および結晶面を説明するための模式図である。図４は、図１に示した本発明によるＧａＮ基板のオフ角方向における傾斜角度を説明するための模式図である。図１〜図４を参照して、本発明によるＧａＮ基板を説明する。
【００１４】
図１〜図４を参照して、本発明によるＧａＮ基板１は、その主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対して、特定の面方位（ここでは面方位［０００１］）が互いに異なる２つの方向（オフ角方向）に傾斜している。すなわち、ＧａＮ基板１は、面方位［０００１］が互いに異なる２方向に傾斜しているオフ角度を有する基板である。
【００１５】
図２に示すように、ＧａＮの結晶構造は、いわゆる六方晶の結晶構造を有している。図２では、ＧａＮの六方晶の結晶構造の対称性をよりわかりやすく示すため、複数のセルを含んだ状態でＧａＮの結晶構造が例示されている。図２において、大きい白丸が窒素原子（Ｎ原子）を示し、小さい丸がガリウム原子（Ｇａ原子）を示す。図２の結晶構造の底面においては、中心にＧａ原子が存在し、そのＧａ原子を中心とする正六角形の頂点にもＧａ原子が位置している。底面の中心に位置するＧａ原子から上述した周辺の６個のＧａ原子を結ぶ方向が、それぞれ反時計回りに［２−１−１０］、［１１−２０］、［−１２−１０］、［−２１１０］、［−１−１２０］、［１−２１０］となっている。これらの方向が、ＧａＮにおけるＧａ−Ｇａ結合の方向になる。そして、底面の中心Ｇａ原子から見てＧａ原子の存在しない方向が［１−１００］などになる。なお、図２および図３に示した結晶構造において、正六角柱とみなせる六方晶の上面をｃ面と呼び、正六角柱の側壁面をｍ面と呼ぶ。
【００１６】
図１に示した本発明によるＧａＮ基板１では、面方位［０００１］が、互いに異なる２つのオフ角方向である面方位［１−１００］および面方位［１１−２０］方向に、法線ベクトル２（図１参照）に対して傾斜している。このＧａＮ基板１における主表面の法線ベクトル２に対する面方位［０００１］の傾斜の状態を、図４を参照してより詳しく説明する。
【００１７】
まず、図４において、ベクトルＡＢで示す方向がＧａＮ基板の主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対応すると考える。そして、このベクトルＡＢにＧａＮ基板の面方位［０００１］を一致させた状態から、面方位［１−１００］の方向に対応するベクトルＡＥの方向に面方位［０００１］が傾斜角度θ１だけ傾斜するように、ＧａＮの結晶を傾ける。この結果、ＧａＮの面方位［０００１］の方向は、ベクトルＡＣで示す方向になる。そして、このベクトルＡＣで示される方向に傾斜したＧａＮの結晶構造を、さらに面方位［１１−２０］の方向に対応するベクトルＡＦの方向に傾斜角度θ２だけ傾斜させる。この結果、ＧａＮの結晶における面方位［０００１］は、図４のベクトルＡＤに示す方向になる。
【００１８】
このように、本発明によるＧａＮ基板１では、ベクトルＡＢで示される主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対して、結晶の面方位［０００１］の方向が図４のベクトルＡＤに示す方向に傾いた状態（主表面の法線ベクトル２に対して、面方位［０００１］が面方位［１−１００］方向および面方位［１１−２０］方向にそれぞれ傾斜角度θ１、θ２だけ傾斜した状態）になっている。
【００１９】
このようにすれば、本発明によるＧａＮ基板１では、その主表面がいわゆる半極性面となる。このようなＧａＮ基板１の主表面上にＧａＮやＩｎＧａＮなどの層をエピタキシャル成長させて、半導体装置としての発光素子を形成した場合には、ＧａＮのｃ面上にエピタキシャル層を形成することで発光素子を製造する場合に比べて、活性層における内部電界の発生を抑制することができる。この結果、内部電界の発生に起因して、活性層に注入した電子と正孔との再結合確率が減少し、結果的に発光効率が低くなったり、印加する電流の変化によって発光波長が変化するといった問題の影響を低減できる。したがって、発光効率を高め、一定の発光波長を有した発光素子を得ることができる。
【００２０】
図５は、図１に示したＧａＮ基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。図６は、図５に示したフローチャートにおける準備工程の内容を説明するためのフローチャートである。図５および図６を参照して、本発明によるＧａＮ基板の製造方法を説明する。
【００２１】
図５および図６を参照して、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この準備工程（Ｓ１０）においては、ＧａＮ基板となるＧａＮエピタキシャル層を形成する下地となる、下地基板を準備する。具体的には、準備工程（Ｓ１０）（図５参照）では、図６に示すように下地基板作製工程（Ｓ１１）をまず実施する。この下地基板作製工程（Ｓ１１）においては、その表面上にＧａＮをエピタキシャル成長可能な基板であって、ＧａＮをエピタキシャル成長させる主表面の法線ベクトルに対して、特定の面方位がそれぞれ異なる２方向（下地基板側傾斜方向）に傾斜している基板を準備する。
【００２２】
ここで、下地基板としては、その表面にＧａＮを成膜することができれば、任意の材料を用いることができる。下地基板としては、たとえばガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、サファイア基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板あるいはＧａＮ基板を用いることができる。そして、後述する成膜工程において、形成されるＧａＮエピタキシャル層の面方位［０００１］が、下地基板のＧａＮエピタキシャル層が形成される主表面の法線ベクトルに対して所定の２方向（２つのオフ角方向）に傾斜した状態で、ＧａＮエピタキシャル層が成長できるように、下地基板はいわゆるオフ角を有する基板とされている。具体的には、下地基板においては、エピタキシャル層が形成される主表面の法線ベクトルに対して、所定の基準面方位が所定の方向に傾斜した状態となっている。このような基板は、たとえば主表面が特定の結晶面（たとえば六方晶であればｃ面など）になっている基板を準備し、当該基板の主表面に対して所定の方向に傾斜した傾斜角度で当該基板の主表面を研削する、あるいは主表面に対する結晶の面方位が分かっているバルク基板から所定の切出し角度で下地基板を切出すといった方法で下地基板を準備することができる。
【００２３】
次に、図６に示すように、マスクパターン形成工程（Ｓ１２）を実施する。このマスクパターン形成工程（Ｓ１２）においては、下地基板のＧａＮエピタキシャル層を形成する主表面上にマスクパターンを形成する。具体的には、図７または図８に示すようなパターンを有するマスク層１０を形成する。図７および図８は、下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【００２４】
まず、図７に示すマスクパターンについて説明する。図７に示すように、下地基板の主表面に形成するマスク層１０として、幅Ｗ１のライン状のパターンをピッチＰで複数平行に延びるように形成してもよい。このとき、ピッチＰをたとえば８μｍとし、線状パターンの幅Ｗ１を６μｍ、線状パターンの間の間隔Ｗ２（線状パターンの間に形成された溝状の開口部１１の幅）をたとえば２μｍとすることができる。また、線状パターンの厚みをたとえば０．１μｍとすることができる。
【００２５】
また、他のマスクパターンの例としては、図８に示すように、開口部１２が周期的に形成されたようなパターンを有するマスク層１０を用いてもよい。具体的には、図８に示すように、平面形状が四角形状の開口部１２が、所定の間隔で分散配置されているマスク層１０を下地基板の主表面上に形成する。開口部１２は、たとえば図８に示すように正方形状であり、その中心を結ぶ線分の距離Ｌがたとえば４μｍであってもよい。また、開口部１２の１辺の長さＷ１、Ｗ２がそれぞれ２μｍであってもよい。そして、複数の開口部１２はいわゆる千鳥格子状に配置されており、隣り合う開口部１２の中心点を結ぶと１辺が距離Ｌの正三角形となるように開口部１２は配置されていてもよい。
【００２６】
このようなマスク層１０が形成された下地基板に対して、図５に示すように成膜工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、下地基板のマスク層が形成された主表面上に、気相成長法を用いてＧａＮ薄膜を形成する。ＧａＮ薄膜の気相成長法としては、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）、昇華法、ＭＯＣ法（Metallorganic Chloride）、ＭＯＣＶＤ法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition）などを用いることができる。この成膜工程（Ｓ２０）においては、たとえばＨＶＰＥ法を用いることができる。図９は、成膜工程（Ｓ２０）において用いる成膜装置を示す模式図である。図９を参照して、ＨＶＰＥ法を用いた成膜装置を説明する。
【００２７】
図９に示すように、成膜装置２０は、反応管２２と、反応管２２の内部に設置されたＧａボート２３と、反応管２２の内部において下地基板を保持するためのサセプタ２４と、反応管２２の内部を加熱するためのヒータ２６とを備える。Ｇａボート２３の内部には、Ｇａ金属を配置する。そして、このＧａボート２３に向けて、水素、窒素あるいはアルゴンで希釈した塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するための配管２７が配置されている。また、サセプタ２４の上部に、水素、窒素あるいはアルゴンで希釈したアンモニア（ＮＨ3）ガスを供給するための配管２８が設置されている。反応管２２の外周に対向する位置に、反応管２２を加熱するためのヒータ２６が設置されている。サセプタ２４上には、下地基板５が設置される。この下地基板５上に、後述するようにＧａＮ結晶層３が形成される。
【００２８】
次に、図９に示した成膜装置２０を用いたＧａＮ結晶層３の製造方法を説明する。まず、図９に示した成膜装置２０において、反応管２２の内部のサセプタ２４上に下地基板５を配置する。そして、サセプタ２４の上方に、その内部にＧａ金属を入れた容器であるＧａボート２３を配置する。次に、装置全体をヒータ２６によって加熱した状態で、配管２７を介してＧａボート２３に水素、窒素あるいはアルゴンによって希釈されたＨＣｌガスを吹込む。この結果、２Ｇａ＋２ＨＣｌ→２ＧａＣｌ＋Ｈ2という反応が起きる。この反応により生成された気体状のＧａＣｌを下地基板５に供給する。
【００２９】
同時に、配管２８を介してサセプタ２４近傍に水素、窒素あるいはアルゴンで希釈したＮＨ3ガスを供給する。すると、下地基板５の近傍において、２ＧａＣｌ＋２ＮＨ3→２ＧａＮ＋３Ｈ2という反応が起こる。このような反応によって形成されたＧａＮを、加熱された下地基板５の表面にＧａＮ結晶として積層する。このようにして、下地基板５の表面にＧａＮ結晶層３が形成される。このとき、下地基板の表面には図７または図８に示すようなマスク層１０上にＧａＮ結晶層３が形成される。この結果、形成されるＧａＮ結晶層３の転位密度を低減することができる。
【００３０】
また、下地基板５がいわゆるオフ角を有する基板となっているため、形成されるＧａＮ結晶層３も、下地基板５の主表面と対向する表面の法線ベクトルに対して、所定の面方位が傾斜した状態になっている。また、ＧａＮ結晶層３における上記法線ベクトルに対する所定の面方位の傾斜方向および傾斜角度は、下地基板における基準面方位の傾斜方向および傾斜角度に応じて変更可能である。
【００３１】
なお、ＧａＮ結晶層３は、後述するように下地基板５が除去された後にも自立して取扱いが可能なように十分厚く形成する。ＧａＮ結晶層３の厚みはたとえば１０ｍｍ程度とすることができる。
【００３２】
次に、図５に示したように下地基板除去工程（Ｓ３０）を実施する。この下地基板除去工程（Ｓ３０）においては、形成されたＧａＮ結晶層３から下地基板５を除去する。下地基板５の除去方法としては、スライスなどの機械的な方法、エッチングなどの化学的な方法、電解エッチなどの電気化学的な方法など任意の方法を用いることができる。この結果、ＧａＮ結晶層３よりなるＧａＮ基板を得ることができる。また、得られたＧａＮ基板１（図１参照）においては、下地基板において基準面方位が２方向において傾斜していることに応じて、その表面に対して面方位［０００１］が異なる２つのオフ角方向に傾斜した状態となっている。
【００３３】
この後、後処理工程（Ｓ４０）を実施する。後処理工程（Ｓ４０）としては、たとえば基板表面の研磨工程や、ＧａＮ基板１を所定の厚みにスライスするスライス工程などを実施することができる。
【００３４】
このようにして得られたＧａＮ基板１の表面に、図１０に示すようにＧａＮなどのエピタキシャル層４０を形成することにより、エピタキシャル層付き基板（エピ基板４１）を得ることができる。図１０は、図１に示した本発明によるＧａＮ基板を用いたエピタキシャル層付きの基板を示す斜視模式図である。また、このようなエピ基板４１を用いて、図１１に示すように発光素子を形成することができる。図１１は、本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を示す断面模式図である。図１１を参照して、本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を説明する。
【００３５】
図１１に示すように、半導体装置としての発光素子３０は、ＧａＮ基板１上にｎ型のＡｌＧａＮ中間層３１が形成されている。ｎ型のＡｌＧａＮ中間層３１上にはｎ型のＧａＮバッファ層３２が形成されている。ｎＧａＮバッファ層３２上に発光層３３が形成されている。この発光層３３は、たとえばＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層（多重量子井戸層）である。この発光層３３上にｐ型のＡｌＧａＮ層３４を形成する。ｐ型のＡｌＧａＮ層３４上にｐ型のＧａＮバッファ層３５が形成されている。そして、ＧａＮ基板１の裏面側（ｎ型ＡｌＧａＮ中間層３１が形成された表面側と反対側の表面）にはｎ電極３６が形成されている。そして、ｐ型のＧａＮバッファ層３５上にはｐ電極３７が形成されている。
【００３６】
このように、本発明によるＧａＮ基板１を用いて発光素子を形成した場合に、発光層３３がＧａＮ基板１のいわゆる半極性面上に形成されているため、発光層３３でのピエゾ電界が低減される。このため、従来のＧａＮ基板の極性面上に発光層が形成されていた発光素子よりも、発光層での発光効率を向上させたり、印加する電流量変化による発光波長のシフト量を小さくすることができる。
【００３７】
上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、この発明の実施の形態を羅列的に挙げて説明する。
【００３８】
この発明に従ったＧａＮ基板１（図１参照）は、主表面を有するＧａＮ基板１であって、主表面の法線ベクトル２に対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。
【００３９】
このようにすれば、面方位［０００１］を１つめのオフ角方向に傾斜させることでＧａＮ基板１の主表面を半極性面とした状態で、当該主表面上にエピタキシャル層４０を形成できる。このため、ＧａＮ基板１の（０００１）面などの極性面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤなどの発光素子を製造する場合より、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれる発光素子において発光効率を向上させたり、印加する電流量変化による発光波長のシフト量を小さくすることができる。さらに、面方位［０００１］を２つ目のオフ角方向にさらに傾斜させることにより、ＧａＮ基板１の主表面におけるオフ角分布や面内波長分布のばらつきを制御することができる。さらにＧａＮ基板の裏面も表面とほぼ同じオフ角を有する。その結果、表面ならびに裏面に形成した電極のコンタクト性が向上し、動作開始当初からの動作電圧の増加量を小さくすることができる。この結果、当該ＧａＮ基板１を用いることで優れた特性を有する発光素子などの半導体装置を安定して製造することができる。
【００４０】
上記ＧａＮ基板１において、主表面の法線ベクトル２に対し面方位［０００１］が傾斜する２つのオフ角方向は、［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、ＧａＮ基板１の主表面を半極性面にすることで、長波長領域での発光効率が向上した発光素子（半導体装置）を得るとともに、ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成したときにおける面内波長分布のばらつきを確実に制御することができる。
【００４１】
上記ＧａＮ基板１において、主表面の法線ベクトルに対する面方位［０００１］の、［１−１００］方向における傾斜角度および［１１−２０］方向における傾斜角度のうちのいずれか一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下であってもよい。また、上記２つの傾斜角度のうちいずれか一方を１０°以上４０°以下として、他方を０．０２°以上１０°以下としてもよい。この場合、ＧａＮ基板の主表面を半極性面にすることで、長波長領域での発光効率が向上した発光素子（半導体装置）を得るとともに、ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層４０を形成したときにおける面内波長分布のばらつきを確実に小さくすることができる。
【００４２】
この発明に従ったエピタキシャル層付き基板（エピ基板４１）は、上記ＧａＮ基板１と、当該ＧａＮ基板１の主表面上に形成されたエピタキシャル成長層（エピタキシャル層４０）とを備える。このようにすれば、当該エピタキシャル層４０はＧａＮ基板１の半極性面上に形成されるので、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率の向上した発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なエピ基板４１を提供することができる。
【００４３】
この発明に従った半導体装置（発光素子）は、上記エピ基板４１を用いて製造される。この場合、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率が向上し、印加電流値の変化に対する波長シフト量が小さい発光素子を得ることができる。
【００４４】
この発明に従ったＧａＮ基板の製造方法は、以下の工程を備える。すなわち、まず、主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程（下地基板作成工程（Ｓ１１））を実施する。下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶層を３成長させる工程（成膜工程（Ｓ２０））を実施する。ＧａＮ結晶層３から下地基板５を除去することにより、ＧａＮ結晶層３からなるＧａＮ基板１を得る工程（下地基板除去工程（Ｓ３０））を実施する。ＧａＮ基板１は、主表面を有し、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。下地基板における基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板における面方位［０００１］のオフ角方向での傾斜角度が調整される。下地基板における上記２つの下地基板側傾斜方向は互いに直交していてもよい。また、ＧａＮ基板における上記２つのオフ角方向は互いに直交していてもよい。このようにすれば、本発明に従ったＧａＮ基板１を容易に得ることができる。また、下地基板５の基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板１のオフ角方向での傾斜角度を任意に変更したＧａＮ基板１を容易に製造することができる。
【００４５】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＧａＡｓ基板であってもよく、基準面方位は［１１１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向であってもよい。ＧａＮ基板の２つのオフ角方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であってもよい。この場合、下地基板として比較的入手が容易なＧａＡｓ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板１を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４６】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はサファイア基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であってもよい。ＧａＮ基板の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板５として比較的入手が容易なサファイア基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４７】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＺｎＯ基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板５として比較的入手が容易なＺｎＯ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板１を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４８】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＳｉＣ基板であってもよく、準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板として比較的入手が容易なＳｉＣ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４９】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＧａＮからなる基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、ＧａＮ基板１となるべきＧａＮ結晶層を形成する下地基板５として同じ材質からなるＧａＮからなる基板を用いることで、ＧａＮ結晶層３の膜質を向上させることができる。優れた膜質のＧａＮ基板１を得ることができる。
【００５０】
上記ＧａＮ基板の製造方法は、ＧａＮ結晶層を成長させる工程（成膜工程（Ｓ２０））に先立ち、下地基板５の主表面上に複数の窓を有するマスク層を形成する工程（マスクパターン形成工程（Ｓ１２））をさらに備えていてもよい。この場合、下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶層３を形成するときに、まずマスク層１０の窓（開口部１２）から露出している下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶が成長し、その後マスク層１０上でＧａＮ結晶が横向き成長する。さらに、その後隣接する開口部１２の上から横方向に成長したＧａＮ結晶が互いに衝突してから、マスク層１０の表面に垂直な（上向きの）方向に成長し、ＧａＮ基板１の転位密度を低減したり、クラックの無い２インチ以上の工業的に有効な大口径のＧａＮ基板を得ることができる。
【００５１】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５における２つの下地基板側傾斜方向における傾斜角度の一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下である。この場合、形成されるＧａＮ基板１の２つのオフ角方向における傾斜角度を１０°以上４０°以下および０．０２°以上４０°以下に調整することができる。
【実施例１】
【００５２】
次に、本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。すなわち、本発明に従ったＧａＮ基板を作製し、当該ＧａＮ基板を用いて発光素子を作製した。そして、ＧａＮ基板および当該発光素子について後述するように発光光の波長と供給される電流量との関係などを測定した。また、比較のため、主表面がｃ面となっているＧａＮ基板、および主表面がｍ面となっているＧａＮ基板を準備し、同様にこれらのＧａＮ基板を用いて比較例としての発光素子を形成した。そして、これらの比較例の発光素子についても、同様の特性について測定を行なった。以下、実験の内容を具体的に説明する。
【００５３】
（１） ＧａＮ基板の準備
（１−１） 本発明のＧａＮ基板の準備
下地基板：
ＧａＡｓ基板を下地基板として用いた。ただし、当該下地基板の表面の法線ベクトルに対し、結晶方位［１１１］が＜１−１０＞方向に１８°傾斜し、さらに＜１１−２＞方向に０．０３°傾斜している２インチのＧａＡｓ基板を用いた。そして、この下地基板の表面には、図７に示したストライプ状のパターンを有するマスク層を形成した。このマスク層は酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。マスク層１０では、線状パターンの幅Ｗ１を６μｍ、開口部の幅Ｗ２を２μｍとし、線状パターンのストライプピッチＰを８μｍとした。また、マスク層１０の厚みは０．１μｍとした。
【００５４】
成膜条件：
上述した下地基板の表面上に、以下のような条件でＧａＮ結晶層を形成した。すなわち、図９に示した成膜装置２０を用いて、ＨＶＰＥ法により下地基板の表面上にＧａＮ結晶層を形成した。下地基板の表面上のＧａＮ結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いＧａＮエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、成膜温度を５００℃、ＨＣｌの分圧を１×１０-3ａｔｍ（１００Ｐａ）、ＮＨ3の分圧を０．１ａｔｍ（１００００Ｐａ）、成膜時間を６０分、成膜したバッファ層の厚みを６０ｎｍとした。また、バッファ層上に形成したＧａＮエピタキシャル層の成膜条件は、成膜温度を１０３０℃、ＨＣｌの分圧を３×１０-2ａｔｍ（３０００Ｐａ）、ＮＨ3の分圧を０．２ａｔｍ（２００００Ｐａ）、ｎ型ドーパントとしてＳｉをドーピングしながら成膜時間を１００時間、成膜したエピタキシャル層の厚みを１０ｍｍとした。
【００５５】
その後、機械研削機を用いて成膜したＧａＮ膜からＧａＡｓ基板を除去した。このようにして、１０ｍｍの厚みの自立ＧａＮ基板を得た。そして、このＧａＮ基板を、ワイヤーソウを用いて厚み４００μｍにスライスし、さらに表面を研磨することにより１０枚の２インチＧａＮ基板を得た。
【００５６】
（１−２） 比較例のＧａＮ基板の準備
主表面がｃ面となっているＧａＮ基板：
基本的に、上述した本発明によるＧａＮ基板と同様の製造方法により製造したが、用いた下地基板としてのＧａＡｓ基板が、その主表面の法線ベクトルに対して結晶方位［１１１］が平行になっている点が異なる。このような下地基板を用いることにより、得られた自立ＧａＮ基板では主表面の法線ベクトルと結晶方位［０００１］とが平行になっており、当該主表面は（０００１）面（ｃ面）と平行になっている。
【００５７】
主表面がｍ面となっているＧａＮ基板：
上記した主表面がｃ面となっているＧａＮ基板から、その主表面に対して垂直方向に厚さ４００μｍの基板を切出すことにより、主表面がｍ面となっているＧａＮ基板を準備した。
【００５８】
（２） 発光素子の形成
得られた本発明の実施例および比較例のＧａＮ基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図１１に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子のｎ型ＡｌＧａＮ中間層３１の厚みは５０ｎｍ、ｎ型ＧａＮバッファ層３２の厚みは２μｍ、発光層３３の厚みは５０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４の厚みは２０ｎｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層３５の厚みは５０ｎｍ、とした。また、ｎ電極３６としてはＡｌ／Ｔｉを用い、その厚みはそれぞれＡｌ：５００ｎｍ、Ｔｉ：５０ｎｍとした。また、ｐ電極３７については、材料をＰｔ／Ｔｉとし、厚みをＰｔ：５００ｎｍ、Ｔｉ：５０ｎｍとした。ｎ電極としては他に、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ（各厚み５００ｎｍ／１００ｎｍ／５０ｎｍ）、Ｐｔ／Ｔｉ（各厚み５００ｎｍ／５０ｎｍ）、Ａｕ／Ｔｉ（各厚み５００ｎｍ／５０ｎｍ）、ｐ電極としては他にＰｔ（厚み５００ｎｍ）、Ｎｉ（厚み５００ｎｍ）としてもよい。このような発光素子は、発光層３３としてＩｎＧａＮを含んでいるため、青色領域よりも波長の長い緑色領域の光を出射する。
【００５９】
（３） 測定内容
上述のようにして得られたＧａＮ基板について、当該基板のオフ角（ＧａＮ基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位［０００１］の傾斜方向および傾斜角度）を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、ＧａＮ基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。
【００６０】
（３−１） 測定方法
ＧａＮ基板のオフ角およびオフ角の値の分布の測定：
ＧａＮ基板のオフ角は、２結晶ＸＲＤ（X-ray diffraction）装置を用いて、スリットサイズ縦横ともに２００μｍで測定した。また、ＧａＮ基板内のオフ角の値の分布は、ＧａＮ基板の主表面について、基板の中心と、当該中心から＜１−１００＞方向ならびに＜１１−２０＞方向に各２０ｍｍ離れた４点の合計５点において上記ＸＲＤ装置を用いてオフ角の測定を行なった。中心から２０ｍｍ離れた４点の値と中心の値の差の絶対値の最大値をオフ角の分布の値とした。また、ＸＲＤでの測定精度は±０．０１°である。
【００６１】
ＧａＮ基板の転位密度の測定：
ＧａＮ基板について、ＳＥＭを用いたＣＬ（カソードルミネッセンス）を用いて、上記ＸＲＤと同じ５点について□１００μｍ内部の暗い点を数えて測定を行なった。
【００６２】
発光素子の発光光の波長と供給される電流量との測定：
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的には、室温で発光素子にパルス電流を印加して発光スペクトルを測定した。
【００６３】
（４） 測定結果
ＧａＮ基板のオフ角：
ＧａＮ基板のオフ角は、表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が、［１１−２０］方向にほぼ１８°傾斜したオフ角を示した。また、［１−１００］方向にほぼ０．０５°傾斜したオフ角を示した。また、この［１１−２０］方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±０．５°（−１７．５〜１８．５°）の範囲に入っていた。また、［１−１００］方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±０．３°の範囲に入っていた。
【００６４】
ＧａＮ基板の転位密度：
ＧａＮ基板の転位密度を測定したところ、当該転位密度はどの試料についても１×１０7（／ｃｍ2）以下であった。
【００６５】
発光素子の発光光の波長と供給される電流量との関係：
結果を図１２に示す。図１２は、発光素子に供給される電流と出射される光の波長との関係を示すグラフである。図１２からわかるように、本発明の実施例の発光素子の波長と電流量との関係は、発光素子に供給される電流量が大きくなるに従って出射される光の波長が短波長側にシフトしているものの、そのシフト量はほぼ７ｎｍ程度であった。これは、従来のＧａＮ基板、すなわち基板表面とＧａＮのｃ面とがほぼ平行になっているｃ面基板を用いて製造した比較例の発光素子における波長のシフト量が２０ｎｍ程度であるのに比べて小さくなっている。なお、図１２に示すｍ面基板を用いて製造した比較例の発光素子の場合は、ほとんど波長のシフトが起きていない。これはｍ面が無極性面であるため、発光層において内部電界の発生が無いと考えられるためである。
【実施例２】
【００６６】
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。すなわち、後述する試料ＩＤ１〜７０のＧａＮ基板を作成し、これらのＧａＮ基板の試料についてオフ角方向およびオフ角、さらにオフ角の面内分布、転位密度を測定した。さらに、各ＧａＮ基板を用いて発光素子を形成し、当該発光素子について投入電流値を変更することによる発光波長の変化量（ブルーシフト（Ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）：Δλ）、１０００時間経過時点での動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、ＧａＮ基板の面内における発光波長分布（σ）を測定した。以下、実験の内容を具体的に説明する。
【００６７】
（１） ＧａＮ基板の準備
全試料（試料ＩＤ１〜７０）について、上述した実施例１におけるＧａＮ基板の製造方法と基本的に同様の製造方法を用いてＧａＮ基板を得た。
【００６８】
下地基板：
試料ＩＤ１〜６５については、ＧａＮ基板を形成するための下地基板としてＧａＡｓ基板を用いた一方、試料ＩＤ６６〜７０については、下地基板としてＧａＡｓとは異なる材料の基板を用いた。具体的には、試料ＩＤ６６および６７について、下地基板としてサファイア基板を用い、試料ＩＤ６８〜７０のそれぞれについて、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板およびＧａＮ基板を用いた。各下地基板については、形成されるＧａＮ基板のオフ角方向が２方向になるように、ＧａＮ結晶膜が形成される主表面の法線方向に対して、面方位［０００１］が２方向に傾斜する傾斜角（オフ角）が適宜設定されている。
【００６９】
具体的には、ＧａＡｓ基板については、形成されるＧａＮ結晶膜の表面に対してＧａＮの面方位［０００１］が［１１−２０］方向および［１−１００］方向にそれぞれ傾斜するように、ＧａＡｓ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［１１１］が＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（＜１−１０＞方向のオフ角θ１および＜１１−２＞方向のオフ角θ２）は、それぞれ各試料ごとに変更されている。
【００７０】
また、サファイア基板については、形成されるＧａＮ結晶膜の表面に対してＧａＮの面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向にそれぞれ傾斜するように、サファイア基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１１−２０］方向および［１−１００］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１１−２０］方向でのオフ角θ１および［１−１００］方向でのオフ角θ２）は、試料ＩＤ６６についてはθ１＝θ２＝２６°、試料ＩＤ６７についてはθ１＝θ２＝４０°に設定した。
【００７１】
また、ＺｎＯ基板については、ＺｎＯ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７２】
また、ＳｉＣ基板については、ＳｉＣ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７３】
また、ＧａＮ基板については、ＧａＮ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７４】
また、試料ＩＤ１〜７０のすべてについて、下地基板の主表面上には実施例１の場合と同様に図７に示したストライプ状のパターンを有するマスク層を形成した。マスク層の厚みや線状パターンのサイズなどは、実施例１におけるマスク層と同様である。
【００７５】
成膜条件：
上述した下地基板の表面上に、後述する表１〜表１４に示すような条件でＧａＮ結晶層を形成した。すなわち、図９に示した成膜装置２０を用いて、ＨＶＰＥ法により下地基板の表面上にＧａＮ結晶層を形成した。下地基板の表面上のＧａＮ結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いＧａＮエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、後述する表１〜表１４に示すとおりとした。なお、下地基板としてＧａＮからなる基板を用いた試料ＩＤ７０については、バッファ層の成長は行なわず、下地基板上に直接ＧａＮエピタキシャル層を成長させた。
【００７６】
その後、研削により成膜したＧａＮ膜からＧａＡｓ基板などの下地基板を除去した。このようにして、１０ｍｍの厚みの自立ＧａＮ基板を得た。そして、このＧａＮ基板を、ワイヤーソウを用いて厚み４００μｍにスライスし、さらに表面を研磨することにより１０枚の２インチＧａＮ基板を得た。
【００７７】
（２） 発光素子の形成
得られた試料ＩＤ１〜７０のＧａＮ基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図１１に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子の各層の組成や厚みなどは、実施例１における発光素子と同様とした。
【００７８】
（３） 測定
上述のようにして得られたＧａＮ基板について、当該基板のオフ角（ＧａＮ基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位［０００１］の［１−１００］方向での傾斜角度（オフ角度θａ）および［１１−２０］方向での傾斜角度（オフ角度θｂ））を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、ＧａＮ基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。各データの測定方法は以下のとおりである。
【００７９】
ＧａＮ基板のオフ角およびオフ角の値の分布の測定：
ＧａＮ基板のオフ角は、ＸＲＤ（X-ray diffraction）装置を用いて、実施例１におけるオフ角の測定方法と同様の方法により測定した。また、ＧａＮ基板の面内でのオフ角の分布についても、実施例１における測定方法と同様の測定方法を用いて測定した。
【００８０】
ＧａＮ基板の転位密度の測定：
ＧａＮ基板について、ＳＥＭに取り付けたＣＬを用いて、実施例１における測定方法と同様の測定方法を用いて転位密度を測定した。
【００８１】
発光素子の発光波長の変化量（ブルーシフト：Δλ）の測定：
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的な測定方法は実施例１における測定方法と同様である。そして、発光素子に供給する電流の値が十分大きな値（具体的には２００ｍＡ）になったときの発光波長と、電流が１０ｍＡのときの発光波長との差異をブルーシフト（Ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ：Δλ（単位：ｎｍ））とした。
【００８２】
発光素子の１０００時間経過時点での動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）の測定：
作成した発光素子について、温度８０℃で、発光素子に１００ｍＡの電流を通電させるために必要な電圧を、動作開始当初での動作電圧と、１０００時間動作させた後の動作電圧として測定し、その増加分をΔＶｏｐ（単位：Ｖ）とした。
【００８３】
ＧａＮ基板の面内における発光波長分布（σ）の測定：
発光素子を形成するため、表面にエピタキシャル層を形成したＧａＮ基板について、面内の波長分布を測定した。具体的な測定方法としては、ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成し、エピタキシャル層上にｐ電極を形成した後、基板の中心と、当該中心から＜１−１００＞方向および＜１１−２０＞方向に各２０ｍｍ離れた４点の合計５点から、□５００μｍの発光素子を各点につき１０個づつ取出した。この結果得られた合計５０個の発光素子について、室温でパルス電流を印加して発光スペクトルを測定し、各点ごとに発光波長の平均値を算出した。そして、中心と他の４点とのそれぞれについての上記発光波長の平均値（５つのデータ）において、データの差の絶対値のうちもっとも大きい値を波長分布とした（単位はｎｍ）。
【００８４】
（４） 測定結果
以下、測定結果を示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
【表２】
【００８７】
試料ＩＤ１〜１８は、それぞれ下地基板について、主表面の法線ベクトルに対して基準面方位［１１１］を１つの方向（＜１−１０＞方向または＜１１−２＞方向）のみに傾斜させている。このため、形成されるＧａＮ基板においても、基本的に主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］は［１１−２０］方向または［１−１００］方向に大きく傾斜している。
【００８８】
表１および表２から分かるように、下地基板のオフ角θ１またはθ２を１０°以上４０°以下にした場合（つまりＧａＮ基板のオフ角θａまたはθｂを１０°以上４０°以下にした場合）、ブルーシフトの値が小さくなっていることが分かる。
【００８９】
【表３】
【００９０】
【表４】
【００９１】
表３および表４は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を１０°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１０°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。表３および表４に示した実施例の試料では、表１および表２に示した比較例や参考例の試料に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっていることがわかる。この原因は明確ではないが、２つの方向についてオフ角を有する下地基板（ＧａＡｓ基板）を用いてＧａＮ結晶層を成長させると、下地基板からの構成成分の一部の外部への放出（たとえばＧａＡｓ基板の場合であればＡｓの放出）が抑制され、結果的に形成されるＧａＮ結晶層の結晶に歪が入ることが抑制されるためであるとも思われる。この結果、得られたＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、面内波長分布（σ）が小さくなっていると思われる。
【００９２】
【表５】
【００９３】
【表６】
【００９４】
表５および表６は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を１８°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１８°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【００９５】
【表７】
【００９６】
【表８】
【００９７】
表７および表８は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を２５°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を２５°前後に固定し、他方を０．０２°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【００９８】
【表９】
【００９９】
【表１０】
【０１００】
表９および表１０は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を２８°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を２８°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【０１０１】
【表１１】
【０１０２】
【表１２】
【０１０３】
表１１および表１２は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を４０°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を４０°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【０１０４】
【表１３】
【０１０５】
表１３では、下地基板のオフ角θ１およびθ２を２６°以上４５°以下（具体的には２６°、４０°、４５°）の範囲で変更した場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂを２６°以上４５°以下の範囲で変更した場合）を示している。表１３から分かるように、下地基板のオフ角θ１およびθ２のいずれか一方を４０°以上（具体的には４５°）にした場合、ＧａＮ結晶層を形成することができなかった。一方、下地基板のオフ角θ１およびθ２を４０°以下とした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂを４０°以下とした場合）、いずれも表１および表２に示した比較例や参考例に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっている。
【０１０６】
上記の表３〜表１３に示した実施例の試料（具体的には、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１０°以上４０°以下、他方を０．０２°以上４０°以下とした試料）は、表１および表２に示した比較例や参考例の試料に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっている。
【０１０７】
【表１４】
【０１０８】
表１４は、下地基板としてＧａＡｓ以外の材料からなる基板を用いた場合の試料について、ＧａＮの成膜条件や測定結果を示している。これらの試料ＩＤ６６〜７０の測定結果から分かるように、これらのＧａＡｓ基板以外の基板（サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板およびＧａＮ基板）を下地基板として用いても、ＧａＡｓ基板を下地基板として用いた場合と同様に２つのオフ角方向に面方位［０００１］が傾斜したＧａＮ基板を製造することができる。そして、得られたＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子は、ＧａＡｓ基板を下地基板として用いて製造されたＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子と同様の特性を示している。なお、表には記載していない、ＧａＡｓと同様のオフ角を有するサファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板を用いて作製したＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子も、表１から表１３に示した特性と同様の特性を示した。
【０１０９】
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実施の形態および実施例では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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
この発明は、比較的長波長（５００ｎｍ以上の波長領域）の光を出射する発光素子などに用いられるＧａＮ基板、および当該ＧａＮ基板の表面上にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャル層付き基板、さらに当該ＧａＮ基板などを用いた半導体装置に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明によるＧａＮ基板を示す斜視模式図である。
【図２】図１に示したＧａＮ基板の結晶構造を説明するための模式図である。
【図３】図２に示したＧａＮ基板の結晶構造における面方位および結晶面を説明するための模式図である。
【図４】図１に示した本発明によるＧａＮ基板のオフ角方向における傾斜角度を説明するための模式図である。
【図５】図１に示したＧａＮ基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図５に示したフローチャートにおける準備工程の内容を説明するためのフローチャートである。
【図７】下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【図８】下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【図９】成膜工程（Ｓ２０）において用いる成膜装置を示す模式図である。
【図１０】図１に示した本発明によるＧａＮ基板を用いたエピタキシャル層付きの基板を示す斜視模式図である。
【図１１】本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を示す断面模式図である。
【図１２】発光素子に供給される電流と出射される光の波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１２】
１ ＧａＮ基板、２ 法線ベクトル、３ ＧａＮ結晶層、５ 下地基板、１０ マスク層、１１，１２ 開口部、２０ 成膜装置、２２ 反応管、２３ Ｇａボート、２４ サセプタ、２６ ヒータ、２７，２８ 配管、３０ 発光素子、３１ ｎ型のＡｌＧａＮ中間層、３２ ｎＧａＮバッファ層、３３ 発光層、３４ ｐ型のＡｌＧａＮ層、３５ ｐ型のＧａＮバッファ層、３６ ｎ電極、３７ ｐ電極、４０ エピタキシャル層、４１ エピ基板。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびＧａＮ基板の製造方法に関し、より特定的には、半極性面を利用可能なＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびＧａＮ基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮを用いたレーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている。このようなＧａＮを用いたＬＤやＬＥＤは、これまでサファイア基板やＳｉＣ基板、あるいはＧａＮ基板の（０００１）面上にエピタキシャル層を積層することにより形成されていた。ここで、上述したＧａＮ基板などの（０００１）面は極性面であることから、発光波長が５００ｎｍより長波長の領域について、ＬＥＤの発光効率が低下するという問題があった。
【０００３】
このような問題に対して、ＧａＮの結晶において従来の（０００１）面ではなく（１１−２２）面という半極性の結晶面上に量子井戸構造を形成することで、上述した長波長の領域についての発光効率を向上させることが報告されている（非特許文献１参照）。また、このような半極性の結晶面が主表面に露出したＧａＮ基板の製造方法も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２９８３１９号公報
【非特許文献１】”ニュースリリース：半極性面バルクＧａＮ基板上へのＬＥＤ開発に成功”、［online］、平成１８年６月３０日、京都大学、［平成１９年６月１日検索］、インターネット（http://www.kyoto-u.ac.jp/notice/05_news/documents/060630_1.htm）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記非特許文献１に開示されたＬＥＤは、マイクロファセットとして自然形成された半極性の結晶面を利用しており、その結晶面は（１１−２２）面と固定され、サイズも小さいものであった。しかし、ＬＥＤやＬＤなどの効率的な製造を考えれば、半極性の結晶面が主表面に露出した（つまり、主表面の法線ベクトルに対し、所定の面方位（たとえば、［０００１］方向）が所定の方向に所定角度だけ傾斜している、いわゆるオフ角を有する）２インチ以上の大口径ＧａＮ基板を用いてＬＥＤなどを製造することが好ましい。また、主表面の法線ベクトルに対する面方位の傾斜角度の値を調整することで（つまり基板の主表面に露出する結晶面を変更することで）、ＬＥＤやＬＤの特性を改善できる可能性も考えられる。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、発光効率を向上させた発光素子などの半導体装置を工業的に安価に得ることが可能な２インチ以上の大口径ＧａＮ基板、当該ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャル層付き基板、半導体装置およびＧａＮ基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、上述した特許文献１に示したＧａＮ基板の製造方法を利用して、さまざまなオフ角を有するＧａＮ基板を作成し、当該ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤを試作し、その特性を調査した。その結果、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が１つの面方位（１つのオフ角方向）に傾斜することでＧａＮ基板の表面に露出する結晶面を半極性面にすることができるとともに、当該面方位［０００１］を他の面方位（他のオフ角方向）にさらに傾斜させることで、ＧａＮ基板の主表面内の波長分布のばらつきを制御できる（小さくすることが可能である）ことを発見した。すなわち、この発明に従ったＧａＮ基板は、主表面を有するＧａＮ基板であって、主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。
【０００７】
このようにすれば、面方位［０００１］を１つめのオフ角方向に傾斜させることでＧａＮ基板の主表面を半極性面とした状態で、当該主表面上にエピタキシャル層を形成できる。このため、ＧａＮ基板の（０００１）面などの極性面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤなどの発光素子を製造する場合より、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれる発光素子において発光効率を向上させたり、印加する電流量の変化による波長シフト量を小さくすることができる。さらに、面方位［０００１］を２つ目のオフ角方向にさらに傾斜させることにより、ＧａＮ基板の主表面における面内波長分布のばらつきを制御することができる。この結果、当該ＧａＮ基板を用いることで優れた特性のＬＥＤなどの半導体装置を安定して製造することができる。
【０００８】
この発明に従ったエピタキシャル層付き基板は、上記ＧａＮ基板と、当該ＧａＮ基板の主表面上に形成されたエピタキシャル成長層とを備える。このようにすれば、当該エピタキシャル成長層はＧａＮ基板の半極性面上に形成されるので、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率の向上した発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なエピタキシャル層付き基板を提供することができる。
【０００９】
この発明に従った半導体装置は、上記エピタキシャル層付き基板を用いている。この場合、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率が向上したり、印加する電流量による波長シフト量が小さい発光素子などの半導体装置を得ることができる。
【００１０】
この発明に従ったＧａＮ基板の製造方法は、以下の工程を備える。すなわち、まず、主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程を実施する。下地基板の主表面上にＧａＮ結晶層を成長させる工程を実施する。ＧａＮ結晶層から下地基板を除去することにより、ＧａＮ結晶層からなるＧａＮ基板を得る工程を実施する。ＧａＮ基板は、主表面を有し、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。下地基板における基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板における面方位［０００１］のオフ角方向での傾斜角度が調整される。このようにすれば、本発明に従ったＧａＮ基板を容易に得ることができる。また、下地基板の基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板のオフ角方向での傾斜角度を任意に変更したＧａＮ基板を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発光波長が５００ｎｍより長波長側の波長領域において発光効率を向上させた発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なＧａＮ基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置およびＧａＮ基板の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１３】
図１は、本発明によるＧａＮ基板を示す斜視模式図である。図２は、図１に示したＧａＮ基板の結晶構造を説明するための模式図である。図３は、図２に示したＧａＮ基板の結晶構造における面方位および結晶面を説明するための模式図である。図４は、図１に示した本発明によるＧａＮ基板のオフ角方向における傾斜角度を説明するための模式図である。図１〜図４を参照して、本発明によるＧａＮ基板を説明する。
【００１４】
図１〜図４を参照して、本発明によるＧａＮ基板１は、その主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対して、特定の面方位（ここでは面方位［０００１］）が互いに異なる２つの方向（オフ角方向）に傾斜している。すなわち、ＧａＮ基板１は、面方位［０００１］が互いに異なる２方向に傾斜しているオフ角度を有する基板である。
【００１５】
図２に示すように、ＧａＮの結晶構造は、いわゆる六方晶の結晶構造を有している。図２では、ＧａＮの六方晶の結晶構造の対称性をよりわかりやすく示すため、複数のセルを含んだ状態でＧａＮの結晶構造が例示されている。図２において、大きい白丸が窒素原子（Ｎ原子）を示し、小さい丸がガリウム原子（Ｇａ原子）を示す。図２の結晶構造の底面においては、中心にＧａ原子が存在し、そのＧａ原子を中心とする正六角形の頂点にもＧａ原子が位置している。底面の中心に位置するＧａ原子から上述した周辺の６個のＧａ原子を結ぶ方向が、それぞれ反時計回りに［２−１−１０］、［１１−２０］、［−１２−１０］、［−２１１０］、［−１−１２０］、［１−２１０］となっている。これらの方向が、ＧａＮにおけるＧａ−Ｇａ結合の方向になる。そして、底面の中心Ｇａ原子から見てＧａ原子の存在しない方向が［１−１００］などになる。なお、図２および図３に示した結晶構造において、正六角柱とみなせる六方晶の上面をｃ面と呼び、正六角柱の側壁面をｍ面と呼ぶ。
【００１６】
図１に示した本発明によるＧａＮ基板１では、面方位［０００１］が、互いに異なる２つのオフ角方向である面方位［１−１００］および面方位［１１−２０］方向に、法線ベクトル２（図１参照）に対して傾斜している。このＧａＮ基板１における主表面の法線ベクトル２に対する面方位［０００１］の傾斜の状態を、図４を参照してより詳しく説明する。
【００１７】
まず、図４において、ベクトルＡＢで示す方向がＧａＮ基板の主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対応すると考える。そして、このベクトルＡＢにＧａＮ基板の面方位［０００１］を一致させた状態から、面方位［１−１００］の方向に対応するベクトルＡＥの方向に面方位［０００１］が傾斜角度θ１だけ傾斜するように、ＧａＮの結晶を傾ける。この結果、ＧａＮの面方位［０００１］の方向は、ベクトルＡＣで示す方向になる。そして、このベクトルＡＣで示される方向に傾斜したＧａＮの結晶構造を、さらに面方位［１１−２０］の方向に対応するベクトルＡＦの方向に傾斜角度θ２だけ傾斜させる。この結果、ＧａＮの結晶における面方位［０００１］は、図４のベクトルＡＤに示す方向になる。
【００１８】
このように、本発明によるＧａＮ基板１では、ベクトルＡＢで示される主表面の法線ベクトル２（図１参照）に対して、結晶の面方位［０００１］の方向が図４のベクトルＡＤに示す方向に傾いた状態（主表面の法線ベクトル２に対して、面方位［０００１］が面方位［１−１００］方向および面方位［１１−２０］方向にそれぞれ傾斜角度θ１、θ２だけ傾斜した状態）になっている。
【００１９】
このようにすれば、本発明によるＧａＮ基板１では、その主表面がいわゆる半極性面となる。このようなＧａＮ基板１の主表面上にＧａＮやＩｎＧａＮなどの層をエピタキシャル成長させて、半導体装置としての発光素子を形成した場合には、ＧａＮのｃ面上にエピタキシャル層を形成することで発光素子を製造する場合に比べて、活性層における内部電界の発生を抑制することができる。この結果、内部電界の発生に起因して、活性層に注入した電子と正孔との再結合確率が減少し、結果的に発光効率が低くなったり、印加する電流の変化によって発光波長が変化するといった問題の影響を低減できる。したがって、発光効率を高め、一定の発光波長を有した発光素子を得ることができる。
【００２０】
図５は、図１に示したＧａＮ基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。図６は、図５に示したフローチャートにおける準備工程の内容を説明するためのフローチャートである。図５および図６を参照して、本発明によるＧａＮ基板の製造方法を説明する。
【００２１】
図５および図６を参照して、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この準備工程（Ｓ１０）においては、ＧａＮ基板となるＧａＮエピタキシャル層を形成する下地となる、下地基板を準備する。具体的には、準備工程（Ｓ１０）（図５参照）では、図６に示すように下地基板作製工程（Ｓ１１）をまず実施する。この下地基板作製工程（Ｓ１１）においては、その表面上にＧａＮをエピタキシャル成長可能な基板であって、ＧａＮをエピタキシャル成長させる主表面の法線ベクトルに対して、特定の面方位がそれぞれ異なる２方向（下地基板側傾斜方向）に傾斜している基板を準備する。
【００２２】
ここで、下地基板としては、その表面にＧａＮを成膜することができれば、任意の材料を用いることができる。下地基板としては、たとえばガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、サファイア基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板あるいはＧａＮ基板を用いることができる。そして、後述する成膜工程において、形成されるＧａＮエピタキシャル層の面方位［０００１］が、下地基板のＧａＮエピタキシャル層が形成される主表面の法線ベクトルに対して所定の２方向（２つのオフ角方向）に傾斜した状態で、ＧａＮエピタキシャル層が成長できるように、下地基板はいわゆるオフ角を有する基板とされている。具体的には、下地基板においては、エピタキシャル層が形成される主表面の法線ベクトルに対して、所定の基準面方位が所定の方向に傾斜した状態となっている。このような基板は、たとえば主表面が特定の結晶面（たとえば六方晶であればｃ面など）になっている基板を準備し、当該基板の主表面に対して所定の方向に傾斜した傾斜角度で当該基板の主表面を研削する、あるいは主表面に対する結晶の面方位が分かっているバルク基板から所定の切出し角度で下地基板を切出すといった方法で下地基板を準備することができる。
【００２３】
次に、図６に示すように、マスクパターン形成工程（Ｓ１２）を実施する。このマスクパターン形成工程（Ｓ１２）においては、下地基板のＧａＮエピタキシャル層を形成する主表面上にマスクパターンを形成する。具体的には、図７または図８に示すようなパターンを有するマスク層１０を形成する。図７および図８は、下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【００２４】
まず、図７に示すマスクパターンについて説明する。図７に示すように、下地基板の主表面に形成するマスク層１０として、幅Ｗ１のライン状のパターンをピッチＰで複数平行に延びるように形成してもよい。このとき、ピッチＰをたとえば８μｍとし、線状パターンの幅Ｗ１を６μｍ、線状パターンの間の間隔Ｗ２（線状パターンの間に形成された溝状の開口部１１の幅）をたとえば２μｍとすることができる。また、線状パターンの厚みをたとえば０．１μｍとすることができる。
【００２５】
また、他のマスクパターンの例としては、図８に示すように、開口部１２が周期的に形成されたようなパターンを有するマスク層１０を用いてもよい。具体的には、図８に示すように、平面形状が四角形状の開口部１２が、所定の間隔で分散配置されているマスク層１０を下地基板の主表面上に形成する。開口部１２は、たとえば図８に示すように正方形状であり、その中心を結ぶ線分の距離Ｌがたとえば４μｍであってもよい。また、開口部１２の１辺の長さＷ１、Ｗ２がそれぞれ２μｍであってもよい。そして、複数の開口部１２はいわゆる千鳥格子状に配置されており、隣り合う開口部１２の中心点を結ぶと１辺が距離Ｌの正三角形となるように開口部１２は配置されていてもよい。
【００２６】
このようなマスク層１０が形成された下地基板に対して、図５に示すように成膜工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、下地基板のマスク層が形成された主表面上に、気相成長法を用いてＧａＮ薄膜を形成する。ＧａＮ薄膜の気相成長法としては、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）、昇華法、ＭＯＣ法（Metallorganic Chloride）、ＭＯＣＶＤ法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition）などを用いることができる。この成膜工程（Ｓ２０）においては、たとえばＨＶＰＥ法を用いることができる。図９は、成膜工程（Ｓ２０）において用いる成膜装置を示す模式図である。図９を参照して、ＨＶＰＥ法を用いた成膜装置を説明する。
【００２７】
図９に示すように、成膜装置２０は、反応管２２と、反応管２２の内部に設置されたＧａボート２３と、反応管２２の内部において下地基板を保持するためのサセプタ２４と、反応管２２の内部を加熱するためのヒータ２６とを備える。Ｇａボート２３の内部には、Ｇａ金属を配置する。そして、このＧａボート２３に向けて、水素、窒素あるいはアルゴンで希釈した塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するための配管２７が配置されている。また、サセプタ２４の上部に、水素、窒素あるいはアルゴンで希釈したアンモニア（ＮＨ3）ガスを供給するための配管２８が設置されている。反応管２２の外周に対向する位置に、反応管２２を加熱するためのヒータ２６が設置されている。サセプタ２４上には、下地基板５が設置される。この下地基板５上に、後述するようにＧａＮ結晶層３が形成される。
【００２８】
次に、図９に示した成膜装置２０を用いたＧａＮ結晶層３の製造方法を説明する。まず、図９に示した成膜装置２０において、反応管２２の内部のサセプタ２４上に下地基板５を配置する。そして、サセプタ２４の上方に、その内部にＧａ金属を入れた容器であるＧａボート２３を配置する。次に、装置全体をヒータ２６によって加熱した状態で、配管２７を介してＧａボート２３に水素、窒素あるいはアルゴンによって希釈されたＨＣｌガスを吹込む。この結果、２Ｇａ＋２ＨＣｌ→２ＧａＣｌ＋Ｈ2という反応が起きる。この反応により生成された気体状のＧａＣｌを下地基板５に供給する。
【００２９】
同時に、配管２８を介してサセプタ２４近傍に水素、窒素あるいはアルゴンで希釈したＮＨ3ガスを供給する。すると、下地基板５の近傍において、２ＧａＣｌ＋２ＮＨ3→２ＧａＮ＋３Ｈ2という反応が起こる。このような反応によって形成されたＧａＮを、加熱された下地基板５の表面にＧａＮ結晶として積層する。このようにして、下地基板５の表面にＧａＮ結晶層３が形成される。このとき、下地基板の表面には図７または図８に示すようなマスク層１０上にＧａＮ結晶層３が形成される。この結果、形成されるＧａＮ結晶層３の転位密度を低減することができる。
【００３０】
また、下地基板５がいわゆるオフ角を有する基板となっているため、形成されるＧａＮ結晶層３も、下地基板５の主表面と対向する表面の法線ベクトルに対して、所定の面方位が傾斜した状態になっている。また、ＧａＮ結晶層３における上記法線ベクトルに対する所定の面方位の傾斜方向および傾斜角度は、下地基板における基準面方位の傾斜方向および傾斜角度に応じて変更可能である。
【００３１】
なお、ＧａＮ結晶層３は、後述するように下地基板５が除去された後にも自立して取扱いが可能なように十分厚く形成する。ＧａＮ結晶層３の厚みはたとえば１０ｍｍ程度とすることができる。
【００３２】
次に、図５に示したように下地基板除去工程（Ｓ３０）を実施する。この下地基板除去工程（Ｓ３０）においては、形成されたＧａＮ結晶層３から下地基板５を除去する。下地基板５の除去方法としては、スライスなどの機械的な方法、エッチングなどの化学的な方法、電解エッチなどの電気化学的な方法など任意の方法を用いることができる。この結果、ＧａＮ結晶層３よりなるＧａＮ基板を得ることができる。また、得られたＧａＮ基板１（図１参照）においては、下地基板において基準面方位が２方向において傾斜していることに応じて、その表面に対して面方位［０００１］が異なる２つのオフ角方向に傾斜した状態となっている。
【００３３】
この後、後処理工程（Ｓ４０）を実施する。後処理工程（Ｓ４０）としては、たとえば基板表面の研磨工程や、ＧａＮ基板１を所定の厚みにスライスするスライス工程などを実施することができる。
【００３４】
このようにして得られたＧａＮ基板１の表面に、図１０に示すようにＧａＮなどのエピタキシャル層４０を形成することにより、エピタキシャル層付き基板（エピ基板４１）を得ることができる。図１０は、図１に示した本発明によるＧａＮ基板を用いたエピタキシャル層付きの基板を示す斜視模式図である。また、このようなエピ基板４１を用いて、図１１に示すように発光素子を形成することができる。図１１は、本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を示す断面模式図である。図１１を参照して、本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を説明する。
【００３５】
図１１に示すように、半導体装置としての発光素子３０は、ＧａＮ基板１上にｎ型のＡｌＧａＮ中間層３１が形成されている。ｎ型のＡｌＧａＮ中間層３１上にはｎ型のＧａＮバッファ層３２が形成されている。ｎＧａＮバッファ層３２上に発光層３３が形成されている。この発光層３３は、たとえばＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層（多重量子井戸層）である。この発光層３３上にｐ型のＡｌＧａＮ層３４を形成する。ｐ型のＡｌＧａＮ層３４上にｐ型のＧａＮバッファ層３５が形成されている。そして、ＧａＮ基板１の裏面側（ｎ型ＡｌＧａＮ中間層３１が形成された表面側と反対側の表面）にはｎ電極３６が形成されている。そして、ｐ型のＧａＮバッファ層３５上にはｐ電極３７が形成されている。
【００３６】
このように、本発明によるＧａＮ基板１を用いて発光素子を形成した場合に、発光層３３がＧａＮ基板１のいわゆる半極性面上に形成されているため、発光層３３でのピエゾ電界が低減される。このため、従来のＧａＮ基板の極性面上に発光層が形成されていた発光素子よりも、発光層での発光効率を向上させたり、印加する電流量変化による発光波長のシフト量を小さくすることができる。
【００３７】
上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、この発明の実施の形態を羅列的に挙げて説明する。
【００３８】
この発明に従ったＧａＮ基板１（図１参照）は、主表面を有するＧａＮ基板１であって、主表面の法線ベクトル２に対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。
【００３９】
このようにすれば、面方位［０００１］を１つめのオフ角方向に傾斜させることでＧａＮ基板１の主表面を半極性面とした状態で、当該主表面上にエピタキシャル層４０を形成できる。このため、ＧａＮ基板１の（０００１）面などの極性面上にエピタキシャル層を形成してＬＥＤなどの発光素子を製造する場合より、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれる発光素子において発光効率を向上させたり、印加する電流量変化による発光波長のシフト量を小さくすることができる。さらに、面方位［０００１］を２つ目のオフ角方向にさらに傾斜させることにより、ＧａＮ基板１の主表面におけるオフ角分布や面内波長分布のばらつきを制御することができる。さらにＧａＮ基板の裏面も表面とほぼ同じオフ角を有する。その結果、表面ならびに裏面に形成した電極のコンタクト性が向上し、動作開始当初からの動作電圧の増加量を小さくすることができる。この結果、当該ＧａＮ基板１を用いることで優れた特性を有する発光素子などの半導体装置を安定して製造することができる。
【００４０】
上記ＧａＮ基板１において、主表面の法線ベクトル２に対し面方位［０００１］が傾斜する２つのオフ角方向は、［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、ＧａＮ基板１の主表面を半極性面にすることで、長波長領域での発光効率が向上した発光素子（半導体装置）を得るとともに、ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層を形成したときにおける面内波長分布のばらつきを確実に制御することができる。
【００４１】
上記ＧａＮ基板１において、主表面の法線ベクトルに対する面方位［０００１］の、［１−１００］方向における傾斜角度および［１１−２０］方向における傾斜角度のうちのいずれか一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下であってもよい。また、上記２つの傾斜角度のうちいずれか一方を１０°以上４０°以下として、他方を０．０２°以上１０°以下としてもよい。この場合、ＧａＮ基板の主表面を半極性面にすることで、長波長領域での発光効率が向上した発光素子（半導体装置）を得るとともに、ＧａＮ基板の主表面上にエピタキシャル層４０を形成したときにおける面内波長分布のばらつきを確実に小さくすることができる。
【００４２】
この発明に従ったエピタキシャル層付き基板（エピ基板４１）は、上記ＧａＮ基板１と、当該ＧａＮ基板１の主表面上に形成されたエピタキシャル成長層（エピタキシャル層４０）とを備える。このようにすれば、当該エピタキシャル層４０はＧａＮ基板１の半極性面上に形成されるので、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率の向上した発光素子などの半導体装置を安定して製造可能なエピ基板４１を提供することができる。
【００４３】
この発明に従った半導体装置（発光素子）は、上記エピ基板４１を用いて製造される。この場合、発光波長が５００ｎｍ以上の長波長領域に含まれるとともに発光効率が向上し、印加電流値の変化に対する波長シフト量が小さい発光素子を得ることができる。
【００４４】
この発明に従ったＧａＮ基板の製造方法は、以下の工程を備える。すなわち、まず、主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程（下地基板作成工程（Ｓ１１））を実施する。下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶層を３成長させる工程（成膜工程（Ｓ２０））を実施する。ＧａＮ結晶層３から下地基板５を除去することにより、ＧａＮ結晶層３からなるＧａＮ基板１を得る工程（下地基板除去工程（Ｓ３０））を実施する。ＧａＮ基板１は、主表面を有し、主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している。下地基板における基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板における面方位［０００１］のオフ角方向での傾斜角度が調整される。下地基板における上記２つの下地基板側傾斜方向は互いに直交していてもよい。また、ＧａＮ基板における上記２つのオフ角方向は互いに直交していてもよい。このようにすれば、本発明に従ったＧａＮ基板１を容易に得ることができる。また、下地基板５の基準面方位の下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、ＧａＮ基板１のオフ角方向での傾斜角度を任意に変更したＧａＮ基板１を容易に製造することができる。
【００４５】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＧａＡｓ基板であってもよく、基準面方位は［１１１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向であってもよい。ＧａＮ基板の２つのオフ角方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であってもよい。この場合、下地基板として比較的入手が容易なＧａＡｓ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板１を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４６】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はサファイア基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であってもよい。ＧａＮ基板の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板５として比較的入手が容易なサファイア基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４７】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＺｎＯ基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板５として比較的入手が容易なＺｎＯ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板１を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４８】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＳｉＣ基板であってもよく、準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、下地基板として比較的入手が容易なＳｉＣ基板を用いることで、本発明によるＧａＮ基板を製造することができるので、ＧａＮ基板の製造コストの低減を図ることができる。
【００４９】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５はＧａＮからなる基板であってもよく、基準面方位は［０００１］であってもよい。２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。ＧａＮ基板１の２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であってもよい。この場合、ＧａＮ基板１となるべきＧａＮ結晶層を形成する下地基板５として同じ材質からなるＧａＮからなる基板を用いることで、ＧａＮ結晶層３の膜質を向上させることができる。優れた膜質のＧａＮ基板１を得ることができる。
【００５０】
上記ＧａＮ基板の製造方法は、ＧａＮ結晶層を成長させる工程（成膜工程（Ｓ２０））に先立ち、下地基板５の主表面上に複数の窓を有するマスク層を形成する工程（マスクパターン形成工程（Ｓ１２））をさらに備えていてもよい。この場合、下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶層３を形成するときに、まずマスク層１０の窓（開口部１２）から露出している下地基板５の主表面上にＧａＮ結晶が成長し、その後マスク層１０上でＧａＮ結晶が横向き成長する。さらに、その後隣接する開口部１２の上から横方向に成長したＧａＮ結晶が互いに衝突してから、マスク層１０の表面に垂直な（上向きの）方向に成長し、ＧａＮ基板１の転位密度を低減したり、クラックの無い２インチ以上の工業的に有効な大口径のＧａＮ基板を得ることができる。
【００５１】
上記ＧａＮ基板の製造方法において、下地基板５における２つの下地基板側傾斜方向における傾斜角度の一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下である。この場合、形成されるＧａＮ基板１の２つのオフ角方向における傾斜角度を１０°以上４０°以下および０．０２°以上４０°以下に調整することができる。
【実施例１】
【００５２】
次に、本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。すなわち、本発明に従ったＧａＮ基板を作製し、当該ＧａＮ基板を用いて発光素子を作製した。そして、ＧａＮ基板および当該発光素子について後述するように発光光の波長と供給される電流量との関係などを測定した。また、比較のため、主表面がｃ面となっているＧａＮ基板、および主表面がｍ面となっているＧａＮ基板を準備し、同様にこれらのＧａＮ基板を用いて比較例としての発光素子を形成した。そして、これらの比較例の発光素子についても、同様の特性について測定を行なった。以下、実験の内容を具体的に説明する。
【００５３】
（１） ＧａＮ基板の準備
（１−１） 本発明のＧａＮ基板の準備
下地基板：
ＧａＡｓ基板を下地基板として用いた。ただし、当該下地基板の表面の法線ベクトルに対し、結晶方位［１１１］が＜１−１０＞方向に１８°傾斜し、さらに＜１１−２＞方向に０．０３°傾斜している２インチのＧａＡｓ基板を用いた。そして、この下地基板の表面には、図７に示したストライプ状のパターンを有するマスク層を形成した。このマスク層は酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。マスク層１０では、線状パターンの幅Ｗ１を６μｍ、開口部の幅Ｗ２を２μｍとし、線状パターンのストライプピッチＰを８μｍとした。また、マスク層１０の厚みは０．１μｍとした。
【００５４】
成膜条件：
上述した下地基板の表面上に、以下のような条件でＧａＮ結晶層を形成した。すなわち、図９に示した成膜装置２０を用いて、ＨＶＰＥ法により下地基板の表面上にＧａＮ結晶層を形成した。下地基板の表面上のＧａＮ結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いＧａＮエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、成膜温度を５００℃、ＨＣｌの分圧を１×１０-3ａｔｍ（１００Ｐａ）、ＮＨ3の分圧を０．１ａｔｍ（１００００Ｐａ）、成膜時間を６０分、成膜したバッファ層の厚みを６０ｎｍとした。また、バッファ層上に形成したＧａＮエピタキシャル層の成膜条件は、成膜温度を１０３０℃、ＨＣｌの分圧を３×１０-2ａｔｍ（３０００Ｐａ）、ＮＨ3の分圧を０．２ａｔｍ（２００００Ｐａ）、ｎ型ドーパントとしてＳｉをドーピングしながら成膜時間を１００時間、成膜したエピタキシャル層の厚みを１０ｍｍとした。
【００５５】
その後、機械研削機を用いて成膜したＧａＮ膜からＧａＡｓ基板を除去した。このようにして、１０ｍｍの厚みの自立ＧａＮ基板を得た。そして、このＧａＮ基板を、ワイヤーソウを用いて厚み４００μｍにスライスし、さらに表面を研磨することにより１０枚の２インチＧａＮ基板を得た。
【００５６】
（１−２） 比較例のＧａＮ基板の準備
主表面がｃ面となっているＧａＮ基板：
基本的に、上述した本発明によるＧａＮ基板と同様の製造方法により製造したが、用いた下地基板としてのＧａＡｓ基板が、その主表面の法線ベクトルに対して結晶方位［１１１］が平行になっている点が異なる。このような下地基板を用いることにより、得られた自立ＧａＮ基板では主表面の法線ベクトルと結晶方位［０００１］とが平行になっており、当該主表面は（０００１）面（ｃ面）と平行になっている。
【００５７】
主表面がｍ面となっているＧａＮ基板：
上記した主表面がｃ面となっているＧａＮ基板から、その主表面に対して垂直方向に厚さ４００μｍの基板を切出すことにより、主表面がｍ面となっているＧａＮ基板を準備した。
【００５８】
（２） 発光素子の形成
得られた本発明の実施例および比較例のＧａＮ基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図１１に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子のｎ型ＡｌＧａＮ中間層３１の厚みは５０ｎｍ、ｎ型ＧａＮバッファ層３２の厚みは２μｍ、発光層３３の厚みは５０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４の厚みは２０ｎｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層３５の厚みは５０ｎｍ、とした。また、ｎ電極３６としてはＡｌ／Ｔｉを用い、その厚みはそれぞれＡｌ：５００ｎｍ、Ｔｉ：５０ｎｍとした。また、ｐ電極３７については、材料をＰｔ／Ｔｉとし、厚みをＰｔ：５００ｎｍ、Ｔｉ：５０ｎｍとした。ｎ電極としては他に、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ（各厚み５００ｎｍ／１００ｎｍ／５０ｎｍ）、Ｐｔ／Ｔｉ（各厚み５００ｎｍ／５０ｎｍ）、Ａｕ／Ｔｉ（各厚み５００ｎｍ／５０ｎｍ）、ｐ電極としては他にＰｔ（厚み５００ｎｍ）、Ｎｉ（厚み５００ｎｍ）としてもよい。このような発光素子は、発光層３３としてＩｎＧａＮを含んでいるため、青色領域よりも波長の長い緑色領域の光を出射する。
【００５９】
（３） 測定内容
上述のようにして得られたＧａＮ基板について、当該基板のオフ角（ＧａＮ基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位［０００１］の傾斜方向および傾斜角度）を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、ＧａＮ基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。
【００６０】
（３−１） 測定方法
ＧａＮ基板のオフ角およびオフ角の値の分布の測定：
ＧａＮ基板のオフ角は、２結晶ＸＲＤ（X-ray diffraction）装置を用いて、スリットサイズ縦横ともに２００μｍで測定した。また、ＧａＮ基板内のオフ角の値の分布は、ＧａＮ基板の主表面について、基板の中心と、当該中心から＜１−１００＞方向ならびに＜１１−２０＞方向に各２０ｍｍ離れた４点の合計５点において上記ＸＲＤ装置を用いてオフ角の測定を行なった。中心から２０ｍｍ離れた４点の値と中心の値の差の絶対値の最大値をオフ角の分布の値とした。また、ＸＲＤでの測定精度は±０．０１°である。
【００６１】
ＧａＮ基板の転位密度の測定：
ＧａＮ基板について、ＳＥＭを用いたＣＬ（カソードルミネッセンス）を用いて、上記ＸＲＤと同じ５点について□１００μｍ内部の暗い点を数えて測定を行なった。
【００６２】
発光素子の発光光の波長と供給される電流量との測定：
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的には、室温で発光素子にパルス電流を印加して発光スペクトルを測定した。
【００６３】
（４） 測定結果
ＧａＮ基板のオフ角：
ＧａＮ基板のオフ角は、表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が、［１１−２０］方向にほぼ１８°傾斜したオフ角を示した。また、［１−１００］方向にほぼ０．０５°傾斜したオフ角を示した。また、この［１１−２０］方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±０．５°（−１７．５〜１８．５°）の範囲に入っていた。また、［１−１００］方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±０．３°の範囲に入っていた。
【００６４】
ＧａＮ基板の転位密度：
ＧａＮ基板の転位密度を測定したところ、当該転位密度はどの試料についても１×１０7（／ｃｍ2）以下であった。
【００６５】
発光素子の発光光の波長と供給される電流量との関係：
結果を図１２に示す。図１２は、発光素子に供給される電流と出射される光の波長との関係を示すグラフである。図１２からわかるように、本発明の実施例の発光素子の波長と電流量との関係は、発光素子に供給される電流量が大きくなるに従って出射される光の波長が短波長側にシフトしているものの、そのシフト量はほぼ７ｎｍ程度であった。これは、従来のＧａＮ基板、すなわち基板表面とＧａＮのｃ面とがほぼ平行になっているｃ面基板を用いて製造した比較例の発光素子における波長のシフト量が２０ｎｍ程度であるのに比べて小さくなっている。なお、図１２に示すｍ面基板を用いて製造した比較例の発光素子の場合は、ほとんど波長のシフトが起きていない。これはｍ面が無極性面であるため、発光層において内部電界の発生が無いと考えられるためである。
【実施例２】
【００６６】
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。すなわち、後述する試料ＩＤ１〜７０のＧａＮ基板を作成し、これらのＧａＮ基板の試料についてオフ角方向およびオフ角、さらにオフ角の面内分布、転位密度を測定した。さらに、各ＧａＮ基板を用いて発光素子を形成し、当該発光素子について投入電流値を変更することによる発光波長の変化量（ブルーシフト（Ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）：Δλ）、１０００時間経過時点での動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、ＧａＮ基板の面内における発光波長分布（σ）を測定した。以下、実験の内容を具体的に説明する。
【００６７】
（１） ＧａＮ基板の準備
全試料（試料ＩＤ１〜７０）について、上述した実施例１におけるＧａＮ基板の製造方法と基本的に同様の製造方法を用いてＧａＮ基板を得た。
【００６８】
下地基板：
試料ＩＤ１〜６５については、ＧａＮ基板を形成するための下地基板としてＧａＡｓ基板を用いた一方、試料ＩＤ６６〜７０については、下地基板としてＧａＡｓとは異なる材料の基板を用いた。具体的には、試料ＩＤ６６および６７について、下地基板としてサファイア基板を用い、試料ＩＤ６８〜７０のそれぞれについて、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板およびＧａＮ基板を用いた。各下地基板については、形成されるＧａＮ基板のオフ角方向が２方向になるように、ＧａＮ結晶膜が形成される主表面の法線方向に対して、面方位［０００１］が２方向に傾斜する傾斜角（オフ角）が適宜設定されている。
【００６９】
具体的には、ＧａＡｓ基板については、形成されるＧａＮ結晶膜の表面に対してＧａＮの面方位［０００１］が［１１−２０］方向および［１−１００］方向にそれぞれ傾斜するように、ＧａＡｓ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［１１１］が＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（＜１−１０＞方向のオフ角θ１および＜１１−２＞方向のオフ角θ２）は、それぞれ各試料ごとに変更されている。
【００７０】
また、サファイア基板については、形成されるＧａＮ結晶膜の表面に対してＧａＮの面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向にそれぞれ傾斜するように、サファイア基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１１−２０］方向および［１−１００］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１１−２０］方向でのオフ角θ１および［１−１００］方向でのオフ角θ２）は、試料ＩＤ６６についてはθ１＝θ２＝２６°、試料ＩＤ６７についてはθ１＝θ２＝４０°に設定した。
【００７１】
また、ＺｎＯ基板については、ＺｎＯ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７２】
また、ＳｉＣ基板については、ＳｉＣ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７３】
また、ＧａＮ基板については、ＧａＮ基板の主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］が［１−１００］方向および［１１−２０］方向に傾斜している。各方向（オフ角方向）での傾斜角度（［１−１００］方向でのオフ角θ１および［１１−２０］方向でのオフ角θ２）は、θ１＝θ２＝２６°に設定した。
【００７４】
また、試料ＩＤ１〜７０のすべてについて、下地基板の主表面上には実施例１の場合と同様に図７に示したストライプ状のパターンを有するマスク層を形成した。マスク層の厚みや線状パターンのサイズなどは、実施例１におけるマスク層と同様である。
【００７５】
成膜条件：
上述した下地基板の表面上に、後述する表１〜表１４に示すような条件でＧａＮ結晶層を形成した。すなわち、図９に示した成膜装置２０を用いて、ＨＶＰＥ法により下地基板の表面上にＧａＮ結晶層を形成した。下地基板の表面上のＧａＮ結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いＧａＮエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、後述する表１〜表１４に示すとおりとした。なお、下地基板としてＧａＮからなる基板を用いた試料ＩＤ７０については、バッファ層の成長は行なわず、下地基板上に直接ＧａＮエピタキシャル層を成長させた。
【００７６】
その後、研削により成膜したＧａＮ膜からＧａＡｓ基板などの下地基板を除去した。このようにして、１０ｍｍの厚みの自立ＧａＮ基板を得た。そして、このＧａＮ基板を、ワイヤーソウを用いて厚み４００μｍにスライスし、さらに表面を研磨することにより１０枚の２インチＧａＮ基板を得た。
【００７７】
（２） 発光素子の形成
得られた試料ＩＤ１〜７０のＧａＮ基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図１１に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子の各層の組成や厚みなどは、実施例１における発光素子と同様とした。
【００７８】
（３） 測定
上述のようにして得られたＧａＮ基板について、当該基板のオフ角（ＧａＮ基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位［０００１］の［１−１００］方向での傾斜角度（オフ角度θａ）および［１１−２０］方向での傾斜角度（オフ角度θｂ））を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、ＧａＮ基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。各データの測定方法は以下のとおりである。
【００７９】
ＧａＮ基板のオフ角およびオフ角の値の分布の測定：
ＧａＮ基板のオフ角は、ＸＲＤ（X-ray diffraction）装置を用いて、実施例１におけるオフ角の測定方法と同様の方法により測定した。また、ＧａＮ基板の面内でのオフ角の分布についても、実施例１における測定方法と同様の測定方法を用いて測定した。
【００８０】
ＧａＮ基板の転位密度の測定：
ＧａＮ基板について、ＳＥＭに取り付けたＣＬを用いて、実施例１における測定方法と同様の測定方法を用いて転位密度を測定した。
【００８１】
発光素子の発光波長の変化量（ブルーシフト：Δλ）の測定：
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的な測定方法は実施例１における測定方法と同様である。そして、発光素子に供給する電流の値が十分大きな値（具体的には２００ｍＡ）になったときの発光波長と、電流が１０ｍＡのときの発光波長との差異をブルーシフト（Ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ：Δλ（単位：ｎｍ））とした。
【００８２】
発光素子の１０００時間経過時点での動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）の測定：
作成した発光素子について、温度８０℃で、発光素子に１００ｍＡの電流を通電させるために必要な電圧を、動作開始当初での動作電圧と、１０００時間動作させた後の動作電圧として測定し、その増加分をΔＶｏｐ（単位：Ｖ）とした。
【００８３】
ＧａＮ基板の面内における発光波長分布（σ）の測定：
発光素子を形成するため、表面にエピタキシャル層を形成したＧａＮ基板について、面内の波長分布を測定した。具体的な測定方法としては、ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成し、エピタキシャル層上にｐ電極を形成した後、基板の中心と、当該中心から＜１−１００＞方向および＜１１−２０＞方向に各２０ｍｍ離れた４点の合計５点から、□５００μｍの発光素子を各点につき１０個づつ取出した。この結果得られた合計５０個の発光素子について、室温でパルス電流を印加して発光スペクトルを測定し、各点ごとに発光波長の平均値を算出した。そして、中心と他の４点とのそれぞれについての上記発光波長の平均値（５つのデータ）において、データの差の絶対値のうちもっとも大きい値を波長分布とした（単位はｎｍ）。
【００８４】
（４） 測定結果
以下、測定結果を示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
【表２】
【００８７】
試料ＩＤ１〜１８は、それぞれ下地基板について、主表面の法線ベクトルに対して基準面方位［１１１］を１つの方向（＜１−１０＞方向または＜１１−２＞方向）のみに傾斜させている。このため、形成されるＧａＮ基板においても、基本的に主表面の法線ベクトルに対して面方位［０００１］は［１１−２０］方向または［１−１００］方向に大きく傾斜している。
【００８８】
表１および表２から分かるように、下地基板のオフ角θ１またはθ２を１０°以上４０°以下にした場合（つまりＧａＮ基板のオフ角θａまたはθｂを１０°以上４０°以下にした場合）、ブルーシフトの値が小さくなっていることが分かる。
【００８９】
【表３】
【００９０】
【表４】
【００９１】
表３および表４は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を１０°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１０°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。表３および表４に示した実施例の試料では、表１および表２に示した比較例や参考例の試料に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっていることがわかる。この原因は明確ではないが、２つの方向についてオフ角を有する下地基板（ＧａＡｓ基板）を用いてＧａＮ結晶層を成長させると、下地基板からの構成成分の一部の外部への放出（たとえばＧａＡｓ基板の場合であればＡｓの放出）が抑制され、結果的に形成されるＧａＮ結晶層の結晶に歪が入ることが抑制されるためであるとも思われる。この結果、得られたＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、面内波長分布（σ）が小さくなっていると思われる。
【００９２】
【表５】
【００９３】
【表６】
【００９４】
表５および表６は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を１８°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１８°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【００９５】
【表７】
【００９６】
【表８】
【００９７】
表７および表８は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を２５°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を２５°前後に固定し、他方を０．０２°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【００９８】
【表９】
【００９９】
【表１０】
【０１００】
表９および表１０は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を２８°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を２８°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【０１０１】
【表１１】
【０１０２】
【表１２】
【０１０３】
表１１および表１２は、下地基板のオフ角θ１およびθ２の一方を４０°に固定し、他方を０．０３°以上１０°以下にした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を４０°前後に固定し、他方を０．０２°または０．０３°以上１０°以下にした場合）の測定結果を示している。
【０１０４】
【表１３】
【０１０５】
表１３では、下地基板のオフ角θ１およびθ２を２６°以上４５°以下（具体的には２６°、４０°、４５°）の範囲で変更した場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂを２６°以上４５°以下の範囲で変更した場合）を示している。表１３から分かるように、下地基板のオフ角θ１およびθ２のいずれか一方を４０°以上（具体的には４５°）にした場合、ＧａＮ結晶層を形成することができなかった。一方、下地基板のオフ角θ１およびθ２を４０°以下とした場合（つまり、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂを４０°以下とした場合）、いずれも表１および表２に示した比較例や参考例に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっている。
【０１０６】
上記の表３〜表１３に示した実施例の試料（具体的には、ＧａＮ基板のオフ角θａおよびθｂの一方を１０°以上４０°以下、他方を０．０２°以上４０°以下とした試料）は、表１および表２に示した比較例や参考例の試料に比べて、ＧａＮ基板のオフ角面内分布Δθａ、Δθｂや、動作電圧の増加量（ΔＶｏｐ）、さらに面内波長分布（σ）が小さくなっている。
【０１０７】
【表１４】
【０１０８】
表１４は、下地基板としてＧａＡｓ以外の材料からなる基板を用いた場合の試料について、ＧａＮの成膜条件や測定結果を示している。これらの試料ＩＤ６６〜７０の測定結果から分かるように、これらのＧａＡｓ基板以外の基板（サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板およびＧａＮ基板）を下地基板として用いても、ＧａＡｓ基板を下地基板として用いた場合と同様に２つのオフ角方向に面方位［０００１］が傾斜したＧａＮ基板を製造することができる。そして、得られたＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子は、ＧａＡｓ基板を下地基板として用いて製造されたＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子と同様の特性を示している。なお、表には記載していない、ＧａＡｓと同様のオフ角を有するサファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板を用いて作製したＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板を用いて製造された発光素子も、表１から表１３に示した特性と同様の特性を示した。
【０１０９】
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実施の形態および実施例では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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
この発明は、比較的長波長（５００ｎｍ以上の波長領域）の光を出射する発光素子などに用いられるＧａＮ基板、および当該ＧａＮ基板の表面上にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャル層付き基板、さらに当該ＧａＮ基板などを用いた半導体装置に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明によるＧａＮ基板を示す斜視模式図である。
【図２】図１に示したＧａＮ基板の結晶構造を説明するための模式図である。
【図３】図２に示したＧａＮ基板の結晶構造における面方位および結晶面を説明するための模式図である。
【図４】図１に示した本発明によるＧａＮ基板のオフ角方向における傾斜角度を説明するための模式図である。
【図５】図１に示したＧａＮ基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図５に示したフローチャートにおける準備工程の内容を説明するためのフローチャートである。
【図７】下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【図８】下地基板の主表面上に形成されるマスク層のマスクパターンを示す平面模式図である。
【図９】成膜工程（Ｓ２０）において用いる成膜装置を示す模式図である。
【図１０】図１に示した本発明によるＧａＮ基板を用いたエピタキシャル層付きの基板を示す斜視模式図である。
【図１１】本発明によるＧａＮ基板を用いた発光素子を示す断面模式図である。
【図１２】発光素子に供給される電流と出射される光の波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１２】
１ ＧａＮ基板、２ 法線ベクトル、３ ＧａＮ結晶層、５ 下地基板、１０ マスク層、１１，１２ 開口部、２０ 成膜装置、２２ 反応管、２３ Ｇａボート、２４ サセプタ、２６ ヒータ、２７，２８ 配管、３０ 発光素子、３１ ｎ型のＡｌＧａＮ中間層、３２ ｎＧａＮバッファ層、３３ 発光層、３４ ｐ型のＡｌＧａＮ層、３５ ｐ型のＧａＮバッファ層、３６ ｎ電極、３７ ｐ電極、４０ エピタキシャル層、４１ エピ基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面を有するＧａＮ基板であって、
前記主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している、ＧａＮ基板。
【請求項２】
前記主表面の法線ベクトルに対し前記面方位［０００１］が傾斜する２つの前記オフ角方向は、［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項１に記載のＧａＮ基板。
【請求項３】
前記主表面の法線ベクトルに対する前記面方位［０００１］の、前記［１−１００］方向における傾斜角度および前記［１１−２０］方向における傾斜角度のうちのいずれか一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下である、請求項２に記載のＧａＮ基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板の前記主表面上に形成されたエピタキシャル成長層とを備える、エピタキシャル層付き基板。
【請求項５】
請求項４に記載のエピタキシャル層付き基板を用いた半導体装置。
【請求項６】
主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程と、
前記下地基板の前記主表面上にＧａＮ結晶層を成長させる工程と、
前記ＧａＮ結晶層から前記下地基板を除去することにより、ＧａＮ結晶層からなるＧａＮ基板を得る工程とを備え、
前記ＧａＮ基板は、主表面を有し、前記主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜し、
前記下地基板における前記基準面方位の前記下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、前記ＧａＮ基板における前記面方位［０００１］の前記オフ角方向での傾斜角度が調整される、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項７】
前記下地基板はＧａＡｓ基板であり、
前記基準面方位は［１１１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項８】
前記下地基板はサファイア基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項９】
前記下地基板はＺｎＯ基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１０】
前記下地基板はＳｉＣ基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１１】
前記下地基板はＧａＮからなる基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１２】
前記ＧａＮ結晶層を成長させる工程に先立ち、前記下地基板の前記主表面上に複数の窓を有するマスク層を形成する工程をさらに備える、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記下地基板における前記２つの下地基板側傾斜方向における傾斜角度の一方が１０°以上４０°以下であり、他方が０．０２°以上４０°以下である、請求項６〜１２のいずれか１項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１】
主表面を有するＧａＮ基板であって、
前記主表面の法線ベクトルに対し、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜している、ＧａＮ基板。
【請求項２】
前記主表面の法線ベクトルに対し前記面方位［０００１］が傾斜する２つの前記オフ角方向は、［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項１に記載のＧａＮ基板。
【請求項３】
前記主表面の法線ベクトルに対する前記面方位［０００１］の、前記［１−１００］方向における傾斜角度および前記［１１−２０］方向における傾斜角度のうちのいずれか一方は１０°以上４０°以下であり、他方は０．０２°以上４０°以下である、請求項２に記載のＧａＮ基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板の前記主表面上に形成されたエピタキシャル成長層とを備える、エピタキシャル層付き基板。
【請求項５】
請求項４に記載のエピタキシャル層付き基板を用いた半導体装置。
【請求項６】
主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる２つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程と、
前記下地基板の前記主表面上にＧａＮ結晶層を成長させる工程と、
前記ＧａＮ結晶層から前記下地基板を除去することにより、ＧａＮ結晶層からなるＧａＮ基板を得る工程とを備え、
前記ＧａＮ基板は、主表面を有し、前記主表面の法線ベクトルに対して、面方位［０００１］が互いに異なる２つのオフ角方向に傾斜し、
前記下地基板における前記基準面方位の前記下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、前記ＧａＮ基板における前記面方位［０００１］の前記オフ角方向での傾斜角度が調整される、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項７】
前記下地基板はＧａＡｓ基板であり、
前記基準面方位は［１１１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は＜１−１０＞方向および＜１１−２＞方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項８】
前記下地基板はサファイア基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１１−２０］方向および［１−１００］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項９】
前記下地基板はＺｎＯ基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１０】
前記下地基板はＳｉＣ基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１１】
前記下地基板はＧａＮからなる基板であり、
前記基準面方位は［０００１］であり、
前記２つの下地基板側傾斜方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向であり、
前記ＧａＮ基板の前記２つのオフ角方向は［１−１００］方向および［１１−２０］方向である、請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１２】
前記ＧａＮ結晶層を成長させる工程に先立ち、前記下地基板の前記主表面上に複数の窓を有するマスク層を形成する工程をさらに備える、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記下地基板における前記２つの下地基板側傾斜方向における傾斜角度の一方が１０°以上４０°以下であり、他方が０．０２°以上４０°以下である、請求項６〜１２のいずれか１項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【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２００９−１８９８３（Ｐ２００９−１８９８３Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１０７００（Ｐ２００７−３１０７００）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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