CN105658849A - 氮化镓自立基板、发光元件及它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板由多个氮化镓系单晶粒子构成。该氮化镓自立基板可以通过包含如下工序的方法制造：准备取向多晶烧结体，在取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，形成的晶种层的晶体取向与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，在晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，形成的由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与晶种层的晶体取向基本一致，除去取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。根据本发明，能够提供廉价且适合大面积化、作为氮化镓单晶基板的替代材料有用的氮化镓自立基板。

Description

氮化镓自立基板、发光元件及它们的制造方法
技术领域
本发明涉及氮化镓自立基板、发光元件和它们的制造方法。
背景技术
作为使用单晶基板的发光二极管(LED)等发光元件，已知在蓝宝石(α－氧化铝单晶)上形成了各种氮化镓(GaN)层的发光元件。例如，已经开始批量生产具有在蓝宝石基板上依次层叠n型GaN层、多量子阱层(MQW)、以及p型GaN层而形成的结构的产品，所述多量子阱层(MQW)是包含InGaN层的量子阱层和包含GaN层的势垒层交替层叠而成的。另外，还提出了适合这样的用途的层叠基板。例如，专利文献1(日本特开2012－184144号公报)中，提出了一种氮化镓结晶层叠基板，该氮化镓结晶层叠基板包含蓝宝石基底基板和在该基板上进行结晶生长而形成的氮化镓结晶层。
但是，在蓝宝石基板上形成GaN层的情况下，因为GaN层与作为异种基板的蓝宝石之间晶格常数和热膨胀率不一致，所以容易发生位错。另外，因为蓝宝石是绝缘性材料，所以无法在其表面形成电极，从而无法构成在元件的正反面都包括电极的纵型结构的发光元件。于是，人们关注在氮化镓(GaN)单晶上形成了各种GaN层的LED。如果是GaN单晶基板，则因为材质与GaN层相同，所以容易匹配晶格常数和热膨胀率，与使用蓝宝石基板的情况相比能够期待性能的提高。例如，在专利文献2(日本特开2010－132556号公报)中，公开了厚度为200μm以上的自立n型氮化镓单晶基板。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－184144号公报
专利文献2：日本特开2010－132556号公报
发明内容
但是，单晶基板一般面积小且价格高。特别是虽然要求降低使用大面积基板的LED的制造成本，但批量生产大面积的单晶基板并不容易，还会使其制造成本进一步增加。因此希望找到能够作为氮化镓等单晶基板的替代材料的廉价材料。
本发明的发明人最近发现能够制作廉价且适合大面积化的氮化镓自立基板作为氮化镓单晶基板的替代材料。
因此，本发明的目的在于提供廉价且适合大面积化的、作为氮化镓单晶基板的替代材料有用的氮化镓自立基板。
根据本发明的一个方式，提供一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板由多个氮化镓系单晶粒子构成。
根据本发明的另一方式，提供一种发光元件，包括：
本发明的氮化镓自立基板，
发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
根据本发明的又一方式，提供一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
准备取向多晶烧结体，
在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
在上述晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
根据本发明的又一方式，提供一种发光元件的制造方法，包括如下工序：
准备本发明的氮化镓自立基板，或根据本发明的的方法准备上述氮化镓自立基板，
在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
特别是根据本发明，提供以下的优选方式。
[项1]
一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由多个氮化镓系单晶粒子构成的，其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，在上述氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT与在上述氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DB之比DT/DB大于1.0。
[项2]
根据项1所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
[项3]
根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为3μm以上。
[项4]
根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为20μm以上。
[项5]
根据项1～4中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的厚度为20μm以上。
[项6]
根据项1～5中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的尺寸为直径100mm以上。
[项7]
根据项1～6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。
[项8]
根据项1～7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子掺杂有n型掺杂物或p型掺杂物。
[项9]
根据项1～7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子不含掺杂物。
[项10]
根据项1～9中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子被混晶化。
[项11]
根据项1～10中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述比DT/DB为1.5以上。
[项12]
根据项1～11中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/DT为0.7以上，上述纵横尺寸比T/DT被规定为上述氮化镓自立基板的厚度T与在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT的比值。
[项13]
一种发光元件，包括：
项1～12中的任一项所述的氮化镓自立基板，
发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上、在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[项14]
根据项13所述的自立的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子在上述发光功能层最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
[项15]
根据项14所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为3μm以上。
[项16]
根据项13～15中的任一项所述的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子具有与上述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
[项17]
根据项13～16中的任一项所述的发光元件，其中，上述发光功能层由氮化镓系材料构成。
[项18]
一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
准备取向多晶烧结体，
在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
在上述晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板，
其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，在上述氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT与在上述氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DB之比DT/DB大于1.0。
[项19]
根据项18所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
[项20]
根据项18或19所述的方法，其中，构成上述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平均粒径为0.3～1000μm。
[项21]
根据项18～20中的任一项所述的方法，其中，上述由氮化镓系结晶构成的层通过Na助熔剂法形成。
[项22]
根据项18～21中的任一项所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体具有透光性。
[项23]
一种发光元件的制造方法，包括如下工序：
准备项1～12中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项18～22中的任一项所述的方法准备上述氮化镓自立基板，
在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[项24]
根据项23所述的方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
[项25]
一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由多个氮化镓系单晶粒子构成的，其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表面的截面平均直径为20μm～1000μm。
[项26]
根据项25所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为50μm～500μm。
[项27]
根据项25或26所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的厚度为20μm以上。
[项28]
根据项25～27中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的尺寸为直径100mm以上。
[项29]
根据项25～28中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。
[项30]
根据项25～29中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子掺杂有n型掺杂物或p型掺杂物。
[项31]
根据项25～29中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子不含掺杂物。
[项32]
根据项25～31中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子被混晶化。
[项33]
根据项25～32中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，在氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT与在氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DB之比DT/DB大于1.0。
[项34]
根据项25～33中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/DT为0.7以上，上述纵横尺寸比T/DT被规定为上述氮化镓自立基板的厚度T与在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT的比值。
[项35]
一种发光元件，包括：
项25～34中的任一项所述的氮化镓自立基板，
发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[项36]
根据项35所述的自立的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子在上述发光功能层最外表面的截面平均直径为20μm以上。
[项37]
根据项36所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为50μm以上。
[项38]
根据项35～37中的任一项所述的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子具有与上述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
[项39]
根据项35～38中的任一项所述的发光元件，其中，上述发光功能层由氮化镓系材料构成。
[项40]
一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
准备取向多晶烧结体，
在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
在上述晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板，
其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表面的截面平均直径为20μm～1000μm。
[项41]
根据项40所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
[项42]
根据项40或41所述的方法，其中，构成上述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平均粒径为0.3～1000μm。
[项43]
根据项40～42中的任一项所述的方法，其中，上述由氮化镓系结晶构成的层通过Na助熔剂法形成。
[项44]
根据项40～43中的任一项所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体具有透光性。
[项45]
一种发光元件的制造方法，包括下述工序：
准备项25～34中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项40～44中的任一项所述的方法准备上述氮化镓自立基板，
在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[项46]
根据项45所述的方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
附图说明
图1是表示使用本发明的氮化镓自立基板制作的纵型发光元件之一例的示意截面图。
图2是例4中测定的氮化镓结晶的截面的取向成像图(反极图)。
图3是例4中测定的氮化镓结晶的板表面(表面)的取向成像图(反极图)。
图4是例4中测定的氮化镓结晶和取向氧化铝基板的界面附近的晶粒图(crystalgrainmapping)。
图5是例4和例5中考察的氮化镓结晶的生长行为的概念图。
图6是例5中测定的氮化镓结晶的截面的取向成像图(反极图)。
具体实施方式
氮化镓自立基板
本发明的氮化镓基板可具有自立基板的形态。本发明中“自立基板”是指对其进行处理或使用时不会因自重而变形或破损，能够作为固体物进行处理的基板。本发明的氮化镓自立基板能够用作发光元件等各种半导体器件的基板，除此之外，还可以用作电极(可以是p型电极或n型电极)、p型层、n型层等基材以外的部件或层。应予说明，在以下的说明中，以作为主要用途之一的发光元件为例说明本发明的优点，但在无损技术整合性的范围内，相同或近似的优点也适用于其他半导体器件。
本发明的氮化镓自立基板由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由多个氮化镓系单晶粒子构成的。即，氮化镓自立基板由在水平面方向二维联结的多个半导体单晶粒子构成，因此在大致法线方向具有单晶结构。因此，氮化镓自立基板虽然整体并非单晶，但是在局部的畴单位具有单晶结构，所以能够具有足够高的结晶性来确保发光功能等器件特性。尽管如此，但本发明的氮化镓自立基板并非单晶基板。如前所述，单晶基板一般面积小且价格高。特别是虽然近些年来要求降低使用大面积基板的LED的制造成本，但批量生产大面积的单晶基板并不容易，还会使其制造成本进一步增加。这些缺点只要使用本发明的氮化镓自立基板即可避免。即，根据本发明，能够提供廉价且适合大面积化、作为氮化镓单晶基板的替代材料有用的氮化镓自立基板。另外，通过将导入p型或n型掺杂物而赋予了导电性的氮化镓制成基板，能够实现纵型结构的发光元件，从而能够提高亮度。而且，也能够低成本地实现用于面发光照明等的大面积的面发光元件。特别是使用本发明的氮化镓自立基板制作纵型LED结构的情况下，因为构成自立基板的多个氮化镓系单晶粒子在大致法线方向具有单晶结构，所以在电流通道中不存在高电阻的晶界，结果，预期能够得到理想的发光效率。就此点而言，对于在法线方向也存在晶界的取向多晶基板，因为即使制成纵型结构，在电流通道中也存在高电阻晶界，所以发光效率可能会降低。从这些观点考虑，本发明的氮化镓自立基板也能够优选用于纵型LED结构。
优选构成自立基板的多个氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。“晶体取向基本对齐大致法线方向”并不一定限定于晶体取向完全对齐法线方向，只要能够确保使用自立基板的发光元件等器件所希望的器件特性，也可以是晶体取向在某种程度上对齐法线或接近法线的方向。如果基于制法来表述，则可以说氮化镓系单晶粒子具有与制造氮化镓自立基板时用作基底基材的取向多晶烧结体的晶体取向基本一致地生长而成的结构。“与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致地生长而成的结构”是指受到取向多晶烧结体晶体取向的影响而结晶生长所形成的结构，并不一定限定于与取向多晶烧结体的晶体取向完全一致地生长而成的结构，只要能够确保使用自立基板的发光元件等器件所希望的器件特性，也可以是与取向多晶烧结体的晶体取向在某种程度上一致地生长而成的结构。即，该结构也包括以与取向多晶烧结体不同的晶体取向生长的结构。从这个意义上讲，“与晶体取向基本一致地生长而成的结构”这种表述方式也可以说成是“以基本衍生晶体取向的方式生长而成的结构”，该改述方式及上述定义同样适用于本说明书中的类似表述方式。因此，这样的结晶生长优选外延生长，但并不限定于此，也可以是与之类似的各种结晶生长形态。不管哪种均可通过像这样地生长，使氮化镓自立基板具有晶体取向基本对齐大致法线方向的结构。
因此，氮化镓自立基板还可以看作是柱状结构的氮化镓系单晶粒子的集合体，其在法线方向观察时观察到单晶，从水平面方向的切面观察时观察到晶界。此处，“柱状结构”不仅是指典型的纵长柱状，还定义为横长形状、梯形形状和倒梯形形状等包含各种形状的含义。但是，如上所述，氮化镓自立基板只要是晶体取向在某种程度上对齐法线或接近法线的方向的结构即可，没有必要一定严格定义为柱状结构。认为成为柱状结构的原因是因为，如上所述，氮化镓单晶粒子的生长受到了制造氮化镓自立基板时使用的取向多晶烧结体的晶体取向的影响。因此，认为也可以称之为柱状结构的氮化镓单晶粒子的截面的平均粒径(以下称为截面平均直径)不仅取决于成膜条件，还取决于取向多晶烧结体的板表面的平均粒径。将氮化镓自立基板用作发光元件的发光功能层中的一部分的情况下，因存在晶界而导致截面方向的光的透过率差，光发生散射甚至反射。因此，在法线方向透出光的结构的发光元件的情况下，还可以期待通过来自晶界的散射光提高亮度的效果。
如上所述，使用本发明的氮化镓自立基板制成纵型LED结构的情况下，优选要形成发光功能层的自立基板表面与要形成电极的自立基板背面不夹隔晶界地连通。即，在氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子优选不夹隔晶界地连通到氮化镓自立基板的背面。如果存在晶界，则因为在通电时产生电阻而成为发光效率降低的主要原因。
但是，利用介由气相、液相的外延生长，使氮化镓结晶生长的情况下，虽然也取决于成膜条件，但是不仅在法线方向生长，也在水平方向生长。此时，若作为生长起点的粒子、在其上制作的晶种的品质不均，则各个氮化镓结晶的生长速度各异，如例如图5中概念性地表示的那样，有时以高速生长的粒子覆盖生长速度慢的粒子的方式进行生长。在进行这样的生长行为的情况下，基板表面侧的粒子容易具有大于基板背面侧的粒子的粒径。这种情况下，生长慢的结晶在中途停止生长，如果在某一截面观察，则在法线方向也能够观测到晶界。但是，在基板表面露出的粒子不夹隔晶界地与基板背面连通，对于电流流通不存在电阻相。换言之，将氮化镓结晶成膜后，在基板表面侧(制造时与作为基底基板的取向多晶烧结体相接的一侧的相反侧)露出的粒子中，不夹隔晶界地与背面连通的粒子处于支配地位，所以从提高纵型结构的LED的发光效率的观点考虑，优选在基板表面侧制作发光功能层。另一方面，因为在基板背面侧(制造时与作为基底基板的取向多晶烧结体相接的一侧)还并存有没有与基板表面侧连通的粒子(例如参见图5)，所以如果在基板背面侧制作发光功能层，则发光效率有可能降低。另外，如上所述进行这样的生长行为的情况下，随着生长而粒径增大，所以氮化镓自立基板的表面背面中，可以将氮化镓结晶粒径大者称为基板表面侧、将氮化镓结晶粒径小者称为基板背面侧。即，在氮化镓自立基板中，从提高纵型结构的LED的发光效率的观点考虑，优选在氮化镓结晶粒径大的一侧(基板表面侧)制作发光功能层。应予说明，基底基板使用以c面等取向的取向多晶氧化铝烧结体的情况下，基板表面侧(制造时与作为基底基板的取向多晶氧化铝烧结体相接的一侧的相反侧)为镓面，基板背面侧(制造时与作为基底基板的取向多晶氧化铝烧结体相接的一侧)为氮面。即，氮化镓自立基板的镓面中，不夹隔晶界地与背面连通的粒子处于支配地位。因此，从提高纵型结构的LED的发光效率的观点考虑，优选在镓面侧(基板表面侧)制作发光功能层。
因此，在进行基板表面侧的粒子的粒径比基板背面侧的粒子大这样的生长行为的情况下，即在基板表面露出的氮化镓系单晶粒子的截面平均直径比在基板背面露出的氮化镓系单晶粒子的截面平均直径大时，发光效率提高，故而优选(也可以说优选在基板表面露出的氮化镓系单晶粒子的个数比在基板背面露出的氮化镓系单晶粒子的个数少)。具体而言，在氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径(以下称为基板表面的截面平均直径DT)与在氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径(以下称为基板背面的截面平均直径DB)之比DT/DB优选大于1.0，更优选为1.5以上，进一步优选为2.0以上，特别优选为3.0以上，最优选为5.0以上。但是，如果上述比DT/DB过高，则有时发光效率反而降低，所以优选为20以下，更优选为10以下。发光效率发生变化的原因尚未阐明，认为是因为如果上述比DT/DB高，则通过大粒径化减少了对发光无益的晶界面积，或者通过大粒径化减少了结晶缺陷。结晶缺陷减少的原因也尚未阐明，认为可能是因为包含缺陷的粒子生长慢，缺陷少的粒子高速生长。另一方面，如果上述比DT/DB过高，则基板表面和基板背面间连通的粒子(即在基板表面侧露出的粒子)在基板背面侧附近截面直径变小。认为这会导致无法获得充分的电流通道，使得发光效率降低，但是详情尚未阐明。
但是，因为构成氮化镓自立基板的柱状结构彼此的界面的结晶性降低，所以用作发光元件的发光功能层的情况下，发光效率降低，发光波长变化，发光波长可能变宽。因此，柱状结构的截面平均直径大比较理想。优选半导体单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径为0.3μm以上，更优选为3μm以上，进一步优选为20μm以上，特别优选为50μm以上，最优选为70μm以上。半导体单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径的上限没有特别限定，但1000μm以下比较实际，更实际的是500μm以下，更为实际的是200μm以下。另外，为了制作具有这样的截面平均直径的半导体单晶粒子，使构成制作氮化镓自立基板时使用的取向多晶烧结体的粒子在板表面的烧结粒径为0.3μm～1000μm较为理想，更理想的是3μm～1000μm，更为理想的是10μm～200μm，特别理想的是14μm～200μm。或者，欲使半导体单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径大于自立基板背面的截面平均直径的情况下，优选使构成取向多晶烧结体的粒子在板表面的烧结粒径为10μm～100μm，更优选为14μm～70μm。
构成氮化镓自立基板的氮化镓系单晶粒子也可以不含有掺杂物。此处，“不含有掺杂物”是指不含有为了赋予某种功能或特性而添加的元素，当然可以含有不可避免的杂质。或者，构成氮化镓自立基板的氮化镓系单晶粒子可以掺杂n型掺杂物或p型掺杂物，这种情况下，可以将氮化镓自立基板用作p型电极、n型电极、p型层、n型层等基材以外的部件或层。作为p型掺杂物的优选例，可以举出从由铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、锌(Zn)和镉(Cd)构成的组中选出的1种以上。作为n型掺杂物的优选例，可以举出从由硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和氧(O)构成的组中选出的1种以上。
为了控制带隙，可以将构成氮化镓自立基板的氮化镓系单晶粒子混晶化。优选的是，氮化镓单晶粒子可以包含与从由AlN和InN构成的组中选出的1种以上结晶混晶化的氮化镓，p型氮化镓和/或n型氮化镓单晶粒子可以在该混晶化的氮化镓中掺杂p型掺杂物或n型掺杂物。例如，可以通过在作为氮化镓和AlN的混晶的AlxGa1－xN中掺杂Mg而用作p型基板，通过在AlxGa1－xN中掺杂Si而用作n型基板。将自立基板用作发光元件的发光功能层的情况下，通过将氮化镓与AlN混晶化，能够使带隙变宽，发光波长移向高能量侧。另外，也可以将氮化镓与InN制成混晶，由此能够使带隙变窄，发光波长移向低能量侧。
氮化镓自立基板的尺寸优选为直径50.8mm(2英寸)以上，更优选为直径100mm(4英寸)以上，进一步优选为直径200mm(8英寸)以上。因为氮化镓自立基板越大，能够制作的元件个数越多，所以从制造成本的观点考虑是优选的，从用作面发光元件的观点考虑，因为元件面积的自由度增加，用途扩展至面发光照明等，所以也是优选的，对其面积、尺寸不应规定上限。应予说明，氮化镓自立基板在俯视观察时优选为圆形或者实质上为圆形，但是并不限定于此。在不是圆形或者不是实质上为圆形的情况下，作为面积，优选为2026mm2以上，更优选为7850mm2以上，进一步优选为31400mm2以上。但是，对于不需要大面积的用途，也可以为比上述范围小的面积，例如可以是直径50.8mm(2英寸)以下，按面积换算为2026mm2以下。氮化镓自立基板的厚度必须能够赋予基板自立性，优选为20μm以上，更优选为100μm以上，进一步优选为300μm以上。氮化镓自立基板的厚度不应限定上限，从制造成本的观点考虑，3000μm以下比较实际。
规定为氮化镓自立基板的厚度T与在氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT之比的纵横尺寸比T/DT优选为0.7以上，更优选为1.0以上，进一步优选为3.0以上。在制成LED的情况下，从提高发光效率的观点考虑优选该纵横尺寸比。作为发光效率提高的原因，认为是对于纵横尺寸比高的粒子，氮化镓中的缺陷密度低，光的导出效率提高等，但是其详情尚未阐明。
如上所述，从提高发光效率的观点考虑，优选：(1)在自立基板表面侧(制造时与作为基底基板的取向多晶烧结体相接一侧的相反侧)制作发光功能层，(2)使基板表面的截面平均直径DT与自立基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB为适当的值，(3)构成自立基板的粒子在基板最外表面的截面平均直径大，(4)构成自立基板的粒子的纵横尺寸比T/DT大。从上述(3)和(4)的观点考虑，优选截面平均直径大且纵横尺寸比大，换言之，优选基板表面侧的截面平均直径大且厚的氮化镓结晶。另外，从自立化的观点考虑，优选氮化镓自立基板的厚度为20μm以上，更优选为100μm以上，进一步优选为300μm以上。但是，如上所述，如果氮化镓结晶的厚度增加，则从成本的观点考虑并不优选，在能够自立的前提下优选较薄。即，作为氮化镓自立基板的厚度，3000μm以下比较实际，优选为600μm以下，更优选为300μm以下。因此，从同时实现使其自立化且提高发光效率的观点和成本的观点考虑，厚度优选为50～500μm的程度，更优选为50～300μm的程度。
制造方法
本发明的氮化镓自立基板可以如下制造：(1)准备取向多晶烧结体，(2)在取向多晶烧结体上，形成包含氮化镓的晶种层，形成的晶种层的晶体取向与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，(3)在晶种层上形成厚度20μm以上的、由氮化镓系结晶构成的层，形成的由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与晶种层的晶体取向基本一致，(4)除去取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
(1)取向多晶烧结体
作为用于制作氮化镓自立基板的基底基板，准备取向多晶烧结体。取向多晶烧结体的组成没有特别限定，优选从取向多晶氧化铝烧结体、取向多晶氧化锌烧结体、取向多晶氮化铝烧结体中选出的1种。取向多晶烧结体可以使用能够商业购买的板状粉末经成型和烧成而有效率地制造，所以不仅能够低成本地制造，而且容易成型，故而也适合大面积化。根据本发明的发明人的理解，将取向多晶烧结体用作基底基板，使多个半导体单晶粒子在其上生长，由此能够制造适合低成本地制造大面积发光元件的氮化镓自立基板。结果，氮化镓自立基板也极适合低成本地制造大面积的发光元件。
取向多晶烧结体由包含大量单晶粒子而构成的烧结体形成，大量的单晶粒子在一定方向以某种程度取向或高度取向。通过使用像这样地取向的多晶烧结体，能够制作晶体取向基本对齐大致法线方向的氮化镓自立基板，通过外延生长或类似的结晶生长在氮化镓自立基板上形成氮化镓系材料的情况下，实现晶体取向基本对齐大致法线方向的状态。因此，如果将这样的取向性高的氮化镓自立基板用作发光元件用基板，则能够同样地将发光功能层形成为晶体取向基本对齐大致法线方向的状态，并能够实现与使用单晶基板时相同的高发光效率。或者，在将该取向性高的氮化镓自立基板用作发光元件的发光功能层的情况下，也能够实现与使用单晶基板时相同的高发光效率。为了制作这样的取向性高的氮化镓自立基板，均必须将取向多晶烧结体用作基底基板。取向多晶烧结体优选具有透光性，但并不限定于此。具有透光性的情况下，在除去取向多晶板之际，可以使用激光剥离等方法。作为得到取向多晶烧结体的制造方法，除了使用大气炉、氮气气氛炉、氢气气氛炉等的常用常压烧结法，还可以使用热等静压法(HIP)、热压法(HP)、放电等离子烧结(SPS)等加压烧结法、以及上述方法的组合。
取向多晶烧结体的尺寸优选为直径50.8mm(2英寸)以上，更优选为直径100mm(4英寸)以上，进一步优选为直径200mm(8英寸)以上。取向多晶烧结体越大，能够制作的氮化镓自立基板的面积越增加，能够由此制作的发光元件的个数越增加，所以从制造成本的观点考虑是优选的。另外，从用作面发光元件的观点考虑，元件面积的自由度增加，用途扩展至面发光照明等，从这一点考虑也是优选的，对其面积或尺寸不应限定上限。应予说明，氮化镓自立基板在俯视观察时优选为圆形或者实质上为圆形，但是并不限定于此。在不是圆形或者不是实质上为圆形的情况下，作为面积，优选为2026mm2以上，更优选为7850mm2以上，进一步优选为31400mm2以上。但是，对于不需要大面积的用途，也可以为比上述范围小的面积，例如可以是直径50.8mm(2英寸)以下，按面积换算为2026mm2以下。取向多晶烧结体的厚度只要能够自立即可，没有特别限定，如果过厚，从制造成本的观点考虑是不优选的。因此，优选为20μm以上，更优选为100μm以上，进一步优选为100～1000μm。另一方面，将氮化镓成膜时，在因氧化铝和氮化镓的热膨胀差而产生的应力作用下，基板整体发生翘曲，有时会影响后续工序。应力根据氮化镓的成膜方法、成膜条件、取向多晶烧结体的材质、膜厚、基板径等而变化，作为抑制应力导致的翘曲的方法之一，可以使用厚的取向多晶烧结体作为基底基板。例如作为基底的取向多晶烧结体使用取向多晶氧化铝烧结体，制作直径50.8mm(2英寸)、厚度300μm的氮化镓自立基板时，可以使取向多晶氧化铝烧结体的厚度为900μm以上，也可以为1300μm以上或者2000μm以上。只要像这样地从制造成本的观点和抑制翘曲的观点等出发，适当选定取向多晶烧结体的厚度即可。
构成取向多晶烧结体的粒子在板表面的平均粒径优选为0.3～1000μm，更优选为3～1000μm，进一步优选为10μm～200μm，特别优选为14μm～200μm。或者，如上所述，考虑使半导体单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径大于自立基板的背面的截面平均直径的情况下，优选使构成取向多晶烧结体的粒子在板表面的烧结粒径为10μm～100μm，更优选为14μm～70μm。取向多晶烧结体整体的平均粒径与板表面的平均粒径相关，如果在上述范围内，则烧结体的机械强度优异，容易操作。另外，在使用取向多晶烧结体制作的氮化镓自立基板的上部和/或内部形成发光功能层而制作发光元件的情况下，发光功能层的发光效率也优异。应予说明，本发明的烧结体粒子在板表面的平均粒径是通过以下方法测定的。即，对板状烧结体的板表面进行研磨，通过扫描电子显微镜拍摄图像。如下确定视野范围，即，在得到的图像的对角线画直线时，任一直线均穿过10个～30个粒子，以能够画出上述直线的范围为视野范围。在得到的图像的对角线画2条直线，对于直线穿过的全部粒子，求出各粒子内侧的线段长度的平均值，该平均值乘以1.5得到的值为板表面的平均粒径。应予说明，在板表面的扫描显微镜像中无法明确判别出烧结体粒子的界面的情况下，可以在通过热蚀刻(例如1550℃下45分钟)、化学蚀刻，实施使界面变得显著的处理后，进行上述评价。
作为特别优选的取向多晶烧结体，可以举出取向多晶氧化铝烧结体。氧化铝是三氧化二铝(Al2O3)，典型的是具有与单晶蓝宝石相同的刚玉型结构的α－氧化铝，取向多晶氧化铝烧结体是无数氧化铝结晶粒子以取向后的状态经烧结而彼此结合得到的固体。氧化铝结晶粒子是含有氧化铝而构成的粒子，可以包含掺杂物和不可避免的杂质作为其他元素，也可以是包含氧化铝和不可避免的杂质的粒子。取向多晶氧化铝烧结体可以作为晶界相含有作为烧结助剂的添加物。另外，取向多晶氧化铝烧结体除了氧化铝结晶粒子以外，还可以含有其他相或上述其他元素，优选包含氧化铝结晶粒子和不可避免的杂质。另外，取向多晶氧化铝烧结体的取向面没有特别限定，可以为c面、a面、r面或m面等。
取向多晶氧化铝烧结体的晶体取向没有特别限定，可以为c面、a面、r面或m面等，从晶格常数与氮化镓自立基板匹配的观点来看优选以c面取向。对于取向度，例如在板表面的取向度优选为50％以上，更优选为65％以上，进一步优选为75％以上，特别优选为85％，更特别优选为90％以上，最优选为95％以上。该取向度是如下得到的：使用XRD装置(例如株式会社理学制、RINT－TTRIII)，测定对板状氧化铝的板表面照射X射线时的XRD图谱，由下式算出取向度。
p 0 = I 0 ( h k l ) ΣI 0 ( h k l )
p = I s ( h k l ) ΣI s ( h k l )
(I0(hkl)，IS(hkl)分别表示ICDDNo.461212以及试样的(hkl)面的衍射强度的积分值(2θ＝20～70°))
应予说明，氮化镓自立基板的构成粒子的结晶性有提高的趋势，能够将位错等缺陷的密度抑制在较低水平。因此，认为在发光器件等某些用途方面，相比氮化镓单晶基板，更优选使用氮化镓自立基板。例如通过外延生长，在氮化镓自立基板上制作功能层的情况下，功能层与作为基底的氮化镓自立基板基本一致地生长，成为柱状结构的集合体。因为外延生长时会继承基底的结晶品质，所以构成功能层的柱状结构的各畴单位能够得到高结晶品质。构成氮化镓自立基板的结晶粒子的缺陷密度低的理由尚未阐明，推测是因为在氮化镓自立基板的制作初期出现的晶格缺陷中，偏向水平方向发展者随着生长而被晶界吸收，并消失。
从降低氮化镓自立基板中所包含的位错等缺陷的密度的观点来看，更优选在制作氮化镓自立基板时，将构成作为基底基板的取向多晶烧结体的最外表面的粒子中的一部分或全部配置成自一定方位(例如c面、a面等基准方位)随机倾斜若干角度。倾斜的粒子可以是其中的大致全部或一定量以大体一定的角度倾斜，或者以在一定范围内(优选为0.01～20°)具有分布的各种角度及/或向各种方向倾斜。另外，倾斜的粒子与没有倾斜的粒子可以以所希望的比率混存。或者，也可以相对于基准面倾斜地研磨取向多晶氧化铝烧结体的板表面，使粒子的露出面向一定方向倾斜，还可以通过加工成波浪形状等，使最外表面的粒子的自基准方位略有倾斜的面露出。上述任一情况下，均优选将构成以c面、a面等基准方位取向的取向多晶氧化铝烧结体的最外表面的氧化铝单晶粒子中的一部分或全部倾斜配置成它们的基准方位自基板法线方向在0.5～20°的范围内发生偏离。
取向多晶氧化铝烧结体可以通过将板状氧化铝粉末用作原料，进行成型和烧结来制造。板状氧化铝粉末在市面上有售，可通过商业途径购买。板状氧化铝粉末的种类和形状只要能够得到致密的取向多晶氧化铝烧结体即可，没有特别限定，可以使平均粒径为0.4～15μm、厚度为0.05～1μm，也可以将在该范围内的平均粒径不同的2种以上原料混合。优选通过使用剪切力的手法使板状氧化铝粉末取向，制成取向成型体。作为使用剪切力的手法的优选例，可以举出带成型、挤压成型、刮刀法以及这些方法的任意组合。使用剪切力的取向手法优选如下进行：在以上列举的任一手法中，在板状氧化铝粉末中适当加入粘合剂、增塑剂、分散剂、分散介质等添加物，进行浆料化，使该浆料通过狭缝状的狭窄的喷出口，从而在基板上喷出并成型为片材状。喷出口的狭缝宽度优选为10～400μm。应予说明，分散介质的量优选为使浆料粘度为5000～100000cP、更优选为20000～60000cP的量。成型为片材状的取向成型体的厚度优选为5～500μm，更优选为10～200μm。优选将该成型为片材状的取向成型体多张层叠，制成具有所希望的厚度的层叠前体，对该层叠前体实施加压成型。该加压成型优选如下进行：将层叠前体用真空包装等包装，在50～95℃的温水中以10～2000kgf/cm2的压力实施静水压加压。另外，也可以通过辊加压法(例如加热辊加压、压延辊等)对成型为片材状的取向成型体或者层叠前体实施处理。另外，在利用挤压成型的情况下，也可以对模具内的流路进行设计，从而在模具内通过狭窄的喷出口后，片材状的成型体在模具内被一体化，成型体以层叠的状态排出。优选根据公知的条件对得到的成型体实施脱脂。除了使用大气炉、氮气气氛炉、氢气气氛炉等的常用常压烧成，通过热等静压法(HIP)、热压法(HP)、放电等离子烧结(SPS)等加压烧结法和这些方法的组合方法对如上所述地得到的取向成型体进行烧成，使氧化铝结晶粒子取向，形成包含取向氧化铝结晶粒子的氧化铝烧结体。上述烧成时的烧成温度、烧成时间根据烧成方法而不同，烧成温度为1000～1950℃，优选为1100～1900℃，更优选为1500～1800℃，烧成时间为1分钟～10小时，优选为30分钟～5小时。从促进致密化的观点考虑，更优选经过如下工序来进行：第一烧成工序，在1500～1800℃、2～5小时、表面压力100～200kgf/cm2的条件下，通过热压实施烧成；第二烧成工序，在1500～1800℃、30分钟～5小时、气压1000～2000kgf/cm2的条件下，通过热等静压法(HIP)，再次对得到的烧结体实施烧成。上述烧成温度下的烧成时间没有特别限定，优选为1～10小时，更优选为2～5小时。应予说明，赋予透光性的情况下，可以举出如下优选方法：将高纯度的板状氧化铝粉末用作原料，在大气炉、氢气气氛炉、氮气气氛炉等中，于1100～1800℃烧成1分钟～10小时。也可以使用如下方法：通过热等静压法(HIP)，在1200～1400℃或1400～1950℃下、30分钟～5小时、气压300～2000kgf/cm2的条件下，再次对得到的烧结体实施烧成。晶界相少者比较理想，所以板状氧化铝粉末优选为高纯度，更优选为纯度98％以上，进一步优选为99％以上，特别优选为99.9％以上，最优选为99.99％以上。应予说明，烧成条件并不限定于上述条件，只要能够同时实现致密化和高取向即可，例如也可以省略采用热等静压法(HIP)的第二烧成工序。另外，也可以在原料中添加极少量的添加物作为烧结助剂。虽然添加烧结助剂与减少晶界相相悖，但这是为了通过减少作为光的散射因子之一的气孔来提高透光性。作为这样的烧结助剂，可以举出从MgO、ZrO2、Y2O3、CaO、SiO2、TiO2、Fe2O3、Mn2O3、La2O3等氧化物、AlF3、MgF2、YbF3等氟化物等中选出的至少1种以上。这些烧结助剂中，优选MgO、CaO、SiO2、La2O3，特别优选MgO。但是，从透光性的观点考虑，添加物的量应当限制在必须的最小限度，优选为5000ppm以下，更优选为1000ppm以下，进一步优选为700ppm以下。
另外，取向多晶氧化铝烧结体也可以通过将在微细的氧化铝粉末和/或过渡氧化铝粉末中适当添加板状氧化铝粉末而得的混合粉末用作原料，进行成型和烧结来制造。该制造方法中，经过所谓的TGG(TemplatedGrainGrowth)过程，进行结晶生长和致密化，即，板状氧化铝粉末成为晶种(模板)，微细氧化铝粉末和/或过渡氧化铝粉末成为基质，模板边引入基质边进行同质外延生长。对于作为模板的板状氧化铝粒子和基质的粒径，其粒径比大时容易进行颗粒生长，例如模板的平均粒径为0.5～15μm时，基质的平均粒径优选为0.4μm以下，更优选为0.2μm以下，进一步优选为0.1μm以下。模板和基质的混合比根据粒径比、烧成条件、有无添加物而不同，例如模板使用平均粒径2μm的板状氧化铝粉末，基质使用平均粒径0.1μm的微细氧化铝粉末的情况下，可以使模板/基质比为50/50～1/99wt％。另外，从促进致密化的观点考虑，作为烧结助剂，可以加入从MgO、ZrO2、Y2O3、CaO、SiO2、TiO2、Fe2O3、Mn2O3、La2O3等氧化物、AlF3、MgF2、YbF3等氟化物等中选出的至少1种，优选MgO、CaO、SiO2、La2O3，特别优选MgO。在这样的手法中，除了上述使用大气炉、氮气气氛炉、氢气气氛炉等的常用常压烧成外，还可以使用热等静压法(HIP)、热压法(HP)、放电等离子烧结(SPS)等加压烧结法、以及这些方法的组合，得到优质的取向多晶氧化铝烧结体。
这样得到的氧化铝烧结体根据上述作为原料的板状氧化铝粉末的种类而成为以c面等所希望的面取向的多晶氧化铝烧结体。优选用磨石对这样得到的取向多晶氧化铝烧结体进行磨削，使板表面平坦，然后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，将板表面平滑化，制成取向氧化铝基板。
(2)晶种层的形成
在取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，形成的晶种层的晶体取向与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致。应予说明，“形成的晶种层的晶体取向与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致”是指受到取向多晶烧结体晶体取向的影响而结晶生长所形成的结构，并不一定限定于与取向多晶烧结体的晶体取向完全一致地生长而成的结构，也包括以与取向多晶烧结体不同的晶体取向生长的结构。晶种层的制作方法没有特别限定，可以举出以下优选方法：MOCVD(有机金属气相生长法)、MBE(分子束外延法)、HVPE(卤化物气相生长法)、溅射等气相法、Na助熔剂法、氨热法、水热法、溶胶-凝胶法等液相法、利用粉末的固相生长的粉末法、以及这些方法的组合。例如，利用MOCVD法形成晶种层优选如下进行：在450～550℃使低温GaN层堆积20～50nm，然后，在1000～1200℃层叠厚度2～4μm的GaN膜。
(3)氮化镓系结晶层的形成
在晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，形成的由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与晶种层的晶体取向基本一致。由氮化镓系结晶构成的层的形成方法只要晶体取向与取向多晶烧结体和/或晶种层的晶体取向基本一致即可，没有特别限定，可以举出以下优选方法：MOCVD、HVPE等气相法、Na助熔剂法、氨热法、水热法、溶胶-凝胶法等液相法、利用粉末的固相生长的粉末法、以及这些方法的组合，特别优选通过Na助熔剂法来实施。通过Na助熔剂法，能够在晶种层上效率良好地制作结晶性高且厚的氮化镓结晶层。利用Na助熔剂法形成氮化镓系结晶层优选如下进行：在设置有晶种基板的坩埚中，填充包含金属Ga、金属Na和根据需要添加的掺杂物(例如锗(Ge)、硅(Si)、氧(O)等n型掺杂物、或铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、锌(Zn)、镉(Cd)等p型掺杂物)的熔液组合物，在氮气气氛中升温加压至830～910℃、3.5～4.5MPa，然后边保持温度和压力，边进行旋转。保持时间根据目标膜厚而不同，可以为10～100小时左右。另外，优选用磨石对像这样地通过Na助熔剂法得到的氮化镓结晶进行磨削，使板表面平坦，然后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，将板表面平滑化。
(4)取向多晶烧结体的除去
除去取向多晶烧结体，能够得到氮化镓自立基板。除去取向多晶烧结体的方法没有特别限定，可以举出磨削加工、化学蚀刻、从取向烧结体侧照射激光的界面加热(激光剥离)、利用升温时的热膨胀差的自发剥离等。
发光元件及其制造方法
使用上述本发明的氮化镓自立基板能够制作高品质的发光元件。使用本发明的氮化镓自立基板的发光元件的结构、其制作方法没有特别限定。典型的是通过在氮化镓自立基板上设置发光功能层来制作发光元件，该发光功能层优选如下形成：形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层，形成的层的晶体取向与氮化镓基板的晶体取向基本一致。但是，也可以将氮化镓自立基板用作电极(可以是p型电极或n型电极)、p型层、n型层等基材以外的部件或层来制作发光元件。元件尺寸没有特别限定，可以为5mm×5mm以下的小元件，也可以为10cm×10cm以上的面发光元件。
图1示意地示出本发明的一个方式的发光元件的层构成。图1所示的发光元件10包括氮化镓自立基板12和形成在该基板上的发光功能层14。发光功能层14具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。该发光功能层14通过适当设置电极等并施加电压而基于LED等发光元件的原理来进行发光。特别是通过使用本发明的氮化镓自立基板12，还可以期待得到具有与使用氮化镓单晶基板时相同的发光效率的发光元件，能够实现大幅度的低成本化。另外，通过将导入p型或n型掺杂物而赋予了导电性的氮化镓制成基板，能够实现纵型结构的发光元件，从而能够提高亮度。而且，还能够低成本地实现大面积的面发光元件。
在基板12上形成发光功能层14。发光功能层14可以设置在基板12的整面或其中的一部分，在基板12上形成后述缓冲层的情况下，可以设置在缓冲层的整面或其中的一部分。发光功能层14可以采用公知的各种层构成，即，具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层，通过适当设置电极和/或荧光体并施加电压，从而基于以LED为代表的发光元件的原理进行发光。因此，发光功能层14可以发出蓝色、红色等可见光，也可以不伴有可见光或伴有可见光而发出紫外光。发光功能层14优选构成利用p-n结的发光元件中的至少一部分，如图1所示，该p-n结可以在p型层14a和n型层14c之间包含活性层14b。此时，作为活性层，可以为使用带隙比p型层和/或n型层小的层的双异质结或单异质结(以下总称为异质结)。另外，作为p型层－活性层－n型层的一个方式，可以采用减小活性层厚度的量子阱结构。为了得到量子阱，当然应当采用活性层的带隙比p型层和n型层小的双异质结。另外，也可以制成将这些量子阱结构多个层叠而得的多重量子阱结构(MQW)。通过采用这些结构，与p-n结相比，能够提高发光效率。由此，发光功能层14优选包括具有发光功能的p-n结和/或异质结和/或量子阱结。
因此，构成发光功能层14的一层以上的层可以包含从由掺杂有n型掺杂物的n型层、掺杂有p型掺杂物的p型层、活性层构成的组中选出的至少一种以上。n型层、p型层和(存在的情况下)活性层可以由主成分相同的材料构成，也可以由主成分彼此不同的材料构成。
构成发光功能层14的各层的材质只要与氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长且具有发光功能即可，没有特别限定，优选由以从氮化镓(GaN)系材料、氧化锌(ZnO)系材料和氮化铝(AlN)系材料中选出的至少1种以上为主成分的材料构成，可以适当包含用于控制成p型或n型的掺杂物。特别优选的材料是作为与氮化镓自立基板相同种类的材料的、氮化镓(GaN)系材料。另外，为了控制其带隙，构成发光功能层14的材料可以是例如使AlN、InN等固溶在GaN中而得的混晶。另外，如前一段所述，发光功能层14也可以为包含多种材料体系的异质结。例如可以是p型层使用氮化镓(GaN)系材料、n型层使用氧化锌(ZnO)系材料。另外，也可以是p型层使用氧化锌(ZnO)系材料，活性层和n型层使用氮化镓(GaN)系材料，对材料的组合没有特别限定。
构成发光功能层14的各层由在大致法线方向具有单晶结构的多个半导体单晶粒子构成。即，各层由在水平面方向二维联结的多个半导体单晶粒子构成，因此在大致法线方向具有单晶结构。因此，发光功能层14的各层虽然作为层整体并非单晶，但是因为在局部的畴单位具有单晶结构，所以能够具有足够高的结晶性来确保发光功能。优选构成发光功能层14的各层的半导体单晶粒子具有与作为基板12的氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。“与氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构”是指受到氮化镓自立基板的晶体取向的影响而结晶生长所形成的结构，并不一定限定于与氮化镓自立基板的晶体取向完全一致地生长而成的结构，只要能够确保所希望的发光功能，也可以是与氮化镓自立基板的晶体取向在某种程度上一致地生长而成的结构。即，该结构也包括以与取向多晶烧结体不同的晶体取向生长的结构。从这个意义上讲，“与晶体取向基本一致地生长而成的结构”这种表述方式也可以说成是“以基本衍生晶体取向的方式生长而成的结构”。因此，这样的结晶生长优选外延生长，但并不限定于此，也可以是与之类似的各种结晶生长形态。特别是构成n型层、活性层、p型层等的各层以与氮化镓自立基板相同的晶体取向生长时，形成从氮化镓自立基板到发光功能层的各层间晶体取向基本对齐大致法线方向的结构，能够得到良好的发光特性。即，发光功能层14也与氮化镓自立基板12的晶体取向基本一致地生长的情况下，在基板的垂直方向，方位基本一定。因此，法线方向为与单晶相同的状态，使用添加了n型掺杂物的氮化镓自立基板的情况下，可以制成以氮化镓自立基板为阴极的纵型结构的发光元件，在使用添加了p型掺杂物的氮化镓自立基板的情况下，也可以制成以氮化镓自立基板为阳极的纵型结构的发光元件。
至少构成发光功能层14的n型层、活性层、p型层等各层以相同的晶体取向生长的情况下，发光功能层14的各层还可以看作是柱状结构的半导体单晶粒子的集合体，其在法线方向观察时观察到单晶，从水平面方向的切面观察时观察到晶界。此处，“柱状结构”不仅是指典型的纵长柱状，还定义为横长形状、梯形形状和倒梯形形状等包含各种形状的含义。但是，如上所述，各层只要是与氮化镓自立基板的晶体取向在某种程度上一致地生长而成的结构即可，没有必要一定严格定义为柱状结构。认为成为柱状结构的原因是因为，如上所述，半导体单晶粒子的生长受到了作为基板12的氮化镓自立基板的晶体取向的影响。因此，认为也可以称之为柱状结构的半导体单晶粒子的截面的平均粒径(以下称为截面平均直径)不仅取决于成膜条件，还取决于氮化镓自立基板的板表面的平均粒径。构成发光功能层的柱状结构的界面影响发光效率、发光波长，存在晶界，导致截面方向的光的透过率差，光发生散射甚至反射。因此，在法线方向透出光的结构的情况下，还可以期待通过来自晶界的散射光提高亮度的效果。
但是，因为构成发光功能层14的柱状结构彼此间的界面的结晶性降低，所以发光效率降低，发光波长变化，发光波长可能变宽。因此，柱状结构的截面平均直径大比较理想。优选半导体单晶粒子在发光功能层14的最外表面的截面平均直径为0.3μm以上，更优选为3μm以上，进一步优选为20μm以上，特别优选为50μm以上，最优选为70μm以上。该截面平均直径的上限没有特别限定，1000μm以下比较实际，更实际的是500μm以下，更为实际的是200μm以下。另外，为了制作这样的截面平均直径的半导体单晶粒子，使构成氮化镓自立基板的氮化镓系单晶粒子在基板最外表面的截面平均直径为0.3μm～1000μm较为理想，更理想的是3μm以上。
发光功能层14的一部分或全部使用氮化镓(GaN)系以外的材料的情况下，可以在氮化镓自立基板12和发光功能层14之间设置用于抑制反应的缓冲层。这样的缓冲层的主成分没有特别限定，优选由以从氧化锌(ZnO)系材料和氮化铝(AlN)系材料中选择的至少1种以上为主成分的材料构成，可以适当包含用于控制为p型或n型的掺杂物。
构成发光功能层14的各层优选由氮化镓系材料构成。例如可以在氮化镓自立基板12上依次生长n型氮化镓层和p型氮化镓层，也可以颠倒p型氮化镓层和n型氮化镓层的层叠顺序。作为p型氮化镓层中使用的p型掺杂物的优选例，可以举出从由铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、锌(Zn)和镉(Cd)构成的组中选出的1种以上。另外，作为n型氮化镓层中使用的n型掺杂物的优选例，可以举出从由硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和氧(O)构成的组中选出的1种以上。另外，p型氮化镓层和/或n型氮化镓层可以包含与从由AlN和InN构成的组中选出的1种以上结晶混晶化的氮化镓，p型层和/或n型层可以在该混晶化的氮化镓中掺杂p型掺杂物或n型掺杂物。例如，可以通过在作为氮化镓和AlN的混晶的AlxGa1 －xN中掺杂Mg而用作p型层，通过在AlxGa1－xN中掺杂Si而用作n型层。通过将氮化镓与AlN混晶化，能够使带隙变宽，发光波长移向高能量侧。另外，也可以将氮化镓与InN制成混晶，由此能够使带隙变窄，发光波长移向低能量侧。在p型氮化镓层和n型氮化镓层之间可以至少具有带隙比两层都小的活性层，该活性层包含GaN、或GaN与从由AlN和InN构成的组中选出的1种以上的混晶。活性层是与p型层和n型层形成双异质结的结构，薄薄地形成了该活性层的构成相当于作为p-n结的一个方式的量子阱结构的发光元件，能够进一步提高发光效率。另外，活性层也可以是带隙比两层中的某一层小，包含GaN、或GaN与从由AlN和InN构成的组中选出的1种以上的混晶。通过这样的单异质结也能够进一步提高发光效率。氮化镓系缓冲层可以包含未掺杂的GaN、或者n型或p型掺杂的GaN，也可以是晶格常数接近的AlN、InN、或者GaN与从由AlN和InN构成的组中选出的1种以上结晶的混晶。
但是，发光功能层14还可以由从氮化镓(GaN)系材料、氧化锌(ZnO)系材料、氮化铝(AlN)系材料中选出的多个材料系构成。例如可以在氮化镓自立基板12上生长p型氮化镓层、n型氧化锌层，也可以颠倒p型氮化镓层和n型氧化锌层的层叠顺序。将氮化镓自立基板12用作发光功能层14中的一部分的情况下，也可以形成n型或p型的氧化锌层。作为p型氧化锌层中使用的p型掺杂物的优选例，可以举出从由氮(N)、磷(P)、砷(As)、碳(C)、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、银(Ag)和铜(Cu)构成的组中选出的1种以上。另外，作为n型氧化锌层中使用的n型掺杂物的优选例，可以举出从由铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、硼(B)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)和硅(Si)构成的组中选出的1种以上。
发光功能层14和缓冲层的成膜方法只要是与氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长的方法即可，没有特别限定，优选的方法可以举出MOCVD法、MBE、HVPE法、溅射等气相法、Na助熔剂法、氨热法、水热法、溶胶-凝胶法等液相法、利用粉末的固相生长的粉末法、以及这些方法的组合。例如使用MOCVD法制作包含氮化镓系材料的发光功能层14的情况下，可以至少使包含镓(Ga)的有机金属气体(例如三甲基镓)和至少含氮(N)的气体(例如氨气)作为原料流到基板上，在氢气、氮气或包含这两者的气氛等中，于300～1200℃程度的温度范围，使其生长。该情况下，可以适当导入包含用于控制带隙的铟(In)、铝(Al)、作为n型和p型掺杂物的硅(Si)和镁(Mg)的有机金属气体(例如三甲基铟、三甲基铝、单硅烷、二硅烷、双环戊二烯基镁)，进行成膜。
另外，在发光功能层14和缓冲层使用氮化镓系以外的材料的情况下，也可以在氮化镓自立基板上将晶种层成膜。晶种层的成膜方法、材质没有限定，只要能够促进与晶体取向基本一致的结晶生长即可。例如，发光功能层14中的一部分或全部使用氧化锌系材料的情况下，可以使用MOCVD法、MBE法、HVPE法、溅射法等气相生长法，制作极薄的氧化锌晶种。
可以在发光功能层14上进一步设置电极层16和/或荧光体层。如上所述，使用具有导电性的氮化镓自立基板12的发光元件可采用纵型结构，所以如图1所示，在氮化镓自立基板12的背面也可以设置电极层18，但氮化镓自立基板12本身也可以用作电极，这种情况下，优选在氮化镓自立基板12中添加n型掺杂物。电极层16、18只要由公知的电极材料构成即可，从提高发光功能层14所产生的光的透出效率考虑，优选发光功能层14上的电极层16为ITO等透明导电膜或晶格结构等开口率高的金属电极。
发光功能层14能够释放紫外光的情况下，可以在电极层的外侧设置用于将紫外光转换成可见光的荧光体层。荧光体层只要是包含能够将紫外线转换成可见光的公知的荧光成分的层即可，没有特别限定。例如，优选如下构成，即，混合被紫外光激发而发蓝色光的荧光成分、被紫外光激发而发蓝色光～绿色光的荧光成分和被紫外光激发而发红色光的荧光成分，作为混合色得到白色光。作为这样的荧光成分的优选组合，可以举出(Ca，Sr)5(PO4)3Cl：Eu、BaMgAl10O17：Eu、和Mn、Y2O3S：Eu，优选使这些成分分散在有机硅树脂等树脂中，形成荧光体层。这样的荧光成分并不限定于上述列举的物质，还可以为其他紫外光激发荧光体，例如钇·铝·石榴石(YAG)、硅酸盐系荧光体、氮氧化物系荧光体等组合。
另一方面，在发光功能层14能够释放蓝色光的情况下，可以在电极层的外侧设置用于将蓝色光转换成黄色光的荧光体层。荧光体层只要是包含能够将蓝色光转换成黄色光的公知的荧光成分的层即可，没有特别限定。例如也可以为与YAG等发出黄色光的荧光体的组合。由此，因为透过荧光体层的蓝色发光与从荧光体发出的黄色发光为互补色关系，所以能够制成伪白色光源。应予说明，荧光体层通过包括将蓝色转换成黄色的荧光成分和用于将紫外光转换成可见光的荧光成分二者，可以制成进行紫外光向可见光的变换和蓝色光向黄色光的变换二者的构成。
用途
本发明的氮化镓自立基板不仅能够用于上述发光元件，还可以适当地用于各种电子器件、功率器件、受光元件、太阳能电池用晶片等各种用途。
实施例
通过以下的例子进一步具体地说明本发明。
例1
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
作为原料，准备板状氧化铝粉末(KINSEIMATEC株式会社制、等级00610)。相对于板状氧化铝粒子100重量份，混合粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛：型号BM－2、积水化学工业株式会社制)7重量份、增塑剂(DOP：邻苯二甲酸二(2－乙基己基)酯、黑金化成株式会社制)3.5重量份、分散剂(RHEODOLSP－O30、花王株式会社制)2重量份、分散介质(2－乙基己醇)。分散介质的量调整成浆料粘度达到20000cP。用刮刀法将如上所述地制备的浆料在PET膜上成型为片材状，干燥后的厚度达到20μm。将得到的带切断成口径50.8mm(2英寸)的圆形后，层叠150张，载置在厚度10mm的Al板上，然后，进行真空包装。将该真空包装在85℃的温水中、以100kgf/cm2的压力进行静水压加压，得到圆盘状的成型体。
将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600℃、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨制的模具，通过热压，在氮气中、1600℃下4小时、表面压力为200kgf/cm2的条件下，对得到的脱脂体进行烧成。通过热等静压法(HIP)，在氩气中、1700℃下2小时、气压为1500kgf/cm2的条件下，对得到的烧结体进行再次烧成。
将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为1nm。
(2)取向氧化铝基板的评价
(取向度的评价)
为了确认得到的取向氧化铝基板的取向度，通过XRD测定本实验例中作为测定对象的结晶面、即c面的取向度。使用XRD装置(株式会社理学制、RINT－TTRIII)，对取向氧化铝基板的板表面照射X射线，在2θ＝20～70°的范围测定XRD图谱。通过下式算出c面取向度。结果本实验例中的c面取向度的值为97％。
p 0 = I 0 ( 006 ) ΣI 0 ( h k l )
p = I s ( 006 ) ΣI s ( h k l )
(I0(hkl)，IS(hkl)分别表示ICDDNo.461212以及试样的(hkl)面的衍射强度(积分值))
(烧结体粒子的粒径评价)
对于取向氧化铝基板的烧结体粒子，通过下述方法测定板表面的平均粒径。研磨得到的取向氧化铝基板的板表面，在1550℃下进行45分钟热蚀刻，然后，用扫描电子显微镜拍摄图像。如下确定视野范围，即，在得到的图像的对角线画直线时，任一直线均穿过10个～30个粒子，以能够画出上述直线的范围为视野范围。在得到的图像的对角线引出的2条直线中，对于直线穿过的全部粒子，求出各粒子内侧的线段长度的平均值，该平均值乘以1.5得到的值为板表面的平均粒径。结果，板表面的平均粒径为100μm。
(3)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
(3a)晶种层的成膜
接下来，在加工后的取向氧化铝基板上，使用MOCVD法形成晶种层。具体而言，在530℃下使低温GaN层堆积40nm，然后，在1050℃下层叠厚度3μm的GaN膜，得到晶种基板。
(3b)利用Na助熔剂法成膜掺杂Ge的GaN层
将通过上述工序制作的晶种基板设置在内径80mm、高度45mm的圆筒平底氧化铝坩埚的底部，接下来，在手套箱内将熔液组合物填充到坩埚内。熔液组合物的组成如下所述。
·金属Ga：60g
·金属Na：60g
·四氯化锗：1.85g
将该氧化铝坩埚放入耐热金属制容器，密闭后，设置在结晶生长炉的可旋转台上。在氮气气氛中升温加压至870℃、4.0MPa后，保持50小时，同时旋转熔液，从而边搅拌，边使氮化镓结晶生长。结晶生长结束后，用3小时缓慢冷却至室温，从结晶生长炉中取出生长容器。使用乙醇，除去残留在坩埚内的熔液组合物，回收氮化镓结晶生长的试样。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.5mm。没有确认到裂纹。
通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。用#600和#2000的磨石磨削该掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面，使板表面平坦，接下来通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，得到厚度大约300μm的掺杂Ge的氮化镓自立基板。应予说明，在平滑化加工中，将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.1μm，提高平坦性。氮化镓自立基板表面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
应予说明，本例中，掺杂锗，制作n型半导体，但根据用途、结构，也可以掺杂不同的元素，还可以不掺杂。
(体积电阻率的评价)
使用霍尔效应测定装置，测定氮化镓自立基板的面内体积电阻率。结果，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。
(氮化镓自立基板的截面平均直径的评价)
为了测定GaN单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径，用扫描电子显微镜拍摄自立基板表面的图像。如下确定视野范围，即，在得到的图像的对角线画直线时，均穿过10个～30个柱状组织，以能够画出上述直线的范围为视野范围。在得到的图像的对角线任意引出2条直线，对于直线穿过的全部粒子，求出各粒子内侧的线段长度的平均值，该平均值乘以1.5得到的值为GaN单晶粒子在氮化镓自立基板最外表面的截面平均直径。结果，截面平均直径为大约100μm。应予说明，本例中，在表面的扫描显微镜像中能够清楚地判别出界面，但也可以通过热蚀刻、化学蚀刻实施使界面变得显著的处理，然后进行上述评价。
(4)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
(4a)通过MOCVD法成膜发光功能层
使用MOCVD法，在氮化镓自立基板上，于1050℃堆积1μm的n-GaN层作为n型层，该n-GaN层掺杂成Si原子浓度为5×1018/cm3。接下来，作为发光层，于750℃堆积多重量子阱层。具体而言，将由InGaN形成的2.5nm的阱层5层、由GaN形成的10nm的势垒层6层交替层叠。接下来，作为p型层，于950℃堆积200nm的p-GaN层，该p-GaN层掺杂成Mg原子浓度为1×1019/cm3。然后，从MOCVD装置中取出，作为p型层的Mg离子的活化处理，在氮气气氛中于800℃进行10分钟热处理。为了测定单晶粒子在发光功能层最外表面的截面平均直径，用扫描电子显微镜拍摄发光功能层表面的图像。如下确定视野范围，即，在得到的图像的对角线画直线时，均穿过10个～30个柱状组织，以能够画出上述直线的范围为视野范围。在得到的图像的对角线任意引出2条直线，对于直线穿过的全部粒子，求出各粒子内侧的线段长度的平均值，该平均值乘以1.5得到的值为单晶粒子在发光功能层最外表面的截面平均直径。结果，截面平均直径为大约100μm。
(4b)发光元件的制作
使用光刻工艺和真空蒸镀法，在氮化镓自立基板的与n-GaN层和p-GaN层相反一侧的表面，分别形成15nm、70nm、12nm、60nm厚度的Ti/Al/Ni/Au膜图案作为阴极电极。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于700℃实施30秒热处理。进而，使用光刻工艺和真空蒸镀法，在p型层上，将Ni/Au膜分别图案化成6nm、12nm的厚度作为透光性阳极电极。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于500℃实施30秒热处理。进而，使用光刻工艺和真空蒸镀法，在作为透光性阳极电极的Ni/Au膜的上表面的一部分区域内，将成为阳极电极焊盘的Ni/Au膜分别图案化为5nm、60nm的厚度。将这样得到的晶片切断，制成芯片，再安装到引线框上，得到纵型结构的发光元件。
(4c)发光元件的评价
在阴极电极和阳极电极间通电，进行I－V测定时，确认有整流性。另外，流过正向电流时，确认发出波长450nm的光。
例2
(1)掺杂Mg的氮化镓自立基板的制作
通过与例1的(1)～(3)相同的方法，在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使熔液组合物为下述组成，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Mg的GaN膜。
·金属Ga：60g
·金属Na：60g
·金属Mg：0.02g
得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Mg的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.5mm。没有确认到裂纹。另外，得到的氮化镓中的Mg浓度为4×1019/cm3，使用霍尔效应测定装置测定的霍尔浓度为1×1018/cm3。通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Mg的氮化镓的单体。用#600和#2000的磨石磨削该掺杂Mg的氮化镓结晶的板表面，使板表面平坦，接下来通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，得到厚度大约150μm的掺杂Mg的氮化镓自立基板。应予说明，在平滑化加工中，将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.1μm，提高平坦性。掺杂Mg的氮化镓自立基板表面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。应予说明，通过与例1的(3b)同样的方法测定掺杂Mg的氮化镓自立基板的截面平均直径时，截面平均直径为大约100μm。
(2)使用掺杂Mg的氮化镓自立基板制作发光元件
(2a)通过MOCVD法成膜p型层
使用MOCVD法，在基板上，作为p型层，于950℃堆积200nm的p-GaN层，该p-GaN层掺杂成Mg原子浓度为1×1019/cm3。然后，从MOCVD装置中取出，作为p型层的Mg离子的活化处理，在氮气气氛中于800℃进行10分钟热处理。
(2b)通过RS－MBE法和水热法将n型层成膜
(2b－1)通过RS－MBE法将晶种层成膜
通过RS－MBE(自由基源分子束生长)装置，在克努森池中对作为金属材料的锌(Zn)和铝(Al)进行照射，供给到p型层上。作为气体材料的氧(O)，是通过RF自由基发生装置，分别以O2气体为原料，以氧自由基的形式进行供应的。对于各种原料的纯度，Zn使用纯度为7N的原料，O2使用纯度为6N的原料。使用电阻加热加热器，将基板加热到700℃，一边控制各种气体源的助熔剂，使膜中的Al浓度为2×1018/cm3、Zn和O的原子浓度比为1：1，一边形成厚度20nm的包含掺杂有Al的n-ZnO的晶种层。
(2b－2)通过水热法将n型层成膜
将硝酸锌在纯水中溶解成0.1M，作为溶液A。接下来，准备1M的氨水，作为溶液B。接下来，将硫酸铝在纯水中溶解成0.1M，作为溶液C。按容积比为溶液A：溶液B：溶液C＝1：1：0.01混合并搅拌上述溶液，得到生长用水溶液。
将形成了晶种层的氮化镓自立基板悬吊并设置在1L的生长用水溶液中。接下来，将实施了防水加工的陶瓷制加热器和电磁式搅拌器设置在水溶液中，放入高压釜，在270℃进行3小时的水热处理，在晶种层上析出ZnO层。将析出了ZnO层的氮化镓自立基板用纯水清洗，然后，在大气中于500℃进行退火处理，形成厚度大约3μm的掺杂了Al的n-ZnO层。试样中没有检测到气孔、裂纹，通过万用表确认了ZnO层的导电性。另外，使用与例1的(4a)相同的方法评价发光功能层的截面平均直径，结果，单晶粒子在发光功能层最外表面的截面平均直径为大约100μm。
(2c)发光元件的制作
使用光刻工艺和真空蒸镀法，在n型层上，分别形成15nm、70nm、12nm、60nm厚度的Ti/Al/Ni/Au膜图案，作为阴极电极。阴极电极的图案为具有开口部以便光能够从没有形成电极的部位透出的形状。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于700℃实施30秒热处理。进而，使用光刻工艺和真空蒸镀法，在氮化镓自立基板的与p-GaN层和n-ZnO层相反一侧的表面，分别形成50nm、100nm厚度的Ni/Au膜图案，作为阳极电极。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于500℃实施30秒热处理。将这样得到的晶片切断，制成芯片，再安装到引线框上，得到纵型结构的发光元件。
(2d)发光元件的评价
在阴极电极和阳极电极间通电，进行I－V测定时，确认有整流性。另外，流过正向电流时，确认发出波长大约380nm的光。
例3
(1)使用掺杂Mg的氮化镓自立基板制作发光元件
(1a)通过RS－MBE法将活性层成膜
通过与例2的(1)和(2a)同样的方法制作掺杂Mg的氮化镓自立基板，在基板上堆积200nm的p-GaN作为p型层。接下来，通过RS－MBE(自由基源分子束生长)装置，在克努森池中对作为金属材料的锌(Zn)、镉(Cd)进行照射，供给到p型层上。作为气体材料的氧(O)，是通过RF自由基发生装置，分别以O2气体为原料，以氧自由基的形式进行供应的。对于各种原料的纯度，Zn、Cd使用纯度为7N的原料，O2使用纯度为6N的原料。使用电阻加热加热器，将基板加热到700℃，一边按成为Cd0.2Zn0.8O层控制各种气体源的助熔剂，一边将厚度1.5nm的活性层成膜。
(1b)通过溅射将n型层成膜
接下来，使用RF磁控溅射法，在活性层上形成500nm的n型ZnO层。成膜使用添加了2重量份Al的ZnO靶，成膜条件为纯Ar气氛、压力0.5Pa、接通电力150W、成膜时间5分钟。另外，使用与例1的(4a)相同的方法评价发光功能层的截面平均直径，结果，发光功能层在板表面面的平均直径为大约100μm。
(1c)发光元件的制作
使用光刻工艺和真空蒸镀法，在n型层上，分别形成15nm、70nm、12nm、60nm厚度的Ti/Al/Ni/Au膜图案，作为阴极电极。阴极电极的图案为具有开口部以便光能够从没有形成电极的部位透出的形状。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于700℃实施30秒热处理。进而，使用光刻工艺和真空蒸镀法，在氮化镓自立基板的与p-GaN层和n-ZnO层相反一侧的表面，分别形成5nm、100nm厚度的Ni/Au膜图案，作为阳极电极。然后，为了改善欧姆接触特性，在氮气气氛中于500℃实施30秒热处理。将这样得到的晶片切断，制成芯片，再安装到引线框上，得到纵型结构的发光元件。
(1d)发光元件的评价
在阴极电极和阳极电极间通电，进行I－V测定时，确认有整流性。另外，流过正向电流时，确认发出波长大约400nm的光。
例4
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
与例1的(1)同样地得到圆盘状的成型体。将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600℃、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨制的模具，通过热压，在氮气中、1700℃下4小时、表面压力为200kgf/cm2的条件下，对得到的脱脂体进行烧成。
将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为99％，平均粒径为18μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为20小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.2mm。没有确认到裂纹。
使用#600和#2000的磨石，将这样得到的试样的掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度大约为50μm，使其平坦后，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化。接下来，将试样切断，使与板表面垂直方向的面露出，使用CP研磨机(日本电子株式会社制、IB－09010CP)进行研磨后，通过电子背散射衍射装置(EBSD)(TSLSolutions制)实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)。图2中示出取向成像图(反极图)。另外，图3中示出在氮化镓结晶的板表面(表面)进行测定得到的取向成像图(反极图)，图4中示出将取向氧化铝基板和氮化镓结晶的界面放大得到的晶粒图像。根据图2可知，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。图3显示构成氮化镓结晶的各粒子基本上是c面以法线方向取向。另外，根据图4可知，氮化镓结晶的粒子以构成作为基底的取向氧化铝基板的结晶粒子为起点进行生长。随着厚膜化而粒径增大的生长行为的原因尚未阐明，但认为可能是因为如图5中概念性地表示的那样，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
接下来，通过使用磨石的磨削加工除去试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。对该掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)，使用金刚石研磨粒子实施研磨加工，得到板表面(与取向氧化铝基板相接一侧的相反侧)和背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约50μm，背面的截面平均直径为大约18μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为2.8。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为1.0。
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约50μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。
为了参考，对与上述(1)和(2)同样地制作的氮化镓自立基板的表面侧进行磨削，准备厚度20μm的自立基板。此时单晶粒子在最外表面的截面平均直径为大约35μm，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB为1.9，纵横尺寸比为大约0.6。在该自立取向GaN结晶上制作与上述相同的发光功能层，制成纵型的发光元件后，正向流过电流时，确认有整流性、发出波长450nm的光，发光亮度也一定程度提高，但与上述元件相比，发光亮度降低。
例5
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
作为原料，准备板状氧化铝粉末(KINSEIMATEC株式会社制、等级02025)、微细氧化铝粉末(大明化学工业株式会社制、等级TM－DAR)、和氧化镁粉末(宇部MATERIALS株式会社、等级500A)，混合板状氧化铝粉末5重量份、微细氧化铝粉末95重量份、氧化镁粉末0.025重量份，得到氧化铝原料。接下来，相对于氧化铝原料100重量份，混合粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛：型号BM－2、积水化学工业株式会社制)8重量份、增塑剂(DOP：邻苯二甲酸二(2－乙基己基)酯、黑金化成株式会社制)4重量份、分散剂(RHEODOLSP－O30、花王株式会社制)2重量份、分散介质(二甲苯和1－丁醇按重量比1：1混合而得)。分散介质的量调整成浆料粘度达到20000cP。将如上所述地制备的浆料用刮刀法在PET膜上成型为片材状，干燥后的厚度达到100μm。将得到的带切断成口径50.8mm(2英寸)的圆形后，层叠30张，载置在厚度10mm的Al板上，然后，进行真空包装。将该真空包装在85℃的温水中、以100kgf/cm2的压力进行静水压加压，得到圆盘状的成型体。
将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600℃、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨制的模具，通过热压，在氮气中、1800℃下4小时、表面压力为200kgf/cm2的条件下，对得到的脱脂体进行烧成。
将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为96％，平均粒径为大约20μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为30小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.3mm。没有确认到裂纹。
使用#600和#2000的磨石，将这样得到的试样的掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度大约为180μm，使其平坦后，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化。接下来，将试样切断，使与板表面垂直方向的面露出，使用CP研磨机(日本电子株式会社制、IB－09010CP)进行研磨后，通过电子背散射衍射装置(EBSD)(TSLSolutions制)实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)。图6中示出取向成像图(反极图)。根据图6可知，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
接下来，通过使用磨石的磨削加工除去试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。对该掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)，使用金刚石研磨粒子实施研磨加工，得到板表面(与取向氧化铝基板相接一侧的相反侧)和背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的厚度约180μm的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约150μm，背面的截面平均直径为大约20μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为7.5。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为1.2。
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约150μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。
为了参考，对与上述(1)和(2)同样地制作的氮化镓自立基板的表面侧进行磨削，准备厚度50μm的自立基板和厚度20μm的自立基板。单晶粒子在厚度50μm的基板最外表面的截面平均直径为大约63μm，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB为3.2，纵横尺寸比为大约0.8。在该自立取向GaN结晶上制作与上述相同的发光功能层，制成纵型的发光元件后，正向流过电流时，确认有整流性、发出波长450nm的光，发光亮度也一定程度提高，但与上述元件相比，发光亮度降低。单晶粒子在厚度20μm的自立基板最外表面的截面平均直径为大约39μm，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB为2.0，纵横尺寸比为大约0.5。在该自立取向GaN结晶上制作与上述相同的发光功能层，制成纵型的发光元件后，正向流过电流时，确认有整流性、发出波长450nm的光，发光亮度也一定程度提高，但与上述2个元件相比，发光亮度进一步降低。
例6
(1)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例5同样地制作c面取向氧化铝基板，层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为40小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.4mm。没有确认到裂纹。
使用#600和#2000的磨石，将这样得到的试样的掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度大约为260μm，使其平坦后，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化。接下来，使用与例4及例5相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
接下来，通过使用磨石的磨削加工除去试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。对该掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)，使用金刚石研磨粒子实施研磨加工，得到板表面(与取向氧化铝基板相接一侧的相反侧)和背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的厚度约260μm的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约220μm，背面的截面平均直径为大约20μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为11.0。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为1.2。
(2)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约220μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。可知发光亮度在一定程度提高，但比例5的元件低。
例7
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
使热压时的烧成温度为1750℃，除此之外，与例5同样地制作c面取向氧化铝基板。将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为96％，平均粒径为14μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为30小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.3mm。没有确认到裂纹。
使用#600和#2000的磨石，将这样得到的试样的掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度大约为90μm，使其平坦后，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化。接下来，使用与例4～例6相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
接下来，通过使用磨石的磨削加工除去试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。对该掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)，使用金刚石研磨粒子实施研磨加工，得到板表面(与取向氧化铝基板相接一侧的相反侧)和背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的厚度约90μm的氮化镓自立基板(例7－1)。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
另外，与上述同样地制作掺杂Ge的氮化镓结晶，使用#600和#2000的磨石对其板表面(表面)进行磨削，分别制作氮化镓结晶的厚度为70、50、30和20μm的试样，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，将板表面平滑化。接下来，与上述同样地除去氧化铝基板部，通过金刚石研磨粒子对掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施研磨加工，得到板表面(与取向氧化铝基板相接一侧的相反侧)和背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的、厚度分别为70、50、30和20μm的氮化镓自立基板(例7－2～例7－5)。各试样的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra均为0.2nm。
通过与例1的(3)相同的方法测定各试样的体积电阻率时，体积电阻率均为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，氮化镓自立基板的厚度和表面的截面平均直径、背面的截面平均直径、基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB、以及作为GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比如表1所示。
【表1】
表1
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径，结果示于表1。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认任一试样均有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。发光亮度均一定程度提高，但为例7－1＞例7－2＞例7－3＞例7－4＞例7－5的关系。
例8
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
作为原料，准备板状氧化铝粉末(KINSEIMATEC株式会社制、等级02025)、微细氧化铝粉末(大明化学工业株式会社制、等级TM－DAR)、氟化铝(关东化学制)、氧化镁粉末(宇部MATERIALS株式会社、等级500A)，混合板状氧化铝粉末5重量份、微细氧化铝粉末95重量份、氟化铝粉末0.05重量份、氧化镁粉末0.025重量份，得到氧化铝原料。接下来，相对于氧化铝原料100重量份，混合粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛：型号BM－2、积水化学工业株式会社制)8重量份、增塑剂(DOP：邻苯二甲酸二(2－乙基己基)酯、黑金化成株式会社制)4重量份、分散剂(RHEODOLSP－O30、花王株式会社制)2重量份、分散介质(二甲苯和1－丁醇按重量比1：1混合而得)。分散介质的量调整成浆料粘度达到20000cP。将如上所述地制备的浆料用刮刀法在PET膜上成型为片材状，干燥后的厚度达到100μm。将得到的带切断成口径50.8mm(2英寸)的圆形后，层叠30张，载置在厚度10mm的Al板上，然后，进行真空包装。将该真空包装在85℃的温水中、以100kgf/cm2的压力进行静水压加压，得到圆盘状的成型体。
将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600℃、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨制的模具，通过热压，在氮气中、1800℃下4小时、表面压力为200kgf/cm2的条件下，对得到的脱脂体进行烧成。
将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为92％，平均粒径为大约64μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为30小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.3mm。没有确认到裂纹。
使用#600和#2000的磨石，将这样得到的试样的掺杂Ge的氮化镓结晶的板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度大约为90μm，使其平坦后，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化。接下来，使用与例4～例7相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
接下来，通过使用磨石的磨削加工除去试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。使用金刚石研磨粒子对该掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施研磨加工，得到板表面与背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)实施了平滑化的厚度约90μm的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约80μm，背面的截面平均直径为大约64μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为1.3。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为1.1。
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约80μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。
例9
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
使氟化铝粉末的量为0.02重量份，除此之外，与例8同样地制作c面取向氧化铝基板。将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为94％，平均粒径为41μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为30小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.3mm。没有确认到裂纹。
通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。接下来，使用#600和#2000的磨石，将掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)切削掉大约80μm。然后，将板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度为大约60μm，并平坦化后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，得到表面、背面实施了平滑化的厚度大约60μm的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
接下来，使用与例4～例8相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约81μm，背面的截面平均直径为大约61μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为1.3。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为0.7。
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约81μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。然而，虽然发光亮度一定程度提高，但比例8弱。
例10
(1)c面取向氧化铝烧结体的制作
作为原料，准备板状氧化铝粉末(KINSEIMATEC株式会社制、等级10030)、微细氧化铝粉末(大明化学工业株式会社制、等级TM－DAR)、和氧化镁粉末(宇部MATERIALS株式会社、等级500A)，混合板状氧化铝粉末5重量份、微细氧化铝粉末95重量份、氧化镁粉末0.025重量份，得到氧化铝原料。接下来，相对于氧化铝原料100重量份，混合粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛：型号BM－2、积水化学工业株式会社制)8重量份、增塑剂(DOP：邻苯二甲酸二(2－乙基己基)酯、黑金化成株式会社制)4重量份、分散剂(RHEODOLSP－O30、花王株式会社制)2重量份、分散介质(二甲苯和1－丁醇按重量比1：1混合而得)。分散介质的量调整成浆料粘度达到20000cP。将如上所述地制备的浆料用刮刀法在PET膜上成型为片材状，干燥后的厚度达到100μm。将得到的带切断成口径50.8mm(2英寸)的圆形后，层叠30张，载置在厚度10mm的Al板上，然后，进行真空包装。将该真空包装在85℃的温水中、以100kgf/cm2的压力进行静水压加压，得到圆盘状的成型体。
将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600℃、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨制的模具，通过热压，在氮气中、1800℃下4小时、表面压力为200kgf/cm2的条件下，对得到的脱脂体进行烧成。
将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000，使板表面平坦。接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径50.8mm(2英寸)、厚度1mm的取向氧化铝烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μm逐步减小至0.5μm，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为99％，平均粒径为大约24μm。
(2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
与例1的(3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μm的GaN膜，制作晶种基板。使保持时间为30小时，除此之外，与例1的(3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得到的试样在50.8mm(2英寸)的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大约为0.3mm。没有确认到裂纹。
通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge的氮化镓的单体。接下来，使用#600和#2000的磨石，将掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向氧化铝基板相接一侧的表面)切削掉大约90μm。然后，将板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的厚度为大约40μm，并平坦化后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，对表面、背面实施平滑化，得到厚度大约40μm的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的平均粗糙度Ra为0.2nm。
接下来，使用与例4～例9相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像(反极图)时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧)的粒径大于取向氧化铝基板侧的粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
通过与例1的(3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1×10－2Ω·cm。另外，使用与例1的(3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约75μm，背面的截面平均直径为大约60μm。由此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径DT与基板背面的截面平均直径DB之比DT/DB大约为1.3。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为0.5。
(3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
与例1的(4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约75μm。另外，与例1的(4b)同样地制作纵型的发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I－V测定确认有整流性，通过正向通电确认发出波长450nm的光。然而，可知虽然发光亮度一定程度提高，但比例8及例9弱。
例11
为了更明确地确认氮化镓系单晶粒子的截面平均直径为20μm以上能够使发光效率显著提高这一点，进行验证实验。该验证实验中，制作氮化镓系单晶粒子的截面平均直径DT为2、3、13、16、20、35、42、50、72、90和110μm的各种氮化镓自立基板，使用该氮化镓自立基板制作发光元件，使用株式会社Teknologue制LEDTESTERLX4681A，测定200A/cm2(芯片尺寸：1mm见方、正向电流：2A)下的发光亮度。其结果如表2所示。由表2所示的发光亮度的结果，清楚地确认了在使用截面平均直径DT为3～16μm的氮化镓自立基板的情况下发光亮度为0.40～0.42(a.u.)，而使用截面平均直径DT为20μm以上的氮化镓自立基板时，发光亮度显著增加，达到0.91以上(a.u.)。上述结果显示以截面平均直径达到20μm为界，发光效率显著提高。
【表2】
表2
本发明包含以下方式。
[项1]
一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板由多个氮化镓系单晶粒子构成。
[项2]
根据项1所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
[项3]
根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为3μm以上。
[项4]
根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为20μm以上。
[项5]
根据项1～4中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的厚度为20μm以上。
[项6]
根据项1～5中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的尺寸为直径100mm以上。
[项7]
根据项1～6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。
[项8]
根据项1～7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子掺杂有n型掺杂物或p型掺杂物。
[项9]
根据项1～7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子不含掺杂物。
[项10]
根据项1～9中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子被混晶化。
[项11]
根据项1～10中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面。
[项12]
根据项1～11中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，在氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT与在氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DB之比DT/DB大于1.0。
[项13]
根据项1～12中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/DT为0.7以上，上述纵横尺寸比T/DT被规定为上述氮化镓自立基板的厚度T与在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT的比值。
[项14]
一种发光元件，包括：
项1～13中的任一项所述的氮化镓自立基板，
发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[项15]
根据项14所述的自立的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子在上述发光功能层最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
[项16]
根据项15所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为3μm以上。
[项17]
根据项14～16中的任一项所述的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子具有与上述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
[项18]
根据项14～17中的任一项所述的发光元件，其中，上述发光功能层由氮化镓系材料构成。
[项19]
一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
准备取向多晶烧结体，
在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
在上述晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
[项20]
根据项19所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
[项21]
根据项19或20所述的方法，其中，构成上述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平均粒径为0.3～1000μm。
[项22]
根据项19～21中的任一项所述的方法，其中，由上述氮化镓系结晶构成的层通过Na助熔剂法形成。
[项23]
根据项19～22中的任一项所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体具有透光性。
[项24]
一种发光元件的制造方法，包括如下工序：
准备项1～13中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项19～23中的任一项所述的方法准备上述氮化镓自立基板，
在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[项25]
根据项24所述的方法，其中，上述发光功能层由氮化镓系材料构成。

Claims (22)

1.一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板由多个氮化镓系单晶粒子构成。
2.根据权利要求1所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子在所述基板最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
3.根据权利要求2所述的氮化镓自立基板，其中，所述截面平均直径为3μm以上。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓自立基板的厚度为20μm以上。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓自立基板的尺寸为直径100mm以上。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子掺杂有n型掺杂物或p型掺杂物。
8.根据权利要求1～6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子不含掺杂物。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子被混晶化。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/DT为0.7以上，所述纵横尺寸比T/DT被规定为所述氮化镓自立基板的厚度T与在所述氮化镓自立基板的表面露出的所述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径DT的比值。
11.一种发光元件，包括：
氮化镓自立基板，是权利要求1～10中的任一项所述的氮化镓自立基板，和，
发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
12.根据权利要求11所述的自立的发光元件，其中，所述半导体单晶粒子在所述发光功能层最外表面的截面平均直径为0.3μm以上。
13.根据权利要求12所述的发光元件，其中，所述截面平均直径为3μm以上。
14.根据权利要求11～13中的任一项所述的发光元件，其中，所述半导体单晶粒子具有与所述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
15.根据权利要求11～14中的任一项所述的发光元件，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
16.一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
准备取向多晶烧结体，
在所述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与所述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
在所述晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与所述晶种层的晶体取向基本一致，
除去所述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
17.根据权利要求16所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
18.根据权利要求16或17所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，构成所述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平均粒径为0.3～1000μm。
19.根据权利要求16～18中的任一项所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述由氮化镓系结晶构成的层通过Na助熔剂法形成。
20.根据权利要求16～19中的任一项所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述取向多晶烧结体具有透光性。
21.一种发光元件的制造方法，包括如下工序：
准备权利要求1～10中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据权利要求16～20中的任一项所述的方法准备所述氮化镓自立基板，
在所述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶体取向与所述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
22.根据权利要求21所述的发光元件的制造方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
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