CN110219049B - GaN层叠体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供通过利用HVPE使GaN层在GaN基板上生长而得到的新型GaN层叠体及其制造方法。GaN层叠体具有：GaN基板，其由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及GaN层，其在GaN基板的前述主面上进行外延生长而成，且具有10μm以上的厚度，GaN层的表面具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶‑平台结构。

Description

GaN层叠体及其制造方法
技术领域
本发明涉及GaN层叠体及其制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)被用作用于制造发光元件、晶体管等半导体装置的材料。使GaN层在GaN基板上外延生长而成的GaN层叠体因GaN层的品质高而备受关注(关于用于生长高品质GaN层的GaN基板的利用，例如参照非专利文献1)。
例如，为了提高使用GaN层叠体制造的半导体装置的耐压，期望GaN基板上生长的GaN层的厚度为10μm以上。作为使如此厚的GaN层在GaN基板上生长的技术，本发明人提出了使用与金属有机物气相外延(MOVPE)等相比能够得到更高生长速率的氢化物气相外延(HVPE)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：大岛祐一等5人、“基于空隙形成剥离法的GaN基板”、日立电线、No.26(2007-1)、p.31-36
发明内容
发明要解决的问题
关于通过利用HVPE使GaN层在GaN基板上生长而能够获得何种GaN层叠体，大多尚属未知。
本发明的一个目的是提供通过利用HVPE使GaN层在GaN基板上生长而得到的新型GaN层叠体，另外，提供用于获得这种GaN层叠体的制造方法。
用于解决问题的方案
根据本发明的一个方案，提供一种GaN层叠体，其具有：
GaN基板，其由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
GaN层，其在前述GaN基板的前述主面上进行外延生长而成，且具有10μm以上的厚度，
前述GaN层的表面具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构。
根据本发明的其它方案，提供一种GaN层叠体的制造方法，其具备：
准备GaN基板的工序，所述GaN基板由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
利用HVPE在前述GaN基板的前述主面上外延生长具有10μm以上的厚度的GaN层的工序，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，
将生长温度设为1050℃以上且1200℃以下，使前述GaN层生长，
在前述GaN层的表面形成由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构。
发明的效果
提供新型的GaN层叠体。另外，提供用于获得这种GaN层叠体的制造方法。
附图说明
图1是示出基于本发明实施方式的层叠体的概略截面图。
图2是概略性地示出基于实施方式的层叠体的制造方法的流程图。
图3是例示出HVPE装置的概略构成图。
图4是示出实验例的具有宏观台阶-平台的层叠体的外延层的表面状态的图。
图5是图4的(a)部的放大图。
图6是宏观台阶-平台的示意图。
图7是示出实验例的使外延层的生长条件和基板的偏离角条件发生变化而制作的层叠体中的外延层的表面状态的图。
图8是示出结晶生长处理的第一条件～第三条件范围的图表。
图9是示出实验例的使用将中心偏离角的偏离方向设为m方向的基板而制作的层叠体中的外延层的表面状态的图。
图10是示出实验例的使用将中心偏离角的偏离方向设为m方向的基板而制作的层叠体中的外延层的表面状态的图。
附图标记说明
10 GaN基板(基板)
11 (基板10的)主面
20 GaN层(外延层)
21 (外延层20的)表面
30 GaN层叠体(层叠体)
40 宏观台阶-平台结构
41 宏观台阶
42 宏观平台
50m m方向台阶-平台结构
51m m方向台阶
52m m方向平台
50a a方向台阶-平台结构
51a a方向台阶
52a a方向平台
60 台阶-平台结构
200 HVPE装置
具体实施方式
针对基于本发明实施方式的氮化镓(GaN)层叠体30进行说明。图1是示出GaN层叠体30的概略截面图。GaN层叠体30(也称为层叠体30)具有GaN基板10(也称为基板10)以及在基板10上外延生长而成的GaN层20(也称为外延层20)。
基板10由GaN单晶构成。基板10具有主面11，主面11是经研磨的平坦面。相对于主面11最近的低指数晶面是构成基板10的GaN单晶的c面。另外，该c面有时可以是具备Ga极性的所谓+c面或者具备氮极性的-c面。主面11内的某个位置处的c轴方向与主面11的法线方向(更详细而言，主面11的中心的法线方向)所成的角是该位置处的基板10的偏离角。主面11的中心的偏离角即中心偏离角例如以沿着a轴方向(也称为a方向)倾斜的方式被赋予，另外，例如以沿着m轴方向(也称为m方向)倾斜的方式被赋予。
偏离角沿着a方向倾斜是指：在基板10的俯视(主面11的俯视)下，a方向与该偏离角的方向即偏离方向所成的角小于±15°、优选为±10°以内、更优选为±5°以内。同样地，偏离角沿着m方向倾斜是指：在主面11的俯视下，m方向与该偏离角的方向即偏离方向所成的角小于±15°、优选为±10°以内、更优选为±5°以内。也将“偏离角沿着a方向倾斜”、“偏离角沿着m方向倾斜”分别称为“偏离方向为a方向”、“偏离方向为m方向”。
外延层20是在基板10的主面11上外延生长的GaN层。例如，为了提高使用层叠体30制造的半导体装置的耐压，外延层20的厚度优选为10μm以上。为了高速地生长10μm以上厚度的外延层20，作为外延层20的生长方法，可以使用氢化物气相外延(HVPE)。
本发明人得出了如下见解：在利用HVPE在GaN基板上生长的GaN层的表面，有时会形成特殊的垄状结构。更具体而言，可知：若以例如0.3μm/分钟以上且3.0μm/分钟以下的生长速率在规定的条件范围内生长出10μm以上厚度的GaN层，则存在容易形成这种垄状结构的倾向。详细如后述那样，本说明书中，将这种特殊的垄状结构称为“宏观台阶-平台结构”。需要说明的是，为了避免复杂的记载，有时将“台阶-平台结构”这一术语简称为“台阶-平台”。
宏观台阶-平台对使用层叠体30而制造的半导体装置的性能会造成何种影响尚属未知。宏观台阶-平台有可能使半导体装置的性能提高，也有可能使该性能降低。因而，如后述实验例中详细说明的那样，本发明人针对促进宏观台阶-平台形成的技术进行了研究，同时针对抑制宏观台阶-平台形成的技术进行了研究。
基于这种研究，本实施方式中，针对宏观台阶-平台的形成受到抑制的层叠体30进行说明。基于本实施方式的层叠体30具有如下特征：与形成有宏观台阶-平台的情况相比，外延层20的表面21更平坦。更具体而言，基于本实施方式的层叠体30的特征在于，在外延层20的表面21具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台60。需要说明的是，外延层20的表面21的平坦性高时，至少具有例如容易在外延层20上层叠其它层的优点等。
台阶-平台60可以采用各种方案。第一方案的台阶-平台60中，台阶具有GaN的2分子层的高度。第二方案的台阶-平台60中，台阶沿着与a轴方向正交的方向延伸。第三方案的台阶-平台60中，台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸。
图2是概略性地示出层叠体30的制造方法的流程图。首先，在步骤S10中，准备基板10。接着，在步骤S20中，利用HVPE使GaN层20在基板10的主面11上外延生长。此处，针对HVPE装置200进行说明。图3是例示出HVPE装置200的概略构成图。
HVPE装置200由石英等耐热性材料形成，其具备内部构成有成膜室201的气密容器203。在成膜室201内设置有用于保持作为处理对象的基板10的基座208。基座208与旋转机构216所具有的旋转轴215相连接，以自由旋转的方式构成。在气密容器203的一端连接有用于向成膜室201内供给盐酸(HCl)气体、氨(NH3)气、氮气(N2气)的气体供给管232a～232c。气体供给管232c连接有用于供给氢气(H2气)的气体供给管232d。气体供给管232a～232d从上游侧起依次分别设置有流量控制器241a～241d、阀243a～243d。在气体供给管232a的下游设置有用于容纳作为原料的Ga熔液的气体生成器233a。气体生成器233a连接有用于朝向保持在基座208上的基板10供给通过HCl气体与Ga熔液的反应而生成的氯化镓(GaCl)气体的喷嘴249a。在气体供给管232b、232c的下流侧分别连接有朝向保持在基座208上的基板10供给由这些气体供给管供给的各种气体的喷嘴249b、249c。在气密容器203的另一端设置有对成膜室201内进行排气的排气管230。排气管230设置有泵231。在气密容器203的外周设置有用于将气体生成器233a内、保持在基座208上的基板10加热至期望温度的区域加热器207，在气密容器203内设置有用于测定成膜室201内的温度的温度传感器209。HVPE装置200所具备的各部件连接于以计算机的形式构成的控制器280相连接，以通过在控制器280上执行的程序来控制后述处理步骤、处理条件的方式构成。
GaN层20的生长处理可以使用HVPE装置200，例如按照下述处理步骤来实施。首先，在气体生成器233a内容纳作为原料的Ga。另外，将基板10保持在基座208上。并且，一边实施成膜室201内的加热和排气，一边向成膜室201内供给N2气，使成膜室201为期望的生长压力。此时，为了防止生长开始前的基板表面的粗糙，自大致500℃的温度(优选为400℃以上且550℃以下的范围的温度)起从气体供给管232b开始NH3气体的供给。并且，在成膜室201内达到期望的生长温度后，开始供给H2气体，在成膜室201内的气氛达到期望气氛的状态下，从气体供给管232a进行气体供给，由此对基板10供给GaCl气体。在即将供给GaCl气体之前开始H2气体的供给是为了防止在H2气体的供给开始过早的情况下，生长前的GaN基板的表面被蚀刻而产生粗糙。优选自成膜室201内达到期望的生长温度起2分钟以内开始H2气体的供给，另外，优选在开始供给H2气体后的1分钟以内供给GaCl气体。
作为GaN层20的生长处理条件，可例示出以下的第一条件范围(也称为条件1)、第二条件范围(也称为条件2)和第三条件范围(也称为条件3)。V/III比是作为V族原料气体的氮(N)原料气体(本例中为NH3气体)的分压相对于作为III族原料气体的镓(Ga)原料气体(本例中为GaCl气体)的分压之比。
在生长温度Tg：950℃以上且1200℃以下、V/III比：1以上且51以下、成膜室201内的压力：90kPa以上且105kPa以下、优选为90kPa以上且95kPa以下、GaCl气体的分压：0.3kPa以上且15kPa以下、N2气体的流量/H2气体的流量：0以上且20以下的范围内，
作为条件1，可例示出：(V/III比)≤0.2Tg-189、且、(V/III比)≥0.2Tg-199
作为条件2，可例示出：(V/III比)<0.2Tg-199、且、(V/III比)≥0.2Tg-209
作为条件3，可例示出：(V/III比)<0.2Tg-209。
图8是示出与条件1、2和3对应的生长温度Tg和V/III比的范围的图，横轴表示生长温度Tg，纵轴表示V/III比。需要说明的是，图8中，在偏离条件1、2和3的条件范围(用灰色表示的条件范围)外，发生表面粗糙、与本发明的特殊的垄状结构不同种类的杂乱的垄状结构等。
作为具有台阶-平台60的外延层20的生长条件，优选使用条件3。换言之，生长温度优选为1050℃以上且1200℃以下。形成第一方案的台阶-平台60时，使用具有主面11内的偏离角为0.3°以下的区域的基板10为宜。这是因为：第一方案的台阶-平台60容易在生长于基板10的偏离角为0.3°以下的区域上的外延层20的表面21形成。形成第二方案的台阶-平台60时，使用具有主面11内的偏离角沿着a方向倾斜超过0.3°的区域的基板10为宜。这是因为：第二方案的台阶-平台60容易在生长于基板10的偏离角沿着a方向倾斜超过0.3°的区域上的外延层20的表面21形成。形成第三方案的台阶-平台60时，使用具有主面11内的偏离角沿着m方向倾斜超过0.3°的区域的基板10为宜。这是因为：第三方案的台阶-平台60容易在生长于基板10的偏离角沿着m方向倾斜超过0.3°的区域上的外延层20的表面21形成。需要说明的是，作为具有宏观台阶-平台的外延层的生长条件，可优选使用条件1和条件2。
通过利用条件3进行生长，能够大幅改善迄今为止通过各种方法在GaN基板上生长10μm以上的GaN层时的课题、即表面平坦性。例如，用100μm见方区域的通过AFM测定求出的表面粗糙度的rms值(以下也称为100μm见方的rms值)来定义此时的表面平坦性。在图8中用灰色表示的条件范围内，因表面粗糙、杂乱的垄结构的影响，100μm见方的rms值为50nm以上。在形成宏观台阶-平台(周期性的垄结构)的条件1和2的情况下，100μm见方的rms值为10～20nm左右。与此相对，在条件3中，100μm见方的rms值是小于10nm的低值，典型而言，是5nm以下的极低值。
生长出规定厚度、优选例如10μm以上厚度的GaN层20后，停止供给生长处理所用的GaCl气体，使生长室201内的温度降低至能够进行搬出作业的温度(室温附近)为止。在该过程中，为了保护外延层20的表面，NH3气体优选持续供给至500℃左右(优选为400℃以上且550℃以下的范围的温度)。另外，同样地，为了保护外延层20的表面，H2气优选在停止供给GaCl气体的同时停止供给。并且，将成膜室201内的气氛置换成N2气并恢复至大气压后，从成膜室201内搬出形成有外延层20的基板10、即层叠体30。如此操作，制造在外延层20的表面21具有台阶-平台60的层叠体30。
<实验例>
以下，针对实验例进行说明。实验例中，制作利用HVPE在基板上生长有厚度10μm以上的外延层的层叠体，并调查外延层的表面状态。其结果得到如下见解：能够分开制作在外延层表面具有宏观台阶-平台的层叠体、以及在外延层表面具有比宏观台阶-平台更平坦的台阶-平台的层叠体。这些中的任意方案的层叠体均是本发明人发现的具有新型结构的GaN层叠体。
实验例中，作为基板，使用了通过空隙形成剥离(VAS)法而制造的、直径为2英寸(5.08cm)且主面内的穿透位错密度(TDD)为1～3×106/cm2的GaN单晶基板。使用了中心偏离角的偏离方向和大小不同的多个基板。具体而言，使用中心偏离角的偏离方向为a方向的基板和中心偏离角的偏离方向为m方向的基板，使用中心偏离角的大小在0.2°～0.6°左右的范围内各异的基板。通过利用HVPE使GaN在各基板上外延生长而形成外延层，观察已知偏离角的偏离方向和大小的外延层的中心附近区域。需要说明的是，通过使用VAS法，能够以不会形成局部的穿透位错密度非常高的区域、例如1×107/cm2以上的区域的方式制造基板。因此，使用通过VAS法制造的基板会提高所生长的外延层的面内均质性，故而优选。
首先，参照图4～6，针对宏观台阶-平台进行说明。图4是示出具有宏观台阶-平台的层叠体的外延层的表面状态的图。图4所示的层叠体通过利用条件1在偏离方向为a方向且具有大小为0.4°的中心偏离角的基板上生长出厚度30μm的外延层来制作。图5是图4的(a)部的放大图。图6是宏观台阶-平台的示意图。
图4中，(a)部是外延层表面的光学显微镜图像，(b)部是针对外延层表面的20μm见方区域的原子力显微镜(AFM)图像，(c)部是针对宏观台阶内的5μm见方区域的AFM图像，(d)部是针对宏观平台内的5μm见方区域的AFM图像，(e)部是沿着(b)部的中央所示的线的AFM轮廓线。
如图4的(a)部所示，在外延层表面观察到沿着a方向与m方向的中间方向延伸的特殊的垄状结构。这种垄状结构形成于外延层的整面。本发明人获得了如下见解：在图4的(a)部观察到的垄状结构可模式性地理解为图6所示那样的、由宏观台阶41和宏观平台42交替排列而成的宏观台阶-平台40。即，获得了如下见解：图4所示的层叠体的外延层表面是具有宏观台阶-平台的面。在图4的(a)部观察到的宏观台阶-平台对应于使图6在纸面内旋转90°的状态。
在图4的(b)部夹着被示作“宏观平台端”的边界区域，AFM图像中观察到的条纹状图案的方向和间隔不同。宏观平台端对应于图6所示的宏观平台42与宏观台阶41的边界。
图4的(c)部是将在宏观平台端的左方配置的宏观台阶内进行放大而得的AFM图像。在宏观台阶内，观察到沿着与m方向大致正交的方向延伸且(与图4的(d)部的图像相比)间隔狭窄的条纹状图案。如图6所示，宏观台阶41可模式性地理解为具有由m方向台阶51m和m方向平台52m交替排列而成的台阶-平台的面，所述m方向台阶是沿着与m方向正交的方向延伸的台阶，所述m方向平台是沿着与m方向正交的方向延伸的平台。另外，宏观台阶41可模式性地理解为沿着a方向与m方向的中间方向延伸的面。将由m方向台阶51m与m方向平台52m交替排列而成的台阶-平台称为m方向台阶-平台50m。在图6中，m方向台阶51m用线来表示。
各m方向台阶51m的高度例如为1.2～1.7nm左右。由于GaN的单分子层的厚度为0.26nm左右，因此，m方向台阶51m具有GaN的多个分子层以上的高度，例如4～7层左右的高度，是对m方向产生了台阶聚并的台阶。
图4的(d)部是将在宏观平台端的右方配置的宏观平台内进行放大而得的AFM图像，在宏观平台内观察到沿着与对应于偏离方向的a方向大致正交的方向延伸、且(与图4的(c)部的图像相比)间隔宽的条纹状图案。如图6所示，宏观平台42可示意性地理解为具有由a方向台阶51a和a方向平台52a交替排列而成的台阶-平台的面，所述a方向台阶是沿着与a方向正交的方向延伸的台阶，所述a方向平台是沿着与a方向正交的方向延伸的平台。另外，宏观平台42可模式性地理解为沿着a方向与m方向的中间方向延伸的面。将由a方向台阶51a与a方向平台52a交替排列而成的台阶-平台称为a方向台阶-平台50a。图6中，a方向台阶51a用线来表示。
各a方向台阶51a的高度例如为1.2～2.4nm左右。因此，a方向台阶51a具有GaN的多个分子层以上的高度，例如4～10层左右的高度，是针对a方向产生了台阶聚并的台阶。
图4的(e)部是夹着图4的(b)部所示的宏观平台端而横跨左方的宏观台阶和右方的宏观平台的宏观台阶-平台的轮廓线。可知：在宏观台阶-平台中形成了阶梯状结构。虽然由图4的(e)的轮廓线难以理解，但如图6所示，可理解为：相对于作为将宏观台阶-平台40的凹凸加以均化的平面而规定的外延层的基准面22，宏观台阶41的倾斜方向与宏观平台42的倾斜方向不同。具有宏观台阶41、即m方向台阶-平台50m的面是相对于c面倾斜0.5°以上且0.7°以下的面。由宏观台阶41与宏观平台42形成的凹凸的峰谷高度为10nm以上。
图5和图6所示的等高线是将宏观台阶41的m方向台阶51m与宏观平台42的a方向台阶51a交替连结而成的线。可推测：在外延层的俯视(基准面22的俯视)下，与等高线平均性延伸的方向正交的方向是实际的偏离方向。因此可推测：所观察的区域中的实际偏离方向自准确的a方向略微偏移。
接着，参照图7，针对外延层的生长条件与宏观台阶-平台的形成容易程度的关系、以及基板的偏离角条件与宏观台阶-平台的形成容易程度的关系进行说明。图7是示出使外延层的生长条件和基板的偏离角条件发生变化而制作的层叠体中的外延层的表面状态的图。
图7所示的多个层叠体如下制作。作为基板，使用了中心偏离角的偏离方向均为a方向，且中心偏离角的大小为0.25°、0.4°和0.55°的三种基板。在这些各种类的基板上，利用条件1、2和3所含的多个生长条件，生长出厚度30μm的外延层，由此制作层叠体。条件1、2和3参照图8，与上述条件相同。在条件1、2和3各自的条件范围内，能够得到基本相同的结果，因此，图7示出各条件范围内的代表性结果。
在图7中，(a)部总结示出各层叠体的外延层表面的光学显微镜图像，(b)部是针对偏离角为0.25°且生长条件为条件3的层叠体的外延层表面的5μm见方区域的AFM图像，(c)部是针对偏离角为0.4°且生长条件为条件3的层叠体的外延层表面的5μm见方区域的AFM图像。
如图7的(a)部所示，在条件1中，针对任意偏离角的大小，均可在外延层的整面形成宏观台阶-平台。在条件2中，偏离角越小，则越容易形成宏观台阶-平台，在偏离角为0.55°时，基本不会形成宏观台阶-平台。由该结果可以说：为了在条件2下形成宏观台阶-平台，优选将基板的偏离角设为0.5°以下，更优选设为0.4°以下。
换言之，在条件2中，为了得到与整面形成有宏观台阶-平台的外延层表面相比更平坦的外延层表面，优选将基板的偏离角设为0.4°以上(或超过0.4°)，更优选设为0.5°以上(或超过0.5°)。此处，针对5μm见方区域的通过AFM测定求出的表面粗糙度的rms值(以下也称为5μm见方的rms值)进行说明。作为将基板的偏离角设为0.4°以上并利用条件2而制作的层叠体的、外延层表面的5μm见方的rms值的一例，能够得到(1nm以下的)0.6nm。像这样，通过将基板的偏离角设为0.4°以上并使用条件2，未在整面形成宏观台阶-平台，能够制作具有5μm见方的rms值为1nm以下的外延层表面的区域的层叠体。需要说明的是，此处“未在整面形成宏观台阶-平台”是指：可以包括局部形成有宏观台阶-平台的情况，也可以包括完全未形成宏观台阶-平台的情况。需要说明的是，可以将如下所述通过条件3而制作的层叠体视作这种层叠体。
在条件3中，针对任意偏离角的大小，均未观察到宏观台阶-平台，与形成宏观台阶-平台的情况相比，能够得到平坦的外延层表面。
如图7的(b)部所示，在条件3且偏离角为0.25°的层叠体中，在AFM图像中观察到同样的条纹状图案。这表示外延层表面具有由沿着规定方向(恒定方向)延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台。即，表示外延层表面不是宏观台阶-平台那样地具有两种台阶-平台(m方向台阶-平台和a方向台阶-平台)的面，而是具有1种台阶-平台的面。从图7的(a)部所示的光学显微镜图像来考虑，可以说：外延层表面的至少1mm见方以上的宽阔区域由1种台阶-平台构成。同样地，在图7的(c)部所示的条件3且偏离角为0.4°的层叠体中，也在AFM图像中观察到同样的条纹状图案，可以说外延层表面的至少1mm见方以上的宽阔区域由1种台阶-平台构成。
关于图7的(b)部所示的层叠体(偏离角为0.25°的层叠体)和图7的(c)部所示的层叠体(偏离角为0.4°的层叠体)，外延层表面均具备由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台。其中，偏离角为0.25°的层叠体的台阶-平台与偏离角为0.4°的层叠体的台阶-平台存在下述不同点。偏离角为0.25°的层叠体的台阶是各台阶恒定地具有GaN的2分子层的高度的双台阶。与此相对，偏离角为0.4°的层叠体的台阶是在a方向上产生了大致具有4～10层左右的GaN的高度的台阶聚并的台阶。偏离角为0.4°的层叠体的台阶沿着与对应于偏离方向的a方向大致正交的方向延伸。与形成了宏观台阶-平台的情况相比平坦的外延层表面可模式性地理解为具有这种台阶-平台的面。
偏离角0.4°的层叠体的外延层表面的5μm见方的rms值极小，为(0.3nm以下的)0.24nm，偏离角0.25°的层叠体的外延层表面的5μm见方的rms值更小，为(0.2nm以下的)0.17nm。像这样，通过在条件3下的生长，以5μm见方的rms值计，可以使层叠体的外延层表面的平坦性优选为0.3nm以下，可以使其更优选为0.2nm以下。通过在条件3下的生长，与在条件2下的生长相比，能够进一步提高层叠体的外延层表面的平坦性。
需要说明的是，在条件2中将基板的偏离角设为0.4°以上的情况下，能够在外延层表面形成由1种台阶-平台构成的区域。其中，在条件2中偏离角小至接近0.4°的情况下，台阶-平台的延伸方向平均地朝向规定方向(恒定方向)，但蛇行的倾向增强。该台阶-平台由产生了台阶聚并的台阶构成。存在台阶-平台的蛇行程度越大则外延层表面的平坦性越降低的倾向，但即使是由发生了蛇行的台阶-平台构成的外延层表面，5μm见方的rms值也为例如0.6nm，以5μm见方的rms值计具有1μm以下的平坦性。
接着，参照图9和图10，针对将基板的偏离方向设为m方向的情况进行说明。图9和图10是示出使用将中心偏离角的偏离方向设为m方向的基板而制作的层叠体中的外延层的表面状态的图。图9所示的层叠体(偏离角为0.3°的层叠体)通过利用条件1在偏离方向为m方向且具有大小为0.3°的中心偏离角的基板上生长出厚度30μm的外延层来制作。图10所示的层叠体(偏离角为0.55°的层叠体)通过利用条件2在偏离方向为m方向且具有大小为0.55°的中心偏离角的基板上生长出厚度30μm的外延层来制作。
在图9中，(a)部是偏离角为0.3°的层叠体中的外延层表面的光学显微镜图像，(b)部是针对偏离角为0.3°的层叠体中的外延层表面的20μm见方区域的AFM图像。
如图9的(a)部所示，在外延层表面观察到宏观台阶-平台。如图9的(b)部所示，夹着作为边界区域的宏观平台端，在右方观察到宏观台阶，在左方观察到宏观平台。在宏观台阶内，观察到沿着与对应于偏离方向的m方向大致正交的方向延伸且间隔狭窄的m方向台阶，在宏观平台内，观察到沿着与a方向大致正交的方向延伸且间隔宽阔的a方向台阶。像这样，在基板的偏离方向为m方向的情况下，也与基板的偏离方向为a方向的情况同样，能够在外延层表面形成宏观台阶-平台。
在图10中，(a)部是偏离角为0.55°的层叠体中的外延层表面的光学显微镜图像，(b)部是针对偏离角为0.55°的层叠体中的外延层表面的20μm见方区域的AFM图像，(c)部是针对偏离角为0.55°的层叠体中的外延层表面的5μm见方区域的AFM图像。
如图10的(a)部所示，外延层表面是观察不到宏观台阶-平台的平坦面。如图10的(b)部和图10的(c)部所示，在AFM图像中观察到同样的条纹状图案，可知外延层表面为具有1种台阶-平台的面。从图10的(a)部所示的光学显微镜图像来考虑，可以说：外延层表面的至少1mm见方以上的宽阔区域由1种台阶-平台构成。所观察的台阶沿着与对应于偏离方向的m方向大致正交的方向延伸。另外，该台阶具有GaN的多个分子层以上的高度，是在m方向上产生了台阶聚并的台阶。像这样，在基板的偏离方向为m方向的情况下，也与基板的偏离方向为a方向的情况同样，能够得到与形成了宏观台阶-平台的情况相比更平坦的外延层表面。即，能够使外延层表面形成为具有1种台阶-平台的面，而不是宏观台阶-平台那样地具有2种台阶-平台(m方向台阶-平台和a方向台阶-平台)的面。
关于这种平坦外延层的形成，也可以说是如下那样。若将图7的(b)所示的偏离角为0.25°的层叠体、图7的(c)所示的偏离角为0.4°的层叠体和图10的(c)所示的偏离角为0.55°的层叠体进行比较，则可推测：通过使基板的偏离角大至超过0.3°，或许使台阶的延伸方向朝着与对应于偏离方向的a方向或m方向正交的方向对齐的力会增加。即，为了形成台阶沿着与对应于偏离方向的a方向或m方向正交的方向延伸的台阶-平台，可以说使基板的偏离角超过0.3°是优选的。
另外，通过使基板的偏离角小至0.3°以下，虽然详细理由尚不明确，但可推测：或许容易形成各台阶恒定地具有GaN的2分子层的高度的双台阶。换言之，为了形成具有双台阶的台阶-平台，可以说优选将基板的偏离角设为0.3°以下。
如上述说明的那样，可以分开制作在外延层表面具有宏观台阶-平台的层叠体、以及在外延层表面具有比宏观台阶-平台更平坦的台阶-平台的层叠体。可观察到如下倾向：生长温度越低，则越容易形成前者的层叠体，生长温度越高，则越容易形成后者的层叠体。其理由可推测如下。
如图6所示，为了形成宏观台阶-平台，需要使构成GaN的原子在外延层的表面内扩散至形成宏观台阶-平台那样的规定位置为止。温度越高，则原子越容易从外延层表面蒸发，因此越难以产生表面扩散。因此可以认为：温度越高，则越难以形成宏观台阶-平台，外延层表面变得平坦。
需要说明的是，实际观察到的宏观台阶-平台(例如参照图4的(b)部和图9的(b)部)或者实际观察到的台阶-平台(例如参照图7的(b)部、图7的(c)部和图10的(c)部)包含偏差，因此有时不会与基于上述那样的模式性理解的结构完全一致，但通过上述那样的模式性理解，能够捕捉到宏观台阶-平台和台阶-平台各自的特征。
<其它实施方式>
以上，针对本发明的实施方式进行了具体说明。然而，本发明不限定于上述的实施方式，可以在不超脱其主旨的范围内进行各种变更、改良、组合等。
在上述说明中，为了便于说明，针对宏观台阶-平台，将由m方向台阶-平台构成的面称为宏观台阶，将由a方向台阶-平台构成的面称为宏观平台。根据实验例(参照图4的(b)部和图9的(b)部)，可观察到宏观台阶(m方向台阶-平台)中的台阶间隔(平台宽度)与宏观平台(a方向台阶-平台)中的台阶间隔(平台宽度)彼此不同的倾向，更具体而言，可观察到宏观台阶(m方向台阶-平台)中的台阶间隔比宏观平台(a方向台阶-平台)中的台阶间隔更狭窄的倾向。其中，根据各种条件的不同，宏观台阶(m方向台阶-平台)中的台阶间隔有可能比宏观平台(a方向台阶-平台)中的台阶间隔更宽。另外，根据基板的偏离角和偏离方向，还设想了构成宏观台阶和宏观平台的台阶方向反转的情况。即，也可以形成具有由m方向台阶-平台构成的宏观平台和由a方向台阶-平台构成的宏观台阶的宏观台阶-平台。在任意情况下，宏观台阶-平台均同样地是如上所述由2种台阶-平台复合而成的结构。对于宏观台阶-平台而言，在2种台阶-平台分别构成的面之中、换言之在宏观台阶和宏观平台之中，为了方便，可以将宽度较宽的一者称为“宏观平台”，将宽度较窄的一者称为“宏观台阶”。
在外延层表面具有宏观台阶-平台的层叠体不限定于在外延层表面的整面具有宏观台阶-平台的层叠体，可以是在外延层表面的一部分(例如1mm见方以上的宽阔区域、或者例如500μm见方以上的宽阔区域)具有宏观台阶-平台的层叠体。
在外延层表面具有比宏观台阶-平台更平坦的台阶-平台的层叠体不限定于在外延层表面的整面具有台阶-平台的层叠体，可以是在外延层表面的一部分(例如1mm见方以上的宽阔区域、或者例如500μm见方以上的宽阔区域)具有台阶-平台的层叠体。
关于层叠体所具有的基板和外延层，其各自可以包含导电型决定杂质等杂质。外延层可以具有包含n型杂质的GaN层和包含p型杂质的GaN层中的一者，也可以具有两者。
<本发明的优选方案>
以下，针对本发明的优选方案进行附记。
(附记1)
一种GaN层叠体，其具有：
GaN基板，其由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
GaN层，其在前述GaN基板的前述主面上进行外延生长而成，且具有10μm以上的厚度，
前述GaN层的表面具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构。
(附记2)
根据附记1所述的GaN层叠体，其中，前述台阶具有GaN的2分子层的高度。
(附记3)
根据附记1或2所述的GaN层叠体，其中，前述基板在前述主面内具有偏离角为0.3°以下的第一区域，在前述第一区域上生长的前述GaN层的表面，前述台阶具有GaN的2分子层的高度，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
(附记4)
根据附记1所述的GaN层叠体，其中，前述台阶沿着与a轴的方向正交的方向延伸。
(附记5)
根据附记1或4所述的GaN层叠体，其中，前述基板在前述主面内具有偏离角沿着a轴方向倾斜超过0.3°的第二区域，在前述第二区域上生长的前述GaN层的表面，前述台阶沿着与a轴的方向正交的方向延伸，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
(附记6)
根据附记1所述的GaN层叠体，其中，前述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸。
(附记7)
根据附记1或6所述的GaN层叠体，其中，前述基板具有偏离角沿着m轴方向倾斜超过0.3°的第三区域，在前述第三区域上生长的前述GaN层的表面，前述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
(附记8)
根据附记1～7中任一项所述的GaN层叠体，其中，前述GaN层的表面的100μm见方区域的利用AFM测定而求出的表面粗糙度的rms值优选小于10nm，更优选为5nm以下。
(附记9)
根据附记1～8中任一项所述的GaN层叠体，其中，前述GaN层的表面的5μm见方区域的利用AFM测定而求出的表面粗糙度的rms值优选为0.3nm以下，更优选为0.2nm以下。
(附记10)
根据附记1～9中任一项所述的GaN层叠体，其中，在前述GaN层的表面，优选500μm见方以上的宽阔区域、更优选1mm见方以上的宽阔区域具有前述台阶-平台结构。
(附记11)
根据附记1～10中任一项所述的GaN层叠体，其中，前述基板是利用VAS法制造的基板(不包含穿透位错密度为1×107/cm2以上的区域的基板)。
(附记12)
一种GaN层叠体的制造方法，其具备：
准备GaN基板的工序，所述GaN基板由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
利用HVPE在前述GaN基板的前述主面上外延生长具有10μm以上的厚度的GaN层的工序，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，
将生长温度设为1050℃以上且1200℃以下，使前述GaN层生长，
在前述GaN层的表面形成由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构。
(附记13)
根据附记12所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在使前述GaN层进行外延生长的工序中，将生长温度Tg和V/III比的范围设为(V/III比)<0.2Tg-209。
(附记14)
根据附记12或13所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备前述GaN基板的工序中，准备在前述主面内具有偏离角为0.3°以下的第一区域的前述GaN基板，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，在前述第一区域上形成前述台阶具有GaN的2分子层的高度的前述台阶-平台结构。
(附记15)
根据附记12或13所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备前述GaN基板的工序中，准备在前述主面内具有偏离角沿着a轴方向倾斜超过0.3°的第二区域的前述GaN基板，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，在前述第二区域上形成前述台阶沿着与a轴方向正交的方向延伸的前述台阶-平台结构。
(附记16)
根据附记12或13所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备前述GaN基板的工序中，准备在前述主面内具有偏离角沿着m轴方向倾斜超过0.3°的第三区域的前述GaN基板，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，在前述第三区域上形成前述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸的前述台阶-平台结构。
(附记17)
根据附记1～11中任一项所述的GaN层叠体或附记12～16中任一项所述的GaN层叠体的制造方法，其中，前述GaN层的表面不具有宏观台阶-平台结构。
(附记18)
根据附记12～17中任一项所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在使前述GaN层进行外延生长的工序中，在开始供给N原料气体后，开始供给氢气，在开始供给氢气后，开始供给Ga原料气体。
(附记19)
一种GaN层叠体，其具有：
GaN基板，其由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
GaN层，其在前述GaN基板的前述主面上外延生长而成，且具有10μm以上的厚度，
前述GaN层的表面具有5μm见方区域的通过AFM测定而求出的表面粗糙度的rms值为1nm以下的区域，进而
在前述GaN层的表面未整面形成由宏观台阶和宏观平台交替排列而成的宏观台阶-平台结构，
前述宏观台阶和前述宏观平台中的一者具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着与m轴方向正交的方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构，
前述宏观台阶和前述宏观平台中的另一者具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着与a轴方向正交的方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构，所述台阶。
(附记20)
根据附记19所述的GaN层叠体，其中，前述GaN层的表面中的前述rms值为1nm以下的区域具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构。
(附记21)
一种GaN层叠体的制造方法，其具备：
准备GaN基板的工序，所述GaN基板由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
利用HVPE在前述GaN基板的前述主面上外延生长具有10μm以上的厚度的GaN层的工序，
在使前述GaN层进行外延生长的工序中，将生长温度Tg和V/III比的范围设为(V/III比)<0.2Tg-199、且、(V/III比)≥0.2Tg-209，
前述基板在前述主面内具有偏离角的大小优选为0.4°以上、更优选为0.5°以上的区域，所述偏离角是前述主面的法线方向与c轴方向所成的角。

Claims (12)

1.一种GaN层叠体，其具有：
GaN基板，其由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面，所述c面具有Ga极性；以及
GaN层，其在所述GaN基板的所述主面上进行外延生长而成，且具有10μm以上的厚度，
所述GaN层的表面具备：由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构，
其中，所述GaN层的表面的100μm见方区域的利用AFM测定而求出的表面粗糙度的rms值小于10nm。
2.根据权利要求1所述的GaN层叠体，其中，所述台阶具有GaN的2分子层的高度。
3.根据权利要求1所述的GaN层叠体，其中，所述基板在所述主面内具有偏离角为0.3°以下的第一区域，在所述第一区域上生长的所述GaN层的表面，所述台阶具有GaN的2分子层的高度，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
4.根据权利要求1所述的GaN层叠体，其中，所述台阶沿着与a轴方向正交的方向延伸。
5.根据权利要求1或4所述的GaN层叠体，其中，所述基板在所述主面内具有偏离角沿着a轴方向倾斜超过0.3°的第二区域，在所述第二区域上生长的所述GaN层的表面，所述台阶沿着与a轴方向正交的方向延伸，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
6.根据权利要求1所述的GaN层叠体，其中，所述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸。
7.根据权利要求1或6所述的GaN层叠体，其中，所述基板具有偏离角沿着m轴方向倾斜超过0.3°的第三区域，在所述第三区域上生长的所述GaN层的表面，所述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的GaN层叠体，其中，所述GaN层的表面的5μm见方区域的利用AFM测定而求出的表面粗糙度的rms值为0.3nm以下。
9.一种GaN层叠体的制造方法，其具备：
准备GaN基板的工序，所述GaN基板由GaN单晶构成，且相对于主面最近的低指数晶面为c面；以及
利用HVPE在所述GaN基板的所述主面上外延生长具有10μm以上的厚度的GaN层的工序，
在使所述GaN层进行外延生长的工序中，
将生长温度设为1050℃以上且1200℃以下，使所述GaN层生长，
在所述GaN层的表面形成由具有GaN的多个分子层以上的高度且沿着规定方向延伸的台阶和平台交替排列而成的台阶-平台结构，
将生长温度Tg和V/III比的范围设为(V/III比)<0.2Tg-209。
10.根据权利要求9所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备所述GaN基板的工序中，准备在所述主面内具有偏离角为0.3°以下的第一区域的所述GaN基板，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使所述GaN层进行外延生长的工序中，在所述第一区域上形成所述台阶具有GaN的2分子层的高度的所述台阶-平台结构。
11.根据权利要求9所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备所述GaN基板的工序中，准备在所述主面内具有偏离角沿着a轴方向倾斜超过0.3°的第二区域的所述GaN基板，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使所述GaN层进行外延生长的工序中，在所述第二区域上形成所述台阶沿着与a轴方向正交的方向延伸的所述台阶-平台结构。
12.根据权利要求9所述的GaN层叠体的制造方法，其中，在准备所述GaN基板的工序中，准备在所述主面内具有偏离角沿着m轴方向倾斜超过0.3°的第三区域的所述GaN基板，所述偏离角是所述主面的法线方向与c轴方向所成的角，
在使所述GaN层进行外延生长的工序中，在所述第三区域上形成所述台阶沿着与m轴方向正交的方向延伸的所述台阶-平台结构。
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