CN111356794A - 氮化镓晶体基板 - Google Patents
氮化镓晶体基板 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111356794A CN111356794A CN201880074748.2A CN201880074748A CN111356794A CN 111356794 A CN111356794 A CN 111356794A CN 201880074748 A CN201880074748 A CN 201880074748A CN 111356794 A CN111356794 A CN 111356794A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crystal substrate
- gan crystal
- flat
- notched
- region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 423
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 409
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 408
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 403
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 claims abstract description 42
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 41
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 104
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 82
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 41
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 40
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 25
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 11
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 10
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 6
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/12—Substrate holders or susceptors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/20—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
一种氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板具有50mm以上且155mm以下的直径并且具有300μm以上且800μm以下的厚度，并且在其外缘的一部分中包括平坦部和缺口部中的任一者。所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm‑3以上且4×1018cm‑3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种，并且在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有1000cm‑2以上且5×107cm‑2以下的平均位错密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓晶体基板。
背景技术
日本特开2002-356398号公报(专利文献1)公开了一种由具有{0001}平面取向的六方晶系氮化镓单晶构成的透明且独立的环形氮化镓晶片作为由氮化镓晶体构成的环形晶片，其特征在于具有在正表面侧和背表面侧以5°至30°的倾斜角倒角的外周部。日本特开2009-105435号公报(专利文献2)公开了一种由具有{0001}平面取向的六方晶系氮化镓单晶构成的透明且独立的环形氮化镓晶片，其特征在于包括显示出与通过在外周部的一部分中切割弓形部分而获得的平面正交的特定晶体取向{hkm0}的平坦部。日本特开2007-134461号公报(专利文献3)公开了一种在基板圆弧部的III族极性表面和氮极性表面的两侧倒角的III族氮化物半导体基板，其特征在于在氮极性表面侧的倒角部在包括基板的取向平坦部的整个外周上以超过30°且不大于60°的角度倒角。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-356398号公报
专利文献2：日本特开2009-105435号公报
专利文献3：日本特开2007-134461号公报
发明内容
根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
附图说明
图1A是示出在根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中形成平坦部的外缘的一部分的示例性位置的示意性平面图。
图1B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中的示例性平坦部以及第一平坦区域和第二平坦区域的放大的示意性平面图。
图2A是示出在根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中形成缺口部的外缘的一部分的示例性位置的示意性平面图。
图2B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中的缺口部以及第一缺口区域和第二缺口区域的放大的示意性平面图。
图3A是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中平均位错密度的示例性测量部分的放大的示意性剖面图。
图3B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中平均位错密度的另一个示例性测量部分的放大的示意性剖面图。
图4是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板中平均残余应力的示例性测量部分的放大的示意性剖面图。
图5A是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的示例性制造方法的制造装置内部的示意性垂直剖面图。
图5B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的示例性制造方法的制造装置的晶体生长部的示意性水平平面图。
图6A是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的另一示例性制造方法的制造装置内部的示意性垂直剖面图。
图6B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的另一示例性制造方法的制造装置的晶体生长部的示意性水平平面图。
图7A是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的又一示例性制造方法的制造装置内部的示意性垂直剖面图。
图7B是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的又一示例性制造方法的制造装置的晶体生长部的示意性水平平面图。
图8是示出根据本发明的一个方面的氮化镓晶体基板的又一示例性制造方法的示意性平面图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
日本特开2002-356398号公报(专利文献1)和日本特开2009-105435号公报(专利文献2)中公开的氮化镓晶片以及日本特开2007-134461号公报(专利文献3)中公开的III族氮化物半导体基板在制造在外缘的一部分中包括平坦部和缺口部中的任一者的基板时(在制造具有平坦部/缺口部的基板时)和/或在外缘的一部分中包括平坦部和缺口部中的任一者的基板上使外延层生长时(在具有平坦部/缺口部的基板上使外延层生长时)，在平坦部和其附近或缺口部和其附近，不利地具有高的由于破裂而导致的缺陷率(裂纹缺陷率)。
尽管日本特开2002-356398号公报(专利文献1)、日本特开2009-105435号公报(专利文献2)和日本特开2007-134461号公报(专利文献3)已经讨论了晶片或基板的倒角的形状，但是它们没有讨论在晶片或基板中的平坦部和其附近或缺口部和其附近的平均位错密度或平均残余应力。
因此，目的在于提供一种氮化镓晶体基板，其在制造具有平坦部/缺口部的基板时和在具有平坦部/缺口部的基板上使外延层生长时，在平坦部和其附近或缺口部和其附近具有低的由于破裂而导致的缺陷率(裂纹缺陷率)。
[本公开的有益效果]
根据本公开，可以提供一种氮化镓晶体基板，其在制造具有平坦部/缺口部的基板时和在具有平坦部/缺口部的基板上使外延层生长时，在平坦部和其附近或缺口部和其附近具有低的由于破裂而导致的缺陷率(裂纹缺陷率)。平坦部和其附近是指第一平坦区域和第二平坦区域并且缺口部和其附近是指第一缺口区域和第二缺口区域。
[本发明的实施方式的说明]
首先将列出并且说明本发明的实施方式。为了清楚地区分多个平坦区域和缺口区域，表述成了第一平坦区域和第一缺口区域或第二平坦区域和第二缺口区域。
[1]根据本发明的一个方面的氮化镓(GaN)晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓(GaN)晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧(O)原子、硅(Si)原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。由于本方面的GaN晶体基板在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者中具有在规定范围内的平均位错密度，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有低的裂纹缺陷率。
[2]根据本发明的一个方面的GaN晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本方面的GaN晶体基板在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者中具有在规定范围内的平均残余应力，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有低的裂纹缺陷率。
[3]根据本发明的一个方面的GaN晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板可以具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本方面的GaN晶体基板在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者中具有各自在规定范围内的平均位错密度和平均残余应力，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有更低的裂纹缺陷率。
[4]根据本发明的一个方面的GaN晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。由于本方面的GaN晶体基板在所述第二平坦区域和所述第二缺口区域中的任一者中具有在规定范围内的平均位错密度并且可以将位于所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者的外周部附近的部分区域中的平均位错密度控制在一定范围内，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时，所述GaN晶体基板具有低的裂纹缺陷率。
[5]根据本发明的一个方面的GaN晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本方面的GaN晶体基板在所述第二平坦区域和所述第二缺口区域中的任一者中具有在规定范围内的平均残余应力并且可以将位于所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者的外周部附近的部分区域中的平均残余应力控制在一定范围内，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时，所述GaN晶体基板具有低的裂纹缺陷率。
[6]根据本发明的一个方面的GaN晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下。所述GaN晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者。所述GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述GaN晶体基板可以具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本方面的GaN晶体基板在所述第二平坦区域和所述第二缺口区域中的任一者中具有各自在规定范围内的平均位错密度和平均残余应力，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有更低的裂纹缺陷率。
[本发明的实施方式的详情]
<GaN晶体基板>
图1A、图1B、图2A和图2B示出本实施方式中的示例性GaN晶体基板11。图1A是示出形成平坦部11f的GaN晶体基板11的外缘的一部分的位置的示意性平面图。图1B是示出平坦部11f以及第一平坦区域和第二平坦区域11fr的放大的示意性平面图。平坦部11f指的是在结晶体和晶体基板的外缘(外周)的一部分中形成的平坦表面，其用于便于确定结晶体和晶体基板的晶体取向、区分正面与背面以及在工序中进行对准。在具有平坦部的GaN晶体基板11中，形成至少一个平坦部11f并且通常形成两个平坦部，它们也被称为取向平坦(オリエンテーションフラット)(在下文中也被称为OF)和识别平坦(アイデンテフィケーションフラット)(在下文中也被称为IF)。在GaN晶体基板11中，主表面的平面取向、偏离方向、偏离角度和平坦部(OF/IF)的位置是根据客户的需要进行设定的。例如，主表面的平面取向被设定为(0001)，设定十二个偏离方向，偏离角度被设定为0°以上且20°以下，OF/IF位置被设定为顺时针位置(在下文中也被称为CW，IF相对于OF被布置在顺时针位置处)和逆时针位置(在下文中也被称为CCW，IF相对于OF被布置在逆时针位置处)的两种类型，OF长度被设定为10mm以上且65mm以下，并且IF长度被设定为4mm以上且45mm以下。
图2A是示出其中形成缺口部11n的GaN晶体基板11的外缘的一部分的位置的示意性平面图。图2B是示出缺口部11n以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr的放大的示意性平面图。缺口部11n指的是在结晶体和晶体基板的外缘(外周)的一部分中形成的缺口部分，其用于便于确定和对准结晶体和晶体基板的晶体取向。在具有缺口部的GaN晶体基板11中，形成至少一个缺口部11n并且通常形成一个缺口部11n。在GaN晶体基板11中，主表面的平面取向、缺口的形状和缺口的中心缺口的方向是根据客户的需要进行设定的。例如，主表面的平面取向被设定为(0001)，缺口是通过以85°以上且95°以下的张角从外缘朝向中心切去0.5mm以上且1.5mm以下的部分而成形的，并且当从中心观察时，缺口的中心缺口的方向被设定为m轴([1-100])的方向。
(实施方式I-1)
参照图1A、图1B、图2A和图2B，本实施方式中的GaN晶体基板11包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板11的厚度为300μm以上且800μm以下。GaN晶体基板11的外缘的一部分包括平坦部11f和缺口部11n中的任一者。GaN晶体基板11含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的O原子、Si原子和载流子中的任一种。在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板11具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。由于本实施方式中的GaN晶体基板11在第一平坦区域11fr和第一缺口区域11nr中的任一者中具有在规定范围内的平均位错密度，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有低的裂纹缺陷率。
在本实施方式中的GaN晶体基板中“在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线垂直”是指在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线上的各点处的切线垂直。在此，“曲线”是指至少部分不是直线的线并且可以局部地包括直线。裂纹缺陷率随GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(O原子或Si原子)或载流子或其浓度或在制造基板时或在外延层生长时的差异而变化，并且具有低的裂纹缺陷率是指在GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(O原子或Si原子)和载流子和其浓度以及基板的制造或外延层的生长在相同的范围内时，裂纹缺陷率相对较低。
本实施方式中的GaN晶体基板11具有50mm以上且155mm以下的直径和300μm以上且800μm以下的厚度。从在大直径的GaN晶体基板11中也降低裂纹缺陷率的观点来看，GaN晶体基板11具有50mm以上且155mm以下的直径。从降低裂纹缺陷率的观点来看，GaN晶体基板11具有300μm以上且800μm以下的厚度。
本实施方式中的GaN晶体基板11的外缘的一部分包括平坦部11f(图1A和图1B)和缺口部11n(图2A和图2B)中的任一者。通过在GaN晶体基板11中在平坦部11f和其附近或也在缺口部11n和其附近抑制裂纹，可以降低裂纹缺陷率。
GaN晶体基板11含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。氧原子和硅原子的浓度是通过二次离子质谱法(SIMS)测量的。载流子的浓度是通过霍尔测量(Hallmeasurement)而测量的。由于GaN晶体基板11中的平均位错密度随所含的氧原子、硅原子和载流子的浓度而变化，因此通过在氧原子、硅原子或载流子的规定浓度下将第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中的平均位错密度调整到规定范围内，可以降低裂纹缺陷率。
GaN晶体基板11随着所含的氧原子的浓度的增加而具有N型导电性。GaN晶体基板11随着所含的硅原子的浓度的增加而具有N型导电性。GaN晶体基板11随着所含的载流子的浓度的增加而具有N型导电性。
从降低本实施方式中的GaN晶体基板11在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
从进一步降低本实施方式中的GaN晶体基板11在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二缺口区域11nr中的任一者中，所述GaN晶体基板优选具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
所述第二平坦区域和所述第二缺口区域分别是在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中更靠近平坦部11f和缺口部11n的部分区域。作为第一平坦区域和第一缺口区域在外周部侧的一部分的第二平坦区域和第二缺口区域的平均位错密度可能分别高于第一平坦区域和第一缺口区域的平均位错密度。由于裂纹源自于外周部，因此所述第二平坦区域中的平均位错密度的值对裂纹缺陷率的影响更大。因此，在制造基板时和在基板上使外延层生长时，在可能具有高的平均位错密度的第二平坦区域和第二缺口区域中也具有在上述范围内的平均位错密度的GaN晶体基板具有更低的裂纹缺陷率。
图3A和图3B是示出本实施方式中的GaN晶体基板11中平均位错密度的示例性测量部分的放大的示意性剖面图。参照图3A，通过使用显微镜测量GaN晶体基板11中的平均位错密度，其为在将GaN晶体基板11在500℃的氢氧化钾(KOH)熔体中浸渍60分钟之后在主表面中在第一平坦区域或第二平坦区域11fr或第一缺口区域或第二缺口区域11nr中产生的每单位面积的平均蚀坑数(蚀坑平均密度)。然而，在第一平坦区域或第二平坦区域11fr中平坦部的倒角部分或在第一缺口区域或第二缺口区域11nr中缺口部的倒角部分中蚀坑可能不可见。在这种情况下，参照图3B，测量通过在与上述相同的条件下对通过将第一平坦区域或第二平坦区域11fr或第一缺口区域或第二缺口区域11nr中的主表面朝向基板的中心部分研磨而暴露的中心部分中的第一平坦区域或第二平坦区域11frc或中心部分中的第一缺口区域或第二缺口区域11nrc进行处理而产生的蚀坑的平均密度。
尽管平坦部11f的长度LR不受特别限制，但是从提高可视性和机器识别性以及确保从中获取芯片的区域的观点来看，10mm以上且65mm以下的OF长度和4mm以上且45mm以下的IF长度是优选的。具有2英寸的直径的GaN晶体基板更优选具有10mm以上且20mm以下的OF长度和4mm以上且10mm以下的IF长度。具有4英寸的直径的GaN晶体基板更优选具有20mm以上且40mm以下的OF长度和10mm以上且25mm以下的IF长度。具有6英寸的直径的GaN晶体基板更优选具有43mm以上且65mm以下的OF长度和25mm以上且45mm以下的IF长度。
从提高可视性和机器识别性以及确保从中获取芯片的区域的观点来看，缺口部11n中的缺口优选通过以85°以上且95°以下的张角从外缘朝向中心切去具有0.5mm以上且1.5mm以下的尺寸的部分并且更优选通过以89°以上且95°以下的张角从外缘朝向中心切去具有1.00mm以上且1.25mm以下的尺寸的部分而成形，并且当从中心观察时，缺口的中心缺口的方向优选被设定为M轴([1-100])的方向。
(实施方式I-2)
参照图1A、图1B、图2A和图2B，本实施方式中的GaN晶体基板11包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板11的厚度为300μm以上且800μm以下。GaN晶体基板11的外缘的一部分包括平坦部11f和缺口部11n中的任一者。GaN晶体基板11含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板11具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本实施方式中的GaN晶体基板在第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中具有在规定范围内的平均残余应力，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有低的裂纹缺陷率。
在本实施方式中的GaN晶体基板中“在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线垂直”是指在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线上的各点处的切线垂直。在此，“曲线”是指至少部分不是直线的线并且可以局部地包括直线。裂纹缺陷率随GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(氧原子或硅原子)或载流子或其浓度或在制造基板时或在外延层生长时的差异而变化，并且具有低的裂纹缺陷率是指在GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(氧原子或硅原子)和载流子和其浓度以及基板的制造或外延层的生长在相同的范围内时，裂纹缺陷率相对较低。
由于本实施方式中的GaN晶体基板11的50mm以上且155mm以下的直径、300μm以上且800μm以下的厚度以及2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的氧原子、硅原子和载流子的浓度分别与实施方式I-1中的GaN晶体基板11的50mm以上且155mm以下的直径、300μm以上且800μm以下的厚度以及2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的氧原子、硅原子和载流子的浓度相同，因此将不再重复说明。由于GaN晶体基板11的第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中的平均残余应力随所含的氧原子、硅原子和载流子的浓度而变化，因此通过在氧原子、硅原子和载流子的规定浓度下将第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中的平均残余应力调整到规定范围内，可以降低裂纹缺陷率。
从降低在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，本实施方式中的GaN晶体基板11具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
从进一步降低在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二缺口区域11nr中的任一者中，本实施方式中的GaN晶体基板11优选具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
所述第二平坦区域和所述第二缺口区域分别是在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中更靠近平坦部11f和缺口部11n的部分区域。作为第一平坦区域和第一缺口区域在外周侧的部分的第二平坦区域和第二缺口区域的平均残余应力的绝对值可能分别大于第一平坦区域和第一缺口区域的平均残余应力的绝对值。由于裂纹源自于外周部，因此所述第二平坦区域中的平均残余应力的值对裂纹缺陷率的影响更大。因此，在制造基板时和在基板上使外延层生长时，在可能具有大的平均残余应力的绝对值的第二平坦区域和第二缺口区域中也具有在上述范围内的平均残余应力的GaN晶体基板具有更低的裂纹缺陷率。
图4是示出本实施方式中的GaN晶体基板11中平均残余应力的示例性测量部分的放大的示意性剖面图。参照图4，GaN晶体基板11的平均残余应力是通过由在将具有532nm的波长的光IL入射到第一平坦区域或第二平坦区域11fr或第一缺口区域或第二缺口区域11nr中经镜面加工的主表面上时代表拉曼散射光RL的E2 H峰(在不存在残余应力的情况下为约567cm-1)的平均偏移量，基于每1cm-1 130MPa进行换算而算出的。
由于本实施方式中的GaN晶体基板11的平坦部11f的长度LR(OF长度和IF长度)以及缺口部11n的缺口的形状和中心缺口的方向分别与实施方式I-1中的GaN晶体基板11的平坦部11f的长度LR(OF长度和IF长度)以及缺口部11n的缺口的形状和中心缺口的方向相同，因此将不再重复说明。
(实施方式I-3)
参照图1A、图1B、图2A和图2B，本实施方式中的GaN晶体基板11包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述GaN晶体基板11的厚度为300μm以上且800μm以下。GaN晶体基板11的外缘的一部分包括平坦部11f和缺口部11n中的任一者。GaN晶体基板11含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种。在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板11优选具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。关于平均残余应力的值，负值表示拉伸应力并且正值表示压缩应力。由于本实施方式中的GaN晶体基板在第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中具有在相应的规定范围内的平均位错密度和平均残余应力，因此在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时具有更低的裂纹缺陷率。
在本实施方式中的GaN晶体基板中“在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线垂直”是指在所述主表面中与指示所述缺口部的曲线上的各点处的切线垂直。在此，“曲线”是指至少部分不是直线的线并且可以局部地包括直线。裂纹缺陷率随GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(氧原子或硅原子)或载流子或其浓度或在制造基板时或在外延层生长时的差异而变化，并且具有低的裂纹缺陷率是指在GaN晶体基板的直径、所含的原子的类型(氧原子或硅原子)和载流子和其浓度以及基板的制造或外延层的生长在相同的范围内时，裂纹缺陷率相对较低。
由于本实施方式中的GaN晶体基板11的50mm以上且155mm以下的直径、300μm以上且800μm以下的厚度以及2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的氧原子、硅原子和载流子的浓度分别与实施方式I-1和实施方式I-2中的GaN晶体基板11的50mm以上且155mm以下的直径、300μm以上且800μm以下的厚度以及2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的氧原子、硅原子和载流子的浓度相同，因此将不再重复说明。由于GaN晶体基板11的第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中的平均位错密度和平均残余应力随所含的氧原子、硅原子和载流子的浓度而变化，因此通过在氧原子、硅原子和载流子的规定浓度下将第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内，可以降低裂纹缺陷率。
从降低本实施方式中的GaN晶体基板11在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度WR上延伸的第一缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板11优选具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。GaN晶体基板11中的平均位错密度如实施方式I-1中那样来测量，并且GaN晶体基板11中的平均残余应力如实施方式I-2中那样来测量。
从进一步降低本实施方式中的GaN晶体基板11在制造所述基板时和在所述基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率的观点来看，在从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二平坦区域11fr和从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 1mm的位置为止的宽度WR上延伸的第二缺口区域11nr中的任一者中，GaN晶体基板11更优选具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
所述第二平坦区域和所述第二缺口区域分别是在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中更靠近平坦部11f和缺口部11n的部分区域。作为第一平坦区域和第一缺口区域在外周侧的部分的第二平坦区域和第二缺口区域的平均位错密度和平均残余应力的绝对值可能分别高于第一平坦区域和第一缺口区域的平均位错密度和平均残余应力的绝对值。由于裂纹源自于外周部，因此所述第二平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力的值对裂纹缺陷率的影响更大。因此，在制造基板时和在基板上使外延层生长时，在可能具有高的平均位错密度和平均残余应力的绝对值的第二平坦区域和第二缺口区域中也具有在上述范围内的平均位错密度和平均残余应力的GaN晶体基板具有更低的裂纹缺陷率。
由于本实施方式中的GaN晶体基板11的平坦部11f的长度LR(OF长度和IF长度)以及缺口部11n的缺口的形状和中心缺口的方向分别与实施方式I-1和实施方式I-2中的GaN晶体基板11的平坦部11f的长度LR(OF长度和IF长度)以及缺口部11n的缺口的形状和中心缺口的方向相同，因此将不再重复说明。
<GaN晶体基板的制造方法>
图5A、图5B、图6A、图6B、图7A和图7B是示出实施方式I-1至实施方式I-3中的GaN晶体基板11的示例性制造方法的示意图。图5A、图6A和图7A是制造装置内部的示意性垂直剖面图，并且图5B、图6B和图7B是制造装置的晶体生长部的示意性水平平面图。图8是示出实施方式I-1至实施方式I-3中的GaN晶体基板11的另一示例性制造方法的示意性平面图。
参照图5A、图5B、图6A、图6B、图7A、图7B和图8，GaN晶体基板11的一般制造方法包括通过使用包括被布置在晶体生长容器105中的底座102、被设置在晶体生长容器105中的Ga原料供给管106和N原料供给管107以及加热器103的晶体生长装置100，通过气相沉积法来使晶体生长。气相沉积法的实例包括氢化物气相外延(HVPE)法、分子束外延(MBE)法和金属有机化学气相沉积(MOCVD)法。从易于生长厚度大且晶体生长速率高的晶体的观点来看，HVPE是优选的。在HVPE中，将GaN晶种10s布置在晶体生长容器105中的底座102上。然后，通过用加热器103加热GaN晶种10s，通过Ga原料供给管106将通过氯化氢(HCl)与金属镓(Ga)之间的反应而获得的氯化镓(GaCl)气体作为Ga原料气体供给到晶体生长容器105中，并且通过N原料供给管107将氨(NH3)气作为N原料气体供给到晶体生长容器105中来使GaN结晶体10在GaN晶种10s上生长(图5A、图5B、图6A和图6B)。然后，将GaN结晶体10冷却。然后，将经冷却的GaN结晶体10从晶体生长容器105中取出。然后，从所取出的GaN结晶体10中切割出GaN晶体基板11(图7A和图7B)。然后，通过对所切割出的GaN晶体基板11的外缘(外周)进行研磨和/或抛光，在GaN晶体基板11的外缘(外周)的一部分中形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者(图8)。对在外缘(外周)的一部分中形成有平坦部11f和缺口部11n中的任一者的GaN晶体基板11的主表面进行镜面抛光。
(实施方式II-1)
参照图5A、图5B、图6A和图6B，在本实施方式中的GaN晶体基板11的制造方法中，在一般制造方法中在使GaN结晶体10生长和冷却时或在冷却GaN结晶体10时(即至少在冷却GaN结晶体10时)，包括高绝热性部分和低绝热性部分的绝热材料104被布置在含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的GaN晶种10s侧主表面的外侧或含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的GaN晶种10s侧主表面的外侧和含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的外周的外侧(即至少含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的GaN晶种10s侧主表面的外侧)。在GaN结晶体10中，由此抑制随后将成为GaN晶体基板11的平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分(这样的部分也被称为GaN结晶体10的预定平坦部10f和预定缺口部10n，在下文中应当类似地理解)与将成为GaN晶体基板11的内侧的部分(这样的部分也被称为GaN结晶体10的预定内部基板部，在下文中应当类似地理解)之间的温度差，从而减少GaN晶体基板11中的第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的诸如位错的晶体缺陷和应力，并且可以将第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
绝热材料104的布置不受特别限制。然而，从上述观点来看，绝热材料104的高绝热性部分优选被布置在GaN结晶体10的预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者(即将成为GaN晶体基板11的平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分，在下文中应当类似地理解)的主表面的外侧或GaN结晶体10的预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的主表面的外侧以及预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的外缘(外周)的外侧。绝热材料104的高绝热性部分不受特别限制，并且这样的部分的实例优选包括与其它部分相比，绝热材料的距外缘(外周)的最短距离更长的部分、绝热材料的厚度更大的部分或由绝热性更高的材料制成的部分。
绝热材料104的优选的具体示例性布置为使得包括高绝热性部分的绝热材料104被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的主表面的外侧。与其它部分相比，绝热材料104的距外缘(外周)的最短距离更长的部分(图5A和图5B)、绝热材料的厚度更大的部分或由绝热性更高的材料制成的部分属于绝热材料104的高绝热性部分。
在图5A和图5B中所示的绝热材料104的布置中，包括高绝热性部分的绝热材料没有被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的外缘(外周)的外侧。然而，通过气相沉积法来制造GaN结晶体10和GaN晶体基板11。因此，GaN结晶体和GaN晶体基板的厚度(具体地为300μm以上且800μm以下)一般小于其主表面的直径(具体地为50mm以上且155mm以下)。因此，当包括高绝热性部分的绝热材料被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的主表面的外侧时，即使包括高绝热性部分的绝热材料没有被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的外缘(外周)的外侧，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率也可以较低。
绝热材料104的另一优选的具体的示例性布置为使得包括高绝热性部分的绝热材料104a被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的主表面的外侧并且包括高绝热性部分的绝热材料104b被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的外缘(外周)的外侧。与其它部分相比，绝热材料104a的在垂直于与外缘(外周)接触的平面的方向上从外周到内部的距离更长的部分(图6A和图6B)、绝热材料104b的厚度更大的部分(例如圆筒形部件的直径更大的部分)或由绝热性更高的材料制成的部分属于绝热材料104a或104b的高绝热性部分。
在包括高绝热性部分的绝热材料104a被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的主表面的外侧并且包括高绝热性部分的绝热材料104b被布置在预定平坦部10f和预定缺口部10n中的任一者的外缘(外周)的外侧时，即使通过气相沉积法制造GaN结晶体10和GaN晶体基板11而使其具有与其主表面的直径(50mm以上且155mm以下)相比相对较大的厚度(约5mm以上)，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率也可以较低。
绝热材料104可以是如图5A和图5B中所示的一体材料或可以是如图6A和图6B中所示的多个部件的集合体。如图6中所示，被布置在含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的外缘(外周)的外侧的绝热材料104b优选与GaN结晶体10的外缘(外周)的一部分接触而非与其全部接触。
尽管用于绝热材料104、104a或104b的材料不受特别限制，只要其实现绝热效果即可，但是碳材料、陶瓷、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、石英和填充有氮化镓(GaN)的圆筒形容器是优选的。
(实施方式II-2)
参照图7A和图7B，在本实施方式中的GaN晶体基板11的制造方法中，在一般制造方法中在从所取出的GaN结晶体10中切割出GaN晶体基板11时，以使得GaN晶体基板11的将要形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分位于内部而比其它部分更远离GaN结晶体10的外缘(外周)(即距GaN结晶体10的外缘(外周)的最短距离更长)的方式切割出所述GaN晶体基板。由此，可以抑制GaN晶体基板的将要形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分与GaN晶体基板11中的内侧的部分之间的温度差，从而可以减少GaN晶体基板11的第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的诸如位错的晶体缺陷和应力，并且可以将第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
(实施方式II-3)
参照图8，在本实施方式中的GaN晶体基板11的制造方法中，在一般制造方法中通过对所切割出的GaN晶体基板11的外缘(外周)进行研磨和/或抛光而在GaN晶体基板11的外缘(外周)的一部分中形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者时，以去除在形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者时产生的热量的方式调节温度。由此，可以抑制GaN晶体基板11的形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分与GaN晶体基板11的内侧的部分之间的温度差，从而可以减少GaN晶体基板11的第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的诸如位错的晶体缺陷和应力，并且可以将第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
对所切割出的GaN晶体基板11的外缘(外周)进行研磨和/或抛光的方法不受特别限制，并且可以使用例如图8中所示的砂轮201。以去除在形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者时产生的热量的方式调节温度的方法不受特别限制，并且仅当在GaN晶体基板11的外缘(外周)的一部分中形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者时增加从冷却水容器202u中喷射的冷却水202w的量的方法和/或降低冷却水202w的温度的方法是可用的。
在实施方式II-1至实施方式II-3中的GaN晶体基板11的制造方法中，通过将实施方式II-1中的GaN晶体基板11的制造方法与实施方式II-3中的GaN晶体基板11的制造方法组合或通过将实施方式II-2中的GaN晶体基板11的制造方法与实施方式II-3中的GaN晶体基板11的制造方法组合，可以进一步抑制GaN晶体基板的形成平坦部11f和缺口部11n中的任一者的部分与GaN晶体基板11的内侧的部分之间的温度差，并且可以进一步减少GaN晶体基板11的第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域11nr中的诸如位错的晶体缺陷和应力，从而可以将第一平坦区域和第二平坦区域11fr以及第一缺口区域和第二缺口区域中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
实施例
(实验例1)
通过使用图5A和图5B中所示的晶体生长装置制造了GaN晶体基板11，所述GaN晶体基板11包括具有(0001)的平面取向的主表面，在外缘中包括具有16mm长度的取向平坦(OF)和具有7mm长度的识别平坦(IF)的两个平坦部11f，并且具有2英寸(50.8mm)的直径、400μm的厚度和2.0×1017cm-3的氧原子浓度。测量了第一平坦区域11fr(从平坦部11f起到在所述主表面中在与指示平坦部11f的直线垂直的方向上距离平坦部11f 2mm的位置为止的宽度上延伸的区域)中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板11上使作为外延层的具有5μm厚度的GaN层生长时的裂纹缺陷率。通过SIMS测量GaN晶体基板11中的氧原子浓度。具体说明如下。
1.GaN结晶体的生长
通过图5A和图5B中所示的HVPE法使GaN结晶体10生长。在这样的晶体生长中，在使GaN结晶体10在GaN晶种10s上生长期间以及在冷却所生长的GaN结晶体10期间，作为一体材料的绝热材料104被布置在含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的GaN晶种10s侧主表面的外侧。绝热材料104由固体碳形成，并且被布置成使得GaN结晶体10的对应于预定平坦部10f(预定OF部和预定IF部)的部分距绝热材料104的外缘(外周)的最短距离长于其它部分。具体地，绝热材料104被布置成使得绝热材料104的位于GaN结晶体10的预定平坦部10f正下方的部分与绝热材料104的外缘(外周)之间的最短距离是5mm并且绝热材料104的除位于GaN结晶体10的预定平坦部10f正下方的部分以外的部分与绝热材料104的外缘(外周)之间的最短距离是3mm。由此，可以将所获得的GaN晶体基板11的第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。将已经经过晶体生长和冷却的GaN结晶体10从晶体生长容器105中取出。
2.GaN晶体基板的制造
从所取出的GaN结晶体10中切割出GaN晶体基板11。通过对所切割出的GaN晶体基板11的外缘(外周)进行研磨和抛光，在GaN晶体基板11的外缘(外周)的一部分中形成具有16mm长度的OF和具有7mm长度的IF的两个平坦部11f。仅在形成平坦部11f的同时增加从冷却水容器202u中喷射的冷却水202w的量。由此，可以将所获得的GaN晶体基板11的第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
3.平均位错密度的评价
在对所获得的GaN晶体基板11的主表面进行镜面抛光并且之后将GaN晶体基板11在500℃的氢氧化钾(KOH)熔体中浸渍60分钟之后，通过使用显微镜来测量GaN晶体基板11中的平均位错密度，其为在第一平坦区域11fr的主表面中产生的每单位面积的平均蚀坑数(蚀坑平均密度)。具体地，对整个第一平坦区域进行测量。
4.平均残余应力的评价
通过由在将具有532nm的波长的光入射到所获得的GaN晶体基板11的第一平坦区域11fr中经镜面抛光的主表面上时代表拉曼散射光RL的E2 H峰的平均偏移量(在不存在残余应力的情况下为约567cm-1)，基于每1cm-1 130MPa进行换算来算出GaN晶体基板11的平均残余应力。
5.裂纹缺陷率的评价
裂纹缺陷率指的是在以下制造基板时和外延层生长时发生裂纹的样品相对于样品总数的百分比。
(1)制造基板时
在将GaN晶体基板使用由铜或锡制成的表面板以30rpm的转速在以5立方厘米/分钟滴下含有金刚石磨粒、乙二醇和水的研磨剂的情况下进行抛光60分钟作为一次抛光，并且使用由锡制成并且嵌入有金刚石磨粒的表面板或垫以30rpm的转速在以5立方厘米/分钟滴下含有乙二醇和水的研磨剂的情况下进行抛光60分钟作为精抛光时，计算所获得的GaN晶体基板11的裂纹缺陷率。
(2)外延层生长时
在对所获得的GaN晶体基板11进行一次抛光和精抛光并且之后在诸如1050℃的晶体生长气氛温度、100kPa的晶体生长气氛压力、400的V/III比(表示V族元素的摩尔浓度与III族元素的摩尔浓度的比率，在下文中应当类似地理解)和4微米/小时的晶体生长速率的条件下通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在经过精抛光的主表面上使GaN层作为外延层生长30分钟之后，计算所获得的GaN晶体基板11的裂纹缺陷率。
在本实验例(实验例1)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.0×103cm-2至5.0×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为3.5×102cm-2和1.0×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-20MPa和20MPa的比较例的组合中，表1汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表2汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表1]
[表2]
(实验例2)
除了将氧原子浓度设定为5.0×1017cm-3以外，如实验例1中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例2)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至4.8×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为4.7×102cm-2和1.2×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-23MPa和22MPa的比较例的组合中，表3汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表4汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表3]
[表4]
(实验例3)
除了将氧原子浓度设定为1.0×1018cm-3以外，如实验例1中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例3)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.7×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为5.0×102cm-2和9.0×107cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-18MPa和18MPa的比较例的组合中，表5汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表6汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表5]
[表6]
(实验例4)
除了将氧原子浓度设定为4.0×1018cm-3以外，如实验例1中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例4)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.0×103cm-2至4.9×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为4.2×102cm-2和1.5×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至9MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-21MPa和17MPa的比较例的组合中，表7汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表8汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表7]
[表8]
(实验例5)
除了将硅原子浓度设定为2.0×1017cm-3代替2.0×1017cm-3的氧原子浓度以外，如实验例1中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。通过SIMS测量GaN晶体基板11中的硅原子浓度。在本实验例(实验例5)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.8×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为3.2×102cm-2和1.7×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-18MPa和22MPa的比较例的组合中，表9汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表10汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表9]
[表10]
(实验例6)
除了将硅原子浓度设定为6.0×1017cm-3以外，如实验例5中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例6)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.0×103cm-2至4.9×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为4.0×102cm-2和9.6×107cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至9MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-20MPa和21MPa的比较例的组合中，表11汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表12汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表11]
[表12]
(实验例7)
除了将硅原子浓度设定为1.5×1018cm-3以外，如实验例5中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例7)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至4.9×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为6.5×102cm-2和1.2×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-23MPa和24MPa的比较例的组合中，表13汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表14汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表13]
[表14]
(实验例8)
除了将硅原子浓度设定为4.0×1018cm-3以外，如实验例5中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例8)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.8×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为6.2×102cm-2和8.8×107cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-18MPa和22MPa的比较例的组合中，表15汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表16汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表15]
[表16]
(实验例9)
除了将载流子浓度设定为2.0×1017cm-3代替2.0×1017cm-3的氧原子浓度以外，如实验例1中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例9)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.9×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为5.4×102cm-2和1.5×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至9MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-21MPa和24MPa的比较例的组合中，表17汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表18汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表17]
[表18]
(实验例10)
除了将载流子浓度设定为4.7×1017cm-3以外，如实验例9中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例10)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.0×103cm-2至5.0×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为3.5×102cm-2和8.8×107cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-9MPa至9MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-19MPa和20MPa的比较例的组合中，表19汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表20汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表19]
[表20]
(实验例11)
除了将载流子浓度设定为1.5×1018cm-3以外，如实验例9中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例11)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至5.0×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为5.1×102cm-2和1.7×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至9MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-22MPa和24MPa的比较例的组合中，表21汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表22汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表21]
[表22]
(实验例12)
除了将载流子浓度设定为4.0×1018cm-3以外，如实验例9中那样，制造GaN晶体基板，测量第一平坦区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例12)中在其中第一平坦区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.8×107cm-2的实施例和其中第一平坦区域中的平均位错密度为6.5×102cm-2和2.0×108cm-2的比较例与其中第一平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至10MPa的实施例和其中第一平坦区域中的平均残余应力为-25MPa和18MPa的比较例的组合中，表23汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表24汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表23]
[表24]
(实验例13)
通过使用图6A和图6B中所示的晶体生长装置制造了GaN晶体基板11，所述GaN晶体基板11包括具有(0001)的平面取向的主表面，具有4英寸(101.6mm)的直径、400μm的厚度和1×1018cm-3的载流子浓度，并且包括通过当从基板的中心观察缺口的中心缺口的方向时在M轴([1-100])方向上以90°的张角切去从外缘朝向中心延伸1.0mm的部分而加工成形的缺口部11n。测量了第一缺口区域11nr(从缺口部11n起到在所述主表面中在与指示缺口部11n的曲线垂直的方向上距离缺口部11n 2mm的位置为止的宽度上延伸的区域)中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。具体说明如下。
1.GaN晶体的生长
通过图6A和图6B中所示的HVPE法使GaN结晶体10生长。在这样的晶体生长中，在使GaN结晶体10在GaN晶种10s上生长时和在冷却所生长的GaN结晶体10时，由一个部件构成的绝热材料104a被布置在含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的GaN晶种10s侧主表面的外侧并且由多个部件构成的绝热材料104b被布置在含有GaN晶种10s的GaN结晶体10的外周的外侧，作为多个部件的集合体的绝热材料104。绝热材料104a和绝热材料104b由覆盖有碳化硅(SiC)的固体碳形成。
绝热材料104a的对应于GaN结晶体10的预定缺口部10n的部分距绝热材料104的外缘(外周)的最短距离长于其它部分。具体地，绝热材料104a的位于GaN结晶体10的预定缺口部10n正下方的部分与绝热材料104a的外缘(外周)之间的最短距离是5mm并且绝热材料104a的除位于GaN结晶体10的预定缺口部10n正下方的部分以外的部分与绝热材料104a的外缘(外周)之间的最短距离是3mm。绝热材料104b的位于GaN结晶体10的预定缺口部10n的外侧的部件具有大的厚度(具体地，圆筒形部件具有4mm的直径)并且其位于GaN结晶体10的除预定缺口部10n以外的部分的外侧的部件具有小的厚度(具体地，圆筒体具有2mm的直径)。由此，可以将所获得的GaN晶体基板11中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。将已经经过晶体生长和冷却的GaN结晶体10从晶体生长容器105中取出。
2.GaN晶体基板的制造
从所取出的GaN结晶体10中切割出GaN晶体基板11。通过对所切割出的GaN晶体基板11的外缘(外周)进行研磨和抛光，在GaN晶体基板11的外缘(外周)的一部分中形成缺口部11n，所述缺口部11n通过当从基板的中心观察缺口的中心缺口的方向时在M轴([1-100])方向上以90度的张角切去从外缘朝向中心延伸1.0mm的部分而被加工成形。仅在形成缺口部11n的同时增加从冷却水容器202u中喷射的冷却水202w的量。由此，可以将所获得的GaN晶体基板11中的第一缺口区域中的平均位错密度和平均残余应力调整到规定范围内。
如实验例1中那样，评价所获得的GaN晶体基板11的平均位错密度、平均残余应力和裂纹缺陷率。在本实验例(实验例13)中在其中第一缺口区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至4.7×107cm-2的实施例和其中第一缺口区域中的平均位错密度为3.5×102cm-2和2.0×108cm-2的比较例与其中第一缺口区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第一缺口区域中的平均残余应力为-28MPa和30MPa的比较例的组合中，表25汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表26汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表25]
[表26]
(实验例14)
除了将直径设定为6.0英寸(152.4mm)并且将载流子浓度设定为1.5×1018cm-3以外，如实验例13中那样，制造GaN晶体基板，测量第一缺口区域中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例14)中在其中第一缺口区域中的平均位错密度为1.1×103cm-2至4.9×107cm-2的实施例和其中第一缺口区域中的平均位错密度为4.3×102cm-2和1.4×108cm-2的比较例与其中第一缺口区域中的平均残余应力为-10MPa至9MPa的实施例和其中第一缺口区域中的平均残余应力为-29MPa和25MPa的比较例的组合中，表27汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表28汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表27]
[表28]
如实验例1至实验例14中所示，可以看出的是，在具有50mm以上且155mm以下的直径和300μm以上且800μm以下的厚度并且在其外缘的一部分中包括平坦部和缺口部中的任一者的GaN晶体基板中，当GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧(O)原子、硅(Si)原子和载流子中的任一种并且在第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度或-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力时，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率低。
此外，可以看出的是，在上述GaN晶体基板中，当GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧(O)原子、硅(Si)原子和载流子中的任一种并且在第一平坦区域和第一缺口区域中的任一者中具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力时，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率更低。
(实验例15)
除了将绝热材料104的位于GaN结晶体10的预定平坦部10f正下方的部分与绝热材料104的外缘(外周)之间的最短距离设定为实验例11中的最短距离的2倍以外，如实验例11中那样，制造GaN晶体基板，测量第二平坦区域(从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的区域)中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例15)中在其中第二平坦区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至5.0×107cm-2的实施例和其中第二平坦区域中的平均位错密度为5.1×102cm-2和1.7×108cm-2的比较例与其中第二平坦区域中的平均残余应力为-10MPa至9MPa的实施例和其中第二平坦区域中的平均残余应力为-22MPa和24MPa的比较例的组合中，表29汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表30汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表29]
[表30]
(实验例16)
除了将绝热材料104a的位于GaN结晶体10的预定缺口部10n正下方的部分与绝热材料104a的外缘(外周)之间的最短距离设定为实验例13中的最短距离的2倍并且将绝热材料104b的位于GaN结晶体10的预定缺口部10n的外侧的部件的厚度(具体地为圆筒形部件的直径)设定为实验例13中的厚度的2倍的厚度以外，参照图6A和图6B，如实验例13中那样，制造GaN晶体基板，测量第二缺口区域(从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的区域)中的平均位错密度和平均残余应力，并且计算出在对GaN晶体基板进行抛光时和在对GaN晶体基板进行抛光之后在GaN晶体基板上使作为外延层的GaN层生长时的裂纹缺陷率。在本实验例(实验例16)中在其中第二缺口区域中的平均位错密度为1.2×103cm-2至4.7×107cm-2的实施例和其中第二缺口区域中的平均位错密度为3.5×102cm-2和2.0×108cm-2的比较例与其中第二缺口区域中的平均残余应力为-9MPa至10MPa的实施例和其中第二缺口区域中的平均残余应力为-28MPa和30MPa的比较例的组合中，表31汇总了在制造基板时的裂纹缺陷率并且表32汇总了在外延层生长时的裂纹缺陷率。
[表31]
[表32]
如实验例15和实验例16中所示，可以看出的是，在具有50mm以上且155mm以下的直径和300μm以上且800μm以下的厚度并且在其外缘的一部分中包括平坦部和缺口部中的任一者的GaN晶体基板中，当GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧(O)原子、硅(Si)原子和载流子中的任一种并且在第二平坦区域和第二缺口区域中的任一者中具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度或-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力时，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率低。
此外，可以看出的是，在上述GaN晶体基板中，当GaN晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧(O)原子、硅(Si)原子和载流子中的任一种并且在第二平坦区域和第二缺口区域中的任一者中具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度和-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力时，在制造基板时和在基板上使外延层生长时的裂纹缺陷率更低。
应当了解的是，本文公开的实施方式和实施例在各方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式和实施例来限定，而是由权利要求书来限定，并且意图包括与权利要求书等同的范围和含义内的任何修改。
标号说明
10：GaN结晶体；10f：预定平坦部；10n：预定缺口部；10s：GaN晶种；11：GaN晶体基板；11f：平坦部；11fr、11frc：第一平坦区域、第二平坦区域；11n：缺口部；11nr、11nrc：第一缺口区域、第二缺口区域；100：晶体生长装置；102：底座；103：加热器；104、104a、104b：绝热材料；105：晶体生长容器；106：Ga原料供给管；107：N原料供给管；201：砂轮；202u：冷却水容器；202w：冷却水；LR：长度；WR：宽度；IL：光；RL：拉曼散射光。
Claims (6)
1.一种氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下，
所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者，
所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种，
在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
2.一种氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下，
所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者，
所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种，并且
在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部2mm的位置为止的宽度上延伸的第一缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
3.根据权利要求1所述的氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板在所述第一平坦区域和所述第一缺口区域中的任一者中具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
4.一种氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下，
所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者，
所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种，
在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有1000cm-2以上且5×107cm-2以下的平均位错密度。
5.一种氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板包括直径为50mm以上且155mm以下的主表面并且所述氮化镓晶体基板的厚度为300μm以上且800μm以下，
所述氮化镓晶体基板的外缘的一部分包括平坦部和缺口部中的任一者，
所述氮化镓晶体基板含有2×1017cm-3以上且4×1018cm-3以下的浓度的氧原子、硅原子和载流子中的任一种，并且
在从所述平坦部起到在所述主表面中在与指示所述平坦部的直线垂直的方向上距离所述平坦部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二平坦区域和从所述缺口部起到在所述主表面中在与指示所述缺口部的曲线垂直的方向上距离所述缺口部1mm的位置为止的宽度上延伸的第二缺口区域中的任一者中，所述氮化镓晶体基板具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
6.根据权利要求4所述的氮化镓晶体基板，所述氮化镓晶体基板在所述第二平坦区域和所述第二缺口区域中的任一者中具有-10MPa以上且10MPa以下的平均残余应力。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2018/006656 WO2019163083A1 (ja) | 2018-02-23 | 2018-02-23 | 窒化ガリウム結晶基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111356794A true CN111356794A (zh) | 2020-06-30 |
| CN111356794B CN111356794B (zh) | 2022-09-27 |
Family
ID=67687141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201880074748.2A Active CN111356794B (zh) | 2018-02-23 | 2018-02-23 | 氮化镓晶体基板 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11421344B2 (zh) |
| EP (1) | EP3757259A4 (zh) |
| JP (1) | JP6620916B1 (zh) |
| CN (1) | CN111356794B (zh) |
| TW (1) | TWI778220B (zh) |
| WO (1) | WO2019163083A1 (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002356398A (ja) * | 2001-06-01 | 2002-12-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ガリウムウエハ |
| US20060226414A1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-10-12 | Hitachi Cable, Ltd. | Group III-V nitride-based semiconductor substrate and method of making same |
| CN107407008A (zh) * | 2015-03-03 | 2017-11-28 | 国立大学法人大阪大学 | 第iii族氮化物半导体晶体衬底的制造方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09309793A (ja) * | 1996-05-23 | 1997-12-02 | Mitsubishi Chem Corp | エピタキシャルウエハの製造方法およびそれに用いる単結晶基板 |
| JP2971049B2 (ja) * | 1997-11-07 | 1999-11-02 | アメリカン クリスタル テクノロジー | 単結晶ウエハおよびその製造方法 |
| JP4939038B2 (ja) | 2005-11-09 | 2012-05-23 | 日立電線株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板 |
| JP2009105435A (ja) | 2009-01-21 | 2009-05-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ガリウムウエハ |
| US8786053B2 (en) * | 2011-01-24 | 2014-07-22 | Soraa, Inc. | Gallium-nitride-on-handle substrate materials and devices and method of manufacture |
| JP2015140270A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社 | シリコンウェーハ |
| US10584031B2 (en) * | 2016-03-08 | 2020-03-10 | Sciocs Company Limited | Nitride crystal substrate |
| KR20210125551A (ko) * | 2019-02-22 | 2021-10-18 | 미쯔비시 케미컬 주식회사 | GaN 결정 및 기판 |
-
2018
- 2018-02-23 EP EP18906740.8A patent/EP3757259A4/en not_active Withdrawn
- 2018-02-23 JP JP2019547162A patent/JP6620916B1/ja active Active
- 2018-02-23 CN CN201880074748.2A patent/CN111356794B/zh active Active
- 2018-02-23 WO PCT/JP2018/006656 patent/WO2019163083A1/ja unknown
- 2018-02-23 US US16/651,716 patent/US11421344B2/en active Active
-
2019
- 2019-01-28 TW TW108103106A patent/TWI778220B/zh active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002356398A (ja) * | 2001-06-01 | 2002-12-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ガリウムウエハ |
| US20060226414A1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-10-12 | Hitachi Cable, Ltd. | Group III-V nitride-based semiconductor substrate and method of making same |
| CN107407008A (zh) * | 2015-03-03 | 2017-11-28 | 国立大学法人大阪大学 | 第iii族氮化物半导体晶体衬底的制造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M BOCKOWSKI ET AL.: "Challenges and future perspectives in HVPE-GaN growth on ammonothermal GaN seeds", 《SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2019163083A1 (ja) | 2020-02-27 |
| JP6620916B1 (ja) | 2019-12-18 |
| US20200255979A1 (en) | 2020-08-13 |
| EP3757259A4 (en) | 2021-09-15 |
| WO2019163083A1 (ja) | 2019-08-29 |
| CN111356794B (zh) | 2022-09-27 |
| TWI778220B (zh) | 2022-09-21 |
| EP3757259A1 (en) | 2020-12-30 |
| TW201937731A (zh) | 2019-09-16 |
| WO2019163083A9 (ja) | 2020-05-28 |
| US11421344B2 (en) | 2022-08-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8871556B2 (en) | Single crystal group III nitride articles and method of producing same by HVPE method incorporating a polycrystalline layer for yield enhancement | |
| Fujito et al. | Development of bulk GaN crystals and nonpolar/semipolar substrates by HVPE | |
| US9915011B2 (en) | Low resistivity single crystal silicon carbide wafer | |
| CN107059116B (zh) | 引晶的氮化铝晶体生长中的缺陷减少 | |
| TWI520377B (zh) | ＧａＮ基板及發光裝置 | |
| EP1624095A2 (en) | Nitride semiconductor single-crystal substrate and method of its synthesis | |
| KR102667614B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 단결정 기판 | |
| JP4714192B2 (ja) | 窒化ガリウム結晶の成長方法、窒化ガリウム結晶基板、エピウエハの製造方法およびエピウエハ | |
| EP2924150B1 (en) | ß-GA2O3-BASED SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE | |
| CN111263833B (zh) | 磷化铟晶体基板 | |
| JP2013203653A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法、ｉｉｉ族窒化物結晶およびｉｉｉ族窒化物結晶基板 | |
| CN111356794B (zh) | 氮化镓晶体基板 | |
| JP2008098412A (ja) | 炭化珪素単結晶ウェハ及びその製造方法 | |
| CN111406130B (zh) | 砷化镓晶体基板 | |
| EP3951025A1 (en) | Gan substrate wafer and method for manufacturing gan substrate wafer | |
| Hashimoto et al. | Ammonothermal bulk GaN growth and its processing | |
| KR101578717B1 (ko) | 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법 | |
| JP2012199573A (ja) | 炭化珪素単結晶ウェハ | |
| TW202113170A (zh) | GaN基板晶圓及其製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231218 Address after: Tokyo Patentee after: MITSUBISHI CHEMICAL Corp. Address before: Osaka City, Osaka of Japan Patentee before: SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, Ltd. |