CN1332480A - 单晶GaN基体的制造方法和单晶GaN基体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种贯通转位密度小,而且在基体表面中不存在转位束,不产生劈开面紊乱的GaN基体制造方法和GaN基体。对GaN单结晶锭,在与生长方向平行的面处进行切片加工制作基体,由于转位走向平行于表面,形成低转位密度。将其作为晶种生长GaN。

Description

单晶GaN基体的制造方法 和单晶GaN基体
发明的技术领域
本发明是关于由3-5族氮化物系化合物半导体形成的在发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)等发光装置中所用的单晶GaN基体的制造方法，及利用该法制得的单晶GaN基体。
现有技术
使用氮化物系半导体的发光装置，关于蓝色LED已达到实用化。以前，使用氮化物系半导体的发光装置，作为基体，几乎都使用兰宝石(Al2O3)。在兰宝石基体上外延生长成GaN、GaInN的薄膜。兰宝石是适宜GaN生长是非常稳定的基体材料。这一点是兰宝石的优点。
然而，兰宝石又是非常坚硬的材料。而且在LD中制作共振器时，没有很适宜的裂开性。因为不能进行自然裂开，必须进行机械切割，分割成晶体基片。存在的缺点是在发光二极管的制造过程中，由于切片工序而带来费用增高。在半导体激光器制造中，由于不能利用劈开制作反射面(共振器)，所以带来质量问题和费用增高。
兰宝石是绝缘性基体。将兰宝石作基体的LED，不能像通常的LED那样，在装置的上下用作电极。必须采用工艺方法，利用腐蚀去除基片的一部分，使下层部分露面，设置电极，制作装置。在腐蚀后，必须在横向上通入电流成为比较厚的导电层。这些过程会增加工序次数、工序时间，而带来费用的增高。进而，在同一面上必须形成2处电极，所以也就需要更大面积的基片。这一点也会带来费用的增加。
由于兰宝石基片具有这样的缺点，所以提出可利用SiC基体，作为GaN系发光元件的基体。SiC具有裂开性。利用自然裂开即可很容地分割成LED的基片，利用自然裂开可形成半导体激光的共振器。由于具有导电性，所以可在基片的上下配置电极。所以利用工艺办法是很方便的。然而，SiC基体的价格极高。存在制造量少难以满足需要的缺点。除以上外，SiC基体还存在结晶质量的问题，不适宜作GaN系半导体的基体。
虽然兰宝石也存在那样的问题，但当使用象SiC那样的异质基体时，存在的问题是GaN和基体材料之间的晶格常数不匹配，在外延层中会导入数量较多的转位等缺陷。现在可以说使用目前市售兰宝石基体的装置，在其GaN外延层中存在1×109cm-2的转位数。
使用SiC基体时，可以说比兰宝石，转位密度多少要小些，存在1×108cm-2以上的转位。作为LED，大量的转位在实际应用中不会形成很大的障碍。但是，在电流密度格外大的半导体激光器(LD)时，很明显这些缺陷就成为阻碍半导体激光器寿命长短的重要原因。
从这些理由可知，兰宝石基体、SiC基体都不是最适宜于作蓝色发光元件(LED、LD)的基体。
最理想的基体是GaN单晶。若得到GaN单晶基体，完全不存在结晶晶格失配的问题。而且，GaN具有裂开性，也能获得导电性。预计确实是很理想的。然而，结晶制造技术却很不成熟。很难制造出可用作制造装置的具有实用尺寸的GaN单晶基体。
可以说，在保持平衡状态的超高压下，可以合成GaN晶体，然而，在超高压下却不能合成大的GaN晶体。所以，用这方法是不能制作大型的GaN基体，以该方法，以工业规模供应GaN基体是不可能实现的。
对上述的技术问题进行了深入研究，结果提出了一种方法，在兰宝石基体上通过带窗的面层进行气相生长GaN，可降低转位缺陷。在以下文献中有报导。
①碓井彰“通过氢化物VPE生长厚膜GaN晶体”电子情报通信学会论文志Vol.J81-C-II，No.l，P58-64(1998年1月)
②酒井朗、碓井彰“通过GaN选择横向生长而减少转位密度”应用物理第68卷第7号、P774-779(1999)，等。
进而，本发明人在GaAs基体上，通过带窗的面层，已气相生长成GaN，并进一步发明了获得GaN基体的方法。
③特原平9-298300号
④特原平10-9008号
根据这种方法，可以生长成结晶缺陷密度比较低的大面积GaN晶体，这叫作外延横向附晶生长(Epitaxial Lateral Overgrowth：ELO)，这里简单称为横向生长法。
具体讲，该方法是通过HVPE等的气相合成法，在GaAs基体上形成具有很多条状窗或圆形窗的面层，再在其上横向生长GaN后，除去GaAs基体，获得GaN基体。
根据图1说明HVPE法。在纵长炉1内部的上方，设置Ga舟2。其中装有Ga熔融液3。在炉1的下方设有可自动旋转升降的基架4。在基架4上放置GaAs基体5。在炉1周围设有加热器6，对炉1进行加热。从炉1上方的气体导入口7送入氢气和HCl气的混合气体。HCl和Ga反应，生成GaCl，GaCl形成气体状后向下方流动。从气体导入口8送入氢气和NH3气的混合气体。该气体与GaCl反应生成GaN，而堆积在GaAs基体5上。排气从气体出口9排除。
根据图2～图4说明横向生长法。这在以前的实例③、④中已详细论述过。在GaAs(111)基体形成带窗的面层，通过窗外延生长GaN。图2是在GaAs基体上形成带四方形窗的面层平面图。将整个GaAs晶片(基体)10的表面用很薄的面层11被覆住。所使用的面层11的材料具有能使GaN在其上直接进行生长的性质。在面层11上有规则地开设四方形窗12。设置的位置要使相邻的3个窗形成正三角形。窗的排列，是以在任何方向上的间距设定为L。与邻接行列的间距为31/2L/2，相邻行列的窗只能在L/2行列方向上偏移。这里虽然是四方形窗，也可设置成圆形窗。
图3表示在面层上开设有条形窗。这也和上例一样，在GaAs基体10上生长GaN，被覆面层11，在正三角形的顶点位置上设置窗12。仅仅是窗的形状不同。这就形成了开设长方形窗的面层。称为条形窗。
在设置了这种面层后，用上述的HVPE法等，在GaAs晶片10上生长GaN。图4示出了在GaAs基体上堆积GaN的形态。图4(1)表示设置面层11的GaAs基体10的剖面，为生长前的状态。当生成GaN时，仅选择暴露GaAs的窗口部分上生长GaN层。面层具有阻止GaN生长的作用，所以在其上不能生长。如图4(2)所示，当生长高度高于面层11时，会逐渐形成方锥状的GaN凸起部分13。这形成具有{11-22}面的方锥体。
细线表示贯通转位14。与层生长的同时，转位14沿生长方向进行延伸。转位是说贯通逐渐形成重叠的层，而进行延伸，叫作贯通转位。贯通转位14向上延伸。结晶的方位取决于衬底的GaAs，面层列方向为[10-10]时，与面层列垂直的方向是[1-210]方向，生长方向为[0001]，这是c轴生长。
在其上，层逐渐加厚时，在面层上逐渐突出。优先出现的倾斜面是{11-22}面。因为不与基体面平行，具有明确面指数的面，所以叫作小面。如图4(3)所示。这是由于在面层上不能生长，GaN从GaN隆起层13的横向开始沿水平向进行生长的结果。这期间，水平延长层15的高度很快就会恒定，由于越过面层11生长，命名为附晶生长，贯通转位14也横向延伸。
从窗口向横向突出，在面层上生长的部分中，虽说贯通转位非常小，这由以前的实例①、②已作报导。通常沿c轴方向生长时，转位也会沿c轴方向延伸。但是，从面层窗开始沿垂直方向(c轴方向)生长后，当沿横向生长时，转位方向则从垂直方向转变成水平方向，特别是，在横向生长的区域内，与C面(0001)垂直方向的贯通转位会减少，这是①、②中的意见。
不久，窗和在邻接窗的中点的GaN水平延长层15的小面16{11-22}面形成冲突。进而随着横向生长，与从邻接窗产生的水平延长层合为一体。随着合体形成{11-22}小面16也就消失。在形成合体的部分出现转位聚集而形成的面状缺陷部分17。小面16消失后，在C面(0001)面上进行二维生长并进行镜面状生长。以后，GaN层18向上生长。细小的贯通转位再次开始向上延伸。对于这种贯通转位以后再进行说明。
据报导(以前实例①、②)，向上进行(c轴方向)的外延生长，当膜厚增加到140μm时，面状缺陷部分16即会消失。
图5表示相同的GaN层的生长。图5(1)是在GaAs基体(111)10上形成带窗面层11的状态。当GaN的外延生长持续很长时间时，面层11的高度越来越高，最终生长成GaN晶锭18。这如图5(2)所示的状态。生长方向是[0001]方向，上面(0001)面就是C面。上面有平坦部分，也多少有凹凸部分。当生长成很厚的GaN晶锭18时，从炉内取出，除去GaAs基体10、面层11。对平行于C面(生长面)的晶锭18进行切片，将C面作为表面时，可得到多个GaN晶片(基体)，进一步将晶片进行切削加工、研磨加工，形成镜面晶片19。这些晶片是具有C面的晶片。从与C面形成直交的裂开面切割成基片，非常有利于制作LD共振器。
图5的作法是直接从GaAs基体制作GaN晶片的方法，但还有其他方法。
⑤特原平10-102546号
这是大量生产GaN基体(晶片)的方法，它是将图5工序中制造的GaN基体19作为晶种，用HVPE法等进一步生长GaN晶体，制作GaN晶锭，再将晶锭切割成薄片而进行。这也是在C面的晶种上，沿c轴方向[0001]结晶生长GaN，得到晶锭，平行于(0001)面进行切割，得到C面的晶片。
根据本发明者的这些新方法，以工业规模制造GaN单晶基体开始成为可能。
对于这样制作的GaN基体仍存在着问题。最大的问题是在基体表面上残留着贯通转位。生长表面以平面状生长时，贯通转位不会消失，而是垂直于结晶表面延伸下去。与结晶层生长的同时，贯通转位本身也沿垂直方向进行生长。结果，在生长表面上常常存在着贯通转位。
在通常的横向附晶生长中，在生长方向转向横向的生长初期中，在面层上的生长部分内形成贯通转位很少的区域(图4(4))。
这虽然是结构的问题，但这种结构不是低转位。进一步向上生长，厚度达到数十μm时，贯通转位向上转向延伸。当厚度在140μm时，面状缺陷部分17即会消失。即，汇集的贯通转位增加分散量而作用。因此，随着表层厚度的增加，转位也扩展下去。虽然表面是平坦的镜面，但增加了转位密度。
当层叠部分的厚度达到数cm时，在表面上存在的贯通转位密度通常为1×107cm-2的转位群。转位方向转为横向时，暂时减少的转位密度，形成纵向生长，当膜厚增加时，转位再次增加。在具有这种很高转位密度的GaN基体上，通过外延生长而形成激光器时，由于转位面会劣化进行，难以达到长寿命化。
本发明者详细研究了这种生长形成。在以后的讲述中，为了区别在通常的c轴方向外延生长出现的平坦(0001)面，即C面上的二维生长，和具有倾斜面的生长，将C面以外的小面明确地称为小面，C面称为生长面。如图4(4)所示，膜厚达到6μm时，在面层上小面{11-22}面形成合体，此时转位密度减少。合体的平坦生长面(C面)保持镜面生长。制成最终的膜厚0.2～0.6mm，对于各种试料测定转位密度。
利用横向附晶生长法，虽然减少了转位密度，即使这样，其值也超过1×107cm-2。其原因是在面层上的合体部分(图4(4))一旦汇集，转位密度就会减少，随着膜厚的增加，转位束变得混乱，再次增大了转位密度。
只要进行二维(保持镜面)生长，转位就在c轴方向上继续延伸。一旦产生转位，就不会消失。这是因为在二维生长中没有消除转位的机构。因此，需要开发一种能有效消除转位的方法。本发明者认为在结晶中设置转位消除机构，并使晶体生长的方法是不可能的。其结果想到了如下发明。
⑥特原平11-273882
为了在GaN基体中获得低转位化，不以平面状态(镜面)，而是制作成三维小面的结构，并在不埋没小面结构下，使生长表面进行生长。这是通过不埋没小面而进行生长，特别是通过用小面形成穴点，使转位集中在穴点部分，使整体形成低转位化的巧妙生长方法。
本发明是在GaN表面上具有小面构造，用小面，通过横向生长而使转位移动，例如使转位集中在穴点底的芯部。这样使整个结晶内部形成低转位化。这真是一种巧妙的方法，通过使转位集中形成束，以减少表观的转位密度，由于不是消除转位本身，而是集中约束，所以能明显看到转位密度显著减少。
暂时偏离对现有技术的说明。
[结晶方位的指定]
GaN是六方晶系，结晶方位的指定方法也是比较难的，本发明多少也使用了有关六方晶系方位的表示。不会引起混乱。这里对结晶方位作简单说明。六方晶系中，形成120度的3个轴中的二个称为a轴、b轴、与这些轴成直交的轴称c轴。由于3个轴是等价的轴，其余的轴，例如称d轴。有使用3个面指数的表示法，有使用4个面指数的表示法。这里使用了由4面指数进行表示。a轴的长度取作a，c轴的长度取作c、a/c的比，即使是六方晶系，也是随物质而不同。
讲述面指数的定义。距原点最近的第1个结晶面，由a/h、b/k、d/m切割成3个等价的轴a、b、d，由c/n切割成c轴时，面指数由(hkmn)表达。指数h、k、m、n为整数。表达面指数时，括号中不打出逗号。图6表示abd平面中的面指数定义。此处，面在正的半直线上切割出a轴、b轴、在负的半直线上切割出d轴。如由该图中所知道的那样，h、k、m可以都为正，但不会全都为负。
圆括号(……)是个别面的表达。花括号{……}是集合面的表达。六方晶系结晶全部为对称操作，可相互变换，可将全部的个别面集合起来，以表达的面指数进行表示。方括号[…]表示个别方位。角括号<……>表示集合的方位。具有相同面指数的面和方位，常常形成直交。
写成{hkmn}时，n为独特的方位(c轴方位)，前3个hkm是可交换的。结晶中有6次对称性，也有的结晶，存在反转对称性。h、k，m可循环交换{hkmn}、{kmhn}、{mhkn}……等等表达出相同面的集合。但是，n是独特的，当循环移动时，已是其他的面方位了。h，k，m和n可个别考虑。
3个同一平面内的面指数h、k、m，原来是用2个指数标记的，完全不是独立的。常常具有总和为0的性质。
h＋k＋m＝0    (1)
由图7可以证明。O为原点，OB、OD是在b轴、d轴上取的点，使OB＝OD。OH是一a轴和BD的交点。∠OBH＝∠ODH＝30°。通过H的直线和OB、OD的交点为E、F。EHF表达面。使OE＝Y、OF＝Z、OH＝-X(-X＞O)。∠DHF＝θ时，∠OFH＝30°－θ、∠OEH＝30°＋θ、∠OHF＝90°＋θ、∠OHE＝90°－θ。根据正弦定理
-X＝Ysin∠OEH/sin∠OHE
＝Ysin(30°＋θ)/sin(90°－θ)
-X＝Zsin∠OFH/sin∠OHF
＝Zsin(30°－θ)/sin(90°＋θ)
由上推导出
-X/Y-X/Z＝sin(30°＋θ)/sin(90°－θ)＋sin(30°－θ)/sin(90°＋θ)
＝{sin(30°＋θ)＋sin(30°－θ)}/cosθ
＝2sin30°＝1
推导出
1/X＋1/Y＋1/Z＝0
关于长度是：X＝a/h、Y＝b/k、Z＝d/m，因为a＝b＝d，所以
h＋k＋m＝0
为简单起见，将c轴考虑成平行的面(n＝o)。面{hkmo}的面间距d可按照下式(2)得出 d = 3 2 a h 2 + k 2 + m 2 - - ( 2 )
h、k、m为二维指数，正好像形成三维指数那样。但是，带有系数(3/2)1/2的点与三维情况不同。
存在与c轴平行的二个面(hkmo)、(stuo)时，其他面的形成角(交角)Θ的余弦cosΘ可按下式(3)计算。 cos &Theta; = hs + kt + mu h 2 + k 2 + m 2 s 2 + t 2 + u 2 - - ( 3 )
即，存在与c轴平行的二个面(hkmo)、(stuo)，它们相互成直交时，存在(4)式关系
hs＋kt＋mu＝o(4)
法线平行于c轴的面(000n)表达C面。全部以整数定义的(hkmo)面与C面形成直交。在与C面成直交的面群(hkmo)中相互形成直交的面满足式(4)。按照结晶学的习惯当面指数为负整数时，在数字上有一上线以表示为负。然而，本说明书中，由于不能加以上线，所以在数字前面加“-”符号，以表示负整数。
如图8所示的(1-100)面和(11-20)的面直交。这二个面在本发明中具有很重要的作用。{1-100}面集合的称M面。{11-20}面集合的称A面。说是M面，对个别的仍存在6个面，是(1-100)、(10-10)、(01-01)、(-1100)、(-1010)、(0-110)。这些面并列可以形成正六角形的6个边。所以相邻接的M面相互形成120度的角。可以说M面也存在平行(180度)的，120度的角、60度的角。仅M面就能形成正六角形。
即使上述任何A面{11-20}，仍存在6个个别的面，相互形成平行(180度)、120度、60度的角。仅A面的集合就能构成正六角形。
M面和A面不是全部形成直交，像(1-100)面和(11-20)面一类特别组的M面和A面形成直交。一般M面和A面形成的角度为30度、90度、150度、210度、270度、330度。
即，6个A面和6个M面可构成正12角形。A面相对于c轴倾斜的面{11-2n}的集合可形成正六角锥。M面相对于c轴倾斜的面{1-10n}的集合可形成正六角锥。A面和M面倾斜的{11-2n}、{1-10n}的集合可形成正12角锥。
本发明解决的主题
本发明者在⑥特原平11-273882中提出并描述了一种生长方法，即，由生长并保持的小面使GaN生长，形成低转位化的生长方法。使用这种方法，在位于小面状的穴点底部产生转位的集中。结果是存在的高密度转位部分的束始终连接在相当于立体穴点底部分的下面。在其他部分存在良好的低转位区域。
在这样一个宽阔面积上具有所谓存在低转位区域的优点，只在局部处残留有高密度转位存在区。因此，正如已描述的，降低了装置的特性，导致成品合格率的下降。而且也成为阻碍裂开性的重要原因。
为了解决这些问题，最根本的是要减小贯通转位密度，而且，在基体表面上也要去掉存在的转位束。
生长面不是平面状，伴随着小面形成穴点的生长，在穴点的底部，与平均生长面垂直的方向上，存在着由转位束形成的贯通转位束。
结果，在存在贯通转位的区域内，虽然形成狭小的，但是转位是集中存在。在这样的GaN基体上制作激光装置构造时，虽然比率受到某种限制，但仍能制造出寿命短的激光装置。
一个重大的问题是所谓的“劈开紊乱”。当局部存在贯通转位束时，在该部分上会产生很大的应力集中。在以基体状制造激光元件的晶片加工后，进行劈开基体时，劈开面难以形成漂亮的平面。而形成的劈开面带有垂直基体面的纵筋。由单晶形成的劈开面本来应该是漂亮的镜面。然而，利用小面强制地将转位约束集中的GaN基体上，很容易形成紊乱的劈开面，其趋势是难以形成镜面。
认为劈开面的紊乱是由约束集中转位而产生的随意分布应力所引起的。使用这种特意的GaN在基体中制作LED、LD，在劈开面过于紊乱时，必须对切割端面进行研磨。这就增加了制作工序，这就不能说比兰宝石好。采用劈开的某个GaN也就没有价值了。
为了解决这些问题，最根本的是要减小贯通转位密度，而且也必须去除存在于基体表面上存在的转位束。当不存在贯通转位束时，劈开时的劈开面也就不会产生紊乱。
因此，本发明的目的是提供一种贯通转位密度小，在基体表面上不存在转位束，也不引起劈开面紊乱的制造GaN基体方法及GaN基体。解决主题的方法
本发明是将生长的GaN单晶晶锭，在与晶体生长方向g或转位延伸方向q平行的面S处，进行切片加工制作基体。通过在与晶体生长方向g或转位延伸方向q平行的切割面S处进行切割，因此降低了基体表面的贯通转位。沿着贯通转位与表面平行的走向，切割基体时，会减少暴露于表面的贯通转位密度。
本发明，即，通过使表面与贯通转位方向一致，以减少露出表面的贯通转位。即使在基体内部存在很多的贯通转位，但降低了露出表面的贯通转位密度。由于内部的转位对制作装置没有影响，所以减少了表面的贯通转位，最适于用制作装置用的基体。
目的是减少表面贯通转位，办法是与g或q平行地切割GaN单晶晶锭而制成基体。利用所说的“g平行S”或“q平行S”，可直接表达本发明。这里，用符号“||”表示，形成一种约定，因此，本发明可以用
q||S
g||S进行表示。q和g是一维的直线，面S是2维。因此，即使形成与q平行的S，S也是不固定的。具有围绕q旋转180度的自由度。这对选择切割面S的宽度是极为有利的。
根据晶体生长方向g，贯通转位的延伸方向q存在概率的各向同性的偏差情况，和一致确定的情况。概率的各向同性的偏差情况不能定义贯通转位延伸方向q。这种情况也不能适用于本发明。
因此，贯通转位的延长方向q不能达到一致确定时，各向同性的偏差也就无意义了，在同一平面内有偏差情况，也就存在对方位的限制。在这样的同一平面内q存在偏差时，会形成q||S的S。因此，这种情况适用于本发明。
贯通转位的延伸方向q不能达到一致确定时，在偏差中，概率的平均的，向着某个方位，这也能对方位形成限制。因此，存在平均的形成q||S的S。这种情况也适用于本发明。因此，这种情况的贯通转位密度极大地依赖于该偏差中的方位的一致性。
贯通转位的延伸方向q一致确定的话，即可定义贯通转位延伸方向q。因此，可按照(5)式确定切割方向。如果是这样的话，也就与生长方向无关了，即可采用称为“q||S”的切割方向S。贯通转位的延伸方向q是否在概率上有变动？所谓根本的确定。取决于晶体生长方向g。有关根本确定贯通转位方向q的结晶方位适用于本发明，根据q||S即可确定切割面。
图9是说明切割GaN晶锭的现有方法。如图9(1)所示，当向上(c轴方向)生长GaN单晶晶锭时，贯通转位也向上(c轴方向)延伸。如图9(2)所示，以前是沿生长面(C面)平行切割晶锭。得到如图9(3)所示的基体(晶片)，但基体面是C面，贯通转位的延伸方向q是垂直于面的。因此，如图9(4)所示，在GaN基体表面上出现很多的转位密度。
图10是说明本发明的切割法。如图10(1)所示，贯通转位沿晶体生长方向延伸。晶体生长面与贯通转位形成直交。本发明是使切割面S与贯通转位形成平行。为q||S。这样制作时，如图10(2)所示，使贯通转位的走向平行于GaN基体(晶片)的表面。如图10(3)所示，减少了表面上的转位密度。即使内部的转位密度很高，表观上，表面的密度也会减少。实际上，并不是转位密度减少，而是出现在表面上的转位减少了。早已讲过，制作装置时，表面的转位密度是重要的，内部转位怎样都可以。从而也就解决了劈开时劈开面的所谓凹凸问题。图9(4)和图10(3)简单地表明以前实例与本发明的不同。
继续进行，若晶体生长方向g和贯通转位延伸方向q一致时(g＝q)，生长方向g与切割面S形成平行时，也能表示本发明的思想。即g||S，这是上述的式(6)。
这种情况，图10(1)也可解释成平行于晶体生长方向g进行切割。本发明也包括这种情况因此，假若q＝g的话，是q||S，还是g||S，都是一样的。
考虑使用相同的一种表示是否可以，也不是不可以。制作单晶晶锭时，生长方向g是知道的，但是，贯通转位的延长方向q是不容易知道的。必须对基体进行切割，并进行腐蚀，使转位呈现出来，才能确定其方向。因此，利用直接知道的生长方向g定义本发明时，在实际当中更为方便。
然而，不用说，本发明也适用g≠q，这种情况，式(5)的q||S优先。
这里，对所说的转位密度的“降低”一词进行说明。由于变动切割方位，也不会减少内部早已存在的转位密度。已经存在的，与切割面的方位无关，仍会继续存在。当然是这样。虽然是这样，但仍然可以说露出表面的转位密度减少了。这样，在制作装置时，表面转位问题，仍可以说与内在的转位无关系。如图10(2)所示，从贯通转位延长方向和基体面平行地自然劈开面，也就没有所说的紊乱。贯通转位密度的问题也就很简单了。将与贯通转位垂直面上的转位密度取为E，这是切割单位面积的贯通转位数。相对于该面切割φ倾斜面的贯通转位数，与cosφ成比例。因此转位密度成为Ecosφ。所谓平行于贯通转位延长方向切割后，φ＝90度。cos90°＝0。即，在本发明的切割面中转位密度减少，从数学角度是明确的。当然可以这样说。
幸好本发明者发现GaN的结晶面中，3个面都可以说q＝g。即，知道晶体生长方向g等于贯通转位延伸方向q的方向，可以说有3个。将这3个方向叫作c方向、m方向、a方向。将与它们成直角的面取为C面、M面、A面。这就是
M＝{1-100}、A＝{11-20}、C＝{0001}(7)对应的方向为m＝<1-100>、a＝<11-20>、c＝<0001>。在这些c、m、a方向上进行晶体生长时，由于g＝q，所以可以平行于晶体生长方向g确定切割面S。
进而合适的是，当采用适当组合时，这3个面形成直交。这确实是一种方便的性质。根据本发明，这给与了更高的广泛应用性。因为是六方晶系，所以利用对称操作相互变换的面是等价的。正如在先讲述的那样，即使形成M面，也有6个面。A面也有6个面。C面有2个面。所有的A面和C面形成直交。所有的M面和C面形成直交。任意的A面和二个M面形成直交。任意的M面和二个A面形成直交。因此，“采用适当组合时”A面和M面也是形成直交。图11示出了这种组合。虽然GaN是六方晶系，但这样的低面指数的3个面具有相互形成直交的意外性质。本发明也就巧妙地利用了这种性质。
除了这3个方向外，也许还存在形成g＝q的生长方向。本发明也适用于这样的生长方向。这无需多说。然而，这3个面中g＝q，而且相互形成直交，这就给本发明以难得的优点。
对于生长，但也不是在任何方向上很容易地生长GaN。上述低面指数的3个面，任何一个都是容易使GaN晶体生长的面。即，M面、A面、或C面都能生长成GaN单晶。但是作为生长方向g可采用这3个面的方向。即作为最好的晶体生长方向g可以是：
g＝m、a、c    (8)因为生长容易，所以这样的组合是很方便的。
相反，有时也从所要求的基体方位限制切割面。但，并不是说任何方位的基体都是可以的。因此，对制作装置所形成基础的基体，主要是要求低面指数的C面基体、M面基体、A面基体。
GaN的劈开面是C面、M面。但以A面基体制作装置时，相对的2个边形成劈开面，以自然劈开制作LD的共振器。使用C面基体，虽然对向边上有劈开面，但在3个方向上也有劈开面，这相反，是不方便的。
与M面形成直交的C面是劈开面。表面状态具有良好的可制作性能。因此，最好的切割面S是S＝M、A、C (9)
图12简便地示出了本发明的思想，平行于生长方向g进行切割制作基体。生长方向g取m、a、c中的任何一个，使切割面S与其形成直交，形成M、A、C中的任何一个时，在容易生长的方向上进行晶体生长，可制作出需要多方位的基体。
以上是本发明的基本形态。然而，不管怎么说，本发明的真正关键是利用多段生长以降低转位。如图10(2)所示，将转位成为表面平行的基体作晶种，在其上生长GaN时，原来转位就很少，因为生长晶体转位是继承晶种的转位，所以生长晶体的转位很少。因此，根据本发明的方法，将以q＝s或g＝s进行切割的基体作为晶种进行第二次GaN生长时，在其生长中有可能生长成非常低的转位晶锭。即，在1段生长和2段生长中通过将生长方向改变90°可减少转位。这种转位减少不是表观的减少，而是实际产生转位的减少。因此可以说本发明的本质是在第2次以后的生长中没有任何遗憾地得以发挥。图12中，对于第1段的生长方向g，通过在与其成直交的W方向上进行第2段的晶体生长，可真正地获得低转位的晶体。
这虽然是2段生长，也可以进行3段生长、4段生长。其基本点是平行于晶体生长方向而进行切割制作基体，作为晶种是制作形成直交方向的晶锭，进一步平行于生长方向而进行切割制作成基体。也可将上述操作反复进行。只在2个面上简单地反复进行，3个面，作为直交面而存在，生长方向的组合能带来丰富的变化。
以下本发明者对形成本发明的经过进行论述。
在GaN的晶体生长中，多数转位沿晶体生长方向延伸。例如，为制造蓝色LED，通常进行的是在兰宝石基体上的GaN的外延生长。C面上生长，主要是在c轴方向上存在着很多的转位延伸。
从这些情况考虑，本发明者为减少贯通转位，在与晶体生长方向，即转位延伸方向平行的面上进行切割制作基体是很有效的。
制作在某特定面内存在转位的状况，对平行于该面的面进行切割加工，制造在基体表面上贯通转位少的基体，这是本发明的根本思想。
这确实是一种崭新的想法。切割平行于晶体生长方向的结晶的基体，可以说到目前，谁也没想到这大概是没有前例的晶体切割方向。
本发明的实施方案
本发明的方法可适用于HVPE法、MOCVD法、升华法等的GaN气相合成方法。然而，因为巧妙利用贯通转位平行于生长方向延伸的性质是本发明的关键，所以除气相合成法外，其他的GaN晶体生长法也适用于本发明。利用高压熔融法合成GaN也适用，是一种通用性很高的技术思想。
本发明的基本概念是，在GaN单晶生长的晶体生长方向g或转位延伸方向q相平行的面上，进行切片加工制作基体，降低基体表面的贯通转位(权利要求1-4，权利要求21～22)。
首先，说明晶体生长方向和转位延伸方向之间的关系，从发明者们的研究结果可知存在如下关系。
从晶锭晶体切取(0001)面、(1-100)面、(11-20)面作为表面，具有面方位的晶体样品，将其作为晶种，在该样品上进行生长，这要把握住特定面上的晶体生长状况。因为GaN是六方晶系，面指数有4个，直观上难以分清，所以对这些面赋与名称。(0001)面叫C面、(1-100)面叫M面、(11-20)面叫A面。本说明书中使用这些符号代替面指数时，很容易分清它们之间的关系。
使用透过型电子显微镜确认其晶体生长方向和转位方向。结果，在各个样品的(0001)、(1-100)、(11-20)面中。相对于结晶面，形成垂直镜面状的晶体生长。
晶体生长与平均转位的延伸方向存在如下的关系。
(1)晶体生长方向：<0001>、转位延伸方向：<0001>(C面)
(2)晶体生长方向：<1-100>、转位延伸方向：<1-100>(M面)
(3)晶体生长方向：<11-20>、转位延伸方向：<11-20>(A面)
如上述(1)、(2)、(3)，C面、M面、A面生长时结晶内的转位延伸方向(称为转位延伸方向q)大体上平均地与晶体生长方向g是相同的方向。
本发明利用这种性质(g＝q)，获得了基体贯通转位的降低。在(11-20)面内，根据生长条件，存在很容易出现小面的趋势，所以，通过适当选择条件获得了上述结果。
然而，向其他面方位生长时，结晶内的转位方向(转位延伸方向)未必就和晶体生长方向相同。确认存在如下关系。
(4)晶体生长方向：<1-101>R面方向、转位延伸方向：<1-100>
(5)晶体生长方向：<11-22>F面方向、转位延伸方向：<11-20>
这些(R面、F面方向生长时)晶体生长方向和转位延伸方向(g≠q)是不同的。本发明不认为这些方位的生长不能利用。不管如何，q≠g时，q优先，通过与转位延伸方向平行的切割面S，切割晶锭，形成基体。本发明也适用于这种q≠g的情况。主要是按根本意义定义转位延伸方向q。这些情况也可多段生长，当平行于转位延伸方向切割时，会还原成M面和A面结晶。这与以后的说明相符的。因此，对于这些(4)、(5)的实例以后进行叙述。
更实用地说，本发明是在C、M、A面的3面的生长中，利用了所谓转位延伸方向q和晶体生长方向g一致的性质，沿转位的走向切割晶锭，得到贯通转位很少的基体。
例如，上述(1)、(2)、(3)的实例中，在q方向(g＝m、a、c)上制作GaN晶体生长的晶锭，与晶体生长方向g、即转位延伸方向q平行(S面)地切割晶锭，形成晶片(S面＝A、M、C)。这样可获得表面贯通转位减少的GaN基体。这是1阶段的生长。
除此之外，本发明也适用于多阶段生长，多阶段生长的效果很大。将平行于生长方向g切取的低转位基体作为晶种，生长成厚的GaN晶锭，平行于生长方向进行切割，得到低转位化的GaN基体。这可以反复进行到任何阶段时，则抑制转位继续，可形成低转位化。
本发明是相当复杂的，实施例也很多，直观上难以理解相互间的关系。为了有助于理解，这里仅对简单的表示法进行定义。这样也就很容易知道本发明的有关的多个实施例。
薄基体时，将表面的面方位用大写字母表示。将生长成厚晶锭时的晶体生长方向用小写字母表示。即，基体＝大写字母、晶锭＝小写字母，进行表示。例如“Xx”，意思是指在具有X面的晶种上，在x方向上生长成厚晶体的过程，或者，在该过程中能使X面上形成生长面的晶锭。
由于晶种和在其上外延生长的方位必须一致，所以大写字母和接续它的小写字母也必须一致。所以，严禁写成Xy、Yz、……等。
用“；”表达切薄片加工。切片加工的方向，用与；接续的大写字母表示。例如“Xx；Y”是，在具有X面的晶种上，在x方向上进行厚的外延生长，制作生长表面为X面的晶锭，在Y面方向上进行切片加工，制作具有Y面的薄基体(晶片)的过程，或者简单表示为在该过程中得到的基体。这可以累计演算。
说到“Xx；Yy”时，意思是在具有X面的晶种上，在x方向上进行厚的外延生长，制作生长表面为X面的晶锭，平行于Y面对其进行切片加工，得到具有Y面的薄基体(晶片)，再将Y面基体作为晶种，在y方向上进行外延生长，得到生长表面为Y面晶锭的过程，或者是具有Y面的晶锭。
说到“Xx；Yy；Z”时，意思是在具有X面的晶种上，在x方向上进行厚外延生长，制作生长表面为X面的晶锭，平行于Y面对其进行切片加工，得到具有Y面的薄基体(晶片)，再将Y面基体作为晶种，在y方向上外延生长，得到生长表面为Y面的晶锭，平行于Z面对其进行切片加工，制作具有Z面基体(晶片)的过程，或者表示为在该过程中得到的基体。
说到“Xx；Yy；Zz”时，意思是在具有X面的晶种上，在X方向上进行厚外延生长，制作生长表面为X面的晶锭，平行于Y面对其进行切片加工，得到具有Y面的薄基体(晶片)，再将Y面基体作为晶种，在y方向上外延生长，得到生长表面为Y面的晶锭，平行于Z面对其进行切片加工，制作具有Z面的基体(晶片)，将其作为晶种，在z方向上进行外延生长，制作生长表面上具有Z面晶锭的过程，或者表示为在该过程中得到的晶锭。以下相同。
当使用这种表示时，在C面晶种上，在c方向上进行厚外延生长，平行于C面进行切片加工制作数个C面基体的，以前的GaN基体制造方法，可简单地表示为Cc；C。在切片加工中，像c；C、由于在；之前或之后是一样的，所以没有贯通转位降低的效果。若根据记忆，将以前的方法称作“Cc；C”时，立刻就知道与本发明有不同之处。
本发明的结果是，在切割加工的；之前和之后的方位不同，转位方向与切片加工后的切片表面方向为同一方向，所以获得贯通转位降低的效果。由此，因为晶体生长方向和转位延伸方向必须一致，所以，方位只限定于上述的C、M、A。即，本发明的关键简单地说，可归结为下式(10)，即
x；Y    (x≠y)    (10)这最终表达了本发明。就是说，生长面(X)与切割面(Y)不同。因此能减小贯通转位密度。与此相反，以前的方法可叫作x；X。
以下，只局限在3个面M、A、C的相互变换。大写字母M、A、C是指面方位、面、基体。小写字母m、a、c是指生长方向、晶锭(结晶)或其方向的生长。利用图形会更直观地表示这些生长方向的变换。
如图13所示，利用向下的3种箭头表达生长方向。将m＝<1-100>取作向左下方向的箭头，将a＝<11-20>取作向右下方向的箭头，将c＝<0001>取作向下的箭头。箭头表示生长进行方向。多阶段生长时，表示向下和向下生长方向的箭头要连续。将这样的晶体生长的变换称作晶体生长图解。图14～图18是本发明主要的晶体生长图解。
利用一阶段生长和一次切片加工而制作基体时，本发明仅限于以下6个(3×2)的情况。这些示于图14。
(1)m；A(2)a；M(3)a；C
(4)m；C(5)c；M(6)c；A(11)
转位降低效果，利用；前后的字母不同来表示。该6个是基本形。即，根据本发明，被否定的有3个，即c；C、a；A、m；M。特别是现有方法的c；C。
例如，(1)Mm；A是指使用M面晶种{1-100}面，进行m方向的外延生长，制作生长表面上具有M面的晶锭，平行于A面({11-20}面)进行切片加工，制作具有A面的基体。在这6种情况中，特别是因C和M、C和A制造容易，最为重要。即，因制造容易优选有以下4种。
(6)c；A(5)c；M(4)m；C(3)a；C(12)
以下将这4种称作CA型(6)、CM型(5)、MC型(4)、AC型(3)。在式(11)中，其他作为1阶段生长的，还有MA型(1)和AM型(2)。这2种也是有兴趣的组合，在实际的生长过程中难以使用，以后也不再描述。
在1阶段生长中，因为有6种情况，2阶段生长时，由于可与其接续的2个不同方位，所以有6×2＝12种不同的生长方法。例如，以下举出2阶段生长的12种纯的形式。这些图解示于图15。
(7)c；Aa；M(8)c；Aa；C(9)c；Mm；A
(10)c；Mm；C(11)m；Cc；A(12)m；Cc；M
(13)m；Aa；C(14)m；Aa；M(15)a；Cc；M
(16)a；Cc；A(17)a；Mm；C(18)a；Mm；A    (13)
但晶种和晶锭晶体的组合常常是一样的，像Mm、Cc、Aa等，所以在图面中只能简单地描绘成m、c、a。这些具有等同的2次转位降低效果。而且在实际晶体生长时，由于大多在c轴方向上生长，这其中特别重要的是
(7)c；Aa；M(8)c；Aa；C
(9)c；Mm；A(10)c；Mm；C(14)作为最终的晶片，多数要求C面晶片，所以更重要的是以下2种，即
(8)c；Aa；C(10)c；Mm；C(15)
3阶段生长时，有6×2×2＝24种不同的生长方法。示于图16。
(19)c；Aa；Mm；C(20)c；Aa；Cc；M(21)c；Mm；Aa；C
(22)c；Mm；Cc；M(23)m；Cc；Aa；M(24)m；Cc；Mm；A
(25)m；Aa；Cc；A(26)m；Aa；Mm；C(27)a；Cc；Mm；A
(28)a；Cc；Aa；C(29)a；Mm；Cc；A(30)a；Mm；Aa；C
(31)c；Aa；Mm；A(32)c；Aa；Cc；A(33)c；Mm；Aa；M
(34)c；Mm；Cc；A(35)m；Cc；Aa；C(36)m；Cc；Mm；C
(37)m；Aa；Cc；M(38)m；Aa；Mm；A(39)a；Cc；Mm；C
(40)a；Cc；Aa；M(41)a；Mm；Cc；M(42)a；Mm；Aa；M
                                             (16)
这些是在切片加工中在转位方向上进行切片加工的纯真情况。这具有2阶段、3阶段的贯通转位降低效果。
而且，不仅如此。若进行一次转位降低，也可以说在其他段中不进行转位降低。这种情况，在任何切片加工中，允许存在；的前后采用同样的大写小写字母c；C、a；A、m；M。
如果这样的话，本发明将包括2阶段生长时3×3×3－3＝24、3阶段生长时3×3×3×3－3＝78种制造方法和基体。所说的2阶段生长时的24种组合，是指除了式(13)中的12种外，还有12种组合。
当仅限于第1阶段有转位降低效果，第2阶段没有转位降低效果时(这是还原成1阶段生长的情况)，有以下6种，示于图17。
(43)c；Aa；A(44)c；Mm；M(45)m；Cc；C
(46)a；Cc；C(47)a；Mm；M(48)m；Aa；A(17)
当限于第1阶段没有转位降低效果，第2阶段有转位降低效果时，有以下6种，示于图18。
(49)c；Cc；A(50)c；Cc；M(51)m；Mm；C
(52)a；Aa；C(53)a；Aa；M(54)m；Mm；A(18)
由于这种场合下最初生长方向多数是c轴方向，就其意义是很重要的，这种情况也有4种，那么，若从C面生长出发与式(15)相符合，以下这些是很重要。
(8)c；Aa；C(10)c；Mm；C
(43)c；Aa；A(44)c；Mm；M
(49)c；Cc；A(50)c；Cc；M(19)上面2种具有2次转位降低效果，下面4种具有1次转位降低效果。
本发明是相当复杂的，不能简单地理解相互间的关系，将本发明列举的应属于哪一种。进行略记，也就很容易理解了。后面是给出图解的编号。
1～4＝m；A(1)a；M(2)a；C(3)m；C(4)c；M(5)c；A(6)
5＝m；C(4)
6＝a；C(3)
7＝Mm；C(4)
8×7＝c；Mm；C(10)(58)
9×7＝m；Mm；C(51)
10＝Aa；C(3)
11×10＝c；Aa；C(8)
12×10＝a；Aa；C(52)
13＝c；M(5)
14＝Cc；M(5)
15×14＝Aa；Cc；M(15)Mm；Cc；M(12)
16×14＝Cc；Cc；M(50)
17＝c；A(6)
18＝Cc；A(6)
19×18＝Aa；Cc；A(16)Mm；Cc；A(11)
20×18＝Cc；Cc；A(49)
21～26＝m；A(1)a；M(2)a；C(3)m；C(4)c；M(5)c；A(6)
27、28＝m；C(4)
29、30＝a；C(3)
31、32＝c；M(5)
33、34＝c；A(6)
37＝c；Aa；A(43)a；Mm；M(47)m；Cc；C(45)
c；Mm；M(44)m；Aa；A(48)a；Cc；C(46)
38＝c；Aa；A(43)a；Mm；M(47)m；Cc；C(45)
c；Mm；M(44)m；Aa；A(48)a；Cc；C(46)
39＝m；Cc；C(45)
40＝a；Cc；C(46)
41＝C；Mm；M(44)
42＝c；Aa；A(43)
在本发明提出的基体中，转位平行于表面移动。因此，暴露于表面的贯通转位数减少(权利要求23、24)，这就意指6种情况，即c；M、m；A、a；C、c；A、a；M、m；C。
转位的走向主要是确定在一个方向上，因此，贯通转位变得很少(权利要求25、26)。这也是相同的，意指6种组合，即c；M、m；A、a；C、c；A、a；M、m；C。
对更具体的本发明GaN基体方位的组合进行描述。按照生长方向和切割面的方向，可能有4种形式一、二、三、四。
一、{1-100}/{0001}的MC型(m；C和Mm；C)
晶体生长面是{1-100}面，在与晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工，具有(0001)面的单晶GaAs基体的制造方法(权利要求5)。
这种晶体具有{1-100}面(权利要求7)。GaN基体的表面是{0001}面，贯通转位方向是{1-100}。
二、{11-20}/{0001}的AC型(a；C和Aa；C)
晶体生长面是{11-20}面，在与晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工，具有(0001)面的单晶GaAs基体的制造方法(权利要求6)。
这种晶体具有{11-20}面(权利要求10)。GaN基体的表面是{0001}面，贯通转位方向是{11-20}。
三、{0001}/{1-100}的CM型(c；M和Cc；M)
晶体生长面是{0001}面，在与晶体生长方向平行的{1-100}面处进行切片加工，具有{1-100}面的单晶GaAs基体的制造方法( 13)。
这种晶体具有{0001}面(权利要求14)。GaN基体的表面是{1-100}面，贯通转位方向是{0001}。
四、{0001}/{11-20}的CA型(c；A和Cc；A)
晶体生长面是{0001}面，在与晶体生长方向平行的{11-20}面处进行切片加工，具有{11-20}面的单晶GaAs基体的制造方法(权利要求17)。
这种晶体具有{0001}面(权利要求18)。GaN基体的表面是{11-20}面，贯通转位方向是{0001}。
一、({1-100}/{0001})MC型晶种的制作方法(Mm)
在{1-100}面方向(m)上晶体生长的GaN晶体时所需要的具有{1-100}面的晶种(M)，按以下方式制造。
1.通过从以(0001)面作为生长面生长的GaN晶体，在与生长方向平行的{1-100}面处切割(权利要求8)而制造。以c；M表示。
2.通过从以{1-100}面作为生长面生长的GaN结晶，在与生长方向垂直的{1-100}面处切割(权利要求9)而制造。以m；M表示。
上述1的晶种，有时能观察到由小面形成的穴点，但是，转位都集中到穴点底，切出的{1-100}面，贯通转位不高，所以不存在问题。
由贯通转位密度小的晶种生长的晶体，转位密度也小。随后，平行于生长方向(转位的延伸方向)切割时，能获得更小的贯通转位密度。
二、({11-20}/{0001})AC型晶种的制作方法(Aa)
在{11-20}面方向(a)上生长GaN结晶时所需要的具有{11-20}面的晶种(A)，可按以下方式制造。
1.通过从以(0001)面作为生长面生长的GaN晶体，在与生长方向平行的{11-20}面处切割(权利要求11)而制造，(c；A)。
2.通过从以(11-20)面作为生长面生长的GaN结晶，在与生长方向垂直的{11-20}面处切割(权利要求12)而制造，(a；A)。
上述1的种晶，有时能观察到由小面形成的穴点，转位都集中到穴底，所以切出的{11-20}面，贯通转位不高，没有问题。
由贯通转位密度小的晶种生长的晶体，转位密度很小。随后，平行于生长方向(转位的延伸方向)切出时，能够获得更小的贯通转位密度。
三、({0001}/{1-100})CM型晶种的制作方法(Cc)
在{0001}面方向(c)上生长GaN结晶时所需要的具有{0001}面的晶种(C)。可按以下方式制造。
1.通过从以(11-20)面作为生长面生长的GaN晶体，在与生长方向平行的{0001}面处切割(权利要求15)而制造，(a；C)。
2.通过从以{1-100}面作为生长面生长的GaN结晶，在与生长方向平行的{0001}面处切割(权利要求15)而制造，(m；C)。
3.通过从以{0001}面作为生长面生长的GaN晶种，在与生长方向垂直的{0001}面处切割(权利要求16)而制造，(c；C)。
上述1、2的二种晶体制造方法本身(a；C、m；C)，是本发明技术思想的实施，就其晶种本身也能获得相当低的贯通转位密度。以上，根据本发明思想，或者不根据本发明思想，都可外延生长出很厚的结晶晶锭。
从贯通转位密度小的晶种生长的晶体，转位密度小。随后，平行于生长方向(转位的延伸方向)切割时，能够获得更小的贯通转位密度。
四、({0001}/{11-20})CA型晶种的制作方法(Cc)
在{0001}面方向(c)上生长GaN结晶时所需要的具有{0001}面的晶种(C)，可按以下方式制造。
1.通过从以(11-20)面作为生长面生长的GaN晶体，在与生长方向平行的{0001}面处切割(权利要求19)而制造，(a；C)。
2.通过从以{1-100}面作为生长面生长的GaN结晶，在与生长方向平行的{0001}面处切割(权利要求19)而制造，(m；C)。
3.通过从以{0001}面作为生长面生长的GaN晶体，在与生长方向垂直的{0001}面处切割(权利要求20)而制造，(c；C)。
上述1、2的二种晶体的制造方法本身(a；C、m；C)，是本发明技术思想的实施，就其晶种本身，也能获得相当低的贯通转位密度。
由贯通转位密度小的晶种生长的晶体，转位密度小。随后，平行于生长方向(转位延伸方向)切割时，能够获得更小的贯通转位密度。
这样获得的GaN基体是具有如下特征的基体。
[一、MC型(m；C)(4)]
基体表面是{0001}面，基体内主要在<1-100>方向上存在转位走向，因此能形成低转位化的单晶GaN基体(权利要求27、28)。
[二、AC型(a；C)(3)]
基体表面是{0001}面，基体内主要在<11-20>方向上存在转位走向，因此能形成低转位化的单晶GaN基体(权利要求29、30)。
[三、CM型(c；M)(5)]
基体表面是{1-100}面，基体内主要在<0001>方向上存在转位走向，因此能形成低转位化的单晶GaN基体(权利要求31、32)。
[四、CA型(c；A)(6)]
基体表面是{11-20}面，基体内主要在<0001>方向上存在转位走向，因此能形成低转位化的单晶GaN基体(权利要求33、34)。
测定由这些发明制成GaN基体表面上的贯通转位，确认贯通转位密度都在1×106cm-2以下。
将降低了表面贯通转位的GaN结晶用作晶种，制造GaN晶体时，这些发明也能适用。
即，为制造晶种本身，在使用本发明从晶种制作更大的单晶时，可重复使用本发明。也就是所说的2阶段生长，以重复二次使用本发明的转位降低机构。因此可重复二次减少贯通转位。以上述的表达有以下12种情况。
c；Aa；Cc；Mm；Cc；Aa；Mc；Mm；A
m；Aa；Cm；Aa；Mm；Cc；Am；Cc；M
a；Cc；Ma；Cc；Aa；Mm；Ca；Mm；A这些都具有相同的效果。而且，实际中使用Ga、As等的不同物质为基体。多数是一开始就沿c轴方向生长。可以说这12种中实际重要的是以下4种，即，
c；Mm；C、c；Mm；A、c；Aa；C，c；Aa；M而且，大多要求所制的基体本身也是具有C面的基体。在这种情况下，进一步缩小范围，具有2阶段转位减少机构时，可缩小成以下2种，即c；Mm；C、c；Aa；C。
而且，在重复二次生长中。也可以仅1次适用本发明的思想。通过在平行于晶体生长方向的面处进行切片加工，将在切片加工面降低贯通基体表面的贯通转位的GaN单晶作为晶种，或者，将基体内部平行于基体表面的主要在一个方向上存在转位走向的单晶GaN基体，用作晶种，在该晶种上生长，通过在与生长方向垂直面处切片加工，获得低转位的GaN基体( 37、38)。根据本发明的思想，虽说不很完善，但进行1次低转位化也就足够了。以上述的表达有以下6种，即
c；Aa；Ac；Mm；Mm；Aa；A
m；Cc；Ca；Cc；Ca；Mm；M
将根据本发明已经形成低转位的结晶用作晶种，在该晶种上进行生长，通过在与生长方向垂直的面处，对制得的晶体进行切片加工，可制造出低转位的基体。在最终的切片加工时，虽然使贯通转位的走向垂直于表面，未必就好，但由于在晶种的贯通转位降低，所以也就能够获得转位比较低的GaN基体。
具体讲，在本发明中描述的，晶体生长面是{1-100}，在与晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工的单晶，和晶体生长面是{11-20}面，在与晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工的单晶，用作晶种。使用这些具有(0001)面的晶种，在<0001>方向上进行晶体生长(将{0001}面作为生长面)，通过在与其生长方向垂直的{0001}面处进行切片加工，可得到转位比较低的GaN结晶(权利要求39、40)。
在所述的晶体生长面是(0001)面，将在平行于该晶体生长方向的{1-100}面处进行切片加工的单晶作为晶种，将其上的{1-100}面作为生长面，生长GaN单晶，在与生长方向垂直的{1-100}面处进行切片加工，可得到转位比较低的GaN晶体(权利要求41)。
本发明的晶体生长方法可利用气相生长法。例如适于GaN生长的有HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、MOCVD法(Metallorg anic ChemicalVapor Deposition)、有机金属氯化物气相取相生长法(Metallorganic ChlorideVapor Phase Epitaxy)、升华法(Sublimation method)。本发明主要是采用气相生长法，但也并不仅限于气相生长法。在超高压下合成的超高压合合法也适用于制作本发明的GaN晶体。
实施例
在气相生长法中，认为最简便，生长速度快的是HVPE法，利用此法，描述几个本发明的实施例。优选的生长方法，有MOCVD法，升华法，有机金属氯化物气相生长法，任何一种都可适用。
所谓HVPE法是在热壁型炉内，在上流部分使Ga金属与HCl气反应，合成GaCl气体，在基体附近，通过新流入的NH3气和GaCl气反应，在基体上生长GaN的方法。
实施例虽有5个，但极为相似，难以分清不同，关系是复杂的。最好预先用上述表示法对实施例进行分类。图19～图23中示出了实施例1～5的图解。
实施例1(55)c；A(6)(56)c；M(5)(57)c；C
实施例2(58)c；Mm；C(10) (59)c；Mm；M(68)c；Mm；A
       (69)c；Mm Aa；C
实施例3(60)c；Aa；C(8)(61)c；Aa；A(70)c；Aa；M
       (71)c；Aa；Mm；C
实施例4(62)c；Mm；Cc；M(63)c；Mm；Cc；A
       (64)c；mM；Cc；C
实施例5(65)c；Aa；Cc；A(66)c；Aa；Cc；M
       (67)c；Aa；Cc；C
在实施例1中制作晶种A和M和C。实施例2是从实施例1的晶种M生长晶锭m，切割基体C、M。实施例3是从实施例1的晶种A生长成晶锭a，切割基体C、A。实施例4是从实施例2的基体C制成晶锭c，切割基体C、M、A。实施例5是从实施例3的基体C制成晶锭c，切割基体C、M、A。
[实施例1：制作晶种(c；A、c；m、c；C)]
首先，从GaAs基体，在c轴方向上生长GaN，制作具有A面、M面、C面的GaN晶种。
(1)基体
作为开始晶体生长的基体，使用GaAs基体。使用GaAs基体生长GaN时，因为GaN是六方晶系，GaAs是立方晶系，为了使对称性相合，确定使用GaAs的具有(111)面的基体。
(2)SiO2面层
在整个GaAs(111)基体面上，利用等离子体CVD法，形成0.1μm厚的SiO2膜作为面层。随后利用光刻法在面层上开出窗孔。
(3)窗的形成
面层窗可以是条型、圆点型等各种形状。这里形成圆点状窗。圆点型窗的直径为2μm，在GaAs基体的<11-2>方向上，以4μm间距，在1列中有几个的方式进行配置，从该圆点列在<1-10>方向上，距离3.5μm的部位，在同样的<11-2>方向上，以4μm间距，按1列有几个的方式，配置圆点窗。但是，在邻接行列中，在列方向上，圆点列要错开2μm。即，最接近的任意3个圆点窗，构成每边为4μm的正三角形，配置成二维扩展的窗。面层是重复设置这种窗的层。
(4)HVPE装置
随后，在形成面层的GaAs基体状上，利用HVPE法(图1)进行GaN生长。在常压反应炉的内部设置Ga金属的舟皿。使Ga金属形成熔融状态。正下方的样品上放置(111)GaAs基体。载气全都采用H2气。所用的气体是HCl气(H2＋HCl)和NH3气(H2＋NH3)。
向加热到800℃以上的Ga金属舟皿上通入HCl气体，使HCl气和Ga反应，形成GaCl气体。该气体流过加热的基体附近和流过基体附近的NH3气进行反应，形成GaN，并在GaAs基体上形成GaN层。
该HVPE装置是可以长时间生长的装置，因为GaN膜的生长速度很慢，而且需要生长成相当厚的GaN晶体。
(5)形成GaN缓冲层
在以下条件下形成80nm的GaN缓冲层。
生长温度    约500℃(约773K)
NH3气分压   0.2atm(20KPa)
HCl气分压    2×10-3atm(0.2KPa)
生长时间     30分钟
膜厚         80nm
在该阶段中，在面层窗的GaAs基体表面上生长GaN缓冲层(面层厚为100nm，缓冲层厚为80nm)。缓冲层的作用是调整低温下生长时GaAs和GaN的晶格常数不匹配。
(6)GaN外延层的形成
进一步在高温下向其上生长GaN外延层。条件如下。
生长温度    约1020℃(1293K)
NH3，气分压   0.3atm(30KPa)
HCl气分压     2×10-2atm(2KPa)
生长时间      约180分钟
膜厚          3cm
可生长成约3cm的这样高度的GaN晶锭。这种GaN晶锭的生长方向是c轴方向，生长面是C面(0001)。长延伸的晶锭用小写字母表示。因为这是具有C面的晶锭，是从GaAs异质衬底外延生长的第一代晶锭，可以“c1”表示。
用显微镜观察生长面时，可知是由{11-22}面、{1-102}面等形成倒六角锥、倒十二角锥，并由这些倒锥形成小面，并由这些小面形成生长的穴点，在该生长穴点的底部，在与生长面垂直方向上存在着由转位形成的集合束。
即，确认在该结晶中，转位在生长方向的c轴方向[0001]上进行延伸。
(7)晶种的制作(C1→M1、A1、C1)
由于具有3cm厚，所以可从具有这种(0001)生长面的这种晶锭，切割出具有各种方位的晶种。这里切割出具有如下3种面方位的晶种。
①将主面取为{1-100}的晶种(取为M1)(56)
②将主面取为{11-20}面的晶种(取为A1)(55)
③将主面取为{0001}面的晶种(取为C1)(57)
GaN晶锭在表面上形成了(0001)面，利用以前的方法，平行于表面切割时，仅切割出C1基体。因此，本发明推翻了这种常识，与表面成直角进行切割，也能制作出M1和A1基体。以上述表示法应为c；M和c；A。
这些晶种，因为是从GaAs基体开始进行外延生长而制作的第一代结晶，所以给与“1”的下标。对这些晶种M1、A1、C1进行评价。
(8)晶种的评价
[晶种C1的评价(c；C)]
对于主面为{0001}面的晶种C1，利用EPD(Etch Pit Density)评价贯通转位的存在。但是，还不能充分明确原来的转位与测定的穴点的关系。为了使腐蚀穴点露出表面，需进行湿式腐蚀。腐蚀剂为磷酸和硫酸的混合酸。将晶种在250℃下进行腐蚀，这样穴点呈现在表面上。
用显微镜观察时，可知在转位集合束部分产生很大的穴点。并可知在其他部分腐蚀穴点的密度相当低。
通过阴极发光(CL)评价晶体时，可知转位束的某个位置与由腐蚀呈现出的穴点位置完全一致。
被检测的穴点是相当于转位束的直径为10～20μm的大穴点，而1μm直径的小穴点也能观测到。
由于有这种贯通转位分布存在，作为贯通转位密度，很难利用一个相同的数值表示。
然而，不管穴点大小，全部数出这些穴点，求得腐蚀穴点为5×105cm-2。因为以前的GaN结晶转位密度在107cm-2以上，与其比较可以确认EPD大大地变小。
[晶种M1的评价(c；M)]
对于主面为{1-100}面的晶种M1以同样的方法测定EPD，可知穴点也有相当大的减少。
但是，可以认为晶种M1，在[0001]方向上存在着穴点列。该穴点列不是1列，而是由相当密集的多列形成。发现在反面穴点列和穴点列之间全都不存在穴点的区域。不存在穴点的区域宽度依场所而不同，平均为200μm。
[晶种A1的评价(c；A)]
对于主面为{11-20}面的晶种A1，以同样的方法测定EPD，可知穴点有相当大的减少。
但可以认为晶种A1，在[0001]方向上存在穴点列。该穴点列不是1列，而是由相当密集的多列形成。在反面穴点列和穴列之间，观察到全都不存在穴点的区域。不存在穴点的区域宽度依场所而不同，平均为200μm。
在这些晶种C1、A1、M1中，将A1和M1用作晶种，接着制作GaN晶锭。通过切割这样制作的晶锭，可制造出很多的基体。
实施例2是将晶种M1作为起始原料制作GaN晶锭。而实施例3是将晶种A1作为起始原料。
将晶种C1作为起始原料时，不包括在本发明的范畴中。因此对于这种以晶种C1为原料的情况不存在描述。但是，晶种C也不能完全否定。在后面说明的是，利用本发明的方法，一旦降低贯通转位的晶种C也可作为起始原料。
[实施例2：GaN晶锭m2的制作(使用晶种M1：c；Mm)]
使用在实施例1中制作的主面为{1-100}面的GaN晶种M1，制作如下的GaN晶锭(m2)。这种晶锭，因为是由GaN生长形成的二代，所以标以“2”的下标。以上述表示方法为c；Mm生长。
使用和实施例1制造晶种生长晶锭相同的HVPE炉，进行晶体生长。载气全都为H2气。使用的气体为NH3气(NH3＋H2)、HCl气(H2＋HCl)。生长条件是：
生长温度         1020℃(1293K)
NH3气体分压     0.3atm(30Kpa)
HCl气体分压      2×10-2(atm(2Kpa)
生长时间         约180小时
膜厚             2.5cm生长方向是与晶种主面{1-100}面(M面)垂直的<1-100>方向(m方向)。因此，最终的生长表面是{1-100}面。表面状态是镜面。晶锭m2的高度约为2.5cm。
(a)制作(具有C面)Cm2基体(c；Mm；C)(58)
对这种晶锭m2用内周刃切片机，在平行于生长方向<1-100>，且平行于(0001)面的方向上进行切片，制作基体。即，平行于贯通转位进行切片加工。
若按照上述表示法，这是c；Mm；C。因为包括由晶种M1制作的第二代基体的过程，可以将其写成Cm2基体。这种具有{0001}面(c面)表面的GaN单晶基体，可切割出25个。
这些GaN基体(Cm2)的厚度为0.7mm，为25mm×30mm的1英寸大小的基体。随后，对这些基体进行研磨加工。其结果，表面上没有加工变质层，得到了可用作半导体基体的基体。
对Cm2基体实施评价。利用阴极发光评价基体Cm2的基体面(0001)Ga面。可知切割晶种M1，完全没有见到像在当初GaN晶体c1的(0001)面上所见到的转位集合，表面状态得到了改进。通过测定EPD评价相同基体。和初始晶期的晶种(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径1μm以下的小穴点。而且，EPD为1×104cm-2，是非常低的转位密度。
利用TEM(透过型显微镜)观察该基体Cm2。结果可知，在这些基体Cm2中，(0001)面上几乎不存在贯通转位。虽然转位数很少，但可以明确知道，这些转位的走向主要是在平行于基体面(0001)面的<1-100>方向(m方向)上。晶锭的生长方向是m方向，贯通转位的延伸方向与其一致。由于贯通转位的走向平行于基体表面，所以基体表面中的贯通转位显著降低。
即，根据平行于是Cm2基体表面的(0001)面(C面)的(m方向)存在转位走向的事实，可以说是基体表面的贯通转位降低的基体。该转位的移动方向(m方向)是GaN结晶的生长方向(m方向)，可以说这种基体Cm2是在平行于晶体生长方向(m方向)的面处进行切片的基体。
(b)制作(具有M面)Mm2基体(c；Mm；M)(59)
将使用晶种M1在m方向上生长的GaN晶锭m2，在{1-100}面处进行切片加工，制作多个相同的基体。由最初书写时，为C；Mm；M。将GaN生长反复2次，因为是将M基体作为晶种，所以可书写成Mm2。可以认为这种Mm2基体具有足够低的转位。
(c)制作(具有A面)Am2基体(c；Mm；A)(68)
将使用晶种M1，在m方向上生长的GaN晶锭m2，在{11-20}面处进行切片加工，制作多个相同基体。开始书写时，为C；Mm；A。使GaN生长重复2次，因为是将M基体作为晶种，所以这可以书写成Am2。可以确认这种Am2基体具有足够低的转位。
(d)制作(具有C面)Ca3基体(C；Mm；Aa；C)(69)
将通过2次生长制作的(c)的基体Am2作为晶种，再向<11-20>方向(a方向)生长GaN单晶，制作数个GaN晶锭a3。在(0001)面处对其切片加工，制成具有C面的多个(0001)GaN基体Ca3。这是以A基体开始制作的C基体，因为是以3次生长制作的，所以可书写成Ca3。从开始书写时，是C；Mm；Aa；C。可以认这种Ca3基体具有足够的低转位。
[实施例3：制作GaN晶锭a2(使用晶种A1：c；Aa)]
使用实施例1中制作的，主面为{11-20}面的GaN晶种A1，制作下述的GaN晶锭(a2)。这种晶锭是以GaN生长形成的第二代，所以标以“2”的下标。以上述表示法为c；Aa生长。
使用和实施例1的晶种制造的晶锭的生长相同的HVPE炉，进行晶体生长。载气全为H2气。所用的气体是NH3气CNH3＋H2)、HCl气(H2＋HCl)。生长条件为
生长温度       1020℃(1293K)
NH3气体分压   0.3atm(30Kpa)
HCl气体分压    2×10-2atm(2Kpa)
生长时间    约180小时
膜厚        2.5cm生长方向是垂直于晶种的主面{11-20}面(A面)的<11-20>方向(a方向)。因此，最终的生长表面是{11-20}面。表面状态，虽然也有镜面部分，是具有由{1-100}面形成小面的面。晶锭a2的高度约为2.5cm。
(a)制作(具有C面)Ca2基体(c；Aa；C)(60)
对这种晶锭a2，利用内周刃切割机，在平行于生长方向<11-20>(a方向)，且平行于(0001)面的方向上进行切片，切割出具有C面的基体。即，平行于贯通转位进行切片加工。
按照上述表示法，这是c；Aa；C。因为包括从晶种A1制作的第二代基体的过程，可以将其书写成Ca2。表面具有{0001}面(c面)的GaN单晶基体，可切割出25个。
这些GaN基体(Ca2)是0.7mm厚，25mm×30mm的1英寸大小的基体。随后，对这些基体进行研磨加工。其结果，表面上没有加工变质层，得到了作为半导体基体用的的基体Ca2。
对Ca2基体进行评价。利用阴极发光评价基体Ca2的基体面(0001)Ga面。可知切割晶种A1，都没有见到像当初GaN晶体c1的(0001)面上见到的转位集合，表面状态得到改进。
通过测定EPD评价相同基体。与当初的GaN结晶C1的(0001)面(C面)不同，全都没有观察到10-20μm大的穴点。全都是直径在1μm以下的小穴点。而且，EPD为4×104cm-2，是非常低的转位密度。
通过TEM(透过型显微镜)观察这种基体Ca2。结果知道这些基体Ca2中，在(0001)面上几乎不存在贯通转位。虽然转位数很少，仍可明确知道，这些转位的走向主要是在平行于基体面(0001)面的<11-20>方向(a方向)上。晶锭的生长方向是a方向，贯通转位的延伸方向与其一致。由于贯通转位的走向平行于基体表面，所以基体表面中的贯通转位显著降低。
即，通过在平行于基体表面(0001)面(C面)的(a方向)上存在着转位走向的事实，可以说Ca2是降低基体表面的贯通转位的基体。该转位的移动方向(a方向)是GaN结晶的生长方向(a方向)，可以说该基体是在平行于晶体生长方向(a方向)的面处进行切片的(0001)基体。
(b)制作(具有A面)Aa2基体(c；Aa；A)(61)
将使用晶种A1，在a方向上生长的GaN晶锭a2，在{11-20}面处进行切片加工，制作多个相同基体。从开始书写时，这是c；Aa；A。重复2次GaN生长，因为将A基体作为晶种，所以这可以书写成Aa2。可以认为这种Aa2基体具有足够低的转位。
(c)制作(具有M面)Ma2基体(c；Aa；M)(70)
将使用晶种A1，在a方向上生长的GaN晶锭a2，在{1-100}面处进行切片加工，制作多个相同基体。从开始书写时，这是c；Aa；M。
将GaN的生长反复2次，因为是将A基体作为晶种，所以这可书写成Ma2。可以认为这种Ma2基体具有足够低的转位。
(d)制作(具有C面)Cm3基体(c；Aa；Mm；C)(71)
将通过2次生长制作的基体Ma2作为晶种，进一步向<1-100>方(m方向)生长GaN单晶，制作多个GaN晶锭m3。将其在(0001)面处进行切片加工，制作成具有C面的多个(0001)GaN基体Cm3。这是由M基体开始制作的C基体，因为是3次生长，所以书写成Cm3。从开始书写时，这是c；Aa；Mm；C。可以认为这种Cm3基体具有足够低的转位。
[实施例4：制作GaN晶锭c3(使用晶种c2：c；Mm；Cc)]
使用实施例2(a)中制作的主面为(0001)的GaN晶种Cm2，在<0001>方向(c方向)上生长，制作下述的GaN晶锭(c3)。这种晶锭是以GaN生长而形成的第三代，所以标以“3”的下标。以上述表示法是c；Mm；Cc生长。
使用和实施例1的晶种制造的晶锭生长相同的HVPE炉，进行晶体生长。载气全部是H2气。所用气体是NH3气(NH3＋H2)、HCl气(H2＋HCl)。生长条件为
生长温度         1020℃(1293K)
NH3气体分压     0.3atm(30Kpa)
2×10-2atm(2Kpa)
生长时间         约180小时
膜厚3cm生长方向是与晶种的主面(0001)面(C面)垂直的<0001>方向(C方向)。最终的生长表面是(0001)面。表面状态是存在极少生长穴点的镜面。晶锭c3的高度约为3cm。
(a)制作(具有C面)Cc3基体(c；Mm；Cc；C)(64)对这种晶锭c3，用内周刃切割机，在垂直于生长方向(0001)面的方向上进行切片，切割出30个基体(C基体)，即是在横切贯通转位的方向上切片加工。
按照上述表示法，这是c；Mm；Cc；C。因为包括从晶种c2制作的第三代基体的过程，所以应将其书写成Cc3基体。这样可切割出30个表面上具有{0001}面(C面)的GaN(Cc3)单晶基体。
这些GaN基体(Cc3)是0.7mm厚，30mm×30mm的1英寸大小的基体。随后，对这些基体进行研磨加工。结果其表面上没有加工变质层，可用作半导体基体的基体。
对Cc3基体进行评价。利用阴极发光评价基体Cc3的基体面(0001)Ga面。全都没有见到像当初切割晶种M1在GaN晶体c1的(0001)面上所见到的转位集合，可知表面状态得到改进。
通过测定EPD评价相同基体。与切割最初的晶种M1的当初的GaN结晶c1的(0001)面(C面)不同，没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径1μm以下的小穴点。而且，EPD为1×104cm-2，是非常低的转位密度。
用TEM(透过型显微镜)观察该基体Cc3。结果可知，这些基体Cc3中，(0001)面上几乎不存在贯通转位。虽然转位数很少，但，仍能明确知道，与基体面(0001)面平行的<1-100>方向(m方向)<11-20>方向(a方向)上几乎没有贯通转位走向。
认为低转位的理由如下。因为将基体表面上贯通转位走向低的C面基体Cm2(c；Mm；C)作为晶种，在C方向<0001>方向上生长，在<0001>方向上复制了低贯通转位的状态，从这种结构的晶锭c3(c；Mm；Cc)在C面处切片加工的基体Cc3(c；Mm；Cc；C)。因此，基体Cc3，表面的贯通转位密度很低，与表面平行走向的转位也很少。是理想的基体。
(b)制作(具有M面)Mc3基体(c；Mm；Cc；M)(62)
对这种晶锭c3，用内周刃切割机，平行于与生长方向<0001>平行的{1-100}面，进行切片加工，切割出30个具有{1-100}面的基体M。最后，是平行于贯通转位进行切片加工的基体。这是按本发明思想的切法。
按照上述表示法，这是c；Mm；Cc；M。因为包括从晶种c2制作的第三代基体的过程，所以将其书写成Mc3。这样可切割出30个表面具有{1-100}面(M面)的GaN单晶基体。
这些GaN基体(Mc3)是0.7mm厚，30mm×25mm的1英寸大小基体。随后，将这些基体进行研磨加工。结果得到表面上没有加工变质层，可用作半导体基体的基体Mc3。
对Mc3基体进行评价。利用阴极发光(CL)评价基体Mc3的基体面{1-100}面。没有见到像切割晶种M1的当初GaN晶体c1的(0001)面上所见到的转位集合，可知表面状态得到了改进。
通过测定EPD，评价相同基体Mc3的{1-100}面。与最初切割晶种M1时的当初GaN晶体c1的(0001)面(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径1μm以下的小穴点。而且EPD为8×103cm-2，是非常低的转位密度。
利用TEM(透过型显微镜)观察该基体Mc3的{1-100}面。结果可知这些基体Mc3中，在(1-100)面上几乎不存在贯通转位。并明确知道转位数少，少量转位是平行于基体面{1-100}走向。因此，表面的转位密度大大降低。
认为低转位的理由如下。是因为将基体表面上贯通转位走向低转位的C面基体Cm2(c；Mm；C)作为晶种，在C方向<0001>方向上生长，将低贯通转位的状态复印在<0001>方向上，从这种结构的晶锭c3(c；Mm；Cc)，在平行于生长方向的M面处进行切片加工的基体Mc3(c；Mm；Cc；M)。因此，基体Mc3的表面的贯通转位密度很低，平行表面走向的转位也很少，是理想的基体。
(c)制作(具有A面)Ac3基体(c；Mm；Cc；A)(63)
对这种晶锭c3，用内周刃切割机，平行于与生长方向<0001>平行的{11-20}面进行切片加工，切割出30个具有{11-20}面的基体A。即，是平行贯通转位进行切片加工的基片。这种切法符合于本发明的思想。
按照上述表示法，这是c；Mm；Cc；A。因为包括从晶种c2制作的第三代基体的过程，所以可将其书写成Ac3。这样可切割出30个表面上具有{11-20}面(A面)的GaN单晶基体。
这些GaN基体(Ac3)是0.7mm厚、30mm×25mm的1英寸大小的基体。随后，将这些基体进行研磨加工。结果得到表面没有加工变质层可用作半导体基体的基体Ac3。
对Ac3基体进行评价。用阴极发光(CL)评价基体Ac3的基体面{11-20}面。没有见到切割晶种M1当初在GaN晶体c1的(0001)面上见到的转位集合，可知表面状态得到了改良。
通过测定EPD，评价相同基体Ac3的{11-20}面。与切割最初晶种M1的当初CaN晶体c1的(0001)面(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径1μm以下的小穴。而且EPD是1×104cm-2，是非常低的转位密度。
用TEM(透过型显微镜)观察该基体Ac3。结果可知，在这些基体Ac3中，在{11-20}面上几乎不存在贯通转位。明确知道转位数很少，少量转位平行于基体面{11-20}走向。因此，表面的贯通转位密度大大减少。
认为低转位的理由如下。因为将基体表面的贯通转位走向低转位的C面基体Cm2(c；Mm；C)作为晶种，在c方向<0001>方向上生长，将低贯通转位的状态复印在<0001>方向上，从这种结构的晶锭c3(c；Mm；Cc)，在与生长方向平行的A面上进行切片加工的基体Ac3(c；Mm；Cc；A)。因此，基体Ac3的表面的贯通转位密度低，平行于表面的走向转位也少，是理想的基体。
[实施例5：制作GaN晶锭c3(使用晶种C2：c；Aa；Cc)]
使用实施例3中制作的主面为(0001)面的GaN晶种Ca2，在<0001>方向(c方向)上生长，制作下述GaN晶锭(C3)。这种晶锭以GaN生成形成第三代，所以标以“3”的下标。以上述表示法，是c；Aa；Cc生长。
使用与实施例1的晶种制造的晶锭生长相同的HVPE炉，进行晶体生长。载气全都是H2气。所用气体是NH3气(NH3＋H2)、HCl气(H2＋HCl)。生长条件是
生长温度       1020℃(1293K)
NH3气体分压   0.3atm(30Kpa)
HCl气体分压    2×10-2(atm(2Kpa)
生长时间       约180小时
膜厚           2.7cm生长方向是与晶种的主面(0001)面(C面)垂直的<0001>方向(c方向)。最终的生长表面是(0001)面。表面状态是存在极少生长穴点的镜面。晶锭c3的高度约为2.7cm，制作数个这样的晶锭。
(a)制作(具有C面)Cc3基体(c；Aa；Cc；C)(67)
对这种晶锭c3，用内周刃在垂直于生长(0001)面的方向上进行切片加工，制作30个基体(C基体)。即，在横切贯通转位的方向上进行切片加工的基体。
按照上述表示法，这是c；Aa；Cc；C。因为含有从晶种C2制作的第三代基体的过程，所以可书写成Cc3基体。这样可切割出30个表面具有{0001}面(c面)的GaN(Cc3)单晶基体。
这些GaN基体(Cc3)是0.7mm厚、30mm×25mm的1英寸大小的基体。随后，将这些基体进行研磨加工。结果得到表面上没有加工变质层，可用作半导体基体的基体。
对Cc3基体进行评价。利用阴极发光(CL)评价基体Cc3的基体面(0001)Ga面。没有见到像切割晶种A1的在当初GaN晶体c1的(0001)面上见到的转位集合，可知表面状态得到了改善。
通过测定EPD评价相同基体。与切割初始晶种A1的当初GaN晶体c1的(0001)面(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径小于1μm的小穴点。可知穴点趋向于<11-20>的方向。而且，EPD为5×104cm-2，是低转位密度。
利用TEM(透过型显微镜)观察该基体Cc3。结果知道在这些基体Cc3中，在(0001)面上几乎不存在贯通转位。明确知道不仅转位数很少，而且基体面上几乎没有贯通转位的走向。由此，基体面内的转位密度大大减少。
认为低转位的理由如下。因为将基体表面上贯通转位走向低转位的C面基体Ca2(c；Aa；C)作为晶种，在c方向<0001>方向上生长，将低贯通转位的状态复印在<0001>方向上，从这种结构的晶锭c3(c；Aa；Cc)在C面处进行切片加工的基体Cc3(c；Aa；Cc；C)。因此，基体Cc3是表面的贯通转位密度低，平行表面的转位走向也很少，是理想的基体。
(b)制作(具有M面)Mc3基体(c；Aa；Cc；M)(66)
对这种晶锭c3，用内周刃切割机，平行于与生长方向[0001]平行的{1-100}面(M面)进行切片加工，制作30个具有{1-100}面的基体M。即，是平行与贯通转位进行切片加工的基体。这种切法符合于本发明的思想。
按照上述表示法，这是c；Aa；Cc；M。因为包括从晶种C2制作的第三代基体的过程，所以将其可书写成Mc3基体。这样可切割出30个表面上具有{1-100}面(M面)的GaN单晶基体。
这些GaN基体(Mc3)是0.7mm厚、30mm×25mm的1英寸大小的基体。随后，将这些基体进行研磨加工。结果得到表面没有加工变质的、可用作半导体基体的基体Mc3。
对Mc3基体进行评价。利用阴极发光(CL)评价基体Mc3的基体面{1-100}。没有见到像切割晶种A1的在当初GaN晶体c1的(0001)面上所见到的转位集合，表面的状态得到改良。
利用测定EPD评价相同基体Mc3的{1-100}面。与切割初始晶种A1的当初GaN晶体c1的(0001)面(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径小于1μm的小穴点。而且EPD为1×104cm-2，为低转位密度。
利用TEM(透过型显微镜)观察这种基体Mc3的{1-100}面。结果可知这些基体Mc3中，在{1-100}面上几乎不存在贯通转位。明确知道转位数少，少数的转位以平行于基体面{1-100}面走向。由此，表面的贯通转位密度大大降低。
认为低转位的理由如下。因为将基体表面上贯通转位走向低转位的C面基体Ca2(c；Aa；C)作为晶种，在c方向<0001>方向上生长，将低贯通转位的状态复印在<0001>方向上，从这种结构的晶锭c3(c；Aa；Cc)，在与生长方向平行的M面处进行切片加工的基体Mc3(c；Aa；Cc；M)。因此，基体Mc3是表面贯通转位低，与表面平行走向的转位也少。是理想的基体。
(c)制作(具有A面)Ac3基体(c；Aa；Cc；A)(65)
对这种晶锭c3，利用内周刃切割机，平行于与生长方向<0001>平行的{11-20}面进行切片加工，制作30个具有{11-20}面的基体A。即，是平行于贯通转位切片加工的基体。这种切法符合本发明的思想。
按照上述表示法，这是c；Aa；Cc；A。因为包括从晶种C2制作的第三代基体的过程，所以可将其书写成Ac3基体。这样可切割出30个表面具有{11-20}面(A面)的GaN单晶基体。
这些GaN基体(Ac3)是0.7mm厚、30mm×25mm的1英寸大小的基体。随后对这些基体进行研磨加工。结果得到表面没有加工变质层的、可用作半导体基体的基体Ac3。
对Ac3基体进行评价。利用阴极发光评价基体Ac3的基体面{11-20}面。没有见到像切割初始晶种A1的在GaN晶体c1的(0001)面上所见到的转位集合，可知表面状态得了改良。
通过测定EPD评价相同基体Ac3的{11-20}面。与切割初始晶种A1的当初GaN晶体c1的(0001)面(C面)不同，完全没有观察到10-20μm的大穴点。全都是直径小于1μm的小穴点。而且EPD为2×104cm-2，是非常低的转位密度。
利用TEM(透过型显微镜)观察该基体Ac3的{11-20}面。结果可知这些基体Ac3中，在{11-20}面上几乎不存在贯通转位。明确知道转位数很少，少量转位以与基体面{11-20}平行走向。由此，表面的贯通转位密度大大降低。
认为低转位的理由如下，因为将基体表面上贯通转位走向低转位的C面基体Ca2(c；Aa；C)作为晶种，在c方向<0001>方向上生长，将低贯通转位的状态复印在<0001>方向上，从这种结构的晶锭C3(c；Aa；Cc)，以在平行于生长方向的A面处进行切片加工的基体Ac3(c；Aa；Cc；A)。因此，基体Ac3是表面贯通转位密度低，平行于表面走向的转位也少，是理想的基体。
本发明是在平行于生长方向的方向上切割基体，以降低基体表面上存在的转位。尤其是通过在M面、A面、C面上变换相互的生长方向，获得了转位减少效果。
即，在{0001}面方向上生长GaN单晶，平行于{1-100}面或{11-20}面进行切片加工，制造低转位密度{1-100}面或{11-20}面的GaN单晶基体(c；A、c；M)。在{1-100}面方向上生长GaN单晶，以平行于{0001}面或{11-20}面进行切片加工，制造低转位密度{0001}面或{11-20}面的GaN单晶基体(m；C、m；A)。或者，在{11-20}面方向上生长GaN单晶，平行于{0001}面或{1-100}面进行切片加工，制造低转位密度{0001}面或{1-100}面的GaN单晶基体(a；C、a；M)。
将这样获得的单晶作为晶种，进一步进行晶体生长。也可进行2阶段或3阶段的晶体生长。由于从低转位晶种生长，所以可得到更低转位密度的晶锭。
根据本发明可制造贯通转位密度小、但很宽的GaN单晶基体，因为贯通转位束集聚，所以劈开时，劈开面不产生紊乱，当将本发明的GaN基体作为GaInN系LD的基体时，通过自然劈开，即可形成共振器。当形成GaInN系LD和LED的基体时，在基片的上下可配置电极。通过电极可节省所占的面积。当制作LD、LED时，不需要像兰宝石那样进行2次引线结合。形成GaInN系的LD、LED基体时，比现在的兰宝石基体更加优越。
附图简述
图1是HVPE装置的简要剖面图。
图2是为使GaN进行外延附晶生长，在GaAs基体上形成面层的正方形窗的状态平面图。
图3是为使GaN进行外延附晶生长，在GaAs基体上形成面层的条形窗的状态平面图。
图4是在外延附晶生长中，在GaAs基体上堆积GaN形式的示意剖面图。图4(1)是在GaAs基体上被复面层，并开有窗孔的状态。图4(2)是在部分窗孔上堆积GaN的状态。图4(3)是从窗孔开始横向上生长GaN的示意状态。图4(4)是横方向生长层形成一体，继续向上转换生长的示意状态。
图5是在外延附晶生长中，在GaAs基体上堆积GaN形式的示意剖面图。图5(1)是在GaAs基体上被复面层，并开有窗孔的状态。图5(2)是越增大窗，生长的外延层越厚的某种厚度的GaN晶锭的示意状态。图5(3)是以垂直生长方向切割晶锭制作基体的示意状态。
图6是在六方晶系的结晶系中在C面上形成120°角的3个轴a、b、d，利用切割距离定义面方位h、k、m的说明图。
图7是证明六方晶系中在同一面上的3个面方位h、k、m之和为0的图。
图8是六方晶系的结晶系中(1-100)面和(11-20)面的示意图。
图9是在c轴方向上生长，平行于C面切割的基体以说明以前的生长切割法的示意图。
图10是在任意方向上生长，在平行于生长方向的切割面处进行切割制作基体的本发明生长切割法的说明图。
图11是当选择适当面时，A面＝{11-20}面、M面＝{1-100}面、C面＝{0001}面，说明相互形成直交的状况，说明本发明通过变换A面、C面、M面的相互生长方向而实现的结晶面的斜视图。
图12是通过使晶体生长方向g与切割面S平行切割的基体，以降低表面的贯通转位密度，明确表示本发明方法的结晶面的斜视图。
图13是通过A面、C面、M面的相互生长方向的相互变换而实现本发明，使箭头对应于a、c、m方向，从视觉上能区别的说明定义的图示。
图14是在通过使生长方向和切割面方向平行以减少转位密度的本发明中，一段生长中，晶体生长方向和基体面的组合关系有6种，根据上述定义，利用箭头表示这6种关系的图解。
图15是在通过使生长方向和切割面方向平行以减少转位密度的本发明中，二段生长中，作为生长方向完全不同的，晶体生长方向和基体面的组合关系有12种，根据上述定义用箭头进行表示的图解。
图16是在通过使生长方向和切割面方向平行以减少转位密度的本发明中，三阶段生长中，作为生长方向完全不同的，晶体生长方向和基体面的组合关系有24种，根据上述定义用箭头进行表示的图解。
图17是在二阶段生长中，第1阶段生长方向不同，第2阶段生长方向相同的，可能的晶体生长方向和基体面的组合关系有6种，根据上述定义用箭头进行表示的图解。
图18是在二阶段生长中，第1阶段生长方向相同，第2阶段生长方向不同的，可能的晶体生长方向和基体面的组合关系有6种，根据上述定义用箭头进行表示的图解。
图19是在实施例1的晶体生长·基体切割中表示方位变化的图解。
图20是在实施例2的晶体生长·基体切割中表示方位变化的图解。
图21是在实施例3的晶体生长·基体切割中表示方位变化的图解。
图22是在实施例4的晶体生长·基体切割中表示方位变化的图解。
图23是在实施例5的晶体生长·基体切割中表示方位变化的图解。
符号的说明
1炉                  2Ga舟
3Ga熔融液            4基架
5GaAs基体            6加热器
7气体导入口          8气体导入口
9气体排出口          10GaAs晶片
11面层               12窗
13凸起部分           14转位
15水平延长层         16小面
17面状缺陷部分       18 GaN表层(晶锭)
19GaN基体(镜面晶片)  S切割面
g晶体生长方向        q转位延方向

Claims (42)

1.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在与GaN单晶生长中的生长方向平行的面处进行切片加工。
2.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，通过在GaN单晶生长中与生长方向平行的面处进行切片加工，以降低贯通基体表面的贯通转位。
3.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在与GaN单晶生长中的转位走向平行的面处进行切片加工。
4.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，通过在GaN单晶生长中与转位走向平行的面处进行切片加工，以降低贯通基体表面的贯通转位。
5.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在GaN单晶生长中，晶体生长面是{1-100}，在与该晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工。
6.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在GaN单晶生长中，晶体生长面是{11-20}，在与该晶体生长方向平行的(0001)面处进行切片加工。
7.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将表面具有{1-100}面的GaN单晶作为晶种，进而将{1-100}面作为生长面而进行生长，在与该生长方向平行的(0001)面处进行切片加工，得到将(0001)面作为表面的单晶GaN基体。
8.根据权利要求7记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{1-100}面的GaN单晶是从将(0001)面作为生长面生长的GaN单晶，在与其生长方向平行的{1-100}面处切片。
9.根据权利要求7记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{1-100}面的GaN单晶是从将{11-20}面作为生长面进行生长的GaN单晶，在与其生长方向平行的{1-100}面处切片。
10.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将表面具有{11-20}面的GaN单晶作为晶种，进而将{11-20}面作为生长面而进行生长，在与其平行的(0001)面处进行切片加工，得到以(0001)面为表面的单晶GaN基体。
11.根据权利要求10记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{11-20}面的GaN单晶是从将(0001)面作为生长面进行生长的GaN单晶，在与该生长方向平行的{11-20}面处切片。
12.根据权利要求10记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{11-20}面的GaN单晶是从将{1-100}面作为生长面而生长的GaN晶体，在{11-20}面处进行切片。
13.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在GaN单晶的生长中，晶体生长面是{0001}面，通过在与其晶体生长方向平行的{1-100}面处进行切片加工，表面上具有{1-100}面。
14.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将表面具有{0001}面的GaN单晶作为晶种，进而将{0001}面作为生长面进行生长，通过在{1-100}面处进行切片加工，表面上具有{1-100}面。
15.根据权利要求14记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面上具有{0001}面的GaN单晶是从将{11-20}面或{1-100}面作为生长面而生长的GaN晶体，在{0001}面处进行切片。
16.根据权利要求14记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面上具有{0001}面的GaN单晶是从将{0001}面作为生长面而生长的GaN晶体，在{0001}面处进行切片。
17.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，在GaN单晶的生长中，晶体生长面是{0001}面，与其晶体生长方向平行的{11-20}而进行切片加工，表面上具有{11-20}面。
18.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将表面具有{0001}面的GaN单晶作为晶种，进而将{0001}面作为生长面而进行生长，在{11-20}面处进行切片加工，得到以{11-20}面为表面的单晶GaN基体。
19.根据权利要求18记载的单晶GaN的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{0001}面的GaN单晶是从将{11-20}面或{1-100}面作为生长面而生长的GaN结晶，在{0001}面处进行进行切割。
20.根据权利要求18记载的单晶GaN基体的制造方法，特征是，作为晶种的表面具有{0001}面的GaN单晶是从将{0001}面作为生长面而生长的GaN晶体，在{0001}面处切割。
21.一种单晶GaN基体，特征是，在与GaN单晶生长中的生长方向平行的面处，进行切片加工。
22.一种单晶GaN基体，特征是，通过与GaN单晶生长中的生长方向平行的面处进行切片加工，以降低贯通基体表面的贯通转位。
23.一种单晶GaN基体，特征是，在基体内部存在与基体表面平行走向的转位。
24.一种单晶GaN基体，特征是，通过基体内部所存在与基体表面平行走向的转位，降低基体表面的贯通转位。
25.一种单晶GaN基体，特征是，在基体内部，平行于基体表面，主要在一个方向上存在转位走向。
26.一种单晶GaN基体，特征是，通过在基体内部平行于基体表面，主要在一个方向上存在转位走向，降低基体表面的贯通转位。
27.一种单晶GaN基体，特征是，基体表面是{0001}面，在基体内主要在<1-100>方向上存在转位走向。
28.一种单晶GaN基体，特征是，通过基体表面是{0001}面，在基体内主要在<1-100>方向上存在转位走向，而减少基体表面的贯通转位。
29.一种单晶GaN基体，特征是，基体表面是{0001}面，在基体内主要在<11-20>方向上存在转位走向。
30.一种单晶GaN基体，特征是，通过基体表面是{0001}面，在基体内主要在<11-20>方向上存在转位走向，而降低基体表面的贯通转位。
31.一种单晶GaN基体，特征是，基体表面是{1-100}面，在基体内主要在<0001>方向上存在转位走向。
32.一种单晶GaN基体，特征是，通过基体表面是{1-100}面，在基体内主要在<0001>方向上存在转位走向而降低基体表面的贯通转位。
33.一种单晶GaN基体，特征是，基体表面是{11-20}面，在基体内主要是在<0001>方向上存在转位走向。
34.一种单晶GaN基体，特征是，通过基体表面是{11-20}面，在基体内主要在<0001>方向上存在转位走向而降低基体表面的贯通转位。
35.根据权利要求22记载的单晶GaN基体，特征是，在基体表面的贯通转位密度在1×106cm-2以下。
36.根据权利要求24记载的单晶GaN基体，特征是，在基体表面的贯通转位密度在1×106cm-2以下。
37.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将在平行于晶体生长方向的面处进行切片加工，在切片加工面降低了贯通基体表面的贯通转位的GaN单晶作为晶种，在该晶种上的生长中，在与生长方向垂直的面处进行切片加工。
38.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将在基体内部，平行于基体表面，主要在一个方向上存在转位走向的单晶GaN基体作为晶种，在该晶种上的生长中，在与生长方向垂直的面处进行切片加工。
39.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，将晶体生长面为{1-100}，在与其晶体生长方向<1-100>平行的(0001)面处切片加工的单晶作为晶种，在该晶种上的生长，将{0001}面作为生长面进行生长，在与该生长方向垂直的{0001}面处进行切片加工。
40.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，晶体生长面为{11-20}，在与该晶体生长方向<11-20>平行的(0001)面处进行切片加工的单晶作为晶种，在该晶种上的生长是将{0001}面作为生长面而进行生长，在与该生长方向垂直的{0001}面处进行切片加工。
41.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，晶体生长面为{0001}面，将在与该晶体生长方向<0001>平行的(1-100)面处切片加工的单晶作为晶种，该晶种上的生长，是将{1-100}面作为生长面而进行生长，在与该生长方向垂直的{1-100}面处进行切片加工。
42.一种单晶GaN基体的制造方法，特征是，晶体生长面是(0001)面，将与其晶体生长方向<0001>平行的{11-20}面处切片加工的单晶作为晶种，其晶种上的生长是以{11-20}面作为生长面而进行生长，将在与其生长方向垂直的{11-20}面切片加工。
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