JP2000012900A

JP2000012900A - ＧａＮ単結晶基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000012900A
Application number: JP17127698A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Motoki; 健作元木; Tatsuya Nishimoto; 達也西本; Takuji Okahisa; 拓司岡久; Naoki Matsumoto; 直樹松本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2000-01-14
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: JP3788037B2

Abstract

(57)【要約】【目的】面積が広く反りが少なく自立できるＧａＮ単
結晶基板を提供すること。【構成】ＧａＡｓ（１１１）基板の上に千鳥型窓やス
トライプ窓を有するマスクを形成し、ＨＶＰＥ法または
ＭＯＣ法により低温でＧａＮバッファ層を形成し、ＨＶ
ＰＥ法により高温でＧａＮエピタキシャル層を厚く形成
し、ＧａＡｓ基板を除去する。ＧａＮの自立膜を種結晶
としてＨＶＰＥ法でＧａＮを厚付けしＧａＮインゴット
を作る。これをスライサーによって切断して透明無色の
反りの少ないＧａＮウエハを作る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III-V族窒化物化
合物半導体（ＧａＮ系）を用いた発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）やレ−ザダイオード（ＬＤ）など青色発光素子用の
ＧａＮ単結晶基板、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１はＧａＮ成長のための基板となりう
る材料のＧａＮに対する格子定数と熱膨張率の比を示
す。サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓ、ＺｎＯなどが比較衡量される。窒化物系半導体発光
デバイス或いはＧａＮ系発光デバイスは従来サファイヤ
基板の上にＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長して作
られていた。サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板は化学的に
安定であるし耐熱性もある。ＧａＮと格子定数は１６％
程度異なるもののバッファ層を形成することによりＧａ
Ｎがその上にエピタキシャル成長する。このような利点
があるからサファイヤ基板を使う。ＧａＮなどの薄膜を
付けたあともサファイヤ基板は付いたままＬＥＤ、ＬＤ
として用いられる。つまりサファイヤとＧａＮの複合的
な素子である。これは実用的な素子であって、サファイ
ヤ基板上のＧａＮ系ＬＥＤは市販されている。またＧａ
Ｎ系ＬＤも近く市販されるだろうと言われている。

【０００３】サファイヤとＧａＮの格子定数は食い違
う。それにも拘らずサファイヤ基板上には実用的なＧａ
Ｎ素子が成長する。それは格子定数の緩和が滑らかに起
こるからである。図２はサファイヤ上のＧａＮの膜厚
と、格子定数変化の関係を示すグラフである。膜厚の変
化に従って格子定数がゆっくりと変化してゆく。いまな
お基板としてサファイヤがもっとも優れている。現在量
産されているものは全てＧａＮ／Ａｌ_２Ｏ_３構造を持
つ。このような構造は例えば次の文献に説明されてい
る。特開平５−１８３１８９号特開平６−２６０６８０号

【０００４】ところがサファイヤ基板にもなお問題があ
る。サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル層の欠陥
密度は極めて高い。これは格子のミスマッチからくるの
であろうか。なんと１０^９ｃｍ^−２もの欠陥密度があ
る。いわば欠陥だらけと言って良い。しかしそれにもの
拘らずＧａＮＬＥＤは長寿命である。不思議な材料であ
る。だから高密度欠陥というのは結晶学的には問題であ
ろうが実際にはあまり問題でないとも言える。

【０００５】しかしサファイヤにはもうひとつ機械的な
難点がある。サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）は化学的に安定
で硬度が高い。化学的に安定ということは良いようであ
るがそうでもない。ＧａＮを残し、基板だけをエッチン
グ除去できない。最も困るのは劈開性がないということ
である。それに硬い。ＧａＮ／サファイヤ基板をＬＥＤ
チップに分割するときのダイシング加工が難しい。自然
劈開がないから刃物状のものを押し当てて破壊切断す
る。破損することもあり歩留まりは低い。なお、ＧａＮ
／サファイヤ基板から、サファイヤをポリッシュで除去
して、実験した例が報告されている。 J.J.Appl.Phys. vol. 37,Part2, No.3B(1988),ppL30
9-L312 がいまだ実験室レベルのものである。

【０００６】ダイシングを容易に行うためにＳｉＣのよ
うな劈開性のある材料を基板にすることが考えられた。
ＳｉＣ基板ＧａＮ素子は例えば Appl.Phys.Lett. vol.71, No.17 (1997) に提案されている。しかしＳｉＣにも問題がある。化学
的に安定であり、作製のための処理温度が１５００℃以
上にもなる。ＳｉＣ基板自体の製造が難しい。ために高
価な基板となり、ＧａＮ発光素子がコスト高になる。実
際にはＳｉＣはＧａＮ発光素子の基板として利用されて
いない。ＳｉＣ／ＧａＮ素子は量産規模では製造されて
いない。

【０００７】いずれにしても従来のＧａＮ素子は、異種
基板の上にＧａＮを成長させたもので基板を除去しない
から、サファイヤが付いたままである。複合デバイスで
ある。

【０００８】基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させ
るには基板を１０００℃以上の高温に加熱しなければな
らない。このような高温でないと気相反応が起こらな
い。ＧａＮなどのエピタキシャル層を成長させた後温度
を下げると薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる影響
が現れる。熱膨張係数は温度の関数であって一定でな
い。だから簡単に比較はできないがあらましの比較をす
ると次のようである。ＧａＮの熱膨張係数を１とする
と、ＧａＡｓは約１．０８倍、ＳｉＣは０．８７倍、サ
ファイヤは１．３６倍の熱膨張係数を持つ。

【０００９】薄膜、基板間の熱膨張係数の違いによる第
１の問題は、ＧａＮ薄膜に熱応力が発生しＧａＮ薄膜に
欠陥やマイクロクラックなどが入ってしまう事である。
熱膨張係数相違による第２の問題は、冷却時に反りが発
生するということである。ウエハ−の全体が反りによる
変形を受ける。第３の問題は大きい複合ＧａＮ基板がで
きないということである。サファイヤ基板にＧａＮの薄
膜を載せた複合物はＧａＮ基板と言えない事はない。し
かし薄膜・基板間に熱膨張係数の差による熱応力や反り
が大きいために大型複合基板とすることができない。高
々数ｍｍ角のＧａＮ／サファイヤによるＧａＮ複合体が
報告されていただけである。とても工業的に利用可能な
大きさでない。

【００１０】振り返ってみれば、ＧａＡｓを基板とし
て、ＧａＮを成長させる試みが１９７０年代に精力的に
推進された。ＧａＡｓとＧａＮの熱膨張率の差異はこれ
らの候補の中でもっとも小さい。熱膨張係数差が小さい
ので反りや欠陥も少ないはずである。しかしこれらの勇
敢な試みはことごとく失敗に終わった。ＧａＡｓにうま
くＧａＮが付かなかった。ＧａＮが単結晶でないとか欠
陥密度が高すぎる、ＧａＮが剥離するとかで、良質の複
合ＧａＮ基板は作製できなかった。その理由ははっきり
しない。いくつもの原因があったのであろう。ひとつに
は成長時の高温中でのＧａＡｓのＡｓの蒸発や、ＮＨ_３
との反応のために、良いＧａＮ結晶が成長できず、Ｇａ
Ａｓ基板上のＧａＮ成長はほとんど有望視されていなか
った。また格子定数がＧａＡｓとＧａＮとでかなり違う
からであろうか。ＧａＮの格子定数を１とすると、Ｇａ
Ａｓは１．２５である。約５／４も違う。ＳｉＣの格子
定数は、１．０３倍でＧａＮに近い値である。サファイ
ヤの格子定数はＧａＮの０．８６倍である。格子定数で
言えばＧａＡｓは、ＧａＮに最も遠い。ＧａＮ／ＧａＡ
ｓという複合デバイスはすでに２０年も前に試みられ諦
められた組み合わせであった。

【００１１】現在も生き残っているのはＧａＮ／サファ
イヤの素子だけである。であるからサファイヤ基板法を
より純化する、というのがひとつの開発のあり方になろ
う。いくら転位密度が高くても良い、ＬＥＤは長寿命だ
といっても、転位密度が低ければもっと長寿命かもしれ
ない。それに青色ＬＤはいまだ満足できる寿命でない。
それはやはり高密度に存在する欠陥のせいかもしれな
い。サファイヤ基板でより低欠陥のＧａＮを成長させる
という試みがさらになされる。電子情報通信学会論文誌Ｃ−ＩＩ，ｖｏｌ．Ｊ８１−
Ｃ−ＩＩ，ｐ５８〜６４これはサファイヤ基板にストラ
イプ状（縞状）のマスクをつけその上にＧａＮを厚膜成
長させたものである。縦縞（ストライプ）によって横方
向には分離された面からＧａＮが成長しやがてストライ
プを越えて合体する。そのようなストライプ成長によっ
て欠陥密度が大幅に減退したと報告している。欠陥密度
が減ったのであれば一つの成果である。しかしサファイ
ヤ基板上ストライプ成長法は他の問題に対して沈黙して
いる。あくまでサファイヤ上の成長で、サファイヤ基板
が付いたままである。頑固な無劈開の問題を解決してい
ない。無劈開だからダイシング工程が難しく歩留まりが
悪い。サファイヤがついたままであるから熱膨張係数の
差のため、ＧａＮ単結晶に転位、マイクロクラックが多
数導入される。また反りが無視できない。反りのためウ
エハ−プロセスに不適である、という問題もある。

【００１２】熱膨張係数の差、格子定数の差は異種材料
を使う限り常につきまとう。最も理想的な基板はＧａＮ
基板である。なんといってもＧａＮ基板である。しかし
広いＧａＮ基板が存在しない。ウエハ−として半導体製
造工程に適するのは１インチ径以上、好ましくは２イン
チ径以上のものが必要である。けれどもそんな大きいＧ
ａＮ基板はない。

【００１３】大型結晶を成長させるにはチョコラルスキ
ー法、ブリッジマン法などがあるがいずれも原料融液か
ら固体を凝固させる。融液から出発できるから大きい単
結晶を製造することができる。しかしＧａＮは加熱した
だけでは融液にならない。昇華して気体になってしま
う。Ｇａに少量のＧａＮを添加して、数万気圧の超高圧
を掛け加熱してＧａ−ＧａＮ融液とすることはできる。
しかし超高圧にできる空間は極極狭い。狭い空間で大き
い結晶を作ることはできない。大型の超高圧装置を製造
するというのでは余りにコスト高になって現実的でな
い。大型結晶を製造する方法が適用できないから、これ
まで大型のＧａＮ結晶ができず、ＧａＮ基板も存在しな
かった。

【００１４】ＧａＮ薄膜は薄膜成長法により作られる。
これらはいずれも気相から固相への反応である。サファ
イヤ基板の上に、ＧａＮ薄膜を成長させるため以下の４
つの方法が知られている。１．ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Hydride Va
por Phase Epitaxy）２．ＭＯＣ法（有機金属塩化物気相成長法：metallorga
nic chloride method）３．ＭＯＣＶＤ法（有機金属ＣＶＤ法：metallorganic
chemical vapor deposition）４．昇華法

【００１５】ＭＯＣ法は、トリメチルガリウムＴＭＧな
どＧａの有機金属と、ＨＣｌガスをホットウオール型の
炉内で反応させ一旦ＧａＣｌを合成し、これと基板付近
に流したアンモニアＮＨ_３と反応させ、加熱した基板の
上にＧａＮ薄膜を成長させるものである。実際には水素
をキャリヤガスとして、有機金属ガス、ＨＣｌガスの輸
送を行う。Ｇａ原料として有機金属を用いるから炭素が
ＧａＮの中に不純物として混入する。炭素のために黄色
を呈する。無色透明のＧａＮ結晶を得ることは困難であ
る。炭素のためにキャリヤ濃度（自由電子）が増加し、
電子移動度が低下する。炭素のために電気特性も悪くな
る。有機金属塩化物気相製法は優れた方法であるが、な
おこのような欠点がある。

【００１６】ＭＯＣＶＤ法はＧａＮ薄膜成長法として最
も頻用される。コールドウオール型の反応炉において、
ＴＭＧなどＧａの有機金属とアンモニアＮＨ_３を水素ガ
スとともに、加熱された基板上に吹き付ける。基板上で
ＴＭＧとＮＨ_３が反応しＧａＮ薄膜ができる。この方法
は大量のガスを用いるので、原料ガス収率が低い。発光
層のように薄い層を形成する場合には、大きな問題にな
らないかも知れない。しかし本願のように、厚いＧａＮ
基板を作ろうとするとこの問題は深刻な難点になる。ま
たＭＯＣ法と同じように炭素混入の問題がある。黄色に
着色する。電気特性がＨＶＰＥ法はＧａ原料として金
属Ｇａを使う。ホットウオール型反応炉にＧａ溜を設け
Ｇａ金属を入れておく。Ｇａは融点が低いので３０℃以
上でＧａ融液になる。そこへ水素ガス、ＨＣｌガスを吹
き付けると、塩化ガリウムＧａＣｌができる。ＧａＣｌ
がキャリヤガスＨ_２によって基板の付近へ運ばれ、アン
モニアと反応してＧａＮが基板表面に堆積する。この方
法は金属Ｇａを使い炭素を原料中に含まない。炭素が薄
膜に混入しないから着色しない。電子移動度も低下しな
い、などの利点がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＮ発光素子を作製
する基板はＧａＮ単結晶が最も適する。大型ＧａＮ基板
がこれまで存在しなかった。基板にできるような広い面
積をもち自立できるＧａＮ結晶を提供することが本発明
の第１の目的である。反りがないＧａＮ基板を提供する
事が本発明の第２の目的である。炭素を含まず無色透明
のＧａＮ基板を提供する事が本発明の第３の目的であ
る。但し成長条件によっては、蒸気圧の高いＡｓがＧａ
Ｎ単結晶中に取り込まれて薄い茶色を呈する場合もあ
る。ＧａＮ単結晶インゴットを製造しこれを薄く切断す
ることによって複数のウエハ−を製造する方法を提供す
る事が本発明の第４の目的である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】ＧａＡｓ（１１１）単結
晶基板の上に［１１−２］方向に等間隔で並び［−１１
０］方向にも等間隔で分布する窓を有するマスクをつ
け、マスクの窓の部分に低温でＧａＮバッファ層を成長
させ、ついで高温にしてＧａＮ層をバッファ層の上とマ
スクの上にＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長さ
せ、ＧａＡｓ基板を除去してＧａＮ単結晶基板を製造す
る。これは１枚の基板を作る方法である。あるいはこの
単結晶基板を種結晶として、さらにその上にＧａＮエピ
タキシャル層を厚く形成して、少なくとも１０ｍｍの厚
みを有するＧａＮインゴットとし、これを切断或いは劈
開して複数のＧａＮ基板とする。これが本発明のＧａＮ
基板の製造方法である。ＧａＡｓ基板は王水でエッチン
グすることによって除去できる。さらにＧａＮの表面は
研磨して平滑にする。このように薄膜の製造方法である
エピタキシャル成長法を利用して大型結晶を作ってしま
う。

【００１９】本発明のＧａＮ結晶の最大の特徴はその大
きさにある。本発明ではＧａＮ基板の直径は１インチ以
上、好ましくは２インチ径以上とする。ＬＥＤなどの発
光素子を工業的に低コストで製造するためにはＧａＮ基
板が広い方が良い。それで２０ｍｍ角以上好ましくは１
インチ（２５ｍｍ）以上、さらに好ましくは２インチ以
上とするのである。出発材料であるＧａＡｓ基板が広け
れば大面積のＧａＮ結晶を製造できる。

【００２０】ＧａＮ基板の厚みは自立できハンドリング
に不便がないようなものでなければならない。そのため
には５０μｍ〜１ｍｍ程度がよい。１ｍｍを越えても半
導体素子を製造できるがウエハ−自体の価格が高くなっ
てしまう。５０μｍ以下の厚みだと自らの形状を保持で
きない。より好ましくは７０μｍ〜１ｍｍという厚みで
ある。

【００２１】ＨＶＰＥ法を採用するのは、炭素が原料に
含まれないようにするためである。炭素がＧａＮに含ま
れないから黄色に殆ど着色しない。炭素によって電子が
キャリヤとして加わり電子移動度を下げるということも
ない。炭素が入らないからＧａＮは無色透明のウエハ−
になる。実際本発明のＧａＮウエハ−を文字の上におく
と、下地の文字が透けて見える。まるでガラスのようで
ある。原料からの混入はない。しかし、ＧａＡｓ基板側
から蒸発したＡｓなどの混入によりうすい黄色、薄茶
色、暗灰色を帯びる場合もある。しかしマスク層とバッ
ファ層がＧａＡｓ基板からのＡｓの蒸発を防ぐのでＧａ
Ｎ中へのＡｓの混入量は極めて少ない。その量は１０
^１７個ｃｍ^−３以下である。Ａｓの量が多いとＧａＮの
結晶性が乱れる。ＬＥＤとした場合はＡｓが特性を劣化
させる。しかしＨＶＰＥ法によればその恐れはない。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明のＧａＮ製造はＧａＡｓ基
板から出発する。サファイヤではない。サファイヤ基板
は後から除去できない。ところがＧａＡｓは王水で時間
を掛けて除去することができる。先に説明したようにＧ
ａＡｓ基板は１９７０年代に盛んに試みられ一旦は見込
み無しとして見捨てられた手法であった。それをなぜに
いまになって取り上げるのか？ラテラル成長法という有
力な薄膜成長法を本発明者が新たに見いだしたからであ
る。これは島状の窓を有するマスクによってＧａＡｓ基
板を覆い、孤立した窓からＧａＮを独立に成長させる手
法である。本発明者等が開発したこの手法がＧａＡｓ基
板上のＧａＮを現実的な意味あるものにしたのである
（特願平１０−０７８３３３号）。

【００２３】ＧａＮは六方晶系である。（０００１）面
は六回対称性がある。ＧａＡｓは立方晶系であるから
（１００）や（１１０）面は３回対称性を持たない。そ
こでＧａＡｓ（１１１）Ａ面或いはＢ面を基板として用
いる。これは三回対称性のある軸に直交する面である。
Ａ面というのはＧａ原子が露出している面である。Ｂ面
はＡｓ原子の露呈している面である。

【００２４】図３はラテラル成長に使うマスクの一部を
示す。マスクは直接にはＧａＮが付かないようなＳｉ_３
Ｎ_４やＳｉＯ_２などが良い。マスク厚みは１００ｎｍ〜
数１００ｎｍである。等間隔に窓を有するマスクであ
る。窓は小さい正方形である。数μｍ直径の小さな窓で
ある。これは別段丸でも三角でも楕円、六角形などでも
良い。微細な加工であるから丸や楕円の方が加工しやす
い。配列が重要である。［１１−２］方向に列をなして
並ぶ。間隔をＬとする。それと直交する［−１１０］方
向に隣接する列は半ピッチずれている。隣接列との距離
をｄとする。好ましくはｄ＝３^1/2Ｌ／２とする。つま
り正三角形の頂点に窓が配置されるのが最も良い。例え
ば窓を１辺２μｍの正方形とし、窓ピッチＬを６μｍ、
列間隔ｄを５μｍと言うようにすることもできる。その
ような正三角形分布の窓が良いのは、図５のように隣接
窓から成長したＧａＮが同時に境界を接するようになる
からである。しかしながら、ｄやＬが多少上記の式から
外れても良い。またストライプ状の窓を有するマスクで
もＧａＮを成長させることはできる。ストライプ状の窓
を用いると、マスク面全面がＧａＮで覆われるまでの時
間が短いという長所がある。ただしやはり欠陥が多く反
りの大きくなる傾向がある。

【００２５】窓付きのマスク越しにＧａＮを成長させる
ラテラル成長法はつぎのような意味を持つ。マスクとＧ
ａＮが直接には結合しないから下地のＧａＡｓと薄膜Ｇ
ａＮが結合するのは窓の部分だけである。通常のＧａＮ
成長の場合には、バッファ層上で、数多くの核生成がな
され、互いに犇めき合って成長して行く。その際多くの
欠陥が導入される。本発明のようにマスクがある場合
は、マスクからはみ出して横方向に成長する分を妨害す
るものはない。妨害がないから殆ど欠陥なく成長すると
考えられる。接合面積が狭いから高温で成長後、温度を
下げても熱応力が緩和される。全面積で密合している場
合に比較して窓だけでつながっているラテラル成長層は
熱応力がよほど小さくなる。それだけだとどのような配
列分布の窓でも良い事になる。そうではなくて、図５の
ように正六角形が同時に接触し、以後均等な厚みに成長
する可能性があるような窓分布が望ましいのである。な
お図４、５の正六角形は、六角錐の底部の形状を示した
ものである。

【００２６】マスクをつけるにはＧａＡｓ基板の全体に
マスク材料を被覆し、フォトリソグラフィによって等間
隔に窓を開けるようにする。同じ状態を図６（１）に断
面によって示している。

【００２７】この後比較的低温４５０℃〜５００℃程度
で、ＨＶＰＥ法によって数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の
薄いＧａＮバッファ層を形成する。マスクより薄いか
ら、バッファ層は窓内に孤立して存在する。図６（２）
はその状態を示している。

【００２８】８００℃〜１０５０℃程度の高温にして、
ＨＶＰＥ法でＧａＮエピタキシャル層を形成する。この
時バッファ層は結晶化する。図４のように孤立した窓で
核発生したＧａＮ結晶は通常六角錐を形成する。核発生
後、六角錐が高さ方向と底部側方に次第に成長する。底
面は六角形状に広がり窓を埋める。やがてＧａＮはマス
クをこえて広がる。それも六角錐の形状を保持したまま
である。図５のように隣接窓からの結晶と接触し上に向
けて成長する。このエピタキシャル成長層の厚みによっ
て基板結晶の大きさが決まる。１枚のウエハ−は７０μ
ｍ〜１ｍｍの厚みをもつのでその程度の厚みであれば良
い。これが図６（３）の状態である。上記のような成長
過程をとるので、成長表面は荒れていて擦りガラス状で
ある。透明とするためには研磨しなければならない。

【００２９】さらに王水によってＧａＡｓ部分をエッチ
ング除去する。マスクの部分は研磨によって除く。図６
（４）の状態になる。これは１枚のＧａＮ結晶である。
透明であり自立している。１枚のウエハ−だけを作るの
であればこれで終わりである。

【００３０】さらに複数のウエハ−を製造したいのであ
れば、この基板を種結晶として、さらにエピタキシャル
成長させる。図７はこれを示す。図７（１）はＧａＮ基
板の上にＨＶＰＥ法によってさらに厚くＧａＮをエピタ
キシャル成長したものを示す。円柱径のＧａＮインゴッ
トになる。厚みは１０ｍｍ以上とする。側面に支持部材
を固定し、内周刃スライサーなどによって１枚１枚ウエ
ハ−に切り出して行く。図７（２）はこれを示す。アズ
カットウエハ−を研磨して図７（３）のように透明平滑
なＧａＮウエハ−ができる。この場合、ＡｓはＧａＮ結
晶に混入しない。

【００３１】本発明においてエピタキシャル成長に用い
るＨＶＰＥ法を図８によって説明する。縦長の反応炉１
を円筒形のヒ−タ２が取り囲んでいる。反応炉１の上頂
部には原料ガス導入口３、４がある。原料ガス導入口３
からはＨＣｌ＋Ｈ_２の原料ガスが導入される。Ｈ_２はキ
ャリヤガスである。その直下にはＧａ溜５がある。ここ
には金属Ｇａを収容しておく。融点が低いからヒ−タ２
によって加熱されＧａ融液６になる。ＨＣｌがＧａ融液
に吹き付けられるから、Ｇａ＋ＨＣｌ→ＧａＣｌという
反応が起こり塩化ガリウムＧａＣｌができる。このＧａ
ＣｌとキャリヤガスＨ_２の混合ガスが反応炉中の空間を
下方に運ばれる。原料ガス導入口４はより下方に開口す
る。アンモニアＮＨ_３＋水素Ｈ_２の混合ガスがここから
反応炉内に導入される。ＧａＣｌとＮＨ_３により、Ｇａ
Ｃｌ＋ＮＨ_３→ＧａＮの反応が起こる。

【００３２】サセプタ７はシャフト８によって回転昇降
自在に設けられる。サセプタ７の上にはＧａＡｓ基板９
またはＧａＮ基板が取り付けられる。基板は加熱されて
いるから気相反応した生成物ＧａＮが基板の上に付着す
る。排ガスは排ガス出口１０から排出される。ＨＶＰＥ
法はＧａ金属を原料として使う。そしてＧａＣｌを中間
生成物として作る。これが特徴である。

【００３３】エピタキシャル成長は原料を気体にしなけ
ればならないがＧａを含む気体というものはない。Ｇａ
自体は３０℃以上で液体である。気体にするため有機金
属を使うのがＭＯＣ法、ＭＯＣＶＤ法である。気体には
なるが炭素を含むからＧａＮ結晶に炭素が不純物として
混入してしまう。ＨＶＰＥ法はＧａを加熱して液体に
し、ＨＣｌと反応させＧａＣｌにする。優勢な水素ガス
によって気体として運ばれるのである。有機金属を使わ
ないから炭素が不純物として結晶中に入らない、という
長所がある。

【００３４】本発明によって作られたＧａＮ単結晶基板
は、ノンドープであるがｎ型である。キャリヤ濃度は１
×１０^１６ｃｍ^−３程度である。ｎ型の伝導性を与える
ものは原料ガスに微量含まれる酸素であることを本発明
者は見いだした。ＨＶＰＥ法炉中の酸素分圧を制御する
ことによってキャリヤ濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３〜１
×１０^２０ｃｍ^−３の範囲で制御できる。酸素分圧を制
御することによって、電子移動度は８０ｃｍ^２／Ｖｓ〜
８００ｃｍ^２／Ｖｓの範囲に調整できる。比抵抗は１×
１０^−４Ωｃｍ〜１×１０Ωｃｍの範囲で制御可能であ
る。キャリヤ濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１９ｃ
ｍ^−３の範囲が望ましく、比抵抗は５×１０^−２Ωｃｍ
以下の範囲がさらに望ましい。

【００３５】こうして作られたＧａＮ基板は優れた特徴
がある。広い。自立膜である。透明である。無色であ
る、などの性質である。ただし成長条件により黄色、薄
茶色、暗灰色である。光デバイス用基板としては光の吸
収が少ないことが要件である。だから無色透明であるこ
とが要求される。ＧａＮ基板として重要なことである。
基板の透明度はLambert-Beer則により記述され次の式で
与えられる。Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（−αｘ）ここでＩ_０は入射光の強度、Ｉは観測光の強度、αは吸
収係数、ｘは基板の厚さである。αが小さいほど光の透
過度が高く透明であることを示している。本発明によっ
て得られたＧａＮ基板の吸収係数は、４００ｎｍ〜６０
０ｎｍにわたって低く、ＧａＮ基板はこれらの波長の光
に対し高い透明度を有している。両面を研磨したＧａＮ
基板について吸収係数を測定した。本発明によれば、こ
の波長帯で吸収係数が１２０ｃｍ^−１以下のものを容易
に得ることができた。さらに吸収係数が８０ｃｍ^−１以
下のものをも作製できた。光デバイス用基板としては吸
収係数が小さければ小さい程よい。				&#
9;しかしながらそれだけでは不十分である。まだまだ問
題がある。それはなにか？歪と内部応力の問題である。
内部応力が大きいと反りが甚だしくなりフォトリソグラ
フィなどウエハ−プロセスに支障を来す。

【００３６】加熱したＧａＡｓ基板の上にＧａＮを成長
させて常温に下ろして装置から複合体を取り出す。熱膨
張係数が違うから、降温することによって歪が異なる。
図９のようにＧａＮ／ＧａＡｓ複合体が撓む。ＧａＮに
は応力が発生している。ＧａＡｓにも反対向きの応力が
発生している。応力には２種類のものがある。熱応力と
真性応力である。熱応力は熱膨張係数の異なる二つの異
質材料が張り合わされているときに温度変化があること
によって発生するものである。

【００３７】もしも熱応力だけだとすると、ＧａＡｓ基
板を除去すると熱応力も消失する。それゆえ図１０のよ
うにＧａＮは平坦になる筈である。真性応力があるとそ
うはいかない。ＧａＡｓ基板を取り外しても尚ＧａＮに
残留する応力がある。そのために図１１のようにＧａＮ
自体が歪む。この反りはＧａＡｓとは無関係に表面と裏
面の応力の相違、厚み方向の応力の傾斜のために現れ
る。

【００３８】１９７０年代にＧａＡｓ基板上にＧａＮを
巧みに成長させることができなかったのは真性応力が大
きかった事も原因している。熱応力も含めた内部応力が
大きすぎてＧａＮが多大の欠陥をもち剥落したりした。
真性の内部応力を減らすための工夫が実は先述のマスク
を用いるラテラル成長法である。孤立した窓を多数マス
クに作っておき、ここからＧａＮバッファ層を成長させ
さらにエピタキシャル層を重ねて成長させる。内部応力
の原因は転位などの欠陥にあると考えている。転位から
切り離されているのでマスク上に成長した部分が低欠陥
化しており、これによって内部応力を減らすことができ
る。

【００３９】それはいいのであるが、やはりなにがしか
の内部応力が残留する。ためにＧａＮ基板が反る。反り
が大きいとウエハ−プロセスにかからない。反りを評価
し許容される反りの上限を決めなければならない。

【００４０】図１２に反りの測定法あるいは表現法の定
義をしめす。一定直径のウエハ−にして平坦なテーブル
の上において、中心の隆起Ｈを測定する。例えば２イン
チ直径のウエハ−に換算して、中心の浮き上がりＨを求
める。Ｈが一つの測定法であり表現法である。

【００４１】反りはウエハ−の曲がりの曲率ξ或いは曲
率半径Ｒによっても定義でき表現できる。Ｒ＝Ｄ²／８
Ｈあるいは、ξ＝８Ｈ／Ｄ²によって換算できる。Ｄは
ウエハ−の直径である。２インチウエハ−の場合はＤ＝
５０ｍｍである。

【００４２】反りまたは撓みというものは外部に現れる
現象であるから直接に測定することができる。内部応力
は内在的なポテンシャルであるから簡単に測定できな
い。

【００４３】円板が曲率δで撓むときの内部応力は

【００４４】

【数１】

【００４５】によって与えられる。σは内部応力、Ｅは
剛性率、νはポアソン比、ｂは基板の厚さ、ｄは薄膜厚
さ、Ｉは基板直径、δは撓み（Ｈに当たる）である。Ｉ
＝５０ｍｍとした場合は、上の定義でδ＝Ｈに当たる。
これは薄膜の内部応力を撓みから計算するＳｔｏｎｅｙ
の式という。薄膜だけにしてしまうので（ＧａＮ単層で
あるから）ｄ＝ｂとして、

【００４６】

【数２】

【００４７】この式によって、撓みδからσを計算し
た。反りと、曲率半径と内部応力の関係はつぎのようで
ある。基板厚さが一定の時、内部応力が大きくなればな
るほど、反りは大きく、曲率半径は小さくなる。内部応
力が一定の場合、基板厚さが厚くなればなるほど、反り
は低減し、曲率半径は大きくなる。本発明者らによるＧ
ａＮ基板については、基板上へのデバイスプロセスの容
易さ、基板強度を勘案し、反り、曲率半径、内部応力の
許容範囲を検討した。

【００４８】ウエハの厚さによって適当な値が変わるの
であるが、一般的にいうと、１．曲率半径Ｒ６００ｍｍ以上（曲率が１．６７×１
０^-3ｍｍ^-1以下）２．反りＨ（５０ｍｍ直径で）０．５５ｍｍ以下３．内部応力σ ７ＭＰａ以下

【００４９】つまり、本発明者がウエハに課した条件
は、Ｒ≧６００ｍｍ、Ｈ≦０．５５ｍｍ、σ≦７ＭＰａ
である。さらに内部応力は３ＭＰａであるとより好まし
い。曲率半径は７５０ｍｍ以上であるとさらに良い。

【００５０】本発明において、１枚のＧａＮ基板を製造
する方法の他に、ＧａＮ基板を種結晶としてその上にＧ
ａＮを厚くエピタキシャル成長させ単結晶インゴットを
製造する方法も採用している。その場合は厚みを１０ミ
リ以上にして、数十枚のウエハを切り出すようにする。
インゴットが厚いから反りは小さい。反りが少ないから
精度良くスライスできる。厚さが大きいので低転位化が
進んでいる。スライスして切り出したウエハも低転位で
ある。そのため反りも少ない。

【００５１】

【実施例】［実施例１（ＨＶＰＥ法ラテラル成長による
ＧａＮ単結晶１枚の作製）］ＧａＡｓ（１１１）Ａ基板
を反応容器内に設置した。基板サイズは３０ｍｍ径の円
形基板とした。常圧（大気圧）ＣＶＤ装置でＧａＡｓ基
板上に、Ｓｉ_３Ｎ_４層を厚さ０．１μｍになるように形
成した。これに規則的な分布をする窓をフォトリソグラ
フィによって開けた。窓は３種類のものを採用した。図
３に示す千鳥ドット窓と、＜１１−２＞ストライプ窓、
＜１−１０＞ストライプ窓の３種である。１．千鳥ドット窓…図３〜５に示すように、ＧａＡｓ＜
１１−２＞に平行な直線上に並び隣接する窓群が半ピッ
チずれている。ｄ＝３．５μｍ、Ｌ＝４μｍ。２．＜１１−２＞ストライプ窓…＜１１−２＞方向に平
行な長窓（ストライプ）のマスク。ストライプの幅が２
μｍ、間隔２μｍ、ピッチ４μｍ。３．＜１−１０＞ストライプ窓…＜１１−２＞方向に平
行な長窓（ストライプ）のマスク。ストライプの幅が２
μｍで間隔が６μｍ。ピッチは８μｍである。

【００５２】このような窓を開けたＳｉ_３Ｎ_４をマスク
として使って、ＧａＮバッファ層とエピタキシャル層を
成長させる。（１）ＧａＮバッファ層の形成周期的な窓を有するマスクによって覆われたＧａＡｓ基
板をＨＶＰＥ装置の中に設置した。ＨＶＰＥ装置を真空
に引いてＧａＡｓ基板を約５００℃に加熱した。石英の
Ｇａ溜を８５０℃以上に加熱しＧａ融液とする。原料ガ
ス導入口から水素ガスＨ_２と塩化水素ガスＨＣｌの混合
ガスをＧａ溜に導き、塩化ガリウムＧａＣｌを合成し
た。別の原料ガス導入口から水素Ｈ_２とアンモニアＮＨ
_３の混合ガスを導入し、５００℃に加熱された基板近傍
でＧａＣｌ＋ＮＨ_３→ＧａＮの反応を起こさせＧａＡｓ
基板に、ＧａＮを堆積させる。これによってＧａＡｓ基
板上に約７０ｎｍのＧａＮバッファ層を形成する。Ｓｉ
_３Ｎ_４はＧａＮ成長抑制作用がありＳｉ_３Ｎ_４マスクの
上にはＧａＮは堆積しない。バッファ層（７０ｎｍ）は
マスク（１００ｎｍ）より薄い。だから窓のＧａＡｓの
部分だけにＧａＮバッファ層ができる。

【００５３】（２）ＧａＮエピタキシャル層の形成ＨＣｌの導入を停止した。基板温度を５００℃から約１
０００℃まで上げた。再びＨＣｌをＧａ溜に向けて導入
する。以前の工程と同じように、ＧａとＨＣｌの反応に
よって塩化ガリウムＧａＣｌを合成する。水素ガスがキ
ャリヤとして流れているからＧａＣｌは下方へともに流
れる。アンモニアＮＨ_３とＧａＣｌが加熱された基板の
近傍で反応しＧａＮができる。これが窓の中のバッファ
層の上にエピタキシャル成長する。マスク厚み（１００
ｎｍ）を越えるとマスクの上にＧａＮ結晶が正六角形状
に広がって行く。ただしマスク全面がＧａＮで覆われる
までは、ＧａＮ結晶は六角錐である。図４、図５は六角
錐の底面部の状況を模式的に示したものである。窓は正
三角形の頂点位置にあるからそこから正六角形状に広が
ったＧａＮは隣接窓から広がってきた結晶と丁度きびす
を接することになる。成長速度は等しいので正六角錐の
結晶は隈無く接触する。ＧａＮ結晶層がマスクの上面を
隈無く覆い尽くすと、今度は上方へＧａＮが堆積してゆ
く。成長速度は５０μｍ／Ｈである。約１００μｍの厚
みのエピタキシャル層を成長させた。このように無数の
小さい窓から独立に核発生させ結晶成長させる（ラテラ
ル成長）のでＧａＮの中の内部応力を大幅に低減するこ
とができる。表面は擦りガラス状であった。

【００５４】（３）ＧａＡｓ基板の除去次に試料をエッチング装置の中に設置した。王水によっ
て約１０時間エッチングした。ＧａＡｓ基板が完全に除
去された。ＧａＮだけの結晶になった。両面を研磨して
ＧａＮ単結晶基板とした。これは自立膜であった。マス
クの窓寸法と窓ピッチＬ、隣接列との距離ｄを変えその
他はほぼ同じ条件で３つの試料についてＧａＮ成長させ
た。試料１は千鳥ドット窓（窓２μｍ角、Ｌ＝４μｍ、
ｄ＝３．５μｍ）。試料２は＜１１−２＞ストライプマ
スクである。試料３は＜１−１０＞ストライプマスクで
ある。

【００５５】

【表１】

【００５６】ノンドープなのであるがｎ型の電子伝導型
である。結晶性の維持を考えるとキャリヤ濃度は低い方
が良く、電子移動度は高い方が良い。しかし比抵抗は高
い方が良いのである。これら電気的特性は成長条件によ
り変化する。ストライプマスクは内部応力低減という点
で不完全である。これらサンプルは透明な薄茶色であ
る。波長４００ｎｍ〜６００ｎｍでの吸収係数は、４０
ｃｍ^−１〜８０ｃｍ^−１であった。Ａｓの含有量を調べ
たところ、９×１０^１６ｃｍ^−３であった。

【００５７】［実施例２（ＨＶＰＥラテラル成長ＧａＮ
種結晶、ＨＶＰＥ法ＧａＮ厚付け）］２インチ径のＧａ
Ａｓ（１１１）Ａ面を基板とした。その上にＳｉＯ_２の
絶縁膜を形成した。フォトリソグラフィによって図３の
ような窓を設けた。（１）ＧａＮバッファ層の形成

【００５８】マスクを有するＧａＡｓ基板をＨＶＰＥ装
置に設置した。図８の装置を使うが、Ｇａ溜５は８００
℃に加熱した。原料ガスとしては、Ｈ_２＋ＨＣｌをＧａ
溜に導き、Ｈ_２＋ＮＨ_３は基板に直接に導いた。約５０
０℃（基板温度）の低温において、ＧａＮバッファ層を
形成した。バッファ層厚みは８０ｎｍである。（２）エピタキシャル層の形成ついで基板温度を１０００℃に上げた。同じ原料ガスを
使って、ＧａＮエピタキシャル層８０μｍを形成した。（３）ＧａＡｓの除去ＧａＮ／ＧａＡｓ基板をＨＶＰＥ装置から取りだした。
鏡面状にＧａＮ連続膜が生成されていることを確認し
た。これを王水中でＧａＡｓ基板をエッチング除去し
た。

【００５９】（４）ＧａＮの厚付けこれを十分に洗浄した。図６（４）のような状態にな
る。ＧａＮだけになったものをふたたびＨＶＰＥ装置に
セットした。基板温度を１０２０℃として、ＨＶＰＥ法
によってＧａＮを厚付けしＧａＮのインゴットを得た。
図７（１）に示す状態である。このインゴットは中央部
が少し窪んだ形状であった。最低高さは約２０ｍｍ、外
径５５ｍｍのインゴットであった。

【００６０】（５）スライサーによるウエハ−の切り出
し円周刃スライサーによってインゴットを軸方向に直角な
方向に切りだした。図７（２）に示すようである。外径
約５０ｍｍ、厚み３５０μｍのＧａＮ単結晶基板２０枚
を得た。ＧａＮを分析したところ、Ａｓ、炭素ともにバ
ックグランドのレベルであった。ひ素（Ａｓ）、炭素
が、ＧａＮのなかに殆ど含有されていない事が分かる。

【００６１】（６）研磨さらにラッピング研磨、仕上げ研磨をした。図７（３）
のような透明ウエハ−である。機械加工をしているため
基板には反りは無かった。

【００６２】（７）電気的特性の測定インゴットの上端（成長終期の分）から取ったウエハ−
の電気的特性を測定した。ｎ型でキャリヤ濃度は５×１
０^１８ｃｍ^−３であった。電子移動度は２００ｃｍ^２／
Ｖｓであった。比抵抗は０．０１７Ωｃｍであった。

【００６３】インゴットの下端（成長初期の分）から取
ったウエハ−の電気的特性はつぎのようであった。ｎ型
でキャリヤ濃度は１０^１８ｃｍ^−３、電子移動度は１５
０ｃｍ^２／Ｖｓであった。比抵抗は０．０１Ωｃｍであ
った。これは両極端の部位の電気的特性である。中間部
は中間的な値になるであろう。

【００６４】（８）光吸収の測定これらのウエハは透明であり暗灰色か無色であった。波
長４００ｎｍ〜６００ｎｍにおける吸収係数は２０ｃｍ
^−１〜４０ｃｍ^−１であった。（９）ＬＥＤの作製ＧａＮ基板ができたので、その上にＩｎＧａＮを発光層
とするＬＥＤを作製した。従来のサファイヤ基板のもの
と比較して、発光輝度が約５倍に向上した。発光輝度が
向上した理由は、転位の減少による。従来のサファイヤ
基板ＬＥＤでは活性層内に多くの貫通転位が存在してい
たが、ＧａＮ基板の本発明のＬＥＤは貫通転位が大きく
減少しているからである。

【００６５】［実施例３（ＭＯＣラテラル成長ＧａＮ種
結晶、ＨＶＰＥＧａＮ厚付け）］ＧａＡｓ（１１１）Ｂ
面を基板として用いた。ＳｉＯ_２を基板に付けフォトリ
ソグラフィによって［１−１０］方向に延びるストライ
プ窓を形成した。

【００６６】（１）ＧａＮバッファ層の形成有機金属塩化物気相成長法（ＭＯＣ法）によって約４９
０℃の低温で基板上に９０ｎｍの厚みのＧａＮバッファ
層を形成した。

【００６７】（２）ＧａＮエピタキシャル層の形成同じ装置において、基板温度を約９７０℃に上げて、Ｇ
ａＮエピタキシャル層を２５μｍの厚さに形成した。（３）ＧａＡｓ基板の除去ＭＯＣ装置からＧａＮ／ＧａＡｓ試料を取りだした。鏡
面のＧａＮ単結晶が成長していた。ストライプマスクの
方向は、ＧａＮの［１１−２０］方向であった。つまり
ＧａＡｓの［１−１０］方向にＧａＮの［１１−２０］
方向が成長するということである。王水によってＧａＡ
ｓ基板を溶解除去した。

【００６８】（４）ＧａＮの厚付け成長２５μｍ厚みのＧａＮを種結晶として、ＨＶＰＥ装置に
セットした。１０００℃に加熱しＨＶＰＥ法によってＧ
ａＮを厚くエピタキシャル成長させた。円柱状で最低高
さが約３センチのＧａＮインゴットを育成した。

【００６９】（５）内周刃スライサーによるウエハ−切
り出し内周刃スライサーによってインゴットを軸直角方向に４
００μｍの厚みに切り出した。２５枚のアズカットウエ
ハ−を切り出すことができた。

【００７０】（６）研磨切り出したウエハ−をラッピング研磨、仕上げ研磨し
た。製品としてのＧａＮ単結晶ウエハ−を得た。（７）電気特性の測定ウエハ−の電気的特性を測定した。ｎ型であって、電子
移動度は２５０ｃｍ^２／Ｖｓであった。比抵抗は０．０
５Ωｃｍであった。

【００７１】この実施例ではＧａＮ自体を種結晶とし
て、ＧａＮ単結晶を厚く成長させている。厚い単結晶Ｇ
ａＮを成長させこれをスライサーで切断しているから一
挙に２５枚もの基板が作製できる。製造コストは、１枚
１枚ＧａＡｓから成長させる場合に比較して６４％に低
下した。基板の製造を低コスト化できる。品質管理も含
めた１枚当たりの製造時間も大きく短縮できた。ＧａＮ
を分析したところ砒素（Ａｓ）、炭素（Ｃ）ともにバッ
クグランドのレベルであった。

【００７２】マスクの窓は正三角形の頂点にある位置に
窓を穿つマスクが最も良い。しかしストライプ（縞状）
の窓をもつものであっても良い。それなりの内部応力低
減の効果がある。マスク上のラテラル成長によって、結
晶内の低欠陥化が進み内部応力が低減される共にＧａＡ
ｓとＧａＮの接触面積が減り内部応力を緩和できる。た
めに温度変化が大きいにもかかわらず反りの発生を抑制
することができる。

【００７３】［実施例４（総流量と表面モフォロジー・
内部応力の関係）］［１−１００］ストライプマスク、
［１１−２］ストライプマスク、ドットマスクを使いＨ
ＶＰＥ法によってＧａＮウエハを作製した。原料ガスは
Ｈ_２＋ＮＨ_３とＨ_２＋ＨＣｌである。原料ガスの総流量
を増やすと表面モフォロジーが改善される。しかし内部
応力は増える傾向が認められた。

【００７４】

【表２】

【００７５】これらのうち、イ、ロ、ニ、ホ、ト、チ、
の６つはＡグループであり、ハ、ヘ、リ、ヌ、ルの５つ
はＢグループである。（Ａ）Ｇａ分圧は１ｋＰａ（１０^-2ａｔｍ）である。９
７０℃でバッファ層・マスクの上にＧａＮを１時間成長
させ、１０３０℃でさらに３時間ＧａＮを成長させた。
合計４時間のエピタキシャル成長である。図１３に白丸
○によってその結果をしめす。６個の試料がある。これ
らは表面は平坦でありモフォロジーは良好である。とこ
ろが内部応力は大きい。クラックが発生した試料もあ
る。図１３において横軸は膜厚（μｍ）である。膜厚は
５μｍ〜１２０μｍに分布している。縦軸は内部応力
（ＧＰａ）である。○の試料は内部応力が２ＭＰａ〜４
０ＭＰａである。ほとんどが１０ＭＰａより大きい内部
応力を呈する。しかし内部応力は７ＭＰａ以下（７×１
０^−３ＧＰａ）が好ましい。（Ｂ）Ｇａ分圧は２ｋＰａである。９７０℃でバッファ
層・マスクの上にＧａＮを６時間エピタキシャル成長さ
せた。試料の数は１０個である。図１３に同じように示
す。膜厚は７０μｍ〜３００μｍの間に分布する。Ｇａ
Ｎ試料の表面は粗い。Ｒｍａｘは約２０μｍである。Ｇ
ａＮ基板寸法は２０ｍｍ×２０ｍｍである。表面状態は
悪いが内部応力は小さい。内部応力は図１３に黒丸によ
って示すように１ＭＰａ〜１０ＭＰａである。目標は７
ＭＰａ以下であるからこれを充たすことができる。しか
し同じ条件であるのに膜厚に広いばらつき（７０μｍ〜
３００μｍ）がある。反りの曲率半径ＲはＲ＝７８０ｍ
ｍ〜１５００ｍｍである。

【００７６】［実施例５（曲率半径の関係）］前例と同
じ（Ａ）の試料６枚と、（Ｂ）５枚の試料について膜厚
と曲率半径の関係について調べた。触針法によって反り
を評価した。図１４にその結果を示す。横軸は膜厚（μ
ｍ）である。縦軸は曲率半径である。曲率半径は６００
ｍｍ以上が好ましい。（Ａ）９７０℃１時間＋１０３０℃３時間成長の試料Ａ
は膜厚が薄く表面は平坦であるが反りが大きい。曲率半
径は２００ｍｍ以下である。曲率半径の望ましい範囲は
６００ｍｍ以上である。６個の試料の全てが目標に達し
ない。（Ｂ）９７０℃６時間成長の試料Ｂは膜厚が厚く、表面
は粗面化しているが、内部応力が小さく、反りも小さ
い。５個のＢ試料のすべては６００ｍｍという望ましい
範囲をこえている。マスクなし成長では、曲率半径が極
めて小さくて反りが大きい。１９７０年代のＧａＡｓ基
板の試みが失敗したのはそのような理由にもよる。

【００７７】［実施例６（研磨）］試料Ａは研磨に失敗
した。試料Ｂのうち、膜厚１５０μｍ、内部応力４ＭＰ
ａ、曲率半径１０３０ｍｍ、Ｒｍａｘ２０μｍの試料に
ついて研磨した。研磨により膜厚は８０μｍに減った。
曲率半径は研磨後６５０ｍｍに減っている。研磨によっ
て表面粗さはＲｍａｘ７．２ｎｍ、Ｒａ２ｎｍに減少し
た。研磨は表面を平滑にしているが、反りを増大させる
場合もある。［実施例７（ウエハ内の内部応力の異方性）］ストライ
プマスクを使用してＧａＮ成長した場合と、ドットマス
クを使用してＧａＮ成長した場合の内部応力を比較し
た。図１５に示したのは、マスクと内部応力の関係を示
すグラフである。ＧａＡｓウエハ上に、＜１−１０＞方
向に伸びるストライプマスクを作製し平均膜厚（膜の厚
さはバラツキがあるのでこれを平均化したもの）１２０
μｍのＧａＮを成長させたもの、実施例１と同様のドッ
トマスクを使用し、平均膜厚１６０μｍのＧａＮを成長
させたもの、を使用した。成長の条件はいずれも、Ｇａ
分圧１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰa）、ＮＨ_３分圧０．
２４ａｔｍ（２４ｋＰa）、成長時間９７０℃、成長時
間２４０分である。成長の後、冷却してＧａＡｓ基板を
除去した。ＧａＮ自立膜としＧａＮの内部応力をＸ線に
よって調べた。その結果を図１５に示す。ドットマスク
を使用して製造したＧａＮ基板は、異方性が極めて少な
く内部応力も小さい。それに反してストライプマスクを
使用して製造したＧａＮ基板は、ストライプ方向とそれ
に直交する方向に異方性がある。とくにストライプに平
行な方向に大きい反りが現れる。垂直方向に比較して１
０倍もある。図１５の方位はＧａＮ結晶に関する方位で
ある。ＧａＡｓの＜１−１０＞はＧａＮの＜１１−２０
＞に、ＧａＡｓの＜１１−２＞は、ＧａＮの＜１−１０
０＞に対応する。ＧａＮの＜１１−２０＞と＜１−１０
０＞は直交する。

【００７８】

【発明の効果】本発明は大型のＧａＮ単結晶ウエハを提
供する。ラテラル成長法によるからＧａＮ結晶中の転位
等の欠陥が少ない。炭素を使わない手法によってＧａＮ
を厚付けするから透明度の高いウエハとなる。ラテラル
成長であるから内部応力が小さく抑えられ反りも少な
い。反りが僅かでフォトリソグラフィなどの既存のウエ
ハプロセスを使うことができる。このＧａＮ単結晶ウエ
ハをＧａＮ発光素子の基板として利用することができ
る。薄膜部分と基板が同一であるから反りが出ない。内
部応力も小さい。したがって転位密度も少なくなる。発
光効率が上がる。ＧａＮＬＥＤ、ＧａＮＬＤの寿命が伸
びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＮ結晶を成長させるための基板材料とＧａ
Ｎとの熱膨張係数、格子定数の差を、ｘ、ｙ座標に示す
グラフ。

【図２】サファイヤ基板上にＧａＮエピタキシャル成長
させた場合に、ＧａＮ膜厚が変化することによって格子
定数が滑らかに変化することを示すグラフ。

【図３】千鳥型点状窓マスクをＧａＡｓ（１１１）Ａ面
に固定したものの平面図。

【図４】マスク窓から露呈した部分にＧａＮバッファ層
をエピタキシャル成長させた状態の平面図。

【図５】ＧａＮをマスク、バッファ層の上にさらにエピ
タキシャル成長させ隣接窓からの結晶が相会した時に状
態を示す平面図。

【図６】ＧａＡｓ基板の上にマスクを載せてＧａＮバッ
ファ層、ＧａＮエピタキシャル層を成長させ、ＧａＡｓ
基板をエッチング除去する工程を示す工程図。（１）は
ＧａＡｓ（１１１）基板上にマスクを形成した工程の
図。（２）はマスクによって覆われていない部分にバッ
ファ層を成長させた工程の図。（３）はバッファ層、マ
スクの上にＧａＮエピタキシャル層を成長させた工程の
図。（４）はＧａＡｓ基板を除去しＧａＮの自立膜とな
った状態を示す図。

【図７】ＧａＮ基板の上にさらにＧａＮを厚く成長させ
てＧａＮインゴットを作りこれを切断してウエハにする
工程を示す図。（１）はＧａＮ基板に厚付けしたＧａＮ
インゴットの図。（２）はインゴットを内周刃スライサ
ーでアズカットウエハに切断している状況を示す図。
（３）は切り出されたウエハの図。

【図８】ＨＶＰＥ装置の概略断面図。

【図９】ＧａＡｓ基板の上にＧａＮを成長させた複合基
板が熱応力のために反っている状態を示す断面図。

【図１０】もしも内部応力が０であれば、ＧａＡｓを除
去した後のＧａＮは平坦になることを示す断面図。

【図１１】もしもＧａＮ自体のなかに内部応力が存在す
るならばＧａＡｓを除去しても尚歪みが残ることを示す
断面図。

【図１２】ＧａＮウエハの反りの定義を示す図。５０ｍ
ｍ直径のウエハの中央部の盛り上がりＨによって反りを
表現する。

【図１３】ガス流量を（Ａ）１８００ｓｃｃｍ〜９００
ｓｃｃｍの一群と（Ｂ）９００ｓｃｃｍの一群につい
て、膜厚と内部応力の測定値の分布を示す図。黒丸が表
面粗くてＢ群である。白丸が表面平滑でＡ群である。

【図１４】同じＡ群試料（３０枚）とＢ群試料（９枚）
について、膜厚と曲率半径の分布を示す図。黒丸がＢ
群、白丸がＡ群である。

【図１５】ストライプマスクとドットマスク使用時の内
部応力の異方性を測定した結果をしめすグラフ。

【符号の説明】

１反応炉２ヒ−タ３原料ガス導入口４原料ガス導入口５Ｇａ溜６Ｇａ融液７サセプタ８シャフト９ＧａＡｓ基板またはＧａＮ基板１０ガス排出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡久拓司兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者松本直樹兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AB01 AB04 BE15 EB01 EH05 FG11 FJ03 FJ05 HA12 5F041 CA23 CA35 CA40 CA64 CA67 CA77 5F052 AA17 AA18 CA04 DA04 DB01 GB06 GB09 HA01 HA08 JA07 5F073 CA02 CB02 CB06 CB07 DA07 DA35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２０ｍｍ以上の直径を有し、０．０７ｍ
ｍ以上の厚さを有し、自立している事を特徴とするＧａ
Ｎ単結晶基板。
【請求項２】無色透明である事を特徴とする請求項１
に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項３】透明であるが、黄色、薄茶色、暗灰色を
帯びていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単
結晶基板。
【請求項４】光の透過による吸収係数が波長４００ｎ
ｍから６００ｎｍにわたり１２０ｃｍ^−１以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項５】固有内部応力が７ＭＰａ以下である事を
特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項６】基板の曲率半径が６００ｍｍ以上である
ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項７】基板の撓み量が長さ２インチについて
０．５５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項８】Ａｓを１０^１７個ｃｍ^−３以下含有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項９】炭素を実質的に含有しないことを特徴と
する請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項１０】（１１１）ＧａＡｓ基板の上に[１１
−２]方向に一定間隔をおいて並び[−１１０]方向には
半ピッチずれた点状の窓を有するマスク又は[１１−２]
方向に伸びるストライプ状の窓を有するマスク若しくは
[−１１０]方向に伸びるストライプ状の窓を有するマス
クを形成し、ＧａＮバッファ層を設け、ＨＶＰＥ法によ
りＧａＮをエピタキシャル成長させＧａＡｓ基板を除去
することを特徴とするＧａＮ単結晶基板の製造方法。
【請求項１１】（１１１）ＧａＡｓ基板の上に[１１
−２]方向に一定間隔をおいて並び[−１１０]方向には
半ピッチずれた点状の窓を有するマスク又は[１１−２]
方向に伸びるストライプ状の窓を有するマスク若しくは
[−１１０]方向に伸びるストライプ状の窓を有するマス
クを形成し、ＧａＮバッファ層を設け、ＨＶＰＥ法によ
ってＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓ基板を
除去してＧａＮ基板を得て、そのＧａＮ基板の上にＨＶ
ＰＥ法によってＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長せし
め、エピタキシャル成長したＧａＮインゴットから、切
断又は劈開により分断することを特徴とするＧａＮ単結
晶基板の製造方法。