JP2000022212A

JP2000022212A - ＧａＮ単結晶基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000022212A
Application number: JP18344698A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Motoki; 健作元木; 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: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-21
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP3788041B2

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研磨して透明
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。

【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。まだ開発
段階を少し出た程度のレベルである。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Ｓ
ｉＣはＧａＮ発光素子の基板としてあまり利用されてい
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】ＧａＡｓ結晶を基板としてＧａＮを成長さ
せる試みが以前行われたことがある。しかしＧａＡｓ基
板には欠点があった。成長時の高温雰囲気でＧａＡｓ表
面からＡｓが蒸発する。ＧａＡｓがアンモニアと反応す
る。このような理由のためにＧａＡｓ基板上に良質のＧ
ａＮ結晶を製造できなかった。ためにＧａＡｓ基板上の
ＧａＮ成長（ＧａＮ／ＧａＡｓ）は殆ど有望視されてい
なかった。

【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。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ＧａＮ基板は入手不可能であった。

【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。無色透明のＧａＮ
結晶を得ることができるが、条件によっては炭素混入の
ため黄色を呈する場合もある。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。Ｇａ
Ｎ薄膜成長法としてもっとも広く使われている手法であ
るが、ＭＯＣ法と同じように炭素混入の問題がある。炭
素のため黄色に着色する。炭素がｎ型不純物となり電子
を出す。そうなると移動度が低い。電気特性が悪い。そ
のような難点がある。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Ｇ
ａ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。これまで存在しなかった実
用に適する面積を有する大型ＧａＮ基板を提供すること
が本発明の第１の目的である。反りの少ないＧａＮ基板
を提供する事が本発明の第２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直径以上好ましくは
１インチ（２５ｍｍ）径以上、さらに好ましくは２イン
チ径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】これらの方法で作製したＧａＮ基板は反
る。ＧａＮ基板単結晶の中に内部応力があるので反りが
発生する。反りは、デバイスを作るウエハ−プロセスに
おいて重大な障害になる。基板の反りを低減する必要が
ある。これら方法によるＧａＮ作製の最大の課題は「反
りの低減」ということである。反り低減のため、本発明
者は成長プロセスを改良し、新たに基板を研磨すること
を提案する。（１）成長プロセス改善…マスク形状を工夫したラテラ
ル成長（２）研磨…多少の厚みがあれば反りがあっても研磨す
ることにより平坦化できる。（３）表面研磨…反りを研磨によって取るので表面が所
定の結晶方位からずれることもある。結晶方位ズレを正
すためにも表面研磨する必要がある。表面粗さがなお大
きい場合も表面研磨する。こうして本発明者らは元々わ
ずかな反りの存在する状態で研磨処理した場合の表面の
結晶方位のずれを規定し、ＧａＮ単結晶基板としてある
べき結晶方位のずれを明確化した。

【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条件によって、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。しかし、ＧａＡｓ基板側から蒸発
したＡｓなどの混入により薄い黄色、薄茶色、暗灰色を
帯びる場合もある。

【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基板は王水で
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ＧａＡｓ基板に、ＧａＮを成長させるのは困難で一旦
放棄された手法であった。しかし本発明者等はＧａＡｓ
基板上のＧａＮ結晶の成長方法を確立した。それは特願
平１０−０７８３３号に述べている。

【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
_３Ｎ_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。配列が重要である。窓は［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［−１１
０］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。このような孤立窓が平行に点列
になって並ぶものをドット型、ドットタイプと呼ぶ。ま
た平行連続窓を有する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。

【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。しかし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。接触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のように正六角錐形状の結晶が同時に接触し、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、六角錐結晶の
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＋ＮＨ₃→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。これらの
方法では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。これらと違ってＨＶ
ＰＥ法は液体Ｇａを加熱してＨＣｌと反応させＧａＣｌ
にする。ＧａＣｌが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ＨＶＰＥ法には
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。またキャリヤ濃度は成長条件によっても変えられ
る。

【００３５】こうして作られたＧａＮ基板には優れた特
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、暗灰色を帯びることがある。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
透明であることは、ＧａＮ基板として重要なことであ
る。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
質材料が貼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】過去において、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られる。ラテラル
成長法において、マスクによって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する。これ
によってＧａＮの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。この応力値σは反っている基板を平坦にした場合に
かかる内部応力値としても解釈できる。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ＧａＮ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。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以下つまり、本発明者がウエハに課した条件は、Ｒ≧６００
ｍｍ、Ｈ≦０．５５ｍｍ、σ≦７ＭＰａである。さらに
内部応力σは３ＭＰａ以下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。

【００４８】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。以上に述べた反りのある
基板において、さらに研磨工程を付加することによっ
て、基板自体の反りを大きく低減することができる。し
かし研磨をすると図１５に示すように基板自体の結晶方
位の揺らぎを持ったまま研磨によって平坦化されてしま
う。図１５（ａ）研磨前の状態をしめす。これは上方に
凸の反りを持つＧａＮ基板である。反りがあるから基板
法線は平行でなく扇型の分布をする。結晶面の法線も同
じように扇型分布をする。結晶面法線と基板表面の法線
は一致している。これを研磨すると図１５（ｂ）のよう
になる。上面だけ平坦になる。平坦になっても結晶面法
線の方向の扇型分布は不変である。ところが基板面は平
坦化するから法線は平行になる。中央部では基板法線と
結晶面法線が一致する。しかし周辺部では結晶面法線が
基板法線とずれてくる。

【００４９】基板表面の法線と結晶面の法線のなす角度
をθとする。これは図１５のような単純な凸型の歪みの
場合は中心からの距離をｘとし基板直径をＬとしてｘ＝
±Ｌ／２でθが最小値、最大値をとる。この値を±Θと
する。つまりｘ＝−Ｌ／２で−Θ、ｘ＝＋Ｌ／２で＋Θ
とする。円盤が曲率半径Ｒで反っている場合、直径をＤ
として端部の反りの角度を±Θとすると、２ＲΘ＝Ｄで
ある。基板の直径はもちろんさまざまであるが、ここで
は２インチとして曲率半径Ｒと端部反り角Θの関係を決
めて置く。Θを角度で表すと、先ほどの式はπＲΘ＝９
０Ｄと表現できる。Ｄ＝２インチ＝５０ｍｍであり、Θ
を角度で表すと、Θ＝１４３２／Ｒとなる。この関係を
図１６に示す。

【００５０】２インチの大きさで正規化して曲率と端部
角度の関係を出しただけで、ウエハ−がつねに２インチ
径である、ということではない。Ｍインチ径であれば、
Θ＝１４３２Ｍ／Ｒとなるだけである。このような換算
は容易である。以下２インチに正規化したものとして述
べる。２インチウエハ−において、曲率半径を６００ｍ
ｍ以上とするには、端部での結晶面法線のズレは±２゜
の範囲に入っている必要がある。すなわち、結晶面と基
板平坦化面とのズレ角の合計は４゜以下でないといけな
い。端部のズレ角Θは、研磨時の位置合わせ精度±１゜
に、前記の曲率半径６００ｍｍ以上という条件からの±
２゜を加え、±３゜以下でなければならない。すなわち
主な結晶面法線と、基板表面法線のズレは３゜以内であ
る、これが基板の反りに対する条件である。また原理的
には、以上に述べたように、研磨後の表面は、鏡面であ
り平坦であるはずである。しかし必ずしもそうでなく研
磨後に新たな反りが発生する場合もある。これについて
はＧａＮ基板内の内部応力が起因していると思われる。
研磨後の反りＨ（図１２）は、いろいろの検討の結果、
微細なパターン形成のためのデバイスプロセスに耐える
反り量である０．２ｍｍ以下（２インチ換算）に抑える
ことが可能であることが判明した。曲率半径と反りＨの
関係は先述のようにＲ＝Ｄ^２／８Ｈであるから、Ｈ＝
０．２ｍｍという限界は、Ｒ＝１５６３ｍｍ程度に当た
る。さらにデバイスプロセスへの適合性を考えると、反
り量は０．１ｍｍ以下が好ましい。この場合、同様に、
Ｈ＝０．１ｍｍという値はＲ＝３１２５ｍｍ程度に当た
る。

【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。プラズマＣＶＤ装置でＧａＡｓ基板上
に、Ｓｉ_３Ｎ_４層（マスク層）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…＜１−１０＞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装置内でＧ
ａＡｓ基板を約５００℃に加熱した。石英のＧａ溜を８
５０℃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、Ｇａ
Ｎを堆積させる。これによってＧａＡｓ基板上に約７０
ｎｍのＧａＮバッファ層を形成する。Ｓｉ_３Ｎ_４はＧａ
Ｎ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（１０
０ｎｍ）より薄い。だから窓のＧａＡｓの部分だけにＧ
ａＮ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）マスクを使って成長させたものであ
る。試料２は＜１１−２＞ストライプマスクを使って成
長させたものである。試料３は＜１−１０＞ストライプ
マスクを使ったものである。

【００５５】

【表１】

【００５６】（４）光学特性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４００
ｎｍ〜６００ｎｍでの吸収係数は、反射による補正なし
で４０ｃｍ^−１〜８０ｃｍ^−１であった。（５）Ｘ線回折このＧａＮ基板において、Ｘ線回折装置により、基板表
面とＧａＮ（０００１）面との角度の関係を調査した。
その結果、基板表面の法線と、ＧａＮ（０００１）面の
法線とのなす角度は基板内で２．５゜であることが分か
った。また、ＧａＮ（０００１）面の法線のバラツキが
基板内で３．２゜であることが分かった。また研磨後の
基板の反り量を二つのサンプルについて測定すると、１
インチ長（Ｄ＝２５ｍｍ）で約Ｈ＝２５μｍのものとＨ
＝４８μｍのものがあった。Ｒ＝Ｄ^２／８Ｈであるか
ら、Ｒ＝３１２５ｍｍとＲ＝１６２８ｍｍのものであ
る。先に述べたように、２インチウエハ−でのフォトリ
ソグラフィの限界が０．２ｍｍでありＲ＝１５６３ｍｍ
であるが、この実施例はこの限界以下である。フォトリ
ソグラフィによるパターン描画が可能な反りである。

【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
し内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。（７）Ｘ線回折このＧａＮ基板を実施例１と同じように、Ｘ線回折装置
によって、基板表面とＧａＮ（０００１）面との角度の
関係を調査した。基板表面の法線とＧａＮ（０００１）
面の法線のなす角度が、基板内で最大０．６゜であるこ
とが分かった。ＧａＮ（０００１）面の法線の方向のバ
ラツキが基板内で、０．５゜であることが分かった。ま
た研磨後の基板の反り量は、２インチ長（Ｄ＝５０ｍ
ｍ）でＨ＝約１５μｍであった。Ｒ＝Ｄ^２／８Ｈである
から、Ｒ＝２００００ｍｍ程度である。十分にフォトリ
ソグラフィが適用できる平坦さである。

【００６２】（８）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】（９）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。（１０）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。このＧａＮ基板を実施例１と同じよ
うに、Ｘ線回折装置によって基板表面と（０００１）面
との角の関係を調べた。基板表面法線と、（０００１）
面法線とのなす角度の最大が基板内で±１．１゜であっ
た。Ｒ＝１３００ｍｍである。ＧａＮ（０００１）面の
法線方向のバラツキが基板内で１．４゜であった。また
研磨後の基板の反り量Ｈは、２インチ長でＨ＝約４５μ
ｍであった。Ｒ＝６９００ｍｍの程度である。

【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
クグラウ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と共にＧａ
Ａｓ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（Ｇａ分圧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ＨＶＰＥ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（イ、ロ、ニ、
ホ、ト、チ）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３０μｍ〜１２０μｍに分布し
ている。縦軸は内部応力（ＭＰａ）である。白丸の試料
は内部応力が１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ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（７×１０^−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１２０μｍ〜３００μｍの間に分布する。Ｇ
ａＮ試料の表面は粗い。Ｒｍａｘは約２０μｍである。
ＧａＮ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〜６ＭＰａ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（１１０μｍ
〜３００μｍ）がある。反りの曲率半径ＲはＲ＝７８０
ｍｍ〜１５００ｍｍである。（Ｘ線回折）Ｘ線回折装置によって、基板表面と、（０
００１）面の法線の関係を調べた。基板内でズレの最大
角は、±２．０゜であった。またＧａＮ（０００１）面
の法線のばらつきが基板内で２．４゜であった。また研
磨後の基板の反り量は２インチ長に換算して、６０μｍ
であった。これはＲ＝５２００ｍｍになる。

【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。（Ｘ線回折）Ｘ線回折装置によって、基板表面法線と
（０００１）面法線の関係を調べた。基板表面法線と、
（０００１）面法線のなす角度の最大値は±１．７゜で
あった。ＧａＮ（０００１）面の法線方向のばらつきは
基板内で３．７゜であった。また研磨後の基板の反り量
は２インチ長で９０μｍであった。曲率半径はＲ＝３４
００ｍｍである。これもフォトリソグラフィの限界以内
である。

【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。窓付きマスクを通した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。欠陥が少ない
し内部応力が小さいので反りを低減することができる。
さらに研磨によって基板表面を平坦化するため、反りは
極めて少ない。フォトリソグラフィなどのウエハ−プロ
セスで処理する事ができる。また結晶面の揺らぎも実用
性のある範囲内にある。デバイス形成に問題はない。低
欠陥で反りの小さいこのウエハ−を使用してＬＥＤ、Ｌ
Ｄを作製することができる。そうすればＬＥＤの特性を
向上させることができ、ＬＤの寿命を延ばす事ができ
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】Ｇａ分圧を（Ａ）１ｋＰａの一群と（Ｂ）２
ｋＰａ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（５枚）とＢ群試料（６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】反りのあるＧａＮウエハ−において基板面法
線と結晶面法線の定義を示す図。（ａ）は反りのある状
態での基板面法線と結晶面法線が一致しているものを示
す。（ｂ）は凸面を平坦に研磨するので、基板面法線は
平行になるが、結晶面法線はもとの扇型であることを表
している。（ｃ）は基板面内において結晶面法線のゆら
ぎの定義を示した図である。

【図１６】反りのある２インチ径ウエハ−の端部の反り
の角度Θと反りの曲率半径の関係を示すグラフ。横軸が
曲率半径（ｍｍ）、縦軸が端部の反りの角

【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） 4G051 BF02 HA09 4G077 AA03 BE15 DB05 ED05 EF03 FG05 FG18 5F041 CA23 CA35 CA40 CA67 CA77 5F052 AA18 CA01 CA04 DA04 DB01 FA12 GB09 GC04 JA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２０ｍｍ以上の直径と０．０７ｍｍ以上
の厚さを有し、自立しており、表面、裏面ともに研磨さ
れている事を特徴とするＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】基板表面の法線と、基板表面と平行度が
最も高い低面指数の結晶面の法線とのなす角度が基板内
で３゜以下であることを特徴とする請求項１に記載のＧ
ａＮ単結晶基板。
【請求項３】基板表面と平行度が最も高い低面指数の
結晶面の法線のばらつきが基板内で４゜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４】研磨後の基板の反りが２インチ径に換算
して２００μｍ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】基板表面は、ＧａＮ（０００１）面であ
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】（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
し、ＧａＮ自立膜とし、少なくとも１面を研磨すること
を特徴とするＧａＮ単結晶基板の製造方法。
【請求項７】（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して複数の自立したウエハ−と
し、ウエハ−の少なくとも１面を研磨することを特徴と
するＧａＮ単結晶基板の製造方法。