JP2004182551A - 単結晶窒化ガリウム基板、単結晶窒化ガリウム基板の製造方法および窒化ガリウム成長用下地基板 - Google Patents
単結晶窒化ガリウム基板、単結晶窒化ガリウム基板の製造方法および窒化ガリウム成長用下地基板 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】低転位であって劈開性がありしかも結晶製造デバイス製造過程においてウエハにクラックが発生せず破断しないようにした窒化ガリウム単結晶基板を製造する。
【解決手段】外周部Ｒも中央部Ｑも同じように開口部と被覆部が規則的に繰り返す周期性大パターンとラテラルオーバーグロース用小パターンを有する複合マスクを下地基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成し、複合マスクの上からＧａＮを下地基板の上にファセットを維持しながら気相成長させ、不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを発生させ、規則配列する領域の面積Ｇと不規則分布する領域の面積Ｆの合計（Ｇ＋Ｆ）によって不規則分布領域の面積Ｆを割ったランダム面積比Ｍが中央部Ｑで１０％以下、外周部Ｒで１０％以上とし、外周部Ｒによって中央部Ｑを補強しクラックの発生を抑制する。
【選択図】 図１５
【解決手段】外周部Ｒも中央部Ｑも同じように開口部と被覆部が規則的に繰り返す周期性大パターンとラテラルオーバーグロース用小パターンを有する複合マスクを下地基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成し、複合マスクの上からＧａＮを下地基板の上にファセットを維持しながら気相成長させ、不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを発生させ、規則配列する領域の面積Ｇと不規則分布する領域の面積Ｆの合計（Ｇ＋Ｆ）によって不規則分布領域の面積Ｆを割ったランダム面積比Ｍが中央部Ｑで１０％以下、外周部Ｒで１０％以上とし、外周部Ｒによって中央部Ｑを補強しクラックの発生を抑制する。
【選択図】 図１５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）、単結晶窒化ガリウムの製造方法、窒化ガリウム成長のためのマスク付き下地基板に関する。
ＩｎＧａＮ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）は青色発光素子として有用であり実績もある。それらはＧａＮのバンドギャップの広いことを利用して青色を発生させている。ＩｎＧａＮ−ＬＥＤはすでに広く使用されており、ＩｎＧａＮ−ＬＤは近い将来市販されることになろう。ＩｎＧａＮという表記は活性層の組成を表現している。ＩｎＧａＮ−ＬＤというのは三元混晶であるＩｎＧａＮを活性層として発光するＬＤということである。接頭語は基板を表記しているのではない。同じものを時にＧａＮ−ＬＤと表記する場合もある。基本になる結晶はＧａＮであり混晶ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを薄膜を積層するから、そのように表現する。
【０００２】
今もなお良好なｎ型ＧａＮ基板を製造することができないので、実用的なＩｎＧａＮ発光素子は全てサファイヤ基板の上に、ｎ型、ｐ型のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜をヘテロエピタキシャル成長したものである。
【０００３】
ＩｎＧａＮ／サファイヤのＬＤは基板がサファイヤであり劈開がないから機械的にチップを切り出して、共振器面は研磨して精度良く平坦平行面に仕上げる必要がある。それはレーザ製造歩留まりを著しく低下させる。それがＩｎＧａＮ／サファイヤ−ＬＤのコストを押し上げることになるであろう。
【０００４】
ＩｎＧａＮ−ＬＤはやはりｎ型ＧａＮ基板の上に作製するべきだと考える。ｎ型ＧａＮ単結晶基板の製造は大層難しい。本出願人はこれまで最大の努力を傾注してＧａＮ単結晶基板の製造技術を開発してきた。
【０００５】
もしもＧａＮ単結晶基板（ＧａＮウエハ）が製造できれば、その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜を成長させた場合、熱歪みが起こらないし、自然劈開によってチップ分離できるし、レーザの共振器面を自然劈開によって作製することができる。
【０００６】
ところが現在のところ劈開性に優れ、しかもクラックの発生しないようなＧａＮ基板の製造方法は存在しない。欠陥が少ないＧａＮ単結晶を製造することは極めて難しい。劈開性があり、しかも堅牢であるＧａＮ単結晶基板を作ることはさらに難しい。劈開性と堅牢さは矛盾する性質で、両立させることは困難である。
【０００７】
本発明は、レーザの共振器製造に適する劈開性に優れ、かつ製造時にクラックなどが入らず歩留まりの良い窒化ガリウム単結晶基板を製造する方法に関する。
【０００８】
【従来の技術】
本出願人は単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を製造するための数多くの発明をしている。本発明はそれらの手法を利用しているので、その幾つかを説明する。ここで述べるのはエピタキシャルラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）と、ファセット成長法、および閉鎖欠陥集合を利用する低転位化への工夫である。
【０００９】
（１） 特願２０００−５１９４６２
ＧａＡｓ基板上に離隔配置された複数の開口窓を有するマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上にＧａＮからなるエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル層成長工程とを備える事を特徴とする単結晶窒化ガリウム基板の製造方法である。
【００１０】
この時マスク層の開口部でＧａＮ核が形成され、このＧａＮ核が次第にマスク層上の横方向に向かって、ラテラル成長する。ＧａＮ核がラテラル成長するときにＧａＮ核内の欠陥は広がらないため、結晶欠陥が大幅に低減された単結晶窒化ガリウム基板を形成することができる。これはエピタキシャルラテラルオーバーグロース（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法と呼ばれており、ＧａＮ製造ではよく知られている。
【００１１】
サファイヤ基板の上に成長させるＥＬＯについては他にもたくさんの文献が知られている。いずれもサファイヤ基板の上にＥＬＯ法を適用するものである。サファイヤ基板の場合は基板を付けたままＩｎＧａＮ発光素子を作製する。ＧａＮ系薄膜を成長した試料からサファイヤ基板を除去することはできない。サファイヤ基板が付いたままのデバイスとなる。だから硬いサファイヤをダイシングするという困難な作業が必要になる。
【００１２】
本出願人はＧａＡｓの（１１１）結晶を基板に用いる。ＧａＡｓ基板を用いるとＧａＮを厚膜成長させＧａＡｓ下地基板を除去してＧａＮの自立単結晶膜を生成する可能性がある。だからＧａＡｓを下地基板とするということはＧａＡｓ付きのＩｎＧａＮ発光素子を作るというのではなくてＧａＮ自身の単結晶基板を作るということが目的になる。その単結晶基板がＩｎＧａＮ系発光素子製造の出発基板となりサファイヤ基板を置き換えようとするものである。
【００１３】
マスクは例えば１〜２μｍ直径の正六角形、円、正方形、帯状などの形状の窓を１〜２μｍ間隔で６回対称の位置に置いたものである。マスクはＧａＮの成長を抑制する作用があるので、ＧａＮは個々の窓内で独立に核発生する。窓面をＣ面とするような核が発生する。窓を満たしたＧａＮ薄膜はさらにｃ軸方向に成長し窓と同じ高さまでのびる。転位は成長とともに縦方向に延びる。窓を越えるとマスクの上を這うように成長するから、成長が横方向（ａ軸、ｂ軸、ｄ軸方向）になる。転位は成長方向と一緒であるから転位の延長方向も横方向になる。これがラテラルオーバーグロースということである。隣接窓から延長したＧａＮが窓の丁度二等分線のところで衝突する。そのときに転位が１８０度で正面衝突するから転位がここで打ち消し合って大幅に減少する。その後は成長方向が再び上向き（ｃ軸方向）になる。上向き成長とともに転位も上向きに成長する。
【００１４】
図１によってラテラルオーバーグロースを順序だてて説明をする。図１（１）は基板２の表面断面図である。基板２はＧａＡｓ、サファイヤなどの単結晶の基板である。図１（２）のように基板２の上にＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの薄いマスク３を形成している。マスク上にはＧａＮが成長しにくい。つまり成長抑止作用がある。マスク３には規則正しく多数の開口部４（窓）が穿たれる。開口部４から基板表面が露呈している。ＧａＮをＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法、昇華法などで薄膜形成する。
【００１５】
図１（３）に示すように開口部４の基板２上だけにＧａＮ結晶核５が孤立して形成される。さらに成長が進むと、図１（４）のように窓４の内部で島状の結晶核が合体して薄い膜状結晶６になってくる。マスクの厚みは８０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の薄いものである。薄膜結晶６の表面はＣ面でありｃ軸方向に成長している。やがてＧａＮの結晶６はマスク３の厚みと同じ厚さになる。さらにＧａＮの成長が進行するが、マスクの上にはなかなか成長せず、開口部４の上の結晶の上にどんどんと積み重なってゆく。するとＧａＮ結晶７は錘状に成長する。錘状ＧａＮ結晶７の表面はある低面指数の結晶方位面である。それをファセット面と呼ぶ。ファセットというのは本来カットした宝石の結晶面を意味する広義の言葉であるが、ここではより狭い意味で用いる。
【００１６】
ファセットというのはＣ面成長の場合に、Ｃ面以外の結晶面が表面に現れた場合にそれを指して言う言葉である。結晶面というのはミラー指数（整数）によって表現される面でありランダムな平面ではない。Ｃ面成長している場合Ｃ面自身も結晶面の一つであるがＣ面だけを除外し表面に実際に出現した結晶面をファセットと言うのである。それは｛−１１０１｝面、｛２−１−１２｝面などである。通常、結晶成長というのは結晶方向に垂直平面の表面（鏡面）をもって成長させるものである。Ｃ面を維持しながら成長させる場合それをＣ面成長と呼ぶ。ｃ軸方向に成長させるが表面にＣ面以外のファセットを保有しながら成長させるとき、それをファセット成長と呼び、Ｃ面（鏡面）成長と区別する。
【００１７】
成長結晶はその面に平行な方向に層状に積み重なって成長する。結晶中に縦線で示しているのは転位Ｄである。ＧａＮ結晶は膨大な数の転位を含み縦方向に延びてゆく。図１（５）での成長はＣ面成長でなくてファセット面成長である。マスクの開口部いっぱいになるとそれ以上に高くなれないので、ＧａＮ結晶はマスクの上へ横方向へのびてゆく。
【００１８】
図１（６）ではそのような途中の状態を示している。横方向へ延びた結晶のファセット面８の先端はマスクの上を進む。やがて隣接窓から延びて来たものと接触する。ぞれが図１（６）の状態である。これもファセット面８の上に成長しているのでファセット成長である。しかし短い間のファセット成長であり基本的にはＣ面成長である。結晶の頂面９は平坦面となる。隣接結晶の間はＶ溝となる。転位は折れ曲がり、この方向に延びる。隣接窓の間にできるＶ溝がだんだんにうずまってゆく。図１（７）のように両方から延びた結晶が衝合面２０で衝突する。衝合面２０で転位がぶつかるので消滅するものもあり転位密度が一時的に減少する。それがラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）の利点である。
【００１９】
その後は上方へ向けて成長する。転位Ｄは上向きにのびてゆく。上面２３は平坦なＣ面である。だからそれはＣ面成長である。つまりＥＬＯ法は殆どはＣ面成長を採用する。それを図１（８）に示す。その後、厚い結晶を成長させて、基板２とマスク３を除去するとＧａＮ単結晶の自立膜となる。それはＧａＮの単結晶基板である。図１に示したようなＧａＮのラテラルオーバグロース法（ＥＬＯ）はよく知られている。
【００２０】
それだけでは充分に転位密度が減少しない。ＩｎＧａＮ−ＬＥＤやＩｎＧａＮ−レーザなどの基板とすることはなお難しい。自立ＧａＮ膜基板は高価なこともあって、実績あるサファイヤ基板に取って代わることはできない。さらに低転位化が望まれる。
【００２１】
（２） 特願２００１−２８４３２３（ファセット成長法）
結晶成長時の成長表面において、ファセット面からなるピットを形成し、常にピットの底に欠陥の集合である閉鎖欠陥集合領域Ｈを保持して結晶成長させ、閉鎖欠陥集合領域に転位を捕獲させることによって、その周囲の低転位単結晶部Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙ）の転位を低減させるというものである。
【００２２】
それは非常に精妙な成長方法である。閉鎖欠陥集合領域Ｈというものを結晶中に無理に作って、そこへ欠陥を集中させるものである。閉鎖というのは欠陥集合領域Ｈが閉じられているということで欠陥が再拡散しないという意味で使っている。欠陥集合領域Ｈの生成のためその他の部位は欠陥が少なくなっており、レーザの基板として好適なＧａＮ基板となりうる、というわけである。それはラテラルオーバグロースが終了した後の話しである。
【００２３】
ラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）のあと、ＧａＮは縦方向（ｃ軸方向）に成長するのであるが平滑平坦なＣ面を保持して成長するのではなく成長面が斜めのファセット面とするのである。ファセット面は斜め方向を向いたまま上向き（ｃ軸方向）に成長するので欠陥を掃引して中央部へ押しやり中央部へ欠陥を高密度に集合させる。それが閉鎖欠陥集合領域Ｈなのである。閉鎖欠陥集合領域Ｈは欠陥が高密度に集合しており、しかも閉じられた結晶部位なので閉鎖欠陥集合領域Ｈと呼ぶのである。
【００２４】
図２、図３によってそのような低転位密度への工夫を説明する。図２は結晶表面の一部の平面図であり、図３はその３−３断面図である。６角形をしているのは６角錘状のピットＰ（凹部）である。それはファセット面Ｆ１、Ｆ２、…、Ｆ６などよりなる凹部であり、中心に閉鎖欠陥集合領域Ｈがある。基板２の上に種（遮蔽層）Ｅを形成しておいて、その上にＧａＮをファセット成長させると、種Ｅに続いて欠陥が高密度に凝縮した閉鎖欠陥集合領域Ｈが成長する。その周囲のファセット面Ｆに続いて成長する部分は抵抗率が低く転位が少ない良質の単結晶である。それは閉鎖欠陥集合領域Ｈに隣接しそれに付随して生ずる。それでその良質の単結晶領域のことを本発明者は単結晶低転位随伴領域Ｚと名付けた。それは閉鎖欠陥集合領域に随伴して出現し低転位であって単結晶だから、そのように言うのである。それはファセット成長した部分であって、Ｃ面成長でない。
【００２５】
隣接ピットＰ、Ｐの間には平坦面の部分が存在する。その平坦面の部分はもとの基板面に平行なＣ面を表面としてもつ。それも単結晶であって低転位である。しかしそれはファセット面の下にファセット成長したのではなくて、Ｃ面成長したのである。電気抵抗は高くてファセット面成長した単結晶低転位随伴領域Ｚとは区別される。単結晶低転位随伴領域Ｚは閉鎖欠陥集合領域Ｈに伴って生じるが、Ｃ面成長する部分は単結晶低転位随伴領域Ｚの外側に、その余りの領域として発生するので単結晶低転位余領域Ｙと呼ぶことにする。単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙを合わせて低欠陥単結晶領域Ｕと呼び、いずれも欠陥集合領域Ｈを中心として単結晶で低転位化した部分である（Ｕ＝Ｚ＋Ｙ）。以後、閉鎖欠陥集合領域Ｈを欠陥集合領域Ｈと簡単に呼ぶこともある。
【００２６】
ラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）の説明でも述べたがＧａＮには多大の転位密度が発生する。ラテラルオーバーグロースで少し減る（１０１０ｃｍ−３〜１０８ｃｍ−３）がまだまだ多すぎる。転位は成長とともに上方向に延びる。ファセット成長を維持するとＦ１、Ｆ２の面で転位は左右に振り分けられて境界線に集まる。さらにファセット成長をすると境界線に集まった転位は中心に集まる。中心に転位が集まるので、それが閉鎖欠陥集合領域Ｈとなるのである。上向きのロート型の形をしたピットがそのように転位を中心に集めてしまう作用があるのである。
【００２７】
転位は簡単には消滅しない。が、中心に凝集するのでその他の部分の転位密度は減少するわけである。中心の閉鎖欠陥集合領域Ｈには単結晶、反転結晶とか粒界とかが高密度で存在する。それは転位の塊である。その外側から転位が除去されてすぐ隣りのファセット面Ｆの下の単結晶低転位随伴領域Ｚは低転位になるのである。単結晶低転位随伴領域Ｚが低転位になると、その隣りの単結晶低転位余領域の転位がしだいに引き寄せられてピットＰに入る。ピットＰの中でファセット面に掃き寄せられて、境界線から中止線へと転位が凝集してゆくのである。だから残りの単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙでの転位密度は１０６ｃｍ−３〜１０５ｃｍ−３に減る。
【００２８】
孤立した閉鎖欠陥集合領域Ｈの周りには同心状にＨＺＹの構造ができる。種Ｅを基板上に予め作っておけば、種Ｅと同一の箇所に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。図２のように規則正しくＨＺＹを構造を作るには最初に基板２の上に規則正しく種Ｅを形成しておけば良いのである。そのように規則正しく種Ｅを配置して同じパターンの閉鎖欠陥集合領域Ｈの集合を作製したものがドット型である。
【００２９】
閉鎖欠陥集合領域Ｈを作るために始めからＧａＡｓ基板の上にＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｍｏなどの異種材料の種を載せるということもする。異種材料の上にはＧａＮが成長しにくいから成長が遅れ、それがファセットピットの位置になる。つまり異種材料の種からファセットピットが発生する。ファセットピットは先述のように転位を掃引して中へ中へと転位を引き込み、中心に先述の閉鎖欠陥集合領域Ｈを形成する。だから始めにＧａＡｓ基板に配置した異種材料種の位置によって閉鎖欠陥集合領域Ｈの位置を指定することができる。
【００３０】
だから始めの孤立した種（円、正方形）の配置をランダムにしておけば閉鎖欠陥集合領域Ｈは結晶中ランダムな配置をして分布する。これをランダム型と呼ぶ。
【００３１】
始めの孤立した種の分布を基板上縦横に規則正しく配置しておけば、その上に成長したＧａＮは同じ規則性をもつ閉鎖欠陥集合領域Ｈを有するにいたる。そのように閉鎖欠陥集合領域Ｈが規則正しく孤立して存在するものをドット型と呼ぶことにする。ドットというのは閉鎖欠陥集合領域の平面形状が孤立した点（円とか正方形、正六角形）であるからドットと呼ぶ。それ自体に規則正しく配列したという語感はないのであるが、ここでは規則正しく配列したものをドット型と呼ぶ。
【００３２】
図４はドット型マスクのＧａＮを製作するための基板２上の種Ｅの配置を示す。そのように縦横に規則正しく種Ｅを形成しファセット成長させれば種Ｅの上に規則正しく閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心とする同心のＨＺＹ構造が発生する。マスクは被覆部と開口部からなるが、この例では被覆部は種Ｅであり、開口部は種Ｅのない部分である。下地基板上の種ＥとＧａＮ結晶中の欠陥集合領域Ｈは合致するので図４のドット状のＥは閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布とみなすこともできる。
【００３３】
図５は寸法が異なる種Ｅをランダムに配置したマスクを示す。ランダムマスクによってランダムに分布する欠陥集合領域ＨをもつＧａＮ結晶を作ることができる。その場合でも欠陥集合領域Ｈを中心として同心のＨＺＹ構造が形成される。だから図５はランダムマスクの平面図であるが、ランダムマスクを使って成長したＧａＮ結晶の欠陥集合領域Ｈの分布を示す平面図とも言える。マスクの被覆部（種Ｅ）と欠陥集合領域Ｈの寸法はほぼ同じであり位置は種Ｅによって決まるので、そのような対応がある。
【００３４】
しかしランダムな欠陥集合領域Ｈの分布は、種が全くなくて細かい窓からなるＥＬＯマスクだけでも生成することができる。ＥＬＯマスクをしたＧａＡｓ基板の上にファセット成長条件を保持してＧａＮを成長させると、図５のようなランダム分布する欠陥集合領域Ｈを有するＧａＮ結晶ができる。その場合もＥＬＯマスクだけではだめでファセット成長条件が必須である。
【００３５】
ＧａＮ結晶は透明である。閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚはそのままでは区別できない。ＣＬ（カソードルミネセンス）によって初めて見える区別である。
【００３６】
種Ｅをマスクとして作製するというだけなら話は簡単であるが、実際にはラテラルオーバーグロースと併用するということになる。するとマスクが２種類存在するということになり複雑になる。ラテラルオーバーグロースのマスクは穴が小さく周期も小さいが、ファセット成長の種のマスクは大きくて間隔も広い。ＥＬＯマスクは１〜２μｍ程度の窓、間隔が並ぶ。欠陥集合領域Ｈ生成のためのマスクは数十μｍ〜数百μｍの周期で被覆部、開口部が並ぶ。だから寸法の上で数十〜数百倍の相違がある。
【００３７】
ファセット成長の種となるマスクは被覆部と開口部とよりなる。その開口部にＥＬＯのマスクが設けられるということになる。
ファセット成長用マスクを大マスクと呼び、ＥＬＯマスクを小マスクと呼んで区別しよう。大マスクの開口部に小マスクが相補的に設けられるという訳である。
【００３８】
図１１はそのような２重構造のマスク２２の例を示す。ドット型マスク２２は２重の周期性をもつ。数多くの小さい正六角形窓が図１に現れる窓（ＥＬＯ用開口部）４である。それはごく狭い窓４で１μｍ〜２μｍの直径、１μｍ〜２μｍといった狭い被覆部３とよりなる。小さいピッチで６回対称の位置に設けられたラテラルオーバーグロースのための窓４と被覆部３である。
【００３９】
それに対して大きい被覆部２７（Ｅ）が大きい周期をもって規則的に存在する。その被覆部２７が閉鎖欠陥集合領域Ｈの種Ｅである。被覆部２７（種Ｅ）は直径が１０μｍ〜５０μｍと大きくて周期も１００μｍ〜４００μｍというように広い。大きいパターンの開口部は被覆部２７以外の広い領域を意味する。大パターンの開口部はＥＬＯパターンによって覆われており最早開口部とは言えないが大パターンという立場から見れば開口部である。大パターンの開口部、被覆部は、基板の上に形成するＬＤ、ＬＥＤなど発光デバイスの大きさに合わせて形成するものである。だから目的のデバイスによってその大きさやピッチ（周期）を適宜変更すればよい。
【００４０】
図１１では小パターンであるラテラルオーバーグロース用のマスクと、閉鎖欠陥集合領域Ｈの種（Ｅ）を区別しやすくするために種Ｅは縦、横４つずつしか書いていないが実際には、図４のように種２３（Ｅ）は基板上縦横に多数形成するのである。ＥＬＯの窓も実際にはもっと細かくて下地基板の上にもっと数多く存在する。ここでは窓も大きく書いているが、ＥＬＯ（小パターン）の窓の周期の数十倍〜数百倍の周期で種パターン（大パターン）が設けられる。ここではラテラルオーバーグロースの遮蔽部３のマスク材料と閉鎖欠陥集合領域Ｈの種Ｅの材料を同一のものにしているから図形が複雑になっている。が、それは異種物質にしてもよい。
【００４１】
遮蔽部３は種Ｅよりも強くＧａＮ結晶成長を抑制する作用がある方が良いということが分かってきた。反対に種Ｅが結晶成長を抑制する作用が強すぎると閉鎖欠陥集合領域Ｈが充分に形成できないし、たとえ形成できても途中で切れてしまうということがありうる。
【００４２】
それでラテラルオーバーグロースの遮蔽部３はＳｉＯ２、ＳｉＮなどの誘電体として、閉鎖欠陥集合領域Ｈの種ＥはＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉなどの金属とする。
【００４３】
ところが種Ｅを無理に作製しておかなくても、ファセット成長を維持して（Ｃ面成長しないで）ゆくのであれば、どこかで閉鎖欠陥集合領域Ｈが自然発生的に生ずる。どこかで閉鎖欠陥集合領域Ｈが発生すると、それが維持されて縦に延びるのでやはり閉鎖欠陥集合領域Ｈの周囲にＨＺＹの同心構造ができるのである。どこで発生するかというと、それは偶然によって決まる。だから閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心とする同心ＨＺＹ構造の分布はランダムになる。
【００４４】
図５はそのように偶然的に発生した閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布の例だとも言える。閉鎖欠陥集合領域Ｈは自由エネルギーの不均一のある場合に偶発的に生ずるのであってその大きさや分布は偶然で決まる。しかし図５のようなランダム分布する種Ｅを基板２の上に形成しておいてファセット成長させても同様のものが得られる。
【００４５】
種Ｅがあるときでもないときでも閉鎖欠陥集合領域Ｈは時に消滅することがある。ファセット成長でなくＣ面成長になるとそのような閉鎖欠陥集合領域Ｈは一旦消滅し凝集して転位群はほどけてしまって周囲にばらけてしまう。再び周囲の結晶は高転位となるのである。それは困るのでファセット成長を維持するように細心の注意をしてＧａＮ結晶を監視する必要がある。ファセット成長はＣ面成長に比べて相対的に低温で行う。ファセットピットを常に観察してピットが消えるような兆しがあれば温度を下げてファセット成長の条件を強化するようにする。
【００４６】
そのように転位の凝集を維持するファセット成長が鍵となる。それはｃ軸方向に成長するのであるがＣ面成長ではない。Ｃ面でなくてファセット面成長なのである。ファセットピットの底に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。そのすぐ周囲はファセット面に続いて成長した部分であり、それは単結晶低転位随伴領域Ｚである。それはその部分が単結晶であり、低転位であり、閉鎖欠陥集合領域Ｈに随伴して生ずるからそう呼ぶのである。ここが良好な単結晶でありレーザの基板として有用な部分である。
【００４７】
単結晶低転位随伴領域Ｚはｃ軸方向に成長するのであるが、Ｃ面成長でない。といっても閉鎖欠陥集合領域Ｈとその廻りの単結晶低転位随伴領域Ｚは円柱状（正しくは正六角柱状か正１２角柱）で成長するから、どうしてもそれから取り残された部分がある。それはファセット成長できずＣ面成長となる。Ｃ面成長する部分は単結晶で低転位であるがＣ面成長なので単結晶低転位随伴領域Ｚとは少し違う。何より抵抗率が高い、という特徴がある。それはＣ面成長するからであり、円柱などから取り残された部分であるから、それを単結晶低転位余領域Ｙと呼ぶことにする。単結晶低転位余領域Ｙも低転位であるが抵抗率が高い。
【００４８】
そのような違いはどうしてできるのかというと、それはファセット面には酸素がドープされて、それがｎ型不純物となり低抵抗になるが、Ｃ面には酸素がドープされず高抵抗となる、ということである。本発明とは直接の関係がないのであるが単結晶低転位余領域Ｙと単結晶低転位随伴領域Ｚの違いがあること、その原因は何であるかということを述べた。
【００４９】
ＺとＹを合わせて低欠陥単結晶領域Ｕということもある。低欠陥単結晶領域Ｕは欠陥集合領域Ｈに付随するものであり、本発明では面積が問題になるが、その場合の面積は、欠陥集合領域Ｈとそれに付随する低欠陥単結晶領域Ｕの合計を面積とする。
【００５０】
ファセット面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６は｛１−１０１｝面あるいは｛２−１−１２｝面などである。ここで波括弧の｛１−１０１｝というのは面の集合表現であり、６つの対称な個別表現（１−１０１）、（−１１０１）、（０１−１１）、（０−１１１）、（１０−１１）、（−１０１１）を含む。同様に波括弧の｛２−１−１２｝というのは、６つの対称な個別表現（−１−１２２）、（１１−２２）、（１−２−１２）、（−１２１２）、（２−１−１２）、（−２１１１）を含む。両方の面方位が混在する場合は十二面体の角錐状となる。
【００５１】
（３） 特願２００１−３１１０１８（ストライプ型）
これも結晶中の所定の位置に平行ストライプ状欠陥集合領域Ｈを積極的に作り出し、その周辺にファセット面Ｆを維持して成長させ、欠陥を伝搬させ閉鎖欠陥集合領域Ｈに収束させる。そこは前述のものと同様である。違うのは、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｍｏなどの種を平行帯状（ストライプ）に配置し、閉鎖欠陥集合領域Ｈをも平行帯状に発生させるということである。
【００５２】
図６にストライプ構造を作り出すためのマスクを示す。マスク２４は数多くの平行な遮蔽部（種Ｅ）２５とその間に存在する数多くの平行な開口部２６よりなる。この図で遮蔽部２５、開口部２６の延長方向をｘ方向とする。基板の結晶方位により、その上に成長するＧａＮ結晶の方位が決まる。ストライプと直交する方向に劈開面｛１−１００｝ができるようにストライプ状遮蔽部２５（種Ｅ）の方位を選んで基板２の上に形成する。基板２、マスク２４の上にＧａＮをファセット成長させる。図７のように平行な閉鎖欠陥集合領域Ｈが遮蔽部２５の上に生ずる。欠陥集合領域Ｈの両側に平行な多数の単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが発生する。それはストライプマスクに対応したストライプとなっている。図８は同じものの断面図であり基板面に垂直に欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが成長していることが分かる。図７では図６を９０度回転してあり、ｘ方向が上向きになる。
【００５３】
遮蔽部２５（種Ｅ）の両側にファセット面が生ずる。それはもはや正六角形とか正十二角形ではない。図８の断面図に示すようにＶ溝のようになる。ファセット面ピットＰが錘状にならず平行なＶ溝となる。平行な種２５（遮蔽部Ｅ）の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈがのびる。Ｖ溝の斜壁ファセット面Ｆの下に連続して単結晶低転位随伴領域Ｚが成長する。隣接Ｖ溝の境界である狭い平坦面はＣ面である。Ｃ面成長する部分は単結晶低転位余領域Ｙである。ファセット成長の条件や遮蔽部２５の間隔によってＣ面成長する単結晶低転位余領域Ｙができないこともある。図７のように単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚの部分が平行にできる。
【００５４】
そのようにすると閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが平行に規則正しく並び、ＨＺＹＺＨＺＹＺＨＺＹＺＨＺＹＺ…というようになる。欠陥は帯状のＨの部分に集中して蓄えられる。その両側の単結晶低転位随伴領域Ｚは単結晶であり、低抵抗であり低転位である。それはレーザ用基板として最適である。レーザの幅に合わせてストライプの幅を決めることによって、一つのストライプから一群のレーザを取ることができる。そしてＨの部位で切ってその部分を用いないようにすれば欠陥は実効的に排除できたということになる。レーザの幅を４００μｍだとすれば、ＨとＨで挟まれるＺＹＺの部分の幅を４５０μｍとか５００μｍ程度にすればよい。図６にそのようなストライプ型のマスク２４を示す。種Ｅとして直線状被覆部２５を平行に多数設けたマスクである。ＧａＮ成長をさせると直線被覆部２５の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈが成長する。
【００５５】
ＧａＮの劈開面は｛１−１００｝面であるが、その何れかをそのストライプと直交するようにすれば、レーザチップの分離を自然劈開によって行うことができる。それは共振器面となるので平坦平滑面を簡単に形成することができる、という利点がある。
【００５６】
このように閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚが平行に並ぶものをストライプ型と呼ぶことにする。ドット型は孤立した欠陥集合領域Ｈが規則正しく二次元的に配列され、ストライプ型は線状の欠陥集合領域Ｈが平行に多数規則正しく並んでいる。欠陥集合領域Ｈの分布に規則性のないものをランダム型と呼ぶ。
【００５７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで閉鎖欠陥集合領域Ｈを利用した３種類のＧａＮの単結晶を製造する方法を紹介した。閉鎖欠陥集合領域の分布に関し、従来例（２）はドット型、ランダム型を提案している。（３）はストライプ型を提案している。
【００５８】
ファセット成長させたＧａＮ結晶はそのように３種類の異なった部位、
閉鎖欠陥集合領域Ｈ
単結晶低転位随伴領域Ｚ
単結晶低転位余領域Ｙ
【００５９】
からなる単結晶である。単結晶といっても単結晶低転位余領域Ｙ＋単結晶低転位随伴領域Ｚは単結晶（低欠陥単結晶領域Ｕ）であるが、閉鎖欠陥集合領域Ｈはそうでない。しかしレーザの基板として閉鎖欠陥集合領域Ｈを使わなければ良いのである。
【００６０】
上記の出願はいずれもファセット成長による閉鎖欠陥集合領域の分布を利用して転位を減少させる方法を提案している。閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布によって、簡単にランダム型、ドット型、ストライプ型という。ドット型、ランダム型は閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心として同心状に単結晶の単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙをもつ。その分布が規則的なものをドット型、ランダムなものをランダム型と呼ぶ。いずれもＨＺＹの同心構造である。ストライプ型は帯状にＨＺＹＺＨ…という構造が連続する。いずれも巧妙なＧａＮであるが、なお難点をもっている。それを述べる。
【００６１】
［１．ストライプ型の欠点］
（３）特願２００１−３１１０１８の幅を持った直線状の欠陥集合領域Ｈとその両隣のファセット面からなる幅をもった直線状の低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｙから形成されるようにしたＧａＮ成長方法（ストライプ型）では、劈開性が著しく改善される。ＨＺＹＺＨＺＹ…というように平行帯状にそのような領域を意図的に形成し、ＺＹＺの部分にレーザチップがくるようにウエハプロセスでレーザを作製すればよい。レーザの中心部分（活性層：ストライプ）がＨにかからないように規則正しくレーザを作製することができる。がウエハプロセスが終ると、ＺＹＺの辺と直交する方向（劈開面）にスクライブしてＨの部分をも切りとり、チップに切り出す。レーザの共振器面が劈開面となる。それはレーザチップを切り出すときに特に便利な性質である。さらに共振器面を劈開面にできて便利である。
【００６２】
そのような利点があるが、反面結晶が弱くて、成長後、下地除去、研磨、ウエハプロセスにおいて、結晶基板にクラックが発生しやすいという問題が存在する。ストライプ型はストライプと直角の方向に簡単にクラックが生ずる。図９にその様子を示す。黒地の部分が閉鎖欠陥集合領域Ｈでありその両側に単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙがある（単結晶低転位余領域Ｙはないこともある）。劈開面はストライプに直交するように存在する。そのために劈開面に平行なクラック３０が入る事が多い。クラック３０はストライプに直交する。クラック３０のためにウエハが破断することもある。クラック３０は直径全部に及ぶ長いものである。１本のこともあり２本以上のこともある。
【００６３】
ＧａＮは本来硬く脆い結晶である。ストライプ型の場合、結晶成長後の冷却時に発生する熱応力やＧａＮ基板加工時に発生する応力によりＧａＮ基板外周よりクラックが発生する。ときに割れてしまうこともある。単結晶成長し冷却し研磨したときに割れるということがある。
【００６４】
甚だしい場合は単結晶成長して冷却しただけでウエハ面にクラックが発生することもある。その場合はそもそも丸いウエハそのものが製造できない。たとえＧａＮウエハになってもレーザデバイスをウエハプロセスによって製作したときに熱応力などの作用で破断してしまう。
【００６５】
そのように脆くて割れ易いのでは、とてもその上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長させ、チップに切り出してレーザデバイスとすることができない。だから極めて歩留まりが悪いということである。
【００６６】
［２．ドット型、ランダム型の欠点］
（２）特願２００１−２８４３２３の成長方法では、欠陥の集合した芯Ｓに応力が集中するが、この芯はＧａＮ基板上にランダムあるいは規則的に孤立して存在する。閉鎖欠陥集合領域、ファセットの分布が直線状でないので、劈開面が一様でない。劈開面に対して閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚが非対称に存在し、閉鎖欠陥集合領域に非対称に応力が加わる。劈開に対して非対称に応力が加わるため綺麗に劈開せず切り口がギザギザになる。つまり劈開性が悪いという問題があった。
【００６７】
ＧａＮの劈開面は｛１−１００｝面であり、その方法で作られたものは全体として単結晶であるが閉鎖欠陥集合領域Ｈの部分は単結晶でない。閉鎖欠陥集合領域Ｈの中は多結晶かもしれないし、単結晶であっても方位が別の部分とは反転しているのかもしれない。とにかく閉鎖欠陥集合領域Ｈはすぐに隣接する単結晶と格子構造が連続していない。非連続である。だから、ある劈開面にそって劈開しようとしても、その延長線上に閉鎖欠陥集合領域があり切断線がそれに衝突すると綺麗に劈開できない。閉鎖欠陥集合領域で格子が不連続であるから連続して劈開しなくなる。その部分で切断ができないということもある。閉鎖欠陥集合領域を迂回して切断されることもある。
【００６８】
そうなると劈開といっても劈開面が綺麗な切断面とならない。ギザギザになってしまったり閉鎖欠陥集合領域のところから斜めに割れてしまったりする。だからランダム型、ドッド型は劈開が不完全であるという難点がある。レーザ用の基板とする場合それは不都合なことである。
【００６９】
反面、それはクラックが発生しにくい結晶でもあった。クラックというのは綺麗に劈開面で切断してしまう現象であるから、ランダムに閉鎖欠陥集合領域が分布した結晶は劈開面がどこかで閉鎖欠陥集合領域に衝突し、そのために劈開が妨害される。だからクラックが発生しようとしても閉鎖欠陥集合領域Ｈによってすぐにくい止められる。だから破断するということはない。つまりランダム型、ドット型は機械衝撃、熱衝撃に強く容易に破断せず研磨やその他のウエハの加工においても堅牢、頑健であって破壊されない。それはドット型、ランダム型の著しい利点である。
【００７０】
そのようにストライプ型は劈開性に優れるが脆くてクラックが発生し易く、ランダム型、ドット型は堅牢であってクラックはできないが劈開性に劣る。
【００７１】
劈開性に優れかつクラック、破断などの難点のない丈夫なＧａＮウエハを製造する方法を提供することが本発明の第１の目的である。
多数のレーザチップをその上に製作し劈開によってチップに切り出すことができるようなＧａＮウエハの製造方法を提供することが本発明の第２の目的である。
【００７２】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶窒化ガリウム基板は、開口部と被覆部が規則的に繰り返し外周部Ｒも中央部Ｑも同一である周期性大パターンを有し大パターンの開口部に外周部Ｒでは周期性大パターンの周期より狭い一定の間隔Ｓｒで周期的に繰り返す窓Ｗｒを有し中央部ＱではＳｒより短い一定の間隔Ｓｑで周期的に繰り返す窓Ｗｑを有する（Ｓｒ＞Ｓｑ）ラテラルオーバーグロース用（ＥＬＯ）小パターンを有する複合マスクを出発基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成し、ファセットを維持しながら窒化ガリウムを気相成長させることによって、不規則に分布した欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆ、規則的に配列した欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇを含む窒化ガリウム結晶を成長させ、不規則に分布した欠陥集合領域Ｈｆとその隣接低欠陥単結晶領域Ｕｆの合計の不規則面積Ｆが、規則的に配列した欠陥集合領域Ｈｇとその隣接低欠陥単結晶領域Ｕｇの合計の規則面積Ｇと不規則面積Ｆの合計である全体面積（Ｇ＋Ｆ）に占めるランダム面積比Ｍが、外周部Ｒよりも中央部Ｑで低くなるようにし（Ｍｑ＜Ｍｒ）、所定の厚みに達すると成長を中止し、出発基板やマスクを除去して製造されるものである。
【００７３】
中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑは１０％以下である（Ｍｑ≦０．１）。より望ましくは中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑを０〜１％とすることである（０≦Ｍｑ≦０．０１）。
【００７４】
外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒは１０％以上とするのが良い（Ｍｒ≧０．１）。より好ましくは、外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒを３０％〜７０％とする（０．３≦Ｍｒ≦０．７）。
【００７５】
ランダム面積比Ｍというのは、不規則分布をする欠陥集合領域Ｈとそれに伴う低欠陥単結晶領域Ｕの部分の面積が全体面積に占める割合である。これが大きいと劈開性が減少し強度が増す。ランダム面積比Ｍが低いと劈開性が明確になり素子分離や、レーザの共振器形成に適している。
【００７６】
外周部Ｒはランダム面積比Ｍを高くして強度を高めている。外周部Ｒでのランダム面積比Ｍは１０％以上とする。より好ましくは３０％〜７０％とする。外周部Ｒはランダム面積比Ｍが高いので堅牢であり破断しない。だからランダム面積比Ｍの高い外周部Ｒは補強効果をもつ。外周部Ｒが中央部Ｑを補強するのである。外周部Ｒは補強効果はあるが劈開性を犠牲にしており性能の良いレーザなどの光素子をそこから作り出す事ができない。つまり光素子の基板という意味では無駄になるが中央部Ｑを補強するという積極的な役割があるので、それで良いのである。
【００７７】
反対に中央部Ｑではランダム面積比Ｍが低く、１０％以下とする。好ましくは１％以下が良い。ランダム面積比Ｍが低いので劈開性が強く現れ自然劈開によるチップ分離が可能になるしレーザ共振器ミラーを劈開面によって形成できる。ウエハの中央部Ｑにレーザ、発光ダイオードを歩留まり良く形成することができる。そのままでは研磨時、搬送時、ウエハプロセスにおいてクラック、割れ、破断などの可能性があるが外周部Ｒによる補強効果によって割れ、破断などが起こらなくなる。そのような内外の相補性が本発明の特徴である。
【００７８】
ＥＬＯマスクの窓の間隔Ｓを中央部Ｑと外周部Ｒで異ならせることによって不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈの比率を中央部Ｑと外周部Ｒで異なるものにしている。間隔Ｓの定義を図２１によって説明する。図２１では窓は正六角形であって正三角形の集合の隅部に正六角形窓が位置するようなＥＬＯパターンとなっている。しかし窓の形状は丸、正方形、正三角形、帯状など任意である。窓の配列の対称性はこのように６回回転対称と限らない。４回回転対称、３回回転対称、２回回転対称などでもよい。
【００７９】
図２１において上側のより大きい寸法の窓が規則配列しているのが外周部ＲにおけるＥＬＯ窓Ｗの配置である。間隔Ｓというのは隣接窓の縁から縁までの距離である。それだけでは窓配列は決まらない。窓の大きさを示すパラメータが必要である。窓の直径Ｗもパラメータとなる。外周部Ｒでの窓間隔Ｓｒ、窓直径Ｗｒは、中央部Ｑでの窓間隔Ｓｑ、窓直径Ｗｑよりも大きい。Ｓｒ＞Ｓｑ、Ｗｒ＞Ｗｑである。直径Ｗは大体間隔Ｓに等しく取る。これまで窓間隔がＳｒ＞Ｓｑだという表現をしてきたが、より詳しくは、窓間隔と窓直径が、外周部Ｒで広く中央部Ｑで狭いということである。
【００８０】
Ｓｒ，Ｗｒ＝ ０．３μｍ〜６μｍ
Ｓｑ，Ｗｑ＝ ０．１μｍ〜３μｍ
最適の場合
Ｓｒ，Ｗｒ＝ ２μｍ
Ｓｑ，Ｗｑ＝ １μｍ
である。
【００８１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化ガリウム基板の中央部Ｑは規則性があって劈開性のよい結晶とし、外周部Ｒでは不規則で強度に優れた結晶として外周部Ｒによって中央部Ｑを補強するようにしたものである。窒化ガリウムウエハの中央部Ｑは劈開性がよく規則性に優れているので発光素子製造に用いることができ外周部Ｒは補強作用があり研磨工程やウエハプロセスにおいてウエハが破断しクラックが生ずることを防止する。表１に外周部Ｒ、中央部Ｑにおける欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕ、ランダム面積比Ｍなどの定義と広狭の比較を示す。
【００８２】
【表１】
【００８３】
外周部Ｒの幅Ｒｗには下限があり、１ｍｍ以上でなければならない。１ｍｍ以下であると補強効果が少なくてクラックが発生したり破断したりする。外周部Ｒの幅Ｒｗが大きい方が補強効果は大きい。
【００８４】
しかし外周部Ｒは無駄になる部分だから、あまり広いのは望ましくない。ウエハの直径にもよるが、経済性から外周部Ｒの幅Ｒｗは２０ｍｍ以下である。つまりＲｗ＝１〜２０ｍｍである。
【００８５】
外周部Ｒのより好ましい幅Ｒｗは２ｍｍ〜５ｍｍである。
中央部Ｑの方はランダム面積比Ｍが低い方がよい。ランダム面積比Ｍが低いと劈開性が強く現れる。劈開面があれば劈開面に沿ってチップを自然劈開することができるし、劈開した平行な面を共振器のミラー面として有効利用できる。その点でサファイヤ基板にヘテロエピタキシャル成長して形成したものよりも有利である。中央部Ｑはランダム面積比Ｍが低い方が良い。そのためには中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑは１０％以下とする。より好ましくは０〜１％のランダム面積比Ｍｑとする。そのように外周部Ｒと中央部Ｑとが相補的な性質をもつため破損、クラック、破断などが起こらず、かつ劈開性のある窒化ガリウム単結晶とすることができる。中央部Ｑと外周部Ｒの相補性が本発明の本質である。
【００８６】
そのように本発明の窒化ガリウム単結晶は中央部Ｑと外周部Ｒの同心二重構造を有する。基板上での違いはランダム面積比Ｍである（Ｍｑ＜０．１＜Ｍｒ）。そのような違いを生じさせるために本発明は特別な形状の複合マスクを出発基板の上に形成し、その上から窒化ガリウムを気相エピタキシャル成長させる。
【００８７】
本発明で用いる複合マスクは、開口部と被覆部がある周期Ｔで規則正しく繰り返す周期の長い大パターンと、大パターンの開口部においてある短い周期で繰り返す窓からなるラテラルオーバーグロース用の小パターンを組み合わせたものである。大パターンは開口部と被覆部があり、被覆部はそのままであるが、開口部にはさらに小パターンを設けるのである。小パターンはすでに説明したラテラルオーバーグロース用のパターンである。ラテラルオーバーグロース用パターンだから連続被覆部にある間隔で窓を設け開口部としたものである。
【００８８】
大パターンは外周部Ｒでも中央部Ｑでも同じである。だから大パターンの周期Ｔは外周部Ｒも中央部Ｑも同一である。
【００８９】
違いを出すために本発明は、小パターンの窓の間隔に工夫をこらしている。つまりラテラルオーバーグロースのマスクである小パターンの窓Ｗの間隔Ｓが中央部Ｑと外周部Ｒで異なる。それによってエピタキシャル成長した窒化ガリウムの欠陥集合領域Ｈの不規則部分と規則部分の面積の広さを相違させている。
外周部Ｒでの窓間隔Ｓｒの方が広くてＳｒ＝０．３μｍ〜６μｍである。
中央部Ｑでの窓間隔Ｓｑの方が狭くてＳｑ＝０．１μｍ〜３μｍである。
【００９０】
【表２】
【００９１】
【表３】
【００９２】
比較例のマスクを図１３に、本発明で用いる内外二重マスクを図１４、１５に示す。
［Ａ．ランダム型内外二重マスク（図１３）］
これはＥＬＯ（小パターン）だけを内外二重構造にしたものである。中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のある大パターン（開口部＋被覆部）が存在しないので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させても規則性のある欠陥集合領域Ｈを作り出すことができない。欠陥集合領域Ｈは図５のようにランダム分布する。これは本発明のためには用いることができないが小パターンが基本的な内外二重構造をもつものであるので図示している。
【００９３】
［Ｂ．ドット型内外二重マスク（図１４）］
これは、ドット型大パターンの開口部に、ＥＬＯ（小パターン）を内外二重構造にして設けた複合マスクである。ＥＬＯマスク（小パターン）が内外二重構造であるのは先例と同じだがドット型大パターンを持っている点でＡと相違する。ＥＬＯ（小パターン）パターンは、中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のあるドット型大パターン（開口部＋被覆部）が存在するので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させるとドット上に規則性配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを作り出すことができる。それだけでなく一部に不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕをも生成することができる。これは本発明のＧａＮ製造のために用いることができるマスクである。大パターンは内外共通だが小パターンが内外に二重の構造をもつ。
【００９４】
［Ｃ．ストライプ型内外二重マスク（図１５）］
これは、ストライプ型大パターンの開口部に、ＥＬＯ（小パターン）を内外二重構造にして設けた複合マスクである。ＥＬＯマスク（小パターン）が内外二重構造であるのは先例と同じだがストライプ型大パターンを持っている点でＡと相違する。ＥＬＯ（小パターン）パターンは、中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のあるドット型大パターン（開口部＋被覆部）が存在するので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させるとストライプ状に規則性配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを作り出すことができる。それだけでなく一部に不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕをも生成することができる。これは本発明のＧａＮ製造のために用いることができるマスクである。大パターンは内外共通だが小パターンが内外に二重の構造をもつ。
【００９５】
【実施例】
規則配置した開口部、遮蔽部よりなる大パターンと、大パターンの開口部に内外で相違する小パターン（ＥＬＯ）とを有する複合マスクをＧａＡｓ基板上に形成した。マスクの上からＨＶＰＥ法によってＧａＮエピタキシャル層を成長させた。キャリヤガスとして水素ガス（Ｈ２）を用いた。原料ガスとしては、塩化水素ガス（ＨＣｌ）とアンモニアガス（ＮＨ３）を用いた。
【００９６】
初めに低温の成長温度（５３０℃）で約８０ｎｍ厚みのＧａＮバッファ層を形成した。ＧａＮバッファ層成長条件は以下のようである。
［バッファ層成長条件］
ガス流量 ５Ｌ （流速１００ｃｍ／分）
Ｇａ分圧 ２．５×１０−３ａｔｍ （０．３３Ｐａ）
ＮＨ３分圧 ０．１２ａｔｍ （１６Ｐａ）
成長温度 ５３０℃
成長時間 ２０分
成長膜厚 ８０ｎｍ
【００９７】
その後１０３０℃まで昇温して、その上に以下の条件で、ＧａＮエピ層を約３ｍｍ（３０００μｍ）成長させた。
【００９８】
［エピ層成長条件］
ガス流量 ５Ｌ （流速１００ｃｍ／分）
Ｇａ分圧 １．６×１０−２ａｔｍ （２．１Ｐａ）
ＮＨ３分圧 ０．２ａｔｍ （２７Ｐａ）
成長温度 １０３０℃
成長時間 ３０時間
成長膜厚 ３０００μｍ（３ｍｍ）
【００９９】
これによってＧａＮ／ＧａＡｓの試料を得た。それを王水でエッチングしてＧａＡｓ基板とマスクを除去した。自立した（フリースタンディング）単結晶窒化ガリウム基板を得た。これを加工、研磨して平坦なＧａＮ単結晶基板の１４種類のサンプル（試料１〜試料１４）を作製した。同じ条件の各試料はそれぞれ数十枚〜数百枚あった。
【０１００】
試料１〜１４の外周部Ｒと中央部Ｑの境界を調べ外周部Ｒの幅Ｒｗを測定した。 ＧａＮ単結晶基板サンプル（試料１〜試料１４）の中央部Ｑの規則配列する欠陥集合領域Ｈｇｑとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｇｑの面積を測定し合計面積Ｇを求めた。同様に中央部Ｑで不規則分布する欠陥集合領域Ｈｆｑとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｆｑの合計面積Ｆを求めた。Ｆを（Ｆ＋Ｇ）で割って中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑを求めた。
【０１０１】
同様に試料１〜試料１４の外周部Ｒの規則配列する欠陥集合領域Ｈｇｒとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｇｒの面積を測定し合計面積Ｇを求めた。外周部Ｒで不規則分布する欠陥集合領域Ｈｆｒとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｆｒの合計面積Ｆを求めた。Ｆを（Ｆ＋Ｇ）で割って外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒを求めた。
【０１０２】
中央部Ｑにクラックが発生しているかどうかを調べた。一つでもクラックが発生していれば、それはクラック発生基板とし、全くクラックがない基板をクラック非発生基板とした。同じ試料番号について数十〜数百の試料があるので、それぞれの全体数でクラック発生基板の数を割ってクラック発生頻度Ｋを求めた。
【０１０３】
表４にそれぞれの試料１〜１４について中央部Ｑランダム面積比Ｍｑ（％）、外周部Ｒランダム面積比Ｍｒ（％）、外周部Ｒの幅Ｒｗ（ｍｍ）、クラック発生頻度Ｋ（％）を示す。
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
［試料１（Ｍｑ＝１００％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝０％、Ｒｗ＝０）］
これは内外二重構造をもたない。本発明の実施例ではない。図１０に示すような大パターンをもたず小パターンだけのマスク、つまり一様な細かい窓配置をもつラテラルオーバーグロース用のマスクを用いファセット成長させてＧａＮ結晶を形成したものである。内外ともに欠陥集合領域Ｈが不規則分布している。これはラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）マスクだけでファセット成長させると欠陥集合領域Ｈがランダム分布するということを示している。基板全体一様にランダム面積比Ｍが１００％であり、それは堅牢である。クラックは発生しない。その点では最も優れたものであるが中央部Ｑで劈開性がないからレーザ素子、ＬＥＤ素子の基板としては適しない。
【０１０６】
［試料２（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＜１％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０）］
これも内外二重構造をもたない。これも本発明の実施例でない。規則配置した開口部と被覆部からなる大パターンと、その開口部に細かい一様窓配置をもつ小パターン（ＥＬＯ）をもつ複合マスクをＧａＡｓ基板に形成してＨＶＰＥ法によってＧａＮを成長させたものである。小パターンの間隔が内外一様であるから内外の二重構造が発生しない。外周部Ｒでもランダム面積比Ｍが１％以下であり欠陥集合領域Ｈが規則正しく並び劈開性がある。それだけに弱くてクラック発生頻度Ｋが９０％となっている。一様マスクによる手法で作製されたものは破損し易く弱いということである。
【０１０７】
［試料３（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これは内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付けて、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えば図１４のようなドット型に種Ｅを設けた複合マスクを用いる。あるいは図１５のようなストライプ型に種Ｅを平行に設けた複合マスクを用いる。
【０１０８】
クラック発生頻度は９０％というように高い。それは外周部Ｒが狭すぎるからである。外周部Ｒの幅はＲｗ＝０．１ｍｍである。それが狭すぎて補強効果が不十分だということである。それと外周部Ｒのランダム面積比Ｍが１００％というのがかえって良くないということを示唆している。
【０１０９】
［試料４（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝７０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付けて、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えば図１４のようなドット型に種Ｅを設けた複合マスクを用いる。あるいは図１５のようなストライプ型に種Ｅを平行に設けた複合マスクを用いる。
【０１１０】
クラック発生頻度は７０％というようになお高い。クラック発生頻度が７０％でも使えるが、より低い比率の方が望ましい。
外周部ＲはＲｗ＝４ｍｍであって充分な広さをもっている。
【０１１１】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１００％で、１％以下の中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑというように違いすぎるので、組織の状態、成長速度、反りなどが内外で大きく異なり内外の境界に大きな応力が発生し、それがクラックを誘引しているのであろう。試料４は内外のランダム面積比Ｍの違いが余りに大きすぎてもいけないということを意味する。
【０１１２】
しかし外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１００％が全く禁止されるということではない。中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑが１０％というように大きければクラック発生頻度はより低くなって実用的なものになる。
【０１１３】
［試料５（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝８０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。試料３、４と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１４】
クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭いから補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。
【０１１５】
［試料６（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝８０％、Ｋ＝３０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これが内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜５と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１６】
クラック発生頻度は３０％というように低くなっている。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍというように広くて補強効果が強く現れるためである。４ｍｍでもよいが外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、さらにクラック発生頻度が下がる。
【０１１７】
これは３０％のクラック発生頻度で実用的な意味がある。試料４と比較すると外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒが１００％から８０％に下がり内外でのランダム面積比Ｍの差が２０％低下しているところに違いがある。内外のランダム面積比Ｍがあまり大きいと、成長速度が違い、結晶組織も異なり、内外境界に内部応力が強く発生して、それがクラックの発生をかえって促す。
ということは、さらに内外のランダム面積比Ｍｑ、Ｍｒの差を下げた方が良いだろうということを示唆する。
【０１１８】
［試料７（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。試料３〜６と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１９】
試料６の意味する所に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを５０％に下げている。しかし、クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭いから補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、より実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。
【０１２０】
［試料８（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５０％、Ｋ＝１０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜７と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２１】
試料６の意味する所に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを５０％に下げている。外周部Ｒの幅もＲｗ＝４ｍｍというように広くしている。クラック発生頻度は１０％というように極めて低い。
【０１２２】
試料４、試料６と比較すると、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒが５０％であって、内外のランダム面積比Ｍの差が５０％以下に減っている。それが成長速度の差を緩和し、内部組織の差異を減じ、境界での内部応力を減少させクラック発生を抑制しているのであろう。試料４、６と比較して、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは７０％以下であることが良いということがわかる。
【０１２３】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒが７０％〜１００％であっても、中央部Ｑのランダム面積比Ｍが１０％に近いと差異は減少するのでクラック発生は減る。
それでは外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒの許される下限はどのぐらいであろうか、ということが問題になる。
【０１２４】
［試料９（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝３０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。試料３〜８と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２５】
試料８の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを３０％に下げている。しかし、クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、より実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。そこでＲｗを増やしてみた。
【０１２６】
［試料１０（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝３０％、Ｋ＝１０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜９と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２７】
試料８、９の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを３０％に下げ外周部Ｒの幅をＲｗ＝４ｍｍに増やしている。クラック発生頻度は１０％というように充分に低い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍというように広くて補強効果があるということと、外周部Ｒでのランダム面積比Ｍが３０％であって内外のランダム面積比Ｍの差が小さくて、内外成長速度差、結晶組織差が小さくて境界に強い応力が生じないためであろう。外周部Ｒランダム面積比Ｍｒが３０％というように低くても良いというこがわかった。さらに外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを下げ、その効果を調べる。
【０１２８】
［試料１１（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２９】
試料８〜１０の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを１０％に下げている。クラック発生頻度は９０％というように極めて高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためか、ランダム面積比Ｍｒ＝１０％が低いためかわからない。そこでＲｗを増やしてみた。
【０１３０】
［試料１２（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１０％、Ｋ＝４０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ実施例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３１】
試料８〜１１の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを１０％に下げ、外周部Ｒの幅をＲｗ＝４ｍｍに増やしている。クラック発生頻度は４０％というように高くなる。４０％のクラック発生頻度でも使うことはできるが不満が残る。
【０１３２】
外周部Ｒの幅はＲｗ＝４ｍｍであるから充分であろう。試料８、１０と比較すると、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１０％が低すぎるということがわかる。ということは、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは３０％以上であることが望ましいということがわかる。試料６、８、１０、１２から外周部Ｒの好ましいランダム面積比Ｍｒの範囲が３０％〜７０％だということがわかる。
【０１３３】
それは中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑが１％以下で小さく内外の差異が強調されるからである。中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑが１０％に近いときは、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを７０〜１００％にすることもできる。
【０１３４】
［試料１３（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３５】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒをさらに５％に下げている。クラック発生頻度は９０％というように極めて高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためか、ランダム面積比Ｍｒ＝５％が低いためであろう。
【０１３６】
［試料１４（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５％、Ｋ＝５０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３７】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを５％に下げている。クラック発生頻度は５０％というように極めて高い。外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍであって充分であるのにクラック発生頻度が５０％なのであるから、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝５％というのが低すぎるのである。試料１２と試料１４を比較して、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは１０％以上なければならないという事がわかる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上の実施例の試料８および試料１０において、ウエハ中央部のクラック発生を１０％にまで抑えることができた。従来の、外周部・中央部の区別をもたないウエハではウエハプロセスにおいて熱応力などにより劈開面に平行なクラックが入り、ウエハが破断することもあったが、本発明では外周部のランダム面積比Ｍｒを中央部のランダム面積比Ｍｑより多くすることにより外周部からのクラック発生を抑制することができ、ウエハ破断を防ぐごとができる。
【０１３９】
本発明の方法で成長させたウエハの中央部を使用して、その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長させ、劈開面を利用してチップに切り出した後、レーザデバイスとすることができる。極めて歩留まりが良いＧａＮウエハの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラテラルオーバーグロース法を説明するための図。（１）は基板、（２）は基板の上にマスクを設けたもの、（３）は開口部に結晶核が発生したもの、（４）は開口部にＧａＮ薄膜が形成された状態、（５）は開口部から角錐状に成長したＧａＮ結晶と転位、（６）は開口部からマスクの上へと横向きに成長したＧａＮ結晶、（７）は隣接開口部から横向き成長した結晶が合体して転位が減少している状態、（８）は合体したあと平坦なＣ面を維持しながらＣ面成長している状態を示している。
【図２】基板上に規則正しい配置で種Ｅを設けて、その上にＧａＮをファセット成長させるとファセットピットが種Ｅからのびてゆき種Ｅの直上部は閉鎖欠陥集合領域Ｈとなり、その廻りは正六角形状のファセットピットになり、ピットとピットの間は平坦なＣ面となって成長することを説明するためのファセット成長するＧａＮ結晶の一部拡大平面図。
【図３】基板上に規則正しい配置で種Ｅを設けて、その上にＧａＮをファセット成長させるとファセットピットが種Ｅからのびてゆき種Ｅの直上部は閉鎖欠陥集合領域Ｈとなり、ファセットの下には欠陥が少なく単結晶である単結晶低転位随伴領域Ｚが成長し、平坦なＣ面の下には欠陥が少なく単結晶であり高抵抗の単結晶低転位余領域Ｙが成長してゆくことを説明するための断面図。
【図４】基板の上に規則正しい配置で種Ｅを設けたマスクの上にＧａＮをファセット成長させ閉鎖欠陥集合領域が規則正しく分布するドット型単結晶ＧａＮを成長させたときのＧａＮ結晶の閉鎖欠陥集合領域分布を示すための平面図。
【図５】基板の上にランダムな配置で種Ｅを設け、あるいは種を全く設けずに基板の上にＧａＮをファセット成長させ閉鎖欠陥集合領域がランダムに分布するランダム型単結晶ＧａＮを成長させたときのＧａＮ結晶の閉鎖欠陥集合領域のランダム分布を示すための平面図。
【図６】平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈをファセット成長によって発生させるために基板の上に形成する平行な被覆部をもつストライプ状のマスクの平面図。
【図７】図６のストライプ被覆部マスクを用いてファセット成長させたときのＧａＮ結晶の表面に現れる平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈとその両側に発生する平行な単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙを示すＧａＮ結晶の平面図。
【図８】図６のストライプ被覆部マスクを用いてファセット成長させたときのＧａＮ結晶の表面に現れる平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈとその両側に発生する平行な単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙを示すＧａＮ結晶の縦断面図。
【図９】図６のような平行ストライプのマスクをＧａＡｓ基板上に被覆しＧａＮを結晶成長させ、図７、８のような平行に延びる欠陥集合領域Ｈとその両側にあって平行に延びる低欠陥単結晶領域Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）を生成した場合、劈開性が強いので、エッチング、研磨、ウエハプロセスにおいてストライプと直交する方向に割れてしまう事があるということを示すための成長ＧａＮ基板の平面図。
【図１０】短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを全面に形成したＥＬＯマスクの平面図。
【図１１】規則正しく格子状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう格子状（ドット型）に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを含む複合マスクの平面図。
【図１２】規則正しく平行ストライプ状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう平行ストライプ状に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを含む複合マスクの平面図。
【図１３】外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを形成した二重ＥＬＯマスクの平面図。
【図１４】規則正しく格子状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう格子状（ドット型）に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを含み本発明で用いられる複合マスクの平面図。
【図１５】規則正しく平行ストライプ状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう平行ストライプ状に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを含み本発明で用いられる複合マスクの平面図。
【図１６】ファセット成長したＧａＮ結晶において不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）を含む部分をＣＬ（カソードルミネセンス）観察したものの平面図。多様な寸法形状でランダムに分布する欠陥集合領域Ｈとそれに接する低欠陥単結晶領域Ｕが見える。低欠陥単結晶領域Ｕの位置、寸法、形状も不規則である。この図に現れたものは全て不規則に分布する欠陥集合領域Ｈｆ、低欠陥単結晶領域Ｕｆであるから不規則分布領域の面積Ｆに算入される。
【図１７】図１６の１７−１７断面図。多様な位置、寸法、形状の欠陥集合領域Ｈｆと低欠陥単結晶領域Ｕｆ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）は垂直方向には大体一定であるが水平方向にはランダムである。
【図１８】ファセット成長したＧａＮ結晶において不規則に分布した欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕと、（ストライプ状に）規則的に配列した欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕとの境界部分の構造をＣＬで見た平面図。平行で幅が一様な規則正しいストライプ構造が終り楔型の境界から不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｕが存在するという明白な構造の変化を示す。楔型の境界の上の部分が規則分布領域の面積Ｇに算入される。楔型の境界から下の部分が不規則分布領域の面積Ｆに算入される。ランダム面積比Ｍというのは全面積（Ｆ＋Ｇ）によって、不規則領域の面積Ｆを割ったものとして定義される。Ｍ＝Ｆ／（Ｆ＋Ｇ）。
【図１９】図１８の１９−１９断面図。
【図２０】図１８の２０ー２０断面図。
【図２１】ＥＬＯマスクの窓の間隔Ｓを中央部Ｑと外周部Ｒで異ならせることによって不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈの比率を中央部Ｑと外周部Ｒで異なるものにしている本発明において、間隔Ｓと窓Ｗの定義を説明する図。外周部Ｒでは間隔Ｓｒ、窓Ｗｒが大きく、中央部Ｑでは間隔Ｓｑ、窓Ｗｑが小さくなっている。
【符号の説明】
２ 基板
３ マスク
４ 窓
５ ＧａＮ結晶核
６ 膜状ＧａＮ結晶
７ 錘状ＧａＮ結晶
８ ファセット面
９ 頂面
２０ 衝合面
２１ マスク
２２ マスク
２３ 上面
２４ マスク
２５ 遮蔽部
２６ 開口部
２７ 被覆部
Ｈ 閉鎖欠陥集合領域
Ｅ 種
Ｚ 単結晶低転位随伴領域
Ｙ 単結晶低転位余領域
Ｑ 中心部
Ｒ 外周部
Ｕ 低欠陥単結晶領域
Ｓ マスクの窓間隔
Ｗ 窓
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）、単結晶窒化ガリウムの製造方法、窒化ガリウム成長のためのマスク付き下地基板に関する。
ＩｎＧａＮ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）は青色発光素子として有用であり実績もある。それらはＧａＮのバンドギャップの広いことを利用して青色を発生させている。ＩｎＧａＮ−ＬＥＤはすでに広く使用されており、ＩｎＧａＮ−ＬＤは近い将来市販されることになろう。ＩｎＧａＮという表記は活性層の組成を表現している。ＩｎＧａＮ−ＬＤというのは三元混晶であるＩｎＧａＮを活性層として発光するＬＤということである。接頭語は基板を表記しているのではない。同じものを時にＧａＮ−ＬＤと表記する場合もある。基本になる結晶はＧａＮであり混晶ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを薄膜を積層するから、そのように表現する。
【０００２】
今もなお良好なｎ型ＧａＮ基板を製造することができないので、実用的なＩｎＧａＮ発光素子は全てサファイヤ基板の上に、ｎ型、ｐ型のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜をヘテロエピタキシャル成長したものである。
【０００３】
ＩｎＧａＮ／サファイヤのＬＤは基板がサファイヤであり劈開がないから機械的にチップを切り出して、共振器面は研磨して精度良く平坦平行面に仕上げる必要がある。それはレーザ製造歩留まりを著しく低下させる。それがＩｎＧａＮ／サファイヤ−ＬＤのコストを押し上げることになるであろう。
【０００４】
ＩｎＧａＮ−ＬＤはやはりｎ型ＧａＮ基板の上に作製するべきだと考える。ｎ型ＧａＮ単結晶基板の製造は大層難しい。本出願人はこれまで最大の努力を傾注してＧａＮ単結晶基板の製造技術を開発してきた。
【０００５】
もしもＧａＮ単結晶基板（ＧａＮウエハ）が製造できれば、その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの薄膜を成長させた場合、熱歪みが起こらないし、自然劈開によってチップ分離できるし、レーザの共振器面を自然劈開によって作製することができる。
【０００６】
ところが現在のところ劈開性に優れ、しかもクラックの発生しないようなＧａＮ基板の製造方法は存在しない。欠陥が少ないＧａＮ単結晶を製造することは極めて難しい。劈開性があり、しかも堅牢であるＧａＮ単結晶基板を作ることはさらに難しい。劈開性と堅牢さは矛盾する性質で、両立させることは困難である。
【０００７】
本発明は、レーザの共振器製造に適する劈開性に優れ、かつ製造時にクラックなどが入らず歩留まりの良い窒化ガリウム単結晶基板を製造する方法に関する。
【０００８】
【従来の技術】
本出願人は単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を製造するための数多くの発明をしている。本発明はそれらの手法を利用しているので、その幾つかを説明する。ここで述べるのはエピタキシャルラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）と、ファセット成長法、および閉鎖欠陥集合を利用する低転位化への工夫である。
【０００９】
（１） 特願２０００−５１９４６２
ＧａＡｓ基板上に離隔配置された複数の開口窓を有するマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上にＧａＮからなるエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル層成長工程とを備える事を特徴とする単結晶窒化ガリウム基板の製造方法である。
【００１０】
この時マスク層の開口部でＧａＮ核が形成され、このＧａＮ核が次第にマスク層上の横方向に向かって、ラテラル成長する。ＧａＮ核がラテラル成長するときにＧａＮ核内の欠陥は広がらないため、結晶欠陥が大幅に低減された単結晶窒化ガリウム基板を形成することができる。これはエピタキシャルラテラルオーバーグロース（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法と呼ばれており、ＧａＮ製造ではよく知られている。
【００１１】
サファイヤ基板の上に成長させるＥＬＯについては他にもたくさんの文献が知られている。いずれもサファイヤ基板の上にＥＬＯ法を適用するものである。サファイヤ基板の場合は基板を付けたままＩｎＧａＮ発光素子を作製する。ＧａＮ系薄膜を成長した試料からサファイヤ基板を除去することはできない。サファイヤ基板が付いたままのデバイスとなる。だから硬いサファイヤをダイシングするという困難な作業が必要になる。
【００１２】
本出願人はＧａＡｓの（１１１）結晶を基板に用いる。ＧａＡｓ基板を用いるとＧａＮを厚膜成長させＧａＡｓ下地基板を除去してＧａＮの自立単結晶膜を生成する可能性がある。だからＧａＡｓを下地基板とするということはＧａＡｓ付きのＩｎＧａＮ発光素子を作るというのではなくてＧａＮ自身の単結晶基板を作るということが目的になる。その単結晶基板がＩｎＧａＮ系発光素子製造の出発基板となりサファイヤ基板を置き換えようとするものである。
【００１３】
マスクは例えば１〜２μｍ直径の正六角形、円、正方形、帯状などの形状の窓を１〜２μｍ間隔で６回対称の位置に置いたものである。マスクはＧａＮの成長を抑制する作用があるので、ＧａＮは個々の窓内で独立に核発生する。窓面をＣ面とするような核が発生する。窓を満たしたＧａＮ薄膜はさらにｃ軸方向に成長し窓と同じ高さまでのびる。転位は成長とともに縦方向に延びる。窓を越えるとマスクの上を這うように成長するから、成長が横方向（ａ軸、ｂ軸、ｄ軸方向）になる。転位は成長方向と一緒であるから転位の延長方向も横方向になる。これがラテラルオーバーグロースということである。隣接窓から延長したＧａＮが窓の丁度二等分線のところで衝突する。そのときに転位が１８０度で正面衝突するから転位がここで打ち消し合って大幅に減少する。その後は成長方向が再び上向き（ｃ軸方向）になる。上向き成長とともに転位も上向きに成長する。
【００１４】
図１によってラテラルオーバーグロースを順序だてて説明をする。図１（１）は基板２の表面断面図である。基板２はＧａＡｓ、サファイヤなどの単結晶の基板である。図１（２）のように基板２の上にＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの薄いマスク３を形成している。マスク上にはＧａＮが成長しにくい。つまり成長抑止作用がある。マスク３には規則正しく多数の開口部４（窓）が穿たれる。開口部４から基板表面が露呈している。ＧａＮをＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法、昇華法などで薄膜形成する。
【００１５】
図１（３）に示すように開口部４の基板２上だけにＧａＮ結晶核５が孤立して形成される。さらに成長が進むと、図１（４）のように窓４の内部で島状の結晶核が合体して薄い膜状結晶６になってくる。マスクの厚みは８０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の薄いものである。薄膜結晶６の表面はＣ面でありｃ軸方向に成長している。やがてＧａＮの結晶６はマスク３の厚みと同じ厚さになる。さらにＧａＮの成長が進行するが、マスクの上にはなかなか成長せず、開口部４の上の結晶の上にどんどんと積み重なってゆく。するとＧａＮ結晶７は錘状に成長する。錘状ＧａＮ結晶７の表面はある低面指数の結晶方位面である。それをファセット面と呼ぶ。ファセットというのは本来カットした宝石の結晶面を意味する広義の言葉であるが、ここではより狭い意味で用いる。
【００１６】
ファセットというのはＣ面成長の場合に、Ｃ面以外の結晶面が表面に現れた場合にそれを指して言う言葉である。結晶面というのはミラー指数（整数）によって表現される面でありランダムな平面ではない。Ｃ面成長している場合Ｃ面自身も結晶面の一つであるがＣ面だけを除外し表面に実際に出現した結晶面をファセットと言うのである。それは｛−１１０１｝面、｛２−１−１２｝面などである。通常、結晶成長というのは結晶方向に垂直平面の表面（鏡面）をもって成長させるものである。Ｃ面を維持しながら成長させる場合それをＣ面成長と呼ぶ。ｃ軸方向に成長させるが表面にＣ面以外のファセットを保有しながら成長させるとき、それをファセット成長と呼び、Ｃ面（鏡面）成長と区別する。
【００１７】
成長結晶はその面に平行な方向に層状に積み重なって成長する。結晶中に縦線で示しているのは転位Ｄである。ＧａＮ結晶は膨大な数の転位を含み縦方向に延びてゆく。図１（５）での成長はＣ面成長でなくてファセット面成長である。マスクの開口部いっぱいになるとそれ以上に高くなれないので、ＧａＮ結晶はマスクの上へ横方向へのびてゆく。
【００１８】
図１（６）ではそのような途中の状態を示している。横方向へ延びた結晶のファセット面８の先端はマスクの上を進む。やがて隣接窓から延びて来たものと接触する。ぞれが図１（６）の状態である。これもファセット面８の上に成長しているのでファセット成長である。しかし短い間のファセット成長であり基本的にはＣ面成長である。結晶の頂面９は平坦面となる。隣接結晶の間はＶ溝となる。転位は折れ曲がり、この方向に延びる。隣接窓の間にできるＶ溝がだんだんにうずまってゆく。図１（７）のように両方から延びた結晶が衝合面２０で衝突する。衝合面２０で転位がぶつかるので消滅するものもあり転位密度が一時的に減少する。それがラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）の利点である。
【００１９】
その後は上方へ向けて成長する。転位Ｄは上向きにのびてゆく。上面２３は平坦なＣ面である。だからそれはＣ面成長である。つまりＥＬＯ法は殆どはＣ面成長を採用する。それを図１（８）に示す。その後、厚い結晶を成長させて、基板２とマスク３を除去するとＧａＮ単結晶の自立膜となる。それはＧａＮの単結晶基板である。図１に示したようなＧａＮのラテラルオーバグロース法（ＥＬＯ）はよく知られている。
【００２０】
それだけでは充分に転位密度が減少しない。ＩｎＧａＮ−ＬＥＤやＩｎＧａＮ−レーザなどの基板とすることはなお難しい。自立ＧａＮ膜基板は高価なこともあって、実績あるサファイヤ基板に取って代わることはできない。さらに低転位化が望まれる。
【００２１】
（２） 特願２００１−２８４３２３（ファセット成長法）
結晶成長時の成長表面において、ファセット面からなるピットを形成し、常にピットの底に欠陥の集合である閉鎖欠陥集合領域Ｈを保持して結晶成長させ、閉鎖欠陥集合領域に転位を捕獲させることによって、その周囲の低転位単結晶部Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙ）の転位を低減させるというものである。
【００２２】
それは非常に精妙な成長方法である。閉鎖欠陥集合領域Ｈというものを結晶中に無理に作って、そこへ欠陥を集中させるものである。閉鎖というのは欠陥集合領域Ｈが閉じられているということで欠陥が再拡散しないという意味で使っている。欠陥集合領域Ｈの生成のためその他の部位は欠陥が少なくなっており、レーザの基板として好適なＧａＮ基板となりうる、というわけである。それはラテラルオーバグロースが終了した後の話しである。
【００２３】
ラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）のあと、ＧａＮは縦方向（ｃ軸方向）に成長するのであるが平滑平坦なＣ面を保持して成長するのではなく成長面が斜めのファセット面とするのである。ファセット面は斜め方向を向いたまま上向き（ｃ軸方向）に成長するので欠陥を掃引して中央部へ押しやり中央部へ欠陥を高密度に集合させる。それが閉鎖欠陥集合領域Ｈなのである。閉鎖欠陥集合領域Ｈは欠陥が高密度に集合しており、しかも閉じられた結晶部位なので閉鎖欠陥集合領域Ｈと呼ぶのである。
【００２４】
図２、図３によってそのような低転位密度への工夫を説明する。図２は結晶表面の一部の平面図であり、図３はその３−３断面図である。６角形をしているのは６角錘状のピットＰ（凹部）である。それはファセット面Ｆ１、Ｆ２、…、Ｆ６などよりなる凹部であり、中心に閉鎖欠陥集合領域Ｈがある。基板２の上に種（遮蔽層）Ｅを形成しておいて、その上にＧａＮをファセット成長させると、種Ｅに続いて欠陥が高密度に凝縮した閉鎖欠陥集合領域Ｈが成長する。その周囲のファセット面Ｆに続いて成長する部分は抵抗率が低く転位が少ない良質の単結晶である。それは閉鎖欠陥集合領域Ｈに隣接しそれに付随して生ずる。それでその良質の単結晶領域のことを本発明者は単結晶低転位随伴領域Ｚと名付けた。それは閉鎖欠陥集合領域に随伴して出現し低転位であって単結晶だから、そのように言うのである。それはファセット成長した部分であって、Ｃ面成長でない。
【００２５】
隣接ピットＰ、Ｐの間には平坦面の部分が存在する。その平坦面の部分はもとの基板面に平行なＣ面を表面としてもつ。それも単結晶であって低転位である。しかしそれはファセット面の下にファセット成長したのではなくて、Ｃ面成長したのである。電気抵抗は高くてファセット面成長した単結晶低転位随伴領域Ｚとは区別される。単結晶低転位随伴領域Ｚは閉鎖欠陥集合領域Ｈに伴って生じるが、Ｃ面成長する部分は単結晶低転位随伴領域Ｚの外側に、その余りの領域として発生するので単結晶低転位余領域Ｙと呼ぶことにする。単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙを合わせて低欠陥単結晶領域Ｕと呼び、いずれも欠陥集合領域Ｈを中心として単結晶で低転位化した部分である（Ｕ＝Ｚ＋Ｙ）。以後、閉鎖欠陥集合領域Ｈを欠陥集合領域Ｈと簡単に呼ぶこともある。
【００２６】
ラテラルオーバーグロース法（ＥＬＯ）の説明でも述べたがＧａＮには多大の転位密度が発生する。ラテラルオーバーグロースで少し減る（１０１０ｃｍ−３〜１０８ｃｍ−３）がまだまだ多すぎる。転位は成長とともに上方向に延びる。ファセット成長を維持するとＦ１、Ｆ２の面で転位は左右に振り分けられて境界線に集まる。さらにファセット成長をすると境界線に集まった転位は中心に集まる。中心に転位が集まるので、それが閉鎖欠陥集合領域Ｈとなるのである。上向きのロート型の形をしたピットがそのように転位を中心に集めてしまう作用があるのである。
【００２７】
転位は簡単には消滅しない。が、中心に凝集するのでその他の部分の転位密度は減少するわけである。中心の閉鎖欠陥集合領域Ｈには単結晶、反転結晶とか粒界とかが高密度で存在する。それは転位の塊である。その外側から転位が除去されてすぐ隣りのファセット面Ｆの下の単結晶低転位随伴領域Ｚは低転位になるのである。単結晶低転位随伴領域Ｚが低転位になると、その隣りの単結晶低転位余領域の転位がしだいに引き寄せられてピットＰに入る。ピットＰの中でファセット面に掃き寄せられて、境界線から中止線へと転位が凝集してゆくのである。だから残りの単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙでの転位密度は１０６ｃｍ−３〜１０５ｃｍ−３に減る。
【００２８】
孤立した閉鎖欠陥集合領域Ｈの周りには同心状にＨＺＹの構造ができる。種Ｅを基板上に予め作っておけば、種Ｅと同一の箇所に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。図２のように規則正しくＨＺＹを構造を作るには最初に基板２の上に規則正しく種Ｅを形成しておけば良いのである。そのように規則正しく種Ｅを配置して同じパターンの閉鎖欠陥集合領域Ｈの集合を作製したものがドット型である。
【００２９】
閉鎖欠陥集合領域Ｈを作るために始めからＧａＡｓ基板の上にＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｍｏなどの異種材料の種を載せるということもする。異種材料の上にはＧａＮが成長しにくいから成長が遅れ、それがファセットピットの位置になる。つまり異種材料の種からファセットピットが発生する。ファセットピットは先述のように転位を掃引して中へ中へと転位を引き込み、中心に先述の閉鎖欠陥集合領域Ｈを形成する。だから始めにＧａＡｓ基板に配置した異種材料種の位置によって閉鎖欠陥集合領域Ｈの位置を指定することができる。
【００３０】
だから始めの孤立した種（円、正方形）の配置をランダムにしておけば閉鎖欠陥集合領域Ｈは結晶中ランダムな配置をして分布する。これをランダム型と呼ぶ。
【００３１】
始めの孤立した種の分布を基板上縦横に規則正しく配置しておけば、その上に成長したＧａＮは同じ規則性をもつ閉鎖欠陥集合領域Ｈを有するにいたる。そのように閉鎖欠陥集合領域Ｈが規則正しく孤立して存在するものをドット型と呼ぶことにする。ドットというのは閉鎖欠陥集合領域の平面形状が孤立した点（円とか正方形、正六角形）であるからドットと呼ぶ。それ自体に規則正しく配列したという語感はないのであるが、ここでは規則正しく配列したものをドット型と呼ぶ。
【００３２】
図４はドット型マスクのＧａＮを製作するための基板２上の種Ｅの配置を示す。そのように縦横に規則正しく種Ｅを形成しファセット成長させれば種Ｅの上に規則正しく閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心とする同心のＨＺＹ構造が発生する。マスクは被覆部と開口部からなるが、この例では被覆部は種Ｅであり、開口部は種Ｅのない部分である。下地基板上の種ＥとＧａＮ結晶中の欠陥集合領域Ｈは合致するので図４のドット状のＥは閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布とみなすこともできる。
【００３３】
図５は寸法が異なる種Ｅをランダムに配置したマスクを示す。ランダムマスクによってランダムに分布する欠陥集合領域ＨをもつＧａＮ結晶を作ることができる。その場合でも欠陥集合領域Ｈを中心として同心のＨＺＹ構造が形成される。だから図５はランダムマスクの平面図であるが、ランダムマスクを使って成長したＧａＮ結晶の欠陥集合領域Ｈの分布を示す平面図とも言える。マスクの被覆部（種Ｅ）と欠陥集合領域Ｈの寸法はほぼ同じであり位置は種Ｅによって決まるので、そのような対応がある。
【００３４】
しかしランダムな欠陥集合領域Ｈの分布は、種が全くなくて細かい窓からなるＥＬＯマスクだけでも生成することができる。ＥＬＯマスクをしたＧａＡｓ基板の上にファセット成長条件を保持してＧａＮを成長させると、図５のようなランダム分布する欠陥集合領域Ｈを有するＧａＮ結晶ができる。その場合もＥＬＯマスクだけではだめでファセット成長条件が必須である。
【００３５】
ＧａＮ結晶は透明である。閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚはそのままでは区別できない。ＣＬ（カソードルミネセンス）によって初めて見える区別である。
【００３６】
種Ｅをマスクとして作製するというだけなら話は簡単であるが、実際にはラテラルオーバーグロースと併用するということになる。するとマスクが２種類存在するということになり複雑になる。ラテラルオーバーグロースのマスクは穴が小さく周期も小さいが、ファセット成長の種のマスクは大きくて間隔も広い。ＥＬＯマスクは１〜２μｍ程度の窓、間隔が並ぶ。欠陥集合領域Ｈ生成のためのマスクは数十μｍ〜数百μｍの周期で被覆部、開口部が並ぶ。だから寸法の上で数十〜数百倍の相違がある。
【００３７】
ファセット成長の種となるマスクは被覆部と開口部とよりなる。その開口部にＥＬＯのマスクが設けられるということになる。
ファセット成長用マスクを大マスクと呼び、ＥＬＯマスクを小マスクと呼んで区別しよう。大マスクの開口部に小マスクが相補的に設けられるという訳である。
【００３８】
図１１はそのような２重構造のマスク２２の例を示す。ドット型マスク２２は２重の周期性をもつ。数多くの小さい正六角形窓が図１に現れる窓（ＥＬＯ用開口部）４である。それはごく狭い窓４で１μｍ〜２μｍの直径、１μｍ〜２μｍといった狭い被覆部３とよりなる。小さいピッチで６回対称の位置に設けられたラテラルオーバーグロースのための窓４と被覆部３である。
【００３９】
それに対して大きい被覆部２７（Ｅ）が大きい周期をもって規則的に存在する。その被覆部２７が閉鎖欠陥集合領域Ｈの種Ｅである。被覆部２７（種Ｅ）は直径が１０μｍ〜５０μｍと大きくて周期も１００μｍ〜４００μｍというように広い。大きいパターンの開口部は被覆部２７以外の広い領域を意味する。大パターンの開口部はＥＬＯパターンによって覆われており最早開口部とは言えないが大パターンという立場から見れば開口部である。大パターンの開口部、被覆部は、基板の上に形成するＬＤ、ＬＥＤなど発光デバイスの大きさに合わせて形成するものである。だから目的のデバイスによってその大きさやピッチ（周期）を適宜変更すればよい。
【００４０】
図１１では小パターンであるラテラルオーバーグロース用のマスクと、閉鎖欠陥集合領域Ｈの種（Ｅ）を区別しやすくするために種Ｅは縦、横４つずつしか書いていないが実際には、図４のように種２３（Ｅ）は基板上縦横に多数形成するのである。ＥＬＯの窓も実際にはもっと細かくて下地基板の上にもっと数多く存在する。ここでは窓も大きく書いているが、ＥＬＯ（小パターン）の窓の周期の数十倍〜数百倍の周期で種パターン（大パターン）が設けられる。ここではラテラルオーバーグロースの遮蔽部３のマスク材料と閉鎖欠陥集合領域Ｈの種Ｅの材料を同一のものにしているから図形が複雑になっている。が、それは異種物質にしてもよい。
【００４１】
遮蔽部３は種Ｅよりも強くＧａＮ結晶成長を抑制する作用がある方が良いということが分かってきた。反対に種Ｅが結晶成長を抑制する作用が強すぎると閉鎖欠陥集合領域Ｈが充分に形成できないし、たとえ形成できても途中で切れてしまうということがありうる。
【００４２】
それでラテラルオーバーグロースの遮蔽部３はＳｉＯ２、ＳｉＮなどの誘電体として、閉鎖欠陥集合領域Ｈの種ＥはＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉなどの金属とする。
【００４３】
ところが種Ｅを無理に作製しておかなくても、ファセット成長を維持して（Ｃ面成長しないで）ゆくのであれば、どこかで閉鎖欠陥集合領域Ｈが自然発生的に生ずる。どこかで閉鎖欠陥集合領域Ｈが発生すると、それが維持されて縦に延びるのでやはり閉鎖欠陥集合領域Ｈの周囲にＨＺＹの同心構造ができるのである。どこで発生するかというと、それは偶然によって決まる。だから閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心とする同心ＨＺＹ構造の分布はランダムになる。
【００４４】
図５はそのように偶然的に発生した閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布の例だとも言える。閉鎖欠陥集合領域Ｈは自由エネルギーの不均一のある場合に偶発的に生ずるのであってその大きさや分布は偶然で決まる。しかし図５のようなランダム分布する種Ｅを基板２の上に形成しておいてファセット成長させても同様のものが得られる。
【００４５】
種Ｅがあるときでもないときでも閉鎖欠陥集合領域Ｈは時に消滅することがある。ファセット成長でなくＣ面成長になるとそのような閉鎖欠陥集合領域Ｈは一旦消滅し凝集して転位群はほどけてしまって周囲にばらけてしまう。再び周囲の結晶は高転位となるのである。それは困るのでファセット成長を維持するように細心の注意をしてＧａＮ結晶を監視する必要がある。ファセット成長はＣ面成長に比べて相対的に低温で行う。ファセットピットを常に観察してピットが消えるような兆しがあれば温度を下げてファセット成長の条件を強化するようにする。
【００４６】
そのように転位の凝集を維持するファセット成長が鍵となる。それはｃ軸方向に成長するのであるがＣ面成長ではない。Ｃ面でなくてファセット面成長なのである。ファセットピットの底に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。そのすぐ周囲はファセット面に続いて成長した部分であり、それは単結晶低転位随伴領域Ｚである。それはその部分が単結晶であり、低転位であり、閉鎖欠陥集合領域Ｈに随伴して生ずるからそう呼ぶのである。ここが良好な単結晶でありレーザの基板として有用な部分である。
【００４７】
単結晶低転位随伴領域Ｚはｃ軸方向に成長するのであるが、Ｃ面成長でない。といっても閉鎖欠陥集合領域Ｈとその廻りの単結晶低転位随伴領域Ｚは円柱状（正しくは正六角柱状か正１２角柱）で成長するから、どうしてもそれから取り残された部分がある。それはファセット成長できずＣ面成長となる。Ｃ面成長する部分は単結晶で低転位であるがＣ面成長なので単結晶低転位随伴領域Ｚとは少し違う。何より抵抗率が高い、という特徴がある。それはＣ面成長するからであり、円柱などから取り残された部分であるから、それを単結晶低転位余領域Ｙと呼ぶことにする。単結晶低転位余領域Ｙも低転位であるが抵抗率が高い。
【００４８】
そのような違いはどうしてできるのかというと、それはファセット面には酸素がドープされて、それがｎ型不純物となり低抵抗になるが、Ｃ面には酸素がドープされず高抵抗となる、ということである。本発明とは直接の関係がないのであるが単結晶低転位余領域Ｙと単結晶低転位随伴領域Ｚの違いがあること、その原因は何であるかということを述べた。
【００４９】
ＺとＹを合わせて低欠陥単結晶領域Ｕということもある。低欠陥単結晶領域Ｕは欠陥集合領域Ｈに付随するものであり、本発明では面積が問題になるが、その場合の面積は、欠陥集合領域Ｈとそれに付随する低欠陥単結晶領域Ｕの合計を面積とする。
【００５０】
ファセット面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６は｛１−１０１｝面あるいは｛２−１−１２｝面などである。ここで波括弧の｛１−１０１｝というのは面の集合表現であり、６つの対称な個別表現（１−１０１）、（−１１０１）、（０１−１１）、（０−１１１）、（１０−１１）、（−１０１１）を含む。同様に波括弧の｛２−１−１２｝というのは、６つの対称な個別表現（−１−１２２）、（１１−２２）、（１−２−１２）、（−１２１２）、（２−１−１２）、（−２１１１）を含む。両方の面方位が混在する場合は十二面体の角錐状となる。
【００５１】
（３） 特願２００１−３１１０１８（ストライプ型）
これも結晶中の所定の位置に平行ストライプ状欠陥集合領域Ｈを積極的に作り出し、その周辺にファセット面Ｆを維持して成長させ、欠陥を伝搬させ閉鎖欠陥集合領域Ｈに収束させる。そこは前述のものと同様である。違うのは、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｍｏなどの種を平行帯状（ストライプ）に配置し、閉鎖欠陥集合領域Ｈをも平行帯状に発生させるということである。
【００５２】
図６にストライプ構造を作り出すためのマスクを示す。マスク２４は数多くの平行な遮蔽部（種Ｅ）２５とその間に存在する数多くの平行な開口部２６よりなる。この図で遮蔽部２５、開口部２６の延長方向をｘ方向とする。基板の結晶方位により、その上に成長するＧａＮ結晶の方位が決まる。ストライプと直交する方向に劈開面｛１−１００｝ができるようにストライプ状遮蔽部２５（種Ｅ）の方位を選んで基板２の上に形成する。基板２、マスク２４の上にＧａＮをファセット成長させる。図７のように平行な閉鎖欠陥集合領域Ｈが遮蔽部２５の上に生ずる。欠陥集合領域Ｈの両側に平行な多数の単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが発生する。それはストライプマスクに対応したストライプとなっている。図８は同じものの断面図であり基板面に垂直に欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが成長していることが分かる。図７では図６を９０度回転してあり、ｘ方向が上向きになる。
【００５３】
遮蔽部２５（種Ｅ）の両側にファセット面が生ずる。それはもはや正六角形とか正十二角形ではない。図８の断面図に示すようにＶ溝のようになる。ファセット面ピットＰが錘状にならず平行なＶ溝となる。平行な種２５（遮蔽部Ｅ）の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈがのびる。Ｖ溝の斜壁ファセット面Ｆの下に連続して単結晶低転位随伴領域Ｚが成長する。隣接Ｖ溝の境界である狭い平坦面はＣ面である。Ｃ面成長する部分は単結晶低転位余領域Ｙである。ファセット成長の条件や遮蔽部２５の間隔によってＣ面成長する単結晶低転位余領域Ｙができないこともある。図７のように単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚの部分が平行にできる。
【００５４】
そのようにすると閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙが平行に規則正しく並び、ＨＺＹＺＨＺＹＺＨＺＹＺＨＺＹＺ…というようになる。欠陥は帯状のＨの部分に集中して蓄えられる。その両側の単結晶低転位随伴領域Ｚは単結晶であり、低抵抗であり低転位である。それはレーザ用基板として最適である。レーザの幅に合わせてストライプの幅を決めることによって、一つのストライプから一群のレーザを取ることができる。そしてＨの部位で切ってその部分を用いないようにすれば欠陥は実効的に排除できたということになる。レーザの幅を４００μｍだとすれば、ＨとＨで挟まれるＺＹＺの部分の幅を４５０μｍとか５００μｍ程度にすればよい。図６にそのようなストライプ型のマスク２４を示す。種Ｅとして直線状被覆部２５を平行に多数設けたマスクである。ＧａＮ成長をさせると直線被覆部２５の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈが成長する。
【００５５】
ＧａＮの劈開面は｛１−１００｝面であるが、その何れかをそのストライプと直交するようにすれば、レーザチップの分離を自然劈開によって行うことができる。それは共振器面となるので平坦平滑面を簡単に形成することができる、という利点がある。
【００５６】
このように閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚが平行に並ぶものをストライプ型と呼ぶことにする。ドット型は孤立した欠陥集合領域Ｈが規則正しく二次元的に配列され、ストライプ型は線状の欠陥集合領域Ｈが平行に多数規則正しく並んでいる。欠陥集合領域Ｈの分布に規則性のないものをランダム型と呼ぶ。
【００５７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで閉鎖欠陥集合領域Ｈを利用した３種類のＧａＮの単結晶を製造する方法を紹介した。閉鎖欠陥集合領域の分布に関し、従来例（２）はドット型、ランダム型を提案している。（３）はストライプ型を提案している。
【００５８】
ファセット成長させたＧａＮ結晶はそのように３種類の異なった部位、
閉鎖欠陥集合領域Ｈ
単結晶低転位随伴領域Ｚ
単結晶低転位余領域Ｙ
【００５９】
からなる単結晶である。単結晶といっても単結晶低転位余領域Ｙ＋単結晶低転位随伴領域Ｚは単結晶（低欠陥単結晶領域Ｕ）であるが、閉鎖欠陥集合領域Ｈはそうでない。しかしレーザの基板として閉鎖欠陥集合領域Ｈを使わなければ良いのである。
【００６０】
上記の出願はいずれもファセット成長による閉鎖欠陥集合領域の分布を利用して転位を減少させる方法を提案している。閉鎖欠陥集合領域Ｈの分布によって、簡単にランダム型、ドット型、ストライプ型という。ドット型、ランダム型は閉鎖欠陥集合領域Ｈを中心として同心状に単結晶の単結晶低転位随伴領域Ｚと単結晶低転位余領域Ｙをもつ。その分布が規則的なものをドット型、ランダムなものをランダム型と呼ぶ。いずれもＨＺＹの同心構造である。ストライプ型は帯状にＨＺＹＺＨ…という構造が連続する。いずれも巧妙なＧａＮであるが、なお難点をもっている。それを述べる。
【００６１】
［１．ストライプ型の欠点］
（３）特願２００１−３１１０１８の幅を持った直線状の欠陥集合領域Ｈとその両隣のファセット面からなる幅をもった直線状の低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｙから形成されるようにしたＧａＮ成長方法（ストライプ型）では、劈開性が著しく改善される。ＨＺＹＺＨＺＹ…というように平行帯状にそのような領域を意図的に形成し、ＺＹＺの部分にレーザチップがくるようにウエハプロセスでレーザを作製すればよい。レーザの中心部分（活性層：ストライプ）がＨにかからないように規則正しくレーザを作製することができる。がウエハプロセスが終ると、ＺＹＺの辺と直交する方向（劈開面）にスクライブしてＨの部分をも切りとり、チップに切り出す。レーザの共振器面が劈開面となる。それはレーザチップを切り出すときに特に便利な性質である。さらに共振器面を劈開面にできて便利である。
【００６２】
そのような利点があるが、反面結晶が弱くて、成長後、下地除去、研磨、ウエハプロセスにおいて、結晶基板にクラックが発生しやすいという問題が存在する。ストライプ型はストライプと直角の方向に簡単にクラックが生ずる。図９にその様子を示す。黒地の部分が閉鎖欠陥集合領域Ｈでありその両側に単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙがある（単結晶低転位余領域Ｙはないこともある）。劈開面はストライプに直交するように存在する。そのために劈開面に平行なクラック３０が入る事が多い。クラック３０はストライプに直交する。クラック３０のためにウエハが破断することもある。クラック３０は直径全部に及ぶ長いものである。１本のこともあり２本以上のこともある。
【００６３】
ＧａＮは本来硬く脆い結晶である。ストライプ型の場合、結晶成長後の冷却時に発生する熱応力やＧａＮ基板加工時に発生する応力によりＧａＮ基板外周よりクラックが発生する。ときに割れてしまうこともある。単結晶成長し冷却し研磨したときに割れるということがある。
【００６４】
甚だしい場合は単結晶成長して冷却しただけでウエハ面にクラックが発生することもある。その場合はそもそも丸いウエハそのものが製造できない。たとえＧａＮウエハになってもレーザデバイスをウエハプロセスによって製作したときに熱応力などの作用で破断してしまう。
【００６５】
そのように脆くて割れ易いのでは、とてもその上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長させ、チップに切り出してレーザデバイスとすることができない。だから極めて歩留まりが悪いということである。
【００６６】
［２．ドット型、ランダム型の欠点］
（２）特願２００１−２８４３２３の成長方法では、欠陥の集合した芯Ｓに応力が集中するが、この芯はＧａＮ基板上にランダムあるいは規則的に孤立して存在する。閉鎖欠陥集合領域、ファセットの分布が直線状でないので、劈開面が一様でない。劈開面に対して閉鎖欠陥集合領域Ｈ、単結晶低転位余領域Ｙ、単結晶低転位随伴領域Ｚが非対称に存在し、閉鎖欠陥集合領域に非対称に応力が加わる。劈開に対して非対称に応力が加わるため綺麗に劈開せず切り口がギザギザになる。つまり劈開性が悪いという問題があった。
【００６７】
ＧａＮの劈開面は｛１−１００｝面であり、その方法で作られたものは全体として単結晶であるが閉鎖欠陥集合領域Ｈの部分は単結晶でない。閉鎖欠陥集合領域Ｈの中は多結晶かもしれないし、単結晶であっても方位が別の部分とは反転しているのかもしれない。とにかく閉鎖欠陥集合領域Ｈはすぐに隣接する単結晶と格子構造が連続していない。非連続である。だから、ある劈開面にそって劈開しようとしても、その延長線上に閉鎖欠陥集合領域があり切断線がそれに衝突すると綺麗に劈開できない。閉鎖欠陥集合領域で格子が不連続であるから連続して劈開しなくなる。その部分で切断ができないということもある。閉鎖欠陥集合領域を迂回して切断されることもある。
【００６８】
そうなると劈開といっても劈開面が綺麗な切断面とならない。ギザギザになってしまったり閉鎖欠陥集合領域のところから斜めに割れてしまったりする。だからランダム型、ドッド型は劈開が不完全であるという難点がある。レーザ用の基板とする場合それは不都合なことである。
【００６９】
反面、それはクラックが発生しにくい結晶でもあった。クラックというのは綺麗に劈開面で切断してしまう現象であるから、ランダムに閉鎖欠陥集合領域が分布した結晶は劈開面がどこかで閉鎖欠陥集合領域に衝突し、そのために劈開が妨害される。だからクラックが発生しようとしても閉鎖欠陥集合領域Ｈによってすぐにくい止められる。だから破断するということはない。つまりランダム型、ドット型は機械衝撃、熱衝撃に強く容易に破断せず研磨やその他のウエハの加工においても堅牢、頑健であって破壊されない。それはドット型、ランダム型の著しい利点である。
【００７０】
そのようにストライプ型は劈開性に優れるが脆くてクラックが発生し易く、ランダム型、ドット型は堅牢であってクラックはできないが劈開性に劣る。
【００７１】
劈開性に優れかつクラック、破断などの難点のない丈夫なＧａＮウエハを製造する方法を提供することが本発明の第１の目的である。
多数のレーザチップをその上に製作し劈開によってチップに切り出すことができるようなＧａＮウエハの製造方法を提供することが本発明の第２の目的である。
【００７２】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶窒化ガリウム基板は、開口部と被覆部が規則的に繰り返し外周部Ｒも中央部Ｑも同一である周期性大パターンを有し大パターンの開口部に外周部Ｒでは周期性大パターンの周期より狭い一定の間隔Ｓｒで周期的に繰り返す窓Ｗｒを有し中央部ＱではＳｒより短い一定の間隔Ｓｑで周期的に繰り返す窓Ｗｑを有する（Ｓｒ＞Ｓｑ）ラテラルオーバーグロース用（ＥＬＯ）小パターンを有する複合マスクを出発基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成し、ファセットを維持しながら窒化ガリウムを気相成長させることによって、不規則に分布した欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆ、規則的に配列した欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇを含む窒化ガリウム結晶を成長させ、不規則に分布した欠陥集合領域Ｈｆとその隣接低欠陥単結晶領域Ｕｆの合計の不規則面積Ｆが、規則的に配列した欠陥集合領域Ｈｇとその隣接低欠陥単結晶領域Ｕｇの合計の規則面積Ｇと不規則面積Ｆの合計である全体面積（Ｇ＋Ｆ）に占めるランダム面積比Ｍが、外周部Ｒよりも中央部Ｑで低くなるようにし（Ｍｑ＜Ｍｒ）、所定の厚みに達すると成長を中止し、出発基板やマスクを除去して製造されるものである。
【００７３】
中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑは１０％以下である（Ｍｑ≦０．１）。より望ましくは中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑを０〜１％とすることである（０≦Ｍｑ≦０．０１）。
【００７４】
外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒは１０％以上とするのが良い（Ｍｒ≧０．１）。より好ましくは、外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒを３０％〜７０％とする（０．３≦Ｍｒ≦０．７）。
【００７５】
ランダム面積比Ｍというのは、不規則分布をする欠陥集合領域Ｈとそれに伴う低欠陥単結晶領域Ｕの部分の面積が全体面積に占める割合である。これが大きいと劈開性が減少し強度が増す。ランダム面積比Ｍが低いと劈開性が明確になり素子分離や、レーザの共振器形成に適している。
【００７６】
外周部Ｒはランダム面積比Ｍを高くして強度を高めている。外周部Ｒでのランダム面積比Ｍは１０％以上とする。より好ましくは３０％〜７０％とする。外周部Ｒはランダム面積比Ｍが高いので堅牢であり破断しない。だからランダム面積比Ｍの高い外周部Ｒは補強効果をもつ。外周部Ｒが中央部Ｑを補強するのである。外周部Ｒは補強効果はあるが劈開性を犠牲にしており性能の良いレーザなどの光素子をそこから作り出す事ができない。つまり光素子の基板という意味では無駄になるが中央部Ｑを補強するという積極的な役割があるので、それで良いのである。
【００７７】
反対に中央部Ｑではランダム面積比Ｍが低く、１０％以下とする。好ましくは１％以下が良い。ランダム面積比Ｍが低いので劈開性が強く現れ自然劈開によるチップ分離が可能になるしレーザ共振器ミラーを劈開面によって形成できる。ウエハの中央部Ｑにレーザ、発光ダイオードを歩留まり良く形成することができる。そのままでは研磨時、搬送時、ウエハプロセスにおいてクラック、割れ、破断などの可能性があるが外周部Ｒによる補強効果によって割れ、破断などが起こらなくなる。そのような内外の相補性が本発明の特徴である。
【００７８】
ＥＬＯマスクの窓の間隔Ｓを中央部Ｑと外周部Ｒで異ならせることによって不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈの比率を中央部Ｑと外周部Ｒで異なるものにしている。間隔Ｓの定義を図２１によって説明する。図２１では窓は正六角形であって正三角形の集合の隅部に正六角形窓が位置するようなＥＬＯパターンとなっている。しかし窓の形状は丸、正方形、正三角形、帯状など任意である。窓の配列の対称性はこのように６回回転対称と限らない。４回回転対称、３回回転対称、２回回転対称などでもよい。
【００７９】
図２１において上側のより大きい寸法の窓が規則配列しているのが外周部ＲにおけるＥＬＯ窓Ｗの配置である。間隔Ｓというのは隣接窓の縁から縁までの距離である。それだけでは窓配列は決まらない。窓の大きさを示すパラメータが必要である。窓の直径Ｗもパラメータとなる。外周部Ｒでの窓間隔Ｓｒ、窓直径Ｗｒは、中央部Ｑでの窓間隔Ｓｑ、窓直径Ｗｑよりも大きい。Ｓｒ＞Ｓｑ、Ｗｒ＞Ｗｑである。直径Ｗは大体間隔Ｓに等しく取る。これまで窓間隔がＳｒ＞Ｓｑだという表現をしてきたが、より詳しくは、窓間隔と窓直径が、外周部Ｒで広く中央部Ｑで狭いということである。
【００８０】
Ｓｒ，Ｗｒ＝ ０．３μｍ〜６μｍ
Ｓｑ，Ｗｑ＝ ０．１μｍ〜３μｍ
最適の場合
Ｓｒ，Ｗｒ＝ ２μｍ
Ｓｑ，Ｗｑ＝ １μｍ
である。
【００８１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化ガリウム基板の中央部Ｑは規則性があって劈開性のよい結晶とし、外周部Ｒでは不規則で強度に優れた結晶として外周部Ｒによって中央部Ｑを補強するようにしたものである。窒化ガリウムウエハの中央部Ｑは劈開性がよく規則性に優れているので発光素子製造に用いることができ外周部Ｒは補強作用があり研磨工程やウエハプロセスにおいてウエハが破断しクラックが生ずることを防止する。表１に外周部Ｒ、中央部Ｑにおける欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕ、ランダム面積比Ｍなどの定義と広狭の比較を示す。
【００８２】
【表１】
外周部Ｒの幅Ｒｗには下限があり、１ｍｍ以上でなければならない。１ｍｍ以下であると補強効果が少なくてクラックが発生したり破断したりする。外周部Ｒの幅Ｒｗが大きい方が補強効果は大きい。
【００８４】
しかし外周部Ｒは無駄になる部分だから、あまり広いのは望ましくない。ウエハの直径にもよるが、経済性から外周部Ｒの幅Ｒｗは２０ｍｍ以下である。つまりＲｗ＝１〜２０ｍｍである。
【００８５】
外周部Ｒのより好ましい幅Ｒｗは２ｍｍ〜５ｍｍである。
中央部Ｑの方はランダム面積比Ｍが低い方がよい。ランダム面積比Ｍが低いと劈開性が強く現れる。劈開面があれば劈開面に沿ってチップを自然劈開することができるし、劈開した平行な面を共振器のミラー面として有効利用できる。その点でサファイヤ基板にヘテロエピタキシャル成長して形成したものよりも有利である。中央部Ｑはランダム面積比Ｍが低い方が良い。そのためには中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑは１０％以下とする。より好ましくは０〜１％のランダム面積比Ｍｑとする。そのように外周部Ｒと中央部Ｑとが相補的な性質をもつため破損、クラック、破断などが起こらず、かつ劈開性のある窒化ガリウム単結晶とすることができる。中央部Ｑと外周部Ｒの相補性が本発明の本質である。
【００８６】
そのように本発明の窒化ガリウム単結晶は中央部Ｑと外周部Ｒの同心二重構造を有する。基板上での違いはランダム面積比Ｍである（Ｍｑ＜０．１＜Ｍｒ）。そのような違いを生じさせるために本発明は特別な形状の複合マスクを出発基板の上に形成し、その上から窒化ガリウムを気相エピタキシャル成長させる。
【００８７】
本発明で用いる複合マスクは、開口部と被覆部がある周期Ｔで規則正しく繰り返す周期の長い大パターンと、大パターンの開口部においてある短い周期で繰り返す窓からなるラテラルオーバーグロース用の小パターンを組み合わせたものである。大パターンは開口部と被覆部があり、被覆部はそのままであるが、開口部にはさらに小パターンを設けるのである。小パターンはすでに説明したラテラルオーバーグロース用のパターンである。ラテラルオーバーグロース用パターンだから連続被覆部にある間隔で窓を設け開口部としたものである。
【００８８】
大パターンは外周部Ｒでも中央部Ｑでも同じである。だから大パターンの周期Ｔは外周部Ｒも中央部Ｑも同一である。
【００８９】
違いを出すために本発明は、小パターンの窓の間隔に工夫をこらしている。つまりラテラルオーバーグロースのマスクである小パターンの窓Ｗの間隔Ｓが中央部Ｑと外周部Ｒで異なる。それによってエピタキシャル成長した窒化ガリウムの欠陥集合領域Ｈの不規則部分と規則部分の面積の広さを相違させている。
外周部Ｒでの窓間隔Ｓｒの方が広くてＳｒ＝０．３μｍ〜６μｍである。
中央部Ｑでの窓間隔Ｓｑの方が狭くてＳｑ＝０．１μｍ〜３μｍである。
【００９０】
【表２】
【表３】
比較例のマスクを図１３に、本発明で用いる内外二重マスクを図１４、１５に示す。
［Ａ．ランダム型内外二重マスク（図１３）］
これはＥＬＯ（小パターン）だけを内外二重構造にしたものである。中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のある大パターン（開口部＋被覆部）が存在しないので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させても規則性のある欠陥集合領域Ｈを作り出すことができない。欠陥集合領域Ｈは図５のようにランダム分布する。これは本発明のためには用いることができないが小パターンが基本的な内外二重構造をもつものであるので図示している。
【００９３】
［Ｂ．ドット型内外二重マスク（図１４）］
これは、ドット型大パターンの開口部に、ＥＬＯ（小パターン）を内外二重構造にして設けた複合マスクである。ＥＬＯマスク（小パターン）が内外二重構造であるのは先例と同じだがドット型大パターンを持っている点でＡと相違する。ＥＬＯ（小パターン）パターンは、中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のあるドット型大パターン（開口部＋被覆部）が存在するので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させるとドット上に規則性配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを作り出すことができる。それだけでなく一部に不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕをも生成することができる。これは本発明のＧａＮ製造のために用いることができるマスクである。大パターンは内外共通だが小パターンが内外に二重の構造をもつ。
【００９４】
［Ｃ．ストライプ型内外二重マスク（図１５）］
これは、ストライプ型大パターンの開口部に、ＥＬＯ（小パターン）を内外二重構造にして設けた複合マスクである。ＥＬＯマスク（小パターン）が内外二重構造であるのは先例と同じだがストライプ型大パターンを持っている点でＡと相違する。ＥＬＯ（小パターン）パターンは、中央部Ｑ（内側）での窓の直径、間隔が狭く、外周部Ｒ（外側）での窓の直径、間隔が広い。規則性のあるドット型大パターン（開口部＋被覆部）が存在するので、これを下地基板上に形成してＧａＮをファセット成長させるとストライプ状に規則性配列する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕを作り出すことができる。それだけでなく一部に不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕをも生成することができる。これは本発明のＧａＮ製造のために用いることができるマスクである。大パターンは内外共通だが小パターンが内外に二重の構造をもつ。
【００９５】
【実施例】
規則配置した開口部、遮蔽部よりなる大パターンと、大パターンの開口部に内外で相違する小パターン（ＥＬＯ）とを有する複合マスクをＧａＡｓ基板上に形成した。マスクの上からＨＶＰＥ法によってＧａＮエピタキシャル層を成長させた。キャリヤガスとして水素ガス（Ｈ２）を用いた。原料ガスとしては、塩化水素ガス（ＨＣｌ）とアンモニアガス（ＮＨ３）を用いた。
【００９６】
初めに低温の成長温度（５３０℃）で約８０ｎｍ厚みのＧａＮバッファ層を形成した。ＧａＮバッファ層成長条件は以下のようである。
［バッファ層成長条件］
ガス流量 ５Ｌ （流速１００ｃｍ／分）
Ｇａ分圧 ２．５×１０−３ａｔｍ （０．３３Ｐａ）
ＮＨ３分圧 ０．１２ａｔｍ （１６Ｐａ）
成長温度 ５３０℃
成長時間 ２０分
成長膜厚 ８０ｎｍ
【００９７】
その後１０３０℃まで昇温して、その上に以下の条件で、ＧａＮエピ層を約３ｍｍ（３０００μｍ）成長させた。
【００９８】
［エピ層成長条件］
ガス流量 ５Ｌ （流速１００ｃｍ／分）
Ｇａ分圧 １．６×１０−２ａｔｍ （２．１Ｐａ）
ＮＨ３分圧 ０．２ａｔｍ （２７Ｐａ）
成長温度 １０３０℃
成長時間 ３０時間
成長膜厚 ３０００μｍ（３ｍｍ）
【００９９】
これによってＧａＮ／ＧａＡｓの試料を得た。それを王水でエッチングしてＧａＡｓ基板とマスクを除去した。自立した（フリースタンディング）単結晶窒化ガリウム基板を得た。これを加工、研磨して平坦なＧａＮ単結晶基板の１４種類のサンプル（試料１〜試料１４）を作製した。同じ条件の各試料はそれぞれ数十枚〜数百枚あった。
【０１００】
試料１〜１４の外周部Ｒと中央部Ｑの境界を調べ外周部Ｒの幅Ｒｗを測定した。 ＧａＮ単結晶基板サンプル（試料１〜試料１４）の中央部Ｑの規則配列する欠陥集合領域Ｈｇｑとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｇｑの面積を測定し合計面積Ｇを求めた。同様に中央部Ｑで不規則分布する欠陥集合領域Ｈｆｑとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｆｑの合計面積Ｆを求めた。Ｆを（Ｆ＋Ｇ）で割って中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑを求めた。
【０１０１】
同様に試料１〜試料１４の外周部Ｒの規則配列する欠陥集合領域Ｈｇｒとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｇｒの面積を測定し合計面積Ｇを求めた。外周部Ｒで不規則分布する欠陥集合領域Ｈｆｒとその周辺の低欠陥単結晶領域Ｕｆｒの合計面積Ｆを求めた。Ｆを（Ｆ＋Ｇ）で割って外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒを求めた。
【０１０２】
中央部Ｑにクラックが発生しているかどうかを調べた。一つでもクラックが発生していれば、それはクラック発生基板とし、全くクラックがない基板をクラック非発生基板とした。同じ試料番号について数十〜数百の試料があるので、それぞれの全体数でクラック発生基板の数を割ってクラック発生頻度Ｋを求めた。
【０１０３】
表４にそれぞれの試料１〜１４について中央部Ｑランダム面積比Ｍｑ（％）、外周部Ｒランダム面積比Ｍｒ（％）、外周部Ｒの幅Ｒｗ（ｍｍ）、クラック発生頻度Ｋ（％）を示す。
【０１０４】
【表４】
［試料１（Ｍｑ＝１００％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝０％、Ｒｗ＝０）］
これは内外二重構造をもたない。本発明の実施例ではない。図１０に示すような大パターンをもたず小パターンだけのマスク、つまり一様な細かい窓配置をもつラテラルオーバーグロース用のマスクを用いファセット成長させてＧａＮ結晶を形成したものである。内外ともに欠陥集合領域Ｈが不規則分布している。これはラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）マスクだけでファセット成長させると欠陥集合領域Ｈがランダム分布するということを示している。基板全体一様にランダム面積比Ｍが１００％であり、それは堅牢である。クラックは発生しない。その点では最も優れたものであるが中央部Ｑで劈開性がないからレーザ素子、ＬＥＤ素子の基板としては適しない。
【０１０６】
［試料２（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＜１％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０）］
これも内外二重構造をもたない。これも本発明の実施例でない。規則配置した開口部と被覆部からなる大パターンと、その開口部に細かい一様窓配置をもつ小パターン（ＥＬＯ）をもつ複合マスクをＧａＡｓ基板に形成してＨＶＰＥ法によってＧａＮを成長させたものである。小パターンの間隔が内外一様であるから内外の二重構造が発生しない。外周部Ｒでもランダム面積比Ｍが１％以下であり欠陥集合領域Ｈが規則正しく並び劈開性がある。それだけに弱くてクラック発生頻度Ｋが９０％となっている。一様マスクによる手法で作製されたものは破損し易く弱いということである。
【０１０７】
［試料３（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これは内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付けて、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えば図１４のようなドット型に種Ｅを設けた複合マスクを用いる。あるいは図１５のようなストライプ型に種Ｅを平行に設けた複合マスクを用いる。
【０１０８】
クラック発生頻度は９０％というように高い。それは外周部Ｒが狭すぎるからである。外周部Ｒの幅はＲｗ＝０．１ｍｍである。それが狭すぎて補強効果が不十分だということである。それと外周部Ｒのランダム面積比Ｍが１００％というのがかえって良くないということを示唆している。
【０１０９】
［試料４（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１００％、Ｋ＝７０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付けて、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えば図１４のようなドット型に種Ｅを設けた複合マスクを用いる。あるいは図１５のようなストライプ型に種Ｅを平行に設けた複合マスクを用いる。
【０１１０】
クラック発生頻度は７０％というようになお高い。クラック発生頻度が７０％でも使えるが、より低い比率の方が望ましい。
外周部ＲはＲｗ＝４ｍｍであって充分な広さをもっている。
【０１１１】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１００％で、１％以下の中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑというように違いすぎるので、組織の状態、成長速度、反りなどが内外で大きく異なり内外の境界に大きな応力が発生し、それがクラックを誘引しているのであろう。試料４は内外のランダム面積比Ｍの違いが余りに大きすぎてもいけないということを意味する。
【０１１２】
しかし外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１００％が全く禁止されるということではない。中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑが１０％というように大きければクラック発生頻度はより低くなって実用的なものになる。
【０１１３】
［試料５（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝８０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。試料３、４と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１４】
クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭いから補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。
【０１１５】
［試料６（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝８０％、Ｋ＝３０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これが内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜５と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１６】
クラック発生頻度は３０％というように低くなっている。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍというように広くて補強効果が強く現れるためである。４ｍｍでもよいが外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、さらにクラック発生頻度が下がる。
【０１１７】
これは３０％のクラック発生頻度で実用的な意味がある。試料４と比較すると外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒが１００％から８０％に下がり内外でのランダム面積比Ｍの差が２０％低下しているところに違いがある。内外のランダム面積比Ｍがあまり大きいと、成長速度が違い、結晶組織も異なり、内外境界に内部応力が強く発生して、それがクラックの発生をかえって促す。
ということは、さらに内外のランダム面積比Ｍｑ、Ｍｒの差を下げた方が良いだろうということを示唆する。
【０１１８】
［試料７（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ比較例である。試料３〜６と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１１９】
試料６の意味する所に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを５０％に下げている。しかし、クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭いから補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、より実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。
【０１２０】
［試料８（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５０％、Ｋ＝１０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
これも内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜７と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２１】
試料６の意味する所に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを５０％に下げている。外周部Ｒの幅もＲｗ＝４ｍｍというように広くしている。クラック発生頻度は１０％というように極めて低い。
【０１２２】
試料４、試料６と比較すると、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒが５０％であって、内外のランダム面積比Ｍの差が５０％以下に減っている。それが成長速度の差を緩和し、内部組織の差異を減じ、境界での内部応力を減少させクラック発生を抑制しているのであろう。試料４、６と比較して、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは７０％以下であることが良いということがわかる。
【０１２３】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒが７０％〜１００％であっても、中央部Ｑのランダム面積比Ｍが１０％に近いと差異は減少するのでクラック発生は減る。
それでは外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒの許される下限はどのぐらいであろうか、ということが問題になる。
【０１２４】
［試料９（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝３０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。試料３〜８と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２５】
試料８の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを３０％に下げている。しかし、クラック発生頻度は９０％というようになお高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためである。外周部Ｒの幅をもっと広くすれば、より実用的なクラック発生頻度に下がるであろう。そこでＲｗを増やしてみた。
【０１２６】
［試料１０（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝３０％、Ｋ＝１０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ実施例である。試料３〜９と同様に、内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２７】
試料８、９の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍを３０％に下げ外周部Ｒの幅をＲｗ＝４ｍｍに増やしている。クラック発生頻度は１０％というように充分に低い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍというように広くて補強効果があるということと、外周部Ｒでのランダム面積比Ｍが３０％であって内外のランダム面積比Ｍの差が小さくて、内外成長速度差、結晶組織差が小さくて境界に強い応力が生じないためであろう。外周部Ｒランダム面積比Ｍｒが３０％というように低くても良いというこがわかった。さらに外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを下げ、その効果を調べる。
【０１２８】
［試料１１（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１０％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１２９】
試料８〜１０の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを１０％に下げている。クラック発生頻度は９０％というように極めて高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためか、ランダム面積比Ｍｒ＝１０％が低いためかわからない。そこでＲｗを増やしてみた。
【０１３０】
［試料１２（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝１０％、Ｋ＝４０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ実施例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３１】
試料８〜１１の示唆に従って外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを１０％に下げ、外周部Ｒの幅をＲｗ＝４ｍｍに増やしている。クラック発生頻度は４０％というように高くなる。４０％のクラック発生頻度でも使うことはできるが不満が残る。
【０１３２】
外周部Ｒの幅はＲｗ＝４ｍｍであるから充分であろう。試料８、１０と比較すると、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝１０％が低すぎるということがわかる。ということは、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは３０％以上であることが望ましいということがわかる。試料６、８、１０、１２から外周部Ｒの好ましいランダム面積比Ｍｒの範囲が３０％〜７０％だということがわかる。
【０１３３】
それは中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑが１％以下で小さく内外の差異が強調されるからである。中央部Ｑのランダム面積比Ｍｑが１０％に近いときは、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを７０〜１００％にすることもできる。
【０１３４】
［試料１３（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５％、Ｋ＝９０％、Ｒｗ＝０．１ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３５】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒをさらに５％に下げている。クラック発生頻度は９０％というように極めて高い。それは外周部Ｒの幅がＲｗ＝０．１ｍｍというように狭くて補強効果が弱いためか、ランダム面積比Ｍｒ＝５％が低いためであろう。
【０１３６】
［試料１４（Ｍｑ＜１％、Ｍｒ＝５％、Ｋ＝５０％、Ｒｗ＝４ｍｍ）］
内外二重構造をもつ比較例である。内外ともに規則配置した開口部と被覆部とよりなる大パターンと、大パターンの開口部に細かい窓が等間隔で並ぶラテラルオーバーグロース（ＥＬＯ）用の小パターンを含む複合マスクをＧａＡｓ下地基板に付け、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させたものである。複合マスクは例えばドット型に種Ｅを設けた複合マスク（図１４）、或いはストライプ型に種Ｅを平行に設けた（図１５）複合マスクを用いる。
【０１３７】
外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒを５％に下げている。クラック発生頻度は５０％というように極めて高い。外周部Ｒの幅がＲｗ＝４ｍｍであって充分であるのにクラック発生頻度が５０％なのであるから、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒ＝５％というのが低すぎるのである。試料１２と試料１４を比較して、外周部Ｒのランダム面積比Ｍｒは１０％以上なければならないという事がわかる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上の実施例の試料８および試料１０において、ウエハ中央部のクラック発生を１０％にまで抑えることができた。従来の、外周部・中央部の区別をもたないウエハではウエハプロセスにおいて熱応力などにより劈開面に平行なクラックが入り、ウエハが破断することもあったが、本発明では外周部のランダム面積比Ｍｒを中央部のランダム面積比Ｍｑより多くすることにより外周部からのクラック発生を抑制することができ、ウエハ破断を防ぐごとができる。
【０１３９】
本発明の方法で成長させたウエハの中央部を使用して、その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長させ、劈開面を利用してチップに切り出した後、レーザデバイスとすることができる。極めて歩留まりが良いＧａＮウエハの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラテラルオーバーグロース法を説明するための図。（１）は基板、（２）は基板の上にマスクを設けたもの、（３）は開口部に結晶核が発生したもの、（４）は開口部にＧａＮ薄膜が形成された状態、（５）は開口部から角錐状に成長したＧａＮ結晶と転位、（６）は開口部からマスクの上へと横向きに成長したＧａＮ結晶、（７）は隣接開口部から横向き成長した結晶が合体して転位が減少している状態、（８）は合体したあと平坦なＣ面を維持しながらＣ面成長している状態を示している。
【図２】基板上に規則正しい配置で種Ｅを設けて、その上にＧａＮをファセット成長させるとファセットピットが種Ｅからのびてゆき種Ｅの直上部は閉鎖欠陥集合領域Ｈとなり、その廻りは正六角形状のファセットピットになり、ピットとピットの間は平坦なＣ面となって成長することを説明するためのファセット成長するＧａＮ結晶の一部拡大平面図。
【図３】基板上に規則正しい配置で種Ｅを設けて、その上にＧａＮをファセット成長させるとファセットピットが種Ｅからのびてゆき種Ｅの直上部は閉鎖欠陥集合領域Ｈとなり、ファセットの下には欠陥が少なく単結晶である単結晶低転位随伴領域Ｚが成長し、平坦なＣ面の下には欠陥が少なく単結晶であり高抵抗の単結晶低転位余領域Ｙが成長してゆくことを説明するための断面図。
【図４】基板の上に規則正しい配置で種Ｅを設けたマスクの上にＧａＮをファセット成長させ閉鎖欠陥集合領域が規則正しく分布するドット型単結晶ＧａＮを成長させたときのＧａＮ結晶の閉鎖欠陥集合領域分布を示すための平面図。
【図５】基板の上にランダムな配置で種Ｅを設け、あるいは種を全く設けずに基板の上にＧａＮをファセット成長させ閉鎖欠陥集合領域がランダムに分布するランダム型単結晶ＧａＮを成長させたときのＧａＮ結晶の閉鎖欠陥集合領域のランダム分布を示すための平面図。
【図６】平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈをファセット成長によって発生させるために基板の上に形成する平行な被覆部をもつストライプ状のマスクの平面図。
【図７】図６のストライプ被覆部マスクを用いてファセット成長させたときのＧａＮ結晶の表面に現れる平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈとその両側に発生する平行な単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙを示すＧａＮ結晶の平面図。
【図８】図６のストライプ被覆部マスクを用いてファセット成長させたときのＧａＮ結晶の表面に現れる平行な複数の閉鎖欠陥集合領域Ｈとその両側に発生する平行な単結晶低転位随伴領域Ｚ、単結晶低転位余領域Ｙを示すＧａＮ結晶の縦断面図。
【図９】図６のような平行ストライプのマスクをＧａＡｓ基板上に被覆しＧａＮを結晶成長させ、図７、８のような平行に延びる欠陥集合領域Ｈとその両側にあって平行に延びる低欠陥単結晶領域Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）を生成した場合、劈開性が強いので、エッチング、研磨、ウエハプロセスにおいてストライプと直交する方向に割れてしまう事があるということを示すための成長ＧａＮ基板の平面図。
【図１０】短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを全面に形成したＥＬＯマスクの平面図。
【図１１】規則正しく格子状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう格子状（ドット型）に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを含む複合マスクの平面図。
【図１２】規則正しく平行ストライプ状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう平行ストライプ状に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に短い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓Ｗをもつラテラルオーバーグロース用小パターンを含む複合マスクの平面図。
【図１３】外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを形成した二重ＥＬＯマスクの平面図。
【図１４】規則正しく格子状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう格子状（ドット型）に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを含み本発明で用いられる複合マスクの平面図。
【図１５】規則正しく平行ストライプ状に欠陥集合領域Ｈが発生するよう平行ストライプ状に長い周期で規則正しく被覆部（種Ｅ）と開口部が並ぶファセット成長用大パターンと、その開口部に外周部Ｒでは少し広い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもち中央部Ｑでは少し狭い一定間隔で規則正しく並べられた同等の細かい窓をもつ内外二重ラテラルオーバーグロース用小パターンを含み本発明で用いられる複合マスクの平面図。
【図１６】ファセット成長したＧａＮ結晶において不規則に分布する欠陥集合領域Ｈとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）を含む部分をＣＬ（カソードルミネセンス）観察したものの平面図。多様な寸法形状でランダムに分布する欠陥集合領域Ｈとそれに接する低欠陥単結晶領域Ｕが見える。低欠陥単結晶領域Ｕの位置、寸法、形状も不規則である。この図に現れたものは全て不規則に分布する欠陥集合領域Ｈｆ、低欠陥単結晶領域Ｕｆであるから不規則分布領域の面積Ｆに算入される。
【図１７】図１６の１７−１７断面図。多様な位置、寸法、形状の欠陥集合領域Ｈｆと低欠陥単結晶領域Ｕｆ（単結晶低転位随伴領域Ｚ＋単結晶低転位余領域Ｙ）は垂直方向には大体一定であるが水平方向にはランダムである。
【図１８】ファセット成長したＧａＮ結晶において不規則に分布した欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕと、（ストライプ状に）規則的に配列した欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｕとの境界部分の構造をＣＬで見た平面図。平行で幅が一様な規則正しいストライプ構造が終り楔型の境界から不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｕが存在するという明白な構造の変化を示す。楔型の境界の上の部分が規則分布領域の面積Ｇに算入される。楔型の境界から下の部分が不規則分布領域の面積Ｆに算入される。ランダム面積比Ｍというのは全面積（Ｆ＋Ｇ）によって、不規則領域の面積Ｆを割ったものとして定義される。Ｍ＝Ｆ／（Ｆ＋Ｇ）。
【図１９】図１８の１９−１９断面図。
【図２０】図１８の２０ー２０断面図。
【図２１】ＥＬＯマスクの窓の間隔Ｓを中央部Ｑと外周部Ｒで異ならせることによって不規則に分布する欠陥集合領域Ｈと規則的に配列する欠陥集合領域Ｈの比率を中央部Ｑと外周部Ｒで異なるものにしている本発明において、間隔Ｓと窓Ｗの定義を説明する図。外周部Ｒでは間隔Ｓｒ、窓Ｗｒが大きく、中央部Ｑでは間隔Ｓｑ、窓Ｗｑが小さくなっている。
【符号の説明】
２ 基板
３ マスク
４ 窓
５ ＧａＮ結晶核
６ 膜状ＧａＮ結晶
７ 錘状ＧａＮ結晶
８ ファセット面
９ 頂面
２０ 衝合面
２１ マスク
２２ マスク
２３ 上面
２４ マスク
２５ 遮蔽部
２６ 開口部
２７ 被覆部
Ｈ 閉鎖欠陥集合領域
Ｅ 種
Ｚ 単結晶低転位随伴領域
Ｙ 単結晶低転位余領域
Ｑ 中心部
Ｒ 外周部
Ｕ 低欠陥単結晶領域
Ｓ マスクの窓間隔
Ｗ 窓
Claims (17)
- 外周部Ｒと中央部Ｑを持ち、規則的に配列した複数の欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇと、不規則に分布する複数の欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆを含み、不規則分布欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆの面積の合計をＦとし、規則配列欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇの面積の合計をＧとし、不規則領域面積Ｆの全体の面積（Ｆ＋Ｇ）に対する値としてランダム面積比Ｍ＝Ｆ／（Ｆ＋Ｇ）を定義し、中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑよりも外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒの方が高い（Ｍｒ＞Ｍｑ）ことを特徴とする単結晶窒化ガリウム基板。
- 外周部Ｒの幅Ｒｗは１〜２０ｍｍである事を特徴とする請求項１に記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 外周部Ｒの幅Ｒｗは２ｍｍ〜５ｍｍである事を特徴とする請求項２に記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑが０〜１０％である事を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑが０〜１％である事を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒが１０％〜１００％である事を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒが３０％〜７０％である事を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板。
- 開口部と被覆部が規則的に繰り返し外周部Ｒも中央部Ｑも同一である周期性大パターンを有し、周期性大パターンの開口部に外周部Ｒでは周期性大パターンの周期より狭い一定の間隔Ｓｒで周期的に繰り返す窓Ｗｒを有し中央部ＱではＳｒより短い一定の間隔Ｓｑで周期的に繰り返す窓Ｗｑを有する（Ｓｒ＞Ｓｑ）ラテラルオーバーグロース用小パターンを有する複合マスクを基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成し、気相合成法によって複合マスクの上に窒化ガリウム結晶をファセットを維持させながら成長させ、規則的に配列した欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇと不規則に分布する欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆとよりなる窒化ガリウム結晶を成長させ、所定の厚みに達した後に結晶成長を中止し、基板とマスクを除去して、自立した窒化ガリウムウエハとし、不規則分布欠陥集合領域Ｈｆとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｆの合計面積をＦとし、規則分布欠陥集合領域Ｈｇとそれに隣接する低欠陥単結晶領域Ｕｇの合計面積をＧとし、不規則領域面積Ｆの全体の面積（Ｆ＋Ｇ）に対する値としてランダム面積比Ｍ＝Ｆ／（Ｆ＋Ｇ）を定義し、中央部Ｑでのランダム面積比Ｍｑが、外周部Ｒでのランダム面積比Ｍｒよりも低いようにし、外周部Ｒが補強作用をもち中央部Ｑでのクラック発生、破断を防ぐようにしたことを特徴とする単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 中央部Ｑでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｑは０．１〜３μｍであり、外周部Ｒでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔ＳｒはＳｑより大きく、かつ０．３μｍ〜６μｍである事を特徴とする請求項８に記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 中央部Ｑでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｑによって、外周部Ｒでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｒを差し引いた値（Ｓｒ−Ｓｑ）は０．２μｍ〜３μｍである事を特徴とする請求項８に記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 中央部Ｑでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｑによって、外周部Ｒでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｒを差し引いた値（Ｓｒ−Ｓｑ）は０．５μｍ〜１．５μｍである事を特徴とする請求項１０に記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 中央部Ｑでのラテラルオーバーグロース用小パターンの窓の間隔Ｓｑは１μｍであり、外周部Ｒでのラテラルオーバーグロース用の窓の間隔Ｓｒは２μｍである事を特徴とする請求項１１に記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 外周部Ｒの幅Ｒｗが１〜２０ｍｍである事を特徴とする請求項８〜１２の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 外周部における成長速度から中央部の成長速度を引いたものが、外周部成長速度の５０％以下であることを特徴とする請求項８〜１３の何れかに記載の単結晶窒化ガリウム基板の製造方法。
- 外周部Ｒも中央部Ｑも同じように開口部と被覆部が広い周期で規則的に繰り返す周期性大パターンを有し、大パターンの被覆部は外周部Ｒでは周期性大パターンの周期より狭い０．３〜６μｍの間隔Ｓｒで周期的に繰り返す窓Ｗｒを有し中央部ＱではＳｒより短い０．１μｍ〜３μｍの間隔Ｓｑで周期的に繰り返す窓Ｗｑを有する（Ｓｒ＞Ｓｑ）ラテラルオーバーグロース用小パターンを有する複合マスクを基板結晶の表面の外周部Ｒと中央部Ｑに形成したことを特徴とする窒化ガリウム成長用下地基板。
- 開口部と被覆部が広い周期で規則的に繰り返す周期性大パターンは、幅が一定で一定間隔をおいて並ぶ平行な複数のストライプ状の被覆部とその間の開口部からなるものであることを特徴とする請求項１５に記載の窒化ガリウム成長用下地基板。
- 開口部と被覆部が広い周期で規則的に繰り返す周期性大パターンは、二次元的に回転対称性をもって一定間隔をおいて並ぶ孤立した同等の多角形又は円状の被覆部とその間の開口部からなるものであることを特徴とする請求項１５に記載の窒化ガリウム成長用下地基板。
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