JP2007191321A - 窒化物基板の製造方法と窒化物基板及び窒化物系半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚが２０００μｍ〜１００００μｍの広い窒化物半導体基板を製造すること。
【解決手段】
下地基板Ｕの上に、幅が２０μｍ〜４００μｍの被覆部Ｓを一定ピッチ２０２０μｍ〜１０３００μｍで平行等間隔に持つマスクを形成し、反応炉にマスク付き下地基板Ｕを装入、加熱し、分圧が（１．５＋０．０００５ｐ）ｋＰａ〜（４＋０．０００５ｐ）ｋＰａであるようなＨＣｌと、分圧が（１５−０．０００９ｐ）〜（２６−０．００１７ｐ）ｋＰａであるようＮＨ_３を供給して反応させマスク付き下地基板Ｕの上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ結晶（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を成長させ、被覆部Ｓに底を、露呈部Ｅの中間部に頂上を持つ平行のファセット面Ｆからなる複数の山谷構造を形成し、被覆部Ｓの直上部分は結晶欠陥集合領域Ｈに、露呈部Ｅの上ファセット面Ｆ直下は低欠陥単結晶領域Ｚとなるようにする。
【選択図】 図１６

Description

この発明はＡｌ_ｘＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ＜１）で表現される３族と窒素の化合物（窒化物と略称する）の基板の製造方法に関する。ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮなどの結晶はサファイヤ、ＳｉＣなどの基板の上に薄膜としてエピタキシャル成長させることはよくなされるが、厚みのある自立基板は製造しにくい。自立基板ができても転位密度が多く低品質であることが多い。現在でも窒化物の大型低転位高品質自立結晶基板は存在しない。

青色発光素子の基板はサファイヤ基板が広く用いられている。サファイヤ基板（α−Ａｌ_２Ｏ_３）の上に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮのｎ型、ｐ型の薄膜を形成して青色緑色の発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）が製造されている。サファイヤ基板は供給に問題がなく物理的化学的に安定でありその上にＧａＮ薄膜、ＩｎＧａＮ薄膜を成長させることができる。

サファイヤ基板は絶縁体であり劈開性がないという欠点がある。サファイヤは三回対称性がないので明確な劈開面がない。発光素子単位を基板上に多数作製した後自然劈開でチップ分離できない。ダイシングによって機械的に切断しなければならない。これが歩留まりを低下させる。

絶縁体なので裏面にｎ電極をとることができない。上面にｎ電極、ｐ電極の両方を形成する必要がある。そのため必要なチップ面積が増える。エッチング工程が増えるしワイヤボンディングが二倍になる。ｎ層で横方向に電流が流れるのでｎ層を厚くしなければならない。

サファイヤと窒化ガリウム（ＧａＮ）では格子のミスマッチが大きいのでサファイヤ基板上にエピタキシャル成長したＧａＮ、ＩｎＧａＮには高密度の転位が含まれ低品質の薄膜である。市販のサファイヤ基板の上に形成されたＧａＮ薄膜には１×１０^９ｃｍ^−２以上の転位密度が含まれる。

そのような欠点があるのでサファイヤ基板に変えて薄膜組成と同一のＧａＮ基板が望まれる。しかしＧａＮは高温にしても融液にならない。高温での窒素の解離圧が高すぎる。融液から結晶を成長させるブリッジマン法やチョクラルスキー法では結晶成長できない。

そこで液相からの成長でなく気相成長法が用いられる。気相成長法は本来基板のように厚みのある結晶でなく、１μｍ程度或いはそれ以下の厚みの薄膜の製造に用いられる手法である。ＧａＮ薄膜の製造には、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法、昇華法の４つの気相成長法が可能である。

ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）はホットウオール型の反応炉の上部空間にＧａ融液を入れたＧａボートを設け、下部空間のサセプタ上に下地基板（サファイヤ、ＳｉＣなど）を置き加熱し、上方からＨ_２＋ＨＣｌガスをＧａボートに吹き付けてＧａＣｌを生成し、上方から供給されたＨ_２＋ＮＨ_３ガスとＧａＣｌを反応させＧａＮを作り下地基板に堆積させる。Ｈ_２はキャリヤガスである。Ｇａ原料は金属Ｇａであり加熱し融液として用いる。窒素の原料はＮＨ_３ガスである。原料ガスが炭素を含まないので生成したＧａＮ薄膜に炭素が混入しないという利点がある。

ＭＯＣＶＤ法（有機金属ＣＶＤ法）はコールドウオール型の反応炉において、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）などのＧａの有機金属原料とアンモニア（ＮＨ_３）とを水素ガスとともに加熱した下地基板に吹き付けＧａＮを生成して下地基板の上に堆積させる。加熱した基板の上でＴＭＧ＋ＮＨ_３の一段階の反応でＧａＮができる。これはＧａＮ薄膜の成長法として最も良く使われる方法である。青色発光素子の薄膜成長は殆どこの方法による。しかしこれは大量のＮＨ_３ガスが必要であり収率が低いという問題がある。薄膜生成には良いが厚い基板結晶の製造にはあまり向かない。また炭素を含む原料を使うのでＧａＮ薄膜に炭素が混入するという問題がある。

ＭＯＣ法（有機金属塩化物気相成長法）ホットウオール型の反応炉でＴＭＧとＨＣｌガスを反応させて一旦ＧａＣｌを作り、下方へ流してＮＨ_３と反応させてＧａＮを生成して加熱した下地基板の上に堆積させる。Ｇａ原料としてＴＭＧを使うのは先程のＭＯＣＶＤ法と共通する。ＧａＣｌを生成してＮＨ_３と反応させるという二段階の反応はＨＶＰＥと共通する。これも原料に炭素を含むが一旦ＧａＣｌを合成してからＮＨ_３と反応させるのでＧａＮへの炭素の混入を防ぐことができる。それがＭＯＣＶＤ法に優れるところである。これもＴＭＧガスを使うので大量の原料ガスを消費し収率は悪い。

昇華法は、多結晶ＧａＮを原料とし、反応炉の中で固体ＧａＮ原料と下地基板を別異の場所において固体ＧａＮ原料をより高温になるよう加熱して温度勾配を形成しＧａＮが昇華して基板の方へ飛来してより低温の下地基板の上に堆積していく。

ＧａＮ薄膜をサファイヤなどの下地基板の上に成長させると多数の転位が発生する。転位は上向きに延びて行きなかなか消滅しない。

［１．ＥＬＯ法］ ＧａＮ薄膜の転位を減らすために最初に用いられたものはＥＬＯ法（エピタキシャルラテラルオーバーグロース）である。サファイヤ下地基板の上にＳｉＯ_２膜を付け０．５μｍ〜2μｍ程度の小さい窓を千鳥状に開ける。露呈部（窓）の方が被覆部（ＳｉＯ_２膜）よりずっと小さいマスクである。ＥＬＯマスクと呼ぶ。孤立露呈部からＧａＮが成長を始めるので孤立円錐台状結晶粒が多数できる。被覆部のエッジに乗り上げると横方向の成長になる。転位も横方向に延びる。露呈部の上は低転位になる。隣接窓から横方向に延びた結晶は二等分線上で衝突合体する。そのときに転位の一部が打ち消しあって消滅する。合体した部分で転位は生き残りそれが上向きに延び始める。

それは窓の間隔（１μｍ〜３μｍ程度）と同じ程度の厚みで起こる現象であり薄膜の場合は薄いので有効である。しかしその後は上向きのＣ面成長になる。転位も消えることなく上に延びる。厚い結晶を成長させると転位は分散して結局１０^９ｃｍ^−３以上の高転位密度になる。成長初期に横方向成長によって転位を打ち消すだけのＥＬＯ法は厚い基板結晶の低転位化には役に立たない。しかし本発明において露呈部構造の一部にＥＬＯマスクを併用する場合がある。

ＧａＮは六方晶系でありａ軸、ｂ軸とｃ軸はは同等でない。ｃ軸周りに三回対称性を持つ。異種材料の基板（サファイヤ、ＳｉＣ）の上にＧａＮを成長させるときは異種基板が三回対称性を持つ面を表面とする下地基板が用いられる。だからサファイヤ、ＳｉＣを下地基板とするとそれはＣ面を表面とする結晶である。その上にＧａＮを成長させるとｃ軸方向に成長する。通常は表面が平坦な（鏡面）Ｃ面になるようにするのでＣ面成長と呼ぶ。Ｃ面のサファイヤ下地基板の上にＣ面を表面とするＧａＮ結晶が成長するのである。

［２．ランダムファセット成長法］
特開２００１−１０２３０７号 特許文献１は成長条件を鏡面成長条件からわざとはずして多数の三次元的なファセットピットを結晶表面に自然発生的に作りファセットを埋め込まないよう注意して成長させファセットピットの底へ転位を集結させてその他の部分の転位を減らしその他の部分の低転位化を図ったものである。ｃ軸方向に成長させるのでＣ面が平均の成長面である。ここでファセットというのはＣ面以外の低面指数を持つ面のことである。

ファセットピットは正六角錐、正十二角錐のロート状の窪みである。正六角錐ファセットの場合は面指数の異なる六つのファセット面｛１−１０１｝或いは｛１１−２２｝が集合して一つのピットとなっている。

正十二角錐の場合は十二のファセット面｛１−１０１｝、｛１１−２２｝の組み合わせよりなる。

ファセットピットのファセット面は内側向きの法線を持つ。結晶は法線方向に成長する。転位は成長方向に延びる。だからファセットピット内で転位は内向きに延びファセットの境界線に集まる。それから境界面をすべり落ちピット底にあつまる。ピット底に転位が集結した特異な部分ができる。欠陥の集合した部分である。ピット底は高い転位密度を持つがその他の部分は転位が除かれるので低転位になる。平均して転位密度が２×１０^７ｃｍ^−２程度に低下する。

転位の集結した部分が（ピット底）結晶面にランダムにできるのでこの手法を「ランダムファセット法」と仮に呼ぶ。これは本出願人になるファセット成長法の最初のものである。ファセットは自然発生的にできる。ピットのできる位置はランダムであり制御することができない。デバイスは欠陥の少ないところを選んで作る必要がある。しかし、欠陥の生成が偶然に支配される。さらに転位を包むものがなく一旦集結した転位がばらけてしまうこともある。さらに六角錐ピットの場合は境界線の直下に６０度の放射角の方向に面状欠陥ができることがある。そのような欠点があった。

［３．ドットマスクファセット成長法］
特開２００３ー１６５７９９号「単結晶窒化ガリウム基板及びその成長方法並びにその製造方法」

特許文献２は本出願人のファセット成長法の二番目のものである。下地基板に孤立した点状の１０μｍ〜４０μｍ程度の直径のマスク（ＳｉＯ_２）を縦横に１００μｍ〜４００μｍピッチで規則正しく配列させその上にＧａＮを気相成長させる。マスクと言っても（被覆部が広く窓は狭い）ＥＬＯマスクとは反対で被覆部が狭く、露呈部が広いマスクである。

しかもマスクの配列のピッチは数μｍでなく１００μｍ〜４００μｍと広い。マスクの上に起こる現象も正反対である。下地基板の露呈部では結晶成長が速く起こり被覆部（ＳｉＯ_２）では成長が遅れる。そのためにマスク被覆部にはファセットの集中したファセットピットが生ずる。ピットは成長とともに拡大するが底は被覆部の上になる。つまりファセットピットの生成する位置がマスク被覆部になる。マスク被覆部の上がピット底部になる。

成長とともにファセット面の法線方向に転位が移動しファセット境界線に到る。境界線から転位はファセット底へ移動する。ファセット底部に転位が集中してここに閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。ファセット底部ということはマスクの上ということである。マスク被覆部の上に閉鎖欠陥集合領域Ｈができる。マスクの寸法より閉鎖欠陥集合領域Ｈの方が少しやや小さい。マスクによって閉鎖欠陥集合領域Ｈのできる位置と寸法を決めることができる。ファセット傾斜面のその他の部分は低転位単結晶領域Ｚとなる。

マスクは孤立点として形成されファセットは孤立円状にできるのでそれによっては覆い尽くせないＣ面成長する部分がある。これはやはり低転位で単結晶であるが、ファセット面に引き続いて成長した低欠陥単結晶領域Ｚとは色々な点で性質が違う。そこでここは単結晶低転位余領域Ｙと呼んでいる。これは閉鎖欠陥集合領域Ｈの位置を初めからマスク位置によって決めることができる。閉鎖欠陥集合領域Ｈの大きさもマスクの大きさで決めることができる。

さらにマスク被覆部に続いて形成された閉鎖欠陥集合領域Ｈは閉鎖されており一旦転位がここに集積すると結晶成長の進行によって再びばらけるということはない。だから”閉鎖”なのである。転位は底へ集まるので特許文献１と違い、ファセットの境界線の下に面状欠陥ができない。閉鎖欠陥集合領域Ｈの近くの低欠陥単結晶領域Ｚでは１０^６〜１０^７ｃｍ^−３であるが、閉鎖欠陥集合領域Ｈから１００μｍも遠ざかると１０^４〜１０^５ｃｍ^−２程度に転位密度が低下する。閉鎖欠陥集合領域Ｈのもとになるマスク被覆部が孤立点”ドット”状にあるからドットマスク型とここでは呼ぶ。

［４．ストライプマスクファセット成長法］
特開２００３−１８３１００号「単結晶窒化ガリウム基板と単結晶窒化ガリウムの結晶成長方法及び単結晶窒化ガリウム基板の製造方法」 特許文献３は下地基板の上に等間隔平行のマスク（ＳｉＯ２など）を複数本形成しその上にＧａＮを気相成長させる。直線状平行で下地基板の端から端まで連続する被覆部を等間隔に複数本設けたマスクというのが特許文献２とは違う。被覆部面積の方が露呈部面積より狭いという点では共通する。しかし特許文献２は孤立被覆部が縦横に規則正しく並ぶようなマスクであるが、特許文献３では直線状被覆部が規則正しく平行等間隔に並ぶマスクである。ＨＶＰＥ法又はＭＯＣＶＤ法で気相成長させる。

ＨＶＰＥ法の場合、エピ成長において、ＮＨ_３分圧は３０ｋＰａ、ＨＣｌ分圧は２ｋＰａ（特許文献３の２２９段落、２９１段落）或いはＮＨ_３分圧が２０ｋＰａ又は２５ｋＰａ、ＨＣｌ分圧が２．５ｋＰａ又は２．０ｋＰａである（特許文献３の３１１段落、３３５段落、３７１段落）。

下地基板露呈部で結晶成長が先行し、被覆部で結晶成長が遅れる。だからＧａＮを成長させると被覆部を谷底とし露呈部の真ん中を尾根とするような平行山脈型ファセットが発生する。平行のファセット溝ができるのであって角錐状のピットにはならない。山脈のような平行な山谷の繰り返しになる。成長とともに転位がファセットの側面を下方へ滑り落ちてファセットの谷底へ集められる。谷底というのはマスク被覆部の直上である。被覆部上が欠陥の集合する領域となる。
マスク被覆部は平行に幾つもあるので欠陥が集合する領域も平行に幾つもできる。ピット底に欠陥が集合するのではなくて、Ｖ溝の底に欠陥が集合する。それを結晶欠陥集合領域Ｈと呼ぶ。特許文献２の閉鎖欠陥集合領域Ｈのように閉鎖されていない。だから「閉鎖」と言わない。

ファセット傾斜面の下方に当たる部分から転位が除かれるので欠陥集合領域Ｈ以外の部分は低転位になる。ファセットの傾斜面は決まっておりかなりの急勾配である。被覆部が平行なのでＣ面成長する部分（単結晶低転位余領域Ｙ）を完全に０に減らすことができる。そうなると平行に並ぶ低欠陥単結晶領域Ｚ、結晶欠陥集合領域Ｈの繰り返し構造ＨＺＨＺＨ…ができる。ファセット面の面指数によるがファセット面の傾斜角は５０度程度であるからかなり高い山低い谷を持つ平行の山脈型の結晶となる。それは透明であるので三角柱プリズムを幾つも平行に並べたような形である。Ｃ面成長する部分を低欠陥単結晶領域Ｚの中間部に残す場合は、ＨＺＹＺＨＺＹＺＨ…という繰り返しの構造になる。

発光デバイスをその上に製造する場合は、低欠陥密度のＺやＹの上に作るようにすればよい。特許文献３の場合、欠陥集合領域Ｈの幅ｈは１μｍ〜２００μｍであり、低欠陥単結晶領域ＺとＣ面成長領域Ｙを合わせた部分（ｙ＋２ｚ）の幅は１０μｍ〜２０００μｍである。そしてＨＺＨＺＨＺ…或いはＨＺＹＺＨＺＹＨ…とならぶ構造の周期（ピッチｐ）は２０μｍ〜２０００μｍである。ファセット面は５０度程度の強い傾斜角を持つので山の高さはピッチｐの程度である。たとえばｐ＝２０００μｍだと結晶の山の部分の高さも２ｍｍ程度あり凹凸の多い板となる。通常の気相成長結晶とはかなり様子が異なる。成長した直後の結晶は激しい凹凸を持つので研削、研磨して平坦平滑な基板結晶とする。

平坦平滑の基板にした結晶は低転位単結晶の領域Ｚ、或いはＺＹＺが平行にあって多数のデバイスを低転位単結晶領域Ｚに製造するのに好適な構造をしている。最大で２０００μｍの幅の低欠陥単結晶領域Ｚを有するからである。２０００μｍといえば２ｍｍであり発光デバイスチップの寸法は３００μｍ〜５００μｍ角であることが多いので一つの低欠陥単結晶領域Ｚの並びに３〜５個程度のチップを並べて作ることができる筈である。

ＧａＮ基板を初めとして、窒化物半導体（ＡｌＧａＩｎＮ）基板は大型の低転位基板が存在しない。窒化物半導体デバイスは異種基板（サファイヤ、ＳｉＣ）の上に作られるが劈開、絶縁性、高欠陥等の問題がある。それが窒化物半導体デバイスの作製上の大きな障害となっている。

特に量産用の基板としては広い面積の低欠陥で良質の基板が求められる。そのために大型の低転位窒化物基板の作製が盛んに進められているが未だ実用化に至っていてない。

電子デバイス向け基板には転位密度１×１０^６ｃｍ^−２以下、できれば１×１０^５ｃｍ^−２以下であるのが望ましい。従って転位をストライプの欠陥集合領域Ｈに集中させて周辺を低転位領域とする本出願人のＧａＮ基板（特許文献３：特開２００３−１８３１００号）は望ましいものである。

本出願人の特許文献３に基づくＧａＮ基板は（Ｚでの）転位密度１×１０^６ｃｍ^−２を安定して制御可能である。しかし低欠陥単結晶領域Ｚと結晶欠陥集合領域Ｈが交互に存在する必要があるため、電子デバイスなどに要求される広い面積の低欠陥領域の形成が難しい。

特許文献３は本出願人の手になるファセット成長法の三番目のもので本願発明と最も関係が深い。特許文献３のストライプマスクファセット成長法は、下地基板の上に平行に規則正しく被覆部と露出部が並ぶストライプマスクパターンを設けてその上にファセット面よりなる直線状の山とＶ溝（谷）を形成し、これを維持しながらＧａＮをファセット成長させファセット面よりなるＶ溝の底部に欠陥集合領域Ｈを形成しそこへ転位を集めてその周囲の低欠陥単結晶領域ＺとＣ面成長領域Ｙを低転位化する。結晶成長したものは山と谷の並んだ縞状の板であり凹凸がある。これを研磨して山を削ったものが平坦な基板となる。基板となったＧａＮ結晶において、低欠陥単結晶領域Ｚの幅２ｚ、或いは低欠陥単結晶領域ＺとＣ面成長領域Ｙの幅の合計２ｚ＋ｙやピッチｐは２０００μｍより狭い。

特許文献３の提供するＧａＮ基板結晶はストライプ状の欠陥集合領域Ｈと低欠陥領域が交互に存在する。欠陥集合領域Ｈはデバイスをその上に設けることができない。低欠陥単結晶領域Ｚの部分だけにデバイスを作ることができる。ところが低欠陥領域（ＺとＹ）の面積が小さく、ＬＥＤや電子デバイス向けＧａＮ基板として用いる上で問題となる。もっと広い低欠陥単結晶領域Ｚが望まれる。

特許文献３に記載の欠陥集合成長方法においては、欠陥集合領域Ｈを溝の底としてその周辺にファセット面からなる低欠陥単結晶領域Ｚが形成される。欠陥集合領域Ｈは他の部分を低欠陥単結晶領域Ｚにするためには不可欠である。欠陥集合領域Ｈがないと、低欠陥領域Ｚが形成されない。低欠陥領域Ｚを広げるために、欠陥集合領域Ｈと欠陥集合領域Ｈの距離（ｚ或いは２ｚ＋ｙ）を広げると成長面の乱れや結晶欠陥の発生などの問題が生ずる。それは前記のエピ成長の条件がそのようなピッチｐ、低欠陥単結晶領域Ｚ幅ｚの大きいファセット成長には適合しないということである。

特許文献３のＨＶＰＥ法によるＧａＮのエピ成長においては、ＮＨ_３分圧は３０ｋＰａ、ＨＣｌ分圧は２ｋＰａ（特許文献３の２２９段落、２９１段落）或いはＮＨ_３分圧が２０ｋＰａ又は２５ｋＰａ又はＨＣｌ分圧が２．５ｋＰａ、２．０ｋＰａである（特許文献３の３１１段落、３３５段落、３７１段落）。そのように特許文献３において最も頻用される条件は、ＮＨ_３分圧３０ｋＰａ、ＨＣｌ分圧２ｋＰａという典型的な条件である。しかしそのような条件では広いピッチｐのストライプマスクの下地基板の上に安定したファセット成長を行わせることができない。

本発明は、成長条件を工夫して、２０２０μｍ以上１０３００μｍ以下のマスクピッチの場合でも安定したファセット成長を可能にし広い低欠陥単結晶領域Ｚを有する窒化物半導体基板結晶を作ることを目的とする。２０２０μｍの内２０μｍはストライプ被覆部の上に形成される欠陥集合領域Ｈの最小の幅である。欠陥集合領域Ｈの幅ｈを含んでピッチｐを決める（ｐ＝ｚ＋ｈ）から、低欠陥単結晶領域Ｚの最小値は２０００μｍである。反対に１０３００μｍの内３００μｍは欠陥集合領域Ｈ幅ｈの最大値である。低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚの最大値は１００００μｍである。

本発明は、下地基板Ｕの上にピッチｐ（μｍ）が２０２０μｍ〜１０３００μｍの範囲で平行に２０μｍ〜４００μｍ幅の被覆部Ｓがありその間に広い露呈部Ｅ(完全露呈、一部露呈を含む)を持つストライプマスクを形成し、アンモニア分圧Ｐ_ＮＨ３がピッチｐの関数として（１５−０．０００９ｐ）ｋＰａ〜（２６−０．００１７ｐ）ｋＰａであり、ＨＣｌ分圧が（１．５＋０．０００５ｐ）ｋＰａ〜（４＋０．０００５）ｋＰａの範囲で８５０℃〜１１００℃（より好ましくは１０１０℃〜１０７０℃）の基板温度にしＨＶＰＥ法で窒化物半導体結晶を被覆部Ｓの上に欠陥集合領域Ｈを生成し露呈部Ｅの上に平行の山を持つファセットＦを形成し、ファセット直下で露呈部Ｅの上方は低欠陥単結晶領域ＺとしてファセットＦを維持しながら成長させる。そのようにストライプマスクのピッチｐに依存してＮＨ_３分圧とＨＣｌ分圧を変化させ、広いピッチｐ（２０２０μｍ〜１０３００μｍ）においても安定した一様ファセット成長を行うようにしている。

以上は本発明の新規な部分の要点である。上の条件は実験を重ねて経験的に見い出されたものである。その根拠は実施例・比較例を参照して後に説明する。

ストライプマスクのファセット成長法から詳しく説明し新規部分の意義をより明白にする。

図１は下地基板Ｕの上に平行複数の被覆部Ｓを持つマスクを形成したものの平面図である。矩形の下地基板Ｕを書いているがこれは一部分を表現しており下地基板Ｕの全体の形状は矩形の場合もあり円形の場合もある被覆部Ｓの間にあるのが露呈部Ｅである。露呈部Ｅは下地基板Ｕが完全に露呈している場合とＥＬＯマスクによって一部が被覆一部が露呈している場合もある。完全露呈、一部露呈を含めてここでは露呈部Ｅと表現する。露呈部ＥにＥＬＯマスクが存在するは全体が被覆されるように見えるが露呈部Ｅは０．５μｍ〜2μｍ程度の細かい窓が1μｍ〜3μｍの間隔で規則正しく並んでいる。本発明では露呈部Ｅの幅は２０００μｍより大きく、被覆部Ｓの幅は２０μｍ以上だから沢山の小さい窓のある露呈部Ｅと幅広の完全被覆をもつ被覆部Ｓを空間的に正しく区別することができる。
以後露呈部Ｅというのは完全露呈とＥＬＯマスクをもつ一部露呈との両方含むものとする。
図４が同じ状態の断面図である。下地基板Ｕは少なくとも三回回転対称性を持つ必要がある。下地基板Ｕは三回又は六回対称性のある単結晶基板である。Ｃ面のサファイヤ（α−Ａｌ_２Ｏ_３）、（１１１）面のＧａＡｓ、Ｃ面のＳｉＣなどを下地基板Ｕとして用いることができる。サファイヤは三方晶系、ＳｉＣは六方晶系でＣ面が三回、六回回転対称性を持つ。ＧａＡｓは立方晶系であるが（１１１）面は三回回転対称性を持つ。

以後の例では（１１１）Ｇａ面を持つＧａＡｓを下地基板Ｕとする例を説明するがこれに限らない。マスクはＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などである。平行被覆部Ｓの幅を被覆部Ｓ幅ｓとする。下地基板Ｕが露呈した露呈部Ｅの幅をｅとする。１周期（ピッチ）をｐで表現する。ｐ＝ｅ＋ｓである。平行の被覆部Ｓの集合からなるのでそのようなマスクをストライプマスクという。

説明の便宜のため三次元座標ｕｖｗを定義する。被覆部Ｓの延長方向をｖとし、被覆部Ｓに直交する方向をｕとする。厚み方向をｗとする。被覆部Ｓはｕ方向に等間隔に並んでいる。

特許文献３もストライプマスクを用いたファセット成長法であるが、ピッチｐ＜２０００μｍという制限があった。本発明は逆にｐ≧２０２０μｍとするのである。そのための成長法が上に述べた特別の条件である。

マスクのある下地基板Ｕの上にＨＶＰＥ法で上の条件でＧａＮをファセット成長させて露呈部Ｅの上に低欠陥単結晶領域Ｚを被覆部Ｓの上に欠陥集合領域Ｈを形成する。位置関係は、被覆部Ｓと欠陥集合領域Ｈが対応し、露呈部Ｅ(完全露呈、一部露呈を含む)の上に低欠陥単結晶領域Ｚが対応するのであるが、幅は必ずしも一致しない。欠陥集合領域Ｈの幅ｈの方が被覆部Ｓの幅ｓより狭いのが普通である（ｈ＜ｓ）。

図４のように厚くＧａＮ結晶を成長させる。低欠陥単結晶領域Ｚ、欠陥集合領域Ｈの繰り返すＺＨＺＨ…構造となる。そのように厚く成長させてから山（ファセット山）の部分を研磨して除く。下地基板Ｕも研磨やエッチングによって除去する。平坦な円形、矩形の厚い結晶が得られる。それを薄く切って複数枚の結晶基板（ウエハ）とする。図２は薄く切って結晶基板（ウエハ）としたものの平面図である。広い低転位単結晶領域Ｚと狭い欠陥集合領域Ｈが交互に繰り返し並んだＺＨＺＨＺＨ…構造をしている。図２も一部を示し全体の形状は円形ウエハのこともあり矩形ウエハのこともある。平行に欠陥集合領域Ｈができる。マスクの上に欠陥集合領域Ｈができるのでピッチｐはマスクピッチと同じである。しかし欠陥集合領域Ｈの幅ｈは被覆部Ｓ幅ｓと同一ではなくより狭い（ｈ＜ｓ）。低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚは露呈部Ｅ幅ｅよりも広い（ｚ＞ｅ）。

図２は欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚの二相だけからなる理想的なものを示すが、時には、Ｃ面成長領域Ｙが存在することもある。それは三相構造となる。図５にそのような場合を示す。これはその場合は成長後研磨してスライスしてできた基板は図３のような構造になる。それは低転位単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低転位単結晶領域Ｚ、欠陥集合領域ＨというようなＺＹＺＨＺＹＺＨ…の繰り返し構造のものである。この場合、ｐ＝ｅ＋ｓ＝ｚ＋ｙ＋ｚ＋ｈとなる。その場合もファセットＦの山の部分を除去し下地基板Ｕを除き平坦な結晶基板としてさらに薄くスライスしてウエハとする。

それが図３に示すものである。これも本発明の範囲に含まれる。しかしＣ面成長領域Ｙはない方が良い。つまりＣ面成長領域Ｙの幅ｙは、ｙ＝０であるのが最も良い。簡単のため、以後の説明はｙ＝０としている。その場合マスクピッチｐ、露呈部Ｅ幅ｅ、被覆部Ｓ幅ｓ、欠陥集合領域Ｈ幅ｈ、低転位単結晶領域Ｚ幅ｚの間に、ｐ＝ｅ＋ｓ＝ｚ＋ｈという式が常に成り立つ。

図６〜図１０の一部の断面図によってストライプマスクファセット成長法を説明する。ＨＶＰＥ法によってマスク付きの下地基板Ｕの上にＧａＮを気相成長させるとまず露呈部Ｅ(完全露呈、ＥＬＯマスクを含む)の上だけにＧａＮ結晶粒が生成し核となってＧａＮ薄膜になる。被覆部Ｓの上にはなかなかＧａＮ結晶が成長しないので被覆部Ｓが結晶薄膜の端を規定する。図７において、被覆部Ｓに結晶薄膜の端部が固定され上向きに成長している様子を示す。結晶の上面の平坦部はＣ面である。斜めの傾斜面はファセットＦである。ファセットＦというのはＣ面以外の低面指数の面をいう。例えば｛１−１０２｝、｛１−１０１｝、｛１−１０ｎ｝、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝｛１１−２ｎ｝等の低面指数（ｎは整数）の面である。それは当然にストライプマスクの下地基板Ｕにおける延長方向によって規定される。

混乱をさけるために面指数表記について簡単に説明する。三方晶系、六方晶系のような対称性を持つ結晶構造は四指数法、又は三指数法で表現される。ここでは四指数法を採用している。三回対称軸はｃ軸である。ｃ軸に直交する１２０度の角度をなす三本の主軸がある。三本主軸の内二本をａ軸、ｂ軸という。ここではもう一つをｄ軸ということにする。ａ、ｂ、ｄ軸は１２０度をなす同等の主軸でｃ軸はそれらに直交する独自の軸である。ａ軸、ｂ軸、ｄ軸の単位長さは等しくａ軸長という。ｃ軸の単位長さはｃ軸長という。ある結晶面がａ軸、ｂ軸、ｄ軸、ｃ軸を切る切片の逆数を面指数という。つまり切片がａ／ｈ、ｂ／ｋ、ｄ／ｍ、ｃ／ｎであればその面は（ｈｋｍｎ）という指数で表現する。互いに１２０度をなす同一平面上の三軸を一つの面が切るのであるから、当然にｈ＋ｋ＋ｍ＝０というゼロサムルールがある。ｎについては制限はない。

丸括弧（ｈｋｍｎ）は個別面表現である。波括弧｛ｈｋｍｎ｝は集合面表現である。集合面表現｛ｈｋｍｎ｝というのは（ｈｋｍｎ）からその結晶が許す対称操作によって到達できる全ての個別面の集合を意味する。だから三回回転対称性があれば｛ｈｋｍｎ｝と｛ｋｍｈｎ｝は等価であるが、（ｈｋｍｎ）と（ｋｍｎｈ）は等価でない。

鍵括弧＜ｈｋｍｎ＞は方位の集合表現である。角括弧［ｈｋｍｎ］は方位の個別表現である。方位［ｈｋｍｎ］というのは面（ｈｋｍｎ）に直交する方向として定義される。

図７の斜め面はファセット面Ｆであって幾つかの可能性がある。ここではファセットＦの下地基板Ｕに対する傾斜角をΘとする。ファセット角Θについては後に詳しく述べる。薄膜成長に伴い転位Ｌも上や斜め上に延びる。転位Ｌは成長方向に一致して延びる。露呈部Ｅだけに成長が限定されるのでファセットＦはその面に直角に厚みを増して行く。ファセット面Ｆにおいて成長方向は面に直交する方向になる。成長方向と転位Ｌの延長方向は同じである。だからファセットＦにおいて転位Ｌは斜め外向きに延びる。上向きに延びていた転位Ｌは外側斜め向きに方向転換する。それはファセットＦの表面とともに延びて行く。かなりの割合の転位Ｌの頂点はファセット面Ｆに存在することになる。Ｃ面或いはファセット面Ｆに転位Ｌの頂点が存在する場合転位Ｌがその面に付随すると表現することにする。転位Ｌは連続しており始端は下地基板Ｕとの境界にあり終端がその面（Ｆ
又はＣ）にあるのだから付随するということができる。

それが図８の状態にまで続く。ここで被覆部Ｓから垂直の壁面が生成される。ファセットＦが斜めに延びるとともにＣ面部が狭くなってくる。Ｃ面部が減りファセット面Ｆが増大する。Ｃ面に付随していた転位Ｌの多くはＣ面がファセット面Ｆになるので、ファセット面Ｆに付随する転位Ｌとなる。転位Ｌの多くはファセット面Ｆとともに外向き斜めに移動する。

図９のようにファセット面Ｆが横方向に延びて行くと平坦なＣ面が消える。隣接したファセット面Ｆ、Ｆが合体して鋭い尖端を持つ山となる。Ｃ面に付随し上向きに延びていた転位Ｌの全てがファセット面Ｆに付随する転位Ｌとなる。

図９のように隣接ファセット面Ｆ、Ｆが合体して稜線を形成するまで被覆部Ｓの上の結晶成長が行われない。被覆部Ｓの上の垂直壁に内向きの突起Ｉができる。突起Ｉが種になって被覆部Ｓの上にも結晶成長が始まる。この部分が時間的に遅延して埋められることになる。だからその部分と先行する部分の間には明確な境界Ｋができる。この境界Ｋが一旦集合した転位Ｌが再びばらけて外部へ出て行かないようにしている。境界Ｋの外部（Ｚ）と内部（Ｈ）では著しく結晶の様子が異なる。

被覆部Ｓの上の部分にできる結晶は方位がその他の部分とは反対向きになっているということが今では分かっている。被覆部Ｓ上と露呈部Ｅ上では結晶の高さの差が著しい。つまり被覆部Ｓと露呈部Ｅの高さの差はファセット面Ｆの高さにほぼ等しい。露呈部Ｅの幅ｅが小さいときはそれはあまり難しい条件を課すことにはならないが、露呈部Ｅの幅ｅが大きいとこれはかなり難しいことになる。広い一様なファセット面Ｆを形成維持しなければならないからである。

ファセット面Ｆの傾斜を維持しながらファセット面Ｆの法線方向に結晶成長するので転位Ｌはファセット面Ｆの外側へ移動する。それが被覆部Ｓの上に当たる部分に移る。ここには最早強い傾斜が存在しない。だから転位Ｌの斜め上方向の移動が起こらない。そこで転位Ｌは被覆部Ｓの上部（Ｈ）に溜まってくる。転位Ｌがこの部分（Ｈ）に凝縮されていく。図８に示すように被覆部Ｓの上に欠陥が集中した欠陥集合領域Ｈが形成される。結晶が上方へ成長するに従ってファセット面Ｆからどんどん転位Ｌが欠陥集合領域Ｈに向かって出て行く。

そのためファセットＦの下の部分（Ｚ）から転位Ｌが次第に減少して行くことになる。その反面被覆部Ｓの上の欠陥集合領域Ｈの欠陥密度が増大してくる。結晶成長中に一旦できた転位Ｌは徐々に消失するが、その速度が非常に遅いので欠陥集合領域Ｈに集中することによって、その他の部分（低欠陥単結晶領域Ｚ）の転位Ｌを著しく減少させることができるのである。

これがストライプマスクファセット法による転位減少作用のあらましである。これは理想的な場合を述べており実際には、色々なゆらぎもあり、低欠陥単結晶領域Ｚの転位密度が完全に０になるわけではない。しかし初めの転位密度から１／１００〜１／１０００程度に減少するので優れた手法である。

理想的なファセット成長の場合の話をさらに続ける。実際には理想通りには行かないのであるがファセット成長はある程度数学的な取扱が可能でそれによって予見もできるのでここで理想的な場合について考察する。

露呈部Ｅの中点Ｍを境として左右対称な結晶成長が起こるので半分だけの領域での成長を考えれば良い。図９、図１０において考察したように上向き転位が斜め外向きに進行方向を転換するのはそれが丁度ファセットＦとＣ面の境界にあるときである。ファセットＦは下から延びるので被覆部Ｓに近い転位Ｌほど早い時期に低い位置からファセット面法線方向に転換する。露呈部中点に近い転位Ｌほど遅い時期に高い位置からファセット法線の方向に転換する。方向転換が起こるＣ面とファセットＦの境界点は必ず被覆部Ｓの端から斜めファセット傾斜の方向に引いた線上にある筈である。ここが重要である。

図１１は被覆部Ｓと露呈部Ｅの半分だけを示す。先述のとおり露呈部Ｅというのは完全露呈とＥＬＯマスクを有する一部露呈を含む。それらの総称である。横軸は、被覆部Ｓと露呈部Ｅを横切る方向の距離である。被覆部Ｓと露呈部Ｅの境に原点Ｏをとる。これを基準とし（ｕ，ｖ，ｗ）の三次元座標を定義する。原点Ｏから発生するファセット面ＦをＯＫとする。Ｋがファセット山の頂点である。頂点Ｋの直下のｕ軸の点をＭとする。Ｍは露呈部Ｅの中点である。

ファセットＦと基板のなす角度をΘとする。ΘはファセットＦの面指数によって決まる。これについては後に述べる。∠ＫＯＭ＝Θである。縦や斜めに引いた平行の直線は転位Ｌを表現している。原点Ｏからｕ＝ｕ_１の点から発生した転位Ｌは上向きに延びファセット線ＯＫにｖ_１点で交差する。それまで成長は上向きだったので転位Ｌも上向きである。これ以後はファセット面Ｆとともに転位Ｌは延びるのであるが、水平線から約６０度をなす角度の方向へ転換する。ファセットＦといっしょに転位Ｌが延びてｗ１点で欠陥集合領域Ｈに入ってしまう。つまり転位Ｌはｕ_１ｖ_１ｗ_１というようにして折れ線を描いて欠陥集合領域Ｈに入る。だから上部へ行くに従って欠陥集合領域Ｈの転位Ｌが増える。

転位Ｌは下地基板Ｕとの境界Ｋｂで発生する。自然発生的に生ずるのでここで発生する転位密度は一様でない。しかし簡単のためここで自然発生的に生ずる転位密度が一様だと仮定して議論を進めよう。下地基板Ｕで発生する一様転位密度をｇとする。これがそのまま上に延びる。ＯＫまでは転位密度は一定である。三角形ＯＭＫ内では転位密度はｇである。

転位Ｌは成長方向に延びる。ファセットＦの成長方向は法線方向である。法線というのは面に垂直の外向き半直線を意味する。だから以後転位Ｌは水平に対し６０度の上斜め方向に延びる。斜め外向きに転位Ｌが延びるのである。転位Ｌはファセット面Ｆで約３０度だけ方向転換する。転位Ｌは水平に対して６０度だけ傾いている。

Ｋ点がファセット面Ｆの頂点でそれ以上に転位Ｌは垂直に延びない。直線ＪＫより上部は転位密度が０ということである。だから露呈部Ｅの上には３段階に転位密度の異なる領域が存在するということである。最も下方にある。三角形ＯＫＭの部分は高転位密度の初期部分（イ）である。三角形ＪＫＯは中転位密度の遷移部分（ロ）である。その上のＪＫ以上の部分は零転位密度の良質部分（ハ）である。

図１２に複数のファセット山を持つ結晶を示す。図１１のさらに上になる部分をも図示したものである。下地基板Ｕの近くの三角形が初期部分（イ）、その上の対角三角形が遷移部分（ロ）であり、その上の（ハ）が良質部分となる。初期部分（イ）の転位密度はｇである。遷移部分（ロ）の転位密度はｇｃｏｓ^２Θである。良質部分（ハ）の転位密度は０である。だからチ−チ線とト−ト線の間で切断したものが良質である。転位密度が高いチ−チ線とリ−リ線の間の部分の利用は望ましくない。

これは理想的なモデルについて言っているのであって（ハ）でも実際に転位密度が零とはならない。次に横方向での平均の転位密度を計算しよう。ピッチがｐ、被覆部Ｓ幅がｓなので、露呈部Ｅの幅ｅは（ｐ−ｓ）である（ｅ＝ｐ−ｓ）。
ｐ＞＞ｓなので（ｐ−ｓ）は殆どｐであるが正確に表記する。Ｍ点は露呈部Ｅの中点でありｕ座標は（ｐ−ｓ）／２である。

Ｏ、Ｋ、Ｊ点（図１１）の座標は
Ｏ（０，０）
Ｋ（（ｐ−ｓ）／２，（ｐ−ｓ）ｔａｎΘ／２）
Ｊ（０，（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２）
である。図１２にように露呈部Ｅの上で三様の転位密度の違う部分イ、ロ、ハがある。横方向（ｕ方向）にもそのような空間的な分布がある。

これは高さｗがＯＪ（０〜（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２）間では転位密度はｗと共に低下し、ｗが（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２以上であると転位密度は０となるということを言っている。つまり（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２が臨界的な意味を持つ高さＱｃになる。

であるから、結晶厚みを（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２以上にして上部だけを取れば転位密度が０ということになるのである。結晶厚みは山谷部分を除いた部分で（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２以上に厚く成長しなければならないということである。

以上はストライプマスクで理想的に一様ファセットを維持しながら成長できた場合の話である。実際にはそのようなものからずれるのであるがストライプマスクファセット成長法の理想型が分かるとこの成長法の特徴が浮かび出てくるので有益である。臨界高さＱｃを次の式で定義する。
Ｑｃ＝（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２ （１）

（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２の臨界高さＱｃ以下では転位密度が０にならない。臨界高さＱｃ以上に成長させて初めて転位密度が原理的に０になる。そのような重要な意味を持つ臨界高さＱｃというものの存在が明らかになった。

図１１では臨界高さはＪ点（ホ点）の高さである。図１２は複数のファセットＦを描くがここではホ点が臨界高さである。ニ点は下地基板Ｕの面高さ、ヘ点はファセット溝の底の高さである。

図１２の結晶を水平方向にスライスして基板を作る場合、ニ点〜ホ点は転位密度が高いウエハを与えるので望ましくない部分である。ホ点〜ヘ点が転位密度の低いウエハを与え好ましい部分である。だからト−ト線からチ−チ線の間の部分を利用すべきである。

臨界高さＱｃはファセット面Ｆの傾斜角Θによるがこれは大体４０゜〜６０゜程度なので、（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２は１.３より大きい程度の値である。

ピッチｐが４００μｍ程度の引用文献３の場合、これは４００μｍ〜５００μｍ程度であって必要な基板結晶の厚み程度であるから結晶厚みは必ずこれ以上になる。だからあまり実質的な意義はない。

ところが本発明の場合はピッチｐが飛び抜けて大きくｐ＝２０００μｍ〜１００００μｍを目指すのである。だから臨界高さＱｃ＝（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２（ホ点の高さ）が実在的な意義を持ってくる。たとえば（ｐ−ｓ）＝４０００μｍであると、臨界高さＱｃは４０００μｍ〜６０００μｍ（４ｍｍ〜６ｍｍ）にもなる。だから、低転位結晶を得るには（下地基板Ｕとの境界から山形の谷までの）結晶厚みはそれ以上にしなければならないということを意味している。

このような式を見ると、ファセットＦの傾き角Θが重要な因子であることが分かる。これはファセット面Ｆの面方位で正確に決まる。

（ａ）｛１１−２ｎ｝型のファセットＦの場合の臨界高さＱｃ
このファセットＦはａ軸の１／２と、ｃ軸の１／ｎ分を通る傾斜面なのでΘ＝ｔａｎ^−１（２ｃ／ｎａ）によって与えられる。ｃ＝０．５１８５０ｎｍ、ａ＝０．３１８９２ｎｍであるから、Θ＝ｔａｎ^−１（３．２５１／ｎ）である。

特にｎ＝１の場合（｛１１−２１｝）、Θ＝７２．９０２度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝２．４９２である。
ｎ＝２の場合（｛１１−２２｝）、Θ＝５８．４０５度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．６７９である。
ｎ＝３の場合（｛１１−２３｝）、Θ＝４７．２９９度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．４０８である。つまり
ｎ＝４の場合（｛１１−２４｝）、Θ＝３９．１０２度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．２７２である。臨界高さＱｃはそれらのファセットＦに対して次のような明確な値を持つ。

｛１１−２１｝ファセットに対し Ｑｃ＝２．４９２ｐ−ｓ） （２）
｛１１−２２｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．６７９（ｐ−ｓ） （３）
｛１１−２３｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．４０８（ｐ−ｓ） （４）
｛１１−２４｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．２７２（ｐ−ｓ） （５）
となる。

（ｂ）｛１−１０ｎ｝型のファセットＦの場合の臨界高さＱｃ
このファセットＦはａ軸の３^１／２／２と、ｃ軸の１／ｎ分を通る傾斜面なのでΘ＝ｔａｎ^−１（２ｃ／３^１／２ｎａ）によって与えられる。ｃ＝０．５１８５０ｎｍ、ａ＝０．３１８９２ｎｍであるから、Θ＝ｔａｎ^−１（１．８７７／ｎ）である。

とくにｎ＝１の場合（｛１−１０１｝）、Θ＝６１．９５２度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．８０４である。
ｎ＝２の場合（｛１−１０２｝）、Θ＝４３．１８３度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．３３５である。
ｎ＝３の場合（｛１−１０３｝）、Θ＝３２．０３３度となる。そのとき（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２＝１．１７９である。つまり臨界高さＱｃはそれらのファセットＦに対して次のような明確な値を持つ。

｛１−１０１｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．８０４（ｐ−ｓ） （６）
｛１−１０２｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．３３５（ｐ−ｓ） （７）
｛１−１０３｝ファセットに対し Ｑｃ＝１．１７９（ｐ−ｓ） （８）

である。ファセットＦの方位によるが臨界高さＱｃはピッチｐの１．２〜２．５倍程度である。本発明の場合ピッチｐが大きいので臨界高さＱｃが無視できない大きさになる。例えばピッチがｐ＝１００００μｍであると、臨界高さＱｃは１２０００μｍ〜２５０００μｍ程度（１２ｍｍ〜２５ｍｍ）になる。これは無視できない大きな量となる。下地基板Ｕとの境からこれだけの厚み部分は転位密度が高いということである。臨界高さＱｃまでの部分は品質が良くないので、臨界高さＱｃ以上の（山部分を除いた時の）厚みの結晶を成長させなければならない。

色々なファセットＦが生成可能であるが、最も頻繁に生成するファセットＦは｛１１−２２｝と｛１−１０１｝ファセットＦである。だからＱｃ／（ｐ−ｓ）は大体２．２程度である。つまりこれらのファセットＦができる場合山谷部分を除いた結晶厚みは、ピッチｐの２．５倍以上なければならない、ということである。｛１１−２１｝ファセットＦもかなりの頻度で生成する。｛１１−２１｝ファセットＦができた場合は、山谷部分を除いた結晶厚みはピッチｐの１．８倍以上なければならない。だから、山部分を研削研磨した後の結晶の厚みをｔとするとｔ／（ｐ−ｓ）は２．５倍以上であることが低転位の高品質結晶とするために必要である。

ストライプマスク法の場合、被覆部Ｓの延びる方向と下地基板Ｕの結晶方位の関係によって、露呈部ＥにできるファセットＦの方位をある程度決めることができる。Ｃ面サファイヤ、Ｃ面ＳｉＣ、（１１１）ＧａＡｓを使う場合において事情が異なる。ここではＧａＡｓ（１１１）Ｇａ面を下地基板Ｕとする場合について述べる。
（１１１）Ｇａ面上には直交する方位がある。＜１−１０＞方向と＜１１−２＞方向である。（１１１）ＧａＡｓ面の＜１−１０＞に平行にＧａＮの＜１１−２０＞方向の結晶が成長する。（１１１）ＧａＡｓ面の＜１１−２＞に平行にＧａＮの＜１−１００＞方向の結晶が成長する。

だからストライプマスクの延長方向を（１１１）Ｇａ面の＜１−１０＞に平行に形成すると、露呈部ＥにできるファセットＦは＜１１−２０＞方向に平行に延びる。だからファセット面Ｆは｛１−１０ｎ｝となるわけである。ファセットＦの延びる方向は一義的に決まるが、面の第四番目の指数ｎは決まらない。｛１−１０１｝、｛１−１０２｝、｛１−１０３｝…の何れか或いはそれらの混合になる。

或いはストライプマスクの延長方向を（１１１）Ｇａ面の＜１１−２＞に平行に形成すると、露呈部ＥにできるファセットＦは＜１−１００＞方向に平行に延びる。だからファセット面Ｆは｛１１−２ｎ｝となる。ファセットＦの延びる方向は一義的に決まるが、面の第四番目の指数ｎは決まらない。｛１１−２１｝、｛１１−２２｝、｛１１−２３｝…の何れか或いはそれらの混合になる。

ファセット成長するので高い山と深い谷を持つ。この山谷部分も不要である。山谷部分も除去しなければならない。ｐが大きいのでこれもかなりの値になる。図１１のＫＭに等しいので、山谷高さＲｖは（ｐ−ｓ）ｔａｎΘ／２によって与えられる。ファセットＦの種類によりこれも異なる訳である。

（ｃ）｛１１−２ｎ｝型のファセットＦの場合の山谷高さＲｖ
｛１１−２１｝ファセットに対し Ｒｖ＝１．６２５（ｐ−ｓ） （９）
｛１１−２２｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．８１３（ｐ−ｓ） （１０）
｛１１−２３｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．５４２（ｐ−ｓ） （１１）
｛１１−２４｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．４０６（ｐ−ｓ） （１２）

（ｄ）｛１−１０ｎ｝型のファセットＦの場合の山谷高さＲｖ
｛１−１０１｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．９３８（ｐ−ｓ） （１３）
｛１−１０２｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．４６９（ｐ−ｓ） （１４）
｛１−１０３｝ファセットに対し Ｒｖ＝０．３１３（ｐ−ｓ） （１５）

である。山谷高さＲｖはファセットＦによって異なるのであるが、マスクピッチｐの０．３〜１．６倍程度である。例えばピッチが５０００μｍだとすると、山谷の高さも５０００μｍ程度になり表面の凹凸の激しい結晶となる。

必要な結晶成長の高さは、先ほどのＱｃとＲｖの和より大きくなければならない。最小必要高さＭｃは両者の和である。Ｍｃ＝Ｑｃ＋Ｒｖは

Ｍｃ＝Ｑｃ＋Ｒｖ＝（ｐ−ｓ）（ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜）／２
＋（ｐ−ｓ）ｔａｎΘ／２ （１６）
＝（ｐ−ｓ）｛２ｔａｎΘ＋ｔａｎ６０゜｝／２ （１７）

であるが、これはピッチｐが大きいのでかなりの大きさになる。ピッチｐの２〜２．７倍程度になる。

（ｅ）｛１１−２ｎ｝型の最小必要高さＭｃ＝Ｑｃ＋Ｒｖ
｛１１−２１｝ファセットに対し Ｍｃ＝４．１１７（ｐ−ｓ） （１８）
｛１１−２２｝ファセットに対し Ｍｃ＝２．４９２（ｐ−ｓ） （１９）
｛１１−２３｝ファセットに対し Ｍｃ＝１．９５０（ｐ−ｓ） （２０）
｛１１−２４｝ファセットに対し Ｍｃ＝１．６７８（ｐ−ｓ） （２１）

（ｆ）｛１−１０ｎ｝型の最小必要高さＭｃ＝Ｑｃ＋Ｒｖ
｛１−１０１｝ファセットに対し Ｍｃ＝２．７４２（ｐ−ｓ） （２２）
｛１−１０２｝ファセットに対し Ｍｃ＝１．８０４（ｐ−ｓ） （２３）
｛１−１０３｝ファセットに対し Ｍｃ＝１．４９２（ｐ−ｓ） （２４）

このように最小必要高さＭｃは、ピッチｐの１．５〜４．１倍程度である。ピッチｐが小さい特許文献３の場合はあまり問題にならないが、本発明のようにピッチｐが大きいときは最小必要高さＭｃに対する配慮が重要である。

ＨＶＰＥによって図１２のような厚みのあるＧａＮの結晶が成長して行く。図１２では広がりが分からないので斜視図を表す。図１３は高く成長したＧａＮ結晶Ｒの斜視図である。これも一部の斜視図であり全体ではない。全体の形状は下地基板Ｕと同じ外形を持ち、下地基板Ｕの形状によって円形の場合もあり矩形の場合もある。ＧａＮ結晶Ｒは下地基板Ｕを下底に持ち、上部は平行のファセット面Ｆからなる山谷構造となっている。ファセットＦの傾斜角は面指数による。先ほど計算したように４０゜〜６０゜程度の急傾斜である。ファセットＦと露呈部Ｅの間の部分は低欠陥単結晶領域Ｚとなる。ファセット底部と被覆部Ｓの間の狭い部分は欠陥集合領域Ｈとなる。山形の屋根を持つＨＺＨＺＨＺ…の繰り返し構造となる。これは前述の図４の構造に対応する。中間部にＣ面成長領域Ｙを残すような成長をした図５のような場合は、屋根の部分に平坦部がある構造となる（斜視図を図示しない）。

ＧａＮ結晶Ｒから上の山屋根の部分を研削研磨によって除去する。また下地基板Ｕを研磨或いはエッチングで除去する。すると厚みのある平坦平滑の結晶Ｖが得られる。図１４にそれを示す。これは低欠陥単結晶領域Ｚと欠陥集合領域Ｈの繰り返すＺＨＺＨＺＨ…構造となっている。ＺはＧａ面、ＨはＮ面を上面に有する方位の異なる結晶である。これも結晶の一部を示しているのであって全体ではない。全体は円形、矩形など下地基板形状にしたがった形状をしている。

平板平滑の結晶Ｖを水平に等しい厚みの基板結晶に切断する。それが図１５に示すものである。一定厚みのアズカットウエハ−Ｗが複数枚できる。それぞれが、低欠陥単結晶領域Ｚと欠陥集合領域Ｈの交互に繰り返すＺＨＺＨＺＨ…構造となっている。

低欠陥単結晶領域ＺはＧａ面を上に、欠陥集合領域ＨはＮ面を上にする単結晶である。それはＣＬ（カソードルミネセンスセンス）や蛍光顕微鏡によって観察すると明白に区別できＺＨＺＨ…構造の存在が分かる。欠陥集合領域Ｈをさけ、低欠陥単結晶領域Ｚの部分にデバイスを作製するようにする。低欠陥単結晶領域Ｚの幅は２０００μｍ〜１００００μｍもあるので半導体デバイスの設計製造が容易になる。

本発明はファセットＦを維持しながら厚い結晶を成長させる。これは更に別の利点を持っている。ＧａＮ基板にｎ型の導電性を与えるにはｎ型ドーパントを添加しなければならない。薄膜ＧａＮのｎ型ドーパントとしてはＳｉが一般に使われる。しかしシランガス（ＳｉＨ_４）は爆発の危険性があり大量に使うのは望ましくない。

Ｓｉではなく、本出願人はｎ型ドーパントとして酸素（Ｏ）を採用する。酸素は水蒸気や酸素ガスなど気相で供給できしかも安全である。酸素は活性率が高くてドーピングした殆ど全てが電子キャリヤを供給する。そのような利点がある。しかし酸素ドーピングには異方性がありＣ面成長をするＧａＮ結晶Ｒには殆ど入って行かない。ところがファセット成長するＧａＮ結晶ＲにはファセットＦを通じて酸素が内部へどんどん入って行く。だから原料ガスに水蒸気或いは酸素ガスを少量まぜておくと、酸素を成長中のＧａＮ基板に自然にドープすることができる。ファセット面Ｆには酸素が入りやすいので高濃度にドープできる。酸素濃度＝１０^１６ｃｍ^ー３〜１０^１９ｃｍ^−３のドーピングが可能である。それによってＧａＮ基板の抵抗率を１Ωｃｍ以下にできる。少し原料ガス中の酸素濃度を増やすと結晶基板を０．１Ωｃｍ以下の抵抗率にすることができる。Ｓｉをｎ型ドーパントにして基板結晶成長させるよりずっと安全である。ファセット成長はＣ面成長に比べて酸素が吸収されやすく抵抗率が小さくなる。

低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚが大きいほど、広い面積の低転位領域が得られる。幅ｚの下限はデバイス作製の必要上から、上限は成長面の乱れや結晶欠陥の発生率の問題から決まる。特許文献３はｚ＝４００μｍ程度のものに適しており、ストライプマスクピッチｐの上限は２０００μｍ（２０μｍ≦ｐ＜２０００μｍ）であった。それでは広い有効面積を得ることができない。

本発明はこれを上へ延ばし、ピッチをｐ＝２０２０μｍ〜１０４００μｍ、低欠陥単結晶領域Ｚ幅をｚ＝２０００μｍ〜１００００μｍ（２ｍｍ〜１０ｍｍ）、欠陥集合領域Ｈ幅をｈ＝２０μｍ〜４００μｍとする。ただしコストを考えると低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚのより好ましい幅は３０００μｍ〜５０００μｍ（３ｍｍ〜５ｍｍ）である。幅ｚが大きい（ピッチｐが大きい）とファセット山が高くなりそれを削り取るので損失が大きくなる。

結晶欠陥集合領域Ｈの幅ｈの適当な範囲は２０μｍ〜４００μｍとする。この範囲にすることによって、欠陥を集中させ広い低欠陥単結晶領域Ｚを有する窒化物系基板を作製できる。この部分は使えないのだから狭い方が都合が良い。狭くても周囲の転位Ｌを有効に集めることができればよい。

結晶欠陥集合領域Ｈの幅ｈは制御を考えると１μｍまで可能である。反対に上限は１０００μｍ程度まで行ける。しかし幅ｈは狭い方が良いのだし、あまり幅ｈが広いと結晶欠陥が多数発生する。ただしコストを考えるとｈ＝２０μｍ〜４００μｍであることが望ましい。幅ｈは小さい方が良いので、できれば２０μｍ〜５０μｍに納めることができるのがよい。欠陥集合領域Ｈの幅ｈはマスクの被覆部Ｓの幅ｓによってある程度制御することができる。但しｈ＝ｓではないのでｓによって正確にｈを決めることはできない。

先述のように酸素、水蒸気を原料ガスにまぜてドーピングするとファセットＦを通し酸素をドーピングすることができ抵抗率の低いＧａＮ基板結晶を作製できる。本発明のＧａＮ基板は、比抵抗を１Ωｃｍ以下とすることによって、デバイス特性が著しく向上し、安定性歩留まりも改善される。また比抵抗０．１Ωｃｍ以下がより望ましい。本発明は酸素を吸収しやすいファセット面Ｆを維持しながら成長するので比抵抗が０．１Ωｃｍ以下のものを作製できる。そのような基板を使って底面にｎ電極を持ち基板を電流が貫流するようなデバイスを作製することが可能である。

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ基板（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いることで幅広い用途を持つ基板が得られる。

上の方法によって作製した窒化物系３−５族化合物半導体基板上にデバイスを作製することによってデバイス特性を著しく改善することができる。

この発明によって下地基板Ｕに形成するマスクの寸法や、成長条件の最適化により低欠陥領域（Ｚ或いはＺ＋Ｙ）の面積を増加させることが可能となる。低欠陥単結晶領域Ｚと結晶欠陥集合領域Ｈの幅の最適化により低欠陥領域Ｚの面積を増加させることが可能となる。それによって低欠陥単結晶領域Ｚと結晶欠陥集合領域Ｈの幅の最適化を行うことができる。

本発明は広い面積の低欠陥単結晶領域Ｚを有するストライプコア基板を作製するものであるから用途は広い。

本発明で得られた窒化物基板は、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；高電子移動度トランジスタ）、などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイス（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；表面弾性波素子）、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）部品、圧電アクチュエータなどのデバイス用の基板として広く用いることができる。

本発明のＧａＮ基板を製造する方法を述べる。
下地基板Ｕとしてストライプ形状マスク（ＳｉＯ_２）を直接形成したＧａＡｓ（１１１）Ａ基板を用いて、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層を成長させた。実施例において露呈部ＥにはＥＬＯマスクを形成している。太い平行直線状の被覆部Ｓと露呈部に多数の小窓を千鳥上にもつＥＬＯマスクからなるマスクとしている。露呈部Ｅは実施例では一部露呈部となっている。もちろん露呈部Ｅを完全露呈部にしても良い。本発明は完全露呈、一部露呈のいずれの場合にも成り立つ。Ｇａ源として、８００℃でＨＣｌガスを金属ガリウムに接触して得られたＧａＣｌガスを用い、Ｎ源として、ＮＨ_３ガスを用い、キャリヤガスとしてＨ_２ガスを用いた。
だから全圧とＮＨ_３分圧、ＨＣｌ分圧の差の分圧は水素ガスが与えている。ここで、ＧａＮ層のＨＶＰＥ法によるエピタキシャル成長条件は、成長温度（下地基板Ｕにおける温度）は１０５０℃で、

全圧 １００ｋＰａ（１×１０^５Ｐａ）、
ＮＨ_３分圧 ７〜３０ｋＰａ（７×１０^３Ｐａ〜３×１０^４Ｐａ）
ＨＣｌ分圧２〜９ｋＰａ （２×１０^３Ｐａ〜９×１０^３Ｐａ）
成長時間１０〜２００時間
の範囲でＧａＮを成長させた。

そのようにして成長したＧａＮ結晶を試料Ａ〜Ｊとする。

得られた結晶を裁断し、さらに表面研磨を行った。

それによって厚み４００μｍ、直径２インチ（５０ｍｍ）のＧａＮ基板を得た。

このＧａＮ基板の表面を３５０℃のＫＯＨ−ＮａＯＨ混合融液でエッチングして転位Ｌに相当するエッチピットを形成し密度を測定することによって転位密度を測定した。

表１に、ＮＨ_３分圧ＨＣｌ分圧、膜厚、低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚ、得られた試料の低欠陥単結晶領域Ｚにおける平均転位密度を示す。

下地基板Ｕのマスクパターンは、
ピッチｐ＝４００μｍ〜１００００μｍ
被覆部Ｓ幅 Ａ〜Ｅ ｓ＝５０μｍ
Ｆ〜Ｊ ｓ＝２００μｍ
結晶欠陥集合領域Ｈの幅 Ａ〜Ｊ ｈ＝１０μｍ〜５０μｍ

このように被覆部Ｓ幅ｓと欠陥集合領域Ｈ幅ｈはｓ＝ｈではなくて、同程度の大きさであるが一般にｓ＞ｈとなる。被覆部Ｓ幅ｓはマスク形成によって決まるから制御できる変数である。しかし欠陥集合領域Ｈ幅ｈは制御できない。ｈが決まらないので低欠陥単結晶領域Ｚ幅ｚも正確には予め決まらない。しかしｈは小さいので低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚはピッチｐに大体等しいと言える。

結晶品質に関係のあるのは低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚであるから、以後ｚを各試料について測定したものを明記する。それはだいたいピッチｐに等しいのである。

ｙ＝０であれば、ｐ＝ｅ＋ｓ＝ｚ＋ｈという式はいつも正しく、ｅはｚにほぼ等しく、ｈとｓは同じ程度の小さい幅なのである。ｓとｅとｐは初めから決まっている値である。ｈ、ｚは成長とともに変動して定数でない。以下の実験でｚ、ｈの値を示すがそれは結晶表面（成長終期にできた方の面）での値である。

ｈ＜ｓであり、ｅ＜ｚである。だからｐ＞ｚであるが、ｈ、ｓは小さく、ｚ、ｐ、ｅは大きいので、だいたいｚはｐに等しい量である。被覆部Ｓ幅ｓが小さいとき、ｐ、ｚ、ｅは大体同じ程度の幅である。

［試料Ａ］ｚ＝４００μｍ、ｔ＝２０００μｍ、ＥＰＤ＝３×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａ、ｓ＝５０μｍ、ｈ＝１０μｍ、ｐ＝４１０μｍ、ｅ＝３６０μｍ、ｙ＝０

試料Ａは比較例である。マスク露呈部Ｅの寸法が４００μｍ程度であり低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚはその程度になる。本発明が目指すものではなく特許文献３の手法によって作られるものである。これはＨＶＰＥ法で、Ｔ＝１０５０℃、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件で作製したものである。この条件は特許文献２、３で用いられた条件であり、ファセット成長法では最もよく用いられるものである。成長したＧａＮ結晶は、低転位で品質は良い。しかし低欠陥単結晶領域Ｚの幅がｚ＝４００μｍであり、本発明の目指すｚが２０００μｍ以上のものではない。

［試料Ｂ］ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝２０００μｍ、ＥＰＤ＝１×１０^８ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａ、ｓ＝５０μｍ、ｈ＝２０μｍ、ｐ＝２０２０μｍ、ｅ＝１９７０μｍ、ｙ＝０

試料Ｂも比較例である。マスク露呈部Ｅの寸法は２０００μｍで本発明の目指すものであるが転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２もあるので不適である。これもＨＶＰＥ法で、Ｔ＝１０５０℃、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件で作製したものである。既に述べたが、この条件は特許文献３で用いられた条件であり、ファセット成長法では最もよく用いられるものである。ところが成長したＧａＮ結晶の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２であり低品質である。ということは狭いｐ、ｚのために特許文献３で用いられるＰ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件はより広いｚ、ｐに対して不適当だということである。ｚ、ｐを２０００μｍより広くするにはファセット成長の条件を変えなければならないということである。通常のＣ面成長とファセット成長の条件は異なる。Ｃ面成長というのは平坦なＣ面を全面において維持しながら成長させるということである。それは熱的な平衡条件を厳密に保持しながらゆっくりと成長させるということである。ファセット成長はやや非平衡で速い速度で成長させる。一概には言えないがＣ面成長に比べて、ファセット成長は温度が低く、ＨＣｌ分圧が高く、ＮＨ_３分圧が高いという傾向がある。しかしあまり温度が低すぎ、ＨＣｌ分圧が高すぎ、ＮＨ_３分圧が高すぎるときれいなファセットＦが維持できず成長面に様々のファセットＦがランダムにできてしまう。だから一様ファセットを保持するような理想的なファセット成長を実現するには、Ｃ面成長ではなくランダム成長でもない狭い境界領域の条件に結晶成長の条件を制御しなければならない。

試料Ａと試料Ｂを比較するとＣ面成長、ファセット成長の条件の境界が静的なものでないということが分かる。試料ＡのＮＨ_３分圧が３０ｋＰａ、ＨＣｌ分圧が２ｋＰａというのは特許文献３では最も頻用された最適条件であった。それがより広いｐ、ｚを持つ試料Ｂではもはや良好な条件ではない、ということである。ピッチｐが２０００μｍを越えるものを作るにはそれにふさわしい新たな最適条件を探さなければならない。

［試料Ｃ］ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝５５００μｍ、ＥＰＤ＝２×１０^７ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａ、ｓ＝５０μｍ、ｈ＝２０μｍ、ｐ＝２０２０μｍ、ｅ＝１９７０μｍ、ｙ＝０

試料Ｃも比較例である。マスク露呈部Ｅの寸法は２０００μｍで本発明の目指すものであるが転位密度が２×１０^７ｃｍ^−２もあるので不適である。これもＨＶＰＥ法で、Ｔ＝１０５０℃、Ｐ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件で作製したものである。既に述べたが、この条件は特許文献３で用いられた条件である。同じ寸法、同じ条件で成長させた試料Ｂと比べるとＥＰＤが減っている。違うのは成長膜厚が試料Ｂは２０００μｍ、試料Ｃは５５００μｍということである。ここで膜厚というのは研磨して平坦平滑にした後の膜厚をいう。だから結晶成長の直後の山の高さはそれよりもずっと高いのである。より厚い膜を成長させて研磨して表面の欠陥密度を測定したのであるがファセット成長法では成長とともに転位Ｌが低欠陥単結晶領域Ｚから抜けて欠陥集合領域Ｈに集結して行くのだからより厚い結晶の低欠陥単結晶領域Ｚでの転位密度がより低いのは理解できる。しかし５５００μｍも成長させても転位密度の減少はなお不十分である。ということはファセット成長法での常套条件であるＰ_ＮＨ３＝３０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝２ｋＰａが不適ということである。ｚ、ｐの大きいものはまた別異の条件がいるのである。

そこでＮＨ_３分圧、ＨＣｌ分圧を振ってみてより良い条件を探した。

［試料Ｄ］ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝５５００μｍ、ＥＰＤ＝４×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝２０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝３ｋＰａ、ｓ＝５０μｍ、ｈ＝２０μｍ、ｐ＝２０２０μｍ、ｅ＝１９７０μｍ、ｙ＝０

試料Ｄは実施例である。マスク露呈部Ｅの寸法は２０００μｍで本発明の目指すものである。転位密度が５×１０^６ｃｍ^−２以下なので適している。これはＨＶＰＥ法で、Ｔ＝１０５０℃、Ｐ_ＮＨ３＝２０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝３ｋＰａという条件で作製したものである。先程の３０ｋＰａ、２ｋＰａという条件に比べ、ＮＨ_３分圧は１０ｋＰａ低く、ＨＣｌ分圧は１ｋＰａ高くなっている。

マスクピッチｐが増えるとファセット面Ｆの面積が広くなり山谷の高さ深さが大きくなる。被覆部Ｓの割合が少ないので成長速度が速くなりがちである。より広い面積のファセットＦを安定に維持しなければならないのであるから、成長速度をより遅くしなければならない。そのためにＮＨ_３分圧を減らすのが良いのであろう。ＨＶＰＥ法では二段階目にＮＨ_３とＧａＣｌを作用させるのでＮＨ_３分圧が成長速度を左右することが多い。反面ＨＣｌ分圧は１ｋＰａ増やしている。これは中間生成物であるＧａＣｌの濃度を高めるということである。ここでＨＣｌ分圧を維持するとファセット成長にならずＣ面成長に近づくのであろう。それでＨＣｌ分圧は上げる。

試料Ｄによって広いマスクピッチｐの場合のファセット成長のための原料供給の指針が得られた。それはマスクピッチが２０００μｍを越えるとＮＨ_３、ＨＣｌ分圧がこれまでの３０ｋＰａ、２ｋＰａというのではだめで、ＮＨ_３分圧は３０ｋＰａより下げるべきであるし、ＨＣｌ分圧は２ｋＰａより増やすべきだというものである。一様ファセット成長はランダムファセット成長条件と、Ｃ面成長条件の中間にあって微妙なバランスを保持しながら成長するものであり、それはピッチｐの大きさによって変わるものであるから経験的実験的に求めるしか方法がない。

［試料Ｅ］ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝５５００μｍ、ＥＰＤ＝２×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝１５ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝４ｋＰａ、ｓ＝５０μｍ、ｈ＝３０μｍ、ｐ＝２０３０μｍ、ｅ＝１９８０μｍ、ｙ＝０

試料Ｅも実施例である。マスク露呈部Ｅの寸法は２０００μｍで厚みがｔ＝５５００μｍなので試料Ｄとサイズは同じであるが、成長条件が少し違う。試料Ｄの成長条件によって、ピッチｐや低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚの大きいものはＨＣｌ分圧を２ｋＰａより上げ、ＮＨ_３分圧を３０ｋＰａよりも下げた方が一様ファセット成長に向いていることが分かった。それで試料ＤよりさらにＨＣｌ分圧を１ｋＰａ上げ、ＮＨ_３分圧を５ｋＰａ下げて、Ｐ_ＨＣｌ＝４ｋＰａ、Ｐ_ＮＨ３＝１５ｋＰａとしている。ＥＰＤは２×１０^６ｃｍ^−２であり、試料Ｄより半減しておりさらに好ましい。つまりｐやｚの大きいものを一様ファセット成長させるには、ＮＨ_３分圧を３０ｋＰａより下げ、ＨＣｌ分圧を２ｋＰａより上げると良いというようなことが分かる。それではｐやｚに依存してどのようにＮＨ_３分圧やＨＣｌ分圧を変化させると良いのか？ということが問題になる。

［試料Ｆ］ｚ＝４０００μｍ、ｔ＝５５００μｍ、ＥＰＤ＝７×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝１５ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝４ｋＰａ、ｓ＝２００μｍ、ｈ＝５０μｍ、ｐ＝４０５０μｍ、ｅ＝３８５０μｍ、ｙ＝０

試料Ｆは比較例である。ｚ＝２０００μｍの試料ＥではＮＨ_３、ＨＣｌ分圧が１５ｋＰａ、４ｋＰａが適していることがわかった。同じ条件でｚ＝４０００μｍでピッチが約２倍のものを作製した。最終の厚みはｔ＝５５００μｍである。試料Ｅと同じ成長条件であるが露呈部Ｅ幅ｚが２倍の４０００μｍとなり最終厚みｔ（５５００μｍ）も違う。本発明はファセットＦの成長によって転位Ｌを溝へ押し込めることによって転位Ｌを下げるということなので、かなり成長厚みがなければならない。試料Ｆは露呈部Ｅ幅ｚ（ほぼピッチｐに等しい）が広いのに結晶厚みが薄いので十分に転位Ｌが減少しないということである。ｔ／ｚ＝１．３７５である。
ｔ／（ｐ−ｓ）はほぼｔ／ｚに等しいから、ｔ／（ｐ−ｓ）＝１．４２８程度である。これは先述のＱｃを越えた結晶成長をしなければならないという条件ｔ／（ｐ−ｓ）＞１．８に反する。結晶の高さがＱｃ以下だということである。つまりなお転位減少の途中なのである。だからこれは７×１０^６ｃｍ^−２であるがもっと厚く結晶成長すれば表面の平均転位密度はもっと減るだろうと思われる。これは試料Ｅより転位密度が高い。本発明が基準とする５×１０^６ｃｍ^−２より平均転位密度が高くて好ましい結晶ではない。ｚ＝４０００μｍもあるのに、厚みｔ＝５５００μｍというのが薄すぎて十分に低転位化できないということである。
［試料Ｇ］ｚ＝４０００μｍ、ｔ＝９２００μｍ、ＥＰＤ＝３×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝１５ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝４ｋＰａ、ｓ＝２００μｍ、ｈ＝４０μｍ、ｐ＝４０４０μｍ、ｅ＝３８４０μｍ、ｙ＝０

試料Ｇは実施例である。ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝５５００μｍの試料ＥではＮＨ_３、ＨＣｌ分圧が１５ｋＰａ、４ｋＰａが適していることが分かった。同じ条件で成長させたｚ＝４０００μ、ｔ＝５５００μｍの試料Ｆは必ずしも良くない。試料Ｇの場合も同じ条件でｚも同じであるが厚みｔが大きくなっている。
これは平均ＥＰＤが５×１０^６ｃｍ^−２以下なので品質の良いものになっている。それは厚みｔが大きいためである。

［試料Ｈ］ｚ＝８０００μｍ、ｔ＝１６４００μｍ、ＥＰＤ＝５×１０^６ｃｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝１０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝６ｋＰａ、ｓ＝２００μｍ、ｈ＝４０μｍ、ｐ＝８０４０μｍ、ｅ＝７８４０μｍ、ｙ＝０

試料Ｈは実施例である。ｚ＝２０００μｍ、ｔ＝５５００μｍの試料Ｃは２×１０^７ｃｍ^−２で転位密度の多い結晶であるが、同じ寸法の試料Ｄは、ＨＣｌ分圧を上げＮＨ_３分圧を下げることによって、より低転位の結晶を得ている。露呈部Ｅの幅ｅ、低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚや厚みｔを増やすとＨＣｌ分圧を上げＮＨ_３分圧を下げるのがより良いようである。

そこでｚ＝８０００μｍ、ｔ＝１６４００μｍとする試料Ｈでは、ＮＨ_３分圧を１０ｋＰａに下げ、ＨＣｌ分圧を６ｋＰａに上げた。そのような成長条件でできた結晶の表面のＥＰＤは５×１０^６ｃｍ^−２で満足すべきものである。試料Ｅと試料ＨはＮＨ_３分圧とＨＣｌ分圧をｚやｔによってどのように調整すれば良いのかという指針を与える。ｚが増えるとＮＨ_３分圧を下げ、ＨＣｌ分圧を上げるといってもそれも程度がある。どれだけ変化させるのが良いのか？ということも問題である。

［試料Ｉ］ｚ＝８０００μｍ、ｔ＝１６４００μｍ、ＥＰＤ＝２×１０^７ｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝７ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝９ｋＰａ、ｓ＝２００μｍ、ｈ＝４０μｍ、ｐ＝８０４０μｍ、ｅ＝７８４０μｍ

試料Ｉは比較例である。ｚ＝８０００μｍ、ｔ＝１６４００μｍという試料Ｈと同じ寸法のものを異なる条件で成長させた。ＮＨ_３分圧は７ｋＰａ、ＨＣｌ分圧は９ｋＰａである。これまでの条件では必ずＮＨ_３分圧の方がＨＣｌ分圧より高かったのであるが試料Ｉでは逆転させている。ＮＨ_３の分圧の方が少し低くなっている。これは先程のｚ、ｐ、ｔが大きくなるとＮＨ_３分圧を下げ、ＨＣｌ分圧を上げた方が良いという予測に基づいた試みである。しかし平均転位密度は２×１０^７ｃｍ^−２で転位密度の多い結晶であった。それはＮＨ_３分圧を下げすぎ、ＨＣｌ分圧を上げすぎたということである。

試料Ｈと試料Ｉを比較すると次のようなことが分かる。ｚが８０００μｍ、ｔが１６４００μｍ（１６．４ｍｍ）のように山谷の高低差が大きく厚みが大きいものではＮＨ_３分圧が１３〜８ｋＰａ、ＨＣｌ分圧が４〜８ｋＰａの程度が良いのであろう。

［試料Ｊ］ｚ＝１００００μｍ、ｔ＝２１０００μｍ、ＥＰＤ＝５×１０^７ｍ^−２、Ｐ_ＮＨ３＝１０ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝６ｋＰａ、ｓ＝２００μｍ、ｈ＝４０μｍ、ｐ＝１００４０μｍ、ｅ＝９８４０μｍ、ｙ＝０

試料Ｊは比較例である。ｚ＝１００００μｍ、ｔ＝２１０００μｍというような露呈部Ｅの広い、結晶厚みの大きい結晶を作製した。これは試料Ｈと同じ条件で成長させたのであるが、転位密度は試料Ｈの１０倍程度もあって良い結晶ではない。同じ条件で成長させてもｚやｔが大きいので一様なファセット成長をすることができずファセット面Ｆに乱れがありそのために転位Ｌが十分に減らないのである。

ｚ＝１００００μｍ（１０ｍｍ）だと、Ｐ_ＮＨ３＝９〜７ｋＰａ、Ｐ_ＨＣｌ＝６〜８ｋＰａの程度と推定される。

そのように低欠陥単結晶領域Ｚの幅ｚ（ｐが広く）が大きくなるにしたがって一様ファセット成長するために適当なＮＨ_３分圧、ＨＣｌ分圧の範囲が異なってくる。

試料Ａ〜Ｊの９つの試料について、ＨＶＰＥ法で作製したときのＮＨ_３分圧とＨＣｌ分圧を比較する。図１６は横軸に低転位単結晶領域Ｚの幅ｚを取り、縦軸にＮＨ_３分圧（ｋＰａ）を取ったグラフである。図１７は横軸に低転位単結晶領域Ｚの幅ｚを、縦軸にＨＣｌ分圧（ｋＰａ）を取ったグラフである。本発明の版にはｚが２０００μｍ（２ｍｍ）から１００００μｍ（１０ｍｍ）の間である。

分圧はＰａで表現すべきであるがちょうどｋＰａ（１０００Ｐａ）が扱いやすい単位であるから、ここではｋＰａを使う。図１６、１７において試料Ａ〜Ｊの（ｚ、Ｐ_ＮＨ３）の値を示す。実施例（低い平均転位密度が得られた）は黒丸●で表現し、比較例（高い平均転位密度であった）は白丸○で表現している。特許文献３ではＮＨ_３分圧が３０ｋＰａ、ＨＣｌ分圧が２ｋＰａというのが典型的な条件であった。それはｚ＝２０００μｍの試料Ｂ、Ｃの条件として表れている。これらは何れも平均転位密度が高くて要求を満足していない。

●を内部に含み○を外部に持つような直線によって、好ましいＮＨ_３分圧Ｐ_ＮＨ３、ＨＣｌ分圧Ｐ_ＨＣｌの範囲が分かる。色々な直線を引くことができる。ここでは単純な数値を与える直線を選ぶ。

図１６、１７から好ましいＮＨ_３、ＨＣｌの分圧は低転位単結晶領域Ｚの幅ｚによって変わるということが分かる。ｚに依存する好ましいＮＨ_３分圧は

１５−０．０００９ｚ≦Ｐ_ＮＨ３≦２６−０．００１７ｚ （２５）

となる。分圧単位はｋＰａ、ｚの単位はμｍである。その他にも様々の直線を引くことができ一義的なものではないがこれは一例である。それによって本発明者が希望する成長を可能にしている。だからこれが指針になる。ｚが増えるにしたがって、最適のＮＨ_３分圧の範囲は下がって行く。比較例Ａ、Ｂ、ＣはＰ＝２６−０．００１７ｚの直線より上にある。

特許文献３で頻用された条件はＡ、Ｂ、ＣのＮＨ_３＝３０ｋＰａ、ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件であるがこれが本発明の範囲外にある。本発明が特許文献３の延長にないということがこれによって明確になる。

比較例ＪもＰ＝２６−０．００１７ｚの直線より上にある。比較例Ｉは直線Ｐ＝１５−０．０００９ｚより下にある。

実施例Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｈは二つの直線Ｐ＝１５−０．０００９ｚ、Ｐ＝２６−０．００１７ｚに挟まれる。これはこの二直線による限定が本発明の手法を正しくなぞっているということである。比較例Ｆも二直線の間にある。それは厚みｔがピッチｐに比べて小さいからである。これについては後に述べる。

低転位単結晶領域Ｚの幅ｚに依存する好ましいＨＣｌ分圧は
１．５＋０．０００５ｚ≦Ｐ_ＨＣｌ≦４＋０．０００５ｚ （２６）

である。分圧単位はｋＰａ、ｚの単位はμｍである。これについても他に色々な直線を引くことができる。これは本発明を表現できる一例である。ｚが増えるにしたがって、最適のＨＣｌ分圧の範囲は上がって行く。比較例Ｂ、ＣはＰ＝１．５＋０．０００５ｚの直線より下にある。特許文献３で頻用された条件はＡ、Ｂ、ＣのＮＨ_３＝３０ｋＰａ、ＨＣｌ＝２ｋＰａという条件であるｚ≧２０００μｍという条件のある本発明の範囲外にある。本発明が特許文献３の延長にないということがこれによっても明確になる。比較例ＪもＰ＝１．５＋０．０００５ｚの直線より下にある。比較例Ｉは直線Ｐ＝４＋０．０００５ｚより上にある。実施例Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｈは二つの直線Ｐ＝１．５＋０．０００５ｚ、Ｐ＝４＋０．０００５ｚに挟まれる。これはこの二直線による限定が本発明の手法を正しくなぞっているということである。比較例Ｆも二直線の間にある。それは厚みｔがピッチｐに比べて小さいからである。これについては後に述べる。

低転位単結晶領域Ｚの幅ｚが基板の品質を決める因子であるから、ｚによって分圧を規定している。しかしｚは直接に制御可能な変数ではない。むしろピッチｐ、露呈部Ｅ幅ｅ、被覆部Ｓ幅ｓが直接に制御できる変数である。ｐ、ｚ、ｅは大体同じ値を取り、ｈが小さいとき、ｚは殆どｐに等しい。その差は１／１００以下である。ｐはマスクピッチでありマスク設計の初めから分かっているパラメータである。そこで上の式においてｚをｐによって置き換えた不等式を分圧の規定式として使うことにする。

ピッチｐによるＮＨ_３、ＨＣｌの最適分圧範囲の表現は、
１５−０．０００９ｐ≦Ｐ_ＮＨ３≦２６−０．００１７ｐ （２７）
１．５＋０．０００５ｐ≦Ｐ_ＨＣｌ≦４＋０．０００５ｐ （２８）

ということになる。ただしｐの範囲は
２０２０μｍ≦ｐ≦１０４００μｍ （２９）
となる。

最小値ｐ＝２０２０μｍというのは、最小のｚ＝２０００μｍに最小のｈ＝２０μｍを加えたものである。最大値ｐ＝１０４００μｍというのは、最大のｚ＝１００００μｍに最大のｈ＝４００μｍを加えたものである。

ｐ＝２０２０μｍのとき
１３．２ｋＰａ≦Ｐ_ＮＨ３≦２２．６ｋＰａ （３０）
２．５ｋＰａ≦Ｐ_ＨＣｌ≦５ｋＰａ （３１）
である。

ｐ＝１０４００μｍのとき
５．６ｋＰａ≦Ｐ_ＮＨ３≦８．３ｋＰａ （３２）
６．７ｋＰａ≦Ｐ_ＨＣｌ≦９．２ｋＰａ
（３３）
である。

比較例Ｂ、Ｃはｚ＝２０００μｍで、ＮＨ_３、ＨＣｌ分圧が３０ｋＰａ、２ｋＰａであるが、それぞれが２２．４ｋＰａ以上、２．５ｋＰａ以下なので良好な結晶ができなかったのである。

比較例Ｊはｚ＝１００００μｍで、ＮＨ_３、ＨＣｌ分圧が１０ｋＰａ、６ｋＰａであるが、それぞれが９ｋＰａを越え、６．５ｋＰａ未満なのでよい結晶ができなかったのである。ｚ＝１００００μｍの場合は、ＮＨ_３分圧は６〜９ｋＰａに、ＨＣｌ分圧は６．５ｋＰａ〜９ｋＰａにしなければならない。

その他の中間的なｚ（２０００μｍ〜１００００μｍ）、ｐ（２０２０μｍ〜１０４００μｍ）に対する適当な分圧範囲も（２７）、（２８）によって計算することができる。

比較例Ｆは特別な考察を必要とする。これはＨＣｌ分圧もＮＨ_３分圧も上に述べた範囲に含まれる。ところがこれは平均転位密度が大きすぎて不良である。それは、結晶の厚みｔが小さすぎピッチｐから被覆部Ｓ幅ｓを引いた（ｐ−ｓ）に対する比率１．３程度で、それが２．５倍以上という条件（ｔ／（ｐ−ｓ）＞１．８）に当てはまらないからである。

下地基板Ｕの上に複数の平行直線状の被覆部Ｓと露呈部Ｅを作りだすストライプマスクを形成した下地基板Ｕの一部の平面図。ｅは露呈部Ｅの幅、ｓは被覆部Ｓの幅、ｐはマスク繰り返しピッチでｐ＝ｅ＋ｓである。 ストライプマスクを設けた下地基板Ｕの上にＨＶＰＥ法でＧａＮをファセット成長させ、下地基板Ｕと山谷部を除去したあとの結晶の一部の構造を示す平面図。露呈部Ｅの上に低欠陥単結晶領域Ｚが、被覆部Ｓの上に欠陥集合領域ＨができＺＨＺＨ…構造となっている。ｚは低転位単結晶領域Ｚの幅、ｈは結晶欠陥集合領域Ｈの幅である。結晶構造の繰り返しピッチｐはｐ＝ｚ＋ｈでマスク繰り返しピッチに等しい。 ストライプマスクを設けた下地基板Ｕの上にＨＶＰＥ法でＧａＮをファセット成長させ、下地基板Ｕと山谷部を除去した後の結晶の一部の構造を示す平面図。露呈部Ｅの上に低転位単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低転位単結晶領域Ｚが、被覆部Ｓの上に欠陥集合領域ＨができＺＹＺＨＺＹＨ…構造となっている。ｚは低転位単結晶領域Ｚの幅、ｙはＣ面成長領域Ｙの幅、ｈは結晶欠陥集合領域Ｈの幅である。結晶構造の繰り返しピッチｐはｐ＝ｚ＋ｙ＋ｚ＋ｈでマスク繰り返しピッチに等しい。 幅ｓの平行複数直線状の被覆部Ｓをピッチｐで形成し幅ｅの露呈部Ｅと幅ｓの被覆部Ｓを有する下地基板Ｕの上にＨＶＰＥ法によりＧａＮをファセット成長させ被覆部Ｓの上に欠陥集合領域Ｈを露呈部Ｅの上に低転位単結晶領域Ｚを形成して山谷が繰り返すＺＨＺＨ…構造を形成した状態の結晶の縦断面図。 幅ｓの平行複数直線状の被覆部Ｓをピッチｐで形成し幅ｅの露呈部Ｅと幅ｓの被覆部Ｓを有する下地基板Ｕの上にＨＶＰＥ法によりＧａＮをファセット成長させ被覆部Ｓの上に欠陥集合領域Ｈを露呈部Ｅの上に低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低欠陥単結晶領域Ｚを形成し、山谷が繰り返すＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造を形成した状態の結晶の縦断面図。 ファセット成長法を説明するための図であって下地基板Ｕの上に幅ｓを持つ平行直線状の被覆部Ｓを設けその間に幅ｅの露呈部Ｅを形成したストライプマスク付き下地基板Ｕの縦断面図。 ファセット成長法を説明するための図であって下地基板Ｕの上に幅ｓの被覆部Ｓと幅ｅの露呈部Ｅを設けＨＶＰＥ法によってＧａＮを下地基板Ｕの上にファセット成長させ、露呈部Ｅの上にＧａＮが成長し初めファセットＦとＣ面よりなる平行畝状の結晶が露呈部Ｅの上にでき転位Ｌは上向きに延びている状態の縦断面図。 ファセット成長法を説明するための図であって下地基板Ｕの上に幅ｓの被覆部Ｓと幅ｅの露呈部Ｅを設けＨＶＰＥ法によってＧａＮを下地基板Ｕの上にファセット成長させ、露呈部Ｅの上にファセットＦとＣ面よりなる平行畝状の結晶がより高く生成し転位Ｌの一部は方向転換しファセット面Ｆに付随し被覆部Ｓと露呈部Ｅの境界に垂直側壁ができた状態の縦断面図。 ファセット成長法を説明するための図であって下地基板Ｕの上に幅ｓの被覆部Ｓと幅ｅの露呈部Ｅを設けＨＶＰＥ法によってＧａＮを下地基板Ｕの上にファセット成長させ、露呈部Ｅの上にファセット面Ｆだけからなる平行畝状の結晶がより高く生成し転位Ｌの一部は外側へ方向転換しており被覆部Ｓと露呈部Ｅの境界の垂直側壁に突起Ｉができた状態の縦断面図。 ファセット成長法を説明するための図であって下地基板Ｕの上に幅ｓの被覆部Ｓと幅ｅの露呈部Ｅを設けＨＶＰＥ法によってＧａＮを下地基板の上にファセット成長させ、露呈部Ｅの上にファセット面Ｆだけからなる平行畝状の結晶がより高く生成し転位ＬはファセットＦから追い出され被覆部Ｓには転位Ｌが集結した欠陥集合領域Ｈが生成されている状態の縦断面図。 ストライプマスクを形成した下地基板Ｕの上にＧａＮをファセット成長させた場合初め被覆部Ｓの上に成長が起こらず露呈部Ｅだけで結晶成長が起こるのでファセットＦが形成されファセットＦの成長方向に転位Ｌの移動が起こり転位Ｌが欠陥集合領域Ｈに集められるから低欠陥単結晶領域Ｚの下方で高さｗとともに転位密度が減少して行くことを説明するための説明図。被覆部Ｓの端を原点にして横座標をｕ座標に、縦軸にｗ座標を定義している。露呈部Ｅの半分だけを示す。Θはファセット傾斜角である。 ストライプマスクを形成した下地基板Ｕの上にＧａＮをファセット成長させると、露呈部Ｅの上に転位Ｌが減少した低欠陥単結晶領域Ｚが、被覆部Ｓの上に転位Ｌが集合した欠陥集合領域Ｈができるのであるが、図１１を参照して計算したように低欠陥単結晶領域Ｚの下方では転位密度がもとのｇである部分（イ）と、転位密度がｇｃｏｓ２Θである部分（ロ）と、転位密度が０である部分（ハ）ができることを説明するためのファセット成長したＧａＮ結晶の一部の縦断面図。 ストライプマスクを形成した下地基板Ｕの上にＧａＮをファセット成長させると、露呈部Ｅの上に転位Ｌが減少した山形の低欠陥単結晶領域Ｚが、被覆部Ｓの上に転位Ｌが集合した低い欠陥集合領域Ｈができその繰り返しＺＹＺＹＺＹ…で結晶の全体が構成されるので、その三単位分だけを示す成長直後のＧａＮ結晶Ｒの斜視図。 図１３の山形の繰り返しを持つ結晶から山形部分を除去し下地基板Ｕを除いて転位密度が低い低欠陥単結晶領域Ｚと転位Ｌを集結した欠陥集合領域Ｈが交互繰り返しならぶ構造ＺＨＺＨＺＨ…を持つ平行平板状の厚い結晶Ｖとしたものの一部分の斜視図。 図１４のＺＨＺＨＺＨ…の繰り返し構造を持つ平板結晶を水平に切断して複数のウエハ−にしたものを示す斜視図。 多様なピッチｐで被覆部Ｓと露呈部Ｅを設けた下地基板Ｕの上にストライプＨＶＰＥ法で、ＮＨ_３分圧とＨＣｌ分圧を制御しながらＧａＮを成長させ様々な幅の低転位単結晶領域Ｚと欠陥集合領域Ｈの繰り返し構造よりなる結晶を作り、下地基板Ｕを除去し山形部分を研削研磨して得た結晶試料Ａ〜Ｊにおいて横軸に低転位単結晶領域Ｚの幅ｚ（μｍ）をとり、縦軸にＮＨ_３分圧（ｋＰａ）を取って各々の試料Ａ〜Ｊのｚ、Ｐ_ＮＨ３を座標上に表したグラフ。黒丸（●）が実施例であり、白丸（○）が比較例である。 多様なピッチｐで被覆部Ｓと露呈部Ｅを設けた下地基板Ｕの上にストライプＨＶＰＥ法で、ＮＨ_３分圧とＨＣｌ分圧を制御しながらＧａＮを成長させ様々な幅の低転位単結晶領域Ｚと欠陥集合領域Ｈの繰り返し構造よりなる結晶を作り、下地基板Ｕを除去し山形部分を研削研磨して得た結晶試料Ａ〜Ｊにおいて横軸に低転位単結晶領域Ｚの幅ｚ（μｍ）をとり、縦軸にＨＣｌ分圧（ｋＰａ）を取って各々の試料Ａ〜Ｊのｚ、Ｐ_ＨＣｌを座標上に表したグラフ。黒丸（●）が実施例であり、白丸（○）が比較例である。

符号の説明

Ｅ露呈部
Ｆファセット
Ｈ欠陥集合領域
Ｉ突起
Ｋ頂点
Ｋｂ境界
Ｌ転位
ＲＧａＮ結晶
Ｓ被覆部
Ｕ下地基板
Ｖ平板結晶
Ｗアズカットウエハー
ＹＣ面成長領域
Ｚ低欠陥単結晶領域
ｅ露呈部の幅
ｈ欠陥集合領域の幅
ｐストライプマスクのピッチ
ｕｖｗ三次元座標系
ｙＣ面成長領域Ｙの幅
ｚ低欠陥単結晶領域の幅

Claims (11)

1. 少なくとも三回対称性を持つ下地基板Ｕの上に、幅がｓ＝２０μｍ〜４００μｍである被覆部Ｓと幅が２，０００μｍ〜１００００μｍである露呈部Eを一定ピッチｐ＝２０２０μｍ〜１０３００μｍで平行等間隔に有するマスクを形成し、被覆部Ｓによって挟まれる露呈部Ｅは完全露呈部或いは複数の窓を有し一部露呈、一部被膜とするものであって、Ｇａボート、Ｉｎボート、Ａｌボートを有する反応炉にマスク付き下基板Ｕを装入し、マスク付き下地基板Ｕを温度８５０℃〜１１００℃に加熱し、ＨＣｌ分圧Ｐ_ＨＣｌが（１．５＋０．０００５ｐ）ｋＰａ≦Ｐ_ＨＣｌ≦（４＋０．０００５ｐ）ｋＰａであるようＨＣｌを供給して、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、ＡｌＣｌ_３を生成し、ＮＨ_３分圧Ｐ_ＮＨ３が（１５−０．０００９ｐ）ｋＰａ≦Ｐ_ＮＨ３≦（２６−０．００１７ｐ）ｋＰａであるようＮＨ_３を供給しＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、ＡｌＣｌ_３と反応させマスク付き下地基板Ｕの上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ結晶（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）を成長させ、被覆部Ｓに底を持ち露呈部Ｅの中間部に頂上を持つ平行のファセット面Ｆからなる複数の山谷構造を形成し、被覆部Ｓの直上に当たる部分は転位Ｌが集結した結晶欠陥集合領域Ｈとなり、露呈部Ｅの上でファセット面Ｆの直下は低欠陥単結晶領域Ｚとなり、ファセット面Ｆからなる山谷構造を埋め込まないようにし、谷の下地基板境界からの高さが２．５（ｐ−ｓ）を越えるように成長させることを特徴とする窒化物基板の製造方法。
2. 山の部分を研削或いは研磨によって除去して直線状平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚ、低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＨＺＨ…構造と下地基板Ｕよりなる一様厚みの平坦平滑な窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化物基板の製造方法。
3. 研磨又はエッチングによって下地基板Ｕとマスクを除去し、直線状平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＨＺＨ…構造よりなる自立した窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項２に記載の窒化物基板の製造方法。
4. 研磨又はエッチングによって下地基板Ｕ及びマスクを除去し、直線上平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚ、低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＨＺＨ…構造よりなる窒化物結晶とし、これを結晶成長方向に垂直に切断することによってＨＺＨＺＨ…構造を有する複数枚の自立した窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項３に記載の窒化物基板の製造方法。
5. 露呈部Ｅの上にファセット面ＦとＣ面とファセット面Ｆを形成し、ファセット面Ｆの直下は低欠陥単結晶領域Ｚとなり、Ｃ面の直下はＣ面成長領域Ｙとなり、ファセット面Ｆからなる山谷構造を埋め込まないようにし、谷の下地基板境界からの高さが２．５（ｐ−ｓ）を越えるように成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物基板の製造方法。
6. 山の部分を研削或いは研磨によって除去して直線状平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造と下地基板Ｕよりなる一様厚みの平坦平滑な窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項５に記載の窒化物基板の製造方法。
7. 研磨又はエッチングによって下地基板Ｕとマスクを除去し、直線状平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造よりなる自立した窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項６に記載の窒化物基板の製造方法。
8. 研磨又はエッチングによって下地基板Ｕ及びマスクを除去し、直線上平行の結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙ、低欠陥単結晶領域Ｚとがピッチｐで繰り返すＨＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造よりなる窒化物結晶とし、これを結晶成長方向に垂直に切断することによってＨＺＹＺＨＺＹＺＨ…構造を有する複数枚の自立した窒化物基板結晶とすることを特徴とする請求項７に記載の窒化物基板の製造方法。
9. 厚み方向に表裏貫通し基板表面平行に直線状に延び幅ｈ＝２０〜３００μｍであってピッチがｐ＝２０２０μｍ〜１０３００μｍで繰り返す結晶欠陥の集合した欠陥集合領域Ｈと、隣接する欠陥集合領域Ｈの間にあって厚み方向に表裏貫通し基板表面平行に平面状に広がり、幅ｚ＝２０００μｍ〜１００００μｍを持ちピッチがｐ＝２０２０μｍ〜１０３００μｍで繰り返す低欠陥単結晶領域Ｚとが繰り返し存在し、ピッチがｐ＝２０２０μｍ〜１０３００μｍでＺＨＺＨ…構造を有することを特徴とする窒化物基板。
10. ｎ型の導電性を有し比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の窒化物基板。
11. 請求項９に記載の窒化物系３−５族化合物半導体基板上に発光ダイオード、レーザダイオード、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器、ＳＡＷデバイス（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ：表面弾性波素子）、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）部品、圧電アクチュエータの何れかのデバイスを作製したことを特徴とする窒化物系半導体デバイス。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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