JP2007326747A - 窒化ガリウムの結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質の窒化ガリウム基板を製造するための窒化ガリウム結晶成長方法を提供する。
【解決手段】（１）ストライプマスクＭを下地基板の上に設ける。（２）マスクの存在しない露呈部から窒化ガリウム結晶は成長を開始し、マスクの両側にファセットＦを形成する。（３）Ｃ軸が１８０゜反転した極性反転領域Ｊが形成される場合、予兆として、ファセットの傾斜面の途中に、ツメＱと呼ばれるゴツゴツとした突起が対向して発生する。このあと、（４）ツメＱが合体し、（５）これを種として同じ方位の結晶が縦方向に成長し、極性反転結晶Ｊからなる結晶欠陥集合領域Ｈを形成する。露呈部の上でファセットの下に成長した部分は初めは下地基板との間に多数の転位を持つが、ファセット成長によって転位が外側へ排除され、結晶欠陥集合領域Ｈに蓄積されるので次第に低転位となり、この隣接部分は単結晶となる。
【選択図】図７

Description

次世代大容量光ディスクには窒化ガリウム系の青紫色レーザが使用される。青紫色レーザを実用化するためには高品質の窒化ガリウム基板が必要である。この発明は高品質の窒化ガリウム基板を製造するための窒化ガリウム結晶成長方法に関する。

高密度光ディスクのデータ記録再生に用いられる青紫色レーザは、波長４０５ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体レーザが使われる予定である。青紫色発光ダイオード（ＬＥＤ）はサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の上にＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの薄膜を形成して作られる。サファイヤと窒化ガリウムは格子定数がかなり違うので高密度の転位欠陥が発生する。電流密度が低いＬＥＤの場合は、欠陥が増殖せず長寿命であり、異種基板のサファイヤ基板で良かったのである。しかし注入電流密度が高い半導体レーザ（ＬＤ）の場合はサファイヤ基板は不適であることが分かった。電流密度が高くて欠陥が増大し、急速に劣化する。ＬＥＤとは異なりサファイヤを基板とする青紫色レーザは実用化されていない。

窒化ガリウムと格子定数が十分に近い物質は存在しない。窒化ガリウム薄膜をその上に形成する基板は窒化ガリウム自体でなければならないということが分かってきた。青紫色半導体レーザを実現するためには低転位密度の高品質の窒化ガリウム基板が強く要望される。

しかし窒化ガリウムの結晶成長は非常に困難である。窒化ガリウム（ＧａＮ）は加熱しても融液にならず、液相から固相への結晶成長法は使えない。ガスを原料とする気相からの成長法によって窒化ガリウム結晶の成長が試みられた。実用レベルのサイズを持つ大口径で高品質の窒化ガリウム基板の結晶成長のため様々な開発が行われてきた。

本発明者は、異種の下地基板の上にマスクを付け窒化ガリウム結晶を厚く成長させ、その後異種の下地基板を除去する事によって厚い窒化ガリウム自立結晶を得るようにする手法を開発提案した。

本発明者になる特許文献６は、ＧａＡｓ下地基板の上に、ストライプ（平行直線状）穴や円形穴を有するマスクを形成し、その上に窒化ガリウムを厚く成長し、ＧａＡｓ下地基板を除去する事によって窒化ガリウム単独自立結晶（基板）を得る方法を提案している。このマスクは被覆部が広く穴（露呈部）が狭くなった被覆部優勢のマスクである。穴だけに結晶核ができて厚みを増すと被覆部へ乗り上げるが横方向に伸び転位も横方向に伸びる。隣接穴から横方向に伸びた結晶が衝突し上向き成長に方向転換する。そのため転位がかなり減る。そのまま上向きに平坦面（Ｃ面）を維持して結晶成長させる。

これはマスク上を横方向に成長させて転位を減らすのでＥＬＯ法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）と呼ばれる。そのようにしてできた窒化ガリウム（ＧａＮ）自立膜はかなり転位が減少している。そのＧａＮ結晶を新たな基板として、その上に更にＧａＮ結晶を気相成長させ厚いＧａＮ結晶インゴットを成長させて、成長方向と直角に切り出すことによって複数枚のＧａＮ基板（ウエハ−）を製造するという方法も提案している。窒化ガリウムの気相成長法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法、ＨＶＰＥ法、昇華法などがある。本発明者による特許文献１はこの内ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）が最も結晶成長速度が速く、利点が大きいという事を述べている。

しかし上記の方法によって作られた窒化ガリウム結晶もかなり高密度の転位を有する。高密度転位があって低品質である。デバイスを作製する場合、その基板となる窒化ガリウム基板自体が高品質なものでなければ良いデバイスを作る事ができない。特に量産用の基板としては、広い領域に渡って転位密度が低い良質の基板が求められる。高品質の窒化ガリウム基板を得るため基板自体の転位密度を低減する方法について、本発明者らは次のような手法を提案した（特許文献２）。

その転位低減法は、厚くＧａＮ結晶を成長させながら、発生する転位欠陥を特定の箇所に集め、特定箇所以外の領域の転位欠陥を低減する方法である。

三次元的なファセット構造、例えばファセット面からなる逆六角錐形状のピット（穴）を形成し、これらのファセット形状を常に維持しながらピットを埋め込まないようにして結晶成長させる。図１（ａ）、（ｂ）に逆六角錐ピット５を形成した結晶４の一部を示す。結晶４の上面は完全に平坦でなくところどころにピット５がある。平坦上面７はＣ面である。ピット５は逆六角錐のこともあり逆１２角錐のこともある。ピット５はファセット６が互いに１２０度の角度をなすように隣接して並ぶ。隣接ファセット６、６は稜線８で接合する。稜線８が集結するピット底９はファセットの先が集合する部分である。

結晶成長は面の法線（面に直角な半直線のこと）方向に起こる。平均的な成長方向は上向きである。上面（Ｃ面）７では上方向（ｃ軸方向）に成長が起こる。ファセット６では斜め方向に成長する。ファセット６のＣ面に対する角度をΘとする。ファセットを埋め込まないという事は、上面（Ｃ面）７での成長速度ｕと、ファセットでの成長速度ｖは同一でなく、ｖ＝ｕｃｏｓΘのような異方性を持たせるという事である。

転位Ｄは成長方向と平行に伸びる。ファセット６の上にあった転位Ｄは成長が進行すると共に稜線８へと移動する。ｖ＜ｕでありファセットでの成長速度がＣ面成長より遅いので、稜線８に至った転位Ｄは稜線８に固定され、相対的に稜線８の下に降りピット底９に集結してゆく。図１（ｂ）に示すように、稜線８に続いて面状転位集合部１０が形成される。稜線８を辿って降りた転位Ｄはピット底９に続いて線状転位集合束１１を形成する。元々ファセット６の上にあった転位が面状転位集合部１０や線状転位集合部１１に集められるので、ファセット６から転位Ｄは無くなって行くのである。それでファセットの部分の低転位化がなされる。Ｃ面７の部分にあった転位Ｄもファセット６へ引き寄せられる。ピット５が高密度に存在すれば転位Ｄはピット底９や稜線８の下へ掃き寄せられ、その他の部分の転位が減少する訳である。成長の終わりまでピット５を埋め込まないようにすれば転位低減作用が一貫して持続する。

図２はそのようなファセット成長による転位低減作用をピット平面図で示したものである。ファセット６を維持すると成長方向は法線方向であり、転位Ｄも法線方向に伸びる。図２では転位の向きと成長方向が同じである事を示す。平面図でファセットに投影すると転位Ｄの伸びる方向はファセットの傾きの方向となり、やがて稜線８に至る。稜線８に至ると転位Ｄは稜線８に沿って内側へ移動する。内側へ移動するというのは稜線８を相対的に下降する事である。実際に転位Ｄは上向きにしか伸びないのであるが、ｖ＜ｕであるから相対的に下がる事になる。転位Ｄは稜線８に沿って面状欠陥１０を作る。その他の転位Ｄは集結点９（ピット底）に集合する。ピット底９に続く線状転位集合束１１となる。

しかしながらファセット成長を利用するこの方法には次のような問題のある事が分かった。

（１） より厚く結晶成長し、より多くの転位Ｄを集合させるに従って、ファセット面からなるピット中央の転位集合部から転位Ｄがモヤ状に再離散し、広がる傾向が見られる。図３によって説明する。図３（１）はファセットピットの縦断面図であり、ピット底９へ転位Ｄが集合し線状転位集合束１１（線状欠陥）を形成している事を示す。図３（２）は一旦集合した転位Ｄが再び離散しモヤ状１３に広がる有り様を示す。モヤ状広がり１３はピット底９に続く転位集合束１１が転位Ｄを閉じ込める作用に乏しい事を意味する。

（２） ファセット面からなるピット５中央の線状転位集合束１１の位置は偶然的に決まる。それはランダム分布し予め決められない。つまり転位集合束１１の位置を制御する事ができない。

問題点（２）に関してはファセットピット５は偶然にでき、何処にできるのか決められない事から来る。ピット５のできる位置を予め決める事ができるというのが望ましい。問題点（１）に関しては一旦集合した転位を再び放つ事がないようなしっかりした障壁のようなものを形成することが望まれる。

そのような二つの問題を解決するために本発明者は次のような工夫をした。

本発明者らは、図３（２）に示すような転位のモヤ状の広がり１３が発生するのは、逆６角錐形状のピット５中央底９に転位が集合した際、転位Ｄが消滅せず滞留しているだけである為と考えた。

そこで転位の集合部に転位の消滅機構・蓄積機構を付加すればよい、と思い付いた。図４（１）、（２）にそれを示す。下地基板２１の上にエピタキシャル成長を阻害する作用のある孤立点状のマスク２３を規則正しく分布させて付けて置く。露呈部で成長が起こる。露呈部の中央ではＣ面を上面２７とする成長が起こりそれが先行する。露呈部に結晶２４が主に成長する。

しかしマスク２３の上にはなかなか成長が起こらない。露呈部では成長が進むので、マスク端を底とするファセット２６とその集合であるファセットピット２５ができる。ファセットピット２５を埋め込まないように成長を最後まで持続する。ファセット２６に沿って転位Ｄが掃引されてピット底２９に至る。ピット底２９がマスク２３の位置に合致する。マスク２３の上の部分に転位Ｄが集結する。転位が集結した部分が結晶欠陥集合領域Ｈとなる。結晶欠陥集合領域Ｈは結晶粒界Ｋと芯Ｓよりなる。Ｈ＝Ｓ＋Ｋ。下地基板２１にマスク２３を付ける事によって、転位Ｄの消滅機構・蓄積機構として結晶粒界Ｋで囲まれた結晶欠陥集合領域Ｈを作り出した。つまり、マスク２３、結晶欠陥集合領域Ｈ、ピット底２９は上下方向に一直線に並ぶ。マスク２３が結晶欠陥集合領域Ｈ、ピット２６の位置を決定する。露呈部の上でファセット２６の下の部分は低欠陥単結晶領域Ｚとなる。露呈部の上でＣ面を維持して成長した部分はＣ面成長領域Ｙと呼ぶ。

転位は結晶欠陥集合領域Ｈに集結する。結晶欠陥集合領域Ｈは、有限の幅を持ちしかも結晶粒界Ｋで囲まれている。転位Ｄは結晶欠陥集合領域Ｈから再離散しない。結晶粒界Ｋは転位を消滅させる作用がある。結晶粒界Ｋの内部が芯Ｓである。芯Ｓは転位を蓄積・消滅する作用がある。結晶粒界Ｋと芯Ｓからなり転位を集結させた領域をマスクによって積極的に生成したというところが重要である。成長と共に図４（１）から図４（２）のようになるが、転位は結晶欠陥集合領域Ｈに閉じ込められているので再拡散が起こらない。同じ状態をいつまでも保持する。これによって転位Ｄの閉じ込めがより完全になりモヤ状の再離散の問題は解決された。

結晶欠陥集合領域Ｈがどのようなものであるのか当初は良く分からなかった。また結晶欠陥集合領域Ｈは一該には決まらず、ある場合は多結晶Ｐであり、ある場合は結晶軸が少し傾いた単結晶Ａである。またある場合はｃ軸方向が周囲とは反転した単結晶Ｊの事もある。そのような多様性は成長の条件に依存するらしい事が分かってきた。

最も良いのは結晶欠陥集合領域Ｈが周囲の領域Ｚ、Ｙと［０００１］方向（ｃ軸）が反転した単結晶Ｊとなる事である。その場合、Ｈは周囲結晶Ｚと方位が反転するから周りに明確な結晶粒界Ｋができる。結晶粒界Ｋが強い転位を消滅・蓄積する作用を持つ。結晶欠陥集合領域Ｈが多結晶Ｐになったり、少し方位の異なる単結晶Ａとなる場合、結晶粒界Ｋが明確にできず転位を消滅・蓄積する作用が弱い。

周囲の単結晶領域も２種類あって、ファセット面の下に成長した部分は低欠陥単結晶領域Ｚと呼ぶ。Ｃ面成長した部分はＣ面成長領域Ｙと呼ぶ。いずれも同じ方位を持つ単結晶であり低転位である。しかし電気的性質が違う。Ｃ面成長領域Ｙは高抵抗、低欠陥単結晶領域Ｚは低抵抗である。

低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙは［０００１］（ｃ軸）が上向きである単結晶であるが、結晶欠陥集合領域Ｈは［０００−１］（−ｃ軸）が上向きの単結晶である。方位が反対なのでＨとＺの境界には結晶粒界Ｋが安定して発生する。結晶粒界Ｋは転位Ｄを消滅させる作用があり閉じ込める作用があるので、ＨとＺの間にＫができるというのは有用な性質である。結晶粒界Ｋを境として内外の領域が判然と区別される。

そのように結晶欠陥集合領域Ｈとして、結晶のｃ軸方向（［０００１］）が反転した領域（極性反転領域とも言う）を形成する事は転位密度を低減する上で最も有効である。

極性の反転した領域Ｈの結晶成長速度が遅いのでＨは窪みとなる。ピット底や谷底に位置する事ができる。そのため結晶欠陥集合領域Ｈは、転位の集合する逆六角錐形状のピット底に安定して存在することができる。

結晶欠陥集合領域Ｈの周りの結晶粒界Ｋにおいて、効率的に転位が消滅し、転位のモヤ状広がりが発生しない。その欠陥転位を結晶欠陥集合領域Ｈとそのごく近くに閉じ込めた、低欠陥窒化ガリウム結晶を得る事ができる。

またこれら結晶欠陥集合領域Ｈの発生する領域は任意の位置に固定する事ができる。この結晶欠陥集合領域Ｈはランダムに偶然に発生し存在するのではなくて、予め決めた位置に形成する事ができる。それによって、例えば規則的に結晶欠陥集合領域Ｈの並んだ良質の窒化ガリウム結晶を作る事ができる。

結晶欠陥集合領域Ｈの形状についても色々な種類が有り得る。例えばドット状の孤立した閉じた領域とする事もできる。特許文献３はそのような結晶欠陥集合領域Ｈの配置を持つ窒化ガリウム結晶を提案している。図１０（１）はドットマスクの一例を示す平面図である。下地基板Ｕの上に規則正しく分布する孤立点のマスクＭが形成される。露呈部の上に低欠陥の結晶ができる。ドットマスクＭの上の部分が結晶欠陥集合領域Ｈになり、それを底とするファセットピットができる。ファセットの下が低欠陥単結晶領域Ｚとなり、ファセットの外のＣ面の下にはＣ面成長領域Ｙができる。

図６（２）はドットマスクを設けた下地基板Ｕの上にＧａＮを成長させた結晶の斜視図である。Ｃ面成長部Ｙが広いが、ファセットＦよりなる角錐形のピットが多数ある。ドットマスク上にピットができている。図１０（２）はドットマスクの上に成長したＧａＮ結晶から下地基板を取り、研磨研削して平坦な基板（ウエハ）にした時の平面構造を示す。マスク上は結晶欠陥集合領域Ｈとなり、それを中心として低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙが囲む同心構造（ＹＺＨ）となっている。

或いは結晶欠陥集合領域Ｈを平行な縞状（ストライプ）に形成する事もできる。特許文献４はそのようなストライプタイプの結晶欠陥集合領域Ｈを持つ窒化ガリウム結晶を提案する。ストライプマスクは図８（１）に示す。下地基板Ｕの上に、平行で直線状のマスク（幅ｓ）を規則正しく（ピッチｐ）多数形成している。その上に窒化ガリウムを成長させたものを図６（１）に示す。露呈部の上には低欠陥単結晶領域Ｚからなる山脈ができる。山脈の斜面はファセットＦである。マスクＭの上には結晶欠陥集合領域ＨからなるＶ溝ができる。図８（２）は、ストライプマスクを形成した下地基板の上に成長した窒化ガリウム結晶を下地基板から分離し、研削研磨したウエハの平面構造を示す。平行なＨＺＹＺＨＺＹＺ…という構造を持つ。

図５はストライプマスクを使ったファセット成長法を説明する為の図である。
下地基板Ｕの上に平行に伸びるマスクＭ（ストライプマスク）を付ける（図５（１））。マスクＭは紙面に垂直に伸びている。下地基板Ｕ、マスクＭの上にＧａＮを気相成長させる。下地基板の上には結晶核ができて成長するが、マスクの上は結晶核ができないので結晶成長が起こらない。マスク以外の部分（露呈部）にＧａＮ結晶がｃ軸方向に成長する（図５（２））。結晶の上面はＣ面である。マスクＭの上には初め結晶ができないので空間となる。両側から結晶がマスクの縁に迫ってくる。マスク端から上向きに伸びる結晶の傾斜面がファセットＦである。

更に成長が進むとマスクＭの上にも結晶が載る。他の部分よりも成長が遅延するので窪みになっている。マスクＭの上の結晶はｃ軸が反転した結晶欠陥集合領域Ｈである。その上に、より傾斜の小さい別のファセットＦ’、Ｆ’が存在する。それは図７（３）、（４）に現れるツメＱの上面の傾斜と同一である。露呈部の上でファセットＦの下に成長するのが低欠陥単結晶領域Ｚである。露呈部の上でＣ面（上面）の下に続いて成長するのがＣ面成長領域Ｙである。結晶欠陥集合領域Ｈと低欠陥単結晶領域Ｚの境が結晶粒界Ｋである。傾斜の異なるファセットＦ、Ｆ’の境は結晶粒界Ｋに一致している。

マスクＭが平行で複数本あるので結晶欠陥集合領域Ｈは平行な谷を作る。マスクの間の部分は低欠陥単結晶領域ＺかＣ面成長領域Ｙとなる。ＺとＹは平行な山になる。つまりストライプマスクを用いた場合、結晶は、平行な山・谷を繰り返す構造となる。Ｃ面成長領域Ｙが無い場合は鋭い山となり、Ｃ面成長領域Ｙがあるとその部分は平坦な山となる。

マスクＭが孤立したドットマスクの場合でもほぼ同様である。その場合はマスクＭを中心としてファセットＦよりなる孤立したピットができる。露呈部上でファセットＦの下は低欠陥単結晶領域Ｚとなり、露呈部上でＣ面の下はＣ面成長領域Ｙとなる。ＺとＹは同じ方位を持つ低転位の単結晶である。

マスクの上は結晶欠陥集合領域Ｈとなる。結晶欠陥集合領域Ｈは多結晶Ｐ、方位がずれた単結晶Ａ或いは、ｃ軸方向が反転した方位反転単結晶領域Ｊである。欠陥集合領域Ｈがマスク上にできない場合もある（Ｏ）。だからマスク上の部分は，Ｏ、Ａ、Ｐ、Ｊの４通りの場合がある。

反転領域Ｊができた場合、欠陥集合領域ＨはＧａ面とＮ面が反対になる。ｃ軸方向が反転する。ｃ軸方向が反転した方位反転単結晶領域Ｊを「極性反転領域」と、本発明者等は習慣で呼んでいる。ＧａＮは有極性の結晶ではないので「極性反転」はおかしいのだが慣例的にそのように呼んでいる。正しくは方位反転領域というべきである。

ＨとＺの境界が結晶粒界Ｋである。結晶欠陥集合領域Ｈの上はより緩やかな傾斜のファセットＦ’となる。結晶は、Ｃ面の中にいくつもの孤立したピットが多数並ぶというような構造となる。断面図を見ている限りでは似たようなものであるが、ドットマスクの場合、結晶欠陥集合領域Ｈは孤立した閉領域となる。ファセットＦは｛１１−２２｝や、｛１−１０１｝面などが多い。マスクＭは結晶欠陥集合領域Ｈの種という事ができる。

種（マスク）を初めに下地基板の上に形成することによって結晶欠陥集合領域Ｈができる位置が決まる。それに応じて低欠陥単結晶領域ＺやＣ面成長領域Ｙのできる位置も決まる。それは先ほど述べたような結晶欠陥集合領域Ｈの位置が定まらないという欠点を克服したという事である。

更に方位反転した結晶欠陥集合領域Ｈは周囲に明確な結晶粒界Ｋを持つので、一旦集結した転位がモヤ状になって再離散するという事がない。そのようにマスクを予め下地基板の上に形成する事によって欠陥集合領域Ｈのできる位置を制御可能にした。

マスク位置によってＨ、Ｚ、Ｙ構造の位置制御を明確にする事ができるが、結晶欠陥集合領域Ｈが、ハッキリした結晶粒界Ｋを形成できる場合とできない場合がある事が分かってきた。マスクの上に結晶欠陥集合領域Ｈができるがそれは必ずしもｃ軸が１８０度回転した方位反転領域（極性反転領域）Ｊにはならない。そうでなくて多結晶Ｐとなる事もある。結晶方位が周りの単結晶（Ｚ、Ｙ）と異なる単結晶Ａとなる事もある。欠陥集合領域Ｈができない（Ｏ）事もある。マスク上はＯ型、Ａ型、Ｐ型、Ｊ型の４種類の場合がある。

マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈが多結晶Ｐであると、周りの低欠陥単結晶Ｚと近似する方位の部分結晶もあるから、その間には結晶構造の齟齬がなく、結晶粒界Ｋがハッキリと出現しない。結晶欠陥集合領域Ｈがｃ軸方位の少し傾いた単結晶Ａである場合も一部結晶構造が近似する部分があって結晶粒界Ｋがハッキリしない。結晶粒界Ｋが明確に現れるのはｃ軸が１８０度逆転した極性反転領域Ｊになる場合である。

反転領域Ｊができると、結晶欠陥集合領域Ｈと周囲のＺとはどの部分を採っても大きく格子構造が異なるので境界は結晶粒界Ｋとなる。結晶粒界Ｋがないと転位を捕獲し消滅させ蓄積させる作用が弱い。だからマスク上には常に方位反転した結晶欠陥集合領域Ｈを生成することが強く望まれる。本発明の目的は、マスクの上にできる結晶欠陥集合領域Ｈを、ｃ軸が１８０度反転した極性反転領域Ｊにする確かな方法を提供する事である。

再公表特許ＷＯ９９／２３６９３（ＨＶＰＥ） 特開２００１−１０２３０７（ランダム型） 特開２００３−１６５７９９（ドット型） 特開２００３−１８３１００（ストライプ型） 特願２００６−０６６４９６（つめ生成）

結晶欠陥集合領域Ｈとして反転領域Ｊができるのが最も良い。本発明の課題はマスク上に反転領域Ｊを確実に形成する事である。ｃ軸が１８０度反転した極性反転領域Ｊがマスク上にできる場合の結晶成長の有様を細かく観察した。次のような過程を経てマスク上にｃ軸が反転した結晶Ｊができるという事が分かってきた。図７にその過程を示す。

１）下地基板Ｕの上の、結晶欠陥集合領域Ｈを形成すべき場所に、エピタキシャル成長を阻害する材料を用いた種（マスク）Ｍを形成する。種というのは結晶欠陥集合領域Ｈの種という意味でありマスクＭと同義語に使う。図７（１）はその状態を示す。一つだけのストライプマスクＭを図示するが実際には平行に多数条のマスクＭを形成しているのである。

２）下地基板Ｕの上に、窒化ガリウムを気相成長させる。下地基板Ｕの上（露呈部）に結晶核ができ易くマスク（被覆部）上には結晶核ができないので、露呈部だけで結晶成長が始まる。Ｃ面が上面になる結晶方位となる。窒化ガリウムの結晶成長の進行が、種（マスクパターン）の端部（縁）で止められる。結晶は初め種Ｍの上に乗り上げない。種Ｍの上に乗り上げず横方向成長しない。種の縁から露呈部側に斜め上に伸びる斜面が発生する（図７（２））。これはＣ面でないファセットＦのいずれかである。このファセットＦは｛１１−２２｝面である事が多い。ストライプマスクを種Ｍとした場合ファセットＦは紙面直角方向に伸びる。ドットマスク（孤立点）の場合はこれが穴（ピット）になる。ストライプでもドットでもよく似たようなものであるからストライプマスクの場合を説明している。

３）種（マスクパターン）端部で成長を止められた窒化ガリウムのファセット面の斜面の端部から、ｃ軸の方位が１８０度反転した、ツメのような微少な結晶が発生し水平方向に伸びる。図７（３）に示す。ツメＱはファセットＦより緩やかな傾斜面とその下にも傾斜面を持つ。ツメＱの結晶方位は隣接部分の結晶と方位が１８０度違う事が分かった。つまりツメＱは極性反転領域である。

４）結晶成長と共に、ファセット上にできた方位反転したツメＱの数が増え、それぞれが肥大化し溝の両側でそれぞれが一つの長い列になる。両側からツメＱはマスクを覆うように伸びる。

５）方位反転したツメＱは、ファセットＦよりも角度の小さいファセットＦ’を上側に持つ。上側ファセットＦ’は｛１１−２−６｝、｛１１−２−５｝などの低傾斜角のファセットである。下側のファセットはより強い傾斜面である。

６）ツメＱが垂直方向、水平方向に拡大し、マスクの上でツメＱの先端が衝突接触する。ツメＱが合体する。図７（４）に示す通り架橋部ができる。架橋部ができるとツメＱ、Ｑの上に同じ反転方位の結晶が成長してゆく。下の隙間にも結晶が成長するがこれも方位反転である。マスク直上のこの部分はマスクに乗り上げた結晶が横に伸びるのではなく、ツメが合体した架橋部から下向きに成長したものである。成長の方向が周囲の結晶方位と反対である。

７）ぶつかった部分は、間に格子不整合な境界Ｋ’を有したまま厚く成長する。この境界Ｋ’はツメＱの部分と両側の低欠陥単結晶領域Ｚとの境界の結晶粒界Ｋとは違う。極性反転ツメＱは結晶欠陥集合領域Ｈとなる。

８）結晶を厚く成長することにより（図７（５））、窒化ガリウムの中の転位は、ファセット面斜面の成長によってマスク上の結晶欠陥集合領域Ｈへ集められる。集められた転位は、結晶欠陥集合領域Ｈ（ツメＱ）と、低欠陥単結晶領域Ｚの境界である結晶粒界Ｋ或いは芯Ｓで一部消滅し減少する。ツメＱが上方に伸びることによって結晶欠陥集合領域Ｈができる。消滅しなかった転位は、結晶粒界Ｋ、芯Ｓの内部に捕獲され蓄積される。ファセット面の下は転位が減少し低欠陥単結晶領域Ｚとなる。

そのような過程を経て、方位反転領域としての結晶欠陥集合領域Ｈが形成されるのであるから、マスク上の部分をｃ軸が反転したものとするには、図７（３）のようなツメＱをファセット面（例えば｛１１−２２｝）の全面に形成するという事が必要である。また全面に安定的に形成するということが必要である。ツメＱがファセットに安定して形成できなければ、マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈが、所望の方位反転領域にならない。その場合は周囲の領域の転位を引き込んで消滅させるという事ができない。転位は広がってしまい、低欠陥単結晶領域Ｚが形成されないようになってしまう。

単にマスクを下地基板の上に形成して気相成長したというだけでは、マスク上の部分がうまく方位反転領域とはならない。マスク縁から斜めに伸びるファセットに、方位反転したツメＱを全面に安定して作るのは簡単ではない。

本発明は、ファセット成長によって転位を低減するものでありファセット法とでも呼ぶべきものである。マスクを用いて転位を低減する手法として既に知られているエピタキシャルオーバーグロース法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）とは截然とちがう。截然と違うにも拘らずマスクを使って転位を低減する手法なので混同される事がある。ＥＬＯと混同されないようにここで相違点をいくつか説明する。

（ａ）ＥＬＯは被覆部面積の方が露呈部面積よりずっと広い（被覆部＞露呈部）。マスクに所々穴が開いているという程度である。本発明に基づくファセット法は露呈部が広く被覆部が狭い（被覆部＜露呈部）。下地基板の上に僅かにマスクを付けるようなものである。

（ｂ）マスク端部における結晶の方位反転（極性反転）の有無において截然と異なる。ＥＬＯ法では露呈部で生じた結晶がそのままの方位を維持して被覆部の上へ乗り上げる。結晶方位は保たれる。同じ結晶方位のままである。例えばマスク端で｛１１−２２｝ファセットが存在する場合、その面と傾斜を維持したまま被覆部へ乗り上げる。マスク上でも｛１１−２２｝面を維持したまま成長を続ける。だからマスクの境界での方位反転（極性反転）は起こらない。本発明は露呈部でできた結晶がそのままマスクへ乗り上げるのではない。マスクと離れたファセットの途中からツメ結晶Ｑが発生するので露呈部結晶と非連続になるのである。

（ｃ）転位低減のための結晶成長方向は、ＥＬＯに関しては、横方向である。マスクに対して水平に横方向に成長する事によって、横方向に成長した部分の貫通転位を低減する。しかし本発明が改良を目指すファセット成長法では結晶成長の方向は、厚さ方向である。厚さ方向に成長する事によって、結晶欠陥集合領域Ｈに転位を集合させ、転位を低減する。両者は結晶成長方向において異なる。

（ｄ）転位低減のプロセスに関し、ＥＬＯの場合、低転位になるのはマスクの上である。露呈部に転位密度の高い欠陥領域ができる。それに対しファセット成長法では、露呈部に低転位密度の良質の単結晶ができる。マスクの上には転位密度の高い欠陥の多い領域が形成される。低欠陥領域、高転位密度領域が被覆部、露呈部のいずれにできるか？に関しＥＬＯとファセット成長では正反対である。

本発明は、下地基板の上に、エピタキシャル成長を阻害するマスクを部分的に形成し、露呈部と被覆部が混在する下地基板表面を作り、Ｇａ原料と窒素原料ガスの他に、炭素原料を供給しながら下地基板の上へ窒化ガリウムを気相成長させ、マスク上に反転領域Ｊを形成するようにしたものである。炭素を添加する事によって、マスク上にできる結晶欠陥集合領域Ｈを確実に反転領域Ｊにするというのが本発明の骨子である。窒化ガリウムの気相成長はバッファ層形成＋エピタキシャル成長であったが、本発明はその間に炭素添加による反転領域形成用の過程を付け加える。つまりバッファ層形成＋炭素添加反転領域形成＋エピタキシャル成長の３段階の成長になる。

下地基板は、サファイヤ（０００１）単結晶基板、Ｓｉ（１１１）単結晶基板、ＳｉＣ（０００１）単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板、ＧａＡｓ（１１１）単結晶基板などを用いることができる。サファイヤ基板の上にＧａＮ薄膜を成長させた複合基板（テンプレートと呼ぶ）をも下地基板とする事ができる。

下地基板にマスクを形成する（図７（１））。マスク材料はＳｉＯ_２、Ｐｔ、Ｗ、Ｓｉ_３Ｎ_４などである。厚みは３０ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。マスクパターンは孤立点を規則正しく分散させたドット型（Ｍ１）とする事ができる。或いは複数平行辺を一定ピッチで並べたストライプ型（Ｍ２）とする事もできる。マスクを付ける事により下地基板面に被覆部と露呈部ができる。被覆部は狭く露呈部の方が広い。

マスク付きの下地基板の上に、低温で窒化ガリウムを成長させ３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の薄いバッファ層を形成する。バッファ層形成温度はＴｂと書く。これはＴｂ＝４００℃〜６００℃の低温である。バッファ層は下地基板と窒化ガリウムの応力を緩和する作用がある。露呈部に薄いバッファ層ができる。被覆部には未だに結晶が載らないので被覆部にはバッファ層ができない。

本発明の骨子はそれに続く反転領域生成のための炭素ドーピング成長にある。Ｇａ原料、窒素原料の他に炭素原料を加えて下地基板・バッファ層の上にＧａＮの成長をする。被覆部では結晶ができず露呈部での結晶成長が進み、被覆部（マスク）に接する部分はファセットＦとなる（図７（２））。

炭素ドープしたので、被覆部端から立ち上がるファセットＦの途中にツメＱができる（図７（３））。ツメＱは周囲の単結晶と方位が１８０゜反転した方位を持つ。ツメＱが両側から伸びて合体する（図７（４））。ツメＱの上に更に結晶成長してツメＱ（反転部）が肥大する。これが積もって被覆部の上にも結晶ができるようになる。被覆部の上はツメＱの上にできるからｃ軸の方位が周りとは１８０゜異なる。反転領域という。反転領域は被覆部の上に被覆部の断面積を大体維持しながら（被覆部よりすこし狭い）上に伸びて行く（図７（５））。これが周囲の結晶から転位を引きつけ転位を集結させる。

ＨＶＰＥ法ではＧａ原料はＧａ融液であり、ＨＣｌでＧａＣｌを合成しＮＨ_３と反応させる。本発明は炭素添加によって反転領域の形成を確実にする。炭素原料として炭化水素ガスと炭素固体がある。ＨＶＰＥ法は通常常圧（１ａｔｍ＝０．１ＭＰａ）で行う。炭化水素ガスを原料とする場合、炭化水素ガス分圧は１×１０^−４ａｔｍ（１０Ｐａ）〜５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）とする。これは初期の反転領域形成用成長であるが、成長温度Ｔｊは９００℃〜１１００℃である。とくに９９０℃〜１０５０℃が適する。成長速度は５０μｍ／ｈ〜１００μｍ／ｈである。

転位が集結するのでマスク上のこの部分を結晶欠陥集合領域Ｈという。結晶欠陥集合領域Ｈは、結晶軸が傾いた単結晶（ｃ軸は上向き）Ａ、多結晶Ｐ、ｃ軸が反転した単結晶（反転領域）Ｊの３つのいずれかになる。また結晶欠陥集合領域Ｈができない場合もある（Ｏ）。

特にマスク上の部分を反転領域Ｊにするようにしたのが本発明である。結晶欠陥集合領域Ｈは隣接する露呈部の上、ファセットの下に成長した周囲の結晶から転位を引き抜き結晶欠陥集合領域Ｈに閉じ込める。露呈部の上、ファセットの下に成長した結晶は低転位の単結晶Ｚとなる。そのような作用は

不生成Ｏ＜結晶軸が傾いた単結晶Ａ＜多結晶Ｐ＜反転領域Ｊ

の順に強い。本発明は結晶欠陥集合領域Ｈを反転領域Ｊにするための条件を探しそれを求めた。常にマスクの上に反転領域Ｊを生成することが本発明によって可能となった。

マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈが上の３者の内のどれであるか？という事はカソードルミネッセンス（ＣＬ）によって分かる。蛍光顕微鏡観察によっても分かる。ＧａＮ結晶は一様に透明なので肉眼では分からない。

その後の厚膜生成のためのエピタキシャル成長を行う。厚膜成長時間は目的結晶の膜厚によって数十時間から、数百時間、数千時間になる事もある。厚膜生成エピタキシャル成長温度を第２成長温度Ｔｅとして区別する事にする。厚膜生成のためのエピタキシャル成長温度Ｔｅは＝９９０℃〜１２００℃である。とくにＴｅ＝１０００゜〜１２００℃とするのが良い。

結晶欠陥の少ない良好な窒化ガリウム基板が強く求められている。マスクを下地基板に形成してファセットを維持しながら結晶成長しマスク上に欠陥集合領域Ｈを形成し欠陥集合領域Ｈに欠陥を集める事によって露呈部の結晶の転位を低減するファセット成長法は有望である。結晶欠陥集合領域Ｈには反転領域Ｊが一番適している。ｃ軸の反転した反転領域Ｊを安定的に形成するには、結晶欠陥集合領域Ｈの形成初期の結晶成長条件が重要だという事が分かってきた。

初期の条件がうまく揃わないと、マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈが反転領域Ｊにならず、多結晶Ｐや軸が傾いた単結晶（ｃ軸上向き）Ａとなってしまう。多結晶や軸の傾いた単結晶では隣接領域から転位を引きつけて隣接領域の転位を減らすという作用が不十分である。マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈをぜひとも反転領域にしたい。

先述のプロセスにおいて、３）、４）、５）、６）の過程が、反転領域（ツメＱ）形成の初期段階にあたる。ツメＱの発生が重要である。ツメＱとそれに続く反転領域Ｊを必ず発生させるために本発明は成長初期に炭素を少しドープするのが良いという事を見出した。

ツメ、反転領域形成のための炭素ドープによる初期成長は０．５〜２時間ほどである。マスク上には反転領域の結晶欠陥集合領域Ｈができ、露呈部の上には低欠陥単結晶領域Ｚができている。露呈部の中央部にはＣ面成長領域Ｙができている事もある。これが存在しない場合もある。

炭素を添加することによって本発明は反転領域を確実に形成する事ができる。マスク上に堅固な反転領域Ｊを作り露呈部の単結晶部分Ｚの転位を更に減らし高品質の窒化ガリウム結晶を成長させる事ができる。

窒化ガリウム結晶の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法、昇華法を用いる事ができるが、本発明はＨＶＰＥ法で炭素原料を添加して反転領域をマスク上に形成するようにしたものである。ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法だと原料に炭素が含まれるのであるが、その炭素によってマスク上に必ず反転領域ができるかどうか？という事は明らかでない。

そこで本発明はＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）で成長したものだけに限定する。ＨＶＰＥ法は縦長のホットウオール型の反応炉（ＨＶＰＥ炉）を用いる。ＨＶＰＥ炉は周囲に縦方向に分割されたヒータを持っており、縦方向に自在に温度分布を形成する事ができる。炉内空間の上方にＧａ金属を入れたＧａメタルボートを持つ。その下方に試料を置くべきサセプタを有する。

ＨＶＰＥ炉で結晶成長は通常、常圧（１ａｔｍ＝１００ｋＰａ）で行われる。Ｇａメタルボートを８００℃以上に加熱しＧａを融液とする。炉の上方にガス導入管がある。ガス導入管からＨ_２＋ＨＣｌガスがＧａ融液に吹き込まれる。それによってＧａＣｌが合成される。ＧａＣｌはガス状であり下方へ落下し加熱されたサセプタ、試料の近傍に至る。サセプタの近傍にはＨ_２＋ＮＨ_３ガスが吹き込まれる。ＧａＣｌとＮＨ_３の反応でＧａＮができる。それが試料の上に積層される。

下地基板の上に形成するマスクパターンはエピタキシャル成長を阻害するような素材であればよい。ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｗなどを用いる事ができる。
マスクは結晶欠陥集合領域Ｈの種となる。ＧａＮの方位は下地基板で決まる。マスクの方向でマスクに沿ったファセットの方位が決まる。だから下地基板の結晶方位に対し一定関係にあるマスクを形成する必要がある。

［実施例１（第１成長温度Ｔｅによる反転領域のでき具合）］
［１．下地基板（Ｕ）］
下地基板として、２インチ径のサファイヤ基板（Ｕ１）、ＧａＡｓ基板（Ｕ２）、ＭＯＣＶＤ法により１．５μｍ厚さのＧａＮエピタキシャル層を形成したサファイヤ基板（Ｕ３）を準備した。
サファイヤ基板（Ｕ１）は、Ｃ面（（０００１）面）を主面（表面）としたものである。
ＧａＡｓ基板（Ｕ２）は（１１１）Ａ面（Ｇａ面のこと）を主面（表面）としたものである。
ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）は、エピ層のＧａＮはＣ面配向（（０００１）面）した鏡面状の基板である。これはテンプレートと呼ぶ事もある。

［２．マスクパターン（Ｍ）］
これら３種類の下地基板Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の上にプラズマＣＶＤ法によって、厚さ０．１μｍのＳｉＯ_２薄膜を成膜した。フォトリソグラフィとエッチングによってマスクパターンを形成した。マスクパターンはストライプ形状（Ｍ１）とドット形状（Ｍ２）の２種類とした。

（Ｍ１：ストライプ型マスクパターン；図８）
図８（１）に示すような幅を持った平行直線状のマスクパターンＭを下地基板Ｕの上に形成したものをストライプ型マスクパターンという。マスクＭが等間隔平行にある。マスクで覆われない部分が露呈部である。露呈部から成長が始まる。

ストライプマスクの上にＧａＮを成長させると、図８（２）のようにマスク上の部分に結晶欠陥集合領域Ｈができる。露呈部の上でマスクに隣接する部分に低欠陥単結晶領域Ｚができる。低欠陥単結晶領域Ｚの中心にＣ面成長領域Ｙができる事もあり、できない事もある。

ストライプの延長方向が、ＧａＮエピ層の＜１−１００＞方向となるように方向を決めた。ＧａＮエピ層はマスク形成後に成膜するものである。しかし下地基板の方位とその上に成膜したＧａＮの方位には一定の関係があるので、下地基板の方位に対する関係に置き直す事ができる。Ｃ面サファイヤ基板の上にＧａＮ膜を成長させるとｃ軸回りに方位が９０゜捻れる。ＧａＡｓ（１１１）の上にできるＧａＮについてもサファイヤの前３指数と同じ関係にある。ＧａＮの上にできるＧａＮは同じ方位で成長する。だから下地基板の方位に関連づけてマスクの長手方向の方位を決める事により、その後で成長するＧａＮエピ層の＜１−１００＞方位にマスクが伸びるようにする事ができる。

ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）の場合は、ＧａＮの＜１−１００＞方向に平行に伸びるように決める。（１１１）面ＧａＡｓ基板（Ｕ２）の場合は、ＧａＡｓ＜１１−２＞方向に平行になるようにマスク延長方向の方位を決める。サファイヤ基板（Ｕ１）の場合は、サファイヤ＜１１−２０＞方向に平行になるようにマスク延長方向の方位を決める。

ストライプマスクパターンは、平行の被覆部（ＳｉＯ_２）の幅ｓがｓ＝３０μｍで、平行の被覆部・露呈部の繰り返しピッチｐがｐ＝３００μｍとした。露呈部も平行に伸び、その幅ｅはｅ＝２７０μｍである。ｐ＝ｅ＋ｓ。ピッチとは被覆部中心から隣接被覆部中心までの距離を意味する。露呈部：被覆部の面積比は９：１である。

（Ｍ２：ドット型マスクパターン；図１０）
一定の直径をもつドットが所定の間隔を持って一列に並んだものを一単位とし、それを平行に多数並べる。図１０（１）にドットマスクの例をしめす。下地基板Ｕの上に千鳥状に小さい点状のマスクＭが作られる。被覆部は狭く、殆どが露呈部である。露呈部から成長が始まる。

ドットマスクを使って窒化ガリウム結晶を作りｃ軸と直角方向に切断した窒化ガリウムは、図１０（２）のような構造を持つ。マスクの上には結晶欠陥集合領域Ｈができる。その周りに低欠陥単結晶領域Ｚができる。低欠陥単結晶領域Ｚで覆われない部分はＣ面成長領域Ｙである。

ドットマスクの場合、例えば隣接する行は半ピッチずれた位置にドットが存在するようにする。正三角形が隙間なく並ぶ図形の頂点の位置にドットが位置するようなパターンとなる。６回対称性のある模様である。ドットが並ぶ方向は例えばＧａＮの＜１−１００＞方向に平行と決める。これもＧａＮは後で成長するのであるが、下地基板の方位とＧａＮの方位は一定の関係があるから下地基板の方位に関連づけてマスク方位を決め、ドットの並びがＧａＮ＜１−１００＞方位に平行になるようにできる。サファイヤ基板（Ｕ１）の場合は＜１１−２０＞方向に平行になるようにドットを並べる。ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）の場合は＜１１−２＞方向に平行になるように並べる。

ドット（被覆部）は円形であり、ドット直径ｔをｔ＝５０μｍとした。ドットのピッチｐは３００μｍとした。これは最近接ドットの中心間の距離である。ドットを結ぶ線上での露呈部の長さｆはｆ＝２５０μｍである。３つのドットを頂点とする単位正三角形の面積は３８９７１μｍ^２である。ひとつのドット（被覆部）面積は１９６３μｍ^２である。露呈部：被覆部の面積比は１９：１である。

［３．バッファ層形成と反転領域形成のための成長］
ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３；Ｍ１，Ｍ２）を装入した。
初めに、約５００℃の低温（Ｔｂ＝５００℃）で、ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧をＰ_ＨＣｌ２×１０^−３ａｔｍ（０．２ｋＰａ）とし、成長時間１５分で、ＧａＮからなるバッファ層を形成した。バッファ層厚みは６０ｎｍであった。
その後昇温して、反転領域形成温度Ｔｊ＝１０００℃とし、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を約１時間成長させた。原料ガスはＨ_２＋ＨＣｌ、Ｈ_２＋ＮＨ_３、炭化水素ガスである。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧をＰ_ＨＣｌ＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）とし、炭化水素ガスはメタン、エタンガスとした。比較のため炭化水素ガスを流さないで成長した試料もある。約１時間の成長で終了し、厚膜成長しないで冷却して炉から取り出し観察した。反転領域形成温度の好ましい範囲はＴｊ＝９７０℃〜１１００℃である。

［４．炭化水素ガスの種類と分圧Ｐ_ＨＣ］
本発明は反転領域Ｊを成長させるために固定炭素或いは炭化水素ガスを添加する。メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスなどを原料として用いる事ができる。炭化水素ガスの分圧をＰ_ＨＣ＝１×１０^−４ａｔｍ（１０Ｐａ）〜５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）の範囲とすると反転領域を形成する効果がある。ここではつぎの３種類を試みた。
（１）メタンガス（ＣＨ_４） Ｐ_ＨＣ＝８×１０^−３ａｔｍ（０．８ｋＰａ）
（２）エタンガス（Ｃ_２Ｈ_６） Ｐ_ＨＣ＝８×１０^−３ａｔｍ（０．８ｋＰａ）
（３）炭化水素ガスなし

［５．反転領域ができるための結晶成長］
これまで得られた知見から、ｃ軸の１８０゜回転した反転領域Ｊを得るための結晶成長においては次のような状況となる事が分かっている。
図７にストライプファセット成長の様子を示す。図７（１）のようにストライプマスクＭを下地基板の上に設ける。これは一つだけを示すが実際には多数の平行マスクがある。図７（２）のように、マスクの存在しない露呈部から窒化ガリウム結晶は成長を開始する。マスクに乗り上げることなく露呈部の全体に結晶が薄膜状にできる。更に結晶成長が進むとマスク縁を下端とした傾斜面が形成される。マスクに乗り上げることなくこの傾斜面は更に成長して、明確なファセットＦとなる。そのファセットＦはマスクの方位によるが、例えば、｛１１−２２｝面を持つファセットである。マスクの上には結晶は存在せず、マスクの両側にファセットＦが対向するようになる。

ｃ軸が１８０゜反転した反転領域Ｊが形成される場合予兆として、ファセットの傾斜面の途中に、ゴツゴツとした突起が発生する。これをツメＱと呼んでいる。ファセットは対向しているのでツメも対向してできる（図７（３））。ツメＱが反転領域の種となる。ツメＱができないと後に反転領域はできない。この突起（ツメＱ）の上面は、水平面（Ｃ面）に対して２５゜〜３５゜ぐらいの傾斜角をなしている。ファセットの途中にできたツメＱ（突起）は、隣接するファセットとはｃ軸が１８０゜反転した結晶である。方位が反転しているからこれが反転領域Ｊの種となる。ツメＱも成長していきゴツゴツした突起が大きくなる。やがて両側のファセットから伸びてきたツメＱが合体する。

図７（４）のように合体する事によってマスクの上が塞がれる。ツメＱはマスクに非接触であり、中間から横に伸びて合体するのである。合体した以後はそれを種として同じ方位の結晶が縦方向に成長して行く。だからマスクの上方にはツメＱと同じ方位の結晶ができる。ツメはｃ軸が反転した結晶だから、その上にできる結晶は反転結晶Ｊとなる。図７（５）のようにツメＱの上にそれと同じ方位の結晶が縦に成長する。マスクの上にできるので結晶欠陥集合領域Ｈである。結晶欠陥集合領域Ｈがそのようにして反転領域Ｊとなるのである。両側の露呈部の上にはより背の高い結晶が既に存在する。その表面はファセットＦである。露呈部の結晶は下地基板との境界で発生した大量の転位を持っている。転位は成長と共に上方へ伸びている。ファセット面を埋め込まずにファセットを保持しながら成長を持続する。

ファセット面の結晶の成長方向が法線方向なので、成長と共に転位も法線方向に伸びる。だから転位の伸びる方向が斜め外向きになる。それは丁度マスク上の結晶欠陥集合領域Ｈに向かって伸びる。結晶欠陥集合領域Ｈに至って転位がそれに吸収される。再び転位がファセットに戻らない。戻らないからファセットの直下にある部分の転位は減少する。露呈部の上でファセットの下に成長した部分を低欠陥単結晶領域Ｚという。この部分は初めは下地基板との間に多数の転位を持つが、ファセット成長によって転位が外側へ排除され、結晶欠陥集合領域Ｈに蓄積されるので次第に低転位となる。下地基板との関係で結晶方位が決まるのでこの隣接部分は単結晶となる。低転位であり単結晶なので低欠陥単結晶領域Ｚと呼ぶのである。低欠陥単結晶領域Ｚと結晶欠陥集合領域Ｈの境界が結晶粒界Ｋ、Ｋである。一旦結晶欠陥集合領域Ｈに捕獲された転位はばらけることがない。低欠陥単結晶領域Ｚは益々低転位になる。

そのようなファセット成長が最後まで持続する。そうすると露呈部の上から転位の排除が効率的に行われるので低欠陥単結晶領域Ｚが一層高品質の低転位結晶となる。

これに対して、反転領域である結晶欠陥集合領域Ｈがうまく形成されない事もある。本発明は炭素を添加する事が反転領域Ｊの生成に効果があることを発見したもので、成長の初期に炭素をドーピングして反転領域を形成し、その後炭素ドーピング無しで厚膜成長し、低転位の高品質結晶を製造する。

本発明は反転領域Ｊの生成を目的とするので、ここでは厚膜成長する事なく、冷却し試料を反応炉から取り出した。試料はどれも大体７０μｍの厚みがあった。成長速度は７０μｍ／ｈ程度である。

［６．マスク上の反転領域Ｊ生成不生成の観察］
［（１）メタンガス（ＣＨ_４） Ｐ_ＨＣ＝８×１０^−３ａｔｍ（８００Ｐａ）の場合］
下地基板＝サファイヤ基板（Ｕ１）、ＧａＡｓ基板（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）
マスクパターン＝ストライプマスク（Ｍ１）、ドットマスク（Ｍ２）
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合： 反転領域が波線上に途切れ途切れに発生した。
Ｍ２：ドットマスクの場合： 大部分のドッドに反転領域が発生した。

［（２）エタンガス（Ｃ_２Ｈ_６）Ｐ_ＨＣ＝８×１０^−３ａｔｍ（８００Ｐａ）の場合］
下地基板＝サファイヤ基板（Ｕ１）、ＧａＡｓ基板（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）
マスクパターン＝ストライプマスク（Ｍ１）、ドットマスク（Ｍ２）
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合： 反転領域が波線上に途切れ途切れに発生した。
Ｍ２：ドットマスクの場合： 大部分のドッドに反転領域が発生した。

［（３）炭化水素ガスなし Ｐ_ＨＣ＝０ の場合］
下地基板＝サファイヤ基板（Ｕ１）、ＧａＡｓ基板（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）
マスクパターン＝ストライプマスク（Ｍ１）、ドットマスク（Ｍ２）
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：反転領域は途切れ途切れにしかできなかった。
Ｍ２：ドットマスクの場合： 反転領域は途切れ途切れにしかできなかった。

というような観察結果であった。上の条件で、炭素原料ガスを流さない時は反転領域は途切れ途切れにしかできなかった。炭素原料ガスを流すと反転領域形成が促される。原料ガスはエタンでもメタンでも良い。８００Ｐａでは反転領域は広がるが、まだ反転領域の発生しない領域が残っており、波線状に途切れて存在する。全面に反転領域を生ずるようにするには、もっと高い分圧でエタン、メタンを導入した方がよいという事が分かる。

［実施例２（固体炭素板を原料とした）］
実施例１と同じ成長炉を用い、成長速度を変えて、実施例１と同じＳｉＯ_２によるストライプマスク（Ｍ１）とドットマスク（Ｍ２）を形成したＣ面サファイヤ基板（Ｕ１）、ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３）の上に、炭素を供給しながら窒化ガリウム結晶を６０分間成長させた。実施例１と違うのは炭素原料が炭化水素ガスでなくて固体炭素板である事である。ＨＶＰＥ炉の結晶成長部（サセプタ）より少し上流側の高温部に、カーボン板を設置して、窒化ガリウムの成長を行う。その他の条件は実施例１とほぼ同様である。

ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３；Ｍ１，Ｍ２）を装入した。

初めに、約５００℃の低温（Ｔｂ＝５００℃）で、ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧をＰ_ＨＣｌ２×１０^−３ａｔｍ（０．２ｋＰａ）とし、成長時間１５分で、ＧａＮからなるバッファ層を形成した。バッファ層厚みは６０ｎｍであった。

その後昇温して、反転領域形成温度Ｔｊ＝１０００℃とし、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を約１時間成長させた。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧をＰ_ＨＣｌ＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）とした。カーボンの原料は、Ｇａ溜とサセプタの間に設けた前記のカーボン板である。１時間の成長で終了し、厚膜成長しないで冷却して炉から取り出し観察した。

観察結果
下地基板：サファイヤ（Ｕ１）、ＧａＡｓ（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ（Ｕ３）
膜厚： ７０μｍ
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が波線状にとぎれて存在した。
Ｍ２：ドットマスクの場合：大部分のドットの上に反転領域が生じた

実施例１の炭化水素ガスを流した場合と同じように、炭素板を炭素源とした実施例２においてもマスクの上に反転領域Ｊが形成されるのを確かめた。下地基板は、サファイヤＵ１、ＧａＡｓＵ２、ＧａＮ／サファイヤＵ３のいずれを用いてもその結果は同じ様なものであり、大きな差異はなかった。黒色あるいは黄色に変色せず無色透明であった。

結晶成長の後、反応炉内に設置しておいたカーボン板を取り出して重量測定した。結晶成長前後で炭素板の重量が減少していた。水素をキャリヤガスとするのでカーボン板から除かれた成分がＣＨ_４（メタン）に全部変化したと仮定する。ガス流速を考えてメタンの分圧を計算すると１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）ということになった。先ほどの１０Ｐａ〜５ｋＰａという範囲に含まれる。

実施例２から固体炭素源でも同様に反転領域形成に効果がある事が分かった。炭素源として必ずしも気体状の炭化水素ガスを流さなくてもよいということである。

ただし固体炭素を反応炉に置いた場合、反転領域形成（０．５〜２時間程度）後の厚膜成長（数十時間〜数千時間）の時にも炭素がドープされてしまう。ＧａＮの厚膜成長部に炭素が含まれては不都合だという場合は、カーボン板を炉内に置く方法は不適である。

［実施例３；炭化水素ガス分圧と反転領域形成の関係］
実施例１のように気体の炭素原料の分圧（流量）を変えて、反転領域の形成に及ぼす炭化水素ガス分圧の影響を調べた。
実施例１と同じＨＶＰＥ炉を用いた。
下地基板としてＧａＡｓ（１１１）Ａ面単結晶基板（Ｕ２）を用いた。
マスクはＭ１（ドットマスク）のものと、Ｍ２（ストライプマスク）のものを作製した。２種類のマスク・下地基板（Ｕ２Ｍ１；Ｕ２Ｍ２）を準備して、これにバッファ層成長、反転領域形成用成長を行った。炭化水素ガスの供給量を変化させ、それに応じて反転領域形成がどのように変わるのかを調べた。

ＨＶＰＥ炉の中に、上のような試料をセットして、まず約５００℃（Ｔｂ）の低温でＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧をＰ_ＨＣｌ＝２×１０^−３ａｔｍ（０．２ｋＰａ）として、成長時間１５分で、ＧａＮバッファ層を形成した。Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_ＨＣｌ＝１００倍である。バッファ層の厚みは６０ｎｍであった。

その後昇温して、メタンガスにより炭素ドーピングして反転領域Ｊを生成した。成長温度はＴｊ＝１０００℃とした。ＮＨ_３分圧がＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧がＰ_ＨＣｌ＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）とした。Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_ＨＣｌ＝１０倍である。

分圧とガス流量には一定の関係がある。マスフローコントローラなどで流量を制御しながらガスを供給する。ＨＶＰＥ装置内は全圧を大気圧（１ａｔｍ）とするので、全体の流量が分かれば、個々のガスについては流量から分圧を計算することができる。ＮＨ_３、ＨＣｌ、ＣＨ_４分圧は流量から計算した値である。

反転領域生成の為の成長の時間は６０分である。生成された窒化ガリウム厚みは約７０μｍであった。成長速度はほぼ７０μｍ／ｈであった。
メタン分圧Ｐ_ＣＨ４は、以下の７種類である。

（１）Ｐ_ＣＨ４１＝５×１０^−５ａｔｍ（５Ｐａ）
（２）Ｐ_ＣＨ４２＝１×１０^−４ａｔｍ（１０Ｐａ）
（３）Ｐ_ＣＨ４３＝１×１０^−３ａｔｍ（１００Ｐａ）
（４）Ｐ_ＣＨ４４＝５×１０^−３ａｔｍ（５００Ｐａ）
（５）Ｐ_ＣＨ４５＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）
（６）Ｐ_ＣＨ４６＝５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）
（７）Ｐ_ＣＨ４７＝１×１０^−１ａｔｍ（１０ｋＰａ）

冷却して反応炉から取り出し、メタン分圧Ｐ_ＣＨ４の変化によって反転領域の生成非生成の様子がどのように変わるのかを調べた。観察は実体顕微鏡、ＳＥＭによって行った。

（１）Ｐ_ＣＨ４１＝５×１０^−５ａｔｍ（５Ｐａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が途切れ途切れにしかできない。
Ｍ２：ドットマスクの場合：マスク上に反転領域が途切れ途切れにしかできない。

（２）Ｐ_ＣＨ４２＝１×１０^−４ａｔｍ（１０Ｐａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が波線状に途切れて存在した
Ｍ２：ドットマスクの場合： 大部分のドットマスク上に反転領域が発生した

（３）Ｐ_ＣＨ４３＝１×１０^−３ａｔｍ（１００Ｐａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が連続的に存在した
Ｍ２：ドットマスクの場合： 全てのドットマスク上に反転領域が発生した

（４）Ｐ_ＣＨ４４＝５×１０^−３ａｔｍ（５００Ｐａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が連続的に存在した
Ｍ２：ドットマスクの場合： 全てのドットマスク上に反転領域が発生した

（５）Ｐ_ＣＨ４５＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：マスク上に反転領域が連続的に存在した
Ｍ２：ドットマスクの場合： 全てのドットマスク上に反転領域が発生した

（６）Ｐ_ＣＨ４６＝５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：黒色で波線状に反転領域が途切れて存在した
Ｍ２：ドットマスクの場合：黒色で一部のドットに反転領域が発生した

（７）Ｐ_ＣＨ４７＝１×１０^−１ａｔｍ（１０ｋＰａ）の場合
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：黒色で全面にクラック発生
Ｍ２：ドットマスクの場合：黒色で全面にクラック発生

以上の様な結果となって、Ｐ_ＣＨ４１＝５Ｐａでは反転領域は途切れ途切れにしかできず不適、Ｐ_ＣＨ４７＝１０ｋＰａでは全面が黒くなりクラックが生じて不適であることが分かった。
Ｐ_ＣＨ４２＝１×１０^−４ａｔｍ（１０Ｐａ）〜Ｐ_ＣＨ４６＝５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）の範囲でマスク状に反転領域が形成されるということが分かる。

黒色にならず全てのマスク上に反転領域が発生するためには、Ｐ_ＣＨ４３＝１×１０^−３ａｔｍ（１００Ｐａ）〜Ｐ_ＣＨ４５＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）であれば良いという事が分かった。つまり炭素ドープによって反転領域ができるためにはメタン分圧が１０Ｐａ〜５ｋＰａであることが必要で、より望ましくは１００Ｐａ〜１ｋＰａであるということである。

これは炭化水素気体を原料とする場合であるが、固体のカーボン板を反応炉に置いて加熱して水素と反応させて炭素原料として試料まで運ぶ場合でも実質的な炭化水素ガスの分圧がこの範囲にあれば同等の効果がある。

［実施例４（反転領域形成後、厚膜成長、研削、研磨、ウエハに形成）］
バッファ層形成、反転領域形成の後、時間を掛けてＧａＮの厚膜成長をして、切断し、研削、研磨加工してウエハとして調べた。
サファイヤ下地基板（Ｕ１）の上にストライプマスク（Ｍ１）、ドッドマスク（Ｍ２）を形成した試料を作った。実施例１と同様に、ＨＶＰＥ炉のサセプタに上記の試料を置いて、温度Ｔｂ＝５００℃の低温で、ＮＨ_３分圧を０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧を２×１０^−３ａｔｍ（２００Ｐａ）としてバッファ層を成長させた。成長時間１５分で厚みは６０ｎｍである。

その後昇温しＴｊ＝１０００℃として、ＮＨ_３分圧０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）、メタン分圧８×１０^−３ａｔｍ（８００Ｐａ）という条件で１５時間の成長を行った。冷却し反応炉の外へ試料を取り出した。

下地基板の上に形成された厚さが約１．５ｍｍの窒化ガリウムの結晶が得られた。成長速度は１００μｍ／ｈである。実体顕微鏡や、ＳＥＭによって窒化ガリウム結晶の観察をした。

図６に示すような形状である。図６（１）がストライプマスク付き下地基板の上にできた結晶である。図６（２）がドットマスク付き下地基板の上にできた結晶である。山谷の繰り返す（ストライプマスクの場合）結晶、多数の孤立窪みを有する結晶（ドットマスク）になった。ストライプマスクの位置、ドットマスクの位置に対応し表面に窪みが見られた。窪みの底に低角のファセット面が形成されていることを確認した。角度からすると、それはｃ軸の反転した｛１１−２−６｝面であると考えられる。窪みの中間部に、より急峻な傾斜のファセットＦがある。それは｛１１−２２｝面だと考えられる。ということはマスクの位置に反転領域Ｊができたということである。

サファイヤ下地基板Ｕ１を研削加工によって除去した。窒化ガリウムの自立結晶が得られた。表面を更に研削加工し、研磨加工した。平坦な表面を有する結晶基板となった。きれいな透明であり肉眼では区別がつかない。

平坦な結晶の表面を光学顕微鏡およびカソードルミネッセンス（ＣＬ）によって評価した。その結果、ストライプマスク（Ｍ１）を使った試料では、幅が２０μｍ程度で平行であって規則正しくピッチ３００μｍを持って並ぶ線状の窪みが観察された。この部分が結晶欠陥集合領域Ｈである。窪みがあるのは｛１１−２−６｝面の生成のためであり、それは反転領域Ｊだということを確認する。図８の（２）のようなＨＺＹＺＨＺＹＺ…という繰り返し構造を持つ。

ドットマスク（Ｍ２）を用いた試料でも、直径が３０μｍ〜４０μｍ程度の窪みが、ピッチが３００μｍピッチで６回対称位置にできた。それは丁度マスク位置に対応している。図１０（２）に示すように、結晶欠陥集合領域Ｈ、低欠陥単結晶領域Ｚ、Ｃ面成長領域Ｙの同心構造となっている。

ＣＬ像の観察では、基板表面に露出した貫通転位は暗い点として現れる。ＣＬによって転位密度（ＥＰＤ）を測定することができる。貫通転位は結晶欠陥集合領域Ｈにおいて高く、１０^７〜１０^８ｃｍ^−２であった。貫通転位密度は低欠陥単結晶領域ＺおよびＣ面成長領域Ｙでは低く、１×１０^５ｃｍ^−２程度であった。このように十分転位密度の低い広い低欠陥単結晶領域Ｚが形成された。不均一構造の基板となるが、低欠陥単結晶領域Ｚや結晶欠陥集合領域Ｈ、Ｃ面成長領域Ｙの位置が明確に決まっている。だから高品質のレーザデバイスを作製するための低欠陥の窒化ガリウム結晶基板を提供することができる。

ここで炭素が、結晶中にきちんとドーピングされているかどうかを調べるために、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって結晶中の元素分析をした。

その結果、マスク上に成長した反転領域Ｊの部分（結晶欠陥集合領域Ｈ）の炭素濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３である事が分かった。

ファセット面を維持して成長した低欠陥単結晶領域Ｚの部分の炭素濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３であった。
またＣ面成長領域Ｙの部分の炭素濃度は４×１０^１８ｃｍ^−３であった。
このように結晶中に確かに炭素がドープされていることを確かめた。結晶成長の行われる面によって炭素の取り込み効率が著しく異なることも分かった。

更に多くの実験を重ねた。それらの事例を検討した結果、反転領域Ｊ（結晶欠陥集合領域Ｈ）の炭素濃度は１０^１８ｃｍ^−３以下であることが分かった。ファセットを保持しながら成長した低欠陥単結晶領域Ｚの炭素濃度は１０^１８ｃｍ^−３以下だという事も分かった。Ｃ面成長領域Ｙの炭素濃度は１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３であり常に最も炭素濃度が高くなる。炭素濃度のＹ／Ｈ比、Ｙ／Ｚ比は１０^１〜１０^５である。

Ｃ面成長領域Ｙの炭素濃度が一番大きいのであるが、導電率はＣ面成長領域Ｙが最も低い。だから炭素がｎ型ドーパントしてｎ型キャリヤを発生しているのではないと思われる。

本発明者が特許文献１において提案したファセット成長法において、ファセット面よりなる六角錐ピットを埋め込む事なく成長させると、転位はファセット法線方向に伸び成長と共に境界線に集まり、更に境界線に沿ってピットの底に集結することを示す為のピット部分の斜視図。図１（ａ）は成長の初期を示し、図２（ｂ）は成長が進行した状態を示す。

本発明者が特許文献１において提案したファセット成長法において、ファセット面よりなる六角錐ピットを埋め込む事なく成長させると、転位はファセット法線方向に伸び成長とともに境界線に集まり、更に境界線に沿ってピットの底に集結することを示す為のピット部分の平面図。ファセットで法線方向に成長が進むので転位もその方向に進む。

本発明者が特許文献１で提案したファセット成長法において、ピット底へ一旦集合した転位の束が再び広がってモヤ状の広がりができることを示す為のファセットピットの部分の断面図。図３（１）は転位が一旦ピット底へ集められて転位集合束を形成した状態を示す。図３（２）はピット底から転位がばらけ出し、もや状に広がって行く有り様を示す。

本発明者が特許文献２、３で提案したマスクを用いたファセット成長法において、マスク上には転位を閉じ込める作用がある結晶欠陥集合領域Ｈを生成し、一旦捕獲した転位が再び分散することなくそのまま成長するということを示すピット、Ｖ溝の部分の縦断面図。図４（１）はファセット成長によって転位がマスク上の欠陥集合領域Ｈに集結する様子を示す。図４（２）はファセット成長が更に進んでもそのまま転位は欠陥集合領域Ｈに閉じ込められている様子を示す。

マスクを下地基板の上に付けてその上に窒化ガリウムを成長させるファセット成長法を示す縦断面図。図５（１）は下地基板の上にマスクを形成した縦断面図、図５（２）は窒化ガリウムを結晶成長させると、露呈部だけに結晶が成長しマスク上には結晶成長が起こらないので、マスク端から斜めに伸びるファセットが発生する事を説明する為の縦断面図。図５（３）は更に結晶成長が進行するとマスクの上にも結晶が成長して２段階のファセットができる事を示す縦断面図。

ファセット成長法で成長させた窒化ガリウム結晶の斜視図。図６（１）はストライプマスクを下地基板に付けておき、その上に窒化ガリウムをファセット成長したものの斜視図。図６（２）はドットマスクを下地基板に付けておき、その上に窒化ガリウムをファセット成長したものの斜視図。

結晶欠陥集合領域Ｈが成長の初期にマスク状に形成される場合、それが反転領域になる場合の条件を説明する為の縦断面図。図７（１）は下地基板の上にマスクを設けた図。図７（２）は窒化ガリウムを気相成長した場合、露呈部で成長が起こりマスク上で成長が起こらないのでマスクを端とするファセットＦが生ずる事を説明する図。図７（３）はファセット面にツメＱが発生した状態を示す図。図７（４）はツメがマスクの上で合体した状態を示す図。図７（５）はツメの上にツメと同じ方位の結晶が成長して行く有り様を示す図。

ストライプマスクを下地基板の上に形成してファセット成長する方法における、マスクと成長した結晶の関係を示す平面図。図８（１）は下地基板の上に平行なマスクを等しいピッチｐで形成したものの平面図。図８（２）はファセット成長後、下地基板から結晶部分を分離して研磨、研削し平板にしたウエハのＣＬ像を示す。

ストライプマスクを下地基板の上に形成してファセット成長する方法における、マスクと成長した結晶の関係を示す縦断面図。図８（１）は下地基板。図８（２）はマスクを形成した状態。図８（３）はマスク付き下地基板の上に窒化ガリウム結晶を厚く成長させた縦断面図。露呈部の上にはファセットを上面に持つ低欠陥単結晶領域ＺとＣ面成長領域Ｙが、マスクの上には結晶欠陥集合領域Ｈが成長してゆく様子を示す縦断面図。図８（４）は成長した結晶から下地基板を除去して研削、研磨した結晶のＣＬ像で、ＨＺＹＺＨＺＹＺＨ構造を持つ。図８（５）はＣ面成長領域Ｙが無くてＨＺＨＺ構造を持つものを示す。

ドットマスクを下地基板の上に形成してファセット成長する方法における、マスクと成長した結晶の関係を示す平面図。図８（１）は、下地基板の上に孤立点状のマスクを６回対称性を持つように等しいピッチｐで形成したものの平面図。図８（２）はファセット成長後、下地基板から結晶部分を分離して研磨、研削し平板にしたウエハのＣＬ像を示す。

符号の説明

Ｈ 結晶欠陥集合領域
Ｚ 低欠陥単結晶領域
Ｙ Ｃ面成長領域
Ｊ 反転領域
Ｍ マスク
Ｕ 下地基板
Ｆ ファセット
Ｋ 結晶粒界
Ｄ 転位
Ｑ ツメ
４ 結晶
５ ファセットピット
６ ファセット
７ Ｃ面
８ 稜線
９ ピット底
１０ 面状欠陥
１１ 転位集合束（線状欠陥）
１３ モヤ状広がり
２１ 下地基板
２３ マスク
２４ 結晶
２５ ファセットピット
２６ ファセット
２７ Ｃ面
２９ ピット底

Claims (15)

1. 反応炉内における窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板上にエピタキシャル成長を阻害する所定のマスクパターンを部分的に形成し、その上に窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるに際して、カーボンをドーピングしながら成長を行い、成長中に当該マスクパターン形成領域の端部より、当該マスクパターン形成領域以外の領域とは窒化ガリウムの極性が１８０°異なる、極性反転した窒化ガリウムを成長させることを特徴とする窒化ガリウムの結晶成長方法。
2. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板上にエピタキシャル成長を阻害する所定のマスクパターンを部分的に形成し、その上に窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるに際して、カーボンをドーピングしながら成長を行い、成長中に当該マスクパターン形成領域の端部より、当該マスクパターン形成領域以外の領域とは窒化ガリウムの極性が１８０°異なる、極性反転した窒化ガリウムが成長し始め、その極性反転領域が両側から更に成長が進行し、当該マスクパターンの上部中央付近で合体し、当該マスクパターン形成領域全体を覆うことによって、当該マスクパターン形成領域上にのみ、極性反転領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
3. 窒化ガリウムの極性については、極性反転していない領域の結晶の<０００１>方向が、極性反転した領域では<０００−１>方向となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
4. エピタキシャル成長の前に、４００℃〜６００℃の低温で下地基板上に厚さ２００ｎｍ以下の窒化ガリウムからなるバッファ層を成長させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
5. エピタキシャル成長の際の結晶成長温度は、９００°〜１１００℃であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
6. 下地基板は、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、或いは表面にＧａＮ薄膜がエピタキシャル成長された異種基板であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
7. 窒化ガリウムの結晶成長は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）により行なうことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
8. カーボンをドーピングするにあたっては、炭化水素ガスを反応炉内に導入することで行なうことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
9. 炉内に導入する炭化水素ガスはＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４であることを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
10. 炉内に導入する炭化水素ガスは、その分圧が１×１０^−４ａｔｍ〜５×１０^−２ａｔｍであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
11. カーボンをドーピングするにあたっては、炭素からなる材料を炉内に設置することで、ＮＨ_３との反応による炭素を含んだガスを炭素源とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
12. 炉内に導入する炭素を含んだガスは、実質的に、その分圧が１×１０^−４ａｔｍ〜５×１０^−２ａｔｍであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
13. Ｃ面以外のファセット面で成長した成長領域Ｚと反転方位を持つファセット面で成長した成長領域Ｈの炭素濃度は１０^１８ｃｍ^−３以下で、Ｃ面で成長した成長領域Ｙの炭素濃度は１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３であって、炭素濃度のＹ／Ｈ比及びＹ／Ｚ比は１０^１〜１０^５であることを特徴とする窒化ガリウム基板。
14. Ｃ面以外のファセット面で成長した成長領域Ｚは、｛１１−２２｝面で成長したことを特徴とする請求項１３に記載の窒化ガリウム基板。
15. 反転方位を持つファセット面で成長した成長領域Ｚは、｛１１−２−６｝面で成長したことを特徴とする請求項１３に記載の窒化ガリウム基板。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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