JP2008037665A - 窒化ガリウムの結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 下地基板の上にドットマスクやストライプマスクを付けて窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させる際に、露呈部で成長が始まりマスクの上の成長が始まらないので、マスク端から立ち上がるファセットができる。マスクの上は結晶欠陥集合領域Ｈができるが、これはｃ軸方位が反転した単結晶である反転領域Ｊであることが望ましい。マスク上に必ず反転領域Ｊを生成するようにすること。
【解決手段】 反転領域Ｊができるためにはファセットに方位の反転した極性反転結晶が発生することが必要である。成長温度や成長速度を適切な範囲とすることで、ファセットを埋め込まないようにして気相法で窒化ガリウムを成長させる。
【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な窒化ガリウム基板が必要である。この発明は青紫色レーザに加え、発光素子（発光ダイオード、レーザーダイオード）、電子素子（整流器、バイポーラトランジスター、電界効果トランジスター、ＨＥＭＴ）、半導体センサー（温度センサー、圧力センサー、放射線センサー、可視−紫外光検出器）、ＳＡＷデバイス、加速度センサー、ＭＥＭＳ部品、圧電振動子、共振器、圧電アクチュエータ等にも利用が見込まれる、高品質な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。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よかったのである。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）は加熱しても容易に融液にならず、液相から固相への結晶成長法はフラックス法など溶液からの結晶成長法が研究段階にあるが、２インチ径以上の実用レベルのサイズを持つ窒化ガリウム結晶は未だ作製されていない。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ことによって厚い窒化ガリウム自立結晶を得るようにした手法を開発提案した。

本発明者による特許文献１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させ、ＧａＡｓ下地基板を除去すること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）が狭いような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）の一種とも考えられなくないが、通常のＥＬＯ法は予めサファイヤ等の下地基板上に先ずＧａＮの薄膜を形成し、その上にＳｉＯ_２等のマスクを形成し、マスクに線状やドット状の微細な穴を空け、再度ＧａＮを成長させる際に、同種材料であるＧａＮが露呈している穴部からマスク上を横方向に成長させるものである。これに対して、特許文献１は、異種基板であるＧａＡｓ基板上に直接マスクを形成し、ストライプ状やドット状のマスクの開口部から直接、ＧａＮを成長することをも可能にした点に特徴があり、ＨＥＬＯ法（Ｈｅｔｅｒｏ−Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）と呼ばれる手法をも含んでいる。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さらに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（ウエハー）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ことを述べている。

しかし上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、よいデバイスを作ることができない。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）に逆六角形ピット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十二角錐のこともある。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６を埋め込まないということは、上面（Ｃ面）７での成長速度ｕと、ファセット６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ことである。

転位Ｄは成長方向と平行に伸びる。ファセットの上にあった転位Ｄは成長が進行するとともに稜線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の下におりピット底９に集結していく。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を辿っておりた転位Ｄはピット底９に続いて線状転位集合部１１を形成する。

もともとファセット６の上にあった転位Ｄが面状転位集合部１０や線状転位集合部１１に集められるからファセット６から転位Ｄはなくなっていくのである。それでファセット６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Ｄ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Ｄの向きと成長方向が同じであることを示す。平面図でファセット６に投影すると転位Ｄの伸びる方向はファセット６の傾きの方向となる。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ことである。実際に転位Ｄは横向き、或いはやや上向きにしか伸びないのであるが、ｖ＜ｕであるから結晶成長している表面を基準とすると相対的に下がることになる。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ことが分かった。

（１）より厚く結晶成長し、より多くの転位Ｄを集合させるにしたがって、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）を形成していることを示す。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ことを意味する。

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

問題点（２）に関してはファセットピット５は偶然にできどこにできるのか決められないことからくる。ピット５のできる位置を予め決めること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Ｄを再び放つこと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の本発明者は次のような工夫をした。
本発明者らは図３（２）示すような転位Ｄのモヤ状の広がり１３が発生するのは、逆六角錐形状のピット５中央底９に転位Ｄが集合した際、転位Ｄが消滅せず、滞留するだけのためであると考えた。

そこで転位Ｄの集合部に転位Ｄの消滅機構・蓄積機構を付加すればよい、と思いついた。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おく。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。

しかし幅の広いマスクであるマスク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を付けることによって、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を作りだした。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２５の位置を決定する。露呈部の上ファセット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Ｄ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Ｄ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Ｄ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Ｄを集結させた領域をマスク２３によって積極的に生成したというところが重要である。成長とともに図４（１）から図４（２）のようになるが転位Ｄ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広がり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初め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である。ある場合は結晶軸がすこし傾いた単結晶Ａである。このような場合は転位Ｄの消滅機構・蓄積機構として十分に機能しなくなる。また全く結晶欠陥集合領域Ｈが存在せず、マスク２３上に徐々にではあるがファセット２６が成長し、単なる窪みとなることもある。このような場合にも転位Ｄの消滅機構・蓄積機構として機能しなくなる。またある場合はｃ軸方向が周囲とは反転した単結晶Ｊのこともある。そのような多様性は成長の条件に依存するらしい。

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となるようにマスク２３上の全面で形成されることである。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Ｄ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となったり、単なる窪みとなる場合、結晶粒界Ｋが明確にできず転位Ｄを消滅蓄積する作用が弱い。

周囲の単結晶領域にも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。何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（極性反転領域という）を形成すること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ことができる。そのため結晶欠陥集合領域Ｈは、転位Ｄ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Ｄ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ことができる。

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ことができる。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ことができる。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ことができる。

結晶欠陥集合領域Ｈの形状についても色々な種類がありうる。例えばドット状の孤立した閉じた領域とすることもできる。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Ｕをとり、研磨研削して平坦な基板（ウエハー）にしたときの平面構造を示す。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）に形成することもできる。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Ｕの上に成長した窒化ガリウム結晶を下地基板Ｕから分離し研削研磨したウエハーの平面構造を示す。平行なＨＺＹＺＨＺＹＨ…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ための図である。
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Ｕの上には結晶核ができて成長するがマスクＭ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Ｍ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。さらに成長が進むとマスクＭの上方にも結晶が成長する。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）に現れる微小な極性反転結晶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Ｍ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・谷が繰り返す構造となる。Ｃ面成長領域Ｙがな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Ｍ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あるいは、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Ｍ上にできない場合もある（Ｏ）。だからマスクＭ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そう呼んでいる。一般に化合物半導体は極性結晶であり、ウルツ鉱型の結晶構造を持つＧａＮはｃ軸方向にＧａ原子層、Ｎ原子層がそれぞれ異なる間隔で交互に重なっていくので、ｃ軸方向に極性のある結晶である。そしてそのｃ軸方向の極性が１８０°反転しているため、この様に呼んでいるのである。

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の種ということができる。

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。それは先程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ことである。

さらに極性が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ことがない。そのようにマスクを予め下地基板の上に形成すること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ことができるが、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ことが分かってきた。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となることもある。結晶方位が周りの単結晶（Ｚ、Ｙ）と異なる単結晶Ａとなることもある。欠陥集合領域Ｈができない（Ｏ）こともある。マスク上はＯ、Ａ、Ｐ、Ｊの４通りの場合がある。

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とはどの部分をと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ことである。

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） 特開２００６−０６６４９６（極性反転領域形成）

結晶欠陥集合領域Ｈとして反転領域ＪがマスクＭ上の全面でできるのが最も良い。反転領域Ｊが少ない結晶が作製されると、他の結晶形態になった箇所からは転位が再度放出される。その様な結晶から作製されたＧａＮ基板上に、例えば青紫色レーザを作製した場合、レーザの歩留が著しく悪くなり有用なＧａＮ基板ではなくなる。本発明の課題はマスク上に反転領域Ｊを確実に形成することである。
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り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ができるということが分かってきた。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）に結晶核ができやすくマスク（被覆部）上には結晶核ができにくいので、露呈部から結晶成長が始まる。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の何れかである。このファセットＦは｛１１−２２｝面であることが多い。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、微小な極性反転結晶Ｑが発生し水平方向に伸びる。図７（３）に示す。極性反転結晶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。極性反転結晶Ｑの結晶方位は隣接部分の結晶と方位が１８０度違うことが分かった。つまり極性反転結晶Ｑが肥大すると極性反転領域が形成される。

４）結晶成長とともに、ファセットＦ上にできた方位反転した極性反転結晶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。両側から極性反転結晶ＱはマスクＭを覆うように伸びる。

５）方位反転した極性反転結晶Ｑは、ファセットＦよりも角度の浅いファセット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）極性反転結晶Ｑが垂直方向、水平方向に拡大し、マスクＭの上で極性反転結晶Ｑの先端が衝突接触する。極性反転結晶Ｑが合体する。図７（４）に示す通り架橋部ができる。架橋部ができると極性反転結晶Ｑ、Ｑの上に同じ反転方位の結晶が成長していく。下の隙間にも結晶が成長するこれも方位反転である。マスクＭ直上のこの部分はマスクＭに乗り上げた結晶が横に伸びるのではなく、極性反転結晶Ｑ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’は極性反転結晶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。極性反転結晶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Ｍ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（極性反転結晶Ｑ）と、低欠陥単結晶領域Ｚの境界である結晶粒界Ｋあるいは芯Ｓで一部消滅し減少する。極性反転結晶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Ｊ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Ｍ上の部分をｃ軸が反転したものとするには、図７（３）のような極性反転結晶Ｑをファセット面（例えば｛１１−２２｝）の全面に形成するということが最良である。また安定的に形成するということが必要である。極性反転結晶ＱがファセットＦに安定して形成できなければ、マスクＭ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ことができない。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Ｍを下地基板Ｕの上に形成して気相成長したというだけでは、マスクＭ上の部分がうまく方位反転領域Ｊとならない。マスク縁から斜めに伸びるファセットＦに、方位反転した極性反転結晶Ｑを安定して作るのは簡単ではない。狙った位置の結晶方位を反転させられる結晶成長条件は、ＧａＮに限らず、また化合物半導体の結晶成長に限らず、あらゆる結晶成長の歴史上、開示されたことは只の一度も無かったのである。

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成長法とでも呼ぶべきものである。マスクＭ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）とは截然と違う。截然と違うにも拘らずマスクＭを使って転位を低減する手法なので混同されることがある。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）被覆部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マスクの上へ乗り上げる。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被覆部へ乗り上げるのではない。被覆部と離れたファセットの途中から極性反転結晶Ｑが発生するので露呈部結晶と非連続になるのである。

（ｂ）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ことによって、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ことによって、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。

（ｃ）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、窒化ガリウムのエピタキシャル結晶成長において、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、その上へ窒化ガリウムを気相成長させるのであるが、マスクの上に反転領域Ｊを生成する過程を追加するものである。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＋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ことができる。

マスク材料はＳｉＯ_２、Ｐｔ、Ｗ、ＳｉＯＮ，ＳｉＮなどである。これ以外の物質もマスク材料となりうる可能性がある。気相法の成長条件下での熱化学的安定性があり、窒化ガリウムのエピタキシャル成長を妨げられるものなら良い。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（Ｍ２）とすることができる。或いは複数平行辺を一定ピッチで並べたストライプ型（Ｍ１）とすることもできる。マスクを付けること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。

また、露呈部に従来技術であるＥＬＯ法、ＨＥＬＯ法を利用して、数μｍ幅、数μｍピッチで線状や格子状等の微細なマスクを形成することも出来る。この微細マスクを形成した露呈部では、結晶は横方向にそのままの方位でマスク上に乗り上げるので、極性反転は起こらない。この部分の貫通転位は若干減少するが、方位が元のままであるので、本発明においてはこれも露呈部と扱うことが出来る。

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。

本発明の骨子はそれに続く反転領域生成のための第１成長にある。第１成長において、露呈部から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。被覆部端から立ち上がるファセットＦの途中に微小な極性反転結晶Ｑができる。極性反転結晶Ｑは周囲の単結晶と方位が１８０度反転した方位を持つ。極性反転結晶Ｑが両側から伸びて合体する。極性反転結晶Ｑの上にさらに結晶成長して極性反転結晶Ｑ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。被覆部の上は極性反転結晶Ｑの上にできるからｃ軸の方位が周りとは１８０度異なる。この領域を反転領域Ｊという。反転領域Ｊ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）上に伸びていく。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。

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つの何れかになる。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。そのような作用は反転領域Ｊが最も強く、他の場合は弱い。

本発明は結晶欠陥集合領域Ｈを確実に反転領域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。

マスク上の反転領域Ｊが生成しているか否かはカソードルミネセンス（ＣＬ）によって分かる。蛍光顕微鏡観察によっても分かる。ＧａＮ結晶は一様にほぼ透明なので肉眼では分からない。

ｃ軸の反転した反転領域Ｊである結晶欠陥集合領域Ｈ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ことが分かってきた。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。或いはマスク上をファセットＦが徐々に覆うこととなる。これは単なる窪みになる。多結晶Ｐや軸の傾いた単結晶Ａや窪みでは、隣接領域から転位を引きつけて隣接領域の転位を減らし、かつ転位を消滅させ、消滅しない転位を持続的に閉じ込める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Ｊ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（微小な極性反転結晶Ｑ）形成の初期段階にあたる。極性反転結晶Ｑの発生が重要である。極性反転結晶Ｑとそれに続く反転領域Ｊの発生の条件を本発明は明らかにする。成長温度、成長速度、下地基板、マスクなどがどのようなものであればよいのか？これを明確にする。

ここで極性反転結晶Ｑと反転領域Ｊを発生させるための成長を「第１成長」と呼ぶ。反転領域Ｊを生成するための成長温度を「第１成長温度」Ｔｊ（℃）と呼ぶことにする。微小な極性反転結晶Ｑと反転領域Ｊが一旦発生するとそれ以後は通常のエピタキシャル成長をさせて厚い結晶を作る。反転領域Ｊを生成するための成長時間はその成長速度にもよるが、０．２５〜２時間程度の短いものであってよい。

本発明者は多くの実験を行った結果、Ｔｊ＝９００℃〜９９０℃とした場合は、反転領域ＪをマスクＭ上の全面に発生させられることが可能となり、結晶全体に低欠陥単結晶領域Ｚを作製可能となることを見出した。この温度領域は従来、窒化ガリウムの気相成長には不適切な温度領域と考えられていた。一般には、高温で成長する方が高品質の結晶が作製されると考えられており、１０００℃以上で窒化ガリウムの気相成長が為されることが常識であった。ところが、本発明の骨子である反転領域Ｊを確実に、マスク上の全面で生成するには、９００〜９９０℃の比較的低温の成長条件が適切であることを、初めて見出した。

また、本発明者は第１成長温度Ｔｊ＝９２０℃〜９６０℃とした場合は、それぞれの成長温度に対して、異なる成長速度Ｖｊに対しても反転領域ＪがマスクＭ上の全面に発生させられることが可能となることも見出した。この場合、より安定的に反転領域Ｊおよび低欠陥単結晶領域Ｚを発生させられ、窒化ガリウム結晶を工業的に生産するには一層望ましくなる。

更に、本発明者は上記の温度範囲を含み、および上記の温度範囲を超えた、それぞれの成長温度に対して、成長速度を変化させる多数の実験をも、系統立てて行った。その結果、反転領域Ｊを発生させられる第１成長の条件は、それぞれの第１成長温度Ｔｊ（℃）に対する、成長速度Ｖｊ（μｍ／ｈ）にも強く依存する事を見出した。成長温度Ｔｊと成長速度Ｖｊが相互に関連するのである。そして反転領域Ｊを発生させるのに適切な成長条件は、ＴｊとＶｊによって下記の数式で表される条件領域であることを見出した。

−４３９×{１０００／（Ｔｊ＋２７３．１５）}＋３８７＜Ｖｊ＜−７３６×{１０００／（Ｔｊ＋２７３．１５）}＋７３７

の成長条件では、反転領域Ｊを非常に発生させやすい。
またＴｊ（℃）を絶対温度Ｔ（Ｋ）で表記すると、下記の数式となる。

−４．３９×１０^５／Ｔ＋３．８７×１０^２＜Ｖｊ＜

−７．３６×１０^５／Ｔ＋７．３７×１０^２

この不等式は図１１の２本の実線に囲まれる範囲内の成長条件である。
９００℃〜９９０℃の範囲を超えた成長温度であっても、上記の不等式で示される成長条件範囲内であれば、マスクＭ上に反転領域Jを非常に発生させやすい。この様に、成長温度と成長速度が相互に関連し、反転領域Jが発生させやすくなることは、本発明者が初めて見出したものである。

反転領域Ｊは上記の第１成長の条件内で、マスクＭ上の全体に形成されることが最も望ましい。おのおのの反転領域Ｊの周囲に存在する低欠陥単結晶領域Ｚが確実に低転位となるためである。
但し、結晶の全領域でマスクＭ上に反転領域Ｊが存在せず、部分的に途切れているか、部分的に発生していない場合でも、有用なＧａＮ結晶を作製し得る。なぜならば、大部分のマスクＭ上に反転領域Ｊが発生している場合は、発生している反転領域Ｊに転位が集合し、その転位を閉じ込め、消滅させる作用を持つので、やはり低欠陥単結晶領域Ｚが結晶の大部分で形成され、転位密度が大幅に低減されるためである。

第１成長におけるＮＨ_３分圧Ｐ_ＮＨ３をＨＣｌ分圧Ｐ_ＨＣｌで割った比の値は、Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_ＨＣｌ＝３〜５０が適当である。また０．０５ａｔｍ（５ｋＰａ）≦Ｐ_ＮＨ３≦０．３ａｔｍ（３０ｋＰａ）が適当である。

第１成長は０．２５〜２時間ほどであるが、マスク上には反転領域Ｊ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ができていることもある。これが存在しない場合もある。

その後の厚膜生成のためのエピタキシャル成長を行う。厚膜を作るための成長を「第２成長」と呼ぶ。これの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、数千時間になることもある。厚膜生成エピタキシャル成長温度を第２成長温度Ｔｅとして区別することにする。厚膜生成のためのエピタキシャル成長温度Ｔｅは９９０℃以上である。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Ｍを下地基板Ｕに形成してファセットＦを維持しながら結晶成長しマスク上に反転領域Ｊを形成し反転領域Ｊに欠陥を集めること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において、マスク上に反転領域Ｊができる条件を本発明は明らかにしている。本発明によって反転領域生成条件が明確になり、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の転位をさらに減らし高品質の窒化ガリウム結晶を成長させることができる。

窒化ガリウム結晶の気相成長方法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、有機金属クロライド気相成長法（ＭＯＣ法）、昇華法を用いることができる。最近ではＭＯＣＶＤ法においても成長速度が５０μｍ／ｈを超える成長が可能になったことから、ＭＯＣＶＤ法等、他の気相成長法でも同様の結晶成長を行うことは可能である。但しこの中で最も成長速度を速くでき、原料収率も良く、現時点で低コストでＧａＮが成長可能なのはＨＶＰＥ法であるから、反転領域ができる条件をＨＶＰＥ法で探した。

また、フラックス法など液相成長法でＧａＮを作製する方法も、最近では小径ながら４０μｍ／ｈの成長速度が報告されている。しかし液相成長法は熱化学的に平衡状態に近い状態からの成長であり、成長の原理そのものが気相法と異なる。よって条件が大きく変わってくる可能性があり、液相成長法は本発明の適応範囲外となる。

そこでＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）で成長したものだけを述べる。横長のホットウオール型の反応炉（ＨＶＰＥ炉）を用いる。周囲に横方向に分割されたヒータを持っており横方向に自在に温度分布を形成することができる。炉内空間の上流側にＧａ金属を入れたＧａメタルボートを持つ。その下流側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。炉の上流側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はガス状であり下流側へ移動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、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、Ｐｔ、Ｗなどを用いることができる。

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Ｊ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こともある。

［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（１））
下地基板Ｕの上に設けた幅を持った平行直線状のストライプ形状のマスクパターンＭである。図８（１）に示す。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Ｕ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Ｕの方位に対する関係に置き直すことができる。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度捻れる。ＧａＡｓ（１１１）の上にできるＧａＮについては立方晶の３回対称面に六方晶の結晶を成長するため、面方位の対応には注意を要する。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Ｕの方位に関連づけてマスクの長手方向の方位を決めることによってその後で成長するＧａＮエピ層の＜１−１００＞方位にマスクＭが伸びるようにすることができる。

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（１））
一定の直径を持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が平行に多数並べる。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。図１０（１）に示す。６回対称性のある模様である。ドットが並ぶ方向は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Ｕの方位とＧａＮの方位は一定の関係があるから下地基板Ｕの方位に関連づけてマスク方位を決めて、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が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。１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．反転領域成長温度Ｔｊ］
反転領域Ｊを成長させるための成長温度をＴｊとする。本実施例ではＴｊとして、Ｔｊ１＝８５０℃、Ｔｊ２＝９００℃、Ｔｊ３＝９２０℃、Ｔｊ４＝９５０℃、Ｔｊ５＝９７０℃、Ｔｊ６＝９９０℃、Ｔｊ７＝１１５０℃の７種類の温度を試みた。

［４．その他の結晶成長条件］
ＨＶＰＥ炉内に、上記のマスク付き基板（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。

その後それぞれの実験において、上記のそれぞれの成長温度Ｔｊ１〜Ｔｊ７に基板を昇温し、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を成長させた。ＮＨ_３分圧はＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧（Ｐ_ＨＣｌ）はＰ_ＨＣｌ＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）とした。成長時間は６０分間とした。この時の成長した結晶の平均の厚さは、約７０μｍ程度であり、Ｕ１〜Ｕ３の基板による差は見られなかった。

［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度回転した反転領域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ことが分かっている。

図７によって説明する。図７（１）は下地基板Ｕにマスクを形成した状態である。これはストライプマスクＭ１でもドットマスクＭ２でも似たようなものである。ストライプマスクＭ１の場合を説明する。マスクは平行にたくさんあるが１つだけを図示した。

ストライプマスクＭ１の場合、窒化ガリウムの結晶層は、マスクＭの存在しない露呈部から成長を開始する。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。さら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さらに成長して明確なファセットＦとなる（図７（２））。そのファセットＦはマスクＭの方位によるが例えば、｛１１−２２｝面を持つファセットＦである。マスクの上には結晶は存在せず、マスクＭの両側にファセットＦ、Ｆが対向するようになる。ファセット下の部分は低欠陥単結晶領域Ｚである。Ｃ面成長領域Ｙも存在する。

ｃ軸が１８０度反転した反転領域が形成される場合予兆として、ファセットＦの傾斜面の途中に、ゴツゴツとした突起が発生する。これを極性反転結晶Ｑと呼んでいる（図７（３））。ファセットＦは対向しているので極性反転結晶Ｑ、Ｑも対向してできる。極性反転結晶Ｑが反転領域の種となる。極性反転結晶Ｑができないと後に反転領域Ｊはできない。この突起（極性反転結晶Ｑ）の上面は、水平面（Ｃ面）に対して２５度〜３５度ぐらいの傾斜角をなしている。ファセットＦの途中にできた極性反転結晶Ｑ（突起）は隣接するファセットＦとはｃ軸が１８０度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。極性反転結晶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Ｆから伸びてきた極性反転結晶Ｑが合体する。図７（４）のように合体することによってマスクＭの上がふさがれる。極性反転結晶ＱはマスクＭ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いく。だからマスクＭの上方には極性反転結晶Ｑと同じ方位の結晶ができる。極性反転結晶Ｑはｃ軸が反転した結晶だからその上にできる結晶欠陥集合領域Ｈは反転結晶Ｊとなる。マスクＭの上は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（図７（５））。その平坦表面はＣ面で傾斜面はファセットＦである。露呈部の結晶は下地基板Ｕとの境界で発生した大量の転位を持っている。転位は成長ととも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Ｆ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とも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に至って転位はそれに吸収される。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。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。低欠陥単結晶領域Ｚ以外にＣ面成長領域Ｙが残る場合もある。

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こともある。反転領域Ｊの生成不生成には温度や成長速度、ガス流量、下地基板、マスク材料などが影響することが予想される。

［（１） Ｔｊ１＝８５０℃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：反転領域が破線状に途切れて存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

［（２） Ｔｊ２＝９００℃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：反転領域が連続的に存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：総てのドットの上で反転領域がある。

［（３） Ｔｊ３＝９２０℃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：反転領域が連続的に存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：総てのドットの上で反転領域がある。

［（４） Ｔｊ４＝９５０℃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：反転領域が連続的に存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：総てのドットの上で反転領域がある。

［（５） Ｔｊ５＝９７０℃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：反転領域が連続的に存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：総てのドットの上で反転領域がある。

［（６）Ｔｊ６＝９９０℃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：反転領域が連続的に存在する。
Ｍ２：ドットマスクの場合：総てのドットの上で反転領域がある。

［（７）Ｔｊ７＝１１５０℃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：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
Ｍ２：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

というようになった。第１成長温度Ｔｊによって、ｃ軸が反転した反転領域Ｊが発生したりごく一部しか発生しなかったりする。温度以外にも条件を変えて反転領域Ｊの発生を調べたが、成長速度を固定した場合、第１成長温度Ｔｊが反転領域Ｊの発生非発生に大きく影響することが分かった。

Ｔｊ７（１１５０℃）ではＭ１、Ｍ２のマスクパターンを持つＵ１〜Ｕ３の下地基板の何れでも反転領域Ｊが生じにくかったのであるから、この成長速度における反転領域生成温度として適切であるとは言い難い。Ｔｊ１（８５０℃）、Ｔｊ６（９９０℃）では大部分或いは全てのマスクパターン上に反転領域Ｊが発生した。だから本成長速度においては、反転領域生成温度としては８５０℃〜９９０℃の１４０℃の範囲は少なくとも適切であると言うことが分かる。

Ｔｊ２（９００℃）、Ｔｊ６（９９０℃）では全ての範囲で反転領域Ｊができる。だから反転領域発生温度として９００℃〜９９０℃がより適した成長温度であることが明らかになった。

［実施例２（成長速度Ｖｊによる違い）］
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ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）の上に、窒化ガリウム結晶を成長させた。窒化ガリウムの結晶成長速度Ｖｊと反転領域Ｊの形成の容易さの関係を調べた。

ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ２；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＝９４０℃として、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を成長させた。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧（Ｐ_ＨＣｌ）を様々に変化させた。ＨＣｌ分圧を変えることによってどのように反転領域生成の状況が変わるのかを調べた。

ＨＣｌ分圧： Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ５＝３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ６＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）

ＮＨ_３分圧は０．２ａｔｍで一定であるが、ＨＣｌ分圧を変えると成長速度が変わる。ＨＣｌ分圧を上げると成長速度Ｖｊが上昇する。成長速度の変化によって反転領域Ｊの生成非生成の様子がどのように変わるのかを調べた。

（１）Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ１＝１８μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
Ｍ２：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（２）Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ２＝３２μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
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ある。

（３）Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ３＝４８μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。
Ｍ２：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（４）Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ４＝７０μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。
Ｍ２：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（５）Ｐ_ＨＣｌ５＝３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ５＝１０２μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。
Ｍ２：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（６）Ｐ_ＨＣｌ６＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ６＝１３８μｍ／ｈ
観察結果
Ｍ１：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
Ｍ２：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

以上のような結果となった。成長速度Ｖｊを変化させることによって、ｃ軸が１８０度反転した反転領域Ｊの発生の状況が変わるということが判明した。成長速度Ｖｊが１８μｍ／ｈより遅い場合はマスク上（Ｍ１、Ｍ２）に反転領域Ｊが発生しにくい。成長速度Ｖｊが１３８μｍ／ｈより速い場合もマスク上に反転領域Ｊが発生しにくい。

マスク上に反転領域Ｊが発生するためには成長速度Ｖｊは２５μｍ／ｈ〜１２０μｍ／ｈであることが適切である。下限値と上限値は反転領域が多く生成された成長速度と反転領域が発生しにくくその量が少ない成長速度の中間値を取って決めた。

[実施例３（異なる成長温度における、成長速度Ｖｊによる違い）]
発明者らは上記の実施例１，２の様な試行を繰り返し、反転領域の出来易さは、第一には温度に強く依存するが、第二には、それぞれの温度に対する成長速度にも依存するとの発見に至った。本実施例３以降では、実施例２と異なる成長温度における、成長速度Ｖｊによる反転領域Ｊの形成の容易さを調べている。

実施例１と同じ成長炉を用い、実施例２と異なる成長温度で成長速度を変えて、実施例１、実施例２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ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）の上に、窒化ガリウム結晶を成長させた。窒化ガリウムの結晶成長速度Ｖｊと反転領域Ｊの形成の容易さの関係を調べた。

ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ２；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_ＨＣｌ＝２×１０^−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＝１０３０℃として、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を成長させた。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧（Ｐ_ＨＣｌ）を様々に変化させた。ＨＣｌ分圧を変えることによってどのように反転領域生成の状況が変わるのかを調べた。

ＨＣｌ分圧： Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ５＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ６＝６×１０^−２ａｔｍ（６ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ７＝８×１０^−２ａｔｍ（８ｋＰａ）

ＮＨ_３分圧は０．２ａｔｍで一定であるが、ＨＣｌ分圧を変えると成長速度が変わる。ＨＣｌ分圧を上げると成長速度Ｖｊが上昇する。成長速度の変化によって反転領域Ｊの生成非生成の様子がどのように変わるのかを調べた。

（１）Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ１＝２２μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（２）Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ２＝３８μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（３）Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ３＝６２μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（４）Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ４＝８５μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（５）Ｐ_ＨＣｌ５＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ５＝１３２μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（６）Ｐ_ＨＣｌ６＝６×１０^−２ａｔｍ（６ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ６＝１５８μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（７）Ｐ_ＨＣｌ７＝８×１０^−２ａｔｍ（８ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ７＝２３６μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

以上のような結果となった。成長速度Ｖｊを変化させることによって、ｃ軸が１８０度反転した反転領域Ｊの発生の状況が変わるということが再度判明した。然しながら、成長速度に対する反転領域Ｊの発生の状況は、成長温度が９４０℃の場合と異なることを見出した。成長温度が高い本実施例では、成長速度Ｖｊが３８μｍ／ｈより遅い場合にマスク上（Ｍ１、Ｍ２）に反転領域Ｊが発生しにくい。逆に成長速度Ｖｊが速い場合においては、１５８μｍ／ｈであってもマスク上に反転領域Ｊが多量に発生する。そして２３６μｍ／ｈで初めて反転領域Ｊの発生が少なくなる。

即ち反転領域を発生させるのに適切な成長速度は、結晶温度が１０３０℃の場合は、５０μｍ／ｈ〜１９７μｍ／ｈの間であると見積もれる。この成長速度範囲は、成長温度が９４０℃の場合よりも全体に高速側にシフトしていることが確認できた。

[実施例４（異なる成長温度における、成長速度Ｖｊによる違い）]
実施例３において、１０３０℃という高温領域において、反転領域Ｊが大部分で発生する効果的な成長速度範囲が確認されたが、マスクＭ上の全領域で反転領域Ｊが発生したのは実施例１、２の結果から、より低温側に見出された。そこで実施例２に近い９４０℃近辺の成長温度Ｔｊに対して、成長速度Ｖｊによる反転領域Ｊの形成の容易さを詳細に調査した。

実施例１と同じ成長炉を用い、実施例２と異なる成長温度で成長速度を変えて、実施例１、実施例２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ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）の上に、窒化ガリウム結晶を成長させた。窒化ガリウムの結晶成長速度Ｖｊと反転領域Ｊの形成の容易さの関係を調べた。

ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ２；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_ＨＣｌ＝２×１０^−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＝９６０℃として、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を成長させた。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧（Ｐ_ＨＣｌ）を様々に変化させた。ＨＣｌ分圧を変えることによってどのように反転領域生成の状況が変わるのかを調べた。

ＨＣｌ分圧： Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ５＝２．５×１０^−２ａｔｍ（２．５ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ６＝３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）

Ｐ_ＨＣｌ７＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）

ＮＨ_３分圧は０．２ａｔｍで一定であるが、ＨＣｌ分圧を変えると成長速度が変わる。ＨＣｌ分圧を上げると成長速度Ｖｊが上昇する。即ち、成長速度の変化によって反転領域Ｊの生成非生成の様子がどのように変わるのかを調べた。

（１）Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ１＝２０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（２）Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ２＝２８μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（３）Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ３＝４２μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（４）Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ４＝６５μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（５）Ｐ_ＨＣｌ５＝２．５×１０^−２ａｔｍ（２．５ｋＰａ）
成長速度Ｖｊ５＝１１０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（６）Ｐ_ＨＣｌ６＝３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）
成長速度Ｖｊ６＝１３０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（７）Ｐ_ＨＣｌ７＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ７＝１５０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

以上のような結果となった。成長速度Ｖｊを変化させることによって、ｃ軸が１８０度反転した反転領域Ｊの発生の状況が変わるということが再度判明した。

然しながら、成長速度Ｖｊに対する反転領域Ｊの発生の状況は、成長温度Ｔｊが９４０℃の場合と異なることを見出した。成長温度Ｔｊが実施例２に比べて２０℃高い本実施例では、成長速度Ｖｊが４２μｍ／ｈでは大部分で反転領域が発生するが、２８μｍ／ｈより遅い場合にはマスク上（Ｍ１、Ｍ２）に反転領域Ｊが発生しにくい。逆に成長速度Ｖｊが速い場合においては、成長速度Ｖｊ６＝１３０μｍ／ｈであってもマスク上に反転領域Ｊが多量に発生し、Ｖｊ７＝１５０μｍ／ｈで初めて反転領域Ｊの発生が少なくなる。

即ち反転領域を発生させるのに適切な成長速度は、成長温度Ｔｊが９６０℃の場合は、３５μｍ／ｈ〜１４０μｍ／ｈの間であると言える。この成長速度範囲は、マスクＭ上の大部分で反転領域が発生する速度と、マスクＭ上の大部分で反転領域が大部分で発生しにくくなる速度との中間を取った。そしてそれは成長温度が９４０℃の場合よりも全体にやや高速側にシフトしていることが確認できた。

更に、成長速度Ｖｊ４＝６５μｍ／ｈ、およびＶｊ５＝１１０μｍ／ｈでは全面に反転領域が発生したことから、Ｔｊ＝１０３０℃の場合よりもより反転領域を発生させやすいことを確認できた。

[実施例５（異なる成長温度における、成長速度Ｖｊによる違い）] 実施例４と同じ目的で、成長速度Ｔｊを９２０℃として成長速度Ｖｊによる反転領域Ｊの形成の容易さを詳細に調査した。

実施例１と同じ成長炉を用い、実施例２と異なる成長温度で成長速度を変えて、実施例１、実施例２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ＧａＡｓ（１１１）基板（Ｕ２）上に、窒化ガリウム結晶を成長させた。窒化ガリウムの結晶成長速度Ｖｊと反転領域Ｊの形成の容易さの関係を調べた。

ＨＶＰＥ炉内に、上のマスク付き基板（Ｕ２；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_ＨＣｌ＝２×１０^−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＝９２０℃として、マスクの上に反転層、露呈部の上にエピ層を成長させた。ＮＨ_３分圧をＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）とし、ＨＣｌ分圧（Ｐ_ＨＣｌ）を様々に変化させた。ＨＣｌ分圧を変えることによってどのように反転領域生成の状況が変わるのかを調べた。

ＨＣｌ分圧： Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ５＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）
Ｐ_ＨＣｌ６＝５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）

ＮＨ_３分圧は０．２ａｔｍで一定であるが、ＨＣｌ分圧を変えると成長速度が変わる。ＨＣｌ分圧を上げると成長速度Ｖｊが上昇する。即ち、成長速度の変化によって反転領域Ｊの生成非生成の様子がどのように変わるのかを調べた。

（１）Ｐ_ＨＣｌ１＝７×１０^−３ａｔｍ（０．７ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ１＝１４μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

（２）Ｐ_ＨＣｌ２＝１×１０^−２ａｔｍ（１ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ２＝３６μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。（Ｍ２）：ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（３）Ｐ_ＨＣｌ３＝１．５×１０^−２ａｔｍ（１．５ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ３＝５５μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）:ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。（Ｍ２）:ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（４）Ｐ_ＨＣｌ４＝２×１０^−２ａｔｍ（２ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ４＝７５μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）: ストライプマスクの場合：反転領域が連続的に存在した。
（Ｍ２）:ドットマスクの場合：すべてのドットの上に反転領域が存在した。

（５）Ｐ_ＨＣｌ５＝４×１０^−２ａｔｍ（４ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ５＝１１０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）
観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：反転領域が破線状に途切れて存在する。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：大部分のドットの上で反転領域がある。

（６）Ｐ_ＨＣｌ６＝５×１０^−２ａｔｍ（５ｋＰａ）の場合
成長速度Ｖｊ６＝１３０μｍ／ｈ
下地基板＝ＧａＡｓ基板（Ｕ２）、ＧａＮ／サファイヤ基板（Ｕ３） 観察結果
（Ｍ１）：ストライプマスクの場合：ごく一部に反転領域の発生が見られる。
（Ｍ２）：ドットマスクの場合：反転領域のあるドットがごく一部にある。

以上のような結果となった。成長速度Ｖｊを変化させることによって、ｃ軸が１８０度反転した反転領域Ｊの発生の状況が変わるということが再度判明した。また、成長速度に対する反転領域Ｊの発生の状況は、成長温度が９４０℃の場合と異なることを見出した。成長温度Ｔｊが実施例２に比べて２０℃低い本実施例では、成長速度Ｖｊが３６μｍ／ｈでは全面に反転領域が発生するが、１４μｍ／ｈではマスク上（Ｍ１、Ｍ２）に反転領域Ｊが発生しにくい。また成長速度Ｖｊが速い場合においては、１１０μｍ／ｈまではマスク上に反転領域Ｊが多量に発生するが、１３０μｍ／ｈで反転領域Ｊの発生が少なくなる。

即ち結晶温度Ｔｊが９２０℃の場合は、反転領域を発生させるのに適切な成長速度Ｖｊは、２５μｍ／ｈ〜１２０μｍ／ｈの間であると見積もれる。この成長速度範囲は、マスクＭ上の大部分で反転領域が発生する速度と、マスクＭ上の大部分で反転領域が大部分で発生しにくくなる速度との中間を取った。そしてそれは成長温度が９４０℃の場合と同様であったが、成長速度Ｖｊが３６μｍ／ｈという低速成長においても、全面に反転領域が形成されていることから、反転領域を発生させるのに好適な成長速度がやや低温側にシフトしていることが確認できた。

更に、成長速度Ｖｊが３６，５５，７５μｍ／ｈという３例について、全面に反転領域が発生したことから、Ｔｊ＝１０３０℃の場合よりもより反転領域を発生させやすいことを確認した。

［実施例６（反転領域形成後厚膜成長）］
実施例１のように第１成長させ反転領域を形成した後、第２成長（ＧａＮの厚膜成長）をして厚いＧａＮ膜を成長させた。
実施例１と同じＨＶＰＥ炉を用いた。
下地基板としてサファイヤ（０００１）単結晶基板を用いた。

マスクはＭ２（ドットマスク：図１０（１））のものと、Ｍ１（ストライプマスク：図８（１））のものを作製した。この様に２種類のマスク・下地基板を準備して、これにバッファ層成長、第１成長を行った。

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、反転領域を生成した。第１成長温度はＴｊ＝９５０℃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。第１成長の時間は４５分である。

反転領域生成のための成長の後、引き続きＧａＮを通常の条件でエピタキシャル成長した。第２成長である。第２成長温度はＴｅ＝１０５０℃とした。ＮＨ_３分圧がＰ_ＮＨ３＝０．２ａｔｍ（２０ｋＰａ）、ＨＣｌ分圧がＰ_ＨＣｌ＝３×１０^−２ａｔｍ（３ｋＰａ）とした。Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_ＨＣｌ＝６．７倍である。第２成長の時間は１５時間である。冷却して炉外へ試料を取りだした。厚さ１．５ｍｍのＧａＮ結晶が得られた。

実体顕微鏡や、ＳＥＭによる観察を行った。ドットマスクの場合はドットの部分が窪みになっており、ストライプマスクの場合はマスク部分が窪んでいた。マスクパターンと窪みの位置が正しく対応する。窪みはファセット面で構成されていた。窪みの底には上部のファセットより傾斜角の小さいファセットが存在した。

さらにサファイヤ基板を研削加工によって除去した。ＧａＮ結晶だけになった。表面を研削加工しさらに研磨加工した。平坦な両面を有するＧａＮ基板となった（図９（４））。

研磨後の平坦なＧａＮ基板の表面を光学顕微鏡およびカソードルミネセンス（ＣＬ）によって評価した。

ストライプ型マスク（Ｍ１）を用いた試料については、幅２０μｍで、規則正しく３００μｍピッチで並ぶ平行直線状の窪みが存在することが分かった。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…繰り返し構造を持つ。ストライプマスクの上に結晶欠陥集合領域Ｈが生成しているということ、その結晶欠陥集合領域Ｈが反転領域Ｊだということを意味する。

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像の観察によると、基板表面に露出した貫通転位が暗い点として観察される。ＣＬ観察によって貫通転位密度を計数することができる。貫通転位密度は結晶欠陥集合領域Ｈにおいて高く１０^７ｃｍ^−２〜１０^８ｃｍ^−２程度であった。結晶欠陥集合領域Ｈ、Ｈによって挟まれた低欠陥単結晶領域Ｚでは貫通転位密度は低くて１×１０^５ｃｍ^−２の程度であった。そのように隣接する結晶欠陥集合領域Ｈ、Ｈの中間には十分低転位の低欠陥単結晶領域Ｚが形成される。不均一組成の基板である。

低欠陥単結晶領域Ｚの部分にレーザデバイスを作製することができる。こうして高品質レーザデバイスを作製することができる低欠陥の窒化ガリウム基板を製造することができた。それは転位密度が均一に低いというのではなく一部では転位密度が高い（結晶欠陥集合領域Ｈ）のであるが面積の広い低欠陥単結晶領域Ｚがありデバイス作製のための優れた基板となりうる。

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こと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さらに境界線に沿ってピットの底に集結することを示すため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こと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さらに境界線に沿ってピットの底に集結することを示すため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ため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だしてもや状に広がっていく有り様を示す。

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が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ことを説明するための縦断面図。図５（３）はさら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ことを示す縦断面図。

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ための縦断面図。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が生ずることを説明する図。図７（３）はファセット面に極性反転結晶Ｑが発生した状態を示す図。図７（４）は極性反転結晶Ｑがマスクの上で合体した状態を示す図。図７（５）は極性反転結晶Ｑの上に極性反転結晶Ｑと同じ方位の結晶が成長していく有り様を示す図。

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。

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９（１）は下地基板。図９（２）はマスクを形成した状態。図９（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、成長していく様子を示す縦断面図。図９（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９（５）はＣ面成長領域Ｙがなくて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１０（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１０（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ーのＣＬ像を示す。

第１成長における、反転領域Ｊの発生状況をグラフ化して示した図。縦軸は成長速度であり、横軸は成長温度を絶対温度に直し、その逆数に１０００を乗じたもの。グラフ内の点は、黒色の丸印は反転領域ＪがマスクＭの全面に発生したことを、白抜きの丸印は大半で発生したことを、三角印は僅かに発生したことをそれぞれ示す。 グラフ内の２本の実線は、実施例１〜実施例５の結果に基づいて、この２本の実線の間の領域で、特に反転領域Ｊが出来やすいことを示す。下側の実線は実施例２および実施例３における反転領域Ｊが出来やすい成長速度の下限値を直線で結んだ。上側の実線は実施例４および実施例５における反転領域Ｊが出来やすい成長速度の上限値を直線で結んだ。

符号の説明

Ｈ結晶欠陥集合領域
Ｚ低欠陥単結晶領域
ＹＣ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極性反転結晶
Ｐ多結晶
Ｓ芯
Ａ単結晶
４結晶
５ファセットピット
６ファセット
７Ｃ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上面（Ｃ面）
２９ピット底

Claims (9)

1. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板の上に下地基板を部分的に覆うようにエピタキシャル成長を妨げるマスクを形成し、マスクに覆われた狭い被覆部とマスクに覆われない広い露呈部を設け、その上から気相法によって窒化ガリウムを９００℃〜９９０℃の第１成長条件においてエピタキシャル成長させ、露呈部の上には成長が起こり被覆部では成長が起こらないことによってマスク端を下端部とするファセットを露呈部に発生させ、ファセットを維持しながら結晶成長させ、マスクを隔てて対向するファセットの途中に周囲の結晶とｃ軸の方位が反対である極性反転結晶を発生させ、露呈部上にはファセットで覆われた低欠陥単結晶領域Ｚを形成し、両側から伸びる極性反転結晶を合体させ、合体した極性反転結晶Ｑの上にさらに結晶成長させて、マスクの上には周囲の結晶とｃ軸の方位が逆転した反転領域Ｊである結晶欠陥集合領域Ｈを生成するようにしたことを特徴とする窒化ガリウムの結晶成長方法。
2. 第１成長条件が９２０℃〜９６０℃であ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. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板の上に下地基板を部分的に覆うようにエピタキシャル成長を妨げるマスクを形成し、マスクに覆われた狭い被覆部と、マスクに覆われない広い露呈部を設け、その上から気相法によって窒化ガリウムを、Ｖを成長速度（μｍ/ｈ）、Ｔを絶対温度で表される成長温度（Ｋ）、ａ_１、ｂ_１、ａ_２、ｂ_２をそれぞれ、ａ_１＝−４．３９×１０^５，ｂ_１＝３．８７×１０^２，ａ_２＝−７．３６×１０^５，ｂ_２＝７．３７×１０^２の係数として、ａ_１／Ｔ＋ｂ_１＜Ｖ＜ａ_２／Ｔ＋ｂ_２で表される第１成長条件で、エピタキシャル成長させ、露呈部の上には成長が起こり被覆部では成長が起こらないことによって被覆部のマスク端を下端部とするファセットを露呈部に発生させ、ファセットを維持しながら結晶成長させ、被覆部のマスクを隔てて対向するファセットの途中に周囲の結晶とｃ軸の方位が反対である極性反転結晶を発生させ、露呈部上にはファセットで覆われた低欠陥単結晶領域Ｚを形成し、両側から伸びる極性反転結晶Ｑを合体させ、合体した極性反転結晶Ｑの上にさらに結晶成長させて、被覆部のマスクの上には周囲の結晶とｃ軸の方位が逆転した反転領域Ｊである結晶欠陥集合領域Ｈを生成するようにしたことを特徴とする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℃の低温で下地基板の露呈部の上に、３０ｎｍ〜２００ｎｍの厚みのバッファ層を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
5. 下地基板は、サファイヤ単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＮ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＧａＮ薄膜が形成されたサファイヤ単結晶の何れかであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
6. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長をハイドライド気相成長法で行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
7. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板の上に下地基板を部分的に覆うようにエピタキシャル成長を妨げるマスクを形成し、マスクに覆われた狭い被覆部とマスクに覆われない広い露呈部を設け、その上から気相法によって窒化ガリウムを９００℃〜９９０℃の第１成長条件においてエピタキシャル成長させ、露呈部の上には成長が起こり被覆部では成長が起こらないことによってマスク端を下端部とするファセットを露呈部に発生させ、ファセットを維持しながら結晶成長させ、マスクを隔てて対向するファセットの途中に周囲の結晶とｃ軸の方位が反対である極性反転結晶を発生させ、露呈部上にはファセットで覆われた低欠陥単結晶領域Ｚを形成し、両側から伸びる極性反転結晶を合体させ、合体した極性反転結晶Ｑの上にさらに結晶成長させて、マスクの上には周囲の結晶とｃ軸の方位が逆転した反転領域Ｊである結晶欠陥集合領域Ｈを生成し、９９０℃以上の第２成長条件でファセットを維持した成長をし、露呈部の上には転位が減少していく低欠陥単結晶領域Ｚを成長させ、被覆部のマスクの上には窪みを持ち転位が上昇していく反転領域Ｊを成長させるようにしたことを特徴とする窒化ガリウムの結晶成長方法。
8. 窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板の上に下地基板を部分的に覆うマスクを形成し、マスクに覆われた狭い被覆部と、マスクに覆われない広い露呈部とを設け、その上から気相法によって窒化ガリウムを、Ｖを成長速度（μｍ／ｈ）、Ｔを絶対温度で表される成長温度（Ｋ）、ａ_１、ｂ_１、ａ_２、ｂ_２をそれぞれ、ａ_１＝−４．３９×１０^５，ｂ_１＝３．８７×１０^２，ａ_２＝−７．３６×１０^５，ｂ_２＝７．３７×１０^２の係数として、ａ_１／Ｔ＋ｂ_１＜Ｖ＜ａ_２／Ｔ＋ｂ_２で表される第１成長条件で、エピタキシャル成長させ、露呈部の上には成長が起こり被覆部では成長が起こらないことによって被覆部のマスク端を下端部とするファセットを露呈部に発生させ、ファセットを維持しながら結晶成長させ、被覆部のマスクを隔てて対向するファセットの途中に周囲の結晶とｃ軸の方位が反対である極性反転結晶Ｑを発生させ、露呈部上にはファセットで覆われた低欠陥単結晶領域Ｚを形成し、両側から伸びる極性反転結晶Ｑを合体させ、合体した極性反転結晶Ｑの上にさらに結晶成長させて、被覆部のマスクの上には周囲の結晶とｃ軸の方位が逆転した反転領域Ｊである結晶欠陥集合領域Ｈを生成し、９９０℃以上の第２成長条件でファセットを維持した成長をし、露呈部の上には転位が減少していく低欠陥単結晶領域Ｚを成長させ、被覆部のマスクの上には窪みを持ち転位が上昇していく反転領域Ｊを成長させるようにしたことを特徴とする窒化ガリウムの結晶成長方法。
9. 第２成長条件の成長温度が１０００℃〜１２００℃とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
   
   
   
   

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