JP2009105435A

JP2009105435A - 窒化ガリウムウエハ

Info

Publication number: JP2009105435A
Application number: JP2009010525A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hirano; 哲也平野; Masahiro Nakayama; 雅博中山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】これまで実在しなかった窒化ガリウムの自立した円形ウエハを実用的な形にして初めて提供すること。
【解決手段】１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の濃度で酸素ドープされた六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり透明であって独立し自立した円形のウエハであって方位を指定するフラット部を一つあるいは方位と表裏を示すフラット部を二つ付ける。周辺部を面取りすることも有用である。ｎ型の導電性をしめす。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化ガリウム単結晶の円形ウエハに関する。窒化ガリウム半導体（ＧａＮ）はバンドギャップが広いので青色発光素子として重要である。結晶系は六方晶系（Hexagonal）に属する。結晶構造はウルツ鉱（ＺｎＯ）型である。青色発光ダイオード（ＬＥＤ）としてＧａＮ系の素子は既に大量に販売され使用されている。

ＧａＮ単結晶は自然には産出しない。ＧａＮは常圧では加熱すると直接に昇華してしまう。かなり高圧にして加熱しないと融液とならない。それで結晶成長法としてよく知られたCzochralski法（引き上げ法）、Bridgman法（ボート法）などでは結晶成長させることができない。

本発明はＧａＮのウエハであるから、従来の技術としては、ウエハの従来技術とＧａＮの従来技術の両方がある。従来技術として両方を説明する必要がある。

先述のようにＧａＮ単結晶は通常の結晶成長法では成長させることができない。そこで、ＧａＮ系の発光素子はサファイヤ基板の上に薄膜成長させて作製するようになっている。つまりＧａＮ／サファイヤというような積層構造となっている。そのようなバッファ層となるＧａＮ薄膜の上に、ｎ型、ｐ型のＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの薄膜が形成される。ヘテロエピタキシャル成長である。薄膜形成は、気相成長法或いは昇華法による。気相成長法には３つの有力な方法がある。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、塩化物気相成長法（ＭＯＣ法）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ法）である。

これらは基板の上に薄膜を形成するための技術である。だから基板が必要であるが、ＧａＮの基板を作る事ができない。そこで、サファイヤを基板とするＬＥＤが大量に製造されている。サファイヤは三方晶系（Trigonal）の結晶構造をとる。６回対称性や、６回反転対称性などがない。六方晶系であるＧａＮとは晶系が相違する。しかも格子定数も熱膨張率もかなり違う。

しかしサファイヤのｃ面単結晶基板（０００１）面に、ＧａＮのｃ面（０００１）が良好に成長するということが分かっている。サファイヤは堅固な材料であり、ＧａＮも硬く強い材料である。サファイヤを取り除くということはできないからサファイヤはＬＥＤデバイスに貼り付いたままである。

サファイヤは劈開がないので機械的に切断（ダイシング）してサファイヤウエハから個々のＧａＮ−ＬＥＤチップを切り出している。またサファイヤは絶縁体であるから電流が通らない。そこでｎ−ＧａＮ層を一部露呈させて、その上へｎ型電極を付けるようにしている。つまり二つの電極（ｐ電極、ｎ電極）がいずれも上面に露出する構造になる。ｎ電極のために発光面積が削減されるという欠点がある。

格子定数、熱膨張率が違うので、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ膜には多数の欠陥が発生する。しかし多大の欠陥にも拘らずＬＥＤは発光し寿命も長い。異種基板の上に作製した青色発光ＧａＮ−ＬＥＤは既に多くの実績がある。劈開のないこと、絶縁体であること、欠陥が多いことなどはＧａＮ／サファイヤ−ＬＥＤの価値を下げることにはならなかった。小型青色発光素子としてサファイヤ基板ＬＥＤは極めて有用であり多大の製造、使用の実績をもっている。ＧａＮ／サファイヤ型ＬＥＤは厚い使用実績もあり完成したデバイスといえる。

しかしこのようなデバイスでは基板はサファイヤウエハである。ＧａＮ基板というものは存在しない。ＧａＮはサファイヤ基板の上に薄く形成された薄膜にすぎない。そこにおいてＧａＮは幾何学的にも力学的にもサファイヤに依存した薄い層にすぎない。独立したＧａＮ基板ではない。

以上は青色ＬＥＤ（発光ダイオード）の場合である。青色レーザ（ＬＤ）となると少し事情が異なる。ＬＤは共振器が必要でありサファイヤ基板では作りにくいからである。サファイヤ基板上のＧａＮ−ＬＤが試作されている。その場合もＧａＮは薄膜であって基板として存在しない。サファイヤの難点は劈開面がないということである。

図１２は六方最密（Hexagonal Closest Packed；ＨＣＰ）格子構造を示す。遷移金属単体がこの構造を取ることがある。六角柱をなす格子である。同等の６個の原子が底面６隅部、上面６隅部に存在する。底面、上面中心に１個の原子がある。１／２の高さにおいて３つの部分正三角形の中心に３つの原子がある。これは６原子を含む格子である。６回反転対称性、３回対称性、鏡映などがある。この構造から単原子のものなら（０００１）が劈開面であろうということが容易にわかる。２種類原子を含むものなら（０００１）の他に｛１−１００｝が劈開面になる可能性もありそうだということがわかろう。

図１３はサファイヤの格子構造である。最密構造の原子位置に酸素（Ｏ）原子が入り、４つのＡｌ原子は４つの酸素原子によって形成される正四面体の中心にある。二つのＡｌ原子がｃ軸方向に重なっており他の２つのＡｌ原子は２つ離れた正三角形の中心にある。三回対称性も三回反転対称性もない。だから六方晶でなくて、三方晶系（Trigonal）である。結合力はＡｌ−Ｏ結合に局在する。Ｏ−Ｏ、Ａｌ−Ａｌ結合は微弱であるか、あるいは反結合性である。Ａｌの存在によって上下結合が強化され（０００１）が劈開面ではなくなる。Ａｌ原子の非対称存在のために｛１−１００｝面も劈開面ではありえない。そのような訳でサファイヤに劈開が存在しないのである。

だからサファイヤ基板ＬＤの場合、共振器を自然劈開によって形成できない。ダイシング、エッチング、研磨などで、手間と時間を掛けて平坦なミラー面を作成しなくてはならず高コスト、低歩留まりである。青色ＬＤでは、劈開のあるＺｎＳｅ系のＬＤの方がサファイヤ基板ＧａＮ系ＬＤよりも優勢である。それはＧａＮ系の半導体がＬＤに不適だということではない。

そうではなくて劈開のないサファイヤ基板を用いるからそのような欠点があるだけである。単結晶ＧａＮ基板がもし存在すれば、ＺｎＳｅ系ＬＤに匹敵するＧａＮ系ＬＤができよう。

ＧａＮは低温相では閃亜鉛鉱型（ＺｎＳ；zinc-blende）をとる。これはＧａＡｓと同じで立方晶系（cubic）に属し、４回反転性、３回対称性、鏡映がある（−４３ｍ）。より高温では、立方晶と六方晶の混合になる。

常温を含む、より高温では六方晶（Hexagonal）を取る。ウルツ鉱型（ＺｎＯ）だと言われる。図１４は六方晶ＧａＮの格子構造を示す。本発明で以後ＧａＮというのは六方晶のものを指す。ＨＣＰの原子位置にガリウム原子が存在する。六角柱の６本の縦稜線の３／８の高さに６つの窒素（Ｎ）原子がある。１／２の高さに一つおきにとった３つの正三角形の中心位置にガリウム原子が３つ存在する。そのＧａ原子の直上に、７／８の高さで３つのＮ原子がある。これは５Ｇａ、５Ｎを含む構造である。ＧａはＮが作る正四面体の中心にある。ＮはＧａが作る正四面体の中心にある。ＧａＮの共有結合が結晶を形成している。Ｇａ−Ｇａや、Ｎ−Ｎは結合力を持たない。ＧａＮの縦結合は長さが３／８で合計３本もあるから（０００１）は劈開しない。２本切るだけで済む｛１−１００｝が劈開面となる。そのようにＧａＮには明確な自然劈開があるという利点もある。

しかしながらＧａＮの単独結晶を作るのは長らく不可能であった。
ところが本発明者の努力によって気相成長法を使って、ある基板の上にＧａＮの膜を厚く積層して基板を除去することによりＧａＮの独立結晶が得られるようになった。透明の薄い板状の結晶である。独立の単結晶基板であるからウエハと呼ぶこともできようが、未だ寸法が小さくて１０〜１８ｍｍ角程度の矩形の基板である。

これを円形ウエハにしたいものである。下地基板の上に薄膜成長させるから形状は、下地基板の形状によって決まる。下地基板と全く同じ形状にはならず少し小さいものになる。下地基板を除去するときに力学的な力がかかるので基板から除去した場合、薄い不定形のＧａＮ結晶が得られる。これを削って八角形状のウエハとしたこともある。しかし現在のところ得られているのは先述のように１０ｍｍ〜１８ｍｍ角程度の角型の基板であり、それも月に数枚といった程度である。

それらはＧａＮ−ＬＤの基板として実験的に用いられる。ＬＤの基板としては、サファイヤ基板よりＧａＮ基板の方が適している。それでＧａＮ基板の上にＧａＮ系層をエピタキシャル成長させたＬＤが試作されている。しかし未だに実用的レベルでの２インチ以上の径の円形ＧａＮウエハというものは存在しない。

サファイヤ、ＧａＮを概観したので、次にウエハの研削、ＯＦについての従来技術を振り返ってみよう。これらはいずれもＳｉウエハかＧａＡｓウエハに関するものである。いずれも不透明であって、金属光沢をもちＧａＮより柔らかい材料である。いずれも立方晶であって、Ｓｉはダイヤモンド型、ＧａＡｓは閃亜鉛鉱型（zinc-blende）である。

特許文献１は、Ｓｉウエハにおいて、表面裏面を区別するために、ＯＦ（オリエンテーションフラット）とＣＦ（カートリッジフラット）を付けるが、アライメント装置がＯＦとＣＦを間違って検出することがある、という問題を指摘している。そこでＳｉウエハの外周縁に、表面と裏面において角度の異なる面取りをしたというものを提案している。面取りをしたあと両面を鏡面に研磨するといっている。これは表裏の面取り角度を変えて表裏を区別したものである。肉眼では分からないがアライメント装置が面取り角度を検出するのであるから表裏を間違えることがない。

特許文献２は、Ｓｉウエハにおいて、従来は劈開面にＯＦを設けて結晶方位を示していたが、ＯＦには熱ストレスが集中し、スリップなどの欠陥が発生しやすい、という問題を指摘している。Ｓｉウエハが大口径化するのでＯＦ部位での材料損失が大きくなる、といっている。そこでＯＦの代わりにレーザビームで直径１ｍｍ、深さ数百μｍの溶融穴を特定方位に形成するといっている。ＯＦのないウエハである。穴の部分に形成した素子チップは無駄になるがＯＦによって無駄になる素子チップより数が少ない。それにスリップなども起こらない、といっている。

特許文献３は、ＯＦをウエハの１箇所に設ける従来のウエハや、ＯＦとＩＦ（インデックスフラット）を２箇所に設ける従来のウエハは、その部分だけ質量が減少するから、レジストをスピンコートする場合に偏荷重のためにウエハがロータから離脱するという危険を指摘する。ウエハが大口径化するとそのような重心の偏奇が問題になる。

そこで弓形に切り取るのではなくてウエハの特定方位の周縁にノッチ（切欠き）を設けるウエハである。ノッチは小さいから偏荷重の問題は起こらない。しかしノッチは結晶方位はわかるが表裏面が分からない、と述べている。ＧａＡｓウエハでも両面研磨するとどちらが表であるか見ただけではわからない。そこで円形ウエハの周縁を表裏で幅が異なるように丸く面取りしたものを提案している。面取り寸法によって表裏を区別するので特許文献１と共通する。ノッチと表裏不等面取りとによってウエハの方位と表裏を示している。

特許文献４は、ＳｉウエハにＯＦを設けると円周部と直線部の交点が尖り、搬送時にウエハが何ものかと衝突したとき、尖点が欠けて（チッピング）、チッピング片がウエハ面に付いて傷を付けたり膜厚を不均等にしたりするという問題がある、と述べている。ＯＦに代えてノッチによって方位を示すウエハにおいてもノッチ端が尖っているからこれが欠けることがある、と問題を説明している。そこで尖りの部分を滑らかな円弧に置き換えたウエハを提案する。ＯＦ端やノッチ端が尖点でなくて滑らかな曲線となるから破損しにくい、と述べている。

特許文献５は、Ｓｉウエハの表裏を分かりやすくするために片面だけを面取りするなどして、表裏非対称に加工するということを提案している。表面側だけを面取りし、裏面をそのままとすれば、目で見ただけで表裏が判別できる。

特許文献６は、オリフラやレーザマークを付けたウエハはその分だけ有効な面積が減少し製造コストを押し上げるので望ましくないと述べている。そこでウエハの周縁に小さいノッチを付けて方位を示し、周縁全体を表裏非対称に面取りして表裏の区別を与えている。非対称面取りによって表裏を示すという点で、特許文献１、３、５などのウエハと同様である。

特許文献７は、酸化物基板（例えばサファイヤ）の上に気相成長法によってＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させ薄い膜を作り、炉から取り出してサファイヤ基板を削り、再び炉に入れてＧａＮ薄膜を成長させる、それからサンプルを取り出してサファイヤ基板を削り炉に入れてＧａＮ薄膜を５０〜１００μｍ増やし、それを取り出しサファイヤ基板を削る…、という複雑な工程の繰り返しによって、３００μｍ程度の厚みのＧａＮ単結晶を作ったと述べている。サファイヤ基板を何度も削るのは、格子定数、熱膨張率の違いによるひずみを除去するためである。最終的にはサファイヤ基板のないＧａＮ基板を得られるが、極めて複雑な工程であって、実用的ではない。

特開平０２−１４４９０８号「半導体装置の製造方法」特開昭６０−１６７４２６号「半導体結晶ウエハ−」特開２０００−３３１８９８号「ノッチ付半導体ウエハ」特開平０７−２１１６０３号「ウエハの加工方法」特開昭５８−０７１６１６号「半導体装置の製造方法」特開平０８−３１６１１２号「ノッチ付き半導体ウエーハ」アメリカ特許第６１７７２９２号 ”Method For Forming GaN Semiconductor And GaN Diode with TheSubstrate” 特願平１０-７８３３３号(特開平１０−３１６４９８、特許３８９９６５２) 特願平１０−１８３４４６号(特開２０００−２２２１２) 特願平１０−１７１２７６号（特開２０００−１２９００）特願平０９−２９８３００号（ＷＯ９９／２３６９３）特願平１０−００９００８号（ＷＯ９９／２３６９３）特願平１１−２７３８８２号(特開２００１−１０２３０７) 特願平１１−１４４１５１号(特開２０００−４４４００) 特願２００１−１１３８７２号（特願２００２−１０３７２３の優先権主張出願の基礎（特開２００２−３７３８６４））

本出願人の努力によって２インチ系の自立したＧａＮ単結晶基板を製造することができるようになってきた。矩形ウエハであってもよいのであるが、搬送や薄膜成長などの点で円形ウエハの方が便利だということもある。ＧａＮの２インチ自立円形ウエハができたとして、問題点を予め考える。まずウエハの表面と裏面が区別されなければならない。それと結晶方位が分かるということが必要である。さらに搬送工程やウエハプロセスにおいて欠けにくいということも重要である。
Ｓｉウエハ、ＧａＡｓウエハの場合は表面を鏡面研磨し、裏面は鏡面にしない事が多い。その場合粗面と鏡面は肉眼で見て容易にわかる。金属光沢があって不透明で反射が強いので、面粗度の違う鏡面、非鏡面は容易に区別できる。
ところがＧａＮは薄いし透明であるから、それ自身見えにくい。下地が白地、透明などであるとウエハの存在自体が分かりにくくなる。表面と裏面の面粗度が違っていても目視によって表裏の区別が難しい。暗い色調の下地の上に置くと透明板の存在が分かるが表裏の区別まではできない。この点がＳｉ、ＧａＡｓウエハと違うところである。そこで透明なＧａＮの表裏を容易に区別できるようにしたＧａＮウエハを提案することが一つの目的になる。
ＧａＮは、金属や半導体というよりもセラミックに近い感触をもち、剛性はＳｉ、ＧａＡｓよりも高く、硬質の材料である。薄くても高硬度堅牢であるが衝撃によって破損しやすいから円形ウエハを破損から守る必要もある。
本発明の課題はこれまで実在しなかった窒化ガリウムの円形ウエハを実用的な形にして初めて提供することである。

本発明の窒化ガリウムウエハは、１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の濃度で酸素あるいはシリコンドープされた六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり透明であって独立した円形のウエハであって表面側と裏面側から外周部を５゜〜３０゜の傾斜角で面取り（Ｃ面取り）したものである。あるいはＣ面取りの代わりに外周部全体を半径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの円弧断面となるように面取り（Ｒ面取り）することもできる。ＧａＮは透明で見えにくいが周縁を面取りすると乱反射のため輪郭がくっきりと見えるようになる。可視化できるので取扱容易になる。
或いは窒化ガリウムウエハ１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の濃度で酸素ドープされた六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり透明であって独立した円形のウエハであって外周部の一部において弓形部分を切り取り面と直交する特定の結晶方位｛ｈｋｍ０｝を示すためのフラット部を設ける。
特定の結晶方位としてたとえば劈開面｛１−１００｝を選ぶことができる。あるいは劈開面に直交する｛１１−２０｝面を特定の結晶方位として選択し表示することができる。
或いはウエハ外周部の一部において弓形部分を切り取り面と直交する特定の結晶方位｛ｈｋｍ０｝を示すための第１フラット部を設け、第１フラット部に直交する方位の長さの相違する第２フラット部を設けて、表裏を区別するようにすることもできる。

従来ＧａＮ−ＬＥＤの基板はサファイヤが用いられていた。ＧａＮ−ＬＤもサファイヤを基板としたものが開発されている。本発明は、ＧａＮ−ＬＤ用の基板としてサファイヤ基板より有用なＧａＮの円形ウエハを初めて与える。ＧａＮ単結晶基板がＧａＮ系のＬＤの基板として最適であろうということは分かっていたが、これまで適当な製造方法がないこともあり１０ｍｍ〜１８ｍｍ角程度の矩形ウエハが実験室的に作られていただけであった。大型の円形ＧａＮウエハを作る事ができないという状況であった。

ところが本発明者らの努力によって、ＨＶＰＥ法とＥＬＯ法とを組み合わせ時間を掛けて成長させることによって２インチ（５２ｍｍ）程度の円形ＧａＮウエハを製造できるようになってきた。ＧａＡｓ（１１１）基板上に、気相成長法によってＧａＮを成長させＧａＡｓを除去することによって独立膜としてＧａＮウエハを１枚ずつ作製する。ＧａＮウエハは透明であって剛性が高く堅牢であるが器物との接触によって周辺部が破損することもある。本発明のように周面を面取りすると破損する恐れが少なくなる。但しＧａＡｓやＳｉよりも硬いので砥石は特別のものを使う必要があり加工時間も余分にかかる。
薄い板であって透明であるから下地が白色や淡い色調あるいは透明体の場合、ＧａＮウエハの所在は肉眼で分かりにくいこともある。しかし本発明のように周縁部を面取りするとその部分で光が乱反射されるから輪郭が分かりやすく所在もハッキリする。見えにくい透明のウエハに面取りすると、そのような視覚的効果がある。そのような効果は、ＳｉやＧａＡｓにはない独自のものである。

酸素をドープしているからｎ型のＧａＮ基板とすることができる。ｎ型基板であるから、その上へＧａＮ−ＬＥＤやＧａＮ−ＬＤを形成しｎ型電極（カソード）を基板の下へ設けることができる。ｎ電極の為の面積を節約することができる。サファイヤ基板のＬＥＤと違いｎ電極の為の面積が不要になる。小型のＬＤ、ＬＥＤとすることができ用途が拡大する。
ＧａＮ基板には｛１−１００｝面が明確な劈開を示す。ＧａＮ基板上に成長させた、窒化物系半導体薄膜（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど）は基板と同じ面方位を取る。ＧａＮ単結晶基板の劈開面と、その上に成長した窒化物系半導体の劈開面との方位が全く同一である。
方位が全く同一であるだけでなく格子整合条件を満たすホモエピタキシャル成長であるから基板と薄膜の界面の内部応力が小さい。基板の劈開面で自然劈開すると薄膜もその劈開面で切断されることになる。劈開面で切断されるからきれいな鏡面となる。ＬＤの場合には両端面の共振器を基板の自然劈開によって形成できる。機械的にダイシングして鏡面研磨するというサファイヤ基板ＬＤよりも格段に製造容易になる。

図１は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮ（窒化ガリウム）ウエハの周縁部の表面側と裏面側で面取りしたＣ面取りウエハの周縁部だけの断面図。図２は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮウエハの周縁部を断面形状が円弧になるように面取りしたＲ面取りウエハの周縁部だけの断面図。図３は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮウエハの指定された面方位（ｋｌｍ０）において周縁部の弓形部分を切りとり指定方位のフラット面を形成したＧａＮウエハの平面図。図４は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮウエハの一つの劈開面（１−１００）において周縁部の弓形部分を切りとり劈開面であるフラット面を形成したＧａＮウエハの平面図。図５は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮウエハの劈開面に直交する一つの面（１１−２０）において周縁部の弓形部分を切りとり劈開直交面であるフラット面を形成したＧａＮウエハの平面図。図６（１）は透明でｃ面成長した六方晶のＧａＮウエハの指定された面方位（ｋｌｍ０）において弓形部分を切りとって第１フラット部を設け、それと直交する方位（ｓｔｕ０）において弓形部分を切りとって第２フラット部を形成したＧａＮウエハの平面図。図６（２）はその一例であり、劈開面（１−１００）に第１フラット部を、（１１−２０）に第２フラット部を形成したＧａＮウエハの平面図。図７は円形の（１１１）ＧａＡｓ基板の上に、気相成長法によって、円形のＧａＮ単結晶を積層した状態を示す断面図。ＧａＮ結晶の周面はギザギザである。図８はギザギザの周面をもつＧａＮ結晶を、回転砥石によって周縁部を研磨して周縁部を平滑にする工程を示す平面図。図９は周縁部を研削したので周縁部が平滑になったＧａＮウエハ断面図。図１０は円形のＧａＮウエハの周縁部の表面側と裏面側を傾斜面をもつ回転砥石によって研削しＣ面取りする工程を示す断面図。図１１は円形のＧａＮウエハの周縁部を、凹曲面を持つ回転砥石によって研削しＲ面取りする工程を示す断面図。図１２六方最密詰構造の格子構造を示す斜視図。図１３はサファイヤの格子構造を示す斜視図。図１４は窒化ガリウム（ＧａＮ）の格子構造を示す斜視図。

［１．周縁部を表裏で面取りした円形ＧａＮウエハ（図１）］
透明で円形のＧａＮウエハの周縁の表面側、裏面側を平坦傾斜面によって面取りしたものである。これをＣ面取りと呼ぶ。ＧａＮはＧａＡｓやＳｉよりさらに剛性が高くて硬度も高い。それだけに衝撃に脆いということもある。ウエハの尖った周縁部が搬送装置などに衝突すると周縁部が欠けたりする恐れがある。そこで周縁部を面取りする。図１に周縁部のみを示す。面取り角度θは、５゜〜３０゜である。ウエハの厚みは３５０μｍ〜５００μｍ程度である。図１０のような回転する砥石７によってＧａＮウエハの周縁を研削する。

Ｓｉ、ＧａＡｓよりも硬いから砥石もより硬度の高いものを用いる。研削の時間もより長くかかる。透明であるから面取り部分は肉眼で見ても良く分かる。ウエハは透明であるから下地が白、透明、グレーなどの場合そのままだとウエハの存在が見えにくいが、面取りをすると輪郭が乱反射により白く光るから所在がよく分かるようになる。

さらにＧａＮには酸素をドープしてｎ型伝導性を与える。ＧａＮ系のＬＤやＬＥＤのための基板ウエハとした場合に基板の下にｎ電極を付けカソードを引き出すことができる。酸素ドープ量は１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３程度とする。

［２．周縁部を表裏にわたって円弧断面をもつよう面取りした円形ＧａＮウエハ（図２）］
透明で円形のＧａＮウエハの周縁の表面から裏面側にかけて円弧状曲面によって面取りしたものである。これをＲ面取りという。ＧａＮはＧａＡｓやＳｉよりさらに硬度も高く周縁部が欠ける恐れがある。図１の面取りは傾斜面で面取りするから稜線が残る。それに２回研削する必要がある。稜線が出るのも好ましくないという場合は、Ｒ面によって周縁部を面取りする。図２にＲ面取りしたウエハの周縁部のみを示す。面取り半径Ｒは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。ウエハの厚みは３５０μｍ〜５００μｍ（０．５ｍｍ）である。

５００μｍであれば、Ｒ＝２５０μｍで丁度半円弧の断面図となる。Ｒが１００μｍ〜２５０μｍのときは上下縁に分離した面取りとなる。Ｒが２５０μｍ〜５００μｍだと表裏面と交差する稜線が生ずる。図１１のような回転する砥石によってＧａＮウエハの周縁を研削する。

Ｓｉ、ＧａＡｓよりも硬いから砥石も砥粒を固定するボンド材が硬い等の硬質材に適するものを用いる。研削の時間もより長くかかる。前例と同じことでそのままだと透明であるからウエハが見えにくいが面取り部分は白く光るので肉眼で見てもよく分かる。ｎ型とするために酸素を１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３程度ドープする点も同じである。

［３．劈開面にＯＦを付けたＧａＮウエハ（図４）］
ｃ面を表面とする透明で円形のＧａＮウエハの周縁にある｛１−１００｝面に平行な弓形を切り取りＯＦとしたものである。ＧａＮは六方晶系の結晶でｃ面を表裏面とするＧａＮウエハ（０００１）の周縁部には劈開面｛１−１００｝がある。劈開面は互いに６０゜の角度をなす３つの面がある。１点の周りには３面があるが、ウエハの周辺には６つの劈開面がある。

これはＧａＡｓ（１１１）基板の上にＥＬＯ法でＧａＮを気相成長法で成長させ、ＧａＡｓ基板を除去したのち円形に研削して、Ｘ線によって結晶方位を決め劈開方向を求める。そして円形ウエハの劈開面が露呈するように弓形部を切り取ったものである。劈開というと（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）などの面である。２インチ直径のＧａＮウエハであれば、弦の長さは１０〜２０ｍｍ程度である。例えば１６ｍｍとする。

ＬＤの基板とする場合はｎ型のＧａＮとするため酸素を１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３ドープする。方位が明確であるからデバイス製造の場合の位置合わせに便利である。これも酸素ドープしてｎ型とする。ＬＤ、ＬＥＤの基板としたときに下側からカソードを引き出すことができる。以下の例でも同じである。

［４．劈開面に直交する方向にＯＦを付けたＧａＮウエハ（図５）］
ｃ面を表面とする透明で円形のＧａＮウエハの周縁にある｛１１−２０｝面に平行な弓形を切り取りＯＦとしたものである。ＧａＮは六方晶系の結晶でｃ面を表裏面とするＧａＮウエハ（０００１）の周縁部には劈開面｛１−１００｝がある。劈開面に直交する方向が｛１１−２０｝である。

｛１１−２０｝も互いに６０゜の角度をなす３つの面がある。１点の周りには３面があるが、ウエハの周辺には６つの劈開直交面がある。これは劈開に直交する面が露呈するように弓形部を切り取ったものである。（１１−２０）、（−２１１０）、（１−２１０）などの面である。２インチ直径のＧａＮウエハであれば、弦の長さは１０〜２０ｍｍ程度である。ＬＤの基板とする場合はｎ型のＧａＮとするため酸素を１０^１６〜１０^２０ｃｍ^−３ドープする。シリコンなどもドープに使われる。酸素は原料等からも入る制御しきれないオートドープがある。方位が明確であるからデバイス製造の場合の位置合わせに便利である。

本発明のＧａＮウエハは、初めて実用的な寸法形状標識面取りを備えたものである。（１１１）ＧａＡｓ基板の上に窓付きのマスクを付けて（ＥＬＯ法）窓を通してＧａＮ薄膜をＨＶＰＥ法によってＣ面（０００１）成長させる。１枚分の厚さまで気相成長できたらＨＶＰＥ炉から取り出す。図７に示すようなＧａＡｓ基板１の上にＧａＮ２が積層された２層構造のものが得られる。

ＧａＡｓ基板１を王水でエッチング除去する。するとＧａＮ結晶２の自立膜が得られる。これは周面３がギザギザであるから図８のような回転する砥石４によって周面を研削して平滑な周面とする。図９のような円形のＧａＮウエハ５となる。これらの要素技術は本発明者らが独自に創案したものからなっている。本発明のＧａＮウエハの製造に必要なそれら要素技術を順に説明する。

サファイヤ上へＧａＮ薄膜を気相成長させる方法としては、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）、ＭＯＣ法（有機金属塩化物気相成長法：Metallorganic
Chloride Vapor Phase Epitaxy）、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法：Metallorganic Chemical Vapor
Deposition）、昇華法（Sublimation Method）がある。何れもサファイヤ基板の上に数μｍ厚みのＧａＮを成長させるために開発された技術である。最もよく使われるのはＭＯＣＶＤ法である。しかしこれは炭素が不純物として含まれるので望ましくない。

本発明者等はＨＶＰＥ法を選ぶ。薄膜成長の為でなく単体結晶を作るためにＨＶＰＥ法を用いる。
［ＨＶＰＥ法］
縦長の炉内の上方にＧａ融液を入れたＧａボートを設ける。炉内でＧａボートの直下に回転軸によって指示されたサセプタを設ける。サセプタの上に約２インチ径の（１１１）ＧａＡｓ単結晶ウエハを置く。炉の上方のガス供給管から、水素＋塩化水素ガスをＧａボートに向けて吹き付ける。２Ｇａ＋２ＨＣｌ→２ＧａＣｌ＋Ｈ_２の反応が起こる。塩化ガリウムはガス状となって落下する。もう一つのガス供給管からサセプタの近傍へ水素＋アンモニアガスが吹き付けられる。ＮＨ_３＋ＧａＣｌ→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ_２の反応が起こって、ＧａＡｓ基板上へＧａＮ分子が吸着される。

これは例えば本発明者等の特許文献８、特許文献９、特許文献１０などに書いてある。

［ＥＬＯ法（Epitaxial Lateral Overgrowth）］
ＧａＡｓ基板の上に成長させるのは本発明者らの独特のものである。たびたび述べているようにＧａＮ薄膜成長に対する基板は独占的にサファイヤが使われる。ＧａＡｓ基板上にＧａＮを成長させる実験は３０年も前に何度も繰り返され不成功に終わっていた。

ＧａＡｓ基板の上にＧａＮ薄膜を成長させることができるようになったのは実は窓を多数有するマスク（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）をＧａＡｓ基板に付けてから窓を通じてＧａＮ結晶を独立に成長させるというＥＬＯ法が発明されたからである。ＥＬＯ法の詳細は上記の特許文献８〜特許文献１０の本発明者らの出願に記載される。

あるいは本発明者らの特許文献１１、特許文献１２などに説明される。

ＧａＮは六方晶であるから、窓をそれに合わせて配置したマスク構造とする。つまり面を同等の正三角形によって埋め尽くしたとしてその頂点位置に窓（丸、多角、矩形）を配置する。マスク厚みは例えば１００ｎｍ（０．１μｍ）である。マスクにはＧａＮが堆積しない。孤立した窓からＧａＡｓによって方位が規定されたＧａＮ結晶粒子が成長する。

これは比較的低温で成長させる。転位は成長方向に伸びる。温度を高めて続いてＧａＮ成長を持続する。ＧａＮ層がマスク厚みを越えると横方向にマスク上を這うように成長する。横方向成長が重要でこれによって転位が横向きになる。正六角形状に横向き成長したＧａＮが隣接窓から成長したものと相会する。転位は相会面に集積してしまう。以後は縦型成長になるが、転位を引きずらないから低転位のＧａＮが成長するのである。ＥＬＯ法はそのような転位や歪を低減させる作用があり、これによって初めてＧａＡｓ基板上へのＧａＮ成長が可能になったのである。

しかしそうはいってもＧａＡｓ基板を使っているのは本発明者らだけである。それ以外の研究者は依然としてサファイヤを基板としてＧａＮ成長させている。ＥＬＯ法で低転位になったといっても、それは隣接窓から成長したＧａＮが会合してしばらくの間だけで僅かな期間である。それ以上に厚くすると再び転位が増加する。これを防ぐ方法は本発明者らによって与えられる。
特許文献１３に示されている。

［酸素ドープ（ｎ型基板とするために）］
ｎ型基板ＧａＮというのはこれまで存在しなかったのであるが、ｎ型とするためにはｎ型のドーパントを添加しなければならない。サファイヤ上ＧａＮ−ＬＥＤでもｎ型ＧａＮ系薄膜は多用されていたのであるが、そこでｎ型ドーパントとして採用されたものはＳｉであった。シランガス（Ｓｉの水素化物ガス）を導入してＧａＮ薄膜（０．０１μｍ〜数μｍ程度の厚み）にｎ型伝導性を与えている。

シランガスは危険性が高いので代わりに酸素をｎ型ドーパントとしてもよい。酸素は水、酸素ガスとして炉内へ導けるが、これらは安全な物質である。

特許文献１４は水或いは酸素ガスの形で炉内へ酸素を導入してＧａＮへ酸素ドープする。しかし実はそれは容易でない。酸素がｎ型ドーパントとして利用できるということがわからなかったのには理由がある。サファイヤ基板の上にＧａＮ薄膜を成長させるときはサファイヤ基板がｃ面基板であるから、ＧａＮ薄膜もｃ面で平坦平滑な鏡面成長させることになる。１μｍ以下の薄膜成長だから当然に平坦面となる。

本発明者等の研究によって分かったことであるが、ｃ面には酸素は入ってゆかないという性質がある。酸素ドープに面選択性があるということである。これまで例外なくサファイヤ上へｃ面成長させていたから酸素がドープされなかったのである。だから酸素をｎ型ドーパントとする余地がなかった。ところがｃ面以外の面、例えばＡ面｛１１−２０｝やＭ面｛１−１００｝、あるいはこれから傾斜したＡ面｛１１−２ｍ｝やＭ面｛１−１０ｍ｝（ｍは整数）などへは酸素が取り込まれる。そこでｃ面を維持した鏡面成長をせず、ジグザグの表面をもつような粗面成長させることによって酸素をドープできる。

特許文献１５によってそのような方法が提案される。

このようにして２インチ径の透明な（０００１）面をもつ六方晶のＧａＮウエハが得られる。両面あるいは片面研磨して、円形ウエハとする。これ以後は既に述べたように、図８の回転砥石によって周面を平滑にする。図１０の装置で、ウエハの表面裏面をＣ面取りする。あるは図１１の装置でＲ面取りする。

さらに劈開面（Ｍ面）｛１−１００｝にＯＦを入れる。あるいはそれと直交する面（Ａ面）｛１１−２０｝にＯＦを入れる。さらには表面と裏面を区別するために、図６のように第１ＯＦと第２ＯＦを設けることもできる。また、図６では第一フラット部の長さを第二フラット部の長さより長くして、表裏面の判別を容易にしている。

１ＧａＡｓ基板
２ＧａＮ結晶
３周面
４砥石
５ＧａＮウエハ
６ＧａＮウエハ
７砥石
８回転軸
９ＧａＮウエハ
１０砥石
１１回転軸

Claims

六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり、透明であって独立した円形のウエハであって外周部の一部において弓形部分を切りとり面と直交する特定の結晶方位｛ｈｋｍ０｝を示すためのフラット部を設けたことを特徴とする窒化ガリウムウエハ。
六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり、透明であって独立した円形のウエハであって外周部の一部において劈開面を弦とする弓形部分を切りとり面と直交する劈開面｛１−１００｝であるフラット部を設けた事を特徴とする窒化ガリウムウエハ。
六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり、透明であって独立した円形のウエハであって外周部の一部において劈開面に直交する面を弦とする弓形部分を切りとり面と直交する｛１１−２０｝面であるフラット部を設けた事を特徴とする窒化ガリウムウエハ。
六方晶系で｛０００１｝面方位の窒化ガリウム単結晶よりなり、透明であって独立した円形のウエハであって外周部の一部において弓形部分を切りとり面と直交する特定の結晶方位｛ｈｋｍ０｝を示すための第１フラット部を設け、表裏面を区別するため第１フラット部に直交する方位の長さの相違する第２フラット部を設けたことを特徴とする窒化ガリウムウエハ。
１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の濃度でシリコンドープされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化ガリウムウエハ。
１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の濃度で酸素ドープされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化ガリウムウエハ。