JP2011051864A - ＧａＮ単結晶基板およびその製造方法、ならびにＧａＮ系半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径で主面の面方位が（０００１）および（０００−１）以外で主面内における転位密度が実質的に均一であるＧａＮ単結晶基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本ＧａＮ単結晶基板２０ｐは、主面２０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一、たとえば主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきが±１００％以内である。
【選択図】図１

Description

本発明は、大口径で主面の面方位が（０００１）および（０００−１）（すなわち｛０００１｝）以外で主面内における転位密度の分布が実質的に均一であるＧａＮ単結晶基板およびその製造方法に関する。また、かかるＧａＮ単結晶基板の主面上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層が形成されているＧａＮ系半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

発光デバイス、電子デバイス、半導体センサなどに好適に用いられるＩＩＩ族窒化物結晶は、通常、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法、フラックス法などの液相法により、（０００１）面の主面を有するサファイア基板または（１１１）Ａ面の主面を有するＧａＡｓ基板などの主面上に結晶成長させることにより製造される。このため、通常得られるＩＩＩ族窒化物結晶は、面方位が｛０００１｝の主面を有する。

面方位が｛０００１｝の主面を有するＩＩＩ族窒化物結晶を基板としてその主面上にＭＱＷ（多重量子井戸）構造の発光層を形成させた発光デバイスは、ＩＩＩ族窒化物結晶が有する＜０００１＞方向の極性により、発光層内において自発分極が生じるため、発光のブルーシフトが大きくなり、また発光効率が低下する。このため、｛０００１｝以外の面方位の主面を有するＩＩＩ族窒化物結晶が要望されている。

かかる要望に答えるため、特開２００８−１４３７７２号公報（以下、特許文献１という）は、｛１−１０Ｘ｝（ここで、Ｘは０以上の整数）、｛１１−２Ｙ｝（ここで、Ｙは０以上の整数）および｛ＨＫ−（Ｈ＋Ｋ）０｝（ここで、ＨおよびＫは０以外の整数）のいずれかの面方位に対するオフ角が５°以下の面方位、具体的には｛１−１００｝、｛１１−２０｝、｛１−１０２｝、｛１１−２２｝、｛１２−３０｝および｛２３−５０｝のいずれかの面方位の主面を有するＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法を開示する。

しかし、特許文献１に開示された製造方法を用いても、｛１−１００｝、｛１１−２０｝または｛２３−５０｝の面方位の主面上に成長させるＩＩＩ族窒化物結晶は部分的に多結晶化するため、大口径の単結晶基板が得られ難いという問題があった。また、｛１−１０２｝、｛１１−２２｝の面方位の主面上に成長させるＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長面には、{０００１}の面方位のファセット、{０００１}以外の面方位のファセットが生じる。ここで、{０００１}の面方位のファセットを結晶成長面として成長する部分の転位は｛０００１｝面に垂直な方向（すなわち＜０００１＞方向）に伝播し、{０００１}以外の面方位のファセットを結晶成長面として成長する部分の転位は｛０００１｝面に平行な方向に伝播する。成長したＩＩＩ族窒化物結晶の主面における転位密度のばらつきが大きいため、かかる基板を用いた半導体デバイスの特性のばらつきが大きくなるという問題があった。

なお、特開２００６−０５２１０２号公報（以下、特許公報２という）は、転位密度分布が実質的に均一なＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板（具体的にはＧａＮ自立基板）およびその製造方法を開示する。しかし、特許公報２には、面方位が（０００１）である主面を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板について、結晶成長において、まず成長界面に凹凸を出しながら成長させて成長界面を平坦化し、さらに平坦化した成長界面で成長させることにより転位密度の分布が実質的に均一することは開示されているが、{０００１}以外の面方位の主面を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板について転位密度の分布が実質的に均一することは記載も示唆もされていない。

特開２００８−１４３７７２号公報 特開２００６−０５２１０２号公報

本発明は、上記問題を解決して、大口径で主面の面方位が（０００１）および（０００−１）以外で主面内における転位密度の分布が実質的に均一であるＧａＮ単結晶基板およびその製造方法を提供することを目的とする。また、かかるＧａＮ単結晶基板の主面上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層が形成されている高特性で特性の分布が均一なＧａＮ系半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、主面の面積が１０ｃｍ²以上であり、主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面内における転位密度の分布が実質的に均一である、ＧａＮ単結晶基板である。ここで、主面内における転位密度のばらつきを主面内における平均転位密度に対して±１００％以内とすることができる。

本発明にかかるＧａＮ単結晶基板において、主面内における転位密度を５×１０⁶ｃｍ^-2以下とすることができる。また、（０００１）面または（０００−１）面に対する主面の面方位の傾斜の方向を＜１０−１０＞方向とすることができる。また、（０００２）面および（２０−２０）面もしくは（２２−４０）面に関するＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅を主面の全面において３００ａｒｃｓｅｃ以下とすることができる。

また、本発明は、上記のＧａＮ単結晶基板の製造方法であって、主面の面積が１０ｃｍ²以上で、主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しているＧａＮ種結晶基板を準備する工程と、ＧａＮ種結晶基板の主面上にＧａＮ単結晶を成長させる工程と、ＧａＮ単結晶をＧａＮ種結晶基板の主面に平行な面で切り出してＧａＮ単結晶基板を形成する工程と、を備えるＧａＮ単結晶基板の製造方法である。

また、本発明は、上記のＧａＮ単結晶基板と、ＧａＮ単結晶基板の主面上に形成されている少なくとも１層のＧａＮ系半導体層と、を含むＧａＮ系半導体デバイスである。
また、本発明は、上記のＧａＮ単結晶基板を準備する工程と、ＧａＮ単結晶基板の主面上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層を成長させる工程と、を備えるＧａＮ系半導体デバイスの製造方法である。

本発明によれば、大口径で主面の面方位が（０００１）および（０００−１）以外で主面内における転位密度の分布が実質的に均一であるＧａＮ単結晶基板およびその製造方法を提供できる。また、かかるＧａＮ単結晶基板の主面上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層が形成されている高特性で特性の分布が均一なＧａＮ系半導体デバイスおよびその製造方法を提供できる。

本発明にかかるＧａＮ単結晶基板の一例を示す概略図である。 本発明にかかるＧａＮ単結晶基板の製造方法におけるＧａＮ種結晶基板を準備する工程の一例を示す概略図である。ここで、（Ａ）はＧａＮ母結晶から複数のＧａＮ母結晶片を切り出すサブ工程を示し、（Ｂ）は複数のＧａＮ母結晶片を横方向に互いに隣接させて配置するサブ工程を示し、（Ｃ）はＧａＮ種結晶を成長させるサブ工程を示し、（Ｄ）はＧａＮ種結晶基板を形成するサブ工程を示す。 本発明にかかるＧａＮ単結晶基板の製造方法の一例を示す概略断面図である。ここで、（Ａ）はＧａＮ種結晶基板を準備する工程を示し、（Ｂ）はＧａＮ単結晶を成長させる工程を示し、（Ｃ）はＧａＮ単結晶基板を形成する工程を示す。 本発明にかかるＧａＮ単結晶基板において（０００１）面または（０００−１）面に対する主面の面方位の傾斜の状況を示す模式図である。ここで、（Ａ）は主面の面方位が｛２０−２１｝の場合を示し、（Ｂ）は主面の面方位が｛２０−２−１｝の場合を示し、（Ｃ）は主面の面方位が｛２２−４２｝の場合を示し、（Ｄ）は主面の面方位が｛２２−４−２｝の場合を示す。 本発明にかかるＧａＮ系半導体デバイスの一例を示すが概略断面図である。

結晶幾何学においては、結晶面の面方位を表わすために（ｈｋｌ）または（ｈｋｉｌ）などの表示（ミラー表示）が用いられる。ＧａＮ種結晶基板およびＧａＮ単結晶基板などのＩＩＩ族窒化物結晶を形成するＩＩＩ族窒化物結晶などの六方晶系の結晶における結晶面の面方位は、（ｈｋｉｌ）で表わされる。ここで、ｈ、ｋ、ｉおよびｌはミラー指数と呼ばれる整数であり、ｉ＝−（ｈ＋ｋ）の関係を有する。この面方位（ｈｋｉｌ）の面を（ｈｋｉｌ）面という。また、（ｈｋｉｌ）面に垂直な方向（（ｈｋｉｌ）面の法線方向）は、［ｈｋｉｌ］方向という。また、｛ｈｋｉｌ｝は（ｈｋｉｌ）およびそれに結晶幾何学的に等価な個々の面方位を含む総称的な面方位を意味し、＜ｈｋｉｌ＞は、［ｈｋｉｋ］およびそれに結晶幾何学的に等価な個々の方向を含む総称的な方向を意味する。

ここで、ＧａＮ種結晶およびＧａＮ単結晶などのＩＩＩ族窒化物結晶は、＜０００１＞方向にガリウム（Ｇａ）原子面などのＩＩＩ族元素原子面および窒素（Ｎ）原子面が交互に配列するため、＜０００１＞方向に極性を有する。本願においては、ガリウム原子面などのＩＩＩ族元素原子面が（０００１）面となり、窒素原子面が（０００−１）面となるように、結晶軸を設定する。

［ＧａＮ単結晶基板］
（実施形態１）
図１を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶基板２０ｐは、主面２０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一である。

本実施形態のＧａＮ単結晶基板２０ｐは、主面２０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上と大口径である。また、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対して６５°以上８５°以下の傾斜角αを有しているため、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いたＧａＮ系半導体デバイスについて、その発光のブルーシフトが抑制され、その発光効率の低下が抑制される。かかる観点から、主面２０ｐｍの面方位は、（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対して、７０°以上８０°以下の傾斜角αを有していることが好ましく、７２°以上７８°以下の傾斜角αを有していることがより好ましい。また、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一であるため、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いたＧａＮ系半導体デバイスについて、その主面内におけるデバイス特性の分布が実質的に均一となる。

本実施形態のＧａＮ単結晶基板２０ｐにおいて、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一であるとは、それを用いたＧａＮ系半導体デバイスの主面内におけるデバイス特性の分布が実質的に均一になることを意味し、たとえば、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内であることをいう。ＧａＮ系半導体デバイスの主面内におけるデバイス特性の分布をより均一にする観点から、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきが、その主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して、−１００〜＋７０％以内であることが好ましく、−１００〜５０％以内であることがより好ましい。ここで、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度は、たとえば、ＣＬ（カソードルミネッセンス）法により、主面２０ｐｍ内において２次元方向にそれぞれ２ｍｍピッチで１００μｍ×１００μｍの測定面積で測定することができる。

本実施形態のＧａＮ単結晶基板２０ｐにおいて、結晶性の高いＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させる観点から、主面２０ｐｍ内における転位密度は、その最高転位密度においても、５×１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましく、１×１０⁶ｃｍ^-2以下であることがより好ましい。

本実施形態のＧａＮ単結晶基板２０ｐにおいて、結晶性の高いＧａＮ系半導体層を安定してエピタキシャル成長させる観点から、（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対する主面２０ｐｍの面方位の傾斜の方向が＜１０−１０＞方向であることが好ましい。

本実施形態のＧａＮ単結晶基板２０ｐにおいて、結晶性の高いＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させる観点から、（０００２）面および（２０−２０）面もしくは（２２−４０）面に関するＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅が主面２０ｐｍの全面において３００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。なお、Ｘ線回折ピークの半値幅は、その数値が小さいほど結晶性が高いことを意味する。

Ｘ線回折ロッキングカーブ測定における回折結晶面は、たとえば、主面２０ｐｍの面方位が｛ｈ０ｋｌ｝（ここで、ｈ、ｋおよびｌは０以外の整数）のＧａＮ単結晶基板２０ｐについては（０００２）面および（２０−２０）面とし、主面２０ｐｍの面方位が｛ｈｉｋｌ｝（ここで、ｈ、ｋ、ｉおよびｌは０以外の整数）のＧａＮ単結晶基板２０ｐについては（０００２）面および（２２−４０）面とすることができる。ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍの全面におけるＸ線回折ロッキングカーブ測定は、たとえば主面２０ｐｍ内の２次元方向に２ｍｍの間隔で１ｍｍ²のＸ線照射面積で行うことができる。

［ＧａＮ単結晶基板の製造方法］
（実施形態２）
図２および図３を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶基板の製造方法は、実施形態１のＧａＮ単結晶基板２０ｐの製造方法であって、主面１０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上で、主面１０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しているＧａＮ種結晶基板１０ｐを準備する工程（図２（Ａ）〜（Ｄ）、図３（Ａ））と、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上にＧａＮ単結晶２０を成長させる工程（図３（Ｂ））と、ＧａＮ単結晶２０をＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍに平行な面２０ｕ，２０ｖで切り出してＧａＮ単結晶基板を形成する工程（図３（Ｃ））と、を備える。本実施形態のＧａＮ単結晶基板の製造方法は、かかる工程を備えることにより、効率的に実施形態１のＧａＮ単結晶基板を製造することができる。

（ＧａＮ種結晶基板の準備工程）
図２を参照して、本実施形態のＧａＮ種結晶基板を準備する工程は、特に制限はないが、たとえば、ＧａＮ母結晶から複数のＧａＮ母結晶片を切り出すサブ工程（図２（Ａ））と、複数のＧａＮ母結晶片を横方向に互いに隣接させて配置するサブ工程（図２（Ｂ））と、複数のＧａＮ母結晶片の主面上にＧａＮ種結晶を成長させるサブ工程（図２（Ｃ））と、ＧａＮ種結晶からＧａＮ種結晶基板を形成するサブ工程（図２（Ｄ））と、を備える。

まず、図２（Ａ）を参照して、複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出すサブ工程において、ＧａＮ母結晶１から、ＧａＮ母結晶１の（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対して６５°以上８５°以下の傾斜角αで傾斜している面方位｛ｈｋｉｌ｝に平行な面（＜ｈｋｉｌ＞方向に垂直な面）で複数のＧａＮ母結晶片１ｐが切り出される。かかるサブ工程により、（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対して６５°以上８５°以下の傾斜角αで傾斜している面方位の主面１ｐｍを有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐが得られる。ここで、傾斜角αは、Ｘ線回折法により測定することができる。

上記サブ工程において用いられるＧａＮ母結晶１は、特に制限はなく、通常の方法、すなわち、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法、フラックス法などの液相法により、（０００１）の主面を有するサファイア基板または（１１１）Ａ面の主面を有するＧａＡｓ基板などの主面上に結晶成長させることにより製造されるもので足りる。したがって、このＧａＮ母結晶１は、特に制限はないが、通常、（０００１）の主面を有する。なお、このＧａＮ母結晶１は、転位密度を低減し結晶性を高める観点から、特開２００１−１０２３０７号公報に開示されるように、結晶が成長する面（結晶成長面）にファセットを形成し、ファセットを埋め込むことなく結晶成長を行なうことを特徴とするファセット成長法により成長させることが好ましい。

また、ＧａＮ母結晶１から複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出す方法には、特に制限はなく、ワイヤソー、内周刃、外周刃、またはレーザなどの各種方法を用いることができる。

また、結晶性の高いＧａＮ種結晶１０を成長させる観点から、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍおよび側面の平均粗さＲａは、５０ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。面の平均粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４に規定する算術平均粗さＲａをいい、具体的には、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの距離（偏差の絶対値）を合計し基準長さで平均した値をいう。また、面の平均粗さＲａは、ＡＦＭ（分子間力顕微鏡）などを用いて測定することができる。

複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍおよび側面の平均粗さＲａを、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下とするために、切り出された複数のＧａＮ母結晶片１ｐは、それらの主面１ｐｍおよび側面が研削および／または研磨されることが好ましい。研磨には、機械的研磨、ＣＭＰ（化学機械的研磨）などが含まれる。

次に、図２（Ｂ）を参照して、複数のＧａＮ母結晶片を横方向に互いに隣接させて配置するサブ工程において、切り出された複数のＧａＮ母結晶片１ｐは、それらの母結晶片の主面１ｐｍが互いに平行で、かつ、それらの母結晶片の［０００１］方向が同一になるように、横方向に互いに隣接させて配置される。

複数のＧａＮ母結晶片１ｐは、それらの母結晶片の主面１ｐｍと結晶軸とのなす角度がそれらの母結晶片の主面１ｐｍ内で均一でないと、それらの母結晶片の主面１ｐｍ上に成長させるＧａＮ種結晶の化学組成がそれらの母結晶片の主面１ｐｍに平行な面内で不均一となるため、それらの母結晶片の主面１ｐｍが互いに平行になるように、横方向に配置される。これらの母結晶片の主面１ｐｍが互いに平行であれば足り、必ずしも同一平面上になくてもよい。しかし、隣接する２つのＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍ間の高低差ΔＴ（図示せず）は、０．１ｍｍ以下が好ましく、０．０１ｍｍ以下がより好ましい。

また、複数のＧａＮ母結晶片１ｐは、それら母結晶片の結晶方位を同一にしてより均一な結晶成長を図る観点から、それらの母結晶片の［０００１］方向が同一になるように、横方向に配置される。また、複数のＧａＮ母結晶片１ｐは、基板間に隙間があるとその隙間上に成長する結晶の結晶性が低下するため、互いに隣接させて配置される。

上記のサブ工程により、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍが互いに平行で、かつ、それらの母結晶片の［０００１］方向が同一であるように、横方向に互いに隣接して配置された、主面１ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対して６５°以上８５°以下の傾斜角を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐが得られる。

次に、図２（Ｃ）を参照して、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍ上にＧａＮ種結晶１０を成長させる工程において、ＧａＮ種結晶１０を成長させる方法は、特に制限はないが、ＧａＮ種結晶をエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの気相法、フラックス法などの液相法などが好ましく用いられる。結晶成長方法の中で、結晶成長速度が高い観点から、ＨＶＰＥ法であることが好ましい。

複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍ上にＧａＮ種結晶１０を成長させると、ＧａＮ種結晶１０の結晶成長面１０ｇは、マクロ的に見ると複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍに平行であるが、ミクロ的に見ると複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍと平行ではない複数のファセット１０ｆａ，１０ｆｂが形成される。また、かかる複数のファセット１０ｆａ，１０ｆｂは、それらの面方位が互いに異なる。すなわち、ＧａＮ種結晶１０は、面方位が互いに異なる複数のファセット１０ｆａ，１０ｆｂを結晶成長面１０ｇとして成長する。

ここで、結晶成長面１０ｇにおいて、ファセット１０ｆａとファセット１０ｆｂとは、面方位が互いに異なることにより、面内における結晶構成元素の配列が互いに異なるため、ファセット１０ｆａを結晶成長面として成長する部分とファセット１０ｆｂを結晶成長面として成長する部分とでは、転位の伝播方向が異なる。

このため、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍ上に成長するＧａＮ種結晶１０においては、母結晶片の主面１ｐｍに平行な面内における転位密度にばらつきが生じる。

このとき、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍの面方位における（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対する傾斜が小さいと、たとえばその傾斜角αが６５°より小さいと、その主面１ｐｍ上に成長するＧａＮ種結晶１０の結晶成長面１０ｇには、面方位が（０００１）または（０００−１）であるファセット１０ｆａと、ファセット１０ｆａと面方位が異なるファセット１０ｆｂとが生じる。ここで、面方位が（０００１）または（０００−１）であるファセット１０ｆａを結晶成長面として成長する部分の転位は（０００１）または（０００−１）に垂直な方向（すなわち＜０００１＞方向）に伝播し、（０００１）および（０００−１）以外の面方位のファセットを結晶成長面として成長する部分の転位は＜０００１＞方向から傾斜した方向に伝播する。このため、かかる主面１ｐｍ上に成長するＧａＮ種結晶１０およびそれから得られるＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍにおける転位密度のばらつきが大きくなるため、かかる基板を用いた半導体デバイスの特性のばらつきが大きくなる。

また、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍの面方位における（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対する傾斜が大きくなり直角に近づくと、たとえばその傾斜角αが８５°より大きいと、その主面１ｐｍ上に成長するＧａＮ種結晶１０の結晶成長面１０ｇには、面方位が（０００１）に対して垂直であるファセット１０ｆｂの発生が優勢となり、成長するＧａＮ種結晶１０が部分的に多結晶化して、ＧａＮ種結晶１０に割れが発生する。

上記の観点から、ＧａＮ種結晶基板１０ｐを製造するために、（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対する複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍの面方位の傾斜角αは、６５°以上８５°以下であることが必要であり、７０°以上８０°以下であることが好ましく、７２°以上７８°以下であることがさらに好ましい。

次に、図２（Ｃ）および（Ｄ）を参照して、ＧａＮ種結晶１０を複数のＧａＮ母結晶片１ｐの主面１ｐｍに平行な面１０ｕ，１０ｖで切り出してＧａＮ種結晶基板１０ｐを形成する工程において、ＧａＮ種結晶１０からＧａＮ種結晶基板１０ｐを切り出す方法には、特に制限はなく、ワイヤソー、内周刃、外周刃、またはレーザなどの各種方法を用いることができる。

また、結晶性の高いＧａＮ単結晶を成長させる観点から、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍの平均粗さＲａは、５０ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。面の平均粗さＲａの定義および測定方法は、上記と同様である。ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍの平均粗さＲａを、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下とするために、切り出されたＧａＮ種結晶基板１０ｐは、それらの主面１０ｐｍおよび側面が研削および／または研磨されることが好ましい。研磨には、機械的研磨、ＣＭＰ（化学機械的研磨）などが含まれる。

上記のサブ工程により、図２（Ｄ）および図３（Ａ）を参照して、主面１０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面１０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面１０ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しているＧａＮ種結晶基板１０ｐが準備される。

なお、非常に厚いＧａＮ母結晶が得られる場合には、上記のサブ工程に替えて、かかるＧａＮ母結晶を、ＧａＮ母結晶の（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下の傾斜角αで傾斜している面方位｛ｈｋｉｌ｝に平行な面（＜ｈｋｉｌ＞方向に垂直な面）で切り出し、その主面を研削および／または研磨することにより、主面１０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面１０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しているＧａＮ種結晶基板１０ｐが準備される。

（ＧａＮ単結晶の成長工程）
次に、図３（Ｂ）を参照して、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上にＧａＮ単結晶２０を成長させる工程において、ＧａＮ単結晶２０を成長させる方法は、特に制限はないが、ＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの気相法、フラックス法などの液相法などが好ましく用いられる。結晶成長方法の中で、結晶成長速度が高い観点から、ＨＶＰＥ法であることが好ましい。

ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上にＧａＮ単結晶２０を成長させると、ＧａＮ単結晶２０の結晶成長面２０ｇは、マクロ的に見るとＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍに平行であるが、ミクロ的に見るとＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍと平行ではない複数のファセット２０ｆａ，２０ｆｂが形成される。また、かかる複数のファセット２０ｆａ，２０ｆｂは、それらの面方位が互いに異なる。すなわち、ＧａＮ単結晶２０は、面方位が互いに異なる複数のファセット面２０ｆａ，２０ｆｂを結晶成長面２０ｇとして成長する。

ここで、結晶成長面２０ｇにおいて、ファセット２０ｆａとファセット２０ｆｂとは、面方位が互いに異なることにより、面内における結晶構成元素の配列が互いに異なるため、ファセット２０ｆａを結晶成長面として成長する部分とファセット２０ｆｂを結晶成長面として成長する部分とでは、転位の伝播方向が異なる。

このため、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上に成長するＧａＮ単結晶２０においては、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍに平行な面内における転位密度にばらつきが生じる。

このとき、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍの面方位における（０００１）面または（０００−１）面１０ｃに対する傾斜が小さいと、たとえばその傾斜角αが６５°より小さいと、その主面１０ｐｍ上に成長するＧａＮ単結晶２０の結晶成長面２０ｇには、面方位が（０００１）または（０００−１）であるファセット２０ｆａと、ファセット２０ｆａと面方位が異なるファセット２０ｆｂとが生じる。ここで、面方位が（０００１）または（０００−１）であるファセット２０ｆａを結晶成長面として成長する部分の転位は（０００１）または（０００−１）に垂直な方向（すなわち＜０００１＞方向）に伝播し、（０００１）および（０００−１）以外の面方位のファセットを結晶成長面として成長する部分の転位は＜０００１＞方向から傾斜した方向に伝播する。このため、かかる主面１０ｐｍ上に成長するＧａＮ単結晶２０およびそれから得られるＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける転位密度のばらつきが大きくなるため、かかる基板を用いた半導体デバイスの特性のばらつきが大きくなる。

また、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍの面方位における（０００１）面または（０００−１）面１０ｃに対する傾斜が大きくなり直角に近づくと、たとえばその傾斜角αが８５°より大きいと、その主面１０ｐｍ上に成長するＧａＮ単結晶２０の結晶成長面２０ｇには、面方位が（０００１）に対して垂直であるファセット２０ｆｂの発生が優勢となり、成長するＧａＮ単結晶２０が部分的に多結晶化して、ＧａＮ単結晶２０に割れが発生する。

上記の観点から、主面２０ｐｍにおける転位密度の分布が実質的に均一なＧａＮ単結晶基板２０ｐを製造するために、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍの面方位は、（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対する傾斜角αは、６５°以上８５°以下であることが必要であり、７０°以上８０°以下であることが好ましく、７２°以上７８°以下であることがさらに好ましい。

（ＧａＮ単結晶基板の形成工程）
次に、図３（Ｂ）および（Ｃ）を参照して、ＧａＮ単結晶２０をＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍに平行な面２０ｕ，２０ｖで切り出してＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成する工程において、ＧａＮ単結晶２０からＧａＮ単結晶基板２０ｐを切り出す方法には、特に制限はなく、ワイヤソー、内周刃、外周刃、またはレーザなどの各種方法を用いることができる。

また、結晶性の高いＧａＮ系半導体層を成長させる観点から、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍの平均粗さＲａは、５０ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。面の平均粗さＲａの定義および測定方法は、上記と同様である。ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍの平均粗さＲａを、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下とするために、切り出されたＧａＮ単結晶基板２０ｐは、それらの主面２０ｐｍおよび側面が研削および／または研磨されることが好ましい。研磨には、機械的研磨、ＣＭＰ（化学機械的研磨）などが含まれる。

上記の工程により、主面２０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面２０ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内）であるＧａＮ単結晶基板２０ｐが得られる。

［ＧａＮ系半導体デバイス］
（実施形態３）
図５を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ系半導体デバイス１００は、実施形態１のＧａＮ単結晶基板２０ｐと、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ上に形成されている少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０と、を含む。

本実施形態のＧａＮ系半導体デバイス１００において、ＧａＮ単結晶基板２０ｐは、主面１０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面１０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面１０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内）である。かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐ上にエピタキシャル成長により形成されているＧａＮ系半導体層１３０は、その主面の面積が１０ｃｍ²以上であり、その主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、その主面内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内）である。このため、本実施形態のＧａＮ系半導体デバイスは、主面内におけるデバイス特性の分布が実質的に均一であり、高いデバイス特性を有する。

図５を参照して、本実施形態のＧａＮ系半導体デバイス１００は、具体的には、直径５０ｍｍ×厚さ５００μｍのＧａＮ単結晶基板２０ｐの一方の主面２０ｐｍ上に、少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０として、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１、６対のＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層およびＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層により構成されている多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層１３３およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４が順に積層されている。また、ｐ型ＧａＮ層１３４上の一部には、ｐ側電極１４１である０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極が形成されている。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの他方の主面２０ｐｎ上には、ｎ側電極１４２である厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極が形成されている。

［ＧａＮ系半導体デバイスの製造方法］
（実施形態４）
図５を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ系半導体デバイス１００の製造方法は、実施形態１のＧａＮ単結晶基板２０ｐを準備する工程と、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０を成長させる工程と、を備える。

本実施形態のＧａＮ系半導体デバイス１００の製造方法においては、主面２０ｐｍの面積が１０ｃｍ²以上であり、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内）であるＧａＮ単結晶基板２０ｐ上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０をエピタキシャル成長させる。かかるエピタキシャル成長をしたＧａＮ系半導体層１３０の結晶方位は、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの結晶方位と同じである。このため、成長したＧａＮ系半導体層１３０は、その主面の面積が１０ｃｍ²以上であり、その主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、その主面内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面内における転位密度のばらつきがその主面内における平均転位密度に対して±１００％以内）である。このため、本実施形態のＧａＮ系半導体デバイスの製造方法により、主面内におけるデバイス特性の分布が実質的に均一であり、高いデバイス特性を有するＧａＮ系半導体デバイスが得られる。

実施形態１のＧａＮ単結晶基板２０ｐ、すなわち、主面２０ｐｍの面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面２０ｐｍ内における転位密度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内における転位密度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均転位密度に対して±１００％以内）であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを準備する工程は、たとえば、上記の実施形態２のＧａＮ単結晶基板２０ｐの製造方法によって行われる。

ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０を成長させる方法は、特に制限はないが、結晶性の高いＧａＮ系半導体層１３０をエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが好ましく用いられる。生産性および信頼性が高い観点から、ＭＯＣＶＤ法がより好ましく用いられる。

図５を参照して、ＧａＮ単結晶基板２０ｐ上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０を形成する工程は、たとえば、直径５０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍのＧａＮ単結晶基板２０ｐの一主面２０ｐｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０として、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１、６対のＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層およびＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層により構成されている多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層１３３およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４を順に成長させる。

さらに、ｐ型ＧａＮ層１３４上の一部には、真空蒸着法により、ｐ側電極１４１である厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成する。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの他方の主面２０ｐｎ上には、真空蒸着法により、ｎ側電極１４２である厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極を形成する。

次に、ＧａＮ単結晶基板２０ｐ上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０が形成されたウエハを、所定の大きさにチップ分割することにより、所定の大きさの発光デバイスが得られる。

［ＧａＮ母結晶の作製］
ＧａＮ母結晶は以下のようにして作製した。直径５０ｍｍで厚さ０．８ｍｍのＧａＡｓ基板（下地基板）の（１１１）Ａ面の主面上に、フォトリソグラフィ法およびエッチングにより、直径が２μｍの複数の開口部が４μｍのピッチで平面的に六方稠密に配置された厚さ１００ｎｍのＳｉＯ層（マスク層）を形成した。次に、ＧａＡｓ基板において複数の開口部を有するＳｉＯ層が形成された主面上に、ＨＶＰＥ法により、５００℃で厚さ８０ｎｍのＧａＮ低温層を成長させ、次いで、９５０℃で厚さ６０μｍのＧａＮ中間層を成長させた後、１０５０℃で厚さ５ｍｍのＧａＮ母結晶を成長させた。次に、王水を用いたエッチングにより、上記ＧａＮ母結晶からＧａＡｓ基板を除去して、直径５０ｍｍで厚さ３ｍｍのＧａＮ母結晶を得た。かかるＧａＮ母結晶の主面における転位密度を、ＣＬ（カソードルミネッセンス）法により、主面２０ｐｍ内において互いに直交する２方向にそれぞれ２ｍｍピッチで１００μｍ×１００μｍの測定面積で測定した。平均転位密度は３．１×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は０．７×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は５．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。

（実施例１）
１．ＧａＮ種結晶基板の準備
図２（Ａ）を参照して、ＧａＮ母結晶１の両主面である（０００１）面および（０００−１）面を、研削および研磨加工して、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとした。ここで、表面の平均粗さＲａの測定は、ＡＦＭにより行なった。

次いで、図２（Ａ）を参照して、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛２０−２１｝面に平行な面（＜２０−２１＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛２０−２１｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出した。

次いで、切り出した各ＧａＮ母結晶片１ｐの研削および研磨加工されていない４面を研削および研磨加工して、これら４面の平均粗さＲａを５ｎｍとした。こうして、｛２０−２１｝の主面の平均粗さＲａが５ｎｍである複数のＧａＮ母結晶片１ｐが得られた。それらのＧａＮ母結晶片１ｐの中には、その主面の面方位が｛２０−２１｝と完全に一致していない結晶片もあったが、かかる結晶片のいずれについても、その主面の面方位は｛２０−２１｝に対する傾斜角は±０．１°以内であった。ここで、傾斜角は、Ｘ線回折法により測定した。

次いで、図２（Ｂ）を参照して、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの｛２０−２１｝の主面１ｐｍが互いに平行になるように、かつ、それらのＧａＮ母結晶片１ｐの［０００１］方向が同一になるように、横方向にそれらのＧａＮ母結晶片１ｐを互いに隣接させて配置し、さらにその外周部を一部除去することにより、直径を５０ｍｍとした。

次いで、図２（Ｃ）を参照して、上記の複数のＧａＮ母結晶片１ｐの｛２０−２１｝の主面１ｐｍを１０体積％の塩化水素ガスと９０体積％の窒素ガスの混合ガス雰囲気下、８００℃で２時間処理した後、その主面１ｐｍ上に、ＨＶＰＥ法により、結晶成長温度１０５０℃で、ＧａＮ種結晶１０を、成長速度８０μｍ／ｈｒで５０時間成長させた。

次いで、図２（Ｃ）、（Ｄ）および図３（Ａ）を参照して、上記のＧａＮ種結晶１０を複数のＧａＮ母結晶片１ｐの｛２０−２１｝の主面１ｐｍに平行な面１０ｕ，１０ｖでスライスすることにより、主面１０ｐｍの面方位が｛２０−２１｝であり直径５０ｍｍで厚さが０．５ｍｍのＧａＮ種結晶基板１０ｐが得られた。かかるＧａＮ種結晶基板１０ｐは、さらに主面１０ｐｍを研削および研磨加工して、主面１０ｐｍの平均粗さＲａを５ｎｍとした。かかるＧａＮ種結晶基板１０ｐの｛２０−２１｝の主面１０ｐｍは、（０００１）面に対して７５°の傾斜角αを有する。

上記のようにして形成されたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度を、ＣＬ（カソードルミネッセンス）法により、主面１０ｐｍ内において中央から外周に向かって互いに直交する２方向にそれぞれ２ｍｍピッチの測定点から外周部の測定点を除いた４００の測定点で１００μｍ×１００μｍの測定面積で測定した。平均転位密度は１．５×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は１．０×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は３．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−３３％〜＋１３３％と大きかった。これは、複数のＧａＮ母結晶片１ｐを用いてＧａＮ種結晶基板１０ｐを準備したため、ＧａＮ種結晶基板１０ｐにおいて、ＧａＮ母結晶片１ｐの隣接部分上に成長したＧａＮ種結晶基板１０ｐの部分の転位密度が高くなったことによるものと考えられる。

２．ＧａＮ単結晶の成長
図３（Ｂ）を参照して、上記のＧａＮ種結晶基板１０ｐの（２０−２１）の主面１０ｐｍを１０体積％の塩化水素ガスと９０体積％の窒素ガスの混合ガス雰囲気下、８００℃で２時間処理した後、その主面１０ｐｍ上に、ＨＶＰＥ法により、結晶成長温度１０５０℃で、ＧａＮ単結晶２０を、成長速度８０μｍ／ｈｒで５０時間成長させた。

次いで、図３（Ｂ）および（Ｃ）を参照して、上記のＧａＮ単結晶２０をＧａＮ種結晶基板１０ｐの｛２０−２１｝の主面１０ｐｍに平行な面２０ｕ，２０ｖでスライスすることにより、主面２０ｐｍの面方位が｛２０−２１｝であり直径５０ｍｍで厚さが０．５ｍｍのＧａＮ単結晶基板２０ｐが得られた。かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐは、さらに主面２０ｐｍを研削および研磨加工して、主面２０ｐｍの平均粗さＲａを５ｎｍとした。図４（Ａ）を参照して、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛２０−２１｝の主面２０ｐｍは、（０００１）面に対して７５°の傾斜角αを有する。

上記のようにして形成されたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度を、ＣＬ法により、主面２０ｐｍ内において中央から外周に向かって互いに直交する２方向にそれぞれ２ｍｍピッチの測定点から外周部の測定点を除いた４００の測定点で１００μｍ×１００μｍの測定面積で測定した。平均転位密度は５．４×１０⁵ｃｍ^-2、最低転位密度は２．９×１０⁵ｃｍ^-2、最高転位密度は７．５×１０⁵ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−４６．３％〜＋３８．９％であった。

また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２２−４０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は３０ａｒｃｓｅｃ〜１００ａｒｃｓｅｃと小さく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は高かった。ここで、Ｘ線回折ロッキングカーブ測定は、フィリップ社製Ｘ’Ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤを用いて、主面２０ｐｍにおいて中央から外周に向かって互いに直交する２方向にそれぞれ２ｍｍピッチの測定点から外周部の測定点を除いた４００の測定点で１ｍｍ²のＸ線照射面積で測定した。

４．ＧａＮ系半導体デバイスの製造
次に、上記のＧａＮ単結晶基板２０ｐ（直径５０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）の一方の主面２０ｐｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０として、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１（キャリア濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3）、６対のＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層およびＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層により構成される多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層１３３（キャリア濃度：３×１０⁷ｃｍ^-2）およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を順に成長させた。

次に、真空蒸着法により、ｐ型ＧａＮ層１３４上の互いに直交する２方向に１ｍｍのピッチで、ｐ側電極１４１として０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成した。また、真空蒸着法により、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの他方の主面２０ｐｎ上には、ｎ側電極１４２として厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極を形成した。

次に、各ｐ側電極が各チップの中心部に位置するように、ＧａＮ単結晶基板２０ｐ上に上記の少なくとも１層のＧａＮ系半導体層１３０が形成されたウエハを、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度および比抵抗の分布を測定していない外周部を除いて、１ｍｍ×１ｍｍの複数のチップ、すなわちＧａＮ系半導体デバイスに分割（チップ化）した。こうして得られたＧａＮ系半導体デバイス１００は、発光ピーク波長が４５０ｎｍのＬＥＤ（発光ダイオード）であった。

上記のようにして製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度を、輝度測定積分球を用いて、上記のチップ化した１６００個のＬＥＤについて測定した。実施例１のＬＥＤで得られた平均輝度を平均相対輝度１．０として、各実施例の平均相対輝度および相対輝度の標本分散を表現した。平均相対輝度は１．０と大きく、相対輝度の標本分散は０．１２と小さかった。結果を表１にまとめた。

（実施例２）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備において、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛２０−２−１｝面に平行な面（＜２０−２−１＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛２０−２−１｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、主面１０ｐｍの面方位が｛２０−２−１｝であるＧａＮ種結晶基板１０ｐおよび主面２０ｐｍの面方位が｛２０−２−１｝であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成した。図４（Ｂ）を参照して、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛２０−２−１｝の主面２０ｐｍは、（０００−１）面に対して７５°の傾斜角αを有する。

得られたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は１．１×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は７．８×１０⁵ｃｍ^-2、最高転位密度は２．４×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−２９％〜＋１１８％と大きかった。

これに対して、得られたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は３．２×１０⁵ｃｍ^-2、最低転位密度は０．０×１０⁵ｃｍ^-2、最高転位密度は４．２×１０⁵ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきは、−１００％〜＋３１．３％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２２−４０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は３０ａｒｃｓｅｃ〜１００ａｒｃｓｅｃと小さく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は高かった。

また、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いて、実施例１と同様にして、ＧａＮ系半導体デバイスであるＬＥＤを製造した。製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度について、平均相対輝度は１．２と大きく、相対輝度の標本分散は０．１１と小さかった。結果を表１にまとめた。

（実施例３）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備において、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛２２−４２｝面に平行な面（＜２２−４２＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛２２−４２｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、主面１０ｐｍの面方位が｛２２−４２｝であるＧａＮ種結晶基板１０ｐおよび主面２０ｐｍの面方位が｛２２−４２｝であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成した。図４（Ｃ）を参照して、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛２２−４２｝の主面２０ｐｍは、（０００１）面に対して７３°の傾斜角αを有する。

得られたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は１．６×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は１．２×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は３．９×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−２５％〜＋１４４％と大きかった。

これに対して、得られたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は６．９×１０⁵ｃｍ^-2、最低転位密度は３．５×１０⁵ｃｍ^-2、最高転位密度は９．８×１０⁵ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきは、−４９．３％〜＋４２．０％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２０−２０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は３０ａｒｃｓｅｃ〜１００ａｒｃｓｅｃと小さく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は高かった。

また、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いて、実施例１と同様にして、ＧａＮ系半導体デバイスであるＬＥＤを製造した。製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度について、平均相対輝度は０．９と大きく、相対輝度の標本分散は０．１４と小さかった。結果を表１にまとめた。

（実施例４）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備において、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛２２−４−２｝面に平行な面（＜２２−４−２＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛２２−４−２｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、主面１０ｐｍの面方位が｛２２−４−２｝であるＧａＮ種結晶基板１０ｐおよび主面２０ｐｍの面方位が｛２２−４−２｝であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成した。図４（Ｄ）を参照して、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛２２−４−２｝の主面２０ｐｍは、（０００−１）面に対して７３°の傾斜角αを有する。

得られたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は２．２×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は１．４×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は５．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−３６％〜＋１５０％と大きかった。

これに対して、得られたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は８．９×１０⁵ｃｍ^-2、最低転位密度は３．８×１０⁵ｃｍ^-2、最高転位密度は１．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきは、−５７．３％〜＋６８．５％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２０−２０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は３０ａｒｃｓｅｃ〜１００ａｒｃｓｅｃと小さく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は高かった。

また、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いて、実施例１と同様にして、ＧａＮ系半導体デバイスであるＬＥＤを製造した。製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度について、平均相対輝度は０．８６と大きく、相対輝度の標本分散は０．１４と小さかった。結果を表１にまとめた。

（比較例１）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備のために、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛１０−１０｝面に平行な面（＜１０−１０＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛１０−１０｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ種結晶１０を成長させた。ＧａＮ種結晶１０は、部分的に多結晶化して、多結晶化部分を起点として割れていた。したがって、ＧａＮ種結晶基板が得られず、ＧａＮ単結晶基板および系半導体デバイスを製造できなかった。結果を表１にまとめた。

（比較例２）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備のために、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛１１−２０｝面に平行な面（＜１１−２０＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛１１−２０｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ種結晶１０を成長させた。ＧａＮ種結晶１０は、部分的に多結晶化して、多結晶化部分を起点として割れていた。したがって、ＧａＮ種結晶基板が得られず、ＧａＮ単結晶基板およびＧａＮ系半導体デバイスを製造できなかった。結果を表１にまとめた。

（比較例３）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備において、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛１０−１１｝面に平行な面（＜１０−１１＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛１０−１１｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、主面１０ｐｍの面方位が｛１０−１１｝であるＧａＮ種結晶基板１０ｐおよび主面２０ｐｍの面方位が｛１０−１１｝であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成した。かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛１０−１１｝の主面２０ｐｍは、（０００１）面に対して６２°の傾斜角αを有する。

得られたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は４．０×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は２．２×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は９．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−４５％〜＋１３８％と大きかった。

また、得られたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は３．２×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は１．１×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は７．５×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきは、−６５．７％〜＋１３４％と大きかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２２−４０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は１２０ａｒｃｓｅｃ〜３５０ａｒｃｓｅｃと大きく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は低かった。

また、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いて、実施例１と同様にして、ＧａＮ系半導体デバイスであるＬＥＤを製造した。製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度について、平均相対輝度は０．５５と小さく、相対輝度の標本分散は０．３５と大きかった。結果を表１にまとめた。

（比較例４）
ＧａＮ種結晶基板１０ｐの準備において、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶１をその｛１１−２２｝面に平行な面（＜１１−２２＞方向に垂直な面）でスライスすることにより、｛１１−２２｝の主面を有する複数のＧａＮ母結晶片１ｐを切り出して、それらの主面を研削および研磨してそれらの主面の平均粗さＲａを５ｎｍとしたＧａＮ母結晶片１ｐを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、主面１０ｐｍの面方位が｛１１−２２｝であるＧａＮ種結晶基板１０ｐおよび主面２０ｐｍの面方位が｛１１−２２｝であるＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成した。かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐの｛１１−２２｝の主面２０ｐｍは、（０００１）面に対して５８°の傾斜角αを有する。

得られたＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は４．７×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は２．８×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は９．８×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきは、−４０％〜＋１０９％と大きかった。

また、得られたＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における転位密度について、平均転位密度は４．６×１０⁶ｃｍ^-2、最低転位密度は２．２×１０⁶ｃｍ^-2、最高転位密度は９．３×１０⁶ｃｍ^-2であった。したがって、主面内における平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきは、−５２．２％〜＋１０２％と大きかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内の全面において、（０００２）面および（２０−２０）面を回折結晶面とするＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅は１２０ａｒｃｓｅｃ〜３５０ａｒｃｓｅｃと大きく、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍにおける結晶性は低かった。

また、かかるＧａＮ単結晶基板２０ｐを用いて、実施例１と同様にして、ＧａＮ系半導体デバイスであるＬＥＤを製造した。製造されたＬＥＤ（ＧａＮ系半導体デバイス１００）の主面における輝度について、平均相対輝度は０．４１と小さく、相対輝度の標本分散は０．３１と大きかった。結果を表１にまとめた。

表１から明らかなように、主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、主面内における転位密度の分布が実質的に均一（主面内における平均転位密度に対する転位密度のばらつきが±１００％以内）であるＧａＮ単結晶基板を用いることにより、主面における平均発光強度が大きく発光強度の分布が実質的に均一（主面内における平均相対輝度に対する相対輝度の標本分散が０．２以下と平均発光強度に対する発光強度のばらつきが小さい）であるＧａＮ系半導体デバイスが得られた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１ ＧａＮ母結晶、１ｃ，１０ｃ，２０ｃ （０００１）面または０００（０００−１）面、１ｐ ＧａＮ母結晶片、１ｐｍ，１０ｐｍ，２０ｐｍ，２０ｐｎ 主面、１０ ＧａＮ種結晶、１０ｇ，２０ｇ 結晶成長面、１０ｐ ＧａＮ種結晶基板、２０ ＧａＮ単結晶、１０ｆａ，１０ｆｂ，２０ｆａ，２０ｆｂ ファセット、２０ｐ ＧａＮ単結晶基板、１０ｕ，１０ｖ，２０ｕ，２０ｖ 平行な面、１００ ＧａＮ系半導体デバイス、１３０ ＧａＮ系半導体層、１３１ ｎ型ＧａＮ層、１３２ 発光層、１３３ ｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層、１３４ ｐ型ＧａＮ層、１４１ ｐ側電極、１４２ ｎ側電極。

Claims (8)

1. 主面の面積が１０ｃｍ²以上であり、
   前記主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しており、
   前記主面内における転位密度の分布が実質的に均一である、ＧａＮ単結晶基板。
2. 前記主面内における転位密度のばらつきが前記主面内における平均転位密度に対して±１００％以内である請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
3. 前記主面内における転位密度が５×１０⁶ｃｍ^-2以下である請求項１または請求項２に記載のＧａＮ単結晶基板。
4. 前記（０００１）面または（０００−１）面に対する前記主面の面方位の傾斜の方向が＜１０−１０＞方向である請求項１から請求項３までのいずれかに記載のＧａＮ単結晶基板。
5. （０００２）面および（２０−２０）面もしくは（２２−４０）面に関するＸ線回折ロッキングカーブ測定におけるＸ線回折ピークの半値幅が前記主面の全面において３００ａｒｃｓｅｃ以下である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＧａＮ単結晶基板。
6. 請求項１のＧａＮ単結晶基板の製造方法であって、
   主面の面積が１０ｃｍ²以上で、前記主面の面方位が（０００１）面または（０００−１）面に対して６５°以上８５°以下で傾斜しているＧａＮ種結晶基板を準備する工程と、
   前記ＧａＮ種結晶基板の前記主面上にＧａＮ単結晶を成長させる工程と、
   前記ＧａＮ単結晶を前記ＧａＮ種結晶基板の前記主面に平行な面で切り出して前記ＧａＮ単結晶基板を形成する工程と、を備えるＧａＮ単結晶基板の製造方法。
7. 請求項１のＧａＮ単結晶基板と、前記ＧａＮ単結晶基板の前記主面上に形成されている少なくとも１層のＧａＮ系半導体層と、を含むＧａＮ系半導体デバイス。
8. 請求項１のＧａＮ単結晶基板を準備する工程と、
   前記ＧａＮ単結晶基板の前記主面上に少なくとも１層のＧａＮ系半導体層を成長させる工程と、を備えるＧａＮ系半導体デバイスの製造方法。

Images