JP2014001138A - 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キャリア濃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。
【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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一、たとえば主面２０ｐｍ内において平均キャリア濃度に対するキャリア濃度のばらつきが±５０％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キャリア濃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における不純物の取り込み効率は{０００１}以外の面方位のファセットにおける不純物の取り込み効率と大きく異なる。このため、成長したＩＩＩ族窒化物結晶の主面におけるキャリア濃度および比抵抗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２００５−１０１４７５号公報（以下、特許文献２という）は、キャリア濃度の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、特許文献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、結晶成長を平坦化することによりキャリア濃度の分布が実質的に均一にな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キャリア濃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２００５−１０１４７５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キャリア濃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、主面内におけるキャリア濃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、主面内におけるキャリア濃度のばらつきを主面内における平均キャリア濃度に対して±５０％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、さらに、主面内における比抵抗の分布を実質的に均一とすることができる。ここで、主面内における比抵抗のばらつきを主面内における平均比抵抗に対して±５０％以内とすることができる。さらに、主面内における平均比抵抗を０．１Ωｃｍ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キャリア濃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ことによりＧａＮ種結晶基板を準備する工程を示し、（Ｃ）はＧａＮ単結晶を成長させる工程を示し、（Ｄ）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単結晶基板の製造方法の他の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、［ｈｋｉｌ］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内におけるキャリア濃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内におけるキャリア濃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内におけるキャリア濃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内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％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内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±３０％以内であることが好ましい。ここで、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度は、たとえば、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ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、デバイス特性の分布の均一化の観点から、主面２０ｐｍ内における比抵抗の分布が実質的に均一であることが好ましい。ここで、主面内２０ｐｍにおける比抵抗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内における比抵抗のばらつきが主面内における平均比抵抗に対して±５０％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内における比抵抗のばらつきはその主面２０ｐｍ内における平均比抵抗に対して±３０％以内であることが好ましい。ここで、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗は、たとえば、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法により、主面２０ｐｍ内において２次元方向にそれぞれ２ｍｍピッチで測定することができる。

［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）〜（Ｂ）、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２（Ｃ）、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２（Ｄ）、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。

（実施形態２の例Ｉ）
図２を参照して、本実施形態のＧａＮ単結晶基板の製造方法の一例（以下、例Ｉという）は、以下のとおりである。図２（Ａ）および（Ｂ）を参照して、例Ｉにおいては、ＧａＮ種結晶基板１０ｐを準備する工程は、ＧａＮ母結晶１から（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を切り出すサブ工程（図２（Ａ））と、複数のＧａＮ母結晶片１ｐを、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］方向が互いに平行になるように、横方向に互いに隣接させて配置することにより、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１ｃに対して６５°以上８５°以下の傾斜角αで傾斜しているＧａＮ種結晶基板１０ｐを形成するサブ工程（図２（Ｂ））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。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。

上記の工程において用いられるＧａＮ種結晶は、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単結晶２０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。

次いで、図２（Ｂ）を参照して、ＧａＮ種結晶基板１０ｐを形成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ことにより、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が形成される。

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上記で形成されるＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ内で均一でないと、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上に成長させるＧａＮ単結晶の化学組成がＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ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。

次に、図２（Ｃ）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２０ｆａ，２０ｆｂを結晶成長面２０ｇとして成長する。ここで、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ため、それらのファセットにおいて取り込まれる不純物濃度が異なる。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キャリア濃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において取り込まれる不純物濃度は、面方位が（０００１）および（０００−１）以外のファセット２０ｆｂにおいて取り込まれる不純物濃度と大きく異なる。このため、主面１０ｐｍ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ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面１０ｐｍ上に成長した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キャリア濃度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におけるキャリア濃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。

次に、図２（Ｃ）および（Ｄ）を参照して、ＧａＮ単結晶２０をＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面に平行な面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。ここで、ＧａＮ単結晶基板２０ｐを切り出す面は、目的に応じて、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面に平行からずらしても良い。

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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％以内）であるＧａＮ単結晶基板２０ｐが得られる。

（実施形態２の例ＩＩ）
図３を参照して、本実施形態のＧａＮ単結晶基板の製造方法の他の例（以下、例ＩＩという）は、以下のとおりである。

図３（Ａ）を参照して、例ＩＩにおいては、ＧａＮ種結晶基板１０ｐを準備する工程において、上記の例Ｉで製造されたＧａＮ単結晶基板を準備する。すなわち、ＧａＮ種結晶基板１０ｐとして、上記の例Ｉで製造されたＧａＮ単結晶基板を用いる。上記の例Ｉで製造されたＧａＮ単結晶基板は、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のみならず、主面内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面内における平均キャリア濃度に対して±５０％以内）であるため、実施形態１のＧａＮ単結晶基板を製造することができる。

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を成長させる工程は、ＧａＮ種結晶基板１０ｐが複数のＧａＮ母結晶片ではなく１つのＧａＮ単結晶基板で形成されていること以外は、上記の例Ｉと同様である。

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に平行な面で切り出してＧａＮ単結晶基板２０ｐを形成する工程は、上記の例Ｉと同様である。ここで、ＧａＮ単結晶基板２０ｐを切り出す面は、目的に応じて、ＧａＮ種結晶基板１０ｐの主面に平行からずらしても良い。

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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％以内）であるＧａＮ単結晶基板２０ｐが得られる。

また、厚いＧａＮ母結晶から、（０００１）面または（０００−１）面１ｃに対する傾斜角αが、６５°以上８５°以下の面方位の主面を有しその主面の面積が１０ｃｍ²以上の大口径の基板を切り取ることが出来れば、その基板をＧａＮ種結晶基板としてもかまわない。しかし、この方法で大口径のＧａＮ種結晶基板を作製することは非常に困難で手間がかかるので、上記の実施形態２の例１のように1個のＧａＮ母結晶から複数のＧａＮ母結晶片を切り出し、かかる複数のＧａＮ母結晶片を配置することによりＧａＮ種結晶基板を形成することが重要である。

［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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％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。たとえば、本実施形態のデバイスにおいて、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一なＧａＮ単結晶基板２０ｐに電極を形成する場合は、単結晶基板と電極との接触抵抗の分布が実質的に均一になる。

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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％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。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。たとえば、本実施形態のデバイスにおいて、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一なＧａＮ単結晶基板２０ｐに電極を形成する場合は、単結晶基板と電極との接触抵抗の分布が実質的に均一になる。

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内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（たとえば、主面２０ｐｍ内におけるキャリア濃度のばらつきがその主面２０ｐｍ内における平均キャリア濃度に対して±５０％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。

（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１ｃ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。

次に、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。

次に、図２（Ｂ）を参照して、複数のＧａＮ母結晶片１ｐの｛２０−２１｝の主面１０ｐｍ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５０ｍｍのＧａＮ種結晶基板１０ｐを準備した。

２．ＧａＮ単結晶の成長
次に、図２（Ｃ）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。

３．ＧａＮ単結晶基板の形成
次に、図２（Ｄ）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２０ｃ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内におけるキャリア濃度を、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法により、主面２０ｐｍ内において中央から外周へ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の測定点で測定した。平均キャリア濃度は５．７×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は３．９×１０¹⁷ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−３１．６％〜＋２６．３％と小さかった。

また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法により、主面２０ｐｍ内において中央から外周へ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の測定点で測定した。平均比抵抗は０．０１９Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．０１４Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．０２６Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−２６％〜＋３７％と小さかった。

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（平均キャリア濃度：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（平均キャリア濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3）およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４（平均キャリア濃度：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ウエハの外周部を除いて、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２０ｃ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内におけるキャリア濃度について、平均キャリア濃度は７．１×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は８．２×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−２９．６％〜＋１５．５％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗について、平均比抵抗は０．０１６Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．０１２Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．０２０Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−２５％〜＋２５％と小さかった。

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２０ｃに対して７３°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内におけるキャリア濃度について、平均キャリア濃度は６．１×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は３．５×１０¹⁷ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は８．７×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−４２．６％〜＋４２．６％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗について、平均比抵抗は０．０２０Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．０１２Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．０２９Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−４０％〜＋４５％と小さかった。

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をまとめた。

（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２０ｃに対して７３°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内におけるキャリア濃度について、平均キャリア濃度は８．５×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は１２．５×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−４１．２％〜＋４７．１％と小さかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗について、平均比抵抗は０．０１５Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．００８Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．０２０Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−４７％〜＋３３％と小さかった。

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｛１０−１０｝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単結晶２０を成長させた。ＧａＮ単結晶２０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単結晶基板が得られず、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｛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単結晶２０を成長させた。ＧａＮ単結晶２０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単結晶基板が得られず、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｝の主面は、（０００１）面に対して６２°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内におけるキャリア濃度について、平均キャリア濃度は４．５×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は３．５×１０¹⁶ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は７．１×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−９２．２％〜＋５７．８％と大きかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗について、平均比抵抗は０．０７３Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．０１４Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．２９Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−８１％〜＋２９７％と大きかった。

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｝の主面は、（０００１）面に対して５８°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内におけるキャリア濃度について、平均キャリア濃度は４．９×１０¹⁷ｃｍ^-3、最低キャリア濃度は３．１×１０¹⁶ｃｍ^-3、最高キャリア濃度は６．８×１０¹⁷ｃｍ^-3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、−９３．７％〜＋３８．８％と大きかった。また、ＧａＮ単結晶基板２０ｐの主面２０ｐｍ内における比抵抗について、平均比抵抗は０．１１Ω・ｃｍ、最低比抵抗は０．０１５Ω・ｃｍ、最高比抵抗は０．３２Ω・ｃｍであった。したがって、主面内における平均比抵抗に対する比抵抗のばらつきは、−８６％〜＋１９０％と大きかった。

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、主面内におけるキャリア濃度の分布が実質的に均一（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が±５０％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）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，２０ｃ （０００１）面または（０００−１）面
１ｐ ＧａＮ母結晶片
１ｐｍ，１０ｐｍ，２０ｐｍ，２０ｐｎ 主面
１０ｐ ＧａＮ種結晶基板
２０ ＧａＮ単結晶
２０ｆａ，２０ｆｂ ファセット
２０ｇ 結晶成長面
２０ｐ ＧａＮ単結晶基板
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

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、主面内におけるキャリア濃度のばらつきが主面内における平均キャリア濃度に対して±５０％以内である、ハイドライド気相成長法により得られたＧａＮ単結晶基板である。本発明にかかるＧａＮ単結晶基板において、さらに、主面内における比抵抗のばらつきを主面内における平均比抵抗に対して±５０％以内とすることができる。さらに、主面内における平均比抵抗を０．１Ωｃｍ以下とすることができる。

また、本発明は、主面の面積が１０ｃｍ ² 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、主面内における平均比抵抗が０．１Ωｃｍ以下である、ハイドライド気相成長法により得られたＧａＮ単結晶基板である。本発明にかかるＧａＮ単結晶基板において、さらに、主面内におけるキャリア濃度のばらつきを主面内における平均キャリア濃度に対して±５０％以内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ハイドライド気相成長法により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。

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キャリア濃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キャリア濃度のばらつきが前記主面内における平均キャリア濃度に対して±５０％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比抵抗の分布が実質的に均一である請求項１または請求項２に記載のＧａＮ単結晶基板。
4. 前記主面内における比抵抗のばらつきが前記主面内における平均比抵抗に対して±５０％以内である請求項３に記載のＧａＮ単結晶基板。
5. 前記平面内における平均比抵抗が０．１Ωｃｍ以下である請求項４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。

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