JP2018058767A - 窒化ガリウム基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制する。
【解決手段】直径が１００ｍｍ以上のＣ面を表面とする窒化ガリウム基板であって、Ｃ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域の２５℃での顕微フォトルミネッセンスマッピングにおいて、バンド端発光強度の平均値が異なる第１領域と第２領域とを有し、第１領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ１ａと、第２領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ２ａとは、以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たす窒化ガリウム基板。
【選択図】図５
【解決手段】直径が１００ｍｍ以上のＣ面を表面とする窒化ガリウム基板であって、Ｃ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域の２５℃での顕微フォトルミネッセンスマッピングにおいて、バンド端発光強度の平均値が異なる第１領域と第２領域とを有し、第１領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ１ａと、第２領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ２ａとは、以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たす窒化ガリウム基板。
【選択図】図５
Description
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板に関する。
窒化物半導体基板の中でもＧａＮ基板は、発光デバイスや電子デバイスなどの半導体デバイスの製造用の基板として注目されている。しかしながら、ＧａＮ基板の製造上、現状、異種基板上に成長せざるを得ず、異種基板とＧａＮ結晶との間の格子定数や熱膨張係数が異なるため、ＧａＮ結晶に大量に結晶欠陥が生じるという問題があった。
そこで、たとえば非特許文献１には、表面に多数のドット状の窪みを有するＧａＮ結晶を成長させることによって、ＧａＮ結晶に発生する結晶欠陥を当該窪みの中心に集中させ、その周辺の結晶欠陥を減少させたＧａＮ基板が開示されている。
元木 健作，「窒化ガリウム基板の開発」，ＳＥＩテクニカルレビュー，第１７５号，２００９年７月，ｐｐ．１０−１８
しかしながら、上記のＧａＮ基板を用いてショットキバリアダイオード（ＳＢＤ）等の半導体装置を作製した際に半導体装置の特性が低下することがあったため、その改善が要望されていた。
本発明の一態様に係るＧａＮ基板は、直径が１００ｍｍ以上のＣ面を表面とするＧａＮ基板であって、前記Ｃ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域の２５℃での顕微フォトルミネッセンス（ＰＬ）マッピング（顕微ＰＬマッピング）において、バンド端発光強度の平均値が異なる第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ１ａと、前記第２領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ２ａとは、以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たすＧａＮ基板である。
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たすＧａＮ基板である。
本発明の一態様に係る貼り合わせ基板は、前記ＧａＮ基板と支持基板とが貼り合わされてなる貼り合わせ基板である。
上記によれば、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係るＧａＮ基板は、直径が１００ｍｍ以上のＣ面を表面とするＧａＮ基板であって、前記Ｃ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域の２５℃での顕微ＰＬマッピングにおいて、バンド端発光強度の平均値が異なる第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ１ａと、前記第２領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ２ａとは、以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たすＧａＮ基板である。このような構成とすることにより、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たすＧａＮ基板である。このような構成とすることにより、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。
（２）本発明の一態様に係るＧａＮ基板においては、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第１領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第１領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａは、以下の関係式（ＩＩＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．４７ …（ＩＩＩ）
を満たし、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＩＶ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦３ …（ＩＶ）
を満たすことが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．４７ …（ＩＩＩ）
を満たし、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＩＶ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦３ …（ＩＶ）
を満たすことが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
（３）本発明の一態様に係るＧａＮ基板においては、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第１領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第１領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａは、以下の関係式（Ｖ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１ …（Ｖ）
を満たし、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＶＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１ …（ＶＩ）
を満たすことが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をさらに大きくすることができる。
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１ …（Ｖ）
を満たし、前記顕微ＰＬマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＶＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１ …（ＶＩ）
を満たすことが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をさらに大きくすることができる。
（４）本発明の一態様に係るＧａＮ基板においては、前記第１領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であって、第２領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3未満であることが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
（５）本発明の一態様に係るＧａＮ基板においては、前記第１領域の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上であることが好ましい。この場合には、ＧａＮ基板の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
（６）本発明の一態様に係る貼り合わせ基板は、上記のいずれかに記載のＧａＮ基板と支持基板とが貼り合わされてなる貼り合わせ基板である。このような構成とすることにより、貼り合わせ基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。
[本発明の実施形態の詳細]
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
［実施形態１］
＜ＧａＮ基板＞
図１に、実施形態１のＧａＮ基板の表面（Ｃ面）の模式的な平面図を示す。図１に示すように、実施形態１のＧａＮ基板１０は、オリエンテーションフラット（オリフラ）３０を有していること以外は略円形状の表面を有しており、ＧａＮ基板１０の直径Ｒは１００ｍｍ以上となっている。
＜ＧａＮ基板＞
図１に、実施形態１のＧａＮ基板の表面（Ｃ面）の模式的な平面図を示す。図１に示すように、実施形態１のＧａＮ基板１０は、オリエンテーションフラット（オリフラ）３０を有していること以外は略円形状の表面を有しており、ＧａＮ基板１０の直径Ｒは１００ｍｍ以上となっている。
図２に、実施形態１のＧａＮ基板の表面の一部の模式的な斜視図を示す。実施形態１のＧａＮ基板１０は、ＧａＮ結晶１１から形成されている。そして、ＧａＮ結晶１１の表面からＧａＮ結晶１１の内部に向かって延在する貫通転位２３の集中領域が形成されている。
＜ＧａＮ基板の製造方法＞
以下、図３（ａ）〜図３（ｄ）の模式的断面図を参照して、実施形態１のＧａＮ基板の製造方法の一例について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、成長面となる表面２１ａを有する成長用基板２１を準備する。成長用基板２１は、表面２１ａ上にＧａＮ結晶１１を成長させることができるものであれば特に限定されず、たとえば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの異種基板を用いてもよく、ＧａＮからなる同種基板を用いてもよい。
以下、図３（ａ）〜図３（ｄ）の模式的断面図を参照して、実施形態１のＧａＮ基板の製造方法の一例について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、成長面となる表面２１ａを有する成長用基板２１を準備する。成長用基板２１は、表面２１ａ上にＧａＮ結晶１１を成長させることができるものであれば特に限定されず、たとえば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの異種基板を用いてもよく、ＧａＮからなる同種基板を用いてもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように、成長用基板２１の表面２１ａ上に、パターニング層２２を形成する。パターニング層２２は、たとえば、成長用基板２１の表面２１ａの全面に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により酸化珪素（ＳｉＯ2）膜を形成した後に、ＳｉＯ2膜上にフォトリソグラフィー法によりパターニングされたレジストを形成し、当該レジストをエッチングマスクとしたエッチングを行うことによって形成することができる。
次に、図３（ｃ）に示すように、成長用基板２１のパターニング層２２が形成された表面２１ａ上に、ＧａＮ結晶１１を結晶成長させる。ＧａＮ結晶１１の結晶成長方法としては、たとえば、ガリウム（Ｇａ）原料として金属Ｇａを用い、窒素（Ｎ）原料としてアンモニア（ＮＨ3）ガスを用いたＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ ＥＰｉｔａｘｙ）法を用いることができる。
次に、図３（ｄ）に示すように、ＧａＮ結晶１１の裏側の成長用基板２１をたとえば研削などによって除去する。その後、ＧａＮ結晶１１の表面をたとえば研削などによって平坦化した後にたとえば研磨することによって、実施形態１のＧａＮ基板１０を得ることができる。
また、上記のようにして得られた実施形態１のＧａＮ基板１０の成長用基板２１の除去側の表面に、たとえば図３（ｅ）の模式的断面図に示すように、異種基板２４を貼り合わせることによって貼り合わせ基板２５を作製することもできる。異種基板２４としては、たとえば、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＺｒＢ2基板、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3焼結体基板またはＭｏ基板などを用いることができる。
また、実施形態１のＧａＮ基板１０と異種基板２４との貼り合わせ方法は、特に限定されないが、たとえば、低温で均一に貼り合わせる観点から、表面活性化法またはフュージョンボンディング法などを用いることが好ましい。ここで、表面活性化法とは、ＧａＮ基板１０の貼り合わせ面をプラズマに曝すことによりその表面を活性化させた後に貼り合わせる方法のことをいい、フュージョンボンディング法とは、洗浄した表面（貼り合わせ面）同士を加圧加熱して貼り合わせる方法のことをいう。また、実施形態１のＧａＮ基板１０と異種基板２４とを接合膜を介して貼り合わせることもできる。
＜バンド端発光強度および深い発光強度＞
図４に、実施形態１のＧａＮ基板１０のＣ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域（以下、「２ｍｍ□領域」という。）の１点において、２５℃で顕微ＰＬマッピングを行うことによって得られたＰＬ発光スペクトルの一例を示す。図４の横軸はＰＬ発光の波長［ｎｍ］を示し、縦軸はＰＬ発光強度［ａ．ｕ．］を示す。
図４に、実施形態１のＧａＮ基板１０のＣ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域（以下、「２ｍｍ□領域」という。）の１点において、２５℃で顕微ＰＬマッピングを行うことによって得られたＰＬ発光スペクトルの一例を示す。図４の横軸はＰＬ発光の波長［ｎｍ］を示し、縦軸はＰＬ発光強度［ａ．ｕ．］を示す。
図４に示すＰＬ発光スペクトルにおいては、波長３６５ｎｍ近傍にピークを有するバンド端発光と、波長４５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にピークを有する深い発光とが見られる。
ここで、本明細書においては、バンド端発光に対応するピークにおいて最も大きいＰＬ発光強度を「バンド端発光強度」とし、深い発光に対応するピークにおいて最も大きいＰＬ発光強度を「深い発光強度」とする。
そして、上記の２５℃における顕微ＰＬマッピングを、実施形態１のＧａＮ基板１０のＣ面内の任意の２ｍｍ□領域内の複数の箇所について行い、顕微ＰＬマッピングの測定箇所ごとにそれぞれ上記のようにしてバンド端発光強度および深い発光強度を特定する。
そして、上記のようにして特定されたバンド端発光強度のうち、最大のバンド端発光強度の１／２以上のバンド端発光強度の当該２ｍｍ□領域内の領域を第１領域とし、最大のバンド端発光強度の１／２未満のバンド端発光強度の当該２ｍｍ□領域内の領域を第２領域として、当該２ｍｍ□領域を第１領域と第２領域とに区分けする。
そして、上記のようにして特定された複数の第１領域のそれぞれのバンド端発光強度から、その平均値を算出することによって、「第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）」が求められる。
また、上記のようにして特定された複数の第２領域のそれぞれのバンド端発光強度から、その平均値を算出することによって、「第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）」が求められる。
＜関係式＞
実施形態１のＧａＮ基板１０においては、第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）と、第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）とは以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）を満たしている。
実施形態１のＧａＮ基板１０においては、第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）と、第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）とは以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）を満たしている。
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
＜作用効果＞
実施形態１のＧａＮ基板１０は、第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）と、第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）とが上記の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）を満たしている。そのため、実施形態１のＧａＮ基板１０の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。これは、本発明者らが鋭意検討した結果、見出したことによるものである。その詳細については、後述する。
実施形態１のＧａＮ基板１０は、第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）と、第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）とが上記の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）を満たしている。そのため、実施形態１のＧａＮ基板１０の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。これは、本発明者らが鋭意検討した結果、見出したことによるものである。その詳細については、後述する。
＜実施形態１の好ましい形態＞
上記のようにして特定された複数の第１領域のそれぞれの深い発光強度から、その平均値を算出することによって、「第１領域の深い発光強度の平均値（Ｉｄｅｅｐ１ａ）」が求められる。
上記のようにして特定された複数の第１領域のそれぞれの深い発光強度から、その平均値を算出することによって、「第１領域の深い発光強度の平均値（Ｉｄｅｅｐ１ａ）」が求められる。
また、上記のようにして特定された複数の第２領域のそれぞれの深い発光強度から、その平均値を算出することによって、「第２領域の深い発光強度の平均値（Ｉｄｅｅｐ２ａ）」が求められる。
そして、第１領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ１ａ）に対する第１領域の深い発光強度の平均値（Ｉｄｅｅｐ１ａ）の比率（（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ）が以下の関係式（ＩＩＩ）を満たしているとともに、第２領域のバンド端発光強度の平均値（Ｉｂｅ２ａ）に対する第２領域の深い発光強度の平均値（Ｉｄｅｅｐ２ａ）の比率が以下の関係式（ＩＶ）を満たしていることが好ましい。この場合には、実施形態１のＧａＮ基板１０の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．４７ …（ＩＩＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦３ …（ＩＶ）
また、半導体装置の特性の低下の抑制効果をさらに大きくする観点からは、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａが以下の関係式（Ｖ）を満たしているとともに、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａが以下の関係式（ＶＩ）を満たしていることがさらに好ましい。
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１ …（Ｖ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１ …（ＶＩ）
［実施形態２］
実施形態２のＧａＮ基板１０は、第１領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であって、第２領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴としている。この場合にも、実施形態２のＧａＮ基板１０の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
実施形態２のＧａＮ基板１０は、第１領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であって、第２領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴としている。この場合にも、実施形態２のＧａＮ基板１０の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
実施形態２における上記以外の説明は実施形態１と同様であるため、その説明については繰り返さない。すなわち、実施形態２のＧａＮ基板１０には、上述の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3以上の第１領域と酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3未満の第２領域とが含まれているだけではなく、実施形態１のＧａＮ基板１０の特徴も含まれている。
［実施形態３］
実施形態３のＧａＮ基板１０は、上記の第１領域の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上であることを特徴としている。実施形態３のＧａＮ基板１０においては、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の第１領域に転位を集中させることにより、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満の第２の領域の結晶性を向上させることができる。
実施形態３のＧａＮ基板１０は、上記の第１領域の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上であることを特徴としている。実施形態３のＧａＮ基板１０においては、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の第１領域に転位を集中させることにより、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満の第２の領域の結晶性を向上させることができる。
実施形態３のように、ＧａＮ基板１０の表面の１辺が２ｍｍの正方形の領域に貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の第１領域と、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満の第２領域とが含まれるのは、図２（ｂ）から図２（ｃ）に至るＧａＮ結晶１１の結晶成長過程において、以下の（ｉ）〜（ｖ）の現象がこの順に起こることによるものであると考えられる。
（ｉ）ＧａＮ結晶１１の表面の窪み１４の隣り合うファセット１３の境界に転位が移動することによるファセット１３における貫通転位の低減。
（ｉｉ）ＧａＮ結晶１１の表面の窪み１４の隣り合うファセット１３の境界の下部に転位が集合することによる欠陥面（面状欠陥部）の形成。
（ｉｉｉ）ＧａＮ結晶１１の表面の窪み１４の複数のファセット１３が交差する多重点における転位の合流および閉じ込めによる転位の拡散防止。
（ｉｖ）多重点下部に転位が集合することによる線状欠陥部と、当該線状欠陥部の上方のコア部１２の形成。
（ｖ）ファセット１３の成長によるファセット１３における低欠陥部の増加。
実施形態３における上記以外の説明は実施形態１および実施形態２と同様であるため、その説明については繰り返さない。すなわち、実施形態３のＧａＮ基板１０には、上述の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の第１領域と貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満の第２領域とが含まれているだけではなく、実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板１０の特徴も含まれている。
実施形態３における上記以外の説明は実施形態１および実施形態２と同様であるため、その説明については繰り返さない。すなわち、実施形態３のＧａＮ基板１０には、上述の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の第１領域と貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満の第２領域とが含まれているだけではなく、実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板１０の特徴も含まれている。
なお、貫通転位は、成長方向に貫く転位であり、貫通転位密度は選択エッチングによるエッチピットの密度を数えることにより評価することができる。選択エッチング方法としては、たとえば、加熱した酸やアルカリ水溶液中へのＧａＮ基板の浸漬、または水酸化カリウムの溶融塩（溶融ＫＯＨ）中へのＧａＮ基板の浸漬などを挙げることができる。また、カソードルミネッセンス（ＣＬ）によっても貫通転位密度を測定することができる。ＣＬでは貫通転位箇所が暗点となるため、暗点の数を数えてその単位面積（１ｃｍ2）当たりの密度を算出することによって、貫通転位密度の測定が可能である。
＜試料１のＧａＮ基板の作製＞
まず、図３（ａ）に示すように、成長用基板２１として直径１１０ｍｍの表面（（１１１）Ａ面）２１ａを有するＧａＡｓ基板を準備した。
まず、図３（ａ）に示すように、成長用基板２１として直径１１０ｍｍの表面（（１１１）Ａ面）２１ａを有するＧａＡｓ基板を準備した。
次に、図３（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板の表面上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を０．１μｍの厚さで成膜し、その後、フォトリソグラフィー法およびＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたエッチングにより、ＳｉＯ2膜からなるパターニング層２２を形成した
。パターニング層２２の形状は、直径５０μｍの円を８００μｍピッチで格子状に配置した形状とし、格子方向は、ｍ軸およびａ軸方向とそれぞれ一致させた。
。パターニング層２２の形状は、直径５０μｍの円を８００μｍピッチで格子状に配置した形状とし、格子方向は、ｍ軸およびａ軸方向とそれぞれ一致させた。
次に、図３（ｃ）に示すように、パターニング層２２が形成された成長用基板２１としてのＧａＡｓ基板上に低温バッファ層を成長させ、その後、ＧａＮ結晶１１を１０時間で１２００μｍ程度の厚さに成長させた。ＧａＮ結晶１１は、Ｇａ原料として金属Ｇａを用いるとともに、Ｎ原料としてＮＨ3ガスを用いたＨＶＰＥ法により成長させた。
ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法によるＧａＮ結晶１１の成長は以下のように行った。まず、ホットウォール型反応炉内の石英製の試料ホルダ上に成長用基板２１としてのＧａＡｓ基板を設置した。次に、上流側ボート内に設置した金属Ｇａ（８００℃に加熱）に水素（Ｈ2）ガスをキャリアガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガスを吹き付けて生成した塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガス（分圧：３．０６ｋＰａ）、およびＮＨ3ガス（分圧：６．１２ｋＰａ）をＨ2ガスをキャリアガスとして中心温度が１０００℃となるように加熱されたＧａＮテンプレート基板上に１０時間供給することによって、厚さ１２００μｍ程度のＧａＮ結晶１１を成長させた。
低温バッファ層は、ＧａＮ結晶１１の成長前に、上流側ボート内に設置した金属ＧａにＨ2ガスをキャリアガスとしてＨＣｌガスを吹き付けて生成したＧａＣｌガス（分圧：１．５ｋＰａ）およびＮＨ3ガス（分圧：４．２ｋＰａ）を５００℃に加熱したＧａＡｓ基板上に３０分間供給して厚さ５０ｎｍ程度に形成した。
次に、上記のようにして成長させたＧａＮ結晶１１の裏面を研削してＧａＡｓ基板を除去した。次に、ＧａＮ結晶１１の表面を研削により平坦化した後に研磨を行い、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料１のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料２のＧａＮ基板の作製＞
ＧａＮ結晶の結晶成長時に、結晶成長炉内の雰囲気に含まれる酸素量を制御したこと以外は試料１と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料２のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ＧａＮ結晶の結晶成長時に、結晶成長炉内の雰囲気に含まれる酸素量を制御したこと以外は試料１と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料２のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ここで、酸素量の制御は、ＧａＮ結晶の結晶成長初期、特に結晶成長開始後の１０分間は結晶成長炉内の雰囲気に含まれる酸素量を１００ｐｐｍ以下にすることにより行った。
具体的には、ＧａＮ結晶の結晶成長開始前に、室温にて結晶成長炉内の雰囲気をＮ2、Ｈ2およびＡｒ（アルゴン）などのガスで１０分間以上置換し、結晶成長炉内の酸素濃度を酸素濃度計でモニターして１００ｐｐｍ以下となるようにした。ＧａＮ結晶の結晶成長開始後も結晶成長炉内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となるように計測および制御した。
＜試料２のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定＞
上記のようにして作製した試料２のＧａＮ基板の表面であるＣ面について、顕微ＰＬマッピング測定を行った。その結果を図５および図６に示す。なお、顕微ＰＬマッピング測定は、ＧａＮ基板のＣ面内の２ｍｍ□領域の複数の箇所について２５℃でのＰＬ発光分光分析を行い、当該２ｍｍ□領域のバンド端発光強度または深い発光強度の分布をマッピングにより表す方法である。
上記のようにして作製した試料２のＧａＮ基板の表面であるＣ面について、顕微ＰＬマッピング測定を行った。その結果を図５および図６に示す。なお、顕微ＰＬマッピング測定は、ＧａＮ基板のＣ面内の２ｍｍ□領域の複数の箇所について２５℃でのＰＬ発光分光分析を行い、当該２ｍｍ□領域のバンド端発光強度または深い発光強度の分布をマッピングにより表す方法である。
ここで、２ｍｍ□領域の複数の箇所のそれぞれの顕微ＰＬマッピング測定は、以下の条件で行った。
照射光：アルゴンイオンレーザー光の第２高調波（波長２４４ｎｍ）
照射エネルギー密度：０．３ｍＷ／直径１０μｍの円形スポット
ＰＬ発光波長領域：３５０ｎｍ〜６１０ｎｍ
測定領域：ＧａＮ基板の表面のＣ面中央部の２ｍｍ□領域内において５０μｍ間隔で４０点×４０点
温度：室温（２５℃）
照射エネルギー密度：０．３ｍＷ／直径１０μｍの円形スポット
ＰＬ発光波長領域：３５０ｎｍ〜６１０ｎｍ
測定領域：ＧａＮ基板の表面のＣ面中央部の２ｍｍ□領域内において５０μｍ間隔で４０点×４０点
温度：室温（２５℃）
なお、図５（ａ）は、試料２のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定により得られた試料２のＧａＮ基板のＣ面のバンド端発光強度の分布を示す顕微ＰＬマッピング図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の顕微ＰＬマッピング図から得られたバンド端発光強度のヒストグラムである。
図５（ｂ）においては、顕微ＰＬマッピング図から得られたバンド端発光強度のうち、最大のバンド端発光強度の１／２以上のバンド端発光強度の領域を第１領域とし、最大のバンド端発光強度の１／２未満のバンド端発光強度の領域を第２領域として区分けされている。
また、図６（ａ）は、試料２のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定により得られた試料２のＧａＮ基板のＣ面の深い発光強度の分布を示す顕微ＰＬマッピング図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の顕微ＰＬマッピング図から得られた深い発光強度のヒストグラムである。
また、図６（ｂ）にも、図５（ｂ）で区分けされた第１領域と第２領域とに基づいて区分けされている。バンド端発光強度と深い発光強度とは逆相関関係（バンド端発光強度が大きい箇所においては深い発光強度が小さくなり、バンド端発光強度が小さい箇所においては深い発光強度が大きくなる）にあるため、バンド端発光強度の大きさで第１領域と第２領域とを区分けした場合には、図６（ｂ）に示すように、深い発光強度の大きさでも第１領域と第２領域とをきれいに区分けすることができる。
また、図７（ａ）は、試料２のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定により得られた試料２のＧａＮ基板のＣ面のバンド端発光強度に対する深い発光強度の比率の分布を示す顕微ＰＬマッピング図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の顕微ＰＬマッピング図から得られたＧａＮ基板のＣ面のバンド端発光強度に対する深い発光強度の比率のヒストグラムである。
また、図７（ｂ）にも、図５（ｂ）で区分けされた第１領域と第２領域とに基づいて区分けされている。上述のように、バンド端発光強度と深い発光強度とは逆相関関係にあるため、バンド端発光強度の大きさで第１領域と第２領域とを区分けした場合には、図７（ｂ）に示すように、バンド端発光強度に対する深い発光強度の比率においても、第１領域と第２領域とをきれいに区分けすることができる。
＜試料３のＧａＮ基板の作製＞
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＡｓ基板の中心温度を１０３０℃としたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料３のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＡｓ基板の中心温度を１０３０℃としたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料３のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料４のＧａＮ基板の作製＞
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＡｓ基板の中心温度を９８０℃としたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料４のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＡｓ基板の中心温度を９８０℃としたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料４のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料５のＧａＮ基板の作製＞
成長用基板２１として試料３のＧａＮ基板と同一の方法および同一の条件で作製した直径１１０ｍｍの表面（Ｃ面）を有するＧａＮ基板上に、ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を１０００℃とし、低温ＧａＮバッファ層を形成せず、ＧａＣｌガスの分圧を３．０６ｋＰａとし、ＮＨ3ガスの分圧を６．１２ｋＰａとしたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料５のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
成長用基板２１として試料３のＧａＮ基板と同一の方法および同一の条件で作製した直径１１０ｍｍの表面（Ｃ面）を有するＧａＮ基板上に、ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を１０００℃とし、低温ＧａＮバッファ層を形成せず、ＧａＣｌガスの分圧を３．０６ｋＰａとし、ＮＨ3ガスの分圧を６．１２ｋＰａとしたこと以外は試料２と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料５のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料６のＧａＮ基板の作製＞
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を１０３０℃としたこと以外は試料５と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料６のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を１０３０℃としたこと以外は試料５と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料６のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料７のＧａＮ基板の作製＞
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を９８０℃としたこと以外は試料５と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料７のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
ＧａＮ結晶１１の成長時におけるＧａＮ基板の中心温度を９８０℃としたこと以外は試料５と同様にして、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するファセット構造の自立ＧａＮ基板である試料７のＧａＮ基板を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜試料８のＧａＮ基板の作製＞
成長用基板としてＧａＮテンプレート基板を準備した。ＧａＮテンプレート基板は、直径１１０ｍｍのサファイア基板の表面（Ｃ面）上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＧａＮ膜を２μｍの厚さで形成することにより用意した。そして、ＳｉＯ2膜からなるパターニング層２２および低温バッファ層を形成することなく、ＧａＮ結晶１１が鏡面成長するようにＧａＮテンプレート基板の中心の温度が１１００℃となるように加熱して、ＧａＣｌガス（分圧：２．４０ｋＰａ）およびＮＨ3ガス（分圧：２．４０ｋＰａ）をキャリアガスとして
のＮ2ガスとともにＧａＮテンプレート基板に供給することによって厚さ１ｍｍ程度のＧａＮ結晶１１をシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いたシリコン（Ｓｉ）ドープを行いながら成長させ、試料１と同様して、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するコアレス構造（コア部とファセットとからなる窪みを有しない構造）の自立ＧａＮ基板である試料１０のＧａＮ基板（Ｓｉ濃度：２×１０18ｃｍ-3）を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
成長用基板としてＧａＮテンプレート基板を準備した。ＧａＮテンプレート基板は、直径１１０ｍｍのサファイア基板の表面（Ｃ面）上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＧａＮ膜を２μｍの厚さで形成することにより用意した。そして、ＳｉＯ2膜からなるパターニング層２２および低温バッファ層を形成することなく、ＧａＮ結晶１１が鏡面成長するようにＧａＮテンプレート基板の中心の温度が１１００℃となるように加熱して、ＧａＣｌガス（分圧：２．４０ｋＰａ）およびＮＨ3ガス（分圧：２．４０ｋＰａ）をキャリアガスとして
のＮ2ガスとともにＧａＮテンプレート基板に供給することによって厚さ１ｍｍ程度のＧａＮ結晶１１をシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いたシリコン（Ｓｉ）ドープを行いながら成長させ、試料１と同様して、直径１００ｍｍの円形状のＣ面を表面として有するコアレス構造（コア部とファセットとからなる窪みを有しない構造）の自立ＧａＮ基板である試料１０のＧａＮ基板（Ｓｉ濃度：２×１０18ｃｍ-3）を作製した（仕上げ厚み５００μｍ）。
＜貫通転位密度評価＞
試料２と同様にして作製したＧａＮ基板の貫通転位密度をエッチピットで評価した。Ｈ2ＳＯ4：Ｈ3ＰＯ3＝１：１の溶液を２５０℃に加熱し、ＧａＮ基板を約３０分間浸漬させて、光学顕微鏡でエッチピット密度を測定した。ＧａＮ基板の中心部でのエッチピットはコア近傍で高密度であり、コアから離れた領域では低密度であった。コアを中心とした半径５０μｍ領域ではエッチピット密度が１×１０7ｃｍ-2以上であり、コアを中心とした半径５０μｍ領域を除く、半径４００μｍ領域では３×１０5ｃｍ-2であった。試料３、試料５および試料６と同様にして作製したＧａＮ基板のエッチピット密度も同様の分布となっており、コアを中心とした半径５０μｍの領域ではエッチピット密度が１×１０6ｃｍ-2以上であり、コアを中心とした半径５０μｍの領域を除く半径４００μｍの領域では１×１０6ｃｍ-2未満であった。
試料２と同様にして作製したＧａＮ基板の貫通転位密度をエッチピットで評価した。Ｈ2ＳＯ4：Ｈ3ＰＯ3＝１：１の溶液を２５０℃に加熱し、ＧａＮ基板を約３０分間浸漬させて、光学顕微鏡でエッチピット密度を測定した。ＧａＮ基板の中心部でのエッチピットはコア近傍で高密度であり、コアから離れた領域では低密度であった。コアを中心とした半径５０μｍ領域ではエッチピット密度が１×１０7ｃｍ-2以上であり、コアを中心とした半径５０μｍ領域を除く、半径４００μｍ領域では３×１０5ｃｍ-2であった。試料３、試料５および試料６と同様にして作製したＧａＮ基板のエッチピット密度も同様の分布となっており、コアを中心とした半径５０μｍの領域ではエッチピット密度が１×１０6ｃｍ-2以上であり、コアを中心とした半径５０μｍの領域を除く半径４００μｍの領域では１×１０6ｃｍ-2未満であった。
＜酸素濃度評価＞
試料２と同様の条件で作製したＧａＮ基板の酸素濃度分布を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により評価した。コア近傍のファセット成長領域では酸素濃度２×１０18ｃｍ-3であり、コアから離れたＣ面成長領域（８００μｍ□の４隅コア対角線交差部）では３×１０16ｃｍ-3であった。試料３、試料５および試料６と同様にして作製したＧａＮ基板の酸素濃度も、コア近傍のファセット成長領域では５×１０17ｃｍ-3以上であり、コアから離れたＣ面成長領域では５×１０17ｃｍ-3未満であった。
試料２と同様の条件で作製したＧａＮ基板の酸素濃度分布を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により評価した。コア近傍のファセット成長領域では酸素濃度２×１０18ｃｍ-3であり、コアから離れたＣ面成長領域（８００μｍ□の４隅コア対角線交差部）では３×１０16ｃｍ-3であった。試料３、試料５および試料６と同様にして作製したＧａＮ基板の酸素濃度も、コア近傍のファセット成長領域では５×１０17ｃｍ-3以上であり、コアから離れたＣ面成長領域では５×１０17ｃｍ-3未満であった。
＜顕微ＰＬマッピング測定＞
試料１および３〜８のＧａＮ基板についても、試料２のＧａＮ基板と同一の方法および同一の条件で顕微ＰＬマッピング測定を行った。そして、試料１〜８のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定結果から、試料１〜８のＧａＮ基板のそれぞれについて、Ｉｂｅ１ａ、Ｉｄｅｅｐ１ａ、Ｉｂｅ２ａ、Ｉｄｅｅｐ２ａ、Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ、および（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａを算出した。その結果を表１に示す。
試料１および３〜８のＧａＮ基板についても、試料２のＧａＮ基板と同一の方法および同一の条件で顕微ＰＬマッピング測定を行った。そして、試料１〜８のＧａＮ基板の顕微ＰＬマッピング測定結果から、試料１〜８のＧａＮ基板のそれぞれについて、Ｉｂｅ１ａ、Ｉｄｅｅｐ１ａ、Ｉｂｅ２ａ、Ｉｄｅｅｐ２ａ、Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ、および（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａを算出した。その結果を表１に示す。
＜エピタキシャル成長評価＞
上記のようにして作製した試料１〜８のＧａＮ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によりＳＢＤ構造をエピタキシャル成長させた。ＳＢＤ構造は、キャリアストップ層であるキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3で厚さ０．５μｍのｎ+ＧａＮ層、およびキャリアドリフト層であるキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3で厚さ５μｍのｎ-ＧａＮ層をこの順にエピタキシャル成長させた。これらの層のエピタキシャル成長条件は、成長温度は１０５０℃であり、ＧａＮの原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ3ガスを用い、Ｓｉドーパントの原料としてＳｉＨ4ガスを用いた。そして、上記のエピタキシャル成長後の試料１〜８のＧａＮ基板の表面の外観を観察した。
上記のようにして作製した試料１〜８のＧａＮ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によりＳＢＤ構造をエピタキシャル成長させた。ＳＢＤ構造は、キャリアストップ層であるキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3で厚さ０．５μｍのｎ+ＧａＮ層、およびキャリアドリフト層であるキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3で厚さ５μｍのｎ-ＧａＮ層をこの順にエピタキシャル成長させた。これらの層のエピタキシャル成長条件は、成長温度は１０５０℃であり、ＧａＮの原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ3ガスを用い、Ｓｉドーパントの原料としてＳｉＨ4ガスを用いた。そして、上記のエピタキシャル成長後の試料１〜８のＧａＮ基板の表面の外観を観察した。
その結果、試料１〜７のＧａＮ基板においては、クラックおよび割れの発生は見られず、外観は良好であった。しかしながら、試料８のＧａＮ基板はバラバラに割れていた。ＧａＮ層の成長中および成長後の冷却工程における応力のために破壊したものと考えられる。
＜ＳＢＤ耐圧評価＞
上記のエピタキシャル成長評価で試料１〜８のＧａＮ基板上に成長させたＳＢＤ構造上にドリフト層の表面に終端構造であるフィールドプレート用絶縁膜としてＳｉＮx層を形成した。ＳｉＮx層はプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で、ＳｉＨ4ガスおよびＮＨ3ガスを原料とし、厚みを０．５μｍとした。
上記のエピタキシャル成長評価で試料１〜８のＧａＮ基板上に成長させたＳＢＤ構造上にドリフト層の表面に終端構造であるフィールドプレート用絶縁膜としてＳｉＮx層を形成した。ＳｉＮx層はプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で、ＳｉＨ4ガスおよびＮＨ3ガスを原料とし、厚みを０．５μｍとした。
その後、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いて、ＳｉＮx層の形成後の試料１〜８のＧａＮ基板をＮ2ガス雰囲気中で６００℃で３分間の処理を行った。
次に、ＳｉＮx層の表面上にレジストを形成した後に、フォトリソグラフィによりレジストに開口部を形成し、エッチングによって開口部から露出しているＳｉＮx層をバッファードフッ酸により除去し、フィールドプレート用開口部を形成した。フィールドプレート用開口部は、０．８ｍｍ間隔でドット状に配置されたコアの中央部に１辺が０．６ｍｍの正方形の形状となるように形成した（ショットキー電極の有効面積０．６ｍｍ□）。なお、電極角部での電界集中を緩和させるためにフィールドプレート用開口部の角部を丸めた（曲率半径０．１ｍｍ）。
次に、レジストを除去した後、レジストを再度形成して、フォトリソグラフィによりレジストに開口部を形成し、ショットキー電極用パターンを形成した。そして、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により厚さ５０ｎｍのＮｉ層および厚さ３００ｎｍのＡｕ層をこの順序で蒸着し、リフトオフによりショットキー電極を形成した。ショットキー電極とＳｉＮx層とが重なる領域の長さ（ＦＰ幅）を２０μｍとした。
その後、オーミック電極として、Ａｌ層／Ｔｉ層／Ａｕ層の３層構造の電極を試料１〜９のＧａＮ基板の裏面の全面に形成し、ＳＢＤを完成させた。
そして、プローバーを使用し、顕微ＰＬマッピングの測定領域の全領域を含む４×４＝１６のＳＢＤ素子（１辺が３．２ｍｍの正方形の領域内のＳＢＤ素子）の逆方向Ｉ−Ｖ特性をマッピング測定した。電流密度１×１０-3［Ａ／ｃｍ2］（３．６μＡ）における逆方向電圧を耐圧とした。試料１〜８の各試料の耐圧の面内平均値と最大値と最小値とを表１に示す。なお、表２に、試料１〜８の各ＧａＮ基板の製造条件を示す。
＜考察＞
表１にまとめた各試料のＳＢＤ耐圧と顕微ＰＬマッピング特性とを比較する。しばしば結晶の指標として用いられるバンド端発光強度の平均値に対する深い発光強度の平均値の比率（以下、「スペクトル強度比」という。）が小さい方が、ＧａＮ結晶の単結晶性および表面特性が良いと考えられるため、ＳＢＤ耐圧が高いことが期待できる。
表１にまとめた各試料のＳＢＤ耐圧と顕微ＰＬマッピング特性とを比較する。しばしば結晶の指標として用いられるバンド端発光強度の平均値に対する深い発光強度の平均値の比率（以下、「スペクトル強度比」という。）が小さい方が、ＧａＮ結晶の単結晶性および表面特性が良いと考えられるため、ＳＢＤ耐圧が高いことが期待できる。
実際に、第１領域のスペクトル強度比および第２領域のスペクトル強度比の両方、またはこれらのいずれか一方が大きい試料では、ＳＢＤ耐圧の面内平均値が低い傾向があり（試料１，２，４）、両方の領域のスペクトル強度比が低い試料（試料３，５，６）では、ＳＢＤ耐圧の面内平均値が６００Ｖ以上となり、良好であることがわかった。
試料２〜７のＧａＮ基板が同様の成長条件の試料１のＧａＮ基板よりもスペクトル強度比が比較的小さくなった原因は、結晶成長初期の結晶成長炉内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に低く制御したことによるものと考えられる。結晶成長初期の結晶成長炉内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に低く制御することにより結晶成長初期のＧａＮ結晶の結晶性が向上し、これにより、結晶成長初期のＧａＮ結晶の結晶性が向上したことによりスペクトル強度比が改善し、その結果、ＳＢＤ耐圧も改善傾向を示したと考えられる。
しかし、試料７では、両領域のスペクトル強度比が小さいにもかかわらず、ＳＢＤ耐圧が低く、全ＳＢＤ素子で６００Ｖ以下となり、不良であることがわかった。この原因を考察するに、第１領域と第２領域でのバンド端発光領域強度比（Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ）が大きすぎることが考えられる。
この着眼から他の試料も確認してみると、ＳＢＤ耐圧が良好（６００Ｖ）なＳＢＤ素子を１素子でも得るためには、バンド端発光領域強度比が小さい（（Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ）≦９．４）ことが必要条件であると考えられる。
バンド端発光領域強度比は、試料８のようなコアレス構造のＧａＮ基板においては最低値１をとるが、試料８のＧａＮ基板は他の半導体層のエピタキシャル成長時に割れてしまう不具合があるため、半導体装置の作製用の基板としては使用することができない。
したがって、ファセット構造を有するＧａＮ基板のバンド端発光領域強度比の最低値は、試料６の２．１となる（ファセット構造はコアレス構造と比べて平均値で２倍程度の差異ができる）。
以上により、バンド端発光領域強度比（Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ）が２．１以上９．４以下である場合にＳＢＤ耐圧が良好なＳＢＤ素子が得られる条件となることが確認された。さらにＳＢＤ耐圧が良好なＳＢＤ素子を得るためには、バンド端発光領域強度比の条件に加えて、スペクトル強度比も影響することが確認された。
具体的には、試料２のＧａＮ基板と試料３のＧａＮ基板とは共に（Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ）が２．１以上９．４以下の条件を満たしているが、第１領域のスペクトル強度比（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａが０．４７であって、第２領域のスペクトル強度比（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａが３である試料３のＧａＮ基板は、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａが０．５２であって、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａが１１．８である試料２のＧａＮ基板と比べて、ＳＢＤ耐圧の面内平均値、最大値および最小値のすべてにおいて優れていた。特に、試料２のＧａＮ基板はＳＢＤ耐圧の最大値が６００Ｖを超える結果となったが、試料３のＧａＮ基板はＳＢＤ耐圧の面内平均値が６００Ｖを超える結果となった。
さらに、試料５および試料６のＧａＮ基板は、（Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ）が２．１以上９．４以下、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａが０．４７以下、および（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａが３以下のすべての条件を満たしているが、さらに（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａが０．１１以下、かつ（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａが１以下の条件も満たしていたため、全ＳＢＤ素子でＳＢＤ耐圧が６００Ｖ以上となっていた。
すなわち、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１、かつ（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１である場合には、ＳＢＤ耐圧の面内平均値、最大値および最小値のいずれにおいても６００Ｖ以上を得ることができたため、（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１、かつ（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１であることがさらに好ましいことがわかった。
以上の結果から、顕微ＰＬマッピング特性がＳＢＤ耐圧に与える影響を考察する。ＧａＮ基板のバンド端発光領域強度比が９．４を超える場合に、ＳＢＤ耐圧の低下が生じることは以下のように解釈することができる。
たとえば、ドナー濃度が１×１０16ｃｍ-3であって、ドープしたＳｉが全量Ｇａサイトに入りドナーとして働くと仮定した場合には、ＳＢＤに対する逆方向印加電圧が約２００Ｖである場合に空乏層の厚みが５μｍとなり、それ以上の逆バイアスではｎ+ＧａＮからなるキャリアストップ層およびＧａＮ基板に空乏層の影響が及ぶと考えられる。すなわち、逆方向印加電圧２００Ｖ以上である場合には、ＳＢＤ耐圧は、キャリアストップ層あるいはＧａＮ基板の影響も受けると考えられる。ＧａＮ基板のバンド端発光強度の違いに起因して空乏層の伸び方が変わることによって、電界強度分布が発生し、一部に電界集中が生じて、ＳＢＤ耐圧の低下に繋がった可能性が考えられる。
ＧａＮ基板のスペクトル強度比の影響については以下のように考えることができる。
ＧａＮ基板のスペクトル強度比が大きい場合には、ＧａＮ基板の結晶バルク特性または表面特性が良くないと考えられ、その結果、以下の悪影響（Ａ）〜（Ｃ）を生じると考えられる。
ＧａＮ基板のスペクトル強度比が大きい場合には、ＧａＮ基板の結晶バルク特性または表面特性が良くないと考えられ、その結果、以下の悪影響（Ａ）〜（Ｃ）を生じると考えられる。
（Ａ）エピタキシャル成長特性が悪くなり、ＳＢＤ耐圧が低下する。
（Ｂ）逆方向電圧を印加した場合に空乏層がキャリアドリフト層を貫通し、キャリアストップ層およびＧａＮ基板にまで及び、ＧａＮ基板の結晶バルク特性不良または表面特性不良の影響を受け、ＳＢＤ耐圧が低下する。
（Ｂ）逆方向電圧を印加した場合に空乏層がキャリアドリフト層を貫通し、キャリアストップ層およびＧａＮ基板にまで及び、ＧａＮ基板の結晶バルク特性不良または表面特性不良の影響を受け、ＳＢＤ耐圧が低下する。
（Ｃ）エピタキシャル成長層内またはＧａＮ基板の面内不均一に起因して発生した電界不均一の結果、一部に発生した電界集中がＳＢＤ耐圧の低下につながる。
以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施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実施形態および実施例ではなく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、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
実施形態および実施例のＧａＮ基板は、ＳＢＤなどの半導体デバイスなどの用途に利用することができる。
１０ ＧａＮ基板
１１ ＧａＮ結晶
２１ 成長用基板
２１ａ 表面
２２ パターニング層
２３ 貫通転位
２４ 支持基板
２５ 貼り合わせ基板
３０ オリフラ
１１ ＧａＮ結晶
２１ 成長用基板
２１ａ 表面
２２ パターニング層
２３ 貫通転位
２４ 支持基板
２５ 貼り合わせ基板
３０ オリフラ
Claims (6)
- Ｃ面を表面とする窒化ガリウム基板であって、
前記Ｃ面内の１辺が２ｍｍの正方形の領域の２５℃での顕微フォトルミネッセンスマッピングにおいて、バンド端発光強度の平均値が異なる第１領域と第２領域とを有し、
前記第１領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ１ａと、前記第２領域のバンド端発光強度の平均値Ｉｂｅ２ａとは、以下の関係式（Ｉ）および（ＩＩ）
Ｉｂｅ１ａ＞Ｉｂｅ２ａ …（Ｉ）
２．１≦Ｉｂｅ１ａ／Ｉｂｅ２ａ≦９．４ …（ＩＩ）
を満たす、窒化ガリウム基板。 - 前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第１領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第１領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａは、以下の関係式（ＩＩＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．４７ …（ＩＩＩ）
を満たし、
前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＩＶ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦３ …（ＩＶ）
を満たす、請求項１に記載の窒化ガリウム基板。 - 前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第１領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第１領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａは、以下の関係式（Ｖ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）１ａ≦０．１１ …（Ｖ）
を満たし、
前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第２領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第２領域の深い発光強度の平均値の比率（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａは、以下の関係式（ＶＩ）
（Ｉｄｅｅｐ／Ｉｂｅ）２ａ≦１ …（ＶＩ）
を満たす、請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウム基板。 - 前記第１領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であって、第２領域の酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3未満である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記第１領域の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム基板。
- 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム基板と、支持基板とが貼り合わされてなる、貼り合わせ基板。
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