JP2019019041A - ＧａＮ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供する。【解決手段】少なくとも表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、表面および裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ基板に関する。

窒化物半導体自立基板を作製する際や、発光素子や高速トランジスタ等の半導体デバイスを作製する際、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶からなる基板（ＧａＮ基板）を用意し、この基板の表面上に、結晶をエピタキシャル成長させる処理が行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−０１６６８０号公報

上述の結晶成長処理を例えば１２００℃以上の温度条件下で行うと、ＧａＮ基板がサーマルエッチングにより消失することがある。

本発明の目的は、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
少なくとも表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であるＧａＮ基板が提供される。

本発明によれば、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態にかかるＧａＮ基板の断面構成図である。 結晶を成長させる際に用いられる気相成長装置の概略図である。 本発明の第２実施形態にかかるＧａＮ基板の断面構成図であり、（ａ）は表面側基板にボウル状の反りが生じた様子を示す図であり、（ｂ）は表面側基板にドーム状の反りが生じた様子を示す図である。 本発明の第２実施形態の変形例にかかるＧａＮ基板の断面構成図であり、（ａ）は表面側基板にボウル状の反りが生じた様子を示す図であり、（ｂ）は表面側基板にドーム状の反りが生じた様子を示す図である。 本発明の第２実施形態の他の変形例にかかるＧａＮ基板の断面構成図であり、表面側基板にドーム状の反りが生じた様子を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ、本発明の第３実施形態にかかるＧａＮ基板の模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態にかかるＧａＮ基板１０の構成および製造方法について、図１を参照しながら説明する。

（１）ＧａＮ基板の構成
図１に示すように、ＧａＮ基板１０は、ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板１１（以下、基板１１と略す）と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板１２（以下、基板１２と略す）と、を有する。

基板１１，１２は、例えば、サファイア基板等の下地基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨することにより作製することができる。結晶成長の手法としては、気相成長法や液相成長法を問わず、あらゆる公知の手法を用いることが可能である。基板１１，１２は、例えば、直径２〜６インチの円板形状とすることができる。基板１１，１２の厚さは、ＧａＮ基板１０の製造コスト低減のためには極力薄くするのが好ましいが、後述する基板１１と基板１２との接合を歩留まりよく実施するには、それぞれが自立可能な厚さを有することが好ましい。これらのことから、基板１１，１２の厚さは、それぞれ、例えば、０．４〜１．０ｍｍの厚さとするのが好ましい。

基板１１，１２の両主面（表裏面）は、それぞれ、ＧａＮ結晶が有するウルツ鉱構造（六方晶）の極性面、すなわち、Ｎ極性面（−ｃ面、（０００−１）面）、および、Ｇａ極性面（＋ｃ面、（０００１）面）により構成されている。これら２つの極性面のうち、Ｎ極性面は、Ｇａ極性面に比べて熱分解耐性が高く、サーマルエッチングされにくいという特性がある。

ＧａＮ結晶のＧａ極性面のサーマルエッチングレート（以下、単にエッチングレートとも称する）は、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力の窒素（Ｎ_２）ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。雰囲気を構成する不活性ガスが、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスからなる場合や、Ｎ_２ガスと希ガスとの混合ガスからなる場合にも、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｎ_２ガスを雰囲気ガスとする場合におけるそれと同様となる。また、ＧａＮ結晶の雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気、すなわち、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）等のハロゲン化物や、アンモニア（ＮＨ_３）等の窒化水素や、水素（Ｈ_２）等を含む場合、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、上述のエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。

これに対し、ＧａＮ結晶のＮ極性面のエッチングレートは、Ｇａ極性面のそれよりも小さく、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ_２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなる。１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ_２ガス雰囲気下において、ＧａＮ結晶のＮ極性面のエッチングレートは、１２００℃以上１３００℃未満の温度下では０．５μｍ／ｈｒ未満、１３００℃以上１３５０℃以下の温度下では４μｍ／ｈｒ未満、１３５０℃超１４００℃以下の温度下では１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなることを確認済である。雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスからなる場合や、Ｎ_２ガスと希ガスとの混合ガスからなる場合にも、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｎ_２ガスを雰囲気ガスとする場合におけるそれと同様となる。また、ＧａＮ結晶の雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）である場合であっても、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなる等、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートよりも遥かに小さくなることを確認済である。

基板１１，１２は、互いのＧａ極性面を接合面とし、これらの面が当接（密着）するように接合されている。このように、基板１１，１２が互いのＧａ極性面を介して接合されることにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ（基板１１の非接合面）および裏面１０ｂ（基板１２の非接合面）は、それぞれ、エッチングレートの比較的小さなＮ極性面により構成されることとなる。また、エッチングレートの比較的大きなＧａ極性面は、ＧａＮ基板１０の表裏面全体にわたって露出しない状態となる。なお、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の表面１０ａは結晶成長面として用いられ、裏面１０ｂは加熱されたサセプタ２０８に当接する被支持面（非結晶成長面）として用いられる。

ＧａＮ基板１０を上述の構成とすることで、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０を１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれのエッチングレートを、例えば２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることができる。また、ＧａＮ基板１０を、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）下で上述の温度条件に加熱した際の、表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれのエッチングレートを、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることができる。

なお、ＧａＮ基板１０の表面１０ａおよび裏面１０ｂを構成する結晶のオフ角は、それぞれ、任意の向き、任意の大きさに設定することができる。ここで「オフ角」とは、ＧａＮ基板１０の主面（表面１０ａ或いは裏面１０ｂ）に直交する軸と、この主面を構成するＧａＮ結晶のｃ軸と、のなす角のことをいう。表面１０ａにおけるオフ角θ_１を０．５〜５°の範囲内の角度とすることで、結晶成長面である表面１０ａにおいて、結晶成長のきっかけとなる結晶のステップを適正に確保することができ、ＧａＮ結晶の成長レートを実用的な大きさとすることが容易となる。一方、裏面１０ｂのオフ角θ_２を、表面１０ａのオフ角θ_１よりも小さな角度、例えば、±０．１°以内の角度とすることで、非結晶成長面である裏面１０ｂにおいて、サーマルエッチングのきっかけとなる結晶のステップを減らすことができ、元来良好な裏面１０ｂのサーマルエッチング耐性を、いっそう優れたものとすることが可能となる。

（２）ＧａＮ基板の製造方法
続いて、以下に示す手順により、基板１１，１２を接合してＧａＮ基板１０を製造する場合について説明する。

まず、上述のように構成された基板１１，１２をそれぞれ用意する。後述する接合手法を用いる場合、基板１１，１２の接合強度を高める観点から、接合面となる基板１１，１２のＧａ極性面を、それぞれ研磨等して鏡面化しておくことが好ましい。

続いて、基板１１，１２のＧａ極性面（接合面）のそれぞれに対し、真空（減圧）雰囲気中でＡｒガス等の希ガスのプラズマを照射（プラズマ処理）する。これにより、基板１１，１２のＧａ極性面上に形成されていた自然酸化膜や、これらのＧａ極性面上に付着していた不純物等を除去しつつ、基板１１，１２のＧａ極性面の全面を活性化させることが可能となる。具体的には、基板１１，１２のＧａ極性面に、ガリウム（Ｇａ）原子のダングリングボンド（未結合手）を生じさせることが可能となる。なお、基板１１，１２のＧａ極性面の活性化は、上述のプラズマ処理の他、イオン処理、薬液による化学処理、洗浄処理、ＣＭＰ処理等により行ってもよい。その後、基板１１，１２を大気中に曝露する。これにより、基板１１，１２のＧａ極性面に存在するＧａ原子の未結合手のうち少なくとも一部が、大気中に含まれる水分等と反応し、ヒドロキシ基（−ＯＨ基）によって終端される。そして、例えば、室温（２０〜３０℃の範囲内の所定の温度、例えば３００Ｋ（ケルビン）、約２７℃）〜４００℃の温度下で、基板１１および基板１２のＧａ極性面同士を互いに当接（圧接）させる。続いて、基板１１と基板１２との積層体の温度を例えば４００〜１０００℃までさらに上昇させ、アニール処理（熱処理）を行い、基板１１と基板１２との接合面で脱水反応を生じさせる。これらの工程を経ることにより、基板１１，１２が、Ｇａ極性面を介して直接的に、すなわち、原子レベルで強固に接合し、上述のＧａＮ基板１０が得られる。

なお、基板１１と基板１２とを接合する方法は、上述した手法に限定されない。例えば、基板１１，１２のＧａ極性面（接合面）を薬液と純水とで洗浄処理した後、０．１〜１０ＭＰａ程度の高圧力をかけて基板１１，１２を接合する高圧接合法や、基板１１，１２のＧａ極性面（接合面）を薬液と純水とで洗浄処理した後、１０^−６〜１０^−３Ｐａ程度の高真空雰囲気下で基板１１，１２を接合する高真空接合法は、上述した手法と同様に接着剤を用いる必要がないことから、好適に用いることができる。

（３）結晶成長処理
続いて、上述のＧａＮ基板１０を用い、その表面１０ａ上に、ＧａＮ結晶をＮ極性面方向（−ｃ軸方向）にエピタキシャル成長させる処理の一例について説明する。この処理は、例えば、図２に示す気相成長装置２００を用いて行うことができる。

気相成長装置２００は、石英等の耐熱性材料により構成され、成長室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成長室２０１内には、ＧａＮ基板１０を保持する支持部材としてのサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、回転自在に構成されている。

気密容器２０３の一端には、ＧａＣｌ_３ガスを供給するガス供給管２３２ａ、ＮＨ_３ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、窒素（Ｎ_２）ガスを供給するガス供給管２３２ｃがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃには、水素（Ｈ_２）ガスを供給するガス供給管２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に保持されたＧａＮ基板１０に向けて供給するノズル２４９ａ〜２４９ｃが、それぞれ接続されている。

ガス供給管２３２ａには、ガス流の上流側から順に、ガス生成器２３３ａ、バルブ２４３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａの内部には、常温で固体である固体原料（固体のＧａＣｌ_３）が収容される。ガス生成器２３３ａの外部には、固体原料を加熱して気化ガス（ＧａＣｌ_３ガス）を得るためのヒータ２０７ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、キャリアガスとしてのＮ_２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス生成器２３３ａ内で発生させたＧａＣｌ_３ガスは、ガス供給管２３２ｅから供給されたキャリアガスによって成長室２０１内へ運ばれる。ガス供給管２３２ａ，２３２ｅには、ＧａＣｌ_３ガスの液化や固化を防ぐための配管ヒータ（不図示）が設けられている。

ガス供給管２３２ｂ〜２３２ｅには、ガス流の上流側から順に、流量制御器２４１ｂ〜２４１ｅ、バルブ２４３ｂ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅよりも上流側と、ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ａよりも下流側との間には、バイパス管２３２ｆが接続されている。バイパス管２３２ｆにはバルブ２４３ｆが設けられている。バルブ２４３ｅ，２４３ａを閉じた状態で、バルブ２４３ｆを開くことで、ガス生成器２３３ａをバイパスして成長室２０１内へＮ_２ガスを供給することが可能となっている。

気密容器２０３の他端には、成長室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０にはポンプ２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、サセプタ２０８上に保持されたＧａＮ基板１０を所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７が設けられている。気密容器２０３内には、成長室２０１内の温度を測定する温度センサ２０９が設けられている。気相成長装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。

結晶成長処理は、上述の気相成長装置２００により、例えば以下の処理手順が実施される。まず、ＧａＮ基板１０を気密容器２０３内へ投入（搬入）し、サセプタ２０８上に保持する。また、固体原料をガス生成器２３３ａ内に収容し、ヒータ２０７ａにより加熱して気化させ、ＧａＣｌ_３ガスを発生させる。また、ガス供給管２３２ａ，２３２ｅを所望の温度となるように加熱する。そして、成長室２０１内の加熱および排気を実施しながら、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを閉じた状態で、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆを適宜開き、成長室２０１内へＨ_２ガス、或いは、Ｈ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガスを供給する。そして、成長室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、また、成長室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、バルブ２４３ｆを閉じ、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを開いて、ＧａＮ基板１０の表面１０ａに対しＧａＣｌ_３ガスとＮＨ_３ガスとを供給する。これにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に、ＧａＮ結晶が、−ｃ軸方向に向けてエピタキシャル成長する。ＮＨ_３ガスの供給は、ＧａＣｌ_３ガスの供給よりも先に開始してもよい。なお、表面１０ａ上に成長させるＧａＮ結晶の面内均一性を高めるため、結晶成長処理は、サセプタ２０８を回転させた状態で実施するのが好ましい。結晶成長が完了したら、バルブ２４３ｅ，２４３ａ，２４３ｂを閉じ、バルブ２４３ｆを開いて、成長室２０１内へのＧａＣｌ_３ガス、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。その後、成長室２０１内へのＮ_２ガスの供給を継続しながら成長室２０１内を降温させ、処理後のＧａＮ基板１０を気密容器２０３内から搬出し、本実施形態の結晶成長処理を終了する。

処理条件としては、以下が例示される。
ガス生成器２３３ａの温度：９０〜１１０℃
ガス供給管２３２ａ，２３２ｅの温度：２００〜２１０℃
キャリアガスの流量：８０〜１２０ｓｃｃｍ
成長室２０１内におけるＮＨ_３ガスの分圧／ＧａＣｌ_３ガスの分圧：１８〜２２
処理温度（ＧａＮ基板１０の温度）：１２００〜１４００℃、好ましくは、１２５０〜１３００℃
処理圧力（成長室２０１内の圧力）：９０〜１０５ｋＰａ、好ましくは、９０〜９５ｋＰａ

ここで行う結晶成長は、上述したように、ＧａＮ結晶の−ｃ軸方向に向けた成長である。この方向への成長は、Ｇａ極性面方向（＋ｃ軸方向）に向けた成長で採用される温度条件、すなわち、９００〜１１００℃の温度条件下では、進行させることが困難である。そこで、本実施形態では、温度条件を上述のように高く設定することにより、−ｃ軸方向に向けた結晶成長を、実用的なレートで、例えば、８０〜９０μｍ／ｈｒのレートで進行させるようにしている。

但し、上述の温度条件下では、表面がＮ極性面、裏面がＧａ極性面により構成されたＧａＮ基板を種結晶基板として用いると、裏面のサーマルエッチングが過剰に進行し、種結晶基板の消失を招くことになる。本実施形態のＧａＮ基板１０は、表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれが優れたサーマルエッチング耐性を有することから、温度条件を上述のように高く設定したとしても、その消失を回避することが可能となる。Ｎ極性面により構成された表面１０ａおよび裏面１０ｂのエッチングレートは、上述したように、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度条件では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満である。また、Ｎ極性面により構成された表面１０ａおよび裏面１０ｂのエッチングレートは、上述したように、結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）、１２００〜１４００℃の温度条件では、４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満である。ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２は、例えば０．４〜１．０ｍｍの厚さを有することから、上述の温度条件下では、少なくとも１０時間、場合によっては２０時間は消失しないことになる。基板１２が消失しない限り、基板１１の接合面、すなわち、サーマルエッチングされやすいＧａ極性面は露出しないことから、本実施形態におけるＧａＮ基板１０は、上述の温度条件下において、種結晶基板として好適に用い続けることが可能である。

なお、表面１０ａ上にＧａＮ結晶を成長させると、基板１１に反りが生じる場合がある。というのも、基板１１のオフ角には、所定の面内分布（例えば直径が２インチ程度の基板であれば、その主面内に±０．３°程度のオフ角の面内分布）が存在するため、上述の結晶成長処理において表面１０ａ（基板１１のＮ極性面）上に成長させる結晶の成長面（Ｎ極性面）には、その面内方向に、圧縮応力あるいは引張応力が加わることになる。これらの応力は、結晶成長の進行に伴って徐々に大きくなるが、このことにより、基板１１にボウル状（凹状）あるいはドーム状（凸状）の反りが生じる場合がある。例えば、基板１１をＶＡＳ（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）法により作製した場合、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に結晶が成長することで、基板１１にボウル状の反りが生じやすくなる。本実施形態では、基板１１，１２を非常に高い接合強度で直接接合していることから、基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面、すなわちＧａ極性面は露出しない。そのため、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０の消失を、より確実に回避することが可能となる。

以上、１２００℃以上の温度条件下で行うＧａＮ結晶の成長手法の一例について説明したが、本実施形態で利用可能な成長手法は、上述の手法に限定されない。例えば、結晶成長が行われる成長室の内部でＧａ原料とＣｌ_２ガス等を反応させてＧａＣｌ_３ガスを発生させるＴｒｉ−ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１００ｋＰａ、１１００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてハロゲン元素非含有のＧａ蒸気とＮＨ_３ガスとを供給するノンハロゲンＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１０５ｋＰａ、１２００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとＮＨ_３ガスとを供給する高温ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。Ｎ極性面により構成された表面１０ａおよび裏面１０ｂのエッチングレートは、これらの手法における結晶成長雰囲気、温度条件において、４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満となる。

（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

（ａ）ＧａＮ基板１０の表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれを、サーマルエッチングされにくいＮ極性面により構成することで、ＧａＮ基板１０を１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれのエッチングレートを、例えば２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることが可能となる。また、ＧａＮ基板１０を、上述の結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）下で上述の温度条件に加熱した際の、表面１０ａおよび裏面１０ｂのそれぞれのエッチングレートを、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることが可能となる。これらにより、本実施形態のＧａＮ基板１０は、温度条件を上述のように高く設定する必要がある結晶成長処理、例えば−ｃ軸方向に向けたＧａＮ結晶の成長処理において、種結晶基板として好適に用いることが可能となる。

（ｂ）基板１１，１２を上述の手法により原子レベルで直接接合させることから、これらの接合強度を非常に高いものとすることが可能となる。そのため、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、Ｇａ極性面の露出を防止することができ、ＧａＮ基板１０の消失を確実に回避することが可能となる。

（ｃ）基板１１，１２を、接着剤を用いることなく直接接合することにより、ＧａＮ基板１０をＧａＮ単結晶のみで構成することが可能となる。そのため、上述の結晶成長処理において、表面１０ａ上に成長させる結晶中に接着剤の成分が混入することを回避することができ、この結晶の品質を向上させることが可能となる。

（ｄ）裏面１０ｂのオフ角θ_２を表面１０ａのオフ角θ_１よりも小さな角度とすることにより、裏面１０ｂのサーマルエッチング耐性を高めつつ、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に成長するＧａＮ結晶の成長レートを高めることが可能となる。特に、裏面１０ｂのオフ角θ_２を、例えば±０．１°以内の角度とすることにより、裏面１０ｂのサーマルエッチング耐性を、いっそう優れたものとすることが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態にかかるＧａＮ基板１０Ａの構成について、図３（ａ）、図３（ｂ）を参照しながら、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、基板１２の厚さを、基板１１の厚さよりも薄くしてもよい。例えば、基板１１の厚さを０．６〜１．０ｍｍの厚さとし、基板１２の厚さを０．４〜０．５ｍｍの厚さとすることができる。

基板１２の厚さをこのように設定することで、基板１２の剛性を適正に低下させることができる。そのため、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に結晶２０が成長することで、基板１１に図３（ａ）に例示するようなボウル状、あるいは、図３（ｂ）に例示するようなドーム状の反りが生じた場合に、基板１１の反りに基板１２を追従させることが容易となる。その結果、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面のうち少なくとも外周部の接合状態がより確実に維持され、サーマルエッチングされやすいＧａ極性面がより一層露出しにくくなる。そのため、温度条件を高く設定する必要がある結晶成長処理における種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ａを用いた場合であっても、その消失を確実に回避することが可能となる。

また、基板１２の剛性を低く設定することで、基板１１の反りが基板１２によって強く阻害されなくなる。すなわち、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を、適正に緩和（解放）させることが可能となる。結果として、表面１０ａ上に成長させる結晶２０の品質を向上させることが可能となる。

（変形例）
本実施形態は、以下に示す変形例のように変更することが可能である。

［変形例１］
図４（ａ）、図４（ｂ）にＧａＮ基板１０Ｂの断面構成図を示すように、基板１１と基板１２との間に閉空間として構成された空隙１３を設けてもよい。そして、基板１１，１２を、互いのＧａ極性面を接合面とし、これらの面の外周部のみを当接させるように接合してもよい。空隙１３は、例えば、基板１１または基板１２のうち少なくともいずれかのＧａ極性面（接合面）の内周部に、凹部（掘り込み部）を設けることで形成することができる。図４（ａ）、図４（ｂ）は、基板１２の内周部に凹部を設けた場合を例示している。基板１１，１２の接合部の幅（接合幅）は、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じたとしても、連続した接合状態を維持できる幅であって、かつ、基板１１の反りを極力阻害しない幅とする。

本変形例においても、上述の第２実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の外周部の接合状態が維持され、Ｇａ極性面が露出しないことから、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ｂを用いた場合であっても、その消失を回避することが可能となる。

また、上述の結晶成長処理においてＧａＮ基板１０Ｂを加熱した際、基板１１，１２のＧａ極性面がサーマルエッチングされ、Ｇａ極性面からＧａが蒸発したとしても、空隙１３を閉空間として構成することにより、発生したＧａ蒸気を空隙１３内に封じ込めることが可能となる。そのため、ＧａＮ基板１０Ｂの加熱をそのまま継続しても、空隙１３内のＧａの分圧がその飽和蒸気圧に達することで、それ以上のＧａの蒸発は進行しなくなる。このことから、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０Ｂの消失を、より確実に回避することが可能となる。

また、空隙１３を設けることにより、上述の結晶成長処理において基板１１に生じたボウル状あるいはドーム状の反りが殆ど阻害されなくなる。結果として、表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を大幅に緩和させることができ、結晶２０の品質を大幅に向上させることが可能となる。

［変形例２］
基板１１，１２の接合は、接合面のうち内周側の接合強度を外周側の接合強度よりも低くするように実施してもよい。接合面内における接合強度分布（面内強度分布）をこのように設定することにより、図５にＧａＮ基板１０Ｃの断面構成図を示すように、上述の結晶成長処理において基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１および基板１２のうちいずれか一方の基板の内周部が、一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離し、基板１１の内周部が基板１２から解放されることとなる。

上述の面内強度分布は、例えば、基板１１，１２の接合時にプラズマ処理を実施する際、基板１１，１２のＧａ極性面の内周にマスク等を施してプラズマを照射させないようにし、基板１１，１２のＧａ極性面の内周側にＯＨ基終端等を作らせないようにすることにより、実現することができる。

また例えば、上述の面内強度分布は、基板１１または基板１２のうち少なくともいずれかのＧａ極性面の内周側にスマートカット（登録商標）等の水素脆化加工を施すことにより実現することもできる。基板１１，１２のいずれかに対してこのような加工を施すことにより、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１，１２のうち少なくともいずれかのＧａ極性面の内周側、すなわち、上述の水素脆化加工を施した部分を意図的に破断（接合面の表面のうち内周側を剥離）させ、基板１１の内周部を基板１２から解放させることが可能となる。なお、この加工を施す際、対象となる基板には、Ｇａ極性面側から水素イオン等を打ち込むことが好ましい。

本変形例においても、上述の第２実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の外周部の接合状態が維持され、Ｇａ極性面が露出しないことから、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ｃを用いた場合であっても、その消失を回避することが可能となる。

また、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１あるいは基板１２の内周部が剥離することにより、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を緩和させることができ、この結晶２０の品質を向上させることが可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態にかかるＧａＮ基板の構成について、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照しながら、第１，第２実施形態と異なる点を中心に説明する。

基板１１，１２を接合する際、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、基板１１の主面内の結晶方位（例えばＭ軸やａ軸の方向）と、基板１２の主面内の結晶方位（例えばＭ軸やａ軸の方向）と、の−ｃ軸を回転軸として見たときのずれ量（回転角）を調整することにより、所望の特性（劈開特性や剥離強度等）を得るようにしてもよい。

例えば、図６（ａ）にＧａＮ基板１０Ｄの模式図で示すように、基板１１の主面内の結晶方位と、基板１２の主面内の結晶方位とを、一致させてもよい。なお、ここでいう「一致」とは、上述のずれ量（回転角）が、０°以上５°未満、好ましくは０°以上３°以内であることをいう。また、「ずれ量が０°である」とは、基板１１の主面内の結晶方位と、基板１２の主面内の結晶方位と、が完全に一致していることをいう。

このような構成とすることで、ＧａＮ基板１０Ｄを劈開性に優れた基板（Ｍ面やａ面に沿って劈開させやすい基板）とすることが可能となる。また、このような構成とした場合、基板１１と基板１２とを直接接合させる際に、それらの接合強度を高めることが可能となる。

また例えば、図６（ｂ）にＧａＮ基板１０Ｅの模式図を示すように、基板１１，１２を接合する際、基板１１または基板１２のうち少なくともいずれかを、−ｃ軸を回転軸として所定角度回転させて、基板１１の主面内の結晶方位と、基板１２の主面内の結晶方位とを、不一致としてもよい。図６（ｂ）は、基板１２を回転させる場合を例示している。なお、ここでいう「不一致」とは、上述のずれ量（回転角）が、５°以上３０°以内、好ましくは２５°以上３０°以内であることをいう。

このような構成とすることで、ＧａＮ基板１０Ｅを劈開耐性に優れた基板（Ｍ面やａ面に沿って劈開させにくい基板）とすることが可能となる。また、このような構成とした場合、基板１１と基板１２とを直接接合させる際、それらの接合強度を適正に抑えることが可能となる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の第１〜第３実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、表面側基板と裏面側基板とが直接接合される場合について説明したが、これに限定されない。例えば、表面側基板と裏面側基板との間に多結晶ＧａＮ等を介在させてもよい。

上述の実施形態では、ＧａＮ基板の表面および裏面を、それぞれ、Ｎ極性面で構成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば上述の第２，第３実施形態では、ＧａＮ基板の表面または裏面のうちの少なくともいずれかをＧａ極性面で構成してもよい。

本発明は、ＧａＮに限らず、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物結晶、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物結晶を表面上に成長させる際にも、好適に適用可能である。

また、上述の実施形態や変形例は、適宜組み合わせることができる。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
本発明の一態様によれば、
少なくとも表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であるＧａＮ基板が提供される。

（付記２）
付記１の基板であって、好ましくは、
前記不活性ガスは、Ｎ_２ガス、或いは、希ガスのうち少なくともいずれかを含む。

（付記３）
付記１または２の基板であって、好ましくは、
ハロゲン化物、窒化水素、水素のうち少なくともいずれかを含む１〜１０５ｋＰａの圧力の結晶成長雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが４０μｍ／ｈｒ未満である。

（付記４）
付記１〜３のいずれかの基板であって、好ましくは、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板と、が互いの主面（Ｇａ極性面）を接合面として接合されてなり、
前記表面が前記表面側基板のＮ極性面で構成されており、前記裏面が前記裏面側基板のＮ極性面で構成されている。

（付記５）
付記４の基板であって、好ましくは、
前記裏面に直交する軸と前記裏面を構成する結晶のｃ軸とのなす角（裏面のオフ角）が、前記表面に直交する軸と前記表面を構成する結晶のｃ軸とのなす角（表面のオフ角）よりも小さい。

（付記６）
付記４または５の基板であって、好ましくは、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板に反りが生じた場合であっても、前記接合面のうち少なくとも外周部の接合状態が維持される。

（付記７）
付記６の基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の厚さが、前記表面側基板の厚さよりも薄い。

（付記８）
付記６または７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板とが、これらの外周部で互いに接合されてなり、
前記表面側基板と前記裏面側基板との間には、閉空間として構成された空隙が設けられている。

（付記９）
付記６または７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板との接合面のうち、内周側の接合強度が外周側の接合強度よりも低く、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板がドーム状に反ろうとする際、前記表面側基板および前記裏面側基板のうちいずれか一方の基板の内周部が、前記一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離するよう構成されている。

（付記１０）
付記４の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）とが、一致している。

（付記１１）
付記４の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）とが、不一致である。

（付記１２）
本発明の他の態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板と、が互いの主面を接合面として接合されてなり、
表面が前記表面側基板の前記接合面とは異なる主面で構成されており、裏面が前記裏面側基板の前記接合面とは異なる主面で構成されており、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板に反りが生じた場合であっても、前記接合面のうち少なくとも外周部の接合状態が維持されるＧａＮ基板が提供される。

（付記１３）
付記１２の基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の厚さが、前記表面側基板の厚さよりも薄い。

（付記１４）
付記１２または１３の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板とが、これらの外周部で互いに接合されてなり、
前記表面側基板と前記裏面側基板との間には、閉空間として構成された空隙が設けられている。

（付記１５）
付記１２または１３の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板との接合面のうち、内周側の接合強度が外周側の接合強度よりも低く、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板がドーム状に反ろうとする際、前記表面側基板および前記裏面側基板のうちいずれか一方の基板の内周部が、前記一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離するよう構成されている。

（付記１６）
本発明のさらに他の態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板と、が互いの主面を接合面として接合されてなり、
前記表面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）とが、一致しているＧａＮ基板が提供される。

（付記１７）
本発明のさらに他の態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板と、が互いの主面を接合面として接合されてなり、
前記表面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位（Ｍ軸やａ軸の方向）とが、不一致であるＧａＮ基板が提供される。

１０，１０Ａ〜１０Ｅ ＧａＮ基板
１１ 表面側基板
１２ 裏面側基板

Claims (10)

1. 少なくとも表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であるＧａＮ基板。
2. 前記不活性ガスは、Ｎ_２ガス、或いは、希ガスのうち少なくともいずれかを含む請求項１に記載のＧａＮ基板。
3. ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成された裏面側基板と、が互いの主面を接合面として接合されてなり、
   前記表面が前記表面側基板のＮ極性面で構成されており、前記裏面が前記裏面側基板のＮ極性面で構成されている請求項１または２に記載のＧａＮ基板。
4. 前記裏面に直交する軸と前記裏面を構成する結晶のｃ軸とのなす角が、前記表面に直交する軸と前記表面を構成する結晶のｃ軸とのなす角よりも小さい請求項３に記載のＧａＮ基板。
5. 前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板に反りが生じた場合であっても、前記接合面のうち少なくとも外周部の接合状態が維持される請求項３または４に記載のＧａＮ基板。
6. 前記裏面側基板の厚さが、前記表面側基板の厚さよりも薄い請求項３〜５のいずれか１項に記載のＧａＮ基板。
7. 前記表面側基板と前記裏面側基板とが、これらの外周部で互いに接合されてなり、
   前記表面側基板と前記裏面側基板との間には、閉空間として構成された空隙が設けられている請求項３〜５のいずれか１項に記載のＧａＮ基板。
8. 前記表面側基板と前記裏面側基板との接合面のうち、内周側の接合強度が外周側の接合強度よりも低く、
   前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板がドーム状に反ろうとする際、前記表面側基板および前記裏面側基板のうちいずれか一方の基板の内周部が、前記一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離するよう構成されている請求項３〜５のいずれか１項に記載のＧａＮ基板。
9. 前記表面側基板の主面内の結晶方位と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位とが、一致している請求項３または４に記載のＧａＮ基板。
10. 前記表面側基板の主面内の結晶方位と、前記裏面側基板の主面内の結晶方位とが、不一致である請求項３または４に記載のＧａＮ基板。

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