JP2021031329A

JP2021031329A - ｃ面ＧａＮ基板

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Publication number: JP2021031329A
Application number: JP2019152846A
Authority: JP
Inventors: 悠貴江夏; Yuki Enatsu
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Chemical Holdings Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Chemical Group Corp
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: JP2023181502A; JP7379931B2

Abstract

【課題】不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るＧａＮ結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、ｃ面ＧａＮ基板を提供すること。【解決手段】５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＳｉ濃度、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＨ濃度および６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＯ濃度を有し、一方の主面における転位密度が１×１０６ｃｍ−２未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該ｘ方向に垂直なｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である、ｃ面ＧａＮ基板が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、主としてｃ面ＧａＮ基板に関する。

サファイア基板上にＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）でＧａＮ結晶を成長させるときに、最初は成長表面にピットが生じる条件を用い、その後、該ピットが閉じる条件に変更したところ、均一性よく低減された転位密度を有するＧａＮ結晶が得られたとの報告がある（特許文献１、特許文献２）。
ウエハを構成するＧａＮ結晶のナノインデンテーション硬さを２２ＧＰａまで増加させることによって、転位密度（ＴＤＤ；Threading Dislocation Density）が１０^５ｃｍ^−２台前半で、オフカット角度の変動が中心から±２０ｍｍの範囲内で０．１°以下である、直径２インチの自立ＧａＮウエハを実現できたとの報告がある（非特許文献１）。しかし、そのような硬いＧａＮ結晶を製造する方法は、非特許文献１には開示されていない。
非特許文献１の著者等を発明者とする特許第６５４９７６８号（特許文献３）には、ナノインデンテーション硬さが２２．０ＧＰａを超えるＧａＮ結晶が、その製造方法とともに記載されている。
特許文献３の記述によれば、このような硬いＧａＮ結晶は、不純物濃度を極度に低くすること、具体的にはＢ（ホウ素）、Ｆｅ（鉄）、Ｏ（酸素）およびＣ（炭素）の各濃度を１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすることにより初めて得られたという。かかるＧａＮ結晶を成長させるには、結晶成長中にシードに供給されるガスが接触する可能性のある反応室内の領域を、耐熱性１６００℃以上かつ石英を含有しない材料で構成したＨＶＰＥ炉を使用することと、更に、結晶成長の前に、サセプター近傍を１５００℃以上まで加熱するとともに炉内にＯ_２（酸素ガス）を供給するシーケンスとＨＣｌ（塩化水素ガス）およびＨ_２（水素ガス）を供給するシーケンスとを交互に繰り返す「高温ベーク」を行うことが必要だったという。

特開２００６−５２１０２号公報特表２００７−５１９５９１号公報特許第６５４９７６８号公報

H. Fujikura, et al., Japanese Journal of Applied Physics 57, 065502 (2018)

本発明の主たる目的は、不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るＧａＮ結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、ｃ面ＧａＮ基板を提供することである。

本発明の実施形態には、下記のｃ面ＧａＮ基板が含まれる。
［１］５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＳｉ（ケイ素）濃度、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＨ（水素）濃度および６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＯ濃度を有し、一方の主面における転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該ｘ方向に垂直なｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である、ｃ面ＧａＮ基板。
［２］最大荷重が１ｍＮ以上５０ｍＮ以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが２２ＧＰａ未満、２１ＧＰａ未満または２０ＧＰａ未満のＧａＮ結晶を含む、前記［１］に記載のｃ面ＧａＮ基板。
［３］最大荷重が１ｍＮ以上５０ｍＮ以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが２２ＧＰａ未満、２１ＧＰａ未満または２０ＧＰａ未満のＧａＮ結晶を含み、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＳｉ（ケイ素）濃度および１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＨ（水素）濃度を有し、一方の主面における転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該ｘ方向に垂直なｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である、ｃ面ＧａＮ基板。
［４］前記第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、前記第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１４度以下、０．１２度以下、０．１０度以下、０．０８度以下、０．０６度以下または０．０４度以下である、前記［１］〜［３］のいずれかに記載のｃ面ＧａＮ基板。
［５］前記一方の主面における転位密度が、７×１０^５ｃｍ^−２以下または５×１０^５ｃｍ^−２以下である、前記［１］〜［４］のいずれかに記載のｃ面ＧａＮ基板。
［６］前記一方の主面における転位密度が、２×１０^５ｃｍ^−２以上である、前記［１］〜［５］のいずれかに記載のｃ面ＧａＮ基板。
［７］Ｏ濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である、前記［１］〜［６］のいずれかに記載のｃ面ＧａＮ基板。
［８］Ｏ濃度が３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である、前記［７］に記載のｃ面ＧａＮ基板。

本発明の一態様によれば、不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るＧａＮ結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、ｃ面ＧａＮ基板が提供される。

図１は、実施形態に係るｃ面ＧａＮ基板の一例を示す斜視図である。図２は、ｃ面ＧａＮ基板のオフカット角が互いに垂直な２方向の成分に分解できることを説明する図面である。図３は、ファセット成長領域がどのように形成されるかを説明するための断面図である。

本明細書にいうＧａＮ結晶は、特に断らない限り、ウルツ鉱型の結晶構造を有する六方晶ＧａＮ結晶を意味する。
ＧａＮ結晶では、［０００１］および［０００−１］に平行な結晶軸がｃ軸、＜１０−１０＞に平行な結晶軸がｍ軸、＜１１−２０＞に平行な結晶軸がａ軸と呼ばれる。ｃ軸に直交する結晶面はｃ面（c-plane）、ｍ軸に直交する結晶面はｍ面（m-plane）、ａ軸に直交する結晶面はａ面（a-plane）と呼ばれる。本明細書では、（０００１）結晶面と（０００−１）結晶面を総称してｃ面と呼んでいる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、ＧａＮ結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味する。
六方晶のミラー指数（ｈｋｉｌ）は、ｈ＋ｋ＝−ｉの関係があることから、（ｈｋｌ）と３桁で表記されることもある。例えば、（０００４）を３桁で表記すると（００４）である。
特に断らない限り、本明細書にいう転位は貫通転位（threading dislocation）を意味する。本明細書では、螺旋転位、混合転位および刃状転位を区別せず、総称して転位と呼ぶ。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

１．ｃ面ＧａＮ基板
実施形態に係るｃ面ＧａＮ基板の一例を図１に示す。
図１に示す基板１００は自立ＧａＮウエハであり、互いに反対方向を向いた２つの主面（大面積面）、すなわち、第一主面１０１と第二主面１０２を有する。
第一主面１０１と第二主面１０２は、好ましくは互いに平行である。
第一主面１０１は、窒化物半導体デバイスを製造するときなどに、窒化物半導体のエピタキシャル成長に使用される主面、すなわち「おもて面」である。第二主面１０２は「裏面」である。

第一主面１０１と第二主面１０２は、いずれか一方がＧａ極性で、他方がＮ極性である。
第一主面１０１がＧａ極性であるとき、（０００１）結晶面に対する第一主面１０１の傾斜は０度以上１０度以下である。該傾斜は、０．２度以上であってもよく、また、５度未満、２．５度未満、１．５度未満、１度未満または０．５度未満であってもよい。
第一主面１０１がＮ極性であるとき、（０００−１）結晶面に対する第一主面１０１の傾斜は０度以上１０度以下である。該傾斜は、１度以上、２度以上、３度以上、４度以上または５度以上であってもよい。

基板１００の直径は、通常４５ｍｍ以上であり、９５ｍｍ以上、あるいは１４５ｍｍ以上であってもよく、典型的には５０〜５５ｍｍ（約２インチ）、１００〜１０５ｍｍ（約４インチ）、１５０〜１５５ｍｍ（約６インチ）等である。
基板１００の厚さは、基板１００が自立可能かつハンドリング可能となるように設計される。
基板１００の直径が約２インチのとき、その厚さは好ましくは２５０μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上であり、また、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは４５０μｍ以下である。
基板１００の直径が約４インチのとき、その厚さは好ましくは４００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上であり、また、好ましくは８００μｍ以下、より好ましくは６５０μｍ以下である。
基板１００の直径が約６インチのとき、その厚さは好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは６００μｍ以上であり、また、好ましくは８５０μｍ以下、より好ましくは７５０μｍ以下である。

基板１００のオフカット角は、ｘ方向成分とｙ方向成分という、第一主面１０１内で互いに直交する２方向の成分に分解することができる。このことを図２を参照して説明すると、次の通りである。
第一主面１０１の法線方向をｚ方向、ｃ軸に平行なベクトルをベクトルＶｃとしたとき、ウエハ２０のオフカット角はベクトルＶｃのｚ方向からの傾斜θに等しい。このベクトルＶｃは、ｘ方向成分であるベクトルＶｃ_ｘと、ｙ方向成分であるベクトルＶｃ_ｙとに分解することができる。ｘｚ平面上におけるベクトルＶｃの正射影がベクトルＶｃ_ｘであり、ｙｚ平面上におけるベクトルＶｃの正射影がベクトルＶｃ_ｙである。
ベクトルＶｃをこのように分解したとき、ベクトルＶｃ_ｘのｚ方向からの傾斜がオフカット角θのｘ方向成分θ_ｘであり、ベクトルＶｃ_ｙのｚ方向からの傾斜がオフカット角θのｙ方向成分θ_ｙである。

基板１００では、第一主面１０１の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、第一主面１０１の中央を通りｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である。ｘ方向はa面のひとつと平行であってもよく、そのときｙ方向はｍ面のひとつと平行である。
ここでいう変動幅とは最大値と最小値の差であり、変動幅が０．１６度以下であるとは、言い換えると、中央値からの変動が±０．０８度以内ということである。
該第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅は、小さければ小さい程好ましい。これらの変動幅は、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１４度以下、更には０．１２度以下、更には０．１０度以下、更には０．０８度以下、更には０．０６度以下、更には０．０４度以下であり得る。
オフカット角の変動幅を評価する際、基板外周からの距離が５ｍｍ未満の部分は除外してもよい。

基板１００のおもて面である第一主面１０１は鏡面仕上げされるのが普通であり、ＡＦＭで測定されるその根二乗平均（ＲＭＳ）粗さは、測定範囲２μｍ×２μｍにおいて好ましくは２ｎｍ未満であって、１ｎｍ未満または０．５ｎｍ未満であってもよい。
裏面である第二主面１０２は、鏡面仕上げされてもよいし、艶消し仕上げされてもよい。
基板１００のエッジは面取りされてもよい。
基板１００には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットまたはノッチ、おもて面と裏面の識別を容易にするためのインデックス・フラット等、必要に応じて様々なマーキングを施してもよい。
基板１００の主面は円形であるが、円形に限定されるものではなく、正方形、長方形、六角形、八角形、その他任意の形状に変更することができる。

基板１００は、ＨＶＰＥで成長されたＧａＮ結晶からなる。
基板１００のＯ濃度は、６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。一般的な石英リアクターを備えるＨＶＰＥ装置では、結晶成長中にシードに供給されるガスが石英製の部材に接触し得るところ、かかるＨＶＰＥ装置で成長されたＧａＮ結晶は、６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の濃度でＯを含有するのが普通である［例えば、H. Fujikura, et al., Japanese Journal of Applied Physics 56, 085503 (2017)を参照されたい。］。
また、一般的な石英リアクターを備えるＨＶＰＥ装置で成長されたＧａＮ結晶は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＳｉ濃度と、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＨ濃度を有するのが普通である。成長表面の平坦性を高めることにより、かかるＧａＮ結晶のＯ濃度は３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となり得る。

基板１００をなすＧａＮ結晶は、最大荷重が１ｍＮ以上５０ｍＮ以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが２２ＧＰａ未満であり、２１ＧＰａ未満であってもよく、更には２０ＧＰａ未満であってもよい。
このようなナノインデンテーション硬さを有するＧａＮ結晶は、一般的な石英リアクターを備えたＨＶＰＥ装置を用いて成長させることができる。

基板１００は、意図的ドープしていないＧａＮ（ＵＩＤ−ＧａＮ；un-intentionally doped GaN）からなり得る。非意図的なドナー不純物ドーピングのせいで、ＵＩＤ−ＧａＮはｎ型導電性を示すのが普通である。
ＵＩＤ−ＧａＮでは、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３程度まで高くなり得るとともに、室温抵抗率が０．０４Ω・ｃｍ程度まで低くなり得る。これは、ＵＩＤ−ＧａＮのＳｉ濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度まで高くなり得ること、また、Ｏ濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度まで高くなり得ることによる。

一例では、意図的ドーピングによって基板１００の室温抵抗率を低下させ、０．０３Ω・ｃｍ未満、更には０．０２Ω・ｃｍ未満、更には０．０１５Ω・ｃｍ未満、更には０．０１０Ω・ｃｍ未満とすることができる。抵抗率を十分に低下させるには、基板１００の室温におけるキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以上、更には２×１０^１８ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。該キャリア濃度は、３×１０^１８ｃｍ^−３以上、更には４×１０^１８ｃｍ^−３以上としてもよい。電気特性の観点からは、該キャリア濃度に特段の上限は無いが、基板１００の生産性を悪化させないためには、該キャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３以下に設定することが望ましく、８×１０^１８ｃｍ^−３以下、更には５×１０^１８ｃｍ^−３以下に設定してもよい。強いドーピングはＧａＮ結晶の異常成長の発生頻度を高めるからである。

基板１００抵抗率を下げるために用いられるドーパントは、好ましくはドナー不純物であり、なぜなら、ドナー不純物の方が一般にアクセプター不純物より高い活性化率を示すからである。活性化率とは、ドープされたＧａＮにおける、ドーパントの濃度に対するキャリア濃度の比率のことである。
ＧａＮ結晶中でドナーとして働く元素には、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等の１４族元素と、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）等の１６族元素があるところ、意図的ドーパントとして好ましいのはＳｉおよびＧｅである。Ｇｅで意図的にドーピングしたＧａＮ結晶は、意図しないドーパントとしてＳｉを、Ｇｅと同じオーダーの濃度で含有することがあり得る。

基板１００の第一主面１０１における転位密度を評価するときは、各測定点において１８０μｍ×１８０μｍ（３２４００μｍ^２）以上の面積の矩形エリアを観察することが好ましい。観察面積が１８０μｍ×１８０μｍ以上のとき、第一主面１０１内における転位密度の最大値は最小値の４倍を超えることはなく、たいていは３倍以下であり、更には２倍以下であり得る。
基板１００の第一主面１０１における転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２未満であり、好ましくは７×１０^５ｃｍ^−２以下、より好ましくは５×１０^５ｃｍ^−２以下である。該転位密度は、通常、２×１０^５ｃｍ^−２以上である。
ＧａＮ結晶のカソードルミネセンス（ＣＬ）像には転位が暗点として現れるので、転位密度はＣＬ像観察により測定できる。第一主面１０１がＧａ極性であるときは、２７０℃に加熱した濃度８９％の硫酸で基板１００を１時間エッチングした後の該第一主面１０１におけるエッチピットの密度を、転位密度とみなしてもよい。

第一主面１０１における転位密度を評価するときは、基板外周からの距離が５ｍｍ未満の領域と、ファセット成長領域とを、例外的な領域として除外してよい。
図３は、ｃ軸配向したＧａＮ結晶層がシード上で［０００１］方向に成長するところを示す断面図であり、ファセット成長領域にハッチングを施している。図３から分かるように、［０００１］方向に成長するＧａＮ結晶層の表面に、当該ＧａＮ結晶層が成長しても成長表面から消えないピットが発生したとき、かかるピットが通過した領域がファセット成長領域である。
ファセット成長領域は、成長とともに拡径する傾向を示すことが多く、局所的に増加した欠陥密度を有するコアを内部に有し得る。
基板１００の第一主面１０１において、ひとつのファセット成長領域の直径は、通常５０μｍから１０００μｍの範囲内である。該第一主面１０１におけるファセット成長領域の数密度は多くとも２ｃｍ^２あたり１個、好ましくは４ｃｍ^２あたり１個以下である。第一主面１０１におけるファセット成長領域の面積の総和は、第一主面の面積の１．５％以下であり、好ましくは０．７５％以下である。
ファセット成長領域をなすＧａＮ結晶と、ファセット成長領域以外の領域をなすＧａＮ結晶とでは、成長時の表面の方位が異なっており、ファセット成長領域では酸素濃度とキャリア濃度がファセット成長領域以外の領域よりも高いのが普通である。

２．ｃ面ＧａＮ基板の用途
実施形態に係るｃ面ＧａＮ基板は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などの発光デバイスと、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイスとを含む、各種の窒化物半導体デバイスの製造に使用することができる。
窒化物半導体は、窒化物系III−V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体などとも呼ばれ、ＧａＮを含む他、ＧａＮのガリウムの一部または全部を他の周期表第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ等）で置換した化合物を含む。
窒化物半導体デバイスとは、デバイス構造の主要部を窒化物半導体で形成した半導体デバイスである。

３．実験結果
以下に、本発明者等が行なった実験の結果を記す。
３．１．実験１
直径７６ｍｍのｃ面サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法で約３μｍ厚のｃ軸配向ＧａＮ膜をエピタキシャル成長させてなるＧａＮテンプレートを準備した。ＧａＮ膜の表面はＧａ極性で、転位密度は１０^８ｃｍ^−２台であった。
このＧａＮ膜の表面に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ８００ÅのＳｉＮ_x膜を体積させ、更に、このＳｉＮ_x膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングの技法を用いてパターニングすることにより、三角格子型のネットパターンを有する開口率４０％の剥離層を形成した。この剥離層の付いたＧａＮテンプレートをシードに用いて、ＨＶＰＥでＧａＮ結晶を成長させた。

ＧａＮ結晶の成長には、石英製のホットウォール型リアクターと、その内部に設置された石英製ガリウムボートおよびパイロリティックグラファイト製サセプターとを備える、常圧ＨＶＰＥ装置を用いた。
ガリウムボートの温度は終始８５０℃に保持しつつ、初期層、ピット化層（pitted layer）、平坦化層およびメイン層からなるＧａＮ結晶を、下記表１に示す条件で成長させた。キャリアガスにはＨ_２（水素ガス）とＮ_２（窒素ガス）を用いた。

表１にいうＶ／ＩＩＩ比は、リアクター内に供給するＮＨ_３（アンモニア）とガリウムボートに供給するＨＣｌ（塩化水素）のモル流量比である。
表１にいうキャリアガス中のＨ_２モル比は、リアクター外からリアクター内に供給されるＨ_２とＮ_２のモル流量に基づいて算出した値である。

最初に成長させたのは初期層で、次いでピット化層と平坦化層を交互に成長させ、最後にメイン層を成長させた。
ピット化層は、成長表面に無数のピットが形成された層である。別途観察したところでは、ピット化層の成長初期に形成されたピットの底には必ず転位が存在していた。このことから、ピットの形成には、初期層の表面の転位が関係していると考えられた。
平坦化層は各ピット化層に続いて成長させる層で、その成長条件は、成長完了時点における成長表面のピット密度が結晶層の外周近傍を除いて１ピット／ｃｍ^２以下となるように設定した。外周近傍を除く理由は、外周近傍では成長条件に関わりなくピットが発生し易い傾向があるからである。
ピット化層の数は２から５の間で変化させた。ピット化層と平坦化層は交互に成長させたので、平坦化層の数はピット化層の数と同じである。比較のために、ピット化層と平坦化層を省略したＧａＮ結晶も成長させた。
メイン層の成長後、リアクター温度を室温まで下げ、ＧａＮテンプレートとその上に成長したＧａＮ結晶をリアクターから取り出して観察したところ、両者間の分離はリアクター内で実質的に完了していた。この分離は、少なくとも部分的には、メイン層の成長終了よりも前の段階で起こっていた可能性がある。

成長したＧａＮ結晶の外周を円筒形に加工した後、そのメイン層部分からｃ面と略平行な主面を有するウエハをスライスした。該ウエハのＮ極性側のスライスダメージは、ＫＯＨ水溶液エッチングにより除去した。該ウエハのＧａ極性側の主面は、研削で平坦化した後、ダメージ層を除去するために化学機械研磨した。こうして直径５ｃｍ（約２インチ）で厚さ４００μｍのｃ面ＧａＮ基板を完成させた。
このｃ面ＧａＮ基板のＧａ極性側の主面における転位密度を、ＣＬ像観察により調べた。
ａ面のひとつに平行な方向をｘ方向に選び、該主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上と、該主面の中央を通りｘ方向と垂直なｙ方向に延びる第二のライン上とで、転位密度測定を行った。
測定は、第一のラインと第二のラインとの交点（＝該主面の中央）と、該交点を除く第一のライン上の８点と、該交点を除く第二のライン上の８点の、全１７点で行った。隣り合う測定点間の間隔は５ｍｍであった。
各測定点で１８０μｍ×２４０μｍの矩形エリアを観察し、矩形エリア内に見出された転位の数をその面積（４３２００μｍ^２）で除することで、測定点ごとに転位密度を算出した。１７測定点間での平均値を、当該ｃ面ＧａＮ基板の転位密度とした。
また、第一のライン上の４０ｍｍの区間内におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、第二のライン上の４０ｍｍの区間内におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅を、Ｘ線回折装置を用いて調べた。
結果を下記表２に記す。

実験１で作製したいずれのｃ面ＧａＮ基板においても、１７測定点間における転位密度の最大値と最小値を比べたとき、前者は後者の２倍未満であった。
実験１で作製したいずれのｃ面ＧａＮ基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、ＨＶＰＥで成長させたＧａＮ結晶における（０００１）結晶面の湾曲と推定された。

３．２．実験２
サファイア基板上にＧａＮ膜を形成してなるＧａＮテンプレート上に、剥離層を介してＨＶＰＥでＧａＮ結晶を平坦成長させ、そのＧａＮ結晶をスライスする方法で、単結晶ＧａＮ（０００１）基板を準備した。ＧａＮ結晶を成長させるとき、ピット化層と平坦化層の形成は行わなかった。
準備した単結晶ＧａＮ（０００１）基板は、直径が６４ｍｍ、厚さが４００μｍで、Ｇａ極性側の主面における転位密度は２×１０^６〜４×１０^６ｃｍ^−２であった。
この単結晶ＧａＮ（０００１）基板をシードに用いて、ＨＶＰＥでＧａＮ結晶を成長させた。

ＧａＮ結晶の成長には、実験１で用いたものと同タイプのＨＶＰＥ装置を用いた。
ガリウムボートの温度は終始８５０℃に保持しつつ、ピット化層、平坦化層およびメイン層からなるＧａＮ結晶を、下記表３に示す条件で成長させた。キャリアガスにはＨ_２（水素ガス）とＮ_２（窒素ガス）を用いた。

最初にピット化層と平坦化層を交互に成長させ、その後にメイン層を成長させた。実験１と同じく、ピット化層の数は２から５の間で変化させ、また、比較のためにピット化層と平坦化層を省略したＧａＮ結晶も成長させた。
成長させたＧａＮ結晶のメイン層部分から、実験１で作製したものと同じ直径と厚さを有するｃ面ＧａＮ基板を作製し、Ｇａ極性側の主面における転位密度とオフカット角の変動を、実験１と同様の手順で評価した。
結果を下記表４に記す。

実験２で作製したいずれのｃ面ＧａＮ基板においても、１７測定点間における転位密度の最大値と最小値を比べたとき、前者は後者の２倍未満であった。
実験２で作製したいずれのｃ面ＧａＮ基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、ＨＶＰＥで成長させたＧａＮ結晶における（０００１）結晶面の湾曲と推定された。

上記実験１および実験２では、ピット化層の成長を第一段階と第二段階に分け、成長温度を途中で切り替えたが、これには２つの理由がある。
ひとつの理由は、成長温度を一定以下に低くした第一段階を設けないと、ピット化層を好ましく成長させることができなかったからである。詳しくいうと、実験１および実験２で使用したＶ／ＩＩＩ比条件およびキャリアガス条件の下では、成長温度を９３０℃以下とした第一段階を設けないとき、ピット化層の成長表面全体に偏りなくピットを発生させることができなかった。
ただし、第一段階の成長温度を９００℃まで下げると、ピット化層の表面で多結晶成長が発生する頻度が高くなり、その結果、多数のファセット成長領域がメイン層に形成された。内部で多結晶が成長したピットは、平坦化層を成長させても消失しなかったことによる。

もうひとつの理由は、成長温度を一定以上に高くした第二段階を設けないとき、次に成長させた平坦化層の表面に、転位が異常に高い密度で集まった転位集合領域が形成されたからである。別途観察したところでは、この転位集合領域に集まった転位は、ピット化層または平坦化層の成長過程で発生しているようであった。
実験１および実験２で使用したＶ／ＩＩＩ比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階の成長温度を９３０℃以上より高くしたとき、かかる転位集合領域の形成を効果的に抑制できた。ただし、それは第一段階におけるピット化層の成長厚を２０μｍ以下としたときだけであった。
実験１および実験２で使用したＶ／ＩＩＩ比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階における成長温度を９７０℃まで高くしても、ピット化層の成長表面が平坦化することはなかった。

上記実験１では、周期的開口パターンを有するＳｉＮ_x膜を剥離層として設けたＧａＮテンプレートをシードに用いたが、これに代えて、いわゆるＶＡＳ法［Y. Oshima, et al., Japanese Journal of Applied Physics 42 (2003) pp. L1-L3］で用いられる剥離層付きシードを用いてもよい。この剥離層付きシードは、サファイア基板上にＭＯＶＰＥで低温バッファ層を介して厚さ数百ｎｍのＧａＮ層を成長させ、更に、その上に真空蒸着で厚さ数十ｎｍのＴｉ（チタン）層を形成した後、８０％のＨ_２（水素ガス）と２０％のＮＨ_３（アンモニア）の混合ガス中、例えば１０６０℃で３０分間アニールすることにより得ることができる。

以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。

１００基板
１０１第一主面
１０２第二主面

Claims

５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＳｉ（ケイ素）濃度、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＨ（水素）濃度および６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＯ濃度を有し、一方の主面における転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該ｘ方向に垂直なｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である、ｃ面ＧａＮ基板。
最大荷重が１ｍＮ以上５０ｍＮ以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが２２ＧＰａ未満のＧａＮ結晶を含む、請求項１に記載のｃ面ＧａＮ基板。
最大荷重が１ｍＮ以上５０ｍＮ以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが２２ＧＰａ未満のＧａＮ結晶を含み、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のＳｉ（ケイ素）濃度および１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＨ（水素）濃度を有し、一方の主面における転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りｘ方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該ｘ方向に垂直なｙ方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１６度以下である、ｃ面ＧａＮ基板。
前記第一のライン上におけるオフカット角のｘ方向成分の変動幅と、前記第二のライン上におけるオフカット角のｙ方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ４０ｍｍの区間内で０．１４度以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のｃ面ＧａＮ基板。
前記一方の主面における転位密度が７×１０^５ｃｍ^−２以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のｃ面ＧａＮ基板。
前記一方の主面における転位密度が２×１０^５ｃｍ^−２以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のｃ面ＧａＮ基板。
Ｏ濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のｃ面ＧａＮ基板。
Ｏ濃度が３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である、請求項７に記載のｃ面ＧａＮ基板。