JP2021155330A - 半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板 - Google Patents

Abstract

【課題】比抵抗が高くとも、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板を提供する。【解決手段】半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）の直径２Ｒｍｍの主面において、上記主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍの距離の点を中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が５×１０7Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が０．５０以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板に関する。

半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板などの半絶縁性化合物半導体基板では、半導体デバイスの性能向上に直結する構造の微細化および複雑化に資するため、主面のミクロ領域における平坦性（以下、ミクロ平坦性ともいう）を向上させることが求められている。基板の主面のミクロ平坦性は、研磨条件だけでなく基板の物性の影響を受ける。具体的には、基板主面のミクロ平坦性を向上させるには、基板の主面内の比抵抗のミクロ領域における分布（以下、ミクロ分布ともいう）が均一であることが重要である。

比抵抗の主面のミクロ領域における分布（ミクロ分布）が均一であり主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ヒ化ガリウム基板を得る観点から、T. Kawase et al., "Properties of 6-inch Semi-insulating GaAs Substrates Manufactured by Vertical Boat Method", GaAs ManTech1999, April, 1999, pp19-22（非特許文献１）は、比抵抗および基板の中心から１００μｍピッチで外周方向に８０ｍｍ長のミクロ領域における変動係数（当該ミクロ領域における標準偏差を平均値で除したものをいう。）が０．０７３である半絶縁性ヒ化ガリウム基板を開示する。

T. Kawase et al., "Properties of 6-inch Semi-insulating GaAs Substrates Manufactured by Vertical Boat Method", GaAs ManTech1999, April, 1999, pp19-22

本開示の一態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）の直径２Ｒｍｍの主面において、前記主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍの距離の点を中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が０．５０以下である。

図１は、本態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の一例を示す概略平面図である。 図２は、本態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の比抵抗を測定する方法の一例を示す概略断面図である。 図３は、本態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の製造に用いられる装置の一例を示す概略図である。 図４は、本態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の製造に用いられる装置の別の例を示す概略図である。 図５は、本態様にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の製造に用いられる装置のさらに別の例を示す概略図である。

［本開示が解決しようとする課題］
しかしながら、T. Kawase et al., "Properties of 6-inch Semi-insulating GaAs Substrates Manufactured by Vertical Boat Method", GaAs ManTech1999, April, 1999, pp19-22（非特許文献１）に開示の半絶縁性ヒ化ガリウム基板の比抵抗は、その最大値は非特許文献１に記載されていないが、非特許文献１に記載されているグラフから読み取ると、５×１０⁷Ω・ｃｍ未満である。比抵抗が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上に大きい半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板においては、比抵抗のミクロ分布のばらつきが基板の中心部と外周部とで大きくなり、比抵抗のミクロ分布を均一にすることが困難であり、主面のミクロ平坦性が低くなるという問題点がある。

本開示は、上記問題点を解決して、比抵抗が高くとも、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板を提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、比抵抗が高くとも、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板を提供できる。

［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。

［１］本発明の一実施形態にかかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）の直径２Ｒｍｍの主面において、上記主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍの距離の点を中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が０．５０以下である。本実施形態の半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）である主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。

［２］上記半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板において、上記主面の直径２Ｒｍｍを１５０ｍｍ以上とすることができる。かかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）である主面の直径が１５０ｍｍ以上の大口径であっても、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。

［３］上記半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板において、比抵抗の上記変動係数を０．１０以下とすることができる。かかる半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板は、面方位が（１００）である主面における比抵抗のミクロ分布が極めて均一であり、主面のミクロ平坦性が極めて高い。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。以下においては、図面を参照しながら説明するが、本明細書および図面において同一または対応する要素に同一の符号を付すものとし、それらについて同じ説明は繰り返さない。また、本明細書および図面中の（ｈｋｌ）は面方位を示し、［ｈｋｌ］は方位を示す。ここで、ｈ、ｋおよびｌは同じまたは異なる整数でありミラー指数と呼ばれる。ミラー指数の前に表される「−」は、本来数字の頭上に表されるものであり、そのミラー指数の後に「バー」と読まれる。たとえば、［０−１０］は、「ゼロ・イチ・バー・ゼロ」と読まれる。

本明細書において「Ａ〜Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。さらに、本明細書において、化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。

≪半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板≫
図１を参照して、本実施形態にかかる半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１（半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板）は、面方位が（１００）の直径２Ｒｍｍの主面において、上記主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍを中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が０．５０以下である。本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、面方位が（１００）である主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。

本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、その比抵抗の平均が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは７．５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、より好ましくは１．０×１０⁸Ω・ｃｍ以上である。

＜主面＞
図１に示すように、本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、主面の面方位が（１００）である。すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体から、その（１００）面を主面として切り出すことにより得られる。

半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１の主面の直径２Ｒｍｍは、特に制限はないが、大きいほど好ましく、１５０ｍｍ以上が好ましい。かかる半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は、面方位が（１００）である主面の直径が１５０ｍｍ以上の大口径であっても、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。

＜比抵抗の平均値および変動係数＞
図１に示すように、本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍを中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が０．５０以下である。本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１は、比抵抗の上記変動係数が０．５０以下であることから、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。

主面の中心とは、図１に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１の主面を円であると仮定した場合に、その円の中心をさす。主面の中心から［０１０］方向は、主面の中心から［０−１０］方向にノッチ部１１ｎが形成されている基板においては、ノッチ部１１ｎから主面の中心を見る方向に相当する。

主面の直径が２Ｒｍｍの半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板において、比抵抗のミクロ分布を測定するための３つの測定領域は、図１に示すように、主面の中心から［０１０］方向にｒ₀＝０ｍｍ（すなわち主面の中心点）を中心とする中心部測定領域Ｆ０、主面の中心から［０１０］方向にｒ₁＝０．５Ｒｍｍ（すなわち主面の中心と主面の外周との中間点）を中心とする中間部測定領域Ｆ１、および主面の中心から［０１０］方向にｒ₂＝（Ｒ−１７）ｍｍ（すなわち主面の外周から内側に１７ｍｍの距離にある点）を中心とする外周部測定領域Ｆ２である。

比抵抗の測定は、中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２のそれぞれの領域において、それぞれの領域の中心から［０１０］方向に−５ｍｍから＋５ｍｍの距離の範囲に亘って１００μｍ（０．１ｍｍ）ピッチの１０１点で行う。上記１０１点における比抵抗の測定値から比抵抗の平均値および比抵抗の標準偏差を算出する。得られた比抵抗の標準偏差を得られた比抵抗の平均値で除することにより比抵抗の変動係数を算出する。

比抵抗の測定は、図２に示すような３端子ガード法により行う。すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１の比抵抗を測定する主面（以下、表側主面ともいう）上に直径７０μｍの円が上記の３つの測定領域のそれぞれの中心から［０１０］方向に−５ｍｍから＋５ｍｍの距離の範囲に亘って１００μｍ（０．１ｍｍ）ピッチで１０１個配置するパターンをフォトリソグラフィにより作製する。その後、半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１の表側主面およびその反対側の主面（以下、裏側主面ともいう）に、厚さ３００ｎｍのＡｕ層、厚さ４０ｎｍのＮｉ層および厚さ８０ｎｍのＡｕＧｅ層を順次蒸着して、リフトオフした後、４７５℃で６分間熱処理して合金化することにより測定用電極Ｅ１，Ｅ２を形成する。測定用電極Ｅ１，Ｅ２について図２に示すように配線して、電圧印加範囲０Ｖ〜１０Ｖ、電圧印加ステップ１Ｖの条件で、裏側主面から電圧を印加し、パターン化された測定用電極Ｅ１内の電流を測定する。かかる測定を［０１０］方向に１０ｍｍの長さに亘って１００μｍピッチでパターン化された測定用電極Ｅ１毎に行う。比抵抗の測定値は、電流−電圧曲線の傾きから算出した抵抗値を半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１の試料厚さｄで除した後、パターン化された測定用電極Ｅ１の面積Ｓを乗じることにより導出する。

比抵抗の平均値は、デバイス作製時のリーク電流を低減する観点から、５×１０⁷Ω・ｃｍ以上が好ましい。また、比抵抗の平均値は、半絶縁性発現の機構から、１×１０⁹Ω・ｃｍ以下である場合が多い。

本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１において、上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれについて、比抵抗の変動係数は０．１０以下が好ましい。かかる半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は、比抵抗の変動係数が０．１０以下であることから、主面における比抵抗のミクロ分布が極めて均一であり、主面のミクロ平坦性が極めて高い。

＜転位密度＞
本実施形態の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１において、主面における比抵抗のミクロ分布を均一にする観点から、上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれについて、転位密度は、９．５×１０³ｃｍ^-2以下が好ましく、５．５×１０³ｃｍ^-2以下がより好ましい。

転位密度の測定は、半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１を４５０℃の溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）中で２０分間エッチングしたときに形成されるエッチピットの密度の測定により行う。上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれの中心を顕微鏡により拡大し、それらの１ｍｍ角視野内のエッチピットの数を計測することによりエッチピット密度を算出する。

≪半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板の製造方法≫
半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の比抵抗のミクロ分布を均一化するためには、比抵抗のミクロ分布に影響を与える転位密度の分布を均一化することが重要である。半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は、通常、［１００］方向に結晶成長させた大口径の半絶縁性ＧａＡｓ結晶体を（１００）面およびそれに平行な面で切り出すことにより製造する。［１００］方向に結晶成長させた大口径の半絶縁性ＧａＡｓ結晶体においては、面方位が（１００）の断面における転位密度は、その断面の中心および外周において高くなり、中心と外周との中間において低くなるという不均一な分布を有する。したがって、このような転位密度の不均一な分布を均一化する必要がある（方策Ｉ）。また、ＧａＡｓ結晶の結晶学的性質から、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の転位密度は＜１００＞方向（［０１０］方向ならびにこの方向に結晶学的に等価な［００−１］方向、［０−１０］方向および［００１］方向の４方向の総称）で高くなりやすい。そのため、＜１００＞方向における転位密度を低くする必要がある（方策ＩＩ）。さらに、上記転位密度の不均一な分布を均一化する（方策Ｉ）とともに、＜１００＞方向における転位密度を低くする（方策ＩＩ）ことが好ましい（方策ＩＩＩ）。

＜方策Ｉ＞
図３に、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の製造に用いられる装置の第１例を示す。図３（Ａ）は装置の概略上面図であり、図３（Ｂ）は装置の概略側断面図である。上記の転位密度の不均一な分布は、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の結晶成長の際に、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０とＧａＡｓ原料融液４との固液界面からの下方の放熱が減少することに由来するものと考えられる。すなわち、固液界面からの下方への放熱は、固液界面が上昇することにより、ＧａＡｓ原料融液４からステージ（坩堝を支持するために坩堝下方に位置する台をいう、図示せず）への直接的な放熱から、ＧａＡｓ原料融液４から半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０を介在したステージへの間接的な放熱に変化するため、減少する。しかし、従来の半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の製造方法においては、図３に示すような断熱材３が配置されていないため、結晶成長用坩堝２の側面側に配置されたヒータ（図示せず。）からの加熱は、固液界面が上昇しても変化しない。このため、従来の半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の製造方法においては、固液界面の上昇に伴って下方への放熱が小さくなるため、側面からの入熱が一定のままでは、固液界面の液相側からの入熱と、固相側からの放熱の熱収支が変わってしまい、固液界面相対位置や形状の変化による熱応力が発生して転位密度の分布を不均一にする。第１例は、方策Ｉとして、上記の熱収支の変化を抑制することにより転位密度の分布を均一化するために、結晶成長用坩堝２とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝２の側面外周の周りに、テーパ付の断熱材３を配置する。

第１例における断熱材３は、筒状形状を有し、ＧａＡｓ種結晶ＳＣ側（以下、シード側ともいう。）に対応する部分に比べて半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の結晶成長面側（以下、テール側ともいう。）に対応する部分の断熱性が高くなるようにテーパが設けられている。断熱材３の材質は、特に制限はなく、たとえば、カーボン、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂〜２Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などが挙げられる。これにより、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の結晶成長の際、固液界面が上昇するにつれて、結晶成長用坩堝２の側面側からの入熱が減少することにより熱収支の変化が抑制されるため、熱応力の発生が抑制されて、転位密度の分布が均一になる。

＜方策ＩＩ＞
図４に、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の製造に用いられる装置の第２例を示す。図４（Ａ）は装置の概略上面図であり、図４（Ｂ）は装置の概略側断面図である。半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０中の転位は熱応力により発生するものと考えられることから、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１００＞方向における転位密度を低くするために、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１００＞方向の温度差を小さくする必要がある。このため、第２例は、方策ＩＩとして、結晶成長用坩堝２とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝２の側面外周の周りに、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１００＞方向（［０１０］方向を含む結晶学的に等価な４方向、具体的には、［０１０］方向、［００−１］方向、［０−１０］方向および［００１］方向を意味する。以下同じ。）に断熱性が高い部分を有する断熱材３を配置する。

第２例における断熱材３は、第１材料３ａと、第１材料３ａよりも断熱性の高い（すなわち、熱伝導率の低い）材質からなる第２材料３ｂと、を周方向に４５°ずつ交互に並べることより形成されている円筒形状を有する。断熱材３は、結晶成長用坩堝２において［１００］方向に結晶成長する半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向（［０１−１］方向を含む結晶学的に等価な４方向、具体的には、［０１−１］方向、［０−１−１］方向、［０−１１］方向および［０１１］方向を意味する。以下同じ。）に第１材料３ａが位置し、＜１００＞方向に第２材料３ｂが位置するように配置される。断熱材３の第１材料３ａおよび第２材料３ｂは、第２材料３ｂが第１材料３ａに比べて断熱性の高い（熱伝導率の低い）材質で形成されていれば特に制限はなく、たとえば、第１材料３ａの材質としてカーボンを挙げられ、第２材料３ｂの材質として窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂〜２Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などが挙げられる。これにより、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の結晶成長の際、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向の温度分布が均一化されるため、熱応力の発生が抑制されて、転位密度の分布が均一になる。

＜方策ＩＩＩ＞
図５に、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の製造に用いられる装置の第３例を示す。図５（Ａ）は装置の概略上面図であり、図５（Ｂ）は装置の概略側断面図である。第３例は、上記方策Ｉおよび方策ＩＩを組み合わせた方策ＩＩＩとして、結晶成長用坩堝２とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝２の側面外周の周りに、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１００＞方向に断熱性が高い部分を有するテーパ付の断熱材３を配置する。

第３例における断熱材３は、上記方策Ｉのため、筒状形状を有し、ＧａＡｓ種結晶ＳＣ側（以下、シード側ともいう。）に対応する部分に比べて半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の結晶成長面側（以下、テール側ともいう。）に対応する部分の断熱性が高くなるようにテーパが設けられているとともに、上記方策ＩＩのため、第１材料３ａと、第１材料３ａよりも断熱性の高い（すなわち、熱伝導率の低い）材質からなる第２材料３ｂと、を周方向に４５°ずつ交互に並べることより形成されており、結晶成長用坩堝２において［１００］方向に結晶成長する半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向に第１材料３ａが位置し、＜１００＞方向に第２材料３ｂが位置するように配置される。断熱材３の第１材料３ａおよび第２材料３ｂは、第２材料３ｂが第１材料３ａに比べて断熱性の高い（熱伝導率の低い）材質で形成されていれば特に制限はなく、たとえば、第１材料３ａの材質としてカーボンを挙げられ、第２材料３ｂの材質として窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂〜２Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などが挙げられる。

第３例においては、上記方策Ｉに対応する構成により、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の結晶成長の際、固液界面が上昇するにつれて、結晶成長用坩堝２の側面側からの吸熱が減少することにより熱収支の変化が抑制されるため、熱応力の発生が抑制されるとともに、上記方策ＩＩに対応する構成により、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の結晶成長の際、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向の温度分布が均一化されるため、熱応力の発生が抑制される。このため、転位密度の分布がさらに均一になる。

上記第１例〜第３例の製造方法により得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０から、その（１００）面を主面として切り出すことにより、上述の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板１１を製造することができる。

≪実施例Ｉ≫
＜半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の製造＞
実施例Ｉにおいては、図３に示す装置を用いて、直径１５０ｍｍの大口径のカーボンをドープした半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０を垂直ボート法により成長させた。断熱材３は、筒状形状を有し、ＧａＡｓ種結晶ＳＣ側（以下、シード側ともいう。）に対応する部分に比べて半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の結晶成長面側（以下、テール側ともいう。）に対応する部分の断熱性が高くなるように、具体的にはシード側に比べてテール側の断熱材３の厚さが大きくなるように、テーパを設けた。断熱材３の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）とした。半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の成長条件は常法とした。これにより実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体を製造した。

上記のように製造された半絶縁性ＧａＡｓ結晶体から（１００）面を主面として切り出すことにより、厚さ６００μｍの複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を製造した。製造された複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板のうち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最もＧａＡｓ種結晶ＳＣ側（以下、最シード側ともいう。）に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例Ｉ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とし、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最も結晶成長面側（以下、最テール側ともいう。）に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とした。

＜比抵抗の平均値および変動係数ならびに転位密度の評価＞
上記のように製造された実施例Ｉ−１（最シード側）および実施例Ｉ−２（最テール側）の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面の上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれにおける比抵抗のミクロ分布の指標となる平均値および変動係数ならびに転位密度を上述の方法により測定し、上記３つの測定領域のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数ならびに転位密度の評価を行った。結果を表１にまとめた。

＜表面平坦度の評価＞
上記のようにして製造された実施例Ｉ−１（最シード側）および実施例Ｉ−２（最テール側）の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面の上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれにおける表面平坦度を測定して評価した。その測定方法は、以下のとおりとした。すなわち、実施例Ｉ−１および実施例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面をミラー加工した。上記中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２のそれぞれの中心を中心とする２０ｍｍ角の範囲について、各２０ｍｍ角領域における平坦度測定器（コーニング・トロペル社ウルトラソート６２２０）を用いて、ＬＴＶ（Local Thickness Variation）測定を行なった。結果を表１にまとめた。

≪実施例ＩＩ≫
＜半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の製造＞
実施例ＩＩにおいては、図４に示す装置を用いて、直径１５０ｍｍの大口径のカーボンをドープした半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０を垂直ブリッジマン法により成長させた。断熱材３は、第１材料３ａと、第１材料３ａよりも断熱性の高い（すなわち、熱伝導率の低い）材質からなる第２材料３ｂと、を周方向に４５°ずつ交互に並べることより形成されている円筒形状を有し、第１材料３ａの材質をカーボンとし、第２材料３ｂの材質を窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）とした。また、断熱材３は、結晶成長用坩堝２において［１００］方向に結晶成長する半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向に第１材料３ａの中心軸が位置し、＜１００＞方向に第２材料３ｂの中心軸が位置するように配置した。これにより実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体を製造した。

上記のように製造された実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体から実施例Ｉと同様に切り出すことにより、厚さ６００μｍの複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を製造した。製造された複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板のうち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最シード側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例ＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とし、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最テール側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例ＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とした。

＜比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度の評価＞
上記のように製造された実施例ＩＩ−１（最シード側）および実施例ＩＩ−２（最テール側）の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面の上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Ｉと同様にして評価した。結果を表１にまとめた。

≪実施例ＩＩＩ≫
＜半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の製造＞
実施例ＩＩＩにおいては、図５に示す装置を用いて、直径１５０ｍｍの大口径のカーボンをドープした半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０を垂直ブリッジマン法により成長させた。断熱材３は、筒状形状を有し、ＧａＡｓ種結晶ＳＣ側（以下、シード側ともいう。）に対応する部分に比べて半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の結晶成長面側（以下、テール側ともいう。）に対応する部分の断熱性が高くなるように、具体的にはシード側に比べてテール側の断熱材３の厚さが大きくなるように、テーパを設けた。また、断熱材３は、第１材料３ａと、第１材料３ａよりも断熱性の高い（すなわち、熱伝導率の低い）材質からなる第２材料３ｂと、を周方向に４５°ずつ交互に並べることより形成されており、第１材料３ａの材質をカーボンとし、第２材料３ｂの材質を窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）とした。また、断熱材３は、結晶成長用坩堝２において［１００］方向に結晶成長する半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の＜１１０＞方向に第１材料３ａの中心軸が位置し、＜１００＞方向に第２材料３ｂの中心軸が位置するように配置した。これにより実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体を製造した。

上記のように製造された実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体から実施例Ｉと同様に切り出すことにより、厚さ６００μｍの複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を製造した。製造された複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板のうち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最シード側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例ＩＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とし、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最テール側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を実施例ＩＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とした。

＜比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度の評価＞
上記のように製造された実施例ＩＩＩ−１（最シード側）および実施例ＩＩＩ−２（最テール側）の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面の上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Ｉと同様にして評価した。結果を表１にまとめた。

≪比較例Ｉ≫
断熱材を用いなかったこと以外は、実施例Ｉと同様にして比較例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体を製造した。製造された比較例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体から実施例Ｉと同様に切り出すことにより、厚さ６００μｍの複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を製造した。製造された複数の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板のうち、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最シード側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を比較例Ｉ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とし、半絶縁性ＧａＡｓ結晶体１０の最テール側に対応する部分から得られた半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板を比較例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板とした。製造された比較例Ｉ−１（最シード側）および比較例Ｉ−２（最テール側）の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面の上記３つの測定領域（中心部測定領域Ｆ０、中間部測定領域Ｆ１および外周部測定領域Ｆ２）のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Ｉと同様にして評価した。結果を表１にまとめた。

表１を参照して、比較例Ｉ−１および比較例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板においては、主面の中心部測定領域、中間部測定領域および外周部測定領域のいずれにおいても比抵抗の平均値は５．０×１０⁷Ω・ｃｍ以上であったが、主面の中心部測定領域および外周部測定領域において、比抵抗の変動係数が０．５０を超えており、転位密度が１．０×１０⁴ｃｍ^-2以上であり、表面平坦度も１．０μｍ以上と大きかった。

上記の比較例Ｉ−１および比較例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板に対して、上記方策Ｉを行って製造した実施例Ｉ−１および実施例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板においては、主面の中心部測定領域、中間部測定領域および外周部測定領域のいずれにおいても、比抵抗の平均値は５．０×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の変動係数が０．５０以下である０．３９以下であり、転位密度が９．５×１０³ｃｍ^-2以下である８．６×１０³ｃｍ^-2以下であり、表面平坦度も０．８μｍ以下と小さかった。すなわち、上記方策Ｉを行った実施例Ｉ−１および実施例Ｉ−２においては、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板が得られた。

ここで、実施例Ｉ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側から切り出されたものであるため、実施例Ｉ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側の断面に相当した。また、実施例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側から切り出されたものであるため、実施例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側の断面に相当した。したがって、実施例Ｉ−１および実施例Ｉ−２の主面についての結果は、実施例Ｉの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側および最テール側の断面についての結果に相当した。すなわち、上記方策Ｉを行った実施例Ｉにおいては、断面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、断面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶体が得られた。

上記の比較例Ｉ−１および比較例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板に対して、上記方策ＩＩを行って製造した実施例ＩＩ−１および実施例ＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板においては、主面の中心部測定領域、中間部測定領域および外周部測定領域のいずれにおいても、比抵抗の平均値は５．０×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の変動係数が０．５０以下である０．４２以下であり、転位密度が９．５×１０³ｃｍ^-2以下である９．０×１０³ｃｍ^-2以下であり、表面平坦度も０．８μｍ以下と小さかった。すなわち、上記方策ＩＩを行った実施例ＩＩ−１および実施例ＩＩ−２においては、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板が得られた。

ここで、実施例ＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側から切り出されたものであるため、実施例ＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側の断面に相当した。また、実施例ＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側から切り出されたものであるため、実施例ＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側の断面に相当した。したがって、実施例ＩＩ−１および実施例ＩＩ−２の主面についての結果は、実施例ＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側および最テール側の断面についての結果に相当した。すなわち、上記方策ＩＩを行った実施例ＩＩにおいては、断面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、断面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶体が得られた。

上記の比較例Ｉ−１および比較例Ｉ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板に対して、上記方策ＩＩＩを行って製造した実施例ＩＩＩ−１および実施例ＩＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板においては、主面の中心部測定領域、中間部測定領域および外周部測定領域のいずれにおいても、比抵抗の平均値は５．０×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、比抵抗の変動係数が０．１０以下であり、転位密度が５．５×１０³ｃｍ^-2以下であり、表面平坦度も０．５μｍ以下と極めて小さかった。すなわち、上記方策ＩＩＩを行った実施例ＩＩＩ−１および実施例ＩＩＩ−２においては、主面における比抵抗のミクロ分布が極めて均一であり、主面のミクロ平坦性が極めて高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板が得られた。

ここで、実施例ＩＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側から切り出されたものであるため、実施例ＩＩＩ−１の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側の断面に相当した。また、実施例ＩＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板は実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側から切り出されたものであるため、実施例ＩＩＩ−２の半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板の主面は、実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最テール側の断面に相当した。したがって、実施例ＩＩＩ−１および実施例ＩＩＩ−２の主面についての結果は、実施例ＩＩＩの半絶縁性ＧａＡｓ結晶体の最シード側および最テール側の断面についての結果に相当した。すなわち、上記方策ＩＩＩを行った実施例ＩＩＩにおいては、断面における比抵抗のミクロ分布が極めて均一であり、断面のミクロ平坦性が極めて高い半絶縁性ＧａＡｓ結晶体が得られた。

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実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、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。

２ 結晶成長用坩堝、３ 断熱材、３ａ 第１材料、３ｂ 第２材料、４ ＧａＡｓ原料融液、１０ 半絶縁性ＧａＡｓ結晶体、１１ 半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板、１１ｎ ノッチ部、Ｅ１，Ｅ２ 測定用電極、Ｆ０ 中心部測定領域、Ｆ１ 中間部測定領域、Ｆ２ 外周部測定領域、ＳＣ ＧａＡｓ種結晶。

Claims (3)

1. 面方位が（１００）の直径２Ｒｍｍの主面において、
   前記主面の中心から［０１０］方向に、０ｍｍ、０．５Ｒｍｍ、および（Ｒ−１７）ｍｍの距離の点を中心とする３つの測定領域のそれぞれについて、
   前記測定領域の中心から［０１０］方向に−５ｍｍから＋５ｍｍの距離の範囲に亘って１００μｍピッチの１０１点で比抵抗の測定を行い、前記１０１点における前記比抵抗の測定値から算出される前記比抵抗の平均値が５×１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、
   ４５０℃の溶融水酸化カリウム中で２０分間エッチングしたときに形成されるエッチピットの各前記測定領域の中心の１ｍｍ角内の密度として算出される転位密度が９．５×１０³ｃｍ^-2以下である、半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。
2. 前記主面の直径２Ｒｍｍが１５０ｍｍ以上である、請求項１に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。
3. 前記転位密度が５．５×１０³ｃｍ^-2以下である、請求項１または請求項２に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。

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