JP2023510554A - 高品質ｉｉｉ族金属窒化物種結晶およびその製造方法 - Google Patents
高品質ｉｉｉ族金属窒化物種結晶およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023510554A JP2023510554A JP2022542707A JP2022542707A JP2023510554A JP 2023510554 A JP2023510554 A JP 2023510554A JP 2022542707 A JP2022542707 A JP 2022542707A JP 2022542707 A JP2022542707 A JP 2022542707A JP 2023510554 A JP2023510554 A JP 2023510554A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- group iii
- metal nitride
- iii metal
- substrate
- growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 303
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 303
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 282
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 273
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 300
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 232
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 359
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 83
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 70
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 65
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 31
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 22
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 21
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 18
- -1 In2CdO4 Chemical compound 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 9
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims description 8
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 claims description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 6
- 229910017109 AlON Inorganic materials 0.000 claims description 5
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910010092 LiAlO2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910010938 LiGa5O8 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910010936 LiGaO2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910004619 Na2MoO4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910020350 Na2WO4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- YQNQTEBHHUSESQ-UHFFFAOYSA-N lithium aluminate Chemical compound [Li+].[O-][Al]=O YQNQTEBHHUSESQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011684 sodium molybdate Substances 0.000 claims description 5
- 235000015393 sodium molybdate Nutrition 0.000 claims description 5
- TVXXNOYZHKPKGW-UHFFFAOYSA-N sodium molybdate (anhydrous) Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Mo]([O-])(=O)=O TVXXNOYZHKPKGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- XMVONEAAOPAGAO-UHFFFAOYSA-N sodium tungstate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][W]([O-])(=O)=O XMVONEAAOPAGAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 5
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 76
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 73
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 30
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 25
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 20
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 18
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 17
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 15
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 13
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 11
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 11
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 10
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 9
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 7
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 6
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 6
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 6
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 6
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 5
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910008479 TiSi2 Inorganic materials 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910007946 ZrB Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 4
- DFJQEGUNXWZVAH-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)titanium Chemical compound [Si]=[Ti]=[Si] DFJQEGUNXWZVAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 4
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 4
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 3
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003682 fluorination reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 2-iodoquinoline Chemical compound C1=CC=CC2=NC(I)=CC=C21 FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015844 BCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000001973 Ficus microcarpa Species 0.000 description 1
- 229910005258 GaBr3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005267 GaCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005270 GaF3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005263 GaI3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020261 KBF4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910026161 MgAl2O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003910 SiCl4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004541 SiN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 150000001447 alkali salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910000095 alkaline earth hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AJGDITRVXRPLBY-UHFFFAOYSA-N aluminum indium Chemical compound [Al].[In] AJGDITRVXRPLBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- SWLVFNYSXGMGBS-UHFFFAOYSA-N ammonium bromide Chemical compound [NH4+].[Br-] SWLVFNYSXGMGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 description 1
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UKFWSNCTAHXBQN-UHFFFAOYSA-N ammonium iodide Chemical compound [NH4+].[I-] UKFWSNCTAHXBQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001540 azides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N beryllium oxide Inorganic materials O=[Be] LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 229910019990 cerium-doped yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000011243 crosslinked material Substances 0.000 description 1
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K gallium trichloride Chemical compound Cl[Ga](Cl)Cl UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- SRVXDMYFQIODQI-UHFFFAOYSA-K gallium(iii) bromide Chemical compound Br[Ga](Br)Br SRVXDMYFQIODQI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- DWRNSCDYNYYYHT-UHFFFAOYSA-K gallium(iii) iodide Chemical compound I[Ga](I)I DWRNSCDYNYYYHT-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- GVGCUCJTUSOZKP-UHFFFAOYSA-N nitrogen trifluoride Chemical compound FN(F)F GVGCUCJTUSOZKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920000137 polyphosphoric acid Polymers 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N silicon tetrachloride Chemical compound Cl[Si](Cl)(Cl)Cl FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000009763 wire-cut EDM Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B7/00—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
- C30B7/10—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions by application of pressure, e.g. hydrothermal processes
- C30B7/105—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions by application of pressure, e.g. hydrothermal processes using ammonia as solvent, i.e. ammonothermal processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/04—Pattern deposit, e.g. by using masks
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B33/06—Joining of crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
Abstract
貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列パターンを有するアモノサーマルＩＩＩ族金属窒化物結晶、高品質アモノサーマルＩＩＩ族金属窒化物結晶の製造方法、およびその使用方法を開示する。本結晶は、バルク種結晶成長の用途で有用であるほか、発光ダイオード用、レーザダイオード用、トランジスタ用、光検出器用、太陽電池用の基板としても、水素生成デバイスの光電気化学的水分解の用途でも有用である。
Description
本開示は、概して、ガリウム含有窒化物基板などのＩＩＩ族金属窒化物基板を製造するための材料加工技術に関する。より詳細には、本開示のいくつかの実施形態は、各加工技術を組み合わせて大面積の基板を成長させる技術を含む。本開示は、バルク基板またはパターン基板の製造のためのＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの結晶成長に適用することができる。このようなバルク基板やパターン基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解、水素生成、光検出器、集積回路、パワーダイオード、トランジスタなどの様々な用途に使用することができる。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系の光電子デバイスや電子デバイスは、商業的に非常に重要なデバイスである。しかし、これらのデバイスでは、半導体層の欠陥（特に貫通転位や、粒界、歪み）のレベルが高くなり、そのためにデバイスの品質と信頼性が損なわれていた。貫通転位は、ＧａＮ系半導体層とサファイアや炭化ケイ素などの非ＧａＮ基板との格子不整合によって発生する恐れがある。粒界は、エピタキシャル成長層の結合部(coalescence front)から生じる恐れがある。またさらに、具体的にどのように層が成長するかによって、熱膨張不整合や、不純物、チルト粒界による欠陥が発生する恐れもある。
欠陥の存在は、その後に成長するエピタキシャル層に悪影響を与える恐れがある。そして、このような悪影響の中には、電子デバイスの性能低下を引き起こしてしまうものもある。しかし、上述の欠陥を解消する技術は既に提案されてはいるものの、これらの技術では、欠陥の密度や影響を低減するために、複雑かつ煩雑な作製プロセスが必要であった。従来から数多くの窒化ガリウム結晶の成長方法が提案されてきたにも関わらず、依然として限界は存在する。つまり、従来の方法には、費用対効果や効率性の面でまだ改善の余地が残されているのである。
一方で、ヘテロエピタキシャルＧａＮ層よりも欠陥レベルを大幅に抑えた大面積の窒化ガリウム結晶成長の技術も進歩している。とはいえ、大面積のＧａＮ基板を成長させる技術の主流は、サファイア、シリコン（ケイ素）、ＧａＡｓなどの非ＧａＮ基板上にＧａＮを成膜するものであり、これには、大口径基板を安価に商業供給できる利点がある。ただし一般に、この方法では、肉厚のブール（boule）の表面全体にわたって貫通転位が平均密度１０５～１０７ｃｍ－２で発生し、ブールのボウ（bow）、応力、歪みも大きくなってしまう。さらに、そのような歪みによる結晶曲率半径は通常約１～１０メートルとなるため、このブールから５０ｍｍウェハや１００ｍｍウェハを作製すれば、ウェハの直径にわたる結晶のミスカットのばらつきが、０．１～１度の範囲またはそれ以上になってしまう。しかし、貫通転位の密度やミスカットのばらつきの低減は、多くの用途で望まれている。ボウや、応力、歪みが発生すれば、ブールをウェハにスライス加工する際の歩留まりが低下し、下流工程でウェハに亀裂が入りやすくなり、デバイスの信頼性や寿命にも悪影響を与える恐れがある。ミスカットにばらつきがあれば、エピタキシャル層成長時の様々な化学種の取り込みにもばらつきが生じる。そして例えば、ＬＥＤやレーザのデバイス構造において、インジウムの取り込み量にばらつきがあると、ウェハ内で発光波長にばらつきが生じるため、デバイス製造業者が、個々のデバイスの出力を測定し、それに合わせてテスト（bin）しなければならなくなり、コストアップにつながる。また、ミスカットのばらつきが、ダイオードやトランジスタなどのパワーデバイスの信頼性や寿命を低下させることも分かっている。さらに、ボウや、応力、歪みの結果として、ｍ面や半極性方向への成長時に、アモノサーマル成長などの準平衡（near equilibrium）成長技術を用いたとしても、積層欠陥がかなりの密度で発生する恐れがあることも分かっている。また、亀裂や複数の結晶ドメインが形成されるなど、ｃ面成長の品質が不十分となる恐れもあった。よって現在、４インチ（約１０２ｍｍ）を上回る基板を製造する能力は非常に限られており、結晶方位が非極性または半極性の大面積ＧａＮ基板を製造する能力も限られている。
アモノサーマル結晶成長法は、ＧａＮブールを製造する手段として、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy：ＨＶＰＥ）法に比べて多くの利点がある。しかし、アモノサーマルＧａＮ結晶成長プロセスの性能は、種結晶のサイズと品質に大きく依存し得る。従来のＨＶＰＥ法で作製された種結晶は、そこから新たに成長させたアモノサーマル材料との間に格子不整合が生じるという問題や、上述の限界の多くが当てはまるという問題があるため、現在、大面積のアモノサーマル成長結晶が広く利用されるまでには至っていない。
少なくとも上記のような問題点から、結晶成長プロセス改良技術によって形成された、欠陥密度を低減した基板が求められている。
本開示によれば、ガリウム系基板を製造するための材料加工技術に関するさらなる技術が提供される。より詳細には、本開示のいくつかの実施形態は、各加工技術を組み合わせて大面積の基板を成長させる技術を含む。単なる一例に過ぎないが、本開示は、バルク基板またはパターン基板の製造のためのＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの結晶成長に適用することができる。このようなバルク基板やパターン基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解と水素生成、光検出器、集積回路、トランジスタなどの様々な用途に使用することができる。
本開示のいくつかの実施形態は、以下のような自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法を含む。本方法は、支持基板を、テンプレート基板と、テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップと、テンプレート基板を除去して、ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップと、を含む。テンプレート基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＹＦｅＺｎＯ４、ＭｇＯ、Ｆｅ２ＮｉＯ４、ＬｉＧａ５Ｏ８、Ｎａ２ＭｏＯ４、Ｎａ２ＷＯ４、Ｉｎ２ＣｄＯ４、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＬｉＧａＯ２、Ｃａ８Ｌａ２（ＰＯ４）６Ｏ２、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの１つを含む。支持基板は、多結晶体であり、支持基板の第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃においてＩＩＩ族金属窒化物層の第１の方向の熱膨張係数と約１５％以内で等しく、さらに支持基板は、ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む。
本開示のいくつかの実施形態は、以下のような自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法をさらに含むことができる。本方法は、支持基板を、テンプレート基板と、テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップと、テンプレート基板を除去して、複数の孤立成長中心領域のパターンを含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップと、孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長したＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これによりバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、を含む。支持基板は多結晶体であり、支持基板の第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃においてＩＩＩ族金属窒化物層の熱膨張係数の±１５％以内であり、さらに支持基板は、ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む。複数の孤立成長中心領域のそれぞれは、ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む。
本開示の趣旨および利点は、明細書および添付図面を参照することによりさらに深く理解することができるであろう。
上記では、本開示を簡単に要約したが、上記の本開示の各特徴を詳細に理解することができるように、いくつかの実施形態を参照して本開示をより詳細に説明する。また、それら実施形態の一部は、添付の図面でも図示している。しかしながら、添付の図面は、例示的な実施形態を例示するものに過ぎず、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なされるべきものではなく、同様の効果を有する他の実施形態も認め得るものであることに留意されたい。
なお、説明をわかりやすくするため、各図面に共通する同一の要素は、可能な限り同一の参照番号を用いて示す。また、特に記載がなくとも、ある実施態様の要素や特徴を他の実施態様に適宜組み込むことが可能であることが企図されている。
本開示によれば、ＩＩＩ族金属窒化物基板およびガリウム系基板を製造するための材料加工技術に関する技術が提供される。より詳細には、本開示のいくつかの実施形態は、各加工技術を組み合わせて大面積の基板を成長させる技術を含む。単なる一例に過ぎないが、本開示は、バルク基板またはパターン基板の製造のためのＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの結晶成長に適用することができる。このようなバルク基板やパターン基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解と水素生成、光検出器、集積回路、トランジスタなどの様々な用途に使用することができる。
ＧａＮにおける貫通転位は、強い非発光再結合（non-radiative recombination）中心として働き、ＧａＮ系ＬＥＤやレーザダイオードの効率を著しく低下させることが知られている。非発光再結合は局所的な発熱を引き起こし、デバイスの劣化を早める恐れがある（Ｃａｏ ｅｔ ａｌ．， Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ２００３， ４３（１２）， １９８７－１９９１）。高出力用途では、ＧａＮ系デバイスは、電流密度の増大とともに効率が低下する（ドループ（droop）として知られる）問題がある。ＬＥＤの転位密度とドループの大きさとの間には相関があることが証明されている（Ｓｃｈｕｂｅｒｔ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００７， ９１（２３）， ２３１１１４）。ＧａＮ系レーザダイオードの場合、転位密度と平均故障時間（mean time to failure：ＭＴＴＦ）との間に負の相関があることが多くの文献で報告されており（Ｔｏｍｉｙａ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００４， １０（６）， １２７７－１２８６）、このような負の相関は転位に沿った不純物の拡散によるものと考えられる（Ｏｒｉｔａ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ２００９， ７３６－７４０）。電子デバイスの場合、転位によってＨＥＭＴ構造のリーク電流が著しく増大し（Ｋａｕｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ２０１１， ４（２）， ０２４１０１）、デバイス寿命を低下させる（Ｔａｐａｊｎａ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１１， ９９（２２）， ２２３５０１－２２３５０３）ことが証明されている。エピタキシャル薄膜成長用の基板材料としてバルクＧａＮを用いる主な利点の１つとして、薄膜の貫通転位密度を大きく低減できることがある。したがって、バルクＧａＮ基板の転位密度は、デバイスの効率と信頼性に大きな影響を与える。
上述のように、横方向エピタキシャル成長（lateral epitaxial overgrowth：ＬＥＯ）は、気相法で成長させる膜の結晶品質を向上させる方法として広く適用されている。例えば、サファイア基板上にＧａＮ層を核形成し、このＧａＮ層上に、開口部を周期的に配列したＳｉＯ２マスクを成膜し、ＳｉＯ２マスク層の開口部内に有機金属化学気相成長（metalorganic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）でＧａＮを成長させ、そのままマスク上を沿面方向（lateral）に成長させて結合する方法が報告されている。マスクの開口部上の領域の転位密度は、マスク下の層と同様に非常に高かったが、沿面成長によって形成された開口部の間の領域の転位密度は、桁違いに低かった。この方法は、転位密度を大幅に低減しながら大面積の基板に適用できるため魅力的である。そして、同様の方法が様々に派生しながら、数多くの団体によりＧａＮ層の気相成長に適用されてきた。これらの方法は、ＬＥＯ、エピタキシャル横方向成長（epitaxial lateral overgrowth：ＥＬＯまたはＥＬＯＧ）、選択領域成長（selective area growth：ＳＡＧ）、逆ピラミッド型ピットを用いたエピタキシャル成長による転位除去（dislocation elimination by epitaxial growth with inverse pyramidal pits：ＤＥＥＰ）など様々な呼称で呼ばれている。これらのＬＥＯ法から派生した方法は、事実上すべて、ヘテロエピタキシャルＧａＮ層の薄膜を非ＧａＮ基板上に成長させて、パターンマスクをＧａＮ層上に成膜し、マスクに１次元または２次元に配列された複数の開口部から成長を再開させる方法であると考えられる。マスクの開口部が画定する成長位置の周期（ピッチ）は、通常２～４００マイクロメートルであり、約５～１００マイクロメートルが特に一般的である。そして個々のＧａＮ微結晶（領域）は、成長して互いに結合（coalesce）する。そして、この結合したＧａＮ材料の上にエピタキシャル成長を継続して、厚膜すなわち「インゴット（ingot）」を作製することができる。その後、ＨＶＰＥ法で、結合したＧａＮ材料の上に比較的厚いＧａＮ層を成膜することができる。ＬＥＯプロセスによって、特にマスク上の領域の転位密度を大きく低減することでき、通常、約１０５～１０７ｃｍ－２のレベルまで低減させることができる。しかし、形成されたＬＥＯ層において沿面方向に成長したウイング部は、下地の基板に対して結晶がチルトしている場合（「ウイングチルト（wing tilt）」）があり、チルト角は数度に達することもある。このようなチルトは、薄膜プロセスでは許容範囲内かもしれないが、バルク結晶成長プロセスでは許容範囲を上回るものと考えられる。応力や亀裂を生じさせるとともに、表面結晶方位に許容できないばらつきを生じさせる可能性があるためである。
しかし、いくつかの要因から、従来利用されてきたＬＥＯ法には限界があり、平均転位密度を約１０５～１０７ｃｍ－２未満まで低減したり、５０ｍｍウェハや１００ｍｍウェハのミスカットのばらつきを約０．１度未満まで低減したりするまでには至っていない。第一に、マスク層に形成される開口パターンのピッチは小さくなる傾向があるが、用途によってはより大きなピッチが望ましい場合もある。第二に、ｃ面ＬＥＯ成長は、一般的に（０００１）方向、つまりＧａ面方向で行われるが、これには少なくとも２つの限界がある。１つ目の限界は、Ｍ方向の成長速度が（０００１）方向の成長速度よりも遅い傾向があり、半極性の（１０－１１）ファセットが多く形成されることから、厚みが増すにつれ全体の結晶径が小さくなるため、大ピッチパターンで結晶を結合させることが難しいということである。もう１つの限界は、（０００１）方向の成長では、他の結晶学的方向の成長とは大きく異なり、酸素が脱離する傾向があることである。その結果、種として用いた（０００１）成長ＨＶＰＥ結晶と、その上に別の手法で成長させた結晶との間に、大きな格子不整合が生じる場合があった。さらに、ＬＥＯプロセスで半極性ファセットが形成されると、酸素（または他のドーパント）レベルが大きく変動し、格子定数に沿面方向のばらつきが生じるとともに応力が発生し、ＬＥＯ結晶自体や、ＬＥＯ結晶を結晶種として用いてその上に成長させる結晶に亀裂が生じる恐れがある。第三に、基板とその上に成長させるＬＥＯ層とでの熱膨張係数（coefficient of thermal expansion：ＣＴＥ）が異なる場合があり、特にＬＥＯ層の厚さが５０マイクロメートルを上回る場合には、大きな応力が発生し、亀裂につながる恐れがある。バルクＧａＮのＣＴＥについては、数多くの著者によって報告されており、例えば、室温での格子方向「ａ」における線熱膨張係数が４．３０×１０－６／Ｋであり、格子方向「ｃ」における線熱膨張係数が３．８４×１０－６／Ｋであるとの報告がある（Ｃ． Ｒｏｄｅｒ， Ｓ． Ｅｉｎｆｅｌｄｔ， Ｓ． Ｆｉｇｇｅ， ａｎｄ Ｄ． Ｈｏｍｍｅｌ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ， Ｖｏｌ． ７２， ａｒｔｉｃｌｅ ０８５２１８ （２００５））。２５～７００℃の温度範囲では、ａ軸方向の平均値は６．０５×１０－６／Ｋ、ｃ軸方向の平均値は５．２４×１０－６／Ｋであった。
ＬＥＯ法から派生した方法は、ＨＶＰＥ法以外の他のＩＩＩ族金属窒化物の成長技術でも開示されている。第一の例として、米国特許出願公開第２０１４／０１４７６５０号明細書（現米国特許第９５８９７９２号明細書、Ｊｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ．）には、アモノサーマル法によるＩＩＩ族金属窒化物のＬＥＯ成長プロセスが開示されている。しかし、アモノサーマル環境は反応性が高いため、この方法を大面積のヘテロ基板やテンプレートに適用すると、マスキング材料の要件が非常に厳しくなる。第二の例として、米国特許出願公開第２０１４／０３２８７４２号明細書（現米国特許第９８３４８５９号明細書、Ｍｏｒｉ， ｅｔ ａｌ．）には、ナトリウムフラックス法（sodium-gallium flux）でのＩＩＩ族金属窒化物のＬＥＯ成長プロセスが開示されている。しかし、この方法では、一般に、結合に関与している微結晶が顕著な半極性ファセットを有しているため、結合した結晶の不純物含有量の沿面方向のばらつきが大きく、結合した窒化物層とこの結合した窒化物層とは異なる材料を含むヘテロ基板との間の熱膨張が整合せず、制御されない亀裂の発生につながる場合があった。
これに代わる、大面積のＩＩＩ族窒化物結晶を作製する方法として、「タイル（tile）」状の結晶を互いに精密に並べ、「支持（handle）」基板上に配置（接合）し、結晶成長によって結合させるタイリングという方法もある。例えば、米国特許第７９６４４７７号明細書（Ｆｕｊｉｗａｒａ）には、結晶成長法としてＨＶＰＥを用いたＧａＮタイル結晶の結合方法が開示され、米国特許第９５６４３２０号明細書（Ｄ’Ｅｖｅｌｙｎ， ｅｔ ａｌ．）には、アモノサーマル結晶成長法を用いたＧａＮタイル結晶の配列および結合方法が開示されている。しかし、タイル結晶の数が多い場合には特に、タイル結晶を正確に並べることは非常に困難であり、よって通常、タイル境界の貫通転位密度が高くなって、亀裂が発生しやすくなる恐れがあった。さらに、支持基板、接合材、タイル結晶の熱膨張係数（ＣＴＥ）の違いにより、方位差（misorientation）や応力、亀裂が発生する場合がある。成長環境（例えばアモノサーマル環境など）との相性が悪いと、成長した結晶に好ましくない汚染が生じる可能性もあった。さらに、最終的な結晶の大きさは、入手可能な支持ウェハの大きさに制限される。
また、さらに他の大面積のＩＩＩ族窒化物結晶を作製する手法として、第１の基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物層を第２の基板に転写する層転写（layer transfer）法がある。例えば、米国特許第８１０１４９８号明細書（Ｐｉｎｎｉｎｇｔｏｎ， ｅｔ ａｌ．）には、ＩＩＩ族金属窒化物層をＣＴＥが一致する基板に転写する方法が開示され、米国特許第９６５０７２３号明細書（Ｄ’Ｅｖｅｌｙｎ， ｅｔ ａｌ．）には、この構造をさらに加工して、アモノサーマル成長の種結晶として利用する方法が開示されている。しかし、通常、ＣＴＥは温度に対して非線形に変化し、ある温度範囲におけるＣＴＥの平均値からのばらつきは材料によって異なる。よって支持基板とＩＩＩ族金属窒化物層の組成が異なる場合、たとえ両者のＣＴＥ平均値が同じであったとしても、ＣＴＥを全温度範囲にわたって完全に一致させることは非常に難しい。さらに、後者の方法の場合、使用するマスク材では、アモノサーマル結晶成長環境を完全に遮断するような気密性は得られないため、成長中の結晶が好ましくない汚染物質に曝される恐れがあった。
高品質な種結晶は、ＩＩＩ族金属窒化物およびガリウム系基板を形成するために用いられるほとんどの真のバルク結晶成長プロセスにとって重要であり、大面積の種結晶は、アモノサーマル成長法などの方法によってＩＩＩ族金属窒化物およびガリウム系基板を形成する場合に特に有用である。しかし、現在、大面積の窒化ガリウム結晶の多くは、上述のようにＨＶＰＥ法で（０００１）方向に成長させている。このＨＶＰＥ法で形成された材料では、通常、貫通転位の密度が望ましくない高さになってしまうことに加え、ＨＶＰＥ法で（０００１）方向に成長したバルクＧａＮと高窒素圧法やＭＯＣＶＤ法などの他の方法で成長したバルクＧａＮとの間には、小さいが格子不整合があると考えられている（Ｄａｒａｋｃｈｉｅｖａ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， ２００８， ３１０（５）， ９５９－９６５）。このような格子不整合は、０．００１オングストローム程度の大きさであり、これは２．５×１０－４程度の歪みに相当する。また、ＨＶＰＥ法で（０００１）方向に成長したＧａＮとアモノサーマル法で成長したＧａＮとの間の格子不整合はさらに大きく、例えば、約０．００３オングストロームに達する場合があり、これは８×１０－４程度の歪みに相当する。この歪みレベルは一見小さく見えるかもしれないが、小さい方の歪み値でもＭａｔｔｈｅｗｓ－Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界膜厚（歪みを有するエピタキシャル層において転位形成が始まる臨界的な膜厚を予測した値）はわずか約０．８マイクロメートルとなってしまう。ＨＶＰＥ法で作製したＧａＮの上にバルクＧａＮを重ねた（bulk-on-HVPE GaN）積層構造がこの臨界膜厚を超えると、転位形成に利用できるエネルギー機構があれば転位形成にエネルギーを消費してしまうため、その分だけエネルギーが減ってしまう。また、転位形成によるエネルギー緩和ができない場合、厚い層では亀裂形成によってエネルギーを緩和させる恐れもある。Ｍａｔｔｈｅｗｓ－Ｋｌｏｋｈｏｌｍ式を用いると、ＨＶＰＥ法で形成したＧａＮの上に５５０℃でアモノサーマル成長させた膜を有する構造では、これを超えると亀裂発生の恐れがある膜厚である臨界膜厚は、実際の歪みに応じて異なるが、３～１０マイクロメートルである。例えば、ＨＶＰＥ法で形成したＧａＮ種結晶上にアモノサーマル法でＧａＮ層を積層する場合に亀裂形成の恐れのある膜厚は、約０．１ミリメートル超、約０．２ミリメートル超、約０．５ミリメートル超、約１ミリメートル超、約２ミリメートル超、約５ミリメートル超である。そのため、例えば、ドーピングレベルを変化させるなどの方法により、ＨＶＰＥ法で成長させる種結晶の格子定数を調整して、その上に成長させるアモノサーマル結晶の格子定数と完全に一致させることができれば、望ましいと考えられる。
図１Ａは、大面積のＩＩＩ族窒化物結晶成長に使用することができ、上述した限界を回避する種結晶の作製方法内の処理工程を示す概略断面図である。図１Ａを参照すると、テンプレート基板１０１が示されている。テンプレート基板１０１は、好ましくは、単結晶である基板材料からなる（または含む）。テンプレート基板１０１は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはシリコンなどの材料からなる（または含む）市販の大口径基板とすることができる。代替的な実施形態では、テンプレート基板１０１は、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＹＦｅＺｎＯ４、ＭｇＯ、Ｆｅ２ＮｉＯ４、ＬｉＧａ５Ｏ８、Ｎａ２ＭｏＯ４、Ｎａ２ＷＯ４、Ｉｎ２ＣｄＯ４、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＬｉＧａＯ２、Ｃａ８Ｌａ２（ＰＯ４）６Ｏ２、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなる（または含む）。テンプレート基板１０１の大面積表面のうちの一面または両面に対して、研磨および／または化学機械研磨を施すことができる。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、サファイアからなり（または含み）、（０００１）、（１０－１０）、（１０－１２）、（２２－４３）、または（１１－２３）の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有する大面積表面１０２を有している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、サファイアからなり（または含み）、（０００１）から、｛１１－２０｝ａ面の方向に、｛１０－１０｝ｍ面の方向に、またはａ面とｍ面の中間のａ面の方向に、約０．５度～約８度または約２度～約４度の方位差が生じている大面積表面１０２を有している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は立方晶構造を有しており、大面積表面１０２は、｛１１１｝、｛１００｝、｛１１０｝、または｛１１４｝の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有している。その他の方位も選択することができる。大面積表面１０２は、最大沿面寸法を約５ミリメートル～約６００ミリメートル、最小沿面寸法を約１ミリメートル～約６００ミリメートルとすることができ、テンプレート基板１０１の厚さは、約１０マイクロメートル～約１０ミリメートルまたは約１００マイクロメートル～約２ミリメートルとすることができる。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、実質的に円形であり、１つ以上のオリフラ（orientation flat）を有する。代替的な実施形態では、テンプレート基板１０１は、実質的に矩形である。特定の実施形態では、大面積表面１０２の最大寸法は、約５０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、または３００ｍｍである。大面積表面１０２の結晶方位のばらつきは、約５度未満、約２度未満、約１度未満、約０．５度未満、約０．２度未満、約０．１度未満、または約０．０５度未満とすることができる。
テンプレート基板１０１の表面貫通転位密度は、約１０７ｃｍ－２未満、約１０６ｃｍ－２未満、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、または約１０２ｃｍ－２未満とすることができる。テンプレート基板１０１の積層欠陥密度は、約１０４ｃｍ－１未満、約１０３ｃｍ－１未満、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１、または約１ｃｍ－１未満とすることができる。テンプレート基板１０１の対称面のＸ線ロッキングカーブ半値全幅（symmetric x-ray rocking curve full width at half maximum：ＦＷＨＭ）は、約５００秒角未満、約３００秒角未満、約２００秒角未満、約１００秒角未満、約５０秒角未満、約３５秒角未満、約２５秒角未満、または約１５秒角未満とすることができる。テンプレート基板１０１の結晶曲率半径は、少なくとも１つ、少なくとも２つ、または３つの独立方向または直交方向において、１０メートル超、１００メートル超、または１０００メートル超とすることができる。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、（０００１）方位のファセットを含む特定の領域を露出させ、他の領域をマスクしてパターニングする。
特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３が、テンプレート基板１０１の表面１０２に接合されるか、またはその上に形成される。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３はガリウムを含み得る。以下では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３とテンプレート基板１０１とを合わせてテンプレート１０４と呼ぶ。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の成膜は、ＨＶＰＥ法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などによって行うことができる。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の厚さは、約１マイクロメートル～約１ミリメートル、または約２マイクロメートル～約１００マイクロメートル、約３マイクロメートル～約２５マイクロメートル、または約５マイクロメートル～約１５マイクロメートルとすることができる。特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３は、ウルツ鉱結晶構造を有しており、（０００１）＋ｃ面、（０００－１）－ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、または｛３０－３±４｝の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有している。なお、当然ながら、｛３０－３±４｝面は、｛３０－３４｝面と｛３０－３－４｝面を意味している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１とＩＩＩ族金属窒化物層１０３との界面に核形成層（図示せず）が存在する。特定の実施形態では、核形成層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、および酸化亜鉛のうちの１つ以上からなる（または含む）。特定の実施形態では、核形成層は、低温ＭＯＣＶＤ、スパッタリング、及び電子ビーム蒸着のうちの少なくとも１つによって、テンプレート基板１０１上に成膜される。特定の実施形態では、核形成層の厚さは、約１ナノメートル～約２００ナノメートルまたは約１０ナノメートル～約５０ナノメートルである。
図１Ｂを参照すると、さらに、表面１１５を有する支持基板１１７が示されている。いくつかの実施形態では、さらに後述するように、表面１１１を有する接着層１１３が、支持基板１１７の表面１１５上に配置される。支持基板１１７は、単結晶、多結晶または非晶質の基板材料からなる（または含む）。支持基板１１７は、サファイア、酸化アルミニウム、ムライト、シリコン、窒化ケイ素、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム、酸化スズ、リン化インジウム、酸化ベリリウム、化学気相成長（ＣＶＤ）合成ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、ＹＡＧ：Ｃｅ、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ガリウムアルミニウムインジウム、酸窒化アルミニウム、または窒化アルミニウムからなる（または含む）ことができる。支持基板１１７は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３と実質的に同一の組成物からなる（または含む）ことができる。特定の実施形態では、支持基板１１７は、配向性または高配向性の多結晶ＩＩＩ族金属窒化物からなる（または含む）。ＧａＮのＣＴＥはａ軸方向とｃ軸方向で約１２％異なるため、例えば多結晶ＧａＮが単結晶ＧａＮ層とＣＴＥが完全に一致することはない。しかし、両者のＣＴＥの差は小さく、ａ軸方向とｃ軸方向でＣＴＥの温度依存性は類似している。また、多結晶ＧａＮ材料がｃ軸方向に優先的に配向した状態に限れば、その沿面方向のＣＴＥは単結晶ＧａＮのａ軸方向のＣＴＥにほぼ近似することになる。配向性の多結晶ＩＩＩ族金属窒化物の例示的な作製方法については、米国特許第８０３９４１２号明細書および同第１００９４０１７号明細書に記載されており、これらの特許明細書のすべての内容は引用することによって本明細書の一部をなすものとする。ある詳細な実施形態では、支持基板１１７は、酸素ドープ窒化アルミニウムからなる（または含む）。ある詳細な実施形態では、支持基板１１７は、以下に詳述するように、他の方法で合体した（すなわちタイリングで一体化した）結晶からなる（または含む）。
特定の実施形態では、支持基板１１７は、１以上のＩＩＩ族金属窒化物単結晶からなる（または含む）。当該ＩＩＩ族金属窒化物単結晶は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３と実質的に同一の組成物を含み、これにより、支持基板１１７とＩＩＩ族金属窒化物層１０３のＣＴＥは任意の温度範囲にわたってほぼ一致する。特定の実施形態では、支持基板１１７は、例えば、本明細書の後段および米国特許第９５６４３２０号明細書に説明するようなタイリングによって作製される。特定の実施形態では、支持基板１１７は、例えば、米国特許第９６５０７２３号明細書に説明するような層転写プロセスによって作製される。特定の実施形態では、支持基板１１７内の１つ以上の単結晶は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の単結晶の約１０度以内、約５度以内、約２度以内、または約１度以内の結晶方位を有している。特定の実施形態では、支持基板１１７内およびＩＩＩ族金属窒化物層１０３内の１以上のＩＩＩ族金属窒化物単結晶は、ｃ面配向を有し、面内熱膨張係数が等方性である。このような実施形態では、したがって、異なるＩＩＩ族金属窒化物単結晶間またはタイリングによって作製した複合体内のタイル結晶間の配向方位および分極方位の違いが、支持基板１１７自体の熱膨張係数やＩＩＩ族金属窒化物層１０３との熱膨張係数の整合性に影響を与えることはほとんどないと考えられる。支持基板１１７は、室温～約７００℃の温度における表面１１５（すなわち、Ｘ－Ｙ平面）に平行な方向の熱膨張係数を、約２．５×１０－６Ｋ－１～約７×１０－６Ｋ－１とすることができる。支持基板１１７は、室温～約７００℃の温度における表面１１５に平行な方向の熱膨張係数を、約５．５×１０－６Ｋ－１～約６．５×１０－６Ｋ－１とすることができる。支持基板１１７は、室温～約７００℃の温度における表面１１５に平行な方向の熱膨張係数を、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の熱膨張係数の約１５％以内、約１０％以内、約５％以内、約２％以内、または約１％以内とすることができる。支持基板１１７の表面１１５は、光学的に平坦とすることができ、平坦度狂いを、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．２マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、または０．０５マイクロメートル未満とすることができる。表面１１５は、非常に平滑な表面とすることができ、少なくとも１０マイクロメートル×１０マイクロメートルの面積で測定した二乗平均平方根粗さは、５ナノメートル未満、２ナノメートル未満、１ナノメートル未満、０．５ナノメートル未満、０．２ナノメートル未満、０．１ナノメートル未満、または０．０５ナノメートル未満であってよい。支持基板１１７は、当業者が支持基板１１７越しに活字を読み取ることができるように、可視波長光で実質的に透明とすることができる。
図２Ａおよび図２Ｂは、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを接合した集合体２０６の２つの例を示す概略平面図である。これらの集合体２０６を図１Ｂに示すような単一の大面積支持基板１１７の代わりに使用して、大面積のＩＩＩ族窒化物結晶を作製することができる。この作製方法では、タイル結晶は、大面積の支持基板１１７基板上に配置（接合）されるのではなく、少なくとも２つの層２０４Ａ、２０４Ｂをなすように重なり配置される支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを構成するように並べられる。好ましい実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３と実質的に同一の組成を有している。これにより、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２ＢがＩＩＩ族金属窒化物層１０３上に配置された後に、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２ＢとＩＩＩ族金属窒化物層１０３の熱膨張係数が、任意の温度範囲にわたって正確に一致する状態が確実に得られる。詳細な実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、例えば、窒化ガリウムなどのＩＩＩ族窒化物で構成されるウェハからなる（または含む）。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、テセレーション（tessellation）（すなわち、２次元空間充填によって集合体を形成すること）を行うことができるように、多角形形状に端縁が切り整えられている。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、同じ大きさの正六角形の形状に切り整えられている。また、三角形、正方形、矩形、平行四辺形、台形などの他の形状でテセレーションを行うこともできる。なお、すべての支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを同じサイズまたは形状とすることは有用であると考えられるが、必須というわけではない。端縁は、ダイシングソー加工、ワイヤーソー加工、レーザ加工、ワイヤー放電加工、ウォータージェット切削加工などによって切り整えることができる。特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの最大沿面寸法は、１０～１６０ミリメートル、２０～１１０ミリメートル、または４４～５５ミリメートルである。特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの厚さは、約５０マイクロメートル～約１２００マイクロメートル、約２００～約６００マイクロメートル、または約２５０～約３５０マイクロメートルである。特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの厚さは、５マイクロメートル以下、２マイクロメートル以下、または１マイクロメートル以下の精度の一定性、均一性を有している。特定の実施形態では、各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂのボウは、約２５マイクロメートル未満、約１５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満である。特定の実施形態では、各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの全体厚さムラ（total thickness variation：ＴＴＶ）は、約５マイクロメートル未満、約２マイクロメートル未満、または約１マイクロメートル未満である。特定の実施形態では、各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの法線は、他の各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの法線の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有する。
特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、接着層（図示せず）で被覆されている。接着層は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｃ、Ｙ、Ｒ（Ｒは希土類元素）、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、またはＰｂ、またはこれらの酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物の少なくとも１つからなる（または含む）ことができる。詳細な実施形態では、接着層はＡｕまたはＡｇを含み、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＴｉＷの下地層を有している。接着層は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、化学気相成長、プラズマ化学気相成長などにより成膜することができ、成膜した金属膜を熱酸化、熱窒化、熱フッ素化することにより形成することもできる。接着層の厚さは、約１ナノメートル～約１０マイクロメートル、または約１０ナノメートル～約１マイクロメートルとすることができる。（１つ以上の）接着層をアニール処理することもでき、例えば、約３００℃～約１０００℃の温度でアニール処理を行うことができる。
ここで、再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、少なくとも２つの層２０４Ａ、２０４Ｂを上下（Ｚ方向）に積層するようにテセレーションを行う（２次元集合体を形成する）ことができる。上層２０４Ａ内の隣接する支持体構成結晶２０２Ａおよび下層２０４Ｂ内の隣接する支持体構成結晶２０２Ｂは、１つ以上の隣接する支持体構成結晶と直接当接していてもよく、隙間を空けて隣接していてもよい。この隙間は小さいものとすることができ、例えば、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約１５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満とすることができる。特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体層２０４Ａ、２０４Ｂに垂直な結晶配向方位は、１０度以内、５度以内、２度以内、または１度以内の精度の均一性を有している。各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、自身が含まれる層とは異なるもう一方の層２０４Ｂ、２０４Ａの３つまたは４つの隣接する支持体構成結晶に接合されて、任意の所望の直径に拡張可能なパターンを形成する。そのような所望の直径の例としては、１００ミリメートル超、１５０ミリメートル超、２００ミリメートル超、２５０ミリメートル超、または３００ミリメートル超を挙げることができる。一例を挙げると、図２Ａに示すように、左端の結晶２０２Ａは、４つの結晶２０２Ｂに接合されている。図２Ａおよび図２Ｂには、上層２０４Ａと下層２０４Ｂとの間の２つの異なる空間的関係すなわち空間レジストリが示されている。図２Ａでは、上層２０４Ａは、上層２０４Ａの隣り合う２つの端縁が、下層２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ｂの中心上にあるように配置される。図２Ｂでは、上層２０４Ａの支持体構成結晶２０２Ａの１つおきの頂点（すなわち角）が、下層２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ｂの中心上にある。なお、他の配置も可能である。支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを少なくとも２つの層２０４Ａ、２０４Ｂをなすように配置すると、２つの層２０４Ａ、２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂが一体に接合される。ある詳細な実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの接合は、例えば、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ」（Ｑ．－Ｙ． Ｔｏｎｇ， Ｕ． Ｇｏｓｅｌｅ（著））に開示されているような周知のウェハ接合技術を用いて行うことができる。他の詳細な実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの接合は、ろう付けで行うことができる。すなわち、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体を、接着層の凝固点（すなわち融点）を上回る温度まで加熱後、冷却することによって接合することができる。なお、他の接合方法も可能である。
支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを互いに接合した後、接合した支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体２０６に対して、さらなる処理を行うことができる。例えば、層２０４Ａ、２０４Ｂの端縁を切り整えたり、鋸引きしたり、研削したりしてもよいし、表裏面に対して研削、粗研磨（lap）、研磨（polish）などを行ってもよい。任意選択的に、後続のアモノサーマル結晶成長プロセスでの吊り下げを容易にするために、接合した集合体２０６に機械ドリルまたはレーザードリルで１つ以上の穴を穿設することもできる。
特定の実施形態では、支持基板１１７を、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３とほぼ同一の組成物を含む単結晶をタイル状に敷き詰めることによって作製する。本明細書では、これをタイリング法と呼び、以下、その説明を行う。特定の実施形態では、市販のｃ面ＧａＮウェハの端縁を切り整えて、端縁をａ面にほぼ揃えた六角形の結晶となるようにして、タイル結晶を作製している。２０ナノメートルのＴｉと１．５マイクロメートルのＡｕＳｎを含む接着層を、これらのタイル結晶のＮ面上と、多結晶ＡｌＮを含む支持基板上とに成膜することができる。そして、端縁をほぼ揃えた各タイル結晶を、真空中で４５０℃の温度でこの支持基板にウェハ接合して、接合を形成することができる。そして、この支持基板上にＧａＮを重ねた（GaN-on-handle）タイル基板を、原料物質（nutrient）の多結晶ＧａＮ、ＮＨ４Ｆ鉱化剤、アンモニアとともに銀のカプセルに入れて、密閉することができる。そして、このカプセルを内熱式高圧装置に入れ、約６７５℃の温度で約１５０時間加熱した後、冷却することができる。その結果、隣接するタイル結晶同士の隙間が、新たに形成されたＧａＮによって塞がれ、タイル結晶が結合してタイル張りの複合体となる。そして、Ｔｉ－Ａｕ接着層を溶解して支持基板を取り外して、タイル張りの自立ＧａＮ結晶を形成し、これを本発明の支持基板として使用することができる。タイリング法のさらなる詳細については、米国特許第９５６４３２０号明細書に記載されており、そのすべての開示内容は引用することによって本明細書の一部をなすものとする。
ここで、再び図１Ａおよび１Ｂを参照すると、支持基板１１７の表面１１５上およびＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面１０５上に、接着層１１３、１０７を成膜することができる。支持基板１１７は、上述したように、接合した支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体２０６から本質的になり得る。接着層１１３、１０７は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｃ、Ｙ、Ｒ（Ｒは希土類元素）、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、またはＰｂ、またはこれらの酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物の少なくとも１つからなる（または含む）ことができる。接着層１１３、１０７の一方または両方を、電気絶縁性とすることができる。接着層１１３、１０７は、水素をさらに含むことができる。接着層１１３、１０７は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、化学気相成長、プラズマ化学気相成長などにより成膜することができ、成膜した金属膜を熱酸化、熱窒化、熱フッ素化することにより形成することもできる。接着層１１３、１０７の厚さは、約１ナノメートル～約１０マイクロメートル、または約１０ナノメートル～約１マイクロメートルとすることができる。接着層１１３、１０７の一方または両方をアニール処理することもでき、例えば、約３００℃～約１０００℃の温度でアニール処理を行うことができる。いくつかの実施形態では、接着層１１３、１０７の少なくとも一方が、化学機械研磨を施されている。好適な実施形態では、少なくとも一方の接着層の、２０×２０μｍ２の面積にわたる二乗平均平方根表面粗さは、約０．５ナノメートル未満または約０．３ナノメートル未満である。接着層１１３、１０７は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３と支持基板１１７との接着を可能にすることに加えて、大面積のＩＩＩ族窒化物結晶成長に使用可能な種結晶の作製方法における後続の処理工程におけるエッチング停止層および成長バリアとして機能することもできる。
図１Ａおよび図１Ｂ、そして図３を参照すると、テンプレート１０４の表面１０５またはテンプレート１０４上に配設された接着層１０７の表面１０９と、支持基板１１７の表面１１５または支持基板１１７上に配設された接着層１１３の表面１１１とを、互いに当接してウェハ接合する。好適な実施形態では、ウェハ接合処理は、１立方センチメートル当たりの空気中の粒子数が１万個以下、１０００個未満、１００個未満、または１０個未満のクリーンルームで実施される。ウェハ接合を行う直前に、少なくとも一方の表面から粒子を除去することができる。粒子の除去は、イオン化窒素、ＣＯ２ジェット、ＣＯ２スノー、高抵抗水、ならびにメタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトンなどの有機溶媒を用いた、噴霧、ブラシがけ、またはリンス洗浄によって行う。いくつかの実施形態では、表面１０９と表面１１１は、液体中に浸漬された状態で当接させる。任意選択的に、表面１０９、１１１の少なくとも一方を、もう一方の表面と接触させる前にプラズマに曝して、ウェハ接合効果を高めることができる。
テンプレート基板１０１は、約０．１メガパスカル～約１００メガパスカルの圧力で支持基板１１７に押し当てることができる。いくつかの実施形態では、ファンデルワールス力による接合で十分に良好なウェハ接合が得られ、別途力を加える必要はない。また、テンプレート基板１０１および支持基板１１７を、約５分～約１０時間にわたって、約３０℃～約９５０℃、約３０℃～約４００℃、または約３０℃～約２００℃の温度に加熱することで、ウェハ接合を強化することができる。いくつかの実施形態では、テンプレート基板１０１と支持基板１１７とが互いに押し合うように機械的に負荷をかけながら、テンプレート基板１０１および支持基板１１７の加熱を行う。
図４を参照すると、特定の実施形態では、支持基板１１７は、例えば、ＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法によって、もしくは米国特許第１００９４０１７号明細書に記載のプロセスと同様のプロセスで、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３上に直接形成または成膜される。特定の実施形態では、支持基板１１７を成膜する前に、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面１０５に保護層４１８を成膜する。特定の実施形態では、保護層４１８は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｃ、Ｙ、Ｒ（Ｒは希土類元素）、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、またはＰｂ、またはこれらの酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物の少なくとも１つからなる（または含む）。特定の実施形態では、保護層４１８は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、化学気相成長、プラズマ化学気相成長、高密度プラズマ化学気相成長、電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相成長、原子層堆積などのうちの１つ以上により成膜することができ、成膜した金属膜を熱酸化、熱窒化、熱フッ素化することにより形成することもできる。保護層４１８の厚さは、約１ナノメートル～約１０マイクロメートル、または約１０ナノメートル～約１マイクロメートルとすることができる。保護層４１８は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３上への支持基板１１７の成膜に関連する処理工程時にＩＩＩ族金属窒化物層１０３を保護することができ、さらに、後続の処理工程におけるエッチング停止層および成長バリアとして機能することもできる。
図３および図４、そして図５を参照すると、次にテンプレート基板１０１を除去して、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９が露出した複合基板５０１を形成する。一般に、この表面５１９の結晶方位は、元の表面１０５（図１Ａに示す）とは符号が反対となる。例えば、もし、表面１０５が（０００１）配向したＧａ面であれば、表面５１９は（０００－１）配向したＮ面となり、その逆の場合でも同様である。表面１０５がｍ面配向を有する場合、表面５１９も同様のｍ面配向を有するが、ミスカットの方向は、表面５１９では反対方向（例えば、（０００－１）方向ではなく（０００１）方向）となる。表面１０５が半極性配向、例えば（２０－２１）配向を有する場合、表面５１９は反対符号の（２０－２－１）配向を有する。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１の除去は、選択的化学エッチングプロセスによって行われる。詳細な実施形態では、テンプレート基板１０１は、シリコンからなり（または含み）、ＨＦおよびＨＮＯ３の少なくとも一方を含む溶液に溶解させることによって除去される。他の詳細な実施形態では、テンプレート基板１０１はサファイアからなり（または含み）、ＫＢＦ４やＮａ３ＡｌＦ６などのアルミナを選択的に溶解することができる組成物を含む融液に溶解させることによって除去される。この方法については、米国特許第７５２７７４２号明細書に記載されており、そのすべての開示内容は引用することによって本明細書の一部をなすものとする。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、研削、粗研磨、研磨などの機械的手段によって除去される。特定の実施形態では、テンプレート基板は、レーザアブレーションによって除去される。
特定の実施形態では、複合基板５０１に追加処理を行って、バルク結晶成長、例えばアモノサーマル結晶成長に有用な複合種結晶を形成する。テンプレート基板１０１とＩＩＩ族金属窒化物層１０３との界面に核形成層があり、テンプレート基板１０１の除去によって核形成層を露出させる特定の実施形態では、核形成層は、ドライエッチング、ウェットエッチング、研削、研磨、および化学機械研磨のうちの１つ以上によって除去することができる。特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３を薄層化することができる。これは、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング、粗研磨、研削、研磨、または化学機械研磨によって行われる。再び図５を参照すると、テンプレート基板１０１を除去する前のＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９は、テンプレート基板１０１と当接または近接しており、望ましくないほど高い密度の貫通転位を有している場合がある。そこで、貫通転位密度を低減する一つの手段として、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３を薄層化することができる。特定の実施形態では、アモノサーマル結晶成長の際の吊り下げを容易にするために、複合基板５０１に１つ、２つ、またはそれ以上の穴が穿設される。
特定の実施形態では、図６の概略図に図示するとともに、米国特許第９５８９７９２号明細書に詳細に説明されているように、パターンマスク層６１１を複合基板５０１に設けて、パターン複合基板６２５を形成する。なお、この特許明細書のすべての開示内容は引用することによって本明細書の一部をなすものとする。一実施形態では、パターンマスク層６１１を設ける前に、従来的なリソグラフィ技術によって、パターンレジスト層（図示せず）を複合基板５０１の露出表面５１９上に形成する。次に、接着層６０５、拡散バリア層６０７、および不活性層６０９のうちの１つ以上を、パターンフォトレジスト層の上に成膜し、リフトオフプロセスで、パターンフォトレジストとパターンフォトレジスト材料の上に重なるパターンマスク層６１１とを除去して、図６に示すような、表面５１９のうちパターンレジストを設けた部分６１５が開口部６１３に露出した構造を形成することができる。接着層６０５は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＮｙ、ＴｉＳｉ２、Ｔａ、ＴａＮｙ、Ａｌ、Ｇｅ、ＡｌｘＧｅｙ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｗ、ＴｉＷｘ、ＴｉＷｘＮｙなどの１つ以上からなり（または含み）、約１ナノメートル～約１マイクロメートルの厚さとすることができる。拡散バリア層６０７は、ＴｉＮ、ＴｉＮｙ、ＴｉＳｉ２、Ｗ、ＴｉＷｘ、ＴｉＮｙ、ＷＮｙ、ＴａＮｙ、ＴｉＷｘＮｙ、ＴｉＷｘＳｉｚＮｙ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｒなどの１つ以上からなり（または含み）、約１ナノメートル～約１０マイクロメートルの厚さとすることができる。不活性層６０９はＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、またはＴａの１つ以上からなり（または含み）、約１０ナノメートル～約１００マイクロメートルの厚さとすることができる。これら１つ以上のマスク層は、スパッタリング堆積、熱蒸着、電子ビーム蒸着などにより成膜することができる。特定の実施形態では、リフトオフプロセスの前に、不活性層６０９の一部となる比較的肉薄（例えば、厚さ１０～５００ナノメートル）の層を成膜する。そして、リフトオフプロセスの実施後、パターニングを施したこの不活性層６０９の一部となる比較的肉薄の層の上に、不活性層６０９の一部となるより肉厚（例えば、厚さ３～１００ナノメートル）の層を、電気めっき、無電解析出などによってさらに成膜することができる。
上述のリフトオフ法以外の他の方法を用いてパターンマスク層６１１を形成することもできる。そのような他の方法としては、例えば、シャドウマスキング、ポジ型レジスト反応性イオンエッチング、ウェット化学エッチング、イオンミリング、レーザアブレーション、およびナノインプリントリソグラフィ、およびこれらに対応するネガ型レジストリフトオフ法を挙げることができる。特定の実施形態では、ブランケットマスク層を露出表面５１９上に成膜し、その後パターニングする。パターニングは、リソグラフィプロセスとウェットエッチングもしくはドライエッチングプロセスとを順に行うことによって、またはレーザアブレーションを行うことによって、実施される。
図７Ａ～図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂは、上述したプロセスのうちの１つ以上によって形成した複合基板５０１上の露出領域７２０の配置を示す平面図（上面図）である。露出領域７２０（本明細書では「成長中心（growth center）」とも呼ぶ）は、図６に示す（１つ以上の）パターンマスク層６１１に形成した開口部６１３、図９Ｃに示す開口部９０８、または図９Ｆに示すメサ９０３を含み得る。特定の実施形態では、露出領域７２０は、図７Ｄに示す一列に並んだ露出領域７２０のように、Ｙ方向に１次元（１Ｄ）配列で並べられる。特定の実施形態では、露出領域７２０は、図７Ａ～図７Ｃ、図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、Ｘ方向およびＹ方向に２次元（２Ｄ）配列で並べられる。露出領域７２０は、円形、正方形、矩形、三角形、六角形などとすることができ、その開口寸法（直径）Ｗは、約１マイクロメートル～約５ミリメートル、約２マイクロメートル～約５００マイクロメートル、または約５マイクロメートル～約５０マイクロメートルとすることができ、例えば図７Ａ～図７Ｃに示すようなものとすることができる。また、露出領域７２０は、六角形または正方形の配列で並べることができ、そのピッチ寸法Ｌは、約５マイクロメートル～約２０ミリメートル、または約２００マイクロメートル～約５ミリメートル、または約５００マイクロメートル～約２ミリメートルとすることができ、例えば図７Ａ～図７Ｄに示すようなものとすることができる。また図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、露出領域７２０は、Ｙ方向のピッチ寸法Ｌ１がＸ方向のピッチ寸法Ｌ２と異なる２Ｄ配列で並べることもできる。露出領域７２０は、Ｙ方向のピッチ寸法Ｌ１がＸ方向のピッチ寸法Ｌ２と異なる矩形配列、平行四辺形配列、六角形配列、または台形配列（図示せず）で並べることができる。また、露出領域７２０の配列は、直線状（linear）の配列であってもよく、不規則な形状の配列であってもよい。露出領域７２０は、複合基板５０１の表面５１９の結晶構造を基準にした配置とすることができる。例えば、特定の実施形態では、複合基板５０１の表面５１９は六角形の、例えば（０００１）または（０００－１）結晶方位であり、露出領域７２０の配置は、最も近接する露出領域７２０間の間隔が複合基板５０１の表面５１９の＜１１－２０＞方向または＜１０－１０＞方向と平行になるような六角形２Ｄ配列を含む。特定の実施形態では、複合基板５０１の表面５１９は非極性または半極性であり、露出領域７２０は、最も近接する露出領域７２０間の間隔が複合基板５０１の表面５１９のｃ軸、ｍ軸およびａ軸のうち２本の軸の投影と平行になるような正方形２Ｄ配列または矩形２Ｄ配列で並べられる。特定の実施形態では、露出領域７２０のパターンは、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の構造に対して斜めに傾けられ、例えば、露出領域７２０は、複合基板５０１の表面５１９上のｃ軸、ｍ軸、またはａ軸の投影などのＩＩＩ族金属窒化物層１０３の高対称軸に対して約１度～約４４度だけ回転している。特定の実施形態では、露出領域７２０は、実質的に円形ではなく、実質的に直線状である。特定の実施形態では、露出領域７２０は、複合基板５０１の全長にわたって延在するスリット開口であり、図７Ｄに示すように、各スリット開口は、幅Ｗを有し、隣接するスリット開口から周期Ｌだけ離間している。特定の実施形態では、各露出領域７２０は、Ｙ方向に幅Ｗ１とＸ方向に複合基板５０１の長さよりも短い所定の長さＷ２と有するスリット開口であり、図７Ｅに示すように、Ｙ方向の周期Ｌ１およびＸ方向の周期Ｌ２の２Ｄの直線状配列で並べることができる。いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように、隣接する露出領域７２０（例えば、スリット開口）の列を、そのまま隣接して配置するのではなく、隣接列同士がＸ方向にずれるように配置することができる。特定の実施形態では、隣接する露出領域７２０（例えば、スリット開口）の列を、隣接列同士が縦のＹ方向にずれるように配置することもできる。特定の実施形態では、図８Ｂに示すように、露出領域７２０が、Ｘ方向に延びるスリット開口と、Ｙ方向に延びるスリット開口とを含む。他の実施形態では、露出領域７２０は、互いに６０度または６０の倍数の角度だけ回転した方向に延在するスリット開口を含む。
特定の実施形態では、図９Ａ～図９Ｆに示す一連のプロセスを実施して、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の一部を除去して複数のメサ９０３（図９Ｆ）、すなわち孤立成長中心を形成する。図９Ａを参照すると、まず、当技術分野において公知の方法によって、複合基板５０１の表面５１９上にフォトレジスト層９２１を成膜することができる。例えば、特定の実施形態では、まず、ネガ型フォトレジストの溶液を表面５１９に塗布する。次に、複合基板５０１を高速回転（例えば、毎分１０００～６０００回転で３０～６０秒間）させ、表面５１９に均一なフォトレジスト層９２１を形成する。次に、フォトレジスト層９２１を焼成（例えば、約９０～約１２０℃）して、余分なフォトレジスト溶媒を除去することができる。そして焼成後、フォトマスクを介してフォトレジスト層９２１にＵＶ光を照射することにより、架橋領域９２２Ａおよび開口領域９２２Ｂなどの所定の架橋フォトレジストパターンを有するパターンフォトレジスト層９２２（図９Ｂ）を形成することができる。パターンフォトレジスト層９２２は、代表幅または代表直径ＷとピッチＬとを有するストライプ、ドットなどの形状からなる（または含む）。次に、図９Ｃに示すように、フォトレジスト層９２１を現像して、非架橋材料を除去することができる。
図９Ｃ～図９Ｅを参照すると、１つ以上のドライエッチングマスク層９２３を、表面５１９上に成膜することにより、開口部９０８内およびパターンフォトレジスト層９２２上に、この１つ以上のドライエッチングマスク層９２３を形成することができる。ドライエッチングマスク層９２３は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉＯ２、ＳｉＮxなどからなり（または含み）、約１０ナノメートル～約１００マイクロメートルの厚さとすることができる。１つ以上のドライエッチングマスク層９２３は、プラズマ化学気相成長、スパッタリング堆積、熱蒸着、電子ビーム蒸着などにより成膜することができる。そして（１つ以上の）ドライエッチングマスク層９２３の成膜後、（１つ以上の）ドライエッチングマスク層９２３のパターン部分のうち、パターンフォトレジスト層９２２の上に存在する部分が、当技術分野において公知の方法によってフォトレジスト層９２１と共にリフトオフされる。次に、表面５１９の非マスク領域９０２Ａを、例えば、反応性イオンエッチングによって、または誘導結合プラズマを用いて、ＣＦ４、ＮＦ３、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４、またはＣＨ２Ｃｌ２を試薬ガスとしてドライエッチングを行い、表面５１９の非マスク領域９０２ＡのＩＩＩ族金属窒化物層１０３の一部を除去することができる。次に、ドライエッチングマスク層９２３の残りの部分を（例えばウェットエッチングで）除去し、図９Ｆに示すように、パターン種結晶９２５上に形成したメサ（孤立成長中心）９０３を露出させる。特定の実施形態では、エッチングプロセスによって、接着層１０７の露出領域および接着層１１３の一部（図４の実施形態の場合には、これに代えて保護層４１８の一部）の一部またはすべてを除去することができる。ただし、好適な実施形態では、接着層１１３（または保護層４１８）の少なくとも一部が支持基板１１７の上に残っている。メサ９０３は、以下に詳述する後続の成長ステップにおいて成長中心として使用することができる。成長中心９０３は、図７Ａ～図７Ｃ、図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂに示す配列と同様の２次元（２Ｄ）配列に並べられ得る。表面５１９上にメサ９０３を作製するための他の手法として、例えばＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、またはＴｉ：サファイアレーザなどのレーザで、メサ９０３を形成予定領域の間のＩＩＩ族金属窒化物層１０３の領域を除去する方法がある。このレーザアブレーションプロセスにより、様々なパターンや幾何学的形状を生成することができる。特定の実施形態では、１つ以上の追加の接着層、拡散バリア層、および／または不活性層を集合体上に成膜して、メサ９０３の上面を被覆し、それによって、この後のメサ９０３の上面での結晶成長を抑制しながら、メサ９０３の側面での結晶成長を促進する。特定の実施形態では、１つ以上の追加の接着層、拡散バリア層、および／または不活性層を集合体上に成膜して、メサ９０３の１つ以上の側壁を被覆し、それによって、この後の結晶成長が主にメサ９０３の上面で起こるように結晶成長を促進する。
いくつかの実施形態では、他の方法によって、孤立成長中心を有する層転写されたパターン種結晶を作製することができる。図１０Ａ～図１０Ｃは、図９Ａ～図９Ｆと同様のパターニングプロセスを実行して、図９Ｆに示すパターン種結晶９２５と非常に類似した構造を形成する実施形態を示している。図１０Ａには、テンプレート基板１０１と孤立成長中心領域１００３とパターン接着層１００７とを含むテンプレート１０４（図１Ａに図示）を示している。孤立成長中心領域１００３およびパターン接着層１００７は、パターン接着層１００７を支持基板１１７の接着層１１３に対してウェハ接合する前に、接着層１０７を成膜したＩＩＩ族金属窒化物層１０３に対して従来の（１つ以上の）パターニングステップを実施することによって形成される。パターニングおよびエッチングプロセスによって、孤立成長中心領域１００３上のパターン接着層１００７を残して、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３および接着層１０７のその他の部分をエッチングで除去する。いくつかの実施形態では、テンプレート基板１０１の一部もエッチングされる。次に、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示すプロセスと同様のプロセスによって、孤立成長中心領域１００３の上の接着層部分１００７の上面１００９を、支持基板１１７上の接着層１１３の外面１１１に当接して、ウェハ接合する。上述したように、テンプレート基板１０１を除去すると、図９Ｆに示すパターン種結晶９２５と非常に類似した構造を持つ、図１０Ｃに示すようなパターン種結晶１０２５が得られる。
図１１を参照すると、さらに別の実施形態では、パターンマスク層６１１が配設されたＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９の露出部分を、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング、およびレーザアブレーションのうちの１つ以上によって除去して、側壁１１２１を露出させ、パターン複合基板１１２５内にパターン種結晶を形成することができる。特定の実施形態では、接着層１０７および／または接着層１１３（または図４に示す構成の場合には、これに代えて保護層４１８）のうちの１つ以上が、エッチング停止層として機能し、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の露出部分から支持基板１１７が除去されるのを防止する。特定の実施形態では、エッチングプロセス時に、露出した側壁１１２１の間に形成される１つ以上のトレンチの深さは、支持基板１１７にまで達する。
次に、複合基板５０１、パターン複合基板６２５（もしくは１１２５）、またはパターン種結晶９２５（もしくは１０２５）を結晶種ラックに吊り下げて、カプセル、オートクレーブ、またはオートクレーブ内のライナーなどの密閉可能な容器に入れることができる。特定の実施形態では、１組以上の基板を背中合わせにして大面積のパターン表面を外側に向けた状態で吊り下げる。次に、この密閉可能な容器に、多結晶ＩＩＩ族金属窒化物などのＩＩＩ族金属源、少なくとも１つの鉱化剤組成物、およびアンモニア（または他の窒素含有溶媒）を加え、密閉可能な容器を密閉する。鉱化剤組成物は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなどのアルカリ金属、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属、またはアルカリもしくはアルカリ土類水素化物、アミド、イミド、アミド－イミド、窒化物、またはアジドからなる（または含む）ことができる。鉱化剤は、ＮＨ４Ｆ、ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ４Ｂｒ、ＮＨ４Ｉなどのハロゲン化アンモニウム、ＧａＦ３、ＧａＣｌ３、ＧａＢｒ３、ＧａＩ３などのハロゲン化ガリウム、またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ、Ｇａ、ＧａＮおよびＮＨ３のうちの１つ以上の反応によって形成され得る任意の化合物からなる（または含む）ことができる。鉱化剤は、他のアルカリ塩、アルカリ土類塩、アンモニウム塩、他のハロゲン化物、尿素、硫黄もしくは硫化物塩、またはリンもしくはリン含有塩からなる（または含む）こともできる。次に、この密閉可能な容器を内熱式高圧装置やオートクレーブなどの高圧装置に入れて、高圧装置を密閉することができる。
次に、複合基板５０１、パターン複合基板６２５（もしくは１１２５）、またはパターン種結晶９２５（もしくは１０２５）を入れた密閉可能な容器を、約４００℃超の温度に加熱し、約５０メガパスカル超の圧力をかけてアモノサーマル結晶成長を行う。
図１２Ａを参照すると、一実施形態では、例えばアモノサーマル結晶成長プロセスなどのバルク結晶成長プロセスの間に、バルクＩＩＩ族金属窒化物材料がＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９上で垂直に成長し、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２を形成する。バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２の厚さは、約１０マイクロメートル～約１００ミリメートル、または約１００マイクロメートル～約２０ミリメートルとすることができる。
図１２Ｂ～図１２Ｄを参照すると、他の実施形態では、例えばアモノサーマル結晶成長プロセスなどのバルク結晶成長プロセス時に、バルクＩＩＩ族金属窒化物材料１２１３は、複合基板５０１のＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９の露出部分６１５から（図１２Ｂ）、パターン複合基板６２５上のパターンマスク層６１１の開口部６１３の中を（図１２Ｃ）垂直に成長し、そのまま開口部６１３内から外に向かって成長し、パターンマスク層６１１上を沿面方向に成長して、結合する（図１２Ｄ）。結合後、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４は、パターンマスク層６１１の開口部に対して垂直な方向に成長した窓領域１２１５と、パターンマスク層６１１上で沿面方向に成長したウイング領域１２１７と、パターンマスク層６１１の互いに隣接する開口部から成長するウイング部間の境界にできる結合部１２１９と、を含んでいる。バルク結晶成長プロセスを行った後に得られるバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４は、露出した成長表面１２２１を有している。バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４の厚さは、約１０マイクロメートル～約１００ミリメートル、または約１００マイクロメートル～約２０ミリメートルとすることができる。結合部１２１９は、「シャープ粒界（sharp boundary）」または「拡張粒界（extended boundary）」を含む結合部領域を有すると考えられる。「シャープ粒界」は、互いに隣接するウイング領域１２１７の間に配置され、厚さ１２３５を通ってＺ方向に延在する粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル未満または約１０マイクロメートル未満のものを指す。「拡張粒界」は、成長条件によって変化する粒界であり、互いに隣接するウイング領域１２１７の間に配置され、厚さ１２３５を通ってＺ方向に延在する粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル～約１０００マイクロメートルまたは約３０マイクロメートル～約２５０マイクロメートルのものを指す。形成された複数の結合部領域のうちシャープ粒界型の領域は、形成された結晶中を実質的に垂直に延びる貫通転位を複数組含む。一方、形成された複数の結合部領域のうち拡張粒界型の領域は、成長した結晶の中で結合部が実質的に垂直に延びるのに伴って沿面方向に蛇行する経路に沿って延びる傾向がある貫通転位を複数組含む。特定の実施形態では、形成された結合部のうち拡張粒界型の部分は、互いに隣接する貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列（locally-approximately-linear arrays of threading dislocations）を３つ以上含む。
図１２Ｅ～図１２Ｇを参照すると、他の実施形態では、例えばアモノサーマル結晶成長プロセスなどのバルク結晶成長プロセス時に、バルクＩＩＩ族金属窒化物材料１２１３は、露出した側壁１１２１から沿面方向に成長して（図１２Ｅ）、パターン複合基板１１２５上のパターンマスク層６１１の開口部６１３の中で垂直に成長し（図１２Ｆ）、そのまま開口部６１３内から外に向かって成長し、パターンマスク層６１１上を沿面方向に成長して、結合する（図１２Ｇ）。結合後、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４は、パターンマスク層６１１の開口部６１３に対して垂直な方向に成長した窓領域１２１５と、パターンマスク層６１１上で沿面方向に成長したウイング領域１２１７と、パターンマスク層６１１の互いに隣接する開口部から成長するウイング部間の境界にできる結合部１２１９と、を含んでいる。バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４の厚さは、約１０マイクロメートル～約１００ミリメートル、または約１００マイクロメートル～約２０ミリメートルとすることができる。図１２Ｂ～図１２Ｄに示す実施形態と比較すると、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の側壁１１２１から最初に起こる沿面成長プロセスのおかげで、窓領域１２１５の転位密度が著しく低減すると考えられる（図１１を参照）。
図１２Ｈ～図１２Ｉを参照すると、さらに他の詳細な実施形態では、例えばアモノサーマル結晶成長プロセスなどのバルク結晶成長プロセス時に、バルクＩＩＩ族金属窒化物材料１２１３は、パターン種結晶９２５上の孤立成長中心９０３の上から（図１２Ｈ）、まず接着層１０７、１１３（これら接着層は、この段階ではマスク層として機能している）の少なくとも一方の上を沿面方向に成長し（図１２Ｉ）、その後結合する（図１２Ｊ）。結合後、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４は、孤立成長中心９０３に対して垂直な方向に成長した窓領域１２１５と、接着層１０７、１１３の少なくとも一方上で沿面方向に成長したウイング領域１２１７と、隣接する孤立成長中心９０３から成長するウイング部の境界にできる結合部１２１９と、を含んでいる。バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４の厚さは、約１０マイクロメートル～約１００ミリメートル、または約１００マイクロメートル～約２０ミリメートルとすることができる。なお、パターン種結晶１０２５（図１０Ｃに示す）を使用した場合にも、同様のプロセスや構造が得られると考えられる。
特定の実施形態では、１つ以上の追加の接着層、拡散バリア層、および／または不活性層をメサ９０３上に成膜して、メサ９０３上において結晶成長が起こる場所を制御するマスク層を形成する。マスク層は、パターンマスク層６１１の構成要素のうちの１つ以上を含むことができ、例えば、接着層６０５（例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＮｙ、ＴｉＳｉ２、Ｔａ、ＴａＮｙ、Ａｌ、Ｇｅ、ＡｌｘＧｅｙ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｗ、ＴｉＷｘ、ＴｉＷｘＮｙの１つ以上）、拡散バリア層６０７（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＮｙ、ＴｉＳｉ２、Ｗ、ＴｉＷｘ、ＴｉＮｙ、ＷＮｙ、ＴａＮｙ、ＴｉＷｘＮｙ、ＴｉＷｘＳｉｚＮｙ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｒなどの１つ以上）、および／または不活性層６０９（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｔａの１つ以上）を含むことができる。１つ以上のマスク層は、メサ９０３の上面に成膜して、メサ９０３の１つ以上の側壁上での結晶成長を促進することができる。他の実施形態では、１つ以上のマスク層を、メサ９０３の側壁上に成膜して、メサ９０３の上面での結晶成長を促進することもできる。特定の実施形態では、結晶成長によって、接着層１０７、１１３の少なくとも一方上で沿面方向に成長したウイング領域１２１７と、隣接する孤立成長中心９０３から成長するウイング部の境界にできる結合部１２１９と、が生成する。
特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物複合基板上のバルク結晶成長は、ＨＶＰＥ成長法またはフラックス成長法などの、アモノサーマル成長法以外の方法によって行われる。
図１２Ａ、図１２Ｄ、図１２Ｇ、および図１２Ｊを再び参照すると、特定の実施形態では、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２、１２１４をさらなるバルク成長の種またはデバイス作製用の基板として使用するために、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２（または１２１４）に対して１つ以上のプロセスを行う。そのようなプロセスとしては、例えば、鋸引き、粗研磨、研削、研磨、化学機械研磨、レーザアブレーション、エッチングのうちの少なくとも１つが挙げられる。
特定の実施形態では、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２、１２１４における貫通転位や積層欠陥などの拡張欠陥の密度を、欠陥選択エッチングによって定量化することができる。欠陥選択エッチングは、溶液または溶融フラックスを用いて行うことができる。そのような溶液は、例えば、Ｈ３ＰＯ４、長時間の熱処理によりポリリン酸の形に調整したＨ３ＰＯ４、およびＨ２ＳＯ４のうちの１つ以上を含み、溶融フラックスは、ＮａＯＨおよびＫＯＨのうちの１つ以上を含む。欠陥選択エッチングは、約１００℃～約５００℃の温度で、約５分～約５時間の時間にわたって行うことができる。なお、処理温度と処理時間は、約１マイクロメートル～約２５マイクロメートルの直径を有するエッチングピットの形成を引き起こすように選択される。その後、バルク成長したＩＩＩ族窒化金属層（すなわちＩＩＩ族窒化金属結晶、ＩＩＩ族窒化金属ウェハ）をエッチング液から除去する。
窓領域１２１５の表面における貫通転位の密度は、下層の成長中心９０３における貫通転位密度と同様か、またはそれより低くてもよく、約４桁の差があってもよい。ウイング領域１２１７の表面における貫通転位の密度は、窓領域１２１５の表面における貫通転位の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、約１０２ｃｍ－１未満、または約１０ｃｍ－２未満とすることができる。窓領域１２１５の表面には、例えば、約１ｃｍ－１～約１０４ｃｍ－１の間の密度で、積層欠陥が存在する可能性もある。ウイング領域１２１７の表面における積層欠陥の密度は、窓領域１２１５の表面における積層欠陥の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、または約０．１ｃｍ－１未満とすることができ、検出不能なレベルであってもよい。結合部１２１９に存在する、例えば刃状転位（edge dislocation）などの貫通転位の線密度は、例えば、約１×１０５ｃｍ－１未満、約３×１０４ｃｍ－１未満、約１×１０４ｃｍ－１未満、約３×１０３ｃｍ－１未満、約１×１０３ｃｍ－１未満、約３×１０２ｃｍ－１未満、または１×１０２ｃｍ－１未満とすることができる。結合部に沿った転位密度は、５ｃｍ－１超、１０ｃｍ－１超、２０ｃｍ－１超、５０ｃｍ－１超、１００ｃｍ－１超、２００ｃｍ－１超、または５００ｃｍ－１超とすることができる。
図１３Ａ～図１３Ｃは、自立ＩＩＩ族窒化金属ブールおよび自立ＩＩＩ族窒化金属ウェハの形成方法を示す簡略図である。特定の実施形態では、鋸引き、研削、粗研磨、研磨、レーザリフトオフ、エッチングのうちの１つ以上を行って、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４をパターン種結晶９２５から取り外し、加工済みの自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３を形成する。いくつかの実施形態では、この分離処理（スライス加工処理）は、パターン種結晶９２５を亀裂のない無傷の状態で回収できるよう、表面１１５に実質平行な方向で行う。これにより、研削、粗研磨、研磨、エッチング、化学機械研磨のうちの１つ以上などの追加処理を施した後に、パターン種結晶９２５を種結晶として再利用することができる。いくつかの実施形態では、このスライス加工プロセスの平面は、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の表面５１９に実質平行である。代替的な実施形態では、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４の形成後に、パターン種結晶９２５の各要素に対して裏面研削プロセスまたは粗研磨プロセスを行って、加工済みの自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３を形成する。この実施形態では、研削プロセスまたは粗研磨プロセスによって、パターン種結晶９２５の各要素および一部のバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４を除去して、これにより新たに作られる表面１３２３が、取り除かれる表面１１５とほぼ平行となるように加工済みの自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３を形成する。
図１３Ｂを参照すると、形成された自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３は、１つ以上の窓領域１３１５、１つ以上のウイング領域１３１７、および１つ以上の結合部領域１３１９を含むことができる。なお、１つ以上の窓領域１３１５は、例えば成長中心９０３の上方に形成されたものであり、１つ以上のウイング領域１３１７は、例えば沿面成長領域の上方に形成されたものである。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３の前面１３２１および背面１３２３（いずれも表面５１９に平行）の一方以上に対して、研削、粗研磨、研磨、エッチング、化学機械研磨のうちの少なくとも１つなどの追加処理を行うことができる。なお、同様のプロセスを、図１２Ａに作成方法を概略的に図示するバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１２、および図１２Ｂ～図１２Ｄまたは図１２Ｅ～図１２Ｇに作成方法を概略的に図示するバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層１２１４に対しても行うことができ、これにより同様の自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３を作製することができる。
特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３の１つ以上の端縁を研削して、六角形、矩形、または円筒形のＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成する。ただし、他の形状も可能である。特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３の側面を研磨して、１つ以上のオリフラ（flat）を設ける。特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３を、図１３Ｃに概略的に図示するように、１つ以上の自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物結晶種（または自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）１３３１にスライス加工する。このスライス加工は、マルチワイヤーソーやマルチワイヤースラリーソーによる鋸引きやスライス加工、内径鋸引き、外径鋸引き、劈開加工、イオン注入とその後の剥離、レーザカットなどによって行うことができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶種（または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）１３３１の１つ以上の大面積表面は、当技術分野において公知の方法に従って、研削、粗研磨、研磨、エッチング、電気化学研磨、光電気化学研磨、反応性イオンエッチング、および／または化学機械研磨の処理を施すことができる。特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の端縁を研削して、面取り縁、はす縁、または丸みを帯びた縁とする。自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶種（または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）の直径または寸法は、少なくとも約５ミリメートル、少なくとも約１０ミリメートル、少なくとも約２５ミリメートル、少なくとも約５０ミリメートル、少なくとも約７５ミリメートル、少なくとも約１００ミリメートル、少なくとも約１５０ミリメートル、少なくとも約２００ミリメートル、少なくとも約３００ミリメートル、少なくとも約４００ミリメートル、または少なくとも約６００ミリメートルとすることができ、厚さは、約５０マイクロメートル～約１０ミリメートルまたは約１５０マイクロメートル～約１ミリメートルとすることができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶種（または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）１３３１の１つ以上の大面積表面は、化学気相成長、有機金属化学気相成長、ハイドライド気相成長、分子線エピタキシー、フラックス成長、溶液成長、アモノサーマル成長などによるＩＩＩ族金属窒化物成長に用いる基板または種結晶として使用することができる。
図１４Ａ～図１４Ｅは、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１に形成される貫通転位パターン１４２０を示す簡略図である。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の大面積表面は、（１つ以上の）パターンマスク層６１１の開口部６１３の上方に形成された１つ以上の窓領域１４１５と、（１つ以上の）パターンマスク層６１１の非開口領域の上方に形成された１つ以上のウイング領域１４１７と、図１２Ｂ～図１２Ｊおよび１３Ａ～１３Ｃに関連して上述したような、エピタキシャル横方向成長プロセスの間に形成される結合部１２１９から伝播した貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された複数の貫通転位配列のパターン１４２０と、を含むことができる。上述の同様の説明にもある通り、結合部領域１２１９、１３１９のいずれかまたは両方が、「シャープ粒界」または「拡張粒界」を含む結合部領域を有すると考えられる。「シャープ粒界」は、互いに隣接するウイング領域１３１７の間に配置される粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル未満または約１０マイクロメートル未満のものを指す。「拡張粒界」は、成長条件によって変化する粒界であり、互いに隣接するウイング領域１３１７の間に配置される粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル～約１０００マイクロメートルまたは約３０マイクロメートル～約２５０マイクロメートルのものを指す。貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターン１４２０は、２Ｄの六角形、正方形、矩形、台形、三角形パターン、１Ｄの直線状パターン、またはパターンの少なくとも一部が露出領域７２０のパターンによって生じた不規則パターンとすることができる（図７Ａ～図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂ参照）。また、より複雑なパターンも可能であり、パターンが複雑になれば、例えば、亀裂や劈開に対する耐性が高くなるなどの利点がある。なお、例えば、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールのスライス加工を、ブールの大面積表面に対して傾斜した角度で行ったことなどが原因で、パターンの一方向が、直交するもう一方向に比べて長くなったパターンとなる場合がある。いくつかの実施形態では、沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ブール（または沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）における、貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された１つ以上の貫通転位配列の終端に、１つ以上の貫通孔が存在する。貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターンは、ピッチ寸法Ｌ、または２つの直交方向におけるピッチ寸法Ｌ１およびＬ２が、約５マイクロメートル～約２０ミリメートル、または約２００マイクロメートル～約５ミリメートル、または約５００マイクロメートル～約２ミリメートルであることを特徴とすることができる。特定の実施形態では、貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターンは、基礎となるＩＩＩ族金属窒化物の結晶構造とほぼ整合しており、例えば、局所的にほぼ直線状の配列は、自立沿面成長ＩＩＩ族窒化物ブールまたは自立沿面成長ＩＩＩ族窒化物ウェハの表面の平面における＜１０－１０＞、＜１１－２０＞、［０００±１］またはそれらの投影のうち１つ以上の約５度以内、約２度以内、または約１度以内の方向に延びる。このパターンにおける貫通転位の線密度は、約１×１０５ｃｍ－１未満、約３×１０４ｃｍ－１未満、約１×１０４ｃｍ－１未満、約３×１０３ｃｍ－１未満、約１×１０３ｃｍ－１未満、約３×１０２ｃｍ－１未満、または約１×１０２ｃｍ－１未満とすることができる。このパターンにおける貫通転位の線密度は、５ｃｍ－１超、１０ｃｍ－１超、２０ｃｍ－１超、５０ｃｍ－１超、１００ｃｍ－１超、２００ｃｍ－１超、または５００ｃｍ－１超とすることができる。
貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列の隣接する配列間のウイング領域１４１７における貫通転位の密度は、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、約１０２ｃｍ－１未満、または約１０ｃｍ－２未満とすることができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の大面積表面上における平均貫通転位密度は、約１０７ｃｍ－２未満、約１０６ｃｍ－２未満、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、または約１０２ｃｍ－１未満とすることができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の大面積表面上における平均積層欠陥密度は、約１０３ｃｍ－１未満、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、または約０．１ｃｍ－１未満とすることができ、検出不能なレベルであってもよい。いくつかの実施形態では、例えば、転位配列パターンを有する種結晶上で再成長を繰り返した後、および／または、２ミリメートル超、３ミリメートル超、５ミリメートル超、または１０ミリメートル超の厚さに成長した後、貫通転位の位置が種結晶上のパターンに対してある程度沿面方向に変位していてもよい。なお、図１４Ａ～図１４Ｅでは概略的に、高貫通転位密度領域を比較的シャープな線で示しているが、上述のような変位が生じている場合には、高貫通転位密度領域は、図示の線よりも幾分拡散している場合がある。ただし、表面上の線に沿った沿面方向位置の関数としての貫通転位密度は、約５マイクロメートル～約２０ミリメートル、または約２００マイクロメートル～約５ミリメートル、または約５００マイクロメートル～約２ミリメートルの周期で、周期的に変化する。周期的に変化する領域内の貫通転位密度の変化は、少なくとも２倍、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも３０倍、少なくとも１００倍、少なくとも３００倍、または少なくとも１０００倍とすることができる。
再び図１４Ａ～図１４Ｅを参照すると、窓領域１４１５は、互いに隣接するウイング領域１４１７の間（図１４Ｄ）または各ウイング領域１４１７内（図１４Ａ～図１４Ｃ、および図１４Ｅ）に位置することができる。窓領域１４１５は、上述において図７Ａ～図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂに関連して概説したように、（１つ以上の）パターンマスク層６１１内に形成された露出領域７２０の上に形成されている。ウイング領域１４１７の表面における貫通転位の密度は、窓領域１４１５の表面における貫通転位の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０３ｃｍ－２未満、約１０２ｃｍ－１未満、または約１０ｃｍ－２未満とすることができる。窓領域１４１５の表面には、例えば、約１ｃｍ－１～約１０４ｃｍ－１の間の密度で、積層欠陥が存在する可能性もある。ウイング領域１４１７の表面における積層欠陥の密度は、窓領域１４１５の表面における積層欠陥の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、または約０．１ｃｍ－１未満とすることができ、検出不能なレベルであってもよい。結合部領域１４１９に存在する、例えば刃状転位などの貫通転位の線密度は、例えば、約１×１０５ｃｍ－１未満、約３×１０４ｃｍ－１未満、約１×１０４ｃｍ－１未満、約３×１０３ｃｍ－１未満、約１×１０３ｃｍ－１未満、約３×１０２ｃｍ－１未満、または１×１０２ｃｍ－１未満とすることができる。結合部に沿った転位密度は、５ｃｍ－１超、１０ｃｍ－１超、２０ｃｍ－１超、５０ｃｍ－１超、１００ｃｍ－１超、２００ｃｍ－１超、または５００ｃｍ－１超とすることができる。
自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の表面１３２１、１３２３、１３３３は、（０００１）＋ｃ面、（０００－１）－ｃ面，｛１０－１０｝ｍ面、｛１１－２０｝ａ面、｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、または｛３０－３±４｝の５度以内、２度以内、１度以内、０．５度以内、０．２度以内、０．１度以内、０．０５度以内、０．０２度以内、または０．０１度以内の大面積結晶方位を有することができる。ｉ＝－（ｈ＋ｋ）、ｌを０以外の値、ｈとｋの少なくとも一方を０以外の値とすると、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、半極性の大面積面方位（ｈｋｉｌ）を有することができる。
自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の表面１３２１、１３２３、１３３３は、表面全体におけるミスカットのばらつきをＭ（単位：度）、表面の最大寸法または直径をＤ（単位：ミリメートル）とすると、Ｍ／Ｄの値が、０．００３度／ｍｍ未満、０．００２度／ｍｍ未満、０．００１度／ｍｍ未満、０．０００５度／ｍｍ未満、０．０００２度／ｍｍ未満、または０．０００１度／ｍｍ未満であることを特徴とすることができる。なお、ミスカットのばらつきＭは、公称結晶方位を基準とした、表面全体におけるミスカットの最大値と最小値の差と定義される。
特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の表面１３２１、１３２３、１３３３のうち少なくとも１つが、｛１０－１０｝ｍ面から［０００１］＋ｃ方向に向かって約－６０度～約＋６０度、直交する＜１－２１０＞ａ方向に向かって最大約１０度ミスカットした結晶方位を有している。特定の実施形態では、表面１３２１、１３２３、１３３３のうち少なくとも１つが、｛１０－１０｝ｍ面から［０００１］＋ｃ方向に向かって約－３０度～約＋３０度、直交する＜１－２１０＞ａ方向に向かって最大約５度ミスカットした結晶方位を有している。特定の実施形態では、表面１３２１、１３２３、１３３３のうち少なくとも１つが、｛１０－１０｝ｍ面から［０００１］＋ｃ方向に向かって約－５度～約＋５度、直交する＜１－２１０＞ａ方向に向かって最大約１度ミスカットした結晶方位を有している。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、その２つの大面積表面の一方または両方において、１０２ｃｍ－１未満、または１０ｃｍ－１未満、１ｃｍ－１未満の積層欠陥密度と、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、約１０２ｃｍ－２未満、または約１０ｃｍ－２未満の非常に低い転位密度とを有することができる。
自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の対称面のＸ線ロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約２００秒角未満、約１００秒角未満、約５０秒角未満、約３５秒角未満、約２５秒角未満、または約１５秒角未満とすることができる。自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ブールまたは自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ブールウェハの結晶曲率半径は、少なくとも１つ、少なくとも２つ、または３つの独立方向または直交方向において、０．１メートル超、１メートル超、１０メートル超、１００メートル超、または１０００メートル超とすることができる。
自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、立方体構造などの他の結晶構造を実質的に含まないウルツ鉱構造（他の構造が実質的なウルツ鉱構造に対して約０．１体積％未満）であることを特徴とすることができる。
自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、全体厚さムラ（ＴＴＶ）が約２５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、約５マイクロメートル未満、約２マイクロメートル未満、または約１マイクロメートル未満であることと、マクロな指標であるボウが約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、または約１０マイクロメートル未満であることを特徴とすることができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の表面１３３３における、約１００マイクロメートル超の直径または代表寸法を有するマクロ欠陥の密度は、約２ｃｍ－２未満、約１ｃｍ－２未満、約０．５ｃｍ－２未満、約０．２５ｃｍ－２未満、約０．１ｃｍ－２未満とすることができる。自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ウェハの大面積表面全体におけるミスカット角のばらつきは、直交する２つの結晶学的方向のいずれにおいても、約５度未満、約２度未満、約１度未満、約０．５度未満、約０．２度未満、約０．１度未満、約０．０５度未満、または約０．０２５度未満とすることができる。自立沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ウェハの大面積表面の、少なくとも１０μｍ×１０μｍの面積で測定した二乗平均平方根表面粗さは、約０．５ナノメートル未満、約０．２ナノメートル未満、約０．１５ナノメートル未満、約０．１ナノメートル未満、または約０．１０ナノメートル未満とすることができる。自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、ｎ型の導電性であり、約１×１０１７ｃｍ－３～約３×１０１９ｃｍ－３のキャリア濃度と、約１００ｃｍ２／Ｖｓを上回るキャリア移動度とを有していることを特徴とすることができる。代替的な実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、ｐ型の導電性であり、約１×１０１５ｃｍ－３～約１×１０１９ｃｍ－３のキャリア濃度を有していることを特徴とすることができる。さらに他の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、電気的に半絶縁性の挙動をとり、室温抵抗率が約１０７オームセンチメートル超、約１０８オームセンチメートル超、約１０９オームセンチメートル超、約１０１０オームセンチメートル超、または約１０１１オームセンチメートル超であることを特徴とする。特定の実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、高い透明度を持ち、波長４００ナノメートルにおける光吸収係数が、約１０ｃｍ－１未満、約５ｃｍ－１未満、約２ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、約０．５ｃｍ－１未満、約０．２ｃｍ－１未満、または約０．１ｃｍ－１未満である。
いくつかの実施形態では、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、さらなるバルク成長の種結晶として使用される。詳細な一実施形態では、当該さらなるバルク成長が、アモノサーマルバルク結晶成長からなる（または含む）。他の詳細な実施形態では、当該さらなるバルク成長が、フラックス結晶成長としても知られる高温溶液結晶成長からなる（または含む）。さらに他の詳細な実施形態では、当該さらなるバルク成長が、ＨＶＰＥからなる（または含む）。また当該さらなる成長を経た結晶を、当技術分野において公知の方法により、スライス加工、鋸引き、粗研磨、研磨、エッチング、研削、および／または化学機械研磨を行ってウェハとすることができる。このウェハの表面は、１０マイクロメートル×１０マイクロメートルの面積で測定した二乗平均平方根表面粗さが、約１ナノメートル未満または約０．２ナノメートル未満であることを特徴とすることができる。
上述した複数のプロセスの１つ以上により形成した自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１は、半導体構造体に組み込むことができる。半導体構造体は、少なくとも１つのＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎエピタキシャル層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる（または含む）ことができる。エピタキシャル層は、例えば、当技術分野において公知の方法に従って、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりウェハ上に成膜することができる。半導体構造体の少なくとも一部は、窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスの一部を形成することができる。そのようなデバイスとしては、例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、光検出器、アバランシェフォトダイオード、光電池、太陽電池、光電気化学的水分解セル、トランジスタ、整流器、およびサイリスタ、ならびに、トランジスタ、整流器、ショットキー整流器、サイリスタ、ＰＩＮダイオード、金属－半導体－金属ダイオード、高電子移動度トランジスタ、金属半導体電界効果トランジスタ、金属酸化物電界効果トランジスタ、パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、パワー金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属絶縁体電界効果トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、パワー絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、パワー垂直接合電界効果トランジスタ、カスコードスイッチ、内部サブバンドエミッタ、量子井戸赤外光検出器、量子ドット赤外光検出器、およびこれらの組み合わせのうちの１つを挙げることができる。窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスは、ランプまたは照明器具などの器具に組み込むことができる。窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスのシンギュレーション後の沿面寸法は、少なくとも０．１ミリメートル×０．１ミリメートルとすることができる。窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスの最大寸法は、少なくとも８ミリメートルとすることができ、例えば、レーザダイオードからなる（または含む）ことができる。窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスは、その体積全体にわたって無転位とすることもできる。例えば、転位密度が１０４ｃｍ－２の場合、０．１×０．１ｍｍ２のデバイスのかなりの部分が無転位になると予想される。転位密度が１０２ｃｍ－２の場合、１×１ｍｍ２のデバイスのかなりの部分が無転位になると予想される。窒化ガリウム系の電子デバイスまたは光電子デバイスは、その体積全体にわたって無積層欠陥とすることもできる。例えば、積層欠陥密度が１ｃｍ－１の場合、非極性または半極性の大面積表面とｃ面ファセットを有するレーザダイオードなど、１０×１ｍｍ２のストライプ型デバイスのかなりの部分は無積層欠陥になると予想される。
方法例
本明細書に記載の方法は、大面積のＩＩＩ族窒化金属ブールまたはウェハの欠陥領域に関連して発生しうる問題を回避する、高性能の発光ダイオード、レーザダイオード、および／または電子デバイスを作製する手段を提供するものである。
本明細書に記載の方法は、大面積のＩＩＩ族窒化金属ブールまたはウェハの欠陥領域に関連して発生しうる問題を回避する、高性能の発光ダイオード、レーザダイオード、および／または電子デバイスを作製する手段を提供するものである。
まず、厚さ１０マイクロメートルの（０００１）配向ＧａＮ層（例えば、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３）と、厚さ６００マイクロメートルのサファイア（例えば、テンプレート基板１０１）とを有する、直径１５０ミリメートルの市販のサファイア上ＧａＮ（GaN-on-sapphire）テンプレートを用意した。このテンプレートをスパッタリング堆積チャンバに入れ、接着層としての厚さ１００ナノメートルのＴｉＷ層、厚さ７８０ナノメートルのＡｕ含有保護層、厚さ１００ナノメートルのＴｉＷ層（２層目）をこの順に成膜した。次に、成膜面を下にしてテンプレートを多結晶ＧａＮ反応炉に投入し、反応炉を排気してから窒素で再充填した。その後、反応炉内の成膜面を９００℃まで昇温し、Ｎ２にＨ２を５％混ぜた混合ガス中で２４時間焼き出し（bake-out）を行い、炉内の酸素と水分を除去した。窒素焼き出し後、ガリウムが入った８５０℃の温度のソースチャンバに１．２標準リットル／分でＣｌ２を流し、流出ガスを窒素キャリアガス内で１５標準リットル／分のＮＨ３と混合した。このプロセスを３０時間実施した後、反応ガスを止め、反応炉を冷却した。テンプレート上に厚さ約１ミリメートルの配向性の多結晶ＧａＮ層が成膜され、図４に概略的に示したものと同様の構造体を得た。多結晶ＧａＮ層とサファイア基板との熱膨張係数の不整合により、サファイアに多数の亀裂が生じていた。
この多結晶ＧａＮ層で被覆したテンプレートをサファイア基板が露出するようにグラファイトサセプタに載せ、グラファイトるつぼに入れ、ＫＢＦ４粉末で覆い、炉に投入した。窒素気流下でグラファイトサセプタを６００℃まで加熱し、同温度を３６時間保持した後、溶融ＫＢＦ４から引き出して冷却した。サファイアがエッチング除去され、図５に概略的に示したものと同様の構造体（例えば、複合基板５０１）を得た。サファイアの亀裂の一部はＧａＮ層に伝播しているが、それ以外は無傷の状態であった。そして、単結晶ＧａＮ層が多結晶ＧａＮ層に接合された状態となったテンプレートを回収し、Ｎ面が露出するようにスパッタリング堆積チャンバに入れた。接着層としての厚さ１００ナノメートルのＴｉＷ層、厚さ７８０ナノメートルのＡｕ含有不活性層をこの順にスパッタリング堆積した。その後、スパッタリングで成膜した層の上に厚さ６マイクロメートルのＡｕ層を電気メッキで形成し、不活性層の厚さを増大させた。ＡＺ－４３００をフォトレジストとして用い、幅３マイクロメートル、長さ１センチメートルの長いスリット開口をピッチ径８００マイクロメートルで直線状に配列したパターンを画成した。市販のＴＦＡ金エッチング液を用いて、室温でウェットエッチングを行った。マスクパターンは、幅約３０～４０マイクロメートルで、＜１０－１０＞に平行に配向した直線状の開口部を持つｍストライプドメインを含んでいた。次に、濃縮Ｈ３ＰＯ４の入った攪拌ビーカーにパターン基板を投入した。ビーカーを約３０分かけて約２８０℃まで加熱し、同温度を約１０分間保持した後冷却すると、図１１に概略的に示したものと同様の構造体を得た。
このパターン基板を、１５％開口バッフル、原料物質の多結晶ＧａＮ、ＮＨ４Ｆ鉱化剤、アンモニアとともに内径２３０ミリメートルの銀のカプセルに入れ、カプセルを密閉した。アンモニアに対する原料物質のＧａＮとＮＨ４Ｆ鉱化剤の質量比は、それぞれ約１．６９と約０．０９９であった。そして、このカプセルを内熱式高圧装置に入れ、上部の原料物質ゾーンを約６６６℃、下部の結晶成長ゾーンを約６８１℃に加熱し、これらの温度を約２１５時間維持した後、冷却して取り出した。アモノサーマルＧａＮは、まず沿面方向に成長し、トレンチ内体積の大部分を充填して、パターン基板上のパターンマスクの直線状開口部の中を垂直方向に成長し、そのまま沿面方向に成長して完全に結合した。その結果、図１２Ｃに概略的に示した構造体と同様の平滑な上面を持つ厚さ約１２００マイクロメートルのアモノサーマルＧａＮ層が形成された。この多重沿面成長プロセスにより、サファイアの溶解後にＧａＮ層に生じていた亀裂が修復され、実質的に亀裂のないアモノサーマルＧａＮ層が得られた。
以上、特定の実施形態を詳細に説明したが、様々な変更や、他の構成、均等物を採用することができる。したがって、上述の説明および図面は、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
１０１ テンプレート基板
１０３ ＩＩＩ族金属窒化物層
１０４ テンプレート
１０７、１１３、６０５ 接着層
１１７ 支持基板
２０２Ａ、２０２Ｂ 支持体構成結晶
２０４Ａ 支持体構成結晶の上層
２０４Ｂ 支持体構成結晶の下層
２０６ 接合した支持体構成結晶の集合体
４１８ 保護層
５０１ 複合基板
６０７ 拡散バリア層
６０９ 不活性層
６１１ パターンマスク層
６１３、９０８ 開口部
６２５、１１２５ パターン複合基板
７２０ 露出領域
９０３ メサ（孤立成長中心）
９２１ フォトレジスト層
９２２ パターンフォトレジスト層
９２２Ａ 架橋領域
９２２Ｂ 開口領域
９２３ ドライエッチングマスク層
９２５、１０２５ パターン種結晶
１００３ 孤立成長中心領域
１００７ パターン接着層
１２１２、１２１４ バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層
１２１５、１３１５、１４１５ 窓領域
１２１７、１３１７、１４１７ ウイング領域
１２１９、１３１９、１４１９ 結合部（結合部領域）
１３１３ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール
１３３１ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ
１４２０ 貫通転位パターン
１０３ ＩＩＩ族金属窒化物層
１０４ テンプレート
１０７、１１３、６０５ 接着層
１１７ 支持基板
２０２Ａ、２０２Ｂ 支持体構成結晶
２０４Ａ 支持体構成結晶の上層
２０４Ｂ 支持体構成結晶の下層
２０６ 接合した支持体構成結晶の集合体
４１８ 保護層
５０１ 複合基板
６０７ 拡散バリア層
６０９ 不活性層
６１１ パターンマスク層
６１３、９０８ 開口部
６２５、１１２５ パターン複合基板
７２０ 露出領域
９０３ メサ（孤立成長中心）
９２１ フォトレジスト層
９２２ パターンフォトレジスト層
９２２Ａ 架橋領域
９２２Ｂ 開口領域
９２３ ドライエッチングマスク層
９２５、１０２５ パターン種結晶
１００３ 孤立成長中心領域
１００７ パターン接着層
１２１２、１２１４ バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層
１２１５、１３１５、１４１５ 窓領域
１２１７、１３１７、１４１７ ウイング領域
１２１９、１３１９、１４１９ 結合部（結合部領域）
１３１３ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール
１３３１ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ
１４２０ 貫通転位パターン
以上、特定の実施形態を詳細に説明したが、様々な変更や、他の構成、均等物を採用することができる。したがって、上述の説明および図面は、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ ２ 、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ ４ 、ＹＦｅＺｎＯ ４ 、ＭｇＯ、Ｆｅ ２ ＮｉＯ ４ 、ＬｉＧａ ５ Ｏ ８ 、Ｎａ ２ ＭｏＯ ４ 、Ｎａ ２ ＷＯ ４ 、Ｉｎ ２ ＣｄＯ ４ 、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ ２ ）、ＬｉＧａＯ ２ 、Ｃａ ８ Ｌａ ２ （ＰＯ ４ ） ６ Ｏ ２ 、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの１つを含むテンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の前記第１の方向の熱膨張係数と約１５％以内で等しく、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップと、
を含む方法。
実施形態２
前記支持基板をテンプレートに結合するステップが、前記テンプレートを前記支持基板に接合するステップ、または支持基板をテンプレート上に形成するステップのうちのいずれかを含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記テンプレート上に支持基板を形成するステップの前に、前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に保護層を成膜することをさらに含む、実施形態２に記載の方法。
実施形態４
前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板上にバルク結晶成長プロセスを行って、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップと、をさらに含み、
前記自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールは第１の表面および第２の表面を有し、前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、実施形態１に記載の方法。
実施形態５
前記バルク結晶成長プロセスが、アモノサーマル成長プロセスを含む、実施形態４に記載の方法。
実施形態６
前記第２の表面が、（０００±１）ｃ面の５度以内の結晶方位を有することを特徴とする、実施形態４に記載の方法。
実施形態７
前記第２の表面が、｛１０－１０｝ｍ面から５度以内の結晶方位、または｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、および｛３０－３±４｝から選択される半極性方位から５度以内の結晶方位であることを特徴とする、実施形態４に記載の方法。
実施形態８
前記支持基板が多結晶ＩＩＩ族金属窒化物を含み、前記支持基板は前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に形成される、実施形態１に記載の方法。
実施形態９
前記露出表面は、複数の孤立成長中心領域のパターンを含み、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含み、
前記孤立成長中心領域のパターンが、１マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小寸法を有する複数の成長中心であって、少なくとも１つのピッチ寸法が５マイクロメートル～５ミリメートルであることを特徴とする成長中心を含み、
前記方法が、前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これにより、露出したバルク成長表面を有するバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップをさらに含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態１０
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含み、
前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、実施形態９に記載の方法。
実施形態１１
前記露出したバルク成長表面が、複数の貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された複数の貫通転位配列によって特徴付けられ、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列内の貫通転位密度が、約５ｃｍ －１ ～約１０ ５ ｃｍ －１ である、実施形態１０に記載の方法。
実施形態１２
前記露出したバルク成長表面が、複数のウイング領域が配列されたウイング領域配列によってさらに特徴付けられ、
各ウイング領域は、隣接する局所的にほぼ直線状の貫通転位配列の間に配置され、２マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小沿面寸法を有し、貫通転位密度が約１０ ３ ｃｍ －２ ～約１０ ８ ｃｍ －２ であることによって特徴付けられる、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１３
前記露出したバルク成長表面が、隣接する一対のウイング領域の間または各ウイング領域内に配置された１つ以上の窓領域をさらに備え、
前記１つ以上の窓領域の平均貫通転位密度が、約１０ ５ ｃｍ －２ ～約１０ ９ ｃｍ －２ であり、積層欠陥密度が１０ ３ ｃｍ －１ 未満である、実施形態１２に記載の方法。
実施形態１４
前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列が、＜１０－１０＞、＜１１－２０＞、および［０００±１］から選択される結晶面、ならびに前記露出したバルク成長表面への前記結晶面の投影から約５度以内に配向している、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１５
前記露出したバルク成長表面が、対称面のＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値が約１００秒角未満であり、全体の転位密度が約１０ ８ ｃｍ －２ 未満であり、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列間の前記孤立成長中心領域内における全体の転位密度が、約１０ ６ ｃｍ －２ 未満であることを特徴とする、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１６
前記第２の表面上の積層欠陥密度が、約１ｃｍ －１ 未満である、実施形態１５に記載の方法。
実施形態１７
前記成長中心が、５マイクロメートル～５０マイクロメートルの最小寸法を有し、
前記孤立成長中心領域のパターンは、少なくとも１つのピッチ寸法が５００マイクロメートル～２ミリメートルであることを特徴とする、実施形態９に記載の方法。
実施形態１８
エッチングプロセスまたはレーザアブレーションプロセスによって前記ＩＩＩ族金属窒化物層の側壁を露出させるステップをさらに含む、実施形態９に記載の方法。
実施形態１９
前記孤立成長中心領域のパターンが、複数の成長中心の六角形、正方形、矩形、台形、三角形の２次元パターン、および１次元の直線状パターンから選択される、実施形態９に記載の方法。
実施形態２０
前記テンプレート基板が、サファイア、炭化ケイ素、およびシリコンのうちの１つを含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態２１
自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、テンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の熱膨張係数の±１５％以内であり、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、複数の孤立成長中心領域のパターンを含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップであって、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む、テンプレート基板を除去するステップと、
前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これによりバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、を含む方法。
実施形態２２
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層が、露出した成長表面を有し、
前記方法が、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、前記露出した成長表面とは反対側に第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含む、実施形態２１に記載の方法。
実施形態２３
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記露出した成長表面に平行な方向にスライスするステップを含む、実施形態２２に記載の方法。
実施形態２４
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板に対して研削または粗研磨を行って、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板から前記支持基板を除去するステップを含む、実施形態２３に記載の方法。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ ２ 、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ ４ 、ＹＦｅＺｎＯ ４ 、ＭｇＯ、Ｆｅ ２ ＮｉＯ ４ 、ＬｉＧａ ５ Ｏ ８ 、Ｎａ ２ ＭｏＯ ４ 、Ｎａ ２ ＷＯ ４ 、Ｉｎ ２ ＣｄＯ ４ 、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ ２ ）、ＬｉＧａＯ ２ 、Ｃａ ８ Ｌａ ２ （ＰＯ ４ ） ６ Ｏ ２ 、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの１つを含むテンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の前記第１の方向の熱膨張係数と約１５％以内で等しく、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップと、
を含む方法。
実施形態２
前記支持基板をテンプレートに結合するステップが、前記テンプレートを前記支持基板に接合するステップ、または支持基板をテンプレート上に形成するステップのうちのいずれかを含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記テンプレート上に支持基板を形成するステップの前に、前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に保護層を成膜することをさらに含む、実施形態２に記載の方法。
実施形態４
前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板上にバルク結晶成長プロセスを行って、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップと、をさらに含み、
前記自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールは第１の表面および第２の表面を有し、前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、実施形態１に記載の方法。
実施形態５
前記バルク結晶成長プロセスが、アモノサーマル成長プロセスを含む、実施形態４に記載の方法。
実施形態６
前記第２の表面が、（０００±１）ｃ面の５度以内の結晶方位を有することを特徴とする、実施形態４に記載の方法。
実施形態７
前記第２の表面が、｛１０－１０｝ｍ面から５度以内の結晶方位、または｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、および｛３０－３±４｝から選択される半極性方位から５度以内の結晶方位であることを特徴とする、実施形態４に記載の方法。
実施形態８
前記支持基板が多結晶ＩＩＩ族金属窒化物を含み、前記支持基板は前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に形成される、実施形態１に記載の方法。
実施形態９
前記露出表面は、複数の孤立成長中心領域のパターンを含み、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含み、
前記孤立成長中心領域のパターンが、１マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小寸法を有する複数の成長中心であって、少なくとも１つのピッチ寸法が５マイクロメートル～５ミリメートルであることを特徴とする成長中心を含み、
前記方法が、前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これにより、露出したバルク成長表面を有するバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップをさらに含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態１０
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含み、
前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、実施形態９に記載の方法。
実施形態１１
前記露出したバルク成長表面が、複数の貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された複数の貫通転位配列によって特徴付けられ、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列内の貫通転位密度が、約５ｃｍ －１ ～約１０ ５ ｃｍ －１ である、実施形態１０に記載の方法。
実施形態１２
前記露出したバルク成長表面が、複数のウイング領域が配列されたウイング領域配列によってさらに特徴付けられ、
各ウイング領域は、隣接する局所的にほぼ直線状の貫通転位配列の間に配置され、２マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小沿面寸法を有し、貫通転位密度が約１０ ３ ｃｍ －２ ～約１０ ８ ｃｍ －２ であることによって特徴付けられる、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１３
前記露出したバルク成長表面が、隣接する一対のウイング領域の間または各ウイング領域内に配置された１つ以上の窓領域をさらに備え、
前記１つ以上の窓領域の平均貫通転位密度が、約１０ ５ ｃｍ －２ ～約１０ ９ ｃｍ －２ であり、積層欠陥密度が１０ ３ ｃｍ －１ 未満である、実施形態１２に記載の方法。
実施形態１４
前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列が、＜１０－１０＞、＜１１－２０＞、および［０００±１］から選択される結晶面、ならびに前記露出したバルク成長表面への前記結晶面の投影から約５度以内に配向している、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１５
前記露出したバルク成長表面が、対称面のＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値が約１００秒角未満であり、全体の転位密度が約１０ ８ ｃｍ －２ 未満であり、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列間の前記孤立成長中心領域内における全体の転位密度が、約１０ ６ ｃｍ －２ 未満であることを特徴とする、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１６
前記第２の表面上の積層欠陥密度が、約１ｃｍ －１ 未満である、実施形態１５に記載の方法。
実施形態１７
前記成長中心が、５マイクロメートル～５０マイクロメートルの最小寸法を有し、
前記孤立成長中心領域のパターンは、少なくとも１つのピッチ寸法が５００マイクロメートル～２ミリメートルであることを特徴とする、実施形態９に記載の方法。
実施形態１８
エッチングプロセスまたはレーザアブレーションプロセスによって前記ＩＩＩ族金属窒化物層の側壁を露出させるステップをさらに含む、実施形態９に記載の方法。
実施形態１９
前記孤立成長中心領域のパターンが、複数の成長中心の六角形、正方形、矩形、台形、三角形の２次元パターン、および１次元の直線状パターンから選択される、実施形態９に記載の方法。
実施形態２０
前記テンプレート基板が、サファイア、炭化ケイ素、およびシリコンのうちの１つを含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態２１
自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、テンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の熱膨張係数の±１５％以内であり、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、複数の孤立成長中心領域のパターンを含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップであって、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む、テンプレート基板を除去するステップと、
前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これによりバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、を含む方法。
実施形態２２
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層が、露出した成長表面を有し、
前記方法が、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、前記露出した成長表面とは反対側に第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含む、実施形態２１に記載の方法。
実施形態２３
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記露出した成長表面に平行な方向にスライスするステップを含む、実施形態２２に記載の方法。
実施形態２４
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板に対して研削または粗研磨を行って、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板から前記支持基板を除去するステップを含む、実施形態２３に記載の方法。
図１Ａは、大面積のＩＩＩ族窒化物結晶成長に使用することができ、上述した限界を回避する種結晶の作製方法内の処理工程を示す概略断面図である。図１Ａを参照すると、テンプレート基板１０１が示されている。テンプレート基板１０１は、好ましくは、単結晶である基板材料からなる（または含む）。テンプレート基板１０１は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはシリコンなどの材料からなる（または含む）市販の大口径基板とすることができる。代替的な実施形態では、テンプレート基板１０１は、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＹＦｅＺｎＯ４、ＭｇＯ、Ｆｅ２ＮｉＯ４、ＬｉＧａ５Ｏ８、Ｎａ２ＭｏＯ４、Ｎａ２ＷＯ４、Ｉｎ２ＣｄＯ４、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＬｉＧａＯ２、Ｃａ８Ｌａ２（ＰＯ４）６Ｏ２、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなる（または含む）。テンプレート基板１０１の大面積表面のうちの一面または両面に対して、研磨および／または化学機械研磨を施すことができる。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、サファイアからなり（または含み）、（０００１）、（１０－１０）、（１０－１２）、（２２－４３）、または（１１－２３）の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有する大面積表面１０２を有している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、サファイアからなり（または含み）、（０００１）から、｛１１－２０｝ａ面の方向に、｛１０－１０｝ｍ面の方向に、またはａ面とｍ面の中間の面の方向に、約０．５度～約８度または約２度～約４度の方位差が生じている大面積表面１０２を有している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は立方晶構造を有しており、大面積表面１０２は、｛１１１｝、｛１００｝、｛１１０｝、または｛１１４｝の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有している。その他の方位も選択することができる。大面積表面１０２は、最大沿面寸法を約５ミリメートル～約６００ミリメートル、最小沿面寸法を約１ミリメートル～約６００ミリメートルとすることができ、テンプレート基板１０１の厚さは、約１０マイクロメートル～約１０ミリメートルまたは約１００マイクロメートル～約２ミリメートルとすることができる。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１は、実質的に円形であり、１つ以上のオリフラ（orientation flat）を有する。代替的な実施形態では、テンプレート基板１０１は、実質的に矩形である。特定の実施形態では、大面積表面１０２の最大寸法は、約５０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、または３００ｍｍである。大面積表面１０２の結晶方位のばらつきは、約５度未満、約２度未満、約１度未満、約０．５度未満、約０．２度未満、約０．１度未満、または約０．０５度未満とすることができる。
特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３が、テンプレート基板１０１の大面積表面１０２に接合されるか、またはその上に形成される。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３はガリウムを含み得る。以下では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３とテンプレート基板１０１とを合わせてテンプレート１０４と呼ぶ。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の成膜は、ＨＶＰＥ法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などによって行うことができる。ＩＩＩ族金属窒化物層１０３の厚さは、約１マイクロメートル～約１ミリメートル、または約２マイクロメートル～約１００マイクロメートル、約３マイクロメートル～約２５マイクロメートル、または約５マイクロメートル～約１５マイクロメートルとすることができる。特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３は、ウルツ鉱結晶構造を有しており、（０００１）＋ｃ面、（０００－１）－ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、または｛３０－３±４｝の５度以内、２度以内、１度以内、または０．５度以内の結晶方位を有している。なお、当然ながら、｛３０－３±４｝面は、｛３０－３４｝面と｛３０－３－４｝面を意味している。特定の実施形態では、テンプレート基板１０１とＩＩＩ族金属窒化物層１０３との界面に核形成層（図示せず）が存在する。特定の実施形態では、核形成層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、および酸化亜鉛のうちの１つ以上からなる（または含む）。特定の実施形態では、核形成層は、低温ＭＯＣＶＤ、スパッタリング、及び電子ビーム蒸着のうちの少なくとも１つによって、テンプレート基板１０１上に成膜される。特定の実施形態では、核形成層の厚さは、約１ナノメートル～約２００ナノメートルまたは約１０ナノメートル～約５０ナノメートルである。
ここで、再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、少なくとも２つの層２０４Ａ、２０４Ｂを上下（Ｚ方向）に積層するようにテセレーションを行う（２次元集合体を形成する）ことができる。上層２０４Ａ内の隣接する支持体構成結晶２０２Ａおよび下層２０４Ｂ内の隣接する支持体構成結晶２０２Ｂは、１つ以上の隣接する支持体構成結晶と直接当接していてもよく、隙間を空けて隣接していてもよい。この隙間は小さいものとすることができ、例えば、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約１５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満とすることができる。特定の実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体層２０４Ａ、２０４Ｂに垂直な結晶配向方位は、１０度以内、５度以内、２度以内、または１度以内の精度の均一性を有している。各支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂは、自身が含まれる層とは異なるもう一方の層２０４Ｂ、２０４Ａの３つまたは４つの隣接する支持体構成結晶に接合されて、任意の所望の直径に拡張可能なパターンを形成する。そのような所望の直径の例としては、１００ミリメートル超、１５０ミリメートル超、２００ミリメートル超、２５０ミリメートル超、または３００ミリメートル超を挙げることができる。一例を挙げると、図２Ａに示すように、左端の支持体構成結晶２０２Ａは、４つの支持体構成結晶２０２Ｂに接合されている。図２Ａおよび図２Ｂには、上層２０４Ａと下層２０４Ｂとの間の２つの異なる空間的関係すなわち空間レジストリが示されている。図２Ａでは、上層２０４Ａは、上層２０４Ａの隣り合う２つの端縁が、下層２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ｂの中心上にあるように配置される。図２Ｂでは、上層２０４Ａの支持体構成結晶２０２Ａの１つおきの頂点（すなわち角）が、下層２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ｂの中心上にある。なお、他の配置も可能である。支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂを少なくとも２つの層２０４Ａ、２０４Ｂをなすように配置すると、２つの層２０４Ａ、２０４Ｂの支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂが一体に接合される。ある詳細な実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの接合は、例えば、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ」（Ｑ．－Ｙ． Ｔｏｎｇ， Ｕ． Ｇｏｓｅｌｅ（著））に開示されているような周知のウェハ接合技術を用いて行うことができる。他の詳細な実施形態では、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの接合は、ろう付けで行うことができる。すなわち、支持体構成結晶２０２Ａ、２０２Ｂの集合体を、接着層の凝固点（すなわち融点）を上回る温度まで加熱後、冷却することによって接合することができる。なお、他の接合方法も可能である。
いくつかの実施形態では、他の方法によって、孤立成長中心を有する層転写されたパターン種結晶を作製することができる。図１０Ａ～図１０Ｃは、図９Ａ～図９Ｆと同様のパターニングプロセスを実行して、図９Ｆに示すパターン種結晶９２５と非常に類似した構造を形成する実施形態を示している。図１０Ａには、テンプレート基板１０１と孤立成長中心領域１００３とパターン接着層１００７とを含むテンプレート１０４（図１Ａに図示）を示している。孤立成長中心領域１００３およびパターン接着層１００７は、パターン接着層１００７を支持基板１１７の接着層１１３に対してウェハ接合する前に、接着層１０７を成膜したＩＩＩ族金属窒化物層１０３に対して従来の（１つ以上の）パターニングステップを実施することによって形成される。パターニングおよびエッチングプロセスによって、孤立成長中心領域１００３上のパターン接着層１００７を残して、ＩＩＩ族金属窒化物層１０３および接着層１０７のその他の部分をエッチングで除去する。いくつかの実施形態では、テンプレート基板１０１の一部もエッチングされる。次に、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示すプロセスと同様のプロセスによって、孤立成長中心領域１００３の上のパターン接着層１００７の上面１００９を、支持基板１１７上の接着層１１３の外面１１１に当接して、ウェハ接合する。上述したように、テンプレート基板１０１を除去すると、図９Ｆに示すパターン種結晶９２５と非常に類似した構造を持つ、図１０Ｃに示すようなパターン種結晶１０２５が得られる。
図１４Ａ～図１４Ｅは、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１に形成される貫通転位パターン１４２０を示す簡略図である。自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール１３１３または自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ１３３１の大面積表面は、（１つ以上の）パターンマスク層６１１の開口部６１３の上方に形成された１つ以上の窓領域１４１５と、（１つ以上の）パターンマスク層６１１の非開口領域の上方に形成された１つ以上のウイング領域１４１７と、図１２Ｂ～図１２Ｊおよび１３Ａ～１３Ｃに関連して上述したような、エピタキシャル横方向成長プロセスの間に形成される結合部１２１９から伝播した貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された複数の貫通転位配列のパターン１４１９と、を含むことができる。上述の同様の説明にもある通り、結合部１２１９、１３１９のいずれかまたは両方が、「シャープ粒界」または「拡張粒界」を含む結合部領域を有すると考えられる。「シャープ粒界」は、互いに隣接するウイング領域１３１７の間に配置される粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル未満または約１０マイクロメートル未満のものを指す。「拡張粒界」は、成長条件によって変化する粒界であり、互いに隣接するウイング領域１３１７の間に配置される粒界であって、その幅が約２５マイクロメートル～約１０００マイクロメートルまたは約３０マイクロメートル～約２５０マイクロメートルのものを指す。貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターン１４１９は、２Ｄの六角形、正方形、矩形、台形、三角形パターン、１Ｄの直線状パターン、またはパターンの少なくとも一部が露出領域７２０のパターンによって生じた不規則パターンとすることができる（図７Ａ～図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂ参照）。また、より複雑なパターンも可能であり、パターンが複雑になれば、例えば、亀裂や劈開に対する耐性が高くなるなどの利点がある。なお、例えば、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールのスライス加工を、ブールの大面積表面に対して傾斜した角度で行ったことなどが原因で、パターンの一方向が、直交するもう一方向に比べて長くなったパターンとなる場合がある。いくつかの実施形態では、沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ブール（または沿面成長ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ）における、貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された１つ以上の貫通転位配列の終端に、１つ以上の貫通孔が存在する。貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターンは、ピッチ寸法Ｌ、または２つの直交方向におけるピッチ寸法Ｌ１およびＬ２が、約５マイクロメートル～約２０ミリメートル、または約２００マイクロメートル～約５ミリメートル、または約５００マイクロメートル～約２ミリメートルであることを特徴とすることができる。特定の実施形態では、貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された貫通転位配列のパターンは、基礎となるＩＩＩ族金属窒化物の結晶構造とほぼ整合しており、例えば、局所的にほぼ直線状の配列は、自立沿面成長ＩＩＩ族窒化物ブールまたは自立沿面成長ＩＩＩ族窒化物ウェハの表面の平面における＜１０－１０＞、＜１１－２０＞、［０００±１］またはそれらの投影のうち１つ以上の約５度以内、約２度以内、または約１度以内の方向に延びる。このパターンにおける貫通転位の線密度は、約１×１０５ｃｍ－１未満、約３×１０４ｃｍ－１未満、約１×１０４ｃｍ－１未満、約３×１０３ｃｍ－１未満、約１×１０３ｃｍ－１未満、約３×１０２ｃｍ－１未満、または約１×１０２ｃｍ－１未満とすることができる。このパターンにおける貫通転位の線密度は、５ｃｍ－１超、１０ｃｍ－１超、２０ｃｍ－１超、５０ｃｍ－１超、１００ｃｍ－１超、２００ｃｍ－１超、または５００ｃｍ－１超とすることができる。
再び図１４Ａ～図１４Ｅを参照すると、窓領域１４１５は、互いに隣接するウイング領域１４１７の間（図１４Ｄ）または各ウイング領域１４１７内（図１４Ａ～図１４Ｃ、および図１４Ｅ）に位置することができる。窓領域１４１５は、上述において図７Ａ～図７Ｅ、図８Ａおよび図８Ｂに関連して概説したように、（１つ以上の）パターンマスク層６１１内に形成された露出領域７２０の上に形成されている。ウイング領域１４１７の表面における貫通転位の密度は、窓領域１４１５の表面における貫通転位の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０３ｃｍ－２未満、約１０２ｃｍ－１未満、または約１０ｃｍ－２未満とすることができる。窓領域１４１５の表面には、例えば、約１ｃｍ－１～約１０４ｃｍ－１の間の密度で、積層欠陥が存在する可能性もある。ウイング領域１４１７の表面における積層欠陥の密度は、窓領域１４１５の表面における積層欠陥の密度よりも、約０～約３桁低くてもよく、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、または約０．１ｃｍ－１未満とすることができ、検出不能なレベルであってもよい。結合部領域１２１９に存在する、例えば刃状転位などの貫通転位の線密度は、例えば、約１×１０５ｃｍ－１未満、約３×１０４ｃｍ－１未満、約１×１０４ｃｍ－１未満、約３×１０３ｃｍ－１未満、約１×１０３ｃｍ－１未満、約３×１０２ｃｍ－１未満、または１×１０２ｃｍ－１未満とすることができる。結合部に沿った転位密度は、５ｃｍ－１超、１０ｃｍ－１超、２０ｃｍ－１超、５０ｃｍ－１超、１００ｃｍ－１超、２００ｃｍ－１超、または５００ｃｍ－１超とすることができる。
１０１ テンプレート基板
１０３ ＩＩＩ族金属窒化物層
１０４ テンプレート
１０７、１１３、６０５ 接着層
１１７ 支持基板
２０２Ａ、２０２Ｂ 支持体構成結晶
２０４Ａ 支持体構成結晶の上層
２０４Ｂ 支持体構成結晶の下層
２０６ 接合した支持体構成結晶の集合体
４１８ 保護層
５０１ 複合基板
６０７ 拡散バリア層
６０９ 不活性層
６１１ パターンマスク層
６１３、９０８ 開口部
６２５、１１２５ パターン複合基板
７２０ 露出領域
９０３ メサ（孤立成長中心）
９２１ フォトレジスト層
９２２ パターンフォトレジスト層
９２２Ａ 架橋領域
９２２Ｂ 開口領域
９２３ ドライエッチングマスク層
９２５、１０２５ パターン種結晶
１００３ 孤立成長中心領域
１００７ パターン接着層
１２１２、１２１４ バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層
１２１５、１３１５、１４１５ 窓領域
１２１７、１３１７、１４１７ ウイング領域
１２１９、１３１９ 結合部（結合部領域）
１３１３ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール
１３３１ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ
１４２０ 貫通転位パターン
１０３ ＩＩＩ族金属窒化物層
１０４ テンプレート
１０７、１１３、６０５ 接着層
１１７ 支持基板
２０２Ａ、２０２Ｂ 支持体構成結晶
２０４Ａ 支持体構成結晶の上層
２０４Ｂ 支持体構成結晶の下層
２０６ 接合した支持体構成結晶の集合体
４１８ 保護層
５０１ 複合基板
６０７ 拡散バリア層
６０９ 不活性層
６１１ パターンマスク層
６１３、９０８ 開口部
６２５、１１２５ パターン複合基板
７２０ 露出領域
９０３ メサ（孤立成長中心）
９２１ フォトレジスト層
９２２ パターンフォトレジスト層
９２２Ａ 架橋領域
９２２Ｂ 開口領域
９２３ ドライエッチングマスク層
９２５、１０２５ パターン種結晶
１００３ 孤立成長中心領域
１００７ パターン接着層
１２１２、１２１４ バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層
１２１５、１３１５、１４１５ 窓領域
１２１７、１３１７、１４１７ ウイング領域
１２１９、１３１９ 結合部（結合部領域）
１３１３ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ブール
１３３１ 自立ＩＩＩ族金属窒化物ウェハ
１４２０ 貫通転位パターン
Claims (24)
- 自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＹＦｅＺｎＯ４、ＭｇＯ、Ｆｅ２ＮｉＯ４、ＬｉＧａ５Ｏ８、Ｎａ２ＭｏＯ４、Ｎａ２ＷＯ４、Ｉｎ２ＣｄＯ４、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＬｉＧａＯ２、Ｃａ８Ｌａ２（ＰＯ４）６Ｏ２、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの１つを含むテンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の前記第１の方向の熱膨張係数と約１５％以内で等しく、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップと、
を含む方法。 - 前記支持基板をテンプレートに結合するステップが、前記テンプレートを前記支持基板に接合するステップ、または支持基板をテンプレート上に形成するステップのうちのいずれかを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記テンプレート上に支持基板を形成するステップの前に、前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に保護層を成膜することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板上にバルク結晶成長プロセスを行って、バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、
前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップと、をさらに含み、
前記自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールは第１の表面および第２の表面を有し、前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、請求項１に記載の方法。 - 前記バルク結晶成長プロセスが、アモノサーマル成長プロセスを含む、請求項４に記載の方法。
- 前記第２の表面が、（０００±１）ｃ面の５度以内の結晶方位を有することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
- 前記第２の表面が、｛１０－１０｝ｍ面から５度以内の結晶方位、または｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、および｛３０－３±４｝から選択される半極性方位から５度以内の結晶方位であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
- 前記支持基板が多結晶ＩＩＩ族金属窒化物を含み、前記支持基板は前記ＩＩＩ族金属窒化物層上に形成される、請求項１に記載の方法。
- 前記露出表面は、複数の孤立成長中心領域のパターンを含み、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含み、
前記孤立成長中心領域のパターンが、１マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小寸法を有する複数の成長中心であって、少なくとも１つのピッチ寸法が５マイクロメートル～５ミリメートルであることを特徴とする成長中心を含み、
前記方法が、前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これにより、露出したバルク成長表面を有するバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含み、
前記第２の表面は、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップで形成されるものである、請求項９に記載の方法。 - 前記露出したバルク成長表面が、複数の貫通転位が局所的にほぼ直線状に配列された複数の貫通転位配列によって特徴付けられ、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列内の貫通転位密度が、約５ｃｍ－１～約１０５ｃｍ－１である、請求項１０に記載の方法。
- 前記露出したバルク成長表面が、複数のウイング領域が配列されたウイング領域配列によってさらに特徴付けられ、
各ウイング領域は、隣接する局所的にほぼ直線状の貫通転位配列の間に配置され、２マイクロメートル～１００マイクロメートルの最小沿面寸法を有し、貫通転位密度が約１０３ｃｍ－２～約１０８ｃｍ－２であることによって特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。 - 前記露出したバルク成長表面が、隣接する一対のウイング領域の間または各ウイング領域内に配置された１つ以上の窓領域をさらに備え、
前記１つ以上の窓領域の平均貫通転位密度が、約１０５ｃｍ－２～約１０９ｃｍ－２であり、積層欠陥密度が１０３ｃｍ－１未満である、請求項１２に記載の方法。 - 前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列が、＜１０－１０＞、＜１１－２０＞、および［０００±１］から選択される結晶面、ならびに前記露出したバルク成長表面への前記結晶面の投影から約５度以内に配向している、請求項１１に記載の方法。
- 前記露出したバルク成長表面が、対称面のＸ線回折ロッキングカーブ半値全幅値が約１００秒角未満であり、全体の転位密度が約１０８ｃｍ－２未満であり、前記局所的にほぼ直線状の貫通転位配列間の前記孤立成長中心領域内における全体の転位密度が、約１０６ｃｍ－２未満であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 前記第２の表面上の積層欠陥密度が、約１ｃｍ－１未満である、請求項１５に記載の方法。
- 前記成長中心が、５マイクロメートル～５０マイクロメートルの最小寸法を有し、
前記孤立成長中心領域のパターンは、少なくとも１つのピッチ寸法が５００マイクロメートル～２ミリメートルであることを特徴とする、請求項９に記載の方法。 - エッチングプロセスまたはレーザアブレーションプロセスによって前記ＩＩＩ族金属窒化物層の側壁を露出させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
- 前記孤立成長中心領域のパターンが、複数の成長中心の六角形、正方形、矩形、台形、三角形の２次元パターン、および１次元の直線状パターンから選択される、請求項９に記載の方法。
- 前記テンプレート基板が、サファイア、炭化ケイ素、およびシリコンのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
- 自立ＩＩＩ族金属窒化物結晶を形成する方法であって、該方法は、
支持基板を、テンプレート基板と、前記テンプレート基板の第１の表面上に配置されるＩＩＩ族金属窒化物層と、を含むテンプレートに結合するステップであって、
前記支持基板は多結晶体であり、前記支持基板の前記第１の表面に平行である第１の方向の熱膨張係数が、室温～約７００℃において前記ＩＩＩ族金属窒化物層の熱膨張係数の±１５％以内であり、
前記支持基板が、前記ＩＩＩ族金属窒化物層と実質的に同一の組成物を含む、支持基板をテンプレートに結合するステップと、
前記テンプレート基板を除去して、複数の孤立成長中心領域のパターンを含む露出表面を有するＩＩＩ族金属窒化物複合基板を形成するステップであって、
前記複数の孤立成長中心領域のそれぞれが前記ＩＩＩ族金属窒化物層の少なくとも一部を含む、テンプレート基板を除去するステップと、
前記孤立成長中心領域のパターンからＩＩＩ族金属窒化物結晶材料を垂直方向および沿面方向に成長させて、前記孤立成長中心のうち隣接する２つ以上の孤立成長中心の間で成長した前記ＩＩＩ族金属窒化物結晶材料の各部分が結合し、これによりバルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を形成するステップと、を含む方法。 - 前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層が、露出した成長表面を有し、
前記方法が、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離して、前記露出した成長表面とは反対側に第２の表面を有する自立ＩＩＩ族金属窒化物ブールを形成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。 - 前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記露出した成長表面に平行な方向にスライスするステップを含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記バルク成長ＩＩＩ族金属窒化物層を前記支持基板から分離するステップが、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板に対して研削または粗研磨を行って、前記ＩＩＩ族金属窒化物複合基板から前記支持基板を除去するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202062962087P | 2020-01-16 | 2020-01-16 | |
| US62/962,087 | 2020-01-16 | ||
| PCT/US2020/066900 WO2021146042A1 (en) | 2020-01-16 | 2020-12-23 | High-quality group-iii metal nitride seed crystal and method of making |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023510554A true JP2023510554A (ja) | 2023-03-14 |
| JP7478826B2 JP7478826B2 (ja) | 2024-05-07 |
Family
ID=74236276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022542707A Active JP7478826B2 (ja) | 2020-01-16 | 2020-12-23 | 高品質ｉｉｉ族金属窒化物種結晶およびその製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11661670B2 (ja) |
| EP (1) | EP4090790A1 (ja) |
| JP (1) | JP7478826B2 (ja) |
| CN (1) | CN114929947A (ja) |
| WO (1) | WO2021146042A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114929947A (zh) | 2020-01-16 | 2022-08-19 | Slt科技公司 | 高质量第iii族金属氮化物晶种及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005502193A (ja) * | 2001-09-05 | 2005-01-20 | クリー インコーポレイテッド | 独立（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎおよびそれを形成するための分割方法 |
| JP2008538658A (ja) * | 2005-04-21 | 2008-10-30 | エイオーネックス・テクノロジーズ・インコーポレイテッド | 中間基板とその製造方法 |
| JP2013180937A (ja) * | 2012-03-02 | 2013-09-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム基板およびそれを用いた光デバイス |
| JP2014111527A (ja) * | 2012-11-26 | 2014-06-19 | Soraa Inc | Ｉｉｉ族金属窒化物結晶およびその形成方法 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5474021A (en) | 1992-09-24 | 1995-12-12 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Epitaxial growth of diamond from vapor phase |
| US5364368A (en) * | 1993-07-01 | 1994-11-15 | Kauffman Kathryn M | Stabilization device for intravascular catheters |
| US5679152A (en) * | 1994-01-27 | 1997-10-21 | Advanced Technology Materials, Inc. | Method of making a single crystals Ga*N article |
| US6163557A (en) | 1998-05-21 | 2000-12-19 | Xerox Corporation | Fabrication of group III-V nitrides on mesas |
| US6380108B1 (en) | 1999-12-21 | 2002-04-30 | North Carolina State University | Pendeoepitaxial methods of fabricating gallium nitride semiconductor layers on weak posts, and gallium nitride semiconductor structures fabricated thereby |
| JP2005005378A (ja) * | 2003-06-10 | 2005-01-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ｉｉｉ族窒化物結晶およびその製造方法 |
| US7527742B2 (en) | 2005-06-27 | 2009-05-05 | Momentive Performance Materials Inc. | Etchant, method of etching, laminate formed thereby, and device |
| US8039412B2 (en) | 2005-12-20 | 2011-10-18 | Momentive Performance Materials Inc. | Crystalline composition, device, and associated method |
| JP2009286652A (ja) | 2008-05-28 | 2009-12-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ｉｉｉ族窒化物結晶、ｉｉｉ族窒化物結晶基板および半導体デバイスの製造方法 |
| US9564320B2 (en) * | 2010-06-18 | 2017-02-07 | Soraa, Inc. | Large area nitride crystal and method for making it |
| US8786053B2 (en) * | 2011-01-24 | 2014-07-22 | Soraa, Inc. | Gallium-nitride-on-handle substrate materials and devices and method of manufacture |
| JP5904421B2 (ja) | 2012-01-11 | 2016-04-13 | 国立大学法人大阪大学 | Ｉｉｉ族窒化物結晶および半導体装置の製造方法 |
| US9650723B1 (en) | 2013-04-11 | 2017-05-16 | Soraa, Inc. | Large area seed crystal for ammonothermal crystal growth and method of making |
| US10094017B2 (en) | 2015-01-29 | 2018-10-09 | Slt Technologies, Inc. | Method and system for preparing polycrystalline group III metal nitride |
| CN114929947A (zh) | 2020-01-16 | 2022-08-19 | Slt科技公司 | 高质量第iii族金属氮化物晶种及其制备方法 |
-
2020
- 2020-12-23 CN CN202080093306.XA patent/CN114929947A/zh active Pending
- 2020-12-23 US US17/133,002 patent/US11661670B2/en active Active
- 2020-12-23 EP EP20845726.7A patent/EP4090790A1/en active Pending
- 2020-12-23 JP JP2022542707A patent/JP7478826B2/ja active Active
- 2020-12-23 WO PCT/US2020/066900 patent/WO2021146042A1/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005502193A (ja) * | 2001-09-05 | 2005-01-20 | クリー インコーポレイテッド | 独立（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎおよびそれを形成するための分割方法 |
| JP2008538658A (ja) * | 2005-04-21 | 2008-10-30 | エイオーネックス・テクノロジーズ・インコーポレイテッド | 中間基板とその製造方法 |
| JP2013180937A (ja) * | 2012-03-02 | 2013-09-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム基板およびそれを用いた光デバイス |
| JP2014111527A (ja) * | 2012-11-26 | 2014-06-19 | Soraa Inc | Ｉｉｉ族金属窒化物結晶およびその形成方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7478826B2 (ja) | 2024-05-07 |
| WO2021146042A1 (en) | 2021-07-22 |
| EP4090790A1 (en) | 2022-11-23 |
| CN114929947A (zh) | 2022-08-19 |
| US20210222317A1 (en) | 2021-07-22 |
| US11661670B2 (en) | 2023-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7121769B2 (ja) | Ｉｉｉ族金属窒化物結晶を含むデバイスおよびその形成方法 | |
| US9650723B1 (en) | Large area seed crystal for ammonothermal crystal growth and method of making | |
| US8148801B2 (en) | Nitride crystal with removable surface layer and methods of manufacture | |
| US9653554B2 (en) | Reusable nitride wafer, method of making, and use thereof | |
| US8143702B2 (en) | Group III-V nitride based semiconductor substrate and method of making same | |
| US8048225B2 (en) | Large-area bulk gallium nitride wafer and method of manufacture | |
| US20120000415A1 (en) | Large Area Nitride Crystal and Method for Making It | |
| US20100003492A1 (en) | High quality large area bulk non-polar or semipolar gallium based substrates and methods | |
| US11466384B2 (en) | Method of forming a high quality group-III metal nitride boule or wafer using a patterned substrate | |
| JP2005343713A (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体自立基板及びその製造方法並びにｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体 | |
| US20210246571A1 (en) | Large area group iii nitride crystals and substrates, methods of making, and methods of use | |
| JP6704387B2 (ja) | 窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びに半導体デバイス及びその製造方法 | |
| US11721549B2 (en) | Large area group III nitride crystals and substrates, methods of making, and methods of use | |
| JP7478826B2 (ja) | 高品質ｉｉｉ族金属窒化物種結晶およびその製造方法 | |
| JPH1179897A (ja) | 窒化ガリウム厚膜の結晶成長方法 | |
| JP2004288934A (ja) | サファイア基板とその製造方法、エピタキシャル基板および半導体装置とその製造方法 | |
| US9673044B2 (en) | Group III nitride substrates and their fabrication method | |
| JP2005251961A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物単結晶ウエハおよびそれを用いた半導体装置の製造方法 | |
| US20220416015A1 (en) | Semiconductor element and method for manufacturing semiconductor element | |
| JP2023513574A (ja) | 大面積ｉｉｉ族窒化物結晶及び基板、その製造方法、並びにその使用方法 | |
| JP4303500B2 (ja) | 窒化物半導体素子の製造方法 | |
| US20230340695A1 (en) | Large area group iii nitride crystals and substrates, methods of making, and methods of use | |
| WO2010008037A1 (ja) | ＡｌＧａＮバルク結晶の製造方法およびＡｌＧａＮ基板の製造方法 | |
| KR20000056458A (ko) | 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법 | |
| JP2002231640A (ja) | 窒化ガリウム基板及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220914 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221020 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220912 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231018 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240118 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240327 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240422 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7478826 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |