JP4396649B2 - ＧａＮ結晶基板およびその製造方法 - Google Patents

ＧａＮ結晶基板およびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4396649B2
JP4396649B2 JP2006041140A JP2006041140A JP4396649B2 JP 4396649 B2 JP4396649 B2 JP 4396649B2 JP 2006041140 A JP2006041140 A JP 2006041140A JP 2006041140 A JP2006041140 A JP 2006041140A JP 4396649 B2 JP4396649 B2 JP 4396649B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
crystal
gan
region
substrate
gan crystal
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006041140A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007220975A (ja
Inventor
史隆 佐藤
成二 中畑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2006041140A priority Critical patent/JP4396649B2/ja
Priority to EP06023148A priority patent/EP1820887A3/en
Priority to KR20060112672A priority patent/KR20070082842A/ko
Priority to US11/602,948 priority patent/US7556687B2/en
Priority to TW095144487A priority patent/TW200736421A/zh
Priority to CN2007100023713A priority patent/CN101024903B/zh
Publication of JP2007220975A publication Critical patent/JP2007220975A/ja
Priority to US12/477,642 priority patent/US20090289261A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4396649B2 publication Critical patent/JP4396649B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • 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
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

本発明は、反りの小さいＧａＮ結晶基板およびその製造方法に関する。本発明の反りの小さいＧａＮ結晶基板は、ＬＥＤ（発光ダイオード、以下同じ）、ＬＤ（半導体レーザ、以下同じ）などの半導体デバイス用基板として広く用いられる。
ＧａＮ結晶基板は、ＬＥＤ、ＬＤなどの半導体デバイス用基板として広く用いられている。半導体デバイスの特性向上を図るため、転位密度の低いＧａＮ結晶基板の開発が求められている。
転位密度の低いＧａＮ結晶基板の製造方法として、マスク層を設けた下地基板上にＧａＮ結晶を成長させることにより、ＧａＮ結晶の成長の際に所定の位置にファセットを形成することにより、所定の場所に結晶の転位を集中させ、符号の異なる転位間の結合により転位を低減させるファセット成長法が提案されている（たとえば、特許文献１および特許文献２を参照）。
しかし、上記ファセット成長方法によれば、転位密度の小さなＧａＮ結晶を得ることができるが、下地基板に近い部分は転位密度が高いのに対し、下地基板から遠い部分は転位密度が低くなるため、ＧａＮ結晶およびこれから得られるＧａＮ結晶基板に反りが生じる。かかるＧａＮ結晶基板の反りは、基板の厚さが大きくなるほど顕著になる。反りの大きなＧａＮ基板は、そのＧａＮ基板上に均一なエピタキシャル層を形成することが困難であり、その結果特性の均一な半導体デバイスを形成することが困難である。
特開２００３−１６５７９９号公報 特開２００３−１８３１００号公報
本発明は、反りの小さいＧａＮ結晶基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、マトリックス結晶領域と、ｃ軸反転結晶領域と、粗大コア結晶領域とを含むＧａＮ結晶基板であって、ｃ軸反転結晶領域の結晶は、マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が同じであり、ｃ軸方向が反転しており、粗大コア結晶領域は１以上の結晶を含み、粗大コア結晶領域における結晶は、マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が異なり、ｃ軸方向が同じであり、粗大コア結晶領域を０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で含むことを特徴とするＧａＮ結晶基板である。
本発明にかかるＧａＮ結晶基板において、マトリックス結晶領域内に、ランダム転位集中領域を１００個／ｃｍ2以下で含むことができる。
また、本発明は、上記のＧａＮ結晶基板の製造方法であって、下地基板上に開口部を有するマスク層を形成し、マスク層が形成された下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含み、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、マスク層の少なくとも一部に１以上のコア結晶を形成し、マスク層が形成された下地基板上にマトリックス結晶領域およびｃ軸反転結晶領域を形成するとともに、コア結晶から粗大コア結晶領域を形成することを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法である。
また、本発明は、上記の製造方法により得られたＧａＮ結晶基板を下地基板として用いて、この下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法である。
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の製造方法において、マスク層が形成された下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる方法として、ＨＶＰＥ法を用いて、ＧａＮ結晶の成長開始から少なくとも３分間は、Ｇａ原料ガス分圧は２．５ｋＰａよりも大きく、Ｎ原料ガス分圧は３０ｋＰａよりも大きくすることができる。
本発明によれば、反りの小さいＧａＮ結晶基板およびその製造方法を提供することができる。
（実施形態１）
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の一実施形態は、図１の（ｂ）を参照して、マトリックス結晶領域１１と、ｃ軸反転結晶領域２１と、粗大コア結晶領域３１とを含むＧａＮ結晶基板１であって、ｃ軸反転結晶領域２１の結晶は、マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が同じでありｃ軸方向が反転しており、粗大コア結晶領域３１は１以上の結晶を含み、粗大コア結晶領域３１における結晶は、マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が異なりｃ軸方向が同じであり、粗大コア結晶領域３１を０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で含むことを特徴とする。
本実施形態のＧａＮ結晶基板１は、マトリックス結晶領域１１の結晶に対してａ軸方向が異なりｃ軸が同じである１以上の結晶から構成される粗大コア結晶領域３１が形成されていることにより、粗大コア結晶領域３１とマトリックス結晶領域１１との界面に転位が発生するため、ＧａＮ結晶基板の反りが小さくなる。
転位密度の小さいＧａＮ結晶基板の製造方法として提案されている従来のファセット成長法は、図７を参照して、下地基板１０上に開口部を有するマスク層２０を形成し、マスク層２０が形成された下地基板１０上にＧａＮ結晶を成長させる際に、ＧａＮ結晶の主な結晶成長面であるＣ面１１ｃの他にファセット面１１ｆを形成することにより、マスク層２０上に成長するｃ軸反転結晶領域２１に転位を集中させて、反対符号の転位を結合させて、下地基板１０上に成長するマトリックス結晶領域１１の転位密度を低減するものである。
しかし、従来のファセット成長法においては、ｃ軸反転結晶領域２１における転位は反対符号の転位が結合することにより低減するため、ＧａＮ結晶は、その厚さが大きくなるとともに、結晶成長面側１１ｔの転位密度と結晶成長開始面側１１ｓの転位密度の差とが大きくなり、このＧａＮ結晶から得られるＧａＮ結晶基板７の反りが大きくなるという問題がある。
これに対して、図１を参照して、本発明にかかるＧａＮ結晶基板１は、粗大コア結晶領域３１とマトリックス結晶領域１１との界面に転位が発生するため、ＧａＮ結晶の厚さが大きくなっても、結晶成長面側１１ｔの転位密度と結晶成長開始面側１１ｓの転位密度の差との増大が抑制され、ＧａＮ結晶基板１の反りを小さくすることができる。
本実施形態のＧａＮ結晶基板１における粗大コア結晶領域３１は、１以上の結晶を含んでいるため、結晶領域間（具体的には、粗大コア結晶領域３１とマトリックス結晶領域１１との間）および結晶間（具体的には、粗大コア結晶領域３１内の各結晶間）の界面に転位が発生する。
六方晶であるＧａＮ結晶の結晶軸は、ｃ軸と、ｃ軸に対して垂直なａ軸およびｂ軸とにより構成される。ここで、ａ軸とｂ軸とは、１２０°の角度をなして交差しており、幾何学的に等価であることから、本願においては、対比させる結晶（たとえば、粗大コア領域に含まれる結晶とマトリックス結晶領域の結晶、ｃ軸反転結晶領域の結晶とマトリックス結晶領域の結晶など）のｃ軸の垂直な結晶軸において、ずれ角が最も小さくなる各結晶の結晶軸をそれぞれの結晶のａ軸とする。
ｃ軸反転結晶領域２１の結晶が、マトリックス結晶領域１１の結晶に対して、ａ軸方向が同じとは、ｃ軸反転結晶領域２１に含まれる１つ以上の結晶のａ軸とマトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のａ軸とが、実質的に同じ向きの方向ベクトルを有し、両者のａ軸のずれ角が３０°未満であることをいう。ここで、軸のずれ角とは、注目する結晶軸（たとえば、ａ軸またはｃ軸など）について２つの結晶のそれぞれの結晶軸がなす角度をいい、ＳＥＭ（Scaning Electoron Microscopy）を利用したＥＰＳＰ（Electron Back Scattering Pattern）を用いて測定することができる。
また、ｃ軸反転結晶領域２１の結晶が、マトリックス結晶領域１１の結晶に対して、ｃ軸方向が反転しているとは、ｃ軸反転結晶領域２１に含まれる１つ以上の結晶のｃ軸がマトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のｃ軸に対して、その方向ベクトルが実質的に反対になっているものをいう。ここで、ｃ軸の方向ベクトルが実質的に反対とは、ｃ軸反転結晶領域２１に含まれる１つ以上の結晶のｃ軸とマトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のｃ軸とのずれ角が３０°未満であり、その方向ベクトルの向きが反対であることをいう。
粗大コア結晶領域３１における結晶が、マトリックス結晶領域１１の結晶に対して、ａ軸方向が異なるとは、粗大コア結晶領域３１に含まれる１つ以上の結晶のａ軸とマトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のａ軸とが、実質的に異なる向きの方向ベクトルを有し、６０°以下のずれ角を有することをいう。ここで、粗大コア結晶領域３１に含まれる１つ以上の結晶のａ軸方向は、マトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のａ軸方向に対して、６０°以下のずれ角の範囲内でランダムに分布している。
また、粗大コア結晶領域３１における結晶が、マトリックス結晶領域１１の結晶に対して、ｃ軸方向が同じとは、粗大コア結晶領域３１に含まれる１つ以上の結晶のｃ軸がマトリックス結晶領域１１に含まれる結晶のｃ軸とが、実質的に同じ向きの方向ベクトルを有し、両者のｃ軸のずれ角が３０°未満であることをいう。
粗大コア結晶領域３１は、ＧａＮ結晶基板中に０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で含まれている。粗大コア結晶領域３１が０．１個／ｃｍ2より少ないと基板の反りが大きくなり、粗大コア結晶領域３１が１０個／ｃｍ2より多いと基板の転位密度が大きくなり、いずれの場合も半導体デバイス用基板として不適切である。
ＧａＮ結晶基板において、複数の粗大コア結晶領域はほぼ均一に分布している。また、複数の粗大コア結晶領域において、各々の粗大コア結晶領域３１に含まれる結晶のａ軸方向は、マトリックス結晶領域１１の結晶のａ軸方向に対して、０°から６０°のずれ角の範囲内でランダムに分布している。また、各々の粗大コア結晶領域３１に複数の結晶が含まれる場合においては、各々の結晶のａ軸方向は、マトリックス結晶領域１１の結晶のａ軸方向に対して、０°から６０°のずれ角の範囲内でランダムに分布している。このため、ＧａＮ結晶基板において、転位はほぼ均一に分布しており、ＧａＮ結晶基板の反りが小さくなる。
また、粗大コア結晶領域の大きさは、特に制限はなく、直径が１ｍｍ未満のものが多く現われ、直径が１ｍｍ以上のものも現われ得る。
本実施形態のＧａＮ結晶基板において、マトリックス結晶領域内に、ランダム転位集中領域を１００個／ｃｍ2以下で含むことが好ましい。かかるランダム転位集中領域１２を含むことにより、結晶成長の際に転位が維持され、ＧａＮ結晶基板の反りをさらに小さくすることができる。ランダム転位集中領域１２が１００個／ｃｍ2より多いと、基板の転位密度が大きくなり、半導体デバイス用基板として不適切である。
また、ランダム転位集中領域の大きさは、特に制限はないが、一般的に小さく、直径が５００μｍ未満のものが多く現われる。
ＧａＮ結晶基板のマトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域は、蛍光顕微鏡により観察ができ、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域の密度を蛍光顕微鏡観察により算出できる。また、各結晶領域の結晶軸はＸＲＤ（Ｘ線回折）法により決定することができる。またｃ軸反転結晶領域とマトリックス結晶領域との識別は、収束電子回折法による極性の違い、エッチング速度の違いなどにより容易に行なえる。
（実施形態２）
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の製造方法の一実施形態は、図１の（ａ）を参照して、下地基板１０上に開口部を有するマスク層２０を形成し、前記マスク層２０が形成された下地基板１０上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含み、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、マスク層２０の少なくとも一部に１以上のコア結晶３０を形成し、マスク層２０が形成された下地基板１０上に、マトリックス結晶領域１１およびｃ軸反転結晶領域２１を形成するとともに、コア結晶３０から粗大コア結晶領域３１を形成することを特徴とする。
マスク層は、ＧａＮ結晶の成長を抑制するとともに、コア結晶のａ軸方向がマトリックス結晶領域の結晶のａ軸方向と異なるようにコア結晶が形成される特性を有するものであれば、特に制限はなく、アモルファスのＳｉＯ2層、アモルファスのＳｉ3Ｎ4層などが好ましく用いられる。かかるマスク層は、スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相堆積）法などにより、下地基板１０の主面側に形成される。
下地基板は、ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることができる基板であれば、特に制限はなく、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板などが好ましく用いられる。成長させるＧａＮ結晶のマトリックス結晶の転位密度を低減する観点から、下地基板１０として上記サファイア基板、ＧａＡｓ基板などの異種基板（ＧａＮと異種の化学組成を有する基板をいう）上に、ＭＯＣＶＤ法などを用いてＧａＮ層などをエピタキシャル成長させたエピタキシャル層付下地基板を用いて、このエピタキシャル層（たとえば、ＧａＮ層）上にＧａＮ結晶を成長させることも好ましい。
ＧａＮ結晶を成長させる方法は、エピタキシャル成長ができる成長方法であれば、特に制限はなく、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などが好ましく用いられる。ここで、ＨＶＰＥ法とは、Ｇａ原料ガスとしてＧａＣｌなどのＧａ塩化物ガス、Ｎ原料ガスとしてＮＨ3ガスなどを用いて、ＧａＮ結晶を成長させる方法をいい、ＭＯＣＶＤ法とは、Ｇａ原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム、以下同じ）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム、以下同じ）などの有機金属塩ガス、Ｎ原料ガスとしてＮＨ3ガスなどを用いてＧａＮ結晶を成長させる方法をいう。ここで、ＧａＮ結晶の成長速度が高い観点から、ＨＶＰＥ法が好ましく用いられる。ただし、ＨＶＰＥ法は、ＭＯＣＶＤ法に比べてＧａ原料ガス分圧およびＮ原料ガス分圧が高いために、マスク層上にコア結晶を形成しやすくするため、各マスク層の面積を広くすることが好ましい。
本実施形態のＧａＮ結晶基板の製造方法は、図１の（ａ）を参照して、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、マスク層２０の少なくとも一部に１以上のコア結晶３０を形成し、マスク層が形成された下地基板１０上に、マトリックス結晶領域１１およびｃ軸反転結晶領域２１を形成するとともに、コア結晶３０から粗大コア結晶領域３１を形成することを特徴とする。
マスク層２０の少なくとも一部に１以上のコア結晶を形成するために、ＧａＮ結晶成長の少なくとも初期において、Ｇａ原料ガスおよびＮ原料ガスが、これらの原料ガスにより生成するＧａＮガスが過飽和となる条件で供給されることが好ましい。
また、マスク層２０が形成された下地基板１０上に、マトリックス結晶領域１１およびｃ軸反転結晶領域２１を形成するとともに、コア結晶３０から粗大コア結晶領域３１を形成するためには、マスク層２０上に形成されたコア結晶が、下地基板１０上に形成されたマトリックス結晶領域１１、および／または、このマトリックス結晶領域からラテラル方向に結晶成長してマスク層上に形成されたｃ軸反転結晶領域２１の結晶で被覆されないようにして、コア結晶３０から粗大コア結晶領域３１を成長させる必要がある。ここで、粗大コア結晶領域の結晶の成長速度は、コア結晶領域の結晶の成長速度以上であり、また、ｃ軸反転結晶領域の結晶の成長速度より大きいことから、ＧａＮ結晶成長の少なくとも初期において、Ｇａ原料ガスおよびＮ原料ガスを、原料ガス全体中におけるＧａＮガスが過飽和となる条件で供給して十分大きなコア結晶（たとえば、粒径０．２μｍ以上）を形成すれば、マトリックス結晶領域１１およびｃ軸反転結晶領域２１とともに粗大コア結晶領域３１を形成することができる。
たとえば、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮ結晶を成長させる場合は、ＧａＮ結晶の成長開始から少なくとも３分間は、Ｇａ原料ガスの分圧を２．５ｋＰａよりも大きく、Ｎ原料ガスの分圧を３０ｋＰａよりも大きくすることが好ましい。かかる条件で、Ｇａ原料ガスとＮ原料ガスが供給されることにより、これらの原料ガスにより生成するＧａＮガスが過飽和状態となって、下地結晶基板１０のみならずマスク層２０にもＧａＮ結晶が形成および成長して、マトリックス結晶領域１１、ｃ軸反転結晶領域２１および粗大コア結晶領域３１を形成することができる。
なお、粗大コア結晶領域の大きさは、特に制限はないが、成長するＧａＮ結晶の厚さが大きくなるほど、粗大コア結晶領域が大きくなる傾向にある。
また、図１に示すように、ＧａＮ結晶の成長の際、マスク層２０の少なくとも一部にコア結晶が形成し、そのコア結晶から粗大コア結晶領域が形成される条件においては、マトリックス結晶領域１１において、下地基板１０の転位を受け継いでランダム転位集中領域１２が形成される。かかるランダム転位集中領域１２の形成により、ＧａＮ結晶における結晶成長面側１１ｔの転位密度と結晶成長開始面側１１ｓの転位密度の差がより小さくなり、ＧａＮ結晶基板の反りをさらに小さくすることができる。なお、ランダム転位集中領域１２は、結晶成長面においてランダムピット１２ｐを形成して成長する（ランダムピット履歴線１２ｇ）。
ところで、ＨＶＰＥ法により下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる際、下地基板からの転位の伝搬を低減するために、成長温度を４００℃〜６００℃程度の低温で、アモルファスであるＧａＮバッファ層を成長させた後、成長温度を９００℃〜１２００℃程度の高温にして、ＧａＮバッファ層を結晶化させて、さらにその上にＧａＮエピタキシャル層を成長させる方法も行なわれる。この結晶成長方法においては、ＧａＮバッファ層は結晶化し、ＧａＮエピタキシャル層とともにＧａＮ結晶を構成する。かかる結晶成長方法は、本実施形態のＧａＮ結晶の製造方法においても用いることができる。
上記結晶成長方法によれば、まず、マスク層の一部および下地基板上に、アモルファスのＧａＮバッファ層が形成される。次に、ＧａＮ結晶の成長温度にまで昇温されると、ＧａＮバッファ層が結晶化されてＧａＮ結晶となる。このとき、下地基板上のＧａＮバッファ層は、下地基板の結晶軸に最もよく整合する結晶軸を有するマトリックス結晶領域となり、かかるマトリックス結晶領域からラテラル方向に成長して、マスク層上ではｃ軸反転結晶領域となる。また、アモルファスであるマスク層の一部に形成されたＧａＮバッファ層は、ランダムな結晶軸を有する粗大コア結晶領域となる。したがって、粗大コア結晶領域の結晶のａ軸方向は、マトリックス結晶領域の結晶のａ軸方向と異なる。また、粗大コア結晶領域の結晶のｃ軸方向およびマトリックス結晶領域の結晶のｃ軸方向は、いずれもＧａＮ結晶の主な結晶成長方向と同じとなる。
さらに、図１の（ａ）を参照して、上記のようにして成長されたＧａＮ結晶を、下地基板の主面に対して平行に結晶成長開始面側１１ｓと結晶成長面側１１ｔで裁断し、その主面を研磨することによって、ＧａＮ結晶基板１が得られる。
（実施形態３）
また、本発明にかかるＧａＮ結晶の製造方法の他の実施形態は、図２を参照して、実施形態２の製造方法により得られたＧａＮ結晶基板１を下地基板として用いて、このＧａＮ結晶基板１（下地基板）上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法である。
このＧａＮ結晶基板１には、既に、マトリックス結晶領域１１、ｃ軸反転結晶領域２１、粗大コア結晶領域３１およびランダム転位集中領域１２が形成されており、これらの領域が、ＧａＮ結晶基板１上に成長するＧａＮ結晶にも引き継がれる。ここで、マトリックス結晶領域の結晶成長速度はｃ軸反転結晶領域の結晶成長速度より大きく、また粗大コア結晶領域の結晶成長速度はｃ軸反転結晶領域の結晶成長速度以上に大きいため、粗大コア結晶領域が維持または拡大される。このため、マトリックス結晶領域と粗大コア結晶領域の界面に転位が発生し、ＧａＮ結晶における結晶成長面側１１ｔの転位密度と結晶成長開始面側１１ｓの転位密度の差が小さくなり、結晶成長開始面側１１ｓと結晶成長面側１１ｔとで裁断しそれらの面を研磨することによって得られるＧａＮ結晶基板２の反りを小さくすることができる。また、ランダム転位集中領域１２は、急激に低減または消滅する。このため、マトリックス結晶領域の転位密度は低くかつ均一になり、半導体デバイスに適したＧａＮ結晶基板が得られる。
本発明にかかるＧａＮ結晶基板およびその製造方法について、以下の実施例および比較例に基づいて、さらに具体的に説明する。以下の実施例および比較例において、下地基板に形成されるマスク層のパターンとして、以下のパターンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦの６つのパターンのいずれかを用いた。
パターンＡは、図３に示すように、下地基板１０の主面上に、直径（Ｄ）２μｍのドット状のマスク層２０がピッチ（Ｐ）２０μｍで正三角形の頂点上に位置するように配列されているパターンである。また、パターンＢは、図４に示すように、下地基板１０の主面上に形成されるマスク層２０が、ピッチ（Ｐ）３００μｍで正三角形の頂点上に位置するように配列されている直径（Ｄ）１００μｍのドット状の領域には開口部がなく、その他の領域には直径（ＤS）２μｍの開口部２０ｗが正三角形の頂点上に位置するようにピッチ（ＰS）４μｍで配列されているパターンである。
また、パターンＣは、図５に示すように、下地基板１０の主面上に、幅（Ｗ）５０μｍのストライプ状のマスク層２０がピッチ（Ｐ）３００μｍで配列されているパターンである。また、パターンＤは、図６に示すように、下地基板１０の主面上に形成されるマスク層２０が、ピッチ（Ｐ）３００μｍで配列されている幅（Ｗ）５０μｍのストライプ状の領域には開口部がなく、それ以外の領域には直径（ＤS）２μｍの開口部２０ｗが正三角形の頂点上に位置するようにピッチ（ＰS）４μｍで配列されているパターンである。
また、パターンＥは、図５に示すように、下地基板１０の主面上に、幅（Ｗ）１００μｍのストライプ状のマスク層２０がピッチ（Ｐ）３００μｍで配列されているパターンである。また、パターンＦは、図６に示すように、下地基板１０の主面上に形成されるマスク層２０が、ピッチ（Ｐ）５００μｍで配列されている幅（Ｗ）２００μｍのストライプ状の領域には開口部がなく、それ以外の領域には直径（ＤS）２μｍの開口部２０ｗが正三角形の頂点上に位置するようにピッチ（ＰS）４μｍで配列されているパターンである。
（実施例１）
下地基板として、直径５．０８ｃｍ×厚さ０．４ｍｍのサファイア基板上にＯＭＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた厚さ２μｍのＧａＮ層を有するエピタキシャル層付サファイア基板を用いて、このＧａＮ層上に、スパッタ法により、マスク層としてパターンＡのＳｉＯ2層を形成した。次に、パターンＡのＳｉＯ2層（マスク層）が形成されたＧａＮ層（エピタキシャル層付サファイア基板のエピタキシャル層）上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ結晶を成長させた。結晶成長条件は、成長温度を１０３０℃、Ｇａ原料ガスであるＴＭＧガスの分圧を２．５３Ｐａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を５．０７ｋＰａ、成長時間を５０時間とした。
かかる結晶成長により、厚さ０．２ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．１５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板を蛍光顕微鏡で観察したところ、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が確認できた。このＧａＮ結晶基板において、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度は０．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度は９個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は１５０ｃｍと反りが小さかった。ここで、基板の主面の曲率半径は、接触式の段差計による測定から算出した。結果を表１にまとめた。
（比較例１）
ＧａＮ結晶の成長条件において、Ｇａ原料ガスであるＴＭＧガスの分圧を１．０１Ｐａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を２．０３ｋＰａとした以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ０．２ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．１５ｍｍのＧａＮ結晶基板が得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域およびｃ軸反転結晶領域は認められたが、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域は認められなかった。このＧａＮ結晶基板の主面の曲率半径は５０ｃｍと反りが大きかった。結果を表１にまとめた。
（実施例２）
直径５．０８ｃｍ×厚さ０．４ｍｍのサファイア基板の一方の主面に、スパッタ法により、マスク層としてパターンＢのＳｉＯ2層を形成した。次に、パターンＢのＳｉＯ2層（マスク層）が形成されたサファイア基板上に、ＨＶＰＥ法により、ＧａＮ結晶を成長させた。結晶成長条件は、成長温度を１０５０℃、Ｇａ原料ガスであるＧａＣｌガスの分圧を３．０４ｋＰａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を３５．５ｋＰａ、成長時間を２０時間とした。結果を表１にまとめた。
かかる結晶成長により、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。このＧａＮ結晶基板において、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度は０．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度は６３個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は１４８０ｃｍと反りが極めて小さかった。結果を表１にまとめた。
（比較例２）
ＧａＮ結晶の成長条件において、Ｇａ原料ガスであるＧａＣｌガスの分圧を１．５２ｋＰａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を２０．３ｋＰａとした以外は、実施例２と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域およびｃ軸反転結晶領域は認められたが、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域は認められなかった。このＧａＮ結晶基板の主面の曲率半径は９５ｃｍと反りが大きかった。結果を表１にまとめた。結果を表１にまとめた。
（実施例３）
マスク層のパターンとしてパターンＣを用いた以外は、実施例２と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。このＧａＮ結晶基板において、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度は１．８個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度は２２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は５３０ｃｍと反りが小さかった。結果を表１にまとめた。
（比較例３）
ＧａＮ結晶の成長条件において、Ｇａ原料ガスであるＧａＣｌガスの分圧を１．５２ｋＰａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を２０．３ｋＰａとした以外は、実施例３と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域および粗大コア結晶領域は認められたが、ランダム転位集中領域は認められなかった。しかし、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度は０．０５個／ｃｍ2と低く、このＧａＮ結晶基板の主面の曲率半径は８０ｃｍと反りが大きかった。結果を表１にまとめた。
（実施例４〜実施例６）
マスク層のパターンとして表１に示すパターンを用いた以外は、実施例２と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。実施例４〜実施例６のいずれにおいても、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、各々の結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。また、得られたいずれのＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。実施例４で得られたＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が１．７個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が４３個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７８０ｃｍと反りが小さかった。また、実施例５で得られたＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域の密度（直径は１ｍｍ未満）が３．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は８４０ｃｍと反りが小さかった。また、実施例６で得られたＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域の密度（直径は１ｍｍ未満）が８．０個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が４２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は１８００ｃｍと反りが極めて小さかった。結果を表１にまとめた。
（実施例７）
マスク層としてパターンＣのＳｉ3Ｎ4層を用いた以外は、実施例２と同様にして、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。このＧａＮ結晶基板において、粗大コア結晶領域の密度（直径は１ｍｍ未満）は１．７個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度は２０個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は４５０ｃｍと反りが小さかった。結果を表１にまとめた。
Figure 0004396649
表１において、比較例１と実施例１、比較例２と実施例２および比較例３と実施例３を対比すると明らかなように、ＧａＮ結晶成長の際に、下地基板上に形成された開口部を有するマスク層の少なくとも一部にコア結晶を形成し、マスク層が形成された下地基板上にマトリックス結晶領域およびｃ軸反転結晶領域を形成するとともに、コア結晶から粗大コア結晶領域を形成することにより得られるＧａＮ結晶基板は、マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が異なりｃ軸方向が同じである１以上の結晶を含む粗大コア結晶領域を０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で含んでおり、その主面の曲率半径が大きい（すなわち、反りが小さい）ことがわかる。
表１において、実施例１と実施例２、実施例３と実施例４および実施例５と実施例６を対比すると明らかなように、マスク層のパターンとして、パターンＡよりパターンＢを、パターンＣよりパターンＤを、パターンＥよりパターンＦを用いた方が、主面の曲率半径が大きい（すなわち、反りの小さい）ＧａＮ結晶基板が得られることがわかる。これは、パターンＡ、パターンＣおよびパターンＥが、マスク層とその開口部（マスク層の無い部分）から構成されているのに対し、パターンＢ、パターンＤおよびパターンＦが、開口部のないマスク層領域と小さな開口部を有するマスク層領域から構成されているため、パターンＢ、パターンＤおよびパターンＦにおいては、マスク層の一部にコア結晶がより形成されやすいため考えられる。
また、表１において、実施例３と実施例７とを対比すると明らかなように、マスク層としてＳｉＯ2層を用いてもＳｉ3Ｎ4層を用いても、主面の曲率半径が大きい（すなわち、反りの小さい）ＧａＮ結晶基板が得られることがわかる。
（実施例８）
直径５．０８ｃｍ×厚さ０．４ｍｍのサファイア基板上に、スパッタ法により、マスク層としてパターンＣのＳｉ3Ｎ4層を形成した。次に、パターンＢのＳｉＯ2層（マスク層）が形成されたサファイア基板上に、ＨＶＰＥ法により、ＧａＮバッファ層を成長させた。バッファ層成長条件は、成長温度を４９０℃、Ｇａ原料ガスであるＧａＣｌガスの分圧を０．２０３ｋＰａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を２０．３ｋＰａ、成長時間を０．２５時間（１５分間）とした。次に、同じくＨＶＰＥ法により、成長温度を１０５０℃、Ｇａ原料ガスであるＧａＣｌガスの分圧を３．０４ｋＰａ、Ｎ原料ガスであるＮＨ3ガスの分圧を３５．５ｋＰａとして、ＧａＮバッファ層を結晶化させ、この上にＧａＮエピタキシャル層を２０時間成長させることにより、ＧａＮ結晶を成長させた。
かかる結晶成長により、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。このＧａＮ結晶基板において、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度は２．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度は２５個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７００ｃｍと反りが極めて小さかった。結果を表２にまとめた。
（実施例９〜実施例１３）
表２に示す下地基板、マスク層およびそのパターンを用いて、表２に示すＧａＮバッファ層成長条件およびＧａＮ結晶成長条件により、ＧａＮ結晶を成長させた。
実施例９においては、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域の密度（直径は１ｍｍ未満）が２．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２７個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７５０ｃｍと反りが小さかった。
実施例１０においては、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域の密度（直径は１ｍｍ未満）が２．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２５個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７７０ｃｍと反りが小さかった。
実施例１１においては、厚さ２．６ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が３．４個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２４個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は８３０ｃｍと反りが小さかった。
実施例１２においては、厚さ２．９ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が３．１個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２５個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７８０ｃｍと反りが小さかった。
実施例１３においては、厚さ２．４ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が２．６個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２７個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７８０ｃｍと反りが小さかった。結果を表２にまとめた。
Figure 0004396649
表１の実施例７と表２の実施例８および実施例９とを対比すると明らかなように、ＧａＮ結晶の成長の際に、まず下地基板上にＧａＮバッファ層を成長させることにより、ＧａＮ結晶基板の主面の曲率半径が大きく（すなわち、反りが小さく）なることがわかる。
表２において、実施例９と実施例１０とを対比すると明らかなように、下地基板としてサファイア基板、マスク層としてＳｉ3Ｎ4層を用いた場合、また、下地基板としてＧａＡｓ基板、マスク層としてＳｉＯ2層を用いた場合、いずれの場合であっても、主面の曲率半径の大きい（すなわち、反りの小さい）ＧａＮ結晶基板が得られることがわかる。
表２において、実施例１０と実施例１１および実施例１２とを対比すると明らかなように、ＧａＮ結晶成長の際、Ｇａ原料ガス分圧またはＮ原料ガス分圧を高くして、原料ガス全体中のＧａＮガスがさらに過飽和になる条件とすると、ＧａＮ結晶基板の主面の曲率半径が大きく（すなわち、反りが小さく）なることがわかる。これは、ＧａＮ結晶の際、原料ガス全体中のＧａＮガスがより過飽和になる条件とすることにより、マスク層上へのコア結晶の形成およびコア結晶からの粗大コア結晶領域の形成がより容易になるためと考えられる。
表２において、実施例１０と実施例１３とを対比すると明らかなように、下地基板の直径を５．０８ｃｍ（２インチ）から１０．１６ｃｍ（４インチ）に大きくしても、主面の曲率半径が大きい（すなわち、反りが小さい）ＧａＮ結晶基板が得られることがわかる。
（実施例１４〜実施例１６、比較例４）
実施例１４〜実施例１６および比較例４は、いずれも、実施例１２と同様にして、直径５．０８ｃｍのＧａＡｓ基板上にマスク層としてパターンＣのＳｉＯ2層を形成し、ＧａＮバッファ層を成長させた後、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、ＧａＮ結晶の成長の開始から所定の時間のみ、Ｇａ原料ガスの分圧を２．５ｋＰａ以上、Ｎ原料ガスの分圧を３０ｋＰａ以上のＧａＮガス過飽和状態としたものである。
比較例４においては、上記ＧａＮ結晶の成長を、１０５０℃での結晶成長開始から０．０１７時間（１分間）は、ＧａＣｌガス（Ｇａ原料ガス）分圧が３．０４ｋＰａ、ＮＨ3ガス（Ｎ原料ガス）分圧が３５．５ｋＰａの条件（以下、条件Ａという）下で、その後の１９．９８３時間は、ＧａＣｌガス分圧が１．５２ｋＰａ、ＮＨ3ガス分圧が２０．３ｋＰａの条件（以下、条件Ｂという）下で行った。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板は、マトリックス結晶領域およびｃ軸反転結晶領域が認められたが、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められず、主面の曲率半径は９５ｃｍと反りが大きかった。結果を表３にまとめた。
実施例１４においては、結晶成長開始から０．０５時間（３分間）は条件Ａ、その後の１９．９５時間は条件Ｂとした以外は、比較例４と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板には、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が０．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が１個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は１７０ｃｍと反りが小さかった。結果を表３にまとめた。
実施例１５においては、結晶成長開始から０．１７時間（１０分間）は条件Ａ、その後の１９．８３時間は条件Ｂとした以外は、比較例４と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が１．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は３２０ｃｍと反りが小さかった。結果を表３にまとめた。
実施例１６においては、結晶成長開始から１時間は条件Ａ、その後の１９時間は条件Ｂとした以外は、比較例４と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。厚さ１．３ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が１枚得られた。このＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。また、このＧａＮ結晶基板は、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が２．５個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７１０ｃｍと反りが小さかった。結果を表３にまとめた。
Figure 0004396649
表３の比較例４と実施例１４〜１６とを対比すると明らかなように、ＧａＮ結晶の成長開始から少なくとも３分間は、Ｇａ原料ガス分圧を２．５ｋＰａよりも大きく、Ｎ原料ガス分圧を３０ｋＰａよりも大きくすることにより、粗大コア結晶領域が０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で形成されることがわかる。また、Ｇａ原料ガス分圧が２．５ｋＰａよりも大きく、Ｎ原料ガス分圧が３０ｋＰａよりも大きい条件とする時間が結晶成長開始から長くなるほど、粗大コア結晶領域の密度が高くなることがわかる。
（実施例１７）
表４に示す下地基板、マスク層およびそのパターンを用いて、表４に示すＧａＮバッファ層成長条件およびＧａＮ結晶成長条件により、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ５．８ｃｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が３枚得られた。また、得られたいずれのＧａＮ結晶基板にも、マトリックス結晶領域、ｃ軸反転結晶領域、粗大コア結晶領域およびランダム転位集中領域が認められた。これらのＧａＮ結晶基板を、基板側から結晶成長方向に順に、１７−Ｉ、１７−ＩＩ、１７−ＩＩＩという。
ＧａＮ結晶基板１７−Ｉは、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が３．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７７０ｃｍと反りが小さかった。また、ＧａＮ結晶基板１７−ＩＩは、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が３．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が２個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７５０ｃｍと反りが小さかった。また、ＧａＮ結晶基板１７−ＩＩＩは、直径１ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が３個／ｃｍ2、直径１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が０．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が０個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７５０ｃｍと反りが小さかった。結果を表４にまとめた。
（実施例１８）
ＧａＮ結晶基板１７−Ｉを下地基板として用いて、この下地基板上に、表４に示す結晶成長方法、成長温度、Ｇａ原料ガス（ＧａＣｌガス）分圧、Ｎ原料ガス（ＮＨ3ガス）および成長時間で、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ５．８ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が３枚得られた。これらのＧａＮ結晶基板を、基板側から結晶成長方向に順に、１８−Ｉ、１８−ＩＩという。
ＧａＮ結晶基板１８−Ｉは、粗大コア結晶領域（直径は１ｍｍ未満）の密度が３．３個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が０．１個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７４０ｃｍと反りが小さかった。また、ＧａＮ結晶基板１８−ＩＩは、直径１ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が３個／ｃｍ2、直径１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が０．２個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が０個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７３０ｃｍと反りが小さかった。結果を表４にまとめた。
（実施例１９）
ＧａＮ結晶基板１７−ＩＩを下地基板として用いて、この下地基板上に、表４に示す結晶成長方法、成長温度、Ｇａ原料ガス（ＧａＣｌガス）分圧、Ｎ原料ガス（ＮＨ3ガス）および成長時間で、ＧａＮ結晶を成長させた。厚さ５．８ｍｍのＧａＮ結晶が得られ、この結晶から厚さ０．４５ｍｍのＧａＮ結晶基板が３枚得られた。これらのＧａＮ結晶基板を、基板側から結晶成長方向に順に、１９−Ｉ、１９−ＩＩという。
ＧａＮ結晶基板１９−Ｉは、直径１ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が３個／ｃｍ2、直径１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が０．２個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が０個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７５０ｃｍと反りが小さかった。また、ＧａＮ結晶基板１９−ＩＩは、直径１ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が２．８個／ｃｍ2、直径１ｍｍ以上２ｍｍ未満の粗大コア結晶領域の密度が０．４個／ｃｍ2、ランダム転位集中領域（直径は５００μｍ未満）の密度が０個／ｃｍ2であり、主面の曲率半径は７４０ｃｍと反りが小さかった。結果を表４にまとめた。
Figure 0004396649
表４の実施例１７に示すように、ＧａＮ結晶を厚く成長させることにより、複数のＧａＮ結晶基板が得られ、得られたＧａＮ結晶基板はいずれも主面の曲率半径が大きく（すなわち、反りが小さく）なった。また、ＧａＮ結晶を厚く成長させるほど、粗大コア結晶領域が広がり、また、ランダム転位集中領域の密度が低くなった。
表４の実施例１８および実施例１９に示すように、実施例１７で得られたＧａＮ結晶基板１７−Ｉまたは１７−ＩＩを下地基板としてＧａＮ結晶を成長させることにより、さらに粗大コア領域を含む反りの小さいＧａＮ結晶基板を作製できた。実施例１８および実施例１９におけるＧａＮ結晶成長においては、下地基板であるＧａＮ結晶基板１７−Ｉまたは１７−ＩＩの粗大コア結晶領域からさらに粗大コア結晶領域が成長するため、実施例１８および実施例１９で得られたＧａＮ結晶基板の粗大コア領域の大きさが大きくなり、直径が１ｍｍ以上のものが認められた。また、実施例１８および実施例１９におけるＧａＮ結晶成長においては、下地基板であるＧａＮ結晶基板１７−Ｉまたは１７−ＩＩのランダム転位集中領域は、成長されたＧａＮ結晶にはほとんど引き継がれなかった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の製造方法の一実施形態を示す模式断面図である。ここで、（ａ）はＧａＮ結晶の成長を示し、（ｂ）はＧａＮ結晶基板を示す。 本発明にかかるＧａＮ結晶基板の製造方法の他の実施形態を示す模式断面図である。ここで、（ａ）はＧａＮ結晶の成長を示し、（ｂ）はＧａＮ結晶基板を示す。 マスク層のパターンＡを示す模式図である。 マスク層のパターンＢを示す模式図である。 マスク層のパターンＣまたはパターンＥを示す模式図である。 マスク層のパターンＤまたはパターンＦを示す模式図である。 従来のＧａＮ結晶基板の製造方法を示す模式断面図である。ここで、（ａ）はＧａＮ結晶の成長を示し、（ｂ）はＧａＮ結晶基板を示す。
符号の説明
１，２，７ ＧａＮ結晶基板、１０ 下地基板、１１ マトリックス結晶領域、１１ｃ Ｃ面、１１ｆ ファセット面、１１ｓ 結晶成長開始面側、１１ｔ 結晶成長面側、１２ ランダム転位集中領域、１２ｇ ランダムピット履歴線、１２ｐ ランダムピット、２０ マスク層、２０ｗ 開口部、２１ ｃ軸反転結晶領域、３０ コア結晶、３１ 粗大コア結晶領域、Ｄ，Ｄｓ 直径、Ｐ，Ｐｓ ピッチ、Ｗ，Ｗｓ 幅。

Claims (5)

  1. マトリックス結晶領域と、ｃ軸反転結晶領域と、粗大コア結晶領域とを含むＧａＮ結晶基板であって、
    前記ｃ軸反転結晶領域の結晶は、前記マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が同じであり、ｃ軸方向が反転しており、
    前記粗大コア結晶領域は１以上の結晶を含み、前記粗大コア結晶領域における結晶は、前記マトリックス結晶領域の結晶に対して、ａ軸方向が異なり、ｃ軸方向が同じであり、
    前記粗大コア結晶領域を０．１個／ｃｍ2以上１０個／ｃｍ2以下で含むことを特徴とするＧａＮ結晶基板。
  2. 前記マトリックス結晶領域内に、ランダム転位集中領域を１００個／ｃｍ2以下で含むことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ結晶基板。
  3. 請求項１のＧａＮ結晶基板の製造方法であって、
    下地基板上に開口部を有するマスク層を形成し、前記マスク層が形成された下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含み、
    前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、前記マスク層の少なくとも一部に１以上のコア結晶を形成し、前記マスク層が形成された下地基板上に、前記マトリックス結晶領域および前記ｃ軸反転結晶領域を形成するとともに、前記コア結晶から前記粗大コア結晶領域を形成することを特徴とするＧａＮ結晶基板の製造方法。
  4. 請求項３の製造方法により得られたＧａＮ結晶基板を下地基板として用いて、前記下地基板上にＧａＮ結晶を成長させる工程を含むＧａＮ結晶基板の製造方法。
  5. 前記マスク層が形成された下地基板上に前記ＧａＮ結晶を成長させる方法として、ＨＶＰＥ法を用いて、ＧａＮ結晶の成長開始から少なくとも３分間は、Ｇａ原料ガス分圧は２．５ｋＰａよりも大きく、Ｎ原料ガス分圧は３０ｋＰａよりも大きくすることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のＧａＮ結晶基板の製造方法。
JP2006041140A 2001-09-19 2006-02-17 ＧａＮ結晶基板およびその製造方法 Expired - Fee Related JP4396649B2 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006041140A JP4396649B2 (ja) 2006-02-17 2006-02-17 ＧａＮ結晶基板およびその製造方法
EP06023148A EP1820887A3 (en) 2006-02-17 2006-11-07 Gallium nitride crystal substrate and method of producing same
KR20060112672A KR20070082842A (ko) 2006-02-17 2006-11-15 ＧａＮ 결정 기판 및 그 제조 방법
US11/602,948 US7556687B2 (en) 2001-09-19 2006-11-22 Gallium nitride crystal substrate and method of producing same
TW095144487A TW200736421A (en) 2006-02-17 2006-11-30 Gallium nitride crystal substrate and method of producing same
CN2007100023713A CN101024903B (zh) 2006-02-17 2007-01-15 氮化镓晶体衬底及其制造方法
US12/477,642 US20090289261A1 (en) 2001-09-19 2009-06-03 Gallium nitride crystal substrate and method of producing same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006041140A JP4396649B2 (ja) 2006-02-17 2006-02-17 ＧａＮ結晶基板およびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007220975A JP2007220975A (ja) 2007-08-30
JP4396649B2 true JP4396649B2 (ja) 2010-01-13

Family

ID=37909457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006041140A Expired - Fee Related JP4396649B2 (ja) 2001-09-19 2006-02-17 ＧａＮ結晶基板およびその製造方法

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP1820887A3 (ja)
JP (1) JP4396649B2 (ja)
KR (1) KR20070082842A (ja)
CN (1) CN101024903B (ja)
TW (1) TW200736421A (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5407385B2 (ja) * 2009-02-06 2014-02-05 住友電気工業株式会社 複合基板、エピタキシャル基板、半導体デバイス及び複合基板の製造方法
WO2015151902A1 (ja) * 2014-03-31 2015-10-08 日本碍子株式会社 多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子
JP6269368B2 (ja) * 2014-07-24 2018-01-31 住友電気工業株式会社 窒化ガリウム基板
JP6885547B2 (ja) * 2016-03-15 2021-06-16 三菱ケミカル株式会社 ＧａＮ結晶の製造方法
US11621371B2 (en) * 2019-09-30 2023-04-04 Chongqing Konka Photoelectric Technology Research Institute Co., Ltd. Epitaxial structure, preparation method thereof, and LED
CN113097350B (zh) * 2021-03-31 2022-07-22 湘能华磊光电股份有限公司 一种提高亮度的led外延片的制作方法
CN113097351B (zh) * 2021-03-31 2022-07-19 湘能华磊光电股份有限公司 一种led外延片的制作方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4145437B2 (ja) * 1999-09-28 2008-09-03 住友電気工業株式会社 単結晶ＧａＮの結晶成長方法及び単結晶ＧａＮ基板の製造方法と単結晶ＧａＮ基板
JP3864870B2 (ja) * 2001-09-19 2007-01-10 住友電気工業株式会社 単結晶窒化ガリウム基板およびその成長方法並びにその製造方法
JP2005209803A (ja) * 2004-01-21 2005-08-04 Sumitomo Electric Ind Ltd ＧａＮ結晶基板の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101024903B (zh) 2010-05-26
KR20070082842A (ko) 2007-08-22
TW200736421A (en) 2007-10-01
JP2007220975A (ja) 2007-08-30
EP1820887A2 (en) 2007-08-22
CN101024903A (zh) 2007-08-29
EP1820887A3 (en) 2009-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100629558B1 (ko) ＧａＮ단결정기판 및 그 제조방법
JP5099763B2 (ja) 基板製造方法およびｉｉｉ族窒化物半導体結晶
JP4581490B2 (ja) Ｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法、及びｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体の製造方法
US7556687B2 (en) Gallium nitride crystal substrate and method of producing same
JP4396649B2 (ja) ＧａＮ結晶基板およびその製造方法
JP4691911B2 (ja) Ｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法
JP2009167053A (ja) Ｉｉｉ族窒化物結晶の成長方法
JP4276020B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法
JP5420281B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の製造方法、及びｉｉｉ族窒化物半導体単結晶基板の製造方法
JP6212203B2 (ja) 窒化物半導体単結晶基板の製造方法
JP2007150250A (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
JP2010275171A (ja) Ｉｉｉ族窒化物結晶及びその製造方法
WO2020158571A1 (ja) 窒化物半導体基板、積層構造体、および窒化物半導体基板の製造方法
JP2006298744A (ja) Ｇａ含有窒化物半導体単結晶、その製造方法、並びに該結晶を用いた基板およびデバイス
JPWO2013058352A1 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶
JP2008037665A (ja) 窒化ガリウムの結晶成長方法
JP5120285B2 (ja) Ｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法
JP2009029662A (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
US11873578B2 (en) Method for manufacturing nitride semiconductor substrate and nitride semiconductor substrate
JP2005209803A (ja) ＧａＮ結晶基板の製造方法
JP6405767B2 (ja) 窒化ガリウム基板
JP2013075791A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶の製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびｉｉｉ族窒化物半導体結晶
JP6858640B2 (ja) ＳｃＡｌＭｇＯ４基板及び窒化物半導体装置
JP2006306722A (ja) ＧａＮ単結晶基板の製造方法及びＧａＮ単結晶基板
JP2007197240A (ja) 窒化ガリウム単結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム単結晶基板

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090205

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090707

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090902

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: 20090929

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20091012

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121030

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees