JP4957751B2 - ＧａＮ単結晶体およびその製造方法、ならびに半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、クラックの発生が少ないＧａＮ単結晶体およびその製造方法、ならびにかかるＧａＮ単結晶体を含むクラックの発生が少ない半導体デバイスおよびその製造方法に関する。
３．４ｅＶのエネルギーバンドギャップおよび高い熱伝導率を有するＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶体は、短波長の光デバイスやパワー電子デバイスなどの半導体デバイス用の材料として注目されている。
このようなＧａＮ単結晶体は、硬度が高いが靭性が低いため、ＧａＮ単結晶を成長させる際および／または成長させたＧａＮ単結晶を基板状に加工する際、および／または基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを作製する際に、ＧａＮ単結晶体および／または半導体デバイスにクラックが発生して、板状のＧａＮ単結晶体（ＧａＮ単結晶基板）および／または半導体デバイスの歩留まりが低下するという問題があった。
一方、このようなＧａＮ単結晶について、各種の成長方法により得られた結晶の弾性定数を種々の方法により測定または計算されている。たとえば、R. B. Schwarz et al,“Elastic moduli of gallium nitride”, Appl. Phys. Lett., 70, 9, 1997, pp1122-1124（非特許文献１）、T. Deguchi et al,“Structural and vibrational properties of GaN”，J. Appl. Phys., 86, 4, 1999, pp1860-1866（非特許文献２）、A. Polian et al,“Elastic constants of gallium nitride”, J. Appl. Phys., 79, 1996, pp3343-3344（非特許文献３）、 “Elastic properties of zinc-blende and wurtzite AlN, GaN, and InN”, J. Appl. Phys., 82, 6, 1997, pp2833-2839（非特許文献４）、K. Shimada et al,“First-principles study on electronic aud elastic properties of BN, AlN, and GaN”, J. Appl. Phys., 84, 9, 1998, pp4951-4958（非特許文献５）などが挙げられる。
R. B. Schwarz et al,"Elastic moduli of gallium nitride", Appl. Phys. Lett., 70, 9, 1997, pp1122-1124
T. Deguchi et al,"Structural and vibrational properties of GaN"，J. Appl. Phys., 86, 4, 1999, pp1860-1866
A. Polian et al,"Elastic constants of gallium nitride", J. Appl. Phys., 79, 1996, pp3343-3344
A. F. Wright,"Elastic properties of zinc-blende and wurtzite AlN, GaN, and InN", J. Appl. Phys., 82, 6, 1997, pp2833-2839
K. Shimada et al,"First-principles study on electronic aud elastic properties of BN, AlN, and GaN", J. Appl. Phys., 84, 9, 1998, pp4951-4958
本発明は、上記問題を解決して、ＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶体を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制されるＧａＮ単結晶体およびその製造方法ならびに半導体デバイス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、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ 13 が８６ＧＰａ以上９３ＧＰａ以下、であるＧａＮ単結晶体である。本発明にかかるＧａＮ単結晶体は、その抵抗率を１×１０3Ω・ｃｍ以下とすることができる。
また、本発明は、結晶成長容器内に、Ｇａ原料を供給するソースボートと下地基板と石英部材とを配置する工程と、気相法により下地基板上にＧａＮ単結晶体を成長させる工程と、を備え、ＧａＮ単結晶体を成長させる工程において、ソースボートの温度を９８０℃以上１０４０℃以下に保持しかつ下地基板および石英部材の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下に保持するＧａＮ単結晶体の製造方法である。
また、本発明は、上記のＧａＮ単結晶体と、ＧａＮ単結晶体上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体デバイスである。
また、本発明は、上記のＧａＮ単結晶体を準備する工程と、ＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、を備える半導体デバイスの製造方法である。
本発明によれば、ＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶体を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制されるＧａＮ単結晶体およびその製造方法ならびに半導体デバイス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）
本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶体１０は、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下である。
本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶体１０は、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下である。
図１を参照して、六方晶系のウルツ型結晶構造を有するＧａＮ単結晶体は、巨視的に見て面内当等方性の弾性対称性を示し、互いに直交するｘ1軸、ｘ2軸およびｘ3軸の３軸において、結晶体の厚さ方向（ｃ軸方向）をｘ3軸としたときの弾性定数マトリックス［Ｃij］は、以下の式（１）のように記述できる。
ここで、弾性定数マトリックス［Ｃij］中の各弾性定数が表す応力と歪みとの対応は、たとえば以下のとおりである。弾性定数Ｃ11（［Ｃij］の第１行第１列）は、ｘ1軸に垂直な面にｘ1軸方向の応力が加わったときのｘ1軸方向の歪み難さを表す。なお、弾性定数Ｃ22は、ｘ2軸に垂直な面にｘ2軸方向の応力が加わったときのｘ2軸方向の歪み難さを表し、ウルツ型結晶構造を有するＧａＮ単結晶体においては、弾性定数Ｃ11に等しい（［Ｃij］の第２行第２列）。また、弾性定数Ｃ33（［Ｃij］の第３行第３列）は、ｘ3軸に垂直な面にｘ3軸方向の応力が加わったときのｘ3軸方向の歪み難さを表す。弾性定数Ｃ12（［Ｃij］の第１行第２列）は、ｘ1軸に垂直な面にｘ1軸方向の応力が加わったときのｘ2軸方向の歪み難さを表す。弾性定数Ｃ13（［Ｃij］の第１行第３列）は、ｘ1軸に垂直な面にｘ1軸方向の応力が加わったときのｘ3軸方向の歪み難さを表す。なお、弾性定数Ｃ23は、ｘ2軸に垂直な面にｘ2軸方向の応力が加わったときのｘ3軸方向の歪み難さを表し、ウルツ型結晶構造を有するＧａＮ単結晶体においては、弾性定数Ｃ13に等しい（［Ｃij］の第２行第３列）。また、弾性定数Ｃ44（［Ｃij］の第４行第４列）は、ｘ3軸に垂直な面にｘ2軸方向の応力が加わったとき、または、ｘ2軸に垂直な面にｘ3軸方向の応力が加わったときのｘ2ｘ3面内の歪み難さを表す。なお、弾性定数Ｃ55は、ｘ3軸に垂直な面にｘ1軸方向の応力が加わったとき、または、ｘ1軸に垂直な面にｘ3軸方向の応力が加わったときのｘ1ｘ3面内の歪み難さを表し、ウルツ型結晶構造を有するＧａＮ単結晶体においては、弾性定数Ｃ44に等しい（［Ｃij］の第５行第５列）。また、弾性定数Ｃ66（［Ｃij］の第６行第６列）は、ｘ2軸に垂直な面にｘ1軸方向の応力が加わったとき、または、ｘ1軸に垂直な面にｘ2軸方向の応力が加わったときのｘ1ｘ2面内の歪み難さを表す。また、弾性定数Ｃ66は、Ｃ66＝（Ｃ11−Ｃ12）／２である。したがって、ＧａＮ単結晶体の弾性定数マトリックス［Ｃij］には、５つの独立な弾性定数（Ｃ11、Ｃ33、Ｃ44、Ｃ66、Ｃ12およびＣ13）が存在する。
ＧａＮ単結晶体の弾性定数マトリックス［Ｃij］の測定および算出方法は、特に制限はなく、共振超音波スペクトロスコピー（ＲＵＳ）法、ブリルアンスペクトロスコピー法、表面音波測定法などが挙げられる。
本実施形態のＧａＮ単結晶体は、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下の、適度の弾性を有するため、ＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶体を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制される。このとき、弾性定数Ｃ11およびＣ13は、互いに独立である。
ここで、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下のＧａＮ単結晶体は、ｘ1軸に垂直な面にｘ1方向の応力が加わったとき、適度なｘ1軸方向の歪み難さおよびｘ3軸方向の歪み難さを有する。あるいは、ｘ2軸に垂直な面にｘ2方向の応力が加わったとき、適度なｘ2軸方向の歪み難さおよびｘ3軸方向の歪み難さを有する。このため、かかるＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶体を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制される。クラック発生をより抑制する観点から、３０℃において弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９２ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下であることが好ましい。
また、３０℃において弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下のＧａＮ単結晶体は、ｘ1軸に垂直な面にｘ1方向の応力が加わったとき、極めて適度なｘ1軸方向の歪み難さを有する。あるいは、ｘ2軸に垂直な面にｘ2方向の応力が加わったとき、極めて適度なｘ2軸方向の歪み難さを有する。このため、かかるＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶体を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制される。
なお、従来のＧａＮ結晶体については、上記非特許文献１〜５などに、ｉ）Ｃ11が３７７ＧＰａかつＣ13が１１４ＧＰａ、ｉｉ）Ｃ11が３７３ＧＰａかつＣ13が８０．４ＧＰａ、ｉｉｉ）Ｃ11が３９０ＧＰａかつＣ13が１０６ＧＰａ、ｉｖ）Ｃ11が３７４ＧＰａかつＣ13が７０ＧＰａ、ｖ）Ｃ11が３６７ＧＰａかつＣ13が１０３ＧＰａ、ｖｉ）Ｃ11が３６９ＧＰａかつＣ13が６６．７ＧＰａ、ｖｉｉ）Ｃ11が３９６ＧＰａかつＣ13が１００ＧＰａ、ｖｉｉｉ）Ｃ11が３５０ＧＰａかつＣ13が１０４ＧＰａなどの弾性定数が報告されているが、いずれも、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下の範囲外であり、また、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下の範囲外であった。このため、従来のＧａＮ単結晶体を成長させる際および成長させたＧａＮ単結晶を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際に、従来のＧａＮ単結晶体ならびに半導体デバイスにクラックがよく発生していた。
本実施形態のＧａＮ単結晶体は、その抵抗率には特に制限はないが、導電性が高い基板を得る観点から、その抵抗率が１×１０3Ω・ｃｍ以下であることか好ましく、１×１０-1Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。なお、材料特性および現在の結晶体製造技術の観点から、ＧａＮ単結晶体の抵抗率は、１×１０-3Ω・ｃｍ程度が下限である。
（実施形態２）
図２および図４を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶体の製造方法は、結晶成長容器１１０内に、Ｇａ原料を供給するソースボート１０５と下地基板１１と石英部材１０９とを配置する工程Ｓ１１と、気相法により下地基板１１上にＧａＮ単結晶体１０を成長させる工程Ｓ１２と、を備え、ＧａＮ単結晶体１０を成長させる工程において、ソースボート１０５の温度を９８０℃以上１０４０℃以下に保持しかつ下地基板１１および石英部材１０９の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下に保持する。
図２および図４を参照して、本発明の一実施形態であるＧａＮ単結晶体の製造方法は、結晶成長容器１１０内に、Ｇａ原料を供給するソースボート１０５と下地基板１１と石英部材１０９とを配置する工程Ｓ１１と、気相法により下地基板１１上にＧａＮ単結晶体１０を成長させる工程Ｓ１２と、を備え、ＧａＮ単結晶体１０を成長させる工程において、ソースボート１０５の温度を９８０℃以上１０４０℃以下に保持しかつ下地基板１１および石英部材１０９の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下に保持する。
本実施形態のＧａＮ単結晶体の製造方法においては、ＧａＮ単結晶体を成長させる工程Ｓ１２において、結晶成長容器１１０内に配置されたソースボート１０５の温度を９８０℃以上１０４０℃以下とし下地基板１１および石英部材１０９の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下とすることにより、下地基板１１上に、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０（すなわち、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下であるＧａＮ単結晶体）を成長させることができる。
本実施形態の製造方法におけるＧａＮ単結晶の成長の詳細なメカニズムは不明であるが、結晶成長容器１１０内に配置されたソースボート１０５の温度を９８０℃以上１０４０℃以下とし下地基板１１および石英部材１０９の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下とすることにより、石英部材１０９中の石英組成成分物質（石英を組成する成分物質をいい、Ｓｉ、Ｏ、その他の不純物を含む。以下同じ。）が下地基板１１上に成長するＧａＮ単結晶体１０に適量混入するため、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下の適度の弾性を有するＧａＮ単結晶体が得られるものと考えている。
図２を参照して、本実施形態の製造方法に用いられるＧａＮ単結晶体の製造装置は、特に制限はなく、たとえば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）装置１００であって、第１ガスボンベ１０１と、第２ガスボンベ１０２と、第１ガス入口１０３と、第２ガス入口１０４と、ソースボート１０５と、ヒータ１０６と、排気口１０７と、サセプタ１０８と、石英部材１０９で形成されている支持台と、結晶成長容器１１０と、局所加熱ヒータ１１５と、排ガス処理装置１２０とを備えている。
ＨＶＰＥ装置１００は、たとえば横型反応炉としている。第１ガスは、たとえばＮＨ3（アンモニア）ガスとし、第１ガスボンベ１０１にはＮＨ3ガスが充填されている。第２ガスは、たとえばＨＣｌ（塩化水素）ガスとし、第２ガスボンベ１０２には、たとえばＨＣｌガスが充填されている。ソースボート１０５は、たとえば金属Ｇａ（ガリウム）が充填されている。ヒータ１０６は、結晶成長容器１１０の内部を加熱する能力を有し、ＧａＮ結晶の成長時の温度を制御する。排気口１０７は、反応後のガス（排ガス）を外部に排出するための部材である。排ガス処理装置１２０は、反応により生じた排ガスを除害する。
支持台を形成している石英部材１０９は、サセプタ１０８および下地基板１１を支持する。かかる支持台（石英部材１０９）の面積はサセプタ１０８の面積よりも大きいことが好ましい。たとえば、２インチの径の主面１０ｍを有するＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）を製造する場合には、支持台の主面は４インチ以上であることが好ましい。サセプタ１０８は、支持台（石英部材１０９）上に配置され、下地基板１１を保持する。サセプタ１０８はたとえばカーボンなどよりなる。
また、ＨＶＰＥ装置１００は、結晶成長容器１１０の内部に局所加熱ヒータ１１５を備えていることが好ましい。局所加熱ヒータ１１５は、たとえば抵抗加熱ヒータを用いることができ、サセプタ１０８と石英部材１０９で形成されている支持台との間に配置することができる。
なお、ＨＶＰＥ装置１００は、第１ガスおよび第２ガスのキャリアガスとしてＨ2（水素）ガス、Ｎ2（窒素）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガスなどのキャリアガスが充填されているキャリアガスボンベ（図示せず）を備えていることが好ましい。キャリアガスは、第１ガス入口１０３および第２ガス入口１０４から第１ガスおよび第２ガスとともに下地基板１１に供給される。
続いて、図２および図４を参照して、本実施形態におけるＧａＮ単結晶体１０の製造方法について説明する。本実施形態では、上述したＨＶＰＥ装置１００を用いてＧａＮ単結晶体１０を製造している。
まず、図２および図４に示すように、結晶成長容器１１０内に、Ｇａ原料を供給するソースボート１０５と下地基板１１と石英部材１０９とを配置する（工程Ｓ１１）。結晶成長容器１１０内における下地基板１１および石英部材１０９の配置は、下地基板１１上にＧａＮ単結晶体１０を成長させる際に、加熱された石英部材から石英組成成分物質がＧａＮ単結晶体１０中に混入するように配置されていれば特に制限はなく、図２のＨＶＰＥ装置においては、支持台自体が石英部材１０９である。すなわち、下地基板１１はサセプタ１０８で保持され、サセプタ１０８は石英部材１０９で形成されている支持台によって保持されている。
下地基板１１は、その上にＧａＮ結晶体を成長させるための基板である。下地基板は、たとえばシリコン（Ｓｉ）基板、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、ＧａＮ基板、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などを用いることができる。また、下地基板１１の主面の面積は３ｃｍ2以上であることが好ましく、３ｃｍ2を超えることがより好ましい。また、下地基板１１の主面は、たとえば２インチ以上の径を有していることが好ましく、２インチを超える径を有していることがより好ましい。
また、下地基板１１の主面上に、マスクパターンを形成してもよい。つまり、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits）法、ＶＡＳ（Void Assisted Separation）法などを適用してもよい。
結晶成長容器１１０内に支持台として配置されている石英部材１０９は、下地基板上に成長させるＧａＮ単結晶体に混入させる石英組成成分物質（石英を組成する成分物質、たとえば、Ｓｉ、Ｏ、およびその他の不純物）を含むものであれば特に制限はないが、ＧａＮ単結晶体への意図しない不純物の混入を低減する観点から、石英の純度が高いものが好ましく、たとえば純度が９５質量％以上が好ましく、９９質量％以上がより好ましい。
次に、下地基板１１上にＧａＮ結晶体を成長させる（工程Ｓ１２）。図２に示すＨＶＰＥ装置１００を用いてＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶体を成長させる場合には、たとえば以下のように行なう。ＨＶＰＥ法は、結晶成長速度が速いため、成長時間を制御することによって、大きな厚みを有するＧａＮ結晶体を成長させることができる。
ＨＶＰＥ法により結晶成長させる方法は、まず、原料としての金属Ｇａが充填されたソースボート１０５および下地基板１１を結晶成長容器１１０内に配置する。ここで、下地基板１１は、結晶成長容器１１０内に配置された石英部材１０９で形成された支持台上に配置されたサセプタ１０８上に配置する。次いで、結晶成長容器１１０の内部を加熱する。そして、第２ガス入口１０４を開ける。次いで、第２ガス入口１０４から供給される第２ガスボンベ１０２に貯蔵されている第２ガスとソースボート１０５の原料とを反応させて、反応ガスとしてＧａＣｌ（塩化ガリウム）を生成する。次いで、第１ガス入口１０３を開ける。次いで、反応ガスと第１ガス入口１０３から供給される第１ガスボンベ１０１に貯蔵されている第１ガスとを下地基板１１の表面に当たるように流して（供給して）反応させる。なお、下地基板１１に供給されるガスの流れは、常に一定となるように制御することが好ましい。また、ヒータ１０６および局所加熱ヒータ１１５により、結晶成長容器１１０の内部をたとえば８００℃以上１２００℃以下の温度になるように加熱する。また、排気口１０７で、反応後のガスを外部に排出する。
工程Ｓ１２においては、ヒータ１０６および局所加熱ヒータ１１５を用いて、ソースボート１０５の温度を９８０℃以上１０４０℃以下にかつ下地基板１１および石英部材１０９の温度を１１３０℃より高く１１５０℃以下にすることにより、上述のように、下地基板１上に、ウルツ型結晶構造を有し３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下であるＧａＮ単結晶体を成長させることができる。ここで、図２のＨＶＰＥ装置における下地基板１１および石英部材１０９の温度調節には、ヒータ１０６に比べて局所加熱ヒータ１１５の温度が大きく影響する。すなわち、下地基板１１および石英部材１０９の温度は、ほぼ局所加熱ヒータの温度に対応する。こうして得られるＧａＮ単結晶体は、結晶成長させる際および結晶成長させた単結晶を基板状などに加工する際、ならびに基板状のＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層の半導体層を成長させて半導体デバイスを製造する際に、クラックの発生が抑制される。
また、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ単結晶体を成長する場合には、成長異常が発生せず、かつ成長速度を３０μｍ／ｈ以上にすることが好ましい。この場合、安定して厚いＧａＮ単結晶体が成長できる。
また、この工程Ｓ１２では、加熱温度、導入するガスの量および種類、ソースボート１０５、下地基板１１、サセプタ１０８、支持台を形成する石英部材１０９などの結晶成長容器１１０内の配置といった結晶成長に関する因子を種々変化させて、結晶性および不純物濃度のバラツキを抑制するようにＧａＮ単結晶体を成長する。
また、たとえば高純度の窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、およびヘリウムガスの少なくとも１つを含むキャリアガスを用いることが好ましい。
この工程Ｓ１２では、ＧａＮ単結晶体１０の成長方向が＜０００１＞方向または＜０００１＞方向の近傍となるように結晶成長することが好ましい。また、ＧａＮ単結晶体１０の成長面積が好ましくは３ｃｍ2以上、より好ましくは３ｃｍ2を超えるように結晶成長する。また、ＧａＮ単結晶体１０の主面１０ｍ（成長面）の径が好ましくは２インチ以上、より好ましくは２インチを超えるように結晶成長する。また、ＧａＮ単結晶体の厚みが好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは４００μｍ以上になるように結晶成長する。
なお、ＧａＮ単結晶体を成長させる方法はＨＶＰＥ法に限定されず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法、昇華法などの気相成長法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相成長法などを採用することができる。
次に、ヒータ１０６および局所加熱ヒータ１１５による加熱を中止して、ソースボート１０５、ＧａＮ単結晶体１０および下地基板１１の温度を室温程度まで降下させる。その後、下地基板１１上に形成されたＧａＮ単結晶体１０を結晶成長容器１１０から取り出す。
次に、ＧａＮ単結晶体１０から、少なくとも下地基板１１を除去して、板状のＧａＮ単結晶体（以下、ＧａＮ単結晶基板ともいう。）を形成する。ＧａＮ単結晶体１０と下地基板１１との界面付近は、結晶性が良好でないことが多い。そのため、ＧａＮ単結晶体において結晶性が良好でない部分をさらに除去することにより、ＧａＮ単結晶基板を製造することが好ましい。なお、ＧａＮ結晶体の厚みが大きい場合には、ＧａＮ単結晶体からＧａＮ単結晶基板を切り出してもよい。また、下地基板１１がＧａＮ基板の場合には、下地基板１１上に成長したＧａＮ単結晶体をＧａＮ単結晶基板としてもよい。以上の工程により、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）を形成することができる。
ＧａＮ単結晶体１０から、少なくとも下地基板１１を除去する方法としては、たとえば切断または研削などの方法を用いることができる。なお、切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーやワイヤーソーなどで、ＧａＮ単結晶体１０から少なくとも下地基板１１を機械的に分割（スライス）することをいう。研削とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで、ＧａＮ単結晶体１０から少なくとも下地基板１１を機械的に削り取ることをいう。
ＧａＮ単結晶体１０から除去される面は、下地基板１１の表面に平行な面に限定されず、たとえばその表面に対して任意の傾きを有する面がスライスされてもよい。ここで、＜０００１＞方向に成長させたＧａＮ単結晶体の場合は、大口径のＧａＮ単結晶基板を得る観点から、主面１０ｍは、｛０００１｝面に対して５°以下の角度を有することが好ましい。
また、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）の少なくとも一方の主面について、研磨や表面処理などをさらに実施してもよい。研磨する方法および表面処理方法については特に限定されず、任意の方法を採用できる。
次に、上記のようにして得られたＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）の弾性定数マトリックス[Ｃij]（すなわち、弾性定数Ｃ11、Ｃ33、Ｃ44、Ｃ66、Ｃ12およびＣ13）を測定する（工程１３）。ここで、ＧａＮ単結晶基板の弾性定数マトリックス[Ｃij]の測定方法は、特に制限はなく、共振超音波スペクトロスコピー（ＲＵＳ）法、ブリルアンスペクトロスコピー法、表面音波測定法などが挙げられる。ここで、精度の高い測定ができる観点から、ＲＵＳ法が好ましい。たとえば、ＲＵＳ法においては、たとえば３０℃の雰囲気温度下において、直方体などの規則形状を持つ試料（単結晶体）を２つの圧電振動子で挟み、一方から連続正弦波振動を入力し、他方で変位信号を受信する。ここで、入力周波数をスウィープすると、受信振幅は試料の自由振動の共振周波数においてピークを示す。共振ピークは数多く存在し、個々の共振周波数は試料の密度と寸法および弾性定数に依存する。密度と寸法を測定しておき、測定値に最も近い共振周波数群を与える弾性定数マトリックス[Ｃij]を逆計算によって求め、全ての弾性定数Ｃ11、Ｃ33、Ｃ44、Ｃ66、Ｃ12およびＣ13を算出する。
上記工程Ｓ１３において測定および算出された３０℃における全ての弾性定数Ｃ11、Ｃ33、Ｃ44、Ｃ66、Ｃ12およびＣ13の内、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下である場合、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下である場合には、クラックの発生が抑制された実施形態１のＧａＮ単結晶体であるＧａＮ単結晶基板が得られる（工程Ｓ１４）。一方、工程Ｓ１３において測定および算出された３０℃における全ての弾性定数Ｃ11、Ｃ33、Ｃ44、Ｃ66、Ｃ12およびＣ13の内、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下でない場合、また、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下でない場合には、得られたＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）はクラックが発生しやすいため、別の領域に保管または廃棄される。
上述のように、本実施形態のＧａＮ単結晶基板の製造方法において、上記の工程Ｓ１１〜Ｓ１４を実施することにより、実施形態１のＧａＮ単結晶体を製造することができる。
（実施形態３）
図３を参照して、本発明の一実施形態である半導体デバイス３０は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０と、ＧａＮ単結晶体１０上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０と、を含む。本実施形態の半導体デバイス３０は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０を含んでいるため、クラックの発生が極めて少ない。
図３を参照して、本発明の一実施形態である半導体デバイス３０は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０と、ＧａＮ単結晶体１０上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０と、を含む。本実施形態の半導体デバイス３０は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０を含んでいるため、クラックの発生が極めて少ない。
図３に示す半導体デバイス３０は、具体的には、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）であって、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）と、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）の一方の主面１０ｍ上に形成されているＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０）と、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０）上に形成されているショットキー電極３１と、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）の他方の主面１０ｎ上に形成されているオーミック電極３２と、を含む。
（実施形態４）
図３および図４を参照して、本発明の一実施形態である半導体デバイス３０の製造方法は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０を準備する工程Ｓ１０と、ＧａＮ単結晶体１０上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０を形成する工程Ｓ２０と、を備える。本実施形態の半導体デバイスの製造方法によれば、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０を形成するため、半導体デバイスの製造の際のＧａＮ単結晶体１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２０のクラックの発生を抑制することができるため、半導体デバイスの歩留まりが高くなる。
図３および図４を参照して、本発明の一実施形態である半導体デバイス３０の製造方法は、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０を準備する工程Ｓ１０と、ＧａＮ単結晶体１０上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０を形成する工程Ｓ２０と、を備える。本実施形態の半導体デバイスの製造方法によれば、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０を形成するため、半導体デバイスの製造の際のＧａＮ単結晶体１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２０のクラックの発生を抑制することができるため、半導体デバイスの歩留まりが高くなる。
図３および図４を参照して、本発明の一実施形態である半導体デバイス３０の一例であるショットキーバリアダイオードの製造方法は、以下のとおりである。まず、実施形態１のＧａＮ単結晶体１０を準備する（工程Ｓ１０）。具体的には、実施形態２のＧａＮ単結晶の製造方法において説明した工程Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３およびＳ１４により、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下であるＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）が準備される。
次に、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）の一方の主面１０ｍ上に、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２０としてＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）層を形成する（工程Ｓ２０）。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０を形成する方法には、特に制限はないが、転位密度の低く結晶性が高いＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、昇華法などの気相成長法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相成長法などが、好ましく用いられる。
次に、ＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）においてＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０）が形成された主面１０ｍと反対側の主面１０ｎ上にオーミック電極３２を形成し、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０）上にショットキー電極３１を形成する（工程３０）。ここで、ショットキー電極３１およびオーミック電極３２の形成方法は、特に限定されず、たとえば蒸着法などにより形成される。
なお、本実施形態では半導体デバイスとして、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を例に挙げて説明したが、本発明の半導体装置はＳＢＤに限定されず、ＬＤ（Laser Diode：レーザダイオード）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）、ＪＦＥＴ（Junction Field-Effect Transistor：接合電界効果トランジスタ）、ｐｎダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体デバイスにも適用することができる。
（実施例１）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図３に示すＨＶＰＥ装置１００を用いて、以下のようにしてＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）を製造した。詳細には、ＨＶＰＥ装置１００の結晶成長容器１１０内に、Ｇａ原料を供給するソースボート１０５、下地基板１１としてのＧａＮ基板、サセプタ１０８としてのカーボン板、局所加熱ヒータ１１５としての抵抗加熱ヒータ、および支持台を形成する石英部材１０９である石英板を配置した。詳しくは、石英板（石英部材１０９）上に抵抗加熱ヒータ（局所加熱ヒータ１１５を配置し、局所加熱ヒータ１１５上にカーボン板（サセプタ１０８）を配置し、サセプタ１０８上に直径２インチ（５．０８ｃｍ）で厚さ４００μｍのＧａＮ基板（下地基板１１）を配置した（工程Ｓ１１）。ここで、ＧａＮ基板（下地基板１１）の主面は（０００１）面でありＧａ原子面であった。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図３に示すＨＶＰＥ装置１００を用いて、以下のようにしてＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体１０）を製造した。詳細には、ＨＶＰＥ装置１００の結晶成長容器１１０内に、Ｇａ原料を供給するソースボート１０５、下地基板１１としてのＧａＮ基板、サセプタ１０８としてのカーボン板、局所加熱ヒータ１１５としての抵抗加熱ヒータ、および支持台を形成する石英部材１０９である石英板を配置した。詳しくは、石英板（石英部材１０９）上に抵抗加熱ヒータ（局所加熱ヒータ１１５を配置し、局所加熱ヒータ１１５上にカーボン板（サセプタ１０８）を配置し、サセプタ１０８上に直径２インチ（５．０８ｃｍ）で厚さ４００μｍのＧａＮ基板（下地基板１１）を配置した（工程Ｓ１１）。ここで、ＧａＮ基板（下地基板１１）の主面は（０００１）面でありＧａ原子面であった。
次に、ＨＶＰＥ法により、ＧａＮ基板（下地基板１１）の上記主面上に、ＧａＮ結晶体を成長させた（工程Ｓ１２）。詳細には、第１原料ガスとして純度９９．９９９９体積％のアンモニアガスを、第２原料ガスとして純度９９．９９９９体積％の塩化水素ガスを、キャリアガスとして純度９９．９９９９体積％の水素ガスおよび純度９９．９９９９体積％の窒素ガスを準備した。ソースボート１０５に金属Ｇａ（ガリウム）を充填し、結晶成長容器１１０内に設置した。まず、ヒータ１０６の温度を９８０℃、局所加熱ヒータ１１５を１１５０℃に上昇させて、結晶成長容器１１０内部を加熱して、ソースボート１０５の温度を９８０℃、下地基板１１および石英板（石英部材１０９）の温度を１１５０℃にした。ここで、ヒータ１０６および局所加熱ヒータ１１５の温度は設定温度であり、下地基板１１および石英板（石英部材１０９）の温度は熱電対により測定した。
次に、第１ガス入口１０３および第２ガス入口１０４から、キャリアガスを結晶成長容器１１０の内部に導入した。第２ガス入口１０４から供給される第２原料ガスであるＨＣｌ（塩化水素）ガスとソースボート１０５の金属Ｇａを、Ｇａ＋ＨＣｌ→ＧａＣｌ＋１／２Ｈ2のように反応させることにより、ＧａＣｌガスを生成した。次いで、第１ガス入口１０４から供給される第１原料ガスであるアンモニアガスと、生成したＧａＣｌガスとを、下地基板１１の主面１１ｍに当たるようにキャリアガスとともに流した。下地基板１１の主面１１ｍ上で、ＧａＣｌ＋ＮＨ3→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ2のように反応させて、ＧａＮ単結晶体１０を成長させた。
次に、成長させたＧａＮ単結晶体１０から、（０００１）面が主面になるようにスライス加工して板状のＧａＮ単結晶体（ＧａＮ単結晶基板）を切り出した。このＧａＮ単結晶基板の両主面を鏡面研磨して、加工変質層を除去した。これにより、２インチ（５．０８ｃｍ）の直径および４００μｍの厚さを有する５０枚のＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）を製造した。また、成長させたＧａＮ単結晶体１０から、幅２ｍｍ×長さ４ｍｍ×厚さ２ｍｍ（試料の厚さ方向と単結晶のｃ軸との間のずれ角は０．３°未満）の２０個の直方体形状のＧａＮ単結晶試料を切り出し、六つの面を研削研磨加工し、それらの面の平均粗さＲａを０．０１μｍ未満とした。ここで、面の平均粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定される算術平均粗さＲａをいい、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて、１０μｍ×１０μｍの面内において測定した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
２−１．クラック発生率
上記のようにして得られた５０枚のＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）のクラックの発生の有無を以下の方法で確認した。ＧａＮ単結晶基板の両主面の表面状態を、白色のスポットライトを照射しながら、目視で観察した。ＧａＮ単結晶基板の主面においてクラックが発生している部分では、スポットライトの光が散乱されるので、クラックの有無が判断できる。かかる方法によりで、クラックが確認されたＧａＮ単結晶基板をクラックの発生有りとし、クラックが確認されなかったＧａＮ単結晶基板をクラックの発生無しとした。５０枚のＧａＮ単結晶基板の枚数に対するクラックの発生が有ったＧａＮ単結晶基板の枚数の百分率をクラック発生率（％）として算出した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は２％であった。結果を表１にまとめた。
２−１．クラック発生率
上記のようにして得られた５０枚のＧａＮ単結晶基板（板状のＧａＮ単結晶体）のクラックの発生の有無を以下の方法で確認した。ＧａＮ単結晶基板の両主面の表面状態を、白色のスポットライトを照射しながら、目視で観察した。ＧａＮ単結晶基板の主面においてクラックが発生している部分では、スポットライトの光が散乱されるので、クラックの有無が判断できる。かかる方法によりで、クラックが確認されたＧａＮ単結晶基板をクラックの発生有りとし、クラックが確認されなかったＧａＮ単結晶基板をクラックの発生無しとした。５０枚のＧａＮ単結晶基板の枚数に対するクラックの発生が有ったＧａＮ単結晶基板の枚数の百分率をクラック発生率（％）として算出した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は２％であった。結果を表１にまとめた。
２−２．弾性定数の測定
上記のようにして得られた２０個のＧａＮ単結晶体試料の弾性定数Ｃ11およびＣ13を３０℃の雰囲気温度中でＲＵＳ法により測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体の３０℃における弾性定数Ｃ11は３４８〜３５４ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９６〜９８ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
上記のようにして得られた２０個のＧａＮ単結晶体試料の弾性定数Ｃ11およびＣ13を３０℃の雰囲気温度中でＲＵＳ法により測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体の３０℃における弾性定数Ｃ11は３４８〜３５４ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９６〜９８ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（実施例２）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０２０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０２０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は０％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５２〜３６２ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９２〜９５ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は０％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５２〜３６２ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９２〜９５ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（実施例３）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０４０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０４０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は４％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５９〜３６５ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９０〜９２ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は４％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５９〜３６５ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９０〜９２ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（実施例４）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０２０℃、下地基板および石英部材の温度を１１４０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
ソースボートの温度を１０２０℃、下地基板および石英部材の温度を１１４０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は６％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５２〜３６２ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は８６〜９３ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は６％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３５２〜３６２ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は８６〜９３ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（比較例１）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
下地基板および石英部材の温度を１１３０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
下地基板および石英部材の温度を１１３０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は２４％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３４４〜３４７ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９９〜１００ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は２４％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３４４〜３４７ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９９〜１００ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（比較例２）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図１のＨＶＰＥ装置１００に対して、支持台を形成する石英部材がなく、サセプタ１０８および局所加熱ヒータ１１５に替えて局所加熱ヒータを内蔵したカーボン板のサセプタ２０８を用いた図５のＨＶＰＥ装置２３０を用いたこと、ソースボートの温度を９８０℃、下地基板の温度を１１３０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図１のＨＶＰＥ装置１００に対して、支持台を形成する石英部材がなく、サセプタ１０８および局所加熱ヒータ１１５に替えて局所加熱ヒータを内蔵したカーボン板のサセプタ２０８を用いた図５のＨＶＰＥ装置２３０を用いたこと、ソースボートの温度を９８０℃、下地基板の温度を１１３０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は４８％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３４２〜３４５ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９９〜１０２ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は４８％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３４２〜３４５ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は９９〜１０２ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
（比較例３）
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図１のＨＶＰＥ装置１００に対して、局所加熱ヒータ１１５がない図６のＨＶＰＥ装置２４０を用いたこと、ソースボートの温度を９８０℃、下地基板の温度を１０８０℃、石英部材の温度を１０８０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
１．ＧａＮ単結晶体の製造
図１のＨＶＰＥ装置１００に対して、局所加熱ヒータ１１５がない図６のＨＶＰＥ装置２４０を用いたこと、ソースボートの温度を９８０℃、下地基板の温度を１０８０℃、石英部材の温度を１０８０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶体を製造し、５０枚のＧａＮ単結晶基板および２０個のＧａＮ単結晶試料を作製した。
２．ＧａＮ単結晶体の評価
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は５２％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３６７〜３７８ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は８３〜８８ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
実施例１と同様にして、クラック発生率および弾性定数を測定した。本実施例のＧａＮ単結晶体のクラック発生率は５２％であり、３０℃における弾性定数Ｃ11は３６７〜３７８ＧＰａ、弾性定数Ｃ13は８３〜８８ＧＰａであった。結果を表１にまとめた。
表１から明らかなように、結晶成長容器内に、Ｇａ原料を供給するソースボートと下地基板と石英部材とを配置する工程と、気相法により下地基板上にＧａＮ単結晶体を成長させる工程と、を備え、ＧａＮ単結晶体を成長させる工程において、ソースボートの温度を９８０℃以上１０４０℃以下に保持しかつ下地基板および石英部材の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下に保持することにより、ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下であるＧａＮ単結晶体が得られた。かかるＧａＮ単結晶体は、ＧａＮ単結晶の成長の際および成長したＧａＮ単結晶を板状に加工する際のクラック発生率が０〜４％と極めて低かった。
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。
１０ ＧａＮ単結晶体、１０ｍ，１０ｎ，１１ｍ 主面、１１ 下地基板、２０ ＩＩＩ族窒化物半導体層、３０ 半導体デバイス、３１ ショットキー電極、３２ オーミック電極、１００，２３０，２４０ ＨＶＰＥ装置、１０１ 第１ガスボンベ、１０２ 第２ガスボンベ、１０３ 第１ガス入口、１０４ 第２ガス入口、１０５ ソースボート、１０６ ヒータ、１０７ 排気口、１０８，２０８ サセプタ、１０９ 石英部材、１１０ 結晶成長容器、１１５ 局所加熱ヒータ、１２０ 排ガス処理装置。
Claims (6)
- ウルツ型結晶構造を有し、３０℃において、弾性定数Ｃ11が３４８ＧＰａ以上３６５ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ13が９０ＧＰａ以上９８ＧＰａ以下、または、弾性定数Ｃ11が３５２ＧＰａ以上３６２ＧＰａ以下かつ弾性定数Ｃ 13 が８６ＧＰａ以上９３ＧＰａ以下、であるＧａＮ単結晶体。
- 抵抗率が１×１０3Ω・ｃｍ以下である請求項１に記載のＧａＮ単結晶体。
- 自立基板である請求項１または請求項２に記載のＧａＮ単結晶体。
- 結晶成長容器内に、Ｇａ原料を供給するソースボートと下地基板と石英部材とを配置する工程と、
気相法により前記下地基板上にＧａＮ単結晶体を成長させる工程と、を備え、
前記ＧａＮ単結晶体を成長させる工程において、前記ソースボートの温度を９８０℃以上１０４０℃以下に保持しかつ前記下地基板および前記石英部材の温度を１１３０℃より大きく１１５０℃以下に保持するＧａＮ単結晶体の製造方法。 - 請求項１のＧａＮ単結晶体と、前記ＧａＮ単結晶体上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体デバイス。
- 請求項１のＧａＮ単結晶体を準備する工程と、
前記ＧａＮ単結晶体上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、を備える半導体デバイスの製造方法。
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