JP5632322B2 - 窒化ガリウム系半導体の製造方法、及び、基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、種結晶、窒化ガリウム系半導体の製造方法、及び、基板の製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体基板を低コストで製造するためには、バルク成長技術が不可欠である。例えば、異種基板上や＋ｃ極性ＧａＮ基板上に＋ｃ極性ＧａＮを厚膜成長したIII族窒化物半導体の結晶をバルク成長する技術がある（非特許文献１、非特許文献２）。
Kenji Fujito et al., "Bulk GaN crystals grown by HVPE", Journal of Crystal Growth, 2009, 311, p.3011-3014
M.Bockowski, "Review: Bulk growth of gallium nitride: challenges and difficulties", Cryst. Res. Technol., 2007, 42, No.12, p.1162-1175
上述したような異種基板上や、異種基板上から剥離して得られた＋ｃ極性ＧａＮ基板上にIII族窒化物半導体の＋ｃ極性ＧａＮ結晶をバルク成長する技術の場合、（０００１）と比較して、｛１−１０１｝、｛１１−２２｝など、（０００１）から傾いた面の成長速度が著しく遅い。このため、長時間の成長で徐々にこれらの遅い成長速度面が現れ、バルク成長後に得られる結晶は、（０００１）から傾いた面を含んで構成される。すなわち、結晶の形状は、成長が進むにつれて先細りとなり、例えば六角すいのような形状に近づいていく。また、このような面で構成された後の結晶の拡大成長速度は、構成された低成長速度面で律速されてしまう。これらの理由などから、＋ｃ極性ＧａＮ基板上にバルク成長する技術の場合、大型な結晶が得られ難いという問題がある。
また、得られた結晶の側面は略三角形状となるため、結晶をスライスして成長用基板と同径の定型基板を複数製造することは困難であるという問題もある。
本発明者は、＋ｃ極性及び−ｃ極性を含む面を結晶成長面として窒化ガリウム系半導体を結晶成長させた場合、安定的に拡径して、大型で、結晶性が良好な窒化ガリウム系半導体の単結晶が得られることを発見した。
本発明によれば、Ｇａ及びＮを含む混晶からなり、窒化ガリウム系半導体の結晶成長に用いられる種結晶であって、前記種結晶の表面を、前記種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域と、−ｃ極性領域とが含まれる種結晶が提供される。
また、本発明によれば、前記種結晶を用い、前記＋ｃ極性領域及び前記−ｃ極性領域が含まれる前記視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する窒化ガリウム系半導体の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、前記窒化ガリウム系半導体の製造方法を用いて得られた窒化ガリウム系半導体をスライスして基板を得る基板の製造方法が提供される。
本発明によれば、大型で、結晶性が良好な窒化ガリウム系半導体の単結晶を製造することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
＜＜第１の実施形態＞＞
＜種結晶の構成＞
まず、本実施形態の種結晶の構成について説明する。
＜種結晶の構成＞
まず、本実施形態の種結晶の構成について説明する。
図１に、本実施形態の種結晶１０の斜視図の一例を示す。本実施形態の種結晶１０は、Ｇａ及びＮを含む混晶からなり、窒化ガリウム系半導体の結晶成長に用いられる。本実施形態の種結晶１０は略柱状であり、例えば、図１に示すような六角柱形状であってもよいし、図示しないが四角柱形状や円柱形状であってもよい。種結晶１０のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。最大径とは、断面の外周上の任意の２点を結んで形成される複数の線分の中の最も長い線分の長さである。
次に、図２乃至４に、図１に示す種結晶１０の表面を、ｃ軸と平行な２つの方向（図中、矢印Ａ及びＢで示す方向）の中の一方から観察したときの視野に映る種結晶１０の一例を示す。図示するように、当該観察における視野には、＋ｃ極性領域２０と、−ｃ極性領域３０とが含まれる。
＋ｃ極性領域２０とは、種結晶の表面に位置する領域であって、（１）＋ｃ極性面、及び、（２）＋ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると＋ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域と言い換えることが可能である。さらに、＋ｃ極性領域２０とは、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００１）、｛ｈ−ｈ０ｌ｝、及び、｛ｈｈ−２ｈｌ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域と言い換えることも可能である（ｈ、ｌは自然数）。
−ｃ極性領域３０とは、種結晶の表面に位置する領域であって、（１）−ｃ極性面、及び、（２）−ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると−ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域と言い換えることが可能である。さらに、−ｃ極性領域３０とは、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００−１）、｛ａ−ａ０−ｃ｝、及び、｛ａａ−２ａ−ｃ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域と言い換えることも可能である（ａ、ｃは自然数）。
以下、種結晶１０の表面を、ｃ軸と平行な２つの方向（図中、矢印Ａ及びＢで示す方向）の中の一方から見る観察を「第１のｃ軸方向観察」という。
第１のｃ軸方向観察における視野において＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれる場合であって、−ｃ極性領域３０の面積の方が、＋ｃ極性領域２０の面積よりも大きい場合、当該視野における−ｃ極性領域３０と＋ｃ極性領域２０の面積比は、５０：５０〜９９：１とすることが好ましく、５５：４５〜９５：５とすることが一層好ましい。
一方、第１のｃ軸方向観察における視野において＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれる場合であって、＋ｃ極性領域２０の面積の方が、−ｃ極性領域３０の面積よりも大きい場合、当該視野における−ｃ極性領域３０と＋ｃ極性領域２０の面積比は、５０：５０〜１：９９とすることが好ましく、４５：５５〜５：９５とすることが一層好ましい。
なお、本実施形態の種結晶１０は、第１のｃ軸方向観察における視野において＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれる構成を実現できれば、その３次元的な構成は特段制限されず、あらゆるバリエーションを採用することができる。
例えば、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０は、ｃ軸と垂直な平面上に位置してもよいし、また、当該平面とは異なる平面上に位置してもよい。また、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０は、同一平面上に位置してもよいし、異なる平面上に位置してもよい。
具体的には、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０いずれもが、ｃ軸と垂直な平面上に位置してもよい。又は、図１５の斜視図に示すように、例えば種結晶１０の先端が凸状となることで、ｃ軸と垂直な平面から所定角度Ｍ（０°＜Ｍ＜９０°）傾いた傾斜面が形成されている場合、当該傾斜面上に、＋ｃ極性領域２０及び／又は−ｃ極性領域３０が位置してもよい。
なお、＋ｃ極性領域２０と−ｃ極性領域３０との位置関係及びこれらの形状は、特段制限されない。
このような本実施形態の種結晶１０は、例えばエピタキシャル成長して得られる。本実施形態の種結晶１０は単結晶からなってもよい。また、本実施形態の種結晶１０は、例えばウルツ鉱型構造である。
＜種結晶の製造方法＞
次に、上述のような本実施形態の種結晶１０の製造方法について説明する。本実施形態では、核を種結晶１０に成長させる段階の成長条件を適切に設定することで、上述のような種結晶１０の製造を実現する。以下、本実施形態の種結晶１０の製造方法の一例について図５乃至８を用いて説明する。
次に、上述のような本実施形態の種結晶１０の製造方法について説明する。本実施形態では、核を種結晶１０に成長させる段階の成長条件を適切に設定することで、上述のような種結晶１０の製造を実現する。以下、本実施形態の種結晶１０の製造方法の一例について図５乃至８を用いて説明する。
本例の種結晶１０の製造方法では、気相成長法により、種結晶形成用部材上に複数の窒化ガリウム系半導体の核を離間させて形成し、当該複数の核を所定の成長条件下で成長させて、当該複数の核それぞれから複数の種結晶１０を得る。
例えば、まず、図５及び６に示すような種結晶形成用部材（サセプター）１を用意する。図５は種結晶形成用部材（サセプター）１の断面図の一例であり、図６は種結晶形成用部材（サセプター）１の斜視図の一例である。この種結晶形成用部材１は、基材１１と、この基材１１に突設されるとともに離間配置された複数の立設部１２と、基材１１を支持する支持部１３とを有する。なお、立設部１２の数は図示するものに限定されない。
基材１１は、例えば、平板状であり、材料は特に限定されないが、石英、グラファイト、ＳｉＣコートグラファイト、ガラス状カーボンコートグラファイト、アルミナ等の材料で構成される。基材１１上には、複数の立設部１２が柱状に突設されている。
立設部１２は、柱状（例えば、円柱状、四角柱状）であり、基材１１に対し、着脱可能である。例えば、基材１１に凹部１１１を形成し、この凹部１１１内に立設部１２の基端部をはめ込み、立設部１２が凹部１１１から着脱可能なものとしてもよい。また、基材１１の凹部１１１を雌ねじとし、立設部１２の基材１１側の基端部にねじを刻設して、凹部１１１と、立設部１２とを螺合してもよい。立設部１２は、グラファイトを含んでなり、特には、グラファイトからなるものであることが好ましい。また、立設部１２は、ガラス状カーボンやＳｉＣ、ＢＮなどでコーティングされたグラファイトで構成されてもよい。
ここで、種結晶形成用部材１の構造は、図５及び６に示したものに限られず、図７に示すようなものとしてもよい。図７は種結晶形成用部材（サセプター）１の断面図の一例である。
図７に示す例の場合には、基材１１上に複数の立設部１２が隣接配置され、隣り合う立設部１２は、互いに接している。ただし、立設部１２は、凹部内（図６では、図示略）にはめ込まれたものであるため、基材１１に対し、着脱可能である。
次に、図８に示すように、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）装置３内に、種結晶形成用部材１を設置する。このＨＶＰＥ装置３は、反応管３１を備え、この反応管３１内に、ソースボート３９が設置されている。ソースボート３９内には、窒化ガリウム系半導体の種結晶の原料となるIII族原料、例えば、ガリウムが配置される。また、反応管３１には、ガス導入管３３及び３４が接続されている。
ＨＶＰＥ装置３内に種結晶形成用部材１を設置した後、ガス導入管３３及び３４より窒素（Ｎ2）ガスを供給して反応管３１内をパージする。反応管３１内に供給したガスは、排出口３８より排出される。反応管３１内を十分パージした後、水素（Ｈ2）ガスに切替えて、ヒータ３５により反応管３１を昇温する。成長領域３６の温度が例えば５００℃前後となったら、ガス導入管３４よりアンモニア（ＮＨ3）ガスを加えて昇温する。さらにＧａソース３７領域の温度が例えば８５０℃、成長領域３６の温度が例えば１０８０℃になるまで昇温を続ける。
Ｇａソース３７領域の温度及び成長領域３６の温度が安定してからガス導入管３３よりＨＣｌガスを加えて供給し、ソースボート３９内のガリウム（Ｇａ）と反応させて塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域３６に輸送する。成長領域３６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌが反応する。これにより、各立設部１２の先端上に窒化ガリウム系半導体の核が形成され、この核が成長することで、Ｇａ及びＮを含む混晶からなる種結晶１０となる（図９参照）。すなわち、複数の核が離間配置されて形成され、複数の核が合体せずに、それぞれ種結晶１０となり、複数の種結晶１０が同時に得られる。
ここで、図５及び６に示す種結晶形成用部材１の代わりに、図７に示す構成の種結晶形成用部材１を用いれば、立設部１２の先端面への窒化ガリウム系半導体の核形成を促進させることができるほか、立設部１２を高密度に配置することにより、より多くの種結晶１０を得ることも可能となる。
なお、図９では、立設部１２の先端に一つの核が形成し、その核が成長して一つの種結晶１０となっている例を示しているが、立設部１２に複数の核が離間して形成され、複数の核それぞれが種結晶１０となってもよい。隣り合う核間の間隔は１００μｍ以上、１００ｍｍ以下であれば、核同士が合体せずに種結晶１０となりやすく、複数の核を効率良く形成しやすい。
核間の間隔をあけ、離間して複数の核を形成するためにはIII族ハロゲン化物ガス（ここでは、ＧａＣｌガス）の分圧を１．４Ｐａ以上、１．４×１０３Ｐａ以下、好ましくは７．０Ｐａ以上、７．０×１０２Ｐａ以下、Ｖ族元素を含むガス（ここではアンモニアガス）の分圧を１．４×１０２Ｐａ以上、１．４×１０４Ｐａ以下、好ましくは、７．０×１０２Ｐａ以上、７．０×１０３Ｐａ以下とし、成長温度（核形成温度）を８００℃以上、１１００℃以下、好ましくは１０６０℃以上１０９０℃以下とすることが好ましい。
このような核形成条件とすることで、核生成密度を小さくでき、核同士が合体せずに種結晶１０となりやすい。すなわち、核間の間隔を調整し、さらに、成長温度や、原料ガスの分圧等を適宜調整することで、複数の核同士を合体させずに、複数の種結晶１０を得ることが可能となる。その上、上記Ｖ族元素ガス分圧、成長温度とすることで、長さ／幅比をより大きくすることが可能となる。このことは、より微小領域からの核生成とその長尺化による低転位密度化が実現されるとともに、接着時などのハンドリング性についても向上する。
ここで、上記製造工程で得られる種結晶１０の中には、（１）第１のｃ軸方向観察における視野いずれにおいても、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０のいずれもが含まれた構成となっていないものや、（２）複数の核の中の一部の核同士が合体し、１つの種結晶となったものが含まれる場合がある。そこで、上記製造工程の後、得られた種結晶を観察などし、上記（１）又は（２）を満たす種結晶を除去する工程（選別工程）、すなわち、第１のｃ軸方向観察における視野において、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０のいずれもが含まれ、かつ、核が合体せずに成長した種結晶を抽出する工程を含んでもよい。そして、当該選別工程の後に除去されずに残った種結晶を本実施形態の種結晶１０としてもよい。
＜窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法＞
次に、本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法について説明する。本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法は、図１０のフローチャートに示すように、Ｇａ及びＮを含む混晶からなる種結晶を準備する種結晶準備工程Ｓ１０と、準備した種結晶を成長させて、窒化ガリウム系半導体単結晶を得る成長工程Ｓ２０と、を含む。
次に、本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法について説明する。本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法は、図１０のフローチャートに示すように、Ｇａ及びＮを含む混晶からなる種結晶を準備する種結晶準備工程Ｓ１０と、準備した種結晶を成長させて、窒化ガリウム系半導体単結晶を得る成長工程Ｓ２０と、を含む。
種結晶準備工程Ｓ１０では、上述した本実施形態の「種結晶の製造方法」により得られた本実施形態の種結晶１０を準備する。
成長工程Ｓ２０では、第１のｃ軸方向観察における視野であって、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０のいずれもが含まれる視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する。すなわち、成長工程Ｓ２０では、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０のいずれもが含まれる結晶成長面に原料ガスを供給し、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する。例えば、種結晶１０のｃ軸と平行な方向（図１のＡ及びＢ）のいずれかであって、当該方向から種結晶１０の表面を観察したときの視野に、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０のいずれもが含まれる方向から、種結晶１０に原料ガスを供給し、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する。
以下、このような本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法の一例について説明する。
例えば、上述した本実施形態の「種結晶の製造方法」を実施することで、図９に示すように、立設部１２上に窒化ガリウム系半導体の種結晶１０を形成した後（種結晶準備工程Ｓ１０）、当該種結晶１０をそのまま拡大成長させることができる（成長工程Ｓ２０）。なお、種結晶準備工程Ｓ１０の後、かつ、成長工程Ｓ２０の前に、上述した「選別工程」を行ってもよい。また、種結晶準備工程Ｓ１０の後、かつ、成長工程Ｓ２０の前に、種結晶１０が設けられた立設部１２間の間隔をあけるため、以下の工程を経てもよい。
すなわち、上述した本実施形態の「種結晶の製造方法」を実施後、図８に示すＨＶＰＥ装置３から、種結晶形成用部材１を取り出す。そして、図１１に示すように、一部の立設部１２を基材１１から外し、隣り合う立設部１２間に一定の隙間を形成する。その後、一部の立設部１２を基材１１から外した種結晶形成用部材１を再び図８に示すＨＶＰＥ装置３に設置し、種結晶１０を拡大成長させる。
なお、立設部１２間の間隔は隣り合う種結晶１０同士が合体することを抑制する観点から１ｍｍ以上が好ましい。このようにすることで、複数の種結晶１０が十分な間隔をおいて離間配置され、複数の種結晶１０同士が合体することなく、これらの種結晶１０を同時に拡大成長させることができる。なお、あらかじめ、立設部１２間の間隔が十分に確保されている場合には、ＨＶＰＥ装置３から種結晶形成用部材１を取り出し、一部の立設部１２を基材１１から外す工程を経ることなく、種結晶１０を拡大成長させる工程を行うことができる。
必要に応じて上記一部の立設部１２を基材１１から外す工程及び／又は上記選別工程を経た後、図８に示したＨＶＰＥ装置３により、種結晶１０を拡大成長させる（成長工程Ｓ２０）。
具体的には、ＨＶＰＥ装置３内に種結晶１０が設けられた種結晶形成用部材１を設置した状態で、ガス導入管３３、３４より窒素（Ｎ2）ガスを供給して反応管３１内をパージする。反応管３１内に供給したガスは、排出口３８より排出される。反応管３１内を十分パージした後、水素（Ｈ2）ガスに切替えて、ヒータ３５により反応管３１を昇温する。成長領域３６の温度が例えば５００℃前後となったら、ガス導入管３４よりアンモニア（ＮＨ3）ガスを加えて昇温する。さらにＧａソース３７領域の温度が８５０℃、成長領域３６の温度が例えば１０５０℃になるまで昇温を続ける。
Ｇａソース３７領域の温度及び成長領域３６の温度が安定してからガス導入管３３よりＨＣｌガスを加えて供給し、ソースボート３９内のガリウム（Ｇａ）と反応させて塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域３６に輸送する。成長領域３６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌが反応する。これにより、図１２に示すように、各立設部１２上の種結晶１０が拡径するとともに、縦方向にも成長し、大型な窒化ガリウム系半導体の単結晶２１を得ることができる。
なお、アンモニアガスの分圧は、種結晶１０周辺への窒化ガリウム系半導体の多結晶付着防止という観点から、１．４×１０４Ｐａ以下が好ましい。また、製造性の観点から、アンモニアガスの分圧は、７．１×１０２Ｐａ以上が好ましい。
ここで、種結晶１０を成長させる際に、基材１１上に窒化ガリウム系半導体の多結晶が堆積することがある。この場合、基材１１上の多結晶の層が非常に厚くなってしまうと、種結晶１０に付着してしまうおそれがある。そこで、立設部１２の基端部の外周にねじを刻設するとともに、基材１１表面に形成された凹部１１１に雌ねじを形成し、立設部１２の先端部の種結晶１０の基材１１からの高さを調整し、基材１１上の多結晶が種結晶１０に付着してしまうことを防止してもよい。
さらに、基材１１表面の位置によって多結晶の堆積のしやすさに違いがあるため、各立設部１２の先端の基材１１からの高さをそれぞれ調整することもできる。
さらに、種結晶１０をある程度拡大成長させた後、基材１１上に堆積した多結晶が種結晶１０に付着する前に、種結晶１０が設けられた種結晶形成用部材１をＨＶＰＥ装置３から取り出し、立設部１２を基材１１から取り外した後に基材１１上に堆積した多結晶を除去（基材１１を洗浄）してもよい。その後、立設部１２を基材１１に取り付け、種結晶１０を再度拡大成長させることができる。
さらに、種結晶１０を成長させる前に、予め基材１１上に薄く多結晶を堆積させるか、成長によって基材１１上に厚く付着した多結晶の層を除去する際にわずかに残すなどして、基材１１上に多結晶の層を形成する。このようにすることで、立設部１２周辺に供給される原料が、基材１１上の多結晶に優先的に消費され、立設部１２に新たに多結晶が発生することが抑制できる。そのため、単結晶２１を多結晶との合体なしに単独で拡大できるため、窒化ガリウム系半導体の単結晶２１の結晶性を良好なものとすることができる。
また、種結晶１０をある程度拡大成長させた後、基材１１から一部の立設部１２を取り外し、立設部１２間の間隔をあけて、拡大成長した種結晶１０同士がぶつからないように調整してもよい。拡大成長した種結晶１０同士を合体させずに、複数の窒化ガリウム系半導体の単結晶を得ることが好ましい。例えば、Ｎ個（複数）の種結晶１０を拡大成長させて、そのうちの１０％以上の種結晶１０（Ｎ×０．１個以上）が互いに合体することなく成長し、複数の窒化ガリウム系半導体の単結晶（Ｎ×０．１個以上）が得られることが好ましい。
さらに、種結晶１０をある程度拡大成長させた後、基材１１から一部の立設部１２を取り外し、結晶性が良好でないものを間引いてもよい。
以上のようにして得られた窒化ガリウム系半導体の単結晶２１をスライスして、複数の窒化ガリウム系半導体自立基板又は複数の窒化ガリウム系半導体の種結晶基板を得ることができる。また、以上のようにして得られた窒化ガリウム系半導体の単結晶２１から所定形状の結晶を切り出して、複数の窒化ガリウム系半導体の種結晶１０を得ることができる。
＜作用効果＞
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、Ｇａ及びＮを含む混晶からなる種結晶であって、第１のｃ軸方向観察における視野において、＋ｃ極性領域と、−ｃ極性領域とが含まれる種結晶を用い、当該視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する。すなわち、＋ｃ極性領域及び−ｃ極性領域のいずれもが含まれる結晶成長面に原料ガスを供給して、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する。
このように、＋ｃ極性及び−ｃ極性を含む面を結晶成長面として窒化ガリウム系半導体を結晶成長させる本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法によれば、＋ｃ極性のみからなる結晶成長面上に窒化ガリウム系半導体を結晶成長させる場合に比べて、大型な窒化ガリウム系半導体の単結晶を、効率的に製造することができる。このような結果となるメカニズムは明らかでないが、当該事実は以下の実施例により明らかにされている。なお、＋ｃ極性領域に関しては、ｃ軸方向から傾いた方向（例えば＜１−１０１＞）の成長速度は遅いが、ｃ軸方向［０００１］の成長速度は速い。一方、−ｃ極性領域に関しては、ｃ軸方向［０００−１］の成長は＋ｃ極性のｃ軸方向［０００１］に比べて遅いが、ｃ軸方向から傾いた方向（例えば＜１−１０−１＞）の成長速度はｃ軸方向［０００−１］に比べて著しく速いということを確認している。本発明者は、本件のような＋ｃ極性領域及び−ｃ極性領域が結晶成長面に混在した場合、＋ｃ極性領域におけるｃ軸方向の成長速度、及び、−ｃ極性領域におけるｃ軸方向から傾いた方向の成長速度の相乗効果により、上記結果が得られるのでないかと予測している。
また、本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法によれば、上記種結晶は拡径しながら拡大成長していくことで、大型な窒化ガリウム系半導体の単結晶となる。本発明者は、本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法により得られた窒化ガリウム系半導体単結晶を分析した結果、得られた窒化ガリウム系半導体単結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面は、種結晶の状態での＋ｃ極性領域及び−ｃ極性領域の形状に関わらず、図１３に示すように、＋ｃ極性領域２０を−ｃ極性領域３０が取り囲むような状態になりやすいことを確認した。また、結晶成長により得られた窒化ガリウム系半導体単結晶の結晶成長面も同様に、＋ｃ極性領域２０を−ｃ極性領域３０が取り囲むような状態になりやすいことを確認した。さらに、このような結晶成長面は、−ｃ極性領域３０の面積の方が、＋ｃ極性領域２０の面積よりも大きくなりやすいことを確認した。図１６に、本実施形態の製造方法によって得られた窒化ガリウム系半導体単結晶の結晶成長面を示す。図からも、上述の結果が得られていることが分かる。すなわち、−ｃ極性領域の結晶成長面における面積の増加が、上記拡径に寄与していると考えられる。
また、本実施形態では、第１のｃ軸方向観察における視野において＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれる場合であって、−ｃ極性領域３０の面積の方が、＋ｃ極性領域２０の面積よりも大きい場合、当該視野における−ｃ極性領域３０と＋ｃ極性領域２０の面積比は、５０：５０〜９９：１、好ましくは、５５：４５〜９５：５とする。このようにすることで、全面が−ｃ極性領域の場合と比較して、多結晶の発生を抑制して持続的にｃ軸方向成長が行われ、ｃ軸方向成長速度を速めることができ、径方向も拡径することができる。
さらに、本実施形態では、第１のｃ軸方向観察における視野において＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれる場合であって、＋ｃ極性領域２０の面積の方が、−ｃ極性領域３０の面積よりも大きい場合、当該視野における−ｃ極性領域と＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜１：９９、好ましくは、４５：５５〜５：９５とする。このようにすることで、全面が＋ｃ極性領域の場合と比較して、−ｃ極性成長領域の存在と−ｃ極性領域の拡大により、｛１−１０１｝面などの形成による成長阻害が無く、持続的にｃ軸方向成長が行われ、径方向も拡径することができる。
また、本実施形態では、気相成長法により、複数の核を形成し、複数の核から、上述のような種結晶を複数得ることができる。そして、上述のように核形成条件を調整することで、間隔を十分にあけて複数の核を形成し、その後、隣り合う核同士を合体させずに、複数の核を成長させて種結晶を得ることができる。この方法により得られた種結晶は結晶性が良好であり、拡大成長させることで、結晶性が良好な窒化ガリウム系半導体の単結晶を得ることができる。また、複数の種結晶を同一工程により得ることができ、種結晶の生産性が良好となる。
さらに、本実施形態では、グラファイトを含む種結晶形成用部材上に種結晶を形成することができる。グラファイトと、種結晶を構成する窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数差は小さいため、種結晶に歪み等が発生しにくくなる。このため、結晶性が良好な種結晶を得ることができ、当該種結晶を拡大成長させた場合に、結晶性の良好な窒化ガリウム系半導体の単結晶を得ることができる。
また、本実施形態では、ＨＶＰＥ法により種結晶を製造することができるため、この種結晶を、ＨＶＰＥ法を使用して拡大成長させた場合に、結晶性の良好な窒化ガリウム系半導体の単結晶を得ることができる。
例えば、アモノサーマル法や、Ｎａフラックス法等の液相成長で種結晶を製造し、その後、成長速度の比較的速い、気相成長法のＨＶＰＥ法により、種結晶を拡大成長させた場合、種結晶の製造方法と、種結晶を拡大成長させる方法とが大きく異なり、製法の違いによる不純物元素の種類とその濃度差などに起因して、窒化ガリウム系半導体の単結晶に歪みやクラック等が発生しやすいと考えられる。
本実施形態のように、種結晶の製造及び拡大成長を、同じ成長方法で実施することでこのような問題を解決することができる。
なお、本実施形態では、種結晶の製造及び拡大成長をＨＶＰＥ法で実施したが、例えば、種結晶製造をＭＯＣＶＤ法で実施し、種結晶の拡大成長をＨＶＰＥ法で実施した場合にも、アモノサーマル法や、Ｎａフラックス法等で種結晶を製造し、その後、ＨＶＰＥ法により拡大成長させる場合に比べれば、ＨＶＰＥ法と同じ気相成長という点でドーピングガスによる不純物制御が容易であり、ＨＶＰＥ成長時に結晶に取り込まれる不純物元素とその濃度を近づけた種結晶を得ることができるので、窒化ガリウム系半導体の単結晶の歪み等を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、ＨＶＰＥ装置内で種結晶を形成し、当該種結晶をＨＶＰＥ装置から出さずに、そのまま種結晶を拡大成長させることができる。かかる場合には、種結晶をＨＶＰＥ装置から取り出すことで種結晶が汚染されてしまう不都合を回避できる。
一方、ＨＶＰＥ装置内から種結晶形成用部材を取り出し、一部の立設部を種結晶形成用部材から取り外す際も、立設部が種結晶形成用部材から着脱可能に設けられているため、作業者が拡大成長させる種結晶にふれずに、立設部を種結晶形成用部材から取り外すことができるので、種結晶が汚染されてしまうことを抑制できる。
また、本実施形態では、種結晶を拡大成長させる処理中に、窒化ガリウム系半導体に１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素がドープされることを本発明者は確認している。かかる場合、別途キャリアをドープする工程を設ける必要がないため、作業効率が向上するというメリットがある。
なお、上記作用を実現するため、本実施形態では、ＨＶＰＥ装置の部材、例えば反応管を石英で構成することができる。このようにすれば、ドーピングガスを導入することなく反応管内に酸素を供給できるので好ましい。なお、当該手段で供給される酸素は、（１）原料由来の酸素、例えばＨＣｌ、ＮＨ３中の水由来の酸素や、（２）石英（ＳｉＯ2）とＧａＣｌとの反応により発生する酸素や、（３）大気中の酸素、水分由来の酸素などが考えられる。
さらに、一部の立設部を種結晶形成用部材から取り外すことで、種結晶間の間隔を大きく確保することができ、種結晶同士が拡大成長する際に合体してしまうことを抑制できる。
＜＜第２の実施形態＞＞
＜種結晶の構成＞
本実施形態の種結晶１０の構成は、第１の実施形態で説明した種結晶１０の構成と同様である。
＜種結晶の構成＞
本実施形態の種結晶１０の構成は、第１の実施形態で説明した種結晶１０の構成と同様である。
＜種結晶の製造方法＞
次に、本実施形態の種結晶１０の製造方法について説明する。本実施形態の種結晶１０の製造方法では、第１の実施形態の「窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法」で得られた窒化ガリウム系半導体の単結晶２１から、所定形状の結晶を所定位置から切り出すことで、種結晶１０を製造する。切り出した結晶は、切り出し面、好ましくはすべての切り出し面を研磨加工する。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）処理や、ドライエッチング処理を行って、加工変質層を取り除くことが好ましい。
次に、本実施形態の種結晶１０の製造方法について説明する。本実施形態の種結晶１０の製造方法では、第１の実施形態の「窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法」で得られた窒化ガリウム系半導体の単結晶２１から、所定形状の結晶を所定位置から切り出すことで、種結晶１０を製造する。切り出した結晶は、切り出し面、好ましくはすべての切り出し面を研磨加工する。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）処理や、ドライエッチング処理を行って、加工変質層を取り除くことが好ましい。
なお、第１の実施形態で説明したように、単結晶２１のｃ軸成長方向に対して垂直な断面は、図１３に示すように、＋ｃ極性領域２０及び−ｃ極性領域３０が含まれた状態となりやすい。このような単結晶２１から切り出された単結晶２１は、一定の確率で、切り出された単結晶２１を第１のｃ軸方向観察した際の視野に、＋ｃ極性領域２０と、−ｃ極性領域３０とが含まれた状態となる。
なお、切り出された種結晶１０の上記所定形状は特段制限されず、六角柱形状、四角柱形状、円柱形状などであってもよいが、切り出す際の加工し易さを考えると、六角柱形状、四角柱形状とするのが好ましい。また、切り出された単結晶２１をさらに加工して＋ｃ極性領域２０及び／又は−ｃ極性領域３０を有する傾斜面を露出させることで、切り出された単結晶２１を第１のｃ軸方向観察した際の視野に、＋ｃ極性領域２０と、−ｃ極性領域３０とが含まれた状態を形成してもよい。
切り出された種結晶１０のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。最大径は、第１の実施形態で説明した概念と同様である。その他、径が１０００μm以上となった単結晶２１を加工して得られる複数の基板状結晶あるいは柱状結晶を種結晶１０としてもよい。
＜窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法＞
本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法は、第１の実施形態に準じて実現することができる。
本実施形態の窒化ガリウム系半導体単結晶の製造方法は、第１の実施形態に準じて実現することができる。
＜作用効果＞
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を実現することができる。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を実現することができる。
なお、本発明者は、単結晶２１をスライスして得られる基板状の種結晶１０を用いて拡大成長させた場合、種結晶１０は、拡径しながら、又は径を保ちながら成長することを確認している。いずれにおいても、大型な単結晶２１を得ることができる。
＜変形例＞
ここで、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
ここで、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば前記各実施形態では、種結晶１０をＨＶＰＥ法により成長させていたが、これに限らず、ＭＯＣＶＤ法で成長させてもよい。ただし、比較的成長速度の速いＨＶＰＥ法により成長させることで、ＭＯＣＶＤ法と比較して短時間で種結晶１０が得られるという利点がある。
さらに、前述の実施形態では、複数の核が合体しないように、III族ハロゲン化物ガスの分圧等を調整するとしたが、これに限らず、例えば、複数の核が形成された後、一部の核を除去して、核同士の間隔をあけ、残った複数の核を成長させて種結晶１０を製造してもよい。
また、核を形成する際、あるいは形成後に、立設部１２へむけて塩化水素ガスを供給し、立設部１２上に形成される核の一部が塩化水素ガスでエッチングされるようにしてもよい。このようにすることで、核間の間隔を広く確保することができ、核同士を合体させずに、種結晶１０を成長させることができる。
さらに、第１の実施形態では、立設部１２上に形成した種結晶１０をそのまま用い、当該種結晶１０を拡大成長させて、窒化ガリウム系半導体の単結晶２１を得たが、拡大成長の前に種結晶１０を一度立設部１２上から取り外し、再度保持させた後に、種結晶１０を拡大成長させることもできる。
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
（種結晶の製造）
第１の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
具体的には、種結晶形成用部材としては、図５及び６に示した種結晶形成用部材１を使用した。種結晶形成用部材１は、基材１１と、立設部１２とを備える。基材１１には雌ねじとなる凹部１１１が形成され、立設部１２は、基材１１に対して螺合しており、着脱可能である。
（種結晶の製造）
第１の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
具体的には、種結晶形成用部材としては、図５及び６に示した種結晶形成用部材１を使用した。種結晶形成用部材１は、基材１１と、立設部１２とを備える。基材１１には雌ねじとなる凹部１１１が形成され、立設部１２は、基材１１に対して螺合しており、着脱可能である。
基材１１の材料は、グラファイトであり、立設部１２の材料はグラファイトである。また、立設部１２は、円柱形状であり、その径は、３ｍｍである。立設部１２間の間隔は、５ｍｍであり、種結晶形成用部材１の基材１１表面側からみて、立設部１２は、正方格子の格子点上に配置されている。そして、図８に示すようなＨＶＰＥ装置３を使用し、立設部１２上に核を形成し種結晶１０を形成した。製造条件は以下の通りである。
製造方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０８０℃
原料ガス：ＨＣｌガス ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３００ｃｃ／ｍｉｎ
キャリアガス：Ｈ２ガス １６Ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：１５時間
成長温度：１０８０℃
原料ガス：ＨＣｌガス ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３００ｃｃ／ｍｉｎ
キャリアガス：Ｈ２ガス １６Ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：１５時間
（結果）
本実施例では、複数の核から、複数の種結晶１０を得ることができた。また、互いに合体していない、複数の単結晶の種結晶１０を得ることができた。
本実施例では、複数の核から、複数の種結晶１０を得ることができた。また、互いに合体していない、複数の単結晶の種結晶１０を得ることができた。
また、種結晶１０の表面を、種結晶１０のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野には、＋ｃ極性領域（Ｇａ極性領域）２０と、−ｃ極性領域（Ｎ極性領域）３０とが含まれていた。なお、当該観察にあたっては、数多くの結晶について、アズグロウン状態の表面モフォロジーとコントラストをＳＥＭで観察した後、先端を研磨してｃ面を表出させ、リン酸硫酸エッチング耐性による極性判別を行って、対応を調査することにより、アズグロウンの表面モフォロジーとコントラストが＋ｃ極性と−ｃ極性とで特徴的に異なっていることを予め確認した。このことにより、アズグロウン結晶の極性判別が表面ＳＥＭ観察のみでほぼ可能となった。
また、種結晶１０のｃ軸と平行な方向から観察したときの視野における＋ｃ極性領域２０と−ｃ極性領域３０との面積比は、５：９５〜４７：５３であった。
また、種結晶１０のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、５０〜１５０μmであり、高さ（厚みＨ）／直径（Ｌ）は、０．５〜２０であった。
（窒化ガリウム系半導体単結晶の製造）
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、種結晶形成用部材１をＨＶＰＥ装置３から取り出し、一部の立設部１２を種結晶形成用部材１から取り外した。そして、立設部１２間の間隔を２０ｍｍとした。その後、再度、種結晶形成用部材１をＨＶＰＥ装置３内に配置し、複数の種結晶１０を同時に拡大成長させた。製造条件は以下の通りである。
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、種結晶形成用部材１をＨＶＰＥ装置３から取り出し、一部の立設部１２を種結晶形成用部材１から取り外した。そして、立設部１２間の間隔を２０ｍｍとした。その後、再度、種結晶形成用部材１をＨＶＰＥ装置３内に配置し、複数の種結晶１０を同時に拡大成長させた。製造条件は以下の通りである。
製造方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０５０℃
原料ガス：ＨＣｌガス ５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．０Ｌ／ｍｉｎ
キャリアガス：Ｈ２ガス ７Ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：５０時間
成長温度：１０５０℃
原料ガス：ＨＣｌガス ５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．０Ｌ／ｍｉｎ
キャリアガス：Ｈ２ガス ７Ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：５０時間
（結果）
上記成長時間で、複数の種結晶１０は互いに合体することなく成長し、直径５ｍｍ程度、高さ８ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱状であった。
上記成長時間で、複数の種結晶１０は互いに合体することなく成長し、直径５ｍｍ程度、高さ８ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱状であった。
また、得られた結晶（種結晶を拡大成長させた結晶）は、Ｘ線回折でいずれも単結晶（半値幅ＦＷＨＭが７０arcsec以下）であることがわかった。
また、単結晶をスライスし、基板を得た。そして、基板の表面をリン酸硫酸溶液中で２４０℃、１．５時間処理してエッチピットを形成し、基板の転位密度を評価したところ、いずれも良好な結晶品質であることがわかった。
（実施例２）
（種結晶の製造）
第２の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
すなわち、実施例１で得られた窒化ガリウム系半導体単結晶から、最大径２ｍｍ、高さ３ｍｍの四角柱形状の単結晶を、ダイヤモンドワイヤーソーを用いて切り出しを行い、切り出し面全ての研磨を行った。また、研磨後に有機洗浄、王水洗浄を行った後、ドライエッチング装置で５μm程度のエッチングを行って、加工変質層を除去した。その後１００℃に保温したリン酸硫酸溶液（リン酸：硫酸＝１：１）を含む溶液中で３０ｍｉｎエッチング処理を行なった。水洗してＮ２ブローにより乾燥を行った。
（種結晶の製造）
第２の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
すなわち、実施例１で得られた窒化ガリウム系半導体単結晶から、最大径２ｍｍ、高さ３ｍｍの四角柱形状の単結晶を、ダイヤモンドワイヤーソーを用いて切り出しを行い、切り出し面全ての研磨を行った。また、研磨後に有機洗浄、王水洗浄を行った後、ドライエッチング装置で５μm程度のエッチングを行って、加工変質層を除去した。その後１００℃に保温したリン酸硫酸溶液（リン酸：硫酸＝１：１）を含む溶液中で３０ｍｉｎエッチング処理を行なった。水洗してＮ２ブローにより乾燥を行った。
そして、切り出した単結晶を観察することで、これらの中から、種結晶の表面を、種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域（Ｇａ領域）と、−ｃ極性領域（Ｎ領域）とが含まれている種結晶１０を取り出した。
（結果）
このような方法では、互いに合体していない、複数の単結晶の種結晶１０を得ることができた。
このような方法では、互いに合体していない、複数の単結晶の種結晶１０を得ることができた。
また、種結晶１０の表面を、種結晶１０のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野には、＋ｃ極性領域（Ｇａ極性領域）２０と、−ｃ極性領域（Ｎ極性領域）３０とが含まれていた。なお、当該観察では、リン酸硫酸のエッチング後のモフォロジ−変化をＳＥＭ観察することにより、＋ｃ極性領域と−ｃ極性領域の判別を行った。
また、種結晶１０のｃ軸と平行な方向から観察したときの視野における＋ｃ極性領域２０と−ｃ極性領域３０との面積比は、２：９８程度であった。
また、種結晶１０のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、２ｍｍ程度であり、高さ（厚みＨ）／直径（Ｌ）は、１．５程度であった。
（窒化ガリウム系半導体単結晶の製造）
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、実施例１と同様な手段により、窒化ガリウム系半導体単結晶を製造した。
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、実施例１と同様な手段により、窒化ガリウム系半導体単結晶を製造した。
（結果）
上記成長時間で、複数の種結晶１０は互いに合体することなく成長し、直径５ｍｍ程度、高さ８ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱であった。
上記成長時間で、複数の種結晶１０は互いに合体することなく成長し、直径５ｍｍ程度、高さ８ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱であった。
また、得られた結晶（種結晶を拡大成長させた結晶）は、Ｘ線回折でいずれも単結晶（半値幅ＦＷＨＭが７０arcsec以下）であることがわかった。
また、単結晶をスライスし、基板を得た。そして、基板の表面をリン酸硫酸溶液中で２４０℃、１．５時間処理してエッチピットを形成し、基板の転位密度を評価したところ、いずれも良好な結晶品質であることがわかった。
（実施例３）
（種結晶の製造）
第３の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
すなわち、実施例１で得られた窒化ガリウム系半導体単結晶をスライスし、最大径５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの基板状の種結晶を得た。
（種結晶の製造）
第３の実施形態と同様の方法で種結晶１０を製造した。
すなわち、実施例１で得られた窒化ガリウム系半導体単結晶をスライスし、最大径５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの基板状の種結晶を得た。
（結果）
このような方法では、複数の基板状の種結晶１０を得ることができた。
このような方法では、複数の基板状の種結晶１０を得ることができた。
また、種結晶１０の表面を、種結晶１０のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野には、＋ｃ極性領域（Ｇａ極性領域）２０と、−ｃ極性領域（Ｎ極性領域）３０とが含まれていた。なお、当該観察は、実施例２と同様な手段で行った。
また、種結晶１０のｃ軸と平行な方向から観察したときの視野における＋ｃ極性領域２０と−ｃ極性領域３０との面積比は、０．６：９９．４程度であった。
（窒化ガリウム系半導体単結晶の製造）
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、実施例１と同様な手段により、窒化ガリウム系半導体単結晶を製造した。
上述のようにして、立設部１２上に種結晶１０を形成した後、実施例１と同様な手段により、窒化ガリウム系半導体単結晶を製造した。
（結果）
上記成長時間で、直径８ｍｍ程度、高さ１２ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱状であった。
上記成長時間で、直径８ｍｍ程度、高さ１２ｍｍ程度の複数（種結晶と同数）の単結晶を得ることができた。その形状は六角柱状であった。
また、得られた結晶（種結晶を拡大成長させた結晶）は、Ｘ線回折でいずれも単結晶（半値幅ＦＷＨＭが７０arcsec以下）であることがわかった。
また、単結晶をスライスし、基板を得た。そして、基板の表面をリン酸硫酸溶液中で２４０℃、１．５時間処理してエッチピットを形成し、基板の転位密度を評価したところ、いずれも良好な結晶品質であることがわかった。
（比較例１）
（種結晶の製造）
比較例１の種結晶（以下、「比較例１種結晶」という）として、種結晶の表面を、種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域のみが観察される種結晶を準備した。比較例１種結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１ｍｍであり、高さ（厚みＨ）／直径（Ｌ）は、０．８５であった。
（種結晶の製造）
比較例１の種結晶（以下、「比較例１種結晶」という）として、種結晶の表面を、種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域のみが観察される種結晶を準備した。比較例１種結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１ｍｍであり、高さ（厚みＨ）／直径（Ｌ）は、０．８５であった。
（窒化ガリウム系半導体単結晶の製造）
種結晶形成用部材４としては、図１４に示したものを使用した。種結晶形成用部材４は、基材４１と、立設部４２とを備える。基材４１、立設部４２の材料はグラファイトである。また、立設部４２は、円柱形状であり、その径は、３ｍｍである。立設部４２間の間隔は、２０ｍｍであり、種結晶形成用部材４の基材４１表面側からみて、立設部４２は、正方格子の格子点上に配置されている。
種結晶形成用部材４としては、図１４に示したものを使用した。種結晶形成用部材４は、基材４１と、立設部４２とを備える。基材４１、立設部４２の材料はグラファイトである。また、立設部４２は、円柱形状であり、その径は、３ｍｍである。立設部４２間の間隔は、２０ｍｍであり、種結晶形成用部材４の基材４１表面側からみて、立設部４２は、正方格子の格子点上に配置されている。
立設部４２の先端に、アルミナを母材とする接着剤６を塗布し、比較例１種結晶４３を、比較例１種結晶４３のｃ軸方向と立設部４２の中心軸の方向がなるべく一致するように固定した。なお、＋ｃ極性が図１４中上側を向くように固定した。その後、種結晶形成用部材４をＨＶＰＥ装置３内に配置し、実施例１と同様の成長条件で、比較例１種結晶４３を成長させた。
（結果）
上記成長時間で、比較例１種結晶は、直径２ｍｍ程度、高さ１．７ｍｍ程度まで成長した。その形状は六角錐形状であった。また、六角錐先端付近に多結晶が発生することがあった。
上記成長時間で、比較例１種結晶は、直径２ｍｍ程度、高さ１．７ｍｍ程度まで成長した。その形状は六角錐形状であった。また、六角錐先端付近に多結晶が発生することがあった。
−ｃ極性領域のみが観察される種結晶についても同様に試験した結果、全く成長しないか、成長したとしても成長速度が著しく遅く、−ｃ極性面に多結晶が発生することがあった。
以下、参考形態の例を付記する。
１． Ｇａ及びＮを含む混晶からなり、窒化ガリウム系半導体の結晶成長に用いられる種結晶であって、
前記種結晶の表面を、前記種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域と、−ｃ極性領域とが含まれる種結晶。
２． １に記載の種結晶において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、＋ｃ極性面、及び、＋ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると＋ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、−ｃ極性面、及び、−ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると−ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域である種結晶。
３． １に記載の種結晶において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００１）、｛ｈ−ｈ０ｌ｝、及び、｛ｈｈ−２ｈｌ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ｈ、ｌは自然数）であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００−１）、｛ａａ０−ｃ｝、及び、｛ａａ−２ａ−ｃ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ａ、ｃは自然数）である種結晶。
４． １から３のいずれかに記載の種結晶において、
前記視野において、前記−ｃ極性領域の面積が前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜９９：１である種結晶。
５． １から３のいずれかに記載の種結晶において、
前記視野において、前記＋ｃ極性領域の面積が前記−ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜１：９９である種結晶。
６． １から５のいずれかに記載の種結晶において、
前記種結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である種結晶。
７． １から６のいずれかに記載の種結晶を用い、前記＋ｃ極性領域及び前記−ｃ極性領域が含まれる前記視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する窒化ガリウム系半導体の製造方法。
８． ７に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長の処理中に、前記窒化ガリウム系半導体に１×１０ １７ ｃｍ −３ 以上の酸素がドープされる窒化ガリウム系半導体の製造方法。
９． ７または８に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域の面積が、前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい窒化ガリウム系半導体の製造方法。
１０． ７から９のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域が、前記＋ｃ極性領域を取り囲んでいる窒化ガリウム系半導体の製造方法。
１１． ７から１０のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法を用いて得られた前記窒化ガリウム系半導体をスライスして基板を得る基板の製造方法。
以下、参考形態の例を付記する。
１． Ｇａ及びＮを含む混晶からなり、窒化ガリウム系半導体の結晶成長に用いられる種結晶であって、
前記種結晶の表面を、前記種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域と、−ｃ極性領域とが含まれる種結晶。
２． １に記載の種結晶において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、＋ｃ極性面、及び、＋ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると＋ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、−ｃ極性面、及び、−ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると−ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域である種結晶。
３． １に記載の種結晶において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００１）、｛ｈ−ｈ０ｌ｝、及び、｛ｈｈ−２ｈｌ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ｈ、ｌは自然数）であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００−１）、｛ａａ０−ｃ｝、及び、｛ａａ−２ａ−ｃ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ａ、ｃは自然数）である種結晶。
４． １から３のいずれかに記載の種結晶において、
前記視野において、前記−ｃ極性領域の面積が前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜９９：１である種結晶。
５． １から３のいずれかに記載の種結晶において、
前記視野において、前記＋ｃ極性領域の面積が前記−ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜１：９９である種結晶。
６． １から５のいずれかに記載の種結晶において、
前記種結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である種結晶。
７． １から６のいずれかに記載の種結晶を用い、前記＋ｃ極性領域及び前記−ｃ極性領域が含まれる前記視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長する窒化ガリウム系半導体の製造方法。
８． ７に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長の処理中に、前記窒化ガリウム系半導体に１×１０ １７ ｃｍ −３ 以上の酸素がドープされる窒化ガリウム系半導体の製造方法。
９． ７または８に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域の面積が、前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい窒化ガリウム系半導体の製造方法。
１０． ７から９のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域が、前記＋ｃ極性領域を取り囲んでいる窒化ガリウム系半導体の製造方法。
１１． ７から１０のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法を用いて得られた前記窒化ガリウム系半導体をスライスして基板を得る基板の製造方法。
１ 種結晶形成用部材
３ ＨＶＰＥ装置
４ 種結晶形成用部材
６ 接着剤
１０ 種結晶
１１ 基材
１２ 立設部
１３ 支持部
２０ ＋ｃ極性領域
２１ 単結晶
３０ −ｃ極性領域
３１ 反応管
３３ ガス導入管
３４ ガス導入管
３５ ヒータ
３６ 成長領域
３７ ソース
３８ 排出口
３９ ソースボート
４１ 基材
４２ 立設部
４３ 種結晶
１１１ 凹部
３ ＨＶＰＥ装置
４ 種結晶形成用部材
６ 接着剤
１０ 種結晶
１１ 基材
１２ 立設部
１３ 支持部
２０ ＋ｃ極性領域
２１ 単結晶
３０ −ｃ極性領域
３１ 反応管
３３ ガス導入管
３４ ガス導入管
３５ ヒータ
３６ 成長領域
３７ ソース
３８ 排出口
３９ ソースボート
４１ 基材
４２ 立設部
４３ 種結晶
１１１ 凹部
Claims (9)
- Ｇａ及びＮを含む混晶からなり、窒化ガリウム系半導体の結晶成長に用いられる種結晶であって、前記種結晶の表面を、前記種結晶のｃ軸と平行な２つの方向の中の一方から観察したときの視野に、＋ｃ極性領域と、−ｃ極性領域とが含まれる前記種結晶を用い、前記＋ｃ極性領域及び前記−ｃ極性領域が含まれる前記視野に含まれる結晶面を結晶成長面として、窒化ガリウム系半導体を結晶成長させ、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域が、前記＋ｃ極性領域を取り囲んでいる窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、＋ｃ極性面、及び、＋ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると＋ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、−ｃ極性面、及び、−ｃ極性面から９０°未満の範囲で傾いた面であって当該傾斜面をｃ面と平行に平面研磨すると−ｃ極性面が表出する面、の少なくとも一方を含む領域である窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記＋ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００１）、｛ｈ−ｈ０ｌ｝、及び、｛ｈｈ−２ｈｌ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ｈ、ｌは自然数）であり、
前記−ｃ極性領域は、種結晶の表面に位置する領域であって、（０００−１）、｛ａａ０−ｃ｝、及び、｛ａａ−２ａ−ｃ｝の中の少なくとも１つの面を含む領域（ａ、ｃは自然数）である窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記視野において、前記−ｃ極性領域の面積が前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜９９：１である窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記視野において、前記＋ｃ極性領域の面積が前記−ｃ極性領域の面積よりも大きい場合、当該視野における前記−ｃ極性領域と前記＋ｃ極性領域の面積比は、５０：５０〜１：９９である窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記種結晶のｃ軸方向に対して垂直な断面における最大径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長の処理中に、前記窒化ガリウム系半導体に１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素がドープされる窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
前記結晶成長後の前記窒化ガリウム系半導体の結晶成長面において、前記−ｃ極性領域の面積が、前記＋ｃ極性領域の面積よりも大きい窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法を用いて得られた前記窒化ガリウム系半導体をスライスして基板を得る基板の製造方法。
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