JP5821164B2 - ＧａＮ基板および発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、赤色光領域または青色から赤色までの可視光領域の光の透過率が高く、導電性が高いＧａＮ基板およびかかるＧａＮ基板を含む発光デバイスに関する。

発光デバイスに用いられる基板としては、光の透過率が高く、導電性が高い基板が求められている。たとえば、特開２００５−２１３０７５号公報（特許文献１）は、波長が３７５ｎｍ〜５００ｎｍの光の吸収係数が７ｃｍ^-1〜６８ｎｍ^-1であるＧａＮ基板を開示する。また、特開２００７−１２６３２０号公報（特許文献２）は、基板上に多数の微細孔を有するＴｉＮ薄膜を形成しそのＴｉＮ薄膜上にＳｉ以外の不純物の混入を抑制してＧａＮ結晶を成長させることにより、波長３８０ｎｍ以上の光に対する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であるＧａＮ基板を得ることを開示する。

特開２００５−２１３０７５号公報 特開２００７−１２６３２０号公報

しかし、光の透過率と導電性とは、二律背反の関係にあり、光の透過率を高めるために基板中の不純物を低減すると導電性が低くなり、導電性を高めるために基板中の不純物を増大させると光の透過率が低くなる。

たとえば、特開２００５−２１３０７５号公報（特許文献１）は、所定の導電性を維持するために、波長が３７５ｎｍ〜５００ｎｍの光の吸収係数を７ｃｍ^-1程度までにしか低減することができなかった。

一方、特開２００７−１２６３２０号公報（特許文献２）は、所定の導電性を維持するとともに、波長３８０ｎｍ以上の光に対する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であるＧａＮ基板を開示するが、かかる基板は、基板上に多数の微細孔を有するＴｉＮ薄膜を形成しそのＴｉＮ薄膜上にＳｉ以外の不純物の混入を抑制してＧａＮ結晶を成長させるという特殊な方法（ＶＡＳ（Void-Assisted Separation）法と呼ばれる）を用いて作製されるため、非常にコストが高い。

また、発光デバイス用の基板は、発光の波長領域内における波長の光に関して低い吸収係数を有していれば足り、発光の波長領域外の波長の光に関してまで低い吸収係数を有している必要はない。

したがって、上記観点から、本発明は、発光デバイスの発光の波長領域内における波長の光に関して低い吸収係数を有し、かつ、所定値以下の比抵抗を有し、その発光デバイスに好適なＧａＮ基板およびかかるＧａＮ基板を含む発光デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、少なくとも波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下であり、シリコン濃度が６．９×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８．５×１０ ¹⁷ ｃｍ^-3以下、酸素濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、炭素濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下およびその他の不純物元素濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であるＧａＮ基板である。

また、本発明は、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、少なくとも波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ ^-1 未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下である上記のＧａＮ基板を含み、発光のピーク波長を４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下である発光デバイスである。

本発明によれば、発光デバイスの発光の波長領域内における波長の光に関して低い吸収係数を有し、かつ、所定値以下の比抵抗を有し、その発光デバイスに好適なＧａＮ基板およびかかるＧａＮ基板を含む発光デバイスを提供することができる。

本発明のある実施形態であるＧａＮ基板を製造する方法の一例を示す概略断面図である。ここで、（Ａ）は下地基板を準備する工程および下地基板上に不純物が添加されたＧａＮ結晶を成長させる工程を示し、（Ｂ）はＧａＮ結晶を加工してＧａＮ基板を形成する工程を示す。 ＧａＮ結晶の成長に用いられるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。 本発明の他の実施形態である発光デバイスの一例を示す概略断面図である。

［ＧａＮ基板］
本発明のある実施形態であるＧａＮ基板は、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、少なくとも波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下である。ここで、光の吸収係数は、分光光度計を用いて対象とする波長の光の透過率および反射率を測定することにより、算出される。また、比抵抗は、比抵抗計を用いて四探針法により測定される。

かかるＧａＮ基板は、発光のピーク波長が少なくとも５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の発光デバイスのＧａＮ基板として好適に用いられる。以下に、より具体的な実施形態を説明する。

（実施形態１）
本実施形態のＧａＮ基板は、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下である。本実施形態のＧａＮ基板は、発光のピーク波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の赤色光領域である発光デバイスの基板として好適に用いられる。かかる観点から、波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数は５ｃｍ^-1以下であることが好ましい。また、比抵抗は０．０１５Ωｃｍ以下が好ましい。

（実施形態２）
本実施形態のＧａＮ基板は、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下である。本実施形態のＧａＮ基板は、発光のピーク波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の青色光領域から赤色光領域までの可視光領域である発光デバイスの基板として好適に用いられる。かかる観点から、波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数は５ｃｍ^-1以下であることが好ましい。また、比抵抗は０．０１５Ωｃｍ以下が好ましい。

上記のいずれの実施形態のＧａＮ基板は、キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが好ましい。キャリア濃度が低すぎると比抵抗が大きくなり過ぎ、キャリア濃度が高すぎると光の吸収係数が大きくなり過ぎる。かかる観点から、キャリア濃度が７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。ここで、キャリア濃度は、ＣＶ特性測定法を用いて測定される。

上記のいずれの実施形態のＧａＮ基板は、その主表面を貫通する転位の平均密度（平均転位密度という、以下同じ。）が３×１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましい。かかる転位の平均密度が低いほど信頼性の高い発光デバイスが得られる。かかる観点から、主表面を貫通する転位の平均密度（平均転位密度）は１×１０⁶ｃｍ^-2以下であることがより好ましい。また、現在の基板の製造技術の観点から、主表面を貫通する転位の平均密度（平均転位密度）は、現在のところ、１０ｃｍ^-2より小さくとすることは困難であり、したがって１０ｃｍ^-2程度以上である。ＧａＮ基板の主表面を貫通する転位の平均密度は、ＣＬ（カソードルミネッサンス）による暗点密度の測定から算出される。

上記のいずれの実施形態のＧａＮ基板は、その主表面が平坦であって、その主表面に最も近い結晶面の曲率半径が１０ｍ以上であることが好ましい。かかる結晶面の曲率半径が大きいほど基板面内で発光波長が均一な発光デバイスが得られる。かかる観点から、主表面に最も近い結晶面の曲率半径は２０ｍ以上であることがより好ましい。また、現在の基板の製造技術の観点から、主表面を貫通する転位の平均密度は、現在のところ、１００ｍより大きくすることは困難であり、したがって１００ｍ程度以下である。結晶面の曲率半径は、対象される結晶面に関するＸ線回折により測定される。

ＧａＮ基板の主表面に最も近い結晶面は、特に制限はないが、その主表面上に結晶性の高い半導体層をエピタキシャル成長させる観点から、｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、｛２２−４４｝面などが好ましい。また、ＧａＮ基板の主表面上に結晶性の高い半導体層をエピタキシャル成長させる観点から、ＧａＮ基板の主表面は、上記結晶面に対するオフ角の絶対値が５°以下であることが好ましい。ここで、ＧａＮ基板に最も近い結晶面の面方位およびその主表面とその結晶面とのオフ角は、Ｘ線回折により測定される。

［ＧａＮ基板の製造方法］
図１は、本実施形態のＧａＮ基板を製造する方法の一例を示す概略断面図である。本実施形態のＧａＮ基板の製造方法は、特に制限はないが、図１を参照して、下地基板１１を準備する工程、下地基板１１上に不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる工程、ＧａＮ結晶１２を加工してＧａＮ基板１０を形成する工程を備える。かかる製造方法において、ＧａＮ結晶１２に添加される不純物（ドーパントという、以下同じ）の濃度を調製することにより、低コストで本実施形態のＧａＮ基板１０が得られる。

（下地基板を準備する工程）
図１（Ａ）を参照して、下地基板１１を準備する工程において準備される下地基板１１は、ＧａＮ結晶１２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いが、ＧａＮ結晶との格子整合性が高い観点から、シリコン（Ｓｉ）下地基板、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）下地基板、ＧａＡｓ下地基板、ならびにＧａＮ下地基板およびＡｌＮ下地基板などのＩＩＩ族窒化物下地基板などが好ましく用いられ、中でもＧａＮ下地基板が特に好ましく用いられる。ＧａＮ下地基板を使用することによって、下地基板からの不純物の混入を抑制することができるので好ましい。この観点からは下地基板の表面の清浄度が重要である。特に下地基板の裏面（成長炉の内壁に接する下地基板の面をいう。以下同じ。）は結晶成長前に成長炉内でエッチングすることができないので、成長炉内に投入する前に清浄度を上げる必要がある。そのため基板裏面をエッチングしてから成長炉内に投入することが好ましい。エッチング方法としてはアルカリ溶剤によるエッチングや、ハロゲン系ガスによるエッチングなどが挙げられる。

（不純物が添加されたＧａＮ結晶を成長させる工程）
図１（Ａ）を参照して、上記の下地基板１１上に不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる方法には、エピタキシャル成長ができる方法であれば特に制限はないが、結晶性の高いＧａＮ結晶１２を成長させる観点から、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＭＢＥ（分子線成長）法などの気相法が好ましく、中でも結晶成長速度が高い観点からＨＶＰＥ法が特に好ましい。

ここで、ＨＶＰＥ法では通常、石英反応管内で成長が行われるので、石英反応管内の結晶を加熱するため、結晶と共に石英反応管も加熱される。そのため高温に加熱された石英反応管からの分解ガスが不純物として結晶に取り込まれてしまう。そこで石英反応管の内部を成長温度下で安定な材質（たとえば、ｐＢＮ）で形成されたライナー管でカバーすることが好ましい。さらに、石英反応管とライナー管の隙間をパージするパージガス（たとえば、Ｈ₂、Ｎ₂、および／またはＡｒ）を流し、不純物が滞留しないようにすることが好ましい。また下地基板を配置するサセプタも高温になるので、かかるサセプタをｐＢＮで形成したり、ｐＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣなどの高純度で安定な材質を用いてコーティングしておくことが好ましい。

ＧａＮ結晶１２に添加される不純物（ドーパント）は、特に制限はないが、光の吸収係数の低減が少なく比抵抗が低い観点から、Ｓｉが好ましい。また、ＧａＮ結晶１２にＳｉを添加する方法には、特に制限はないが、ドーピングガスとして、Ｓｉを含有するガス、たとえば、ＳｉＦ₄（四フッ化珪素）ガス、ＳｉＨ₄（シラン）ガス、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）ガス、ＳｉＨ₃Ｃｌ（一塩化シラン）ガス、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂（二塩化シラン）ガス、ＳｉＨＣｌ₃（三塩化シラン）ガス、ＳｉＣｌ₄（四塩化珪素）ガスなどが好ましく用いられ、この中でもＳｉＦ₄ガスが特に好ましく用いられる。ＳｉＦ₄ガスは、他のＳｉを含有するガスに比べて、９００℃以上１３００℃以下の高温においても分解されにくいため、ＧａＮ結晶１２に効率よく添加することができる。

たとえば、ドーパントとしてＳｉが添加されたＧａＮ結晶１２をＨＶＰＥ法により成長させる方法を、以下に説明する。図２は、ＧａＮ結晶１２の成長に用いられるＨＶＰＥ装置を示す概略図である。図２を参照して、ＨＶＰＥ装置１００は、第１原料ガスボンベ１０１と、ドーピングガスボンベ１０２と、第２原料ガスボンベ１０３と、第１ガス導入管１０４と、ドーピングガス導入管１０５と、第２ガス導入管１０６と、ソースボート１０７と、サセプタ１０８と、ヒータ１０９と、反応管１１０と、排気管１１１と、排ガス処置装置とを備えている。ＨＶＰＥ装置１００は、たとえば横型反応管としている。なお、ＨＶＰＥ装置１００は、縦型反応管であってもよい。

反応管１１０は、内部に下地基板１１を保持して、その下地基板１１上にＧａＮ結晶１２を成長させるための容器である。反応管１１０は、たとえば石英反応管などを用いることができる。また、反応管１１０の内部には、ｐＢＮ製のライナー管１２０が配置されている。第１原料ガスボンベ１０１、第２原料ガスボンベ１０３およびソースボート１０７には、成長させるＧａＮ結晶を構成する元素を含む原料がそれぞれ供給される。ドーピングガスボンベ１０２には、ドーパントであるＳｉを含むガスとしてたとえばＳｉＦ₄ガスが充填されている。第１ガス導入管１０４、ドーピングガス導入管１０５および第２ガス導入管１０６は、第１原料ガスＧ１、ドーピングガスＧ２および第２原料ガスＧ３の各々を反応管１１０の外部から内部へ導入するために反応管１１０に設けられている。ソースボート１０７は、ＧａＮ結晶の金属原料としてたとえば金属Ｇａを収容保持し、第２ガス導入管１０６内に配置されている。

サセプタ１０８は、ｐＢＮ製の膜でコーティングされており、下地基板１１を保持している。反応管１１０内においてサセプタ１０８により下地基板１１が保持されている面が第１ガス導入管１０４、ドーピングガス導入管１０５および第２ガス導入管１０６の下方に位置するように、サセプタ１０８は配置されている。サセプタ１０８は、反応管１１０の内部で横置きに配置されている。なお、サセプタ１０８は、下地基板１１を縦向きに配置するように構成されていてもよい。また、ＨＶＰＥ装置１００は、下地基板１１の抵抗加熱ヒータなど加熱用の局所加熱機構をさらに備えていてもよい。

ヒータ１０９は、反応管１１０の外部に配置され、反応管１１０の内部を全体的にたとえば７００℃以上１５００℃以下に加熱する能力を有している。排気管１１１は、反応後のガスを反応管１１０の外部に排出するために、反応管１１０に設けられている。排ガス処置装置は、排気管１１１から排出される反応後のガスを環境への負荷を減らすように除害するように構成されている。

図２に示すように、まず、準備した下地基板１１をサセプタ１０８に保持させる。このとき複数枚の下地基板１１をサセプタ１０８に保持させてもよい。

次に、第１原料ガスとしてのＮＨ₃（アンモニア）ガスおよび第２原料ガスとしてのＨＣｌ（塩化水素）ガスをそれぞれ充填した第１原料ガスボンベ１０１および第２原料ガスボンベ１０３を準備する。また、ソースボート１０７に金属Ｇａを供給する。また、ＳｉＦ₄ガスを内部に充填したドーピングガスボンベ１０２を準備する。

その後、ソースボート１０７を加熱する。そして、第２ガス導入管１０６から供給されるＨＣｌガス（第２原料ガスＧ３）と、ソースボート１０７の金属Ｇａとを反応させてＧａＣｌガス（塩化ガリウム）ガス（反応ガスＧ７）を生成する。第１ガス導入管１０４から供給されるＮＨ₃ガス（第１原料ガスＧ１）と、ドーピングガスＧ２と、反応ガスＧ７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。このとき、これらのガスを下地基板１１に運搬するためのキャリアガスを用いてもよい。キャリアガスは、たとえばＮ₂（窒素）ガス、Ｈ₂（水素）ガスおよびＡｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスを用いることができる。

ＨＶＰＥ法では、ヒータ１０９を用いて、反応管１１０の内部をＧａＮ結晶１２が適切な速度で成長する温度に加熱する。ＧａＮ結晶１２を成長させる温度は、好ましくは９００℃以上１３００℃以下であり、より好ましくは１０５０℃以上１２００℃以下である。９００℃以上でＧａＮ結晶１２を成長させる場合、ＧａＮ結晶１２の欠陥の発生を防止でき、かつ成長させる面方位と異なる面方位（たとえばｃ面の場合にはピットなど）が発生することを抑制できる。すなわち、成長させる面方位に対して、安定して良好な結晶性を有するＧａＮ結晶１２を成長させることができる。１０５０℃以上でＧａＮ結晶１２を成長させる場合、結晶性をより良好にできる。一方、１３００℃以下でＧａＮ結晶１２を成長させる場合、成長させるＧａＮ結晶１２が分解することを抑制できるので、その結晶性の劣化を抑制できる。１２００℃以下でＧａＮ結晶１２を成長させる場合には、結晶性の劣化をより抑制できる。

ここで、成長させるＧａＮ結晶の結晶成長表面は、（０００１）面からの傾斜角が１°未満であることが好ましい。ＧａＮ結晶において、（０００１）面からの結晶成長面の傾斜角を１°未満とすることにより、結晶成長表面におけるドーピングガス以外の不純物の取り込みを抑制することができる。ＧａＮ結晶の結晶成長表面の（０００１）面からの傾斜角を１°未満とするためには、結晶成長温度を１１００℃以上にすることが好ましい。また、上記の原料ガス、キャリアガスおよびドーピングガスの流し方および流量を最適化することによって、結晶成長表面のほぼ全域（８０％以上から１００％）において、（０００１）面からの傾斜角を１°未満とすることができる。

ＧａＮ結晶１２の成長時におけるＳｉを含むガス（ＳｉＦ₄ガス）の分圧は、２．０×１０^-7ａｔｍ以上１．０×１０^-5ａｔｍ以下であることが好ましい。Ｓｉを含むガス（ＳｉＦ₄ガス）の分圧が２．０×１０^-7ａｔｍ以上の場合、ｎ型ドーパントとしてのＳｉが十分にＧａＮ結晶１２に取り込まれる。一方、ＳｉＦ₄ガスの分圧が１．０×１０^-5ａｔｍ以下である場合、Ｓｉ_xＮ_y（窒化シリコン）系化合物の生成をより抑制できるため、Ｓｉをドーピングする制御性をより良好にできる。また、ＧａＮ結晶１２にドーピングされるＳｉの濃度を考慮すると、Ｓｉを含むガス（ＳｉＦ₄ガス）の分圧は１．０×１０^-5ａｔｍ以下である。なお、原料ガス、キャリアガスおよびドーピングガスなどの反応管１１０内に含まれるガスのそれぞれの分圧の合計（全体）が１ａｔｍである。Ｓｉを含むガス（ＳｉＦ₄ガス）の濃度は、分圧に比例する。

不純物が添加されたＧａＮ結晶を成長させる工程においては、ＧａＮ結晶１２中のキャリア濃度が好ましくは５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下（対応するＳｉ濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．６×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）、より好ましくは６．６×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下（対応するＳｉ濃度が６．９×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）になるようにドーピングガスを下地基板１１に供給する。キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の場合、ＧａＮ結晶１２の比抵抗を小さくして導電性を十分に確保できる。キャリア濃度が６．６×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の場合、ＧａＮ結晶１２の比抵抗をより小さくして導電性をより十分に確保できる。一方、キャリア濃度が１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の場合、ＧａＮ結晶の光の吸収係数を小さくして光の透過性を十分に確保できる。キャリア濃度が１．１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の場合、ＧａＮ結晶の光の吸収係数をより小さくして光の透過性をより十分に確保できる。さらに、Ｓｉ以外の不純物（酸素、炭素など）のドーピング量は、Ｓｉドーピング量の１／５以下が好ましく、１／１０以下がより好ましく、１／２０以下がさらに好ましい。

不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる工程においては、ＧａＮ結晶１２の比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下、好ましくは０．０１５Ωｃｍ以下となるようにＧａＮ結晶１２を成長させる。比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下の場合、発光デバイスの基板に好適に用いられる導電性を有するＧａＮ結晶１２を成長させることができる。ＧａＮ結晶の比抵抗が０．０１５Ωｃｍ以下の場合、発光デバイスの基板により好適に用いられる。

不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる工程においては、ＧａＮ結晶１２について、波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満、好ましくは５ｃｍ^-1以下となるようにＧａＮ結晶を成長させる。ＧａＮ結晶１２は、波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する光の吸収係数が、７ｃｍ^-1未満の場合、好ましくは５ｃｍ^-1以下の場合、発光のピーク波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の発光デバイスの基板に好適に用いられる。

不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる工程においては、ＧａＮ結晶１２について、波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満、好ましくは５ｃｍ^-1以下となるようにＧａＮ結晶を成長させる。ＧａＮ結晶１２は、波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する光の吸収係数が、７ｃｍ^-1未満の場合、好ましくは５ｃｍ^-1以下の場合、発光のピーク波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の発光デバイスの基板に好適に用いられる。

不純物が添加されたＧａＮ結晶を成長させる工程においては、ＧａＮ結晶１２中の転位の平均密度が、好ましくは３×１０⁶ｃｍ^-2以下であり、より好ましくは１×１０⁶ｃｍ^-2以下になるようにＧａＮ結晶１２を成長させる。かかるＧａＮ結晶を加工することにより、主表面１２ｍを貫通する転位の平均密度が、好ましくは３×１０⁶ｃｍ^-2以下であり、より好ましくは１×１０⁶ｃｍ^-2以下であるＧａＮ基板が容易に得られる。ここで、ＧａＮ結晶１２中の転位の平均密度およびＧａＮ基板の主表面１２ｍを貫通する転位の平均密度（平均転位密度）は、ＣＬ（カソードルミネッサンス）による暗点密度の測定から算出される。

図１（Ａ）を参照して、不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を成長させる工程においては、主表面１１ｍが｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面および｛２２−４４｝面のいずれかの面からのオフ角の絶対値が５°以下のＩＩＩ族窒化物基板（下地基板１１）を用いて、結晶成長の主表面１２ｍが｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面および｛２２−４４｝面のいずれかの面からのオフ角の絶対値が５°以下のＧａＮ結晶１２を成長させることが好ましい。かかるＧａＮ結晶から、主表面１０ｍが｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面および｛２２−４４｝面のいずれかの面からのオフ角の絶対値が５°以下のＧａＮ基板１０が容易に得られる。

（ＧａＮ結晶を加工してＧａＮ基板を形成する工程）
図１（Ｂ）を参照して、得られた不純物が添加されたＧａＮ結晶１２を加工してＧａＮ基板１０を形成する工程は、特に制限はなく、下地基板１１を除去するサブ工程を含むことができる。下地基板１１を除去する方法は、特に制限はなく、外周刃、内周刃、ワイヤーソー、レーザなどで切断する方法、ダイヤモンド砥石などで研削する方法などがある。このようにして主表面１２ｍ，１２ｎを有するＧａＮ結晶１２が得られる。

ＧａＮ結晶１２を加工してＧａＮ基板１０を形成する工程は、また、ＧａＮ結晶１２をスライスするサブ工程を含むことができる。ＧａＮ結晶１２をスライスする方法は、特に制限はなく、外周刃、内周刃、ワイヤーソー、レーザなどで切断する方法などがある。また、スライスされたＧａＮ結晶１２の主表面を研磨および／または表面処理するサブ工程を含むことができる。ＧａＮ結晶１２の主表面を研磨する方法は、たとえば、機械的研磨、化学機械的研磨などの方法がある。ＧａＮ結晶１２の主表面を処理する方法は、たとえば、ドライエッチング、ウエットエッチングなどの方法がある。

ＧａＮ結晶１２を加工してＧａＮ基板１０を形成する工程は、また、ＧａＮ結晶１２の外周部を除去するサブ工程を含むことができる。ＧａＮ結晶１２の外周部を除去する方法は、特に制限はなく、ダイヤモンド砥石などで研削する方法などがある。

上記の１つ以上のサブ工程により、ＧａＮ結晶１２からＧａＮ基板１０が得られる。
上記のＧａＮ基板の製造方法により得られた本実施形態のＧａＮ基板１０は、その主表面を貫通する転位の平均密度（平均転位密度）が、３×１０⁶ｃｍ^-2以下が好ましく、１×１０⁶ｃｍ^-2以下がより好ましい。かかる転位の平均密度が低いほど信頼性の高い発光デバイスが得られる。また、現在の基板の製造技術の観点から、主表面を貫通する転位の平均密度は、現在のところ、１×１０⁴ｃｍ^-2より小さくとすることは困難であり、したがって１×１０⁴ｃｍ^-2程度以上である。

また、上記のＧａＮ基板の製造方法により得られた本実施形態のＧａＮ基板は、その主表面が平坦であって、その主表面に最も近い結晶面の曲率半径が１０ｍ以上であることが好ましく、２０ｍ以上であることがより好ましい。かかる結晶面の曲率半径が大きいほど発光波長の面内均一性の高い発光デバイスが得られる。また、現在の基板の製造技術の観点から、主表面を貫通する転位の平均密度は、現在のところ、１００ｍより大きくすることは困難であり、したがって１００ｍ程度以下である。

［発光デバイス］
図３は、本発明の他の実施形態である発光デバイスの一例を示す概略断面図である。図３を、参照して、本実施形態の発光デバイスは、上記の実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板１０を含み、発光のピーク波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下または４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下である。本実施形態の発光デバイスは、５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下または４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の波長領域の光について、基板における光の吸収係数が低く、発光効率が高い。

図３を参照して、本実施形態の発光デバイスは、より具体的には、上記の実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の一方の主表面１０ｍ上に形成された少なくとも１層の半導体層２０と、半導体層２０の最外層上に形成された第１電極３０と、ＧａＮ基板１０の他方の主表面１０ｎ上に形成された第２電極４０と、を含む。かかる発光デバイスは、半導体層２０中に発光層が含まれており、ＧａＮ基板１０側から発光する。以下に、より具体的な実施形態を説明する。

（実施形態３）
図３を参照して、本実施形態の発光デバイスは、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下であるＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の一方の主表面１０ｍ上に形成された少なくとも１層の半導体層２０と、半導体層２０の最外層上に形成された第１電極３０と、ＧａＮ基板１０の他方の主表面１０ｎ上に形成された第２電極４０と、を含み、発光のピーク波長が５００ｎｍ以上７８０ｎｍ以下である。

（実施形態４）
図３を参照して、本実施形態の発光デバイスは、波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下であるＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の一方の主表面１０ｍ上に形成された少なくとも１層の半導体層２０と、半導体層２０の最外層上に形成された第１電極３０と、ＧａＮ基板１０の他方の主表面１０ｎ上に形成された第２電極４０と、を含み、発光のピーク波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下である。

上記の実施形態３および実施形態４の発光デバイスにおいて、半導体層２０の化学組成および／または構成を変えることにより、その発光の波長領域およびピーク波長を変えることができる。

［発光デバイスの製造方法］
本実施形態の発光デバイスを製造する方法は、特に制限はないが、たとえば、図３を参照して、実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板１０を準備する工程と、ＧａＮ基板１０の一方の主表面上に少なくとも１層の半導体層２０を形成する工程と、半導体層２０の最外層上に形成された第１電極３０を形成する工程と、ＧａＮ基板１０の他方の主表面１０ｎ上に第２電極４０を形成する工程と、を含む。ここで、第１電極３０を形成する工程と第２電極４０を形成する工程とは、順序が逆になってもよい。

（ＧａＮ基板を準備する工程）
実施形態１または実施形態２のＧａＮ基板を準備する方法は、上記のＧａＮ基板の製造方法で説明したとおりである。

（ＧａＮ基板上に少なくとも１層の半導体層を形成する工程）
ＧａＮ基板１０の一方の主表面１０ｍ上に少なくとも１層の半導体層２０を形成する方法は、特に制限ないが、ＧａＮ基板上に結晶性のよい半導体層２０をエピタキシャル成長させる観点から、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などの気相法が好ましい。また、半導体層２０の化学組成および／または構成を変えることにより、発光の波長領域およびピーク波長を変えることができる。

（第１電極および第２電極を形成する工程）
第１電極および第２電極を形成する方法は、特に制限はないが、生産性を高め生産コストを低減する観点から、スパッタ法、蒸着法などが好ましい。

［実施例］
本実施例においては、以下の方法により、ＨＶＰＥ法においてＳｉを含むドーピングガスの分圧を変えることにより、キャリア濃度、比抵抗および光の吸収係数が互いに異なる複数のＧａＮ基板が得られた。

１．下地基板の準備
図１（Ａ）を参照して、まず、直径６０ｍｍで厚さ４００μｍのＧａＮ下地基板１１を準備した。下地基板１１の主表面１１ｍは平坦であり、主表面１１ｍに最も近い結晶面が（０００１）面であった。（０００１）面の曲率半径は、Ｘ線回折により測定したところ、２０ｍであった。下地基板１１の主表面１１ｍを貫通する転位の平均密度（平均転位密度という、以下同じ）は、ＣＬ（カソードルミネッサンス）による暗点密度の測定から算出したところ、５×１０⁵ｃｍ^-3であった。

２．ＧａＮ結晶の成長
次に、図１（Ａ）を参照して、ＨＶＰＥ法により、下地基板１１上に、ＳｉＦ₄ガスをドーピングガスとして用いることによりＳｉ濃度が異なる７つのＧａＮ結晶１２を成長させた（実験Ｎｏ．１〜７）。

これらのＧａＮ結晶の成長には、図２に示すＨＶＰＥ装置を用いた。第１原料ガスＧ１としてＮＨ₃ガスを、第２原料ガスＧ３としてＨＣｌガスを、ドーピングガスＧ２としてＳｉＦ₄ガスを、キャリアガスとして純度が９９．９９９％以上のＨ₂ガスを準備した。第１ガス導入管１０４、第２ガス導入管１０６およびドーピングガス導入管１０５のそれぞれから、キャリアガスを反応管１１０の内部に導入し、ヒータ１０９の温度を１１００℃に上昇させた。その後、ソースボート１０７に金属Ｇａを供給して、ソースボート１０７を加熱した。

第２ガス導入管１０６から供給されるＨＣｌガスとソースボート１０７のＧａとを、Ｇａ＋ＨＣｌ→ＧａＣｌ＋１／２Ｈ₂のように反応させることにより、反応ガスＧ７としてＧａＣｌガスを生成した。

次いで、第１ガス導入管１０４から供給される第１原料ガスＧ１としてＮＨ₃ガスと、ＧａＣｌガスとを下地基板１１のＧａＮ結晶を成長させる主表面に当たるようにキャリアガスとともに流して、その主表面上で、ＧａＣｌ＋ＮＨ₃→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ₂のように反応させた。

Ｓｉ濃度の異なる７つのＧａＮ結晶１２（実験Ｎｏ．１〜７）を成長させる条件として、ドーピングガスの供給分圧を表１に示す値に調整した。これにより、結晶成長温度１１００℃、結晶成長時間１６．６７時間で、直径６０ｍｍで厚さ５ｍｍのＳｉ濃度の異なる７つのＧａＮ結晶を成長させた。これらのＧａＮ結晶の成長速度は３００μｍ／ｈｒであった。

３．ＧａＮ基板の形成
次に、図１（Ｂ）を参照して、それぞれ得られたＧａＮ結晶１２を、スライサーを用いて厚さ方向にスライス加工した。次いで、スライスしたＧａＮ結晶１２の外周部を除去した。次いでスライスして外周部を除去したＧａＮ結晶にＣＭＰ（化学機械的研磨）を行い、その加工変質層を除去した。こうして、それぞれのＧａＮ結晶から、直径２インチ（５０．８ｍｍ）で厚さ４００μｍのＧａＮ基板１０が５枚得られた。

４．ＧａＮ基板の物性測定
得られた５枚のＧａＮ基板１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅのうち、下地基板１１側から３枚目のＧａＮ基板１０ｃの５つの測定点において、Ｓｉ濃度、キャリア濃度、比抵抗、ならびに波長が３８０ｎｍ、５００ｎｍ〜７８０ｎｍ、４４０ｎｍ〜７８０ｎｍおよび１５００ｎｍの光に関する吸収係数測定して、それらの最小値と最大値とを算出した。ここで、５つの測定点は、１枚のＧａＮ基板について、主表面上の中央点、中央点から［１１−２０］方向に−２ｃｍ離れた点および＋２ｃｍ離れた点、ならびに中央点から［１０−１０］方向に−２ｃｍ離れた点および＋２ｃｍ離れた点の合計５つの点とした。ここで、Ｓｉ濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）により測定した。キャリア濃度は、ＣＶ特性測定法により測定した。比抵抗は、比抵抗計を用いて四探針法により測定した。光の吸収係数は、分光光度計を用いて透過率および反射率を測定して算出した。ここで、ＧａＮ基板内の吸収係数は深さによらず一定と仮定して、多重反射も考慮した。結果を表１にまとめた。

ここで、ＧａＮ基板の主表面内におけるキャリア濃度の変動は平均値から±５％以内であり、厚み方向におけるキャリア濃度の変動も平均値から±５％以内であった。

また、それぞれのＧａＮ結晶１２の３枚目のＧａＮ基板１０ｃの上記５つの測定点における主表面を貫通する転位の平均密度（平均転位密度）は、すべて５×１０⁵ｃｍ^-2であり、下地基板１１と同等に低密度であった。また、それぞれのＧａＮ結晶１２の３枚目のＧａＮ基板１０ｃの上記５つの測定点における（０００１）面の曲率半径は、Ｘ線回折により測定したところ、２０ｍであり、下地基板と同等に大きかった。また、得られたＧａＮ基板は、いずれもクラックの発生はなかった。

表１を参照して、ＨＶＰＥ法において、結晶成長温度を１０００℃以上１２００℃以下、Ｓｉを含むドーピングガスの分圧を０．６×１０^-6ａｔｍ以上１．０×１０^-6ａｔｍ以下に調整して、キャリア濃度を０．６６×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることにより、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下、波長が３８０ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上、波長が５００ｎｍ〜７８０ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満および波長が１５００ｎｍに光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であるＧａＮ基板が得られた。また、結晶成長温度を１０００℃以上１２００℃以下、Ｓｉを含むドーピングガスの分圧を０．６×１０^-6ａｔｍ以上０．８×１０^-6ａｔｍ以下に調整して、キャリア濃度を０．６６×１０¹⁸ｃｍ^-3以上０．８２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることにより、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下、波長が３８０ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上、波長が４４０ｎｍ〜７８０ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満および波長が１５００ｎｍに光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であるＧａＮ基板が得られた。なお、成長させたすべての結晶中のＳｉ以外の元素の不純物濃度は、ＳＩＭＳで測定したところ、Ｏ（酸素）が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、Ｃ（炭素）が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、その他の元素も１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であった。

上記実施例は、主表面に最も近い結晶面が（０００１）面であるＧａＮ基板を作製した場合であるが、主表面に最も近い結晶面が（１０−１０）面、（１１−２０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面、（２０−２１）面、または（２２−４４）面であるＧａＮ基板を作製した場合でも同様の結果が得られた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した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。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ ＧａＮ基板、１０ｍ，１０ｎ，１１ｍ，１２ｍ，１２ｎ 主表面、１１ 下地基板、１２ ＧａＮ結晶、２０ 半導体層、３０ 第１電極、４０ 第２電極、１００ ＨＶＰＥ装置、１０１ 第１原料ガスボンベ、１０２ ドーピングガスボンベ、１０３ 第２原料ガスボンベ、１０４ 第１ガス導入管、１０５ ドーピングガス導入管、１０６ 第２ガス導入管、１０７ ソースボート、１０８ サセプタ、１０９ ヒータ、１１０ 反応管、１１１ 排気管、１２０ ライナー管、Ｇ１ 第１原料ガス、Ｇ２ ドーピングガス、Ｇ３ 第２原料ガス、Ｇ７ 反応ガス。

Claims (2)

1. 波長が３８０ｎｍの光および波長が１５００ｎｍの光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1以上であり、少なくとも波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光に関する吸収係数が７ｃｍ^-1未満であり、比抵抗が０．０２Ωｃｍ以下であり、シリコン濃度が６．９×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８．５×１０ ¹⁷ ｃｍ^-3以下、酸素濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、炭素濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下およびその他の不純物元素濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であるＧａＮ基板。
2. 請求項１に記載のＧａＮ基板を含み、発光のピーク波長が４４０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下である発光デバイス。

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