JP6951236B2 - ＧａＮ基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ基板およびその製造方法に関する。

窒化物半導体自立基板を作製する際や、発光素子や高速トランジスタ等の半導体デバイスを作製する際、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶からなる基板（ＧａＮ基板）を用意し、この基板の表面上に、結晶をエピタキシャル成長させる処理が行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−０１６６８０号公報

上述の結晶成長処理を例えば１２００℃以上の温度条件下で行うと、ＧａＮ基板がサーマルエッチングにより消失することがある。

本発明の目的は、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であるＧａＮ基板が提供される。

本発明によれば、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、サーマルエッチングされにくいＧａＮ基板を提供することが可能となる。

本発明の実施形態にかかるＧａＮ基板の断面構成図である。 結晶を成長させる際に用いられる気相成長装置の概略図である。 実施形態にかかるＧａＮ基板の製造工程を示す断面構成図である。 実施形態にかかるＧａＮ基板の製造工程を示す断面構成図である。 実施形態にかかるＧａＮ基板の製造工程を示す断面構成図である。

＜一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態によるＧａＮ基板１０について説明する。また、ＧａＮ基板１０を種結晶基板として用いてＧａＮ結晶を成長させる技術について説明する。

（１）ＧａＮ基板の構成
ＧａＮ基板１０の構成について説明する。図１は、ＧａＮ基板１０の構成を概略的に示す断面図である。ＧａＮ基板１０は、下地ＧａＮ基板２０と、ＧａＮ層３０と、ＧａＮ層４０とを有する。以下、ＧａＮ基板１０を「基板１０」、下地ＧａＮ基板２０を「下地基板２０」、ＧａＮ層３０を「層３０」、ＧａＮ層４０を「層４０」ともいう。

基板１０を種結晶基板として成長させたＧａＮ結晶層を、本格成長膜と称することがある。図１に示すＧａＮ膜１００は、本格成長膜の一例である。以下、ＧａＮ膜１００を「膜１００」ともいう。

下地基板２０は、ウルツ鉱構造、つまり六方晶のＧａＮ単結晶で構成され、ガリウム（Ｇａ）面である主面２１と、窒素（Ｎ）面である主面２２とを有する。ただし、下地基板２０を構成するＧａＮ単結晶は、所定の極性を有する基材部２３に対して極性が反転した部分であるインバージョンドメイン（ＩＤ）２４を含み、ＩＤ２４は、下地基板２０を厚さ方向に貫通している。本明細書における「単結晶」とは、ＩＤを含まない結晶に限らず、ＩＤを複数有する結晶をも含む。下地基板２０は、例えば、直径２〜６インチの円板形状である。下地基板２０の厚さは、下地基板２０を自立可能とする厚さ、例えば０．４〜１．０ｍｍの厚さとするのが好ましい。

主面２１は、Ｇａ極性面（＋ｃ面、（０００１）面）で構成された領域であるＧａ極性領域２１ｇと、Ｎ極性面（−ｃ面、（０００−１）面）で構成された領域であるＮ極性領域２１ｎとを含む。Ｇａ極性領域２１ｇは、基材部２３が主面２１に露出した領域であり、Ｎ極性領域２１ｎは、ＩＤ２４が主面２１に露出した領域である。主面２２は、Ｎ極性面で構成された領域であるＮ極性領域２２ｎと、Ｇａ極性面で構成された領域であるＧａ極性領域２２ｇとを含む。Ｎ極性領域２２ｎは、基材部２３が主面２２に露出した領域であり、Ｇａ極性領域２２ｇは、ＩＤ２４が主面２２に露出した領域である。

主面２１は、Ｇａ極性領域２１ｇに加えＮ極性領域２１ｎを含み、主面２１におけるＮ極性領域２１ｎの割合は、つまり、主面２１の全面積に対するＮ極性領域２１ｎの面積の割合は、５０％未満である。このような主面２１を、「Ｇａ面」と呼ぶこととする。主面２２は、Ｎ極性領域２２ｎに加えＧａ極性領域２２ｇを含み、主面２２におけるＮ極性領域２２ｎの割合は、つまり、主面２２の全面積に対するＮ極性領域２２ｎの面積の割合は、５０％超である。このような主面２２を、「Ｎ面」と呼ぶこととする。

下地基板２０は、ＩＤを含むＧａＮ結晶を成長させる公知技術を適宜用いることで作製される。例えば、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比の調整により、ＩＤを生成しやすくする技術が知られている。また例えば、マスクパターンを用いることで、所定領域にＩＤを生成させる技術が知られている。主面２１のＮ極性領域２１ｎ、および、主面２２のＧａ極性領域２２ｇは、所定の形状、配置等となるように形成することができ、換言すると、主面２１のＧａ極性領域２１ｇ、および、主面２２のＮ極性領域２２ｎは、所定の形状、配置等となるように形成することができる。なお、ＩＤの形状、配置はランダムであってもよい。

本実施形態で例示する下地基板２０は、主面２１および主面２２に複数のＩＤ２４が分散して配置されており、主面２１は、海状のＧａ極性領域２１ｇと、島状の複数のＮ極性領域２１ｎとで構成され、主面２２は、海状のＮ極性領域２２ｎと、島状の複数のＧａ極性領域２２ｇとで構成されている。

ＩＤ２４は、例えば、主面２１内および主面２２内で一様に分布している。主面２１におけるＮ極性領域２１ｎの個数密度（ＩＤ個数密度）の分布の中央値は、例えば３０００個／ｃｍ^２程度である。このとき、ＩＤ個数密度の標準偏差は、例えば、好ましくは１０００個／ｃｍ^２以下、より好ましくは３００個／ｃｍ^２以下である。これを一般化すると、ＩＤ２４が一様に分布していることの目安としては、主面２１におけるＩＤ個数密度の標準偏差が中央値に対して、好ましくは１／３以下であること、より好ましくは１／１０以下であることが挙げられる。

層３０は、主面２１のＮ極性領域２１ｎからＮ極性方向に、つまり−ｃ軸方向にエピタキシャル成長したＧａＮ結晶で構成され、主面２１の全面を覆っている。層３０の、主面２１と反対側の面が、基板１０の一方の主面１１を構成し、主面１１は、全面がＮ極性面で構成されている。主面２１のＧａ極性領域２１ｇと、層３０との間に、ＧａＮ結晶が形成されていない空間である空隙１３が存在してもよい。

層４０は、主面２２のＮ極性領域２２ｎからＮ極性方向にエピタキシャル成長したＧａＮ結晶で構成され、主面２２の全面を覆っている。層４０の、主面２２と反対側の面が、基板１０の他方の主面１２を構成し、主面１２は、全面がＮ極性面で構成されている。主面２２のＧａ極性領域２２ｇと、層４０との間に、ＧａＮ結晶が形成されていない空間である空隙１４が存在してもよい。

このように、基板１０は、主面１１および主面１２の両面が、Ｎ極性面で構成されている。ＧａＮ結晶のＮ極性面は、Ｇａ極性面に比べて熱分解耐性が高く、サーマルエッチングされにくいという特性がある。

ＧａＮ結晶のＧａ極性面のサーマルエッチングレート（以下、単にエッチングレートとも称する）は、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力の窒素ガス（Ｎ_２ガス）雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。雰囲気を構成する不活性ガスが、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスからなる場合や、Ｎ_２ガスと希ガスとの混合ガスからなる場合にも、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｎ_２ガスを雰囲気ガスとする場合におけるそれと同様となる。また、ＧａＮ結晶の雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気、すなわち、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）等のハロゲン化物や、アンモニア（ＮＨ_３）等の窒化水素や、水素（Ｈ_２）等を含む場合、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、上述のエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。

これに対し、ＧａＮ結晶のＮ極性面のエッチングレートは、Ｇａ極性面のそれよりも小さく、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ_２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなる。１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ_２ガス雰囲気下において、ＧａＮ結晶のＮ極性面のエッチングレートは、１２００℃以上１３００℃未満の温度下では０．５μｍ／ｈｒ未満、１３００℃以上１３５０℃以下の温度下では４μｍ／ｈｒ未満、１３５０℃超１４００℃以下の温度下では１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなることを確認済である。雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスからなる場合や、Ｎ_２ガスと希ガスとの混合ガスからなる場合にも、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｎ_２ガスを雰囲気ガスとする場合におけるそれと同様となる。また、ＧａＮ結晶の雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）である場合であっても、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとなる等、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートよりも遥かに小さくなることを確認済である。

基板１０を上述の構成とすることで、後述のように種結晶基板として用いた場合の結晶成長処理において、基板１０を１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、主面１１および主面１２のそれぞれのエッチングレートを、例えば２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることができる。また、基板１０を、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）下で上述の温度条件に加熱した際の、主面１１および主面１２のそれぞれのエッチングレートを、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることができる。

（２）ＧａＮ基板の製造方法
基板１０の製造方法について説明する。図２は、ＧａＮ結晶の気相成長処理に用いられる成長装置２００の概略図である。図３〜図５は、基板１０の製造工程を概略的に示す断面図である。

図２を参照して、成長装置２００と、成長装置２００を用いてＧａＮ結晶をＮ極性方向に成長させる結晶成長処理とについて説明する。成長装置２００は、石英等の耐熱性材料により構成され、成長室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成長室２０１内には、成長基板１５０を保持する支持部材としてのサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、回転自在に構成されている。

成長基板１５０は、結晶成長の下地として、ＧａＮ結晶のＮ極性面を含む下地面１５１を有する。成長基板１５０は、個々の結晶成長処理に応じて異なった構造のものであってよい。詳細は後述するように、成長基板１５０は、層３０の成長時には、下地基板２０であり、層４０の成長時には、下地基板２０および層３０の積層体１５であり、膜１００の成長時には、下地基板２０、層３０および層４０の積層体１０、すなわち基板１０である。

気密容器２０３の一端には、ＧａＣｌ_３ガスを供給するガス供給管２３２ａ、ＮＨ_３ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、Ｎ_２ガスを供給するガス供給管２３２ｃがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃには、Ｈ_２ガスを供給するガス供給管２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に保持された成長基板１５０に向けて供給するノズル２４９ａ〜２４９ｃが、それぞれ接続されている。

ガス供給管２３２ａには、ガス流の上流側から順に、ガス生成器２３３ａ、バルブ２４３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａの内部には、常温で固体である固体原料（固体のＧａＣｌ_３）が収容される。ガス生成器２３３ａの外部には、固体原料を加熱して気化ガス（ＧａＣｌ_３ガス）を得るためのヒータ２０７ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、キャリアガスとしてのＮ_２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス生成器２３３ａ内で発生させたＧａＣｌ_３ガスは、ガス供給管２３２ｅから供給されたキャリアガスによって成長室２０１内へ運ばれる。ガス供給管２３２ａ，２３２ｅには、ＧａＣｌ_３ガスの液化や固化を防ぐための配管ヒータ（不図示）が設けられている。

ガス供給管２３２ｂ〜２３２ｅには、ガス流の上流側から順に、流量制御器２４１ｂ〜２４１ｅ、バルブ２４３ｂ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅよりも上流側と、ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ａよりも下流側との間には、バイパス管２３２ｆが接続されている。バイパス管２３２ｆにはバルブ２４３ｆが設けられている。バルブ２４３ｅ，２４３ａを閉じた状態で、バルブ２４３ｆを開くことで、ガス生成器２３３ａをバイパスして成長室２０１内へＮ_２ガスを供給することが可能となっている。

気密容器２０３の他端には、成長室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０にはポンプ２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、サセプタ２０８上に保持された成長基板１５０を所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７が設けられている。気密容器２０３内には、成長室２０１内の温度を測定する温度センサ２０９が設けられている。成長装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。

例えば以下の処理手順を実行することで、成長装置２００による結晶成長処理が実施される。まず、成長基板１５０を気密容器２０３内へ投入（搬入）し、サセプタ２０８上に保持する。また、ガス生成器２３３ａ内に収容された固体原料を、ヒータ２０７ａにより加熱して気化させることで、ＧａＣｌ_３ガスを発生させる。また、ガス供給管２３２ａ，２３２ｅを所望の温度となるように加熱する。そして、成長室２０１内の加熱および排気を実施しながら、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを閉じた状態で、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆを適宜開き、成長室２０１内へＨ_２ガス、或いは、Ｈ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガスを供給する。そして、成長室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、また、成長室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、バルブ２４３ｆを閉じ、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを開いて、成長基板１５０の下地面１５１に対しＧａＣｌ_３ガスとＮＨ_３ガスとを供給する。これにより、成長基板１５０の下地面１５１上に、ＧａＮ結晶が、Ｎ極性方向に成長する。ＮＨ_３ガスの供給は、ＧａＣｌ_３ガスの供給よりも先に開始してもよい。なお、下地面１５１上に成長させるＧａＮ結晶の面内均一性を高めるために、結晶成長処理は、サセプタ２０８を回転させた状態で実施するのが好ましい。結晶成長が完了したら、バルブ２４３ｅ，２４３ａ，２４３ｂを閉じ、バルブ２４３ｆを開いて、成長室２０１内へのＧａＣｌ_３ガス、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。その後、成長室２０１内へのＮ_２ガスの供給を継続しながら成長室２０１内を降温させ、処理後の成長基板１５０を気密容器２０３内から搬出し、結晶成長処理を終了する。

処理条件としては、以下が例示される。
ガス生成器２３３ａの温度：９０〜１１０℃
ガス供給管２３２ａ，２３２ｅの温度：２００〜２１０℃
キャリアガスの流量：８０〜１２０ｓｃｃｍ
成長室２０１内におけるＮＨ_３ガスの分圧／ＧａＣｌ_３ガスの分圧：１８〜２２
処理温度（成長基板１５０の温度）：１２００〜１４００℃、好ましくは、１２５０〜１３００℃
処理圧力（成長室２０１内の圧力）：９０〜１０５ｋＰａ、好ましくは、９０〜９５ｋＰａ

ここで行う結晶成長は、上述したように、Ｎ極性方向への成長である。Ｎ極性方向への成長は、Ｇａ極性方向への成長、つまり＋ｃ軸方向への成長で採用される温度条件、すなわち、９００〜１１００℃の温度条件下では、進行させることが困難である。そこで、本実施形態では、温度条件を上述のように高く設定することにより、Ｎ極性方向への成長を、実用的なレートで、例えば、８０〜９０μｍ／ｈｒのレートで進行させるようにしている。

上述のような結晶成長処理において、下地面１５１に含まれるＮ極性面から、ＧａＮ結晶がＮ極性方向にエピタキシャル成長する。下地面１５１がＧａ極性面を含む場合であっても、上述のような高温での結晶成長処理において、Ｎ極性面からＮ極性方向への成長速度は、Ｇａ極性面からＧａ極性方向への成長速度と比べて十分に速い。そして、Ｎ極性方向に成長するＧａＮ結晶は、面内方向にも成長する。これにより、ＧａＮ結晶層がある程度厚く成長した時点で、下地面１５１に含まれるＧａ極性面は覆われる。このようにして、下地面１５１の全面がＮ極性面で構成されている場合のみならず、下地面１５１がＧａ極性面を含む場合であっても、Ｎ極性方向に成長し下地面１５１の全面を覆うＧａＮ結晶層が得られる。

図３〜図５を参照して、基板１０の製造工程について説明する。図３を参照する。下地基板２０を準備し、下地基板２０を成長基板１５０として成長装置２００の気密容器２０３内へ投入する。主面２１つまりＧａ面が下地面１５１となるように、下地基板２０をサセプタ２０８上に保持する。

図４を参照する。下地基板２０に対し上述の結晶成長処理を行うことにより、主面２１上に、Ｎ極性領域２１ｎから、Ｎ極性方向にＧａＮ結晶を成長させて、層３０を形成する。層３０は、少なくとも、Ｇａ極性領域２１ｇが覆われて主面２１の全面が覆われる厚さに成長させる。層３０の成長時に、Ｇａ極性領域２１ｇ上にはＧａＮ結晶が成長しにくいことに起因して、主面２１のＧａ極性領域２１ｇと、層３０との間に、空隙１３が形成されてもよい。

層３０を成長させたら、処理後の成長基板１５０、つまり、下地基板２０および層３０の積層体１５を、気密容器２０３内から搬出する。このようにして、全面がＧａＮ単結晶のＮ極性面で構成された主面１１を有する積層体１５が得られる。なお、必要に応じ、成長させた層３０の最表層を研磨することで、主面１１を得てもよい。

図５を参照する。下地基板２０および層３０の積層体１５を成長基板１５０として成長装置２００の気密容器２０３内へ投入する。下地基板２０の主面２２つまりＮ面が下地面１５１となるように、積層体１５をサセプタ２０８上に保持する。換言すると、層３０の成長時に対し、下地基板２０を裏返してサセプタ２０８上に保持する。

そして、積層体１５に対し上述の結晶成長処理を行うことにより、主面２２上に、Ｎ極性領域２２ｎから、Ｎ極性方向にＧａＮ結晶を成長させて、層４０を形成する。層４０は、少なくとも、Ｇａ極性領域２２ｇが覆われて主面２２の全面が覆われる厚さに成長させる。層４０の成長時に、Ｇａ極性領域２２ｇ上にはＧａＮ結晶が成長しにくいことに起因して、主面２２のＧａ極性領域２２ｇと、層４０との間に、空隙１４が形成されてもよい。

層４０を成長させたら、処理後の成長基板１５０、つまり、下地基板２０、層３０および層４０の積層体、すなわち基板１０を、気密容器２０３内から搬出する。このようにして、全面がＧａＮ単結晶のＮ極性面で構成された主面１２を有する基板１０が得られる。なお、必要に応じ、成長させた層４０の最表層を研磨することで、主面１２を得てもよい。

このように、下地基板２０の主面２１および主面２２に、それぞれ、Ｎ極性領域２１ｎおよびｎ極性領域２２ｎから、ＧａＮ結晶をＮ極性方向に成長させることにより、主面１１および主面１２のそれぞれがＮ極性面で構成された基板１０を製造することができる。

なお、上述の説明では、まず主面２１上に層３０を成長させ、次に主面２２面上に層４０を成長させる態様を例示したが、まず主面２２上に層４０を成長させ、次に主面２１面上に層３０を成長させる態様であってもよい。これらの態様のうち、どちらかと言えば、先に層３０を成長させる態様の方が、例えば以下のような理由で好ましい。

本実施形態の結晶成長処理における高温条件下で、Ｇａ極性面は、Ｎ極性面と比べてサーマルエッチングされやすい。したがって、Ｇａ面である主面２１の方が、Ｎ面である主面２２と比べて、基材部２３が、つまり広いＧａ極性領域２１ｇが、エッチングされやすい。層３０を先に成長させることで、後の層４０の成長において、主面２１が層３０に保護されて、主面２１のエッチングを抑制できる。これに対し、層４０を先に成長させる態様では、層４０の成長において、主面２１が露出したままなので、広いＧａ極性領域２１ｇがエッチングされやすく、エッチングによる分解物が多く発生する可能性がある。そして、この分解物がＮ極性領域２１ｎを覆うことで、後の層３０の成長に悪影響を与える可能性がある。

主面２１のＧａ極性領域２１ｇは、主面２２のＧａ極性領域２２ｇと比べて広い。これに起因して、層３０によりＧａ極性領域２１ｇを覆って主面２１の全面を覆うことは、層４０によりＧａ極性領域２２ｇを覆って主面２２の全面を覆うことと比べて、容易ではない。主面２１の全面が覆われる確実性を向上させるために、層３０は、層４０と比べて厚く形成されてよい。また、Ｇａ極性領域２１ｇがＧａ極性領域２２ｇと比べて広いことに対応して、主面２１上に形成される空隙１３は、主面２２上に形成される空隙１４と比べて、広い空隙であってよい。なお、Ｇａ極性領域２１ｇが広いので、Ｎ極性領域２１ｎからの層３０の成長において、面内方向への成長の寄与が大きくなる。これにより、層３０において、層４０と比べて、欠陥密度の低減が期待される。

（３）ＧａＮ基板上への結晶成長処理
基板１０を種結晶基板として用い、基板１０上にＧａＮ結晶を成長させることで膜１００を形成する結晶成長処理について説明する。この処理は、例えば、成長装置２００を用いて行うことができる。以下、種結晶基板の下地面１５１となる主面を「表（おもて）面」と称し、その反対側、つまりサセプタ２０８側の主面を「裏面」と称することがある。

再び図１を参照する。基板１０を成長基板１５０として成長装置２００の気密容器２０３内へ投入する。例えば、主面１１が下地面１５１となるように、つまり主面１１が表面１１となるように、基板１０をサセプタ２０８上に保持する。

そして、基板１０に対し上述の結晶成長処理を行うことで、表面１１上に膜１００を成長させる。表面１１は全面がＮ極性面で構成されているので、膜１００は、表面１１の全面からＮ極性方向にエピタキシャル成長する。膜１００を所定の厚さまで成長させたら、処理後の成長基板１５０、つまり、種結晶基板である基板１０、および、本格成長膜である膜１００の積層体を、気密容器２０３内から搬出する。成長後、膜１００を基板１０から分離しスライスすることで、膜１００から新たなＧａＮ基板が得られる。なお、膜１００を分離した後の基板１０は、再び種結晶基板として用いてもよい。

ここで比較形態として、表面の全面がＮ極性面で構成され裏面の全面がＧａ極性面で構成された通常のＧａＮ基板を種結晶基板として用いる態様について考える。比較形態では、上述の温度条件下において、裏面のサーマルエッチングが過剰に進行し、種結晶基板の短時間での消失を招くことになる。一方、本実施形態の種結晶基板である基板１０は、表面１１および裏面１２のそれぞれがＮ極性面で構成されていることで、優れたサーマルエッチング耐性を有する。これにより、本実施形態では、温度条件を上述のように高く設定したとしても、種結晶基板の短時間での消失を回避することが可能となる。つまり、本実施形態では、膜１００の成長時間の長時間化を図ることができ、厚い膜１００を得ることが可能となる。

Ｎ極性面で構成された表面１１および裏面１２のエッチングレートは、上述したように、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度条件では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満である。また、Ｎ極性面で構成された表面１１および裏面１２のエッチングレートは、上述したように、結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）、１２００〜１４００℃の温度条件では、４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満である。

なお、上述の説明では、基板１０の主面１１を表面とする態様を例示したが、基板の主面１２を表面とする態様であってもよい。これらの態様のうち、どちらかと言えば、主面１１を表面とする態様、つまり主面１２を裏面とする態様の方が、例えば以下のような理由で好ましい。

主面１２を画定する層４０は、主面２２に積層されている。したがって、主面１２を裏面とすることにより、膜１００の成長中に層４０の全厚さがエッチングされた場合でも、露出するのは下地基板２０の主面２２、つまりＮ面となるので、下地基板２０のエッチングを抑制できる。これに対し、主面１２を表面とする態様、つまり主面１１を裏面とする態様では、膜１００の成長中に層３０の全厚さがエッチングされた場合、Ｇａ面である主面２１が露出するので、下地基板２０がエッチングされやすい。下地基板２０は、例えば０．４〜１．０ｍｍの厚さを有する。したがって、主面１２を裏面とすることで、層４０の全厚さがエッチングされた場合であっても、その後、下地基板２０は、基材部２３が、上述の温度条件下において、少なくとも１０時間、場合によっては２０時間は消失しないことになる。なお、主面１２を表面とする態様では、裏側に配置される層３０を、膜１００の成長中にその全厚さが（より詳しくは、空隙１３を含まずにＧａ極性領域２１ｇの全面を覆っている部分の全厚さが）エッチングされない程度に、厚く設けるとよい。

基板１０は、空隙１３または空隙１４を有することが好ましい。空隙１３または空隙１４が存在することで、基板１０により膜１００が拘束される力が弱まり、膜１００に発生する応力を緩和できるからである。より効果的に応力を緩和させるために、空隙１３または空隙１４は、下地基板２０と膜１００との間に存在することがより好ましい。また、応力を緩和させる効果は、空隙が広いほど大きい。したがって、下地基板２０と膜１００との間に空隙１３が存在する方が、空隙１４が存在する場合と比べてより好ましい。つまり、このような観点からは、主面１１を表面として、下地基板２０のＧａ面である主面２１側に膜１００を成長させることが、より好ましい。なお、上述のように、層３０での欠陥密度低減が期待されるので、層４０上にエピタキシャル成長させた膜１００と比べて、層３０上にエピタキシャル成長させた膜１００の方が、結晶品質が高いことも期待される。このような観点からも、主面１１を表面として用いるとよい。

ＩＤ２４は、下地基板２０の主面２１内および主面２２内で、一様に分布していることが好ましい。これにより、空隙１３および空隙１４の面内分布を一様にでき、空隙１３および空隙１４による膜１００に対する応力緩和の効果を面内で均一化できる。また、ＩＤ２４が一様に分布することにより、主面２１上で層３０がＧａ極性領域２１ｇを覆う挙動、および、主面２２上で層４０がＧａ極性領域２２ｇを覆う挙動を、面内で均一に近づけることができるので、主面２１上の層３０に覆われにくい部分、および、主面２２上の層４０に覆われにくい部分を、生じにくくできる。

（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

（ａ）基板１０の主面１１および主面１２のそれぞれを、サーマルエッチングされにくいＮ極性面により構成することで、基板１０を１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、主面１１および主面１２のそれぞれのエッチングレートを、例えば２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることが可能となる。また、基板１０を、上述の結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ_２等を含む雰囲気）下で上述の温度条件に加熱した際の、主面１１および主面１２のそれぞれのエッチングレートを、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさとすることが可能となる。これらにより、本実施形態の基板１０は、温度条件を上述のように高く設定する必要がある結晶成長処理、例えばＧａＮ結晶のＮ極性方向への成長処理において、種結晶基板として好適に用いることが可能となる。つまり、基板１０の一方の主面上でＧａＮ結晶のＮ極性方向へのエピタキシャル成長を良好に行うことができるとともに、他方の主面のＧａＮ結晶成長中におけるサーマルエッチングを抑制できる。

（ｂ）このような基板１０は、Ｇａ極性領域２１ｇおよびＮ極性領域２１ｎを含む主面２１（「表側の面」の一例）を有するとともに、Ｇａ極性領域２２ｇおよびＮ極性領域２２ｎを含む主面２２（「裏側の面」の一例）を有する下地基板２０、つまりＩＤ２４を有する下地基板２０と、主面２１のＮ極性領域２１ｎから成長し、主面２１を覆い、基板１０の主面１１（「表（おもて）面」の一例）をＮ極性面で構成する層３０（「表側ＧａＮ層」の一例）と、主面２２のＮ極性領域２２ｎから成長し、主面２２を覆い、基板１０の主面１２（「裏面」の一例）をＮ極性面で構成する層４０（「裏側ＧａＮ層」の一例）と、を有する基板１０として構成することができる。

主面２１および主面２２のそれぞれにＮ極性面およびＧａ極性面を含む下地基板２０を用いることで、主面２１および主面２２のそれぞれにおいてＮ極性方向にＧａＮ結晶を成長させて、層３０および層４０を得ることができる。これにより、主面１１および主面１２の両面がＮ極性面で構成された基板１０を実現することができる。

（ｃ）基板１０は、下地基板２０の主面２１と層３０との間に配置された空隙１３、および、下地基板２０の主面２２と層４０との間に配置された空隙１４、の少なくとも一方を有することが好ましい。これにより、基板１０を種結晶基板として用いて成長させた膜１００に発生する応力を緩和することができる。

（ｄ）ＩＤ２４は、下地基板２０の主面２１内および主面２２内で、一様に分布していることが好ましい。これにより、空隙１３および空隙１４による膜１００に対する応力緩和の効果を面内で均一化でき、また、主面２１上の層３０に覆われにくい部分、および、主面２２上の層４０に覆われにくい部分を生じにくくできる。

＜他の実施形態＞
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行ってもよい。また、種々の実施形態や変形例は、適宜組み合わせてよい。

上述の実施形態では、主面２１内および主面２２内に、海状につまり一体的、連続的に配置された基材部２３と、島状に複数分散して配置されたＩＤ２４とを有する下地基板２０を例示したが、基材部２３およびＩＤ２４の形状や配置は、必要に応じて適宜変更してもよい。例えば、ＩＤ２４は、基材部２３を複数の部分に区分するように配置されてもよい。また例えば、ＩＤ２４は、一体的、連続的であって主面内に広がった形状（例えば、格子形状、蛇行形状等）であってもよい。下地基板２０は、少なくとも１つのＧａ極性領域２１ｇおよび少なくとも１つのＮ極性領域２１ｎで構成された主面２１を有するとともに、少なくとも１つのＧａ極性領域２２ｇおよび少なくとも１つのＮ極性領域２２ｎで構成された主面２２を有する。

上述の実施形態では、主面２１におけるＮ極性領域２１ｎの割合が、主面２２におけるＮ極性領域２１ｎの割合と比べて低い下地基板２０を例示した。このような下地基板２０を用いることにより、主面２１側と主面２２側とで、基板１０の特性を異ならせることができる。具体的には例えば、Ｎ極性領域の割合が低い、つまりＧａ面である主面２１側では、広い空隙１３を形成しやすく、また層３０の欠陥密度を低減させやすい。一方、Ｎ極性領域の割合が高い、つまりＮ面である主面２２側では、層４０により主面２２の全面を覆うことが容易である。ただし、下地基板２０は、両方の主面がＮ極性領域を含むものであればよく、一方の主面２１におけるＮ極性領域２１ｎの割合と、他方の主面２２におけるＮ極性領域２１ｎの割合とが等しいものであってもよい。

上述の実施形態で説明したように、層３０、層４０および膜１００を形成するために、１２００℃以上の高い温度条件で、ＧａＮ結晶のＮ極性方向への成長が行われる。このようなＧａＮ結晶のＮ極性方向への成長手法は、上述の手法に限定されず、以下のような手法であってもよい。例えば、結晶成長が行われる成長室の内部でＧａ原料とＣｌ_２ガス等を反応させてＧａＣｌ_３ガスを発生させるＴｒｉ−ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶を成長させてもよい。また例えば、成長室内が１〜１００ｋＰａ、１１００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、成長基板に対し、原料ガスとしてハロゲン元素非含有のＧａ蒸気とＮＨ_３ガスとを供給するノンハロゲンＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させてもよい。また例えば、成長室内が１〜１０５ｋＰａ、１２００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、成長基板に対し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとＮＨ_３ガスとを供給する高温ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ結晶を成長させてもよい。Ｎ極性面のエッチングレートは、これらの手法における結晶成長雰囲気、温度条件において、４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満となる。

上述の実施形態では、種結晶基板として基板１０を用いて、本格成長膜としてＧａＮ結晶を成長させる態様を例示したが、本格成長膜として成長させる結晶は、ＧａＮ結晶に限定されない。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物結晶、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物結晶を、本格成長膜として成長させてもよい。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であるＧａＮ基板。

（付記２）
前記不活性ガスは、Ｎ_２ガス、或いは、希ガスのうち少なくともいずれかを含む、
付記１に記載のＧａＮ基板。

（付記３）
Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む表側の面を有するとともに、Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む裏側の面を有する下地ＧａＮ基板と、
前記表側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記表側の面を覆い、前記表面をＮ極性面で構成する表側ＧａＮ層と、
前記裏側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記裏側の面を覆い、前記裏面をＮ極性面で構成する裏側ＧａＮ層と、
を有する付記１または２に記載のＧａＮ基板。

（付記４）
前記表側の面と前記表側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙、および、
前記裏側の面と前記裏側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙、
の少なくとも一方を有する付記３に記載のＧａＮ基板。

（付記５）
前記表側の面における前記Ｎ極性領域の割合は、前記裏側の面における前記Ｎ極性領域の割合と比べて低い、
付記３または４に記載のＧａＮ基板。

（付記６）
前記表側ＧａＮ層の厚さは、前記裏側ＧａＮ層の厚さと比べて厚い、
付記５に記載のＧａＮ基板。

（付記７）
前記表側の面において前記Ｎ極性領域が分散して配置されており、前記表側の面における前記Ｎ極性領域の個数密度の標準偏差が中央値に対して好ましくは１／３以下であり、より好ましくは１／１０以下である、
付記５または６に記載のＧａＮ基板。

（付記８）
前記表側の面における前記Ｎ極性領域の割合は、前記裏側の面における前記Ｎ極性領域の割合と等しい、
付記３または４に記載のＧａＮ基板。

（付記９）
Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む表側の面を有するとともに、Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む裏側の面を有する下地ＧａＮ基板を準備する工程と、
前記表側の面の前記Ｎ極性領域から、前記表側の面を覆い、表面がＮ極性面で構成された表側ＧａＮ層を成長させる工程と、
前記裏側の面の前記Ｎ極性領域から、前記裏側の面を覆い、裏面をＮ極性面で構成された裏側ＧａＮ層を成長させる工程と、
を有するＧａＮ基板の製造方法。

（付記１０）
前記表側ＧａＮ層を成長させる工程において、前記表側の面と前記表側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙を形成すること、および、
前記裏側ＧａＮ層を成長させる工程において、前記裏側の面と前記裏側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙を形成すること、
の少なくとも一方を行う、
付記９に記載のＧａＮ基板の製造方法。

（付記１１）
前記表側ＧａＮ層を成長させる工程、および、前記裏側ＧａＮ層を成長させる工程のうち、前記表側の面と前記裏側の面とで前記Ｎ極性領域の割合が低い方の面に成長させる工程を、前記Ｎ極性領域の割合が高い方の面に成長させる工程よりも前に行う、
請求項９または１０に記載のＧａＮ基板の製造方法。

（付記１２）
表面および裏面のそれぞれがＧａＮ単結晶で構成されており、１〜１０５ｋＰａの圧力の不活性ガス雰囲気下で１２００〜１４００℃の温度に加熱した際の、前記表面および前記裏面のそれぞれのエッチングレートが２０μｍ／ｈｒ未満であり、
Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む表側の面を有するとともに、Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む裏側の面を有する下地ＧａＮ基板と、
前記表側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記表側の面を覆い、前記表面をＮ極性面で構成する表側ＧａＮ層と、
前記裏側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記裏側の面を覆い、前記裏面をＮ極性面で構成する裏側ＧａＮ層と、
を有するＧａＮ基板を準備する工程と、
前記表面上に、ＧａＮ結晶をＮ極性方向に成長させる工程と、
を有するＧａＮ結晶の製造方法。

（付記１３）
前記表面は、前記表面および前記裏面のうち、前記表側の面と前記裏側の面とで前記Ｎ極性領域の割合が低い方の面側に配置された面である、
付記１２に記載のＧａＮ結晶の製造方法。

１０ ＧａＮ基板（種結晶基板）
２０ 下地ＧａＮ基板
３０、４０ ＧａＮ層
１１、１２、２１、２２ 主面
１３、１４ 空隙
２１ｇ、２２ｇ Ｇａ極性領域
２１ｎ、２２ｎ Ｎ極性領域
１００ ＧａＮ膜（本格成長膜）

Claims (7)

1. Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む表側の面を有するとともに、Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む裏側の面を有する下地ＧａＮ基板と、
   前記表側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記表側の面を覆い、表面がＮ極性面で構成された表側ＧａＮ層と、
   前記裏側の面の前記Ｎ極性領域から成長し、前記裏側の面を覆い、裏面がＮ極性面で構成された裏側ＧａＮ層と、
   を有するＧａＮ基板。
2. 前記表側の面と前記表側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙、および、
   前記裏側の面と前記裏側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙、
   の少なくとも一方を有する請求項１に記載のＧａＮ基板。
3. 前記表側の面における前記Ｎ極性領域の割合は、前記裏側の面における前記Ｎ極性領域の割合と比べて低い、
   請求項１または２に記載のＧａＮ基板。
4. 前記表側ＧａＮ層の厚さは、前記裏側ＧａＮ層の厚さと比べて厚い、
   請求項３に記載のＧａＮ基板。
5. 前記表側の面における前記Ｎ極性領域の割合は、前記裏側の面における前記Ｎ極性領域の割合と等しい、
   請求項１または２に記載のＧａＮ基板。
6. Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む表側の面を有するとともに、Ｇａ極性領域およびＮ極性領域を含む裏側の面を有する下地ＧａＮ基板を準備する工程と、
   前記表側の面の前記Ｎ極性領域から、前記表側の面を覆い、表面がＮ極性面で構成された表側ＧａＮ層を成長させる工程と、
   前記裏側の面の前記Ｎ極性領域から、前記裏側の面を覆い、裏面がＮ極性面で構成された裏側ＧａＮ層を成長させる工程と、
   を有するＧａＮ基板の製造方法。
7. 前記表側ＧａＮ層を成長させる工程において、前記表側の面と前記表側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙を形成すること、および、
   前記裏側ＧａＮ層を成長させる工程において、前記裏側の面と前記裏側ＧａＮ層との間に配置された、ＧａＮ結晶が形成されていない空隙を形成すること、
   の少なくとも一方を行う、
   請求項６に記載のＧａＮ基板の製造方法。

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