TW202432919A - 氮化鎵單晶基板及其製造方法 - Google Patents

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長田英樹
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日商住友電氣工業股份有限公司
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Abstract

本發明之氮化鎵單晶基板具有圓形狀之第1主表面及第2主表面，包含矽或鍺，載子濃度為1×10 18cm -3以上，構成上述氮化鎵單晶基板之氮化鎵單晶之(0001)面係於自第1主表面側朝向第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面，自上述第1彎曲面之中心，沿相對於氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上，第1曲線之曲率半徑相對於第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下，第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。

Description

氮化鎵單晶基板及其製造方法
本發明係關於一種氮化鎵單晶基板及其製造方法。
日本專利特開2003-165799號公報(專利文獻1)、A. Usui et al., Jpn. J. Appl. Phys. Volume 36, No.7B, July(1997) pp.L899(非專利文獻1)、及H. Osada et al., "Development of Non-Core 4-inch GaN Substrate", CS Man Tech Conf. (2017)(非專利文獻2)揭示藉由使於主表面混合存在鎵極性區域與氮極性區域之氮化鎵單晶(以下，亦記作「GaN單晶」)於異種基板上生長，可獲得使上述鎵極性區域之位錯密度極小之氮化鎵單晶基板(以下，亦記作「GaN單晶基板」)。國際公開第2021/075369號(專利文獻2)揭示藉由利用生長於異種基板上之GaN單晶製作包含GaN單晶基板之基底基板，繼而自該基底基板使GaN單晶生長，可獲得使主表面整面之位錯密度改善之GaN單晶基板。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2003-165799號公報 [專利文獻2]國際公開第2021/075369號 [非專利文獻]
[非專利文獻1]A. Usui et al., Jpn. J. Appl. Phys. Volume 36, No.7B, July(1997) pp.L899 [非專利文獻2]H. Osada et al., "Development of Non-Core 4-inch GaN Substrate", CS Man Tech Conf. (2017)
本發明之氮化鎵單晶基板係具有第1主表面及第2主表面之氮化鎵單晶基板。上述第1主表面為鎵極性面。上述第2主表面為氮極性面。上述第1主表面及上述第2主表面具有圓形狀。上述氮化鎵單晶基板包含矽或鍺。上述氮化鎵單晶基板之載子濃度為1×10 18cm -3以上。構成上述氮化鎵單晶基板之氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第1主表面側朝向上述第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面。自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上。上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下。上述第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。
本發明之氮化鎵單晶基板之製造方法包括準備氮化鎵單晶晶種基板之步驟，該氮化鎵單晶晶種基板包含氮化鎵單晶，且具有鎵極性區域與氮極性區域混合存在之第3主表面、及為氮極性面之第4主表面。上述製造方法包括藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述氮極性區域製成第1凹部的步驟。上述製造方法包括藉由使用氧化矽被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述氧化矽之第1嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述氧化矽被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第1研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用氫化物氣相生長法使上述氮化鎵單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第1研磨面上之上述第1氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基底基板的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述氮化鎵單晶於上述氮化鎵單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由使用氧化矽被覆上述第2氮化鎵單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述氧化矽之第2嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述氧化矽被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第2研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第3氮化鎵單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第4氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基板的步驟。上述第3主表面中，上述鎵極性區域所占之面積大於上述氮極性區域所占之面積。上述氮極性區域係於上述第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心。構成上述氮化鎵單晶晶種基板之上述氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第3主表面側朝向上述第4主表面側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面。自上述第2彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第2彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為11 m以上。
[發明所欲解決之問題] 上述專利文獻1、非專利文獻1、及非專利文獻2中揭示之GaN單晶基板由於僅將位錯密度極小之上述鎵極性區域活用作半導體器件之材料，故基於有效活用上述基板之整體之觀點而言，存在改善餘地。上述專利文獻2中揭示之GaN單晶基板由於構成其之GaN單晶之(0001)面彎曲，故有特性隨上述主表面之區域而變化之虞，由此，於用作半導體器件之材料之情形時，有可能對器件特性產生不良影響。因此，尚未獲得能夠藉由抑制GaN單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠藉由主表面整面成為低位錯而將主表面整面有效活用作半導體器件之材料的GaN單晶基板，迫切期望其開發。
鑒於以上方面，本發明之目的在於提供一種能夠藉由抑制氮化鎵單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將主表面整面有效活用作半導體器件之材料的氮化鎵單晶基板及其製造方法。
[發明之效果] 根據上述，可提供一種能夠藉由抑制氮化鎵單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將主表面整面有效活用作半導體器件之材料的氮化鎵單晶基板及其製造方法。
[實施方式之概要] 首先，對本發明之實施方式之概要進行說明。本發明人等為了解決上述課題而反覆進行了銳意研究，從而完成本發明。本發明人等注意到構成上述專利文獻1中揭示之GaN單晶基板之GaN單晶之(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦。具體而言，想到將上述專利文獻1中揭示之GaN單晶基板作為晶種基板，使用該晶種基板，藉由氫化物氣相生長法使氮化鎵單晶生長，藉此製造GaN單晶基板。本發明人等發現藉此獲得之GaN單晶基板延續了GaN單晶之(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦之上述晶種基板之特性且能夠藉由主表面整面成為低位錯而將主表面整面有效活用作半導體器件之材料，從而實現本發明。
其次，藉由例舉本發明之實施態樣來進行說明。 [1]本發明之一態樣之氮化鎵單晶基板係具有第1主表面及第2主表面之氮化鎵單晶基板。上述第1主表面為鎵極性面。上述第2主表面為氮極性面。上述第1主表面及上述第2主表面具有圓形狀。上述氮化鎵單晶基板包含矽或鍺。上述氮化鎵單晶基板之載子濃度為1×10 18cm -3以上。構成上述氮化鎵單晶基板之氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第1主表面側朝向上述第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面。自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上。上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下。上述第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。具備此種特徵之氮化鎵單晶基板能夠藉由抑制氮化鎵單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且由於第1主表面整面成為低位錯而能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。
[2]上述第1主表面之位錯密度之平均值及標準偏差較佳為滿足標準偏差/平均值≦0.6之關係。藉此，能夠提供於第1主表面整面位錯密度無不均地降低之氮化鎵單晶基板。
[3]上述氮化鎵單晶基板之直徑較佳為50 mm以上155 mm以下。藉此，上述氮化鎵單晶基板能夠藉由抑制直徑成為50 mm以上155 mm以下之大型氮化鎵單晶基板中之氮化鎵單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。
[4]本發明之一態樣之氮化鎵單晶基板之製造方法包括準備氮化鎵單晶晶種基板之步驟，該氮化鎵單晶晶種基板包含氮化鎵單晶，且具有鎵極性區域與氮極性區域混合存在之第3主表面、及為氮極性面之第4主表面。上述製造方法包括藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述氮極性區域製成第1凹部的步驟。上述製造方法包括藉由使用氧化矽被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述氧化矽之第1嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述氧化矽被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第1研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用氫化物氣相生長法使上述氮化鎵單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第1研磨面上之上述第1氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基底基板的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述氮化鎵單晶於上述氮化鎵單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由使用氧化矽被覆上述第2氮化鎵單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述氧化矽之第2嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述氧化矽被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第2研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第3氮化鎵單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4氮化鎵單晶生長體的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第4氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基板的步驟。上述第3主表面中，上述鎵極性區域所占之面積大於上述氮極性區域所占之面積。上述氮極性區域係於上述第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心。構成上述氮化鎵單晶晶種基板之上述氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第3主表面側朝向上述第4主表面側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面。自上述第2彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第2彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為11 m以上。
藉由具備此種特徵之製造方法，可獲得能夠藉由抑制氮化鎵單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠藉由第1主表面整面成為低位錯而將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料的氮化鎵單晶基板。
[5]上述獲得第3氮化鎵單晶生長體之步驟係於第1生長條件下使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長的步驟。上述獲得第4氮化鎵單晶生長體之步驟係於第2生長條件下使上述氮化鎵單晶於上述第3氮化鎵單晶生長體之上述表面上生長的步驟。 上述第1生長條件較佳為具有： 1 kPa以上5 kPa以下之氯化鎵氣體分壓、 5 kPa以上10 kPa以下之氨氣分壓、 10 kPa以上50 kPa以下之氫氣分壓、 50 kPa以上100 kPa以下之氮氣分壓、 900℃以上1100℃以下之生長溫度、及 5分鐘以上30分鐘以下之生長時間。 上述第2生長條件較佳為具有： 5 kPa以上10 kPa以下之氯化鎵氣體分壓、 5 kPa以上10 kPa以下之氨氣分壓、 10 kPa以上20 kPa以下之氫氣分壓、 30 kPa以上100 kPa以下之氮氣分壓、 1 kPa以上5 kPa以下之四氟化矽氣體分壓、 900℃以上1100℃以下之生長溫度、及 50小時以上150小時以下之生長時間。 於該情形時，藉由上述製造方法，可良率更加良好地獲得能夠藉由抑制氮化鎵單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料的氮化鎵單晶基板。
[6]於上述氮化鎵單晶晶種基板中，較佳為上述氮極性區域為位錯集中區域，上述位錯集中區域中之位錯密度之平均值超過1×10 7cm -2，上述鎵極性區域中之位錯密度之平均值為1×10 6cm -2以下。於該情形時，藉由上述製造方法，可由上述氮化鎵單晶晶種基板良率更加良好地獲得能夠藉由抑制氮化鎵單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料的氮化鎵單晶基板。
[實施方式之詳情] 以下，進而詳細說明本發明之一實施方式(以下，亦記作「本實施方式」)，但本發明並不限定於該等。以下，有時一面參照圖式，一面進行說明，對本說明書及圖式中相同或對應之要素標附相同符號，且不對其等重複進行相同說明。進而，於圖式中，為了容易理解各構成要素而適當調整縮小比例來表示，圖式所示之各構成要素之縮小比例與實際之構成要素之縮小比例未必一致。
於本說明書中，「A～B」之形式之記載係指範圍之上限下限(即，A以上B以下)，於A中未記載單位而僅B中記載有單位之情形時，A之單位與B之單位相同。進而，於本說明書中，於以化學式表示化合物等之情形時，上述化學式於未特別限定原子比之時包含先前公知之全部原子比，不一定應僅限定於化學計量範圍內之原子比。例如，於記作「GaN」之情形時，構成GaN之原子數之比包含先前公知之全部原子比。此情況對於「GaN」以外之化合物之記載亦同樣。
於本說明書中，氮化鎵單晶基板係所謂「C面氮化鎵單晶基板」，具有第1主表面及第2主表面作為與C面((0001)面)平行或大致平行之2個主表面。其中，第1主表面係[0001]方向側之主表面，且為鎵極性面。第2主表面係[000-1]方向側之主表面，且為氮極性面。上述氮化鎵單晶基板有時於第1主表面上形成各種氮化物半導體器件。又，於本說明書中，「面內」之用語中所用之「面」除以下特別記載之情形以外係指上述「第1主表面」。於本說明書中，於記載氮化鎵單晶基板之直徑為「50 mm」或2英吋之情形時，係指上述直徑為50 mm左右(45～55 mm左右)。於記載上述直徑為「100 mm」或4英吋之情形時，係指上述直徑為100 mm左右(95～105 mm左右)。於記載上述直徑為「150 mm」或6英吋之情形時，係指上述直徑為150 mm左右(145～155 mm左右)。再者，上述直徑係藉由使用游標卡尺等公知之外徑測定器來進行測定。
於本說明書中之晶體學記載中，分別地，個別方位以[]表示，集合方位以＜＞表示，個別面以()表示，集合面以｛｝表示。又，晶體學上之指數為負通常藉由於數字之上標附「-(短橫)」來表示，但於本說明書中藉由於數字之前標附負之符號來表示。
[氮化鎵單晶基板] 本實施方式之氮化鎵單晶基板(GaN單晶基板)係具有第1主表面及第2主表面之GaN單晶基板。上述第1主表面為鎵(Ga)極性面，上述第2主表面為氮(N)極性面。上述第1主表面及上述第2主表面具有圓形狀。上述GaN單晶基板包含矽(Si)或鍺(Ge)。上述GaN單晶基板之載子濃度為1×10 18cm -3以上。構成上述GaN單晶基板之氮化鎵單晶(GaN單晶)之(0001)面係於自上述第1主表面側朝向上述第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面。自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述GaN單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述GaN單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上。上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下。上述第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。
具有此種特徵之GaN單晶基板能夠藉由抑制構成其之GaN單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。本發明人等推定構成上述GaN單晶基板之GaN單晶中之(0001)面之翹曲受到抑制之原因如下。
即，於本發明中，本發明人等作出了如下構思：例如使用如上述專利文獻1中揭示之具有鎵極性區域(以下，亦記作「Ga極性區域」)與氮極性區域(以下，亦記作「N極性區域」)混合存在之第3主表面的特定之氮化鎵單晶晶種基板(以下，亦記作「GaN單晶晶種基板」)作為用於獲得上述GaN單晶基板之晶種基板之材料。上述GaN單晶晶種基板具有構成其之GaN單晶之(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦之特徵。進而，上述GaN單晶晶種基板之第3主表面中，Ga極性區域所占之面積大於N極性區域所占之面積。上述N極性區域係於上述第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心，藉此，上述第3主表面之面內顯示出規則圖案。上述N極性區域亦為上述第3主表面之面內之位錯集中之位錯集中區域。
本發明人等基於上述構思，使用上述GaN單晶晶種基板，於將上述N極性區域遮蔽之基礎上，於上述第3主表面上，使用氫化物氣相生長(HVPE：Hydride Vapor Phase Epitaxy)法，使成為低位錯之GaN單晶生長。進而，由該GaN單晶獲得GaN單晶基板。於該情形時，發現能夠延續上述GaN單晶晶種基板之特性，使(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦之GaN單晶生長，因此，由上述GaN單晶晶種基板獲得之上述GaN單晶基板的上述第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑均較大，為38 m以上。進而，關於上述GaN單晶基板，基於上述第3主表面之面內所示之N極性區域之規則圖案，上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率成為0.4以上2.5以下。即，本發明人等發現，於GaN單晶之為(0001)面之彎曲面(第1彎曲面)，垂直相交之2方向、即相對於(1-100)面之法線方向之曲率半徑與相對於(11-20)面之法線方向之曲率半徑之間不會出現較大之各向異性。
根據以上發現，推定本實施方式之GaN單晶基板中，GaN單晶中之(0001)面之翹曲於相對於(1-100)面之法線方向及相對於(11-20)面之法線方向之兩者受到抑制。此外，由於在將位錯集中區域即上述N極性區域遮蔽之基礎上，使GaN單晶生長，故本發明人等能夠使上述GaN單晶基板之第1主表面整面低位錯化。藉此，暗示上述GaN單晶基板能夠抑制GaN單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。
＜直徑＞ 上述GaN單晶基板之直徑較佳為50 mm以上155 mm以下。換言之，GaN單晶基板之直徑較佳為2～6英吋。此處，關於上述直徑，即便為上述基板因參考面(以下，亦記作「OF」)、標準面(以下，亦記作「IF」)等之影響而不成為幾何學上之圓形狀之情形時之形狀，亦視作該基板具有形成上述OF、IF等之前之圓形狀，而求出其大小(直徑)。藉此，上述GaN單晶基板能夠藉由於直徑成為50 mm以上155 mm以下之大型GaN單晶基板中，抑制GaN單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。
＜第1主表面及第2主表面＞ (鎵極性面及氮極性面) 圖1係對本實施方式之氮化鎵單晶基板進行說明的剖面模式圖。如圖1所示，本實施方式之GaN單晶基板1具有第1主表面11及第2主表面21。第1主表面11為鎵極性面，第2主表面21為氮極性面。即，第1主表面11為位於構成GaN單晶基板1之GaN單晶之[0001]方向側之主表面。第2主表面21為位於構成GaN單晶基板1之GaN單晶之[000-1]方向側之主表面。進而，GaN單晶基板1之第1主表面11及第2主表面21具有「圓形狀」。
於本說明書中，表示第1主表面11及第2主表面21之形狀之「圓形狀」除包含幾何學上之圓形狀以外，還包含由於在上述主表面之外周形成凹口、OF或IF之至少任一者，而主表面不形成幾何學上之圓形狀之情形時之形狀。此處，所謂「主表面不形成幾何學上之圓形狀之情形時之形狀」，係指自主表面之外周上之任意點延伸至上述主表面之中心的線段中自上述凹口、OF、及IF上之任意點延伸至主表面之中心的線段之長度較短之情形時之形狀。進而，「主表面不形成幾何學上之圓形狀之情形時之形狀」亦包含自主表面之外周上之任意點延伸至上述主表面之中心的全部線段之長度因作為GaN單晶基板之原料之GaN單晶之形狀而未必相同之情形時之形狀。於該情形時，主表面之中心係指重心之位置，GaN單晶基板之直徑係指自GaN單晶基板之外周上之任意點通過上述主表面之中心並延伸至上述外周上之其他點的線段中最長之線段之長度。
＜第1彎曲面：GaN單晶之(0001)面＞ 如圖1所示，構成GaN單晶基板1之GaN單晶之(0001)面係於自第1主表面11側朝向第2主表面21側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面51。尤其是，自上述第1彎曲面51之中心，沿相對於上述GaN單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面51上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面51之中心，沿相對於上述GaN單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面51上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上。上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下。
於本說明書中，所謂於自第1主表面11側朝向第2主表面21側之方向上凸起之「球面狀之第1彎曲面51」，無論該第1彎曲面51是否呈現嚴格之球面，均係指於自第1主表面11側朝向第2主表面21側之中心之方向上呈凸狀之彎曲之面。因此，於本說明書中，所謂GaN單晶之(0001)面中之上述第1曲線之曲率半徑及上述第2曲線之曲率半徑，並非於第1彎曲面51呈現嚴格之球面之情形時能夠求出之嚴格值，而是以藉由如下方法求出之近似值表示。
以下，基於圖2說明求出第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑之方法。圖2係對為了求出第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑而設定的本實施方式之氮化鎵單晶基板上之X射線被照射部位進行說明的說明圖。第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑係藉由於下述條件下對GaN單晶基板1執行使用X射線繞射法之解析(以下，亦記作「XRD(X-ray Diffraction)解析」)而求出。
首先，例如，按照下述製造方法獲得具備第1主表面11及第2主表面之GaN單晶基板1，藉此準備作為測定對象之GaN單晶基板1。針對該GaN單晶基板1，對以下5個測定點執行下述條件之XRD解析。上述5個測定點係指第1測定點M1、第2測定點M2、第3測定點M3、第4測定點M4、及第5測定點M5。具體而言，藉由下述條件之XRD解析，測定上述5個測定點處之相對於GaN單晶之(0001)面之傾斜角。
此處，第1測定點M1係與GaN單晶基板1之第1彎曲面51之中心對應之第1主表面11上之點，係第1主表面11之中心O。第2測定點M2及第3測定點M3係分別與自上述第1彎曲面51之中心，沿相對於上述GaN單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面51上在2個方向上各延伸20 mm的線段之頭端對應的第1主表面11上之點。第4測定點M4及第5測定點M5係分別與自上述第1彎曲面51之中心，沿相對於上述GaN單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面51上在2個方向上各延伸20 mm的線段之頭端對應的第1主表面11上之點。進而，上述「傾斜角」係指第1主表面11上之上述5點之第1測定點M1、第2測定點M2、第3測定點M3、第4測定點M4、及第5測定點M5各處之如下交差角，該交差角係於和GaN單晶之＜0001＞方向平行之方向上延伸之直線(向量)與相對於第1主表面11之法線(向量)的交差角。
然後，根據由上述XRD解析獲得之第1測定點M1處之傾斜角、以及第2測定點M2、第3測定點M3、第4測定點M4、及第5測定點M5處之傾斜角各者，基於使用三角函數之先前公知之計算式而算出與4個曲率半徑對應之數值(曲率半徑值)。即，根據第1測定點M1及第2測定點M2處之各傾斜角，基於使用三角函數之先前公知之計算式，算出第1曲率半徑值。藉由相同要領，分別地，根據第1測定點M1及第3測定點M3處之各傾斜角，算出第2曲率半徑值，根據第1測定點M1及第4測定點M4處之各傾斜角，算出第3曲率半徑值，並且根據第1測定點M1及第5測定點M5處之各傾斜角，算出第4曲率半徑值。最後，求出藉由將第1曲率半徑值及第2曲率半徑值相加並除以2而獲得之數值作為第1曲線之曲率半徑。同樣地，求出藉由將第3曲率半徑值及第4曲率半徑值相加並除以2而獲得之數值作為第2曲線之曲率半徑。
用於求出上述曲率半徑之XRD解析之條件如下所述。再者，繞射面係(0002)面。其原因在於：於下述條件下，(0001)面因禁戒反射而不出現。上述傾斜角係藉由使作為測定對象之GaN單晶基板1於下述條件下於θ方向上旋轉(ω掃描)，分別特定出獲得第1測定點M1、第2測定點M2、第3測定點M3、第4測定點M4、及第5測定點M5之合計5點處之X射線繞射峰之繞射角度，基於上述繞射角度而求出。 解析裝置：商品名(商品號)「X' pert PRO MDR」、PANalytical公司製造 X射線光源：Cu-Kα射線(波長：1.5405Å) 向第1主表面之X射線入射角：θ(17.28°) 入射狹縫寬度：0.1 mm×0.1 mm 單色器/準直器晶體：使用4個Ge(220)晶體。
根據上述XRD解析，於本實施方式之氮化鎵單晶基板中，第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑均求出為38 m以上之值。尤其是，第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑均較佳為45 m以上，均更佳為55 m以上。第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑越大越理想，理論上之上限值無限大。
進而，於本實施方式之氮化鎵單晶基板中，第1曲線之曲率半徑相對於第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下。第1曲線之曲率半徑相對於第2曲線之曲率半徑的比率較佳為0.45以上2.2以下，更佳為0.5以上2.0以下。
＜第1主表面之位錯密度之平均值、及標準偏差/平均值＞ 於本實施方式之氮化鎵單晶基板中，第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。進而，上述第1主表面之位錯密度之平均值及標準偏差較佳為滿足標準偏差/平均值≦0.6之關係。藉此，可提供位錯密度降低之GaN單晶基板、尤其是於第1主表面整面位錯密度無不均地降低之GaN單晶基板。上述第1主表面之位錯密度之平均值更佳為3.0×10 5cm -2以下，上述第1主表面之位錯密度之平均值及標準偏差更佳為滿足標準偏差/平均值≦0.5之關係。以下，於本說明書中，關於「標準偏差/平均值」，有時藉由「變動率」之用語進行說明。於上述GaN單晶基板中，第1主表面之位錯密度之變動率成為0.6以下意味著面內之位錯密度分佈均勻。即，上述變動率係用於恰當評價面內之位錯密度分佈之均勻性之指標。
於本說明書中，「位錯」及「位錯密度」分別係指藉由對主表面應用多光子激發光致發光法而識別到之「貫通位錯」、及「該貫通位錯之主表面每1 cm 2之數」。關於上述「貫通位錯」，已知於氮化鎵單晶中成為非發光再結合中心，於利用多光子激發顯微鏡等觀察GaN單晶基板之主表面之情形時作為暗點出現。上述「貫通位錯」於學術上不與晶體缺陷同義，但於本技術領域中可理解為與晶體缺陷等價。以下，對上述GaN單晶基板之位錯密度之具體算出方法進行說明。
此處，本發明人等注意到無論GaN單晶基板之尺寸之大小如何，均能夠將第1主表面整面作為對象，因此，能夠恰當算出上述位錯密度之手法。具體而言，首先將第1主表面中存在100個位錯之面積設定為作為用於算出上述位錯密度之基準之面積(以下，亦記作「基準面積」)，以小於該基準面積之單位面積(例如，基準面積之30%之面積)求出位錯密度(於本說明書中，亦記作「本發明之位錯密度」)，算出其平均值及標準偏差。於該情形時，發現所算出之位錯密度之平均值及標準偏差成為恰當反映GaN單晶基板之第1主表面整面之位錯密度之平均值及標準偏差的值。
圖3係對本實施方式之氮化鎵單晶基板中為了求出基準面積而設定的主表面上之9個部位之第1測定區域及其中心點之座標(X,Y)進行說明的說明圖。圖4係對為了求出本實施方式之氮化鎵單晶基板之位錯密度而於主表面上使1邊為2 mm之正方形以彼此不重疊地排列最多之方式密鋪的假想格子、及第2測定區域進行說明的說明圖。本實施方式之GaN單晶基板之位錯密度係參照圖3及圖4，藉由以下要領而求出。
首先，如圖3所示，設定第1主表面11上之9個部位之第1測定區域A1，測定第1測定區域A1各者中之位錯之數。於圖3中，第1測定區域A1係包含1邊為100 μm之正方形之區域。又，將GaN單晶基板1之直徑設為D，將通過上述第1主表面之中心並於上述中心正交之第1主表面11上之2軸設為X軸及Y軸時，第1測定區域A1之中心點C之X軸及Y軸之座標(X, Y)為(0, 0)、(D/4-5, 0)、(0, D/4-5)、(-(D/4-5), 0)、(0, -(D/4-5))、(D/2-10, 0)、(0, D/2-10)、(-(D/2-10), 0)、及(0, -(D/2-10))。再者，上述D、以及上述座標(X, Y)中之X及Y之單位為mm。
上述位錯之數係藉由以下方法而求出。對GaN單晶基板1之第1主表面11應用多光子激發光致發光法，使用多光子激發顯微鏡觀察上述第1主表面11上設定之上述第1測定區域A1。上述觀察係使用例如倍率5倍之物鏡而進行。於該情形時，與本顯微鏡連接之外部監視器上映出之圖像(1個視野)係與上述GaN單晶基板1之第1主表面11中包含上述第1測定區域A1之2.5 mm×2.0 mm之範圍對應之圖像。因此，對將上述圖像之中央部分(可視作第1測定區域A1之0.1 mm×0.1 mm之尺寸)電子放大之圖像中出現之暗點之數、即位錯之數進行計數。其中，於放大之上述圖像之畫質較差之情形時，藉由將上述物鏡之倍率設為10～100倍而獲得高倍率圖像，進而亦結合電子放大，從而對該高倍率圖像之中央部分(可視作第1測定區域A1之0.1 mm×0.1 mm之尺寸)之暗點之數進行計數。繼而，求出於9個部位之第1測定區域A1測得之暗點之總數，將其換算為上述位錯之每1 cm 2之數，藉此求出位錯密度，且根據上述位錯密度求出基準面積。作為基準面積之單位，例如設為μm 2。
然後，如圖4所示，於第1主表面11上形成使1邊為2 mm之正方形以彼此不重疊地排列最多之方式密鋪的假想格子G。此處，所謂於第1主表面11上「使正方形以彼此不重疊地排列最多之方式密鋪」，係指於在第1主表面11上使上述正方形以於不相互重疊之情況下排列之方式密鋪之情形時，上述正方形與第1主表面11之外周及其外側重疊時，將該正方形自構成假想格子G之要素中排除。其原因在於：GaN單晶基板1之包含第1主表面11之外周等之外周附近之區域係根據基板之不同而位錯之數之變動較大，且通常不用作半導體器件之材料的區域。
進而，於構成格子G之上述正方形之中央部分別設定第2測定區域A2。第2測定區域A2具有上述基準面積之30%之面積。繼而，使用上述多光子激發顯微鏡觀察上述第2測定區域A2。於該觀察中，以與本顯微鏡連接之外部監視器上映出之圖像(1個視野)中至少包含第2測定區域A2之尺寸之方式適當選擇上述物鏡之倍率。而且，對使用上述多光子激發顯微鏡觀察到之第2測定區域A2內出現之暗點、即位錯之數進行計數，且將上述暗點之數換算為每1 cm 2之位錯之數，藉此算出第2位錯密度。例如，於基準面積中之位錯密度為1.0×10 6cm -2之情形時，上述基準面積之30%之面積之第2測定區域A2之尺寸成為0.05 mm×0.05 mm。於該情形時，使用倍率100倍之物鏡於外部監視器上映出高倍率圖像(0.125 mm×0.1 mm之尺寸)，對該高倍率圖像之中央部分(0.05 mm×0.05 mm之尺寸)之暗點之數進行計數，將上述暗點之數換算為每1 cm 2之位錯之數，藉此算出第2位錯密度。然後，每次以2 mm間距於縱向及橫向上移動GaN單晶基板1時進行上述觀察，藉此將第1主表面11上之假想格子G中設定之全部第2測定區域A2作為對象而算出第2位錯密度。最後，根據針對每個上述第2測定區域算出之第2位錯密度，求出第2位錯密度之平均值及標準偏差。繼而，將第2位錯密度之平均值及標準偏差分別作為GaN單晶基板1之位錯密度之平均值及標準偏差，藉此求出變動率。
(摻雜劑：矽或鍺及載子濃度) 上述GaN單晶基板包含矽(Si)或鍺(Ga)。進而，上述GaN單晶基板之載子濃度為1×10 18cm -3以上。上述GaN單晶基板包含Si原子及Ge原子之兩者或任一者，該等原子之濃度較佳為1.0×10 18cm -3以上5.0×10 18cm -3以下。藉此，上述GaN單晶基板能夠藉由於包含Si及Ge之兩者或任一者之n型(供電子型)GaN單晶基板中抑制構成其之GaN單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將主表面整面有效活用作半導體器件之材料。尤其是，上述GaN單晶基板由於藉由以上述濃度範圍包含上述Si或Ge而容易形成n型電極等理由，故可作為適宜形成器件之GaN單晶基板進行提供。
上述GaN單晶基板可藉由於構成其之GaN單晶之磊晶生長時導入包含Si或Ga之至少任一者之氣體，而成為高載子濃度之n型GaN單晶基板。作為包含Si或Ga之氣體，例如，於Si摻雜之情形時，可例示：四氟化矽(SiF 4)氣體、四氯化矽(SiCl 4)氣體、二氯化矽(SiH 2Cl 2)氣體或矽烷(SiH 4)氣體。於Ge摻雜之情形時，可例示：四氟化鍺(GeF 4)氣體、四氯化鍺(GeCl 4)氣體、二氯化鍺(GeH 2Cl 2)氣體或鍺烷(GeH 4)氣體。Si或Ge之原子濃度係藉由使用GDMS(輝光放電質譜法)進行測定。上述GaN單晶基板之載子濃度係基於藉由Van der Pauw法而求出之上述GaN單晶基板之比電阻之測定值而算出。
[氮化鎵單晶基板之製造方法] 本實施方式之氮化鎵單晶基板(GaN單晶基板)之製造方法較佳為用於製造上述GaN單晶基板之製造方法。上述GaN單晶基板之製造方法包括準備氮化鎵單晶晶種基板(GaN單晶晶種基板)之步驟，該氮化鎵單晶晶種基板(GaN單晶晶種基板)包含氮化鎵單晶(GaN單晶)，且具有鎵(Ga)極性區域與氮(N)極性區域混合存在之第3主表面、及為氮(N)極性面之第4主表面。上述製造方法包括藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述N極性區域製成第1凹部的步驟。上述製造方法包括藉由使用氧化矽(SiO 2)被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述SiO 2之第1嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述SiO 2被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第1研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用氫化物氣相生長法(HVPE法)使上述GaN單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1氮化鎵單晶生長體(第1GaN單晶生長體)的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第1研磨面上之上述第1GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基底基板(GaN單晶基底基板)的步驟。
進而，上述GaN單晶基板之製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述GaN單晶於上述GaN單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2氮化鎵單晶生長體(第2GaN單晶生長體)的步驟。上述製造方法包括藉由使用SiO 2被覆上述第2GaN單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述SiO 2之第2嵌埋區域的步驟。上述製造方法包括藉由對由上述SiO 2被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第2研磨面的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使上述GaN單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3氮化鎵單晶生長體(第3GaN單晶生長體)的步驟。上述製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使上述GaN單晶於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4氮化鎵單晶生長體(第4GaN單晶生長體)的步驟。上述製造方法包括藉由取出上述第4GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得GaN單晶基板的步驟。
上述GaN單晶晶種基板之上述第3主表面中，上述Ga極性區域所占之面積大於上述N極性區域所占之面積，上述N極性區域係於上述第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心。構成上述GaN單晶晶種基板之上述GaN單晶之(0001)面係於自上述第3主表面側朝向上述第4主表面側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面。自上述第2彎曲面之中心，沿相對於上述GaN單晶之(1-100)面之法線於上述第2彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為11 m以上。
本發明人等作出了如下構思：將如上述專利文獻1中揭示之具有Ga極性區域與N極性區域混合存在之主表面之GaN單晶基板作為晶種基板，使用該晶種基板，利用HVPE法使GaN單晶生長，藉此由該GaN單晶製造GaN單晶基板。本發明人等發現，基於該構思而製造之上述GaN單晶基板延續了上述晶種基板之GaN單晶之(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦之特性，並能夠抑制上述(0001)面之翹曲。進而，由於在將位錯集中區域即上述N極性區域遮蔽之基礎上，使GaN單晶生長，故能夠使上述GaN單晶基板之主表面整面低位錯化。藉此，本發明人等實現了能夠藉由抑制GaN單晶中之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且能夠將主表面整面有效活用作半導體器件之材料的GaN單晶基板。
關於上述GaN單晶基板之製造方法，基於良率良好地製造具有上述效果之GaN單晶基板之觀點而言，例如較佳為具有如圖5之流程圖所示之步驟。圖5係表示本實施方式之氮化鎵單晶基板之製造方法之一部分的流程圖。即，上述GaN單晶基板之製造方法包括準備GaN單晶晶種基板的步驟S10(第1步驟)，該GaN單晶晶種基板包含GaN單晶，且具有Ga極性區域與N極性區域混合存在之第3主表面、及為N極性面之第4主表面。上述製造方法包括藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述N極性區域製成第1凹部的步驟S20(第2步驟)。上述製造方法包括藉由使用SiO 2被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述SiO 2之第1嵌埋區域的步驟S30(第3步驟)。上述製造方法包括藉由對由上述SiO 2被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第1研磨面的步驟S40(第4步驟)。上述製造方法包括藉由使用HVPE法使上述GaN單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1GaN單晶生長體的步驟S50(第5步驟)。上述製造方法包括藉由取出上述第1研磨面上之上述第1GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得GaN單晶基底基板的步驟S60(第6步驟)。
進而，關於上述GaN單晶基板之製造方法，基於除上述效果以外，還具備主表面整面為低位錯之特性之觀點而言，可繼上述獲得GaN單晶基底基板的步驟S60(第6步驟)之後，包含例如如圖6之流程圖所示之步驟。圖6係表示圖5所示之氮化鎵單晶基板之製造方法之剩餘部分的流程圖。即，上述GaN單晶基板之製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述GaN單晶於上述GaN單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2氮化鎵單晶生長體(第2GaN單晶生長體)的步驟S70(第7步驟)。上述製造方法包括藉由使用SiO 2被覆上述第2GaN單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述SiO 2之第2嵌埋區域的步驟S80(第8步驟)。上述製造方法包括藉由對由上述SiO 2被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第2研磨面的步驟S90(第9步驟)。上述製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使上述GaN單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3氮化鎵單晶生長體(第3GaN單晶生長體)的步驟S100(第10步驟)。上述製造方法包括藉由使用上述HVPE法，使上述GaN單晶於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4氮化鎵單晶生長體(第4GaN單晶生長體)的步驟S110(第11步驟)。上述製造方法包括藉由取出上述第4GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得GaN單晶基板的步驟S120(第12步驟)。再者，上述GaN單晶基板較佳為具有[氮化鎵單晶基板]之項目中說明之為Ga極性面之第1主表面、及為N極性面之第2主表面。以下，依序對各步驟進行說明。
＜第1步驟＞ 第1步驟係準備GaN單晶晶種基板的步驟S10，該GaN單晶晶種基板包含GaN單晶，且具有Ga極性區域與N極性區域混合存在之第3主表面、及為N極性面之第4主表面。於本步驟中，準備用於使構成上述GaN單晶基板之GaN單晶生長之晶種基板。具體而言，例如，按照上述專利文獻1之[實施例1]中記載之步驟製造GaN單晶基板，藉此可準備其作為GaN單晶晶種基板。其中，於上述專利文獻1之[實施例1]中，用於準備上述GaN單晶晶種基板之生長用基板係藍寶石基板，但於上述第1步驟中，並不限定於此，可使用各種生長用基板。作為該生長用基板之材質，只要為能夠使GaN單晶生長之基板即可，並無特別限制。例如，作為生長用基板，除藍寶石基板以外，還可使用砷化鎵(GaAs)基板等使用與GaN不同之材料(異種材料)之異種基板。作為生長用基板，亦可採用使用GaN(同種材料)之同種基板。此外，作為生長用基板，亦可使用氮化鋁(AlN)基板、碳化矽(SiC)基板、硼化鋯(ZrB 2)基板、氧化矽/氧化鋁(SiO 2/Al 2O 3)燒結體基板、鉬(Mo)基板等。
例如，上述GaN單晶晶種基板可藉由以下方法進行準備。首先，於厚度400 μm左右之包含GaAs之生長用基板上，藉由MOCVD法(有機金屬CVD法)等先前公知之方法，成膜包含GaN之GaN膜。然後，於上述GaN膜上，配置包含氧化矽(SiO 2)之遮罩，該遮罩具有一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子彼此不重疊地上下左右排列之形狀，並於上述正方格子之各格子點具有直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域。此時，遮罩較佳為以上述正方格子之任一邊與構成上述生長用基板之GaAs單晶之＜1-100＞方向平行之方式配置於上述GaN膜上。然後，使用HVPE法，於上述GaN膜上，使作為緩衝層之厚度50～100 nm之GaN單晶於特定之氣體條件(例如，GaCl氣體分壓：0.05～3 kPa、NH 3氣體分壓：5～20 kPa、H 2氣體分壓：80～100 kPa)下於500℃左右之低溫下磊晶生長30分鐘～2小時左右。繼而，使用HVPE法，於上述緩衝層上，使厚度1～20 mm之GaN單晶於特定之氣體條件(例如，GaCl氣體分壓：2～4 kPa、NH 3氣體分壓：5～20 kPa、H 2氣體分壓：80～100 kPa)下於1000℃左右磊晶生長100小時左右。其後，對上述GaN單晶之生長用基板側進行研削，將遮罩、GaN膜及生長用基板去除。進而，GaN單晶之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。
藉此，可準備具有圓形狀之第3主表面及第4主表面之GaN單晶晶種基板。GaN單晶晶種基板之研削及研磨可應用先前公知之方法。GaN單晶晶種基板之生長方位通常為＜0001＞方向。
圖7係對本實施方式之氮化鎵單晶基板之製造方法中使用之氮化鎵單晶晶種基板進行說明的剖面模式圖。根據圖7，可藉由上述第1步驟進行準備之GaN單晶晶種基板具有如下特徵。即，上述GaN單晶晶種基板100包含GaN單晶，且具有Ga極性區域31a與N極性區域31b混合存在之第3主表面31、及為N極性面之第4主表面41。第3主表面31中，Ga極性區域31a所占之面積大於N極性區域31b所占之面積。N極性區域31b於第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心，但省略了圖示。即，N極性區域之上述第3主表面之面內之態樣具有如下之規則圖案，即作為彼此不重疊地上下左右排列之正方格子之各格子點存在。尤其是，N極性區域較佳為具有如下之規則圖案，即於第3主表面之面內，作為彼此不重疊地上下左右排列之一邊為500 μm以上750 μm以下之正方格子之各格子點存在。N極性區域較佳為直徑50 μm以上100 μm以下之圓形區域。
關於N極性區域之直徑、及N極性區域所具有之上述圖案，由於在第3主表面中G極性區域與N極性區域具有不同組成，故可藉由使用螢光顯微鏡之以下方法進行特定。具體而言，可藉由對第3主表面照射下述條件之波長之螢光，而以出現濃淡不同之2個區域(Ga極性區域及N極性區域)為指標來特定第3主表面上之N極性區域之直徑、及N極性區域所具有之圖案。
首先，例如，按照上述第1步驟獲得具備第3主表面及第4主表面之GaN單晶晶種基板，藉此準備作為測定對象之GaN單晶晶種基板。然後，使用螢光顯微鏡像映射裝置(例如，商品名：「LEICA DM6000M」、Leica公司製造)，於下述條件、且1個視野之大小成為2.5 mm×1.9 mm之倍率下觀察上述GaN單晶晶種基板之第3主表面。藉由使GaN單晶晶種基板移動等而不重複且無遺漏地進行上述觀察，藉此將第3主表面之整面全部作為測定對象。例如，於GaN單晶晶種基板之直徑為105 mm之情形時，視野之總數為41×54(＝2214個視野)。其中，於1個視野內出現第3主表面之外周及其外側之情形時，由於GaN單晶晶種基板之外周附近之特性之偏差較大，故將該視野自特定N極性區域所具有之圖案及N極性區域之直徑之兩者之對象中排除。
上述螢光顯微鏡像映射測定之各條件如下。 照射光：水銀燈產生之紫外激發(波長365 nm) 螢光波長區域：365～650 nm 溫度：室溫(25℃)。
此處，於氮化鎵單晶晶種基板100中，N極性區域31b有時為位錯集中區域。於該情形時，上述位錯集中區域中之位錯密度之平均值較佳為超過1×10 7cm -2。又，Ga極性區域31a中之位錯密度之平均值較佳為1×10 6cm -2以下。Ga極性區域31a中之位錯密度之平均值更佳為7×10 5cm -2以下。N極性區域31b中之位錯密度之平均值及Ga極性區域31a中之位錯密度之平均值例如藉由以下方法而求出。
首先，於熱壁型反應爐內之石英製或碳製試樣保持器上設置氮化鎵單晶晶種基板100，於特定之氣體條件下，於800℃左右進行蝕刻。藉此，於氮化鎵單晶晶種基板100上之Ga極性區域31a及N極性區域31b產生1～10 μm直徑之蝕坑。特定之氣體條件例如如下。 HCl氣體分壓：1～10 kPa H 2氣體分壓：90～100 kPa 保持時間：1～5分鐘。
然後，藉由使用特定倍率之光學顯微鏡，計測氮化鎵單晶晶種基板100上產生之蝕坑之數。於計測上述蝕坑之數時，將1個視野設為500 μm見方，無間隙地拍攝氮化鎵單晶晶種基板100之整面。即，與本顯微鏡連接之外部監視器上映出之圖像(1個視野)成為映出氮化鎵單晶晶種基板100上之500 μm×500 μm之範圍之圖像。繼而，於Ga極性區域31a中，將上述圖像之中央部之100 μm見方作為對象，對蝕坑之數進行計數。其中，於上述100 μm見方中包含氮化鎵單晶晶種基板100之最外周部分、較該最外周部分更靠外側、或N極性區域31b之至少任一者之情形時，將該等自對蝕坑之數進行計數之對象中排除。另一方面，於上述圖像中發現位錯明顯集中之區域之情形時，將其視作N極性區域31b，將該區域之中央部之25 μm見方作為對象，對蝕坑之數進行計數。將藉此獲得之蝕坑之數換算為每1 cm 2之位錯之數，藉此，求出該等作為上述圖像中之Ga極性區域31a及N極性區域31b之位錯密度。最後，每次於縱向及橫向上以500 μm間距移動氮化鎵單晶晶種基板100時進行上述之蝕坑之數之計測。藉此，求出各圖像中之Ga極性區域31a及N極性區域31b之位錯密度，藉此求出Ga極性區域31a及N極性區域31b各者之位錯密度之平均值。
進而，構成GaN單晶晶種基板100之上述GaN單晶之(0001)面係於自第3主表面31側朝向第4主表面41側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面61。於GaN單晶晶種基板100中，自第2彎曲面61之中心，沿相對於GaN單晶之(1-100)面之法線於第2彎曲面61上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為11 m以上。因此，GaN單晶晶種基板100之第2彎曲面61(GaN單晶之(0001)面)具有幾乎不彎曲而呈平坦之態樣。此處，第3曲線之曲率半徑係藉由以下方法而求出。即，第1測定點係設定於與GaN單晶晶種基板100之第2彎曲面61之中心對應之第3主表面31之中心。進而，第2測定點及第3測定點係分別設定在與自上述第2彎曲面61之中心，沿相對於上述GaN單晶之(1-100)面之法線於上述第2彎曲面61上在2個方向上各延伸20 mm的線段之頭端對應的第3主表面31上之點處。於該等設定下，第3曲線之曲率半徑係藉由與上述之GaN單晶基板1中之第1曲線之曲率半徑之求出方法相同之要領而求出。
＜第2步驟＞ 如圖5所示，第2步驟係藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述N極性區域製成第1凹部的步驟S20。於本步驟中，為了於後續步驟中由SiO 2遮蔽上述N極性區域，而進行將上述第3主表面上之各上述N極性區域製成第1凹部之蝕刻。具體而言，於熱壁型反應爐內之石英製或碳製試樣保持器上設置氮化鎵單晶晶種基板100，將上述反應爐內加熱至850℃左右後，於下述氣體條件下進行蝕刻。 HCl氣體分壓：1～10 kPa H 2氣體分壓：90～100 kPa 保持時間：5～10分鐘。 根據上述蝕刻方法，可選擇性地蝕刻上述第3主表面內之G極性區域及N極性區域中之上述N極性區域。
＜第3步驟＞ 第3步驟係藉由使用SiO 2被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述SiO 2之第1嵌埋區域的步驟S30。於本步驟中，使用SiO 2被覆上述第3主表面之整面，藉此上述N極性區域由SiO 2遮蔽。藉此，於下述之獲得第1GaN單晶生長體的步驟S50(第5步驟)中，上述GaN單晶晶種基板之第3主表面內之位錯集中區域即N極性區域中存在之位錯幾乎不會傳播至生長中之GaN單晶。藉此，可獲得不於主表面出現N極性區域之第1GaN單晶生長體。於本步驟中，例如，可於第3主表面上，藉由電漿CVD(Chemical Vapor Deposition)法等，形成包含SiO 2之化學蒸鍍膜。藉此，可形成於上述第1凹部嵌埋有上述SiO 2之第1嵌埋區域。
＜第4步驟＞ 第4步驟係藉由對由上述SiO 2被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第1研磨面的步驟S40。藉由本步驟，可獲得上述第3主表面中僅上述N極性區域由SiO 2遮蔽之第1研磨面。用於獲得第1研磨面之具體研磨方法只要為能夠將上述第3主表面中除第1嵌埋區域以外之區域之SiO 2去除之方法即可，可無特別限制地應用先前公知之研磨方法。
＜第5步驟＞ 第5步驟係藉由使用HVPE法使上述GaN單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1GaN單晶生長體的步驟S50。於本步驟中，於由SiO 2遮蔽上述N極性區域之GaN單晶晶種基板上，使用HVPE法使GaN單晶磊晶生長。藉此，於N極性區域中存在之位錯幾乎不會傳播至GaN單晶之情況下使GaN單晶磊晶生長，藉此可獲得不於生長面出現N極性區域之第1GaN單晶生長體。第1GaN單晶生長體之生長方位可設為＜0001＞方向。
於本步驟中，具體而言，使用HVPE法，於由SiO 2遮蔽上述N極性區域之GaN單晶晶種基板上，使作為緩衝層之厚度50～100 nm之GaN單晶於特定之氣體條件下，於500℃左右之低溫下首先生長。例如，於熱壁型反應爐內之石英製或碳製試樣保持器上，設置由SiO 2遮蔽上述N極性區域之GaN單晶晶種基板，將上述GaN單晶晶種基板加熱至500℃左右。然後，針對設置於上述反應爐內之上游側晶舟內之金屬Ga，以氫(H 2)氣體作為載氣而吹送氯化氫(HCl)氣體，藉此生成氯化鎵(GaCl)氣體。進而，向上述反應爐內導入NH 3氣體。繼而，上述GaCl氣體及NH 3氣體以H 2氣體作為載氣而供給至上述GaN單晶晶種基板，藉此，於上述GaN單晶晶種基板之第3主表面上，使包含GaN單晶之緩衝層磊晶生長。上述緩衝層之厚度可藉由控制GaCl氣體及NH 3氣體之供給量、或時間來進行調整。基於HVPE法之緩衝層之磊晶生長條件例如如下。 GaCl氣體分壓：0.05～3 kPa NH 3氣體分壓：5～20 kPa H 2氣體分壓：80～100 kPa 生長時間(保持時間)：0.5～1.5小時。
於本步驟中，進而，繼續使用HVPE法，於上述緩衝層上，使厚度1～20 mm之GaN單晶於特定之氣體條件下，於1000℃左右磊晶生長。例如，針對上述熱壁型反應爐內之形成有緩衝層之GaN單晶晶種基板，將上述GaN單晶晶種基板加熱至1000℃左右。然後，針對設置於上述反應爐內之上游側晶舟內之金屬Ga，以H 2氣體作為載氣而吹送HCl氣體，藉此生成GaCl氣體。進而，向上述反應爐內導入NH 3氣體。繼而，上述GaCl氣體及NH 3氣體以H 2氣體作為載氣而供給至上述GaN單晶晶種基板，藉此，於上述GaN單晶晶種基板之緩衝層側，使GaN單晶磊晶生長。上述GaN單晶之厚度可藉由控制GaCl氣體及NH 3氣體之供給量、或時間來進行調整。基於HVPE法之GaN單晶之磊晶生長條件例如如下。 GaCl氣體分壓：1～5 kPa NH 3氣體分壓：6～24 kPa H 2氣體分壓：80～100 kPa 生長時間(保持時間)：50～200小時。
＜第6步驟＞ 第6步驟係藉由取出上述第1研磨面上之上述第1GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得GaN單晶基底基板的步驟S60。藉由本步驟，可獲得延續GaN單晶晶種基板之GaN單晶之(0001)面幾乎不彎曲而呈平坦之特性且於與上述第1GaN單晶生長體之生長面對應之主表面(以下，亦記作「第5主表面」)不出現N極性區域的GaN單晶基底基板。再者，GaN單晶基底基板可於第5主表面之相反側具有為N極性面之圓形狀之主表面(以下，亦記作「第6主表面」)。於本步驟中，具體而言，可對上述第1GaN單晶生長體之GaN單晶晶種基板側進行研削，而將該GaN單晶晶種基板去除，進而，第1GaN單晶生長體之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。第1GaN單晶生長體之研削及研磨可應用先前公知之方法。
藉由第6步驟，例如可獲得厚度1～20 mm之GaN單晶基底基板。於該情形時，上述GaN單晶基底基板可具有為圓形狀且為Ga極性面之第5主表面作為與上述第1GaN單晶生長體之生長面對應之主表面。第5主表面之面內局部存在位錯相對集中之區域(以下，亦記作「高位錯密度區域」)。進而，於上述GaN單晶基底基板中，構成其之氮化鎵單晶之(0001)面可成為於自上述第5主表面側朝向上述第6主表面側之方向上凸起之球面狀之彎曲面。自該彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之曲線之曲率半徑、及自上述彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之曲線之曲率半徑均可成為38 m以上。進而，上述2個曲線之比之值可成為0.4以上2.5以下。
＜第7步驟＞ 如上所述，上述GaN單晶基板之製造方法繼上述獲得GaN單晶基底基板的步驟S60(第6步驟)之後，包含例如圖6所示之步驟(第7步驟～第12步驟：S70～S120)。藉此，可獲得第1主表面整面中之位錯密度降低之GaN單晶基板。
如圖6所示，第7步驟係藉由使用上述HVPE法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述GaN單晶於上述GaN單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2GaN單晶生長體的步驟S70。於本步驟中，為了於後續步驟中由SiO 2選擇性地遮蔽第5主表面內之高位錯密度區域，而於上述GaN單晶基底基板上使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述GaN單晶(以下，亦記作「極短磊晶層」)生長。於使用HVPE法使上述極短磊晶層生長之情形時，於第5主表面內之高位錯密度區域上生長之GaN單晶與於第5主表面內之上述高位錯密度區域以外之區域上生長之GaN單晶相比，生長速度變慢。因此，於上述極短磊晶層之表面，在與第5主表面內之高位錯密度區域對應之位置出現凹部。即，可於與第5主表面內之高位錯密度區域對應之上述極短磊晶層之表面之位置形成第2凹部。上述第2凹部之直徑例如可使用掃描式電子顯微鏡進行測定，較佳為10～40 μm。具體而言，使用以下方法，使厚度20～40 nm之極短磊晶層於上述GaN單晶基板上生長，藉此可形成第2凹部。
即，使用HVPE法，於上述GaN單晶基底基板上，使厚度20～40 nm之極短磊晶層於特定之氣體條件下，於1000℃左右之低溫下生長。例如，於熱壁型反應爐內之石英製或碳製試樣保持器上設置上述GaN單晶基底基板，將上述GaN單晶基板加熱至1000℃左右。然後，針對設置於上述反應爐內之上游側晶舟內之金屬Ga，以H 2氣體及N 2氣體作為載氣而吹送HCl氣體，藉此生成GaCl氣體。進而，向上述反應爐內導入NH 3氣體。繼而，上述GaCl氣體及NH 3氣體以H 2氣體及N 2氣體作為載氣而供給至上述GaN單晶基板，藉此，於上述GaN單晶基底基板之第5主表面上，使包含GaN單晶之極短磊晶層磊晶生長。上述極短磊晶層之厚度可藉由控制GaCl氣體及NH 3氣體之供給量、或時間來進行調整。基於HVPE法之極短磊晶層之磊晶生長條件例如如下。 GaCl氣體分壓：0.3～0.7 kPa NH 3氣體分壓：3～6 kPa H 2氣體分壓：10～30 kPa N 2氣體分壓：70～100 kPa 生長時間(保持時間)：1～3小時。
＜第8步驟＞ 第8步驟係藉由使用SiO 2被覆上述第2GaN單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述SiO 2之第2嵌埋區域的步驟S80。於本步驟中，使用SiO 2被覆上述第2GaN單晶生長體之上述生長面整面，藉此由SiO 2遮蔽上述第2凹部。藉此，於下述獲得第3GaN單晶生長體的步驟S100(第10步驟)中，上述GaN單晶基底基板之第5主表面內之高位錯密度區域中存在之位錯幾乎不會傳播至生長中之GaN單晶。於本步驟中，例如，可於第5主表面上，藉由電漿CVD法等，形成包含SiO 2之化學蒸鍍。藉此，可形成於上述第2凹部嵌埋有上述SiO 2之第2嵌埋區域。
＜第9步驟＞ 第9步驟係藉由對由上述SiO 2被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第2研磨面的步驟S90。藉由本步驟，可獲得僅上述第5主表面之中高位錯密度區域由SiO 2遮蔽之第2研磨面。用於獲得第2研磨面之具體研磨方法只要為能夠將上述第5主表面中除第2嵌埋區域以外之區域之SiO 2去除之方法即可，可無特別限制地應用先前公知之研磨方法。
＜第10步驟＞ 第10步驟係藉由使用上述HVPE法，使上述GaN單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3GaN單晶生長體的步驟S100。具體而言，獲得第3氮化鎵單晶生長體的步驟S100係於下述第1生長條件下使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長之步驟，可藉由於成為如下所示之高V/III比之第1生長條件下執行HVPE法，而使厚度為10～50 μm且於表面具有刻面結構之GaN單晶於上述第2研磨面上生長。
基於下述第1生長條件之HVPE法例如藉由以下要領而進行。首先，於熱壁型反應爐內之石英製或碳製試樣保持器上，設置以第5主表面作為上述第2研磨面之GaN單晶基底基板，將該GaN單晶基底基板加熱至1000℃左右。然後，針對設置於上述反應爐內之上游側晶舟內之金屬Ga，以H 2氣體及N 2氣體作為載氣而吹送HCl氣體，藉此生成GaCl氣體。進而，向上述反應爐內導入NH 3氣體。繼而，上述GaCl氣體及NH 3氣體以H 2氣體及N 2氣體作為載氣而供給至上述GaN單晶基底基板，藉此，於上述第2研磨面上使表面具有刻面結構之GaN單晶磊晶生長。上述GaN單晶之厚度可藉由控制GaCl氣體及NH 3氣體之供給量、或時間來進行調整。第1生長條件例如可設為如下。 GaCl氣體分壓：1～5 kPa NH 3氣體分壓：5～10 kPa H 2氣體分壓：10～50 kPa N 2氣體分壓：50～100 kPa 生長時間(保持時間)：5～30分鐘。 生長溫度：900～1100℃ V/III(NH 3氣體/GaCl氣體)比：2～9。
上述第1生長條件中之上述GaCl氣體分壓較佳為1～3 kPa，上述NH 3氣體分壓較佳為7～9 kPa。上述第1生長條件中之上述生長溫度較佳為1000～1050℃，上述V/III比較佳為3～8。
＜第11步驟＞ 第11步驟係藉由使上述GaN單晶於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4GaN單晶生長體的步驟S110。於本步驟中，於下述第2生長條件下，使GaN單晶於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上生長。具體而言，可藉由於成為如下所示之低V/III比之第2生長條件下執行HVPE法，而使厚度為5～50 mm且具有平坦面之GaN單晶於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上生長。
基於下述第2生長條件之HVPE法除下述之具體之氣體分壓、生長溫度、及生長速度等各條件、以及於反應爐內生成包含作為摻雜劑之金屬原子(Si及Ge之兩者或任一者)及氯之混合氣體以外，可藉由與基於上述第1生長條件之HVPE法相同之要領而進行。再者，於第2生長條件下，對於熱壁型反應爐內，亦以特定之氣體分壓供給四氟化矽(SiF 4)氣體。再者，於添加Ge之情形時，可與SiF 4氣體同樣地以特定之氣體分壓供給四氟化鍺(GeF 4)氣體。藉此，可使添加有Si原子或Ge原子作為摻雜劑之GaN單晶生長，藉此獲得具有平坦面之第4GaN單晶生長體。上述第4GaN單晶生長體之厚度可藉由控制GaCl氣體及NH 3氣體之供給量、或時間來進行調整。第2生長條件例如可設為如下。 GaCl氣體分壓：5～10 kPa NH 3氣體分壓：5～10 kPa H 2氣體分壓：10～20 kPa N 2氣體分壓：30～100 kPa SiF 4氣體分壓：1～5 kPa 生長時間(保持時間)：50～150小時 生長溫度：900～1100℃ V/III(NH 3氣體/GaCl氣體)比：1～2。
上述第2生長條件中之上述GaCl氣體分壓較佳為7～9 kPa，上述NH 3氣體分壓較佳為7～9 kPa。上述SiF 4氣體分壓較佳為1～3 kPa。上述第2生長條件中之上述生長溫度較佳為1000～1050℃，上述V/III比較佳為1～1.5。
＜第12步驟＞ 第12步驟係藉由取出上述第4GaN單晶生長體之至少一部分，而獲得GaN單晶基板的步驟S120。藉由本步驟，例如可獲得具有為Ga極性面之第1主表面、及為N極性面之第2主表面，且第1主表面整面成為低位錯的GaN單晶基板。於本步驟中，具體而言，對第4GaN單晶生長體之GaN單晶基底基板側進行研削，而將該GaN單晶基底基板去除。進而，第4GaN單晶生長體之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。第4GaN單晶生長體之研削及研磨可應用先前公知之方法。
藉由本步驟獲得之上述GaN單晶基板可延續上述GaN單晶基底基板之特性，並且包含Si或Ge作為摻雜劑，且載子濃度成為1×10 18cm -3以上。進而，構成上述GaN單晶基板之GaN單晶之(0001)面可成為於自上述第1主表面側朝向上述第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面。自該第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均可成為38 m以上。進而，上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率可成為0.4以上2.5以下。
此外，於上述GaN單晶基板中，第1主表面之位錯密度之平均值成為4.0×10 5cm -2以下。進而，第1主表面之位錯密度之平均值及標準偏差較佳為滿足標準偏差/平均值≦0.6之關係。藉此，可獲得第1主表面整面為低位錯之上述GaN單晶基板。根據以上，藉由本實施方式製造之上述GaN單晶基板能夠藉由抑制構成其之GaN單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性。上述GaN單晶基板能夠藉由於第1主表面整面降低位錯密度而將第1主表面整面有效活用作半導體器件之材料。 [實施例]
以下，例舉實施例更詳細地說明本發明，但本發明並不限定於該等。於本實施例中，執行以下之GaN單晶基板之製造方法，藉此分別獲得所需個數之試樣1～試樣7及試樣101～試樣110之GaN單晶基板。
[試樣1：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] ＜第1步驟：準備GaN單晶晶種基板之步驟＞ 獲取市售之直徑50.8 mm、厚度400 μm之GaAs單晶基板作為生長用基板，於該生長用基板上，使用MOCVD法形成GaN膜。上述GaN膜之主表面之面方位為(0001)面。繼而，於上述GaN膜之主表面上，應用電漿CVD法，配置包含SiO 2之遮罩，該遮罩具有一邊為400 μm之正方格子彼此不重疊地上下左右排列之形狀，且於上述正方格子之各格子點具有直徑50 μm之圓形區域。此時，使構成遮罩之上述正方格子之任一邊與構成上述生長用基板之GaAs單晶之＜1-100＞方向平行。
然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之碳製試樣保持器上設置形成有上述GaN膜之生長用基板，於上述GaN膜上，使作為緩衝層之厚度60 nm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：0.1 kPa NH 3氣體分壓：10 kPa H 2氣體分壓：90 kPa 生長溫度：490℃ 生長時間(保持時間)：1小時。
進而，使用HVPE法，於上述緩衝層上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：3 kPa NH 3氣體分壓：12 kPa H 2氣體分壓：85 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
其後，藉由先前公知之方法，對上述GaN單晶之生長用基板側進行研削，將遮罩、GaN膜及生長用基板去除。進而，上述GaN單晶之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，準備直徑50.8 mm及厚度400 μm且具有圓形狀之第3主表面及第4主表面之GaN單晶晶種基板。上述GaN單晶晶種基板具有如下特徵。即，上述GaN單晶晶種基板具有Ga極性區域與N極性區域混合存在之第3主表面、及為N極性面之第4主表面。藉由上述特定方法，確認到第3主表面中，Ga極性區域所占之面積大於N極性區域所占之面積。進而，亦確認到N極性區域於第3主表面之面內以直徑50 μm之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為400 μm之正方格子之各格子點作為中心。藉由上述測定方法，認定N極性區域中之位錯密度之平均值為2.0×10 7cm -2而為位錯集中區域。Ga極性區域中之位錯密度之平均值為7.0×10 5cm -2。
此外，構成GaN單晶晶種基板之上述GaN單晶之(0001)面具有於自第3主表面側朝向第4主表面側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面。藉由上述測定方法，確認到自該第2彎曲面之中心，沿相對於GaN單晶之(1-100)面之法線於第2彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為71 m。
＜第2步驟：將N極性區域製成第1凹部之步驟＞ 使用上述方法對上述GaN單晶晶種基板之第3主表面進行蝕刻。藉此，將第3主表面上之各N極性區域製成第1凹部。第3主表面中之第1凹部之直徑為50 μm。
＜第3步驟：形成第1嵌埋區域之步驟＞ 於形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，使用電漿CVD法形成包含SiO 2之化學蒸鍍膜，藉此形成於上述第1凹部嵌埋有上述SiO 2之第1嵌埋區域。
＜第4步驟：獲得第1研磨面之步驟＞ 繼而，使用先前公知之研磨方法對由上述SiO 2被覆之上述第3主表面進行研磨，藉此將上述第3主表面製成除上述第1嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第1研磨面。
＜第5步驟：獲得第1GaN單晶生長體之步驟＞ 使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之碳製試樣保持器上設置以上述第3主表面作為第1研磨面之GaN單晶晶種基板，於上述第1研磨面上，使作為緩衝層之厚度60 nm之GaN單晶之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：0.1 kPa NH 3氣體分壓：10 kPa H 2氣體分壓：90 kPa 生長溫度：490℃ 生長時間(保持時間)：1小時。
進而，使用HVPE法，於上述緩衝層上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。藉此獲得第1GaN單晶生長體。 GaCl氣體分壓：3 kPa NH 3氣體分壓：12 kPa H 2氣體分壓：85 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
＜第6步驟：獲得GaN單晶基底基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述第1GaN單晶生長體之GaN單晶晶種基板側進行研削，而將該GaN單晶晶種基板去除。進而，第1GaN單晶生長體之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得厚度800 μm且具有圓形狀之第5主表面及第6主表面之GaN單晶基底基板。此處，關於上述GaN單晶基底基板，藉由上述使用螢光顯微鏡之方法，確認到與上述第1GaN單晶生長體之生長面對應之第5主表面不具有N極性區域，而為Ga極性面。其中，藉由上述使用蝕坑觀察之位錯密度之測定方法，確認到於第5主表面之面內局部存在位錯較其他區域集中之高位錯密度區域。
＜第7步驟：獲得第2GaN單晶生長體之步驟＞ 使用上述HVPE法，於熱壁型反應爐內之碳製試樣保持器上設置上述GaN單晶基底基板，於上述GaN單晶基底基板上，使作為極短磊晶層之具有30 μm之厚度之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。藉此，於上述極短磊晶層之表面，在與第5主表面內之高位錯密度區域對應之位置形成第2凹部。關於上述第2凹部之直徑，藉由使用掃描式電子顯微鏡，確認到為20～30 μm。 GaCl氣體分壓：0.5 kPa NH 3氣體分壓：4 kPa H 2氣體分壓：19 kPa N 2氣體分壓：77 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：2小時。
＜第8步驟：形成第2嵌埋區域之步驟＞ 於形成有上述第2凹部之上述第5主表面之整面，使用電漿CVD法形成包含SiO 2之化學蒸鍍膜，藉此形成於上述第2凹部嵌埋有上述SiO 2之第2嵌埋區域。
＜第9步驟：獲得第2研磨面之步驟＞ 繼而，使用先前公知之研磨方法對由上述SiO 2被覆之上述第5主表面進行研磨，藉此將上述第5主表面製成除上述第2嵌埋區域以外之上述SiO 2被去除之第2研磨面。
＜第10步驟：獲得第3GaN單晶生長體之步驟＞ 使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之碳製試樣保持器上，設置以上述第5主表面作為第2研磨面之GaN單晶基底基板，於上述第2研磨面上，使具有刻面結構之厚度20 μm之GaN單晶於以下條件(第1生長條件)下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。藉此獲得第3GaN單晶生長體。 GaCl氣體分壓：2 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：20 kPa N 2氣體分壓：79 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：20分鐘。
＜第11步驟：獲得第4GaN單晶生長體之步驟＞ 繼而，使用HVPE法，於上述第3GaN單晶生長體之上述表面上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件(第2生長條件)下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。再者，於第2生長條件下，亦按以下之氣體分壓供給四氟化矽(SiF 4)氣體至熱壁型反應爐內。藉此獲得具有平坦面之第4GaN單晶生長體。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：12 kPa N 2氣體分壓：49 kPa SiF 4氣體分壓：3 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。 生長速度：100 μm/小時。
＜第12步驟：獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述第4GaN單晶生長體之GaN單晶基底基板側進行研削，將該GaN單晶基底基板去除。進而，第4GaN單晶生長體之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及400 μm且具有圓形狀之第1主表面及第2主表面的試樣1之GaN單晶基板。
關於試樣1之GaN單晶基板，藉由上述測定方法等進行分析之結果，具有以下特徵。即，上述GaN單晶基板之第1主表面為鎵極性面，第2主表面為氮極性面。上述GaN單晶基板包含Si，其載子濃度為2.0×10 18cm -3。於構成上述GaN單晶基板之GaN單晶之(0001)面之第1彎曲面中，第1曲線之曲率半徑為114 m，第2曲線之曲率半徑為57 m，均為38 m以上。又，第1曲線之曲率半徑相對於第2曲線之曲率半徑的比率為2.0。上述第1主表面之位錯密度之平均值為2.0×10 5cm -2。
[試樣2：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 於第11步驟中，於第3GaN單晶生長體之表面上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件(第2生長條件)下生長，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣2之GaN單晶基板。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：16 kPa N 2氣體分壓：80 kPa SiF 4氣體分壓：1.5 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
[試樣3：直徑101.6 mm(4英吋)GaN單晶基板之製造] 於第1步驟中，準備直徑101.6 mm及400 μm且具有圓形狀之第3主表面及第4主表面之GaN單晶晶種基板，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣3之GaN單晶基板。試樣3之GaN單晶基板係直徑101.6 mm及厚度10 mm且具有圓形狀之第1主表面及第2主表面。
[試樣4：直徑152.4 mm(6英吋)GaN單晶基板之製造] 於第1步驟中，準備直徑152.4 mm及厚度400 μm且具有圓形狀之第3主表面及第4主表面之GaN單晶晶種基板，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣4之GaN單晶基板。試樣4之GaN單晶基板係直徑152.4 mm及厚度10 mm且具有圓形狀之第1主表面及第2主表面。
[試樣5：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 於第11步驟中，於第3GaN單晶生長體之表面上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件(第2生長條件)下生長，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣5之GaN單晶基板。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：16 kPa N 2氣體分壓：80 kPa SiF 4氣體分壓：3 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
[試樣6：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 於第1步驟中，獲得N極性區域於第3主表面之面內以直徑50 μm之圓形區域之形式存在之GaN單晶晶種基板，上述圓形區域係以一邊為600 μm之正方格子之各格子點作為中心，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣6之GaN單晶基板。上述GaN單晶晶種基板之N極性區域中之位錯密度之平均值為2.0×10 7cm -2，Ga極性區域中之位錯密度之平均值為7.0×10 5cm -2。
[試樣7：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 於第1步驟中，獲得N極性區域於第3主表面之面內以直徑100 μm之圓形區域之形式存在之GaN單晶晶種基板，上述圓形區域係以一邊為400 μm之正方格子之各格子點作為中心，除此以外，藉由與試樣1相同之要領，製造試樣7之GaN單晶基板。上述GaN單晶晶種基板之N極性區域中之位錯密度之平均值為2.0×10 7cm -2，Ga極性區域中之位錯密度之平均值為7.0×10 5cm -2。
[試樣101：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] ＜基底基板準備步驟＞ 獲取市售之直徑50.8 mm、厚度800 μm之藍寶石基板作為生長用基板，於該生長用基板上，藉由與試樣1相同之要領，使用MOCVD法形成GaN膜，且於上述GaN膜上配置遮罩。藉此，獲得基底基板。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置上述基底基板，於上述GaN膜上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：16 kPa N 2氣體分壓：65 kPa SiF 4氣體分壓：3 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述GaN單晶之基底基板側進行研削，將該基底基板去除。進而，上述GaN單晶之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣101之GaN單晶基板。
[試樣102：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照日本專利特開2020-189762號公報中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣102之GaN單晶基板。
＜基底基板準備步驟＞ 獲取市售之直徑50.8 mm、厚度800 μm之藍寶石基板作為生長用基板，於該生長用基板上，藉由與試樣1相同之要領，使用MOCVD法形成GaN膜。藉此，獲得基底基板。
＜第1基底層形成步驟＞ 然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置上述基底基板，於上述GaN膜上，使作為緩衝層之厚度60 nm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：1 kPa NH 3氣體分壓：10 kPa H 2氣體分壓：90 kPa 生長溫度：490℃ 生長時間(保持時間)：1小時。
進而，使用HVPE法，於上述緩衝層上，使厚度400 nm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。進而，於該GaN單晶上蒸鍍厚度20 nm之包含鈦(Ti)之金屬層。藉此，於基底基板上形成第1基底層。 GaCl氣體分壓：2 kPa NH 3氣體分壓：20 kPa H 2氣體分壓：78 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：10分鐘。
＜熱處理步驟＞ 然後，針對形成有上述第1基底層之基底基板，實施2個階段之熱處理。具體而言，作為第1熱處理，於以下條件下對上述基底基板進行加熱。 NH 3氣體分壓：20 kPa N 2氣體分壓：80 kPa 熱處理溫度：1050℃ 熱處理之時間(保持時間)：10分鐘。
繼上述第1熱處理之後，針對上述基底基板，於以下條件下進行第2熱處理。 NH 3氣體分壓：20 kPa N 2氣體分壓：80 kPa 熱處理溫度：1050℃。 熱處理之時間(保持時間)：20分鐘。
＜第2基底層形成步驟＞ 進而，使用HVPE法，於經由上述熱處理步驟之基底基板之第1基底層上，使作為第2基底層之厚度200 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：17 kPa N 2氣體分壓：67 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：2小時。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用HVPE法，於上述第2基底層上，使厚度400 μm之包含GaN單晶之第1層於以下條件下生長。該第1層之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：0.5 kPa NH 3氣體分壓：4 kPa H 2氣體分壓：19 kPa N 2氣體分壓：77 kPa 生長溫度：990℃ 生長時間(保持時間)：10小時。
進而，使用HVPE法，於上述第1層上使厚度800 μm之包含GaN單晶之第2層於以下條件下生長。該第2層之生長方位為＜0001＞方向。藉此，獲得試樣102之GaN單晶基板。再者，形成第2層後，於降溫時，自該第2層將第1基底層、第2基底層、及基底基板自然剝離。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：17 kPa N 2氣體分壓：67 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：8小時。
[試樣103：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照國際公開第2021/075369號中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣103之GaN單晶基板。
＜基底基板準備步驟及基底層形成步驟＞ 藉由與試樣102之GaN單晶基板之製造方法相同之要領，獲得依序積層有第1基底層及第2基底層之基底基板。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置上述基底基板，於上述基底基板上，使作為三維生長層之厚度400 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該三維生長層之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：2 kPa NH 3氣體分壓：16 kPa H 2氣體分壓：41 kPa N 2氣體分壓：41 kPa 生長溫度：990℃ 生長時間(保持時間)：10小時。
進而，使用HVPE法，於上述三維生長層上，使作為第1平坦化層之厚度800 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該第1平坦化層之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：17 kPa N 2氣體分壓：67 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：8小時。
繼而，使用HVPE法，於上述第1平坦化層上，使作為第2平坦化層之厚度800 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該第2平坦化層之生長方位為＜0001＞方向。此時，亦按以下之氣體分壓供給SiF 4氣體至熱壁型反應爐內。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：12 kPa N 2氣體分壓：49 kPa SiF 4氣體分壓：30 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：8小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述第2平坦化層之基底基板側進行研削，將基底基板、三維生長層及第1平坦化層去除。進而，上述第2平坦化層之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣103之GaN單晶基板。
[試樣104：直徑101.6 mm(4英吋)GaN單晶基板之製造] 於基底基板準備步驟中，獲取直徑101.6 mm及厚度800 μm之藍寶石基板來使用，除此以外，藉由與試樣101相同之要領，製造試樣104之GaN單晶基板。試樣104之GaN單晶基板係直徑101.6 mm及厚度10 mm。
[試樣105：直徑152.4 mm(6英吋)GaN單晶基板之製造] 於基底基板準備步驟中，獲取直徑152.4 mm及厚度800 μm之藍寶石基板來使用，除此以外，藉由與試樣101相同之要領，製造試樣105之GaN單晶基板。試樣105之GaN單晶基板係直徑152.4 mm及厚度10 mm。
[試樣106：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照日本專利特開2020-033212號公報中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣106之GaN單晶基板。
＜基底基板準備步驟及基底層形成步驟＞ 將試樣102之GaN單晶基板作為生長用基板，除此以外，藉由與試樣102之GaN單晶基板之製造方法相同之要領，獲得依序積層有第1基底層及第2基底層之基底基板。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置上述基底基板，於上述基底基板上，使作為初始層之厚度50 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該初始層之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：1 kPa NH 3氣體分壓：4 kPa H 2氣體分壓：19 kPa N 2氣體分壓：76 kPa 生長溫度：990℃ 生長時間(保持時間)：2小時。
進而，使用HVPE法，於上述初始層上使作為第1層之厚度200 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該第1層之生長方位為＜0001＞方向。 GaCl氣體分壓：2 kPa NH 3氣體分壓：16 kPa H 2氣體分壓：16 kPa N 2氣體分壓：66 kPa 生長溫度：990℃ 生長時間(保持時間)：4小時。
繼而，使用HVPE法，於上述第1層上使作為第2層之厚度2 mm之GaN單晶於以下條件下生長。該第2層之生長方位為＜0001＞方向。此時，亦按以下之氣體分壓供給SiF 4氣體至熱壁型反應爐內。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：16 kPa N 2氣體分壓：65 kPa SiF 4氣體分壓：3 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：20小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述第2層之基底基板側進行研削，將基底基板、初始層、及第1層去除。進而，上述第2層之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣106之GaN單晶基板。
[試樣107：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照日本專利特開2020-125215號公報中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣107之GaN單晶基板。
＜基底基板準備步驟及基底層形成步驟＞ 將試樣102之GaN單晶基板作為生長用基板，除此以外，藉由與試樣102之GaN單晶基板之製造方法相同之要領，獲得依序積層有第1基底層及第2基底層之基底基板。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用HVPE法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置上述基底基板，於上述基底基板上，使作為三維生長層之厚度1.2 mm之GaN單晶於以下條件下生長。該三維生長層之生長方位為＜0001＞方向。此時，亦按以下之氣體分壓供給SiF 4氣體至熱壁型反應爐內。 GaCl氣體分壓：2 kPa NH 3氣體分壓：16 kPa H 2氣體分壓：41 kPa N 2氣體分壓：40 kPa SiF 4氣體分壓：1 kPa 生長溫度：990℃ 生長時間(保持時間)：30小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述三維生長層之基底基板側進行研削，將基底基板去除。進而，上述三維生長層之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣107之GaN單晶基板。
[試樣108：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照M. Imade et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA06, 2014中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣108之GaN單晶基板。
＜基底基板準備步驟＞ 獲取市售之直徑50.8 mm、厚度800 μm之藍寶石基板作為生長用基板，於該生長用基板上，利用HVPE法形成厚度10 μm之GaN膜，藉此獲得GaN模板。進而，於GaN模板上，配置於中心具有直徑1 mm之孔之厚度800 μm之藍寶石基板。藉此，獲得於包含藍寶石基板之生長用基板上依序積層有GaN膜及上述具有孔之藍寶石基板的基底基板。
＜晶核生成步驟＞ 於置於反應室內之氧化鋁製坩堝中，以按莫耳比計成為Na：Ga：C＝71：29：0.5之方式投入鈉(Na)、鎵(Ga)、及碳(C)，將上述反應室密閉。然後，將上述坩堝之溫度加熱至890℃，且向上述反應室內導入3.4 MPa之氮氣。其後，將Na、Ga、及C攪拌加以混合，且保持5小時直至坩堝之溫度固定，藉此獲得包含Na、Ga、及C之熔融液。其後，於溫度已穩定之上述熔融液中，將上述基底基板浸漬5小時。
＜GaN單晶生長步驟＞ 然後，使用Na-Flux法，於熱壁型反應爐內之石英製之試樣保持器上設置於上述熔融液中浸漬過之上述基底基板，於上述基底基板上，使厚度500 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。 助熔劑原料：Na、Ga、及C 原料莫耳比：Na：Ga：C＝72：28：0.5 N 2氣體分壓：3.2 MPa 生長溫度：890℃ 生長時間(保持時間)：20小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述GaN單晶之基底基板側進行研削，將該基底基板去除。進而，上述GaN單晶之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣108之GaN單晶基板。
[試樣109：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 按照日本專利特開2020-132464號公報中揭示之GaN單晶基板之製造方法，藉由以下要領製造GaN單晶基板，藉此獲得試樣109之GaN單晶基板。
＜GaN單晶生長步驟＞ 將試樣108之GaN單晶基板作為基底基板，將該基底基板設置於熱壁型反應爐內之碳製試樣保持器上，於上述基底基板上，使厚度800 μm之GaN單晶於以下條件下生長。該GaN單晶之生長方位為＜0001＞方向。此時，亦按以下之氣體分壓供給SiF 4氣體至熱壁型反應爐內。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：12 kPa N 2氣體分壓：49 kPa SiF 4氣體分壓：30 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：8小時。
＜獲得GaN單晶基板之步驟＞ 藉由先前公知之方法，對上述GaN單晶之基底基板側進行研削，將該基底基板去除。進而，上述GaN單晶之表面藉由研削而得以平坦化，繼而進行研磨。藉此，獲得直徑50.8 mm及厚度400 μm且於正面及背面具有圓形狀之主表面的試樣110之GaN單晶基板。
[試樣110：直徑50.8 mm(2英吋)GaN單晶基板之製造] 於GaN單晶生長步驟中，於上述基底基板之GaN膜上，使厚度10 mm之GaN單晶於以下條件下生長，除此以外，藉由與試樣101相同之要領，製造試樣110之GaN單晶基板。於試樣110中，如下述條件所示，未對熱壁型反應爐內供給SiF 4氣體。 GaCl氣體分壓：8 kPa NH 3氣體分壓：8 kPa H 2氣體分壓：17 kPa N 2氣體分壓：67 kPa 生長溫度：1030℃ 生長時間(保持時間)：100小時。
[GaN單晶基板之評價] 針對試樣1～試樣7及試樣101～試樣110之GaN單晶基板，基於上述測定方法等，算出第1主表面之位錯密度之平均值(cm -2)及變動率(標準偏差/平均值)、沿構成上述GaN單晶基板之GaN單晶之(0001)面(第1彎曲面)之第1曲線及第2曲線之曲率半徑(m)、以及該等之比之值(第1曲線之曲率半徑/第2曲線之曲率半徑)、摻雜劑種類、及載子濃度(cm -3)。將結果示於表1中。
[表1]
表1
基底基板 直徑 [inch] 位錯密度 曲率半徑[m] 摻雜劑 載子濃度 [cm -3]
平均值(Ave)[cm -2] 變動率σ/Ave 第1曲線 第2曲線 第1曲線/第2曲線
試樣1 GaN 2 2.0×10 5 0.5 114 57 2.0 Si 2.0×10 18
試樣2 GaN 2 2.0×10 5 0.5 120 59 2.0 Si 1.0×10 18
試樣3 GaN 4 3.0×10 5 0.6 100 45 2.2 Si 2.0×10 18
試樣4 GaN 6 4.0×10 5 0.6 90 38 2.4 Si 2.0×10 18
試樣5 GaN 2 3.0×10 5 0.6 130 67 1.9 Ge 2.0×10 18
試樣6 GaN 2 2.1×10 5 0.5 122 60 2.0 Si 2.0×10 18
試樣7 GaN 2 2.0×10 5 0.5 100 51 2.0 Si 2.0×10 18
試樣101 藍寶石 2 3.0×10 6 0.6 5 11 0.5 Si 2.0×10 18
試樣102 藍寶石 2 3.0×10 5 0.6 57 16 3.6 Si 2.0×10 18
試樣103 藍寶石 2 2.0×10 5 1.5 274 35 7.8 Si 2.0×10 18
試樣104 藍寶石 4 3.5×10 6 0.6 11 5 2.2 Si 2.0×10 18
試樣105 藍寶石 6 3.8×10 6 0.7 11 4 2.8 Si 2.0×10 18
試樣106 GaN 2 4.5×10 5 0.7 68 33 2.1 Si 2.0×10 18
試樣107 GaN 2 1.2×10 5 5.0 1129 38 29.4 Si 2.0×10 18
試樣108 點狀籽晶(PointSeed) 2 0.5×10 5 1.8 1107 4408 0.2 - 2.0×10 19
試樣109 GaN 2 1.5×10 5 1.3 41 25 1.6 Si 2.0×10 18
試樣110 藍寶石 2 2.0×10 5 0.5 143 76 1.9 - 5.0×10 16
[磊晶基板之製造及其評價] 進而，針對試樣1、試樣3～試樣5及試樣101～試樣109之GaN單晶基板，於其第1主表面上，藉由有機金屬氣相磊晶生長法(MOVPE法)，使具有n-AlGaN包覆層/(InGaN/GaN)4週期之多量子阱層/p-AlGaN包覆層構造之活性層生長，藉此製造於大致450 nm具有發光波長之磊晶基板(以下，將由試樣No.X之GaN單晶基板製造之磊晶基板亦記作「試樣No.X之磊晶基板」)。
針對試樣1、試樣3～試樣5及試樣101～試樣109之磊晶基板中積層有活性層之面，藉由使用PL(photoluminescence，光致發光)成像裝置(商品名：「VerteX」、Nanometrics公司製造)，執行整面PL映射。具體而言，針對上述活性層之整面，以2 mm間距進行光譜測定，於各測定位置特定出於450 nm附近成為極大發光強度之波長。進而，求出將於上述測定位置內特定出之最大波長與最小波長之差除以平均波長所得之值([最大波長－最小波長]/[平均波長]×100)。藉此，評價各試樣之成為極大發光強度之波長之偏差(於本說明書中，亦記作「波長分佈(%)」)。將結果示於表2中。於表2中，除了波長分佈以外，亦示出了平均波長、最大波長、及最小波長之各測定值。於直徑50.8 mm(2英吋)之磊晶基板中上述波長分佈未達5%之情形、直徑101.6 mm(4英吋)之磊晶基板中上述波長分佈未達7%之情形、直徑152.4 mm(6英吋)之磊晶基板中上述波長分佈未達9%之情形時，分別評價為第1主表面整面能夠活用作半導體器件之材料。
[表2]
表2
直徑 [inch] 平均波長 [nm] 最大波長 [nm] 最小波長[nm] 波長分佈[%]
試樣1 2 451 459 443 3.5
試樣3 4 451 462 441 4.7
試樣4 6 450 466 435 6.9
試樣5 2 450 457 444 2.9
試樣101 2 452 472 431 9.1
試樣102 2 450 468 432 8.0
試樣103 2 449 463 434 6.5
試樣104 4 453 477 430 10.4
試樣105 6 451 481 425 12.4
試樣106 2 448 466 430 8.0
試樣107 2 451 463 438 5.5
試樣108 2 ※由於產生活性層破裂而無法評價
試樣109 2 449 471 432 8.7
※波長分佈[%]＝(最大波長－最小波長)/平均波長×100
[考察] 試樣1～試樣7之GaN單晶基板中，沿構成其之GaN單晶之(0001)面之第1曲線及第2曲線之曲率半徑均為38 m以上，其等之比之值(第1曲線之曲率半徑/第2曲線之曲率半徑)為0.4以上2.5以下，且第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。其中，由試樣1、試樣3～試樣5之GaN單晶基板獲得之磊晶基板均波長分佈良好，評價為第1主表面整面能夠活用作半導體器件之材料。另一方面，試樣101～試樣110之GaN單晶基板中，沿構成其之GaN單晶之(0001)面之第1曲線及第2曲線之曲率半徑之任一者未達38 m、或其等之比之值超過2.5。進而，亦存在第1主表面之位錯密度之平均值超過4.0×10 5cm -2之情形。其中，由試樣101～試樣109之GaN單晶基板獲得之磊晶基板均未評價為第1主表面整面能夠活用作半導體器件之材料。
因此，暗示試樣1～試樣7之本實施例之GaN單晶基板藉由抑制GaN單晶之(0001)面之翹曲而提高器件特性，且由於主表面整面為低位錯，故能夠將主表面整面活用作半導體器件之材料。
如上，對本發明之實施方式及實施例進行了說明，但上述各實施方式及實施例之構成可適當組合亦在本來預期之內。
應理解本次揭示之實施方式及實施例於全部方面均為例示，而非限制。本發明之範圍係由申請專利範圍而非上述實施方式及實施例表示，意圖包含與申請專利範圍均等之含義及範圍內之全部變更。
1:氮化鎵單晶基板(GaN單晶基板) 11:第1主表面 21:第2主表面 31:第3主表面 31a:鎵極性區域(Ga極性區域) 31b:氮極性區域(N極性區域) 41:第4主表面 51:第1彎曲面 61:第2彎曲面 100:氮化鎵單晶晶種基板(GaN單晶晶種基板) A1:第1測定區域 A2:第2測定區域 C:第1測定區域之中心點 G:假想格子 M1:第1測定點 M2:第2測定點 M3:第3測定點 M4:第4測定點 M5:第5測定點 O:第1主表面之中心 OF:參考面 S10:準備氮化鎵單晶晶種基板(GaN單晶晶種基板)之步驟 S20:將氮極性區域製成第1凹部之步驟 S30:形成第1嵌埋區域之步驟 S40:獲得第1研磨面之步驟 S50:獲得第1氮化鎵單晶生長體(GaN單晶生長體)之步驟 S60:獲得氮化鎵單晶基底基板(GaN單晶基底基板)之步驟 S70:獲得第2GaN單晶生長體之步驟 S80:形成第2嵌埋區域之步驟 S90:獲得第2研磨面之步驟 S100:獲得第3GaN單晶生長體之步驟 S110:獲得第4GaN單晶生長體之步驟 S120:獲得氮化鎵單晶基板(GaN單晶基板)之步驟
圖1係對本實施方式之氮化鎵單晶基板進行說明的剖面模式圖。 圖2係對為了求出第1曲線之曲率半徑及第2曲線之曲率半徑而設定的本實施方式之氮化鎵單晶基板上之X射線被照射部位進行說明的說明圖。 圖3係對本實施方式之氮化鎵單晶基板中為了求出基準面積而設定的主表面上之9個部位之第1測定區域及其中心點之座標(X,Y)進行說明的說明圖。 圖4係對為了求出本實施方式之氮化鎵單晶基板之位錯密度而於主表面上使1邊為2 mm之正方形以彼此不重疊地排列最多之方式密鋪的假想格子、及第2測定區域進行說明的說明圖。 圖5係表示本實施方式之氮化鎵單晶基板之製造方法之一部分的流程圖。 圖6係表示圖5所示之氮化鎵單晶基板之製造方法之剩餘部分的流程圖。 圖7係對本實施方式之氮化鎵單晶基板之製造方法中使用之氮化鎵單晶晶種基板進行說明的剖面模式圖。
1:氮化鎵單晶基板(GaN單晶基板)
11:第1主表面
21:第2主表面
51:第1彎曲面

Claims (6)

  1. 一種氮化鎵單晶基板， 其係具有第1主表面及第2主表面者，且 上述第1主表面為鎵極性面， 上述第2主表面為氮極性面， 上述第1主表面及上述第2主表面具有圓形狀， 上述氮化鎵單晶基板包含矽或鍺， 上述氮化鎵單晶基板之載子濃度為1×10 18cm -3以上， 構成上述氮化鎵單晶基板之氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第1主表面側朝向上述第2主表面側之方向上凸起之球面狀之第1彎曲面， 自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第1曲線之曲率半徑、及自上述第1彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(11-20)面之法線於上述第1彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第2曲線之曲率半徑均為38 m以上， 上述第1曲線之曲率半徑相對於上述第2曲線之曲率半徑的比率為0.4以上2.5以下， 上述第1主表面之位錯密度之平均值為4.0×10 5cm -2以下。
  2. 如請求項1之氮化鎵單晶基板，其中上述第1主表面之位錯密度之平均值及標準偏差滿足標準偏差/平均值≦0.6之關係。
  3. 如請求項1或2之氮化鎵單晶基板，其中上述氮化鎵單晶基板之直徑為50 mm以上155 mm以下。
  4. 一種氮化鎵單晶基板之製造方法，其包括： 準備氮化鎵單晶晶種基板之步驟，該氮化鎵單晶晶種基板包含氮化鎵單晶，且具有鎵極性區域與氮極性區域混合存在之第3主表面、及為氮極性面之第4主表面； 藉由對上述第3主表面進行蝕刻，而將各上述氮極性區域製成第1凹部的步驟； 藉由使用氧化矽被覆形成有上述第1凹部之上述第3主表面之整面，而形成於上述第1凹部嵌埋有上述氧化矽之第1嵌埋區域的步驟； 藉由對由上述氧化矽被覆之上述第3主表面進行研磨，而獲得除上述第1嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第1研磨面的步驟； 藉由使用氫化物氣相生長法使上述氮化鎵單晶於上述第1研磨面上生長，而獲得第1氮化鎵單晶生長體的步驟； 藉由取出上述第1研磨面上之上述第1氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基底基板的步驟； 藉由使用上述氫化物氣相生長法，使具有20 μm以上40 μm以下之厚度之上述氮化鎵單晶於上述氮化鎵單晶基底基板上生長，而獲得於生長面具有第2凹部之第2氮化鎵單晶生長體的步驟； 藉由使用氧化矽被覆上述第2氮化鎵單晶生長體之上述生長面整面，而形成於上述第2凹部嵌埋有上述氧化矽之第2嵌埋區域的步驟； 藉由對由上述氧化矽被覆之上述生長面進行研磨，而獲得除上述第2嵌埋區域以外之上述氧化矽被去除之第2研磨面的步驟； 藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長，而獲得於表面具有刻面結構之第3氮化鎵單晶生長體的步驟； 藉由使用上述氫化物氣相生長法，使上述氮化鎵單晶於上述第3氮化鎵單晶生長體之上述表面上生長，而獲得具有平坦面之第4氮化鎵單晶生長體的步驟；以及 藉由取出上述第4氮化鎵單晶生長體之至少一部分，而獲得氮化鎵單晶基板的步驟； 上述第3主表面中，上述鎵極性區域所占之面積大於上述氮極性區域所占之面積， 上述氮極性區域係於上述第3主表面之面內以直徑50 μm以上200 μm以下之圓形區域之形式存在，上述圓形區域係以一邊為300 μm以上1000 μm以下之正方格子之各格子點作為中心， 構成上述氮化鎵單晶晶種基板之上述氮化鎵單晶之(0001)面係於自上述第3主表面側朝向上述第4主表面側之方向上凸起之球面狀之第2彎曲面， 自上述第2彎曲面之中心，沿相對於上述氮化鎵單晶之(1-100)面之法線於上述第2彎曲面上在2個方向上各延伸20 mm的長度40 mm之第3曲線之曲率半徑為11 m以上。
  5. 如請求項4之氮化鎵單晶基板之製造方法，其中 上述獲得第3氮化鎵單晶生長體之步驟係於第1生長條件下使上述氮化鎵單晶於上述第2研磨面上生長之步驟， 上述獲得第4氮化鎵單晶生長體之步驟係於第2生長條件下使上述氮化鎵單晶於上述第3氮化鎵單晶生長體之上述表面上生長之步驟， 上述第1生長條件具有： 1 kPa以上5 kPa以下之氯化鎵氣體分壓、 5 kPa以上10 kPa以下之氨氣分壓、 10 kPa以上50 kPa以下之氫氣分壓、 50 kPa以上100 kPa以下之氮氣分壓、 900℃以上1100℃以下之生長溫度、及 5分鐘以上30分鐘以下之生長時間， 上述第2生長條件具有： 5 kPa以上10 kPa以下之氯化鎵氣體分壓、 5 kPa以上10 kPa以下之氨氣分壓、 10 kPa以上20 kPa以下之氫氣分壓、 30 kPa以上100 kPa以下之氮氣分壓、 1 kPa以上5 kPa以下之四氟化矽氣體分壓、 900℃以上1100℃以下之生長溫度、及 50小時以上150小時以下之生長時間。
  6. 如請求項4或5之氮化鎵單晶基板之製造方法， 其中上述氮極性區域為位錯集中區域， 上述位錯集中區域中之位錯密度之平均值超過1×10 7cm -2， 上述鎵極性區域中之位錯密度之平均值為1×10 6cm -2以下。
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