GaN基板、GaN基板的制造方法、GaN结晶的制造方法和半导体器件的制造方法

GaN基板、GaN基板的制造方法、GaN结晶的制造方法和半导体器件的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种用于在圆盘形GaN基板中将构成该基板的结晶区域的个数削减为4个以下的技术，该圆盘形GaN基板是利用覆瓦法制造的，主表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，直径为45mm～55mm。根据优选实施方式，提供一种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，上述第1主表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为45mm以上的圆盘形GaN基板，该GaN基板由各自在上述第1主表面和第2主表面两者露出的4个以下的结晶区域构成，该4个以下的结晶区域沿着上述第1主表面上的c轴的正投影的方向排成一列。
【专利说明】
GaN基板、GaN基板的制造方法、GaN结晶的制造方法和半导体 器件的制造方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及GaN(氮化镓)基板、GaN基板的制造方法、GaN结晶的制造方法和半导体 器件的制造方法。
【背景技术】
[0002] GaN是III-V族化合物半导体的一种，具备属于六方晶系的纤锌矿型的晶体结构。
[0003] 通过用杂质进行掺杂，GaN可以为导电性。作为η型杂质，已知0(氧）、Si (娃）、Ge (锗)等。作为P型杂质，已知Mg(镁）、Zn(锌)等。
[0004] 期待通过使用非极性或半极性GaN基板来改善氮化物半导体器件(非专利文献1)。 氮化物半导体也被称为氮化物系III-V族化合物半导体、III族氮化物系化合物半导体、GaN 系半导体等，除了包括GaN(氮化镓）以外，还包括GaN的一部分或全部的Ga被其他的元素周 期表13族元素(Β、Α1、Ιη)所取代的化合物。例如为AlN、InN、AlGaN、AlInN、GaInN、AlGaInN 等。
[0005] 在非极性GaN基板中，特别受到关注的是（10-10)基板、即Μ面基板。在半极性GaN基 板中，特别受到关注的是(20-21)基板、（20-2-1)基板、（30-31)基板和(30-3-1)基板。
[0006] 非极性或半极性GaN基板可以由块状GaN结晶来制造，该块状GaN结晶是利用HVPE 法在C面GaN模板上在c轴方向生长而得到的。将该块状GaN结晶按照与所期望的非极性或半 极性面平行的方式进行切片。但是，在C面GaN模板上可利用HVPE法生长的块状GaN结晶的厚 度通常为几 mm以下，因而，利用该方法可制作的非极性或半极性GaN基板在主表面的c轴方 向的尺寸为几 mm以下。利用该方法，几乎不可能得到2英寸基板(直径为2英寸的圆盘形基 板)这样的大面积基板。
[0007] 为了解决该问题，想到了覆瓦法。覆瓦法中使用集合晶种。集合晶种是指，使两个 以上晶种基板按照晶体取向统一的方式在横向密集排列而成的物质。在由两个以上晶种基 板形成的集合晶种上，利用气相法外延生长有形成一个连续层的块状GaN结晶（专利文献1 ~4)。通过使用将主表面的c轴方向的尺寸不足几 mm的Μ面GaN基板集中多片而构成的集合 晶种，能够实现2英寸Μ面GaN基板(直径为2英寸的圆盘形Μ面GaN基板）。
[0008] 但是，对由在C面GaN模板上利用HVPE法生长的块状GaN结晶切割出的Μ面晶种基板 来说，主表面的位错密度比较高，为10 6cnf2左右至107cnf2左右。位错密度为lX10 6cnf2时，若 利用SEM-CL(扫描型电子显微镜-阴极发光)进行调查，在100μπιΧ100μπι的视野中平均观察 到100个显示出位错存在的暗点。
[0009] 作为可生长位错等缺陷少的高品质GaN结晶的方法之一，已知氨热法(专利文献5 和6)。在氨热法中，将超临界或亚临界状态的氨用于溶剂，使GaN结晶在晶种上析出。
[0010] 但是，迄今为止并不知道利用氨热法高效地制造主表面的c轴方向的尺寸超过lcm 的非极性或半极性GaN基板的方法。
[0011]现有技术文献
[0012]专利文献
[0013] 专利文献1:日本特开2006-315947号公报
[0014] 专利文献2:日本特开2008-143772号公报
[0015] 专利文献3:日本特开2010-275171号公报
[0016] 专利文献4:日本特开2011-026181号公报
[0017] 专利文献5:国际公开W02002/101125号公报
[0018] 专利文献6:国际公开W02011/065436号公报
[0019]非专利文献
[0020] 非专利文献 1 : Po Shan Hsu，Matthew T · Hardy，Er in C · Young，A1 exey E.Romanov,Steven P.DenBaars,Shuji Nakamura,and James S.Speck,Applied Physics Letters 100,171917(2012)

【发明内容】

[0021] 发明要解决的课题
[0022] 对利用覆瓦法制造的GaN结晶进行加工而得到的非极性或半极性基板通常由两个 以上的结晶区域构成。在该基板中，具有缺陷密度在不同的结晶区域间的边界升高的倾向 (专利文献2~4)。因此，需要削减构成基板的结晶区域的数量。
[0023] 本发明是鉴于上述情况而进行的，其主要目的在于提供可实现包含比以往削减的 数量的结晶区域的、直径为2英寸以上的非极性或半极性GaN基板(例如，由4个以下的结晶 区域构成的、直径为2英寸的非极性或半极性GaN基板)的技术。
[0024] 本发明的进一步的目的在于提供由单一的结晶区域构成的、直径为2英寸的非极 性或半极性GaN基板。
[0025]用于解决课题的方案
[0026] 本发明的实施方式包括以下所记载的GaN基板、GaN结晶的制造方法和半导体器件 的制造方法。
[0027] (1)-种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，上述第1主 表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为45mm以上的圆盘形GaN 基板，
[0028] 该GaN基板的特征在于，其由各自在上述第1主表面和第2主表面这两者表面露出 的η个(其中，η为2、3或4)结晶区域构成，
[0029]上述η个结晶区域沿着上述第1主表面上的c轴的正投影的方向排成一列。
[0030] (2)如⑴所述的GaN基板，其直径为55mm以下。
[0031] (3)如（1)或(2)所述的GaN基板，其特征在于，在从上述η个结晶区域中任意地选出 相邻的2个结晶区域时，该2个结晶区域间的边界与上述第1主表面上的c轴的正投影在上述 第1主表面内形成90° ±10°的范围内的角度。
[0032] (4)如（1)~（3)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，不存在在厚度方向贯通该 基板的下述(A)的贯通裂纹，或者即便存在在厚度方向贯通该基板的下述(A)的贯通裂纹， 其数量在上述第1主表面上每20cm 2也为10以下，并且不存在下述(A)的贯通裂纹以外的类 型的裂纹：（A)与上述第1主表面上的c轴的正投影之间所成的角度在上述第1主表面内为 90° ±10°的范围内的贯通裂纹。
[0033] (5)如（1)~(4)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将上述第1主表面分成从边 缘起3mm以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为5mm的正 方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在CL测定中 未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι的正方形区域。
[0034] (6)如（5)所述的GaN基板，其特征在于，将相互相邻的上述结晶区域间的边界除外 来进行平均而得到的上述中央部分的平均位错密度小于l〇5cnf2。
[0035] (7)如（1)~(6)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在室温下上述第1主表面不 是凹面。
[0036] (8)如(7)所述的GaN基板，其特征在于，在室温下上述第1主表面为凸面。
[0037] (9)如(7)或(8)所述的GaN基板，其特征在于，在室温下表面的S0RI值小于20μπι。
[0038] (10)如（1)~(9)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在将上述第1主表面分成 从边缘起3mm以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分时，关于该中央部分的偏离 角的变动幅度，上述第1主表面上的c轴的正投影的方向的分量和与该方向正交的方向的分 量分别小于0.5°。
[0039] (11)如（1)~（10)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其具有堆垛层错。
[0040] (12)如（1)~（11)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其由碱金属浓度小于1 X 1015cm-3且在450nm的吸收系数为2cm-1以下的GaN结晶构成。
[0041] (13)-种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，上述第1主 表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为45mm以上的圆盘形GaN 基板，该GaN基板的特征在于，其由单一的结晶区域构成。
[0042] (14)如上述(13)所述的GaN基板，其直径为55mm以下。
[0043] (15)如（13)或（14)所述的GaN基板，其特征在于，碱金属浓度小于IX 1015cnf3。
[0044] (16)如（13)~（15)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其由在波长450nm的吸 收系数为2CHT 1以下的GaN结晶构成。
[0045] (17)如（13)~（16)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将上述第1主表面分成 从边缘起3_以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为5_ 的正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在CL测 定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι的正方形区域。
[0046] (18)如上述(17)所述的GaN基板，其特征在于，上述中央部分的平均位错密度小于 10 5cm-2〇
[0047] (19)如（13)~（18)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在室温下上述第1主表 面不是凹面。
[0048] (20)如（13)~（19)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其具有堆垛层错。
[0049] (21) -种GaN结晶的制造方法，其特征在于，其具有下述工序:准备上述(1)~(20) 中任一项所述的GaN基板，在其上使GaN进行外延生长。
[0050] (22)如上述(21)所述的制造方法，其为块状GaN结晶的制造方法。
[0051 ] (23) -种GaN结晶的制造方法，其特征在于，将上述（1)~(20)中任一项所述的GaN 基板用于晶种，使第一块状GaN结晶生长后，将该第一块状GaN结晶的一部分或全部用于晶 种，使第二块状GaN结晶生长。
[0052] (24)-种半导体器件的制造方法，其特征在于，准备上述（1)~(20)中任一项所述 的GaN基板，在其上使一种以上的氮化物半导体层生长。
[0053]本发明的实施方式进一步包括以下记载的GaN基板的制造方法。
[0054] (al)-种制造方法，其为制造具有第1主表面和其相反侧的第2主表面、上述第1主 表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下的圆盘形GaN基板的方法，该制造方法的特 征在于，包括下述步骤:将各自具有主表面的两个以上晶种基板按照它们的主表面位于同 一平面上的方式密集地排列而构成集合晶种的第1步骤;和使GaN结晶在该集合晶种上进行 气相生长的第2步骤;上述两个以上晶种基板各自的主表面的法线与m轴之间的角度为0°以 上20°以下、同时各自具有与主表面上的c轴的正投影分别以90° ±10°的范围内的角度相交 的+C端面和-C端面，并且，上述两个以上晶种基板中的至少一个晶种基板的主表面的尺寸 如下：在与+C端面和主表面的交线平行的方向为55mm以上，同时在与该交线正交的方向为 15mm以上。
[0055] (a2)如(a 1)所述的制造方法，其中，在上述两个以上晶种基板各自中，其主表面上 的c轴的正投影与+C端面和-C端面分别以90° ± 1°的范围内的角度相交。
[0056] (a3)如(al)或(a2)所述的制造方法，其特征在于，在上述两个以上晶种基板全部 中，其主表面的尺寸如下：在与+C端面和主表面的交线平行的方向为55mm以上，同时在与该 交线正交的方向为15mm以上。
[0057] (a4)如(al)~(a3)中任一项所述的制造方法，其中，在上述第1步骤中，将上述两 个以上晶种基板在它们的主表面上的c轴的正投影的方向排成一列、两列或三列，构成集合 晶种。
[0058] (a5)如(a4)所述的制造方法，其中，上述圆盘形GaN基板的直径为45mm以上55mm以 下，在上述第1步骤中，将上述两个以上晶种基板在它们的主表面上的c轴的正投影的方向 排成一列，构成集合晶种。
[0059] (a6)如(a4)所述的制造方法，其中，上述圆盘形GaN基板的直径为95mm以上105mm 以下，在上述第1步骤中，将上述两个以上晶种基板在它们的主表面上的c轴的正投影的方 向排成两列，构成集合晶种。
[0060] (a7)如(a4)所述的制造方法，其中，上述圆盘形GaN基板的直径为145mm以上155mm 以下，在上述第1步骤中，将上述两个以上晶种基板在它们的主表面上的c轴的正投影的方 向排成两列或三列，构成集合晶种。
[0061 ] (a8)如(al)~(a7)中任一项所述的制造方法，其进一步包括下述步骤:对上述第2 步骤中气相生长的GaN结晶进行加工，得到作为目标的圆盘形GaN基板。
[0062] (a9)如(al)~(a7)中任一项所述的制造方法，其进一步包括下述步骤:将上述第2 步骤中气相生长的GaN结晶的至少一部分用于晶种，进一步使GaN结晶进行气相生长。
[0063] 本发明的实施方式进一步包括以下记载的GaN基板。
[0064] (bl)-种GaN基板，其为具有第1主表面和其相反侧的第2主表面、上述第1主表面 的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下的GaN基板，该GaN基板的特征在于，该GaN基板由 各自在上述第1主表面和第2主表面这两者表面露出的两个以上的结晶区域构成，将上述第 1主表面上的c轴的正投影的方向称为第1方向，将该第1主表面内与该第1方向正交的方向 称为第2方向时，基板尺寸在该第1方向和该第2方向分别为45mm以上，上述两个以上的结晶 区域沿着该第1方向排成一列，并且其中至少一个结晶区域沿着该第1方向具有15mm以上的 尺寸。
[0065] (b2)如(bl)所述的GaN基板，其中，上述两个以上的结晶区域全部沿着上述第1方 向具有15mm以上的尺寸。
[0066] (b3)如(bl)或(b2)所述的GaN基板，其中，基板尺寸在上述第1方向和上述第2方向 分别为55mm以下。
[0067] (b4)如(bl)~(b3)中任一项所述的GaN基板，其为圆盘形。
[0068] (b5)-种GaN基板，其为具有第1主表面和其相反侧的第2主表面、上述第1主表面 的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下的GaN基板，该GaN基板的特征在于，该GaN基板由 各自在上述第1主表面和第2主表面这两者表面露出的两个以上的结晶区域构成，将上述第 1主表面上的c轴的正投影的方向称为第1方向，将该第1主表面内与该第1方向正交的方向 称为第2方向时，基板尺寸在该第1方向和该第2方向分别为95mm以上，上述两个以上的结晶 区域沿着该第1方向排成两列或三列，并且其中至少一个结晶区域沿着该第1方向具有15mm 以上的尺寸。
[0069] (b6)如(b5)所述的GaN基板，其中，上述两个以上的结晶区域全部沿着上述第1方 向具有15mm以上的尺寸。
[0070] (b7)如(b5)或(b6)所述的GaN基板，其中，上述两个以上的结晶区域沿着上述第1 方向排成两列。
[0071] (b8)如(b5)~(b7)中任一项所述的GaN基板，其中，基板尺寸在上述第1方向和上 述第2方向分别为155mm以下。
[0072] (b9)如(b8)所述的GaN基板，其中，基板尺寸在上述第1方向和上述第2方向分别为 105mm以下。
[0073] (blO)如(b5)~(b9)中任一项所述的GaN基板，其为圆盘形。
[0074] (bll)如(bl)~(blO)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在从上述两个以上的 结晶区域中任意地选出沿着上述第1主表面上的c轴的正投影的方向相邻的2个结晶区域 时，该2个结晶区域间的边界与上述第1主表面上的c轴的正投影在上述第1主表面内形成 90° ±10°的范围内的角度。
[0075] (bl2)如(bl)~(bll)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将上述第1主表面分 成从边缘起3mm以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为 5mm的正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在 CL测定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι的正方形区域。
[0076] (bl3)如（12)所述的GaN基板，其特征在于，将相互相邻的上述结晶区域间的边界 除外来进行平均而得到的上述中央部分的平均位错密度小于l〇5cnf2。
[0077] (bl4)如(bl)~(bl3)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其含有碱金属浓度小 于1 X 1015cnf3且在450nm的吸收系数为2cnf1以下的GaN结晶。
[0078] 本发明的实施方式进一步包括以下记载的GaN基板。
[0079 ] (c 1) -种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，上述第1主 表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为95mm以上105mm以下的 圆盘形GaN基板，该GaN基板的特征在于，其由各自在上述第1主表面和第2主表面这两者表 面露出的两个以上的结晶区域构成，该两个以上的结晶区域沿着上述第1主表面上的c轴的 正投影的方向排成两列，并且各列中包含的结晶区域的数量为2以上8以下。
[0080] (C2)如（cl)所述的GaN基板，其中，上述各列中包含的上述结晶区域的数量为2以 上4以下。
[0081 ] (c3) -种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，上述第1主 表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为145mm以上155mm以下 的圆盘形GaN基板，该GaN基板的特征在于，其由各自在上述第1主表面和第2主表面这两者 表面露出的两个以上的结晶区域构成，该两个以上的结晶区域沿着上述第1主表面上的c轴 的正投影的方向排成两列或三列，并且各列中包含的结晶区域的数量为3以上12以下。
[0082] (c4)如（c3)所述的GaN基板，其中，上述两个以上的结晶区域沿着上述第1主表面 上的c轴的正投影的方向排成两列。
[0083] (c5)如(c3)或(c4)所述的GaN基板，其中，上述各列中包含的结晶区域的数量为3 以上6以下。
[0084] (c6)如(c 1)~(c5)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在从上述两个以上的结 晶区域中任意地选出沿着上述第1主表面上的c轴的正投影的方向相邻的2个结晶区域时， 该2个结晶区域间的边界与上述第1主表面上的c轴的正投影在上述第1主表面内形成90° ± 10°的范围内的角度。
[0085] (c7)如(c 1)~（c6)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将上述第1主表面分成 从边缘起3_以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为5_ 的正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在CL测 定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι的正方形区域。
[0086] (c8)如(c7)所述的GaN基板，其特征在于，将相互相邻的上述结晶区域间的边界除 外来进行平均而得到的上述中央部分的平均位错密度小于l〇 5cnf2。
[0087] (c9)如(cl)~(c8)中任一项所述的GaN基板，其特征在于，其含有碱金属浓度小于 1 X 1015cnf3且在450nm的吸收系数为2cnf1以下的GaN结晶。
[0088]发明的效果
[0089] 本发明提供可实现包含比以往削减的数量的结晶区域的、直径为2英寸以上的非 极性或半极性GaN基板(例如，由4个以下的结晶区域构成的、直径为2英寸的非极性或半极 性GaN基板)的技术。
[0090] 在优选实施方式中，提供由单一的结晶区域构成的、直径为2英寸的非极性或半极 性GaN基板。
【附图说明】
[0091 ]图1是示出实施方式的GaN基板的附图，图1 (a)为俯视图，图1(b)为图1(a)的X-X线 的位置的截面图。
[0092] 图2是示出实施方式的GaN基板的俯视图。
[0093] 图3是示出实施方式的GaN基板的附图，图3(a)为俯视图，图3(b)为图3(a)的X-X线 的位置的截面图。
[0094] 图4是示出具有配置于N极性表面上的条纹图案的生长罩的、C面GaN基板的立体 图。
[0095] 图5是示出在N极性表面上配置有条纹图案的生长罩的C面GaN基板上的、GaN结晶 的生长情况的立体图。
[0096] 图6是示出在N极性表面上配置有条纹图案的生长罩的C面GaN基板上形成通过氨 热法生长的GaN结晶的结构的立体图。
[0097] 图7是说明通过相对于生长方向倾斜的稳定面出现于表面从而GaN结晶的生长速 率钝化的立体图。图7(a)示出使GaN结晶生长前的晶种基板，图7(b)示出在晶种基板上生长 的GaN结晶的表面出现稳定面的情况，图7(c)示出在晶种基板上生长的GaN结晶的表面整体 被稳定面占据的情况。
[0098] 图8是示出覆瓦法中使用的晶种基板的形状例的附图，图8(a)为立体图，图8(b)为 从A端面侧观察的侧面图。
[0099] 图9是示出将长条形的晶种基板以端面彼此在相邻的晶种基板间接触的方式进行 排列的状态固定于板上的情况的立体图。
[0100] 图10是不出固定于板上的两个以上晶种基板在抛光和CMP后的截面的图。图10(a) 示出将两个以上晶种基板以端面彼此接触的方式进行排列并进行了抛光和CMP的情况，图 10(b)示出将两个以上晶种基板相互隔开而进行了抛光和CMP的情况。
[0101]图11是说明将两个以上晶种基板放置于气相生长装置的基座上时的排列方法的 俯视图。
[0102] 图12示出GaN结晶在由4个晶种基板构成的集合晶种上进行外延生长的情况，图12 (a)为俯视图，图12(b)为截面图。
[0103] 图13是2英寸Μ面GaN基板的主表面的阴极发光图像。
[0104] 图14是说明17片晶种基板的排列方法的俯视图。
[0105] 图15是示出在若干假设下所计算的GaN基板的堆垛层错密度与LED芯片的成品率 的关系的曲线图。
[0106] 图16是示意性地示出由块状GaN结晶切片出GaN基板的工序的截面图，图16(a)示 出由4片晶种基板构成的集合晶种和在其上外延生长的块状GaN结晶，图16(b)示出该块状 GaN结晶被切片后的状态。
[0107] 图17是示出实施方式的GaN基板的附图，图17(a)为俯视图，图17(b)为图17(a)的 X1-X1线的位置的截面图，图17(c)为图17(a)的X2-X2线的位置的截面图。
【具体实施方式】
[0108] 在GaN结晶中，与[0001 ]平行的结晶轴被称为c轴，与[10-10 ]平行的结晶轴被称为 m轴，与[11 -20 ]平行的结晶轴被称为a轴。另外，与c轴正交的结晶面被称为C面，与m轴正交 的结晶面被称为Μ面，与a轴正交的结晶面被称为A面。
[0109] 以下，在提及结晶轴、结晶面、晶体取向等的情况下，只要不特别声明，则是指GaN 结晶的结晶轴、结晶面、晶体取向等。
[0110] 对GaN基板的名称所附的结晶面的名称或密勒指数是指与该基板的表面平行或最 接近平行的低指数面的结晶面的名称或密勒指数。表面是指在基板的两个主表面中旨在用 于半导体器件的形成或结晶的外延生长的面。非表面的主表面被称为背面。
[0111] 例如，与表面平行或最接近平行的低指数面为Μ面即（10-10)的GaN基板被称为Μ面 基板或（10-10)基板。通常，密勒指数(hkml)中的整数h、k、m和1的绝对值均为3以下的结晶 面被作为低指数面。
[0112] 本发明的GaN基板是仅由GaN结晶构成的独立基板。本发明的GaN基板只要具有可 作为独立基板进行处理的厚度即可。在直径为2英寸的圆盘形GaN基板的情况下，为了可作 为独立基板进行处理所需要的最低限度的厚度为150~200μπι，优选的厚度为250μπι以上、进 一步优选为280μπι以上。本发明的GaN基板的厚度没有特别的上限，通常为1mm以下，在2英寸 基板的情况下，优选为400M1以下。
[0113]本发明的GaN基板中，表面的法线与m轴之间的角度为0度以上20度以下。换言之， 本发明的GaN基板的表面与相对于Μ面的倾斜角为0度以上20度以下的结晶面平行。
[0114] 例如，[10-10]、[20-21]、[20-2-1]、[30-31]和[30-3-1]与m轴之间所成的角度处 于〇度以上20度以下的范围内。因此，（10-10)基板、（20-21)基板、（20-2-1)基板、（30-31)基 板和(30-3-1)基板包含于表面的法线与m轴之间的角度为0度以上20度以下的GaN基板中。
[0115] 下面，根据实施方式来详细说明本发明。
[0116] 1. GaN 基板
[0117] 1.1.第1实施方式
[0118]将第1实施方式的GaN基板示于图1。图1(a)为俯视图，即从基板主表面的法线方向 观察基板的图，图1(b)为图1(a)的X-X线的位置的截面图。图1(b)所示的截面为与主表面正 交的截面。
[0119] 图1所示的GaN基板10是其形状为圆盘、即具有圆形主表面的板，具有第1主表面 11a和其相反侧的第2主表面11b，同时具有端面12。
[0120] 第1主表面11a是旨在用于半导体器件的形成或结晶的外延生长的面（即，表面）， 被抛光成适合于这些目的的平坦面。具体地说，利用AFM测定的第1主表面的RMS粗糙度在测 定范围1 Own X 1 Ομπι中通常小于5nm、优选小于2nm、更优选小于1 nm。
[0121] 第1主表面11a与Μ面平行，因此，GaN基板10为Μ面基板。
[0122] 第1主表面11a的直径为45mm~55mm，例如可以为2英寸(50mm)。
[0123] GaN基板10源自由利用覆瓦法制造的GaN结晶进行切割，包含在c轴方向排成一列 的4个结晶区域10a、10b、10c、10cLc轴是与[0001]平行的结晶轴。
[0124] 4个结晶区域10a、10b、10c、10d均在第1主表面11a和第2主表面lib这两者表面露 出。
[0125] 图1(a)中，将在第1主表面11a出现的相邻的结晶区域间的边界用虚线表示。同样 地，图1(b)中，将在截面出现的相邻的结晶区域间的边界用虚线表示。
[0126] 边界Blab存在于结晶区域10a和10b之间，边界Blbc存在于结晶区域10b和10c之间， 边界Bid存在于结晶区域10c和10d之间。
[0127] 图1 (a)中，若X-X线与c轴平行，则Θ lab、Θ &和Θ lcd分别为80°~100°。即，边界 Blab、Blbc^PBlcd分别在与c轴成90° ±10°的范围内的角度的方向延伸。这些边界Blab、Blbc和 Bled分别延伸的方向与c轴所成的角度的范围优选为90° ±5°、更优选为90° ±1°。
[0128] 在阴极发光（CL)图像中，如图2中示意性地所示，相邻的结晶区域间的边界Blab、 Blbc和Blcd作为位错密度局部变高的带状区域而出现于第1主表面11a。该带状区域的宽度通 常小于200μηι、优选小于100μπι。
[0129] 在位错密度高的区域中，光致发光(PL)强度相对地降低，因而相邻的结晶区域间 的边界有时可由第1主表面11a的PL扫描系统(PL mapping)发现。
[0130] 另外，在大多数情况下，在相邻的结晶区域间晶体取向略微不同，晶体取向在其边 界不连续地变化。晶体取向不连续地变化的部位例如可以通过进行第1主表面11a的X射线 形貌分析来检测。
[0131] 如图1(a)所示，将第1主表面11a分成从边缘起3mm以下的外周部分lla_l(长虚线 的外侧)和被该外周部分包围的中央部分11 a_2 (长虚线的内侧)时，将相邻的结晶区域间的 边界Blab、Blb。和除外进行平均而得到的该中央部分lla-2的位错密度优选小于10 5cnf2。
[0132] 位错密度的评价可以利用通常的CL测定来进行。位错作为CL图像中的暗点被观察 到。
[0133] 在第1主表面的中央部分实现了平均位错密度小于105Cnf2的情况下，按照一个区 划是一边为5mm的正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，大多情况下各区 划内观察到至少一个在CL测定中未检测出暗点的一边为100μπι的正方形区域。
[0134] 外周部分lla-Ι-般是不用于半导体器件的制作的部分。但优选外周部分的位错 密度也低。
[0135] 此外，将相邻的结晶区域间的边界Blab、Blb。和Blc；d除外来进行平均而得到的第1主 表面的中央部分lla-2的堆垛层错密度优选为20CHT 1以下、更优选为lOcnf1以下、最优选为 1 cnf1以下。
[0136] 以在第1主表面上形成0.5mm见方(500μπιΧ500μπι)的LED芯片的情况为例，对其理 由进行说明。〇.5mm见方的芯片尺寸是在使用GaN基板的高功率LED芯片中可采用的典型的 尺寸。
[0137] 在第1主表面上的1 cm X 1 cm的矩形区域内可形成的0.5mm见方的LED芯片的个数为 400。将在400个LED芯片中合格品所占的比例作为"成品率"，简便起见在下述假设下计算堆 垛层错对于成品率的影响。
[0138] · 1cmX lcm的矩形区域被与c轴平行的直线和与a轴平行的直线包围。
[0139] ?堆垛层错与a轴平行地形成。
[0140] ?在lcmX lcm的区域内仅形成1个长度小于lcm的堆垛层错。
[0141] ?堆垛层错彼此的间隔为500μπι以上。
[0142] ?若在形成该LED芯片的区域存在堆垛层错，则该LED芯片为不合格。只有在形成 该LED芯片的区域完全不存在堆垛层错的LED芯片才为合格品（因此，若堆垛层错为零，则从 lcmX lcm的区域得到400个合格品）。
[0143] 在上述假设下，堆垛层错密度为0.1 cnf1时，在lcmX lcm的区域内，长度0 . lcm(= 1 ΟΟΟμπι)的堆垛层错有1个。因此，2个LED芯片为不合格，成品率为(400-2) /400 = 99.5 %。
[0144] 堆垛层错密度为lcnf1时，在lcmX lcm区域内，长度lcm的堆垛层错有1个。因此，20 个芯片为不合格，成品率为(400-20) /400 = 95 %。
[0145] 堆垛层错密度为lOcnf1时，在lcmX lcm的区域内，长度lcm的堆垛层错有10个。由于 堆垛层错彼此的间隔为500μπι以上，因而200个芯片为不合格。因此，成品率为（400-200)/ 400 = 50%〇
[0146] 对如此计算出的堆垛层错密度与LED芯片的成品率的关系作图，如图15所示。
[0147] 利用M0CVD法使GaN薄膜在该第1主表面上生长，对该薄膜的表面进行光学显微镜 观察，从而可以调查存在于第1主表面的堆垛层错的长度。GaN薄膜例如在下述条件下生长 为2μηι的厚度即可，该条件为：载气使用氮气，氨流量为10slm，三甲基镓供给速率为206μ mol/min，压力为12.5kPa，基板温度为1040°C。在该GaN薄膜的表面，与堆垛层错对应地形成 高度差，因而通过光学显微镜观察来测定该高度差的长度，从而可以求出堆垛层错的长度。
[0148] 在GaN基板10存在有贯通裂纹C。贯通裂纹C为下述裂纹:与c轴之间所成的角度在 第1主表面11a内为90° ±10°的范围内，并且在厚度方向贯通基板。
[0149] 关于贯通裂纹C，即便在GaN基板10上层积半导体器件用的外延薄膜，一般也无法 填堵。存在大量贯通裂纹的外延基板通过贯通裂纹而产生抗蚀剂液体的泄漏，因而存在难 以进行半导体工艺的问题。
[0150] 关于第1主表面11a的贯通裂纹C的数量，每20cm2优选为10以下、更优选为5以下。 20cm 2的面积是直径2英寸的圆的面积，即2英寸基板的主表面的面积。最优选的是在第1主 表面11a不存在贯通裂纹C。
[0151] 优选在第1主表面11a不存在贯通裂纹C以外的类型的裂纹。
[0152] 在用于基于M0VPE法等的氮化物半导体的生长时，GaN基板被放置于气相生长装置 的基座上，隔着该基座进行加热。因此，若GaN基板的背面为极度的凸状，则与基座的接触面 积变少，基板温度的面内分布变得不均匀。
[0153] 在GaN基板中，通常表面与背面平行，若在直径为45mm~55mm的情况下，TTV(Total Thickness Variation，总厚度变化）为5μηι以下。因此，在表面为凹面的情况下，背面为凸 面，隔着基座进行加热时，温度的面内均匀性变差。
[0154] 因此，在GaN基板10中，优选第1主表面11a在室温下不是凹面。第1主表面11a也可 以为凸面，没有限定。
[0155] 此处，第1主表面11a为凹面是指，该第1主表面的等高线形成多重环状，并且位于 更内侧的等高线所示出的高度较低。相反地，第1主表面11a为凸面是指，该第1主表面的等 高线形成多重环状，并且位于更内侧的等高线所示出的高度较高。此处，第1主表面上的高 度的基准面为第1主表面的最小二乘平面。
[0156] 多重环状与同心圆状相比为上位概念。形成多重环状的等高线各自为环状即可， 未必需要为圆。此外，环状的等高线也可以具有向内侧突出的部分。
[0157] GaN基板10的第1主表面11a的等高线可以使用激光斜入射干涉计之类的测定设备 进行测定。以下所述的S0RI值也相同。
[0158] S0RI值是用于定量基板的翘曲程度的指标之一。将基板的表面的最小二乘平面作 为高度的基准面时，将该表面上的最高点与该基准面之间的距离、和该表面上的最低点与 该基准面之间的距离进行合计的值为S0RI值。由定义可以理解，S0RI值不会为负值。
[0159]即便第1主表面不是凹面，在其S0RI值过大的情况下，第2主表面与基座的接触面 积也减小，隔着基座加热时的温度的面内均匀性也可变差。因此，若G a N基板10的直径为 45mm~55mm的情况下，第1主表面11a在室温下的S0RI值优选小于20μηι、更优选小于15μηι、最 优选小于1 Own。
[0160] 求出S0RI值时，第1主表面的周边部3mm除外。原因是：在基板的外周部，为了进行 端部处理等，表面与背面有时不平行。
[0161] 关于第1主表面的中央部分lla-2的偏离角的变动幅度，c轴方向的分量以及与c轴 正交的方向的分量均通常小于0.5°、优选小于0.3°、更优选小于0.2°。此处所说的偏离角的 变动幅度是指，对于偏离角的各分量，将中央值设为Θ、将最大值设为θ+α、将最小值设为θ-α 时的2α。
[0162] Μ面基板中的偏离角是指，表面的法线相对于Μ轴的斜度，可以利用表面上的任意 位置来定义。如上所述，表面是指旨在用于半导体器件的形成或结晶的外延生长的主表面。
[0163] 在GaN基板10中，可以将表面的偏离角有意地从0°偏离。该情况下，将上述说明中 所说的c轴方向改称为"第1主表面上的c轴的正投影的方向"。
[0164] 从GaN基板10的第1主表面11a除去了通过机械研磨所形成的损伤层。
[0165] 可以由通过光致发光测定得到的主表面的发光光谱获知损伤层的残留。损伤层残 留时，该发光光谱在可见波段具有宽峰。该宽发光峰也被称为黄色带，出现在包含与黄色光 对应的波长（550nm~580nm)的波段。
[0166] 若损伤层被除去，则在上述发光光谱中，相对于与GaN的带隙对应的波长下的峰的 强度，黄色带的强度的比例下降。该比例优选小于1/5、更优选小于1/10。
[0167] GaN基板10的第2主表面1 lb可以为镜面，也可以为粗糙面。
[0168] 若第2主表面lib为粗糙面，可以通过目视容易地进行与第1主表面11a的识别。
[0169] 在第2主表面lib中，也除去了通过机械加工形成的损伤层。对于通过机械研磨而 平坦化的GaN表面，通过进行CMP抛光，可以制成无损伤层的镜面。对于实施了粗的机械研磨 的GaN表面或者原切片（7文只y彳只）的GaN表面，通过进行干蚀刻处理，可以制成无损伤 层的粗糙面。
[0170] 在优选的实施方式中，可以将构成GaN基板10的结晶区域的数量减为3个，进而可 以减为2个。
[0171]随着减少结晶区域的数量，相邻的结晶区域间的边界减少，因而在该边界产生的 应力引起的晶体缺陷减少。
[0172] 以上对本发明的第1实施方式进行了说明，但在变形实施方式中，可以将与GaN基 板10的第1主表面11a平行或最接近平行的低指数面如(30-31)面、（30-3-1)面、（20-21)面、 (20-2-1)面等那样制成相对于Μ面倾斜的结晶面。在该变形实施方式中，第1主表面11a的法 线相对于Μ轴的倾斜中包含c轴方向分量的情况下，在上述第1实施方式的说明中所说的c轴 方向被替换为"第1主表面上的c轴的正投影的方向"。
[0173] 1.2.第2实施方式
[0174] 将第2实施方式的GaN基板示于图3。图3(a)为俯视图，即从基板主表面的法线方向 观察基板的图，图3(b)为图3(a)的X-X线的位置的截面图。
[0175] 图3所示的GaN基板20是其形状为圆盘、即具有圆形主表面的板，具有第1主表面 21a和其相反侧的第2主表面21b，同时具有端面22。第1主表面21a被抛光成平坦面，以适合 于在其上使结晶进行外延生长。
[0176] 第1主表面21a与Μ面平行，因此，GaN基板20为Μ面基板。
[0177] 第1主表面21a的直径为45mm~55mm，例如可以为2英寸(50mm)。
[0178] 第2实施方式的GaN基板20与上述第1实施方式的GaN基板10不同，由单一的结晶区 域构成。即，在GaN基板20中不存在结晶区域间的边界。因此，抑制了在结晶区域间的边界产 生的应力所引起的晶体缺陷的发生。
[0179] 如图3(a)所示，将第1主表面21a分成从边缘起3mm以下的外周部分21a_l(长虚线 的外侧)和被该外周部分包围的中央部分21 a-2 (长虚线的内侧)时，该中央部分21 a-2的平 均位错密度优选小于l〇5cnf2。
[0180] 在第1主表面的中央部分21a_2实现了平均位错密度小于105cnf2的情况下，按照一 个区划是一边为5mm的正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，大多情况下 各区划内观察到至少一个在CL测定中未检测出暗点的一边为100μπι的正方形区域。
[0181]外周部分21a_l-般是不用于半导体器件的制作的部分。但优选外周部分的位错 密度也低。
[0182] 此外，第2主表面的中央部分21a_2的堆垛层错密度优选为20CHT1以下、更优选为 lOcnf1以下、最优选为lcnf1以下。
[0183] 位错密度和堆垛层错密度的评价可以利用与第1实施方式相同的方法来进行。
[0184] 以上对本发明的第2实施方式进行了说明，但在变形实施方式中，可以将与GaN基 板20的第1主表面21a平行或最接近平行的低指数面如(30-31)面、（30-3-1)面、（20-21)面、 (20-2-1)面等那样制成相对于Μ面倾斜的结晶面。
[0185] 1.3.第3实施方式
[0186] 将第3实施方式的GaN基板示于图17。图17(a)为俯视图。图17(b)为图17(a)的XI-XI线的位置的截面图，图17(c)为图17(a)的X2-X2线的位置的截面图。图17(b)和(c)所示的 截面是与主表面正交的截面。
[0187] 图17所示的GaN基板30是具有矩形主表面的板，具有第1主表面31a和其相反侧的 第2主表面31b，同时具有端面32。第1主表面31a被抛光成平坦面，以适合于在其上使结晶进 行外延生长。
[0188] 第1主表面31a与Μ面平行，因此，GaN基板30为Μ面基板。GaN基板20也可以为斜切基 板。斜切角可以为20°以下的任意角度。换言之，第1主表面31a也可以与在20°以下的范围内 相对于Μ面倾斜的结晶面平行。
[0189] 关于第1主表面31a的尺寸，纵横均为4英寸以上。如图17(a)所示，将第1主表面31a 分成从边缘起3mm以下的外周部分31a-l(长虚线的外侧)和被该外周部分包围的中央部分 31a-2(长虚线的内侧)时，将相邻的结晶区域间的边界除外进行平均而得到的该中央部分 31a-2的位错密度小于10 5cnf2。
[0190] GaN基板30源自由利用覆瓦法制造的GaN结晶进行切割，包含在c轴方向和a轴方向 排列的6个结晶区域30&、3013、30〇、30(1、306、3(^。&轴是与[11-20]平行的结晶轴。
[0191] 6个结晶区域30&、3013、30(3、30(1、306、3(^均在第1主表面313和第2主表面3113这两 者表面露出。图17(a)中，将在第1主表面31a出现的相邻的结晶区域间的边界用虚线表示。 同样地，图17(b)和(c)中，将在截面出现的相邻的结晶区域间的边界用虚线表示。
[0192] 边界出必存在于结晶区域30a和30b之间，边界B3bc存在于结晶区域30b和30c之间， 边界& 3(1存在于结晶区域30a和30d之间，边界B3be存在于结晶区域30b和30e之间，边界B 3cf存 在于结晶区域30c和30f之间，边界B3de存在于结晶区域30d和30e之间，边界B 3ef存在于结晶 区域30e和30f之间。
[0193] 在阴极发光图像中，相邻的结晶区域间的边界作为位错密度局部变高的带状区域 而出现于第1主表面3]^。该带状区域的宽度通常小于20(^1]1、优选小于10(^1]1。
[0194] 在位错密度高的区域中，光致发光(PL)强度相对地降低，因而相邻的结晶区域间 的边界有时可由第1主表面31a的PL扫描系统(PL mapping)发现。
[0195] 另外，在大多数情况下，在相邻的结晶区域间晶体取向略微不同，晶体取向在其边 界不连续地变化。晶体取向不连续地变化的部位例如可以通过进行第1主表面31a的X射线 形貌分析来检测。
[0196] 图17(a)中若Π -Χ1线和X2-X2与c轴平行，则Θ 3ab、Θ 3bc、Θ 3de和Θ 3ef分别为80°~ 1〇〇°。换言之，边界B3ab、B3bc、B3de和B 3ef分别在与C轴成90° ±10°的范围内的角度的方向延 伸。这些边界B3ab、B3bc、B3de和B 3ef分别延伸的方向与(:轴所成的角度的范围优选为90° ± 5°、 更优选为90°±1°。
[0197] 在GaN基板30存在贯通裂纹C。贯通裂纹C为下述裂纹:与c轴之间所成的角度在第1 主表面31a内为90° ±10°的范围内，并且在厚度方向贯通基板。关于第1主表面31a的贯通裂 纹C的数量，每20cm2优选为10以下。最优选的是在第1主表面31a不存在贯通裂纹C。
[0198] 优选在第1主表面31a不存在贯通裂纹C以外的类型的裂纹。
[0199] 1.4.优选的实施方式
[0200] 在上述各实施方式中，根据需要可以适当地进行用于使第1主表面与端面的边界 光滑的倒角。关于第2主表面与端面的边界也相同。对第1主表面与端面的边界进行倒角的 情况下，以进行倒角前的第1主表面的边缘作为基准，对上述外周部分和中央部分进行定义 即可。
[0201] 根据需要可以设置表示结晶取向的定向平面、或用于可识别2个主表面的指数平 面。
[0202] 在实施方式的GaN基板中，主表面的形状不限定于圆形或矩形，其面积通常为与直 径2英寸、优选与直径3英寸、更优选与直径4英寸的圆的面积同等或更大。
[0203] 在圆盘形GaN基板的情况下，其直径通常为2英寸以上、优选为3英寸以上、更优选 为4英寸以上。该直径没有特别的上限，但通常为6英寸以下。
[0204] 因此，在上述的第1或第2实施方式的GaN基板中，可以将其直径扩大为例如75mm(3 英寸）、100mm(4英寸）、l 5〇mm(6英寸）等。
[0205] 如第3实施方式的GaN基板那样，其主表面的形状为矩形的情况下，其尺寸纵横均 优选为2英寸以上、更优选为3英寸以上、进一步优选为4英寸以上。该纵横的长度没有特别 的上限，但通常为6英寸以下。
[0206] 如第1或第3实施方式的GaN基板那样，在由两个以上的结晶区域构成的GaN基板 中，该两个以上的结晶区域中的至少一个优选沿着主表面上的c轴的正投影的方向具有 15mm以上的尺寸。更优选该两个以上的结晶区域全部沿着该方向具有15mm以上的尺寸。
[0207] 如第3实施方式的GaN基板那样，也可以将两个以上的结晶区域在主表面上的c轴 的正投影的方向排成两列的构成应用于圆盘形GaN基板。该构成可特别优选用于直径为约4 英寸(95mm~105mm)~约6英寸（145mm~155mm)的圆盘形GaN基板。
[0208] 在直径约6英寸的圆盘形GaN基板中，也可采用两个以上的结晶区域沿着主表面上 的C轴的正投影的方向排成三列的构成。
[0209]这样，在具有两个以上的结晶区域在主表面上的c轴的正投影的方向排成两列或 三列的构成的GaN基板中，各列所含的结晶区域的个数N根据基板尺寸而异。即，沿着主表面 上的c轴的正投影的方向的基板尺寸为约4英寸的情况下，N优选为2~8、更优选为2~4,该 尺寸为约6英寸的情况下，柯尤选为3~12、更优选为3~6。
[0210] 211^基板的制造方法(之一）
[0211]此处，参照附图对制造第1实施方式的GaN基板的方法的一例进行说明。
[0212] 2.1.用于覆瓦法的晶种基板的制作
[0213]覆瓦法中使用的晶种基板可以通过下述步骤来制作。
[0214] ⑴准备由利用HVPE法生长的GaN结晶（一次GaN结晶）构成的C面基板。
[0215] (ii)将上述步骤(i)中准备的C面GaN基板用于晶种，通过氨热法使二次GaN结晶生 长，由该二次GaN结晶制作Μ面基板。
[0216] (iii)将上述步骤（ii)中制作的Μ面GaN基板用于晶种，通过氨热法使三次GaN结晶 生长。
[0217] (iv)由上述步骤(iii)中生长的三次GaN结晶制作覆瓦法用的晶种基板。
[0218]上述步骤(i i)中使二次GaN结晶生长时，有三个重要点。
[0219]第一，在C面GaN基板的N极性表面上使二次GaN结晶生长。N极性表面是[000-1]侧 的主表面，也称为氮极性面、氮面等。
[0220]第二，在二次GaN结晶的生长前，在C面GaN基板的N极性表面上形成后述的特定图 案的生长罩。
[0221]第三，使用酸性矿化剂。
[0222]通过实行这三点，能够使晶体结构的变形小的二次GaN结晶以高速率生长至大尺 寸。其结果，能够使步骤(iv)中制作的覆瓦法用晶种基板大面积化。
[0223]上述步骤(iii)还有重要的意义。
[0224] 需要上述步骤(iii)的原因在于，上述步骤（ii)中制作的Μ面基板不耐受基于气相 法的GaN结晶的生长中使用的温度条件。步骤(ii)中生长的GaN结晶在其内部含有大量的空 隙，因而若暴露于近l〇〇〇°C的高温下，则会破裂或变质。
[0225] 与此相对，在氨热法的情况下，可在650°C以下使GaN结晶生长，因而能够将步骤 (i i)中制作的Μ面GaN基板用作晶种。
[0226] 上述步骤（iii)中得到的GaN结晶的变形少，并且具备可作为使GaN气相生长时的 晶种使用的程度的耐热性。
[0227] 下面说明各步骤的详细情况。
[0228] (i)C面GaN基板的准备
[0229] 将蓝宝石基板、GaAs基板等用于晶种，利用HVPE法使块状GaN结晶生长，对该块状 GaN结晶进行加工，从而可以制作C面GaN基板。
[0230]优选的是，使用直径大于2英寸的晶种，制作具有2英寸以上的直径的C面GaN基板。 [0231] HVPE法中使用的结晶生长装置和生长条件是本领域技术人员众所周知的。例如， 关于利用HVPE法使块状GaN结晶在GaAs基板上生长的技术，可以参照国际公开W099/023693 号公报(或对应的美国专利第6693021号公报)等。另外，关于利用HVPE法使块状GaN结晶在 蓝宝石基板上生长的技术，可以参照日本特开2003-178984号公报(或对应的美国专利公开 2002/0197825号公报）、日本特开2007-277077号公报（或对应的美国专利公开2009/ 0081110号公报)等。
[0232] 对于C面GaN基板的N极性表面，进行CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学 机械抛光），进行平坦化和损伤层的除去。
[0233] C面GaN基板的形状不限于圆盘，也可以为方板等。
[0234] (i i)二次GaN结晶的生长和Μ面GaN基板的制作
[0235] 在上述步骤（i)中准备的C面GaN基板的N极性表面上，形成用于限定可进行结晶生 长的区域的生长罩。
[0236] 图4是例示出形成有生长罩的C面GaN基板的示意图。C面GaN基板1001具有矩形的N 极性表面1001a，在其上配置有具有宽Wo为50μπι~100μπι左右的线状开口部的、与a轴平行的 条纹图案(线/间距图案）的生长罩1002。条纹周期Ps优选大于1mm，并且优选为10mm以下。
[0237] C面GaN基板的a轴方向的端面1001b和m轴方向的端面1001c需要不被生长罩覆盖。 在一例中，进一步可以使N极性表面的外周部以距离基板端面为几_以内的范围露出。
[0238] 生长罩由在基于氨热法的GaN结晶的生长中不溶解或分解的金属、例如Al、W、Mo、 Ti、Pt、Ir、Ag、Au、Ta、Ru、Nb、Pd、或它们的合金形成。
[0239] 氨热法中使用的原料优选为多晶GaN。作为杂质含有于该多晶GaN中的氧的浓度优 选为5X1019cnf 3以下。用于溶剂的氨所含有的水、氧等杂质的量优选为O.lppm以下。矿化剂 使用酸性矿化剂。酸性矿化剂的优选例为卤化铵、卤化镓、卤化氢之类的含有卤素元素的物 质。特别优选合用氟化铵和碘化氢。矿化剂的纯度优选为99.99 %以上。
[0240] 关于氨热法中使用的结晶生长装置的构成和结晶生长条件的详细情况，例如可以 参照国际公开W02011/065436号公报（或对应的美国专利公开2012/0237431号公报）、国际 公开W02013/062042(或对应的美国专利公开2013/0108537号公报)等。
[0241] 所使用的生长容器是在内部设有原料溶解区和结晶生长区的密闭压力容器。在结 晶生长时，生长容器内的压力优选为200MPa~220MPa，生长容器内的温度优选为590°C~ 630°C。原料溶解区与结晶生长区之间的温度差优选为5°C~20°C。原料溶解区的温度比结 晶生长区尚。
[0242] 将二次GaN结晶的生长情况示意性地示于图5。图5中，二次GaN结晶1003在生长罩 1002的各开口部上一个一个地以壁状生长。壁的高度方向为[000-1]方向（-c方向），壁的厚 度方向为m轴方向。各个壁在厚度方向也生长，但相邻的壁彼此难以发生融合。壁的厚度可 达到1mm以上，但受到生长罩1002的条纹周期Ps的限制。
[0243] 二次GaN结晶1003与C面GaN基板1001的界面限制于设置在生长罩1002的细长开口 部内，因而可以抑制在该界面产生的应力对二次GaN结晶的生长所造成的影响。
[0244] 图5中进行了省略，GaN结晶也从C面GaN基板1001的端面生长，因而整体上形成图6 中示意性地示出的结构。
[0245] 从C面GaN基板的a轴方向的端部1001b生长的GaN结晶在[000-1]方向延伸，形成具 有倾斜的外表面的壁1004。二次GaN结晶的a轴方向的端部1003b与该壁1004的内表面连接。
[0246] 从C面GaN基板的m轴方向的端部1001c生长的GaN结晶也在[000-1]方向延伸，形成 具有倾斜的外表面的壁1005。壁1004和壁1005相互连接，形成包围二次GaN结晶1003的周壁 结构。
[0247] 通过形成图6所示的结构，至少可得到下述三个效果。
[0248] 第一效果为将二次GaN结晶保持于C面GaN基板上的效果。
[0249] 第二效果为防止二次GaN结晶的[000-1]方向的生长速率的钝化的效果。
[0250] 第三效果为防止二次GaN结晶的a轴方向的尺寸缩小的效果。
[0251] 通过上述第一效果，能够实现二次GaN结晶的生长工序中的再生长。再生长是指下 述操作:使结晶以某种程度生长后，将晶种从生长容器中取出，移至新的生长容器中，再次 在其上进行结晶生长。若生长容器内的原料被消耗，则生长速率降低，因而为了得到大尺寸 的二次GaN结晶，不能缺少再生长，可实现再生长的是图6所示的结构的形成。
[0252] 如果不形成该结构，不会使二次GaN结晶从C面GaN基板脱落，难以由已使用的生长 容器移至新的生长容器。其原因在于，如上所述，二次GaN结晶与C面GaN基板的直接结合仅 限于设置于生长罩的细长开口部的内侧。
[0253] 若形成图6所示的结构，则二次GaN结晶藉由上述周壁结构被维系在C面GaN基板， 因而除了能够进行再生长操作外，在生长容器内通过溶剂的对流作用等使二次GaN结晶从C 面GaN基板脱落的概率也会降低很多。
[0254] 此外，图6所示的周壁结构还有保护二次GaN结晶以防在处理中受到损伤的效果。
[0255] 如下所述，将上述第二效果模型化来进行说明。
[0256]例如，考虑使用图7(a)所不的GaN结晶晶种2001使GaN结晶生长的情况。该晶种的 主表面2001a为N极性表面，其形状是在a轴方向细长地伸长的长方形。
[0257] 生长刚开始后，GaN结晶以高速率在晶种的N极性表面上生长，在早期阶段，如图7 (b)所示在GaN结晶2002的表面出现稳定面2002b和2002c。稳定面2002b和2002c均相对于作 为GaN结晶2002的生长方向的[000-1 ]方向倾斜，因此，随着结晶生长进行，GaN结晶的N极性 表面2002a变窄。
[0258] 不久，如图7 (c)所示，GaN结晶的表面整体被稳定面200 2b和200 2c占据，若N极性表 面2002a消失，则GaN结晶的[000-1]方向的生长速率降低至非实用的水平。
[0259] 与此相对，在形成图6所示的结构的情况下，难以在二次GaN结晶的表面出现稳定 面，因而不发生由N极性表面消失所导致的[000-1]方向的生长速率的钝化。因此，通过在将 [000-1]方向的生长速率维持为实用水平(例如超过100μπι/天）的同时进行再生长，可以使 二次GaN结晶在该方向生长15mm以上。
[0260] 再生长可以重复2次以上。
[0261] 关于上述第三效果，可以通过与图7所示的示例的比较来说明。在图7的示例中，随 着GaN结晶2002在[000-1]方向生长，其a轴方向的尺寸缩小。原因在于，在a轴方向的端部出 现的稳定面2002b相对于c轴倾斜。
[0262] 与此相对，形成图6所示的结构的情况下，二次GaN结晶的a轴方向的端部1003b与 壁1004结合。因此，不发生因倾斜的稳定面的出现所导致的二次GaN结晶的a轴方向的尺寸 缩小。
[0263] 通过上述第三效果，二次GaN结晶的a轴方向的尺寸大体上根据C面GaN基板的a轴 方向的尺寸来决定。因此，在上述步骤(i)中，优选准备a轴方向的尺寸大于50mm的C面GaN基 板。
[0264] 通过切断二次GaN结晶的外周部而整理形状，并且利用抛光和CMP使两个主表面平 坦化，从而可以制作Μ面GaN基板。
[0265] 本发明人确认到：可以由利用上述方法生长的二次GaN结晶制作具有52mmX 52mm 的矩形主表面的Μ面GaN基板。并且认为：通过进一步延长结晶生长时间，还可以制作具有 55mm见方以上的尺寸的Μ面GaN基板。
[0266] (iii)三次GaN结晶的生长
[0267] 将上述步骤（ii)中制作的Μ面GaN基板用于晶种，通过氨热法使覆瓦法用的晶种基 板的原料、即三次GaN结晶生长。
[0268] 关于GaN结晶的堆垛层错，结晶的生长方向与c轴的平行度越低则越容易发生。这 不限于气相生长，在氨热法中也相同。
[0269] 但是，对三次GaN结晶来说，虽然生长方向与c轴的平行度不高，但堆垛层错密度也 非常低。其原因在于，将由变形极少的二次GaN结晶制作的Μ面GaN基板用于晶种，进行生长。
[0270] 在三次GaN结晶的生长中，与上述步骤(ii)同样地可以优选使用酸性矿化剂。关于 优选的结晶生长条件，也与上述步骤(ii)相同。
[0271] 三次GaN结晶以覆盖Μ面GaN基板的表面整体的方式生长，但可优选用作覆瓦法用 的晶种基板的原料的是在Μ面GaN基板的主表面上形成的Μ面生长部。
[0272] 使三次GaN结晶生长时，特别推荐使用氟化铵之类的含有氟的酸性矿化剂。该矿化 剂具有显著提高GaN结晶的Μ面生长的速率的作用。关于碱性矿化剂，目前尚未开发出能够 以实用的速率使GaN结晶进行Μ面生长的碱性矿化剂。
[0273] 使用含有氟的酸性矿化剂通过氨热法生长的GaN结晶含有氟，其浓度通常超过IX 1015cnf3。该GaN结晶中的碱金属浓度通常小于1 X 1015cnf3。
[0274] (iv)覆瓦法用晶种基板的制作
[0275] 覆瓦法用的晶种基板如图8所示的晶种基板100那样形成为方板形状，在其[0001] 侧(+c)侧和[000-1]侧(-c侧)分别设置+C端面和-C端面。+C端面和-C端面相互平行，并且各 自与主表面上的c轴的正投影以90° ± 10°的范围内、优选以90° ±5°的范围内、更优选以90° ±1°的范围内的角度相交。
[0276] 关于晶种基板的主表面的尺寸，在与+C端面和主表面的交线平行的方向优选为 55mm以上，在与该交线正交的方向优选为15mm以上。晶种基板的厚度优选为250μηι以上。
[0277] 为了由三次GaN结晶制作晶种基板，依次进行以下说明的（a)切片、（b)端面的形 成、（c)主表面的平坦化。
[0278] (a)切片
[0279] 使用通常的线锯切片机，由三次GaN结晶切割出主表面的法线与m轴之间的角为0 度以上20度以下的预备基板。切片方向使用X射线衍射装置进行确认。
[0280] (b)端面的形成
[0281] 使用切片机将预备基板的边缘部切掉，使主表面为四边形。该工序中形成的截面 成为晶种基板的端面。
[0282] 使晶种基板的端面的面取向尽可能接近设计取向，这在降低在最终产物GaN基板 的主表面产生的贯通裂纹方面是重要的一点。具体地说，优选与设计取向的偏离在±0.1° 的范围内。为此，每次切断预备基板时，利用X射线衍射装置确认所形成的端面的面取向，在 与设计取向的偏离超过0.1°的情况下，调整工件的方向再次进行切断即可。重复该操作直 至得到与设计取向的偏离为0.1°以内的端面为止。
[0283] (c)主表面的平坦化
[0284] 端面的形成完成后，通过依次进行的抛光和CMP(化学机械抛光)使晶种基板的主 表面平坦化。也可以代替抛光或在抛光的基础上进行磨碎。除了平坦化外，CMP的目的还在 于除去切片和抛光中形成的损伤层。
[0285] 关于抛光和CMP，如在半导体基板的研磨中通常进行的那样，使用蜡将工件（晶种 基板)固定于平坦的板的表面来进行。
[0286] 在优选的实施方式中，将两个以上晶种基板在以端面彼此在相邻的晶种基板间接 触的方式进行密集排列的状态下固定于板上。排列方向为各晶种基板的主表面上的c轴的 正投影的方向。
[0287] 图9是示出将图8所示的方板形状的晶种基板100如此排列于板P上的情况的立体 图。图9中的双箭头表示各晶种基板100的主表面上的c轴的正投影的方向。
[0288] 若如此密集地排列两个以上晶种基板并进行抛光和CMP，则可以抑制各晶种基板 的+C端面和-C端面的边缘滚降。
[0289]图10 (a)是不出如图9所不那样固定于板P上的晶种基板100的抛光和CMP后的截面 的不意图。另一方面，图10(b)是不出使晶种基板100相互隔开固定于板P上时的抛光和CMP 后的截面的示意图。
[0290] 如图10(a)所示，无论哪种晶种基板100,在与相邻的晶种基板的-C端面接触的+C 端面、以及与相邻的晶种基板的+C端面接触的-C端面，均抑制了边缘滚降。在不与其它晶种 基板的端面接触的+C端面和-C端面，未抑制边缘滚降。
[0291] 2.2.基于覆瓦法的GaN结晶的生长
[0292] 在将利用上述方法制作的晶种基板排列两个以上而成的集合晶种上，使GaN结晶 进行气相生长。优选的气相生长方法为HVPE法。
[0293] 基于HVPE法的GaN结晶的生长中，优选可以使用具备石英制反应容器的一般的热 壁型生长装置。
[0294] 在基于HVTO法的GaN结晶的生长中，若使供给到反应容器内的载气的99~100体 积％为氮气(N2)，则可得到变形极少的GaN结晶。本发明人确认到：与使载气中氮气所占的 比例为92体积％ (N2: H2比为92:8)的情况相比，为100体积％的情况下，所生长的GaN结晶的 变形显著地降低。
[0295] 构成集合晶种的两个以上晶种基板在主表面上的c轴的正投影的方向排成一列。 此时，全部晶种基板的主表面上的[0001]的正投影朝向同一方向。
[0296] 图11是示出将图8所示的方板形状的晶种基板100如此排列于气相生长装置的基 座上的情况的俯视图。图11中的箭头分别表示各晶种基板100的主表面上的[0001]的正投 影。
[0297] 在图11所示的4个晶种基板100全部中，+C端面和-C端面按照与设计取向的偏离为 〇. 1°以内的方式形成。因此，按照+C端面和-C端面接触的方式配置时的晶种基板间的晶体 取向的偏离小。
[0298]图12不出了 GaN结晶200在由4个晶种基板100构成的集合晶种上进彳丁外延生长的 情况，图12(a)为俯视图，图12(b)为截面图。
[0299]虽然很小，但在4个晶种基板100之间存在晶体取向的差异，因此在GaN结晶200中 形成了4个结晶区域200a、200b、200c和200d(虚线表示结晶区域间的边界）。
[0300]图12(a)和(b)中的4个箭头分别表示与GaN结晶200的厚度方向（生长方向）正交的 假想平面上的GaN结晶200的[0001]的正投影。4个结晶区域200a、200b、200c和200d之间的 晶体取向的差异很小，因而4个箭头大致平行。
[0301]将利用HVPE法生长的块状GaN结晶与利用熔剂法或氨热法生长的块状GaN结晶进 行比较，存在下述差异。
[0302]其中之一可以举出，利用HVPE法生长的GaN结晶的碱金属浓度低。例如，利用熔剂 法难以得到锂(Li)、钠(Na)和钾(K)合在一起的碱金属浓度小于1 X 1015cnf3的GaN结晶（日 本特开2009-18961号公报）。这在将碱金属用于矿化剂的氨热法中也相同（日本特开2011-523931号公报）。与此相对，利用HVPE法生长的GaN结晶通常碱金属浓度小于1 X 1015cnf3。 [0303]碱金属浓度低的结晶的使用对于形成于基板上的半导体器件的可靠性的提高有 利。
[0304]此外，利用HVPE法生长的GaN结晶在可视波段的透明度高，因而适合于发光器件用 的GaN基板的材料。例如，在白色LED中使用的激发用蓝色LED的发光波长450nm处，利用氨热 法生长的GaN结晶的吸收系数为4CHT 1~20CHT1，与此相对，利用HVPE法生长的GaN结晶的吸 收系数为2cm-1 以下（T.Hashimoto，et al.，Sensors and Materials，Vol.25，No.3(2013) 155-164)。
[0305] 除此以外，与熔剂法或氨热法相比，在HVPE法的情况下掺杂剂浓度的控制容易，因 而可以得到载流子浓度和电导率被精密控制的GaN结晶。
[0306] 2.3.GaN基板的制作
[0307] 关于由利用覆瓦法生长的块状GaN结晶切割出圆盘形的基板的方法，可以适当参 照公知技术。为了使基板的主表面为圆形，对块状GaN结晶进行圆筒磨削加工或取芯加工即 可。
[0308] 块状结晶的切片方向可以与晶种基板的主表面平行，也可以为不同的方向。
[0309] 对于切片后的基板的主表面，可以通过磨碎、抛光、CMP等进行平坦化。
[031 0]图16是示意性地示出由块状GaN结晶切片出GaN基板的工序的截面图。
[0311] 图16(a)示出了由4片晶种基板构成的集合晶种和在其上外延生长的块状GaN结 晶。块状GaN结晶的生长方向为图中的箭头所示的方向，即远离晶种基板的方向。
[0312] 图16(b)示出了块状GaN结晶被切片后的状态。该例中，切片方向与晶种基板的主 表面不平行。
[0313]为了制作在室温下第1主表面不是凹面的GaN基板，如图16(b)所示，将朝向构成该 基板的GaN结晶的生长方向的主表面选为第1主表面。此外，从GaN基板的第1主表面和第2主 表面两者中除去损伤层。
[0314] 对于表面，利用机械研磨进行平坦化，在机械研磨后，进行由此产生的损伤层的除 去。损伤层的除去优选可以通过CMP来进行。
[0315] 在机械研磨后的状态的GaN基板表面的阴极发光图像中，观察到与位错对应的多 个暗点。若对该基板表面实施CMP，则初期随着CMP量增加，暗点密度减少。在损伤层被充分 除去后，即便增加 CMP量，暗点密度也不变化。
[0316]关于损伤层的除去，除了 CMP以外，还可以通过使用了含有氯、氟、溴等卤素元素的 蚀刻气体的RIE(反应性离子蚀刻)来进行。
[0317] 对于GaN基板的背面，根据需要通过机械研磨进行平坦化。
[0318] GaN基板的背面的损伤层优选通过RIE除去。
[0319]在非极性或半极性GaN基板、特别是表面的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以 下的GaN基板中，主表面的化学稳定性高，与极性基板中的Ga极性表面为相同程度，因而在 通过湿蚀刻除去损伤层的情况下，需要使用苛刻的条件。
[0320] 2.4.优选的实施方式
[0321] 对于上述的2.2. (iii)中生长的三次GaN结晶，即便时常在相同条件下生长，也无 法避免其品质产生某种程度的分布。
[0322] 因此，在2.2. (iv)中，在由二次GaN结晶制作覆瓦法用晶种基板时，可以在进彳丁端 面形成的步骤(b)之前，对步骤(a)中得到的原切片基板的主表面进行研磨，使其平坦化，对 该基板的位错缺陷及堆垛层错的密度进行评价。
[0323] 在该评价中，将位错缺陷或堆垛层错的密度超过预先确定的基准的基板作为不合 格品，不进行下一步骤(c)，从而能够使覆瓦法中使用的晶种基板的品质以高水准统一。
[0324] 另外，在不合格品中，基板的端部具有位错缺陷密度或堆垛层错密度局部变高的 部分的情况下，在随后的(b)的端面形成工序中将该部分切除，从而可以修复。
[0325] 2.5.贯通裂纹
[0326] 使用本发明人在上文中说明的方法，尝试制作了第1实施方式的直径为2英寸的Μ 面GaN基板，结果可知具有产生与c轴正交的贯通裂纹的倾向。
[0327] 特别是，关于覆瓦法中使用的晶种基板的+C端面和-C端面的面取向，在允许与设 计取向偏离0.5°左右的情况下，大量产生了该贯通裂纹。
[0328] 图13是利用上述说明的方法试制的2英寸Μ面GaN基板的表面的阴极发光（CL)图 像。如CL图像所示，贯通裂纹具有沿着c轴方向成列的倾向。图13中，白色箭头所指的是贯通 裂纹。
[0329] 图13中，在c轴方向延伸的黑色线是位错密集的区域。在c轴方向成列的贯通裂纹 均沿着这种线状的高位错密度区域形成。
[0330]特别是，由于制作过程中进行的使用Κ0Η水溶液的湿蚀刻处理，因此图13所示的 GaN基板的贯通裂纹的内部空间扩大。由于仅在内壁的单侧形成了微细的棱锥，因而化学稳 定性低的N极性表面被蚀刻，认为裂纹的宽度扩大。
[0331] 通过提高晶种基板的+C端面和-C端面的面取向的精度，这样的贯通裂纹减少。并 且，通过降低晶种基板的+C端面和-C端面的边缘滚降，这样的贯通裂纹进一步减少。
[0332] 这些事实暗示了 ：在不同的晶种基板上分别生长的GaN结晶彼此接合的部分产生 了变形，该变形使高位错密度区域产生，从而导致了裂纹。
[0333]需要预先进行注释，作为覆瓦法的晶种基板，在使用通过HVPE法制造的位错密度 高的GaN结晶的情况下，所得到的2英寸Μ面基板的表面会产生各种各样的裂纹，其数量比上 述贯通裂纹的数量多很多。其中，产生频率特别高的裂纹是在相邻的结晶区域间的边界上 形成的与c轴平行的裂纹。
[0334] 换言之，对本次的与c轴正交的贯通裂纹来说，通过采用上述2.1~2.3中记载的制 造方法而抑制了其它类型的裂纹，其结果首次显著化。
[0335] 3.GaN基板的制造方法(之二）
[0336] 此处，对第2实施方式的GaN基板的制造方法进行说明。
[0337] 第2实施方式的GaN基板可以通过对上述2.1.( iii)中说明了生长方法的三次GaN 结晶进行加工来制造。
[0338] 例如，为了得到可切割出直径为50mm的GaN基板的尺寸的三次GaN结晶，使该三次 GaN结晶生长时使用的Μ面晶种基板的主表面的尺寸大于50mm见方。具有该尺寸的主表面的 Μ面晶种基板可以由上述2.1. (ii)中说明了生长方法的二次GaN结晶来制作。
[0339] 在三次GaN结晶的生长中使用利用了含有氟的酸性矿化剂的氨热法，因而，所得到 的GaN基板的碱金属浓度小于1 X 1015cnf3,另一方面，以超过1 X l〇15cnf3的浓度含有氟。
[0340] 第2实施方式的GaN基板进而也可以通过其它方法来制造。
[0341] 例如，通过对上述的三次GaN结晶进行加工而制作晶种基板，并对在该晶种基板上 通过HVPE法生长的GaN结晶进行加工，从而可以制造第2实施方式的GaN基板。
[0342]由三次GaN结晶制作的晶种基板可以为Μ面基板，或者也可以为主表面的法线与Μ 轴之间的角为0度以上20度以下的半极性基板。另外，该晶种基板可以为圆盘形，或者也可 以具有矩形的主表面。晶种基板的主表面的尺寸大于所要制造的GaN基板的主表面的尺寸。
[0343] 利用该方法制造的GaN基板的碱金属和氟的浓度均小于1 X 1015cnf3。另外，构成基 板的GaN结晶的在波长450nm的吸收系数为2CHT 1以下，因而作为蓝色LED用的基板特别合适。
[0344] 4 .GaN基板的用途
[0345] 本发明的GaN基板可以用于各种半导体器件的制造。通常，使一种以上的氮化物半 导体在本发明的GaN基板上进行气相外延生长，形成器件结构。作为外延生长法，可以优选 使用适合于薄膜形成的M0CVD法、MBE法、脉冲蒸镀法等。
[0346] 作为半导体器件的具体例，包括发光二极管、激光二极管等发光器件、整流器、双 极型晶体管、场效应晶体管、HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶 体管)等电子器件、温度传感器、压力传感器、放射线传感器、可见-紫外光检测器等半导体 传感器、SAW(Surface Acoustic Wave，表面声波）器件、振子、共振子、振荡器、MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)部件、电压致动器、太阳能电池等。
[0347] 另外，认为本发明的GaN基板还可用于人工光合成电池用的电极。
[0348] 本发明的GaN基板还可以作为用于使氮化物半导体结晶生长的晶种使用。
[0349] 例如，在本发明的GaN基板上利用任意的方法使GaN进行外延生长，可以得到块状 GaN结晶。或者，可以将本发明的GaN基板用于晶种，使第一块状GaN结晶生长后，将该第一块 状GaN结晶的一部分或全部用于晶种，使第二块状GaN结晶生长。
[0350] 5.实验结果
[0351] 5.1.实验1
[0352] 按照以下顺序制作了 2英寸Μ面GaN基板。
[0353] [1]C面GaN基板的制作
[0354] 在利用M0VPE法使GaN层在C面蓝宝石基板的表面外延生长而成的GaN模板上，利用 HVPE法使c轴取向的GaN结晶层生长。将该GaN结晶层切片，制作了C面GaN基板。为了在下一 工序中作为外延生长的基底面使用，通过抛光和CMP将C面GaN基板的N极性表面平坦化。
[0355] [ 2 ]基于氨热法的Μ面GaN基板的制作
[0356] 在上述[1]中制作的C面GaN基板的N极性表面上，利用TiW合金形成了具有宽100μπι 的线形开口部的条纹图案的生长罩。开口部的长度方向、即条纹方向与GaN的a轴平行。在形 成了该罩图案的C面GaN基板的N极性表面上，通过氨热法使GaN结晶生长。
[0357] 原料使用多晶GaN，矿化剂使用氟化铵(NH4F)和碘化氢(HI)。
[0358] NH4F和HI的投料量按照下述方式决定：氟原子相对于NH3的摩尔比为0.5 %~ 1.5%，碘原子相对于NH3的摩尔比为1.5%~3.5%，并且氟原子相对于碘原子的摩尔比为 0 · 2~0 · 5〇
[0359] 生长条件如下：使生长容器内的平均温度(结晶生长区和原料溶解区的温度的平 均值)为590°C~630 °C，使结晶生长区与原料溶解区的温度差为5 °C~20°C，使生长容器内 的压力为2〇〇MPa~22〇MPa。
[0360] 若将在上述条件下保持了30天左右的C面GaN基板从生长容器中取出，则通过利用 氨热法生长的GaN结晶，形成了图6所示的结构。在生长罩的各开口部上以壁状生长的GaN结 晶被包围该GaN结晶而构成周壁结构的GaN结晶所支撑，保持于C面GaN基板上。因此，可以更 换生长容器进行再生长。
[0361 ]例如，通过重复3次生长而使生长时间总计为100天的情况下，在生长罩的开口部 上，GaN结晶在[000-1]方向生长了20mm。
[0362] 通过整理GaN结晶的外形，进行两个主表面的平坦化和CMP抛光，从而制作了 Μ面 GaN基板。关于其主表面的尺寸，在大的情况下，a轴方向为62mm，c轴方向为17_。
[0363] 接着，将上述制作的Μ面GaN基板一片一片地用于晶种，再次利用氨热法使GaN结晶 生长。由通过该第2次氨热生长而得到的GaN结晶，制作了厚度约330μπι的Μ面GaN基板作为覆 瓦法用的晶种基板。
[0364] 晶种基板的端面通过使用切割锯切割GaN结晶而形成。晶种基板的主表面是长边 与a轴平行、短边与c轴平行的长方形。关于其尺寸，在大的情况下，a轴方向为52mm，c轴方向 为15mm 〇
[0365] 接在端面形成之后，通过抛光和CMP将各晶种基板的两面平坦化。通过SEM-CL对如 此制作的晶种基板的经抛光的主表面进行调查，结果，几乎在所有部位，在90μπιΧ120μπι的 视野中未确认到表示基底面位错的存在的暗点。
[0366] [3]使用覆瓦法的GaN结晶的生长
[0367] 按照+C端面和-C端面接触的方式，将通过上述步骤制作的4片晶种基板在HVPE装 置的基座上排成一列，作为集合晶种。
[0368] 接下来，使氯化氢与加热的金属镓接触而产生氯化镓，将氯化镓和氨气供给到由 该4片晶种基板构成的集合晶种上，使GaN结晶外延生长。生长温度为1050°C，生长时间为80 小时。生长中供给到反应炉内的载气仅为氮气。
[0369] [4]M面GaN基板的制作
[0370]对通过HVPE法在集合晶种上外延生长的块状GaN结晶进行加工，制作出直径为2英 寸(5cm)、厚度约为280μηι的圆盘形Μ面GaN基板。
[0371]详细地说，在对块状GaN结晶进行切片而得到的原切片基板的主表面中，将朝向 GaN结晶的生长方向的主表面定为表面，依次实施磨碎、抛光和CMP，使其平坦化。在CMP工序 中，为了充分除去损伤层，设定了 CMP量。
[0372] 对于相反侧的主表面(背面)的损伤层，通过将氯气用于蚀刻气体的反应性离子蚀 亥丨J(RIE)来除去。条件为:蚀刻气体供给速率5〇 SCCm、蚀刻电功率140W/50W(天线/偏差）、腔 室内压力0 · 3Pa、蚀刻时间2000sec 〇
[0373] 在所得到的Μ面GaN基板中包含与4片晶种基板对应的4个结晶区域。
[0374] 将该Μ面GaN基板的表面的中央部分(将与边缘的距离为3mm以下的外周部除外的 部分)按照一个区划是一边为5mm的正方形的方式区分成两个以上的区划时，在各区划内观 察到一个以上的在CL测定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι的正方形区域。
[0375] 接下来，使用NIDEK CO.，LTD.制造的斜入射干渉法平整度测试仪FT-17测定了该Μ 面GaN基板的表面的等高线和S0RI值，结果表面为凸面，其S0RI值为7.9μπι。
[0376] 附带地，代替背面的RIE处理而利用Κ0Η水溶液在120 °C进行了 10分钟湿蚀刻的情 况下，仅得到了背面为凸状的GaN基板。若将蚀刻时间延长为20小时，则表面为凸状，因而推 测背面的损伤层与翘曲有关系。
[0377] 进而，对该Μ面GaN基板的表面的上述中央部分的偏离角的变动幅度进行了测定， 结果c轴方向为0.14°、a轴方向为0.06°。
[0378] 5.2.实验 2
[0379] 通过与上述实验1同样的步骤制作了覆瓦法用的晶种基板。晶种基板的主表面是 长边与a轴平行、短边与c轴平行的长方形。长边的长度为40mm~60mm的范围内，短边的长度 为5mm~15mm的范围内。
[0380] 晶种基板的端面通过使用切割锯切割GaN结晶而形成。在形成任一端面时，均在每 次切断时，利用X射线衍射装置确认了所形成的端面的面取向。在与设计取向的偏离超过 0.1°的情况下，重复调整工件的方向再次进行切断的操作，直至得到与设计取向的偏离为 0.1°以内的端面为止。
[0381] 接在端面形成之后，通过抛光和CMP将各晶种基板的两面平坦化。接下来，将6片晶 种基板以在c轴方向密集排列的状态用蜡贴附至平坦的板的表面，对该6片晶种基板的一个 主表面同时实施抛光和CMP。
[0382] 通过SEM-CL对如此制作的晶种基板的经抛光的主表面进行调查，结果，几乎在所 有部位，在90μπι X 120μπι的视野中未确认到表示基底面位错的存在的暗点。
[0383]将上述抛光和CMP工序中排列固定于板表面的6片晶种基板按照与固定于该板表 面时相同的顺序密集地排列于HVPE装置的基座上，作为集合晶种。
[0384] 接下来，使氯化氢与加热的金属镓接触而产生氯化镓，将氯化镓和氨气供给到由 该6片晶种基板构成的集合晶种上，使GaN结晶外延生长。生长温度为1050°C，生长时间为80 小时。生长中供给到反应炉内的载气仅为氮气。
[0385] 对通过HVPE法在集合晶种上外延生长的GaN结晶进行加工，制作出直径为2英寸 (5cm)、厚度约为280μηι的圆盘形Μ面GaN基板。
[0386] 在所得到的Μ面GaN基板中形成了与6片晶种基板对应的6个结晶区域。将主表面中 的与边缘的距离超过3mm的中央部分按照一个区划是一边为5mm的正方形的方式区分成两 个以上的区划时，在各区划内观察到一个以上的在CL测定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι 的正方形区域。
[0387] 通过主表面的光学图像观察数出了贯通裂纹的数量，结果为5个。贯通裂纹与c轴 之间所成的角度均处于90° ± 10°的范围内，其长度为0.7mm~3.4mm的范围内。未检测出与 该5个贯通裂纹不同类型的裂纹。
[0388] 5.3.实验 3
[0389] 省略了密集地排列6片晶种基板并同时实施抛光和CMP的工序，除此以外与实验2 同样地制作Μ面GaN基板，对其进行了评价。
[0390] 在所得到的Μ面GaN基板中形成了与6片晶种基板对应的6个结晶区域。将主表面中 的与边缘的距离超过3mm的中央部分按照一个区划是一边为5mm的正方形的方式区分成两 个以上的区划时，在各区划内观察到一个以上的在CL测定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι 的正方形区域。
[0391] 通过主表面的光学图像观察数出了贯通裂纹的数量，结果为29个。29个贯通裂纹 与c轴之间所成的角度均处于90° ±10°的范围内，其长度为0.2mm~5.4mm的范围内。未检测 出与该29个贯通裂纹不同类型的裂纹。
[0392] 5.4.实验 4
[0393]除了下述3点外，与实验2同样地制作Μ面GaN基板，对其进行了评价。
[0394] 1)使覆瓦法中使用的晶种基板的片数为7片。
[0395] 2)省略了密集地排列覆瓦法中使用的晶种基板并同时实施抛光和CMP的工序。
[0396] 3)在利用HVPE法使GaN结晶生长时，使供给到反应炉内的载气的43体积％为氢气， 剩余为氮气。
[0397] 在所得到的Μ面GaN基板中形成了与6片晶种基板对应的6个结晶区域。将主表面中 的与边缘的距离超过3mm的中央部分按照一个区划是一边为5mm的正方形的方式区分成两 个以上的区划时，在各区划内观察到一个以上的在CL测定中未检测出暗点的一边为1 ΟΟμπι 的正方形区域。
[0398] 通过主表面的光学图像观察数出了贯通裂纹的数量，结果为43个。43个裂纹与c轴 之间所成的角度均处于90° ± 10°的范围内，其长度为0.2mm~4.1mm的范围内。未检测出与 该43个贯通裂纹不同类型的裂纹。
[0399] 5.5.实验 5
[0400] 除了下述4点外，与实验2同样地制作Μ面GaN基板，对其进行了评价。
[0401] 1)在使用切割锯形成覆瓦法中使用的晶种基板的端面时，未确认到与设计取向的 偏离为±0.1°以下。切割锯的加工精度为±0.5°。
[0402] 2)使覆瓦法中使用的晶种基板的片数为17片。该17片基板如图14所示那样排列。
[0403 ] 3)省略了密集地排列覆瓦法中使用的晶种基板并同时实施抛光和CMP的工序。
[0404] 4)在利用HVPE法使GaN结晶生长时，使供给到反应炉内的载气的43体积％为氢气， 剩余为氮气。
[0405]在所得到的Μ面GaN基板中形成了与17片晶种基板对应的17个结晶区域。将主表面 中的与边缘的距离超过3mm的中央部分按照一个区划是一边为5mm的正方形的方式区分成 两个以上的区划时，在各区划内观察到一个以上的在CL测定中未检测出暗点的一边为100μ m的正方形区域。
[0406] 通过主表面的光学图像观察数出了贯通裂纹的数量，结果为99个。贯通裂纹与c轴 之间所成的角度均处于90° ± 10°的范围内，其长度为0.1mm~2.6mm的范围内。未检测出与 该99个贯通裂纹不同类型的裂纹。
[0407]将实验2~5的结果归纳示于表1。
[0408] 表1
[0409]
[0410] 实验2中，在2英寸Μ面GaN基板的主表面产生了分别与c轴正交的5个贯通裂纹，但 通过削减覆瓦法中使用的晶种基板的片数，或使晶种基板的端面的面取向以更高的精度与 设计取向一致，认为能够进一步减少该贯通裂纹的数量。
[0411] 作为提高晶种基板的端面的面取向精度的方法的一例，可以举出通过干蚀刻进行 端面形成的方法。通过将照相平版印刷技术用于蚀刻掩模的图案化，可以精密地控制所形 成的端面的取向。
[0412] 5.6.实验 6
[0413]将与实验1同样制作的2英寸Μ面GaN基板用于晶种，在其上利用HVPE法使厚膜GaN 结晶层生长。接下来，通过磨碎除去晶种部分，同时进行主表面的抛光处理，从而制作出第2 代的2英寸Μ面GaN基板。
[0414] 与用于晶种的第1代基板相同，该第2世代基板由4个结晶区域构成。认为晶种的晶 体取向被继承。另一方面，关于与c轴正交的贯通裂纹的数量，第2代基板比第1代基板少。
[0415] 5.7.实验 7
[0416] 准备了利用与实验1中使用的覆瓦法用的晶种基板同样的方法所制作的Μ面GaN基 板。主表面实质为长方形，尺寸如下:a轴方向为52mm、c轴方向为31_。
[0417] 将该Μ面GaN基板用于晶种，利用HVPE法使GaN结晶外延生长。
[0418] 接下来，将所生长的块状GaN结晶切片，制作出2片覆瓦法用的晶种基板。按照一个 +C端面与另一个-C端面接触的方式排列该2片晶种基板，作为集合晶种。在该集合晶种上利 用HVPE法使GaN结晶生长为约5_的厚度。
[0419] 对在由上述2片晶种基板构成的集合晶种上生长的块状GaN结晶进行加工，制作出 直径为2英寸(5cm)、厚度为300μπι的圆盘形Μ面GaN基板。
[0420] 详细地说，与实验1同样地，在对块状GaN结晶进行切片而得到的原切片基板的主 表面中，将朝向GaN结晶的生长方向的主表面定为表面，依次实施磨碎、抛光和CMP，使其平 坦化。在CMP工序中，为了充分除去损伤层，设定了CMP量。对于相反侧的主表面(背面）的损 伤层，与实验1同样地，通过将氯气用于蚀刻气体的RIE来除去。
[0421] 在所得到的Μ面GaN基板中包含与2片晶种基板对应的2个结晶区域。
[0422] 与实验1同样地测定了该Μ面GaN基板的表面的等高线和S0RI值，结果表面不是凸 面也不是凹面，其S0RI值为8.8μπι。
[0423] 进而，对该Μ面GaN基板的表面的中央部分(将与边缘的距离为3mm以下的外周部除 外的部分)的偏离角的变动幅度进行了测定，结果c轴方向为0.24°，a轴方向为0.16°。
[0424] 以上，根据【具体实施方式】对本发明进行了说明，但各实施方式是作为示例而示出 的，并不限定本发明的范围。即，本说明书中记载的各实施方式可以在不脱离本发明的主旨 的范围内进行各种变形，并且能够在可实施的范围内与通过其它实施方式所说明的特征进 行组合。
[0425] 符号说明
[0426] 10、20、30 GaN基板
[0427] lla、21a、31a 第 1 主表面
[0428] llb、21b、31b 第2主表面
[0429] 12、22、32 端面
[0430] 100晶种基板
[0431] 200 GaN结晶
[0432] C贯通裂纹
[0433] p 板
【主权项】
1. 一种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，所述第1主表面的 法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为45mm以上的圆盘形GaN基板， 其特征在于，该GaN基板由各自在所述第1主表面和第2主表面这两者表面露出的η个结 晶区域构成，其中，η为2、3或4， 所述η个结晶区域沿着所述第1主表面上的c轴的正投影的方向排成一列。2. 如权利要求1所述的GaN基板，其中，该GaN基板的直径为55mm以下。3. 如权利要求1或2所述的GaN基板，其特征在于，在从所述η个结晶区域中任意地选出 相邻的2个结晶区域时，该2个结晶区域间的边界与所述第1主表面上的c轴的正投影在所述 第1主表面内形成90° ±10°的范围内的角度。4. 如权利要求1~3中任一项所述的GaN基板，其特征在于，不存在在厚度方向贯通该基 板的下述(A)的贯通裂纹，或者即便存在在厚度方向贯通该基板的下述(A)的贯通裂纹，其 数量在所述第1主表面上每20cm 2也为10以下，并且不存在下述(A)的贯通裂纹以外的类型 的裂纹， (A)与所述第1主表面上的c轴的正投影之间所成的角度在所述第1主表面内为90° ± 10°的范围内的贯通裂纹。5. 如权利要求1~4中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将所述第1主表面分成从边 缘起3mm以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为5mm的正 方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在CL测定中 未检测出暗点的一边为I OOym的正方形区域。6. 如权利要求5所述的GaN基板，其特征在于，将相互相邻的所述结晶区域间的边界除 外来进行平均而得到的所述中央部分的平均位错密度小于l〇 5cnf2。7. 如权利要求1~6中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在室温下所述第1主表面不 是凹面。8. 如权利要求7所述的GaN基板，其特征在于，在室温下所述第1主表面为凸面。9. 如权利要求7或8所述的GaN基板，其特征在于，在室温下所述第1主表面的SORI值小 于 20μηι。10. 如权利要求1~9中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在将所述第1主表面分成从 边缘起3mm以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分时，关于该中央部分的偏离角 的变动幅度，所述第1主表面上的c轴的正投影的方向的分量和与该方向正交的方向的分量 分别小于0.5°。11. 如权利要求1~10中任一项所述的GaN基板，其特征在于，该GaN基板具有堆垛层错。12. 如权利要求1~11中任一项所述的GaN基板，其特征在于，该GaN基板由碱金属浓度 小于I X IO15Cnf3且在450nm的吸收系数为2CHT1以下的GaN结晶构成。13. -种GaN基板，该GaN基板具有第1主表面和其相反侧的第2主表面，所述第1主表面 的法线与m轴之间的角度为0°以上20°以下，该GaN基板是直径为45mm以上的圆盘形GaN基 板，其特征在于，该GaN基板由单一的结晶区域构成。14. 如权利要求13所述的GaN基板，其中，该GaN基板的直径为55_以下。15. 如权利要求13或14所述的GaN基板，其特征在于，该GaN基板的碱金属浓度小于I X IO15Cnf3016. 如权利要求13~15中任一项所述的G a N基板，其特征在于，该G a N基板由在波长 450nm的吸收系数为2cm-1以下的GaN结晶构成。17. 如权利要求13~16中任一项所述的GaN基板，其特征在于，将所述第1主表面分成从 边缘起3_以下的外周部分和被该外周部分包围的中央部分，按照一个区划是一边为5_的 正方形的方式将该中央部分区分成两个以上的区划时，各区划内观察到至少一个在CL测定 中未检测出暗点的一边为I OOym的正方形区域。18. 如权利要求17所述的GaN基板，其特征在于，所述中央部分的平均位错密度小于 IO5Cnf2019. 如权利要求13~18中任一项所述的GaN基板，其特征在于，在室温下所述第1主表面 不是凹面。20. 如权利要求13~19中任一项所述的GaN基板，其特征在于，该GaN基板具有堆垛层 错。21. -种GaN结晶的制造方法，其特征在于，其具有下述工序:准备权利要求1~20中任 一项所述的GaN基板，在其上使GaN进行外延生长。22. 如权利要求21所述的制造方法，其中，该制造方法为块状GaN结晶的制造方法。23. -种GaN结晶的制造方法，其特征在于，将权利要求1~20中任一项所述的GaN基板 用于晶种，使第一块状GaN结晶生长后，将该第一块状GaN结晶的一部分或全部用于晶种，使 第二块状GaN结晶生长。24. -种半导体器件的制造方法，其特征在于，准备权利要求1~20中任一项所述的GaN 基板，在其上使一种以上的氮化物半导体层生长。
【文档编号】H01L33/32GK105917035SQ201480073300
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年12月11日
【发明人】塚田悠介, 长尾哲, 镰田和典, 田代雅之, 藤户健史, 藤泽英夫, 三川丰, 梶本哲治, 深田崇
【申请人】三菱化学株式会社