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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023165572
(43)【公開日】2023-11-16
(54)【発明の名称】高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20231109BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20231109BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20231109BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231109BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/18
C23C16/34
H01L21/205
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022081094
(22)【出願日】2022-05-17
(31)【優先権主張番号】P 2022076632
(32)【優先日】2022-05-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】502209796
【氏名又は名称】株式会社福田結晶技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100088096
【弁理士】
【氏名又は名称】福森 久夫
(72)【発明者】
【氏名】福田 承生
(72)【発明者】
【氏名】白石 裕児
(72)【発明者】
【氏名】南部 十輝
(72)【発明者】
【氏名】安藤 宏孝
(72)【発明者】
【氏名】熊谷 毅
(72)【発明者】
【氏名】高橋 和也
(72)【発明者】
【氏名】荒木 努
(72)【発明者】
【氏名】藤井 高志
(72)【発明者】
【氏名】出浦 桃子
(72)【発明者】
【氏名】只友 一行
(72)【発明者】
【氏名】井本 良
(72)【発明者】
【氏名】星生 伸一
(72)【発明者】
【氏名】斎藤 賢治
【テーマコード（参考）】
4G077
4K030
5F045
【Ｆターム（参考）】
4G077AA02
4G077BE15
4G077DB05
4G077EA02
4G077ED06
4G077EE05
4G077EE06
4G077EG03
4G077EG04
4G077FJ03
4G077TA04
4G077TB04
4G077TC06
4G077TK01
4G077TK08
4G077TK11
4G077TK13
4K030AA03
4K030AA13
4K030AA17
4K030AA18
4K030BA08
4K030BA38
4K030BB02
4K030BB14
4K030CA05
4K030DA02
4K030DA03
4K030DA05
4K030JA01
4K030JA05
4K030JA10
5F045AA03
5F045AB14
5F045AC13
5F045AC15
5F045AD14
5F045AF04
5F045BB09
5F045DB01
5F045DP15
5F045DQ08
5F045DQ10
(57)【要約】
【課題】ＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板作製で、従来よりも、結晶品質が良く、生産性が良く、低コストであり、大口径化が可能であるＧａＮ自立基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】ＭＢＥ装置を用いてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上、にバッファ層無しでＧａＮ薄膜を直接成長させたＧａＮテンプレートを作製し、その上にＨＶＰＥ装置によりＧａＮを１０００℃以上の温度で成長させ、冷却時に自然はく離でＧａＮ自立基板を製造する高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】ＭＢＥ装置を用いてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上、にバッファ層無しでＧａＮ薄膜を直接成長させたＧａＮテンプレートを作製し、その上にＨＶＰＥ装置によりＧａＮを１０００℃以上の温度で成長させ、冷却時に自然はく離でＧａＮ自立基板を製造する高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＭＢＥ装置を用いてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上、にバッファ層無しでＧａＮ薄膜を直接成長させたＧａＮテンプレートを作製し、その上にＨＶＰＥ装置によりＧａＮを１０００℃以上の温度で成長させ、冷却時に自然はく離でＧａＮ自立基板を製造する高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項2】
前記ＭＢＥ装置は、１枚の成長においてＳＡＭ基板に対して、基板を加熱する円形状のヒーターが１．２倍から１．５倍である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項3】
前記ＭＢＥ装置のヒーター径がＳＡＭ基板の１．５倍より大きいときは、基板とヒーターとの間に基板の直径に対して１．２倍から１．５倍の穴の開いている熱遮蔽板が設置されている請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項4】
１枚のモリブデンサセプタにＳＡＭ基板を複数枚設置して薄膜成長する場合、設置するＳＡＭ基板と同数の穴の開いた熱遮蔽版を設置する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項5】
前記ＳＡＭ基板は、ＣＺ法で作製した結晶から加工して作製したもので、融液とする出発原料の組成比は、
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａｌ２Ｏ３≦２８％
であり、
結晶の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａｌ２Ｏ３≦２４％
である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａｌ２Ｏ３≦２８％
であり、
結晶の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａｌ２Ｏ３≦２４％
である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項6】
前記ＳＡＭ基板の表面はｃ面±０．０１°の面である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項7】
前記ＳＡＭ基板はｃ面から０．５°オフである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項8】
前記ＳＡＭ基板の転位密度は１０３／ｃｍ３以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項9】
前記ＳＡＭ基板の表面粗さはＲａ＜０．２以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項10】
前記ＳＡＭ基板サイズは、直径２インチ以上、厚さ３００μｍ以上である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項11】
前記ＳＡＭ基板は無色透明であり、赤外領域（４～５未満μｍ）にかけて吸収がある請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項12】
前記ＳＡＭ基板上にＩｎＧａＮ膜を形成する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項13】
前記ＧａＮテンプレート作成時におけるＧａフラックス量は３×１０７～８×１０７Ｔｏｒｒとして、鏡面でｃ軸配向した六方晶のＧａＮを成長させる請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項14】
前記ＧａＮテンプレートにおいて、ＧａＮ膜厚は３００～２μであること、又は、Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎの膜厚が５０～２００μｍ、ＧａＮ膜厚が３００～２μｍである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項15】
前記ＧａＮテンプレートの表面は、面内均一、鏡面かつ原子レベルで平坦である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項16】
前記ＨＶＰＥ装置は、成膜室とその外部に配置されたヒーターと、前記成膜室内に配置された内管とを有し、
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、
前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、
前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項17】
前記保持部材は、サセプタと、前記サセプタ上に置かれたＧａＮテンプレートの周縁を押さえるカーボンリングと、前記カーボンリングを押さえるサセプタカバーを有することを特徴とする請求項１６記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項18】
前記サセプタはカーボンサセプタである請求項１７記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項19】
前記保持部材は、複数のＧａＮテンプレートを保持可能であり、複数枚を同時に成膜可能である請求項１８記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【請求項20】
剥離した後のＳＡＭ結晶の表面を１０～２０μｍ研磨して再利用する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法に係る。
【背景技術】
【0002】
厚膜ＧａＮの既に報告されている代表的な成長手法である（ａ）アモノサーマル法、（ｂ）Ｎａフラックス法、および、（ｃ）ボイド形成剥離法（ＡＳ）の特徴を図１の模式図を使って説明する。
アモノサーマル法では、１，０００気圧余りの圧力を用いるため、圧力容器に関する法律（圧力ｘ容積）による制限から大型装置を作製できない。一方、本提案のＨＶＰＥを用いる方法では、圧力容器を必要としないので、装置の大型化（大口径化、多数枚成長を可能にする）が容易である。さらに．他の成長方法に比べて成長速度が高いのも優位な点である。Ｎａフラックス法においては、結晶の積方向成長速度が小さいため、ＧａＮテンプレート上に形成した多数の成長核を基点に成長して大型結晶化を図っている。この場合、結晶核から成長したアイランド（島状結晶）の会合位置で多くの資通転位が入り、基板全面の高品質化が難しいと考えられる。ボイド形成剥離法では、ＧａＮとサファイア基板との熱膨張係数差が大きいので、大口径化が困難である。本提案のＳｃＡｌＭｇＯ４（以後、ここではＳＡＭと略記する）基板を下地基板とする方法では、ＳＡＭ基板の剥離性を利用してＧａＮと下地基板との剥離を行うので．大口径化が容易である。
現在、デバイス応用が可能なＧａＮ基板を成長できる方法はＨＶＰＥだけである。ＨＤＰＥ成長には下地基板が必要であるが、ＧａＮ基板の生産に使われている下地基板はサファイア基板、ＧａＡｓ基板であり、最近ではＮａフラックス法によるＧａＮ基板が下地基板として検討されている。表１に上記下地基板による優位性の比較を示す。本発明はＨＶＰＥ成長したＧａＮと下地基板との分離性、結晶品質、大口径化、下地基板の再利用による低コスト化への期待などを比較すると、本発明のＳＡＭ基板を下地基板として活用する技術の優位性は大きいと考えられる。
アモノサーマル法では、１，０００気圧余りの圧力を用いるため、圧力容器に関する法律（圧力ｘ容積）による制限から大型装置を作製できない。一方、本提案のＨＶＰＥを用いる方法では、圧力容器を必要としないので、装置の大型化（大口径化、多数枚成長を可能にする）が容易である。さらに．他の成長方法に比べて成長速度が高いのも優位な点である。Ｎａフラックス法においては、結晶の積方向成長速度が小さいため、ＧａＮテンプレート上に形成した多数の成長核を基点に成長して大型結晶化を図っている。この場合、結晶核から成長したアイランド（島状結晶）の会合位置で多くの資通転位が入り、基板全面の高品質化が難しいと考えられる。ボイド形成剥離法では、ＧａＮとサファイア基板との熱膨張係数差が大きいので、大口径化が困難である。本提案のＳｃＡｌＭｇＯ４（以後、ここではＳＡＭと略記する）基板を下地基板とする方法では、ＳＡＭ基板の剥離性を利用してＧａＮと下地基板との剥離を行うので．大口径化が容易である。
現在、デバイス応用が可能なＧａＮ基板を成長できる方法はＨＶＰＥだけである。ＨＤＰＥ成長には下地基板が必要であるが、ＧａＮ基板の生産に使われている下地基板はサファイア基板、ＧａＡｓ基板であり、最近ではＮａフラックス法によるＧａＮ基板が下地基板として検討されている。表１に上記下地基板による優位性の比較を示す。本発明はＨＶＰＥ成長したＧａＮと下地基板との分離性、結晶品質、大口径化、下地基板の再利用による低コスト化への期待などを比較すると、本発明のＳＡＭ基板を下地基板として活用する技術の優位性は大きいと考えられる。
【0003】
【表1】
【0004】
図２に、ＳＡＭ基板上に山口大学で独自に開発したＨＶＰＥ成長技術によりＧａＮを成長し、自然剥離により１ｍｍ厚で５０ｍｍ径のＧａＮ結晶を得た例を示す。サファイア基板上にＧａＮをＨＶＰＥ成長すると、自然分離してＧａＮ結晶が得られる時もあるが、その確率は低い。本開発期間中に解決するべき、ＳＡＭ基板上にＧａＮをＨＶＰＥ成長する技術課題は明確であり、本提案技術並びに、後述する事業化シナリオの実現性は高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－０５８７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、従来よりも、結晶品質が良く、生産性が良く、低コストであり、大口径化が可能であるＧａＮ自立基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項１に係る発明は、ＭＢＥ装置を用いてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上、にバッファ層無しでＧａＮ薄膜を直接成長させたＧａＮテンプレートを作製し、その上にＨＶＰＥ装置によりＧａＮを１０００℃以上の温度で成長させ、冷却時に自然はく離でＧａＮ自立基板を製造する高品質・低コストＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項２に係る発明は、 前記ＭＢＥ装置は、１枚の成長においてＳＡＭ基板に対して、基板を加熱する円形状のヒーターが１．２倍から１．５倍である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項３に係る発明は、前記ＭＢＥ装置のヒーター径がＳＡＭ基板の１．５倍より大きいときは、基板とヒーターとの間に基板の直径に対して１．２倍から１．５倍の穴の開いている熱遮蔽板が設置されている請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項４に係る発明は、１枚のモリブデンサセプタにＳＡＭ基板を複数枚設置して薄膜成長する場合、設置するＳＡＭ基板と同数の穴の開いた熱遮蔽版を設置する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項５に係る発明は、前記ＳＡＭ基板は、ＣＺ法で作製した結晶から加工して作製したもので、融液とする出発原料の組成比は、
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａｌ２Ｏ３≦２８％
であり、
結晶の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａｌ２Ｏ３≦２４％
である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項６に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の表面はｃ面±０．０１°の面である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項７に係る発明は、前記ＳＡＭ基板はｃ面から０．５°オフである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項８に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の転位密度は１０３／ｃｍ３以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項９に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の表面粗さはＲａ＜０．２以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１０に係る発明は、前記ＳＡＭ基板サイズは、直径２インチ以上、厚さ３００μｍ以上である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１１に係る発明は、前記ＳＡＭ基板は無色透明であり、赤外領域（４～５未満μｍ）にかけて吸収がある請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１２に係る発明は、前記ＳＡＭ基板上にＩｎＧａＮ膜を形成する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１３に係る発明は、前記ＧａＮテンプレート作成時におけるＧａフラックス量は３×１０７～８×１０７Ｔｏｒｒとして、鏡面でｃ軸配向した六方晶のＧａＮを成長させる請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１４に係る発明は、前記ＧａＮテンプレートにおいて、ＧａＮ膜厚は３００～２μであること、又は、Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎの膜厚が５０～２００μｍ、ＧａＮ膜厚が３００～２μｍである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１５に係る発明は、前記ＧａＮテンプレートの表面は、面内均一、鏡面かつ原子レベルで平坦である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１６に係る発明は、前記ＨＶＰＥ装置は、成膜室とその外部に配置されたヒーターと、前記成膜室内に配置された内管とを有し、
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、
前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１７に係る発明は、前記保持部材は、サセプタと、前記サセプタ上に置かれたＧａＮテンプレートの周縁を押さえるカーボンリングと、前記カーボンリングを押さえるサセプタカバーを有することを特徴とする請求項１６記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１８に係る発明は、前記サセプタはカーボンサセプタである請求項１７記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１９に係る発明は、前記保持部材は、複数のＧａＮテンプレートを保持可能であり、複数枚を同時に成膜可能である請求項１８記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項２０に係る発明は、剥離した後のＳＡＭ結晶の表面を１０～２０μｍ研磨して再利用する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項２に係る発明は、 前記ＭＢＥ装置は、１枚の成長においてＳＡＭ基板に対して、基板を加熱する円形状のヒーターが１．２倍から１．５倍である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項３に係る発明は、前記ＭＢＥ装置のヒーター径がＳＡＭ基板の１．５倍より大きいときは、基板とヒーターとの間に基板の直径に対して１．２倍から１．５倍の穴の開いている熱遮蔽板が設置されている請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項４に係る発明は、１枚のモリブデンサセプタにＳＡＭ基板を複数枚設置して薄膜成長する場合、設置するＳＡＭ基板と同数の穴の開いた熱遮蔽版を設置する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項５に係る発明は、前記ＳＡＭ基板は、ＣＺ法で作製した結晶から加工して作製したもので、融液とする出発原料の組成比は、
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａｌ２Ｏ３≦２８％
であり、
結晶の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４ ≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａｌ２Ｏ３≦２４％
である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項６に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の表面はｃ面±０．０１°の面である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項７に係る発明は、前記ＳＡＭ基板はｃ面から０．５°オフである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項８に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の転位密度は１０３／ｃｍ３以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項９に係る発明は、前記ＳＡＭ基板の表面粗さはＲａ＜０．２以下である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１０に係る発明は、前記ＳＡＭ基板サイズは、直径２インチ以上、厚さ３００μｍ以上である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１１に係る発明は、前記ＳＡＭ基板は無色透明であり、赤外領域（４～５未満μｍ）にかけて吸収がある請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１２に係る発明は、前記ＳＡＭ基板上にＩｎＧａＮ膜を形成する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１３に係る発明は、前記ＧａＮテンプレート作成時におけるＧａフラックス量は３×１０７～８×１０７Ｔｏｒｒとして、鏡面でｃ軸配向した六方晶のＧａＮを成長させる請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１４に係る発明は、前記ＧａＮテンプレートにおいて、ＧａＮ膜厚は３００～２μであること、又は、Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎの膜厚が５０～２００μｍ、ＧａＮ膜厚が３００～２μｍである請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１５に係る発明は、前記ＧａＮテンプレートの表面は、面内均一、鏡面かつ原子レベルで平坦である請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１６に係る発明は、前記ＨＶＰＥ装置は、成膜室とその外部に配置されたヒーターと、前記成膜室内に配置された内管とを有し、
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、
前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１７に係る発明は、前記保持部材は、サセプタと、前記サセプタ上に置かれたＧａＮテンプレートの周縁を押さえるカーボンリングと、前記カーボンリングを押さえるサセプタカバーを有することを特徴とする請求項１６記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１８に係る発明は、前記サセプタはカーボンサセプタである請求項１７記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項１９に係る発明は、前記保持部材は、複数のＧａＮテンプレートを保持可能であり、複数枚を同時に成膜可能である請求項１８記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
請求項２０に係る発明は、剥離した後のＳＡＭ結晶の表面を１０～２０μｍ研磨して再利用する請求項１記載のＧａＮ自立基板の製造方法である。
【0008】
異種基板上へのＧａＮエピタキシャル成長にはＭＯＶＰＥ法により約６００℃の低温でアモルファス状又は多結晶状のバッファ層を作製し、その上に約１０００℃以上の高温で約３μｍのＧａＮを成長させＧａＮテンプレートを作製する。
超高真空化・低温環境下で成長可能なＭＢＥ法でバッファ層無しでＧａＮ又は格子整合するＩｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ成長させたテンプレートを作製する。
本発明のＧａＮ結晶自立基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）下地基板上にＭＯＶＰＥ法或し、はＭＢＥ法による高結晶性のＧａＮ薄膜の結晶成長を行い、次いでＳｉＯ２等の誘電体のストライプ状、へキサゴナル状等のパターン形状のマスクを形成した後に、ＨＶＰＥ法による高速のＧａＮ結晶成長を行うことで、クラックや破断の発生を抑制し、欠陥密度（ＣＬで観測される暗点密度）が小さいＧａＮを得る。さらに、ＳＡＭ基板の劈開性により厚膜ＧａＮ結品がＳＡＭ基板から容易に自然剥離し、自立ＧａＮ基板として容易に得られ、自然剥離したＳＡＭ基板は再研磨により、基板として再利用が可能である。
超高真空化・低温環境下で成長可能なＭＢＥ法でバッファ層無しでＧａＮ又は格子整合するＩｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ成長させたテンプレートを作製する。
本発明のＧａＮ結晶自立基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）下地基板上にＭＯＶＰＥ法或し、はＭＢＥ法による高結晶性のＧａＮ薄膜の結晶成長を行い、次いでＳｉＯ２等の誘電体のストライプ状、へキサゴナル状等のパターン形状のマスクを形成した後に、ＨＶＰＥ法による高速のＧａＮ結晶成長を行うことで、クラックや破断の発生を抑制し、欠陥密度（ＣＬで観測される暗点密度）が小さいＧａＮを得る。さらに、ＳＡＭ基板の劈開性により厚膜ＧａＮ結品がＳＡＭ基板から容易に自然剥離し、自立ＧａＮ基板として容易に得られ、自然剥離したＳＡＭ基板は再研磨により、基板として再利用が可能である。
【0009】
尚、上記ＣＬで観測される暗点密度は、結晶表面に表出している転位欠陥（貫通転位）を示すための指標となる物性値であり、走査型電子顕微鏡／力ソードルミネッセンス（ＳＥＭＣＬ）装置を用いて測定される。測定時の加速電圧は５ｋＶとし、観察範囲は２０μｍ×２０μｍとする。このとき、観察範囲内に観察された暗点の数より暗点密度を算出する。
【0010】
［ＳＡＭ基板］
従来はＧａＮの結晶成長の下地基板としてサファイア基板が使用されているが、本発明で使用する下地基板は上記ＳＡＭ基板であり、（０００１）面を使用する。（０００１）面の劈開性に特徴がある。ＳＡＭ基板のオフ角（ミス力ツト角）はＧａＮの結晶性を最大化するように最適化される。
該ＳＡＭ基板は、通常、厚み力０．４－１ｍｍ、直径が５０－３００ｍｍの円盤状のものが使用される。目的とするＧａＮ基板の直径より約１０ｍｍ径の大きいものが望ましい。
従来はＧａＮの結晶成長の下地基板としてサファイア基板が使用されているが、本発明で使用する下地基板は上記ＳＡＭ基板であり、（０００１）面を使用する。（０００１）面の劈開性に特徴がある。ＳＡＭ基板のオフ角（ミス力ツト角）はＧａＮの結晶性を最大化するように最適化される。
該ＳＡＭ基板は、通常、厚み力０．４－１ｍｍ、直径が５０－３００ｍｍの円盤状のものが使用される。目的とするＧａＮ基板の直径より約１０ｍｍ径の大きいものが望ましい。
【0011】
［ＭＯＶＰＥ法によるＧａＮテンプレートの作成］
ＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板は、ＧａＮテンプレート上のホモエピタキシャル成長で作製される。最初に、ＳＡＭ基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ薄順を成長させ、ＧａＮテンプレートを作製する。
ＳＡＭの熱ダメージを保護し、Ｍｇ等のＳＡＭ由来の不純物のＧａＮ層への拡散を抑制するために、ＳＡＭ基板の裏面と側面にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を形成する。その後露出している（０００１）面にＭＯＶＰＥ法により低温でＧａＮバッファ一層を成長した後１－３μｍ程度のＧａＮを成膜する。１０４～１０５／ｃｍ２の転位密度であるが、本発明では低転位ＳＡＭ基板できれば無転位ＳＡＭ基板を使い、ＧａＮテンプレートの高品質化、低転位化を図る。
ＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板は、ＧａＮテンプレート上のホモエピタキシャル成長で作製される。最初に、ＳＡＭ基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ薄順を成長させ、ＧａＮテンプレートを作製する。
ＳＡＭの熱ダメージを保護し、Ｍｇ等のＳＡＭ由来の不純物のＧａＮ層への拡散を抑制するために、ＳＡＭ基板の裏面と側面にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を形成する。その後露出している（０００１）面にＭＯＶＰＥ法により低温でＧａＮバッファ一層を成長した後１－３μｍ程度のＧａＮを成膜する。１０４～１０５／ｃｍ２の転位密度であるが、本発明では低転位ＳＡＭ基板できれば無転位ＳＡＭ基板を使い、ＧａＮテンプレートの高品質化、低転位化を図る。
【0012】
高品質ＧａＮテンプレート開発における無転位ＳＡＭの効果を明らかにする方法として、ＲＦ－ＭＢＥによるＧａＮ膜成長を行う。転位の低減、Ｍｇ不純物の混入を調べて、高品質ＧａＮテンプレートの可能性も検討する。従来用いられてきたＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法によるＳＡＭ基板上ＧａＮ成長では、必要とされる１０００℃近い高温状態や成長時の高温ガス雰囲気化がＳＡＭ基板表面を悪化させたり、Ｍｇなどの基板構成元素が脱離してＧａＮ膜中に混入するなどの課題も残っている。これに対して、活性な窒素プラズマを用いたＲＦ－ＭＢＥ．１ 法においては、１０－１０Ｔｏｒｒ以上の高真空状態にて、ＭＯＣＶＤ法よりも数百度低い７００°Ｃ程度でのＧａＮ成長が可能であるので、Ｍｇ等の不純物の混入間題が抑制される可能性がある。
【0013】
［ＧａＮ結晶と下地基板との分離ＳＡＭを使った自然剥離］
ＨＶＰＥ法による厚膜のＧａＮ結晶を育成した後、厚膜ＧａＮ結晶と下地基板との分離はＧａＮ基板の生産歩留まりを左右する重要課題である。下地基板としてサファイア基板を使う場合は、レーザ一照射分離（レーザーリフトオフ）や研磨法、ＶＡＳ法等の公知の方法により、下地基板との分離を行い、ＧａＮの自立基板を得ている。
しかしながら、レーザ一照射分離や研磨等の方法では、ＧａＮ結晶へのダメージが発生する恐れがあり、ＶＡＳ法ではプロセスが複雑であり、コストァッブの要因になるので、必ずしも効率的な分離方法ではない。
該ＳＡＭ基板を用いて、膜厚が１００μｍ以上、好適には３００μｍ以上のＧａＮ結品を成長した後、基板の冷却を行うと、特別に機械的応力を印加することなく、冷却時の熱応力のみにてＳＡＭの劈開性により、ＧａＮ／ＳＡＭの界面或いは界面近傍のＳＡＭ結晶内で自然剥離が生じて分離できる。冷却は、例えば、低温ガス等を供給して強制的に行つてもよく、また、自然放冷によって行つてもよい。冷却によってＧａＮ結晶層の温度を２０℃～１５０℃まで低下させる。冷却速度は、例えば、１～１００℃／ｍｉｎである。
本発明において、ＳＡＭ下地基板は、ＧａＮ結晶成長後の冷却という簡単な操作でのＧａＮ結晶の分離が可能であるので、自立ＧａＮ結晶の生産歩留まりの改善に役立つ。
ＨＶＰＥ法による厚膜のＧａＮ結晶を育成した後、厚膜ＧａＮ結晶と下地基板との分離はＧａＮ基板の生産歩留まりを左右する重要課題である。下地基板としてサファイア基板を使う場合は、レーザ一照射分離（レーザーリフトオフ）や研磨法、ＶＡＳ法等の公知の方法により、下地基板との分離を行い、ＧａＮの自立基板を得ている。
しかしながら、レーザ一照射分離や研磨等の方法では、ＧａＮ結晶へのダメージが発生する恐れがあり、ＶＡＳ法ではプロセスが複雑であり、コストァッブの要因になるので、必ずしも効率的な分離方法ではない。
該ＳＡＭ基板を用いて、膜厚が１００μｍ以上、好適には３００μｍ以上のＧａＮ結品を成長した後、基板の冷却を行うと、特別に機械的応力を印加することなく、冷却時の熱応力のみにてＳＡＭの劈開性により、ＧａＮ／ＳＡＭの界面或いは界面近傍のＳＡＭ結晶内で自然剥離が生じて分離できる。冷却は、例えば、低温ガス等を供給して強制的に行つてもよく、また、自然放冷によって行つてもよい。冷却によってＧａＮ結晶層の温度を２０℃～１５０℃まで低下させる。冷却速度は、例えば、１～１００℃／ｍｉｎである。
本発明において、ＳＡＭ下地基板は、ＧａＮ結晶成長後の冷却という簡単な操作でのＧａＮ結晶の分離が可能であるので、自立ＧａＮ結晶の生産歩留まりの改善に役立つ。
【0014】
［マスクパターン］
マスクパタ一ニングの成膜手段はそれ自体公知であり、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition)等の方法により、下地ＧａＮ薄膜の表面に、ＳＡＭおよびＧａＮ結晶に比較して熱膨張係数が小さな、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮｘ膜、ＴｉＯ２膜、ＺｒＯ２膜等を形成してパターニングする方法が挙げられる。該マスク属の厚さは、通常０．００１～３μｍ程度であり、マスクパターンの幅は３μｍ～１０００μｍ、開口幅は３μｍ～１０００μｍの範囲で選択できる。
マスクパタ一ニングの成膜手段はそれ自体公知であり、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition)等の方法により、下地ＧａＮ薄膜の表面に、ＳＡＭおよびＧａＮ結晶に比較して熱膨張係数が小さな、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮｘ膜、ＴｉＯ２膜、ＺｒＯ２膜等を形成してパターニングする方法が挙げられる。該マスク属の厚さは、通常０．００１～３μｍ程度であり、マスクパターンの幅は３μｍ～１０００μｍ、開口幅は３μｍ～１０００μｍの範囲で選択できる。
【0015】
マスクパターンの形成は通常のフォトリソグラフィ一技術で行う。
上記ＧａＮ結晶層表面形成するマスク形状は特に制限されるものではなく、ストライプ状マスク、格子状マスク、ドット状マスク、へキサゴナル（ハニカム）状マスクなど様々な形状が採用される。格子状マスクの格子は、直交して良いし、所定の角度でクロスしてもよい。ドットの形状も特に制限はなく、円形、三角形、正方形、六角形などが具体的に挙げられる。また、ドットの配列パターン三角格子や正方格子等様々な形状が採用される。
上記マスクを構成するュニツト、例えば、前記ストライプ状マスクの場合は線、ドット状マスクの場合のドットは、相互に等間隔に存在することが好ましい。また、上記ユニツトは単一であってもよいし、複数の集合体であってもよい。例えば、ストライプ状マスクを構成する線は１本でもよいし、複数本の線の組み合わせでもよい。
このマスクノｉターンは、厚膜成長したＧａＮのクラック発生を抑制する効果を有する。
上記ＧａＮ結晶層表面形成するマスク形状は特に制限されるものではなく、ストライプ状マスク、格子状マスク、ドット状マスク、へキサゴナル（ハニカム）状マスクなど様々な形状が採用される。格子状マスクの格子は、直交して良いし、所定の角度でクロスしてもよい。ドットの形状も特に制限はなく、円形、三角形、正方形、六角形などが具体的に挙げられる。また、ドットの配列パターン三角格子や正方格子等様々な形状が採用される。
上記マスクを構成するュニツト、例えば、前記ストライプ状マスクの場合は線、ドット状マスクの場合のドットは、相互に等間隔に存在することが好ましい。また、上記ユニツトは単一であってもよいし、複数の集合体であってもよい。例えば、ストライプ状マスクを構成する線は１本でもよいし、複数本の線の組み合わせでもよい。
このマスクノｉターンは、厚膜成長したＧａＮのクラック発生を抑制する効果を有する。
【0016】
［ＨＶＰＥ法］
従来のＨＶＶＰ装置としては、例えば、特許文献１に記載された装置が一般的に知られている。本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置は、成膜室とその外部に配置されたヒーターと、前記成膜室内に配置された内管とを有し、
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する。
従来のＨＶＶＰ装置としては、例えば、特許文献１に記載された装置が一般的に知られている。本発明の実施の形態に係るＨＶＰＥ装置は、成膜室とその外部に配置されたヒーターと、前記成膜室内に配置された内管とを有し、
前記内管は、下流側に出口を有し、内部がＧａ原料の収納部であるとともにＨＣｌの通路となっており、前記成膜室の内壁との間にアンモニアの通路を形成するように配置されており、前記成膜室内には、前記出口側にＧａＮテンプレートを保持するための保持部材を有する。
【0017】
保持部材は、サセプタと、前記サセプタ上に置かれたＧａＮテンプレートの周縁を押さえるカーボンリングと、前記カーボンリングを押さえるサセプタカバーを有する。
ＨＶＰＥ法は、塩化ガリウムと、窒素源となるアンモニア等を、気相反応させて下地基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる方法であり、それ自体公知の方法である。
結晶成長に用いられるＨＶＰＥ装置は、大きくは反応管、加熱系、ガス供給系、及びガス排気系から構成される。ガス供給系はマスフローコントローラーによって、ガス供給量の精密な制御が可能である。加熱系は、石英製の反応管を抵抗加熱式のヒーターで覆い、反応管、及びその中に設置される基板やサセプタ、金属原料を加熱するホットウォール法が用いられている。ホットウォール法を用いることにより、原料ガスを充分に加熱して基板表面に供給することができ、供給原料の飽和蒸気圧を高くすることができる。その結果、多量の原料供給が可能となり高速成長を実現できる。
ＨＶＰＥ法は、塩化ガリウムと、窒素源となるアンモニア等を、気相反応させて下地基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる方法であり、それ自体公知の方法である。
結晶成長に用いられるＨＶＰＥ装置は、大きくは反応管、加熱系、ガス供給系、及びガス排気系から構成される。ガス供給系はマスフローコントローラーによって、ガス供給量の精密な制御が可能である。加熱系は、石英製の反応管を抵抗加熱式のヒーターで覆い、反応管、及びその中に設置される基板やサセプタ、金属原料を加熱するホットウォール法が用いられている。ホットウォール法を用いることにより、原料ガスを充分に加熱して基板表面に供給することができ、供給原料の飽和蒸気圧を高くすることができる。その結果、多量の原料供給が可能となり高速成長を実現できる。
【0018】
反応管の中は大きく金属原料部と基板加熱部に分けられる。金属原料部にはＧａ金属が置かれており、高温下にて、ＨＣｌガスを供給することにより、Ｇａ金属とＨＣｌガスとが反応し、ＧａＣｌが生成する。生成したＧａＣＩガスは、石英製の配管を通り、基板加熱部へと連ばれる。基板加熱部には、ガスの流れに対して垂直に炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタが配置され、 サセプタは自転機構或いは自公転機構を有している。そして、そのサセプタ上にＳＡＭ下地基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板がセットされ、金属原料部で生成したＧａＣＩガス、及び、ＮＨ３ガスが基板上で反応することで、ＧａＮ結晶の成長が進行する。
【0019】
結晶成長には原料ガスとして窒素原料であるＮＨ３ガス、Ｇａ源であるＧａＣｌを生成するためのＨＣ１ガスが用いられる。ＧａＣｌ生成には、ＨＣｌガスの代わりにＣｌ２ガスを使用しても良い。またＧａ原料であるＧａ金属は装置内に設置される。原料ガスであるＮＨ３とＨＣＩガスの他に、Ｈ２やＮ２などのキャリアガスが用いられる。
【発明の効果】
【0020】
従来よりも、結晶品質が良く、生産性が良く、低コストであり、大口径化が可能であるＧａＮ自立基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】各種ＧａＮ厚膜の成長法を示す説明図。
【図2】（ａ）自然剥離したＧａＮ自立基板、（ｂ）ＳＡＭ、（ｃ）、自然分離したＧａＮ自立基板、（ｄ）サファイア基板の外観写真図。
【図3】ＭＢＥ法によるＳＡＭ基板上へのＧａＮ直接成長の結晶を示す写真。
【図4】実施例に係り、ＭＢＥ基板保持部の概念図。
【図5】他の実施例に係るＲＦ－ＭＢＥ装置の基板保持部の概念図
【図6】他の実施例の形態に係るＲＦ－ＭＢＥ装置の基板保持部の概念図
【図7】実施の形態に係り、ＳＡＭの三成分系相図
【図8】実施例におけるＦＴＩＲ図。
【図9】実施例に係り、ＨＶＰＥによる成長直後のＧａＮ側の写真図。
【図10】実施例に係り、ＨＶＰＥによる成長直後のＳＡＭ側の写真図。
【図11】ＭＯ－ＧａＮテンプレートの外観写真図。
【図12】ＭＢＥ－ＧａＮテンプレート外観写真図。
【実施例0022】
以下、本発明を、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【0023】
（実施例１）
［ＧａＮ結晶層の形成〕［ＧａＮテンプレート ＭＯＶＰＥ法］
（０００１）面ＳＡＭジャスト基板をＣＭＰ加工及び清浄化処理を行いエピレディのＳＡＭ基板を準備した。ＧａＮ結晶層の形成は、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが選択されるが、ここではＭＯＶＰＥ法を使った。ＳＡＭ基板を（０００１）面が上向きになるよぅに石英トレイに載せ、ＭＯＶＰＥリアクタ一内にセットした。
ＳＡＭ基板を載せた石英トレイをＭＯＶＰＥ内にセットした後、ＳＡＭ基板を１１００℃に加熱するとともに反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスとしてＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎで流し、その状態を１０分間保持することによりＳＡＭ基板のサーマルクリ一ニングを行った。
［ＧａＮ結晶層の形成〕［ＧａＮテンプレート ＭＯＶＰＥ法］
（０００１）面ＳＡＭジャスト基板をＣＭＰ加工及び清浄化処理を行いエピレディのＳＡＭ基板を準備した。ＧａＮ結晶層の形成は、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが選択されるが、ここではＭＯＶＰＥ法を使った。ＳＡＭ基板を（０００１）面が上向きになるよぅに石英トレイに載せ、ＭＯＶＰＥリアクタ一内にセットした。
ＳＡＭ基板を載せた石英トレイをＭＯＶＰＥ内にセットした後、ＳＡＭ基板を１１００℃に加熱するとともに反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスとしてＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎで流し、その状態を１０分間保持することによりＳＡＭ基板のサーマルクリ一ニングを行った。
【0024】
次いで、ＳＡＭ基板の温度を４５０℃に降温し、反応容器内の圧力を１００ｋＰａに保持したまま、反応容器内に流すキャリアガスＨ２を５Ｌ／ｍｉｎ及びＮ２ガスを５Ｌ／ｍ ｉｎの流量で流しながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びｌｌｌ族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び５．５μｍｏｌ／ｍｉｎを流し、ＳＡＭ基板上にアモルファス状のＧａＮを約２５ｎｍ堆積させた。続いてＴＭＧの供給を止めて、反応容器内の圧力は１００ｋＰａのまま基板の温度を１１００℃まで昇温した。この昇温過程で、基板上に堆積したアモルファスライクなＧａＮの一部の結晶化が進み、次のＧａＮ成長プロセスの結晶成長核が形成される。
【0025】
続いて、基板の温度を１１００℃、反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ２として、それを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び３０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように９０分間流し、ＧａＮを成長させることにより、ＳＡＭ基板の主面に（０００１）面ＧａＮが約３μｍ成長し、ＧａＮ／ＳＡＭテンプレートを作製した。
【0026】
〔ＳｉＯ２マスクパターンの形成〕
作製したＧａＮ／ＳＡＭテンプレートのＧａＮ結晶属（成長表面）上にレジストをスピンコートした。次いでフォトリソグラフィ一法にてＧａＮのａ軸或いはｍ軸方向にストライプ状或いはヘキサゴナル状のパターンを形成した。
次いでスパッタリングによりＳｉＯ２を２００ｎｍ成膜した。成膜の後、レジストを洗浄除去することでＧａＮ結晶層上にストライプ状の或いはヘキサゴナル状のＳｉＯ２属のパターンを形成した。
作製したＧａＮ／ＳＡＭテンプレートのＧａＮ結晶属（成長表面）上にレジストをスピンコートした。次いでフォトリソグラフィ一法にてＧａＮのａ軸或いはｍ軸方向にストライプ状或いはヘキサゴナル状のパターンを形成した。
次いでスパッタリングによりＳｉＯ２を２００ｎｍ成膜した。成膜の後、レジストを洗浄除去することでＧａＮ結晶層上にストライプ状の或いはヘキサゴナル状のＳｉＯ２属のパターンを形成した。
【0027】
［ＧａＮ厚膜の形成］ ＨＶＰＥＧａＮ（ＧａＮテンプレート ＭＯＶＰＥ法）
表面にＳｉＯ２マスクパターンを形成したＧａＮテンプレートは、ＨＶＰＥ装置内の炭素製試料固定治具（サセプター）にセットした。その後、反応管内にＮ２ガスを３０ｍｉｎ流し、反応管内をＮ２ガス雰囲気下とした。金属原料部が８５０℃、基板加熱部が１０５０℃となるように反応管を加熱し、設定温度到達後、２５分間保持した。このとき、基板加熱部が５００℃に達するまでは反応管内にはＮ２ガスを流通させ、５００℃以上ではＨ２ガス、及び、ＮＨ３ガスを流通させた。
表面にＳｉＯ２マスクパターンを形成したＧａＮテンプレートは、ＨＶＰＥ装置内の炭素製試料固定治具（サセプター）にセットした。その後、反応管内にＮ２ガスを３０ｍｉｎ流し、反応管内をＮ２ガス雰囲気下とした。金属原料部が８５０℃、基板加熱部が１０５０℃となるように反応管を加熱し、設定温度到達後、２５分間保持した。このとき、基板加熱部が５００℃に達するまでは反応管内にはＮ２ガスを流通させ、５００℃以上ではＨ２ガス、及び、ＮＨ３ガスを流通させた。
【0028】
次いで、反応管内に設置されたＧａ金属にＨＣｌガスを０．８Ｌ／ｍｉｎ流通させた。また、ＮＨ３ガスを８Ｌ／ｍｉｎ、キャリアガスであるＨ２ガスを４．１Ｌ／ｍｉｎ流通し、７２０分間ＧａＮ結晶を成長させた。ＧａＮ結晶の膜厚は２０００μｍであった。
その後、ＨＣｌガスの流通を止めて、成長を終了させ、基板の冷却を行った。冷却はガスを流通させながら、自然放冷にて行った。冷却時、基板温度が６００℃以下になるまではＮＨ３ガスを５Ｌ／ｍｉｎ流通し、６００℃以下ではＮ２ガスを３７Ｌ／ｍｉｎ流通した。
その後、ＨＣｌガスの流通を止めて、成長を終了させ、基板の冷却を行った。冷却はガスを流通させながら、自然放冷にて行った。冷却時、基板温度が６００℃以下になるまではＮＨ３ガスを５Ｌ／ｍｉｎ流通し、６００℃以下ではＮ２ガスを３７Ｌ／ｍｉｎ流通した。
【0029】
基板温度が１５０℃以下になった時点で、装置内から基板を取り出したところ、その時点においてすでにＳＡＭ基板とＧａＮ結晶層とは全面で自然剥離しており、自立ＧａＮ基板が得られた。自然；剥離の歩留まりは１００％であった。
得られたＧａＮ結晶自立基板の特性を以下の方法で測定した。
得られたＧａＮ結晶自立基板の特性を以下の方法で測定した。
【0030】
〔暗点密度評価〕
得られたＧａＮ結晶自立基板について、走査型電子顕微鏡／カソードルミネッセンス（ＳＥＭ／ＣＬ）装置（日本電子社製ＪＳＭ－７６００Ｆ／Ｇａｔａｎ社製ＭｏｎｏＣＬ４）を用いて、ＧａＮ結晶自立基板の表面の観察を行った。このときの加速電圧は５ｋＶ、観察範囲は２０μｍ×２０μｍとし、観察範囲内に観察された暗点の総数から暗点密度を算出した。
得られたＧａＮ結晶自立基板について、走査型電子顕微鏡／カソードルミネッセンス（ＳＥＭ／ＣＬ）装置（日本電子社製ＪＳＭ－７６００Ｆ／Ｇａｔａｎ社製ＭｏｎｏＣＬ４）を用いて、ＧａＮ結晶自立基板の表面の観察を行った。このときの加速電圧は５ｋＶ、観察範囲は２０μｍ×２０μｍとし、観察範囲内に観察された暗点の総数から暗点密度を算出した。
【0031】
〔クラック本数評価〕
得られたＧａＮ結品自立基板について、高強度ハロゲン光を照射し、結晶内に存在するクラックの本数を測定した。
得られたＧａＮ結品自立基板について、高強度ハロゲン光を照射し、結晶内に存在するクラックの本数を測定した。
【0032】
〔表面状態〕
得られたＧａＮ結品自立基板について、ノマルスキ一微分干渉顕微鏡を用いて表面状態の評価を行った。
得られたＧａＮ結品自立基板について、ノマルスキ一微分干渉顕微鏡を用いて表面状態の評価を行った。
【0033】
得られたＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ炉から取り出した時にはＳＡＭ基板と自然剥離しており、（０００１）面を主面とする、厚みが約２ｍｍの自立ＧａＮ基板であった。基板にはクラックは確認できなかった。裏側の剥離面はＧａＮ結晶側もＳＡＭ基板側も鏡面であり、ＳＡＭ基板も割れることなく回収することができた。
自然剥離の確率は、１００％であり、ＳＡＭ基板の回収率は８０％であった。
自然剥離したＧａＮ結晶の０００２ＸＲＣの半値全幅は１２０ａｒｃｓｅｃであり、ＣＬ測定による暗点密度は１．０×１０６個／ｃｍ２であった。
自然剥離の確率は、１００％であり、ＳＡＭ基板の回収率は８０％であった。
自然剥離したＧａＮ結晶の０００２ＸＲＣの半値全幅は１２０ａｒｃｓｅｃであり、ＣＬ測定による暗点密度は１．０×１０６個／ｃｍ２であった。
【0034】
［ＭＢＥ法ＧａＮテンプレート作製方法］
次に、ＭＢＥ法ＧａＮテンプレート作製方法についてＳＡＭ基板に合わせた装置改良、GaN on SAMの成長方法の実施例について述べる。
ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上にＭＢＥ法で窒化物成長させる場合、（０００ｌ）面内の格子不整合は比較的小さい（Ｉｎ０．１７Ｇａ０．６３Ｎでは格子不整合はない）が、（０００１）面に対して垂直方向のステップ高さは、大きく異なる。そのため、そのステップ高さの異方性のために立方晶構造の窒化物が容易に生成する。これを避けるためには、テラスを広くとることが必要で（０００１）面内でのオフ角が小さいことが必要となる。小さな基板では、オフ角は面内で均一に加工できるが、口径が大きくなるとパルク結晶内のひずみやスライスするときのそりなどにより、面内でのオフ角はばらつきが生じる。このような不均一があると、オフ角の大きなところで立方晶が発生やすいために、全面で六方品単相とすることは困難である。
（２）大口径基板では、通常は中心から周辺に同心円状にそりが発生する。そのため、特に中心ではよりオフ角を小さくすることが必要である。
（３）ステップ高さが窒化物とＳＡＭ基板とでは大きく異なっている。そのため、ＳＡＭ基板の加工において表面にスッテプが安定した状態でなければ、立方晶が容易に生成して六方品単相にならなぃ。
（４）ＭＯＣＶＤ法において、サファイア基板上に窒化物半導体を成長する場合、表面を窒化することが有効と言われている。小径の基板では面内での均一性を確保することは容易であるが、大口径では面内ばらつきが大きくなる。それを解消するために、ＭＢＥ成長装置内の高真空状態で、基板温度を高温に一定時間、基板回転しながら保持したのち、基板温度を変化させて、ラジカル化した窒素ガスを一定時間、基板回転しながら表面処理を行う。その後、成長温度に保持して結品成長を行う。これにより、基板表面状態が均一化され、六方晶単相の重化物が生成できる。
次に、ＭＢＥ法ＧａＮテンプレート作製方法についてＳＡＭ基板に合わせた装置改良、GaN on SAMの成長方法の実施例について述べる。
ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＡＭ）基板上にＭＢＥ法で窒化物成長させる場合、（０００ｌ）面内の格子不整合は比較的小さい（Ｉｎ０．１７Ｇａ０．６３Ｎでは格子不整合はない）が、（０００１）面に対して垂直方向のステップ高さは、大きく異なる。そのため、そのステップ高さの異方性のために立方晶構造の窒化物が容易に生成する。これを避けるためには、テラスを広くとることが必要で（０００１）面内でのオフ角が小さいことが必要となる。小さな基板では、オフ角は面内で均一に加工できるが、口径が大きくなるとパルク結晶内のひずみやスライスするときのそりなどにより、面内でのオフ角はばらつきが生じる。このような不均一があると、オフ角の大きなところで立方晶が発生やすいために、全面で六方品単相とすることは困難である。
（２）大口径基板では、通常は中心から周辺に同心円状にそりが発生する。そのため、特に中心ではよりオフ角を小さくすることが必要である。
（３）ステップ高さが窒化物とＳＡＭ基板とでは大きく異なっている。そのため、ＳＡＭ基板の加工において表面にスッテプが安定した状態でなければ、立方晶が容易に生成して六方品単相にならなぃ。
（４）ＭＯＣＶＤ法において、サファイア基板上に窒化物半導体を成長する場合、表面を窒化することが有効と言われている。小径の基板では面内での均一性を確保することは容易であるが、大口径では面内ばらつきが大きくなる。それを解消するために、ＭＢＥ成長装置内の高真空状態で、基板温度を高温に一定時間、基板回転しながら保持したのち、基板温度を変化させて、ラジカル化した窒素ガスを一定時間、基板回転しながら表面処理を行う。その後、成長温度に保持して結品成長を行う。これにより、基板表面状態が均一化され、六方晶単相の重化物が生成できる。
【0035】
（実施例３）
ＭＢＥ法による直径５０ｍｍｃ面ＳＡＭ基板上ＧａＮ成長
Ｍｅｒｃｕｒｅ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）法は高真空容器内の上部に成長面を下に向けて成長用基板を設置する。真空容器下部にＧａ金属を入れたるつぼを設置してヒーターにより過熱して金属蒸気を発生させる。同様に、真空容器下部に窒素ガスの導入孔から窒素ガスを噴霧し、これらのＧａ蒸気と窒素ガスを基板上で合流させて基板上にＧａＮ単結晶を成長させる。原料となるＧａ金属は純度６Ｎで、Ｇａ蒸気の供給量は過熱するヒーター温度で決定する。窒素ガスは、純度５Ｎで活性化させるためにプラズマセルを通して供給する。供給量はガス流量で決定し、活性化度はプラズマセルのパワーで決定する。
成長条件
雰囲気： 真空、１ｘ１０－６Ｐａ以下
成長温度： ７００°Ｃ
基板回転： １０ｒｐｍ
Ｇａ Ｆｌｕｘ量： ６ｘ１０－７Ｔｏｒｒ
窒素ガス流量： ２ｓｃｃｍ
窒素ラジカル用プラズマバワー ： １２０ｗ
成長時間： ４時間
ＭＢＥ法による直径５０ｍｍｃ面ＳＡＭ基板上ＧａＮ成長
Ｍｅｒｃｕｒｅ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）法は高真空容器内の上部に成長面を下に向けて成長用基板を設置する。真空容器下部にＧａ金属を入れたるつぼを設置してヒーターにより過熱して金属蒸気を発生させる。同様に、真空容器下部に窒素ガスの導入孔から窒素ガスを噴霧し、これらのＧａ蒸気と窒素ガスを基板上で合流させて基板上にＧａＮ単結晶を成長させる。原料となるＧａ金属は純度６Ｎで、Ｇａ蒸気の供給量は過熱するヒーター温度で決定する。窒素ガスは、純度５Ｎで活性化させるためにプラズマセルを通して供給する。供給量はガス流量で決定し、活性化度はプラズマセルのパワーで決定する。
成長条件
雰囲気： 真空、１ｘ１０－６Ｐａ以下
成長温度： ７００°Ｃ
基板回転： １０ｒｐｍ
Ｇａ Ｆｌｕｘ量： ６ｘ１０－７Ｔｏｒｒ
窒素ガス流量： ２ｓｃｃｍ
窒素ラジカル用プラズマバワー ： １２０ｗ
成長時間： ４時間
【0036】
成長はＲＨＥＥＤで観察しながら行った。その結果、ＳＡＭ基板上全面に厚さ均一のＧａＮ単結晶膜の成長に成功した。膜厚は１．０μｍで膜厚測定は、分光光度計による非破壊膜厚計測で行った。
【0037】
図３に示すようにＳＡＭ基板上にバッファ層を介さずにＧａＮが直接成長していることが実証された。直径５０ｍｍのＳＡＭ基板上にバッファ層無しで約１μｍ膜厚のＧａＮプレートができた。
実際に使用した装置の内部構造を図４に示す。ＳＡＭ基板としては直径５０ｍｍ以上の基板を用いた。
ＭＢＥ法で窒化物半導体を成長する場合、基板温度昇温後、一定時間真空中に放置する工程とラジカル化した窒素ガスを照射する工程を備えた単結晶成長方法で行った。
実際に使用した装置の内部構造を図４に示す。ＳＡＭ基板としては直径５０ｍｍ以上の基板を用いた。
ＭＢＥ法で窒化物半導体を成長する場合、基板温度昇温後、一定時間真空中に放置する工程とラジカル化した窒素ガスを照射する工程を備えた単結晶成長方法で行った。
【0038】
１． 前項において、基板直径が５０ｍｍ以上のため、 モリブデンサセプタとＳＡＭ基板の温度上昇速度が異なる。そのため、所定の基板温度に到達したのち、一定時間その温度で保持して、ＳＡＭ基板の温度分布を均一化する。
２．その後、基板表面の状態を一定にするため、ラジカル化した窒素ガスを一定時間照射する。
３．窒素ガスを照射直後は、基板表面温度から熱が奪われるために、温度の不均一が生じる。 それを避けるために前項の行程を入れたのち、金属粒子を照射して地下物膜を生成させる。
２．その後、基板表面の状態を一定にするため、ラジカル化した窒素ガスを一定時間照射する。
３．窒素ガスを照射直後は、基板表面温度から熱が奪われるために、温度の不均一が生じる。 それを避けるために前項の行程を入れたのち、金属粒子を照射して地下物膜を生成させる。
【0039】
ヒーター径が１．５倍より大きい場合においては、基板とヒーターの間に基板の直径に対して１．２倍から１．５倍の穴の開いている熱遮蔽板が設置されたＭＢＥ法成長装置にする。ＭＢＥ法成長装置を図５に示す。
【0040】
前項において、ヒーター径が設置するＳＡＭ基板の１．５倍より大きい時は、前項のヒーターとＳＡＭ基板の間に穴の開いた熱遮蔽板を設置し、その穴の直径が、基板の直径の１．２倍から１．５倍となっている。
【0041】
ヒーターからの輻射熱は熱遮蔽板で遮られるため、基板側から見て、ヒーター直径は前項と同じ効果が認められる。
１枚のモリブデンサセプタにＳＡＭ基板を複数枚設置して薄膜成長する場合、前項と同様に、設置する基板と同数の穴の開いた熱遮蔽板を設置する構造となっているＭＢＥ装置にする。装置を図６に示す。
１枚のモリブデンサセプタにＳＡＭ基板を複数枚設置して薄膜成長する場合、前項と同様に、設置する基板と同数の穴の開いた熱遮蔽板を設置する構造となっているＭＢＥ装置にする。装置を図６に示す。
【0042】
（実施例４）
ＭＢＥ法による直径５０ｍｍｃ面ＳＡＭ基板上ｌｎＧａＮ成長
上述した実施例と同様の構成で、Ｇａ金属源に加えてｌｎ金属源を設置して、ｌｎＧａＮ結晶成長を実施した。ｌｎ金属の純度は５Ｎである。
成長条件
雰囲気： 真空、１ｘ１０－６Ｐａ以下
成長温度： ６００°Ｃ
基板回転： １０ｒｐｍ
ｌｎ＋Ｇａ Ｆｌｕｘ量： ４．３ｘ１０－７Ｔｏｒｒ
ｌｎ／（ｌｎ＋Ｇａ）比： ０．４
窒素ガス流量： ２ｓｃｃｍ
窒素ラジカル用プラズマシャワーパワー：１１０Ｗ
成長時間：４時間
ＭＢＥ法による直径５０ｍｍｃ面ＳＡＭ基板上ｌｎＧａＮ成長
上述した実施例と同様の構成で、Ｇａ金属源に加えてｌｎ金属源を設置して、ｌｎＧａＮ結晶成長を実施した。ｌｎ金属の純度は５Ｎである。
成長条件
雰囲気： 真空、１ｘ１０－６Ｐａ以下
成長温度： ６００°Ｃ
基板回転： １０ｒｐｍ
ｌｎ＋Ｇａ Ｆｌｕｘ量： ４．３ｘ１０－７Ｔｏｒｒ
ｌｎ／（ｌｎ＋Ｇａ）比： ０．４
窒素ガス流量： ２ｓｃｃｍ
窒素ラジカル用プラズマシャワーパワー：１１０Ｗ
成長時間：４時間
【0043】
成長は、ＲＨＥＥＤで観察しながら行った。その結果、ＳＡＭ基板上全面に厚さ均一のｌｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ単結晶膜の成長に成功した。膜厚は０．８５μｍで膜厚測定は、分光光度計による非破壊膜厚計側で行った。
ＭＢＥ法にて本発明の方法によるＧａＮテンプレートｌｎ０．１７Ｇａ０．８３で作成する場合、ＳＡＭ基板は直径５０ｍｍ以上で（０００１）面（ｃ面）を用いたが下記の条件も望ましい。
ＭＢＥ法にて本発明の方法によるＧａＮテンプレートｌｎ０．１７Ｇａ０．８３で作成する場合、ＳＡＭ基板は直径５０ｍｍ以上で（０００１）面（ｃ面）を用いたが下記の条件も望ましい。
【0044】
（１）ＭＢＥ法により空化物半導体育成に用いる（０００１）ＳｃＡＩＭｇＯ４単結品において、直径５０ｍｍより大口径の基板において、全面に均一に六方品の室化物半導体膜を生成させるために、（０００ｌ）ＳｃＡＩＭｇＯ４基板のオフ角が、基板全面で０．５°以内であることを特徴とする単結品基板。
（２）上記基板において中心ではオフ角か０．１°以内である。
（３）上記基板の表面がＡＦＭによりステップを観察できる状態である。
（４）ＭＢＥ法で窒化物半導体を成長する場合、基板温度昇温後、一定時間真空中に放置する工程とラジカル化した窒素ガスを照射する工程を備えた単結品成長方法
前記ＳＡＭ基板は、ＣＺ法により作成したものであり、融液とする出発原料の組成比 （質量比）は図７を参照に、
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａ１２Ｏ３≦２８％
であり、
結品の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａ１２Ｏ３≦２４％
であることが好ましい。
（２）上記基板において中心ではオフ角か０．１°以内である。
（３）上記基板の表面がＡＦＭによりステップを観察できる状態である。
（４）ＭＢＥ法で窒化物半導体を成長する場合、基板温度昇温後、一定時間真空中に放置する工程とラジカル化した窒素ガスを照射する工程を備えた単結品成長方法
前記ＳＡＭ基板は、ＣＺ法により作成したものであり、融液とする出発原料の組成比 （質量比）は図７を参照に、
２７％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４５％≦ＭｇＯ≦４６％
２６％≦Ａ１２Ｏ３≦２８％
であり、
結品の組成比は、
２６％≦Ｓｃ２Ｏ４≦２８％
４９％≦ＭｇＯ≦５０％
２３％≦Ａ１２Ｏ３≦２４％
であることが好ましい。
【0045】
（実施例５）
高周波誘導加熱型チョクラルスキ一炉を用いてＳＡＭ単結晶を育成した。
外径φｌ５０ｍｍ、高さｌ５０ｍｍのＩｒ製ルツボの上部に外径φ１５０ｍｍ内径φｌ２０ｍｍのＩｒ製のリングを設置し、出発原料として４Ｎ（９９．９９％）のスカンジウム、アルミニウム、マグネシウムをＳｃ：Ａ１：Ｍｇ＝２７．８％：２６．７％：４５．５％に配合した原料６５００ｇ投入した。この際、ルツボ下部の耐火材に隙間を設け、ルツボ下部からの放熱を強くなる様に構成の調整を行った。
高周波誘導加熱型チョクラルスキ一炉を用いてＳＡＭ単結晶を育成した。
外径φｌ５０ｍｍ、高さｌ５０ｍｍのＩｒ製ルツボの上部に外径φ１５０ｍｍ内径φｌ２０ｍｍのＩｒ製のリングを設置し、出発原料として４Ｎ（９９．９９％）のスカンジウム、アルミニウム、マグネシウムをＳｃ：Ａ１：Ｍｇ＝２７．８％：２６．７％：４５．５％に配合した原料６５００ｇ投入した。この際、ルツボ下部の耐火材に隙間を設け、ルツボ下部からの放熱を強くなる様に構成の調整を行った。
【0046】
原料を投入したルツボを前記育成炉に投入し、炉内を真空にした後にＮ２ガスを導入し、炉内が大気圧となった時点で、装置の加熱を開始し、融液に達するまで、２４時間かけて加熱した。その後、原料が融液になった所でＮ２ガスに０．５％の割合でＯ２ガスを混合させた。＜００１＞方位の円柱状に加工したＳＡＭ単結晶を種結品として用い、種結品を融液近くまで下降させた。この種結品を５ｒｐｍで回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させた後、ネッキング処理を行い、その後、温度を徐々に降下させながら、引上速度０．５ｍｍ／Ｈｒの速度で種結晶を上昇させて結品成長を行った。その結果、クラック無しの直径７０ｍｍ、直順部の長さ５０ｍｍの単結晶が得られた。
【0047】
得られた単結晶をＩＣＰ－ＭＳにて組成分析を行った所、Ｓｃ：Ａ１：Ｍｇ＝２６．８％：２３．６％：４９．５％であることが確認された。その後、結品をＸＲＴに転位の評価を行った所、結晶の貫通転位がｌ０３／ｃｍ２以下であった。作成した結晶はウェハ加工し、ＧａＮ薄膜成長用の基板とした。その際、ウェノ、は鏡面研磨とし、表面粗さをＲａ０．２ｎｍ以下、面方位公差を±０．０１度以下とした。加工したウェハをバッファ層無しでＧａＮ薄膜を直接成長させた所、ＧａＮテンプレートが作製出来た。
【0048】
（実施例６）
高周波誘導加熱型チョクラルスキ一炉を用いてＳＡＭ単結品を育成した。
外径φ１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍのＩｒ製ルツボの上部に外径φｌ５０ｍｍ内径φ１２０ｍｍのＩｒ製のリングを設置し、出発原料として４Ｎ（９９．９９％）のスカンジウム、アルミニウム、マグネシウムをＳｃ：Ａ１：Ｍｇ＝２７．２％：２７．２％：４５．６％に配合した原料６５００ｇ投入した。前記実施例１と同構成・同条件にて結品成長を行った。
その結果、前記実施例１と同様にクラック無しの直径７０ｍｍ、直胴部の長さ５０ｍｍの単結品が得られた。
高周波誘導加熱型チョクラルスキ一炉を用いてＳＡＭ単結品を育成した。
外径φ１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍのＩｒ製ルツボの上部に外径φｌ５０ｍｍ内径φ１２０ｍｍのＩｒ製のリングを設置し、出発原料として４Ｎ（９９．９９％）のスカンジウム、アルミニウム、マグネシウムをＳｃ：Ａ１：Ｍｇ＝２７．２％：２７．２％：４５．６％に配合した原料６５００ｇ投入した。前記実施例１と同構成・同条件にて結品成長を行った。
その結果、前記実施例１と同様にクラック無しの直径７０ｍｍ、直胴部の長さ５０ｍｍの単結品が得られた。
【0049】
得られた単結品をＩＣＰ－ＭＳにて組成分析を行った所、Ｓｃ：Ａｌ：Ｍｇ＝２７．５％：２３．０％：４９．５％であることが確認された。その後、前記実施例１と同様に結晶をＸＲＴに転位の評価を行った所、結晶にみられる貫通転位がｌ０３／ｃｍ２以下であり、前記実施例１と同様にウェハ加工した基板をＧａＮ薄膜成長用とした。加工したウェハをバッファ属無しでＧａＮ薄膜を直接成長させた所、ＧａＮテンプレートが作製出来た。
【0050】
（実施例７）
実施例３のＧａＮテンプレート作製に用いるＳＡＭ基板は、無色透明で赤外線領域６μｍ以上で吸収端があるものである。
実施例３のＧａＮテンプレート作製に用いるＳＡＭ基板は、無色透明で赤外線領域６μｍ以上で吸収端があるものである。
【0051】
（サファイア等） サファイア等の透明基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合、ＭＢＥ法の成長温度４５０℃～９００℃（７２３Ｋ～１１７３Ｋ）における放射エネルギーのビーク波長は４μｍ～２．５μｍであるが、サファイアの赤外吸収端は５～６μｍ（厚みによる）であるため加熱効率が悪く、また、加熱時の基板温度の不均一化が生じ易い。そのため、基板サイズ２インチ以上のエピタキシャル成長の場合には、成長面の裏面にＴｉ等の金属を蒸着したり、基板近辺に被加熟体としてモリブデン板を設置する場合が多かった。
【0052】
（ＳＡＭ）ＳＡＭ基板は無色透明であるが赤外領域（２～１０μｍ）にかけて吸収があり、そのため何ら手段を講じることなく、基板に対して直接対峙するようにヒーターを設置するだけで、良質な２インチサイズのエピタキシャル成長が可能である。
【0053】
（赤外吸収特性の評価）
指定組成で作製された結晶から、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの形状に加工し、透過面２面に対してそれぞれ光学研磨を施し、スペクトル測定用試料とした。
フーリェ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて真空雰囲気下で測定を行い、透過率を算出した。
サファイアと比較した図を図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。
指定組成で作製された結晶から、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの形状に加工し、透過面２面に対してそれぞれ光学研磨を施し、スペクトル測定用試料とした。
フーリェ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて真空雰囲気下で測定を行い、透過率を算出した。
サファイアと比較した図を図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。
【0054】
（実施例８）
〔ＳｉＯ２マスクパターンの形成〕
作製したＧａＮ／ＳＡＭテンプレートのＧａＮ結晶層（成長表面）上にレジストをスピンコートした。次いでフォトリソグラフィ一法にてＧａＮのａ軸或いはｍ軸方向にストライプ状或いはヘキサゴナル状のパターンを形成した。
〔ＳｉＯ２マスクパターンの形成〕
作製したＧａＮ／ＳＡＭテンプレートのＧａＮ結晶層（成長表面）上にレジストをスピンコートした。次いでフォトリソグラフィ一法にてＧａＮのａ軸或いはｍ軸方向にストライプ状或いはヘキサゴナル状のパターンを形成した。
【0055】
次いでスパッタリングによりＳｉＯ２を２００ｎｍ成膜した。成膜の後、レジストを洗浄除去することでＧａＮ結晶層上にストライプ状の或いはヘキサゴナル状のＳｉＯ２層のパターンを形成した。
【0056】
〔ＧａＮ厚膜の形成〕
表面にＳｉＯ２マスクパターンを形成したＧａＮテンプレートは、ＨＶＰＥ装置内の炭素製試料固定治具（サセプター）にセットした。その後、反応管内にＮ２ガスを３０ｍｉｎ流し、反応管内をＮ２ガス雰囲気下とした。金属原料部が８５０℃、基板加熱部が１０５０℃となるように反応管を加熟し、設定温度到達後、２５分間保持した。このとき、基板加熟部が５００℃に達するまでは反応管内にはＮ２ガスを流通させ、５００℃以上ではＨ２ガス、及び、ＮＨ３ガスを流通させた。
表面にＳｉＯ２マスクパターンを形成したＧａＮテンプレートは、ＨＶＰＥ装置内の炭素製試料固定治具（サセプター）にセットした。その後、反応管内にＮ２ガスを３０ｍｉｎ流し、反応管内をＮ２ガス雰囲気下とした。金属原料部が８５０℃、基板加熱部が１０５０℃となるように反応管を加熟し、設定温度到達後、２５分間保持した。このとき、基板加熟部が５００℃に達するまでは反応管内にはＮ２ガスを流通させ、５００℃以上ではＨ２ガス、及び、ＮＨ３ガスを流通させた。
【0057】
次いで、反応管内に設置されたＧａ金属にＨＣ１ガスを０．８Ｌ／ｍｉｎ流通させた。また、ＮＨ３ガスを８Ｌ／ｍｉｎ、キャリアガスであるＨ２ガスを４．ＩＬ／ｍｉｎ流通し、７２０分間ＧａＮ結晶を成長させた。ＧａＮ結晶の膜厚は２０００μｍであった。
その後、ＨＣｌガスの流通を止めて、成長を終了させ、基板の冷却を行った。冷却はガスを流通させながら、自然放冷にて行った。冷却時、基板温度が６００℃以下になるまではＮＨ３ガスを５Ｌ／ｍｉｎ流通し、６００℃以下ではＮ２ガスを３７Ｌ／ｍｉｎ流通した。
その後、ＨＣｌガスの流通を止めて、成長を終了させ、基板の冷却を行った。冷却はガスを流通させながら、自然放冷にて行った。冷却時、基板温度が６００℃以下になるまではＮＨ３ガスを５Ｌ／ｍｉｎ流通し、６００℃以下ではＮ２ガスを３７Ｌ／ｍｉｎ流通した。
【0058】
基板温度が１５０℃以下になった時点で、装置内から基板を取リ出したところ、その時点においてすでにＳＡＭ基板とＧａＮ結晶層とは全面で自然剥離しており、自立ＧａＮ基板が得られた。自然剥離の歩留まりは１００％であった。
得られたＧａＮ結晶自立基板の特性を以下の方法で測定した。
得られたＧａＮ結晶自立基板の特性を以下の方法で測定した。
【0059】
〔暗点密度評価〕
得られたＧａＮ結晶自立基板について、走査型電子顕微鏡／力ソードルミネッセンス（Ｓ ＥＭ／ＣＬ）装置（日本電子社製ＪＳＭ－７６００Ｆ／Ｇａｔａｎ社製ＭｏｎｏＣＬ４）を用いて、ＧａＮ結晶自立基板の表面の観察を行った。このときの加速電圧は５ｋＶ、観察範囲は２０μｍ×２０μｍとし、観察範囲内に観察された暗点の総数から暗点密度を算出した。
得られたＧａＮ結晶自立基板について、走査型電子顕微鏡／力ソードルミネッセンス（Ｓ ＥＭ／ＣＬ）装置（日本電子社製ＪＳＭ－７６００Ｆ／Ｇａｔａｎ社製ＭｏｎｏＣＬ４）を用いて、ＧａＮ結晶自立基板の表面の観察を行った。このときの加速電圧は５ｋＶ、観察範囲は２０μｍ×２０μｍとし、観察範囲内に観察された暗点の総数から暗点密度を算出した。
【0060】
〔クラック本数評価〕
得られたＧａＮ結晶自立基板について、高強度ハロゲン光を照射し、結晶内に存在するクラックの本数を測定した。
得られたＧａＮ結晶自立基板について、高強度ハロゲン光を照射し、結晶内に存在するクラックの本数を測定した。
【0061】
〔表面状態〕
得られたＧａＮ結晶自立基板について、ノマルスキ一微分干渉顕微鏡を用いて表面状態の評価を行った。
得られたＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ炉から取り出した時にはＳＡＭ基板と自然剥離しており、（０００１）面を主面とする、厚みが約２ｍｍの自立ＧａＮ基板であった。基板にはクラックは確認できなかった。裏側の剥離面はＧａＮ結晶側もＳＡＭ基板側も鏡面であり、ＳＡＭ基板も割れることなく回収することができた。
自然剥離の確率は、１００％であり、ＳＡＭ基板の回収率は８０％であった。
自然剥離したＧａＮ結晶の０００２ＸＲＣの半値全幅は１２０ａｒｃｓｅｃであり、Ｃ Ｌ測定による暗点密度は１．０ｘ１０５個／ｃｍ２であった。
得られたＧａＮ結晶自立基板について、ノマルスキ一微分干渉顕微鏡を用いて表面状態の評価を行った。
得られたＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ炉から取り出した時にはＳＡＭ基板と自然剥離しており、（０００１）面を主面とする、厚みが約２ｍｍの自立ＧａＮ基板であった。基板にはクラックは確認できなかった。裏側の剥離面はＧａＮ結晶側もＳＡＭ基板側も鏡面であり、ＳＡＭ基板も割れることなく回収することができた。
自然剥離の確率は、１００％であり、ＳＡＭ基板の回収率は８０％であった。
自然剥離したＧａＮ結晶の０００２ＸＲＣの半値全幅は１２０ａｒｃｓｅｃであり、Ｃ Ｌ測定による暗点密度は１．０ｘ１０５個／ｃｍ２であった。
【0062】
（実施例９）
ＨＶＰＥ法ＧａＮ多数枚同時作成
直径６インチ以上作成できるＨＶＰＥ装置を用いて直径２インチのＧａＮ／ＳＡＭテンプレートを５枚配置してＨＶＰＥ成長を行った。テンプレートは実施例１（ＭＯＶＰＥ）、実施例３（ＭＢＥ）で作成したものを用いた。
ＨＶＰＥ法ＧａＮ成長条件は実施例２に指名したものとほぼ同じ条件で行った。
実験は、ＭＯＶＰＥ製ＧａＮテンプレート３枚、ＭＢＥ製ＧａＮテンプレート２枚で行った。
ＨＶＰＥ成長直後のＧａＮ側の写真図を図９に示す。ＨＶＰＥ成長直後のＳＡＭ側の写真図を図１０に示す。
ＨＶＰＥ法ＧａＮ多数枚同時作成
直径６インチ以上作成できるＨＶＰＥ装置を用いて直径２インチのＧａＮ／ＳＡＭテンプレートを５枚配置してＨＶＰＥ成長を行った。テンプレートは実施例１（ＭＯＶＰＥ）、実施例３（ＭＢＥ）で作成したものを用いた。
ＨＶＰＥ法ＧａＮ成長条件は実施例２に指名したものとほぼ同じ条件で行った。
実験は、ＭＯＶＰＥ製ＧａＮテンプレート３枚、ＭＢＥ製ＧａＮテンプレート２枚で行った。
ＨＶＰＥ成長直後のＧａＮ側の写真図を図９に示す。ＨＶＰＥ成長直後のＳＡＭ側の写真図を図１０に示す。
【0063】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】