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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-27
(45)【発行日】2022-07-05
(54)【発明の名称】ＧａＮ単結晶
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20220628BHJP
C30B 7/10 20060101ALI20220628BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B7/10
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020128515
(22)【出願日】2020-07-29
(62)【分割の表示】P 2016573435の分割
【原出願日】2016-02-05
(65)【公開番号】P2020172438
(43)【公開日】2020-10-22
【審査請求日】2020-07-29
(31)【優先権主張番号】P 2015022362
(32)【優先日】2015-02-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2015100122
(32)【優先日】2015-05-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2015214505
(32)【優先日】2015-10-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006035
【氏名又は名称】三菱ケミカル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】特許業務法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】藤澤 英夫
(72)【発明者】
【氏名】三川 豊
(72)【発明者】
【氏名】川端 紳一郎
(72)【発明者】
【氏名】浪田 秀郎
(72)【発明者】
【氏名】望月 多恵
【審査官】宮崎 園子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１１１５２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１２９５４４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２３０９７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－５９０７８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｃ３０Ｂ ７／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ｅ）に定義する仮想的な線分である第五線分、および、下記（Ｆ）に定義する仮想的な線分である第六線分を、それぞれ、少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ｅ）第五線分は長さＬ５を有する線分（ただし、Ｌ５は４０ｍｍ以上）であって、当該第五線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第五線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍの間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離］を用いて当該第五線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ５が４０ｍ以上である；
（Ｆ）第六線分は、長さＬ６を有する線分（ただし、Ｌ６は４０ｍｍ以上）であって、該第五線分と直交しており、当該第六線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第六線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍの間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離）］を用いて当該第六線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ６が４０ｍ以上である。
【請求項2】
前記Ｌ５が４５ｍｍ以上である、請求項１に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項3】
前記Ｒ５が５０ｍ以上である、請求項１又は２に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項4】
前記Ｌ６が４５ｍｍ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項5】
前記Ｒ６が５０ｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項6】
いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、請求項１～５のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項7】
いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、請求項１～６のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項8】
１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項9】
赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、請求項１～８のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項10】
Ｃ面ＧａＮウエハである、請求項１～９のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項11】
該ガリウム極性面には少なくともひとつの正方形領域が見出され、該少なくともひとつの正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは２ｍｍ以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上がピットフリー領域である、請求項１～１０のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項12】
前記複数のサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤが１×１０
６
ｃｍ
－２
未満である、請求項１１に記載のＧａＮ単結晶。
【請求項13】
前記複数のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値が１×１０
４
ｃｍ
－２
未満である、請求項１２に記載のＧａＮ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主として、ＧａＮ単結晶およびＧａＮ単結晶製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＧａＮ（窒化ガリウム）はIII－V族化合物半導体の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
近年、窒化物半導体デバイス用の半導体ウエハとして単結晶ＧａＮウエハが注目されている。
窒化物半導体は、窒化物系III－V族化合物半導体、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体などとも呼ばれ、ＧａＮを含む他、ＧａＮのガリウムの一部または全部を他の周期表第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ等）で置換した化合物を含む。
有用性の高い単結晶ＧａＮウエハのひとつは、Ｃ面ＧａＮウエハである。Ｃ面ＧａＮウエハとは、Ｃ面と平行またはＣ面から僅かに傾斜した主表面を持つ単結晶ＧａＮウエハである。
Ｃ面ＧａＮウエハは、［０００１］側の主表面であるガリウム極性面と、［０００－１］側の主表面である窒素極性面とを有している。窒化物半導体デバイスの形成に使用されるのは、今のところ主にガリウム極性面である。
近年、窒化物半導体デバイス用の半導体ウエハとして単結晶ＧａＮウエハが注目されている。
窒化物半導体は、窒化物系III－V族化合物半導体、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体などとも呼ばれ、ＧａＮを含む他、ＧａＮのガリウムの一部または全部を他の周期表第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ等）で置換した化合物を含む。
有用性の高い単結晶ＧａＮウエハのひとつは、Ｃ面ＧａＮウエハである。Ｃ面ＧａＮウエハとは、Ｃ面と平行またはＣ面から僅かに傾斜した主表面を持つ単結晶ＧａＮウエハである。
Ｃ面ＧａＮウエハは、［０００１］側の主表面であるガリウム極性面と、［０００－１］側の主表面である窒素極性面とを有している。窒化物半導体デバイスの形成に使用されるのは、今のところ主にガリウム極性面である。
【0003】
Ｃ面ＧａＮウエハに用いるＧａＮ単結晶の好ましい成長方法として、アモノサーマル法がある。
アモノサーマル法では、超臨界または亜臨界状態のアンモニアに溶解させたＧａＮを、シード上に単結晶として析出させる。
非特許文献１には、アモノサーマル法で成長させたＧａＮ単結晶からＣ面ＧａＮウエハを作製したこと、また、そのＣ面ＧａＮウエハの表面に面積１ｍｍ2の無転位領域が観察されたことが、報告されている。
非特許文献２には、アモノサーマル法で成長させたＧａＮ単結晶から、直径２インチのＣ面ＧａＮウエハを作製したことが報告されている。
アモノサーマル法では、超臨界または亜臨界状態のアンモニアに溶解させたＧａＮを、シード上に単結晶として析出させる。
非特許文献１には、アモノサーマル法で成長させたＧａＮ単結晶からＣ面ＧａＮウエハを作製したこと、また、そのＣ面ＧａＮウエハの表面に面積１ｍｍ2の無転位領域が観察されたことが、報告されている。
非特許文献２には、アモノサーマル法で成長させたＧａＮ単結晶から、直径２インチのＣ面ＧａＮウエハを作製したことが報告されている。
【0004】
特許文献１には、シードとして用いるＣ面ＧａＮウエハの主表面上に直線状開口を有するパターンマスクを形成し、その直線状開口を通してアモノサーマル法でＧａＮ層を成長させたことが記載されている。直線状開口の延伸方向は、ｍ軸方向＜１０－１０＞またはａ軸方向＜１１－２０＞であった。パターンマスクの直線状開口の内側から成長したＧａＮ結晶は、パターンマスク上でラテラル方向に成長し、コアレスしてひとつの層を成したとのことである。
特許文献２には、シードとして用いるＣ面ＧａＮウエハの窒素極性面上に直線状開口を有するパターンマスクを形成し、その直線状開口を通してアモノサーマル法でＧａＮ単結晶を成長させたことが記載されている。直線状開口の各々を通して成長したＧａＮ結晶は、コアレスすることなく、［０００－１］方向に１０ｍｍも成長したとのことである。
特許文献２には、シードとして用いるＣ面ＧａＮウエハの窒素極性面上に直線状開口を有するパターンマスクを形成し、その直線状開口を通してアモノサーマル法でＧａＮ単結晶を成長させたことが記載されている。直線状開口の各々を通して成長したＧａＮ結晶は、コアレスすることなく、［０００－１］方向に１０ｍｍも成長したとのことである。
【0005】
非特許文献３では、アモノサーマル法において各種のハロゲン化アンモニウム鉱化剤を用いたときのＧａＮ結晶の成長レートが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－１１１５２７号公報
【文献】特開２０１４－２０８５７１号公報
【非特許文献】
【0007】
【文献】R.Dwilinski, R.Doradzinski, J.Garczynski, L.P.Sierzputowski,A.Puchalski, Y.Kanbara, K.Yagi, H.Minakuchi, H.Hayashi, “Excellent crystallinity of truly bulk ammonothermal GaN”, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 3911-3916
【文献】R.Dwilinski, R.Doradzinski, J.Garczynski, L.Sierzputowski, R.Kucharski, M.Zajac, M. Rudzinski, R.Kudrawiec, J.serafnczuk, W.Strupinski, “Recent achievements in AMMONO-bulk method”, Journal of Crystal Growth 312 (2010) 2499-2502
【文献】Quanxi Bao, Makoto Saito,Kouji Hazu, Kentaro Furusawa, Yuji Kagamitani, Rinzo Kayano, Daisuke Tomida, Kun Qiao, Tohru Ishiguro, Chiaki Yokoyama, Shigefusa F. Chichibu, “Ammonothermal Crystal Growth of GaN Using an NH4F Mineralizer”, Crystal Growth & Design 4158-4161 (2013) 13
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の主たる目的は、改善された品質を有する新規なＧａＮ単結晶を提供すること、および、改善された品質を有するＧａＮ単結晶を製造するための新規なＧａＮ単結晶製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明によれば、以下に記載するＧａＮ単結晶が提供される。
［１］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面には少なくともひとつの正方形領域が見出され、該少なくともひとつの正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは２ｍｍ以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上がピットフリー領域であることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［２］前記複数のサブ領域のうちピットフリー領域の割合が８５％以上である、［１］に記載のＧａＮ単結晶。
［３］前記複数のサブ領域のうちピットフリー領域の割合が９０％以上である、［１］に記載のＧａＮ単結晶。
［４］前記複数のサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤが１×１０6ｃｍ-2未満である、［１］～［３］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［５］前記複数のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、［１］～［４］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［６］前記複数のサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤが２×１０5ｃｍ-2未満である、［３］に記載のＧａＮ単結晶。
［７］前記複数のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、［３］または［６］に記載のＧａＮ単結晶。
［８］前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、［３］、［６］または［７］に記載のＧａＮ単結晶。
［９］１．３ｍｍ×１．３ｍｍの正方形のピットフリー領域が前記ガリウム極性面に少なくともひとつ見出される、［１］～［８］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［１０］前記ガリウム極性面および前記窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域の異常透過像が得られる、［１］～［９］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［１］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面には少なくともひとつの正方形領域が見出され、該少なくともひとつの正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは２ｍｍ以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上がピットフリー領域であることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［２］前記複数のサブ領域のうちピットフリー領域の割合が８５％以上である、［１］に記載のＧａＮ単結晶。
［３］前記複数のサブ領域のうちピットフリー領域の割合が９０％以上である、［１］に記載のＧａＮ単結晶。
［４］前記複数のサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤが１×１０6ｃｍ-2未満である、［１］～［３］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［５］前記複数のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、［１］～［４］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［６］前記複数のサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤが２×１０5ｃｍ-2未満である、［３］に記載のＧａＮ単結晶。
［７］前記複数のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、［３］または［６］に記載のＧａＮ単結晶。
［８］前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、［３］、［６］または［７］に記載のＧａＮ単結晶。
［９］１．３ｍｍ×１．３ｍｍの正方形のピットフリー領域が前記ガリウム極性面に少なくともひとつ見出される、［１］～［８］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［１０］前記ガリウム極性面および前記窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域の異常透過像が得られる、［１］～［９］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
【0010】
［１１］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、１．３ｍｍ×１．３ｍｍの正方形のピットフリー領域が該ガ
リウム極性面に少なくともひとつ見出されることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１２］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１３］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域の異常透過像が得られることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１４］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ａ）第一線分は長さＬ1を有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ1は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。
［１５］前記第一線分が、更に、次の（Ａ１）～（Ａ３）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１４］に記載のＧａＮ単結晶；（Ａ１）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ａ２）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ａ３）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
［１６］前記第一線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｂ）に定義する仮想的な線分である第二線分を少なくともひとつ引き得る、［１４］または［１５］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｂ）第二線分は長さＬ2を有する線分であって、前記第一線分の少なくともひとつと直交しており、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ2は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。［１７］前記第二線分が、更に、次の（Ｂ１）～（Ｂ３）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１６］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｂ１）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｂ２）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｂ３）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
［１８］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ｃ）に定義する仮想的な線分である第三線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ｃ）第三線分は長さＬ３を有する線分であり、当該第三線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ３は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。
［１９］前記第三線分が、更に、次の（Ｃ１）および（Ｃ２）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１８］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｃ１）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｃ２）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
［２０］前記第三線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｄ）に定義する仮想的な線分である第四線分を少なくともひとつ引き得る、［１８］または［１９］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｄ）第四線分は長さＬ４を有する線分であって、前記第三線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ４は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上である）。
［２１］前記第四線分が、更に、次の（Ｄ１）および（Ｄ２）から選ばれる一以上の特徴を備える、［２０］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｄ１）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｄ２）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
［２２］前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、［１］～［２１］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２３］前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、［２２］に記載のＧａＮ単結晶。
リウム極性面に少なくともひとつ見出されることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１２］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１３］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の各々が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有しており、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域の異常透過像が得られることを特徴とするＧａＮ単結晶。
［１４］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ａ）第一線分は長さＬ1を有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ1は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。
［１５］前記第一線分が、更に、次の（Ａ１）～（Ａ３）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１４］に記載のＧａＮ単結晶；（Ａ１）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ａ２）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ａ３）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
［１６］前記第一線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｂ）に定義する仮想的な線分である第二線分を少なくともひとつ引き得る、［１４］または［１５］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｂ）第二線分は長さＬ2を有する線分であって、前記第一線分の少なくともひとつと直交しており、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ2は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。［１７］前記第二線分が、更に、次の（Ｂ１）～（Ｂ３）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１６］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｂ１）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｂ２）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｂ３）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
［１８］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ｃ）に定義する仮想的な線分である第三線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ｃ）第三線分は長さＬ３を有する線分であり、当該第三線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ３は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である）。
［１９］前記第三線分が、更に、次の（Ｃ１）および（Ｃ２）から選ばれる一以上の特徴を備える、［１８］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｃ１）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｃ２）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
［２０］前記第三線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｄ）に定義する仮想的な線分である第四線分を少なくともひとつ引き得る、［１８］または［１９］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｄ）第四線分は長さＬ４を有する線分であって、前記第三線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る（ただし、長さＬ４は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上である）。
［２１］前記第四線分が、更に、次の（Ｄ１）および（Ｄ２）から選ばれる一以上の特徴を備える、［２０］に記載のＧａＮ単結晶；（Ｄ１）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である；（Ｄ２）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
［２２］前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、［１］～［２１］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２３］前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、［２２］に記載のＧａＮ単結晶。
【0011】
［２４］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有し、該直線状転位アレイの延伸方向が、該ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とするＧａＮ単結晶。
［２５］前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、［２２］～［２４］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２６］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ｅ）に定義する仮想的な線分である第五線分、および、下記（Ｆ）に定義する仮想的な線分である第六線分を、それぞれ、少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ｅ）第五線分は長さＬ５を有する線分（ただし、Ｌ５は４０ｍｍ以上）であって、当該第五線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第五線分と平行
にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離］を用いて当該第五線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ５が４０ｍ以上である；（Ｆ）第六線分は、長さＬ６を有する線分（ただし、Ｌ６は４０ｍｍ以上）であって、前記第五線分と直交しており、当該第六線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第六線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離）］を用いて当該第六線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ６が４０ｍ以上である。
［２７］いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、［１］～［２６］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２８］いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、［１］～［２７］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２９］１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、［１］～［２８］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［３０］赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、［１］～［２９］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［３１］Ｃ面ＧａＮウエハである、［１］～［３０］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２５］前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、［２２］～［２４］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２６］一方側の主表面であるガリウム極性面と反対側の主表面である窒素極性面とを有するＧａＮ単結晶において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ｅ）に定義する仮想的な線分である第五線分、および、下記（Ｆ）に定義する仮想的な線分である第六線分を、それぞれ、少なくともひとつ引き得ることを特徴とするＧａＮ単結晶；（Ｅ）第五線分は長さＬ５を有する線分（ただし、Ｌ５は４０ｍｍ以上）であって、当該第五線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第五線分と平行
にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離］を用いて当該第五線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ５が４０ｍ以上である；（Ｆ）第六線分は、長さＬ６を有する線分（ただし、Ｌ６は４０ｍｍ以上）であって、前記第五線分と直交しており、当該第六線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第六線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから式Ｒ＝ΔＬ／Δω［ただし、Ｒ：曲率半径、ΔＬ：２点間の距離）］を用いて当該第六線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ６が４０ｍ以上である。
［２７］いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、［１］～［２６］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２８］いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、［１］～［２７］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［２９］１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、［１］～［２８］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［３０］赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、［１］～［２９］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
［３１］Ｃ面ＧａＮウエハである、［１］～［３０］のいずれかに記載のＧａＮ単結晶。
【0012】
本発明によれば、以下に記載するＧａＮ単結晶製造方法が提供される。
［３２］（Ｓ１）ＧａＮの窒素極性面を有するシードを準備するステップと；（Ｓ２）準備したシードの該窒素極性面上に、一定のピッチで互いに平行に配置された複数の直線状開口を有するパターンマスクを形成するステップと；（Ｓ３）該パターンマスクの直線状開口を通して該窒素極性面上にアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップと；を含み、ステップ（Ｓ３）において、ＧａＮ結晶はパターンマスクの開口の内側から成長し、次いで、パターンマスクの上方でラテラル方向に拡がり、パターンマスクとの間にボイドを形成しながらコアレスする、ＧａＮ単結晶製造方法。
［３３］前記ステップ（Ｓ２）で形成するパターンマスクにおいて、前記直線状開口の延伸方向は、前記シードの前記窒素極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、［３２］に記載の製造方法。
［３４］前記パターンマスクがストライプ型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３５］前記パターンマスクが斜方格子型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３６］前記パターンマスクが六角格子型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３７］前記一定のピッチが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、［３２］～［３６］のいずれかに記載の製造方法。
［３２］（Ｓ１）ＧａＮの窒素極性面を有するシードを準備するステップと；（Ｓ２）準備したシードの該窒素極性面上に、一定のピッチで互いに平行に配置された複数の直線状開口を有するパターンマスクを形成するステップと；（Ｓ３）該パターンマスクの直線状開口を通して該窒素極性面上にアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップと；を含み、ステップ（Ｓ３）において、ＧａＮ結晶はパターンマスクの開口の内側から成長し、次いで、パターンマスクの上方でラテラル方向に拡がり、パターンマスクとの間にボイドを形成しながらコアレスする、ＧａＮ単結晶製造方法。
［３３］前記ステップ（Ｓ２）で形成するパターンマスクにおいて、前記直線状開口の延伸方向は、前記シードの前記窒素極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、［３２］に記載の製造方法。
［３４］前記パターンマスクがストライプ型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３５］前記パターンマスクが斜方格子型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３６］前記パターンマスクが六角格子型である、［３２］または［３３］に記載の製造方法。
［３７］前記一定のピッチが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、［３２］～［３６］のいずれかに記載の製造方法。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、改善された品質を有する新規なＧａＮ単結晶が提供される。加えて、本発明によれば、改善された品質を有するＧａＮ結晶を製造するための、新規なＧａＮ単結晶製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
ＧａＮ結晶では、［０００１］に平行な結晶軸がｃ軸、＜１０－１０＞に平行な結晶軸がｍ軸、＜１１－２０＞に平行な結晶軸がａ軸と呼ばれる。ｃ軸に直交する結晶面はＣ面、ｍ軸に直交する結晶面はＭ面、ａ軸に直交する結晶面はＡ面と呼ばれる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、ＧａＮ結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味するものとする。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、ＧａＮ結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味するものとする。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【0016】
１．第一実施形態
本発明の第一実施形態は、ＧａＮ単結晶に関する。
１．１．ＧａＮ単結晶の外形およびサイズ
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、一方側の主表面とその反対側の主表面とを備える板の形状を有しており、その厚さ方向はｃ軸に平行または略平行である。該２つの主表面の一方はガリウム極性面であり、他方は窒素極性面である。主表面の形状に特に限定はない。
図１は、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶が有し得る形状を例示する図面であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図である。
図１を参照すると、ＧａＮ単結晶１０は円盤であり、［０００１］側の主表面であるガリウム極性面１１と、［０００－１］側の主表面である窒素極性面１２の形状は円形である。ガリウム極性面１１と窒素極性面１２とは、側面１３を介してつながっている。
本発明の第一実施形態は、ＧａＮ単結晶に関する。
１．１．ＧａＮ単結晶の外形およびサイズ
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、一方側の主表面とその反対側の主表面とを備える板の形状を有しており、その厚さ方向はｃ軸に平行または略平行である。該２つの主表面の一方はガリウム極性面であり、他方は窒素極性面である。主表面の形状に特に限定はない。
図１は、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶が有し得る形状を例示する図面であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図である。
図１を参照すると、ＧａＮ単結晶１０は円盤であり、［０００１］側の主表面であるガリウム極性面１１と、［０００－１］側の主表面である窒素極性面１２の形状は円形である。ガリウム極性面１１と窒素極性面１２とは、側面１３を介してつながっている。
【0017】
図２（ａ）～（ｃ）は、それぞれ、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶が有し得る他の形状を例示する斜視図である。図２においては、図１に示された構成と対応する構成に、図
１と同じ符号を付している（後述する図３および図６においても同様である）。
図２（ａ）～（ｃ）において、ＧａＮ単結晶１０が有するガリウム極性面１１および窒素極性面１２の形状は、それぞれ、四角形、六角形、および八角形である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶の主表面は、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有し、好ましくは４ｃｍ2以上、より好ましくは５ｃｍ2以上、より好ましくは１５ｃｍ2以上の面積を有する。該主表面の面積は、１８ｃｍ2以上、３８ｃｍ2以上、７１ｃｍ2以上、１６５ｃｍ2以上、２９９ｃｍ2以上または６８３ｃｍ2以上であり得る。
１と同じ符号を付している（後述する図３および図６においても同様である）。
図２（ａ）～（ｃ）において、ＧａＮ単結晶１０が有するガリウム極性面１１および窒素極性面１２の形状は、それぞれ、四角形、六角形、および八角形である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶の主表面は、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を内包するサイズを有し、好ましくは４ｃｍ2以上、より好ましくは５ｃｍ2以上、より好ましくは１５ｃｍ2以上の面積を有する。該主表面の面積は、１８ｃｍ2以上、３８ｃｍ2以上、７１ｃｍ2以上、１６５ｃｍ2以上、２９９ｃｍ2以上または６８３ｃｍ2以上であり得る。
【0018】
第一実施形態のＧａＮ単結晶において、ガリウム極性面は（０００１）と平行であってもよく、また、（０００１）から僅かに傾斜していてもよい。ガリウム極性面の（０００１）からの傾斜は、通常１０°以下であり、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下であり、１°以下であってもよい。
第一実施形態のＧａＮ単結晶において、窒素極性面は（０００－１）と平行であってもよく、また、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。窒素極性面の（０００－１）からの傾斜は、通常１０°以下であり、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下であり、１°以下であってもよい。
限定するものではないが、好ましくは、ガリウム極性面と窒素極性面は互いに平行である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶において、窒素極性面は（０００－１）と平行であってもよく、また、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。窒素極性面の（０００－１）からの傾斜は、通常１０°以下であり、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下であり、１°以下であってもよい。
限定するものではないが、好ましくは、ガリウム極性面と窒素極性面は互いに平行である。
【0019】
第一実施形態のＧａＮ単結晶は、インゴットまたはウエハ（Ｃ面ＧａＮウエハ）であり得る。
第一実施形態のＧａＮ単結晶が円盤形状のインゴットまたはウエハである場合、その直径は通常２０ｍｍ以上、３０５ｍｍ以下である。該直径は、典型的には、２５ｍｍ（約１インチ）、４５～５５ｍｍ（約２インチ）、９５～１０５ｍｍ（約４インチ）、１４５～１５５ｍｍ（約６インチ）、１９５～２０５ｍｍ（約８インチ）、２９５～３０５ｍｍ（約１２インチ）等である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶が矩形の主表面を有するインゴットまたはウエハである場合、該矩形の各辺の長さは、通常２ｃｍ以上、好ましくは３ｃｍ以上であり、また、通常１５ｃｍ以下である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶がＣ面ＧａＮウエハである場合、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度が求められることから、その厚さは、好ましくは２５０μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上である。主表面のサイズに応じて、更に厚くすることもできる。
第一実施形態のＧａＮ単結晶が円盤形状のインゴットまたはウエハである場合、その直径は通常２０ｍｍ以上、３０５ｍｍ以下である。該直径は、典型的には、２５ｍｍ（約１インチ）、４５～５５ｍｍ（約２インチ）、９５～１０５ｍｍ（約４インチ）、１４５～１５５ｍｍ（約６インチ）、１９５～２０５ｍｍ（約８インチ）、２９５～３０５ｍｍ（約１２インチ）等である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶が矩形の主表面を有するインゴットまたはウエハである場合、該矩形の各辺の長さは、通常２ｃｍ以上、好ましくは３ｃｍ以上であり、また、通常１５ｃｍ以下である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶がＣ面ＧａＮウエハである場合、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度が求められることから、その厚さは、好ましくは２５０μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上である。主表面のサイズに応じて、更に厚くすることもできる。
【0020】
Ｃ面ＧａＮウエハでは、ガリウム極性面と側面との境界を滑らかにするための面取りは、必要に応じて適宜行うことができる。窒素極性面と側面との境界についても同じである。
第一実施形態のＧａＮ単結晶の側面には、結晶の方位を表示するフラット部であるオリエンテーション・フラットを設けることができる他、ガリウム極性面と窒素極性面の識別を容易にするためのフラット部であるインデックス・フラットを設けることができる。その他、第一実施形態のＧａＮ単結晶には、必要に応じて様々なマーキングを施すことができる。
第一実施形態のＧａＮ単結晶の側面には、結晶の方位を表示するフラット部であるオリエンテーション・フラットを設けることができる他、ガリウム極性面と窒素極性面の識別を容易にするためのフラット部であるインデックス・フラットを設けることができる。その他、第一実施形態のＧａＮ単結晶には、必要に応じて様々なマーキングを施すことができる。
【0021】
１．２．アルカリ金属、アルカリ土類金属およびハロゲンの濃度
ＧａＮ結晶に不純物として含有されるアルカリ金属、アルカリ土類金属およびハロゲンの濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）で測定するのが一般的である。以下で言及するアルカリ金属、アルカリ土類金属およびハロゲンの濃度は、ＳＩＭＳで測定される、表面からの深さが１μｍ以上の部分における値である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶においては、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）およびカリウム（Ｋ）を含むいずれのアルカリ金属についても、その濃度が好ましくは１×１
０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、より好ましくは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶においては、マグネシウム（Ｍｇ）およびカルシウム（Ｃａ）を含むいずれのアルカリ土類金属についても、その濃度が好ましくは１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、より好ましくは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶は、アモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶を含み得るところ、塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）、ヨウ化アンモニウム（ＮＨ4Ｉ）、臭化アンモニウム（ＮＨ4Ｂｒ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）等のハロゲン化アンモニウムを鉱化剤に用いてアモノサーマル法で成長させたＧａＮ結晶における、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の濃度は、通常、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
ＧａＮ結晶に不純物として含有されるアルカリ金属、アルカリ土類金属およびハロゲンの濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）で測定するのが一般的である。以下で言及するアルカリ金属、アルカリ土類金属およびハロゲンの濃度は、ＳＩＭＳで測定される、表面からの深さが１μｍ以上の部分における値である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶においては、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）およびカリウム（Ｋ）を含むいずれのアルカリ金属についても、その濃度が好ましくは１×１
０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、より好ましくは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶においては、マグネシウム（Ｍｇ）およびカルシウム（Ｃａ）を含むいずれのアルカリ土類金属についても、その濃度が好ましくは１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、より好ましくは１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
第一実施形態のＧａＮ単結晶は、アモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶を含み得るところ、塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）、ヨウ化アンモニウム（ＮＨ4Ｉ）、臭化アンモニウム（ＮＨ4Ｂｒ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）等のハロゲン化アンモニウムを鉱化剤に用いてアモノサーマル法で成長させたＧａＮ結晶における、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の濃度は、通常、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である。
【0022】
第一実施形態のＧａＮ単結晶では、ハロゲン化アンモニウムを鉱化剤に用いてアモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶を含む場合においてさえ、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）およびヨウ素（Ｉ）を含むいずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、さらには５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満であり得る。ＳＩＭＳにおけるＧａＮ結晶中のハロゲンの検出下限濃度は、ハロゲン種にもよるが概ね１０14から１０15台（ａｔｍｓ／ｃｍ3）であるから、このことは、いずれのハロゲンの濃度もＳＩＭＳにおける検出下限未満であり得ることを意味する。
アモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶中におけるハロゲンの濃度は、鉱化剤に含まれるハロゲン種を除き、通常５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満（検出下限未満）であるところ、第一実施形態のＧａＮ単結晶では、鉱化剤に含まれていたハロゲン種の濃度も、このような値であり得る。
アモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶中におけるハロゲンの濃度は、鉱化剤に含まれるハロゲン種を除き、通常５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満（検出下限未満）であるところ、第一実施形態のＧａＮ単結晶では、鉱化剤に含まれていたハロゲン種の濃度も、このような値であり得る。
【0023】
第一実施形態のＧａＮ単結晶は、通常、１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する。第一実施形態のＧａＮ単結晶における水素濃度は、典型的には５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、更には１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり得る。第一実施形態のＧａＮ単結晶における水素濃度は、通常１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台以下であり、５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下等であり得る。
第一実施形態のＧａＮ単結晶の赤外吸収スペクトルを測定すると、３１００～３５００ｃｍ-1に、ガリウム空孔‐水素複合体（gallium vacancy‐hydrogen complex）に帰属するピークが現れる。従来から、アモノサーマル的に成長されたＧａＮ結晶において同種の赤外吸収ピークが観測されることが知られているが、ＨＶＰＥ法やＮａフラックス法で成長されたＧａＮ結晶においてかかる赤外吸収ピークが観測されることはない。
第一実施形態のＧａＮ単結晶の赤外吸収スペクトルを測定すると、３１００～３５００ｃｍ-1に、ガリウム空孔‐水素複合体（gallium vacancy‐hydrogen complex）に帰属するピークが現れる。従来から、アモノサーマル的に成長されたＧａＮ結晶において同種の赤外吸収ピークが観測されることが知られているが、ＨＶＰＥ法やＮａフラックス法で成長されたＧａＮ結晶においてかかる赤外吸収ピークが観測されることはない。
【0024】
１．３．転位密度
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、所定方向に延伸する直線状転位アレイを、そのガリウム極性面上に有するものであり得る。直線状転位アレイの延伸方向が、ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつとなす角度は、好ましくは１２°±５°の範囲内にある。該角度は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
図３は、直線状転位アレイをガリウム極性面上に有するＧａＮ単結晶の一例を示す平面図である。
図３を参照すると、ＧａＮ単結晶１０は円盤形のＣ面ＧａＮウエハであり、そのガリウム極性面１１上には、同一方向に延びる複数の直線状転位アレイ１４が等間隔で配置されている。従って、転位アレイ１４間のピッチＰｄは、複数の転位アレイ１４が構成するストライプパターンの周期に等しい。
転位アレイ１４間のピッチＰdは通常３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。転位アレイ１４間のピッチＰdは、１０．５ｍｍ以下、７．５ｍｍ以下または５．５ｍｍ以下であり得る。各転位アレイ１４の幅Ｗdは、通常３００μｍ未満である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、所定方向に延伸する直線状転位アレイを、そのガリウム極性面上に有するものであり得る。直線状転位アレイの延伸方向が、ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつとなす角度は、好ましくは１２°±５°の範囲内にある。該角度は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
図３は、直線状転位アレイをガリウム極性面上に有するＧａＮ単結晶の一例を示す平面図である。
図３を参照すると、ＧａＮ単結晶１０は円盤形のＣ面ＧａＮウエハであり、そのガリウム極性面１１上には、同一方向に延びる複数の直線状転位アレイ１４が等間隔で配置されている。従って、転位アレイ１４間のピッチＰｄは、複数の転位アレイ１４が構成するストライプパターンの周期に等しい。
転位アレイ１４間のピッチＰdは通常３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。転位アレイ１４間のピッチＰdは、１０．５ｍｍ以下、７．５ｍｍ以下または５．５ｍｍ以下であり得る。各転位アレイ１４の幅Ｗdは、通常３００μｍ未満である。
【0025】
図３において、破線Ｂ－Ｂは、ガリウム極性面１１とＭ面との交線のひとつを表している。ガリウム極性面１１は（０００１）と平行または略平行なので、破線Ｂ－Ｂはａ軸のひとつと平行または略平行である。直線状転位アレイ１４の延伸方向と破線Ｂ－Ｂとがなす角度θは、好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θは、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
図３の例において、ＧａＮ単結晶１０には、オリエンテーション・フラット１５が設けられている。このオリエンテーション・フラット１５は、直線状転位アレイ１４の延伸方向の端部に配置され、該延伸方向と直交している。他の一例において、オリエンテーション・フラットは、直線状転位アレイの延伸方向と平行に設けることができる。更に他の一例において、オリエンテーション・フラットは、ＧａＮ単結晶のａ軸方向の端部またはｍ軸方向の端部に設けることができる。
図３の例において、ＧａＮ単結晶１０には、オリエンテーション・フラット１５が設けられている。このオリエンテーション・フラット１５は、直線状転位アレイ１４の延伸方向の端部に配置され、該延伸方向と直交している。他の一例において、オリエンテーション・フラットは、直線状転位アレイの延伸方向と平行に設けることができる。更に他の一例において、オリエンテーション・フラットは、ＧａＮ単結晶のａ軸方向の端部またはｍ軸方向の端部に設けることができる。
【0026】
ＧａＮ単結晶がガリウム極性面上に有する転位は、当該ＧａＮ単結晶をエッチングすることにより、可視化することができる。適切な条件でエッチングすることにより、転位が存在する場所には光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察可能なエッチピットが形成されるからである。
本発明者等が確認しているところでは、２７０℃に加熱した８９％硫酸をエッチャントに用いて１時間以上のエッチングを行うと、ＧａＮ結晶のガリウム極性面に存在する全ての種類の転位（刃状転位、螺旋転位および混合転位）に対応したエッチピットが確実に形成される。図４に、このエッチング条件でエッチピットを形成したＧａＮ単結晶のガリウム極性面の光学顕微鏡像を示す。
転位が存在する場所にエッチピットが形成される条件でエッチングしたＧａＮ結晶の表面におけるエッチピットの密度は、「ＥＰＤ」とも呼ばれ、当業者間では転位密度と等しい値または等価な値として受け入れられている。
本発明者等が確認しているところでは、２７０℃に加熱した８９％硫酸をエッチャントに用いて１時間以上のエッチングを行うと、ＧａＮ結晶のガリウム極性面に存在する全ての種類の転位（刃状転位、螺旋転位および混合転位）に対応したエッチピットが確実に形成される。図４に、このエッチング条件でエッチピットを形成したＧａＮ単結晶のガリウム極性面の光学顕微鏡像を示す。
転位が存在する場所にエッチピットが形成される条件でエッチングしたＧａＮ結晶の表面におけるエッチピットの密度は、「ＥＰＤ」とも呼ばれ、当業者間では転位密度と等しい値または等価な値として受け入れられている。
【0027】
再び図３を参照すると、ＧａＮ単結晶１０のガリウム極性面１１において、１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数は、該正方形領域の全体が直線状転位アレイ１４とオーバーラップする場合ですら１００個を下回り、更には５０個を下回る。好適例に係るＧａＮ単結晶のガリウム極性面では、１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が、該正方形領域の全体が直線状転位アレイ１４とオーバーラップする場合に、通常３０個未満（ＥＰＤ＜３×１０5ｃｍ-2）、典型的には１～２０個（１×１０4ｃｍ-2≦ＥＰＤ≦２×１０5ｃｍ-2）である。
直線状転位アレイ１４以外の部分において、ガリウム極性面１１のＥＰＤは更に低い。好適例において、２つの直線状転位アレイ１４に挟まれた部分には、外周を構成する４辺の長さがいずれも２ｍｍ以上かつ（Ｐd－０．５）ｍｍ以下である第一正方形領域を見出すことができる。
ここでは、第一正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形（各辺の長さが１００μｍの正方形）である複数のサブ領域に分割したときに、その複数のサブ領域の９０％以上がピットフリー領域である正方形領域と定義する。
ピットフリー領域とは、ＥＰＤが０（ゼロ）ｃｍ-2の領域、すなわち、転位が存在する場所にエッチピットが形成される条件でエッチングした後において、エッチピットが観察されない領域のことである。
直線状転位アレイ１４以外の部分において、ガリウム極性面１１のＥＰＤは更に低い。好適例において、２つの直線状転位アレイ１４に挟まれた部分には、外周を構成する４辺の長さがいずれも２ｍｍ以上かつ（Ｐd－０．５）ｍｍ以下である第一正方形領域を見出すことができる。
ここでは、第一正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形（各辺の長さが１００μｍの正方形）である複数のサブ領域に分割したときに、その複数のサブ領域の９０％以上がピットフリー領域である正方形領域と定義する。
ピットフリー領域とは、ＥＰＤが０（ゼロ）ｃｍ-2の領域、すなわち、転位が存在する場所にエッチピットが形成される条件でエッチングした後において、エッチピットが観察されない領域のことである。
【0028】
第一正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤは好ましくは２×１０5ｃｍ-2未満、より好ましくは１．５×１０5ｃｍ-2未満である。サブ領域の面積は１０-4ｃｍ2なので、あるサブ領域におけるＥＰＤが２×１０5ｃｍ-2未満ということは、そのサブ領域に存在する転位の数が２０個未満であることを意味する。
第一正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は、好ましくは３×１０3ｃｍ-2未満、より好ましくは２．５×１０3ｃｍ-2未満、より
好ましくは２×１０3ｃｍ-2未満である。
好適例において、第一正方形領域は、１．３ｍｍ×１．３ｍｍの正方形のピットフリー領域を内包し得る。
第一正方形領域の方向は、限定されるものではないが、例えば図３に示す正方形領域Ａのように、外周を構成する４辺のうち２辺が直線状転位アレイ１４と平行であってもよいし、あるいは、図３に示す正方形領域Ｂのように、対角線が直線状転位アレイ１４と垂直であってもよい。
第一正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは、１０ｍｍ以下、７ｍｍ以下、５ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下等であり得る。
第一正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は、好ましくは３×１０3ｃｍ-2未満、より好ましくは２．５×１０3ｃｍ-2未満、より
好ましくは２×１０3ｃｍ-2未満である。
好適例において、第一正方形領域は、１．３ｍｍ×１．３ｍｍの正方形のピットフリー領域を内包し得る。
第一正方形領域の方向は、限定されるものではないが、例えば図３に示す正方形領域Ａのように、外周を構成する４辺のうち２辺が直線状転位アレイ１４と平行であってもよいし、あるいは、図３に示す正方形領域Ｂのように、対角線が直線状転位アレイ１４と垂直であってもよい。
第一正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは、１０ｍｍ以下、７ｍｍ以下、５ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下等であり得る。
【0029】
好適例において、ガリウム極性面１１上には、外周を構成する４辺の各々の長さが（Ｐd－０．５）ｍｍより大きい第二正方形領域を見出すことできる（ここで、Ｐdの単位はｍｍ）。ここでは、第二正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、その複数のサブ領域の８０％以上がピットフリー領域である正方形領域と定義する。
直線状転位アレイ１４間のピッチＰdを大きくすることが、第二正方形領域を構成する複数のサブ領域のうちのピットフリー領域の割合を高くするうえで有効である。例えばＰdが４ｍｍ以上のとき、該割合は８５％以上に達し得る。
第二正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤは１×１０６ｃｍ-2を下回り、通常５×１０5ｃｍ-2未満、好ましくは３×１０5ｃｍ-2未満、より好ましくは２．５×１０5ｃｍ-2未満である。
第二正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は、通常１×１０4ｃｍ-2未満である。
第二正方形領域の外周を構成する４辺の長さはいずれも１０ｍｍ以下、７ｍｍ以下または５ｍｍ以下であり得る。
直線状転位アレイ１４間のピッチＰdを大きくすることが、第二正方形領域を構成する複数のサブ領域のうちのピットフリー領域の割合を高くするうえで有効である。例えばＰdが４ｍｍ以上のとき、該割合は８５％以上に達し得る。
第二正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域のうちＥＰＤが最も高いサブ領域において、ＥＰＤは１×１０６ｃｍ-2を下回り、通常５×１０5ｃｍ-2未満、好ましくは３×１０5ｃｍ-2未満、より好ましくは２．５×１０5ｃｍ-2未満である。
第二正方形領域を構成する１００μｍ×１００μｍのサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は、通常１×１０4ｃｍ-2未満である。
第二正方形領域の外周を構成する４辺の長さはいずれも１０ｍｍ以下、７ｍｍ以下または５ｍｍ以下であり得る。
【0030】
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶のガリウム極性面上には、好ましくは１．３ｍｍ×１．３ｍｍの、より好ましくは１．５ｍｍ×１．５ｍｍの、正方形のピットフリー領域が少なくともひとつ見出される。
【0031】
１．４．Ｘ線の異常透過
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られるものであり得る。
図５は、ラング法によるＸ線トポグラフィにおける、Ｘ線源と試験片と検出器の配置を示す図面である。厚さｔを有する板状の試験片の一方の主表面側にＸ線源が配置され、他方の主表面側にＸ線検出器が配置される。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られるものであり得る。
図５は、ラング法によるＸ線トポグラフィにおける、Ｘ線源と試験片と検出器の配置を示す図面である。厚さｔを有する板状の試験片の一方の主表面側にＸ線源が配置され、他方の主表面側にＸ線検出器が配置される。
【0032】
Ｘ線の異常透過はボルマン効果とも呼ばれ、通常であれば吸収現象のせいで透過し得ない厚さの結晶を、Ｘ線が透過する現象である。例えば、Ｘ線源にＭｏＫα（波長０．７１０７３Å）を用いたＸ線トポグラフィで、厚さ３４４μｍのＣ面ＧａＮ基板から透過像が得られる場合、それは異常透過像である。なぜなら、ＧａＮの吸収係数μは、Ｘ線源がＭｏＫαの場合には２９０．４０ｃｍ-1であるから、Ｃ面ＧａＮ基板の厚さｔが３４４μｍのときμ・ｔ＝１０．０となるところ、異常透過がなければμｔ≧１０の条件で透過像は得られないからである。
【0033】
異常透過像は結晶の完全性が低いときには観察されないので、Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られるという事実は、当該結晶の品質が全体として良好であることの証拠となる。ＳｉやＧａＡｓの単結晶については、異常透過を利用したＸ線トポグラフィ分析が既に行われているが［例えば、J. R. Patel, Journal of Applied Physics, Vol. 44, pp. 3903-3906 (1973) や、P. Mock, Journal of Crystal Growth, Vol. 224, pp. 11-
20 (2001)を参照］、Ｃ面ＧａＮウエハのような、Ｃ面を主表面とする板状のＧａＮ単結晶に関しては、本発明者等が知る限り、Ｘ線の異常透過が観察された事例はこれまでのところ報告されていない。
20 (2001)を参照］、Ｃ面ＧａＮウエハのような、Ｃ面を主表面とする板状のＧａＮ単結晶に関しては、本発明者等が知る限り、Ｘ線の異常透過が観察された事例はこれまでのところ報告されていない。
【0034】
Ｘ線トポグラフィにおいて異常透過像が得られるＧａＮ単結晶製品の生産にあたっては、異常透過を利用したＸ線トポグラフィを試験項目に含む検査工程を設けることが好ましい。かかる検査工程にて、許容できない欠陥が見出された製品を不合格品とすれば、結晶品質が良好な製品のみを出荷することができる。
【0035】
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、各主表面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を包含するサイズを有し、かつ、Ｘ線トポグラフィにおいて、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域の異常透過像が得られるものであり得る。換言すれば、主表面の少なくとも一箇所に、ボルマン効果によりＸ線が透過する１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域を有するものであり得る。
【0036】
１．５．（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭ
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ａ）第一線分は長さＬ1を有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ1は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
「入射面」は一般的な光学用語であり、その意味するところは「反射面に垂直で、入射光線と反射光線を含む面」である（本明細書の他の箇所で言及する場合も同様である）。
ＸＲＣとは、Ｘ線ロッキングカーブ（またはＸ線回折ロッキングカーブ）のことで、その半値全幅（Full Width at Half Maximum）は、結晶の品質評価に一般的に用いられている指標である。本明細書では、ＸＲＣの半値全幅をＸＲＣ－ＦＷＨＭと略称する場合がある。
測定間隔が０．２ｍｍなので、第一線分の長さＬ1が２０ｍｍのとき、該第一線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は１００個である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ａ）第一線分は長さＬ1を有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ1は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
「入射面」は一般的な光学用語であり、その意味するところは「反射面に垂直で、入射光線と反射光線を含む面」である（本明細書の他の箇所で言及する場合も同様である）。
ＸＲＣとは、Ｘ線ロッキングカーブ（またはＸ線回折ロッキングカーブ）のことで、その半値全幅（Full Width at Half Maximum）は、結晶の品質評価に一般的に用いられている指標である。本明細書では、ＸＲＣの半値全幅をＸＲＣ－ＦＷＨＭと略称する場合がある。
測定間隔が０．２ｍｍなので、第一線分の長さＬ1が２０ｍｍのとき、該第一線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は１００個である。
【0037】
以下では、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶が有し得る、前述の第一線分を引き得る主表面を、「第一主表面」と呼ぶことにする。
第一主表面は、ガリウム極性面と窒素極性面のいずれでもあり得る。一例に係るＧａＮ単結晶では、ガリウム極性面と窒素極性面の両方が第一主表面に該当し得る。
第一主表面上における第一線分の方向に限定は無い。
第一線分の長さは、当該第一線分に平行な方向に沿って測定した第一主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第一線分は、第一主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第一線分は、第一主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
第一主表面は、ガリウム極性面と窒素極性面のいずれでもあり得る。一例に係るＧａＮ単結晶では、ガリウム極性面と窒素極性面の両方が第一主表面に該当し得る。
第一主表面上における第一線分の方向に限定は無い。
第一線分の長さは、当該第一線分に平行な方向に沿って測定した第一主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第一線分は、第一主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第一線分は、第一主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
【0038】
第一線分は、前述の定義（Ａ）に含まれる特徴に加え、次の（Ａ１）～（Ａ３）から選ばれる一以上の特徴を備えることが好ましい。
（Ａ１）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００
％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ａ２）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ａ３）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ａ１）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００
％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ａ２）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ａ３）第一線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
【0039】
第一主表面上には、更に、下記（Ｂ）に定義する仮想的な線分である第二線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ｂ）第二線分は長さＬ2を有する線分であって、第一線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ2は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
測定間隔が０．２ｍｍなので、第二線分の長さが２０ｍｍのとき、第二線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は１００個である。
第二線分の長さは、当該第二線分に平行な方向に沿って測定した第一主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第二線分は、第一主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第二線分は、第一主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
（Ｂ）第二線分は長さＬ2を有する線分であって、第一線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ2は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
測定間隔が０．２ｍｍなので、第二線分の長さが２０ｍｍのとき、第二線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は１００個である。
第二線分の長さは、当該第二線分に平行な方向に沿って測定した第一主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第二線分は、第一主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第二線分は、第一主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
【0040】
第二線分は、前述の定義（Ｂ）に含まれる特徴に加え、次の（Ｂ１）～（Ｂ３）から選ばれる一以上の特徴を備えることが望ましい。
（Ｂ１）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｂ２）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｂ３）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｂ１）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上、より好ましくは１００％において測定値が５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｂ２）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が４０ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｂ３）第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上において測定値が３０ａｒｃｓｅｃ未満である。
【0041】
第一線分に該当する仮想的な線分および第二線分に該当する仮想的な線分を主表面上に引くことのできるＧａＮ単結晶の一例を図６に示す。
図６に示すＧａＮ単結晶１０は、（０００１）面に平行なガリウム極性面１１を有するＧａＮウエハまたはＧａＮインゴットであり、そのガリウム極性面１１には、第一線分に該当する仮想的な線分ＬＳ１と、第二線分に該当する仮想的な線分ＬＳ２を引くことができる。
線分ＬＳ１はｍ軸に平行であり、該線分ＬＳ１に直交する線分ＬＳ２はａ軸に平行である。
線分ＬＳ１の長さは２０ｍｍ以上であり、ｍ軸方向に沿って測定したガリウム極性面１１のサイズＤmの９０％以上であり得る。線分ＬＳ２の長さは２０ｍｍ以上であり、ａ軸方向に沿って測定したガリウム極性面１１のサイズＤaの９０％以上であり得る。
ガリウム極性面１１上に描かれた一点鎖線は、ガリウム極性面１１の外縁からの距離が２ｍｍ未満の領域と２ｍｍ以上の領域とを画する境界線である。線分ＬＳ１にも線分ＬＳ２にも、一点鎖線で囲まれた領域から外側にはみ出した部分は無い。
線分ＬＳ１上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を線分ＬＳ１と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
線分ＬＳ２上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を線分ＬＳ２と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
図６に示すＧａＮ単結晶１０は、（０００１）面に平行なガリウム極性面１１を有するＧａＮウエハまたはＧａＮインゴットであり、そのガリウム極性面１１には、第一線分に該当する仮想的な線分ＬＳ１と、第二線分に該当する仮想的な線分ＬＳ２を引くことができる。
線分ＬＳ１はｍ軸に平行であり、該線分ＬＳ１に直交する線分ＬＳ２はａ軸に平行である。
線分ＬＳ１の長さは２０ｍｍ以上であり、ｍ軸方向に沿って測定したガリウム極性面１１のサイズＤmの９０％以上であり得る。線分ＬＳ２の長さは２０ｍｍ以上であり、ａ軸方向に沿って測定したガリウム極性面１１のサイズＤaの９０％以上であり得る。
ガリウム極性面１１上に描かれた一点鎖線は、ガリウム極性面１１の外縁からの距離が２ｍｍ未満の領域と２ｍｍ以上の領域とを画する境界線である。線分ＬＳ１にも線分ＬＳ２にも、一点鎖線で囲まれた領域から外側にはみ出した部分は無い。
線分ＬＳ１上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を線分ＬＳ１と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
線分ＬＳ２上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を線分ＬＳ２と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
【0042】
１．６．（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭ
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ｃ）に定義する仮想的な線分である第三線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ｃ）第三線分は長さＬ３を有する線分であり、当該第三線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ３は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
測定間隔が１ｍｍなので、第三線分の長さＬ３が２０ｍｍのとき、該第三線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は２０個である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ｃ）に定義する仮想的な線分である第三線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ｃ）第三線分は長さＬ３を有する線分であり、当該第三線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ３は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。
測定間隔が１ｍｍなので、第三線分の長さＬ３が２０ｍｍのとき、該第三線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は２０個である。
【0043】
以下では、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶が有し得る、前述の第三線分を引き得る主表面を、「第三主表面」と呼ぶことにする。
第三主表面は、ガリウム極性面と窒素極性面のいずれでもあり得る。一例に係るＧａＮ単結晶では、ガリウム極性面と窒素極性面の両方が第三主表面に該当し得る。
第三主表面上における第三線分の方向に限定は無い。
第三線分の長さは、当該第三線分に平行な方向に沿って測定した第三主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第三線分は、第三主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第三線分は、第三主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
第三主表面は、ガリウム極性面と窒素極性面のいずれでもあり得る。一例に係るＧａＮ単結晶では、ガリウム極性面と窒素極性面の両方が第三主表面に該当し得る。
第三主表面上における第三線分の方向に限定は無い。
第三線分の長さは、当該第三線分に平行な方向に沿って測定した第三主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第三線分は、第三主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第三線分は、第三主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
【0044】
第三線分は、前述の定義（Ｃ）に含まれる特徴に加え、次の（Ｃ１）および（Ｃ２）から選ばれる一以上の特徴を備えることが好ましい。
（Ｃ１）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｃ２）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
（Ｃ１）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｃ２）第三線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第三線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
【0045】
第三主表面上には、更に、下記（Ｄ）に定義する仮想的な線分である第四線分を、少なくともひとつ引き得ることが望ましい；
（Ｄ）第四線分は長さＬ４を有する線分であって、前記第三線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分
と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ４は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上である。
測定間隔が１ｍｍなので、第四線分の長さが２０ｍｍのとき、当該第四線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は２０個である。
第四線分の長さは、当該第四線分に平行な方向に沿って測定した第三主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第四線分は、第三主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第四線分は、第三主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
（Ｄ）第四線分は長さＬ４を有する線分であって、前記第三線分の少なくともひとつと直交し、かつ、当該第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分
と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が２０ａｒｃｓｅｃを下回る。ただし、長さＬ４は２０ｍｍ以上であり、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは５０ｍｍ以上である。
測定間隔が１ｍｍなので、第四線分の長さが２０ｍｍのとき、当該第四線分上におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定点の数は２０個である。
第四線分の長さは、当該第四線分に平行な方向に沿って測定した第三主表面のサイズの９０％以上であり得るが、限定されるものではない。
第四線分は、第三主表面の外縁からの距離が２ｍｍ未満の部分を含まないものであり得るが、限定されるものではない。
第四線分は、第三主表面の中心（重心）を通るものであり得るが、限定されるものではない。
【0046】
第四線分は、前述の定義（Ｄ）に含まれる特徴に加え、次の（Ｄ１）および（Ｄ２）から選ばれる一以上の特徴を備えることが好ましい。
（Ｄ１）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｄ２）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
（Ｄ１）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の平均が１５ａｒｃｓｅｃ未満である。
（Ｄ２）第四線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第四線分と平行にして、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを１ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点間の標準偏差が５ａｒｃｓｅｃ以下である。
【0047】
１．７．Ｃ面の曲率半径
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ｅ）に定義する仮想的な線分である第五線分、および、下記（Ｆ）に定義する仮想的な線分である第六線分を、それぞれ、少なくともひとつ引き得ることが望ましい。
（Ｅ）第五線分は長さＬ５を有する線分（ただし、Ｌ５は４０ｍｍ以上）であって、当該第五線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第五線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点の中から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから下記式１を用いて当該第五線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ５が４０ｍ以上である。
Ｒ＝ΔＬ／Δω ・・・（式１）
上記式１において、Ｒは曲率半径であり、ΔＬは２点間の距離（この場合は１０ｍｍ）である。
（Ｆ）第六線分は、長さＬ６を有する線分（ただし、Ｌ６は４０ｍｍ以上）であって、前記第五線分と直交しており、当該第六線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第六線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点の中から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから上記式１を用いて当該第六線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ６が４０ｍ以上である。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶においては、その少なくとも一方の主表面上に、下記（Ｅ）に定義する仮想的な線分である第五線分、および、下記（Ｆ）に定義する仮想的な線分である第六線分を、それぞれ、少なくともひとつ引き得ることが望ましい。
（Ｅ）第五線分は長さＬ５を有する線分（ただし、Ｌ５は４０ｍｍ以上）であって、当該第五線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第五線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点の中から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから下記式１を用いて当該第五線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ５が４０ｍ以上である。
Ｒ＝ΔＬ／Δω ・・・（式１）
上記式１において、Ｒは曲率半径であり、ΔＬは２点間の距離（この場合は１０ｍｍ）である。
（Ｆ）第六線分は、長さＬ６を有する線分（ただし、Ｌ６は４０ｍｍ以上）であって、前記第五線分と直交しており、当該第六線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第六線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣを５ｍｍ（好ましくは３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍ）の間隔で測定したうえ、全測定点の中から互いに１０ｍｍ離れた２点を任意に選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから上記式１を用いて当該第六線分に平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算したとき、その絶対値Ｒ６が４０ｍ以上である。
【0048】
ＧａＮ単結晶の主表面上に第五線分および第六線分を引き得るためには、当該主表面のサイズが、第五線分の方向および第六線分の方向に、それぞれ４０ｍｍより大きくなくてはならない。
上記定義（Ｅ）において、第五線分の長さＬ５は４０ｍｍであってもよく、好ましくは４５ｍｍ、より好ましくは５０ｍｍであり、５０ｍｍ超であってもよい。
上記定義（Ｅ）にいうＣ面の曲率半径の絶対値Ｒ５は、好ましくは５０ｍ以上、より好
ましくは６０ｍ以上、より好ましくは７０ｍ以上である。
上記定義（Ｆ）において、第六線分の長さＬ６は４０ｍｍであってもよく、好ましくは４５ｍｍであり、４５ｍｍ超であってもよい。
上記定義（Ｆ）にいうＣ面の曲率半径の絶対値Ｒ６は、好ましくは５０ｍ以上である。
上記定義（Ｅ）において、第五線分の長さＬ５は４０ｍｍであってもよく、好ましくは４５ｍｍ、より好ましくは５０ｍｍであり、５０ｍｍ超であってもよい。
上記定義（Ｅ）にいうＣ面の曲率半径の絶対値Ｒ５は、好ましくは５０ｍ以上、より好
ましくは６０ｍ以上、より好ましくは７０ｍ以上である。
上記定義（Ｆ）において、第六線分の長さＬ６は４０ｍｍであってもよく、好ましくは４５ｍｍであり、４５ｍｍ超であってもよい。
上記定義（Ｆ）にいうＣ面の曲率半径の絶対値Ｒ６は、好ましくは５０ｍ以上である。
【0049】
１．８．ＧａＮ単結晶の用途
（１）シード
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、気相法、液相法およびアモノサーマル法を含む各種の方法で窒化物半導体結晶を成長させる際に、シードとして用いることができる。
例えば、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハ上に、任意の方法でＧａＮをエピタキシャル成長させて、バルクＧａＮ単結晶を得ることができる。
他の一例では、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶をシードに用いて第一のバルクＧａＮ単結晶を成長させ、その後、その第一のＧａＮ単結晶の一部または全部をシードに用いて、第二のバルクＧａＮ単結晶を成長させることができる。
（１）シード
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶は、気相法、液相法およびアモノサーマル法を含む各種の方法で窒化物半導体結晶を成長させる際に、シードとして用いることができる。
例えば、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハ上に、任意の方法でＧａＮをエピタキシャル成長させて、バルクＧａＮ単結晶を得ることができる。
他の一例では、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶をシードに用いて第一のバルクＧａＮ単結晶を成長させ、その後、その第一のＧａＮ単結晶の一部または全部をシードに用いて、第二のバルクＧａＮ単結晶を成長させることができる。
【0050】
（２）窒化物半導体デバイス
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶がＣ面ＧａＮウエハである場合、そのＣ面ＧａＮウエハを用いて、窒化物半導体デバイスを製造することができる。
通常は、Ｃ面ＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体デバイス構造を備えたエピタキシャルウエハを形成する。エピタキシャル成長法として、薄膜の形成に適したＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、パルス蒸着法などを好ましく用いることができる。窒化物半導体デバイス構造は、Ｃ面ＧａＮウエハのガリウム極性面上または窒素極性面上のいずれに形成することも可能である。
電極や保護膜など必要な構造が付与された後、エピタキシャルウエハは分断されて窒化物半導体デバイスチップとなる。
第一実施形態に係るＧａＮ単結晶がＣ面ＧａＮウエハである場合、そのＣ面ＧａＮウエハを用いて、窒化物半導体デバイスを製造することができる。
通常は、Ｃ面ＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体デバイス構造を備えたエピタキシャルウエハを形成する。エピタキシャル成長法として、薄膜の形成に適したＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、パルス蒸着法などを好ましく用いることができる。窒化物半導体デバイス構造は、Ｃ面ＧａＮウエハのガリウム極性面上または窒素極性面上のいずれに形成することも可能である。
電極や保護膜など必要な構造が付与された後、エピタキシャルウエハは分断されて窒化物半導体デバイスチップとなる。
【0051】
窒化物半導体デバイスの具体例としては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High
Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視－紫外光検出器などの半導体センサ、太陽電池等が挙げられる。
その他、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハは、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品、電圧アクチュエータ、人工光合成デバイス用電極等の用途にも適用可能である。
Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視－紫外光検出器などの半導体センサ、太陽電池等が挙げられる。
その他、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハは、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品、電圧アクチュエータ、人工光合成デバイス用電極等の用途にも適用可能である。
【0052】
２．第二実施形態
本発明の第二実施形態は、窒化物半導体デバイスチップに関する。
第二実施形態に係る窒化物半導体デバイスチップは、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハを用いて製造される。第一実施形態のＣ面ＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体デバイス構造を備えたエピタキシャルウエハを形成した後、ダイサー、スクライバー、レーザー加工機等を用いて、該エピタキシャルウエハを素子毎に分割してチップ化したものが、第二実施形態の窒化物半導体デバイスチップである。通常は、エピタキシャルウエハを分割してチップにする前に、デバイスの種類に応じて必要な電極や保護膜等の構造がウエハ上の素子の各々に付与される。
本発明の第二実施形態は、窒化物半導体デバイスチップに関する。
第二実施形態に係る窒化物半導体デバイスチップは、第一実施形態に係るＣ面ＧａＮウエハを用いて製造される。第一実施形態のＣ面ＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体デバイス構造を備えたエピタキシャルウエハを形成した後、ダイサー、スクライバー、レーザー加工機等を用いて、該エピタキシャルウエハを素子毎に分割してチップ化したものが、第二実施形態の窒化物半導体デバイスチップである。通常は、エピタキシャルウエハを分割してチップにする前に、デバイスの種類に応じて必要な電極や保護膜等の構造がウエハ上の素子の各々に付与される。
【0053】
第二実施形態に係る窒化物半導体デバイスチップの構造を以下に例示する。
（チップ構造１）
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板は該ガリウム極性面に少なくともひとつの正方形領域を有し、該少なくともひとつの正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは２ｍｍ
以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上が転位密度０（ゼロ）ｃｍ-2の転位フリー領域であることを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造２）
前記複数のサブ領域の８５％以上が転位フリー領域である、チップ構造１の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造３）
前記複数のサブ領域の９０％以上が転位フリー領域である、チップ構造２の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造４）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が３×１０5ｃｍ-2未満である、チップ構造１～３のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１）
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板は該ガリウム極性面に少なくともひとつの正方形領域を有し、該少なくともひとつの正方形領域の外周を構成する４辺の各々の長さは２ｍｍ
以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上が転位密度０（ゼロ）ｃｍ-2の転位フリー領域であることを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造２）
前記複数のサブ領域の８５％以上が転位フリー領域である、チップ構造１の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造３）
前記複数のサブ領域の９０％以上が転位フリー領域である、チップ構造２の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造４）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が３×１０5ｃｍ-2未満である、チップ構造１～３のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
【0054】
（チップ構造５）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、チップ構造１～４のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造６）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が２×１０5ｃｍ-2未満である、チップ構造３の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造７）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、チップ構造３または６の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造８）
前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、チップ構造３、６または７の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造９）
前記Ｃ面ＧａＮ基板の平面形状が矩形であり、該矩形の４辺のうち２辺が、前記一方の主表面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、チップ構造３、６、７または８の窒化物半導体デバイスチップ。
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、チップ構造１～４のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造６）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が２×１０5ｃｍ-2未満である、チップ構造３の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造７）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、チップ構造３または６の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造８）
前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、チップ構造３、６または７の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造９）
前記Ｃ面ＧａＮ基板の平面形状が矩形であり、該矩形の４辺のうち２辺が、前記一方の主表面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、チップ構造３、６、７または８の窒化物半導体デバイスチップ。
【0055】
（チップ構造１０）
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板の平面形状が矩形であり、該矩形の４辺のうち２辺が、前記一方の主表面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１１）
前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、チップ構造１～１０のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１２）
前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、チップ構造１１の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１３）
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板の前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有し、該直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板の平面形状が矩形であり、該矩形の４辺のうち２辺が、前記一方の主表面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１１）
前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、チップ構造１～１０のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１２）
前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、チップ構造１１の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１３）
ガリウム極性面および窒素極性面を有するＣ面ＧａＮ基板と、該ガリウム極性面または該窒素極性面の上に配置された一種以上の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体デバイスチップにおいて、該Ｃ面ＧａＮ基板の前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有し、該直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、窒化物半導体デバイスチップ。
【0056】
（チップ構造１４）
前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、チップ構造１１～１３のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１５）
前記Ｃ面ＧａＮ基板においては、いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、チップ構造１～１４のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１６）
前記Ｃ面ＧａＮ基板においては、いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、チップ構造１～１５のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１７）
前記Ｃ面ＧａＮ基板が、１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、チップ構造１～１６のいずれかに記載の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１８）
前記Ｃ面ＧａＮ基板において、赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、チップ構造１～１７のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、チップ構造１１～１３のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１５）
前記Ｃ面ＧａＮ基板においては、いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、チップ構造１～１４のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１６）
前記Ｃ面ＧａＮ基板においては、いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、チップ構造１～１５のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１７）
前記Ｃ面ＧａＮ基板が、１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、チップ構造１～１６のいずれかに記載の窒化物半導体デバイスチップ。
（チップ構造１８）
前記Ｃ面ＧａＮ基板において、赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、チップ構造１～１７のいずれかの窒化物半導体デバイスチップ。
【0057】
３．第三実施形態
本発明の第三実施形態は、ＧａＮ層接合基板に関する。
ＧａＮ層接合基板とは、ＧａＮとは異なる化学組成を有する異組成基板にＧａＮ層が接合している複合基板であり、発光デバイスその他の半導体デバイスの製造に使用することができる。ＧａＮ層接合基板の構造、製造方法、用途等の詳細については、特開２００６－２１０６６０号公報、特開２０１１－４４６６５号公報等を参照することができる。
第三実施形態に係るＧａＮ層接合基板は、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶を材料に用いて製造される。
本発明の第三実施形態は、ＧａＮ層接合基板に関する。
ＧａＮ層接合基板とは、ＧａＮとは異なる化学組成を有する異組成基板にＧａＮ層が接合している複合基板であり、発光デバイスその他の半導体デバイスの製造に使用することができる。ＧａＮ層接合基板の構造、製造方法、用途等の詳細については、特開２００６－２１０６６０号公報、特開２０１１－４４６６５号公報等を参照することができる。
第三実施形態に係るＧａＮ層接合基板は、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶を材料に用いて製造される。
【0058】
ＧａＮ層接合基板は、典型的には、板状のＧａＮ単結晶の主表面近傍にイオンを注入する工程と、その板状のＧａＮ単結晶の主表面側を異組成基板に接合する工程と、イオン注入された領域を境として該板状のＧａＮ単結晶を分離することによって、異組成基板に接合したＧａＮ層を形成する工程を、この順に実行することによって製造される。
イオン注入を行わないやり方として、板状のＧａＮ単結晶を異組成基板に接合した後、該板状のＧａＮ単結晶を機械的に切断して、異組成基板に接合したＧａＮ層を形成する、ＧａＮ層接合基板の製造方法もある。
いずれの方法を用いたときも、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶を材料に用いた場合には、第一実施形態のＧａＮ単結晶から分離されたＧａＮ層が、異組成基板に接合された構造のＧａＮ層接合基板が得られる。
イオン注入を行わないやり方として、板状のＧａＮ単結晶を異組成基板に接合した後、該板状のＧａＮ単結晶を機械的に切断して、異組成基板に接合したＧａＮ層を形成する、ＧａＮ層接合基板の製造方法もある。
いずれの方法を用いたときも、第一実施形態に係るＧａＮ単結晶を材料に用いた場合には、第一実施形態のＧａＮ単結晶から分離されたＧａＮ層が、異組成基板に接合された構造のＧａＮ層接合基板が得られる。
【0059】
ＧａＮ層接合基板の材料として用いる場合、第一実施形態のＧａＮ単結晶の初期厚さは１ｍｍ以上、更には２ｍｍ以上、更には４ｍｍ以上とすることができる。
ＧａＮ層接合基板の製造に使用し得る異組成基板としては、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＺｎＳ基板、石英基板、スピネル基板、カーボン基板、ダイヤモンド基板、Ｇａ2Ｏ3基板、ＺｒＢ2基板、Ｍｏ基板、Ｗ基板、セラミックス基板などが例示される。
ＧａＮ層接合基板の製造に使用し得る異組成基板としては、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＺｎＳ基板、石英基板、スピネル基板、カーボン基板、ダイヤモンド基板、Ｇａ2Ｏ3基板、ＺｒＢ2基板、Ｍｏ基板、Ｗ基板、セラミックス基板などが例示される。
【0060】
第三実施形態に係るＧａＮ層接合基板の構造を以下に例示する。
（接合基板構造１）
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリ
ウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ＧａＮ層はガリウム極性面に少なくともひとつの正方形領域を有しており、該少なくともひとつの正方形領域はその外周を構成する４辺の各々の長さが２ｍｍ以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上が転位密度０（ゼロ）ｃｍ-2の転位フリー領域であることを特徴とする、ＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造２）
前記複数のサブ領域の８５％以上が転位フリー領域である、接合基板構造１のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造３）
前記複数のサブ領域の９０％以上が転位フリー領域である、接合基板構造２のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造４）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が３×１０5ｃｍ-2未満である、接合基板構造１～３のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造５）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、接合基板構造１～４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造６）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が２×１０5ｃｍ-2未満である、接合基板構造３のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造７）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、接合基板構造３または６のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造８）
前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、接合基板構造３、６または７のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１）
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリ
ウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ＧａＮ層はガリウム極性面に少なくともひとつの正方形領域を有しており、該少なくともひとつの正方形領域はその外周を構成する４辺の各々の長さが２ｍｍ以上であり、該少なくともひとつの正方形領域を各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である複数のサブ領域に分割したとき、該複数のサブ領域の８０％以上が転位密度０（ゼロ）ｃｍ-2の転位フリー領域であることを特徴とする、ＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造２）
前記複数のサブ領域の８５％以上が転位フリー領域である、接合基板構造１のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造３）
前記複数のサブ領域の９０％以上が転位フリー領域である、接合基板構造２のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造４）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が３×１０5ｃｍ-2未満である、接合基板構造１～３のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造５）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が１×１０4ｃｍ-2未満である、接合基板構造１～４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造６）
前記複数のサブ領域のうち転位密度が最も高いサブ領域において、転位密度が２×１０5ｃｍ-2未満である、接合基板構造３のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造７）
前記複数のサブ領域間における転位密度の平均値が３×１０3ｃｍ-2未満である、接合基板構造３または６のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造８）
前記少なくともひとつの正方形領域は、その外周を構成する４辺の各々の長さが３．５ｍｍ以下である、接合基板構造３、６または７のＧａＮ層接合基板。
【0061】
（接合基板構造９）
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とする、ＧａＮ層接合基板；
（Ａ）第一線分は２０ｍｍ以上の長さを有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。
（接合基板構造１０）
前記第一線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｂ）に定義する仮想的な線分である第二線分を少なくともひとつ引き得る、接合基板構造９のＧａＮ層接合基板；
（Ｂ）第二線分は２０ｍｍ以上の長さを有する線分であって、前記第一線分の少なくともひとつと直交しており、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。
（接合基板構造１１）
前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、接合基板構造１～１０のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１２）
前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、接合基板構造１１のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１３）
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ＧａＮ層は該ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有し、該直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、ＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１４）
前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、接合基板構造１１～１３のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１５）
円盤の形状を備えるＧａＮ層接合基板であって、側面の一部に設けられたフラット部を有し、該フラット部が前記直線状転位アレイの延伸方向と直交している、接合基板構造１１～１４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１６）
円盤の形状を備えるＧａＮ層接合基板であって、側面の一部に設けられたフラット部を有し、該フラット部が前記直線状転位アレイの延伸方向と平行である、接合基板構造１１～１４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１７）
前記ＧａＮ層においては、いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、接合基板構造１～１６のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１８）
前記ＧａＮ層においては、いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、接合基板構造１～１７のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１９）
前記ＧａＮ層が、１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、接合基板構造１～１８のいずれかに記載のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造２０）
前記ＧａＮ層において、赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、接合基板構造１～１９のいずれかのＧａＮ層接合基板。
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ガリウム極性面および該窒素極性面の少なくとも一方上に、下記（Ａ）に定義する仮想的な線分である第一線分を少なくともひとつ引き得ることを特徴とする、ＧａＮ層接合基板；
（Ａ）第一線分は２０ｍｍ以上の長さを有する線分であり、当該第一線分上において、各ωスキャンの際のＸ線入射面を当該第一線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。
（接合基板構造１０）
前記第一線分を引き得る前記ガリウム極性面または前記窒素極性面上に、下記（Ｂ）に定義する仮想的な線分である第二線分を少なくともひとつ引き得る、接合基板構造９のＧａＮ層接合基板；
（Ｂ）第二線分は２０ｍｍ以上の長さを有する線分であって、前記第一線分の少なくともひとつと直交しており、当該第二線分上において、各ωスキャンにおけるＸ線入射面を当該第二線分と平行にして、（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを０．２ｍｍ間隔で測定したとき、全測定点の９０％以上で測定値が５０ａｒｃｓｅｃを下回る。
（接合基板構造１１）
前記ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有している、接合基板構造１～１０のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１２）
前記直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなす、接合基板構造１１のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１３）
主表面の一方がガリウム極性面で他方が窒素極性面であるＧａＮ層と、該ＧａＮ層のガリウム極性面側または窒素極性面側に接合された異組成基板と、を備えるＧａＮ層接合基板において、該ＧａＮ層は該ガリウム極性面上に直線状転位アレイを有し、該直線状転位アレイの延伸方向が、前記ガリウム極性面とＭ面との交線のひとつと１２°±５°の範囲内の角度をなすことを特徴とする、ＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１４）
前記ガリウム極性面においては、全体が前記直線状転位アレイとオーバーラップする１００μｍ×１００μｍの正方形領域内に存在する転位の数が１００個未満（好ましくは５０個未満、より好ましくは３０個未満）である、接合基板構造１１～１３のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１５）
円盤の形状を備えるＧａＮ層接合基板であって、側面の一部に設けられたフラット部を有し、該フラット部が前記直線状転位アレイの延伸方向と直交している、接合基板構造１１～１４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１６）
円盤の形状を備えるＧａＮ層接合基板であって、側面の一部に設けられたフラット部を有し、該フラット部が前記直線状転位アレイの延伸方向と平行である、接合基板構造１１～１４のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１７）
前記ＧａＮ層においては、いずれのアルカリ金属およびアルカリ土類金属についても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、接合基板構造１～１６のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１８）
前記ＧａＮ層においては、いずれのハロゲンについても、その濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である、接合基板構造１～１７のいずれかのＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造１９）
前記ＧａＮ層が、１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台またはそれより高い濃度の水素（Ｈ）を含有する、接合基板構造１～１８のいずれかに記載のＧａＮ層接合基板。
（接合基板構造２０）
前記ＧａＮ層において、赤外吸収スペクトルの３１００～３５００ｃｍ-1にガリウム空孔‐水素複合体に帰属するピークが観測される、接合基板構造１～１９のいずれかのＧａＮ層接合基板。
【0062】
４．第四実施形態
本発明の第四実施形態は、ＧａＮ単結晶製造方法に関する。
第四実施形態に係るＧａＮ単結晶製造方法は：
（Ｓ１）ＧａＮの窒素極性面を有するシードを準備するステップと；
（Ｓ２）準備したシードの該窒素極性面上に、一定のピッチで互いに平行に配置された複数の直線状開口を有するパターンマスクを形成するステップと；
（Ｓ３）該パターンマスクの直線状開口を通して該窒素極性面上にアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップと；
を含んでいる。
ステップ（Ｓ１）で準備するシードが有するＧａＮの窒素極性面は、（０００－１）と平行であってもよいし、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。
ステップ（Ｓ２）で形成するパターンマスクにおいて、直線状開口の延伸方向は、該シードの該窒素極性面とＭ面との交線のひとつと好ましくは１２°±５°の範囲内の角度をなす。該角度は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
ステップ（Ｓ３）において、ＧａＮ結晶はパターンマスクの開口の内側から成長し、次いで、パターンマスクの上方でラテラル方向に拡がり、パターンマスクとの間にボイドを形成しながらコアレスする。
本発明の第四実施形態は、ＧａＮ単結晶製造方法に関する。
第四実施形態に係るＧａＮ単結晶製造方法は：
（Ｓ１）ＧａＮの窒素極性面を有するシードを準備するステップと；
（Ｓ２）準備したシードの該窒素極性面上に、一定のピッチで互いに平行に配置された複数の直線状開口を有するパターンマスクを形成するステップと；
（Ｓ３）該パターンマスクの直線状開口を通して該窒素極性面上にアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップと；
を含んでいる。
ステップ（Ｓ１）で準備するシードが有するＧａＮの窒素極性面は、（０００－１）と平行であってもよいし、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。
ステップ（Ｓ２）で形成するパターンマスクにおいて、直線状開口の延伸方向は、該シードの該窒素極性面とＭ面との交線のひとつと好ましくは１２°±５°の範囲内の角度をなす。該角度は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
ステップ（Ｓ３）において、ＧａＮ結晶はパターンマスクの開口の内側から成長し、次いで、パターンマスクの上方でラテラル方向に拡がり、パターンマスクとの間にボイドを形成しながらコアレスする。
【0063】
以下では、第四実施形態のＧａＮ単結晶製造方法を、ステップ毎に詳しく説明する。
４．１．シードを準備するステップ
第四実施形態に係るＧａＮ単結晶製造方法で用いるシードを構成するＧａＮ結晶は、いかなる方法で成長されたものであってもよく、限定するものではないが、例えば、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法または高圧窒素法で成長されたものであり得る。
シード用のＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法で製造する場合、ＤＥＥＰ（epitaxial-growth with inverse-pyramidal pits）［K. Motoki et al., Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 912］、ＶＡＳ（Void-Assisted Separation）［Y. Oshima et al., Japanese Journal of Applied Physics 42 (2003) L1］等の技術を適宜使用することができる。Ａｄｖａｎｃｅｄ－ＤＥＥＰ［K. Motoki et al., Journal of Crystal Growth 305 (2007) 377］を使用する場合には、成長させるＧａＮ結晶に形成されるコア（極性が反転したドメイン）の延伸方向（ストライプ・コアの場合）または配列方向（ドット・コアの場合）を、後のステップでパターンマスクに設ける直線状開口の延伸方向と一致させることが好ましい。
４．１．シードを準備するステップ
第四実施形態に係るＧａＮ単結晶製造方法で用いるシードを構成するＧａＮ結晶は、いかなる方法で成長されたものであってもよく、限定するものではないが、例えば、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法または高圧窒素法で成長されたものであり得る。
シード用のＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法で製造する場合、ＤＥＥＰ（epitaxial-growth with inverse-pyramidal pits）［K. Motoki et al., Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 912］、ＶＡＳ（Void-Assisted Separation）［Y. Oshima et al., Japanese Journal of Applied Physics 42 (2003) L1］等の技術を適宜使用することができる。Ａｄｖａｎｃｅｄ－ＤＥＥＰ［K. Motoki et al., Journal of Crystal Growth 305 (2007) 377］を使用する場合には、成長させるＧａＮ結晶に形成されるコア（極性が反転したドメイン）の延伸方向（ストライプ・コアの場合）または配列方向（ドット・コアの場合）を、後のステップでパターンマスクに設ける直線状開口の延伸方向と一致させることが好ましい。
【0064】
シードを作製するうえで必要とされるＧａＮ結晶のスライス、切断面の平坦化、切断面からのダメージ層除去等に必要な技法の詳細は当業者によく知られているので、特に説明を要さない。窒素極性面は、好ましくはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）仕上げすることによって、平坦化とダメージ層の除去を行う。
該窒素極性面は、（０００－１）と平行であってもよく、また、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。該窒素極性面の（０００－１）からの傾斜は、通常１０°以下であり、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下、より好ましくは１°以下である。
好適例において、シードはＣ面ＧａＮウエハであり得る。
該窒素極性面は、（０００－１）と平行であってもよく、また、（０００－１）から僅かに傾斜していてもよい。該窒素極性面の（０００－１）からの傾斜は、通常１０°以下であり、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下、より好ましくは１°以下である。
好適例において、シードはＣ面ＧａＮウエハであり得る。
【0065】
４．２．パターンマスクを形成するステップ
このステップでは、前のステップで準備したシードが有するＧａＮの窒素極性面上に、ＧａＮの成長が可能な領域を制限するためのパターンマスクを形成する。
パターンマスクの材料は、アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長中に溶解または分解しないものであればよく、限定するものではないが、例えば、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、ＮｂまたはＰｄの単体または合金、あるいはその酸化物、窒化物またはフッ化物が挙げられる。
このステップでは、前のステップで準備したシードが有するＧａＮの窒素極性面上に、ＧａＮの成長が可能な領域を制限するためのパターンマスクを形成する。
パターンマスクの材料は、アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長中に溶解または分解しないものであればよく、限定するものではないが、例えば、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、ＮｂまたはＰｄの単体または合金、あるいはその酸化物、窒化物またはフッ化物が挙げられる。
【0066】
パターンマスクには、互いに平行な複数の直線状開口を等間隔で設ける。換言すれば、パターンマスクには、互いに平行な複数の直線状開口を、一定のピッチで設ける。
一例を、図７および図８を参照して説明する。
図７（ａ）は、シードの一例を示す斜視図である。シード２０は、円盤形のＣ面ＧａＮウエハであり、ガリウム極性面２１、窒素極性面２２および側面２３を有している。図７（ｂ）は、図７（ａ）のシード２０の窒素極性面２２上に、同一方向に延びる複数の直線状開口３１を有する、ストライプ型のパターンマスク３０を形成したところを示す斜視図である。
図８は、そのストライプ型のパターンマスク３０のみを抜き出して示す平面図である。
一例を、図７および図８を参照して説明する。
図７（ａ）は、シードの一例を示す斜視図である。シード２０は、円盤形のＣ面ＧａＮウエハであり、ガリウム極性面２１、窒素極性面２２および側面２３を有している。図７（ｂ）は、図７（ａ）のシード２０の窒素極性面２２上に、同一方向に延びる複数の直線状開口３１を有する、ストライプ型のパターンマスク３０を形成したところを示す斜視図である。
図８は、そのストライプ型のパターンマスク３０のみを抜き出して示す平面図である。
【0067】
図８を参照すると、直線状開口３１の幅Ｗopは、通常５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上であり、また、通常５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
直線状開口３１間のピッチＰopは、通常３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。直線状開口３１間のピッチＰopは、１０．５ｍｍ以下、７．５ｍｍ以下または５．５ｍｍ以下であり得る。
窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向を基準方向としたとき、直線状開口３１の延伸方向と基準方向とがなす角度θopは、好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θopは、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
角度θopが上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
直線状開口３１間のピッチＰopは、通常３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。直線状開口３１間のピッチＰopは、１０．５ｍｍ以下、７．５ｍｍ以下または５．５ｍｍ以下であり得る。
窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向を基準方向としたとき、直線状開口３１の延伸方向と基準方向とがなす角度θopは、好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θopは、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
角度θopが上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
【0068】
図９は、シードの窒素極性面上に形成し得る、他のパターンマスクを示す平面図である。
図９に示すパターンマスク３０は斜方格子型であり、第一延伸方向に沿って延伸する第一直線状開口３１－１、および、第二延伸方向に沿って延伸する第二直線状開口３１－２が、それぞれ複数設けられている。第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１および第二直線状開口３１－２間のピッチＰop－２は、それぞれ一定である。
第一直線状開口３１－１の幅Ｗop－１および第二直線状開口の幅Ｗop－２は、どちらも、通常５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上であり、また、通常５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
図９に示すパターンマスク３０は斜方格子型であり、第一延伸方向に沿って延伸する第一直線状開口３１－１、および、第二延伸方向に沿って延伸する第二直線状開口３１－２が、それぞれ複数設けられている。第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１および第二直線状開口３１－２間のピッチＰop－２は、それぞれ一定である。
第一直線状開口３１－１の幅Ｗop－１および第二直線状開口の幅Ｗop－２は、どちらも、通常５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上であり、また、通常５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
【0069】
第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１は、通常３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。第二直線状開口３１－２間のピッチＰop－２は、通常３ｍｍ以上、好ましくは６ｍｍ以上、より好ましくは９ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。
窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向を基準方向としたとき、第一延伸方向が基準方向となす角度θop－１は好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θop－１は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
第二延伸方向が上記基準方向となす角度θop－２は好ましくは７２°±５°の範囲内にある。角度θop－２は、７２°±３°、７２°±２°または７２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第二延伸方向とがなす角度を６０°としてもよい。
角度θop－１およびθop－２が上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、第一直線状開口および第二直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向を基準方向としたとき、第一延伸方向が基準方向となす角度θop－１は好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θop－１は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
第二延伸方向が上記基準方向となす角度θop－２は好ましくは７２°±５°の範囲内にある。角度θop－２は、７２°±３°、７２°±２°または７２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第二延伸方向とがなす角度を６０°としてもよい。
角度θop－１およびθop－２が上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、第一直線状開口および第二直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
【0070】
図１０は、シードの窒素極性面上に形成し得る、更に他のパターンマスクを示す平面図である。
図１０に示すパターンマスク３０は六角格子型であり、第一延伸方向に沿って延伸する第一直線状開口３１－１、第二延伸方向に沿って延伸する第二直線状開口３１－２、および、第三延伸方向に沿って延伸する第三直線状開口３１－３が、それぞれ複数設けられている。第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１、第二直線状開口３１－２間のピッチＰop－２、および、第三直線状開口３１－３間のピッチＰop－３は、それぞれ一定である。
図１０に示すパターンマスク３０は六角格子型であり、第一延伸方向に沿って延伸する第一直線状開口３１－１、第二延伸方向に沿って延伸する第二直線状開口３１－２、および、第三延伸方向に沿って延伸する第三直線状開口３１－３が、それぞれ複数設けられている。第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１、第二直線状開口３１－２間のピッチＰop－２、および、第三直線状開口３１－３間のピッチＰop－３は、それぞれ一定である。
【0071】
第一直線状開口３１－１の幅Ｗop－１、第二直線状開口の幅Ｗop－２および第三直線状開口の幅Ｗop－３は、いずれも、通常５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上であり、また、通常５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１、第二直線状開口３１－２間のピッチＰop
－２および第三直線状開口３１－３間のピッチＰop－３は、いずれも、通常４ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。
第一直線状開口３１－１間のピッチＰop－１、第二直線状開口３１－２間のピッチＰop
－２および第三直線状開口３１－３間のピッチＰop－３は、いずれも、通常４ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上であり、また、通常２０ｍｍ以下である。
【0072】
窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向を基準方向としたときに、第一延伸方向が基準方向となす角度θop－１は好ましくは１２°±５°の範囲内にある。角度θop－１は、１２°±３°、１２°±２°または１２°±１°の範囲内であり得る。
第二延伸方向が上記基準方向となす角度θop－２は好ましくは７２°±５°の範囲内にある。角度θop－２は、７２°±３°、７２°±２°または７２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第二延伸方向とがなす角度を６０°としてもよい。
第三延伸方向が上記基準方向となす角度θop－３は好ましくは１３２°±５°の範囲内にある。角度θop－３は、１３２°±３°、１３２°±２°または１３２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第三延伸方向とがなす角度を１２０°としてもよい。
角度θop－１、θop－２およびθop－３が上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、第一直線状開口、第二直線状開口および第三直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
第二延伸方向が上記基準方向となす角度θop－２は好ましくは７２°±５°の範囲内にある。角度θop－２は、７２°±３°、７２°±２°または７２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第二延伸方向とがなす角度を６０°としてもよい。
第三延伸方向が上記基準方向となす角度θop－３は好ましくは１３２°±５°の範囲内にある。角度θop－３は、１３２°±３°、１３２°±２°または１３２°±１°の範囲内であり得る。第一延伸方向と第三延伸方向とがなす角度を１２０°としてもよい。
角度θop－１、θop－２およびθop－３が上記の好ましい範囲内であるとき、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ（後述）において、第一直線状開口、第二直線状開口および第三直線状開口を通して成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でラテラル成長してコアレスすることが容易となる。
【0073】
４．３．アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップ
このステップでは、前のステップでパターンマスクを形成したシードの窒素極性面上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させる。
図１１は、ＧａＮ結晶が成長する様子を示す断面図である。
図１１（ａ）は、ＧａＮ結晶の成長が始まる前の状態で、シード２０の窒素極性面２２上には、紙面に垂直な方向に延伸する直線状開口３１を備えたパターンマスク３０が形成されている。
図１１（ｂ）は、パターンマスク３０の直線状開口３１の内側でＧａＮ結晶４０が成長し始めたところを示す。
パターンマスク３０の直線状開口３１を通り抜けると、ＧａＮ結晶４０は、図１１（ｃ）に示すように、［０００－１］方向だけではなく、ラテラル方向（窒素極性面２２に平行な方向）にも成長する。
やがて、図１１（ｄ）に示すように、パターンマスク３０の上方でＧａＮ結晶４０がコアレスし、成長フロントがひとつの平面となる。どの直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶も、隣の直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶と接触しコアレスし始めるまでに、［０００－１］方向に通常１ｍｍ以上成長する。そのため、パターンマスク３０とＧａＮ結晶４０との間には、ボイド５０が形成される。このボイド５０のｃ軸方向のサイズ、すなわち、シード２０の表面（窒素極性面）からＧａＮ結晶４０のコアレス箇所までの距離は、１ｍｍ以上である。
かかる成長態様ではＧａＮ結晶とパターンマスクとの接触が少なくなるため、パターンマスクがＧａＮ結晶の結晶性に与える影響が低減される。
直線状開口３１のピッチが通常３ｍｍ以上であるため、ＧａＮ結晶４０とシード２０の界面の総面積は小さく、シードからＧａＮ結晶への転位欠陥の伝搬が抑制される。
コアレス後、図１１（ｅ）に示すように、ＧａＮ結晶４０は［０００－１］方向に更に成長される。
注記すると、ＧａＮ結晶はシードのガリウム極性面上でも成長するが、図１１では図示を省略している。
このステップでは、前のステップでパターンマスクを形成したシードの窒素極性面上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させる。
図１１は、ＧａＮ結晶が成長する様子を示す断面図である。
図１１（ａ）は、ＧａＮ結晶の成長が始まる前の状態で、シード２０の窒素極性面２２上には、紙面に垂直な方向に延伸する直線状開口３１を備えたパターンマスク３０が形成されている。
図１１（ｂ）は、パターンマスク３０の直線状開口３１の内側でＧａＮ結晶４０が成長し始めたところを示す。
パターンマスク３０の直線状開口３１を通り抜けると、ＧａＮ結晶４０は、図１１（ｃ）に示すように、［０００－１］方向だけではなく、ラテラル方向（窒素極性面２２に平行な方向）にも成長する。
やがて、図１１（ｄ）に示すように、パターンマスク３０の上方でＧａＮ結晶４０がコアレスし、成長フロントがひとつの平面となる。どの直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶も、隣の直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶と接触しコアレスし始めるまでに、［０００－１］方向に通常１ｍｍ以上成長する。そのため、パターンマスク３０とＧａＮ結晶４０との間には、ボイド５０が形成される。このボイド５０のｃ軸方向のサイズ、すなわち、シード２０の表面（窒素極性面）からＧａＮ結晶４０のコアレス箇所までの距離は、１ｍｍ以上である。
かかる成長態様ではＧａＮ結晶とパターンマスクとの接触が少なくなるため、パターンマスクがＧａＮ結晶の結晶性に与える影響が低減される。
直線状開口３１のピッチが通常３ｍｍ以上であるため、ＧａＮ結晶４０とシード２０の界面の総面積は小さく、シードからＧａＮ結晶への転位欠陥の伝搬が抑制される。
コアレス後、図１１（ｅ）に示すように、ＧａＮ結晶４０は［０００－１］方向に更に成長される。
注記すると、ＧａＮ結晶はシードのガリウム極性面上でも成長するが、図１１では図示を省略している。
【0074】
アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長は、図１２に示す結晶成長装置１００を用いて行うことができる。結晶成長装置１００は、筒形のオートクレーブ１０１と、その中に設置される筒形の成長容器１０２を備えている。
成長容器１０２は、バッフル１０３で相互に区画された原料溶解ゾーン１０２ａおよび
結晶成長ゾーン１０２ｂを内部に有する。原料溶解ゾーン１０２ａにはフィードストックＦが置かれる。結晶成長ゾーン１０２ｂには、白金ワイヤー１０４で吊されたシード（Ｃ面ＧａＮウエハ）Ｓが設置される。
真空ポンプ１０５、アンモニアボンベ１０６および窒素ボンベ１０７が接続されたガスラインが、バルブ１０８を介してオートクレーブ１０１および成長容器１０２と接続される。成長容器１０２にアンモニアを入れる際には、アンモニアボンベ１０６から供給されるアンモニアの量をマスフローメーター１０９で確認することができる。
成長容器１０２は、バッフル１０３で相互に区画された原料溶解ゾーン１０２ａおよび
結晶成長ゾーン１０２ｂを内部に有する。原料溶解ゾーン１０２ａにはフィードストックＦが置かれる。結晶成長ゾーン１０２ｂには、白金ワイヤー１０４で吊されたシード（Ｃ面ＧａＮウエハ）Ｓが設置される。
真空ポンプ１０５、アンモニアボンベ１０６および窒素ボンベ１０７が接続されたガスラインが、バルブ１０８を介してオートクレーブ１０１および成長容器１０２と接続される。成長容器１０２にアンモニアを入れる際には、アンモニアボンベ１０６から供給されるアンモニアの量をマスフローメーター１０９で確認することができる。
【0075】
フィードストックは、粉状、粒状または塊状の単結晶または多結晶ＧａＮである。溶媒に用いるアンモニアが含有する水、酸素等の不純物の量は、好ましくは０．１ｐｐｍ以下である。
フィードストックの溶解を促進するために、鉱化剤が使用される。鉱化剤には、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）とヨウ化アンモニウム（ＮＨ4Ｉ）を組合せて用いることが好ましい。フッ化アンモニウムは、成長容器内でアンモニアとフッ化水素（ＨＦ）を反応させて得られるものであってもよい。同様に、ヨウ化アンモニウムは、成長容器内でアンモニアとヨウ化水素（ＨＩ）を反応させて得られるものであってもよい。
成長容器内が５５０～６５０℃を含む特定の温度範囲内である場合、鉱化剤がフッ化アンモニウムのみであると、ＧａＮの溶解度の温度依存性が負となり、制御が難しくなる。この問題は、ヨウ化アンモニウムを併用することで解決することができる。塩化アンモニウムおよび臭化アンモニウムにも同様の効用がある。
成長容器内が上記特定の温度範囲内である場合、塩化アンモニウム、臭化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムから選ばれるハロゲン化アンモニウムのみを鉱化剤として用いることは推奨されない。これらの鉱化剤をフッ化アンモニウムと併用しないで用いた場合、該温度範囲内ではＧａＮ結晶が実質的に［０００－１］方向にのみ成長し、ラテラル方向には殆ど成長しない。
フッ化アンモニウムを単独で鉱化剤に用いた場合は、ラテラル成長が強く促進されるので、ＧａＮ結晶とパターンマスクの間にボイドが形成され難くなる。この傾向は、［０００－１］方向の成長レートを１００μｍ／ｄａｙ未満にまで低くしたときに顕著となる。
フィードストックの溶解を促進するために、鉱化剤が使用される。鉱化剤には、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）とヨウ化アンモニウム（ＮＨ4Ｉ）を組合せて用いることが好ましい。フッ化アンモニウムは、成長容器内でアンモニアとフッ化水素（ＨＦ）を反応させて得られるものであってもよい。同様に、ヨウ化アンモニウムは、成長容器内でアンモニアとヨウ化水素（ＨＩ）を反応させて得られるものであってもよい。
成長容器内が５５０～６５０℃を含む特定の温度範囲内である場合、鉱化剤がフッ化アンモニウムのみであると、ＧａＮの溶解度の温度依存性が負となり、制御が難しくなる。この問題は、ヨウ化アンモニウムを併用することで解決することができる。塩化アンモニウムおよび臭化アンモニウムにも同様の効用がある。
成長容器内が上記特定の温度範囲内である場合、塩化アンモニウム、臭化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムから選ばれるハロゲン化アンモニウムのみを鉱化剤として用いることは推奨されない。これらの鉱化剤をフッ化アンモニウムと併用しないで用いた場合、該温度範囲内ではＧａＮ結晶が実質的に［０００－１］方向にのみ成長し、ラテラル方向には殆ど成長しない。
フッ化アンモニウムを単独で鉱化剤に用いた場合は、ラテラル成長が強く促進されるので、ＧａＮ結晶とパターンマスクの間にボイドが形成され難くなる。この傾向は、［０００－１］方向の成長レートを１００μｍ／ｄａｙ未満にまで低くしたときに顕著となる。
【0076】
シードＳ上にＧａＮ結晶を成長させる際には、オートクレーブ１０１と成長容器１０２の間の空間にもアンモニアを入れたうえで、オートクレーブ１０１の外側からヒーター（図示せず）で加熱して、成長容器１０２内を超臨界状態または亜臨界状態とする。
パターンマスクの上方において、ＧａＮ結晶を首尾よくコアレスさせるには、例えば、フッ化アンモニウムとヨウ化アンモニウムの量を、溶媒に用いるアンモニアに対するモル比でそれぞれ０．５％および４．０％とし、かつ、成長容器内の圧力を約２２０ＭＰａ、原料溶解ゾーンの温度Ｔｓと結晶成長ゾーンの温度Ｔｇの平均値を約６００℃、これら２つのゾーン間の温度差Ｔｓ－Ｔｇを約５℃（Ｔｓ＞Ｔｇ）とする。
コアレス後は、同じ条件で、または、ＧａＮの［０００－１］方向の成長レートがコアレス前より高くなるように変化させた条件で、更にＧａＮ結晶を成長させる。
アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップでは、フィードストックが使い尽くされる度に成長容器を交換し、再成長を繰り返すことができる。
パターンマスクの上方において、ＧａＮ結晶を首尾よくコアレスさせるには、例えば、フッ化アンモニウムとヨウ化アンモニウムの量を、溶媒に用いるアンモニアに対するモル比でそれぞれ０．５％および４．０％とし、かつ、成長容器内の圧力を約２２０ＭＰａ、原料溶解ゾーンの温度Ｔｓと結晶成長ゾーンの温度Ｔｇの平均値を約６００℃、これら２つのゾーン間の温度差Ｔｓ－Ｔｇを約５℃（Ｔｓ＞Ｔｇ）とする。
コアレス後は、同じ条件で、または、ＧａＮの［０００－１］方向の成長レートがコアレス前より高くなるように変化させた条件で、更にＧａＮ結晶を成長させる。
アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させるステップでは、フィードストックが使い尽くされる度に成長容器を交換し、再成長を繰り返すことができる。
【0077】
以上の手順により、厚さ方向がｃ軸に平行または略平行な、板状のＧａＮ単結晶を得ることができる。
このＧａＮ単結晶を様々な方向にスライスして、ＧａＮウエハを得ることができる。例えば、Ｃ面に平行にスライスすれば、Ｃ面ＧａＮウエハを得ることができる。
得られるＧａＮウエハは、半導体デバイス等の製造に好ましく用い得る他、バルクＧａＮ結晶を成長させるためのシードに用いることができる。
このＧａＮ単結晶を様々な方向にスライスして、ＧａＮウエハを得ることができる。例えば、Ｃ面に平行にスライスすれば、Ｃ面ＧａＮウエハを得ることができる。
得られるＧａＮウエハは、半導体デバイス等の製造に好ましく用い得る他、バルクＧａＮ結晶を成長させるためのシードに用いることができる。
【0078】
４．４．その他
図８に示すストライプ型のパターンマスク３０において、その直線状開口３１の延伸方向と基準方向（窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向）とがなす角度θopは、当該直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶の［０００－１］方向とラテラル方向の成長レートの比率に影響する。
単純化していうと、角度θopが０°に近いとき、［０００－１］方向の成長が優勢となり、反対に、角度θopが３０°に近いとき、ラテラル方向の成長が優勢となる傾向がある。
従って、コアレス開始までにＧａＮ結晶を［０００－１］方向に１ｍｍ以上成長させるには、角度θopを大きくし過ぎないことが望ましい。具体的には、角度θopは好ましくは２５°未満であり、より好ましくは２０°未満である。
角度θopは７°未満であってもよいが、０°に近付くと、平行に並んだ２つの隣り合う直線状開口の各々を通り抜けて成長するＧａＮ結晶同士のコアレスが生じ難くなる傾向がある。
角度θopについて以上に述べたことと同じことが、図９に示す斜方格子型のパターンマスク３０における角度θop－１およびθop－２についてもいうことができ、また、図１０に示す六角格子型のパターンマスクにおける角度θop－１、θop－２およびθop－３についてもいうことができる。
図８に示すストライプ型のパターンマスク３０において、その直線状開口３１の延伸方向と基準方向（窒素極性面とＭ面との交線のひとつが延伸する方向）とがなす角度θopは、当該直線状開口を通り抜けて成長するＧａＮ結晶の［０００－１］方向とラテラル方向の成長レートの比率に影響する。
単純化していうと、角度θopが０°に近いとき、［０００－１］方向の成長が優勢となり、反対に、角度θopが３０°に近いとき、ラテラル方向の成長が優勢となる傾向がある。
従って、コアレス開始までにＧａＮ結晶を［０００－１］方向に１ｍｍ以上成長させるには、角度θopを大きくし過ぎないことが望ましい。具体的には、角度θopは好ましくは２５°未満であり、より好ましくは２０°未満である。
角度θopは７°未満であってもよいが、０°に近付くと、平行に並んだ２つの隣り合う直線状開口の各々を通り抜けて成長するＧａＮ結晶同士のコアレスが生じ難くなる傾向がある。
角度θopについて以上に述べたことと同じことが、図９に示す斜方格子型のパターンマスク３０における角度θop－１およびθop－２についてもいうことができ、また、図１０に示す六角格子型のパターンマスクにおける角度θop－１、θop－２およびθop－３についてもいうことができる。
【0079】
パターンマスクに直線状開口を３ｍｍ以上という長いピッチで配置することは、平行に並んだ２つの隣り合う直線状開口の各々を通り抜けて成長するＧａＮ結晶同士のコアレスを生じ難くさせる。かかる傾向を克服し、コアレスが生じる確率を高めるには、ＧａＮ結晶の成長レートを低下させることが有効である。
ＧａＮ結晶の成長レートを低下させる手段のひとつは、成長容器内における原料溶解ゾーンと結晶成長ゾーンの温度差を小さくすることである。
その他、パターンマスクのパターンを斜方格子型または六角格子型とすることも、ＧａＮ結晶のコアレスを起こり易くするうえで有効である。
ＧａＮ結晶の成長レートを低下させる手段のひとつは、成長容器内における原料溶解ゾーンと結晶成長ゾーンの温度差を小さくすることである。
その他、パターンマスクのパターンを斜方格子型または六角格子型とすることも、ＧａＮ結晶のコアレスを起こり易くするうえで有効である。
【0080】
５．実験結果
５．１．実験１
（１）シードの準備
シードとして、ＨＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶から作製されたＣ面ＧａＮウエハ（以下では「ＨＶＰＥシード」と呼ぶ）を準備した。ＨＶＰＥシードの窒素極性面とガリウム極性面は、両方がＣＭＰ仕上げされた。窒素極性面は（０００－１）から傾斜しており、その傾斜角は１°未満であった。
５．１．実験１
（１）シードの準備
シードとして、ＨＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶から作製されたＣ面ＧａＮウエハ（以下では「ＨＶＰＥシード」と呼ぶ）を準備した。ＨＶＰＥシードの窒素極性面とガリウム極性面は、両方がＣＭＰ仕上げされた。窒素極性面は（０００－１）から傾斜しており、その傾斜角は１°未満であった。
【0081】
（２）パターンマスクの形成
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に、１００ｎｍ厚のＴｉＷ層上に１００ｎｍ厚のＰｔ層を有する積層膜からなり、幅５０μｍの直線状開口をピッチ４ｍｍで有するストライプ型のパターンマスクを、リフトオフ法で形成した。直線状開口の延伸方向は、ＨＶＰＥシードにおけるＭ面と窒素極性面との交線のひとつから１２°傾けた。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に、１００ｎｍ厚のＴｉＷ層上に１００ｎｍ厚のＰｔ層を有する積層膜からなり、幅５０μｍの直線状開口をピッチ４ｍｍで有するストライプ型のパターンマスクを、リフトオフ法で形成した。直線状開口の延伸方向は、ＨＶＰＥシードにおけるＭ面と窒素極性面との交線のひとつから１２°傾けた。
【0082】
（３）アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長
上記パターンマスクを形成したＨＶＰＥシード上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。
フィードストックには、アンモニアと塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を気相反応させる方法で製造した多結晶ＧａＮ（酸素濃度：約５×１０17ｃｍ-3）を用い、鉱化剤にはフッ化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムを用いた。
フッ化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムの量は、成長容器内に入れるアンモニアに対するモル比で、それぞれ０．５％および４．０％とした。ヨウ化アンモニウムは、アンモニアを入れた後の成長容器内にヨウ化水素（ＨＩ）を導入することにより生成させた
。
上記パターンマスクを形成したＨＶＰＥシード上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。
フィードストックには、アンモニアと塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を気相反応させる方法で製造した多結晶ＧａＮ（酸素濃度：約５×１０17ｃｍ-3）を用い、鉱化剤にはフッ化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムを用いた。
フッ化アンモニウムおよびヨウ化アンモニウムの量は、成長容器内に入れるアンモニアに対するモル比で、それぞれ０．５％および４．０％とした。ヨウ化アンモニウムは、アンモニアを入れた後の成長容器内にヨウ化水素（ＨＩ）を導入することにより生成させた
。
【0083】
成長条件は、結晶成長ゾーンの温度Ｔｇと原料溶解ゾーンの温度Ｔｓの平均値を５９８℃、結晶成長ゾーンと原料溶解ゾーンの温度差を５℃（Ｔｓ＞Ｔｇ）、成長容器内の圧力を２２０ＭＰａとした。
成長開始から３５日間が経過したところで成長容器を開放し、成長したＧａＮ結晶を取り出して観察した。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面側では、ＧａＮが［０００－１］方向に１．１ｍｍ成長していた。よって、成長レートは３１μｍ／ｄａｙであった。
ＧａＮ結晶の成長フロントは直線状開口を通り抜けてパターンマスクの上方に達していたが、ラテラル成長レートは面内で一様ではなく、一部では既にコアレスが始まっていたが、殆どの部分はコアレス前であった。
成長開始から３５日間が経過したところで成長容器を開放し、成長したＧａＮ結晶を取り出して観察した。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面側では、ＧａＮが［０００－１］方向に１．１ｍｍ成長していた。よって、成長レートは３１μｍ／ｄａｙであった。
ＧａＮ結晶の成長フロントは直線状開口を通り抜けてパターンマスクの上方に達していたが、ラテラル成長レートは面内で一様ではなく、一部では既にコアレスが始まっていたが、殆どの部分はコアレス前であった。
【0084】
観察後、ＧａＮ結晶を新しく準備した成長容器に移し換え、再び同じアモノサーマル成長条件で再成長を行った。再成長の開始から３５日間が経過したところで成長容器を開放し、ＧａＮ結晶を取り出した。
再成長の間にＧａＮ結晶は完全にコアレスし、成長フロントは平坦化していた。
再成長におけるＧａＮの［０００－１］方向の成長量は３．６ｍｍであった。よって、成長レートは１０３μｍ／ｄａｙであった。トータルすると、ＧａＮ結晶は７０日間で［０００－１］方向に約４．７ｍｍ成長した。
アモノサーマル成長したＧａＮ結晶の［０００１］側にはＶ溝が観察された。
より詳しくいうと、成長したＧａＮ結晶をシードから分離させ、その［０００１］側（シードと結合していた側）の表面を観察すると、互いに平行な複数のＶ溝が、等間隔で形成されていた。
Ｖ溝の方向は、結晶成長前にシード表面に設けたパターンマスクの直線状開口と平行であり、また、Ｖ溝間のピッチは、該直線状開口間のピッチと同じであった。このことは、このＧａＮ結晶が図１１に示す態様で成長したこと、そして、その結果として形成されたボイドの名残が該Ｖ溝であること、つまり、該Ｖ溝の側面はボイドの内表面の一部であったことを、示している。
レーザー顕微鏡で計測した該Ｖ溝の深さは最深部において１．９ｍｍであった。再成長前の観察結果と合わせると、ＧａＮ結晶は［０００－１］方向に１～２ｍｍ成長した時点でコアレスし始めたと考えられた。
再成長の間にＧａＮ結晶は完全にコアレスし、成長フロントは平坦化していた。
再成長におけるＧａＮの［０００－１］方向の成長量は３．６ｍｍであった。よって、成長レートは１０３μｍ／ｄａｙであった。トータルすると、ＧａＮ結晶は７０日間で［０００－１］方向に約４．７ｍｍ成長した。
アモノサーマル成長したＧａＮ結晶の［０００１］側にはＶ溝が観察された。
より詳しくいうと、成長したＧａＮ結晶をシードから分離させ、その［０００１］側（シードと結合していた側）の表面を観察すると、互いに平行な複数のＶ溝が、等間隔で形成されていた。
Ｖ溝の方向は、結晶成長前にシード表面に設けたパターンマスクの直線状開口と平行であり、また、Ｖ溝間のピッチは、該直線状開口間のピッチと同じであった。このことは、このＧａＮ結晶が図１１に示す態様で成長したこと、そして、その結果として形成されたボイドの名残が該Ｖ溝であること、つまり、該Ｖ溝の側面はボイドの内表面の一部であったことを、示している。
レーザー顕微鏡で計測した該Ｖ溝の深さは最深部において１．９ｍｍであった。再成長前の観察結果と合わせると、ＧａＮ結晶は［０００－１］方向に１～２ｍｍ成長した時点でコアレスし始めたと考えられた。
【0085】
（４）ウエハへの加工
アモノサーマル法により成長させたＧａＮ単結晶をＣ面に平行にスライスし、複数のブランクウエハを得た。そのうち一枚を加工して作製した、厚さ３５０μｍの両面研磨Ｃ面ＧａＮウエハの外観写真を、図１３に示す。
図１３に示すＣ面ＧａＮウエハでは、ガリウム極性面と窒素極性面の両方がＣＭＰ仕上げされているが、窒素極性面のダメージ層はアルカリエッチングにより除去することも可能である。アルカリエッチングされた窒素極性面は、微細なコーンが密に形成されたマット面となる。
アモノサーマル法により成長させたＧａＮ単結晶をＣ面に平行にスライスし、複数のブランクウエハを得た。そのうち一枚を加工して作製した、厚さ３５０μｍの両面研磨Ｃ面ＧａＮウエハの外観写真を、図１３に示す。
図１３に示すＣ面ＧａＮウエハでは、ガリウム極性面と窒素極性面の両方がＣＭＰ仕上げされているが、窒素極性面のダメージ層はアルカリエッチングにより除去することも可能である。アルカリエッチングされた窒素極性面は、微細なコーンが密に形成されたマット面となる。
【0086】
（５）ウエハの評価
＜ＥＰＤ＞
上記手順にて作製したＣ面ＧａＮウエハを、２７０℃に加熱した８９％硫酸で１時間エッチングした。エッチング後、該Ｃ面ＧａＮウエハのガリウム極性面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製 ECLIPSE LV100）を用いて観察した。
ガリウム極性面上のある２ｍｍ×２ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である４００個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、４００個の９３％にあたる３７２個のサブ領域がピットフリー（ＥＰ
Ｄ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された２８個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは１．１×１０5ｃｍ-2であった。４００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は１．７×１０3ｃｍ-2であった。
＜ＥＰＤ＞
上記手順にて作製したＣ面ＧａＮウエハを、２７０℃に加熱した８９％硫酸で１時間エッチングした。エッチング後、該Ｃ面ＧａＮウエハのガリウム極性面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製 ECLIPSE LV100）を用いて観察した。
ガリウム極性面上のある２ｍｍ×２ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である４００個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、４００個の９３％にあたる３７２個のサブ領域がピットフリー（ＥＰ
Ｄ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された２８個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは１．１×１０5ｃｍ-2であった。４００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は１．７×１０3ｃｍ-2であった。
【0087】
更に、上記の２ｍｍ×２ｍｍの正方形領域を内包する、ある３ｍｍ×３ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である９００個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、９００個の９２％にあたる８２９個のサブ領域がピットフリー（ＥＰＤ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された７１個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは１．５×１０5ｃｍ-2であった。９００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は２．０×１０3ｃｍ-2であった。
【0088】
更に、上記の３ｍｍ×３ｍｍの正方形領域を内包する、ある３．５ｍｍ×３．５ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である１２２５個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、１２２５個の９３％にあたる１１４１個のサブ領域がピットフリー（ＥＰＤ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された８４個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは１．５×１０5ｃｍ-2であった。１２２５個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は１．９×１０3ｃｍ-2であった。
この３．５ｍｍ×３．５ｍｍの正方形領域は、後述する直線状エッチピット・アレイとオーバーラップしていなかった。
この３．５ｍｍ×３．５ｍｍの正方形領域は、後述する直線状エッチピット・アレイとオーバーラップしていなかった。
【0089】
更に、上記の３．５ｍｍ×３．５ｍｍの正方形領域を内包する、ある４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である１６００個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、１６００個の８７％にあたる１３９５個のサブ領域がピットフリー（ＥＰＤ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された２０５個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは２．０×１０5ｃｍ-2であった。１６００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は８．３×１０3ｃｍ-2であった。
この４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域は、後述する直線状エッチピット・アレイと一部でオーバーラップしていた。一方で、この４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域中には、１．３ｍｍ×１．３ｍｍのピットフリー領域も観察された。
この４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域は、後述する直線状エッチピット・アレイと一部でオーバーラップしていた。一方で、この４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域中には、１．３ｍｍ×１．３ｍｍのピットフリー領域も観察された。
【0090】
更に、上記の４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域を内包する、ある５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域を、各々が１００μｍ×１００μｍの正方形である２５００個のサブ領域に分割し、各サブ領域に含まれるエッチピットの数を調べた。すると、２５００個の８８％にあたる２２１０個のサブ領域がピットフリー（ＥＰＤ＝０ｃｍ-2）であった。エッチピットが見出された２９０個のサブ領域のうち、ＥＰＤが最も高いサブ領域におけるＥＰＤは２．０×１０5ｃｍ-2であった。２５００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は７．２×１０3ｃｍ-2であった。
【0091】
図１４は、上記５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域の光学顕微鏡像である。白色部と灰色部が複雑に混在した紋様が見られるのは、前述のエッチング処理によって、窒素極性面が粗面となったことによる。
図１４に示すように、この５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域には、幅Ｗdが２６０～２７０μｍの直線状エッチピット・アレイが観察された。実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハでは、このような直線状エッチピット・アレイが、ガリウム極性面全体に４ｍｍ周期で形成されていた。
直線状エッチピット・アレイの延伸方向は、ＨＶＰＥシードに設けたパターンマスクにおける直線状開口の延伸方向と一致していた。一方、直線状エッチピット・アレイと該直
線状開口の位置は、該延伸方向と直交する方向に２ｍｍずれていた。このことは、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上で成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でコアレスする際に、直線状開口と平行な直線状転位アレイが形成されたことを示唆している。
図１４に示すように、この５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域には、幅Ｗdが２６０～２７０μｍの直線状エッチピット・アレイが観察された。実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハでは、このような直線状エッチピット・アレイが、ガリウム極性面全体に４ｍｍ周期で形成されていた。
直線状エッチピット・アレイの延伸方向は、ＨＶＰＥシードに設けたパターンマスクにおける直線状開口の延伸方向と一致していた。一方、直線状エッチピット・アレイと該直
線状開口の位置は、該延伸方向と直交する方向に２ｍｍずれていた。このことは、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上で成長するＧａＮ結晶がパターンマスクの上方でコアレスする際に、直線状開口と平行な直線状転位アレイが形成されたことを示唆している。
【0092】
図１４に示す５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域では、直線状エッチピット・アレイとオーバーラップする領域ですら、ひとつのサブ領域（１００μｍ×１００μｍ）に含まれるエッチピットの数は、最も多くて２０個であった。すなわち、直線状エッチピット・アレイを構成するエッチピットの密度は最大で２×１０5ｃｍ-2であった。その全体が直線状エッチピット・アレイとオーバーラップする長さ５ｍｍ、幅２００μｍの帯状領域を調べると、該帯状領域内の１００個のサブ領域間におけるＥＰＤの平均値は１．２×１０5ｃｍ-2であった。
【0093】
上記５．１．（４）で得た複数のブランクウエハの他の一枚を加工して、厚さ３５０μｍのＣ面ＧａＮウエハを作製し、２７０℃に加熱した８９％硫酸で２時間エッチングした後、そのガリウム極性面の一部（４×７ｍｍ２）を光学顕微鏡で観察した。すると、１．６２ｍｍ×１．８８ｍｍの矩形のピットフリー領域と、１．４７ｍｍ×１．９２ｍｍの矩形のピットフリー領域を見出すことができた。この２つのピットフリー領域間の距離は約０．５ｍｍであった。
【0094】
＜Ｘ線トポグラフィ＞
Ｘ線回折装置［（株）リガク製 XRT-300］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのＸ線トポグラフィ分析を行った。（１１－２０）回折を用いて得られた透過Ｘ線トポグラフィ像を図１５に示す。使用したＸ線源はＭｏＫαで、試料の厚さは３５０μｍであったから、μ・ｔ＝１０．２であった。従って、図１５のＸ線トポグラフィ像は異常透過像である。
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのいずれの部分においても、透過Ｘ線トポグラフィ像を得ることができた。
Ｘ線回折装置［（株）リガク製 XRT-300］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのＸ線トポグラフィ分析を行った。（１１－２０）回折を用いて得られた透過Ｘ線トポグラフィ像を図１５に示す。使用したＸ線源はＭｏＫαで、試料の厚さは３５０μｍであったから、μ・ｔ＝１０．２であった。従って、図１５のＸ線トポグラフィ像は異常透過像である。
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのいずれの部分においても、透過Ｘ線トポグラフィ像を得ることができた。
【0095】
＜（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭ＞
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。Ｘ線回折装置の入射光学系には、Ｇｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°（Ｘ線の入射方向が試料表面と直交）の場合に０．２ｍｍ×３ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが３ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。入射面とは、反射面に垂直で、入射光線と反射光線を含む面のことである。
図１６に示す、それぞれガリウム極性面の略中心を通る、ｍ軸に平行な仮想的な線分Ｘおよびａ軸に平行な仮想的な線分Ｙの上で、０．２ｍｍ間隔で測定を行った。すなわち、各線分上に０．２ｍｍ間隔で配置された複数の測定点の各々においてωスキャンを行ってＸＲＣを取得し、そのＦＷＨＭを求めた。
線分Ｘ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｘと平行にした。線分Ｙ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｙと平行にした。
線分Ｘの長さは、ガリウム極性面のｍ軸方向のサイズの９０％を超えていた。線分Ｙの長さは、ガリウム極性面のａ軸方向のサイズの９０％を超えていた。
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。Ｘ線回折装置の入射光学系には、Ｇｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°（Ｘ線の入射方向が試料表面と直交）の場合に０．２ｍｍ×３ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが３ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。入射面とは、反射面に垂直で、入射光線と反射光線を含む面のことである。
図１６に示す、それぞれガリウム極性面の略中心を通る、ｍ軸に平行な仮想的な線分Ｘおよびａ軸に平行な仮想的な線分Ｙの上で、０．２ｍｍ間隔で測定を行った。すなわち、各線分上に０．２ｍｍ間隔で配置された複数の測定点の各々においてωスキャンを行ってＸＲＣを取得し、そのＦＷＨＭを求めた。
線分Ｘ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｘと平行にした。線分Ｙ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｙと平行にした。
線分Ｘの長さは、ガリウム極性面のｍ軸方向のサイズの９０％を超えていた。線分Ｙの長さは、ガリウム極性面のａ軸方向のサイズの９０％を超えていた。
【0096】
ｍ軸に平行な線分Ｘ上で６９ｍｍにわたり測定した結果、３４６個の測定点のうちＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃ以上だったのは１点であり、全測定点の略１００％にあたる３４５点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは４０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｘ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃを下
回る、長さ６４ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は３４６点中７点であり、全測定点の９８％にあたる３３９点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｘ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ３５．２ｍｍの区間が存在した。
線分Ｘ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃを下
回る、長さ６４ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は３４６点中７点であり、全測定点の９８％にあたる３３９点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｘ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ３５．２ｍｍの区間が存在した。
【0097】
ａ軸に平行な線分Ｙ上で５４．６ｍｍにわたり測定した結果、２７４個の測定点のうちＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃ以上だったのは１点であり、全測定点の略１００％にあたる２７３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは４０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｙ 上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ４９．６ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２７４点中１１点であり、全測定点の９６％にあたる２６３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｘ上には、当該区間内の１３３個の測定点のうち９８％にあたる１３１点でＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ２６．４ｍｍの区間が存在した。
線分Ｙ 上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが４０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ４９．６ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２７４点中１１点であり、全測定点の９６％にあたる２６３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｘ上には、当該区間内の１３３個の測定点のうち９８％にあたる１３１点でＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ２６．４ｍｍの区間が存在した。
【0098】
＜（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭ＞
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。入射側光学系には、Ｘ線ミラーとＧｅ（４４０）４結晶モノクロメータを用いた。光学系の分解能は５～６ａｒｃｓｅｃであった。試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°（Ｘ線の入射方向が試料表面と直交）の場合に０．２ｍｍ×５ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが５ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。入射側光学系には、Ｘ線ミラーとＧｅ（４４０）４結晶モノクロメータを用いた。光学系の分解能は５～６ａｒｃｓｅｃであった。試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°（Ｘ線の入射方向が試料表面と直交）の場合に０．２ｍｍ×５ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが５ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。
【0099】
ガリウム極性面の略中心を通る、ｍ軸に平行な長さ７０ｍｍの線分上において、１ｍｍ間隔でωスキャンを行い、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。各ωスキャンにおいて、Ｘ線入射面はｍ軸に平行にした。
全測定点におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定値を下記表１に示す。全測定点間におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの平均および標準偏差は、それぞれ、１１．７ａｒｃｓｅｃおよび３．８ａｒｃｓｅｃであった。
全測定点におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定値を下記表１に示す。全測定点間におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの平均および標準偏差は、それぞれ、１１．７ａｒｃｓｅｃおよび３．８ａｒｃｓｅｃであった。
【表1】
【0100】
更に、ガリウム極性面の略中心を通る、ａ軸に平行な長さ５９ｍｍの線分上において、１ｍｍ間隔でωスキャンを行い、（００４）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。各ωスキャンにおいて、Ｘ線入射面はａ軸に平行にした。
全測定点におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定値を下記表２に示す。全測定点間におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの平均および標準偏差は、それぞれ、１３．０ａｒｃｓｅｃおよび４．２ａｒｃｓｅｃであった。
全測定点におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの測定値を下記表２に示す。全測定点間におけるＸＲＣ－ＦＷＨＭの平均および標準偏差は、それぞれ、１３．０ａｒｃｓｅｃおよび４．２ａｒｃｓｅｃであった。
【表2】
【0101】
＜不純物濃度＞
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのガリウム極性面側において、表面から深さ１０μｍまでのフッ素、ヨウ素および水素の濃度をＳＩＭＳにより測定した。深さ１μｍ以上の部分における濃度は、フッ素およびヨウ素が検出下限未満（検出下限は１０14～１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台）、水素が２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハのガリウム極性面側において、表面から深さ１０μｍまでのフッ素、ヨウ素および水素の濃度をＳＩＭＳにより測定した。深さ１μｍ以上の部分における濃度は、フッ素およびヨウ素が検出下限未満（検出下限は１０14～１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3台）、水素が２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【0102】
＜赤外吸収スペクトル＞
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハの赤外吸収スペクトルを測定したところ、３１００～３５００ｃｍ-1に、ガリウム空孔‐水素複合体（gallium vacancy‐hydrogen complex）に帰属する吸収ピークが複数観察された。この複数の吸収ピークの中には、ピークトップ波長がそれぞれ３１５０ｃｍ－１付近、３１６４ｃｍ－１付近、３１７６ｃｍ－１付近および３１８８ｃｍ－１付近にある４つのピークが含まれていた。
本実験１で作製したＣ面ＧａＮウエハの赤外吸収スペクトルを測定したところ、３１００～３５００ｃｍ-1に、ガリウム空孔‐水素複合体（gallium vacancy‐hydrogen complex）に帰属する吸収ピークが複数観察された。この複数の吸収ピークの中には、ピークトップ波長がそれぞれ３１５０ｃｍ－１付近、３１６４ｃｍ－１付近、３１７６ｃｍ－１付近および３１８８ｃｍ－１付近にある４つのピークが含まれていた。
【0103】
（６）インゴットの評価
上記５．１．（３）で得た再成長後のＧａＮ結晶のＸ線回折特性を、当該ＧａＮ結晶をシードに結合した状態としたままで、Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて評価した。Ｘ線回折装置の入射光学系にはＧｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に成長したＧａＮ結晶のアズグロン表面（窒素極性面）に引いた仮想的な線分上で、ＸＲＣを０．２ｍｍ間隔で測定した。
該線分は、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に形成したパターンマスクのストライプ方向と直交しており、長さは５１．４ｍｍであった。各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は、該線分と平行とした。
該線分上で測定したＸＲＣのＦＷＨＭを調べた結果、２５８個の測定点の全てで４０ａｒｃｓｅｃ未満であった。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２５８点中３５点であり、全測定点の８６％にあたる２２３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
上記５．１．（３）で得た再成長後のＧａＮ結晶のＸ線回折特性を、当該ＧａＮ結晶をシードに結合した状態としたままで、Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて評価した。Ｘ線回折装置の入射光学系にはＧｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に成長したＧａＮ結晶のアズグロン表面（窒素極性面）に引いた仮想的な線分上で、ＸＲＣを０．２ｍｍ間隔で測定した。
該線分は、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に形成したパターンマスクのストライプ方向と直交しており、長さは５１．４ｍｍであった。各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は、該線分と平行とした。
該線分上で測定したＸＲＣのＦＷＨＭを調べた結果、２５８個の測定点の全てで４０ａｒｃｓｅｃ未満であった。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２５８点中３５点であり、全測定点の８６％にあたる２２３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
【0104】
５．２．実験２
（１）シードの準備
実験１で使用したものと同等品質のＨＶＰＥシードを準備した。実験２で準備したＨＶＰＥシードは、直径２インチの円盤形Ｃ面ＧａＮウエハであった。
（２）パターンマスクの形成
実験１と同じく、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に、ＴｉＷとＰｔの積層膜からなる２００ｎｍ厚のパターンマスクを形成した。ただし、パターンマスクのパターンは、互いに異なる方向に延伸する第一直線状開口および第二直線状開口を有する斜方格子型とした。
第一直線状開口の延伸方向は、ＨＶＰＥシードにおけるＭ面と窒素極性面との交線のひとつから１２°傾けた。第一直線状開口の延伸方向と第二直線状開口の延伸方向とがなす角度は６０°とした。
第一直線状開口および第二直線状開口の幅は、いずれも５０μｍとした。第一直線状開口間のピッチは４ｍｍとし、第二直線状開口間のピッチは１２ｍｍとした。
（１）シードの準備
実験１で使用したものと同等品質のＨＶＰＥシードを準備した。実験２で準備したＨＶＰＥシードは、直径２インチの円盤形Ｃ面ＧａＮウエハであった。
（２）パターンマスクの形成
実験１と同じく、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に、ＴｉＷとＰｔの積層膜からなる２００ｎｍ厚のパターンマスクを形成した。ただし、パターンマスクのパターンは、互いに異なる方向に延伸する第一直線状開口および第二直線状開口を有する斜方格子型とした。
第一直線状開口の延伸方向は、ＨＶＰＥシードにおけるＭ面と窒素極性面との交線のひとつから１２°傾けた。第一直線状開口の延伸方向と第二直線状開口の延伸方向とがなす角度は６０°とした。
第一直線状開口および第二直線状開口の幅は、いずれも５０μｍとした。第一直線状開口間のピッチは４ｍｍとし、第二直線状開口間のピッチは１２ｍｍとした。
【0105】
（３）アモノサーマル法によるＧａＮ結晶の成長
上記パターンマスクを形成したＨＶＰＥシード上に、アモノサーマル法でＧａＮ単結晶を成長させた。
使用した結晶成長装置と結晶成長条件は、実験１と同じである。ただし、成長時間は３５日間とし、再成長は行わなかった。
ＧａＮ結晶は、３５日間で［０００－１］方向に２．９ｍｍ成長した。よって、成長レートは８２μｍ／ｄａｙであった。成長フロントは平坦化しており、コアレスが略完了していた。
成長した結晶をスライスして得たウエハを観察した結果から、ＧａＮ結晶は［０００－１］方向に１～１．５ｍｍ成長した時点でコアレスし始めたと考えられた。
上記パターンマスクを形成したＨＶＰＥシード上に、アモノサーマル法でＧａＮ単結晶を成長させた。
使用した結晶成長装置と結晶成長条件は、実験１と同じである。ただし、成長時間は３５日間とし、再成長は行わなかった。
ＧａＮ結晶は、３５日間で［０００－１］方向に２．９ｍｍ成長した。よって、成長レートは８２μｍ／ｄａｙであった。成長フロントは平坦化しており、コアレスが略完了していた。
成長した結晶をスライスして得たウエハを観察した結果から、ＧａＮ結晶は［０００－１］方向に１～１．５ｍｍ成長した時点でコアレスし始めたと考えられた。
【0106】
（４）ウエハへの加工
アモノサーマル法により成長させたＧａＮ単結晶をＣ面に平行にスライスした後、得られたブランクウエハの両方の主表面に研磨およびＣＭＰ仕上げを施して、略正六角形の主表面を有する厚さ３５０μｍのＣ面ＧａＮウエハを得た。
アモノサーマル法により成長させたＧａＮ単結晶をＣ面に平行にスライスした後、得られたブランクウエハの両方の主表面に研磨およびＣＭＰ仕上げを施して、略正六角形の主表面を有する厚さ３５０μｍのＣ面ＧａＮウエハを得た。
【0107】
（５）ウエハの評価
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験２で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。Ｘ線回折装置の入射光学系には、Ｇｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた
。試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°の場合に０．２ｍｍ×３ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが３ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。
図１７に示す、それぞれガリウム極性面の略中心を通る、ｍ軸に平行な線分Ｘおよびａ軸に平行な線分Ｙの上で、０．２ｍｍ間隔で測定を行った。実験１と同様、線分Ｘ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｘと平行とし、線分Ｙ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｙと平行とした。
線分Ｘの長さは、ガリウム極性面のｍ軸方向のサイズの９０％を超えていた。線分Ｙの長さは、ガリウム極性面のａ軸方向のサイズの９０％を超えていた。
Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて、本実験２で作製したＣ面ＧａＮウエハにおける（００２）反射のＸＲＣ－ＦＷＨＭを測定した。Ｘ線回折装置の入射光学系には、Ｇｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた
。試料表面におけるＸ線のビームサイズは、Ｘ線の入射角が９０°の場合に０．２ｍｍ×３ｍｍとなるように設定した。測定時には、該ビームサイズが３ｍｍとなる方向とＸ線入射面とが直交するようにした。
図１７に示す、それぞれガリウム極性面の略中心を通る、ｍ軸に平行な線分Ｘおよびａ軸に平行な線分Ｙの上で、０．２ｍｍ間隔で測定を行った。実験１と同様、線分Ｘ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｘと平行とし、線分Ｙ上の各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は線分Ｙと平行とした。
線分Ｘの長さは、ガリウム極性面のｍ軸方向のサイズの９０％を超えていた。線分Ｙの長さは、ガリウム極性面のａ軸方向のサイズの９０％を超えていた。
【0108】
ｍ軸に平行な線分Ｘ上で４５ｍｍにわたり測定した結果、２２６個の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭは４０ａｒｃｓｅｃを下回った。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２２６点中３点であり、全測定点の９９％にあたる２２３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２２６点中３点であり、全測定点の９９％にあたる２２３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
【0109】
ａ軸に平行な線分Ｙ上で５３．８ｍｍにわたり測定した結果、２７０個の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭは４０ａｒｃｓｅｃを下回った。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２７０点中１点であり、全測定点の略１００％にあたる２６９点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｙ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ４６．６ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２７０点中１点であり、全測定点の略１００％にあたる２６９点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
線分Ｙ上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ４６．６ｍｍの区間が存在した。
【0110】
線分Ｘ上で測定したＸＲＣのピークトップ角度の変化率から、線分Ｘに平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算すると、５５０ｍであった（この計算では、ＸＲＣのピークトップ角度の変化率を、全２２６個の測定点における測定値から最小二乗法を用いて求めた）。
それとは別に、線分Ｘ上の２２６個の測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから、前述の式１（Ｒ＝ΔＬ／Δω）を用いてＣ面の曲率半径を計算した。すると、２点をどのように選んでも、線分Ｘに平行な方向におけるＣ面の曲率半径の絶対値が７８ｍを下回ることはなかった。換言すれば、Δωが最大である２点を選んで計算したときの、曲率半径の絶対値が７８ｍであった。
それとは別に、線分Ｘ上の２２６個の測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから、前述の式１（Ｒ＝ΔＬ／Δω）を用いてＣ面の曲率半径を計算した。すると、２点をどのように選んでも、線分Ｘに平行な方向におけるＣ面の曲率半径の絶対値が７８ｍを下回ることはなかった。換言すれば、Δωが最大である２点を選んで計算したときの、曲率半径の絶対値が７８ｍであった。
【0111】
線分Ｙ上で測定したＸＲＣのピークトップ角度の変化率から、線分Ｙに平行な方向におけるＣ面の曲率半径を計算すると、７９ｍであった（この計算では、ＸＲＣのピークトップ角度の変化率を、全２７０個の測定点における測定値から最小二乗法を用いて求めた）。
それとは別に、線分Ｙ上の２７０個の測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから、前述の式１（Ｒ＝ΔＬ／Δω）を用いてＣ面の曲率半径を計算した。すると、２点をどのように選んでも、線分Ｙに平行な方向におけるＣ面の曲率半径の絶対値が５２ｍを下回ることはなかった。換言すれば、Δωが最大である２点を選んで計算したときの、曲率半径の絶対値が５２ｍであった。
それとは別に、線分Ｙ上の２７０個の測定点から互いに１０ｍｍ離れた２点を選び、その２点間でのＸＲＣのピークトップ角度の差Δωから、前述の式１（Ｒ＝ΔＬ／Δω）を用いてＣ面の曲率半径を計算した。すると、２点をどのように選んでも、線分Ｙに平行な方向におけるＣ面の曲率半径の絶対値が５２ｍを下回ることはなかった。換言すれば、Δωが最大である２点を選んで計算したときの、曲率半径の絶対値が５２ｍであった。
【0112】
（６）インゴットの評価
上記５．２．（３）で得たＧａＮ結晶のＸ線回折特性を、当該ＧａＮ結晶をシードに結合した状態としたままで、Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて評価した。Ｘ線回折装置の入射光学系にはＧｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に成長したＧａＮ結晶のアズグロン表面（窒素極性面）に引いた仮想的な線分上で、ＸＲＣを０．２ｍｍ間隔で測定した。
該線分は、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に形成したパターンマスクの、第一直線状開
口の延伸方向となす角度が７８度で、かつ、ｍ軸のひとつと平行であり、長さは４１ｍｍであった。各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は、該線分と平行とした。
上記５．２．（３）で得たＧａＮ結晶のＸ線回折特性を、当該ＧａＮ結晶をシードに結合した状態としたままで、Ｘ線回折装置［スペクトリス（株）製 パナリティカル X’Pert Pro MRD］を用いて評価した。Ｘ線回折装置の入射光学系にはＧｅ（２２０）２結晶モノクロメータを用いた。
ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に成長したＧａＮ結晶のアズグロン表面（窒素極性面）に引いた仮想的な線分上で、ＸＲＣを０．２ｍｍ間隔で測定した。
該線分は、ＨＶＰＥシードの窒素極性面上に形成したパターンマスクの、第一直線状開
口の延伸方向となす角度が７８度で、かつ、ｍ軸のひとつと平行であり、長さは４１ｍｍであった。各測定点でのωスキャンにおけるＸ線入射面は、該線分と平行とした。
【0113】
該線分上で測定したＸＲＣのＦＷＨＭを調べた結果、２０６個の測定点の全てで４０ａｒｃｓｅｃ未満であった。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２０６点中３点であり、全測定点の９８％にあたる２０３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
該線分上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ２１．６ｍｍの区間が存在した。
ＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃ以上だった測定点は２０６点中３点であり、全測定点の９８％にあたる２０３点でＸＲＣ－ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃを下回った。
該線分上には、当該区間内の測定点の全てでＸＲＣ－ＦＷＨＭが３０ａｒｃｓｅｃを下回る、長さ２１．６ｍｍの区間が存在した。
【0114】
以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0115】
１０ ＧａＮ単結晶
１１ ガリウム極性面
１２ 窒素極性面
１３ 側面
１４ 直線状転位アレイ
１５ オリエンテーション・フラット
２０ Ｃ面ＧａＮウエハ
２１ ガリウム極性面
２２ 窒素極性面
２３ 側面
３０ パターンマスク
３１ 直線状開口
４０ ＧａＮ結晶
５０ ボイド
１００ 結晶成長装置
１０１ オートクレーブ
１０２ 成長容器
１０２ａ 原料溶解ゾーン
１０２ｂ 結晶成長ゾーン
１０３ バッフル
１０４ 白金ワイヤー
１０５ 真空ポンプ
１０６ アンモニアボンベ
１０７ 窒素ボンベ
１０８ バルブ
１０９ マスフローメーター
１１ ガリウム極性面
１２ 窒素極性面
１３ 側面
１４ 直線状転位アレイ
１５ オリエンテーション・フラット
２０ Ｃ面ＧａＮウエハ
２１ ガリウム極性面
２２ 窒素極性面
２３ 側面
３０ パターンマスク
３１ 直線状開口
４０ ＧａＮ結晶
５０ ボイド
１００ 結晶成長装置
１０１ オートクレーブ
１０２ 成長容器
１０２ａ 原料溶解ゾーン
１０２ｂ 結晶成長ゾーン
１０３ バッフル
１０４ 白金ワイヤー
１０５ 真空ポンプ
１０６ アンモニアボンベ
１０７ 窒素ボンベ
１０８ バルブ
１０９ マスフローメーター
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】