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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】2023-12-07
(45)【発行日】2023-12-15
(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法及びＩＩＩ族窒化物基板
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20231208BHJP
C30B 25/20 20060101ALI20231208BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20231208BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231208BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/20
C23C16/34
H01L21/205
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020002945
(22)【出願日】2020-01-10
(65)【公開番号】P2021109805
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2022-01-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000002060
【氏名又は名称】信越化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100207756
【弁理士】
【氏名又は名称】田口 昌浩
(74)【代理人】
【識別番号】100129746
【弁理士】
【氏名又は名称】虎山 滋郎
(74)【代理人】
【識別番号】100135758
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 高志
(74)【代理人】
【識別番号】100154391
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 康義
(72)【発明者】
【氏名】久保田 芳宏
(72)【発明者】
【氏名】永田 和寿
【審査官】今井 淳一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０７３４２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３４７５９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２２６０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５２８５７０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｃ３０Ｂ ２５／２０
Ｃ２３Ｃ １６／３４
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行って前記ＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の前記イオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を前記ベース基板に接合する工程と、
前記ベース基板から前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、前記ＩＩＩ族窒化物膜の前記イオン注入領域を前記ベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する工程と、
ＴＨＶＰＥ法で、前記ベース基板の前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成し、ＩＩＩ族窒化物膜の厚膜を作製する工程とを含み、
前記イオン注入領域は、前記ＩＩＩ族窒化物膜に照射されたイオンが前記ＩＩＩ族窒化物膜内に侵入し、エネルギーを失って止まった領域であるＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項2】
前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜が、表面がＧａ面であるＧａＮ膜である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項3】
前記ベース基板が多結晶ＧａＮ（Ｐ－ＧａＮ）基板である請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項4】
前記ベース基板における前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜がＧａＮ膜である請求項１～３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項5】
前記ベース基板は、気相成長法でＰＢＮ基板上に前記多結晶を形成することにより得られた基板である請求項１～４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項6】
前記気相成長法がＴＨＶＰＥ法である請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【請求項7】
前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程は、ＭＯＣＶＤ法で、前記基板の両面に、前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を、お互いに膜厚が略同じになるように形成し、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程により作製された前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の曲率半径が１０ｍ以上である請求項１～６のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法及びその製造法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板に関する。
【背景技術】
【0002】
結晶性ＧａＮ系窒化物基板、ＡｌＮ系窒化物基板等のＩＩＩ族窒化物基板は広いバンドギャップを有し、極短波長の発光性や高耐圧で優れた高周波特性を持つ。このため、ＩＩＩ族窒化物基板は、レーザー、ショットキーダイオード、パワーデバイス、高周波デバイス等のデバイスへの応用に期待されている。しかしながら、現状はこれらのＩＩＩ族窒化物の大口径、高品質で厚膜（長尺）の結晶成長が難しい等から、ＩＩＩ族窒化物基板は高価格になり、これら基板の用途拡大や広い普及を妨げている。
【0003】
例えば、ＧａＮ基板についてみると、一般的に液体アンモニアもしくはＮａフラックス等の液中でＧａＮ結晶を成長させたバルクＧａＮ基板は比較的高品質である。しかし、高温、高圧装置が必要なため、大型化（大口径、厚物）が難しい。これに対し、気相法で結晶成長する有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法、ＴＨＶＰＥ法等）を用いてサファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、ＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板等の単結晶基板上にＧａＮをヘテロエピタキシャル成長あるいはホモエピタキシャル成長させれば、大型化、すなわち、大型で高品質の基板が原理的には製造可能である。しかし、実際にはＧａＮ結晶と格子定数及び熱膨張係数が同じ、または比較的近いＧａＮ基板やＳＣＡＭ基板等の単結晶基板は、現状、小型のものしか製造されておらず、大きな単結晶基板がないのでエピタキシャル成膜による大型化が難しい。
【0004】
この打開策として、非特許文献１には、Ｎａフラックス法から得たＧａＮ単結晶を、ハニカム形状に切り出した複数枚のタイル状基板を熱分解グラファイト（ＰＧ）製サセプター上に貼り合せて、ＧａＮ単結晶を大型化し、その大型化したＧａＮ単結晶を種基板とし、その上にＨＶＰＥ法等でＧａＮを成長させ、大型のＧａＮ基板を得ることが記載されている。また、特許文献１には気相法等の公知方法から得たＧａＮ単結晶をハニカム形状に切り出した複数枚のタイル状基板を、熱分解グラファイト（ＰＧ）製サセプター上に貼り合せてＧａＮ単結晶を大型化し、その大型化したＧａＮ単結晶を種基板とし、その上にＨＶＰＥ法等でＧａＮを成長させ、大型のＧａＮ基板を得ることが記載されている。しかし、これらの方法は、ベース基板ともいえるＰＧサセプターと、ＰＧサセプターを種基板に貼り合せるアルミナ系接着剤もしくはジルコニア系接着材と、種基板であるタイル状ＧａＮ単結晶もしくはＳＣＡＭ単結晶との間の熱膨張率の差異が大きくなるため、温度変化による膨張・収縮により、種基板の移動や剥がれ、反り等が起き、成膜反応期間中に結晶方位や同一平面性を保持することが難しく、方位の揃った成膜が困難であった。
【0005】
一方、比較的、大口径品が入手可能なＳｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板等の単結晶基板を、ベース基板及び種基板を兼ねて用いることにより、大型のＧａＮ基板を作製することも試みられている。しかし、これらの単結晶基板とＧａＮ結晶との間の格子定数や熱膨張係数の大きな不整合のために、エピタキシャル成膜で得られるＧａＮ基板には各種の欠陥が発生、増加するとともに、反り及び割れが生じやすくなり、問題となっている。
【0006】
その一つの解決策として格子定数や熱膨張係数が同じか、または近いＧａＮやＡｌＮの多結晶粉体、あるいは特許文献２に記載されているようにムライト組成の粉体等に焼結助剤を添加して焼結させてセラミックスを作製し、得られたセラミックスをベース基板に用い、そのベース基板上にＳｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板等の単結晶薄膜を転写・貼り合せて、それらを種基板とし、さらにその種基板上にＧａＮをヘテロエピタキシャル成長することにより、大型のＧａＮ基板を得る試みも提案されている。しかしこの方法では、セラミックス原料中あるいは焼結助剤等に起因する金属不純物がエピタキャルＧａＮ成膜中に拡散・汚染し、高特性の基板を得るのが難しい。
【0007】
そのため、改善策の一つとして、特許文献３ではＧａＮの熱膨張率に比較的に近いＡｌＮセラミックスをベース基板として用い、さらにその基板全体をＳｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の無機物の多層膜で包み込んで封止した後、その上にＳｉＯ２を積層した後に種基板のＳｉ＜１１１＞の薄膜を転写・貼り合せ、しかる後にＧａＮをエピタキシャル成膜し、ベース基板からの金属不純物拡散を防止する提案がなされている。しかし、多層の無機物で包み封止するには多くの工程を必要とするため、高コストになりやすく経済的でなく、しかも、多層膜による完全な密閉シール性を担保することが極めて難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特許第６２０３４６０号公報
【文献】特許第６３３１５５３号公報
【文献】ＵＳＰ ９，９９７，３９１ Ｂ２
【非特許文献】
【0009】
【文献】Phys. Status Solidi B 254, No.8,1600671 (2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、大口径及び高品質のＩＩＩ族窒化物基板を製造できるＩＩＩ族窒化物基板の製造方法と、その製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板と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】
【0011】
本発明は上記目的を達成するため、下記のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法及びその製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板を提供する。すなわち、
［１］Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行って前記ＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の前記イオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を前記ベース基板に接合する工程と、前記ベース基板から前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、前記ＩＩＩ族窒化物膜の前記イオン注入領域を前記ベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する工程と、ＴＨＶＰＥ法で、前記ベース基板の前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成し、ＩＩＩ族窒化物膜の厚膜を作製する工程とを含むＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［２］前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜が、表面がＧａ面であるＧａＮ膜である上記［１］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［３］前記ベース基板が多結晶ＧａＮ（Ｐ－ＧａＮ）基板である上記［１］又は［２］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［４］前記ベース基板における前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜がＧａＮ膜である上記［１］～［３］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［５］前記ベース基板は、気相成長法でＰＢＮ基板上に前記多結晶を形成することにより得られた基板である上記［１］～［４］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［６］前記気相成長法がＴＨＶＰＥ法である上記［５］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［７］前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程は、ＭＯＣＶＤ法で、前記基板の両面に、前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を、お互いに膜厚が略同じになるように形成し、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程により作製された前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の曲率半径が１０ｍ以上である上記［１］～［６］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［８］上記［１］～［７］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板。
［１］Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行って前記ＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の前記イオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を前記ベース基板に接合する工程と、前記ベース基板から前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、前記ＩＩＩ族窒化物膜の前記イオン注入領域を前記ベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する工程と、ＴＨＶＰＥ法で、前記ベース基板の前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成し、ＩＩＩ族窒化物膜の厚膜を作製する工程とを含むＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［２］前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜が、表面がＧａ面であるＧａＮ膜である上記［１］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［３］前記ベース基板が多結晶ＧａＮ（Ｐ－ＧａＮ）基板である上記［１］又は［２］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［４］前記ベース基板における前記表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜がＧａＮ膜である上記［１］～［３］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［５］前記ベース基板は、気相成長法でＰＢＮ基板上に前記多結晶を形成することにより得られた基板である上記［１］～［４］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［６］前記気相成長法がＴＨＶＰＥ法である上記［５］に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［７］前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程は、ＭＯＣＶＤ法で、前記基板の両面に、前記表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を、お互いに膜厚が略同じになるように形成し、前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程により作製された前記ＩＩＩ族窒化物膜担持体の曲率半径が１０ｍ以上である上記［１］～［６］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
［８］上記［１］～［７］のいずれか１つに記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、大口径及び高品質のＩＩＩ族窒化物基板を製造できるＩＩＩ族窒化物基板の製造方法と、その製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物基板とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
［ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法］
本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程（Ａ）と、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行ってＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する工程（Ｂ）と、ＩＩＩ族窒化物膜担持体のイオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、ＩＩＩ族窒化物膜担持体をベース基板に接合する工程（Ｃ）と、ベース基板からＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域をベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する工程（Ｄ）と、ＴＨＶＰＥ法（トリハイドライド気相成長法）で、ベース基板の表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成する工程（Ｅ）とを含む。これにより、大口径及び高品質のＩＩＩ族窒化物基板を製造できる。以下、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の各工程を説明する。
本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する工程（Ａ）と、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行ってＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する工程（Ｂ）と、ＩＩＩ族窒化物膜担持体のイオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、ＩＩＩ族窒化物膜担持体をベース基板に接合する工程（Ｃ）と、ベース基板からＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域をベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する工程（Ｄ）と、ＴＨＶＰＥ法（トリハイドライド気相成長法）で、ベース基板の表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成する工程（Ｅ）とを含む。これにより、大口径及び高品質のＩＩＩ族窒化物基板を製造できる。以下、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の各工程を説明する。
【0015】
工程（Ａ）
工程Ａでは、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する。この工程では、表面がＩＩＩ族元素面である大口径のＩＩＩ族窒化物種結晶を作製する。そして、この工程では、ＩＩＩ窒化物種結晶と類似の結晶形で、格子定数がＩＩＩ窒化物種結晶の格子定数に比較的近く、かつ、大口径の基板が容易に得られる、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群からから選ばれた基板が用いられる。これにより、大口径のＩＩＩ族窒化物基板を製造できる。この基板の両面に、好ましくは気相成長により、表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を成膜する。
工程Ａでは、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群から選択される基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成してＩＩＩ族窒化物膜担持体を作製する。この工程では、表面がＩＩＩ族元素面である大口径のＩＩＩ族窒化物種結晶を作製する。そして、この工程では、ＩＩＩ窒化物種結晶と類似の結晶形で、格子定数がＩＩＩ窒化物種結晶の格子定数に比較的近く、かつ、大口径の基板が容易に得られる、Ｓｉ＜１１１＞基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、及びＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板からなる群からから選ばれた基板が用いられる。これにより、大口径のＩＩＩ族窒化物基板を製造できる。この基板の両面に、好ましくは気相成長により、表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を成膜する。
【0016】
表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の通常の気相成長法で得られる。使用基板は、上記の基板の中から、目的のＩＩＩ族元素面のＩＩＩ族窒化物種結晶の格子定数、大口径基板の入手の容易さ、コスト等から適宜、選択される。このようにして選ばれた基板の両面に略同じ膜厚になるようにＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ等の気相成長法で目的の表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜を形成することが好ましい。得られたＩＩＩ族窒化物膜は、後述の工程（Ｅ）で、ＩＩＩ族窒化物膜を形成するための種結晶として使用するため、ＩＩＩ族窒化物膜の成膜は、気相成長法の中で特に結晶特性がよいＩＩＩ族窒化物膜が得られるＭＯＣＶＤ法がより好ましい。ＭＯＣＶＤ法では、例えば、プロセスガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）もしくはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びアンモニア（ＮＨ３）を使用し、キャリアガスとして窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）等を使用することができる。
【0017】
また、ＩＩＩ族窒化物膜の膜厚は、後述の工程（Ｅ）で良好な種結晶が得られやすくするために０．５μｍ以上であることが好ましい。そして、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の反りを小さくするために、ＩＩＩ族窒化物膜の膜厚は、表面と裏面とで略同じ厚さにすることが好ましい。例えば、基板の一方の面に形成されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さと基板の他方の面に形成されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さとの差が０．５μｍ以下であることが好ましく、０．３μｍ以下であることがより好ましく、０．１μｍ以下であることがさらに好ましく、基板の一方の面に形成されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さと基板の他方の面に形成されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さが同じであることが特に好ましい。なお、基板の両面に表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ属窒化物膜を成膜するのは、片面のみの成膜では、基板とＩＩＩ属窒化物膜との間の熱膨張係数の違いから、ＩＩＩ族窒化物膜担持体に大きな反りが発生したり、クラックが発生したりする場合があるからである。基板の両面に形成されたＩＩＩ属窒化物膜の膜厚がお互いに略同じになるように基板の両面にＩＩＩ属窒化物を成膜することにより、上述のようなことは起こらず、フラットなベース基板へのＩＩＩ族窒化物膜の一括転写も容易となる。
【0018】
ＩＩＩ族窒化物膜担持体の曲率半径は１０ｍ以上が好ましく、２０ｍ以上がより好ましい。ＩＩＩ族窒化物膜担持体の曲率半径が１０ｍ以上であると、基板の反りが小さいので、後述の工程（Ｃ）及び（Ｄ）による薄膜転写を容易に実施することができる。
【0019】
表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜には、例えば、表面がＡｌ面であるＡｌＮ膜、表面がＧａ面であるＧａＮ膜、表面がＩｎ面であるＩｎＮ膜等が挙げられる。本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、ＧａＮ基板を特に好適に製造できるので、これらの中で、表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜は、表面がＧａ面であるＧａＮ膜であることが好ましい。なお、ＩＩＩ族窒化物は、ウルツ鉱構造を有し、通常、ｃ軸方向に非対称であり、極性を有している。そして、ｃ軸方向に成長したＩＩＩ族窒化物膜のＩＩＩ族元素側の極性面がＩＩＩ族元素面であり、窒素側の極性面がＮ面である。また、ＧａＮの場合は、ｃ軸方向に成長したＧａＮ膜のＧａ側の極性面がＧａ面であり、窒素側の極性面がＮ面である。
【0020】
なお、ＩＩＩ族元素面に比べてＮ面の方がＫＯＨ水溶液によるエッチングレートが大きい。このため、ＩＩＩ族窒化物膜の表面がＩＩＩ族元素面であるか、Ｎ面であるかは、例えば、ＫＯＨ水溶液によるエッチングレートの違いから判断することができる。例えば、４０℃、２ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液にＩＩＩ族窒化物膜を４５分間浸した場合、Ｇａ面はエッチングされないが、Ｎ面はエッチングされる。このエッチングの有無から、ＧａＮ膜の表面がＧａ面であるか、Ｎ面であるかを判断することができる。
【0021】
工程（Ｂ）
工程（Ｂ）では、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行ってＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する。イオン注入とは、真空中で、注入を目的とする原子もしくは分子をイオン化し、数ｋｅＶから数ＭｅＶに加速して固体中に注入する方法である。注入するイオンには、例えば、水素イオン、アルゴン（Ａｒ）イオン等が挙げられる。イオン注入には、例えば、イオン注入装置が使用される。イオン注入装置は、高エネルギー加速器及び同位体分離器を小型化したものであり、イオン源、加速器、質量分離器、ビーム走査部、注入室等から構成される。なお、イオン注入領域の深さは、イオンの加速エネルギー、照射量等で調整することができる。ＩＩＩ族窒化物膜に照射されたイオンはＩＩＩ族窒化物膜内に侵入し、エネルギーを失って止まる。また、イオン注入を行う前に、ＩＩＩ族窒化物膜の表面に極薄いＳｉＯ２膜を形成し、イオン注入の均一性を向上させてもよい。ＳｉＯ２膜の厚さは、例えば、２００～１０００ｎｍである。
工程（Ｂ）では、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の両面の少なくとも一方の面のＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入を行ってＩＩＩ族窒化物膜にイオン注入領域を形成する。イオン注入とは、真空中で、注入を目的とする原子もしくは分子をイオン化し、数ｋｅＶから数ＭｅＶに加速して固体中に注入する方法である。注入するイオンには、例えば、水素イオン、アルゴン（Ａｒ）イオン等が挙げられる。イオン注入には、例えば、イオン注入装置が使用される。イオン注入装置は、高エネルギー加速器及び同位体分離器を小型化したものであり、イオン源、加速器、質量分離器、ビーム走査部、注入室等から構成される。なお、イオン注入領域の深さは、イオンの加速エネルギー、照射量等で調整することができる。ＩＩＩ族窒化物膜に照射されたイオンはＩＩＩ族窒化物膜内に侵入し、エネルギーを失って止まる。また、イオン注入を行う前に、ＩＩＩ族窒化物膜の表面に極薄いＳｉＯ２膜を形成し、イオン注入の均一性を向上させてもよい。ＳｉＯ２膜の厚さは、例えば、２００～１０００ｎｍである。
【0022】
工程（Ｃ）
工程（Ｃ）では、ＩＩＩ族窒化物膜担持体のイオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、ＩＩＩ族窒化物膜担持体をベース基板に接合する。これにより、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板上に、上記ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域を接合して、一括転写することができる。
工程（Ｃ）では、ＩＩＩ族窒化物膜担持体のイオン注入を行ったＩＩＩ族窒化物膜を、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板と貼り合わせて、ＩＩＩ族窒化物膜担持体をベース基板に接合する。これにより、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板上に、上記ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域を接合して、一括転写することができる。
【0023】
ＩＩＩ族窒化物膜担持体を接合する前に、ベース基板の表面を、ＣＭＰ等を用いて研磨し、ベース基板の表面を平滑にしてもよい。また、ＩＩＩ族窒化物膜担持体を接合する前に、ベース基板の表面にＳｉＯ２膜を形成してもよい。この場合も、ＩＩＩ族窒化物膜担持体を接合する前に、ベース基板の表面にあるＳｉＯ２膜を、ＣＭＰ等を用いて研磨し、ＳｉＯ２膜の表面を平滑にしてもよい。ベース基板の表面、またベース基板の表面に形成されたＳｉＯ２膜の表面の平滑度が悪いと、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の全面またはベース基板の全面が接合しないため、転写すべきＩＩＩ族窒化物膜の一部しか、ベース基板に転写しなかったり、ＩＩＩ族窒化物膜がベース基板に転写できなかったりする場合がある。また、ＩＩＩ族窒化物膜担持体とベース基板との間の接合をより強固にするために、加熱しながらＩＩＩ族窒化物膜担持体をベース基板と貼り合わせてもよい。
【0024】
ベース基板の主成分であるＩＩＩ属窒化物には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等が挙げられる。本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、ＧａＮ基板を特に好適に製造できるので、これらの中で、上記主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板のＩＩＩ族窒化物はＧａＮであることが好ましい。また、低価格であるという観点から、上記主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板は多結晶ＧａＮ（Ｐ－ＧａＮ）基板であることがより好ましい。さらに、表面がＩＩＩ族元素面であるＩＩＩ族窒化物膜のＩＩＩ族窒化物と、ベース基板の主成分であるＩＩＩ属窒化物は、同様のものであることが好ましい。
【0025】
ベース基板は、目的のＩＩＩ族窒化物膜と熱膨張率が同じか、または略同じであることが好ましい。ベース基板の熱膨張率がＩＩＩ族窒化物膜の熱膨張率に対して大きく異なると、ＩＩＩ族窒化物膜に反り、クラック等が発生する場合がある。したがって、ベース基板の主成分は、目的とするＩＩＩ族窒化物膜と同様にＩＩＩ族窒化物であり、低価格であることからベース基板は多結晶の基板であることが好ましい。
【0026】
ベース基板は種々の製造方法で作製可能である。しかし、上記ベース基板は、気相成長法でＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）基板上に多結晶を形成することにより得られた基板であることが好ましい。ベース基板を気相成長法で形成することにより、不純物の少ない良質なベース基板を得ることができる。ＰＢＮ基板は高純度であるので、気相成長法でＰＢＮ基板上に多結晶を形成することにより、金属不純物が極めて少ないベース基板を得ることができる。また、ＰＢＮ基板は劈開性を有するので、気相成長法でＰＢＮ基板上に多結晶を形成することにより、多結晶のベース基板をＰＢＮ基板から容易に剥離することができる。さらに、ＰＢＮ基板は劈開性を有するので、多結晶のベース基板とＰＢＮ基板との間に大きな応力が発生すると、多結晶のベース基板はＰＢＮ基板から剥離するので、歪みの少ない良質なベース基板を得ることができる。
【0027】
ＩＩＩ族窒化物膜の成長速度が速く、効率的かつ経済的な気相成長法であることから、上記気相成長法は、ＴＨＶＰＥ法であることが好ましい。高強度のベース基板を必要とするときは、減圧下でＴＨＶＰＥ法により多結晶を形成することが好ましい。また、ベース基板がそれほど強度を必要としないときは、ＩＩＩ族窒化物膜の成長速度が速いことから、常圧下でＴＨＶＰＥ法により多結晶を形成することが好ましい。ＴＨＶＰＥ法では、例えば、プロセスガスとして三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）及びアンモニア（ＮＨ３）を使用し、キャリアガスとして窒素（Ｎ２）を使用することができる。
【0028】
工程（Ｄ）
工程（Ｄ）では、ベース基板からＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域をベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する。なお、ＩＩＩ族窒化物膜のベース基板側の面はＩＩＩ族元素面であるので、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜は、それが反転した面、すなわち、Ｎ面となる。これにより、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜をベース基板上に容易に形成することができる。
工程（Ｄ）では、ベース基板からＩＩＩ族窒化物膜担持体を離間させて、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域をベース基板に転写し、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜を前記ベース基板に形成する。なお、ＩＩＩ族窒化物膜のベース基板側の面はＩＩＩ族元素面であるので、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜は、それが反転した面、すなわち、Ｎ面となる。これにより、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜をベース基板上に容易に形成することができる。
【0029】
ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域がベース基板に転写されるので、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さはＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域の深さにより決まる。すなわち、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域の深さを大きくすると、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜は厚くなり、ＩＩＩ族窒化物膜のイオン注入領域の深さを小さくすると、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜は薄くなる。ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜の厚さは５０～２０００ｎｍであることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物膜の厚さが５０ｎｍ以上であると、ＩＩＩ族窒化物膜は種結晶としての効果を十分に発揮することができ、後述の工程（Ｅ）において、欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物膜を形成することができる。また、ＩＩＩ族窒化物膜の厚さが２０００ｎｍ以下であると、イオン注入装置の出力を抑えて、イオン注入装置の稼働に必要な経費を低減でき、ＩＩＩ族窒化物基板の製造コストを低減することができる。
【0030】
ＩＩＩ族窒化物膜をベース基板に転写した後のＩＩＩ族窒化物膜担持体を、ＩＩＩ族窒化物膜のベース基板への転写に、再度使用することができる。この場合、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の反りを低減するという観点から、ＩＩＩ族窒化物膜のベース基板への転写に使用した面の反対側のＩＩＩ族窒化物膜をベース基板に転写すること好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物膜をベース基板に転写した後のＩＩＩ族窒化物膜担持体を、ＩＩＩ族窒化物膜のベース基板への転写に、複数回再利用する場合、同様の観点から、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の一方の面に設けられたＩＩＩ族窒化物膜と、ＩＩＩ族窒化物膜担持体の他方の面に設けられたＩＩＩ族窒化物膜とを交互に使用することが好ましい。
【0031】
工程（Ｅ）
工程（Ｅ）では、ＴＨＶＰＥ法で、ベース基板の表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成し、ＩＩＩ族窒化物膜が厚膜になるまでＩＩＩ族窒化結晶の結晶成長を続け、ＩＩＩ族窒化物膜の厚膜を作製する。このＩＩＩ族窒化物膜の厚膜をＩＩＩ族窒化物基板として使用できる。これにより、これまで難しかったＩＩＩ族窒化物単結晶の厚膜化（長尺化）が可能となる。また、ＴＨＶＰＥ法で、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成するので、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長がさらに速くなり、一度のＩＩＩ族窒化物膜の転写で厚いＩＩＩ族窒化物膜を形成できる。このため、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は効率的、経済的であり、大変好ましい成膜方法である。
工程（Ｅ）では、ＴＨＶＰＥ法で、ベース基板の表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成し、ＩＩＩ族窒化物膜が厚膜になるまでＩＩＩ族窒化結晶の結晶成長を続け、ＩＩＩ族窒化物膜の厚膜を作製する。このＩＩＩ族窒化物膜の厚膜をＩＩＩ族窒化物基板として使用できる。これにより、これまで難しかったＩＩＩ族窒化物単結晶の厚膜化（長尺化）が可能となる。また、ＴＨＶＰＥ法で、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物膜を形成するので、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長がさらに速くなり、一度のＩＩＩ族窒化物膜の転写で厚いＩＩＩ族窒化物膜を形成できる。このため、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は効率的、経済的であり、大変好ましい成膜方法である。
【0032】
さらに、主成分がＩＩＩ族窒化物である多結晶のベース基板を用いるため、ベース基板の熱膨張率は、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜の熱膨張率と近似している。このため、成膜時や成膜後のベース基板の反りや熱応力によるＩＩＩ族窒化物膜の特性劣化を抑えることができる。これにより、高品質のＩＩＩ族窒化物膜を得ることができるとともに、これまで難しかったＩＩＩ族窒化物単結晶の厚膜化（長尺化）がさらに容易になる。加えて、ベース基板と、ベース基板に転写されたＩＩＩ族窒化物膜及び表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜とは同類物質であり、金属不純物の問題も発生しづらい。これにより、さらに高品質のＩＩＩ族窒化物膜を得ることができる。
【0033】
表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成されるＩＩＩ属窒化物膜のＩＩＩ族窒化物には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等が挙げられる。本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、ＧａＮ基板を特に好適に製造できるので、これらの中で、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜はＧａＮ膜であることが好ましい。また、表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜の上に形成するＩＩＩ族窒化物膜のＩＩＩ族窒化は表面がＮ面であるＩＩＩ族窒化物膜のＩＩＩ族窒化物と同様のものであることが好ましい。
【0034】
本発明はＩＩＩ族窒化物基板に好適な製造方法とその製造方法から得られた基板を提供するものである。ＩＩＩ族窒化物基板のＩＩＩ族窒化物は、基板の特性向上のために、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ等を添加した２元系のＩＩＩ属窒化物であってもよいし、３元系等の多元系のＩＩＩ族窒化物であってもよい。そのようなＩＩＩ族窒化物には、例えば、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ等が挙げられる。さらに、必要に応じてＩＩＩ族窒化物基板は、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｓｉ等のドーパントを含むことができる。
【0035】
［ＩＩＩ族窒化物基板］
本発明のＩＩＩ族窒化物基板は、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法により製造されたものである。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物基板は、大口径であり、かつ高品質である。
本発明のＩＩＩ族窒化物基板は、本発明のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法により製造されたものである。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物基板は、大口径であり、かつ高品質である。
【実施例】
【0036】
以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0037】
［実施例１］
０）ベース基板の準備
図１及び図２を参照して、実施例１におけるベース基板の作製を説明する。水冷ジャケットと排気口を有する内径１５００ｍｍ×高さ１８００ｍｍの不図示のステンレス製反応装置（内面は予め極薄くジルコニアを溶射し、コーテングした）にアルミナのマット状の断熱材１０を入れ、その内側に円筒状にロッド状のＳｉＣヒーターを持つ加熱装置９（内径１０００ｍｍ×高さ１３００ｍｍ）とガス供給管５（上記の反応装置と同材質で中心管６；内径φ３０ｍｍ、２番目の管８；内径φ４０ｍｍ、最外管７；内径φ５０ｍｍ）を設けた。一方、φ１７０ｍｍのＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製の３枚のサセプター３を１２０°間隔に配置収納するφ５２０ｍｍのＰＢＮコート・グラファイトのサセプター公転冶具４を準備した。このサセプター面に加熱ヒーターで１２５０℃に加熱しつつ、同時にサセプター公転冶具４は１０ｒｐｍで回転してサセプター３を公転させ、その公転歯車の力を用いて３枚の各サセプター３は３０ｒｐｍで自転させた。サセプターの温度及び回転の安定を確認した後、反応装置内部１に３重管の中心管６からＧａＣｌ３ガスを、最外管７からＮＨ３ガスを、中心管６と最外管７との間の２番目の管８からＮ２ガスを供給して常圧でＴＨＶＰＥ反応を開始した。ＧａＮ膜成長として約３００μｍ／ｈの膜成長速度で４時間反応させて、ＧａＮの多結晶２をサセプター３上に形成した。
０）ベース基板の準備
図１及び図２を参照して、実施例１におけるベース基板の作製を説明する。水冷ジャケットと排気口を有する内径１５００ｍｍ×高さ１８００ｍｍの不図示のステンレス製反応装置（内面は予め極薄くジルコニアを溶射し、コーテングした）にアルミナのマット状の断熱材１０を入れ、その内側に円筒状にロッド状のＳｉＣヒーターを持つ加熱装置９（内径１０００ｍｍ×高さ１３００ｍｍ）とガス供給管５（上記の反応装置と同材質で中心管６；内径φ３０ｍｍ、２番目の管８；内径φ４０ｍｍ、最外管７；内径φ５０ｍｍ）を設けた。一方、φ１７０ｍｍのＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製の３枚のサセプター３を１２０°間隔に配置収納するφ５２０ｍｍのＰＢＮコート・グラファイトのサセプター公転冶具４を準備した。このサセプター面に加熱ヒーターで１２５０℃に加熱しつつ、同時にサセプター公転冶具４は１０ｒｐｍで回転してサセプター３を公転させ、その公転歯車の力を用いて３枚の各サセプター３は３０ｒｐｍで自転させた。サセプターの温度及び回転の安定を確認した後、反応装置内部１に３重管の中心管６からＧａＣｌ３ガスを、最外管７からＮＨ３ガスを、中心管６と最外管７との間の２番目の管８からＮ２ガスを供給して常圧でＴＨＶＰＥ反応を開始した。ＧａＮ膜成長として約３００μｍ／ｈの膜成長速度で４時間反応させて、ＧａＮの多結晶２をサセプター３上に形成した。
【0038】
冷却後、得られたＧａＮの多結晶をＰＢＮサセプター３からＰＢＮの層間剥離しやすい部分で剥離した。そして、剥離した多結晶を、旋盤でφ１５５ｍｍの円盤とした。固定砥石を用いてこの円盤を研磨することにより、この円盤のＰＢＮ層を完全に除去した。さらに、砥石を用いて、この円盤の両面を円盤の厚さが７５０μｍになるまでさらに研磨した。そして、ＣＭＰ（化学機械研磨）でＧａＮの多結晶表面の鏡面仕上げを行い、円盤の表面を平滑にし、ＧａＮの多結晶製ベース基板を準備した。このＧａＮの多結晶製ベース基板の熱膨張率差を測ったところ略５．２ｐｐｍ／Ｋであった。因みにＧａＮ単結晶の熱膨張率は、５００℃において、約５．６ｐｐｍ／Ｋである。
【0039】
このベース基板上面にプラズマＣＶＤ装置でＳｉＯ２を０．５μｍ積層してＳｉＯ２膜を形成し、ＣＭＰで軽くＳｉＯ２膜を研磨し、ＳｉＯ２膜の厚さを０．４μｍとした。
【0040】
１）基板の両面にＧａＮ膜を成膜する工程
φ１５０ｍｍ×ｔ６２５μｍのＳｉ＜１１１＞基板の両面に通常のＭＯＣＶＤ法でＧａＮ膜を形成した。Ｓｉ＜１１１＞基板の表面におけるＧａＮ膜の厚さは５．７μｍであり、裏面のＧａＮ膜の厚さは５．８μｍであった。また、Ｓｉ＜１１１＞基板の表面及び裏面の両方においてＧａＮ膜の表面はＧａ面であった。また、Ｓｉ＜１１１＞基板の表面のみの成膜終了時の基板の曲率半径は３．５ｍであった。しかし、Ｓｉ＜１１１＞基板の裏面をさらに成膜した後の基板の曲率半径は３１ｍで、基板の反りはほとんど見られなかった。
φ１５０ｍｍ×ｔ６２５μｍのＳｉ＜１１１＞基板の両面に通常のＭＯＣＶＤ法でＧａＮ膜を形成した。Ｓｉ＜１１１＞基板の表面におけるＧａＮ膜の厚さは５．７μｍであり、裏面のＧａＮ膜の厚さは５．８μｍであった。また、Ｓｉ＜１１１＞基板の表面及び裏面の両方においてＧａＮ膜の表面はＧａ面であった。また、Ｓｉ＜１１１＞基板の表面のみの成膜終了時の基板の曲率半径は３．５ｍであった。しかし、Ｓｉ＜１１１＞基板の裏面をさらに成膜した後の基板の曲率半径は３１ｍで、基板の反りはほとんど見られなかった。
【0041】
２）ＧａＮ膜にイオン注入する工程
上記Ｓｉ＜１１１＞基板の表面におけるＧａＮ膜（膜厚５．７μｍ）に０．５μｍの深さまで水素イオンを注入した。
上記Ｓｉ＜１１１＞基板の表面におけるＧａＮ膜（膜厚５．７μｍ）に０．５μｍの深さまで水素イオンを注入した。
【0042】
３）ベース基板にＧａＮ膜を一括転写する工程
事前に準備しておいた上記ベース基板に、このイオン注入したＧａＮ膜を一括転写した。この転写によりベース基板上の転写されたＧａＮ膜の表面はＮ面であった。目的とするＧａＮ膜の種結晶基板としてこのＧａＮ膜を使用した。なお、残ったＳｉ＜１１１＞基板の裏面におけるＧａＮ膜は再利用用とした。
事前に準備しておいた上記ベース基板に、このイオン注入したＧａＮ膜を一括転写した。この転写によりベース基板上の転写されたＧａＮ膜の表面はＮ面であった。目的とするＧａＮ膜の種結晶基板としてこのＧａＮ膜を使用した。なお、残ったＳｉ＜１１１＞基板の裏面におけるＧａＮ膜は再利用用とした。
【0043】
４）ＧａＮ膜を積層・厚膜化する工程
ベース基板の作製で使用した装置でベース基板と同じ条件で、上記の種結晶基板を用いてＴＨＶＰＥ反応を７２時間継続して、種基板の上にＧａＮ単結晶を形成した。得られたＧａＮ単結晶は冷却後も反り及び変形がなく、大型で厚いＧａＮ単結晶が得られた。このＧａＮ単結晶を旋盤でφ１５０ｍｍ×厚さ約１５ｍｍに加工した後、ダイヤモンド切断及び両面研磨を実施してφ１５０ｍｍ×厚さ６２５μｍの実施例１のＧａＮ単結晶基板を１５枚作製した。
ベース基板の作製で使用した装置でベース基板と同じ条件で、上記の種結晶基板を用いてＴＨＶＰＥ反応を７２時間継続して、種基板の上にＧａＮ単結晶を形成した。得られたＧａＮ単結晶は冷却後も反り及び変形がなく、大型で厚いＧａＮ単結晶が得られた。このＧａＮ単結晶を旋盤でφ１５０ｍｍ×厚さ約１５ｍｍに加工した後、ダイヤモンド切断及び両面研磨を実施してφ１５０ｍｍ×厚さ６２５μｍの実施例１のＧａＮ単結晶基板を１５枚作製した。
【0044】
５）得られたＧａＮ単結晶基板の評価
得られた１５枚のＧａＮ基板のうち、最上層部のＧａＮ基板（最も種基板から離れている位置のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）において面内の任意の３点の平均が３５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが１ａｒｃｓｅｃであり、この基板は結晶性が極めて良好な基板であった。一方、１５枚の基板のうち、最下層部のＧａＮ基板（最も種基板側のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭにおいて、面内の任意の３点の平均が８０ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが４ａｒｃｓｅｃであり、最上層部のＧａＮ基板よりも結晶性がやや劣っていたが、この基板も結晶性が良好な基板であった。因みに上記の各基板の表面の化学分析をした結果、最上層部のＧａＮ基板及び最下層部のＧａＮ基板ともＧａＮ基板への金属汚染は検出限界以下であった。
得られた１５枚のＧａＮ基板のうち、最上層部のＧａＮ基板（最も種基板から離れている位置のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）において面内の任意の３点の平均が３５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが１ａｒｃｓｅｃであり、この基板は結晶性が極めて良好な基板であった。一方、１５枚の基板のうち、最下層部のＧａＮ基板（最も種基板側のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭにおいて、面内の任意の３点の平均が８０ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが４ａｒｃｓｅｃであり、最上層部のＧａＮ基板よりも結晶性がやや劣っていたが、この基板も結晶性が良好な基板であった。因みに上記の各基板の表面の化学分析をした結果、最上層部のＧａＮ基板及び最下層部のＧａＮ基板ともＧａＮ基板への金属汚染は検出限界以下であった。
【0045】
さらに積層欠陥を単色Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ像で観察した結果、最上層部のＧａＮ基板には積層欠陥が全く見られなかった。一方、最下層部のＧａＮ基板では極僅かな積層欠陥が見られたが、その程度はＭＯＣＶＤ法によるＧａＮ基板と同程度であった。以上の結果から実施例１のＧａＮ基板結晶は、大口径であり高品質のＧａＮ結晶基板であることが示された。
【0046】
［比較例１］
Ｓｉ＜１１１＞基板の両面におけるＧａＮ膜の成膜の成膜方法をＭＯＣＶＤ法からＴＨＶＰＥ法に変えた。ＭＯＣＶＤ法では得られたＧａＮ膜の表面はＧａ面であったが、ＴＨＶＰＥ法では得られたＧａＮ面の表面はＮ面であった。このため、イオン注入後にベース基板へ一括転写でＧａＮ膜の表面はＧａ面となってしまった。ＴＨＶＰＥ反応により形成されるＧａＮ膜は、ＧａＮ膜のＧａ面にはミスマッチである。このため、ＴＨＶＰＥ法によってＧａＮ膜の厚膜（長尺）化を実施するために表面がＮ面であるＧａＮ膜を得るために、ＧａＮ膜を他のＳｉ＜１１１＞基板に転写し、Ｓｉ＜１１１＞基板に転写したＧａＮ膜をさらにベース基板に転写しなければならず実用的ではなかった。
Ｓｉ＜１１１＞基板の両面におけるＧａＮ膜の成膜の成膜方法をＭＯＣＶＤ法からＴＨＶＰＥ法に変えた。ＭＯＣＶＤ法では得られたＧａＮ膜の表面はＧａ面であったが、ＴＨＶＰＥ法では得られたＧａＮ面の表面はＮ面であった。このため、イオン注入後にベース基板へ一括転写でＧａＮ膜の表面はＧａ面となってしまった。ＴＨＶＰＥ反応により形成されるＧａＮ膜は、ＧａＮ膜のＧａ面にはミスマッチである。このため、ＴＨＶＰＥ法によってＧａＮ膜の厚膜（長尺）化を実施するために表面がＮ面であるＧａＮ膜を得るために、ＧａＮ膜を他のＳｉ＜１１１＞基板に転写し、Ｓｉ＜１１１＞基板に転写したＧａＮ膜をさらにベース基板に転写しなければならず実用的ではなかった。
【0047】
［実施例２］
０）ベース基板の準備
実施例１の反応を３０Ｔｏｒｒの減圧下で７８時間行い、その後研削、研磨して６２５μｍの厚さの多結晶ＧａＮのベース基板を作成した。
０）ベース基板の準備
実施例１の反応を３０Ｔｏｒｒの減圧下で７８時間行い、その後研削、研磨して６２５μｍの厚さの多結晶ＧａＮのベース基板を作成した。
【0048】
１）基板の両面にＧａＮ膜を成膜する工程
φ１５０ｍｍ×ｔ６２５μｍのＣ面サファイア基板の両面にＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を形成した。Ｃ面サファイア基板の表面におけるＧａＮ膜の厚さは８．５μｍであり、裏面のＧａＮ膜の厚さは８．４μｍであった。また、Ｃ面サファイア基板の表面及び裏面の両方においてＧａＮ膜の表面はＧａ面であった。また、Ｃ面サファイア基板の表面のみの成膜終了時の基板の曲率半径は２．５ｍであった。しかし、Ｃ面サファイア基板の裏面をさらに成膜した後の基板の曲率半径は２５ｍで、基板の反りは極めて小さかった。
φ１５０ｍｍ×ｔ６２５μｍのＣ面サファイア基板の両面にＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を形成した。Ｃ面サファイア基板の表面におけるＧａＮ膜の厚さは８．５μｍであり、裏面のＧａＮ膜の厚さは８．４μｍであった。また、Ｃ面サファイア基板の表面及び裏面の両方においてＧａＮ膜の表面はＧａ面であった。また、Ｃ面サファイア基板の表面のみの成膜終了時の基板の曲率半径は２．５ｍであった。しかし、Ｃ面サファイア基板の裏面をさらに成膜した後の基板の曲率半径は２５ｍで、基板の反りは極めて小さかった。
【0049】
２）ＧａＮ膜にイオン注入する工程
上記Ｃ面サファイア基板の表面におけるＧａＮ膜（膜厚８．５μｍ）に０．６μｍの深さまで水素イオンを注入した。
上記Ｃ面サファイア基板の表面におけるＧａＮ膜（膜厚８．５μｍ）に０．６μｍの深さまで水素イオンを注入した。
【0050】
３）ベース基板にＧａＮ膜を一括転写する工程
事前に準備しておいた上記ベース基板に、このイオン注入したＧａＮ膜を一括転写した。この転写によりベース基板上の転写されたＧａＮ膜の表面はＮ面であった。目的とするＧａＮ膜の種結晶基板としてこのＧａＮ膜を使用した。なお、残ったＣ面サファイア基板の裏面におけるＧａＮ膜は再利用用とした。
事前に準備しておいた上記ベース基板に、このイオン注入したＧａＮ膜を一括転写した。この転写によりベース基板上の転写されたＧａＮ膜の表面はＮ面であった。目的とするＧａＮ膜の種結晶基板としてこのＧａＮ膜を使用した。なお、残ったＣ面サファイア基板の裏面におけるＧａＮ膜は再利用用とした。
【0051】
４）ＧａＮ膜を積層・厚膜化する工程
ベース基板の作製で使用した装置でベース基板と同じ条件で、上記の種結晶基板を用いてＴＨＶＰＥ反応を７２時間継続して、種基板の上にＧａＮ単結晶を形成した。得られたＧａＮ単結晶は冷却後も反り及び変形がなく、大型で厚いＧａＮ単結晶が得られた。このＧａＮ単結晶を旋盤でφ１５０ｍｍ×厚さ約１５ｍｍに加工した後、ダイヤモンド切断及び両面研磨を実施してφ１５０ｍｍ×厚さ６２５μｍの実施例１のＧａＮ単結晶基板を１５枚作製した。
ベース基板の作製で使用した装置でベース基板と同じ条件で、上記の種結晶基板を用いてＴＨＶＰＥ反応を７２時間継続して、種基板の上にＧａＮ単結晶を形成した。得られたＧａＮ単結晶は冷却後も反り及び変形がなく、大型で厚いＧａＮ単結晶が得られた。このＧａＮ単結晶を旋盤でφ１５０ｍｍ×厚さ約１５ｍｍに加工した後、ダイヤモンド切断及び両面研磨を実施してφ１５０ｍｍ×厚さ６２５μｍの実施例１のＧａＮ単結晶基板を１５枚作製した。
【0052】
５）得られたＧａＮ単結晶基板の評価
得られた１５枚のＧａＮ基板のうち、最上層部のＧａＮ基板（最も種基板から離れている位置のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）において面内の任意の３点の平均が４５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが２ａｒｃｓｅｃであり、この基板は結晶性が極めて良好な基板であった。一方、１５枚の基板のうち、最下層部のＧａＮ基板（最も種基板側のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭにおいて、面内の任意の３点の平均が９５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが６ａｒｃｓｅｃであり、最上層部のＧａＮ基板よりも結晶性がやや劣っていたが、この基板も結晶性が良好な基板であった。因みに上記の各基板の表面の化学分析をした結果、最上層部のＧａＮ基板及び最下層部のＧａＮ基板ともＧａＮ基板への金属汚染は検出限界以下であった。
得られた１５枚のＧａＮ基板のうち、最上層部のＧａＮ基板（最も種基板から離れている位置のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）において面内の任意の３点の平均が４５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが２ａｒｃｓｅｃであり、この基板は結晶性が極めて良好な基板であった。一方、１５枚の基板のうち、最下層部のＧａＮ基板（最も種基板側のＧａＮ基板）では、（００２）面のＸ線ロッキングカーブのＦＷＨＭにおいて、面内の任意の３点の平均が９５ａｒｃｓｅｃであり、バラツキが６ａｒｃｓｅｃであり、最上層部のＧａＮ基板よりも結晶性がやや劣っていたが、この基板も結晶性が良好な基板であった。因みに上記の各基板の表面の化学分析をした結果、最上層部のＧａＮ基板及び最下層部のＧａＮ基板ともＧａＮ基板への金属汚染は検出限界以下であった。
【0053】
さらに積層欠陥を単色Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ像で観察した結果、最上層部のＧａＮ基板には積層欠陥が全く見られなかった。一方、最下層部のＧａＮ基板では極僅かな積層欠陥が見られたが、その程度はＭＯＣＶＤ法のＧａＮ基板と同程度であった。以上の結果から実施例２のＧａＮ基板結晶は、大口径であり高品質のＧａＮ結晶基板が得られたことを示した。
【符号の説明】
【0054】
１ 反応装置内部
２ ＧａＮの多結晶
３ サセプター
４ サセプター公転冶具
５ ガス供給管
６ 中心管
７ 最外管
８ ２番目の管
９ 加熱装置
１０ 断熱材
２ ＧａＮの多結晶
３ サセプター
４ サセプター公転冶具
５ ガス供給管
６ 中心管
７ 最外管
８ ２番目の管
９ 加熱装置
１０ 断熱材
【図1】
【図2】
