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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】2024-07-18
(45)【発行日】2024-07-26
(54)【発明の名称】ＧａＮ結晶および基板
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20240719BHJP
C30B 23/02 20060101ALI20240719BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240719BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B23/02
H01L21/205
【請求項の数】
28
(21)【出願番号】P 2021502114
(86)(22)【出願日】2020-02-19
(86)【国際出願番号】 JP2020006644
(87)【国際公開番号】W WO2020171147
(87)【国際公開日】2020-08-27
【審査請求日】2023-01-18
(31)【優先権主張番号】P 2019029968
(32)【優先日】2019-02-22
(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
(73)【特許権者】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】江夏 悠貴
(72)【発明者】
【氏名】大島 祐一
【審査官】神▲崎▼ 賢一
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０７８９６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１４５０４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１２０４６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０６０３４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８４２６３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｃ３０Ｂ ２３／０２
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、
室温抵抗率が１×１０ １１ Ωｃｍ以上であることを特徴とするＧａＮ結晶。
【請求項2】
Ｆｅ濃度が６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１に記載のＧａＮ結晶。
【請求項3】
Ｆｅ濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である、請求項１または２に記載のＧａＮ結晶。
【請求項4】
１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項5】
２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項6】
３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項7】
抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、請求項２に記載のＧａＮ結晶。
【請求項8】
前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満である、請求項１～７のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項9】
前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満である、請求項１～８のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項10】
面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、半絶縁性であること、および、下記（Ａ）および（Ｂ）から選ばれる一以上を充足することを特徴とするＧａＮ結晶。（Ａ）該（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満
（Ｂ）該（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満
【請求項11】
室温抵抗率が１×１０１１Ωｃｍ以上である、請求項１０に記載のＧａＮ結晶。
【請求項12】
１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上である、請求項１０または１１に記載のＧａＮ結晶。
【請求項13】
２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上である、請求項１０～１２のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項14】
３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上である、請求項１０～１３のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項15】
抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、請求項１０に記載のＧａＮ結晶。
【請求項16】
Ｆｅでドープされている、請求項１１～１５のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項17】
総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である、前記請求項１１～１６のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項18】
請求項１～１７のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶からなる基板。
【請求項19】
単結晶ＧａＮ基板である、請求項１８に記載の基板。
【請求項20】
前記ＧａＮ結晶のみからなる、請求項１８または１９に記載の基板。
【請求項21】
前記ＧａＮ結晶からなるＧａＮ層が支持基板上に積層されてなる、請求項１８に記載の基板。
【請求項22】
請求項１８～２１のいずれか一項に記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなるエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項23】
請求項１８～２１のいずれか一項に記載の基板と、該基板にエピタキシャル成長したひとつ以上の窒化物半導体層と、からなるエピタキシャルウエハ。
【請求項24】
請求項１８～２１のいずれか一項に記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなる窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項25】
ＧａＮ－ＨＥＭＴの製造方法である、請求項２４に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項26】
面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、
３００℃における抵抗率が１×１０ ８ Ωｃｍ以上であることを特徴とするＧａＮ結晶。
【請求項27】
面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、
前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
【請求項28】
面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、
前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０ ７ ｃｍ －２ 未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はＧａＮ結晶および基板に関し、とりわけ、半絶縁性ＧａＮ結晶および半絶縁性ＧａＮ結晶からなる基板に関する。
【背景技術】
【0002】
ＧａＮ（窒化ガリウム）はIII族窒化物化合物の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
近年、ＧａＮ－ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）用の基板として、半絶縁性ＧａＮ層を表面層として設けた基板や、全体が半絶縁性ＧａＮ結晶からなる単結晶ＧａＮ基板が、検討されている（特許文献１）。
通常、１×１０５Ωｃｍ以上の室温抵抗率を有するＧａＮが、半絶縁性ＧａＮと呼ばれる。
近年、ＧａＮ－ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）用の基板として、半絶縁性ＧａＮ層を表面層として設けた基板や、全体が半絶縁性ＧａＮ結晶からなる単結晶ＧａＮ基板が、検討されている（特許文献１）。
通常、１×１０５Ωｃｍ以上の室温抵抗率を有するＧａＮが、半絶縁性ＧａＮと呼ばれる。
【0003】
ＧａＮを半絶縁性にするには、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃ（炭素）のような、ｎ型キャリアを補償する作用のある不純物でドープすればよいことが知られている。このような不純物は補償不純物と呼ばれることがある。
特許文献１に記載されたところによれば、ある特定の条件下において、室温抵抗率が８．５×１０９Ωｃｍで（００４）ＸＲＤロッキングカーブの半値幅が３３ａｒｃｓｅｃである、厚さ５μｍのＦｅドープ半絶縁性ＧａＮ層を、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）でサファイア基板上に成長させ得たという。なお、該Ｆｅドープ半絶縁性ＧａＮ層の転位密度は１×１０８／ｃｍ２台前半から１×１０７／ｃｍ２台後半の間であったと書かれている。
特許文献１に記載されたところによれば、ある特定の条件下において、室温抵抗率が８．５×１０９Ωｃｍで（００４）ＸＲＤロッキングカーブの半値幅が３３ａｒｃｓｅｃである、厚さ５μｍのＦｅドープ半絶縁性ＧａＮ層を、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）でサファイア基板上に成長させ得たという。なお、該Ｆｅドープ半絶縁性ＧａＮ層の転位密度は１×１０８／ｃｍ２台前半から１×１０７／ｃｍ２台後半の間であったと書かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１２－２４６１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、
ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に用いられ得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に用いられ得る基板に関する。
本発明者等は、ＨＶＰＥで成長されるＧａＮ結晶をＦｅでドープしたときの、ドナー不純物濃度の増加を効果的に抑える方法を見出し、本発明に想到した。また、本発明者等は、ドナー不純物の濃度を低く抑える一方で適度な濃度にＦｅをドープすることにより、好ましい特性を備える半絶縁性ＧａＮ結晶が得られることを見出し、本発明に想到した。
ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に用いられ得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に用いられ得る基板に関する。
本発明者等は、ＨＶＰＥで成長されるＧａＮ結晶をＦｅでドープしたときの、ドナー不純物濃度の増加を効果的に抑える方法を見出し、本発明に想到した。また、本発明者等は、ドナー不純物の濃度を低く抑える一方で適度な濃度にＦｅをドープすることにより、好ましい特性を備える半絶縁性ＧａＮ結晶が得られることを見出し、本発明に想到した。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の実施形態には以下の形態が含まれるが、限定されるものではない。
［１］面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
［２］Ｆｅ濃度が６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下または３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、前記［１］に記載のＧａＮ結晶。
［３］Ｆｅ濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である、前記［１］または［２］に記載のＧａＮ結晶。
［４］室温抵抗率が１×１０１１Ωｃｍ以上、２×１０１１Ωｃｍ以上、５×１０１１Ωｃｍ以上、１×１０１２Ωｃｍ以上、２×１０１２Ωｃｍ以上または５×１０１２Ωｃｍ以上である、前記［１］～［３］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［５］１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上、２×１０１０Ωｃｍ以上または５×１０１０Ωｃｍ以上である、前記［１］～［４］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［６］２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上、１×１０９Ωｃｍ以上または２×１０９Ωｃｍ以上である、前記［１］～［５］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［７］３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上、２×１０８Ωｃｍ以上または５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１］～［６］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［８］抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［３］に記載のＧａＮ結晶。
［９］前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満、２５ａｒｃｓｅｃ未満、２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満である、前記［１］～［８］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１０］前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満、５×１０６ｃｍ－２未満または１×１０６ｃｍ－２未満である、前記［１］～［９］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１１］面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、半絶縁性であること、および、下記（Ａ）および（Ｂ）から選ばれる一以上を充足することを特徴とするＧａＮ結晶。
（Ａ）該（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満、２５ａｒｃｓｅｃ未満、２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満
（Ｂ）該（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満、５×１０６ｃｍ－２未満または１×１０６ｃｍ－２未満
［１２］室温抵抗率が１×１０１１Ωｃｍ以上、２×１０１１Ωｃｍ以上、５×１０１１Ωｃｍ以上、１×１０１２Ωｃｍ以上、２×１０１２Ωｃｍ以上または５×１０１２Ωｃｍ以上である、前記［１１］に記載のＧａＮ結晶。
［１３］１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上、２×１０１０Ωｃｍ以上または５×１０１０Ωｃｍ以上である、前記［１１］または［１２］に記載のＧａＮ結晶。
［１４］２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上、１×１０９Ωｃｍ以上または２×１０９Ωｃｍ以上である、前記［１１］～［１３］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１５］３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上、２×１０８Ωｃｍ以上または５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１１］～［１４］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１６］抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１１］に記載のＧａＮ結晶。
［１７］Ｆｅでドープされている、前記［１２］～［１６］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１８］総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である、前記［１２］～［１７］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１９］前記［１］～［１８］のいずれかに記載のＧａＮ結晶からなる基板。
［２０］単結晶ＧａＮ基板である、前記［１９］に記載の基板。
［２１］前記ＧａＮ結晶のみからなる、前記［１９］または［２０］に記載の基板。
［２２］前記ＧａＮ結晶からなるＧａＮ層が支持基板上に積層されてなる、前記［１９］に記載の基板。
［２３］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなるエピタキシャルウエハの製造方法。
［２４］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板と、該基板にエピタキシャル成長したひとつ以上の窒化物半導体層と、からなるエピタキシャルウエハ。
［２５］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなる窒化物半導体デバイスの製造方法。
［２６］ＧａＮ－ＨＥＭＴの製造方法である、前記［２５］に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
［１］面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
［２］Ｆｅ濃度が６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下または３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、前記［１］に記載のＧａＮ結晶。
［３］Ｆｅ濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である、前記［１］または［２］に記載のＧａＮ結晶。
［４］室温抵抗率が１×１０１１Ωｃｍ以上、２×１０１１Ωｃｍ以上、５×１０１１Ωｃｍ以上、１×１０１２Ωｃｍ以上、２×１０１２Ωｃｍ以上または５×１０１２Ωｃｍ以上である、前記［１］～［３］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［５］１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上、２×１０１０Ωｃｍ以上または５×１０１０Ωｃｍ以上である、前記［１］～［４］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［６］２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上、１×１０９Ωｃｍ以上または２×１０９Ωｃｍ以上である、前記［１］～［５］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［７］３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上、２×１０８Ωｃｍ以上または５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１］～［６］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［８］抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［３］に記載のＧａＮ結晶。
［９］前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満、２５ａｒｃｓｅｃ未満、２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満である、前記［１］～［８］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１０］前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満、５×１０６ｃｍ－２未満または１×１０６ｃｍ－２未満である、前記［１］～［９］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１１］面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、半絶縁性であること、および、下記（Ａ）および（Ｂ）から選ばれる一以上を充足することを特徴とするＧａＮ結晶。
（Ａ）該（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満、２５ａｒｃｓｅｃ未満、２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満
（Ｂ）該（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０７ｃｍ－２未満、５×１０６ｃｍ－２未満または１×１０６ｃｍ－２未満
［１２］室温抵抗率が１×１０１１Ωｃｍ以上、２×１０１１Ωｃｍ以上、５×１０１１Ωｃｍ以上、１×１０１２Ωｃｍ以上、２×１０１２Ωｃｍ以上または５×１０１２Ωｃｍ以上である、前記［１１］に記載のＧａＮ結晶。
［１３］１００℃における抵抗率が１×１０１０Ωｃｍ以上、２×１０１０Ωｃｍ以上または５×１０１０Ωｃｍ以上である、前記［１１］または［１２］に記載のＧａＮ結晶。
［１４］２００℃における抵抗率が５×１０８Ωｃｍ以上、１×１０９Ωｃｍ以上または２×１０９Ωｃｍ以上である、前記［１１］～［１３］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１５］３００℃における抵抗率が１×１０８Ωｃｍ以上、２×１０８Ωｃｍ以上または５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１１］～［１４］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１６］抵抗率が、室温において１×１０１２Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０１０Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０９Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０８Ωｃｍ以上である、前記［１１］に記載のＧａＮ結晶。
［１７］Ｆｅでドープされている、前記［１２］～［１６］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１８］総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である、前記［１２］～［１７］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１９］前記［１］～［１８］のいずれかに記載のＧａＮ結晶からなる基板。
［２０］単結晶ＧａＮ基板である、前記［１９］に記載の基板。
［２１］前記ＧａＮ結晶のみからなる、前記［１９］または［２０］に記載の基板。
［２２］前記ＧａＮ結晶からなるＧａＮ層が支持基板上に積層されてなる、前記［１９］に記載の基板。
［２３］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなるエピタキシャルウエハの製造方法。
［２４］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板と、該基板にエピタキシャル成長したひとつ以上の窒化物半導体層と、からなるエピタキシャルウエハ。
［２５］前記［１９］～［２２］のいずれかに記載の基板を準備するステップと、該準備した基板の上にひとつ以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと、からなる窒化物半導体デバイスの製造方法。
［２６］ＧａＮ－ＨＥＭＴの製造方法である、前記［２５］に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、Ｆｅ等の補償不純物の濃度が比較的低くても半絶縁性を有することが可能であり、しかも結晶品質の良好なＧａＮ結晶が提供される。
本発明によれば、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に好適に用い得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型の窒化物半導体デバイスの製造に好適に用い得る基板が提供される。
本発明によれば、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に好適に用い得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型の窒化物半導体デバイスの製造に好適に用い得る基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
ＧａＮ結晶では、［０００１］および［０００－１］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（c-plane）、ｍ軸に直交する結晶面はｍ面（m-plane）、ａ軸に直交する結晶面はａ面（a-plane）と呼ばれる。
本明細書において、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。
六方晶のミラー指数（ｈｋｉｌ）は、ｈ＋ｋ＝－ｉの関係があることから、（ｈｋｌ）と３桁で表記されることもある。例えば、（０００４）を３桁で表記すると（００４）である。
本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味し、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下であることを意味する。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
本明細書において、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。
六方晶のミラー指数（ｈｋｉｌ）は、ｈ＋ｋ＝－ｉの関係があることから、（ｈｋｌ）と３桁で表記されることもある。例えば、（０００４）を３桁で表記すると（００４）である。
本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味し、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下であることを意味する。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【0010】
１．ＧａＮ結晶
本発明の第一実施形態はＧａＮ結晶に関する。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜は１０度以下（０度を含む）である。第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、様々な厚さを有してよく、自立した基板、他のＧａＮ結晶上に成長したエピタキシャル層、接合技術によって支持基板上に積層されたＧａＮ層など、様々な形態をとり得る。第一実施形態に係るＧａＮ結晶の形状は任意であり、後述する本発明の単結晶ＧａＮ基板が得られる形状であることが好ましい。
（０００１）表面の面積は、１８ｃｍ２以上、或いは７５ｃｍ２以上、或いは１６５ｃｍ２以上であってもよい。
本発明の第一実施形態はＧａＮ結晶に関する。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜は１０度以下（０度を含む）である。第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、様々な厚さを有してよく、自立した基板、他のＧａＮ結晶上に成長したエピタキシャル層、接合技術によって支持基板上に積層されたＧａＮ層など、様々な形態をとり得る。第一実施形態に係るＧａＮ結晶の形状は任意であり、後述する本発明の単結晶ＧａＮ基板が得られる形状であることが好ましい。
（０００１）表面の面積は、１８ｃｍ２以上、或いは７５ｃｍ２以上、或いは１６５ｃｍ２以上であってもよい。
【0011】
図１に示す結晶１０は、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の一例である。
結晶１０は、Ｇａ極性である（０００１）表面１１と、Ｎ極性である（０００－１）表面１２とを有している。
結晶１０において、（０００１）表面１１の（０００１）結晶面からの傾斜は、０度以上０．５度未満、０．５度以上１度未満、１度以上１．５度未満、１．５度以上２．５度未満、２．５度以上５度未満、５度以上１０度未満等であり得る。該傾斜は、好ましくは２．５度未満である。
結晶１０の表面がこのような結晶面であるということは、その成長過程において意図しないドナー不純物のドーピングが抑制されている、或いはコントロールされているということと密接な関係がある。
なお、（０００１）表面１１の全ての面が上記の数値範囲の傾斜をもつことは必須ではない。少なくとも面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面が、上記の数値範囲の傾斜であればよい。上記の数値範囲の傾斜をもつ（０００１）表面の面積は、１８ｃｍ２以上、或いは７５ｃｍ２以上、或いは１６５ｃｍ２以上であってもよい。
結晶１０は、Ｇａ極性である（０００１）表面１１と、Ｎ極性である（０００－１）表面１２とを有している。
結晶１０において、（０００１）表面１１の（０００１）結晶面からの傾斜は、０度以上０．５度未満、０．５度以上１度未満、１度以上１．５度未満、１．５度以上２．５度未満、２．５度以上５度未満、５度以上１０度未満等であり得る。該傾斜は、好ましくは２．５度未満である。
結晶１０の表面がこのような結晶面であるということは、その成長過程において意図しないドナー不純物のドーピングが抑制されている、或いはコントロールされているということと密接な関係がある。
なお、（０００１）表面１１の全ての面が上記の数値範囲の傾斜をもつことは必須ではない。少なくとも面積５ｃｍ２以上の（０００１）表面が、上記の数値範囲の傾斜であればよい。上記の数値範囲の傾斜をもつ（０００１）表面の面積は、１８ｃｍ２以上、或いは７５ｃｍ２以上、或いは１６５ｃｍ２以上であってもよい。
【0012】
結晶１０の厚さｔは、通常１μｍ以上であり、上限は特に無いが通常４ｍｍ以下である。厚さｔは、５μｍ以上２００μｍ未満、２００μｍ以上５００μｍ未満、５００μｍ以上１ｍｍ未満、１ｍｍ以上等であり得る。
結晶１０の（０００１）表面１１は、好ましくは、２０ｍｍ以上の直径を有する。また、後述する本発明の単結晶ＧａＮ基板が得られる形状であることが好ましい。そのため、後述する基板１００の直径Ｒを超える直径であることが好ましい。
結晶１０の（０００１）表面１１は、好ましくは、２０ｍｍ以上の直径を有する。また、後述する本発明の単結晶ＧａＮ基板が得られる形状であることが好ましい。そのため、後述する基板１００の直径Ｒを超える直径であることが好ましい。
【0013】
好適例において、第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、Ｆｅ濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、総ドナー不純物濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。総ドナー不純物濃度は、好ましくは３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。
総ドナー不純物濃度とは、第一実施形態に係るＧａＮ結晶が含有するドナー不純物の濃度の総和である。ＧａＮに対しドナーとして働く不純物としては、Ｏ（酸素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｓ（硫黄）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（錫）などが知られている。
総ドナー不純物濃度とは、第一実施形態に係るＧａＮ結晶が含有するドナー不純物の濃度の総和である。ＧａＮに対しドナーとして働く不純物としては、Ｏ（酸素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｓ（硫黄）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（錫）などが知られている。
【0014】
後述するように第一実施形態に係るＧａＮ結晶はＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）で成長されることから、該ＧａＮ結晶にはＯ（酸素）およびＳｉ（ケイ素）が、意図的に添加しないにも拘らず、それぞれ１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台以上の濃度で含有され得る。一方、第一実施形態に係るＧａＮ結晶に、ＯおよびＳｉを除く他のドナー不純物が無視できない濃度で含有されるのは、かかるドナー不純物で意図的なドーピングが行なわれたときだけである。なお「意図的なドーピング」とは、対象とする元素をＧａＮ結晶にドーピングするために、原料として当該元素を単体或いは化合物として添加する場合等を意味する。
従って、ＯおよびＳｉを除くドナー不純物で意図的にドープしたときでなければ、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の総ドナー不純物濃度は、Ｏ濃度とＳｉ濃度の和に等しいとみなしてよい。
従って、ＯおよびＳｉを除くドナー不純物で意図的にドープしたときでなければ、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の総ドナー不純物濃度は、Ｏ濃度とＳｉ濃度の和に等しいとみなしてよい。
【0015】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、Ｆｅ濃度と総ドナー不純物濃度との差が大きいだけでなく、総ドナー不純物濃度が低いことから、第一実施形態に係るＧａＮ結晶では、抵抗率がドナー不純物濃度の変動による影響を受け難いと考えられる。
また、第一実施形態に係るＧａＮ結晶では、総ドナー不純物濃度が低いので、比較的低いＦｅ濃度で高い抵抗率を実現できることが大きな特徴である。
例えば、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の室温抵抗率は、Ｆｅ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のときに５×１０１２Ωｃｍ、Ｆｅ濃度が６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のときに７×１０１２Ωｃｍに達し得る。
また、第一実施形態に係るＧａＮ結晶では、総ドナー不純物濃度が低いので、比較的低いＦｅ濃度で高い抵抗率を実現できることが大きな特徴である。
例えば、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の室温抵抗率は、Ｆｅ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のときに５×１０１２Ωｃｍ、Ｆｅ濃度が６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のときに７×１０１２Ωｃｍに達し得る。
【0016】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶のＦｅ濃度は、６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、更には、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってもよい。第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、Ｆｅ濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のときに、以下の抵抗率を有し得る。
・室温において１×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ１×１０１２Ωｃｍ以上。
・１００℃において１×１０１０Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０１０Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０１０Ωｃｍ以上。
・２００℃において５×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ１×１０９Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０９Ωｃｍ以上。
・３００℃において１×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０８Ωｃｍ以上。
・室温において１×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０１１Ωｃｍ以上、とりわけ１×１０１２Ωｃｍ以上。
・１００℃において１×１０１０Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０１０Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０１０Ωｃｍ以上。
・２００℃において５×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ１×１０９Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０９Ωｃｍ以上。
・３００℃において１×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ２×１０８Ωｃｍ以上、とりわけ５×１０８Ωｃｍ以上。
【0017】
同じ抵抗率を得るためにＧａＮ結晶に添加する必要のあるＦｅの濃度を低くできることは、Ｆｅの添加による結晶品質や熱伝導率の低下を抑制するうえで好都合である。
図２は、単結晶ＧａＮ基板をシードに用いてＨＶＰＥで成長させたアンドープとＦｅ濃度３．７×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＧａＮ結晶の熱伝導率を、室温から３００℃までの間で測定した結果であり、熱伝導率がＦｅドーピングの影響を実質的に受けていないことが分かる。
図２は、単結晶ＧａＮ基板をシードに用いてＨＶＰＥで成長させたアンドープとＦｅ濃度３．７×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＧａＮ結晶の熱伝導率を、室温から３００℃までの間で測定した結果であり、熱伝導率がＦｅドーピングの影響を実質的に受けていないことが分かる。
【0018】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、補償不純物のひとつであるＣを、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による検出下限（約５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上の濃度、かつ、好ましくは１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の濃度で含有してもよい。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、実用上支障が生じない限りで、例えばＭｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などといった、ＦｅおよびＣ以外の補償不純物を含有してもよい。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、以上で言及した不純物の他にＨ（水素）を含有してもよく、その濃度は例えば１０１６～１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台であり得る。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、実用上支障が生じない限りで、例えばＭｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などといった、ＦｅおよびＣ以外の補償不純物を含有してもよい。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、以上で言及した不純物の他にＨ（水素）を含有してもよく、その濃度は例えば１０１６～１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台であり得る。
【0019】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、以下に示す、ＧａＮ結晶の（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅の好適範囲、及び（０００１）表面における貫通転位密度の好適範囲から選ばれる一以上を充足することが好ましい。ここで半値全幅とは、一般に半値幅と言われるものと同義である。
【0020】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶の（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅は、好ましくは３０ａｒｃｓｅｃ未満、より好ましくは２５ａｒｃｓｅｃ未満、更に好ましくは２０ａｒｃｓｅｃ未満、更に好ましくは１８ａｒｃｓｅｃ未満、更に好ましくは１６ａｒｃｓｅｃ未満、更に好ましくは１４ａｒｃｓｅｃ未満、更に好ましくは１２ａｒｃｓｅｃ未満である。
（００４）ＸＲＤロッキングカーブは、結晶品質を示す指標のひとつであり、ＣｕＫα１放射を用いて測定される。測定では、Ｘ線管球を例えば電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡで動作させる。
（００４）ＸＲＤロッキングカーブは、結晶品質を示す指標のひとつであり、ＣｕＫα１放射を用いて測定される。測定では、Ｘ線管球を例えば電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡで動作させる。
【0021】
（００４）ＸＲＤロッキングカーブ測定において、Ｘ線を（０００１）表面に入射させるときには、Ｘ線の入射面をａ軸またはｍ軸と垂直にすることができる。
Ｘ線のビームサイズは、入射角（反射面とＸ線とがなす角度）を９０°としたとき、すなわちＸ線を反射面である（００４）面に垂直に入射させたときに、（０００１）表面上における照射エリアのサイズが、ω軸に平行な方向について５ｍｍ、ω軸に垂直な方向について１ｍｍとなるように設定することができる。ω軸とは、ロッキングカーブ測定における試料の回転軸である。
Ｘ線のビームサイズをこのように設定したとき、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ測定ではωが約３６．５°であることから、該照射エリアのサイズは約１．７×５ｍｍ２である。
Ｘ線のビームサイズは、入射角（反射面とＸ線とがなす角度）を９０°としたとき、すなわちＸ線を反射面である（００４）面に垂直に入射させたときに、（０００１）表面上における照射エリアのサイズが、ω軸に平行な方向について５ｍｍ、ω軸に垂直な方向について１ｍｍとなるように設定することができる。ω軸とは、ロッキングカーブ測定における試料の回転軸である。
Ｘ線のビームサイズをこのように設定したとき、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ測定ではωが約３６．５°であることから、該照射エリアのサイズは約１．７×５ｍｍ２である。
【0022】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶の貫通転位密度は、通常、１×１０７ｃｍ－２未満であり、好ましくは５×１０６ｃｍ－２未満、より好ましくは１×１０６ｃｍ－２未満、更に好ましくは５×１０５ｃｍ－２未満、更に好ましくは１×１０５ｃｍ－２未満である。
特に好ましい例において、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の（０００１）表面を図３に示すように正方格子によって５ｍｍ×５ｍｍのセルに分けたとき、貫通転位の無い１００μｍ×１００μｍの正方形領域が各５ｍｍ×５ｍｍセル内に少なくともひとつ存在する。
貫通転位には刃状、螺旋および混合の３種類があるが、本明細書ではこれらを区別せず、総称して貫通転位と呼んでいる。
特に好ましい例において、第一実施形態に係るＧａＮ結晶の（０００１）表面を図３に示すように正方格子によって５ｍｍ×５ｍｍのセルに分けたとき、貫通転位の無い１００μｍ×１００μｍの正方形領域が各５ｍｍ×５ｍｍセル内に少なくともひとつ存在する。
貫通転位には刃状、螺旋および混合の３種類があるが、本明細書ではこれらを区別せず、総称して貫通転位と呼んでいる。
【0023】
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は半絶縁性でキャリア濃度が低いので、その（０００１）表面における貫通転位の存否や密度を、ＣＬ（カソードルミネッセンス）像観察によって調べることができない。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶における貫通転位の存否や密度は、２７０℃に加熱した濃度８９％の硫酸で１時間エッチングすることによって調べることができる。かかるエッチングにより（０００１）表面に形成されるエッチピットは貫通転位に対応しており、その密度は貫通転位密度と等価である。このことは、ＨＶＰＥで成長させた導電性ＧａＮ結晶を同じ条件でエッチングしたときに形成されるエッチピットと、カソードルミネッセンス（ＣＬ）像に現れる暗点との対応関係を調べることにより確認されている。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶を得る方法は限定されるものではないが、具体的には、後述するＧａＮ結晶成長方法等によって得ることができる。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶における貫通転位の存否や密度は、２７０℃に加熱した濃度８９％の硫酸で１時間エッチングすることによって調べることができる。かかるエッチングにより（０００１）表面に形成されるエッチピットは貫通転位に対応しており、その密度は貫通転位密度と等価である。このことは、ＨＶＰＥで成長させた導電性ＧａＮ結晶を同じ条件でエッチングしたときに形成されるエッチピットと、カソードルミネッセンス（ＣＬ）像に現れる暗点との対応関係を調べることにより確認されている。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶を得る方法は限定されるものではないが、具体的には、後述するＧａＮ結晶成長方法等によって得ることができる。
【0024】
２．単結晶ＧａＮ基板
本発明の第二実施形態はＧａＮ結晶からなる基板、特に、単結晶ＧａＮ基板に関する。単結晶ＧａＮ基板とは、ＧａＮ単結晶のみからなる自立した基板であり得る。
第二実施形態に係るＧａＮ基板は、少なくとも一部が、前述の第一実施形態に係るＧａＮ結晶から構成されている。このため、第二実施形態に係るＧａＮ基板は、前記した第一実施形態に係るＧａＮ結晶が奏することのできる効果を、同様に発現することができる。
図４に示す基板１００は、第二実施形態に係るＧａＮ基板の一例であり、Ｇａ極性である（０００１）表面１０１と、Ｎ極性である（０００－１）表面１０２とを有している。
本発明の第二実施形態はＧａＮ結晶からなる基板、特に、単結晶ＧａＮ基板に関する。単結晶ＧａＮ基板とは、ＧａＮ単結晶のみからなる自立した基板であり得る。
第二実施形態に係るＧａＮ基板は、少なくとも一部が、前述の第一実施形態に係るＧａＮ結晶から構成されている。このため、第二実施形態に係るＧａＮ基板は、前記した第一実施形態に係るＧａＮ結晶が奏することのできる効果を、同様に発現することができる。
図４に示す基板１００は、第二実施形態に係るＧａＮ基板の一例であり、Ｇａ極性である（０００１）表面１０１と、Ｎ極性である（０００－１）表面１０２とを有している。
【0025】
基板１００の直径Ｒは、通常２０ｍｍ以上であり、典型的には、２５～２７ｍｍ（約１インチ）、５０～５５ｍｍ（約２インチ）、１００～１０５ｍｍ（約４インチ）、１５０～１５５ｍｍ（約６インチ）等である。
基板１００の厚さｔは、直径Ｒに応じて、基板１００のハンドリングが困難とならない値に設定される。例えば、基板１００の直径Ｒが約２インチのとき、厚さｔは好ましくは２５０～５００μｍ、より好ましくは３００～４５０μｍである。
基板１００の厚さｔは、直径Ｒに応じて、基板１００のハンドリングが困難とならない値に設定される。例えば、基板１００の直径Ｒが約２インチのとき、厚さｔは好ましくは２５０～５００μｍ、より好ましくは３００～４５０μｍである。
【0026】
基板１００の２つの大面積表面のうち、おもて面として窒化物半導体層のエピタキシャル成長に使用されるのは（０００１）表面１０１である。（０００１）表面１０１は鏡面仕上げされており、ＡＦＭで測定されるその根二乗平均（ＲＭＳ）粗さは、測定範囲２μｍ×２μｍにおいて通常２ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ未満、より好ましくは０．５ｎｍ未満である。
（０００－１）表面１０２は裏面であることから、鏡面仕上げでもよいし、艶消し仕上げでもよい。
（０００－１）表面１０２は裏面であることから、鏡面仕上げでもよいし、艶消し仕上げでもよい。
【0027】
基板１００のエッジは面取りされていてもよい。
基板１００には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットまたはノッチ、おもて面と裏面の識別を容易にするためのインデックス・フラット等、必要に応じて様々なマーキングを施してもよい。
基板１００は円盤形であるが、変形例では、（０００１）表面１０１および（０００－１）表面１０２の形状が正方形、長方形、六角形、八角形、楕円形などであってもよく、不定形であってもよい。
基板１００には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットまたはノッチ、おもて面と裏面の識別を容易にするためのインデックス・フラット等、必要に応じて様々なマーキングを施してもよい。
基板１００は円盤形であるが、変形例では、（０００１）表面１０１および（０００－１）表面１０２の形状が正方形、長方形、六角形、八角形、楕円形などであってもよく、不定形であってもよい。
【0028】
図５に、基板１００を（０００１）表面１０１に垂直な平面で切断したときの切断面を示す。
基板１００のうち、（０００１）表面１０１を含む第一領域１１０は、前述の第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなる。
第一領域１１０の厚さｔ１が基板１０の厚さｔよりも小さいとき、図５に示すように、基板１００は（０００－１）表面１０２側に第二領域１２０を有する。
第二領域１２０は、室温抵抗率が１×１０５Ωｃｍ未満のＧａＮ結晶、すなわち半絶縁性ではないＧａＮ結晶からなる。
基板１００のうち、（０００１）表面１０１を含む第一領域１１０は、前述の第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなる。
第一領域１１０の厚さｔ１が基板１０の厚さｔよりも小さいとき、図５に示すように、基板１００は（０００－１）表面１０２側に第二領域１２０を有する。
第二領域１２０は、室温抵抗率が１×１０５Ωｃｍ未満のＧａＮ結晶、すなわち半絶縁性ではないＧａＮ結晶からなる。
【0029】
第二領域１２０における補償不純物の総濃度は、通常、第一領域１１０のそれより低い。第二領域１２０は、第一領域１１０との境界近傍に、第一領域１１０に近付くにつれて補償不純物の総濃度が段階的または連続的に増加する領域を有していてもよい。
第一領域１１０と第二領域１２０を有する基板１００は、第一領域１１０の上にエピタキシャル成長によって第二領域１２０を形成すること、または、第二領域１２０の上にエピタキシャル成長によって第一領域１１０を形成することによって、製造することができる。
一例では、図６に示すように、基板１００の厚さが第一領域１１０の厚さｔ１に等しくてもよい。換言すれば、基板１００は、第一実施形態に係るＧａＮ結晶のみからなっていてもよい。
第一領域１１０と第二領域１２０を有する基板１００は、第一領域１１０の上にエピタキシャル成長によって第二領域１２０を形成すること、または、第二領域１２０の上にエピタキシャル成長によって第一領域１１０を形成することによって、製造することができる。
一例では、図６に示すように、基板１００の厚さが第一領域１１０の厚さｔ１に等しくてもよい。換言すれば、基板１００は、第一実施形態に係るＧａＮ結晶のみからなっていてもよい。
【0030】
３．ＧａＮ結晶成長方法
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、通常、ＨＶＰＥにより成長される。第一実施形態に係るＧａＮ結晶の成長に適したＨＶＰＥ装置と、該装置を用いて第一実施形態に係るＧａＮ結晶を成長させるときに用い得る条件について、以下に説明する。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、通常、ＨＶＰＥにより成長される。第一実施形態に係るＧａＮ結晶の成長に適したＨＶＰＥ装置と、該装置を用いて第一実施形態に係るＧａＮ結晶を成長させるときに用い得る条件について、以下に説明する。
【0031】
３．１．ＨＶＰＥ装置
第一実施形態に係るＧａＮ結晶の成長に適したＨＶＰＥ装置の基本構成を、図７に模式的に示す。
図７を参照すると、ＨＶＰＥ装置１は、ホットウォール型のリアクター２と、該リアクター内に配置されるガリウム溜め３およびサセプター４と、該リアクターの外部に配置される第一ヒーター５、第二ヒーター６および気化器７とを備えている。第一ヒーター５および第二ヒーター６は、それぞれ、リアクター２を環状に取り囲んでいる。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶の成長に適したＨＶＰＥ装置の基本構成を、図７に模式的に示す。
図７を参照すると、ＨＶＰＥ装置１は、ホットウォール型のリアクター２と、該リアクター内に配置されるガリウム溜め３およびサセプター４と、該リアクターの外部に配置される第一ヒーター５、第二ヒーター６および気化器７とを備えている。第一ヒーター５および第二ヒーター６は、それぞれ、リアクター２を環状に取り囲んでいる。
【0032】
リアクター２は石英管チャンバーである。リアクター２内には、主に第一ヒーター５で加熱される第一ゾーンＺ１と、主に第二ヒーター６で加熱される第二ゾーンＺ２がある。排気管ＰＥは第二ゾーンＺ２側のリアクター端に接続される。
第一ゾーンＺ１に配置されるガリウム溜め３は、ガス入口とガス出口を有する容器であり、カーボンまたは石英で形成され得る他、カーボン部品と石英部品を組み合わせて形成することもできる。
第二ゾーンＺ２に配置されるサセプター４は、例えばグラファイトで形成されるが、限定されるものではなく、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）などの耐熱性および耐食性に優れた金属で形成し得る他、ＳｉＣのような耐熱性セラミックの表面を熱分解黒鉛でコートしたものであってもよい。サセプター４を回転させる機構は任意に設けることができる。
第一ゾーンＺ１に配置されるガリウム溜め３は、ガス入口とガス出口を有する容器であり、カーボンまたは石英で形成され得る他、カーボン部品と石英部品を組み合わせて形成することもできる。
第二ゾーンＺ２に配置されるサセプター４は、例えばグラファイトで形成されるが、限定されるものではなく、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）などの耐熱性および耐食性に優れた金属で形成し得る他、ＳｉＣのような耐熱性セラミックの表面を熱分解黒鉛でコートしたものであってもよい。サセプター４を回転させる機構は任意に設けることができる。
【0033】
第二ゾーンＺ２では、リアクター２に挿入されたスリーブ８によって、リアクター２の内壁とリアクター２内を流れるガスとの接触が妨げられている。スリーブ８は柔軟な黒鉛シートで形成され、リアクター２の内径より僅かに小さな外径を有している。スリーブ８は、リアクター２と接触或いは密着していてもよいし、僅かな間隙を有していてもよい。スリーブ８の設置は、成長されるＧａＮ結晶のＳｉ濃度低減に有効であると本発明者等は考えている。これは、石英管で形成されているリアクター２に由来するＳｉ元素がＧａＮ結晶に導入されることを、スリーブ８の存在によって抑制しているためである。
気化器７では、容器に入れられた固体のフェロセン［ビス（シクロペンタジエニル）鉄］が、キャリアガス供給下で加熱されることにより気化される。気化されたフェロセンはキャリアガスによってリアクター２に運ばれる。
気化器７では、容器に入れられた固体のフェロセン［ビス（シクロペンタジエニル）鉄］が、キャリアガス供給下で加熱されることにより気化される。気化されたフェロセンはキャリアガスによってリアクター２に運ばれる。
【0034】
ＨＶＰＥ装置１でＧａＮ結晶を成長させるときは、ガリウム溜め３に金属ガリウムを入れ、サセプター４上にシードを置いたうえで、第一ヒーター５および第二ヒーター６で第一ゾーンＺ１および第二ゾーンＺ２をそれぞれ加熱するとともに、キャリアガスで希釈されたＮＨ３（アンモニア）を、アンモニア導入管Ｐ１を通して第二ゾーンＺ２に供給し、また、キャリアガスで希釈されたＨＣｌ（塩化水素）を、塩化水素導入管Ｐ２を通してガリウム溜め３に供給する。このＨＣｌはガリウム溜め３の中の金属ガリウムと反応し、生じたＧａＣｌ（塩化ガリウム）は塩化ガリウム導入管Ｐ３を通して第二ゾーンＺ２に運ばれる。第二ゾーンＺ２でＮＨ３とＧａＣｌが反応し、生じるＧａＮがシード上で結晶化する。
【0035】
シード上に成長するＧａＮ結晶をＦｅでドープするときは、気化器７で気化させたフェロセンを、ＨＣｌと混合したうえで、ドーパント導入管Ｐ４を通してリアクター２に導く。ドーパント導入管Ｐ４内でフェロセンはＨＣｌと反応し、生成物である塩化鉄および／またはその熱分解物がドーパント源として第二ゾーンＺ２に放出されると考えられる。
【0036】
アンモニア導入管Ｐ１、塩化水素導入管Ｐ２、塩化ガリウム導入管Ｐ３およびドーパント導入管Ｐ４は、リアクター内で高温に曝される部分を石英で形成することができる。
特に、塩化ガリウム導入管Ｐ３のノズルに関しては、第一ゾーンＺ１よりも高温に加熱される第二ゾーンＺ２内に位置しており、かつ、そこをＧａＣｌ生成反応の副生成物であるＨ２が流れることから、石英ではなく、熱分解黒鉛のような炭素材料、あるいはＷ（タングステン）で形成することが好ましい。
本発明者等がＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いて実験したところ、塩化ガリウム導入管のノズルを石英管から熱分解黒鉛管に変更したとき、キャリアガスにＮ２のみを用いて意図的なドーピングなしに成長させたＧａＮ結晶のＳｉ濃度は半減した。注記すると、このＧａＮ結晶のＯ濃度は、該ノズル変更の影響を受けなかった。
特に、塩化ガリウム導入管Ｐ３のノズルに関しては、第一ゾーンＺ１よりも高温に加熱される第二ゾーンＺ２内に位置しており、かつ、そこをＧａＣｌ生成反応の副生成物であるＨ２が流れることから、石英ではなく、熱分解黒鉛のような炭素材料、あるいはＷ（タングステン）で形成することが好ましい。
本発明者等がＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いて実験したところ、塩化ガリウム導入管のノズルを石英管から熱分解黒鉛管に変更したとき、キャリアガスにＮ２のみを用いて意図的なドーピングなしに成長させたＧａＮ結晶のＳｉ濃度は半減した。注記すると、このＧａＮ結晶のＯ濃度は、該ノズル変更の影響を受けなかった。
【0037】
図７ではアンモニア導入管Ｐ１のノズルと塩化ガリウム導入管Ｐ３のノズルが独立しているが、好適例では、前者を外管、後者を内管とする二重管ノズルを採用してもよい。その場合の外管の径は、リアクターの内径と同じとなるまで大きくすることができる。
図７では、塩化ガリウム導入管Ｐ３とドーパント導入管Ｐ４のノズルが独立しているが、好適例では、成長するＧａＮ結晶がＦｅで均一にドープされるよう、ＧａＣｌとドーパント源が混合されてから共通ノズルを通して第二ゾーンＺ２内に放出されるようにしてもよい。そのために、例えば、ドーパント導入管Ｐ４のノズルを塩化ガリウム導入管Ｐ３内に配置してもよい。
図７では、塩化ガリウム導入管Ｐ３とドーパント導入管Ｐ４のノズルが独立しているが、好適例では、成長するＧａＮ結晶がＦｅで均一にドープされるよう、ＧａＣｌとドーパント源が混合されてから共通ノズルを通して第二ゾーンＺ２内に放出されるようにしてもよい。そのために、例えば、ドーパント導入管Ｐ４のノズルを塩化ガリウム導入管Ｐ３内に配置してもよい。
【0038】
図７に示すＨＶＰＥ装置１において、基本構成を変えることなく、リアクター２を横型から縦型に変更することができる。縦型に変更したリアクターは、原料ガスがリアクター内を上から下に向かって流れる構成、あるいはその反対向きに流れる構成の、いずれとしてもよい。
【0039】
３．２．シード
実施形態に係るＧａＮ結晶を成長させるとき、シードにはｃ面単結晶ＧａＮ基板を用いることが好ましい。
ｃ面単結晶ＧａＮ基板は、１×１０７ｃｍ－２未満の転位密度を有するので、その（０００１）表面上に良好な表面平坦性を有するＦｅドープＧａＮ層を成長させることができる。
ＧａＮ／サファイアテンプレートをシードに用いたとき、ＦｅドープＧａＮ層の成長表面のモホロジーは、同じシード上に成長させたアンドープＧａＮ層に比べて悪化するのに対し、本発明者等がｃ面単結晶ＧａＮ基板上にそれぞれ成長させたアンドープＧａＮ層とＦｅ濃度約６×１０１８ｃｍ－３のＧａＮ層の表面はどちらも平坦で、両者の間に微分干渉顕微鏡で区別可能なモホロジーの違いは見出されなかった。
実施形態に係るＧａＮ結晶を成長させるとき、シードにはｃ面単結晶ＧａＮ基板を用いることが好ましい。
ｃ面単結晶ＧａＮ基板は、１×１０７ｃｍ－２未満の転位密度を有するので、その（０００１）表面上に良好な表面平坦性を有するＦｅドープＧａＮ層を成長させることができる。
ＧａＮ／サファイアテンプレートをシードに用いたとき、ＦｅドープＧａＮ層の成長表面のモホロジーは、同じシード上に成長させたアンドープＧａＮ層に比べて悪化するのに対し、本発明者等がｃ面単結晶ＧａＮ基板上にそれぞれ成長させたアンドープＧａＮ層とＦｅ濃度約６×１０１８ｃｍ－３のＧａＮ層の表面はどちらも平坦で、両者の間に微分干渉顕微鏡で区別可能なモホロジーの違いは見出されなかった。
【0040】
本発明者等は、成長表面のモホロジーは、ＧａＮ結晶のＯ（酸素）濃度に影響し得ると考えている。［０００１］方向に成長するＧａＮ層に取り込まれるＯの濃度は、同じ成長環境下でも、成長表面が平坦なときと凹凸面であるときとで５０倍以上も異なり得る。かかるＧａＮ層のＯ濃度が低くなるのは、成長表面が（０００１）結晶面に平行な平坦面であるときである。
【0041】
シードには、ＨＶＰＥ等の気相法によるＧａＮ基板を用いても、アモノサーマル法等の液相法によるＧａＮ基板を用いてもよい。アモノサーマル法に関しては、酸性アモノサーマル法、塩基性アモノサーマル法の何れでもよい。
好適例では、ＮＨ４Ｆ（またはＨＦ）とＮＨ４Ｉ（またはＨＩ）を鉱化剤に用いて酸性アモノサーマル法で成長された、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が２０ａｒｃｓｅｃ未満であるｃ面単結晶ＧａＮ基板を、シードとして用いることができる。かかるｃ面単結晶ＧａＮ基板の製造手順については、ＷＯ２０１８／０３０３１１号公報を参照することができる。
好適例では、ＮＨ４Ｆ（またはＨＦ）とＮＨ４Ｉ（またはＨＩ）を鉱化剤に用いて酸性アモノサーマル法で成長された、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が２０ａｒｃｓｅｃ未満であるｃ面単結晶ＧａＮ基板を、シードとして用いることができる。かかるｃ面単結晶ＧａＮ基板の製造手順については、ＷＯ２０１８／０３０３１１号公報を参照することができる。
【0042】
３．３．キャリアガス
実施形態に係るＧａＮ結晶をＨＶＰＥで成長させるとき、キャリアガスにはＨ２（水素ガス）を極力用いないことが望ましい。好ましくは、Ｎ２（窒素ガス）または希ガスのような不活性ガスのみを、キャリアガスとして用いる。好ましい不活性ガスはＮ２である。
キャリアガスにＨ２を使用するのが好ましくない理由は、Ｈ２はリアクターや配管の材料である石英の分解に寄与し、成長させるＧａＮ結晶の意図しないＳｉドーピングが発生する主原因と考えられるからである。
実施形態に係るＧａＮ結晶をＨＶＰＥで成長させるとき、キャリアガスにはＨ２（水素ガス）を極力用いないことが望ましい。好ましくは、Ｎ２（窒素ガス）または希ガスのような不活性ガスのみを、キャリアガスとして用いる。好ましい不活性ガスはＮ２である。
キャリアガスにＨ２を使用するのが好ましくない理由は、Ｈ２はリアクターや配管の材料である石英の分解に寄与し、成長させるＧａＮ結晶の意図しないＳｉドーピングが発生する主原因と考えられるからである。
【0043】
３．４．温度条件
図７に示すＨＶＰＥ装置１を用いるとき、成長するＧａＮ結晶の不純物濃度に対し、第一ゾーンＺ１の温度が与える影響は大きくない。
ＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いた実験（キャリアガスにはＮ２のみを使用）によれば、ガリウム溜めの温度を１０３０℃に固定してサセプター温度を４４０℃と８４０℃の間で変化させたとき、意図的なドーピングをすることなく成長させたＧａＮ結晶のＳｉ濃度、Ｏ濃度、Ｃ濃度およびＨ濃度に実質的な変化は観察されなかった。また、ＧａＮ結晶の成長レートも略一定であった。
ただし、ガリウム溜めの温度を９００℃以上とすると、成長したＧａＮ結晶においてＳｉ濃度とＣ濃度が増加する傾向が見られた。
図７に示すＨＶＰＥ装置１を用いるとき、成長するＧａＮ結晶の不純物濃度に対し、第一ゾーンＺ１の温度が与える影響は大きくない。
ＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いた実験（キャリアガスにはＮ２のみを使用）によれば、ガリウム溜めの温度を１０３０℃に固定してサセプター温度を４４０℃と８４０℃の間で変化させたとき、意図的なドーピングをすることなく成長させたＧａＮ結晶のＳｉ濃度、Ｏ濃度、Ｃ濃度およびＨ濃度に実質的な変化は観察されなかった。また、ＧａＮ結晶の成長レートも略一定であった。
ただし、ガリウム溜めの温度を９００℃以上とすると、成長したＧａＮ結晶においてＳｉ濃度とＣ濃度が増加する傾向が見られた。
【0044】
一方、成長するＧａＮ結晶の不純物濃度に対し、第二ゾーンＺ２の温度Ｔ２が与える影響は小さくない。
図８に、ＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いた実験から得られた、サセプター温度と、成長したＧａＮ結晶の不純物濃度との関係を示す。
この実験では、ガリウム溜めの温度を８４０℃に固定して、サセプター温度を９８５℃と１０７０℃の間で変化させた。キャリアガスにはＮ２のみを使用し、ＧａＣｌおよびＮＨ３をそれぞれ４０ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍという流量でリアクター内に供給して、単結晶ｃ面ＧａＮ基板上に、意図的なドーピングをすることなくＧａＮ結晶を成長させた。
図８に、ＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いた実験から得られた、サセプター温度と、成長したＧａＮ結晶の不純物濃度との関係を示す。
この実験では、ガリウム溜めの温度を８４０℃に固定して、サセプター温度を９８５℃と１０７０℃の間で変化させた。キャリアガスにはＮ２のみを使用し、ＧａＣｌおよびＮＨ３をそれぞれ４０ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍという流量でリアクター内に供給して、単結晶ｃ面ＧａＮ基板上に、意図的なドーピングをすることなくＧａＮ結晶を成長させた。
【0045】
図８が示すように、成長したＧａＮ結晶のＯ濃度は、サセプター温度を９８５℃から１００５℃に上げることで１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台から１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台まで１桁低下し、サセプター温度を更に上げることにより１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台まで低下した。温度が高くなるほど、成長するＧａＮ層の表面平坦性が改善され、Ｏが取り込まれ難くなったものと推測される。
一方、成長したＧａＮ結晶のＳｉ濃度は、サセプター温度とともに増加する傾向があったが、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えることはなかった。
成長したＧａＮ結晶のＣ濃度も、サセプター温度とともに上昇する傾向を示した。
一方、成長したＧａＮ結晶のＳｉ濃度は、サセプター温度とともに増加する傾向があったが、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えることはなかった。
成長したＧａＮ結晶のＣ濃度も、サセプター温度とともに上昇する傾向を示した。
【0046】
３．５．Ｆｅドーピング
本発明者等がＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用い、フェロセンの温度を３０℃に保持しつつ、気化器に供給するキャリアガスの流量を変化させる実験を行ったところ、単結晶ｃ面ＧａＮ基板上に１０３０℃で成長させたＧａＮ結晶のＦｅ濃度は、６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の間で、該キャリアガス流量に略比例して変化した。一方、このＧａＮ結晶のＳｉ濃度、Ｏ濃度およびＣ濃度は、該キャリアガスの流量と無関係であった。この実験では、気化器に供給したキャリアガスのみならず、リアクターに供給したキャリアガスの全てがＮ２であった。
なお、ＧａＮ結晶の成長方法に関し、上述した事項以外の条件は、ＨＶＰＥにおける一般的な条件を適用することができる。
本発明者等がＨＶＰＥ装置１と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用い、フェロセンの温度を３０℃に保持しつつ、気化器に供給するキャリアガスの流量を変化させる実験を行ったところ、単結晶ｃ面ＧａＮ基板上に１０３０℃で成長させたＧａＮ結晶のＦｅ濃度は、６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の間で、該キャリアガス流量に略比例して変化した。一方、このＧａＮ結晶のＳｉ濃度、Ｏ濃度およびＣ濃度は、該キャリアガスの流量と無関係であった。この実験では、気化器に供給したキャリアガスのみならず、リアクターに供給したキャリアガスの全てがＮ２であった。
なお、ＧａＮ結晶の成長方法に関し、上述した事項以外の条件は、ＨＶＰＥにおける一般的な条件を適用することができる。
【0047】
４．基板の用途
第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板は、窒化物半導体デバイス、特に横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に好ましく用いることができる。
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。
第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板は、窒化物半導体デバイス、特に横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に好ましく用いることができる。
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。
【0048】
横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの典型例はＧａＮ－ＨＥＭＴであるが、横型デバイス構造は、バイポーラトランジスタのようなＨＥＭＴ以外の電子デバイスにおいても、また、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）のような発光デバイスにおいても採用され得る。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなる基板には、第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板の他に、第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなるＧａＮ層が接合技術によって支持基板上に積層されてなる基板がある。かかる基板も、第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板と同じ用途に用いることができる。
また、第一実施形態に係るＧａＮ結晶及び第二実施形態に係るＧａＮ基板は、該結晶又は該基板にエピタキシャル成長したひとつ以上の窒化物半導体層を積層させることにより、エピタキシャルウエハとして用いることができる。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなる基板には、第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板の他に、第一実施形態に係るＧａＮ結晶からなるＧａＮ層が接合技術によって支持基板上に積層されてなる基板がある。かかる基板も、第二実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板と同じ用途に用いることができる。
また、第一実施形態に係るＧａＮ結晶及び第二実施形態に係るＧａＮ基板は、該結晶又は該基板にエピタキシャル成長したひとつ以上の窒化物半導体層を積層させることにより、エピタキシャルウエハとして用いることができる。
【0049】
５．実験結果
５．１．実験１
（１）ＦｅドープＧａＮ結晶の成長
シードとして、ＨＶＰＥで成長させた転位密度約２×１０６～４×１０６ｃｍ－２のｃ面単結晶ＧａＮ基板を準備した。
該ｃ面単結晶ＧａＮ基板の（０００１）表面上に、図７に示すＨＶＰＥ装置と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いて、次の手順でＧａＮ結晶層を成長させた。
まず、サセプター上にシードをセットした後、Ｎ２およびＮＨ３を、それぞれ２７００ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍでリアクター内に導入しながらリアクターを加熱した。
次いで、ガリウム溜めの温度が８５０℃、サセプター温度が１０３０℃に到達したら、温度を一定に保ち、ＧａＣｌおよびＮＨ３をそれぞれ流量４０ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍで供給することにより、ＧａＮ結晶の成長を開始させた。成長中に供給するキャリアガスはＮ２のみとした。
ドーパント導入管には、ＧａＮ結晶の成長開始と同じタイミングでＨＣｌを３ｓｃｃｍで流し始めた。
Ｆｅドーピングは、成長開始から１分後に、気化器にキャリアガスとしてＮ２を供給することにより開始した。気化器に供給するキャリアガスの流量は、１分間かけて徐々に１０ｓｃｃｍまで増加させた。気化器では、容器に入れたフェロセンを恒温槽で３５℃に保持した。ＦｅドープＧａＮ結晶層の成長レートは１．７μｍ／ｍｉｎであった。
５．１．実験１
（１）ＦｅドープＧａＮ結晶の成長
シードとして、ＨＶＰＥで成長させた転位密度約２×１０６～４×１０６ｃｍ－２のｃ面単結晶ＧａＮ基板を準備した。
該ｃ面単結晶ＧａＮ基板の（０００１）表面上に、図７に示すＨＶＰＥ装置と同じ基本構成を有するＨＶＰＥ装置を用いて、次の手順でＧａＮ結晶層を成長させた。
まず、サセプター上にシードをセットした後、Ｎ２およびＮＨ３を、それぞれ２７００ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍでリアクター内に導入しながらリアクターを加熱した。
次いで、ガリウム溜めの温度が８５０℃、サセプター温度が１０３０℃に到達したら、温度を一定に保ち、ＧａＣｌおよびＮＨ３をそれぞれ流量４０ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍで供給することにより、ＧａＮ結晶の成長を開始させた。成長中に供給するキャリアガスはＮ２のみとした。
ドーパント導入管には、ＧａＮ結晶の成長開始と同じタイミングでＨＣｌを３ｓｃｃｍで流し始めた。
Ｆｅドーピングは、成長開始から１分後に、気化器にキャリアガスとしてＮ２を供給することにより開始した。気化器に供給するキャリアガスの流量は、１分間かけて徐々に１０ｓｃｃｍまで増加させた。気化器では、容器に入れたフェロセンを恒温槽で３５℃に保持した。ＦｅドープＧａＮ結晶層の成長レートは１．７μｍ／ｍｉｎであった。
【0050】
（２）ＧａＮ基板の作製
前記（１）で成長させたＧａＮ層をｃ面に平行にスライスしてウエハを得た後、該ウエハの両面をそれぞれ研削して平坦化し、更に、研削により生じたダメージ層をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）で除去することにより、ＦｅドープＧａＮ結晶のみからなる、厚さ４００μｍで、（０００１）表面が２．５ｃｍ×２．５ｃｍの正方形であるｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
前記（１）で成長させたＧａＮ層をｃ面に平行にスライスしてウエハを得た後、該ウエハの両面をそれぞれ研削して平坦化し、更に、研削により生じたダメージ層をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）で除去することにより、ＦｅドープＧａＮ結晶のみからなる、厚さ４００μｍで、（０００１）表面が２．５ｃｍ×２．５ｃｍの正方形であるｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
【0051】
（３）不純物濃度
前記（２）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の不純物濃度をＳＩＭＳで測定したところ、Ｆｅが１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｓｉが１．３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｏが８．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｃが３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
前記（２）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の不純物濃度をＳＩＭＳで測定したところ、Ｆｅが１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｓｉが１．３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｏが８．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｃが３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
【0052】
（４）直流三端子法による抵抗率の評価
前記（２）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の抵抗率を、直流三端子法により、次の手順で測定した。
円形の主電極と該主電極を取り囲むガード電極を基板の（０００１）表面に、対抗電極を基板の（０００－１）表面に形成した。これらの電極は、スクリーン印刷法で塗布したＡｇペーストを大気中で１２時間、１００℃で乾燥させることにより形成した。
測定はＮ２雰囲気中、室温、１００℃、２００℃および３００℃で行った。基板を各温度で１５分間保持した後に直流電圧を印加し、１分間充電後の電流を測定することにより体積抵抗を求めた。結果を下記表１に示す。
前記（２）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の抵抗率を、直流三端子法により、次の手順で測定した。
円形の主電極と該主電極を取り囲むガード電極を基板の（０００１）表面に、対抗電極を基板の（０００－１）表面に形成した。これらの電極は、スクリーン印刷法で塗布したＡｇペーストを大気中で１２時間、１００℃で乾燥させることにより形成した。
測定はＮ２雰囲気中、室温、１００℃、２００℃および３００℃で行った。基板を各温度で１５分間保持した後に直流電圧を印加し、１分間充電後の電流を測定することにより体積抵抗を求めた。結果を下記表１に示す。
【0053】
【表1】
【0054】
５．２．実験２
実験１と略同様の手順にて、ｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。ただし、本実験２では、ＦｅドープＧａＮ層の成長時に気化器に供給するキャリアガスの流量を増やすことにより、より高いＦｅ濃度を有するｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
作製したＦｅ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３および６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のｃ面単結晶ＧａＮ基板の、二重リング法により測定した室温抵抗率は、それぞれ、５×１０１２Ωｃｍおよび７×１０１２Ωｃｍであった。なお、Ｆｅ以外の不純物濃度は、実験１で製造したｃ面単結晶ＧａＮ基板と同様であった。
直流三端子法と二重リング法との間に室温抵抗率の測定値に違いはなく、二重リング法にて印加電圧５００Ｖで測定したＦｅ濃度１．６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のｃ面単結晶ＧａＮ基板の室温抵抗率は２．９×１０１２Ωｃｍであった。
実験１と略同様の手順にて、ｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。ただし、本実験２では、ＦｅドープＧａＮ層の成長時に気化器に供給するキャリアガスの流量を増やすことにより、より高いＦｅ濃度を有するｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
作製したＦｅ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３および６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のｃ面単結晶ＧａＮ基板の、二重リング法により測定した室温抵抗率は、それぞれ、５×１０１２Ωｃｍおよび７×１０１２Ωｃｍであった。なお、Ｆｅ以外の不純物濃度は、実験１で製造したｃ面単結晶ＧａＮ基板と同様であった。
直流三端子法と二重リング法との間に室温抵抗率の測定値に違いはなく、二重リング法にて印加電圧５００Ｖで測定したＦｅ濃度１．６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のｃ面単結晶ＧａＮ基板の室温抵抗率は２．９×１０１２Ωｃｍであった。
【0055】
５．３．実験３
（１）ＧａＮ基板の作製
シードとして、ＮＨ４ＦとＮＨ４Ｉを鉱化剤に用いてアモノサーマル法で成長させた、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が約１０ａｒｃｓｅｃのｃ面単結晶ＧａＮ基板を用いたこと、および、ＦｅドープＧａＮ層の成長時に気化器に供給するキャリアガスの流量を増やしたことを除いて、実験１と略同様の手順にてＦｅドープしたｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
（１）ＧａＮ基板の作製
シードとして、ＮＨ４ＦとＮＨ４Ｉを鉱化剤に用いてアモノサーマル法で成長させた、（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が約１０ａｒｃｓｅｃのｃ面単結晶ＧａＮ基板を用いたこと、および、ＦｅドープＧａＮ層の成長時に気化器に供給するキャリアガスの流量を増やしたことを除いて、実験１と略同様の手順にてＦｅドープしたｃ面単結晶ＧａＮ基板を作製した。
【0056】
（２）（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅
前記（１）で作製したＦｅドープＧａＮ基板の（００４）ＸＲＤロッキングカーブの半値全幅を、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］を用いて測定した。
測定では、ラインフォーカスＣｕＫα線源を４５ｋＶ、４０ｍＡで動作させ、Ｇｅ（４４０）４結晶対称モノクロメータを用いてＣｕＫα１線を得た。使用した光学系は平行光学系で、入射側には１／２スリット、Ｘ線ミラーおよびｗ１ｍｍ×ｈ１ｍｍのクロススリットを用いた。検出器には半導体ピクセル検出器であるPIXcel3D（登録商標）の０Ｄモードを用いた。角度分解能は５～６ａｒｃｓｅｃであった。
前記（１）で作製したＦｅドープＧａＮ基板の（００４）ＸＲＤロッキングカーブの半値全幅を、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］を用いて測定した。
測定では、ラインフォーカスＣｕＫα線源を４５ｋＶ、４０ｍＡで動作させ、Ｇｅ（４４０）４結晶対称モノクロメータを用いてＣｕＫα１線を得た。使用した光学系は平行光学系で、入射側には１／２スリット、Ｘ線ミラーおよびｗ１ｍｍ×ｈ１ｍｍのクロススリットを用いた。検出器には半導体ピクセル検出器であるPIXcel3D（登録商標）の０Ｄモードを用いた。角度分解能は５～６ａｒｃｓｅｃであった。
【0057】
Ｘ線は、試料の（０００１）表面に対し、入射面がｍ軸のひとつと垂直となるように入射させた。ビームサイズは、入射角を９０°としたとき、すなわちＸ線を該Ｇａ極性面に垂直に入射させたときに、照射エリアのサイズが１×５ｍｍ２となるように設定した。
面積６．３ｃｍ２の試料表面上の５箇所で測定した平均値は１０ａｒｃｓｅｃであった。この（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅の値からいって、本実験３で作製したＦｅドープＧａＮ基板の転位密度は、高く見積もっても１０５ｃｍ－２台を超えることはないと推定される。
面積６．３ｃｍ２の試料表面上の５箇所で測定した平均値は１０ａｒｃｓｅｃであった。この（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅の値からいって、本実験３で作製したＦｅドープＧａＮ基板の転位密度は、高く見積もっても１０５ｃｍ－２台を超えることはないと推定される。
【0058】
（３）不純物濃度
前記（１）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の不純物濃度をＳＩＭＳで測定したところ、Ｆｅが５．４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｓｉが１．１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｏが８．３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｃが３．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
前記（１）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の不純物濃度をＳＩＭＳで測定したところ、Ｆｅが５．４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｓｉが１．１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｏが８．３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｃが３．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
【0059】
（４）抵抗率の評価
前記（１）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の室温抵抗率を二重リング法で測定したところ、７×１０１２Ωｃｍであった。
前記（１）で作製したｃ面単結晶ＧａＮ基板の室温抵抗率を二重リング法で測定したところ、７×１０１２Ωｃｍであった。
【0060】
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】
【0061】
１ ＨＶＰＥ装置
２ リアクター
３ ガリウム溜め
４ サセプター
５ 第一ヒーター
６ 第二ヒーター
７ 気化器
８ スリーブ
１０ 結晶
１１ （０００１）表面
１２ （０００－１）表面
１００ 基板
１０１ （０００１）表面
１０２ （０００－１）表面
１１０ 第一領域
１２０ 第二領域
２ リアクター
３ ガリウム溜め
４ サセプター
５ 第一ヒーター
６ 第二ヒーター
７ 気化器
８ スリーブ
１０ 結晶
１１ （０００１）表面
１２ （０００－１）表面
１００ 基板
１０１ （０００１）表面
１０２ （０００－１）表面
１１０ 第一領域
１２０ 第二領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】