JP2013201326A - 窒化ガリウム基板及びエピタキシャルウェハ - Google Patents

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Abstract

【課題】表面に物理的段差を有していても、良質な結晶性を有するエピタキシャル成長層を成長させることができる窒化ガリウム基板、及びそれを用いて製造される表面の平坦性のよいエピタキシャルウェハを提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、表面に複数の物理的段差３を有する窒化ガリウム基板１であって、表面に存在する全ての物理的段差３の大きさが４μｍ以下であり、物理的段差の上段３ｂと下段３ａにおいて測定される窒化ガリウム基板１のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとすると、全ての物理的段差３において、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされる窒化ガリウム基板１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム基板及びエピタキシャルウェハに関する。
良質で大型の窒化ガリウム基板の製造方法として、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits：例えば、特許文献１参照）法や、ＶＡＳ法（Void-Assisted Separation Method：例えば、特許文献２参照）により窒化ガリウム基板を得る方法や、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により異種基板上に窒化ガリウム単結晶を厚く成長させ、異種基板から剥離することにより窒化ガリウムの自立基板を得る方法が知られている。
これらの方法により製造された窒化ガリウム基板においては、裏面から表面に向かって厚さ方向で転位密度が変化し、格子定数が厚さ方向で変化するため、自立基板は反りを有する。さらに、窒化ガリウム基板には、窒化ガリウム単結晶を厚く成長させることによる数十μｍ以上の膜厚差が存在する。そのため、窒化ガリウム基板の表面側と裏面側を平坦にするための研磨処理が必要になる。研磨処理の後、所望の直径の円形にするための自立基板の外周加工が実施される。その後、洗浄が実施され、鏡面が得られる。
窒化ガリウム基板の研磨方法として、定盤上に供給された遊離砥粒により基板を研磨する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。この方法では、遊離砥粒の粒径を徐々に小さくし、研磨速度を遅くしながら基板を研磨する。
特許３８６４８７０号公報 特開２００４−２６９３１３号公報 特開２００１−３２２８９９号公報
しかし、特許文献３に記載された方法を用いて、遊離砥粒の粒径を小さくし、研磨速度を遅くし、さらに長時間研磨を施しても、窒化ガリウム基板の全面においてスクラッチ等による物理的段差を無くす事は、非常に困難である。スクラッチ等による物理的段差がある表面上にエピタキシャル成長層を成長させた場合、たとえ物理的段差の大きさが数ｎｍであっても、エピタキシャル成長層が異常成長し、表面が平坦にならないおそれがある。このようなエピタキシャルウェハを用いて光デバイスを製造する場合には、発光強度低下による不良が発生し、歩留まりが低下するという問題が生じる。
したがって、本発明の目的の一つは、表面に物理的段差を有していても、良質な結晶性を有するエピタキシャル成長層を成長させることができる窒化ガリウム基板を提供することにある。また、本発明の目的の一つは、このような窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長層を成長させることにより、表面の平坦性のよいエピタキシャルウェハを提供することにある。
（１）本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、表面に複数の物理的段差を有する窒化ガリウム基板であって、前記表面に存在する全ての物理的段差の大きさが４μｍ以下であり、前記物理的段差の上段と下段において測定される前記窒化ガリウム基板のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとすると、前記全ての物理的段差において、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされる窒化ガリウム基板が提供される。
（２）上記窒化ガリウム基板において、前記全ての物理的段差の大きさが３μｍ以下であることが好ましい。
（３）上記窒化ガリウム基板において、前記全ての物理的段差の大きさが２μｍ以下であることがより好ましい。
（４）また、本発明の他の態様によれば、上記の窒化ガリウム基板と、前記窒化ガリウム基板上のバッファ層と、前記バッファ層上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む量子井戸構造と、を有するエピタキシャルウェハが提供される。
本発明の一態様によれば、表面に物理的段差を有していても、良質な結晶性を有するエピタキシャル成長層を成長させることができる窒化ガリウム基板を提供することができる。
また、このような窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長層を成長させることにより、表面の平坦性のよいエピタキシャルウェハを提供することができる。
図１（ａ）は、実施の形態に係る窒化ガリウム基板の表面のスクラッチを表す三次元光学プロファイラー画像である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａにおける窒化ガリウム基板の断面のイメージ図である。 図２は、実施例１に係るＨＶＰＥ成長装置の断面図である。 図３は、実施例１に係るエピタキシャルウェハの断面図である。
〔実施の形態〕
本発明者等が鋭意調査した結果、窒化ガリウム基板の表面にスクラッチ等による物理的段差が存在する場合であっても、必ずしも良好なエピタキシャル結晶成長ができないわけではなく、物理的段差の大きさが比較的小さく、且つ、物理的段差の上段と下段において窒化ガリウム基板のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度の差が小さいときには、基板上の結晶の異常成長を抑え、表面の平坦な結晶を成長させることが可能であることを見出した。
カソードルミネッセンス発光強度は測定箇所の結晶の状態により変化するものであり、物理的段差の上段と下段のカソードルミネッセンス発光強度の差が大きい場合は、加工歪み等により上段と下段における結晶の状態が大きく異なることを表す。上段と下段における結晶の状態が大きく異なる場合、物理的段差上では結晶が異常成長し、上段と下段における結晶の状態が近い場合、物理的段差上であっても結晶の異常成長が抑えられるものと考えられる。
ここで、物理的段差とは、基板表面を研磨処理又はエッチング処理した際に、窒化ガリウム基板の表面に生じるスクラッチ等による段差をいう。例えば、凹部による段差の場合は、凹部の底を下段、基板表面を上段とし、凸部による段差の場合は、基板表面を下段、凸部の頂点を上段とする。
図１（ａ）は、窒化ガリウム基板の表面のスクラッチを表す三次元光学プロファイラー画像である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａにおける窒化ガリウム基板の断面のイメージ図である。図１（ｂ）は、窒化ガリウム基板１の表面のスクラッチ２による物理的段差３を表す。この例においては、スクラッチ２の底が物理的段差３の下段３ａに相当し、窒化ガリウム基板１の表面が物理的段差３の上段３ｂに相当する。下段３ａから上段３ｂまでの高さが、物理的段差３の大きさである。
（窒化ガリウム基板の製造）
以下に、ＶＡＳ法による窒化ガリウム基板の製造工程の一例を示す。なお、ＤＥＥＰ法により窒化ガリウム基板を製造してもよい。
まず、下地基板としてのサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＮ結晶を成長させ、ＧａＮ下地層を形成する。次に、ＧａＮ下地層上に金属Ｔｉ薄膜を蒸着させる。次に、アンモニアと水素ガスの混合気流中で熱処理を施すことにより、金属Ｔｉ薄膜を窒化して網目構造のＴｉＮ薄膜を形成する。また、熱処理と同時に、ＧａＮ下地層をエッチングして空隙を形成する。ここで、空隙を含むＧａＮ下地層とその上の金属Ｔｉ薄膜を含む、以上の工程により得られた基板をボイド形成基板と呼ぶ。
次に、ＧａＣｌ及びＮＨ３を原料として用いるＨＶＰＥ法により、ボイド形成基板上にＧａＮ結晶の初期核を形成した後、ＧａＮ結晶膜を任意の厚さに成長させる。次に、成長したＧａＮ結晶膜をボイド形成基板から剥離した後、後述するような研磨等を施し、窒化ガリウムの自立基板を得る。
ここで、自立基板とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、使用時の自立基板の厚さ（つまり、剥離後、研磨やエッチング等を施した後の自立基板の厚さ）を２００μｍ以上とするのが好ましい。また素子形成後の劈開の容易性等を考慮して、自立基板の厚さを１ｍｍ以下とするのが好ましい。自立基板が厚すぎると劈開が困難となり、劈開面に凹凸が生じる。この結果、たとえば半導体レーザー等に適用した場合、反射のロスによるデバイス特性の劣化が問題となる。
異種基板である下地基板上に厚くエピタキシャル成長した窒化ガリウム単結晶においては、裏面から表面に向かって厚さ方向で転位密度が変化する。このため、格子定数が厚さ方向で変化し、得られた窒化ガリウム基板は反りを有する。さらに、窒化ガリウム単結晶を厚く成長させることにより形成される窒化ガリウム基板は、基板面内で数十μｍ以上の膜厚差を有する。そのため、窒化ガリウム基板の表側の面及び裏側の面を平坦化するために研磨処理を施す必要がある。
まず、窒化ガリウム基板のＮ極性面の研削及び機械研磨、Ｇａ極性面の研削及び機械研磨を順に実施する。ここで、研磨処理として、例えば、片面高速精密ラッピングマシン機による機械研磨、又は化学機械研磨(ＣＭＰ)が実施される。
次に、窒化ガリウム基板をエッチング溶液に浸漬してウェットエッチングを実施する。次に、Ｇａ極性面の２回目のドライエッチングを実施する。その後、窒化ガリウム基板を所望の直径の円形に加工するための外周加工及び洗浄が施される。
得られた窒化ガリウム基板は、研磨処理又はエッチング処理によりスクラッチ、加工歪み等のダメージを表面に受け、スクラッチ等による物理的段差を表面に有する。本発明において、窒化ガリウム基板の表面の全ての物理的段差の大きさは４μｍ以下であり、好ましくは３μｍ以下であり、より好ましくは２μｍ以下である。基板表面の物理的段差が全て４μｍ以下である場合は、前述したように、段差があっても、段差の上段、下段の結晶状態が近ければ、その後に成長するエピタキシャル成長層へのダメージが少なく、平坦なエピタキシャル成長層を成長させることができる。
また、物理的段差の上段と下段において測定される窒化ガリウム基板のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとすると、全ての物理的段差において、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされる。（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００は、ＨとＬの差のＨに対する割合を百分率で表したものであり、物理的段差の上段と下段における結晶の状態の違い、すなわち物理的段差部分における加工歪みの大きさを表す指標として用いることができる。
室温（２０℃）における窒化ガリウム結晶のバンドギャップに対応する波長は、約３６５ｎｍであり、この波長におけるカソードルミネッセンス発光強度を測定するために、例えば、３３２．６〜３９７．３ｎｍの波長範囲で測定を行う。
窒化ガリウム基板の表面の物理的段差が上記の条件を満たすことにより、窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長層を成長させる際の異常成長を抑え、表面の平坦なエピタキシャル成長層を得ることができる。例えば、研磨時間の短縮のために粒径の大きい遊離砥粒を用いた研磨処理を実施する場合、スクラッチ等による物理的段差が特に生じやすいが、物理的段差が上記の条件を満たす場合は、表面の平坦なエピタキシャル成長層を得ることができる。
また、窒化ガリウム基板の直径は、２５ｍｍ以上とするのが好ましい。大面積の下地基板を用いることにより、大面積の窒化ガリウム基板を得ることができる。
（エピタキシャルウェハの製造）
得られた窒化ガリウム基板のＧａ極性面上に、窒化ガリウム基板上のＧａＮバッファ層と、窒化ガリウムバッファ層上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む量子井戸構造と、量子井戸構造上のＧａＮキャップ層等のエピタキシャル成長層を形成し、エピタキシャルウェハを製造する。量子井戸構造は、例えば、１層ずつ交互に積層された７層のＩｎＧａＮバリア層と６層のＩｎＧａＮ量子井戸層とから構成される。
ＧａＮバッファ層、量子井戸構造、及びＧａＮキャップ層は、例えば、アンモニア、トリメチルガリウム及びトリメチルインジウムを原料として用いて、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法により形成される。
このエピタキシャルウェハにおいて、窒化ガリウム基板の表面の大きさが３μｍ以下の物理的段差の直上の領域において測定されたＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップに対応する波長のフォトルミネッセンス強度（レーザーの出力１ｍＷ当たりの出力電圧）は、１．０００Ｖ／ｍＷ以上である。結晶表面の平坦性がよいほどフォトルミネッセンス強度が高いため、これは、大きさが３μｍ以下の物理的段差の直上の領域におけるエピタキシャルウェハの表面の平坦性がよいことを表す。
フォトルミネッセンス測定は、エピタキシャルウェハの表面を縦０．１ｍｍ×横０．１ｍｍの面積が０．０１ｍｍ２の領域ごとに行う。また、エピタキシャルウェハの全領域の平坦性を評価するためには、エピタキシャルウェハの外周から１ｍｍの領域を除いた領域について測定を行えば十分である。
また、大きさが２μｍ以下の物理的段差の直上の領域におけるＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップに対応する波長のフォトルミネッセンス強度は、２．０００Ｖ／ｍＷ以上である。これは、大きさが２μｍ以下の物理的段差の直上の領域におけるエピタキシャルウェハの表面の平坦性がさらによいことを表す。
すなわち、窒化ガリウム基板の表面の大部分の物理的段差の大きさが３μｍ以下（例えば、全ての物理的段差が４μｍ以下）である場合は、エピタキシャルウェハの表面の平坦性がよく、窒化ガリウム基板の表面の全ての物理的段差の大きさが３μｍ以下である場合は、エピタキシャルウェハの表面の平坦性がよりよく、全ての物理的段差の大きさが２μｍ以下である場合は、エピタキシャルウェハの表面の平坦性がさらによい。
本実施の形態のエピタキシャルウェハは表面の平坦性がよいため、エピタキシャルウェハを用いて光デバイスを製造する場合に、発光強度低下による歩留まりの低下を抑えることができる。
実施例１では、ＶＡＳ法により２５枚の窒化ガリウム基板を形成した。次に、各基板について三次元光学プロファイラーを用いて物理的段差を測定し、物理段差の大きさごとに２０箇所の評価領域を決定した。次に、各基板の各評価領域においてカソードルミネッセンス測定を行った。次に、各窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長層を成長させて量子井戸構造を形成し、エピタキシャルウェハを得た。次に、各エピタキシャルウェハについてフォトルミネッセンス測定を行い、各評価領域における平均測定値を求めて表面の平坦性を評価し、物理段差の大きさ及びカソードルミネッセンス測定の結果との関係を調べた。以下に、具体的な工程を述べる。
（窒化ガリウム基板の製造）
まず、ＭＯＣＶＤにより直径３．５インチのサファイア基板上に厚さ５００ｎｍのＧａＮ下地層を形成した。次に、ＧａＮ下地層の表面上に厚さ３０ｎｍのＴｉを蒸着し、Ｈ２とＮＨ３の混合気流中で１０００℃で３０分間熱処理を加えて、網目状ＴｉＮ膜を形成した。また、熱処理とともにＧａＮ下地層にエッチングを施し、ＧａＮ下地層に空隙を形成した。その結果、ボイド形成基板を得た。
次に、図２に示されるＨＶＰＥ成長装置１０を用いてボイド形成基板上にＧａＮ結晶膜を形成した。ＨＶＰＥ成長装置１０は、ヒータ１１、反応容器１２、反応ガス導入管１３、エッチングガス導入管１４、反応ガス導入管１５、基板ホルダ１７、原料載置室２０、排気口２１を有する。反応ガス導入管１５が通る原料載置室２０には、金属Ｇａ１６が格納される。
まず、形成されたボイド形成基板１８をＨＶＰＥ成長装置１０内の基板ホルダ１７にセットした。ここで、反応容器１２内の圧力は常圧とし、ボイド形成基板１８の基板温度を１０５０℃まで上げた。
次に、反応ガス導入管１３から５×１０−２ａｔｍのＮＨ３ガスをキャリアガスである６×１０−１ａｔｍのＮ２ガスとともに反応容器１２に導入し、反応ガス導入管１５から５×１０−３ａｔｍのＧａＣｌガスをキャリアガスである２．０×１０−１ａｔｍのＮ２ガスと１．０×１０−１ａｔｍのＨ２ガスとともに反応容器１２に導入して、ボイド形成基板１８上にＧａＮ結晶を２０分間成長させ、初期核を形成した。
続けて、ＧａＣｌガスの分圧及びＮＨ３ガスのキャリアガスであるＮ２ガスの分圧をそれぞれ１．５×１０−２ａｔｍ、５．８５×１０−１ａｔｍに変更し、他の条件はそのままでＧａＮ結晶を成長させ、厚さ８００μｍのＧａＮ結晶膜を形成した。その後、ＧａＮ結晶膜をボイド形成基板１８から剥離し、窒化ガリウム基板を得た。
次に、横型平面研削機により、窒化ガリウム基板のＮ極性面の研削を実施した。ここで、この研削の実施条件を、使用砥石：メタルボンド＃８００、砥石径：１５０ｍｍ、砥石回転数：２５００ｒｐｍ、砥石送り速度：０．２μｍ／秒、研削実施時間：２０分間とした。
次に、片面高速精密ラッピングマシン機により、窒化ガリウム基板のＮ極性面の機械研磨を実施した。ここで、この機械研磨の実施条件を、定盤回転数：１５０ｒｐｍ、圧力：０．２ＭＰａ、研磨液：ダイアモンドスラリー、研磨液供給量：０．３Ｌ／ｍｉｎ、研磨実施時間：１５分間とした。
次に、横型平面研削機により、窒化ガリウム基板のＧａ極性面の研削を実施した。ここで、この研削の実施条件を、使用砥石：メタルボンド＃８００、砥石径：２００ｍｍ、砥石回転数：２０００ｒｐｍ、砥石送り速度：０．２μｍ／秒、研削実施時間：２５分間とした。
次に、片面高速精密ラッピングマシン機により、窒化ガリウム基板のＧａ極性面の機械研磨を実施した。ここで、この機械研磨の実施条件を、定盤回転数：１７０ｒｐｍ、圧力：０．３５ＭＰａ、研磨液：ダイアモンドスラリー、研磨液供給量：０．２５Ｌ／ｍｉｎ、研磨実施時間：１５分間とした。
以上の工程を繰り返すことにより、２５枚の窒化ガリウム基板を用意した。その後、この２５枚の窒化ガリウム基板に対して、各々異なる条件のドライエッチング及びウェットエッチングを実施した。以下に、詳細を述べる。
まず、ドライエッチング装置により、２５枚の窒化ガリウム基板のＧａ極性面に１回目のドライエッチングを実施した。２５枚の窒化ガリウム基板の１回目のドライエッチングの実施時間を表１に示す。ここで、表１において、２５枚の窒化ガリウム基板に（１）〜（２５）の番号をそれぞれ付す。他の実施条件は窒化ガリウム基板（１）〜（２５）で共通させ、エッチングガス：Ｃｌ２、電力：１５０Ｗ、エッチングガス流量：７０ｓｃｃｍ、エッチング反応室内圧力：１０Ｐａとした。
次に、９０℃、濃度５％のＮＨ４ＯＨ溶液に窒化ガリウム基板（１）〜（２５）を浸漬させることにより、ウェットエッチングを行った。窒化ガリウム基板（１）〜（２５）のウェットエッチングの実施時間を表１に示す。
次に、ドライエッチング装置により、窒化ガリウム基板（１）〜（２５）のＧａ極性面に２回目のドライエッチングを実施した。窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の２回目のドライエッチングの実施時間を表１に示す。他の実施条件は窒化ガリウム基板（１）〜（２５）で共通させ、エッチングガス：Ｃｌ２、電力：１５０Ｗ、エッチングガス流量：４０ｓｃｃｍ、エッチング反応室内圧力：２０Ｐａとした。
（物理的段差の測定）
三次元光学プロファイラー（ＺＹＧＯ社製：ＮｅｗＶｉｅｗ６２００）により、窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の表面のスクラッチ等による物理的段差を測定し、物理段差の大きさごとに２０箇所の評価領域ｄ１〜ｄ２０を決定した。評価領域は、窒化ガリウム基板のカソードルミネッセンス測定値及びエピタキシャルウェハのフォトルミネッセンス測定値を評価する領域である。窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の２０箇所の評価領域ｄ１〜ｄ２０の物理的段差の大きさを表２、３に示す。
（カソードルミネッセンス測定）
窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の評価領域ｄ１〜ｄ２０におけるカソードルミネッセンス発光強度の測定を実施した。このカソードルミネッセンス測定には、走査型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製：Ｓ−３０００Ｎ）に、カソードルミネッセンスによって得られた発光スペクトルを検出、分光する機器（堀場製作所製：ＭＰ−３２Ｍ）を設置した装置を用いた。電子の加速電圧を５ｋＶとして、窒化ガリウム結晶のバンドギャップに対応する波長、３６５ｎｍ、を中心とする波長範囲で測定を実施した。
物理的段差の上段と下段において測定される窒化ガリウム結晶のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとしたときの、窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の評価領域ｄ１〜ｄ２０における（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００の値を表４、５に示す。
表４、５は、ドライエッチング時間、ウェットエッチング時間の増加に伴い、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００の値が減少することを示している。これは、ドライエッチング時間、ウェットエッチング時間の増加に伴い、窒化ガリウム基板の表面の加工歪みが減少することによると考えられる。
（エピタキシャルウェハの製造）
ＭＯＶＰＥ法により、１０２０℃に加熱した窒化ガリウム基板（１）〜（２５）のＧａ極性面上に、Ｈ２キャリアガスにアンモニア及びトリメチルガリウムとトリメチルインジウムを供給し、図３に示されるエピタキシャルウェハ３０を形成した。
エピタキシャルウェハ３０は、窒化ガリウム基板３１及び、窒化ガリウム基板３１上のＧａＮバッファ層３２、ＧａＮバッファ層３２上の量子井戸構造３３、量子井戸構造３３上のＧａＮキャップ層３４からなるエピタキシャル成長層３５を含む。ＧａＮバッファ層３２は、厚さ約３０００ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。量子井戸構造３３は、厚さ６ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる７層のＩｎＧａＮバリア層と厚さ約４ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる６層のＩｎＧａＮ量子井戸層が１層ずつ交互に積層された構造を有する。ＧａＮキャップ層３４は、厚さ約２０ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。
エピタキシャルウェハ３０は、発光ダイオード等の光デバイスとして用いることができる。例えば、エピタキシャルウェハ３０を発光ダイオードとして用いる場合は、窒化ガリウム基板３１とＧａＮキャップ層３４の各々に電極が接続される。
（フォトルミネッセンス測定）
フォトルミネッセンス測定装置（ＡＣＣＥＮＴ社製ＲＰＭ２０００）により、窒化ガリウム基板（１）〜（２５）のＧａ極性面の評価領域ｄ１〜ｄ２０におけるＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップに対応する波長のフォトルミネッセンスピーク強度（以下、発光強度と記す）を測定した。
まず、窒化ガリウム基板の外周から１ｍｍの領域を除いた領域内において縦０．１ｍｍ×横０．１ｍｍの領域ごとに発光強度を測定し、得られた測定値から、評価領域ｄ１〜ｄ２０の各領域の直上の領域における平均発光強度を求めた。フォトルミネッセンス測定の条件は、レーザー光源：波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザー、受光スリット幅：０．１ｍｍ、測定波長範囲：３６７．９ｎｍ〜４３２．４ｎｍとした。
段差部ｄ１〜ｄ２０の直上の領域における平均発光強度を表６、表７に示す。
表６、７によれば、窒化ガリウム基板（１）〜（１１）の評価領域ｄ１〜ｄ２０の直上の領域と窒化ガリウム基板（１２）〜（２５）の評価領域ｄ１６〜ｄ２０の直上の領域における発光強度は０．２００Ｖ／ｍＷ以下と小さく、窒化ガリウム基板（１２）〜（２５）の評価領域ｄ１〜ｄ１５の直上の領域における発光強度は１．０００Ｖｏｌｔ／ｍＷ以上と大きい。すなわち、物理的段差が３μｍ以下であり、且つ（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００（％）が８０％以下である領域において発光強度が高く、エピタキシャルウェハの表面の平坦性に優れていることがわかる。
また、窒化ガリウム基板（１２）〜（２５）の評価領域ｄ１〜ｄ１０の直上の領域における発光強度は、２．０００Ｖｏｌｔ／ｍＷ以上と、特に大きい。すなわち、物理的段差が２μｍ以下であり、且つ（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００（％）が８０％以下である領域において発光強度が特に高く、エピタキシャルウェハの表面の平坦性に特に優れていることがわかる。
これらの結果から、表面の全ての物理的段差において（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされ、表面の大部分の物理的段差の大きさが３μｍ以下（例えば、全ての物理的段差が４μｍ以下）である窒化ガリウム基板を用いて形成されたエピタキシャルウェハは、発光強度の高い光デバイスとして用いることができることがわかる。
さらに、表面の全ての物理的段差において（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされ、表面の全ての物理的段差の大きさが３μｍ以下、好ましくは２μｍ以下である窒化ガリウム基板を用いて形成されたエピタキシャルウェハは、より発光強度の高い光デバイスとして用いることができることがわかる。
実施例２においては、実施例１における窒化ガリウム基板（１）〜（２５）の製造工程におけるＧａ極性面の機械研磨の実施条件を圧力:０．４５ＭＰａ、研磨実施時間：２５分間にそれぞれ変更し、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）を製造した。その他の製造条件については、窒化ガリウム基板（１）〜（２５）と同様である。
（物理的段差の測定）
実施例１と同様の方法により、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）の表面のスクラッチ等による物理的段差を測定し、物理段差の大きさごとに１０箇所の評価領域ｄ１〜ｄ１０を決定した。
窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）においては、２μｍを超える大きさの物理的段差は発見されなかった。これは、Ｇａ極性面の機械研磨の圧力を上げ、かつ研磨実施時間を長くすることで、より基板表面が平坦化されたことによると考えられる。このため、実施例１よりも少ない１０箇所の評価領域ｄ１〜ｄ１０において以降の評価を行った。窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）の評価領域ｄ１〜ｄ１０の物理的段差の大きさを表８に示す。
（カソードルミネッセンス測定）
実施例１と同様の方法により、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）の評価領域ｄ１〜ｄ１０におけるカソードルミネッセンス発光強度の測定を実施した。
物理的段差の上段と下段において測定される窒化ガリウム結晶のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとしたときの、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）の評価領域ｄ１〜ｄ１０における（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００の値を表９に示す。
表９は、ドライエッチング時間、ウェットエッチング時間の増加に伴い、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００の値が減少することを示している。これは、実施例１と同様に、ドライエッチング時間、ウェットエッチング時間の増加に伴い、窒化ガリウム基板の表面の加工歪みが減少することによると考えられる。
（エピタキシャルウェハの製造）
実施例１と同様の方法により、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）のＧａ極性面上に結晶をエピタキシャル成長させ、実施例１のエピタキシャルウェハ３０と同様の構成を有するエピタキシャルウェハを製造した。
（フォトルミネッセンス測定）
実施例１と同様の方法により、窒化ガリウム基板（２６）〜（５０）のＧａ極性面の評価領域ｄ１〜ｄ１０におけるＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップに対応する波長のフォトルミネッセンスピーク強度（以下、発光強度と記す）を測定した。段差部ｄ１〜ｄ１０の直上の領域における平均発光強度を表１０に示す。
表１０によれば、窒化ガリウム基板（２６）〜（３６）の評価領域ｄ１〜ｄ１０の直上の領域における発光強度は０．２００Ｖ／ｍＷ以下と小さく、窒化ガリウム基板（３７）〜（５０）の評価領域ｄ１〜ｄ１０の直上の領域における発光強度は２．０００Ｖｏｌｔ／ｍＷ以上と大きい。すなわち、物理的段差が２μｍ以下であり、且つ（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００（％）が８０％以下である領域において発光強度が高く、エピタキシャルウェハの表面の平坦性に優れていることがわかる。
この結果から、表面の全ての物理的段差において（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされ、表面の全ての物理的段差の大きさが２μｍ以下である窒化ガリウム基板を用いて形成されたエピタキシャルウェハは、発光強度の高い光デバイスとして用いることができることがわかる。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１、３１ 窒化ガリウム基板
２ スクラッチ
３ 物理的段差
３ａ 下段
３ｂ 上段
３０ エピタキシャルウェハ
３２ ＧａＮバッファ層
３３ 量子井戸構造
３５ エピタキシャル成長層

Claims (4)

  1. 表面に複数の物理的段差を有する窒化ガリウム基板であって、
    前記表面に存在する全ての物理的段差の大きさが４μｍ以下であり、
    前記物理的段差の上段と下段において測定される前記窒化ガリウム基板のバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンス発光強度のうち、高い方の数値と低い方の数値をそれぞれＨ、Ｌとすると、前記全ての物理的段差において、（Ｈ−Ｌ）／Ｈ×１００≦８０の関係が満たされる窒化ガリウム基板。
  2. 前記全ての物理的段差の大きさが３μｍ以下である、
    請求項１に記載の窒化ガリウム基板。
  3. 前記全ての物理的段差の大きさが２μｍ以下である、
    請求項２に記載の窒化ガリウム基板。
  4. 請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載された窒化ガリウム基板と、
    前記窒化ガリウム基板上のバッファ層と、
    前記バッファ層上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む量子井戸構造と、
    を有するエピタキシャルウェハ。
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