JP6648253B2 - 多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子に関する。
単結晶基板を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子として、サファイア（α−アルミナ単結晶）上に各種窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成したものが知られている。例えば、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層（ＭＱＷ）、及びｐ型ＧａＮ層が順に積層形成された構造を有するものが量産化されている。また、このような用途に適した積層基板も提案されている。例えば、特許文献１（特開２０１２−１８４１４４号公報）には、サファイア下地基板と、該基板上に結晶成長せしめて形成された窒化ガリウム結晶層とを含む、窒化ガリウム結晶積層基板が提案されている。
もっとも、サファイア基板上にＧａＮ層を形成する場合、ＧａＮ層は異種基板であるサファイアとの間で格子定数及び熱膨張率が一致しないため転位を生じやすい。また、サファイアは絶縁性材料であるため、その表面に電極を形成することができず、それ故、素子の表裏に電極を備えた縦型構造の発光素子を構成できない。そこで、窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶上に各種ＧａＮ層を形成したＬＥＤが注目されている。ＧａＮ単結晶基板であれば、ＧａＮ層と同種の材質であることから、格子定数及び熱膨張率が整合しやすく、サファイア基板を用いる場合よりも性能向上が期待できる。例えば、特許文献２（特開２０１０−１３２５５６号公報）には、厚みが２００μｍ以上の自立したｎ型窒化ガリウム単結晶基板が開示されている。
しかしながら、単結晶基板は一般的に面積が小さく且つ高価なものである。特に、大面積基板を用いたＬＥＤ製造の低コスト化が求められてきているが、大面積の単結晶基板を量産することは容易なことではなく、その製造コストはさらに高くなる。そこで、窒化ガリウム等の単結晶基板の代替材料となりうる安価な材料が望まれる。かかる要求を満たす多結晶窒化ガリウム自立基板が提案されている。例えば、特許文献３（ＷＯ２０１５／１５１９０２Ａ１）には、略法線方向で特定結晶方位に配向した複数の窒化ガリウム系単結晶粒子で構成される多結晶窒化ガリウム自立基板が開示されており、この自立基板は、基板表面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングによって測定した各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布し、その平均傾斜角が１〜１０°であることが記載されている。
特開２０１２−１８４１４４号公報 特開２０１０−１３２５５６号公報 ＷＯ２０１５／１５１９０２Ａ１
本発明者らは、今般、構成粒子が略法線方向で特定結晶方位に配向した多結晶窒化ガリウム自立基板において、構成粒子の配向方位を０．１°以上１°未満の平均傾斜角で傾斜させ、かつ、上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴを１０μｍ以上とすることにより、それを用いて発光素子や太陽電池等のデバイスを作製した場合に、高い発光効率や高い変換効率等の優れた特性が得られるとの知見を得た。また、そのような多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて発光素子を構成することにより、高い発光効率が得られるとの知見も得た。
したがって、本発明の目的は、それを用いて発光素子や太陽電池等のデバイスを作製した場合に、高い発光効率や高い変換効率等の優れた特性が得られる多結晶窒化ガリウム自立基板を提供することにある。また、本発明の他の目的は、多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて高い発光効率が得られる発光素子を提供することにある。
本発明の一態様によれば、略法線方向で特定結晶方位に配向した複数の窒化ガリウム系単結晶粒子で構成される多結晶窒化ガリウム自立基板であって、該多結晶窒化ガリウム自立基板が上面及び底面を有し、前記上面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングによって測定した各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布し、その平均傾斜角が０．１°以上１°未満であり、かつ、前記上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴが１０μｍ以上である、多結晶窒化ガリウム自立基板が提供される。
本発明の他の一態様によれば、本発明の上記態様による多結晶窒化ガリウム自立基板と、
該基板上に形成され、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される層を一以上有する発光機能層と、
を備えた、発光素子が提供される。
本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて作製された縦型発光素子の一例を示す模式断面図である。
多結晶窒化ガリウム自立基板
本発明の窒化ガリウム基板は自立基板の形態を有しうる。本発明において「自立基板」とは、取り扱う際に自重で変形又は破損せず、固形物として取り扱うことのできる基板を意味する。本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板は発光素子等の各種半導体デバイスの基板として使用可能であるが、それ以外にも、電極（ｐ型電極又はｎ型電極でありうる）、ｐ型層、ｎ型層等の基材以外の部材又は層として使用可能なものである。なお、以下の説明においては、主たる用途の一つである発光素子を例に本発明の利点を記述することがあるが、同様ないし類似の利点は技術的整合性を損なわない範囲内で他の半導体デバイスにも当てはまる。
本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板は、略法線方向で特定結晶方位に配向した複数の窒化ガリウム系単結晶粒子で構成される。多結晶窒化ガリウム自立基板は、上面及び底面を有し、上面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングによって測定した各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位（例えばｃ軸、ａ軸等の方位）から様々な角度で傾斜して分布し、その平均傾斜角が０．１°以上１°未満である。その上、上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴが１０μｍ以上である。なお、ＥＢＳＤは、結晶性材料に電子線を照射すると、試料上面で生じる電子線後方散乱回折により菊池線回折図形、すなわちＥＢＳＤパターンが観測され、試料の結晶系や結晶方位に関する情報を得る公知の手法であり、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と組み合わせて、電子線を走査しながらＥＢＳＤパターンを測定及び解析することで、微小領域の結晶系や結晶方位の分布に関する情報が得られるものである。そして、上記のように、構成粒子が略法線方向で特定結晶方位に配向した多結晶窒化ガリウム自立基板において、構成粒子の配向方位を０．１°以上１°未満の平均傾斜角で傾斜させ、かつ、上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴを１０μｍ以上とすることにより、それを用いて発光素子や太陽電池等のデバイスを作製した場合に、高い発光効率や高い変換効率等の優れた特性を得ることができる。この理由は定かではないが、光取り出し効率が高まる効果等が推定される。特許文献３に開示されるように、平均傾斜角が１〜１０°である多結晶窒化ガリウム自立基板においても十分良好な特性が得ることができていたが、本発明の自立基板においては上面における平均傾斜角を０．１°以上１°未満とし、かつ、窒化ガリウム系単結晶粒子の断面平均径ＤＴを１０μｍ以上とすることで著しく高い特性を得ることができる。そして、そのような自立基板上に形成する発光機能層も配向方位が傾斜した構造となるため、光取り出し効率が高まるものと推定される。また、上記のような多結晶窒化ガリウム自立基板を用いてパワーデバイス等の半導体デバイスを作製した場合にも十分な特性を得ることができる。
多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する複数の窒化ガリウム系単結晶粒子は、略法線方向で特定結晶方位に配向してなる。特定結晶方位は、窒化ガリウムの有しうるいかなる結晶方位（例えばｃ面、ａ面等）であってもよい。例えば、複数の窒化ガリウム系単結晶粒子が略法線方向でｃ面に配向している場合、基板上面の各構成粒子はｃ軸を略法線方向に向けて（すなわちｃ面を基板上面に露出させて）配置されることとなる。そして、多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する複数の窒化ガリウム系単結晶粒子は略法線方向で特定結晶方位に配向しつつも、個々の構成粒子は様々な角度で若干傾斜してなる。つまり、基板上面は全体として略法線方向に所定の特定結晶方位への配向を呈するが、各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位は特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布してなる。この特有の配向状態は、前述のとおり、基板上面（板面）のＥＢＳＤの逆極点図マッピング（例えば特許文献３の図２を参照）によって評価することができる。すなわち、基板上面のＥＢＳＤの逆極点図マッピングによって測定した各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布してなり、その傾斜角の平均値（平均傾斜角）は０．１°以上１°未満であり、好ましくは０．１°以上０．９°以下であり、より好ましくは０．４°以上０．８°以下である。
多結晶窒化ガリウム自立基板は、略法線方向に単結晶構造を有するのが好ましい。この場合、多結晶窒化ガリウム自立基板は、略法線方向に単結晶構造を有する複数の窒化ガリウム系単結晶粒子で構成される板からなるということができる。すなわち、多結晶窒化ガリウム自立基板は、水平面方向に二次元的に連結されてなる複数の半導体単結晶粒子で構成されており、それ故、略法線方向には単結晶構造を有しうる。したがって、多結晶窒化ガリウム自立基板は、全体としては単結晶ではないものの、局所的なドメイン単位では単結晶構造を有する。このような構成とすることで、発光機能や太陽電池等のデバイスを作製した場合に十分な特性を得ることができる。この理由は定かではないが、多結晶窒化ガリウム基板の透光性や光の取り出し効率による効果と考えられる。また、ｐ型ないしｎ型ドーパントの導入により導電性を持たせた窒化ガリウムを基板とすることで、縦型構造の発光素子を実現することができ、それにより輝度を高めることができる。その上、面発光照明等に用いられる大面積な面発光素子も低コストで実現可能となる。特に、本態様の多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて縦型ＬＥＤ構造を作製する場合、自立基板を構成する複数の窒化ガリウム系単結晶粒子が略法線方向に単結晶構造を有するため、電流パス中に高抵抗な粒界が存在しなくなり、その結果、好ましい発光効率が見込まれる。この点、法線方向にも粒界が存在する配向多結晶基板の場合には、縦型構造としても電流パス上に高抵抗な粒界が存在するため、発光効率が低くなるおそれがある。これらの観点から、本態様の多結晶窒化ガリウム自立基板は縦型ＬＥＤ構造にも好ましく用いることができる。また、電流パス中に粒界が存在しないことから、このような発光デバイスだけでなく、パワーデバイスや太陽電池等にも適用できる。
好ましくは、自立基板を構成する複数の窒化ガリウム系単結晶粒子は、略法線方向に概ね揃った結晶方位を有する。「略法線方向に概ね揃った結晶方位」とは、必ずしも法線方向に完全に揃った結晶方位とは限らず、自立基板を用いた発光素子等のデバイスが所望のデバイス特性を確保できるかぎり、法線ないしそれに類する方向にある程度揃った結晶方位であってよいことを意味する。製法由来の表現をすれば、窒化ガリウム系単結晶粒子は、多結晶窒化ガリウム自立基板の製造の際時に下地基材として使用した配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣って成長した構造を有するともいえる。「配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣って成長した構造」とは、配向多結晶焼結体の結晶方位の影響を受けた結晶成長によりもたらされた構造を意味し、必ずしも配向多結晶焼結体の結晶方位に完全に倣って成長した構造であるとは限らず、自立基板を用いた発光素子等のデバイスが所望のデバイス特性を確保できるかぎり、配向多結晶焼結体の結晶方位にある程度倣って成長した構造であってよい。すなわち、この構造は配向多結晶焼結体と異なる結晶方位に成長する構造も含む。その意味で、「結晶方位に概ね倣って成長した構造」との表現は「結晶方位に概ね由来して成長した構造」と言い換えることもでき、この言い換え及び上記意味は本明細書中の同種の表現に同様に当てはまる。したがって、そのような結晶成長はエピタキシャル成長によるものが好ましいが、これに限定されず、それに類する様々な結晶成長の形態であってもよい。いずれにしても、このように成長することで、多結晶窒化ガリウム自立基板は略法線方向に関しては結晶方位が概ね揃った構造とすることができる。
なお、多結晶窒化ガリウム自立基板の基板上面（板面）と直交する断面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングを測定した場合においても、自立基板を構成する窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位は略法線方向で特定結晶方位に配向していることが確認できる。しかし、基板法線方向と直交する板面方向では無配向である。即ち、窒化ガリウム系単結晶粒子は略法線方向にのみ結晶方位が配向した構造であり、略法線方向を軸とした窒化ガリウム系単結晶粒子のツイスト（結晶軸の回転）分布はランダムである。このような構造とすることで、多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて発光機能や太陽電池等のデバイスを作製した場合に十分な特性を得ることができる。この理由は定かではないが、光の取り出し効率による効果と考えられる。
したがって、上記態様による多結晶窒化ガリウム自立基板は、法線方向に見た場合に単結晶と観察され、水平面方向の切断面で見た場合に粒界が観察される柱状構造の窒化ガリウム系単結晶粒子の集合体であると捉えることも可能である。ここで、「柱状構造」とは、典型的な縦長の柱形状のみを意味するのではなく、横長の形状、台形の形状、及び台形を逆さにしたような形状等、種々の形状を包含する意味として定義される。もっとも、上述のとおり、多結晶窒化ガリウム自立基板は法線ないしそれに類する方向にある程度揃った結晶方位を有する構造であればよく、必ずしも厳密な意味で柱状構造である必要はない。柱状構造となる原因は、前述のとおり、多結晶窒化ガリウム自立基板の製造に用いられる配向多結晶焼結体の結晶方位の影響を受けて窒化ガリウム単結晶粒子が成長するためと考えられる。このため、柱状構造ともいえる窒化ガリウム単結晶粒子の断面の平均粒径（以下、断面平均径という）は成膜条件だけでなく、配向多結晶焼結体の板面の平均粒径にも依存するものと考えられる。多結晶窒化ガリウム自立基板を発光素子の発光機能層の一部として用いる場合、粒界があることにより断面方向の光の透過率が悪く、光が散乱ないし反射する。このため、法線方向に光を取り出す構造の発光素子の場合、粒界からの散乱光により輝度が高まる効果も期待される。
上述したとおり、本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて縦型ＬＥＤ構造とする場合、発光機能層が形成されることになる自立基板上面と、電極が形成されることになる自立基板底面とは粒界を介さずに連通していることが好ましい。すなわち、多結晶窒化ガリウム自立基板の上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子が、多結晶窒化ガリウム自立基板の底面に粒界を介さずに連通してなるのが好ましい。粒界が存在すると通電時に抵抗をもたらすため、発光効率を低下させる要因となる。
ところで、多結晶窒化ガリウム自立基板の上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴは、多結晶窒化ガリウム自立基板の底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＢと異なることが好ましい。こうすることで自立基板及びその構成粒子の結晶性が向上する。例えば、気相や液相を介したエピタキシャル成長を用いて窒化ガリウム結晶を成長させる場合、成膜条件にもよるが、法線方向だけでなく、水平方向にも成長が生じる。このとき、成長の起点となる粒子やその上に作製した種結晶の品質にばらつきがあると、個々の窒化ガリウム結晶の成長速度が異なり、高速成長する粒子が成長速度の遅い粒子を覆うようにして成長する場合がある。このような成長挙動をとる場合、基板底面側よりも、基板上面側の粒子の方が大粒径化しやすくなる。この場合、成長が遅い結晶は成長が途中で停止しており、ある一断面で観察すると法線方向にも粒界が観測されうる。しかし、基板上面に露出した粒子は基板底面と粒界を介さずに連通しており、電流を流す上での抵抗相はない。換言すれば、窒化ガリウム結晶を成膜後、基板上面側（製造時に下地基板である配向多結晶焼結体と接していた側と反対側）に露出した粒子は、粒界を介さずに底面に連通している粒子が支配的になるため、縦型構造のＬＥＤの発光効率を高める観点では基板上面側に発光機能層を作製することが好ましい。一方、基板底面側（製造時に下地基板である配向多結晶焼結体と接していた側）は基板上面側と連通していない粒子も混在するため、基板底面側に発光機能層を作製すると発光効率が低下するおそれがある。また、上述のとおり、このような成長挙動の場合は成長に伴って大粒径化するため、多結晶窒化ガリウム自立基板の表底面は窒化ガリウム結晶の粒径が大きい方が基板上面側、小さい方が基板底面側とも言い換えることができる。すなわち、多結晶窒化ガリウム自立基板において、縦型構造のＬＥＤの発光効率を高める観点では、窒化ガリウム結晶の粒径が大きい側（基板上面側）に発光機能層を作製することが好ましい。なお、下地基板にｃ面等に配向した配向多結晶アルミナ焼結体を用いる場合、基板上面側（製造時に下地基板である配向多結晶アルミナ焼結体と接していた側と反対側）がガリウム面となり、基板底面側（製造時に下地基板である配向多結晶アルミナ焼結体と接していた側）が窒素面となる。すなわち、多結晶窒化ガリウム自立基板のガリウム面は、粒界を介さずに底面に連通している粒子が支配的となる。このため、縦型構造のＬＥＤの発光効率を高める観点では、ガリウム面側（基板上面側）に発光機能層を作製することが好ましい。
したがって、基板上面側の粒子が基板底面側の粒子より大粒径化するような成長挙動をとる場合、すなわち基板上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の断面平均径が、基板底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の断面平均径よりも大きいと、発光効率が高まるため好ましい（このことは、基板上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の個数が、基板底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の個数よりも少ないことが好ましいと言い換えることもできる）。具体的には、多結晶窒化ガリウム自立基板の底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径（以下、基板底面の断面平均径ＤＢという）に対する、多結晶窒化ガリウム自立基板の上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径（以下、基板上面の断面平均径ＤＴという）の比ＤＴ／ＤＢが１．０よりも大きいのが好ましく、より好ましくは１．５以上、さらに好ましくは２．０以上、特に好ましくは３．０以上、最も好ましくは５．０以上である。ただし、上記比ＤＴ／ＤＢが高すぎると逆に発光効率が低下する場合があるため、２０以下が好ましく、１０以下がさらに好ましい。発光効率が変化する原因は定かではないが、上記比ＤＴ／ＤＢが高いと大粒径化によって発光に寄与しない粒界面積が減少すること、あるいは大粒径化することで結晶欠陥が低減するためと考えられる。結晶欠陥が減少する原因も定かではないが、欠陥を含む粒子は成長が遅く、欠陥が少ない粒子は高速成長するためではないかとも考えられる。一方、上記比ＤＴ／ＤＢが高すぎると、基板上面及び基板底面間で連通する粒子（すなわち基板上面側に露出した粒子）は基板底面側付近では断面径が小さくなる。この結果、十分な電流パスが得られず発光効率が低下する原因となり得るとも考えられるが、その詳細は定かではない。
もっとも、多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する柱状構造同士の界面は結晶性が低下するため、発光素子の発光機能層として用いる場合、発光効率が低下し、発光波長が変動し、発光波長がブロードになる可能性がある。このため、柱状構造の断面平均径は大きいほうが良い。具体的には、多結晶窒化ガリウム自立基板の上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴは１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上、特に好ましくは７０μｍ以上、最も好ましくは１００μｍ以上である。多結晶窒化ガリウム自立基板の最表面（上面）における窒化ガリウム系単結晶粒子の断面平均径の上限は特に限定されないが、１０００μｍ以下が現実的であり、より現実的には５００μｍ以下であり、さらに現実的には２００μｍ以下である。また、このような断面平均径の窒化ガリウム系単結晶粒子を作製するには、多結晶窒化ガリウム自立基板の製造に用いられる、配向多結晶焼結体を構成する粒子の板面における焼結粒径を１０μｍ以上とするのが望ましく、より望ましくは１０μｍ〜１０００μｍ、さらに望ましくは１０μｍ〜８００μｍ、特に望ましくは１４μｍ〜５００μｍである。あるいは、多結晶窒化ガリウム自立基板の最表面（上面）における窒化ガリウム系単結晶粒子の断面平均径を自立基板の底面の断面平均径よりも大きくすることを念頭に置く場合には、配向多結晶焼結体を構成する粒子の板面における焼結粒径を１０μｍ〜１００μｍとするのが望ましく、より望ましくは１４μｍ〜７０μｍである。
多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する窒化ガリウム系単結晶粒子は、ドーパントを含まないものであってもよい。ここで、「ドーパントを含まない」とは何らかの機能ないし特性の付与を意図して添加された元素を含まないことを意味し、不可避不純物の含有が許容されるのはいうまでもない。あるいは、多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する窒化ガリウム系単結晶粒子は、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントでドープされていてもよく、この場合、多結晶窒化ガリウム自立基板を、ｐ型電極、ｎ型電極、ｐ型層、ｎ型層等の基材以外の部材又は層として使用することができる。ｐ型ドーパントの好ましい例としては、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカドミウム（Ｃｄ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。ｎ型ドーパントの好ましい例としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）及び酸素（Ｏ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。
多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する窒化ガリウム系単結晶粒子は、バンドギャップの制御のため混晶化されていてもよい。好ましくは、窒化ガリウム単結晶粒子は、ＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択される１種以上の結晶と混晶化された窒化ガリウムからなるものであってもよく、ｐ型窒化ガリウム及び／又はｎ型窒化ガリウム単結晶粒子はこの混晶化された窒化ガリウムにｐ型ドーパント又はｎ型ドーパントがドープされていてもよい。例えば、窒化ガリウムとＡｌＮの混晶であるＡｌｘＧａ１−ｘＮにＭｇをドーピングすることでｐ型基板、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにＳｉをドーピングすることでとしてｎ型基板として使用することができる。自立基板を発光素子の発光機能層として用いる場合、窒化ガリウムをＡｌＮと混晶化することでバンドギャップが広がり、発光波長を高エネルギー側にシフトさせることができる。また、窒化ガリウムをＩｎＮとの混晶としてもよく、これによりバンドギャップが狭まり、発光波長を低エネルギー側にシフトさせることができる。
多結晶窒化ガリウム自立基板は直径５０．８ｍｍ（２インチ）以上の大きさを有するのが好ましく、より好ましくは直径１００ｍｍ（４インチ）以上であり、さらに好ましくは直径２００ｍｍ（８インチ）以上である。多結晶窒化ガリウム自立基板は大きければ大きいほど作製可能な素子の個数が増えるため、製造コストの観点で好ましく、面発光素子用との観点でも素子面積の自由度が増え面発光照明等への用途が広がる点で好ましく、その面積ないし大きさに上限は規定されるべきではない。なお、多結晶窒化ガリウム自立基板は上面視で円形状あるいは実質的に円形状であることが好ましいが、これに限定されない。円形状あるいは実質的に円形状ではない場合、面積として、２０２６ｍｍ２以上であることが好ましく、より好ましくは７８５０ｍｍ２以上であり、さらに好ましくは３１４００ｍｍ２以上である。もっとも、大面積を要しない用途については、上記範囲よりも小さい面積、例えば直径５０．８ｍｍ（２インチ）以下、面積換算で２０２６ｍｍ２以下としてもよい。多結晶窒化ガリウム自立基板の厚さは基板に自立性を付与できる必要があり、２０μｍ以上が好ましく、より好ましくは１００μｍ以上であり、さらに好ましくは３００μｍ以上である。多結晶窒化ガリウム自立基板の厚さに上限は規定されるべきではないが、製造コストの観点では３０００μｍ以下が現実的である。
多結晶窒化ガリウム自立基板の上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴに対する、多結晶窒化ガリウム自立基板の厚さＴの比として規定されるアスペクト比Ｔ／ＤＴが０．７以上であるのが好ましく、より好ましくは１．０以上であり、さらに好ましくは３．０以上である。このアスペクト比がＬＥＤとする場合に発光効率を高める観点から好ましい。発光効率が高まる原因として、高アスペクト比粒子の方が窒化ガリウム中の欠陥密度が低いこと、及び光の取り出し効率が高まること等が考えられるが、その詳細は定かではない。
これまでに述べたとおり、発光効率を高める観点では、（１）発光機能層は自立基板上面側（製造時に下地基板である配向多結晶焼結体に接していた側と反対側）に作製する方が良く、（２）自立基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢが適度な値をとるのが良く、（３）自立基板を構成する粒子の基板最表面における断面平均径が大きい方が良く、（４）自立基板を構成する粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは大きい方が良い。上記（３）及び（４）の観点では断面平均径が大きく且つアスペクト比が大きい方が良く、言い換えると基板上面側の断面平均径が大きく且つ厚い窒化ガリウム結晶が好ましい。また、自立化の観点では多結晶窒化ガリウム自立基板の厚さは２０μｍ以上が好ましく、より好ましくは１００μｍ以上であり、さらに好ましくは３００μｍ以上である。しかし、前述したとおり窒化ガリウム結晶の厚みが厚くなるとコスト的な観点では好ましくなく、自立する限り薄い方が好ましい。すなわち、多結晶窒化ガリウム自立基板の厚みとしては３０００μｍ以下が現実的であり、６００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が好ましい。したがって、自立化させ且つ発光効率を高める観点とコスト的な観点を両立する厚みとしては５０〜５００μｍ程度が好ましく、３００〜５００μｍ程度が更に好ましい。
製造方法
本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板の製造方法は特に限定されないが、以下に好ましい３つの手法を例示する。いずれの手法も、下地基板としての配向多結晶焼結体上に多結晶窒化ガリウム層を作製する点においては共通する。
第一の好ましい手法は、平均傾斜角が小さい配向多結晶焼結体上に多結晶窒化ガリウム層を育成する手法である。すなわち、この配向多結晶焼結体は、その上面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングによって測定した各単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布しており、その平均傾斜角が小さいものである。窒化ガリウム結晶の育成方法は特に限定されず、ナトリウムフラックス法等の液相法、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）等の気相法等を好ましく用いることができる。窒化ガリウム粒子は配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣うように成長する。このため、下地となる配向多結晶焼結体の上面を構成する粒子の傾斜角を０．１°以上１°未満とすることで、得られる配向窒化ガリウム結晶の傾斜角を０．１°以上１°未満に制御することができる。したがって、多結晶窒化ガリウム自立基板を作製するための下地基板として、配向多結晶焼結体を用意する。配向多結晶焼結体の組成は特に限定されないが、配向多結晶アルミナ焼結体、配向多結晶酸化亜鉛焼結体、及び配向多結晶窒化アルミナ焼結体から選ばれる１種であるのが好ましく、配向多結晶アルミナ焼結体が特に好ましい。
第二の好ましい手法は、多結晶窒化ガリウム層をＮａフラックス法で育成するにあたり、フラックス中に不純物を添加する手法である。こうすることで多結晶窒化ガリウム層の平均傾斜角を０．１°以上１°未満の範囲に制御することができる。すなわち、Ｎａフラックス法で育成する場合も、窒化ガリウム結晶は下地となる配向多結晶焼結体の傾斜角に概ね倣うように成長する。ただし、Ｎａフラックス中に不純物を添加することで、下地基板の傾斜角を低減するように窒化ガリウム結晶を育成することができる。例えば、Ｎａフラックスに０．１モル％程度のＣａを添加して窒化ガリウム結晶を育成した場合、窒化ガリウム結晶表面の傾斜角は、下地基板上面の傾斜角より１０％から５０％低減する。フラックス法で窒化ガリウム結晶を成長する際の傾斜角の変化量は添加元素の種類や濃度によって変化するので、適切な傾斜角を持つ下地基板と組み合わせることにより、傾斜角が０．１°以上１°未満の窒化ガリウム結晶の実現が可能である。傾斜角低減のメカニズムは明確ではないが、以下のように考えられる。すなわち、添加する元素の種類により傾斜角の変化量が異なる。また、得られる窒化ガリウム結晶の表面モフォロジーが異なる。これらのことから、特定の元素を添加した場合に、傾斜角が小さい結晶粒が、傾斜角が大きい結晶粒よりも速い速度で成長し、傾斜角が小さい結晶粒を取り込むことで、最終的に全体の傾斜角が小さくなること等が考えられる。
第三の好ましい手法は、下地基板上に気相法により種結晶層、又はバッファ層及び種結晶層を形成し、その後多結晶窒化ガリウム層を育成する手法であり、種結晶層又はバッファ層の形成時に、傾斜角が小さい下地基板粒子にのみ選択的に種結晶層又はバッファ層を形成することを特徴とする。例えば、アルミナ基板上に形成する種結晶層とすべく、窒化ガリウム層（厚さ１〜１０μｍ）を傾斜角が小さいアルミナ粒子上にのみ形成し、その後、フラックス法やＨＶＰＥ法等により窒化ガリウム結晶を選択的に成長させて厚膜の多結晶窒化ガリウム層とする。こうすることで窒化ガリウム結晶層の平均傾斜角を低減することができる。種結晶層となる窒化ガリウム層はＭＯＣＶＤ法により形成することが望ましい。特に、配向アルミナ基板上に種結晶層となる窒化ガリウム層を形成するには、傾斜角の小さいアルミナ粒子に対してのみバッファ層を形成し、バッファ層上に１０００〜１１５０℃での高温成長により窒化ガリウム層を種結晶層として形成するのが好ましい。なお、バッファ層の無いアルミナ上には高温成長窒化ガリウム層はほとんど成長できない。好ましいバッファ層としては、（ｉ）ＩｎＧａＮ層を用いる場合と、（ｉｉ）低温成長窒化ガリウム層を形成する場合とがある。上記（ｉ）は、傾斜角に応じて異なるＩｎ組成でＩｎＧａＮ層が形成されるという特性を利用するものであり、傾斜角の大きい粒子上にはＩｎが取り込まれず成長レートの低い窒化ガリウムが形成され、傾斜角の小さい粒子上には成長レートの高いＩｎＧａＮが形成される。そして、高温成長窒化ガリウム層形成のため昇温すると、成長レートの低い窒化ガリウム層はほとんど昇華し、ＩｎＧａＮ層上にのみ高温成長窒化ガリウム層（種結晶層）が形成される。一方、上記（ｉｉ）は傾斜角が大きい粒子上の低温窒化ガリウム層が昇華しやすいとの知見に基づくものであり、これを利用して傾斜角の小さい粒子上にのみ高温窒化ガリウム層（種結晶層）が形成される。いずれにしても、上記２種類のうち少なくとも１種類のバッファ層を用いて高温窒化ガリウム層を成長させて種結晶層とし、その種結晶層上にフラックス法やＨＶＰＥ法などで多結晶窒化ガリウム層を厚膜成長させ、基板形状に加工することで、平均傾斜角の小さい配向窒化ガリウム基板を作製することができる。上記（ｉ）の場合（バッファ層としてＩｎＧａＮを用いる場合）、Ｉｎ組成は１０モル％〜２０モル％となるように設定することが望ましい。この場合、バッファ層は６５０℃〜８５０℃の温度で窒素雰囲気にて形成するのが好ましい。一方、上記（ｉｉ）の場合（バッファ層として低温成長窒化ガリウムを用いる場合）、バッファ層の厚さは１ｎｍ〜１５ｎｍとなるように設定することが望ましい。この点、通常サファイア基板上に窒化ガリウム結晶を形成する際はバッファ層の厚さが２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であるのに対し、上記（ｉｉ）では傾斜角の大きい粒子上の低温成長窒化ガリウム一部を昇華させるため、バッファ層の厚さを薄くかつ精密に制御する必要がある。この場合、バッファ層は５００℃〜５５０℃の温度で水素雰囲気にて形成するのが好ましい。
上記３つの手法のいずれにおいても、多結晶窒化ガリウム層が形成された配向多結晶焼結体から配向多結晶焼結体を除去して、多結晶窒化ガリウム自立基板を得ることができる。配向多結晶焼結体を除去する方法は、特に限定されないが、研削加工、ケミカルエッチング、配向焼結体側からのレーザー照射による界面加熱（レーザーリフトオフ）、昇温時の熱膨張差を利用した自発剥離等が挙げられる。
配向多結晶焼結体の製造方法
本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板の製造に下地基材として用いる配向多結晶焼結体は、いかなる製造方法によって製造されたものであってもよく、特に限定されない。例えば特許文献３（ＷＯ２０１５／１５１９０２Ａ１）に記載される方法に基づいて作製されたものであってもよい。
もっとも、本発明の好ましい態様による配向多結晶焼結体の製造方法は、以下に具体的に説明するように、（ａ）微細原料粉末層と、板状原料粒子の板面が前記微細原料粉末層の表面に沿うように配列された板状原料粉末層とが、交互に積層された積層体を作製する工程と、（ｂ）上記積層体を焼成する工程とを含むものである。
工程（ａ）で用いる微細原料粉末層は、微細原料粒子の集合体の層である。微細原料粉末は、平均粒径が板状原料粉末よりも小さい粉末である。微細原料粉末層は、微細原料粉末そのものを成形した層であってもよいし微細原料粉末に添加剤を加えたものを成形した層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。成形方法は特に限定するものではないが、例えば、テープ成形、押出成形、鋳込み成形、射出成形、一軸プレス成形等が挙げられる。微細原料粉末層の厚みは、５〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍ、さらに好ましくは２０〜６０μｍである。
工程（ａ）で用いる板状原料粉末層は、板状原料粒子の集合体の層である。板状原料粉末は、アスペクト比が３以上のものが好ましい。アスペクト比は、平均粒径／平均厚さである。ここで、平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値であり、平均厚さは、粒子の短軸長の平均値である。これらの値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状原料粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定する。板状原料粉末の平均粒径は、配向焼結体の高配向化の観点からは大きい方が好ましく、１．５μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましく、１５μｍ以上が特に好ましい。但し、緻密化の観点からは小さい方が好ましく、３０μｍ以下が好ましい。こうしたことから、高配向と緻密化を両立するには平均粒径が１．５μｍ〜３０μｍであることが好ましい。板状原料粉末層は、板状原料粉末そのものの層であってもよいし板状原料粉末に添加剤を加えたものの層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。板状原料粉末層は、板状原料粉末を構成する板状原料粒子の板面が微細原料粉末層の表面に沿うように配列されている。板状原料粉末は、単一粒子になっていることが好ましい。単一粒子になっていない場合には、配向度や傾斜角を悪化させることがある。粒子を単一にするには、分級処理、解砕処理及び水簸処理の少なくとも１つの処理を採用すればよいが、すべての処理を採用するのが好ましい。分級処理や解砕処理は、凝集等がある際に採用するのが好ましい。分級処理としては、気流分級等が挙げられる。解砕処理としては、ポット解砕、湿式微粒化方式等が挙げられる。水簸処理は、微粒粉が混入している際に採用するのが好ましい。
工程（ａ）で作製される積層体は、微細原料粉末層と板状原料粉末層とが交互に積層されたものである。積層体を作製する際、微細原料粉末の成形体の片面を板状原料粉末層で全面的に又は部分的に被覆した片面加工体を作製し、該片面加工体を利用して積層体を作製してもよい。あるいは、微細原料粉末の成形体の両面を板状原料粉末層で全面的に又は部分的に被覆した両面加工体を作製し、該両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。
片面加工体又は両面加工体は、微細原料粉末の成形体の片面又は両面に該成形体よりも厚みの薄い板状原料粉末の成形体を積層することにより作製してもよい。この場合、板状原料粉末の成形体は、板状原料粒子の板面がその成形体の表面に沿うようにテープ成形や印刷などによってせん断力を与えて成形したものを用いてもよい。あるいは、片面加工体又は両面加工体は、微細原料粉末の成形体の片面又は両面に板状原料粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートすることにより作製してもよい。スプレーコート、スピンコート、ディップコートでは、強制的にせん断力を与えずとも、板状原料粒子の板面がその成形体の表面に沿うように配列する。成形体の表面に配列した板状原料粒子は、数個の板状原料粒子が重なっていてもよいが、他の板状原料粒子と重なっていないことが好ましい。
片面加工体を利用する場合、微細原料粉末層と板状原料粉末層とが交互に積層されるように片面加工体を積み重ねていけばよい。両面加工体を利用する場合、両面加工体と未加工の微細原料粉末の成形体とを交互に積層すればよい。なお、片面加工体と両面加工体の両方を利用して積層体を作製してもよいし、片面加工体と両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。
工程（ｂ）では、積層体を焼成する。この場合、焼成方法は特に限定されないが、加圧焼成や水素焼成が好ましい。加圧焼成としては、例えばホットプレス焼成やＨＩＰ焼成などが挙げられる。なお、加圧焼成前に常圧予備焼成を行ってもよい。ＨＩＰ焼成を行うときにはカプセル法を用いることもできる。ホットプレス焼成の場合の圧力は、５０ｋｇｆ／ｃｍ２以上が好ましく、２００ｋｇｆ／ｃｍ２以上がより好ましい。ＨＩＰ焼成の場合の圧力は、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２以上が好ましく、２０００ｋｇｆ／ｃｍ２以上がより好ましい。焼成雰囲気は特に限定はないが、大気、窒素、Ａｒ等の不活性ガス、真空雰囲気下のいずれかが好ましく、窒素、Ａｒ雰囲気下が特に好ましく、窒素雰囲気が最も好ましい。積層体は、微細原料粒子の集合体の層である微細原料粉末層と、板状原料粒子の板面が微細原料粉末層の表面に沿って配列された板状原料粉末層とが、交互に積層されたものである。積層体を焼成すると、板状原料粒子が種結晶（テンプレート）となり、微細原料粒子がマトリックスとなって、テンプレートがマトリックスを取り込みながらホモエピタキシャル成長する。そのため、得られる焼結体は配向度が高く、かつ、傾斜角が小さい配向焼結体となる。配向度と傾斜角は、板状原料粉末が微細原料粉末層の表面を覆う被覆率に依存する。この被覆率が１〜６０％（好ましくは１〜２０％、さらに好ましくは３〜２０％）のときに配向度が高く、傾斜角が小さくなる。また、配向度と傾斜角は、微細原料粉末層の厚みに依存する。微細原料粉末層の厚みが５〜１００μｍ（好ましくは１０〜１００μｍ、より好ましくは２０〜６０μｍ）のときに配向度が高く、傾斜角は小さくなる。ここで、配向度は、Ｘ線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたｃ面配向度を指し、傾斜角は、ＸＲＣ半値幅（ＸＲＣ・ＦＷＨＭ）を用いる。
配向多結晶焼結体の組成は特に限定されないが、配向多結晶アルミナ焼結体、配向多結晶酸化亜鉛焼結体、及び配向多結晶窒化アルミニウム焼結体から選択される１種であるのが好ましい。したがって、微細原料粉末及び板状原料粉末の主成分としては、例えば、アルミナ、ＺｎＯ、ＡｌＮなどが挙げられるが、このうちアルミナが好ましい。主成分がアルミナの場合、焼成温度（最高到達温度）は１８５０〜２０５０℃が好ましく、１９００〜２０００℃がより好まい。なお、「主成分」とは、粉末全体に占める質量割合が５０％（好ましくは６０％、より好ましくは７０％、更に好ましくは８０％）以上の成分のことをいう。
本態様の製造方法によって得られる配向焼結体は、ｃ面配向度が高く、傾斜角が小さいものである。例えば、Ｘ線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたｃ面配向度が８０％以上（好ましくは９０％以上、より好ましくは９６％以上）のものを得ることが可能となる。また、傾斜角についていえば、Ｘ線ロッキングカーブ法を用いて測定したＸＲＣ・ＦＷＨＭは５°以下（好ましくは２．５°以下、より好ましくは１．５°以下、さらに好ましくは１．０°以下）のものを得ることが可能となる。
発光素子及びその製造方法
上述した本発明による多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて高品質の発光素子を作製することができる。前述のとおり、本発明による多結晶窒化ガリウム自立基板を用いて発光素子を構成することにより、高い発光効率を得ることができる。本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板を用いた発光素子の構造やその作製方法は特に限定されるものではない。典型的には、発光素子は、多結晶窒化ガリウム自立基板に発光機能層を設けることにより作製され、この発光機能層の形成は、窒化ガリウム基板の結晶方位に概ね倣った結晶方位を有するように、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される層を一つ以上形成することに行われるのが好ましい。もっとも、多結晶窒化ガリウム自立基板を電極（ｐ型電極又はｎ型電極でありうる）、ｐ型層、ｎ型層等の基材以外の部材又は層として利用して発光素子を作製してもよい。素子サイズに特に規定はなく、５ｍｍ×５ｍｍ以下の小素子としてもよいし、１０ｃｍ×１０ｃｍ以上の面発光素子としてもよい。
図１に、本発明の一態様による発光素子の層構成を模式的に示す。図１に示される発光素子１０は、多結晶窒化ガリウム自立基板１２と、この基板上に形成される発光機能層１４とを備えてなる。発光機能層１４は、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される層を一以上有してなる。この発光機能層１４は、電極等を適宜設けて電圧を印加することによりＬＥＤ等の発光素子の原理に基づき発光をもたらすものである。特に、本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板１２を用いることで、窒化ガリウム単結晶基板を用いた場合と同等の発光効率を有する発光素子を得ることも期待でき、大幅な低コスト化が実現できる。また、ｐ型ないしｎ型ドーパントの導入により導電性を持たせた窒化ガリウムを基板とすることで、縦型構造の発光素子を実現することができ、それにより輝度を高めることができる。その上、大面積な面発光素子も低コストで実現可能となる。
発光機能層１４が基板１２上に形成される。発光機能層１４は、基板１２上の全面又は一部に設けられてもよいし、後述するバッファ層が基板１２上に形成される場合にはバッファ層上の全面又は一部に設けられてもよい。発光機能層１４は、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される層を一以上有してなり、電極及び／又は蛍光体を適宜設けて電圧を印加することによりＬＥＤに代表される発光素子の原理に基づき発光をもたらす公知の様々な層構成を採りうる。したがって、発光機能層１４は青色、赤色等の可視光を放出するものであってもよいし、可視光を伴わずに又は可視光と共に紫外光を発光するものであってもよい。発光機能層１４は、ｐ−ｎ接合を利用した発光素子の少なくとも一部を構成するのが好ましく、このｐ−ｎ接合は、図１に示されるように、ｐ型層１４ａとｎ型層１４ｃの間に活性層１４ｂを含んでいてもよい。このとき、活性層としてｐ型層及び／又はｎ型層よりもバンドギャップが小さい層を用いたダブルへテロ接合又はシングルへテロ接合（以下、ヘテロ接合と総称する）としてもよい。また、ｐ型層−活性層−ｎ型層の一形態として、活性層の厚みを薄くした量子井戸構造を採りうる。量子井戸を得るためには活性層のバンドギャップがｐ型層及びｎ型層よりも小さくしたダブルへテロ接合が採用されるべきことは言うまでもない。また、これらの量子井戸構造を多数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。これらの構造をとることで、ｐ−ｎ接合と比べて発光効率を高めることができる。このように、発光機能層１４は、発光機能を有するｐ−ｎ接合及び／又はへテロ接合及び／又は量子井戸接合を備えたものであるのが好ましい。
したがって、発光機能層１４を構成する一以上の層は、ｎ型ドーパントがドープされているｎ型層、ｐ型ドーパントがドープされているｐ型層、及び活性層からなる群から選択される少なくとも一以上を含むものであることができる。ｎ型層、ｐ型層及び（存在する場合には）活性層は、主成分が同じ材料で構成されてもよいし、互いに主成分が異なる材料で構成されてもよい。
発光機能層１４を構成する各層の材質は、多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位に概ね倣って成長し且つ発光機能を有するものであれば特に限定されないが、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系材料から選択される少なくとも１種以上を主成分とする材料で構成されるのが好ましく、ｐ型ないしｎ型に制御するためのドーパントを適宜含むものであってよい。特に好ましい材料は、多結晶窒化ガリウム自立基板と同種の材料である、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料である。また、発光機能層１４を構成する材料は、そのバンドギャップを制御するため、例えばＧａＮにＡｌＮ、ＩｎＮ等を固溶させた混晶としてもよい。また、直前の段落で述べたとおり、発光機能層１４は複数種の材料系からなるヘテロ接合としてもよい。例えば、ｐ型層に窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ｎ型層に酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料を用いてもよい。また、ｐ型層に酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料、活性層とｎ型層に窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いてもよく、材料の組み合わせに特に限定はない。
発光機能層１４を構成する各層は、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される。すなわち、各層は、水平面方向に二次元的に連結されてなる複数の半導体単結晶粒子で構成されており、それ故、略法線方向には単結晶構造を有することになる。したがって、発光機能層１４の各層は、層全体としては単結晶ではないものの、局所的なドメイン単位では単結晶構造を有するため、発光機能を確保するのに十分な高い結晶性を有することができる。好ましくは、発光機能層１４の各層を構成する半導体単結晶粒子は、基板１２である多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位に概ね倣って成長した構造を有する。「多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位に概ね倣って成長した構造」とは、多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位の影響を受けた結晶成長によりもたらされた構造を意味し、必ずしも多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位に完全に倣って成長した構造であるとは限らず、所望の発光機能を確保できるかぎり、多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位にある程度倣って成長した構造であってよい。すなわち、この構造は配向多結晶焼結体と異なる結晶方位に成長する構造も含む。その意味で、「結晶方位に概ね倣って成長した構造」との表現は「結晶方位に概ね由来して成長した構造」と言い換えることもできる。したがって、そのような結晶成長はエピタキシャル成長によるものが好ましいが、これに限定されず、それに類する様々な結晶成長の形態であってもよい。特にｎ型層、活性層、ｐ型層等を構成する各層が多結晶窒化ガリウム自立基板と同じ結晶方位に成長する場合は、多結晶窒化ガリウム自立基板から発光機能層の各層間でも略法線方向に関しては結晶方位が概ね揃った構造となり、良好な発光特性を得ることができる。すなわち、発光機能層１４も多結晶窒化ガリウム自立基板１２の結晶方位に概ね倣って成長する場合は、基板の垂直方向では方位が概ね一定になる。このため、法線方向は単結晶と同等の状態であり、ｎ型ドーパントを添加した多結晶窒化ガリウム自立基板を用いた場合、多結晶窒化ガリウム自立基板をカソードとした縦型構造の発光素子とすることができ、ｐ型ドーパントを添加した多結晶窒化ガリウム自立基板を用いた場合、多結晶窒化ガリウム自立基板をアノードとした縦型構造の発光素子とすることができる。
少なくとも発光機能層１４を構成するｎ型層、活性層、ｐ型層等の各層が同じ結晶方位に成長する場合は、発光機能層１４の各層は、法線方向に見た場合に単結晶と観察され、水平面方向の切断面で見た場合に粒界が観察される柱状構造の半導体単結晶粒子の集合体であると捉えることも可能である。ここで、「柱状構造」とは、典型的な縦長の柱形状のみを意味するのではなく、横長の形状、台形の形状、及び台形を逆さにしたような形状等、種々の形状を包含する意味として定義される。もっとも、上述のとおり、各層は多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位にある程度倣って成長した構造であればよく、必ずしも厳密な意味で柱状構造である必要はない。柱状構造となる原因は、前述のとおり、基板１２である多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位の影響を受けて半導体単結晶粒子が成長するためと考えられる。このため、柱状構造ともいえる半導体単結晶粒子の断面の平均粒径（以下、断面平均径という）は成膜条件だけでなく、多結晶窒化ガリウム自立基板の板面の平均粒径にも依存するものと考えられる。発光機能層を構成する柱状構造の界面は発光効率や発光波長に影響を与えるが、粒界があることにより断面方向の光の透過率が悪く、光が散乱ないし反射する。このため、法線方向に光を取り出す構造の場合、粒界からの散乱光により輝度が高まる効果も期待される。
もっとも、発光機能層１４を構成する柱状構造同士の界面は結晶性が低下するため、発光効率が低下し、発光波長が変動し、発光波長がブロードになる可能性がある。このため、柱状構造の断面平均径は大きいほうが良い。好ましくは、発光機能層１４の最表面における半導体単結晶粒子の断面平均径は１０μｍ以上であり、より好ましくは１５μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上、特に好ましくは５０μｍ以上、最も好ましくは７０μｍ以上である。この断面平均径の上限は特に限定されないが、１０００μｍ以下が現実的であり、より現実的には５００μｍ以下であり、さらに現実的には２００μｍ以下である。また、このような断面平均径の半導体単結晶粒子を作製するには、多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する窒化ガリウム系単結晶粒子の基板の最表面における断面平均径を１０μｍ〜１０００μｍとするのが望ましく、より望ましくは１０μｍ以上である。
発光機能層１４の一部又は全てに窒化ガリウム（ＧａＮ）系以外の材料が用いられる場合には、多結晶窒化ガリウム自立基板１２と発光機能層１４の間に反応を抑制するためのバッファ層を設けてもよい。このようなバッファ層の主成分は特に限定されないが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系材料から選択される少なくとも１種以上を主成分とする材料で構成されるのが好ましく、ｐ型ないしｎ型に制御するためのドーパントを適宜含むものであってよい。
発光機能層１４を構成する各層が窒化ガリウム系材料で構成されるのが好ましい。例えば、多結晶窒化ガリウム自立基板１２上にｎ型窒化ガリウム層及びｐ型窒化ガリウム層を順に成長させてもよく、ｐ型窒化ガリウム層とｎ型窒化ガリウム層の積層順序は逆であってもよい。ｐ型窒化ガリウム層に使用されるｐ型ドーパントの好ましい例としては、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカドミウム（Ｃｄ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。また、ｎ型窒化ガリウム層に使用されるｎ型ドーパントの好ましい例としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）及び酸素（Ｏ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。また、ｐ型窒化ガリウム層及び／又はｎ型窒化ガリウム層は、ＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択される１種以上の結晶と混晶化された窒化ガリウムからなるものであってもよく、ｐ型層及び／又はｎ型層はこの混晶化された窒化ガリウムにｐ型ドーパント又はｎ型ドーパントがドープされていてもよい。例えば、窒化ガリウムとＡｌＮの混晶であるＡｌｘＧａ１−ｘＮにＭｇをドーピングすることでｐ型層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにＳｉをドーピングすることでとしてｎ型層として使用することができる。窒化ガリウムをＡｌＮと混晶化することでバンドギャップが広がり、発光波長を高エネルギー側にシフトさせることができる。また、窒化ガリウムをＩｎＮとの混晶としてもよく、これによりバンドギャップが狭まり、発光波長を低エネルギー側にシフトさせることができる。ｐ型窒化ガリウム層とｎ型窒化ガリウム層との間に、両層のいずれよりもバンドギャップが小さいＧａＮ、又はＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択される１種以上とＧａＮとの混晶からなる活性層を少なくとも有してもよい。活性層はｐ型層及びｎ型層とダブルへテロ接合された構造であり、この活性層を薄くした構成はｐ−ｎ接合の一態様である量子井戸構造の発光素子に相当し、発光効率をより一層高めることができる。また、活性層は両層のいずれか一方よりもバンドギャップが小さくＧａＮ、又はＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択される１種以上とＧａＮとの混晶からなるものとしてもよい。このようなシングルヘテロ接合にても発光効率をより一層高めることができる。窒化ガリウム系バッファ層は、ノンドープのＧａＮ、又はｎ型若しくはｐ型ドーピングされたＧａＮからなるものであってもよいし、格子定数が近いＡｌＮ、ＩｎＮ、或いはＧａＮとＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択される１種以上の結晶と混晶化されたものであってもよい。
もっとも、発光機能層１４は窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系材料から選ばれる複数の材料系で構成してもよい。例えば多結晶窒化ガリウム自立基板１２上にｐ型窒化ガリウム層、ｎ型酸化亜鉛層を成長させてもよく、ｐ型窒化ガリウム層とｎ型酸化亜鉛層の積層順序は逆であってもよい。多結晶窒化ガリウム自立基板１２を発光機能層１４の一部として用いる場合は、ｎ型又はｐ型の酸化亜鉛層を形成してもよい。ｐ型酸化亜鉛層に使用されるｐ型ドーパントの好ましい例としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、カーボン（Ｃ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。また、ｎ型酸化亜鉛層に使用されるｎ型ドーパントの好ましい例としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、硼素（Ｂ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）及びシリコン（Ｓｉ）からなる群から選択される１種以上が挙げられる。
発光機能層１４及びバッファ層の成膜方法は、多結晶窒化ガリウム自立基板の結晶方位に概ね倣って成長する方法であれば特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、スパッタリング等の気相法、Ｎａフラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相法、粉末の固相成長を利用した粉末法、及びこれらの組み合わせが好ましく例示される。例えばＭＯＣＶＤ法を用いて窒化ガリウム系材料からなる発光機能層１４を作製する場合においては、少なくともガリウム（Ｇａ）を含む有機金属ガス（例えばトリメチルガリウム）と窒素（Ｎ）を少なくとも含むガス（例えばアンモニア）を原料として基板上にフローさせ、水素、窒素又はその両方を含む雰囲気等において３００〜１２００℃程度の温度範囲で成長させてもよい。この場合、バンドギャップ制御のためインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ｎ型及びｐ型ドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を含む有機金属ガス（例えばトリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム、モノシラン、ジシラン、ビス−シクロペンタジエニルマグネシウム）を適宜導入して成膜を行ってもよい。
また、発光機能層１４及びバッファ層に窒化ガリウム系以外の材料を用いる場合は、多結晶窒化ガリウム自立基板上に種結晶層を成膜してもよい。種結晶層の成膜方法や材質に限定は無いが、結晶方位に概ね倣った結晶成長を促すものであればよい。例えば、酸化亜鉛系材料を発光機能層１４の一部又は全てに用いる場合、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、スパッタリング法等の気相成長法を用いて極薄い酸化亜鉛の種結晶を作製してもよい。
発光機能層１４の上に電極層１６及び／又は蛍光体層をさらに備えていてもよい。上述のとおり、導電性を有する多結晶窒化ガリウム自立基板１２を用いた発光素子は縦型構造を採ることができるため、図１に示されるように多結晶窒化ガリウム自立基板１２の底面にも電極層１８を設けることができるが、多結晶窒化ガリウム自立基板１２を電極そのものとして使用してもよく、その場合には多結晶窒化ガリウム自立基板１２にはｎ型ドーパントを添加されているのが好ましい。電極層１６，１８は公知の電極材料で構成すればよいが、発光機能層１４上の電極層１６は、ＩＴＯ等の透明導電膜、又は格子構造等の開口率が高い金属電極とすれば、発光機能層１４で発生した光の取り出し効率を上げられる点で好ましい。
発光機能層１４が紫外光を放出可能なものである場合には、紫外光を可視光に変換するための蛍光体層を電極層の外側に設けてもよい。蛍光体層は紫外線を可視光に変換可能な公知の蛍光成分を含む層であればよく特に限定されない。例えば、紫外光により励起されて青色光を発光する蛍光成分と、紫外光により励起されて青〜緑色光を発光する蛍光成分と、紫外光により励起されて赤色光を発光する蛍光成分とを混在させて、混合色として白色光を得るような構成とするのが好ましい。そのような蛍光成分の好ましい組み合わせとしては、（Ｃａ，Ｓｒ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、及びＭｎ、Ｙ２Ｏ３Ｓ：Ｅｕが挙げられ、これらの成分をシリコーン樹脂等の樹脂中に分散させて蛍光体層を形成するのが好ましい。このような蛍光成分は上記例示物質に限定されるものではなく、他の紫外光励起蛍光体、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）やシリケート系蛍光体、酸窒化物系蛍光体等の組み合わせでもよい。
一方、発光機能層１４が青色光を放出可能なものである場合には、青色光を黄色光に変換するための蛍光体層を電極層の外側に設けてもよい。蛍光体層は青色光を黄色光に変換可能な公知の蛍光成分を含む層であればよく特に限定されない。例えばＹＡＧ等の黄色発光する蛍光体との組み合わせたものとしてもよい。このようにすることで、蛍光体層を透過した青色発光と蛍光体からの黄色発光は補色関係にあるため、擬似的な白色光源とすることができる。なお、蛍光体層は、青色を黄色に変換する蛍光成分と、紫外光を可視光に変換するための蛍光成分との両方を備えることで、紫外光の可視光への変換と青色光の黄色光への変換との両方を行う構成としてもよい。
用途
本発明の多結晶窒化ガリウム自立基板は、上述した発光素子のみならず、各種電子デバイス、パワーデバイス、受光素子、太陽電池用ウェハー等の種々の用途に好ましく利用することができる。
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。
例Ａ１：Ｇｅドープ窒化ガリウム自立基板
（１）ｃ面配向アルミナ焼結体の作製
（１ａ）積層体の作製
微細アルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ（平均粒径０．１μｍ）、大明化学製）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚みが４０μｍとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。
次に、市販の板状アルミナ粉末（キンセイマテック製、グレードＹＦＡ１００３０）を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にて分級点を３μｍに設定して分級した。こうして粗大粒子が除去された板状アルミナ粉末をポット解砕機にて直径０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去した。得られた板状アルミナ粉末１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール５００質量部を加えた。得られた分散液（板状アルミナスラリー）を超音波分散機で５分間分散させた後、スプレーガン（タミヤ製スプレーワークーＨＧ エアーブラシワイド）にて、噴霧圧０．２ＭＰａ、噴射距離２０ｃｍにて上記微細アルミナ粉末層の片面に、噴霧し、片面加工体を得た。このとき、微細アルミナ粉末層の表面を板状アルミナ粉末が被覆する被覆率は１％であった。なお、片面加工体の被覆率は、以下のようにして算出した。すなわち、微細アルミナ粉末層表面を光学顕微鏡で観察し、この観察写真を画像処理にて、板状アルミナ粉末の部分とそれ以外に切り分け、観察写真における微細アルミナ粉末層表面の面積に対する板状アルミナ粉末の面積の割合を、被覆率とした。
得られた片面加工体を口径６０ｍｍの円形に切断した後、ＰＥＴフィルムから剥がし、噴霧した加工面が重ならないように６５層積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。
（１ｂ）積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度（最高到達温度）１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に１２００℃までプレス圧を維持し、１２００℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した。
（１ｃ）配向アルミナ基板の作製
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて＃２０００まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、口径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを３μｍから０．５μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の算術平均粗さＲａは４ｎｍであった。
（２）Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板の作製
（２ａ）種結晶層の成膜
次に、加工した配向アルミナ基板の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。具体的には、バッファ層としてサセプタ（susceptor）温度５３０℃、水素雰囲気中にて低温ＧａＮ層を３０ｎｍ堆積させた後に、窒素・水素雰囲気にてサセプタ温度１０５０℃まで昇温し厚さ３μｍのＧａＮ膜を積層させて種結晶基板を得た。
（２ｂ）Ｎａフラックス法によるＧｅドープＧａＮ層の成膜
上記工程で作製した種結晶基板を、内径８０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ｇａ：６０ｇ
・金属Ｎａ：６０ｇ
・四塩化ゲルマニウム：１．８５ｇ
このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で８７０℃、３．５ＭＰａまで昇温加圧後、１００時間保持しつつ溶液を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶を成長させた。結晶成長終了後、３時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収した。得られた試料は、６０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約１．４ｍｍであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約５００μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を得た。多結晶窒化ガリウム自立基板表面の加工後の算術平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。
なお、本例では、ゲルマニウムドーピングしてｎ型半導体としたものを作製したが、用途や構造によっては異なる元素をドーピングしてもよく、ノンドープとしてもよい。
（多結晶窒化ガリウム自立基板の断面平均径の評価）
多結晶窒化ガリウム自立基板の最表面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定するため、自立基板の上面を走査電子顕微鏡にて画像を撮影した。視野範囲は、得られる画像の対角線に直線を引いた場合に、１０個から３０個の柱状組織と交わるような直線が引けるような視野範囲とした。得られた画像の対角線に２本の直線を任意に引き、直線が交わる全ての粒子に対し、個々の粒子の内側の線分の長さを平均したものに１．５を乗じた値を、多結晶窒化ガリウム自立基板の最表面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径とした。
上記のような方法を用いて多結晶窒化ガリウム自立基板の上面と底面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定した結果、上面の断面平均径は約１４０μｍ、底面の断面平均径は約６６μｍであった。このように断面平均径は上面の方が底面よりも大きく、基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢは約２．１となった。また、上面の断面平均径ＤＴに対するＧａＮ結晶の厚みＴの比として算出されるＧａＮ単結晶粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは約３．６であった。なお、本例では上面の走査顕微鏡像で明瞭に界面を判別できたが、サーマルエッチングやケミカルエッチングによって界面を際立たせる処理を施した後に上記の評価を行ってもよい。また、後述するＥＢＳＤ測定の結晶粒マッピング像を用いて上記の評価を行ってもよい。
（窒化ガリウム結晶の断面ＥＢＳＤ測定）
電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）（ＴＳＬソリューションズ製、ＯＩＭ）を取り付けたＳＥＭ（日本電子製、ＪＳＭ−７０００Ｆ）にて多結晶窒化ガリウム自立基板の板面の逆極点図方位マッピングを５００μｍ×５００μｍの視野で実施した。このＥＢＳＤ測定の諸条件は以下のとおりとした。
＜ＥＢＳＤ測定条件＞
・加速電圧：１５ｋＶ
・照射電流：２×１０−８Ａ
・ワークディスタンス：１５ｍｍ
・ステップ幅：２μｍ
・測定プログラム：ＯＩＭ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
得られた逆極点図方位マッピングから、最表面構成粒子のｃ軸方向からの傾斜角の頻度、及び平均傾斜角を計算した。なお、傾斜角の頻度、及び平均傾斜角は、逆極点図方位マッピングを解析ソフトＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓを用いてＧｒａｉｎ Ｄｉｌａｔｉｏｎ法による像のクリーンアップを実施した後に算出した。クリーンアップの条件は下記のとおりである。
＜ＥＢＳＤ解析時のクリーンアップ条件＞
・Ｇｒａｉｎ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ Ａｎｇｌｅ：５°
・Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ：２ピクセル
窒化ガリウム結晶を構成する各粒子は概ねｃ面が法線方向に配向していた。また、最表面を構成する粒子の平均傾斜角は０．９°でガウス分布に近似した分布状態であった。
例Ａ２：Ｇｅドープ窒化ガリウム自立基板
（１）Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板の作製
（１ａ）種結晶層の成膜
バッファ層の厚みを４ｎｍとした以外は、例Ａ１と同様の方法で配向Ａｌ２Ｏ３基板を作製し、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。
（１ｂ）Ｎａフラックス法によるＧｅドープＧａＮ層の成膜
Ｃａを０．１ｇ添加した以外は例Ａ１と同様の方法でＧｅドープＧａＮ層を成膜した。得られた試料は、６０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約１．２ｍｍであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約５００μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を得た。多結晶窒化ガリウム自立基板上面の加工後の算術平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。
例Ａ１と同じ方法を用いて多結晶窒化ガリウム自立基板の上面と底面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定した結果、上面の断面平均径は約１６０μｍ、底面の断面平均径は約６６μｍであった。このように断面平均径は上面の方が底面よりも大きく、基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢは約２．４となった。また、上面の断面平均径ＤＴに対するＧａＮ結晶の厚みＴの比として算出されるＧａＮ単結晶粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは約３．１であった。
また、例Ａ１と同じ方法を用いて板面のＥＢＳＤ測定を実施した結果、窒化ガリウム結晶を構成する各粒子は概ねｃ面が法線方向に配向していたが、最表面を構成する粒子の平均傾斜角は０．７°であった。
例Ａ３（比較）：Ｇｅドープ窒化ガリウム自立基板
（１）ｃ面配向アルミナ焼結体の作製
（１ａ）積層体の作製
微細アルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ（平均粒径０．１μｍ）、大明化学製）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚みが４０μｍとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。
板状アルミナ粉末（ＹＦＡ１００３０（平均粒径１０μｍ、平均厚み０．３μｍ、アスペクト比３３）、キンセイマテック製）１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）５０質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）２５質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒としてキシレンと１−ブタノールの混合溶液（混合比率１：１）とを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が５０００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、リバースドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚さが３μｍとなるようにシート状に成形し、板状アルミナ粉末層とした。
ＰＥＴフィルムから剥がした微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とを各５０層、交互に積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。このとき、板状アルミナ粉末層が微細アルミナ粉末層の表面を被覆する被覆率は６０％であった。
（１ｂ）積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度（最高到達温度）１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に１２００℃までプレス圧を維持し、１２００℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した。
（１ｃ）配向アルミナ基板の作製
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて＃２０００まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、口径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを３μｍから０．５μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の算術平均粗さＲａは４ｎｍであった。
（２）Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板の作製
例Ａ１と同様の方法で、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。その後、例Ａ１と同様の方法でＧｅドープＧａＮ層を成膜した。得られた試料は、６０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約１．３ｍｍであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約５００μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を得た。多結晶窒化ガリウム自立基板上面の加工後の算術平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。
例Ａ１と同じ方法を用いて多結晶窒化ガリウム自立基板の上面と底面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定した結果、上面の断面平均径は約９１μｍ、底面の断面平均径は約４６μｍであった。このように断面平均径は上面の方が底面よりも大きく、基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢは約２．０となった。また、上面の断面平均径ＤＴに対するＧａＮ結晶の厚みＴの比として算出されるＧａＮ単結晶粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは約５．５であった。
また、例Ａ１と同じ方法を用いて板面のＥＢＳＤ測定を実施した結果、窒化ガリウム結晶を構成する各粒子は概ねｃ面が法線方向に配向していたが、最表面を構成する粒子の平均傾斜角は２．２°であった。
例Ａ４（比較）：Ｇｅドープ窒化ガリウム自立基板
（１）ｃ面配向アルミナ焼結体の作製
微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）９９．６質量部、イットリア粉末（信越化学工業株式会社製、グレードＵＵ）０．２質量部、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．２質量部を混合し、混合粉末１００ｇに対して溶媒として水５０ｃｃの割合で添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１２Ｔの磁場中で３時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で焼成した。
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて＃２０００まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、口径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを３μｍから０．５μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の算術平均粗さＲａは４ｎｍであった。
（２）Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板の作製
（２ａ）種結晶層の成膜
次に、加工した配向アルミナ基板の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。具体的には、バッファ層としてサセプタ温度７００℃、窒素雰囲気中にてＩｎＧａＮ層を６ｎｍ堆積させた後に、サセプタ温度１０５０℃まで昇温し、窒素および水素雰囲気中にて厚さ３μｍのＧａＮ膜を積層させて種結晶基板を得た。ＩｎＧａＮ層中のＩｎ組成は１５モル％となるように設定した。
（２ｂ）Ｎａフラックス法によるＧｅドープＧａＮ層の成膜
Ｃａを０．１ｇ添加した以外は例Ａ１と同様の方法でＧｅドープＧａＮ層を成膜した。得られた試料は、６０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約１．２ｍｍであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約５００μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を得た。多結晶窒化ガリウム自立基板上面の加工後の算術平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。
例Ａ１と同じ方法を用いて多結晶窒化ガリウム自立基板の上面と底面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定した結果、上面の断面平均径は約１００μｍ、底面の断面平均径は約８０μｍであった。このように断面平均径は上面の方が底面よりも大きく、基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢは約１．３となった。また、上面の断面平均径ＤＴに対するＧａＮ結晶の厚みＴの比として算出されるＧａＮ単結晶粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは約５．０であった。
また、例Ａ１と同じ方法を用いて板面のＥＢＳＤ測定を実施した結果、窒化ガリウム結晶を構成する各粒子は概ねｃ面が法線方向に配向していたが、最表面を構成する粒子の平均傾斜角は０．０５°であった。
例Ａ５（比較）：Ｇｅドープ窒化ガリウム自立基板
（１）ｃ面配向アルミナ焼結体の作製
微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）９９．８質量部、イットリア粉末（信越化学工業株式会社製、グレードＵＵ）０．２質量部を混合し、混合粉末１００ｇに対して溶媒として水５０ｃｃの割合で添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１２Ｔの磁場中で３時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１４００℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で焼成した。
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて＃２０００まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、口径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを３μｍから０．５μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の算術平均粗さＲａは４ｎｍであった。
（２）Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板の作製
例Ａ１と同様の方法で、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。その後、窒素圧力を４．０ＭＰａとし、かつ、昇温加圧後の保持時間を３０時間としたこと以外は例Ａ１と同様の方法でＧｅドープＧａＮ層を成膜した。得られた試料は、５０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約０．３ｍｍであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約７０μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を得た。多結晶窒化ガリウム自立基板上面の加工後の算術平均粗さＲａは０．５ｎｍであった。
例Ａ１と同じ方法を用いて多結晶窒化ガリウム自立基板の上面と底面におけるＧａＮ単結晶粒子の断面平均径を測定した結果、上面の断面平均径は約９μｍ、底面の断面平均径は約８μｍであった。このように断面平均径は上面の方が底面よりも大きく、基板底面の断面平均径ＤＢに対する基板上面の断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢは約１．１となった。また、上面の断面平均径ＤＴに対するＧａＮ結晶の厚みＴの比として算出されるＧａＮ単結晶粒子のアスペクト比Ｔ／ＤＴは約７．８であった。
また、例Ａ１と同じ方法を用いて板面のＥＢＳＤ測定を実施した結果、窒化ガリウム結晶を構成する各粒子は概ねｃ面が法線方向に配向していたが、最表面を構成する粒子の平均傾斜角は０．８°であった。
例Ｂ１：Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を用いた発光素子
（１）発光素子の作製
ＭＯＣＶＤ法を用いて、例Ａ１〜Ａ５で作製した各Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板上にｎ型層として１０５０℃でＳｉ原子濃度が５×１０１８／ｃｍ３になるようにドーピングしたｎ−ＧａＮ層を１μｍ堆積した。次に発光層として７５０℃で多重量子井戸層を堆積した。具体的にはＩｎＧａＮによる２．５ｎｍの井戸層を５層、ＧａＮによる１０ｎｍの障壁層を６層にて交互に積層した。次にｐ型層として９５０℃でＭｇ原子濃度が１×１０１９／ｃｍ３になるようにドーピングしたｐ−ＧａＮを２００ｎｍ堆積した。その後、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型層のＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中で８００℃の熱処理を１０分間行った。
次にフォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、多結晶窒化ガリウム自立基板のｎ−ＧａＮ層及びｐ−ＧａＮ層とは反対側の面にカソード電極としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜をそれぞれ１５ｎｍ、７０ｎｍ、１２ｎｍ、６０ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での７００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、ｐ型層に透光性アノード電極としてＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１２ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中で５００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、透光性アノード電極としてのＮｉ／Ａｕ膜の上面の一部領域に、アノード電極パッドとなるＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ５ｎｍ、６０ｎｍの厚みにパターニングした。こうして得られたウェハーを切断してチップ化し、さらにリードフレームに実装して、縦型構造の発光素子を得た。
（２）発光素子の評価
カソード電極とアノード電極間に通電し、Ｉ−Ｖ測定を行ったところ、例Ａ１〜Ａ５のいずれの基板を用いた素子でも整流性が確認された。また、順方向の電流を流したところ、波長４５０ｎｍの発光が確認された。発光輝度は例Ａ１及びＡ２の基板を用いた素子が著しく高輝度であった。例Ａ３の基板を用いた素子は許容可能な輝度ではあるが、例Ａ１及びＡ２より輝度が低下した。例Ａ４及びＡ５の基板を用いた素子は例Ａ３によりも著しく輝度が低下した。

Claims (13)

  1. 略法線方向で特定結晶方位に配向した複数の窒化ガリウム系単結晶粒子で構成される多結晶窒化ガリウム自立基板であって、該多結晶窒化ガリウム自立基板が上面及び底面を有し、前記上面の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）の逆極点図マッピングによって測定した各窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布し、その平均傾斜角が０．１°以上１°未満であり、かつ、前記上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴが１０μｍ以上である、多結晶窒化ガリウム自立基板。
  2. 前記窒化ガリウム系単結晶粒子の傾斜角がガウス分布に従って分布してなる、請求項１に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  3. 前記多結晶窒化ガリウム自立基板が、略法線方向に単結晶構造を有する、請求項１又は２に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  4. 前記上面に露出している前記窒化ガリウム系単結晶粒子が、前記底面に粒界を介さずに連通してなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  5. 前記上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴが、前記底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＢと異なる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  6. 前記底面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＢに対する、前記上面に露出している窒化ガリウム系単結晶粒子の最表面における断面平均径ＤＴの比ＤＴ／ＤＢが１．０よりも大きい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  7. ２０μｍ以上の厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  8. 直径５０．８ｍｍ以上の大きさを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  9. 前記窒化ガリウム系単結晶粒子がｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントでドープされている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  10. 前記窒化ガリウム系単結晶粒子がドーパントを含まない、請求項１〜９のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  11. 前記窒化ガリウム系単結晶粒子が混晶化されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  12. 前記多結晶窒化ガリウム自立基板を構成する前記窒化ガリウム系単結晶粒子の結晶方位が、基板法線方向と直交する板面方向では無配向である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板。
  13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の多結晶窒化ガリウム自立基板と、
    該基板上に形成され、略法線方向に単結晶構造を有する複数の半導体単結晶粒子で構成される層を一以上有する発光機能層と、
    を備えた、発光素子。

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