JP2012006772A - Method for growing group iii nitride crystal and group iii nitride crystal substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の種結晶基板を用いて表面にピットを発生させることなく大型のIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法を提供する。
【解決手段】本III族窒化物結晶の成長方法は、複数の種結晶基板1を、それらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置し、それらの種結晶基板1の主表面1m上に、液相成長法により、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる第1の結晶成長工程と、第1のIII族窒化物結晶10の主表面上に、ハイドライド気相成長法により、第2のIII族窒化物結晶20を成長させる第2の結晶成長工程とを備える。
【選択図】図1There is provided a group III nitride crystal growth method for growing a large group III nitride crystal using a plurality of seed crystal substrates without generating pits on the surface.
The group III nitride crystal growth method includes arranging a plurality of seed crystal substrates 1 such that their main surfaces 1m are parallel to each other and their side surfaces 1s are adjacent to each other, and their seeds are arranged. A first crystal growth step for growing a first group III nitride crystal 10 on the main surface 1m of the crystal substrate 1 by a liquid phase growth method, and a main surface of the first group III nitride crystal 10 And a second crystal growth step for growing the second group III nitride crystal 20 by a hydride vapor phase growth method.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、複数の種結晶基板の主面上にIII族窒化物結晶を成長させる方法およびかかる成長方法により得られるIII族窒化物結晶を加工して得られるIII族窒化物結晶基板に関する。 The present invention relates to a method for growing a group III nitride crystal on a main surface of a plurality of seed crystal substrates and a group III nitride crystal substrate obtained by processing a group III nitride crystal obtained by such a growth method.
発光デバイス、電子デバイスなどの半導体デバイスに好適に用いられるIII族窒化物結晶は、そのコストを低減する観点から、大型のものが求められている。 From the viewpoint of reducing the cost, Group III nitride crystals suitably used for semiconductor devices such as light-emitting devices and electronic devices are required to be large.
ここで、自然界において大型のIII族窒化物結晶が存在しないため、下地基板として、III族窒化物結晶以外の化学式を有する基板を用いて、III族窒化物結晶を成長させる必要がある。たとえば、特開2000−349338号公報(以下、特許文献1という)には、下地基板であるIII族窒化物結晶以外の化学式を有する基板上に反りや割れを発生させずに厚いIII窒化物(GaN)結晶膜を成長させる方法が開示されている。 Here, since there is no large group III nitride crystal in nature, it is necessary to grow the group III nitride crystal using a substrate having a chemical formula other than the group III nitride crystal as the base substrate. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-349338 (hereinafter referred to as Patent Document 1) discloses a thick III nitride (without warping or cracking) on a substrate having a chemical formula other than a group III nitride crystal as a base substrate ( A method of growing a (GaN) crystal film is disclosed.
しかし、特許文献1に開示されている成長方法では、下地基板の主表面の面積を大きくすると、III族窒化物結晶と下地基板との間の結晶格子の不整合により、III族窒化物結晶内部の歪みが大きくなり、反りや割れが発生するため、大型のIII族窒化物結晶を成長させることが困難であった。
However, in the growth method disclosed in
そこで、特開2008−133151号公報(以下、特許文献2という)は、複数の種基板を種基板の側部側にずらして配置する配置工程と、HVPE法(ハイドライド気相成長法、以下同じ)により複数の種基板の各々の表面上にIII族窒化物結晶を成長させる成長工程とを備え、その成長工程において複数の種基板の各々の表面上に成長した結晶の各々が一体化するように成長させる結晶成長方法を提案する。 In view of this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-133151 (hereinafter referred to as Patent Document 2) discloses an arrangement step in which a plurality of seed substrates are arranged shifted to the side of the seed substrate, and an HVPE method (hydride vapor phase epitaxy method, hereinafter the same). And a growth step of growing a group III nitride crystal on each surface of the plurality of seed substrates, so that the crystals grown on the surfaces of the plurality of seed substrates are integrated in the growth step. We propose a crystal growth method to grow the crystal.
しかし、特許文献2に提案されている結晶成長方法では、一体化して得られたIII族窒化物結晶は、その表面にピットが発生するため、得られるIII族窒化物結晶基板の歩留まりが低下する問題があった。 However, in the crystal growth method proposed in Patent Document 2, since the group III nitride crystal obtained by integration generates pits on the surface, the yield of the obtained group III nitride crystal substrate is reduced. There was a problem.
本発明は、上記問題を解決するため、複数の種結晶基板を用いて表面にピットを発生させることなく大型のIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法を提供することを目的とする。かかるピットの発生がない大型のIII族窒化物結晶からは、大型のIII族窒化物結晶基板が歩留まりよく得られる。 In order to solve the above problems, the present invention provides a method for growing a group III nitride crystal, in which a large group III nitride crystal is grown using a plurality of seed crystal substrates without generating pits on the surface. Objective. From a large group III nitride crystal free from such pits, a large group III nitride crystal substrate can be obtained with good yield.
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法は、所定の面方位の主表面および複数の側表面を有する種結晶基板を複数準備する工程と、複数の種結晶基板をそれらの主表面が互いに平行にかつそれらの側表面が互いに隣り合うように配置する工程と、配置された複数の種結晶基板の主表面上に、液相成長法により、第1のIII族窒化物結晶を成長させる第1の結晶成長工程と、第1のIII族窒化物結晶の主表面上にハイドライド気相成長法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる第2の結晶成長工程と、を備える。ここで、第1のIII族窒化物結晶はそれぞれの種結晶基板の主表面上に成長するそれぞれの部分結晶が一体化するように成長させ、第2のIII族窒化物結晶は第1のIII族窒化物結晶と一体化するように成長させる。 A method for growing a group III nitride crystal according to the present invention includes a step of preparing a plurality of seed crystal substrates having a main surface having a predetermined plane orientation and a plurality of side surfaces, A step of arranging the first group III nitride crystals by a liquid phase growth method on the main surfaces of the plurality of seed crystal substrates that are arranged in parallel with each other such that their side surfaces are adjacent to each other; And a second crystal growth step of growing a second group III nitride crystal on the main surface of the first group III nitride crystal by a hydride vapor phase growth method. Here, the first group III nitride crystal is grown so that each partial crystal grown on the main surface of each seed crystal substrate is integrated, and the second group III nitride crystal is the first group III nitride crystal. Growing so as to be integrated with the group nitride crystal.
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法において、種結晶基板をGaN種結晶基板とし、液相成長法をフラックス法とすることができる。 In the group III nitride crystal growth method according to the present invention, the seed crystal substrate can be a GaN seed crystal substrate, and the liquid phase growth method can be a flux method.
本発明にかかるIII族窒化物結晶基板は、上記の成長方法により得られた第1のIII族窒化物結晶および第2のIII族窒化物結晶が一体化したIII族窒化物結晶を加工して得られる。 A group III nitride crystal substrate according to the present invention is obtained by processing a group III nitride crystal obtained by integrating the first group III nitride crystal and the second group III nitride crystal obtained by the above growth method. can get.
本発明によれば、複数の種結晶基板を用いて表面にピットを発生させることなく大型のIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法が提供される。また、上記III族窒化物結晶の成長方法により歩留まりよく得られた大型のIII族窒化物結晶基板が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth method of the group III nitride crystal which grows a large group III nitride crystal without generating a pit on the surface using a several seed crystal substrate is provided. In addition, a large group III nitride crystal substrate obtained by the above-described group III nitride crystal growth method with high yield is provided.
[III族窒化物結晶の成長]
図1および図3を参照して、本発明の一実施形態であるIII族窒化物結晶の成長方法は、所定の面方位の主表面1mおよび複数の側表面1sを有する種結晶基板1を複数準備する工程(図1(A))と、複数の種結晶基板1をそれらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置する工程(図1(A)ならびに図3(A)および(B))と、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上に、液相成長法により、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる第1の結晶成長工程(図1(C))と、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にHVPE(ハイドライド気相成長)法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる第2の結晶成長工程(図1(D))と、を備える。
[Growth of group III nitride crystals]
Referring to FIG. 1 and FIG. 3, a group III nitride crystal growth method according to an embodiment of the present invention includes a plurality of
本実施形態においては、第1のIII族窒化物結晶10はそれぞれの種結晶基板1の主表面1m上に成長するそれぞれの部分結晶10uが一体化するように成長させ、第2のIII族窒化物結晶20は第1のIII族窒化物結晶10と一体化するように成長させる。
In the present embodiment, the first group III
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法によれば、複数の種結晶基板1の主表面1m上に液相成長法により主表面10mにピットの発生がない第1のIII族窒化物結晶10を成長させることができるため、かかる第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にHVPE法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させると、第1のIII族窒化物結晶10に第2のIII族窒化物結晶20が一体化して主表面30mにピットの発生がないIII族窒化物結晶30が得られる。このようなIII族窒化物結晶30は、その主表面30mにピットが発生しないため、歩留まりよくIII族窒化物結晶基板30x,30y,30zが得られる。
According to the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment, the first group III nitride crystal in which no pits are generated on the
ところで、図2を参照して、従来のIII族窒化物結晶の成長方法は、所定の面方位の主表面1mおよび複数の側表面1sを有する種結晶基板1を複数準備する工程(図2(A))と、複数の種結晶基板1をそれらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置する工程(図2(A)ならびに図3(A)および(B))と、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上に、HVPE法により、III族窒化物結晶40を成長させる結晶成長工程(図2(B))と、を備える。
By the way, referring to FIG. 2, a conventional group III nitride crystal growth method is a step of preparing a plurality of
図2(B)を参照して、上記の結晶成長工程においては、それぞれの種結晶基板1上に成長するそれぞれの部分結晶40uは接合部40gで互いに接合して一体化したIII族窒化物結晶40が成長する。しかし、III族窒化物結晶40の主表面40mにはピット40pが発生するため、図2(C)に示すように、III族窒化物結晶40から得られるIII族窒化物結晶基板40x,40y,40zの歩留まりが低くなる。
Referring to FIG. 2B, in the above-described crystal growth step, each of the
複数の種結晶基板1上に成長させたIII族窒化物結晶40の断面をCL(カソードルミネッセンス)法、PL(フォトルミネッセンス)法または蛍光顕微鏡などの光学的手法により発光強度分布像として観察したところ、図2(B)に示すように、それぞれの種結晶基板1の主表面1mの中央部上には主表面1mに実質的に平行なIII族窒化物結晶40の主表面40mを結晶成長表面として成長した主表面成長結晶領域40umが形成され、それぞれの種結晶基板1の主表面1mの周縁部上には主表面1mと実質的に平行でないファセット40fを結晶成長表面として成長したファセット成長結晶領域40ufが形成されており、部分結晶40uの接合部40gの上方に上記ファセット40fにより形成されるピット40pが発生していることがわかった。また、それぞれの部分結晶40uの接合部40gは、互いに隣り合うそれぞれの種結晶基板1の側表面1sの上方への延長面上に位置していることがわかった。
A cross section of group III
後述するように、III族窒化物結晶40のHVPE法においては、結晶成長温度を高めることにより、ピットの発生率を低減することができたが、ピットを発生しないようにすることはできなかった。
As will be described later, in the HVPE method of the group III
これに対して、図1を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上に、まず、液相成長法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させ、次いで、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にHVPE法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させることにより、第1のIII族窒化物結晶10に第2のIII族窒化物結晶20を一体化させて、主表面30mにピットの発生がないIII族窒化物結晶30が得られる。本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法について、図1および図3〜図5を参照して、以下に詳細に説明する。
On the other hand, referring to FIG. 1, in the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment, first, a liquid phase growth method is used on a
(種結晶基板の準備工程)
図1(A)を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、まず、所定の面方位の主表面1mおよび複数の側表面1sを有する種結晶基板1を複数準備する工程を備える。
(Seed crystal substrate preparation process)
Referring to FIG. 1A, in the method for growing a group III nitride crystal of this embodiment, first, a plurality of
種結晶基板1を複数準備する工程は、特に制限はなく、たとえば、種結晶を所定の面方位に平行な面で切り出すことによりウエハを形成し、かかるウエハをその主表面が多角形になるように切り出すことにより種結晶基板1を形成し、かかる種結晶基板1の主表面1mおよび複数の側表面1sを研削および/または研磨などにより、行なうことができる。ここで、種結晶およびウエハを切り出す方法には、特に制限なく、内周刃、外周刃、ワイヤソーなどが挙げられる。
The step of preparing a plurality of
種結晶基板1は、特に制限はないが、以下の第1および第2のIII族窒化物結晶を結晶性よく成長させる観点から、III族窒化物結晶と格子定数の整合性が高い種結晶基板が好ましい。かかる観点から、種結晶基板1は、サファイア種結晶基板、SiC(炭化珪素)種結晶基板、III族窒化物種結晶基板が好ましく、III族窒化物種結晶基板の中でもそれらの種結晶基板上に成長させるIII族窒化物結晶と化学式が同一のIII族窒化物種結晶基板が特に好ましい。また、III族窒化物種結晶基板の中でも、入手が容易な観点から、GaN種結晶基板が特に好ましい。
The
種結晶基板1の主表面1mの形状は、それらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置することができる形状であれば特に制限はなく、正三角形、二等辺三角形、直角三角形などの三角形、正方形、長方形、菱形、平行四辺形などの四角形、正六角形、平行六辺形などの六角形などが挙げられる。種結晶からの切り出しの作業性が高い観点から、正方形、長方形などの直角四角形が好ましい。
The shape of the
種結晶基板1の主表面1mの面積は、特に制限はないが、ハンドリングの容易性の観点から、主表面が上記の多角形の場合、最短辺の長さが5.0mm以上、最長辺の長さが100mm以下であることが好ましい。
The area of the
種結晶基板1の主表面1mの所定の面方位は、特に制限はないが、主表面1m上に液相成長法により主表面にピットのない第1のIII族窒化物結晶を安定に成長させる観点から、種結晶基板1が六方晶系の場合は、(0001)面からの傾斜角が、5°以下であることが好ましく、1°以下であることがより好ましく、0.2°以下であることがさらに好ましい。ここで、種結晶基板1の主表面1mの面方位は、X線回折法により測定される。
The predetermined plane orientation of the
また、種結晶基板1の主表面1mの平均粗さRaは、結晶成長の極初期の異常成長を防止する観点から、10000nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。ここで、平均粗さRaとは、JIS B0601:2001に規定される算術平均粗さRaをいい、具体的には、粗さ曲線からその平均線の方向に標準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの距離(偏差の絶対値)を合計し標準長さで平均した値をいう。かかる平均粗さRaは、AFM(原子間力顕微鏡)により測定される。
The average roughness Ra of the
種結晶基板1の複数の側表面1sの所定の面方位は、特に制限はないが、複数の種結晶基板1をそれらの主表面1mが平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うようにより接近させて(平面充填させて)配置させる観点から、(0001)面からの傾斜角が、85°以上95°以下であることが好ましく、89°以上91°以下であることがより好ましく、89.8°以上90.2°以下であることがさらに好ましい。また、接合部における空隙の発生を抑制する観点から、かかる複数の側表面1sの少なくともいずれかの面方位は、{10−10}面および{11−20}面のいずれかの面からの傾斜角が、5°以下が好ましく、1°以下がより好ましく、0.2°以下がさらに好ましい。ここで、種結晶基板1の側表面1sの面方位は、X線回折法により測定される。
The predetermined plane orientation of the plurality of
種結晶基板1の複数の側表面1sの平均粗さRaは、種結晶基板間の隙間を低減する観点から10000nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。
The average roughness Ra of the plurality of
(種結晶基板の配置工程)
図1(A)ならびに図3(A)および(B)を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、次に、複数の種結晶基板1をそれらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置する工程を備える。かかる種結晶基板の配置工程により、複数の種結晶基板1のそれぞれの種結晶基板1の主表面1m上に成長するそれぞれの部分結晶10uが一体化した第1のIII族窒化物結晶10を成長させることができる。
(Seed crystal substrate placement process)
Referring to FIG. 1 (A) and FIGS. 3 (A) and 3 (B), in the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment, next, a plurality of
複数の種結晶基板1を配置する工程において、複数の種結晶基板1は、それらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置される。それらの主表面1mは、互いに平行であれば足り、必ずしも同一平面上でなくてもよいが、部分結晶10uが一体化した結晶性の高い第1のIII族窒化物結晶を成長させる観点から、互いの主表面1mの高低差が、10000nm以下が好ましく、1000nm以下がより好ましく、それらの主表面は同一平面上にあることがさらに好ましい。
In the step of arranging the plurality of
また、図3(A)および(B)を参照して、それらの側表面1sは、互いに隣り合っており、部分結晶10uが一体化した結晶性の高い第1のIII族窒化物結晶を成長させる観点から、隣り合う側表面1s間の距離ΔDは、200μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましく、隣り合う側表面1sは互いに接していることがさらに好ましい。
Also, referring to FIGS. 3A and 3B, the side surfaces 1s are adjacent to each other, and the first group III nitride crystal having high crystallinity in which the
(第1の結晶成長工程)
図1(B)を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、次に、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上に、液相成長法により、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる第1の結晶成長工程を備える。かかる第1の結晶成長工程により、それぞれの種結晶基板1の主表面1m上に成長するそれぞれの部分結晶10uが接合部10gで接合することにより一体化して主表面10mにピットの発生がない大型の第1のIII族窒化物結晶10が得られる。
(First crystal growth step)
Referring to FIG. 1B, the group III nitride crystal growth method of the present embodiment is next performed on a
ここで、第1の結晶成長工程において、第1のIII族窒化物結晶は、液相成長法により成長されることから、気相成長法に比べてより平衡条件に近い条件で結晶成長が進行するため、その結晶成長面にピットが発生しないものと考えられる。 Here, in the first crystal growth step, since the first group III nitride crystal is grown by the liquid phase growth method, the crystal growth proceeds under conditions closer to the equilibrium condition than the vapor phase growth method. Therefore, it is considered that no pits are generated on the crystal growth surface.
第1の結晶成長工程において用いられる液相成長法は、複数の種結晶基板1の主表面1m上に一体化した第1のIII族窒化物結晶10を成長させることができ、その主表面10mにピットを発生させない方法であれば特に制限はないが、結晶性の高いIII族窒化物結晶を成長させる観点から高窒素圧溶液法、フラックス法などが好ましい。また、第1の結晶成長工程は、液相成長法に類似したアンモサーマル法によって行うことも可能である。
The liquid phase growth method used in the first crystal growth step can grow the first group
ここで、高窒素圧溶液法はIII族元素原料および窒素原料ガスを用いて、1400℃以上1700℃以下程度の結晶成長温度および1200MPa以上2000MPa以下程度の窒素原料ガス圧力の条件で結晶成長させるのに対し、フラックス法はIII族元素原料および窒素原料ガスに加えてフラックス原料を用いて、600℃以上1400℃以下程度の結晶成長温度および0.1MPa以上10MPa以下程度の窒素原料ガス圧力の条件で結晶成長させる。このため、結晶成長温度および結晶成長圧力の低減化の観点から、高窒素圧溶液法に比べてフラックス法がより好ましい。 Here, the high nitrogen pressure solution method uses a group III element raw material and a nitrogen raw material gas to grow a crystal under conditions of a crystal growth temperature of about 1400 ° C. to 1700 ° C. and a nitrogen raw material gas pressure of about 1200 MPa to 2000 MPa. On the other hand, the flux method uses a flux raw material in addition to a group III element raw material and a nitrogen raw material gas, under conditions of a crystal growth temperature of about 600 ° C. to 1400 ° C. and a nitrogen raw material gas pressure of about 0.1 MPa to 10 MPa. Crystal growth. For this reason, from the viewpoint of reducing the crystal growth temperature and the crystal growth pressure, the flux method is more preferable than the high nitrogen pressure solution method.
また、III族元素原料は、成長させるIII族窒化物結晶を構成するIII族元素の原料となるものをいい、III族元素およびその含有物が含まれる。窒素原料ガスは、成長させるIII族窒化物結晶を構成する窒素の原料となるガスをいい、窒素ガスおよび窒素含有ガスが含まれる。フラックス原料は、上記III族元素原料中のIII族元素の溶媒となるフラックスの原料となるものをいい、フラックスおよびその含有物が含まれる。フラックスは、特に制限はないが、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素および遷移金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属元素であることが好ましい。たとえば、III族元素がGaの場合は、アルカリ金属元素であるNa、Liなど、アルカリ土類金属元素であるCaなどが好ましく用いられる。また、III族元素がAlの場合には、遷移金属元素であるCu、Ti、Fe、Mn、Crなどが好ましく用いられる。 The group III element raw material refers to a group III element that constitutes a group III nitride crystal to be grown, and includes group III elements and their contents. Nitrogen source gas refers to a gas that is a source of nitrogen constituting the group III nitride crystal to be grown, and includes nitrogen gas and nitrogen-containing gas. The flux raw material refers to a raw material of a flux that serves as a solvent for the group III element in the group III element raw material, and includes a flux and its contents. The flux is not particularly limited, but is preferably at least one metal element selected from the group consisting of alkali metal elements, alkaline earth metal elements, and transition metal elements. For example, when the group III element is Ga, alkali metal elements such as Na and Li, and alkaline earth metal elements such as Ca are preferably used. When the group III element is Al, transition metal elements such as Cu, Ti, Fe, Mn, and Cr are preferably used.
ここで、図4を参照して、フラックス法による第1のIII族窒化物結晶10の成長方法を説明する。図4に示すように、フラックス法結晶成長装置100は、ガス供給口120eを備える結晶成長室120内に結晶成長容器110が配置されており、結晶成長室120の周囲には、結晶成長室120および結晶成長容器110を加熱するためのヒータ130が配設されている。
Here, with reference to FIG. 4, the growth method of the 1st group
まず、上記の結晶成長容器110内に複数の上記種結晶基板1をそれらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに隣り合うように配置する。次いで、結晶成長容器110内にIII族元素原料およびフラックス原料を配置する。次いで、窒素原料ガス65を結晶成長室120のガス供給口120eから結晶成長室120内の結晶成長容器110に供給するとともにヒータ130で結晶成長容器110を加熱することにより、III族元素原料およびフラックス原料を融解させてIII族元素およびフラックスを含む融液63を形成し、かかる融液63に窒素原料ガス65を溶解させる。こうして、融液63に窒素原料ガス65が溶解した溶液67を複数の上記種結晶基板1の主表面1mに接触させることにより、主表面1m上に第1のIII族窒化物結晶10が成長する。
First, the plurality of
(第2の結晶成長工程)
図1(C)を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、次に、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にHVPE(ハイドライド気相成長)法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる第2の結晶成長工程を備える。かかる第2の結晶成長方法により、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10mで接合して一体化した大型の第2のIII族窒化物結晶20が得られる。ここで、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にはピットが発生していないため、第1のIII族窒化物結晶10および第2のIII族窒化物結晶20が一体化したIII族窒化物結晶30の主表面30m上にもピットが発生しない。
(Second crystal growth step)
Referring to FIG. 1C, the III-nitride crystal growth method of the present embodiment is followed by the HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method on the
ここで、図5を参照して、HVPE法による第2のIII族窒化物結晶20の成長方法を説明する。図5に示すように、HVPE装置200は、反応室210、III族元素原料ガス生成室220、ならびに反応室210およびIII族元素原料ガス生成室220を加熱するためのヒータ231,232,233を備える。反応室210およびIII族元素原料ガス生成室220には、HClガス71をIII族元素原料ガス生成室220内に導入するためのHClガス導入管222が配設されている。III族元素原料ガス生成室220には、その内部にIII族元素原料72を入れるIII族元素原料ボート221が配置され、生成されたIII族元素原料ガス73を反応室210内に導入するためのIII族元素原料ガス導入管223が配設されている。反応室210には、窒素原料ガス75を反応室210内に導入するための窒素原料ガス導入管213および排ガス79を反応室210から排出するためのガス排出管215が配設されている。また、反応室210内には、第2のIII族窒化物結晶20を成長させるための第1のIII族窒化物結晶10を配置するための結晶ホルダ219が配置されている。反応室210を形成する反応管には、特に制限はないが、大きな反応管が容易に作製できる観点から、石英反応管が好ましく用いられる。
Here, with reference to FIG. 5, the growth method of the 2nd group
まず、HClガス71がHClガス導入管222を介してIII族元素原料ガス生成室220に導入される。III族元素原料ガス生成室220内には、III族元素原料72が入っているIII族元素原料ボート221が配置されており、III族元素原料72はHClガス71と反応して、III族元素原料ガス73であるIII族元素塩化物ガスが生成される。
First, the
このIII族元素原料ガス73は、III族元素原料ガス生成室220からIII族元素原料ガス導入管223を介して反応室210内に導入される。また、窒素原料ガス75であるNH3ガスが、窒素原料ガス導入管213を介して反応室210内に導入される。反応室210内でIII族元素原料ガス73と窒素原料ガス75とが反応して結晶成長部の結晶ホルダ219上に配置された第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上に第2のIII族窒化物結晶20が成長する。過剰のガスは排ガス79として、ガス排出管215を介して反応室210内から排出される。このとき、III族元素原料ガスおよび窒素原料ガスを効率的に輸送したり、各原料ガスの分圧を調節するために、キャリアガスが併用される。キャリアガスとしては、水素ガス(H2ガス)、窒素ガス(N2ガス)などが用いられる。
This group III
ここで、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10mの全面上に第2のIII族窒化物結晶20を効率よく成長させる観点から、原料ガス導入部(反応室210において、HClガス導入管222、III族元素原料ガス生成室220、III族元素原料ガス導入管223および窒素原料ガス導入管213が配置されている部分ならびにその近傍の部分であって、主としてヒータ231,232により加熱される部分をいう。以下同じ。)の雰囲気温度は800℃以上900℃以下程度であり、結晶成長部(反応室210において、結晶ホルダ219が配置されている部分およびその近傍部分であって、主としてヒータ233により加熱される部分をいう。以下同じ。)の雰囲気温度は、1000℃以上1300℃以下程度に調節される。
Here, from the viewpoint of efficiently growing the second group
こうして、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上に第2のIII族窒化物結晶20が成長して、第1のIII族窒化物結晶10および第2のIII族窒化物結晶20が一体化して主表面30mにピットの発生がない大型のIII族窒化物結晶30が得られる。
Thus, the second group
[III族窒化物結晶基板の形成]
図1(C)および(D)に参照して、本発明の別の実施形態であるIII族窒化物結晶基板は、上記の成長方法により得られた第1のIII族窒化物結晶10および第2のIII族窒化物結晶20が一体化したIII族窒化物結晶30を加工して得られる。かかるIII族窒化物結晶30は、大型でその主表面30mにピットの発生がないため、高い歩留まりで効率よく大型のIII族窒化物結晶基板30x,30y,30zに加工することができる。
[Formation of Group III Nitride Crystal Substrate]
Referring to FIGS. 1C and 1D, a group III nitride crystal substrate according to another embodiment of the present invention includes first group
III族窒化物結晶基板に加工する方法は、特に制限はなく、一例として、複数の種結晶基板1の主表面1m上に形成された第1のIII族窒化物結晶10および第2のIII族窒化物結晶20が一体化したIII族窒化物結晶30から複数の種結晶基板1を除去してIII族窒化物結晶基板30xとする方法がある。種結晶基板1を除去する方法には、特に制限はなく、研削、ドライエッチング、ウェットエッチンングなどが挙げられる。さらに、III族窒化物結晶基板30xをその主表面を平坦化することによりIII族窒化物結晶基板30yを得ることができる。III族窒化物結晶基板30xの主表面を平坦化する方法には、特に制限はなく、研削、研磨、ドライエッチング、ウェットエッチンングなどが挙げられる。
The method for processing the group III nitride crystal substrate is not particularly limited, and as an example, the first group
図1(D)および図2(C)を参照して、従来の成長方法により得られるIII族窒化物結晶40はその主表面40mにピット40pが発生するのに対して、上記の実施形態の成長により得られるIII族窒化物結晶30はその主表面30mにピットが発生しない。このため、III族窒化物結晶40から得られるIII族窒化物結晶基板40yに比べてIII族窒化物結晶30から得られるIII族窒化物結晶基板30yは厚さを歩留まりよく大きくできる。
Referring to FIGS. 1D and 2C, group
また、III族窒化物結晶基板に加工する方法の別の例として、上記のIII族窒化物結晶30を種結晶基板1の主表面1mに実質的に平行な複数の面30v,30wでスライスして複数のIII族窒化物結晶基板30zとする方法がある。III族窒化物結晶30をスライスする方法には、内周刃、外周刃、ワイヤソーなどが挙げられる。さらに、得られたIII族窒化物結晶基板30zの主表面を平坦化することができる。基板の主表面を平坦化する方法には、特に制限はなく、研磨、ドライエッチング、ウェットエッチンングなどが挙げられる。
Further, as another example of the method of processing the group III nitride crystal substrate, the group
図1(D)および図2(C)を参照して、上記のように、III族窒化物結晶40はその主表面40mにピット40pが発生するのに対して、III族窒化物結晶30はその主表面30mにピットが発生しない。このため、III族窒化物結晶40から得られるIII族窒化物結晶基板40zに比べてIII族窒化物結晶30から得られるIII族窒化物結晶基板30zの歩留まりがよくなり、より枚数が多くできる。
Referring to FIGS. 1D and 2C, as described above, group
(実施例1)
1.種結晶基板の準備
図1(A)を参照して、GaN種結晶をその(0001)面に平行な面でワイヤソーにより切り出して複数のウエハを形成し、これらのウエハを<1−100>方向および<11−20>方向の二次元的な方向にワイヤソーにより切り出し、それらの切り出し面をCMS(化学機械的研磨)により研磨することにより、主表面1mの面方位が(0001)面からの傾斜角が0.2°以下で、主表面1mが30mm×30mmの正方形であり、複数の側表面の面方位が{1−100}面および{11−20}面のいずれかの面からの傾斜角が0.2°以下で、厚さが400μmであるGaN種結晶基板1を9枚準備した。ここで、それぞれのGaN種結晶基板の主表面および複数の側表面の面方位は、X線回折により測定した。また、それぞれのGaN種結晶基板の主表面および複数の側表面の平均粗さRaは、AFMにより測定したところ、いずれも50nm以下であった。
Example 1
1. Preparation of Seed Crystal Substrate Referring to FIG. 1A, a GaN seed crystal is cut out with a wire saw in a plane parallel to the (0001) plane to form a plurality of wafers, and these wafers are oriented in the <1-100> direction. And by cutting with a wire saw in a two-dimensional direction of <11-20> direction, and polishing those cut surfaces by CMS (Chemical Mechanical Polishing), the plane orientation of the
2.種結晶基板の配置
図1(A)および図3を参照して、9枚のGaN種結晶基板1をそれらの主表面1mが互いに平行にかつそれらの側表面1sが互いに接触して隣り合うように<1−100>方向および<11−20>方向にそれぞれ3枚ずつ合計9枚を配置した。ここで、9枚のGaN種結晶基板は、それぞれの<0001>方向、<1−100>方向および<11−20>方向が互いに実質的に同一になるように配置した。配置された9枚のGaN種結晶基板を、酸化アルミニウム製治具により固定した。
2. Arrangement of Seed Crystal Substrate Referring to FIGS. 1A and 3, nine GaN
3.第1の結晶成長
図1(B)および図4を参照して、フラックス法結晶成長装置100の結晶成長容器110である酸化アルミニウム製坩堝の底面に酸化アルミニウム製治具で固定された上記9枚のGaN種結晶基板(種結晶基板1)をそれらの主表面1mを上に向けて配置した。次いで、酸化アルミニウム製坩堝(結晶成長容器110)に、200gの金属Ga(III族元素原料)と150gの金属Na(フラックス原料)とを入れて、800℃まで加熱することにより、GaN種結晶基板(種結晶基板1)の主表面1mに接触するGa−Na融液(III族元素およびフラックスを含む融液63)を形成した。次いで、酸化アルミニウム製坩堝(結晶成長容器110)のGa−Na融液(融液63)に、窒素ガス(窒素原料ガス65)を供給することにより、窒素ガス圧力5MPaで200時間維持した。こうして、GaN種結晶基板(種結晶基板1)の主表面1mに接触するGa−Na融液(融液63)に窒素ガス(窒素原料ガス65)が溶解した溶液67が形成され、GaN種結晶基板(種結晶基板1)の主表面1m上に、主表面10mにピットの発生がない平均厚さ500μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)が成長した。
3. First Crystal Growth Referring to FIGS. 1B and 4, the nine sheets fixed to the bottom surface of an aluminum oxide crucible which is a
次に、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)の主表面10mをCMPにより研磨して鏡面化した。
Next, the
4.第2の結晶成長
図1(C)および図5を参照して、HVPE装置200の反応室210内の結晶ホルダ219上に、主表面10mを鏡面化した第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を配置して、反応室210に流量100ml/minのHClガス71および流量250ml/minのNH3ガス(窒素原料ガス75)をキャリアガスとしてN2ガスを用いて総ガス流量を4000ml/minとして供給し、GaClガス(III族元素原料ガス73)生成温度を850℃、結晶成長温度を1120℃として、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)の主表面10m上に、第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を結晶成長速度200μm/hrで5時間(すなわち厚さ1000μmに)成長させた。こうして、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)および第2のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶20)が一体化した主表面30mにピットの発生がないGaN結晶(III族窒化物結晶30)が得られた。
4). Second Crystal Growth Referring to FIGS. 1C and 5, on the
得られたGaN結晶(III族窒化物結晶30)の主表面30mには、光学顕微鏡で詳細に観察したところ、ファセットおよびピットは全く観察されなかった。また、このGaN結晶(III族窒化物結晶30)は、その断面を蛍光顕微鏡を用いて発光強度分布像として詳細に観察したが、ファセット成長結晶領域は全く観察されなかった。すなわち、フラックス法による第1のGaN結晶の成長において、(1−100)面および(11−20)面のいずれかの面を結晶成長面とする結晶成長すなわちGaN種結晶基板の主表面1mに平行な方向の結晶成長により、それぞれのGaN種結晶基板の主表面1m上に成長した部分結晶10uが接合部10gで接合して一体化した後、(0001)面を結晶成長面とする結晶成長すなわちGaN種結晶基板の主表面1mに垂直な方向の結晶成長に移行したためと考えられる。
On the
5.結晶基板の形成
図1(D)を参照して、上記のGaN結晶(III族窒化物結晶30)をHVPE装置の反応室から取り出した後、GaN結晶をGaN種結晶基板(種結晶基板1)の主表面1mに平行な面30v,30wでワイヤソーによりスライスし、スライス面をCMPにより研磨することにより、厚さ200μmのGaN結晶基板(GaN結晶基板30z)が4枚得られた。
5. Formation of Crystal Substrate Referring to FIG. 1D, after the GaN crystal (Group III nitride crystal 30) is taken out from the reaction chamber of the HVPE apparatus, the GaN crystal is converted into a GaN seed crystal substrate (seed crystal substrate 1). Each of the
(比較例1)
1.種結晶基板の準備
図2(A)を参照して、実施例1と同様のGaN種結晶基板1を9枚準備した。
(Comparative Example 1)
1. Preparation of Seed Crystal Substrate With reference to FIG. 2A, nine GaN
2.種結晶基板の配置
図2(A)および図3を参照して、実施例1と同様にして9枚のGaN種結晶基板1を配置して、酸化アルミニウム製治具により固定した。
2. Arrangement of Seed Crystal Substrate With reference to FIGS. 2A and 3, nine GaN
3.結晶成長
図2(B)を参照して、HVPE装置200の反応室210内の結晶ホルダ219上に、酸化アルミニウム製治具で固定された上記9枚のGaN種結晶基板(種結晶基板1)をそれらの主表面1mを上に向けて配置した。次いで、実施例1と同様にして、厚さが1000μmのGaN結晶(III族窒化物結晶40)を成長させた。
3. Crystal Growth Referring to FIG. 2B, the nine GaN seed crystal substrates (seed crystal substrate 1) fixed on the
得られたGaN結晶の主表面40mには、それぞれのGaN種結晶基板1上に成長した部分結晶40uの接合部40gの上方に(1−10x1)面(x1=1または2)のファセット40fにより形成されるピット40pが25個/cm2の発生率で発生した。また、かかるGaN結晶は、その断面を蛍光顕微鏡を用いて発光強度分布像として観察したところ、GaN種結晶基板1上に成長した部分結晶40uの接合部40gの近傍には、(1−10x1)面(x1=1または2)のファセット40fを結晶成長表面として成長したファセット成長結晶領域40ufが認められた。
The
4.結晶基板の形成
図2(C)を参照して、上記のGaN結晶(III族窒化物結晶40)をHVPE装置の反応室から取り出した後、GaN結晶をGaN種結晶基板(種結晶基板1)の主表面1mに平行な面40v,40wでワイヤソーによりスライスし、スライス面をCMPにより研磨することにより、厚さ200μmのGaN結晶基板(GaN結晶基板40z)が2枚得られた。
4). Formation of Crystal Substrate Referring to FIG. 2C, after the GaN crystal (Group III nitride crystal 40) is taken out from the reaction chamber of the HVPE apparatus, the GaN crystal is converted into a GaN seed crystal substrate (seed crystal substrate 1). Two GaN crystal substrates (
(比較例2)
1.種結晶基板の準備
図2(A)を参照して、実施例1と同様のGaN種結晶基板1を9枚準備した。
(Comparative Example 2)
1. Preparation of Seed Crystal Substrate With reference to FIG. 2A, nine GaN
2.種結晶基板の配置
図2(A)および図3を参照して、実施例1と同様にして9枚のGaN種結晶基板1を配置して、酸化アルミニウム製治具により固定した。
2. Arrangement of Seed Crystal Substrate With reference to FIGS. 2A and 3, nine GaN
3.結晶成長
図2(B)を参照して、結晶成長温度を1220℃として、結晶成長速度を120μm/hrとしたこと以外は、比較例1と同様にして、厚さ1000μmのGaN結晶(III族窒化物結晶40)を成長させた。
3. Crystal Growth Referring to FIG. 2B, a 1000 μm-thick GaN crystal (Group III) is formed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the crystal growth temperature is 1220 ° C. and the crystal growth rate is 120 μm / hr. Nitride crystals 40) were grown.
得られたGaN結晶の主表面40mには、それぞれのGaN種結晶基板1上に成長した部分結晶40uの接合部40g上に(1−10x2)面(x2=1または2)のファセット40fにより形成されるピット40pが4個/cm2の発生率で発生した。また、かかるGaN結晶は、その断面を蛍光顕微鏡を用いて発光強度分布像として観察したところ、GaN種結晶基板1上に成長した部分結晶40uの接合部40gの近傍には、(1−10x2)面(x2=1または2)のファセット40fを結晶成長表面として成長したファセット成長結晶領域40ufが認められた。
The
4.結晶基板の形成
図2(C)を参照して、上記のGaN結晶(III族窒化物結晶40)をHVPE装置の反応室から取り出した後、比較例1と同様にして、厚さ200μmのGaN結晶基板(GaN結晶基板40z)を2枚得た。
4). Formation of Crystal Substrate Referring to FIG. 2C, after the GaN crystal (Group III nitride crystal 40) is taken out from the reaction chamber of the HVPE apparatus, GaN having a thickness of 200 μm is obtained in the same manner as in Comparative Example 1. Two crystal substrates (
図1および図2を参照して、実施例1と比較例1および2とを対比すると、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上に液相生長法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させた後、第1のIII族窒化物結晶10の主表面10m上にHVPE(ハイドライド気相成長)法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させることにより、第1のIII族窒化物結晶10および第2のIII族窒化物結晶20が一体化した主表面30m上にピットの発生がない大型のIII族窒化物結晶30が得られることがわかった。また、かかるIII族窒化物結晶30は、その主表面30m上にピットが発生していないため、歩留まりよく結晶性の高いIII族窒化物結晶基板30x,30y,30zが得られることがわかった。
Referring to FIG. 1 and FIG. 2, when Example 1 is compared with Comparative Examples 1 and 2, the first group III nitridation is performed on the
これに対して、図2を参照して、比較例1と比較例2とを参照して、配置された複数の種結晶基板1の主表面1m上にHVPE法によりIII族窒化物結晶40を成長させると、結晶成長温度を高めても、成長するIII族窒化物結晶40の主表面40m上に発生するピット40pの発生率の低減はできるが、ピットの発生をなくすことができないことがわかった。
On the other hand, with reference to FIG. 2, with reference to comparative example 1 and comparative example 2, group
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 種結晶基板、1m,10m,30m,40m 主表面、1s 側表面、10 第1のIII族窒化物結晶、10g,40g 接合部、10u,40u 部分結晶、20 第2のIII族窒化物結晶、30,40 III族窒化物結晶、30v,30w,40v,40w 面、30x,30y,30z,40x,40y,40z III族窒化物結晶基板、40f ファセット、40p ピット、40uf ファセット成長結晶領域、40um 主表面結晶成長領域、63 融液、65,75 窒素原料ガス、67 溶液、71 HClガス、72 III族元素原料、73 III族元素原料ガス、79 排ガス、100 フラックス法結晶成長装置、110 結晶成長容器、120 結晶成長室、120e ガス供給口、130,231,232,233 ヒータ、200 HVPE装置、210 反応室、213 窒素原料ガス導入管、215 ガス排出管、219 結晶ホルダ、220 III族元素原料ガス生成室、221 III族元素原料ボート、222 HClガス導入管、223 III族元素原料ガス導入管。
1 seed crystal substrate, 1 m, 10 m, 30 m, 40 m main surface, 1 s side surface, 10 first group III nitride crystal, 10 g, 40 g junction, 10 u, 40 u partial crystal, 20 second group
Claims (3)
複数の前記種結晶基板を、それらの主表面が互いに平行にかつそれらの側表面が互いに隣り合うように配置する工程と、
配置された複数の前記種結晶基板の主表面上に、液相成長法により、第1のIII族窒化物結晶を成長させる第1の結晶成長工程と、
前記第1のIII族窒化物結晶の主表面上に、ハイドライド気相成長法により、第2のIII族窒化物結晶を成長させる第2の結晶成長工程と、を備え、
前記第1のIII族窒化物結晶は、それぞれの前記種結晶基板の主表面上に成長するそれぞれの部分結晶が一体化するように成長させ、
前記第2のIII族窒化物結晶は、前記第1のIII族窒化物結晶と一体化するように成長させるIII族窒化物結晶の成長方法。 Preparing a plurality of seed crystal substrates having a main surface of a predetermined plane orientation and a plurality of side surfaces;
Arranging the plurality of seed crystal substrates such that their main surfaces are parallel to each other and their side surfaces are adjacent to each other;
A first crystal growth step of growing a first group III nitride crystal on a main surface of the plurality of seed crystal substrates arranged by a liquid phase growth method;
A second crystal growth step of growing a second group III nitride crystal on the main surface of the first group III nitride crystal by a hydride vapor phase growth method,
The first group III nitride crystal is grown so that each partial crystal grown on the main surface of each seed crystal substrate is integrated,
The method for growing a group III nitride crystal, wherein the second group III nitride crystal is grown so as to be integrated with the first group III nitride crystal.
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