JP5065625B2 - Manufacturing method of GaN single crystal substrate - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物系化合物半導体を用いた、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光デバイスや、電界効果トランジスタ等の電子デバイス用の基板及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a substrate for a light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser, and an electronic device such as a field effect transistor using a nitride compound semiconductor such as gallium nitride (GaN), and a method for manufacturing the same.
従来、窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイス等では、安定なサファイア基板が用いられていた。 Conventionally, a stable sapphire substrate has been used in a light emitting device using a nitride compound semiconductor.
しかし、サファイアには劈開面が無いため、半導体レーザにサファイア基板を用いた場合は劈開による反射面を作製することができないという問題があった。 However, since sapphire has no cleavage plane, there has been a problem that when a sapphire substrate is used for a semiconductor laser, a reflection plane cannot be produced by cleavage.
また、サファイアを発光デバイス等の基板材料として用いた場合、サファイア基板と当該サファイア基板上に成長させるエピタキシャル層との間の格子不整合や熱膨張係数の相違に起因して、エピタキシャル層中に転位等の結晶欠陥が多発するという問題もあった。 In addition, when sapphire is used as a substrate material for light emitting devices, dislocations in the epitaxial layer due to lattice mismatch and thermal expansion coefficient differences between the sapphire substrate and the epitaxial layer grown on the sapphire substrate. There was also a problem that crystal defects such as the above occurred frequently.
このようなサファイアを発光デバイス等の基板とした場合の問題を解消すべく開発された技術として、特許文献1に掲載された半導体発光素子の製法がある。この半導体発光素子の製法は、ガリウム砒素(GaAs)基板等の半導体単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後、半導体単結晶基板(GaAs基板)を除去し、残った窒化ガリウム系化合物半導体層を新たな基板としてその上に動作層である窒化ガリウム系化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させて、半導体発光素子を製造するものである。 As a technique developed to solve the problem in the case where such sapphire is used as a substrate of a light emitting device or the like, there is a method for manufacturing a semiconductor light emitting element described in Patent Document 1. This semiconductor light emitting device is manufactured by growing a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a semiconductor single crystal substrate such as a gallium arsenide (GaAs) substrate, then removing the semiconductor single crystal substrate (GaAs substrate), and remaining gallium nitride. A semiconductor light emitting device is manufactured by epitaxially growing a gallium nitride compound semiconductor single crystal layer as an operation layer on a new compound semiconductor layer as a new substrate.
この特許文献1の技術によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層とこの上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体単結晶層(エピタキシャル層)との格子定数や熱膨張係数が非常に近いため、半導体単結晶層(エピタキシャル層)に転位等に起因する格子欠陥が発生しにくくなる。また、基板とこの上に成長させる動作層とが同じ窒化ガリウム系化合物半導体層からなっているため、同種の結晶が揃うことになり、容易に劈開することができる。このため、半導体レーザ等の反射鏡を簡単に作製することができる。
しかし、上記特許文献1に掲載された製法で製造したGaN基板は、格子不整合等の理由で結晶品質は極めて低く、結晶欠陥に起因する内部応力の為に大きな反りが発生し、実用化には至っていなかった。そして、技術進歩に伴い、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた光半導体デバイスの特性を更に向上させることが要求され、本発明者らにおいて、より高品質のGaN単結晶基板を製作する必要が生じた。そのためには、GaN単結晶基板のエピタキシャル層に発生する転位等の結晶欠陥を一層低減させる必要がある。結晶欠陥を低減することにより、高い結晶品質を有し、内部応力が低く、反りも殆どないGaN単結晶基板を得ることができる。 However, the GaN substrate manufactured by the manufacturing method described in Patent Document 1 has a very low crystal quality due to lattice mismatch and the like, and a large warp occurs due to internal stress caused by crystal defects. Was not reached. As the technology advances, it is required to further improve the characteristics of optical semiconductor devices using gallium nitride compound semiconductors, and the present inventors have been required to produce higher quality GaN single crystal substrates. . For this purpose, it is necessary to further reduce crystal defects such as dislocations generated in the epitaxial layer of the GaN single crystal substrate. By reducing crystal defects, a GaN single crystal substrate having high crystal quality, low internal stress, and little warpage can be obtained.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、転位等の結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a GaN single crystal substrate in which crystal defects such as dislocations are reduced.
上述の課題を解決するため、本発明のGaN単結晶基板の製造方法は、GaN単結晶を種結晶として当該GaN単結晶の上に六方晶のGaNからなるエピタキシャル層を成長させて、GaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention includes growing a epitaxial layer of hexagonal GaN on a GaN single crystal using the GaN single crystal as a seed crystal, An ingot forming step for forming the ingot and a cutting step for cutting the ingot into a plurality of pieces.
この場合、GaN単結晶のインゴットを複数枚に切断するため、一回の製造処理で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。 In this case, since the GaN single crystal ingot is cut into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained by a single manufacturing process.
また、本発明のGaN単結晶基板の製造方法は、GaN単結晶を種結晶として当該GaN単結晶の上に六方晶のGaNからなるエピタキシャル層を成長させて、GaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に劈開する劈開工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing a GaN single crystal substrate according to the present invention also includes an ingot that forms an ingot of a GaN single crystal by growing an epitaxial layer made of hexagonal GaN on the GaN single crystal using the GaN single crystal as a seed crystal. And a cleaving step of cleaving the ingot into a plurality of sheets.
この場合、GaN単結晶のインゴットを複数枚に劈開するため、一回の製造処理で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。また、この場合は、GaN結晶の劈開面に沿ってインゴットを劈開させるため、容易に複数枚のGaN単結晶基板を得ることができる。 In this case, since the GaN single crystal ingot is cleaved into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained by a single manufacturing process. In this case, since the ingot is cleaved along the cleavage plane of the GaN crystal, a plurality of GaN single crystal substrates can be easily obtained.
本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法は、GaAs基板上に、互いに離隔配置された複数の開口窓を有するマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上に、GaNからなるエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル層成長工程と、を備えることを特徴とする。 A method of manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention includes a mask layer forming step of forming a mask layer having a plurality of aperture windows spaced apart from each other on a GaAs substrate, and an epitaxial layer made of GaN on the mask layer. And an epitaxial layer growth step for growing the layer.
本発明のGaN単結晶基板の製造方法によれば、マスク層の各開口窓内でGaN核が形成され、このGaN核が次第にマスク層上の横方向、すなわちマスク層の開口窓が形成されていないマスク部の上方に向かって何の障害物もなく自由にラテラル成長する。そして、GaN核がラテラル成長するときに、GaN核内の欠陥は広がらないため、結晶欠陥が大幅に低減されたGaN単結晶基板を形成することができる。 According to the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of the present invention, GaN nuclei are formed in each opening window of the mask layer, and the GaN nuclei gradually form a lateral direction on the mask layer, that is, an opening window of the mask layer. There is no obstacle towards the upper part of the mask part, and it grows freely laterally. And since the defect in a GaN nucleus does not spread when a GaN nucleus grows laterally, the GaN single-crystal board | substrate with which the crystal defect was reduced significantly can be formed.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記マスク層形成工程の前に、前記GaAs基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に、GaNからなる下層エピタキシャル層を成長させる下層エピタキシャル層成長工程と、を更に備えることが好ましい。 In the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the GaAs substrate before the mask layer forming step, and a lower layer made of GaN on the buffer layer It is preferable to further include a lower layer epitaxial layer growth step for growing the epitaxial layer.
この場合、マスク層の開口窓の下方にGaNからなる下層エピタキシャル層が位置し、当該下層エピタキシャル層の上にGaNからなる上記エピタキシャル層が形成されるため、当該エピタキシャル層の結晶欠陥が一層低減される。すなわち、転位等の結晶欠陥は、バッファ層に近い部分ほどその密度が高いため、このように一旦下層エピタキシャル層を成長させてバッファ層からの距離をおいてマスク層を形成した方が、下層エピタキシャル層を成長させない場合よりも結晶欠陥の低減を図ることができる。 In this case, since the lower epitaxial layer made of GaN is located below the opening window of the mask layer and the epitaxial layer made of GaN is formed on the lower epitaxial layer, crystal defects of the epitaxial layer are further reduced. The That is, crystal defects such as dislocations have a higher density near the buffer layer. Therefore, it is better to once grow the lower epitaxial layer and form the mask layer at a distance from the buffer layer. Crystal defects can be reduced more than when the layer is not grown.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記エピタキシャル層成長工程の前に、前記マスク層の前記開口窓内における前記GaAs基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を更に備えることも好ましい。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention further includes a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the GaAs substrate in the opening window of the mask layer before the epitaxial layer growth step. It is also preferable.
この場合、GaNエピタキシャル層を一回成長させるだけで結晶欠陥が大幅に低減したGaN単結晶基板を形成することができ、コスト削減を図ることができる。なお、GaAs基板上にGaNエピタキシャル層を成長させる場合には、アモルファス層に近いGaN低温バッファ層またはAlNバッファ層を成長させた後、高温でGaNを成長させることで、たとえ格子不整合が大きくてもエピタキシャル成長を得ることができる。低温バッファ層形成時は、SiO2、Si3N4から成るマスク層のマスク部上には低温バッファ層は成長せず、開口窓内にのみ形成される。 In this case, it is possible to form a GaN single crystal substrate in which crystal defects are greatly reduced by growing the GaN epitaxial layer only once, and cost reduction can be achieved. When a GaN epitaxial layer is grown on a GaAs substrate, a GaN low temperature buffer layer or AlN buffer layer close to an amorphous layer is grown, and then GaN is grown at a high temperature. Epitaxial growth can also be obtained. At the time of forming the low temperature buffer layer, the low temperature buffer layer does not grow on the mask portion of the mask layer made of SiO 2 and Si 3 N 4 and is formed only in the opening window.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記エピタキシャル層は、厚さ5〜300μmの範囲内で成長され、前記エピタキシャル層成長工程の後に、前記GaAs基板を除去するGaAs基板除去工程と、前記エピタキシャル層上にGaNからなる第二のエピタキシャル層を積層成長させる工程と、を更に備えることも望ましい。 Further, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, the epitaxial layer is grown within a thickness range of 5 to 300 μm, and the GaAs substrate removing step of removing the GaAs substrate after the epitaxial layer growing step. And a step of laminating and growing a second epitaxial layer made of GaN on the epitaxial layer.
この場合、第二のエピタキシャル層を成長させる前にGaAs基板を除去するので、GaAs基板とバッファ層及びエピタキシャル層との熱膨張係数の差に起因する熱応力の発生を防止することでエピタキシャル層に発生するクラック及び内部応力を低減でき、これにより、クラックが無く、且つ、結晶欠陥の大幅に低減されたGaN単結晶基板を形成することができる。 In this case, since the GaAs substrate is removed before the second epitaxial layer is grown, the occurrence of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the GaAs substrate, the buffer layer, and the epitaxial layer is prevented. The generated cracks and internal stress can be reduced, whereby a GaN single crystal substrate free from cracks and greatly reduced in crystal defects can be formed.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記マスク層の前記開口窓を前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向にピッチLで複数配列して<10−10>窓群を形成すると共に、前記<10−10>窓群を前記下層エピタキシャル層の<1−210>方向にピッチd(0.75L≦d≦1.3L)で複数並設し、さらに、前記各<10−10>窓群は、前記各開口窓の中心位置が隣り合う前記<10−10>窓群の前記各開口窓の中心位置に対して前記<10−10>方向に約1/2Lずれて並設されていることが望ましい。 Further, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, a plurality of the opening windows of the mask layer are arranged at a pitch L in the <10-10> direction of the lower epitaxial layer, and a <10-10> window group is formed. A plurality of the <10-10> window groups are arranged in parallel in the <1-210> direction of the lower epitaxial layer at a pitch d (0.75L ≦ d ≦ 1.3L), and each <10-10> −10> The window group is shifted by about ½ L in the <10-10> direction with respect to the center position of each opening window of the <10-10> window group in which the center positions of the opening windows are adjacent to each other. It is desirable that they are arranged side by side.
この場合、各<10−10>窓群の各開口窓は、その中心位置が隣り合う<10−10>窓群の各開口窓の中心位置に対して<10−10>方向に約1/2Lずれているため、各開口窓から成長する正六角錐または正六角錐台のGaNの結晶粒は、隣接する開口窓から成長した結晶粒と殆どピットを生じさせず、隙間無く繋がり、エピタキシャル層における結晶欠陥及び内部応力の低減を図ることができる。 In this case, each opening window of each <10-10> window group is approximately 1 / in the <10-10> direction with respect to the center position of each opening window of the <10-10> window group whose adjacent center positions are adjacent. Due to the 2L deviation, the regular hexagonal pyramid or regular hexagonal frustum GaN crystal grains grown from each opening window are connected to the crystal grains grown from the adjacent opening window with almost no pits, and the crystal in the epitaxial layer is connected. Defects and internal stress can be reduced.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記マスク層の前記開口窓を前記GaAs基板の(111)面上において<11−2>方向にピッチLで複数配列して<11−2>窓群を形成すると共に、前記<11−2>窓群を前記GaAs基板の(111)面の<−110>方向にピッチd(0.75L≦d≦1.3L)で複数並設し、さらに、前記各<11−2>窓群は、前記各開口窓の中心位置が隣り合う前記<11−2>窓群の前記各開口窓の中心位置に対して前記<11−2>方向に約1/2Lずれて並設されていることが望ましい。 In the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, a plurality of the opening windows of the mask layer are arranged at a pitch L in the <11-2> direction on the (111) plane of the GaAs substrate. 2> A window group is formed, and a plurality of the <11-2> window groups are arranged in parallel at a pitch d (0.75 L ≦ d ≦ 1.3 L) in the <−110> direction of the (111) plane of the GaAs substrate. Further, each <11-2> window group has the above <11-2> relative to the center position of each opening window of the <11-2> window group in which the center positions of the respective opening windows are adjacent to each other. It is desirable that they are juxtaposed with a shift of about ½ L in the direction.
この場合、各<11−2>窓群の各開口窓は、その中心位置が隣り合う<11−2>窓群の各開口窓の中心位置に対して<11−2>方向に約1/2Lずれているため、各開口窓から成長する正六角錐または正六角錐台のGaNの結晶粒は、隣接する開口窓から成長した結晶粒と殆どピットを生じさせず、隙間無く繋がり、エピタキシャル層における結晶欠陥及び内部応力の低減を図ることができる。 In this case, each opening window of each <11-2> window group is approximately 1 / <2> in the <11-2> direction with respect to the center position of each opening window of the <11-2> window group that is adjacent to the center position. Due to the 2L deviation, the regular hexagonal pyramid or regular hexagonal frustum GaN crystal grains grown from each opening window are connected to the crystal grains grown from the adjacent opening window with almost no pits, and the crystal in the epitaxial layer is connected. Defects and internal stress can be reduced.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記エピタキシャル層成長工程において、前記エピタキシャル層を厚く成長させてGaN単結晶のインゴットを形成し、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程を更に備えることも望ましい。 Further, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, in the epitaxial layer growth step, a step of forming the GaN single crystal ingot by growing the epitaxial layer thickly and cutting the ingot into a plurality of pieces. It is also desirable to provide further.
この場合、GaN単結晶のインゴットを複数枚に切断するため、一回の製造処理で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。 In this case, since the GaN single crystal ingot is cut into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained by a single manufacturing process.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前記エピタキシャル層成長工程において、前記エピタキシャル層を厚く成長させてGaN単結晶のインゴットを形成し、前記インゴットを複数枚に劈開する劈開工程を更に備えることも望ましい。 Further, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, in the epitaxial layer growth step, a cleavage step of growing the epitaxial layer thickly to form an ingot of a GaN single crystal and cleaving the ingot into a plurality of sheets. It is also desirable to provide further.
この場合、GaN単結晶のインゴットを複数枚に劈開するため、一回の製造処理で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。また、この場合は、GaN結晶の劈開面に沿ってインゴットを劈開させるため、容易に複数枚のGaN単結晶基板を得ることができる。 In this case, since the GaN single crystal ingot is cleaved into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained by a single manufacturing process. In this case, since the ingot is cleaved along the cleavage plane of the GaN crystal, a plurality of GaN single crystal substrates can be easily obtained.
また、本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法において、前述の製造方法によって得られたGaN単結晶基板にGaNからなるエピタキシャル層を厚く成長させてGaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程と、を更に備えることも望ましい。 Further, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention, an ingot forming step of forming an ingot of a GaN single crystal by growing a thick GaN epitaxial layer on the GaN single crystal substrate obtained by the above-described manufacturing method; It is also desirable to further comprise a cutting step of cutting the ingot into a plurality of sheets.
この場合、前述の製造方法によって製造されたGaN単結晶基板にGaNエピタキシャル層を成長させてインゴットを形成し、当該インゴットを切断するだけでGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。すなわち、簡単な作業で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚製造することができる。 In this case, a plurality of GaN single crystal substrates can be obtained simply by growing an GaN epitaxial layer on the GaN single crystal substrate manufactured by the above-described manufacturing method, forming an ingot, and cutting the ingot. That is, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be manufactured with a simple operation.
本発明のGaN単結晶基板の製造方法は、GaAs基板上に、互いに離隔配置された複数の開口窓を有するマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上に、GaNからなるエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル層成長工程と、を備える。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate according to the present invention includes a mask layer forming step of forming a mask layer having a plurality of opening windows spaced apart from each other on a GaAs substrate, and an epitaxial layer made of GaN on the mask layer. And an epitaxial layer growth step for growing the layer.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記マスク層形成工程の前に、前記GaAs基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に、GaNからなる下層エピタキシャル層を成長させる下層エピタキシャル層成長工程と、を更に備える。 Preferably, the method for manufacturing the GaN single crystal substrate includes a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the GaAs substrate before the mask layer forming step, and a lower epitaxial layer made of GaN on the buffer layer. And a lower epitaxial layer growth step for growing the layer.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記エピタキシャル層成長工程の前に、前記マスク層の前記開口窓内における前記GaAs基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を更に備える。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate preferably further includes a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the GaAs substrate in the opening window of the mask layer before the epitaxial layer growth step.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓は、ストライプ状のストライプ窓である。 Preferably, the opening window of the mask layer is a stripe-shaped stripe window.
好ましくは、前記ストライプ窓は、前記GaNからなる前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向に延在しており、窓幅が0.3μm〜10μmの範囲内で、マスク幅が2μm〜20μmの範囲内である。 Preferably, the stripe window extends in the <10-10> direction of the lower epitaxial layer made of GaN, the window width is in the range of 0.3 μm to 10 μm, and the mask width is 2 μm to 20 μm. Within range.
好ましくは、前記ストライプ窓は、前記GaNからなる前記下層エピタキシャル層の<1−210>方向に延在しており、窓幅が0.3μm〜10μmの範囲内で、マスク幅が2μm〜20μmの範囲内である。 Preferably, the stripe window extends in the <1-210> direction of the lower epitaxial layer made of GaN, and has a window width of 0.3 μm to 10 μm and a mask width of 2 μm to 20 μm. Within range.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記エピタキシャル層成長工程の後に、前記GaAs基板を除去するGaAs基板除去工程と、前記バッファ層の下面および前記エピタキシャル層の上面を研磨する研磨工程と、を更に備える。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate preferably includes a GaAs substrate removal step of removing the GaAs substrate after the epitaxial layer growth step, and a polishing step of polishing the lower surface of the buffer layer and the upper surface of the epitaxial layer. Are further provided.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓は、ストライプ状のストライプ窓である。 Preferably, the opening window of the mask layer is a stripe-shaped stripe window.
好ましくは、前記ストライプ窓は、前記GaAs基板の<11−2>方向に延在しており、窓幅が0.3μm〜10μmの範囲内で、マスク幅が2μm〜20μmの範囲内である。 Preferably, the stripe window extends in the <11-2> direction of the GaAs substrate, the window width is in the range of 0.3 μm to 10 μm, and the mask width is in the range of 2 μm to 20 μm.
好ましくは、前記ストライプ窓は、前記GaAs基板の<1−10>方向に延在しており、窓幅が0.3μm〜10μmの範囲内で、マスク幅が2μm〜20μmの範囲内である。 Preferably, the stripe window extends in the <1-10> direction of the GaAs substrate, the window width is in the range of 0.3 μm to 10 μm, and the mask width is in the range of 2 μm to 20 μm.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記エピタキシャル層成長工程の後に、前記GaAs基板を除去するGaAs基板除去工程と、前記マスク層及び前記バッファ層の下面と、前記エピタキシャル層の上面を研磨する研磨工程と、を更に備える。 Preferably, in the method of manufacturing a GaN single crystal substrate, after the epitaxial layer growth step, a GaAs substrate removal step of removing the GaAs substrate, a lower surface of the mask layer and the buffer layer, and an upper surface of the epitaxial layer are provided. And a polishing step for polishing.
好ましくは、前記GaAs基板が、GaAs(111)A基板又はGaAs(111)B基板である。 Preferably, the GaAs substrate is a GaAs (111) A substrate or a GaAs (111) B substrate.
好ましくは、前記バッファ層を、ハイドライドVPEにて形成する。 Preferably, the buffer layer is formed by hydride VPE.
好ましくは、前記エピタキシャル層を、ハイドライドVPEにて形成する。 Preferably, the epitaxial layer is formed by hydride VPE.
好ましくは、前記エピタキシャル層は、厚さ5μm〜300μmの範囲内で成長され、上記GaN単結晶基板の製造方法は、前記エピタキシャル層成長工程の後に、前記GaAs基板を除去するGaAs基板除去工程と、前記エピタキシャル層上にGaNからなる第二のエピタキシャル層を積層成長させる工程と、を更に備える。 Preferably, the epitaxial layer is grown in a thickness range of 5 μm to 300 μm, and the method of manufacturing the GaN single crystal substrate includes a GaAs substrate removal step of removing the GaAs substrate after the epitaxial layer growth step, And a step of growing a second epitaxial layer made of GaN on the epitaxial layer.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓を前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向にピッチLで複数配列して<10−10>窓群を形成すると共に、前記<10−10>窓群を前記下層エピタキシャル層の<1−210>方向にピッチd(0.75L≦d≦1.3L)で複数並設する。 Preferably, a plurality of the opening windows of the mask layer are arranged at a pitch L in the <10-10> direction of the lower epitaxial layer to form a <10-10> window group, and the <10-10> window group Are arranged in parallel in the <1-210> direction of the lower epitaxial layer with a pitch d (0.75 L ≦ d ≦ 1.3 L).
好ましくは、前記各<10−10>窓群は、前記各開口窓の中心位置が隣り合う前記<10−10>窓群の前記各開口窓の中心位置に対して前記<10−10>方向に約1/2Lずれて並設されている。 Preferably, each <10-10> window group is in the <10-10> direction with respect to the center position of each opening window of the <10-10> window group in which the center positions of the opening windows are adjacent to each other. Are juxtaposed with a shift of about 1/2 L.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓を前記GaAs基板の(111)面上において<11−2>方向にピッチLで複数配列して<11−2>窓群を形成すると共に、前記<11−2>窓群を前記GaAs基板の(111)面の<−110>方向にピッチd(0.75L≦d≦1.3L)で複数並設する。 Preferably, a plurality of the opening windows of the mask layer are arranged at a pitch L in the <11-2> direction on the (111) plane of the GaAs substrate to form a <11-2> window group, and the <11 -2> A plurality of windows are arranged in parallel at a pitch d (0.75 L ≦ d ≦ 1.3 L) in the <−110> direction of the (111) plane of the GaAs substrate.
好ましくは、前記各<11−2>窓群は、前記各開口窓の中心位置が隣り合う前記<11−2>窓群の前記各開口窓の中心位置に対して前記<11−2>方向に約1/2Lずれて並設されている。 Preferably, each <11-2> window group is in the <11-2> direction with respect to the center position of each opening window of the <11-2> window group in which the center positions of the opening windows are adjacent to each other. Are juxtaposed with a shift of about 1/2 L.
好ましくは、前記各開口窓のピッチLは、3μm〜10μmの範囲内である。 Preferably, the pitch L of each opening window is in the range of 3 μm to 10 μm.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓の形状は、円形、楕円形、多角形の何れかである。 Preferably, the shape of the opening window of the mask layer is any one of a circle, an ellipse, and a polygon.
好ましくは、前記マスク層の前記各開口窓の面積は、0.7μm2〜50μm2である。 Preferably, the area of each opening window of the mask layer is 0.7μm 2 ~50μm 2.
好ましくは、前記マスク層の前記各開口窓は、一辺が1μm〜5μmの方形、又は直径1μm〜5μmの円形である。 Preferably, each opening window of the mask layer is a square having a side of 1 μm to 5 μm or a circle having a diameter of 1 μm to 5 μm.
好ましくは、前記各開口窓の総面積は、全ての前記開口窓の面積と前記開口窓が形成されていないマスク部の面積とを合わせた全面積の10〜50%である。 Preferably, the total area of each of the opening windows is 10 to 50% of the total area of the area of all the opening windows and the area of the mask portion where the opening windows are not formed.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓が前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向を長手方向とする長方形状の長方形窓であり、前記長方形窓を前記<10−10>方向にピッチLで複数配列して<10−10>長方形窓群を形成すると共に、<10−10>長方形窓群を前記下層エピタキシャル層の<1−210>方向にピッチdで複数並設する。 Preferably, the opening window of the mask layer is a rectangular window whose longitudinal direction is the <10-10> direction of the lower epitaxial layer, and the rectangular window is arranged at a pitch L in the <10-10> direction. A plurality of <10-10> rectangular window groups are arranged to form a plurality, and a plurality of <10-10> rectangular window groups are juxtaposed in the <1-210> direction of the lower epitaxial layer at a pitch d.
好ましくは、前記各<10−10>長方形窓群は、前記各長方形窓の中心位置が隣り合う前記<10−10>長方形窓群の前記各長方形窓の中心位置に対して前記<10−10>方向に約1/2Lずれて並設されている。 Preferably, each <10-10> rectangular window group has the <10-10> relative to the center position of each rectangular window of the <10-10> rectangular window group in which the center positions of the rectangular windows are adjacent to each other. It is juxtaposed with a shift of about ½ L in the> direction.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓が前記GaAs基板の<11−2>方向を長手方向とする長方形状の長方形窓であり、前記長方形窓を前記GaAs基板の(111)面上において<11−2>方向にピッチLで複数配列して<11−2>長方形窓群を形成すると共に、前記<11−2>長方形窓群を<−110>方向にピッチdで複数並設する。 Preferably, the opening window of the mask layer is a rectangular window having a longitudinal direction in the <11-2> direction of the GaAs substrate, and the rectangular window is <11 on the (111) plane of the GaAs substrate. A plurality of <11-2> rectangular window groups are formed in the -2> direction at a pitch L, and a plurality of the <11-2> rectangular window groups are arranged in parallel in the <-110> direction at a pitch d.
好ましくは、前記各<11−2>長方形窓群は、前記各長方形窓の中心位置が隣り合う前記<11−2>長方形窓群の前記各長方形窓の中心位置に対して前記<11−2>方向に約1/2Lずれて並設されている。 Preferably, each <11-2> rectangular window group has the <11-2> with respect to the center position of each rectangular window of the <11-2> rectangular window group in which the center positions of the rectangular windows are adjacent to each other. It is juxtaposed with a shift of about ½ L in the> direction.
好ましくは、前記長方形窓のピッチLは4μm〜20μmで、前記長方形窓の長手方向に隣り合う前記各長方形窓間のマスク長さが1μm〜4μmで、前記各長方形窓の幅wは1μm〜5μmで、前記長方形状の前記開口窓の短手方向に隣り合う前記長方形窓群間のマスク幅(d−w)は2μm〜10μmである。 Preferably, the pitch L of the rectangular windows is 4 μm to 20 μm, the mask length between the rectangular windows adjacent in the longitudinal direction of the rectangular windows is 1 μm to 4 μm, and the width w of each rectangular window is 1 μm to 5 μm. The mask width (dw) between the rectangular window groups adjacent in the short direction of the rectangular opening window is 2 μm to 10 μm.
好ましくは、前記マスク層の前記各開口窓は、六角リング状の六角窓であり、前記六角窓の六つの各辺の方向が、前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向である。 Preferably, each opening window of the mask layer is a hexagonal ring-shaped hexagonal window, and the direction of each of the six sides of the hexagonal window is the <10-10> direction of the lower epitaxial layer.
好ましくは、前記マスク層の前記各開口窓は、六角リング状の六角窓であり、前記六角窓の六つの各辺の方向が、前記GaAs基板の<11−2>方向である。 Preferably, each opening window of the mask layer is a hexagonal ring-shaped hexagonal window, and the directions of the six sides of the hexagonal window are the <11-2> direction of the GaAs substrate.
好ましくは、前記マスク層が、SiO2またはSiNで形成されている。 Preferably, the mask layer is made of SiO 2 or SiN.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記GaAs基板を除去する工程を更に備える。 The manufacturing method of the GaN single crystal substrate preferably further includes a step of removing the GaAs substrate.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、前記エピタキシャル層成長工程において、前記エピタキシャル層を成長させてGaN単結晶のインゴットを形成し、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程を更に備える。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate preferably further includes a cutting step of growing the epitaxial layer to form a GaN single crystal ingot in the epitaxial layer growth step, and cutting the ingot into a plurality of pieces.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、前記エピタキシャル層成長工程において、前記エピタキシャル層を成長させてGaN単結晶のインゴットを形成し、前記インゴットを複数枚に劈開する劈開工程を更に備える。 The method for manufacturing a GaN single crystal substrate further includes a cleavage step of growing the epitaxial layer to form an ingot of a GaN single crystal and cleaving the ingot into a plurality of sheets in the epitaxial layer growth step.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、本発明の製造方法によって得られたGaN単結晶基板にGaNからなるエピタキシャル層を成長させてGaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程と、を更に備える。 The method for producing a GaN single crystal substrate is preferably an ingot forming step of forming an GaN single crystal ingot by growing an epitaxial layer made of GaN on a GaN single crystal substrate obtained by the production method of the present invention, And a cutting step of cutting the ingot into a plurality of sheets.
上記GaN単結晶基板の製造方法は、好ましくは、本発明の製造方法によって得られたGaN単結晶基板にGaNからなるエピタキシャル層を成長させてGaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に劈開する劈開工程と、を更に備える。 The method for producing a GaN single crystal substrate is preferably an ingot forming step of forming an GaN single crystal ingot by growing an epitaxial layer made of GaN on a GaN single crystal substrate obtained by the production method of the present invention, A cleaving step of cleaving the ingot into a plurality of sheets.
本発明のGaN単結晶基板の製造方法は、GaN単結晶を種結晶として当該GaN単結晶の上にGaNからなるエピタキシャル層を成長させて、GaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に切断する切断工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing a GaN single crystal substrate of the present invention includes an ingot forming step of forming an ingot of a GaN single crystal by growing an epitaxial layer made of GaN on the GaN single crystal using the GaN single crystal as a seed crystal, And a cutting step of cutting the ingot into a plurality of sheets.
本発明のGaN単結晶基板の製造方法は、GaN単結晶を種結晶として当該GaN単結晶の上にGaNからなるエピタキシャル層を成長させて、GaN単結晶のインゴットを形成するインゴット形成工程と、前記インゴットを複数枚に劈開する劈開工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing a GaN single crystal substrate of the present invention includes an ingot forming step of forming an ingot of a GaN single crystal by growing an epitaxial layer made of GaN on the GaN single crystal using the GaN single crystal as a seed crystal, And a cleavage step of cleaving the ingot into a plurality of sheets.
本発明のGaN単結晶基板は、互いに離隔配置された複数の開口窓を有するマスク層と、GaNからなると共に前記マスク層上に積層されたエピタキシャル層と、を少なくとも含むことを特徴とする。 The GaN single crystal substrate of the present invention includes at least a mask layer having a plurality of opening windows spaced apart from each other, and an epitaxial layer made of GaN and stacked on the mask layer.
上記GaN単結晶基板は、好ましくは、前記マスク層の前記エピタキシャル層の形成されていない側に、バッファ層と、当該バッファ層と前記マスク層との間に形成された下層エピタキシャル層と、を更に備える。 Preferably, the GaN single crystal substrate further includes a buffer layer and a lower epitaxial layer formed between the buffer layer and the mask layer on the side of the mask layer where the epitaxial layer is not formed. Prepare.
好ましくは、前記マスク層の前記各開口窓内に、バッファ層が形成されている。 Preferably, a buffer layer is formed in each opening window of the mask layer.
好ましくは、前記マスク層の前記開口窓が前記下層エピタキシャル層の<10−10>方向にピッチLで複数配列されて<10−10>窓群が形成されると共に、前記<10−10>窓群を前記下層エピタキシャル層の<1−210>方向にピッチd(0.75L≦d≦1.3L)で複数並設されている。 Preferably, a plurality of the opening windows of the mask layer are arranged at a pitch L in the <10-10> direction of the lower epitaxial layer to form a <10-10> window group, and the <10-10> window A plurality of groups are arranged in parallel in the <1-210> direction of the lower epitaxial layer with a pitch d (0.75 L ≦ d ≦ 1.3 L).
好ましくは、前記各<10−10>窓群は、前記各開口窓の中心位置が隣り合う前記<10−10>窓群の前記各開口窓の中心位置に対して前記<10−10>方向に約1/2Lずれて並設されている。 Preferably, each <10-10> window group is in the <10-10> direction with respect to the center position of each opening window of the <10-10> window group in which the center positions of the opening windows are adjacent to each other. Are juxtaposed with a shift of about 1/2 L.
好ましくは、前記エピタキシャル層の前記マスク層との接触面から10μmまでの範囲内で、且つ、前記マスク層の前記開口窓が形成されていないマスク部上において、前記開口窓の上方の領域よりも転位密度の低い低転位密度領域が形成されている。 Preferably, within a range from the contact surface of the epitaxial layer with the mask layer to 10 μm and on the mask portion where the opening window of the mask layer is not formed, than a region above the opening window. A low dislocation density region having a low dislocation density is formed.
好ましくは、前記エピタキシャル層の前記低転位密度領域における転位密度は、1×108cm-2以下である。 Preferably, the dislocation density in the low dislocation density region of the epitaxial layer is 1 × 10 8 cm −2 or less.
上記GaN単結晶基板は、好ましくは、前記エピタキシャル層の前記マスク層が形成されている側の面の反対側の面に、GaAs基板を更に備えることを特徴とする。 The GaN single crystal substrate preferably further includes a GaAs substrate on the surface of the epitaxial layer opposite to the surface on which the mask layer is formed.
好ましくは、前記エピタキシャル層は、厚さが5μm〜300μmの範囲内であり、上記GaN単結晶基板は、前記エピタキシャル層上に、GaNからなる第二のエピタキシャル層が更に形成されている。 Preferably, the epitaxial layer has a thickness in the range of 5 μm to 300 μm, and in the GaN single crystal substrate, a second epitaxial layer made of GaN is further formed on the epitaxial layer.
上記GaN単結晶基板は、好ましくは、本発明のGaN単結晶基板の製造方法により製造されたことを特徴とする。 The GaN single crystal substrate is preferably manufactured by the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of the present invention.
好ましくは、キャリア濃度が、n型で1×1016cm−3〜1×1020cm−3の範囲内にある。 Preferably, the carrier concentration is n-type and is in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .
好ましくは、電子移動度が、60cm2〜800cm2の範囲内にある。
Preferably, the electron mobility is in the range of 60cm 2 ~
好ましくは、比抵抗が、1×10−4Ωcm〜1×10Ωcmの範囲内にある。 Preferably, the specific resistance is in the range of 1 × 10 −4 Ωcm to 1 × 10 Ωcm.
本発明の発光デバイスは、本発明のGaN単結晶基板と、前記GaN単結晶基板上に形成された半導体層と、を備え、前記半導体層により発光素子を構成したことを特徴とする。 The light-emitting device of the present invention includes the GaN single crystal substrate of the present invention and a semiconductor layer formed on the GaN single crystal substrate, and a light-emitting element is configured by the semiconductor layer.
本発明の電子デバイスは、本発明のGaN単結晶基板と、前記GaN単結晶基板上に形成された半導体層と、を備え、前記半導体層により少なくともpn接合を構成したことを特徴とする。 An electronic device of the present invention includes the GaN single crystal substrate of the present invention and a semiconductor layer formed on the GaN single crystal substrate, and at least a pn junction is configured by the semiconductor layer.
本発明によれば、転位等の結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板の製造方法が提供される。 According to the present invention, a method for producing a GaN single crystal substrate with reduced crystal defects such as dislocations is provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。各実施形態の説明で結晶の格子方向および格子面を使用する場合があるが、ここで、格子方向及び格子面の記号の説明をしておく。個別方位は[]、集合方位は< >、個別面は( )、集合面は{ }でそれぞれ示すことにする。尚、負の指数については、結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、明細書作成の都合上、数字の前に負号を付けることにする。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of each embodiment, the crystal lattice direction and the lattice plane may be used, but here, the lattice direction and the lattice plane symbols will be described. The individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the aggregate plane is indicated by {}. As for the negative index, “−” (bar) is attached to the number in terms of crystallography, but a negative sign is attached to the number for the convenience of preparing the specification.
[第1実施形態]
第1実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を、図1A〜図1Dの製造工程図を用いて説明する。
[First Embodiment]
A GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the first embodiment will be described with reference to manufacturing process diagrams of FIGS. 1A to 1D.
まず、図1Aに示す第1の工程で、GaAs基板2を気相成長装置の反応容器内に設置する。なお、GaAs基板2として、GaAs(111)面がGa面となっているGaAs(111)A基板、または、GaAs(111)面がAs面となっているGaAs(111)B基板の何れかを用いることができる。
First, in the first step shown in FIG. 1A, the
GaAs基板2を気相成長装置の反応容器内に設置した後、当該GaAs基板2上にGaNからなるバッファ層4を形成する。バッファ層4の形成方法としては、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法等の気相成長法がある。以下、これらの各気相成長法について詳説する。
After the
まず、HVPE法について説明する。図2は、HVPE法に使用する常圧の気相成長装置を示す図である。この装置は、第1のガス導入ポート51、第2のガス導入ポート53、第3のガス導入ポート55、及び排気ポート57を有する反応チャンバ59と、この反応チャンバ59を加熱するための抵抗加熱ヒータ61と、から構成されている。また、反応チャンバ59内には、Gaメタルのソースボート63と、GaAs基板2を支持する回転支持部材65とが設けられている。
First, the HVPE method will be described. FIG. 2 is a diagram showing an atmospheric pressure vapor phase growth apparatus used for the HVPE method. This apparatus includes a
このような気相成長装置を用いたバッファ層4の好適な形成方法を説明すると、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ61によりGaAs基板2の温度を約450℃〜約530℃に昇温保持した状態で、第2のガス導入ポート53より塩化水素(HCl)を分圧4×10−4atm〜4×10−3atmでGaメタルのソースボート63に導入する。この処理により、Gaメタルと塩化水素(HCl)とが反応し、塩化ガリウム(GaCl)が生成される。次いで、第1のガス導入ポート51よりアンモニア(NH3)を分圧0.1atm〜0.3atmで導入し、GaAs基板2付近で当該NH3とGaClとを反応させ、窒化ガリウム(GaN)を生成させる。尚、第1のガス導入ポート51及び第2のガス導入ポート53には、キャリアガスとして水素(H2)を導入する。また、第3のガス導入ポート55には、水素(H2)のみを導入する。このような条件下で、約20分〜約40分間GaNを成長させることにより、GaAs基板2上に、厚さ約500オングストローム〜約1200オングストロームのGaNからなるバッファ層4を形成する。HVPE法を用いた場合は、塩化ガリウム(GaCl)の合成量を増加させてもバッファ層の成長速度はさほど変化せず、反応律速であると考えられる。
A preferred method for forming the
また、GaAs基板2としてGaAs(111)B基板を用いる場合も、GaAs(111)A基板を用いる場合とほぼ同様の条件でバッファ層を形成することができる。
Also, when a GaAs (111) B substrate is used as the
次に、有機金属塩化物気相成長法について説明する。図3は、有機金属塩化物気相成長法に使用する成長装置を示す図である。この装置は、第1のガス導入ポート71、第2のガス導入ポート73、第3のガス導入ポート75、及び排気ポート77を有する反応チャンバ79と、この反応チャンバ79を加熱するための抵抗加熱ヒータ81と、から構成されている。また、反応チャンバ79内には、GaAs基板2を支持する回転支持部材83が設けられている。
Next, the organometallic chloride vapor phase growth method will be described. FIG. 3 is a diagram showing a growth apparatus used in the organometallic chloride vapor phase growth method. This apparatus includes a
このような成長装置を用いたバッファ層4の形成方法を説明すると、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ81によりGaAs基板2の温度を約450℃〜約530℃に昇温保持した状態で、第1のガス導入ポート71よりトリメチルガリウム(TMG)を分圧4×10−4atm〜2×10−3atmで導入するとともに、第2のガス導入ポート73より塩化水素(HCl)を分圧4×10−4atm〜2×10−3atmで等量だけ導入する。この処理により、トリメチルガリウム(TMG)と塩化水素(HCl)とが反応し、塩化ガリウム(GaCl)が生成される。次いで、第3のガス導入ポート75よりアンモニア(NH3)を分圧0.1atm〜0.3atmで導入し、GaAs基板2付近で当該NH3とGaClとを反応させ、窒化ガリウム(GaN)を生成させる。尚、第1のガス導入ポート71、第2のガス導入ポート73、及び第3のガス導入ポート75には、それぞれキャリアガスとして水素(H2)を導入する。このような条件下で、約20分〜約40分間GaNを成長させることにより、GaAs基板2上に、厚さ約500オングストローム〜約1200オングストロームのGaNからなるバッファ層4を形成する。このとき、バッファ層4の成長速度を、約0.08μm/hr〜約0.18μm/hrにすることができる。
A method of forming the
また、GaAs基板2としてGaAs(111)B基板を用いる場合も、GaAs(111)A基板を用いる場合とほぼ同様の条件でバッファ層を形成することができる。
Also, when a GaAs (111) B substrate is used as the
また、MOCVD法とは、コールドウォール型の反応炉において、加熱されたGaAs基板2上に、Gaを含む例えばトリメチルガリウム(TMG)等の有機金属とアンモニア(NH3)とをキャリアガスと共に吹きつけ、GaAs基板2上にGaNを成長させる方法である。ここで、Gaを含む有機金属等をGaAs基板2に吹き付ける際の当該GaAs基板2の温度は、GaAs(111)A基板を用いる場合は約450℃〜約600℃で、GaAs(111)B基板を用いる場合は約450℃〜約550℃にすることが好ましい。また、Gaを含む有機金属として、TMGの他に、例えばトリエチルガリウム(TEG)等を用いることができる。
The MOCVD method is a cold wall reactor in which an organic metal such as trimethyl gallium (TMG) containing Ga and ammonia (NH 3 ) are sprayed together with a carrier gas onto a
以上がバッファ層4を形成する気相成長法である。バッファ層4を形成した後、当該バッファ層4上にGaNからなる第1のエピタキシャル層(下層エピタキシャル層)6を成長させる。第1のエピタキシャル層6の成長には、バッファ層4の形成方法と同様に、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法等の気相成長法を使用することができる。以下、第1のエピタキシャル層6をこれらの気相成長法で成長させる場合の好適な条件を説明する。
The above is the vapor phase growth method for forming the
HVPE法により第1のエピタキシャル層6を成長させる場合は、バッファ層4の形成と同様に、図2に示す装置を使用することができる。そして、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ61によりGaAs基板2の温度を約920℃〜約1030℃に昇温保持させた状態で第1のエピタキシャル層6を成長させる。このとき、第1のエピタキシャル層6の成長速度を約20μm/hr〜約200μm/hrにすることができる。なお、成長速度は、GaCl分圧、すなわち、HCl分圧に対する依存性が大きく、HCl分圧は、5×10−4atm〜5×10−2atmの範囲を取り得る。一方、GaAs基板2としてGaAs(111)B基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ61によりGaAs基板2の温度を約850℃〜約950℃に昇温保持させた状態で第1のエピタキシャル層6を成長させる。
When the
有機金属塩化物気相成長法により第1のエピタキシャル層6を成長させる場合は、バッファ層4の形成と同様に、図3に示す装置を使用することができる。そして、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ81によりGaAs基板2の温度を約920℃〜約1030℃に昇温保持させた状態で第1のエピタキシャル層6を成長させる。このとき、第1のエピタキシャル層6の成長速度を約10μm/hr〜約60μm/hrにすることができる。なお、成長速度を上げるに為には、TMGの分圧を上げることでGaClの分圧を上げればよいが、ガス配管の温度でのTMGの平衡蒸気圧以上の分圧であった場合、ガス配管内壁へTMGの液化が起こり、配管の汚染や詰まりが発生するため、TMGの分圧はむやみに上げられず、約5×10−3atmが上限であると考えられる。このため、成長速度も60μm/hr程度が上限であると考えられる。
When the
一方、GaAs基板2としてGaAs(111)B基板を用いる場合は、抵抗加熱ヒータ81によりGaAs基板2の温度を約850℃〜約950℃に昇温保持させた状態で第1のエピタキシャル層6を成長させる。このとき、第1のエピタキシャル層6の成長速度を約10μm/hr〜約50μm/hrにすることができる。尚、反応チャンバ79内に導入するトリメチルガリウム等の分圧は、上記の理由から、5×10−3atmが上限となる。
On the other hand, when a GaAs (111) B substrate is used as the
MOCVD法により第1のエピタキシャル層6を成長させる場合は、Gaを含む有機金属等をGaAs基板2に吹き付ける際の当該GaAs基板2の温度は、GaAs(111)A基板を用いる場合は約750℃〜約900℃で、GaAs(111)B基板を用いる場合は約730℃〜約820℃にすることが好ましい。以上が、第1のエピタキシャル層6の成長条件である。
When the
続いて、図1Bに示す第2の工程を説明する。図1Bに示す第2の工程では、製造途中のウエハを成長装置から取り出して、エピタキシャル層6上にSiN又はSiO2から成るマスク層8を形成する。マスク層8は、厚さ約100nm〜約500nmのSiN膜又はSiO2膜をプラズマCVD等により形成し、このSiN膜又はSiO2膜をフォトリソグラフィ技術でパターンニングすることにより形成される。
Then, the 2nd process shown to FIG. 1B is demonstrated. In the second step shown in FIG. 1B, a wafer in the middle of manufacture is taken out from the growth apparatus, and a
図4は、図1Bに示す第2の工程におけるウエハの平面図である。図1B及び図4に示されているように、本実施形態のマスク層8には、複数のストライプ状のストライプ窓10が形成されている。ストライプ窓10は、GaNからなる第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向に延在するように形成されている。尚、図4の矢印は、第1のエピタキシャル層6の結晶方位を示している。
FIG. 4 is a plan view of the wafer in the second step shown in FIG. 1B. As shown in FIGS. 1B and 4, a plurality of stripe-
マスク層8を形成した後、図1Cに示す第3の工程に進む。第3の工程では、マスク層8を形成したウエハを再び気相成長装置の反応容器内に設置する。そして、マスク層8と第1のエピタキシャル層6のストライプ窓10から露出している部分との上に第2のエピタキシャル層12を成長させる。第2のエピタキシャル層12の成長方法としては、第1のエピタキシャル層6の成長方法と同様に、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法等がある。尚、第2のエピタキシャル層12の厚さは、約150μm〜約1000μmにすることが好ましい。
After forming the
ここで、図5A〜図5Dを用いて、第2のエピタキシャル層12の成長過程を詳細に説明する。図5Aに示されているように、GaNからなる第2のエピタキシャル層12の成長初期においては、第2のエピタキシャル層12はマスク層8上には成長せず、GaN核としてストライプ窓10内における第1のエピタキシャル層6上にのみ成長する。そして、成長が進むに従って、第2のエピタキシャル層12の厚みが増し、この厚みの増加に伴って、図5Bのように、マスク層8上において、第2のエピタキシャル層12のラテラル成長(lateral growth)が生じる。これにより、図5Cに示すように、マスク層8上で両側から成長してきたエピタキシャル層12が繋がり、それらが一体化する。ラテラル成長により一体化した後は、図5Dに示すように、第2のエピタキシャル層12は上方に向かって成長し、厚みが増していく。尚、第2のエピタキシャル層12は、ラテラル成長により隣接するエピタキシャル層12と一体化すると、一体化する前よりも厚み方向への成長速度が速くなる。以上が、第2のエピタキシャル層12の成長過程である。
Here, the growth process of the
ここで、図4の説明で述べたように、ストライプ窓10は、GaNからなる第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向に延在するように形成されているため、ストライプ窓10の幅方向と第1のエピタキシャル層6の<1−210>方向とがほぼ一致する。そして、一般的に、GaNエピタキシャル層は、<1−210>方向へ成長する速度が速いため、第2のエピタキシャル層12のラテラル成長が始まってから隣接するエピタキシャル層12同士が一体化するまでの時間が短縮される。このため、第2のエピタキシャル層12の成長速度が速くなる。
Here, as described in the explanation of FIG. 4, the
尚、ストライプ窓10は、必ずしも第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向に延在させる必要はなく、例えば、エピタキシャル層6の<1−210>方向に延在するように形成してもよい。
Note that the
次に、第2のエピタキシャル層12の転位密度について説明する。図5Aに示されているように、第2のエピタキシャル層12の内部には、複数の転位14が存在する。しかし、図5Dに示されているように、第2のエピタキシャル層12が横方向に成長しても、転位14は横方向には殆ど広がらない。また、たとえ転位14が横方向に広がったとしても、水平方向に延びて上下面を貫通する貫通転位とはならない。このため、マスク層8のストライプ窓10の形成されていない部分(以下、「マスク部」という。)の上方には、ストライプ窓10の上方の領域よりも転位密度の低い低転位密度領域16が形成される。これにより、第2のエピタキシャル層12の転位密度を減少させることができる。また、ラテラル成長により隣接するエピタキシャル層12同士が一体化した図5Cの状態からエピタキシャル層12が上方へ向かって急成長する際に、転位14は殆ど上方に延びない。このため、第2のエピタキシャル層12の上面は、ボイドや貫通転位が無く埋め込み性及び平坦性に優れた面になる。
Next, the dislocation density of the
以上のように第2のエピタキシャル層12を形成した後、図1Dに示す第4の工程に進む。第4の工程では、ウエハをエッチング装置内に設置し、アンモニア系エッチング液でGaAs基板2を完全に除去する。さらに、GaAs基板2を除去した後、GaAs基板2の除去面、すなわちバッファ層4の下面に研磨処理を施して本実施形態に係るGaN単結晶基板13が完成する。
After forming the
尚、第2のエピタキシャル層12の一部に異常粒成長が生じた場合や、第2のエピタキシャル層12の層厚が不均一になった場合は、第2のエピタキシャル層12の上面に研磨処理を施して鏡面に仕上げる。具体的には、第2のエピタキシャル層12の上面にラッピング研磨を施した後、さらに、バフ研磨を施すことが好ましい。
When abnormal grain growth occurs in a part of the
また、図1B及び図4に示されているマスク部の幅Pは、約2μm〜約20μmの範囲内であることが好ましい。マスク部の幅Pを前記下限よりも小さくすると、第2のエピタキシャル層12のラテラル成長の効果が低減する傾向にあり、一方、幅Pを前記上限よりも大きくすると、第2のエピタキシャル層12の成長時間が長くなって量産性が低下する傾向にある。さらに、ストライプ窓10の窓幅Qは約0.3μm〜約10μmの範囲内にすることが好ましい。ストライプ窓10の窓幅Qをこの範囲にすることで、マスクの効果を引き出すことができる。
Further, the width P of the mask portion shown in FIGS. 1B and 4 is preferably in the range of about 2 μm to about 20 μm. When the width P of the mask portion is made smaller than the lower limit, the effect of lateral growth of the
また、図1Aに示す第1の工程で、GaNからなるバッファ層4を成長させる場合を述べたが、GaNの代わりにAlNからなるバッファ層4を成長させてもよい。この場合は、MOVPE法を使用することができる。具体的には、反応容器内をあらかじめ十分に真空排気した後、常圧にて、GaAs(111)A基板を用いる場合は約550℃〜約700℃に、GaAs(111)B基板を用いる場合は約550℃〜約700℃にGaAs基板2を昇温保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニア(NH3)を導入する。そして、このような処理により、GaAs基板2上に、厚さ約100オングストローム〜約1000オングストロ−ムのAlNからなるバッファ層4が形成される。
Moreover, although the case where the
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を、図6A〜図6Dの製造工程図を用いて説明する。
[Second Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the second embodiment will be described with reference to manufacturing process diagrams of FIGS. 6A to 6D.
まず、図6Aに示す第1の工程において、GaAs基板2上に、直接SiN又はSiO2から成るマスク層8を形成する。マスク層8は、厚さ約100nm〜約500nmのSiN膜又はSiO2膜をプラズマCVD等により形成し、このSiN膜又はSiO2膜をフォトリソグラフィ技術でパターンニングすることにより形成される。
First, in the first step shown in FIG. 6A, a
図7は、図6Aに示す第1の工程におけるウエハの平面図である。図6A及び図7に示されているように、本実施形態のマスク層8にも、第1実施形態と同様に複数のストライプ状のストライプ窓10が形成されている。なお、ストライプ窓10は、GaAs基板2の<11−2>方向に延在するように形成されている。また、図7の矢印は、GaAs基板2の結晶方位を示している。
FIG. 7 is a plan view of the wafer in the first step shown in FIG. 6A. As shown in FIGS. 6A and 7, the
マスク層8を形成した後、図6Bに示す第2の工程に進み、ストライプ窓10内のGaAs基板2上にバッファ層24を形成する。バッファ層24は、第1実施形態と同様に、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法などで形成することができる。尚、バッファ層24の厚さは、約50nm〜約120nmにすることが好ましい。
After the
次に、図6Cに示す第3の工程において、バッファ層24上にGaNからなるエピタキシャル層26を成長させる。エピタキシャル層26は、第1実施形態と同様に、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法などにより、厚さ約150μm〜約1000μmまで成長させることが好ましい。また、この場合も、エピタキシャル層のラテラル成長によって、エピタキシャル層26の結晶欠陥、特に、マスク層8のマスク部上方、及び、エピタキシャル層26の上面の結晶欠陥を低減させることができる。
Next, in a third step shown in FIG. 6C, an
ここで、上述のように、ストライプ窓10は、GaAs基板2の<11−2>方向に延在するように形成されいるため、ストライプ窓10の幅方向とGaAs基板2の<1−10>方向とがほぼ一致する。そして、一般的に、GaNエピタキシャル層は、GaAs基板2の<1−10>方向へ成長する速度が速いため、エピタキシャル層26のラテラル成長が始まってから隣接するエピタキシャル層26同士が一体化するまでの時間が短縮される。このため、エピタキシャル層26の成長速度が速くなる。
Here, as described above, since the
尚、ストライプ窓10は、必ずしもGaAs基板2の<11−2>方向に延在させる必要はなく、例えば、GaAs基板2の<1−10>方向に延在するように形成してもよい。
The
エピタキシャル層26を成長させた後、図6Dに示す第4の工程に進み、GaAs基板2を除去して本実施形態のGaN単結晶基板27が完成する。尚、GaAs基板2の除去方法としては、例えばエッチングがある。アンモニア系エッチング液を用いてGaAs基板2に約1時間ウエットエッチングを施すことにより、当該GaAs基板2を除去することができる。なお、王水を用いて、GaAs基板2にウエットエッチングを施すこともできる。また、GaAs基板2を除去した後、GaAs基板2の除去面、すなわちマスク層8及びバッファ層24の下面に研磨処理を施してもよい。さらに、第1実施形態と同様に、エピタキシャル層26の上面に研磨処理を施してもよい。
After the
以上のように、本実施形態のGaN単結晶基板の製造方法によれば、エピタキシャル層を1回成長させるだけで結晶欠陥が少なく内部応力の小さなGaN基板を製造することができるため、第1実施形態と比べて製造工程数を低減でき、かつ、コスト削減を図ることができる。
As described above, according to the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of the present embodiment, a GaN substrate with few crystal defects and small internal stress can be manufactured by growing the epitaxial layer only once. Compared with the embodiment, the number of manufacturing steps can be reduced, and the cost can be reduced.
[第3実施形態]
第3実施形態の説明をする前に、本実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を完成させるに至った経緯を説明する。
[Third Embodiment]
Before describing the third embodiment, the background to the completion of the GaN single crystal substrate and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described.
光半導体デバイスの特性を向上させる要求に応えるため、本発明者らは、より高品質のGaN基板を製作すべく試行錯誤を繰り返した。その結果、本発明者らは、高品質のGaN基板を製作するためには、成長したGaNエピタキシャル層の内部応力を低減させることが重要であることを見出した。 In order to meet the demand for improving the characteristics of optical semiconductor devices, the inventors have repeated trial and error to produce a higher quality GaN substrate. As a result, the present inventors have found that it is important to reduce the internal stress of the grown GaN epitaxial layer in order to produce a high-quality GaN substrate.
一般に、GaNエピタキシャル層の内部応力は、熱応力と真の内部応力とに分けて考えることができる。この熱応力は、GaAs基板とエピタキシャル層との熱膨張係数の差に起因して生じるものである。また、この熱応力によりGaN基板が反る方向を予測することができるが、GaAs基板を除去しない状態におけるGaN基板全体の実際の反りが、予測した方向とは反対の方向であること、さらにGaAs基板を除去した後にもGaN基板に大きな反りが発生することから、GaNエピタキシャル層に真の内部応力が存在することが明らかとなった。 In general, the internal stress of the GaN epitaxial layer can be considered by dividing it into thermal stress and true internal stress. This thermal stress is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the GaAs substrate and the epitaxial layer. Further, the direction in which the GaN substrate warps due to this thermal stress can be predicted, but the actual warpage of the entire GaN substrate in a state where the GaAs substrate is not removed is opposite to the predicted direction, and further, the GaAs substrate Even after the substrate is removed, a large warp occurs in the GaN substrate, which reveals that true internal stress exists in the GaN epitaxial layer.
真の内部応力は、成長の初期段階から存在するものであり、成長したGaNエピタキシャル層中の真の内部応力は、測定の結果、0.2×109〜2.0×109dyn/cm2程度であることが分かった。ここで、真の内部応力の算出するために用いたストーニー(Stoney)の式を説明する。基板上に薄膜が形成されたウエハにおいて、内部応力σは、下記数式(1):
〔数式(1)中、σは内部応力、Eは剛性率、νはポアソン比、bは基板の厚さ、dは薄膜の厚さ、Iは基板の直径、δはウエハの撓みを示す。〕
によって与えられる。GaN単結晶の場合は、d=bとして、下記数式(2):
〔数式(2)中、記号は数式(1)と同じものを示す。〕
となる。この数式(2)に基づいて、本発明者らは、上述のようなエピタキシャル層における真の内部応力の値を算出した。
The true internal stress is present from the initial stage of growth, and the true internal stress in the grown GaN epitaxial layer is 0.2 × 10 9 to 2.0 × 10 9 dyn / cm as a result of measurement. It was found to be about 2 . Here, the Stoney formula used to calculate the true internal stress will be described. In a wafer in which a thin film is formed on a substrate, the internal stress σ is expressed by the following formula (1):
[In formula (1), σ is internal stress, E is rigidity, ν is Poisson's ratio, b is the thickness of the substrate, d is the thickness of the thin film, I is the diameter of the substrate, and δ is the deflection of the wafer. ]
Given by. In the case of a GaN single crystal, d = b and the following formula (2):
[In formula (2), the symbols indicate the same as in formula (1). ]
It becomes. Based on this mathematical formula (2), the present inventors calculated the value of the true internal stress in the epitaxial layer as described above.
真の内部応力や熱応力等の内部応力が存在すると、基板に反りが生じたり、クラック等が発生し、広面積、高品質のGaN単結晶基板を得ることができない。そこで、本発明者らは、真の内部応力が発生する原因を追及した。その結果到達した真の内部応力の発生原因は以下の通りである。即ち、GaNエピタキシャル層は、一般的に結晶が六角柱状となっており、この柱状粒の界面にはわずかな傾きを持った粒界が存在し、原子配列の不整合が観察される。さらに、GaNエピタキシャル層中には、多くの転位が存在する。そして、これら粒界や転位が、欠陥の増殖、消滅を通じてGaNエピタキシャル層の体積収縮等を生じさせ、真の内部応力の発生原因になっているのである。 If there is an internal stress such as a true internal stress or a thermal stress, the substrate is warped or cracks occur, and a large-area, high-quality GaN single crystal substrate cannot be obtained. Therefore, the present inventors have sought the cause of the occurrence of true internal stress. The cause of the real internal stress reached as a result is as follows. That is, the GaN epitaxial layer generally has a hexagonal columnar crystal, and a grain boundary having a slight inclination exists at the interface between the columnar grains, and an atomic arrangement mismatch is observed. Furthermore, many dislocations exist in the GaN epitaxial layer. These grain boundaries and dislocations cause volume shrinkage of the GaN epitaxial layer through the growth and disappearance of defects, which is a cause of the generation of true internal stress.
かかる真の内部応力の発生原因を踏まえて完成された発明の実施形態が、第3実施形態〜第7実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法である。 The embodiments of the invention completed based on the cause of the occurrence of the true internal stress are the GaN single crystal substrate and the manufacturing method thereof according to the third to seventh embodiments.
以下、第3実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を、図8A〜図8Dの製造工程図を用いて説明する。 Hereinafter, a GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the third embodiment will be described with reference to manufacturing process diagrams of FIGS. 8A to 8D.
図8Aに示す第1の工程では、第1実施形態と同様の方法で、GaAs基板2上にGaNからなるバッファ層4およびGaNからなる第1のエピタキシャル層(下層エピタキシャル層)6を成長させる。次いで、図8Bに示す第2の工程では、第1のエピタキシャル層6上にSiN又はSiO2からなるマスク層28を形成する。本実施形態が第1実施形態と異なる点は、このマスク層28の形状にある。
In the first step shown in FIG. 8A, the
ここで、図9を用いて、マスク層28の形状を説明する。図9に示されているように、本実施形態では、マスク層28に、正方形の開口窓30が複数形成されている。そして、各開口窓10を第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向にピッチLで配列し、<10−10>窓群32が形成されている。そして、この<10−10>窓群32は、各開口窓10の中心位置が隣り合う<10−10>窓群32の各開口窓10の中心位置に対して<10−10>方向に1/2Lずらしながら、第1のエピタキシャル層6の<1−210>方向にピッチdで複数並設されている。尚、ここでいう各開口窓30の中心位置とは、各開口窓30の重心位置を意味する。また、各開口窓30を一辺の長さが2μmの正方形とし、ピッチLを6μm、ピッチdを5μmとした。
Here, the shape of the
次に、図8Cに示す第3の工程では、第1実施形態と同様の方法で、マスク層28上に第2のエピタキシャル層34を成長させる。
Next, in the third step shown in FIG. 8C, the
ここで、図10A及び図10Bを用いて、第2のエピタキシャル層34の成長過程を説明する。図10Aは、第2のエピタキシャル層34の成長初期段階を示している。この図に示されているように、成長初期において、各開口窓30から正六角錐または正六角錐台のGaN結晶粒36が成長する。そして、図10Bに示されているように、このGaN結晶粒36がマスク層28上にラテラル成長すると、各々のGaN結晶粒36は、他のGaN結晶粒36との間に隙間(ピット)を設けることなく繋がる。そして、各GaN結晶粒36がマスク層28を覆い、表面が鏡面状の第2のエピタキシャル層34が形成される。
Here, the growth process of the
即ち、<10−10>方向に各開口窓30の中心を1/2Lずらしながら、<10−10>窓群32を<1−210>方向に複数並設しているため、正六角錐台のGaN結晶粒36は隙間を殆ど生じることなく成長し、この結果、真の内部応力が大幅に低減される。
That is, a plurality of <10-10>
また、第1実施形態と同様に、第2のエピタキシャル層34のマスク層28のマスク部上方に相当する領域では、GaN結晶粒36のラテラル成長の効果により転位が殆ど発生しない。
Similarly to the first embodiment, in the region corresponding to the upper portion of the
第2のエピタキシャル層34を成長させた後、図8Dに示す第4の工程に進み、GaAs基板2をエッチング処理等によって除去し、本実施形態のGaN単結晶基板35が完成する。
After the
本実施形態では、上述のように、マスク層28の各開口窓30の形状を一辺が2μmの方形としたが、マスク層28の開口窓30の形状及び寸法はこれに限られず、成長条件等に応じて適宜調整することが望ましい。例えば、一辺が1〜5μmの方形、直径が1〜5μmの円形にすることができる。さらに、各窓10の形状は、方形、円形に限られることはなく、楕円形、多角形にすることもできる。この場合、各開口窓30の面積は、0.7μm2〜50μm2にすることが望ましい。各開口窓30の面積をこの範囲よりも大きくしすぎると、各開口窓30内のエピタキシャル層34で欠陥が多発し、内部応力が増加する傾向にある。一方、各開口窓30の面積をこの範囲よりも小さくしすぎると、各開口窓30の形成が困難となり、また、エピタキシャル層34の成長速度も低下してしまう傾向にある。また、各開口窓30の総面積は、マスク層28の全ての開口窓30及びマスク部を合わせた全面積の10〜50%であることが望ましい。各開口窓30の総面積をこの範囲にした場合、GaN単結晶基板の欠陥密度及び内部応力を著しく低減することができる。
In the present embodiment, as described above, the shape of each opening
また、本実施形態では、ピッチLを6μm、ピッチdを5μmとしたが、ピッチL及びピッチdの長さは、これに限定されるものではない。ピッチLは、3〜10μmの範囲にすることが望ましい。ピッチLが10μmよりも長すぎると、GaN結晶粒36同士が繋がるまでの時間が増加し、第2のエピタキシャル層34の成長に多大な時間を費やすことになる。一方、ピッチLが3μmよりも短すぎると、結晶粒36がラテラル成長する距離が短くなり、ラテラル成長の効果が小さくなってしまう。また、同様の理由から、ピッチdは、0.75L≦d≦1.3Lとなる範囲にすることが望ましい。特に、d=0.87Lのとき、即ち<10−10>方向に隣接する二つの開口窓30と、この二つの開口窓34の<1−210>方向に存在すると共に、この二つの開口窓34までの距離が最も短い一つの開口窓30とを結ぶと正三角形ができるときに、全面に結晶粒が隙間無く並びエピタキシャル層34に生じるピットが最も少なくなり、GaN単結晶基板の欠陥密度及び内部応力を最小にすることができる。
In this embodiment, the pitch L is 6 μm and the pitch d is 5 μm. However, the lengths of the pitch L and the pitch d are not limited to this. The pitch L is desirably in the range of 3 to 10 μm. If the pitch L is longer than 10 μm, the time until the
また、<10−10>窓群32の各開口窓30が隣接する<10−10>窓群32の各開口窓30と<10−10>方向にずれている距離は、必ずしも正確に1/2Lである必要はなく、2/5L〜3/5L程度であれば、内部応力の低減を図ることができる。
Further, the distance that each opening
尚、マスク層28の厚さは、約0.05μm〜約0.5μmの範囲にすることが望ましい。これは、マスク層28がこの範囲よりも厚すぎるとGaNの成長中にクラックが入ってしまい、一方、この範囲よりも薄すぎるとGaNの成長中にGaAs基板が蒸発損傷を受けるからである。
The thickness of the
[第4実施形態]
次に、第4実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を、図11A〜図11Dの製造工程図を用いて説明する。本実施形態は、マスク層の形状以外は、第2実施形態と同様である。
[Fourth Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment will be described with reference to manufacturing process diagrams of FIGS. 11A to 11D. The present embodiment is the same as the second embodiment except for the shape of the mask layer.
まず、図11Aに示す第1の工程において、GaAs基板2上に直接、SiN又はSiO2から成るマスク層38を形成する。マスク層38は、厚さ約100nm〜約500nmのSiN膜又はSiO2膜をプラズマCVD等により形成し、このSiN膜又はSiO2膜をフォトリソグラフィ技術でパターンニングすることにより形成される。
First, in a first step shown in FIG. 11A, a
図12は、図11Aに示す第1の工程におけるウエハの平面図である。図12に示されているように、本実施形態のマスク層38の形状は、第3実施形態のマスク層28と同様の形状である。マスク層38には、複数の開口窓40が形成されている。そして、各開口窓40がGaAs基板2の<11−2>方向にピッチLで配列され、<11−2>窓群42が形成されている。そして、この<11−2>窓群42は、各開口窓40の中心位置が隣り合う<11−2>窓群42の各開口窓40の中心位置に対して<11−2>方向に1/2Lずれながら、GaAs基板2の<1−10>方向にピッチdで複数並設されている。本実施形態のマスク層38が第3実施形態のマスク層28と異なるのは、このような各開口窓の配列方向のみである。
FIG. 12 is a plan view of the wafer in the first step shown in FIG. 11A. As shown in FIG. 12, the shape of the
マスク層38を形成した後、図11Bに示す第2の工程で、開口窓40内のGaAs基板2上にバッファ層24を形成する。
After the
次いで、図11Cに示す第3の工程でバッファ層24上にGaNからなるエピタキシャル層26を成長させる。
Next, an
本実施形態においても、第3実施形態と同様に、成長初期において、各開口窓40から正六角錐台のGaN結晶粒が成長する。そして、このGaN結晶粒がマスク層38上にラテラル成長すると、各々のGaN結晶粒は、他のGaN結晶粒との間に隙間(ピット)を設けることなく繋がる。そして、各GaN結晶粒がマスク層38を覆い、表面が鏡面状のエピタキシャル層26が形成される。
Also in the present embodiment, as in the third embodiment, GaN crystal grains having a regular hexagonal truncated pyramid grow from each opening
即ち、GaAs基板2の<11−2>方向に各開口窓40の中心を1/2Lずらしながら、<11−2>窓群42を<1−10>方向に複数並設しているため、正六角錐台のGaN結晶粒は隙間を殆ど生じることなく成長し、この結果、真の内部応力が大幅に低減される
That is, a plurality of <11-2>
尚、各開口窓40は、必ずしもGaAs基板2の<11−2>方向に延在させる必要はなく、例えば、GaAs基板2の<1−10>方向に延在するように形成してもよい。
Each opening
エピタキシャル層26を成長させた後、図11Dに示す第4の工程に進み、GaAs基板2を除去して本実施形態のGaN単結晶基板39が完成する。なお、GaN単結晶基板39の表面や裏面の粗さが大きいときは、表面および裏面を研磨してもよい。
After the
以上のように、本実施形態のGaN単結晶基板の製造方法によれば、エピタキシャル層を1回成長させるだけで、結晶欠陥が大幅に低減したGaN基板を製造することができ、コスト削減を図ることができる。
As described above, according to the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of this embodiment, it is possible to manufacture a GaN substrate with significantly reduced crystal defects by growing the epitaxial layer only once, thereby reducing costs. be able to.
[第5実施形態]
図13A〜図13Eを用いて、第5実施形態のGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。
[Fifth Embodiment]
A GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 13A to 13E.
まず、図13Aに示す第1の工程で、第4実施形態と同様にGaAs基板2上に好ましくは厚さ約100nm〜約500nmのマスク層38を形成する。
First, in the first step shown in FIG. 13A, a
次に、図13Bに示す第2の工程で、開口窓40内のGaAs基板2上に、好ましくは厚さ約500nm〜約1200nmのバッファ層24を形成する。
Next, in a second step shown in FIG. 13B, a
次いで、図13Cに示す第3の工程で、バッファ層24及びマスク層38上にGaNからなる第1のエピタキシャル層44を成長させる。第1のエピタキシャル層44の厚さは、約50μm〜約300μmの範囲内にすることが好ましい。本実施形態においても、第3実施形態および第4実施形態と同様に、各開口窓40から成長するGaN結晶粒は、他のGaN結晶粒との間に隙間(ピット)を設けることなく繋がり、マスク層38を埋め込むような構造となる。
Next, in the third step shown in FIG. 13C, the
図13Dに示す第4の工程では、第1のエピタキシャル層44を形成したウェハをエッチング装置内に配置し、王水で約10時間エッチングすることにより、GaAs基板2を完全に除去する。このようにして、一旦、厚さ約50μm〜約300μmの薄厚のGaN単結晶基板を形成する。
In the fourth step shown in FIG. 13D, the
図13Eに示す第5の工程では、第1のエピタキシャル層44上に、上述のHVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法等によって、GaNからなる第2のエピタキシャル層46を厚さ約100μm〜約700μm成長させる。これにより、厚さ約150μm〜約1000μmのGaN単結晶基板47が形成される。
In the fifth step shown in FIG. 13E, the
以上のように、本実施形態では、第2のエピタキシャル層46を成長させる前にGaAs基板2を除去するため、GaAs基板2と、バッファ層24及びエピタキシャル層44,46との熱膨張係数の差に起因する熱応力の発生を防止することができる。このため、GaAs基板2を途中で除去せずにエピタキシャル層を最後まで成長させる場合と比較して、反りやクラックの少ない高品質のGaN単結晶基板を作製することができる。
As described above, in this embodiment, since the
尚、上述のように、第1のエピタキシャル層44の厚さを約300μm以下にするのは、第1のエピタキシャル層44が厚すぎると、熱応力の影響が大きくなるためである。一方、第1のエピタキシャル層44の厚さを約50μm以上にするのは、第1のエピタキシャル層44が薄すぎると、機械的強度が弱く、ハンドリングが困難なためである。
Note that, as described above, the thickness of the
また、ここではマスク層として第4実施形態のマスク層を用いる場合を説明したが、本実施形態のマスク層に、第2実施形態のようなストライプ窓を有するマスク層を用いてもよい。さらに、GaN単結晶基板47の表面や裏面の粗さが大きいときは、表面および裏面を研磨してもよい。
Although the case where the mask layer of the fourth embodiment is used as the mask layer has been described here, a mask layer having a stripe window as in the second embodiment may be used for the mask layer of the present embodiment. Furthermore, when the surface and the back surface of the GaN
[第6実施形態]
次に、図14を用いて、第6実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。本実施形態のバッファ層およびエピタキシャル層の形成方法は、第3実施形態の方法と同じであり、マスク層の開口窓の形状のみ第3実施形態と異なる。
[Sixth Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. The method of forming the buffer layer and the epitaxial layer of this embodiment is the same as that of the third embodiment, and only the shape of the opening window of the mask layer is different from that of the third embodiment.
図14は、本実施形態で用いたマスク層48の各開口窓の形状及び配置を示した図である。図のように、各開口窓は長方形(短冊状)に形成され、マスク層48の直ぐ下の層である第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向を長手方向とする長方形窓50となっている。各長方形窓50が第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向にピッチLで配列されて、<10−10>長方形窓群52が形成されている。そして、この<10−10>長方形窓群52は、隣り合う<10−10>長方形窓群52と<10−10>方向に各長方形窓50の中心位置を1/2Lずらしながら、第1のエピタキシャル層6の<1−210>方向にピッチdで複数並設されている。
FIG. 14 is a diagram showing the shape and arrangement of each opening window of the
尚、ピッチLは、長方形窓50の長手方向の長さが長い場合に、第2のエピタキシャル層が<10−10>方向にラテラル成長しない領域が広くなって、内部応力が低減されにくくなることに鑑み、約4μm〜約20μmの範囲にすることが望ましい。また、長手方向、即ち<10−10>方向に隣り合う長方形窓50間のマスクの長さは、約1μm〜約4μmにすることが望ましい。これは、<10−10>方向へのGaNの成長が遅いため、マスク長さを長くし過ぎると、第2のエピタキシャル層の形成に長時間を費やしてしまうからである。
The pitch L is such that when the length of the
また、第1のエピタキシャル層6の<1−210>方向に隣り合う長方形窓群52間のマスク幅(d−w)は、約2μm〜約10μmにすることが望ましい。マスク幅(d−w)が広すぎると、六角柱状の結晶粒が連続化するのに時間がかかり、一方、マスク幅(d−w)が狭すぎると、ラテラル成長の効果が得られず、結晶欠陥が低減されにくくなるためである。さらに、各長方形窓50の幅wは、約1μm〜約5μmにすることが望ましい。これは、幅wを広くしすぎると、各長方形窓50内のGaN層で欠陥が多発する傾向にあり、他方、幅wを狭くしすぎると、各長方形窓50の形成が困難となり、第2のエピタキシャル層の成長速度も低下する傾向にあるからである。
The mask width (dw) between the
このようなマスク層48を形成した後、第3実施形態と同様に、マスク層48上にGaNからなる第2のエピタキシャル層12を成長させるが、本実施形態においても、第2のエピタキシャル層12の成長初期において、各長方形窓50から正六角錐台のGaN結晶粒が成長する。そして、このGaN結晶粒がマスク層48上にラテラル成長すると、各々のGaN結晶粒は、他のGaN結晶粒との間に隙間(ピット)を設けることなく繋がり、マスク層48を埋め込むような構造となる。
After the
即ち、第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向に各長方形窓50の中心位置を1/2Lずらしながら、<10−10>長方形窓群52を第1のエピタキシャル層6の<1−210>方向に複数並設しているため、正六角錐台のGaN結晶粒はピットを生じることなく成長し、結晶欠陥の低減および真の内部応力の低減を図ることができる。
That is, the center position of each
また、第3実施形態と同様に、第2のエピタキシャル層のマスク層48のマスク部上方に相当する領域では、GaN結晶粒のラテラル成長の効果により転位が殆ど発生しない。
Similarly to the third embodiment, in the region corresponding to the upper portion of the
さらに、各長方形窓50の長手方向が第1のエピタキシャル層6の<10−10>方向と一致するように各長方形窓50が形成されているため、マスク層48上に成長させる第2のエピタキシャル層の成長速度を速めることができる。これは、GaNの成長初期に成長速度の速い{1−211}面が現れて、<1−210>方向への成長速度が増加し、各長方形窓50内に形成された島状のGaN結晶粒が連続膜化するまでの時間が短くなるためである。
Furthermore, since each
また、本実施形態とは異なり、第1のエピタキシャル層6を介さず、直接GaAs基板2上にマスク層48を形成しても、マスク層48上に形成する第2のエピタキシャル層の成長速度を向上することができる。この場合は、長方形窓50の長手方向が、マスク層48の下層のGaAs基板2の<11−2>方向と一致するように形成することが好ましい。
Unlike this embodiment, even if the
[第7実施形態]
次に、図15を用いて、第7実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。本実施形態は、マスク層の窓の形状に特徴がある。バッファ層およびエピタキシャル層は、上記各実施形態と同様に形成する。
[Seventh Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a method for manufacturing the same according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment is characterized by the shape of the mask layer window. The buffer layer and the epitaxial layer are formed in the same manner as in the above embodiments.
図15に示されているように、本実施形態では、マスク層58の各開口窓が正六角リング状に形成された六角窓60となっている。そして、この六角窓60の六つの各辺が、マスク層58の下層のエピタキシャル層の<10−10>方向と一致するように形成されている。六角窓60の各辺をこの方向に形成することにより、マスク層58上に形成するエピタキシャル層の成長速度を速めることができる。これは、GaNの成長初期に、成長速度の速い{1−211}面が<1−210>方向に成長するためである。尚、六角窓60の窓幅aは約2μm、外側の正六角形の一辺の長さbは約5μm、隣接する六角窓60間のマスク幅wは約3μmにすることが望ましい。但し、これらの値は、この範囲に限定されるものではない。また、図15中の矢印は、マスク層58の下層のエピタキシャル層の結晶方位を示している。
As shown in FIG. 15, in this embodiment, each opening window of the
マスク層58上にエピタキシャル層を成長させた後、ウエハにエッチング処理を施すことにより、GaAs基板を完全に除去する。更に、GaAs基板の除去面を研磨処理して、本実施形態のGaN単結晶基板を形成する。
After the epitaxial layer is grown on the
本実施形態のGaN単結晶基板も、上記各実施形態と同様に、マスク層上のエピタキシャル層のマスク部上方に相当する領域では、GaN結晶粒のラテラル成長の効果により転位が殆ど発生しない。 In the GaN single crystal substrate of this embodiment as well, in the region corresponding to the upper part of the mask portion of the epitaxial layer on the mask layer, dislocations hardly occur due to the lateral growth effect of the GaN crystal grains.
なお、本実施形態とは異なり、エピタキシャル層を介さず直接GaAs基板上にマスク層58を形成しても、マスク上に形成するエピタキシャル層の成長速度を向上させることができる。この場合は、この六角窓42の六つの各辺が、GaAs基板の<11−2>方向と一致するように形成する。
Unlike this embodiment, even if the
[第8実施形態]
次に、図16A〜図16Fを用いて、第8実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。
[Eighth Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the eighth embodiment will be described with reference to FIGS. 16A to 16F.
図16Aに示す第1の工程におけるマスク層8の形成、図16Bに示す第2の工程におけるバッファ層24の形成、図16Cに示す第3の工程におけるエピタキシャル層26の成長、図16Dに示す第4の工程におけるGaAs基板2の除去は、第2実施形態の同様に行われるため、説明は省略する。尚、GaAs基板2が除去されたGaN単結晶基板の厚さは、第2実施形態と同様に約50μm〜約300μm程度、あるいは、それ以上であることが望ましい。
The formation of the
図16Eに示す第5の工程では、図16Dに示すGaN単結晶を種結晶として、エピタキシャル層26上にGaNからなるエピタキシャル層62を成長させて、GaN単結晶のインゴット64を形成する。尚、エピタキシャル層62の成長方法としては、上記各実施形態と同様にHVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法等があるが、本実施形態では、この他、昇華法を採用してもよい。昇華法は、図22に示すような成長装置90を用いて行われる成長法であり、より詳しくは、原料とするGaN粉末92と基板2とが対向して設置された反応炉94内に、高温中でNH3ガス等を流し込み、これによりGaN粉末の蒸発拡散を進行させながらNH3ガスを流し込み、基板2上にGaNを成長させる気相成長方法である。この昇華法は、微妙な制御が困難であるが、エピタキシャル層の厚付け、即ち、インゴットの作製には適している。本実施形態では、反応炉の温度を約1000℃〜約1300℃に設定し、窒素ガスをキャリアガスとして、アンモニアを約10sccm〜約100sccm流し込む。
In a fifth step shown in FIG. 16E, an GaN
次に、図16Fに示す第6の工程では、GaN単結晶のインゴット64を複数枚のGaN単結晶基板66にする。インゴット64を複数枚のGaN単結晶基板にする方法としては、インゴット64を内周歯のスライサー等により切断する方法とGaN単結晶の劈開面に沿ってインゴット64を劈開する方法とがある。尚、切断処理と劈開処理の両方を用いてもよい。
Next, in a sixth step shown in FIG. 16F, the GaN
以上のように、本実施形態によれば、GaN単結晶のインゴットを複数枚に切断又は劈開するため、簡単な作業で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。すなわち、上記各実施形態と比較して、量産性を向上させることができる。 As described above, according to this embodiment, since a GaN single crystal ingot is cut or cleaved into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained with a simple operation. That is, mass productivity can be improved as compared with the above embodiments.
尚、インゴット64の高さは、約1cm以上にすることが好ましい。インゴット64が1cmよりも低すぎると量産効果がないためである。
The height of the
また、本実施形態の製造方法は、図6Aから図6Dに示す第2実施形態の製造工程を経たGaN単結晶基板上に基づいてインゴット64を形成するものであるが、本実施形態はこの方法には限られない。この他、第1実施形態〜第7実施形態の製造工程を経たGaN単結晶基板に基づいてインゴット64を形成するようにしてもよい。
Moreover, the manufacturing method of this embodiment forms the
尚、本実施形態のGaN単結晶基板66は、故意のドーピングなしで、キャリア濃度がn型で1×1016cm−3〜1×1020cm−3の範囲内、電子移動度が60cm2〜800cm2の範囲内、比抵抗が1×10−4Ωcm〜1×10Ωcmの範囲内になるように制御可能であることが実験により判明した。
In addition, the GaN
[第9実施形態]
次に、図17A〜図17Cを用いて、第9実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。
[Ninth Embodiment]
Next, a GaN single crystal substrate and a method for manufacturing the same according to the ninth embodiment will be described with reference to FIGS.
図17Aに示す第1の工程では、GaAs基板2上に、マスク層8及びバッファ層24を形成する。マスク層8およびバッファ層24の形成方法は、上記各実施形態と同様である。
In the first step shown in FIG. 17A, the
次に、図17Bに示す第2の工程では、GaNからなるエピタキシャル層68を一気に成長させて、インゴット70を形成する。エピタキシャル層68の成長方法は、第8実施形態のエピタキシャル層62の成長方法と同様である。尚、インゴット70の高さは、約1cm以上にすることが好ましい。
Next, in the second step shown in FIG. 17B, the
図17Cに示す第3の工程では、第8実施形態の第6の工程と同様に、切断処理又は劈開処理によって、GaN単結晶のインゴット70を複数枚のGaN単結晶基板72にする。
In the third step shown in FIG. 17C, a GaN
以上のように、本実施形態によれば、GaN単結晶のインゴットを複数枚に切断又は劈開するため、簡単な作業で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。すなわち、第1実施形態〜第7実施形態と比較して、量産性を向上させることができる。さらに、GaNエピタキシャル層の成長は一回だけなので、第8実施形態と比較しても、製造プロセスの簡略化およびコスト削減を図ることができる。 As described above, according to this embodiment, since a GaN single crystal ingot is cut or cleaved into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained with a simple operation. That is, mass productivity can be improved as compared with the first to seventh embodiments. Further, since the growth of the GaN epitaxial layer is performed only once, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced as compared with the eighth embodiment.
尚、本実施形態のGaN単結晶基板72も、第8実施形態のGaN単結晶基板66と同様に、故意のドーピングなしで、キャリア濃度がn型で1×1016cm−3〜1×1020cm−3の範囲内、電子移動度が60cm2〜800cm2の範囲内、比抵抗が1×10−4Ωcm〜1×10Ωcmの範囲内になるように制御可能であることが実験により判明した。
The GaN
[第10実施形態]
図18A〜図18Bを用いて、第10実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。
[Tenth embodiment]
A GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the tenth embodiment will be described with reference to FIGS. 18A to 18B.
まず、図18Aに示す第1の工程で、上記第8実施形態で製造されたGaN単結晶基板66上にエピタキシャル層74を成長させて、GaN単結晶のインゴット76を形成する。エピタキシャル層74の成長方法には、上記各実施形態と同様に、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法、昇華法等を用いることができる。
First, in the first step shown in FIG. 18A, an
次に、図18Bに示す第2の工程では、切断処理又は劈開処理によって、GaN単結晶のインゴット76を複数枚のGaN単結晶基板78にする。これにより、本実施形態のGaN単結晶基板78が得られる。
Next, in the second step shown in FIG. 18B, a GaN
以上のように、本実施形態では、既に製造されたGaN単結晶基板に基づいてインゴットを作製するため、簡単な作業で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。尚、本実施形態では、第8実施形態で製造されたGaN単結晶基板66を種結晶としてインゴットを作製したが、インゴットの種結晶はこれには限られない。例えば、第9実施形態のGaN単結晶基板72を種結晶として用いることもできる。
As described above, in this embodiment, since an ingot is produced based on an already manufactured GaN single crystal substrate, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained with a simple operation. In the present embodiment, the ingot is manufactured using the GaN
[第11実施形態]
図19A〜図19Cを用いて、第11実施形態に係るGaN単結晶基板及びその製造方法を説明する。
[Eleventh embodiment]
A GaN single crystal substrate and a manufacturing method thereof according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. 19A to 19C.
まず、図19Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上に、厚さ約50nm〜約120nmのバッファ層79を形成する。
First, in a first step shown in FIG. 19A, a
次に、図19Bに示す第2の工程で、マスク層を形成せずに、バッファ層79上にGaNからなるエピタキシャル層81を成長させて、高さ約1cm以上のGaN単結晶のインゴット83を形成する。尚、エピタキシャル層81を成長させるには、HVPE法、有機金属塩化物気相成長法、MOCVD法、昇華法等を用いることができる。ここで、本実施形態ではマスク層を形成しないため、エピタキシャル層のラテラル成長は起こらず結晶欠陥は少なくないが、エピタキシャル層を厚くすることで転位を低減することができる。
Next, in the second step shown in FIG. 19B, an
最後に、図19Cに示す第3の工程では、切断処理又は劈開処理によって、GaN単結晶のインゴット83を複数枚のGaN単結晶基板85にする。
Finally, in the third step shown in FIG. 19C, a GaN
以上のように、本実施形態によれば、GaN単結晶のインゴットを複数枚に切断又は劈開するため、簡単な作業で、結晶欠陥が低減されたGaN単結晶基板を複数枚得ることができる。すなわち、第1実施形態〜第7実施形態と比較して、量産性を向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, since a GaN single crystal ingot is cut or cleaved into a plurality of sheets, a plurality of GaN single crystal substrates with reduced crystal defects can be obtained with a simple operation. That is, mass productivity can be improved as compared with the first to seventh embodiments.
[発光デバイス及び電子デバイス]
上記各実施形態により製造されるGaN単結晶基板は、n型で導電性を有するため、その上にMOCVD法などでInGaN活性層を含むGaN系の層をエピタキシャル成長させることにより、発光ダイオード等の発光デバイスや電界効果トランジスタ(MESFET)等の電子デバイスを形成することができる。これらの発光デバイス等は、上記各実施形態で製造された結晶欠陥が少ない高品質のGaN基板を使用して作製されているため、サファイア基板を用いた発光デバイス等と比較して特性が著しく向上する。また、GaN単結晶基板に成長させたエピタキシャル層の(0001)面がGaN単結晶基板の(0001)面に対して平行にホモエピタキシャル成長し、劈開面が一致するため、上記発光デバイス等は優れた性能を有する。
[Light emitting device and electronic device]
Since the GaN single crystal substrate manufactured according to each of the above embodiments is n-type and has conductivity, a GaN-based layer including an InGaN active layer is epitaxially grown thereon by MOCVD or the like to emit light from a light-emitting diode or the like. Electronic devices such as devices and field effect transistors (MESFETs) can be formed. Since these light-emitting devices are manufactured using high-quality GaN substrates with few crystal defects manufactured in the above embodiments, the characteristics are significantly improved compared to light-emitting devices using sapphire substrates. To do. In addition, the (0001) plane of the epitaxial layer grown on the GaN single crystal substrate is homoepitaxially grown parallel to the (0001) plane of the GaN single crystal substrate, and the cleavage planes coincide with each other. Has performance.
図20は、第3実施形態で得られたGaN単結晶基板35を用いた発光ダイオード80を示す図である。この発光ダイオード80は、GaN単結晶基板35上に、GaNバッファ層101と、Siドープn型GaN障壁層102と、厚さ30オングストロームのアンドープIn0.45Ga0.55N井戸層103と、Mgドープp型Al0.2Ga0.8N障壁層104と、Mgドープp型GaNコンタクト層105と、を成長させた量子井戸構造となっている。この発光ダイオード80は、アンドープInGaN井戸層103の組成比により発光色を変化することができ、たとえばInの組成比を0.2にすると青色発光になる。
FIG. 20 is a view showing a
この発光ダイオード80の特性を調べた結果、従来のサファイア基板を用いた発光ダイオードの発光輝度が0.5cdであったのに対し、2.5cdと5倍になった。
As a result of investigating the characteristics of the light-emitting
尚、かかる発光ダイオードの基板として、第3実施形態のGaN単結晶基板35に限られず、他の実施形態のGaN単結晶基板も当然使用することができる。
In addition, as a board | substrate of this light emitting diode, it is not restricted to the GaN
図21は、第3実施形態で得られたGaN単結晶基板35を用いた半導体レーザ82を示す図である。半導体レーザ82は、GaN単結晶基板35上に、GaNバッファ層111と、n−GaNコンタクト層112と、n−In0.05Ga0.95Nクラッド層113と、n−Al0.08Ga0.92Nクラッド層114と、n−GaNガイド層115と、SiドープIn0.15Ga0.85N(35オングストローム)/In0.02Ga0.08N(70オングストローム)多層によるMQW層116と、p−Al0.2Ga0.8N内部クラッド層117と、p−GaNガイド層118と、p−Al0.08Ga0.92Nクラッド119層と、p−GaNコンタクト層120と、を成長させ、その上下面から電極をとる構造となっている。
FIG. 21 is a diagram showing a
この半導体レーザ82では、従来は数分程度であった発振寿命が100時間を超え、大幅な特性向上を実現することができた。具体的には、従来、約1.5分程度であった発振寿命が、約120時間と増加した。
With this
尚、かかる半導体レーザとして、第3実施形態のGaN単結晶基板35に限られず、他の実施形態のGaN単結晶基板も当然使用することができる。
The semiconductor laser is not limited to the GaN
さらに、図示は省略するが、本実施形態のGaN単結晶基板をもとに電界効果トランジスタ(MESFET)を製作した。この電界効果トランジスタの特性を調べた結果、500℃という高温においても43mS/mmという高い相互コンダクタンス(gm)が得られ、本実施形態のGaN単結晶基板は、電子デバイス用の基板としても有効であることが分かった。
Further, although not shown, a field effect transistor (MESFET) was manufactured based on the GaN single crystal substrate of the present embodiment. As a result of examining the characteristics of this field effect transistor, a high mutual conductance (gm) of 43 mS / mm was obtained even at a high temperature of 500 ° C., and the GaN single crystal substrate of this embodiment is also effective as a substrate for electronic devices. I found out.
実施例1
第1実施形態のGaN単結晶基板及びその製造方法の実施例である実施例1について、図1A〜図1Dを参照して説明する。
Example 1
Example 1 which is an example of the GaN single crystal substrate of the first embodiment and the manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
GaAs基板2には、GaAs(111)面がGa面となっているGaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層4、第1のエピタキシャル層6、及び第2のエピタキシャル層12は、全て図3に示す気相成長装置を用いて有機金属塩化物気相成長法によって形成した。
As the
まず、図1Aに示す第1の工程で、バッファ層4を有機金属塩化物気相成長法によって形成した。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約500℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧6×10−4atm、塩化水素を分圧6×10−4atm、アンモニアを分圧0.13atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、バッファ層4の厚さを約800オングストロームにした。
First, in the first step shown in FIG. 1A, the
次に、バッファ層4上に、有機金属塩化物気相成長法によって第1のエピタキシャル層6を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧2×10−3atm、塩化水素を分圧2×10−3atm、アンモニアを分圧0.2atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、約15μm/hrの成長速度で、第1のエピタキシャル層6の厚さを約4μmにした。
Next, the
次に、図1Bに示す第2の工程で、第1のエピタキシャル層6上にSiO2からなるマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向を第1のエピタキシャル層6の[10−10]に向け、マスク層8の厚さを約300nm、マスク部の幅Pを約5μm、窓幅Qを約2μmとした。
Next, in a second step shown in FIG. 1B, a
次に、図1Cに示す第3の工程で、有機金属塩化物気相成長法によって第2のエピタキシャル層12を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧2×10−3atm、塩化水素を分圧2×10−3atm、アンモニアを分圧0.25atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、約20μm/hrの成長速度で、第2のエピタキシャル層12の厚さを約100μmにした。
Next, in the third step shown in FIG. 1C, the
次に、図1Dに示す第4の工程で、ウエハをエッチング装置に設置し、アンモニア系エッチング液でGaAs基板2を約1時間ウエットエッチングすることで、GaAs基板2を完全に除去した。そして最後に、GaAs基板2の除去面に研磨処理を施して、GaN単結晶基板13を完成させた。
Next, in the fourth step shown in FIG. 1D, the wafer was placed in an etching apparatus, and the
本実施例により製造されたGaN単結晶基板の諸特性は以下のようであった。すなわち、このGaN単結晶基板は、基板面が(0001)面となっており、その結晶性はX線解析によるX線半値幅4.5分、そして、転位密度が単位面積当たり107(cm−2)程度であった。これにより、従来のサファイア基板上にGaNエピタキシャル層を形成した場合の欠陥密度が単位面積当たり109(cm−2)であったのに比べて、結晶欠陥が大幅に低減したことが分かった。
Various characteristics of the GaN single crystal substrate manufactured according to this example were as follows. That is, this GaN single crystal substrate has a (0001) plane substrate surface, the crystallinity is X-ray half width of 4.5 minutes by X-ray analysis, and the dislocation density is 10 7 (cm -2 ). Thus, it was found that the crystal defects were greatly reduced as compared with the defect density when the GaN epitaxial layer was formed on the conventional sapphire substrate was 10 9 (cm −2 ) per unit area.
実施例2
次に、第1実施形態の他の実施例である実施例2について、図1A〜図1Dを参照して説明する。
Example 2
Next, Example 2, which is another example of the first embodiment, will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
GaAs基板2には、GaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層4、第1のエピタキシャル層6、及び第2のエピタキシャル層12は、全て図2に示す気相成長装置を用いてHVPE法によって形成した。
As the
まず、図1Aに示す第1の工程で、バッファ層4をHVPE法によって形成した。この際、抵抗加熱ヒータ61によってGaAs基板2の温度を約500℃に昇温保持し、塩化水素を分圧5×10−3atm、アンモニアを分圧0.1atmでそれぞれ反応チャンバ59内に導入した。そして、バッファ層4の厚さを約800オングストロームにした。
First, in the first step shown in FIG. 1A, the
次に、バッファ層4上に、HVPE法によって第1のエピタキシャル層6を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ61によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、塩化水素を分圧2×10−2atm、アンモニアを分圧0.25atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、成長速度を約80μm/hrにして、第1のエピタキシャル層6の厚さを約4μmにした。
Next, the
次に、図1Bに示す第2の工程で、第1のエピタキシャル層6上にマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向を第1のエピタキシャル層6の[10−10]に向け、マスク層8の厚さを約300nm、マスク部の幅Pを約5μm、窓幅Qを約2μmとした。
Next, a
次に、図1Cに示す第3の工程で、HVPE法によって第2のエピタキシャル層12を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ61によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、塩化水素を分圧2.5×10−2atm、アンモニアを分圧0.25atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、成長速度を約100μm/hrにして、第2のエピタキシャル層12の厚さを約100μmにした。このように、本実施例では、HVPE法を用いているため、有機金属塩化物気相成長法を用いた実施例1と比較して、エピタキシャル層の成長速度を速くすることができた。
Next, in the third step shown in FIG. 1C, the
次に、図1Dに示す第4の工程で、ウエハをエッチング装置に設置し、アンモニア系エッチング液でGaAs基板2を約1時間ウエットエッチングすることで、GaAs基板2を完全に除去した。そして最後に、GaAs基板2の除去面に研磨処理を施して、GaN単結晶基板13を完成させた。
Next, in the fourth step shown in FIG. 1D, the wafer was placed in an etching apparatus, and the
本実施例により製造されたGaN単結晶基板の諸特性は以下のようであった。すなわち、このGaN単結晶基板は、基板面が(0001)面となっており、その結晶性はX線解析によるX線半値幅4.5分、そして、転位密度が単位面積当たり5×107(cm−2)程度であった。これにより、従来のサファイア基板上にGaNエピタキシャル層を形成した場合の欠陥密度が単位面積当たり109(cm−2)であったのに比べて、結晶欠陥が大幅に低減したことが分かった。
Various characteristics of the GaN single crystal substrate manufactured according to this example were as follows. That is, this GaN single crystal substrate has a (0001) plane, its crystallinity is X-ray half width of 4.5 minutes by X-ray analysis, and the dislocation density is 5 × 10 7 per unit area. It was about (cm −2 ). Thus, it was found that the crystal defects were greatly reduced as compared with the defect density when the GaN epitaxial layer was formed on the conventional sapphire substrate was 10 9 (cm −2 ) per unit area.
実施例3
次に、第2実施形態の実施例である実施例3について、図6A〜図6Dを参照して説明する。
Example 3
Next, Example 3 which is an example of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6A to 6D.
GaAs基板2には、GaAs(111)面がAs面となっているGaAs(111)B基板を使用した。また、バッファ層24及び第2のエピタキシャル層26は、ともに図3に示す気相成長装置を用いて有機金属塩化物気相成長法によって形成した。
As the
まず、図6Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上にマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向をGaAs基板2の[11−2]に向け、マスク層8の厚さを約350nm、マスク部の幅Pを約4μm、窓幅Qを約2μmとした。
First, the
次に、図6Bに示す第2の工程で、ストライプ窓10内のGaAs基板2上にバッファ層24を有機金属塩化物気相成長法によって形成した。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約500℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧6×10−4atm、塩化水素を分圧6×10−4atm、アンモニアを分圧0.1atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、バッファ層24の厚さを約700オングストロームにした。
Next, in the second step shown in FIG. 6B, a
次に、図6Cに示す第3の工程で、バッファ層24上に、有機金属塩化物気相成長法によってエピタキシャル層26を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約820℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧3×10−3atm、塩化水素を分圧3×10−3atm、アンモニアを分圧0.2atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、成長速度を約30μm/hrにして、エピタキシャル層26の厚さを約100μmにした。
Next, in the third step shown in FIG. 6C, the
次に、図6Dに示す第4の工程で、ウエハをエッチング装置に設置し、アンモニア系エッチング液でGaAs基板2を約1時間ウエットエッチングすることで、GaAs基板2を完全に除去した。そして最後に、GaAs基板2の除去面に研磨処理を施して、GaN単結晶基板27を完成させた。
Next, in the fourth step shown in FIG. 6D, the wafer was placed in an etching apparatus, and the
本実施例により製造されたGaN単結晶基板は、転位密度が単位面積当たり2×107(cm−2)程度であった。すなわち、本実施例により製造されたGaN単結晶基板は、実施例1および実施例2のGaN単結晶基板よりは転位密度が大きかったものの、従来のサファイア基板上にGaNエピタキシャル層を形成した場合よりも結晶欠陥が大幅に低減したことが分かった。また、本実施例では、実施例1および実施例2よりも製造工程数が少ないため、コスト削減を図ることができた。
The dislocation density of the GaN single crystal substrate manufactured according to this example was about 2 × 10 7 (cm −2 ) per unit area. That is, the GaN single crystal substrate manufactured according to this example had a higher dislocation density than the GaN single crystal substrates of Example 1 and Example 2, but compared with the case where a GaN epitaxial layer was formed on a conventional sapphire substrate. It was also found that crystal defects were greatly reduced. Further, in this example, since the number of manufacturing steps was smaller than those in Example 1 and Example 2, cost reduction could be achieved.
実施例4
次に、第3実施形態の実施例である実施例4について、図8A〜図8Dを参照して説明する。
Example 4
Next, Example 4 which is an example of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 8A to 8D.
GaAs基板2には、GaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層4、第1のエピタキシャル層6、及び第2のエピタキシャル層34は、全て図3に示す気相成長装置を用いて有機金属塩化物気相成長法によって形成した。
As the
まず、図8Aに示す第1の工程で、バッファ層4を有機金属塩化物気相成長法によって形成した。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約500℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧6×10−4atm、塩化水素を分圧6×10−4atm、アンモニアを分圧0.1atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、バッファ層4の厚さを約700オングストロームにした。
First, in the first step shown in FIG. 8A, the
次に、バッファ層4上に、有機金属塩化物気相成長法によって第1のエピタキシャル層6を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧2×10−3atm、塩化水素を分圧2×10−3atm、アンモニアを分圧0.2atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、約15μm/hrの成長速度で、第1のエピタキシャル層6の厚さを約2μmにした。
Next, the
次に、図8Bに示す第2の工程で、第1のエピタキシャル層6上にSiO2からなるマスク層28を形成した。この際、開口窓30を1辺の長さが2μmの正方形とし、<10−10>窓群32のピッチLを6μm、ピッチdを5μmとした。また、隣り合う<10−10>窓群32同士を、<10−10>方向に3μmずつずらした。
Next, a
次に、図8Cに示す第3の工程で、有機金属塩化物気相成長法によって第2のエピタキシャル層34を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ81によってGaAs基板2の温度を約1000℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧4×10−3atm、塩化水素を分圧4×10−3atm、アンモニアを分圧0.2atmでそれぞれ反応チャンバ79内に導入した。そして、成長速度を約25μm/hrにして、第2のエピタキシャル層12の厚さを約100μmにした。
Next, in the third step shown in FIG. 8C, the
次に、図8Dに示す第4の工程で、ウエハをエッチング装置に設置し、王水でGaAs基板2を約10時間エッチングすることで、GaAs基板2を完全に除去した。そして最後に、GaAs基板2の除去面に研磨処理を施して、GaN単結晶基板35を完成させた。
Next, in the fourth step shown in FIG. 8D, the wafer was set in an etching apparatus, and the
本実施例により製造されたGaN単結晶基板の諸特性は以下のようであった。すなわち、欠陥密度は、約3×107(cm−2)程度であり、従来よりも著しく低減されていた。また、クラックも観察されなかった。また、別途マスク層形成工程を省いて製造したGaN単結晶基板の曲率半径は約65mmであったが、本実施例のGaN単結晶基板の曲率半径は約770mmで、GaN単結晶基板の反りをかなり低減させることができた。また、従来0.05GPaであった内部応力も、本実施例のGaN単結晶基板では約0.005GPaと約1/10に低減していた。尚、GaN単結晶基板の内部応力は、上述のストーニーの式(数式(2))により算出した。また、ホール測定により電気特性を算出したところ、n型でキャリア濃度2×1018cm−3、キャリア移動度180cm2/V・Sであった。
Various characteristics of the GaN single crystal substrate manufactured according to this example were as follows. That is, the defect density is about 3 × 10 7 (cm −2 ), which is significantly reduced as compared with the conventional case. Also, no cracks were observed. In addition, the curvature radius of the GaN single crystal substrate manufactured by omitting the separate mask layer forming process was about 65 mm. However, the curvature radius of the GaN single crystal substrate of this example is about 770 mm, and the warpage of the GaN single crystal substrate is reduced. It was possible to reduce considerably. Further, the internal stress, which was 0.05 GPa in the past, was reduced to about 0.005 GPa and about 1/10 in the GaN single crystal substrate of this example. The internal stress of the GaN single crystal substrate was calculated by the above Stony equation (Equation (2)). In addition, when the electrical characteristics were calculated by Hall measurement, the n-type carrier concentration was 2 × 10 18 cm −3 and the carrier mobility was 180 cm 2 / V · S.
実施例5
次に、第5実施形態の実施例である実施例5について、図13A〜図13Eを参照して説明する。
Example 5
Next, Example 5 which is an example of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 13A to 13E.
GaAs基板2には、GaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層24、第1のエピタキシャル層44、及び第2のエピタキシャル層46は、全て図2に示す気相成長装置を用いてHVPE法によって形成した。
As the
まず、図13Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上にマスク層38を形成した。この際、開口窓40を直径が2μmの円形とし、<11−2>窓群のピッチLを6μm、ピッチdを5.5μmとした。また、隣り合う<11−2>窓群同士を、<11−2>方向に3μmずつずらした。
First, a
次に、図13Bに示す第2の工程で、開口窓40内のGaAs基板2上にバッファ層24をHVPE法によって形成した。この際、抵抗加熱ヒータ61によってGaAs基板2の温度を約500℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧6×10−4atm、塩化水素を分圧6×10−4atm、アンモニアを分圧0.1atmでそれぞれ反応チャンバ59内に導入した。そして、バッファ層24の厚さを約700オングストロームにした。
Next, in the second step shown in FIG. 13B, the
次に、図13Cに示す第3の工程で、バッファ層24上に、HVPE法によって第1のエピタキシャル層44を成長させた。この際、抵抗加熱ヒータ61によってGaAs基板2の温度を約970℃に昇温保持し、トリメチルガリウム(TMG)を分圧5×10−3atm、塩化水素を分圧5×10−3atm、アンモニアを分圧0.25atmでそれぞれ反応チャンバ59内に導入した。そして、成長速度を約25μm/hrにして、第1のエピタキシャル層44の厚さを約50μmにした。
Next, in the third step shown in FIG. 13C, the
次に、図13Dに示す第4の工程で、ウェハをエッチング装置内に配置し、王水で約10時間エッチングして、GaAs基板2を完全に除去した。このようにして、一旦、厚さ約50μmの薄厚のGaN単結晶基板を形成した。
Next, in the fourth step shown in FIG. 13D, the wafer was placed in an etching apparatus and etched with aqua regia for about 10 hours to completely remove the
続いて、図13Eに示す第5の工程で、第1のエピタキシャル層44上に、HVPEによって、成長温度100℃にて塩化水素の分圧2×10−2atm、アンモニアの分圧0.2atmで、約100μm/hrの成長速度でGaNからなる第2のエピタキシャル層46を厚さ約130μm成長させた。これにより、厚さ約180μmのGaN単結晶基板47を形成した。
Subsequently, in the fifth step shown in FIG. 13E, the partial pressure of hydrogen chloride is 2 × 10 −2 atm and the partial pressure of ammonia is 0.2 atm on the
以上のようにして形成された本実施例のGaN単結晶基板は、測定の結果、基板表面での欠陥密度が2×107/cm2程度と著しく低減されており、クラックも観察されなかった。また、GaN単結晶基板の反りを従来よりも低減することができ、内部応力も0.002GPaと非常に小さいことが分かった。
As a result of the measurement, the defect density on the substrate surface of the GaN single crystal substrate of this example formed as described above was remarkably reduced to about 2 × 10 7 / cm 2, and no cracks were observed. . It was also found that the warpage of the GaN single crystal substrate can be reduced as compared with the conventional case, and the internal stress is very small as 0.002 GPa.
実施例6
次に、第8実施形態の実施例である実施例6について、図16A〜図16Fを参照して説明する。
Example 6
Next, Example 6, which is an example of the eighth embodiment, will be described with reference to FIGS. 16A to 16F.
本実施例では、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層24、エピタキシャル層26、及びエピタキシャル層62は、全て図2に示す気相成長装置を用いてHVPE法によって形成した。
In this embodiment, a GaAs (111) A substrate is used as the
まず、図16Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上にマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向をGaAs基板2の[11−2]に向け、マスク層8の厚さを約300nm、マスク部の幅Pを約5μm、窓幅Qを約3μmとした。
First, the
次に、図16Bに示す第2の工程で、GaAs基板2の温度を約500℃にした状態で、ストライプ窓10内のGaAs基板2上にバッファ層24をHVPE法によって形成した。尚、バッファ層24の厚さは、約800オングストロームにした。
Next, in the second step shown in FIG. 16B, the
次に、図16Cに示す第3の工程で、GaAs基板2の温度を約950℃にした状態で、バッファ層24上にHVPE法によってエピタキシャル層26を約200μm成長させた。
Next, in the third step shown in FIG. 16C, the
次に、図16Dに示す第4の工程で、GaAs基板2を王水でエッチング除去した。
Next, in the fourth step shown in FIG. 16D, the
図16Eに示す第5の工程では、反応チャンバ59内の温度を1020℃にした状態で、エピタキシャル層26上にHVPE法によってエピタキシャル層62をさらに厚付けし、GaN単結晶のインゴット64を形成した。インゴット64は、上面の中央部が少し窪んだ形状で、底から上面中央部までの高さは約2cm、外径は約55mmであった。
In the fifth step shown in FIG. 16E, in the state where the temperature in the
続いて、図16Fに示す第6の工程で、内周歯のスライサーによってインゴット64を切断し、外径約50mm、厚さ約350μmのGaN単結晶基板66を20枚得た。このGaN単結晶基板66には、顕著な反りの発生は見られなかった。尚、切断処理後に、GaN単結晶基板66には、ラッピング研磨および仕上げ研磨を施した。
Subsequently, in the sixth step shown in FIG. 16F, the
上述の実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により20枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施の約65%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In the above-described Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, 20 substrates were obtained by one manufacturing process. Also, manufacturing costs were reduced to about 65% of implementation. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット64の最上端部から得られたGaN単結晶基板66の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型2×1018cm−3で、電子移動度は、200cm2/Vs、比抵抗は、0.017Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
また、インゴット64の最下端部から得られたGaN単結晶基板66の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型8×1018cm-3で、電子移動度は、150cm2/Vs、比抵抗は、0.006Ωcmであった。
In addition, as a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
従って、インゴット64の中間部の特性は、この間の値、あるいは近傍にあることを品質保証でき、全量検査をする手間を省くことができる。
Therefore, the quality of the intermediate portion of the
尚、このGaN単結晶基板66を用いてInGaNを発光層とするLEDを作製したところ、従来のサファイア基板上のものと比較して、発光輝度が約5倍に向上した。発光輝度が向上した理由は、従来のLEDでは、活性層内に多くの貫通転位が存在しているのに対し、本実施例においては発光層内に貫通転位が存在しないためであると考えられる。
When an LED using InGaN as a light emitting layer was fabricated using this GaN
実施例7
次に、第8実施形態の他の実施例である実施例7について、図16A〜図16Fを参照して説明する。
Example 7
Next, Example 7, which is another example of the eighth embodiment, will be described with reference to FIGS. 16A to 16F.
本実施例では、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層24、エピタキシャル層26、及びエピタキシャル層62は、全て図3に示す気相成長装置を用いて有機金属塩化物気相成長法によって形成した。
In this embodiment, a GaAs (111) A substrate is used as the
まず、図16Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上にマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向をGaAs基板2の[11−2]に向け、マスク層8の厚さを約500nm、マスク部の幅Pを約5μm、窓幅Qを約3μmとした。
First, the
次に、図16Bに示す第2の工程で、GaAs基板2の温度を約490℃にした状態で、ストライプ窓10内のGaAs基板2上にバッファ層24をHVPE法によって形成した。尚、バッファ層24の厚さは、約800オングストロームにした。
Next, in the second step shown in FIG. 16B, the
次に、図16Cに示す第3の工程で、GaAs基板2の温度を約970℃にした状態で、バッファ層24上に有機金属塩化物気相成長法によってエピタキシャル層26を約25μm成長させた。
Next, in the third step shown in FIG. 16C, the
次に、図16Dに示す第4の工程で、GaAs基板2を王水でエッチング除去した。
Next, in the fourth step shown in FIG. 16D, the
図16Eに示す第5の工程では、反応チャンバ79内の温度を1000℃にした状態で、エピタキシャル層26上にHVPE法によってエピタキシャル層62をさらに厚付けし、GaN単結晶のインゴット64を形成した。インゴット64は、上面の中央部が少し窪んだ形状で、底から上面中央部までの高さは約3cm、外径は約30mmであった。
In the fifth step shown in FIG. 16E, in the state where the temperature in the
続いて、図16Fに示す第6の工程で、内周歯のスライサーによってインゴット64を切断し、外径約20〜約30mm、厚さ約400μmのGaN単結晶基板66を25枚得た。このGaN単結晶基板66には、顕著な反りの発生は見られなかった。尚、切断処理後に、GaN単結晶基板66には、ラッピング研磨および仕上げ研磨を施した。
Subsequently, in the sixth step shown in FIG. 16F, the
上述の実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により25枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施の約65%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In the above-mentioned Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, 25 substrates were obtained by one manufacturing process. Also, manufacturing costs were reduced to about 65% of implementation. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット64の中間部から得られたGaN単結晶基板66の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型2×1018cm−3で、電子移動度は、250cm2/Vs、比抵抗は、0.015Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
実施例8
次に、第9実施形態の実施例である実施例8について、図17A〜図17Cを参照して説明する。
Example 8
Next, Example 8 which is an example of the ninth embodiment will be described with reference to FIGS. 17A to 17C.
本実施例では、GaAs基板2としてGaAs(111)A基板を使用した。また、バッファ層24およびエピタキシャル層68は、ともに図2に示す成長装置を用いてHVPE法によって形成した。
In this embodiment, a GaAs (111) A substrate is used as the
まず、図17Aに示す第1の工程で、GaAs基板2上にマスク層8を形成した。この際、ストライプ窓10の長手方向をGaAs基板2の[11−2]に向け、マスク層8の厚さを約250nm、マスク部の幅Pを約5μm、窓幅Qを約3μmとした。そして、マスク層8を形成した後、GaAs基板2の温度を約500℃にした状態で、ストライプ窓10内のGaAs基板2上にバッファ層24をHVPE法によって形成した。尚、バッファ層24の厚さは、約900オングストロームにした。
First, the
次に、図17Bに示す第2の工程で、GaAs基板2の温度を約1000℃にした状態で、バッファ層24上にHVPE法によってエピタキシャル層68を成長させて、GaN単結晶のインゴット70を形成した。インゴット70は、上面の中央部が少し窪んだ形状で、底から上面中央部までの高さは約1.6cmであった。
Next, in the second step shown in FIG. 17B, an
続いて、図17Cに示す第3の工程で、内周歯のスライサーによってインゴット70を切断し、厚さ約300μmのGaN単結晶基板72を12枚得た。このGaN単結晶基板72には、顕著な反りの発生は見られなかった。尚、切断処理後に、GaN単結晶基板72には、ラッピング研磨および仕上げ研磨を施した。
Subsequently, in the third step shown in FIG. 17C, the
上述の実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により12枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施例1の約60%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In the above-described Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, 12 substrates were obtained by one manufacturing process. Moreover, the manufacturing cost was reduced to about 60% of Example 1. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット70の中間部から得られたGaN単結晶基板72の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型1×1019cm-3で、電子移動度は、100cm2/Vs、比抵抗は、0.005Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
実施例9
次に、第10実施形態の実施例である実施例9について、図18A〜図18Bを参照して説明する。
Example 9
Next, Example 9 which is an example of the tenth embodiment will be described with reference to FIGS. 18A to 18B.
まず、図18Aに示す第1の工程で、実施例6で製造されたGaN単結晶基板上にエピタキシャル層74を成長させて、GaN単結晶のインゴット76を形成した。この際、エピタキシャル層74は、HVPE法により、GaAs基板2の温度を約1010℃にした状態で成長させた。また、インゴット76は、上面の中央部が少し窪んだ形状で、底から上面中央部までの高さは約2.5cmで、外径は約55mmであった。
First, in the first step shown in FIG. 18A, an
次に、図18Bに示す第2の工程では、内周歯のスライサーによってインゴット76を切断し、外径約50mm、厚さ約600μmのGaN単結晶基板78を15枚得た。
Next, in the second step shown in FIG. 18B, the
実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により15枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施例1と同様のプロセスで製造した場合と比較して約55%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, 15 substrates were obtained by one manufacturing process. Moreover, the manufacturing cost was reduced to about 55% compared with the case where it manufactured by the process similar to Example 1. FIG. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット76の中間部から得られたGaN単結晶基板78の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型1×1017cm-3で、電子移動度は、650cm2/Vs、比抵抗は、0.08Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
実施例10
次に、第10実施形態の他の実施例である実施例10について、図18A〜図18Bを参照して説明する。
Example 10
Next, Example 10, which is another example of the tenth embodiment, will be described with reference to FIGS. 18A to 18B.
まず、図18Aに示す第1の工程で、実施例7で製造されたGaN単結晶基板上にエピタキシャル層74を成長させて、GaN単結晶のインゴット76を形成した。この際、エピタキシャル層74は、図22に示した成長装置を用いて、昇華法により、GaAs基板2の温度を約1200℃にした状態で成長させた。尚、反応容器内に流し込んだアンモニアは、20sccmであった。また、インゴット76は、実施例6〜実施例9のインゴットと比べると平坦で、底から上面までの高さは約0.9cmで、外径は約35mmであった。
First, in the first step shown in FIG. 18A, an
次に、図18Bに示す第2の工程では、内周歯のスライサーによってインゴット76を切断し、外径約35mm、厚さ約500μmのGaN単結晶基板78を5枚得た。
Next, in the second step shown in FIG. 18B, the
実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により5枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施例1の約80%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, five substrates were obtained by one manufacturing process. Moreover, the manufacturing cost was reduced to about 80% of Example 1. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット76の中間部から得られたGaN単結晶基板78の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型1×1018cm-3で、電子移動度は、200cm2/Vs、比抵抗は、0.03Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
実施例11
次に、第11実施形態の実施例である実施例11について、図19A〜図19Cを参照して説明する。
Example 11
Next, Example 11 which is an example of the eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. 19A to 19C.
まず、図19Aに示す第1の工程で、HVPE法によって、約500℃にされたGaAs基板2上に、厚さ約90nmのGaNからなるバッファ層79を形成した。尚、GaAs基板として、GaAs(111)B基板を使用した。
First, in the first step shown in FIG. 19A, a
次に、図19Bに示す第2の工程で、HVPE法によって、バッファ層79上にGaNからなるエピタキシャル層81を成長させて、GaN単結晶のインゴット83を形成した。この際、エピタキシャル層81は、HVPE法により、GaAs基板2の温度を約1030℃にした状態で成長させた。また、インゴット83は、上面の中央部が少し窪んだ形状で、底から上面中央部までの高さは約1.2cmであった。
Next, in the second step shown in FIG. 19B, an
最後に、図19Cに示す第3の工程で、内周歯のスライサーによってインゴット83を切断し、厚さ約300μmのGaN単結晶基板85を10枚得た。
Finally, in the third step shown in FIG. 19C, the
実施例1〜実施例5では、1回の製造処理により1枚の単結晶基板しか得られないが、本実施例においては、1回の製造処理により10枚の基板が得られた。また、製造コストは、実施例1の約70%に低減された。このように、本実施例では、大幅なコスト削減が図れ、さらに、1枚あたりの製造時間を短縮することができた。 In Examples 1 to 5, only one single crystal substrate can be obtained by one manufacturing process, but in this example, ten substrates were obtained by one manufacturing process. Moreover, the manufacturing cost was reduced to about 70% of Example 1. As described above, in this embodiment, the cost can be greatly reduced, and the manufacturing time per sheet can be shortened.
尚、インゴット83の中間部から得られたGaN単結晶基板78の電気特性を測定した結果、キャリア濃度はn型1×1019cm-3で、電子移動度は、100cm2/Vs、比抵抗は、0.005Ωcmであった。
As a result of measuring the electrical characteristics of the GaN
以上のように、本発明のGaN単結晶基板の製造方法においては、マスク層の各開口窓内でGaN核が形成され、このGaN核が次第にマスク層上の横方向、すなわちマスク層の開口窓が形成されていないマスク部の上方に向かって何の障害物もなく自由にラテラル成長する。このため、本発明のGaN単結晶基板の製造方法によれば、結晶欠陥が大幅に低減された本発明のGaN単結晶基板を効率よく且つ確実に得ることが可能となる。 As described above, in the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of the present invention, GaN nuclei are formed in each opening window of the mask layer, and the GaN nuclei are gradually formed laterally on the mask layer, that is, the opening window of the mask layer. It grows freely laterally upward without any obstruction toward the upper part of the mask part in which no is formed. Therefore, according to the method for manufacturing a GaN single crystal substrate of the present invention, the GaN single crystal substrate of the present invention in which crystal defects are greatly reduced can be obtained efficiently and reliably.
62,68,74,81…エピタキシャル層、64,70,76,83…GaN単結晶のインゴット、66,72,78,85…GaN単結晶基板。 62, 68, 74, 81 ... epitaxial layer, 64, 70, 76, 83 ... GaN single crystal ingot, 66, 72, 78, 85 ... GaN single crystal substrate.
Claims (1)
前記インゴット形成工程において形成された前記インゴットをスライサーを用いて複数枚に切断する切断工程と、
前記切断工程において得られたGaN単結晶基板に、ラッピング研磨および仕上げ研磨を施す工程と、
を備えることを特徴とするGaN単結晶基板の製造方法。 A GaN single crystal substrate obtained by cutting or cleaving a GaN single crystal ingot formed from an epitaxial layer made of GaN formed on a mask layer having a plurality of opening windows spaced apart from each other, formed on the substrate An ingot forming step of growing an epitaxial layer made of hexagonal GaN directly on the GaN single crystal substrate as a seed crystal to form an ingot of the GaN single crystal;
A cutting step of cutting the ingot formed in the ingot forming step into a plurality of sheets using a slicer;
A step of lapping and finishing polishing the GaN single crystal substrate obtained in the cutting step;
A method for producing a GaN single crystal substrate, comprising:
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