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JP6304005B2 - Iii族窒化物半導体の製造方法、坩堝 - Google Patents

Iii族窒化物半導体の製造方法、坩堝 Download PDF

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Description

本発明は、フラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。特に、融液を保持する坩堝に特徴を有する。また、フラックス法によるIII 族窒化物半導体の育成の際に用いる坩堝に関する。
GaN結晶を育成する方法として、Naフラックス法と呼ばれる方法が知られている。これは、Na(ナトリウム)とGa(ガリウム)の混合融液に窒素ガスを導入し、数MPa、600〜1000℃という比較的低圧、低温でGaNを育成することができる技術である。
このNaフラックス法においては、融液と種結晶を保持するための坩堝の材料として、アルミナ、イットリア、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)等のセラミックスが用いられている(特許文献1、2)。
特許文献1には、耐蝕性の点から、坩堝の平均粒径は1〜100μmであることが望ましいと記載されている。また、同様に耐蝕性の観点から、坩堝の原料粉末の粒度は0.1〜10μmであることが望ましいと記載されている。
また、特許文献2には、アルミナ製の坩堝からアルミナやシリカが溶出する旨が記載されている。
特開2011−136898号公報 国際公開2010/079655
Naフラックス法によるGaN育成においては、マクロステップ成長と呼ばれる数μmから数百μm程度のオーダーの大きな段差を形成する結晶成長が見られる。このマクロステップ成長領域では結晶の融液(Na等)の取り込み量が多くなり、結晶品質を低下させていた。
しかし、従来マクロステップ成長の支配因子が不明であり、マクロステップ成長を抑制することができていなかった。
そこで本発明の目的は、フラックス法によるIII 族窒化物半導体の製造において、マクロステップ成長を抑制して結晶品質を向上させることである。
本発明は、III 族金属をフラックスに溶解させた融液を坩堝に保持し、その融液に窒素を含むガスを供給してIII 族窒化物半導体を育成するIII 族窒化物半導体の製造方法において、坩堝はアルミナからなり、坩堝として、その製造時に異常粒成長を起こした異常粒と通常成長した通常粒とを含むアルミナ粒が坩堝内壁面に存在するものを用い、アルミナ粒の粒径分布が、通常粒の第1ピークと、異常粒のピークであって第1ピークとは分離した第2ピークとを有し、第2ピークの粒径が、第1ピークの粒径よりも大きく、異常粒の最大粒径が10μm以上のものを用いる、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。
本発明において、アルミナ粒の粒径は、アルミナ粒に外接する円の直径で定義する。また、最大粒径は、測定したアルミナ粒の粒径のうち最も粒径が大きいものである。
異常粒成長は、通常のアルミナ粒よりも粒径の大きな粒径が発生してしまう現象である。異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上であれば、マクロステップ成長を抑制して結晶品質の向上を図れることが、本発明者らの検討により初めて見いだされた。より望ましい最大粒径は10〜150μmであり、さらに望ましくは40〜100μmである。異常粒成長を起こしたアルミナ粒の個数密度は、10〜10000個/1mm角であるとよい。10000個/1mm角を超えると、坩堝の強度が低下するため望ましくない。この範囲であれば、十分にマクロステップ成長の抑制効果を得られる。より望ましくは50〜2000個/1mm角であり、さらに望ましくは100〜1000個/1mm角である。
坩堝は石膏型を用いた鋳込み成形により作製するとよい。石膏型からのCa等の不純物が混入してアルミナ粒の異常粒成長を容易に起こすことができるためである。また、鋳込み成形により坩堝を作製する際に、スラリーにCaなどの不純物を添加して人為的に異常粒成長を起こすようにしてもよい。
また、本発明のIII 族金属は、Ga、Al、In、Bなどであり、フラックスにはNa、K、Liなどのアルカリ金属や、アルカリ土類金属などを用いる。特にNaを用いるのが好ましい。雑晶の抑制などの目的でCをフラックスに添加してもよい。育成するIII 族窒化物半導体結晶は任意の組成比であってよく、GaNの他、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどを含む。また、n型不純物をドープしてn型III 族窒化物半導体を育成するものであってもよいし、p型不純物をドープしてp型III 族窒化物半導体を育成するものであってもよい。n型不純物には、主としてGeを用いる。気相成長方法によるIII 族窒化物半導体の成長では主としてSiが用いられているが、フラックス法ではSiをドープするとIII 族窒化物半導体を育成することが困難なためである。また、p型不純物としてはMgを用いることができる。
他の本発明は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体結晶を育成する際に、融液を保持するために用いる坩堝であって、アルミナからなり、その内壁面に異常粒成長を起こしたアルミナ粒が存在し、異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上である、ことを特徴とする坩堝である。
本発明によれば、坩堝の異常粒成長を起こしたアルミナ粒の粒径を10μm以上とすることによって容易にマクロステップ成長を抑制することができ、結晶品質の向上を図ることができる。これは、異常粒成長を起こしたアルミナ粒に含まれる不純物が融液に溶け出し、結晶成長に影響を与えるためであると考えられる。
結晶成長装置1の構成について示した図。 異常粒成長を起こした場合の粒径分布を示した図。 異常粒成長を起こしたアルミナ粒を撮影した顕微鏡写真を示した図。 異常粒成長を起こさない場合の粒径分布を示した図。 異常粒成長を起こしていないアルミナ粒を撮影した顕微鏡写真を示した図。 最大粒径と結晶品質の関係を示した図。 平均粒径と結晶品質の関係を示した図。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
まず、実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法に用いる結晶成長装置1の構成について、図1を参照に説明する。
図1のように、結晶成長装置1は、圧力容器100を有し、圧力容器100内部には、反応容器101と、ヒータ102と、を有している。反応容器101の内部には、坩堝103が配置される。また、反応容器101の内部に窒素ガスを供給するための供給管104と、窒素ガスを排気するための排気管105が設けられている。また、圧力容器100内部には、反応容器101とヒータ102を取り囲むように断熱材106が設けられている。
圧力容器100は、ステンレス製で耐圧性を有している。反応容器101は、SUS製であり耐熱性を有している。ヒータ102は、抵抗加熱により反応容器101を加熱するものであり、これにより育成温度を調整する。また、反応容器101に接続された供給管104、排気管105にはバルブが設けられており、このバルブにより窒素ガスの供給量、排気量を調整することで、反応容器101内の圧力を調整し、育成圧力を調整する。
坩堝103は、種結晶(GaN自立基板)、フラックスであるNa、原料であるGa、その他不純物を保持する容器である。坩堝103は円筒形であり、内径59mm、高さ36mm、厚さは3mmである。坩堝103の材料はアルミナからなるセラミックス(酸化アルミニウムの焼結体)であり、高耐熱性、耐アルカリ性を有している。反応容器101内に設置された坩堝103は、図示しない装置によって回転可能となっている。坩堝103には蓋を設けるとよい。GaN結晶育成中にNaが蒸発してしまうのを抑制することができる。
さらに坩堝103は、その内壁面に異常粒成長したアルミナ粒が見られ、その異常粒成長したアルミナ粒の最大粒径が10μm以上のものを用いる。粒径は、粒子の外接円の直径で定義する。内壁面における異常粒成長したアルミナ粒の個数密度は、およそ10〜10000個/1mm角(1mm角当たりの異常粒成長を起こしたアルミナ粒の個数)である。
ここで異常粒成長は、異常粒成長を起こしていない通常のアルミナ粒の粒径よりも大きな粒径(たとえば1桁以上オーダーの大きい粒径)のアルミナ粒が生じるような成長である。焼結前のアルミナ粒の粒径が均一であれば、焼結後もアルミナ粒の粒径は均一となるはずであるが、異常粒成長を起こすと通常よりも粒径の大きなアルミナ粒が発生することとなる。異常粒成長を起こさない場合、アルミナ粒の粒径はおよそ均一で円形であり(図の顕微鏡写真を参照)、その粒径分布は、1つのピークを有した山型の分布となる(図参照)。一方、異常粒成長を起こした場合には、異常粒成長を起こさなかった場合の粒径よりも粒径の大きなアルミナ粒が発生し(図の顕微鏡写真を参照)、形状も円形だけでなく長楕円形などに近いものも存在する。また、その粒径分布は、異常粒成長を起こさなかったアルミナ粒の粒径のピークと、そのピークより粒径が大きい位置に異常粒成長を起こしたアルミナ粒の粒径のピークを有するような粒径分布となる(図参照)。また、図のように、異常粒成長を起こしたアルミナ粒の粒径はおよそ揃っている。
また、坩堝103は、石膏型を用いた鋳込み成形により作製したものを用いる。具体的には以下のようにして作製する。まず、原料であるアルミナ粉と水を混ぜてスラリー(懸濁体)を作製し、これを石膏からなる石膏型に流し込む。スラリーの作製には湿式ジェットミル処理などを用いる。そして所定時間放置し、石膏型に水分を吸収させ、石膏型の表面に一定の厚さのアルミナ粉を堆積させる。次に、石膏型に残った液状のスラリーを捨て、石膏型の表面に堆積したアルミナ粉の層のみを残す。その残ったアルミナ粉の層を所定時間乾燥させ、堆積したアルミナ粉の層を固化させて成形体を得る。そして、石膏型から成形体を取り外し、成形体を空気中1570℃で焼成して焼結させ、アルミナの焼結体である坩堝103が製造される。
この製造方法では、石膏型からスラリーにCa、C、Oなどの不純物が溶け出し、成形体はそれらの不純物を含む。この不純物は、焼結時に異常粒成長を起こさせる要因であると考えられる。
したがって、石膏型を用いた鋳込み成形により坩堝103を形成すると、異常粒成長を起こしたアルミナ粒が存在することがある。そこで実施例1に用いる坩堝103は、石膏型を用いた鋳込み成形により複数の坩堝103を作製し、それらの坩堝103の中から、以下の条件を満たすものを選別して用いる。その条件とは、異常粒成長を起こしたアルミナ粒が坩堝103内壁面に存在し、その異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上であることである。
なお、アルミナ粒の粒径は、顕微鏡による観察によって容易に測定することができる。また、特に坩堝103の内壁面のうち、底面を観察して最大粒径を測定することが望ましい。坩堝103の底面は必ず融液が接触するためである。また、坩堝103を選別する際、坩堝103の内壁面全てについて異常粒成長を起こしたアルミナ粒の粒径を測定する必要はなく、ランダムに選んだ所定範囲内に存在する異常粒成長を起こしたアルミナ粒の粒径を測定すれば十分である。たとえば、ランダムに100μm角や1mm角の範囲を選び、その範囲内において異常粒成長を起こしたアルミナ粒を探して粒径を測定し、最大粒径が10μm以上である坩堝103を選別すればよい。
このような坩堝103を用いてNaフラックス法によりGaNを育成すると、後述のように、マクロステップ成長を抑制することができ、GaNの結晶品質の向上を図ることができる。よりマクロステップ成長の抑制効果を高めるために、アルミナ粒の最大粒径が10〜150μmのものを用いるとよい。さらに望ましくは40〜100μmである。
また、坩堝103の内壁面(特に底面)における異常粒成長を起こしたアルミナ粒の個数密度が、10〜10000個/1mm角である坩堝103を用いることが望ましい。マクロステップ成長がより抑制され、結晶性のよいGaN結晶を得られるためである。また、10000個/1mm角を超えると坩堝103の強度が低下するため望ましくない。より望ましくは50〜2000個/1mm角であり、さらに望ましくは100〜1000個/1mm角である。
なお、上記方法では石膏型からのCa等の不純物混入により自然にアルミナ粒が異常粒成長を起こすようにしているが、スラリーにCa等の不純物を添加して人為的に異常粒成長を起こすようにしてもよい。
また、鋳込み成形の各種条件は、以下のようにしてもよい。スラリーを作製する際のアルミナ粉の平均粒径は、0.1〜1μmのものを用いるとよい。坩堝103のアルミナ粒がより緻密となり、強度を向上させることができる。
また、スラリーの溶媒として水を用いたが、アルコール、ケトン、アミンなど従来スラリーの溶媒として用いられている任意のものを用いてもよい。ただし、型への溶媒の吸収性、環境負荷、坩堝103に溶媒が残留しないこと、などの点から水を用いることが好ましい。また、不純物混入抑制の観点から水は蒸留水が好ましい。
また、型として石膏型を用いているが、スラリーの溶媒を吸収し、スラリーに不純物を混入させることが可能な型であれば任意の材料の型を用いることができる。あるいは、スラリーに不純物があまり溶けださない材料の型を用いる場合には、スラリーに不純物を添加して人為的に異常粒成長を起こすようにすればよい。ただし、鋳込み成形の型には石膏型を用いることが望ましい。安価であり、かつ、スラリーへ不純物を混入させるのが容易なためである。
また、成形体の焼成温度は1500〜1600℃とすることが望ましい。アルミナ粒を緻密とし、アルミナ粒が大きくなりすぎないようにするためである。
また、スラリーには焼結を促進するための焼結助剤や、溶媒にアルミナ粉を均等に分散させるための分散剤などを添加してもよい。分散剤を添加する場合、成形体の焼成の前に、分散剤を成形体から除去するための熱処理を成形体が焼結する温度よりも低い温度で行ってもよい。
また、坩堝103のアルミナ粒が異常粒成長を起こすようにすることが可能であれば、鋳込み成形以外の方法によって坩堝103を形成してもよい。
次に、図1に示す結晶成長装置1を用いてNaフラックス法によってn−GaN結晶を育成する工程を説明する。
まず、坩堝103内に、種結晶として直径2インチのGaN自立基板を配置し、さらにGaを11g、Naを17g、Cを50mg、Geを140mg投入する。Geはn型不純物として投入する。また、Cは雑晶抑制、結晶性向上などの目的の他、育成するGaN結晶が効率的にn型不純物であるGeを取り込むようにするために入れる。Cは触媒的に作用し、育成するGaN結晶にはほとんど取り込まれず、結晶のC濃度は1×1016/cm3 以下となる。
坩堝103にこれらをセットする作業は、Arなどの不活性ガスで満たされたグローブボックス内で行う。Naの酸化などによって不純物が混入してしまうのを防止するためである。
また、種結晶はGaN自立基板に限らず、テンプレート基板を用いてもよい。テンプレート基板は、サファイアなどのIII 族窒化物半導体とは異なる基板上に、MOCVD法、HVPE法、MBE法などを用いてGaNを成長させたものである。GaN自立基板を用いる場合、育成初期にGaN自立基板がメルトバックして消滅しないように厚さを500μm以上とするのがよい。あるいは、GaN自立基板表面にAlGaN層を形成し、それによりメルトバックを防止してもよい。
次に、ヒータ102によって坩堝103を加熱して845℃とし、供給管104より窒素ガスを反応容器101内に導入し、供給管104、排気管105のバルブを調整して反応容器101内の圧力を3MPaとする。これにより、坩堝103内にはNa、Ga、C、Geが混合された融液が生じる。そして、融液に窒素が溶け込み、融液中の窒素が過飽和となると、種結晶上にGeドープのn−GaNが結晶成長し始める。この状態を40時間維持し、種結晶上にGeドープのn−GaNを育成する。育成中、坩堝103を25rpmで回転し、所定間隔で回転方向を反転する。これにより坩堝103中の融液を攪拌する。融液を均質とし、育成するn−GaNの結晶品質を向上させるためである。なお、反応容器101内に導入するガスは窒素の他、構成元素としてNを含むガスを用いることができ、たとえばアンモニアを用いてもよい。
育成中の温度、圧力は上記値に限るものではなく、温度は600〜1000℃であればよい。より望ましくは800〜950℃、さらに望ましくは850〜900℃である。また、圧力は1〜6MPaであればよく、より望ましくは2〜5MPa、さらに望ましくは2.5〜4MPaである。
ここで、坩堝103としてアルミナ製のものを用い、さらに、坩堝103の内壁面に異常粒成長したアルミナ粒が存在し、その異常粒成長したアルミナ粒の最大粒径が10μm以上であるものを用いている。そのため、n−GaNの育成においてマクロステップ成長が抑制される。
マクロステップ成長が抑制される理由は、次のように推測される。坩堝103は、石膏型を用いて鋳込み成形により作製していて、坩堝103内壁面に異常粒成長を起こしたアルミナ粒の存在するものを用いている。これは、石膏型からCa、C、Oなどの不純物が溶け出してスラリーに混入し、その不純物によって焼結時に異常粒成長が起こるためである。そのような異常粒成長を起こしたアルミナ粒が坩堝103の内壁面に存在する場合、異常粒成長を起こしたアルミナ粒に含まれるCa、C、Oなどの不純物が坩堝103に保持されている融液に溶け出す。このような不純物は、GaNの育成においてマクロステップ成長を抑制するように働くものと考えられる。そして、異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上の場合には、融液に溶けだす不純物量が十分となり、マクロステップ成長が効果的に抑制される。以上が推察されるマクロステップ成長抑制の理由である。
このように、マクロステップ成長が抑制される理由は、坩堝103に含まれるCaなどの不純物であると考えられる。しかし、坩堝103に含まれる不純物量を制御することは困難であり、複数の坩堝103を作製して不純物量を解析し、不純物量で坩堝103を選別してマクロステップ成長を抑制することも現実的には困難である。そこで実施例1のように、坩堝103内壁面に異常粒成長を起こしたアルミナ粒が存在する坩堝103を選別し、さらに異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上の坩堝103を選別して用いれば、マクロステップ成長の抑制効果を得られ、確実に結晶品質の向上を図ることが可能である。
その後、ヒータ102による加熱を停止し、供給管104からの窒素ガスの供給を停止して常温、常圧に戻す。そして、坩堝103からGaN自立基板上に成長したn−GaN結晶を取り出し、エタノールを用いてn−GaN結晶に付着したNaを除去する。以上が実施例1のn−GaNの製造工程である。
以上のようにして種結晶上に育成したn−GaNは、Ge濃度が1×1016〜5×1018/cm3 、C濃度が×1016/cm3 以下であり、良好なn型の導電性である。また、マクロステップ成長が抑制されているため、結晶内にNa等の融液の取り込み量が少なく、結晶品質が高い。
次に、坩堝103の密度、異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径、および結晶品質の関係を実験により考察した結果を説明する。
図6は、坩堝103の密度および最大粒径と結晶品質との関係をグラフにしたものである。アルミナ粒の最大粒径は、坩堝103の底面を顕微鏡により観察し、最も粒径の大きなものとした。また、結晶品質は、育成したn−GaN表面を目視により観察し、マクロステップ成長に伴うNaの取り込みが存在する場合には結晶性が低いと判定し、存在しない場合には結晶性が高いと判定した。
図6のように、坩堝103の密度が高くなると最大粒径が大きくなる傾向はあるが、密度が高いと結晶性が高いとは必ずしも言えない。一方、異常粒成長を起こしたアルミナ粒の最大粒径が10μm以上であれば結晶品質が高く、10μm未満では結晶品質が低いことがわかった。したがって、複数の坩堝103の中から最大粒径が10μm以上のものを選別して用いれば、結晶品質の向上を図ることができることがわかった。
図7は、坩堝103の密度および平均粒径と結晶品質との関係をグラフにしたものである。アルミナ粒の最大粒径や結晶品質については図6と同様に測定した。また、平均粒径はアルミナ粒の粒径の相加平均である。
図7のように、平均粒径は密度によらずおよそ2〜4μmの範囲にあった。また、平均粒径と結晶性との間に関係性は見いだされなかった。これはつまり、異常粒成長を起こしたアルミナ粒は異常粒成長を起こしていないアルミナ粒に比べて少ないため、アルミナ粒の粒径の平均を取ると異常粒成長を起こしたアルミナ粒の存在が埋もれてしまうということである。そのため、平均粒径で坩堝103を選別するのでは、マクロステップ成長を抑制することができないことがわかった。
また、坩堝焼成条件を変えて異常粒成長を起こしたアルミナ粉が存在せず、すべての粒が大きい(平均粒径が10μm以上)坩堝103を作製した。そして、その坩堝103を用いてNaフラックス法によりn−GaN結晶を育成したところ、結晶品質は低かった。特許文献1には坩堝の粒の平均粒径が1〜100μmであることが望ましいとの記載があるが、平均粒径がこの範囲であっても、異常粒成長を起こしたアルミナ粉が存在しない場合には、結晶品質が向上しないことがわかった。
[変形例]
なお、実施例1ではn−GaNの製造方法として、フラックスをNaとするNaフラックス法を用いているが、これに限るものではなく、Li、Na、K、Baなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属から少なくとも1種をフラックスとして用いればよい。ただし、実施例1のようにフラックスとしてNaを用いることが好ましい。
また、実施例1は、Geドープのn−GaNを製造するものであるが、本発明はこれに限らず、任意の組成比のIII 族窒化物半導体の製造に適用することができる。たとえば、InGaN、AlGaN、AlGaInNなどの製造にも適用できる。また、n型だけでなく、ノンドープのIII 族窒化物半導体や、Mgドープのp型III 族窒化物半導体の製造にも適用できる。
本発明により製造されるIII 族窒化物半導体結晶は、III 族窒化物半導体からなる半導体素子作成用の基板として用いることができる。
1:結晶成長装置
100:圧力容器
101:反応容器
102:ヒータ
103:坩堝
104:供給管
105:排気管

Claims (5)

  1. III 族金属をフラックスに溶解させた融液を坩堝に保持し、その融液に窒素を含むガスを供給してIII 族窒化物半導体を育成するIII 族窒化物半導体の製造方法において、
    前記坩堝はアルミナからなり、
    前記坩堝として、
    その製造時に異常粒成長を起こした異常粒と通常成長した通常粒とを含むアルミナ粒が前記坩堝内壁面に存在するものを用い、
    前記アルミナ粒の粒径分布が、前記通常粒の第1ピークと、前記異常粒のピークであって前記第1ピークとは分離した第2ピークとを有し、前記第2ピークの粒径が、前記第1ピークの粒径よりも大きく、前記異常粒の最大粒径が10μm以上のものを用いる、
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
  2. 前記坩堝は、その内壁面における前記異常粒の個数密度が、10〜10000個/1mm角である、ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
  3. 前記坩堝は、石膏型を用いた鋳込み成形により作製したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
  4. フラックス法によりIII 族窒化物半導体結晶を育成する際に、融液を保持するために用いる坩堝であって、
    アルミナからなり、その内壁面に異常粒成長を起こした異常粒と通常成長した通常粒とを含むアルミナ粒が存在し、前記アルミナ粒の粒径分布が、通常粒の第1ピークと、異常粒のピークであって前記第1ピークとは分離した第2ピークとを有し、前記第2ピークの粒径が、前記第1ピークの粒径よりも大きく、前記異常粒の最大粒径が10μm以上である、
    ことを特徴とする坩堝。
  5. 前記坩堝は、その内壁面における前記異常粒の個数密度が、10〜10000個/1mm角である、ことを特徴とする請求項4に記載の坩堝。
JP2014247209A 2014-12-05 2014-12-05 Iii族窒化物半導体の製造方法、坩堝 Active JP6304005B2 (ja)

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