CN111902573B - 砷化镓单晶和砷化镓单晶基板 - Google Patents
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Abstract
提供一种砷化镓单晶，其包含具有圆柱形状的直体部，其中在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从所述直体部的外周面起朝向中心轴向内10mm处的内周面与位于从所述外周面起向内5mm处的位置之间延伸。还提供一种砷化镓单晶基板，其中在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从所述外周起向内5mm处的位置之间延伸。
Description
技术领域
本公开涉及一种砷化镓单晶和一种砷化镓单晶基板。
背景技术
为了在GaAs单晶上生长高晶体品质的半导体层，已经提出了具有小的残余应变的GaAs(砷化镓)单晶作为发光器件和电子器件的基板。
日本特开平11-268997号公报(专利文献1)公开了在通过垂直布里奇曼法(Bridgman method)获得的GaAs晶体的热处理中，在升温或冷却过程中的温度变化在600℃以下的温度范围内为300℃/小时以下，在600℃至750℃的温度范围内为150℃/小时以下，并且在750℃至热处理温度的温度范围内为50℃/小时以下，并且将温度在800℃至1000℃的温度范围内保持1小时至100小时，从而获得其中通过光弹性测量而获得的残余应变的大小的平均值小于1×10-5的GaAs晶体。
日本特开2012-236750号公报(专利文献2)公开了在通过LEC(液体封装丘克拉斯基(Liquid Encapsulated Czochralski))法制造GaAs单晶期间在形成GaAs单晶的固相与由GaAs熔体构成的液相之间的固液界面处，固相的形状在液相侧成形为凸状，并且所述凸状的凸度(从GaAs熔体与液体密封剂之间的界面到凸状的尖端部的长度T1与GaAs单晶的外径T2之间的比率T1/T2)被设定为0.25以上，并且在固液界面处的相对移动方向上的晶体生长速度V1被设定为4mm/小时至7mm/小时并且固相的冷却速度V2被设定为5℃/小时以下，从而获得GaAs单晶晶片，所述GaAs单晶晶片包含其中晶片平面中的残余应变的绝对值在上述平面的中心部中小于1.0×10-5并且在上述平面的外周部中为1.0×10-5以上的区域和其中晶片平面中的残余应变的绝对值在上述外周部的[011]方向上小于1.0×10-5的区域。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-268997号公报。
专利文献2：日本特开2012-236750号公报。
发明内容
根据本公开的一个实施方式的砷化镓单晶包含具有圆柱形状的直体部，其中在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从所述直体部的外周面起朝向中心轴向内10mm处的内周面与位于从所述外周面起向内5mm处的位置之间延伸。
在根据本公开的另一个实施方式的砷化镓单晶基板中，在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从所述外周起向内5mm处的位置之间延伸。
附图说明
图1为示出根据本公开的一个实施方式的砷化镓单晶的示意性平面图。
图2为示出典型的砷化镓单晶的制造装置和制造方法的示意性剖面图。
图3为示出根据本公开的实施方式的砷化镓单晶的制造装置和制造方法的示意性剖面图。
图4A为示出当使用典型的方法冷却砷化镓单晶时砷化镓单晶中的温度差与应力之间的关系的实例的图。
图4B为示出使用在砷化镓单晶的纵向方向上的温度差减小的典型的方法冷却砷化镓单晶时砷化镓单晶中的温度差与应力之间的关系的另一实例的图。
图4C为示出使用在砷化镓单晶的纵向方向上的温度差减小的典型的方法冷却砷化镓单晶时砷化镓单晶中的温度差与应变之间的关系的实例的图。
图5为示出当使用根据本公开的一个实施方式的方法冷却砷化镓单晶时砷化镓单晶中的温度差与应变之间的关系的实例的图。
图6为示出根据本公开的另一个实施方式的砷化镓单晶基板的示意性平面图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
日本特开平11-268997号公报(专利文献1)中公开的GaAs晶体或日本特开2012-236750号公报(专利文献2)中公开的GaAs单晶晶片存在如下问题，即当在GaAs晶体或GaAs单晶晶片上生长半导体层时升温到生长温度的速度高时，在GaAs晶体或GaAs单晶晶片中发生滑移。当在易滑系统中位错以限定性的方式运动时，可看到此处的滑移。当在具有镜面抛光表面的单晶晶片中发生滑移时，使用微分干涉显微镜，观察到所述滑移为GaAs单晶晶片表面上的水平差。当滑移显著时，即使目视也能观察到滑移。在滑移部中，位错以高密度存在，这会导致在后续步骤中器件等的故障。因此，防止滑移的发生是必要的。可以想到的是，由于在GaAs晶体生长期间的热应力或在使用GaAs单晶晶片时的应力而发生滑移。
因此，目的在于解决上述问题并且提供一种砷化镓单晶和一种砷化镓单晶基板，其中当在所述砷化镓单晶和所述砷化镓单晶基板上生长半导体层时，抑制滑移的发生。
[本公开的有益效果]
根据本公开，可以提供一种砷化镓单晶和一种砷化镓单晶基板，其中当在所述砷化镓单晶和所述砷化镓单晶基板上生长半导体层时，抑制滑移的发生。
[实施方式的说明]
首先，下文列出了本公开的实施方式。
[1]根据本公开的一个实施方式的砷化镓单晶包含具有圆柱形状的直体部，其中在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从所述直体部的外周面起朝向中心轴向内10mm处的内周面与位于从所述外周面起向内5mm处的位置之间延伸。在根据本实施方式的砷化镓单晶中，当在所述砷化镓单晶上生长半导体层时，抑制滑移的发生。
[2]在上述砷化镓单晶中，在所述外周部中所述残余应变的大小的平均值可以为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下，所述残余应变的大小由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示。在所述砷化镓单晶中，当在所述砷化镓单晶上生长半导体层时，进一步抑制滑移的发生。
[3]在上述砷化镓单晶中，所述直体部可以具有100mm以上且305mm以下的直径。即使在所述砷化镓单晶中，当在所述砷化镓单晶上生长半导体层时，也抑制滑移的发生。
[4]在根据本公开的另一个实施方式的砷化镓单晶基板中，在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从所述外周起向内5mm处的位置之间延伸。在根据本实施方式的砷化镓单晶基板中，当在所述砷化镓单晶基板上生长半导体层时，抑制滑移的发生。
[5]在上述砷化镓单晶基板中，在所述外周部中所述残余应变的大小的平均值可以为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下，所述残余应变的大小由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示。在所述砷化镓单晶基板中，当在所述砷化镓单晶基板上生长半导体层时，进一步抑制滑移的发生。
[6]在上述砷化镓单晶基板中，所述砷化镓单晶基板的直径可以为100mm以上且305mm以下。即使在所述砷化镓单晶基板中，当在所述砷化镓单晶基板上生长半导体层时，也抑制滑移的发生。
[本公开的实施方式的详情]
<第一实施方式：砷化镓单晶>
(砷化镓单晶)
参照图1，根据本实施方式的GaAs单晶10(砷化镓单晶)包含具有圆柱形状的直体部，其中在外周部10d中在切线方向TD上的残余应变为压缩应变，外周部10d在位于从所述直体部的外周面10e起朝向中心轴10o向内10mm处的内周面10i与位于从外周面10e起向内5mm处的位置之间延伸。此处的GaAs单晶10的外周部10d中的残余应变指的是在GaAs单晶10的外周部10d中任意指定的点P处的残余应变。残余应变的方向被分为径向方向RD和切线方向TD。径向方向RD指的是连接中心轴10o和任意指定的点P的径向方向。切线方向TD指的是在点P处与径向方向垂直的方向并且也被称为“圆周方向”。残余应变包含压缩应变和拉伸应变。
如果在GaAs单晶上生长半导体层时升温速度高，那么在GaAs单晶的外周部中在切线方向上会发生拉伸变形。因此，当在GaAs单晶的外周部中存在沿切线方向的拉伸方向上的残余应变时，由于增加了在半导体层生长时由热引起的变形，因此在GaAs单晶中易于发生滑移。在根据本实施方式的GaAs单晶10中，在外周部10d中在切线方向TD上的残余应变为压缩应变。因此，当在GaAs单晶10上生长半导体层时，由于存在压缩应变，因此抑制GaAs单晶10中的滑移的发生，所述压缩应变为在松弛由施加到GaAs单晶10上的热引起的拉伸应力的方向上的应变。
GaAs单晶10的残余应变由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示，并且使用光弹性法，在与中心轴垂直的镜面加工表面中评价残余应变的大小(绝对值)和所述大小的面内分布。光弹性法单独不能指明残余应变的径向应变分量Sr和切向应变分量St各自的类型(压缩或拉伸)。残余应变的径向应变分量Sr和切向应变分量St各自的类型(压缩或拉伸)可以在GaAs单晶的与中心轴垂直的镜面加工表面中，例如通过拉曼散射光谱的拉曼位移来评价。
GaAs单晶10的外周部10d中的残余应变的大小的平均值优选为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下。GaAs单晶10的外周部10d中的残余应变的大小指的是在GaAs单晶10的外周部10d中任意指定的点处的残余应变的绝对值。残余应变的大小的平均值指的是在GaAs单晶10的外周部10d中任意指定的多个点处的残余应变的大小的平均值。残余应变的大小的平均值是由使用上述光弹性法评价的上述面内分布算出的。为了抑制在半导体层生长时GaAs单晶10的滑移，上述残余应变的大小的平均值优选为2.5×10-6以上，并且更优选为4.0×10-6以上。在GaAs单晶上生长半导体层之后的冷却步骤中，与升温步骤相反，在外周部中在切线方向上发生压缩变形。当在GaAs单晶的外周部中在切线方向上的压缩残余应变太大时，为了降低在冷却步骤期间发生滑移的风险，上述残余应变优选为1.5×10-5以下。
GaAs单晶10的直体部的直径优选为100mm以上且305mm以下。也就是说，为了提高GaAs单晶10中的滑移的抑制效果，上述直径优选为100mm以上，并且更优选为150mm以上。此外，为了维持GaAs单晶10中的滑移的抑制效果，上述直径优选为305mm以下，并且更优选为204mm以下。在同一温度梯度条件下，由热应力引起的变形会随着直径变大而变大。因此，在从熔体生长GaAs单晶的条件下，可以通过选择适当的直径来提供适合于维持滑移抑制效果的外周部中在切线方向上的残余应变。
(砷化镓单晶的制造装置)
图2示出了典型的GaAs(砷化镓)单晶的制造装置和制造方法。图3示出了根据本实施方式的GaAs(砷化镓)单晶的制造装置和制造方法。
参照图2，为了有效地制造高品质的GaAs单晶，典型的GaAs单晶的制造装置20优选包含收容坩埚22的容器21。具体地，上述GaAs单晶的制造装置20优选包含容器21、被布置在容器21内部的坩埚22、保持容器21的保持台25和被布置在容器21的外部周围的加热器26。
容器21具有对应于后述的坩埚22的形状，并且包含分别对应于坩埚22的晶种保持部和晶体生长部的晶种对应部和晶体生长对应部。晶种对应部为向与晶体生长对应部连接的一侧开口并且在相对侧具有底壁的中空圆筒状的部分。晶体生长对应部包含在轴向小直径侧与晶种对应部连接的圆锥部和与所述圆锥部的轴向大直径侧连接的中空圆筒状的直体部。容器21的材料不受特别限制，只要其为可以承受在原料熔融期间的温度并且具有高机械强度的材料即可。然而，为了以低成本获得高纯度的材料，石英等是优选的。
坩埚22包含晶种保持部和连接到晶种保持部上的晶体生长部。晶种保持部为向与晶体生长部连接的一侧开口并且在相对侧具有底壁的中空圆筒状的部分，并且可以将GaAs晶种11保持在该部分中。晶体生长部包含在轴向小直径侧与晶种保持部连接的圆锥部和与所述圆锥部的轴向大直径侧连接的中空圆筒状的直体部。晶体生长部具有在其中保持GaAs原料13和布置在其上的密封构件23，并且通过使被加热到熔融状态的GaAs原料13凝固来生长GaAs单晶10的功能。坩埚22的材料不受特别限制，只要其为可以承受在原料熔融期间的温度并且具有高机械强度的材料即可。然而，PBN(热解氮化硼)等是优选的，这是因为PBN的纯度高并且对原料和密封构件的反应性低。
密封构件23的材料不受特别限制，只要其为可以承受在原料熔融期间的温度并且具有抑制由As的分解而引起的组成偏差的功能的材料即可。诸如B2O3的硼氧化物是优选的。
保持台25不受特别限制，只要其可以保持容器21并且在必要时使容器21相对于加热器26移动以适当地控制由GaAs原料13的熔融和凝固而引起的GaAs单晶10的生长即可。然而，为了抑制GaAs单晶中的温度梯度，中央部优选具有空腔。加热器26不受特别限制，只要其可以适当地控制由GaAs原料13的熔融和凝固而引起的GaAs单晶10的生长即可。
参照图3，除了容器21、被布置在容器21内部的坩埚22、保持容器21的保持台25和被布置在容器21的外部周围的加热器26之外，根据本实施方式的GaAs(砷化镓)单晶的制造装置还包含被布置在保持台25与容器21的晶体生长对应部的至少圆锥部之间的保温构件24。通过布置保温构件24，抑制在晶体生长后的冷却步骤中发生的GaAs单晶中的温度梯度，由此可以获得包含具有圆柱形状的直体部的GaAs单晶10，其中在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从所述直体部的外周面起朝向中心轴向内10mm处的内周面与位于从所述外周面起向内5mm处的位置之间延伸。为了抑制GaAs单晶中的温度梯度，保温构件24优选被布置在与保持台25接触的容器21的圆锥部的外周侧。保温构件24的材料不受特别限制，只要其为可以承受在晶体生长期间的高温并且不与接触保温构件24的构件反应的材料即可。然而，由于高耐热性和低成本，因此高纯度的氧化铝纤维类绝热片是优选的。
(砷化镓单晶的制造方法)
参照图2和图3，为了获得具有高晶体品质并且包含将形成作为产品的GaAs单晶基板的长直体部的GaAs单晶10，典型的GaAs单晶和根据本实施方式的GaAs单晶10的制造方法优选为晶舟法，如使用上述制造装置20的VB(垂直晶舟)法。具体地，根据本实施方式的GaAs单晶10的制造方法优选包含GaAs晶种装入步骤、GaAs原料装入步骤、密封构件放置步骤、晶体生长步骤和冷却步骤。
首先，在GaAs晶种装入步骤中将GaAs晶种11装入坩埚22的晶种保持部中。接下来，在GaAs原料装入步骤中，将GaAs原料13装入坩埚22的晶体生长部(圆锥部和直体部)中。在此，GaAs原料13不受特别限制，只要其为具有高纯度的GaAs即可。因此适当地使用GaAs多晶体等。接下来，在密封构件放置步骤中，将密封构件23放置在坩埚22中的GaAs原料13上。接下来，将其中GaAs晶种11、GaAs原料13和密封构件23从下到上按此顺序设置的坩埚22布置在容器主体21o的内部，并且用容器盖21p密封容器21，从而获得密封容器21。
接下来，在晶体生长步骤中，将收容上述坩埚22的上述容器21布置在制造装置20中。容器21由保持台25保持，并且加热器26被布置成围绕容器21。此外，在图3中，保温构件24被布置在保持台25与容器21的晶体生长对应部的圆锥部之间。接下来，用加热器26加热GaAs原料13和密封构件23，从而使GaAs原料13和密封构件23熔融。接下来，通过在VB法中使容器21相对于加热的加热器26轴向向下移动，形成如下的温度梯度：在坩埚22的轴向上，GaAs原料13侧的温度相对较高，而GaAs晶种11侧的温度相对较低。因此，熔融的GaAs原料13从GaAs晶种11侧依次凝固，由此GaAs单晶10生长。
在生长结束时，GaAs单晶10在GaAs晶种11侧具有低温，而在最终凝固部侧具有高温。当在晶体纵向方向上存在温度差时，在晶体的径向方向上也发生温度差，并且发生与该温度差成比例的热应力。参照图4A，在生长结束时，即在冷却开始时的点P1处，在GaAs单晶10中存在温度差，并且因此，存在对应于所述温度差的热应力。当在这种状态下进行冷却时，温度差一般会增加。当达到临界热应力的点P2时，由于塑性变形而发生应力松弛。当温度进一步降低时，达到不再发生GaAs单晶10的塑性变形的点P3。作为随后的冷却的结果，达到室温时的点P4，并且产生残余应力和对应于所述残余应力的残余应变。
当在冷却步骤中调节加热器26的温度以使其均匀而减小GaAs单晶10的GaAs晶种11侧与最终凝固部侧之间的温度差，然后以恒定的速度冷却整个GaAs单晶时，在冷却开始的初始状态下，可以预期由温度差引起的热应力的减少。参照图4B，通过减小冷却开始时的点P1处的温度差，可以降低直到临界热应力的点P2为止的温度，并且可以减少从点P2到不再发生塑性变形的点P3的塑性变形量，并且可以减少在随后的冷却后在室温时的点P4处的残余应力和对应于所述残余应力的残余应变。均热化温度(被控制用于GaAs单晶的均热化的加热器的温度；同样适用于以下说明)不受特别限制，只要GaAs单晶10的GaAs晶种11侧与最终凝固部侧之间的温度差小即可。然而，为了缩短到达均热化温度的时间，均热化温度优选为800℃以上且1200℃以下，并且更优选为850℃以上且1150℃以下。
参照图2，即使当在GaAs单晶10的冷却开始时进行上述均热化处理时，在1000℃附近的温度带中，由来自GaAs单晶10的外周部的辐射引起的传热也占主导，并且因此，GaAs单晶10的外周部10d侧与内周部10c侧之间的温度差随着温度变低而变大。也就是说，形成如下的温度梯度：GaAs单晶10的内周部10c(从图1中所示的GaAs单晶10的直体部的中心轴10o延伸到内周面10i(位于从外周面10e起朝向中心轴10o向内10mm处)的部分；同样适用于以下说明)的温度高，而GaAs单晶10的外周部10d(在位于从图1中所示的GaAs单晶10的直体部的外周面10e起朝向中心轴10o向内10mm处的内周面10i与位于从外周面10e起向内5mm处的位置之间延伸的部分；同样适用于以下说明)的温度低。参照图1和图4B，当图1中所示的内周部10c与外周部10d之间的温度差足够小时，外周部10d的变形仅在图4B中的点P1与点P2之间的弹性变形区域内发生，并且不产生残余应力和残余应变。相反，当图1中所示的内周部10c与外周部10d之间的温度差变大并且由于外周部10d的应力而发生塑性变形(如从图4B中的点P2到点P3)时，即使在冷却后的室温时的点P4处，应力和应变仍残留。图4C为其中纵轴表示应变而不是图4B中的应力的图。在弹性变形区域中，看到了从图4C中的冷却开始时的点P1到临界热应力的点P2的推移。然而，当发生塑性应变时，应变向比根据图4C中的点P1和点P2的延长线预期的更大的方向偏离(参照图4C中不再发生塑性变形的点P3)。当温度降低时，GaAs单晶10的强度增加并且再次发生弹性变形，温度差和应变从点P3到室温时的点P4线性推移。当首先冷却图1中的外周部10d时，在作为圆周方向的切线方向上的残余应变为拉伸应变。
参照图3，在根据本实施方式的GaAs单晶10的冷却步骤中，在GaAs单晶的最终凝固部凝固后，在直体部的长度方向上的温度被均热化，从而使得整个GaAs单晶中的温度梯度变小。优选的是，将保温构件放置在保持台25的圆锥部的外周侧，从而缓和GaAs单晶10的外周部10d的冷却。此外，优选的是，保持台25被形成为使得其中央部具有空腔，从而促进GaAs单晶10的内周部10c中在向下方向上的散热。作为上述的结果，可以减小在冷却步骤中GaAs单晶10中(特别是外周部10d与内周部10c之间)的温度差并且使其基本上均匀，并且此外，可以形成如下的温度梯度：外周部10d的温度低，而内周部10c的温度高。以这种方式，参照图1和图5，基于GaAs单晶10的外周部10d与内周部10c之间的热膨胀差，在外周部10d中在切线方向TD上发生压缩应变。因此，当达到图5中所示的室温(例如25℃)时的点P4时，在外周部10d中在切线方向TD上发生压缩应变作为残余应变。为了有效地制造其中在外周部10d中在切线方向TD上的残余应变为压缩应变的GaAs单晶10，在冷却步骤中GaAs单晶10的均热化期间，GaAs单晶10中(在GaAs单晶10的直体部的长度方向上和在与长度方向垂直的平面内)的温度差优选为5℃以下，并且更优选为2℃以下。
<第二实施方式：砷化镓单晶基板>
(砷化镓单晶基板)
参照图6，在根据本实施方式的GaAs单晶基板1(砷化镓单晶基板)中，在外周部1d中在切线方向TD上的残余应变为压缩应变，所述外周部1d在位于从外周1e起朝向中心1o向内10mm处的内周1i与位于从外周1e起向内5mm处的位置之间延伸。此处的GaAs单晶基板1的外周部1d中的残余应变指的是在GaAs单晶基板1的外周部1d中任意指定的点P处的残余应变。残余应变的方向被分为径向方向RD和切线方向TD。径向方向RD指的是连接中心1o和任意指定的点P的径向方向。切线方向TD指的是在点P处与径向方向垂直的方向并且也被称为“圆周方向”。残余应变包含压缩应变和拉伸应变。
如果当在GaAs单晶基板上生长半导体层时升温速度高，那么会在GaAs单晶基板中在切线方向上施加拉伸应力。因此，当在GaAs单晶基板1的外周部中存在沿切线方向的拉伸方向上的残余应变时，由于增加了在半导体层生长时由热引起的拉伸应力，因此在GaAs单晶基板中易于发生滑移。在根据本实施方式的GaAs单晶基板1中，在外周部1d中在切线方向TD上的残余应变为压缩应变。因此，当在GaAs单晶基板1上生长半导体层时，由于存在压缩应变，因此抑制GaAs单晶基板1中的滑移的发生，所述压缩应变为在松弛由施加到GaAs单晶基板1上的热引起的拉伸应力的方向上的应变。
GaAs单晶基板1的残余应变由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示，并且使用光弹性法，在与中心轴垂直的镜面加工表面中评价残余应变的大小(绝对值)和所述大小的面内分布。光弹性法单独不能指明残余应变的径向应变分量Sr和切向应变分量St各自的类型(压缩或拉伸)。残余应变的径向应变分量Sr和切向应变分量St各自的类型(压缩或拉伸)可以在GaAs单晶的与中心轴垂直的镜面加工表面中，例如通过拉曼散射光谱的拉曼位移来评价。
GaAs单晶基板1的外周部1d中的残余应变的大小的平均值优选为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下。GaAs单晶基板1的外周部1d中的残余应变的大小指的是在GaAs单晶基板1的外周部1d中任意指定的点处的残余应变的绝对值。残余应变的大小的平均值指的是在GaAs单晶基板1的外周部1d中任意指定的多个点处的残余应变的大小(径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值)的平均值。残余应变的大小的平均值是由使用上述光弹性法评价的上述面内分布算出的。为了抑制在半导体层生长时GaAs单晶基板1的滑移，上述残余应变的大小的平均值优选为2.5×10-6以上，并且更优选为4.0×10-6以上。在GaAs单晶基板1上生长半导体层之后的冷却步骤中，与升温步骤相反，在外周部中在切线方向上发生压缩变形。当GaAs单晶基板的外周部中的残余应变太大时，为了降低在冷却步骤期间发生滑移的风险，上述残余应变优选为1.5×10-5以下。
GaAs单晶基板1的直径优选为100mm以上且305mm以下。也就是说，为了提高GaAs单晶基板1中的滑移的抑制效果，上述直径优选为100mm以上，并且更优选为150mm以上。此外，为了维持GaAs单晶基板1中的滑移的抑制效果，上述直径优选为305mm以下，并且更优选为204mm以下。在同一温度梯度条件下，热应力与直径成比例。因此，在从熔体生长GaAs单晶基板的条件下，可以通过选择适当的直径来提供适合于维持滑移抑制效果的外周部中在切线方向上的残余应变。
(GaAs单晶基板的制造方法)
GaAs单晶基板1的制造方法不受特别限制，并且其合适的实例包含在与中心轴10o垂直的平面内切割根据第一实施方式的GaAs单晶10并且对主表面进行镜面加工的方法。
实施例
(比较例1)
1.GaAs单晶的制造
使用图2中所示的制造装置，根据VB法制造C(碳)掺杂的半绝缘性GaAs单晶，其包含具有156mm的直径和200mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，以25℃/分钟将生长的GaAs单晶冷却到室温(25℃)。此时，在GaAs单晶的整个直体部中，GaAs单晶中的温度差为20℃±0.2℃。对冷却后的GaAs单晶的外周面进行研磨，从而制造包含具有152.4mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
沿着直体部的与中心轴垂直的平面对上述获得的GaAs单晶进行切片，并且通过机械抛光和化学机械抛光(CMP)对前主表面和后主表面进行镜面加工，从而制造各自具有152.4mm的直径和700μm的厚度的两个(一个来自晶种侧并且一个来自最终凝固部侧)GaAs单晶基板。在抛光后的前主表面和后主表面这两者上均不存在加工变质层。可以进行在抛光后可以维持镜面的各种类型的清洁。对于如上文所述而获得的各GaAs单晶基板，通过使用拉曼分光光度计(由HORIBA株式会社制造的HR evolution)测量拉曼光谱，由拉曼位移来评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)。在切线方向上的残余应变的取向的确定不能指明大小，并且因此，可以使用除拉曼位移以外的测量方法，只要其可以确定取向即可。由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示的外周部中的残余应变的大小的平均值的评价可以基于例如Appl.Phys.Lett.47(1985)第365-367页中所述的光弹性法来进行。具体地，各基板主表面上的光照射直径为φ100μm。通过以使得基板主表面的中心包含在测量点中的方式在0.5mm间距的正方格子点处扫描并且测量整个主表面，并且计算在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从外周起向内5mm处的位置之间延伸的外周部中包含的所有测定值的平均值来计算外周部中的上述残余应变的大小的平均值。通过位于从外周面起向内5mm处的整个位置中的平均EPD(蚀坑密度)来评价结晶性。具体地，使用熔融的氢氧化钾作为蚀刻剂。EPD可以通过使用显微镜将GaAs单晶基板的主表面放大100倍并且对1mm见方(意指1mm×1mm的正方形；同样适用于以下说明)的视野内的蚀坑数进行计数而获得。EPD的平均值可以通过从主表面的中心沿着等同于<110>方向的四个方向中的各方向以5mm间隔对蚀坑数进行计数并且求出所得数目的平均值而获得。此外，EPD的平均值也可以通过从主表面的中心沿着等同于<100>方向的四个方向中的各方向以5mm间隔对蚀坑数进行计数并且求出所得数目的平均值而获得。
3.是否发生滑移的评价
通过施加与在上述GaAs单晶基板上生长半导体层时的热历史相似的热历史，进行了是否发生滑移的评价。具体地，在OMVPE(有机金属气相生长)炉中在AsH3(胂)气氛下以40℃/分钟的速度将上述GaAs单晶基板的温度升高到600℃，并且将所述温度保持10分钟，然后，在100℃/分钟的设定下冷却上述GaAs单晶基板。之后，用微分干涉显微镜对在GaAs单晶基板中是否发生滑移进行观察。结果示于表1中。
(实施例1)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例1，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有156mm的直径和200mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社(DenkaCompany Limited)制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例1相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为10℃±0.1℃。类似于比较例1，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有152.4mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例1，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有152.4mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例1，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表1中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例1，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表1中。
(实施例2)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例1，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有156mm的直径和200mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例1相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为5℃±0.1℃。类似于比较例1，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有152.4mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例1，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有152.4mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例1，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表1中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例1，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表1中。
(实施例3)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例1，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有156mm的直径和200mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例1相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为2℃±0.1℃。类似于比较例1，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有152.4mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例1，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有152.4mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例1，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表1中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例1，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表1中。
[表1]
(比较例2)
1.GaAs单晶的制造
使用图2中所示的制造装置，根据VB法制造C(碳)掺杂的半绝缘性GaAs单晶，其包含具有208mm的直径和100mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，以25℃/分钟将生长的GaAs单晶冷却到室温(25℃)。此时，在GaAs单晶的整个直体部中，GaAs单晶中的温度差为20℃±0.2℃。对冷却后的GaAs单晶的外周面进行研磨，从而制造包含具有203.2mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
沿着直体部的与中心轴垂直的平面对上述获得的GaAs单晶进行切片，并且通过机械抛光和化学机械抛光(CMP)对前主表面和后主表面进行镜面加工，从而制造各自具有203.2mm的直径和700μm的厚度的两个(一个来自晶种侧并且一个来自最终凝固部侧)GaAs单晶基板。在抛光后的前主表面和后主表面这两者上均不存在加工变质层。可以进行在抛光后可以维持镜面的各种类型的清洁。对于如上文所述而获得的各GaAs单晶基板，通过使用拉曼分光光度计(由HORIBA株式会社制造的HR evolution)测量拉曼光谱，由拉曼位移来评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)。在切线方向上的残余应变的取向的确定不能指明大小，并且因此，可以使用除拉曼位移以外的测量方法，只要其可以确定取向即可。由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示的外周部中的残余应变的大小的平均值的评价可以基于例如Appl.Phys.Lett.47(1985)第365-367页中所述的光弹性法来进行。具体地，各基板主表面上的光照射直径为φ100μm。通过以使得基板主表面的中心包含在测量点中的方式在0.5mm间距的正方格子点处扫描并且测量整个主表面，并且计算在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从外周起向内5mm处的位置之间延伸的外周部中包含的所有测定值的平均值来计算外周部中的上述残余应变的大小的平均值。通过位于从外周面起向内5mm处的整个位置中的平均EPD(蚀坑密度)来评价结晶性。具体地，使用熔融的氢氧化钾作为蚀刻剂。EPD可以通过使用显微镜将GaAs单晶基板的主表面放大100倍并且对1mm见方的视野内的蚀坑数进行计数而获得。EPD的平均值可以通过从主表面的中心沿着等同于<110>方向的四个方向中的各方向以5mm间隔对蚀坑数进行计数并且求出所得数目的平均值而获得。此外，EPD的平均值也可以通过从主表面的中心沿着等同于<100>方向的四个方向中的各方向以5mm间隔对蚀坑数进行计数并且求出所得数目的平均值而获得。
3.是否发生滑移的评价
通过施加与在上述GaAs单晶基板上生长半导体层时的热历史相似的热历史，进行了是否发生滑移的评价。具体地，在OMVPE(有机金属气相生长)炉中在AsH3(胂)气氛下以40℃/分钟的速度将上述GaAs单晶基板的温度升高到600℃，并且将所述温度保持10分钟，然后，在100℃/分钟的设定下冷却上述GaAs单晶基板。之后，用微分干涉显微镜对在GaAs单晶基板中是否发生滑移进行观察。结果示于表2中。
(比较例3)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例2，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有208mm的直径和100mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例2相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为10℃±0.1℃。类似于比较例2，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有203.2mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例2，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有203.2mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例2，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表2中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例2，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表2中。
(实施例4)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例2，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有208mm的直径和100mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例2相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为5℃±0.1℃。类似于比较例2，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有203.2mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例2，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有203.2mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例2，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表2中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例2，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表2中。
(实施例5)
1.GaAs单晶的制造
类似于比较例2，使用图3中所示的制造装置，根据VB法制造半绝缘性GaAs单晶，其包含具有208mm的直径和100mm的长度的直体部。使用GaAs多晶体作为GaAs原料。使用B2O3作为密封构件。使用具有5mm的厚度的高纯度高氧化铝纤维绝热构件(由电化株式会社制造的Denka Alcen)作为保温构件。调节制造装置中的温度分布以使得在晶体生长界面处晶体生长方向上的温度梯度为2℃/cm，并且生长GaAs单晶。接下来，将生长的GaAs单晶冷却到1100℃的均热化温度，并且将所述温度保持10小时，然后，以25℃/分钟冷却GaAs单晶。调节加热器中的温度分布以使得以与比较例2相似的方式测量的此时的GaAs单晶中的温度差为2℃±0.1℃。类似于比较例2，由冷却后的GaAs单晶制造包含具有203.2mm的直径的直体部的GaAs单晶。
2.GaAs单晶基板的制造
类似于比较例2，由上述获得的GaAs单晶制造各自具有203.2mm的直径和700μm的厚度的两个GaAs单晶基板。类似于比较例2，对于所获得的各GaAs单晶基板，评价外周部中在切线方向上的残余应变的类型(压缩或拉伸)和外周部中的残余应变的大小的平均值。结果示于表2中。
3.是否发生滑移的评价
类似于比较例2，对于上述各GaAs单晶基板，进行在GaAs单晶基板中是否发生滑移的评价。结果示于表2中。
[表2]
参照表1和表2，通过减小在冷却步骤中GaAs单晶中的温度差，获得了其中外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变的GaAs单晶和GaAs单晶基板，并且当在所述GaAs单晶基板上生长半导体层时在所述GaAs单晶基板中没有发生滑移。
应当了解的是，本文公开的实施方式和实施例在各方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式和实施例来限定，而是由权利要求书来限定，并且意图包含与权利要求书等同的范围和含义内的任何修改。
标号说明
1：GaAs单晶基板；1c、10c：内周部；1d、10d：外周部；1e：外周；1i：内周；1o：中心；10：GaAs单晶；10e：外周面；10i：内周面；10o：中心轴；11：GaAs晶种；13：GaAs原料；20：制造装置；21：容器；21o：容器主体；21p：容器盖；22：坩埚；23：密封构件；24：保温构件；25：保持台；26：加热器。
Claims (6)
1.一种砷化镓单晶，其包含具有圆柱形状的直体部，其中
在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从所述直体部的外周面起朝向中心轴向内10mm处的内周面与位于从所述外周面起向内5mm处的位置之间延伸。
2.根据权利要求1所述的砷化镓单晶，其中
在所述外周部中所述残余应变的大小的平均值为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下，所述残余应变的大小由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示。
3.根据权利要求1或2所述的砷化镓单晶，其中
所述直体部具有100mm以上且305mm以下的直径。
4.一种砷化镓单晶基板，其中
在外周部中在切线方向上的残余应变为压缩应变，所述外周部在位于从外周起朝向中心向内10mm处的内周与位于从所述外周起向内5mm处的位置之间延伸。
5.根据权利要求4所述的砷化镓单晶基板，其中
在所述外周部中所述残余应变的大小的平均值为2.5×10-6以上且1.5×10-5以下，所述残余应变的大小由径向应变分量Sr与切向应变分量St之差的绝对值|Sr-St|表示。
6.根据权利要求4或5所述的砷化镓单晶基板，其中
所述砷化镓单晶基板的直径为100mm以上且305mm以下。
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