DE102006035377B4

DE102006035377B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls

Info

Publication number: DE102006035377B4
Application number: DE102006035377A
Authority: DE
Inventors: Shiro Yamazaki; Koji Hirata; Katsuhiro Nagoya Imai; Makoto Nagoya Iwai; Takatomo Suita Sasaki; Yusuke Suita Mori; Masashi Suita Yoshimura; Fumio Suita Kawamura; Yuji Suita Yamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Osaka University NUC; Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Osaka University NUC; Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: US20070101931A1; TWI324193B; TW200732524A; KR100772776B1; DE102006035377A1; KR20070047710A; US7459023B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) durch das Schmelzflussverfahren, welches einen Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials umfasst, welches zumindest teilweise aus einem Material gebildet wird, welches in dem Schmelzfluss gelöst werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wird, während der Halbleiterkristall aufgewachsen wird, und
das im Schmelzfluss lösliche Material aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiters gebildet wird, und
das im Schmelzfluss lösliche Material eine Kristallversetzungsdichte von 1...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Schmelzflussverfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls, in welchem ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall unter Verwendung eines Schmelzflusses aufgewachsen wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist zur Verringerung der Halbleiterkristall-Versetzungen oder der Rissdichte wie auch die Herstellungskosten für Halbleiterkristalle effektiv.
Stand der Technik
Techniken, welche bislang zum Aufwachsen eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch das Schmelzflussverfahren bekannt waren, schließen jene ein, welche zum Beispiel in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen (Kokai) Nummern H11-060394 , 2001-058900 , 2001-064097 , 2004-292286 und 2004-300024 sowie in der US 2005/0048686 A1 offenbart sind.
Ein solches herkömmliches Herstellungsverfahren wendet allgemein als Grundträgermaterial (Impfkristall) ein Templat, welches durch Bereitstellen einer Halbleiterschicht (zum Beispiel einer Pufferschicht) auf einem Saphir-Trägermaterial, einem freistehenden GaN Einkristall-Trägermaterial oder einem ähnlichen Trägermaterial gebildet wurde, an.
In dem Verfahren, welches in jeder der vorher genannten Patentdokumente offenbart ist, wird ein Impfkristall in einen Schmelzfluss eingetaucht, welcher ein gelöstes Gruppe III Element enthält, während ein N enthaltendes Gas zu dem Schmelzfluss zugeführt wird, gefolgt von Ziehen des Impfkristalls aus dem Schmelzfluss.
In dem Fall, in dem ein Templat-Trägermaterial, das durch Aufwachsen von GaN auf einen Saphir-Trägermaterial durch MOCVD gebildet wurde, als Impfkristall angewendet wird, wenn ein gezielter Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf dem Impfkristall zu einer großen Dicke aufgewachsen wird, werden eine große Anzahl von Rissen in dem Halbleiterkristall während der Entfernung des Halbleiterkristalls aus der Reaktionskammer erzeugt, weil ein großer Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterkristall und dem Saphir-Trägermaterial besteht. Wenn folglich das zuvor genannte Templat als Grundträgermaterial angewendet wird, wird eine Schwierigkeit bei der Herstellung zum Beispiel eines Halbleiterkristalls mit hoher Qualität mit einer Dicke von 400 μm oder mehr hervorgerufen.
Wenn ein freistehendes GaN Einkristall-Trägermaterial als Grundträgermaterial angewendet wird, kann die Erzeugung von Rissen in einem Zielhalbleiterkristall unterdrückt werden, da es keinen Unterschied in thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterkristall und dem Grundträgermaterial gibt. Es wird jedoch eine Schwierigkeit beim Verringern der Herstellungskosten erwartet, da ein freistehendes GaN Einkristall-Trägermaterial teuer ist.
Zwischenzeitlich bringt die Zufuhr keines Gruppe III Elements zu einem Schmelzfluss während des Aufwachsens eines Halbleiterkristalls ein Problem darin hervor, dass der Gehalt des Gruppe III Elements des Schmelzflusses in Übereinstimmung mit dem Voranschreiten des Wachstums des Halbleiterkristalls verringert wird, was zu einer Abnahme der Kristallwachstumsrate führt.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde abgeschlossen, um die zuvor genannten Probleme zu lösen.
Technische Aufgabe
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterkristall mit hoher Qualität durch das Schmelzflussverfahren bei niedrigen Kosten herzustellen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Wachstumsrate eines Halbleiterkristalls in dem Schmelzflussverfahren anzuheben.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gruppe III Nitrid Halbleiterkristall mit guter Qualität ohne Risse herzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die effiziente Entfernung eines Trägermaterials zu erleichtern.
Technische Lösung
Diese Ziele werden nicht notwendiger Weise gleichzeitig durch eine Erfindung erreicht, solange eines oder mehrere Ziele durch jegliche Erfindung der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die zuvor genannten Probleme werden effektiv durch die Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch das Schmelzflussverfahren zur Verfügung gestellt, welches einen Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials umfasst, welches mindestens teilweise aus einem Material gebildet wird, das in einem Schmelzfluss gelöst werden kann (hiernach kann das Material als „im Schmelzfluss lösliches Material” bezeichnet werden), während das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wird.
Das Herstellungsverfahren gemäß des ersten Aspekts umfasst den Fall, in dem selbst nach Abschluss des Wachstums des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters auf dem Trägermaterial das im Schmelzfluss lösliche Material weiter in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiter aufgewachsen wurde. Alternativ kann vor Abschluss des Wachstums des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters die Gesamtheit des im Schmelzfluss löslichen Materials oder des Trägermaterials (in dem Fall, in dem zum Beispiel die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wurde) in dem Schmelzfluss gelöst werden. Die Gesamtheit des im Schmelzfluss löslichen Materials (Trägermaterial) kann in dem Schmelzfluss zum frühest möglichen Zeitpunkt gelöst werden, das heißt, zu dem Zeitpunkt, zu dem die Dicke des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls eine Schwellendicke erreicht, bei welcher ein stabiles Wachstum eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters beginnt.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch das Schmelzflussverfahren bereitgestellt, welches einen Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials umfasst, welches mindestens teilweise aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird und nachfolgendes Lösen des im Schmelzfluss löslichen Materials in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Ein charakteristisches Merkmal des Herstellungsverfahrens gemäß des ersten Aspekts besteht darin, dass während der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf dem Trägermaterial aufgewachsen wird, das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Im Gegensatz dazu liegt ein charakteristisches Merkmal des Herstellungsverfahrens gemäß des zweiten Aspekts darin, dass, nachdem der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf einem Trägermaterial aufgewachsen wurde, das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde.
Kurze Beschreibung der Abbildungen der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Templat 10 zeigt.
2 zeigt die Konfiguration eines Kristallwachstumsgeräts.
3A ist eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterkristall zeigt, der aufgewachsen wurde.
3B ist eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der aufgewachsen wurde.
3C ist eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der aufgewachsen wurde.
4 ist eine Querschnittsansicht, welche ein GaN Trägermaterial zeigt, das in einer zweiten Ausführungsform hergestellt wurde.
5A ist eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterkristall zeigt, der in der zweiten Ausführungsform aufgewachsen wurde.
5B ist eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der in der zweiten Ausführungsform aufgewachsen wurde.
5C ist eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der in der zweiten Ausführungsform aufgewachsen wurde.
6 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Trägermaterial zeigt, das in einer Abwandlung angewendet wurde.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
In den vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren gibt es keine besondere Begrenzung für das anzuwendende im Schmelzfluss lösliche Material. Vom Standpunkt der Herstellungskosten jedoch ist das im Schmelzfluss lösliche Material bevorzugt ein Material, welches kostengünstiger als ein freitragendes GaN Einkristall-Trägermaterial ist. Das im Schmelzfluss lösliche Material ist bevorzugt ein Material, welches relativ leicht in heißem Alkali gelöst werden kann.
Wenn ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter eine höhere Versetzungsdichte als die eines aufzuwachsenden Einkristallhalbleiters aufweist, kann der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter leicht in einem Schmelzfluss gelöst werden. Das im Schmelzfluss lösliche Material ist ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter, bevorzugt ein freitragendes GaN Trägermaterial mit einer Versetzungsdichte von 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr und 1 × 10¹⁰ cm^–2 oder weniger. Wenn die Versetzungsdichte übermäßig klein ist, ist das freitragende GaN Trägermaterial in dem zuvor genannten Schmelzfluss schwierig zu lösen, wohingegen, wenn die Versetzungsdichte übermäßig hoch ist, die Qualität eines aufzuwachsenden Halbleiterkristalls auf dem freitragenden GaN Trägermaterial beeinträchtigt wird. Wenn ein unterer halber Abschnitt (wie in einer Dickenrichtung gezeigt wird) eines Trägermaterials, das aus einem einzelnen Material gebildet wird, eine hohe Versetzungsdichte aufweist, oder ein Abschnitt (wie in einer Richtung parallel zu der Oberfläche gezeigt wird) eines solchen einzelnen Materialträgermaterials eine hohe Versetzungsdichte aufweist, kann der Abschnitt mit der hohen Versetzungsdichte als im Schmelzfluss lösliches Material definiert werden.
Es wird keine Begrenzung für das zuvor genannte im Schmelzfluss lösliche Material vorgegeben, solange es zumindest ungelöst bleibt bis der zuvor genannte Halbleiterkristall aufgewachsen ist, so dass er eine Dicke aufweist, bei welcher der Kristall durch sich selbst stabil als ein Impfkristall für das Kristallwachstum dienen kann. Folglich wird vom Standpunkt der Herstellungseffizienz insbesondere bevorzugt nahezu die Gesamtheit des im Schmelzfluss löslichen Materials in einem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst, wenn der Halbleiterkristall aufgewachsen ist, so dass er eine gewünschte Dicke aufweist. Ein solcher bevorzugter Zustand kann durch ungefähres Bestimmen der Dicke des im Schmelzfluss löslichen Materials oder anderer Bedingungen erreicht werden.
Der zuvor genannte Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter für das Kristallwachstum umfasst einen Zweikomponenten-Halbleiter, einen Dreikomponenten-Halbleiter, einen Vierkomponenten-Halbleiter, welche durch die Formel:
Al_1-x-yGa_yIn_xN(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt werden und beliebige Verbindungskristall-Anteile aufweisen, und einen Halbleiter, welcher eine Dotierung vom n-Typ oder vom p-Typ enthält.
Speziell kann mindestens ein Abschnitt des anzuwendenden Trägermaterials aus einem im Schmelzfluss löslichen Material oder die Gesamtheit des Trägermaterials kann aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet werden. Der Ausdruck „mindestens ein Abschnitt des Trägermaterials wird aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet”, wie er hierin verwendet wird, kann sich auf den Fall beziehen, in dem das Trägermaterial eine zweischichtige Struktur aufweist, welche in einer Dickenrichtung einen aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildeten Abschnitt und einen aus einem im Schmelzfluss unlöslichen Material gebildeten Abschnitt aufweist. Zum Beispiel kann das Trägermaterial eine zweischichtige Struktur, welche einen Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer niedrigen Versetzungsdichte (zum Beispiel ein GaN Trägermaterial für das Kristallwachstum) und einen Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer höheren Versetzungsdichte als die des Trägermaterials für das Kristallwachstum (zum Beispiel GaN (im Schmelzfluss lösliches Material) mit einer Versetzungsdichte von 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr), aufweisen. Ein Abschnitt des Trägermaterials (wie in einer Richtung parallel zu der Oberfläche gezeigt wird) kann aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet werden, das ähnlich zu dem zuvor Beschriebenen ist. Zum Beispiel kann das Trägermaterial eine Struktur aufweisen, in welcher sein Randabschnitt aus einem im Schmelzfluss unlöslichen Material und die Gesamtheit seines mittleren Abschnitts aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird. Alternativ kann das Trägermaterial eine Struktur aufweisen, in welcher ein Abschnitt, wie er durch eine Richtung parallel zu der Oberfläche gezeigt wird, aus einem im Schmelzfluss löslichen Material in einem gitterförmigen Muster gebildet wird.
Es ist unnötig zu betonen, dass in dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Material gebildet werden kann.
In dem Herstellungsverfahren wird das im Schmelzfluss lösliche Material bevorzugt in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls gelöst.
Während des Vorgangs des Aufwachsens des Halbleiterkristalls kann das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls gelöst werden. Alternativ kann nach dem Wachstum des Halbleiterkristalls das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls gelöst werden.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt zumindest ein Abschnitt des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Materials eine Dotierung, welche die Trägerkonzentration des zuvor genannten Halbleiterkristalls steuert. Eine solche Dotierung kann eine Dotierung vom n-Typ oder eine Dotierung vom p-Typ sein. Das im Schmelzfluss lösliche Material kann sowohl Dotierungen vom n-Typ wie auch vom p-Typ enthalten.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Schutzfilm auf einer freiliegenden Oberfläche des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Materials gebildet sein, so dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms den Zeitpunkt, zu dem das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss gelöst wird, oder die Auflösungsrate des im Schmelzfluss löslichen Materials steuern.
Beispiele des Materials zum Bilden eines solchen Schutzfilms schließen Aluminiumnitrid (AIN) und Tantal (Ta) ein. Ein solcher Schutzfilm kann durch jede gut bekannte Technik wie Kristallwachstum, Vakuumabscheidung oder Sputtern gebildet werden.
Das zuvor genannte Filmbildungsmuster kann durch jede gut bekannte Technik wie Photolithographie oder Ätzen gebildet werden. Je geringer die Dicke des Schutzfilms ist, umso früher ist die zuvor genannte Auflösungszeit. Je größer die Fläche eines Abschnitts des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Materials ist, der dem Schmelzfluss ausgesetzt ist, umso höher ist die zuvor genannte Auflösungsrate.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird das im Schmelzfluss lösliche Material aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls gebildet.
In dem Herstellungsverfahren kann das im Schmelzfluss lösliche Material wie folgt gebildet werden.
Das Trägermaterial für das Kristallwachstum kann aus einem Zweikomponenten-Halbleiter, einem Dreikomponenten-Halbleiter oder einem Vierkomponenten-Halbleiter gebildet werden, welche durch die Formel:
Al_1-x-yGa_yIn_xN(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt werden und beliebige Verbindungskristall-Anteile aufweisen. Der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter kann eine Dotierung vom p-Typ oder eine Dotierung vom n-Typ enthalten. Der Halbleiter, welcher das im Schmelzfluss lösliche Material aufbaut, ist am besten GaN. Die Kristallversetzungsdichte des im Schmelzfluss löslichen Materials, welches mindestens einen Abschnitt des Trägermaterials aufbaut, oder die Kristallversetzungsdichte der Gesamtheit des Trägermaterials (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird) ist 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr, insbesondere bevorzugt 1 × 10⁷ cm^–2 oder mehr und am besten 1 × 10⁸ cm^–2 oder mehr. Um die Kristallinität des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters, der auf dem Trägermaterial aufzuwachsen ist, zu verbessern ist die Versetzungsdichte auf 1 × 10¹⁰ cm^–2 oder weniger reguliert.
Der zuvor genannte aufzuwachsende Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall ist bevorzugt GaN.
Das Trägermaterial kann eine Dotierung enthalten, welche die Trägerkonzentration des aufzuwachsenden Halbleiters steuert. Eine solche Dotierung kann eine Dotierung vom n-Typ oder eine Dotierung vom p-Typ sein. Das Trägermaterial kann Dotierungen sowohl vom n-Typ wie auch vom p-Typ enthalten.
Bevorzugt wird die Dicke des Trägermaterials auf eine solche Dicke reguliert, dass die Gesamtheit des Trägermaterials in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst wird, zu dem das Wachstum des Halbleiterkristalls abgeschlossen ist. Durch eine solche Regulierung der Dicke kann ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit guter Qualität mit niedriger Versetzungsdichte hergestellt werden, da das Trägermaterial mit einer höheren Versetzungsdichte als die des Halbleiters vollständig in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt des Abschlusses des Flüssigphasenwachstums des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters gelöst wurde.
Ein Schutzfilm kann auf einer freiliegenden Oberfläche des Trägermaterials gebildet werden, zum Beispiel der Oberfläche (Rückseite) die der Oberfläche des Kristallwachstums gegenüberliegt, so dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms den Zeitpunkt, zu dem das Trägermaterial in dem Schmelzfluss gelöst wird, oder die Auflösungsrate des Trägermaterials steuern. Beispiele des Materials zum Bilden eines solchen Schutzfilms schließen Aluminiumnitrid (AIN) und Tantal (Ta) ein. Ein solcher Schutzfilm kann durch jede gut bekannte Technik wie Kristallwachstum, Vakuumabscheidung oder Sputtern gebildet werden.
Das zuvor genannte Filmbildungsmuster kann durch jede gut bekannte Technik wie Photolithographie oder Ätzen gebildet werden. Je kleiner die Dicke des Schutzfilms ist, umso früher ist die zuvor genannte Auflösungszeit. Je größer die Fläche eines Abschnitts des Trägermaterials ist, der zu dem Schmelzfluss hin freiliegt, umso höher ist die zuvor genannte Auflösungsrate. Die Auflösung des Trägermaterials in dem Schmelzfluss beginnt zu dem Zeitpunkt, zu dem der freiliegende Abschnitt des Trägermaterials in Kontakt mit dem Schmelzfluss von hoher Temperatur kommt, und die Auflösungsrate ist nahezu proportional zu der Fläche des freiliegenden Abschnitts. Folglich können die Zeit, zu der die Auflösung des Trägermaterials beginnt, die Zeit, die zur Auflösung des Trägermaterials benötigt wird, die Auflösungsrate und so weiter wie gewünscht durch geeignetes Bestimmen der Dicke des Schutzfilms und der Fläche des freiliegenden Abschnitts des Trägermaterials gesteuert werden. Die Zeit, welche für die Auflösung des Trägermaterials benötigt wird, kann durch Variieren zum Beispiel der Zusammensetzungsverhältnisse oder der Dicke des Trägermaterials oder der Temperatur des Schmelzflusses reguliert werden. Wenn die Dotierung, die in dem Trägermaterial enthalten ist, als eine Dotierung angewendet wird, die zu dem auf dem Trägermaterial aufzuwachsenden Halbleiterkristall zugegeben wird, kann die Dotierungskonzentration des Halbleiterkristalls wie gewünscht durch geeignetes Steuern der Zeit, die zur Auflösung des Trägermaterials benötigt wird, oder seiner Auflösungsrate, reguliert werden.
Die Effekte ergeben sich wie folgt.
Spezieller wird in dem Herstellungsverfahren während des Vorgangs des Wachstums eines Halbleiterkristalls oder nach dem Abschluss des Wachstums des Halbleiterkristalls ein im Schmelzfluss lösliches Material in einem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls gelöst. Wenn daher ein Zielhalbleiterkristall aus einer Reaktionskammer entfernt wird, wird eine Spannung – welche andererseits aufgrund von zum Beispiel einer Verringerung der Temperatur während des Entfernens des Halbleiterkristalls aus der Reaktionskammer auftreten würde – zwischen dem Halbleiterkristall und dem Grundträgermaterial nicht angelegt. Folglich können gemäß der vorliegenden Erfindung die Rissdichte des Halbleiterkristalls bemerkenswert verringert werden, verglichen mit dem Fall eines weiteren Halbleiterkristalls.
Die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials in den Schmelzfluss kann als eine Technik zum Hinzugeben einer Dotierung angewendet werden. Folglich benötigt die Zugabe einer Dotierung keine andere Technik. Darüber hinaus kann notwendiges Dotierungsmaterial gespart werden.
Die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials in den Schmelzfluss beginnt zu dem Zeitpunkt, zu dem der freiliegende Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen Materials in Kontakt mit dem Schmelzfluss von hoher Temperatur kommt, und die Auflösungsrate ist nahezu proportional zu der Fläche des freiliegenden Abschnitts. Folglich kann die Zeit, zu welcher die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials beginnt, die Zeit, die für die Auflösung des Materials benötigt wird, die Auflösungsrate und so weiter wie gewünscht durch geeignetes Bestimmen der Fläche des freiliegenden Abschnitts des im Schmelzfluss löslichen Materials oder anderer Bedingungen gesteuert werden. Die Zeit, die für die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials benötigt wird, kann wie gewünscht durch Variieren zum Beispiel der Art oder der Dicke des im Schmelzfluss löslichen Materials oder der Temperatur des Schmelzflusses reguliert werden.
In dem Herstellungsverfahren, wenn das im Schmelzfluss lösliche Material als Dotierungsmaterial angewendet wird, welches zu einem Zielhalbleiterkristall zugegeben wird, das auf dem Material aufzuwachsen ist, kann die Dotierungsmaterialkonzentration des Halbleiterkristalls wie gewünscht durch geeignetes Steuern der Zeit, die zum Lösen des im Schmelzfluss löslichen Materials benötigt wird, oder ihrer Auflösungsrate reguliert werden.
In dem Herstellungsverfahren wird das im Schmelzfluss lösliche Material, das mindestens einen Abschnitt des Trägermaterials aufbaut, auf welchem ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall aufzuwachsen ist, aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls gebildet. Der Halbleiterkristall wird auf eine Oberfläche des Trägermaterials aufgewachsen, während das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wird. Die Löslichkeit von Stickstoff (das heißt, einem Gruppe V Element) in der Schmelzflusslösung wird durch Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials (Trägermaterial) angehoben, und daher kann die Wachstumsrate des Gruppe III Nitrid-Halbleiters gesteigert werden. Ebenso wird die Löslichkeit eines Gruppe III Elements durch die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials (Trägermaterial) gesteigert, und daher kann die Abreicherung des Gruppe III Elements, welche mit dem Kristallwachstum auf dem Trägermaterial assoziiert ist, verringert werden. Folglich kann eine Abnahme des Zusammensetzungsverhältnisses des Gruppe III Elements gegenüber Na oder einem Additiv in dem Schmelzfluss unterdrückt und die Einführung von Na oder dem Additiv in den Kristall verhindert werden.
Alternativ wird das im Schmelzfluss lösliche Material, welches zumindest einen Abschnitt des Trägermaterials aufbaut, auf welchen ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall aufzuwachsen ist, aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls gebildet, und, nachdem der Halbleiterkristall auf einer Oberfläche des Trägermaterials aufgewachsen wurde, wird das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wurde) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Da ein Halbleiterkristall mit hoher Versetzungsdichte eine Rate der Auflösung in dem Schmelzfluss zeigt, die höher als die eines Halbleiterkristalls mit niedriger Versetzungsdichte ist, kann das im Schmelzfluss lösliche Material (Trägermaterial) entfernt werden, wobei der auf diese Weise aufgewachsene Halbleiterkristall übrig bleibt. Folglich wird eine Entfernung des im Schmelzfluss löslichen Materials (Trägermaterials) nach der Entfernung des aufgewachsenen Halbleiterkristalls aus einem Kristallwachstumsgerät benötigt, das heißt, das Herstellungsverfahren für den Halbleiterkristall wird vereinfacht.
Wenn die Versetzungsdichte des im Schmelzfluss löslichen Materials oder des Trägermaterials (in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Substrats aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wurde) auf 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr reguliert wird, kann das Trägermaterial sofort in dem Schmelzfluss gelöst werden.
Wenn sowohl das Trägermaterial als auch der aufzuwachsende Halbleiterkristall aus GaN gebildet werden, kann ein hochqualitativer Halbleiterkristall hergestellt werden.
Das Alkalimetall, das einen anzuwendenden Schmelzfluss aufbaut, ist insbesondere bevorzugt Natrium (Na). Lithium (Li) kann ebenso angewendet werden.
Das Stickstoff (N) enthaltende Gas, das anzuwenden ist, kann Stickstoffgas (N₂), Ammoniakgas (NH₃) oder eine Mischung von diesen Gasen sein.
Das zuvor genannte zuzugebende Dotierungsmaterial vom p-Typ (Akzeptor) kann zum Beispiel ein bekanntes Dotierungsmaterial vom p-Typ wie ein Erdalkalimetall (zum Beispiel Magnesium (Mg) oder Calcium (Ca)) sein. Das zuvor genannte zuzugebende Dotierungsmaterial vom n-Typ (Donor) kann zum Beispiel ein bekanntes Dotierungsmaterial vom n-Typ wie Silicium (Si), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te) oder Germanium (Ge) sein. Zwei oder mehr Dotierungsmaterialelemente (Akzeptor oder Donor) können gleichzeitig oder beide Dotierungsmaterialien vom n-Typ und vom p-Typ gleichzeitig zugegeben werden. Ein solches Dotierungsmaterial kann zu einem aufzuwachsenden Zielhalbleiterkristall zum Beispiel durch Lösen des Dotierungsmaterials vorher in dem Schmelzfluss oder durch Zugeben des Dotierungsmaterials zu dem Trägermaterial zugegeben werden.
Es wird keine besondere Begrenzung für das anzuwendende Kristallwachstumsgerät vorgegeben, solange das Schmelzflussverfahren mit Hilfe des Geräts ausgeführt werden kann. Zum Beispiel kann ein Kristallwachstumsgerät, das in jeder der offengelegten japanischen Patentanmeldungen (Kokai) Nummern H11-060394 , 2001-058900 , 2001-064097 , 2004-292286 und 2004-300024 beschrieben wurde, angewendet werden. Wenn das Kristallwachstum durch das Schmelzflussverfahren ausgeführt wird, kann die Temperatur einer Reaktionskammer eines anzuwendenden Kristallwachstumsgeräts bevorzugt angehoben oder erniedrigt werden, wie gewünscht auf etwa 1000°C. Der Druck der Reaktionskammer kann bevorzugt abgesenkt oder angehoben werden wie gewünscht auf etwa 1,0 × 10⁷ Pa. Der elektrische Ofen, der Reaktionsbehälter, der Rohmaterialgastank, die Leitungen etc. eines anzuwendenden Kristallwachstumsgeräts werden bevorzugt aus zum Beispiel einem rostfreien Stahlmaterial (SUS), einem Aluminiumoxidmaterial oder Kupfer gebildet.
In dem Gruppe III Nitridverbindungshalbleiter, welcher durch die zuvor genannte Zusammensetzungsformel dargestellt wird und der den Zielhalbleiterkristall aufbaut, kann zumindest ein Anteil des zuvor genannten Gruppe III Elements (Al, Ga oder In) durch zum Beispiel Bor (B) oder Thallium (TI) substituiert werden. Oder zumindest ein Anteil des Stickstoffs (N) kann durch zum Beispiel Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) oder Wismut (Bi) substituiert werden.
Weg(e) zur Ausführung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform (nicht erfindungsgemäß)
1. Herstellung des Grundträgermaterials
Als nächstes wird unter Bezug auf 1 ein Vorgang zur Herstellung eines Grundträgermaterials (Templat 10) beschrieben, welches in dem Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens angewendet wird.

(1) Als erstes wird ein Schutzfilm 15 auf der Rückseite eines Silicium-Trägermaterials 11 (Schmelzflusslösliches Material) gebildet. Der Schutzfilm 15 kann durch Bereitstellen einer AIN-Schicht auf dem Trägermaterial durch MOVPE oder eine ähnliche Technik gebildet werden. Alternativ kann der Schutzfilm 15 aus einem geeigneten Metall wie Tantal (Ta) mit Hilfe eines Sputtergeräts oder eines Vakuumabscheidungsgeräts gebildet werden.
(2) Nachfolgend wird durch Kristallwachstum durch MOVPE eine AlGaN Pufferschicht 12 (Dicke: etwa 4 μm) auf dem Silicium-Trägermaterial 11 (Dicke: etwa 400 μm) gebildet, und eine GaN Schicht 13 wird auf der Pufferschicht 12 gebildet. Die GaN Schicht 13 könnte in einem Schmelzfluss zu einem gewissen Grad zu dem Zeitpunkt gelöst werden, wenn das Wachstum des Zielhalbleiterkristalls durch das Schmelzflussverfahren initiiert wurde. Folglich wird die GaN Schicht 13 so gebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die nicht vollständig in dem Schmelzfluss gelöst wird, bis das Kristallwachstum initiiert wurde.

Das Templat 10 (Grundträgermaterial) kann durch die zuvor beschriebenen Schritte (1) und (2) hergestellt werden.
2. Konfiguration des Kristallwachstumsgeräts
2 zeigt die Konfiguration eines Kristallwachstumsgeräts, das in der ersten Ausführungsform angewendet wird. Das Kristallwachstumsgerät schließt einen Rohmaterialgastank 21 zum Zuführen von Stickstoffgas, einen Druckregulator 22 zu Regulieren des Drucks einer Kristallwachstumsatmosphäre; ein Leckageventil 23 und einen elektrischen Ofen 25 zum Durchführen des Kristallwachstums ein. Der elektrische Ofen 25, die Leitungen zum Verbinden des Rohmaterialgastanks 21 mit dem elektrischen Ofen 25 etc. werden zum Beispiel aus einem rostfreien Stahlmaterial (SUS), einem Aluminiumoxidmaterial oder Kupfer gebildet.
Der elektrische Ofen 25 schließt einen rostfreien Stahlbehälter 24 (Reaktionskammer) darin ein, und der rostfreie Stahlbehälter 24 schließt einen Tiegel 26 (Reaktionsbehälter) darin ein. Der Tiegel 26 kann zum Beispiel aus Bornitrid (BN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebildet werden.
Die Temperatur des Inneren des elektrischen Ofens 25 kann wie gewünscht angehoben oder erniedrigt werden, solange die Temperatur 1000°C nicht übersteigt. Der Druck für das Kristallwachstum im Inneren des rostfreien Stahlbehälters 24 kann wie gewünscht angehoben oder abgesenkt werden mit Hilfe des Druckregulators 22, solange der Druck 1,0 × 10⁷ Pa nicht übersteigt.
3. Kristallwachstumsschritt
Als nächstes wird unter Bezug auf die 3A bis 3C der Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens beschrieben, welcher das in 2 gezeigte Kristallwachstumsgerät anwendet.

(1) Als erstes wird Na (Alkalimetall), welches als Schmelzfluss dient, und Ga (Gruppe III Element) in dem Reaktionsbehälter (Tiegel 26) platziert und dann der Reaktionsbehälter (Tiegel 26) in der Reaktionskammer (rostfreier Stahlbehälter 24) des Kristallwachstumsgeräts platziert, gefolgt von Evakuieren des in der Reaktionskammer enthaltenen Gases. Wenn notwendig, kann jedes des zuvor genannten Additive (zum Beispiel ein Erdalkalimetall) vorher in den Tiegel zugegeben werden. Das Einsetzen des Trägermaterials oder des Rohmaterials in die Reaktionsbehälter wird in einer Handschuhbox ausgeführt, die mit einem Inertgas (zum Beispiel Ar-Gas) gefüllt ist, da, wenn ein solcher Vorgang in Luft durchgeführt wird, Na sofort oxidiert.
(2) Nachfolgend wird, während die Temperatur des Tiegels angehoben wird, so dass sie in den Bereich von 850°C bis 880°C fällt, Stickstoffgas (N₂) in die Reaktionskammer des Kristallwachstumsgeräts zugeführt und der Gasdruck in der Reaktionskammer bei etwa 3 × 10⁵ Pa bis etwa 5 × 10⁵ Pa aufrecht erhalten. In diesem Fall wird der Schutzfilm 15 des zuvor hergestellten Templats 10 in eine Ga-Na-Schmelze eingetaucht, welche durch den vorstehenden Temperaturanstieg gebildet wurde. Die Kristallwachstumsoberfläche des Templats 10 (das heißt die freiliegende Oberfläche der GaN Schicht 13) ist in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Schmelzfluss und dem Stickstoffgas lokalisiert.

Unter den zuvor beschriebenen Bedingungen befinden sich die Atome, welche das Material für einen Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter aufbauen, kontinuierlich in einem übersättigten Zustand in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Ga-Na-Schmelze und dem Stickstoffgas. Folglich kann ein Zielhalbleiterkristall (GaN Einkristall 20 vom n-Typ) erfolgreich auf der Kristallwachstumsfläche des Templats 10 (3A) aufgewachsen werden. Der Grund, warum der Halbleiterkristall vom n-Typ (GaN Einkristall 20 vom n-Typ) erhalten wird, ist, dass Si, welches das Silicium-Trägermaterial 11 aufbaut, das in dem Schmelzfluss gelöst wird, als ein Additiv vom n-Typ zu dem Kristall während seines Wachstums zugegeben wird (3B).
Der Schutzfilm 15 kann so gebildet werden, dass er eine große Dicke aufweist, so dass das Silicium-Trägermaterial 11 nicht in dem Schmelzfluss während des Kristallwachstumsschritts gelöst wird. In diesem Fall kann ein Halbleiterkristall, welcher nicht mit Silicium (Si) dotiert ist, aufgewachsen werden.
4. Auflösung des Kristallwachstumsträgermaterials
Nachdem der GaN Einkristall 20 vom n-Typ durch den zuvor genannten Kristallwachstumsschritt aufgewachsen wurde, so dass er eine ausreichende Dicke aufweist (zum Beispiel etwa 500 μm oder mehr), wird die Temperatur des Tiegels kontinuierlich bei 850°C oder höher und 880°C oder niedriger aufrecht erhalten, bis der Schutzfilm 15 und das Silicium-Trägermaterial 11 vollständig in dem Schmelzfluss gelöst sind (3B und 3C). Danach wird, während der Druck des Stickstoffgases (N₂) bei etwa 3 × 10⁵ Pa bis etwa 5 × 10⁶ Pa aufrecht erhalten wird, die Temperatur der Reaktionskammer auf 100°C oder weniger erniedrigt.
Der Schritt des Lösens des Silicium-Trägermaterials 11 in dem Schmelzfluss und der vorstehende Schritt der Temperaturerniedrigung können in etwa parallel ausgeführt werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann zumindest ein Abschnitt des Schutzfilms 15 oder des Silicium-Trägermaterials 11 in dem Schmelzfluss während des Wachstums des GaN Einkristalls 20 gelöst werden. Der Modus des parallelen/simultanen Fortschreitens dieser Schritte kann geeignet durch Variieren von zum Beispiel der Form des Schutzfilms 15 reguliert werden.
5. Entfernung des Schmelzflusses
Nachfolgend wird der zuvor aufgewachsene GaN Einkristall 20 vom n-Typ (Zielhalbleiterkristall) aus der Reaktionskammer des Kristallwachstumsgeräts entfernt und der Einkristall auf 30°C oder weniger abgekühlt. Danach wird, während die Temperatur eine Atmosphäre, welche den GaN Einkristall 20 vom n-Typ umgibt, bei 30°C oder weniger aufrecht erhalten wird, der Schmelzfluss (Na), welcher auf dem Umfang des Einkristalls abgeschieden wurde, unter Verwendung von Ethanol entfernt.
Wenn die zuvor beschriebenen Schritte sequenziell ausgeführt werden, kann durch das Schmelzflussverfahren zu niedrigen Kosten ein hochqualitativer Halbleitereinkristall (GaN Einkristall 20 vom n-Typ) hergestellt werden, welcher eine Dicke von 400 μm oder mehr aufweist und bemerkenswert verringerte Risse hat verglichen mit dem Fall eines herkömmlichen Halbleitereinkristalls.
Andere Modifikationen
Erste Modifikation
In der zuvor genannten ersten Ausführungsform wird das Grundträgermaterial (Impfkristall) durch Bilden des Schutzfilms 15 auf der Rückseite des Templats 10 hergestellt. Der Schutzfilm wird jedoch nicht notwendiger Weise auf der Rückseite des Grundträgermaterials gebildet. Zum Beispiel kann ohne Bildung eines Schutzfilms auf der Rückseite eines Templats, wie vorstehend beschrieben wurde, die Dicke eines im Schmelzfluss löslichen Materials (Si-Trägermaterial 11) auf einem solchen Niveau reguliert werden, dass das im Schmelzfluss lösliche Material vollständig in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst wird, zu dem ein Zielhalbleiterkristall aufgewachsen wurde, so dass er eine vorbestimmte Dicke in Übereinstimmung mit der Rate des Ätzens des im Schmelzfluss löslichen Materials unter vorbestimmten Kristallwachstumsbedingungen aufweist.
In der Modifikation kann ein Schritt des Lösens des im Schmelzfluss löslichen Materials in dem Schmelzfluss unterlassen werden, welches in Bezug auf die Produktivität vorteilhaft ist. In der zuvor genannten ersten Ausführungsform wird während des Schritts des Lösens des im Schmelzfluss löslichen Materials, welches das Grundträgermaterial aufbaut in dem Schmelzfluss, ein aufgewachsener Zielhalbleiterkristall gelöst und geht zu einem gewissen Grad in dem Schmelzfluss verloren. Wenn jedoch die zuvor genannte Modifikation ausgeführt wird, wird das im Schmelzfluss lösliche Material (Si-Trägermaterial 11) während des Kristallwachstumsschritts geätzt, und folglich muss ein Schritt zum Lösen des im Schmelzfluss löslichen Materials in dem Schmelzfluss nicht notwendigerweise bereitgestellt werden. Folglich kann mit der zuvor genannten Modifikation der Verlust eines aufgewachsenen Halbleiterkristalls minimiert werden.
Wenn die Dicke des Schutzfilms geeignet reguliert wird, kann die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen Materials (Si-Trägermaterial 11) in den Schmelzfluss für eine Weile nach der Initiierung des Kristallwachstums verhindert werden. Folglich kann eine undotierte Halbleiterschicht direkt auf dem Templat 10 und eine mit Silicium (Si) dotierte Halbleiterschicht vom n-Typ auf der undotierten Halbleiterschicht gebildet werden.
Zweite Modifikation
In der zuvor genannten ersten Ausführungsform wird das Grundträgermaterial (Impfkristall) durch gleichmäßiges Bilden des Schutzfilms 15 auf der Rückseite des Templats 10 hergestellt. Der Schutzfilm kann jedoch einem Ätzen unter Verwendung eines geeigneten Ätzmusters unterzogen werden, so dass ein Anteil der Rückseite des im Schmelzfluss löslichen Materials durch durch das Ätzen gebildete Öffnungen freiliegt. In diesem Fall kommt vom Beginn des Kristallwachstums der auf diese Weise freiliegende Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen Materials in Kontakt mit dem Schmelzfluss und wird in dem Schmelzfluss gelöst. Folglich kann in der Modifikation zum Beispiel die Zeit, die zum Lösen des im Schmelzfluss löslichen Materials benötigt wird, welches das Grundträgermaterial aufbaut, oder die Auflösungsrate des im Schmelzfluss löslichen Materials optimiert werden. Die Auflösungsrate des im Schmelzfluss löslichen Materials etc. kann durch Regulieren von zum Beispiel der Größe der Öffnungen, die in dem Schutzfilm gebildet wurden, durch welche ein Abschnitt der Rückseite des im Schmelzfluss löslichen Materials freiliegt, oder die Anordnungsdichte der Öffnungen optimiert werden.
Wenn das im Schmelzfluss lösliche Material gemäß einer nichterfindungsgemäßen Ausführungsform aus Silicium bestehen würde und die zuvor genannten Öffnungen gebildet werden, kann das im Schmelzfluss lösliche Material als ein Dotierungsmaterial vom n-Typ vom frühen Zustand des Kristallwachstums an angewendet werden. Folglich kann vom Beginn des Kristallwachstums ein Halbleiterkristall vom n-Typ mit einer geeigneten Trägerkonzentration als ein Zielhalbleiterkristall gebildet werden. Die Trägerkonzentration des Halbleiterkristalls kann durch Regulieren von zum Beispiel der Auflösungsrate des im Schmelzfluss löslichen Materials optimiert werden. Die zuvor genannten Öffnungen des Schutzfilms auf der Rückseite des im Schmelzfluss löslichen Materials können durch eine allgemein gut bekannte Ätztechnik einschließlich von zum Beispiel einem Photolithographie- und einem Trockenätz-Schritt gebildet werden.
Zweite Ausführungsform (erfindungsgemäß)
1. Herstellung des Trägermaterials
Als nächstes wird unter Bezug auf 4 ein Vorgang zur Herstellung eines Trägermaterials beschrieben, welches als Impfkristall in dem Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens angewendet wird.

(1) Zuerst wird mit Hilfe eines MOCVD-Geräts eine AIN Pufferschicht 52 (Dicke: 35 nm) auf einem Saphir-Trägermaterial 51 und eine GaN Schicht 53 (Dicke: 200 μm) auf der AIN Pufferschicht 52 gebildet. Die GaN Schicht 53 kann durch HVPE gebildet werden. Nach dem Abschluss des Wachstums der GaN Schicht 53 wird das Saphir-Trägermaterial 51 von der GaN Schicht 53 durch eine Laserabtragstechnik entfernt, um dadurch ein GaN Trägermaterial 50 zu erhalten, das aus der GaN Schicht 53 gebildet wurde. Das GaN Trägermaterial 50 weist eine Versetzungsdichte von 5 × 10⁷ cm^–2 auf.

2. Konfiguration des Kristallwachstumsgeräts
Das Kristallwachstumsgerät, das in der zweiten Ausführungsform angewendet wird, weist die gleiche Konfiguration wie das Gerät auf, das in der ersten Ausführungsform angewendet wird (siehe 2).
3. Kristallwachstumsschritt
Als nächstes wird unter Bezug auf 5A bis 5C der Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens beschrieben, welches das in 2 gezeigten Kristallwachstumsgerät anwendet.

(1) Als erstes wird Na (Alkalimetall), welches als Schmelzfluss dient, und Ga (Gruppe III Element) in dem Reaktionsbehälter 26 (Tiegel) platziert und dann das zuvor hergestellte GaN Trägermaterial 50 in dem Reaktionsbehälter 26 platziert. In diesem Fall wird das GaN Trägermaterial 50 in dem Reaktionsbehälter 26 so platziert, dass die Kristallwachstumsoberfläche des Trägermaterials eine Ga-Oberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche davon eine N-Oberfläche annimmt. Der Reaktionsbehälter 26 wird in der Reaktionskammer (rostfreier Stahlbehälter 24) des Kristallwachstumsgeräts platziert, gefolgt von Evakuieren des in der Reaktionskammer 24 enthaltenen Gases. Wenn notwendig, kann jede der zuvor genannten Additive (zum Beispiel ein Erdalkalimetall) vorher in den Reaktionsbehälter 26 zugegeben werden. Das Einsetzen des Trägermaterials oder des Rohmaterials in den Reaktionsbehälter wird in einer Handschuhbox ausgeführt, welche mit einem Inertgas (zum Beispiel Ar-Gas) gefüllt ist, da, wenn ein solcher Vorgang in Luft durchgeführt wird, Na sofort oxidiert.
(2) Nachfolgend wird, während die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 auf 850°C oder höher und 880°C oder weniger angehoben wird, Stickstoffgas (N₂) in die Reaktionskammer 24 des Kristallwachstumsgerätes zugeführt und der Gasdruck in der Reaktionskammer 24 bei etwa 3 × 10⁶ Pa bis etwa 5 × 10⁶ Pa aufrecht erhalten. In diesem Fall kann das GaN Trägermaterial 50 auf einem maschenförmigen Suszeptor platziert werden, so dass das Niveau des GaN Trägermaterials 50 reguliert werden kann (speziell kann die Rückseite des GaN Trägermaterials 50 in die Ga-Na-Schmelze eingetaucht werden, welche durch den vorstehenden Temperaturanstieg gebildet wurde, und die Kristallwachstumsoberfläche 54 des GaN Trägermaterials 50 kann in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Schmelzfluss und dem Stickstoffgas lokalisiert werden), und so, dass die Gesamtheit des GaN Trägermaterials 50 in Kontakt mit der Schmelzflusslösung kommen kann. Alternativ kann das GaN Trägermaterial 50 auf den Innenboden des Tiegels platziert werden. Die Reaktionskammer 24 kann während des Kristallwachstums geschwungen oder rotiert werden, so dass das GaN Trägermaterial 50 und die Schmelzflusslösung miteinander sorgfältig und gleichmäßig in Kontakt kommen.

Unter den zuvor beschriebenen Bedingungen befinden sich die Atome, die das Material für einen Gruppe III Nitridverbindungshalbleiter aufbauen, kontinuierlich in einem übersättigten Zustand in dem Schmelzfluss. Folglich kann ein GaN Zielhalbleiterkristall 60 erfolgreich auf der Kristallwachstumsoberfläche des Trägermaterials 50 aufgewachsen werden (5A).
4. Auflösung des Kristallwachstumsträgermaterials
Während des zuvor beschriebenen Kristallwachstumsschritts wird das GaN Trägermaterial 50 in der Ga-Na-Schmelze von der Rückseite 55 her gelöst. Das GaN Trägermaterial 50 weist eine Versetzungsdichte von 5 × 10⁷ cm^–2 und der aufgewachsene GaN Einkristall 60 eine Versetzungsdichte von 1 × 10³ cm^–2 auf. Folglich wird das GaN Trägermaterial 50 mit höherer Versetzungsdichte in der Schmelzflusslösung mit einer höheren Rate gelöst, verglichen mit dem aufgewachsenen GaN Einkristall 60. Als Ergebnis ist die Löslichkeit von Stickstoff in der Schmelzflusslösung gesteigert und die Kristallwachstumsrate wird angehoben. Durch Auflösung des Trägermaterials wird Ga in dem Schmelzfluss gelöst, und folglich kann Ga, das für das Kristallwachstum auf der Trägermaterialoberfläche verbraucht wurde, kompensiert werden. Folglich kann ein Anstieg des Na-Ga-Verhältnisses in dem Schmelzfluss und eine Migration von Na und Additiven in den Kristall verhindert und ein homogener Halbleiterkristall erhalten werden (5B).
Bevorzugt werden die Temperatur der Schmelzflusslösung, die Dicke des GaN Trägermaterials 50, usw. so reguliert, dass die Auflösung der Gesamtheit des GaN Trägermaterials in dem Schmelzfluss gleichzeitig mit dem Abschluss des Wachstums des GaN Einkristalls 60 abgeschlossen ist. Wenn das GaN Trägermaterial 50 nicht vollständig in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt des Abschlusses des Wachstums des GaN Einkristalls 60 gelöst wird, wird nach dem Kristallwachstum die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 kontinuierlich bei 850°C oder höher und 880°C oder niedriger aufrecht erhalten, bis das GaN Trägermaterial 50 vollständig in dem Schmelzfluss gelöst ist. Durch diesen Vorgang wird die Gesamtheit des GaN Trägermaterials 50 gelöst, und nur der GaN Einkristall 60 mit niedriger Versetzungsdichte wird hergestellt (5C). Danach wird, während der Druck des Stickstoffgases (N₂) bei etwa 3 × 10⁶ Pa bis etwa 5 × 10⁶ Pa aufrechterhalten wird, die Temperatur der Reaktionskammer auf 100°C oder niedriger verringert.
Der Schritt des Lösens des GaN Trägermaterials 50 in dem Schmelzfluss und der vorstehende Schritt der Temperaturerniedrigung können ungefähr parallel ausgeführt werden.
5. Entfernung des Schmelzflusses
Nachfolgend wird der GaN Einkristall 60 (Zielhalbleiterkristall) aus der Reaktionskammer 24 des Kristallwachstumsgeräts entfernt und der Einkristall auf 30°C oder niedriger gekühlt. Danach wird, während die Temperatur einer Atmosphäre, die den GaN Einkristall 60 umgibt, bei 30°C oder niedriger aufrecht erhalten wird, der Schmelzfluss (Na), der auf dem Umfang des Einkristalls abgeschieden wurde, unter Verwendung von Ethanol entfernt.
Wenn die zuvor beschriebenen Schritte sequenziell ausgeführt werden, kann durch das Schmelzflussverfahren ein homogener, hochqualitativer GaN Einkristall 60 hergestellt werden, welcher eine Dicke von 400 μm oder mehr und ein stöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis aufweist, und welcher bemerkenswert verringerte Risse verglichen mit dem Fall eines herkömmlichen Halbleitereinkristalls aufweist.
Andere Modifikationen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform begrenzt, und die nachstehenden exemplarisch dargestellten Modifikationen können gemacht werden. Effekte der vorliegenden Erfindung können ebenso durch solche Modifikationen oder Anwendungen gemäß den Vorgängen der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Dritte Modifikation
Wie in 6 gezeigt wird, kann ein Schutzfilm 56 auf der Rückseite 55 des Trägermaterials 50 gebildet werden. Der Schutzfilm 56 kann durch Bereitstellen einer AIN-Schicht auf dem Trägermaterial durch MOVPE oder eine ähnliche Technik gebildet werden. Alternativ kann der Schutzfilm 56 aus einem geeigneten Material wie Tantal (Ta) mit Hilfe eines Sputtergeräts gebildet werden.
Der Zeitpunkt, zu welchem das Trägermaterial 50 in dem Schmelzfluss von seiner Rückseite her gelöst wird, kann durch Variieren der Dicke des Schutzfilms 56 reguliert werden. Der Schutzfilm 56 kann so gebildet werden, dass er eine große Dicke aufweist, so dass das Trägermaterial 50 nicht in dem Schmelzfluss während des Kristallwachstumsschritts gelöst wird.
Wenn das Trägermaterial 50 in dem Schmelzfluss selbst nach Abschluss des Wachstums des Halbleiterkristalls 60 gelöst wird, kann die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 kontinuierlich bei 850°C oder höher und 880°C oder niedriger so aufrecht erhalten werden, dass der Schutzfilm 56 und das Trägermaterial 50 vollständig in dem Schmelzfluss gelöst werden.
In dem Fall, in dem der Schutzfilm 56 nicht angewendet wird, wird die Dicke des Trägermaterials 50 so reguliert, dass die Auflösung der Gesamtheit des Trägermaterials 50 in dem Schmelzfluss gleichzeitig mit dem Abschluss des Wachstums des Einkristalls 60 abgeschlossen ist. Im Gegensatz kann in dem Fall, in dem der Schutzfilm 56 angewendet wird, der Zeitpunkt, zu welchem das Trägermaterial 50 vollständig gelöst wird, durch Variieren der Dicke des Trägermaterials 50 oder zu einem solchen Zeitpunkt durch Variieren nur der Dicke des Schutzfilms 56 reguliert werden, während die Dicke des Trägermaterials 50 konstant aufrecht erhalten wird.
In der Modifikation kann ein Schritt des Lösens des Trägermaterials in dem Schmelzfluss unterlassen werden, welches in Bezug auf die Produktivität vorteilhaft ist.
In der zuvor genannten zweiten Ausführungsform wird während des Schritts des Lösens des Substrats 50 in dem Schmelzfluss ein aufgewachsener Zielhalbleiterkristall gelöst und geht in dem Schmelzfluss zu einem gewissen Grad verloren. Wenn jedoch die zuvor genannte Modifikation ausgeführt wird, wird das Trägermaterial 50 während des Kristallwachstumsschritts geätzt, und folglich muss ein Schritt des Lösens des Trägermaterials 50 in dem Schmelzfluss nicht notwendiger Weise nach dem Kristallwachstum bereitgestellt werden. Folglich kann mit der zuvor genannten Modifikation der Verlust eines aufgewachsenen Halbleiterkristalls minimiert werden.
Wenn die Dicke des Schutzfilms geeignet reguliert wird, kann die Auflösung des Trägermaterials 50 in dem Schmelzfluss für eine Weile nach der Initiation des Kristallwachstums verhindert werden.
Vierte Modifikation
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der Schutzfilm 56 gleichmäßig auf der Rückseite des Trägermaterials 50 gebildet werden. Alternativ kann der Schutzfilm 56 einem Ätzen durch die Verwendung eines geeigneten Ätzmusters unterzogen werden, so dass ein Abschnitt der Rückseite des Trägermaterials 50 durch durch das Ätzen gebildete Öffnungen freiliegt. In diesem Fall kommt vom Beginn des Kristallwachstums an der auf diese Weise freiliegende Abschnitt des Trägermaterials 50 in Kontakt mit dem Schmelzfluss und wird in dem Schmelzfluss gelöst. Folglich kann in der Modifikation zum Beispiel die Zeit, welche für die Auflösung des Trägermaterials 50 benötigt wird, oder seine Auflösungsrate optimiert werden. Die Auflösungsrate des Trägermaterials 50 und so weiter kann durch Regulieren von zum Beispiel der Größe der in dem Schutzfilm 56 gebildeten Öffnungen, durch welche ein Anteil der Rückseite 55 des Trägermaterials 50 freiliegt, oder die Anordnungsdichte der Öffnungen reguliert werden. Die Öffnungen des Schutzfilms 56 auf der Rückseite 55 des Trägermaterials 50 können durch eine allgemein gut bekannte Technik einschließlich von zum Beispiel einem Photolithographie- und einem Trockenätz-Schritt gebildet werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall nützlich. Beispiele einer solchen Halbleitervorrichtung schließen Licht emittierende Vorrichtungen (zum Beispiel LED's und LD's), Licht empfangende Vorrichtungen und andere allgemeine Halbleitervorrichtungen (zum Beispiel FET's) ein.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls zur Verfügung, wobei der Halbleiterkristall durch das Schmelzflussverfahren unter Anwendung eines Schmelzflusses aufgewachsen wird. Zumindest ein Abschnitt des Trägermaterials, auf welchem der Halbleiterkristall aufzuwachsen ist, wird aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet. Während der Halbleiterkristall auf eine Oberfläche des Trägermaterials aufgewachsen wird, wird das im Schmelzfluss lösliche Material in den Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials gelöst, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wird. Alternativ wird nachdem der Halbleiterkristall auf der Oberfläche des Trägermaterials aufgewachsen wurde, das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial wird aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer höheren Versetzungsdichte als der des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls gebildet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) durch das Schmelzflussverfahren, welches einen Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials umfasst, welches zumindest teilweise aus einem Material gebildet wird, welches in dem Schmelzfluss gelöst werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wird, während der Halbleiterkristall aufgewachsen wird, und das im Schmelzfluss lösliche Material aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiters gebildet wird, und das im Schmelzfluss lösliche Material eine Kristallversetzungsdichte von 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr und 1 × 10¹⁰ cm^–2 oder weniger aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) durch das Schmelzflussverfahren, welches einen Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials umfasst, welches zumindest teilweise aus einem Material gebildet wird, das in dem Schmelzfluss gelöst werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzfluss löslichen Materials in dem Schmelzfluss von einer Seite des Trägermaterials her aufgelöst wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf welchem der Halbleiterkristall aufgewachsen wird, nachdem der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde, und das im Schmelzfluss lösliche Material aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter umfassend Al_1-x-yGa_yIn_xN (0 x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiters gebildet wird, und das im Schmelzfluss lösliche Material eine Kristallversetzungsdichte von 1 × 10⁶ cm^–2 oder mehr und 1 × 10¹⁰ cm^–2 oder weniger aufweist, wobei ein Schutzfilm auf einer freiliegenden Oberfläche des im Schmelzfluss löslichen Materials so gebildet ist, dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms den Zeitpunkt steuern, zu dem das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss gelöst wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss löslichen Material gebildet wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls aufgelöst wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls aufgelöst wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls aufgelöst wird.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen Materials ein Dotierungsmaterial enthält, welches die Trägerkonzentration des Halbleiterkristalls steuert.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen Materials ein Dotierungsmaterial enthält, welches die Trägerkonzentration des Halbleiterkristalls steuert.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schutzfilm auf einer freiliegenden Oberfläche des im Schmelzfluss löslichen Materials so gebildet ist, dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms den Zeitpunkt, zu dem das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss gelöst wird, oder die Auflösungsrate des im Schmelzfluss löslichen Materials steuern.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der aufzuwachsende Halbleiterkristall GaN ist.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei der aufzuwachsende Halbleiterkristall GaN ist.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material, welches das Trägermaterial aufbaut, GaN ist.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material, welches das Trägermaterial aufbaut, GaN ist.
Das Halbleiterkristall-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das im Schmelzfluss lösliche Material, welches das Trägermaterial aufbaut, aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer höheren Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls gebildet wird, und die Dicke des im Schmelzfluss löslichen Materials auf eine solche Dicke reguliert wird, dass die Gesamtheit des im Schmelzfluss löslichen Materials in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt des Abschlusses des Wachstums des Halbleiterkristalls aufgelöst wird.