JP2003218043A - GaN系化合物半導体結晶の製造方法 - Google Patents
GaN系化合物半導体結晶の製造方法Info
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- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
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- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 GaN系化合物半導体結晶の成長工程におい
て、成長されたGaN系化合物半導体結晶に割れが生じ
るのを有効に防止するGaN系化合物半導体結晶の成長
方法を提供する。 【解決手段】1または2種類以上の希土類元素を含む希
土類13(3B)族ペロブスカイト結晶を基板としてそ
の表面にGaN系化合物半導体結晶を成長させる方法に
おいて、前記基板の厚さを250μm以下として、熱膨
張率の差によりGaN厚膜結晶が基板から受ける応力が
小さくなるようにした。
て、成長されたGaN系化合物半導体結晶に割れが生じ
るのを有効に防止するGaN系化合物半導体結晶の成長
方法を提供する。 【解決手段】1または2種類以上の希土類元素を含む希
土類13(3B)族ペロブスカイト結晶を基板としてそ
の表面にGaN系化合物半導体結晶を成長させる方法に
おいて、前記基板の厚さを250μm以下として、熱膨
張率の差によりGaN厚膜結晶が基板から受ける応力が
小さくなるようにした。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
に用いられるGaN系化合物半導体結晶の製造方法に関
し、GaN系化合物半導体結晶の成長工程において割れ
が発生するのを有効に防止する技術に関する。
に用いられるGaN系化合物半導体結晶の製造方法に関
し、GaN系化合物半導体結晶の成長工程において割れ
が発生するのを有効に防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN、InGaN、AlGaN、In
GaAlN等のGaN系化合物半導体(InxGayA
l1−x−yN 但し0≦x,y;x+y≦1)は、発
光デバイスやパワーデバイスなどの半導体デバイスの材
料として期待され、またその他種々の分野で応用可能な
材料として注目されている。
GaAlN等のGaN系化合物半導体(InxGayA
l1−x−yN 但し0≦x,y;x+y≦1)は、発
光デバイスやパワーデバイスなどの半導体デバイスの材
料として期待され、またその他種々の分野で応用可能な
材料として注目されている。
【0003】従来、GaN系化合物半導体のバルク結晶
を成長させるのは困難であったため、上記電子デバイス
には、例えばサファイア等の異種結晶上へのヘテロエピ
タキシーによってGaN等の薄膜単結晶を形成した基板
が用いられていた。ところが、サファイア結晶とGaN
系化合物半導体結晶とは格子不整合性が大きいので、サ
ファイア結晶上に成長させたGaN系化合物半導体結晶
の転位密度が大きくなり結晶欠陥が発生してしまうとい
う問題があった。さらに、サファイアは熱伝導率が小さ
く放熱しにくいので、サファイア結晶上にGaN系化合
物半導体結晶を成長させた基板を消費電力の大きい電子
デバイス等に用いると高温になりやすいという問題があ
った。
を成長させるのは困難であったため、上記電子デバイス
には、例えばサファイア等の異種結晶上へのヘテロエピ
タキシーによってGaN等の薄膜単結晶を形成した基板
が用いられていた。ところが、サファイア結晶とGaN
系化合物半導体結晶とは格子不整合性が大きいので、サ
ファイア結晶上に成長させたGaN系化合物半導体結晶
の転位密度が大きくなり結晶欠陥が発生してしまうとい
う問題があった。さらに、サファイアは熱伝導率が小さ
く放熱しにくいので、サファイア結晶上にGaN系化合
物半導体結晶を成長させた基板を消費電力の大きい電子
デバイス等に用いると高温になりやすいという問題があ
った。
【0004】そこで、熱伝導率が大きくGaN系化合物
半導体結晶と格子整合する基板の必要性が一層高まり、
ハイドライド気相成長法(以下、HVPEと略する)を
利用したELO(Epitaxial lateral overgrowth)法等
の研究が急速に進められた。ここでELO法とは、例え
ばサファイア基板上にマスクとなる絶縁膜を形成し、該
絶縁膜の一部に開口部を設けて絶縁膜をマスクとし、露
出しているサファイア基板面をエピタキシャル成長の種
として結晶性の高いGaN系化合物半導体結晶を成長さ
せる方法である。この方法によれば、マスクに設けられ
た開口部内側のサファイア基板表面からGaN系化合物
半導体結晶の成長が始まりマスク上に成長層が広がって
いくので、結晶中の転位密度を小さく抑えることがで
き、結晶欠陥の少ないGaN系化合物半導体結晶を得る
ことができる。
半導体結晶と格子整合する基板の必要性が一層高まり、
ハイドライド気相成長法(以下、HVPEと略する)を
利用したELO(Epitaxial lateral overgrowth)法等
の研究が急速に進められた。ここでELO法とは、例え
ばサファイア基板上にマスクとなる絶縁膜を形成し、該
絶縁膜の一部に開口部を設けて絶縁膜をマスクとし、露
出しているサファイア基板面をエピタキシャル成長の種
として結晶性の高いGaN系化合物半導体結晶を成長さ
せる方法である。この方法によれば、マスクに設けられ
た開口部内側のサファイア基板表面からGaN系化合物
半導体結晶の成長が始まりマスク上に成長層が広がって
いくので、結晶中の転位密度を小さく抑えることがで
き、結晶欠陥の少ないGaN系化合物半導体結晶を得る
ことができる。
【0005】しかし、ELO法により得られたGaN系
化合物半導体結晶は熱歪みが大きいため、ウェハ製造工
程のポリッシングによりサファイア基板を除去して単体
のGaN系化合物半導体結晶ウェハを得ようとすると、
GaN系化合物半導体結晶ウェハが歪んでしまうという
問題があった。そこで本発明者等は、異種結晶基板の材
料の一つとして希土類13(3B)族ペロブスカイト結
晶を用い、且つその{011}面または{101}面を
成長面としてGaN系化合物半導体をヘテロエピタキシ
ーによって成長させる方法を提案した(WO95/27
815号)。なお、ここでいう{011}面または{1
01}面とは、それぞれ(011)面、(101)面と
等価な面の組を表す。
化合物半導体結晶は熱歪みが大きいため、ウェハ製造工
程のポリッシングによりサファイア基板を除去して単体
のGaN系化合物半導体結晶ウェハを得ようとすると、
GaN系化合物半導体結晶ウェハが歪んでしまうという
問題があった。そこで本発明者等は、異種結晶基板の材
料の一つとして希土類13(3B)族ペロブスカイト結
晶を用い、且つその{011}面または{101}面を
成長面としてGaN系化合物半導体をヘテロエピタキシ
ーによって成長させる方法を提案した(WO95/27
815号)。なお、ここでいう{011}面または{1
01}面とは、それぞれ(011)面、(101)面と
等価な面の組を表す。
【0006】前記先願の成長技術によれば、例えば希土
類13(3B)族ペロブスカイトの一つであるNdGa
O3を基板として、その{011}面または{101}
面にGaNを成長させた場合、格子不整合を1.2%程
度とすることができる。この格子不整合の値はサファイ
アやその代替品として用いられるSiCを基板とした場
合の格子不整合の値に比較して極めて小さい。したがっ
て、結晶中の転位密度が低くなるので結晶欠陥の少ない
GaN系化合物半導体結晶を成長させることができる。
類13(3B)族ペロブスカイトの一つであるNdGa
O3を基板として、その{011}面または{101}
面にGaNを成長させた場合、格子不整合を1.2%程
度とすることができる。この格子不整合の値はサファイ
アやその代替品として用いられるSiCを基板とした場
合の格子不整合の値に比較して極めて小さい。したがっ
て、結晶中の転位密度が低くなるので結晶欠陥の少ない
GaN系化合物半導体結晶を成長させることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記先
願の成長方法を利用してNdGaO3基板上にGaN結
晶厚膜を成長させた場合、GaN結晶を成長させた後の
降温過程において、NdGaO3基板とGaN結晶厚膜
との熱膨張差によりGaN結晶中に割れが生じるおそれ
があるという問題があることが明らかになった。本発明
は、GaN系化合物半導体結晶の成長工程においてGa
N結晶厚膜に割れが生じるのを有効に防止することがで
きるGaN系化合物半導体結晶の成長方法を提供するこ
とを目的とする。
願の成長方法を利用してNdGaO3基板上にGaN結
晶厚膜を成長させた場合、GaN結晶を成長させた後の
降温過程において、NdGaO3基板とGaN結晶厚膜
との熱膨張差によりGaN結晶中に割れが生じるおそれ
があるという問題があることが明らかになった。本発明
は、GaN系化合物半導体結晶の成長工程においてGa
N結晶厚膜に割れが生じるのを有効に防止することがで
きるGaN系化合物半導体結晶の成長方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、1または2種類以上の希土類元素を含む
希土類13(3B)族ペロブスカイト結晶を基板として
その表面にGaN系化合物半導体結晶を成長させる方法
において、前記基板の厚さを250μm以下としたもの
である。すなわち、基板の厚さを薄くすることにより、
GaN系化合物半導体結晶の厚膜を成長させた後の降温
過程における基板側の膨張量を小さくして、熱膨張率の
差によりGaN系化合物半導体結晶が基板から受ける応
力が小さくなるようにした。これにより、割れのない高
品質なGaN系化合物半導体結晶を効率的に製造するこ
とができる。例えば、NdGaO3を基板として、その
表面にGaN結晶を成長させる場合、厚さが250μm
以下のNGO基板を用いたときは、GaN結晶厚膜に割
れが生じる確率は50%以下にすることができる。
成するために、1または2種類以上の希土類元素を含む
希土類13(3B)族ペロブスカイト結晶を基板として
その表面にGaN系化合物半導体結晶を成長させる方法
において、前記基板の厚さを250μm以下としたもの
である。すなわち、基板の厚さを薄くすることにより、
GaN系化合物半導体結晶の厚膜を成長させた後の降温
過程における基板側の膨張量を小さくして、熱膨張率の
差によりGaN系化合物半導体結晶が基板から受ける応
力が小さくなるようにした。これにより、割れのない高
品質なGaN系化合物半導体結晶を効率的に製造するこ
とができる。例えば、NdGaO3を基板として、その
表面にGaN結晶を成長させる場合、厚さが250μm
以下のNGO基板を用いたときは、GaN結晶厚膜に割
れが生じる確率は50%以下にすることができる。
【0009】また、基板の厚さを薄くするほど膨張量を
小さくできるので、基板の厚さを薄くした方がGaN結
晶厚膜に応力による割れが生じるのを防止するのに有効
である。例えば、厚さが120μmの基板を用いること
により、GaN厚膜に割れが生じる確率をほぼ0%にす
ることができる。ただし、基板の扱い安さの面から基板
の厚さは100μm以上とするのが望ましく、さらに望
ましくは120μm以上とするのがよい。
小さくできるので、基板の厚さを薄くした方がGaN結
晶厚膜に応力による割れが生じるのを防止するのに有効
である。例えば、厚さが120μmの基板を用いること
により、GaN厚膜に割れが生じる確率をほぼ0%にす
ることができる。ただし、基板の扱い安さの面から基板
の厚さは100μm以上とするのが望ましく、さらに望
ましくは120μm以上とするのがよい。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を、NdGaO3結晶を基板としてGaN化合物半導体
結晶を成長させる場合について説明する。まず、NdG
aO3のインゴットをスライスして結晶成長用の基板と
した。このとき、NdGaO3基板の大きさは2インチ
径で、厚さを120μmとした。次に、鏡面研磨したN
dGaO3基板をアセトン中で5分間超音波洗浄を行
い、続けてメタノールで5分間超音波洗浄を行った。そ
の後、N2ガスでブローして液滴を吹き飛ばしてから自
然乾燥させた。次に、洗浄したNdGaO3基板を硫酸
系エッチャント(燐酸:硫酸=1:3、80℃)で5分
間エッチングした。
を、NdGaO3結晶を基板としてGaN化合物半導体
結晶を成長させる場合について説明する。まず、NdG
aO3のインゴットをスライスして結晶成長用の基板と
した。このとき、NdGaO3基板の大きさは2インチ
径で、厚さを120μmとした。次に、鏡面研磨したN
dGaO3基板をアセトン中で5分間超音波洗浄を行
い、続けてメタノールで5分間超音波洗浄を行った。そ
の後、N2ガスでブローして液滴を吹き飛ばしてから自
然乾燥させた。次に、洗浄したNdGaO3基板を硫酸
系エッチャント(燐酸:硫酸=1:3、80℃)で5分
間エッチングした。
【0011】次に、このNdGaO3基板をハイドライ
ドVPE装置内の所定の部位に配置した後、N2ガスを
導入しながら基板温度を620℃まで昇温し、Gaメタ
ルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガス
とをN2キャリアガスを用いてNdGaO3基板上に供
給し、約100nmのGaN保護層を形成した。NdG
aO3は800℃以上の高温でNH3やH2と反応して
ネオジウム化合物を生成してしまうので、本実施形態で
はキャリアガスとしてN2を用い、成長温度を620℃
の低温で保護層を形成することによりネオジウム化合物
が生成されないようにしている。
ドVPE装置内の所定の部位に配置した後、N2ガスを
導入しながら基板温度を620℃まで昇温し、Gaメタ
ルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガス
とをN2キャリアガスを用いてNdGaO3基板上に供
給し、約100nmのGaN保護層を形成した。NdG
aO3は800℃以上の高温でNH3やH2と反応して
ネオジウム化合物を生成してしまうので、本実施形態で
はキャリアガスとしてN2を用い、成長温度を620℃
の低温で保護層を形成することによりネオジウム化合物
が生成されないようにしている。
【0012】次に、基板温度を1000℃に昇温し、G
aメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH
3ガスとをN2キャリアガスを用いてNdGaO3基板
上に供給した。このとき、GaCl分圧が5.0×10
−3atm、NH3分圧が3.0×10−1atmとな
るようにそれぞれのガス導入量を制御しながら約40μ
m/hの成長速度で300分間GaN化合物半導体結晶
を成長させた。
aメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH
3ガスとをN2キャリアガスを用いてNdGaO3基板
上に供給した。このとき、GaCl分圧が5.0×10
−3atm、NH3分圧が3.0×10−1atmとな
るようにそれぞれのガス導入量を制御しながら約40μ
m/hの成長速度で300分間GaN化合物半導体結晶
を成長させた。
【0013】その後、キャリアガスをN2ガスからH2
ガスに切り替え、ガス分圧がH290%、NH310%
となるように調整して、11時間熱処理を行った。この
熱処理により厚さ350μmのNdGaO3基板を還元
分解してすべて除去することができた。その後、冷却速
度5.3℃/minで90分間冷却して膜厚が約600
μmで、2インチ径の割れのないGaN厚膜結晶を得る
ことができた。さらに、2インチ径で、厚さを120μ
mのNdGaO3基板を用いて、繰り返しGaN厚膜結
晶を成長させたところ、結晶成長後の冷却工程にける割
れの発生確率はほぼ0%であった。
ガスに切り替え、ガス分圧がH290%、NH310%
となるように調整して、11時間熱処理を行った。この
熱処理により厚さ350μmのNdGaO3基板を還元
分解してすべて除去することができた。その後、冷却速
度5.3℃/minで90分間冷却して膜厚が約600
μmで、2インチ径の割れのないGaN厚膜結晶を得る
ことができた。さらに、2インチ径で、厚さを120μ
mのNdGaO3基板を用いて、繰り返しGaN厚膜結
晶を成長させたところ、結晶成長後の冷却工程にける割
れの発生確率はほぼ0%であった。
【0014】一方、従来のGaN厚膜結晶の製造に用い
られていた2インチ径で、厚さが370μmのNdGa
O3基板を用いてGaN厚膜結晶を成長させた場合は、
結晶成長後の冷却工程にける割れの発生確率は約90%
であった。また、本実施例で得られたGaN厚膜結晶の
面方位を制御し、さらに鏡面加工を施して、例えば厚さ
350μmに加工して半導体素子用の基板とすることに
より、素子特性に優れた半導体素子を製造することがで
きた。
られていた2インチ径で、厚さが370μmのNdGa
O3基板を用いてGaN厚膜結晶を成長させた場合は、
結晶成長後の冷却工程にける割れの発生確率は約90%
であった。また、本実施例で得られたGaN厚膜結晶の
面方位を制御し、さらに鏡面加工を施して、例えば厚さ
350μmに加工して半導体素子用の基板とすることに
より、素子特性に優れた半導体素子を製造することがで
きた。
【0015】以上、本発明者によってなされた発明を実
施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施
の形態に限定されるものではない。例えば、GaN化合
物半導体結晶を成長させる場合に制限されず、例えば、
InGaN、AlGaN等のGaN系化合物半導体結晶
の成長方法に適用しても同様の効果を得ることができ
る。また、基板として用いられる希土類13(3B)族
ペロブスカイト結晶はNdGaO3結晶に制限されず、
例えば、NdAlO3,NdInO3等を用いることが
できる。
施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施
の形態に限定されるものではない。例えば、GaN化合
物半導体結晶を成長させる場合に制限されず、例えば、
InGaN、AlGaN等のGaN系化合物半導体結晶
の成長方法に適用しても同様の効果を得ることができ
る。また、基板として用いられる希土類13(3B)族
ペロブスカイト結晶はNdGaO3結晶に制限されず、
例えば、NdAlO3,NdInO3等を用いることが
できる。
【0016】また、GaN系化合物半導体結晶の成長条
件としては、GaCl分圧が1.0×10−3〜1.0
×10−2atm、NH3分圧が1.0×10−1〜
4.0×10−1atm、成長速度が30〜100μm
/h、成長温度が930〜1050℃、冷却速度が4〜
10℃/minであることが望ましい。
件としては、GaCl分圧が1.0×10−3〜1.0
×10−2atm、NH3分圧が1.0×10−1〜
4.0×10−1atm、成長速度が30〜100μm
/h、成長温度が930〜1050℃、冷却速度が4〜
10℃/minであることが望ましい。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、1または2種類以上の
希土類元素を含む希土類13(3B)族ペロブスカイト
結晶(例えば、NdGaO3)を基板としてその表面に
GaN系化合物半導体結晶を成長させる方法において、
前記基板の厚さを250μm以下として、熱膨張率の差
によりGaN厚膜結晶がNGO基板から受ける応力を小
さくなるようにしたので、GaN厚膜結晶に割れが生じ
るのを防止でき、生産効率が向上するという効果を奏す
る。
希土類元素を含む希土類13(3B)族ペロブスカイト
結晶(例えば、NdGaO3)を基板としてその表面に
GaN系化合物半導体結晶を成長させる方法において、
前記基板の厚さを250μm以下として、熱膨張率の差
によりGaN厚膜結晶がNGO基板から受ける応力を小
さくなるようにしたので、GaN厚膜結晶に割れが生じ
るのを防止でき、生産効率が向上するという効果を奏す
る。
フロントページの続き
(72)発明者 佐藤 賢次
埼玉県戸田市新曽南3丁目17番35号 株式
会社日鉱マテリアルズ戸田工場内
Fターム(参考) 4G077 AA03 BE15 DB05 EA02 ED06
EE04 EF03 HA02 HA06 TA04
TA07 TB04 TC13 TK01 TK10
5F041 AA40 AA41 CA40 CA46 CA64
5F045 AA03 AA06 AB14 AC12 AC15
AD13 AF05 BB08 BB13 CA09
5F052 CA01 KA01
Claims (2)
- 【請求項1】 1または2種類以上の希土類元素を含む
希土類13(3B)族ペロブスカイト結晶を基板として
その表面にGaN系化合物半導体結晶を成長させる方法
において、 前記基板の厚さを250μm以下とすることを特徴とす
るGaN系化合物半導体結晶の製造方法。 - 【請求項2】 前記希土類13(3B)族ペロブスカイ
ト結晶基板は、NdGaO3結晶であることを特徴とす
る請求項1に記載のGaN系化合物半導体結晶の製造方
法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002017929A JP2003218043A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | GaN系化合物半導体結晶の製造方法 |
PCT/JP2002/011772 WO2003065429A1 (fr) | 2002-01-28 | 2002-11-12 | Procede de fabrication de cristal semi-conducteur a base de compose gan |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002017929A JP2003218043A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | GaN系化合物半導体結晶の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003218043A true JP2003218043A (ja) | 2003-07-31 |
Family
ID=27653455
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002017929A Pending JP2003218043A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | GaN系化合物半導体結晶の製造方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003218043A (ja) |
WO (1) | WO2003065429A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008308401A (ja) * | 2007-05-17 | 2008-12-25 | Mitsubishi Chemicals Corp | Iii族窒化物半導体結晶の製造方法、iii族窒化物半導体基板および半導体発光デバイス |
WO2009096123A1 (ja) * | 2008-01-31 | 2009-08-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | AlxGa1-xN単結晶の成長方法 |
Family Cites Families (5)
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