JP2005247625A

JP2005247625A - Ｉｉｉ族窒化物の結晶成長方法およびｉｉｉ族窒化物結晶および基板および半導体デバイス

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Publication number: JP2005247625A
Application number: JP2004059231A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Iwata; 浩和岩田; Shoji Sarayama; 正二皿山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: JP4560310B2

Abstract

【課題】転位密度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することの可能なＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法を提供する。
【解決手段】少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法およびＩＩＩ族窒化物結晶および基板および半導体デバイスに関する。

従来、例えば特許文献１に示されているように、アルカリ金属を含む融液中でＩＩＩ族金属と窒素を反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法（すなわち、フラックス法）が知られている。
特開平２００３−２９２４００号公報

しかしながら、従来のフラックス法では、転位密度の低いＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させることが難かしいという問題があった。

具体的に、例えば種結晶を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる場合、種結晶に用いることのできるＩＩＩ族窒化物結晶は必ずしも転位密度の低いものばかりではなかった。

また、転位密度が低くない種結晶を用いても、転位密度の低いＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長することは難かしかった。

本発明は、転位密度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することの可能なＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法およびＩＩＩ族窒化物結晶および基板および半導体デバイスを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面として、｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の結晶成長方法において、種結晶に｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の結晶成長方法で作製されたＩＩＩ族窒化物結晶である。

また、請求項５記載の発明は、請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶を加工して作製された特定の結晶面（例えば（０００１）面）を主面とする基板である。

また、請求項６記載の発明は、請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶の特定の結晶面（例えば（０００１）面）上、または、請求項５記載の基板上に作製された半導体デバイスである。

請求項１記載の発明によれば、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長するので、転位密度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面として、｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長するので、｛１０−１１｝面以外の結晶面への転位の伝播を抑制しながら結晶成長する事が容易に行える。従って、例えば、低転位密度の（０００１）面を有する結晶を容易に作製することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の結晶成長方法において、種結晶に｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長するので、種結晶の転位密度が大きい場合においても、｛１０−１１｝面以外の結晶面への転位の伝播を抑制しながら結晶成長する事ができる。従って、転位密度の大きな種結晶を使用しても、例えば、低転位密度の（０００１）面を有する結晶を容易に作製することができる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の結晶成長方法で作製されたＩＩＩ族窒化物結晶であるので、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）の貫通転位密度が少ない高品質のＩＩＩ族窒化物結晶を提供することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶を加工して作製した特定の結晶面（例えば（０００１）面）を主面とする基板であるので、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）の貫通転位密度が少ない高品質のＩＩＩ族窒化物結晶の基板を提供することができる。

また、請求項６記載の発明によれば、請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶の特定の結晶面（例えば（０００１）面）上、または、請求項５記載の基板上に作製された半導体デバイスであるので、高性能，高信頼性の半導体デバイスを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長することを特徴としている。

第１の形態によれば、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長するので、転位密度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することができる。

すなわち、転位は成長面に向かって伝播する傾向があるので、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）以外の結晶面を成長面として形成しながら成長すると、特定の結晶面（例えば（０００１）面）には転位が伝播し難い。従って、第１の形態では、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）が低転位密度である結晶を作製することができる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面として、｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴としている。

第２の形態によれば、第１の形態の結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面として、｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長するので、｛１０−１１｝面以外の結晶面への転位の伝播を抑制しながら結晶成長する事が容易に行える。従って、例えば、低転位密度の（０００１）面を有する結晶を容易に作製することができる。

ここで、｛１０−１１｝面は、フラックス法の条件を適切に選ぶことによって、容易に形成することができる。

この｛１０−１１｝面を成長面として形成しながら結晶成長を行うと、｛１０−１１｝面以外の結晶面への転位の伝播を抑制しながら結晶成長する事が容易に行える。従って、例えば、低転位密度の（０００１）面を有する結晶を容易に作製することができる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１の形態の結晶成長方法において、種結晶に｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴としている。

第３の形態によれば、第１の形態の結晶成長方法において、種結晶に｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長するので、種結晶の転位密度が大きい場合においても、｛１０−１１｝面以外の結晶面への転位の伝播を抑制しながら結晶成長する事ができる。従って、転位密度の大きな種結晶を使用しても、例えば、低転位密度の（０００１）面を有する結晶を容易に作製することができる。

図１，図２には、種結晶として、｛１０−１１｝面を有する六角錐結晶１を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する場合が示されている。なお、図２は図１の断面図である。

また、図３には、種結晶として、（０００１）面を主面とする板状結晶２を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する場合が示されている。

図２，図３のいずれの場合も、成長したＩＩＩ族窒化物結晶の結晶上部Ａ，Ｂは、転位が伝播しにくく、転位密度が低くなっている（低転位密度となっている）。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の結晶成長方法で作製されたＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴としている。

第４の形態によれば、第１乃至第３のいずれかの形態の結晶成長方法で作製されたＩＩＩ族窒化物結晶であるので、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）の貫通転位密度が少ない高品質のＩＩＩ族窒化物結晶を提供することができる。

具体的に、種結晶として、｛１０−１１｝面を有する六角錐結晶１を用いて結晶成長したＩＩＩ族窒化物結晶は、図２に示すように、結晶上部Ａが低転位密度となっている。また、種結晶として、（０００１）面を主面とする板状結晶２を用いて結晶成長したＩＩＩ族窒化物結晶は、図３に示すように、結晶上部Ｂが低転位密度となっている。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第４の形態のＩＩＩ族窒化物結晶を加工して作製した特定の結晶面（例えば（０００１）面）を主面とする基板であることを特徴としている。

また、第５の形態の発明によれば、第４の形態のＩＩＩ族窒化物結晶を加工して作製した特定の結晶面（例えば（０００１）面）を主面とする基板であるので、所望とする特定の結晶面（例えば（０００１）面）の貫通転位密度が少ない高品質のＩＩＩ族窒化物結晶の基板を提供することができる。

具体的に、例えば図２に示すように結晶成長したＩＩＩ族窒化物結晶を、図４に示すような破線Ｃの部分（図４の例では、結晶の上部Ａ付近を通る（０００１）面）で切断し、これを図５に示すような特定の結晶面（（０００１）面）を主面とする基板（低転位密度基板）とすることができる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第４の形態のＩＩＩ族窒化物結晶の特定の結晶面（例えば（０００１）面）上、または、第５の形態の基板上に作製された半導体デバイスであることを特徴としている。

第６の形態によれば、第４の形態のＩＩＩ族窒化物結晶の特定の結晶面（例えば（０００１）面）上、または、第５の形態の基板上に作製された半導体デバイスであるので、高性能，高信頼性の半導体デバイスを提供することができる。

図６には、図４のＩＩＩ族窒化物結晶を破線Ｃの部分で切断，研磨して形成した低転位密度の（０００１）面基板（図５の基板）上に作製したデバイスの一例が示されている。このデバイスは、低転位密度の（０００１）面基板（図５の基板）上に作製されているので、高性能，高信頼性のものとなる。

実施例１では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、ＩＩＩ族金属原料としてＧａ（ガリウム）を用い、窒素原料として窒素ガスを使用し、（０００１）面を主面とするＧａＮ種結晶に、ＩＩＩ族窒化物としてＧａＮを結晶成長させた。なお、ここで、Ｎａ，Ｇａはあらかじめ混合融液として融液保持容器中に保持し、窒素を気相から融液中に溶解してＧａＮを結晶成長させた。

図７は実施例１に用いられる結晶成長装置の構成例を示す図である。

図７の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とＩＩＩ族金属を含む融液２２を保持し、結晶成長を行なうための融液保持容器１２が設けられている。

この融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、融液保持容器１２の材質はＢＮである。

また、反応容器１１の内部空間１９に窒素原料となる窒素（Ｎ_２）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ_２）圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。

窒素ガスの圧力は圧力制御装置１６で調整する事ができる。

また、反応容器１１内の全圧力は圧力計１８でモニターされる。

また、反応容器１１の外側にはヒーター１３が設置されている。

また、反応容器１１は、バルブ２１の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１の部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。

以下に、図７の結晶成長装置を使用した実施例１でのＧａＮの結晶成長方法を説明する。

まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶成長装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。

次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、（０００１）面を主面とするＧａＮ種結晶２４とガリウム（Ｇａ）とナトリウム（Ｎａ）を入れる。

次いで、融液保持容器１２を融液保持容器保持台２０に置き、反応容器１１内に設置する。

次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。

次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。

すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素のガス供給ライン１４に接続する。

次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を１ＭＰａにした。この圧力は、実施例１で使用した装置において、結晶成長温度（７７５℃）に昇温したときに、反応容器１１内の全圧が１．５ＭＰａになる圧力である。

次いで、バルブ１５とバルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。

次いで、ヒーター１３に通電し、融液２２を室温（２７℃）から結晶成長温度まで１時間で昇温する。結晶成長温度は７７５℃とした。

昇温に追随して密閉された反応容器１１内の圧力は上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の全圧は１．５ＭＰａになった。

この状態で５００時間保持した後、室温まで降温する。

結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、種結晶２４上に｛１０−１１｝面で形成された六角錐状のＧａＮ２３が成長していた。

成長したＧａＮ結晶２３は、結晶上部の欠陥密度がエッチピット密度評価で１０^６ｃｍ^−２以下であった。

本発明は、光ディスク用青紫色光源、紫外光源（全面）、電子写真用青紫色光源、ＩＩＩ族窒化物電子デバイスなどに利用可能である。

種結晶として、｛１０−１１｝面を有する六角錐結晶を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する場合を示す図である。種結晶として、｛１０−１１｝面を有する六角錐結晶を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する場合を示す図である。種結晶として、（０００１）面を主面とする板状結晶を用いて、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する場合を示す図である。図２の結晶を切断する位置Ｃを示す図である。図２の結晶を図４の位置Ｃで切断して作製した基板を示す図である。図５の基板上に作製した半導体デバイスを示す図である。実施例１に用いられる結晶成長装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１，２種結晶
１１反応容器
１２融液保持容器
１３ヒーター
１４ガス供給管
１５，２１バルブ
１６圧力制御装置
１８圧力計
２３ＧａＮ
２４種結晶

Claims

少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面を成長面として形成しながら結晶成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法。
請求項１記載の結晶成長方法において、特定の結晶面以外の結晶面として、｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法。
請求項１記載の結晶成長方法において、種結晶に｛１０−１１｝面を成長面として形成しながらＩＩＩ族窒化物を結晶成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の結晶成長方法で作製されたＩＩＩ族窒化物結晶。
請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶を加工して作製した特定の結晶面を主面とする基板。
請求項４記載のＩＩＩ族窒化物結晶の特定の結晶面上、または、請求項５記載の基板上に作製された半導体デバイス。