JP2005272203A - Substrate for forming film and method for forming semiconductor film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体薄膜や圧電体薄膜などの薄膜を形成するための膜形成用基板に関し、特に、窒化物半導体薄膜を形成するための基板および半導体膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a film forming substrate for forming a thin film such as a semiconductor thin film or a piezoelectric thin film, and more particularly to a substrate for forming a nitride semiconductor thin film and a method for forming a semiconductor film.
近年、光ディスクに高記録密度で情報を記録・再生するための光源として、また、画像をフルカラーで表示したり、照明として用いるための光源として、ＧａＮ系半導体を発光膜とし、紫外領域や青色などの短波長の光を出射し得るレーザおよび発光ダイオードが求められている。ＧａＮ系半導体は、一般に結晶欠陥の少ない大きな単結晶インゴットの形状に成長させることが難しい。このため、ＧａＮ以外の物質からなる基板上にＧａＮ系半導体膜をエピタキシャル成長させる技術が研究されている。なお、ここで、「ＧａＮ系半導体」とは窒化物半導体であり、具体的には、組成式ＧａxＩｎyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）によって規定されるものを言う。 In recent years, as a light source for recording / reproducing information with high recording density on optical discs, and as a light source for displaying images in full color or for use as illumination, a GaN-based semiconductor is used as a light-emitting film, and the ultraviolet region, blue, etc. There is a need for a laser and a light emitting diode that can emit light having a short wavelength. GaN-based semiconductors are generally difficult to grow into a large single crystal ingot shape with few crystal defects. For this reason, a technique for epitaxially growing a GaN-based semiconductor film on a substrate made of a material other than GaN has been studied. Here, the “GaN-based semiconductor” is a nitride semiconductor, and specifically, a semiconductor defined by the composition formula Ga x In y Al z N (x + y + z = 1).
ＧａＮは原子間距離の短い物質であり、ＧａＮと近い格子定数を持つ物質は少なく、ＧａＮ系半導体膜を形成することのできる基板も限られている。従来より、工業的に利用可能な基板としてはＳｉＣ基板およびサファイア基板しかなかった。本願明細書では「サファイア」とは不純物を含まない酸化アルミニウム単結晶をいう。 GaN is a substance having a short interatomic distance, and there are few substances having a lattice constant close to that of GaN, and the substrate on which a GaN-based semiconductor film can be formed is limited. Conventionally, there are only SiC substrates and sapphire substrates as industrially usable substrates. In this specification, “sapphire” refers to an aluminum oxide single crystal containing no impurities.
ＳｉＣ単結晶基板およびサファイア基板とＧａＮとの格子定数のミスフィットはそれぞれ約５％および１６％であり、構成整合性の観点からはＳｉＣ単結晶基板が優れている。しかし、高品質のＳｉＣ単結晶を得ることが難しく、また、ＳｉＣ単結晶は非常に硬い材料であるため、基板形状へ加工することが困難である。このため、ＳｉＣ単結晶基板は非常に高価であり、ＧａＮ系半導体素子を安価に大量生産するためにはＳｉＣ単結晶基板は適していない。 The lattice constant misfit between the SiC single crystal substrate and the sapphire substrate and GaN is about 5% and 16%, respectively, and the SiC single crystal substrate is superior from the viewpoint of structural consistency. However, it is difficult to obtain a high-quality SiC single crystal, and since the SiC single crystal is a very hard material, it is difficult to process it into a substrate shape. For this reason, the SiC single crystal substrate is very expensive, and the SiC single crystal substrate is not suitable for mass-producing GaN-based semiconductor elements at low cost.
これに対して、サファイア基板はＳｉＣ単結晶基板に比べ、安価で製造することが可能である。また、たとえば、特許文献１に開示されているように、サファイア単結晶基板上に高品位のＧａＮ系半導体膜を成長させる研究が多くなされている。このため、現在実用化されているＧａＮ系ＬＥＤやレーザダイオードの多くにはサファイア単結晶基板が用いられている。
しかしながら、サファイアもＳｉＣ単結晶と同様に硬くて加工性が悪い。このため、平滑性の高いサファイア基板はなお高価である。加工精度を低下させることによって製造コストを低減させることが可能であるが、そのようなサファイア基板を用いて成長させたＧａＮ系半導体は結晶欠陥が多くなってしまう。 However, sapphire is hard and poor in workability like SiC single crystal. For this reason, a highly smooth sapphire substrate is still expensive. Although it is possible to reduce the manufacturing cost by lowering the processing accuracy, a GaN-based semiconductor grown using such a sapphire substrate has many crystal defects.
また、上述したようにＧａＮとサファイア基板とにおける格子定数のミスフィットは約１６％もある。このようにミスフィットが大きいため、得られるＧａＮ系半導体に結晶欠陥が多く発生してしまうという問題もある。 As described above, the lattice constant misfit between the GaN and sapphire substrates is about 16%. Because of such a large misfit, there is a problem that many crystal defects are generated in the obtained GaN-based semiconductor.
本発明はこのような従来の問題を解決し、加工性に優れた膜形成用基板を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide a film forming substrate excellent in workability.
本発明の膜形成用基板は、（ＣｒxＡｌ1-x）2Ｏ3（０≦ｘ≦１）単結晶にＧａ、ＴｉおよびＮｂから選ばれる少なくとも１種が添加された固溶体単結晶から構成されている。 The film-forming substrate of the present invention comprises a solid solution single crystal in which at least one selected from Ga, Ti, and Nb is added to a (Cr x Al 1-x ) 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1) single crystal. Has been.
ある好ましい実施形態において、前記固溶体単結晶は、コランダム構造を備えている。 In a preferred embodiment, the solid solution single crystal has a corundum structure.
ある好ましい実施形態において、前記ｘがゼロである。 In a preferred embodiment, x is zero.
ある好ましい実施形態において、前記固溶体単結晶は、全体に対し、１０ｍｏｌ％以下の組成率比でＧａ2Ｏ3を含む。 In a preferred embodiment, the solid solution single crystal contains Ga 2 O 3 at a composition ratio of 10 mol% or less with respect to the whole.
ある好ましい実施形態において、前記固溶体単結晶は、全体に対し、５ｍｏｌ％以下の組成率比でＮｂ2Ｏ3を含む。 In a preferred embodiment, the solid solution single crystal contains Nb 2 O 3 at a composition ratio of 5 mol% or less with respect to the whole.
ある好ましい実施形態において、前記固溶体単結晶は、全体に対し、６ｍｏｌ％以下の組成率比でＴｉ2Ｏ3を含む。 In a preferred embodiment, the solid solution single crystal contains Ti 2 O 3 at a composition ratio of 6 mol% or less with respect to the whole.
ある好ましい実施形態において、前記膜形成用基板の主面は（０００１）面からなる。 In a preferred embodiment, the main surface of the film forming substrate is a (0001) plane.
本発明の半導体基板は、上記いずれかに規定される膜形成用基板と、前記膜形成用基板上に形成されたＧａＮ系単結晶半導体膜とを有する。 The semiconductor substrate of the present invention includes the film forming substrate defined in any one of the above, and a GaN-based single crystal semiconductor film formed on the film forming substrate.
ある好ましい実施形態において、前記ＧａＮ系単結晶半導体膜は、１０9個／ｃｍ2以下の欠陥密度を有している。 In a preferred embodiment, the GaN-based single crystal semiconductor film has a defect density of 10 9 pieces / cm 2 or less.
また、本発明の半導体膜の形成方法は、上記いずれかに規定される膜形成用基板上にＧａＮ系単結晶半導体膜をエピタキシャル成長させる。 In the method for forming a semiconductor film of the present invention, a GaN-based single crystal semiconductor film is epitaxially grown on the film forming substrate defined in any of the above.
本発明によれば、加工性に優れ、ＧａＮとの格子定数のミスフィットが小さい膜形成用基板を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a film forming substrate that is excellent in workability and has a small lattice constant misfit with GaN.
本願発明者は、ＧａＮ系半導体の形成に用いる基板として種々の材料を検討した結果、サファイアに異種金属元素を添加することによって、サファイアの硬度が大きく変化し、加工性が改善することを見出した。 As a result of examining various materials as a substrate used for forming a GaN-based semiconductor, the present inventor has found that the addition of a different metal element to sapphire greatly changes the hardness of sapphire and improves the workability. .
本発明による膜形成用基板は、（ＣｒxＡｌ1-x）2Ｏ3単結晶に、Ｇａ、ＴｉおよびＮｂから選ばれる少なくとも１種が添加された固溶体単結晶からなる。ＣｒあるいはＣｒ2Ｏ3はＡｌ2Ｏ3に任意の割合で固溶し、異相を生じることなく単結晶化することができる。したがって、Ｃｒの組成比ｘは０から１までの任意の値を取ることができる。以下で詳細に説明するように、Ｃｒの含有量が多くなるにつれて、得られる単結晶の格子定数が大きくなり、ＧａＮの格子定数とのミスフィットが小さくなる。固溶体単結晶は好ましくは、サファイアと同じコランダム構造を備えている。 The film-forming substrate according to the present invention comprises a solid solution single crystal in which at least one selected from Ga, Ti and Nb is added to a (Cr x Al 1-x ) 2 O 3 single crystal. Cr or Cr 2 O 3 can be dissolved in Al 2 O 3 at an arbitrary ratio and can be single-crystallized without causing a heterogeneous phase. Therefore, the Cr composition ratio x can take any value from 0 to 1. As will be described in detail below, as the Cr content increases, the lattice constant of the obtained single crystal increases and the misfit with the lattice constant of GaN decreases. The solid solution single crystal preferably has the same corundum structure as sapphire.
固溶体単結晶に添加する物質がＧａである場合、１０ｍｏｌ％以下の組成率比でＧａ2Ｏ3を含むことが好ましい。Ｇａ2Ｏ3に換算して１０ｍｏｌ％よりも多い割合でＧａを含むと、固溶限界を超えるために異相が生成し、単結晶を得ることが困難となる。 When the substance added to the solid solution single crystal is Ga, it is preferable to contain Ga 2 O 3 at a composition ratio of 10 mol% or less. When Ga is contained in a proportion higher than 10 mol% in terms of Ga 2 O 3 , the solid solution limit is exceeded and a different phase is generated, making it difficult to obtain a single crystal.
固溶体単結晶に添加する物質がＮｂである場合には、５ｍｏｌ％以下の組成率比でＮｂ2Ｏ3を含むことが好ましい。Ｎｂ2Ｏ3に換算して５ｍｏｌ％よりも多い割合でＮｂを含むと、固溶限界を超えるために異相が生成し、単結晶を得ることが困難となる。 When the substance added to the solid solution single crystal is Nb, it is preferable to contain Nb 2 O 3 at a composition ratio of 5 mol% or less. When Nb is contained in a proportion higher than 5 mol% in terms of Nb 2 O 3 , the solid solution limit is exceeded and a heterogeneous phase is generated, making it difficult to obtain a single crystal.
また、固溶体単結晶に添加する物質がＴｉである場合には、６ｍｏｌ％以下の組成率比でＴｉ2Ｏ3を含むことが好ましい。Ｔｉ2Ｏ3に換算して６ｍｏｌ％よりも多い割合でＴｉを含むと、固溶限界を超えるために異相が生成し、単結晶を得ることが困難となる。 Moreover, when the substance added to the solid solution single crystal is Ti, it is preferable to contain Ti 2 O 3 at a composition ratio of 6 mol% or less. If Ti is contained in a proportion higher than 6 mol% in terms of Ti 2 O 3 , the solid solution limit is exceeded and a heterogeneous phase is generated, making it difficult to obtain a single crystal.
Ｇａ、ＴｉおよびＮｂは２種類以上（ＣｒxＡｌ1-x）2Ｏ3に固溶していてもよい。２種類以上固溶させる場合には、それぞれの元素を上述の範囲内で添加する。 Ga, Ti and Nb may be dissolved in two or more types (Cr x Al 1 -x ) 2 O 3 . When two or more kinds are dissolved, each element is added within the above range.
本発明の膜形成用基板に用いる固溶体単結晶は、１０００から２０００程度のビッカース硬度を有する。この値は、高純度のサファイア（約２３００）のビッカース硬度の約４０〜８５％程度であるため、研磨、研削加工性に優れる。具体的には、研削抵抗はサファイアの１０〜８０％程度であり、研磨能率は２００〜３０００％程度である。ここで、研磨抵抗はそれぞれ標準形状の資料を外周刃切断機で完全切断したときのダイアモンドホイールに掛かるモータ負荷電力を、サファイアを１００としたときの百分率で示している。また、研磨能率は、ダイヤモンド砥粒で研磨加工する時の単位時間当たりの除去能率を、サファイアを１００としたときの百分率で示している。 The solid solution single crystal used for the film forming substrate of the present invention has a Vickers hardness of about 1000 to 2000. Since this value is about 40 to 85% of the Vickers hardness of high-purity sapphire (about 2300), it is excellent in polishing and grinding processability. Specifically, the grinding resistance is about 10 to 80% of sapphire, and the polishing efficiency is about 200 to 3000%. Here, the polishing resistance indicates the motor load power applied to the diamond wheel when a standard-shaped material is completely cut with an outer peripheral cutting machine, as a percentage when sapphire is 100. Further, the polishing efficiency is shown as a percentage when the removal efficiency per unit time when polishing with diamond abrasive grains is set to 100.
このように、固溶体単結晶の加工能率が高いため、結晶成長させた固溶体単結晶から膜形成用基板を形成するのに要する加工時間は、従来のサファイア基板を作製するのに要する加工時間に比べて、１／３から１／１０以下になる。つまり、従来のサファイア基板と比べて３から１０倍程度、生産性が向上する。このため、製造コストを大幅に低減することができる。 As described above, since the processing efficiency of the solid solution single crystal is high, the processing time required to form the film-forming substrate from the solid solution single crystal that has been grown is larger than the processing time required to manufacture the conventional sapphire substrate. Thus, 1/3 to 1/10 or less. That is, productivity is improved by about 3 to 10 times compared to the conventional sapphire substrate. For this reason, manufacturing cost can be reduced significantly.
また、一般に膜形成基板上にＧａＮ系半導体膜を形成し、ＬＥＤやレーザなどを作製する場合、膜形成用基板は放熱性を高めるためバックラッピング（裏面研磨）が施される。この際、たとえば、厚さ０．４ｍｍの基板を８０μｍ程度にまで研磨する。本発明の膜形成基板を用いれば、このバックラッピングにおいても、サファイア基板を利用する場合に比べ、大幅に研磨時間を短縮することができる。つまり、ＬＥＤやレーザなど半導体素子の製造工程においても製造コストを低減することができる。 In general, when a GaN-based semiconductor film is formed on a film formation substrate to produce an LED, a laser, or the like, the film formation substrate is subjected to back lapping (back surface polishing) in order to improve heat dissipation. At this time, for example, a substrate having a thickness of 0.4 mm is polished to about 80 μm. If the film-formed substrate of the present invention is used, the polishing time can be greatly shortened in this back wrapping as compared with the case of using a sapphire substrate. That is, the manufacturing cost can be reduced also in the manufacturing process of semiconductor elements such as LEDs and lasers.
本発明の膜形成用基板に用いる固溶体単結晶の融点は、１７００℃〜２３００℃程度であり、ＧａＮ系半導体膜の形成温度である約１２００℃よりも十分高い。したがって、サファイア基板を用いる場合とまったく同様の方法を用いてＧａＮ系半導体膜を本発明の膜形成用基板上に形成することができる。また、固溶体単結晶を構成しているため、高温において変質したり、添加した元素が脱離あるいは蒸発したりすることなく、高い安定性を示す。 The melting point of the solid solution single crystal used for the film-forming substrate of the present invention is about 1700 ° C. to 2300 ° C., which is sufficiently higher than about 1200 ° C., which is the formation temperature of the GaN-based semiconductor film. Therefore, a GaN-based semiconductor film can be formed on the film-forming substrate of the present invention using the same method as when using a sapphire substrate. In addition, since it forms a solid solution single crystal, it exhibits high stability without being altered at high temperatures and without the added elements being desorbed or evaporated.
本発明の膜形成用基板に用いる固溶体単結晶の格子定数は、サファイアに比べて大きくなる。これは、ＡｌのサイトをＡｌより原子半径の大きいＣｒ、Ｇａ、ＴｉおよびＮｂが置換するからである。格子定数が大きくなることによって、ＧａＮ半導体との格子定数のミスフィットはサファイア基板を用いる場合に比べて小さくなる。また、添加元素の組成比や、ＡｌとＣｒとの比率を変化させることによって格子定数を自由に調整できる。具体的には、Ｃｒを含まないＡｌ2Ｏ3にＧａ、ＴｉおよびＮｂを添加する場合、ａ軸の格子定数は４．７６Å〜４．７８Åの範囲で調節しうる。Ｃｒをこれらの元素とともに添加し、Ｃｒの組成比もあわせて変化させる場合には、ａ軸の格子定数は４．７６Å〜４．９６Åの範囲で調節しうる。このため、固溶体単結晶のａ軸の格子定数を調整し、ＧａＮ半導体との格子定数のミスフィットを小さくすることによって、形成するＧａＮ系半導体膜中の欠陥密度を低減し、膜の品質を向上させることができる。詳細な実験によれば、本発明による膜形成用基板を用いることによって、ＧａＮ系半導体膜中の欠陥密度を１０9個／ｃｍ2以下にすることができる。このような特徴を生かしてＧａＮ系半導体膜を形成するためには、膜形成用基板の主面の１つは（０００１）面方位を有していることが好ましい。 The lattice constant of the solid solution single crystal used for the film forming substrate of the present invention is larger than that of sapphire. This is because Cr, Ga, Ti, and Nb having an atomic radius larger than that of Al replace the Al site. As the lattice constant increases, the misfit of the lattice constant with the GaN semiconductor becomes smaller than when a sapphire substrate is used. Further, the lattice constant can be freely adjusted by changing the composition ratio of the additive elements and the ratio of Al and Cr. Specifically, when Ga, Ti, and Nb are added to Al 2 O 3 not containing Cr, the a-axis lattice constant can be adjusted in the range of 4.76 to 4.78. When Cr is added together with these elements and the composition ratio of Cr is also changed, the a-axis lattice constant can be adjusted in the range of 4.76 to 4.96. Therefore, by adjusting the lattice constant of the a-axis of the solid solution single crystal and reducing the lattice constant misfit with the GaN semiconductor, the defect density in the GaN-based semiconductor film to be formed is reduced and the film quality is improved. Can be made. According to detailed experiments, the defect density in the GaN-based semiconductor film can be reduced to 10 9 / cm 2 or less by using the film forming substrate according to the present invention. In order to form a GaN-based semiconductor film by taking advantage of such characteristics, it is preferable that one of the main surfaces of the film forming substrate has a (0001) plane orientation.
本発明の膜形成用基板は、固溶体単結晶を育成し、育成した固溶体単結晶からウエハ状の基板を切り出し、研磨することにより得られる。固溶体単結晶の作製には、単結晶育成に用いられる公知の方法を用いることができる。具体的には、チョクラルスキー法、フラックス法、ブリッジマン法、フローティングゾーン法、ＥＦＧ法、キュロプーロス法などを用いて製造することができる。なお、添加金属元素としてＴｉあるいはＮｂを用いる場合には、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下である還元雰囲気中で単結晶の育成を行うことが好ましい。 The film-forming substrate of the present invention is obtained by growing a solid solution single crystal, cutting out a wafer-like substrate from the grown solid solution single crystal, and polishing it. A known method used for growing a single crystal can be used for producing a solid solution single crystal. Specifically, it can be produced using a Czochralski method, a flux method, a Bridgman method, a floating zone method, an EFG method, a Culopulos method, or the like. When Ti or Nb is used as the additive metal element, it is preferable to grow a single crystal in a reducing atmosphere having an oxygen concentration of 10 ppm or less.
得られた固溶体単結晶は、（０００１）面が切断面として露出するよう内周ソー、外周ソー、ワイヤーソーなどを用いてウエハ状に切り出し、両面研磨を施すことによって、膜形成用基板を得ることができる。サファイア単結晶より硬度が小さいため、切り出しに用いるブレードやソーもサファイア単結晶を切断するときに用いるものよりも柔らかいものを用いることができる。また切断に要する時間を大幅に短縮できる。切り出した基板の研磨についてもサファイアの研磨に要する時間に比べて短縮でき、かつ、基板表面の平坦度もサファイア基板と同等以上にすることができる。 The obtained solid solution single crystal is cut into a wafer shape using an inner circumferential saw, an outer circumferential saw, a wire saw, etc. so that the (0001) plane is exposed as a cut surface, and is subjected to double-side polishing to obtain a film forming substrate. be able to. Since the hardness is smaller than that of the sapphire single crystal, the blade and saw used for cutting can be softer than those used when cutting the sapphire single crystal. Also, the time required for cutting can be greatly reduced. Polishing of the cut out substrate can also be shortened compared to the time required for polishing sapphire, and the flatness of the substrate surface can be equal to or higher than that of the sapphire substrate.
このようにして得られた膜形成用基板は、サファイア基板と同じ結晶構造を備え、また、サファイア基板と同程度以上に表面が平滑である。この膜形成用基板の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤなどによって単結晶のＧａＮ系半導体膜を形成することができる。得られるＧａＮ系半導体膜は、サファイア基板に比べて格子定数のミスフィットが小さいため、結晶欠陥がサファイア基板上に形成したＧａＮ系半導体膜よりも少なく、結晶品質が高い。基板の結晶構造や耐熱性はサファイア基板と変わらないため、サファイア基板上にＧａＮ系半導体膜を形成するために開発された多くの技術は、そのまま本発明の膜形成用基板を用いたＧａＮ系半導体膜の成長にも用いることが可能である。 The film-forming substrate thus obtained has the same crystal structure as that of the sapphire substrate, and the surface is smoother than that of the sapphire substrate. A single crystal GaN-based semiconductor film can be formed on the (0001) plane of the film forming substrate by MOCVD or the like. Since the obtained GaN-based semiconductor film has a smaller lattice constant misfit than the sapphire substrate, there are fewer crystal defects than the GaN-based semiconductor film formed on the sapphire substrate, and the crystal quality is high. Since the crystal structure and heat resistance of the substrate are the same as those of a sapphire substrate, many technologies developed for forming a GaN-based semiconductor film on a sapphire substrate are GaN-based semiconductors using the film-forming substrate of the present invention as they are. It can also be used for film growth.
（実験例）
以下、膜形成用基板を製造し、得られた基板上にＧａＮ系半導体膜を形成した実験例を説明する。
(Experimental example)
Hereinafter, an experimental example in which a film forming substrate is manufactured and a GaN-based semiconductor film is formed on the obtained substrate will be described.
まず、９１ｍｏｌ％のＡｌ2Ｏ3、１ｍｏｌ％のＣｒ2Ｏ3および８ｍｏｌ％のＧａ2Ｏ3の粉末原料をアルミナボールを用いたボールミルにより、２４時間粉砕混合する。得られた混合粉末をプレス成型によってロッド状に成型し、１４００℃で３時間仮焼することにより、直径２０ｍｍ、長さ８０ｍｍのロッドが得られる。 First, powder materials of 91 mol% Al 2 O 3 , 1 mol% Cr 2 O 3 and 8 mol% Ga 2 O 3 are pulverized and mixed for 24 hours by a ball mill using alumina balls. The obtained mixed powder is formed into a rod shape by press molding and calcined at 1400 ° C. for 3 hours, whereby a rod having a diameter of 20 mm and a length of 80 mm is obtained.
このロッドを、赤外加熱を用いたフローティング法により単結晶を育成する。結晶の育成にはサファイアの（１１２０）面を用いる。これより、直径１２ｍｍ、長さ３０ｍｍの固溶体単結晶が得られる。 A single crystal is grown on this rod by a floating method using infrared heating. A sapphire (1120) plane is used for crystal growth. Thus, a solid solution single crystal having a diameter of 12 mm and a length of 30 mm is obtained.
この結晶から（０００１）面が主面となるように１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさで厚さ０．６ｍｍのウエハを切り出す。切り出したウエハは、最終厚さが０．５ｍｍとなるように研削加工およびＧＣ＃３００の砥粒による両面研磨を行う。さらに、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨およびＳｉＯ2砥粒によるケミカル研磨を片面に施し、厚さ０．４ｍｍ、Ｒａ＜０．２ｎｍの膜形成用基板を得る。この基板を試料１とする。 A wafer having a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.6 mm is cut out from this crystal so that the (0001) plane becomes the main surface. The cut wafer is ground and double-side polished with GC # 300 abrasive grains so that the final thickness is 0.5 mm. Further, polishing using diamond abrasive grains and chemical polishing using SiO 2 abrasive grains are performed on one surface to obtain a film forming substrate having a thickness of 0.4 mm and Ra <0.2 nm. This substrate is designated as sample 1.
また、９５ｍｏｌ％のＡｌ2Ｏ3および５ｍｏｌ％のＧａ2Ｏ3の粉末原料をアルミナボールを用いたボールミルにより、２４時間粉砕混合する。得られた混合粉末を乾燥後、Ｉｒ坩堝に入れ、サファイアの（１１２０）面を用いて、チョクラルスキー法により単結晶を引き上げる。これより、直径６０ｍｍ、長さ６０ｍｍの固溶体単結晶が得られる。 Further, 95 mol% of Al 2 O 3 and 5 mol% of Ga 2 O 3 powder raw materials are pulverized and mixed for 24 hours by a ball mill using alumina balls. The obtained mixed powder is dried and then placed in an Ir crucible, and the single crystal is pulled up by the Czochralski method using the (1120) face of sapphire. Thus, a solid solution single crystal having a diameter of 60 mm and a length of 60 mm is obtained.
得られた固溶体単結晶から試料１と同様の方法により膜形成用基板を得る。この基板を試料２とする。 A film-forming substrate is obtained from the obtained solid solution single crystal by the same method as Sample 1. This substrate is designated as sample 2.
得られた試料１および試料２の上に、トリメチルガリウムおよびアンモニアを原料ガスとしてＭＯＣＶＤ法により、厚さ２μｍのＧａＮ半導体膜を形成する。比較のため、同様の方法によりサファイア基板の（０００１）主面上に厚さ２μｍのＧａＮ半導体膜を形成する。 On the obtained samples 1 and 2, a GaN semiconductor film having a thickness of 2 μm is formed by MOCVD using trimethylgallium and ammonia as source gases. For comparison, a GaN semiconductor film having a thickness of 2 μm is formed on the (0001) main surface of the sapphire substrate by the same method.
試料１および試料２、ならびに、これらの膜形成用基板上に形成したＧａＮ半導体膜を評価するために、以下の表に示す物性の計測を行った。
In order to evaluate Sample 1 and Sample 2 and the GaN semiconductor films formed on these film forming substrates, the physical properties shown in the following table were measured.
結晶構造および格子定数はＣｕＫα線を用いたＸ線回折法により求める。ＧａＮミスフィットは、求めた格子定数を用いて以下の式によって計算する。 The crystal structure and lattice constant are determined by an X-ray diffraction method using CuKα rays. The GaN misfit is calculated by the following formula using the obtained lattice constant.
ここで、ａGaNはＧａＮのａ軸の格子定数であり、ａxは、本発明の固溶体単結晶およびサファイアのａ軸の格子定数である。組成はＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により同定する。 Here, a GaN is the lattice constant of the a-axis of GaN, and a x is the lattice constant of the a-axis of the solid solution single crystal and sapphire of the present invention. The composition is identified by EPMA (electron beam microanalyzer).
熱膨張率は示差熱膨張計によってＣ軸と垂直な方向の値を求める。 The coefficient of thermal expansion is determined by a differential thermal dilatometer in the direction perpendicular to the C axis.
研磨抵抗は、厚さ０．６ｍｍの基板を１０ｍｍの長さにわたって外周刃切断機を用いて切断し、その際に外周刃にかかるモータ負荷電力を、サファイアを用いて同様の計測を行った負荷電力を１００として表している。１００より数値が小さいほど負荷が小さくことを示している。 The polishing resistance is a load obtained by cutting a substrate having a thickness of 0.6 mm over a length of 10 mm using a peripheral blade cutting machine, and measuring the motor load power applied to the peripheral blade at that time using sapphire. Electric power is represented as 100. The smaller the value than 100, the smaller the load.
研磨能率は、１０ｍｍ×１０ｍｍの基板をダイヤモンド砥粒を用い、その厚さが３μｍ減少するまで研磨したときの単位時間あたりの除去能率を、サファイアを用いて同様の計測を行った値を１００として示している。 The polishing efficiency is 100 mm × 10 mm, and the removal efficiency per unit time when the thickness is reduced by 3 μm using diamond abrasive grains is set to 100, which is the same measurement using sapphire. Show.
材料欠陥密度は、（０００１）面を有する大きさ１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの基板を厚さ０．４ｍｍ、Ｒａ＜０．２ｎｍになるまで片面研磨およびＣＭＰを施し、３５０℃に加熱したＫＯＨ溶液に１０分保持した後、研磨面を顕微鏡により観察し、欠陥の数を数えることにより求める。ＧａＮ膜の欠陥密度は、形成した膜表面の欠陥をＡＦＭにより評価することにより求める。 The material defect density is 10 mm × 10 mm having a (0001) plane, 0.5 mm thick substrate is subjected to single-side polishing and CMP until 0.4 mm in thickness and Ra <0.2 nm, and heated to 350 ° C. After holding in the KOH solution for 10 minutes, the polished surface is observed with a microscope, and the number of defects is counted. The defect density of the GaN film is obtained by evaluating defects on the formed film surface by AFM.
表に示すように、得られた試料１および試料２の固溶体単結晶はコランダム構造を備えているが、格子定数がサファイアよりも大きくなっている。このため、ＧａＮとの格子定数のミスフィットはサファイアより小さくなっている。また、異種金属成分の添加に伴い、基板の形状にしたときの欠陥密度は、サファイアに比べて多くなっている。 As shown in the table, the obtained solid solution single crystals of Sample 1 and Sample 2 have a corundum structure, but have a lattice constant larger than that of sapphire. For this reason, the lattice constant misfit with GaN is smaller than that of sapphire. In addition, with the addition of different metal components, the defect density when the substrate is formed is larger than that of sapphire.
しかし、基板上に形成するＧａＮ膜の欠陥密度は、本発明による基板上に形成したもののほうが小さくなっている。これは、基板表面における欠陥は増えるものの、格子定数のミスフィットが小さくなることによって欠陥の発生が抑制されているためであると考えられる。特に、ＣｒはＡｌ2Ｏ3に１０ｍｏｌ％以上の割合で添加することが可能であるため、Ｃｒを添加することにより、ＧａＮとの格子定数のミスフィットをより小さくし、形成するＧａＮ系半導体膜の欠陥密度を低減させることができる。 However, the defect density of the GaN film formed on the substrate is smaller when formed on the substrate according to the present invention. This is considered to be because although the number of defects on the substrate surface increases, the generation of defects is suppressed by the reduction of lattice constant misfit. In particular, since Cr can be added to Al 2 O 3 at a ratio of 10 mol% or more, by adding Cr, the misfit of the lattice constant with GaN is further reduced, and the GaN-based semiconductor film to be formed The defect density can be reduced.
試料１および試料２の熱膨張率はともにサファイア基板の値と等しい。このことは、試料１および試料２上にＧａＮ系半導体層を形成する場合、加熱や冷却によりＧａＮ系半導体層に及ぼす応力がサファイア基板と同程度であることを意味している。したがって、サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を形成する時の熱的条件と同じ条件によって、本発明の膜形成用基板上にＧａＮ系半導体層を好適に形成できる。 The thermal expansion coefficients of Sample 1 and Sample 2 are both equal to the value of the sapphire substrate. This means that when the GaN-based semiconductor layer is formed on the sample 1 and the sample 2, the stress exerted on the GaN-based semiconductor layer by heating or cooling is approximately the same as that of the sapphire substrate. Therefore, the GaN-based semiconductor layer can be suitably formed on the film-forming substrate of the present invention under the same conditions as the thermal conditions for forming the GaN-based semiconductor layer on the sapphire substrate.
研削抵抗および研磨能率の値はいずれも、サファイア基板より試料１および試料２のほうが優れている。特に、研磨能率が著しく改善しており、本発明の固溶体単結晶を基板形状に加工する場合、研磨時間を大幅に短縮することができ、生産性を大きく向上させることができることがわかる。 Samples 1 and 2 are superior to sapphire substrates in terms of both grinding resistance and polishing efficiency. In particular, the polishing efficiency is remarkably improved, and it can be seen that when the solid solution single crystal of the present invention is processed into a substrate shape, the polishing time can be greatly shortened and the productivity can be greatly improved.
なお、上記実施形態では、ＧａＮ系半導体膜を形成するための基板として本発明を説明しているが、本発明による基板上に形成されるＧａＮ系膜は圧電特性にも優れ、圧電素子を形成するための基板としても優れている。また、ＧａＮに近い格子定数を持つ半導体材料や圧電材料、たとえば、ＺｎＯを本発明の基板上に形成することもできる。 In the above embodiment, the present invention is described as a substrate for forming a GaN-based semiconductor film. However, the GaN-based film formed on the substrate according to the present invention has excellent piezoelectric characteristics and forms a piezoelectric element. It is also excellent as a substrate for this purpose. Further, a semiconductor material or a piezoelectric material having a lattice constant close to that of GaN, for example, ZnO can be formed on the substrate of the present invention.
本発明は、ＧａＮ系薄膜を形成するための基板に好適に用いることができる。特に、ＧａＮ系ＬＥＤやレーザを製造するためのＧａＮ系半導体膜作成用基板に好適に用いることができる。
The present invention can be suitably used for a substrate for forming a GaN-based thin film. In particular, it can be suitably used for a substrate for forming a GaN-based semiconductor film for manufacturing GaN-based LEDs and lasers.
Claims (10)
前記膜形成用基板上に形成されたＧａＮ系単結晶半導体膜と、
を有する半導体基板。 A film-forming substrate as defined in any one of claims 1 to 7;
A GaN-based single crystal semiconductor film formed on the film forming substrate;
A semiconductor substrate.
A method for forming a semiconductor film, comprising epitaxially growing a GaN-based single crystal semiconductor film on a film forming substrate as defined in any one of claims 1 to 8.
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