JP2006096602A

JP2006096602A - エピタキシャル成長用基板の製造方法

Info

Publication number: JP2006096602A
Application number: JP2004283982A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Furutaki; 敏郎古滝; Kazuhiko Sunakawa; 和彦砂川; Tsugio Sato; 次男佐藤
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】より簡便な方法により窒化物半導体単結晶の結晶度を向上させること。
【解決手段】酸化アルミニウム１に酸化ガリウム２を混合する工程と、該混合物を焼成して酸化アルミニウムと酸化ガリウムとの固溶体３を形成する工程と、該固溶体３を加熱溶融して融液４とする工程と、該融液４を徐冷してＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３（０＜ｘ＜２）単結晶５を形成する工程とを含むことを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板６の製造方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化ガリウムをはじめとした、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長に用いる基板、及びその製造方法に関する。

今日、窒化ガリウムをはじめとした窒化物半導体単結晶は、青色発光ダイオード（ＢｌｕｅＬＥＤ）等として広く用いられている。窒化物半導体単結晶の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法・ＨＶＰＥ法などの気相成長法が挙げられる。気相成長を行うための基板としてはＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等の他、Ａｌ_２Ｏ_３基板（以下、サファイヤ基板という）が用いられている。

このうち、サファイヤ基板を用いた窒化物半導体単結晶の気相成長が最も容易であり、広く量産化されている。しかしながら、サファイヤ基板と窒化物半導体単結晶との格子定数の差が約１３％と大きいため、成長した窒化物半導体単結晶が格子欠陥を生じやすい。

そのため、例えば図１に示すように、ステップ状にオフアングルしたサファイヤ基板１１の主面上に、素子構造となる窒化物半導体単結晶１２の層を設けることにより、窒化物半導体単結晶１２の結晶性を向上させる発明が、従来知られている（特許文献１）。

また、例えば図２に示すように、サファイヤ基板の主面上にリソグラフィ技術によって複数の溝を周期的なストライプ状に形成し、該サファイヤ基板の主面上に窒化物半導体単結晶の層を設けることにより、窒化物半導体単結晶の結晶性を向上させる発明が、従来知られている（特許文献２）。

特開平１１−０７４５６２号公報

特開２００２−０９３７２６号公報

しかしながら、前記特許文献１に示すサファイヤ基板上にステップを形成する方法では、基板主面の面方位、具体的にはｃ面からのオフアングルは、厳密に正確である必要があった。また、熱処理によって結晶成長の核となる均一なステップ構造を得るためには、基板の平坦度もＲａ＝０．１ｎｍ以下と、原子レベルにおいて平坦であることが求められた。このことは、サファイヤ基板の面方位の調整、およびサファイヤ基板の研磨の各工程において、多大な労力を要するという問題点となった。

また、特許文献２に示す、単結晶基板の主面上にリソグラフィ技術によって溝を形成する方法では、リソグラフィー処理に先立ってサファイヤ基板上へのＳｉＯ_２等からなるレジスト層の形成・除去を行わなくてはならず、サファイヤ基板への溝形成の工程が煩雑になるという問題点があった。

その一方で、特許文献２に示す方法は、レジスト層の除去時にレジストが残留してサファイヤ基板を汚染し、そのレジストが窒化物半導体単結晶の成長に悪影響を及ぼすことで、青色発光ダイオード素子の歩留りを低下させるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、サファイヤ単結晶と窒化物半導体単結晶の格子定数の差を緩和させ、より簡便な方法により窒化物半導体単結晶の結晶度を向上させることである。

請求項１記載の発明は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を混合する工程と、該混合物を焼成して酸化アルミニウムと酸化ガリウムとの固溶体を形成する工程と、該固溶体を加熱溶融して融液とする工程と、該融液を徐冷してＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３（０＜ｘ＜２）単結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、該混合物における酸化ガリウムの含有率が、モル分率で０．１〜１０％であることを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法である。

請求項３記載の発明は、請求項１及び２に記載の発明の構成に加えて、該Ａｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶を形成する工程がＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ−ｆｅｄＧｒｏｗｔｈ）法であることを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法である。

請求項４記載の発明は、サファイヤ単結晶基板に含まれるアルミニウム原子の一部がガリウム原子に置換し、かつ該ガリウム原子が該サファイヤ単結晶基板中に均一に存在していることを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板である。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の発明の構成に加えて、該アルミニウム原子のうち０．１〜１０％が該ガリウム原子に置換していることを特徴とする、窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板である。

本発明のエピタキシャル成長用基板の製造方法によれば、結晶成長の段階においてサファイヤ単結晶に一定割合のガリウム原子を導入することにより、結晶性の高い窒化物半導体単結晶を成長させることが出来るという効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、例えば図２に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。

第１の工程は、サファイヤの原料である酸化アルミニウム１と、酸化ガリウム２とを混合する工程である（図２（ａ））。酸化アルミニウム１は融点が２０１５℃あり、溶融後にこれらを混合することは困難であるため、溶融前にこれらを混合する必要がある。酸化アルミニウム１には何種類かの変態が知られているが、本実施形態ではα−アルミナの使用が最も好ましい。また、本工程で用いる酸化アルミニウム１および酸化ガリウム２は、これらを効率的に均等に混合する観点から、ともに粉末であることが好ましい。混合物全体における酸化ガリウム２の混合比は、モル分率で０．１〜１０％であることが好ましい。なぜならば、０．１％以下だと窒化物半導体単結晶の成長に対する改善効果が殆ど見られなくなり、一方で１０％を越えると均一な単結晶を形成することが困難となるからである。

第２の工程は、酸化アルミニウム１と酸化ガリウム２の混合物を焼成し、固溶体３を形成する工程である（図２（ｂ））。第１の工程で混合した酸化物は、溶融を行う前に予め固溶体を形成しておくことで、第３の工程で溶融し結晶化を行う際、より均質なＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５を作ることが出来る。本工程における焼成は不活性雰囲気下で行い、焼成温度１６００℃〜１７００℃で５時間〜６時間程度焼成を行うことで、固溶体３を形成することが出来る。

第３の工程は、焼成によって形成した固溶体３を溶融し（図２（ｃ））、その融液４を徐冷して結晶化させ、Ａｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５を形成する工程である（図２（ｄ））。固溶体３の加熱温度は、固溶体３の融点以上の温度が必要であるが、酸化ガリウム２が混合することで融液４の融点が低下するため、通常のサファイヤの融点より低い温度で固溶体４は溶融する。そして融液４からＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５を形成する方法としては、公知のサファイヤ結晶の成長方法を用いることが可能であるが、例えばＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ−ｆｅｄＧｒｏｗｔｈ）法を用いれば、板状のＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５を容易に得ることが出来るため好ましい。

図３にＥＦＧ法による結晶成長の概略図を示す。ルツボ１０には融液４が入っており、そこに、スリット（キャピラリ）７を設けたダイ（型）８が入っている。融液４は、スリット７を毛細管現象により上昇する。その上昇した融液４に種結晶９を接触させ、その種結晶９を引上げていくことで、種結晶９の下に板状のＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５を形成させることが出来る。

こうして得られたＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶５は、切断等により形状を整え、主面に研磨を行って平坦にすることで、エピタキシャル成長用基板６となる（図２（ｅ））。このエピタキシャル成長用基板６は、公知のエピタキシャル成長方法を用いて窒化物半導体単結晶を成長させることができる。エピタキシャル成長方法としては、例えばＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法などを用いることが好ましい。

従来の技術に係る、ステップの形成されたサファイヤ基板を説明する図である。本実施形態に係る、エピタキシャル成長用基板の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る単結晶サファイア基板を作製する方法の一例（ＥＦＧ法）を示す図である。

符号の説明

１酸化アルミニウム
２酸化ガリウム
３固溶体
４融液
５Ａｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶
６エピタキシャル成長用基板
７スリット
８ダイ
９種結晶
１０ルツボ
１１ステップ状にオフアングルしたサファイヤ基板
１２窒化物半導体単結晶

Claims

酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を混合する工程と、
該混合物を焼成して酸化アルミニウムと酸化ガリウムとの固溶体を形成する工程と、
該固溶体を加熱溶融して融液とする工程と、
該融液を徐冷してＡｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３（０＜ｘ＜２）単結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする、
窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
該混合物における酸化ガリウムの含有率が、モル分率で０．１〜１０％であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
該Ａｌ_ｘＧａ_２−ｘＯ_３単結晶を形成する工程がＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ−ｆｅｄＧｒｏｗｔｈ）法であることを特徴とする、請求項１及び２に記載の窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
サファイヤ単結晶基板に含まれるアルミニウム原子の一部がガリウム原子に置換し、
かつ該ガリウム原子が該サファイヤ単結晶基板中に均一に存在していることを特徴とする、
窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板。
該アルミニウム原子のうち０．１〜１０％が該ガリウム原子に置換していることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板。