JP2008515755A - 溶融金属からiii属窒化物のバルク結晶または結晶層を製造する方法 - Google Patents
溶融金属からiii属窒化物のバルク結晶または結晶層を製造する方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、圧力Pで窒素を溶融金属中に混合して、第1温度範囲の第1温度T1での析出によって、前記溶融金属中に配置されたIII属窒化物の種結晶上に、または前記溶融金属中に配置された異質の基板上に、前記III属を含む溶融金属から1つのIII属窒化物のまたは異なる複数のIII属窒化物の混合物の結晶層あるいはバルク結晶を製造する方法に関する。本法では、前記溶融金属中でIII属窒化物へのIII属金属の変換速度を増やす溶媒添加物を前記溶融金属に加える。前記溶融金属が、第1処理段階と第2処理段階とをもつ少なくとも1回の温度サイクルを通過し、前記温度サイクルにおいて、前記溶融金属が、前記第1処理段階の後で前記第1温度T1から前記第1温度範囲より低い第2温度T2まで冷却され、前記第2処理段階の終わりに前記第2温度T2から前記第1温度範囲の温度まで加熱される。上記の方法は、1100℃以下の温度と5×105Pa以下の処理圧で、転位密度108cm-2未満を有し、10mmより大きい直径を有するかなり大きな結晶と10μmより大きい厚さを有するIII属窒化物結晶層を製造することを可能にする。
Description
本発明は、溶融金属を含むIII属から析出によってIII属窒化物の種結晶上または異なる基板上に、III属窒化物のバルク結晶または結晶層を製造する方法に関する。本法は、5×105Paの処理圧で、108cm-2以下の転位密度で、100mm2より大きい面積を有するIII属窒化物の基板と、10mmより大きい直径を有するIII属窒化物のバルク結晶を製造することを可能にする。発明された方法は、主として、オプトエレクトロニクス、通信技術および高周波技術の分野において、III−V材料系に基づく半導体部品および複合材料の半導体部品の製造するために使用される。
窒化物ベースの半導体と複合半導体は、まだ工業において比較的少ししか使用されていない材料系である。窒化ガリウム(GaN)は大きいダイレクトバンドギャップ(3.4eV)を有する半導体である。それと類似の窒化アルミニウム(AlN、バンドギャップ6.3eV)と窒化インジウム(InN、バンドギャップ1.9eV)とで、6.3eV〜1.9eVのスペクトル範囲をカバーすることができる三組の混合結晶を形成する。
III属窒化物ベースの部品の材料上の特別な利点を完全に利用することができるように、該部品はIII属窒化物結晶と同じような長さ方向の拡大(expansion)と格子パターンを有する基板上に析出させなければならない。したがって、イソ構造のIII属窒化物基板は、純粋なIII属窒化物基板としてIII属窒化物ベースの部品を製造するためにまさに適合したものである。
III属窒化物ベース部品の工業的な大量製造するときの基本的な困難さは、現在のところ均一にエピタキシャルな部品を析出させるために利用可能なIII属窒化物基板の十分な量または品質がないということである。したがって、III属窒化物部品は、適合していない異質基板上、特にサファイアと炭素ケイ素上に析出されるが、この方法で製造された部品の性能と寿命は対応する欠点を有する。今日、特に有機金属蒸気相エピタキシィー(metal organic vapor phase epitaxy MOVPE)工程は、基板上にIII属窒化物の部品を析出させるのに使用される。
III属窒化物の基板、それぞれのバルク結晶を製造するのにこれまで使用されてきた技術は、本質的にガス相で処理されている、すなわち、所望の部品は、有機金属、無機または金属の出発物質として供給され、複雑なリアクター中で、高温(1100℃)での水素、アンモニアおよび塩化水素の添加のもとでガス上の生成物に変換され、最終的にはIII属窒化物に変換される。
水素化物蒸気相エピタキシィー(hydride vapor phase epitaxy HVPE)工程は、GaN結晶層の達成可能な高品質と最大100mm/hの高い成長率により、GaN基板を製造するために特に適合されていることが判明した。HVPE工程において、塩化水素は、通常、800〜900℃の温度で、液体ガリウム上を流れ、塩化ガリウムと水素を生成する。ガス状の塩化ガリウムと別々にリアクターに加えられるアンモニウムとの反応、GaCl+NH3 →GaN+H2+HClの式で、窒化ガリウムは異質の基板上の反応ゾーン中に生成する。それぞれ5cmの直径を有する薄いおよび厚いガリウム基板層および5cmの直径を有する窒化ガリウムのバルク結晶を製造するための実現性はHVPE工程で証明されている。
そのうえ、GaN結晶、それぞれのGaN結晶層の昇華成長(サンドイッチ昇華技術、SST)、高圧溶液成長(高圧成長、HPSG)、GaN結晶のアンモサーマル成長(アンモサーマル成長技術 ammothermal growth technology AGT)の工程も知られている。これらの工程は複雑であり、いくつかの場合には、非常に高価な技術装置を必要とする。これまで、高圧溶液の成長工程で100μm厚みと約1cmの幅の寸法を有するGaN結晶層を作り出すのは可能である。
しかしながら、従来技術によれば、HVPE工程は、見本部品を製造するための量のGaN基板を提供することができる唯一の方法である。しかしながら、HVPE工程で達成可能なGaN基板の量と品質、特にサイズは、工業的な製造には十分でない。そのうえ、HVPE工程は技術的に複雑であり関連するコストは非常に高い。
一方、溶融金属液体からのIII属窒化物基板の溶液成長に対するこれまで知られたアプリケーションは、HVPE工程のアプリケーションに比較可能な結果が得られなかった。
本発明の目的は、5×105Pa未満の処理圧および1100℃以下の温度で、108cm-2以下の転位密度と10mmより大きい直径とを有する層結晶またはバルク結晶として、III属窒化物を製造することができる工業的に使用可能な工程を供給することである。
本発明の目的は、請求項1に従う方法を使用することによって解決される。さらに本発明の考えを進展させた有利な特徴は、特に好ましい具体例を例示する従属項の要旨である。
本発明の方法は、圧力Pで窒素を溶融金属中に混合し、前記溶融金属中でIII属窒化物へのIII属金属の変換速度を増やす溶媒添加物が前記溶融金属に加えられ、第1温度範囲の第1温度T1での析出によって、前記溶融金属中に配置されたIII属窒化物の種結晶上に、または前記溶融金属中に配置された異なる基板上に、前記III属を含む溶融金属からIII属窒化物のまたは異なる複数のIII属窒化物の混合物の結晶層あるいはバルク結晶を製造する方法であることによって特徴づけられる。さらに、溶融金属が、第1処理段階と第2処理段階とを持つ少なくとも1回の温度サイクルを通過する。前記温度サイクルにおいて、前記溶融金属が、前記第1処理段階の後で前記第1温度T1から第1温度範囲より低い第2温度T2まで冷却され、前記第2処理段階の終わりに前記第2温度T2から前記第1温度範囲内の第3温度T3まで加熱される。
第1の温度範囲とT1とT3の選択、およびT1とT2間の温度低下、温度T2の選択は、III属金属、溶媒添加物と溶融金属中の溶媒添加物濃度、溶融金属中の窒素混合物の種類および処理圧力に依存する。
発明された方法は、溶液成長工程(liquid phase growth process)(液相エピタキシィー liquid phase epitaxy LPE)、または、より正確には低圧溶液成長方法(low pressure solution growth LPSG)である。
好ましくは、アルミニウム、ガリウムおよびインジウム元素がIII属溶融金属を製造するために使用される。
III属窒化物結晶を製造する溶液成長方法において、種結晶上または基板上のIII属窒化物結晶の析出速度は、III属金属の溶融金属中でIII属窒化物への変換速度によって基本的に決定される。しかしながら、純粋なIII属溶融金属は、適合した窒素混合物を有するIII属溶融金属からIII属窒化物への変換をほとんど示さない。
発明された方法において、少なくとも1つの溶媒添加物がIII属含有溶融金属中で使用され、該溶媒添加物は変換速度を増やして、III属窒化物の制御された結晶を可能にする。
溶媒添加物として加えられるものは、C、Si、Ge、Fe、Sn、Bi、Cr、Ni、Zn、Pbのうちの少なくとも1つの元素、および/又は、希土類元素のうちの少なくとも1つの元素または合金、またはこれらの元素の化合物、特に溶融金属を含むIII属の窒化物である。
発明された方法において、溶融金属は第1処理段階が始まる前に、800℃と1100℃の間の温度範囲である、適合された第1温度T1まで加熱される。この第1処理段階では、溶融金属中に置かれた基板上または種結晶上にIII属窒化物結晶の析出、その結果、結晶成長が起こる。第1温度T1と、例えば、処理圧および窒素の固体あるいはガス状の混合物などの他の処理パラメータは、第1処理段階の間、一定に保たれる。
第1処理段階は、第1温度範囲より低い第2温度T2まで溶融金属を冷やすことによって終わり、第2処理段階に移される。温度はT1からT2まで少なくとも30K下げられる。温度を下げると、結晶成長がかなり減少するあるいは停止し、溶融金属が容器から周知のはうような移動(creep)を防ぐ。
第2段階では、上記の効果を強めるために、窒素混合物の追加を減少するあるい停止することができる。
第2処理段階は、第1温度T1から第2温度T2までの溶融金属の冷却で始まり、その後で第1温度範囲内のT3温度まで溶融金属を加熱することによって終了する。第2温度T2に達するとすぐに、T3の温度までの加熱が基本的に起こり得る。しかしながら、温度T2での1分から数時間の保持期間は利点がある。
溶融金属を温度T3まで加熱した後に、別の第1処理段階がこの第2処理段階に続く。温度T3は、温度T1と同じであるが、そうする必要は必ずしも無い。しかしながら、更なる結晶成長にとって、T3が第1温度範囲内にあることは不可欠である。
この追加の第1段階が100時間まで広がり得えることおよび大きな寄生的な堆積が発生せずにあるいは溶融金属が容器の壁をはい上がらずに結晶成長が可能であることは驚くべきことである。
発明された温度サイクルが続けられるならば、すなわち、第1および第2処理段階が交互に続くならば、実質的に108cm-2未満の転位密度が結晶層の進展中に達成される。さらに、非常に長い総合的な処理時間が可能であり、所望サイズの結晶あるいは基板を生成することができる。
本発明の温度サイクルを続けながら、第2処理段階の間の結晶成長の停止またはかなりの低減、および更なる結晶成長により、境界領域または境界層は、析出された結晶の間に進展する。これらの境界領域または境界層は顕微鏡的に検証され得る。結果として、この方法で製造されたIII属窒化物バルク結晶または基板は、明確に確認することができる。
本発明の方法において、溶融金属中に窒素混合物は、反応性の特に固体またはガス状窒素含有材料、好ましくはGaN、アンモニア(NH3)、またはヒドラジン(H2N-NH2)、窒素含有(N2)キャリアガス、特に窒素(N2)と水素(H2)の混合物を使用して生成する。
また、本方法の更なる進展の利点は、例えば、機械的な攪拌または磁場を利用して対流を発生させることによって、溶融金属中に加えられた窒素の溶融金属表面を通る輸送速度を増加させ、GaのGaNへの変換速度の更なる増加に貢献することによって、溶融金属中の窒素の輸送を改良する。このような方法で溶融金属からの種結晶上でのGaからGaNへの変換速度が高められる。
本発明は、本発明の一般的な考えの範囲と精神を限定しない範囲で、付随の実施例の図とともに好ましい実施形態を用いて以下でより明らかとなるであろう。
本発明の方法は、例としてGaN結晶層の製造を用いて以下に例示的に記載される。
図1は以下で記載される好ましい実施形態で実行されるモデルリアクターの概要を示す図である。
モデルリアクターは、密閉可能な耐熱性の石英ガラス製フィアル(phial)1を含み、フィアル1は管状炉4によって長手方向の軸の向きに囲まれている。純度の理由で、石英ガラス製フィアル1はグラファイト成分を含まず、特に溶融金属と接触している石英ガラスは無い。管状炉4は水平に配置された、加熱ゾーンを有する抵抗加熱炉である。また、他の手段によって加熱されたいくつかの加熱ゾーンまたは炉を有する直立に配置された誘導加熱炉または放射加熱炉を使用することも可能である。石英ガラスのフィアル1内の窒化ホウ素のるつぼ3中に溶融金属2が配置されている。るつぼ3は石英ガラスのフィアル1内の石英ガラスライナー9上に配置されている。石英ガラスのフィアル1中に種結晶を取り付けることができる種ロッド10がある。種ロッド10は、その上に取り付けられた種結晶の片端を溶融金属2に浸してから再び取りはずすような方法で機構11を通して操作され得る。石英ガラスのフィアル1は、排気出口部6とともにキャリアガスと反応性のガス状窒素含有材料を流すためのガス入口部5を有する。ガス入口部5は、ガスが溶融金属2の表面の近くに入るように設計されている。排気出口部6は石英ガラス製フィアル1を真空引きし得るターボ分子ポンプ8に接続されている。
この方法の最初で、Gaおよび溶媒添加物としてのGeが清浄にされたるつぼ3中に配置される。GaとGeの純度は5N(99.999%)以上である。III属窒化物結晶は種結晶として使用される。
処理の始めに、まず、清浄化段階が実行される。石英ガラスのフィアル1は1Pa未満の圧力まで真空にされて、溶融金属は500℃と600℃まで加熱される。安定した温度条件に達すると、これらの条件は少なくとも1時間維持されて、窒素(N2)と水素(H2)のガス混合物が石英ガラスのフィアル1に加えられる。るつぼ3が950℃の第1温度T1まで加熱されるとすぐに清浄化段階は終了する。種ロッド10に取り付けられた種結晶は、溶融金属2中に浸漬される。T1温度に達すると、アンモニア(NH3)がキャリアガス(N2とH2)に加えて石英ガラスのフィアルに導入される。ガス混合物比は流量制御器7によって制御される。アンモニアの流量は平衡分圧に近似するように設定される。アンモニアの導入により、窒素混合物が溶融金属の表面で生成する。溶融金属の中に含まれたGeによって、GaNへのGaの変換速度が実質的に増加する。
約10時間の第1処理段階(結晶成長段階)の終わり、第2段階の始めで、溶融金属の温度は、T1=950℃から第2の温度T2=800℃まで下げられ、その結果、るつぼから溶融金属がクリープするのを防ぐ。結晶成長は第2処理段階で停止する。第2温度T2=800℃での1時間の保持期間後、溶融金属が温度T3=950℃まで加熱される。 この様に、第2の処理段階は、別の10時間の結晶成長の第1処理段階があとに続いている。
好ましい実施形態において、T1とT3の温度は同じ950℃が選択される。また、第1および第2処理段階の間のキャリアガスとアンモニアガスは一定のままで維持される。温度サイクルは、第1および第2処理段階を交互に制御することによって、所望のサイズの結晶あるいは結晶層が進展するまで続けられる。
図2Aと2Bは、2つの発明された温度サイクルの概略を示す図である。各場合において、溶融金属の温度は時間軸上に記入されている。
図2Aでは、第1と第2の処理段階を含む1つの完全な温度サイクルが実行され、最初の第1処理段階の持続時間よりも数倍長い持続時間の他の第1処理段階が続くいている。
図2Bでは、第1と第2の処理段階を含む数個の完全な温度サイクルが実行されている。第1と第2の処理段階の遷移は、GaN結晶が、所望の寸法を有するGaN結晶層のそれぞれが成長するまで繰り返される。
図2Aと2Bの両方での各処理の始めで、上記記載されたように清浄化の段階がある。
図3は透過電子顕微鏡(TEM)像である。像はGaN基板のいくつかの結晶層の断面を示している。3つの領域(層)が観察される。左の均質な領域は異質の基板を示している。まず、GaN結晶層が有機金属化学蒸着(MOCVD)によって均質な領域に配置される。この真ん中の結晶層は、ベース基板の表面に垂直に伸びている長手方向の構造を有している。これらの構造は、該結晶層中に大きな転位密度を示す結晶構造の多くの転位がある。別のGaN結晶層(右の領域)が本発明の溶液成長(液相エピタキシィーLPE)方法を使用して該結晶層上に配置される。真ん中の結晶層の大きな転位密度(長手方向の構造)の領域は右の結晶層中に続かないこと、および、本発明の方法に基づいて生成するGaN結晶層が構造化されていない領域によって、従って、実質的に低い転位密度によってTEM像で区別されていることは明瞭に明白である。
本発明の方法の従来技術の方法に対する本質的な利点は以下の通りである。
−溶融金属が容器からはい出すのを防ぐことによる、より長い総合的処理時間を有する、
−5×105Paの処理圧で、108cm-2以下の転位密度を有し、100mm2より大きい面積を有するIII属窒化物の基板と10mmより大きい直径を有するIII属窒化物バルク結晶とを製造することが可能である、
−III属窒化物基板またはバルク結晶の装置および製造コストを実質的に低減する、
−III属窒化物の結晶あるいは基板を工業的に製造する方法をかなり簡単にスケールアップすることができる。
−溶融金属が容器からはい出すのを防ぐことによる、より長い総合的処理時間を有する、
−5×105Paの処理圧で、108cm-2以下の転位密度を有し、100mm2より大きい面積を有するIII属窒化物の基板と10mmより大きい直径を有するIII属窒化物バルク結晶とを製造することが可能である、
−III属窒化物基板またはバルク結晶の装置および製造コストを実質的に低減する、
−III属窒化物の結晶あるいは基板を工業的に製造する方法をかなり簡単にスケールアップすることができる。
1 石英ガラスのフィアル
2 溶媒添加物を有するIII属溶融金属のサンプル
3 るつぼ
4 管状炉
5 ガス吸入口
6 排気出口
7 流量調製器
8 ターボ分子ポンプ
9 石英ガラスライナー
10 種ロッド
11 種ロッドを溶融金属に浸漬する機構
2 溶媒添加物を有するIII属溶融金属のサンプル
3 るつぼ
4 管状炉
5 ガス吸入口
6 排気出口
7 流量調製器
8 ターボ分子ポンプ
9 石英ガラスライナー
10 種ロッド
11 種ロッドを溶融金属に浸漬する機構
Claims (22)
- 圧力Pで窒素を溶融金属中に混合して、前記溶融金属中でIII属金属のIII属窒化物への変換速度を増やす溶媒添加物が前記溶融金属に加えられ、第1温度範囲の第1温度T1での析出によって、前記溶融金属中に配置されたIII属窒化物の種結晶上に、または前記溶融金属中に配置された異質の基板上に、前記III属を含む溶融金属から1つのIII属窒化物のまたは異なる複数のIII属窒化物の混合物の結晶層あるいはバルク結晶を製造する方法であって、
前記溶融金属が、第1処理段階と第2処理段階とをもつ少なくとも1回の温度サイクルを通過し、
前記温度サイクルにおいて、前記溶融金属が、前記第1処理段階の後で前記第1温度T1から第1温度範囲より低い第2温度T2まで冷却され、前記第2処理段階の終わりに前記第2温度T2から前記第1温度の範囲内の温度まで加熱される、
ことを特徴とする方法。 - 前記溶融金属への前記窒素の混合が5×105Pa以下の圧力で行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1温度範囲の上限が1100℃以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記窒素の混合としてガスまたはガス混合物が、使用されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶融金属中への前記窒素の混合のためには、キャリアガスと反応性の窒素含有物質とを含むガス混合物が使用されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記キャリアガスとして窒素(N2)と水素(H2)の混合物が、使用され、前記反応性の窒素含有物質としてアンモニア(NH3)またはヒドラジン(H2N-NH2)が使用されることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記溶融金属中への前記窒素の混合として、固体材料あるいは固体材料の混合物が使われることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶融金属中への前記窒素の混合として、GaNが使われることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記使用されるガスと固体材料の純度とは、5N(99.999%)より大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記反応性の窒素含有ガス状物質の分圧は、前記ガス混合物の構成と、前記溶融金属の表面温度と、前記溶媒添加物とに対応して制御されおよび適合されていることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の方法。
- 前記溶融金属の上方の限られた容積が排気され、前記溶融金属が加熱され、次に、ガス混合物、特に窒素(N2)および水素(H2)が前記溶融金属の上方の限られた容積を通って流される清浄化段階が提供されことを特徴とする請求項1乃至請求項10のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記清浄化段階は少なくとも1分間維持され、前記溶融金属が500℃から600℃の範囲の温度で起こることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記第1処理段階は少なくとも1時間維持されることを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第2温度T2は前記第1温度T1より少なくとも30K低いことを特徴とする請求項1乃至請求項13のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記成長する結晶の方向への前記溶融金属を通る前記窒素の輸送速度を増加させるために、前記溶融金属中の温度勾配によって、または機械的な撹拌や磁場を利用して、前記溶融金属中に対流が発生させられることを特徴とする請求項1乃至請求項14のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 5N(99.999%)以上の純度のIII属金属と溶媒添加物が使用されることを特徴とする請求項1乃至請求項15のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記III属窒化物の種結晶または前記異質の基板は、保持手段に取り付けられて、前記保持手段を用いて前記溶融金属中に浸積されることを特徴とする請求項1乃至請求項16のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記III属窒化物の種結晶または前記異質の基板が取り付けられた前記保持手段は、前記溶融金属中で、垂直運動、水平運動、または回転運動またはこれらの重なる運動を実行することを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 前記異質の基板として、サファイア、炭素ケイ素、シリコン、窒化アルミニウム、ガリウム砒素または酸化物結晶が使用されることを特徴とする請求項1乃至請求項18のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶融金属を含むIII属からの種結晶または基板へのIII属窒化物の析出を、大きく低減させるまたは停止させるように、前記第2処理段階における前記第2温度T2および/または前記溶融金属中への前記窒素の混合が設定されることを特徴とする請求項1乃至請求項19のうちのいずれか1項に記載の方法。
- グラファイトが使用されず、前記溶融金属が石英ガラスと直接接触しないことを特徴とする請求項1乃至請求項20のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 108cm-2以下の転位密度を有し、請求項1に記載の方法で製造されたことを特徴とする1つのIII属窒化物または各種III属窒化物の混合物の結晶層またはバルク結晶。
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