JP2009167053A - Iii族窒化物結晶の成長方法 - Google Patents

Iii族窒化物結晶の成長方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2009167053A
JP2009167053A JP2008006854A JP2008006854A JP2009167053A JP 2009167053 A JP2009167053 A JP 2009167053A JP 2008006854 A JP2008006854 A JP 2008006854A JP 2008006854 A JP2008006854 A JP 2008006854A JP 2009167053 A JP2009167053 A JP 2009167053A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
main surface
group iii
crystal
iii nitride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2008006854A
Other languages
English (en)
Inventor
Fumitaka Sato
史隆 佐藤
Seiji Nakahata
成二 中畑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2008006854A priority Critical patent/JP2009167053A/ja
Priority to PCT/JP2009/050110 priority patent/WO2009090904A1/ja
Priority to CN2009801024617A priority patent/CN101910477A/zh
Priority to US12/812,338 priority patent/US20100275836A1/en
Priority to KR1020107016127A priority patent/KR20100113529A/ko
Priority to TW098101085A priority patent/TW200949026A/zh
Publication of JP2009167053A publication Critical patent/JP2009167053A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403AIII-nitrides
    • C30B29/406Gallium nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02387Group 13/15 materials
    • H01L21/02389Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/02428Structure
    • H01L21/0243Surface structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/02433Crystal orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/0254Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02609Crystal orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656Special treatments
    • H01L21/02658Pretreatments
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02455Group 13/15 materials
    • H01L21/02458Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

【課題】簡便に効率よく転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させる方法を提供する。
【解決手段】本III族窒化物結晶の成長方法は、少なくとも主面10m側にIII−V族化合物種結晶10aを含む基板10を準備する工程と、気相エッチングにより基板10の主面10mに複数のファセット10ms,10mt,10muを形成する工程と、ファセット10ms,10mt,10muが形成された主面10m上にIII族窒化物結晶20を成長させる工程と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、転位密度の低いIII族窒化物結晶の成長方法に関する。
AlxGa1-xN(0≦x≦1)結晶などのIII族窒化物結晶は、発光デバイス、電子デバイスなどの各種半導体デバイスに好適に用いられている。ここで、各種半導体デバイスの特性を向上させるため、転位密度の低いIII族窒化物結晶が求められている。
転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させる方法として、基板上に開口部をするマスク層を形成して、開口部からマスク層上にIII族窒化物結晶を横方向に成長させるELO(エピタキシャルラテラルオーバーグロース)法が開示されている(たとえば、特再表WO98/047170号公報(特許文献1)を参照)。
特再表WO98/047170号公報
しかし、特再表WO98/047170号公報(特許文献1)で開示されているELO法は、成長させるIII族窒化物結晶の転位密度を低減することはできるが、開口部を有するマスク層を形成することが必要であり、工程が複雑となり、生産性および経済性において不利であった。
そこで、本発明は、簡便に効率よく転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させる方法を提供することを目的とする。
本発明は、一主面を有するIII族窒化物種結晶を含む基板を準備する工程と、気相エッチングにより基板の主面に複数のファセットを形成する工程と、ファセットが形成された主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、を備えるIII族窒化物結晶の成長方法である。
本発明に係るIII族窒化物結晶の成長方法において、主面はIII族窒化物種結晶の(0001)面に対するオフ角が10°以下とし、ファセットは{11−2m}面(mは正の整数)および{10−1n}面(nは正の整数)からなる群から選ばれる少なくとも1つの結晶幾何学的に等価な面を含むことができる。また、気相エッチングは、HClガス、Cl2ガスおよびH2ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種類のガスを用いて行なうことができる。また、ファセットが形成されている主面の平均粗さRaを1μm以上1mm以下とすることができる。また、気相エッチング後の基板の厚さを300μm以下とすることができる。また、基板の主面に複数のファセットを形成する工程の後、基板を移動させることなく、連続して、ファセットが形成された主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程を行なうことができる。
本発明によれば、簡便に効率よく転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させる方法を提供することができる。
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法の一実施形態は、図1〜図3を参照して、一主面10mを有するIII族窒化物種結晶10aを含む基板10を準備する工程(図1(a))と、気相エッチングにより基板10の主面10mに複数のファセット10ms,10mt,10muを形成する工程(図1(b)、図2)と、ファセット10ms,10mt,10muが形成された主面10m上にIII族窒化物結晶20を成長させる工程(図1(c)、図3)と、を備える。
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法によれば、基板10の主面10mに形成された複数のファセット10ms,10mt,10muのそれぞれの上にIII族窒化物結晶20が成長する。ここで、各ファセット面10ms,10mt,10mu上に成長する結晶の成長方向および転位の伝搬方向(図3において、それぞれ矢印S,T,Uの方向)は、それぞれ各ファセット面10ms,10mt,10muに実質的に垂直な方向となる。これにより、III族窒化物結晶20において、主面10mに実質的に垂直な方向に伝搬する転位が減少する。
また、対向するファセット(たとえば、ファセット10mtとファセット10mu)上に成長する結晶間では、転位の伝搬方向(矢印TとUの方向)が対向しており、伝搬してきた転位が衝突する(図3において、たとえば矢印TとUが衝突する)。この衝突において、バーガーズベクトルの符号が反対で大きさが同じ転位が消滅する。また、複数のファセットの成長により、ファセットの粒界に転位が吸収される。このようにして、III族窒化物結晶20の転位密度が低減する。
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法について、図1〜図3を参照して、さらに詳細に説明する。まず、図1(a)を参照して、一主面10mを有するIII族窒化物種結晶10aを含む基板10を準備する(基板の準備工程)。III族窒化物種結晶10aは成長させるIII族窒化物結晶との結晶格子の不整合が小さい。特に、III族窒化物種結晶と成長させるIII族窒化物結晶との間で、結晶の構成原子の種類および密度が同じ場合には、それらの結晶間の結晶格子が整合する。このため、一主面10mを有するIII族窒化物化合物種結晶10aを含む基板10を用いることにより、その主面10m上に転位密度が低く結晶性の高いIII族窒化物結晶20を成長させることができる。
ここで、基板10は、一主面10mを有するIII族窒化物種結晶10aを含むものであれば特に制限はなく、その全体がIII族窒化物種結晶10aで形成されている自立基板であってもよく、また、下地基板10b上にIII族窒化物種結晶10aの層が形成されているテンプレート基板であってもよい。全体がIII族窒化物種結晶10aで形成されている基板10としては、GaN基板、AlN基板、AlxGa1-xN(0<x<1)基板などが挙げられる。また、下地基板10b上にIII族窒化物種結晶10aの層が形成されている基板10としては、GaN/サファイア基板(サファイア基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)、GaN/SiC基板(SiC基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)、GaN/Si基板(Si基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)、GaN/GaAs基板(GaAs基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)、GaN/GaP基板(GaP基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)、GaN/InP(InP基板上にGaN種結晶が形成されている基板をいう、以下同じ)などが挙げられる。
次に、図1(b)および2を参照して、気相エッチングにより基板10の主面10mに複数のファセット10ms,10mt,10muを形成する(ファセット形成工程)。主面10m上に複数のファセット10ms,10mt,10muを形成することにより、主面10mの各ファセット10ms,10mt,10mu上に成長するIII族窒化物結晶20の成長方向および転位の伝搬方向が各ファセット10ms,10mt,10muに対して実質的に垂直となり、主面10mに実質的に垂直な方向に伝搬する転位が減少する。また、対向するファセット(たとえば、ファセット10mtとファセット10mu)上に成長する結晶間においては、バーガーズベクトルの符号が反対で大きさが同じ転位が衝突により消滅する。また、複数のファセットの成長により、ファセットの粒界に転位が吸収される。このようにして、III族窒化物結晶20の転位密度が低減する。
ここで、III族窒化物種結晶10aは、六方晶系でありウルツ鉱型の結晶構造を有する。このため、上記複数のファセット10ms,10mt,10muによって、多角錐型の複数の凸部を有する凹凸面が形成される。ここで、多角錐としては、特に制限はないが、六角錐、四角錐、三角錐、十二角錐などが容易に形成される。
また、基板10の主面10mの複数のファセット10ms,10mt,10muは、気相エッチングによって形成される。気相エッチングにより、表面状態のよいファセットが形成される。ここで、表面状態がよいとは、表面処理による不純物の混入が低く、目的とする結晶面が表面に現れていることをいう。研磨加工および液相エッチングによっては、エッチングの選択性が悪く、また、不純物が混入し易いため、表面状態のよいファセットが得られず、成長させるIII族窒化物結晶の転位密度を低減することが困難である。
ここで、気相エッチングに用いられるガスは、表面状態のよいファセットが得られるものであれば特に制限はないが、III族窒化物種結晶を効率的にエッチングする観点から、HClガス、Cl2ガスおよびH2ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種類のガスが好ましい。ここで、HClガスおよびH2ガスは、GaN種結晶、Al組成の低いAlxGa1-xN種結晶(たとえば、0<x<0.5)などのエッチングに好ましく、Cl2ガスは、AlN種結晶、Al組成の高いAlxGa1-xN種結晶(たとえば、0.5≦x<1)などのエッチングに好ましい。また、これらのエッチングガスを併用することもできる。
また、III族窒化物種結晶を効率的にエッチングする観点から、エッチングガスの分圧は0.1Pa以上100kPa以下が好ましく、エッチング温度は700℃以上1200℃以下が好ましく、エッチング時間は1分以上180分以下が好ましい。
次に、図1(c)および3を参照して、ファセット10ms,10mt,10muが形成された主面10m上に、III族窒化物結晶を成長させる(III族窒化物結晶の成長工程)。かかる結晶成長により、基板10の主面10mに形成された複数のファセット10ms,10mt,10muのそれぞれの上にIII族窒化物結晶20が成長する。ここで、各ファセット面10ms,10mt,10mu上に成長する結晶の成長方向および転位の伝搬方向(図3において、それぞれ矢印S,T,Uの方向)は、それぞれ各ファセット面10ms,10mt,10muに実質的に垂直な方向となる。これにより、III族窒化物結晶20において、主面10mに実質的に垂直な方向に伝搬する転位が減少する。
また、対向するファセット(たとえば、ファセット10mtとファセット10mu)上に成長する結晶間では、転位の伝搬方向(矢印TとUの方向)が対向しており、伝搬してきた転位が衝突する(図3において、たとえば矢印TとUが衝突する)。この衝突において、バーガーズベクトルの符号が反対で大きさが同じ転位が消滅する。また、複数のファセットの成長により、ファセットの粒界に転位が吸収される。このようにして、III族窒化物結晶20の転位密度が低減する。
ここで、III族窒化物結晶20の成長方法には、特に制限はなく、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法、昇華法などの気相法、溶液法、フラックス法などの液相法などが用いられる。これらの結晶成長方法の内、気相エッチング後に連続して結晶成長させることが可能な観点から、気相法が好ましい。また、気相法の内、結晶成長速度が高い観点から、HVPE法がより好ましい。
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法において、図1(a)を参照して、基板10の主面10mはIII族窒化物種結晶10aの(0001)面10nに対するオフ角θが10°以下であり、ファセット10ms,10mt,10muは{11−2m}面(mは正の整数)および{10−1n}面(nは正の整数)からなる群から選ばれる少なくとも1つの結晶幾何学的に等価な面を含むことが好ましい。ここで、mおよびnは、いずれも正の整数であり、同じ数であっても異なる数であってもよい。
ここで、基板10の主面10mは、III族窒化物種結晶10aの安定な結晶面である(0001)面に対するオフ角θが10°以下であることから、その主面10m上に転位密度の低いIII族窒化物結晶20を安定して成長させることができる。
また、ファセット10ms,10mt,10muは、III族窒化物種結晶10aの安定な結晶面である{11−2m}面(mは正の整数)および{10−1n}面(nは正の整数)からなる群から選ばれる少なくとも1つの結晶幾何学的に等価な面を含むことから、各ファセット10ms,10mt,10mu上に転位密度が低いIII族窒化物結晶20を安定して成長させることができる。ここで、{11−2m}面とは(11−2m)面および(11−2m)面と結晶幾何学的に等価な面をいい、{10−1n}面とは(10−1n)面および(10−1n)面と結晶幾何学的に等価な面をいう。
ここで、III族窒化物種結晶10aの(0001)面、主面の面方位、およびファセットの面方位は、基板のX線回折、SEM(走査型電子顕微鏡)およびレーザ顕微鏡による観察により測定することができる。
また、図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法において、ファセット10ms,10mt,10muが形成されている主面10mの平均粗さRaが、1μm以上1mm以下であることが好ましい。ここで、主面10mの平均粗さRaは、JIS B 0601に規定する算術平均粗さRaをいい、具体的には、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの距離(偏差)の絶対値を合計し基準長さで平均した値をいう。また、平均粗さRaは、3D−SEM(3次元−走査型電子顕微鏡)、レーザ顕微鏡などを用いて測定することができる。主面10mの平均粗さRaが1μmより小さいと、ファセットの総数は多くなるが各ファセットの平均面積が小さくなるため、転位を低減する効果が低減する。また、主面10mの平均粗さRaが1mmより大きいと、各ファセットの面積は大きくなるがファセットの総数が少なくなるため、転位を低減する効果が低減する。
また、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法において、気相エッチング後の基板の厚さは300μm以下であることが好ましい。基板の厚さが300μmより大きいと、基板上にIII族窒化物結晶を成長させる際および成長後に冷却する際に、基板とIII族窒化物結晶との熱膨張係数の相違により両者間にかかる応力歪みが大きくなり、結晶成長の際または結晶成長後の冷却の際に、基板およびIII族窒化物結晶に割れやクラックが発生しやすくなる。基板の厚さが小さくなるほど、基板上にIII族窒化物結晶を成長させる際および成長後に冷却する際に、基板とIII族窒化物結晶との熱膨張係数の相違により両者間にかかる応力歪みが緩和される。かかる観点から、気相エッチング後の基板の厚さは、200μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。
また、図1を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法において、気相エッチングにより基板10の主面10mに複数のファセット10ms,10mt,10muを形成する工程(図1(b))の後、基板10を移動させることなく、連続して、ファセット10ms,10mt,10muが形成された主面10m上にIII族窒化物結晶20を成長させる工程(図1(c))を行なうことが好ましい。かかる観点から、III族窒化物結晶20は気相法により成長させることが好ましい。気相法としては、特に制限はなく、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法、MBE(分子線成長)法などが好ましく用いられる。これらの中でも、結晶成長速度が高い観点から、HVPE法がより好ましい。
HVPE法によるIII族窒化物結晶20の成長は、たとえば、図4に示すようなHVPE装置100を用いて行なわれる。HVPE装置100は、反応室110、III族元素原料ガス生成室120、ならびに反応室110およびIII族元素原料ガス生成室120を加熱するためのヒータ131,132,133を備える。反応室110およびIII族元素原料ガス生成室120には、HClガス1をIII族元素原料ガス生成室120に導入するための第1のガス導入管111が配設されている。III族元素原料ガス生成室120内には、その内部にIII族元素原料2を入れるIII族元素原料ボート121が配置され、生成されたIII族元素原料ガス3を反応室110内に導入するための第2のガス導入管112が配設されている。反応室110には、窒素原料ガス4を反応室110内に導入するための第3のガス導入管113および排ガス5を反応室110内から外に排出するためのガス排出管115が配設されている。また、反応室110内には、III族窒化物結晶20を成長させるための基板10を配置するための基板ホルダ119が配置されている。
上記HVPE装置100を用いて、まず、気相エッチングにより基板10の主面10mに複数のファセット10ms,10mt,10muを形成する。具体的には、まず、反応室110内の基板ホルダ119上に基板10を配置する。次いで、第1および第2のガス導入管111,112ならびに第3のガス導入管113の少なくともどちらかのガス導入管を通して、エッチングガス7を反応室110内に導入する。このとき、ヒータ133により基板10が加熱されている。基板10の主面10mは、エッチングガス7によってエッチングされ、複数のファセットが形成される。エッチング後の反応室110内の排ガス8はガス排出管115を通して排出される。かかる気相エッチングの際の基板の温度(以下、エッチング温度ともいう。)は、特に制限はないが、効果的なエッチングを行なう観点から、700℃以上1200℃以下が好ましく、950℃以上1050℃以下がより好ましい。また、エッチングガス7の分圧は、特に制限はないが、効果的なエッチングを行なう観点から、0.1Pa以上100kPa以下が好ましく、10Pa以上10kPa以下がより好ましい。
ここで、エッチングガス7は、特に制限はないが、基板10の少なくとも主面10m側に含まれるIII族窒化物種結晶を効率的にエッチングする観点から、HClガス、Cl2ガスおよびH2ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種類のガスが好ましい。ここで、エッチングガス7としてHClガスを第1および第2のガス導入管111,112を通して導入する場合には、III族元素原料ガス生成室120内にIII族元素原料2を配置しないか、または、III族元素原料ガス生成室120内を加熱しないかにより、HClガスをIII族元素原料2と反応させることなく、HClガスのままで反応室110内に導入する必要がある。
次に、主面10mにファセットが形成された基板10を移動させることなく、連続して、HVPE法により基板10の主面10m上にIII族窒化物結晶20を成長させる。具体的には、III族元素原料ガス生成室120内にIII族元素原料2(たとえば金属Ga、金属Alなど)が入れられたIII族元素原料ボート12を配置し、反応室110内の基板ホルダ119上に基板10を配置する。
次いで、HClガス1を第1のガス導入管111を通してIII族元素原料ガス生成室120内に導入する。HClガス1はIII族元素原料ガス生成室120内に配置されヒータ131により加熱されているIII族元素原料2(たとえば、金属Ga融液、金属Al融液など)と反応してIII族元素原料ガス3(たとえば、Ga塩化物ガス、Al塩化物ガスなど)が生成する。このIII族元素原料ガス3が第2のガス導入管112を通して反応室110内に導入される。ここで、加熱されているIII族元素原料2の温度は、特に制限はないが、III族元素原料ガス3を効果的に生成させる観点から、400℃以上1000℃以下であることが好ましい。一方、窒素原料ガス4としてNH3ガスを第3のガス導入管を通して反応室110内に導入する。
反応室110内に導入されたIII族元素原料ガス2と窒素原料ガス4とが反応して、ヒータ133により加熱されている基板10の主面10m上にIII族窒化物結晶20が成長する。ここで、加熱されている基板10の温度(以下、結晶成長温度ともいう。)は、特に制限はないが、結晶を高い速度で成長させる観点から、900℃以上1600℃以下が好ましい。また、III族元素原料ガス2の分圧(以下、PIIIともいう。)および窒素原料ガス4の分圧(以下、PNともいう。)は、特に制限はないが、結晶を高い速度で成長させる観点から、それぞれ0.1kPa以上50kPa以下および20kPa以上90kPa以下であることが好ましい。
また、III族元素原料ガス2の分圧および窒素原料ガス4の分圧の調節を容易にし結晶の成長速度を容易に制御する観点から、III族元素原料ガス2および窒素原料ガス4は、それぞれキャリアガスとともに反応室内に導入されることが好ましい。かかるキャリアガスは、III族元素原料ガス2および窒素原料ガス4と反応しないガスであれば特に制限はないが、低コストで高純度のガスが入手できる観点から、H2ガス、N2ガス、Arがス、Heガスなどが好ましく用いられる。
(実施例1)
1.基板の準備工程
HVPE法により成長させた直径50.8mm(2インチ)で高さ10mmのGaNバルク結晶を、(0001)面に平行な面でスライスすることにより、主面の面方位が(0001)面に対して0.8°以下である直径50.8mm(2in)で厚さが400μmのGaN基板を5枚得た。このようにして上記のGaNバルク結晶20個から100枚のGaN結晶が得られた。このGaN基板の主面における転位密度は、CL(カソードルミネッセンス)法による暗点(ダークスポット)観察により測定したところ、1.00×108cm-2であった。
2.気相エッチングによる基板の主面の複数のファセット形成工程
GaN基板をHVPE装置の反応室内の基板ホルダ上に配置した。反応室内に分圧(PHCl)が4kPaのHClガスを導入し、950℃で60分間、主面の気相エッチングを行なった。エッチング後の基板の厚さは300μmであり、その主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは、3D−SEMにより100μm×100μmの標準面積において測定したところ、5μmであった。また、主面に形成されたファセットの面方位は、X線回折、SEMおよびレーザ顕微鏡を用いた観察により同定したところ、(11−22)および(10−12)であった。
3.III族窒化物結晶の成長工程
GaN基板の複数のファセットが形成された主面上にHVPE法によりGaN結晶を成長させた。結晶成長条件は、結晶成長温度を1050℃、III族元素原料ガスであるGa塩化物ガスの分圧(PGa)を40.4kPa、窒素原料ガスであるNH3ガスの分圧(PN)を10.1kPaとした。かかる条件で50時間結晶成長させて、直径が50.8mm(2インチ)で厚さが10mmのGaN結晶が得られた。このGaN結晶の結晶成長面の転位密度は、CL法による暗点観察により測定したところ、5.00×105cm-2と低くなった。また、このGaN結晶の曲率半径は、X線回折によるオフ角分布測定から算出したところ、5mと反りが小さかった。また、上記100枚の基板におけるクラック発生率は、5%であった。ここで、クラックが発生するとは、基板内に、長さが2.0mm以上の表面線状割れが生じた場合、または0.5mm〜2.0mmの表面線状割れが3本以上生じた場合、または0.3mm〜0.5mmの表面線状割れが21本以上発生したことをいう。結果を表1にまとめた。
(比較例1)
85質量%のリン酸水溶液を用いて230℃で3分間基板の主面を液相エッチングしたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、その主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは1μmであった。しかし、基板の主面に形成されたファセットは表面状態が悪く、ファセットの面方位はX線回折、SEMおよびレーザ顕微鏡を用いた観察によっても特定することはできなかった。また、本比較例の液相エッチングにおいては、エッチング対象とする主面よりも反対側の主面(裏面)の方が優先的にエッチングされるという問題点があった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×107cm-2と高く、曲率半径が3mと反りが大きく、クラック発生率が5%であった。結果を表1にまとめた。
(比較例2)
85質量%のリン酸水溶液を用いて230℃で10分間基板の主面を液相エッチングしたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、その主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは5μmであった。しかし、基板の主面に形成されたファセットは表面状態が悪く、ファセットの面方位はX線回折、SEMおよびレーザ顕微鏡を用いた観察によっても特定することはできなかった。また、本比較例の液相エッチングにおいては、エッチング対象とする主面よりも反対側の主面(裏面)の方が優先的にエッチングされるという問題点があり、結晶成長工程の途中でクラックが入ってしまった。また、得られたGaN結晶は、クラックが入っているものの結晶成長面の転位密度が1.00×106cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さくなった。結果を表1にまとめた。
(比較例3)
平均粒径15μmのSiC砥粒を含むスラリーを用いて120分間GaN基板の主面を研磨したこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面を研磨(エッチング)し、研磨(エッチング)された主面上にGaN結晶を成長させた。基板の研磨(エッチング)により、その主面にはファセットは形成されなかった。また、その主面の平均粗さRaは1.5μmであった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が1.00×108cm-2と非常に高く、曲率半径が3mと反りが大きく、クラック発生率が8%であった。結果を表1にまとめた。
Figure 2009167053
表1の比較例1〜3と実施例1とを対比すると、基板の主面を液相エッチングまたは研磨する場合に比べて、基板の主面を気相エッチングすると主面に表面状態の良い複数のファセットを形成させることができ、基板の主面上により転位密度が低いIII族窒化物結晶を成長させることができることがわかる。
(実施例2)
エッチング時間を30分としたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは350μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が7mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表2にまとめた。
(実施例3)
エッチング時間を120分としたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは200μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは13μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−22)および(10−12)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が6.50×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が6%であった。結果を表2にまとめた。
(実施例4)
エッチング時間を180分としたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは100μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは17μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−21)、(10−11)および(21−32)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が6.50×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が4%と低くなった。結果を表2にまとめた。
(実施例5)
エッチング時間を210分としたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは50μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは24μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−21)、(10−11)、(21−32)、(31−43)および(32−53)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が6.50×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が3%と低くなった。結果を表2にまとめた。
Figure 2009167053
表1の実施例1および表2の実施例2〜5を対比すると、気相エッチング時間が長くなるほど、主面のエッチングが進行し、主面の平均粗さRaが大きくなることがわかる。また、実施例4および5において、クラック発生率が4%以下に低減しているのは、気相エッチングにより基板の厚さが100μm以下となり、基板上における結晶成長の際および結晶成長後の冷却の際の基板と結晶との間の応力歪みが低減したためと考えられる。
(実施例6)
エッチング温度を1000℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは220μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは13μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−21)および(10−11)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が5.00×105cm-2と低く、曲率半径が4mであり、クラック発生率が6%であった。結果を表3にまとめた。
(実施例7)
基板として、HVPE法により成長させた直径50.8mm(2in)で高さ10mmのAlNバルク結晶を、(0001)面に平行な面でスライスして得られた主面の面方位が(0001)面に対して0.8°以下のオフ角を有する直径50.8mm(2in)で厚さが400μmのAlN基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。AlN基板の主面の転位密度は5.00×109cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の厚さは300μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が5.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が5%であった。結果を表3にまとめた。
(実施例8)
AlN基板の主面のエッチングガスとして分圧PCl2が4kPaのCl2ガスを用いたことおよびAlN基板の複数のファセットが形成された主面上にHVPE法によりAlN結晶を成長させたこと以外は実施例7と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にAlN結晶を成長させた。
基板のエッチングにより、基板の厚さは350μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは4μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−22)および(10−12)であった。
AlN結晶の成長条件は、結晶成長温度を1450℃、III族元素原料ガスであるAl塩化物ガスの分圧(PAl)を40.4kPa、窒素原料ガスであるNH3ガスの分圧(PN)を10.1kPaとした。かかる条件で50時間結晶成長させて、直径が50.8mm(2in)で厚さが10mmのAlN結晶が得られた。このAlN結晶は、結晶成長面の転位密度が5.00×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が8%であった。結果を表3にまとめた。
Figure 2009167053
表1の実施例1と表3の実施例6とを対比すると、エッチング温度が高いほど、主面のエッチングが進行し、主面の平均粗さRaが大きくなることがわかる。また、表1の実施例1、表3の実施例7および8を対比すると、基板としてGaN基板に替えてAlN基板を用いても、成長させる結晶をGaN結晶に替えてAlN結晶としても、気相エッチングにより基板の主面に複数のファセットを形成し、かかるファセットが形成された主面上に結晶を成長させることにより、転位密度の低い結晶が得られることがわかる。
(実施例9)
基板として、厚さ400μmのサファイア下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/サファイア基板(テンプレート基板)を用いたこと、およびエッチング時間を30分としたこと以外は、実施例1と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。
本実施例の基板は、HVPE法によりサファイア基板(0001)面上にGaN結晶を成長させることにより得られた、一主面を有するGaN種結晶を含み、主面の面方位が(0001)面に対して0.8°以下のオフ角を有する直径50.8mm(2in)で、GaN種結晶の厚さが100μmでサファイア下地基板の厚さが400μmのGaN/サファイア基板である。このGaN/サファイア基板の主面の転位密度は1.00×108cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が7mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表4にまとめた。
(実施例10)
基板として、厚さ400μmのSiC下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/SiC基板(テンプレート基板)を用いたこと以外は、実施例9と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。GaN/SiC基板の主面の転位密度は1.00×109cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表4にまとめた。
(実施例11)
基板として、厚さ400μmのSi下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/Si基板(テンプレート基板)を用いたこと以外は、実施例9と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。GaN/Si基板の主面の転位密度は8.00×109cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表4にまとめた。
Figure 2009167053
(実施例12)
基板として、厚さ400μmのGaAs下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/GaAs基板(テンプレート基板)を用いたこと以外は、実施例9と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。GaN/GaAs基板の主面の転位密度は1.00×108cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表5にまとめた。
(実施例13)
基板として、厚さ400μmのGaP下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/GaP基板(テンプレート基板)を用いたこと以外は、実施例9と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。GaN/GaP基板の主面の転位密度は1.00×109cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、その主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表5にまとめた。
(実施例14)
基板として、厚さ400μmのInP下地基板上に厚さ100μmのGaN種結晶が形成されているGaN/InP基板(テンプレート基板)を用いたこと以外は、実施例9と同様にして、基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。GaN/InP基板の主面の転位密度は1.00×109cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の一主面を有するGaN種結晶の厚さは50μmとなり、その主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは2.5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が7.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表5にまとめた。
Figure 2009167053
表4および表5の実施例9〜14に示すように、主面側にGaN種結晶を含むテンプレート基板においても、気相エッチングにより基板の主面に複数のファセットを形成し、かかるファセットが形成された主面上にGaN結晶を成長させることにより、転位密度の低い結晶が得られることがわかる。
(実施例15)
成長させる結晶がAlGaN結晶であること以外は、実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にAl0.25Ga0.75N結晶を成長させた。結晶成長条件は、結晶成長温度を1050℃、III族元素原料ガスであるAl塩化物ガスおよびGa塩化物ガスのそれぞれの分圧を10.1kPa(PAl)および30.3kPa(PGa)とし、窒素原料ガスであるNH3ガスの分圧(PN)を10.1kPaとした。GaN基板の主面の転位密度は1.00×108cm-2であった。基板のエッチングにより、基板の厚さは300μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは5μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−22)および(10−12)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が5.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が5%であった。結果を表6にまとめた。
(実施例16)
GaN基板の主面のエッチングガスとしてCl2ガスを用いたこと以外は実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは280μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは7μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−21)および(10−11)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が4.00×105cm-2と低く、曲率半径が6mと反りが小さく、クラック発生率が4%と低かった。結果を表6にまとめた。
(実施例17)
GaN基板の主面のエッチングガスとしてH2ガスを用いたこと以外は実施例1と同様にして、GaN基板を準備し、その主面をエッチングし、エッチングされた主面上にGaN結晶を成長させた。基板のエッチングにより、基板の厚さは350μmとなり、基板の主面には複数のファセットが形成され、その主面の平均粗さRaは4μmであった。主面に形成されたファセットの面方位は、(11−23)および(10−13)であった。また、得られたGaN結晶は、結晶成長面の転位密度が8.00×105cm-2と低く、曲率半径が5mと反りが小さく、クラック発生率が7%であった。結果を表6にまとめた。
Figure 2009167053
表1の実施例1と表6の実施例15とを対比すると、成長させる結晶をGaN結晶に替えてAl1-xGaxN結晶(0<x<1)としても、気相エッチングにより基板の主面に複数のファセットを形成し、かかるファセットが形成された主面上に結晶を成長させることにより、転位密度の低い結晶が得られることがわかる。表1の実施例1と表6の実施例16および17とを対比すると、エッチングガスをHClガスに替えてCl2ガスまたはH2ガスとしても、基板の主面上にファセットを形成することができることがわかる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。ここで、(a)は基板の準備工程を、(b)はファセット形成工程を、(c)はIII族窒化物結晶の成長工程を示す。 図1(b)におけるII部分の拡大図である。 図1(c)におけるIII部分の拡大図である。 本発明におけるHVPE法によるIII族窒化物結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。ここで、(a)はファセット形成工程を、(b)はIII族窒化物結晶の成長工程を示す。
符号の説明
1 HClガス、2 III族元素原料、3 III族元素原料ガス、4 窒素原料ガス、5,8 排ガス、7 エッチングガス、10 基板、10a III族窒化物種結晶、10b 下地基板、10m 主面、10ms,10mt,19mu ファセット、10n (0001)面、20 III族窒化物結晶、100 HVPE装置、110 反応室、111 第1のガス導入管、112 第2のガス導入管、113 第3のガス導入管、115 ガス排出管、119 基板ホルダ、120 III族元素原料ガス生成室、121 、131,132,133 ヒータ。

Claims (6)

  1. 一主面を有するIII族窒化物種結晶を含む基板を準備する工程と、
    気相エッチングにより前記基板の前記主面に複数のファセットを形成する工程と、
    前記ファセットが形成された前記主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、を備えるIII族窒化物結晶の成長方法。
  2. 前記主面は前記III族窒化物種結晶の(0001)面に対するオフ角が10°以下であり、
    前記ファセットは{11−2m}面(mは正の整数)および{10−1n}面(nは正の整数)からなる群から選ばれる少なくとも1つの結晶幾何学的に等価な面を含む請求項1に記載のIII族窒化物結晶の成長方法。
  3. 前記気相エッチングは、HClガス、Cl2ガスおよびH2ガスからなる群から選ばれる少なくとも1種類のガスを用いて行なう請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物結晶の成長方法。
  4. 前記ファセットが形成されている前記主面の平均粗さRaが、1μm以上1mm以下である請求項1から請求項3までのいずれかに記載のIII族窒化物結晶の成長方法。
  5. 前記気相エッチング後の前記基板の厚さが300μm以下である請求項1から請求項4までのいずれかに記載のIII族窒化物結晶の成長方法。
  6. 前記基板の前記主面に複数の前記ファセットを形成する工程の後、前記基板を移動させることなく、連続して、前記ファセットが形成された前記主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程を行なう請求項1から請求項5までのいずれかに記載のIII族窒化物結晶の成長方法。
JP2008006854A 2008-01-16 2008-01-16 Iii族窒化物結晶の成長方法 Withdrawn JP2009167053A (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008006854A JP2009167053A (ja) 2008-01-16 2008-01-16 Iii族窒化物結晶の成長方法
PCT/JP2009/050110 WO2009090904A1 (ja) 2008-01-16 2009-01-08 Iii族窒化物結晶の成長方法
CN2009801024617A CN101910477A (zh) 2008-01-16 2009-01-08 生长ⅲ族氮化物晶体的方法
US12/812,338 US20100275836A1 (en) 2008-01-16 2009-01-08 Method for growing group iii nitride crystal
KR1020107016127A KR20100113529A (ko) 2008-01-16 2009-01-08 Ⅲ족 질화물 결정의 성장 방법
TW098101085A TW200949026A (en) 2008-01-16 2009-01-13 Method for growing group iii nitride crystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008006854A JP2009167053A (ja) 2008-01-16 2008-01-16 Iii族窒化物結晶の成長方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009167053A true JP2009167053A (ja) 2009-07-30

Family

ID=40885295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008006854A Withdrawn JP2009167053A (ja) 2008-01-16 2008-01-16 Iii族窒化物結晶の成長方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20100275836A1 (ja)
JP (1) JP2009167053A (ja)
KR (1) KR20100113529A (ja)
CN (1) CN101910477A (ja)
TW (1) TW200949026A (ja)
WO (1) WO2009090904A1 (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012031047A (ja) * 2010-07-08 2012-02-16 Ritsumeikan 結晶成長方法および半導体素子
JP2013531361A (ja) * 2010-04-27 2013-08-01 フォン ケネル ハンス 基板のパターン化を使用するマスクレスプロセスによる転位及び応力管理と装置製造のための方法
JP2013173648A (ja) * 2012-02-26 2013-09-05 Osaka Univ Iii族窒化物結晶の製造方法、iii族窒化物結晶および半導体装置
JP2013541491A (ja) * 2010-10-29 2013-11-14 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 相互に対して鋭角、直角、または鈍角を成す少なくとも2つの表面を有する種におけるiii族窒化物結晶のアモノサーマル成長法
JP2013251304A (ja) * 2012-05-30 2013-12-12 Furukawa Co Ltd 積層体および積層体の製造方法
JP2018203587A (ja) * 2017-06-07 2018-12-27 株式会社Sumco 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板
JP2019077602A (ja) * 2017-10-27 2019-05-23 古河機械金属株式会社 Iii族窒化物半導体基板及びiii族窒化物半導体基板の製造方法
WO2020096045A1 (ja) * 2018-11-08 2020-05-14 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法および積層構造体
WO2020121837A1 (ja) * 2018-12-14 2020-06-18 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法、および窒化物半導体基板
WO2020203541A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 三菱ケミカル株式会社 GaN基板ウエハおよびGaN基板ウエハの製造方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8507304B2 (en) * 2009-07-17 2013-08-13 Applied Materials, Inc. Method of forming a group III-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE)
JP2012033708A (ja) * 2010-07-30 2012-02-16 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体装置の製造方法
KR20120040791A (ko) * 2010-10-20 2012-04-30 삼성엘이디 주식회사 웨이퍼 재생 방법
FR2968678B1 (fr) * 2010-12-08 2015-11-20 Soitec Silicon On Insulator Procédés pour former des matériaux a base de nitrure du groupe iii et structures formées par ces procédés
CN102931315A (zh) * 2011-08-09 2013-02-13 叶哲良 半导体结构与制作方法
JP6126887B2 (ja) * 2013-03-29 2017-05-10 日本碍子株式会社 Iii族窒化物基板の製造方法およびiii族窒化物基板の転位密度低減方法
JP6059061B2 (ja) * 2013-03-29 2017-01-11 日本碍子株式会社 Iii族窒化物基板の製造方法およびiii族窒化物基板の転位密度低減方法
DE102015109677A1 (de) * 2015-06-17 2016-12-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips und Wachstumssubstrat
CN110230102B (zh) * 2018-03-05 2022-01-04 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 极低位错密度氮化镓单晶及其助熔剂法生长方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0219638A (ja) * 1988-07-08 1990-01-23 Mitsubishi Oil Co Ltd ピストンの自動評価装置
JPH0391836A (ja) * 1989-09-05 1991-04-17 Nippon Steel Corp 並列仮説推論装置
JP2007203958A (ja) * 2006-02-03 2007-08-16 Toyoda Gosei Co Ltd 車両用照明システム

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3659050B2 (ja) * 1998-12-21 2005-06-15 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子
JP4595198B2 (ja) * 2000-12-15 2010-12-08 ソニー株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法
JP3956637B2 (ja) * 2001-04-12 2007-08-08 ソニー株式会社 窒化物半導体の結晶成長方法及び半導体素子の形成方法
JP4513446B2 (ja) * 2004-07-23 2010-07-28 豊田合成株式会社 半導体結晶の結晶成長方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0219638A (ja) * 1988-07-08 1990-01-23 Mitsubishi Oil Co Ltd ピストンの自動評価装置
JPH0391836A (ja) * 1989-09-05 1991-04-17 Nippon Steel Corp 並列仮説推論装置
JP2007203958A (ja) * 2006-02-03 2007-08-16 Toyoda Gosei Co Ltd 車両用照明システム

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013531361A (ja) * 2010-04-27 2013-08-01 フォン ケネル ハンス 基板のパターン化を使用するマスクレスプロセスによる転位及び応力管理と装置製造のための方法
JP2012031047A (ja) * 2010-07-08 2012-02-16 Ritsumeikan 結晶成長方法および半導体素子
US8698168B2 (en) 2010-07-08 2014-04-15 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor device having aluminum nitride layer with void formed therein
JP2013541491A (ja) * 2010-10-29 2013-11-14 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 相互に対して鋭角、直角、または鈍角を成す少なくとも2つの表面を有する種におけるiii族窒化物結晶のアモノサーマル成長法
JP2013173648A (ja) * 2012-02-26 2013-09-05 Osaka Univ Iii族窒化物結晶の製造方法、iii族窒化物結晶および半導体装置
JP2013251304A (ja) * 2012-05-30 2013-12-12 Furukawa Co Ltd 積層体および積層体の製造方法
JP2018203587A (ja) * 2017-06-07 2018-12-27 株式会社Sumco 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板
JP2019077602A (ja) * 2017-10-27 2019-05-23 古河機械金属株式会社 Iii族窒化物半導体基板及びiii族窒化物半導体基板の製造方法
WO2020096045A1 (ja) * 2018-11-08 2020-05-14 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法および積層構造体
JP2020075837A (ja) * 2018-11-08 2020-05-21 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板および積層構造体
WO2020121837A1 (ja) * 2018-12-14 2020-06-18 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法、および窒化物半導体基板
JP2020097510A (ja) * 2018-12-14 2020-06-25 株式会社サイオクス 窒化物半導体基板の製造方法、および窒化物半導体基板
CN113166971A (zh) * 2018-12-14 2021-07-23 赛奥科思有限公司 氮化物半导体基板的制造方法和氮化物半导体基板
CN113166971B (zh) * 2018-12-14 2023-03-31 住友化学株式会社 氮化物半导体基板的制造方法和氮化物半导体基板
US11873578B2 (en) 2018-12-14 2024-01-16 Sumitomo Chemical Company, Limited Method for manufacturing nitride semiconductor substrate and nitride semiconductor substrate
WO2020203541A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 三菱ケミカル株式会社 GaN基板ウエハおよびGaN基板ウエハの製造方法
EP3951025A4 (en) * 2019-03-29 2022-06-01 Mitsubishi Chemical Corporation GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE WAFER AND METHOD OF MAKING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE WAFER

Also Published As

Publication number Publication date
TW200949026A (en) 2009-12-01
KR20100113529A (ko) 2010-10-21
CN101910477A (zh) 2010-12-08
WO2009090904A1 (ja) 2009-07-23
US20100275836A1 (en) 2010-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2009090904A1 (ja) Iii族窒化物結晶の成長方法
JP6578570B2 (ja) Iii族窒化物半導体結晶基板の製造方法
JP5446622B2 (ja) Iii族窒化物結晶およびその製造方法
JP6031733B2 (ja) GaN結晶の製造方法
JP5472513B2 (ja) 単結晶基板、それを用いて得られるiii族窒化物結晶及びiii族窒化物結晶の製造方法
EP3059336A1 (en) Nitride semiconductor crystal, manufacturing method, and manufacturing apparatus
JP5789929B2 (ja) Iii族窒化物結晶の成長方法
JP4823856B2 (ja) AlN系III族窒化物単結晶厚膜の作製方法
KR20080075914A (ko) 낮은 전위 밀도를 가지는 GaN의 성장 공정
JP4797793B2 (ja) 窒化物半導体結晶の製造方法
JP2005350315A (ja) Iii−v族窒化物系半導体自立基板及びその製造方法並びにiii−v族窒化物系半導体
JP6187576B2 (ja) Iii族窒化物結晶
WO2020158571A1 (ja) 窒化物半導体基板、積層構造体、および窒化物半導体基板の製造方法
JP5446945B2 (ja) 窒化物半導体単結晶及び窒化物半導体基板の製造方法
JP2009114061A (ja) Iii−v族窒化物系半導体自立基板の製造方法
JP5005266B2 (ja) AlN結晶の作製方法およびAlN厚膜
JP2009190936A (ja) Iii族窒化物結晶の製造方法
JP2008230868A (ja) 窒化ガリウム結晶の成長方法および窒化ガリウム結晶基板
JP2011195388A (ja) Iii族窒化物半導体結晶とその製造方法、およびiii族窒化物半導体結晶の成長用下地基板
WO2013128892A1 (ja) 自立基板の製造方法
JP6457442B2 (ja) GaN結晶基板
JP2007320811A (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
JP2021130585A (ja) 窒化ガリウム結晶の製造方法
JP2013199412A (ja) Iii族窒化物半導体結晶の製造方法
JP2020125233A (ja) 窒化物半導体基板

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20110405