JP2011144059A - Iii族窒化物結晶の製造方法及びiii族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみでIII族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、前記成長方向がC軸方向であり、前記複数の面が全てC面以外の面である。前記複数のC面以外の面は、6つの等価な{10−1m}面(但し、mは自然数)、あるいは、6つの等価な{1−12n}面(但し、nは自然数)を含むことを特徴とする。
【選択図】なし
Description
ーザーダイオ−ド(LD)用材料として、脚光を浴びている。さらに、III族窒化物半導
体は、耐熱性や耐環境性が良いという特徴を活かして、電子デバイス用素子への応用開発も始まっている。
の問題はあまり顕著ではなく、実際、厚さ5.8mm程度、直径2インチの無クラックG
aNインゴットの作製が報告されている(久保ら、2nd International Symposium on Growth of III-Nitrides (2008)、 発表番号I-Tu-5、“Bulk GaN crystals grown by HVPE”)。しかし、それ以上の成長速度では大きな問題になる。インゴット成長であるから、非常に分厚く成長させるので、経済的な観点からなるべく高速で成長を行いたいのに、非常に厄介な問題である。
一方、別の転位密度の低減方法としては、上述した非特許文献1、2による方法がある。104〜105cm−2程度の低転位密度の領域を有するGaNが得られるものの、低転位領域の幅は0.5mm程度と狭く、高転位密度領域の狭間にある。このため、デバイ
ス作製は位置を精密に合わせて行う必要があり、また、作製できるデバイスのサイズも限られてしまうという問題がある。
、低コストで製造できるIII族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造
方法を提供することにある。
また、前記凸面成長工程で成長する前記III族窒化物半導体結晶の直径が、10mm以
上であること、或いは前記凸面成長工程における前記III族窒化物半導体結晶の成長速度
が、300μm/h以上であることが好ましい。更に、前記凸面形状の成長面を有する前記III族窒化物半導体結晶を切断して得られた前記凸面形状の成長面部を含む頂部を、前
記種結晶として用いて、前記凸面成長工程を行うことが好ましい。
して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成長工程を設けて、前記傾斜した
成長面のみからなる凸面形状の成長面を形成するのがよい。
また、前記平坦面消失成長工程では、前記種結晶基板として、側壁面が主面に対して傾斜した面を有する種結晶基板を用いるのが好ましい。或いは、前記種結晶基板の成長面と
なる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導体結晶を成長することによっ
て前記平坦面消失成長工程を行うことが好ましい。前記平坦面消失成長工程では、成長中の前記III族窒化物半導体結晶にクラックが発生しない低速結晶成長とし、前記凸面成長
工程では、300μm/h以上の高速結晶成長とすることが好ましい。
記III族窒化物半導体結晶を、切断することによってIII族窒化物半導体基板を作製する工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
低コストで製造できる。
する。
すなわち、例えば円盤状のC面GaN基板を種結晶としてGaNのインゴット成長を行った場合、成長条件にもよるが、C面が厚くなっていくのに従って、C面に隣接して、傾斜したサイドファセットが発達してくる(その分、C面の面積は縮小する)。成長速度が大きい場合、C面にはクラックが生じやすいのだが、非常に高密度のクラックが発生した場合でも、実はサイドファセットは全く健全なままである場合が殆どである。このことから、本発明者は、GaNのインゴット表面にC面が無い状態で結晶成長を行えば、高速成長を行っても無クラック化を容易に達成できるという発想を得た。C面基板の取得効率を考えれば、なるべくC面の縮小を抑制するように成長に工夫を凝らすのが常識だが、本発明はまさに逆転の発想である。
これを避けるための方法としては、クラックの生じない厚さのうちにC面を消失させることが可能な程度の所定の直径の種結晶基板を用いることも有効である。あるいは、種結晶の側壁面が{10−12}面などの低指数面で囲まれるようにすることも有効である。具体的には、例えば、所定の結晶面を側壁面として備えた種結晶基板を用いるか、所定形状の開口を有するマスクを、所定の結晶方位をあわせて種結晶基板に重ねて、前記開口を通じて結晶成長を行うことによっても実現できる。
N以外にもAlNやAlGaN等の他のIII族窒化物半導体およびそれらの混晶にも適用
可能である。また、上記の説明では、C軸方向の結晶成長について記載したが、本発明は、C軸方向に限らず、A軸方向、M軸方向、その他方向への成長にも適用できる。
でない複数の面のみでIII族窒化物半導体結晶の成長面を構成し、且つ前記複数の面から
構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法である。
III族窒化物半導体結晶の成長面全体を凸面形状にしながら成長する凸面成長とするこ
とによって、クラックの発生がなく、しかも広範囲に亘って均一な低転位密度の領域を有するIII族窒化物結晶を製造できる。更に、高速成長を実現できるので、低コストでIII族窒化物半導体結晶を製造できる。
るのが好ましい。なお、III族窒化物半導体結晶の成長方向は、C軸に限らず、M軸やA
軸等、任意に選ぶことができる。
前記複数のC面以外の面には、6つの等価な{10−1m}面(但し、mは自然数)が含まれるのが好ましい。特に、m=1,2,3のいずれかとするのがよい。すなわち、6つの等価な{10−11}面、6つの等価な{10−12}面、6つの等価な{10−13}面のいずれかが含まれるのがよい。
また、前記複数のC面以外の面には、6つの等価な{1−12n}面(但し、nは自然数)を含まれるのが好ましい。特に、n=1,2,3のいずれかとするのがよい。
また、前記複数のC面以外の面は、6つの等価な{10−1m}面(但し、mは自然数)と、6つの等価な{1−12n}面(但し、nは自然数)との合計12面で構成されているのが好ましい。特に、m=1,2,3のいずれか、n=1,2,3のいずれかとするのがよい。
に垂直な方向の径)が、10mm以上であること、また、凸面成長工程におけるIII族窒
化物半導体結晶の成長速度が、300μm/h以上であることが好ましい。凸面成長とすることによって、クラックを発生させることなく、300μm/h以上の高速成長が可能となる。凸面成長工程で成長するIII族窒化物半導体結晶の直径は、25mm以上、更に
は40mm以上とするのがより好ましい。また、凸面成長工程におけるIII族窒化物半導
体結晶の成長速度は、500μm/h以上、更には、1000μm/h以上とするのがより好ましい。
物半導体結晶の外周部に、種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、種結晶基板の中心側にある種結晶基板の主面に平行なIII族窒化物半導体結晶の平坦面を消失させる平坦面消失成
長を行う。これにより、傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面が形成される。この凸面形状の成長面上に、III族窒化物半導体結晶の凸面成長を行えばよい。
を成長する場合には、主面に対して傾斜した面である前記側壁面としては、6つの等価な{10−1m}面(mは自然数、特にm=1,2,3のいずれかとするのがよい)、あるいは、6つの等価な{1−12n}面(nは自然数、特にn=1,2,3のいずれかとするのがよい)が好ましい。
。例えば、正六角形の開口を持つマスクを用い、正六角形の各辺が<11−20>と一致するようにすると、成長結晶の外周に{10−1m}面が成長し、あるいは、正六角形の各辺を<10−10>と一致するようにすると、成長結晶の外周に{11−2n}面が成長する。
速結晶成長とし、凸面成長工程では、300μm/h以上の高速結晶成長とするのが好ましい。III族窒化物半導体の結晶成長、特に、300μm/h以上の高速結晶成長には、
HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法を用いるのが好ましい。
面部を含む頂部を、前記種結晶として用いて、凸面成長を行うのが好ましい。この場合、凸面形状の成長面部を含む頂部を再利用でき、しかも平坦面消失成長を省略できる。
III族窒化物半導体結晶のインゴットから一度に多数枚のIII族窒化物半導体ウェハが得られる。また、インゴットが得られるので、III族窒化物半導体結晶の成長方向に垂直な
面(例えば、C面)以外の任意の結晶面をもつウェハを作製することが可能である。
本発明に関わる実施例1のGaN結晶の製造方法及びGaN基板の製造方法を、図1を用いて説明する。図1は、製造工程を示す工程図であって、図1(a),(c)は平面図
(上面図)であり、図1(b),(d),(e)における上部は平面図(上面図)、下部は側面図である。
基板11の面内の平均の転位密度は5×106cm−2であり、観察したスケール内での良好な均一性を有し、面内分布も略均一であった。
キシャル成長を行った。原料にはGaClとNH3を用いた。キャリアガスにはH2とN2との混合ガスを用いた。GaClとNH3の分圧はそれぞれ0.3kPaおよび16k
Paとした。成長温度は1050℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、C軸方向の成長速度は約150μm/hであった。
傾斜した側面では、成長の進行とともに、{10−11}面からなるフラット面部12bが徐々に発達・拡大し、GaNインゴット12の最厚部が約5mmに達したところで、円錐面部12cが上面12a外周に接しなくなり、フラット面部12bのみが上面12a外周に接し、C面からなる上面12a形状が六角形になった。そのまま成長を継続し、インゴット12の最厚部が約6mmになった時点で成長を停止した(図1(b))。
、6つの側面13bが{10−11}面である。
た。このとき、C軸方向の成長速度は約330μm/hであった。この条件で成長を続けると、GaNインゴット14上面のC面に隣接して6つの{10−13}面の側面が発達し、C面は六角形状のまま徐々に小さくなって、六角錐台状の頂部(図示せず)ができた。また、この六角錐台状の頂部の下部に、{10−13}面の側面に隣接して垂直な6つの{10−10}面からなる六角柱状の直胴部14bが出現した。GaNインゴット14の最厚部が約19mmに達した時点で完全にC面が消失し、六角錐状の頂部14aとなった。この六角錐状の頂部14aが、本発明の凸面成長工程における凸面形状の成長面となる。さらに成長を継続し、最厚部が25mmになった時点で成長を停止した(図1(d))。
本発明に関わる実施例2を、図2を用いて説明する。図2は、GaN結晶及びGaN基板の製造工程を示す工程図であって、図2(a),(b),(c)のそれぞれにおいて、上部は平面図(上面図)、下部は側面図である。
た。このとき、C軸方向の成長速度は約1200μm/hであった。成長中、インゴット22の{10−13}面からなる頂部23は六角錐状の形状をそのまま維持し、頂部23の下部には{10−10}面からなる六角柱状の直胴部24が形成され、この直胴部24の長さが増大した。直胴部24の長さが12mmに到達したところで成長を停止し、成長したインゴット22を成長炉から取り出した(図2(b))。
(対角長)約46mmの六角形状のC面GaN基板25を得た(図2(c))。
本発明に関わる比較例1を、図3を用いて説明する。図3は、GaN結晶の製造工程を示す工程図であって、図3(a)は平面図(上面図)、図3(b)の上部は平面図(上面図)、下部は側面図である。
および49kPaとした。成長温度は1010℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、C軸方向の成長速度は約1200μm/hであった。10時間の成長の後、厚さ約12mmのインゴット32が得られた(図3(b))。
本発明に関わる比較例を、図4を用いて説明する。図4は、GaN結晶及びGaN基板の各製造工程を示す断面図である。
相成長)法を用いて厚さ1μmのGaN薄膜42を成長させ、GaNテンプレートとした(図4(b))。このGaNテンプレート上に、フォトリソグラフィを用いて、Pt(白金)のストライプマスク43を形成した(図4(c))。マスク43の厚さは100nm、幅は1μmとした。マスク43の間隔は500μmとし、ストライプの方向は<11−20>とした。
kPaとした。成長温度は1080℃とした。成長は略常圧下で行った。このとき、C軸方向の成長速度は約1000μm/hであった。GaNの成長はマスク開口部44から始まり、まず{10−11}面の2面が交差する山形状の三角形断面のGaN45が形成された(図4(d))。
成長を継続すると、隣同士のマスク開口部44に生じた三角断面のGaN45がマスク43上で互いに衝突し、マスク43を覆ったマスク43上部の衝突部には、GaNインゴ
ット47の谷が形成され、全体として約500μm周期の凹凸の洗濯板断面形状(三角波形状)の表面46となった(図4(e))。
取り出したインゴット47の直胴部をC面と平行にスライスし、複数枚のウェハブランクを得た。これらのGaNウェハブランクの両面を研磨して、厚さ430μmのC面GaN基板48を得た(図4(g))。
用可能である。上記実施例においては、インゴットの成長方向はC軸方向、スライスはC面と平行な方向についてのみ記したが、成長方向およびスライス面は、M軸やM面等、任意に選定することができる。
12 GaNインゴット
12a 上面
12b フラット面部
12c 円錐面部
13 C面GaN基板
14 GaNインゴット
14a 頂部
14b 直胴部
15 C面GaN基板
21 種結晶
22 GaNインゴット
23 頂部
24 直胴部
25 C面GaN基板
Claims (14)
- 種結晶上に、成長方向に対して垂直でない複数の面のみでIII族窒化物半導体結晶の成
長面を構成し、且つ前記複数の面から構成される前記成長面が全体として凸面形状を形成しながら成長する凸面成長工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体結晶の製造方
法。 - 前記複数の面から構成される凸面形状の前記成長面内に、凹形状部分が存在しないようにして成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体単結晶の製造方法
。 - 前記成長方向がC軸方向であり、前記複数の面が全てC面以外の面であることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体単結晶の製造方法。
- 前記複数のC面以外の面は、6つの等価な{10−1m}面(但し、mは自然数)を含むことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記複数のC面以外の面は、6つの等価な{1−12n}面(但し、nは自然数)を含むことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記複数のC面以外の面は、6つの等価な{10−1m}面(但し、mは自然数)と、6つの等価な{1−12n}面(但し、nは自然数)との合計12面で構成されていることを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記凸面成長工程で成長する前記III族窒化物半導体結晶の直径が、10mm以上であ
ることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法
。 - 前記凸面成長工程における前記III族窒化物半導体結晶の成長速度が、300μm/h
以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の
製造方法。 - 前記種結晶として種結晶基板を用い、前記種結晶基板の主面上に成長するIII族窒化物
半導体結晶の外周部に、前記種結晶基板の主面に対して傾斜した成長面を形成し、当該傾斜した成長面を前記種結晶基板の中心側に拡大するように成長させて、前記種結晶基板の中心側にある前記種結晶基板の主面に平行な前記III族窒化物半導体結晶の平坦面を消失
させる平坦面消失成長工程を有し、
前記平坦面消失成長工程の後に、前記傾斜した成長面のみからなる凸面形状の成長面上に、前記III族窒化物半導体結晶を成長する前記凸面成長工程を行うことを特徴とする請
求項1〜8のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 前記種結晶基板として、側壁面が主面に対して傾斜した面を有する種結晶基板を用いることを特徴とする請求項9に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶基板の成長面となる主面上に、開口を有するマスクを、前記開口が前記主面の所定の結晶方位に一致させて重ね、前記開口部分の前記主面上に前記III族窒化物半導
体結晶を成長することによって前記平坦面消失成長工程を行うことを特徴とする請求項9に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 前記平坦面消失成長工程では、成長中の前記III族窒化物半導体結晶にクラックが発生
しない低速結晶成長とし、前記凸面成長工程では、300μm/h以上の高速結晶成長とすることを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造
方法。 - 前記凸面形状の成長面を有する前記III族窒化物半導体結晶を切断して得られた前記凸
面形状の成長面部を含む頂部を、前記種結晶として用いて、前記凸面成長工程を行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項1〜13のいずれかに記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法によって得られ
た前記III族窒化物半導体結晶を、切断することによってIII族窒化物半導体基板を作製する工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。
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