JP2012006830A - Ground substrate for growing group iii nitride semiconductor, and method for growing group iii nitride semiconductor - Google Patents

Ground substrate for growing group iii nitride semiconductor, and method for growing group iii nitride semiconductor Download PDF

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Takeshi Fujito
健史 藤戸
Hirofumi Nagaoka
裕文 長岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ground substrate which grows a thick-film crystal of a group III nitride semiconductor whose surface state and cross section shape are excellent.SOLUTION: The ground substrate includes a first crystal growing-plane and a second crystal growing-plane which faces the same direction as the first crystal growing-plane. The second crystal growing-plane links to 50% or more of a periphery of the first crystal growing-plane through a downward step whose height is 0.1-5 mm.

Description

本発明は、III族窒化物半導体成長用の下地基板および該下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。より具体的には、本発明は、結晶の表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長することができる下地基板と、その下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。   The present invention relates to a base substrate for group III nitride semiconductor growth and a method for growing a group III nitride semiconductor using the base substrate. More specifically, the present invention relates to a base substrate capable of growing a group III nitride semiconductor having a good crystal surface state and cross-sectional shape, and a method for growing a group III nitride semiconductor using the base substrate. .

III族窒化物半導体は、高融点であり、しかも融点付近の窒素の解離圧が高いことから、融液からのバルク成長が困難である。一方、ハイドライド気相成長法(HVPE)や有機金属化学気相成長法(MOCVD)等の気相成長法を用いることによって、III族窒化物半導体基板を製造できることが知られている。窒化ガリウム半導体基板を製造する場合、例えば、サファイア等の下地基板を気相成長装置の成長室(リアクター)内にセットし、リアクター内に、ガリウム化合物を含有するガスと窒素化合物を含有するガスなどからなるIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上に窒化ガリウム半導体を数μm〜数cmの厚さにまで成長させる。そして、その後、下地基板などの部分を研磨やレーザーを照射する方法を用いて除去することにより、所望のIII族窒化物半導体基板を得ることができる。前記の気相成長法のうち、HVPE法は他の成長方法に比べて高い成長速度が実現できる特徴をもつことから、III族窒化物半導体の厚膜成長が必要な場合や、十分な厚みを有するIII族窒化物半導体基板を得るための方法として有効である。   Group III nitride semiconductors have a high melting point, and since the dissociation pressure of nitrogen near the melting point is high, bulk growth from the melt is difficult. On the other hand, it is known that a group III nitride semiconductor substrate can be manufactured by using a vapor phase growth method such as a hydride vapor phase growth method (HVPE) or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD). When manufacturing a gallium nitride semiconductor substrate, for example, a base substrate such as sapphire is set in a growth chamber (reactor) of a vapor phase growth apparatus, and a gas containing a gallium compound and a nitrogen compound is contained in the reactor. By supplying a gas for forming a group III nitride semiconductor consisting of gallium nitride, a gallium nitride semiconductor is grown to a thickness of several μm to several cm on the base substrate. Then, a desired group III nitride semiconductor substrate can be obtained by removing portions such as the base substrate using a method of polishing or laser irradiation. Among the above-mentioned vapor phase growth methods, the HVPE method has a feature that can realize a higher growth rate than other growth methods, and therefore, when a thick film growth of a group III nitride semiconductor is necessary or a sufficient thickness is required. This is effective as a method for obtaining a group III nitride semiconductor substrate having the same.

従来は1枚の下地基板上に500μm〜1mm程度の厚さの単結晶窒化ガリウムを成長し、下地基板を取り除き、加工研磨を行うことにより1枚の窒化ガリウム単結晶基板を得ていた。これでは非常に製造の効率が悪く、安価な単結晶窒化ガリウム基板を供給することはできない。そこで下地基板上に数mm〜数cmの厚さの単結晶を成長し、その単結晶バルクをスライシングすることによって、1枚の下地基板から複数枚の窒化ガリウム単結晶基板を得る手法が注目されている。   Conventionally, a single crystal gallium nitride having a thickness of about 500 μm to 1 mm is grown on one base substrate, the base substrate is removed, and a single gallium nitride single crystal substrate is obtained by processing and polishing. This is very inefficient in manufacturing, and an inexpensive single crystal gallium nitride substrate cannot be supplied. Therefore, a technique for obtaining a plurality of gallium nitride single crystal substrates from a single base substrate by growing a single crystal having a thickness of several mm to several cm on the base substrate and slicing the single crystal bulk is drawing attention. ing.

しかしながら、数mm以上の厚膜を成長させる上で新たな問題が発生する。数mm以上の厚膜成長を行うと基板周縁部に結晶が異常成長するため、基板中心部でのガスの流れが乱れ良好な結晶が得られない。また、基板周縁部の結晶の異常成長が加速され基板中心部の膜厚がほとんど増えないうえ、GaNの形成に伴って発生する塩酸ガスのエッチング作用の影響だと思われる表面荒れも発生する。   However, a new problem occurs in growing a thick film of several mm or more. When a thick film of several mm or more is grown, the crystal grows abnormally at the peripheral edge of the substrate, so that the gas flow at the center of the substrate is disturbed and a good crystal cannot be obtained. In addition, the abnormal growth of the crystal at the peripheral edge of the substrate is accelerated and the film thickness at the center of the substrate is hardly increased, and surface roughness is considered to be caused by the etching action of hydrochloric acid gas generated with the formation of GaN.

このような基板端部における結晶の異常成長を防ぐために、端部をカバーで覆う技術が提案されている(特許文献1参照)。具体的には、成長面の外周から半径方向内側に向かって1mm以上の部分をカバーで覆うことが提案されている。   In order to prevent such abnormal crystal growth at the edge of the substrate, a technique of covering the edge with a cover has been proposed (see Patent Document 1). Specifically, it is proposed to cover a portion of 1 mm or more from the outer periphery of the growth surface toward the inside in the radial direction with a cover.

特開2005−200250号公報JP 2005-200250 A

しかしながら、端部をカバーで覆うと結晶成長面におけるガスの流れが阻害され、表面性に優れた結晶を均一に成長させることが困難になるという問題がある。また、結晶成長面の一部を覆うことから成長面を効率よく利用することができず、サイズが大きな結晶を成長させるには不利であるという問題もある。   However, if the end is covered with a cover, there is a problem that the flow of gas on the crystal growth surface is hindered and it is difficult to uniformly grow a crystal having excellent surface properties. In addition, since a part of the crystal growth surface is covered, the growth surface cannot be used efficiently, which is disadvantageous for growing a large crystal.

本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、結晶成長面におけるガスの流れを阻害せずに、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体の厚膜結晶を成長させることができる下地基板を提供することを本発明の目的として設定した。また、そのような下地基板を利用して表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させる方法を提供することも本発明の目的として設定した。   In order to solve the problems of the prior art, the present inventors have developed a thick group III nitride semiconductor crystal having a good surface state and cross-sectional shape without hindering the gas flow on the crystal growth surface. It was set as an object of the present invention to provide a base substrate that can be grown. It was also set as an object of the present invention to provide a method for growing a group III nitride semiconductor having a good surface state and cross-sectional shape using such a base substrate.

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、結晶成長面の周縁に段差をつけて別の結晶成長面を設けることによって従来技術の課題を解決しうることを見出した。すなわち、課題を解決する手段として、以下の本発明を提供するに至った。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the problem of the prior art can be solved by providing another crystal growth surface with a step on the periphery of the crystal growth surface. That is, the following present invention has been provided as means for solving the problems.

[1] 第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接していることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[2] 前記第1結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接していることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[3] 前記第1結晶成長面が円形であることを特徴とする[1]または[2]に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[4] 前記第2結晶成長面が環状であり、円形の前記第1結晶成長面と同心であることを特徴とする[3]に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[5] 前記第2結晶成長面の幅が0.5mm以上であることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[6] 前記段差の高さが0.1〜5mmであることを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[7] 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[8] 前記第1結晶成長面を構成する部材と前記第2結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[9] 前記第1結晶成長面を構成する材料と前記第2結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする[1]〜[8]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[10] 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする[1]〜[9]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[11] 前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはSiC単結晶基板であることを特徴とする[10]に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
[1] A base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface, and facing down to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface A base substrate for growing a group III nitride semiconductor, characterized in that the second crystal growth surface is connected through a step.
[2] The base for growing a group III nitride semiconductor according to [1], wherein the second crystal growth surface is connected to the entire periphery of the first crystal growth surface through a downward step. substrate.
[3] The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to [1] or [2], wherein the first crystal growth surface is circular.
[4] The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to [3], wherein the second crystal growth surface is annular and concentric with the circular first crystal growth surface.
[5] The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to any one of [1] to [4], wherein a width of the second crystal growth surface is 0.5 mm or more.
[6] The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to any one of [1] to [5], wherein a height of the step is 0.1 to 5 mm.
[7] The group III according to any one of [1] to [6], wherein the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are present in a continuous single member. Base substrate for nitride semiconductor growth.
[8] The group III according to any one of [1] to [6], wherein a member constituting the first crystal growth surface and a member constituting the second crystal growth surface are different. Base substrate for nitride semiconductor growth.
[9] The materials according to [1] to [8], wherein the material constituting the first crystal growth surface and the material constituting the second crystal growth surface are each made of a group III nitride semiconductor single crystal. The base substrate for group III nitride semiconductor growth as described in any one.
[10] The member according to any one of [1] to [9], wherein members constituting the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are formed on a base substrate. A base substrate for group nitride semiconductor growth.
[11] The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to [10], wherein the basic substrate is a sapphire single crystal substrate or a SiC single crystal substrate.

[12] [1]〜[11]のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
[13] 前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする[12]に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
[14] 前記III族窒化物半導体を厚み5mm以上で結晶成長させることを特徴とする[12]または[13]に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
[15] 前記結晶成長をハイドライド気相成長法(HVPE法)により行うことを特徴とする[12]〜[14]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
[16] 前記下地基板から前記第2結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする[12]〜[15]のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
[12] A step of crystal-growing a group III nitride semiconductor on the base substrate by supplying a gas for forming a group III nitride semiconductor onto the base substrate according to any one of [1] to [11] A method for growing a group III nitride semiconductor, comprising:
[13] The method for growing a group III nitride semiconductor according to [12], wherein the base substrate is made of a single crystal of the same kind as the group III nitride semiconductor to be crystal-grown.
[14] The group III nitride semiconductor growth method according to [12] or [13], wherein the group III nitride semiconductor is crystal-grown with a thickness of 5 mm or more.
[15] The method for growing a group III nitride semiconductor according to any one of [12] to [14], wherein the crystal growth is performed by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE method).
[16] The method for growing a group III nitride semiconductor according to any one of [12] to [15], further including a step of separating the second crystal growth surface from the base substrate.

なかでも、上記課題を解決する手段として、特に以下の構成を有する本発明を提供する。
(1) 第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、
前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接しており、
前記段差の高さが0.1〜5mmであることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(2) 前記第1結晶成長面を構成する材料と前記第2結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする(1)に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(3) 第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、
前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接しており、
前記第1結晶成長面を構成する材料と前記第2結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなり、
前記第1結晶成長面が(0001)面であることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(4) 前記段差の高さが0.1〜5mmであることを特徴とする(3)に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(5) 前記第1結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接していることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(6) 前記第1結晶成長面が円形であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(7) 前記第2結晶成長面が環状であり、円形の前記第1結晶成長面と同心であることを特徴とする(6)に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(8) 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする(1)〜(7)のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(9) 前記第1結晶成長面を構成する部材と前記第2結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする(1)〜(7)のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(10) 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする(1)〜(9)のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(11) 前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはSiC単結晶基板であることを特徴とする(10)に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
(12) (1)〜(11)のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
(13) 前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする(12)に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(14) 前記III族窒化物半導体を厚み5mm以上で結晶成長させることを特徴とする(12)または(13)に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(15) 前記結晶成長をハイドライド気相成長法により行うことを特徴とする(12)〜(14)のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(16) 前記下地基板から前記第2結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする(12)〜(15)のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(17) 下地基板上に成長させたIII族窒化物半導体結晶であって、前記III族窒化物半導体結晶の成長厚みが2mm以上であり、結晶成長後の表面が鏡面であることを特徴とするIII族窒化物半導体結晶。
(18) 前記表面の表面粗さが1nm以下であることを特徴とする(17)に記載のIII族窒化物半導体結晶。
In particular, the present invention having the following configuration is provided as means for solving the above-described problems.
(1) A base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface,
The second crystal growth surface is connected to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface through a downward step;
A base substrate for growing a group III nitride semiconductor, wherein the height of the step is 0.1 to 5 mm.
(2) The group III according to (1), wherein both the material constituting the first crystal growth surface and the material constituting the second crystal growth surface are made of a single crystal of a group III nitride semiconductor. Base substrate for nitride semiconductor growth.
(3) A base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface,
The second crystal growth surface is connected to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface through a downward step;
Both the material constituting the first crystal growth surface and the material constituting the second crystal growth surface are made of a single crystal of a group III nitride semiconductor,
A base substrate for growing a group III nitride semiconductor, wherein the first crystal growth surface is a (0001) plane.
(4) The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to (3), wherein the height of the step is 0.1 to 5 mm.
(5) In any one of (1) to (4), the second crystal growth surface is connected to the entire periphery of the first crystal growth surface through a downward step. Base substrate for group III nitride semiconductor growth.
(6) The base substrate for growing a group III nitride semiconductor according to any one of (1) to (5), wherein the first crystal growth surface is circular.
(7) The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to (6), wherein the second crystal growth surface is annular and concentric with the circular first crystal growth surface.
(8) The group III according to any one of (1) to (7), wherein the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are present in a continuous single member. Base substrate for nitride semiconductor growth.
(9) The group III according to any one of (1) to (7), wherein a member constituting the first crystal growth surface and a member constituting the second crystal growth surface are different. Base substrate for nitride semiconductor growth.
(10) The member constituting the first crystal growth surface and the second crystal growth surface is formed on a base substrate, and the III according to any one of (1) to (9) A base substrate for group nitride semiconductor growth.
(11) The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to (10), wherein the basic substrate is a sapphire single crystal substrate or a SiC single crystal substrate.
(12) A step of crystal growth of a group III nitride semiconductor on the base substrate by supplying a group III nitride semiconductor forming gas onto the base substrate according to any one of (1) to (11) A method for growing a group III nitride semiconductor, comprising:
(13) The method for growing a group III nitride semiconductor according to (12), wherein the base substrate is made of the same type of single crystal as the group III nitride semiconductor to be crystal-grown.
(14) The method for growing a group III nitride semiconductor according to (12) or (13), wherein the group III nitride semiconductor is crystal-grown with a thickness of 5 mm or more.
(15) The method for growing a group III nitride semiconductor according to any one of (12) to (14), wherein the crystal growth is performed by a hydride vapor phase growth method.
(16) The method for growing a group III nitride semiconductor according to any one of (12) to (15), further including a step of separating the second crystal growth surface from the base substrate.
(17) A Group III nitride semiconductor crystal grown on an underlying substrate, wherein the Group III nitride semiconductor crystal has a growth thickness of 2 mm or more, and a surface after crystal growth is a mirror surface Group III nitride semiconductor crystal.
(18) The group III nitride semiconductor crystal according to (17), wherein the surface has a surface roughness of 1 nm or less.

本発明の下地基板は、第1結晶成長面の周縁に段差をつけて第2結晶成長面が設けられているため、第1結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第1結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を作製することが可能である。   In the base substrate of the present invention, since the second crystal growth surface is provided with a step on the periphery of the first crystal growth surface, the group III nitride semiconductor crystal grows abnormally at the peripheral portion of the first crystal growth surface. Can be suppressed. As a result, a group III nitride semiconductor having a good surface state and cross-sectional shape can be grown on the first crystal growth surface. In addition, according to the method for growing a group III nitride semiconductor of the present invention, it is possible to produce a flat and uniform thick film crystal.

実施例および比較例で用いたHVPE装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the HVPE apparatus used by the Example and the comparative example. 基板ホルダー上に設置した下地基板の概略断面図である(実施例1および2)。It is a schematic sectional drawing of the base substrate installed on the substrate holder (Examples 1 and 2). 外周に段差加工を施した種結晶基板の上面図および側断面図である(実施例3)。(Example 3) which is the upper side figure and side sectional drawing of a seed crystal substrate which gave the level | step difference process to the outer periphery. 基板ホルダー上に設置した外周に段差加工を施した種結晶基板の概略断面図である(実施例3)。(Example 3) which is a schematic sectional drawing of the seed crystal board | substrate which gave the level | step difference process to the outer periphery installed on the board | substrate holder. 基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である(比較例1)。It is a schematic sectional drawing of the seed crystal substrate installed on the substrate holder (comparative example 1). 基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である(比較例2)。It is a schematic sectional drawing of the seed crystal substrate installed on the substrate holder (comparative example 2).

以下において、本発明の下地基板およびIII族窒化物半導体の成長方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, the growth method of the base substrate and the group III nitride semiconductor of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

(III族窒化物半導体成長用の下地基板)
本発明の下地基板は、第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接していることを特徴とする。
(Under substrate for group III nitride semiconductor growth)
The base substrate of the present invention is a base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface, and has a peripheral 50 of the first crystal growth surface. It is characterized in that the second crystal growth surface is connected via a step that is downwardly more than%.

本発明の下地基板は少なくとも第1結晶成長面と第2結晶成長面を備えている。第1結晶成長面と第2結晶成長面は互いに同じ方向に面しているが、ここでいう「同じ方向に面している」とは、第1結晶成長面の法線と第2結晶成長面の法線の角度が20°以内であることを意味する。第1結晶成長面の法線と第2結晶成長面の法線の角度は10°以内であることが好ましく、5°以内であることがより好ましく、3°以内であることがさらに好ましく、1°以内であることが特に好ましい。   The base substrate of the present invention has at least a first crystal growth surface and a second crystal growth surface. The first crystal growth surface and the second crystal growth surface face each other in the same direction. Here, “facing in the same direction” means normal line of the first crystal growth surface and second crystal growth surface. It means that the angle of the surface normal is within 20 °. The angle between the normal line of the first crystal growth surface and the normal line of the second crystal growth surface is preferably within 10 °, more preferably within 5 °, even more preferably within 3 °. It is particularly preferable that the angle is within the range of °.

第1結晶成長面は、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させる面である。第1結晶成長面の形状は特に制限されず、取得しようとしているIII族窒化物半導体結晶の形状にあわせて形状を決定することができる。通常は円形、楕円形または矩形であり、好ましくは円形である。第1結晶成長面のサイズも、取得しようとしているIII族窒化物半導体のサイズにあわせて決定することができる。第1結晶成長面が円形である場合の直径や第1結晶成長面が矩形である場合の最大径は、通常10〜300mmであり、20〜150mmであることが好ましく、50〜100mmであることがより好ましい。   The first crystal growth surface is a surface on which a group III nitride semiconductor crystal having a good surface state and cross-sectional shape is grown. The shape of the first crystal growth surface is not particularly limited, and the shape can be determined according to the shape of the group III nitride semiconductor crystal to be obtained. Usually, it is circular, elliptical or rectangular, preferably circular. The size of the first crystal growth surface can also be determined according to the size of the group III nitride semiconductor to be obtained. The diameter when the first crystal growth surface is circular and the maximum diameter when the first crystal growth surface is rectangular are usually 10 to 300 mm, preferably 20 to 150 mm, and preferably 50 to 100 mm. Is more preferable.

第2結晶成長面は、第1結晶成長面よりも低い位置でIII族窒化物半導体結晶を成長させる面であり、第2結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって第1結晶成長面の周縁部に結晶が異常成長するのを抑制する機能を有する面である。第2結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって、第1結晶成長面に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させることが可能になる。   The second crystal growth surface is a surface on which the group III nitride semiconductor crystal is grown at a position lower than the first crystal growth surface, and the first crystal is grown by growing the group III nitride semiconductor crystal on the second crystal growth surface. It is a surface having a function of suppressing abnormal growth of crystals at the peripheral edge of the growth surface. By growing a group III nitride semiconductor crystal on the second crystal growth surface, a group III nitride semiconductor crystal having a good surface state and cross-sectional shape can be grown on the first crystal growth surface.

第2結晶成長面は、第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して連接している。すなわち、第1結晶成長面の周縁の長さの50%以上は、下向きの段差を介して第2結晶成長面につながっている。好ましくは第1結晶成長面の周縁の70%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上、特に好ましくは100%が、下向きの段差を介して第2結晶成長面につながっていることが望ましい。下向きの段差を介して第2結晶成長面に連接している周縁を連接周縁部といい、連接していない周縁を非連接周縁部というとき、第1結晶成長面の周縁は連接周縁部と非連接周縁部が交互に現れるものであってもよい。好ましいのは、連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、より好ましいのは下地基板が円形で連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、さらに好ましいのは回転対称性を有する態様であり、特に好ましいのは周縁がすべて連接周縁部である態様である。好ましい態様を採用することによって、より均一な結晶を第1結晶成長面上に成長させることができる。   The second crystal growth surface is connected to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface via a downward step. That is, 50% or more of the peripheral length of the first crystal growth surface is connected to the second crystal growth surface through a downward step. Preferably 70% or more, more preferably 90% or more, more preferably 95% or more, particularly preferably 100% of the periphery of the first crystal growth surface is connected to the second crystal growth surface via a downward step. It is desirable. When the peripheral edge connected to the second crystal growth surface through a downward step is referred to as a connected peripheral edge, and the non-connected peripheral edge is referred to as a non-connected peripheral edge, the peripheral edge of the first crystal growth surface is not connected to the connected peripheral edge. The connected peripheral edge portions may appear alternately. Preferred is an aspect in which the connecting peripheral edge and the non-connecting peripheral edge appear alternately with regularity, and more preferably, the base substrate is circular and the connecting peripheral edge and the non-connecting peripheral edge alternately with regularity. It is an aspect that appears, more preferably an aspect having rotational symmetry, and an aspect in which all the peripheral edges are connected peripheral edges. By adopting the preferred embodiment, a more uniform crystal can be grown on the first crystal growth surface.

第2結晶成長面は、第1結晶成長面の周縁に下向きの段差を介して連接していることから、第1結晶成長面が円形であるとき第2結晶成長面は環状であることが好ましい。このとき、環状の第2結晶成長面は円形の第1結晶成長面と同心であることがより好ましい。第2結晶成長面の幅は通常0.5〜20mmであり、1〜15mmであることが好ましく、2〜15mmであることがより好ましい。第2結晶成長面の幅は、本発明の下地基板全体にわたって一定であってもよいし、幅が広い部分と幅が狭い部分が混在していてもよい。下地基板全体にわたって幅が一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第1結晶成長面上に成長させることができるため好ましい。   Since the second crystal growth surface is connected to the periphery of the first crystal growth surface via a downward step, the second crystal growth surface is preferably annular when the first crystal growth surface is circular. . At this time, the annular second crystal growth surface is more preferably concentric with the circular first crystal growth surface. The width of the second crystal growth surface is usually 0.5 to 20 mm, preferably 1 to 15 mm, and more preferably 2 to 15 mm. The width of the second crystal growth surface may be constant over the entire base substrate of the present invention, or a wide portion and a narrow portion may be mixed. If the width is constant over the entire substrate, it is preferable because a more uniform group III nitride semiconductor crystal can be grown on the first crystal growth surface.

第1結晶成長面と第2結晶成長面の間に介在する段差は、高低差が通常0.1〜5mmであり、0.2〜2mmであることが好ましく、0.3〜1mmであることがより好ましい。第1結晶成長面と第2結晶成長面との間の高低差は、本発明の下地基板全体にわたって必ずしも一定でなくても構わないが、下地基板全体にわたって一定であることが好ましい。下地基板全体にわたって一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第1結晶成長面上に成長させることができる。   The level difference between the first crystal growth surface and the second crystal growth surface is usually 0.1 to 5 mm in height difference, preferably 0.2 to 2 mm, and preferably 0.3 to 1 mm. Is more preferable. The height difference between the first crystal growth surface and the second crystal growth surface may not necessarily be constant over the entire base substrate of the present invention, but is preferably constant over the entire base substrate. If it is constant over the entire base substrate, a more uniform group III nitride semiconductor crystal can be grown on the first crystal growth surface.

第1結晶成長面と第2結晶成長面は、同一の結晶からなるものであってもよいし、異なる結晶からなるものであってもよい。いずれの場合であっても、III族窒化物半導体を成長させることができるものでなければならない。好ましいのは、第1結晶成長面と第2結晶成長面におけるIII族窒化物半導体結晶の成長速度がほぼ同じである態様である。したがって、第1結晶成長面と第2結晶成長面は、同一の結晶からなるものであることが好ましい。また、第1結晶成長面と第2結晶成長面は、いずれもIII族窒化物半導体の単結晶であることが好ましく、下地基板上に結晶成長させるIII族窒化物半導体と同じ種類の単結晶であることがより好ましい。   The first crystal growth surface and the second crystal growth surface may be made of the same crystal or different crystals. In any case, the group III nitride semiconductor must be capable of growing. Preferred is an embodiment in which the growth rates of the group III nitride semiconductor crystals on the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are substantially the same. Accordingly, the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are preferably made of the same crystal. The first crystal growth surface and the second crystal growth surface are both preferably a single crystal of a group III nitride semiconductor. The single crystal of the same type as the group III nitride semiconductor to be crystal-grown on the base substrate is used. More preferably.

第1結晶成長面と第2結晶成長面は、連続した単一部材内に存在していてもよいし、異なる部材内にそれぞれが存在していてもよい。連続した単一部材内に存在している態様として、例えば1つの単結晶内に第1結晶成長面と第2結晶成長面が設けられている場合を例示することができる。また、異なる部材内にそれぞれが存在している態様として、第1結晶成長面を有する単結晶と第2結晶成長面を有する単結晶とが、互いに接触して一体化している場合を例示することができる。後者の場合、2つの部材は互いに強固に連結していてもよいし、単に一方の部材が他方の部材の上に搭載されているだけでもよい。後者の場合は、搭載のタイミングは特に制限されない。例えば、反応容器内において下側の部材(第2結晶成長面を有する部材)上に上側の部材(第1結晶成長面を有する部材)を搭載してもよい。   The first crystal growth surface and the second crystal growth surface may exist in a continuous single member, or may exist in different members. As an aspect that exists in a continuous single member, for example, a case where a first crystal growth surface and a second crystal growth surface are provided in one single crystal can be exemplified. Further, as an aspect in which each exists in different members, a case where the single crystal having the first crystal growth surface and the single crystal having the second crystal growth surface are in contact with each other and integrated is illustrated. Can do. In the latter case, the two members may be firmly connected to each other, or one member may simply be mounted on the other member. In the latter case, the mounting timing is not particularly limited. For example, the upper member (the member having the first crystal growth surface) may be mounted on the lower member (the member having the second crystal growth surface) in the reaction vessel.

本発明の下地基板は、基礎基板上に形成されていてもよい。ここでいう基礎基板とは、一般に基板と呼ばれているもので、その上に化合物半導体を成長させることができる厚膜材料をいう。基礎基板としては、例えばサファイア単結晶基板、SiC単結晶基板、Si基板などを挙げることができる。好ましいのは、サファイア単結晶基板またはSiC単結晶基板である。本発明の下地基板は、このような基礎基板を備えたままIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよいし、基礎基板を除去したうえでIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよい。いずれにするかは、下地基板の安定性、作業性、成長させるIII族窒化物半導体の形状や用途などに応じて、適宜決定することができる。   The base substrate of the present invention may be formed on a base substrate. The basic substrate here is generally called a substrate and refers to a thick film material on which a compound semiconductor can be grown. Examples of the basic substrate include a sapphire single crystal substrate, a SiC single crystal substrate, and a Si substrate. A sapphire single crystal substrate or a SiC single crystal substrate is preferable. The base substrate of the present invention may be used for growing a group III nitride semiconductor crystal with such a base substrate, or may be used for growing a group III nitride semiconductor crystal after removing the base substrate. Good. Which one is selected can be appropriately determined according to the stability and workability of the base substrate, the shape and use of the group III nitride semiconductor to be grown, and the like.

(III族窒化物半導体の成長方法)
本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、上記の本発明の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする。結晶成長させるIII族窒化物半導体の種類は特に制限されない。例えばGaN、InN、
AlN、InGaN、AlGaN、AlInGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaNであり、より好ましいのはGaNである。
(Group III nitride semiconductor growth method)
A method for growing a group III nitride semiconductor according to the present invention includes a step of crystal growth of a group III nitride semiconductor on a base substrate by supplying a gas for forming a group III nitride semiconductor onto the base substrate according to the present invention. It is characterized by including. The type of group III nitride semiconductor to be crystal-grown is not particularly limited. For example, GaN, InN,
AlN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, etc. can be mentioned. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, and more preferred is GaN.

III族窒化物半導体形成用ガスは、本発明の下地基板の第1結晶成長面に供給されるようにする。具体的には、第1結晶成長面の法線方向に対して0〜45°の方向から供給することが好ましく、0〜30°の方向から供給することがより好ましく、0〜10°の方向から供給することがさらに好ましい。III族窒化物半導体形成用ガスは、第2結晶成長面に直接供給してもよいし、第1結晶成長面を経由して供給されるようにしてもよい。好ましいのは、第1結晶成長面を経由して供給される場合である。   The group III nitride semiconductor forming gas is supplied to the first crystal growth surface of the base substrate of the present invention. Specifically, it is preferable to supply from the direction of 0 to 45 ° with respect to the normal direction of the first crystal growth surface, more preferable to supply from the direction of 0 to 30 °, and the direction of 0 to 10 °. It is more preferable to supply from The group III nitride semiconductor forming gas may be supplied directly to the second crystal growth surface or may be supplied via the first crystal growth surface. Preference is given to the case where it is supplied via the first crystal growth surface.

本発明のIII族窒化物半導体の成長方法において用いることが結晶成長法として、HVPE法、MOCVD法、MBE法、昇華法等を挙げることができる。好ましいのはHVPE法、MOCVD法であり、最も好ましいのはHVPE法である。   Examples of the crystal growth method used in the group III nitride semiconductor growth method of the present invention include HVPE method, MOCVD method, MBE method, and sublimation method. The HVPE method and the MOCVD method are preferable, and the HVPE method is most preferable.

次に、本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させる工程について説明する。
結晶成長に用いる装置の詳細は特に制限されない。例えば、図1に示すようなHVPE装置を用いることができる。図1のHVPE装置は、リアクター100内に、下地基板112を載置するための基板ホルダー(サセプター)107と、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れるリザーバー105とを備えている。また、リアクター100内にガスを導入するための導入管101〜104と、排気するための排気管108が設置されている。さらに、リアクター100を側面から加熱するためのヒーター106が設置されている。
Next, a process for growing a group III nitride semiconductor crystal using the base substrate of the present invention will be described.
Details of the apparatus used for crystal growth are not particularly limited. For example, an HVPE apparatus as shown in FIG. 1 can be used. The HVPE apparatus in FIG. 1 includes a substrate holder (susceptor) 107 on which a base substrate 112 is placed and a reservoir 105 into which a group III nitride semiconductor material to be grown is placed. In addition, introduction pipes 101 to 104 for introducing gas into the reactor 100 and an exhaust pipe 108 for exhausting are installed. Further, a heater 106 for heating the reactor 100 from the side surface is installed.

リアクター100の材質としては、石英、多結晶BN、ステンレス等が用いられる。好ましい材質は石英である。リアクター100内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガスとしては、例えばH2ガス、N2ガス、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。 As a material of the reactor 100, quartz, polycrystalline BN, stainless steel or the like is used. A preferred material is quartz. The reactor 100 is filled with atmospheric gas in advance before starting the reaction. Examples of the atmospheric gas include H 2 gas, N 2 gas, inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used.

基板ホルダー107の材質としてはカーボンが好ましく、SiCで表面をコーティングしているものがより好ましい。基板ホルダー107の形状は、本発明の下地基板112を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に成長している結晶の上流側に構造物が存在しないものであることが好ましい。上流側に結晶が成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてHClガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。基板ホルダー107の下地基板載置面の大きさは、載置する下地基板112よりも小さいことが好ましい。すなわち、ガス上流側から見たときに、下地基板112の大きさで基板ホルダー107が隠れるくらいの大きさであることがさらに好ましい。   Carbon is preferable as the material of the substrate holder 107, and a material whose surface is coated with SiC is more preferable. The shape of the substrate holder 107 is not particularly limited as long as the base substrate 112 of the present invention can be installed, but there is no structure on the upstream side of the growing crystal when the crystal is grown. It is preferable. If there is a structure in which a crystal may grow on the upstream side, a polycrystal adheres to the structure, and HCl gas is generated as a product, which adversely affects the crystal to be grown. The size of the base substrate mounting surface of the substrate holder 107 is preferably smaller than the base substrate 112 to be mounted. That is, it is more preferable that the size of the base substrate 112 is such that the substrate holder 107 is hidden when viewed from the gas upstream side.

下地基板112を基板ホルダー107に載置するとき、下地基板112の第1結晶成長面はガス流れの上流側(図1ではリアクターの上方)を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガスが第1結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが第1結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。このように下地基板112を載置することによって、より均一で結晶性に優れたIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。   When placing the base substrate 112 on the substrate holder 107, it is preferable to place the first crystal growth surface of the base substrate 112 so as to face the upstream side of the gas flow (above the reactor in FIG. 1). That is, it is preferable to mount the gas so that it flows toward the first crystal growth surface, and it is more preferable that the gas flow from a direction perpendicular to the first crystal growth surface. By placing the base substrate 112 in this way, a group III nitride semiconductor crystal having more uniform and excellent crystallinity can be obtained.

リザーバー105には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ga、Al、Inなどを挙げることができる。   The reservoir 105 is charged with a raw material to be a group III source. Examples of the raw material to be a group III source include Ga, Al, and In.

リザーバー105にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー105に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー105にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管103からHClガスを供給することができる。このとき、HClガスとともに、導入管103からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えばH2ガス、N2ガス、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。キャリアガスは雰囲気ガスと同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。 A gas that reacts with the raw material put in the reservoir 105 is supplied from an introduction pipe 103 for introducing the gas into the reservoir 105. For example, when a raw material that is a group III source is put in the reservoir 105, HCl gas can be supplied from the introduction pipe 103. At this time, the carrier gas may be supplied from the introduction pipe 103 together with the HCl gas. Examples of the carrier gas include H 2 gas, N 2 gas, inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used. The carrier gas may be the same as or different from the atmospheric gas, but is preferably the same.

導入管101からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はNH3ガスを供給する。また、導入管102からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管103から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。導入管102から供給するキャリアガスと導入管103から供給するキャリアガスは同じものであることが好ましい。また、導入管102からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、SiH4やSiH2Cl2等のn型のドーパントガスを供給することができる。 From the introduction pipe 101, a source gas serving as a nitrogen source is supplied. Normally, NH 3 gas is supplied. A carrier gas is supplied from the introduction pipe 102. As the carrier gas, the same carrier gas supplied from the introduction pipe 103 can be exemplified. The carrier gas supplied from the introduction pipe 102 and the carrier gas supplied from the introduction pipe 103 are preferably the same. A dopant gas can also be supplied from the introduction pipe 102. For example, an n-type dopant gas such as SiH 4 or SiH 2 Cl 2 can be supplied.

導入管104からは、エッチングガスを供給することができる。エッチングガスとしては、塩素系のガスを挙げることができ、HClガスを用いることが好ましい。エッチングガスの流量を総流量に対して0.1%〜3%程度とすることによりエッチングを行うことができる。好ましい流量は総流量に対して1%程度である。ガスの流量はマスフローコントロラー(MFC)等で制御することができ、個別のガスの流量は常にMFCで監視することが好ましい。   An etching gas can be supplied from the introduction pipe 104. As an etching gas, a chlorine-based gas can be used, and HCl gas is preferably used. Etching can be performed by setting the flow rate of the etching gas to about 0.1% to 3% with respect to the total flow rate. A preferable flow rate is about 1% with respect to the total flow rate. The gas flow rate can be controlled by a mass flow controller (MFC) or the like, and the individual gas flow rates are preferably always monitored by MFC.

導入管101、102、104から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、V族源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター100の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。   The gases supplied from the introduction pipes 101, 102, and 104 may be exchanged with each other and supplied from different introduction pipes. Further, the source gas and the carrier gas that are the group V source may be mixed and supplied from the same introduction pipe. Further, a carrier gas may be mixed from another introduction pipe. These supply modes can be appropriately determined according to the size and shape of the reactor 100, the reactivity of the raw materials, the target crystal growth rate, and the like.

ガス排出管108は、ガス導入のための導入管101〜104とは反対側のリアクター内壁から排出することができるように設置するのが一般的である。図1では、ガス導入のための導入管101〜104が設置されているリアクター上面とは反対に位置するリアクター底面にガス排出管108が設置されている。ガス導入のための導入管がリアクター右側面に設置されている場合は、ガス排出管はリアクター左側面に設置されていることが好ましい。このような態様を採用することによって、一定方向に向けて安定にガスの流れを形成することができる。   The gas discharge pipe 108 is generally installed so that it can be discharged from the reactor inner wall on the opposite side to the introduction pipes 101 to 104 for gas introduction. In FIG. 1, a gas discharge pipe 108 is installed on the bottom surface of the reactor located opposite to the top surface of the reactor where the introduction pipes 101 to 104 for gas introduction are installed. When the introduction pipe for introducing gas is installed on the right side of the reactor, the gas discharge pipe is preferably installed on the left side of the reactor. By adopting such an aspect, a gas flow can be stably formed in a certain direction.

HVPE法による結晶成長は、通常は900℃〜1070℃で行い、925℃〜1050℃で行うことが好ましく、950℃〜1030℃で行うことがより好ましく、975℃から1000℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa〜200kPaであるのが好ましく、30kPa〜150kPaであるのがより好ましく、50kPa〜120kPaであるのがさらに好ましい。エッチングを行うときのエッチング温度や圧力は、上記の結晶成長の温度や圧力と同一であっても異なっていてもよい。   Crystal growth by the HVPE method is usually performed at 900 ° C. to 1070 ° C., preferably at 925 ° C. to 1050 ° C., more preferably at 950 ° C. to 1030 ° C., and further at 975 ° C. to 1000 ° C. preferable. The pressure in the reactor is preferably 10 kPa to 200 kPa, more preferably 30 kPa to 150 kPa, and even more preferably 50 kPa to 120 kPa. The etching temperature and pressure at the time of etching may be the same as or different from the crystal growth temperature and pressure.

結晶成長を行った後に得られるIII族窒化物半導体結晶は、結晶面の境界に多結晶体を有することがある。ここでいう多結晶体とは、例えば六方晶系の結晶格子を形成することができず、しかるべき位置に原子がいない状態の結晶を意味する。すなわち結晶方位が無秩序な微小な結晶の集合体をいい、非常に小さな単結晶粒の集まりを意味する。このような多結晶体を有する場合は、多結晶体を除去する工程を行った後に、さらに多結晶体を除去した結晶の表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。そのようにして得られたIII族窒化物半導体結晶が、なお結晶面の境界に多結晶体を有するときは、再び多結晶体を除去する工程を行い、さらに表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。このような操作を繰り返すことによって、多結晶体を有さないIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。   A group III nitride semiconductor crystal obtained after crystal growth may have a polycrystal at the boundary of crystal planes. The polycrystal here means, for example, a crystal in which a hexagonal crystal lattice cannot be formed and there is no atom at an appropriate position. That is, it refers to a collection of minute crystals with disordered crystal orientation, meaning a collection of very small single crystal grains. In the case of having such a polycrystalline body, after performing the step of removing the polycrystalline body, a step of growing a group III nitride semiconductor crystal on the surface of the crystal from which the polycrystalline body has been removed is further performed. When the group III nitride semiconductor crystal thus obtained still has a polycrystal at the boundary of the crystal plane, a step of removing the polycrystal is performed again, and a group III nitride semiconductor crystal is further formed on the surface. Perform growth process. By repeating such an operation, a group III nitride semiconductor crystal having no polycrystal can be obtained.

本発明の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体の結晶系は、六方晶系であることが好ましい。また、得られるIII族窒化物半導体結晶は、単結晶であることが好ましい。下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは2mm〜10cmが好ましい。結晶成長後に研削、研磨、レーザ照射等を行う場合は、ある程度の大きさの結晶が必要になるため、下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは5mm〜10cmが好ましく、1cm〜10cmがより好ましい。   The crystal system of the group III nitride semiconductor obtained by the production method of the present invention is preferably a hexagonal system. Further, the obtained group III nitride semiconductor crystal is preferably a single crystal. The thickness of the group III nitride semiconductor crystal grown on the base substrate is preferably 2 mm to 10 cm. When performing grinding, polishing, laser irradiation, etc. after crystal growth, a crystal of a certain size is required. Therefore, the thickness of the group III nitride semiconductor crystal grown on the base substrate is preferably 5 mm to 10 cm. 1 cm to 10 cm is more preferable.

本発明の製造方法によって得られたIII族窒化物半導体結晶は、そのまま用いてもよいし、研削やスライス加工などの処理を行ってから用いてもよい。ここでスライス加工とは、(1)成長した結晶を下地基板として使用できるようにC面表面の品質を均一にする加工や、(2)成長初期部分には内在する転位から発生するストレスがあることを考慮してその部分を切り捨てるために行う加工をいう。スライス加工は、具体的には内周刃スライサー、ワイヤーソースライサー等を用いて行うことができる。本発明では、スライス加工を行うことによって、形状がほぼ同じで、転位密度がより低く、かつ、表面欠陥が少ない結晶を製造することが好ましい。   The group III nitride semiconductor crystal obtained by the production method of the present invention may be used as it is or after being subjected to processing such as grinding or slicing. Here, slicing is (1) processing to make the quality of the C-plane surface uniform so that the grown crystal can be used as a base substrate, and (2) there is stress generated from dislocations inherent in the initial growth portion. This is a process that is performed to cut off the portion in consideration of the above. Specifically, the slicing can be performed using an inner peripheral slicer, a wire source slicer, or the like. In the present invention, it is preferable to produce a crystal having substantially the same shape, lower dislocation density, and fewer surface defects by slicing.

本発明の製造方法によれば、表面粗さが1nm以下であるC面やM面を備えているIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。特に、結晶成長後に研磨を行わなくても、表面粗さが1nm以下であるC面やM面をもつことを備えているIII族窒化物半導体結晶を製造することができる点で優れている。なお、本発明における表面粗さ(Rms)は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて10μm角の表面粗さを測定したデータから自乗平均平方根で計算することにより求められる。   According to the production method of the present invention, a group III nitride semiconductor crystal having a C-plane or M-plane with a surface roughness of 1 nm or less can be obtained. In particular, a group III nitride semiconductor crystal having a C-plane or M-plane with a surface roughness of 1 nm or less can be produced without polishing after crystal growth. In addition, the surface roughness (Rms) in this invention is calculated | required by calculating with a root mean square from the data which measured the surface roughness of 10 micrometers square using atomic force microscope (AFM).

本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。また、本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶を下地基板として用いて、さらに大きなIII族窒化物半導体結晶を得ることも可能である。   The group III nitride semiconductor crystal produced by the production method of the present invention can be used for various applications. In particular, it is useful as a substrate for semiconductor devices such as light emitting diodes of ultraviolet, blue or green, etc., light emitting elements having relatively short wavelengths such as semiconductor lasers, and electronic devices. It is also possible to obtain a larger group III nitride semiconductor crystal by using the group III nitride semiconductor crystal manufactured by the manufacturing method of the present invention as a base substrate.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、以下の実施例および比較例では、図1に示すHVPE装置を用いて結晶成長を行った。
The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
In the following examples and comparative examples, crystal growth was performed using the HVPE apparatus shown in FIG.

(実施例1)
表面が(0001)面からなる厚さ430μm、直径76.2mm(3インチ)のサファイア基板上に、MOCVD装置により厚さ4μmのGaN層を成長させた。これを、直径80mm、厚さ20mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにGaN層の上に、表面が(0001)面からなる厚さ400μm、直径54mmのGaN自立基板を搭載し(図2)、HVPE装置のリアクター100内に図1に示すように配置した。
1050℃まで昇温した後、H2キャリアガスG1と、N キャリアガスG2と、GaとHClの反応生成物であるGaClガスG3と、NH3ガスG4とを、導入管101〜104からそれぞれ供給しながら、GaN層を26時間成長させた。このGaN層成長工程において、成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を3.07×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を1.27×104Paとした。GaN層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約3.8mmのGaN単結晶厚膜を得た。
(Example 1)
A GaN layer having a thickness of 4 μm was grown on a sapphire substrate having a surface of (0001) plane and a thickness of 430 μm and a diameter of 76.2 mm (3 inches) using an MOCVD apparatus. This is placed on a SiC-coated carbon substrate holder with a diameter of 80 mm and a thickness of 20 mm, and a GaN free-standing substrate with a thickness of 400 μm and a diameter of 54 mm having a (0001) surface is mounted on the GaN layer. (FIG. 2), placed in the reactor 100 of the HVPE apparatus as shown in FIG.
After raising the temperature to 1050 ° C., H 2 carrier gas G1 and N The GaN layer was grown for 26 hours while supplying the carrier gas G2, the GaCl gas G3, which is a reaction product of Ga and HCl, and the NH 3 gas G4 from the introduction pipes 101 to 104, respectively. In this GaN layer growth step, the growth pressure is 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of the GaCl gas G3 is 3.07 × 10 2 Pa, and the partial pressure of the NH 3 gas G4 is 1.27 × 10 4 Pa. It was. After completion of the GaN layer growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a GaN single crystal thick film having a thickness of about 3.8 mm.

(実施例2)
表面が(0001)面からなる厚さ430μm、直径60mmのサファイア基板上に、MOCVD装置により厚さ4μmのGaN層を成長させた。これを、直径75mm、厚さ20mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにGaN層の上に、表面が(0001)面からなる厚さ400μm、直径54mmのGaN自立基板を搭載し(図2)、HVPE装置のリアクター100内に図1に示すように配置した。
GaN層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例1と同一とした。GaN層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約4.0mmのGaN単結晶厚膜を得た。
(Example 2)
A GaN layer having a thickness of 4 μm was grown on a sapphire substrate having a thickness of 430 μm and a diameter of 60 mm having a (0001) plane by a MOCVD apparatus. This is placed on a SiC-coated carbon substrate holder having a diameter of 75 mm and a thickness of 20 mm, and a GaN free-standing substrate having a thickness of 400 μm and a diameter of 54 mm is mounted on the GaN layer. (FIG. 2), placed in the reactor 100 of the HVPE apparatus as shown in FIG.
The temperature, gas partial pressure, and growth time in the GaN layer growth step were the same as those in Example 1. After completion of the GaN layer growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a thick GaN single crystal film having a thickness of about 4.0 mm.

(実施例3)
表面が(0001)面からなる厚さ600μm、直径60mmのGaN自立基板の外周部全周にわたって幅約3mm、高さ400μmの段差をつける加工を施した(図3)。これを、直径75mm、厚さ20mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き(図4)、HVPE装置のリアクター100内に図1に示すように配置した。
GaN層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例1と同一とした。GaN層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約4.0mmのGaN単結晶厚膜を得た。
(Example 3)
Processing was performed to provide a step of about 3 mm in width and 400 μm in height over the entire outer periphery of a GaN free-standing substrate having a thickness of 600 μm and a diameter of 60 mm with a (0001) surface (FIG. 3). This was placed on a SiC-coated carbon substrate holder having a diameter of 75 mm and a thickness of 20 mm (FIG. 4), and placed in the reactor 100 of the HVPE apparatus as shown in FIG.
The temperature, gas partial pressure, and growth time in the GaN layer growth step were the same as those in Example 1. After completion of the GaN layer growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a thick GaN single crystal film having a thickness of about 4.0 mm.

(比較例1)
表面が(0001)面からなる厚さ400μm、直径50.8mm(2インチ)のGaN自立基板を、直径75mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き(図5)、HVPE装置のリアクター100内に図1に示すように配置した。
GaN層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例1と同一とした。GaN層成長工程終了後、室温まで降温しGaN単結晶厚膜を得た。
(Comparative Example 1)
A GaN free-standing substrate having a surface of (0001) thickness of 400 μm and a diameter of 50.8 mm (2 inches) is placed on a SiC-coated carbon substrate holder having a diameter of 75 mm (FIG. 5), and the reactor 100 of the HVPE apparatus. As shown in FIG.
The temperature, gas partial pressure, and growth time in the GaN layer growth step were the same as those in Example 1. After completing the GaN layer growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a GaN single crystal thick film.

(比較例2)
表面が(0001)面からなる厚さ400μm、直径50.8mm(2インチ)のGaN自立基板を、直径30mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き(図6)、HVPE装置のリアクター100内に図1に示すように配置した。
GaN層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例1と同一とした。GaN層成長工程終了後、室温まで降温し、GaN単結晶厚膜を得た。
(Comparative Example 2)
A GaN free-standing substrate having a surface of (0001) thickness of 400 μm and a diameter of 50.8 mm (2 inches) is placed on a SiC-coated carbon substrate holder having a diameter of 30 mm (FIG. 6), and the reactor 100 of the HVPE apparatus. As shown in FIG.
The temperature, gas partial pressure, and growth time in the GaN layer growth step were the same as those in Example 1. After completion of the GaN layer growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a GaN single crystal thick film.

(試験例)
実施例1〜3、比較例1および2で得られたGaN結晶の表面状態を目視および光学顕微鏡により観察した。また、結晶断面形状をスライサーで切断後、目視により確認した。さらに、結晶中心部の厚みをマイクロメーターにより測定した。結果を以下の表に示す。
(Test example)
The surface states of the GaN crystals obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were observed visually and with an optical microscope. Further, the crystal cross-sectional shape was visually confirmed after cutting with a slicer. Furthermore, the thickness of the crystal center was measured with a micrometer. The results are shown in the table below.

実施例1および実施例2では、周辺部の異常成長や、表面荒れがなく、断面形状が良好な良質のGaN単結晶厚膜が得られた。
実施例3では、最外周に結晶の異常成長が観察されたが、異常成長した結晶の高さは低く、中心部の直径約54mmの範囲では異常成長や表面荒れがない良質のGaN単結晶厚膜が得られた。
比較例1では、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約2.5mmであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例1〜3の結晶よりも約1.3〜1.5mm程度薄かった。
また、比較例2でも、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約2.2mmであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例1〜3の結晶よりも1.6〜1.8mm程度薄かった。
In Example 1 and Example 2, a high-quality GaN single crystal thick film having a good cross-sectional shape without abnormal growth in the peripheral portion or surface roughness was obtained.
In Example 3, abnormal growth of the crystal was observed on the outermost periphery, but the height of the abnormally grown crystal was low, and there was no abnormal growth or surface roughness in the range of about 54 mm in diameter at the center. A membrane was obtained.
In Comparative Example 1, abnormal growth was observed at the edge of the substrate, and surface roughness was severe. The film thickness at the center was about 2.5 mm, which was about 1.3 to 1.5 mm thinner than the crystals of Examples 1 to 3 grown at the same gas flow rate and growth time.
Also in Comparative Example 2, abnormal growth was observed at the edge of the substrate, and surface roughness was severe. The film thickness at the center was about 2.2 mm, which was about 1.6 to 1.8 mm thinner than the crystals of Examples 1 to 3 grown at the same gas flow rate and growth time.

本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させれば、第1結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第1結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を安価に作製することが可能である。得られた結晶は、発光ダイオード、半導体レーザー等の半導体発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。したがって、本発明は産業上の利用可能性が高い。   When the group III nitride semiconductor crystal is grown using the base substrate of the present invention, it is possible to suppress the group III nitride semiconductor crystal from growing abnormally at the peripheral portion of the first crystal growth surface. As a result, a group III nitride semiconductor having a good surface state and cross-sectional shape can be grown on the first crystal growth surface. Further, according to the method for growing a group III nitride semiconductor of the present invention, a flat and uniform thick film crystal can be produced at a low cost. The obtained crystal is useful as a substrate for semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers, and semiconductor devices such as electronic devices. Therefore, the present invention has high industrial applicability.

100 リアクター
101〜104 導入管
105 リザーバー
106 ヒーター
107 基板ホルダー
108 排気管
109 第2結晶成長面を備えた結晶
110 第1結晶成長面を備えた結晶
111 外周に段差加工を施した種結晶基板
112 下地基板
G1 H2キャリアガス
G2 N2キャリアガス
G3 III族原料ガス
G4 V族原料ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Reactor 101-104 Introducing pipe 105 Reservoir 106 Heater 107 Substrate holder 108 Exhaust pipe 109 Crystal with the second crystal growth surface 110 Crystal with the first crystal growth surface 111 Seed crystal substrate with step processing on the outer periphery 112 Base Substrate G1 H 2 carrier gas G2 N 2 carrier gas G3 Group III source gas G4 Group V source gas

Claims (18)

第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、
前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接しており、
前記段差の高さが0.1〜5mmであることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
A base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface,
The second crystal growth surface is connected to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface through a downward step;
A base substrate for growing a group III nitride semiconductor, wherein the height of the step is 0.1 to 5 mm.
前記第1結晶成長面を構成する材料と前記第2結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   2. The group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein both the material constituting the first crystal growth surface and the material constituting the second crystal growth surface are made of a single crystal of a group III nitride semiconductor. Base substrate for growth. 第1結晶成長面と前記第1結晶成長面と同じ方向に面している第2結晶成長面を有する下地基板であって、
前記第1結晶成長面の周縁の50%以上に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接しており、
前記第1結晶成長面を構成する材料と前記第2結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなり、
前記第1結晶成長面が(0001)面であることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
A base substrate having a first crystal growth surface and a second crystal growth surface facing in the same direction as the first crystal growth surface,
The second crystal growth surface is connected to 50% or more of the periphery of the first crystal growth surface through a downward step;
Both the material constituting the first crystal growth surface and the material constituting the second crystal growth surface are made of a single crystal of a group III nitride semiconductor,
A base substrate for growing a group III nitride semiconductor, wherein the first crystal growth surface is a (0001) plane.
前記段差の高さが0.1〜5mmであることを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   4. The base substrate for growing a group III nitride semiconductor according to claim 3, wherein the height of the step is 0.1 to 5 mm. 前記第1結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第2結晶成長面が連接していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   5. The group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the second crystal growth surface is connected to the entire periphery of the first crystal growth surface via a downward step. Base substrate for growth. 前記第1結晶成長面が円形であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   The base substrate for growing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first crystal growth surface is circular. 前記第2結晶成長面が環状であり、円形の前記第1結晶成長面と同心であることを特徴とする請求項6に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   The base substrate for growing a group III nitride semiconductor according to claim 6, wherein the second crystal growth surface is annular and concentric with the circular first crystal growth surface. 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   The group III nitride semiconductor growth according to claim 1, wherein the first crystal growth surface and the second crystal growth surface are present in a single continuous member. Base substrate. 前記第1結晶成長面を構成する部材と前記第2結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   8. The group III nitride semiconductor growth according to claim 1, wherein a member constituting the first crystal growth surface is different from a member constituting the second crystal growth surface. 9. Base substrate. 前記第1結晶成長面と前記第2結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   The group III nitride semiconductor growth according to any one of claims 1 to 9, wherein a member constituting the first crystal growth surface and the second crystal growth surface is formed on a base substrate. Substrate for use. 前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはSiC単結晶基板であることを特徴とする請求項10に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。   The base substrate for group III nitride semiconductor growth according to claim 10, wherein the base substrate is a sapphire single crystal substrate or a SiC single crystal substrate. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。   A step of crystal-growing a group III nitride semiconductor on the base substrate by supplying a gas for forming a group III nitride semiconductor on the base substrate according to claim 1. A method for growing a group III nitride semiconductor. 前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする請求項12に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。   13. The method for growing a group III nitride semiconductor according to claim 12, wherein the base substrate is made of the same type of single crystal as the group III nitride semiconductor for crystal growth. 前記III族窒化物半導体を厚み5mm以上で結晶成長させることを特徴とする請求項12または13に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。   14. The method for growing a group III nitride semiconductor according to claim 12, wherein the group III nitride semiconductor is crystal-grown with a thickness of 5 mm or more. 前記結晶成長をハイドライド気相成長法により行うことを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。   The method for growing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 12 to 14, wherein the crystal growth is performed by a hydride vapor phase growth method. 前記下地基板から前記第2結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。   16. The method for growing a group III nitride semiconductor according to claim 12, further comprising a step of separating the second crystal growth surface from the base substrate. 下地基板上に成長させたIII族窒化物半導体結晶であって、前記III族窒化物半導体結晶の成長厚みが2mm以上であり、結晶成長後の表面が鏡面であることを特徴とするIII族窒化物半導体結晶。   A group III nitride semiconductor crystal grown on a base substrate, wherein the group III nitride semiconductor crystal has a growth thickness of 2 mm or more and a surface after crystal growth is a mirror surface. Semiconductor crystals. 前記表面の表面粗さが1nm以下であることを特徴とする請求項17に記載のIII族窒化物半導体結晶。   The group III nitride semiconductor crystal according to claim 17, wherein the surface has a surface roughness of 1 nm or less.
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