JP2013203653A - Method for producing group iii nitride crystal, group iii nitride crystal, and group iii nitride crystal substrate - Google Patents

Method for producing group iii nitride crystal, group iii nitride crystal, and group iii nitride crystal substrate Download PDF

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創 松本
Kunito Suzaki
訓任 洲崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a high-quality group III nitride crystal which has small warpage and is prevented from cracking.SOLUTION: A group III nitride seed substrate is obtained by heat-treating a single crystal made of a group III nitride crystal at 1,000°C or higher, and a group III nitride crystal film is formed on the group III nitride seed substrate to obtain a group III nitride crystal.

Description

本発明は、反りが小さくて高品質なIII族窒化物結晶の製造方法に関する。また、本発明はその製造方法により製造されるIII族窒化物結晶およびIII族窒化物結晶基板にも関する。   The present invention relates to a method for producing a high-quality group III nitride crystal with small warpage. The present invention also relates to a group III nitride crystal and a group III nitride crystal substrate manufactured by the manufacturing method.

III族窒化物結晶は、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)といった発光素子の基板等として種々利用されている。なかでも、GaN結晶は、青色発光ダイオードや青色半導体レーザなど青色発光素子の基板として有用であり、活発な研究がなされている。   Group III nitride crystals are variously used as substrates for light-emitting elements such as light-emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs). Among these, GaN crystals are useful as substrates for blue light emitting devices such as blue light emitting diodes and blue semiconductor lasers, and active research has been conducted.

そのようなGaN結晶などのIII族窒化物結晶は、例えばサファイアなどの基板上に気相法などにより結晶成長させることにより得ることができる。しかしながら、基板上にIII族窒化物結晶を成長させると、成長温度における基板との格子定数差が顕著となったり、応力分布による歪が生じたりして、その結果、結晶の反りを引き起こしてしまうという問題がある。特に、サファイアなどの異種基板上に成長させたIII族窒化物結晶を異種基板から分離すると、反りが顕著に認められることが知られている。   Such a group III nitride crystal such as a GaN crystal can be obtained by crystal growth on a substrate such as sapphire by a vapor phase method or the like. However, when a group III nitride crystal is grown on the substrate, the difference in lattice constant from the substrate at the growth temperature becomes significant or distortion due to stress distribution occurs, resulting in crystal warping. There is a problem. In particular, it is known that when a group III nitride crystal grown on a dissimilar substrate such as sapphire is separated from the dissimilar substrate, warping is remarkably recognized.

そのような反りは結晶中の貫通転位の分布に起因するものであり、貫通転位は基板とGaN層との界面で1011cm-2もの密度で発生するが、数十μm成長が進むと108cm-2まで減少し、数百μm成長が進むと107cm-2以下まで減少するので、特に結晶の成長面側と基板側の転位密度の差が反りに影響していることが指摘されている(特許文献1参照)。そのような反りを低減するためには、貫通転位を多く含む基板側の結晶を除去したり、高温で熱処理したりすることが有効であることが示されている。特許文献1には、高温熱処理として、厚みが150μmのIII族窒化物結晶を1200℃で24時間熱処理することや、1400℃で10分間熱処理することや、1600℃で2時間熱処理することが記載されている。 Such warpage is caused by the distribution of threading dislocations in the crystal. The threading dislocations are generated at a density of 10 11 cm −2 at the interface between the substrate and the GaN layer. It decreases to 8 cm -2, and when it grows several hundred μm, it decreases to 10 7 cm -2 or less, and it is pointed out that the difference in dislocation density between the crystal growth surface side and the substrate side particularly affects the warpage. (See Patent Document 1). In order to reduce such warpage, it has been shown that it is effective to remove crystals on the substrate side containing many threading dislocations or to perform heat treatment at a high temperature. Patent Document 1 describes that as a high-temperature heat treatment, a group III nitride crystal having a thickness of 150 μm is heat-treated at 1200 ° C. for 24 hours, heat-treated at 1400 ° C. for 10 minutes, or heat-treated at 1600 ° C. for 2 hours. Has been.

特開2003−277195号公報JP 2003-277195 A

特許文献1は貫通転位に着目して比較的薄いIII族窒化物結晶の反りを低減する方法を提案したものであるが、通常、c軸方向にGaN結晶などを1mm〜2cmの厚みに成長させると、貫通転位は成長初期のように急激な消滅が進まず、貫通転位密度は1×107個/cm2以下の値に落ち着く。しかしながら、本発明者らが検討したところ、貫通転位密度が減衰しても依然として反りの問題は解決しないことが判明した。一般に、III族窒化物結晶を1mm超の厚みに成長させると、表面に小さなクラックが生じやすいという問題がある。本発明者らが検討した結果、そのような問題は結晶の反りと関係があることが明らかになってきた。そこで、このような問題に対処するために、例えば結晶の成長温度を調整したり、あるいは成長速度を調整したりするなどの工夫を行ってみたが、いずれも厚膜結晶の表面クラックや反りの問題を十分に解決するには至らなかった。また、特許文献1に記載されているような条件で高温熱処理を行っても、III族窒化物結晶の反りを十分に低減することはできなかった。
このような従来技術の問題点に鑑みて、本発明者らは、反りが小さくてクラックが抑えられている高品質なIII族窒化物結晶の新しい製造方法を提供することを課題として鋭意検討を重ねた。
Patent Document 1 proposes a method for reducing the warpage of a relatively thin group III nitride crystal by focusing on threading dislocations. Usually, a GaN crystal or the like is grown to a thickness of 1 mm to 2 cm in the c-axis direction. Then, the threading dislocations do not disappear rapidly as in the early stage of growth, and the threading dislocation density settles to a value of 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less. However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that even if the threading dislocation density is attenuated, the problem of warping still cannot be solved. In general, when a group III nitride crystal is grown to a thickness of more than 1 mm, there is a problem that small cracks are likely to occur on the surface. As a result of investigations by the present inventors, it has been clarified that such a problem is related to crystal warpage. Therefore, in order to deal with such a problem, for example, adjustments such as adjusting the growth temperature of the crystal or adjusting the growth rate were tried. The problem was not solved sufficiently. Further, even when high-temperature heat treatment was performed under the conditions described in Patent Document 1, the warp of the group III nitride crystal could not be sufficiently reduced.
In view of such problems of the prior art, the present inventors have intensively studied with the object of providing a new method for producing a high-quality group III nitride crystal with small warpage and suppressed cracks. Piled up.

本発明者らが検討を重ねた結果、1mm超の厚みを有する結晶の反りは、結晶内に存在する基底面転位も一因となって生じていることを見出した。本発明でいう基底面転位は、特許文献1に記載されているような貫通転位(threading dislocation)とは異なるものである。貫通転位は、サファイア基板などの異種基板上にGaN結晶を気相成長した際に、格子定数が大きく異なるために結晶成長方向に沿って発生するGaN結晶中の109個/cm2程度の相当数の転位であり、概ねc軸方向に伝播する転位である。これに対して本発明でいう基底面転位は、応力誘起で底面上すべりが生じた際に導入する転位であり、その伝幡方向は基底面に平行である。(Koji Maeda, Kunio Suzuki, Masaki Ichihara, Satoshi Nishiguchi, Kana Ono, Yutaka Mera and Shin Takeuchi, Physica B; Condensed Matter, Volumes 273-274, 1999, Pages 134-139参照)。本発明者らは、SEM−CL観察と透過型電子顕微鏡観察によって基底面上で弧を描きながら伝幡している形態を捉えている。なお、基底面は、例えばGaN結晶であれば(0001)面である。 As a result of repeated studies by the present inventors, it has been found that the warpage of a crystal having a thickness of more than 1 mm is caused by basal plane dislocations existing in the crystal. The basal plane dislocation referred to in the present invention is different from threading dislocation as described in Patent Document 1. The threading dislocation is equivalent to about 10 9 / cm 2 in the GaN crystal generated along the crystal growth direction because the lattice constant is greatly different when a GaN crystal is vapor-phase grown on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate. This is a dislocation that propagates in the c-axis direction. On the other hand, the basal plane dislocation as referred to in the present invention is a dislocation introduced when a slip occurs on the bottom surface due to stress induction, and the propagation direction is parallel to the basal plane. (See Koji Maeda, Kunio Suzuki, Masaki Ichihara, Satoshi Nishiguchi, Kana Ono, Yutaka Mera and Shin Takeuchi, Physica B; Condensed Matter, Volumes 273-274, 1999, Pages 134-139). The inventors of the present invention have grasped a form that is transmitted while drawing an arc on the basal plane by SEM-CL observation and transmission electron microscope observation. Note that the basal plane is, for example, a (0001) plane in the case of a GaN crystal.

基底面転位については、特許文献1にはまったく記載されていなかったことから、本発明者らは特許文献1には示唆されていない観点から反りを低減する方法について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは基底面転位を低減させたIII族窒化物結晶を得ることを達成し、さらに当該III族窒化物結晶のように結晶の基底面転位の絶対値を下げることが、反りの低減との課題を解決するために極めて重要であることを見出した。具体的には、III族窒化物結晶を特定の条件下で熱処理すれば、III族窒化物結晶の転位を好ましい状態へ制御することが可能になり、それによって結晶全体の残留応力が減少するという画期的な成果を上げるに至った。熱処理後の結晶には多くの基底面転位が残ったままであるが、その結晶をホモエピタキシャル成長の種基板として用いれば、再成長結晶中への新たな基底面転位の導入が劇的に低減するという画期的な成果も上げるに至った。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、その内容は以下に示すとおりである。   Since basal plane dislocations were not described at all in Patent Document 1, the present inventors conducted extensive studies on a method for reducing warpage from a viewpoint not suggested in Patent Document 1. As a result, the present inventors have achieved a group III nitride crystal with reduced basal plane dislocations, and lowering the absolute value of the basal plane dislocation of the crystal as in the group III nitride crystal, It was found that it is extremely important to solve the problem of warpage reduction. Specifically, if a group III nitride crystal is heat-treated under specific conditions, it becomes possible to control the dislocation of the group III nitride crystal to a preferable state, thereby reducing the residual stress of the entire crystal. It has led to breakthrough results. Many basal plane dislocations remain in the crystal after heat treatment, but if the crystal is used as a seed substrate for homoepitaxial growth, introduction of new basal plane dislocations into the regrown crystal is dramatically reduced. It also led to breakthrough results. The present invention has been made based on these findings, and the contents thereof are as shown below.

[1] III族窒化物結晶からなる単結晶に1000℃以上で熱処理を行うことによりIII族窒化物種基板を得る工程と、
前記III族窒化物種基板上にIII族窒化物結晶膜を形成してIII族窒化物結晶を得る工程、
とを含むことを特徴とするIII族窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記III族窒化物種基板上に厚みが500μm以上のIII族窒化物結晶膜を形成する[1]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記III族窒化物種基板上に厚みが1mm超のIII族窒化物結晶膜を形成する[1]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[4] 前記III族窒化物種基板の中心から直径50mmの範囲内における光弾性法による位相差の標準偏差が0.1nm未満である[1]〜[3]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[5] 前記III族窒化物種基板の基底面転位密度が1×106〜1×109個/cm2である[1]〜[4]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[6] 前記III族窒化物種基板の基底面転位中に占めるβ型基底面転位が50%超である[1]〜[5]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[7] 前記III族窒化物種基板上に形成される前記III族窒化物結晶膜の基底面転位密度が1×103〜1×106個/cm2である範囲を有する[1]〜[6]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[8] III族窒化物結晶膜形成後に得られたIII族窒化物結晶の種基板の少なくとも一部を除去する工程をさらに有する[1]〜[7]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記除去後に得られるIII族窒化物結晶膜の基底面転位密度が1×103〜1×106個/cm2である[8]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[10] III族窒化物結晶膜形成後に得られたIII族窒化物結晶の種基板を除去することによりIII族窒化物自立結晶を得る工程をさらに有する[1]〜[9]のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[11] 前記III族窒化物自立結晶の厚みが1mm超である[10]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[12] [1]〜[11]のいずれか1項に記載の製造方法により製造したIII族窒化物結晶。
[13] [12]に記載のIII族窒化物結晶からなるIII族窒化物結晶基板。
[1] A step of obtaining a group III nitride seed substrate by subjecting a single crystal composed of a group III nitride crystal to heat treatment at 1000 ° C. or higher;
Forming a group III nitride crystal film on the group III nitride seed substrate to obtain a group III nitride crystal;
And a method for producing a group III nitride crystal.
[2] The method for producing a group III nitride crystal according to [1], wherein a group III nitride crystal film having a thickness of 500 μm or more is formed on the group III nitride seed substrate.
[3] The method for producing a group III nitride crystal according to [1], wherein a group III nitride crystal film having a thickness of more than 1 mm is formed on the group III nitride seed substrate.
[4] The III according to any one of [1] to [3], wherein a standard deviation of a phase difference by a photoelastic method within a diameter of 50 mm from a center of the group III nitride seed substrate is less than 0.1 nm. A method for producing a group nitride crystal.
[5] The group III nitride crystal according to any one of [1] to [4], wherein a basal plane dislocation density of the group III nitride seed substrate is 1 × 10 6 to 1 × 10 9 pieces / cm 2. Manufacturing method.
[6] The method for producing a group III nitride crystal according to any one of [1] to [5], wherein a β-type basal plane dislocation in the basal plane dislocation of the group III nitride seed substrate exceeds 50%. .
[7] The group III nitride crystal film formed on the group III nitride seed substrate has a basal plane dislocation density in the range of 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 [1] to [ [6] The method for producing a Group III nitride crystal according to any one of [6].
[8] The group III according to any one of [1] to [7], further including a step of removing at least a part of a seed substrate of the group III nitride crystal obtained after the group III nitride crystal film is formed. A method for producing a nitride crystal.
[9] The method for producing a group III nitride crystal according to [8], wherein the group III nitride crystal film obtained after the removal has a basal plane dislocation density of 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 .
[10] Any one of [1] to [9], further including a step of obtaining a group III nitride free-standing crystal by removing a seed substrate of the group III nitride crystal obtained after the group III nitride crystal film is formed. A method for producing a group III nitride crystal according to item.
[11] The method for producing a group III nitride crystal according to [10], wherein the thickness of the group III nitride free-standing crystal is more than 1 mm.
[12] A group III nitride crystal produced by the production method according to any one of [1] to [11].
[13] A group III nitride crystal substrate comprising the group III nitride crystal according to [12].

本発明の製造方法によれば、基底面転位密度が低減されたIII族窒化物結晶膜を形成することができ、その結果、反りが小さいIII族窒化物結晶を製造することができる。本発明の製造方法は、残留応力が低減した結晶構造が同一のIII族窒化物種基板上にIII族窒化物結晶膜を再成長させるものであることから、再成長により得られるIII族窒化物結晶膜は表面クラックが抑えられており、さらに基底面転位密度も低いため結晶品質に優れている。これらの本発明の優れた効果は、特定の条件下で熱処理するという極めて簡便な方法により得ることができる。   According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal film having a reduced basal plane dislocation density can be formed, and as a result, a group III nitride crystal with small warpage can be produced. In the manufacturing method of the present invention, the group III nitride crystal film obtained by regrowth is obtained by regrowth of the group III nitride crystal film on the same group III nitride seed substrate having the same crystal structure with reduced residual stress. The film has excellent crystal quality because surface cracks are suppressed and the basal plane dislocation density is low. These excellent effects of the present invention can be obtained by an extremely simple method of heat treatment under specific conditions.

結晶製造装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a crystal manufacturing apparatus. 熱処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the heat processing apparatus. 台座上に固定した結晶サンプルをワイヤーで切断する態様を説明する側面図(a)と上面図(b)である。It is the side view (a) and top view (b) explaining the aspect which cut | disconnects the crystal sample fixed on the base with a wire. ワイヤーを揺動させながら結晶サンプルを切断する態様を説明する側面図である。It is a side view explaining the aspect which cut | disconnects a crystal sample, rocking a wire. 実施例1の種基板の光弾性試験結果である。3 is a photoelastic test result of the seed substrate of Example 1. FIG. 比較例1の種基板の光弾性試験結果である。3 is a photoelastic test result of a seed substrate of Comparative Example 1. FIG.

以下において、本発明の内容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や具体例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や具体例に限定されるものではない。例えば、III族窒化物結晶の代表例としてGaN結晶を例に挙げて説明がなされることがあるが、本発明はGaN結晶およびその製造方法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 contents of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments and specific examples of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments and specific examples. For example, a GaN crystal may be described as a representative example of a group III nitride crystal, but the present invention is not limited to the GaN crystal and the manufacturing method thereof. 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.

なお、本明細書において「C面」ないし「基底面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{0001}面と等価な面である。III族窒化物結晶では、+C面はIII族面であり、窒化ガリウムではGa面に相当する。
また、本明細書において「M面」とは、{1−100}面、{01−10}面、{1−100}面、{−1100}面、{0−110}面、または{10−10}面として包括的に表される面であり、具体的には(1−100)面、(01−10)面、(−1010)面、(−1100)面、(0−110)面、および(10−10)面を意味する。さらに、本明細書において「A面」とは、{2−1−10}面、{−12−10}面、{−1−120}面、{−2110}面、{1−210}面、または{11−20}面として包括的に表される面であり、具体的には(2−1−10)面、(−12−10)面、(−1−120)面、(−2110)面、(1−210)面、および(11−20)面を意味する。
In the present specification, the “C plane” or “basal plane” is a plane equivalent to the {0001} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure). In a group III nitride crystal, the + C plane is a group III plane, and in gallium nitride, it corresponds to a Ga plane.
In this specification, the “M plane” means a {1-100} plane, {01-10} plane, {1-100} plane, {−1100} plane, {0-110} plane, or {10 -10} planes, which are comprehensively expressed as (1-100) plane, (01-10) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, (0-110) Plane, and (10-10) plane. Further, in this specification, the “A plane” means {2-1-10} plane, {-12-10} plane, {-1-120} plane, {-2110} plane, {1-210} plane. Or a plane that is comprehensively represented as a {11-20} plane, specifically, a (2-1-10) plane, a (-12-10) plane, a (-1-120) plane, (- 2110) plane, (1-210) plane, and (11-20) plane.

[III族窒化物結晶の製造方法]
(基本構成)
本発明のIII族窒化物結晶の製造方法は、下記の(1)および(2)の工程を含むことを特徴とする。本発明の製造方法では、(1)の熱処理の工程を実施してから(2)の加工工程を実施するステップを少なくとも1回含むものであり、(1)および(2)の工程を含むステップは繰り返して行ってもよい。また、本発明の製造方法は、(1)の工程の前、(1)と(2)の工程の間、(2)の工程の後に、(1)や(2)以外の工程を含むものであってもよい。
(1)III族窒化物結晶からなる単結晶に1000℃以上で熱処理を行うことによりIII族窒化物種基板を得る第1の工程。
(2)前記III族窒化物種基板上にIII族窒化物結晶膜を形成してIII族窒化物結晶を得る第2の工程。
[Production Method of Group III Nitride Crystal]
(Basic configuration)
The method for producing a group III nitride crystal of the present invention includes the following steps (1) and (2). The manufacturing method of the present invention includes the step of performing the heat treatment step (1) and then performing the processing step (2) at least once, and includes the steps (1) and (2). May be repeated. Moreover, the manufacturing method of this invention includes processes other than (1) and (2) before the process of (1), between the processes of (1) and (2), and after the process of (2). It may be.
(1) A first step of obtaining a group III nitride seed substrate by subjecting a single crystal composed of a group III nitride crystal to heat treatment at 1000 ° C. or higher.
(2) A second step of obtaining a group III nitride crystal by forming a group III nitride crystal film on the group III nitride seed substrate.

(熱処理)
本発明の製造方法の第1の工程において、III族窒化物結晶からなる単結晶に1000℃以上で熱処理を行う。好ましくは、該単結晶を育成した温度以上の温度で熱処理を行うことであり、具体的には、熱処理の温度は1100℃以上であることが好ましく、1200℃以上であることがより好ましく、1300℃以上であることがさらに好ましい。また、熱処理の温度は2200℃以下であることが好ましく、1700℃以下であることがより好ましく、1500℃以下であることがさらに好ましい。本発明にしたがって、1000℃以上で熱処理を行うことによって、該単結晶中に分散して存在していた基底面転位が移動し、局所的に基底面転位が集中すること考えられる。これにより、残留応力が抑えられたIII族窒化物種基板を得ることができ、その後に行う第2工程において、該種基板から基底面転位が伝播したり、新たな基底面転位を発生させることなくIII族窒化物結晶膜を形成することが可能となり、反りが小さくて優れた品質を有するIII族窒化物結晶膜を成長させることが可能になる。
(Heat treatment)
In the first step of the production method of the present invention, a single crystal composed of a group III nitride crystal is heat-treated at 1000 ° C. or higher. Preferably, the heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the temperature at which the single crystal is grown. Specifically, the heat treatment temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1200 ° C. or higher. More preferably, the temperature is higher than or equal to ° C. Further, the temperature of the heat treatment is preferably 2200 ° C. or less, more preferably 1700 ° C. or less, and further preferably 1500 ° C. or less. According to the present invention, by performing the heat treatment at 1000 ° C. or higher, the basal plane dislocations dispersed and present in the single crystal move, and the basal plane dislocations are locally concentrated. As a result, a group III nitride seed substrate with reduced residual stress can be obtained, and in the subsequent second step, basal plane dislocations are not propagated from the seed substrate or new basal plane dislocations are not generated. It becomes possible to form a group III nitride crystal film, and it is possible to grow a group III nitride crystal film having small warpage and excellent quality.

1000℃以上の熱処理は、本発明の製造方法において1回だけ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回行う場合は、いったん1000℃以上にて熱処理した後に、1000以下に降温し、再び1000℃以上に昇温して熱処理することを1回以上行うことを意味する。1000℃以上に熱処理する時間は、合計で0.5時間以上とすることが好ましく、3時間以上とすることがより好ましく、6時間以上とすることがさらに好ましい。また、1000℃以上に熱処理する時間は、合計で10000時間以内とすることが好ましく、100時間以内とすることがより好ましく、10時間以内とすることがさらに好ましい。
例えば、1275〜1375℃の範囲内の熱処理温度を採用する場合は、0.25〜24時間熱処理することが好ましく、1.0〜10時間熱処理することがより好ましい。また、1150〜1250℃の範囲内の熱処理温度を採用する場合は、1.0〜200時間熱処理することが好ましく、24〜100時間熱処理することがより好ましい。
The heat treatment at 1000 ° C. or higher may be performed only once or a plurality of times in the production method of the present invention. In the case of performing a plurality of times, it means that the heat treatment is once performed at 1000 ° C. or more, then the temperature is lowered to 1000 or less, the temperature is again raised to 1000 ° C. or more, and the heat treatment is performed once or more. The total time for heat treatment at 1000 ° C. or more is preferably 0.5 hours or more, more preferably 3 hours or more, and further preferably 6 hours or more. In addition, the total time for heat treatment at 1000 ° C. or higher is preferably within 10,000 hours, more preferably within 100 hours, and even more preferably within 10 hours.
For example, when a heat treatment temperature in the range of 1275 to 1375 ° C. is employed, the heat treatment is preferably 0.25 to 24 hours, and more preferably 1.0 to 10 hours. Moreover, when employ | adopting the heat processing temperature within the range of 1150-1250 degreeC, it is preferable to heat-process for 1.0 to 200 hours, and it is more preferable to heat-process for 24 to 100 hours.

1000℃以上の温度で熱処理している間は、温度を一定に維持してもよいし、時間により1000℃以上の範囲内で変化させてもよい。通常は、特定の温度まで昇温して、当該特定の温度にて一定時間保持した後に、1000℃以下に降温することがエネルギー効率の点から好ましい。特定の温度まで昇温する速度は特に制限されないが、通常は10℃/時間以上とすることが好ましく、100℃/時間以上とすることがより好ましい。
本発明の製造方法の第1の工程において、III族窒化物結晶からなる単結晶に熱処理を実施することによりIII族窒化物結晶からなる単結晶の表面に被膜が形成されるような条件で熱処理を行うことが好ましい。熱処理により該単結晶にIII族元素を含む化合物からなる被膜が形成されることが好ましく、このような被膜はXRD分析を行ったり、硝酸で洗浄した後の洗浄液を分析したりすることにより容易に確認することができる。III族元素を含む化合物からなる被膜は、III族元素を含んでいるものであればその種類は特に制限されない。例えばIII族メタル、III族酸化物、III族水酸化物ないしオキシ水酸化物などを挙げることができ、これらの混合物であってもよい。具体的にはIII族元素がGaである場合は、ガリウムメタル、酸化ガリウム、オキシ水酸化ガリウムを挙げることができる。本発明の第1の工程を実施した後は、通常はガリウムメタル、酸化ガリウム、オキシ水酸化ガリウムが混在した被膜が形成され、最表面が黒色となるため被膜形成を目視で確認することができる。
III族元素を含む化合物からなる被膜は、III族窒化物結晶からなる単結晶上に直接形成してもよいし、該単結晶上に中間層として他の層を形成したうえでさらにその層の上に形成してもよいが、本発明の効果がより顕著であるので、該単結晶上に直接形成することが好ましい。
While the heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher, the temperature may be kept constant, or may be changed within a range of 1000 ° C. or higher depending on time. Usually, it is preferable from the viewpoint of energy efficiency that the temperature is raised to a specific temperature, held at the specific temperature for a certain period of time, and then lowered to 1000 ° C. or lower. The speed at which the temperature is raised to a specific temperature is not particularly limited, but is usually preferably 10 ° C./hour or more, and more preferably 100 ° C./hour or more.
In the first step of the production method of the present invention, the heat treatment is performed under such conditions that a film is formed on the surface of the group III nitride crystal by performing heat treatment on the group III nitride crystal single crystal. It is preferable to carry out. It is preferable that a film made of a compound containing a group III element is formed on the single crystal by heat treatment. Such a film can be easily obtained by performing an XRD analysis or analyzing a cleaning solution after washing with nitric acid. Can be confirmed. The type of the film made of a compound containing a group III element is not particularly limited as long as it contains a group III element. For example, a group III metal, a group III oxide, a group III hydroxide, an oxyhydroxide, etc. can be mentioned, and a mixture thereof may also be used. Specifically, when the group III element is Ga, gallium metal, gallium oxide, and gallium oxyhydroxide can be exemplified. After carrying out the first step of the present invention, a film containing gallium metal, gallium oxide and gallium oxyhydroxide is usually formed and the outermost surface becomes black, so that the film formation can be confirmed visually. .
A film made of a compound containing a group III element may be formed directly on a single crystal made of a group III nitride crystal, or after forming another layer as an intermediate layer on the single crystal, Although it may be formed above, it is preferably formed directly on the single crystal because the effect of the present invention is more remarkable.

(熱処理装置)
熱処理を行う装置は、III族窒化物結晶からなる単結晶を保持することができて、なおかつ、1000℃以上の熱処理に耐えられる装置であれば特に制限されない。例えば、図2に示すようにアルミナ管200内にIII族窒化物結晶からなる単結晶(例えばGaN結晶)201を設置して、ヒーター202を用いて加熱することができるようになっている装置を例示することができる。この装置には、ガス導入管203とガス排出管204が設けられており、ガスを流通させながら加熱することができるようになっている。流通させるガスとしては、アンモニア・窒素混合ガスなどを例示することができる。
(Heat treatment equipment)
The apparatus for performing the heat treatment is not particularly limited as long as it can hold a single crystal composed of a group III nitride crystal and can withstand heat treatment at 1000 ° C. or higher. For example, as shown in FIG. 2, an apparatus is provided in which a single crystal (for example, GaN crystal) 201 made of a group III nitride crystal is installed in an alumina tube 200 and can be heated using a heater 202. It can be illustrated. This apparatus is provided with a gas introduction pipe 203 and a gas discharge pipe 204 so that the gas can be heated while being circulated. Examples of the gas to be circulated include ammonia / nitrogen mixed gas.

(III族窒化物結晶からなる単結晶)
本発明の第1工程で用いる単結晶は、III族窒化物結晶からなる単結晶である。具体的には、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、またはこれらの混晶を挙げることができる。例えば、サファイア基板上に気相法によりIII族窒化物結晶を成長させた後、サファイア基板を除去して得たIII族窒化物結晶からなる単結晶などを用いることができるが、その製法は特に制限されない。本発明の製造方法は、大型なIII族窒化物結晶の製造に利用することが可能であることから、第1工程で用いる単結晶も大型なものを用いることができる。例えば、例えば3インチ以上の大型III族窒化物結晶からなる単結晶を用いることも可能である。
本発明の第1工程で用いる単結晶の主面の面方位は特に制限されない。ここでいう主面とは、結晶中における最も面積が広い面を意味し、第2工程においてIII族窒化物結晶膜を成長させる面をいう。主面は、極性面であっても、非極性面であっても、半極性面であってもよい。例えば、C面を好ましい主面として挙げることができる。
(Single crystal consisting of Group III nitride crystal)
The single crystal used in the first step of the present invention is a single crystal composed of a group III nitride crystal. Specifically, gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, or a mixed crystal thereof can be given. For example, a single crystal composed of a group III nitride crystal obtained by growing a group III nitride crystal on a sapphire substrate by a vapor phase method and then removing the sapphire substrate can be used. Not limited. Since the manufacturing method of the present invention can be used for manufacturing a large group III nitride crystal, a large single crystal used in the first step can be used. For example, a single crystal made of a large group III nitride crystal of, for example, 3 inches or more can be used.
The plane orientation of the main surface of the single crystal used in the first step of the present invention is not particularly limited. The main surface here means the surface having the largest area in the crystal, and refers to the surface on which the group III nitride crystal film is grown in the second step. The main surface may be a polar surface, a nonpolar surface, or a semipolar surface. For example, the C surface can be cited as a preferred main surface.

(種基板)
第1工程によって熱処理を行った後の結晶からIII族窒化物種基板を得ることができる。熱処理を行った後には、種基板を得るために通常行われる処理を適宜実施することができる。例えば、熱処理後の結晶をウエハー形状の円形に加工する外周加工や、ウエハー厚みを調整するスライス加工や、表面状態を調整する化学研磨など、通常の種基板作製に用いられる方法を選択して用いることにより、III族窒化物種基板を得ることができる。外形加工としては、例えばダイシング、外周研磨、ワイヤーで切断する方法などを挙げることができる。なお、これらの種基板を得るための処理は、前記熱処理前に実施し、基板の状態とした後に熱処理を行って種基板を得てもよい。
得られるIII族窒化物種基板は、第1の工程により熱処理を行わずに作製した種基板に比べて、残留応力が小さいという特徴を有する。
本発明者らが従来のIII族窒化物結晶からなる単結晶を詳細に顕微鏡観察したところ、結晶の外周部に1×108cm-2もの高い転位密度を有する領域が点在していることが確認された。同種の転位は結晶中心まで106cm-2〜107cm-2もの低い密度であるものの広く分布していることも確認された。本発明者らは、このように基底面転位が外周部に局所集中していることが外周部の脆弱化に繋がっているとともに、外周部の局所集中に対して中心部では均一に分散している状態が、結晶全体に分布する残留応力の一因になっていることを見出した。そして、熱処理により基底面転位の分布を制御することができ、これによって結晶中の残留応力を低減させることに成功したものである。
具体的には、本発明の製造方法にしたがってIII族窒化物結晶からなる単結晶を1000℃以上で熱処理すると、中心部において孤立分散している基底面転位(孤立転位)を同一面内に集積することに成功した。これによって、結晶の中心部には、基底面転位が50nm〜500nmの間隔で並んだ基底面転位集合体が多数観察されるようになる。例えば、GaN結晶などのIII族窒化物結晶を本発明の製造方法にしたがって熱処理することによって、中心部における基底面転位集合体の数を2〜10倍に増やすことが可能である。このようにして結晶の中心部において基底面転位集合体へ転位を集積することにより、それ以外の領域では孤立転位の数が減ることになる。具体的には、M面において観察される基底面転位集合体の個数密度(A)と孤立転位の個数密度(B)の比で表される転位集積度(A/B)が好ましくは1%以上であり、より好ましくは2%以上であり、さらに好ましくは3%以上である。その結果、結晶全体にわたって存在していた残留応力が小さくなり、脆性が低い外周部で生じた小さなクラックなどの損傷が発端となって発生する比較的大きなクラックが生じにくくなる。このような基底面転位の集積は、結晶内部の残留応力を下げる駆動力がアシストするかたちで基底面転位が最安定配置を呈した結果であると考えられる。
このため、第1工程により得られた種基板を用いれば、次に行う第2工程において優れた性質を有するIII族窒化物結晶膜を成長させることができる。以下において、残留応力、基底面転位密度、基底面転位のα転位とβ転位について、順に説明する。
(Seed substrate)
A group III nitride seed substrate can be obtained from the crystal after the heat treatment in the first step. After performing the heat treatment, a process usually performed to obtain a seed substrate can be appropriately performed. For example, a method used for normal seed substrate production is selected and used, such as peripheral processing for processing the heat-treated crystal into a wafer-shaped circle, slicing for adjusting the wafer thickness, and chemical polishing for adjusting the surface state. Thus, a group III nitride seed substrate can be obtained. Examples of the outer shape processing include dicing, outer periphery polishing, and a method of cutting with a wire. In addition, the process for obtaining these seed substrates may be performed before the heat treatment, and the seed substrate may be obtained by performing a heat treatment after making the substrate state.
The obtained group III nitride seed substrate has a feature that the residual stress is smaller than that of the seed substrate manufactured without performing the heat treatment in the first step.
As a result of detailed microscopic observation of a conventional single crystal composed of a group III nitride crystal, the present inventors are dotted with regions having a dislocation density as high as 1 × 10 8 cm −2 on the outer periphery of the crystal. Was confirmed. It was also confirmed that dislocations of the same kind were widely distributed although the density was as low as 10 6 cm −2 to 10 7 cm −2 up to the crystal center. As described above, the present inventors have found that the basal plane dislocations locally concentrated on the outer peripheral portion leads to weakening of the outer peripheral portion, and are uniformly dispersed in the central portion with respect to the local concentration of the outer peripheral portion. It has been found that this state contributes to the residual stress distributed throughout the crystal. Then, the distribution of basal plane dislocations can be controlled by heat treatment, thereby succeeding in reducing the residual stress in the crystal.
Specifically, when a single crystal composed of a group III nitride crystal is heat-treated at 1000 ° C. or higher according to the manufacturing method of the present invention, basal plane dislocations (isolated dislocations) isolated in the center are accumulated in the same plane. Succeeded in doing. As a result, a large number of basal plane dislocation aggregates in which basal plane dislocations are arranged at intervals of 50 nm to 500 nm are observed at the center of the crystal. For example, it is possible to increase the number of basal plane dislocation aggregates in the center by 2 to 10 times by heat-treating a group III nitride crystal such as a GaN crystal according to the production method of the present invention. By accumulating dislocations in the basal plane dislocation aggregate in the center of the crystal in this way, the number of isolated dislocations is reduced in other regions. Specifically, the dislocation accumulation degree (A / B) represented by the ratio of the number density (A) of basal plane dislocation aggregates observed in the M plane and the number density (B) of isolated dislocations is preferably 1%. Or more, more preferably 2% or more, and further preferably 3% or more. As a result, the residual stress existing over the entire crystal is reduced, and it is difficult for relatively large cracks to be generated due to damage such as small cracks generated in the outer peripheral portion having low brittleness. Such accumulation of basal plane dislocations is considered to be the result of the basal plane dislocations exhibiting the most stable arrangement in the form of assisting the driving force that reduces the residual stress inside the crystal.
For this reason, if the seed substrate obtained in the first step is used, a group III nitride crystal film having excellent properties in the second step to be performed next can be grown. Hereinafter, the residual stress, the basal plane dislocation density, and the α and β dislocations of the basal plane dislocation will be described in order.

(残留応力)
第1工程の熱処理を行うことにより得られたIII族窒化物種基板は、残留応力が小さい。詳しくは、上述のように基底面転位が局所的に集中して存在することによりIII族窒化物種基板は内部応力が緩和されている。結晶内に残留する内部応力(残留応力)については、残留歪みによって把握することができ、残留歪みは例えば光弾性法による位相差で測定することができる。光弾性法による残留歪み量の測定は、以下の関係式を利用して行われる(APPL.Phys.Lett.47(1985)pp.365−367参照)。残留歪み量は、結晶の半径方向の歪みSrと接線方向の歪みStとの差の絶対値|Sr−St|であるが、かかる値が位相差δの関数となるため、結晶内の残留歪み分布を位相差δの分布で相対的に把握することができる。
(Residual stress)
The group III nitride seed substrate obtained by performing the heat treatment in the first step has a small residual stress. Specifically, as described above, the basal plane dislocations are locally concentrated and the group III nitride seed substrate is relieved of internal stress. The internal stress (residual stress) remaining in the crystal can be grasped by the residual strain, and the residual strain can be measured by, for example, a phase difference by a photoelastic method. Measurement of the residual strain amount by the photoelastic method is performed using the following relational expression (see APPL. Phys. Lett. 47 (1985) pp. 365-367). Residual strain amount, the absolute value of the difference between the strain S r and tangential strain S t in the radial direction of the crystal | S r -S t | a but, because it takes the value is a function of the phase difference [delta], crystalline The residual strain distribution can be relatively grasped by the phase difference δ distribution.

(λは測定に用いる光の波長、dは測定に用いる基板の厚さ、n0は屈折率、δは試料の複屈折によって生じる位相差、φは主振動方位角、p11、p12、p44は光弾性定数を表す。) (Λ is the wavelength of light used for measurement, d is the thickness of the substrate used for measurement, n 0 is the refractive index, δ is the phase difference caused by the birefringence of the sample, φ is the main vibration azimuth, p 11 , p 12 , p 44 represents a photoelastic constant.)

第1工程の熱処理を行うことにより得られたIII族窒化物種基板は、例えば中心から直径50mmの範囲内において、光弾性法による位相差δの標準偏差が0.1nm未満であることが好ましく、より好ましくは0.09nm未満である。ここでいう中心とは、III族窒化物種基板が円盤状である場合は円の中心を意味し、非円盤状である場合は重心を意味する。標準偏差が上記範囲内であれば、加工成形時の割れが生じにくくなるため好ましい。位相差分布としては、結晶の面内に位相差δの値が高い箇所、または低い箇所が局在していると、残留歪みも同様に結晶の特定の箇所に偏在する。よって、本発明で用いるIII族窒化物種基板は、位相差が面内で均一に分散していることが好ましい。   The group III nitride seed substrate obtained by performing the heat treatment in the first step preferably has a standard deviation of the phase difference δ by the photoelastic method of less than 0.1 nm, for example, within a diameter of 50 mm from the center. More preferably, it is less than 0.09 nm. The center here means the center of a circle when the group III nitride seed substrate is disk-shaped, and the center of gravity when it is non-disk-shaped. If the standard deviation is within the above range, it is preferable because cracks during processing and molding are less likely to occur. As the phase difference distribution, if a portion where the value of the phase difference δ is high or low is localized in the plane of the crystal, the residual strain is also unevenly distributed at a specific portion of the crystal. Therefore, the group III nitride seed substrate used in the present invention preferably has a phase difference uniformly dispersed in the plane.

(基底面転位密度)
第1工程の熱処理を行うことにより得られたIII族窒化物種基板は、基底面転位密度が1×109個/cm2以下であることが好ましく、1×107個/cm2以下であることがより好ましく、 個/cm2以下であることがさらに好ましい。下限値は特に制限されないが、通常は1×103個/cm2以上程度となる。第1工程での熱処理により基底面転位は移動するが、結晶全体の基底面転位密度としては大きく変化しない。まれに、後述するα型基底面転位とβ型基底面転位とが移動した結果、打ち消しあって転位が消滅する場合があるが、全体の基底面転位のうちのごく一部であるため、熱処理前のIII族窒化物結晶からなる単結晶中の基底面転位密度とIII族窒化物種基板の基底面転位密度は同等程度であると考えられる。
(Basal plane dislocation density)
The group III nitride seed substrate obtained by performing the heat treatment in the first step preferably has a basal plane dislocation density of 1 × 10 9 pieces / cm 2 or less, preferably 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less. More preferably, the number of particles / cm 2 or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually about 1 × 10 3 pieces / cm 2 or more. Although the basal plane dislocation moves due to the heat treatment in the first step, the basal plane dislocation density of the entire crystal does not change greatly. In rare cases, α-type basal plane dislocations and β-type basal plane dislocations, which will be described later, move and cancel each other, and dislocations may disappear. It is considered that the basal plane dislocation density in the single crystal composed of the previous group III nitride crystal and the basal plane dislocation density of the group III nitride seed substrate are comparable.

本発明における基底面転位密度は、以下の計算式によって算出された値を意味するものとする。   The basal plane dislocation density in the present invention means a value calculated by the following calculation formula.

(ρは基底面転位密度、Nは測定された基底面転位の個数、Aは基底面転位の個数を測定した部分の断面積を表す。|Δρ|はα型基底面転位密度とβ型基底面転位密度の差分の絶対値、ραはα型基底面転位密度、ρβはβ型基底面転位密度を表す。) (Ρ is the basal plane dislocation density, N is the number of measured basal plane dislocations, A is the cross-sectional area of the portion where the number of basal plane dislocations is measured. | Δρ | is the α-type basal plane dislocation density and the β-type basis. (The absolute value of the difference in the plane dislocation density, ρα represents the α-type basal plane dislocation density, and ρβ represents the β-type basal plane dislocation density.)

基底面転位の個数Nは、例えば、透過型電子顕微鏡法(TEM法)、カソードルミネッセンス法(SEM−CL法)、エッチングによる表面ピットをAFMや光学顕微鏡等で観察する方法を利用することによって測定することができる。これらの方法は観測可能な視野が異なり、TEM法では転位密度が主に5×107cm-2以上の場合、SEM−CL法では転位密度が主に1×105cm-2以上の場合、エッチングによる表面ピットをAFMや光学顕微鏡等で観察する方法では転位密度が主に1×103〜1×106cm-2の場合に好適である。本発明においては特にSEM−CL法を利用して測定することが好ましい。SEM−CL法を用いた基底面転位の観測では、C面から観察した場合は、基底面転位は暗線として確認することができる。プリズム面などのC面と直交する面から観察した場合は、暗点として観察することができる。暗線と暗点の差異化には、画像計測から求まるアスペクト比を鑑みて判断するのが望ましい。その値は2.0以下がよく、1.5以下がよりよく、1.2以下が特によい。このようなアスペクト比の判断に基づいて(10−10)面から観察した暗点は基底面転位、暗線は貫通転位と識別できる。なお半極性面から観察した場合は、暗線と暗点の識別が困難であるので適切でない。SEM−CL法を利用する場合の具体的な測定条件も特に限定されないが、加速電圧は通常3〜5kVで測定することが好ましく、3kVで測定することが特に好ましい。 The number N of basal plane dislocations is measured by using, for example, a transmission electron microscope method (TEM method), a cathodoluminescence method (SEM-CL method), or a method of observing surface pits by etching with an AFM or an optical microscope. can do. These methods have different observable fields of view. In the TEM method, the dislocation density is mainly 5 × 10 7 cm −2 or more, and in the SEM-CL method, the dislocation density is mainly 1 × 10 5 cm −2 or more. The method of observing the surface pits by etching with an AFM, an optical microscope or the like is suitable when the dislocation density is mainly 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cm −2 . In the present invention, it is particularly preferable to measure using the SEM-CL method. In the observation of the basal plane dislocation using the SEM-CL method, the basal plane dislocation can be confirmed as a dark line when observed from the C plane. When observed from a surface orthogonal to the C surface such as a prism surface, it can be observed as a dark spot. In order to differentiate between dark lines and dark spots, it is desirable to make a determination in view of an aspect ratio obtained from image measurement. The value is preferably 2.0 or less, more preferably 1.5 or less, and particularly preferably 1.2 or less. Based on the determination of the aspect ratio, dark spots observed from the (10-10) plane can be identified as basal plane dislocations, and dark lines can be identified as threading dislocations. Note that observation from a semipolar plane is not appropriate because it is difficult to distinguish dark lines and dark spots. Specific measurement conditions when using the SEM-CL method are also not particularly limited, but the acceleration voltage is usually preferably 3 to 5 kV and particularly preferably 3 kV.

基底面転位の個数Nは、前述のような方法によって測定することが可能であるが、かかる測定値はどの方向から結晶を観察したかによって差異が生じ、また断面積Aも観察する面に由来する値である。従って、基底面転位密度ρの値も、結晶をどの方向から観察したかによって差異が生じ得る。そこで、本発明においては特に{10−10}面を観察した場合における基底面転位密度ρの値を利用して、III族窒化物半導体結晶を特定するものとする。つまり、本明細書において単に「基底面転位密度(ρ)」と称する場合には、基底面に交差するM面を観察した場合に、主に点として観察される基底面転位の個数Nを測定し、これを単位面積(cm2)当たりの値に変換したものを表すものとする。また、基底面転位密度ρを算出する断面積Aの具体的な値も特に限定されないが、通常100μm2以上であればよく、好ましくは250μm2以上、より好ましくは10000μm2以上とすることがより好ましい。上記範囲であると、基底面転位密度の値を再現よく算出することができる。上記断面積Aは長方形や正方形に近い四角形の面積であることが好ましい。 The number N of basal plane dislocations can be measured by the method as described above, but the measured value varies depending on the direction from which the crystal is observed, and the cross-sectional area A is also derived from the surface to be observed. Is the value to be Therefore, the value of the basal plane dislocation density ρ can also vary depending on the direction from which the crystal is observed. Therefore, in the present invention, the group III nitride semiconductor crystal is specified by utilizing the value of the basal plane dislocation density ρ particularly when the {10-10} plane is observed. That is, in the present specification, when simply referred to as “basal plane dislocation density (ρ)”, the number N of basal plane dislocations observed mainly as points when the M plane intersecting the basal plane is observed is measured. It is assumed that this is converted into a value per unit area (cm 2 ). Further, the specific value of the cross-sectional area A for calculating the basal plane dislocation density ρ is not particularly limited, but it is usually 100 μm 2 or more, preferably 250 μm 2 or more, more preferably 10,000 μm 2 or more. preferable. Within the above range, the value of the basal plane dislocation density can be calculated with good reproducibility. The cross-sectional area A is preferably a rectangular area close to a rectangle or a square.

本発明では、III族窒化物半導体結晶を特定するにあたり、{10−10}面を観察した場合の基底面転位の数を利用しているが、基底面転位を測定する場合、上記結晶面が結晶表面に現れ、かつ基底面転位を観測しやすいように結晶を成型加工した後に測定することが好ましい。具体的には、{10−10}面が結晶表面に現れるようにカッティング又はスライスし、さらにかかる面をダイヤモンドスラリーでのラッピング、化学機械研磨(CMP)を行って研磨することが好ましい。   In the present invention, in specifying the group III nitride semiconductor crystal, the number of basal plane dislocations when the {10-10} plane is observed is used. It is preferable to measure after forming the crystal so that it appears on the crystal surface and the basal plane dislocations can be easily observed. Specifically, it is preferable to perform cutting or slicing so that the {10-10} plane appears on the crystal surface, and further polishing the surface by lapping with diamond slurry and chemical mechanical polishing (CMP).

本発明における基底面転位は、前述のようにc軸と垂直な関係にあるものであれば、その転位線の方向や長さは特に限定されない。つまり一つのM面に突出する基底面転位が必ずしも全ての基底面転位の総数と一致するとは限らない。即ち結晶学的等価なM面は三つあり、その中の一つのM面を観察しているので、この観察面のM面及び基底面に平行に伝幡する基底面転位は原理的に観測できない。従って、発明者等が記載する基底面転位の個数は、基底面転位の総数ではなく、任意の観察断面積で商した基底面転位密度として表す。   The basal plane dislocation in the present invention is not particularly limited in the direction and length of the dislocation line as long as it is perpendicular to the c-axis as described above. That is, the basal plane dislocations protruding in one M plane do not necessarily match the total number of all basal plane dislocations. That is, there are three crystallographically equivalent M-planes, and one of the M-planes is observed, so that the basal plane dislocation that propagates parallel to the M-plane and basal plane of this observation plane is observed in principle. Can not. Therefore, the number of basal plane dislocations described by the inventors is not the total number of basal plane dislocations but the basal plane dislocation density divided by an arbitrary observation cross-sectional area.

(基底面転位のα転位とβ転位)
第1工程の熱処理を行うことにより得られたIII族窒化物種基板は、基底面転位中に占めるβ型基底面転位が50%超であることが好ましい。基底面転位中に占めるβ型基底面転位(β転位)は、50%超95%以下であることがより好ましい。本発明者らの検討によれば、通常、基底面転位としてα転位またはβ転位のどちらかが偏って存在していると、反りが生じやすい事が見出されている。大きな反りを有する結晶は、一般的に残留応力も高いことが多いが、本発明で用いるIII族窒化物種結晶は、上述の通り、β転位が特に多く含まれている場合であっても残留応力が低減されているとの特徴を有する。
(Α and β dislocations of basal plane dislocations)
The group III nitride seed substrate obtained by performing the heat treatment in the first step preferably has a β-type basal plane dislocation accounted for more than 50% in the basal plane dislocation. The β-type basal plane dislocation (β-dislocation) in the basal plane dislocation is more preferably more than 50% and 95% or less. According to the study by the present inventors, it has been found that if either α-dislocation or β-dislocation exists as a basal plane dislocation, the warp tends to occur. A crystal having a large warp generally has a high residual stress in general, but the group III nitride seed crystal used in the present invention, as described above, has a residual stress even when it contains a large amount of β-dislocations. Is reduced.

基底面転位のα転位とβ転位の定義については、鈴木平著「転位のダイナミックスと塑性」(裳華房)第6章に詳しく記載されている。III−V族窒化物半導体結晶では、結晶の極性を反映して、2種類の基底面転位が存在する。刃状型の基底面転位の過剰原子面の原子がIII族原子であるかV族原子であるかによって、それぞれα転位、β転位と呼ぶ。さらに刃状型の基底面転位では滑り方向と垂直方向で歪みの符号は非対称になる。ウルツ鉱型結晶の場合、やはり同様に刃状型の基底面転位にはα転位、β転位の区別があり、グライドセット、シャッフルセットの二つの可能性がある。転位がグライドセットであれば、定義したα転位、β転位の過剰原子面の端の原子の種類が逆さまになる。しかしながら基底面転位のバーガスベクトルが同じ場合、シャッフルセット、グライドセットのいかんにかかわらず、転位が及ぼす基底面に平行な滑り方向とは垂直方向に及ぼす歪み分布は同一である。   The definition of α-dislocation and β-dislocation of basal plane dislocations is described in detail in Chapter 6 of “Dislocation Dynamics and Plasticity” by Taira Suzuki. In the group III-V nitride semiconductor crystal, there are two types of basal plane dislocations reflecting the polarity of the crystal. They are called α-dislocation and β-dislocation, respectively, depending on whether the atoms on the excess atomic face of the edge-shaped basal plane dislocation are group III atoms or group V atoms. Furthermore, in the basal plane dislocation of the blade type, the sign of distortion becomes asymmetric in the sliding direction and the vertical direction. In the case of wurtzite type crystals, the edge-type basal plane dislocations also have a distinction between α-dislocations and β-dislocations, and there are two possibilities: glide set and shuffle set. If the dislocation is a glide set, the types of atoms at the end of the excess atomic plane of the defined α-dislocation and β-dislocation are inverted. However, when the basal plane dislocation bargas vectors are the same, the strain distribution in the vertical direction is the same as the sliding direction parallel to the basal plane, regardless of whether the shuffle set or the glide set is used.

つまり基底面転位の歪み分布を測定すれば、基底面転位のαとβを識別することが可能になる。すなわち基底面転位芯に対して−c軸方向にM面ないしA面の間隔が拡がっており、+c密度方向にM面ないしA面の間隔が狭まっている場合はα転位である。β転位はα転位が持つ歪みの極性と逆転する。このようなαとβの識別には、本発明においては特に透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた解析を行うのが好適である。TEM法を利用する場合の具体的な測定条件は特に限定されないが、加速電圧が通常100kV〜300kVの汎用TEMで測定することが好ましく、500kV超の超高加速電圧で測定することが特に好ましい。そのような観察を行うサンプルの薄片化加工の最適な厚みは3nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、50nm以上がより好ましい。薄片化加工の上限は特に明確でないが、2.0μm以下が好ましく、1.7μm以下がより好ましく、1.2μm以下がさらにより好ましい。TEMでの測定面積は10μmx10μm以上が好ましく、50μmx50μm以上が好ましく、100μmx500μm以上がより好ましい。   That is, if the strain distribution of the basal plane dislocation is measured, α and β of the basal plane dislocation can be identified. That is, when the distance between the M plane and the A plane is widened in the −c axis direction with respect to the basal plane dislocation core, and the distance between the M plane and the A plane is narrowed in the + c density direction, it is an α dislocation. The β-dislocation is reversed from the strain polarity of the α-dislocation. In order to discriminate between α and β as described above, in the present invention, it is particularly preferable to perform analysis using a transmission electron microscope (TEM). Specific measurement conditions in the case of using the TEM method are not particularly limited, but the measurement is preferably performed with a general-purpose TEM having an acceleration voltage of usually 100 kV to 300 kV, and particularly preferably measured with an ultrahigh acceleration voltage exceeding 500 kV. The optimum thickness for the thinning process of the sample for such observation is preferably 3 nm or more, more preferably 10 nm or more, and more preferably 50 nm or more. The upper limit of the thinning process is not particularly clear, but is preferably 2.0 μm or less, more preferably 1.7 μm or less, and even more preferably 1.2 μm or less. The measurement area with TEM is preferably 10 μm × 10 μm or more, preferably 50 μm × 50 μm or more, and more preferably 100 μm × 500 μm or more.

(III族窒化物結晶膜の成長)
本発明の製造方法では、第1工程で作製したIII族窒化物種基板上にIII族窒化物結晶膜を形成する第2工程を行う。本発明においてIII族窒化物結晶膜を成長させる方法としては、例えば、ハイドライド気相成長(HVPE)法、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法、昇華法などの気相法を採用することが可能であり、HVPE法を好ましく用いることができる。以下において、好ましい製造装置の一例として、図1を参照しながらHVPE法の製造装置を説明する。
(Growth of group III nitride crystal film)
In the manufacturing method of the present invention, the second step of forming a group III nitride crystal film on the group III nitride seed substrate produced in the first step is performed. As a method for growing a group III nitride crystal film in the present invention, for example, a vapor phase method such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or a sublimation method may be employed. The HVPE method can be preferably used. In the following, as an example of a preferable manufacturing apparatus, an HVPE manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.

1)基本構造
図1の製造装置は、リアクター100内に、種基板110を載置するためのサセプター108と、成長させるIII族窒化物結晶膜の原料を入れるリザーバー106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109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107が設置されている。
1) Basic Structure The manufacturing apparatus of FIG. 1 includes a susceptor 108 on which a seed substrate 110 is placed and a reservoir 106 into which a raw material of a group III nitride crystal film to be grown is placed. In addition, introduction pipes 101 to 104 for introducing gas into the reactor 100 and an exhaust pipe 109 for exhausting are installed. Further, a heater 107 for heating the reactor 100 from the side surface is installed.

2)リアクターの材質、雰囲気ガスのガス種
リアクター100の材質としては、石英、焼結体窒化ホウ素、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(キャリアガス)としては、例えば、水素、窒素、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。
2) Reactor material, gas type of ambient gas As the material of the reactor 100, quartz, sintered boron nitride, 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 (carrier gas) include inert gases such as hydrogen, nitrogen, He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used.

3)サセプターの材質、形状、成長面からサセプターまでの距離
サセプター108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。サセプター108の形状は、本発明で用いる種基板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、結晶成長する際に結晶成長面付近に構造物が存在しないものであることが好ましい。結晶成長面付近に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。種基板110とサセプター108の接触面は、種基板の主面(結晶成長面)から1mm以上離れていることが好ましく、3mm以上離れていることがより好ましく、5mm以上離れていることがさらに好ましい。
3) Material and shape of susceptor, distance from growth surface to susceptor The material of the susceptor 108 is preferably carbon, and more preferably the surface is coated with SiC. The shape of the susceptor 108 is not particularly limited as long as the seed substrate used in the present invention can be placed, but it is preferable that no structure exists near the crystal growth surface when the crystal is grown. If there is a structure that can grow in the vicinity of the crystal growth surface, a polycrystal adheres to the structure, and HCl gas is generated as a product to adversely affect the crystal to be grown. The contact surface between the seed substrate 110 and the susceptor 108 is preferably separated from the main surface (crystal growth surface) of the seed substrate by 1 mm or more, more preferably 3 mm or more, and further preferably 5 mm or more. .

4)リザーバー
リザーバー106には、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れる。具体的には、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。リザーバー106にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー106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106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、例えば水素、窒素、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。
4) Reservoir The reservoir 106 is charged with the raw material of the group III nitride semiconductor to be grown. Specifically, the raw material which becomes a group III source is put. Examples of the raw material to be a group III source include Ga, Al, and In. A gas that reacts with the raw material put in the reservoir 106 is supplied from an introduction pipe 103 for introducing the gas into the reservoir 106. For example, when a raw material that is a group III source is put in the reservoir 106, 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 hydrogen, nitrogen, an inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used.

5)窒素源(アンモニア)、セパレートガス、ドーパントガス
導入管104からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はNH3を供給する。また、導入管101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。このキャリアガスは原料ガス同士の気相での反応を抑制し、ノズル先端にポリ結晶が付着することを防ぐ効果もある。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、H2S等のn型のドーパントガスを供給することができる。
5) Nitrogen source (ammonia), separate gas, dopant gas From the introduction pipe 104, a raw material gas serving as a nitrogen source is supplied. Usually, NH 3 is supplied. A carrier gas is supplied from the introduction pipe 101. As the carrier gas, the same carrier gas supplied from the introduction pipe 103 can be exemplified. This carrier gas also has an effect of suppressing the reaction in the gas phase between the source gases and preventing the polycrystal from adhering to the nozzle tip. A dopant gas can also be supplied from the introduction pipe 102. For example, an n-type dopant gas such as SiH 4 , SiH 2 Cl 2 , or H 2 S can be supplied.

6)ガス導入方法
導入管101〜104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、窒素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。
6) Gas introduction method The gases supplied from the introduction pipes 101 to 104 may be exchanged with each other and supplied from another introduction pipe. In addition, the source gas and the carrier gas serving as a nitrogen 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.

7)排気管の設置場所
ガス排気管109は、リアクター内壁の上面、底面、側面に設置することができる。ゴミ落ちの観点から結晶成長端よりも下部にあることが好ましく、図1のようにリアクター底面にガス排気管109が設置されていることがより好ましい。
7) Location of Exhaust Pipe The gas exhaust pipe 109 can be installed on the top, bottom, and side surfaces of the reactor inner wall. From the viewpoint of dust removal, it is preferably located below the crystal growth end, and more preferably a gas exhaust pipe 109 is installed on the bottom of the reactor as shown in FIG.

8)結晶成長条件
上記の製造装置を用いた結晶成長は、950℃以上で行うことが好ましく、970℃以上で行うことがより好ましく、980℃以上で行うことがさらに好ましい。また、1120℃以下で行うことが好ましく、1100℃以下で行うことがより好ましく、1090℃以下で行うことがさらに好ましい。結晶成長中の温度低下は60℃以内に制御することが好ましく、40℃以内に制御することがより好ましく、20℃以内に制御することがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa以上とすることが好ましく、30kPa以上とすることがより好ましく、50kPa以上とすることがさらに好ましい。また、200kPa以下とすることが好ましく、150kPa以下とすることがより好ましく、120kPa以下とすることがさらに好ましい。
8) Crystal Growth Conditions Crystal growth using the above production apparatus is preferably performed at 950 ° C. or higher, more preferably at 970 ° C. or higher, and further preferably at 980 ° C. or higher. Moreover, it is preferable to carry out at 1120 degrees C or less, It is more preferable to carry out at 1100 degrees C or less, It is further more preferable to carry out at 1090 degrees C or less. The temperature drop during crystal growth is preferably controlled within 60 ° C, more preferably controlled within 40 ° C, and even more preferably controlled within 20 ° C. The pressure in the reactor is preferably 10 kPa or more, more preferably 30 kPa or more, and further preferably 50 kPa or more. Moreover, it is preferable to set it as 200 kPa or less, It is more preferable to set it as 150 kPa or less, It is further more preferable to set it as 120 kPa or less.

(結晶の加工)
本発明の製造方法により製造した結晶を加工することにより、III族窒化物結晶基板などを製造することができる。所望の形状のIII族窒化物結晶基板を得るために、得られたIII族窒化物結晶に対してスライス、外形加工、表面研磨などを適宜行うことが好ましい。これらの方法は、いずれか1つだけを選択して用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。組み合わせて用いる場合は、例えば、スライス、外形加工、表面研磨の順に行うことができる。各処理について詳しく説明すると、スライスは、例えばワイヤーで切断することにより行うことができる。表面研磨の例として、ダイヤモンド砥粒などの砥粒を用いて表面を研磨する方法、CMP(chemical mechanical polishing)、機械研磨後のRIEでのダメージ層エッチングなどを挙げることができる。これらの方法を適宜組み合わせることによって、例えば基底面基板、非極性基板、半極性基板を安価に提供することができる。
(Crystal processing)
By processing the crystal produced by the production method of the present invention, a group III nitride crystal substrate or the like can be produced. In order to obtain a group III nitride crystal substrate having a desired shape, it is preferable to appropriately perform slicing, outer shape processing, surface polishing and the like on the obtained group III nitride crystal. Any one of these methods may be selected and used, or may be used in combination. When used in combination, for example, slicing, contour processing, and surface polishing can be performed in this order. If it demonstrates in detail about each process, a slice can be performed by cut | disconnecting with a wire, for example. Examples of surface polishing include a method of polishing the surface using abrasive grains such as diamond abrasive grains, CMP (chemical mechanical polishing), damage layer etching by RIE after mechanical polishing, and the like. By appropriately combining these methods, for example, a base substrate, a nonpolar substrate, and a semipolar substrate can be provided at low cost.

[III族窒化物結晶]
(特徴)
本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶は、反りが小さくて、表面クラックが抑えられており、結晶品質に優れているという特徴を有する。特に、本発明の製造方法では、反りがある種基板を用いてその上に結晶を成長させているにもかかわらず、得られるIII族窒化物結晶の反りが著しく抑えられている。本発明によれば、曲率半径が3.0m以上の結晶を得ることが可能であり、好ましくは3.5m以上の結晶を得ることも可能であり、さらに好ましくは4.0m以上の結晶を得ることも可能である。また、表面クラックは、本発明の第1工程の熱処理を行わずに結晶成長させて製造されるIII族窒化物結晶に比べて著しく低減されている。
加えて、III族窒化物種基板上に形成されたIII族窒化物結晶膜は、基底面転位密度が極めて低く結晶品質に優れる。具体的には、III族窒化物結晶膜の基底面転位密度が1×103〜1×106個/cm2である範囲を有することが好ましく、より好ましくは5×105個/cm2以下である範囲を有する。前記III族窒化物種基板の外周付近に形成されたIII族窒化物結晶膜は、ファセット成長となる場合があり、このような箇所では基底面転位密度が1×106個/cm2を超えることもある。よって、III族窒化物結晶膜のうちこのような領域を一部除去することにより、基底面転位密度が全体において1×103〜1×106個/cm2であるIII族窒化物結晶基板を得ることが好ましい。
[Group III nitride crystals]
(Feature)
The group III nitride crystal produced by the production method of the present invention is characterized by small warpage, suppressed surface cracks, and excellent crystal quality. In particular, in the production method of the present invention, although the crystal is grown on a seed substrate having warpage, the warp of the obtained group III nitride crystal is remarkably suppressed. According to the present invention, it is possible to obtain a crystal having a radius of curvature of 3.0 m or more, preferably it is possible to obtain a crystal of 3.5 m or more, and more preferably a crystal of 4.0 m or more. It is also possible. Further, the surface crack is remarkably reduced as compared with the group III nitride crystal produced by crystal growth without performing the heat treatment in the first step of the present invention.
In addition, the group III nitride crystal film formed on the group III nitride seed substrate has an extremely low basal plane dislocation density and excellent crystal quality. Specifically, the basal plane dislocation density of the group III nitride crystal film preferably has a range of 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 , more preferably 5 × 10 5 pieces / cm 2. It has the following range. The group III nitride crystal film formed in the vicinity of the outer periphery of the group III nitride seed substrate may facet growth, and the basal plane dislocation density exceeds 1 × 10 6 pieces / cm 2 in such a place. There is also. Therefore, by removing a part of such a region of the group III nitride crystal film, the group III nitride crystal substrate having a basal plane dislocation density of 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 as a whole. It is preferable to obtain

本発明の製造方法では、大型なIII族窒化物結晶からなる単結晶を用いて第1工程を行えば、大型なIII族窒化物結晶も容易に製造することができる。例えば3インチ以上の大型III族窒化物結晶とすることが可能である。また、本発明の製造方法によれば、特に厚膜のIII族窒化物結晶を好ましく製造することができる。例えば、厚みが500μm以上のIII族窒化物結晶を製造することや、1mm超のIII族窒化物結晶を製造することができ、また、2mm超や3mm超のIII族窒化物結晶も好ましく製造することができる。従来の製造方法では、反りが小さくて、表面クラックが抑えられており、結晶品質に優れている1mm超の厚膜のIII族窒化物結晶は簡便に提供することができなかったが、本発明の製造方法によれば極めて簡便かつ容易に提供することができる。   In the production method of the present invention, if the first step is performed using a single crystal made of a large group III nitride crystal, the large group III nitride crystal can be easily manufactured. For example, a large group III nitride crystal of 3 inches or more can be used. In addition, according to the production method of the present invention, a thick Group III nitride crystal can be produced particularly preferably. For example, a group III nitride crystal having a thickness of 500 μm or more can be produced, a group III nitride crystal exceeding 1 mm can be produced, and a group III nitride crystal exceeding 2 mm or 3 mm is also preferably produced. be able to. In the conventional manufacturing method, a thick group III nitride crystal having a thickness of more than 1 mm, which has a small warpage and suppresses surface cracks and is excellent in crystal quality, cannot be easily provided. According to this manufacturing method, it can be provided very simply and easily.

本発明の製造方法によれば、結晶全体のα型基底面転位密度をρα、β型基底面転位密度をρβとしたとき、ρα−ρβ=Δρの絶対値が1×107個/cm2以下であるIII族窒化物結晶を得ることが可能である。本発明の製造方法によれば、Δρの絶対値が1×106個/cm2以下であるIII族窒化物結晶をより好ましく得ることができ、Δρの絶対値が1×104個/cm2以下であるIII族窒化物結晶をさらに好ましく得ることも可能である。また、ραが1×104個/cm2以下であるIII族窒化物結晶や、ρβが1×104個/cm2以下であるIII族窒化物結晶も得ることが可能である。得られる結晶がこのような関係を満たすことにより、より反りが小さくて、クラックがない結晶とすることが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、貫通転位密度が106〜108個/cm2であるIII族窒化物結晶を得ることも可能である。 According to the production method of the present invention, when the α-type basal plane dislocation density of the whole crystal is ρα and the β-type basal plane dislocation density is ρβ, the absolute value of ρα−ρβ = Δρ is 1 × 10 7 pieces / cm 2. It is possible to obtain the following group III nitride crystals. According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal having an absolute value of Δρ of 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less can be more preferably obtained, and an absolute value of Δρ is 1 × 10 4 pieces / cm 2. It is also possible to obtain a group III nitride crystal having 2 or less. In addition, a group III nitride crystal having ρα of 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less and a group III nitride crystal having ρβ of 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less can be obtained. When the obtained crystal satisfies such a relationship, it is possible to obtain a crystal with less warpage and no cracks. In addition, according to the production method of the present invention, a group III nitride crystal having a threading dislocation density of 10 6 to 10 8 pieces / cm 2 can be obtained.

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。   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.

(結晶成長)
直径76mmΦのサファイア基板上にMOCVDでGaNを成長したC面を主面とするテンプレート基板を準備し、これを下地基板110として、直径85mm、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108上に置いてHVPE装置のリアクター100内に配置した(図1参照)。リアクター100内を1020℃まで加熱後、導入管103を通してHClガスを供給し、リザーバー106中のGaと反応して発生したGaClガスG3を導入管104を通してリアクター内へ供給した。このような下地基板110の上でのGaN層成長工程において、リアクター温度1020℃を29時間保持し、また、成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を6.52×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を7.54×103Paとし、塩化水素(HCl)の分圧を3.55×101Paとした。GaN層成長工程終了後、リアクター内を室温まで降温し、III族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。得られたGaN結晶は、C面を成長面として結晶成長しており、成長面の表面状態は鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さは3.5mmであった。得られたGaN結晶は洗浄、エッチング、キャップ等の前処理を行わずに、次の熱処理(高温腐食アニール)を行った。
(Crystal growth)
A template substrate having a C-plane of GaN grown by MOCVD on a sapphire substrate having a diameter of 76 mmΦ as a main surface is prepared, and this is used as a base substrate 110 on a carbon substrate holder 108 coated with SiC having a diameter of 85 mm and a thickness of 20 mm. Placed in the reactor 100 of the HVPE apparatus (see FIG. 1). After the reactor 100 was heated to 1020 ° C., HCl gas was supplied through the introduction pipe 103, and GaCl gas G 3 generated by reacting with Ga in the reservoir 106 was supplied into the reactor through the introduction pipe 104. In such a GaN layer growth step on the base substrate 110, the reactor temperature of 1020 ° C. is maintained for 29 hours, the growth pressure is 1.01 × 10 5 Pa, and the partial pressure of the GaCl gas G3 is 6.52. × and 10 2 Pa, the partial pressure of NH 3 gas G4 and 7.54 × 10 3 Pa, and the partial pressure of hydrogen chloride (HCl) and 3.55 × 10 1 Pa. After the completion of the GaN layer growth step, the temperature in the reactor was lowered to room temperature to obtain a GaN crystal that was a group III nitride crystal. The obtained GaN crystal was grown with the C-plane as the growth surface, the surface state of the growth surface was a mirror surface, and the thickness measured with a stylus type film thickness meter was 3.5 mm. The obtained GaN crystal was subjected to the following heat treatment (high temperature corrosion annealing) without performing pretreatment such as cleaning, etching, and cap.

(熱処理)
熱処理は、図2に示すようにアルミナ管(Al23 99.7%)200内にGaN結晶201を設置して、アンモニア・窒素混合ガスを200ml/minの流量でガス導入管203から導入しながら実施した。アンモニア・窒素混合ガス(NH38.5%+N291.5%)は、4.9MPaの47リットルボンベ中でアンモニアガスと窒素ガスを配合した後、均一な混合ガスになるまで45日以上放置してから用いた。昇温時には、ヒーター202を用いて室温から600℃を300℃/時間で昇温させ、600℃から1300℃まで250℃/時間で昇温させた。その後、GaN結晶に1300℃で6時間にわたって熱処理を行った。その後、1300℃から600℃まで100℃/時間で冷却した。熱処理後の結晶表面は黒色を呈しており、XRDによる同定を行った結果、水酸化ガリウム、酸化ガリウム、ガリウムメタルが混在していることが判明した。このことから、アンモニアと炉心管部材のアルミナが反応して生じた水分子により、GaN結晶の加水分解反応が生じていることが確認された。
(Heat treatment)
As shown in FIG. 2, the heat treatment is performed by installing a GaN crystal 201 in an alumina tube (Al 2 O 3 99.7%) 200 and introducing an ammonia / nitrogen mixed gas from a gas introduction tube 203 at a flow rate of 200 ml / min. While carrying out. Ammonia / nitrogen mixed gas (NH 3 8.5% + N 2 91.5%) is 45 days or more until a uniform mixed gas is obtained after mixing ammonia gas and nitrogen gas in a 4.9 MPa 47-liter cylinder. Used after standing. When raising the temperature, the heater 202 was used to raise the temperature from room temperature to 600 ° C. at 300 ° C./hour and from 600 ° C. to 1300 ° C. at 250 ° C./hour. Thereafter, the GaN crystal was heat-treated at 1300 ° C. for 6 hours. Then, it cooled from 1300 degreeC to 600 degreeC at 100 degreeC / hour. The crystal surface after the heat treatment is black, and as a result of identification by XRD, it has been found that gallium hydroxide, gallium oxide, and gallium metal are mixed. From this, it was confirmed that the hydrolysis reaction of the GaN crystal was caused by the water molecules generated by the reaction between ammonia and the alumina of the core tube member.

熱処理後の結晶を120℃の硝酸(99.9%)に浸漬することにより、Gaメタルを除去し、クリーム色を呈する水酸化ガリウムと白色の酸化ガリウムが結晶表面に存在する結晶サンプルを得た。
こうして得た熱処理を施した結晶サンプル(実施例1)の他に、熱処理を施さなかった以外は実施例1と同様にして得た比較用結晶サンプル(比較例1)も得た。
By immersing the heat-treated crystal in nitric acid (99.9%) at 120 ° C., Ga metal was removed, and a crystal sample in which cream-like gallium hydroxide and white gallium oxide were present on the crystal surface was obtained. .
In addition to the crystal sample (Example 1) subjected to the heat treatment thus obtained, a comparative crystal sample (Comparative Example 1) obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was not performed was also obtained.

(種基板の作製)
得られた結晶サンプルから種基板を得るために、結晶をウエハー形状の円形に加工する外周加工と、ウエハー厚みに調整するスライス加工と、試験に適した表面状態にする化学研磨を、下記の手順にしたがって実施した。
(Preparation of seed substrate)
In order to obtain a seed substrate from the obtained crystal sample, the following procedure is used for the outer periphery processing for processing the crystal into a wafer-shaped circle, the slicing processing for adjusting the wafer thickness, and the chemical polishing for making the surface state suitable for the test. It carried out according to.

結晶研削用砥石として、ダイヤモンド砥粒の平均粒径が25μm、ボンド剤がビトリファイドの砥石を用い、砥石加工面を結晶の(0001)面と垂直になるように配置した。砥石回転速度は2500m/minとし、結晶回転速度は5mm/secとした。また、砥石加工面が結晶1回転あたり0.02〜0.04mm結晶中心に近づくよう制御した。以上の条件で結晶サンプルの外周加工を行った。   As a grinding wheel for crystal grinding, a grinding stone having an average grain diameter of 25 μm and vitrified as a bonding agent was used, and the grinding wheel processing surface was arranged to be perpendicular to the (0001) plane of the crystal. The grindstone rotation speed was 2500 m / min, and the crystal rotation speed was 5 mm / sec. Moreover, it controlled so that a grindstone processing surface might approach 0.02-0.04 mm crystal center per rotation of a crystal | crystallization. The outer periphery of the crystal sample was processed under the above conditions.

外周加工により得られた直径50mm、厚み3.5mmの円盤状の(0001)面を主面とする結晶を、図3に示すように台座2上にエポキシ系接着剤を用いて固定した。ここで、図3(a)は正面図であり、図3(b)は側面図である。結晶切断用ワイヤーWとして、平均粒径12〜25μmのダイヤモンド砥粒を表面に電着したワイヤーを70本並列に配置した装置を用意し、そのうちの6本を結晶サンプルの切削に寄与させた。並列に配置した各ワイヤーWは、図4(a)に示すようにローラーR1とローラーR2が同じ向きに回転することにより走行し、2つのローラーR1,R2は図4(b)に示すように互い違いに上下へ移動することにより揺動するように制御した。動作中は、ローラーR1とローラーR2の間に形成されるワイヤー直線状部の中点が揺動しないように設定した。揺動の最大振れ角度φは10°、ワイヤーの最大走行速度は330m/min、ワイヤーの揺動周期は800回/minに制御した。以上の条件で結晶サンプルのスライス加工を行った。   A crystal having a disk-shaped (0001) plane as a main surface with a diameter of 50 mm and a thickness of 3.5 mm obtained by peripheral processing was fixed on the pedestal 2 using an epoxy adhesive as shown in FIG. Here, FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a side view. As a crystal cutting wire W, an apparatus was prepared in which 70 wires electrodeposited with diamond abrasive grains having an average particle size of 12 to 25 μm were arranged in parallel, and 6 of them were made to contribute to the cutting of the crystal sample. As shown in FIG. 4A, the wires W arranged in parallel travel when the roller R1 and the roller R2 rotate in the same direction, and the two rollers R1 and R2 are as shown in FIG. 4B. It was controlled to swing by moving up and down alternately. During operation, the midpoint of the wire linear portion formed between the roller R1 and the roller R2 was set not to swing. The maximum swing angle φ of the swing was 10 °, the maximum traveling speed of the wire was 330 m / min, and the swing cycle of the wire was controlled to 800 times / min. The crystal sample was sliced under the above conditions.

スライス加工により得られた結晶のC面表裏を、光弾性試験とSEM−CL観察に適した表面状態になるまで化学機械研磨を施して、400mm±0.05mmの一様な厚みを有する種基板とした。   The C-plane front and back of the crystal obtained by slicing is subjected to chemical mechanical polishing until the surface is suitable for photoelasticity testing and SEM-CL observation, and has a uniform thickness of 400 mm ± 0.05 mm It was.

(曲率半径の評価)
熱処理を施した結晶サンプルから作製した種基板(実施例1)のC面の曲率を測定したところ、m軸垂直に測定した曲率半径は1.5m、m軸平行に測定した曲率は1.3mであった。一方、熱処理を施さなかった比較用結晶サンプルから作製した種基板(比較例1)のC面の曲率を測定したところ、m軸垂直に測定した曲率半径は2.5m、m軸平行に測定した曲率半径は2.3mであった。
以上の事実から、1mm超の厚みに成長させた結晶に対する熱処理の有無は、何ら曲率の改善に役立たないことが判る。
(Evaluation of curvature radius)
When the curvature of the C-plane of the seed substrate (Example 1) prepared from the heat-treated crystal sample was measured, the radius of curvature measured perpendicular to the m-axis was 1.5 m, and the curvature measured in parallel with the m-axis was 1.3 m. Met. On the other hand, when the curvature of the C-plane of the seed substrate (Comparative Example 1) prepared from the comparative crystal sample that was not heat-treated was measured, the radius of curvature measured perpendicular to the m-axis was 2.5 m and measured parallel to the m-axis. The curvature radius was 2.3 m.
From the above facts, it can be seen that the presence or absence of heat treatment for crystals grown to a thickness of more than 1 mm does not help improve the curvature.

(光弾性法による残留歪分布の評価(光弾性試験))
実施例1および比較例1の種基板内の内部応力を観測するため、光弾性法により結晶中の残留歪みを測定した。残留歪みの測定は、(株)日本レーザー社製GaNウエハ残留歪み測定装置を用いて行った。実施例1および比較例1の位相差分布の結果を図5および図6にそれぞれ示す。
図6に示すとおり、比較例1の種基板では、位相差分布が回転対称状に局在しており、歪みも同様に局在化していることが判る。実施例1の種基板では、比較例1のような位相差分布の局在化は認められず、均一に分散していることが明らかである。以上の結果は、熱処理を実施することにより、結晶内の残留応力が飛躍的に低下することを示している。実施例1におけるこのような残留応力の低下は、熱処理によって種基板に含まれる基底面転位が局在化していることによると考えられる。なお、実施例1の種基板のM面において観察される基底面転位集合体の個数密度(A)と孤立転位の個数密度(B)の比で表される転位集積度(A/B)は、結晶のいずれも箇所においても3%以上であった。
(Evaluation of residual strain distribution by photoelasticity (photoelasticity test))
In order to observe the internal stress in the seed substrate of Example 1 and Comparative Example 1, the residual strain in the crystal was measured by the photoelastic method. The residual strain was measured using a GaN wafer residual strain measuring device manufactured by Japan Laser Corporation. The results of the phase difference distribution of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 5 and 6, respectively.
As shown in FIG. 6, in the seed substrate of Comparative Example 1, it can be seen that the phase difference distribution is localized in a rotationally symmetric manner, and the distortion is also localized. In the seed substrate of Example 1, localization of the phase difference distribution as in Comparative Example 1 is not recognized, and it is clear that the seed substrate is uniformly dispersed. The above results indicate that the residual stress in the crystal is drastically reduced by performing the heat treatment. Such a decrease in residual stress in Example 1 is considered to be due to localization of basal plane dislocations contained in the seed substrate by heat treatment. The dislocation integration degree (A / B) represented by the ratio of the number density (A) of basal plane dislocation aggregates observed on the M-plane of the seed substrate of Example 1 and the number density (B) of isolated dislocations is In all of the crystals, the ratio was 3% or more.

(ホモエピタキシャル成長の評価)
実施例1の種基板の+C面を再成長面として、反応装置の温度を1030℃にし、III族原料であるGaClガス、V族原料であるNH3ガスの分圧をそれぞれ7.00×102Pa、8.21×103Paとし、、結晶成長時間を24時間に変更した以外は、熱処理前の上記結晶成長と同じ条件でGaN膜の成長を実施した。その結果、c軸方向の厚みが1.6mmのGaN単結晶をクラックフリーで得ることができた。
同様の方法で熱処理を施していない比較例1の種基板についても、GaN膜の成長を実施したところ、再成長の初期にクラックを導入してしまいクラックフリーのGaN単結晶を得ることができなかった。
(Evaluation of homoepitaxial growth)
Using the + C plane of the seed substrate of Example 1 as the regrowth plane, the temperature of the reactor is set to 1030 ° C., and the partial pressures of the GaCl gas that is a Group III material and the NH 3 gas that is a Group V material are 7.00 × 10 respectively. The GaN film was grown under the same conditions as the crystal growth before the heat treatment except that the pressure was 2 Pa, 8.21 × 10 3 Pa, and the crystal growth time was changed to 24 hours. As a result, a GaN single crystal having a thickness in the c-axis direction of 1.6 mm could be obtained without cracks.
For the seed substrate of Comparative Example 1 that was not heat-treated in the same manner, when a GaN film was grown, cracks were introduced at the initial stage of regrowth, and a crack-free GaN single crystal could not be obtained. It was.

(基底面転位密度と曲率半径の評価)
熱処理を施した種基板としてホモエピタキシャル成長(再成長)することにより得たGaN単結晶(実施例1)について、M面で劈面した後に、M面断面についてSEM−CLを用いて基底面転位密度を測定した。その結果、基底面転位密度は、結晶の成長の最表面近傍が1.11×104個/cm2であり、GaN膜の種基板側の界面近傍が1.12×105個/cm2であった。種基板の結晶成長側表面は4.57×106個/cm2であった。熱処理を施した種基板には106個/cm2オーダーの基底面転位が認められるが、種基板上に成長されたGaN膜の再成長界面近傍で105個/cm2オーダーとなり、1.6mm再成長したGaN膜の再成長結晶の表面近傍で104個/cm2オーダーへと、急激に基底面転位密度が減少していることが確認された。
得られたGaN結晶についてC面の曲率半径を測定したところ、m軸垂直に測定した曲率半径は4.2m、m軸平行に測定した曲率は3.7mであった。このことは、得られたGaN結晶の反りが種基板よりもかなり低減していることを示している。
(Evaluation of basal plane dislocation density and radius of curvature)
For a GaN single crystal (Example 1) obtained by homoepitaxial growth (re-growth) as a seed substrate subjected to heat treatment, the basal plane dislocation density was determined using SEM-CL for the M-plane cross section after facing the M-plane. It was measured. As a result, the basal plane dislocation density is 1.11 × 10 4 pieces / cm 2 near the outermost surface of crystal growth, and 1.12 × 10 5 pieces / cm 2 near the interface on the seed substrate side of the GaN film. Met. The crystal growth side surface of the seed substrate was 4.57 × 10 6 pieces / cm 2 . Although the basal plane dislocation of the order of 10 6 pieces / cm 2 is observed in the seed substrate subjected to the heat treatment, it becomes the order of 10 5 pieces / cm 2 in the vicinity of the regrowth interface of the GaN film grown on the seed substrate. It was confirmed that the basal plane dislocation density rapidly decreased to the order of 10 4 / cm 2 near the surface of the regrown crystal of the GaN film regrown 6 mm.
When the curvature radius of the C plane of the obtained GaN crystal was measured, the curvature radius measured perpendicular to the m-axis was 4.2 m, and the curvature measured in parallel with the m-axis was 3.7 m. This indicates that the warpage of the obtained GaN crystal is considerably reduced as compared with the seed substrate.

(種基板の除去と曲率半径の評価)
得られたGaN結晶の種基板を厚み400μmにわたって除去する加工を行った。具体的には、機械加工研磨によって−C面側を350μm削り落とし、その後、残り50μmをKOH洗浄により除去することで、種基板除去済みGaN結晶を得た。
得られた種基板除去済みGaN結晶についてC面の曲率半径を測定したところ、m軸垂直に測定した曲率半径は4.8m、m軸平行に測定した曲率は4.0mであった。この結果は、種基板の少なくとも一部を除去することにより、再成長したGaN結晶の反りを一段と低減することができることを示している。
(Removal of seed substrate and evaluation of curvature radius)
Processing was performed to remove the seed substrate of the obtained GaN crystal over a thickness of 400 μm. Specifically, the −C face side was shaved off by 350 μm by mechanical polishing, and then the remaining 50 μm was removed by KOH cleaning to obtain a seed substrate-removed GaN crystal.
When the radius of curvature of the C plane of the obtained GaN crystal with the seed substrate removed was measured, the radius of curvature measured perpendicular to the m-axis was 4.8 m, and the curvature measured in parallel with the m-axis was 4.0 m. This result shows that the warpage of the regrown GaN crystal can be further reduced by removing at least a part of the seed substrate.

本発明の製造方法によれば、反りが小さくて、表面クラックが抑えられており、結晶品質に優れたIII族窒化物結晶を簡便に製造することができる。このため本発明によれば、III族窒化物系半導体からなる青色発光ダイオード(LED)や青色半導体レーザ(LD)など青色発光素子の基板として利用できる単結晶窒化ガリウム(GaN)基板を容易に提供することが可能である。また、本発明は、単結晶窒化ガリウム基板(GaN)の成長方法や、単結晶窒化ガリウム基板(GaN)の製造方法に幅広く応用することが可能である。よって、本発明は産業上の利用可能性が高い。   According to the production method of the present invention, it is possible to easily produce a group III nitride crystal having small warpage and suppressing surface cracks and having excellent crystal quality. Therefore, according to the present invention, a single crystal gallium nitride (GaN) substrate that can be used as a substrate of a blue light emitting element such as a blue light emitting diode (LED) or a blue semiconductor laser (LD) made of a group III nitride semiconductor is easily provided. Is possible. The present invention can be widely applied to a method for growing a single crystal gallium nitride substrate (GaN) and a method for manufacturing a single crystal gallium nitride substrate (GaN). Therefore, the present invention has high industrial applicability.

1 結晶サンプル
2 台座
W ワイヤー
φ 揺動の最大振れ角度
R1,R2 ローラー
100 リアクター
101〜104 ガス導入管
106 III族原料用リザーバー
107 ヒーター
108 サセプター
109 排気管
110 種基板
200 アルミナ管
201 結晶
202 ヒーター
203 ガス導入管
204 ガス排出管
1 Crystal sample 2 Base W Wire φ Maximum swing angle R1, R2 Roller 100 Reactor 101-104 Gas introduction pipe 106 Group III material reservoir 107 Heater 108 Susceptor 109 Exhaust pipe 110 Seed substrate 200 Alumina pipe 201 Crystal 202 Heater 203 Gas inlet pipe 204 Gas outlet pipe

Claims (13)

III族窒化物結晶からなる単結晶に1000℃以上で熱処理を行うことによりIII族窒化物種基板を得る工程と、
前記III族窒化物種基板上にIII族窒化物結晶膜を形成してIII族窒化物結晶を得る工程、
とを含むことを特徴とするIII族窒化物結晶の製造方法。
A step of obtaining a group III nitride seed substrate by subjecting a single crystal comprising a group III nitride crystal to heat treatment at 1000 ° C. or higher;
Forming a group III nitride crystal film on the group III nitride seed substrate to obtain a group III nitride crystal;
And a method for producing a group III nitride crystal.
前記III族窒化物種基板上に厚みが500μm以上のIII族窒化物結晶膜を形成する請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   2. The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein a group III nitride crystal film having a thickness of 500 μm or more is formed on the group III nitride seed substrate. 前記III族窒化物種基板上に厚みが1mm超のIII族窒化物結晶膜を形成する請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   2. The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein a group III nitride crystal film having a thickness of more than 1 mm is formed on the group III nitride seed substrate. 前記III族窒化物種基板の中心から直径50mmの範囲内における光弾性法による位相差の標準偏差が0.1nm未満である請求項1〜3のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The group deviation of the group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a standard deviation of a phase difference by a photoelastic method within a diameter of 50 mm from a center of the group III nitride seed substrate is less than 0.1 nm. Production method. 前記III族窒化物種基板の基底面転位密度が1×106〜1×109個/cm2である請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 5. The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the group III nitride seed substrate has a basal plane dislocation density of 1 × 10 6 to 1 × 10 9 pieces / cm 2 . 前記III族窒化物種基板の基底面転位中に占めるβ型基底面転位が50%超である請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein β-type basal plane dislocations occupied in basal plane dislocations of the group III nitride seed substrate are more than 50%. 前記III族窒化物種基板上に形成される前記III族窒化物結晶膜の基底面転位密度が1×103〜1×106個/cm2である範囲を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 7. The basal plane dislocation density of the group III nitride crystal film formed on the group III nitride seed substrate has a range of 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 . A method for producing a group III nitride crystal according to item 1. III族窒化物結晶膜形成後に得られたIII族窒化物結晶の種基板の少なくとも一部を除去する工程をさらに有する請求項1〜7のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The production of a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 7, further comprising a step of removing at least a part of a seed substrate of the group III nitride crystal obtained after the group III nitride crystal film is formed. Method. 前記除去後に得られるIII族窒化物結晶膜の基底面転位密度が1×103〜1×106個/cm2である請求項8に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 9. The method for producing a group III nitride crystal according to claim 8, wherein a basal plane dislocation density of the group III nitride crystal film obtained after the removal is 1 × 10 3 to 1 × 10 6 pieces / cm 2 . III族窒化物結晶膜形成後に得られたIII族窒化物結晶の種基板を除去することによりIII族窒化物自立結晶を得る工程をさらに有する請求項1〜9のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   10. The III according to claim 1, further comprising a step of obtaining a group III nitride free-standing crystal by removing a seed substrate of the group III nitride crystal obtained after the group III nitride crystal film is formed. A method for producing a group nitride crystal. 前記III族窒化物自立結晶の厚みが1mm超である請求項10に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 10, wherein the thickness of the group III nitride free-standing crystal is more than 1 mm. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の製造方法により製造したIII族窒化物結晶。   The group III nitride crystal manufactured by the manufacturing method of any one of Claims 1-11. 請求項12に記載のIII族窒化物結晶からなるIII族窒化物結晶基板。   A group III nitride crystal substrate comprising the group III nitride crystal according to claim 12.
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