JP2014047097A - Manufacturing method for nitride semiconductor crystal - Google Patents

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達寛 大畑
Shuichi Kubo
秀一 久保
Yuki Enatsu
悠貴 江夏
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an excellent nitride crystal while preventing the deposition of a polycrystalline substance in the case where a non-polar surface or a semi-polar surface is a growing principal surface.SOLUTION: In the method, a nitride semiconductor crystal is made to grow on a seed crystal 110, in which a non-polar surface or a semi-polar surface is a principal surface. The seed crystal 110 is attached through an underlay substrate 109 to a susceptor 107. The outer edge of the lower substrate 109 is arranged on the inner side than the outer edges of the seed crystal 110 and the susceptor 107. The distance R between the seed crystal 110 and the susceptor 107 is 1 to 9 mm.

Description

本発明は、窒化物半導体結晶の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、非極性面または半極性面を主面とする種結晶に窒化物半導体結晶を形成する方法であって、積層基板の周囲に多結晶体が付着し、チャッキングが起こることを抑制する窒化物半導体結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal. More specifically, the present invention relates to a method for forming a nitride semiconductor crystal on a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main plane, wherein a polycrystalline body adheres to the periphery of a laminated substrate and chucking occurs. The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal that suppresses occurrence of the above.

窒化物半導体結晶の成長方法として、気相法、液相法といった種々の製造方法が知られている。中でもハイドライド気相成長法(HVPE法)は成長速度が速いことから半導体結晶を得る手法として好適に用いられている。
窒化物半導体結晶として、窒化ガリウム(GaN)半導体のウエハを製造したい場合には、例えば、サファイアやGaN等の基板を気相成長装置の成長室内に積置し、成長室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を供給することで、基板上に窒化ガリウム半導体結晶を数μm〜数cmの厚さにまで成長させる。
As a method for growing a nitride semiconductor crystal, various manufacturing methods such as a vapor phase method and a liquid phase method are known. Among these, the hydride vapor phase epitaxy (HVPE method) is suitably used as a method for obtaining a semiconductor crystal because of its high growth rate.
When it is desired to manufacture a gallium nitride (GaN) semiconductor wafer as a nitride semiconductor crystal, for example, a substrate such as sapphire or GaN is placed in the growth chamber of the vapor phase growth apparatus and contains a gallium compound in the growth chamber. By supplying a gas and a gas containing a nitrogen compound, a gallium nitride semiconductor crystal is grown on the substrate to a thickness of several μm to several cm.

特許文献1には、多結晶体の成長を抑えた窒化物半導体結晶の製造方法が開示されている。ここでは、主に極性面であるC面を主面とした種結晶上に半導体結晶を成長させる場合に、種結晶の裏面の一部を露出させた状態にすることにより、多結晶体の成長を抑えることができる。これにより、成長させた窒化物半導体結晶を容易に取り出すことができるとされている。   Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal in which the growth of a polycrystalline body is suppressed. Here, in the case where a semiconductor crystal is grown on a seed crystal whose main surface is the C-plane which is a polar surface, the polycrystalline body is grown by exposing a part of the back surface of the seed crystal. Can be suppressed. Thereby, it is said that the grown nitride semiconductor crystal can be easily taken out.

しかし、C面を成長主面とした場合は、窒化物半導体結晶の転位密度が高く、結晶欠陥が発生するという問題がある。また、半導体デバイス用ウエハとしてC面を成長主面とした場合、分極電場が生じるため、発光デバイスに用いた際に発光効率が悪くなるという問題もある。そこで、特許文献2では、非極性面であるM面を主面とするウエハを得るために、M面を成長主面とした半導体結晶を製造することが提案されている。   However, when the C-plane is the growth main surface, there is a problem that the dislocation density of the nitride semiconductor crystal is high and crystal defects are generated. In addition, when the C-plane is used as a growth principal surface as a semiconductor device wafer, a polarization electric field is generated, which causes a problem that luminous efficiency is deteriorated when used for a light-emitting device. Therefore, in Patent Document 2, it is proposed to manufacture a semiconductor crystal having an M plane as a growth main surface in order to obtain a wafer having an M plane which is a nonpolar plane as a main surface.

一般的に、C面を成長主面として結晶成長を行い、そこから大面積のM面を主面とするウエハを得ることは困難である。そこで、特許文献2には、M面を成長主面とした結晶を成長させる方法であって、C面を成長面として形成した一次ウエハから窒化物半導体バーを切り出し、M面が上面となるように配列した上に窒化物半導体を再成長させる方法が開示されている。特許文献2では、結晶性が良好に維持できる程度の膜厚にまで結晶を成長させることとしている。   In general, it is difficult to obtain a wafer having a large area of the M-plane from which crystal growth is performed using the C-plane as the growth principal plane. Therefore, Patent Document 2 discloses a method for growing a crystal having an M plane as a growth main surface, in which a nitride semiconductor bar is cut out from a primary wafer formed with a C plane as a growth plane so that the M plane becomes an upper surface. A method for re-growing a nitride semiconductor on the substrate is disclosed. In Patent Document 2, the crystal is grown to such a thickness that the crystallinity can be maintained satisfactorily.

特開2009−46377号公報JP 2009-46377 A 特開2006−315947号公報JP 2006-315947 A

しかしながら、特許文献2に開示された方法で長時間に渡って結晶を成長させた場合、下地基板の周辺に空隙が少なく硬質な多結晶体が発生することが分かった。空隙が少なく硬質な多結晶体は、少量であっても成長結晶のひび割れを引き起こす原因となるため問題となる。   However, it has been found that when a crystal is grown over a long period of time by the method disclosed in Patent Document 2, a hard polycrystalline body with few voids around the base substrate is generated. A hard polycrystalline body with few voids becomes a problem because even a small amount causes cracking of the grown crystal.

また、本発明者の検討では、非極性面または半極性面を主面として結晶を成長させた場合は、極性面を成長させた場合と比較して、結晶の成長速度が遅いことが確認された。このため、ある程度の膜厚を持つ結晶を得るためには、従来の極性面を主面とする成長以上に長時間に渡って結晶を成長させる必要がある。しかし、非極性面または半極性面を主面として長時間に渡って結晶を成長させた場合、積層基板周辺に多結晶体が堆積し、成長させた結晶にひび割れが発生したり、結晶を取り出すことができないという問題が顕著になることが見出された。   Further, the inventors have confirmed that when a crystal is grown with a nonpolar plane or a semipolar plane as a main plane, the growth rate of the crystal is slower than when a polar plane is grown. It was. For this reason, in order to obtain a crystal having a certain film thickness, it is necessary to grow the crystal for a longer time than the growth with the conventional polar plane as the main surface. However, when a crystal is grown for a long time with a nonpolar plane or a semipolar plane as a main plane, a polycrystalline body is deposited around the laminated substrate, and the grown crystal is cracked or taken out. It has been found that the problem of being unable to do so becomes significant.

加えて、窒化物半導体結晶を長時間に渡って成長させた場合、随伴的に多結晶体が成長し、多結晶体が半導体結晶、種結晶およびサセプターをチャッキングするということが分かった。チャッキングが起こると、成長した半導体結晶を種結晶から取り出すことができなくなるため問題となる。加えて、高温での結晶成長中にチャッキングが起こるため、結晶成長後の冷却時にサセプター等との熱膨張係数差により半導体結晶が割れて、クラックが発生してしまうとの課題が生じた。   In addition, it has been found that when a nitride semiconductor crystal is grown for a long time, a polycrystalline body grows concomitantly and the polycrystalline body chucks the semiconductor crystal, seed crystal, and susceptor. When chucking occurs, it becomes a problem because the grown semiconductor crystal cannot be taken out from the seed crystal. In addition, since chucking occurs during crystal growth at a high temperature, there is a problem that the semiconductor crystal is cracked due to a difference in thermal expansion coefficient from the susceptor or the like during cooling after crystal growth, and a crack is generated.

そこで本願発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、非極性面または半極性面を成長主面として厚膜成長を行ったときであっても、多結晶体が堆積しにくく、チャッキングが起こりにくい製造方法を提供することを目的として検討を進めた。   Therefore, in order to solve the problems of the prior art, the present inventors have deposited a polycrystalline body even when thick film growth is performed using a nonpolar plane or a semipolar plane as a growth principal plane. Studies were conducted with the aim of providing a manufacturing method that is difficult to cause chucking.

上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本願発明者らは、下地基板とサセプターの間に特定の条件を満たす下敷支持体を設けることにより、多結晶体が堆積することを抑制できることを見出した。具体的に、本発明は、以下の構成を有する。   As a result of diligent studies to solve the above problems, the inventors of the present application have suppressed the deposition of polycrystals by providing an underlay support that satisfies specific conditions between the base substrate and the susceptor. I found out that I can do it. Specifically, the present invention has the following configuration.

[1]非極性面または半極性面を主面とする種結晶の上に窒化物半導体結晶を成長させる方法であって、前記種結晶は、下敷支持体を介してサセプターに付設され、前記下敷支持体の外縁は前記種結晶および前記サセプターの外縁よりも内側に配置され、前記種結晶と前記サセプターの間の距離は1〜9mmであることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
[2]前記種結晶の外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離が0.1〜30mmである[1]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[3]前記サセプターの外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離が1〜40mmである[1]又は[2]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[4]前記種結晶の外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離と、前記下地基板と前記サセプターの間の距離の比が3:1〜1:10である[1]〜[3]のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[5]前記サセプターの外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離と、前記種結晶と前記サセプターの間の距離の比が3:1〜1:20である[1]〜[4]のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[6]前記種結晶の外縁は、前記サセプターの外縁よりも内側に配置される[1]〜[5]のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[7]前記種結晶はM面を主面とする六方晶である[1]〜[6]のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[8]前記窒化物半導体結晶は、2mm以上の厚さを有する[1]〜[7]のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[9]サセプターと、下敷支持体と、非極性面または半極性面を主面とする種結晶と、窒化物半導体結晶とを順に積層した構造を有し、前記下敷支持体の外縁は前記種結晶および前記サセプターの外縁よりも内側に配置され、前記下地基板と前記サセプターの間の距離は1〜9mmである窒化物半導体結晶含有積層体。
[1] A method for growing a nitride semiconductor crystal on a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a principal plane, the seed crystal being attached to a susceptor via an underlay support, A method for producing a nitride semiconductor crystal, wherein an outer edge of the support is arranged on an inner side than outer edges of the seed crystal and the susceptor, and a distance between the seed crystal and the susceptor is 1 to 9 mm.
[2] The method for producing a nitride semiconductor crystal according to [1], wherein the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support is 0.1 to 30 mm.
[3] The method for producing a nitride semiconductor crystal according to [1] or [2], wherein the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support is 1 to 40 mm.
[4] The ratio of the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support and the distance between the base substrate and the susceptor is 3: 1 to 1:10. The manufacturing method of the nitride semiconductor crystal in any one.
[5] Any of [1] to [4], wherein the ratio of the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support and the distance between the seed crystal and the susceptor is 3: 1 to 1:20. A method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1.
[6] The method for producing a nitride semiconductor crystal according to any one of [1] to [5], wherein an outer edge of the seed crystal is disposed inside an outer edge of the susceptor.
[7] The method for producing a nitride semiconductor crystal according to any one of [1] to [6], wherein the seed crystal is a hexagonal crystal having an M plane as a main surface.
[8] The method for producing a nitride semiconductor crystal according to any one of [1] to [7], wherein the nitride semiconductor crystal has a thickness of 2 mm or more.
[9] The structure has a structure in which a susceptor, an underlay support, a seed crystal having a nonpolar or semipolar surface as a main surface, and a nitride semiconductor crystal are stacked in order, and A nitride semiconductor crystal-containing laminate, which is disposed inside an outer edge of a crystal and the susceptor, and a distance between the base substrate and the susceptor is 1 to 9 mm.

本発明によれば、非極性面または半極性面を成長主面とした種結晶を用い、種結晶とサセプターの間に特定の条件を満たす下敷支持体を設けることにより、積層基板周辺に硬質な多結晶体が発生することを抑制することができる。これにより、成長した半導体結晶のひび割れを防ぐことができる。   According to the present invention, a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface is used, and an underlaying support that satisfies a specific condition is provided between the seed crystal and the susceptor, thereby providing a hard layer around the multilayer substrate. Generation | occurrence | production of a polycrystal can be suppressed. Thereby, the crack of the grown semiconductor crystal can be prevented.

さらに、本発明によれば、下地基板の周辺に少量の多結晶体が付着した場合であっても、随伴的に多結晶体が成長することがないため、多結晶体による積層基板周辺のチャッキングを防ぐことができる。これにより、成長した半導体結晶を容易に取り出すことができ、クラックのない良質な窒化物半導体結晶を得ることができる。   Furthermore, according to the present invention, even when a small amount of polycrystal is attached around the base substrate, the polycrystal does not grow as a result. Can prevent king. Thereby, the grown semiconductor crystal can be easily taken out, and a high-quality nitride semiconductor crystal free from cracks can be obtained.

図1は、従来法における種結晶、下敷支持体およびサセプターの関係を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the relationship between a seed crystal, an underlay support and a susceptor in a conventional method. 図2は、種結晶、下敷支持体およびサセプターの関係を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing the relationship between the seed crystal, the underlay support and the susceptor. 図3は、種結晶、下敷支持体およびサセプターの関係を示す図であって、種結晶側から見た場合の概略図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the seed crystal, the underlay support, and the susceptor, and is a schematic view when viewed from the seed crystal side. 図4は、種結晶、下敷支持体、ダミーシードおよびサセプターの関係を示す図であって、種結晶側から見た場合の概略図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the seed crystal, the underlay support, the dummy seed, and the susceptor, and is a schematic view when viewed from the seed crystal side. 図5は、本発明の結晶成長に好適に用いられるHVPE装置の概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an HVPE apparatus suitably used for crystal growth according to the present invention.

以下において、本発明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、代表的な実施形態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形態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「〜」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 present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

本発明において+C面とは六方晶での(0001)面をいい、−C面とは(000−1)面をいい、これを総称してC面または[0001]面と称する。また、本発明においてM面とは、C面に対して直角な結晶面であるため、M面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、M面は、極性のない非極性面である。M面は、6種類の面方位((1−100)、(10−10)、(01−10)、(−1100)、(−1010)、(0−110))で示されるが、これらの面方位は、幾何学的に等価な面方位であるため、これらを総称して{1−100}と示す。
A面とは、M面と同様に非極性面であり、六方晶での(11−20)面およびそれと等価な面をいう。また、+C面、−C面、M面、A面の法線方向を+c軸、−c軸、m軸、a軸方向という。
半極性面としては、具体的に[10−1−3]面、[10−1−1]面、[11−2−2]、[20−2−1]、[30−3−1]面、[10−13]面、[10−11]面、[11−22]、[20−21]、[30−31]面などを挙げることができる。
本発明で用いる種結晶は、M面、A面といった非極性面または半極性面を成長主面として有する六方晶系の結晶構造を有している。
In the present invention, the + C plane refers to the (0001) plane in hexagonal crystal, and the −C plane refers to the (000-1) plane, which are collectively referred to as the C plane or [0001] plane. In the present invention, since the M plane is a crystal plane perpendicular to the C plane, the normal line of the M plane is orthogonal to the polarization direction. For this reason, the M plane is a nonpolar plane having no polarity. The M plane is indicated by six types of plane orientations ((1-100), (10-10), (01-10), (-1100), (-1010), (0-110)). Since the plane orientations of these are geometrically equivalent plane orientations, these are collectively referred to as {1-100}.
The A plane is a nonpolar plane like the M plane, and refers to a (11-20) plane in hexagonal crystal and a plane equivalent thereto. The normal directions of the + C plane, the −C plane, the M plane, and the A plane are referred to as + c axis, −c axis, m axis, and a axis directions.
Specific examples of the semipolar plane include [10-1-3] plane, [10-1-1] plane, [11-2-2], [20-2-1], [30-3-1]. Surface, [10-13] surface, [10-11] surface, [11-22], [20-21] surface, [30-31] surface, and the like.
The seed crystal used in the present invention has a hexagonal crystal structure having a nonpolar plane such as M plane or A plane or a semipolar plane as a main growth plane.

本発明において多結晶体とは、ある結晶系(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でチャッキングされた場合は、多結晶体を除去する工程を行った後に、得られた窒化物半導体結晶を取り出さなければならないため、工程が煩雑になり、時間とコストがかかる。また、チャッキングは結晶成長中に起こるため、冷却時にサセプター等との熱膨張係数差により窒化物半導体結晶が割れてしまうことが最大の問題となる。   In the present invention, a polycrystal means a crystal that cannot form a crystal lattice of a certain crystal system (for example, a hexagonal system) and has no atoms at appropriate positions. That is, it refers to a collection of minute crystals with disordered crystal orientation, meaning a collection of very small single crystal grains. When such a polycrystalline body is chucked, the nitride semiconductor crystal obtained must be taken out after performing the process of removing the polycrystalline body, which makes the process complicated, and time and cost are reduced. Take it. Further, since chucking occurs during crystal growth, the biggest problem is that the nitride semiconductor crystal breaks due to a difference in thermal expansion coefficient from the susceptor or the like during cooling.

本発明においてチャッキングとは、成長工程において発生した多結晶体が、種結晶、下敷支持体又はサセプターのうち2つ以上の部材に跨がって連続的に成長し、これらの部材を固着させることを意味する。チャッキングが起こった場合、多結晶体を除去することが非常に困難となる。また、チャッキングは、下敷支持体やサセプター等の容器内の部材を痛める原因にもなる。   In the present invention, chucking means that a polycrystalline body generated in a growth process continuously grows over two or more members of a seed crystal, an underlay support or a susceptor, and these members are fixed. Means that. When chucking occurs, it becomes very difficult to remove the polycrystal. Chucking also causes damage to members in the container such as the underlay support and susceptor.

図1は、従来法における積層基板周辺を模式的に示したものであり、多結晶体が積層基板周辺に連結してチャッキングしている例を示したものである。図1では、種結晶は、下敷支持体を介してサセプターに付設されている。図1(a)では、下敷支持体の外縁が種結晶およびサセプターの外縁よりも外側に配置されており、図1(b)では、下敷支持体の外縁がサセプターの外縁よりも外側に配置されている。このように、下敷支持体の外縁が種結晶またはサセプターの外縁よりも外側に配置される場合、積層基板に多結晶体が堆積し、チャッキングが起こる。
一方、図1(c)では、下敷支持体の外縁は種結晶およびサセプターの外縁よりも内側に配置されているが、下敷支持体の厚さが厚いため、多結晶体が堆積し、チャッキングが起こる。尚、本発明においては、種結晶、下敷支持体又はサセプターを含む層構造を積層基板といい、図1において多結晶体はPで示されている。
FIG. 1 schematically shows the periphery of a multilayer substrate in a conventional method, and shows an example in which a polycrystalline body is connected to the periphery of the multilayer substrate and chucked. In FIG. 1, the seed crystal is attached to the susceptor via an underlay support. In FIG. 1 (a), the outer edge of the base support is disposed outside the outer edge of the seed crystal and the susceptor, and in FIG. 1 (b), the outer edge of the base support is disposed outside the outer edge of the susceptor. ing. As described above, when the outer edge of the underlay support is disposed outside the outer edge of the seed crystal or the susceptor, the polycrystalline body is deposited on the laminated substrate, and chucking occurs.
On the other hand, in FIG. 1 (c), the outer edge of the underlay support is arranged inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor. Happens. In the present invention, a layer structure including a seed crystal, an underlay support or a susceptor is referred to as a laminated substrate, and the polycrystalline body is indicated by P in FIG.

本発明は、非極性面または半極性面を主面とする種結晶の上に窒化物半導体結晶を成長させる方法であって、チャッキングの発生が抑制された製造方法に関する。本発明では、種結晶は下敷支持体を介してサセプターに付設される。下敷支持体の外縁は、種結晶およびサセプターの外縁よりも内側に配置され、下地基板とサセプターの間の距離が1〜9mmとなるように各部材が配置される。
これにより、種結晶、下敷支持体およびサセプターのうち2つ以上の部材に跨って多結晶体が成長することを抑えることができる。特に、下敷支持体の側面を覆うように多結晶体が成長することを抑制することができ、チャッキングが起こることを防ぐことができる。
The present invention relates to a method for growing a nitride semiconductor crystal on a seed crystal whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane, and relates to a manufacturing method in which the occurrence of chucking is suppressed. In the present invention, the seed crystal is attached to the susceptor via an underlay support. The outer edge of the underlay support is disposed inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor, and each member is disposed such that the distance between the base substrate and the susceptor is 1 to 9 mm.
Thereby, it can suppress that a polycrystal grows over two or more members among a seed crystal, an underlay support body, and a susceptor. In particular, it is possible to suppress the growth of the polycrystalline body so as to cover the side surface of the underlay support, and it is possible to prevent the occurrence of chucking.

(種結晶)
本発明の窒化物半導体結晶の製造方法では、主面とその裏面を備える種結晶を用いる。種結晶としては、例えば、サファイア、SiC、ZnO、周期表第13族金属窒化物半導体を挙げることができる。種結晶には、製造しようとしている窒化物半導体と同じか、または異なる種類の窒化物半導体を用いることができる。中でも、製造しようとしている窒化物半導体を構成する周期表第13族金属元素と同じ種類の周期表第13族金属元素を少なくとも含む窒化物半導体を用いることが好ましく、製造しようとしている窒化物半導体と同一種の窒化物半導体の種結晶を用いることがさらに好ましい。別の観点から言うと、製造しようとしている窒化物半導体結晶と格子定数が近くて、熱膨張係数の差が小さい種結晶を選択することとしても良い。
(Seed crystal)
In the method for producing a nitride semiconductor crystal of the present invention, a seed crystal having a main surface and a back surface thereof is used. Examples of the seed crystal include sapphire, SiC, ZnO, and a periodic table group 13 metal nitride semiconductor. As the seed crystal, a nitride semiconductor of the same type as or different from the nitride semiconductor to be manufactured can be used. Among them, it is preferable to use a nitride semiconductor containing at least the Group 13 metal element of the same type as the Group 13 metal element of the periodic table constituting the nitride semiconductor to be manufactured. More preferably, the same type of nitride semiconductor seed crystal is used. From another point of view, a seed crystal having a lattice constant close to that of the nitride semiconductor crystal to be manufactured and having a small difference in thermal expansion coefficient may be selected.

ここでいう種結晶の主面とは、種結晶を構成する面の中で最も面積が広い面を指す。最も面積が広い面が複数存在する場合は、そのうちの1つを主面とし、その裏側の面を裏面とする。主面は、本発明の製造方法において、窒化物半導体結晶を成長させるための原料ガスの供給元に面するように配置され、原料ガスの供給を受ける面となる。   The main surface of the seed crystal here refers to the surface having the largest area among the surfaces constituting the seed crystal. When there are a plurality of surfaces having the largest area, one of them is the main surface, and the back surface is the back surface. In the manufacturing method of the present invention, the main surface is disposed so as to face the source of the source gas for growing the nitride semiconductor crystal, and serves as a surface that receives the source gas.

本発明では、六方晶の種結晶の主面を非極性面または半極性面とする。これにより、窒化物半導体結晶の転位密度が低く、結晶欠陥が生じにくい結晶体を得ることができる。また、種結晶の主面を非極性面または半極性面とすることは、Sなどのドーパントを用いて窒化物半導体を成長させる場合にも好適である。
本発明では、特に非極性面であるM面を種結晶の成長主面とすることが好ましい。M面を成長主面とした場合、より平坦でかつ結晶欠陥が少ない半導体結晶を得ることができる。
In the present invention, the principal plane of the hexagonal seed crystal is a nonpolar plane or a semipolar plane. Thereby, a crystal body in which the dislocation density of the nitride semiconductor crystal is low and crystal defects are not easily generated can be obtained. In addition, it is preferable that the main surface of the seed crystal is a nonpolar plane or a semipolar plane when a nitride semiconductor is grown using a dopant such as S.
In the present invention, it is particularly preferable to use the M-plane which is a nonpolar plane as the seed crystal growth main surface. When the M plane is the growth main surface, a semiconductor crystal that is flatter and has few crystal defects can be obtained.

種結晶を構成する非極性面または半極性面などの面は、それぞれオフ角を有していてもよい。オフ角は低指数面から±10°以内であることが好ましく、±8°以内であることがより好ましい。また、本発明において特定される結晶成長方向は、種結晶の主面から傾斜していてもよい。傾斜角度は±25°以内であることが好ましく、±10°以内であることがより好ましく、±5°以内であることがさらに好ましい。   Each surface such as a nonpolar surface or a semipolar surface constituting the seed crystal may have an off angle. The off angle is preferably within ± 10 ° from the low index surface, and more preferably within ± 8 °. Moreover, the crystal growth direction specified in the present invention may be inclined from the main surface of the seed crystal. The inclination angle is preferably within ± 25 °, more preferably within ± 10 °, and even more preferably within ± 5 °.

窒化物半導体結晶を成長させる種結晶の面積は、1cm2以上であることが好ましく、2cm2以上であることがより好ましく、5cm2以上であることがさらに好ましい。このような面を有する種結晶は、C面を有する窒化物半導体結晶塊を形成し、その後に非極性面であるM面、A面または半極性面が現れるように切り出すことによって得ることができる。切り出し方法としては、鑢、研削盤、内周刃スライサー、ワイヤーソー等で加工(研削、切断)する方法、研磨によって磨く方法、劈開によって分割する方法などがあるが、ワイヤーソー等で加工(研削、切断)する方法、および研磨によって磨く方法によりM面、A面または半極性面を形成することが好ましい。切り出された結晶、単一の結晶を種結晶として用いても良いし、複数の結晶の非極性面または半極性面が主面となるようにタイル状に並べて一体の種結晶としても良い。 Area of the seed crystal for growing a nitride semiconductor crystal is preferably 1 cm 2 or more, more preferably 2 cm 2 or more, more preferably 5 cm 2 or more. A seed crystal having such a plane can be obtained by forming a nitride semiconductor crystal mass having a C plane and then cutting out such that a nonpolar plane M plane, A plane or semipolar plane appears. . Cutting methods include scissors, grinders, inner-blade slicers, wire saws (grinding, cutting), polishing by polishing, and splitting by cleavage. The M-plane, A-plane or semipolar plane is preferably formed by a method of cutting, polishing) and a method of polishing by polishing. A cut crystal or a single crystal may be used as a seed crystal, or may be arranged in a tile shape so that a nonpolar plane or a semipolar plane of a plurality of crystals is a main plane, and may be an integrated seed crystal.

本発明の窒化物半導体結晶の製造方法で用いる種結晶の厚み(主面と裏面の間の距離)は、通常100μm以上であり、200μm以上であることが好ましく、300μm以上であることがより好ましい。また、種結晶の厚みは、通常2000μm以下であり、1000μm以下であることが好ましく、800μm以下であることがより好ましい。   The thickness of the seed crystal (distance between the main surface and the back surface) used in the method for producing a nitride semiconductor crystal of the present invention is usually 100 μm or more, preferably 200 μm or more, and more preferably 300 μm or more. . Further, the thickness of the seed crystal is usually 2000 μm or less, preferably 1000 μm or less, and more preferably 800 μm or less.

本発明の窒化物半導体結晶の製造方法では、下敷支持体上に1つの種結晶を設置しても良いし、複数の種結晶を設置しても良い。複数の種結晶を設置する場合は、互いにサイズや形状は異なっていても良いが、サイズや形状は揃っている方が好ましい。また、複数の種結晶を設置する場合は、互いに窒化物半導体結晶の妨げにならないように、距離を離して設置することが好ましい。通常は、隣り合う種結晶の間を3mm以上空けることが好ましく、5mm以上空けることがより好ましい。   In the method for producing a nitride semiconductor crystal of the present invention, one seed crystal or a plurality of seed crystals may be installed on the underlying support. When a plurality of seed crystals are provided, the sizes and shapes may be different from each other, but it is preferable that the sizes and shapes are uniform. In addition, when installing a plurality of seed crystals, it is preferable to install them apart from each other so as not to interfere with the nitride semiconductor crystals. Usually, it is preferable to leave 3 mm or more between adjacent seed crystals, more preferably 5 mm or more.

(下敷支持体)
下敷支持体は、種結晶とサセプターの間に設置され、種結晶を支持するための部材である。下敷支持体は、種結晶の裏面とサセプターの主面に接するように設置される。下敷支持体の形状は、種結晶を設置し、支持できる形状であれば特に制限されないが、種結晶を安定して載置できる構造であることが好ましい。例えば、円形や四角形状とすることができ、中でも四角形状とすることが好ましい。また、下敷支持体は、種結晶を安定して載置するために、平面上の種結晶の搭載面を有するものであることが好ましい。
(Underlay support)
The underlay support is a member that is installed between the seed crystal and the susceptor and supports the seed crystal. The underlay support is placed in contact with the back surface of the seed crystal and the main surface of the susceptor. The shape of the underlay support is not particularly limited as long as the seed crystal can be placed and supported, but a structure that can stably mount the seed crystal is preferable. For example, the shape may be a circle or a rectangle, and a rectangle is preferable. Moreover, it is preferable that the underlay support has a flat seed crystal mounting surface in order to stably mount the seed crystal.

下敷支持体の材質としては、例えば石英、SiCコーティングされたカーボン、パイロリティックグラファイトなどを挙げることができ、中でも石英やパイロリティックグラファイトが好ましく用いられる。下敷支持体には、耐熱性、耐アンモニア性、耐塩化水素性に優れたものを用いることが好ましい。   Examples of the material for the underlay support include quartz, SiC-coated carbon, and pyrolytic graphite. Of these, quartz and pyrolytic graphite are preferably used. It is preferable to use an underlay support having excellent heat resistance, ammonia resistance, and hydrogen chloride resistance.

下敷支持体の厚みは1mm〜9mmであることが好ましい。下敷支持体の高さは、1mm以上であることが好ましく、1.5mm以上であることがより好ましく、2mm以上であることがさらに好ましく、3mm以上であることが特に好ましい。また、下地支持体の高さは、9mm以下であることが好ましく、8mm以下であることがより好ましく、7mm以下であることがさらに好ましく、6mm以下であることが特に好ましい。
尚、下敷支持体の厚みは、種結晶とサセプターの間の距離を示す。種結晶とサセプターの間の距離は一定であることが好ましく、下敷支持体も一定の厚さを有することが好ましい。
The thickness of the underlay support is preferably 1 mm to 9 mm. The height of the underlay support is preferably 1 mm or more, more preferably 1.5 mm or more, further preferably 2 mm or more, and particularly preferably 3 mm or more. Further, the height of the base support is preferably 9 mm or less, more preferably 8 mm or less, further preferably 7 mm or less, and particularly preferably 6 mm or less.
In addition, the thickness of an underlay support body shows the distance between a seed crystal and a susceptor. The distance between the seed crystal and the susceptor is preferably constant, and the underlay support preferably has a constant thickness.

下敷支持体の外縁は種結晶およびサセプターの外縁よりも小さく、下敷支持体の外縁は種結晶およびサセプターの外縁よりも内側に配置される。下敷支持体の外縁は、種結晶とサセプターの両方の外縁の内側に配置される。また、下敷支持体の外縁はその全周が種結晶およびサセプターの外縁よりも内側に配置され、下敷支持体の外縁の一部が種結晶およびサセプターの外縁よりも外側に露出することはない。   The outer edge of the underlay support is smaller than the outer edges of the seed crystal and the susceptor, and the outer edge of the underlay support is disposed inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor. The outer edge of the underlay support is located inside the outer edges of both the seed crystal and the susceptor. Further, the outer periphery of the underlay support is disposed entirely inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor, and a part of the outer edge of the underlay support is not exposed to the outside of the outer edges of the seed crystal and the susceptor.

下敷支持体の外形は、円形や四角形状とすることができ、その外形が特に制限されることはない。また、1つの下敷支持体に1つの種結晶を搭載しても良く、複数の下敷支持体に1つの種結晶を搭載しても良い。複数の下敷支持体に1つの種結晶を搭載する場合、種結晶を安定して支持できるように下敷支持体の配置を工夫することが好ましい。例えば、棒状の下敷支持体を種結晶の下に2つ以上配置し、種結晶の大きさや形状に合わせて間隔を空けて配置することができる。   The outer shape of the underlay support can be circular or square, and the outer shape is not particularly limited. Moreover, one seed crystal may be mounted on one underlay support body, and one seed crystal may be mounted on a plurality of underlay support bodies. When one seed crystal is mounted on a plurality of base supports, it is preferable to devise the arrangement of the base supports so that the seed crystals can be stably supported. For example, two or more rod-shaped underlaying supports can be arranged under the seed crystal, and can be arranged at intervals according to the size and shape of the seed crystal.

(サセプター)
サセプターは種結晶を搭載した下敷支持体を載置するための部材である。サセプターの材質は特に限定されず、例えば、炭化ケイ素(SiC)、カーボン、pBNをコーティングしたカーボン、パイロリティックグラファイトなどを適宜選択することができる。サセプター上には窒化物半導体結晶が堆積しないことが好ましく、サセプターは窒化物半導体結晶が付着しにくい材質で構成されることが好ましい。
(Susceptor)
The susceptor is a member for placing an underlay support on which a seed crystal is mounted. The material of the susceptor is not particularly limited, and for example, silicon carbide (SiC), carbon, carbon coated with pBN, pyrolytic graphite, and the like can be appropriately selected. Nitride semiconductor crystals are preferably not deposited on the susceptor, and the susceptor is preferably made of a material that is difficult for the nitride semiconductor crystals to adhere to.

サセプターの形状は、下敷支持体を設置し、支持できる形状であれば特に制限されないが、下敷支持体を安定して載置できる構造であることが好ましい。例えば、円形や四角形状とすることができ、中でも円形とすることが好ましい。また、サセプターは、平面上の下敷支持体の搭載面を有するものであることが好ましい。また、結晶を成長させる際に成長している結晶の上流側に構造物を有さない構造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て原料ガスの流れが変化してしまうため、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からである。
サセプターは、種結晶に均一な状態で窒化物半導体結晶を成長させるために、成長室内において回転機構を有することが好ましい。
The shape of the susceptor is not particularly limited as long as the underlay support can be installed and supported, but a structure that can stably place the underlay support is preferable. For example, a circular shape or a quadrangular shape can be used, and a circular shape is particularly preferable. Moreover, it is preferable that a susceptor has a mounting surface of an underlay support body on a plane. Moreover, it is preferable that the structure has no structure on the upstream side of the growing crystal when the crystal is grown. If there is a structure that can grow a crystal upstream, the polycrystal will adhere to it and the flow of the raw material gas will change, which will adversely affect the crystal to be grown. Because.
The susceptor preferably has a rotation mechanism in the growth chamber in order to grow the nitride semiconductor crystal in a uniform state on the seed crystal.

(種結晶、下敷支持体およびサセプターの関係)
図2に示すように、本発明の窒化物半導体結晶の製造方法では、種結晶110は下敷支持体109を介してサセプター107に付設される。種結晶110の裏面が下敷支持体109の主面に接するように設置され、種結晶110の主面には窒化物半導体結晶が成長する。
下敷支持体109の外縁は種結晶110およびサセプター107の外縁よりも小さく、下敷支持体109の外縁は種結晶110およびサセプター107の外縁よりも内側にくるように配置される。これにより、下敷支持体109の外縁の全周が種結晶110およびサセプター107の外縁の内側に入るようになる。すなわち、種結晶110の主面側から見た場合、下敷支持体109は種結晶110によって隠された状態になっている。また、サセプター107の裏面側から見た場合、下敷支持体109はサセプター107によって隠された状態になっている。
(Relationship between seed crystal, underlay support and susceptor)
As shown in FIG. 2, in the method for producing a nitride semiconductor crystal of the present invention, the seed crystal 110 is attached to the susceptor 107 via an underlay support 109. The seed crystal 110 is placed so that the back surface of the seed crystal 110 is in contact with the main surface of the underlying support 109, and a nitride semiconductor crystal grows on the main surface of the seed crystal 110.
The outer edge of the base support 109 is smaller than the outer edges of the seed crystal 110 and the susceptor 107, and the outer edge of the base support 109 is arranged to be inside the outer edges of the seed crystal 110 and the susceptor 107. As a result, the entire circumference of the outer edge of the underlay support 109 enters the inside of the outer edges of the seed crystal 110 and the susceptor 107. That is, when viewed from the main surface side of the seed crystal 110, the underlay support 109 is hidden by the seed crystal 110. Further, when viewed from the back side of the susceptor 107, the underlay support 109 is hidden by the susceptor 107.

図2では、種結晶とサセプターの間の距離をRで示している。本発明では、Rは1mm〜9mmである。Rは、1mm以上であり、1.5mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、3mm以上であることがさらに好ましい。また、Rは、9mm以下であり、8mm以下であることが好ましく、7mm以下であることがより好ましく、6mm以下であることが好ましい。Rを上記範囲内とすることにより、多結晶体が積層基板で成長し、チャッキングが起こることを防ぐことができる。   In FIG. 2, the distance between the seed crystal and the susceptor is indicated by R. In the present invention, R is 1 mm to 9 mm. R is 1 mm or more, preferably 1.5 mm or more, more preferably 2 mm or more, and further preferably 3 mm or more. R is 9 mm or less, preferably 8 mm or less, more preferably 7 mm or less, and preferably 6 mm or less. By setting R within the above range, it is possible to prevent the polycrystalline body from growing on the laminated substrate and causing chucking.

上述したように、下敷支持体の外縁は種結晶の外縁よりも小さく、下敷支持体の外縁は種結晶の外縁よりも内側にくるように配置される。本発明では、種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離は、0.1〜30mmであることが好ましい。種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離は、種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の距離が最も近づいている点の間の距離を意味する。   As described above, the outer edge of the underlay support is smaller than the outer edge of the seed crystal, and the outer edge of the underlay support is arranged to be inside the outer edge of the seed crystal. In this invention, it is preferable that the shortest distance between the outer edge of a seed crystal and the outer edge of an underlay support body is 0.1-30 mm. The shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the base support means the distance between the points where the distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the base support is closest.

図3は、種結晶の主面側から、種結晶、下敷支持体、サセプターを重ねて見た場合の概要図である。図3では、種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離をSで示している。Sは、0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、1.0mm以上であることがさらに好ましい。また、Sは、30mm以下であることが好ましく、25mm以下であることがより好ましく、20mm以下であることがさらに好ましい。   FIG. 3 is a schematic diagram of the seed crystal, the underlay support, and the susceptor viewed from the main surface side of the seed crystal. In FIG. 3, the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support is indicated by S. S is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, and further preferably 1.0 mm or more. Further, S is preferably 30 mm or less, more preferably 25 mm or less, and further preferably 20 mm or less.

図3で示されているように、下敷支持体の外縁はその全周が種結晶の外縁の内側に存在している。種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の距離は、その全周に渡って、0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、1.0mm以上であることがさらに好ましい。また、種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の間の距離は、その全周に渡って、40mm以下であることが好ましく、30mm以下であることがより好ましく、25mm以下であることがさらに好ましい。   As shown in FIG. 3, the outer edge of the underlay support is entirely inside the outer edge of the seed crystal. The distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, and 1.0 mm or more over the entire circumference. More preferably. Further, the distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support is preferably 40 mm or less, more preferably 30 mm or less, and even more preferably 25 mm or less over the entire circumference. .

また、下敷支持体の外縁はサセプターの外縁よりも小さく、下敷支持体の外縁はサセプターの外縁よりも内側にくるように配置される。本発明では、サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離は、1〜40mmであることが好ましい。サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離は、サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の距離が最も近づいている点の間の距離を意味する。   Further, the outer edge of the underlay support is smaller than the outer edge of the susceptor, and the outer edge of the underlay support is arranged to be inside the outer edge of the susceptor. In the present invention, the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support is preferably 1 to 40 mm. The shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support means the distance between the points where the distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support is closest.

図3では、サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の最短距離をTで示している。Tは、1mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、3mm以上であることがさらに好ましい。また、Tは、40mm以下であることが好ましく、30mm以下であることがより好ましく、20mm以下であることがさらに好ましい。   In FIG. 3, the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support is indicated by T. T is preferably 1 mm or more, more preferably 2 mm or more, and further preferably 3 mm or more. Further, T is preferably 40 mm or less, more preferably 30 mm or less, and further preferably 20 mm or less.

図3で示されているように、下敷支持体の外縁はその全周がサセプターの外縁の内側に存在している。サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の距離は、その全周に渡って、1mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、3mm以上であることがさらに好ましい。また、サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の間の距離は、その全周に渡って、50mm以下であることが好ましく、40mm以下であることがより好ましく、30mm以下であることがさらに好ましい。   As shown in FIG. 3, the outer edge of the underlay support body is entirely inside the outer edge of the susceptor. The distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlying support is preferably 1 mm or more, more preferably 2 mm or more, and further preferably 3 mm or more over the entire circumference. Further, the distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlying support is preferably 50 mm or less, more preferably 40 mm or less, and even more preferably 30 mm or less over the entire circumference.

下敷支持体の外縁の全周を種結晶およびサセプターの外縁よりも内側にくるように配置し、種結晶とサセプターの間の距離Rを1mm〜9mmとすることにより、積層基板の各部材に跨って、多結晶体が形成されることを抑制することができる。これは、種結晶とサセプターの間に、窒化物半導体結晶を形成するためのガス原料が入り込みにくいスペースが生じるためであると考えられる。ガス原料が入り込みにくいスペースが生じることによって、多結晶体が種結晶とサセプターを連結するように成長しチャッキングすることを防止することができる。   The entire circumference of the outer edge of the underlay support is arranged so as to be inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor, and the distance R between the seed crystal and the susceptor is set to 1 mm to 9 mm so as to straddle each member of the multilayer substrate. Thus, the formation of a polycrystal can be suppressed. This is presumably because a space is formed between the seed crystal and the susceptor where the gas raw material for forming the nitride semiconductor crystal is difficult to enter. By generating a space in which the gas raw material is difficult to enter, it is possible to prevent the polycrystalline body from growing and chucking so as to connect the seed crystal and the susceptor.

種結晶の外縁と下敷支持体の外縁の最短距離を示すSと、下地基板とサセプター間の距離を示すRの比は、3:1〜1:10であることが好ましく、2:1〜1:8であることがより好ましく、1:1〜1:5であることがさらに好ましい。SとRの比を上記範囲内とすることにより、より効果的にガス原料が入り込みにくいスペースを作ることができ、チャッキングが起こることを防ぐことができる。   The ratio of S, which indicates the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support, and R, which indicates the distance between the base substrate and the susceptor, is preferably 3: 1 to 1:10. : 8 is more preferable, and 1: 1 to 1: 5 is more preferable. By setting the ratio of S and R within the above range, it is possible to create a space in which the gas raw material is more difficult to enter and to prevent the occurrence of chucking.

サセプターの外縁と下敷支持体の外縁の最短距離を示すTと、下地基板とサセプター間の距離を示すRの比は、3:1〜1:20であることが好ましく、2:1〜1:15であることがより好ましく、1:1〜1:10であることがさらに好ましい。TとRの比を上記範囲内とすることにより、より効果的にガス原料が入り込みにくいスペースを作ることができ、チャッキングが起こることを防ぐことができる。   The ratio of T indicating the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlying support and R indicating the distance between the base substrate and the susceptor is preferably 3: 1 to 1:20, and 2: 1 to 1: 15 is more preferable, and 1: 1 to 1:10 is even more preferable. By setting the ratio of T and R within the above range, it is possible to create a space in which the gas raw material is more difficult to enter and to prevent the occurrence of chucking.

さらに、種結晶の外縁は、サセプターの外縁よりも内側に配置されることが好ましい。図3に示すように、種結晶の外縁はサセプターの外縁からはみ出ることなく、その内側に配置されることが好ましい。図3では、種結晶の外縁とサセプターの外縁の最短距離をUで表した。種結晶が四角形状であって、サセプターが円形の場合、Uは、四角形の角を示す点から、サセプターの円周までの最短距離を示す。Uは0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、1.0mm以上であることがさらに好ましく、25mm以下であることが好ましく、20mm以下であることがより好ましく、15mm以下であることがさらに好ましい。
種結晶の外縁がサセプターの外縁よりも内側に配置されることにより、原料ガスが種結晶の裏側に回りこむことを避け、チャッキングを防ぐことができる。
Furthermore, it is preferable that the outer edge of the seed crystal is disposed inside the outer edge of the susceptor. As shown in FIG. 3, the outer edge of the seed crystal is preferably disposed inside the outer edge of the susceptor without protruding. In FIG. 3, U represents the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the susceptor. When the seed crystal has a quadrangular shape and the susceptor has a circular shape, U indicates the shortest distance from the point indicating the square to the circumference of the susceptor. U is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, further preferably 1.0 mm or more, preferably 25 mm or less, and more preferably 20 mm or less. More preferably, it is 15 mm or less.
By disposing the outer edge of the seed crystal on the inner side of the outer edge of the susceptor, it is possible to prevent the source gas from flowing around the back side of the seed crystal and to prevent chucking.

(ダミーシード)
図4に示すように、本発明では、サセプター107の上にダミーシード111が設置されても良い。ダミーシード111は、サセプター107の上であって、種結晶110の外縁の外側の周辺領域に設置される。ダミーシード111は、種結晶110の主面側から見た場合に、種結晶110の一部と重なった重複領域を有することが好ましい。一方で、ダミーシード111を、種結晶110の主面側から見た場合に種結晶110と重ならないように、種結晶110の外縁の外側に配置する場合には、ダミーシードとサセプターとの間にも下敷支持体を使用しても良い。
また、ダミーシード111は、複数個から形成されても良く、例えば、4〜16個のダミーシード111がサセプター107の上に設置されても良い。
(Dummy seed)
As shown in FIG. 4, in the present invention, a dummy seed 111 may be installed on the susceptor 107. The dummy seed 111 is placed on the susceptor 107 and in a peripheral region outside the outer edge of the seed crystal 110. The dummy seed 111 preferably has an overlapping region that overlaps a part of the seed crystal 110 when viewed from the main surface side of the seed crystal 110. On the other hand, when the dummy seed 111 is arranged outside the outer edge of the seed crystal 110 so as not to overlap the seed crystal 110 when viewed from the main surface side of the seed crystal 110, the dummy seed 111 is interposed between the dummy seed and the susceptor. Alternatively, an underlay support may be used.
The dummy seeds 111 may be formed from a plurality of pieces. For example, 4 to 16 dummy seeds 111 may be installed on the susceptor 107.

ダミーシード111は、窒化物半導体結晶を形成するためのガス原料を取り込む性質を有する。このため、ダミーシード111がサセプター107上に設置されることによって、窒化物半導体結晶を形成するためのガス原料が下敷支持体109の側面に到達することを防ぐことができる。つまり、ダミーシード111は、種結晶110とサセプター107の間のスペースに窒化物半導体結晶を形成するためのガス原料が侵入することを防ぐ働きをする。つまり、種結晶110とサセプター107の間のスペースに入り込み得る原料ガスが、ダミーシード111上で単結晶成長に利用されるため、種結晶110とサセプター107の間のスペースに少量の原料ガスが入り込んできた場合であっても、下敷支持体109の側面に到達して、多結晶となることを効果的に防ぐことができ、チャッキングの発生を効果的に抑制することができる。   The dummy seed 111 has a property of taking in a gas raw material for forming a nitride semiconductor crystal. For this reason, by installing the dummy seed 111 on the susceptor 107, it is possible to prevent the gas raw material for forming the nitride semiconductor crystal from reaching the side surface of the underlying support 109. That is, the dummy seed 111 functions to prevent a gas material for forming a nitride semiconductor crystal from entering the space between the seed crystal 110 and the susceptor 107. That is, since the source gas that can enter the space between the seed crystal 110 and the susceptor 107 is used for single crystal growth on the dummy seed 111, a small amount of source gas enters the space between the seed crystal 110 and the susceptor 107. Even if it is possible, it can be effectively prevented from reaching the side surface of the underlay support 109 and becoming polycrystalline, and the occurrence of chucking can be effectively suppressed.

ダミーシード111がサセプター107上に設置された場合、ダミーシード111の表面と種結晶110の表面間の距離は1mm以上であることが好ましく、1.5mm以上であることがより好ましく、2mm以上であることがさらに好ましい。また、ダミーシード111と種結晶110の間の距離は、9mm以下であることが好ましく、8mm以下であることがより好ましく、7mm以下であることがさらに好ましい。ダミーシード111を設けた場合であっても、種結晶110とダミーシード111の間には上記範囲内の距離があることが好ましい。これにより、多結晶体が積層基板で成長し、チャッキングが起こることを防ぐことができる。
尚、ダミーシード111の厚さは、500nm〜1000μmであることが好ましい。
When the dummy seed 111 is installed on the susceptor 107, the distance between the surface of the dummy seed 111 and the surface of the seed crystal 110 is preferably 1 mm or more, more preferably 1.5 mm or more, and 2 mm or more. More preferably it is. Further, the distance between the dummy seed 111 and the seed crystal 110 is preferably 9 mm or less, more preferably 8 mm or less, and further preferably 7 mm or less. Even when the dummy seed 111 is provided, it is preferable that the distance between the seed crystal 110 and the dummy seed 111 is within the above range. Thereby, it is possible to prevent the polycrystalline body from growing on the laminated substrate and causing chucking.
In addition, it is preferable that the thickness of the dummy seed 111 is 500 nm-1000 micrometers.

(窒化物半導体結晶の成長工程)
次に、窒化物半導体結晶の成長工程について説明する。
成長させる窒化物半導体結晶は、周期表第13族金属元素を含む窒化物半導体結晶であることが好ましく、ガリウム含有窒化物半導体結晶であることがより好ましく、Al1-xGaxN(0≦x≦1)である窒化物半導体結晶であることがさらに好ましく、窒化ガリウム半導体結晶であることが特に好ましい。
ここで用いることができる結晶成長法として、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。
(Nitride semiconductor crystal growth process)
Next, the growth process of the nitride semiconductor crystal will be described.
The nitride semiconductor crystal to be grown is preferably a nitride semiconductor crystal containing a Group 13 metal element of the periodic table, more preferably a gallium-containing nitride semiconductor crystal, and Al 1-x Ga x N (0 ≦ A nitride semiconductor crystal satisfying x ≦ 1) is more preferable, and a gallium nitride semiconductor crystal is particularly preferable.
Examples of the crystal growth method that can be used here 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.

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5に示すようなHVPE装置を用いることができる。図5のHVPE装置は、リアクター100内に、種結晶110や、種結晶110を搭載した下敷支持体109を載置するためのサセプター107と、成長させる窒化物半導体の原料を入れるリザーバー113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101〜105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。   Details of the apparatus used for crystal growth are not particularly limited. For example, an HVPE apparatus as shown in FIG. 5 can be used. The HVPE apparatus of FIG. 5 includes a susceptor 107 for placing a seed crystal 110 and an underlay support 109 on which the seed crystal 110 is mounted in a reactor 100, and a reservoir 113 for storing a nitride semiconductor material to be grown. I have. In addition, introduction pipes 101 to 105 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.

種結晶110をサセプター107に載置するとき、結晶成長させる種結晶110の主面はガス流れの上流側(図5ではリアクターの上方)を向くように設置する。すなわち、ガスが主面に向かって流れるように載置し、ガスが主面に垂直な方向から主面に向かって流れるようにすることがより好ましい。   When the seed crystal 110 is placed on the susceptor 107, the main surface of the seed crystal 110 for crystal growth is placed so as to face the upstream side of the gas flow (above the reactor in FIG. 5). That is, it is more preferable that the gas is placed so as to flow toward the main surface, and the gas flows from the direction perpendicular to the main surface toward the main surface.

リザーバー113には、成長させる窒化物半導体の原料を入れる。例えば、周期表第13族と窒素原料を反応させて窒化物半導体結晶を成長させる場合は、周期表第13族源となる原料を入れる。そのような周期表第13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 113 is filled with a nitride semiconductor material to be grown. For example, in the case where a nitride semiconductor crystal is grown by reacting Group 13 of the periodic table with a nitrogen source, a source serving as a Group 13 source of the periodic table is added. Examples of the raw material that becomes the group 13 source of the periodic table include Ga, Al, and In.

リザーバー113にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー113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113に周期表第13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良いが、同一であることが好ましい。 A gas that reacts with the raw material put in the reservoir 113 is supplied from an introduction pipe 103 for introducing the gas into the reservoir 113. For example, when a raw material that is a Group 13 source of the periodic table is put in the reservoir 113, 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および102からは、キャリアガスを供給する。このとき、導入管102からは、例えばシリコン原子や硫黄原子のようなドーパントを含む原料を供給してもよい。導入管101および102から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。例えば、導入管101からN2ガスを供給し、導入管102からH2ガスを供給することができる。導入管101または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。
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ガスを供給する。
A carrier gas is supplied from the introduction pipes 101 and 102. At this time, a material containing a dopant such as silicon atom or sulfur atom may be supplied from the introduction tube 102. Examples of the carrier gas supplied from the introduction pipes 101 and 102 are the same as the carrier gas supplied from the introduction pipe 103. For example, N 2 gas can be supplied from the introduction pipe 101 and H 2 gas can be supplied from the introduction pipe 102. The carrier gas supplied from the introduction pipe 101 or 102 and the carrier gas supplied from the introduction pipe 103 are preferably the same.
From the introduction pipe 104, a source gas serving as a nitrogen source is supplied. Normally, NH 3 gas is supplied.

導入管105からは、必要に応じて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。エッチングガスの供給は、断続的(パルス的)に行うことが好ましい。ここでいう断続的とは、エッチングガスを供給するステップ(供給ステップ)とエッチングガスを供給しないステップ(非供給ステップ)が交互に繰り返されることをいう。エッチングガスの供給を断続的に行うことによって、N原子の空孔が形成されやすくなり、S原子などのドーパントが取り込まれやすくなる。このため、高濃度でSドープした窒化物半導体結晶等をより容易に製造することができる。また、結晶性がより良好な窒化物半導体結晶を製造することができる。   Etching gas can be supplied from the introduction pipe 105 as necessary. As an etching gas, a chlorine-based gas can be used, and HCl gas is preferably used. The etching gas is preferably supplied intermittently (pulsed). Here, “intermittent” means that the step of supplying an etching gas (supplying step) and the step of not supplying an etching gas (non-supplying step) are repeated alternately. By intermittently supplying the etching gas, vacancies of N atoms are easily formed, and dopants such as S atoms are easily taken in. For this reason, a nitride semiconductor crystal or the like doped with S at a high concentration can be more easily manufactured. In addition, a nitride semiconductor crystal with better crystallinity can be manufactured.

供給ステップにおけるエッチングガスの流量は、総流量に対して0.1%〜3%程度とすることが好ましく、0.5〜1.5%とすることがより好ましい。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。供給ステップにかける時間と非供給ステップにかける時間の比は特に制限されないが、窒化物半導体の結晶成長を行う総時間の10〜80%を供給ステップとすることが好ましく、10〜60%を供給ステップとすることがより好ましく、10〜50%を供給ステップとすることがさらに好ましい。また、1回の供給ステップと1回の非供給ステップからなる1サイクルの長さは、通常は0.1〜10分であり、0.1〜5分が好ましく、1〜3分がより好ましい。1サイクルの長さは、徐々に短くしたり長くしたりしてもよく、まったく変えなくてもよい。好ましいのは、1サイクルの長さを常に一定とする態様である。   The flow rate of the etching gas in the supply step is preferably about 0.1% to 3%, more preferably 0.5% to 1.5% 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. The ratio of the time required for the supply step and the time required for the non-supply step is not particularly limited, but it is preferable to set 10 to 80% of the total time for crystal growth of the nitride semiconductor as the supply step, and supply 10 to 60%. It is more preferable to set it as a step, and it is more preferable to set 10 to 50% as a supply step. In addition, the length of one cycle consisting of one supply step and one non-supply step is usually 0.1 to 10 minutes, preferably 0.1 to 5 minutes, and more preferably 1 to 3 minutes. . The length of one cycle may be gradually shortened or lengthened, and may not be changed at all. Preferred is an embodiment in which the length of one cycle is always constant.

導入管101〜105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。   The gases supplied from the introduction pipes 101 to 105 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.

ガス排出管108は、ガス導入のための導入管101〜105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5では、ガス導入のための導入管101〜105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 side opposite to the introduction pipes 101 to 105 for gas introduction. In FIG. 5, 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 105 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法によって例えばAl1-xGaxN(0≦x≦1)を成長させる場合は、結晶成長を通常は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℃〜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〜400kPa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。例えば、GaClとNH3を用いる場合は、GaClの分圧は0.03〜30kPaとし、NH3の分圧は1〜300kPaとすることが好ましい。 For example, when Al 1-x Ga x N (0 ≦ x ≦ 1) is grown by the HVPE method, crystal growth is usually performed at 900 ° C. to 1070 ° C., preferably at 925 ° C. to 1050 ° C., and 950 ° C. More preferably, it is carried out at -1030 ° C, more preferably 975 ° C-1000 ° C. The pressure in the reactor is preferably 10 kPa to 400 kPa, more preferably 30 kPa to 150 kPa, and even more preferably 50 kPa to 120 kPa. For example, when using GaCl and NH 3 , the partial pressure of GaCl is preferably 0.03 to 30 kPa, and the partial pressure of NH 3 is preferably 1 to 300 kPa.

HVPE法によって例えばAlNを成長させる場合は、AlCl3および/またはAlClと、NH3とを含む雰囲気中で実施することができる。結晶成長温度は1050℃〜1250℃であることが好ましく、AlCl3および/またはAlClの分圧は3×101〜3×104Paであることが好ましく、NH3の分圧は1〜300kPaであることが好ましい。AlCl3および/またはAlClは、AlとHClとを反応させて形成するが、温度が600℃程度の比較的低温ではAlCl3の生成が主となり、温度が800℃程度の比較的高温ではAlClの生成が主となる。 For example, when AlN is grown by the HVPE method, it can be carried out in an atmosphere containing AlCl 3 and / or AlCl and NH 3 . The crystal growth temperature is preferably 1050 ° C. to 1250 ° C., the partial pressure of AlCl 3 and / or AlCl is preferably 3 × 10 1 to 3 × 10 4 Pa, and the partial pressure of NH 3 is 1 to 300 kPa. It is preferable that AlCl 3 and / or AlCl is formed by reacting Al and HCl. AlCl 3 is mainly produced at a relatively low temperature of about 600 ° C., and AlCl 3 is formed at a relatively high temperature of about 800 ° C. Mainly generated.

本発明の製造方法によれば、窒化物半導体の結晶成長を一定の速度で行うことができ、
従来法のように多結晶体が積層基板で成長しチャッキングが起こることを防ぐことができる。また、チャッキングの発生を抑制しているため、本発明の製造方法によって得られる結晶は一様であり、より高品質であるという特徴がある。
According to the manufacturing method of the present invention, crystal growth of a nitride semiconductor can be performed at a constant rate,
As in the conventional method, it is possible to prevent the polycrystalline body from growing on the laminated substrate and causing chucking. Further, since the occurrence of chucking is suppressed, the crystal obtained by the production method of the present invention is uniform and has a feature of higher quality.

結晶成長を行った後に得られる窒化物半導体結晶のうち、特にSドープしながら形成した窒化物半導体結晶に対しては、還元雰囲気で熱処理を行うことが好ましい。熱処理は、窒化物半導体結晶を通常600〜1070℃、好ましくは700〜1000℃、より好ましくは750〜950℃の環境下におくことにより行う。熱処理の時間は温度にもよるが、通常1〜30分、好ましくは1〜10分、より好ましくは1〜5分である。熱処理は還元雰囲気で行う必要があるが、ここでいう還元雰囲気とは水素などの還元性ガスの分圧が50%以上である雰囲気をいう。例えば、アニール炉内のH2雰囲気などを挙げることができる。結晶成長後に還元雰囲気で熱処理を行うことによって熱伝導率が高くなる。 Of the nitride semiconductor crystals obtained after crystal growth, it is preferable to perform a heat treatment in a reducing atmosphere, particularly for nitride semiconductor crystals formed while being doped with S. The heat treatment is performed by placing the nitride semiconductor crystal in an environment of usually 600 to 1070 ° C., preferably 700 to 1000 ° C., more preferably 750 to 950 ° C. Although the time of heat processing is based also on temperature, it is 1 to 30 minutes normally, Preferably it is 1 to 10 minutes, More preferably, it is 1 to 5 minutes. The heat treatment needs to be performed in a reducing atmosphere. The reducing atmosphere here refers to an atmosphere in which the partial pressure of a reducing gas such as hydrogen is 50% or more. For example, an H 2 atmosphere in an annealing furnace can be used. Thermal conductivity is increased by performing heat treatment in a reducing atmosphere after crystal growth.

(窒化物半導体結晶含有積層体)
本発明に係る窒化物半導体結晶含有積層体は、サセプターと、下敷支持体と、非極性面または半極性面を主面とする種結晶と、窒化物半導体結晶とを順に積層した構造を有する。窒化物半導体結晶含有積層体において、下敷支持体の外縁は種結晶およびサセプターの外縁よりも内側に配置される。また、窒化物半導体結晶含有積層体において、下地基板とサセプターの間の距離は1〜9mmである。下地基板とサセプターの間の距離は、1mm以上であり、1.5mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、3mm以上であることがさらに好ましい。また、下地基板とサセプターの間の距離は、9mm以下であり、8mm以下であることが好ましく、7mm以下であることがより好ましく、6mm以下であることが好ましい。
このように、下地基板とサセプターの間の距離を上記範囲内とすることにより、窒化物半導体結晶含有積層体は、下地基板とサセプターの間に窒化物半導体結晶を形成するためのガス原料が入り込みにくいスペースを有することができる。このため、窒化物半導体結晶含有積層体では、サセプター、下敷支持体および種結晶のうち2つ以上の部材に跨って連続的に多結晶体が堆積することが抑制されている。
(Nitride semiconductor crystal-containing laminate)
The nitride semiconductor crystal-containing laminate according to the present invention has a structure in which a susceptor, an underlay support, a seed crystal having a nonpolar or semipolar surface as a main surface, and a nitride semiconductor crystal are sequentially laminated. In the nitride semiconductor crystal-containing laminate, the outer edge of the underlay support is disposed inside the outer edges of the seed crystal and the susceptor. In the nitride semiconductor crystal-containing laminate, the distance between the base substrate and the susceptor is 1 to 9 mm. The distance between the base substrate and the susceptor is 1 mm or more, preferably 1.5 mm or more, more preferably 2 mm or more, and further preferably 3 mm or more. The distance between the base substrate and the susceptor is 9 mm or less, preferably 8 mm or less, more preferably 7 mm or less, and preferably 6 mm or less.
As described above, by setting the distance between the base substrate and the susceptor within the above range, the nitride semiconductor crystal-containing stacked body enters the gas raw material for forming the nitride semiconductor crystal between the base substrate and the susceptor. Can have difficult space. For this reason, in the nitride semiconductor crystal-containing stacked body, it is suppressed that the polycrystalline body is continuously deposited across two or more members of the susceptor, the underlay support, and the seed crystal.

(窒化物半導体結晶)
本発明の製造方法によって得られる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、得られる窒化物半導体結晶は、単結晶であることが好ましい。
種結晶の主面から窒化物半導体結晶を主面の法線方向に成長させる場合、窒化物半導体結晶は厚さが2mm〜10cmになるまで成長させることが好ましい。結晶成長後にスライス、研削、研磨、レーザー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、種結晶の上に成長させる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。
(Nitride semiconductor crystal)
The crystal system of the nitride semiconductor obtained by the manufacturing method of the present invention is preferably a hexagonal system. The nitride semiconductor crystal obtained is preferably a single crystal.
When the nitride semiconductor crystal is grown from the main surface of the seed crystal in the normal direction of the main surface, the nitride semiconductor crystal is preferably grown until the thickness becomes 2 mm to 10 cm. When performing slicing, grinding, polishing, laser irradiation, etc. after crystal growth, a crystal of a certain size is required. Therefore, the thickness of the nitride semiconductor crystal grown on the seed crystal 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窒化物半導体結晶は、そのまま用いてもよいが、通常は研削やスライス加工などの処理を行って窒化物半導体結晶のみを取り出して使用する。ここでスライス加工とは、(1)成長した結晶を窒化物半導体基板として使用できるように主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り得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。(2)の場合は、例えば種結晶の表面近傍に成長した結晶を切り捨てることなどを含む。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。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できる。   The nitride semiconductor crystal obtained by the production method of the present invention may be used as it is, but usually, only the nitride semiconductor crystal is taken out by using a process such as grinding or slicing. Here, the slice processing means (1) processing for making the quality of the main surface uniform so that the grown crystal can be used as a nitride semiconductor substrate, and (2) stress generated from dislocations inherent in the initial growth portion. In consideration of the fact that there is a possibility, the processing is performed to cut off the portion. In the case of (2), for example, the crystal grown near the surface of the seed crystal is discarded. Specifically, the slicing can be performed using an inner peripheral slicer, a wire source slicer, or the like. By slicing, crystals having substantially the same shape, lower dislocation density, and fewer surface defects can be manufactured.

本発明の製造方法にしたがって、窒化物半導体はドーピングすることもできる。
本発明の製造方法にしたがってドーピングしながら窒化物半導体を形成した場合は、O濃度は1×1017cm-3以上であることが好ましく、または、Si濃度が1×1017cm-3以上であることが好ましい。
According to the manufacturing method of the present invention, the nitride semiconductor can be doped.
The case of forming a nitride semiconductor while doping according to the production method of the present invention, it is preferable that O concentration is 1 × 10 17 cm -3 or more, or, Si concentration is 1 × 10 17 cm -3 or more Preferably there is.

本発明の製造方法により得られた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、さらに大きな窒化物半導体結晶を得ることも可能である。   The nitride semiconductor crystal obtained 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 on the relatively short wavelength side such as semiconductor lasers, and electronic devices. It is also possible to obtain a larger nitride semiconductor crystal by using the 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。   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.

(実施例1)
サファイア基板上に有機金属化学堆積(MOCVD)法により窒化ガリウム(GaN)を成長させた。ドーパントを添加せずに、主面をC面とするGaNテンプレートを準備し、テンプレート上にSi34のマスクを形成し、マスクの開口部を通じるエピタキシャル横方向過度成長でC面−GaN層を成長させて、下地基板を準備した。
次いで、下地基板のC面−GaN層が上面に露出するようにサセプター107上に下地基板を配置した。このときのガス導入管104の先端と下地基板の距離は、9cmとした。その後、反応室の温度を1010℃まで上げ、GaN単結晶を成長させた。この単結晶成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を6.55×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を7.58×103Paとした。成長時間は64時間とした。
Example 1
Gallium nitride (GaN) was grown on the sapphire substrate by metal organic chemical deposition (MOCVD). A GaN template having a C-plane main surface is prepared without adding a dopant, and a Si 3 N 4 mask is formed on the template. And a base substrate was prepared.
Next, the base substrate was disposed on the susceptor 107 so that the C-plane-GaN layer of the base substrate was exposed on the upper surface. At this time, the distance between the tip of the gas introduction tube 104 and the base substrate was 9 cm. Thereafter, the temperature of the reaction chamber was raised to 1010 ° C. to grow a GaN single crystal. In this single crystal growth step, the growth pressure is 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of the GaCl gas G3 is 6.55 × 10 2 Pa, and the partial pressure of the NH 3 gas G4 is 7.58 × 10 3 Pa. It was. The growth time was 64 hours.

単結晶の成長終了後、室温まで降温し、GaN単結晶を得た。下地基板上に厚さが8.3mmであって主面がC面であるGaN単結晶(以下、C面−GaN単結晶と称する)が得られた。C面−GaN単結晶の厚みと成長時間から成長速度を算出したところ、130μm/hであった。   After the growth of the single crystal, the temperature was lowered to room temperature to obtain a GaN single crystal. A GaN single crystal having a thickness of 8.3 mm and a C-plane main surface (hereinafter referred to as C-plane-GaN single crystal) was obtained on the base substrate. When the growth rate was calculated from the thickness of the C-plane GaN single crystal and the growth time, it was 130 μm / h.

得られたC面−GaN単結晶から、主面として、(10−10)面から[0001]方向に−2°、[−12−10]方向に0°のオフ角を有する面となる様に、スライスを行い、小片基板を複数枚得た。これらの中から、長辺50mm×短辺5mmの四角形、および330μmの厚さを有するGaN自立単結晶を準備した。   From the obtained C-plane-GaN single crystal, the main plane is a plane having an off angle of −2 ° in the [0001] direction and 0 ° in the [-12-10] direction from the (10-10) plane. Then, slicing was performed to obtain a plurality of small piece substrates. From these, a GaN free-standing single crystal having a square of 50 mm long side × 5 mm short side and a thickness of 330 μm was prepared.

上述した様に得られたGaN自立単結晶を複数枚準備し、表1に示すように、縦の長さ114mm、横の長さ114mm、高さ0.3mmの大きさの四角形状の種結晶110となるようにタイル状に配置した。縦の長さ120mm、横の長さ120mm。高さ20mmのサセプター107上に、縦の長さ110mm、横の長さ110mm、高さ3mmの下敷支持体109を設置し、その上に種結晶110を載置した。反応室の温度を850℃まで上げ、15分間保持した。   A plurality of GaN free-standing single crystals obtained as described above were prepared, and as shown in Table 1, a rectangular seed crystal having a vertical length of 114 mm, a horizontal length of 114 mm, and a height of 0.3 mm. The tiles were arranged so as to be 110. Vertical length 120mm, horizontal length 120mm. On a susceptor 107 having a height of 20 mm, an underlay support 109 having a vertical length of 110 mm, a horizontal length of 110 mm, and a height of 3 mm was placed, and a seed crystal 110 was placed thereon. The reaction chamber temperature was raised to 850 ° C. and held for 15 minutes.

その後、第13族原料であるGaClと窒素原料であるNH3を主面方向から供給し、成長温度950℃(昇温速度:21℃/min)まで昇温して、該温度に到達後GaNを50時間成長させた。
この単結晶成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を3.54×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を1.13×104Paとした。単結晶成長工程が終了後室温まで降温し、GaN結晶を得た。得られたGaN単結晶のm軸方向の膜厚は約3mmであった。
Thereafter, GaCl which is a Group 13 material and NH 3 which is a nitrogen material are supplied from the main surface direction, and the temperature is raised to a growth temperature of 950 ° C. (temperature increase rate: 21 ° C./min). Was grown for 50 hours.
In this single crystal growth step, the growth pressure is 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of the GaCl gas G3 is 3.54 × 10 2 Pa, and the partial pressure of the NH 3 gas G4 is 1.13 × 10 4 Pa. It was. After completion of the single crystal growth step, the temperature was lowered to room temperature to obtain a GaN crystal. The film thickness in the m-axis direction of the obtained GaN single crystal was about 3 mm.

(実施例2)
表1に示すとおり、種結晶110、サセプター107、下敷支持体109の形状を変えた以外は、実施例1と同様の方法でGaN結晶を得た。種結晶110は、縦の長さ60mm、横の長さ60mm、高さ0.3mmの大きさに配置したものを用いた。サセプター107には、直径100mm、高さ20mmの大きさのものを用いた。下敷支持体109には、縦の長さ56mm、横の長さ56mm、高さ3mmの大きさのものを用いた。得られたGaN単結晶のm軸方向の膜厚は約3mmであった。
(Example 2)
As shown in Table 1, a GaN crystal was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shapes of the seed crystal 110, the susceptor 107, and the underlay support 109 were changed. As the seed crystal 110, a seed crystal 110 having a vertical length of 60 mm, a horizontal length of 60 mm, and a height of 0.3 mm was used. A susceptor 107 having a diameter of 100 mm and a height of 20 mm was used. As the underlay support 109, a material having a vertical length of 56 mm, a horizontal length of 56 mm, and a height of 3 mm was used. The film thickness in the m-axis direction of the obtained GaN single crystal was about 3 mm.

(比較例1)
表1に示すとおり、種結晶110、サセプター107、下敷支持体109の形状を変えた以外は、実施例1と同様の方法でGaN結晶を得た。種結晶110には、縦の長さ114mm、横の長さ114mm、高さ0.3mmの大きさに配置したものを用いた。サセプター107には、直径100mm、高さ20mmの大きさのものを用いた。下敷支持体109には、縦の長さ110mm、横の長さ110mm、高さ3mmの大きさのものを用いた。比較例1では、下敷支持体109の外縁は、サセプター107の外縁よりも大きく、外側に配置されている。表1においては、外側に出ている幅としてTの値をマイナスで表記した。得られたGaN単結晶のm軸方向の膜厚は約3mmであった。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1, a GaN crystal was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shapes of the seed crystal 110, the susceptor 107, and the underlay support 109 were changed. As the seed crystal 110, a seed crystal 110 having a vertical length of 114 mm, a horizontal length of 114 mm, and a height of 0.3 mm was used. A susceptor 107 having a diameter of 100 mm and a height of 20 mm was used. As the underlay support 109, a material having a vertical length of 110 mm, a horizontal length of 110 mm, and a height of 3 mm was used. In Comparative Example 1, the outer edge of the underlay support 109 is larger than the outer edge of the susceptor 107 and is disposed outside. In Table 1, the value of T is expressed as a negative value as the width extending outward. The film thickness in the m-axis direction of the obtained GaN single crystal was about 3 mm.

(比較例2)
表1に示すとおり、種結晶110、サセプター107、下敷支持体109の形状を変えた以外は、実施例1と同様の方法でGaN結晶を得た。種結晶110には、縦の長さ60mm、横の長さ60mm、高さ0.3mmの大きさに配置したものを用いた。サセプター107には、直径75mm、高さ20mmの大きさのものを用いた。下敷支持体109には、縦の長さ56mm、横の長さ56mm、高さ20mmの大きさのものを用いた。比較例2では、下敷支持体109の厚みが9mmよりも大きく、20mmとなっている。加えて、下敷支持体109の外縁の一部は、サセプター107の外縁よりも大きく、外側に配置されている。表1においては、外側に出ている幅としてTの値をマイナスで表記した。得られたGaN単結晶のm軸方向の膜厚は約3mmであった。
(Comparative Example 2)
As shown in Table 1, a GaN crystal was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shapes of the seed crystal 110, the susceptor 107, and the underlay support 109 were changed. As the seed crystal 110, a seed crystal 110 having a vertical length of 60 mm, a horizontal length of 60 mm, and a height of 0.3 mm was used. A susceptor 107 having a diameter of 75 mm and a height of 20 mm was used. As the underlay support 109, a material having a vertical length of 56 mm, a horizontal length of 56 mm, and a height of 20 mm was used. In Comparative Example 2, the thickness of the underlay support 109 is greater than 9 mm and 20 mm. In addition, a part of the outer edge of the underlay support 109 is larger than the outer edge of the susceptor 107 and is arranged outside. In Table 1, the value of T is expressed as a negative value as the width extending outward. The film thickness in the m-axis direction of the obtained GaN single crystal was about 3 mm.

Figure 2014047097
Figure 2014047097

得られたGaN結晶の転位密度をas−grownの状態で3kV、100pA、1000倍視野でカソードルミネッセンス(CL)観察にて評価した。CL観察にて結晶内の転位を暗点密度より算出したところ、9.4×105cm-2であった。いずれの実施例も暗転密度は同程度であった。 The dislocation density of the obtained GaN crystal was evaluated by cathodoluminescence (CL) observation in a 3 kV, 100 pA, 1000-fold field in an as-grown state. When dislocations in the crystal were calculated from the dark spot density by CL observation, it was 9.4 × 10 5 cm −2 . In all the examples, the dark density was similar.

表1に示されているように、実施例1および実施例2では、成長させた結晶にクラックはなく、積層基板周辺に多結晶体の発生が抑制されていた。また、チャッキングも起こらなかった。得られた成長結晶も極めて良質なものであった。
一方、比較例1および比較例2では、積層基板周辺に多結晶体が発生し、チャッキングが起こっていた。その結果、成長させた結晶にクラックが発生し、結晶は分割されてしまった。
As shown in Table 1, in Example 1 and Example 2, there was no crack in the grown crystal, and generation of a polycrystal was suppressed around the multilayer substrate. Also, no chucking occurred. The grown crystals obtained were also of very good quality.
On the other hand, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, polycrystals were generated around the multilayer substrate, and chucking occurred. As a result, cracks occurred in the grown crystal, and the crystal was divided.

本発明によれば、多結晶体が積層基板で成長しチャッキングが起こることを防ぐことができる。このため、本発明の製造方法を用いれば、ひび割れのない高品質の窒化物半導体結晶を得ることができる。本発明は、非極性面または半極性面を成長主面とした種結晶上に半導体結晶を効率よく製造することができ、産業上の利用可能性が高い。   According to the present invention, it is possible to prevent the polycrystalline body from growing on the laminated substrate and causing chucking. For this reason, if the manufacturing method of this invention is used, the high quality nitride semiconductor crystal without a crack can be obtained. INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a semiconductor crystal can be efficiently produced on a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface, and the industrial applicability is high.

100 リアクター
101 H2キャリアガス用配管
102 N2キャリアガス用配管
103 周期表第13族原料用配管
104 窒素原料用配管
105 エッチングガス用配管
106 ヒーター
107 サセプター
108 排気管
109 下敷支持体
110 種結晶
111 ダミーシード
113 周期表第13族原料用リザーバー
G1 H2キャリアガス
G2 N2キャリアガス
G3 周期表第13族原料ガス
G4 窒素原料ガス
G5 エッチングガス
P 多結晶体
100 Reactor 101 H 2 Carrier Gas Pipe 102 N 2 Carrier Gas Pipe 103 Periodic Table Group 13 Raw Material Pipe 104 Nitrogen Raw Material Pipe 105 Etching Gas Pipe 106 Heater 107 Susceptor 108 Exhaust Pipe 109 Underlay Support 110 Seed Crystal 111 Dummy seed 113 Periodic table Group 13 source reservoir G1 H 2 carrier gas G2 N 2 carrier gas G3 Periodic table Group 13 source gas G4 Nitrogen source gas G5 Etching gas P Polycrystal

Claims (9)

非極性面または半極性面を主面とする種結晶の上に窒化物半導体結晶を成長させる方法であって、
前記種結晶は、下敷支持体を介してサセプターに付設され、
前記下敷支持体の外縁は前記種結晶および前記サセプターの外縁よりも内側に配置され、
前記種結晶と前記サセプターの間の距離は1〜9mmであることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
A method for growing a nitride semiconductor crystal on a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main plane,
The seed crystal is attached to the susceptor via an underlay support,
The outer edge of the underlay support is disposed inside the outer edge of the seed crystal and the susceptor,
The method for producing a nitride semiconductor crystal, wherein a distance between the seed crystal and the susceptor is 1 to 9 mm.
前記種結晶の外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離が0.1〜30mmである請求項1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support is 0.1 to 30 mm. 前記サセプターの外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離が1〜40mmである請求項1又は2に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1 or 2, wherein a shortest distance between an outer edge of the susceptor and an outer edge of the underlay support is 1 to 40 mm. 前記種結晶の外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離と、前記下地基板と前記サセプターの間の距離の比が3:1〜1:10である請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The ratio of the shortest distance between the outer edge of the seed crystal and the outer edge of the underlay support and the distance between the base substrate and the susceptor is 3: 1 to 1:10. The manufacturing method of the nitride semiconductor crystal of description. 前記サセプターの外縁と前記下敷支持体の外縁の最短距離と、前記種結晶と前記サセプターの間の距離の比が3:1〜1:20である請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The ratio of the shortest distance between the outer edge of the susceptor and the outer edge of the underlay support and the distance between the seed crystal and the susceptor is 3: 1 to 1:20. A method for producing a nitride semiconductor crystal. 前記種結晶の外縁は、前記サセプターの外縁よりも内側に配置される請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   6. The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein an outer edge of the seed crystal is disposed inside an outer edge of the susceptor. 前記種結晶はM面を主面とする六方晶である請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the seed crystal is a hexagonal crystal having an M plane as a main surface. 前記窒化物半導体結晶は、2mm以上の厚さを有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。   The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the nitride semiconductor crystal has a thickness of 2 mm or more. サセプターと、下敷支持体と、非極性面または半極性面を主面とする種結晶と、窒化物半導体結晶とを順に積層した構造を有し、
前記下敷支持体の外縁は前記種結晶および前記サセプターの外縁よりも内側に配置され、
前記下地基板と前記サセプターの間の距離は1〜9mmであることを特徴とする窒化物半導体結晶含有積層体。
It has a structure in which a susceptor, an underlay support, a seed crystal having a nonpolar or semipolar surface as a main surface, and a nitride semiconductor crystal are sequentially stacked,
The outer edge of the underlay support is disposed inside the outer edge of the seed crystal and the susceptor,
The nitride semiconductor crystal-containing laminate, wherein the distance between the base substrate and the susceptor is 1 to 9 mm.
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