JP2014196204A - 周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、結晶の厚さ方向で主面面積の変化が小さく、大面積の基板を効率良く得ることができる周期表第13族金属窒化物半導体結晶を製造する方法を提供することを課題とする。
下地基板上に周期表第13族金属窒化物半導体結晶を成長させる成長工程、を有する周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法であって、
前記成長工程において、前記周期表第13族金属窒化物半導体結晶が{10−10}面及び{10−10}面から+c軸方向に45°以上50°以下に傾いた面、並びに、{11−20}面及び{11−20}面から+c軸方向に30°以上35°以下に傾いた面を外周部に有することを特徴とする、周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法である。
いて、前記外周部が有する{11−20}面から+c軸方向に30°以上35°以下に傾いた面の長さに対する、{11−20}面の長さの比が0.01以上であることが好ましい。
また、前記成長工程において、c軸方向の成長速度が200μm/h以上であることが好ましい。
加えて、前記成長工程において、周期表第13族金属含有原料ガスのモル量に対する窒素含有原料ガスのモル量の比(V/III比)が、1以上20未満であることが好ましい。
なお、本明細書においてC面、M面、A面や面指数により結晶面を表す場合には、±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から、10°以内のオフ角を有する範囲の面を含むものとする。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。
また、本明細書において<・・・・>との表記は方向の集合表現、[・・・・]との表記は方向の個別表現を表す。それに対して{・・・・}との表記は面の集合表現、(・・・・)との表記は面の個別表現を表す。
いた面、並びに、{11−20}面及び{11−20}面から+c軸方向に30°以上35°以下に傾いた面を外周部に有することを特徴とする。
非特許文献1のFig.2に示されるように、C面を主面とする下地基板上にHVPE法でGaNを結晶成長させると、斜めに傾いたファセット面が発生するため、下地基板の径と同程度の径の主面を有する結晶を得ることが難しかった。
そこで本発明者らは、成長工程において、結晶外周部に結晶成長方向と平行な面であるM面及びM面から所定の角度に傾いた面、並びに、結晶成長方向と平行な面であるA面及びA面から所定の角度に傾いた面を出現させて成長させることで、下地基板の径と同程度の、大きな主面面積を有する周期表第13族金属窒化物結晶が得られることを見出した。
図1は、後述する比較例1で製造したGaN結晶のうち特定領域の形状を、特定の方向から見た正面模式図である。なお、(a)、(b)の模式図は正面模式図であり、図に記載の角度は、結晶中央部に向かって傾いたファセット面と下地基板との角度を示す。
比較例1のGaN結晶において、特定方向から見た該GaN結晶の模式図により、従来技術において、結晶の成長の工程で結晶の外周部がどのように成長していくかを理解できる。
図1(a)は、{11−20}面側からGaN結晶1を見た図である。GaN結晶1は、外周部2と中心部2´からなり、中心部2´は若干の起伏はあるものの略平坦な形状となっている。
図1(a)の外周部2には、下地基板の主面からm軸方向に62°傾いたファセット面、すなわち{10−10}面から+c軸方向に28°傾いた面、及び下地基板の主面からm軸方向に43°傾いたファセット面、すなわち{10−10}面から+c軸方向に47°傾いた面が存在する。これらの面は安定化面と考えられ、c軸方向への成長速度が遅くなることで生じた面である。
実施例1のGaN結晶において、特定方向から見た該GaN結晶の模式図により、本実施態様において、結晶成長の工程で結晶の外周部がどのように成長していくかを理解できる。
図2(a)は、{11−20}面側からGaN結晶1を見た図である。図2(a)の外周部2には、比較例1と異なり、{10−10}面が存在する。そのため、比較例1と同様に下地基板の主面からm軸方向に43°傾いたファセット面、すなわち{10−10}面から+c軸方向に47°傾いた面が存在するものの、下地基板の径と略同一径のまま結晶成長した部分が存在する。そのため、大面積のGaN基板を効率良く得ることができる。
とができる。
なお、外周部2は、ファセット面が存在する部分を意味するものであるが、下地基板中心部からその外縁部までを結ぶ直線において、下地基板中心部からの距離が下地基板中心部からその外縁部までの長さの50%以上である部分を意味することもあり得る。
図2(a)のc−c´鎖線は、GaN結晶1におけるA面断面を表す。A面断面において、{10−10}面の長さ12の、{10−10}面から+c軸方向に45°以上50°以下に傾いた面の長さ11に対する比率が0.01以上の場合には、下地基板の径と略同一径のまま結晶成長した部分が多く存在し、好ましい。
図2(b)のd−d´鎖線は、GaN結晶1におけるM面断面を表す。M面断面において、{11−20}面の長さ14の、{11−20}面から+c軸方向に45°以上50°以下に傾いた面の長さ13に対する比率が0.01以上の場合には、下地基板の径と略同一径のまま結晶成長した部分が多く存在し、好ましい。
また、V/III比が1以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることが更に好ましい。一方20未満であることが好ましく、18以下であることがより好ましく、17以下であることが更に好ましい。
結晶成長温度は、通常900℃以上、好ましくは950℃以上、より好ましくは980℃以上である。一方1100℃以下、好ましくは1080℃以下、より好ましくは1050℃以下、さらに好ましくは1040℃以下である。
結晶成長時間は、通常1時間以上、好ましくは5時間以上、より好ましくは10時間以上である。一方、200時間以下、好ましくは150時間以下、より好ましくは100時間以下である。
結晶成長厚みは、通常0.1mm以上、好ましくは0.5mm以上、より好ましくは1mm以上であり、また、通常1000mm以下である。
キャリアガスとして水素、窒素、アルゴン、又はヘリウムなどを用いることが好ましく、H2ガスを用いることがより好ましい。
このような成長速度の条件を満たすことで、<10−10>方向及び<11−20>方向の成長速度が遅く、{10−10}面や{11−20}面が存在し易くなる。<10−10>方向及び<11−20>方向の成長速度が上記要件を満たすためには、V/III比を大きくすることで達成できる傾向にある。
本発明者らが検討したところ、結晶成長において結晶中心部に生じるピットは、結晶外周部に{10−10}面、及び{11−20}面が生じる成長条件である場合には、ピットの側面の、結晶主面に対する傾き角度が35°以上45°以下となる傾向にあることを見出した。すなわち、アズグロウン周期表第13族金属窒化物半導体結晶においてその結晶中心部にピットを有し、ピット側面の角度が上記範囲である場合には、本発明の製造方法を実施して製造した結晶である可能性が極めて高いといえる。
なお、ここでいう「ピット」とは、下地基板に由来するピットではなく、結晶成長中に生じるピットをいう。そのため、結晶裏面を観察した際に当該ピットが下地基板まで貫通していないものを「ピット」と呼ぶ。
図3に示すGaN結晶1は、その結晶中心部に複数のピット7を有する。本実施態様に係るピットはその側面の角度に特徴を有する。図中8で表される、ピット側面の、結晶主面に対する傾き角度が35°以上45°以下である。このような角度のピットが生じる場合には、図中3で表される{10−10}面、及び図中では図示しない{11−20}面が存在する傾向がある。
また、下地基板の主面の形状は特に限定されないが、成長結晶の外周部にM面及びA面が形成しやすい傾向があることから、下地基板の主面の形状が六角形、十二角形、円形、又は楕円形のものを用いることが好ましく、円形又は楕円形であることがより好ましく、円形であることがさらに好ましい。
さらに、下地基板の成長面における最大径は特に限定されないが、20mm以上である
ことが好ましく、30mm以上であることがより好ましく、40mm以上であることがさらに好ましく、また、通常500mm以下である。下地基板の成長面の形状が六角形、十二角形、円形、又は楕円形のものを用いることが好ましく、六角形又は円形であることがより好ましく、円形であることがさらに好ましい。なお、下地基板の成長面とは、下地基板の主面のうち、その上に周期表第13族金属窒化物半導体結晶を成長させうる面を意味する。
なお、上記タイル法、マザーシード法を用いる場合、下地基板と結晶成長層が同一であるホモエピタキシャル成長であることが好ましい。
1)ハライド気相成長法(HVPE法)、
2)有機金属化学蒸着法(MOCVD法)
3)有機金属塩化物気相成長法(MOC法)
4)昇華法
5)液相エピタキシー法(LPE法)
6)アモノサーマル法
などの公知の方法を適宜採用することができる。本発明の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法には1)〜4)のような気相成長法を採用することが好ましく、量産性の観点からHVPE法またはMOCVD法を採用することがより好ましく、HVPE法を採用することが特に好ましい。以下、HVPE法を採用した結晶成長方法を、製造装置と共に説明する。
リアクター内の圧力は10kPa〜200kPaであるのが好ましく、30kPa〜150kPaであるのがより好ましく、50kPa〜120kPaであるのがさらに好ましい。
また、周期表第13族金属源となる原料ガスの分圧は2.5kPa〜100kPaとすることが好ましく、窒素源となる原料ガスの分圧は15kPa〜100kPaとすることが好ましい。
加えて、高い結晶成長速度を実現するためには、窒素原料/周期表第13族金属原料モル比は1以上20未満であることが好ましく、原料ガス供給口と結晶成長端距離は、1以上30cm以下であることが好ましい。
サセプター上の基板ホルダーに、+C軸方向が上向きで円形状のサファイア下地基板(φ76.2mm)をセットした。キャリアガスをH2とし、リアクター(反応容器)内の温度を1030℃に設定し、リアクター内を常圧とし、原料ガスを+C軸方向から供給して、下地基板を5rpmの速度で回転させながら、GaClの分圧は4.8kPa、NH3の分圧は24kPaとし、V/III比は、5に設定した。また、N2を26kPa添加した。その上で、結晶成長を10時間行った。その結果、膜厚が3350μmで、成長速度は335μm/hの結晶を得た。結晶形状は、下地基板直上が円柱状であり、さらにその上は十二角錘台状であった。また、下地基板主面の面積と成長界面における下地基板の主面と同じ指数面の面積の比が、88%となった。結晶の端部を観察したところ、{10−10}面及び{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面、並びに、{11−20}面及び{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面を有する外周部となった。その外周部において、{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面の長さに対して、{10−10}面の長さの比が0.33であった。また、{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面の長さに対して、{11−20}面の長さの比が1.33であった。中心付近に発生したピットの側面の、結晶主面に対する角度を確認したところ、40°であった。<0001>方向の成長速度に対する<10−10>方向の成長速度が6.7%となった。また、<0001>方向の成長速度に対する<11−20>方向の成長速度が7.4%となった。
高速成長において、V/III比を実施例1に比べ高く設定し結晶を作製することにした。サセプター上の基板ホルダーに、+Cが上向きで円形状のサファイア下地基板(φ76.2mm)をセットした。キャリアガスをH2とし、リアクター(反応容器)内の温度を1030℃に設定し、リアクター内を常圧とし、原料ガスを+C面方向から供給して、下地基板を5rpmの速度で回転させながら、10時間結晶成長を行った。GaClの分圧は3.6kPa、NH3の分圧は60kPaとし、V/III比は、16.7に設定した。また、N2を26kPa添加した。その結果、膜厚が5900μmで、成長速度は590μm/hの結晶を得た。結晶形状は、下地基板直上が円柱状であり、さらにその上は十二角錘台状であった。また、下地基板主面の面積と成長界面における下地基板の主面と同じ指数面の面積の比が、89%となった。結晶の端部を観察したところ、{10−10}面及び{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面、並びに、{11−20}面及び{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面を有する外周部となった。その外周部において、{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面の長さに対して、{10−10}面の長さの比が0.48であった。また、{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面の長さに対して、{11−20}面の長さの比が1.45であった。<0001>方向の成長速度に対する<10−10>方向の成長速度が14.3%となった。また、<0001>方向の成長速度に対する<11−20>方向の成長速度が12.8%となった。
実施例1と比較するため、成長速度の低い場合の結晶を作製した。その際、V/III比は、実施例1の場合と同様5に設定した。サセプター上の基板ホルダーに、+Cが上向きで円形状のサファイア下地基板(φ76.2mm)をセットした。キャリアガスをH2とし、リアクター(反応容器)内の温度を1030℃に設定し、リアクター内を常圧とし、原料ガスを+C面方向から供給して、下地基板を5rpmの速度で回転させながら、30時間結晶成長を行った。GaClの分圧は2.4kPa、NH3の分圧は14kPaとした。また、N2を26kPa添加した。その結果、膜厚が4400μmで、成長速度は147μm/hの結晶を得た。結晶形状は、下地基板直上が十二角錘台状であり、さらにその上は側面の傾きが異なる十二角錘台状であった。また、下地基板主面の面積と成長界面における下地基板の主面と同じ指数面の面積の比が、59%となった。結晶の端部を観察したところ、{10−10}面からc軸方向に28°に傾いた面及び{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面、並びに、{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面を有する外周部となった。その外周部において、{10−10}面からc軸方向に47°に傾いた面の長さに対して、{10−10}面の長さの比は{10−10}面がないことから0であった。また、{11−20}面からc軸方向に32°に傾いた面の長さに対して、{11−20}面の長さの比は{11−20}面がないことから0であった。中心付近に発生したピットの角度を確認したところ、50°から60°であった。<0001>方向の成長速度に対する<10−10>方向の成長速度が16.7%となった。また、また、<0001>方向の成長速度に対する<11−20>方向の成長速度が17.2%となった。
2 結晶外周部
2´ 結晶中心部
3 {10−10}面
4 {10−10}面からc軸方向に47°傾いた面
5 {11−20}面
6 {11−20}面からc軸方向に32°傾いた面
7 ピット
8 ピット側面の主面に対する傾き角度
100 リアクター
101 キャリアガス用配管
102 ドーパントガス用配管
103 第13族原料用配管
104 窒素原料用配管
105 第13族原料用リザーバー
106 ヒーター
107 サセプター
108 排気管
109 成長用基板
G1 キャリアガス
G2 ドーパントガス
G3 第13族原料ガス
G4 窒素原料ガス
Claims (8)
- 下地基板上に周期表第13族金属窒化物半導体結晶を成長させる成長工程、を有する周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法であって、
前記成長工程において、前記周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、{10−10}面及び{10−10}面から+c軸方向に45°以上50°以下に傾いた面、並びに、{11−20}面及び{11−20}面から+c軸方向に30°以上35°以下に傾いた面を外周部に有することを特徴とする、周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。 - 前記周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、A面断面において、前記外周部が有する{10−10}面から+c軸方向に45°以上50°以下に傾いた面の長さに対する、{10−10}面の長さの比が、0.01以上であることを特徴とする請求項1に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、M面断面において、前記外周部が有する{11−20}面から+c軸方向に30°以上35°以下に傾いた面の長さに対する、{11−20}面の長さの比が0.01以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。
- 前記成長工程において、<0001>方向の成長速度に対する<10−10>方向の成長速度が15%以下であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記成長工程において、<0001>方向の成長速度に対する<11−20>方向の成長速度が15%以下であることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記成長工程において、周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、その中心部に1以上のピットを有し、前記ピットの側面の前記結晶主面に対する傾き角度が35°以上45°以下であることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記成長工程において、c軸方向の成長速度が200μm/h以上であることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の周期表第第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記成長工程において、周期表第13族金属含有原料ガスのモル量に対する窒素含有原料ガスのモル量の比(V/III比)が、1以上20未満であることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
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