JP2017536325A - Group III nitride crystals, methods for their production, and methods for producing bulk Group III nitride crystals in supercritical ammonia - Google Patents
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Abstract
一事例では、本発明は、単結晶または高配向多結晶III族窒化物の窒素極性c−面を暴露させる第1の側と、III族窒化物のIII族極性表面、多結晶相、または非結晶相を暴露させる第2の側とを有する、III族窒化物結晶を提供する。そのような構造は、バルクIII族窒化物結晶のアモノサーマル成長のためのシード結晶として有用である。本発明はまた、そのような結晶を加工する方法も開示する。本発明はまた、そのような結晶を使用して、アモノサーマル法によってIII族窒化物のバルク結晶を加工する方法も開示する。In one case, the present invention provides a first side that exposes the nitrogen polar c-plane of a single crystal or highly oriented polycrystalline group III nitride, and a group III polar surface, polycrystalline phase, or non-phase of the group III nitride. A III-nitride crystal is provided having a second side that exposes the crystalline phase. Such a structure is useful as a seed crystal for ammonothermal growth of bulk III-nitride crystals. The present invention also discloses a method for processing such crystals. The present invention also discloses a method for processing a group III nitride bulk crystal by an ammonothermal method using such a crystal.
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、米国出願シリアル番号第62/086,699号、発明の名称“Group III Nitride Crystals, Their Fabrication Method, and Method of Fabricating Crystals in Supercritical Ammonia”、発明者Tadao Hashimoto、代理人管理番号SIXPOI−022USPRV1、出願日2014年12月2日に対する優先権の利益を主張するものであり、その内容は、それらの全体が本明細書中に参照により援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is a US application serial number 62 / 086,699, the title of the invention “Group III Nitride Crystals, Their Fabrication Method, and Method of Fabricating Crystals in SuperCriticals in SuperCritical. , Claiming the benefit of priority to the filing date of December 2, 2014, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety.
本願は、以下の米国特許出願にも関連している。 This application is also related to the following US patent applications:
PCT実用特許出願第US2005/024239号、出願日2005年7月8日、発明者Kenji Fujito, Tadao Hashimoto および Shuji Nakamura、発明の名称“METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE”、代理人管理番号30794.0129−WO−Ol(2005−339−1); PCT Practical Patent Application No. US2005 / 024239, Filing Date July 8, 2005, Inventors Kenji Fujito, Tadao Hashimoto and Shuji Nakamura, and the title of the invention “METHOD FOR GROWING GROUPS CUP Agent management number 307944.0129-WO-Ol (2005-339-1);
米国特許出願シリアル番号第11/784,339号、出願日2007年4月6日、発明者Tadao Hashimoto, Makoto Saito, およびShuji Nakamura、発明の名称“METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS”、代理人管理番号30794.179−US−U1(2006−204)(この出願は、米国仮特許出願第60/790,310号、出願日2006年4月7日、発明者Tadao Hashimoto, Makoto Saito,およびShuji Nakamura、発明の名称“A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS”、代理人管理番号30794.179−US−P1(2006−204)の35 U.S.C.§119(e)のもとでの利益を主張している); US Patent Application Serial No. 11 / 784,339, Filing Date April 6, 2007, Inventors Tadao Hashimoto, Makito Saito, and Shuji Nakamura, Title of Invention “METHOD FOR GROWING LARIGAL LARGE SURCE AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS ", Attorney Administration No. 30794.179-US-U1 (2006-204) (This application is US Provisional Patent Application No. 60 / 790,310, filing date April 7, 2006) , Inventors Tadao Hashimoto, Makito Saito, and S Huji Nakamura, title of invention “A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE C. claims the benefit under §119 (e));
米国特許出願第60/973,602号、出願日2007年9月19日、発明者Tadao HashimotoおよびShuji Nakamura、発明の名称“GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD”、代理人管理番号30794.244−US−P1(2007−809−1); U.S. Patent Application No. 60 / 973,602, filing date September 19, 2007, inventors Tadao Hashimoto and Shuji Nakamura, title of the invention "GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD", attorney control number 30-79. US-P1 (2007-809-1);
米国特許出願シリアル番号第11/977,661、出願日2007年10月25日、発明者Tadao Hashimoto、発明の名称“METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN, AND GROUP III−NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY”、代理人管理番号30794.253−US−U1(2007−774−2); US Patent Application Serial No. 11 / 977,661, filing date October 25, 2007, inventor Tadao Hashimoto, title of invention "METHOD FOR GROWING GROUP III-NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIRO" -NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY ", agent management number 30794.253-US-U1 (2007-774-2);
米国特許出願第61/067,117、出願日2008年2月25日、発明者Tadao Hashimoto, Edward Letts, Masanori Ikari、発明の名称“METHOD FOR PRODUCING GROUP III−NITRIDE WAFERS AND GROUP III−NITRIDE WAFERS”、代理人管理番号62158−30002.00またはSIXPOI−003; US Patent Application No. 61 / 067,117, filing date February 25, 2008, inventor Tadao Hashimoto, Edward Letts, Masanori Ikari, title of invention "METHOD FOR PRODUCING GROUP III-NITIDE WAFERS III UPER SFR Agent management number 62158-30002.00 or SIXPOI-003;
米国特許出願シリアル番号第61/058,900号、出願日2008年6月4日、発明者Edward Letts, Tadao Hashimoto, Masanori Ikari、発明の名称“METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III−NITRIDE CRYSTALS FROM INITIAL GROUP III−NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH”、代理人管理番号第62158−30004.00またはSIXPOI−002; US Patent Application Serial No. 61 / 058,900, Filing Date June 4, 2008, Inventor Edward Letts, Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Title of Invention “METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GRO III-NITRIDE SEED BY AMMONOTHERM GROWTH ", agent management number 62158-30004.00 or SIXPOI-002;
米国特許出願シリアル番号第61/058,910号、出願日2008年6月4日、発明者Tadao Hashimoto, Edward Letts, Masanori Ikari、発明の名称“HIGH−PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH−PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL”、代理人管理番号62158−30005.00またはSIXPOI−005(米国特許第8,236,237号として発行); US Patent Application Serial No. 61 / 058,910, Filing Date June 4, 2008, Inventor Tadao Hashimoto, Edward Letts, Masanori Ikari GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH-PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL ”, agent management number 62158-30005.00 or SIXPOI-005 (issued as US Pat. No. 8,236,237);
米国特許出願シリアル番号第61/131,917号、出願日2008年6月12日、発明者Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Letts、発明の名称“METHOD FOR TESTING III−NITRIDE WAFERS AND III−NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA”、代理人管理番号62158−30006.00またはSIXPOI−001; US patent application serial number 61 / 131,917, filing date June 12, 2008, inventor Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Letts, title of invention “METHOD FOR TESTING III-NITRIDE WAFERS AND IIIWERSS AND IIIWERS TEST DATA ", agent management number 62158-30006.00 or SIXPOI-001;
米国特許出願シリアル番号第61/106,110号、出願日2008年10月16日、発明者Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Letts、発明の名称“REACTOR DESIGN FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS”、代理人管理番号SIXPOI−004; US Patent Application Serial No. 61 / 106,110, Filing Date Oct. 16, 2008, Inventor Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Letters, Title of Invention “REACTOR DESIGN FOR GROING GROUP GROUP III NITride GROUP RID III NITRIDE CRYSTALS ", agent management number SIXPOI-004;
米国特許出願シリアル番号第61/694,119、出願日2012年8月28日、発明者Tadao Hashimoto, Edward Letts, Sierra Hoff,発明の名称“GROUP III NITRIDE WAFER AND PRODUCTION METHOD”、代理人管理番号SIXPOI−015; US patent application serial number 61 / 694,119, filing date August 28, 2012, inventor Tadao Hashimoto, Edward Letts, Sierra Hoff, title of invention "GROUP III NITRIDE WAFER AND PRODUCTION METHOD", agent management number SIXPO -015;
米国特許出願シリアル番号第61/705,540号、出願日2012年9月25日、発明者Tadao Hashimoto, Edward Letts, Sierra Hoff、発明の名称“METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS”、代理人管理番号SLXPOI−014; US Patent Application Serial No. 61 / 705,540, filing date September 25, 2012, inventor Tadao Hashimoto, Edward Letts, Sierra Hoff, title of invention “METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS”, agent control number SLXPOI-014;
これらの出願は、以下に完全に示される場合と同様に、それらの全体が本明細書中に参照により援用される。 These applications are hereby incorporated by reference in their entirety, as if fully set forth below.
(技術分野)
本発明は、発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード(LD)等の光電子素子ならびにトランジスタ等の電子素子を含む、種々の素子のための半導体ウエハを生産するために使用される、半導体材料の基板またはバルク結晶に関する。より具体的には、本発明は、窒化ガリウム等のIII族窒化物の結晶を提供する。本発明はまた、これらの結晶を作製する種々の方法を提供する。
(Technical field)
The present invention relates to a substrate of semiconductor material used to produce semiconductor wafers for various devices, including optoelectronic devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LD) and electronic devices such as transistors. It relates to bulk crystals. More specifically, the present invention provides a group III nitride crystal such as gallium nitride. The present invention also provides various methods for making these crystals.
本書は、括弧内の数字、例えば、[x]を用いて示されるように、いくつかの刊行物および特許を参照する。以下は、これらの刊行物および特許の一覧である。
[1]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第6,656,615号)
[2]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,132,730号)
[3]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,160,388号)
[4]K. Fujito, T. Hashimoto, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2005/024239号、第WO07008198号)
[5]T. Hashimoto, M. Saito, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2007/008743号、第WO07117689号。また、第US20070234946号、米国出願第11/784,339号(2007年4月6日出願)も参照。)
[6]D' Evelyn(米国特許第7,078,731号)
This document refers to several publications and patents, as indicated using numbers in parentheses, for example [x]. The following is a list of these publications and patents.
[1] R.M. Dwilinski, R.D. Doradzinski, J. et al. Garczynski, L.M. Sierzputowski, Y.M. Kanbara (US Pat. No. 6,656,615)
[2] R.A. Dwilinski, R.D. Doradzinski, J. et al. Garczynski, L.M. Sierzputowski, Y.M. Kanbara (US Pat. No. 7,132,730)
[3] R.M. Dwilinski, R.D. Doradzinski, J. et al. Garczynski, L.M. Sierzputowski, Y.M. Kanbara (US Pat. No. 7,160,388)
[4] K.K. Fujito, T .; Hashimoto, S.H. Nakamura (International Patent Application No. PCT / US2005 / 024239, WO07008198)
[5] T.M. Hashimoto, M .; Saito, S .; Nakamura (International Patent Application No. PCT / US2007 / 008743, WO07117869. See also US20070234946, U.S. Application No. 11 / 784,339 (filed Apr. 6, 2007).)
[6] D'Evelyn (US Pat. No. 7,078,731)
本書に列挙される参考文献はそれぞれ、本明細書に完全に記載される場合と同様に、特に、III族窒化物基板の作製および使用方法のその説明に関して、参照することによって全体として組み込まれる。 Each of the references listed herein is incorporated by reference in its entirety as if fully set forth herein, particularly with respect to its description of how to make and use a III-nitride substrate.
窒化ガリウム(GaN)およびその関連III族窒化物合金は、LED、LD、マイクロ波電力トランジスタ、およびソーラー・ブラインド型光検出器等の種々の光電子および電子素子のための重要な材料である。現在、LEDは、ディスプレイ、インジケータ、汎用照明において広く使用されており、LDは、データ保管用ディスクドライブにおいて使用されている。しかしながら、これらの素子の大部分は、GaN基板が、これらのヘテロエピタキシャル基板と比較して、非常に高価であるため、サファイアおよび炭化ケイ素等の異種基板上にエピタキシャル成長される。III族窒化物のヘテロエピタキシャル成長は、著しく欠陥またはさらに亀裂がある膜を生じさせ、汎用電灯または高電力マイクロ波トランジスタのための高輝度LED等の高性能光学および電子素子の実現を妨害する。 Gallium nitride (GaN) and its related group III-nitride alloys are important materials for various optoelectronic and electronic devices such as LEDs, LDs, microwave power transistors, and solar blind photodetectors. Currently, LEDs are widely used in displays, indicators, and general lighting, and LDs are used in data storage disk drives. However, most of these devices are epitaxially grown on dissimilar substrates such as sapphire and silicon carbide because GaN substrates are very expensive compared to these heteroepitaxial substrates. Group III nitride heteroepitaxial growth results in films with significant defects or even cracks, hampering the realization of high performance optical and electronic devices such as high intensity LEDs for general purpose lamps or high power microwave transistors.
へテロエピタキシによって生じるあらゆる基本問題を解決するために、バルクIII族窒化物結晶インゴットからスライスされた結晶III族窒化物ウエハを利用することが不可欠である。素子の大部分に関して、結晶GaNウエハは、ウエハの伝導性を制御することが比較的に容易であって、GaNウエハが、素子層と最小格子/熱不整合を提供するであろうため、好ましい。しかしながら、高融点および高温における高窒素蒸気圧のため、GaN結晶インゴットを成長させることは困難である。現在、市販のGaN基板の大部分は、水素化物気相エピタキシ(HVPE)と呼ばれる方法によって生産される。HVPEは、気相法の1つであって、転位密度を105cm−2未満に低減させることが困難である。 In order to solve any fundamental problems caused by heteroepitaxy, it is essential to utilize a crystalline group III nitride wafer sliced from a bulk group III nitride crystal ingot. For the majority of devices, crystalline GaN wafers are preferred because it is relatively easy to control the conductivity of the wafer, and GaN wafers will provide minimal lattice / thermal mismatch with the device layers. . However, it is difficult to grow GaN crystal ingots due to the high melting point and high nitrogen vapor pressure at high temperatures. Currently, most of the commercially available GaN substrates are produced by a method called hydride vapor phase epitaxy (HVPE). HVPE is one of the gas phase methods, and it is difficult to reduce the dislocation density to less than 10 5 cm −2 .
転位密度が105cm−2未満の高品質GaN基板を得るために、アモノサーマル成長、フラックス成長、高温溶液成長等の種々の成長法が、開発されている。アモノサーマル法は、III族窒化物結晶を超臨界アンモニア中で成長させる[1−6]。フラックス方法および高温溶液成長は、III族金属の溶融物を使用する。 In order to obtain a high quality GaN substrate having a dislocation density of less than 10 5 cm −2 , various growth methods such as ammonothermal growth, flux growth, and high temperature solution growth have been developed. The ammonothermal method grows group III nitride crystals in supercritical ammonia [1-6]. The flux method and high temperature solution growth use a Group III metal melt.
最近は、105cm−2未満の転位密度を有する高品質GaN基板は、アモノサーマル成長によって得られることができる。アモノサーマル法は、真のバルク結晶を生産することができるため、1つまたはそれを上回る厚い結晶を成長させ、それらをスライスし、GaNウエハを生産することができる。アモノサーマル成長では、GaNのバルク結晶は、シード結晶上に成長される。しかしながら、GaNまたは他のIII族窒化物結晶は、事実上存在しないため、GaNシード結晶を他の方法を用いて加工しなければならない。 Recently, high quality GaN substrates with dislocation density of less than 10 5 cm −2 can be obtained by ammonothermal growth. Because the ammonothermal method can produce true bulk crystals, one or more thick crystals can be grown and sliced to produce a GaN wafer. In ammonothermal growth, a bulk crystal of GaN is grown on a seed crystal. However, since GaN or other group III nitride crystals are virtually absent, GaN seed crystals must be processed using other methods.
アモノサーマルバルク成長において使用するために好適なシード結晶を迅速に成長させることは、困難である。今日の大部分の方法は、アモノサーマル成長によって形成される結晶から得られるシードに依拠する。例えば、気相エピタキシによって生産される、アモノサーマル成長において使用するために十分に厚いシードは、典型的には、特に、結晶の窒素極性面(c−面の面等)上で亀裂する。その結果、人々は、より高速の成長法においてシードを形成することによって、アモノサーマル結晶成長のためのシードを得ようとし得るが、人々は、結晶がアモノサーマルプロセスにおいてより高速に成長する方法を介してシードを生産する際、限定された成功率に直面することになる。 It is difficult to rapidly grow seed crystals suitable for use in ammonothermal bulk growth. Most methods today rely on seeds obtained from crystals formed by ammonothermal growth. For example, seeds that are sufficiently thick for use in ammonothermal growth, produced by vapor phase epitaxy, typically crack, especially on the nitrogen polar face (such as the c-plane face) of the crystal. As a result, people may try to obtain seeds for ammonothermal crystal growth by forming seeds in a faster growth method, but people grow crystals faster in ammonothermal processes When producing seed through the method, you will face a limited success rate.
本発明は、アモノサーマルバルク成長におけるシード結晶のために使用され得る、III族窒化物結晶を開示する。加えて、本発明は、アモノサーマルバルク成長におけるシード結晶のために使用され得る、III族窒化物結晶を加工する方法を開示する。また、本発明は、III族窒化物結晶をシードとして使用して、III族窒化物のバルク結晶を超臨界アンモニア中で成長させる方法を開示する。 The present invention discloses group III nitride crystals that can be used for seed crystals in ammonothermal bulk growth. In addition, the present invention discloses a method for processing group III nitride crystals that can be used for seed crystals in ammonothermal bulk growth. The present invention also discloses a method for growing group III nitride bulk crystals in supercritical ammonia using group III nitride crystals as seeds.
事例では、本発明は、第1の窒素極性c−面側と、第1の側と反対の第2の側とを有する、III族窒化物のウエハまたは他の基板を提供する。第1の側は、単結晶または高配向多結晶III族窒化物の暴露された窒素極性面を有する。第2の側は、III族窒化物の多結晶相または非結晶相のいずれかのIII族極性c−面の面を有する。III族窒化物の構造品質は、第1の側上で最高であって、第2の側に向かって徐々に劣化する。第1の側から第2の側への構造劣化は、したがって、徐々にかつ継続的であり得る。本構造を用いることで、第1の側は、結晶亀裂がなくなる。 In an example, the present invention provides a III-nitride wafer or other substrate having a first nitrogen polarity c-plane side and a second side opposite the first side. The first side has an exposed nitrogen polar face of single crystal or highly oriented polycrystalline III-nitride. The second side has a Group III polar c-plane face in either the polycrystalline or amorphous phase of the Group III nitride. The structural quality of the III-nitride is highest on the first side and gradually deteriorates towards the second side. The structural degradation from the first side to the second side can therefore be gradual and continuous. By using this structure, crystal cracks are eliminated on the first side.
くつかの事例では、本明細書に開示されるようなウエハまたは結晶は、単結晶III族窒化物である、第1の窒素極性面と、配向多結晶III族窒化物、非配向多結晶III族窒化物、非結晶III族窒化物、またはこれらの混合物である、第2の面とを有する。ある他の事例では、本明細書に開示されるようなウエハまたは結晶は、配向多結晶III族窒化物である、第1の窒素極性面と、非配向多結晶III族窒化物、非結晶III族窒化物、またはこれらの混合物である、第2の面とを有する。いずれの場合も、第2の面は、ウエハまたは結晶が結果として生じるウエハまたは結晶がその第1の窒素極性面上で亀裂しないよう十分に低い応力をその中で有するように、ウエハまたは結晶の第1の面より劣る構造品質を有する。 In some cases, a wafer or crystal as disclosed herein is a single nitrogen group III nitride, a first nitrogen polar plane, an oriented polycrystalline group III nitride, a non-oriented polycrystalline group III. A second surface that is a group nitride, an amorphous group III nitride, or a mixture thereof. In certain other instances, a wafer or crystal as disclosed herein comprises a first nitrogen polar face that is an oriented polycrystalline III-nitride, an unoriented polycrystalline III-nitride, an amorphous III And a second surface which is a group nitride or a mixture thereof. In either case, the second surface is such that the wafer or crystal has a sufficiently low stress therein to prevent the resulting wafer or crystal from cracking on its first nitrogen polar surface. The structural quality is inferior to that of the first surface.
発明はまた、前述のIII族窒化物結晶を加工する方法を提供する。HVPE等のエピタキシャル成長法を使用することによって、III族窒化物結晶は、III族極性面が暴露された状態で、基板上に成長される。成長の間、温度および/または周囲酸素濃度等の成長条件を変化させることによって、構造品質は、徐々に、好ましくは、成長を通して継続的に劣化される。基板上に成長されたIII族窒化物結晶は、エピタキシャル成長反応器の内側での冷却に応じて、エピタキシャル成長反応器の内側での冷却後、またはエピタキシャル成長反応器の外側で、2つのウエハに分裂し得る。分裂されたウエハの一方は、窒素極性c−面を暴露させる第1の側と、III族窒化物のIII族極性c−面多結晶相または非結晶相を暴露させる第2の側とを有する。 The invention also provides a method of processing the aforementioned group III nitride crystal. By using an epitaxial growth method such as HVPE, the group III nitride crystal is grown on the substrate with the group III polar face exposed. By changing growth conditions such as temperature and / or ambient oxygen concentration during growth, the structure quality is gradually and preferably continuously degraded throughout the growth. Group III nitride crystals grown on the substrate can split into two wafers after cooling inside the epitaxial growth reactor or outside the epitaxial growth reactor, depending on cooling inside the epitaxial growth reactor. . One of the split wafers has a first side that exposes the nitrogen polar c-plane and a second side that exposes the group III polar c-plane polycrystalline or amorphous phase of the group III nitride. .
加えて、本発明は、前述のIII族窒化物結晶を使用して、窒化ガリウム等のIII族窒化物のバルク結晶を超臨界アンモニア中で成長させる方法を提供する。 In addition, the present invention provides a method for growing a group III nitride bulk crystal such as gallium nitride in supercritical ammonia using the group III nitride crystal described above.
ここで、類似参照番号が全体を通して対応する部品を表す図面を参照する。 Reference is now made to the drawings in which like reference numerals represent corresponding parts throughout.
図中、各番号は、以下を表す。
1.III族窒化物結晶
1A.窒素極性c−面表面を暴露させる結晶の第1の側
1B.第1の側と反対の第2の側
In the figure, each number represents the following.
1. Group
図中、各番号は、以下を表す。
2.基板
3.基板上に成長されるIII族窒化物
4.構造品質が成長方向に沿って徐々にかつ継続的に劣化するように、変化する成長パラメータに伴って成長されるIII族窒化物
5.冷却に応じて、またはその後、生じ得る分離の場所
6.基板を含有する、分裂されたウエハの一方
7.III族窒化物ウエハ6が基板から分離した後、基板2上に残っているIII族窒化物層
In the figure, each number represents the following.
2.
(概要)
発明のIII族窒化物結晶は、典型的には、アモノサーマルバルク成長のためのシード結晶として使用される。III族窒化物は、典型的には、GaNであるが、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦l、0≦x+y≦l)として表されるIII族窒化物の任意の固溶体であることができる。III族窒化物結晶は、c−面の窒素極性表面を暴露させる第1の側と、III族窒化物のc−面、多結晶相、または非結晶相のいずれかのIII族極性(例えば、GaNの場合、Ga極性)表面を暴露させる第2の側とを有する。III族窒化物結晶は、高構造品質の窒素極性の第1の面と、より劣る構造品質の第2の面とを有する。本構造を用いることで、結晶の第1の側上に暴露された亀裂を排除することができる。
(Overview)
The inventive group III nitride crystals are typically used as seed crystals for ammonothermal bulk growth. The group III nitride is typically GaN, but any of the group III nitrides represented as Ga x Al y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ l, 0 ≦ x + y ≦ l) It can be a solid solution. The III-nitride crystal has a first side exposing the c-plane nitrogen polar surface and a group III polarity of either the c-plane, polycrystalline or amorphous phase of the III-nitride (eg, (In the case of GaN, Ga polarity) having a second side exposing the surface. The III-nitride crystal has a first surface of nitrogen polarity with high structural quality and a second surface of inferior structural quality. By using this structure, cracks exposed on the first side of the crystal can be eliminated.
第1の側の構造品質は、第2の側のものより高い。「構造品質」とは、バルク結晶内の原子配列の完璧性(バルク結晶の面を横断する結晶格子の単位胞の全体的均一性であって、面は、バルク結晶が成長される基板の表面と平行である)を意味し、これは、X線ロッキングカーブまたは他の分析方法を用いて評価されることができる。X線ロッキングカーブを用いて評価される場合、002反射のロッキングカーブのFWHMは、第2の側より第1の側に対してより小さい。本明細書に説明されるIII族窒化物結晶の特性は、アモノサーマルバルク成長におけるシード結晶としての使用のために好適であり得る。 The structural quality on the first side is higher than that on the second side. “Structural quality” means the completeness of atomic arrangement in the bulk crystal (the overall uniformity of the unit cell of the crystal lattice across the plane of the bulk crystal, which is the surface of the substrate on which the bulk crystal is grown) Which can be evaluated using X-ray rocking curves or other analytical methods. When evaluated using an X-ray rocking curve, the FWHM of the 002 reflection rocking curve is smaller than the second side relative to the first side. The group III nitride crystal properties described herein may be suitable for use as seed crystals in ammonothermal bulk growth.
前述のIII族窒化物結晶を加工するために、HVPE等のエピタキシャル成長法を使用することができる。金属有機化学蒸着(MOCVD)、分子線エピタキシャル成長法(MBE)、フラックス方法、高圧溶液成長、スパッタリングのような他の方法もまた、方法が、サファイア、炭化ケイ素、シリコンおよびガリウムヒ素等の異種基板と互換性がある限り、使用されることができる。 In order to process the aforementioned group III nitride crystal, an epitaxial growth method such as HVPE can be used. Other methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), flux method, high pressure solution growth, sputtering also can be used with different substrates such as sapphire, silicon carbide, silicon and gallium arsenide. It can be used as long as it is compatible.
構造品質は、より多くのIII族窒化物が基板上に堆積されるにつれて成長条件を変化させることによって、成長方向に沿って劣化される。成長条件は、III族窒化物が、基板の表面と平行な面において高品質を有するが、基板からより離れた面ではより劣る品質を有するように、構造品質を徐々に劣化させるように変化される(すなわち、単位胞は、例えば、XRD結果によって示されるように、成長が進むにつれて、新しい成長においてあまり均一または完璧ではなくなる)。構造品質は、高品質面から基板からより離れた面へと継続的に劣化されてもよい。変化は、例えば、線形、指数関数、または他の連続関数であってもよい。構造品質は、代替として、段階的に、好ましくは、小量ずつ、漸次的に変化されてもよい。III族窒化物の十分な量が、ウエハを使用した後続アモノサーマル成長において使用され得る、III族窒化物のウエハを形成するために基板上に堆積される。品質は、基板(分離されたウエハの第1の面が来るであろう)からの分離点またはその近傍では高品質III族窒化物であるが、第2の面においてウエハのバルクIII族窒化物が低応力を有するように十分に低品質を提供するような率で劣化される。低応力量は、ウエハが、ウエハが成長された基板から分離されるとき、第1の窒素極性面が亀裂することを防止するが、依然として、高品質III族窒化物をその第1の窒素極性面上に成長させるアモノサーマル法において使用するために好適なウエハを提供する。得られたIII族窒化物結晶は、したがって、高構造品質の窒素極性の第1の面と、結晶成長の間、結晶成長条件を一定に維持する、または条件を調節し、新しい成長の構造品質を改良することによって、形成される比較結晶より低い応力を伴う、より劣る構造品質の第2の面とを有するものとなる。得られた結晶はまた、その第1の窒素極性面上でのIII族窒化物の後続アモノサーマル成長におけるシードとして使用するために十分に厚い。成長温度および/または周囲ガス中の酸素等の不純物の濃度は、成長の間、変化され、結晶品質を劣化させることができる。例えば、成長温度は、III族窒化物成長の間、低下され、III族極性面の結晶品質を低減させることができる。代替として、または加えて、成長の間、周囲中の酸素濃度は、増加され、III族極性面の結晶品質を低減させてもよい。成長条件は、継続的に変化され、基板から遠くなるほど結晶品質を劣化させることができる。変化は、例えば、温度を線形に低下させる、または周囲中の酸素濃度を線形に増加させること等によって、線形、指数関数、または他の連続関数であってもよい。成長条件における変化は、代替として、段階的に、好ましくは、小量ずつ、漸次的に変化されてもよい。結果として生じるIII族窒化物基板は、したがって、基板の窒素極性面上では良好な結晶品質を、III族窒化物中ではより低い応力を、III族極性面ではより劣った結晶品質を有することができる。 The structural quality is degraded along the growth direction by changing the growth conditions as more III-nitride is deposited on the substrate. The growth conditions are changed to gradually degrade the structural quality so that the III-nitride has a high quality in a plane parallel to the surface of the substrate but a poorer quality in the plane farther from the substrate. (Ie, the unit cell becomes less uniform or perfect in the new growth as it progresses, as shown, for example, by XRD results). The structural quality may be continuously degraded from a high quality surface to a surface farther from the substrate. The change may be, for example, linear, exponential, or other continuous function. The structural quality may alternatively be changed gradually, step by step, preferably incrementally. A sufficient amount of III-nitride is deposited on the substrate to form a III-nitride wafer that can be used in subsequent ammonothermal growth using the wafer. The quality is high quality III-nitride at or near the separation point from the substrate (where the first side of the separated wafer will come), but the bulk III-nitride of the wafer at the second side Is degraded at a rate that provides sufficiently low quality to have low stress. The low amount of stress prevents the first nitrogen polar face from cracking when the wafer is separated from the substrate on which the wafer is grown, but still maintains high quality III-nitride in its first nitrogen polarity. A wafer suitable for use in an ammonothermal method of growing on a surface is provided. The resulting III-nitride crystal is therefore the first surface of high structural quality nitrogen polarity and the crystal growth conditions remain constant during crystal growth, or the conditions are adjusted, and the new growth structural quality By having a second surface of inferior structural quality with a lower stress than the comparative crystal formed. The resulting crystal is also thick enough to be used as a seed in subsequent ammonothermal growth of III-nitrides on its first nitrogen polar face. The growth temperature and / or the concentration of impurities such as oxygen in the surrounding gas can be changed during growth to degrade the crystal quality. For example, the growth temperature can be lowered during group III nitride growth, reducing the crystal quality of the group III polar face. Alternatively or additionally, during growth, the oxygen concentration in the ambient may be increased to reduce the crystal quality of the Group III polar face. The growth conditions are continuously changed, and the crystal quality can be degraded as the distance from the substrate increases. The change may be linear, exponential, or other continuous function, such as by decreasing the temperature linearly or increasing the ambient oxygen concentration linearly. Changes in growth conditions may alternatively be changed gradually, step by step, preferably incrementally. The resulting III-nitride substrate may therefore have good crystal quality on the nitrogen polar face of the substrate, lower stress in the III-nitride, and poorer crystal quality on the III-polar face. it can.
異種基板上での成長が終了した後、冷却に応じて、またはその後、基板上で成長されたIII族窒化物結晶は、時として、可能性として、段階的構造、基板とIII族窒化物との間の熱膨張差、および/または基板とIII族窒化物との間の格子定数差に起因して、2つの断片に分裂し得る(自己分離と呼ぶ)。自己分離は、多くの場合、III族窒化物層7が基板2上でIII族窒化物層3より厚くなるように、異種基板が結晶またはウエハを作製するために使用されるとき、図2のIII族窒化物層7上に堆積された新しいIII族窒化物中で生じる。本事例における層7は、基板2上に元々堆積されたIII族窒化物層3と、層3上に成長された新しいIII族窒化物の一部とを含み得る。自己分離が生じない場合、研削またはレーザリフトオフ等の従来の除去方法を使用して、基板を除去することができる。
After the growth on the heterogeneous substrate is finished, in response to cooling or thereafter, the III-nitride crystals grown on the substrate may sometimes have a stepped structure, the substrate and the III-nitride. Can split into two pieces (referred to as self-separation) due to the difference in thermal expansion between and / or the lattice constant difference between the substrate and the group III nitride. Self-separation is often the case when a heterogeneous substrate is used to fabricate a crystal or wafer such that the III-
前述のIII族結晶は、アモノサーマルバルクGaN成長のためのシードとして好適である。米国特許出願第61/058,910号(現米国特許第8,236,237号)に開示されるもの等のアモノサーマル法を使用することによって、III族窒化物のバルク結晶は、III族結晶上に成長されてもよい。第1の側上の亀裂のない表面およびより高い構造品質に起因して、そのようなシード上に成長されるバルク結晶は、良好な結晶品質を示す。
(本発明の技術的説明)
The aforementioned group III crystal is suitable as a seed for ammonothermal bulk GaN growth. By using ammonothermal methods such as those disclosed in US patent application Ser. No. 61 / 058,910 (currently US Pat. No. 8,236,237), III-nitride bulk crystals are obtained from group III It may be grown on a crystal. Due to the crack-free surface on the first side and higher structural quality, bulk crystals grown on such seeds show good crystal quality.
(Technical description of the present invention)
本発明におけるIII族窒化物結晶の概略は、図1に提示される。III族窒化物結晶は、+/−5度の未満のミスカット角度を伴う、III族窒化物の窒素極性c−面を暴露させる第1の側(1A)を有する。結晶は、III族窒化物のIII族極性c−面、多結晶相、または非結晶相のいずれかを暴露させる、第1の側と反対の第2の側(IB)も有する。 An outline of the group III nitride crystal in the present invention is presented in FIG. The Group III nitride crystal has a first side (1A) that exposes the nitrogen polar c-plane of the Group III nitride with a miscut angle of less than +/− 5 degrees. The crystal also has a second side (IB) opposite the first side that exposes either the Group III polar c-plane, the polycrystalline phase, or the amorphous phase of the Group III nitride.
第1の側は、単結晶または高配向多結晶III族窒化物であって、第2の側は、単結晶、多結晶、または非結晶III族窒化物である。第1の側上の構造品質は、第2の側上のものより高い。ここでは、構造品質とは、結晶中の原子配列の完璧性を意味し、典型的には、X線回折または他の分析方法を用いて特性評価される。X線回折の場合、002反射からのX線ロッキングカーブのFWHMは、両側から記録される。第1の側からのFWHMは、第2の側からのものより小さい。第1の側からのFWHMは、典型的には、1000arcsecより小さい、好ましくは、500arcsec未満、より好ましくは、200arcsec未満である。第2の側からのFWHMは、典型的には、500arcsecを上回る、好ましくは、1000arcsecである。第2の表面が、多結晶相または非結晶相のいずれかである場合、X線中の002ピークを検出することができない。これは、構造品質が劣っていることを意味する。他の分析方法が使用される場合でも、第1の側上の結晶品質は、第2の側上のものより高いことを示す。第1の側から第2の側への構造品質における変化は、好ましくは、徐々にであって、また、漸次的または継続的であってもよい。 The first side is a single crystal or highly oriented polycrystalline group III nitride and the second side is a single crystal, polycrystalline, or amorphous group III nitride. The structural quality on the first side is higher than that on the second side. As used herein, structural quality refers to the completeness of the atomic arrangement in the crystal and is typically characterized using X-ray diffraction or other analytical methods. In the case of X-ray diffraction, the FWHM of the X-ray rocking curve from the 002 reflection is recorded from both sides. The FWHM from the first side is smaller than that from the second side. The FWHM from the first side is typically less than 1000 arcsec, preferably less than 500 arcsec, more preferably less than 200 arcsec. The FWHM from the second side is typically greater than 500 arcsec, preferably 1000 arcsec. If the second surface is in either a polycrystalline phase or an amorphous phase, the 002 peak in X-rays cannot be detected. This means that the structural quality is inferior. Even when other analytical methods are used, it indicates that the crystal quality on the first side is higher than that on the second side. The change in structural quality from the first side to the second side is preferably gradual and may be gradual or continuous.
c−軸方向に沿った非均一構造品質は、第1の側真下の低品質結晶が結晶中の残留応力を低減させる緩衝材として作用するため、第1の側上の亀裂を排除することに役立つ。 The non-uniform structure quality along the c-axis direction eliminates cracks on the first side, as the low quality crystal just below the first side acts as a buffer to reduce residual stress in the crystal. Useful.
III族窒化物結晶の厚さは、典型的には、その形状を維持するために、0.1mmを上回り、好ましくは、0.3mmを上回り、より好ましくは、0.4〜1mmである。 The thickness of the group III nitride crystal is typically greater than 0.1 mm, preferably greater than 0.3 mm, and more preferably 0.4-1 mm to maintain its shape.
後述されるように、III族窒化物結晶は、HVPEのようなエピタキシャル成長法を用いて加工されることができる。MOCVD、MBE、フラックス方法、高圧溶液成長、またはスパッタリング等の他の方法も、これらの方法が、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、およびガリウムヒ素等の異種基板と互換性がある限り、使用されることができる。 As will be described later, the group III nitride crystal can be processed using an epitaxial growth method such as HVPE. Other methods such as MOCVD, MBE, flux method, high pressure solution growth, or sputtering should also be used as long as these methods are compatible with dissimilar substrates such as sapphire, silicon carbide, silicon, and gallium arsenide. Can do.
第1の側(すなわち、窒素極性c−面表面)上の高構造品質および亀裂のない特性は、バルクIII族窒化物結晶が、典型的には、本方法では、窒素極性c−面上に成長されるため、アモノサーマルバルク成長に有益である。本発明におけるIII族窒化物結晶が、アモノサーマル成長においてシード結晶として使用されるとき、第1の表面は、好ましくは、表面上の高レベルの平坦性および適切な原子配列のためにラッピングおよび研磨される。第1の側は、随意に、化学機械的研磨を用いて研磨され、原子的に平坦表面を得て、前のプロセスによって生じた表面下損傷を除去する。結晶の第2の側を別のシード(第2の側は、劣った結晶品質を伴う側が相互に面するようにともに付着される)または他のマスキング材料(銀箔、ニッケル箔、バナジウム箔、または他の金属箔等)で被覆することによって、III族窒化物の高品質バルク結晶が、III族窒化物結晶の第1の側上で得られることができる。 High structural quality and crack-free properties on the first side (ie, the nitrogen polar c-plane surface) indicate that bulk III-nitride crystals are typically on the nitrogen polar c-plane in the present method. Because it is grown, it is beneficial for ammonothermal bulk growth. When the III-nitride crystal in the present invention is used as a seed crystal in ammonothermal growth, the first surface is preferably lapped and bonded for high levels of flatness and proper atomic arrangement on the surface. Polished. The first side is optionally polished using chemical mechanical polishing to obtain an atomically flat surface to remove subsurface damage caused by previous processes. Another seed on the second side of the crystal (the second side is attached together so that the sides with poor crystal quality face each other) or other masking material (silver foil, nickel foil, vanadium foil, or By coating with other metal foils, etc., a high quality bulk crystal of group III nitride can be obtained on the first side of the group III nitride crystal.
前述のIII族窒化物結晶を加工するために、III族窒化物のエピタキシャル成長は、好ましくは、HVPEを用いて、基板上で実施される。基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、もしくはガリウムヒ素等の異種基板、またはGaN、A1N、InN、またはその固溶体等の同質基板であってもよい。MOCVD、MBE、フラックス方法、高圧溶液成長、またはスパッタリング等の他のエピタキシャル成長法も、これらの方法が、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、およびガリウムヒ素等の異種基板と互換性がある限り、使用されることができる。 In order to process the aforementioned group III nitride crystals, the group III nitride epitaxial growth is preferably carried out on the substrate using HVPE. The substrate may be a heterogeneous substrate such as sapphire, silicon carbide, silicon, or gallium arsenide, or a homogeneous substrate such as GaN, A1N, InN, or a solid solution thereof. Other epitaxial growth methods such as MOCVD, MBE, flux methods, high pressure solution growth, or sputtering are also used as long as these methods are compatible with dissimilar substrates such as sapphire, silicon carbide, silicon, and gallium arsenide. be able to.
図2は、本発明による方法におけるプロセスステップの特定のシーケンスを示す。図2Aは、III族窒化物を成長させる前の基板2を示す。HVPE反応器等のエピタキシャル成長反応器内において、単結晶または高配向多結晶III族窒化物層3が、成長される。成長温度は、典型的には、950〜1150℃である。本ステップ後、温度等の成長条件は、徐々に低下される、および/または周囲ガス中の不純物の濃度は、徐々に増加され、構造品質を徐々に悪化させ、III族窒化物結晶層4を形成する。構造品質における徐変は、成長方向における結晶色暗化によって描写される。成長が終了後、基板上のIII族窒化物結晶は、冷却される。冷却プロセスの間またはその後、III族窒化物結晶は、水平線5に沿って亀裂し、2つのウエハに分裂する結果となり得る。一方のウエハ6は、基板を含有し、他方のウエハは、本発明におけるIII族窒化物結晶である。我々は、本分裂を自己分離と呼ぶ。
FIG. 2 shows a specific sequence of process steps in the method according to the invention. FIG. 2A shows the
自己分離が生じない場合、機械的研削およびレーザリフトオフ等の従来の方法を用いて基板を除去することができる。基板の除去後、本発明におけるIII族窒化物結晶を得る。 If self-separation does not occur, the substrate can be removed using conventional methods such as mechanical grinding and laser lift-off. After removing the substrate, the group III nitride crystal in the present invention is obtained.
本III族窒化物結晶は、バルクGaNのアモノサーマル成長におけるシード結晶として使用されることができる。米国特許出願第61/058,910号(現米国特許第8,236,237号)に開示されるように、例えば、シード結晶、ナトリウム金属等の鉱化剤、バッフル等の流量制限デバイス、多結晶GaN等のガリウム含有栄養剤、およびアンモニアが、高圧反応器内に装填される。高圧反応器の内側は、少なくとも2つの領域、すなわち、シード領域および栄養剤領域に分割される。アンモノ塩基性条件(すなわち、鉱化剤等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を使用する)場合、シード領域は、栄養剤領域の下方に位置する。バッフルは、これらの2つの領域を分離する。高圧反応器は、適切な温度差がもたらされ、III族窒化物を成長させるように、加熱される。 The present group III nitride crystal can be used as a seed crystal in ammonothermal growth of bulk GaN. As disclosed in US Patent Application No. 61 / 058,910 (currently US Pat. No. 8,236,237), for example, seed crystals, mineralizers such as sodium metal, flow restriction devices such as baffles, A gallium-containing nutrient such as crystalline GaN and ammonia are charged into the high pressure reactor. The inside of the high pressure reactor is divided into at least two regions, a seed region and a nutrient region. In the case of ammonobasic conditions (ie, using an alkali metal or alkaline earth metal such as a mineralizer), the seed region is located below the nutrient region. A baffle separates these two areas. The high pressure reactor is heated so that the appropriate temperature difference is provided and the group III nitride is grown.
GaNのアンモノ塩基性成長の場合、バルクGaN結晶は、典型的には、ガリウム面上より優れた品質を窒素面上に示す。したがって、本発明におけるIII族窒化物結晶は、アモノサーマル成長に有益である。結晶のIII族極性側を被覆することによって、窒素極性側上に高品質GaN結晶を選択的に成長させることができる。III族極性面をマスキングする、いくつかの方法がある。1つの方法は、2つのシードをともにIII族極性側上で付着させ、窒素極性表面を両側上で暴露させる、1つのハイブリッドシードを作製することである。他の方法は、窒素極性面を上にした状態で、シード結晶をバナジウム、ニッケル、銀、およびニッケル−クロム合金等の金属プレート上に搭載することである。アモノサーマル成長後、バルクGaN結晶が、III族窒化物結晶の窒素側上で得られる。 For ammonobasic growth of GaN, bulk GaN crystals typically exhibit superior quality on the nitrogen surface than on the gallium surface. Therefore, the group III nitride crystal in the present invention is useful for ammonothermal growth. By coating the group III polar side of the crystal, high quality GaN crystals can be selectively grown on the nitrogen polar side. There are several ways to mask the group III polar face. One method is to make one hybrid seed where both seeds are deposited on the Group III polar side and the nitrogen polar surface is exposed on both sides. Another method is to mount the seed crystal on a metal plate such as vanadium, nickel, silver, and nickel-chromium alloy with the nitrogen polar face up. After ammonothermal growth, bulk GaN crystals are obtained on the nitrogen side of group III nitride crystals.
(実施例1)(成長番号0858)
GaN結晶が、HVPEによって成長された。MOCVDによって成長されたGaN層を有する、2インチc−面サファイア基板が、HVPE反応器内に装填された。アンモニアおよび窒素の一定流下で基板温度を約1000℃まで漸増させた後、塩化ガリウムガスが、導入され、単結晶GaNを成長させた。3時間の成長後、成長温度は、13時間にわたって徐々に低下された。温度は、13時間にわたって100℃ずつ線形に低下され、13時間あたり100℃の温度低下率をもたらした。合計16時間(一定温度の3時間および段階的温度の13時間)の成長後、塩化ガリウムの供給が、停止され、炉が、オフにされた。約800℃において、アンモニア供給が、停止された。GaN結晶は、温度が約300℃に到達するまで、反応器内で冷却された。結晶が反応器から取り出されると、GaN結晶は、基板部分から自己分離された。
(Example 1) (growth number 0858)
GaN crystals were grown by HVPE. A 2 inch c-plane sapphire substrate with a GaN layer grown by MOCVD was loaded into the HVPE reactor. After gradually increasing the substrate temperature to about 1000 ° C. under a constant flow of ammonia and nitrogen, gallium chloride gas was introduced to grow single crystal GaN. After 3 hours of growth, the growth temperature was gradually decreased over 13 hours. The temperature was reduced linearly by 100 ° C. over 13 hours, resulting in a temperature drop rate of 100 ° C. per 13 hours. After a total of 16 hours of growth (3 hours at constant temperature and 13 hours at stepped temperature), the gallium chloride feed was stopped and the furnace was turned off. At about 800 ° C., the ammonia feed was stopped. The GaN crystal was cooled in the reactor until the temperature reached about 300 ° C. As the crystal was removed from the reactor, the GaN crystal was self-separated from the substrate portion.
基板部分は、GaNの層を有するため、自己分離は、GaN結晶の内側のある場所で生じた。c−面サファイアの厚さは、0.45mmであって、サファイアを含有する部分の厚さは、0.89mmであって、基板から分離されたGaN結晶の厚さは、1.78mmであった。GaN結晶の第1の側は、クリアな色を示した一方、GaN結晶の第2の側は、灰色がかった/黒色がかった色を示した。クリアなGaN結晶は、約1017cm−3未満の酸素を含有する一方、灰色がかった/黒色がかったGaNは、約1019cm−3を上回る酸素を含有する。X線測定は、第1の側(窒素極性側)からの002ピークを示したが、第2の側からのピークを示さなかった。これは、第2の側表面が、多結晶または非結晶GaNのいずれかで被覆されていることを意味する。第1の側は、亀裂がなかった。X線ロッキングカーブを用いて測定されるミスカット角度は、+/−5度以内であった。
(実施例2)(結晶の研削/ラッピング)
Since the substrate portion has a layer of GaN, self-separation occurred somewhere inside the GaN crystal. The thickness of the c-plane sapphire is 0.45 mm, the thickness of the portion containing sapphire is 0.89 mm, and the thickness of the GaN crystal separated from the substrate is 1.78 mm. It was. The first side of the GaN crystal showed a clear color, while the second side of the GaN crystal showed a grayish / blackish color. Clear GaN crystals contain less than about 10 17 cm -3 oxygen, while greyish / blackish GaN contains more than about 10 19 cm -3 oxygen. X-ray measurements showed a 002 peak from the first side (nitrogen polarity side) but no peak from the second side. This means that the second side surface is coated with either polycrystalline or amorphous GaN. The first side was free of cracks. The miscut angle measured using the X-ray rocking curve was within +/− 5 degrees.
Example 2 (Crystal grinding / lapping)
GaN結晶の両側は、ダイヤモンド研削機を用いて研削され、厚さ1.1mmを有するGaNウエハを得た。第1の側からのX線ロッキングカーブのFWHMは、1382arcsecであった一方、第2の側は、002ピークを示さなかった。次いで、GaN結晶ウエハの両側はさらに、ダイヤモンドスラリーを用いて研削およびラッピングされた。総厚は、0.85mmとなり、窒素側上のRa粗度は、0.5〜0.8nm、ガリウム側上のRa粗度は、0.8〜1.2nmであった。第1の側からのX線ロッキングカーブのFWHMは、1253arcsecまで改善した。第1の側は、いかなる亀裂も有していなかった。
(実施例3)(得られたGaN結晶を使用したアモノサーマル成長)
Both sides of the GaN crystal were ground using a diamond grinder to obtain a GaN wafer having a thickness of 1.1 mm. The FWHM of the X-ray rocking curve from the first side was 1382 arcsec, while the second side showed no 002 peak. Next, both sides of the GaN crystal wafer were further ground and lapped with diamond slurry. The total thickness was 0.85 mm, the Ra roughness on the nitrogen side was 0.5 to 0.8 nm, and the Ra roughness on the gallium side was 0.8 to 1.2 nm. The FWHM of the X-ray rocking curve from the first side improved to 1253 arcsec. The first side did not have any cracks.
(Example 3) (Amonothermal growth using the obtained GaN crystal)
実施例2において得られたGaN結晶ウエハが、アモノサーマルバルク成長のためのシード結晶として使用された。高圧反応器が、シード、ナトリウム金属、バッフル、多結晶GaN栄養剤、およびアンモニアで充填された。次いで、高圧反応器は、緊密に密閉され、約550℃まで加熱された。11日の成長後、厚さ約2.07mmを有するバルクGaN結晶が、得られた。第1の側からのX線ロッキングカーブのFWHMは、1048arcsecまで改善した。結晶はまた、亀裂を有していなかった。
(実施例4)(成長番号0895)
The GaN crystal wafer obtained in Example 2 was used as a seed crystal for ammonothermal bulk growth. A high pressure reactor was charged with seed, sodium metal, baffle, polycrystalline GaN nutrient, and ammonia. The high pressure reactor was then tightly sealed and heated to about 550 ° C. After 11 days of growth, bulk GaN crystals having a thickness of about 2.07 mm were obtained. The FWHM of the X-ray rocking curve from the first side improved to 1048 arcsec. The crystals also had no cracks.
(Example 4) (Growth number 0895)
実施例1と同様に、GaN結晶が、HVPEによって成長された。MOCVDによって成長されたGaN層を有する、2インチc−面サファイア基板が、HVPE反応器内に装填された。成長条件および持続時間は、実施例1と同一であったが、基板および新しい結晶は、完全に分離しなかった。サファイア基板部分を除く厚さは、2.63mmであった。第1の側上の002反射からのX線ロッキングカーブのFWHMは、約925arcsecであった一方、第2の側上のFWHMは、1580arcsecであった。この場合、Ga極性側は、低品質結晶GaN(すなわち、高配向多結晶)を暴露された第2の面上に有していた。残留サファイア基板は、ダイヤモンド研削機を用いて除去され、次いで、GaN結晶の両側もまた、研削され、0.44mm厚さのウエハを得た。
利点および改良点
Similar to Example 1, GaN crystals were grown by HVPE. A 2 inch c-plane sapphire substrate with a GaN layer grown by MOCVD was loaded into the HVPE reactor. Growth conditions and duration were the same as in Example 1, but the substrate and new crystals were not completely separated. The thickness excluding the sapphire substrate portion was 2.63 mm. The FWHM of the X-ray rocking curve from the 002 reflection on the first side was about 925 arcsec, while the FWHM on the second side was 1580 arcsec. In this case, the Ga polar side had low quality crystalline GaN (ie, highly oriented polycrystal) on the exposed second surface. The residual sapphire substrate was removed using a diamond grinder and then both sides of the GaN crystal were also ground to obtain a 0.44 mm thick wafer.
Benefits and improvements
本発明のIII族窒化物結晶は、窒素極性表面上により高い構造品質を有し、亀裂がない。そのような結晶は、アモノサーマルバルク成長におけるシード結晶のために好適である。本発明におけるIII族窒化物結晶を加工する方法は、基板上でのIII族窒化物のエピタキシャル成長を使用後、基板の自己分離または除去が続く。結晶成長の間、成長条件を徐々に変化させることによって、構造品質は、徐々に悪化され、したがって、結晶の第1の側上の亀裂発生を回避する。アモノサーマルバルク成長のためのそのような結晶を使用することによって、GaN等の高品質III族窒化物のバルク結晶を得ることができる。
可能性として考えられる修正
The III-nitride crystals of the present invention have a higher structural quality on the nitrogen polar surface and are free of cracks. Such crystals are suitable for seed crystals in ammonothermal bulk growth. The method of processing a group III nitride crystal in the present invention uses the epitaxial growth of group III nitride on a substrate, followed by self-separation or removal of the substrate. By gradually changing the growth conditions during crystal growth, the structural quality is gradually deteriorated, thus avoiding cracking on the first side of the crystal. By using such crystals for ammonothermal bulk growth, high quality III-nitride bulk crystals such as GaN can be obtained.
Possible corrections
実施例は、GaNの結晶を説明するが、本発明の類似利点は、AlN、AlGaN、InN、InGaN、またはGaAlInN等の種々の組成物の他のIII族窒化物合金のためにも予期され得る。 While the examples illustrate GaN crystals, similar advantages of the present invention can be expected for other III-nitride alloys of various compositions such as AlN, AlGaN, InN, InGaN, or GaAlInN. .
好ましい実施形態は、HVPEをエピタキシャル成長法として説明するが、MOCVD、MBE、フラックス方法、高圧溶液成長、またはスパッタリング等の他の方法も、異種基板と互換性がある限り、使用されることができる。 Although the preferred embodiment describes HVPE as an epitaxial growth method, other methods such as MOCVD, MBE, flux method, high pressure solution growth, or sputtering can be used as long as they are compatible with dissimilar substrates.
好ましい実施形態は、直径2インチを有するシード結晶を説明するが、本発明の類似利点は、4インチ、6インチ、およびそれを上回る等のより大きい直径のためにも予期される。 Although the preferred embodiment describes a seed crystal having a diameter of 2 inches, similar advantages of the present invention are also anticipated for larger diameters, such as 4 inches, 6 inches, and more.
好ましい実施形態は、構造品質のX線特性評価を説明するが、ラザフォード後方散乱(RBS)、反射高エネルギー電子回折(RHEED)、透過型電子顕微鏡(TEM)等の他の方法も、表面の構造品質を評価するために使用されることができる。 Although the preferred embodiment describes X-ray characterization of structural quality, other methods such as Rutherford backscattering (RBS), reflection high energy electron diffraction (RHEED), transmission electron microscopy (TEM), etc. can also be applied to the surface structure. Can be used to assess quality.
実施例は、サファイア基板を除去するためのダイヤモンド研削を説明するが、レーザリフトオフまたは他の方法も、基板を除去するために使用されることができる。 While the example describes diamond grinding to remove the sapphire substrate, laser lift-off or other methods can also be used to remove the substrate.
III族窒化物材料をその上に堆積させる異種基板を使用して、方法を開始することは必須ではない。基板から開始し、高構造品質III族窒化物を生産し、次いで、堆積条件を調節し、さらなるIII族窒化物堆積が生じるにつれて、より劣った構造品質III族窒化物を徐々に形成する条件下、III族窒化物をその基板上に直に形成し始めることもできる。さらに、異種基板を用いて開始することも必須ではない。III族窒化物基板を利用し、基板のIII族極性面上に成長させ、高品質III族窒化物を形成し、次いで、成長条件を変化させ、後続成長においてより劣った品質のIII族窒化物を徐々に形成してもよい。 It is not essential to start the method using a dissimilar substrate on which the III-nitride material is deposited. Starting from the substrate, producing high structure quality III-nitride, then adjusting the deposition conditions and conditions that gradually form inferior structure quality III-nitride as further group III nitride deposition occurs It is also possible to start forming the group III nitride directly on the substrate. Furthermore, it is not essential to start with a heterogeneous substrate. Utilizing a III-nitride substrate and growing on the III-polar face of the substrate to form a high quality III-nitride, then changing the growth conditions to produce a lower quality III-nitride in subsequent growth May be formed gradually.
Claims (47)
(a)+/−5度未満のミスカット角度を伴う暴露された窒素極性c−面表面を有する、第1の側と、
(b)前記III族窒化物の暴露されたIII族極性c−面表面、多結晶相、または非結晶相を有する、前記第1の側と反対の第2の側と、
を備え、前記第1の側の結晶構造品質は、前記第2の側の結晶構造品質より優れている、III族窒化物結晶。 A group III nitride crystal,
(A) a first side having an exposed nitrogen polar c-plane surface with a miscut angle less than +/− 5 degrees;
(B) a second side opposite to the first side having an exposed Group III polar c-plane surface, polycrystalline phase, or amorphous phase of the Group III nitride;
A Group III nitride crystal, wherein the crystal structure quality on the first side is superior to the crystal structure quality on the second side.
(a)単結晶または高配向多結晶III族窒化物層を基板上に成長させるステップであって、前記層の暴露された表面は、III族極性c−面である、ステップと、
(b)前記結晶の暴露された表面が、III族極性c−面、多結晶相、または非結晶相になるように、徐々に劣化される結晶構造を有する単結晶または高配向多結晶III族窒化物をさらに成長させるステップと、
(c)前記基板を除去し、前記III族窒化物の第1の窒素極性c−面表面および第2のIII族極性c−面表面、多結晶相、または非結晶相を有する結晶を得るステップと、
を含む、方法。 A method of processing a group III nitride crystal comprising:
(A) growing a single crystal or highly oriented polycrystalline group III-nitride layer on a substrate, wherein the exposed surface of the layer is a group III polar c-plane;
(B) a single crystal or highly oriented polycrystalline group III having a crystal structure that is gradually degraded so that the exposed surface of the crystal becomes a group III polar c-plane, polycrystalline phase, or amorphous phase Further growing the nitride;
(C) removing the substrate to obtain a crystal having a first nitrogen polar c-plane surface and a second group III polar c-plane surface, polycrystalline phase, or amorphous phase of the group III nitride When,
Including a method.
(b)前記第1の表面を研削するステップと、
(c)前記第1の表面をラップ仕上げするステップと、
をさらに含む、請求項21から32のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶を加工する方法。 (A) grinding the second surface;
(B) grinding the first surface;
(C) lapping the first surface;
The method for processing a group III nitride crystal according to any one of claims 21 to 32, further comprising:
(a)少なくとも1つの窒化ガリウムシード結晶を前記高圧反応器内に設置するステップと、
(b)少なくとも1つの種類の鉱化剤を前記高圧反応器内に設置するステップと、
(c)少なくとも1つの流量制限プレートを前記高圧反応器内に設置するステップと、
(d)ガリウム含有栄養剤を前記高圧反応器内に設置するステップと、
(e)アンモニアを前記高圧反応器内に設置するステップと、
(f)前記高圧反応器を密閉するステップと、
(g)前記高圧反応器を前記シード結晶のための領域と前記栄養剤のための領域との間に適切な温度差を伴って加熱するステップと、
を含み、前記窒化ガリウムシード結晶の窒素極性表面の結晶構造品質は、前記シード結晶のガリウム極性表面の結晶構造品質より優れている、方法。 A method of processing a bulk crystal of gallium nitride in a high-pressure reactor,
(A) placing at least one gallium nitride seed crystal in the high pressure reactor;
(B) installing at least one type of mineralizer in the high pressure reactor;
(C) installing at least one flow restriction plate in the high pressure reactor;
(D) installing a gallium-containing nutrient in the high-pressure reactor;
(E) installing ammonia in the high pressure reactor;
(F) sealing the high pressure reactor;
(G) heating the high pressure reactor with an appropriate temperature difference between the region for the seed crystal and the region for the nutrient;
The crystal structure quality of the nitrogen polar surface of the gallium nitride seed crystal is superior to the crystal structure quality of the gallium polar surface of the seed crystal.
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