JP2019073425A - GaN substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＧａＮ基板に関する。 The present invention relates to a GaN substrate.
窒化物半導体自立基板を作製する際や、発光素子や高速トランジスタ等の半導体デバイスを作製する際、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶からなる基板（ＧａＮ基板）を用意し、この基板の表面上に、結晶をエピタキシャル成長させる処理が行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。 When manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate or when manufacturing a semiconductor device such as a light emitting element or a high speed transistor, for example, a substrate (GaN substrate) made of a crystal of gallium nitride (GaN) is prepared. In some cases, a process of epitaxially growing crystals may be performed (see, for example, Patent Document 1).
上述の結晶成長処理を例えば１２００℃以上の温度条件下で行うと、ＧａＮ基板がサーマルエッチングにより消失することがあり、結晶成長を継続することができないことがある。 When the above-mentioned crystal growth process is performed under a temperature condition of, for example, 1200 ° C. or more, the GaN substrate may disappear by thermal etching, and crystal growth may not be continued.
本発明の目的は、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、結晶成長を継続できるＧａＮ基板を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a GaN substrate which can continue crystal growth even when used for crystal growth processing performed under temperature conditions of, for example, 1200 ° C. or higher.
本発明の一態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板が提供される。
According to one aspect of the invention:
A front substrate made of GaN single crystal,
And a back side substrate made of polycrystalline GaN,
Of the two main surfaces of the front-side substrate, the surface on the side different from the surface used as the crystal growth surface and one of the two main surfaces of the back-side substrate are directly bonded A GaN substrate is provided.
本発明によれば、例えば１２００℃以上の温度条件下で行う結晶成長処理に用いられた場合であっても、結晶成長を継続できるＧａＮ基板を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a GaN substrate capable of continuing crystal growth even when used for crystal growth processing performed under temperature conditions of, for example, 1200 ° C. or higher.
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態にかかるＧａＮ基板１０の構成および製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。
<One embodiment of the present invention>
Hereinafter, the configuration and manufacturing method of the GaN substrate 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
（１）ＧａＮ基板の構成
図１に示すように、ＧａＮ基板１０は、ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板１１（以下、基板１１と略す）と、ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板１２（以下、基板１２と略す）と、を備える。
(1) Configuration of GaN Substrate As shown in FIG. 1, the GaN substrate 10 is a back side substrate made of a GaN single crystal and a front side substrate 11 made of GaN single crystal (hereinafter referred to as a substrate 11) And 12 (hereinafter referred to as a substrate 12).
基板１１は、例えば、サファイア基板等の下地基板上にＧａＮ結晶（ＧａＮ単結晶）をエピタキシャル成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨することにより作製することができる。結晶成長の手法としては、気相成長法や液相成長法を問わず、あらゆる公知の手法を用いることが可能である。基板１１は、例えば、直径２〜６インチの円板形状とすることができる。基板１１の厚さは、ＧａＮ基板１０の製造コスト低減のためには極力薄くするのが好ましいが、後述する基板１１と基板１２との接合を歩留まりよく実施するには、自立可能な厚さを有することが好ましい。これらから、基板１１の厚さは、例えば、０．４〜１．０ｍｍの厚さとするのが好ましい。 The substrate 11 can be produced, for example, by epitaxially growing a GaN crystal (GaN single crystal) on a base substrate such as a sapphire substrate, cutting out the grown crystal from the base substrate, and polishing the surface thereof. As a method of crystal growth, any known method can be used regardless of vapor phase growth method or liquid phase growth method. The substrate 11 can be, for example, a disc having a diameter of 2 to 6 inches. Although it is preferable to make the thickness of the substrate 11 as thin as possible in order to reduce the manufacturing cost of the GaN substrate 10, in order to perform bonding between the substrate 11 and the substrate 12 to be described later with good yield It is preferable to have. From these, the thickness of the substrate 11 is preferably, for example, 0.4 to 1.0 mm.
基板１１が備える２つの主面（表裏面）は、それぞれ、ウルツ鉱構造（六方晶）であるＧａＮ結晶の極性面により構成されている。すなわち、基板１１が備える一方の主面はＮ極性面（−ｃ面、（０００−１）面）により構成されており、基板１１が備える他方の主面はＧａ極性面（＋ｃ面、（０００１）面）により構成されている。これら２つの極性面のうち、Ｎ極性面は、Ｇａ極性面に比べて熱分解耐性が高く、サーマルエッチングされにくいという特性を有する。 The two main surfaces (front and back surfaces) of the substrate 11 are respectively constituted by polar planes of a GaN crystal having a wurtzite structure (hexagonal crystal). That is, one main surface of the substrate 11 is formed of N-polar surface (-c surface, (000-1) surface), and the other main surface of the substrate 11 is Ga-polar surface (+ c surface, (0001) ) Is configured. Of these two polar faces, the N polar face has the characteristics of high thermal decomposition resistance compared to the Ga polar face and having the characteristic that it is difficult to be thermally etched.
ＧａＮ結晶のＧａ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力の窒素（Ｎ２）ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気、すなわち、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）等のハロゲン化物や、アンモニア（ＮＨ３）等の窒化水素や、水素（Ｈ２）等を含む場合、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートは、上述のサーマルエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。 The thermal etching rate of the Ga polar face of the GaN crystal is, for example, 20 μm / hr or more under the conditions of nitrogen (N 2 ) gas atmosphere at a pressure of 1 to 1050 kPa and a temperature of 1200 to 1400 ° C., and depending on the conditions, 1000 μm / hr. As described above, in some cases, the size may reach about 2000 μm / hr. Even when the inert gas constituting the atmosphere is a rare gas such as argon (Ar) or a mixed gas of N 2 gas and a rare gas, the thermal etching rate of the Ga polar surface is the atmosphere. It becomes the same as that in the case where the inactive gas to constitute is N 2 gas. In addition, when the atmosphere contains a crystal growth atmosphere described later, that is, a halide such as gallium trichloride (GaCl 3 ), hydrogen nitride such as ammonia (NH 3 ), hydrogen (H 2 ), etc. The thermal etch rate of the surface may be even greater than the thermal etch rate described above.
これに対し、ＧａＮ結晶のＮ極性面のサーマルエッチングレートは、Ｇａ極性面のそれよりも小さく、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、２０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは１０μｍ／ｈｒ未満の大きさである。１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気下において、ＧａＮ結晶のＮ極性面のサーマルエッチングレートは、１２００℃以上１３００℃未満の温度下では０．５μｍ／ｈｒ未満、１３００℃以上１３５０℃以下の温度下では４μｍ／ｈｒ未満、１３５０℃超１４００℃以下の温度下では１０μｍ／ｈｒ未満の大きさであることを確認済である。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ２等を含む雰囲気）である場合であっても、Ｎ極性面のサーマルエッチングレートは、例えば４０μｍ／ｈｒ未満、好ましくは２０μｍ／ｈｒ未満の大きさであり、Ｇａ極性面のサーマルエッチングレートよりも遥かに小さくなることを確認済である。 On the other hand, the thermal etching rate of the N-polar surface of the GaN crystal is smaller than that of the Ga-polar surface, for example, 20 μm under conditions of N 2 gas atmosphere at a pressure of 1 to 105 kPa and a temperature of 1200 to 1400 ° C. The size is less than 1 / hr, preferably less than 10 μm / hr. The thermal etching rate of the N-polar surface of the GaN crystal under N 2 gas atmosphere at a pressure of 1 to 10 5 kPa is less than 0.5 μm / hr at a temperature of 1200 ° C. to less than 1300 ° C., a temperature of 1300 ° C. to 1350 ° C. It has been confirmed that the size is less than 4 μm / hr under the temperature, and less than 10 μm / hr under the temperature of more than 1350 ° C. and not more than 1400 ° C. Even in the case where the inert gas constituting the atmosphere is a rare gas such as Ar or a mixed gas of N 2 gas and a rare gas, the thermal etching rate of the N-polar surface is not sufficient to constitute the atmosphere. This is the same as that in the case where the active gas is N 2 gas. In addition, even in the case where the above atmosphere is a crystal growth atmosphere (an atmosphere including halide, hydrogen nitride, H 2 and the like) described later, the thermal etching rate of the N-polar surface is, for example, less than 40 μm / hr, preferably It has been confirmed that the size is less than 20 μm / hr and much smaller than the thermal etching rate of the Ga polar face.
基板１２は、例えば、下地基板上にＧａＮ多結晶を成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨することにより作製することができる。結晶成長の手法としては、気相成長法や液相成長法を問わず、あらゆる公知の手法を用いることが可能である。基板１２は、例えば、直径２〜６インチの円板形状とすることができる。基板１２は、その表裏を貫通するピット等の貫通孔を有していない。 The substrate 12 can be produced, for example, by growing GaN polycrystal on a base substrate, cutting out the grown crystal from the base substrate, and polishing the surface thereof. As a method of crystal growth, any known method can be used regardless of vapor phase growth method or liquid phase growth method. The substrate 12 can be, for example, a disc having a diameter of 2 to 6 inches. The substrate 12 does not have through holes such as pits passing through the front and back.
基板１２の厚さは、後述の結晶成長処理において消失しない厚さとするのが好ましい。ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、例えば、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度の条件下では、６０μｍ／ｈｒ以上、条件によっては１０００μｍ／ｈｒ以上、場合によっては２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上記雰囲気を構成する不活性ガスが、Ａｒ等の希ガスである場合や、Ｎ２ガスと希ガスとの混合ガスである場合にも、ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、上記雰囲気を構成する不活性ガスがＮ２ガスである場合におけるそれと同様となる。また、上記雰囲気が、後述する結晶成長雰囲気（ハロゲン化物、窒化水素、Ｈ２等を含む雰囲気）である場合、ＧａＮ多結晶のサーマルエッチングレートは、上述のサーマルエッチングレートよりもさらに大きくなる場合がある。このことから、基板１２の厚さは、例えば２０ｍｍ以上であることが好ましい。基板１２の厚さをこのように設定することで、上述の温度条件下（上述の雰囲気下）でＧａＮ基板１０を加熱した際、基板１２は少なくとも１０時間は消失しないことになる。 The thickness of the substrate 12 is preferably such that it does not disappear in the crystal growth process described later. The thermal etching rate of the polycrystalline GaN is, for example, 60 μm / hr or more, 1000 μm / hr or more depending on the conditions, 2000 μm or more in some cases, under conditions of N 2 gas atmosphere at a pressure of 1 to 50 kPa and temperature of 1200 to 1400 ° C. It may reach a size of about / hr. Even in the case where the inert gas constituting the atmosphere is a rare gas such as Ar or a mixed gas of N 2 gas and a rare gas, the thermal etching rate of the polycrystalline GaN constitutes the atmosphere. It becomes the same as that in the case where inert gas is N 2 gas. In the case where the above atmosphere is a crystal growth atmosphere (an atmosphere including halide, hydrogen nitride, H 2, etc. described later), the thermal etching rate of the polycrystalline GaN may be larger than the above thermal etching rate. is there. From this, the thickness of the substrate 12 is preferably, for example, 20 mm or more. By setting the thickness of the substrate 12 in this manner, the substrate 12 will not disappear for at least 10 hours when the GaN substrate 10 is heated under the above-mentioned temperature conditions (under the above-mentioned atmosphere).
基板１２の主面の面内方向における線膨張係数（以下、「基板１２の線膨張係数」とも称する）は、基板１１の主面の面内方向における線膨張係数（以下、「基板１１の線膨張係数」とも称する）と同等であることが好ましい。本明細書における「基板１２の線膨張係数が、基板１１の線膨張係数と同等である」とは、例えば１００〜３００℃における基板１２の線膨張係数と基板１１の線膨張係数との差が、１×１０−６／Ｋ以内、好ましくは０．７×１０−６／Ｋ以内であることを意味する。本実施形態では、上述のように基板１１の主面がＧａＮ結晶の極性面で構成されていることから、ここでいう「基板１１の線膨張係数」とは、ＧａＮ結晶のａ軸方向における線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向における線膨張係数の少なくともいずれかの線膨張係数をいう。ＧａＮ結晶のａ軸方向における線膨張係数は、例えば３００℃の温度下で５．５９×１０−６／Ｋであり、ＧａＮ結晶のＭ軸方向における線膨張係数はａ軸方向における線膨張係数と同程度である。基板１２をこのような構成とすることで、後述の結晶成長処理において、基板１１と基板１２との膨張量を揃えることができる。なお、本発明者は、１００〜３００℃の温度範囲における基板１２の線膨張係数と基板１１の線膨張係数との差が、上述の差であれば、ＧａＮ基板１０の温度を後述の処理温度まで昇温した後室温程度まで降温した場合であっても、基板１１が基板１２から剥離したり、基板１１，１２にクラックが発生したり、ＧａＮ基板１０の結晶成長面となる基板１１の面が分解したりすること等がないことを確認済みである。 The linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the substrate 12 (hereinafter, also referred to as “the linear expansion coefficient of the substrate 12”) is the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the substrate 11 (hereinafter, “line of the substrate 11 It is preferable that it is equivalent to "expansion coefficient". In the present specification, “the linear expansion coefficient of the substrate 12 is equal to the linear expansion coefficient of the substrate 11” means, for example, the difference between the linear expansion coefficient of the substrate 12 at 100 to 300 ° C. and the linear expansion coefficient of the substrate 11 It means that it is within 1 × 10 −6 / K, preferably within 0.7 × 10 −6 / K. In the present embodiment, as described above, the main surface of the substrate 11 is formed of the polar surface of the GaN crystal, so the “linear expansion coefficient of the substrate 11” referred to here is a line in the a-axis direction of the GaN crystal. It refers to the linear expansion coefficient of at least one of the expansion coefficient or the linear expansion coefficient in the M-axis direction of the GaN crystal. The linear expansion coefficient of the GaN crystal in the a-axis direction is, for example, 5.59 × 10 −6 / K at a temperature of 300 ° C. The linear expansion coefficient of the GaN crystal in the M-axis direction is the linear expansion coefficient in the a-axis direction It is comparable. With such a configuration of the substrate 12, the amounts of expansion of the substrate 11 and the substrate 12 can be made uniform in crystal growth processing described later. Note that the present inventors set the temperature of the GaN substrate 10 to the processing temperature described later if the difference between the linear expansion coefficient of the substrate 12 and the linear expansion coefficient of the substrate 11 in the temperature range of 100 to 300 ° C. is the above difference. Even if the temperature is raised to the room temperature after the temperature rise, the substrate 11 peels off from the substrate 12, the substrate 11, 12 is cracked, or the surface of the substrate 11 which becomes the crystal growth surface of the GaN substrate 10. It has been confirmed that there is no possibility of disassembly.
基板１２を構成する結晶は、基板１２の主面に対してａ軸方向（＜１１−２０＞方向）又はＭ軸方向（＜１０−１０＞方向）のいずれかに優先配向してなる。ここでいう「結晶がａ軸方向に優先配向してなる」とは、例えば、基板１２の主面を構成する結晶群のうち半数以上の結晶が基板１２の主面に対してａ軸方向に配向していること、すなわち、結晶のａ軸配向度が５０％以上であることを意味する。また、「結晶が基板１２の主面に対してａ軸方向に配向している」とは、結晶のａ軸が基板１２の主面に対して垂直に配向していることを意味する。これらの点は、本明細書において「Ｍ軸方向に優先配向してなる」という文言を用いる場合も同様である。ａ軸配向度が高い基板１２、すなわちａ軸配向性が強い基板１２としては、主面をＸ線回折（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上、好ましくは２５００ｃｐｓ以上である基板が例示される。 The crystal constituting the substrate 12 is preferentially oriented in the a-axis direction (<11-20> direction) or the M-axis direction (<10-10> direction) with respect to the main surface of the substrate 12. The phrase "crystals are preferentially oriented in the a-axis direction" means, for example, half or more of the crystals in the crystal group constituting the main surface of the substrate 12 in the a-axis direction with respect to the main surface of the substrate 12 The orientation means that the a-axis orientation degree of the crystal is 50% or more. Further, “the crystals are oriented in the a-axis direction with respect to the main surface of the substrate 12” means that the a-axis of the crystals is oriented perpendicularly to the main surface of the substrate 12. These points are also the same as in the case of using the term “preferentially oriented in the M-axis direction” in the present specification. As the substrate 12 having a high degree of a-axis orientation, ie, the substrate 12 having a strong a-axis orientation, in the diffraction pattern obtained when the main surface is measured by X-ray diffraction (XRD), (11-20 A substrate is exemplified in which the intensity of the peak on the surface is 2000 cps or more, preferably 2500 cps or more.
本実施形態では、基板１２の作製時に用いられる上述の下地基板として、熱分解法により作製され、面内方向と厚さ方向との間で異方性を有する基板を用いている。このような下地基板としては、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）やパイロリティック窒化硼素（ＰＢＮ）からなる基板が例示される。このような基板を下地基板として用いると、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強く、主面の面内方向における線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等である基板１２を得ることができる。 In the present embodiment, as the above-described base substrate used when manufacturing the substrate 12, a substrate manufactured by a thermal decomposition method and having anisotropy between the in-plane direction and the thickness direction is used. As such a base substrate, a substrate made of pyrolytic graphite (PG) or pyrolytic boron nitride (PBN) is exemplified. When such a substrate is used as a base substrate, it is possible to obtain a substrate 12 having strong a-axis or M-axis orientation and having a linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface equal to that of the substrate 11 it can.
なお、ＰＧからなる基板等のａ軸配向性が強い基板を下地基板として用いた場合、ａ軸配向性が強く、基板１２の主面の面内方向にＧａＮ結晶のｃ軸成分を多く含む基板１２が得られる。また、ＰＢＮからなる基板等のＭ軸配向性が強い基板を下地基板として用いた場合、Ｍ軸配向性が強く、基板１２の主面の面内方向にＧａＮ結晶のｃ軸成分を多く含む基板１２が得られる。これらのような基板１２の主面の面内方向における線膨張係数は、通常、ＧａＮ単結晶のｃ軸方向における線膨張係数に近くなると考えられる。しかしながら、本実施形態では、下地基板の結晶成長面を構成する結晶粒の平均粒径や、下地基板上に成長するＧａＮ多結晶の成長条件等を制御して基板１２を構成する結晶粒の粒径（最大粒径、平均粒径）を制御することで、基板１２を構成する結晶群の粒界を制御している。その結果、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数を、基板１１の線膨張係数と同等とすることが可能となる。本発明者は、基板１２の平均粒径を例えば７５〜１７５μｍ、好ましくは１２５〜１５０μｍ、より好ましくは１４３μｍ程度とすることで、ａ軸配向性が強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等となることを確認済みである。 When a substrate with strong a-axis orientation such as a substrate made of PG is used as a base substrate, the a-axis orientation is strong and a substrate containing many c-axis components of GaN crystal in the in-plane direction of the main surface of the substrate 12 12 is obtained. In addition, when a substrate with strong M-axis orientation such as a substrate made of PBN is used as a base substrate, the substrate is strong in M-axis orientation and contains many c-axis components of the GaN crystal in the in-plane direction of the main surface of the substrate 12 12 is obtained. The linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the substrate 12 as described above is generally considered to be close to the linear expansion coefficient in the c-axis direction of the GaN single crystal. However, in the present embodiment, the grains of the crystal grains constituting the substrate 12 by controlling the average grain diameter of the crystal grains constituting the crystal growth surface of the base substrate and the growth conditions of the GaN polycrystals grown on the base substrate. By controlling the diameter (maximum particle diameter, average particle diameter), the grain boundaries of the crystal groups constituting the substrate 12 are controlled. As a result, even if the substrate 12 has strong a-axis or M-axis orientation, the linear expansion coefficient of the substrate 12 can be made equal to the linear expansion coefficient of the substrate 11. The inventors set the average particle diameter of the substrate 12 to, for example, about 75 to 175 μm, preferably about 125 to 150 μm, and more preferably about 143 μm. It has been confirmed that the expansion coefficient is equal to the linear expansion coefficient of the substrate 11.
基板１２の作製時に用いられる下地基板として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなり、所定粒径（平均粒径、最大粒径）を有する複数の結晶粒（結晶粉末）を焼結することで作製され、主面を構成する複数の結晶粒のうち多数の結晶粒が所定の同一方位へ配向してなる基板等を用いてもよい。このような下地基板を用いた場合であっても、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強く、主面の面内方向における線膨張係数が基板１１の線膨張係数と同等である基板１２を得ることができる。 A plurality of base substrates made of alumina (Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN) or the like as the base substrate used when producing the substrate 12 and having predetermined particle sizes (average particle size, maximum particle size) A substrate or the like may be used which is produced by sintering crystal grains (crystal powder) and in which a large number of crystal grains of the plurality of crystal grains constituting the main surface are oriented in the same same direction. Even when such a base substrate is used, the substrate 12 having a strong a-axis or M-axis orientation and a linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface equal to that of the substrate 11 is used. You can get it.
ＧａＮ基板１０は、基板１１のＧａ極性面と、基板１２が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が当接（密着）して直接接合されて構成されている。これにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａは、サーマルエッチングレートの比較的小さなＮ極性面により構成されることとなる。また、サーマルエッチングレートの比較的大きなＧａ極性面は、ＧａＮ基板１０の表裏面全体にわたって露出しない状態となる。なお、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の表面１０ａは結晶成長面として用いられ、非結晶成長面である裏面１０ｂは加熱されたサセプタ２０８に当接する被支持面として用いられる。 The GaN substrate 10 is configured such that the Ga-polar surface of the substrate 11 and either one of the two main surfaces of the substrate 12 are in direct contact with each other (contact). As a result, the surface 10 a of the GaN substrate 10 is formed of an N-polar surface having a relatively small thermal etching rate. Further, the relatively large Ga polar face of the thermal etching rate is not exposed over the entire front and back surfaces of the GaN substrate 10. In the crystal growth process described later, the surface 10 a of the GaN substrate 10 is used as a crystal growth surface, and the back surface 10 b which is a non-crystal growth surface is used as a support surface that contacts the heated susceptor 208.
ＧａＮ基板１０を上述の構成とすることで、後述する結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２をエッチング犠牲層として作用させることができ、サーマルエッチングされやすい基板１１のＧａ極性面の露出を回避することが可能となる。 By setting the GaN substrate 10 to the above-described configuration, the substrate 12 constituting the back surface 10 b of the GaN substrate 10 can function as an etching sacrificial layer in the crystal growth processing described later, and the Ga polarity of the substrate 11 easily subjected to thermal etching It is possible to avoid surface exposure.
なお、ＧａＮ基板１０の表面１０ａを構成する結晶のオフ角θは、それぞれ、任意の向き、任意の大きさに設定することができる。ここで「オフ角」とは、ＧａＮ基板１０の主面（表面１０ａ）に直交する軸と、この主面を構成するＧａＮ結晶のｃ軸と、のなす角のことをいう。表面１０ａにおけるオフ角θを０．５〜５°の範囲内の角度とすることで、結晶成長面である表面１０ａにおいて、結晶成長のきっかけとなる結晶のステップを適正に確保することができ、後述の結晶成長処理において、ＧａＮ結晶の成長レートを実用的な大きさとすることが容易となる。 The off-angles θ of the crystals constituting the surface 10 a of the GaN substrate 10 can be set to any direction and size. Here, the "off angle" refers to an angle formed by an axis orthogonal to the main surface (surface 10a) of the GaN substrate 10 and the c-axis of the GaN crystal constituting the main surface. By setting the off angle θ on the surface 10a to an angle within the range of 0.5 to 5 °, it is possible to properly secure the crystal step that is a trigger for crystal growth on the surface 10a which is a crystal growth surface, In the crystal growth process described later, it becomes easy to set the growth rate of the GaN crystal to a practical size.
（２）ＧａＮ基板の製造方法
続いて、基板１１，１２を接合してＧａＮ基板１０を製造する方法について説明する。
(2) Method of Manufacturing GaN Substrate Subsequently, a method of manufacturing the GaN substrate 10 by bonding the substrates 11 and 12 will be described.
まず、上述のように構成された基板１１，１２をそれぞれ用意する。後述する接合手法を用いる場合、基板１１，１２の接合強度を高める観点から、接合面となる基板１１のＧａ極性面および基板１２の一方の主面を、それぞれ研磨等して鏡面化しておくことが好ましい。 First, the substrates 11 and 12 configured as described above are prepared. In the case of using a bonding method to be described later, from the viewpoint of enhancing the bonding strength of the substrates 11 and 12, the Ga polar surface of the substrate 11 to be the bonding surface and one main surface of the substrate 12 are polished and mirror-polished, respectively. Is preferred.
続いて、基板１１，１２の接合面のそれぞれに対し、真空（減圧）雰囲気中でＡｒガス等の希ガスのプラズマを照射（プラズマ処理）する。これにより、基板１１，１２の接合面上に形成されていた自然酸化膜や、これらの接合面上に付着していた不純物等を除去しつつ、基板１１，１２の接合面の全面を活性化させることが可能となる。具体的には、基板１１，１２の接合面に、ガリウム（Ｇａ）原子のダングリングボンド（未結合手）を生じさせることが可能となる。なお、基板１１，１２の接合面の活性化は、上述のプラズマ処理の他、イオン処理、薬液による化学処理、洗浄処理、ＣＭＰ処理等により行ってもよい。その後、基板１１，１２を大気中に曝露する。これにより、基板１１，１２の接合面に存在するＧａ原子の未結合手のうち少なくとも一部が、大気中に含まれる水分等と反応し、ヒドロキシ基（−ＯＨ基）によって終端される。そして、例えば、室温（２０〜３０℃の範囲内の所定の温度、約２７℃）〜４００℃の温度下で、基板１１および基板１２の接合面同士を互いに当接（圧接）させる。続いて、基板１１と基板１２との積層体の温度を例えば４００〜１０００℃までさらに上昇させ、アニール処理（熱処理）を行い、基板１１と基板１２との接合面で脱水反応を生じさせる。これらの工程を経ることにより、基板１１，１２が、接合面を介して直接的に、すなわち、原子レベルで強固に接合し、上述のＧａＮ基板１０が得られる。 Subsequently, plasma of a rare gas such as Ar gas is irradiated (plasma processing) to each of the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 in a vacuum (reduced pressure) atmosphere. Thereby, the entire surface of the bonding surface of the substrates 11 and 12 is activated while removing the natural oxide film formed on the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 and the impurities attached to the bonding surfaces and the like. It is possible to Specifically, dangling bonds (unbonded bonds) of gallium (Ga) atoms can be generated on the bonding surfaces of the substrates 11 and 12. The activation of the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 may be performed by ion processing, chemical processing using a chemical solution, cleaning processing, CMP processing, or the like in addition to the above-described plasma processing. Thereafter, the substrates 11, 12 are exposed to the atmosphere. As a result, at least a part of the unbonded bonds of Ga atoms present on the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 react with moisture and the like contained in the air, and are terminated by hydroxy groups (—OH groups). Then, for example, the bonding surfaces of the substrate 11 and the substrate 12 are brought into contact (pressure contact) with each other at room temperature (a predetermined temperature in the range of 20 to 30 ° C., about 27 ° C.) to 400 ° C. Subsequently, the temperature of the laminate of the substrate 11 and the substrate 12 is further raised to, for example, 400 to 1000 ° C., annealing (heat treatment) is performed, and a dehydration reaction occurs at the bonding surface of the substrate 11 and the substrate 12. Through these steps, the substrates 11 and 12 are strongly bonded directly, ie, at the atomic level, through the bonding surface, and the above-described GaN substrate 10 is obtained.
なお、基板１１と基板１２とを接合する方法は、上述した手法に限定されない。例えば、基板１１，１２の接合面を薬液と純水で洗浄処理した後、０．１〜１０ＭＰａ程度の高圧力をかけて基板１１，１２を接合する高圧接合法や、基板１１，１２の接合面を薬液と純水で洗浄処理した後、１０−６〜１０−３Ｐａ程度の高真空雰囲気下で基板１１，１２を接合する高真空接合法は、上述した手法と同様に接着剤を用いる必要がないことから、好適に用いることができる。 Note that the method of bonding the substrate 11 and the substrate 12 is not limited to the method described above. For example, after the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 are washed with a chemical solution and pure water, a high pressure bonding method of bonding the substrates 11 and 12 under high pressure of about 0.1 to 10 MPa, bonding of the substrates 11 and 12 The high vacuum bonding method of bonding the substrates 11 and 12 in a high vacuum atmosphere of about 10 -6 to 10 -3 Pa after cleaning the surface with a chemical solution and pure water uses an adhesive as in the method described above. Since it is not necessary, it can be suitably used.
（３）結晶成長処理
続いて、上述のＧａＮ基板１０を用い、その表面１０ａ上にＧａＮ結晶をＮ極性面方向（−ｃ軸方向）にエピタキシャル成長させる処理の一例について説明する。この処理は、例えば、図２に示す気相成長装置２００を用いて行うことができる。
(3) Crystal Growth Processing Subsequently, an example of the processing of epitaxially growing a GaN crystal in the N-polar plane direction (−c axis direction) on the surface 10 a using the above-described GaN substrate 10 will be described. This process can be performed using, for example, a vapor deposition apparatus 200 shown in FIG.
気相成長装置２００は、石英等の耐熱性材料により構成され、成長室２０１が内部に構成された気密容器２０３を備えている。成長室２０１内には、ＧａＮ基板１０を保持する支持部材としてのサセプタ２０８が設けられている。サセプタ２０８は、回転機構２１６が有する回転軸２１５に接続されており、回転自在に構成されている。 The vapor phase growth apparatus 200 is made of a heat resistant material such as quartz, and includes an airtight container 203 in which the growth chamber 201 is formed. In the growth chamber 201, a susceptor 208 as a support member for holding the GaN substrate 10 is provided. The susceptor 208 is connected to the rotation shaft 215 of the rotation mechanism 216 and is configured to be rotatable.
気密容器２０３の一端には、ＧａＣｌ３ガスを供給するガス供給管２３２ａ、ＮＨ３ガスを供給するガス供給管２３２ｂ、窒素（Ｎ２）ガスを供給するガス供給管２３２ｃがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃには、水素（Ｈ２）ガスを供給するガス供給管２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ〜２３２ｃの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ２０８上に保持されたＧａＮ基板１０に向けて供給するノズル２４９ａ〜２４９ｃが、それぞれ接続されている。 A gas supply pipe 232 a for supplying GaCl 3 gas, a gas supply pipe 232 b for supplying NH 3 gas, and a gas supply pipe 232 c for supplying nitrogen (N 2 ) gas are connected to one end of the airtight container 203. A gas supply pipe 232 d for supplying hydrogen (H 2 ) gas is connected to the gas supply pipe 232 c. On the downstream side of the gas supply pipes 232a to 232c, nozzles 249a to 249c for supplying various gases supplied from these gas supply pipes toward the GaN substrate 10 held on the susceptor 208 are connected, respectively. .
ガス供給管２３２ａには、ガス流の上流側から順に、ガス生成器２３３ａ、バルブ２４３ａが設けられている。ガス生成器２３３ａの内部には、常温で固体である固体原料（固体のＧａＣｌ３）が収容される。ガス生成器２３３ａの外部には、固体原料を加熱して気化ガス（ＧａＣｌ３ガス）を得るためのヒータ２０７ａが設けられている。ガス生成器２３３ａには、キャリアガスとしてのＮ２ガスを供給するガス供給管２３２ｅが接続されている。ガス生成器２３３ａ内で発生させたＧａＣｌ３ガスは、ガス供給管２３２ｅから供給されたキャリアガスによって成長室２０１内へ運ばれる。ガス供給管２３２ａ，２３２ｅには、ＧａＣｌ３ガスの液化や固化を防ぐための配管ヒータ（不図示）が設けられている。 In the gas supply pipe 232a, a gas generator 233a and a valve 243a are provided in order from the upstream side of the gas flow. A solid raw material (solid GaCl 3 ) which is solid at normal temperature is accommodated in the gas generator 233a. Outside the gas generator 233a, a heater 207a is provided for heating the solid raw material to obtain a vaporized gas (GaCl 3 gas). A gas supply pipe 232 e for supplying N 2 gas as a carrier gas is connected to the gas generator 233 a. The GaCl 3 gas generated in the gas generator 233a is carried into the growth chamber 201 by the carrier gas supplied from the gas supply pipe 232e. The gas supply pipes 232a and 232e are provided with pipe heaters (not shown) for preventing liquefaction and solidification of the GaCl 3 gas.
ガス供給管２３２ｂ〜２３２ｅには、ガス流の上流側から順に、流量制御器２４１ｂ〜２４１ｅ、バルブ２４３ｂ〜２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅよりも上流側と、ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ａよりも下流側との間には、バイパス管２３２ｆが接続されている。バイパス管２３２ｆにはバルブ２４３ｆが設けられている。バルブ２４３ｅ，２４３ａを閉じた状態で、バルブ２４３ｆを開くことで、ガス生成器２３３ａをバイパスして成長室２０１内へＮ２ガスを供給することが可能となっている。 In the gas supply pipes 232b to 232e, flow controllers 241b to 241e and valves 243b to 243e are provided in this order from the upstream side of the gas flow. A bypass pipe 232f is connected between the upstream side of the valve 243e of the gas supply pipe 232e and the downstream side of the valve 243a of the gas supply pipe 243a. The bypass pipe 232 f is provided with a valve 243 f. By opening the valve 243 f in a state where the valves 243 e and 243 a are closed, it is possible to bypass the gas generator 233 a and supply N 2 gas into the growth chamber 201.
気密容器２０３の他端には、成長室２０１内を排気する排気管２３０が設けられている。排気管２３０にはポンプ２３１が設けられている。気密容器２０３の外周には、サセプタ２０８上に保持されたＧａＮ基板１０を所望の温度に加熱するゾーンヒータ２０７が設けられている。気密容器２０３内には、成長室２０１内の温度を測定する温度センサ２０９が設けられている。気相成長装置２００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ２８０に接続されており、コントローラ２８０上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。 At the other end of the airtight container 203, an exhaust pipe 230 for exhausting the inside of the growth chamber 201 is provided. The exhaust pipe 230 is provided with a pump 231. A zone heater 207 for heating the GaN substrate 10 held on the susceptor 208 to a desired temperature is provided on the outer periphery of the hermetic container 203. In the airtight container 203, a temperature sensor 209 that measures the temperature in the growth chamber 201 is provided. Each member included in the vapor phase growth apparatus 200 is connected to a controller 280 configured as a computer, and a program executed on the controller 280 is configured to control processing procedures and processing conditions to be described later. There is.
結晶成長処理では、上述の気相成長装置２００により、例えば以下の処理手順が実施される。まず、ＧａＮ基板１０を気密容器２０３内へ投入（搬入）し、サセプタ２０８上に保持する。また、固体原料をガス生成器２３３ａ内に収容し、ヒータ２０７ａにより加熱して気化させ、ＧａＣｌ３ガスを発生させる。また、ガス供給管２３２ａ，２３２ｅを所望の温度となるように加熱する。そして、成長室２０１内の加熱および排気を実施しながら、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを閉じた状態で、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆを適宜開き、成長室２０１内へＨ２ガス、或いは、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスを供給する。そして、成長室２０１内が所望の処理温度、処理圧力に到達し、また、成長室２０１内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、バルブ２４３ｆを閉じ、バルブ２４３ａ，２４３ｅ，２４３ｂを開いて、ＧａＮ基板１０の表面１０ａに対しＧａＣｌ３ガスとＮＨ３ガスとを供給する。これにより、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に、ＧａＮ結晶が、−ｃ軸方向に向けてエピタキシャル成長する。ＮＨ３ガスの供給は、ＧａＣｌ３ガスの供給よりも先に開始してもよい。なお、表面１０ａ上に成長させるＧａＮ結晶の面内均一性を高めるため、結晶成長処理は、サセプタ２０８を回転させた状態で実施するのが好ましい。結晶成長が完了したら、バルブ２４３ｅ，２４３ａ，２４３ｂを閉じ、成長室２０１内へのＧａＣｌ３ガス、ＮＨ３ガスの供給を停止する。その後、バルブ２４３ｃ，２４３ｆの少なくともいずれかを開き、パージガスとしてのＮ２ガスの成長室２０１内への供給を継続しながら成長室２０１内を降温させ、処理後のＧａＮ基板１０を気密容器２０３内から搬出し、本実施形態の結晶成長処理を終了する。 In the crystal growth process, for example, the following processing procedure is performed by the above-described vapor phase growth apparatus 200. First, the GaN substrate 10 is introduced (carried into) the airtight container 203 and held on the susceptor 208. Further, the solid source is accommodated in the gas generator 233a, and is heated and vaporized by the heater 207a to generate GaCl 3 gas. Further, the gas supply pipes 232a and 232e are heated to a desired temperature. Then, while performing the heating and evacuation of deposition chamber 201, the valve 243a, 243 e, with closed 243b, opening the valve 243 c, 243 d, the 243f appropriate, H 2 gas into the deposition chamber 201, or, H 2 Supply a mixed gas of gas and N 2 gas. Then, the valve 243 f is closed and the valves 243 a, 243 e and 243 b are opened in a state where the inside of the growth chamber 201 reaches a desired processing temperature and pressure and the atmosphere in the growth chamber 201 becomes a desired atmosphere. The GaCl 3 gas and the NH 3 gas are supplied to the surface 10 a of the GaN substrate 10. Thereby, a GaN crystal is epitaxially grown on the surface 10 a of the GaN substrate 10 in the −c axis direction. The supply of NH 3 gas may be started prior to the supply of GaCl 3 gas. In order to enhance the in-plane uniformity of the GaN crystal grown on the surface 10a, it is preferable to carry out the crystal growth process with the susceptor 208 rotated. When the crystal growth is completed, the valves 243 e, 243 a and 243 b are closed to stop the supply of the GaCl 3 gas and the NH 3 gas into the growth chamber 201. Thereafter, at least one of the valves 243 c and 243 f is opened to lower the temperature in the growth chamber 201 while continuing the supply of the N 2 gas as the purge gas into the growth chamber 201, and the processed GaN substrate 10 in the airtight container 203. The crystal growth process of the present embodiment is completed.
結晶成長処理の条件としては、以下が例示される。
ガス生成器２３３ａの温度：９０〜１１０℃
ガス供給管２３２ａ，２３２ｅの温度：２００〜２１０℃
キャリアガスの流量：８０〜１２０ｓｃｃｍ
成長室２０１内におけるＮＨ３ガスの分圧／ＧａＣｌ３ガスの分圧：１８〜２２
処理温度（ＧａＮ基板１０の温度）：１２００〜１４００℃、好ましくは、１２５０〜１３００℃
処理圧力（成長室２０１内の圧力）：９０〜１０５ｋＰａ、好ましくは、９０〜９５ｋＰａ
The conditions for the crystal growth process are exemplified below.
Temperature of gas generator 233a: 90 to 110 ° C.
Temperature of gas supply pipes 232a and 232e: 200 to 210 ° C.
Carrier gas flow rate: 80 to 120 sccm
Partial pressure of NH 3 gas / partial pressure of GaCl 3 gas in growth chamber 201: 18 to 22
Processing temperature (temperature of the GaN substrate 10): 1200 to 1400 ° C., preferably 1250 to 1300 ° C.
Processing pressure (pressure in growth chamber 201): 90 to 105 kPa, preferably 90 to 95 kPa
ここで行う結晶成長は、上述したように、ＧａＮ結晶の−ｃ軸方向に向けた成長である。この方向への成長は、Ｇａ極性面方向（＋ｃ軸方向）に向けた成長で採用される温度条件、すなわち、９００〜１１００℃の温度条件下では、進行させることが困難である。そこで、本実施形態では、温度条件を上述のように高く設定することにより、−ｃ軸方向に向けた結晶成長を、実用的なレートで、例えば、８０〜９０μｍ／ｈｒのレートで進行させるようにしている。 The crystal growth performed here is, as described above, growth in the direction of the c axis of the GaN crystal. Growth in this direction is difficult to proceed under the temperature conditions adopted in growth toward the Ga polar face direction (+ c axis direction), that is, the temperature conditions of 900 to 1100 ° C. Therefore, in the present embodiment, by setting the temperature condition high as described above, the crystal growth in the direction of the -c axis can be advanced at a practical rate, for example, at a rate of 80 to 90 μm / hr. I have to.
但し、上述の温度条件下では、表面がＮ極性面、裏面がＧａ極性面により構成されたＧａＮ基板を種結晶基板として用いると、裏面のサーマルエッチングが過剰に進行し、種結晶基板の消失を招くことになる。本実施形態のＧａＮ基板１０では、基板１２がエッチング犠牲層として作用することから、温度条件を上述のように高く設定する必要がある−ｃ軸方向に向けた結晶成長であっても、基板１１の消失を回避することが可能となり、この方向への結晶成長を確実に進行（継続）させることが可能となる。ＧａＮ多結晶により構成された裏面１０ｂのサーマルエッチングレートは、上述のように、１〜１０５ｋＰａの圧力のＮ２ガス雰囲気、１２００〜１４００℃の温度条件下では、２０００μｍ／ｈｒ程度の大きさに達する場合がある。上述のように、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２は例えば２０ｍｍ以上の厚さを有することから、上述の温度条件下では、基板１２は少なくとも１０時間は消失しないことになる。基板１２が消失しない限り、基板１１の接合面、すなわち、サーマルエッチングされやすいＧａ極性面は露出しないことから、本実施形態におけるＧａＮ基板１０は、上述の温度条件下において、種結晶基板として好適に用い続けることが可能である。 However, under the above temperature conditions, if a GaN substrate whose surface is an N-polar surface and the back surface is a Ga-polar surface is used as a seed crystal substrate, thermal etching of the back surface proceeds excessively and the seed crystal substrate disappears. It will incur. In the GaN substrate 10 of the present embodiment, since the substrate 12 acts as an etching sacrificial layer, the temperature condition needs to be set high as described above. Even if the crystal growth is in the c-axis direction, the substrate 11 It is possible to avoid the disappearance of H. It is possible to reliably advance (continue) crystal growth in this direction. As described above, the thermal etching rate of the back surface 10b composed of GaN polycrystal reaches a size of about 2000 μm / hr under an N 2 gas atmosphere at a pressure of 1 to 10 5 kPa and a temperature condition of 1200 to 1400 ° C. There is a case. As described above, since the substrate 12 constituting the back surface 10b of the GaN substrate 10 has a thickness of, for example, 20 mm or more, the substrate 12 will not disappear for at least 10 hours under the above temperature conditions. Since the bonding surface of the substrate 11, that is, the Ga polar surface that is easily thermally etched is not exposed unless the substrate 12 disappears, the GaN substrate 10 in the present embodiment is suitably used as a seed crystal substrate under the above temperature conditions. It is possible to continue to use.
なお、表面１０ａ上にＧａＮ結晶を成長させると、基板１１に反りが生じる場合がある。というのも、基板１１の主面には、所定のオフ角の面内分布（例えば直径が２インチ程度の基板であれば、その主面内に±０．３°程度のオフ角の面内分布）が存在する。このため、上述の結晶成長処理において表面１０ａ（基板１１のＮ極性面）上に成長させる結晶の成長面（Ｎ極性面）には、その面内方向に、圧縮応力あるいは引張応力が加わることになる。これらの応力が結晶成長の進行に伴って徐々に大きくなることにより、基板１１にボウル状（凹状）あるいはドーム状（凸状）の反りが生じる場合がある。例えば、基板１１をＶＡＳ（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）法により作製した場合、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に結晶が成長することで、基板１１にボウル状の反りが生じやすくなる。本実施形態では、基板１１，１２を非常に高い接合強度で直接接合していることから、基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１の接合面、すなわちＧａ極性面は露出しない。そのため、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０の消失を、より確実に回避することが可能となる。 When the GaN crystal is grown on the surface 10a, the substrate 11 may be warped. The main surface of the substrate 11 has an in-plane distribution of a predetermined off-angle (for example, in the case of a substrate having a diameter of about 2 inches, an in-plane of about ± 0.3 ° off-angle in the main surface) Distribution) exists. Therefore, compressive stress or tensile stress is applied in the in-plane direction to the growth surface (N-polar surface) of the crystal grown on surface 10a (N-polar surface of substrate 11) in the above-mentioned crystal growth processing. Become. As these stresses gradually increase with the progress of crystal growth, a bowl-like (concave) or dome-like (convex) warpage may occur in the substrate 11. For example, when the substrate 11 is manufactured by a VAS (Void-Assisted Separation) method, the crystal grows on the surface 10 a in the above-described crystal growth process, and thus the substrate 11 easily has a bowl-like warpage. In this embodiment, since the substrates 11 and 12 are directly bonded with very high bonding strength, the bonding surface of the substrate 11, that is, the Ga polar surface is not exposed even when the substrate 11 is warped. . Therefore, it is possible to more reliably avoid the disappearance of the GaN substrate 10 due to the thermal etching.
以上、１２００℃以上の温度条件下で行うＧａＮ結晶の成長手法の一例について説明したが、本実施形態で利用可能な成長手法は、上述の手法に限定されない。例えば、結晶成長が行われる成長室の内部でＧａ原料とＣｌ２ガス等を反応させてＧａＣｌ３ガスを発生させるＴｒｉ−ＨＶＰＥ法によってＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１００ｋＰａ、１１００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてハロゲン元素非含有のＧａ蒸気とＮＨ３ガスとを供給するノンハロゲンＶＰＥ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。また例えば、成長室内が１〜１０５ｋＰａ、１２００〜１４００℃の処理条件に到達し、成長室内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、種結晶基板に対し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとＮＨ３ガスとを供給する高温ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ結晶を成長させる場合であっても、本実施形態のＧａＮ基板１０を種結晶基板として好適に用いることができる。これらの場合であっても、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂを構成する基板１２をエッチング犠牲層として作用させることができる。 As mentioned above, although an example of the growth method of the GaN crystal performed on temperature conditions 1200 ° C or more was explained, the growth method which can be used by this embodiment is not limited to the above-mentioned method. For example, even in the case of growing a GaN crystal by the Tri-HVPE method in which a Ga source material and Cl 2 gas are reacted to generate GaCl 3 gas in the growth chamber where crystal growth is performed, the GaN of this embodiment The substrate 10 can be suitably used as a seed crystal substrate. For example, in a state where the growth chamber reaches the processing conditions of 1 to 100 kPa and 1100 to 1400 ° C., and the atmosphere in the growth chamber becomes a desired atmosphere, the seed crystal substrate does not contain halogen element-containing Ga as a source gas. Even in the case where a GaN crystal is grown by a non-halogen VPE method of supplying vapor and NH 3 gas, the GaN substrate 10 of the present embodiment can be suitably used as a seed crystal substrate. Also, for example, trimethylgallium (TMG) gas as a source gas is applied to the seed crystal substrate in a state where the growth chamber reaches the processing conditions of 1 to 105 kPa and 1200 to 1400 ° C. and the atmosphere in the growth chamber becomes a desired atmosphere. and even if a GaN crystal is grown by the high temperature MOCVD method supplies the NH 3 gas can be suitably used GaN substrate 10 of the present embodiment as a seed crystal substrate. Even in these cases, the substrate 12 constituting the back surface 10b of the GaN substrate 10 can be made to act as an etching sacrificial layer.
（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
(4) Effects Obtained by the Present Embodiment According to the present embodiment, one or more effects described below can be obtained.
（ａ）ＧａＮ単結晶で構成された基板１１のＧａ極性面およびＧａＮ多結晶で構成された基板１２の一方の主面をそれぞれ接合面として、基板１１，１２を直接接合してＧａＮ基板１０を構成することで、結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０を１２００℃以上の温度に加熱した際、基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。このことから、ＧａＮ基板１０を、温度条件を高く設定する必要がある結晶成長処理、例えば−ｃ軸方向に向けたＧａＮ結晶の成長処理において、種結晶基板等として好適に用いることができる。 (A) The GaN substrate 10 is obtained by directly bonding the substrates 11 and 12 with the Ga polar face of the substrate 11 made of GaN single crystal and the one main surface of the substrate 12 made of polycrystalline GaN as bonding surfaces, respectively. By this configuration, when the GaN substrate 10 is heated to a temperature of 1200 ° C. or more in the crystal growth process, the substrate 12 can be made to act as an etching sacrificial layer, and the disappearance of the substrate 11 by thermal etching can be avoided. From this, the GaN substrate 10 can be suitably used as a seed crystal substrate or the like in a crystal growth process where temperature conditions need to be set high, for example, a growth process of a GaN crystal directed in the −c axis direction.
（ｂ）基板１２を作製する際、基板１２を構成する結晶群の粒界を制御することで、ａ軸配向性又はＭ軸配向性の強い基板１２であっても、基板１２の線膨張係数を基板１１と同等の線膨張係数、すなわちＧａＮ結晶のａ軸方向又はＭ軸方向における線膨張係数とすることができる。また、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２の作製時に用いる下地基板は、ｃ軸配向性が強い基板の作製時に用いる下地基板よりも入手が容易であることから、ａ軸配向性又はＭ軸配向性が強い基板１２は、ｃ軸配向性が強い基板よりも容易に製造することができる。 (B) When manufacturing the substrate 12, by controlling the grain boundaries of the crystal groups constituting the substrate 12, the linear expansion coefficient of the substrate 12 is strong even if the substrate 12 has strong a-axis orientation or M-axis orientation. Can be a linear expansion coefficient equivalent to that of the substrate 11, that is, a linear expansion coefficient in the a-axis direction or the M-axis direction of the GaN crystal. Also, the base substrate used in the preparation of the substrate 12 with strong a-axis or M-axis orientation is easier to obtain than the base substrate used in preparation of the substrate with strong c-axis alignment, so Alternatively, the substrate 12 with strong M-axis orientation can be manufactured more easily than a substrate with strong c-axis orientation.
（ｃ）基板１２の主面の面内方向における線膨張係数が、基板１１の主面の面内方向における線膨張係数と同等であることから、上述の結晶成長処理において、基板１１と基板１２との膨張量を確実に揃えることができる。これにより、ＧａＮ基板１０に生じる反りをより小さくでき、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶の品質をさらに向上させることができる。また、基板１１と基板１２との間の界面に生じる熱応力を低減できることから、基板１１と基板１２との接合状態が解除されること、すなわち基板１１が基板１２から剥がれることを抑制できる。 (C) Since the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the substrate 12 is the same as the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the substrate 11, the substrates 11 and 12 in the crystal growth process described above The amount of expansion can be made uniform. Thereby, the warpage generated in the GaN substrate 10 can be further reduced, and the quality of the crystal grown on the surface 10 a of the GaN substrate 10 can be further improved. Further, since the thermal stress generated at the interface between the substrate 11 and the substrate 12 can be reduced, it is possible to suppress the bonding state of the substrate 11 and the substrate 12 from being released, that is, peeling off the substrate 11 from the substrate 12.
（ｄ）基板１１と基板１２とを、これらの間に基板１１，１２（ＧａＮ）と線膨張係数が異なる層（例えばＧａＮ以外の材料からなる層）を挟むことなく直接接合させている。このため、上述の結晶成長処理において、ＧａＮと線膨張係数が異なる層を挟むことに起因してＧａＮ基板１０に加わる応力を抑制できる。これにより、ＧａＮ基板１０に生じる反りを小さくでき、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶の品質を向上させることができる。 (D) The substrate 11 and the substrate 12 are directly bonded without sandwiching a layer (for example, a layer formed of a material other than GaN) having a linear expansion coefficient different from that of the substrates 11 and 12 (GaN) between them. For this reason, in the above-mentioned crystal growth process, it is possible to suppress the stress applied to the GaN substrate 10 due to sandwiching a layer having a linear expansion coefficient different from that of GaN. Thereby, the warpage generated in the GaN substrate 10 can be reduced, and the quality of the crystal grown on the surface 10 a of the GaN substrate 10 can be improved.
（ｅ）基板１１と基板１２とを上述の手法により原子レベルで直接接合させることから、これらの接合強度を非常に高いものとすることが可能となる。そのため、上述の結晶成長処理においてオフ角の面内分布に起因して基板１１に反りが生じた場合であっても、Ｇａ極性面の露出を防止することができ、基板１１の消失をより確実に回避することが可能となる。 (E) Since the substrate 11 and the substrate 12 are directly bonded at the atomic level by the above-described method, it is possible to make these bonding strength extremely high. Therefore, even if the substrate 11 is warped due to the in-plane distribution of the off angle in the above-mentioned crystal growth processing, the exposure of the Ga polar surface can be prevented, and the disappearance of the substrate 11 is made more reliable. Can be avoided.
（ｆ）基板１１と基板１２とを、接着剤を用いることなく直接接合することにより、上述の結晶成長処理において、ＧａＮ基板１０の表面１０ａ上に成長させる結晶中に接着剤の成分が混入することを回避することができ、この結晶の品質を向上させることができる。 (F) By directly bonding the substrate 11 and the substrate 12 without using an adhesive, the component of the adhesive is mixed in the crystal to be grown on the surface 10 a of the GaN substrate 10 in the above-mentioned crystal growth process. Can be avoided and the quality of this crystal can be improved.
（ｇ）基板１２をＧａＮ多結晶で構成することで、基板１２をＧａＮ単結晶で構成する場合よりも、基板１２を低コストで製造できる。 (G) By forming the substrate 12 with polycrystalline GaN, the substrate 12 can be manufactured at lower cost than when the substrate 12 is made of GaN single crystal.
（変形例）
本実施形態は、以下に示す変形例のように変更することが可能である。
(Modification)
The present embodiment can be modified as shown in the following modification.
［変形例１］
図３（ａ）、図３（ｂ）にそれぞれＧａＮ基板１０Ａの断面構成図を示すように、基板１１と基板１２との間に閉空間として構成された空隙１３を設けてもよい。そして、基板１１のＧａ極性面および基板１２の一方の主面を接合面とし、これらの面の外周部のみを当接させて互いに接合してもよい。空隙１３は、例えば、基板１１又は基板１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周部に、凹部（掘り込み部）を設けることで形成することができる。図３（ａ）、図３（ｂ）は、基板１２の接合面の内周部に、平面視で円形状の凹部を設けた場合を例示している。基板１２の接合面に凹部を設ける場合、基板１２の最薄部の厚さを例えば２０ｍｍ以上とすることが好ましい。基板１１，１２の接合部の幅（接合最小幅）は、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じたとしても、連続した接合状態を維持できる幅であって、かつ、基板１１の反りを極力阻害しない幅とする。
本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。
[Modification 1]
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively, a cross-sectional view of the GaN substrate 10A may be provided with an air gap 13 configured as a closed space between the substrate 11 and the substrate 12. Then, the Ga polar surface of the substrate 11 and one of the main surfaces of the substrate 12 may be used as bonding surfaces, and only the outer peripheral portions of these surfaces may be brought into contact with each other for bonding. The air gap 13 can be formed, for example, by providing a recessed portion (an excavated portion) on the inner peripheral portion of the bonding surface of at least one of the substrate 11 and the substrate 12. FIGS. 3A and 3B illustrate the case where a circular recess is provided on the inner periphery of the bonding surface of the substrate 12 in plan view. When providing a recessed part in the joint surface of the board | substrate 12, it is preferable to make thickness of the thinnest part of the board | substrate 12 into 20 mm or more, for example. The width (minimum bonding width) of the bonding portion between the substrates 11 and 12 is a width capable of maintaining a continuous bonding state even if the substrate 11 is warped in the above-described crystal growth process, and the warping of the substrate 11 And the width that does not inhibit as much as possible.
Also in this modification, the same effect as the above-described embodiment can be obtained. That is, the substrate 12 can be made to act as an etching sacrificial layer in the above-described crystal growth process, and the disappearance of the substrate 11 by thermal etching can be avoided.
また、基板１１と基板１２とをこれらの外周部で互いに接合させることにより、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の外周部の接合状態が維持され、基板１１のＧａ極性面が露出しない。このため、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ａを用いた場合であっても、基板１１の消失を回避することが可能となる。 Further, by bonding the substrate 11 and the substrate 12 to each other at their outer peripheral portions, even if the substrate 11 is warped in the above-described crystal growth process, the outer peripheral portions of the bonding surfaces of the substrates 11 and 12 The bonding state is maintained, and the Ga polar surface of the substrate 11 is not exposed. Therefore, even when the GaN substrate 10A is used as the seed crystal substrate, it is possible to avoid the disappearance of the substrate 11.
また、上述の結晶成長処理においてＧａＮ基板１０Ａを加熱した際、基板１１のＧａ極性面がサーマルエッチングされ、Ｇａ極性面からＧａが蒸発したとしても、空隙１３を閉空間として構成することにより、発生したＧａ蒸気を空隙１３内に封じ込めることが可能となる。そのため、ＧａＮ基板１０Ａの加熱をそのまま継続しても、空隙１３内がＧａＮの平衡蒸気圧に達することで、それ以上のＧａＮの昇華（Ｇａの蒸発）は進行しなくなる。このことから、サーマルエッチングによるＧａＮ基板１０Ａの消失をより確実に回避することが可能となる。 In addition, when the GaN substrate 10A is heated in the above-described crystal growth process, the Ga polar surface of the substrate 11 is thermally etched, and even if Ga evaporates from the Ga polar surface, the void 13 is formed as a closed space. It is possible to contain the deposited Ga vapor in the air gap 13. Therefore, even if the heating of the GaN substrate 10A is continued as it is, when the air gap 13 reaches the equilibrium vapor pressure of GaN, further sublimation of GaN (vaporization of Ga) does not proceed. From this, it is possible to more reliably avoid the disappearance of the GaN substrate 10A due to the thermal etching.
また、空隙１３を設けることにより、上述の結晶成長処理において、図３（ａ）に例示するようなボウル状の反り、あるいは、図３（ｂ）に例示するようなドーム状の反りが、基板１１に生じた場合に、基板１１の反りが殆ど阻害されなくなる。結果として、表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を大幅に緩和（解放）させることができ、結晶２０の品質を大幅に向上させることができる。 Further, by providing the air gap 13, in the above-mentioned crystal growth processing, the bowl-like warpage as illustrated in FIG. 3A or the dome-like warpage as illustrated in FIG. When it occurs at 11, warpage of the substrate 11 is hardly inhibited. As a result, the compressive stress or tensile stress applied to the crystal 20 grown on the surface 10a can be greatly relieved (released), and the quality of the crystal 20 can be greatly improved.
［変形例２］
基板１１，１２の接合は、接合面のうち内周側の接合強度を外周側の接合強度よりも低くするように実施してもよい。接合面内における接合強度分布（面内強度分布）をこのように設定することにより、図４にＧａＮ基板１０Ｂの断面構成図を示すように、上述の結晶成長処理において基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１および基板１２のうちいずれか一方の基板の内周部が、一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離し、基板１１の内周部が基板１２から解放されることとなる。
[Modification 2]
The bonding of the substrates 11 and 12 may be performed such that the bonding strength on the inner circumferential side of the bonding surface is lower than the bonding strength on the outer circumferential side. By setting the bonding strength distribution (in-plane strength distribution) in the bonding surface in this manner, as shown in FIG. 4, the cross-sectional structure of the GaN substrate 10 B is shown. At the time of brazing, the inner peripheral portion of any one of the substrate 11 and the substrate 12 is peeled off from the inner peripheral portion of the other substrate different from the one substrate, and the inner peripheral portion of the substrate 11 is released from the substrate 12 It will be done.
上述の面内強度分布は、例えば、基板１１，１２の接合時にプラズマ処理を実施する際、基板１１，１２の接合面の内周にマスク等を施してプラズマを照射させないようにし、基板１１，１２の接合面の内周側にＯＨ基終端等を作らせないようにすることにより、実現することができる。 The above-described in-plane intensity distribution is obtained, for example, by applying a mask or the like to the inner periphery of the bonding surface of the substrates 11 and 12 when performing plasma processing at the time of bonding the substrates 11 and 12. This can be realized by preventing the formation of an OH group termination or the like on the inner peripheral side of the bonding surface 12.
また例えば、上述の面内強度分布は、基板１１又は基板１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周側にスマートカット（登録商標）等の水素脆化加工を施すことにより実現することもできる。基板１１，１２のいずれかに対してこのような加工を施すことにより、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１，１２のうち少なくともいずれかの接合面の内周側、すなわち、上述の水素脆化加工を施した部分を意図的に破断（接合面の表面のうち内周側を剥離）させ、基板１１の内周部を基板１２から解放させることが可能となる。なお、この加工を基板１１に施す際、対象となる基板には、接合面（Ｇａ極性面）側から水素イオン等を打ち込むことが好ましい。 For example, the above-mentioned in-plane strength distribution can also be realized by performing hydrogen embrittlement processing such as Smart Cut (registered trademark) on the inner peripheral side of at least one of the substrates 11 or 12 bonding surface. . When any one of the substrates 11 and 12 is subjected to such processing to cause the substrate 11 to bow in a dome shape, the inner peripheral side of at least one of the bonding surfaces of the substrates 11 and 12, ie, the above-described The portion subjected to the hydrogen embrittlement processing can be intentionally broken (the inner peripheral side of the surface of the bonding surface is peeled off), and the inner peripheral portion of the substrate 11 can be released from the substrate 12. When this processing is performed on the substrate 11, it is preferable to implant hydrogen ions or the like into the target substrate from the side of the bonding surface (Ga polar surface).
本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上述の結晶成長処理において基板１２をエッチング犠牲層として作用させ、サーマルエッチングによる基板１１の消失を回避することができる。 Also in this modification, the same effect as the above-described embodiment can be obtained. That is, the substrate 12 can be made to act as an etching sacrificial layer in the above-described crystal growth process, and the disappearance of the substrate 11 by thermal etching can be avoided.
また、本変形例によれば、上述の結晶成長処理において基板１１に反りが生じた場合であっても、基板１１，１２の接合面の少なくとも外周部の接合状態が維持され、基板１１のＧａ極性面が露出しない。このため、種結晶基板としてＧａＮ基板１０Ｂを用いた場合であっても、その消失を回避することが可能となる。 Further, according to this modification, even when the substrate 11 is warped in the above-described crystal growth process, the bonding state of at least the outer peripheral portion of the bonding surface of the substrates 11 and 12 is maintained, and the Ga of the substrate 11 is Polar face is not exposed. Therefore, even when the GaN substrate 10B is used as a seed crystal substrate, it is possible to avoid the disappearance thereof.
また、基板１１がドーム状に反ろうとする際、基板１１あるいは基板１２の内周部が剥離することにより、上述の結晶成長処理において表面１０ａ上に成長する結晶２０に加わる圧縮応力あるいは引張応力を緩和させることができ、この結晶２０の品質を向上させることができる。 In addition, when the substrate 11 tries to bow in a dome shape, compressive stress or tensile stress applied to the crystal 20 grown on the surface 10 a in the above-described crystal growth processing is caused by peeling of the inner peripheral portion of the substrate 11 or 12. It can be relaxed and the quality of this crystal 20 can be improved.
＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
Other Embodiments
Hereinabove, one embodiment of the present invention has been specifically described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
上述の実施形態および変形例では、ＧａＮ基板の結晶成長面をＮ極性面で構成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば上述の変形例では、ＧａＮ基板の結晶成長面をＧａ極性面で構成してもよい。 Although the above-mentioned embodiment and modification explained the case where the crystal growth side of a GaN substrate was constituted by the N polar face, it is not limited to this. For example, in the above-described modification, the crystal growth surface of the GaN substrate may be formed of a Ga polar surface.
本発明は、上述の結晶成長処理においてＧａＮ結晶を成長させる場合に限らず、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物結晶、すなわち、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表されるＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる際にも、好適に適用可能である。 The present invention is not limited to the case of growing a GaN crystal in the above-described crystal growth processing, and, for example, aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium nitride (InN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum nitride Also when growing a nitride crystal such as indium gallium (AlInGaN), ie, a group III nitride crystal represented by the composition formula of Al x In y Ga 1-x-y N (0 ≦ x + y ≦ 1), It is suitably applicable.
また、上述の実施形態や変形例は、適宜組み合わせることができる。 Moreover, the above-mentioned embodiment and modification can be combined suitably.
以下、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described.
実施例として、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）からなる下地基板を用い、この下地基板上にＧａＮ多結晶をハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により成長させ、成長させた結晶を下地基板から切り出してその表面を研磨し、ＧａＮ多結晶からなる裏面側基板を作製した。図５（ａ）に、得られた裏面側基板、すなわち研磨後であって自立状態にある裏面側基板の写真を示す。 As an example, using a base substrate made of pyrolytic graphite (PG), polycrystalline GaN is grown on this base substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, and the grown crystal is cut out from the base substrate and the surface thereof Were polished to produce a back side substrate made of polycrystalline GaN. FIG. 5A shows a photograph of the obtained back side substrate, that is, the back side substrate after polishing and in the freestanding state.
本実施例の裏面側基板の結晶配向性の評価をＸＲＤにより行った。この評価は、波長１．５４０５６ÅであるＣｕのＫα１線を用い、θ―２θ法の面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）測定により行っている。図５（ｂ）に裏面側基板が有する２つの主面のうち一方の主面の回折パターンを示す。図５（ｂ）の縦軸は、回折強度（ｃｐｓ：ｃｏｕｎｔ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）を示し、横軸は、回折角度２θ（°）を示している。図５（ｂ）から、（１１−２０）面のピーク強度が２５００ｃｐｓ以上であり、本実施例の裏面側基板（の主面）はａ軸方向性が強いことが分かる。 The crystal orientation of the back side substrate of this example was evaluated by XRD. This evaluation is performed by an out-of-plane measurement of the θ-2θ method using a Kα1 ray of Cu having a wavelength of 1.54056 Å. The diffraction pattern of one of the two main surfaces of the back side substrate is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 5 (b) indicates the diffraction intensity (cps: count per second), and the horizontal axis indicates the diffraction angle 2θ (°). From FIG. 5 (b), it can be seen that the peak intensity of the (11-20) plane is 2500 cps or more, and the back side substrate (main surface) of this example has strong a-axis directionality.
また、本実施例の裏面側基板の面内配向性の評価を行った。この評価は、裏面側基板（試料）の面内方向および裏面側基板の傾き角を変更可能なＸ線回折装置を用いて行った。上述のように、本実施例の裏面側基板はａ軸配向性が強いことから、この評価では、裏面側基板の傾き角（Ｐｓｉ軸の角度）を３１．６°に固定し、裏面側基板の面内方向（Ｐｈｉ軸の角度）を変更しながら裏面側基板を構成する結晶の（１１−２２）面の面内配向性を確認した。図５（ｃ）に、この評価で得た裏面側基板の一方の主面の回折パターンを示す。図５（ｃ）の縦軸は、回折強度（ｃｐｓ）を示し、横軸は、Ｐｈｉ軸の回転角度φ（°）を示している。図５（ｃ）から、裏面側基板の主面には明確な面内配向性がないこと、すなわち裏面側基板はＧａＮ多結晶で構成されていることが分かる。 In addition, the in-plane orientation of the back side substrate of this example was evaluated. This evaluation was performed using an X-ray diffractometer capable of changing the in-plane direction of the back side substrate (sample) and the inclination angle of the back side substrate. As described above, since the back side substrate of this example has strong a-axis orientation, in this evaluation, the inclination angle (angle of Psi axis) of the back side substrate is fixed to 31.6 °, and the back side substrate is The in-plane orientation of the (11-22) plane of the crystal constituting the back side substrate was confirmed while changing the in-plane direction (the angle of the Phi axis) of. FIG. 5C shows a diffraction pattern of one main surface of the back side substrate obtained by this evaluation. The vertical axis of FIG. 5C indicates the diffraction intensity (cps), and the horizontal axis indicates the rotation angle φ (°) of the Phi axis. From FIG. 5C, it can be seen that there is no clear in-plane orientation on the main surface of the back side substrate, that is, the back side substrate is made of polycrystalline GaN.
また、本実施例の裏面側基板の線膨張係数の温度依存性の評価を行った。図６に、本実施例の裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数の温度依存性の評価結果のグラフ図を示す。また、図６に、ＧａＮ単結晶のａ軸方向における線膨張係数の温度依存性、およびＧａＮ単結晶のＭ軸方向における線膨張係数の温度依存性のグラフ図もそれぞれ示す。図６から、本実施例の裏面側基板の線膨張係数は、ＧａＮ単結晶のａ軸方向およびＭ軸方向の線膨張係数と同等であることが分かる。その結果、本実施例の裏面側基板と、ＧａＮ単結晶で構成される表面側基板と、を接合してなるＧａＮ基板が、上述の結晶成長処理において種結晶基板として用いられた場合、表面側基板と裏面側基板との膨張量を揃えることができ、表面側基板と裏面側基板との間の界面に生じる熱応力の発生を抑制できる。 Further, the temperature dependence of the linear expansion coefficient of the back side substrate of this example was evaluated. FIG. 6 shows a graph of the evaluation result of the temperature dependence of the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the back surface side substrate of this example. Further, FIG. 6 also shows a graph of the temperature dependence of the linear expansion coefficient in the a-axis direction of the GaN single crystal, and a graph of the temperature dependence of the linear expansion coefficient in the M-axis direction of the GaN single crystal. From FIG. 6, it can be seen that the linear expansion coefficient of the back side substrate of this example is equivalent to the linear expansion coefficient of the a-axis direction and the M-axis direction of the GaN single crystal. As a result, when the GaN substrate formed by bonding the back side substrate of the present embodiment and the front side substrate formed of GaN single crystal is used as a seed crystal substrate in the above-mentioned crystal growth processing, the front side The amounts of expansion of the substrate and the back side substrate can be made uniform, and the generation of thermal stress generated at the interface between the front side substrate and the back side substrate can be suppressed.
図７に、ＧａＮ単結晶で構成される表面側基板と、ＧａＮ多結晶で構成される裏面側基板と、を、直接接合してなるＧａＮ基板の写真を示す。本実施例のＧａＮ基板は、表面側基板のＧａ極性面および裏面側基板の一方の主面を接合面とし、上述の実施形態に記載の手法により直接接合している。図７から、表面側基板と裏面側基板とを、接着剤を用いることなく、高い接合強度で直接接合できていることが分かる。 FIG. 7 shows a photograph of a GaN substrate formed by directly bonding a front side substrate composed of a GaN single crystal and a back side substrate composed of a GaN polycrystal. In the GaN substrate of the present example, the Ga polar surface of the front side substrate and one of the main surfaces of the back side substrate are used as the bonding surfaces, and direct bonding is performed by the method described in the above-described embodiment. It can be seen from FIG. 7 that the front side substrate and the back side substrate can be directly joined with high bonding strength without using an adhesive.
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiment of the present invention>
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally stated.
（付記１）
本発明の一態様によれば、
ＧａＮ単結晶で構成された表面側基板と、
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板が提供される。
(Supplementary Note 1)
According to one aspect of the invention:
A front substrate made of GaN single crystal,
And a back side substrate made of polycrystalline GaN,
Of the two main surfaces of the front-side substrate, the surface on the side different from the surface used as the crystal growth surface and one of the two main surfaces of the back-side substrate are directly bonded A GaN substrate is provided.
（付記２）
付記１の基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、前記表面側基板の主面の面内方向における線膨張係数と同等である。
(Supplementary Note 2)
The substrate according to appendix 1, preferably
The linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the back side substrate is equal to the linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the front side substrate.
（付記３）
付記１または２の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板の前記結晶成長面は、ＧａＮ結晶のＮ極性面で構成されており、
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、ＧａＮ結晶のａ軸方向の線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向の線膨張係数のいずれかと同等である。
(Supplementary Note 3)
The substrate according to appendix 1 or 2, preferably
The crystal growth surface of the front-side substrate is composed of an N-polar surface of a GaN crystal,
The linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the back side substrate is equal to either the linear expansion coefficient in the a-axis direction of the GaN crystal or the linear expansion coefficient in the M-axis direction of the GaN crystal.
（付記４）
付記１〜３のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向又はＭ軸方向のいずれかに優先配向してなる。
(Supplementary Note 4)
The substrate according to any one of appendices 1 to 3, preferably
The crystal constituting the back side substrate is preferentially oriented in either the a-axis direction or the M-axis direction with respect to the main surface of the back side substrate.
（付記５）
付記１〜４のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板を構成する結晶は、前記裏面側基板の主面に対してａ軸方向に優先配向してなり、
前記裏面側基板の主面をＸ線回折（ＸＲＤ）により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上、好ましくは２５００ｃｐｓ以上である。
(Supplementary Note 5)
The substrate according to any one of appendices 1 to 4, preferably
The crystals constituting the back side substrate are preferentially oriented in the a-axis direction with respect to the main surface of the back side substrate,
In the diffraction pattern obtained when the main surface of the back side substrate is measured by X-ray diffraction (XRD), the intensity of the peak of the (11-20) plane is 2000 cps or more, preferably 2500 cps or more.
（付記６）
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記裏面側基板の厚さが２０ｍｍ以上である。
(Supplementary Note 6)
The substrate according to any one of appendices 1 to 5, preferably
The thickness of the back side substrate is 20 mm or more.
（付記７）
付記１〜６のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板に反りが生じた場合であっても、前記接合面のうち少なくとも外周部の接合状態が維持される。
(Appendix 7)
The substrate according to any one of appendices 1 to 6, preferably
Even when the front substrate is warped by the growth of crystals on the surface, at least the outer peripheral portion of the bonding surface is maintained in a bonded state.
（付記８）
付記７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板とが、これらの外周部で互いに接合されてなり、
前記表面側基板と前記裏面側基板との間には、閉空間として構成された空隙が設けられている。
(Supplementary Note 8)
The substrate according to appendix 7, preferably
The front side substrate and the back side substrate are bonded to each other at their outer peripheral portions,
An air gap configured as a closed space is provided between the front side substrate and the back side substrate.
（付記９）
付記７の基板であって、好ましくは、
前記表面側基板と前記裏面側基板との接合面のうち、内周側の接合強度が外周側の接合強度よりも低く、
前記表面上に結晶が成長することで前記表面側基板がドーム状に反ろうとする際、前記表面側基板および前記裏面側基板のうちいずれか一方の基板の内周部が、前記一方の基板とは異なる他方の基板の内周部から剥離するよう構成されている。
(Appendix 9)
The substrate according to appendix 7, preferably
Among the bonding surfaces of the front side substrate and the back side substrate, the bonding strength on the inner peripheral side is lower than the bonding strength on the outer peripheral side,
When crystals on the surface grow to cause the surface-side substrate to bow like a dome, the inner peripheral portion of one of the surface-side substrate and the back-side substrate is the one substrate. Are configured to peel off the inner periphery of the other different substrate.
１０，１０Ａ，１０Ｂ ＧａＮ基板
１１ 表面側基板
１２ 裏面側基板
10, 10A, 10B GaN substrate 11 front side substrate 12 back side substrate
Claims (6)
ＧａＮ多結晶で構成された裏面側基板と、を備え、
前記表面側基板が備える２つの主面のうち結晶成長面として用いられる面とは異なる側の面と、前記裏面側基板が備える２つの主面のうちいずれか一方の面と、が直接接合しているＧａＮ基板。 A front substrate made of GaN single crystal,
And a back side substrate made of polycrystalline GaN,
Of the two main surfaces of the front-side substrate, the surface on the side different from the surface used as the crystal growth surface and one of the two main surfaces of the back-side substrate are directly bonded GaN substrate.
前記裏面側基板の主面の面内方向における線膨張係数が、ＧａＮ結晶のａ軸方向の線膨張係数又はＧａＮ結晶のＭ軸方向の線膨張係数のいずれかと同等である請求項１または２に記載のＧａＮ基板。 The crystal growth surface of the front-side substrate is composed of an N-polar surface of a GaN crystal,
The linear expansion coefficient in the in-plane direction of the main surface of the back side substrate is equal to either the linear expansion coefficient in the a-axis direction of the GaN crystal or the linear expansion coefficient in the M-axis direction of the GaN crystal. GaN substrate described.
前記裏面側基板の主面をＸ線回折により測定した際に得られる回折パターンにおいて、（１１−２０）面のピークの強度が２０００ｃｐｓ以上である請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ基板。 The crystals constituting the back side substrate are preferentially oriented in the a-axis direction with respect to the main surface of the back side substrate,
The GaN substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein in the diffraction pattern obtained when the main surface of the back side substrate is measured by X-ray diffraction, the intensity of the peak of the (11-20) plane is 2000 cps or more. .
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