JP3683714B2 - Deposition substrate and electronic device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム、水銀カドミウムテルル、酸化亜鉛、窒化アルミニウム単結晶等の化合物半導体薄膜を成膜するための成膜用基板、及びそのための単結晶材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体材料は、バルク体を作製することが困難であるため、成膜用基板の表面にエピタキシャル成長により成膜したものが用いられている。
【０００３】
例えば、発光デバイス等に使用される化合物半導体材料である窒化ガリウム薄膜単結晶は、最も一般的には単結晶サファイアからなる成膜用基板の表面に成膜することが行われている。あるいは、他の成膜用基板として、単結晶スピネル、単結晶炭化珪素、単結晶窒化ガリウム基板も使用されている。
【０００４】
同じく化合物半導体材料として、センサー等に使用される水銀カドミウムテルル薄膜単結晶は、一般的には単結晶サファイアの成膜用基板の表面に成膜される。
【０００５】
圧電材料、半導体材料として用いられる化合物半導体材料である酸化亜鉛、窒化アルミ薄膜単結晶は、一般にガラスまたは単結晶サファイアの成膜用基板を使用している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記窒化ガリウム単結晶膜を成膜する基板のうち、単結晶スピネル(MgAl2O4) 、単結晶炭化珪素(SiC) 、単結晶窒化ガリウム(GaN) 、単結晶酸化亜鉛(ZnO) 、単結晶窒化アルミニウム(AlN) は、いずれも基板の価格が非常に高価であり、質の良い結晶基板を作製することが困難であり、且つ大口径の基板を作製することが困難であるという問題があった。
【０００７】
以上の基板に対して、単結晶サファイアは、窒化ガリウム単結晶膜の成膜用基板として最も一般的に使用されているが、硬度が高く加工が困難であり、欠けやすい為、生産性の悪い条件で慎重に加工を行う必要があり、生産効率が悪いものであった。また、単結晶サファイアは化学耐性が極めて高いため、一般的な化学研磨加工に高度な技術を要し、デバイスプロセスにおいて行われる腐食加工において、危険なリン酸やリン酸硫酸混合液の煮沸を行わなければならないという問題があった。
【０００８】
さらに、単結晶サファイアは、融点が２０００℃を越えるため、炉材が高価になり、融点まで温度を上げるために多量のエネルギーが必要であるという問題もあった。
【０００９】
一方、窒化ガリウム単結晶膜以外においても、水銀カドミウムテルル、酸化亜鉛、窒化アルミニウム単結晶薄膜等を成膜するための基板においても、上記と同様の問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に対し、安価で大口径且つ、加工も容易な酸化物単結晶の基板を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて本発明は、(ＣａａＢａｂＳｒ１−ａ−ｂ)ｐＡｌ２ｑＯｐ＋３ｑで表され、０≦ａ＋ｂ≦１、かつ１/１２≦p/q≦３/２を満たす組成の単結晶材料からなり、その表面に化合物半導体膜を形成するようにしたことを特徴とする。
さらに、ａ＝１、ｂ＝０、ｐ＝１、ｑ＝２を満たすことを特徴とする。
また、(ＣａａＢａｂＳｒ１−ａ−ｂ)ｐＡｌ２ｑＯｐ＋３ｑで表され、０≦ａ＋ｂ≦１、かつ１/１２≦p/q≦３/２を満たす組成の単結晶材料からなる基板の表面に、化合物半導体膜を形成してなることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
上記組成の単結晶材料は、単結晶サファイアに比べて低い温度で引き上げできる等、製造が容易であることから、大口径化にも対応でき、大量生産も容易である。また、この単結晶材料は、機械加工やエッチング加工を容易に行うことができ、成膜用基板として用いた場合に、成膜後の研削加工や切り出し加工を容易に行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明についての詳細を説明する。
【００１７】
図１に示す成膜用基板１は、詳細を後述する単結晶材料からなる板状体であり、その表面に窒化ガリウム、水銀カドミウムテルル、酸化亜鉛、窒化アルミ薄膜単結晶等の化合物半導体膜２をエピタキシャル成長させるためのものである。
【００１８】
そして、これらの化合物半導体膜を成膜した後、研削加工や切り出し加工を行って所定形状とし、発光デバイス、受光デバイス、圧電電子部品等の電子デバイスとすることができる。
【００１９】
上記成膜用基板１は、(Ca a Bab Sr1-a-b ) p Al2qO p+3qで表され、０≦a+b ≦１、かつ1/12≦p/q ≦3/2 を満たす組成の単結晶材料からなることを特徴とする。
【００２０】
上記組成の単結晶材料は、比較的低い温度で引き上げできる等、製造が容易であることから、大口径化にも対応でき、大量生産が容易である。また、この単結晶材料は、機械加工やエッチング加工を容易に行うことができることから、成膜後の研削加工や切り出し加工を容易に行うことができる。
【００２１】
なお、上記単結晶材料を安定して製造するためには、p,q は、
(1) p=3,q=2 (2) p=12,q=14 (3) p=1,q=2 (4) p=1,q=4 (5) p=1,q=12
のいずれかであることが好ましく、特に(3)(4)の組成が最も安定している。
【００２２】
また、a,b の値については特に限定されるものは無いが、製造の安定上、Ca,Ba,Srのいずれか単一の元素で構成されることが好ましい。即ち、
(1) a=1,b=0 (2)a=0,b=1 (3) a=b=0
のいずれかであることが好ましい。
【００２３】
さらに、好ましくは、a=1,b=0,p=1,q=2 としたもの、即ちCaAl4O7 で表される組成のものが最適である。
【００２４】
次に、上記単結晶材料の製造方法を説明する。
【００２５】
まず、CaCO3 粉末,SrCO3粉末,BaCO3粉末の少なくとも１つと、Al2O3 粉末を用い、上記組成範囲となるように原料を混合し、この原料を９００℃以上で脱炭酸処理を行い、１３００℃以上で焼成した後、ベルヌーイ法などの溶融法で一旦結晶化させ粒状とする。この処理を経た後の原料を用いて、チョクラルスキー法、ＥＦＧ法、ベルヌーイ法等の溶融法により単結晶材料を作製する。
【００２６】
具体的には、図２に示すように、モリブデンからなる坩堝３にモリブデンからなるダイス４を配置するとともに、原料融液５を充填し、種結晶６を用いて引き上げることによって単結晶体７を得ることができる。
【００２７】
この時、原料に対して、上記のような焼成後の溶融処理を行うことによって、坩堝３への充填効率と、溶融速度を上げることができる。しかも、上記処理を行った原料は、粉末状・粒状を問わず、モリブデンやイリジウムの坩堝３にて容易に溶融する事ができる。
【００２８】
上記のように、本発明における組成の原料を使用して、本発明の方法で引き上げを行うことにより、単結晶サファイアの引き上げに比べて低い加熱エネルギーで製造できるため、安価なモリブデンを炉材に使用でき、容易に大型の単結晶を得ることが可能となる。
【００２９】
また、上記溶融法によって引き上げされた単結晶材料は、単結晶サファイアに比べ容易に加工でき、ウエハーに研磨できる。
【００３０】
こうして得られた単結晶材料を用いて、図１に示す成膜用基板１を形成すれば、高温及び真空及び還元雰囲気にて安定であるため、窒化ガリウム、水銀カドミウムテルル、酸化亜鉛、窒化アルミ単結晶膜を良好にエピタキシャル成長させる事ができる。
【００３２】
【実施例】
実施例１
(Ca a Bab Sr1-a-b ) p Al2qO p+3qにおいてa=1,b=0,p=1,q=2 となるように、炭酸カルシウム及びアルミナの粉末を混合した。炭酸カルシウムに含まれる炭酸ガスは、焼成中に揮発するものとして計算した。原料粉末の粒度は、炭酸カルシウム、アルミナともに３μｍのものを使用し、湿式ミルで８時間混合し、煮沸乾燥した後、９００℃にて３時間保持して脱炭酸処理して、１３００℃にて焼成した。
【００３３】
相変化温度についても１１００℃では出発原料相の晶出が確認され、１３００℃においても３時間以上保持しなければ異相が晶出し、単一相とはならなかった。
【００３４】
この原料をモリブデン坩堝に充填し、アルゴン雰囲気にて高周波加熱炉で１８００℃に加熱し溶融した。モリブデン坩堝を用い、アルゴン雰囲気を使用した条件に於いて、原料融液と坩堝に反応は確認されなかった。高周波誘導加熱炉に於いて１８００℃に加熱する為に必要な電力は、サファイアの溶融に必要な２０００℃強の温度条件に必要な電力に比べ３０％以上低い電力で十分であった。
【００３５】
１７４０〜１７７０℃に加熱した溶融状態の融液の液面に、種子結晶を接触させ温度を下げながら１時間当たり２ｍｍの速度でチョクラルスキー法によって引き上げを行った。引き上げ速度は、１時間当たり０〜５ｍｍの速度で引き上げ可能であり、サファイア単結晶に比べ早い速度で引き上げを行うことが出来た。
【００３６】
その結果、直径５２ｍｍ、長さ１２０ｍｍの結晶を引き上げ、厚さ０．５ｍｍ、直径５０ｍｍの基板を切り出し、得られた基板を化学研磨によって鏡面加工した。
【００３７】
このようにして得られた基板を、硫酸によって酸処理し、窒化ガリウム単結晶膜の成膜用基板として使用した。なお、常温のｐＨ２の硫酸に於いて４〜５時間含浸させる事によって容易に表面をエッチングすることが出来た。
【００３８】
窒化ガリウムの成膜には、トリメチルガリウムを使用した有機金属化合物気相成長法を用い、AlN またはGaN による低温バッファ相を介して均質な窒化ガリウム単結晶膜を得る事が出来た。
【００３９】
実施例２
上記と同様にして、ＥＦＧ法を用いた結果、所定の方位で幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの板状単結晶基板を作製することができた。坩堝、ダイスにはモリブデンを用いたが、融液との反応は見られなかった。
【００４０】
但し、融液の組成比について、CaO:Al2O3 のモル比で、1/12〜3/2 の範囲及び純アルミナ以外の組成ではモリブデンと融液の間に反応が見られ、純粋な結晶を引くことが出来なかった。
【００４１】
また、モリブデンを使用せずイリジウムを坩堝材に用いた場合に於いても、融液の組成比についてCaO:Al2O3 のモル比で、1/12〜3/2 の範囲に設定しておけば、結晶成長が可能である事が確認できた。
【００４２】
また、粉末原料においても、(Ca a Bab Sr1-a-b ) p Al2qO p+3qにおいてa=1,p=1,q=2 となるように、炭酸カルシウム及び、アルミナの粉末を混合し、９００℃での脱炭酸処理、１３００℃焼成を経た粉末原料に対し、ベルヌーイ法によって一旦溶融・固化させ、粒度５ｍｍ程度に粉砕した原料を使用した場合、坩堝への充填量が粉末の倍以上あり、且つ溶融時間も短くなるため、短時間で溶融する事が出来、本発明の結晶引き上げに対して非常に有用な原料が製造できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、(Ca a Bab Sr1-a-b ) p Al2qO p+3qで表され、０≦a+b ≦１、かつ1/12≦p/q ≦3/2 を満たす組成からなる単結晶材料としたことによって、高温還元雰囲気で安定しており、容易に機械加工及びエッチングする事ができ、また製造が容易であるため、量産性に優れ、大口径化にも対応できる。
【００４４】
しかも本発明における単結晶材料を用いて成膜用基板を形成すれば、基板自体の作製加工が容易であるとともに、単結晶薄膜を成膜した後の加工においても、基板研削加工、切り出し加工ともに歩留まり良く容易に行うことができる。その結果、本発明の電子デバイスは安価に大量生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜用基板を示す斜視図である。
【図２】本発明の成膜用基板の製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１：成膜用基板
２：化合物半導体膜
３：坩堝
４：ダイス
５：原料融液
６：種結晶
７：単結晶体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film formation substrate for forming a compound semiconductor thin film such as gallium nitride, mercury cadmium tellurium, zinc oxide, and aluminum nitride single crystal, and a single crystal material therefor.
[0002]
[Prior art]
Since it is difficult to produce a bulk body, a compound semiconductor material is used that is formed by epitaxial growth on the surface of a film formation substrate.
[0003]
For example, a gallium nitride thin film single crystal, which is a compound semiconductor material used for a light emitting device or the like, is most commonly formed on the surface of a film formation substrate made of single crystal sapphire. Alternatively, a single crystal spinel, a single crystal silicon carbide, or a single crystal gallium nitride substrate is also used as another film formation substrate.
[0004]
Similarly, a mercury cadmium tellurium thin film single crystal used for a sensor or the like as a compound semiconductor material is generally formed on the surface of a single crystal sapphire film formation substrate.
[0005]
A zinc oxide or aluminum nitride thin film single crystal, which is a compound semiconductor material used as a piezoelectric material or a semiconductor material, generally uses a glass or single crystal sapphire film formation substrate.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Of the substrates on which the gallium nitride single crystal film is formed, single crystal spinel (MgAl 2 O 4 ), single crystal silicon carbide (SiC), single crystal gallium nitride (GaN), single crystal zinc oxide (ZnO), single crystal All of aluminum nitride (AlN) has a problem that the price of the substrate is very expensive, it is difficult to produce a high-quality crystal substrate, and it is difficult to produce a large-diameter substrate. It was.
[0007]
In contrast to the above substrates, single crystal sapphire is most commonly used as a substrate for forming a gallium nitride single crystal film, but it is difficult to process due to its high hardness and poor productivity. It was necessary to process carefully under the conditions, and the production efficiency was poor. In addition, since single crystal sapphire has extremely high chemical resistance, it requires advanced technology for general chemical polishing processing, and boiling of dangerous phosphoric acid and phosphoric acid sulfuric acid mixed solution is performed in the corrosion processing performed in the device process. There was a problem that had to be.
[0008]
Furthermore, since the melting point of single crystal sapphire exceeds 2000 ° C., the furnace material becomes expensive, and a large amount of energy is required to raise the temperature to the melting point.
[0009]
On the other hand, other than the gallium nitride single crystal film, a substrate for forming a mercury cadmium tellurium, zinc oxide, aluminum nitride single crystal thin film, or the like has the same problem as described above.
[0010]
An object of the present invention is to obtain an oxide single crystal substrate that is inexpensive, has a large diameter, and is easy to process.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above problems, the present invention is represented by (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q , and 0 ≦ a + b ≦ 1 and 1/12 ≦ p / q ≦ 3/2. A compound semiconductor film is formed on the surface of a single crystal material having a composition that satisfies the above.
Further, a = 1, b = 0, p = 1, and q = 2 are satisfied.
Further, it is represented by (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q , and is made of a single crystal material having a composition satisfying 0 ≦ a + b ≦ 1 and 1/12 ≦ p / q ≦ 3/2 A compound semiconductor film is formed on the surface of the substrate.
[0015]
[Action]
The single crystal material having the above composition can be pulled up at a lower temperature than single crystal sapphire and is easy to manufacture. Therefore, the single crystal material can cope with a large diameter and is easily mass-produced. Further, this single crystal material can be easily machined and etched, and when used as a film-forming substrate, grinding and cutting after film-forming can be easily performed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Details of the present invention will be described below.
[0017]
A film-forming substrate 1 shown in FIG. 1 is a plate-like body made of a single crystal material, the details of which will be described later, and a
[0018]
Then, after these compound semiconductor films are formed, grinding and cutting are performed to obtain a predetermined shape, and an electronic device such as a light emitting device, a light receiving device, or a piezoelectric electronic component can be obtained.
[0019]
The film-forming substrate 1 is represented by (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q , and 0 ≦ a + b ≦ 1 and 1/12 ≦ p / q ≦ 3/2. It consists of the single crystal material of the composition which satisfy | fills.
[0020]
Since the single crystal material having the above composition can be pulled up at a relatively low temperature and is easy to manufacture, it can cope with a large diameter and is easily mass-produced. In addition, since this single crystal material can be easily machined and etched, it can be easily subjected to grinding and cutting after film formation.
[0021]
In addition, in order to stably manufacture the single crystal material, p and q are
(1) p = 3, q = 2 (2) p = 12, q = 14 (3) p = 1, q = 2 (4) p = 1, q = 4 (5) p = 1, q = 12
Any of the above is preferable, and the compositions (3) and (4) are most stable.
[0022]
Further, the values of a and b are not particularly limited, but are preferably composed of any one element of Ca, Ba and Sr in terms of production stability. That is,
(1) a = 1, b = 0 (2) a = 0, b = 1 (3) a = b = 0
It is preferable that it is either.
[0023]
More preferably, a = 1, b = 0, p = 1, q = 2, that is, a composition represented by CaAl 4 O 7 is optimal.
[0024]
Next, a method for producing the single crystal material will be described.
[0025]
First, at least one of CaCO 3 powder, SrCO 3 powder, BaCO 3 powder and Al 2 O 3 powder are mixed with raw materials so that the above composition range is reached, and this raw material is decarboxylated at 900 ° C. or higher. After firing at 1300 ° C. or higher, it is once crystallized by a melting method such as the Bernoulli method to form a granule. A single crystal material is produced by a melting method such as the Czochralski method, the EFG method, or the Bernoulli method using the raw material after this treatment.
[0026]
Specifically, as shown in FIG. 2, the
[0027]
At this time, it is possible to increase the filling efficiency into the
[0028]
As described above, by using the raw material having the composition according to the present invention and performing the pulling by the method of the present invention, it can be produced with lower heating energy than the pulling of single crystal sapphire. It can be used and a large single crystal can be easily obtained.
[0029]
In addition, the single crystal material pulled by the melting method can be easily processed as compared with single crystal sapphire and polished to a wafer.
[0030]
If the film-forming substrate 1 shown in FIG. 1 is formed using the single crystal material thus obtained, it is stable at high temperatures, in vacuum, and in a reducing atmosphere. Therefore, gallium nitride, mercury cadmium tellurium, zinc oxide, aluminum nitride A single crystal film can be satisfactorily epitaxially grown.
[0032]
【Example】
Example 1
Calcium carbonate and alumina powder were mixed so that a = 1, b = 0, p = 1, q = 2 in (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q . The carbon dioxide gas contained in calcium carbonate was calculated as being volatilized during firing. The particle size of the raw material powder is 3 μm for both calcium carbonate and alumina, mixed for 8 hours in a wet mill, boiled and dried, then kept at 900 ° C. for 3 hours and decarboxylated, at 1300 ° C. Baked.
[0033]
As for the phase change temperature, crystallization of the starting raw material phase was confirmed at 1100 ° C., and a different phase was crystallized unless it was maintained at 1300 ° C. for 3 hours or more, and it did not become a single phase.
[0034]
This raw material was filled in a molybdenum crucible and melted by heating to 1800 ° C. in a high-frequency heating furnace in an argon atmosphere. No reaction was confirmed between the raw material melt and the crucible under the conditions using a molybdenum crucible and an argon atmosphere. The electric power required for heating to 1800 ° C. in a high-frequency induction heating furnace was sufficient with an electric power lower by 30% or more than the electric power required for a temperature condition of slightly over 2000 ° C. required for melting sapphire.
[0035]
The seed crystal was brought into contact with the melt surface heated to 1740 to 1770 ° C., and the temperature was lowered to pull up by the Czochralski method at a rate of 2 mm per hour. The pulling speed was 0-5 mm per hour, and the pulling speed was higher than that of the sapphire single crystal.
[0036]
As a result, a crystal having a diameter of 52 mm and a length of 120 mm was pulled up, a substrate having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 50 mm was cut out, and the obtained substrate was mirror-finished by chemical polishing.
[0037]
The substrate thus obtained was acid-treated with sulfuric acid and used as a substrate for forming a gallium nitride single crystal film. The surface could be easily etched by impregnation with sulfuric acid having a pH of 2 at room temperature for 4 to 5 hours.
[0038]
For the deposition of gallium nitride, a homogeneous metal gallium nitride single crystal film was obtained through a low-temperature buffer phase of AlN or GaN by using a metal organic compound vapor phase growth method using trimethylgallium.
[0039]
Example 2
In the same manner as described above, as a result of using the EFG method, a plate-like single crystal substrate having a width of 50 mm and a length of 150 mm in a predetermined direction could be produced. Molybdenum was used for the crucible and die, but no reaction with the melt was observed.
[0040]
However, with regard to the composition ratio of the melt, a molar ratio of CaO: Al 2 O 3 in the range of 1/12 to 3/2 and a composition other than pure alumina, a reaction was observed between molybdenum and the melt, and it was pure. I couldn't draw crystals.
[0041]
Even when iridium is used for the crucible material without using molybdenum, the composition ratio of the melt is set to a range of 1/12 to 3/2 with the molar ratio of CaO: Al 2 O 3. If so, it was confirmed that crystal growth was possible.
[0042]
Also in the powder raw material, calcium carbonate and alumina powder were mixed so that a = 1, p = 1, q = 2 in (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q When the raw material powder that has been decarboxylated at 900 ° C. and baked at 1300 ° C. is once melted and solidified by Bernoulli method and then pulverized to a particle size of about 5 mm, the filling amount in the crucible is double that of the powder As described above, since the melting time is shortened, the material can be melted in a short time, and a very useful raw material for the crystal pulling of the present invention can be produced.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, a composition represented by (Ca a Ba b Sr 1-ab ) p Al 2q O p + 3q and satisfying 0 ≦ a + b ≦ 1 and 1/12 ≦ p / q ≦ 3/2 Because it is made of a single crystal material, it is stable in a high-temperature reducing atmosphere, can be easily machined and etched, and is easy to manufacture, so it has excellent mass productivity and can cope with large diameters. .
[0044]
Moreover, if the film-forming substrate is formed using the single crystal material in the present invention, the substrate itself can be easily fabricated, and both the substrate grinding process and the cutting process can be performed in the process after forming the single crystal thin film. It can be performed easily with a good yield. As a result, the electronic device of the present invention can be mass-produced at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a film formation substrate of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a method for manufacturing a film formation substrate according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: substrate for film formation 2: compound semiconductor film 3: crucible 4: die 5: raw material melt 6: seed crystal 7: single crystal
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