JP4182935B2 - Method for growing gallium nitride crystal and method for manufacturing gallium nitride substrate - Google Patents
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Description
この発明は、3−5族窒化物系化合物半導体からなる青色発光ダイオード(LED)や青色半導体レーザ(LD)などの発光デバイスの基板として用いられる窒化ガリウムの結晶成長方法に関する。また発光ダイオードや半導体レーザなど青色発光デバイスの基板に用いられる窒化ガリウムの結晶に関する。 The present invention relates to a crystal growth method of gallium nitride used as a substrate of a light emitting device such as a blue light emitting diode (LED) or a blue semiconductor laser (LD) made of a group 3-5 nitride compound semiconductor. Further, the present invention relates to a gallium nitride crystal used for a substrate of a blue light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser.
窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、すでに青色LEDを初めすでに実用化がなされている。窒化物半導体を用いた青色発光デバイスは現在でも殆どが基板としてサファイヤを用いている。サファイヤ基板の上に、窒化物半導体GaN、InGaN、AlGaN層を成長させInGaAsを活性層とする青色青緑色のLED、LDが作製される。サファイヤは化学的に安定な基板であり発光デバイスの基板として適合している。窒化ガリウムとサファイヤの格子ミスフィットは大きい。しかしだからといって欠陥が転位などから増殖するということはない。デバイスは安定である。それは一つにはサファイヤの優れた特性であり、もう一つはLEDの場合電流密度が低いので欠陥増殖などの劣化が進みにくいということもある。 Light emitting devices using nitride-based semiconductors have already been put into practical use, including blue LEDs. Most blue light emitting devices using nitride semiconductors still use sapphire as a substrate. On the sapphire substrate, nitride semiconductor GaN, InGaN, and AlGaN layers are grown to produce blue-blue-green LEDs and LDs using InGaAs as an active layer. Sapphire is a chemically stable substrate and is suitable as a substrate for light emitting devices. The lattice misfit between gallium nitride and sapphire is large. However, this does not mean that defects will multiply due to dislocations. The device is stable. One is an excellent characteristic of sapphire, and the other is that in the case of an LED, the current density is low, so that deterioration such as defect growth is difficult to proceed.
サファイヤ基板にも欠点がある。それは、劈開性がない、絶縁体である、ミスマッチが大きいということである。 Sapphire substrates also have drawbacks. That is, there is no cleavage, an insulator, and a large mismatch.
サファイヤ基板の上に作製したInGaN系の発光ダイオードの場合はサファイヤウエハ−を機械的にダイシングしてチップに切り分ける。サファイヤに劈開性がないから歩留まりが低くコスト高になっていた。青色半導体レーザの場合は共振器面を劈開面に作るということができない。共振器面を簡単に作ることができる半導体レーザの特性など品質の面で問題であった。 In the case of an InGaN-based light emitting diode fabricated on a sapphire substrate, the sapphire wafer is mechanically diced and cut into chips. Since sapphire is not cleaved, yield was low and cost was high. In the case of a blue semiconductor laser, it cannot be said that the resonator surface is a cleavage plane. It was a problem in terms of quality, such as the characteristics of a semiconductor laser that could easily make the resonator surface.
サファイヤは絶縁体基板なので、通常のLEDやLDのように基板底面にn電極を設けることができない。n型p型のGaN、InGaNのエピ層を積んだあと一部をエッチングしn型GaN膜を一部露出させそこをn電極とする。リードピンとn電極をワイヤボンデイングで接続する必要がある。横方向に電流を流すのでn型GaN膜は厚くしなければならない。そのため工程数、工程時間が増大しコスト高を招いていた。 Since the sapphire is an insulating substrate, it is not possible to provide an n-electrode on the bottom surface of the substrate like ordinary LEDs and LDs. After depositing an epi layer of n-type p-type GaN or InGaN, a part is etched to expose a part of the n-type GaN film, which is used as an n-electrode. It is necessary to connect the lead pin and the n electrode by wire bonding. Since current flows in the lateral direction, the n-type GaN film must be thick. For this reason, the number of processes and the process time increase, resulting in high costs.
p電極、n電極を上面から取り出すのでチップ面積を広くしなければならない。それもコストを押し上げていた。 Since the p-electrode and n-electrode are taken out from the upper surface, the chip area must be increased. That also raised the cost.
サファイヤ基板の上に窒化物薄膜を積層すると格子のミスマッチのためにエピ層の中に多数の転位など欠陥が発生するという問題もある。現に市販されているサファイヤ基板の上に作製したGaNエピ層には109〜1010cm−2程度の高密度の転位密度が存在するといわれている。サファイヤよりも格子ミスマッチの小さいSiC基板を用いたGaN系エピ層でも同様な高密度の転位密度が見られ大差ないようである。 When a nitride thin film is laminated on a sapphire substrate, there is a problem that defects such as a large number of dislocations are generated in the epi layer due to lattice mismatch. It is said that a dislocation density as high as about 10 9 to 10 10 cm −2 exists in a GaN epilayer produced on a sapphire substrate that is currently commercially available. The same high density of dislocation density is seen even in a GaN-based epilayer using a SiC substrate having a smaller lattice mismatch than sapphire, and there seems to be no significant difference.
もっともこの高密度転位密度は発光ダイオード(LED)の場合は殆ど問題にならない。そこから欠陥が増殖しないからである。電流密度が高い半導体レーザ(LD)の場合は転位から欠陥が成長してゆく可能性があり、半導体レーザの寿命を制限する原因になるのではないかと考えられている。サファイヤ基板は青色、紫外発光デバイス(LED、LD)の基板として今も主流をなしている。 However, this high density dislocation density is hardly a problem in the case of a light emitting diode (LED). This is because defects do not multiply from there. In the case of a semiconductor laser (LD) with a high current density, defects may grow from dislocations, which is considered to be a cause of limiting the life of the semiconductor laser. Sapphire substrates are still mainstream as substrates for blue and ultraviolet light emitting devices (LEDs, LDs).
しかしそれにもかかわらず、GaN系発光素子の最も理想的な基板は窒化ガリウム(GaN)基板であると本発明者は考える。 Nevertheless, the present inventor considers that the most ideal substrate of the GaN-based light emitting device is a gallium nitride (GaN) substrate.
もしも高品質のGaN単結晶基板が得られるならば、GaN、InGaN、AlGaNなどのエピ層との格子ミスマッチの問題は起こらない。 If a high-quality GaN single crystal substrate is obtained, the problem of lattice mismatch with epilayers such as GaN, InGaN, and AlGaN does not occur.
サファイヤと違い、窒化ガリウムは明確な劈開をもつ。チップ切り出し時に自然劈開によってきれいに切断できる。それは半導体レーザの共振器を歩留まり高く作製することを可能にする。 Unlike sapphire, gallium nitride has a clear cleavage. When cutting chips, they can be cut cleanly by natural cleavage. This makes it possible to manufacture a semiconductor laser resonator with high yield.
窒化ガリウムはドーピングできるので、n型不純物をドープすることによって導電性あるn型基板を作ることができる。そうすれば底面をn電極にできる。下面にn電極、上面にp電極を取ることができる。上下に電極を設けられるからチップサイズを減らすことができる。またワイヤボンデイング工程を一つ減らすことができる。 Since gallium nitride can be doped, a conductive n-type substrate can be made by doping an n-type impurity. Then, the bottom can be made an n electrode. An n electrode can be formed on the lower surface and a p electrode can be formed on the upper surface. Since the upper and lower electrodes are provided, the chip size can be reduced. Moreover, one wire bonding process can be reduced.
そのように窒化ガリウム単結晶基板が望まれる。しかし大型高品質単結晶の窒化ガリウム基板を製造する技術は未だ存在しない。 As such, a gallium nitride single crystal substrate is desired. However, there is still no technology for producing a large, high-quality single crystal gallium nitride substrate.
平衡状態を保った液相からの結晶化は、超高圧高温の環境で可能だと言われている。が、小粒の結晶粒が少量製造できるだけで実用的でない。 It is said that crystallization from a liquid phase in an equilibrium state is possible in an environment of ultra high pressure and high temperature. However, it is not practical because only a small amount of small crystal grains can be produced.
これに対し、異種物質の下地基板の上に、窒化ガリウムの層を厚く気相成長させて、そのあと下地基板を除去することによって窒化ガリウムの単体の基板を得るという方法が本発明者によって試みられている。 On the other hand, the present inventor attempted a method of obtaining a single substrate of gallium nitride by thickly vapor-phase-growing a gallium nitride layer on an underlying substrate of a different material and then removing the underlying substrate. It has been.
窒化ガリウム(GaN)の気相成長は、もともとサファイヤ基板の上に0.1μm〜2μm程度のGaN薄膜を成長させるときに利用された技術である。いまでもInGaN、GaN、AlGaN薄膜成長に用いられている。MOCVD法が主流である。これはGaの有機金属とアンモニアを気相で吹き込んで加熱されたサファイヤの上で反応させ反応生成物をサファイヤ基板の上に積層するものである。ドーパントの有機金属気体を添加することによってドーピングも容易に行える。 Vapor phase growth of gallium nitride (GaN) is a technique originally used for growing a GaN thin film of about 0.1 μm to 2 μm on a sapphire substrate. It is still used for InGaN, GaN, and AlGaN thin film growth. The MOCVD method is the mainstream. In this method, a reaction product is laminated on a sapphire substrate by reacting an organometallic Ga and ammonia in a gas phase and reacting them on heated sapphire. Doping can be easily performed by adding an organometallic gas as a dopant.
またGaN薄膜をサファイヤ基板の上に成長させると転位密度が高くなるのでそれを減らすためにエピタキシャルラテラルオーバーグロース(ELO:epitaxial lateral overgrowth)という手法が用いられる事もある。これはマスクを基板に付けておきマスク上を横方向成長するようにし横方向成長したものが衝突し成長の方向を横方向から縦方向に転換させ、その時に転位密度を減らすようにした工夫である。薄膜成長の工夫で、0.1μm〜0.5μm程度とごくごく薄い時に成長方向を変えて転位を減らす方法でその後はC面をもって成長させる。本来、薄膜の転位密度を減らすための手法である。 Further, when a GaN thin film is grown on a sapphire substrate, the dislocation density increases. Therefore, a method called epitaxial lateral overgrowth (ELO) is sometimes used to reduce the dislocation density. This is a device that attaches the mask to the substrate and grows in the horizontal direction on the mask so that the growth in the horizontal direction collides and changes the growth direction from the horizontal direction to the vertical direction, reducing the dislocation density at that time. is there. As a result of thin film growth, when the thickness is as thin as about 0.1 μm to 0.5 μm, the growth direction is changed to reduce dislocations, and thereafter growth is performed with a C-plane. Originally, this is a technique for reducing the dislocation density of the thin film.
ところが、これらC面成長する方法によるGaN基板は未だに転位密度の高いもので(1010cm−2程度)であった。その上に窒化物系の薄膜を積層するのであるが、基板自体に転位密度が多数ある場合は、もともとある転位から出発した多数の欠陥がエピ層に受け継がれる。だから基板自体が高品質のものでないと、その上に良好な発光デバイスを作ることができない。ELOはもともと薄膜(0.1μm〜1μm程度)の転位を減らすものであり厚い基板(数百μm)の場合はあまり有効でないということである。成長の初期に転位が一次的に減っても、その後増大する。 However, the GaN substrate by the C-plane growth method still has a high dislocation density (about 10 10 cm −2 ). A nitride-based thin film is laminated thereon, but when the substrate itself has a large number of dislocation densities, a large number of defects starting from the original dislocations are inherited by the epilayer. Therefore, if the substrate itself is not of high quality, a good light emitting device cannot be made on it. ELO originally reduces dislocations in thin films (about 0.1 μm to 1 μm) and is not very effective for thick substrates (several hundred μm). Even if dislocations decrease primarily in the early stages of growth, they increase thereafter.
そこで転位密度の小さいGaN基板を製造することを目的として、さらに本発明者は研究を進めた。そして特許文献4にファセット成長法とでも呼ぶべき新規な優れた窒化ガリウム結晶成長法を提案した。それは従来のC面成長とは全く違って独自のものである。本発明者が創案したものは、三次元的なファセット構造を結晶表面に作り出し、例えば逆6角錐型のファセットからなるピットが多数並ぶような構造を作り、それを埋め込まないでピットを維持しながら気相成長を持続させ、ファセットの傾斜面の法線方向成長により転位をピットの底へ掃き込むことによって転位密度を実効的に減少させる。
Therefore, the present inventor further researched for the purpose of manufacturing a GaN substrate having a low dislocation density.
平均するとC軸方向に成長しているが表面はC面でないファセット面を多数含む。かりにファセット成長法と呼ぶことができる。図1(a)、(b)によってそれを説明する。図1(a)は三次元的ファセットを持って成長する窒化ガリウム結晶4の表面のピットを含む一部を拡大した斜視図である。結晶4の表面には平坦部7(C面成長部)もあるが、逆六角錐形状のピット5が多数存在する。ピット5の六面はファセット面6である。これは{11−22}面であることが多い。平均的な成長方向は上方(c軸方向(0001))であるが、ファセット6はその法線の方向に成長するファセット面に存在した転位は傾斜面が法線方向に盛り上がるので稜線8の方へ移動する。転位は稜線8をさらに滑り落ちてピット5の底にたまる。ここで、{…}は面の包括表現、(…)は面の個別表現、<…>は方向の包括表現、[…]は方向の個別表現である。図2はピットの平面図で、転位の動きを水平面に投影したものである。ファセット6を維持しながら成長すると転位が稜線8へ移り、さらに稜線8を伝わって中心の多重点Dへ集まる。
On the average, it grows in the C-axis direction, but the surface includes many facet surfaces that are not C-planes. It can be called the facet growth method. This will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a partially enlarged perspective view including pits on the surface of a
三次元的なファセット構造は、逆12角錐状のピットであってもよい。これらのファセット面6の多くは、{11−22}面や{1−101}面である。ファセット成長法は、これらのファセットピット5を多数作り出し、これらを埋め込まないようにして成長を続ける。結晶成長とともにファセット面6も上方へと持ち上がってゆく。するとファセット面6に存在した転位は、ファセット面の法線をC面に投影した方向へ移動する。つまり転位は稜線の下とピットの中央へ集められる。
The three-dimensional facet structure may be an inverted 12-pyramidal pit. Many of these
稜線の下に集積したものは6面の面状欠陥10となる(図1(b))。ピット底に集結したものは線状欠陥11となる。掃き集められた転位は線状欠陥(転位集合束)11、面状欠陥10に集められる。そのように多数の転位がピット中央の欠陥10、11に集まり集結する。方々に分散していた転位がピット底へ掃き集められるのだから、その他の部分の転位密度は減少する。ピット底の転位が集まった部分を転位集合部と呼ぶ。その他の部分の転位が減少するという優れた効果のある方法である。それが本発明者による特許文献4に述べられたファセット成長法である。極めて斬新な手法である。ELOのように成長の初期だけ転位を衝突させて減らすのではない。成長の間を通じて転位をピット底(線状欠陥11、面状欠陥10)へ集め続けるので効果が持続する。転位密度減少の度合いは高く、その他の部分の転位密度は10−5〜10−7程度に減少することもある。
Those accumulated under the ridgeline are six surface defects 10 (FIG. 1B). What gathers at the bottom of the pit becomes a
このファセット成長法は優れた新規な方法であったが、なお問題があることが分かった。図3(1)、(2)によって特許文献4のファセット成長法の欠点を明らかにする。図3(1)はファセット成長によって転位がピット5底の線状転位集合部11に集められたものを示す。
This facet growth method was an excellent new method, but it still proved problematic. The disadvantages of the facet growth method of
(1)GaN膜を厚く成長させるに従って、ファセットピット6中央の転位集合部11(線状転位集合部)に一旦集まった転位が広がりはじめる。図3(2)のように転位13がピット底からモヤ状に分布し広がる傾向が現れる。つまり線状転位集合部11には転位を永久的に拘束する力がない。だからそれ以上周辺部の転位密度が下がらなくなる。モヤ状転位広がり13がファセット成長部の方へ拡大するとその部分の転位が再び増加する。
(1) As the GaN film grows thicker, dislocations once gathered at the dislocation gathering portion 11 (linear dislocation gathering portion) at the center of the
(2)ファセット面からなるピット5の生成位置はランダムである。偶然に支配される。積極的に制御できない。転位を集結させた転位集合束11の位置もランダムであり、予め決めておくことができない。どこにピット5ができるのか?ということは偶然に支配される。確率的なものである。デバイスを作るとき転位密度集結部を避けて作る必要があるとするとファセットピットの所在がランダムであるというのは不都合である。どこにピットができて転位が集結するのか?ということが予め決まった方が良い。ファセット成長法には、これらの新しい課題が浮かび上がってきた。これらの課題を解決するために、本発明者は次のような工夫を考えた。
(2) The generation position of the
本発明者らは、転位のモヤ状の広がり13がピット底から発生するのは、ファセット面からなるピット中央底(線状転位集合部11)に転位が集結しても、集結部分に転位が一時的に滞留するだけで転位間には反発力が働き成長がさらに進むと分散し始めモヤ状に広がるためだと推量した。単にファセットを維持して成長させるだけでは一旦補集した転位をつなぎ止めておくことができない。
The present inventors have found that
そこで本発明者は特許文献6に示すドットマスクファセット成長法を新たに創案した。これは下地基板の上に孤立した円形、矩形の被覆部を規則正しくピッチpで並ぶようにドットマスクを作っておき、その上に窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるものである。
Therefore, the present inventor newly created a dot mask facet growth method shown in
図4によって説明する。下地基板21の上にマスク(被覆部)23を作っておく。下地基板露出部29で結晶成長はすぐに始まり薄膜が積層される。被覆部23の上の成長が遅れ、境界部にファセット26が生ずる。ドット状に被覆部23を作るから被覆部23の周りに必ずファセット26からなるピット25ができる。被覆部23の上に欠陥集合領域Hが生ずる。露呈部のファセット面26に続いて成長する部分Zは単結晶になるが、もともと存在した転位はピット25の底へ集まるのでファセット成長する部分Zは低転位となる。ファセット成長領域は、Hに伴って存在するから単結晶低転位随伴領域Zともいう。幾何学的にファセット成長する部分Zで全体を覆い尽くせないから、C面(27)成長する部分Yが残る。C面成長領域Yも転位がファセット領域に引き寄せられるので低転位になる。Zで覆い尽くせない領域ということで単結晶低転位余領域Yともいう。こうして
This will be described with reference to FIG. A mask (covering portion) 23 is formed on the
マスク被覆部の直上 =欠陥集合領域H
露出部直上ファセット直下=単結晶低転位随伴領域Z
C面成長部 =単結晶低転位余領域Y
Immediately above the mask covering portion = defect collecting region H
Single crystal low dislocation-accompanying zone Z
C-plane growth part = single crystal low dislocation residual region Y
という複合構造を持った窒化ガリウム基板となる。特許文献4のファセット成長法のときは、欠陥が集合する部分とその他の部分という区別だけがあったが、特許文献5では、その他の部分といってもファセット成長した部分(単結晶低転位随伴領域Z)とC面成長する部分(単結晶低転位余領域Y)があるということが初めて認識された。つまり2つの部分でなく、3つの区別される部分がある、ということが初めて明らかになった。そしてマスクの周辺部を上向きに延長した筒状体がHとZの境界となり、それが結晶粒界Kとなる。転位は欠陥集合領域H、結晶粒界Kに集められ、ここで一部消滅し残りは捕獲拘束され再び分散しない。モヤ状の広がり13はこれによってなくなる。そのような明確な転位消滅捕獲機構が欠陥集合領域H、結晶粒界Kによって作られた。
This is a gallium nitride substrate having a composite structure. In the facet growth method of
そのように特許文献5はマスクを予め下地基板の上に作っておきマスクの上に欠陥集合領域Hができるのだから、特許文献4の転位を集合する線状転位集合部11の位置が決まることになる。これは同時に低転位単結晶領域Z、Yの位置をも決めることになる。そして転位拘束は永久的でモヤ状再分散が起こらない。特許文献5はマスクを付けることによって、不安定であった転位集合部分11の代わりに、位置決めされた欠陥集合領域Hを作り、これによって転位捕獲を永久化した。偶然が支配し転位再分散を許した特許文献5のファセット成長法を著しく改善したものである。
As described above, in
特許文献6は平行線状の被覆部をもつマスクを下地基板に形成して窒化ガリウムをファセット成長するものである。マスクが平行線であるから半導体レーザなどのデバイスを作製する場合に便利である。
In
特許文献7はドッドマスクファセット成長法の特許文献5の優先権を主張した出願である。特許文献8はストライプマスクファセット成長法の特許文献6の優先権を主張した出願である。
マスク23を下地基板21に付けておき、その上にファセット成長させるマスクファセット成長法はまことに優れた方法であった。そのマスクはELOのマスクとは違って、被覆部上(H領域)と露呈部上(Z、Y)にできるものがそもそも違うのである。転位を集結したH領域はマスク位置で一義的に決まる。H領域が一旦捕集した転位は永久に拘束される。転位のモヤ状広がり13ができない。
The mask facet growth method in which the
ところが、そのような精緻な方法にもなお問題があるということが分かった。マスク上にできる欠陥集合領域Hの正体がハッキリと定まらないということである。欠陥集合領域Hは多結晶の場合もあるし、結晶方位が正方向に少し傾いた単結晶であることもあり、結晶方位が負方向(180度近く)に少し傾いた単結晶であることもある。 However, it has been found that such a precise method still has problems. This means that the identity of the defect gathering region H formed on the mask is not clearly determined. The defect assembly region H may be polycrystalline, may be a single crystal whose crystal orientation is slightly inclined in the positive direction, or may be a single crystal whose crystal orientation is slightly inclined in the negative direction (near 180 degrees). is there.
そのように欠陥集合領域Hの本質が不定多種多様であるということは問題である。窒化ガリウムはc軸方向とa軸、b軸、d軸(4軸で表現して)方向ではその性質が異なる。熱膨張率もc軸方向とa軸方向では大きく異なる。気相成長法では1000℃もの高温にして成長させそれを室温にまで冷却するから、c軸方向の縮みとa軸方向の縮みはかなり違う。1000℃もの温度変化をするから、わずかな熱膨張率の相違であってもc軸、a軸方向の熱膨張率の差(熱膨張率異方性)が大きな応力を生じる。 It is a problem that the essence of the defect gathering region H is indefinitely diverse. Gallium nitride has different properties in the c-axis direction and the a-axis, b-axis, and d-axis (represented by four axes) directions. The coefficient of thermal expansion is also greatly different between the c-axis direction and the a-axis direction. In the vapor phase growth method, the c-axis shrinkage and the a-axis shrinkage are quite different because they are grown at a high temperature of 1000 ° C. and cooled to room temperature. Since the temperature changes as much as 1000 ° C., even if there is a slight difference in thermal expansion coefficient, the difference in thermal expansion coefficient in the c-axis and a-axis directions (thermal expansion coefficient anisotropy) causes a large stress.
欠陥集合領域Hが多結晶であれば、熱膨張率は平均の値になる。だから欠陥集合領域Hと周りの低欠陥単結晶領域Zとの熱膨張率の異方性が異なる。そのために冷却すると強い内部応力が生じマイクロクラックが発生する。下地基板を除くと窒化ガリウム結晶はバラバラになるか、そうでなくても破断しやすいものになる。 If the defect assembly region H is polycrystalline, the coefficient of thermal expansion becomes an average value. Therefore, the anisotropy of the thermal expansion coefficient between the defect assembly region H and the surrounding low defect single crystal region Z is different. Therefore, when cooled, a strong internal stress is generated and microcracks are generated. If the base substrate is removed, the gallium nitride crystal will fall apart or it will break easily.
欠陥集合領域Hが正方向に軸の傾いた単結晶である場合、周囲の低欠陥単結晶領域Zと方位が異なるからやはり温度変化によって応力が発生し、クラックが生ずる。折角窒化ガリウム基板を作っても割れてしまって使えないということになる。 When the defect gathering region H is a single crystal whose axis is inclined in the positive direction, the orientation is different from that of the surrounding low-defect single crystal region Z, so that stress is also generated due to a temperature change and a crack is generated. Even if a bent gallium nitride substrate is made, it breaks and cannot be used.
欠陥集合領域Hが負方向に軸の傾いた単結晶である場合も同様であり熱膨張率の異方性が内外で不一致になりクラックが発生する。 The same is true when the defect gathering region H is a single crystal whose axis is inclined in the negative direction, and the anisotropy of the thermal expansion coefficient becomes inconsistent inside and outside, and cracks are generated.
欠陥集合領域Hと単結晶低転位領域Zで熱膨張率の異方性を合わせる必要がある。そのためには方位が完全に合致しているか、完全に反転しているかどちらかでなければならない。それ以外の軸方向が食い違う単結晶だということでは必ず熱膨張率異方性の食い違いがクラックを発生させる。 It is necessary to match the thermal expansion coefficient anisotropy between the defect assembly region H and the single crystal low dislocation region Z. In order to do so, the orientation must be either completely matched or fully reversed. In other words, single crystals with different axial directions always cause a crack due to a difference in thermal expansion anisotropy.
欠陥集合領域Hと低欠陥単結晶領域Zの方位が合致していれば熱膨張率異方性が合致するからクラックは発生しない。それはいいのであるが、それだと全体が単結晶になり境界に不連続がないので転位を永久的に捕獲集結できない。モヤ状再拡散を阻止できない。 If the orientations of the defect assembly region H and the low defect single crystal region Z match, the thermal expansion coefficient anisotropy matches, and no cracks are generated. That's fine, but if it is, the whole becomes a single crystal and there is no discontinuity at the boundary, so it is impossible to capture and collect dislocations permanently. Unable to prevent haze re-diffusion.
境界が転位を閉じ込め転位を集結した空間を閉鎖しなければならない。熱膨張率異方性を合致させ、境界になんらかの不連続を与えるためには欠陥集合領域Hと単結晶低転位領域Zの方位が反転しているという他はない。HとZがいずれも単結晶であって方位が逆転していれば判然と境界に欠陥ができる。それでいてa軸、c軸の熱膨張率異方性は一致するから1000℃の温度変化であっても熱膨張率の差が顕在化することはない。つまり低欠陥単結晶領域Zのa軸、b軸、d軸、c軸は、欠陥集合領域Hの−a軸、−b軸、−d軸、−c軸になる(図15)。熱膨張率はa軸方向でも−a軸方向でも同じなのであるから異方性は完全に一致する。 The boundary must confine the dislocations and close the space where the dislocations are concentrated. In order to make the thermal expansion coefficient anisotropy coincident and to give some discontinuity to the boundary, there is no other way than the orientation of the defect assembly region H and the single crystal low dislocation region Z are reversed. If both H and Z are single crystals and their orientations are reversed, it is obvious that there is a defect at the boundary. Nevertheless, since the thermal expansion coefficient anisotropy of the a-axis and c-axis coincides, even if the temperature changes at 1000 ° C., the difference in thermal expansion coefficient does not become apparent. That is, the a-axis, b-axis, d-axis, and c-axis of the low defect single crystal region Z become the -a-axis, -b-axis, -d-axis, and -c-axis of the defect assembly region H (FIG. 15). Since the coefficient of thermal expansion is the same in both the a-axis direction and the -a-axis direction, the anisotropy is completely consistent.
方位が逆転すると、その境界に必ず結晶粒界ができる。結晶粒界があれば転位を永久的に捕獲拘束できる。そういうわけでクラックを発生させないためには、マスク被覆部の上にできる欠陥集合領域Hは方位反転していなければならないということがわかる。 When the orientation is reversed, there is always a grain boundary at the boundary. If there is a grain boundary, the dislocation can be permanently captured and constrained. For this reason, it can be understood that the defect gathering region H formed on the mask covering portion must be reversed in order not to generate cracks.
ところが特許文献5〜8の技術では、欠陥集合領域Hが多結晶になったり傾斜方位単結晶になったり反転方位になったりして一定しない。
However, in the techniques of
必ず反転方位の欠陥集合領域Hを生成する、一段と進んだ技術が望まれる。本発明の目的はそのようにマスクファセット法においてマスク上に必ず方位反転した欠陥集合領域Hを形成する成長方法を提供しようとするものである。 A more advanced technique that always generates a defect gathering region H having a reverse orientation is desired. An object of the present invention is to provide a growth method for forming a defect assembly region H whose orientation is always reversed on a mask in the mask facet method.
本発明者は、熱膨張率の異方性によってクラックが生じないためには閉鎖欠陥集合領域Hが、周囲と180度方位が異なった反転方位でなければならないということに気付いた。しかし単にファセットを保持しながら成長しただけでは、閉鎖欠陥集合領域Hの位置が決まらないし反転方位にならない。マスクを予め下地基板に付けて結晶成長すると、閉鎖欠陥集合領域Hの位置は決まるが反転方位にならない。多結晶になったり単結晶になっても斜めに傾いている事が多くてクラック発生を防ぐことができない。方位が180度反転していることを本明細書では方位反転と呼んだり、あるいは極性反転と呼ぶこともある。 The present inventor has realized that the closed defect gathering region H must have a reversal orientation different from the surrounding by 180 degrees so that cracks do not occur due to the anisotropy of the thermal expansion coefficient. However, the growth of the closed defect gathering region H is not determined and the reversal orientation is not obtained only by growing while holding the facet. When the crystal is grown with the mask attached to the base substrate in advance, the position of the closed defect gathering region H is determined, but it is not in the reverse orientation. Even if it becomes a polycrystal or a single crystal, it is often inclined at an angle, and cracks cannot be prevented. The fact that the azimuth is inverted 180 degrees is sometimes referred to as azimuth inversion or polarity inversion in this specification.
本発明者は、閉鎖欠陥集合領域Hが反転方位でなかったケースと反転方位になっていたケースの違いを徹底的に解析した。そして方位反転領域の形成されるメカニズムを解明することができた。 The inventor thoroughly analyzed the difference between the case where the closed defect gathering region H was not in the reverse orientation and the case where the closed defect gathering region H was in the reverse orientation. And we were able to elucidate the mechanism of the orientation inversion region.
本発明者らは数多くの実験結果を検討し、反転方位が閉鎖欠陥集合領域Hに形成されるのは、ある特定の現象が成長の初めに生じた時のみであることを突き止めた。 The present inventors examined many experimental results and found that the reversal orientation was formed in the closed defect gathering region H only when a specific phenomenon occurred at the beginning of growth.
反転方位領域は、マスク被覆部と露出部の境界の辺りの傾斜面の下部付近から反転方位結晶が横向き突起状に発生し伸びてマスク被覆部の上で合体し、被覆部を覆い、その上に反転方位結晶がそれを種として成長するのである。マスク被覆部と露呈部の境界から立ち上がる斜面の下部付近から、反転方位結晶が突起状に突然に多数発生する。そういう特異な現象が起こる。突起部分には反転方位が既に存在しており、それらが結合合体して、さらにはマスク被覆部の両側から延びてきたものが結合合体して、反転方位の種結晶を被覆部の直上に作るのである。反転方位種結晶の上に成長したものは当然に反転方位の欠陥集合領域Hとなるのである。
そのような突起発生がなくマスク被覆部へ接触しながら結晶が横方向に成長する場合は反転方位はできない。ELOと同じようになってしまう。
In the reversal orientation area, the reversal orientation crystal is generated in the shape of a lateral protrusion from the vicinity of the lower part of the inclined surface near the boundary between the mask covering portion and the exposed portion, and merges on the mask covering portion to cover the covering portion. Inverted crystals grow on the seeds. From the vicinity of the lower part of the slope rising from the boundary between the mask covering part and the exposed part, a large number of inversion-oriented crystals are suddenly generated in a protruding shape. Such a unique phenomenon occurs. Reversal orientations already exist in the projections, and they are combined and joined together, and those extending from both sides of the mask covering part are joined together to form a seed crystal with a reverse orientation directly above the covering part. It is. Naturally, what grows on the reverse orientation seed crystal becomes a defect assembly region H of reverse orientation.
When such a protrusion does not occur and the crystal grows in the lateral direction while contacting the mask covering portion, the inversion orientation cannot be performed. It will be the same as ELO.
本発明者らは、マスク被覆部、露出部の状態と、結晶成長条件、結晶成長の経過などを、走査型電子顕微鏡などを駆使して研究を進めた。その結果マスク被覆部の上に、方位反転領域を安定して形成するためには次のような条件が必要だということがわかって来た。 The inventors of the present invention have studied the conditions of the mask covering portion and the exposed portion, the crystal growth conditions, the progress of crystal growth, and the like using a scanning electron microscope or the like. As a result, it has been found that the following conditions are necessary to stably form the orientation inversion region on the mask covering portion.
(1)マスク材料はエピタキシャル成長を阻害する材料であること。 (1) The mask material is a material that inhibits epitaxial growth.
(2)被覆部上に成長する窒化ガリウム結晶の横方向の進行を、マスクの端部でせき止めた状態で比較的長い時間保持すること。そのときマスク端部でせき止められた傾斜面は{11−22}面であることが多い。マスク端部でせき止められマスクの上にかぶらない状態が続くので、ファセット面が広がる。そのような広いファセット面があって、次のような現象が起こる。 (2) The lateral progress of the gallium nitride crystal grown on the covering portion is held for a relatively long time while being damped at the edge of the mask. At that time, the inclined surface blocked at the edge of the mask is often the {11-22} plane. The facet surface is widened because it is dammed up at the edge of the mask and does not cover the mask. With such a wide facet, the following phenomenon occurs:
(3)マスク端部で横方向進行をせき止められたファセット面から、爪のような突起が所々に突出し始める。突起は他の部位と方位が180度反転した方位反転領域である。これが重要であり、ELOのようにマスクの上に乗り上げるのではなくマスクの上方で突起発生が起こる。 (3) Projections such as claws begin to protrude in places from the facet surfaces that are prevented from advancing in the lateral direction at the edge of the mask. The protrusion is an azimuth reversal region in which the azimuth is reversed by 180 degrees with respect to other portions. This is important, and protrusions occur above the mask rather than riding on the mask as in ELO.
(4)形成され始めた反転方位の突起の数が増え成長が進み、それぞれが大きくなってくる。 (4) The number of inversion-oriented protrusions that have started to be formed increases and the growth proceeds, and each increases.
(5)反転方位の爪状突起は上面が低傾斜角のファセット面であり{11−2−6}か、{11−2−5}面である。突起の下面はマスクから浮いておりマスクに接触していない。突起の下面は、対向するファセットと平行であるが法線方向が反対であり反平行の面となっている。しかし面指数は{11−21}である。それは方位反転しているからである。 (5) The claw-like projections having the reverse orientation are facet surfaces having a low inclination angle on the upper surface and are {11-2-6} or {11-2-5} surfaces. The lower surface of the protrusion is floating from the mask and is not in contact with the mask. The lower surface of the protrusion is parallel to the facing facet, but the normal direction is opposite and is an antiparallel surface. However, the face index is {11-21}. This is because the direction is reversed.
(6)マスクの周囲、あるいは両側から複数の突起がマスクの上方へ伸びてきてマスクの中央部で合体する。合体してできたものは方位反転領域である。 (6) A plurality of protrusions extend from the periphery of the mask or from both sides to the upper part of the mask and merge at the center of the mask. The merged result is an orientation reversal region.
(7)ぶつかった部分は格子不整合な境界(K’)をもったまま反転方位をもちながら厚く成長してゆく。ファセット成長している正方位領域と反転方位領域の間には方位反転に伴う結晶粒界(K)ができる。 (7) The bumped portion grows thick with an inversion orientation with a lattice mismatch boundary (K '). A crystal grain boundary (K) associated with the orientation inversion is formed between the normal orientation region and the reverse orientation region where the facet growth is performed.
(8)窒化ガリウムはファセットを維持しながら成長させるので、転位はファセットの斜面によってファセットの突き合わせ部の中心に向かって集められる。集められた転位は一部消滅し残りは方位反転領域H、その周囲の結晶粒界(K)や不整合による結晶粒界(K’)に捕獲拘束される。その他の正方位部分の転位は著しく減少する。そのように転位密度が集結する部分(H、K、K’)を予め決めることができる。低転位になる部分(Z、Y)をも予め決めることができる。 (8) Since gallium nitride is grown while maintaining the facet, dislocations are collected toward the center of the facet butt by the facet slope. The collected dislocations partially disappear, and the rest are trapped and restrained by the orientation inversion region H, the surrounding crystal grain boundaries (K), and the crystal grain boundaries (K ′) due to mismatch. The dislocations in the other normal orientation parts are significantly reduced. The part (H, K, K ′) where the dislocation density gathers can be determined in advance. The portion (Z, Y) that becomes low dislocation can also be determined in advance.
このようなメカニズムで成長した窒化ガリウム結晶には、反転方位領域がマスク上に明確に存在し、その内部では全体に渡って結晶方位が反転していることを確かめた。反転方位の欠陥集合領域Hが正方位の単結晶で囲まれているから熱膨張率の異方性が内外で一致する。そのために温度変化があってもクラックが発生せず歩留まり高く低転位高品質窒化ガリウム基板を製造できる。それは単結晶ではないが低転位単結晶部分(Z)を広く持っている。 In the gallium nitride crystal grown by such a mechanism, it was confirmed that the inversion orientation region clearly exists on the mask, and that the crystal orientation is inverted throughout. Since the defect gathering region H having the reverse orientation is surrounded by the single crystal having the positive orientation, the anisotropies of the thermal expansion coefficients are matched inside and outside. Therefore, cracks do not occur even when there is a temperature change, and a high yield and low dislocation high quality gallium nitride substrate can be manufactured. Although it is not a single crystal, it has a wide range of low dislocation single crystal parts (Z).
そのように本発明の方位反転領域は、被覆部の端部から伸びる傾斜ファセット面の途中から発生し、延伸し合体し、マスクの上方、マスクと非接触の位置で連合した方位反転部を形成し、それを種結晶として上部へ成長するのでマスク被覆部の上方には方位が反転した領域が生ずるのである。つまりマスクの上にできる欠陥集合領域Hが反転方位になるのである。そのような現象は新規のものであって、本発明者の特許文献5〜8においては未だに知られていなかったものである。
As described above, the azimuth inversion region of the present invention is generated from the middle of the inclined facet surface extending from the end of the covering portion, and is stretched and united to form an azimuth inversion portion above the mask and associated with the mask in a non-contact position. Then, since it grows upward as a seed crystal, a region having an inverted orientation is formed above the mask covering portion. That is, the defect gathering region H formed on the mask has a reverse orientation. Such a phenomenon is new and has not yet been known in
本発明はマスク上にできる欠陥集合領域Hを必ず方位反転単結晶にすることができる。その他の部分とは方位が180度回転しているだけであるから、熱膨張率の異方性が同一になる。成長時の温度(1000℃程度)から室温までの温度変化が大きくても熱膨張率異方性が食い違わないから内部応力の発生は少ない。そのために下地基板をとってもバラバラにくだけないし基板としたときにクラックが発生しない。クラックがないから安定な自立基板として得る事ができる。これまで存在しなかった大型の窒化ガリウムの基板をそれによって歩留まりよく製造することができる。 In the present invention, the defect gathering region H formed on the mask can always be an orientation-reversed single crystal. Since the azimuth is only rotated 180 degrees from the other portions, the thermal expansion coefficient has the same anisotropy. Even if the temperature change from the temperature during growth (about 1000 ° C.) to room temperature is large, the thermal expansion coefficient anisotropy does not change and the generation of internal stress is small. For this reason, even if the base substrate is taken, it is not separated and cracks do not occur when the substrate is used. Since there is no crack, it can be obtained as a stable free-standing substrate. A large-sized gallium nitride substrate that has not existed so far can be manufactured with high yield.
図5によって本発明のマスクファセット反転方位成長法を説明する。
図5(1)のように下地基板61の上にマスク被覆部63をCVD、スパッタリングなどによって設ける。マスクはエピタキシャル成長を阻害するものである。マスクは孤立ドット状でも平行線状ストライプ状でもよい。被覆部63と露出部69の区別ができる。低温(300℃〜700℃)で窒化ガリウムを気相成長させる。
The mask facet inversion orientation growth method of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5A, a
多結晶GaN微粒子70が露呈部69にも被覆部63の上にも付着する。これが重要である。高温で成長させると被覆部にはGaNが付かないが低温だから多結晶微粒子70が被覆部に付く。多結晶微粒子70が反転方位をファセット面に形成する重要な役割をする。
The polycrystalline GaN
図5(2)においては高温(900℃〜1200℃)でエピタキシャル成長させている。露出部にはGaNの(0001)単結晶64の薄膜が成長する。しかしマスク被覆部63の上には窒化ガリウムが堆積しない。そのため被覆部両側に傾斜面ができる。それは低ミラー指数のファセット66であり、{11−22}面である事が多い。ストライプマスクの場合はマスクを<1−100>方向に作って{11−22}面が傾斜面に現れるようにする。ドットマスクの場合は{11−22}面よりなる逆六角錐ピットとなる。{11−22}面といっているが、これは包括表現であって6つの個別面を含む表現である。
In FIG. 5B, the epitaxial growth is performed at a high temperature (900 ° C. to 1200 ° C.). A thin film of (0001)
ファセット成長する領域の外側に平坦面67をもって成長するC面成長領域Yが生ずる。それはマスクの形状による。ストライプマスクの場合は狭くできるが、ドット型マスクの場合はC面成長部Yがかなりの面積を占めることもある。マスクの阻止力が強くてなかなか被覆部63の上に結晶が溜まらないからファセット面66の面積がかなり広くなる。
A C-plane growth region Y that grows with a
図5(3)に示すように広くなったファセット面66から多数の爪状の突起68が内側向けて発生する。突起68は方位が反転しており、(000−1)単結晶となっている。突起68の上面は緩やかな傾斜面となっており、突起68の下面は対向するファセット面66の傾斜と平行で向きが正反対になっている。左のファセット面をA、左突起の上面をB、下面をC、右のファセット面をD、右突起の上面をE、下面をFとし、個別指数で表現すると、
As shown in FIG. 5 (3), a large number of claw-
A(11−22) D(−1−122)
B(−1−12−6) E(11−2−6)
C(−1−122) F(11−22)
A (11-22) D (-1-122)
B (-1-12-6) E (11-2-6)
C (-1-122) F (11-22)
となる。反平行であるのにA=F、D=CであるのはB、C、E、Fは方位反転しているからである(図15)。上向き面B、Eの第4指数が負であるのはやはり方位反転のためである。突起68は被覆部63と非接触であって浮き上がっている。それは被覆部に微少な多結晶70が存在しそれが接触を妨げるからである。
It becomes. The reason why A = F and D = C although they are antiparallel is that B, C, E, and F are direction-inverted (FIG. 15). The reason why the fourth index of the upward surfaces B and E is negative is also due to the direction reversal. The
図5(4)に示すようにファセット66から伸びた突起68はさらに伸長する。突起68は数多く発生し、それぞれが中央に向かって伸びる。伸びている間、マスク63に触れない。
As shown in FIG. 5 (4), the
対向して伸長してきた突起68、68は中央部で合体する。図5(5)に示すように、合体した部分が格子不整合による結晶粒界K’となる。合体して緩やかな傾斜をもつ円錐(ドットの場合)またはV溝(ストライプの場合)となる。そのように突起合体部の上に成長した部分は二重傾斜の円錐、V溝となる。突起はもともと方位反転して(000−1)になり、それを種結晶としてその上には方位反転結晶が成長する。それが欠陥集合領域Hである。内部の結晶粒界K’も成長してゆく。結晶粒界K’は左右に揺らぐので常にマスクの中心にあるとは限らない。
The
ファセット成長した部分は正方位(0001)で低転位の単結晶となる。それが単結晶低転位領域Zである。C面成長した部分は単結晶低転位余領域Yである。そのように3つの領域ができる。それは特許文献5〜8と同様であるが、本発明では欠陥集合領域Hが必ず反転方位となっているということである。そして欠陥集合領域Hと単結晶低転位領域Zの間に反転によって結晶粒界Kが生ずる。結晶粒界Kは集結した転位を消滅捕獲する作用がある。
The facet grown portion becomes a single crystal with a normal orientation (0001) and low dislocations. That is the single crystal low dislocation region Z. The C-plane grown portion is a single crystal low dislocation residual region Y. There are thus three areas. This is the same as in
図6はドットマスクを下地基板に形成して本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた場合の成長後の状態を示す結晶一部の斜視図である。下地基板61の上にエピタキシャル成長した窒化ガリウム結晶64がある。逆六角錐のピットが多数見える。その底がドットマスクの位置に対応している。ファセット66の下の部分が低欠陥単結晶領域Zである。ピットのない平坦部(C面(0001))の下にあるのがC面成長領域Yである。これら3つの領域H、Z、Yは物理的、光学的、化学的に大きく異なる。
FIG. 6 is a perspective view of a part of a crystal showing a state after growth when a dot mask is formed on a base substrate and gallium nitride is grown by the method of the present invention. There is a
図9はストライプマスクを下地基板に形成して本発明の手法によって窒化ガリウムを成長させた場合の成長後の状態を示す斜視図である。下地基板61の上にエピタキシャル成長した窒化ガリウム結晶64がある。窒化ガリウム結晶64には平行山谷構造が見える。谷の底がストライプマスク63の位置に対応する。マスクと谷の間にあるのが方位反転欠陥集合領域Hである。谷の両側にファセット66がある。ファセット66の下の部分が低欠陥単結晶領域Zである。この場合はC面成長部Yがない。後で述べるがC面成長部Yは電気抵抗が高く発光素子を作る場合に、Y領域がない方が良いという場合もある。ファセット成長の条件を巧みに調整してファセット66を広く肥大させY領域を0にすることができる。図9はそのような場合を示す。山の稜線がするどく尖っている。その場合、…HZHZ…繰り返し構造となる。
ストライプマスクでC面成長領域Yがあるものもある。図10にそれを示す。単結晶低転位随伴領域Z、Zの間にC面成長領域Yがある。山の稜線が平坦になる。この場合は、…HZYZHZYZ…という繰り返し構造になる。
ドットマスクの場合もストライプマスクの場合もこれらH、Z、Yの3つの領域は物理的、光学的、化学的に大きく異なる。
FIG. 9 is a perspective view showing a state after growth when a stripe mask is formed on a base substrate and gallium nitride is grown by the method of the present invention. There is a
Some stripe masks have a C-plane growth region Y. This is shown in FIG. There is a C-plane growth region Y between the single crystal low dislocation associated regions Z and Z. The ridgeline of the mountain becomes flat. In this case, a repetitive structure of... HZYZHZYZ.
In the case of a dot mask and a stripe mask, these three regions H, Z and Y are greatly different physically, optically and chemically.
ファセット面から方位反転突起が突出するには、ファセット面が充分に広くなるまで、マスク端部が結晶の乗り上げを防止していなければならない。
窒化ガリウムの結晶成長がマスク(被覆部)の端部でせき止められている時は、窒化ガリウムのファセット面は、{11−22}面であることが多い。
またこのとき、ファセット面{11−22}によって結晶の横方向の伸長がせき止められているときは、マスク(被覆部)の上には、窒化ガリウムの多結晶粒子が孤立して付着している。その多結晶微粒子が、結晶の横方向のマスクへの乗り上げを抑制しているらしい。
In order for the azimuth reversal protrusion to protrude from the facet plane, the mask edge must prevent the crystals from climbing up until the facet plane is sufficiently wide.
When crystal growth of gallium nitride is stopped at the edge of the mask (covering portion), the facet surface of gallium nitride is often the {11-22} plane.
At this time, when the crystal is prevented from stretching in the lateral direction by the facet surface {11-22}, the polycrystalline particles of gallium nitride are isolated on the mask (covering portion). . The polycrystalline fine particles seem to suppress the lateral movement of the crystal onto the mask.
なぜ、方位反転した突起がファセット面から突出するのか?ということは未だによく分からない。詳細は不明である。マスクの上にある、多結晶微粒子の存在が重要な役割をしているものと思われる。マスク上の多結晶微粒子が、反転方位結晶の出現に誘発的な効果をもっているようである。 Why does the reversal of the protrusion protrude from the facet surface? I'm still not sure. Details are unknown. The presence of polycrystalline fine particles on the mask seems to play an important role. It appears that the polycrystalline particles on the mask have an inducing effect on the appearance of inversion oriented crystals.
本発明の骨子は、窒化ガリウムのエピタキシャル成長において、下地基板上に、エピタキシャル成長を阻害する作用のあるマスクを、ドット状(孤立点状)またはストライプ(平行線状)状に設け、露呈部と被覆部を作り出し、露呈部上に正方位(0001)単結晶窒化ガリウムを成長させるのであるが、マスク被覆部が窒化ガリウム膜の成長を阻止し、成長の初期には露呈部だけに厚い結晶ができ、マスク端(境界)からファセット面が露呈部側に伸び、ファセット面が広くなり、対向するファセット面から、マスクより浮いて反転方位の突起が伸長し始め、突起がマスクの上を覆うように周囲から複数個伸長してマスクの上で合体し、その反転方位結晶を種結晶として、マスク被覆部の上方には反転方位領域が発生し、被覆部の上には正方位単結晶が生成し、正方位、反転方位の結晶が同時に堆積してゆき、複合的な窒化ガリウムの結晶を作り出す。方位反転領域と正方位領域の間には方位反転に伴う結晶粒界Kが発生する。この結晶粒界Kが転位を消滅捕捉拘束するという作用がある。 The essence of the present invention is that, in epitaxial growth of gallium nitride, a mask having an action of inhibiting epitaxial growth is provided on a base substrate in the form of dots (isolated dots) or stripes (parallel lines), and an exposed portion and a covering portion In this case, the positively oriented (0001) single crystal gallium nitride is grown on the exposed portion, but the mask covering portion prevents the growth of the gallium nitride film, and at the beginning of the growth, a thick crystal is formed only in the exposed portion, The facet surface extends from the mask edge (boundary) to the exposed part, the facet surface widens, and from the opposite facet surface, the protrusions that float from the mask and start to reverse are extended, and the protrusions cover the mask. The reversal orientation crystal is formed as a seed crystal, and a reversal orientation region is formed above the mask covering portion, and the reversal orientation crystal is formed on the covering portion. Position single crystal generates a positive orientation, over time transfer onto the crystal inversion orientations simultaneously, produce crystals of complex gallium nitride. A grain boundary K is generated between the orientation inversion region and the positive orientation region due to the orientation inversion. This grain boundary K has an effect of restraining dislocations by disappearance.
下地基板はそのまま使っても良い。予め窒化ガリウムの薄膜をその上に成長させておいた複合体を下地基板として用いても良い。GaN/基板の複合体を下地基板としてマスクをその上に作る。 The base substrate may be used as it is. A composite in which a gallium nitride thin film is previously grown may be used as the base substrate. A mask is formed on the GaN / substrate composite as a base substrate.
ファセット面を埋め込まないで法線方向にファセットが成長するようにするので、ファセット面やそれに隣接する部分に存在した転位はファセット面の底の方へと移動してゆきマスク被覆部と露呈部の境界に到る。そこには先述の結晶粒界Kがあり、結晶粒界Kが転位を捕獲して一部を消滅させる。残りの転位も拘束して再び放散しないようにする。そうして結晶粒界Kがモヤ状の転位の再放散13(図3(2))が起こらないようにする。方位反転結晶Hの内部にも転位が集積される。それで方位反転領域を欠陥集合領域Hと呼ぶこともできる。ここに転位を集結するから、その他の部分の転位を減らすことができる。 Since the facet grows in the normal direction without embedding the facet surface, the dislocations existing on the facet surface and its adjacent parts move toward the bottom of the facet surface and move between the mask cover and the exposed part. It reaches the boundary. There is the crystal grain boundary K described above, and the crystal grain boundary K captures dislocations and partially eliminates them. Restrain the remaining dislocations so that they do not dissipate again. Thus, the crystal grain boundary K is prevented from re-emission 13 (FIG. 3 (2)) of haze-like dislocations. Dislocations are also accumulated inside the orientation inversion crystal H. Therefore, the direction inversion region can also be referred to as a defect assembly region H. Since dislocations are concentrated here, dislocations in other parts can be reduced.
露出部の上に成長する結晶は(0001)正方位の単結晶である。その上面はGa面である。被覆部の上に成長する結晶Hは方位反転(000−1)の単結晶である。その上面は窒素面である。 The crystal grown on the exposed portion is a single crystal of (0001) positive orientation. Its upper surface is a Ga surface. The crystal H that grows on the covering portion is a single crystal whose orientation is reversed (000-1). Its upper surface is a nitrogen surface.
露呈部の上で被覆部の近くに生成する窒化ガリウムはファセット面をもって成長し、成長の途中でファセット面が消えることのないようにする。 The gallium nitride formed on the exposed portion and in the vicinity of the covering portion grows with a facet surface so that the facet surface does not disappear during the growth.
そのファセット面は、ストライプマスクの場合は{11−22}面ファセットである。そうなるようにマスクを<1−100>方向の平行線状に形成するのである(図9、10)。 The facet plane is a {11-22} plane facet in the case of a stripe mask. In this way, the mask is formed in parallel lines in the <1-100> direction (FIGS. 9 and 10).
ドットマスクの場合は自然に{11−22}面が現れて被覆部を底とし、その周囲に逆6角錐(ロート状)のピットを形成する(図6)。{11−22}面といっても3回対称性があるから6つの個別面を含んでいる。マスクの廻りに逆12角錐が現れる場合もある。それは{11−22}面と{1−101}面である。これらの面の傾斜は55゜〜65゜程度で強い傾斜である。ファセット面として成長する部分はファセット成長領域Zと呼ぶ。 In the case of a dot mask, the {11-22} plane appears naturally with the covering portion as the bottom, and an inverted hexagonal pyramid (funnel-shaped) pit is formed around it (FIG. 6). Even though the {11-22} plane has three-fold symmetry, it includes six individual planes. An inverted 12-pyramid may appear around the mask. They are {11-22} plane and {1-101} plane. The inclination of these surfaces is about 55 ° to 65 ° and is strong. The portion that grows as the facet plane is called a facet growth region Z.
ファセットから反転方位の突起が側方へ発生する。方位反転した突起の上面は、ファセット領域Zの傾斜よりも緩やかな傾斜をもつ。それは水平に対し25゜〜35゜の傾斜をもつ。それは{11−2−5}面、{11−2−6}面あるいはそれから少し(5゜以内)傾いたファセット面である。 Protrusions with a reverse orientation from the facets are generated laterally. The upper surface of the protrusion whose direction has been reversed has a gentler slope than the slope of the facet region Z. It has an inclination of 25 ° to 35 ° with respect to the horizontal. It is a {11-2-5} plane, a {11-2-6} plane, or a facet plane tilted slightly (within 5 °).
方位反転突起の下面は、対向するファセット面と同じ傾斜をもち、それは{11−22}面である(図15)。面の向きが反対であるのに同じミラー指数であるのは、方位が反転しているからである。 The lower surface of the orientation reversal protrusion has the same inclination as the opposing facet surface, which is the {11-22} plane (FIG. 15). The reason why the mirror index is the same even though the orientation of the surface is opposite is because the orientation is reversed.
被覆部の上で反転方位の突起が合体するのであるが、それらの突起は方位が反転しているといっても別個にファセット面の斜面に発生するのだから、わずかに方位が食い違うこともある。その方位の食い違いのため反転方位突起が両側から伸び橋渡しをし、合体したときに合わせ目に不整合を有することがある。不整合が結晶粒界K’を発生する。その結晶粒界K‘は方位反転領域Hの真ん中にできる。周辺部の結晶粒界Kとは別のものである。発生する原因も異なる。反転方位が成長するに従い結晶粒界K’も上方に成長してゆく。 Protrusions with reversed orientations merge on the cover, but even though the orientations are reversed, they occur separately on the slope of the facet surface, so the orientations may slightly differ . Due to the discrepancy between the directions, the inverted azimuth protrusion extends from both sides and bridges, and when they are joined, there is a case where there is a mismatch at the joint. The mismatch generates a grain boundary K ′. The crystal grain boundary K ′ is formed in the middle of the orientation inversion region H. This is different from the peripheral grain boundary K. The causes that occur are also different. As the reversal orientation grows, the crystal grain boundary K 'also grows upward.
初めに形成するマスクは孤立点を多数周期的に配置するドットマスクでもよいし、平行線上に被覆部、露呈部を形成するストライプマスクでもよい。 The mask formed first may be a dot mask in which a large number of isolated points are periodically arranged, or may be a stripe mask in which a covering portion and an exposed portion are formed on parallel lines.
ドットマスクの場合ドットは円、矩形などなんでもよいが直径dは5μm〜100μm程度がよい。周期配列のピッチはp=100μm〜1000μmの範囲であり好ましくはp=300μm〜500μm程度がよい。 In the case of a dot mask, the dot may be any circle, rectangle or the like, but the diameter d is preferably about 5 μm to 100 μm. The pitch of the periodic array is in the range of p = 100 μm to 1000 μm, and preferably about p = 300 μm to 500 μm.
ストライプマスクの場合、幅のある被覆部の幅はw=5μm〜100μmとする。ピッチはp=100μm〜1000μmの程度である。露呈部幅はs=200μm〜400μmの程度である。 In the case of a stripe mask, the width of the wide covering portion is set to w = 5 μm to 100 μm. The pitch is about p = 100 μm to 1000 μm. The exposed portion width is about s = 200 μm to 400 μm.
ドットマスクの場合はファセット成長領域Z、Zの間にファセットが存在できない部分が残る。それは平坦なC面成長領域Yである。C面成長領域Yもファセット成長領域も方位は同じで単結晶であるが、電気的、光学的、化学的な性質が違う。だから露呈部上に成長した部分も二つ(Z、Y)に分けて考えるべきである。だから、…HZYZH…という繰り返し構造になる。 In the case of a dot mask, a portion where no facet can exist between the facet growth regions Z and Z remains. It is a flat C-plane growth region Y. Both the C-plane growth region Y and the facet growth region have the same orientation and are single crystals, but have different electrical, optical, and chemical properties. Therefore, the part that has grown on the exposed part should be considered in two (Z, Y). Therefore, it becomes a repeating structure of ... HZYZH ....
ストライプマスクの場合も、ファセット成長領域Z、Zの間にファセットが存在しないC面成長領域Yがあることもある。その場合は…HZYZH…という構造になる。しかし平行線のマスクだから常にC面成長領域Yができるわけではない。ファセット成長領域を広げるとY領域を消去できる。その場合は、…HZHZH…というようにYのない構造となる(図9)。 Also in the case of a stripe mask, there may be a C-plane growth region Y where no facet exists between the facet growth regions Z and Z. In that case, the structure is ... HZYZH. However, since the mask is a parallel line, the C-plane growth region Y is not always formed. The Y region can be erased by expanding the facet growth region. In that case, a structure without Y such as... HZHZH.
反転方位の突起が発生するためには、マスクの上に予め微細な多結晶粒子が分布しているという条件が必要なようである。 In order to generate the protrusions with the reverse orientation, it seems that the condition that fine polycrystalline particles are distributed in advance on the mask is necessary.
マスク材質は、SiO2、SiN、Al2O3、AlN、ZrO2、Y2O3、MgOなどが適している。
Mask material is, SiO 2, SiN, Al 2 O 3, AlN,
下地基板は、サファイヤ、Si、SiC、MgO、ZnO、GaAs、InP、GaP、GaN、AlNの単結晶などが適する。 As the base substrate, sapphire, Si, SiC, MgO, ZnO, GaAs, InP, GaP, GaN, AlN single crystal, or the like is suitable.
あるいはサファイヤ、Si、SiC、MgO、ZnO、GaAs、InP、GaP、GaN、AlN等の単結晶に薄くGaN薄膜を成長させて表面をGaNで被覆したものであってもよい。 Alternatively, a thin GaN thin film may be grown on a single crystal such as sapphire, Si, SiC, MgO, ZnO, GaAs, InP, GaP, GaN, or AlN, and the surface may be coated with GaN.
そのようにして得られた窒化ガリウムは単結晶でなく、3つの区別される領域からなる。それらの領域の定義と性質を次に述べる。性質の一部はまだ述べていないものもあるので、これより後で詳しく述べる。 The gallium nitride thus obtained is not a single crystal but consists of three distinct regions. The definition and properties of these areas are described below. Some of the properties have not yet been described, so we will elaborate later.
欠陥集合領域H…反転方位領域。突起が合体した結晶から成長する。被覆部の上にできる。(000−1)の単結晶。酸素を多く含む。電気抵抗は低い。 Defect gathering region H: Inversion orientation region. Grows from crystals with protrusions combined. Can be formed on the cover. (000-1) single crystal. Contains a lot of oxygen. Electrical resistance is low.
低欠陥単結晶領域Z…ファセット成長した部分にできる領域。露呈部の上で被覆部に隣接する部分にできる。単結晶低転位随伴領域Zともファセット成長領域Zとも呼ぶ。酸素を多く含み、電気抵抗は低い。 Low defect single crystal region Z: A region formed in a faceted portion. A portion adjacent to the covering portion can be formed on the exposed portion. Also referred to as single crystal low dislocation associated region Z or facet growth region Z. It contains a lot of oxygen and has a low electrical resistance.
単結晶低転位余領域Y…C面成長した部分にできる領域。ドットマスクの場合は必ず発生する。ストライプマスクの場合は存在することもあり存在しない場合もある。C面成長領域Yとも呼ぶ。酸素をあまり含まない。電気抵抗は高い。炭素を多く含む。 Single crystal low dislocation residual region Y: A region formed in a C-plane grown portion. It always occurs in the case of a dot mask. In the case of a stripe mask, it may or may not exist. Also referred to as C-plane growth region Y. Does not contain much oxygen. Electrical resistance is high. Contains a lot of carbon.
そして、HとZの間に結晶粒界Kが、Hの内部に結晶粒界K’ができる。これも重要である。 A crystal grain boundary K is formed between H and Z, and a crystal grain boundary K ′ is formed inside H. This is also important.
境界の結晶粒界K…方位が逆転しているからH/Z間にできる。ファセット成長によって集合した転位を捕獲し一部消滅させ、残りを拘束収容する。 The grain boundary K at the boundary is formed between H / Z because the direction is reversed. The dislocations gathered by facet growth are captured and partly disappeared, and the rest are restrained.
内部の結晶粒界K’…突起の不整合によって欠陥集合領域Hの中心にできる結晶粒界であり成長とともに伸びるが欠陥集合領域Hの端に寄ることもあり左右に揺らぐ。 Internal crystal grain boundary K '... is a crystal grain boundary formed at the center of the defect gathering region H due to misalignment of protrusions, and it grows with growth, but it may move to the edge of the defect gathering region H and fluctuate left and right.
窒化ガリウムは透明なので肉眼でそれらを区別できない。光学顕微鏡でも違いが分からない。蛍光顕微鏡、カソードルミネッセンス(CL)によって区別することができる。 Gallium nitride is transparent and cannot be distinguished by the naked eye. There is no difference even with an optical microscope. It can be distinguished by fluorescence microscope and cathodoluminescence (CL).
本発明はマスクとして平行線状(ストライプ)のものを採用しても、孤立点状(ドット)のものを採用しても実施することができる。ストライプマスクを使うものを実施例1とし、ドットマスクを使うものを実施例2として説明する。 The present invention can be implemented by adopting a parallel line (stripe) mask or an isolated dot (dot) mask. A device using a stripe mask will be described as a first embodiment, and a device using a dot mask will be described as a second embodiment.
[実施例1(ストライプマスクパターン)]
下地基板として2インチ径のサファイヤ基板(S1)、GaAs基板(S2)、予めMOCVD法によって1.5μmの厚さの窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長させたサファイヤ基板(S3)を準備した。サファイヤ基板(S1)は、C面を主面とする。GaAs基板(S2)は主面を(111)A面とした。(111)A面というのはGa面のことで、(111)B面というのはAs面のことである。サファイヤ基板に成長させた窒化ガリウム膜はC面配向した鏡面状のものである。
[Example 1 (stripe mask pattern)]
A 2-inch diameter sapphire substrate (S1), a GaAs substrate (S2), and a sapphire substrate (S3) in which a gallium nitride film having a thickness of 1.5 μm was previously epitaxially grown by MOCVD were prepared as the base substrate. The sapphire substrate (S1) has a C surface as a main surface. The main surface of the GaAs substrate (S2) is the (111) A plane. The (111) A plane is the Ga plane, and the (111) B plane is the As plane. The gallium nitride film grown on the sapphire substrate is a mirror-like film with C-plane orientation.
S1:2インチサファイヤ基板
S2:2インチ(111)A面GaAs基板
S3:2インチGaN/サファイヤ基板
S1: 2-inch sapphire substrate
S2: 2 inch (111) A-plane GaAs substrate S3: 2 inch GaN / sapphire substrate
3種類の基板に、プラズマCVD法によって、0.1μm厚みのSiO2膜を形成した。フォトリソグラフィによって下記の4種類の平行櫛形パターン(ストライプと呼ぶ)を形成した。ストライプパターンは、成長すべきGaNの<1−100>方位に平行になるよう規則的に設ける。 An SiO 2 film having a thickness of 0.1 μm was formed on three types of substrates by plasma CVD. The following four types of parallel comb patterns (called stripes) were formed by photolithography. The stripe pattern is regularly provided so as to be parallel to the <1-100> orientation of GaN to be grown.
GaAs(111)A面にはGaAs<1−10>方向に平行にGaN<11−20>方向が、GaAs<11−2>方向にGaN<1−100>方向が軸を同一にして成長することが分かっている。上の方位はつまりGaAs(111)A面の<11−2>方位に平行にストライプマスクを形成するということである。 On the GaAs (111) A plane, the GaN <11-20> direction grows parallel to the GaAs <1-10> direction, and the GaN <1-100> direction grows with the same axis as the GaAs <11-2> direction. I know that. The upper direction means that a stripe mask is formed parallel to the <11-2> direction of the GaAs (111) A plane.
A1:線幅w 5μm、 ピッチp 300μm、露呈部幅s 295μm
A2:線幅w 20μm、 ピッチp 300μm、露呈部幅s 280μm
A3:線幅w 50μm、 ピッチp 300μm、露呈部幅s 250μm
A4:線幅w 200μm、ピッチp 500μm、露呈部幅s 300μm
A1:
A2: line width w 20 μm,
A3:
A4:
S1〜S3の基板に、A1〜A4のストライプマスクを設けた。12種類のマスク付き基板の上に、HVPE法(Hydride Vaper Phase Epitaxy)によってGaN膜を成長させた。この実施例におけるHVPE法は、反応炉内部にGa金属を収容したGaボートを上方に備え、外部から炉の全体を加熱できるようにし、Gaボートを800℃に維持し、Gaメタル融液に対して上方からHCl+H2のガスを吹き付け、GaClを合成する。Gaボートの下方に、加熱された下地基板を設置しておき上方から流れてきたGaClにアンモニアガス(NH3+H2)を吹き付けてGaNを合成して基板の上にGaN膜を成膜するようになっている。水素(H2)はキャリヤガスで最も大量に供給される。炉内部は全体としてほぼ1気圧である。 A1 to A4 stripe masks were provided on the S1 to S3 substrates. A GaN film was grown on the 12 types of masked substrates by the HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy). The HVPE method in this example is provided with a Ga boat containing Ga metal inside the reactor, and the entire furnace can be heated from the outside, and the Ga boat is maintained at 800 ° C. Then, HCl + H 2 gas is blown from above to synthesize GaCl. A heated base substrate is installed below the Ga boat, and ammonia gas (NH 3 + H 2 ) is blown onto GaCl flowing from above to synthesize GaN to form a GaN film on the substrate. It has become. Hydrogen (H 2 ) is supplied most in the carrier gas. The inside of the furnace is approximately 1 atm as a whole.
[バッファ層の形成]
基板温度: 490℃
HCl分圧: 0.002 atm (200Pa)
NH3分圧: 0.2 atm (20000Pa)
成長時間: 15分
[Formation of buffer layer]
Substrate temperature: 490 ° C
HCl partial pressure: 0.002 atm (200 Pa)
NH 3 partial pressure: 0.2 atm (20000 Pa)
Growth time: 15 minutes
[エピタキシャル層の形成]
基板温度: 1010℃
HCl分圧: 0.02 atm (2000Pa)
NH3分圧: 0.25 atm (25000Pa)
成長時間: 15分、
30分、
60分、
600分
[Epitaxial layer formation]
Substrate temperature: 1010 ° C
HCl partial pressure: 0.02 atm (2000 Pa)
NH 3 partial pressure: 0.25 atm (25000 Pa)
Growth time: 15 minutes,
30 minutes,
60 minutes,
600 minutes
成長時間は上記の4種類とし、その成長時間が経過すると試料を炉から取り出して観察、評価を行った。特に600分(10時間)成長させた試料については、観察評価したあと、研削加工によって下地基板、マスクを削り落とし、表面も研削加工し、平板な基板とした。その後研磨加工し平坦な表面をもつ基板とした。これは透明平坦平滑な基板である。様々な異なる部分構造をもつものであるが透明だから肉眼では区別が付かない。 The growth time was the above four types, and when the growth time passed, the sample was taken out of the furnace and observed and evaluated. In particular, the sample grown for 600 minutes (10 hours) was observed and evaluated, and then the ground substrate and mask were scraped off by grinding and the surface was ground to obtain a flat substrate. Thereafter, polishing was performed to obtain a substrate having a flat surface. This is a transparent flat and smooth substrate. Although it has various different partial structures, it cannot be distinguished with the naked eye because it is transparent.
(1)結晶成長の観察
GaAs下地基板の上に幅20μmの平行ラインを300μmピッチで設けた(露呈部幅280μm)マスクを設けた試料(S2*A3)について、15分、30分、60分、600分で取り出し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって初期の結晶成長の様子を調べた。
(1) Observation of crystal growth 15 minutes, 30 minutes, and 60 minutes for a sample (S2 * A3) provided with a mask (exposed portion width 280 μm) provided with parallel lines 20 μm wide at a pitch of 300 μm on a GaAs base substrate The crystal was taken out in 600 minutes, and the state of initial crystal growth was examined with an optical microscope and a scanning electron microscope.
窒化ガリウム膜の成長開始後15分で取り出した試料を観察したところマスクの上では連続的な被膜がなく、微細な多結晶粒子がわずかに乗っているだけであった。マスクで覆われていないGaAs露出部においてGaNの厚いエピタキシャル結晶成長膜が見られた。露出部のGaN膜厚は25μm程度であった。マスク上は空間で、GaAs露出部では厚い膜ができているから、マスクで落ち窪んだ形状になる。 When the sample taken out 15 minutes after the start of the growth of the gallium nitride film was observed, there was no continuous film on the mask, and only a few fine polycrystalline particles were on it. A thick epitaxial crystal growth film of GaN was observed in the GaAs exposed portion not covered with the mask. The GaN film thickness of the exposed part was about 25 μm. Since the mask is a space and a thick film is formed on the GaAs exposed portion, the mask is depressed.
結晶は平行に山と谷がいくつも並ぶ山溝形状となる(図5(2))。マスクの周辺で結晶は斜めの壁を形成する。斜め壁は{11−22}ファセットであった。そうなるようにストライプマスクの方向を予め<1−100>方向に決めたのである。 The crystal has a mountain groove shape in which a number of peaks and valleys are arranged in parallel (FIG. 5 (2)). Around the mask, the crystal forms an oblique wall. The diagonal walls were {11-22} facets. In order to do so, the direction of the stripe mask is determined in advance in the <1-100> direction.
成長開始後30分で取り出した試料を見ると、マスク上では微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部(露呈部)では、窒化ガリウム膜の厚みは増加しており、膜厚は50μm程度であった。マスク周辺部での高低差が50μm程度になりマスク周辺部のファセット面が広がっている。{11−22}ファセット面において、斜面にゴツゴツした突起が内側向きほぼ平行に多数形成されていた(図5(3))。この突起はファセット面からマスク溝へほぼ平行に伸びて行く。突起の上面は、水平面に対して25゜〜35゜程度の傾きをもち、根元で{11−22}ファセット面に連続していた。 Looking at the sample taken out 30 minutes after the start of growth, the crystal growth has not started since only a few fine polycrystalline particles are on the mask. In the non-mask part (exposed part), the thickness of the gallium nitride film increased and the film thickness was about 50 μm. The height difference at the periphery of the mask is about 50 μm, and the facet surface at the periphery of the mask is widened. On the {11-22} facet surface, a large number of protrusions ruggedly formed on the slope faced inwardly in parallel (FIG. 5 (3)). This protrusion extends almost in parallel from the facet surface to the mask groove. The upper surface of the protrusion had an inclination of about 25 ° to 35 ° with respect to the horizontal plane, and was continuous with the {11-22} facet surface at the root.
成長開始後60分で取り出した試料を見ると、線状マスク上では依然として微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部(露呈部)での結晶成長は進行し膜厚は100μm程度に達した。山谷構造がよりハッキリしてきた。マスクの左右では{11−22}ファセット面よりなる傾斜溝が生成される。対向するファセットを個別指数で表現すると(11−22)、(−1−122)である。30分成長の時に現れたゴツゴツした突起はさらに伸びる(図5(4))。突起の一部は、マスク(溝)の上方で結合している。隣接部位から伸びた突起もマスク上方で結合している。 Looking at the sample taken out 60 minutes after the start of growth, the crystal growth has not started since the fine polycrystalline particles are still on the linear mask. Crystal growth in the non-mask portion (exposed portion) progressed, and the film thickness reached about 100 μm. The Yamatani structure has become clearer. On the left and right sides of the mask, inclined grooves made of {11-22} facets are generated. The opposing facets are expressed as individual indices (11-22) and (-1-122). The rugged protrusion that appeared during the 30-minute growth further extends (FIG. 5 (4)). A part of the protrusion is bonded above the mask (groove). Protrusions extending from adjacent parts are also bonded above the mask.
突起が結合したものがストライプマスクの上を覆うようになる。結合突起とマスクの間には空間が残っていた。突起の伸長速度が同じでないため結合部はマスク中心線上にあるとは限らない。優勢な突起と劣勢な突起が結合した場合マスク中心より劣勢な突起の側へずれて結合する。結合した突起はゆるい傾斜のV溝を(図5(5)のBE)形成する。V溝の傾斜角度は水平に対して25゜〜35゜の程度であった。 A combination of protrusions covers the stripe mask. A space remained between the coupling protrusion and the mask. Since the extension speeds of the protrusions are not the same, the connecting portion is not necessarily on the mask center line. When the dominant protrusion and the inferior protrusion are combined, they are displaced from the mask center toward the inferior protrusion. The combined protrusions form a loosely inclined V groove (BE in FIG. 5 (5)). The inclination angle of the V-groove was about 25 ° to 35 ° with respect to the horizontal.
だからマスクの上には2段傾斜のV溝ができる。外側のきつい傾斜は{11−22}、{1−101}ファセット面で水平面に対し約60゜程度の傾斜をもつ。その下端から続く内側の傾斜面は25゜〜35゜の緩い傾斜をもち突起が結合したことによってできたものである。そのようにV溝と山が一定ピッチpで平行に並ぶような形状となる。 Therefore, a two-step inclined V-groove is formed on the mask. The outer steep inclination is about {tilde (60)} with respect to the horizontal plane at {11-22} and {1-101} facets. The inner inclined surface that continues from the lower end has a gentle inclination of 25 ° to 35 ° and is formed by the combination of the projections. In this way, the V groove and the mountain are arranged in parallel at a constant pitch p.
成長開始後600分で取り出した試料を見ると、平均の厚みは約1mmに達していた。線状(ストライプ)マスクの近傍は、60分の試料と殆ど同じで、2重傾斜面のV溝が存在していた。つまり60゜程度の強い傾斜面(ファセット面)とその内側に25゜〜35゜程度の浅い傾斜面が続くV溝となる。マスク上部のV溝が埋め込まれることなく、そのまま維持されていた。マスクの直上は突起結合によって生じた浅い傾斜面であり、マスクから外れた部分に60゜程度の{11−22}ファセット面よりなる平行傾斜面ができる(図9、図10)。 When the sample taken out 600 minutes after the start of growth was seen, the average thickness reached about 1 mm. The vicinity of the linear (stripe) mask was almost the same as the sample for 60 minutes, and there was a V-groove with a double inclined surface. That is, a V-groove is formed by a strong inclined surface (facet surface) of about 60 ° and a shallow inclined surface of about 25 ° to 35 ° inside thereof. The V-groove at the top of the mask was maintained without being buried. Immediately above the mask is a shallow inclined surface caused by the projection coupling, and a parallel inclined surface made of {11-22} facet surfaces of about 60 ° is formed in a portion off the mask (FIGS. 9 and 10).
このV溝は成長とともに広がる。隣接するV溝の間は平坦面(C面)となっている。線状(ストライプ)マスク直上で浅い傾斜面の下の平行直線部分が欠陥集合領域Hである。マスクの両側でファセットの下の部分が低欠陥単結晶領域Zである。隣接Z領域の間の平坦面はC面成長領域Yである。つまり、このGaNは平行な…ZHZYZHZ…構造よりなる結晶である。露出部では高い山ができ、マスクの上は低いV溝になっているので、マスク中央に稜線をもつ三角プリズムを多数平行に横に寝かせた形状を呈している。プリズムの稜線が鋭い線状の場合もある。それはYを欠落するもので、…ZHZHZHZH…というHとZが交代する構造である(図9)。プリズムの稜線が平坦面となっているものもある。平坦面はC面でありそれはC面成長領域Yである。その場合は上述のような…ZHZYZHZ…構造となる(図10)。 This V-groove expands with growth. Between adjacent V grooves is a flat surface (C surface). A parallel straight line portion immediately above the linear (striped) mask and below the shallow inclined surface is the defect accumulation region H. The portions under the facets on both sides of the mask are low defect single crystal regions Z. A flat surface between adjacent Z regions is a C-plane growth region Y. That is, this GaN is a crystal having a parallel ... ZHZYZHZ ... structure. Since the exposed portion has a high mountain and the top of the mask has a low V-groove, it has a shape in which a large number of triangular prisms having a ridge line at the center of the mask are laid in parallel. The ridge line of the prism may be a sharp line. It lacks Y and has a structure in which H and Z alternate as... ZHZHZHZH... (FIG. 9). Some prisms have a flat ridgeline. The flat surface is the C plane, which is the C plane growth region Y. In that case, the above-described... ZHZYZHZ... Structure is obtained (FIG. 10).
部分構造が異なるが透明なので目視ではこれらを区別できない。構造が異なる部分を含むのであるがクラックは全く発生していなかった。 Although the partial structures are different, they cannot be distinguished by visual inspection because they are transparent. Although there were parts with different structures, no cracks were generated.
この10時間成長後のGaN/GaAs基板について研削、研磨加工を行った。GaAs下地基板とマスクを研削加工によって削り落とした。表面の凹凸も研削で削り落とした。次いで、両面を研磨して平坦で透明なGaN自立基板とした。直径が2インチで厚みが約1mm程度の基板である。顕微鏡で表面を観察したが、全面においてクラックが発生していなかった。 The GaN / GaAs substrate grown for 10 hours was ground and polished. The GaAs base substrate and the mask were removed by grinding. Surface irregularities were also removed by grinding. Next, both surfaces were polished to obtain a flat and transparent GaN free-standing substrate. The substrate has a diameter of 2 inches and a thickness of about 1 mm. Although the surface was observed with a microscope, no cracks occurred on the entire surface.
(2)結晶の評価
こうして得られたGaN自立基板を透過電子顕微鏡(TEM)、電子線回折、CBED、CLなど種々の手段によって評価した。
(2) Crystal evaluation
The GaN free-standing substrate thus obtained was evaluated by various means such as a transmission electron microscope (TEM), electron beam diffraction, CBED, and CL.
マスク上を覆い尽くした浅い角度をもってV溝の部分を透過電子顕微鏡(TEM)により解析した。電子線回折によって評価したが、マスク上のV溝と、それ以外の山の部分で回折パターンに差異はなかった。 The V-groove portion was analyzed with a transmission electron microscope (TEM) at a shallow angle covering the mask. As evaluated by electron diffraction, there was no difference in the diffraction pattern between the V-groove on the mask and the other peaks.
さらにCBED(Convergent Beam Electron Diffraction)という手法によって解析した。それによるとV溝では、それ以外の部分に対し結晶方位が丁度180度反転しているという事が分かった。それ以外の部分というのはマスクで覆われない下地基板露呈部の上に成長した部分である。 Furthermore, it analyzed by the method called CBED (Convergent Beam Electron Diffraction). According to this, it was found that the crystal orientation of the V-groove was just 180 degrees reversed with respect to the other portions. The other part is a part grown on the base substrate exposure part not covered with the mask.
また研磨加工を施したGaN基板の表面をKOH水溶液中で温度を上げてエッチングした。表面側のマスクに対応する部分が選択的にエッチングされるということが分かった。GaNのGa面はKOHではエッチングされずN面がエッチングされることが分かっている。 In addition, the surface of the polished GaN substrate was etched by raising the temperature in an aqueous KOH solution. It was found that the portion corresponding to the mask on the front side was selectively etched. It has been found that the Ga face of GaN is not etched by KOH and the N face is etched.
この結果から、マスク上の成長部(H)は、それ以外(Y、Z)の部分に対して、C軸が丁度180゜反転している単結晶であることが分かる。つまりマスク以外の露呈部に成長した部分(Z、Y)は上面がGa面である(0001)結晶であり、マスク上に成長した部分(H)は、上面が窒素面である(000−1)単結晶であることがわかった。裏面はその反対である。図8にそのような構造を示す。 From this result, it can be seen that the growth portion (H) on the mask is a single crystal in which the C axis is just 180 ° reversed with respect to the other portions (Y, Z). That is, the portion (Z, Y) grown on the exposed portion other than the mask is a (0001) crystal whose upper surface is a Ga plane, and the portion (H) grown on the mask is a nitrogen surface (000-1). ) It was found to be a single crystal. The reverse is the opposite. FIG. 8 shows such a structure.
方位が反転し合う領域H、Zがマスク境界を上に延ばした面において隣接している。方位が反転しているので境界が粒界(K)となる。その粒界(K)が、集結した転位を一部消滅させ転位を捕獲して分散させない閉じた空間を形成する。転位がばらけたモヤ状の分散がこれによってなくなる。粒界(K)が生成するということが転位を減少させる上で極めて効果的である。しかも方位が180度反転しているから熱的な異方性の違いが顕在化せずクラックが発生しないという優れた利点がある。 The regions H and Z whose directions are reversed are adjacent to each other on the surface extending the mask boundary. Since the orientation is reversed, the boundary becomes the grain boundary (K). The grain boundary (K) forms a closed space where some of the collected dislocations disappear and the dislocations are captured and dispersed. This eliminates the haze of dislocations. The generation of grain boundaries (K) is extremely effective in reducing dislocations. Moreover, since the orientation is reversed by 180 degrees, there is an excellent advantage that a difference in thermal anisotropy does not become obvious and cracks do not occur.
マスク端部の{11−22}ファセット面の斜面から横向き求心的に発生したゴツゴツした爪状突起は初めから、C軸方向が反転した反転方位結晶である。突起の上に結晶成長がなされ、反転方位結晶がマスク上の全体に広がり、マスク上の領域全体が反転方位単結晶となる。そのようなメカニズムによってマスク上だけが方位反転単結晶(H)になる。ファセット領域Zとの境界が結晶粒界(K)となる。 The rugged claw-like projections that are centripetally generated laterally from the slope of the {11-22} facet surface at the mask edge are reversed orientation crystals whose C-axis direction is reversed from the beginning. Crystal growth is performed on the protrusions, the inverted orientation crystal spreads over the entire mask, and the entire region on the mask becomes the inverted orientation single crystal. By such a mechanism, the orientation-reversed single crystal (H) is formed only on the mask. The boundary with the facet region Z is a crystal grain boundary (K).
さらにカソードルミネッセンス、蛍光顕微鏡を用いて結晶評価を継続した。
両面研磨して得られた基板は、大部分(Z、Y)の表面を(0001)面つまりC面とする基板である。ただストライプマスクのあった部分に成長した部分だけ(H)、表面が(000−1)面(窒素面)になっている。
Furthermore, crystal evaluation was continued using cathodoluminescence and a fluorescence microscope.
The substrate obtained by the double-side polishing is a substrate having the surface of most (Z, Y) as the (0001) plane, that is, the C plane. Only the portion grown on the portion where the stripe mask was present (H), and the surface is the (000-1) plane (nitrogen surface).
カソードルミネセンス(CL)像によって結晶評価を行った。窒化ガリウム基板そのものの表面はフラットで透明均一に見えるが、バンド端の360nmを測定波長としてCL像を取ると、成長の履歴が色々のコントラストとなって現れるので上記の領域を区別して観察できる。 Crystal evaluation was performed by cathodoluminescence (CL) image. The surface of the gallium nitride substrate itself appears flat and transparent and uniform, but when a CL image is taken with a measurement wavelength of 360 nm at the band edge, the growth history appears as various contrasts, so the above regions can be distinguished and observed.
CL像によると、暗いコントラストの50μm幅程度の複数の領域が、ストライプマスク位置に対応し、規則正しく300μmピッチで平行に並んでいる。ストライプマスクに対応する暗いコントラストの領域は方位反転領域となっていることが分かった。マスク上の部分は暗いコントラストに見えるが一部は明るいコントラストの部分もあった。 According to the CL image, a plurality of regions having a dark contrast of about 50 μm width correspond to the stripe mask positions and are regularly arranged in parallel at a pitch of 300 μm. It was found that the dark contrast region corresponding to the stripe mask is an orientation reversal region. The part on the mask looks dark contrast, but part of it has bright contrast.
外側の({11−21})ファセット成長した部分は明るいコントラストになっている。マスク上で成長した領域(H)とその外側のファセット成長した領域(Z)とは明確に区別できる。マスク上領域(H)と外部(Z)との境界が、結晶粒界(K)に相当している。結晶粒界(K)の部分は、明確な暗い線状のコントラストとして観察される。明るいコントラスト(Z)(Z)の間に、暗いコントラストの部分が線状に存在した。これはC面成長した部分(Y)である。同じ方位なのであるが、{11−21}ファセットで成長した履歴をもつものはCL像では明るく、(0001)C面で成長した履歴の部分はCL像では暗い。 The outer ({11-21}) facet grown part has a bright contrast. The region (H) grown on the mask can be clearly distinguished from the outer faceted region (Z). The boundary between the mask upper region (H) and the outside (Z) corresponds to the crystal grain boundary (K). The part of the crystal grain boundary (K) is observed as a clear dark linear contrast. Between the bright contrast (Z) and (Z), a dark contrast portion was linearly present. This is the C-plane grown part (Y). Those having the same orientation but having a history of growth with {11-21} facets are bright in the CL image, and the history of growth on the (0001) C plane is dark in the CL image.
さらにストライプマスク上の方位反転領域(H)の内部を観察すると、その内部にも結晶粒界(K’)に相当する明確な暗い線状のコントラストが認められる。それは線状マスク両側のファセットから伸びてきた爪状の突起(方位反転領域)が線状マスク上方で合体することによってできた結晶粒界(K’)である。異なるファセットから成長してくるから結晶方位が必ずしも一致せず幾分ずれるので粒界ができる。粒界(K’)の位置は、浅い角度をもったV溝の底に対応する。 Further, when the inside of the orientation inversion region (H) on the stripe mask is observed, a clear dark linear contrast corresponding to the crystal grain boundary (K ′) is also recognized inside. That is, a crystal grain boundary (K ′) formed by joining nail-like protrusions (orientation reversal regions) extending from facets on both sides of the linear mask above the linear mask. Since it grows from different facets, the crystal orientations do not always coincide and are somewhat shifted, so grain boundaries are formed. The position of the grain boundary (K ′) corresponds to the bottom of the V groove having a shallow angle.
さらに反転方位領域(H)の中の粒界(K’)の位置は結晶成長厚さによっても変化する。結晶成長初期の60分成長の試料においては、粒界(K’)がストライプマスク幅のほぼ中央に位置して存在していた。しかし結晶成長10時間のGaN基板についてCL像を観察すると、マスク幅の中央に粒界(K’)があることもあるが偏っていることもある。それは結晶成長の進行とともに粒界(K’)の位置が左右に変動してゆくためであろう。たとえばマスク幅中央から大きくずれて境界の粒界(K)と重なって存在する場合もある。そのように突起が結合してできた粒界(K’)は常に方位反転領域の中央部にあるとは限らない。 Further, the position of the grain boundary (K ′) in the reverse orientation region (H) also changes depending on the crystal growth thickness. In the sample grown for 60 minutes at the initial stage of crystal growth, the grain boundary (K ′) was located at the approximate center of the stripe mask width. However, when a CL image is observed for a GaN substrate with a crystal growth time of 10 hours, there may be a grain boundary (K ′) at the center of the mask width, but it may be biased. This is because the position of the grain boundary (K ′) varies from side to side as the crystal growth proceeds. For example, there may be a case where it is greatly deviated from the center of the mask width and overlaps with the boundary grain boundary (K). The grain boundary (K ′) formed by combining the protrusions is not always in the center of the orientation inversion region.
CLに限らず、蛍光顕微鏡を用いても、反転方位領域(H)の内部の粒界(K’)を観察できる。 The grain boundary (K ′) inside the inversion orientation region (H) can be observed not only by CL but also by using a fluorescence microscope.
反転方位領域(H)を含む試料を切り出して、透過電子顕微鏡で、内部粒界(K’)の解析を行った。反転方位領域(H)内の粒界(K’)の両側部分から、電子線回折をして比較を行った。20以上の点において測定を行った結果、粒界(K’)を境としてその両側で、結晶方位が少しずれた不整合面であることがわかった。もちろん特別な場合に方位がぴったり一致する場合もある。場所によってばらつきもある。試料によって差異がある。方位に少しの差異があるが、それでも粒界(K’)の両側の部分の結晶方位の差異は5゜以内であった。 A sample including the reversed orientation region (H) was cut out, and the internal grain boundary (K ′) was analyzed with a transmission electron microscope. A comparison was made by electron beam diffraction from both sides of the grain boundary (K ′) in the reversed orientation region (H). As a result of measurement at 20 points or more, it was found that the crystal planes were misaligned on the both sides of the grain boundary (K ′) as a boundary. Of course, the orientations may match exactly in special cases. There are also variations from place to place. There are differences depending on the sample. Although there was a slight difference in the orientation, the difference in crystal orientation between the both sides of the grain boundary (K ′) was still within 5 °.
成長初期の段階で取り出した試料(15分、30分、60分)を再び詳細に観察した。成長開始後30分に取り出した試料に現れていたゴツゴツした爪状の突起については、側方から見ると、上斜面と下斜面に囲まれた楔型断面をしている。これが何かということが問題である。 Samples (15 minutes, 30 minutes, 60 minutes) taken out at the initial stage of growth were again observed in detail. When viewed from the side, the claw-like protrusions appearing in the sample taken out 30 minutes after the start of growth have a wedge-shaped cross section surrounded by the upper and lower slopes. The problem is what this is.
突起の上斜面の水平に対する傾斜角は、25度〜35度で緩やかな傾斜面となっている。下斜面の傾斜角は55度〜65度の強い傾斜を持っている。それは対向するファセット面{11−22}の傾きと丁度平行である。法線方向が反対だから丁度反平行であるということができる。もしも結晶軸が同一であれば、下斜面は、対向ファセット面と反平行だから指数にマイナス1を掛けて{−1−12−2}となる筈である。しかし既に説明したように突起は周囲とは方位が180度反転した単結晶で方位反転領域だということがわかっている。だから下斜面は再び面指数にマイナス1をかけて{11−22}面だということになる。突起の下斜面は、対向するファセット面と平行で法線方向が反対であるが、方位が逆転しているのでミラー(Miller指数)は同一になるのである。
The inclination angle of the upper slope of the protrusion with respect to the horizontal is 25 to 35 degrees, which is a gentle slope. The slope of the lower slope has a strong slope of 55 to 65 degrees. It is just parallel to the slope of the opposing facet surface {11-22}. It can be said that it is just antiparallel because the normal direction is opposite. If the crystal axes are the same, the lower slope should be {-1-12-2} by multiplying the index by
方位が逆転しているから突起の上向き面の第4指数はマイナスに、下向き面の第4指数はプラスになる。突起の緩やかな上向きの傾斜面は{11−2−6}、{11−2−5}、一般に{11−2−n}(n≧3)と書くことができる。 Since the direction is reversed, the fourth index of the upward surface of the protrusion is negative, and the fourth index of the downward surface is positive. The gentle upward inclined surface of the protrusion can be written as {11-2-6}, {11-2-5}, and generally {11-2-n} (n ≧ 3).
30分成長の試料では、ファセット面から斜めに平行の突起群が発生しマスクに接触せずマスクの上方を内向きに伸長する。60分成長の試料では内向きの爪状突起が中間部で合体して浅い傾斜のピットを作っている。浅いピットの外側により強い傾斜面が連続することになる。二段傾斜のV溝となる。60分成長以後は、マスクの上の突起合体部の上に方位反転結晶が成長し、ファセット部分の上にはファセットを維持しつつ正方位の結晶が成長する。C面成長部分(Y)もそのまま上方へ成長し厚みを増してゆく。 In the sample grown for 30 minutes, a group of protrusions obliquely parallel to the facet surface is generated and extends inward above the mask without contacting the mask. In the sample grown for 60 minutes, the inward claw-like projections merge at the middle portion to form a shallow inclined pit. Stronger slopes will continue on the outside of the shallow pits. It becomes a two-step inclined V-groove. After the growth for 60 minutes, an orientation reversal crystal grows on the protrusion merged portion on the mask, and a positive orientation crystal grows on the facet portion while maintaining the facet. The C-plane growth portion (Y) also grows upward and increases in thickness.
そのような複雑な成長をする。600分で1mm近くに成長し研削、研磨した試料について、カソードルミネセンス(CL)によって転位密度を測定した。カソードルミネセンスによると貫通転位が存在すると黒点となって現れる。黒点の数を数えることによって貫通転位の数を知る事ができる。 Make such a complex growth. The dislocation density was measured by cathodoluminescence (CL) for a sample grown, ground and polished near 1 mm in 600 minutes. According to cathodoluminescence, if there are threading dislocations, they appear as black spots. The number of threading dislocations can be determined by counting the number of sunspots.
方位反転領域(H)では、転位密度は106cm−2〜109cm−2で高い値であった。これは他の部分にあった転位を掃き集め、それが方位反転領域(H)に集積しているからである。ファセット成長した領域(Z)と、C面成長した部分(Y)での転位密度は105〜107cm−2であり、Z、Y領域(非反転;正方位単結晶)の部分の転位密度は大幅に減少していることが確認された。 In the orientation inversion region (H), the dislocation density was high at 10 6 cm −2 to 10 9 cm −2 . This is because the dislocations in other parts are swept up and accumulated in the direction inversion region (H). The dislocation density in the facet grown region (Z) and the C plane grown portion (Y) is 10 5 to 10 7 cm −2 , and the dislocations in the Z and Y regions (non-inverted; positively oriented single crystal) portions It was confirmed that the density was greatly reduced.
通常サファイヤ基板の上に窒化ガリウム薄膜を成長させた場合、窒化ガリウム薄膜には、108cm−2〜1010cm−2の高密度の転位が発生する。それに比べて、本発明は、窒化ガリウム結晶中の転位密度を大きく低減でき著しい転位削減効果があることが分かる。 Usually, when a gallium nitride thin film is grown on a sapphire substrate, high-density dislocations of 10 8 cm −2 to 10 10 cm −2 are generated in the gallium nitride thin film. In contrast, it can be seen that the present invention can greatly reduce the dislocation density in the gallium nitride crystal and has a significant dislocation reduction effect.
(3)マスクパターン種類の影響
以上の例では、A3マスク(平行;線幅w=50μm;ピッチp=300μm)のものについて述べてきた。A1、A2、A4マスクを用いたものについてもほぼ同様の結果が得られた。ただ、マスクA1(線幅w=5μm、ピッチp=300μm)を作製してGaNをその上に成長させたものは、マスクが狭い為にその上に発生する方位反転領域(H)が狭く、その内部に発生するはずの粒界(K’)が分かりにくくなる傾向があった。A1マスクの場合、(成長時間を長くして)GaN層を厚くすると反転方位領域(H)自体が消失することもあった。A1マスクは最良ではないが本発明が期待した効果を上げることはでき、マスク寸法の下限を与えるものと思われる。
(3) Influence of mask pattern type In the above example, an A3 mask (parallel; line width w = 50 μm; pitch p = 300 μm) has been described. Similar results were obtained with the A1, A2, and A4 masks. However, in the case where the mask A1 (line width w = 5 μm, pitch p = 300 μm) was produced and GaN was grown thereon, the orientation inversion region (H) generated thereon was narrow because the mask was narrow, There was a tendency that the grain boundaries (K ′) that should be generated in the interior were difficult to understand. In the case of the A1 mask, when the GaN layer is thickened (by increasing the growth time), the inverted orientation region (H) itself may disappear. Although the A1 mask is not the best, the effect expected by the present invention can be increased, and it is considered that the lower limit of the mask dimension is given.
マスクA2(線幅w=20μm、ピッチp=300μm)は、A3マスクとほぼ同じで良好な結果をもたらすことができた。 The mask A2 (line width w = 20 μm, pitch p = 300 μm) was almost the same as the A3 mask, and good results could be obtained.
マスクA4(線幅w200μm、ピッチ500μm)の場合は、被覆部の幅が200μm、半幅が100μmであるから、突起が成長して結合するまで100μm伸長しなければならず結合までに時間がかかる。その後から方位反転領域(H)が成長するので転位の集積、消滅が不完全になることもある。またマスク被覆部の部分はデバイスの重要な部分には使えず、その比率が増加するので望ましくない。だからストライプマスクの線幅wの望ましい値は5μm〜100μm程度である。
In the case of the mask A4 (
(4)基板種類の影響
GaAsを下地基板(S2)とした場合について述べてきたが、下地基板として、サファイヤ基板(S1)を使用した場合、あるいはMOCVD法で1.5μm厚みのGaN層をサファイヤ基板上に被覆したGaN/サファイヤ複合基板(S3)の上に、同様のマスクA1〜A4を形成して、GaNをファセット成長させた場合も同じような結果が得られた。
(4) Influence of board type
The case where GaAs is used as the base substrate (S2) has been described. However, when the sapphire substrate (S1) is used as the base substrate, or a GaN / GaN layer having a 1.5 μm-thick GaN layer coated on the sapphire substrate by MOCVD. Similar results were obtained when the same masks A1 to A4 were formed on the sapphire composite substrate (S3) and the GaN was facet grown.
サファイヤ基板を下地基板にした場合(S1)、前述のGaAs基板(S2)のときと同様のマスク、同様の成長条件で、GaNバッファ層、GaNエピ層を成長させた。成長時間も、15分、30分、60分、600分とした。初めは、下地基板露出部だけに成長がおこりストライプ(平行線状)マスクの上に成長がおこらない。露呈部に結晶の山ができマスクは谷になるから山谷が交代する平行畝構造となる。マスクの両側に平行ファセット面ができる。ファセットが充分に高くなるとファセットから爪状突起(反転方位領域(H))が伸び中央で合体して、その上に反転方位領域(H)が成長し、ファセット領域には単結晶低転位領域Zが成長し、ファセットとファセットの境界の平坦面にはC面成長部Yが成長した。反転方位領域(H)と単結晶低転位領域Zの間には粒界(K)が発生した。反転方位(H)が欠陥集合領域であることもわかった。反転方位領域(H)の内部にも粒界(K’)があることも確認された。それは爪状突起が結合合体したときの不整合が上方へ連続的に伸びた粒界(K’)である。 When the sapphire substrate was used as the base substrate (S1), the GaN buffer layer and the GaN epi layer were grown using the same mask and the same growth conditions as those of the GaAs substrate (S2) described above. The growth time was also 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 600 minutes. Initially, the growth occurs only on the exposed portion of the base substrate and does not occur on the stripe (parallel line) mask. A crystal peak is formed in the exposed portion, and the mask becomes a valley, so that a parallel ridge structure in which the peaks and valleys alternate is formed. Parallel facet surfaces are created on both sides of the mask. When the facet is sufficiently high, the claw-like projections (reversal orientation region (H)) extend from the facet and merge at the center, and the reversal orientation region (H) grows thereon, and the single crystal low dislocation region Z is formed in the facet region. The C-plane growth portion Y grew on the flat surface at the boundary between the facet and the facet. A grain boundary (K) was generated between the inversion orientation region (H) and the single crystal low dislocation region Z. It was also found that the reversal direction (H) was a defect assembly region. It was also confirmed that there was a grain boundary (K ′) inside the reverse orientation region (H). It is a grain boundary (K ′) in which the misalignment when the claw-like projections are bonded and united continuously extends upward.
1.5μmのGaN膜をMOCVD法で被覆したサファイヤ基板(S3)を下地基板にした場合も同じように、線状(ストライプ)マスクを作り、その上に低温バッファ層、高温のエピ層を成長させた。成長時間の刻みも15分、30分、60分、600分とした。初め、露出部だけにGaN結晶成長がおこり、マスク部には微粒子が僅かに付着しているだけであった。マスク周囲に斜めのファセットが形成される。ファセットが広がりその側面から爪状突起が発生してそれが合体する。合体したものは方位反転領域であり、その上に成長したものは方位反転している。それが欠陥集合領域Hである。ファセット部分に続いて単結晶低転位領域Zが成長し、平坦部分にはC面成長部分Yができる。反転方位領域(H)と単結晶低転位領域(Z)の間には方位反転によって結晶粒界(K)ができる。反転方位領域(H)の内部にも結晶粒界(K’)ができる。そのようにGaAs基板(S2)の場合と同様であった。 Similarly, when a sapphire substrate (S3) coated with a 1.5μm GaN film by MOCVD is used as a base substrate, a linear (stripe) mask is formed, and a low-temperature buffer layer and a high-temperature epi layer are grown thereon. I let you. The increment of the growth time was also set to 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 600 minutes. Initially, GaN crystal growth occurred only in the exposed portion, and only a small amount of fine particles adhered to the mask portion. Oblique facets are formed around the mask. The facets spread and nail-like projections are generated from the side surfaces, which are united. What is combined is an orientation reversal region, and what has grown on it is orientation reversed. That is the defect gathering region H. A single crystal low dislocation region Z is grown following the facet portion, and a C-plane grown portion Y is formed in the flat portion. A crystal grain boundary (K) is formed between the inversion orientation region (H) and the single crystal low dislocation region (Z) by orientation inversion. A grain boundary (K ′) is also formed inside the reverse orientation region (H). It was the same as in the case of the GaAs substrate (S2).
[実施例2(ドットマスクパターン)]
実施例1と同様に、基板として2インチ径のサファイヤ基板(S1)、GaAs基板(S2)、予めMOCVD法によって1.5μmの厚さの窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長させたサファイヤ基板(S3)を準備した。サファイヤ基板(S1)は、C面を主面とする。GaAs基板(S2)は主面を(111)A面とした。サファイヤ基板に成長させた窒化ガリウム膜はC面配向した鏡面状のものである。
[Example 2 (dot mask pattern)]
As in Example 1, a 2-inch sapphire substrate (S1), a GaAs substrate (S2), and a sapphire substrate (S3) in which a gallium nitride film having a thickness of 1.5 μm is epitaxially grown in advance by MOCVD are prepared. did. The sapphire substrate (S1) has a C surface as a main surface. The main surface of the GaAs substrate (S2) is the (111) A plane. The gallium nitride film grown on the sapphire substrate is a mirror-like film with C-plane orientation.
S1:2インチサファイヤ基板
S2:2インチ(111)A面GaAs基板
S3:2インチGaN/サファイヤ基板
S1: 2-inch sapphire substrate
S2: 2 inch (111) A-plane GaAs substrate S3: 2 inch GaN / sapphire substrate
3種類の基板に、プラズマCVD法によって、0.1μm厚みのSiO2膜を形成した。フォトリソグラフィによって下記の4種類のドットパターンを形成した。ドットパターンは、ELOとは異なり連続した1枚の被覆膜に窓を設けるのではなく、連続した露呈部分の中に、孤立した被覆部分を多数規則正しく配置するということである。 An SiO 2 film having a thickness of 0.1 μm was formed on three types of substrates by plasma CVD. The following four types of dot patterns were formed by photolithography. The dot pattern is different from ELO in that a single continuous coating film is not provided with a window, but a large number of isolated coating portions are regularly arranged in a continuous exposed portion.
B1:ドット径d 5μm、 ピッチp 300μm
B2:ドット径d 20μm、 ピッチp 300μm
B3:ドット径d 50μm、 ピッチp 300μm
B4:ドット径d 200μm、 ピッチp 500μm
B1: dot
B2: dot diameter d 20 μm,
B3: dot
B4: dot
S1〜S3の基板に、B1〜B4のドットマスクを設けた。12種類のマスク付き基板の上に、HVPE法(Hydride Vaper Phase Epitaxy)によってGaN膜を成長させた。この実施例におけるHVPE法は、反応炉内部にGa金属を収容したGaボートを上方に備え、Gaボートを800℃に維持し、Gaメタル融液に対して上方からHCl+H2のガスを吹き付け、GaClを合成する。Gaボートの下方に、加熱された下地基板を設置しておき上方から流れてきたGaClにアンモニアガス(NH3+H2)を吹き付けてGaNを合成して基板の上にGaN膜を成膜するようになっている。水素(H2)はキャリヤガスで最も大量に供給される。炉内部は全体としてほぼ1気圧である。 B1-B4 dot masks were provided on the S1-S3 substrates. A GaN film was grown on the 12 types of masked substrates by the HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy). The HVPE method in this example is provided with a Ga boat containing Ga metal inside the reaction furnace, maintaining the Ga boat at 800 ° C., and blowing HCl + H 2 gas from above to the Ga metal melt. Is synthesized. A heated base substrate is installed below the Ga boat, and ammonia gas (NH 3 + H 2 ) is blown onto GaCl flowing from above to synthesize GaN to form a GaN film on the substrate. It has become. Hydrogen (H 2 ) is supplied most in the carrier gas. The inside of the furnace is approximately 1 atm as a whole.
[バッファ層の形成]
基板温度: 490℃
HCl分圧: 0.002 atm (200Pa)
NH3分圧: 0.2 atm (20000Pa)
成長時間: 15分
[Formation of buffer layer]
Substrate temperature: 490 ° C
HCl partial pressure: 0.002 atm (200 Pa)
NH 3 partial pressure: 0.2 atm (20000 Pa)
Growth time: 15 minutes
[エピタキシャル層の形成]
基板温度: 1010℃
HCl分圧: 0.02 atm (2000Pa)
NH3分圧: 0.25 atm (25000Pa)
成長時間: 15分、
30分、
60分、
600分
[Epitaxial layer formation]
Substrate temperature: 1010 ° C
HCl partial pressure: 0.02 atm (2000 Pa)
NH 3 partial pressure: 0.25 atm (25000 Pa)
Growth time: 15 minutes,
30 minutes,
60 minutes,
600 minutes
成長時間は上記の4種類とし、その成長時間が経過すると試料を炉から取り出して観察、評価を行った。特に600分(10時間)成長させた試料については、観察評価したあと、研削加工によって下地基板、マスクを削り落とし、表面も研削加工し、平板な基板とした。その後、研磨加工し平坦な表面をもつ基板とした。これは透明平坦平滑な基板である。 The growth time was the above four types, and when the growth time passed, the sample was taken out of the furnace and observed and evaluated. In particular, the sample grown for 600 minutes (10 hours) was observed and evaluated, and then the ground substrate and mask were scraped off by grinding and the surface was ground to obtain a flat substrate. Thereafter, the substrate was polished to obtain a flat surface. This is a transparent flat and smooth substrate.
(1)結晶成長の観察
実施例1と同様に、GaAs下地基板の上に50μm径のドットを300μmピッチで設けたマスクを設けた試料(S2*B3)について、15分、30分、60分、600分で取り出し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡によって初期の結晶成長の様子を調べた。
(1) Observation of crystal growth As in Example 1, for a sample (S2 * B3) provided with a mask in which dots of 50 μm diameter are provided on a GaAs base substrate at a pitch of 300 μm, 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes The crystal was taken out in 600 minutes, and the state of initial crystal growth was examined with an optical microscope and a scanning electron microscope.
窒化ガリウム膜の成長開始後15分で取り出した試料を観察したところマスクの上では連続的な被膜がなく、微細な多結晶粒子が薄く乗っているだけであった。マスクで覆われていないGaAs露出部においてGaNの厚いエピタキシャル結晶成長膜が見られた。膜厚は25μm程度であった。マスク上は空間でGaAs露出部では厚い膜ができているから、マスクで落ち窪んだ形状になる。マスクの周辺で斜めの壁を形成する。斜め壁は{11−22}ファセットあるいは{1−101}ファセットなどであった。 When the sample taken out 15 minutes after the start of the growth of the gallium nitride film was observed, there was no continuous film on the mask, and only fine polycrystalline particles were thinly ridden. A thick epitaxial crystal growth film of GaN was observed in the GaAs exposed portion not covered with the mask. The film thickness was about 25 μm. Since the mask is a space and a thick film is formed at the exposed portion of GaAs, the shape is depressed by the mask. An oblique wall is formed around the mask. The diagonal walls were {11-22} facets or {1-101} facets.
成長開始後30分で取り出した試料を見ると、マスク上では微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない(図5(2))。非マスク部(露呈部)では、窒化ガリウム膜の厚みは増加しており、膜厚は50μm程度であった。マスク周辺部での高低差が50μm程度になりマスク周辺部のファセット面が広がっている。{11−22}ファセット面において、斜面にゴツゴツした突起が内側向きに多数形成されていた(図5(3))。この突起はファセット面から求心的に伸びて行く。突起の上面は、水平面に対して25゜〜35゜程度の傾きを持ち、根元で{11−22}ファセット面に連続していた。 Looking at the sample taken out 30 minutes after the start of growth, the crystal growth has not started since only a few fine polycrystalline particles are on the mask (FIG. 5 (2)). In the non-mask part (exposed part), the thickness of the gallium nitride film increased and the film thickness was about 50 μm. The height difference at the periphery of the mask is about 50 μm, and the facet surface at the periphery of the mask is widened. On the {11-22} facet surface, a large number of projections rugged on the slope faced inward (FIG. 5 (3)). This protrusion extends centripetally from the facet surface. The upper surface of the protrusion had an inclination of about 25 ° to 35 ° with respect to the horizontal plane and was continuous to the {11-22} facet surface at the root.
成長開始後60分で取り出した試料を見ると、マスク上では依然として微細な多結晶粒子が僅かに乗っているだけで結晶成長が始まっていない。非マスク部(露呈部)での結晶成長は進行し膜厚は100μm程度に達した。ドットの廻りでは{11−22}面、あるいはそれと{1−101}面からなるファセット面よりなる6角錘、12角錐のピットが生成される。30分成長の時に現れた突起はさらに伸びて、マスクの上方で結合している。隣接部位から伸びた突起もマスク上方で結合している。突起が結合したものがマスクの上を覆っていた。結合突起とマスクの間には空間が残っていた。 When the sample taken out 60 minutes after the start of growth is seen, the crystal growth has not started since the fine polycrystalline particles are still slightly on the mask. Crystal growth in the non-mask portion (exposed portion) progressed, and the film thickness reached about 100 μm. Around the dot, pits of a hexagonal pyramid and a 12 pyramid consisting of a {11-22} plane or a facet plane consisting of the {11-22} plane and the {1-101} plane are generated. The protrusions appearing during the 30-minute growth are further extended and bonded above the mask. Protrusions extending from adjacent parts are also bonded above the mask. A combination of protrusions covered the mask. A space remained between the coupling protrusion and the mask.
突起の伸長速度が同じでないため結合部はマスク中心にあるとは限らない。優勢な突起と劣勢な突起が結合した場合マスク中心より劣勢な突起の側へずれて結合する。結合した突起はゆるい傾斜の逆錘形状となる。その角度は水平に対して25゜〜35゜の程度であった。 Since the extension speeds of the protrusions are not the same, the connecting portion is not always at the center of the mask. When the dominant protrusion and the inferior protrusion are combined, they are displaced from the mask center toward the inferior protrusion. The combined protrusions have a loosely inverted inverted spindle shape. The angle was about 25 ° to 35 ° with respect to the horizontal.
だからマスクの上には2段傾斜の穴ができる。外側の穴は{11−22}、{1−101}ファセット面で水平面に対し約60゜程度の強い傾斜をもつ。その下端から続く内側の傾斜穴は25゜〜35゜の緩い傾斜をもち突起が結合したことによってできたものである。 Therefore, a two-step inclined hole is made on the mask. The outer holes are {11-22} and {1-101} facets and have a strong inclination of about 60 ° with respect to the horizontal plane. The inner inclined hole that continues from the lower end has a gentle inclination of 25 ° to 35 ° and is formed by the combination of protrusions.
成長開始後600分で取り出した試料を見ると、平均の厚みは約1mmに達していた。ドットマスクの近傍は、60分の試料と殆ど同じで、2重傾斜面の穴が存在していた。つまり60゜程度の強い傾斜面(ファセット面)とその内側に25゜〜35゜程度の浅い傾斜面が続く穴となりマスク上部の穴が埋め込まれることなくそのまま維持されていた。マスクの直上は突起結合によって生じた浅い傾斜面であり、マスクから外れた部分に60゜程度の{11−22}{1−101}ファセット面よりなる穴ができる。この穴は成長とともに広がる。擂り鉢形状の穴となる(図6)。 When the sample taken out 600 minutes after the start of growth was seen, the average thickness reached about 1 mm. The vicinity of the dot mask was almost the same as the sample for 60 minutes, and there was a hole with a double inclined surface. In other words, a strong inclined surface (facet surface) of about 60 ° and a shallow inclined surface of about 25 ° to 35 ° are formed on the inside thereof, and the hole is maintained without being embedded in the upper hole of the mask. Immediately above the mask is a shallow inclined surface formed by the protrusion coupling, and a hole made of a {11-22} {1-101} facet surface of about 60 ° is formed in a portion off the mask. This hole expands with growth. It becomes a bowl-shaped hole (FIG. 6).
隣接する穴の間は平坦面(C面)となっている。マスク直上で浅い傾斜面の下の部分が欠陥集合領域Hである。ファセットの下部分が低欠陥単結晶領域Zである。隣接穴の間の平坦面はC面成長領域Yである。つまり、このGaNはH、Z、Yよりなる結晶である。構造が異なるが透明なので目視ではこれらを区別できない。構造が異なる部分を含むのであるがクラックは全く発生していなかった。 A space between adjacent holes is a flat surface (C surface). A portion immediately below the mask and below the shallow inclined surface is a defect accumulation region H. The lower part of the facet is a low defect single crystal region Z. A flat surface between adjacent holes is a C-plane growth region Y. That is, this GaN is a crystal composed of H, Z, and Y. Although the structure is different, it cannot be distinguished by visual inspection because it is transparent. Although there were parts with different structures, no cracks were generated.
この10時間成長後のGaN/GaAs基板について研削、研磨加工を行った。GaAs下地基板とドットマスクを研削加工によって削り落とした。表面の凹凸も研削で削り落とした。ついで両面を研磨して平坦で透明なGaN自立基板とした。直径が2インチで厚みが約1mm程度の基板である。顕微鏡で表面を観察したが、全面においてクラックが発生していなかった。 The GaN / GaAs substrate grown for 10 hours was ground and polished. The GaAs base substrate and the dot mask were removed by grinding. Surface irregularities were also removed by grinding. Next, both sides were polished to obtain a flat and transparent GaN free-standing substrate. The substrate has a diameter of 2 inches and a thickness of about 1 mm. Although the surface was observed with a microscope, no cracks occurred on the entire surface.
(2)結晶の評価
こうして得られたGaN自立基板を種々の手段によって評価した。
透過電子顕微鏡(TEM)、電子線回折、CBEDにより実施例1と同じ評価方法によって、マスク上の成長部(H)は、それ以外(Y、Z)の部分に対して、C軸が丁度180゜反転している単結晶であることが分かった。つまりマスク以外の露呈部に成長した部分(Z、Y)は上面がGa面である(0001)結晶であり、マスク上に成長した部分(H)は、上面が窒素面である(000−1)単結晶であることがわかった。方位が反転した領域が隣接しているから境界が粒界(K)となる。その粒界が、集結した転位を一部消滅させ転位を捕獲して分散させない閉じた空間を形成する。転位がばらけたモヤ状の分散がこれによってなくなる。
(2) Evaluation of crystal The GaN free-standing substrate thus obtained was evaluated by various means.
According to the same evaluation method as in Example 1 using a transmission electron microscope (TEM), electron beam diffraction, and CBED, the growth part (H) on the mask has a C axis of exactly 180 with respect to the other (Y, Z) parts. It was found to be a single crystal that was inverted. That is, the portion (Z, Y) grown on the exposed portion other than the mask is a (0001) crystal whose upper surface is a Ga plane, and the portion (H) grown on the mask is a nitrogen surface (000-1). ) It was found to be a single crystal. Since the regions whose orientations are reversed are adjacent, the boundary is the grain boundary (K). The grain boundary forms a closed space where some of the collected dislocations disappear and the dislocations are captured and dispersed. This eliminates the haze of dislocations.
ドットマスクを使用した場合においても、マスク端部の{11−22}ファセット面の斜面から横向き求心的に発生したゴツゴツした爪状突起は初めから、C軸方向が反転した反転方位結晶である。突起の上に結晶成長がなされ、反転方位結晶がマスク上の全体に広がり、マスク上の領域全体が反転方位単結晶となる。そのようなメカニズムによってマスク上だけが方位反転単結晶(H)になる。境界が結晶粒界(K)となる。 Even when a dot mask is used, the rugged claw-like projections centripetally generated laterally from the slope of the {11-22} facet surface at the end of the mask are inverted orientation crystals whose C-axis direction is reversed from the beginning. Crystal growth is performed on the protrusions, the inverted orientation crystal spreads over the entire mask, and the entire region on the mask becomes the inverted orientation single crystal. By such a mechanism, the orientation-reversed single crystal (H) is formed only on the mask. The boundary is the grain boundary (K).
さらにカソードルミネッセンス、蛍光顕微鏡を用いて結晶評価を継続した。
両面研磨して得られた基板は、大部分(Z、Y)の表面を(0001)面つまりC面とする基板である。ただドットマスクのあった部分に成長した部分だけ(H)が、表面が(000−1)面になっている。
Furthermore, crystal evaluation was continued using cathodoluminescence and a fluorescence microscope.
The substrate obtained by the double-side polishing is a substrate having the surface of most (Z, Y) as the (0001) plane, that is, the C plane. However, only the portion (H) grown on the portion where the dot mask was present has a (000-1) surface.
実施例1と同じようにCL像によって結晶評価を行った。CL像によると、ドット形状の明確な暗いコントラストで区別された領域が、マスク位置に対応し、規則正しく、300μmピッチで6回対称の位置に並んでいる。暗いコントラストのドットマスクに対応する領域は方位反転領域(極性反転)となっていることが分かった。その領域と外部との境界が、結晶粒界(K)に相当している。結晶粒界(K)の部分は、明確な暗い線状のコトラストとして観察される。 In the same manner as in Example 1, crystal evaluation was performed using a CL image. According to the CL image, the regions of the dot shape clearly distinguished by dark contrast correspond to the mask position, and are regularly arranged at positions of 6 times symmetry at a pitch of 300 μm. It was found that the area corresponding to the dark contrast dot mask is an orientation reversal area (polarity reversal). The boundary between the region and the outside corresponds to the crystal grain boundary (K). The part of the crystal grain boundary (K) is observed as a clear dark linear contrast.
さらにドット状の方位反転領域(H)の内部を観察すると、その内部にも結晶粒界(K’)に相当する明確な暗い線状のコントラストが認められる場所も多い。それはドットマスク周辺部のファセットから伸びてきた爪状の突起(方位反転領域)がマスク上方で合体することによってできた結晶粒界である。異なるファセットから成長してくるから結晶格子が必ずしも一致せず幾分ずれるので粒界ができるのである。優先的に成長してきた反転方位領域が二つあれば、合体により粒界(K’)は一本観察される。この反転方位領域(H)内部にできる粒界の位置に関しては規則性は少ない。 Further, when the inside of the dot-like orientation inversion region (H) is observed, there are many places where a clear dark linear contrast corresponding to the crystal grain boundary (K ′) is recognized. It is a crystal grain boundary formed by the nail-like projections (orientation reversal regions) extending from the facets around the dot mask uniting above the mask. Since it grows from different facets, the crystal lattices do not necessarily coincide and are somewhat displaced, so grain boundaries are formed. If there are two reversal orientation regions that have grown preferentially, one grain boundary (K ′) is observed by coalescence. There is little regularity with respect to the position of the grain boundary formed inside the inverted orientation region (H).
さらに反転方位領域(H)の中の粒界(K’)の位置は結晶成長厚さによっても変化する。特に結晶成長10時間のGaN基板についてCL像を観察すると、方位反転領域の中に結晶粒界が見られない場合もある。その原因は、結晶成長の進行とともに、粒界の位置が変化してゆくためであろう。例えばマスク中央からずれて、方位反転領域の境界部と粒界(K’)が合致して存在する場合もある。その場合は、反転方位領域の内部に粒界(K’)が存在しないことになる。 Further, the position of the grain boundary (K ′) in the reverse orientation region (H) also changes depending on the crystal growth thickness. In particular, when a CL image is observed for a GaN substrate having a crystal growth time of 10 hours, a grain boundary may not be seen in the orientation inversion region. The reason for this is that the position of the grain boundary changes with the progress of crystal growth. For example, there may be a case where the boundary portion of the orientation inversion region and the grain boundary (K ′) coincide with each other by shifting from the center of the mask. In that case, there is no grain boundary (K ′) inside the inverted orientation region.
その反転方位領域(H)の内部の粒界(K’)に対し、透過電子顕微鏡で、解析を行い、反転方位領域(H)内の粒界の両側部分から、電子線回折をして比較を行った。多数の点において測定を行った結果、ストライプマスクの場合(実施例1)と同様に、粒界(K’)を境としてその両側で、結晶方位が少しずれた不整合面であることがわかった。もちろん特別な場合に方位がぴったり一致する場合もある。場所によってばらつきもある。試料によって差異がある。方位に少しの差異があるが、それでも粒界(K’)の両側の部分の結晶方位の差異は5゜以内であった。 The grain boundary (K ′) inside the inverted orientation region (H) is analyzed with a transmission electron microscope, and electron beam diffraction is performed from both sides of the grain boundary in the inverted orientation region (H) for comparison. Went. As a result of measurement at a large number of points, as in the case of the stripe mask (Example 1), it was found that the surface was a mismatched surface where the crystal orientation was slightly shifted on both sides of the grain boundary (K ′). It was. Of course, the orientations may match exactly in special cases. There are also variations from place to place. There are differences depending on the sample. Although there was a slight difference in the orientation, the difference in crystal orientation between the both sides of the grain boundary (K ′) was still within 5 °.
成長初期の段階で取り出した試料(15分、30分、60分)を再び詳細に観察した。成長開始後30分に取り出した試料に現れていたゴツゴツした爪状の突起については、側方から見ると、上斜面と下斜面に囲まれた楔型断面をしている。これが何かということが問題である。上斜面の水平に対する傾斜角は、25度〜35度で緩やかな傾斜面となっている。 Samples (15 minutes, 30 minutes, 60 minutes) taken out at the initial stage of growth were again observed in detail. When viewed from the side, the claw-like protrusions appearing in the sample taken out 30 minutes after the start of growth have a wedge-shaped cross section surrounded by the upper and lower slopes. The problem is what this is. The angle of inclination of the upper slope with respect to the horizontal is 25 to 35 degrees, which is a gentle slope.
下斜面の傾斜角は55度〜65度の強い傾斜面となっている。それは対向するファセット面{11−22}の傾きと丁度平行である。法線方向が反対だから丁度反平行であるということができる。もしも結晶軸が同一であれば、下斜面は、対向ファセット面と反平行だから指数にマイナス1を掛けて{−1−12−2}となる筈である。しかし既に説明したように(図15)突起は周囲とは方位が180度反転した単結晶で方位反転領域だということがわかっている。
The slope of the lower slope is a strong slope of 55 to 65 degrees. It is just parallel to the slope of the opposing facet surface {11-22}. It can be said that it is just antiparallel because the normal direction is opposite. If the crystal axes are the same, the lower slope should be {-1-12-2} by multiplying the index by
だから下斜面は再び面指数にマイナス1をかけて{11−22}面だということになる。突起の下斜面は、対向するファセット面と平行で法線方向が反対であるが、方位が逆転しているのでミラー(Miller指数)は同一になるのである。方位が逆転しているから上向き面の第4指数はマイナスに、下向き面の第4指数はプラスになる。突起の緩やかな上向きの傾斜面は{11−2−6}、{11−2−5}、一般に{11−2−n}(n≧3)と書くことができる。ドッドマスクの場合ファセット面が{1−101}の場合もあり、それに対向する突起の場合は、下斜面が{1−101}で上斜面が{1−10−m}(m≧2)と書くことができる。
Therefore, the lower slope is the {11-22} plane by multiplying the plane index by
30分成長の試料では、ファセット面から斜めに突起群が発生しマスクに接触せずマスクの上方を内向きに伸長する。60分成長の試料では内向きの爪状突起が中間部で合体して浅い傾斜のピットを作っている。浅いピットの外側により強い傾斜面が連続することになる。二段傾斜の穴となる。60分成長以後は、マスクの上の突起合体部の上に方位反転結晶が成長し、ファセット部分の上にはファセットを維持しつつ正方位の結晶が成長する。C面成長部分(Y)もそのまま上方へ成長し厚みを増してゆく。 In the sample grown for 30 minutes, a group of protrusions is generated obliquely from the facet surface and extends inward above the mask without contacting the mask. In the sample grown for 60 minutes, the inward claw-like projections merge at the middle portion to form a shallow inclined pit. Stronger slopes will continue on the outside of the shallow pits. It becomes a two-step inclined hole. After the growth for 60 minutes, an orientation reversal crystal grows on the protrusion merged portion on the mask, and a positive orientation crystal grows on the facet portion while maintaining the facet. The C-plane growth portion (Y) also grows upward and increases in thickness.
そのような複雑な成長をする。600分で1mm近くに成長し研削、研磨した試料について、カソードルミネセンス(CL)によって転位密度を測定した。方位反転領域(H)では、転位密度は106cm−2〜109cm−2で高い値であった。これは他の部分にあった転位を掃き集め、それが方位反転領域(H)に集積しているからである。ファセット成長した領域(Z)と、C面成長した部分(Y)での転位密度は104〜107cm−2であり、106cm−2以下の部分が多かった。Z、Y領域(正方位単結晶)の部分の転位密度は大幅に減少していることが確認された。 Make such a complex growth. The dislocation density was measured by cathodoluminescence (CL) for a sample grown, ground and polished near 1 mm in 600 minutes. In the orientation inversion region (H), the dislocation density was high at 10 6 cm −2 to 10 9 cm −2 . This is because the dislocations in other parts are swept up and accumulated in the direction inversion region (H). The dislocation density in the facet-grown region (Z) and the C-plane grown part (Y) was 10 4 to 10 7 cm −2 , and there were many parts of 10 6 cm −2 or less. It was confirmed that the dislocation density in the Z and Y regions (positively oriented single crystal) was greatly reduced.
通常サファイヤ基板の上に窒化ガリウム薄膜を成長させた場合、窒化ガリウム薄膜には、108cm−2〜1010cm−2の高密度の転位が発生する。それに比べて、本発明は、窒化ガリウム結晶のZ、Yでの転位密度を大きく低減でき、著しい転位削減効果があることが分かる。 Usually, when a gallium nitride thin film is grown on a sapphire substrate, high-density dislocations of 10 8 cm −2 to 10 10 cm −2 are generated in the gallium nitride thin film. In contrast, the present invention can greatly reduce the dislocation density at Z and Y of the gallium nitride crystal, and it can be seen that there is a significant dislocation reduction effect.
(3)マスクパターン種類の影響
以上の例では、B3マスク(ドット径50μm、ピッチ300μm)のものについて述べてきた。B1、B2、B4マスクを用いたものについてもほぼ同様の結果が得られた。
ただ、マスクB1(ドット径5μm、ピッチ300μm)を作製してGaNをその上に成長させたものは、マスクが狭い為にその上に発生する方位反転領域(H)が狭く、その内部に発生するはずの粒界(K’)が分かりにくくなる傾向があった。B1マスクの場合、(成長時間を長くして)GaN層を厚くすると反転方位領域(H)自体が消失することもあった。
B1マスクは最良ではないが本発明が期待した効果を上げることはでき、マスク寸法の下限を与えるものと思われる。
(3) Influence of Mask Pattern Type In the above example, a B3 mask (dot
However, when the mask B1 (dot
Although the B1 mask is not the best, the effect expected by the present invention can be increased, and it is considered that the lower limit of the mask dimension is given.
マスクB2(ドット径20μm、ピッチ300μm)は、B3マスクとほぼ同じで良好な結果をもたらすことができた。 The mask B2 (dot diameter 20 μm, pitch 300 μm) was almost the same as the B3 mask and was able to give good results.
マスクB4(ドット径200μm、ピッチ500μm)の場合は、ドットの直径が200μm、半径が100μmであるから、突起が成長して結合するまで100μm伸長しなければならず結合までに時間がかかる。その後から方位反転領域(H)が成長するので転位の集積、消滅が不完全になることもある。またドットの部分はデバイスの重要な部分には使えず、その比率が増加するので望ましくない。だからドットの望ましい直径dは5μm〜100μm程度である。
In the case of the mask B4 (dot
(4)基板種類の影響
GaAsを下地基板(S2)とした場合について述べてきたが、下地基板として、サファイヤ基板(S1)を使用した場合、あるいはMOCVD法で1.5μm厚みのGaN層をサファイヤ基板上に被覆したGaN/サファイヤ複合基板(S3)の上に、同様のマスクB1〜B4を形成して、GaNをファセット成長させた場合も同じような結果が得られた。
(4) Influence of substrate type Although the case where GaAs is used as the base substrate (S2) has been described, when a sapphire substrate (S1) is used as the base substrate, or a GaN layer having a thickness of 1.5 μm is sapphire by MOCVD. Similar results were obtained when GaN was facet grown by forming similar masks B1 to B4 on the GaN / sapphire composite substrate (S3) coated on the substrate.
サファイヤ基板を下地基板にした場合(S1)、前述のGaAs基板(S2)の時と同様のマスク、同様の成長条件で、GaNバッファ層、GaNエピ層を成長させた。成長時間も、15分、30分、60分、600分とした。初めは、下地基板露出部だけに成長がおこりドットマスクの上に成長がおこらない。マスクの周囲にファセットピットができ、ファセットから爪状突起(反転方位領域(H))が伸び中央で合体して、その上に反転方位領域(H)が成長し、ファセット領域には単結晶低転位領域Zが成長し、ファセットとファセットの境界の平坦面にはC面成長部Yが成長した。反転方位領域(H)と単結晶低転位領域Zの間には粒界(K)が発生した。反転方位(H)が欠陥集合領域であることもわかった。反転方位領域(H)の内部にも粒界(K’)があることも確認された。それは爪状突起が結合合体した時の不整合が上方へ連続的に伸びた粒界(K’)である。 When the sapphire substrate was used as the base substrate (S1), the GaN buffer layer and the GaN epi layer were grown using the same mask and the same growth conditions as those for the GaAs substrate (S2) described above. The growth time was also 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 600 minutes. Initially, the growth occurs only on the exposed portion of the base substrate and does not occur on the dot mask. Facet pits are formed around the mask, and claw-like projections (reversal orientation region (H)) extend from the facet and merge at the center, and a reversal orientation region (H) grows on it. The dislocation region Z grew, and the C-plane growth portion Y grew on the flat surface at the boundary between the facets. A grain boundary (K) was generated between the inversion orientation region (H) and the single crystal low dislocation region Z. It was also found that the reversal direction (H) was a defect assembly region. It was also confirmed that there was a grain boundary (K ′) inside the reverse orientation region (H). It is a grain boundary (K ') in which the misalignment when the claw-like projections are joined and extended continuously upward.
1.5μmのGaN膜をMOCVD法で被覆したサファイヤ基板(S3)を下地基板にした場合も同じように、ドットマスクを作り、その上に低温バッファ層、高温のエピ層を成長させた。成長時間の刻みも15分、30分、60分、600分とした。初め、露出部だけにGaN結晶成長がおこり、マスク部には微粒子が僅かに付着しているだけであった。マスク周囲に斜めのファセットが形成される。ファセットが広がり、その側面から爪状突起が発生して、それが合体する。合体したものは方位反転領域であり、その上に成長したものは方位反転している。それが欠陥集合領域Hである。ファセット部分に続いて単結晶低転位領域Zが成長し、平坦部分にはC面成長部分Yができる。反転方位領域(H)と単結晶低転位領域(Z)の間には方位反転によって結晶粒界(K)ができる。反転方位領域(H)の内部にも結晶粒界(K’)ができる。そのようにGaAs基板(S2)の場合と同様であった。 Similarly, when a sapphire substrate (S3) coated with a 1.5 μm GaN film by MOCVD was used as a base substrate, a dot mask was formed, and a low temperature buffer layer and a high temperature epi layer were grown thereon. The increment of the growth time was also set to 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 600 minutes. Initially, GaN crystal growth occurred only in the exposed portion, and only a small amount of fine particles adhered to the mask portion. Oblique facets are formed around the mask. The facets spread and nail-like projections are generated from the side surfaces, and they are united. What is combined is an orientation reversal region, and what has grown on it is orientation reversed. That is the defect gathering region H. A single crystal low dislocation region Z is grown following the facet portion, and a C-plane grown portion Y is formed in the flat portion. A crystal grain boundary (K) is formed between the inversion orientation region (H) and the single crystal low dislocation region (Z) by orientation inversion. A grain boundary (K ′) is also formed inside the reverse orientation region (H). It was the same as in the case of the GaAs substrate (S2).
[実施例3(マスク種類の影響)]
これまでの実施例1、2においてはマスクの材質としてSiO2を用いた。その他のマスク材質を検討した。サファイヤ基板上に、Si3N2、Al2O3、AlN、ZrO2、Y2O3、MgOの薄膜を0.1μmの厚さで堆積し、A3マスク(w=50μm、p=300μm;ストライプ)を作製した。実施例1に記載のように、GaNバッファ層、エピ層を成長させた。エピ層は30分成長させた。
[Example 3 (effect of mask type)]
In Examples 1 and 2 so far, SiO 2 is used as the mask material. Other mask materials were examined. A thin film of Si 3 N 2 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 , MgO is deposited to a thickness of 0.1 μm on the sapphire substrate, and an A3 mask (w = 50 μm, p = 300 μm; Stripe). As described in Example 1, a GaN buffer layer and an epi layer were grown. The epi layer was grown for 30 minutes.
その実験において、どのマスクを使った場合でも、山谷構造ができ溝の両側には{11−22}ファセットができた。そして{11−22}ファセットから突起が平行に内側向きに発生することも確認した。それはやはり反転方位領域であることが全てのマスクの試料について確かめられた。それはつまり上記のどのマスクを使っても本発明を実施することが可能だということである。 In that experiment, whatever mask was used, a ridge / valley structure was formed, and {11-22} facets were formed on both sides of the groove. It was also confirmed that protrusions were generated inward from the {11-22} facet in parallel. It was confirmed for all the mask samples that it was also an inverted orientation region. That is, the present invention can be implemented using any of the above masks.
[実施例4(300nm〜2000nmの光に対する吸収係数)]
本発明のGaN基板は、欠陥集合領域(突起上成長部;反転方位)H、低欠陥単結晶領域(ファセット成長部;正方位)Z、単結晶低転位余領域(C面成長部;正方位)よりなり、…ZHZYZHZYZ…あるいは…ZHZHZ…という繰り返し構造を持っている。結晶方位と生成原因の違いについてはこれまで詳しく説明した。これら3つの領域は結晶方位、履歴の違いだけでなく、光学的、物理的、物性的な相違点がある。
[Example 4 (absorption coefficient for light of 300 nm to 2000 nm)]
The GaN substrate of the present invention comprises a defect assembly region (protrusion growth portion; reversal orientation) H, a low defect single crystal region (facet growth portion; positive orientation) Z, and a single crystal low dislocation residual region (C-plane growth portion; positive orientation). ) And has a repetitive structure of ZHZYZHZYZ ... or ZHZHZ. The difference between the crystal orientation and the cause of formation has been explained in detail so far. These three regions have not only differences in crystal orientation and history, but also differences in optical, physical and physical properties.
ここでは紫外〜近赤外の300nm〜2000nmの光に対する吸収を測定した結果を説明する。実際には350nm帯、450nm帯、550nm帯、650nm帯の光源を用いて吸収を測定した。650nm以上の光に対してはH、Z、Y間で不均一性はない。 Here, the results of measuring the absorption of ultraviolet to near infrared light of 300 nm to 2000 nm will be described. Actually, the absorption was measured using light sources of 350 nm band, 450 nm band, 550 nm band, and 650 nm band. There is no non-uniformity among H, Z, and Y for light of 650 nm or more.
試料GaN基板は厚みd=0.4mmであり、0.1mmφの試験光を試料に当て、入射光Piと、反射光Pfと、透過光Ptの強度を測定し、
α=log{Pi/(Pi−Pt−Pf)}/d
によって吸収係数を計算した。欠陥集合領域H、単結晶低転位領域Z、単結晶低転位余領域Yの吸収係数をαH、αZ、αYとする。
The sample GaN substrate has a thickness d = 0.4 mm, a test light of 0.1 mmφ is applied to the sample, and the intensities of incident light Pi, reflected light Pf, and transmitted light Pt are measured,
α = log {Pi / (Pi−Pt−Pf)} / d
The absorption coefficient was calculated by The absorption coefficients of the defect assembly region H, the single crystal low dislocation region Z, and the single crystal low dislocation residual region Y are α H , α Z , and α Y.
350nmの紫外光に対して吸収が大きいのはGaNのバンドギャップより大きいエネルギーを持ちバンドギャップ遷移が起こるからである。緑の550nm、赤の650nmに対してH、Z、Yともに1cm−1〜10cm−1の程度である。青色の450nm帯に対し、H、Z領域は吸収が小さい(1〜10cm−1)が、Y領域は吸収が大きく(10〜100cm−1)なる。その比率は5〜20倍になる。C面成長領域Yには炭素がより多く含まれているということを意味するのである。 The reason why the absorption is large with respect to 350 nm ultraviolet light is that bandgap transition occurs with energy larger than that of GaN. Green 550nm, is the degree of H against the red of 650nm, Z, Y both 1cm -1 ~10cm -1. Compared to the blue 450 nm band, the H and Z regions have a small absorption ( 1 to 10 cm −1 ), whereas the Y region has a large absorption (10 to 100 cm −1 ). The ratio is 5 to 20 times. This means that the C-plane growth region Y contains more carbon.
[実施例5(燐酸:硫酸=1:1エッチング液に対するエッチング速度)]
燐酸:硫酸=1:1エッチング液に本発明のGaN基板を漬け、270℃に保持し10分間エッチングした。欠陥集合領域(突起上成長部;反転方位)Hのエッチング速度は速くて10μm/時以上であった。低欠陥単結晶領域(ファセット成長部;正方位)Z、単結晶低転位余領域Y(C面成長部;正方位)に対するエッチング速度は0.1μm/時未満であった。H領域のエッチング速度と、Y、Z領域のエッチング速度の比率は100以上である。Z、Y領域の表面はGa面であり殆どエッチングできない。しかし欠陥の多いH領域は表面が窒素面でありエッチング速度が速いのである。
[Example 5 (phosphoric acid: sulfuric acid = 1: 1 etching rate with respect to 1: 1 etching solution)]
The GaN substrate of the present invention was immersed in phosphoric acid: sulfuric acid = 1: 1 etching solution, and was kept at 270 ° C. and etched for 10 minutes. The etching rate of the defect assembly region (protrusion growth portion; reverse orientation) H was 10 μm / hour or more at a high speed. The etching rate for the low defect single crystal region (facet growth portion; positive orientation) Z and the single crystal low dislocation residual region Y (C plane growth portion; positive orientation) was less than 0.1 μm / hour. The ratio between the etching rate in the H region and the etching rate in the Y and Z regions is 100 or more. The surfaces of the Z and Y regions are Ga planes and can hardly be etched. However, the H region with many defects has a nitrogen surface and a high etching rate.
[実施例6(XRD)]
X線源: Cu−Kα1線
分光器: 2結晶(Ge(220))+ミラー
スリット: 0.5mm×0.2mm
入射方向: <11−20>
回折面: (0004)
[Example 6 (XRD)]
X-ray source: Cu-Kα1 ray Spectroscope: Two crystals (Ge (220)) + mirror
Slit: 0.5mm x 0.2mm
Incident direction: <11-20>
Diffraction surface: (0004)
X線を試料の(11−20)面に垂直な方向<11−20>から入射し、反対側の<−1−120>方向へ回折させたX線のスペクトルを求めピークの半値幅(FWHM(full width at half maximum))を測定した。これは(0004)面からの回折のピークである。ピークの半値幅が大きいという事は(0004)面の規則性が弱いということで、半値幅が狭いということは良質の単結晶だということである。単位はアークセカンドであり、1度の1/60である。 The X-ray spectrum of X-rays incident from the direction <11-20> perpendicular to the (11-20) plane of the sample and diffracted in the <-1-120> direction on the opposite side is obtained, and the half width of the peak (FWHM) (Full width at half maximum)) was measured. This is a diffraction peak from the (0004) plane. A large peak half-value width means that the regularity of the (0004) plane is weak, and a narrow half-value width means a good quality single crystal. The unit is arc second, which is 1/60 of a degree.
どの領域も(0004)面からの回折X線のピークは鋭い。つまりH、Z、Y領域とも高品質の単結晶であるということである。しかし欠陥集合領域Hはやはり結晶の乱れが大きいので半値幅が広がる。それが他の部位の3〜10倍だということである。X線の(0004)回折でc軸方向の格子定数を測定できる。それによれば、H、Z、Y領域ともに、(0004)面間隔は0.5185nm±0.0001nmであった。つまりc軸長さは2.074nmである。この結果は3領域ともに同一の結晶系をもち格子定数も等しいということである。 In any region, the peak of diffracted X-rays from the (0004) plane is sharp. That is, the H, Z, and Y regions are high quality single crystals. However, since the defect gathering region H has a large crystal disorder, the full width at half maximum is increased. That is 3 to 10 times that of other parts. The lattice constant in the c-axis direction can be measured by X-ray (0004) diffraction. According to this, in the H, Z, and Y regions, the (0004) plane spacing was 0.5185 nm ± 0.0001 nm. That is, the c-axis length is 2.074 nm. The result is that all three regions have the same crystal system and the same lattice constant.
[実施例7(電気抵抗)]
3端子ガイド法(図7)を用いて局所的な電気抵抗を測定した。
図7に示すように、対象となる基板の底面全体に電極52を付ける。上面の周辺部をガード電極53によって覆う(内径90μm)。上面中央部に測定用電極55(外径70μm)を付ける。上面の二つの電極間は10μmの間隙(平均直径80μm)がある。ガード電極53は接地、測定用電極55は電流計57を通して接地する。可変電源56から底部電極52に電圧Vをかける。電流計57に流れる電流Iを求める。VをIで割ったものがリング間隙(10μm)の抵抗Rである。
[Example 7 (electric resistance)]
The local electrical resistance was measured using the three-terminal guide method (FIG. 7).
As shown in FIG. 7, an
ρ(Ωcm)=R(Ω)×S(cm2)/L(cm) ρ (Ωcm) = R (Ω) × S (cm 2 ) / L (cm)
によって基板の局所的な抵抗率ρを求めることができる。それによってH、Z、Yの抵抗率を測定した。 Thus, the local resistivity ρ of the substrate can be obtained. Thereby, the resistivity of H, Z, and Y was measured.
これまで述べたエッチング速度、XRDの不均一性は、欠陥集合領域Hが特異なものであったが、抵抗率ρに関しては、C面成長領域Y(単結晶低転位余領域)が特異で特に抵抗率が高い。それはH、Zでは酸素が大量にドープされるのに、C面成長領域Yでは酸素がドープされないことによると思われる。 The non-uniformity of the etching rate and XRD described so far was unique in the defect assembly region H, but with respect to the resistivity ρ, the C-plane growth region Y (single crystal low dislocation residual region) was particularly unique. High resistivity. This is probably because oxygen is not doped in the C-plane growth region Y while H and Z are heavily doped with oxygen.
[実施例8(ホトルミネッセンス;PL)]
波長325nmのHe−Cdレーザの光を、0.1mmφに絞ってGaN基板(0.4mm厚み)試料のH、Z、Y領域に当て、それらの領域から放射されるホトルミネッセンスのスペクトルを調べた。
[Example 8 (photoluminescence; PL)]
The light of a He-Cd laser having a wavelength of 325 nm was focused on the H, Z, and Y regions of a GaN substrate (0.4 mm thickness) sample with a diameter of 0.1 mmφ, and the photoluminescence spectrum emitted from those regions was examined. .
図11は欠陥集合領域Hのホトルミネッセンスのスペクトルである。横軸は波長(nm)で縦軸はルミネッセンス強度である。バンドギャップに対応する360nmで鋭く高い(1730)ピークがある。緑黄橙色の波長にわたって低い(180)が幅広い山がある。 FIG. 11 is a photoluminescence spectrum of the defect gathering region H. The horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents luminescence intensity. There is a sharp and high (1730) peak at 360 nm corresponding to the band gap. There are broad peaks that are low (180) over the green-yellow-orange wavelength.
図12は低欠陥単結晶領域Zのホトルミネッセンスのスペクトルである。バンドギャップの360nmにはやはり高く細い(1750)ピークがある。黄色橙色の波長にわたって低い山(90)がある。 FIG. 12 is a photoluminescence spectrum of the low defect single crystal region Z. The band gap of 360 nm also has a high and narrow (1750) peak. There is a low peak (90) over the yellow-orange wavelength.
図13は単結晶低転位余領域(C面成長領域)Yのホトルミネッセンスである。縦軸が前の二つよりも約1/3の目盛りになっている。360nmのピークは著しく低く(70)なり、560nmを中心として黄色橙色の広いピークが持ち上がっており高く(160)なっている。これはC面成長領域に炭素が多く含まれるからであろうと推定される。360nmの山の高さを、560nmの山の高さで割った値で、バンドギャップ遷移の強さを表現できる。 FIG. 13 shows the photoluminescence of the single crystal low dislocation residual region (C-plane growth region) Y. The vertical axis is about 1/3 of the previous scale. The peak at 360 nm is remarkably low (70), and a broad yellow-orange peak around 560 nm is raised and high (160). It is estimated that this is because a large amount of carbon is contained in the C-plane growth region. The intensity of the band gap transition can be expressed by a value obtained by dividing the height of the 360 nm peak by the height of the 560 nm peak.
H領域は1730/180=9.6
Z領域は1750/90=19.4
Y領域は70/160=0.44
The H region is 1730/180 = 9.6
Z region is 1750/90 = 19.4
Y region is 70/160 = 0.44
である。ホトルミネッセンスに関していえば、Y領域(C面成長)が特異な領域だということである。 It is. In terms of photoluminescence, the Y region (C-plane growth) is a unique region.
これまで述べたエッチング速度、XRDの不均一性は、欠陥集合領域Hが特異なものであったが、ホトルミネッセンスに関しては、C面成長領域Y(単結晶低転位余領域)が特異である。それはH、Zでは炭素が混入しないのに、C面成長領域Yでは炭素が入ることによると思われる。 The etching rate and XRD non-uniformity described so far are unique in the defect assembly region H, but the C-plane growth region Y (single crystal low dislocation residual region) is unique in the photoluminescence. This is probably because carbon does not enter H and Z, but carbon enters the C-plane growth region Y.
[実施例9(反り)]
基板の反りはデバイスをその上に作製する際に重要な評価基準となる。それは局所的な性質でなく、H、Z、Yの区別はない。本発明によって作られたGaN自立基板の反りは曲率半径Rで表現すると、最小でRmin=600mm、最大で50000mmである。本発明で作られたGaN基板は通常、反りの曲率半径が1500mm以上である。先に述べた実施例に係る基板の曲率半径を測定したが、反り曲率半径は1000mm〜50000mmの範囲にあって、反りの少ない良好な基板であることがわかる。反りの測定は触針法によって行った。針を基板の中心に当ててその高さを求める方法である。
[Example 9 (warpage)]
The warpage of the substrate is an important evaluation criterion when a device is fabricated thereon. It is not a local property and there is no distinction between H, Z and Y. When the curvature of the GaN free-standing substrate made according to the present invention is expressed by the curvature radius R, the minimum is Rmin = 600 mm and the maximum is 50000 mm. The GaN substrate made according to the present invention usually has a curvature radius of warpage of 1500 mm or more. The curvature radius of the substrate according to the example described above was measured, and it can be seen that the curvature radius is in a range of 1000 mm to 50000 mm and the substrate is a good substrate with little warpage. The warpage was measured by the stylus method. In this method, the height is obtained by placing the needle on the center of the substrate.
[実施例10(不純物濃度の測定)]
研磨したGaN基板のH、Z、Yの領域について、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometer)によって不純物濃度を測定した。それはCs+イオンを加速して対象に当て内部の原子をイオンとして叩きだし表面から出てくるイオンの軌道を質量分析磁石で彎曲させ、ある彎曲角へ来るイオンの数を計数して表面に存在する不純物濃度を求めるものである。
表面をエッチングして行く破壊検査であるから、ある程度の深さまでの不純物濃度を調べることができる。対象物の測定深さは0〜5μmである。測定領域は50μmφの局所的な範囲である。酸素(O)、シリコン(Si)、砒素(As)の濃度を、H、Z、Yについて測定した。
[Example 10 (measurement of impurity concentration)]
For the H, Z, and Y regions of the polished GaN substrate, the impurity concentration was measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer). It accelerates Cs + ions, strikes the target with internal atoms as ions, curves the trajectory of ions coming out of the surface with a mass analysis magnet, counts the number of ions coming to a certain bending angle, and exists on the surface The impurity concentration to be obtained is obtained.
Since this is a destructive inspection in which the surface is etched, the impurity concentration up to a certain depth can be examined. The measurement depth of the object is 0 to 5 μm. The measurement area is a local range of 50 μmφ. The concentrations of oxygen (O), silicon (Si), and arsenic (As) were measured for H, Z, and Y.
シリコン、砒素の濃度についてはH、Z、Yについて差異はない。注目すべきものは酸素である。酸素濃度は、C面成長部Yにおいて特に低い。酸素はC面成長ではなかなか取り込まれない。ファセット成長面から酸素が容易にZ、Hへ入る。酸素のY/Z比、Y/H比は10−1〜10−5というように低い。それはY領域の抵抗が特に高いという電気伝導度の不均一性と整合している。 There is no difference between H, Z, and Y in the concentration of silicon and arsenic. Of note is oxygen. The oxygen concentration is particularly low in the C-plane growth part Y. Oxygen is not easily taken in by C-plane growth. Oxygen easily enters Z and H from the facet growth surface. The Y / Z ratio and Y / H ratio of oxygen are as low as 10 −1 to 10 −5 . It is consistent with the non-uniformity of electrical conductivity that the resistance in the Y region is particularly high.
[実施例11(基板の寸法)]
本発明の方法で作製されたGaN自立基板は次のような寸法範囲をもつ。
矩形基板: 10mm≦1辺≦160mm
円形基板: 10mm≦直径≦160mm
厚さ: 5μm≦厚さ≦2000μm
矩形ウエハの場合、半導体レーザを作製するとき、共振器面の方位確認が容易である。円形ウエハの場合、エピタキシャル成長の時にガス流れが均一になるからエピタキシャル成長の異常が起こりにくい。
Example 11 (Substrate dimensions)
The GaN free-standing substrate produced by the method of the present invention has the following size range.
Rectangular substrate: 10 mm ≦ 1 side ≦ 160 mm
Circular substrate: 10 mm ≦ diameter ≦ 160 mm
Thickness: 5μm ≦ thickness ≦ 2000μm
In the case of a rectangular wafer, it is easy to confirm the orientation of the resonator surface when manufacturing a semiconductor laser. In the case of a circular wafer, since the gas flow becomes uniform during epitaxial growth, abnormality in epitaxial growth is unlikely to occur.
直径が10mm以下、一辺が10mm以下であると、ウエハプロセスにおけるスループットが低い。直径が160mm以上、一辺が160mm以上になると反りが大きくなる可能性があり、エピタキシャル成長時のガス流れが不均一になる。GaAsを下地基板とする場合は、市販されているGaAsの最大の大きさが6インチ(160mm)であるから、それによっても直径が限定される。 When the diameter is 10 mm or less and one side is 10 mm or less, the throughput in the wafer process is low. If the diameter is 160 mm or more and one side is 160 mm or more, the warpage may increase, and the gas flow during epitaxial growth becomes non-uniform. In the case of using GaAs as a base substrate, the maximum size of commercially available GaAs is 6 inches (160 mm), which also limits the diameter.
[実施例12(三次元的構造:図14)]
蛍光顕微鏡観察によって、各領域の厚み方向の幅の変動をも知る事ができる。H、Z、Y領域の幅は成長とともに僅かに変化する。H領域とY領域の幅は、エピタキシャル成長の進行とともに減少する。Z領域の幅は逆に増加する。であるからGa面(上面)における、H、Y領域の幅は、窒素面(下面)における幅よりも狭い。図14に、H、Z、Y領域の幅の変動を示す。厚みをtとすると、幅の変動は0.001t〜0.1tの程度である。
[Example 12 (three-dimensional structure: Fig. 14)]
By observation with a fluorescence microscope, it is possible to know the variation in the width of each region in the thickness direction. The widths of the H, Z, and Y regions change slightly with growth. The widths of the H region and the Y region decrease with the progress of epitaxial growth. Conversely, the width of the Z region increases. Therefore, the widths of the H and Y regions on the Ga surface (upper surface) are narrower than the width on the nitrogen surface (lower surface). FIG. 14 shows variations in the widths of the H, Z, and Y regions. When the thickness is t, the variation in width is about 0.001 t to 0.1 t.
本発明の方法によって、厚さ400μm、直径50mm、(H−H間)ピッチ400μmのGaN基板を作製した。N面(下面)でH領域の平均の幅は約20μmで、Ga面(上面)でH領域の平均幅は15μmであった。Z領域は下面で385μmの幅、上面で約380μmの幅を持っていた。Y領域は10μm〜40μmの幅を持っていた。 A GaN substrate having a thickness of 400 μm, a diameter of 50 mm, and a pitch of 400 μm (between H and H) was produced by the method of the present invention. The average width of the H region on the N surface (lower surface) was about 20 μm, and the average width of the H region on the Ga surface (upper surface) was 15 μm. The Z region had a width of 385 μm on the bottom surface and a width of about 380 μm on the top surface. The Y region had a width of 10 μm to 40 μm.
そのようにZ領域がGa面で広がるということは有利なことである。半導体レーザを作る場合、欠陥の多いH領域や、電気抵抗の高いY領域をさけ、欠陥が少なく電気伝導度の高いZ領域に電流狭窄領域を作らなければならない。Z領域の広い方が設計の自由度が高く都合が良い。Ga面の上にデバイスを作るのだからGa面側でZ領域が広がるのは好都合である。 It is advantageous that the Z region expands in the Ga plane as such. When manufacturing a semiconductor laser, a current confinement region must be formed in a Z region with few defects and high electrical conductivity, avoiding the H region with many defects and the Y region with high electrical resistance. A wider Z region is more convenient for design purposes. Since the device is made on the Ga surface, it is convenient that the Z region expands on the Ga surface side.
[実施例13(転位密度)]
透過電子顕微鏡(TEM)またはカソードルミネセンス(CL)観察によって、各領域の転位密度を測定できる。
[Example 13 (dislocation density)]
The dislocation density in each region can be measured by observation with a transmission electron microscope (TEM) or cathodoluminescence (CL).
10μm×10μmの視野をもつTEMによって対象点から<1−100>方向に10視野を取り、H−H間を<11−20>方向に視野を走査して転位を計数し、対象点における転位密度を求めた。 Take 10 fields in the <1-100> direction from the target point with a TEM having a field of 10 μm × 10 μm, scan the field in the <11-20> direction between H and H, and count the dislocations. The density was determined.
欠陥集合領域Hで転位密度が高く、ファセット成長領域(単結晶低転位随伴領域)ZとC面成長(単結晶低転位余領域)Yは転位密度が低い。同じGaN基板でも場所によってばらつきがある。
次に2枚のGaN基板試料1、2について転位密度測定の例を示す。
The defect aggregation region H has a high dislocation density, and the facet growth region (single crystal low dislocation associated region) Z and the C-plane growth (single crystal low dislocation residual region) Y have a low dislocation density. Even with the same GaN substrate, there are variations depending on the location.
Next, an example of dislocation density measurement for two
[転位密度測定;GaN基板試料1(TEM)]
H; 1×107cm−2〜2×107cm−2
Z; 1×105cm−2〜1×107cm−2
Y; 2×104cm−2〜2×105cm−2
[Dislocation density measurement; GaN substrate sample 1 (TEM)]
H; 1 × 10 7 cm −2 to 2 × 10 7 cm −2
Z; 1 × 10 5 cm −2 to 1 × 10 7 cm −2
Y; 2 × 10 4 cm −2 to 2 × 10 5 cm −2
[転位密度測定;GaN基板試料2(TEM)]
H; 5×107cm−2〜1×108cm−2
Z; 3×105cm−2〜3×107cm−2
Y; 2×105cm−2〜1×106
cm−2
[Dislocation density measurement; GaN substrate sample 2 (TEM)]
H; 5 × 10 7 cm −2 to 1 × 10 8 cm −2
Z; 3 × 10 5
Y; 2 × 10 5 cm −2 to 1 × 10 6
cm -2
試料によって転位密度はばらつくが、欠陥集合領域Hで高く、ファセット成長領域Z、C面成長領域Yでは低いということは常に言える(H>Y、H>Z)。欠陥集合領域Hでの転位密度は、5×106〜5×108cm−2の範囲にある。Z領域での転位密度は50%以上の領域で5×106cm−2より低い。Y領域での転位密度は60%以上の領域で5×106cm−2より低い。 Although the dislocation density varies depending on the sample, it can always be said that it is high in the defect assembly region H and low in the facet growth region Z and the C-plane growth region Y (H> Y, H> Z). The dislocation density in the defect assembly region H is in the range of 5 × 10 6 to 5 × 10 8 cm −2 . The dislocation density in the Z region is lower than 5 × 10 6 cm −2 in the region of 50% or more. The dislocation density in the Y region is lower than 5 × 10 6 cm −2 in the region of 60% or more.
[実施例14(熱伝導)]
本発明の方法で作製研磨した15mm×15mm×0.8mmの角型GaN基板を用いて熱伝導度を測定した。これは熱伝導の異方性の有無を調べるためのものである。だから初めから異方性がないドット型のものは測定していない。
[Example 14 (heat conduction)]
Thermal conductivity was measured using a 15 mm × 15 mm × 0.8 mm square GaN substrate fabricated and polished by the method of the present invention. This is for examining the presence or absence of anisotropy of heat conduction. Therefore, the dot type without anisotropy was not measured from the beginning.
ストライプ型の場合は、ストライプに平行方向の熱伝導と、ストライプを横切る方向の熱伝導に違いがある可能性がある。基板に直交する方向の熱伝導を測定するのは比較的容易である。が、横方向でしかも局所的な熱伝導を測るのは難しい。直接に熱伝導を測定できない。誘導的な手段で熱伝導度を求めた。 In the case of the stripe type, there is a possibility that there is a difference between heat conduction in a direction parallel to the stripe and heat conduction in a direction crossing the stripe. It is relatively easy to measure the heat conduction in the direction perpendicular to the substrate. However, it is difficult to measure the lateral and local heat conduction. The heat conduction cannot be measured directly. The thermal conductivity was determined by inductive means.
レーザフラッシュ法で熱拡散係数D(m2/s)を測定した。示差走査熱量分析法(DSC;Differential Scanning Calorimetry)によって比熱C(J/kgK)を測定した。密度ρ(kg/m3)はアルキメデス法によって測定した。熱伝導度Q(W/mK)は次の式によって計算することができる(W=J/sである)。 The thermal diffusion coefficient D (m 2 / s) was measured by a laser flash method. Specific heat C (J / kgK) was measured by differential scanning calorimetry (DSC). The density ρ (kg / m 3 ) was measured by the Archimedes method. The thermal conductivity Q (W / mK) can be calculated by the following formula (W = J / s).
Q(W/ms)=ρ(kg/m3)×C(J/kgK)×D(m2/s) Q (W / ms) = ρ (kg / m 3 ) × C (J / kgK) × D (m 2 / s)
密度ρ、比熱Cには方向性がない。熱拡散係数Dには方向性がある。GaN基板試料3〜7の5つの基板について、ストライプに平行のものDpとストライプを横切るものDtを測定した。それによってストライプ平行の熱伝導率Qpと、ストライプ垂直の熱伝導率Qtを求めることができる。
The density ρ and specific heat C have no directionality. The thermal diffusion coefficient D has directionality. For the five substrates of
試料によってばらつきはあるが、QtとQpに関しては前者が大きいもの(試料4、7)もあり、後者が大きい(試料3、5、6)もある。その差は試料間ばらつきよりも小さい。熱伝導度には異方性がないものと考えられる。その他の試料についても測定したが、本発明のGaN基板の熱伝導度の範囲は150W/mK〜220W/mKである。
Although there are variations depending on the sample, there are some of the former (
[実施例15(ビッカース硬度Hv)]
本発明の方法で作製研磨した前述の試料3〜7(15mm×15mm×0.8mmの角型GaN基板)について、H、Z、Y領域の個別のビッカース硬度Hvを測定した。ダイヤモンド四角錘圧子を対象点に当て試験荷重P(kgf)を掛けて試料面に窪みを作った。できた窪みの対角線長aを測定し、そのときの試験荷重Pとから(JIS Z2244に準拠)次の式によってビッカース硬度Hvを計算した。
[Example 15 (Vickers hardness Hv)]
For the
Hv=1.8544×P/a2 Hv = 1.8544 × P / a 2
試験荷重Pの範囲は、50〜200kgfである。 The range of the test load P is 50 to 200 kgf.
試料4、5、6、7において、欠陥集合領域Hの硬度が最も低い。H領域は上面が窒素面でGa面より硬度が低いのではないかと思われる。試料3のようにZが最も硬度が低くなっているものもあり、ばらつきがある。C面成長領域Yが最も硬度が高い。それは結晶構造の規則性が高いためか炭素混入が多いためか、あるいは他の原因によるのか不明である。
In
H領域のビッカース硬度は1200〜1500Hv、Z領域のビッカース硬度は1200〜1800Hv、Y領域のビッカース硬度は1300〜1800Hvの程度である。 The H region has a Vickers hardness of 1200 to 1500 Hv, the Z region has a Vickers hardness of 1200 to 1800 Hv, and the Y region has a Vickers hardness of about 1300 to 1800 Hv.
[実施例16(キズ密度の測定)]
本発明の方法で作製研磨した前述の試料3〜7(15mm×15mm×0.8mmの角型GaN基板)について、H、Z、Y領域の個別のキズ密度測定を行った。キズは研磨において発生したもので結晶成長とは直接に関係はない。キズがあまりに多いものは発光デバイスの基板として不適であるが、本発明のGaN基板はキズ密度も低くて満足できるものである。
[Example 16 (measurement of scratch density)]
The above-mentioned
キズの検査は微分干渉顕微鏡を用いた。対物レンズの倍率は40倍である。試料の縦300μm×横400μmの矩形範囲を微分干渉顕微鏡で写真撮影し、写真面に任意の部位に任意の方向に試験線を引き、試験線と交差するキズの数を数え、それを1mm長さの本数に換算してキズ密度(本/mm)とした。 A differential interference microscope was used to inspect the scratch. The magnification of the objective lens is 40 times. Photograph a rectangular area of 300 μm in length × 400 μm in width with a differential interference microscope, draw a test line in an arbitrary direction on the photographic surface in an arbitrary direction, count the number of scratches crossing the test line, and length it 1 mm The flaw density (lines / mm) was calculated in terms of the number.
キズ密度は研磨に大きく左右される。試料間でのキズ密度ばらつきは大きい。試料4のように殆ど0本/mmのものもあり、試料3のように104本/mmを越えるものもある。しかしH、Z、Yの領域間ではばらつきはないようである。いずれの領域でもキズ密度は0〜1×105本/mmである。それはデバイス作製用の基板としては充分なものである。
Scratch density is greatly affected by polishing. The flaw density variation between samples is large. Most as in
実施例1のサファイヤ基板を用いて、A3のストライプパターンを形成し、実施例1と同じ条件にてバッファ層を形成し、その後、1000℃に昇温し、表12の条件でエピタキシャル層を60分成長して、マスク保護層上の極性反転領域(方位反転領域)Hの形成状況を確認した。 Using the sapphire substrate of Example 1, an A3 stripe pattern is formed, a buffer layer is formed under the same conditions as in Example 1, and then the temperature is raised to 1000 ° C. After partial growth, the formation state of the polarity inversion region (orientation inversion region) H on the mask protective layer was confirmed.
成長の結果、極性反転領域Hの形成は、条件1および条件5では十分に形成なされず、連続していなかったり、あるいは形成されていない領域が見られたり、不十分であった。しかし、条件2、条件3、条件4においては、良好であった。これより、成長速度は、30〜100μm/hの範囲にあることが好ましいと考えられる。
As a result of the growth, the formation of the polarity inversion region H was not sufficiently formed under the
H 欠陥集合領域(反転方位領域)
Z 単結晶低転位随伴領域(ファセット成長領域)
Y 単結晶低転位余領域(C面成長領域)
K ZとHの間の結晶粒界
K’突起が結合されるときの不整合によってHの内部にできる結晶粒界
4 窒化ガリウム結晶
5 ピット
6 ファセット面
7 C面((0001)面)
8 ピットの稜線
11 線状転位集合束
13 モヤ状転位広がり
23 マスク(被覆部)
24 窒化ガリウム結晶
25 ピット
26 ファセット面
27 C面((0001)面)
29 露出部
63 マスク(被覆部)
64 窒化ガリウム結晶
65 ピット
66 ファセット面
67 C面((0001)面)
68 方位反転突起
69 露出部
70 多結晶微小粒子
H Defect assembly area (reversal orientation area)
Z single crystal low dislocation associated region (faceted growth region)
Y single crystal low dislocation residual region (C-plane growth region)
Grain boundary between K Z and H
Grain boundary formed inside H due to misalignment when K 'protrusions are bonded 4 Gallium nitride crystal
5 pits
6 Faceted surface
7 C surface ((0001) surface)
8 Pit edge
11 Linear dislocation aggregate bundle
13 Moya dislocation spread
23 Mask (coating part)
24 Gallium nitride crystal
25 pits
26 Faceted surface
27 C surface ((0001) surface)
29 Exposed area
63 Mask (coating part)
64 Gallium nitride crystal
65 pits
66 Faceted surface
67 C surface ((0001) surface)
68 Direction reversal protrusion
69 Exposed area
70 polycrystalline microparticles
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