JP4493427B2 - Method for producing group III nitride single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物単結晶の製造方法および製造装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for producing a group III nitride single crystal.
GaN系化合物半導体を中心とするIII族窒化物半導体には、シリコン半導体よりも電子移動度が高くバンドギャップが大きいという特徴がある。このため、III族窒化物半導体は、高周波特性に優れたHEMT(高電子移動度トランジスタ;High Electron Mobility Transistor)や青色LED(発光ダイオード;Light Emitting Diode)の材料として多くの研究の対象となってきた。 Group III nitride semiconductors centered on GaN-based compound semiconductors are characterized by higher electron mobility and a larger band gap than silicon semiconductors. For this reason, group III nitride semiconductors have been the subject of much research as materials for HEMTs (High Electron Mobility Transistors) and blue LEDs (Light Emitting Diodes) with excellent high frequency characteristics. It was.
このようなGaN系化合物は、MOCVD法(有機金属化学気相成長法;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて、サファイアやSiC等の基材上にヘテロエピタキシャル成長させることにより作製されることが多い。しかし、GaN系化合物とこれらの基材との格子不整合や熱膨張係数差は大きいため、これらの基材上に目的とするGaN系化合物を直接形成しても高品質のエピタキシャル層を得ることはできない。 Such a GaN-based compound is often produced by heteroepitaxial growth on a substrate such as sapphire or SiC using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). However, since the lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference between GaN-based compounds and these substrates are large, a high-quality epitaxial layer can be obtained even if the desired GaN-based compound is directly formed on these substrates. I can't.
このため、III族窒化物単結晶そのものを基材として採用して、当該基材上にIII族窒化物をホモエピタキシャル成長させることにより、III族窒化物半導体素子を製造することが検討されている。このために高品質のIII族窒化物単結晶を育成する方法が様々に研究されてきた。例えば、特許文献1には、Ga融液を用いた高圧溶液成長法での圧力制御によるGaN単結晶を育成する技術が開示されている。
For this reason, it has been studied to produce a group III nitride semiconductor device by adopting a group III nitride single crystal itself as a substrate and homoepitaxially growing the group III nitride on the substrate. For this purpose, various methods for growing high-quality group III nitride single crystals have been studied. For example,
しかし、特許文献1の技術において、GaN単結晶のサイズおよび育成速度は工業的には不充分であり、GaN系化合物半導体素子の短寿命やコスト上昇の一因となっていた。
However, in the technique of
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、高品質のGaN単結晶を高速にかつ大面積で育成する製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object thereof is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for growing a high-quality GaN single crystal at a high speed and in a large area.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、液相エピタキシャル成長法により平板状の基材上に結晶成長させるIII族窒化物単結晶の製造方法であって、所定の保持容器の内容物を加熱して合金融液を生成する生成工程と、2000気圧以上に加圧した窒素元素含有気体を用いて、前記合金融液に前記窒素元素含有気体を溶解させる溶解工程と、前記保持容器が配置された装置内の雰囲気を窒素ガスに置換して、前記装置内を気密状態にする雰囲気置換工程と、前記溶解工程の前、後および同時のいずれかのタイミングでサファイア、AlN、GaN、AlGaN、SiCのいずれかからなる基材を前記合金融液に浸漬させる浸漬工程と、前記浸漬工程を経た後の前記基材の上にIII族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる成長工程とを備え、前記合金融液は、III族金属を1種類以上含む第1融液成分と、1種類のアルカリ金属あるいは1種類のアルカリ土類金属からなり、前記第1融液成分の融点を低下させるフラックスとなる第2融液成分を含有することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法において、前記第2融液成分がナトリウムであることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride single crystal according to the first aspect, the second melt component is sodium.
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法において、前記合金融液は、前記第1融液成分および前記第2融液成分とは異なる金属を1種類以上含む第3融液成分を含有することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のIII族窒化物単結晶の製造方法において、前記基材におけるIII族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる面に、III族窒化物層があらかじめエピタキシャル形成されていることを特徴とする。
The invention of
また、請求項5の発明は、請求項4に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法において、前記III族窒化物層がAlを全III属元素内で50原子%以上含むIII族窒化物層であることを特徴とする。
Further, the invention of claim 5 is the method for producing a group III nitride single crystal according to
請求項1ないし請求項5の発明によれば、高品質かつ大面積のIII族窒化物単結晶を高速に育成可能である。
According to the first to fifth aspects of the present invention, a high-quality, large-area group III nitride single crystal can be grown at high speed.
また、請求項5の発明によれば、III族窒化物単結晶のクラックを抑制可能である。 Moreover, according to the invention of claim 5, it is possible to suppress the crack of the group III nitride single crystal.
本実施の形態に係るIII族窒化物単結晶の製造方法は、融液に浸漬した基材上にIII族窒化物単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法である。本実施の形態においては、融液は少なくとも2成分以上からなる合金融液であり、
a)III族窒化物単結晶を構成するIII族金属の供給源となる第1成分と、
b)当該III族金属の融点を低下させるフラックスとなるアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属からなる第2成分を含んでいる。
The method for producing a group III nitride single crystal according to the present embodiment is a liquid phase epitaxial growth method in which a group III nitride single crystal is grown on a substrate immersed in a melt. In the present embodiment, the melt is a combined financial liquid composed of at least two components,
a) a first component serving as a supply source of the group III metal constituting the group III nitride single crystal;
b) It contains a second component made of an alkali metal or alkaline earth metal that serves as a flux that lowers the melting point of the Group III metal.
第1成分は、III族金属(より具体的には、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの中から選ばれる1種類以上の金属)であり、特にアルミニウムをフラックス内に効率的に溶融させるためにも、ガリウムをモル分率で50%以上含有することが望ましい。 The first component is a group III metal (more specifically, one or more metals selected from gallium, aluminum, and indium). In particular, gallium is also used for efficiently melting aluminum in the flux. Is preferably contained in a molar fraction of 50% or more.
第2成分は、1種類のアルカリ金属あるいはアルカリ金属であり、典型的にはナトリウムである。 The second component is one kind of alkali metal or alkali metal, typically sodium.
また、当該合金融液には、III族窒化物単結晶を構成する窒素の供給源となる窒素元素含有ガスが加圧により溶解させられる。窒素元素含有ガスには、窒素(N2)やアンモニア(NH3)等が好適に用いられる。また、窒素元素含有ガスは、2000気圧以上に加圧されて合金融液に溶解させられる。より好ましくは、5000気圧以上に加圧することにより、より窒素元素含有ガスの溶解度をより上昇させることができる。 In addition, a nitrogen element-containing gas serving as a nitrogen supply source constituting the group III nitride single crystal is dissolved in the combined financial liquid by pressurization. Nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), or the like is preferably used as the nitrogen element-containing gas. Further, the nitrogen element-containing gas is pressurized to 2000 atm or more and dissolved in the combined financial liquid. More preferably, the solubility of the nitrogen element-containing gas can be further increased by pressurizing to 5000 atm or higher.
さらに、この窒素元素含有ガスの溶解度は、第3成分の金属を添加することにより著しく向上する。従って、第3成分を添加した状態で、窒素元素含有ガスを2000気圧以上に加圧することにより、III族窒化物単結晶の成長速度を著しく向上可能である。第3成分は、第1成分および第2成分以外の金属であり、典型的にはカルシウムなどのアルカリ土類金属あるいは銅である。なお、ここで添加する第3成分として添加する金属は不純物のゲッタリングに用いる程度の少量では効果が現れない。 Further, the solubility of the nitrogen element-containing gas is remarkably improved by adding the third component metal. Therefore, the growth rate of the group III nitride single crystal can be remarkably improved by pressurizing the nitrogen element-containing gas to 2000 atm or more with the third component added. The third component is a metal other than the first component and the second component, and is typically an alkaline earth metal such as calcium or copper. Note that the metal added as the third component added here has no effect when used in a small amount to be used for impurity gettering.
ここで第3成分となるフラックスを導入する場合、フラックスにおける第2成分と第3成分とのモル比は、第2成分:第3成分=99.9:0.1〜50:50の範囲内であることが望ましく、合金融液における第1成分と、第2成分+第3成分(フラックス成分)とのモル比は、第1成分:(第2成分+第3成分)=0.1:99.9〜50:50の範囲内であることが望ましい。なぜならば、このような融液組成の選択を行うことにより、特に高品質のIII族窒化物単結晶を高速成長可能であるからである。 Here, when the flux as the third component is introduced, the molar ratio of the second component to the third component in the flux is in the range of second component: third component = 99.9: 0.1-50: 50. It is desirable that the molar ratio between the first component and the second component + third component (flux component) in the combined financial liquid is: first component: (second component + third component) = 0.1: It is desirable to be within the range of 99.9-50: 50. This is because by selecting such a melt composition, it is possible to grow a particularly high-quality group III nitride single crystal at a high speed.
なお、本実施の形態では、III族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる面として、サファイア,ZnO,LiAlO2,LiGaO2,MgAl2O4,MgO,(La,Sr)(Al,Ta)O3で代表される酸化物単結晶Si,SiC,で代表されるIV族あるいはIV-IV族単結晶、GaAs,で代表される化合物半導体単結晶、AlN,GaN,AlGaNで代表されるIII族窒化物単結晶およびZrB2で代表される硼化物単結晶などの単結晶基材や、これらの単結晶基材上に所定の単結晶層をあらかじめエピタキシャル成長させた基材等の面を使用可能である。上記単結晶基材の選択については、単結晶の成長条件により適宜選択するが、成長温度が高いほど、成長速度の向上、結晶性の向上が期待できるため、成長時に溶融しにくい、たとえば、サファイア、AlN、GaN、AlGaN、SiCなどのより融点の高い材料を選択するのが望ましい。なお、大型化という観点に立てば、商業的に2inch以上の直径の基板が容易に手に入れられる、サファイア基板、SiC基板が最も望ましい。 In this embodiment, sapphire, ZnO, LiAlO 2 , LiGaO 2 , MgAl 2 O 4 , MgO, (La, Sr) (Al, Ta) O 3 are used as the surface for epitaxial growth of the group III nitride single crystal. Group IV or IV-IV single crystal typified by oxide single crystal Si, SiC, representative compound semiconductor single crystal typified by GaAs, Group III nitride typified by AlN, GaN, AlGaN Surfaces such as single crystal substrates such as crystals and boride single crystals represented by ZrB 2 , and substrates obtained by epitaxially growing a predetermined single crystal layer on these single crystal substrates in advance can be used. The selection of the single crystal substrate is appropriately selected according to the growth conditions of the single crystal. However, the higher the growth temperature, the higher the growth rate and the higher the crystallinity. It is desirable to select a material having a higher melting point, such as AlN, GaN, AlGaN, or SiC. From the viewpoint of increasing the size, a sapphire substrate or a SiC substrate is most desirable because a substrate having a diameter of 2 inches or more can be easily obtained commercially.
単結晶基材上にエピタキシャル成長する単結晶層としては、III族窒化物単結晶層を用いるのが望ましい。これは、単結晶基材と成長させるIII族窒化物単結晶の間に存在する格子定数ミスマッチを有効に緩和し、結晶品質を向上することができるからである。例えば、MOCVD法により400℃〜600℃で形成された、厚みが20nm〜30nmの(AlxGay)N(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y=1)層(結晶性が低い低温バッファ層)や本低温バッファ層上にMOCVD法により1000℃以上で形成されたGaN層、MOCVD法により1100℃以上で形成された、厚みが0.2μm以上の(AlxGay)N(0.5≦x≦1,0≦y≦0.5,x+y=1)層(結晶性が高い高温バッファ層)を採用可能である。この場合、表面平坦性の向上という観点から、III族窒化物単結晶層の主面が(0001)面(C面)とすることが望ましい。 It is desirable to use a group III nitride single crystal layer as the single crystal layer epitaxially grown on the single crystal substrate. This is because the lattice constant mismatch existing between the single crystal substrate and the group III nitride single crystal to be grown can be effectively relaxed and the crystal quality can be improved. For example, an (Al x Ga y ) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y = 1) layer (with a crystallinity of 20 nm to 30 nm) formed at 400 ° C. to 600 ° C. by MOCVD. A low-temperature buffer layer), a GaN layer formed at 1000 ° C. or higher by the MOCVD method on the low-temperature buffer layer, or (Al x Ga y ) N having a thickness of 0.2 μm or more formed at 1100 ° C. or higher by the MOCVD method. (0.5 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.5, x + y = 1) layer (high-temperature buffer layer with high crystallinity) can be employed. In this case, from the viewpoint of improving the surface flatness, it is desirable that the main surface of the group III nitride single crystal layer is a (0001) plane (C plane).
特に、エピタキシャル成長する単結晶層のうち、後者の結晶性が高い高温(AlxGay)Nバッファ層を採用することにより、III族窒化物単結晶のクラック発生を有効に抑制することができ、その品質をより容易に向上可能である。成長する単結晶よりもエピタキシャル成長する層のAl組成が大きいほど、単結晶内に発生する引張応力を抑制できるためである。特に、高温AlNバッファ層を採用した場合、この効果を最大限に活用できる。(上式におけるx=1の場合)なお、成長させる単結晶の品質を向上させるためにも、基板2にサファイア単結晶あるいはSiC単結晶を用い、直接的あるいは表面窒化膜を介して成長した高温(AlxGay)Nバッファ層(x+y=1、1≧x≧0.5)を用いることが望ましい。この場合、エピタキシャル成長する単結晶層の(002)面のX線ロッキングカーブの半値幅を容易に200秒以下とすることができ、その上に成長する単結晶の結晶品質を向上させることができる。なお、このX線ロッキングカーブの半値幅は、上記結晶性が低い低温バッファ層を用いた場合には、容易に実現できない。
In particular, among the epitaxially grown single crystal layers, the latter high crystallinity high temperature (Al x Ga y ) N buffer layer can be used to effectively suppress the occurrence of group III nitride single crystal cracks, The quality can be improved more easily. This is because the tensile stress generated in the single crystal can be suppressed as the Al composition of the layer to be epitaxially grown is larger than that of the single crystal to be grown. In particular, when a high temperature AlN buffer layer is employed, this effect can be utilized to the maximum. (In the case of x = 1 in the above formula) In order to improve the quality of a single crystal to be grown, a high temperature grown directly or via a surface nitride film using a sapphire single crystal or a SiC single crystal for the
また、高温(AlxGay)Nバッファ層を用いる場合、その厚みは、好ましくは0.4μm以上であることが望ましい。表面に発生する欠陥であるピットを効果的に抑制でき、さらには、III族窒化物単結晶成長に望ましい、原子ステップが明瞭に確認できるほどの表面平坦性を持つ膜(表面粗さra:3Å以下)を実現できるからである。以下では、本実施の形態に係るIII族窒化物単結晶の製造方法および当該製造方法に使用される製造装置の具体的な実施例について説明する。 Further, when a high temperature (Al x Ga y ) N buffer layer is used, the thickness is preferably 0.4 μm or more. It is possible to effectively suppress pits, which are defects generated on the surface, and furthermore, a film having a surface flatness that allows atomic steps to be clearly confirmed (surface roughness ra: 3 mm), which is desirable for group III nitride single crystal growth. This is because the following can be realized. Below, the specific Example of the manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the group III nitride single crystal which concerns on this Embodiment, and the said manufacturing method is demonstrated.
<製造装置>
○製造装置の第1の態様;
実施の形態に係るIII族窒化物単結晶の製造装置の第1の態様について、図1の断面図を参照しながら説明する。
<Manufacturing equipment>
-1st aspect of manufacturing apparatus;
A first aspect of the apparatus for producing a group III nitride single crystal according to the embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG.
製造装置1は、ガス導入口2およびガス排気口3を有する有底円筒形状の高圧容器4を備える。ステンレス製の高圧容器4は、内圧が2000気圧以上となっても気密状態を維持可能である。ガス導入口2には、加圧装置5を介して窒素ガスの供給源6が接続される。加圧装置5は、高圧容器4の内圧を2000気圧以上に加圧する能力を有する。また、ガス排気口3は、バルブ7を介して図示しない排気処理装置に接続される。そして、バルブ7が開放状態の場合は高圧容器4の内部のガスが自然排気されるようになっている。
The
高圧容器4の内部には、III族窒化物単結晶の成長時に使用される融液Mを保持可能な反応容器8が設けられる。反応容器8は窒化ホウ素セラミックス製であり、1000℃以上の耐熱温度を有する。
Inside the high-
さらに、高圧容器4の内部には、反応容器8の内容物を加熱するための電気式のヒータ9が設けられている。
Furthermore, an
また、製造装置1においては、高圧容器4の上蓋部4aと本体部4bとは着脱可能となっている。そして、反応容器8への内容物投入等の作業は、上蓋部4aと本体部4bとを分離した状態で行われる。また、上蓋部4aと本体部4bとの結合時には、上蓋部4aと本体部4bとの間の隙間部4cはメタルガスケットで封止されるので、ヒータ9を用いて高圧容器4の内部温度が上昇しても、高圧容器4の気密状態は維持される。
Moreover, in the
高圧容器4の内部には、基材S1〜S4を保持する治具10を昇降する昇降機構11が設けられている。昇降機構11は、高圧容器4に対して固定された状態で設置されている。そして、昇降機構11に接続された治具10は、高圧容器4の外部からの指示により、反応容器8の内部の融液Mへの浸漬および融液Mからの引き上げを行うことが可能となっている。なお、図1においては、治具10が融液Mに浸漬された状態が図示されている。
An elevating
治具10は、基材S1〜S4を載置する基材台10a〜10dを有している。基材台10a〜10dは、支持柱10eによって鉛直方向に所定距離間隔Lずつ離して保持されている。このように複数の基材S1〜S4を同時に融液Mに浸漬可能とすることにより、工業的な生産性を著しく向上可能である。なお、所定距離間隔Lは、基材S1〜S4の上への単結晶の成長を妨げない範囲内であれば特に制限されない。また、基材台の数は4個に限定されず、3個以下あるいは5個以上であってもよい。
The
○製造装置の第2の態様;
実施の形態に係るIII族窒化物単結晶の製造装置の第2の態様について、図2の断面図を参照しながら説明する。
○ Second aspect of the manufacturing apparatus;
A second mode of the group III nitride single crystal manufacturing apparatus according to the embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG.
製造装置21は、ガス導入口22およびガス排気口23を有する有蓋円筒形状の高圧容器24を備える。高圧容器24の底部には、気密を維持したまま円筒軸方向に摺動可能な加圧ピストン25が設けられる。製造装置21においては、加圧ピストン25を高圧容器24の内側方向DIへ移動させることにより、高圧容器24の内圧を上昇させることができる。ガス導入口22には、バルブ26および加圧装置27を介して窒素ガスの供給源28が接続される。加圧装置27も、製造装置1の加圧装置5と同様に、高圧容器24の内圧を2000気圧以上に加圧する能力を有する。また、ガス排気口23は、バルブ29を介して図示しない排気処理装置に接続される。そして、製造装置21においては、バルブ29が開放状態の場合は高圧容器24の内部のガスが自然排気されるようになっている。
The
高圧容器24の内部には、III族窒化物単結晶の成長時に使用される融液Mを保持可能なボード29a〜29dが設けられる。ボード29a〜29dは窒化ホウ素セラミックス製であり、1000℃以上の耐熱温度を有する。ボード29a〜29dは、支持部材31を用いて高圧容器24の内部に保持される。III族窒化物単結晶の育成時には、ボード29a〜29dの内部には基材S5〜S8が融液Mに浸漬された状態で載置される。
Inside the high-
さらに、高圧容器24の外側には、高圧容器24の全体を加熱するための電気式のヒータ30が設けられている。
Furthermore, an
<実施例>
本発明に係る実施例を以下で説明する。
<Example>
Embodiments according to the present invention will be described below.
○基材の準備;
ここでは、III族窒化物単結晶を成長させる各種基材(種結晶)の準備について、図3の基材の断面図を参照しながら説明する。
○ Preparation of the substrate;
Here, preparation of various base materials (seed crystals) for growing a group III nitride single crystal will be described with reference to a cross-sectional view of the base material in FIG.
−基材Saについて−
まず、直径が2インチの略円形状の(0001)面6H-SiC単結晶基板(400μm厚)100を準備した。6H−SiC単結晶基板100の主面(III族窒化物単結晶の形成面)であるSi面へのバッファ層101の形成に先立って、バッファードフッ酸を用いて6H−SiC単結晶基板100を洗浄した。次に、平均流速2m/secの水素ガス中で6H−SiC単結晶基板100を1200℃まで加熱して10分間保持することによりサーマルクリーニングを行った(図3(a))。
-About the base material Sa-
First, a substantially circular (0001) 6H—SiC single crystal substrate (400 μm thick) 100 having a diameter of 2 inches was prepared. Prior to the formation of the buffer layer 101 on the Si surface which is the main surface of the 6H—SiC single crystal substrate 100 (the surface on which the group III nitride single crystal is formed), the 6H—SiC single crystal substrate 100 is formed using buffered hydrofluoric acid. Was washed. Next, thermal cleaning was performed by heating the 6H—SiC single crystal substrate 100 to 1200 ° C. and holding it for 10 minutes in hydrogen gas having an average flow velocity of 2 m / sec (FIG. 3A).
続いて、洗浄およびサーマルクリーニングによって得られた6H−SiC単結晶基板100の清浄表面にMOCVD法によりAlNのバッファ層101の形成を行う。バッファ層の形成に先立ちアンモニアガス中での基板表面窒化処理を行い、バッファ層101の形成は、平均流速が2m/secのトリメチルアルミニウムガス(Al(CH3)3)およびアンモニアガス(NH3)および水素ガスの混合ガス中で、トリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスのモル比を1:100として、6H−SiC単結晶基板100を1200℃まで加熱することにより行った。これにより、6H−SiC単結晶基板100の上には、層厚が0.5μmのAlNのバッファ層101が形成された。以下では、このようにして得られた基材Sを基材Saと称する。なお、このようにして準備した基材Saを評価したところ、AlN層の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は100秒であり、5μm四方の正方形領域の算術表面粗さ(Ra)は1.5オングストロームであった。また、原子間力顕微鏡により基材Saの表面の観察を行ったところ、原子ステップの存在が確認された。 Subsequently, an AlN buffer layer 101 is formed on the clean surface of the 6H—SiC single crystal substrate 100 obtained by cleaning and thermal cleaning by MOCVD. Prior to the formation of the buffer layer, the substrate surface is nitrided in ammonia gas, and the buffer layer 101 is formed by trimethylaluminum gas (Al (CH 3 ) 3 ) and ammonia gas (NH 3 ) having an average flow rate of 2 m / sec. The 6H—SiC single crystal substrate 100 was heated to 1200 ° C. at a molar ratio of trimethylaluminum gas to ammonia gas of 1: 100 in a mixed gas of hydrogen gas. As a result, an AlN buffer layer 101 having a layer thickness of 0.5 μm was formed on the 6H—SiC single crystal substrate 100. Hereinafter, the base material S thus obtained is referred to as a base material Sa. In addition, when the base material Sa prepared in this way was evaluated, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer was 100 seconds, and the arithmetic surface roughness (Ra) of a square area of 5 μm square. Was 1.5 Å. Further, when the surface of the substrate Sa was observed with an atomic force microscope, the presence of atomic steps was confirmed.
−基材Sbについて−
また、直径が2インチの略円形状の(0001)面サファイア単結晶基板(430μm厚)200を準備した。次に、平均流速2m/secの水素ガス中でサファイア単結晶基板200を1200℃まで加熱して10分間保持することによりサーマルクリーニングを行った(図3(a))。
-About the substrate Sb-
A substantially circular (0001) plane sapphire single crystal substrate (430 μm thick) 200 having a diameter of 2 inches was prepared. Next, thermal cleaning was performed by heating the sapphire single crystal substrate 200 to 1200 ° C. and holding it for 10 minutes in hydrogen gas having an average flow velocity of 2 m / sec (FIG. 3A).
続いて、洗浄およびサーマルクリーニングによって得られたサファイア単結晶基板200の清浄表面にMOCVD法によりAlNのバッファ層201の形成を行う。バッファ層の形成に先立ちアンモニアガス中での基板表面窒化処理を行い、バッファ層201の形成は、平均流速が2m/secのトリメチルアルミニウムガス(Al(CH3)3)およびアンモニアガス(NH3)および水素ガスの混合ガス中で、トリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスのモル比を1:100として、サファイア単結晶基板200を1200℃まで加熱することにより行った。これにより、サファイア単結晶基板200の上には、層厚が1.0μmのAlNのバッファ層201が形成された。以下では、このようにして得られた基材Sを基材Sbと称する。なお、このようにして準備した基材Sbを評価したところ、AlN層の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は70秒であり、5μm四方の正方形領域の算術表面粗さ(Ra)は1.5オングストロームであった。また、原子間力顕微鏡により基材Sbの表面の観察を行ったところ、原子ステップの存在が確認された。 Subsequently, an AlN buffer layer 201 is formed on the clean surface of the sapphire single crystal substrate 200 obtained by cleaning and thermal cleaning by MOCVD. Prior to the formation of the buffer layer, the substrate surface is nitrided in ammonia gas, and the buffer layer 201 is formed by trimethylaluminum gas (Al (CH 3 ) 3 ) and ammonia gas (NH 3 ) having an average flow rate of 2 m / sec. The sapphire single crystal substrate 200 was heated to 1200 ° C. with a molar ratio of trimethylaluminum gas and ammonia gas of 1: 100 in a mixed gas of hydrogen gas. As a result, an AlN buffer layer 201 having a layer thickness of 1.0 μm was formed on the sapphire single crystal substrate 200. Hereinafter, the base material S thus obtained is referred to as a base material Sb. In addition, when the base material Sb prepared in this way was evaluated, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer was 70 seconds, and the arithmetic surface roughness (Ra) of a 5 μm square area. Was 1.5 Å. Further, when the surface of the substrate Sb was observed with an atomic force microscope, the presence of atomic steps was confirmed.
−基材Scについて−
直径が2インチの略円形状の(0001)面サファイア単結晶基板(430μm厚)300を準備した。次に、平均流速2m/secの水素ガス中でサファイア単結晶基板300を1200℃まで加熱して10分間保持することによりサーマルクリーニングを行った(図3(a))。
-About the base material Sc-
A substantially circular (0001) plane sapphire single crystal substrate (430 μm thick) 300 having a diameter of 2 inches was prepared. Next, thermal cleaning was performed by heating the sapphire single crystal substrate 300 to 1200 ° C. and holding it for 10 minutes in hydrogen gas having an average flow velocity of 2 m / sec (FIG. 3A).
続いて、洗浄およびサーマルクリーニングによって得られたサファイア単結晶基板300の清浄表面にMOCVD法によりGaNのバッファ層301の形成を行う。バッファ層の形成に先立ち600℃にて平均流速が2m/secでトリメチルガリウムガス(Ga(CH3)3)、トリメチルアルミニウムガス(Al(CH3)3)およびアンモニアガス(NH3)および水素ガスの混合ガス中で、25nmの結晶性の低いAlGaNからなるバッファ層を一旦形成し、GaNバッファ層301の形成は、平均流速が2m/secのトリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスおよび水素ガスの混合ガス中で、トリメチルガリウムガスとアンモニアガスのモル比を1:1000として、サファイア単結晶基板300を1080℃まで加熱することにより行った。これにより、サファイア単結晶基板300の上には、層厚が3.0μmのGaNのバッファ層301が形成された。以下では、このようにして得られた基材Sを基材Scと称する。なお、このようにして準備した基材Scを評価したところ、GaN層の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は250秒であり、5μm四方の正方形領域の算術表面粗さ(Ra)は3.5オングストロームであった。また、原子間力顕微鏡により基材Scの表面の観察を行ったところ、原子ステップの存在が確認された。 Subsequently, a GaN buffer layer 301 is formed on the clean surface of the sapphire single crystal substrate 300 obtained by cleaning and thermal cleaning by MOCVD. Prior to formation of the buffer layer, trimethylgallium gas (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethylaluminum gas (Al (CH 3 ) 3 ), ammonia gas (NH 3 ), and hydrogen gas at an average flow rate of 2 m / sec at 600 ° C. A buffer layer made of AlGaN having a low crystallinity of 25 nm is once formed in the mixed gas of GaN, and the GaN buffer layer 301 is formed in a mixed gas of trimethylgallium gas, ammonia gas, and hydrogen gas having an average flow velocity of 2 m / sec. The sapphire single crystal substrate 300 was heated to 1080 ° C. with a molar ratio of trimethylgallium gas and ammonia gas of 1: 1000. As a result, a GaN buffer layer 301 having a layer thickness of 3.0 μm was formed on the sapphire single crystal substrate 300. Hereinafter, the base material S thus obtained is referred to as a base material Sc. When the base material Sc thus prepared was evaluated, the half-value width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the GaN layer was 250 seconds, and the arithmetic surface roughness (Ra) of a square area of 5 μm square. Was 3.5 angstroms. Moreover, when the surface of the base material Sc was observed with an atomic force microscope, the presence of atomic steps was confirmed.
○液相エピタキシャル成長;
以下では、液相エピタキシャル成長に関する実施例1〜実施例4について説明する。
○ Liquid phase epitaxial growth;
Hereinafter, Examples 1 to 4 relating to liquid phase epitaxial growth will be described.
<実施例1>
実施例1では、上述の製造装置1および基材Sa、Sb、Scを用いた、GaN単結晶の液相エピタキシャル成長の手順を説明する。
<Example 1>
In Example 1, a procedure for liquid phase epitaxial growth of a GaN single crystal using the
まず、製造装置1の内部および周辺部の雰囲気を乾燥した窒素ガスで置換した。しかるのちに、高圧容器4の上蓋部4aと本体部4bとを分離し、昇降装置11を用いて治具10を最上端まで引き上げた。
First, the atmosphere inside and around the
次に、金属ガリウム、金属ナトリウム(第1のフラックス)を、モル比が90:10となるように秤量して反応容器8の中に内容物として投入した。また、治具10の基材台10a〜10dに基材S(S1〜S4)を載置した。このとき、基材Sのエピタキシャル成長面が上側になるように、すなわち、エピタキシャル成長面と反対側の面が基材台と接するように、基材Sは基材台10a〜10dに載置されている。
Next, metal gallium and metal sodium (first flux) were weighed so as to have a molar ratio of 90:10 and charged into the
続いて、窒素ガスによる雰囲気置換を継続しながら、上蓋部4aと本体部4bとを結合して高圧容器4を気密状態とした。そして、加圧装置5を用いて高圧容器4の内部の窒素ガスの内圧を3000気圧まで加圧した。さらに続けて、ヒータ9に電力を供給して、反応容器8の内容物の温度を室温付近から900℃まで加熱し、金属ガリウム、金属ナトリウムを溶融状態として合金融液を生成した。
Subsequently, while continuing the atmosphere replacement with nitrogen gas, the upper lid portion 4a and the
合金融液の形成後、再び昇降装置11を駆動して治具10を融液Mに浸漬させた。これにより、基材S1〜S4のエピタキシャル成長面と融液Mとは接触させられたことになる。この状態で温度を900℃のまま24時間保持したのち、再度昇降装置11を駆動して治具10を融液Mから引き上げた。
After the formation of the combined financial liquid, the lifting / lowering
引き上げ終了後、ヒータ9への電力供給を停止して高圧容器4を室温まで自然放冷するとともに、バルブ7を開放して高圧容器4の内圧を1気圧まで低下させた。しかる後に高圧容器4の上蓋部4aと本体部4bとを分離し、基材S1〜S4を回収した。回収した基材S1〜S4を観察したところ、平均して約5mm厚のGaN単結晶が基材上に成長していた。
After the completion of the pulling up, power supply to the
<実施例2>
実施例1では、上述の製造装置1および基材Sa、Sb、Scを用いた、GaN単結晶の液相エピタキシャル成長の手順を説明する。
<Example 2>
In Example 1, a procedure for liquid phase epitaxial growth of a GaN single crystal using the
まず、製造装置1の内部および周辺部の雰囲気を乾燥した窒素ガスで置換した。しかるのちに、高圧容器4の上蓋部4aと本体部4bとを分離し、昇降装置11を用いて治具10を最上端まで引き上げた。
First, the atmosphere inside and around the
次に、金属ガリウム、金属ナトリウム(第1のフラックス)および金属カルシウム(第2のフラックス)を、モル比が80:10:10となるように秤量して反応容器8の中に内容物として投入した。また、治具10の基材台10a〜10dに基材S(S1〜S4)を載置した。このとき、基材Sのエピタキシャル成長面が上側になるように、すなわち、エピタキシャル成長面と反対側の面が基材台と接するように、基材Sは基材台10a〜10dに載置されている。
Next, metallic gallium, metallic sodium (first flux) and metallic calcium (second flux) are weighed so as to have a molar ratio of 80:10:10 and charged into the
続いて、窒素ガスによる雰囲気置換を継続しながら、上蓋部4aと本体部4bとを結合して高圧容器4を気密状態とした。そして、加圧装置5を用いて高圧容器4の内部の窒素ガスの内圧を3000気圧まで加圧した。さらに続けて、ヒータ9に電力を供給して、反応容器8の内容物の温度を室温付近から900℃まで加熱し、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属カルシウムを溶融状態として合金融液を生成した。
Subsequently, while continuing the atmosphere replacement with nitrogen gas, the upper lid portion 4a and the
合金融液の形成後、再び昇降装置11を駆動して治具10を融液Mに浸漬させた。これにより、基材S1〜S4のエピタキシャル成長面と融液Mとは接触させられたことになる。この状態で温度を900℃のまま24時間保持したのち、再度昇降装置11を駆動して治具10を融液Mから引き上げた。
After the formation of the combined financial liquid, the lifting / lowering
引き上げ終了後、ヒータ9への電力供給を停止して高圧容器4を室温まで自然放冷するとともに、バルブ7を開放して高圧容器4の内圧を1気圧まで低下させた。しかる後に高圧容器4の上蓋部4aと本体部4bとを分離し、基材S1〜S4を回収した。回収した基材S1〜S4を観察したことろ、平均して約10mm厚のGaN単結晶が基材上に成長していた。
After the completion of the pulling up, power supply to the
<実施例3>
実施例3では、上述の製造装置21および基材Sa、Sb、Scを用いた、GaN単結晶の液相エピタキシャル成長の手順を説明する。
<Example 3>
In Example 3, a procedure of liquid phase epitaxial growth of a GaN single crystal using the
まず、製造装置21の内部および周辺部の雰囲気を乾燥した窒素ガスで置換した。しかる後に、加圧ピストン25を高圧容器24と一旦分離して、ボード29a〜29dの底部に、基材S(S5〜S8)を載置した。このとき、基材Sのエピタキシャル成長面が上側になるように、すなわち、エピタキシャル成長面と反対側の面がボード29a〜29dの底部と接するように基材Sは載置されている。
First, the atmosphere inside and around the
さらに、金属ガリウム、金属ナトリウム(第1のフラックス)および金属カルシウム(第2のフラックス)を、モル比が80:10:10となるように秤量してボード29a〜29dの中に内容物として投入した。 Further, metallic gallium, metallic sodium (first flux) and metallic calcium (second flux) are weighed so that the molar ratio is 80:10:10, and are put into the boards 29a to 29d as contents. did.
続いて、窒素ガスによる雰囲気置換を継続しながら、加圧ピストン25を高圧容器24に再び取り付けて、高圧容器24の内部を気密状態とした。そして、加圧装置27を用いて高圧容器24の内部の窒素ガスの内圧を約10000気圧まで加圧した。さらに続けて、ヒータ30に電力を供給して、ボード29a〜29dの内容物の温度を室温付近から900℃まで加熱し、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属カルシウムを溶解状態として合金融液を生成した。これにより、基材S5〜S8のエピタキシャル成長面と融液Mとは接触させられたことになる。この状態において、加圧ピストン25を高圧容器24の内側方向DIへ移動して高圧容器24の内圧をさらに上昇させ、基材S5〜S8のエピタキシャル成長面にGaN単結晶を12時間かけて析出させた。
Subsequently, the
これらの一連の工程終了後、ヒータ30への電力供給を停止して高圧容器4を室温まで自然放冷するとともに、バルブ29を開放して高圧容器24の内圧を1気圧まで低下させた。しかる後に、再び加圧ピストン25を高圧容器24と分離して、基材S5〜S8を回収した。回収した基材S5〜S8を観察したところ、平均して約10mmのGaN単結晶が基材上に成長していた。
After completion of these series of steps, the power supply to the
<実施例4>
実施例4では、上述の製造装置21および基材Sa、Sb、Scを用いた、AlGaN単結晶の液相エピタキシャル成長の手順を説明する。
<Example 4>
In Example 4, the procedure of liquid phase epitaxial growth of an AlGaN single crystal using the
まず、製造装置21の内部および周辺部の雰囲気を乾燥した窒素ガスで置換した。しかる後に、加圧ピストン25を高圧容器24と一旦分離して、ボード29a〜29dの底部に、基材S(S5〜S8)を載置した。このとき、基材Sのエピタキシャル成長面が上側になるように、すなわち、エピタキシャル成長面と反対側の面がボード29a〜29dの底部と接するように基材Sは載置されている。
First, the atmosphere inside and around the
さらに、III族金属、金属ナトリウム(第1のフラックス)および金属カルシウム(第2のフラックス)を、モル比が80:10:10となるように秤量してボード29a〜29dの中に内容物として投入した。III族金属においては、最終的に形成するAlGaN単結晶の組成に併せて、AlとGa組成を適宜変更している。 Further, Group III metal, metallic sodium (first flux) and metallic calcium (second flux) are weighed so that the molar ratio is 80:10:10, and are contained in the boards 29a to 29d as contents. I put it in. In the group III metal, the composition of Al and Ga is appropriately changed in accordance with the composition of the finally formed AlGaN single crystal.
続いて、窒素ガスによる雰囲気置換を継続しながら、加圧ピストン25を高圧容器24に再び取り付けて、高圧容器24の内部を気密状態とした。そして、加圧装置27を用いて高圧容器24の内部の窒素ガスの内圧を約10000気圧まで加圧した。さらに続けて、ヒータ30に電力を供給して、ボード29a〜29dの内容物の温度を室温付近から1000℃まで加熱し、金属ガリウム、金属アルミニウム、金属ナトリウムおよび金属カルシウムを溶解状態として合金融液を生成した。これにより、基材S5〜S8のエピタキシャル成長面と融液Mとは接触させられたことになる。この状態において、加圧ピストン25を高圧容器24の内側方向DIへ移動して高圧容器24の内圧をさらに上昇させ、基材S5〜S8のエピタキシャル成長面にAlGaN単結晶を12時間かけて析出させた。
Subsequently, the
これらの一連の工程終了後、ヒータ30への電力供給を停止して高圧容器4を室温まで自然放冷するとともに、バルブ29を開放して高圧容器24の内圧を1気圧まで低下させた。しかる後に、再び加圧ピストン25を高圧容器24と分離して、基材S5〜S8を回収した。回収した基材S5〜S8を観察したところ、平均して約10mmのAlGaN単結晶が基材上に成長していた。この際、基材Sa、Sbにおいては、良好な単結晶が成長できたが、基材Scにおいて単結晶内にクラックが発生していた。
After completion of these series of steps, the power supply to the
<比較例1>
本発明の範囲外となる比較例について以下で説明する。
<Comparative Example 1>
Comparative examples outside the scope of the present invention will be described below.
比較例1においては、上述の実施例1における窒素ガスの圧力を3000気圧から50気圧まで低下させた点以外は、実施例1と同様の方法でGaN単結晶を作成した。この場合、基材上には平均で約1mm厚のGaN単結晶が成長していた。 In Comparative Example 1, a GaN single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the nitrogen gas pressure in Example 1 was reduced from 3000 atmospheres to 50 atmospheres. In this case, an average of about 1 mm thick GaN single crystal was grown on the substrate.
<比較例2>
比較例2においては、上述の実施例1における溶融金属をGaのみとした点以外は、実施例1と同様の方法でGaN単結晶を作成した。この場合、基材上には平均で約1mm厚のGaN単結晶が成長していた。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, a GaN single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that only Ga was used as the molten metal in Example 1 described above. In this case, an average of about 1 mm thick GaN single crystal was grown on the substrate.
<実施例と比較例との対比>
以上説明したように、本発明に係る実施例1、実施例2および実施例3においては、本発明の範囲外の比較例1、及び2と対比して、GaN単結晶をそれぞれ、約5倍、約10倍、約20倍の速度で育成することが可能であった。また、実施例4においてはAlGaN単結晶を実施例3とほぼ同等な速度で育成することが可能であり、その際、AlNエピタキシャル膜を用いることが、クラック抑制に有効であった。実施例1と比較例1に示すように、窒素ガスの圧力を50気圧から2000気圧以上にすることにより、著しい育成速度の向上が可能でると共に、実施例1と比較例2に示すように、第1のフラックスを加えることにより著しい育成速度の向上が可能となった。また、実施例2,3と比較例1に示すように第3成分となるフラックスを加えることにより、さらなる育成速度の向上が可能となった。
<Contrast between Example and Comparative Example>
As described above, in Example 1, Example 2 and Example 3 according to the present invention, each of the GaN single crystals is about five times as compared with Comparative Examples 1 and 2 outside the scope of the present invention. It was possible to grow at a speed of about 10 times or about 20 times. Moreover, in Example 4, it was possible to grow an AlGaN single crystal at a rate substantially the same as that of Example 3, and using an AlN epitaxial film at that time was effective in suppressing cracks. As shown in Example 1 and Comparative Example 1, by making the pressure of nitrogen gas from 50 atm to 2000 atm or more, it is possible to significantly improve the growth rate, and as shown in Example 1 and Comparative Example 2, By adding the first flux, it was possible to significantly improve the growth rate. Further, as shown in Examples 2 and 3 and Comparative Example 1, by adding the flux as the third component, it was possible to further improve the growth rate.
<変形例>
上述の実施例においては、窒素ガスの加圧に続いて、加熱による合金融液の生成と、合金融液への基材Sの浸漬を行ったが、各工程の実行順序はこれに限られない。例えば、フラックス成分がナトリウムカリウム(NaK)合金のように室温で常温である場合には、窒素ガスの加圧および加熱による合金融液の生成の前、あるいは窒素ガスの加圧および加熱による合金融液の生成と略同時に、基材Sをフラックスに浸漬しておいてもよい。
<Modification>
In the above-described embodiment, following the pressurization of nitrogen gas, generation of the combined financial liquid by heating and immersion of the base material S in the combined financial liquid were performed, but the execution order of each step is limited to this. Absent. For example, when the flux component is room temperature at room temperature, such as sodium potassium (NaK) alloy, before the formation of a combined liquid by pressurization and heating of nitrogen gas, or the combined financial by pressurization and heating of nitrogen gas Substantially simultaneously with the generation of the liquid, the substrate S may be immersed in the flux.
また、窒素ガスの加圧に先だって、あるいは窒素ガスの加圧と略同時に、加熱による合金融液の生成を行ってもよい。 Further, prior to the pressurization of the nitrogen gas or almost simultaneously with the pressurization of the nitrogen gas, the combined financial liquid may be generated by heating.
1,21 製造装置
4,24 高圧容器
5,27 加圧装置
8 反応容器
9,30 ヒータ
11 昇降装置
100 6H−SiC単結晶
200 サファイア単結晶基板
101,201,301 バッファ層
S,Sa〜Sc,S1〜S8 基材
M 融液
DESCRIPTION OF
Claims (5)
所定の保持容器の内容物を加熱して合金融液を生成する生成工程と、
2000気圧以上に加圧した窒素元素含有気体を用いて、前記合金融液に前記窒素元素含有気体を溶解させる溶解工程と、
前記保持容器が配置された装置内の雰囲気を窒素ガスに置換して、前記装置内を気密状態にする雰囲気置換工程と、
前記溶解工程の前、後および同時のいずれかのタイミングでサファイア、AlN、GaN、AlGaN、SiCのいずれかからなる基材を前記合金融液に浸漬させる浸漬工程と、
前記浸漬工程を経た後の前記基材の上にIII族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる成長工程と、
を備え、
前記合金融液は、
III族金属を1種類以上含む第1融液成分と、
1種類のアルカリ金属あるいは1種類のアルカリ土類金属からなり、前記第1融液成分の融点を低下させるフラックスとなる第2融液成分と、を含有することを特徴とするIII族窒化物単結晶の製造方法。 A method for producing a group III nitride single crystal, wherein a crystal is grown on a flat substrate by a liquid phase epitaxial growth method,
A generation step of heating the contents of a predetermined holding container to generate a combined financial liquid;
A dissolving step of dissolving the nitrogen element-containing gas in the combined financial liquid using a nitrogen element-containing gas pressurized to 2000 atmospheres or more;
An atmosphere replacement step of replacing the atmosphere in the apparatus in which the holding container is arranged with nitrogen gas to make the inside of the apparatus airtight;
An immersion step of immersing a base material made of any of sapphire, AlN, GaN, AlGaN, and SiC in the combined financial solution at any timing before, after, and simultaneously with the dissolution step;
A growth step of epitaxially growing a group III nitride single crystal on the substrate after the immersion step;
With
The joint financial liquid is
A first melt component containing one or more Group III metals;
A group III nitride unit comprising a second melt component comprising a single alkali metal or a single alkaline earth metal and serving as a flux that lowers the melting point of the first melt component. Crystal production method.
前記第2融液成分がナトリウムであることを特徴とするIII族窒化物単結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the group III nitride single crystal of Claim 1,
The method for producing a group III nitride single crystal, wherein the second melt component is sodium.
前記合金融液は、
前記第1融液成分および前記第2融液成分とは異なる金属を1種類以上含む第3融液成分を含有することを特徴とするIII族窒化物単結晶の製造方法。 In the method for producing a group III nitride single crystal according to claim 1 or 2,
The joint financial liquid is
A method for producing a group III nitride single crystal comprising a third melt component containing at least one metal different from the first melt component and the second melt component.
前記基材におけるIII族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる面に、III族窒化物層があらかじめエピタキシャル形成されていることを特徴とするIII族窒化物単結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the group III nitride single crystal in any one of Claims 1 thru | or 3,
A method for producing a group III nitride single crystal, wherein a group III nitride layer is epitaxially formed in advance on a surface of the base material on which a group III nitride single crystal is epitaxially grown.
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