JP4527496B2 - Group III nitride crystal manufacturing method - Google Patents
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本発明は、III族窒化物の結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a group III nitride crystal.
現在、紫外,紫〜青〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、その殆どがサファイアあるいはSiC基板上に、MO−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやSiCを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このために、デバイス特性が悪かったり(例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり)、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。 At present, most of InGaAlN-based (group III nitride) devices used as ultraviolet, purple-blue-green light sources are formed on a sapphire or SiC substrate by MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) or It is produced by crystal growth using the MBE method (molecular beam crystal growth method) or the like. As a problem when sapphire or SiC is used as a substrate, there is an increase in crystal defects caused by a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from the group III nitride. For this reason, it leads to the fault that a device characteristic is bad (for example, it is difficult to lengthen the lifetime of a light-emitting device), and operating power becomes large.
更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在は、ドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも、従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で容易に行うことは不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。 Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out the electrode from the substrate side as in the conventional light emitting device, and it is necessary to take out the electrode from the nitride semiconductor surface side where the crystal has grown. . As a result, there is a problem that the device area becomes large, leading to high costs. Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate the chip by cleavage, and it is not easy to obtain the resonator end face required for the laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, resonator end faces are formed by dry etching, or after the sapphire substrate is polished to a thickness of 100 μm or less, resonator end faces are formed in a form close to cleavage. Also in this case, it is impossible to easily separate the resonator end face and the chip as in a conventional LD in a single process, resulting in process complexity and cost increase.
これらの問題を解決するために、サファイア基板上にIII族窒化物半導体膜を選択横方向成長することやその他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが提案されている。この手法では、サファイア基板上にGaN膜を選択横方向成長しない場合に比較して、結晶欠陥を低減させることが可能となるが、サファイア基板を用いることに依る絶縁性と劈開に関する前述の問題は依然として残っている。更には、工程が複雑化すること、及びサファイア基板とGaN薄膜という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという問題が生じる。これらは高コスト化につながっている。 In order to solve these problems, it has been proposed to reduce crystal defects by selectively growing a group III nitride semiconductor film on a sapphire substrate or by performing other devices. Although this method makes it possible to reduce crystal defects as compared with the case where a GaN film is not selectively grown in the lateral direction on the sapphire substrate, the above-mentioned problems related to insulation and cleavage due to the use of the sapphire substrate are Still remains. Furthermore, the process becomes complicated, and problems of warping of the substrate due to the combination of different materials such as a sapphire substrate and a GaN thin film arise. These have led to higher costs.
こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一であるGaN基板を基板として用いるのが最も適切である。そのため、気相成長,融液成長等によりバルクGaNの結晶成長の研究がなされている。しかし、未だ高品質で且つ実用的な大きさを有するGaN基板は実現されていない。 In order to solve these problems, it is most appropriate to use a GaN substrate that is the same as the material for crystal growth on the substrate. Therefore, research on crystal growth of bulk GaN has been made by vapor phase growth, melt growth and the like. However, a high-quality and practical size GaN substrate has not yet been realized.
GaN基板を実現する一つの手法として、非特許文献1(以後、従来技術1という)では、Naをフラックスとして用いたGaN結晶成長方法が提案されている。この従来技術1の方法は、アジ化ナトリウム(NaN3)と金属Gaを原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸法;内径=7.5mm、長さ=100mm)に窒素雰囲気で封入し、その反応容器を600〜800℃の温度で24〜100時間保持することにより、GaN結晶を成長させるものである。
As one method for realizing a GaN substrate, Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as Prior Art 1) proposes a GaN crystal growth method using Na as a flux. In the method of
この従来技術1の場合には、600〜800℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々100kg/cm2程度と比較的圧力が低く、実用的な成長条件であることが特徴である。しかし、この方法の問題点としては、得られる結晶の大きさが1mmに満たない程度に小さい点である。
In the case of this
すなわち、従来技術1では、反応容器が完全に閉じた系であり、外部から原料を補充する事ができない。そのため、結晶成長中に原料が枯渇し、結晶成長が停止するので、得られる結晶の大きさは1mm程度と小さい。この程度の大きさではデバイスを実用化するには小さすぎる。
本発明は、従来よりも低コストで、高品質,大型のIII族窒化物結晶を作製することの可能なIII族窒化物の結晶成長方法およびIII族窒化物結晶および半導体デバイスを提供することを目的としている。 The present invention provides a group III nitride crystal growth method, a group III nitride crystal, and a semiconductor device capable of producing a high-quality, large-sized group III nitride crystal at a lower cost than before. It is aimed.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、少なくともアルカリ金属とIII族金属原料と窒素とが溶解した融液からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、{10−11}面、または、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域の一部で、(000−1)面を前記融液に接するIII族窒化物結晶を核発生させて、核発生させたIII族窒化物結晶を(000−1)面を成長面として成長させることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention described in
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、III族窒化物からなる結晶の表面に形成されていることを特徴としている。
The invention described in
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、基板上に成長させたc軸配向膜であることを特徴としている。
The invention described in
また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、結晶成長のモードを、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域にエピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから、(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードに変えることを特徴としている。
The invention described in claim 4 is the group III nitride crystal manufacturing method according to any one of
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載の結晶製造方法において、融液中の窒素溶解量を増加することによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。 The invention described in claim 5 is characterized in that, in the crystal manufacturing method according to claim 4 , the mode of crystal growth is changed by increasing the amount of nitrogen dissolved in the melt.
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載の結晶製造方法において、融液と気液界面で接する窒素の圧力を増加することで、融液中の窒素溶解量を増加することを特徴としている。 The invention described in claim 6 is characterized in that, in the crystal manufacturing method according to claim 5 , the amount of nitrogen dissolved in the melt is increased by increasing the pressure of nitrogen in contact with the melt at the gas-liquid interface. It is said.
また、請求項7記載の発明は、請求項4記載の結晶製造方法において、融液中のアルカリ金属とIII族金属の量比を変えることによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。 The invention according to claim 7 is characterized in that, in the crystal manufacturing method according to claim 4 , the mode of crystal growth is changed by changing the amount ratio of the alkali metal and the group III metal in the melt.
また、請求項8記載の発明は、請求項4記載の結晶製造方法において、融液の温度を変えることによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。 The invention described in claim 8 is characterized in that, in the crystal manufacturing method according to claim 4 , the mode of crystal growth is changed by changing the temperature of the melt.
請求項1乃至請求項8記載の発明によれば、少なくともアルカリ金属とIII族金属原料と窒素とが溶解した融液からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域から、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶を成長させるので、(0001)面あるいは{10−11}面の法線方向の成長を遅らせ、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶の成長を優先させることができ、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶を効率良く、高品質,大型なものに成長させることができる。 According to the first to eighth aspects of the present invention, there is provided a group III nitride crystal manufacturing method for growing a group III nitride crystal from a melt in which at least an alkali metal, a group III metal raw material, and nitrogen are dissolved. From the (0001) plane of the group nitride, or the {10-11} plane, or the region that is substantially covered with the plane in which the (0001) plane and the {10-11} plane are mixed, the (000-1) plane Group III nitride crystal having a growth plane as a growth plane, the growth in the normal direction of the (0001) plane or {10-11} plane is delayed, and the group III nitride having the (000-1) plane as the growth plane The growth of the crystal can be prioritized, and the group III nitride crystal having the (000-1) plane as the growth surface can be efficiently grown to a high quality and large size.
特に、請求項2記載の発明では、請求項1記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、III族窒化物からなる結晶の表面に形成されており、融液中に容易に(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することができるので、(000−1)面を成長面とする大きなIII族窒化物結晶を容易に成長させることができる。
In particular, in the invention according to
また、請求項3記載の発明では、請求項1記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、基板上に成長させたc軸配向膜であり、MOCVDやMBE,HVPE,スパッタ等の簡便な成膜方法によって大面積でc軸配向膜を作製することができるので、このc軸配向膜を適宜切り出して融液中に入れることで、融液中に容易に低コストで(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することができる。また、広い面積に(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することも可能であるので、雑結晶の成長が抑制され、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶の成長が優先され、(000−1)面を成長面とする大きなIII族窒化物結晶を成長させることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the Group III nitride crystal manufacturing method according to the first aspect, the (0001) plane, the {10-11} plane, or the (0001) plane of the Group III nitride. And the {10-11} plane are almost covered by a c-axis oriented film grown on the substrate and has a large area by a simple film forming method such as MOCVD, MBE, HVPE, sputtering, etc. Since the c-axis alignment film can be produced by the above process, the (0001) plane or {10-11} plane can be easily cut into the melt at low cost by appropriately cutting the c-axis alignment film and putting it in the melt. A region covered with can be formed. Further, since it is possible to form a region covered with the (0001) plane or {10-11} plane over a large area, the growth of miscellaneous crystals is suppressed, and the (000-1) plane is used as the growth plane. The growth of the group III nitride crystal is given priority, and a large group III nitride crystal having the (000-1) plane as the growth surface can be grown.
また、請求項4記載の発明では、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、結晶成長のモードを、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域にエピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから、(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードに変えるので、結晶成長のはじめから(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードで結晶成長させる場合と比較して、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域での多核発生と雑結晶の成長が抑制され、(000−1)面が成長面となる少数のIII族窒化物の柱状結晶が成長する。従って、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride crystal according to any one of the first to third aspects, the mode of crystal growth is the (0001) plane of the group III nitride. Or (000-1) from a mode in which epitaxial growth (seed crystal growth) occurs in a region substantially covered with a {10-11} plane or a plane in which (0001) plane and {10-11} plane are mixed. Since the mode is changed to the mode in which the columnar crystal whose surface is the growth surface is grown, the group III is compared with the case where the crystal growth is performed in the mode in which the columnar crystal whose growth surface is the (000-1) plane from the beginning of the crystal growth. Multinuclear generation and growth of miscellaneous crystals in a region substantially covered with a (0001) plane of nitride, a {10-11} plane, or a plane in which (0001) plane and {10-11} plane are mixed. Is suppressed, and the (000-1) plane is Columnar crystals of a small number of the group III nitride as a long surface grows. Therefore, a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
また、請求項5記載の発明では、請求項4記載の結晶製造方法において、融液中の窒素溶解量を増加することによって、結晶成長のモードを変えるので、容易に結晶成長のモードを変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the invention described in claim 5 , in the crystal manufacturing method according to claim 4 , the mode of crystal growth is changed by increasing the amount of nitrogen dissolved in the melt, so that the mode of crystal growth can be easily changed. Can do. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
また、請求項6記載の発明では、請求項5記載の結晶製造方法において、融液と気液界面で接する窒素の圧力を増加することで、融液中の窒素溶解量を増加するようにしており、圧力は精密制御が可能であるので、窒素溶解量を制御して増加することができ、容易に結晶成長のモードを変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the crystal manufacturing method according to the fifth aspect , the amount of nitrogen dissolved in the melt is increased by increasing the pressure of nitrogen in contact with the melt at the gas-liquid interface. Since the pressure can be precisely controlled, the amount of dissolved nitrogen can be controlled and increased, and the mode of crystal growth can be easily changed. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
また、請求項7記載の発明では、請求項4記載の結晶製造方法において、融液中のアルカリ金属とIII族金属の量比を変えることによって、結晶成長のモードを変えるので、アルカリ金属やIII族金属の供給によって容易に結晶成長のモードを変えることができる。すなわち、アルカリ金属は、気相からの蒸気供給が可能であるので、融液のアルカリ金属の量比を容易に大きくすることができ、柱状結晶が成長するモードに変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 Further, in the invention of claim 7, wherein, in the crystal production method according to claim 4, wherein, by varying the alkali metal and the group III ratio of the metal in the melt, since changing the mode of the crystal growth, an alkali metal or III The mode of crystal growth can be easily changed by supplying a group metal. That is, since alkali metal can supply vapor from the gas phase, the amount ratio of alkali metal in the melt can be easily increased, and the mode can be changed to a mode in which columnar crystals grow. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
また、請求項8記載の発明では、請求項4記載の結晶製造方法において、融液の温度を変えることによって、結晶成長のモードを変えるようにしており、温度は、精密に制御することが可能であるので、結晶成長のモードを制御して変えることが可能である。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the invention described in claim 8 , in the crystal manufacturing method according to claim 4 , the mode of crystal growth is changed by changing the temperature of the melt, and the temperature can be controlled precisely. Therefore, it is possible to control and change the mode of crystal growth. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、少なくともアルカリ金属とIII族金属原料と窒素とが溶解した融液からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域から、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
(First form)
A first aspect of the present invention is a group III nitride crystal growth method for growing a group III nitride crystal from a melt in which at least an alkali metal, a group III metal raw material, and nitrogen are dissolved. The (000-1) plane is defined as the growth plane from a region that is substantially covered with the (0001) plane, or the {10-11} plane, or the plane where the (0001) plane and the {10-11} plane are mixed. It is characterized by growing group III nitride crystals.
本発明の第1の形態では、少なくともアルカリ金属とIII族金属原料と窒素とが溶解した融液からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域から、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶を成長させるので、(0001)面あるいは{10−11}面の法線方向の成長を遅らせ、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶の成長を優先させることができ、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶を効率良く、高品質,大型なものに成長させることができる。 In the first aspect of the present invention, in a Group III nitride crystal growth method for growing a Group III nitride crystal from a melt in which at least an alkali metal, a Group III metal raw material, and nitrogen are dissolved, The (000-1) plane is defined as the growth plane from a region that is substantially covered with the (0001) plane, or the {10-11} plane, or the plane where the (0001) plane and the {10-11} plane are mixed. Since the group III nitride crystal is grown, the growth in the normal direction of the (0001) plane or the {10-11} plane is delayed and the growth of the group III nitride crystal with the (000-1) plane as the growth plane is given priority. The group III nitride crystal having the (000-1) plane as the growth plane can be efficiently grown to a high quality and large size.
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、III族窒化物からなる結晶の表面に形成されていることを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, there is provided the group-III nitride crystal growth method of the first aspect, wherein the group III nitride has a (0001) plane, a {10-11} plane, or a (0001) plane. The region that is substantially covered with the surface mixed with the {10-11} plane is characterized in that it is formed on the surface of the crystal made of group III nitride.
本発明の第2の形態では、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、III族窒化物からなる結晶の表面に形成されており、融液中に容易に(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することができるので、(000−1)面を成長面とする大きなIII族窒化物結晶を容易に成長させることができる。 In the second mode of the present invention, in the group III nitride crystal growth method of the first mode, the (0001) plane, the {10-11} plane, or the (0001) plane of the group III nitride The region that is substantially covered with the {10-11} plane is formed on the surface of the crystal made of group III nitride, and can easily be (0001) plane or {10-11} in the melt. Since a region covered with a surface can be formed, a large group III nitride crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be easily grown.
(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、基板上に成長させたc軸配向膜であることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, the (0001) plane, the {10-11} plane, or the (0001) plane of the group III nitride The region that is substantially covered with the surface mixed with the {10-11} plane is a c-axis alignment film grown on the substrate.
本発明の第3の形態では、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域は、基板上に成長させたc軸配向膜であり、MOCVDやMBE,HVPE,スパッタ等の簡便な成膜方法によって大面積でc軸配向膜を作製することができるので、このc軸配向膜を適宜切り出して融液中に入れることで、融液中に容易に低コストで(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することができる。また、広い面積に(0001)面あるいは{10−11}面で覆われた領域を形成することも可能であるので、雑結晶の成長が抑制され、(000−1)面を成長面とするIII族窒化物結晶の成長が優先され、(000−1)面を成長面とする大きなIII族窒化物結晶を成長させることができる。 In the third aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth method of the first aspect, the (0001) plane, the {10-11} plane, or the (0001) plane of the group III nitride The region substantially covered with the {10-11} plane is a c-axis alignment film grown on the substrate, and has a large area by a simple film formation method such as MOCVD, MBE, HVPE, or sputtering. Since a c-axis alignment film can be produced, the c-axis alignment film is appropriately cut out and placed in the melt, so that it can be easily inserted into the melt at a low cost on the (0001) plane or the {10-11} plane. A covered region can be formed. Further, since it is possible to form a region covered with the (0001) plane or {10-11} plane over a large area, the growth of miscellaneous crystals is suppressed, and the (000-1) plane is used as the growth plane. The growth of the group III nitride crystal is given priority, and a large group III nitride crystal having the (000-1) plane as the growth surface can be grown.
(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第1乃至第3のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域には、(000−1)面が成長面となる結晶核が発生する領域が形成されていることを特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to third aspects, the (0001) plane of the group III nitride, the {10-11} plane, or , (0001) and {10-11} planes are almost covered with a region where crystal nuclei where the (000-1) plane is the growth plane are formed. It is a feature.
本発明の第4の形態では、第1乃至第3のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域には、(000−1)面が成長面となる結晶核が発生する領域が形成されているので、(000−1)面が成長面となるIII族窒化物結晶核を容易に発生させ、(000−1)面を成長面とする大きなIII族窒化物結晶を成長させることができる。 In the fourth aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth method of any one of the first to third aspects, the (0001) plane of the group III nitride, the {10-11} plane, or In the region that is substantially covered with a plane in which the (0001) plane and the {10-11} plane are mixed, a region in which crystal nuclei whose (000-1) plane is a growth plane is formed is formed. Group III nitride crystal nuclei whose (000-1) plane is the growth plane can be easily generated, and large Group III nitride crystals having the (000-1) plane as the growth plane can be grown.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、結晶成長のモードを、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域にエピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから、(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードに変えることを特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth method according to any one of the first to fourth aspects, the mode of crystal growth is changed to the (0001) plane of the group III nitride or {10 -11} plane, or (000-1) plane is a growth plane from a mode in which epitaxial growth (seed crystal growth) is performed in a region generally covered with a plane in which (0001) plane and {10-11} plane are mixed. It is characterized by changing to a mode in which the columnar crystal grows.
本発明の第5の形態では、第1乃至第4のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、結晶成長のモードを、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域にエピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから、(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードに変えるので、結晶成長のはじめから(000−1)面が成長面となる柱状結晶が成長するモードで結晶成長させる場合と比較して、III族窒化物の(0001)面、あるいは、{10−11}面、あるいは、(0001)面と{10−11}面とが混在した面で概ね覆われた領域での多核発生と雑結晶の成長が抑制され、(000−1)面が成長面となる少数のIII族窒化物の柱状結晶が成長する。従って、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the fifth aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth method of any one of the first to fourth aspects, the mode of crystal growth is changed to the (0001) plane of the group III nitride or {10 -11} plane, or (000-1) plane is a growth plane from a mode in which epitaxial growth (seed crystal growth) is performed in a region generally covered with a plane in which (0001) plane and {10-11} plane are mixed. Since the columnar crystal is changed to the mode in which the columnar crystal grows, compared with the case of crystal growth in the mode in which the columnar crystal in which the (000-1) plane is the growth surface is grown from the beginning of the crystal growth, (0001 ) Surface, or {10-11} surface, or a region substantially covered with a (0001) surface mixed with a {10-11} surface, and the growth of miscellaneous crystals is suppressed. 000-1) A small number of I whose plane is the growth plane Group II nitride columnar crystals grow. Therefore, a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第5の形態の結晶成長方法において、融液中の窒素溶解量を増加することによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。
(Sixth form)
The sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the crystal growth method of the fifth aspect, the mode of crystal growth is changed by increasing the amount of nitrogen dissolved in the melt.
本発明の第6の形態では、第5の形態の結晶成長方法において、融液中の窒素溶解量を増加することによって、結晶成長のモードを変えるので、容易に結晶成長のモードを変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the sixth aspect of the present invention, in the crystal growth method of the fifth aspect, the mode of crystal growth is changed by increasing the amount of nitrogen dissolved in the melt, so that the mode of crystal growth can be easily changed. it can. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第6の形態の結晶成長方法において、融液と気液界面で接する窒素の圧力を増加することで、融液中の窒素溶解量を増加することを特徴としている。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the crystal growth method of the sixth aspect, the amount of nitrogen dissolved in the melt is increased by increasing the pressure of nitrogen in contact with the melt at the gas-liquid interface. Yes.
本発明の第7の形態では、第6の形態の結晶成長方法において、融液と気液界面で接する窒素の圧力を増加することで、融液中の窒素溶解量を増加するようにしており、圧力は精密制御が可能であるので、窒素溶解量を制御して増加することができ、容易に結晶成長のモードを変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the seventh aspect of the present invention, in the crystal growth method of the sixth aspect, the amount of nitrogen dissolved in the melt is increased by increasing the pressure of nitrogen in contact with the melt at the gas-liquid interface. Since the pressure can be precisely controlled, the amount of dissolved nitrogen can be controlled and increased, and the mode of crystal growth can be easily changed. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
(第8の形態)
本発明の第8の形態は、第5の形態の結晶成長方法において、融液中のアルカリ金属とIII族金属の量比を変えることによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。
(8th form)
The eighth mode of the present invention is characterized in that, in the crystal growth method of the fifth mode, the mode of crystal growth is changed by changing the amount ratio of the alkali metal and the group III metal in the melt.
本発明の第8の形態では、第5の形態の結晶成長方法において、融液中のアルカリ金属とIII族金属の量比を変えることによって、結晶成長のモードを変えるので、アルカリ金属やIII族金属の供給によって容易に結晶成長のモードを変えることができる。すなわち、アルカリ金属は、気相からの蒸気供給が可能であるので、融液のアルカリ金属の量比を容易に大きくすることができ、柱状結晶が成長するモードに変えることができる。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the eighth embodiment of the present invention, in the crystal growth method of the fifth embodiment, the mode of crystal growth is changed by changing the amount ratio of the alkali metal and the group III metal in the melt. The mode of crystal growth can be easily changed by supplying metal. That is, since alkali metal can supply vapor from the gas phase, the amount ratio of alkali metal in the melt can be easily increased, and the mode can be changed to a mode in which columnar crystals grow. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
(第9の形態)
本発明の第9の形態は、第5の形態の結晶成長方法において、融液の温度を変えることによって、結晶成長のモードを変えることを特徴としている。
(9th form)
The ninth aspect of the present invention is characterized in that in the crystal growth method of the fifth aspect, the mode of crystal growth is changed by changing the temperature of the melt.
本発明の第9の形態では、第5の形態の結晶成長方法において、融液の温度を変えることによって、結晶成長のモードを変えるようにしており、温度は、精密に制御することが可能であるので、結晶成長のモードを制御して変えることが可能である。従って、雑結晶の発生を抑制して、(000−1)面が成長面となる大きなIII族窒化物の柱状結晶を成長させることができる。 In the ninth aspect of the present invention, in the crystal growth method of the fifth aspect, the mode of crystal growth is changed by changing the temperature of the melt, and the temperature can be precisely controlled. Therefore, it is possible to control and change the mode of crystal growth. Accordingly, generation of miscellaneous crystals can be suppressed, and a large group III nitride columnar crystal having a (000-1) plane as a growth surface can be grown.
(第10の形態)
本発明の第10の形態は、第1乃至第9のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法で作製したIII族窒化物結晶である。
(10th form)
A tenth aspect of the present invention is a group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method of any one of the first to ninth aspects.
本発明の第10の形態では、第1乃至第9のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法で作製したIII族窒化物結晶であるので、従来のIII族窒化物結晶よりも低コストで高品質(低欠陥),大型のIII族窒化物結晶を提供することができる。 In the tenth aspect of the present invention, since it is a group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method of any one of the first to ninth aspects, it is lower than the conventional group III nitride crystal. High quality (low defect) and large group III nitride crystals can be provided at low cost.
(第11の形態)
本発明の第11の形態は、第10の形態のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスである。
(Eleventh form)
The eleventh aspect of the present invention is a semiconductor device using the group III nitride crystal of the tenth aspect.
本発明の第11の形態では、第10の形態のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスであるので、従来よりも高性能,長寿命な半導体デバイスを提供することができる。 In the eleventh aspect of the present invention, since the semiconductor device uses the group III nitride crystal of the tenth aspect, a semiconductor device having higher performance and longer life than the conventional one can be provided.
実施例1は、本発明の第1,第2,第4,第5,第6,第7,第10の形態に関わるものであり、実施例1では、アルカリ金属としてNa(ナトリウム)を用い、III族元素の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを用いて、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 Example 1 relates to the first, second, fourth, fifth, sixth, seventh, and tenth aspects of the present invention. In Example 1, Na (sodium) is used as the alkali metal. GaN was grown as a group III nitride by using metal Ga (gallium) as a group III element material and nitrogen gas as a nitrogen material.
ここで、Na,Gaはあらかじめ混合融液として融液保持容器中に保持し、窒素は結晶成長中に気相から融液中に溶解して供給し、GaNを結晶成長させた。 Here, Na and Ga were previously held in a melt holding container as a mixed melt, and nitrogen was dissolved and supplied from the gas phase into the melt during crystal growth to grow GaN crystals.
そして、窒素の溶解度を成長途中で増加することによって、エピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから柱状結晶が成長するモードに変え、傷をつけておいた単結晶GaNの(0001)面に核発生したGaN結晶の(000−1)面を成長ファセットとしてGaN柱状結晶を成長させた。 Then, by increasing the solubility of nitrogen during the growth, the epitaxial growth (seed crystal growth) mode was changed to the mode in which columnar crystals grew, and nucleation occurred on the (0001) plane of single crystal GaN that had been scratched. A GaN columnar crystal was grown using the (000-1) plane of the GaN crystal as a growth facet.
図1は窒素分圧P(N2)と融液温度(T)と成長モードとの相関を表した図である。図1において、横軸は温度(T)の逆数、縦軸は窒素分圧P(N2)である。 FIG. 1 is a diagram showing the correlation among the nitrogen partial pressure P (N 2 ), the melt temperature (T), and the growth mode. In FIG. 1, the horizontal axis represents the reciprocal of temperature (T), and the vertical axis represents the nitrogen partial pressure P (N 2 ).
窒素分圧P(N2)と融液温度(T)によって、成長モードは、A;板状結晶成長モード、B;柱状結晶成長モード、C;エピタキシャル成長(種結晶成長)モード、D;分解(溶解)の4つに分けられる。 Depending on the nitrogen partial pressure P (N 2 ) and the melt temperature (T), the growth modes are A: plate crystal growth mode, B: columnar crystal growth mode, C: epitaxial growth (seed crystal growth) mode, D: decomposition ( Dissolution).
これは、ある温度における結晶成長に必要な融液中の窒素溶解量が、窒素分圧P(N2)に依存する結果と考えられる。Aの領域では窒素溶解量が多く、板状結晶が成長し、Dの領域では窒素溶解量が少なく、結晶が分解(溶解)する。 This is considered to be a result of the amount of nitrogen dissolved in the melt necessary for crystal growth at a certain temperature depending on the nitrogen partial pressure P (N 2 ). In the region A, the amount of dissolved nitrogen is large and the plate crystal grows, and in the region D, the amount of dissolved nitrogen is small and the crystal is decomposed (dissolved).
本実施例1では、窒素分圧P(N2)をS1からS3に増加することで、窒素溶解量を増加している。 In Example 1, the nitrogen dissolution amount is increased by increasing the nitrogen partial pressure P (N 2 ) from S1 to S3.
図2は本実施例1に係る結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図2の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器11に、アルカリ金属とIII族金属を含む融液24を保持し、結晶成長を行なうための融液保持容器12が設けられている。
FIG. 2 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus according to the first embodiment. The crystal growth apparatus of FIG. 2 is provided with a
この融液保持容器12は反応容器11から取り外すことができる。また、この融液保持容器12の材質はBN(窒化ホウ素)である。
The
また、図2の結晶成長装置では、反応容器11の内部空間23に窒素原料となる窒素(N2)ガスを充満させ、かつ反応容器11内の窒素(N2)圧力を調整することを可能にするガス供給管14が反応容器11を貫通して装着されている。ここで、窒素ガスの圧力は圧力制御装置16で調整する事ができる。
Further, in the crystal growth apparatus of FIG. 2, it is possible to fill the
また、ガス供給管14はバルブ18で分岐し、反応容器11の内部空間23にArガスを導入することができる。ここで、Arガスの圧力は圧力制御装置19で調整する事ができる。
The
また、反応容器11内の全圧力は、圧力計22でモニターされるようになっている。
The total pressure in the
また、反応容器11の外側にはヒーター13が設置されている。
A
反応容器11は、バルブ21の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器11の部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
The
以下に、図2の結晶成長装置を使用した本実施例1でのGaNの成長方法を説明する。 Hereinafter, a method for growing GaN in Example 1 using the crystal growth apparatus of FIG. 2 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。次いで、BN製の融液保持容器12に、GaN単結晶26を入れる。GaN単結晶26は(0001)面を上にして入れる。また、このGaN単結晶26の(0001)面には、一箇所傷をつけてある。
First, the
次いで、融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。ここで、NaとGaの量は、融液24中のNaの比率(量比)がNa/(Na+Ga)=0.7となるようにした。
Next, Ga is added to the
次いで、融液保持容器12を融液保持容器保持台25に置き、反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11の内部を外部雰囲気と遮断する。
Next, the
次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ18を開け、反応容器11内にArガスを入れる。このとき、圧力制御装置19で圧力を4MPaにした。
Next, the
次いで、圧力一定のまま、ヒーター13に通電し、融液24を室温(27℃)から結晶成長温度まで1時間で昇温する。結晶成長温度は800℃とした。
Next, the
次いで、バルブ18を閉じ、バルブ15を開け、窒素分圧が1MPaになるよう窒素ガスを導入した。
Next, the
成長温度800℃、窒素圧力を1MPaとして、エピタキシャル成長(種結晶成長)する成長モードで成長を開始する。この条件は、図1中のS1の条件に相当し、エピタキシャル成長する成長モードで結晶成長する。このとき、GaN単結晶26の傷がつけてある部分には、GaN単結晶26の表面の結晶方位とは無関係に、GaNの結晶核が形成される。その中には、(000−1)面を融液に接するGaN結晶核も形成される。
Growth is started in a growth mode in which epitaxial growth (seed crystal growth) is performed at a growth temperature of 800 ° C. and a nitrogen pressure of 1 MPa. This condition corresponds to the condition of S1 in FIG. 1, and the crystal is grown in a growth mode in which epitaxial growth is performed. At this time, GaN crystal nuclei are formed in the scratched portion of the GaN
この条件で50時間成長した後、30時間かけて窒素圧力を4MPaまで増加した。この条件は図1中のS3の条件に相当する。窒素圧力が増加すると、結晶成長モードは柱状結晶成長モードになる。この成長モードでは、(0001)面や{10−11}面の法線方向の成長速度が遅いので、GaN単結晶の(0001)面の成長よりも、GaN単結晶26の傷をつけた部分に核発生した(000−1)面を融液に接するGaN結晶核が優先的に成長し、GaNの柱状結晶となる。さらに200時間、結晶成長を継続した。
After growing for 50 hours under these conditions, the nitrogen pressure was increased to 4 MPa over 30 hours. This condition corresponds to the condition of S3 in FIG. When the nitrogen pressure increases, the crystal growth mode becomes a columnar crystal growth mode. In this growth mode, since the growth rate in the normal direction of the (0001) plane and {10-11} plane is slow, the GaN
結晶成長終了後、GaN単結晶26の傷をつけた箇所から[000−1]方向へ成長した(000−1)面と{10−10}面を成長ファセット面とする、無色透明なc軸方向の長さが5mm以上に伸びた柱状のGaN27が成長していた。
After crystal growth is completed, a colorless and transparent c-axis with the (000-1) plane and the {10-10} plane grown in the [000-1] direction from the scratched portion of the GaN
実施例2は、本発明の第1,第3,第4,第5,第8,第10の形態に関わるものであり、実施例2では、アルカリ金属としてNa(ナトリウム)を用い、III族元素の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを用いて、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 Example 2 relates to the first, third, fourth, fifth, eighth, and tenth aspects of the present invention. In Example 2, Na (sodium) is used as the alkali metal, and the group III is used. GaN was crystal-grown as a group III nitride using metal Ga (gallium) as the elemental raw material and nitrogen gas as the nitrogen raw material.
ここで、Na,Gaはあらかじめ混合融液として融液保持容器中に保持し、窒素は結晶成長中に気相から融液中に溶解して供給し、GaNを結晶成長させた。 Here, Na and Ga were previously held in a melt holding container as a mixed melt, and nitrogen was dissolved and supplied from the gas phase into the melt during crystal growth to grow GaN crystals.
そして、融液中のNa量比を成長途中で増加することによって(Naを蒸気供給することによって)、エピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから柱状結晶が成長するモードに変え、GaNテンプレート基板に露出させておいたサファイア上に核発生したGaN結晶の(000−1)面を成長ファセットとしてGaNの柱状結晶を成長させた。 Then, by increasing the Na amount ratio in the melt during the growth (by supplying Na vapor), the epitaxial growth (seed crystal growth) mode is changed to the mode in which columnar crystals grow and exposed to the GaN template substrate. A GaN columnar crystal was grown using the (000-1) plane of the GaN crystal nucleated on the sapphire that had been allowed to grow as a growth facet.
以下に、本実施例2の結晶成長方法を説明する。 The crystal growth method of Example 2 will be described below.
図3は本実施例2に係る結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。 FIG. 3 is a diagram (sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus according to the second embodiment.
本実施例2においても、実施例1と同様の装置を使用しているが、実施例2では、図3に示すように、融液保持容器12のある領域よりも高温部にNa保持容器30を設け、このNa保持容器30に保持されたNa31を蒸発させ、融液保持容器12内にNaを蒸気供給するようにしている点で、実施例1と相違している。
In the second embodiment, the same apparatus as in the first embodiment is used. However, in the second embodiment, as shown in FIG. Is different from the first embodiment in that
また、実施例2では、融液保持容器12の底に、c面サファイア基板上にMOCVD法でGaN薄膜(c軸配向膜)をエピタキシャル成長したテンプレート基板28を入れている。テンプレート基板28はGaN薄膜の(0001)面を上にして入れてある。また、このテンプレート基板28には、エピタキシャル成長したGaN薄膜の一部をエッチングして、サファイア基板が露出した部分が予め設けられている。
In Example 2, a
実施例2では、融液24中のNaの初めの量比を0.4とし、成長温度を800℃とし、窒素ガスとArガスの分圧をそれぞれ4MPaとして、成長を開始し、Naを気相から蒸気供給して、成長中に融液24のNa量比を増加させた。
In Example 2, the initial amount ratio of Na in the
融液24中のNaの量比が0.4のときには、エピタキシャル成長モードとなっているので、テンプレート基板28のGaN薄膜上にGaNがエピタキシャル成長する。このときサファイア基板が露出している部分には、テンプレート基板28のGaN薄膜の結晶方位とは無関係に、GaNの結晶核が形成される。その中には、(000−1)面を融液に接するGaN結晶核も形成される。
When the amount ratio of Na in the
Naが蒸気供給されて、融液24中のNa量比が増加すると、結晶成長モードは柱状結晶成長モードになる。この成長モードでは、(0001)面や{10−11}面の法線方向の成長速度が遅いので、テンプレート基板28のGaN薄膜の(0001)面の成長よりもサファイア基板が露出した部分に核発生した(000−1)面を融液に接するGaN結晶核が優先的に成長し、GaNの柱状結晶となる。この状態で、300時間、結晶成長を継続した。
When Na is supplied with vapor and the Na amount ratio in the
結晶成長終了後、テンプレート基板28のエッチングによってサファイア基板を露出した部分から[000−1]方向へ成長した(000−1)面と{10−10}面を成長ファセット面とする、無色透明なc軸方向の長さが5mm以上に伸びた柱状のGaN29が成長していた。
After crystal growth is completed, the transparent substrate is colorless and transparent, with the (000-1) plane and the {10-10} plane grown in the [000-1] direction from the exposed portion of the sapphire substrate by etching of the
実施例3は、本発明の第1,第2,第4,第5,第9,第10の形態に関わるものであり、実施例3では、アルカリ金属としてNa(ナトリウム)を用い、III族元素の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを用いて、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 Example 3 relates to the first, second, fourth, fifth, ninth, and tenth aspects of the present invention. In Example 3, Na (sodium) is used as the alkali metal, and the group III is used. GaN was crystal-grown as a group III nitride using metal Ga (gallium) as the elemental raw material and nitrogen gas as the nitrogen raw material.
ここで、Na,Gaはあらかじめ混合融液として融液保持容器中に保持し、窒素は結晶成長中に気相から融液中に溶解して供給し、GaNを結晶成長させた。 Here, Na and Ga were previously held in a melt holding container as a mixed melt, and nitrogen was dissolved and supplied from the gas phase into the melt during crystal growth to grow GaN crystals.
そして、融液温度を成長途中で低下することによって、エピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから柱状結晶が成長するモードに変え、GaNの(0001)面を上にしたテンプレート基板上に設置したGaN単結晶の(000−1)面を成長ファセットとしてGaNの柱状結晶を成長させる。 Then, by reducing the melt temperature during the growth, the mode is changed from the epitaxial growth (seed crystal growth) mode to the mode in which the columnar crystal grows, and the GaN single crystal placed on the template substrate with the (0001) plane of GaN facing up is changed. A GaN columnar crystal is grown using the (000-1) plane of the crystal as a growth facet.
前述のように、図1は窒素分圧P(N2)と融液温度(T)と成長モードの相関を表した図であるが、本実施例3では、融液温度をS1からS2に低下することで、成長モードを、エピタキシャル成長するモードから柱状結晶が成長するモードに変えている。 As described above, FIG. 1 is a diagram showing the correlation between the nitrogen partial pressure P (N 2 ), the melt temperature (T), and the growth mode. In the third embodiment, the melt temperature is changed from S1 to S2. By lowering, the growth mode is changed from the mode of epitaxial growth to the mode of growing columnar crystals.
以下に、本実施例3の結晶成長方法を説明する。 The crystal growth method of Example 3 will be described below.
図4は本実施例3に係る結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。本実施例3では、実施例1と同様の結晶成長装置を使用している。 FIG. 4 is a diagram (sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus according to the third embodiment. In Example 3, the same crystal growth apparatus as in Example 1 is used.
実施例3では、融液保持容器12の底に、c面サファイア基板上にMOCVD法でGaN薄膜をエピタキシャル成長したテンプレート基板28を入れている。ここで、テンプレート基板28はGaNの(0001)面を上にして入れてある。
In Example 3, a
そして、テンプレート基板28の上にはGaN単結晶32を設置している。ここで、GaN単結晶32は(000−1)面を上にして入れてある。
A GaN
実施例3では、融液24中のNaの量比を0.7とし、窒素圧力を3MPaとして、温度を875℃から成長を開始し、50時間後、800℃に下げた。そして300時間、結晶成長を継続した。
In Example 3, the amount ratio of Na in the
窒素圧力が3MPaで、875℃では、温度がエピタキシャル成長(種結晶成長)するが、温度を下げ、800℃にすると、成長モードが変わり、(000−1)面が成長ファセット面となる柱状結晶の成長モードになる。そして、GaN単結晶32は、柱状結晶として成長し始める。この成長モードでは、(0001)面や{10−11}面の法線方向の成長速度が遅いので、テンプレート基板28の成長よりもGaNの柱状結晶32(33)が優先的に成長する。
When the nitrogen pressure is 3 MPa and the temperature is 875 ° C., the temperature grows epitaxially (seed crystal growth), but when the temperature is lowered to 800 ° C., the growth mode changes and the columnar crystal whose (000-1) plane becomes the growth facet plane Enter growth mode. The GaN
結晶成長終了後、GaN単結晶32は、無色透明なc軸方向の長さが5mm以上に伸びた柱状のGaN33に成長していた。
After the completion of crystal growth, the GaN
実施例4は、本発明の第1,第2,第4,第5,第9,第10の形態に関わるものであり、実施例4では、アルカリ金属としてNa(ナトリウム)を用い、III族元素の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを用いて、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 Example 4 relates to the first, second, fourth, fifth, ninth, and tenth aspects of the present invention. In Example 4, Na (sodium) is used as the alkali metal, and the group III is used. GaN was crystal-grown as a group III nitride using metal Ga (gallium) as the elemental raw material and nitrogen gas as the nitrogen raw material.
ここで、Na,Gaはあらかじめ混合融液として融液保持容器中に保持し、窒素は結晶成長中に気相から融液中に溶解して供給し、GaN薄膜をエピタキシャル成長したテンプレート基板上にGaNを結晶成長させた。 Here, Na and Ga are previously held in a melt holding container as a mixed melt, nitrogen is dissolved and supplied from the gas phase into the melt during crystal growth, and a GaN thin film is epitaxially grown on the template substrate. Crystal was grown.
そして、GaNの結晶成長中にテンプレート基板を融液中で上昇することによって、エピタキシャル成長(種結晶成長)するモードから柱状結晶が成長するモードに変え、GaNの柱状結晶を成長させた。 Then, by raising the template substrate in the melt during the GaN crystal growth, the mode was changed from the epitaxial growth (seed crystal growth) mode to the column crystal growth mode, and the GaN columnar crystal was grown.
以下に、本実施例4の結晶成長方法を説明する。 The crystal growth method of Example 4 will be described below.
図5は本実施例4に係る結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。本実施例4では、実施例1と同様の結晶成長装置を使用している。 FIG. 5 is a diagram (sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus according to the fourth embodiment. In Example 4, the same crystal growth apparatus as in Example 1 is used.
実施例4では、融液保持容器12の底に、c面サファイア基板上にMOCVD法でGaN薄膜をエピタキシャル成長したテンプレート基板28を入れている。ここで、テンプレート基板28はGaNの(0001)面を上にして入れてある。このテンプレート基板28は、基板移動冶具35を上下することによって、融液24中を上下することができる。
In Example 4, a
実施例4では、融液24中のNaの量比を0.7とし、成長温度を800℃、窒素圧力を4MPaで、テンプレート基板28を融液保持容器12の底に設置して、GaNの結晶成長を開始する。融液保持容器12の底では、窒素の供給が少なく、GaNはエピタキシャル成長(種結晶成長)する。50時間後、テンプレート基板28は、融液24上部に移動する。テンプレート基板28を上部に移動させると、窒素の供給が多くなるので、新たな結晶核が発生し、そして、柱状結晶が成長するモードでGaNの結晶成長が継続される。この成長モードでは、(0001)面や{10−11}面の法線方向の成長速度が遅いので、テンプレート基板28の成長よりもGaNの柱状結晶34が優先的に成長する。
In Example 4, the amount ratio of Na in the
300時間、結晶成長を継続した。結晶成長終了後、テンプレート基板28の一部から[000−1]方向へ成長した(000−1)面と{10−10}面を成長ファセット面とする、無色透明なc軸方向の長さが5mm以上に伸びた柱状のGaN34が成長していた。
Crystal growth was continued for 300 hours. After crystal growth is completed, the length in the colorless and transparent c-axis direction, with the (000-1) plane and the {10-10} plane grown from a part of the
実施例5は、本発明の第11の形態の半導体デバイスの一実施例(半導体レーザー)である。 Example 5 is an example (semiconductor laser) of the semiconductor device according to the eleventh aspect of the present invention.
図6は実施例5の半導体レーザーの斜視図である。また、図7は図6の半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図である。 FIG. 6 is a perspective view of the semiconductor laser of Example 5. FIG. 7 is a sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting direction of the semiconductor laser of FIG.
本実施例5の半導体レーザーは、第10の形態のGaN結晶で形成されたn型GaN基板50上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
The semiconductor laser of Example 5 is manufactured with a group III nitride semiconductor multilayer structure laminated on an n-
すなわち、図6,図7を参照すると、半導体レーザー積層構造400は、250μmの厚さのn型GaN基板50上に、n型GaN層40、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層41、n型GaN光ガイド層42、In0.05Ga0.95N/In0.15Ga0.85N量子井戸活性層43、p型GaN光ガイド層44、p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層45、p型GaNキャップ層46が順次積層された構造であり、MOCVDで結晶成長して作製されている。
That is, referring to FIGS. 6 and 7, a semiconductor laser stacked
そして積層構造400は、p型GaNキャップ層46から、p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層45の途中までをストライプ状に残してエッチングされ、電流狭窄リッジ導波路構造51が作製されている。この電流狭窄リッジ導波路構造51は、GaN基板の[10−10]方向に沿って形成されている。
The
また、積層構造400の表面にはSiO2からなる絶縁膜47が形成されている。そして、リッジ51上の絶縁膜47には、開口部が形成されており、この開口部で露出したp型GaNキャップ層46表面に、p側のオーミック電極48が形成されている。
In addition, an insulating
また、n型GaN基板50の裏面には、n側のオーミック電極49が形成されている。
An n-
n側オーミック電極49としてはTi/Alを蒸着して、また、p側オーミック電極48としてはNi/Auを蒸着して形成することができる。
The n-
そして、リッジ51と活性層43に垂直に光共振器面401,402が形成されている。光共振器面401,402は、GaN基板の[10−10]方向に沿った電流狭窄リッジ導波路構造51に垂直な(10−10)面をへき開することにより形成されている。
Optical resonator surfaces 401 and 402 are formed perpendicular to the
なお、n側オーミック電極49と光共振器面401,402は、n型GaN基板50の裏面を80μmまで研磨した後に形成した。
The n-
図6,図7の半導体レーザーでは、p側のオーミック電極48とn側のオーミック電極49に電流を注入することによって、活性層43にキャリアが注入され、発光と光の増幅が起り、光共振器面401,402から、レーザー光411,412が出射される。
In the semiconductor lasers of FIGS. 6 and 7, carriers are injected into the
本実施例5の半導体レーザーは、従来のサファイア基板等の、III族窒化物とは異なる基板上にレーザー構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長やその他の手法で作製されたGaN基板上に作製されたものに比べて、基板上に積層されたレーザー構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、高出力動作下においても長寿命であった。 The semiconductor laser of Example 5 was manufactured by crystal growth of a laser structure on a substrate different from Group III nitride, such as a conventional sapphire substrate, or was manufactured by vapor phase growth or other methods. Compared to those produced on a GaN substrate, the laser structure laminated on the substrate has low crystal defects and high crystal quality, and thus has a long life even under high output operation.
なお、上述した実施例1乃至実施例4では、アルカリ金属としてNa(ナトリウム)を用い、III族元素の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを用いて、III族窒化物としてGaNを結晶成長しているが、本発明は、これらに限定されるものではない。 In Examples 1 to 4 described above, Group III nitride is obtained by using Na (sodium) as an alkali metal, using metal Ga (gallium) as a Group III element material, and using nitrogen gas as a nitrogen source. Although GaN is grown as a crystal, the present invention is not limited to these.
すなわち、本発明において、III族窒化物とは、ガリウム,アルミニウム,インジウム,ボロンから選ばれる一種類あるいは複数の種類のIII族金属と窒素との化合物を意味しており、GaNに限定されるものではない。 That is, in the present invention, the group III nitride means a compound of one or more kinds of group III metals and nitrogen selected from gallium, aluminum, indium, and boron, and is limited to GaN. is not.
また、アルカリ金属としては、通常、Na(ナトリウム)やK(カリウム)が使用されるが、Li(リチウム)やその他のアルカリ金属、あるいは複数の種類のアルカリ金属を混合して使用する事もできる。 In addition, Na (sodium) or K (potassium) is usually used as the alkali metal, but Li (lithium), other alkali metals, or a mixture of a plurality of types of alkali metals can also be used. .
また、III族金属原料も、特に限定されるものではなく、III族金属、III族窒化物、III族元素を構成元素とする物質、その他適宜使用することができる。 In addition, the Group III metal raw material is not particularly limited, and a Group III metal, a Group III nitride, a substance containing a Group III element as a constituent element, and the like can be used as appropriate.
また、窒素の原料も、特に限定されるものではなく、窒素を構成元素に含む物質が使用できる。 Further, the raw material of nitrogen is not particularly limited, and a substance containing nitrogen as a constituent element can be used.
また、III族窒化物あるいはその他の窒素化合物を融液中に溶解させてもよいし、窒素ガスやその他の窒素化合物の気体として気相から融液中に溶解させても良い。 Group III nitrides or other nitrogen compounds may be dissolved in the melt, or may be dissolved in the melt from the gas phase as nitrogen gas or other nitrogen compound gas.
また、第6の形態の結晶成長方法において、融液中の窒素溶解量を増加する方法としては、実施例1の窒素分圧を増加する方法に限定されるものではなく、その他の方法も使用することができる。たとえば、不純物を添加することによっても融液中の窒素溶解量を増加することができ、容易に結晶成長のモードを変えることができる。 Further, in the crystal growth method of the sixth aspect, the method for increasing the amount of dissolved nitrogen in the melt is not limited to the method for increasing the nitrogen partial pressure in Example 1, and other methods are also used. can do. For example, the amount of nitrogen dissolved in the melt can be increased by adding impurities, and the mode of crystal growth can be easily changed.
また、本発明において、半導体デバイスも、実施例5の半導体レーザーに限定されるものではなく、発光ダイオードや、受光デバイス、電子デバイス、その他任意の半導体デバイスとして構成可能である。 In the present invention, the semiconductor device is not limited to the semiconductor laser of Example 5, and can be configured as a light emitting diode, a light receiving device, an electronic device, or any other semiconductor device.
本発明は、光ディスク用光源、紫外光源(LD、LED)、白色LED光源、電子写真用光源、III族窒化物電子デバイス、受光デバイスなどに利用可能である。
The present invention can be used for an optical disk light source, an ultraviolet light source (LD, LED), a white LED light source, an electrophotographic light source, a group III nitride electronic device, a light receiving device, and the like.
11 反応容器
12 融液保持容器
13 ヒーター
14 ガス供給管
15,18,21 バルブ
16,19 圧力調整器
17 窒素供給管
20 アルゴン供給管
22 圧力計
23 内部空間
24 融液
25 融液保持容器保持台
26,32 GaN単結晶
27,29,33,34 GaN柱状結晶
28 テンプレート基板
30 Na保持容器
31 Na
35 基板移動冶具
40 n型GaN層
41 n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層
42 n型GaN光ガイド層
43 In0.05Ga0.95N/In0.15Ga0.85N量子井戸活性層
44 p型GaN光ガイド層
45 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層
46 p型GaNキャップ層
47 絶縁膜
48 p側のオーミック電極
49 n側のオーミック電極
50 n型GaN基板
51 電流狭窄リッジ導波路構造
400 積層構造
401,402 光共振器面
411,412 レーザー光
DESCRIPTION OF
35 substrate moving jig 40 n-type GaN layer 41 n-type Al 0.2 Ga 0.8 N clad layer 42 n-type GaN
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