JP4528806B2 - GaN crystal growth method - Google Patents
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Description
本発明は、液相法によるGaN結晶の成長方法に関する。 The present invention also relates to the growth how of GaN crystal by a liquid phase method.
III族窒化物結晶は、各種半導体デバイスの基板などに広く用いられている。近年、各種半導体デバイスを効率的に製造するために、大型のIII族窒化物結晶が求められている。 Group III nitride crystals are widely used for substrates of various semiconductor devices. In recent years, in order to efficiently manufacture various semiconductor devices, a large group III nitride crystal has been demanded.
III族窒化物結晶を成長させる方法としては、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法などの気相法、高圧溶液法、フラックス法などの液相法などがある。ここで、液相法は、気相法に比べて、その結晶成長において有毒なガスを使用しないため環境保護の面で優れている。 As a method for growing a group III nitride crystal, there are a gas phase method such as HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, a liquid phase method such as high pressure solution method and flux method. is there. Here, the liquid phase method is superior to the gas phase method in terms of environmental protection because no toxic gas is used in crystal growth.
かかる液相法においてIII族窒化物結晶を成長させる方法として、たとえばM. Bockowski,“Growth and Doping of GaN and AlN Single Crystals under High Nitrogen Pressure”, Cryst. Res. Technol., vol.36, (2001), 8-10, p.771-787(非特許文献1)は高圧溶液法によるGaN結晶の成長方法を開示する。また、H. Yamane, 他3名,“Preparation of GaN Single Crystals Using a Na Flux”, Chem. Mater., Vol.9, No.2, (1997), p.413-416(非特許文献2)はNaフラックス法によるGaN結晶の成長方法を開示する。また、特開2003−206198号公報(特許文献1)はNaフラックス法により板状のIII族窒化物種結晶を用いたGaN結晶の成長方法を開示する。 For example, M. Bockowski, “Growth and Doping of GaN and AlN Single Crystals under High Nitrogen Pressure”, Cryst. Res. Technol., Vol. 36, (2001) , 8-10, p. 771-787 (Non-Patent Document 1) discloses a method for growing a GaN crystal by a high-pressure solution method. H. Yamane and three others, “Preparation of GaN Single Crystals Using a Na Flux”, Chem. Mater., Vol. 9, No. 2, (1997), p. 413-416 (Non-patent Document 2) Discloses a method for growing GaN crystals by the Na flux method. Japanese Patent Laying-Open No. 2003-206198 (Patent Document 1) discloses a GaN crystal growth method using a plate-like group III nitride seed crystal by the Na flux method.
しかし、非特許文献1に開示された成長方法は、結晶成長条件が1500℃で1GPaと高温高圧であるため結晶の製造コストが高くなり、また種結晶を用いていないため大型の結晶を成長させることが困難である。また、非特許文献2に開示された成長方法では、800℃で10MPaと比較的実施しやすい結晶成長条件であるが、種結晶を用いていないため大型の結晶を成長させることが困難である。また、特許文献1に開示された成長方法は、用いられている板状の種結晶の口径が大きくないため、大型の結晶が得られていない。
しかし、高圧溶液法、フラックス法などの液相法によるGaN結晶の成長においては、大口径の板状のGaN種結晶基板上に、基板と化学組成が同じGaN結晶をホモエピタキシャル成長させても、基板および基板上に成長させたGaN結晶に割れが発生し、大型のGaN結晶基板を得ることが困難である。 However, high pressure solution method, in the growth of I that GaN crystal in a liquid phase method such as a flux method, a plate-like GaN seed crystal substrate having a large diameter, even when the substrate and chemical composition are the same GaN crystal homoepitaxially grown Cracks occur in the substrate and the GaN crystal grown on the substrate, and it is difficult to obtain a large GaN crystal substrate.
本発明は、液相法において大型の結晶を成長させることができるGaN結晶の成長方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the growth method of the GaN crystal which can grow a large crystal | crystallization in a liquid phase method.
かかる基板およびGaN結晶の割れの原因について詳細に検討した結果、基板およびGaN結晶の割れと基板の反りの曲率半径との間に相関があることを見出した。さらに、検討を進めることにより、液相法による基板上におけるGaN結晶のホモエピタキシャル成長において、基板の所定の結晶面の曲率半径を2m以上、好ましくは5m以上、より好ましくは10m以上とすることにより、基板および基板上に成長させたGaN結晶の割れが抑制され、大型のGaN結晶の成長が可能となることを見出した。 As a result of examining the cause of the crack of the substrate and the GaN crystal in detail, it was found that there is a correlation between the crack of the substrate and the GaN crystal and the curvature radius of the warp of the substrate. Further, by proceeding with the study, in the homoepitaxial growth of the GaN crystal on the substrate by the liquid phase method, the curvature radius of the predetermined crystal plane of the substrate is 2 m or more, preferably 5 m or more, more preferably 10 m or more, It has been found that cracking of the substrate and the GaN crystal grown on the substrate is suppressed, and a large GaN crystal can be grown.
本発明は、液相法によるGaN結晶の成長方法であって、平坦な主面を有し、全体がGaN結晶と同じ化学組成を有するGaN種結晶で形成されている自立の基板であって、主面に最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である基板を準備する工程と、基板の主面に、Ga金属とアルカリ金属を含む溶媒に窒素含有ガスを溶解させた溶液を接触させて主面上にGaN結晶を成長させる工程と、を備えるGaN結晶の成長方法である。 The present invention is a method for growing a GaN crystal by a liquid phase method, which is a self-supporting substrate having a flat main surface and formed entirely of a GaN seed crystal having the same chemical composition as the GaN crystal, A substrate having a curvature radius of curvature of 2 m or more on the hkil plane closest to the main surface (where i = − (h + k), h, k, and l are integers of −9 to 9) is prepared. step and the main surface of the substrate, the growth method of a GaN crystal and a step, the growing GaN crystal by contacting a solution of a nitrogen-containing gas in a solvent containing a Ga metal and alkali metal on the main surface of It is.
本発明にかかるGaN結晶の成長方法において、曲率半径を5m以上、さらに10m以上とすることができる。また、基板の主面の面積を1cm2以上とすることができる。また、基板の主面を(0001)面、(10−10)面および(10−11)面からなる群から選ばれる1種類の面とすることができる。 In the GaN crystal growth method according to the present invention, the radius of curvature can be 5 m or more, and further 10 m or more . Also, the area of the main surface of the substrate may be a 1 cm 2 or more. Further, the main surface of the substrate can be one type of surface selected from the group consisting of (0001) plane, (10-10) plane, and (10-11) plane .
本発明によれば、液相法において大型のGaN結晶を成長させることができる。 According to the present invention, a large GaN crystal can be grown in a liquid phase method.
(実施形態1)
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法の一実施形態は、図1〜図3を参照して、液相法によるIII族窒化物結晶10の成長方法であって、平坦な主面1mを有し、少なくとも主面1m側にIII族窒化物結晶10と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶1aを含み、主面1mに最も近い(hkil)面1n(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である基板を準備する工程と、基板1の主1m面に、III族金属とアルカリ金属を含む溶媒3に窒素含有ガス5を溶解させた溶液を接触させて、主面1m上にIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、を備える。
(Embodiment 1)
One embodiment of a method for growing a group III nitride crystal according to the present invention is a method for growing a group III
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法においては、主面1mに最も近い(hkil)面1nの反りの曲率半径が2m以上である基板1の主面1m上にIII族窒化物結晶10をホモエピタキシャル成長させることにより、基板および基板上に成長させたIII族窒化物結晶の割れが抑制され、大型の結晶が得られる。
In the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment, the group III
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法に用いられる成長装置は、たとえば、図1および図2を参照して、外容器29と、外容器29の内部に配置された断熱材27と、断熱材27の内部に配置されたヒータ25と、ヒータ25の内側に配置された内容器21とを備える。この内容器21内には、その中でIII族窒化物結晶10を成長させるための結晶成長容器23が配置されている。ここで、結晶成長容器23の材料は、溶媒3および窒素含有ガス5と反応せず、機械的強度および耐熱性の高いものであれば特に制限はないが、BN(窒化ホウ素)などが好ましい。また、内容器21の材料は、機械的強度および耐熱性の高いものであれば特に制限はないが、ステンレス、耐熱鋼などが好ましい。また、外容器29の材料は、機械的強度および耐熱性の高いものであれば特に制限はないが、ステンレスなどが好ましい。また、断熱材25の材料は、機械的強度、耐熱性および断熱性の高いものであれば特に制限はないが、ステンレス、耐熱鋼などが好ましい。
The growth apparatus used in the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment includes, for example, an
また、本実施形態で用いられる成長装置は、第1の配管41によって内容器21に繋がれている窒素含有ガス供給装置31と、第2の配管43によって外容器29に繋がれている加圧用ガス供給装置33と、第3の配管45によって外容器29に繋がれている真空排気装置35とを備える。ここで、第1の配管41には、窒素含有ガス5の供給流量を調節するためのバルブ41vが設けられ、バルブ41vより窒素含有ガス供給装置31側の部分41bには第1の圧力計41pが設けられている。また、第2の配管43には、加圧用ガス7の供給流量を調節するためのバルブ43vが設けられ、バルブ43vより加圧用ガス供給装置33側の部分43bには第2の圧力計43pが設けられている。また、第3の配管45には、排気流量を調節するためのバルブ45vが設けられている。
The growth apparatus used in the present embodiment is a pressurization device connected to the
さらに、第1の配管41のバルブ41vより内容器21側の部分41aと第3の配管45のバルブ45vより外容器29側の部分45aとを繋ぐ第4の配管47が設けられている。この第4の配管47にはバルブ47vが設けられている。なお、図1には、参考のため、第2の配管43のバルブ43vより外容器29側の部分43a、第3の配管45のバルブ45vより真空排気装置35側の部分45bも図示した。
Furthermore, a
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、図1〜図3を参照して、まず、平坦な主面を有し、少なくとも主面側にIII族窒化物結晶と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶を含み、主面に最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である基板を準備する工程(基板の準備工程)を備える。 With reference to FIG. 1 to FIG. 3, the growth method of the group III nitride crystal of this embodiment first has a flat main surface, and at least the main surface side has the same chemical composition as the group III nitride crystal. Curvature radius of curvature of group III nitride seed crystal and closest to main surface (hkil) (where i = − (h + k), and h, k, and l are each an integer of −9 to 9) Includes a step of preparing a substrate having a length of 2 m or more (substrate preparation step).
本実施形態において準備される基板1は、平坦な主面1mを有する。平坦な主面1mは、その主面を研削、研磨およびエッチングなどの平滑化方法から選ばれる少なくとも1つの方法により行なうことができる。主面を平坦化することにより、その主面上にIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させることが容易になる。
The
また、基板1は、少なくとも主面1m側にIII族窒化物結晶10と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶1aを含む。かかる基板1は、その主面1m上にIII族窒化物結晶10をホモエピタキシャル成長させることができる。ここで、基板1としては、成長させるIII族窒化物結晶と化学組成が同じIII族窒化物種結晶を主面1m側に有するものであれば特に制限はなく、たとえば、下地基板1b上にIII族窒化物種結晶1aが形成されているテンプレート基板、全体がIII族窒化物種結晶1aで形成されている自立基板などが挙げられる。たとえば、III族窒化物結晶10としてAlxGayIn1-x-yN結晶(0≦x、0≦y、x+y≦1)をホモエピタキシャル成長させる場合には、基板1のIII族窒化物種結晶1aとしてAlxGayIn1-x-yN種結晶(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いる。
また、基板1は、主面1mに最も近い(hkil)面(i=−(h+k)、かつ、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である。ここで、(hkil)面とは、六方晶系における面指数である。この面においては、h,k,iおよびlの間には、h、kおよびlは互いに独立で、iはhおよびkに従属してi=−(h+k)の関係がある。また、本実施形態における(hkil)面は、h、kおよびlがそれぞれ−9以上9以下の低指数面である。また、主面1mに最も近い(hkil)面とは、主面1mに最もフィットする(hkil)面、すなわち、主面1mに最も平行に近い(hkil)面を意味する。
The
本実施形態において、基板1の(hkil)面の反りの曲率半径の算出は、特に制限はないが、たとえば基板の主面1m上の十字方向に所定のピッチで設けられた測定点における(hkil)面に由来するX線回折により測定される回折角の分布から行なわれる。したがって、X線回折の対象とされる(hkil)面は、解析に容易な強度の大きいX線回折ピークが得られる観点から、i=−(h+k)、かつ、h、kおよびlはそれぞれ−5以上5以下の整数であることが好ましい。
In the present embodiment, calculation of the curvature radius of the curvature of the (hkil) surface of the
(hkil)面の反りの曲率半径が2m以上である基板1は、基板1の内部歪みが小さいため、基板および基板の主面上にホモエピタキシャル成長させたIII族窒化物結晶の割れを抑制することができ、大型の結晶が得られる。基板1の内部歪みが小さく基板および基板上に成長させたIII族窒化物結晶の割れをより抑制する観点から、基板1の(hkil)面1nの反りの曲率半径は、5m以上が好ましく、10m以上がより好ましい。
The
また、基板1としては、成長させるIII族窒化物結晶と化学組成が同じIII族窒化物種結晶を主面1m側に有するものであれば特に制限はなく、下地基板1b上にIII族窒化物種結晶1aが形成されているテンプレート基板、全体がIII族窒化物種結晶1aで形成されている自立基板などが挙げられる。ここで、液相法による結晶成長においては、基板として全体がIII族窒化物種結晶1aで形成されている自立基板を用いても、基板および基板上に成長させたIII族窒化物結晶に発生していた割れが、本実施形態の成長方法を用いることにより抑制される。かかる観点から、本実施形態の成長方法は、基板として全体がIII族窒化物種結晶1aで形成されている自立基板を用いる場合に、その有用性が高い。
The
また、基板1の主面1mの面積は、特に制限はないが、1cm2以上であることが好ましく、10cm2以上であることがより好ましい。従来の液相法による結晶成長においては、基板の主面の面積が大きくなるほど基板および成長させた結晶が割れやすくなるのに対し、本実施形態の成長方法による結晶成長においては、主面の面積が大きくても基板および基板上に成長させた結晶の割れが抑制される。かかる点から、本実施形態の成長方法は、基板の主面の面積が大きくなるほど、その有用性が高い。
The area of the
また、基板1の主面1mは、特に制限はないが、(0001)面、(10−10)面および(10−11)面からなる群から選ばれる1種類の面であることが好ましい。液相法によるIII族窒化物結晶の成長においては、(0001)面、(10−10)面および(10−11)面が安定な結晶成長面であり、この面から大きく離れると、結晶成長面に凹凸が形成され、結晶欠陥が導入され、結晶が割れやすくなる。
Further, the
本実施形態で準備される基板1は、平坦な主面1mを有し、少なくとも主面1m側にIII族窒化物結晶10と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶1aを含み、主面1mに最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上であるものであれば特に制限はない。また、基板1のIII族窒化物種結晶1aは、HVPE法、MOCVD法などの気相法、溶液法、フラックス法などの液相法など、どのような方法によって成長されたものであってもよい。
The
すなわち、基板の準備工程とは、どのようにして形成された基板であっても、液相法によりIII族窒化物結晶を成長させるための基板として、平坦な主面1mを有し、少なくとも主面1m側にIII族窒化物結晶10と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶1aを含み、主面1mに最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である基板1を選択する点に意義がある。
In other words, the substrate preparation step is a substrate for growing a group III nitride crystal by a liquid phase method, regardless of how the substrate is formed. A group III nitride seed crystal 1a having the same chemical composition as the group
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、図1〜3を参照して、次に、基板1の主面にIII族金属とアルカリ金属を含む溶媒3に窒素含有ガス5を溶解させた溶液を接触させて、主面1m上にIII族窒化物結晶10を成長させる工程(III族窒化物結晶の成長工程)を備える。
1 to 3, next, a nitrogen-containing
本実施形態におけるIII族窒化物結晶の成長工程においては、III族金属とアルカリ金属を含む溶媒3が用いられる。このようなIII族金属およびアルカリ金属を含む溶媒3を用いると、III族金属を含み不純物濃度(たとえば溶媒全体に対して1モル%未満の濃度)以上にはアルカリ金属を含まない溶媒を用いる場合に比べて、III族窒化物結晶の成長温度、成長圧力を低減させ、結晶成長速度を高めることができる。これは、溶媒3に含まれているアルカリ金属が、溶媒3への窒素含有物5の溶解を促進させるためと考えられる。
In the growth process of the group III nitride crystal in the present embodiment, a solvent 3 containing a group III metal and an alkali metal is used. When such a solvent 3 containing a group III metal and an alkali metal is used, a solvent containing a group III metal and containing no alkali metal at an impurity concentration (for example, a concentration of less than 1 mol% with respect to the whole solvent) is used. As compared with the above, it is possible to reduce the growth temperature and growth pressure of the group III nitride crystal and increase the crystal growth rate. This is presumably because the alkali metal contained in the solvent 3 promotes the dissolution of the nitrogen-containing
溶媒3に含まれるIII族金属MIIIとアルカリ金属MAとのモル比は、III族窒化物結晶の成長温度、成長圧力を低減させ、結晶成長速度を高めることができる範囲であれば特に制限はなく、MIII:MA=90:10〜10:90が好ましく、MIII:MA=50:50〜20:80がより好ましい。MIII:MA=90:10よりIII族金属MIIIのモル比が大きくても、MIII:MA=10:90よりアルカリ金属MAのモル比が大きくても、結晶成長速度が低下する。 The molar ratio of the Group III metal M III an alkali metal M A contained in the solvent 3, the growth temperature of the group III nitride crystal, to reduce the growth pressure, particularly as long as the can increase the crystal growth rate limit rather, M III: M A = 90 : 10~10: 90 are preferred, M III: M A = 50 : 50~20: 80 is more preferred. Even if the molar ratio of the group III metal M III is larger than M III : M A = 90: 10 or the molar ratio of the alkali metal M A is larger than M III : M A = 10: 90, the crystal growth rate decreases. To do.
かかるIII族窒化物結晶の成長工程は、たとえば、以下の複数のサブ工程によって行なわれる。まず、結晶成長容器23の底にその平坦な主面1mを上に向けて基板1が配置される(基板配置サブ工程)。結晶成長容器23には、特に制限はないが、耐熱性の観点から、BN(窒化ホウ素)製の坩堝などが好ましく用いられる。基板1は、少なくとも主面1m側にIII族窒化物結晶10と同じ化学組成を有するIII族窒化物種結晶1aを含む。
Such a group III nitride crystal growth step is performed, for example, by the following plurality of sub-steps. First, the
次に、基板1が配置された結晶成長容器23内にIII族金属とアルカリ金属を含む溶媒3を入れる(溶媒配置サブ工程)。この溶媒3は室温(約25℃)中では固体であるが、後の加熱により液化する。III族金属とアルカリ金属を含む溶媒3には、制限はないが、純度の高いIII族窒化物結晶を成長させる観点から、III族金属およびアルカリ金属のそれぞれの純度が高いものが好ましい。たとえば、高純度のGaN結晶を成長させるためには、高純度の金属Gaと高純度の金属Naを用いることが好ましい。この場合、金属Gaの純度は、99質量%以上が好ましく、99.999質量%以上がより好ましい。金属Naの純度は、99質量%以上が好ましく、99.999質量%以上がより好ましい。ここで、III族金属とアルカリ金属を含む溶媒3の量は、特に制限はないが、液化した溶媒3(融液)の深さが基板1の主面1mから1mm以上50mm以下であることが好ましい。かかる深さが1mmより小さいと溶媒3(融液)の表面張力のため基板の全面を溶媒3(融液)が覆わない恐れがあり、50mmより大きいと溶媒3(融液)の液面からの窒素の供給が不足してしまうためである。
Next, the solvent 3 containing a group III metal and an alkali metal is placed in the
次に、III金属とアルカリ金属を含む溶媒3および基板1が収容された結晶成長容器23を内容器21内に配置する(結晶成長容器配置サブ工程)。図1および図2においては、たとえば、5つの結晶成長容器23が配置されている。内容器21に複数の結晶成長容器23を配置することにより、同時に複数のIII族窒化物結晶10の成長が可能となる。
Next, the
次に、真空排気装置35を用いて、内容器21および外容器29の内部を真空排気する(真空排気サブ工程)。内容器21および外容器29の内部の不純物を除去するためである。このとき、バルブ41vおよび43vは閉じられており、バルブ47vおよび45vは開かれている。真空排気後の内容器21および外容器29の真空度は、特に制限はないが、残留不純物を低減する観点から、1Pa以下が好ましい。
Next, the inside of the
次に、内容器21および外容器29内に、それぞれの容器の内圧が0.5MPa以上5MPa以下となるようにそれぞれ窒素含有ガス5および加圧用ガス7を供給する(窒素含有ガス供給サブ工程)。このとき、内容器21内に供給される窒素含有ガス5は、特に制限はないが、純度の高いIII族窒化物結晶を成長させる観点から、窒素の純度が高いことが好ましい。かかる観点から、窒素含有ガス5は、純度が99.999モル%以上の窒素ガスが好ましい。一方、外容器29に供給される加圧用ガス7は、外容器29内の圧力維持のために用いられIII族窒化物結晶の成長に用いられるものではないため、窒素含有ガスでなくともよい。ただし、外容器29内にはヒータ25が配置されているため、加圧用ガス7には、ヒータ25により反応を起こさない不活性ガス、たとえば窒素ガス、アルゴンガスなどが好ましく用いられる。
Next, the nitrogen-containing
次に、ヒータ25を用いて、内容器21および外容器29の内部を加熱して、内容器21内部全体の温度を700℃以上900℃以下にする(加熱サブ工程)。かかる加熱により、内容器21に配置されたIII族金属とアルカリ金属を含む溶媒3は固体から液体(融液)となり、基板1の主面1mを覆い、この溶媒3(融液)に窒素含有ガス5が溶解する。このようにして、基板1の主面1mに、III族金属とアルカリ金属を含む溶媒3に窒素含有ガス5を溶解させた溶液を接触させることができる。ここで、ヒータ25は、内容器21および外容器29の内部の加熱に適したものであれば特に制限はないが、内容器および外容器の内部の温度分布の制御が容易な観点から、抵抗加熱方式のものが好ましく用いられる。
Next, the inside of the
加熱サブ工程中は、内容器21にさらに窒素含有ガス5を供給して、内容器21の内圧が外容器22の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにする。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにする。外容器29内の加圧用ガス7が内容器21内に混入するのを防止して、外容器29内の窒素の純度を高く維持するためである。
During the heating sub-process, the nitrogen-containing
次に、内容器21への窒素含有ガス5の供給量および加熱量を調節して、内容器21内部全体の温度を700℃以上900℃以下に維持したまま内容器21の内圧を0.5MPa以上5MPa以下として、基板1の主面10m上にIII族窒化物結晶10を所定時間成長させる(結晶成長サブ工程)。このとき、外容器29への加圧用ガス7の供給量を調節して、外容器29の内圧を内容器21の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で小さくなるようにする。すなわち、結晶成長時においても加熱時と同様に、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにする。
Next, the supply amount and heating amount of the nitrogen-containing
次に、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaの関係を維持しながら、内容器21および外容器29のそれぞれの内部を冷却および減圧下して、内容器21の結晶成長容器27から基板1上に成長したIII族窒化物結晶10を取り出す(結晶取り出しサブ工程)。
Next, while maintaining the relationship of 0.01 MPa ≦ {(inner pressure of inner container) − (inner pressure of outer container)} ≦ 0.1 MPa, the inside of each of
(実施形態2)
本発明にかかるIII族窒化物結晶の一実施形態は、図3を参照して、実施形態1の成長方法により得られる。本実施形態のIII族窒化物結晶10は、実施形態1の方法により成長されたものであるため、大型の結晶となる。また、純度の高いIII族金属および窒素含有ガスを結晶原料として用いることにより、純度の高いIII族窒化物結晶となる。
(Embodiment 2)
One embodiment of a Group III nitride crystal according to the present invention is obtained by the growth method of
1.基板の準備
基板1として、HVPE法で作製した主面1mが研磨された平坦な(0001)Ga面で直径が2インチ(50.8mm)で厚さ350μmの自立性のGaN基板を多数準備した。いずれのGaN基板においても、その主面の中央部は、X線回折による測定結果から、(0001)面に対するオフ角が0.5°以下であった。かかる多数のGaN基板から、(0001)面の反りの曲率半径が1m以上2m未満のGaN基板、曲率半径が2m以上5m未満のGaN基板、曲率半径が5m以上10m未満のGaN基板、曲率半径が10m以上のGaN基板をそれぞれ10枚ずつ選別した。
1. Preparation of Substrate As a
ここで、GaN基板の(0001)面の曲率半径の測定は、基板の十字方向に5mmのピッチでX線回折による回折角の測定を行ない、その回折角の分布から曲率半径を算出した。ここで、1つの基板について十字の2方向から2つの曲率半径の値が算出されるが、それらの平均値をその基板の曲率半径とした。なお、曲率半径が算出された多数のGaN基板において、各基板の2つの曲率半径の数値に大きな差はなく、各基板の(0001)面はお椀状の形状をしていた。 Here, the measurement of the radius of curvature of the (0001) plane of the GaN substrate was performed by measuring the diffraction angle by X-ray diffraction at a pitch of 5 mm in the cross direction of the substrate, and calculating the radius of curvature from the distribution of the diffraction angles. Here, the values of two radii of curvature are calculated from two directions of the cross for one substrate, and the average value thereof is taken as the radius of curvature of the substrate. In many GaN substrates for which the curvature radii were calculated, there was no significant difference in the numerical values of the two curvature radii of each substrate, and the (0001) plane of each substrate had a bowl-like shape.
以下において、(0001)面の反りの曲率半径が1m以上2m未満のGaN基板を用いてGaN結晶を成長させる例を比較例1といい、曲率半径が2m以上5m未満のGaN基板を用いてGaN結晶を成長させる例を実施例1といい、曲率半径が5m以上10m未満のGaN基板を用いてGaN結晶を成長させる例を実施例3といい、曲率半径が10m以上のGaN基板を用いてGaN結晶を成長させる例を実施例4という。 Hereinafter, an example in which a GaN crystal is grown using a GaN substrate having a curvature radius of curvature of (0001) plane of 1 m or more and less than 2 m is referred to as Comparative Example 1, and a GaN substrate having a curvature radius of 2 m or more and less than 5 m is used. An example of growing a crystal is referred to as Example 1, and an example of growing a GaN crystal using a GaN substrate having a curvature radius of 5 m or more and less than 10 m is referred to as Example 3, and using a GaN substrate having a curvature radius of 10 m or more, GaN An example of growing crystals is referred to as Example 4.
2.GaN結晶の成長
図3を参照して、上記各GaN基板(基板1)を、その平坦な主面1mを上に向けて、内径60mmで深さ20mmのBN製坩堝(結晶成長容器23)の底に配置した。次に、GaN基板(基板1)が配置されたBN製坩堝(結晶成長容器23)内に、15gの純度99.9999質量%の金属Gaと11gの純度99.9999質量%の金属Na(溶媒3)を入れた。この金属Gaおよび金属Na(溶媒3)は室温(約25℃)中では固体であるが、後の加熱により液化して金属Ga(III族金属MIII)と金属Na(アルカリ金属MA)のモル比がMIII:MA=31:69の金属Ga−Na融液となり、この金属Ga−Na融液(溶媒3)の表面からGaN基板(基板1)の主面1mまでの深さが5mmとなった。
2. 3. Growth of GaN Crystal Referring to FIG. 3, each GaN substrate (substrate 1) is placed in a BN crucible (crystal growth vessel 23) having an inner diameter of 60 mm and a depth of 20 mm with the flat
次に、GaN基板(基板1)ならびに金属Ga−Na融液(溶媒3)が収容されたBN製坩堝(結晶成長容器23)を5段にして内容器21内に配置した。
Next, a BN crucible (crystal growth vessel 23) containing a GaN substrate (substrate 1) and a metal Ga—Na melt (solvent 3) was placed in the
次に、真空ポンプ(真空排気装置35)を用いて、内容器21および外容器29の内部を真空排気した。真空排気後の内容器21および外容器29の真空度は、1×10-3Paであった。
Next, the inside of the
次に、内容器21および外容器29内に、それぞれの容器の内圧が1MPaとなるようにそれぞれ窒素含有ガス5および加圧用ガス7を供給した。このとき、内容器21内に供給される窒素含有ガス5には、純度が99.99999モル%の高純度の窒素ガスを用いた。一方、外容器29に供給される加圧用ガス7には、純度が99.9999モル%の窒素ガスを用いた。
Next, the nitrogen-containing
次に、抵抗加熱方式のヒータ25を用いて、内容器21および外容器29の内部を加熱して、内容器21内部全体の温度を800±5℃にした。かかる加熱により、内容器21に配置された金属Gaおよび金属Na(溶媒3)は液化して、GaN基板(基板1)の主面1mを覆い、この液化した金属Gaおよび金属Naすなわち金属Ga−Na融液(溶媒3)に高純度の窒素ガス(窒素含有ガス5)が溶解する。このようにして、GaN基板(基板1)の主面1mに、金属Ga−Na融液(溶媒3)に高純度の窒素ガス(窒素含有ガス5)を溶解させた溶液を接触させることができた。加熱中は、内容器21にさらに高純度の窒素ガス(窒素含有ガス5)を供給して、内容器21の内圧が外容器22の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにした。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにした。
Next, the inside of the
次に、内容器21への窒素含有ガス5の供給量および加熱量を調節して、内容器21内部全体の温度を800±5℃に維持したまま内容器21の内圧を3MPaとして、GaN基板(基板1)の主面10m上にGaN結晶(III族窒化物結晶10)を100時間成長させた。このとき、外容器29への窒素ガス(加圧用ガス7)の供給量を調節して、外容器29の内圧を内容器21の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で小さくなるようにした。すなわち、結晶成長時においても加熱時と同様に、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにした。
Next, the supply amount and heating amount of the nitrogen-containing
次に、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaの関係を維持しながら、内容器21および外容器29のそれぞれの内部を冷却および減圧下して、30℃に冷却された内容器21のBN製坩堝(結晶成長容器27)の金属Ga−Na融液(溶媒3)からGaN基板(基板1)上に成長したGaN結晶(III族窒化物結晶10)をピンセットで取り出した。得られたGaN結晶の厚さは、850μm〜1050μmであった。
Next, while maintaining the relationship of 0.01 MPa ≦ {(inner pressure of inner container) − (inner pressure of outer container)} ≦ 0.1 MPa, the inside of each of
比較例1の10枚のGaN基板(反りの曲率半径が1m以上2m未満)上にそれぞれ成長させたGaN結晶は、10枚中全てが割れていた。これに対して、実施例1の10枚のGaN基板(反りの曲率半径が2m以上5m未満)上にそれぞれ成長させたGaN結晶は、10枚中割れていたのは6枚であった。また、実施例2の10枚のGaN基板(反りの曲率半径が5m以上10m未満)上にそれぞれ成長させたGaN結晶は、10枚中割れていたのは2枚であった。また、実施例3の10枚のGaN基板(反りの曲率半径が10m以上)上にそれぞれ成長させたGaN結晶は、10枚中割れていたものは無かった。結果を表1にまとめた。 All of the GaN crystals grown on the 10 GaN substrates of Comparative Example 1 (the curvature radius of warpage is 1 m or more and less than 2 m) were cracked. On the other hand, GaN crystals grown on 10 GaN substrates of Example 1 (the curvature radius of warpage was 2 m or more and less than 5 m) were cracked in 10 out of 6 sheets. In addition, GaN crystals grown on 10 GaN substrates of Example 2 (the curvature radius of warpage was 5 m or more and less than 10 m) were cracked in 10 pieces, and two pieces. In addition, none of the GaN crystals grown on each of the 10 GaN substrates of Example 3 (the curvature radius of warpage was 10 m or more) was cracked in 10 pieces. The results are summarized in Table 1.
表1から明らかなように、液相法によるIII族窒化物結晶の成長において、主面に最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上、好ましくは5m以上、より好ましくは10m以上の基板を用いることにより、その基板およびその基板上に成長させたIII族窒化物結晶の割れが抑制され、大型のIII族窒化物結晶が得られることがわかった。 As apparent from Table 1, in the growth of the group III nitride crystal by the liquid phase method, the (hkil) plane closest to the main surface (where i = − (h + k), where h, k, and l are −9 or more and an integer of 9 or less) using a substrate having a curvature radius of warpage of 2 m or more, preferably 5 m or more, more preferably 10 m or more, the substrate and the group III nitride crystal grown on the substrate It was found that cracking was suppressed and a large group III nitride crystal was obtained.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明にかかる成長方法により得られたIII族窒化物結晶は、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(高電子移動度トランジスタ)などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出などの半導体センサ、SAWデバイス(表面弾性波素子)、振動子、共振子、発振器、MEMS(微小電子機械システム)部品、圧電アクチュエータなどのデバイス用の基板などに用いられる。 Group III nitride crystals obtained by the growth method according to the present invention include light-emitting elements such as light-emitting diodes and laser diodes, electronic elements such as rectifiers, bipolar transistors, field-effect transistors, and HEMTs (high electron mobility transistors), temperature For sensors, pressure sensors, radiation sensors, semiconductor sensors such as visible-ultraviolet light detection, SAW devices (surface acoustic wave elements), vibrators, resonators, oscillators, MEMS (microelectromechanical system) components, piezoelectric actuators, etc. It is used for the substrate.
1 基板、1a III族窒化種物結晶、1b 下地基板、1m 主面、1n (hkil)面、3 溶媒、5 窒素含有ガス、7 加圧用ガス、10 III族窒化物結晶、21 内容器、23 結晶成長容器、25 ヒータ、27 断熱材、29 外容器、31 窒素含有ガス供給装置、33 加圧用ガス供給装置、35 真空排気装置、41 第1の配管、41a,43a バルブより内容器側の部分、41b バルブより窒素含有ガス供給装置側の部分、41p,43p 圧力計、41v,43v,45v,47v バルブ、43 第2の配管、43b バルブより加圧用ガス供給装置側の部分、45 第3の配管、45a バルブより外容器側の部分、45b バルブより真空排気装置側の部分、47 第4の配管。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
平坦な主面を有し、全体が前記GaN結晶と同じ化学組成を有するGaN種結晶で形成される自立の基板であって、前記主面に最も近い(hkil)面(ここで、i=−(h+k)であり、h、kおよびlはそれぞれ−9以上9以下の整数)の反りの曲率半径が2m以上である基板を準備する工程と、
前記基板の前記主面に、Ga金属とアルカリ金属を含む溶媒に窒素含有ガスを溶解させた溶液を接触させて、前記主面上に前記GaN結晶を成長させる工程と、を備えるGaN結晶の成長方法。 A method for growing a GaN crystal by a liquid phase method,
Has a flat main surface, a substrate free standing formed of GaN seed crystal whole has the same chemical composition as the GaN crystal, the nearest (hkil) plane to the principal plane (here, i = - (H + k), and h, k, and l are integers of −9 or more and 9 or less, respectively, and a step of preparing a substrate having a curvature radius of 2 m or more;
On the main surface of the substrate, by contacting a solution of a nitrogen-containing gas in a solvent containing a Ga metal and alkali metal, growth of GaN crystal and a step of growing said GaN crystal on the main surface Method.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2004039810A (en) * | 2002-07-02 | 2004-02-05 | Nec Corp | Group iii nitride semiconductor substrate and its manufacturing method |
JP2005247594A (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | Ricoh Co Ltd | Crystal growth method of group iii nitride, group iii nitride crystal and semiconductor device |
JP2005298291A (en) * | 2004-04-14 | 2005-10-27 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method for manufacturing semiconductor bulk crystal |
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JP2005247594A (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | Ricoh Co Ltd | Crystal growth method of group iii nitride, group iii nitride crystal and semiconductor device |
JP2005298291A (en) * | 2004-04-14 | 2005-10-27 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method for manufacturing semiconductor bulk crystal |
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