JP4591415B2 - Method for growing gallium nitride crystal - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物結晶の成長方法およびGaN結晶に関し、特に、Gaの収率を向上することができるIII族窒化物結晶の成長方法およびその方法により得られるGaN結晶に関する。 The present invention relates to a method for growing a group III nitride crystal and a GaN crystal, and more particularly to a method for growing a group III nitride crystal capable of improving the yield of Ga and a GaN crystal obtained by the method.
塩化ガリウムガスとアンモニアガスを基板上で反応させて窒化ガリウム(GaN)結晶の成長を行なうHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法はGaN結晶の成長方法として広く実施されている。 The HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, in which a gallium nitride (GaN) crystal is grown by reacting gallium chloride gas and ammonia gas on a substrate, is widely used as a GaN crystal growth method.
このHVPE法においては、100μm/h程度の高速成長が可能であり、GaN結晶の成長方法としてはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法に比べて結晶の成長速度が格段に大きい。そのため、膜厚の厚いGaN結晶や自立GaN基板を成長させる方法としてはHVPE法が特に有利となる。 In this HVPE method, high-speed growth of about 100 μm / h is possible, and the growth rate of the GaN crystal is higher than that of MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. It is much bigger. Therefore, the HVPE method is particularly advantageous as a method for growing a thick GaN crystal or a free-standing GaN substrate.
ここで、HVPE法によりGaN結晶を成長させる方法は、たとえば、基板にキャリアガスに塩化ガリウムガスを混合したガス、キャリアガスにアンモニアガスを混合したガスなどの原料ガスを吹き付けるとともに、排ガス(塩化水素ガス、水素ガス、窒素ガス、アンモニアガスなど)を排出することにより行なわれる(たとえば、特許文献1および非特許文献1参照)。
しかしながら、従来のHVPE法においては、未反応の原料ガスが多く含まれた状態で排ガスが排気されていることから、Ga(ガリウム)の収率(原料ガスに含まれているGaの量に対するGaN結晶中に含まれているGaの量の割合)が非常に悪いという問題があった。特に、塩化ガリウムガスはその原料となる高純度ガリウムが高価であることからGaの収率の向上がGaN結晶の製造コストを低減する観点から重要である。 However, in the conventional HVPE method, since the exhaust gas is exhausted in a state where a large amount of unreacted source gas is contained, the yield of Ga (gallium) (GaN relative to the amount of Ga contained in the source gas) There was a problem that the ratio of the amount of Ga contained in the crystal was very bad. In particular, since high-purity gallium as a raw material for gallium chloride gas is expensive, an improvement in the yield of Ga is important from the viewpoint of reducing the production cost of the GaN crystal.
そこで、本発明の目的は、Gaの収率を向上することができるIII族窒化物結晶の成長方法およびその方法により得られるGaN結晶を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for growing a group III nitride crystal capable of improving the yield of Ga and a GaN crystal obtained by the method.
本発明は、基板を設置するためのサセプタの一主面と、サセプタの一主面と間隔をあけて対向している対向面と、サセプタの一主面と対向面との間の空間を仕切る側面と、で取り囲まれた成長室にアンモニアガスを導入するとともにIII族塩化物ガスの噴出口から塩化ガリウムガスを導入することによってサセプタの一主面上に設置された基板上に窒化ガリウム結晶を成長させる際に、サセプタの一主面の面積をScm2とし、サセプタの一主面とIII族塩化物ガスの噴出口との距離をLcmとし、成長室に導入されるガスの標準状態での総量をVcm3/sとしたとき、S/L/Vの値を0.11s/cm2以上とする窒化ガリウム結晶の成長方法であることを特徴とする。 The present invention partitions a space between a main surface of a susceptor for installing a substrate, an opposing surface facing the main surface of the susceptor with a space therebetween, and a main surface of the susceptor and the opposing surface. A gallium nitride crystal is formed on a substrate placed on one main surface of the susceptor by introducing ammonia gas into a growth chamber surrounded by side surfaces and introducing gallium chloride gas from a group III chloride gas outlet. When growing, the area of one main surface of the susceptor is Scm 2 , the distance between the main surface of the susceptor and the group III chloride gas outlet is Lcm, and the gas introduced into the growth chamber is in a standard state. It is characterized in that it is a gallium nitride crystal growth method in which the value of S / L / V is 0.11 s / cm 2 or more when the total amount is Vcm 3 / s.
ここで、本発明において、サセプタの一主面の面積であるSの単位はcm2であり、サセプタの一主面とIII族塩化物ガスの噴出口との距離であるLの単位はcmであって、成長室に導入されるガスの総量であるVの単位はcm3/sである。なお、Vの単位であるcm3/sは、1秒あたりに成長室に導入されるガスの体積(cm3)を意味している。また、成長室に導入されるガスの総量であるVは標準状態(0℃、1atm)での値が用いられる。 Here, in the present invention, the unit of S which is the area of one main surface of the susceptor is cm 2 , and the unit of L which is the distance between one main surface of the susceptor and the group III chloride gas jet port is cm. The unit of V, which is the total amount of gas introduced into the growth chamber, is cm 3 / s. Note that cm 3 / s, which is a unit of V, means the volume (cm 3 ) of gas introduced into the growth chamber per second. Further, the value V in the standard state (0 ° C., 1 atm) is used as V which is the total amount of gas introduced into the growth chamber.
また、本発明において、成長室は、サセプタの一主面と対向面と側面とによって完全に密閉されている必要はない。 In the present invention, the growth chamber does not need to be completely sealed by the one main surface, the opposing surface, and the side surface of the susceptor.
また、本発明のIII族窒化物結晶の成長方法においては、窒化ガリウム結晶の成長速度を10μm/h以上とすることが好ましい。ここで、本発明において、窒化ガリウム結晶の成長速度が10μm/hとは、窒化ガリウム結晶が1時間あたりに厚さ10μmの割合で成長することを意味している。 In the method for growing a group III nitride crystal of the present invention, the growth rate of the gallium nitride crystal is preferably 10 μm / h or more. Here, in the present invention, the growth rate 10 [mu] m / h in the gallium nitride crystal, which means that the gallium nitride crystal is grown at a rate of thickness of 10 [mu] m per hour.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、S/L/Vの値を0.5s/cm2以上とすることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the value of S / L / V is preferably 0.5 s / cm 2 or more.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、S/L/Vの値を1s/cm2以上とすることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the value of S / L / V is preferably 1 s / cm 2 or more.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、III族塩化物ガスの噴出口の温度が、1150℃以上、かつ基板の表面温度よりも50℃以上高い温度であることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the temperature of the Group III chloride gas outlet is preferably 1150 ° C. or more and 50 ° C. or more higher than the substrate surface temperature.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、III族塩化物ガスの噴出口の温度が、1250℃以上、かつ基板の表面温度よりも50℃以上高い温度であることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the temperature of the group III chloride gas outlet is preferably 1250 ° C. or higher and 50 ° C. higher than the surface temperature of the substrate.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、III族塩化物ガスの噴出口の温度が、900℃以下であることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the temperature of the Group III chloride gas jet outlet is preferably 900 ° C. or lower.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、III族塩化物ガスの噴出口の温度が、800℃以下であることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the temperature of the spout of the group III chloride gas is preferably at 800 ° C. or less.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、基板の表面の面積が10cm2以上であることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the surface area of the substrate is preferably 10 cm 2 or more.
また、本発明の窒化ガリウム結晶の成長方法においては、基板をIII族塩化物ガスの噴出口から偏心した位置に設置し、基板をIII族塩化物ガスの噴出口と偏心した軸を中心として回転させながら窒化ガリウム結晶を成長させることが好ましい。 In the gallium nitride crystal growth method of the present invention, the substrate is placed at a position eccentric from the group III chloride gas outlet, and the substrate is rotated about an axis that is eccentric from the group III chloride gas outlet. It is preferable to grow a gallium nitride crystal.
なお、本発明において、III族窒化物結晶はGaを含むIII族元素の窒化物であればよく、Gaが含まれていればAl(アルミニウム)やIn(インジウム)などのGa以外のIII族元素が含まれていてもよい。 In the present invention, the group III nitride crystal may be a nitride of a group III element containing Ga, and if it contains Ga, a group III element other than Ga such as Al (aluminum) or In (indium). May be included.
また、本発明において、III族塩化物ガスは、III族元素の塩化物からなるガスのことをいう。 In the present invention, the group III chloride gas refers to a gas composed of a chloride of a group III element.
本発明によれば、Gaの収率を向上することができるIII族窒化物結晶の成長方法およびその方法により得られるGaN結晶を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth method of the group III nitride crystal which can improve the yield of Ga, and the GaN crystal obtained by the method can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
図1に、本発明に用いられる成長室の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、成長室1は、基板6を設置するためのサセプタ5の一主面2と、サセプタ5の一主面2と間隔をあけて対向している対向面3と、サセプタ5の一主面2と対向面3との間の空間を仕切る側面4と、で取り囲まれている。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the
ここで、対向面3には、III族塩化物ガスを導入するためのガス導入管10と、ガス導入管10の下方にアンモニアガスを導入するためのガス導入管11が備えられている。そして、ガス導入管10の成長室1側の端部の開口面がIII族塩化物ガスの噴出口8となり、ガス導入管11の成長室1側の端部の開口面がアンモニアガスの噴出口9となる。
Here, the
また、対向面3と側面4とは一体的に形成されており、対向面3と側面4との間には空隙が存在していない。また、サセプタ5と側面4との間に空隙が形成されており、この空隙が排気口7となっている。
Further, the facing
そして、成長室1の内部のサセプタ5の一主面2上に基板6を設置して基板6を加熱した後、成長室1に、アンモニアガスの噴出口9からアンモニアガスを導入するとともに、III族塩化物ガスの噴出口8からIII族塩化物ガスを導入する。ここで、III族塩化物ガスおよびアンモニアガスはそれぞれ希ガス、窒素ガス、水素ガスまたはこれらの少なくとも2種の希釈ガスによって希釈されていてもよい。また、成長室1には必要に応じて希ガス、窒素ガス、水素ガスまたはドーピングガスなどのガスをIII族塩化物ガスおよびアンモニアガスとは別に導入してもよい。これにより、基板6上にIII族窒化物結晶を成長することができる。
And after installing the board |
本発明においては、基板6上にIII族窒化物結晶を成長させる際に、サセプタ5の一主面2の面積をS(cm2)とし、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離(サセプタ5の一主面2に対する垂線方向の距離)をL(cm)とし、成長室1に導入されるガスの標準状態での総量をV(cm3/s)としたとき、S/L/Vの値を0.1(s/cm2)以上とすることを特徴としている。これは、本発明者が鋭意検討した結果、上記のS/L/Vの値を0.1(s/cm2)以上とすることによって、特に、Gaを含むIII族窒化物結晶を成長させたときのGaの収率を向上できることを見い出し、本発明を完成するに至ったものである。
In the present invention, when a group III nitride crystal is grown on the
図2に、本発明に用いられる成長室の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここでは、ガス導入管10およびガス導入管11が成長室1の内部に突出しており、III族塩化物ガスの噴出口8が成長室1の内部に存在していることに特徴がある。このような構成の成長室1においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは図2に示す長さとなる。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the
図3に、本発明に用いられる成長室の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここでは、ガス導入管10およびガス導入管11が成長室1の側面4に備え付けられており、III族塩化物ガスの噴出口8が側面4に存在していることに特徴がある。このような構成の成長室1においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは図3に示す長さとなる。ここで、距離LのIII族塩化物ガスの噴出口8側の端部は、図3に示すように、III族塩化物ガスの噴出口8の長さd(サセプタ5の一主面2に対する垂線方向の長さ)の半分に対応する箇所(1/2dの位置)となる。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the
図4に、本発明に用いられる成長室の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここでは、ガス導入管10およびガス導入管11が成長室1の側面4に備え付けられているとともに、ガス導入管10およびガス導入管11が成長室1の内部に突出していることに特徴がある。このような構成の成長室1においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは図4に示す長さとなる。ここで、距離LのIII族塩化物ガスの噴出口8側の端部は、図4に示すように、III族塩化物ガスの噴出口8の長さd(サセプタ5の一主面2に対する垂線方向の長さ)の半分に対応する箇所(1/2dの位置)となる。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the
図5に、本発明に用いられる成長室の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここでは、ガス導入管11が接続されたガス導入管10が成長室1の対向面3に備え付けられていることに特徴がある。このように、成長室1に導入される前にIII族塩化物ガスとアンモニアガスとが混合される場合には、III族塩化物ガスとアンモニアガスが少なくとも混合されたガスを導入するためのガス導入管10の成長室1側の端部の開口面がIII族塩化物ガスの噴出口8となる。したがって、このような構成の成長室1においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは図5に示す長さとなる。
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the
図6に、本発明に用いられる成長室の他の好ましい一例の模式的な上面透視図を示す。ここでは、サセプタ5の一主面2上に設置された基板6の表面とIII族塩化物ガスの噴出口8とは向かい合っておらず、互いに側面4方向にずれた位置関係となっている。このような構成の成長室1においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは図6に示す長さとなる。
FIG. 6 shows a schematic top perspective view of another preferred example of the growth chamber used in the present invention. Here, the surface of the
また、上記のS/L/Vの値を大きくするためには、Sを一定とした場合にはLおよびVの少なくとも一方を小さくすればよい。しかしながら、Lを小さくしすぎるとIII族塩化物ガスの噴出口8の近傍にGaN結晶などのIII族窒化物結晶が成長して、基板6上におけるIII族窒化物結晶の正常な成長を阻害するおそれがある。また、Vを小さくしながら基板6上のIII族窒化物結晶の成長速度が落ちないようにするため(実用面からは10μm/hの成長速度を維持するため)には、希釈ガスの割合を少なくして塩化ガリウムガスなどのIII族塩化物ガスの濃度を高くする必要がある。しかし、この場合にもIII族塩化物ガスの噴出口8の近傍にGaN結晶などのIII族窒化物結晶が成長して、基板6上におけるIII族窒化物結晶の正常な成長を阻害するおそれがある。
In order to increase the value of S / L / V, at least one of L and V may be decreased when S is constant. However, if L is made too small, a group III nitride crystal such as a GaN crystal grows in the vicinity of the
したがって、上記のS/L/Vの値を大きくするため、特に1(s/cm2)以上とするためには、III族塩化物ガスの噴出口8の近傍におけるIII族窒化物結晶の成長を抑制することが重要となる。
Therefore, in order to increase the value of the above S / L / V, particularly in order to set it to 1 (s / cm 2 ) or more, the growth of the group III nitride crystal in the vicinity of the
ここで、III族塩化物ガスの噴出口8の近傍におけるIII族窒化物結晶の成長を抑制するためには、III族塩化物ガスの噴出口8の温度を1150℃以上、好ましくは1250℃以上とし、かつ、III族塩化物ガスの噴出口8の温度をIII族窒化物結晶の成長時における基板6の表面温度よりも50℃以上高い温度とすることが有効であることを本発明者は見い出した。HVPE法によってIII族窒化物結晶を成長させる際における基板6の表面温度は一般的には900℃〜1100℃の範囲であるので、III族塩化物ガスの噴出口8の温度を1150℃以上、好ましくは1250℃以上に加熱すれば、III族塩化物ガスの噴出口8の温度と基板6の表面温度との間に50℃以上の温度差を設けることによるIII族窒化物結晶の成長上の支障はないものと考えられる。
Here, in order to suppress the growth of the group III nitride crystal in the vicinity of the group III chloride
また、900℃以下、特に800℃以下の温度の表面上においてはGaN結晶の析出速度が低下することは古くから知られているので、III族塩化物ガスの噴出口8の温度を好ましくは900℃以下、より好ましくは800℃以下とすることによっても、III族塩化物ガスの噴出口8の近傍におけるIII族窒化物結晶の成長を抑制できる傾向にあると考えられる。
Further, since it has been known for a long time that the deposition rate of GaN crystals decreases on the surface at a temperature of 900 ° C. or lower, particularly 800 ° C. or lower, the temperature of the Group III chloride
また、対向面3および側面4にIII族窒化物結晶が成長してしまうと、その分だけGaの収率が低下してしまうと考えられる。したがって、好ましくは、III族窒化物結晶の成長の際に、対向面3の温度または側面4の温度、より好ましくは、これらの双方の面の温度を1150℃以上、好ましくは1250℃以上とすることによって、対向面3、側面4またはこれらの双方の面にIII族窒化物結晶が成長するのを抑制することができるため、Gaの収率をさらに向上させることができる傾向にある。また、上述した理由と同様の理由により、対向面3の温度または側面4の温度、より好ましくはこれらの双方の面の温度を好ましくは900℃以下、より好ましくは800℃以下とすることによっても、対向面3、側面4またはこれらの双方の面にIII族窒化物結晶が成長するのを抑制することができる。
In addition, when a group III nitride crystal grows on the opposing
また、対向面3、側面4またはこれらの双方の面にIII族窒化物結晶が成長するのを抑制できる場合には、図2および図4に示す成長室1においては、III族塩化物ガスの噴出口8から見て、基板6側と反対側の空間は単にガスがよどんでいるだけでIII族窒化物結晶の成長にはほとんど影響しないと考えられるため、その存在を無視することができる。これが、図2および図4に示すようにLを定義することができる理由であると考えられる。ここで、対向面3、側面4またはこれらの双方の面を1150℃以上、好ましくは1250℃以上として場合には、上記のS/L/Vの値の増加に伴ってGaの収率が向上する傾向にあるため、上記のS/L/Vの値は、0.5(s/cm2)以上であることが好ましく、1(s/cm2)以上であることがより好ましい。
Further, in the case where it is possible to suppress the growth of the group III nitride crystal on the facing
本発明において、成長室1に導入されたIII族塩化物ガスとアンモニアガスは、おおよそ拡散による輸送によって、低温部である基板6の表面に到達して、そこでIII族窒化物結晶として成長する。ここで、拡散による輸送では、成長室1の内部においてIII族塩化物ガスの噴出口8に対応する領域でIII族塩化物ガスの濃度が高くなってしまい、基板6上においてもIII族塩化物ガスの噴出口8に対応する領域の方が他の領域と比べてIII族窒化物結晶の成長が速くなり、均一な厚さのIII族窒化物結晶を得ることができない傾向にある。
In the present invention, the group III chloride gas and the ammonia gas introduced into the
そこで、均一な厚さのIII族窒化物結晶を得るためには、基板6をIII族塩化物ガスの噴出口8から偏心した位置に設置し、基板6をIII族塩化物ガスの噴出口8と偏心した軸を中心として回転させながらIII族窒化物結晶を成長させることが好ましい。これは、たとえば、図7の模式的断面図に示すように、基板6の表面(III族窒化物結晶が成長する表面)に対する垂線であってこの表面の中心を通る仮想線である第1垂線14とIII族塩化物ガスの噴出口8に対する垂線であってIII族塩化物ガスの噴出口8の中心を通る仮想線である第2垂線15とが重ならないように基板6を設置し、上記の第1垂線14を中心として基板6を回転させながらIII族窒化物結晶を成長させることにより実施することができる。
Therefore, in order to obtain a group III nitride crystal having a uniform thickness, the
本発明はGaの収率の向上を図るものであることから、本発明は基板6の表面の面積が10cm2以上である場合に特に有用であると考えられる。
Since the present invention is intended to improve the yield of Ga, it is considered that the present invention is particularly useful when the surface area of the
本発明により得られたIII族窒化物結晶は、たとえば、発光ダイオード若しくは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若しくはHEMT(High Electron Mobility Transistor;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−紫外光検出器などの半導体センサ、SAWデバイス(Surface Acoustic Wave Device;表面弾性波素子)、振動子、共振子、発振器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)部品または圧電アクチュエータなどのデバイス用に基板として広く用いられる。 The group III nitride crystal obtained by the present invention is an electron such as a light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode, a rectifier, a bipolar transistor, a field effect transistor, or a HEMT (High Electron Mobility Transistor). Element, temperature sensor, pressure sensor, radiation sensor, semiconductor sensor such as visible-ultraviolet light detector, SAW device (Surface Acoustic Wave Device), vibrator, resonator, oscillator, MEMS (Micro Electro Mechanical System) ) Widely used as a substrate for devices such as parts or piezoelectric actuators.
なお、上記においては、対向面3と側面4とは一体的に形成されており、対向面3と側面4との間には空隙が存在していない例について説明したが、本発明においては、対向面3と側面4との間に空隙が存在していてもよい。
In the above description, the facing
また、上記においては、サセプタ5の一主面2と側面4との間に空隙を設けて、この空隙を排気口7とした例について説明しているが、本発明においては、サセプタ5の一主面2と側面4との間に空隙を設けずに成長室1の他の箇所に排気口を設けてもよく、サセプタ5の一主面2と側面4との間の空隙である排気口7とともに成長室1の他の箇所に排気口を設けてもよい。
In the above description, an example in which a gap is provided between the
また、上記においては、III族塩化物ガスを導入するためのガス導入管10とアンモニアガスを導入するためのガス導入管11とを並べて配置しているが、本発明においては、必ずしも、III族塩化物ガスを導入するためのガス導入管10とアンモニアガスを導入するためのガス導入管11とを並べて配置する必要はない。
In the above, the
また、上記においては、基板6の表面は横向きにされているが、本発明においては、横向きに限定されず、下向きであってもよく、上向きであってもよい。
In the above description, the surface of the
(実施例1)
図8にその概略を示す結晶成長炉300を使用して、HVPE法により常圧でGaN結晶の成長を行なった。
Example 1
A GaN crystal was grown at normal pressure by the HVPE method using a
結晶成長炉300は、直径7cmの円盤状のサセプタ5の一主面2(面積S=38.465cm2)、対向面3および側面4で取り囲まれた成長室1を備えている。ここで、対向面3には、III族塩化物ガスを導入するためのガス導入管10と、ガス導入管10の下方にアンモニアガスを導入するためのガス導入管11が備えられている。また、対向面3と側面4とは一体的に形成されており、対向面3と側面4との間には空隙が存在していない。また、サセプタ5と側面4との間には空隙が形成されており、この空隙が排気口7となっている。また、本実施例においては、サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lは15cmに設定された。なお、サセプタ5は、直径7cmの円形状の平坦な主面2を有しているが、その主面2の両端には基板を保持するための部材が取り付けられている。
The
また、結晶成長炉300は、塩化ガリウムガスを合成するための合成室20と、合成室20内に塩化水素ガスを導入するためのガス導入管21と、成長室1の外側にアンモニアガスを導入するためのガス導入管19と、を備えている。また、合成室20内にはGaが収容されているGaボート16が設置されており、成長室1、合成室20、ガス導入管10、11、19、21の周囲には、ヒータ17が設置されている。また、サセプタ5には回転軸18が備え付けられている。
The
また、成長室1を構成する対向面3と側面4とはそれぞれカーボンヒータを組み込んだセラミックスによって構成し(図8においては、このカーボンヒータへの給電線および熱電対などの詳細な記載は省略してある)、対向面3と側面4とをそれぞれサセプタ5とは別に加熱することができるようにした。
Further, the facing
このような構成の結晶成長炉300において、まず、サセプタ5の表面中央に直径2インチのサファイア基板6aを設置した。次に、サファイア基板6aを加熱してサファイア基板6aの表面温度を1050℃に保持するとともに、サファイア基板6aの表面に対する垂線であってサファイア基板6aの表面の中心を通る仮想線である第1垂線を軸として回転軸18により60rpmの速度でサファイア基板6aを回転させた状態で、塩化ガリウムガスとアンモニアガスを成長室1内に導入することにより、サファイア基板6aの表面上にGaN結晶を成長させた。
In the
ここで、GaN結晶は、対向面3と側面4の加熱を行なった場合と行なわなかった場合のそれぞれの場合で成長させた。対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合の成長室1内の温度は1050℃であった。また、対向面3と側面4の加熱を行なった場合の対向面3と側面4の温度はそれぞれ1300℃となるようにした。したがって、対向面3と側面4の加熱を行なった場合のIII族塩化物ガスの噴出口8近傍の温度も1300℃に加熱されることになる。
Here, the GaN crystal was grown in each case where the facing
また、成長室1内には200sccmの流量の塩化ガリウムガスが希釈ガスとしての200sccmの流量の水素ガスとともに導入されるとともに、500sccmの流量のアンモニアガスが希釈ガスとしての500sccmの流量の水素ガスとともに導入された。したがって、本実施例においては、成長室1に導入されるガスの標準状態での総量Vは1400sccm、すなわち、1400/60(cm3/s)であった。なお、塩化ガリウムガスは、合成室20内に設置されているGaボート16を加熱し、ガス導入管21により合成室20内に塩化水素ガスを導入して、Gaボート16中のGaと塩化水素ガスとを反応させることにより生成された。ここで、塩化水素ガスは、希釈ガスとしての水素ガスととも合成室20内に導入された。
Further, gallium chloride gas having a flow rate of 200 sccm is introduced into the
また、成長室1の外側にはガス導入管19から500sccmの流量のアンモニアガス(純度100%)を流した。これは、成長室1の排気口7からの拡散によるアンモニアガスの排気を抑制するためである。
In addition, ammonia gas (purity: 100%) having a flow rate of 500 sccm was supplied from the
また、III族塩化物ガスの噴出口8に対する垂線であってIII族塩化物ガスの噴出口8の中心を通る仮想線である第2垂線は上記の第1垂線より2cm上方に位置しており、アンモニアガスの噴出口9に対する垂線であってアンモニアガスの噴出口9の中心を通る仮想線である第3垂線は上記の第1垂線より2cm上方に位置していた。したがって、本実施例においては、サファイア基板6aはIII族塩化物ガスの噴出口8から偏心した位置に設置されており、III族塩化物ガスの噴出口8と偏心した軸を中心としてサファイア基板6aを回転させながらGaN結晶を成長させたことになる。ここで、アンモニアガスの噴出口9をIII族塩化物ガスの噴出口8よりも下方に設置しているが、これは、重いガス(塩化ガリウムガス)を上側から導入し、軽いガス(アンモニアガス)を下側から導入することによって成長室1内のガス濃度が均一になりやすいからである。
In addition, the second perpendicular, which is a perpendicular to the group III
上記のようにして成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。ここで、成長速度は、最終的に成長したGaN結晶の厚みをGaN結晶の全成長時間で割った値であり、GaN結晶の平均の成長速度を示している。 The growth mass (g) and growth rate (μm / h) of the GaN crystal grown as described above were investigated. Table 1 shows the results of the growth mass and growth rate of the GaN crystal in this example. Here, the growth rate is a value obtained by dividing the thickness of the finally grown GaN crystal by the total growth time of the GaN crystal, and shows an average growth rate of the GaN crystal.
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は6.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は27.05(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は5.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は22.83(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例2)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを10cmに設定したこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 2)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 1 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は9.2(g)であり、GaN結晶の成長速度は38.89(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は6.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は27.05(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例3)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを5cmに設定したこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 3)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 1 except that the distance L between the one
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は12.6(g)であり、GaN結晶の成長速度は53.26(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は9.2(g)であり、GaN結晶の成長速度は38.89(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例4)
塩化ガリウムガスとともに導入される水素ガスの流量およびアンモニアガスとともに導入される水素ガスの流量をそれぞれ1/2としたこと以外は実施例3と同一の方法および同一の条件でGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
Example 4
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 3 except that the flow rate of hydrogen gas introduced together with gallium chloride gas and the flow rate of hydrogen gas introduced together with ammonia gas were each halved. . Then, in the same manner as in Example 1, the growth mass (g) and the growth rate (μm / h) of the grown GaN crystal were investigated. Table 1 shows the results of the growth mass and growth rate of the GaN crystal in this example.
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は15.6(g)であり、GaN結晶の成長速度は65.95(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は11.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は48.19(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例5)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを4cmに設定したこと以外は実施例4と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 5)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 4 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は19.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は82.01(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は13.6(g)であり、GaN結晶の成長速度は57.49(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例6)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを3cmに設定したこと以外は実施例4と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 6)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 4 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は22.2(g)であり、GaN結晶の成長速度は93.85(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は13.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は56.65(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例7)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを2cmに設定したこと以外は実施例4と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 7)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 4 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は26(g)であり、GaN結晶の成長速度は109.91(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は10.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は43.96(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例8)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを1cmに設定したこと以外は実施例4と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Example 8)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Example 4 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は26.6(g)であり、GaN結晶の成長速度は112.45(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は6.5(g)であり、GaN結晶の成長速度は27.48(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(実施例9)
図8に示す結晶成長炉のサセプタ5にヒータを組み込み、対向面3と側面4の内部に冷却用のガスを循環させる配管を組み込んだ。サセプタ5と対向面3の温度を測定するために成長室1の中心軸上に熱電対を組み込んだ。
Example 9
A heater was incorporated in the
そして、ガス条件、および結晶成長炉の個々の部材の寸法条件については実施例4と同一の条件とし、温度条件に関しては、ヒータ17による成長室1の加熱温度を800℃とし、サセプタ5に組み込まれたヒータによってサファイア基板6aの表面温度を1050℃に加熱した。
The gas conditions and the dimensional conditions of the individual members of the crystal growth furnace are the same as those in the fourth embodiment. Regarding the temperature conditions, the heating temperature of the
このような条件で実施例4と同様にしてGaN結晶を成長させた。なお、本実施例では、冷却用のガスを循環させておらず、冷却用のガスを循環させなかったときの対向面3の温度が830℃(すなわち、III族塩化物ガスの噴出口8の温度も830℃)の条件でGaN結晶を成長させた。なお、ヒータ17による加熱温度は800℃であったが、サセプタ5に組み込まれたヒータによっても対向面3は加熱されて830℃となったようであった。
A GaN crystal was grown under the same conditions as in Example 4. In this embodiment, the cooling gas is not circulated, and the temperature of the facing
そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表2に示す。 Then, in the same manner as in Example 1, the growth mass (g) and the growth rate (μm / h) of the grown GaN crystal were investigated. Table 2 shows the results of the growth mass and growth rate of the GaN crystal in this example.
表2に示すように、実施例9におけるGaN結晶の成長質量は15.1(g)であり、GaN結晶の成長速度は63.84(μm/h)であった。実施例9におけるGaN結晶の成長速度は、実施例4において対向面3と側面4の加熱を行なった場合のGaN結晶の成長速度とほぼ同じであった。
As shown in Table 2, the growth mass of the GaN crystal in Example 9 was 15.1 (g), and the growth rate of the GaN crystal was 63.84 (μm / h). The growth rate of the GaN crystal in Example 9 was almost the same as the growth rate of the GaN crystal when the facing
(実施例10)
実施例9と同一構成の結晶成長炉を用い、さらに、対向面3と側面4の内部に冷却用のガスを循環させることによって、対向面3の温度を750℃に制御(すなわち、III族塩化物ガスの噴出口8の温度も750℃に制御)しながらGaN結晶を成長させた。その他の成長条件は実施例9と同一にした。
(Example 10)
The crystal growth furnace having the same configuration as that of Example 9 was used, and the temperature of the opposing
そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表2に示す。 Then, in the same manner as in Example 1, the growth mass (g) and the growth rate (μm / h) of the grown GaN crystal were investigated. Table 2 shows the results of the growth mass and growth rate of the GaN crystal in this example.
表2に示すように、実施例10におけるGaN結晶の成長質量は16.8(g)であり、GaN結晶の成長速度は71.06(μm/h)であった。実施例10におけるGaN結晶の成長速度は、実施例4において対向面3と側面4の加熱を行なった場合のGaN結晶の成長速度と比べると若干大きくなっていた。
As shown in Table 2, the growth mass of the GaN crystal in Example 10 was 16.8 (g), and the growth rate of the GaN crystal was 71.06 (μm / h). The growth rate of the GaN crystal in Example 10 was slightly higher than the growth rate of the GaN crystal in the case where the facing
(比較例1)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを20cmに設定したことならびにアンモニアガスの流量およびアンモニアガスの希釈ガスとしての水素ガスの流量をそれぞれ2倍としたこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
The distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は0.2(g)であり、GaN結晶の成長速度は0.85(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は0.2(g)であり、GaN結晶の成長速度は0.85(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(比較例2)
サセプタ5の一主面2とIII族塩化物ガスの噴出口8との距離Lを15cmに設定したこと以外は比較例1と同一の方法および同一の条件によりGaN結晶を成長させた。そして、実施例1と同様にして、成長させたGaN結晶の成長質量(g)および成長速度(μm/h)について調査した。本実施例におけるGaN結晶の成長質量および成長速度の結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A GaN crystal was grown by the same method and the same conditions as in Comparative Example 1 except that the distance L between the
表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、GaN結晶の成長質量は0.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は1.69(μm/h)であった。また、表1に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合には、GaN結晶の成長質量は0.4(g)であり、GaN結晶の成長速度は1.69(μm/h)であった。
As shown in Table 1, when the facing
(評価)
表1から明らかなように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合および対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合のいずれにおいても、S/L/Vの値が0.1(s/cm2)以上である実施例1〜8においては、S/L/Vの値が0.1(s/cm2)未満である比較例1〜2と比べて、GaN結晶の成長質量が大きく増加していた。ここで、実施例1〜8および比較例1〜2においては、塩化ガリウムガスの導入量がすべて同一であることから、GaN結晶の成長質量が大きいほどGaの収率が向上していることを示していることになる。したがって、実施例1〜8においては、対向面3と側面4の加熱を行なった場合および対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合のいずれにおいても、比較例1〜2と比べて、Gaの収率が向上していることが確認された。
(Evaluation)
As is apparent from Table 1, the S / L / V value is 0.1 both in the case where the facing
また、表1から明らかなように、実施例1〜8において、対向面3と側面4の加熱を行なった場合は、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合と比べて、GaN結晶の成長質量が大きくなっており、Gaの収率が向上していることが確認された。
Further, as apparent from Table 1, in Examples 1 to 8, when the facing
図9に、対向面3と側面4の加熱を行なった場合および対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合の表1に示す実施例1〜8および比較例1〜2ならびに実施例9〜10のS/L/Vの値とGaN結晶の成長質量との関係をまとめた図を示す。なお、図9において、横軸はS/L/Vの値を示し、縦軸はGaN結晶の成長質量を示している。
FIG. 9 shows Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 2 and Example 9 shown in Table 1 when the facing
図9に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なった場合には、S/L/Vの値が0.1(s/cm2)未満の場合にはGaN結晶はほとんど成長していないが、0.1(s/cm2)以上になるとGaN結晶は大きく成長していることがわかる。そして、S/L/Vの値の増加とともにGaN結晶の成長質量が増加していることもわかる。これは、S/L/Vの値の増加とともに、Gaの収率が向上することを示している。
As shown in FIG. 9, when the facing
また、図9に示すように、対向面3と側面4の加熱を行なわなかった場合にも、S/L/Vの値が0.1(s/cm2)未満の場合にはGaN結晶はほとんど成長していないが、0.1(s/cm2)以上になるとGaN結晶は大きく成長していることがわかる。しかしながら、S/L/Vの値が0.5(s/cm2)に達するまではS/L/Vの値の増加とともにGaN結晶の成長質量も増加しているが、S/L/Vの値が0.55(s/cm2)を超えた場合には逆にGaN結晶の成長質量が減少している。これは、対向面側に成長するGaN結晶が増加したことによるものであると考えられる。
Further, as shown in FIG. 9, even when the facing
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は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で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.
本発明によれば、Gaの収率を向上することができるIII族窒化物結晶の成長方法およびその方法により得られるGaN結晶を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth method of the group III nitride crystal which can improve the yield of Ga, and the GaN crystal obtained by the method can be provided.
1 成長室、2 主面、3 対向面、4 側面、5 サセプタ、6 基板、6a サファイア基板、7 排気口、8 III族塩化物ガスの噴出口、9 アンモニアガスの噴出口、10,11,19,21 ガス導入管、14 第1垂線、15 第2垂線、16 Gaボート、17 ヒータ、18 回転軸、20 合成室、300 結晶成長炉。
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