JP4630986B2 - β-Ga2O3-based single crystal growth method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、β−Ga2O3系単結晶成長方法に関し、特にクラッキングや双晶化傾向を減少させ、結晶性を向上させたβ−Ga2O3系単結晶成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外領域での発光素子は、水銀フリーの蛍光灯の実現、クリーンな環境を提供する光触媒、より高密度記録を実現する新世代DVD等で特に大きな期待が持たれている。このような背景から、GaN系青色発光素子が実現されてきたが、更なる短波長化光源が求められており、近年、β−Ga2O3のバルク系単結晶の基板作製が検討されている。図7は、従来のβ−Ga2O3のバルク系単結晶により形成した基板200を示す。
【0003】
このような基板200の材料を製造するための従来の単結晶成長方法として、CZ法(Czochralski法)やFZ法(Floating Zone Technique)が知られている(例えば非特許文献1参照。)。
【0004】
CZ法は、以下のようにして行われる。先ず、原料としての純度4NのGa2O3粉末を充填したIrるつぼを石英管で覆い、アルゴンガスに酸素ガス1vol.%混合した混合ガスを石英管に流しながら高周波発振器によりIrるつぼを加熱し、Ga2O3粉末を溶解し、Ga2O3の多結晶溶解物を生成する。ついで、別途準備したβ−Ga2O3種結晶を、溶解したGa2O3に接触し、1mm/h、結晶回転数15rpmの速度でβ−Ga2O3種結晶を引上げ、β−Ga2O3単結晶の作製を行うものである。この方法によれば、大きな直径のβ−Ga2O3単結晶を成長させることができるという利点がある。
【0005】
FZ法は、上側の原料、例えば、β−Ga2O3多結晶の融液を下側のβ−Ga2O3種結晶で支えながら結晶を成長させる方法である。この方法によれば、容器を使用しないので、容器からの汚染が防げること、容器による使用雰囲気の制限が無いこと、容器と反応しやすい材料の育成ができること、等の利点がある。
【0006】
【非特許文献1】
M.Saurat,A.Revcolevschi,「Rev.Int.HautesTemper.et Refract.」1971年8号p.291
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のCZ法では、Ga2O3融液からの融液成分の激しい蒸発や著しい不安定成長のために、結晶成長を制御することが困難である。
【0008】
また、FZ法では、1cm2程度の単結晶が条件によっては得られるが、溶融帯からの激しい蒸発、急峻な温度勾配のために、双晶化、クラッキングが生じ、基板に必要とされる大型化、高品質化は困難であった。さらに、方位の定まっていないβ−Ga2O3単結晶で基板200を作製する場合、クラッキング201が生じるために、劈開面(100)以外の方位で切断することが非常に困難である。
【0009】
従って、本発明の目的は、大型化、高品質化の基板等に加工しても割れを生じにくいβ−Ga2O3系単結晶成長方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、β−Ga2O3系種結晶を準備し、β−Ga2O3系種結晶からa軸<100>方位、b軸<010>方位、又はc軸<001>方位にβ−Ga2O3系単結晶を成長させることを特徴とするβ−Ga2O3系単結晶成長方法を提供する。
【0011】
この構成によれば、クラッキング、双晶化傾向が減少し、結晶性が高くなり、加工性が良くなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の形態に係る赤外線加熱単結晶製造装置を示す。この赤外線加熱単結晶製造装置1は、FZ法(フローティングゾーン法)によりβ−Ga2O3単結晶を製造するものであり、石英管2と、β−Ga2O3種結晶(以下「種結晶」と略す。)7を保持・回転するシード回転部3と、β−Ga2O3多結晶素材(以下「多結晶素材」と略す。)9を保持・回転する素材回転部4と、多結晶素材9を加熱して溶融する加熱部5と、シード回転部3、素材回転部4および加熱部5を制御する制御部6とを有して概略構成されている。
【0013】
シード回転部3は、種結晶7を保持するシードチャック33と、シードチャック33に回転を伝える下部回転軸32と、下部回転軸32を正回転させるとともに、上下方向に移動させる下部駆動部31とを備える。
【0014】
素材回転部4は、多結晶素材9の上端部9aを保持する素材チャック43と、素材チャック43に回転を伝える上部回転軸42と、上部回転軸42を正逆回転させるとともに、上下方向に移動させる上部駆動部41とを備える。
【0015】
加熱部5は、多結晶素材9を径方向から加熱して溶融するハロゲンランプ51と、ハロゲンランプ51を収容し、ハロゲンランプの発光する光を多結晶素材9の所定部位に集光する楕円鏡52と、ハロゲンランプ51に電源を供給する電源部53とを備える。
【0016】
石英管2には、下部回転軸32、シードチャック33、上部回転軸42、素材チャック43、多結晶素材9、β−Ga2O3の単結晶8および種結晶7が収容される。石英管2は、酸素ガスと不活性ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給されて密閉できるようになっている。
【0017】
次に、本実施の形態に係るβ−Ga2O3単結晶成長方法を、図2、図3、図4を参照して説明する。
【0018】
(1)種結晶の作製
図2は、種結晶7の正面図を示す。種結晶7は、断面正方形の角柱状を呈し、種結晶7の一部がシードチャック33に保持される。種結晶7は、例えば、β−Ga2O3単結晶を劈開面に沿って切り出したものを使用する。種結晶7は、良好なβ−Ga2O3単結晶を成長させるため、成長結晶の5分の1以下の径または5mm2以下の断面積を有し、β−Ga2O3単結晶の成長の際に破損しない強度を有する。本実施の形態では、断面積を1〜2mm2とした。その軸方向は、a軸<100>方位、b軸<010>方位、あるいはc軸<001>方位である。なお、ここで、径とは、正方形の一辺、矩形の長辺あるいは円の直径等をいう。また、軸方向と各方位との誤差は、プラスマイナス10°の範囲内とするのが好ましい。
【0019】
図3(a)〜(d)は、本発明の実施の形態に係るβ−Ga2O3単結晶の成長過程を示し、図4は、本発明の実施の形態に係る単結晶を示す。なお、図3および図4ではシードチャック33は省略してある。
【0020】
(2)多結晶素材9の作製
まず、多結晶素材9を、以下のようにして作製しておく。すなわち、純度4NのGa2O3の粉末の所定量を図示しないゴム管に充填し、500MPaで冷間圧縮する。その後、1500℃で10時間焼結し、棒状の多結晶素材9を得る。
【0021】
(3)β−Ga2O3単結晶8の作製
次に、図1に示すように、種結晶7の一部をシードチャック33に保持し、棒状の多結晶素材9の上端部9aを素材チャック43に保持する。次に、図3(a)に示すように、上部回転軸42の上下位置を調節して種結晶7の上端7aと多結晶素材9の下端9bを接触させる。また、ハロゲンランプ51の光を種結晶7の上端7aと多結晶素材9の下端9bとの部位に集光するように、上部回転軸42および下部回転軸33の上下位置を調節する。石英管2の雰囲気2aは、窒素と酸素の混合気体(100%窒素から100%酸素の間で変化する)の全圧1気圧から2気圧に満たされている。
【0022】
操作者が図示しない電源スイッチをオンにすると、制御部6は、制御プログラムに従い、各部を制御して以下のように単結晶成長制御を行う。加熱部5に電源が投入されると、ハロゲンランプ51は、種結晶7の上端7aと多結晶素材9の下端9bの部位を加熱して、その加熱部位を溶解し、溶解滴8cを形成する。このとき、種結晶7のみを回転させておく。
ついで、多結晶素材9と種結晶7とが十分になじむように当該部を反対方向に回転させながら溶解する。図3(b)に示すように、適度のβ−Ga2O3単結晶の溶解物8’ができたときに、多結晶素材9の回転を停止し、種結晶7のみを回転させて多結晶素材9および種結晶7を互いに反対方向に引っ張り、種結晶7よりも細いダッシュネック8aを形成する。
ついで、種結晶7と多結晶素材9を20rpmで互いに反対方向に回転させながらハロゲンランプ51で加熱し、かつ、多結晶素材9を5mm/時間の割合で上部回転軸42により上方に引っ張る。ハロゲンランプ51により多結晶素材9を加熱すると、多結晶素材9は、溶解して溶解物8’を形成するとともに、それが冷却すると図3(c)に示すように、多結晶素材9と同等またはそれよりも小さな径のβ−Ga2O3単結晶8が生成する。適度の長さの単結晶を形成した後、図3(d)に示すように、生成したβ−Ga2O3単結晶8を取り出すためにβ−Ga2O3単結晶8の上部8bを細径化する。
【0023】
(4)基板の作製
図5は、β−Ga2O3単結晶8から形成した基板を示す。β−Ga2O3単結晶8は、b軸<010>方位に結晶成長させた場合には、(100)面の劈開性が強くなるので、(100)面に平行な面と垂直な面で切断して基板60を作製する。a軸<100>方位、c軸<001>方位に結晶成長させた場合は、(100)面、(001)の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はない。
【0024】
図6は、β−Ga2O3単結晶の単位格子を示す。β−Ga2O3単結晶は、8つのGa原子および12のO原子が、Ga(1),Ga(2),O(1),O(2),O(3)として示される。同図中、a,b,cは、それぞれa軸<100>方位、b軸<010>方位、c軸<001>方位を示す。
【0025】
次に、本実施の形態の効果を説明する。
(イ)所定の方向に結晶を成長させているので、直径1cm以上の大きなβ−Ga2O3単結晶8を得ることができる。
(ロ)このβ−Ga2O3単結晶8は、a軸<100>方位、b軸<010>方位、あるいはc軸<001>方位を結晶軸とすることにより、クラッキング、双晶化傾向が減少し、高い結晶性が得られる。
(ハ)また、このような結晶が、再現性よく生成できる。そのため、半導体等の基板としての利用価値も高い。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、β−Ga2O3種結晶7の代わりに、β−Ga2O3と同じ単斜晶系、空間群がC2/mに属するβ−Ga2O3のガリウム、インジウム、アルミニウム、錫、ゲルマニウム、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ハフニウム、タンタル、タングステン、ケイ素およびマグネシウムからなる群から選択される1または2以上の元素の酸化物を含むβ−Ga2O3固溶体からなるβ−Ga2O3系種結晶を用いてかかる固溶体からなるβ−Ga2O3系単結晶を成長させてもよい。これにより、紫外から青色の波長域で発光するLEDを実現できる。
また、窒素と酸素の混合気体として全圧が2気圧以上でFZ法を行うと、バブルの発生を抑えることができ、結晶成長過程をより安定化できる。
【0026】
また、単結晶8を上方に引っ張る必要があるとき、下部回転軸32を下げてもよい。また、ハロゲンランプ51を移動させるのではなく、下部回転軸32および上部回転軸42を移動させて加熱してもよい。ハロゲンランプの代わりに加熱コイルで加熱してもよい。
本発明は、不活性ガスとして窒素ガスを使用するものとして説明したが、窒素ガスの代わりにアルゴンを使用してもよい。
また、種結晶7は、断面長方形でもよく、角柱状の代わりに、円柱状や楕円柱状であってもよい。
なお、本発明は、FZ法以外に、EFG法(引上げ法であるCzochralski法を利用した形状制御結晶成長法)等の他の結晶成長法にも適用できる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、所定の方向にβ−Ga2O3系単結晶を成長させているため、クラッキング、双晶化傾向が減少し、結晶性の高いβ−Ga2O3系単結晶を得ることができる。
また、このような結晶性の高いβ−Ga2O3系単結晶を加工して得られた基板は、歩留りが高く、半導体等の基板として利用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る赤外線加熱単結晶製造装置の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態に係るβ−Ga2O3の種結晶の正面図である。
【図3】(a)〜(d)は、本発明の実施の形態に係るβ−Ga2O3単結晶の成長過程を示す。
【図4】本発明の実施の形態に係る単結晶生成物を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態に係るβ−Ga2O3単結晶基板を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態に係るβ−Ga2O3単結晶の原子配置を示す図である。
【図7】従来の単結晶基板を示す図である。
【符号の説明】
1 赤外線加熱単結晶製造装置
2 石英管
2a 雰囲気
3 シード回転部
4 素材回転部
5 加熱部
6 制御部
7 種結晶
8 β−Ga2O3単結晶
8a ダッシュネック
8b 単結晶の上部
8c 溶解滴
8’ 溶解物
9 多結晶素材
9a 多結晶素材の上端部
31 下部駆動部
32 下部回転軸
33 シードチャック
41 上部駆動部
42 上部回転軸
43 素材チャック
51 ハロゲンランプ
52 楕円鏡
53 電源部
60,200 基板
201 クラッキング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a β-Ga 2 O 3 single crystal growth method, and more particularly, to a β-Ga 2 O 3 single crystal growth method with improved cracking and twinning tendency and improved crystallinity.
[0002]
[Prior art]
Light-emitting elements in the ultraviolet region are particularly expected for the realization of mercury-free fluorescent lamps, photocatalysts that provide a clean environment, and new-generation DVDs that realize higher-density recording. Against this background, GaN-based blue light-emitting elements have been realized, but further light sources with shorter wavelengths have been demanded. In recent years, the production of β-Ga 2 O 3 bulk-based single crystals has been studied. Yes. FIG. 7 shows a
[0003]
CZ method (Czochralski method) and FZ method (Floating Zone Technique) are known as conventional single crystal growth methods for producing such a material of the substrate 200 (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0004]
The CZ method is performed as follows. First, an Ir crucible filled with 4N purity Ga 2 O 3 powder as a raw material was covered with a quartz tube, and
[0005]
The FZ method is a method of growing a crystal while supporting an upper raw material, for example, a β-Ga 2 O 3 polycrystal melt with a lower β-Ga 2 O 3 seed crystal. According to this method, since the container is not used, there are advantages such as prevention of contamination from the container, no limitation of the use atmosphere by the container, and growth of a material that easily reacts with the container.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
M.M. Saurat, A .; Rev. Co., Rev. Int. Hautes Temper. Et Refract., 1971, p. 291
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional CZ method, it is difficult to control crystal growth due to intense evaporation of the melt components from the Ga 2 O 3 melt and remarkable unstable growth.
[0008]
In addition, in the FZ method, a single crystal of about 1 cm 2 can be obtained depending on conditions, but due to intense evaporation from the melting zone and steep temperature gradient, twinning and cracking occur, and the large size required for the substrate High quality and high quality were difficult. Furthermore, when the
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a β-Ga 2 O 3 single crystal growth method that is less likely to crack even when processed into a large-sized, high-quality substrate or the like.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object, prepares the β-Ga 2 O 3 system seed crystal, a shaft <100> orientation from β-Ga 2 O 3 system seed crystal, b-axis <010> orientation or c providing β-Ga 2 O 3 single crystal growing method characterized by growing β-Ga 2 O 3 system single crystal in the axial <001> orientation.
[0011]
According to this configuration, cracking and twinning tendencies are reduced, crystallinity is increased, and workability is improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an infrared heating single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. This infrared heating single
[0013]
The
[0014]
The material rotating
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
Next, the β-Ga 2 O 3 single crystal growth method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0018]
(1) Production of Seed Crystal FIG. 2 shows a front view of the
[0019]
3A to 3D show the growth process of the β-Ga 2 O 3 single crystal according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows the single crystal according to the embodiment of the present invention. 3 and 4, the
[0020]
(2) Production of
[0021]
(3) Production of β-Ga 2 O 3 Single Crystal 8 Next, as shown in FIG. 1, a part of the
[0022]
When the operator turns on a power switch (not shown), the
Next, the
Next, the
[0023]
(4) Production of Substrate FIG. 5 shows a substrate formed from the β-Ga 2 O 3
[0024]
FIG. 6 shows a unit cell of a β-Ga 2 O 3 single crystal. In the β-Ga 2 O 3 single crystal, 8 Ga atoms and 12 O atoms are shown as Ga (1), Ga (2), O (1), O (2), O (3). In the figure, a, b, and c indicate the a-axis <100> orientation, the b-axis <010> orientation, and the c-axis <001> orientation, respectively.
[0025]
Next, the effect of this embodiment will be described.
(A) Since the crystal is grown in a predetermined direction, a large β-Ga 2 O 3
(B) This β-Ga 2 O 3
(C) In addition, such crystals can be generated with good reproducibility. Therefore, the utility value as a substrate of a semiconductor or the like is high.
In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible.
For example, instead of the β-Ga 2 O 3
Further, when the FZ method is performed with a total pressure of 2 atm or more as a mixed gas of nitrogen and oxygen, generation of bubbles can be suppressed, and the crystal growth process can be further stabilized.
[0026]
Further, when the
Although the present invention has been described as using nitrogen gas as an inert gas, argon may be used instead of nitrogen gas.
Further, the
In addition to the FZ method, the present invention can also be applied to other crystal growth methods such as an EFG method (a shape-controlled crystal growth method using a Czochralski method which is a pulling method).
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the β-Ga 2 O 3 single crystal is grown in a predetermined direction, so that cracking and twinning tendency are reduced, and β-Ga 2 O having high crystallinity is obtained. A three- system single crystal can be obtained.
In addition, a substrate obtained by processing such a β-Ga 2 O 3 single crystal having high crystallinity has a high yield and is highly usable as a substrate for a semiconductor or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an infrared heating single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a β-Ga 2 O 3 seed crystal according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3D show a growth process of a β-Ga 2 O 3 single crystal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a single crystal product according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a β-Ga 2 O 3 single crystal substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an atomic arrangement of a β-Ga 2 O 3 single crystal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a conventional single crystal substrate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記β−Ga2O3系種結晶からa軸<100>方位、b軸<010>方位、又はc軸<001>方位にβ−Ga2O3系単結晶を成長させることを特徴とするβ−Ga2O3系単結晶成長方法。A β-Ga 2 O 3 based seed crystal is prepared,
A β-Ga 2 O 3 based single crystal is grown from the β-Ga 2 O 3 based seed crystal in the a-axis <100> orientation, the b-axis <010> orientation, or the c-axis <001> orientation. A β-Ga 2 O 3 -based single crystal growth method.
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