JP4656438B2 - Single crystal GaN substrate manufacturing method and single crystal GaN substrate - Google Patents

Single crystal GaN substrate manufacturing method and single crystal GaN substrate Download PDF

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Description

3−5族窒化物系化合物半導体からなる発光ダイオード(LED)や半導体レ−ザ(LD)などの発光デバイスなどに用いられる単結晶GaN基板の製造方法、及びそれにより得られる単結晶GaN基板に関する。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal GaN substrate used for a light emitting device such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD) made of a group 3-5 nitride compound semiconductor, and a single crystal GaN substrate obtained thereby. .

窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、青色LEDに関しては、すでに実用化がなされている。従来、窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、ほとんどが基板としてサファイヤ(Al)を用いていた。サファイヤ基板の上にGaN、GaInNの薄膜をエピ成長させていた。サファイヤはGaNの成長に適し、非常に安定な基板材料である。この点はサファイヤの優れた点である。 Light emitting devices using nitride-based semiconductors have already been put into practical use for blue LEDs. Conventionally, most light emitting devices using nitride-based semiconductors use sapphire (Al 2 O 3 ) as a substrate. A GaN or GaInN thin film was epitaxially grown on the sapphire substrate. Sapphire is a very stable substrate material suitable for GaN growth. This is an excellent point of sapphire.

しかしサファイヤは非常に硬い材料である。しかもLDで共振器を作る時に好都合な劈開性がない。自然劈開しないから機械的にウエハを切断してチップに分割しなければならない。発光ダイオード製造工程ではダイシング工程でコスト高を招くという欠点がある。半導体レ−ザ製造においては劈開による反射面(共振器)を作製できないので品質面での問題およびコスト高を招いていた。   But sapphire is a very hard material. Moreover, there is no convenient cleavage when making a resonator with an LD. Since it does not cleave naturally, the wafer must be mechanically cut into chips. In the light emitting diode manufacturing process, there is a drawback that the dicing process increases the cost. In the production of semiconductor lasers, a reflective surface (resonator) cannot be produced by cleaving, resulting in quality problems and high costs.

またサファイヤは、絶縁性の基板である。サファイヤを基板とするLEDは、通常のLEDのように、デバイスの上下で電極をとることができない。プロセス的にも、エッチングによってチップの一部を除き、下層部の面出しをして電極を設け、デバイスを作製する必要性がある。またエッチング後に、横方向に電流を流すための比較的厚い導電層を成長させる必要がある。これらの工程が工程数、工程時間を増加させコスト高を招いていた。さらに同一面に電極を2箇所形成する必要性があり大きいチップ面積を必要とする。この点からもコスト増を招いていた。   Sapphire is an insulating substrate. An LED using a sapphire as a substrate cannot take electrodes on the top and bottom of the device, unlike a normal LED. Also in terms of process, it is necessary to remove a part of the chip by etching and to provide a surface by exposing the lower layer portion to produce a device. Further, after etching, it is necessary to grow a relatively thick conductive layer for passing a current in the lateral direction. These processes increase the number of processes and process time, resulting in high costs. Furthermore, it is necessary to form two electrodes on the same surface, and a large chip area is required. This also led to an increase in cost.

サファイヤ基板にはこのような難点があるので、GaN系発光素子の基板として、SiC基板利用の可能性が提案された。SiCは劈開性がある。自然劈開によってLEDのチップへの分割は容易になる。半導体レ−ザの共振器を自然劈開によって形成できる。また導電性があるからチップの上下に電極を配分できる。だからプロセス的により便利である。しかしながらSiC基板は極めて高価である。製造量も少なく供給に難点がある。それ以上にSiC基板には結晶品質に問題があって、GaN系半導体の基板としては最適でない。   Since sapphire substrates have such difficulties, the possibility of using SiC substrates as substrates for GaN-based light emitting devices has been proposed. SiC has a cleavage property. Dividing the LED into chips is facilitated by natural cleavage. A semiconductor laser resonator can be formed by natural cleavage. Moreover, since it is conductive, the electrodes can be distributed above and below the chip. So it is more convenient in terms of process. However, SiC substrates are very expensive. The production volume is small and there are difficulties in supply. Furthermore, the SiC substrate has a problem in crystal quality and is not optimal as a substrate for a GaN-based semiconductor.

サファイヤもそうなのであるが、SiCのような異質の基板を用いると、GaNと基板材料との間の格子定数のミスマッチが、エピタキシャル層中に転位などの欠陥を数多く導入するという問題がある。現に現在市販されているサファイヤ基板を用いたデバイスのGaNエピタキシャル層中には1×10cm−2程度の夥しい数の転位が存在すると言われている。 As with sapphire, when a heterogeneous substrate such as SiC is used, there is a problem that a mismatch of lattice constant between GaN and the substrate material introduces many defects such as dislocations in the epitaxial layer. It is said that a large number of dislocations of about 1 × 10 9 cm −2 are present in a GaN epitaxial layer of a device using a sapphire substrate that is currently commercially available.

サファイヤに比べ多少転位密度が小さいながらも、SiC基板を用いる場合は、1×10cm−2程度以上の転位が存在すると言われている。大量の転位はLEDとしては実用化に大きな支障にはなっていない。が、電流密度が格段に大きい半導体レ−ザ(LD)の場合は、これらの欠陥が半導体レ−ザの長寿命化を阻害する原因になることが明らかになってきた。
これらの理由から、サファイヤ基板、SiC基板は青色発光素子(LED、LD)の基板としてなお最適でないことがわかる。
Although the dislocation density is somewhat smaller than that of sapphire, it is said that there are dislocations of about 1 × 10 8 cm −2 or more when using a SiC substrate. A large amount of dislocations does not hinder the practical application of LEDs. However, in the case of a semiconductor laser (LD) having a remarkably large current density, it has become clear that these defects cause an increase in the life of the semiconductor laser.
For these reasons, it can be seen that sapphire substrates and SiC substrates are still not optimal as substrates for blue light emitting elements (LEDs, LDs).

最も理想的な基板はGaN単結晶である。GaN単結晶基板が得られれば、結晶格子のミスマッチの問題は全くなくなる。しかもGaNは劈開性を有し、導電性も得られる。まことに好都合であるはずである。しかしながら結晶製造技術がなお熟していない。デバイス製造のための基板として使用できる実用的なサイズを持ったGaN単結晶基板を製造することが困難である。   The most ideal substrate is a GaN single crystal. If a GaN single crystal substrate is obtained, the problem of crystal lattice mismatch is completely eliminated. Moreover, GaN has a cleavage property and can also be conductive. It should be very convenient. However, the crystal production technology is still not mature. It is difficult to manufacture a GaN single crystal substrate having a practical size that can be used as a substrate for device manufacturing.

平衡状態を保ちつつ超高圧下でGaN結晶の合成が可能だと言われている。しかし大きいGaN結晶を超高圧下で合成できない。だからこの方法では大型のGaN基板を作ることができない。商業ベースでのGaN基板供給はこの方法では実現できない。   It is said that GaN crystals can be synthesized under ultra-high pressure while maintaining an equilibrium state. However, large GaN crystals cannot be synthesized under ultra high pressure. Therefore, this method cannot make a large GaN substrate. Commercial GaN substrate supply is not feasible with this method.

上述の技術的な問題点を検討した結果、サファイヤ基板上で窓付きのマスク層を通してGaNを気相成長させ、転位欠陥を低減する方法が提案している。(非特許文献1、非特許文献2)   As a result of examining the above technical problems, a method for reducing dislocation defects by vapor-phase growth of GaN on a sapphire substrate through a mask layer with a window has been proposed. (Non-patent document 1, Non-patent document 2)

さらに、本発明者は既にGaAs基板上で窓付きのマスク層を通してGaNを気相成長し、さらにGaN基板を得る方法を発明した。(特許文献1及び特許文献2)   Furthermore, the present inventor has already invented a method for obtaining a GaN substrate by vapor-phase growth of GaN on a GaAs substrate through a mask layer with a window. (Patent Document 1 and Patent Document 2)

これによれば比較的低い結晶欠陥密度の広い面積のGaN結晶を成長させることができる、と言う。これをエピタキシャルラテラルオーバーグロース(Epitaxial Lateral Overgrowth:ELO)と言う。ここでは単にラテラル成長法と言う。   According to this, it can be said that a GaN crystal having a relatively low crystal defect density and a large area can be grown. This is called “Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO)”. This is simply called the lateral growth method.

具体的には、HVPEなどの気相合成法によりGaAs基板上にストライプ窓や円形窓を多数有するマスクを形成し、その上にGaNをラテラル成長させた後、GaAs基板を除去することによってGaN基板を得るという方法である。   Specifically, a GaN substrate is formed by forming a mask having a large number of stripe windows and circular windows on a GaAs substrate by a vapor phase synthesis method such as HVPE, laterally growing GaN on the mask, and then removing the GaAs substrate. It is a method of getting.

図1によってHVPE法を説明する。縦長の炉1の内部上方にGaボート2が設けられる。これにはGa融液3が収容される。炉1の下方にはサセプタ4が昇降回転自在に設けられる。サセプタ4の上にGaAs基板5が戴置される。炉1の周囲にはヒ−タ6があって炉1を加熱する。炉1の上方にあるガス導入口7から水素ガスとHClガスの混合ガスが導入される。HClがGaと反応してGaClを合成しGaClがガス状となって下方へ流れる。ガス導入口8から水素ガスとNHガスの混合ガスが導入される。これはGaClと反応してGaNを合成しGaAs基板5の上に堆積する。排ガスはガス出口9から排除される。 The HVPE method will be described with reference to FIG. A Ga boat 2 is provided above the inside of the vertically long furnace 1. This contains Ga melt 3. A susceptor 4 is provided below the furnace 1 so as to be rotatable up and down. A GaAs substrate 5 is placed on the susceptor 4. There is a heater 6 around the furnace 1 to heat the furnace 1. A mixed gas of hydrogen gas and HCl gas is introduced from a gas inlet 7 located above the furnace 1. HCl reacts with Ga to synthesize GaCl, and GaCl becomes gaseous and flows downward. A mixed gas of hydrogen gas and NH 3 gas is introduced from the gas inlet 8. This reacts with GaCl to synthesize GaN and deposit it on the GaAs substrate 5. The exhaust gas is removed from the gas outlet 9.

ラテラル成長法について図2〜図4によって説明する。これは特許文献1、特許文献2に詳しく述べられている。GaAs(111)基板の上に窓付きマスクを形成し窓を通してGaNをエピ成長させる。図2は四角窓付きのマスクをGaAs基板上に形成したものの平面図である。GaAsウエハ(基板)10の表面の全体を薄いマスク11によって被覆する。マスク11の材料はGaNがその上に直接に成長しないような性質を持つものを使用する。マスク11には規則正しく窓12が開いている。窓は隣接する3つの窓が正三角形を形成するような位置に設ける。窓はある方向に間隔Lを置いて配列される。隣接する列との間隔は31/2L/2であり、隣接列の窓はL/2だけ列方向にずれている。これは四角窓であるが、丸窓を設ける場合もある。 The lateral growth method will be described with reference to FIGS. This is described in detail in Patent Document 1 and Patent Document 2. A mask with a window is formed on the GaAs (111) substrate, and GaN is epitaxially grown through the window. FIG. 2 is a plan view of a mask having a square window formed on a GaAs substrate. The entire surface of the GaAs wafer (substrate) 10 is covered with a thin mask 11. The mask 11 is made of a material that does not allow GaN to grow directly on it. The windows 11 are regularly opened in the mask 11. The windows are provided at positions where three adjacent windows form an equilateral triangle. The windows are arranged at intervals L in a certain direction. The interval between adjacent columns is 3 1/2 L / 2, and the windows of adjacent columns are shifted in the column direction by L / 2. This is a square window, but a round window may be provided.

図3はマスクにストライプ状窓を開けたものを示す。これも前例と同じでGaAs基板10の上にGaNが成長しないマスク11を被覆し、窓12を正三角形の頂点の位置に設けたものである。違うのは窓の形状である。これは長方形状の窓を開けてマスクとなっている。ストライプ窓と呼んでいる。   FIG. 3 shows a mask with a striped window opened. This is also the same as the previous example, in which a mask 11 on which GaN does not grow is coated on a GaAs substrate 10 and a window 12 is provided at the apex of an equilateral triangle. The difference is the shape of the window. This is a mask that opens a rectangular window. This is called a striped window.

このようなマスクを付けてから前述のHVPE法などによってGaAsウエハ10の上にGaNを成長させる。図4はGaAs基板上のGaNの堆積の様子を示す。図4(1)はマスク11を設けたGaAs基板10の断面を示す。成長前の状態である。GaNを合成するとGaAsが露呈している窓の部分にのみ選択的にGaN層が成長する。マスクはGaNの成長を阻む作用がありその上に成長できない。図4(2)のようにマスク11の高さよりも高く成長すると角錐状のGaN隆起部13になってゆく。これは{11−22}面を持つ角錐である。   After attaching such a mask, GaN is grown on the GaAs wafer 10 by the aforementioned HVPE method or the like. FIG. 4 shows how GaN is deposited on a GaAs substrate. FIG. 4A shows a cross section of the GaAs substrate 10 provided with the mask 11. It is a state before growth. When GaN is synthesized, a GaN layer grows selectively only in the window portion where GaAs is exposed. The mask has an effect of inhibiting the growth of GaN and cannot grow on it. When growing higher than the height of the mask 11 as shown in FIG. 4B, a pyramidal GaN raised portion 13 is formed. This is a pyramid with a {11-22} plane.

細線は貫通転位14を示す。層の成長とともに転位14は成長方向に延びて行く。転位が、積み重なってゆく層を貫通して延びて行くので貫通転位と言う。貫通転位14は上向きに延びる。結晶の方位は下地のGaAsによって決まるがマスク列方向が[10−10]に、マスク列と直交する方向が[1−210]方向である。成長の方向は[0001]でありこれはc軸成長である。   The thin line indicates threading dislocations 14. As the layer grows, the dislocations 14 extend in the growth direction. Dislocations are called threading dislocations because they extend through the stacking layers. The threading dislocation 14 extends upward. The crystal orientation is determined by the underlying GaAs, but the mask row direction is [10-10] and the direction perpendicular to the mask row is the [1-210] direction. The direction of growth is [0001], which is c-axis growth.

それ以上に層が厚くなるとマスクの上にはみ出てゆく。優先的に現れる傾斜面は{11−22}面である。基板面に平行でない明確な面指数を持った面であるからファセット面と言う。図4(3)に示す通りである。これはマスクの上に成長しているのでなくGaN隆起層13の横から水平にGaNが成長しているのである。この間では水平延長層15の高さはしばらく一定である。マスク11を越えて成長させるのでオーバーグロースという命名をしている。貫通転位14も横へ延びる。   If the layer becomes thicker than that, it will protrude onto the mask. The inclined surface that appears preferentially is the {11-22} plane. It is called a faceted surface because it has a clear surface index that is not parallel to the substrate surface. This is as shown in FIG. This is because GaN is grown horizontally from the side of the GaN raised layer 13 instead of growing on the mask. During this time, the height of the horizontal extension layer 15 is constant for a while. Since it grows beyond the mask 11, it is named overgrowth. The threading dislocation 14 also extends laterally.

窓から横方向へはみ出してマスク上を成長した部分において、貫通転位が非常に小さいということが非特許文献1、非特許文献2によって報告されている。通常c軸方向に成長する場合、転位もc軸方向に延びる。ところがマスク窓から垂直方向(c軸方向)に成長した後、横方向に成長するに当たり、転位の向きが垂直方向から水平方向へ転換され、特に横方向に成長した領域でC面(0001)に垂直な方向の貫通転位が減少することを非特許文献1、非特許文献2は主張している。   It is reported by Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 that threading dislocations are very small in the portion that protrudes laterally from the window and grows on the mask. Usually, when growing in the c-axis direction, dislocations also extend in the c-axis direction. However, after growing in the vertical direction (c-axis direction) from the mask window, the direction of dislocation is changed from the vertical direction to the horizontal direction when growing in the lateral direction, and in particular in the region grown in the lateral direction, the C plane (0001). Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 claim that threading dislocations in the vertical direction are reduced.

やがて窓と隣接窓の中点でGaN水平延長層15のファセット面16{11−22}面が衝突する。さらに横方向成長することによって隣接窓から発生した水平延長層が合体する。合体することによって{11−22}ファセット面16が消失する。合体した部分に転位の集積する面状欠陥部17ができる。ファセット面16が消えた後、C面(0001)面において、二次元的な成長が行われ鏡面状の成長が進行する。以後、GaN層18は上向きに成長する。細い貫通転位は再び上向きに延び始める。この貫通転位については後ほど再び説明する。   Eventually, the facet 16 {11-22} plane of the GaN horizontal extension layer 15 collides at the midpoint between the window and the adjacent window. Furthermore, the horizontal extension layer generated from the adjacent window is united by lateral growth. By merging, {11-22} facet surface 16 disappears. A planar defect portion 17 in which dislocations are accumulated is formed in the merged portion. After the facet plane 16 disappears, two-dimensional growth is performed on the C plane (0001) plane, and specular growth proceeds. Thereafter, the GaN layer 18 grows upward. Narrow threading dislocations begin to extend upward again. This threading dislocation will be described again later.

上向き(c軸方向)のエピタキシャル成長が進行し膜厚が140μm程度に増加すると面状欠陥部16が消滅するということも報告されている(非特許文献1、非特許文献2)。   It has also been reported that the planar defects 16 disappear when the upward (c-axis direction) epitaxial growth proceeds and the film thickness increases to about 140 μm (Non-patent Documents 1 and 2).

図5は同じGaN層成長を図示している。図5(1)は窓付きマスク11をGaAs基板(111)10に形成した状態である。GaNのエピタキシャル成長を長時間持続するとマスク11の高さを大きく越えてGaNインゴット18が成長してゆく。これが図5(2)で示した状態である。成長方向は[0001]方向であり上面は(0001)面つまりC面である。上面は平坦の部分もあるが多少の凹凸もあってよい。厚いGaNインゴット18が成長できると炉から取り外して、GaAs基板10、マスク11を除去する。インゴット18をC面(成長面)に平行にスライスしてC面を表面とする数多くのGaNウエハ(基板)を得る。さらにウエハを研削加工、研磨加工してミラーウエハ19とする。これらのウエハはC面を持つウエハである。劈開面はC面に直交するからチップ切断、LD共振器作製に有利である。   FIG. 5 illustrates the same GaN layer growth. FIG. 5A shows a state in which the windowed mask 11 is formed on the GaAs substrate (111) 10. When the epitaxial growth of GaN is continued for a long time, the GaN ingot 18 grows greatly exceeding the height of the mask 11. This is the state shown in FIG. The growth direction is the [0001] direction, and the upper surface is the (0001) plane, that is, the C plane. The upper surface has a flat portion, but may have some unevenness. When the thick GaN ingot 18 can be grown, the GaAs substrate 10 and the mask 11 are removed from the furnace. A large number of GaN wafers (substrates) having the C plane as a surface are obtained by slicing the ingot 18 parallel to the C plane (growth plane). Further, the wafer is ground and polished to obtain a mirror wafer 19. These wafers are C-plane wafers. Since the cleavage plane is orthogonal to the C plane, it is advantageous for chip cutting and LD resonator fabrication.

図5の手法はGaAs基板から直接にGaNウエハを作るものであるが別の方法もある。   The method of FIG. 5 is to make a GaN wafer directly from a GaAs substrate, but there is another method.

特許文献3は図5の工程で製造したGaN基板19を種結晶としてHVPE法などでさらにGaN結晶を成長させてGaNインゴットを作製し、インゴットを薄く切ってGaN基板(ウエハ)を量産する方法である。これもC面の種結晶にc軸方向[0001]にGaNを結晶成長させて、インゴットを得て、(0001)面に平行に切断してC面のウエハを得るものである。 Patent Document 3 is a method of mass-producing a GaN substrate (wafer) by making a GaN ingot by further growing a GaN crystal by the HVPE method or the like using the GaN substrate 19 manufactured in the process of FIG. is there. In this method, GaN is grown on the C-plane seed crystal in the c-axis direction [0001] to obtain an ingot, which is cut in parallel to the (0001) plane to obtain a C-plane wafer.

本発明者のこれらの新しい方法によって、GaN単結晶基板を商業ベースで製造することが初めて可能になった。   These new methods of the inventor made it possible for the first time to produce GaN single crystal substrates on a commercial basis.

そのようにして作製したGaN基板にはなお問題があった。最大の問題は、基板表面に貫通転位が残るということであった。成長表面が、平面状で成長する場合、貫通転位は消えることなく結晶表面に垂直に延びていく。結晶層の成長とともに、貫通転位自身も垂直方向に成長するのである。その結果、成長表面には常に貫通転位が存在する。   There was still a problem with the GaN substrate thus fabricated. The biggest problem was that threading dislocations remained on the substrate surface. When the growth surface grows in a planar shape, threading dislocations extend perpendicular to the crystal surface without disappearing. As the crystal layer grows, the threading dislocation itself grows in the vertical direction. As a result, there are always threading dislocations on the growth surface.

通常のラテラルオーバーグロースでは、成長方向が横向きに変換される成長初期においては、マスク上の成長部分に貫通転位の少ない領域ができる(図4(4))。
それは結構なのであるが、そのまま低転位でない。さらに上向きに厚く数十μm以上の成長を行うと貫通転位は上向きに延長方向を転ずる。厚さ140μmでは面状欠陥部17が消滅する。つまり、集約された貫通転位が分散し数を増やすように働く。だからエピ層の厚さの増加とともに、転位が広がってゆく。表面は平坦な鏡面であるが、転位密度は増える。
In normal lateral overgrowth, at the initial stage of growth when the growth direction is changed to the horizontal direction, a region with little threading dislocations is formed in the growth portion on the mask (FIG. 4 (4)).
That's fine, but it's not a low dislocation. Further, when the growth is thick and tens of μm or more upward, the threading dislocations turn upward in the extension direction. When the thickness is 140 μm, the planar defect 17 disappears. That is, the aggregated threading dislocations are dispersed and work to increase the number. Therefore, dislocations spread with increasing epilayer thickness. Although the surface is a flat mirror surface, the dislocation density increases.

積層部の厚みが数cmになると、通常1×10cm−2程度の大きい貫通転位密度を有する転位群が表面上に存在するようになる。転位の向きが横向きになって一旦減少した転位密度が縦方向成長になり膜厚が増えると転位が再び増えてゆく。そのような高い転位密度を持つGaN基板の上にエピタキシャル成長によってレ−ザを形成した場合、転位から劣化が進行し、長寿命化は困難である。 When the thickness of the laminated portion is several cm, a dislocation group having a large threading dislocation density of about 1 × 10 7 cm −2 usually exists on the surface. The dislocation density once decreased due to the dislocation direction being laterally grown becomes the vertical growth, and the dislocation increases again as the film thickness increases. When a laser is formed by epitaxial growth on a GaN substrate having such a high dislocation density, deterioration proceeds from the dislocation and it is difficult to extend the life.

そこで本発明者はこのような成長様式を詳しく検討した。以降の記述において、通常のc軸方向エピ成長で現れる平坦な(0001)面、すなわちC面での二次元的成長と傾斜面を持つ成長を区別するため、C面以外のファセット面を端にファセット面と呼びC面は成長面と言う。図4(4)のように膜厚が6μm程度でマスク上でファセット面{11−22}面が合体する。ここで転位密度が減少する。合体して平坦成長面(C面)を鏡面に維持しつつ成長させる。最終の膜厚が0.2mm〜0.6mmのものを作製し、それぞれの試料について転位密度を測定した。   Therefore, the present inventor has examined such a growth mode in detail. In the following description, in order to distinguish between a flat (0001) plane appearing in normal c-axis direction epi growth, that is, two-dimensional growth on the C plane and growth having an inclined plane, facet planes other than the C plane are used as ends. It is called the facet plane and the C plane is the growth plane. As shown in FIG. 4 (4), the facet plane {11-22} planes are combined on the mask with a film thickness of about 6 μm. Here, the dislocation density decreases. Combine and grow while maintaining the flat growth surface (C surface) as a mirror surface. The final film thickness was 0.2 mm to 0.6 mm, and the dislocation density was measured for each sample.

ラテラルオーバーグロースによって転位密度は減少したが、それでも1×10cm−2を越える値である。この原因は、マスク上の合体部(図4(4))で一旦集合して転位密度が減るが、膜厚の増大とともに、転位束がばらばらになって再び転位密度が増大するのだと考えられる。 Although the dislocation density decreased due to the lateral overgrowth, it still exceeds 1 × 10 7 cm −2 . The cause of this is thought to be that the dislocation density decreases once aggregated at the merged portion (FIG. 4 (4)) on the mask, but as the film thickness increases, the dislocation bundles become scattered and the dislocation density increases again. It is done.

二次元的な(鏡面を維持した)成長をするかぎり転位はc軸方向に伸び続ける。一旦発生した転位は消滅しない。二次元的な成長には転位消滅機構はないのである。そこで積極的に転位を消滅させる方法を開発する必要があった。本発明者は、転位の消滅機構を結晶中に設けたまま結晶成長させる方法が可能ではないか?と考えた。その結果次の発明を想到した。   As long as the growth is two-dimensional (maintaining the mirror surface), the dislocation continues to extend in the c-axis direction. Dislocations once generated do not disappear. There is no dislocation annihilation mechanism in two-dimensional growth. Therefore, it was necessary to develop a method for eliminating dislocations actively. Is it possible for the present inventor to grow a crystal with a dislocation elimination mechanism provided in the crystal? I thought. As a result, the following invention has been conceived.

特許文献4は、GaN基板において、低転位化をはかるために成長表面を平面状態(鏡面)ではなく、三次元的なファセット構造を作り、ファセット構造を埋め込まないで成長するようにしたものである。ファセットを埋め込まないで成長することにより、特にファセットによるピットを形成することによって、転位をピット部分に集中させ、全体を低転位化する巧妙な成長方法である。   In Patent Document 4, in order to reduce dislocations in a GaN substrate, the growth surface is not in a planar state (mirror surface), but a three-dimensional facet structure is formed, and growth is performed without embedding the facet structure. . By growing without embedding facets, particularly by forming facet pits, this is a clever growth method that concentrates dislocations in the pits and lowers the overall dislocations.

この発明は、ファセット構造をGaN表面に持たせ、ファセット面を利用して、ラテラル成長により転位を移動させ、例えばピット底の芯部に転位を集める。それにより結晶内全体を、低転位化するものである。これはまことに巧みな方法であって転位を纏めて束にすることによって、みかけの転位密度を減少させている。転位自体が消滅するのでないが、集約されるので転位密度が著しく減少しているようにみえる。   In the present invention, a facet structure is provided on the GaN surface, dislocations are moved by lateral growth using the facet surface, and the dislocations are collected, for example, at the core of the pit bottom. Thereby, the entire crystal is lowered in dislocation. This is a truly clever method that reduces the apparent dislocation density by bundling dislocations together. Although the dislocations themselves do not disappear, the dislocation density seems to be significantly reduced because they are aggregated.

しばらく従来技術の説明から離れる。
[結晶方位の指定]
GaNは六方晶系であり結晶方位の指定方法がやや難しい。本発明は六方晶系の方位に関する表現をいくつも使う。混乱があってはいけない。ここで結晶方位について簡単に説明する。六方晶系の場合120度をなす3つの軸のうち二つをa軸、b軸と呼び、これらの軸と直交する軸をc軸と言う。3つの軸は等価な軸であるから残りの軸をここでは例えばd軸と言うことにする。3つの面指数を用いる表現法と、4つの面指数を用いる表現法がある。ここでは4面指数による表現を用いる。a軸の長さをaとしc軸の長さをcとする。a/cの比は六方晶系でも物質によって異なる。
I will leave the explanation of the prior art for a while.
[Specify crystal orientation]
GaN is a hexagonal system, and the crystal orientation designation method is somewhat difficult. The present invention uses several expressions for hexagonal orientations. There should be no confusion. Here, the crystal orientation will be briefly described. In the case of the hexagonal system, two of the three axes forming 120 degrees are called an a axis and a b axis, and an axis orthogonal to these axes is called a c axis. Since the three axes are equivalent axes, the remaining axes will be referred to as, for example, the d-axis here. There are expression methods using three surface indices and expression methods using four surface indices. Here, the expression with a four-plane index is used. The a-axis length is a, and the c-axis length is c. The ratio of a / c varies depending on the substance even in the hexagonal system.

面指数の定義を述べる。原点に最も近い1枚目の結晶面が3つの等価な軸a、b,dをa/h、b/k、d/mで切り、c軸をc/nで切る場合に面指数を(hkmn)によって表現する。指数h、k、m、nは整数である。面指数を表現する場合括弧の中にカンマを打たない。 図6はabd平面での面指数の定義を示す。ここでは面はa軸、b軸を正の半直線上で切り、d軸を負の半直線上で切っている。この図でわかるように、h、k、mがすべて正、全て負ということはない。   Describe the definition of face index. When the first crystal plane closest to the origin cuts three equivalent axes a, b, and d with a / h, b / k, and d / m, and the c axis with c / n, the plane index is ( hkmn). The indices h, k, m, and n are integers. When expressing the face index, do not put a comma in parentheses. FIG. 6 shows the definition of the plane index in the abd plane. Here, the surface is cut along the a-axis and the b-axis on the positive half line, and the d-axis is cut on the negative half line. As can be seen in this figure, h, k, and m are not all positive and all negative.

丸括弧(・・・・)は個別の面の表現である。波括弧{・・・・}は集合面の表現である。六方晶系結晶の対称操作の全てによって相互に変換できる個別の面の全てを集合表現の面指数で表すことができる。角括弧[・・・・]は個別の方位を示す。鍵括弧<・・・・>は集合的な方位を表現する。同じ面指数を持つ面と方位は常に直交する。
{hkmn}と書いた場合、nは独特の方位(c軸方位)であるが、前の3つhkmは交換可能である。結晶に6回対称性があり、またある結晶によっては反転対称性があるものもある。h,k,mを循環的に交換した{hkmn}、{kmhn}、{mhkn}・・・・などは同じ面の集合を表現している。ところがnは独特で循環的に動かすともはや別の面方位である。h,k,mとnは別に考えることができる。
Round brackets (...) are representations of individual surfaces. Curly brackets {····} are expressions of the collective surface. All of the individual planes that can be converted into each other by all of the symmetry operations of the hexagonal crystal can be expressed by the plane index of the collective expression. Square brackets [...] indicate individual orientations. Square brackets <...... represent a collective orientation. The plane and orientation with the same plane index are always orthogonal.
When {hkmn} is written, n is a unique direction (c-axis direction), but the previous three hkms are interchangeable. Crystals have 6-fold symmetry, and some crystals have inversion symmetry. {hkmn}, {kmhn}, {mhkn},..., in which h, k, and m are exchanged cyclically represent the same set of surfaces. However, n is unique and no longer has a different plane orientation when moved cyclically. h, k, m and n can be considered separately.

また3つの同一平面内の面指数h、k、mは本来2つの指数で表記できるものであって、完全に独立でない。常に総和が0であるという性質がある。   In addition, the surface indices h, k, and m in the same plane can be expressed by two indices and are not completely independent. There is always a property that the sum is zero.

h+k+m=0 (1)                   h + k + m = 0 (1)

図7によって証明する。Oは原点、OB、ODはb軸、d軸に取った点でOB=ODとする。OHは−a軸とBDの交点である。∠OBH=∠ODH=30゜である。Hを通る直線とOB、ODの交点をE、Fとする。EHFが面を表現している。OE=Y、OF=Z、OH=−Xとする(−X>0)。∠DHF=θとする。∠OFH=30゜−θ、∠OEH=30゜+θ、∠OHF=90゜+θ、∠OHE=90゜−θ。正弦定理より   This is proved by FIG. O is the origin, and OB and OD are points on the b-axis and d-axis, and OB = OD. OH is the intersection of the -a axis and BD. ∠OBH = ∠ODH = 30 °. Let E and F be the intersections of a straight line passing through H and OB and OD. EHF expresses the surface. OE = Y, OF = Z, and OH = −X (−X> 0). ∠ DHF = θ. ∠OFH = 30 ° −θ, ∠OEH = 30 ° + θ, ∠OHF = 90 ° + θ, ∠OHE = 90 ° −θ. From the sine theorem

−X=Ysin∠OEH/sin∠OHE
=Ysin(30゜+θ)/sin(90゜−θ)
−X=Zsin∠OFH/sin∠OHF
=Zsin(30゜−θ)/sin(90゜+θ)
-X = Ysin∠OEH / sin∠OHE
= Ysin (30 ° + θ) / sin (90 ° -θ)
-X = Zsin∠OFH / sin∠OHF
= Zsin (30 ° -θ) / sin (90 ° + θ)

であるから、 Because

−X/Y−X/Z=sin(30゜+θ)/sin(90゜−θ)
+sin(30゜−θ)/sin(90゜+θ)
={sin(30゜+θ)+sin(30゜−θ)}/cosθ
=2sin30゜=1
−X / Y−X / Z = sin (30 ° + θ) / sin (90 ° −θ)
+ Sin (30 ° -θ) / sin (90 ° + θ)
= {Sin (30 ° + θ) + sin (30 ° −θ)} / cos θ
= 2sin30 ° = 1

となり、
1/X+1/Y+1/Z=0
となる。X=a/h、Y=b/k、Z=d/mであるが長さに関して、a=b=dであるから、
And
1 / X + 1 / Y + 1 / Z = 0
It becomes. X = a / h, Y = b / k, Z = d / m, but regarding length, a = b = d,

h+k+m=0           h + k + m = 0

である。
簡単のためc軸に平行な面(n=0)を考える。面{hkm0}の面間隔dは、
It is.
For simplicity, consider a plane (n = 0) parallel to the c-axis. The surface interval d of the surface {hkm0} is

Figure 0004656438
Figure 0004656438

によって与えられる。h,k,mは二次元の指数であるが、あたかも三次元の指数のような形になる。但し係数(3/2)1/2が付く点が三次元の場合と相違する。
c軸に平行な二つの面(hkm0)、(stu0)がある場合それらの面の成す角(交角)Θの余弦cosΘは
Given by. Although h, k, and m are two-dimensional exponents, they are shaped like a three-dimensional exponent. However, the point to which coefficient (3/2) 1/2 is attached is different from the case of three-dimensional.
When there are two planes (hkm0) and (stu0) parallel to the c-axis, the cosine cosΘ of the angle (intersection angle) Θ between these planes is

Figure 0004656438
によって計算することができる。つまりc軸に平行な二つの面(hkm0)、(stu0)があってそれらが互いに直交する場合、
Figure 0004656438
Can be calculated by: That is, if there are two planes (hkm0) and (stu0) parallel to the c-axis and they are orthogonal to each other,

hs+kt+mu=0 (4)                 hs + kt + mu = 0 (4)

だということである。 It is that.

法線がc軸に平行な面(000n)はC面と表現する。全ての整数で定義される(hkm0)面は、C面と直交する。C面と直交する面群(hkm0)の中で互いに直交する面は式(4)を満足する。面指数が負の整数の場合数字の上に上線を引いて負であることを表現するのが結晶学の習わしである。しかし明細書では上線を付けることができないから、前に−符号を付けて負整数であることを示す。   A plane (000n) whose normal is parallel to the c-axis is expressed as a C plane. The (hkm0) plane defined by all integers is orthogonal to the C plane. The surfaces orthogonal to each other in the surface group (hkm0) orthogonal to the C surface satisfy Expression (4). When the face index is a negative integer, it is a custom of crystallography to express that it is negative by overlining the number. However, since the specification cannot be overlined, it is preceded by a minus sign to indicate a negative integer.

図8のように(1−100)面と、(11−20)面は直交する。この二つの面は本発明において重要な役割を持つ。{1−100}面は集合的にM面と言う。{11−20}面は集合的にA面と呼ばれる。M面といっても個別には6つの面がある。(1−100)、(10−10)、(01−10)、(−1100)、(−1010)、(0−110)である。これらの面は正六角形の6辺をなすように並ぶことができる。だから隣接するM面相互は120度の角度をなす。M面といっても平行(180度)なものもあり、120度の角度、60度の角度をなすものがある。M面だけで正六角形を形成できる。   As shown in FIG. 8, the (1-100) plane and the (11-20) plane are orthogonal to each other. These two aspects have an important role in the present invention. The {1-100} plane is collectively referred to as the M plane. The {11-20} plane is collectively referred to as the A plane. Even though it is called the M plane, there are six individual planes. (1-100), (10-10), (01-10), (-1100), (-1010), (0-110). These surfaces can be arranged to form six sides of a regular hexagon. Therefore, the adjacent M planes form an angle of 120 degrees. Some M-planes are parallel (180 degrees), others have an angle of 120 degrees and an angle of 60 degrees. A regular hexagon can be formed only by the M plane.

同様に、A面{11−20}といっても6つの個別面があり、相互に平行(180度)、120度、60度の角度をなす。A面の集合だけで正六角形を作ることができる。   Similarly, the A plane {11-20} has six individual planes that are parallel to each other (180 degrees), 120 degrees, and 60 degrees. A regular hexagon can be created only from the set of A faces.

M面とA面の全てが直交するのではなくて、(1−100)面と(11−20)面のような特別の組のM面とA面が直交する。一般にはM面とA面の成す角度は30度、90度、150度、210度、270度、330度である。   Not all of the M and A planes are orthogonal, but a special set of M and A planes such as (1-100) and (11-20) planes are orthogonal. In general, the angles formed by the M plane and the A plane are 30 degrees, 90 degrees, 150 degrees, 210 degrees, 270 degrees, and 330 degrees.

つまり6つのA面と6つのM面によって正12角形を構成することができる。A面をc軸に対して傾けた面{11−2n}の集合は正六角錐を作ることができる。M面をc軸に対して傾けた面{1−10n}の集合は正六角錐を形成できる。A面とM面を傾けた{11−2n}、{1−10n}の集合は正12角錐を作ることができる。
碓井彰「ハイドライドVPEによる厚膜GaN結晶の成長」電子情報通信学会論文誌vol.J81−C−II,No.1,p58−64(1998年1月) 酒井朗、碓井彰「GaN選択横方向成長による転位密度の低減」応用物理第68巻第7号、p774−779(1999) 特願平9−298300号公報 特願平10−9008号公報 特願平10−102546号公報 特願平11−273882号公報
That is, a regular dodecagon can be formed by six A planes and six M planes. A set of planes {11-2n} in which the A plane is inclined with respect to the c-axis can form a regular hexagonal pyramid. A set of planes {1-10n} in which the M plane is inclined with respect to the c-axis can form a regular hexagonal pyramid. A set of {11-2n} and {1-10n} in which the A plane and the M plane are inclined can form a regular 12 pyramid.
Akira Sakurai “Growth of thick GaN crystals by hydride VPE”, IEICE Transactions vol. J81-C-II, No. 1, p58-64 (January 1998) Akira Sakai, Akira Sakurai “Reduction of dislocation density by lateral growth of GaN” Applied Physics Vol.68, No.7, p774-779 (1999) Japanese Patent Application No. 9-298300 Japanese Patent Application No. 10-9008 Japanese Patent Application No. 10-102546 Japanese Patent Application No. 11-273882

本発明者は、特許文献4によってファセット面を生成し保持しながらGaNを成長させることによって低転位化する成長方法を提案したと述べた。しかしながらこの方法によると、ファセット状ピットの底に当たる部分に、転位の集中が生じる。その結果、立体的にピット底に相当する部分の下にずっと連なって、高密度転位部分の束が存在するようになる。それ以外の部分では低転位の良好な領域が存在する。   The inventor stated that Patent Document 4 proposed a growth method for reducing dislocations by growing GaN while generating and holding facet planes. However, according to this method, the concentration of dislocations occurs in the portion that hits the bottom of the faceted pit. As a result, a bundle of high-density dislocation portions is present continuously in a three-dimensional manner below the portion corresponding to the pit bottom. In other parts, there are good regions with low dislocations.

このように広い面積において、低転位領域が存在するというメリットを有するものの、局所的に高密度転位の存在する領域が残る。これが為に、既に述べたように、デバイス特性を低下させ製品歩留まりを下げる。また劈開性阻害の要因となる。
これらの問題を解決するには、根本的に貫通転位密度を小さくし、かつ基板表面においても、転位の束の存在をなくす必要がある。
Although having such a merit that a low dislocation region exists in such a large area, a region where high density dislocations exist locally remains. For this reason, as already described, the device characteristics are lowered and the product yield is lowered. Moreover, it becomes a factor of cleaving inhibition.
In order to solve these problems, it is necessary to fundamentally reduce the threading dislocation density and eliminate the presence of dislocation bundles on the substrate surface.

成長面が、平面状でなくファセットからなるピットを伴ったまま成長した場合、ピットの底には平均的な成長面と垂直方向に、転位の束からなる貫通転位の束が存在する。   When the growth surface grows with pits made of facets instead of being flat, there is a bundle of threading dislocations made up of dislocation bundles in the direction perpendicular to the average growth surface at the bottom of the pits.

その結果貫通転位の存在する領域には、狭いながらも転位が集中的に存在していることになる。レ−ザデバイス構造をそのGaN基板の上に作製した場合、ある限られた割合であるが、寿命の短いレ−ザデバイスが製造されてしまうということになる。   As a result, in a region where threading dislocations exist, dislocations are concentrated in a narrow area. If the laser device structure is fabricated on the GaN substrate, a laser device with a short lifespan is produced at a limited rate.

もう一つの重大な問題は「劈開の乱れ」ということである。貫通転位の束が局所的に存在すると、その部分に大きな応力集中がおこる。基板状にレ−ザ素子を製造するウエハプロセスの後に基板の劈開を行った時、劈開面がきれいな平面になりにくい。基板面に垂直な縦筋の入った劈開面になる。単結晶なのだから劈開面は本来きれいな鏡面であるべきである。しかしファセットを利用して強制的に転位を集約したGaN基板では劈開面が乱れやすく、鏡面になりにくい傾向がある。   Another serious problem is “disruption of cleavage”. When a bundle of threading dislocations exists locally, a large stress concentration occurs in that portion. When the substrate is cleaved after the wafer process for manufacturing the laser element in a substrate shape, the cleavage plane is difficult to become a clean plane. It becomes a cleavage plane with vertical stripes perpendicular to the substrate surface. Since it is a single crystal, the cleavage plane should be a clean mirror surface. However, a GaN substrate that forcibly aggregates dislocations using facets tends to disturb the cleavage plane, and tends not to be a mirror surface.

劈開面の乱れは、転位集約によって生じたランダムな応力分布によって引き起こされると考えられる。折角GaNを基板に使ってLED、LDを作っても劈開面があまりに乱れすぎている場合には、さらに切断端面を研磨しなければならない。工程が増えてしまい、サファイヤより優れているとはもはや言えない。劈開のあるGaNを採用した甲斐もないことである。   It is considered that the cleavage plane is disturbed by a random stress distribution caused by dislocation aggregation. If the cleavage plane is too disturbed even if LEDs and LDs are made using the bent GaN as a substrate, the cut end face must be further polished. It can no longer be said that it is superior to sapphire due to the increased number of processes. There is no armor using GaN with cleavage.

これらの問題をすべて解決するために、根本的に貫通転位密度を小さくし、かつ基板表面においても、転位の束の存在をなくすことが必要である。貫通転位の束がなくなると、劈開時の劈開面の乱れもなくなるはずである。   In order to solve all of these problems, it is necessary to fundamentally reduce the threading dislocation density and eliminate the presence of dislocation bundles on the substrate surface. If there are no bundles of threading dislocations, there should be no disruption of the cleavage plane during cleavage.

貫通転位密度が小さく、かつ基板表面においても転位の束が存在せず、劈開面の乱れを起こさないGaN基板の製造方法およびGaN基板を提供することが本発明の目的である。   It is an object of the present invention to provide a GaN substrate manufacturing method and a GaN substrate that have a low threading dislocation density, do not have dislocation bundles on the substrate surface, and do not disturb the cleavage plane.

本発明は、成長させたGaN単結晶インゴットを結晶成長方向g或いは転位の延びるq方向と平行な面Sでスライス加工して基板を作製する。結晶成長方向g或いは転位延長方向qと平行な切断面Sで切ることによって基板表面の貫通転位を低減する。貫通転位が表面に平行に走るような方向に基板を切ると表面に露呈した貫通転位密度が減る。   In the present invention, a grown GaN single crystal ingot is sliced along a plane S parallel to the crystal growth direction g or the q direction in which dislocations extend, thereby producing a substrate. By cutting along the cutting plane S parallel to the crystal growth direction g or the dislocation extension direction q, threading dislocations on the substrate surface are reduced. If the substrate is cut in such a direction that the threading dislocations run parallel to the surface, the density of threading dislocations exposed on the surface decreases.

本発明はつまり、貫通転位方向と表面を一致させることによって表面に出た貫通転位を減らす。基板内部にはたくさんの貫通転位があっても表面に出た貫通転位密度は低い。内部の転位はデバイス作製に影響しないから、表面の貫通転位を減らせばデバイス作製用基板として好適に使用できる。   In other words, the present invention reduces threading dislocations that have appeared on the surface by matching the threading dislocation direction with the surface. Even if there are many threading dislocations inside the substrate, the density of threading dislocations on the surface is low. Since internal dislocations do not affect device fabrication, if the number of threading dislocations on the surface is reduced, it can be suitably used as a device fabrication substrate.

目的は表面貫通転位の低減であり、手段はg或いはqに平行にGaN単結晶インゴットを切断して基板とすることである。「g平行S」あるいは「q平行S」ということによって本発明を端的に表現できる。ここで記号「‖」によって表記するものと約束する。本発明は   The purpose is to reduce surface threading dislocations, and the means is to cut a GaN single crystal ingot parallel to g or q to form a substrate. The present invention can be simply expressed by “g parallel S” or “q parallel S”. I promise to write here by the symbol “‖”. The present invention

q‖S (5)
g‖S (6)
q‖S (5)
g‖S (6)

によって表現することができる。qやgは一次元の直線であり、面Sは2次元である。だからqと平行なSといってもSは固定されない。qの廻りの180度の回転の自由度がある。これは切断面Sの選択の幅を広げ有利である。 Can be expressed by q and g are one-dimensional straight lines, and the surface S is two-dimensional. Therefore, even though S is parallel to q, S is not fixed. There is 180 degree of freedom of rotation around q. This is advantageous because the range of selection of the cut surface S is widened.

結晶成長方向gによって貫通転位の延長方向qが確率的に等方的にばらつく場合と、一様に決まる場合がある。確率的に等方的にばらつく場合は貫通転位延長方向qを定義できない。その場合は本発明を適用できない。
しかしながら、貫通転位の延長方向qが一様に決まらないまでも、等方的にばらつく訳ではなく、ある同一平面内でばらつく場合は、方位に制限がある。このように同一平面内でqがばらつく場合は、q‖SとなるSは、存在することになる。よって、このような場合は本発明を適用できる。
また、貫通転位の延長方向qが、一様に決まらないまでも、ばらつきの中で、確率的に平均的に、ある方位を向いていれば、これも方位に制限ができる。このため、平均的にはq‖SとなるSは、存在することになる。よって、このような場合にも本発明は適用できる。しかしながら、その場合の貫通転位の密度は、そのばらつきの中での方位の揃い方に大きく依存する。
Depending on the crystal growth direction g, the extending direction q of threading dislocations may be stochastically distributed isotropically or may be determined uniformly. The threading dislocation extension direction q cannot be defined when it is stochastically varied. In that case, the present invention cannot be applied.
However, even if the extending direction q of threading dislocations is not uniformly determined, the threading dislocations do not vary isotropically. Thus, when q varies in the same plane, S that is q‖S exists. Therefore, the present invention can be applied in such a case.
Moreover, even if the extending direction q of threading dislocations is not determined uniformly, it can be limited to the orientation as long as it is oriented in a certain direction on the average in the variation. For this reason, S which becomes q‖S on average exists. Therefore, the present invention can be applied to such a case. However, the density of threading dislocations in that case largely depends on how the orientations are aligned in the variation.

また、貫通転位の延びる方向qが一様に決まれば貫通転位延長方向qを定義できる。だから(5)式に従って切断の方向を決めることができる。であれば成長方向に拘らず、「q‖S」という切断方向Sを採用できる。貫通転位の延長方向qが確率的に変動するか?一義的に決まるかというのは結晶成長方向gに依存する。貫通転位方向qが一義的に決まる結晶方位に関しては本発明を適用しq‖Sによって切断面を決めることができる。   Further, if the threading dislocation extending direction q is uniformly determined, the threading dislocation extending direction q can be defined. Therefore, the cutting direction can be determined according to the equation (5). If so, the cutting direction S of “q‖S” can be adopted regardless of the growth direction. Does the threading dislocation extension direction q vary stochastically? Whether it is uniquely determined depends on the crystal growth direction g. With respect to the crystal orientation in which the threading dislocation direction q is uniquely determined, the cutting plane can be determined by q‖S by applying the present invention.

図9は従来法のGaNインゴット切断を説明する。図9(1)のようにGaN単結晶インゴットを上向き(c軸方向)に成長させると、貫通転位も上向き(c軸方向)に延びる。従来は図9(2)のように成長面(C面)に平行にインゴットを切断していた。図9(3)のような基板(ウエハ)が得られるが、基板面はC面であり貫通転位の延長方向qは面に垂直である。ために図9(4)のようにGaN基板表面には夥しい転位密度が現れた。   FIG. 9 illustrates the conventional GaN ingot cutting. When a GaN single crystal ingot is grown upward (c-axis direction) as shown in FIG. 9A, threading dislocations also extend upward (c-axis direction). Conventionally, the ingot was cut parallel to the growth surface (C surface) as shown in FIG. Although a substrate (wafer) as shown in FIG. 9 (3) is obtained, the substrate surface is the C plane and the threading dislocation extending direction q is perpendicular to the plane. For this reason, as shown in FIG. 9 (4), a large dislocation density appeared on the surface of the GaN substrate.

図10は本発明の切断を説明するものである。図10(1)のように結晶成長方向に貫通転位が延長している。結晶成長面と貫通転位は直交する。本発明は切断面Sを貫通転位に平行とする。q‖Sである。すると図10(2)のようにGaN基板(ウエハ)の表面に平行に貫通転位が走るようになる。図10(3)のように表面での転位密度が減少する。内部に転位密度がたくさんあるとしても表面の密度は見かけ上減少するのである。実際に転位密度が減ったのでないが表面に現れる転位は減少するのである。デバイスを作る場合、表面の転位密度が重要で内部の転位はどうでもよいということは既に述べた。また劈開における劈開面の凸凹という問題も解決される。図9(4)と図10(3)が従来例と本発明の違いを簡明に示している。   FIG. 10 illustrates the cutting of the present invention. As shown in FIG. 10A, threading dislocations extend in the crystal growth direction. The crystal growth surface and threading dislocations are orthogonal. In the present invention, the cut surface S is parallel to the threading dislocation. q‖S. Then, threading dislocations run parallel to the surface of the GaN substrate (wafer) as shown in FIG. As shown in FIG. 10 (3), the dislocation density on the surface decreases. Even if there is a lot of dislocation density inside, the surface density apparently decreases. Although the dislocation density does not actually decrease, the dislocation appearing on the surface decreases. It has already been mentioned that when making devices, the dislocation density on the surface is important and internal dislocations can be ignored. Moreover, the problem of unevenness of the cleavage plane in cleavage is also solved. FIG. 9 (4) and FIG. 10 (3) clearly show the difference between the conventional example and the present invention.

さらに進んで結晶成長方向gと貫通転位延長方向qが合致すれば(g=q)、成長方向gと切断面Sを平行にするというように本発明の思想を表現することもできる。つまりg‖Sであるが、これが前記の(6)式である。   Further, if the crystal growth direction g and the threading dislocation extension direction q match (g = q), the idea of the present invention can be expressed such that the growth direction g and the cut surface S are parallel. That is, g‖S, which is the above equation (6).

そのような場合、図10(1)は、結晶成長方向gに平行に切断しているというようにも解釈できる。本発明はこの場合も含むのである。だからq=gならば、q‖Sでもg‖Sでも同じである。   In such a case, FIG. 10A can also be interpreted as cutting in parallel to the crystal growth direction g. The present invention also includes this case. Therefore, if q = g, q‖S and g‖S are the same.

同じなら一つの表現で済むではないか?とも思うが必ずしもそうでない。単結晶インゴットを作った場合、成長方向gはわかっている。しかし貫通転位の延長方向qというのは容易にわからない。基板に切り出してエッチングして転位を出して、その方向を見定める必要がある。だから直ちにわかる成長方向gによって発明を定義すると実際的により便利である。   If it is the same, can I use only one expression? I think that is not the case. When a single crystal ingot is made, the growth direction g is known. However, the extension direction q of threading dislocations is not easily understood. It is necessary to cut out the substrate and etch it to produce dislocations and determine the direction. Therefore, it is practically more convenient to define the invention based on the growth direction g that can be readily understood.

しかし本発明はもちろんg≠qでも適用できて、その場合は、(5)式のq‖Sを優先する。   However, the present invention can of course be applied even when g ≠ q. In this case, priority is given to q‖S in the equation (5).

ここで転位密度の「低減」という言葉について念のために説明する。切断方位を変えたからといって内在的に既に存在する転位密度が減少する筈はない。すでに存在したものは、切断面方位に拘らず存在し続けるからである。もちろんそうである。そうであるが、表面に露出した転位密度が減少すると言っているのである。そしてデバイス作製には表面転位が問題で内在的な転位は無関係と言ってよい。また図10(2)のように貫通転位延長方向と基板面が平行だから自然劈開面が乱れるということもない。貫通転位密度の問題は簡単である。貫通転位と垂直な面での転位密度がEとする。これは単位面積を切る貫通転位の数である。その面に対してφだけ傾いた面を切る貫通転位の数はcosφに比例する。だから転位密度はEcosφになる。貫通転位延長方向に平行に切るというのだからφ=90度である。cos90゜=0である。つまり本発明の切断面において転位密度が減少するのは数学的に明白なのである。いわば当たり前である。   Here, the word “reduction” of dislocation density will be explained just in case. Even if the cutting orientation is changed, the dislocation density that already exists is not reduced. This is because what already exists continues to exist regardless of the cutting plane orientation. Of course it is. It is said that the dislocation density exposed on the surface decreases. It can be said that surface dislocations are a problem in device fabrication, and intrinsic dislocations are irrelevant. Further, as shown in FIG. 10 (2), since the threading dislocation extending direction and the substrate surface are parallel, the natural cleavage plane is not disturbed. The problem of threading dislocation density is simple. E is the dislocation density in the plane perpendicular to the threading dislocations. This is the number of threading dislocations that cut the unit area. The number of threading dislocations that cut a plane inclined by φ relative to the plane is proportional to cos φ. Therefore, the dislocation density is Ecosφ. Since it is cut parallel to the threading dislocation extension direction, φ = 90 degrees. cos 90 ° = 0. That is, it is mathematically obvious that the dislocation density decreases in the cut surface of the present invention. In other words, it is natural.

さらに幸いな事に、GaNの結晶面のうち、3つの面は、q=gとなるということを本発明者は発見した。つまり結晶成長方向gが貫通転位延長方向qに等しい方向が3つあるということが分かった。その3つの方向をc方向、m方向、a方向と呼ぶ。それらに直角の面をC面、M面、A面とする。それは   Fortunately, the present inventors have found that three of the GaN crystal planes have q = g. That is, it was found that there are three directions in which the crystal growth direction g is equal to the threading dislocation extension direction q. The three directions are referred to as c direction, m direction, and a direction. The planes perpendicular to them are defined as C plane, M plane, and A plane. that is

M={1−100}、A={11−20}、C={0001} (7)   M = {1-100}, A = {11-20}, C = {0001} (7)

である。対応する方向はm=<1−100>、a=<11−20>、c=<0001>である。これらのc、m、aの方向に結晶成長をすると、g=qであるから、結晶成長方向gに平行に切断面Sを決めることができる。 It is. The corresponding directions are m = <1-100>, a = <11-20>, c = <0001>. When crystal growth is performed in these c, m, and a directions, since g = q, the cutting plane S can be determined in parallel to the crystal growth direction g.

さらに好都合なことに、適当な組み合わせをとると、それら3つの面は直交する。これはまことに便利な性質である。それが本発明によりいっそうの高い汎用性を与えるのである。六方晶系であるから、対称操作によって互いに変換される面は等価である。先に述べたようにM面といっても6つの面がある。A面も6つの面がある。C面は2面ある。全てのA面とC面は直交する。全てのM面とC面は直交する。任意のA面は二つのM面と直交する。任意のM面は二つのA面と直交する。だから「適当な組み合わせをとると」A面とM面は直交するのである。図11はそのような組み合わせを示す。GaNは六方晶系であるが、このように低面指数の3つの面が互いに直交するという意外な性質がある。本発明はこの性質をも巧みに利用する。   Even more conveniently, the three planes are orthogonal when taken in the proper combination. This is a very convenient property. That gives the present invention even greater versatility. Since they are hexagonal, the planes that are converted to each other by symmetry operations are equivalent. As mentioned above, there are six sides even if called M side. There are also six sides on the A side. There are two C-planes. All the A and C planes are orthogonal. All the M and C planes are orthogonal. An arbitrary A plane is orthogonal to the two M planes. An arbitrary M plane is orthogonal to the two A planes. Therefore, the “A” and “M” planes are orthogonal when “appropriate combinations are taken”. FIG. 11 shows such a combination. GaN is a hexagonal system, but has such an unexpected property that the three faces having a low plane index are orthogonal to each other. The present invention also takes advantage of this property.

これら3方向以外にもg=qとなる成長方向が存在するかもしれない。本発明はそのような成長方向にも適用することができる。それはもちろんである。しかし、これら3面でg=qであって、しかも互いに直交するというのは本発明に得難い利点を与える。   In addition to these three directions, there may be a growth direction in which g = q. The present invention can also be applied to such a growth direction. Of course. However, the fact that g = q on these three surfaces and they are orthogonal to each other gives an advantage difficult to obtain to the present invention.

成長といってもどの方向にでも容易にGaNが成長するわけではない。上記の低面指数の3面は、いずれも容易にGaN結晶成長を起こさせる面である。つまりM面にもA面にもC面にもGaN単結晶を成長させることができる。だから成長方向gとしてこれら3面の方向を採用できる。つまり好ましい結晶成長方向gとして   GaN does not grow easily in any direction. The three planes with the low plane index are planes that easily cause GaN crystal growth. That is, a GaN single crystal can be grown on the M, A, and C planes. Therefore, these three directions can be adopted as the growth direction g. That is, as a preferable crystal growth direction g

g=m、a、c (8)         g = m, a, c (8)

とすることができるのである。成長の容易さからこのような組み合わせが便利である。 It can be. Such a combination is convenient due to the ease of growth.

反対に所望される基板の方位から切断面が制限されるということもある。どのような方位の基板でもよいというのではない。デバイスを作製するための基礎になる基板だから、低面指数のC面基板、M面基板、A面基板が主に要求される。   Conversely, the cut surface may be limited by the desired substrate orientation. It does not mean that a substrate with any orientation is acceptable. Since the substrate is a base for manufacturing a device, a C-plane substrate, an M-plane substrate, and an A-plane substrate having a low plane index are mainly required.

GaNの劈開面はC面、M面である。だからA面基板にデバイスを作ると対向する2辺が劈開面になりLDの共振器を自然の劈開で作製できる。C面基板を用いても対向辺に劈開面があるが3方向に劈開面があり、これがかえって不便ということも有り得る。 The cleaved surfaces of GaN are the C plane and the M plane. Therefore, when a device is made on an A-plane substrate, the two opposite sides become cleavage planes, and an LD resonator can be produced by natural cleavage. Even if a C-plane substrate is used, there is a cleavage plane on the opposite side, but there are cleavage planes in three directions, which may be inconvenient.

M面は直交するC面が劈開面である。また、表面状態はより良好なものが作製できる可能性がある。だから好ましい切断面Sは   In the M plane, the orthogonal C plane is a cleavage plane. In addition, a better surface state may be produced. Therefore, the preferred cut surface S is

S=M、A、C (9)
である。
S = M, A, C (9)
It is.

図12は、成長方向gと平行に切断して基板とするという本発明の思想を簡明に示す。成長方向gをm、a、cのいずれかにして、切断面Sをそれに直交するM、A、Cの何れかにすると成長容易な方向に結晶成長し、需要の多い方位の基板を作製できる。   FIG. 12 briefly shows the idea of the present invention that the substrate is cut parallel to the growth direction g. If the growth direction g is set to m, a, or c, and the cut surface S is set to any of M, A, or C orthogonal to it, the crystal grows in an easy growth direction, and a substrate having a high demand orientation can be manufactured. .

以上が本発明の基本形である。しかし、なんと言っても本発明の真骨頂は、多段成長による転位低減にある。図10(2)のように転位が表面平行になった基板を種結晶としてその上にGaNを成長させると、もともと転位が少なく、成長結晶の転位は種結晶の転位を承継するのであるから、成長結晶の転位は少なくなる。だから本発明の方法によって、q=Sまたはg=Sで切りとった基板を種結晶にして二度目のGaN成長を行ったとき、その成長では非常に低転位のインゴットを成長させることが可能となる。つまり1段成長と2段成長で成長の方向を90゜変えることによって転位を削減できる。この転位減少は、見かけの減少ではない。実際に発生する転位が減少するのである。だから本発明の本領は2回目以後の成長において遺憾なく発揮されると言える。図12において、1段目の成長方向gに対し、これと直交するw方向に2段目の結晶成長を行うことによって、真の低転位の結晶を得る事ができる。   The above is the basic form of the present invention. However, the true point of the present invention is to reduce dislocation by multi-stage growth. When GaN is grown on a substrate having dislocations parallel to the surface as shown in FIG. 10 (2) as a seed crystal, the number of dislocations is originally small, and the dislocation of the grown crystal inherits the dislocation of the seed crystal. There are fewer dislocations in the grown crystal. Therefore, according to the method of the present invention, when a second GaN growth is performed using a substrate cut at q = S or g = S as a seed crystal, it is possible to grow an ingot with a very low dislocation. . That is, dislocations can be reduced by changing the growth direction by 90 ° between the first and second growths. This decrease in dislocation is not an apparent decrease. The actual dislocations are reduced. Therefore, it can be said that the main feature of the present invention is fully demonstrated in the second and subsequent growths. In FIG. 12, a true low-dislocation crystal can be obtained by performing the second-stage crystal growth in the w-direction orthogonal to the first-stage growth direction g.

これは2段成長であるが、3段成長、4段成長も可能である。その度に結晶成長方向と平行に切断して基板を作り、種結晶として直交する方位のインゴットを作って、さらに成長方向と平行に切断して基板を作る、ということを繰り返すことができる。2つの面では単に反復繰り返しになるが、3つの面が直交面として存在するから、成長方向の組み合わせに豊かなバラエティをもたらすことができる。   This is a two-stage growth, but a three-stage growth or a four-stage growth is also possible. Each time, it is possible to repeat the process of making a substrate by cutting in parallel with the crystal growth direction, making an ingot with an orientation orthogonal to the seed crystal, and making a substrate by cutting further in parallel with the growth direction. Although the two planes are simply repeated, the three planes exist as orthogonal planes, so that a rich variety of combinations of growth directions can be brought about.

以下に、本発明者がこの発明をなすに至った経緯を述べる。
GaNの結晶成長において、結晶成長方向に転位も延びてゆく事が多い。例えば、青色LEDを製造するため通常行われているサファイヤ基板の上のGaNエピ成長もその通りである。C面上に成長し、主にc軸方向に多くの転位が延びて存在している。
The background of the inventor's achievement of the present invention will be described below.
In GaN crystal growth, dislocations often extend in the crystal growth direction. For example, GaN epi-growth on a sapphire substrate, which is usually performed for manufacturing blue LEDs, is also true. It grows on the C-plane and has many dislocations extending mainly in the c-axis direction.

これらのことから考えて、本発明者は、貫通転位を減少させるためには、結晶成長方向、つまり転位が延びる方向に平行な面で切断して基板を作製することが有効だろうということに思い至った。   In view of these facts, in order to reduce the threading dislocations, the present inventor would be effective in producing a substrate by cutting along a plane parallel to the crystal growth direction, that is, the direction in which the dislocations extend. I thought.

ある特定の面内で転位が存在するような状況を作り、その面に平行な面で切断加工して、基板表面に貫通転位が少ない基板を製造する、これが本発明の根本思想である。   The basic idea of the present invention is to create a situation in which dislocations exist in a specific plane and cut a plane parallel to the plane to produce a substrate with few threading dislocations on the substrate surface.

これはまことに斬新な着想である。結晶成長方向と平行に結晶を切断して基板を切り出すなどということはこれまで誰が想到しただろうか?類例のない結晶切断の方向であろう。   This is a truly innovative idea. Who has ever conceived of cutting a crystal parallel to the crystal growth direction to cut out the substrate? An unparalleled crystal cutting direction.

本発明は成長方向と平行な方向に基板を切りだして基板表面に存在する転位を低減させる。より特定していえばM面、A面、C面での相互の成長方向の変換によって転位減少効果を得ている。   The present invention cuts the substrate in a direction parallel to the growth direction to reduce dislocations existing on the substrate surface. More specifically, the effect of reducing dislocations is obtained by changing the growth directions of the M, A, and C planes.

つまり、{0001}面方向にGaN単結晶を成長させて{1−100}面或いは{11−20}面に平行にスライス加工して低転位密度の{1−100}面或いは{11−20}面のGaN単結晶基板を製造する(c;A、c;M)。或いは{1−100}面方向にGaN単結晶を成長させて{0001}面或いは{11−20}面に平行にスライス加工して低転位密度の{0001}面或いは{11−20}面のGaN単結晶基板を製造する(m;C、m;A)。或いは{11−20}面方向にGaN単結晶を成長させて{0001}面或いは{1−100}面に平行にスライス加工して低転位密度の{0001}面或いは{1−100}面のGaN単結晶基板を製造する(a;C、a;M)。   That is, a GaN single crystal is grown in the {0001} plane direction and sliced parallel to the {1-100} plane or {11-20} plane, and the {1-100} plane or {11-20] having a low dislocation density. } Plane GaN single crystal substrate is manufactured (c; A, c; M). Alternatively, a GaN single crystal is grown in the {1-100} plane direction and sliced in parallel to the {0001} plane or the {11-20} plane to form a low dislocation density {0001} plane or {11-20} plane. A GaN single crystal substrate is manufactured (m; C, m; A). Alternatively, a GaN single crystal is grown in the {11-20} plane direction and sliced in parallel to the {0001} plane or {1-100} plane to obtain a low dislocation density {0001} plane or {1-100} plane. A GaN single crystal substrate is manufactured (a; C, a; M).

さらにこうしてできた単結晶を種結晶としてさらに結晶成長を行う。2段階あるいは3段階の結晶成長を行うこともある。低転位種結晶から成長するのでより転位密度の低いインゴットを得る事ができる。   Further, the single crystal thus formed is used as a seed crystal for further crystal growth. Two-stage or three-stage crystal growth may be performed. Since it grows from a low dislocation seed crystal, an ingot having a lower dislocation density can be obtained.

本発明によって貫通転位密度の小さい、広いGaN単結晶基板を製造できる。貫通転位の束の集積がなくなるから、劈開した時劈開面の乱れが起こらない。本発明のGaN基板をGaInN系LDの基板とした時に、自然劈開によって共振器を形成することができる。GaInN系LDやLEDの基板とするとチップの上下に電極を配置できる。電極によって占められる面積を節減することができる。またLD、LEDを作製したときサファイヤのように2回ワイヤボンディングする必要はない。GaInN系のLD、LEDの基板とする場合、現在のサファイヤ基板に比べて格段に優れている。   According to the present invention, a wide GaN single crystal substrate having a low threading dislocation density can be manufactured. Since there is no accumulation of bundles of threading dislocations, the cleavage plane is not disturbed when cleaved. When the GaN substrate of the present invention is a GaInN-based LD substrate, a resonator can be formed by natural cleavage. When a GaInN-based LD or LED substrate is used, electrodes can be arranged above and below the chip. The area occupied by the electrodes can be saved. Further, when LD or LED is manufactured, it is not necessary to perform wire bonding twice like sapphire. In the case of using a GaInN-based LD or LED substrate, it is remarkably superior to the current sapphire substrate.

本発明の手法は、HVPE法、MOCVD法、昇華法などの、GaNの気相合成法において適用することができる。しかし貫通転位が成長方向と平行に延びるという性質を巧みに利用するのが本発明の骨子であるから、気相合成法以外のGaN結晶成長法にも本発明を適用することができる。高圧溶融法によるGaNの合成においても適用可能で汎用性の高い技術思想である。   The method of the present invention can be applied to GaN vapor phase synthesis methods such as HVPE, MOCVD, and sublimation. However, since it is the gist of the present invention that skillfully utilizes the property that threading dislocations extend parallel to the growth direction, the present invention can also be applied to GaN crystal growth methods other than vapor phase synthesis. This is a highly versatile technical idea that can be applied to the synthesis of GaN by the high pressure melting method.

本発明の基本的概念は、GaN単結晶の成長に於ける結晶成長方向g或いは転位の延びる方向qと平行な面でスライス加工して基板を作製することとして、基板表面の貫通転位を低減する、ということである。   The basic concept of the present invention is to reduce the threading dislocations on the substrate surface by fabricating the substrate by slicing in a plane parallel to the crystal growth direction g or dislocation extending direction q in the growth of the GaN single crystal. ,That's what it means.

まず、結晶成長の方向と、転位の延びる方向との関係であるが、発明者らの研究の結果から、次のような関係がある事が明らかになった。   First, the relationship between the direction of crystal growth and the direction in which dislocations extend, but the results of the inventors' research have revealed the following relationship.

これはインゴット結晶から(0001)面、(1−100)面、(11−20)面を表面とする面方位を持った結晶サンプルを切り出し、それらを種結晶として、そのサンプル上にさらに成長を行い、特定面における結晶成長の状況を把握した。GaNは六方晶系であるから面指数が4つあり直観的に分かりにくいので、これらの面には名前が付いている。(0001)面はC面と言う。(1−100)面はM面と呼ぶ。(11−20)面はA面と言う。この明細書において面指数の代わりに、時にこれらの符号を使い関係を分かりやすくする。   This is because a crystal sample having a plane orientation with the (0001) plane, (1-100) plane, and (11-20) plane as the surface is cut out from the ingot crystal, and these are used as seed crystals for further growth on the sample. The situation of crystal growth in a specific plane was grasped. Since GaN is a hexagonal system, it has four face indices and is difficult to understand intuitively, so these faces are named. The (0001) plane is called the C plane. The (1-100) plane is called the M plane. The (11-20) plane is referred to as the A plane. In this specification, these codes are sometimes used instead of the face index to make the relationship easy to understand.

その結晶成長方向と、転位の向きを透過型電子顕微鏡を使用して、確認した。その結果(0001)、(1−100)、(11−20)面のサンプルのそれぞれにおいて、結晶面に対して垂直に鏡面状の結晶成長がなされた。   The crystal growth direction and the direction of dislocation were confirmed using a transmission electron microscope. As a result, in each of the samples of the (0001), (1-100), and (11-20) planes, mirror-like crystal growth was performed perpendicular to the crystal plane.

結晶成長と平均的な転位の延びる向きとの関係は次のようであった。
(1)結晶成長方向:<0001>、転位延長方向:<0001> (C面)
(2)結晶成長方向:<1−100>、転位延長方向:<1−100> (M面)
(3)結晶成長方向:<11−20>、転位延長方向:<11−20> (A面)
上記の(1)、(2)、(3)のように、C面、M面、A面成長の場合、結晶内の転位の延びる方向(転位延長方向qと呼ぶ)は結晶成長方向gと平均的に大体同じ方向であった。
The relationship between the crystal growth and the average direction of dislocation extension was as follows.
(1) Crystal growth direction: <0001>, dislocation extension direction: <0001> (C-plane)
(2) Crystal growth direction: <1-100>, dislocation extension direction: <1-100> (M-plane)
(3) Crystal growth direction: <11-20>, dislocation extension direction: <11-20> (A surface)
In the case of C-plane, M-plane, and A-plane growth as in (1), (2), and (3) above, the direction in which dislocations extend in the crystal (referred to as dislocation extension direction q) is the crystal growth direction g. On average, it was almost the same direction.

本発明はこの性質(g=q)を利用して基板の貫通転位の低減化を図る。ただし(11−20)面においては、成長条件によっては、ファセット面が出やすい傾向があったが、条件を適当に選ぶ事によって上記の結果が得られる。   The present invention uses this property (g = q) to reduce threading dislocations in the substrate. However, in the (11-20) plane, there was a tendency that a facet plane was likely to appear depending on the growth conditions. However, the above result can be obtained by appropriately selecting the conditions.

しかしながら、その他の面方位への成長の場合、必ずしも結晶内の転位の向き(転位延長方向)は、結晶成長方向と同じにはならない。下記のようなものの存在が確認された。   However, in the case of growth in other plane orientations, the direction of dislocations in the crystal (dislocation extension direction) is not necessarily the same as the crystal growth direction. The existence of the following was confirmed.

(4)結晶成長方向:<1−101>R面方向、転位延長方向<1−100>
(5)結晶成長方向:<11−22>F面方向、転位延長方向<11−20>
(4) Crystal growth direction: <1-101> R-plane direction, dislocation extension direction <1-100>
(5) Crystal growth direction: <11-22> F-plane direction, dislocation extension direction <11-20>

これら(R面、F面方向成長の場合)は結晶成長方向と転位延長方向(g≠q)が食い違う。本発明はこれらの方位の成長は利用しないと言うのではない。そうではなくて、q≠gの場合は、qを優先して、転位延長方向と平行な切断面Sによってインゴットを切断して基板とするのである。本発明はそのようなq≠gの場合でも適用できる。要するに転位延長方向qが一義的に定義できればよい。これらの場合も多段成長が可能であるが、転位延長方向に平行に切るとM面とA面結晶に還元される。だから以後の説明のどこかへ合流することになる。だからこれら(4)、(5)の例については以後は述べない。   In these cases (in the case of growth in the R-plane and F-plane directions), the crystal growth direction and the dislocation extension direction (g ≠ q) are different. The present invention does not say that these orientation growths are not utilized. On the other hand, when q ≠ g, q is prioritized and the ingot is cut by the cutting plane S parallel to the dislocation extension direction to form a substrate. The present invention can be applied to such a case where q ≠ g. In short, it is sufficient that the dislocation extension direction q can be uniquely defined. In these cases, multi-stage growth is possible, but if it is cut parallel to the dislocation extension direction, it is reduced to M-plane and A-plane crystals. Therefore, it will join somewhere in the following explanation. Therefore, these (4) and (5) examples will not be described later.

より実用的に言えば、本発明は、C、M、A面の3面の成長において、転位延長方向qと結晶成長方向gが一致するという性質を利用し転位が走る方向にインゴットを切断して貫通転位の少ない基板を得るということにある。
例えば前述の(1)、(2)、(3)の例の状況において、g方向(g=m、a、c)にGaNの結晶成長させインゴットを作製し、結晶成長方向g、すなわち、転位の延びる方向qに平行(S面)にインゴットを切り出してウエハ(S面=A、M、C)とする。これによって表面の貫通転位が減少したGaN基板を得る事ができる。それは1段階の成長である。
More practically speaking, the present invention cuts the ingot in the direction in which the dislocations run by utilizing the property that the dislocation extension direction q and the crystal growth direction g coincide with each other in the growth of the C, M, and A planes. Thus, a substrate with few threading dislocations is obtained.
For example, in the situation of the examples (1), (2), and (3) described above, an ingot is produced by growing a GaN crystal in the g direction (g = m, a, c), and the crystal growth direction g, that is, dislocation. An ingot is cut out in parallel (S surface) to the extending direction q of the wafer to form a wafer (S surface = A, M, C). As a result, a GaN substrate with reduced surface threading dislocations can be obtained. That is one stage of growth.

それ以外に本発明は多段階成長にも適用でき多段階成長において効果が大きい。成長方向gに平行に切り出した低転位の基板を種結晶として厚いGaNインゴットを成長させ成長方向と平行に切断して低転位化したGaN基板を得る。これを何段階も繰り返すと転位の継承を禁止して低転位化することができる。   In addition, the present invention can be applied to multi-stage growth and has a great effect in multi-stage growth. A thick GaN ingot is grown using a low dislocation substrate cut out parallel to the growth direction g as a seed crystal and cut parallel to the growth direction to obtain a low dislocation GaN substrate. If this process is repeated many times, dislocation inheritance can be prohibited and low dislocation can be achieved.

本発明はかなり複雑であって実施例も数多く相互の関係を直観的に理解しにくい。理解を助けるために、ここで簡単な表記法を定義する。これによれば本発明の幾多の実施例の関連が分かりやすい。   The present invention is quite complicated, and many embodiments are difficult to understand intuitively. To help understanding, a simple notation is defined here. This makes it easy to understand the relationship between various embodiments of the present invention.

薄い基板の場合、表面の面方位をアルファベット大文字で表現する。厚いインゴットを成長させる場合の結晶成長の方向をアルファベット小文字で表現する。つまり基板=大文字、インゴット=小文字によって表現する。例えば”Xx”というと、X面を持つ種結晶の上にx方向に厚く結晶成長するという工程、あるいはその工程でできたX面を成長面とするインゴットを意味する。   In the case of a thin substrate, the surface orientation is expressed in alphabetic capital letters. The direction of crystal growth when a thick ingot is grown is expressed in lower case letters. In other words, it is expressed by substrate = upper case and ingot = lower case. For example, “Xx” means a process of growing a crystal thickly in the x direction on a seed crystal having an X plane, or an ingot having an X plane formed by the process as a growth plane.

種結晶とその上のエピタキシャル成長の方位は必ず一致するから大文字とそれに続く小文字は合致しなければならない。Xy、Yz…のようなものは禁止される。   Since the orientation of the seed crystal and the epitaxial growth on it always match, the upper case letter and the lower case letter must match. Things like Xy, Yz ... are prohibited.

そしてスライス加工を”;”によって表現する。スライス加工の方向を;に続くアルファベット大文字によって表現する。たとえば”Xx;Y”というと、X面を持つ種結晶の上にx方向に厚くエピタキシャル成長して成長表面がX面であるインゴットを作り、これをY面方向にスライス加工してY面を持つ薄い基板(ウエハ)を作るという工程、あるいはそれでできた基板を簡潔に表現している。
これは積演算が可能である。
Slice processing is expressed by “;”. The direction of slicing is expressed by the capital letter following; For example, “Xx; Y” means that an ingot having an X-plane growth surface is formed on a seed crystal having an X-plane by growing it thick in the x-direction, and this is sliced in the Y-plane direction to have a Y-plane. The process of making a thin substrate (wafer), or a substrate made from it, is simply expressed.
This is a product operation.

”Xx;Yy”というと、X面を持つ種結晶の上にx方向に厚くエピタキシャル成長して成長表面がX面であるインゴットを作り、これをY面平行にスライス加工してY面を持つ薄い基板(ウエハ)を得て、さらにY面基板を種結晶としてy方向にエピ成長して成長表面がY面であるインゴットを得るという工程、あるいはY面を持つインゴットを意味するものとする。   “Xx; Yy” means that an ingot having an X-plane growth surface is epitaxially grown on a seed crystal having an X-plane thickly in the x-direction, and this is sliced parallel to the Y-plane and thin with a Y-plane. It means a process of obtaining a substrate (wafer) and further epitaxially growing in the y direction using a Y-plane substrate as a seed crystal to obtain an ingot having a Y-plane growth surface, or an ingot having a Y-plane.

”Xx;Yy;Z”というと、X面を持つ種結晶の上にx方向に厚くエピタキシャル成長して成長表面がX面であるインゴットを作り、これをY面平行にスライス加工してY面を持つ薄い基板(ウエハ)を得て、さらにY面基板を種結晶としてy方向にエピ成長して成長表面がY面であるインゴットを得て、これをZ面平行にスライス加工してZ面を持つ基板(ウエハ)を作るという工程、あるいはその工程でできた基板を表現するものとする。   “Xx; Yy; Z” means that an ingot having an X-plane growth surface is formed on a seed crystal having an X-plane by thickly growing it in the x-direction, and this is sliced parallel to the Y-plane to form the Y-plane. A thin substrate (wafer) is obtained, and an Y-plane substrate is used as a seed crystal for epi-growth in the y-direction to obtain an ingot whose growth surface is the Y-plane. It is assumed that a process of making a substrate (wafer) or a substrate made by the process is expressed.

”Xx;Yy;Zz”というと、X面を持つ種結晶の上にx方向に厚くエピタキシャル成長して成長表面がX面であるインゴットを作り、これをY面平行にスライス加工してY面を持つ薄い基板(ウエハ)を得て、さらにY面基板を種結晶としてy方向にエピ成長して成長表面がY面であるインゴットを得て、これをZ面平行にスライス加工してZ面を持つ基板(ウエハ)を作り、これを種結晶としてz方向にエピタキシャル成長してZ面を成長表面に持つインゴットを作る工程、あるいはその工程でできたインゴットを表現するものとする。以下同様である。   “Xx; Yy; Zz” means that an ingot having an X-plane growth surface is formed on a seed crystal having an X-plane to form an X-plane ingot, and this is sliced parallel to the Y-plane to form a Y-plane. A thin substrate (wafer) is obtained, and an Y-plane substrate is used as a seed crystal for epi-growth in the y-direction to obtain an ingot whose growth surface is the Y-plane. A substrate (wafer) having a Z-plane as a growth surface by making a substrate (wafer) having the substrate and epitaxial growth in the z direction as a seed crystal, or an ingot formed by the step is expressed. The same applies hereinafter.

この表記を使うと、C面種結晶の上にc方向に厚くエピ成長しC面平行にスライス加工して複数のC面の基板を作製する従来のGaN基板製造方法は、簡潔にCc;Cと表現することができる。スライス加工において、c;Cのように、;の前と後ろが同一だから貫通転位の低減効果がない。従来法=Cc;Cだというように記憶すれば本発明の相違点はすぐにわかるであろう。
本発明は結局のところスライス加工の;において前と後ろの方位が異なり、転位方向とスライス加工後の切断表面方向が同一になるから貫通転位低減の効果があるのである。そのために結晶成長方向と転位延長方向が合致しなければならないから方位は先述のC、M、Aに限られる。つまり本発明の骨子は簡単にいえば
Using this notation, a conventional GaN substrate manufacturing method for producing a plurality of C-plane substrates by epitaxially growing thickly in the c-direction on a C-plane seed crystal and slicing parallel to the C-plane is simply Cc; C It can be expressed as In slicing, as in c; C, the front and rear of; are the same, so there is no effect of reducing threading dislocations. If the conventional method = Cc; C is stored, the difference of the present invention will be readily understood.
In the slicing process, the present invention ultimately has different front and rear orientations, and the dislocation direction is the same as the cut surface direction after slicing, so that there is an effect of reducing threading dislocations. Therefore, since the crystal growth direction and the dislocation extension direction must match, the orientation is limited to the above-described C, M, and A. In short, the gist of the present invention is simply

x;Y (x≠y) (10)               x; Y (x ≠ y) (10)

という式に尽きる。これが本発明を端的に表現している。成長面(X)と切断面(Y)が違うということである。これによって貫通転位密度を減らしているのである。これに対して従来法はx;Xだということである。 It is exhausted to the formula. This is a straightforward representation of the present invention. That is, the growth plane (X) is different from the cut plane (Y). This reduces the threading dislocation density. On the other hand, the conventional method is x; X.

以下、3つの面M、A、Cの相互の変換だけに話を限局する。大文字のM、A、Cは面方位、面、基板を意味する。小文字m、a、cは成長方向、インゴット(結晶)あるいはその方向の成長を意味するものとする。また図形によってこれら成長方向の変換を直感的に表現するようにする。   In the following, the story is limited to the mutual conversion of the three planes M, A, and C. Capital letters M, A, and C mean plane orientation, plane, and substrate. Small letters m, a, and c mean growth directions, ingots (crystals), or growth in that direction. In addition, the transformation of the growth direction is intuitively expressed by a figure.

図13のように下向きの3種類の矢印によって成長方向を表現する。m=<1−100>を左下向きの矢印とする。a=<11−20>を右下向きの矢印とする。c=<0001>を下向きの矢印とする。矢印は成長の進行を示す。多段階成長の場合は下へ下へと成長方向を示す矢印が連続する。このような結晶成長の変換を示すものを結晶成長ダイヤグラムと呼ぶ。図14〜図18は本発明の主な結晶成長のダイヤグラムである。   The growth direction is expressed by three downward arrows as shown in FIG. Let m = <1-100> be an arrow pointing downward to the left. Let a = <11-20> be the arrow pointing downward to the right. Let c = <0001> be a downward arrow. Arrows indicate growth progress. In the case of multi-stage growth, arrows indicating the growth direction continue downward. Such a crystal growth conversion is called a crystal growth diagram. 14 to 18 are main crystal growth diagrams of the present invention.

一段階の成長と一回のスライス加工によって基板を作る場合、本発明は次の6つ(3×2)の場合に限られる。これを図14に示す。   When a substrate is formed by one-step growth and one slice processing, the present invention is limited to the following six (3 × 2) cases. This is shown in FIG.

(1)m;A (2)a;M
(3)a;C (4)m;C
(5)c;M (6)c;A (11)
(1) m; A (2) a; M
(3) a; C (4) m; C
(5) c; M (6) c; A (11)

転位低減効果は、;の前後のアルファベットが異なるということによって表現される。この6つは基本形である。つまり本発明によって否定されているのはc;C、a;A、m;Mの3つである。特に従来法はc;Cである。   The dislocation reduction effect is expressed by the fact that the alphabet before and after is different. These six are basic forms. In other words, the following three are denied by the present invention: c; C, a; A, m; In particular, the conventional method is c; C.

例えば(1)Mm;AというのはM面種結晶{1−100}面を使ってm方向のエピ成長をしてM面を成長表面に持つインゴットを作り、A面({11−20}面)に平行にスライス加工し、A面を持つ基板を作ったということである。この6つの場合の中で特にCとM、CとAが製造の容易さから重要である。つまり製造の容易さからは次の4つが有望である。   For example, (1) Mm; A means that an M plane epicrystal {1-100} plane is used for epitaxial growth in the m direction to form an ingot having the M plane as the growth surface, and the A plane ({11-20} In other words, the substrate is sliced parallel to the surface A) to produce a substrate having an A surface. Among these six cases, C and M, and C and A are particularly important for ease of production. In other words, the following four are promising from the viewpoint of ease of manufacture.

(6) c;A (5)c;M、
(4) m;C (3)a;C (12)
(6) c; A (5) c; M,
(4) m; C (3) a; C (12)

この4つを以下において、CAタイプ(6)、CMタイプ(5)、MCタイプ(4)、ACタイプ(3)と呼ぶことがある。式(11)にはこの他に1段階成長としてMAタイプ(1)とAM(2)タイプが含まれる。この二つも興味深い組み合わせであるが、実際の成長工程では使いにくいから以後はあまり述べない。   These four may be referred to as CA type (6), CM type (5), MC type (4), and AC type (3) below. In addition to this, the MA type (1) and the AM (2) type are included in the formula (11) as one-step growth. These two are also interesting combinations, but since they are difficult to use in the actual growth process, they will not be described much later.

一段階成長で6つの場合があるから、2段階成長だとそれに続く異なる2方位が可能なので6×2=12の異なる成長方法がある。例えば2段階成長の純粋形の12の場合を次に挙げる。これのダイヤグラムを図15に示す。   Since there are six cases in one-stage growth, there are 6 × 2 = 12 different growth methods because two-stage growth allows two different orientations to follow. For example, the case of twelve-pure pure form 12 is given below. A diagram of this is shown in FIG.

(7) c;Aa;M (8) c;Aa;C (9)c;Mm;A
(10)c;Mm;C (11)m;Cc;A (12)m;Cc;M
(13)m;Aa;C (14)m;Aa;M (15)a;Cc;M
(16)a;Cc;A (17)a;Mm;C (18)a;Mm;A (13)
(7) c; Aa; M (8) c; Aa; C (9) c; Mm; A
(10) c; Mm; C (11) m; Cc; A (12) m; Cc; M
(13) m; Aa; C (14) m; Aa; M (15) a; Cc; M
(16) a; Cc; A (17) a; Mm; C (18) a; Mm; A (13)

ただし種結晶とインゴット結晶の組み合わせは常にMm、Cc、Aaというように同一であるから、図面では単純にm、c、aと描く。これらは等しく2回の転位低減の効果がある。しかし実際に結晶成長する場合は、c軸方向に成長させることが多いので、このうち特に重要なのは   However, since the combination of the seed crystal and the ingot crystal is always the same as Mm, Cc, and Aa, they are simply drawn as m, c, and a in the drawing. These are equally effective in reducing dislocations twice. However, when the crystal is actually grown, it is often grown in the c-axis direction.

(7)c;Aa;M (8)c;Aa;C
(9)c;Mm;A (10)c;Mm;C (14)
(7) c; Aa; M (8) c; Aa; C
(9) c; Mm; A (10) c; Mm; C (14)

である。最終のウエハとしてC面ウエハが要求される事が多いので、さらに重要なのは It is. Most importantly, a C-plane wafer is often required as the final wafer.

(8)c;Aa;C (10)c;Mm;C (15)         (8) c; Aa; C (10) c; Mm; C (15)

の2つである。 These are two.

3段階成長だと、6×2×2=24の異なる成長方法がある。これを図16に示す。   In the case of three-stage growth, there are 6 × 2 × 2 = 24 different growth methods. This is shown in FIG.

(19)c;Aa;Mm;C (20)c;Aa;Cc;M (21)c;Mm;Aa;C
(22)c;Mm;Cc;M (23)m;Cc;Aa;M (24)m;Cc;Mm;A
(25)m;Aa;Cc;A (26)m;Aa;Mm;C (27)a;Cc;Mm;A
(28)a;Cc;Aa;C (29)a;Mm;Cc;A (30)a;Mm;Aa;C
(31)c;Aa;Mm;A (32)c;Aa;Cc;A (33)c;Mm;Aa;M
(34)c;Mm;Cc;A (35)m;Cc;Aa;C (36)m;Cc;Mm;C
(37)m;Aa;Cc;M (38)m;Aa;Mm;A (39)a;Cc;Mm;C
(40)a;Cc;Aa;M (41)a;Mm;Cc;M (42)a;Mm;Aa;M
(16)
(19) c; Aa; Mm; C (20) c; Aa; Cc; M (21) c; Mm; Aa; C
(22) c; Mm; Cc; M (23) m; Cc; Aa; M (24) m; Cc; Mm; A
(25) m; Aa; Cc; A (26) m; Aa; Mm; C (27) a; Cc; Mm; A
(28) a; Cc; Aa; C (29) a; Mm; Cc; A (30) a; Mm; Aa; C
(31) c; Aa; Mm; A (32) c; Aa; Cc; A (33) c; Mm; Aa;
(34) c; Mm; Cc; A (35) m; Cc; Aa; C (36) m; Cc; Mm; C
(37) m; Aa; Cc; M (38) m; Aa; Mm; A (39) a; Cc; Mm; C
(40) a; Cc; Aa; M (41) a; Mm; Cc; M (42) a; Mm; Aa;
(16)

これらはスライス加工で必ず転位方向にスライス加工する純粋形の場合である。これだと2段階、3段階の貫通転位低減効果がある。
しかし、それだけではない。一度転位低減化すれば、その他の段においては転位低減しなくてもよいということも言える。その場合は何れかのスライス加工において;の前後が等しいアルファベット大小文字になるc;C、a;A、m;Mをも許すことになる。
These are the cases of a pure form that is always sliced in the dislocation direction during slicing. This has the effect of reducing threading dislocations in two stages and three stages.
But that is not all. It can also be said that once the dislocations are reduced, the dislocations need not be reduced in other stages. In that case, c; C, a; A, m; M are also allowed in any slicing process.

そうであれば本発明は、2段階成長の場合3×3×3−3=24、3段成長の場合3×3×3×3−3=78の種類の製造方法、基板を含むことになる。2段階成長の場合の24の組み合わせというのは、式(13)の12の他に12組があるということである。   If so, the present invention includes 3 × 3 × 3-3 = 24 in the case of two-stage growth and 3 × 3 × 3 × 3-3 = 78 types of manufacturing methods and substrates in the case of three-stage growth. Become. The 24 combinations in the case of the two-stage growth means that there are 12 sets in addition to 12 in the formula (13).

1段階目に転位低減効果があり2段階目は転位低減効果がないというようなものに限ると(これは結局1段階成長の場合に還元されるわけである。)次の6つになる。図17にこれを示す。   If the first stage has a dislocation reduction effect and the second stage has no dislocation reduction effect (this is ultimately reduced in the case of one-stage growth), the following six are obtained. This is shown in FIG.

(43)c;Aa;A (44)c;Mm;M (45)m;Cc;C
(46)a;Cc;C (47)a;Mm;M (48)m;Aa;A
(17)
(43) c; Aa; A (44) c; Mm; M (45) m; Cc; C
(46) a; Cc; C (47) a; Mm; M (48) m; Aa; A
(17)

1段階目に転位低減効果がなく2段階目は転位低減効果があるというようなものに限ると、次の6つになる。図18にこれを示す。   If the first stage has no dislocation reduction effect and the second stage has a dislocation reduction effect, the following six cases can be obtained. This is shown in FIG.

(49)c;Cc;A (50)c;Cc;M (51)m;Mm;C
(52)a;Aa;C (53)a;Aa;M (54)m;Mm;A(18)
(49) c; Cc; A (50) c; Cc; M (51) m; Mm; C
(52) a; Aa; C (53) a; Aa; M (54) m; Mm; A (18)

この場合も最初の成長の方向はc軸方向であることが多いので、その意味で重要なのは4つである。するとC面成長から出発するとすれば式(15)と合わせて   Also in this case, since the initial growth direction is often the c-axis direction, four are important in that sense. Then, if we start from C-plane growth, together with equation (15)

(8) c;Aa;C (10)c;Mm;C
(43)c;Aa;A (44)c;Mm;M
(49)c;Cc;A (50)c;Cc;M (19)
(8) c; Aa; C (10) c; Mm; C
(43) c; Aa; A (44) c; Mm; M
(49) c; Cc; A (50) c; Cc; M (19)

が重要だということになる。上の2つは2回の転位低減効果があり、下の4つは1回の転位低減効果がある。 Is important. The upper two have two dislocation reduction effects, and the lower four have one dislocation reduction effect.

クレーム自体かなり複雑である。簡単には相互の関係を理解できない。そこでクレームに挙げられたものがどれに当たるのかを「請・・・」と略記し理解を容易にしよう。後ろに付けたのはダイヤグラムに付した番号である。   The claims themselves are quite complex. It is not easy to understand the relationship between each other. Therefore, it will be abbreviated as "contract ..." which corresponds to what is listed in the claims to make it easier to understand. The number attached to the diagram is attached to the back.

1〜4=m;A(1) a;M(2) a;C(3) m;C(4) c;M(5) c;A(6) 請1〜4
5 = m;C(4)
6 = a;C(3)
7 = Mm;C(4)
8×7 = c;Mm;C(10) (58)
9×7 = m;Mm;C(51)
A (1) a; M (2) a; C (3) m; C (4) c; M (5) c; A (6) Contracts 1-4
5 = m; C (4)
6 = a; C (3)
7 = Mm; C (4)
8 × 7 = c; Mm; C (10) (58)
9 × 7 = m; Mm; C (51)

10 = Aa;C(3)
11×10= c;Aa;C(8)
12×10= a;Aa;C
13 = c;M(5) 請5
14 = Cc;M(5) 請6
15×14=Aa;Cc;M(15) Mm;Cc;M(12) 請7
16×14=Cc;Cc;M(50) 請8
17 = c;A(6) 請9
10 = Aa; C (3)
11 × 10 = c; Aa; C (8)
12 × 10 = a; Aa; C
13 = c; M (5) Contract 5
14 = Cc; M (5) Request 6
15 × 14 = Aa; Cc; M (15) Mm; Cc; M (12)
16 × 14 = Cc; Cc; M (50)
17 = c; A (6) Request 9

18 = Cc;A(6) 請10
19×18=Aa;Cc;A(16) Mm;Cc;A(11)
20×18=Cc;Cc;A(49)
21〜26=m;A(1) a;M(2) a;C(3) m;C(4)c;M(5) c;A(6) 請11〜16
27、28= m;C(4) 請17、18
29、30= a;C(3) 請19、20
31、32= c;M(5) 請21、22
33、34= c;A(6) 請23、24
37 = c;Aa;A(43)a;Mm;M(47)m;Cc;C(45)
c;Mm;M(44)m;Aa;A(48)a;Cc;C(46)
38 = c;Aa;A(43)a;Mm;M(47)m;Cc;C(45)
c;Mm;M(44)m;Aa;A(48)a;Cc;C(46)
39 = m;Cc;C(45)
40 = a;Cc;C(46)
41 = c;Mm;M(44)
18 = Cc; A (6) Request 10
19 × 18 = Aa; Cc; A (16) Mm; Cc; A (11)
20 × 18 = Cc; Cc; A (49)
A (1) a; M (2) a; C (3) m; C (4) c; M (5) c; A (6)
27, 28 = m; C (4) Request 17, 18
29, 30 = a; C (3) Request 19, 20
31, 32 = c; M (5)
33, 34 = c; A (6) Request 23, 24
37 = c; Aa; A (43) a; Mm; M (47) m; Cc; C (45)
c; Mm; M (44) m; Aa; A (48) a; Cc; C (46)
38 = c; Aa; A (43) a; Mm; M (47) m; Cc; C (45)
c; Mm; M (44) m; Aa; A (48) a; Cc; C (46)
39 = m; Cc; C (45)
40 = a; Cc; C (46)
41 = c; Mm; M (44)

本発明が提案する基板において、表面に平行に転位が走っている。だから表面に露呈している貫通転位の数が減少する。これはc;M、m;A、a;C、c;A、a;M、m;Cの6つの場合を意味している。
また転位の走る方向は主に定まった一方向であり、それによって貫通転位が少なくなるのである。これも同じことでc;M、m;A、a;C、c;A、a;M、m;Cの6つの組を意味している。
In the substrate proposed by the present invention, dislocations run parallel to the surface. Therefore, the number of threading dislocations exposed on the surface is reduced. This means six cases: c; M, m; A, a; C, c; A, a; M, m;
In addition, the direction in which dislocations run is mainly one direction, which reduces threading dislocations. This also means the same six groups: c; M, m; A, a; C, c; A, a; M, m;

より具体的な本発明のGaN基板の方位の組み合わせについて述べよう。成長方向と切り出し面の方向によって4つのタイプ、イ、ロ、ハ、ニが可能である。   A more specific combination of orientations of the GaN substrate of the present invention will be described. Four types are possible depending on the growth direction and the direction of the cut surface.

イ.{1−100}/{0001}のMCタイプ (m;CとMm;C)
結晶成長面が{1−100}面であり、結晶成長方向と平行な(0001)面でスライス加工した(0001)面を有する単結晶GaAs基板の製造方法。
その種結晶は{1−100}面を有する。GaN基板の表面は{0001}面で、貫通転位方向は{1−100}である。
I. MC type of {1-100} / {0001} (m; C and Mm; C)
A method of manufacturing a single crystal GaAs substrate having a (0001) plane in which a crystal growth plane is a {1-100} plane and is sliced by a (0001) plane parallel to the crystal growth direction.
The seed crystal has a {1-100} plane. The surface of the GaN substrate is a {0001} plane, and the threading dislocation direction is {1-100}.

ロ.{11−20}/{0001}のACタイプ(a;CとAa;C)
結晶成長面が{11−20}面であり、結晶成長方向と平行な(0001)面でスライス加工した(0001)面を有する単結晶GaAs基板の製造方法。
B. AC type of {11-20} / {0001} (a; C and Aa; C)
A method for producing a single crystal GaAs substrate having a (0001) plane obtained by slicing a (0001) plane parallel to the crystal growth direction, wherein the crystal growth plane is a {11-20} plane.

その種結晶は{11−20}面を有する。GaN基板の表面は{0001}面で、貫通転位方向は{11−20}である。
ハ.{0001}/{1−100}のCMタイプ (c;MとCc;M)
The seed crystal has a {11-20} plane. The surface of the GaN substrate is a {0001} plane and the threading dislocation direction is {11-20}.
C. {0001} / {1-100} CM type (c; M and Cc; M)

結晶成長面が{0001}面であり、結晶成長方向と平行な{1−100}面でスライス加工した{1−100}面を有する単結晶GaAs基板の製造方法。   A method for producing a single-crystal GaAs substrate having a {1100} plane sliced by a {1-100} plane parallel to the crystal growth direction, the crystal growth plane being a {0001} plane.

その種結晶は{0001}面を有する。GaN基板の表面は{1−100}面で、貫通転位方向は{0001}である。   The seed crystal has a {0001} plane. The surface of the GaN substrate is a {1-100} plane and the threading dislocation direction is {0001}.

ニ.{0001}/{11−20}のCAタイプ (c;AとCc;A)
結晶成長面が{0001}面であり、結晶成長方向と平行な{11−20}面でスライス加工した{11−20}面を有する単結晶GaAs基板の製造方法。
D. {0001} / {11-20} CA type (c; A and Cc; A)
A method of manufacturing a single crystal GaAs substrate having a {11-20} plane sliced by a {11-20} plane parallel to the crystal growth direction, the crystal growth plane being a {0001} plane.

その種結晶は{0001}面を有する。GaN基板の表面は{11−20}面で、貫通転位方向は{0001}である。   The seed crystal has a {0001} plane. The surface of the GaN substrate is a {11-20} plane, and the threading dislocation direction is {0001}.

イ({1−100}/{0001})MCタイプの種結晶の作製方法(Mm)
GaN結晶を、{1−100}面方向(m)に結晶成長させる場合に必要な{1−100}面を有する種結晶(M)は次のようにして製造する。
イの1.(0001)面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{1−100}面で切り出すことによって製造できる。先ほどの表記法でc;Mである。
イの2.{1−100}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と垂直に{1−100}面で切り出すことによって製造できる。先ほどの表記ではm;Mである。
イの1の種結晶の場合、ファセット面からなるピットの形成が見られる場合があるが、ピット底への転位集中が起きても、切り出した{1−100}面の貫通転位は高くないので問題はない。
貫通転位密度の小さな種結晶から成長した結晶は、転位密度が小さい。さらにその後、成長方向に平行(転位の延びる方向)に切り出した場合、さらに小さな貫通転位密度になることが期待できる。
Method for producing seed crystal of ({1-100} / {0001}) MC type (Mm)
A seed crystal (M) having a {1-100} plane necessary for crystal growth of a GaN crystal in the {1-100} plane direction (m) is produced as follows.
A. It can be manufactured by cutting out from a GaN crystal grown using the (0001) plane as a growth plane, with a {1-100} plane parallel to the growth direction. In the above notation, c; M.
A. It can be produced by cutting a {1-100} plane perpendicular to the growth direction from a GaN crystal grown using the {1-100} plane as a growth plane. In the above notation, m; M.
In the case of the seed crystal (1), formation of pits consisting of facet surfaces may be observed, but even if dislocation concentration occurs at the bottom of the pits, threading dislocations on the cut {1-100} plane are not high. No problem.
A crystal grown from a seed crystal having a low threading dislocation density has a low dislocation density. Further, when the cutout is cut out parallel to the growth direction (direction in which dislocations extend), it can be expected that the threading dislocation density is further reduced.

ロ({11−20}/{0001})ACタイプの種結晶の作製方法(Aa)
GaN結晶を、{11−20}面方向(a)に結晶成長させる場合に必要な{11−20}面を有する種結晶(A)は次のようにして製造する。
ロの1.(0001)面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{11−20}面で切り出すことによって製造できる(c;A)。
ロの2.{11−20}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と垂直に{11−20}面で切り出すことによって製造できる(a;A)。
ロの1の種結晶の場合、ファセット面からなるピットの形成が見られる場合があるが、ピット底への転位集中がおきても、切り出した{11−20}面の貫通転位は高くないので問題はない。
貫通転位密度の小さな種結晶から成長した結晶は、転位密度が小さい。さらにその後、成長方向に平行(転位の延びる方向)に切り出した場合、さらに小さな貫通転位密度になることが期待できる。
B. ({11-20} / {0001}) AC type seed crystal production method (Aa)
A seed crystal (A) having a {11-20} plane necessary for crystal growth of a GaN crystal in the {11-20} plane direction (a) is produced as follows.
1. It can be manufactured by cutting a {11-20} plane parallel to the growth direction from a GaN crystal grown with the (0001) plane as the growth plane (c; A).
2) It can be produced by cutting out from a GaN crystal grown using the {11-20} plane as a growth plane, along the {11-20} plane perpendicular to the growth direction (a; A).
In the case of the seed crystal (b), there may be formation of pits consisting of facet planes, but even if dislocation concentration occurs at the bottom of the pits, the threaded dislocations of the cut {11-20} plane are not high. No problem.
A crystal grown from a seed crystal having a low threading dislocation density has a low dislocation density. Further, when the cutout is cut out parallel to the growth direction (direction in which dislocations extend), it can be expected that the threading dislocation density is further reduced.

ハ({0001}/{1−100})CMタイプの種結晶の作製方法(Cc)
GaN結晶を、{0001}面方向(c)に結晶成長させる場合に必要な{0001}面を有する種結晶(C)は次のようにして製造する。
ハの1.{11−20}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{0001}面で切り出すことによって製造できる(a;C)。
ハの2.{1−100}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{0001}面で切り出すことによって製造できる(m;C)。
ハの3.{0001}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と垂直に{0001}面で切り出すことによって製造できる(c;C)。
ハの1、ハの2の種結晶の製造方法自体(a;C、m;C)が本発明の技術思想の実施に他ならず、種結晶自体にも相当な低貫通転位密度が期待される。その上に本発明の思想によって、あるいは本発明の思想によらず、厚い結晶インゴットをエピタキシャル成長させる。
貫通転位密度の小さな種結晶から成長した結晶は、転位密度が小さい。さらにその後、成長方向に平行(転位の延びる方向)に切り出した場合、さらに小さな貫通転位密度になることが期待できる。
C ({0001} / {1-100}) CM type seed crystal production method (Cc)
A seed crystal (C) having a {0001} plane necessary for growing a GaN crystal in the {0001} plane direction (c) is manufactured as follows.
C. 1. It can be produced by cutting a {0001} plane parallel to the growth direction from a GaN crystal grown using the {11-20} plane as a growth plane (a; C).
2. It can be manufactured by cutting out from a {0001} plane parallel to the growth direction from a GaN crystal grown using the {1-100} plane as a growth plane (m; C).
C. It can be produced by cutting a {0001} plane perpendicular to the growth direction from a GaN crystal grown using the {0001} plane as a growth plane (c; C).
The manufacturing method itself (a; C, m; C) of C 1 and C 2 seed crystals is nothing but the implementation of the technical idea of the present invention, and the seed crystal itself is expected to have a considerably low threading dislocation density. The On top of that, a thick crystal ingot is epitaxially grown according to the idea of the present invention or not.
A crystal grown from a seed crystal having a low threading dislocation density has a low dislocation density. Further, when the cutout is cut out parallel to the growth direction (direction in which dislocations extend), it can be expected that the threading dislocation density is further reduced.

ニ.({0001}/{11−20})CAタイプの種結晶の作製方法(Cc)
GaN結晶を、{0001}面方向(c)に結晶成長させる場合に必要な{0001}面を有する種結晶(C)は次のようにして製造する。
ニの1.{11−20}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{0001}面で切り出すことによって製造できる(a;C)。
ニの2.{1−100}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と平行な{0001}面で切り出すことによって製造できる(m;C)。
ニの3.{0001}面を成長面として成長させたGaN結晶から、成長方向と垂直に{0001}面で切り出すことによって製造できる(c;C))。
ニの1、ニの2の種結晶の製造方法自体(a;C m;C)が本発明の技術思想の実施に他ならず、種結晶自体にも相当な低貫通転位密度が期待される。
貫通転位密度の小さな種結晶から成長した結晶は、転位密度が小さい。さらにその後、成長方向に平行(転位の延びる方向)に切り出した場合、さらに小さな貫通転位密度になることが期待できる。
D. ({0001} / {11-20}) CA type seed crystal production method (Cc)
A seed crystal (C) having a {0001} plane necessary for growing a GaN crystal in the {0001} plane direction (c) is manufactured as follows.
1. It can be produced by cutting a {0001} plane parallel to the growth direction from a GaN crystal grown using the {11-20} plane as a growth plane (a; C).
D.2. It can be manufactured by cutting out from a {0001} plane parallel to the growth direction from a GaN crystal grown using the {1-100} plane as a growth plane (m; C).
D.3. It can be produced by cutting a {0001} plane perpendicular to the growth direction from a GaN crystal grown using the {0001} plane as a growth plane (c; C)).
The production method itself (a; C m; C) of the first and second seed crystals of D is nothing but the implementation of the technical idea of the present invention, and the seed crystal itself is expected to have a considerably low threading dislocation density. .
A crystal grown from a seed crystal having a low threading dislocation density has a low dislocation density. Further, when the cutout is cut out parallel to the growth direction (direction in which dislocations extend), it can be expected that the threading dislocation density is further reduced.

こうして得られたGaN基板は次のような特徴を有する基板となる。
[イ.MCタイプ(m;C)(4)]
基板表面が{0001}面であり、基板内に主に<1−100>方向に転位が走って存在しており、これによって低転位化がなされた単結晶GaN基板。
[ロ.ACタイプ(a;C)(3)]
基板表面が{0001}面であり、基板内に主に<11−20>方向に転位が走って存在しており、これによって低転位化がなされた単結晶GaN基板。
[ハ.CMタイプ(c;M)(5)]
基板表面が{1−100}面であり、基板内に主に<0001>方向に転位が走って存在しており、これによって低転位化がなされた単結晶GaN基板。
[ニ.CAタイプ(c;A)(6)]
基板表面が{11−20}面であり、基板内に主に<0001>方向に転位が走って存在しており、これによって低転位化がなされた単結晶GaN基板。
The GaN substrate thus obtained is a substrate having the following characteristics.
[I. MC type (m; C) (4)]
A single crystal GaN substrate in which the substrate surface is a {0001} plane and dislocations exist in the substrate mainly in the <1-100> direction, thereby reducing dislocations.
[B. AC type (a; C) (3)]
A single crystal GaN substrate whose substrate surface is a {0001} plane and dislocations exist mainly in the <11-20> direction in the substrate, thereby reducing dislocations.
[C. CM type (c; M) (5)]
A single crystal GaN substrate whose substrate surface is a {1-100} plane and dislocations exist mainly in the <0001> direction in the substrate, thereby reducing dislocations.
[D. CA type (c; A) (6)]
A single crystal GaN substrate whose substrate surface is a {11-20} plane and dislocations exist in the substrate mainly in the <0001> direction, thereby reducing dislocations.

これらの発明によるGaN基板表面での貫通転位を測定した。貫通転位密度が1×10cm−2以下であることを確認した。 The threading dislocations on the surface of the GaN substrate according to these inventions were measured. It was confirmed that the threading dislocation density was 1 × 10 6 cm −2 or less.

なお、これらの発明は、表面の貫通転位を低減したGaN結晶を種結晶に用いて、GaN結晶を製造するときにも適用することができる。   These inventions can also be applied when a GaN crystal is manufactured using a GaN crystal with reduced surface threading dislocations as a seed crystal.

つまり種結晶自体を製造するのに本発明を用い、種結晶から大きい単結晶を作る場合にも本発明を重ねて適用するということが可能である。2段階成長をすると言っているのである。二重に本発明の転位低減機構を用いる。だから2重に貫通転位を減らすことができる。前記の表現では、   That is, the present invention can be applied to the case where the present invention is used to manufacture the seed crystal itself and a large single crystal is made from the seed crystal. He says he will grow in two stages. The dislocation reduction mechanism of the present invention is used twice. Therefore, threading dislocations can be reduced twice. In the above expression,

c;Aa;C c;Mm;C c;Aa;M c;Mm;A
m;Aa;C m;Aa;M m;Cc;A m;Cc;M
a;Cc;M a;Cc;A a;Mm;C a;Mm;A
c; Aa; C c; Mm; C c; Aa; M c; Mm; A
m; Aa; C m; Aa; M m; Cc; A m; Cc; M
C; M a; Cc; A a; Mm; C a; Mm; A

の12種類の場合がある。これらはいずれも同じ効果がある。しかし実際にはGaAsなど異物質を基板に使ってc軸方向に最初の成長を行う事が多い。するとこの12の中でも実際に重要なのは、 There are 12 types of cases. Both of these have the same effect. In practice, however, the first growth is often performed in the c-axis direction using a foreign substance such as GaAs for the substrate. Then the really important of these 12

c;Mm;C c;Mm;A c;Aa;C c;Aa;M   c; Mm; C c; Mm; A c; Aa; C c; Aa; M

の4種類である。しかも出来上がった基板自体にもC面を持つ基板が要求されることが多い。その場合には、さらに絞られて、2段階転位減少機構を持つ場合は There are four types. In addition, a substrate having a C-plane is often required for the completed substrate itself. In that case, if it is further narrowed down and has a two-stage dislocation reduction mechanism,

c;Mm;C c;Aa;C
の2種類に絞られるのである。
c; Mm; C c; Aa; C
It is narrowed down to two types.

しかし2重の成長において1回だけ本発明の思想を適用するということも可能である。結晶成長方向と平行な面でスライス加工することにより、スライス加工面で基板表面を貫通する貫通転位を低減したGaN単結晶を種結晶として、或いは基板内部において基板表面に平行に主に一方向の転位が走って存在する単結晶GaN基板を種結晶として用い、その種結晶上の成長において、成長方向と垂直な面でスライス加工することによって、低転位のGaN基板が得られる。本発明の思想からすると中途半端であるが、1回の低転位化で十分な場合もある。前記の表現では、   However, it is also possible to apply the idea of the present invention only once in double growth. By slicing in a plane parallel to the crystal growth direction, a GaN single crystal with reduced threading dislocations penetrating the substrate surface on the slice processing surface is used as a seed crystal, or in the substrate mainly in one direction parallel to the substrate surface. A single-crystal GaN substrate in which dislocations run is used as a seed crystal, and a GaN substrate with low dislocations can be obtained by slicing in a plane perpendicular to the growth direction in the growth on the seed crystal. Although it is halfway from the idea of the present invention, a single low dislocation may be sufficient. In the above expression,

c;Aa;A c;Mm;M
m;Aa;A m;Cc;C
a;Cc;C a;Mm;M
c; Aa; A c; Mm; M
m; Aa; A m; Cc; C
a; Cc; C a; Mm; M

の6種類である。 There are six types.

これは本発明によって既に低転位になっている結晶を種結晶として利用して、その種結晶上に成長させて製造した結晶を成長方向と垂直な面でスライス加工することによって低転位の基板を製造することができる。最終のスライス加工時においては、貫通転位が表面に垂直に走り、必ずしも好ましくないが、種結晶での貫通転位が低減しているから、比較的低転位のGaN基板を得る事ができるのである。   This is because a crystal having low dislocations according to the present invention is used as a seed crystal, and a crystal produced by growing on the seed crystal is sliced in a plane perpendicular to the growth direction to form a low dislocation substrate. Can be manufactured. In the final slicing process, threading dislocations run perpendicular to the surface, which is not necessarily preferable. However, since threading dislocations in the seed crystal are reduced, a relatively low dislocation GaN substrate can be obtained.

具体的には、結晶成長面が{1−100}であり、結晶成長方向と平行な(0001)面でスライス加工した単結晶や、結晶成長面が{11−20}面であり、結晶成長方向と平行な(0001)面でスライス加工した単結晶を種結晶として利用する。これら(0001)面を持つ種結晶を使って<0001>方向に結晶成長させ({0001}面を成長面として)成長させ、その成長方向と垂直な{0001}面でスライス加工することによって、比較的低転位のGaN結晶を得ることができる。   Specifically, the crystal growth plane is {1-100}, and a single crystal sliced by a (0001) plane parallel to the crystal growth direction, or the crystal growth plane is a {11-20} plane, A single crystal sliced on a (0001) plane parallel to the direction is used as a seed crystal. By using these seed crystals having a (0001) plane to grow a crystal in the <0001> direction (with the {0001} plane as a growth plane), and slicing the {0001} plane perpendicular to the growth direction, A relatively low dislocation GaN crystal can be obtained.

また、結晶成長面が(0001)面であり、その結晶成長方向と平行な{1−100}面でスライス加工した単結晶を種結晶として、その上に{1−100}面を成長面として、GaN単結晶を成長させ、成長方向と垂直な{1−100}面でスライス加工することによって比較的低転位のGaN結晶を得る事ができる。   Further, the crystal growth plane is the (0001) plane, and a single crystal sliced by a {1-100} plane parallel to the crystal growth direction is used as a seed crystal, and a {1-100} plane is used as a growth plane thereon. A relatively low dislocation GaN crystal can be obtained by growing a GaN single crystal and slicing along a {1-100} plane perpendicular to the growth direction.

本発明の結晶成長方法は、気相成長法を利用できる。例えば、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、 MOCVD法 (Metallorganic Chemical Vapor Deposition)、有機金属塩化物気相成長法(Metallorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy)、昇華法(Sublimation method)がGaN成長に適している。本発明は気相成長法を基本とするが、必ずしも気相成長法に限定されるものではない。超高圧化で合成する超高圧合成法を適用して本発明のGaN結晶を作製することもできる。   The crystal growth method of the present invention can utilize a vapor phase growth method. For example, HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition), Organometallic Chloride Vapor Growth (Hydrogen Phase Vapor Growth) The present invention is based on the vapor phase growth method, but is not necessarily limited to the vapor phase growth method. The GaN crystal of the present invention can also be produced by applying an ultra-high pressure synthesis method that synthesizes at an ultra-high pressure.

気相成長法のうちでも、最も簡便であって、成長速度が速いと考えられるHVPE法による場合について本発明の実施例を幾つか述べる。成長方法はMOCVD法でも昇華法でも有機金属塩化物気相成長法でもよい。いずれにも適用できる。   Among the vapor phase growth methods, some examples of the present invention will be described in the case of the HVPE method which is the simplest and is considered to have a high growth rate. The growth method may be an MOCVD method, a sublimation method, or an organic metal chloride vapor phase growth method. It can be applied to both.

HVPE法というのは、ホットウオール型の炉内において、上流部でGaメタルと、HClガスを反応させ、GaClガスを合成し、基板付近において新たに流されたNHガスとGaClガスとの反応により、基板上にGaNを成長させる方法である。 In the HVPE method, in a hot-wall type furnace, Ga metal and HCl gas are reacted in the upstream portion to synthesize GaCl gas, and the reaction between NH 3 gas and GaCl gas newly flowed in the vicinity of the substrate. Thus, GaN is grown on the substrate.

実施例は5つあるが、よく似ており違いが分かりにくく関係が複雑である。予め前記の表記法で実施例を分類しておこう。図19〜図23に実施例1〜5の場合のダイヤグラムを示す。   There are five examples, but they are very similar, the difference is difficult to understand, and the relationship is complicated. Let us classify the examples according to the above notation in advance. FIGS. 19 to 23 show diagrams in the case of the first to fifth embodiments.

実施例1 (55)c;A(6) (56)c;M(5) (57)c;C
実施例2 (58)c;Mm;C(10) (59)c;Mm;M (68)c;Mm;A(69)c;Mm;Aa;C
実施例3 (60)c;Aa;C(8) (61)c;Aa;A(70)c;Aa;M(71)c;Aa;Mm;C
実施例4 (62)c;Mm;Cc;M (63)c;Mm;Cc;A
(64)c;Mm;Cc;C
実施例5 (65)c;Aa;Cc;A (66)c;Aa;Cc;M
(67)c;Aa;Cc;C
Example 1 (55) c; A (6) (56) c; M (5) (57) c; C
Example 2 (58) c; Mm; C (10) (59) c; Mm; M (68) c; Mm; A (69) c; Mm; Aa;
Example 3 (60) c; Aa; C (8) (61) c; Aa; A (70) c; Aa; M (71) c; Aa; Mm;
Example 4 (62) c; Mm; Cc; M (63) c; Mm; Cc; A
(64) c; Mm; Cc; C
Example 5 (65) c; Aa; Cc; A (66) c; Aa; Cc; M
(67) c; Aa; Cc; C

実施例1で種結晶AとMとCを作る。実施例2は実施例1の種結晶Mからインゴットmを成長させ基板C、Mを切り出す。実施例3は実施例1の種結晶Aからインゴットaを成長させ基板C、Aを切り出す。実施例4は実施例2の基板Cからインゴットcを作り基板C、M、Aを切り出す。実施例5は実施例3の基板Cからインゴットcを作り基板C、M、Aを切り出す。   In Example 1, seed crystals A, M, and C are prepared. In Example 2, an ingot m is grown from the seed crystal M of Example 1, and the substrates C and M are cut out. In Example 3, the ingot a is grown from the seed crystal A of Example 1, and the substrates C and A are cut out. In the fourth embodiment, an ingot c is made from the substrate C of the second embodiment, and the substrates C, M, and A are cut out. In the fifth embodiment, an ingot c is made from the substrate C of the third embodiment, and the substrates C, M, and A are cut out.

[実施例1:種結晶の作製(c;A、 c;M、 c;C)]
まずは、GaAs基板からGaNをc軸方向に成長させて、A面、M面、C面を持つGaN種結晶を作製する。
[Example 1: Preparation of seed crystal (c; A, c; M, c; C)]
First, GaN is grown in the c-axis direction from a GaAs substrate to produce a GaN seed crystal having an A plane, an M plane, and a C plane.

(イ)基板
結晶成長を始めるべき基板として、GaAs基板を用いる。GaAs基板を用いてGaNを成長させる場合、GaNが六方晶系でGaAsが立方晶系であるから対称性をあわせるために、GaAsの(111)面を持つ基板を用いることにする。
(I) Substrate
A GaAs substrate is used as a substrate to start crystal growth. When GaN is grown using a GaAs substrate, since GaN is a hexagonal system and GaAs is a cubic system, a substrate having a (111) plane of GaAs is used in order to achieve symmetry.

(ロ)SiOマスク
GaAs(111)基板の全面に、プラズマCVD法によって、0.1μm厚みのSiO膜をマスクとして形成した。その後、フォトリソグラフィによってマスクに窓を明けた。
(B) SiO 2 mask
A 0.1 μm thick SiO 2 film was formed on the entire surface of the GaAs (111) substrate by plasma CVD as a mask. Thereafter, a window was opened in the mask by photolithography.

(ハ)窓の形成
マスク窓はストライプ型や、ドット型など様々の形状が可能である。ここではドット状の窓を形成した。ドット型窓は直径2μm程度の寸法で、GaAs基板の<11−2>方向に4μmピッチで複数個1列に配置し、このドット列から<1−10>方向に3.5μm離れた部位にやはり<11−2>方向に4μmピッチでドット窓を複数個1列に配置した。ただし隣接行でドット列を列方向に2μmずらしている。つまり任意の最近接の3つのドット窓が1辺4μmの正三角形を構成するような二次元的な広がりを持つ窓配置としたのである。マスクはこのような窓を繰り返し設けたものである(図2)。
(C) Window formation
The mask window can have various shapes such as a stripe type and a dot type. Here, a dot-like window was formed. The dot-type window has a diameter of about 2 μm, and is arranged in a plurality of rows at a pitch of 4 μm in the <11-2> direction of the GaAs substrate, and is located 3.5 μm away from this dot row in the <1-10> direction Again, a plurality of dot windows were arranged in one row at a pitch of 4 μm in the <11-2> direction. However, the dot rows are shifted by 2 μm in the column direction in adjacent rows. In other words, the window arrangement has a two-dimensional expansion such that any three closest dot windows form a regular triangle having a side of 4 μm. The mask has such a window repeatedly (FIG. 2).

(ニ)HVPE装置
その後、マスクを形成したGaAs基板状にHVPE法(図1)によってGaNの成長を行った。常圧の反応炉の内部にGaメタルのボートが設けられる。Gaメタルは溶融状態にある。その下方のサンプルの上に(111)GaAs基板が置かれている。キャリヤガスはすべて水素ガスHとする。使用するガスはHClガス(H+HCl)と、NHガス(H+NH)である。
(D) HVPE equipment
Thereafter, GaN was grown on the GaAs substrate on which the mask was formed by the HVPE method (FIG. 1). A Ga metal boat is provided inside the atmospheric pressure reactor. Ga metal is in a molten state. A (111) GaAs substrate is placed on the sample below. All carrier gas and hydrogen gas H 2. Gases to be used are HCl gas (H 2 + HCl) and NH 3 gas (H 2 + NH 3 ).

800℃以上に加熱されたGaメタルボートにHClガスを流す。HClガスとGaが反応して、GaClガスが合成される。このガスが加熱された基板近くに流れると基板付近に流されているNHガスと反応して、GaNとなりGaAs基板上にGaNの層を形成する。 HCl gas is allowed to flow through a Ga metal boat heated to 800 ° C. or higher. HCl gas and Ga react to synthesize GaCl gas. When this gas flows in the vicinity of the heated substrate, it reacts with the NH 3 gas flowing in the vicinity of the substrate to become GaN, thereby forming a GaN layer on the GaAs substrate.

このHVPE装置は長時間の成長が可能な装置になっている。GaN膜の成長速度は遅く、しかもかなり厚いGaN結晶を成長させる必要があるからである。   This HVPE device is a device capable of long-term growth. This is because the growth rate of the GaN film is slow and it is necessary to grow a considerably thick GaN crystal.

(ホ)GaNバッファ層形成
次の条件で80nmのGaNバッファ層を形成した。
成長温度 約500℃(約773K)
NHガス分圧 0.2atm (20kPa)
HClガス分圧 2×10−3atm(0.2kPa)
成長時間 30分
膜厚 80nm
(E) Formation of GaN buffer layer
An 80 nm GaN buffer layer was formed under the following conditions.
Growth temperature about 500 ° C (about 773K)
NH 3 partial pressure of gas 0.2atm (20kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −3 atm (0.2 kPa)
Growth time 30 minutes
Film thickness 80nm

この段階では、マスク窓のGaAs基板表面にGaNバッファ層が成長する(マスク厚みは100nmで、バッファ層厚みは80nm)。バッファ層は低温で成長させGaAsとGaNの格子定数の不整合を調整する作用がある。   At this stage, a GaN buffer layer grows on the GaAs substrate surface of the mask window (the mask thickness is 100 nm and the buffer layer thickness is 80 nm). The buffer layer is grown at a low temperature and has an effect of adjusting the mismatch of lattice constants of GaAs and GaN.

(ヘ)GaNエピタキシャル層の形成
さらにその上へ高温でGaNエピ層を成長させる。条件は次のとおりである。
成長温度 1020℃(1293K)
NHガス分圧 0.3atm (30kPa)
HClガス分圧 2×10−2atm(2kPa)
成長時間 約180時間
膜厚 3cm
(F) Formation of GaN epitaxial layer
Further, a GaN epilayer is grown thereon at a high temperature. The conditions are as follows.
Growth temperature 1020 ° C (1293K)
NH 3 gas partial pressure 0.3atm (30kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −2 atm (2 kPa)
Growth time about 180 hours
Film thickness 3cm

こうして高さが約3cmのGaNインゴットを成長させることができた。このGaNインゴットの成長方向はc軸方向であり、成長面はC面(0001)面である。長く延びたインゴットは小文字のアルファベットで表現することにする。これはC面を持つインゴットでGaAsからヘテロエピタキシャル成長した第1世代のインゴットであるから、”c”というように表記できる。 Thus, a GaN ingot having a height of about 3 cm could be grown. The growth direction of the GaN ingot is the c-axis direction, and the growth surface is a C plane (0001) plane. Long ingots are expressed in lower case alphabets. Since this is a first generation ingot heteroepitaxially grown from GaAs with an ingot having a C plane, it can be expressed as “c 1 ”.

成長面を顕微鏡で観察すると、{11−22}面、{1−102}面などからなる逆六角錐、逆十二角錐からなるファセットからなる成長ピットが形成されており、その成長ピットの底には、成長面と垂直方向に転位の集合した束が存在しているという事が分かった。   When the growth surface is observed with a microscope, growth pits comprising facets comprising reverse hexagonal pyramids and reverse dodecagonal pyramids composed of {11-22} planes, {1-102} planes, and the like are formed. It was found that there is a bundle of dislocations in the direction perpendicular to the growth plane.

つまり、この結晶中には、成長方向であるc軸方向[0001]に転位が延びているということを確認した。   That is, it was confirmed that dislocations extend in the c-axis direction [0001], which is the growth direction, in the crystal.

(ト)種結晶の作製(c→M、A、C
3cmもの厚みを持つので、この(0001)成長面を持つこのインゴットから様々の方位を持つ種結晶を切り出すことができる。ここでは次の3種類の面方位を持つ種結晶を切り出した。
(G) Preparation of seed crystal (c 1 → M 1 , A 1 , C 1 )
Since it has a thickness of 3 cm, seed crystals having various orientations can be cut out from this ingot having the (0001) growth surface. Here, seed crystals having the following three kinds of plane orientations were cut out.

(1)主面を{1−100}とする種結晶(Mとする) (56)
(2)主面を{11−20}面とする種結晶(Aとする)(55)
(3)主面を{0001}面とする種結晶(Cとする) (57)
(1) Seed crystal with principal surface {1-100} (M 1 ) (56)
(2) (a A 1) seed crystal and {11-20} plane major faces (55)
(3) Seed crystal with principal plane {0001} plane (referred to as C 1 ) (57)

GaNインゴットは(0001)面を表面にしているから、表面と平行に切り出す従来法であるとC基板を切り出すだけであった。ところが本発明はそのような常識を覆して表面に直角に切り出し、MとAのような基板をも作製している。前述の表記法ではc;Mとc;Aに当たる。 Since the GaN ingot has the (0001) plane as the surface, the conventional method of cutting in parallel with the surface only cuts the C 1 substrate. However, the present invention covers such common sense and cuts out at right angles to the surface to produce substrates such as M 1 and A 1 . In the above notation, it corresponds to c; M and c; A.

これらの種結晶はGaAs基板を元にしてエピタキシャル成長して作った第1世代のものであるから、”1”というサフィックスを付ける。これらの種結晶M、A、Cの評価を行った。 Since these seed crystals are of the first generation produced by epitaxial growth based on a GaAs substrate, the suffix “1” is added. These seed crystals M 1 , A 1 , and C 1 were evaluated.

(チ)種結晶の評価
[種結晶Cの評価(c;C)]
主面を{0001}面とする種結晶Cについては、貫通転位の存在をEPD(Etch Pit Density)によって評価した。ただし、本来の転位と測定されたピットとの関係は充分に明らかにはなっていない。エッチピットを表面に出すためにウエットエッチングを行った。エッチャントは燐酸と硫酸の混酸である。種結晶を温度250℃でエッチングすると表面にピットが現れる。
(H) Evaluation of seed crystals
[Evaluation of Seed Crystal C 1 (c; C)]
For the seed crystal C 1 having a {0001} plane as the main surface, the presence of threading dislocations was evaluated by EPD (Etch Pit Density). However, the relationship between the original dislocation and the measured pit has not been fully clarified. Wet etching was performed to expose etch pits on the surface. The etchant is a mixed acid of phosphoric acid and sulfuric acid. When the seed crystal is etched at a temperature of 250 ° C., pits appear on the surface.

顕微鏡で観察すると、転位の集合束の部分で大きなピットが発生していることがわかった。それ以外の部分ではエッチピット密度は相当に低いということが分かった。   When observed with a microscope, it was found that large pits were generated at the dislocation aggregate bundle. In other parts, the etch pit density was found to be considerably low.

カソードルミネッセンス(CL)によって結晶を評価すると、転位の束のある位置とこのエッチングによって現れたピットの位置が完全に一致するという事が分かった。   When the crystal was evaluated by cathodoluminescence (CL), it was found that the position where dislocation bundles existed and the position of pits appearing by this etching completely coincided with each other.

検出されたピットは、転位の束に相当する直径10μm〜20μm径の相当に大きなピットから、1μm程度の直径の小さなピットも見られた。   As for the detected pits, pits having a diameter of about 10 μm to small pits having a diameter of about 1 μm were also observed.

このように貫通転位の存在に分布があるため、貫通転位密度としては、1つの数値によって表現する事は困難である。   Thus, since there is a distribution in the presence of threading dislocations, it is difficult to express the threading dislocation density by one numerical value.

しかし、これらのピットを大小の規模を無視して数えてエッチピットを求めると5×10cm−2の程度であった。従来のGaN結晶の転位密度は10cm−2以上であったから、それに比較して極めてEPDが少なくなっているということが確認された。 However, when these pits were counted ignoring the scale, the etch pits were calculated to be about 5 × 10 5 cm −2 . Since the dislocation density of the conventional GaN crystal was 10 7 cm −2 or more, it was confirmed that EPD was extremely reduced as compared with that.

[種結晶Mの評価(c;M)]
主面を{1−100}面とする種結晶Mについても同様の方法でEPDを測定した。これもかなりピットが低減しているということがわかった。
ただし種結晶Mには、[0001]方向にピット列が存在しているということが確認された。そのピット列は1列でなく、かなり密集した複数の列からなる。反面ピット列とピット列の間にはピットの全く存在しない領域が見られた。ピットの存在しない領域の幅は場所によって異なるが、平均200μm程度であった。
[Evaluation of seed crystal M 1 (c; M)]
EPD was measured by the same method for the seed crystal M 1 having a {1-100} plane as the main surface. It was also found that pits were considerably reduced.
However, in the seed crystal M 1, it was confirmed that that there exists a pit row in the [0001] direction. The pit row is not a single row, but consists of a plurality of fairly dense rows. On the other hand, there was an area where no pits existed between the pit rows. Although the width of the area where no pits exist varies depending on the location, the average is about 200 μm.

[種結晶Aの評価(c;A)]
主面を{11−20}面とする種結晶Aについても同様の方法でEPDを測定した。これもかなりピットが低減しているということがわかった。
ただし種結晶Aには、[0001]方向にピット列が存在しているということが確認された。そのピット列は1列でなく、かなり密集した複数の列からなる。反面ピット列とピット列の間にはピットの全く存在しない領域が見られた。ピットの存在しない領域の幅は、場所によって異なるが、平均200μm程度であった。
[Evaluation of Seed Crystal A 1 (c; A)]
EPD was measured by the same method for the seed crystal A 1 having the {11-20} plane as the main surface. It was also found that pits were considerably reduced.
However, in the seed crystal A 1, it was confirmed that that there exists a pit array in the [0001] direction. The pit row is not a single row, but consists of a plurality of fairly dense rows. On the other hand, there was an area where no pits existed between the pit rows. The width of the area where pits do not exist was about 200 μm on average although it varied depending on the location.

これらの種結晶C、A、Mの内、AとMを種結晶として用いて次にGaNインゴットを作製する。そうするとインゴットを切断することによって多数の基板を製造することができる。 Of these seed crystals C 1 , A 1 , M 1 , A 1 and M 1 are used as seed crystals, and then a GaN ingot is produced. Then, a large number of substrates can be manufactured by cutting the ingot.

実施例2は種結晶Mを、実施例3は種結晶Aを出発原料としてGaNインゴットを作製するようにしたものである。 In Example 2, a GaN ingot is prepared using a seed crystal M 1 and in Example 3 using a seed crystal A 1 as a starting material.

種結晶Cを出発原料とする場合は本発明のカテゴリに含まれない。だからこの種結晶Cを原料とするものについてはここでは述べない。しかし種結晶Cが全て否定されるではない。後で説明するが本発明の手法によって一旦貫通転位を低減した種結晶Cは出発原料とすることができるのである。 If the seed crystal C 1 as a starting material is not included in the category of the present invention. So for those of the seed crystal C 1 and the raw material is not mentioned here. However, not all seed crystals C are denied. As will be described later, the seed crystal C once reduced in threading dislocation by the method of the present invention can be used as a starting material.

[実施例2;GaNインゴットmの作製(種結晶Mを使って:c;Mm)]
実施例1で作った主面を{1−100}面とするGaN種結晶Mを用いて下記のようなGaNインゴット(m)を作製した。このインゴットはGaN成長としては2世代になるから”2”というサフィックスを付した。先述の表記法ではc;Mmという成長である。
[Example 2; Production of GaN ingot m 2 (using seed crystal M 1 : c; Mm)]
A GaN ingot (m 2 ) as described below was produced using the GaN seed crystal M 1 having the {1-100} plane as the principal surface produced in Example 1. Since this ingot has two generations of GaN growth, it has a suffix of “2”. In the above notation, the growth is c; Mm.

実施例1の種結晶製造のためのインゴットの成長と同じHVPE炉を用いて結晶成長を行った。キャリヤガスは全てHガスである。用いるガスはNHガス(NH+H)、HClガス(H+HCl)である。成長条件は Crystal growth was performed using the same HVPE furnace as the growth of the ingot for producing the seed crystal of Example 1. The carrier gas is all H 2 gas. The gases used are NH 3 gas (NH 3 + H 2 ) and HCl gas (H 2 + HCl). Growth conditions are

成長温度 1020℃(1293K)
NHガス分圧 0.3atm (30kPa)
HClガス分圧 2×10−2atm(2kPa)
成長時間 約180時間
膜厚 2.5cm
Growth temperature 1020 ° C (1293K)
NH 3 gas partial pressure 0.3atm (30kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −2 atm (2 kPa)
Growth time about 180 hours
Film thickness 2.5cm

であった。成長方向は種結晶の主面{1−100}面(M面)に垂直な<1−100>方向(m方向という)である。よって最終的な成長表面は{1−100}面であった。表面状態は鏡面であった。インゴットmの高さは約2.5cmであった。 Met. The growth direction is a <1-100> direction (referred to as m direction) perpendicular to the main surface {1-100} plane (M plane) of the seed crystal. Therefore, the final growth surface was {1-100} plane. The surface state was a mirror surface. The height of the ingot m 2 was about 2.5 cm.

(a)(C面を持つ)Cm2基板の作製(c;Mm;C)(58)
このインゴットmを内周刃スライサーにより、成長方向<1−100>に平行かつ(0001)面に平行の方向にスライスして基板を切り出した。つまり貫通転位と平行にスライス加工したのである。
前述の表記法に従えば、これはc;Mm;Cということである。種結晶Mから作られた第2世代の基板であるから履歴を含ませてこれをCm2基板と書くことにする。こうして{0001}面(C面)を表面に持つGaN単結晶基板25枚を切り出すことができた。
(A) Fabrication of C m2 substrate (with C-plane) (c; Mm; C) (58)
By this the inner circumference slicer ingot m 2, and cut out of the substrate is sliced in a direction parallel to the parallel and the (0001) plane in the growth direction <1-100>. In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation.
According to the above notation, this is c; Mm; C. This will be written as C m @ 2 substrate by including a history from a second-generation substrate made from the seed crystal M 1. Thus, 25 GaN single crystal substrates having {0001} plane (C plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Cm2)は厚さ0.7mmで、25mm×30mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板が得られた。 Those GaN substrates (C m2 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 25 mm × 30 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate usable as a semiconductor substrate having no work-affected layer on the surface was obtained.

m2基板について評価を実施した。基板Cm2の基板面(0001)Ga面をカソードルミネッセンスにより評価した。種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。EPDを測定することによって同じ基板を評価した。初めの種結晶(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは1×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 Evaluation was performed on the Cm2 substrate. The (0001) Ga surfaces of the substrate C m @ 2 were evaluated by cathodoluminescence. Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 should excise the seed crystal M 1 is found to be improved condition of the surface was not observed at all. The same substrate was evaluated by measuring EPD. Unlike the first seed crystal (C-plane), no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 1 × 10 4 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Cm2をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Cm2においては、(0001)面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少ないがそれらの転位は、基板面である(0001)面と平行である<1−100>方向(m方向)に主に走っているという事が判明した。インゴットの成長方向がm方向であり貫通転位の延長方向がこれに一致しているのである。貫通転位が基板表面に平行に走るので、基板表面における貫通転位は著しく低減している。 The substrate C m2 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Cm2 , there are almost no threading dislocations on the (0001) plane. Although the number of dislocations is small, it was found that these dislocations mainly run in the <1-100> direction (m direction) parallel to the (0001) plane which is the substrate surface. The growth direction of the ingot is the m direction, and the extending direction of threading dislocations coincides with this. Since threading dislocations run parallel to the substrate surface, threading dislocations on the substrate surface are significantly reduced.

すなわち、Cm2は基板表面である(0001)面(C面)に平行(m方向)に転位が走って存在する事によって、基板表面の貫通転位を低減した基板であると言える。また、この転位の走る方向(m方向)は、GaN結晶の成長方向(m方向)であり、この基板Cm2は結晶成長の成長方向(m方向)と平行な面でスライスした基板と言える。 That is, it can be said that C m2 is a substrate in which threading dislocations on the substrate surface are reduced by the presence of dislocations running parallel (m direction) to the (0001) plane (C plane) which is the substrate surface. The direction in which the dislocations run (m direction) is the growth direction of the GaN crystal (m direction), and the substrate C m2 can be said to be a substrate sliced in a plane parallel to the growth direction of the crystal growth (m direction).

(b)(M面を持つ)Mm2基板の作製(c;Mm;M)(59)
また種結晶Mを使用してm方向に成長させたGaNインゴットmを、{1−100}面でスライス加工して同じ基板を多数作製した。これは初めから書くと、c;Mm;Mである。GaNの成長を2回繰り返しており、M基板を種結晶としているからこれはMm2と書く事ができる。このMm2基板が充分に低転位であることを確かめた。
(B) Fabrication of M m2 substrate (with M plane) (c; Mm; M) (59)
A GaN ingot m 2 grown in the m direction using the seed crystal M 1 was sliced on the {1-100} plane to produce a large number of the same substrates. From the beginning, this is c; Mm; M. Since the growth of GaN is repeated twice and the M substrate is used as a seed crystal, this can be written as M m2 . It was confirmed that this M m2 substrate had sufficiently low dislocations.

(c)(A面を持つ)Am2基板の作製(c;Mm;A)(68)
また種結晶Mを使用してm方向に成長させたGaNインゴットmを、{11−20}面でスライス加工して同じ基板を多数作製した。これは初めから書くと、c;Mm;Aである。GaNの成長を2回繰り返しており、M基板を種結晶としているからこれはAm2と書く事ができる。このAm2基板が充分に低転位であることを確かめた。
(C) Fabrication of A m2 substrate (having A plane) (c; Mm; A) (68)
A GaN ingot m 2 grown in the m direction using the seed crystal M 1 was sliced on the {11-20} plane to produce a large number of the same substrates. From the beginning, this is c; Mm; A. Since the growth of GaN is repeated twice and the M substrate is used as a seed crystal, this can be written as Am2 . It was confirmed that this Am2 substrate had sufficiently low dislocations.

(d)(C面を持つ)Ca3基板の作製(c;Mm;Aa;C)(69)
2回の成長によって作製した(c)の基板Am2を種結晶として、さらに<11−20>方向(a方向)へGaN単結晶を成長させてGaNインゴットaを複数個作製した。さらにこれを(0001)面でスライス加工してC面を持つ多数の(0001)GaN基板Ca3を作った。これはA基板を元にして作ったC基板であり3回の成長で作ったものだからCa3と書ける。これは初めから書くとc;Mm;Aa;Cということになる。このCa3基板は充分に低転位であることを確かめた。
(D) Fabrication of C a3 substrate (with C surface) (c; Mm; Aa; C) (69)
Was prepared by two growth substrates A m @ 2 of (c) as a seed crystal, to produce a plurality of GaN ingots a 3 by addition <11-20> direction growing a GaN single crystal into (a direction). Further, this was sliced on the (0001) plane to produce a number of (0001) GaN substrates Ca3 having a C plane. This can be written because those made with There are three times the growth in the C board made based on the A substrate and the C a3. If written from the beginning, this means c; Mm; Aa; C. This C a3 substrate was confirmed to have sufficiently low dislocations.

[実施例3;GaNインゴットaの作製(種結晶Aを使って:c;Aa)]
実施例1で作った主面を{11−20}面とするGaN種結晶Aを用いて下記のようなGaNインゴット(a)を作製した。このインゴットはGaN成長としては2世代になるから”2”というサフィックスを付した。先述の表記法ではc;Aaという成長である。
実施例1の種結晶製造のためのインゴットの成長と同じHVPE炉を用いて結晶成長を行った。キャリヤガスは全てHガスである。用いるガスはNHガス(NH+H)、HClガス(H+HCl)である。成長条件は
[Example 3; Production of GaN ingot a 2 (using seed crystal A 1 : c; Aa)]
A GaN ingot (a 2 ) as described below was produced using the GaN seed crystal A 1 having the {11-20} plane as the principal surface produced in Example 1. Since this ingot has two generations of GaN growth, it has a suffix of “2”. In the above notation, the growth is c; Aa.
Crystal growth was performed using the same HVPE furnace as the growth of the ingot for producing the seed crystal of Example 1. The carrier gas is all H 2 gas. The gases used are NH 3 gas (NH 3 + H 2 ) and HCl gas (H 2 + HCl). Growth conditions are

成長温度 1020℃(1293K)
NHガス分圧 0.3atm (30kPa)
HClガス分圧 2×10−2atm(2kPa)
成長時間 約180時間
膜厚 2.5cm
Growth temperature 1020 ° C (1293K)
NH 3 gas partial pressure 0.3atm (30kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −2 atm (2 kPa)
Growth time about 180 hours
Film thickness 2.5cm

であった。成長方向は種結晶の主面{11−20}面(A面)に垂直な<11−20>方向(a方向という)である。よって最終的な成長表面は{11−20}面であった。表面状態は、鏡面の部分もあるが、{1−100}面からなるファセットも有する面であった。インゴットaの高さは約2.5cmであった。 Met. The growth direction is a <11-20> direction (referred to as a direction) perpendicular to the main surface {11-20} plane (A plane) of the seed crystal. Therefore, the final growth surface was {11-20} plane. The surface state was a surface having a facet composed of {1-100} planes, although there was a mirror surface portion. The height of the ingot a 2 was about 2.5 cm.

(a)(C面を持つ)Ca2基板の作製(c;Aa;C)(60)
このインゴットaを内周刃スライサーにより、成長方向<11−20>(a方向)に平行かつ(0001)面に平行の方向にスライスしてC面を持つ基板を切り出した。つまり貫通転位と平行にスライス加工したのである。
(A) Fabrication of C a2 substrate (having C plane) (c; Aa; C) (60)
By The GaN ingots a 2, cut out a substrate having a C plane is sliced in a direction parallel to the parallel and the (0001) plane in the growth direction <11-20> (a direction). In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation.

前述の表記法に従えば、これはc;Aa;Cということである。種結晶Aから作られた第2世代の基板であるから履歴を含ませてこれをCa2基板と書くことにする。こうして{0001}面(C面)を表面に持つGaN単結晶基板25枚を切り出すことができた。 According to the above notation, this means c; Aa; C. This will be written as C a2 substrate moistened with history from a second-generation substrate made from the seed crystal A 1. Thus, 25 GaN single crystal substrates having {0001} plane (C plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Ca2)は厚さ0.7mmで、25mm×30mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板Ca2が得られた。 Those GaN substrates (C a2 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 25 mm × 30 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate C a2 that has no work-affected layer on its surface and can be used as a semiconductor substrate was obtained.

a2基板について評価を実施した。基板Ca2の基板面(0001)Ga面をカソードルミネッセンスにより評価した。種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Ca2 substrate. The (0001) Ga surfaces of the substrate C a2 are estimated by the cathode luminescence. Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 to be cut out of the seed crystal A 1 is was found that that improve the condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板を評価した。当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは4×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 The same substrate was evaluated by measuring EPD. Unlike the original GaN crystal c 1 (0001) plane (C plane), large pits 10μm~20μm diameter was observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 4 × 10 4 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Ca2をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Ca2においては、(0001)面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少ないがそれらの転位は、基板面である(0001)面と平行である<11−20>方向(a方向)に主に走っているという事が判明した。インゴットの成長方向がa方向であり貫通転位の延長方向がこれに一致しているのである。貫通転位が基板表面に平行に走るので、基板表面における貫通転位は著しく低減している。 This substrate C a2 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that almost no threading dislocations exist on the (0001) plane in these substrates Ca2 . Although the number of dislocations is small, it has been found that these dislocations mainly run in the <11-20> direction (a direction) parallel to the (0001) plane which is the substrate surface. The growth direction of the ingot is the a direction, and the extending direction of threading dislocations coincides with this. Since threading dislocations run parallel to the substrate surface, threading dislocations on the substrate surface are significantly reduced.

すなわち、Ca2は基板表面である(0001)面(C面)に平行(a方向)に転位が走って存在する事によって、基板表面の貫通転位を低減した基板であると言える。また、この転位の走る方向(a方向)は、GaN結晶の成長方向(a方向)であり、この基板は結晶成長の成長方向(a方向)と平行な面でスライスした(0001)基板と言える。 That is, it can be said that C a2 is a substrate in which threading dislocations on the substrate surface are reduced by the presence of dislocations running parallel (a direction) to the (0001) plane (C plane) which is the substrate surface. The direction in which the dislocations run (direction a) is the growth direction of the GaN crystal (direction a), and this substrate can be said to be a (0001) substrate sliced in a plane parallel to the growth direction of crystal growth (direction a). .

(b)(A面を持つ)Aa2基板の作製(c;Aa;A)(61)
また種結晶Aを使用してa方向に成長させたGaNインゴットaを、{11−20}面でスライス加工して同じ基板を多数作製した。これは初めから書くと、c;Aa;Aである。GaNの成長を2回繰り返しており、A基板を種結晶としているからこれはAa2と書く事ができる。このAa2基板が充分に低転位であることを確かめた。
(B) Production of A a2 substrate (having A surface) (c; Aa; A) (61)
A GaN ingot a 2 grown in the a direction using the seed crystal A 1 was sliced on the {11-20} plane to produce a large number of the same substrates. From the beginning, this is c; Aa; A. Since the growth of GaN is repeated twice and the A substrate is used as a seed crystal, this can be written as Aa2 . It was confirmed that this A a2 substrate has sufficiently low dislocations.

(c)(M面を持つ)Ma2基板の作製(c;Aa;M) (70)
また種結晶Aを使用してa方向に成長させたGaNインゴットaを、{1−100}面でスライス加工して同じ基板を多数作製した。これは初めから書くと、c;Aa;Mである。
(C) Fabrication of M a2 substrate (with M plane) (c; Aa; M) (70)
A GaN ingot a 2 grown in the a direction using the seed crystal A 1 was sliced on the {1-100} plane to produce a large number of the same substrates. From the beginning, this is c; Aa; M.

GaNの成長を2回繰り返しており、A基板を種結晶としているからこれはMa2と書く事ができる。このMa2基板が充分に低転位であることを確かめた。 Since the growth of GaN is repeated twice and the A substrate is used as a seed crystal, this can be written as Ma2 . It was confirmed that this Ma 2 substrate had sufficiently low dislocations.

(d)(C面を持つ)Cm3基板の作製(c;Aa;Mm;C) (71)
2回の成長によって作製した基板Ma2を種結晶として、さらに<1−100>方向(m方向)へGaN単結晶を成長させてGaNインゴットmを複数個作製した。さらにこれを(0001)面でスライス加工してC面を持つ多数の(0001)GaN基板Cm3を作った。これはM基板を元にして作ったC基板であり3回の成長で作ったものだからCm3と書ける。これは初めから書くとc;Aa;Mm;Cということになる。このCm3基板は充分に低転位であることを確かめた。
(D) Fabrication of C m3 substrate (with C plane) (c; Aa; Mm; C) (71)
A plurality of GaN ingots m 3 were produced by growing a GaN single crystal in the <1-100> direction (m direction) using the substrate Ma 2 produced by two growths as a seed crystal. Further, this was sliced on the (0001) plane to produce a number of (0001) GaN substrates Cm3 having a C plane. This is a C substrate made based on the M substrate and made by three growths, so it can be written as C m3 . When written from the beginning, this means c; Aa; Mm; C. This Cm3 substrate was confirmed to have sufficiently low dislocations.

[実施例4;GaNインゴットcの作製(種結晶Cを使って:c;Mm;Cc)]
実施例2(a)で作った主面を(0001)面とするGaN種結晶Cm2を用いて<0001>方向(c方向)に成長させ下記のようなGaNインゴット(c)を作製した。このインゴットはGaN成長としては3世代になるから”3”というサフィックスを付した。先述の表記法ではc;Mm;Ccという成長である。
[Example 4: Production of GaN ingot c 3 (using seed crystal C 2 : c; Mm; Cc)]
A GaN ingot (c 3 ) as shown below was produced by growing in the <0001> direction (c direction) using the GaN seed crystal C m2 having the principal surface produced in Example 2 (a) as the (0001) plane. . This ingot has a suffix of “3” because it is the third generation of GaN growth. In the above-described notation, the growth is c; Mm; Cc.

実施例1の種結晶製造のためのインゴットの成長と同じHVPE炉を用いて結晶成長を行った。キャリヤガスは全てHガスである。用いるガスはNHガス(NH+H)、HClガス(H+HCl)である。成長条件は Crystal growth was performed using the same HVPE furnace as the growth of the ingot for producing the seed crystal of Example 1. The carrier gas is all H 2 gas. The gases used are NH 3 gas (NH 3 + H 2 ) and HCl gas (H 2 + HCl). Growth conditions are

成長温度 1020℃(1293K)
NHガス分圧 0.3atm (30kPa)
HClガス分圧 2×10−2atm(2kPa)
成長時間 約180時間
膜厚 3cm
Growth temperature 1020 ° C (1293K)
NH 3 gas partial pressure 0.3atm (30kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −2 atm (2 kPa)
Growth time about 180 hours
Film thickness 3cm

であった。成長方向は種結晶の主面(0001)面(C面)に垂直な<0001>方向(c方向)である。最終的な成長表面は(0001)面であった。表面状態はやや成長ピットが存在する鏡面である。インゴットcの高さは約3cmであった。 Met. The growth direction is the <0001> direction (c direction) perpendicular to the main surface (0001) plane (C plane) of the seed crystal. The final growth surface was the (0001) plane. The surface state is a mirror surface with some growth pits. The height of the ingot c 3 was about 3cm.

(a)(C面を持つ)Cc3基板の作製(c;Mm;Cc;C)(64)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向(0001)面に垂直の方向にスライスして基板(C基板)を30枚切り出した。つまり貫通転位を横切る方向にスライス加工したのである。
(A) Preparation of C c3 substrate (having C-plane) (c; Mm; Cc; C) (64)
By this the inner circumference slicer ingots c 3, were cut 30 sheets of substrates (C substrate) in the growth direction (0001) plane was sliced in a direction perpendicular. In other words, it was sliced in the direction across the threading dislocation.

前述の表記法に従えば、これはc;Mm;Cc;Cということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをCc3基板と書くことにする。こうして{0001}面(C面)を表面に持つGaN(Cc3)単結晶基板30枚を切り出すことができた。 According to the above notation, this means c; Mm; Cc; C. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as C c3 substrate. In this manner, 30 GaN (C c3 ) single crystal substrates having {0001} plane (C plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Cc3)は厚さ0.7mmで、30mm×30mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板が得られた。 These GaN substrates (C c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 30 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate usable as a semiconductor substrate having no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Cc3の基板面(0001)Ga面をカソードルミネッセンスにより評価した。種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Cc3 substrate. The (0001) Ga surfaces of the substrate C c3 was evaluated by cathodoluminescence. Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 should excise the seed crystal M 1 is found to be improved condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板を評価した。初めの種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは1×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 The same substrate was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the initial GaN crystal c 1 from which the first seed crystal M 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 1 × 10 4 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Cc3をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Cc3においては、(0001)面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少ないがそれらの転位は、基板面である(0001)面と平行である<1−100>方向(m方向)<11−20>方向(a方向)にも殆ど貫通転位が走っていないという事が判明した。 The substrate Cc3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Cc3 , there are almost no threading dislocations on the (0001) plane. Although the number of dislocations is small, these dislocations also run almost through in the <1-100> direction (m direction) and <11-20> direction (a direction), which are parallel to the (0001) plane which is the substrate surface. It turns out that not.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Cm2(c;Mm;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Mm;Cc)からC面でスライス加工した基板Cc3(c;Mm;Cc;C)だからである。よって、基板Cc3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C m2 (c; Mm; C) having threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate C c3 (c; Mm; Cc; C) sliced on the C plane from the structure ingot c 3 (c; Mm; Cc). Therefore, the substrate Cc3 has a low threading dislocation density on the surface and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

(b)(M面を持つ)Mc3基板の作製(c;Mm;Cc;M)(62)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向<0001>に平行な{1−100}面に平行にスライス加工して{1−100}面を持つ30枚の基板Mを切り出した。つまり貫通転位に平行にスライス加工したのである。これは本発明の思想にそう切り方である。
(B) Fabrication of M c3 substrate (with M plane) (c; Mm; Cc; M) (62)
By this the inner circumference slicer ingots c 3, were cut 30 substrates M with in parallel to sliced parallel {1-100} plane in the growth direction <0001> {1-100} plane. In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation. This is the way of thinking of the present invention.

前述の表記法に従えば、これはc;Mm;Cc;Mということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをMc3基板と書くことにする。こうして{1−100}面(M面)を表面に持つGaN単結晶基板30枚を切り出すことができた。 According to the above notation, this is c; Mm; Cc; M. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as M c3 substrate. Thus, 30 GaN single crystal substrates having {1-100} plane (M plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Mc3)は厚さ0.7mmで、30mm×25mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板Mc3が得られた。 These GaN substrates (M c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 25 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate Mc3 that can be used as a semiconductor substrate and has no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Mc3の基板面{1−100}面をカソードルミネッセンス(CL)により評価した。種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Mc3 substrate. The substrate surface {1-100} plane of the substrate M c3 was evaluated by cathodoluminescence (CL). Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 should excise the seed crystal M 1 is found to be improved condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板Mc3の{1−100}面を評価した。初めの種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは8×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 The {1-100} plane of the same substrate Mc3 was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the initial GaN crystal c 1 from which the first seed crystal M 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 8 × 10 3 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Mc3の{1−100}面をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Mc3においては、{1−100}面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少なく、少ない転位は基板面{1−100}に平行に走っていることが判明した。このために表面の低密度は大きく低減している。 The {1-100} plane of the substrate Mc3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Mc3 , almost no threading dislocations exist on the {1-100} plane. It was found that the number of dislocations was small and few dislocations ran parallel to the substrate surface {1-100}. For this reason, the low density of the surface is greatly reduced.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Cm2(c;Mm;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Mm;Cc)から成長方向と平行なM面でスライス加工した基板Mc3(c;Mm;Cc;M)だからである。よって、基板Mc3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C m2 (c; Mm; C) having threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate M c3 (c; Mm; Cc; M) sliced on the M plane parallel to the growth direction from the structure ingot c 3 (c; Mm; Cc). Therefore, the substrate Mc3 has a low surface threading dislocation density and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

(c)(A面を持つ)Ac3基板の作製(c;Mm;Cc;A)(63)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向<0001>に平行な{11−20}面に平行にスライス加工して{11−20}面を持つ30枚の基板Aを切り出した。つまり貫通転位に平行にスライス加工したのである。これは本発明の思想にそう切り方である。
(C) Preparation of an A c3 substrate (having an A surface) (c; Mm; Cc; A) (63)
By this the inner circumference slicer ingots c 3, were cut 30 substrates A, in parallel to slicing the {11-20} plane parallel to the growth direction <0001> with {11-20} plane. In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation. This is the way of thinking of the present invention.

前述の表記法に従えば、これはc;Mm;Cc;Aということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをAc3基板と書くことにする。こうして{11−20}面(A面)を表面に持つGaN単結晶基板30枚を切り出すことができた。
それらのGaN基板(Ac3)は厚さ0.7mmで、30mm×25mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板Ac3が得られた。
According to the above notation, this means c; Mm; Cc; A. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as A c3 substrate. In this way, 30 GaN single crystal substrates having {11-20} plane (A plane) on the surface could be cut out.
Those GaN substrates (A c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 25 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate Ac3 usable as a semiconductor substrate having no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Ac3の基板面{11−20}面をカソードルミネッセンス(CL)により評価した。種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Ac3 substrate. The substrate surface {11-20} plane of the substrate A c3 was evaluated by cathodoluminescence (CL). Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 should excise the seed crystal M 1 is found to be improved condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板Ac3の{11−20}面を評価した。初めの種結晶Mを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは1×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 The {11-20} plane of the same substrate Ac3 was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the initial GaN crystal c 1 from which the first seed crystal M 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 1 × 10 4 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Ac3の{11−20}面をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Ac3においては、{11−20}面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少なく、少ない転位は基板面{11−20}に平行に走っていることが判明した。このために表面の低密度は大きく低減している。 The {11-20} plane of this substrate Ac3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Ac3 , there are almost no threading dislocations on the {11-20} plane. It was found that the number of dislocations was small and few dislocations ran parallel to the substrate surface {11-20}. For this reason, the low density of the surface is greatly reduced.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Cm2(c;Mm;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Mm;Cc)から成長方向と平行なA面でスライス加工した基板Ac3(c;Mm;Cc;A)だからである。よって、基板Ac3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C m2 (c; Mm; C) having threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate A c3 (c; Mm; Cc; A) sliced on the A plane parallel to the growth direction from the ingot c 3 (c; Mm; Cc) of the structure. Therefore, the substrate Ac3 has a low threading dislocation density on the surface and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

[実施例5;GaNインゴットcの作製(種結晶Cを使って:c;Aa;Cc)]
実施例3で作った主面を(0001)面とするGaN種結晶Ca2を用いて<0001>方向(c方向)に成長させ下記のようなGaNインゴット(c)を作製した。このインゴットはGaN成長としては3世代になるから”3”というサフィックスを付した。先述の表記法ではc;Aa;Ccという成長である。
Example 5: Preparation of GaN ingots c 3 (with a seed crystal C 2: c; Aa; Cc )]
A GaN ingot (c 3 ) as described below was fabricated by growing in the <0001> direction (c direction) using the GaN seed crystal C a2 having the (0001) plane as the principal surface produced in Example 3. This ingot has a suffix of “3” because it is the third generation of GaN growth. In the above-mentioned notation, the growth is c; Aa; Cc.

実施例1の種結晶製造のためのインゴットの成長と同じHVPE炉を用いて結晶成長を行った。キャリヤガスは全てHガスである。用いるガスはNHガス(NH+H)、HClガス(H+HCl)である。成長条件は Crystal growth was performed using the same HVPE furnace as the growth of the ingot for producing the seed crystal of Example 1. The carrier gas is all H 2 gas. The gases used are NH 3 gas (NH 3 + H 2 ) and HCl gas (H 2 + HCl). Growth conditions are

成長温度 1020℃(1293K)
NHガス分圧 0.3atm (30kPa)
HClガス分圧 2×10−2atm(2kPa)
成長時間 約180時間
膜厚 2.7cm
Growth temperature 1020 ° C (1293K)
NH 3 gas partial pressure 0.3atm (30kPa)
HCl gas partial pressure 2 × 10 −2 atm (2 kPa)
Growth time about 180 hours
Film thickness 2.7cm

であった。成長方向は種結晶の主面(0001)面(C面)に垂直な<0001>方向(c方向)である。最終的な成長表面は(0001)面であった。表面状態はやや成長ピットが存在する鏡面である。インゴットcの高さは約2.7cmであった。このようなインゴットを複数個成長させた。 Met. The growth direction is the <0001> direction (c direction) perpendicular to the main surface (0001) plane (C plane) of the seed crystal. The final growth surface was the (0001) plane. The surface state is a mirror surface with some growth pits. The height of the ingot c 3 is about 2.7 cm. A plurality of such ingots were grown.

(a)(C面を持つ)Cc3基板の作製(c;Aa;Cc;C)(67)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向(0001)面に垂直の方向にスライスして基板(C基板)を30枚切り出した。つまり貫通転位を横切る方向にスライス加工したのである。
前述の表記法に従えば、これはc;Aa;Cc;Cということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをCc3基板と書くことにする。こうして{0001}面(C面)を表面に持つGaN(Cc3)単結晶基板30枚を切り出すことができた。
(A) Preparation of C c3 substrate (having C-plane) (c; Aa; Cc; C) (67)
By this the inner circumference slicer ingots c 3, were cut 30 sheets of substrates (C substrate) in the growth direction (0001) plane was sliced in a direction perpendicular. In other words, it was sliced in the direction across the threading dislocation.
According to the above notation, this means c; Aa; Cc; C. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as C c3 substrate. In this manner, 30 GaN (C c3 ) single crystal substrates having {0001} plane (C plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Cc3)は厚さ0.7mmで、30mm×25mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板が得られた。 These GaN substrates (C c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 25 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate usable as a semiconductor substrate having no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Cc3の基板面(0001)Ga面をカソードルミネッセンス(CL)により評価した。種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Cc3 substrate. The substrate surface (0001) Ga surface of the substrate Cc3 was evaluated by cathodoluminescence (CL). Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 to be cut out of the seed crystal A 1 is was found that that improve the condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板を評価した。初めの種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。ピットは<11−20>の方向に並ぶ傾向があることが分かった。しかもEPDは5×10cm−2程度であって低転位密度であった。 The same substrate was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the original GaN crystal c 1 from which the first seed crystal A 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. It was found that the pits tend to line up in the <11-20> direction. Moreover, EPD was about 5 × 10 4 cm −2 and a low dislocation density.

この基板Cc3をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Cc3においては、(0001)面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少ないしそれだけでなく、基板面にも殆ど貫通転位が走っていないという事が判明した。このために基板面内での転位密度は大きく減少している。 The substrate Cc3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Cc3 , there are almost no threading dislocations on the (0001) plane. It was found that the number of dislocations is small, and not only that, there are few threading dislocations running on the substrate surface. For this reason, the dislocation density in the substrate plane is greatly reduced.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Ca2(c;Aa;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Aa;Cc)からC面でスライス加工した基板Cc3(c;Aa;Cc;C)だからである。よって、基板Cc3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C a2 (c; Aa; C) with threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate C c3 (c; Aa; Cc; C) sliced on the C plane from the structure ingot c 3 (c; Aa; Cc). Therefore, the substrate Cc3 has a low threading dislocation density on the surface and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

(b)(M面を持つ)Mc3基板の作製(c;Aa;Cc;M)(66)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向[0001]に平行な{1−100}面(M面)に平行にスライス加工して{1−100}面を持つ30枚の基板Mを切りだした。つまり貫通転位に平行にスライス加工したのである。これは本発明の思想にそう切り方である。
(B) Fabrication of M c3 substrate (with M plane) (c; Aa; Cc; M) (66)
By The GaN ingots c 3, the 30 substrates M that in parallel to sliced parallel {1-100} plane in the growth direction [0001] (M plane) having {1-100} plane I cut it out. In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation. This is the way of thinking of the present invention.

前述の表記法に従えばこれはc;Aa;Cc;Mということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをMc3基板と書くことにする。こうして{1−100}面(M面)を表面に持つGaN単結晶基板30枚を切り出すことができた。 According to the above notation, this means c; Aa; Cc; M. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as M c3 substrate. Thus, 30 GaN single crystal substrates having {1-100} plane (M plane) on the surface could be cut out.

それらのGaN基板(Mc3)は厚さ0.7mmで、30mm×25mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板Mc3が得られた。 These GaN substrates (M c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 25 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate Mc3 that can be used as a semiconductor substrate and has no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Mc3の基板面{1−100}をカソードルミネッセンス(CL)により評価した。種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Mc3 substrate. The surface of the substrate M c3 {1-100} are estimated by the cathode luminescence (CL). Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 to be cut out of the seed crystal A 1 is was found that that improve the condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板Mc3の{1−100}面を評価した。初めの種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは1×10cm−2程度であって低転位密度であった。 The {1-100} plane of the same substrate Mc3 was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the original GaN crystal c 1 from which the first seed crystal A 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 1 × 10 4 cm −2 and a low dislocation density.

この基板Mc3の{1−100}面をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Mc3においては、{1−100}面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少なく、少数の転位は基板面{1−100}面に平行に走っていることが判明した。このために表面の低密度は大きく低減している。 The {1-100} plane of the substrate Mc3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Mc3 , almost no threading dislocations exist on the {1-100} plane. It was found that the number of dislocations was small and a small number of dislocations ran parallel to the substrate surface {1-100} plane. For this reason, the low density of the surface is greatly reduced.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Ca2(c;Aa;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Aa;Cc)から成長方向と平行なM面でスライス加工した基板Mc3(c;Aa;Cc;M)だからである。よって、基板Mc3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C a2 (c; Aa; C) with threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate M c3 (c; Aa; Cc; M) sliced on the M plane parallel to the growth direction from the structure ingot c 3 (c; Aa; Cc). Therefore, the substrate Mc3 has a low surface threading dislocation density and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

(c)(A面を持つ)Ac3基板の作製(c;Aa;Cc;A)(65)
このインゴットcを内周刃スライサーにより、成長方向<0001>に平行な{11−20}面に平行にスライス加工して{11−20}面を持つ30枚の基板Aを切り出した。つまり貫通転位に平行にスライス加工したのである。これは本発明の思想にそう切り方である。
(C) Fabrication of Ac3 substrate (having A surface) (c; Aa; Cc; A) (65)
By this the inner circumference slicer ingots c 3, were cut 30 substrates A, in parallel to slicing the {11-20} plane parallel to the growth direction <0001> with {11-20} plane. In other words, it was sliced parallel to the threading dislocation. This is the way of thinking of the present invention.

前述の表記法に従えばこれはc;Aa;Cc;Aということである。種結晶Cから作られた第3世代の基板であるから履歴を含ませてこれをAc3基板と書くことにする。こうして{11−20}面(A面)を表面に持つGaN単結晶基板30枚を切り出すことができた。
それらのGaN基板(Ac3)は厚さ0.7mmで、30mm×25mm程度の1インチサイズの基板であった。その後、これらの基板を研磨加工した。その結果表面に加工変質層を持たない、半導体基板として使用可能な基板Ac3が得られた。
According to the above notation, this means c; Aa; Cc; A. This moistened with history from the third generation of substrate made from the seed crystal C 2 to be written as A c3 substrate. In this way, 30 GaN single crystal substrates having {11-20} plane (A plane) on the surface could be cut out.
Those GaN substrates (A c3 ) were 0.7 mm thick and 1 inch size substrates of about 30 mm × 25 mm. Thereafter, these substrates were polished. As a result, a substrate Ac3 usable as a semiconductor substrate having no work-affected layer on the surface was obtained.

c3基板について評価を実施した。基板Ac3の基板面{11−20}面をカソードルミネッセンス(CL)により評価した。種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面に見られたような転位の集合はいっさい見られず表面の状態は改善されている事が分かった。 Evaluation was performed on the Ac3 substrate. The substrate surface {11-20} plane of the substrate A c3 was evaluated by cathodoluminescence (CL). Set of dislocations as seen in (0001) plane of the original GaN crystal c 1 to be cut out of the seed crystal A 1 is was found that that improve the condition of the surface was not observed at all.

EPDを測定することによって同じ基板Ac3の{11−20}面を評価した。初めの種結晶Aを切り出すべき当初のGaN結晶cの(0001)面(C面)とは違って、10μm〜20μm径の大きいピットは全く観察されなかった。ピットは全て直径が1μm以下の小さなピットであった。しかもEPDは2×10cm−2程度であって非常な低転位密度であった。 The {11-20} plane of the same substrate Ac3 was evaluated by measuring EPD. Unlike the (0001) plane (C plane) of the original GaN crystal c 1 from which the first seed crystal A 1 should be cut, no large pits having a diameter of 10 μm to 20 μm were observed. All the pits were small pits having a diameter of 1 μm or less. Moreover, EPD was about 2 × 10 4 cm −2 and a very low dislocation density.

この基板Ac3の{11−20}面をTEM(透過型顕微鏡)により観察した。その結果これらの基板Ac3においては、{11−20}面上には殆ど貫通転位が存在しないという事が分かった。転位の数は少なく、少ない転位は基板面{11−20}に平行に走っていることが判明した。このために表面の低密度は大きく低減している。 The {11-20} plane of this substrate Ac3 was observed with a TEM (transmission microscope). As a result, it was found that in these substrates Ac3 , there are almost no threading dislocations on the {11-20} plane. It was found that the number of dislocations was small and few dislocations ran parallel to the substrate surface {11-20}. For this reason, the low density of the surface is greatly reduced.

低転位の理由は次のように考えられる。基板表面に貫通転位が走っている低転位のC面基板Ca2(c;Aa;C)を種結晶としてc方向<0001>方向に成長させ低貫通転位の状態を<0001>方向に転写した構造のインゴットc(c;Aa;Cc)から成長方向と平行なA面でスライス加工した基板Ac3(c;Aa;Cc;A)だからである。よって、基板Ac3には、表面の貫通転位密度は低く、表面平行に走る転位も少ない。理想的な基板である。 The reason for the low dislocation is considered as follows. A low dislocation C-plane substrate C a2 (c; Aa; C) with threading dislocations running on the substrate surface is grown as a seed crystal in the c direction <0001> direction, and the low threading dislocation state is transferred in the <0001> direction. This is because the substrate A c3 (c; Aa; Cc; A) sliced on the A plane parallel to the growth direction from the ingot c 3 (c; Aa; Cc) of the structure. Therefore, the substrate Ac3 has a low threading dislocation density on the surface and few dislocations running parallel to the surface. It is an ideal substrate.

HVPE装置の概略断面図。The schematic sectional drawing of an HVPE apparatus.

GaNをラテラルオーバーグロース成長させるためGaAs基板の上にマスクを形成し正方形窓をあけた状態の平面図。The top view of the state which formed the mask on the GaAs substrate and made the square window open for lateral overgrowth growth of GaN.

GaNをラテラルオーバーグロース成長させるためGaAs基板の上にマスクを形成しストライプ窓をあけた状態の平面図。The top view of the state which formed the mask on the GaAs substrate and made the stripe window open for lateral overgrowth growth of GaN.

ラテラルオーバーグロース成長において、GaAs基板の上にGaNが堆積してゆく様子を示す断面図。図4(1)はGaAs基板にマスクを被覆し窓をあけた状態。図4(2)は窓の部分にGaNが堆積した状態。図4(3)は窓から横方向にGaNが成長してゆく状態を示す。図4(4)は横方向成長層が合体して、さらに上向きの成長に変換された状態を示す。Sectional drawing which shows a mode that GaN accumulates on a GaAs substrate in lateral overgrowth growth. Fig. 4 (1) shows a state in which a GaAs substrate is covered with a mask and a window is opened. FIG. 4 (2) shows a state in which GaN is deposited on the window. FIG. 4 (3) shows a state in which GaN grows laterally from the window. FIG. 4 (4) shows a state in which the laterally grown layers are combined and converted into upward growth.

ラテラルオーバーグロース成長において、GaAs基板の上にGaNが堆積してゆく様子を示す断面図。図5(1)はGaAs基板にマスクを被覆し窓をあけた状態。図5(2)は窓を大きく越えて厚いエピ層が成長して厚みのあるGaNインゴットになった状態を示す。図5(3)はインゴットを成長方向に垂直に切って基板とした状態を示す。Sectional drawing which shows a mode that GaN accumulates on a GaAs substrate in lateral overgrowth growth. Fig. 5 (1) shows a state in which a GaAs substrate is covered with a mask and a window is opened. FIG. 5 (2) shows a state where a thick epi layer grows far beyond the window and becomes a thick GaN ingot. FIG. 5 (3) shows a state where the ingot is cut perpendicularly to the growth direction to form a substrate.

六方晶系の結晶系においてC面上での120゜の角度をなす3軸a、b、dを切る距離によって面方位h、k、mを定義することを説明する図。FIG. 6 is a diagram for explaining that the plane orientations h, k, and m are defined by the distances that cut three axes a, b, and d that form an angle of 120 ° on the C plane in a hexagonal crystal system.

六方晶系の同一面上での3つの面方位h、k、mの和が0であることを証明するための図。The figure for demonstrating that the sum of three surface orientation h, k, m on the same plane of a hexagonal system is 0.

六方晶系の結晶系において、(1−100)面と(11−20)面を示す図。The figure which shows the (1-100) plane and the (11-20) plane in a hexagonal crystal system.

c軸方向に成長させてC面に平行に切断して基板とする従来の成長・切断法を説明する図。The figure explaining the conventional growth and cutting | disconnection method which makes it grow in a c-axis direction and cut | disconnects parallel to a C surface, and makes it a board | substrate.

任意の方向に成長させて成長方向と平行な切断面で切断して基板とする本発明の成長・切断法を説明する図。The figure explaining the growth and cutting | disconnection method of this invention made into a board | substrate by making it grow in arbitrary directions and cut | disconnect at a cut surface parallel to a growth direction.

適当な面を選ぶとA面={11−20}面、M面={1−100}面、C面={0001}面が互いに直交するということを説明し、本発明がA面、C面、M面の相互の成長方向の変換によって実現されることを説明するための結晶面の斜視図。If an appropriate plane is selected, it will be explained that the A plane = {11-20} plane, the M plane = {1-100} plane, and the C plane = {0001} plane are orthogonal to each other. The perspective view of the crystal plane for demonstrating what is implement | achieved by the conversion of the mutual growth direction of a surface and M surface.

結晶成長方向gと切断面Sを平行にして基板を切り出すことによって貫通転位の表面での密度を低減する本発明の手法を端的に示すための結晶面の斜視図。The perspective view of the crystal plane for showing the method of this invention which reduces the density in the surface of a threading dislocation by cutting out a board | substrate by making the crystal growth direction g and the cut surface S in parallel.

本発明がA面、C面、M面の相互の成長方向の相互変換によって実現されることを視覚的に区別できるように矢印をa、c、m方向に対応させることを説明する定義の図。Definition diagram illustrating that the arrows correspond to the a, c, and m directions so that the present invention can be visually distinguished from the mutual conversion of the growth directions of the A, C, and M planes. .

成長方向と切断面の方向を平行にすることによって転位密度を減少させる本発明において、一段階成長において可能な結晶の成長方向と基板面の組み合わせ関係が6つあり、それを前記の定義による矢印によって表現したダイヤグラム。In the present invention in which the dislocation density is reduced by making the growth direction and the direction of the cut surface parallel, there are six possible combinations of the crystal growth direction and the substrate surface in one-step growth, which are represented by the arrows defined above. A diagram expressed by.

成長方向と切断面の方向を平行にすることによって転位密度を減少させる本発明において、2段階成長において全て成長方向が異なるものとして可能な結晶の成長方向と基板面の組み合わせ関係が12あり、それを前記の定義による矢印によって表現したダイヤグラム。In the present invention in which the dislocation density is reduced by making the growth direction and the direction of the cut surface parallel, there are 12 possible combinations of the crystal growth direction and the substrate surface in which the growth direction is different in the two-stage growth. Is a diagram expressed by the arrow defined above.

成長方向と切断面の方向を平行にすることによって転位密度を減少させる本発明において、3段階成長において全て成長方向が異なるものとして可能な結晶の成長方向と基板面の組み合わせ関係が24あり、それを前記の定義による矢印によって表現したダイヤグラム。In the present invention in which the dislocation density is reduced by making the growth direction and the direction of the cut surface parallel, there are 24 possible combinations of crystal growth direction and substrate surface in which the growth direction is different in all three-stage growth, Is a diagram expressed by the arrow defined above.

2段階成長において1段階は成長方向が異なり、2段階は成長方向が同一だとして可能な結晶の成長方向と基板面の組み合わせ関係が6あり、それを前記の定義による矢印によって表現したダイヤグラム。In the two-stage growth, the first stage has different growth directions, and the two stages have six possible combinations of crystal growth direction and substrate surface, assuming that the growth directions are the same, and this is expressed by the arrows defined above.

2段階成長において1段階は成長方向が同一で、2段階は成長方向が異なるものとして可能な結晶の成長方向と基板面の組み合わせ関係が6あり、それを前記の定義による矢印によって表現したダイヤグラム。In the two-stage growth, there is six possible combinations of crystal growth directions and substrate planes in which the first stage has the same growth direction and the two stages have different growth directions, and this is represented by the arrows defined above.

実施例1の結晶成長・基板切断において方位の変化を示すダイヤグラム。2 is a diagram showing a change in orientation in crystal growth and substrate cutting in Example 1. FIG.

実施例2の結晶成長・基板切断において方位の変化を示すダイヤグラム。6 is a diagram showing a change in orientation in crystal growth and substrate cutting in Example 2. FIG.

実施例3の結晶成長・基板切断において方位の変化を示すダイヤグラム。6 is a diagram showing a change in orientation in crystal growth and substrate cutting in Example 3. FIG.

実施例4の結晶成長・基板切断において方位の変化を示すダイヤグラム。6 is a diagram showing a change in orientation in crystal growth and substrate cutting in Example 4. FIG.

実施例5の結晶成長・基板切断において方位の変化を示すダイヤグラム。6 is a diagram showing a change in orientation in crystal growth and substrate cutting in Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1炉
2Gaボート
3Ga融液
4サセプタ
5GaAs基板
6ヒ−タ
7ガス導入口
8ガス導入口
9ガス排出口
10GaAsウエハ
11マスク
12窓
13隆起部
14転位
15水平延長層
16ファセット面
17面状欠陥部
18GaNエピ層(インゴット)
19GaN基板(ミラーウエハ)
S切断面
g結晶成長方向
q転位延長方向
1 furnace
2Ga boat
3Ga melt
4 susceptors
5GaAs substrate
6 heaters
7 gas inlet
8 gas inlet
9 gas outlet
10GaAs wafer
11 masks
12 windows
13 ridges
14 rearrangement
15 horizontal extension layers
16 facets
17 surface defects
18GaN epi layer (ingot)
19GaN substrate (mirror wafer)
S cut surface
g Crystal growth direction
q Dislocation extension direction

Claims (1)

HVPE法、MOCVD法、有機金属塩化物気相成長法のいずれかの成長法で成長したGaN単結晶であって、{11−20}面あるいは{1−100}面を成長面として成長したGaN結晶から{0001}面で切り出された{0001}面を表面に持つGaN単結晶を種結晶としてさらに{0001}面を成長面として成長し、{1−100}面でスライス加工することにより、{1−100}面を表面に有することを特徴とする単結晶GaN基板の製造方法。 A GaN single crystal grown by any one of the HVPE method, the MOCVD method, and the organometallic chloride vapor phase growth method, and grown using the {11-20} plane or the {1-100} plane as the growth plane By growing a GaN single crystal having a {0001} plane cut out from the crystal as a {0001} plane as a seed crystal and a {0001} plane as a growth plane, and slicing the {1-100} plane, A method for producing a single crystal GaN substrate, comprising a {1-100} plane on the surface .
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