JP5026271B2 - Method for producing hexagonal nitride single crystal, method for producing hexagonal nitride semiconductor crystal and hexagonal nitride single crystal wafer - Google Patents
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Description
本発明は、六方晶系窒化物単結晶の製造方法、六方晶系窒化物半導体結晶及び六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法に関する。具体的には、六方晶系窒化物単結晶の製造方法、それにより得られる六方晶系窒化物単結晶、六方晶系窒化物半導体結晶及びその製造方法、六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法及びそれにより得られる六方晶系窒化物単結晶ウエハに関する。 The present invention relates to a method for producing a hexagonal nitride single crystal, a hexagonal nitride semiconductor crystal, and a method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer. Specifically, a method for producing a hexagonal nitride single crystal, a hexagonal nitride single crystal, a hexagonal nitride semiconductor crystal obtained thereby, and a method for producing the same, and a hexagonal nitride single crystal wafer The present invention relates to a method and a hexagonal nitride single crystal wafer obtained thereby.
窒化ガリウム(GaN)などの六方晶系窒化物単結晶は、青色や紫外光を発光する半導体素子の材料として注目されている。青色レーザーダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイに応用され、また、青色発光ダイオード(LED)は、ディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDは、バイオテクノロジーなどへの応用が期待され、紫外線LEDは、蛍光灯の紫外線源として期待されている。 A hexagonal nitride single crystal such as gallium nitride (GaN) is attracting attention as a material for semiconductor elements that emit blue or ultraviolet light. Blue laser diodes (LD) are applied to high-density optical discs and displays, and blue light-emitting diodes (LEDs) are applied to displays and illumination. In addition, ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and ultraviolet LED is expected as an ultraviolet source of fluorescent lamps.
そのため、より大きく、高品質の六方晶系窒化物単結晶を製造する取り組みが広く行われている。その一例として、液相による結晶成長があげられる。液相成長法は、当初、超高圧力及び超高温を必要としたが、Naフラックス中で結晶を成長させる方法が開発され、この結果、圧力及び温度の条件を約750℃で50atm(5.07MPa)程度にまで下げることが可能となった。最近では、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気下においてGaとNaとの混合物を800℃、50atm(5.07MPa)で融解させ、この融液を用いて96時間の成長時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, efforts to produce larger and higher quality hexagonal nitride single crystals are widely performed. One example is crystal growth in a liquid phase. The liquid phase growth method originally required ultra-high pressure and ultra-high temperature, but a method for growing crystals in Na flux was developed. As a result, the pressure and temperature conditions were about 50 ° C. at about 750 ° C. (5. It was possible to reduce the pressure to about 07 MPa). Recently, a mixture of Ga and Na was melted at 800 ° C. and 50 atm (5.07 MPa) in a nitrogen gas atmosphere containing ammonia, and the maximum crystal size was 1. with a growth time of 96 hours using this melt. A single crystal of about 2 mm is obtained (for example, see Patent Document 1).
その他に、サファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法によってGaN結晶層を成膜したのち、液相成長(LPE:Liquid Phase Epitaxy)法によって単結晶を成長させる方法、基板を種結晶としてHVPE法(水素化物気相成長法)によりGaN単結晶を成長させる方法等が行われている(例えば、特許文献2参照)。HVPE法は、GaとHClガスとを反応させてGaClを合成し、その後、GaClとNH3とを反応させてGaNを合成することにより、サファイア基板やGaAs基板上にGaN結晶を成長できる。しかしながら、得られたGaN基板には、1×107/cm2を超える転位密度が存在する(例えば、特許文献3参照)。 In addition, after a GaN crystal layer is formed on a sapphire substrate by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a single crystal is grown by a liquid phase epitaxy (LPE) method, A method of growing a GaN single crystal by an HVPE method (hydride vapor phase epitaxy) using a substrate as a seed crystal has been performed (see, for example, Patent Document 2). In the HVPE method, GaN crystals can be grown on a sapphire substrate or GaAs substrate by reacting Ga and HCl gas to synthesize GaCl, and then reacting GaCl and NH 3 to synthesize GaN. However, the obtained GaN substrate has a dislocation density exceeding 1 × 10 7 / cm 2 (see, for example, Patent Document 3).
一方、発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体デバイスにおいては、発光効率の向上などを目的に、C面以外の面にデバイスを形成する方法などが提案されている。例えば、n型GaN基板の(0001)面(C面)上にデバイスを形成した場合、GaNはC軸方向に分極を有する。GaN上にAlGaNを形成すると、GaNとAlGaNとでは格子定数が異なるため、界面では歪みが生じる。この歪みがピエゾ分極による電荷を発生させることによりバンド構造が曲がるため、電子と正孔の再結合効率が下がり、結果として半導体レーザや発光ダイオードの発光効率を低下させてしまう(ピエゾ効果)。このピエゾ効果は、長波長(例えば、青緑色や緑色の波長)の窒化物発光素子を作製する場合、特に顕著となるため、青色や緑色を発光するデバイスでは、ピエゾ効果を低減させることが重要となる。 On the other hand, for semiconductor devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers, methods for forming devices on surfaces other than the C surface have been proposed for the purpose of improving light emission efficiency. For example, when a device is formed on the (0001) plane (C plane) of an n-type GaN substrate, GaN has polarization in the C-axis direction. When AlGaN is formed on GaN, since lattice constants are different between GaN and AlGaN, distortion occurs at the interface. This strain causes the band structure to bend due to the generation of electric charges due to piezo polarization, so that the recombination efficiency of electrons and holes is lowered, and as a result, the light emission efficiency of the semiconductor laser or the light emitting diode is lowered (piezo effect). This piezo effect is particularly noticeable when a nitride light emitting device having a long wavelength (for example, blue-green or green wavelength) is produced. Therefore, it is important to reduce the piezo effect in a device that emits blue or green light. It becomes.
ピエゾ効果を低減する方法として、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面にデバイスを形成する方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。この方法は、サファイア基板上にn−GaN層を成長させ、その上に開口部を有する成長マスク膜を形成し、開口部からn−GaN結晶を成長させ、さらに傾斜結晶面(1−101)に活性層やp−GaN層を成長するものである。これによると、基板からの貫通転位を抑制できるという観点から、結晶性を良好にすることで発光効率を向上できるとしている。
ピエゾ効果を低減するためには、主面がC面以外の面である基板を使用することが考えられる。しかしながら、例えば、液相成長によりA面方向に結晶成長させた場合、結晶成長面における凹凸の発生や傾斜面からの不純物の取り込みによる着色等により、成長面の平坦性が高く、高品質な結晶を得ることが困難であるという問題を本発明者等は見出している。 In order to reduce the piezo effect, it is conceivable to use a substrate whose principal surface is a surface other than the C surface. However, for example, when crystal growth is performed in the A-plane direction by liquid phase growth, high-quality crystals with high growth surface flatness due to unevenness on the crystal growth surface or coloring due to the incorporation of impurities from the inclined surface, etc. The present inventors have found a problem that it is difficult to obtain.
ピエゾ効果を低減するその他の方法として、HVPE法を用いて六方晶系窒化物単結晶をC軸方向と平行にスライスすることによってC面以外の表面を有する六方晶系窒化物単結晶ウエハを製造する方法が検討されている。しかしながら、前記ウエハの製造方法を実現するためには、従来以上に大きな厚みを有する六方晶系窒化物単結晶が必要となるが、現在の方法における六方晶系窒化物単結晶の成長レートでは、実用化の観点から不充分であり、さらなる成長レートの向上が求められている。 As another method for reducing the piezo effect, a hexagonal nitride single crystal wafer having a surface other than the C-plane is manufactured by slicing a hexagonal nitride single crystal in parallel with the C-axis direction using the HVPE method. How to do is being studied. However, in order to realize the method for manufacturing the wafer, a hexagonal nitride single crystal having a larger thickness than the conventional one is required, but with the growth rate of the hexagonal nitride single crystal in the current method, This is insufficient from the viewpoint of practical use, and further improvement of the growth rate is required.
そこで、本発明は、成長レートを向上し、高品質で大きな結晶を短時間で育成できる六方晶系窒化物単結晶の製造方法、高品質な六方晶系窒化物半導体結晶及び高品質な六方晶系窒化物単結晶ウエハが得られる六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a method for producing a hexagonal nitride single crystal capable of improving a growth rate and growing a large crystal of high quality in a short time, a high quality hexagonal nitride semiconductor crystal, and a high quality hexagonal crystal. An object of the present invention is to provide a method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer from which a nitride single crystal wafer is obtained.
本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法は、液相成長によって平面状の種結晶基板の両面に同時に六方晶系窒化物単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする。 The method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention includes a step of simultaneously growing hexagonal nitride single crystals on both surfaces of a planar seed crystal substrate by liquid phase growth.
本発明の六方晶系窒化物半導体結晶は、外形形状が、六角錐台である六方晶系窒化物半導体結晶である。 The hexagonal nitride semiconductor crystal of the present invention is a hexagonal nitride semiconductor crystal whose outer shape is a hexagonal frustum.
本発明の六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法は、液相成長によりC軸又はM軸方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶を、A面、(1−101)面及び(11−22)面からなる群から選択される一つの面で切り出すことを特徴とする。 In the method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer of the present invention, a hexagonal nitride single crystal grown in the C-axis or M-axis direction by liquid phase growth is obtained by combining an A plane, a (1-101) plane, and ( 11-22) Cut out by one surface selected from the group consisting of surfaces.
本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法は、平面状の種結晶基板の両面上に六方晶系窒化物単結晶を同時に成長させるため、成長レートが向上し、より大きな六方晶系窒化物単結晶が得られる。また、種結晶基板の両面に同時に結晶成長させることにより、六方晶系窒化物単結晶内部における歪みの発生が低減された、高品質の六方晶系窒化物単結晶が得られる。 In the method for producing a hexagonal nitride single crystal according to the present invention, since the hexagonal nitride single crystal is simultaneously grown on both surfaces of the planar seed crystal substrate, the growth rate is improved and a larger hexagonal nitride is obtained. A single crystal is obtained. Further, by simultaneously growing crystals on both surfaces of the seed crystal substrate, a high-quality hexagonal nitride single crystal in which the generation of strain inside the hexagonal nitride single crystal is reduced can be obtained.
外形形状が六角錐台である本発明の六方晶系窒化物半導体結晶は、高品質である。 The hexagonal nitride semiconductor crystal of the present invention whose outer shape is a hexagonal frustum is of high quality.
本発明の六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法は、C軸又はM軸方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶をA面、(1−101)面及び(11−22)面のいずれかの面で切り出すため、A面、(1−101)面又は(11−22)面を有し、高品質な六方晶系窒化物単結晶ウエハが得られる。この六方晶系窒化物単結晶ウエハを使用することにより、ピエゾ効果がより一層低減され、より一層優れた発光効率を有する半導体装置を製造できる。 In the method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer according to the present invention, a hexagonal nitride single crystal grown in the C-axis or M-axis direction is formed from an A plane, a (1-101) plane, and a (11-22) plane. Therefore, a high-quality hexagonal nitride single crystal wafer having an A-plane, a (1-101) plane, or a (11-22) plane is obtained. By using this hexagonal nitride single crystal wafer, the piezo effect is further reduced, and a semiconductor device having a further excellent luminous efficiency can be manufactured.
以下、本発明について、詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
(六方晶系窒化物単結晶の製造方法)
本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法は、前述の通り、液相成長によって平面状の種結晶基板の両面に同時に六方晶系窒化物単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする。
(Method for producing hexagonal nitride single crystal)
As described above, the method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention includes a step of simultaneously growing a hexagonal nitride single crystal on both surfaces of a planar seed crystal substrate by liquid phase growth. To do.
前記六方晶系窒化物単結晶は、III族窒化物単結晶であることが好ましく、前記III族窒化物単結晶としては、例えば、GaN単結晶及びAlN単結晶等があげられる。 The hexagonal nitride single crystal is preferably a group III nitride single crystal, and examples of the group III nitride single crystal include a GaN single crystal and an AlN single crystal.
前記結晶成長は、窒素含有ガスの存在下、ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方のフラックスと、窒素とを含む融液中で行うことが好ましい。中でも前記III族元素としてGaを使用して、GaN結晶を製造することがより好ましい。 The crystal growth includes at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium, a flux of at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, and nitrogen in the presence of a nitrogen-containing gas. It is preferable to carry out in the melt. Among them, it is more preferable to produce a GaN crystal using Ga as the group III element.
前記アルカリ金属は、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びフランシウム(Fr)であり、前記アルカリ土類金属は、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びラジウム(Ra)である。これらは単独で使用してもよく、2種類以上で併用してもよい。例えば、GaN単結晶を成長させる場合、好ましくはナトリウム(Na)であり、これらにリチウム(Li)及びカルシウム(Ca)等を添加した混合フラックスであってもよい。また、AlN単結晶を成長させる場合、例えば、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)が好ましく、より好ましくはビスマス(Bi)、スズ(Sn)、リチウム(Li)及びナトリウム(Na)等とカルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)との混合フラックスである。 The alkali metal is lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and francium (Fr), and the alkaline earth metal is calcium (Ca), magnesium. (Mg), strontium (Sr), barium (Ba) and radium (Ra). These may be used alone or in combination of two or more. For example, when growing a GaN single crystal, sodium (Na) is preferable, and a mixed flux obtained by adding lithium (Li), calcium (Ca), or the like to these may be used. In the case of growing an AlN single crystal, for example, calcium (Ca) and magnesium (Mg) are preferable, and bismuth (Bi), tin (Sn), lithium (Li), sodium (Na), etc. and calcium ( It is a mixed flux with Ca) and magnesium (Mg).
前記窒素含有ガスは、特に制限されないが、例えば、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス及び前記両ガスの混合ガス等があげられる。また、前記融液中の窒素濃度が上昇するまでに、前記融液によって前記種結晶基板が溶解するおそれがある。これを防止するために、少なくとも反応初期において、窒化物を前記融液中に存在させておくことが好ましい。前記窒化物としては、例えば、Ca3N2、Li3N、NaN3、BN、Si3N4及びInN等があり、これらは単独で使用してもよく、2種類以上で併用してもよい。 The nitrogen-containing gas is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, and a mixed gas of the two gases. Further, the seed crystal substrate may be dissolved by the melt before the nitrogen concentration in the melt increases. In order to prevent this, it is preferable that nitride is present in the melt at least at the initial stage of the reaction. Examples of the nitride include Ca 3 N 2 , Li 3 N, NaN 3 , BN, Si 3 N 4 and InN. These may be used alone or in combination of two or more. Good.
前記融液中における前記種結晶基板の配置は、前記種結晶基板の両面上に六方晶系窒化物単結晶が成長可能であれば特に制限されず、前記種結晶基板の両面が前記融液と接触した状態で前記融液中に配置すればよく、例えば、前記種結晶基板を前記融液中に略垂直に立てた状態で配置する方法等が挙げられる。前記融液中に略垂直に立てた状態で配置する方法の具体例としては、前記種結晶基板を坩堝の底面に対して略垂直に立てた状態で配置する方法等があげられる。 The arrangement of the seed crystal substrate in the melt is not particularly limited as long as a hexagonal nitride single crystal can be grown on both surfaces of the seed crystal substrate, and both surfaces of the seed crystal substrate are in contact with the melt. What is necessary is just to arrange | position in the said melt in the state which contacted, For example, the method etc. which arrange | position the said seed crystal substrate in the state stood substantially perpendicularly in the said melt etc. are mentioned. As a specific example of the method of arranging the seed crystal substrate in a state of standing substantially vertically in the melt, a method of arranging the seed crystal substrate in a state of standing substantially perpendicular to the bottom surface of the crucible can be cited.
前記種結晶基板は、+C面及び−C面を有することが好ましい。これらの面を有する種結晶基板を用いることによって、結晶成長面の平坦性がさらに優れ、転位密度がより小さく、より高品質な六方晶系窒化物単結晶が得られる。また、−C面上における結晶成長、つまり−C軸方向への結晶成長では、極性反転が成長界面で生じ、結果として+C軸方向に成長する。このため、GaN自立基板を種結晶基板として使用し、液相成長させる場合、前記極性反転により、−C軸方向においても+C軸方向と同様に高品質な結晶を成長でき、より大きな六方晶系窒化物単結晶を容易に作製できる。このように種結晶基板の両側に結晶を成長させることにより、成長レートを実質的に約2倍にできる。 The seed crystal substrate preferably has a + C plane and a -C plane. By using a seed crystal substrate having these planes, it is possible to obtain a hexagonal nitride single crystal having a higher crystal flatness, a lower dislocation density, and a higher quality. Further, in crystal growth on the −C plane, that is, crystal growth in the −C axis direction, polarity inversion occurs at the growth interface, and as a result, growth occurs in the + C axis direction. Therefore, when a GaN free-standing substrate is used as a seed crystal substrate and grown in a liquid phase, a high-quality crystal can be grown in the −C axis direction as in the + C axis direction by the polarity inversion, and a larger hexagonal system A nitride single crystal can be easily produced. By growing crystals on both sides of the seed crystal substrate in this way, the growth rate can be substantially doubled.
前記種結晶基板は、組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし、0≦s≦1、0≦t≦1、s+t≦1)で表される六方晶系窒化物半導体であることが好ましい。また、種結晶基板とその上に成長させた単結晶との膨張係数が異なると、結晶育成後の冷却時にクラックが発生する可能性が高いことから、前記種結晶基板と前記種結晶基板上に結晶成長させる六方晶系窒化物単結晶とが同じ組成であることがより好ましい。前記種結晶基板は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)、ハライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシー法(MBE法)、昇華法等によって、異種基板上に形成できる。異種基板上に形成した場合、前記異種基板は除去され、前記種結晶基板は、六方晶系窒化物単結晶のみであることが好ましい。 The seed crystal substrate, that the composition formula Al s Ga t In 1-st N ( However, 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1, s + t ≦ 1) is a hexagonal nitride semiconductor represented by preferable. Also, if the expansion coefficient of the seed crystal substrate is different from that of the single crystal grown on the seed crystal substrate, cracks are likely to occur during cooling after crystal growth. More preferably, the hexagonal nitride single crystal for crystal growth has the same composition. The seed crystal substrate can be formed on a heterogeneous substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), halide vapor deposition (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), sublimation, or the like. When formed on a heterogeneous substrate, the heterogeneous substrate is preferably removed, and the seed crystal substrate is preferably only a hexagonal nitride single crystal.
前記種結晶基板の形状は、特に制限されないが、例えば、円形、正方形及び長方形等があげられる。前記種結晶基板の大きさは、特に制限されず、例えば、切り出すウエハの大きさ等に応じて決定すればよい。前記種結晶基板の厚みは、特に制限されず、例えば、0.1mm〜1mmの範囲が好ましい。また、前記種結晶基板の転位密度は、特に制限されないが、半導体デバイスに要求される程度が好ましく、例えば、1×107/cm2以下が好ましく、より好ましくは1×105/cm2以下である。 The shape of the seed crystal substrate is not particularly limited, and examples thereof include a circle, a square, and a rectangle. The size of the seed crystal substrate is not particularly limited, and may be determined according to, for example, the size of a wafer to be cut out. The thickness of the seed crystal substrate is not particularly limited, and is preferably in the range of 0.1 mm to 1 mm, for example. Further, the dislocation density of the seed crystal substrate is not particularly limited, but is preferably a degree required for a semiconductor device, for example, 1 × 10 7 / cm 2 or less, more preferably 1 × 10 5 / cm 2 or less. It is.
つぎに、本発明の六方晶系窒化物単結晶は、前記本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法により得られる六方晶系窒化物単結晶である。本発明の六方晶系窒化物単結晶は、+C面及び−C面を有する種結晶基板の両面に、成長面が+C面である六方晶系窒化物単結晶が形成されている六方晶系窒化物単結晶であってもよいし、前記種結晶基板を切り出した六方晶系窒化物単結晶であってもよい。本発明の六方晶系窒化物単結晶は、AlN単結晶及びGaN単結晶であることが好ましく、成長方向の貫通転位の転位密度は、例えば、1×105/cm2以下が好ましい。 Next, the hexagonal nitride single crystal of the present invention is a hexagonal nitride single crystal obtained by the method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention. The hexagonal nitride single crystal of the present invention is a hexagonal nitride single crystal in which a hexagonal nitride single crystal having a growth surface of the + C plane is formed on both surfaces of a seed crystal substrate having a + C plane and a −C plane. It may be a single crystal or a hexagonal nitride single crystal obtained by cutting out the seed crystal substrate. The hexagonal nitride single crystal of the present invention is preferably an AlN single crystal and a GaN single crystal, and the dislocation density of threading dislocations in the growth direction is preferably 1 × 10 5 / cm 2 or less, for example.
(六方晶系窒化物半導体結晶及びその製造方法)
本発明の六方晶系窒化物半導体結晶は、その外形形状が、六角錐台である。前記六方晶系窒化物半導体結晶は、+C軸方向に成長した結晶であって、結晶の側面が(1−101)面であることが好ましい。また、前記六方晶系窒化物半導体結晶は、例えば、AlN単結晶やGaN単結晶であることが好ましい。なお、本発明において、六方晶系窒化物半導体結晶と六方晶系窒化物単結晶とは同義である。
(Hexagonal nitride semiconductor crystal and manufacturing method thereof)
The outer shape of the hexagonal nitride semiconductor crystal of the present invention is a hexagonal frustum. The hexagonal nitride semiconductor crystal is a crystal grown in the + C-axis direction, and the side surface of the crystal is preferably a (1-101) plane. The hexagonal nitride semiconductor crystal is preferably, for example, an AlN single crystal or a GaN single crystal. In the present invention, the hexagonal nitride semiconductor crystal and the hexagonal nitride single crystal are synonymous.
本発明の六方晶系窒化物半導体結晶の製造方法は、+C面及び−C面を有する平面状の種結晶基板上に六方晶系窒化物半導体結晶を液相成長により結晶成長させる工程を含む。 The method for producing a hexagonal nitride semiconductor crystal of the present invention includes a step of growing a hexagonal nitride semiconductor crystal by liquid phase growth on a planar seed crystal substrate having a + C plane and a −C plane.
前記六方晶系窒化物半導体結晶が、III族元素窒化物単結晶であり、前記結晶成長は、窒素含有ガスの存在下、ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方のフラックスと、窒素とを含む融液中で行うことが好ましい。前記アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、前述の通りである。 The hexagonal nitride semiconductor crystal is a group III element nitride single crystal, and the crystal growth is at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium in the presence of a nitrogen-containing gas. And in a melt containing nitrogen and at least one flux of alkali metal and alkaline earth metal. The alkali metal and alkaline earth metal are as described above.
前記種結晶基板は、前記本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法と同様のものが使用できる。後述するように、例えば、前記種結晶基板の+C面上から六方晶系窒化物単結晶を+C軸方向に液相成長させた場合、得られた結晶は、+C面と62度の傾斜角度を有する側面を有する六角錐台であることから、前記種結晶基板の直径(φ2(mm))は、下記式の関係を満たすように決定することが好ましい。
(φ2)>φ1+{2T/tan(62°)}
前記式において、T(mm)は、前記種結晶基板の+C面に成長させる結晶の厚みであり、φ1(mm)は、前記六方晶系窒化物単結晶から切り出すウエハの直径を示す。なお、前記直径とは、前記ウエハ表面の外周のある点と、その他の点を結ぶ線であって、最も長い線の長さをいう。
The seed crystal substrate can be the same as the method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention. As will be described later, for example, when a hexagonal nitride single crystal is grown in the + C-axis direction from the + C plane of the seed crystal substrate, the obtained crystal has an inclination angle of 62 degrees with respect to the + C plane. Since it is a hexagonal frustum having side surfaces, the diameter (φ2 (mm)) of the seed crystal substrate is preferably determined so as to satisfy the relationship of the following formula.
(Φ2)> φ1 + {2T / tan (62 °)}
In the above formula, T (mm) is the thickness of the crystal grown on the + C plane of the seed crystal substrate, and φ1 (mm) indicates the diameter of the wafer cut out from the hexagonal nitride single crystal. The diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the wafer surface and other points and is the length of the longest line.
六方晶系窒化物半導体結晶は六角錐台の形状に成長することから、同じ大きさの単結晶を作製するためには、結晶成長後、前記種結晶基板を切り出し、切り出した前記種結晶基板を、結晶成長の種結晶基板として再度使用することが好ましい。このように、種結晶基板を再利用することにより、大きさだけでなく、得られる結晶の品質をより安定に維持することができるため、実用的効果は極めて大きい。 Since hexagonal nitride semiconductor crystals grow in the shape of a hexagonal frustum, in order to produce a single crystal of the same size, after crystal growth, the seed crystal substrate is cut out, and the cut out seed crystal substrate is It is preferably used again as a seed crystal substrate for crystal growth. Thus, by reusing the seed crystal substrate, not only the size but also the quality of the obtained crystal can be maintained more stably, so the practical effect is extremely large.
図3A〜Cに種結晶基板を再利用する工程の一例を示す。まず、GaN自立基板を準備し、その表面を加工して種結晶基板301とする(図3A、表面加工工程)。加工面の精度(Ra)は、100nm以下が好ましく、より好ましくは10nm以下である。また、加工変質層には、例えば、結晶歪み及び転位等が内在し、成長する六方晶系窒化物単結晶の転位密度等に影響を与えるおそれがある。このため、前記加工変質層の厚みは、できる限り少ないことが好ましく、例えば、500nm以下であり、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは10nm以下である。なお、前記加工面の精度は、例えば、AFM(Atomic Force Microscope)により測定することができ、前記加工変質層は、例えば、加工により転位や欠陥等が生じた部分を意味する。 3A to 3C show an example of a process for reusing the seed crystal substrate. First, a GaN free-standing substrate is prepared, and its surface is processed to form a seed crystal substrate 301 (FIG. 3A, surface processing step). The accuracy (Ra) of the processed surface is preferably 100 nm or less, more preferably 10 nm or less. Further, the work-affected layer contains, for example, crystal distortion and dislocations, which may affect the dislocation density and the like of the growing hexagonal nitride single crystal. For this reason, the thickness of the work-affected layer is preferably as small as possible, for example, 500 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 10 nm or less. The accuracy of the processed surface can be measured by, for example, AFM (Atomic Force Microscope), and the processed deteriorated layer means, for example, a portion where dislocations, defects, etc. are generated by processing.
ついで、例えば、図4に示す装置400を用いて前記種結晶基板上に六方晶系窒化物半導体結晶302を成長させる(図3B)。その後、前記種結晶基板301と前記六方晶系窒化物半導体結晶302とを、例えば、ワイヤーソー等により切り離す(図3C)。この際、前記種結晶基板よりも上であって、前記単結晶の成長界面付近で前記種結晶基板と前記単結晶とを切断することが好ましい。また、成長初期の成長界面には不純物等が多く含まれている。このため、前記種結晶基板301上に成長した半導体結晶部分(例えば、302の一部分)を、例えば、研磨や研削等の加工によって除去することにより、種結晶基板の表面の加工変質層が除去された種結晶基板301が得られる。このようにして、再度、種結晶基板として使用できる。
Next, for example, a hexagonal
(六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法)
本発明の六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法は、液相成長によりC軸又はM軸方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶を、A面、(1−101)面及び(11−22)面からなる群から選択される一つの面で切り出すことを特徴とする。
(Method for producing hexagonal nitride single crystal wafer)
In the method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer of the present invention, a hexagonal nitride single crystal grown in the C-axis or M-axis direction by liquid phase growth is obtained by combining an A plane, a (1-101) plane, and ( 11-22) Cut out by one surface selected from the group consisting of surfaces.
前記六方晶系窒化物単結晶は、C軸方向に成長させた単結晶であることが好ましい。C軸方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶からC面以外の面でウエハを切り出すことにより、A面、(1−101)面又は(11−22)面を有する高品質なウエハが得られる。前記本発明の製造方法によって得られる六方晶系窒化物単結晶ウエハを使用することにより、ピエゾ効果がより一層低減され、より一層優れた発光効率を有する半導体装置が製造できる。なお、前記切り出し面は、前記面方位から、例えば、0度〜5度の角度を有した面であってもよい。 The hexagonal nitride single crystal is preferably a single crystal grown in the C-axis direction. By cutting a wafer from a hexagonal nitride single crystal grown in the C-axis direction at a plane other than the C plane, a high-quality wafer having an A plane, a (1-101) plane, or a (11-22) plane is obtained. can get. By using the hexagonal nitride single crystal wafer obtained by the manufacturing method of the present invention, the piezo effect can be further reduced, and a semiconductor device having further excellent luminous efficiency can be manufactured. The cut-out surface may be a surface having an angle of, for example, 0 degree to 5 degrees from the surface orientation.
前記六方晶系窒化物単結晶は、窒素含有ガスの存在下、ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方のフラックスと、窒素とを含む融液中で種結晶基板上に成長させたIII族窒化物単結晶であることが好ましい。また、前記本発明の六方晶系窒化物単結晶や前記本発明の六方晶系窒化物半導体結晶を使用してもよい。前記アルカリ金属、アルカリ土類金属及び前記種結晶基板は前記した通りである。前記種結晶基板の形状は、特に制限されず、例えば、円形、正方形及び長方形等が挙げられるが、中でも長方形が好ましい。長方形の種結晶基板を用いて+C軸又は+M軸方向に成長させた六方晶系種結晶基板を使用することにより、例えば、A面、M面、(1−101)面及び(11−22)面等の面を有するウエハをより多く切り出すことができる。また、前記種結晶基板の成長面は、平坦に加工されていることが好ましい。 The hexagonal nitride single crystal includes, in the presence of a nitrogen-containing gas, at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium, and a flux of at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. A group III nitride single crystal grown on a seed crystal substrate in a melt containing nitrogen is preferable. Further, the hexagonal nitride single crystal of the present invention or the hexagonal nitride semiconductor crystal of the present invention may be used. The alkali metal, alkaline earth metal, and seed crystal substrate are as described above. The shape of the seed crystal substrate is not particularly limited, and examples thereof include a circle, a square, and a rectangle. Among these, a rectangle is preferable. By using a hexagonal seed crystal substrate grown in the + C-axis or + M-axis direction using a rectangular seed crystal substrate, for example, the A plane, M plane, (1-101) plane, and (11-22) More wafers having a surface such as a surface can be cut out. The growth surface of the seed crystal substrate is preferably processed flat.
前記ウエハの切り出しは、特に制限されず、例えば、ワイヤーソー等により行うことができる。また、単結晶インゴットのA軸に垂直な面で切り出す場合、例えば、へき開面を利用してもよい。 The cutting out of the wafer is not particularly limited, and can be performed by, for example, a wire saw. Moreover, when cutting out on a plane perpendicular to the A-axis of the single crystal ingot, for example, a cleavage plane may be used.
前記ウエハの厚みは、特に制限されず、例えば、0.4〜0.5mmである。前記ウエハは、少なくとも一方の面を鏡面加工し、周辺部を面取りすることが好ましい。 The thickness of the wafer is not particularly limited, and is, for example, 0.4 to 0.5 mm. It is preferable that at least one surface of the wafer is mirror-finished and a peripheral portion thereof is chamfered.
前記六方晶系窒化物単結晶の厚みは、特に制限さないが、使用する単結晶の厚みが大きければ大きいほど、得られるウエハの大きさは大きくなるため、大きい方が好ましい。前記厚みは、例えば、10mm以上であり、好ましくは25mm以上であり、より好ましくは50mm以上である。例えば、+C軸方向の厚みが50mm以上である場合、基板表面がA面である直径50mm(2インチ)のウエハが得られる。 The thickness of the hexagonal nitride single crystal is not particularly limited, but the larger the thickness of the single crystal to be used, the larger the size of the wafer to be obtained. The thickness is, for example, 10 mm or more, preferably 25 mm or more, and more preferably 50 mm or more. For example, when the thickness in the + C-axis direction is 50 mm or more, a wafer having a diameter of 50 mm (2 inches) whose surface is the A surface is obtained.
つぎに、本発明の六方晶系窒化物単結晶ウエハは、前記本発明の六方晶系窒化物単結晶ウエハの製造方法により得られる六方晶系窒化物単結晶ウエハである。前記六方晶系窒化物単結晶ウエハの表面は、A面、(1−101)面及び(11−22)面のいずれかの面であることが好ましく、その形状は、特に制限されず、例えば、円形、長方形及び台形等があげられる。 Next, the hexagonal nitride single crystal wafer of the present invention is a hexagonal nitride single crystal wafer obtained by the method for producing a hexagonal nitride single crystal wafer of the present invention. The surface of the hexagonal nitride single crystal wafer is preferably any one of the A plane, the (1-101) plane, and the (11-22) plane, and the shape is not particularly limited. , Round, rectangular and trapezoidal.
(半導体装置)
本発明の半導体装置は、窒化物半導体を用いた半導体装置であって、前記窒化物半導体が、前記本発明の六方晶系窒化物単結晶を含む半導体装置である。
(Semiconductor device)
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device using a nitride semiconductor, and the nitride semiconductor includes the hexagonal nitride single crystal of the present invention.
つぎに、本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法の一例について具体的に説明する。 Next, an example of the method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention will be specifically described.
本発明の六方晶系窒化物単結晶の製造方法は、例えば、図4に示す装置400を用いて実施される。同図に示すように、この装置は、流量調整器409、坩堝固定台404を有する育成炉401、及び、前記坩堝固定台404に配置された坩堝406を有す。前記流量調整器409には、パイプが接続されており、前記パイプの一端にはガスボンベ(図示せず)が接続されている。他端は、前記育成炉401の中まで進入し、前記坩堝406上に配置されている。前記育成炉401には、熱電対403が取り付けられ、前記育成炉401内の坩堝固定台404の側壁には、ヒータ402が配置されている。前記坩堝固定台404には、回転軸405を中心に、前記坩堝固定台404を回転可能な揺動機構(図示せず)が取り付けられ、これにより、前記坩堝固定台404内に配置した坩堝406を揺動可能である。前記坩堝406内には、結晶成長材料及び種結晶基板501等が配置可能である。前記坩堝406の材質としては、例えば、アルミナ(Al2O3)、ボロンナイトライド(BN)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、イットリア(Y2O3)等があげられる。また、前記坩堝は、これらの素材で表面が被覆されている坩堝でも良い。
The method for producing a hexagonal nitride single crystal of the present invention is carried out, for example, using an
この装置を用いた六方晶系窒化物単結晶の製造方法について、GaN単結晶の製造を例にとり説明する。まず、坩堝406に、結晶材料であるGaとフラックスとを投入する。ついで、図4に示すように、坩堝406の底面に略垂直に種結晶基板を立てた状態で配置する。なお、これらの材料は、同時に投入してもよいし、別々に投入してもよい。前記坩堝406を、育成炉401内に配置する。この状態で、パイプを通して窒素含有ガスを育成炉401内に送ると共に加熱する。そして、一定時間、加圧・加熱することにより、前記材料を溶融して融液407を作製し、前記融液407中でGaと窒素とを反応させてGaN結晶502を生成し成長させる。成長終了後、得られた結晶を坩堝406から取り出す。なお、転位が少ないより高品質なGaN単結晶を製造するために、基板上に結晶を成長させる前に、種結晶基板の加工面をメルトバックし、加工変質層をさらに除去することが好ましい。
A method for producing a hexagonal nitride single crystal using this apparatus will be described by taking production of a GaN single crystal as an example. First, Ga and flux, which are crystal materials, are charged into the
前記反応の条件は特に制限されないが、温度が、例えば、700℃〜1100℃の範囲であり、好ましくは800℃〜900℃の範囲であり、圧力が、例えば、0.1MPa〜20MPaの範囲であり、好ましくは1MPa〜5MPaの範囲である。 The reaction conditions are not particularly limited, but the temperature is, for example, in the range of 700 ° C. to 1100 ° C., preferably in the range of 800 ° C. to 900 ° C., and the pressure is, for example, in the range of 0.1 MPa to 20 MPa. Yes, preferably in the range of 1 MPa to 5 MPa.
本発明において、前記坩堝の揺動は、特に制限されず、例えば、前記坩堝を一定の方向に傾けた後、前記方向とは逆の方向に前記坩堝を傾け、坩堝を一定方向に揺り動かす揺動等がある。また、前記揺動は、規則正しい揺動でもよいし、間欠的で不規則な揺動であってもよい。また、揺動に回転運動を併用しても良い。揺動における坩堝の傾きも特に制限されない。 In the present invention, the swinging of the crucible is not particularly limited. For example, after the crucible is tilted in a certain direction, the crucible is tilted in a direction opposite to the direction to swing the crucible in a certain direction. Etc. Further, the rocking may be regular rocking or intermittent and irregular rocking. Moreover, you may use rotary motion together with rocking | fluctuation. The inclination of the crucible during rocking is not particularly limited.
前記結晶の成長開始前、前記坩堝を一方の方向に傾けて前記融液を前記坩堝底の一方(傾けた側)に溜めることで、前記融液が前記基板表面に接触しない状態にすることが好ましい。このようにすれば、前記融液の温度が十分に高くなったことを確認した後、前記坩堝を揺動させて基板上に前記融液を供給することができ、その結果、目的としない化合物等の形成が抑制され、さらに高品位の結晶が得られる。 Before starting the growth of the crystal, the crucible is tilted in one direction and the melt is stored on one side (tilted side) of the crucible so that the melt does not contact the substrate surface. preferable. In this way, after confirming that the temperature of the melt has become sufficiently high, the melt can be supplied onto the substrate by swinging the crucible. And the like, and higher quality crystals can be obtained.
また、前記単結晶の成長の終了後、前記坩堝を一方の方向に傾けて前記融液を前記坩堝底の一方(傾けた側)に溜めることで、前記基板上に形成した六方晶系窒化物単結晶表面から除去した状態にすることが好ましい。このようにすれば、結晶成長終了後において坩堝内温度が降下した場合、前記融液が得られた六方晶系窒化物単結晶に接触することがない。この結果、得られた結晶上に低品位の結晶が成長することを防止できる。 In addition, after the growth of the single crystal, the crucible is tilted in one direction and the melt is stored on one side (tilted side) of the crucible bottom, thereby forming a hexagonal nitride formed on the substrate. It is preferable that the surface is removed from the single crystal surface. In this way, when the temperature in the crucible drops after the end of crystal growth, the hexagonal nitride single crystal from which the melt is obtained does not come into contact. As a result, it is possible to prevent a low-quality crystal from growing on the obtained crystal.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
まず、種結晶基板を作製した。サファイア基板上にMOCVD法により厚み10μmのGaN薄膜を形成した直径3インチ(75mm)の基板を準備した。つぎに、加圧窒素雰囲気下、Na及びGaの融液中で、850℃、25atm(2.59MPa)、96時間成長させることにより、前記GaN薄膜を形成した基板上に、厚み500μmのGaN結晶を成長させた。レーザリフトオフ法を用いて、GaN基板とサファイア基板を分離した。具体的には、サファイア基板は143nmの光まで透過可能であり、GaN結晶は370nm付近の光まで透過可能であるため、Nd:YAGレーザの3倍高調波(パルス幅5nsec、繰り返し10Hz)を、サファイア基板を通して照射し、サファイア基板とGaN結晶との界面に光を集光させることで、GaN結晶を分解し、金属Gaと窒素ガスとを発生させて空隙を形成し、GaN結晶とサファイア基板とを分離した。前記分離したGaN結晶を種結晶基板とし、その成長表面(+C面及び−C面)を加工した。これにより、厚い単結晶を作製しても、クラックの発生が防止できるGaN自立基板を種結晶基板として準備できる。 First, a seed crystal substrate was produced. A substrate having a diameter of 3 inches (75 mm) in which a GaN thin film having a thickness of 10 μm was formed on a sapphire substrate by MOCVD was prepared. Next, a GaN crystal having a thickness of 500 μm is grown on the substrate on which the GaN thin film has been formed by growing it at 850 ° C., 25 atm (2.59 MPa) for 96 hours in a melt of Na and Ga under a pressurized nitrogen atmosphere. Grew. A GaN substrate and a sapphire substrate were separated using a laser lift-off method. Specifically, since the sapphire substrate can transmit light up to 143 nm and the GaN crystal can transmit light near 370 nm, the third harmonic of the Nd: YAG laser (pulse width 5 nsec, repetition 10 Hz), By irradiating through the sapphire substrate and condensing the light at the interface between the sapphire substrate and the GaN crystal, the GaN crystal is decomposed to generate metal Ga and nitrogen gas to form voids. Separated. Using the separated GaN crystal as a seed crystal substrate, the growth surface (+ C plane and −C plane) was processed. Thereby, even if a thick single crystal is produced, a GaN free-standing substrate that can prevent the occurrence of cracks can be prepared as a seed crystal substrate.
なお、本実施例ではMOCVD法により形成したGaN薄膜を種結晶基板として用いたが、その他に、例えば、HVPE法を用いて形成してもよい。つまり、まず、サファイア基板上に、MOCVD法によりGaN薄膜を形成する。前記GaN薄膜上に金属Tiを成膜し、ついで、前記Ti膜にNH3の熱処理を施すことによってボイドのあるTiN膜を形成する。そして、前記TiN膜上に、HVPE法により、例えば、厚み1000μmのGaN結晶を形成する。具体的には、Ga融液を入れたGaポートに、水素及び塩化水素ガスを吹き付け、GaClを生成させ、前記TiN膜を形成した基板が配置されたサセプタ近くに、水素及びNH3ガスを吹き付けると、GaN結晶が成長する。そして、GaN結晶を剥離することによりGaN自立基板が得られる。 In this embodiment, the GaN thin film formed by the MOCVD method is used as the seed crystal substrate, but it may be formed by using, for example, the HVPE method. That is, first, a GaN thin film is formed on a sapphire substrate by MOCVD. A Ti metal film is formed on the GaN thin film, and then a TiN film with voids is formed by performing a heat treatment of NH 3 on the Ti film. Then, for example, a GaN crystal having a thickness of 1000 μm is formed on the TiN film by HVPE. Specifically, hydrogen and hydrogen chloride gas are sprayed onto a Ga port containing Ga melt, GaCl is generated, and hydrogen and NH 3 gas are sprayed near the susceptor on which the substrate on which the TiN film is formed is disposed. A GaN crystal grows. Then, a GaN free-standing substrate is obtained by peeling off the GaN crystal.
図4に示す装置を用い、前述のようにして、種結晶基板の+C面及び−C面の双方の面に、同時に、窒化ガリウム単結晶を成長させた。具体的には、窒素(N2)ガス雰囲気下、以下の条件で、Ga及びフラックスとしてのNaを加熱加圧して溶融させた後、坩堝の底面に種結晶基板を略垂直に立てた状態で配置し、窒化ガリウム単結晶を育成した。図1Aの光学顕微鏡写真に得られた窒化ガリウム単結晶を示し、図1Bにその形状の模式図を示す。図1Aの光学顕微鏡写真に示すように、+C面には厚み1000μmの窒化ガリウム単結晶が成長し、−C面には厚み580μmの窒化ガリウム単結晶が成長した。また、−C面に成長した窒化ガリウム単結晶は、成長界面で極性反転が生じ、+C軸方向に成長していた。つまり、種結晶基板に対して極性が反転し、+C面を成長面として窒化ガリウム単結晶が成長していた。+C面と同様に、−C面においても結晶成長が可能であるため、種結晶基板の両面に結晶を同時に成長させることにより、実質的には成長レートを約2倍にできた。さらに、+C面における成長と−C面における成長とは、等方的な成長であるため、結晶内部の歪みを低減でき、高品質の単結晶が得られた。このようにして得られたGaN単結晶から、主面がC面である基板をスライスして多数枚切り出すこともできる。また、前記種結晶基板の両面に結晶成長させたGaN単結晶を、種結晶基板の面方向に対して垂直方向に切り出すことによって、主面がA面及びM面であるより大きな基板を取り出すこともできる。 Using the apparatus shown in FIG. 4, a gallium nitride single crystal was grown simultaneously on both the + C plane and the −C plane of the seed crystal substrate as described above. Specifically, in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere, Ga and flux Na were heated and pressurized under the following conditions, and then the seed crystal substrate was placed substantially vertically on the bottom of the crucible. Arranged and grown gallium nitride single crystal. The obtained gallium nitride single crystal is shown in the optical micrograph of FIG. 1A, and FIG. 1B shows a schematic diagram of its shape. As shown in the optical micrograph of FIG. 1A, a gallium nitride single crystal having a thickness of 1000 μm was grown on the + C plane, and a 580 μm thick gallium nitride single crystal was grown on the −C plane. In addition, the gallium nitride single crystal grown on the −C plane was inverted in polarity at the growth interface, and was grown in the + C axis direction. That is, the polarity was reversed with respect to the seed crystal substrate, and the gallium nitride single crystal was grown with the + C plane as the growth plane. Similarly to the + C plane, crystal growth is also possible on the −C plane, so that the growth rate can be substantially doubled by simultaneously growing crystals on both sides of the seed crystal substrate. Furthermore, since the growth on the + C plane and the growth on the −C plane are isotropic growth, distortion inside the crystal can be reduced, and a high quality single crystal was obtained. From the GaN single crystal thus obtained, a substrate having a C-plane main surface can be sliced and a large number of substrates can be cut out. Further, by cutting out the GaN single crystal grown on both surfaces of the seed crystal substrate in a direction perpendicular to the surface direction of the seed crystal substrate, a larger substrate whose main surface is the A plane and the M plane is taken out. You can also.
(製造条件)
育成温度:850℃
育成圧力:30atm(3.04MPa)
育成時間:144時間
使用坩堝:アルミナ坩堝
使用ガス:N2ガス
(Production conditions)
Growth temperature: 850 ° C
Growth pressure: 30 atm (3.04 MPa)
Growth time: 144 hours Used crucible: Alumina crucible used gas: N 2 gas
前記実施例1と同様の製造条件で、種結晶基板の片面(+C面)にのみに窒化ガリウム単結晶を成長させた。具体的には、窒素(N2)ガス雰囲気下、以下の条件で、Ga及びフラックスとしてのNaを加熱加圧して溶融させた。ついで、種結晶基板を融液中に横にした状態で配置し、窒化ガリウム単結晶を育成し、厚み3mmの窒化ガリウム単結晶が得られた。図2Aの光学顕微鏡写真に得られた窒化ガリウム単結晶を示し、図2Bにその模式図を示し、同図の矢印方向からの平面図を図2Cに示す。図2Aの写真に示すように、得られた結晶を+C面から観察すると、得られた結晶の側面は傾斜面を有していた。より詳細には、得られた結晶の底面はM面で囲まれた六角形であり、その側面は+C面と62度の傾斜角度を有する(1−101)面であった。このような形状となったメカニズムは以下のように推察される。つまり、液相成長により結晶成長させると融液中の過飽和が小さい領域で結晶が成長するため、成長のドライビングフォースが小さく、結晶の自然面が形成されやすい。そのため、+C面を有する種結晶基板を用いた場合、C軸方向には平坦な面で成長するが、側面は(1−101)面、つまり傾斜面となると推察される。 A gallium nitride single crystal was grown only on one side (+ C plane) of the seed crystal substrate under the same manufacturing conditions as in Example 1. Specifically, Ga and Na as a flux were heated and pressurized under a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere under the following conditions to be melted. Subsequently, the seed crystal substrate was placed in a state in which it was laid down in the melt to grow a gallium nitride single crystal, and a gallium nitride single crystal having a thickness of 3 mm was obtained. 2A shows the obtained gallium nitride single crystal, FIG. 2B shows a schematic diagram thereof, and FIG. 2C shows a plan view from the direction of the arrow in FIG. As shown in the photograph of FIG. 2A, when the obtained crystal was observed from the + C plane, the side surface of the obtained crystal had an inclined surface. More specifically, the bottom surface of the obtained crystal was a hexagon surrounded by an M plane, and the side surface was a (1-101) plane having an inclination angle of 62 degrees with the + C plane. The mechanism having such a shape is assumed as follows. That is, when a crystal is grown by liquid phase growth, the crystal grows in a region where the supersaturation in the melt is small, so that the driving force for growth is small and the natural surface of the crystal is likely to be formed. Therefore, when a seed crystal substrate having a + C plane is used, it grows on a flat surface in the C-axis direction, but the side surface is assumed to be a (1-101) plane, that is, an inclined plane.
(製造条件)
育成温度:850℃
育成圧力:30atm(3.04MPa)
育成時間:144時間
使用坩堝:アルミナ坩堝
使用ガス:N2ガス
(Production conditions)
Growth temperature: 850 ° C
Growth pressure: 30 atm (3.04 MPa)
Growth time: 144 hours Used crucible: Alumina crucible used gas: N 2 gas
なお、HVPE法でも、+C面を有する平面状の種結晶基板を用いて同様の検討を行った。その結果、前記液相成長の場合と同様に、窒化ガリウム単結晶は、+C軸方向に成長し、+C面から観察するとM面で囲まれた六角形であり、その側面は+C面と62度の傾斜角度を有する(1−101)面であった。 In the HVPE method, the same examination was performed using a planar seed crystal substrate having a + C plane. As a result, as in the case of the liquid phase growth, the gallium nitride single crystal grows in the + C-axis direction, and when viewed from the + C plane, is a hexagon surrounded by the M plane, and its side surface is 62 degrees from the + C plane. (1-101) plane having an inclination angle of.
前記実施例1と同様にして、長方形の種結晶基板(幅30mm、長さ100mm、厚み1mm)を準備し、図4に示す装置を用い、種結晶基板の+C面上に、窒化ガリウム単結晶を成長させた。具体的には、窒素(N2)ガス雰囲気下、以下の条件で、所定の量のGa及びNaを加熱加圧して溶融させた。ついで、種結晶基板を融液中に横にした状態で配置し、窒化ガリウム単結晶を育成した。なお、結晶育成中は、前記種結晶基板を融液中に存在させた状態で、前記坩堝を1分間に1周期のスピードで揺動させた。その結果、約60μm/hの成長レートで、厚み30mmの直方体状のGaN単結晶が得られた。このように、長方形の種結晶基板を使用し、直方体状のGaN単結晶を成長させることにより、例えば、A面、(1−101)面及び(11−22)面等が主面である基板が得られる。 In the same manner as in Example 1, a rectangular seed crystal substrate (width 30 mm, length 100 mm, thickness 1 mm) was prepared, and a gallium nitride single crystal was formed on the + C plane of the seed crystal substrate using the apparatus shown in FIG. Grew. Specifically, a predetermined amount of Ga and Na was heated and pressurized and melted under the following conditions in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere. Subsequently, the seed crystal substrate was placed in a state of being laid in the melt, and a gallium nitride single crystal was grown. During crystal growth, the crucible was swung at a speed of one cycle per minute with the seed crystal substrate being present in the melt. As a result, a rectangular parallelepiped GaN single crystal having a thickness of 30 mm was obtained at a growth rate of about 60 μm / h. In this way, by using a rectangular seed crystal substrate and growing a rectangular parallelepiped GaN single crystal, for example, a substrate whose A-plane, (1-101) plane, (11-22) plane, etc. are main planes. Is obtained.
(製造条件)
育成温度:800℃
育成圧力:50atm(5.07MPa)
育成時間:480時間
使用坩堝:アルミナ坩堝
使用ガス:N2ガス
(Production conditions)
Growth temperature: 800 ° C
Growth pressure: 50 atm (5.07 MPa)
Growth time: 480 hours Used crucible: Alumina crucible used gas: N 2 gas
前記実施例3の方法により得られた厚み30mmの長方形のGaN単結晶を用い、図5に示す工程1〜3により、基板表面がA面である円形のGaN単結晶ウエハを製造した。つまり、まず、GaN単結晶インゴットを、研削加工により円筒加工し、周辺部にオリフラを形成し(工程1)、前記インゴットを、700μmのピッチで、ワイヤーソーによりスライスし、厚み500μmの円形基板を得た(工程2)。そして、前記円形基板の表面に、ラッピング加工及び表面ポリッシュ加工を施し(工程3)、直径25mm(1インチ)、厚み350μmの円形GaN単結晶ウエハを製造した。 Using a rectangular GaN single crystal having a thickness of 30 mm obtained by the method of Example 3, a circular GaN single crystal wafer having a substrate surface A-plane was manufactured by steps 1 to 3 shown in FIG. That is, first, a GaN single crystal ingot is cylindrically processed by grinding, an orientation flat is formed in the periphery (step 1), the ingot is sliced with a wire saw at a pitch of 700 μm, and a circular substrate having a thickness of 500 μm is formed. Obtained (step 2). Then, lapping and surface polishing were performed on the surface of the circular substrate (Step 3) to manufacture a circular GaN single crystal wafer having a diameter of 25 mm (1 inch) and a thickness of 350 μm.
+C面を有し、A軸が長手方向である長方形のGaN種結晶基板(幅30mm、長さ100mm、厚み1mm)を用い、その上にGaN単結晶を成長させた(厚み30mm)。そのGaN単結晶インゴットの模式図を、図6Aに示す。つぎに、前記インゴットを+A軸と垂直な面でスライス加工して(図6A)、C面及び(1-101)面で囲まれたA面を有する台形のウエハを作製した(図6B)。C面方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶から切り出すことにより、さらに高品質なA面を有する六方晶系窒化物単結晶ウエハを製造できた。 A rectangular GaN seed crystal substrate (width 30 mm, length 100 mm, thickness 1 mm) having a + C plane and having the longitudinal direction of the A axis was used, and a GaN single crystal was grown thereon (thickness 30 mm). A schematic diagram of the GaN single crystal ingot is shown in FIG. 6A. Next, the ingot was sliced along a plane perpendicular to the + A axis (FIG. 6A) to produce a trapezoidal wafer having an A plane surrounded by a C plane and a (1-101) plane (FIG. 6B). By cutting out from a hexagonal nitride single crystal grown in the C-plane direction, a hexagonal nitride single crystal wafer having a higher quality A-plane could be produced.
前記実施例5と同様のGaN単結晶インゴットを用いて、ウエハを作製した。つまり、+C面を有し、A軸が長手方向である長方形のGaN種結晶基板(幅30mm、長さ100mm、厚み1mm)上の、厚み30mmのGaN単結晶を+C面と58.4度の角度を有する面でスライス加工することにより(図7A)、(11-22)面を有する台形のウエハを作製した(図7B)。C面方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶から切り出すことにより、さらに高品質な(11-22)面を有するA面を有する六方晶系窒化物単結晶ウエハを製造できた。 A wafer was fabricated using the same GaN single crystal ingot as in Example 5. That is, a GaN single crystal having a thickness of 30 mm on a rectangular GaN seed crystal substrate (width 30 mm, length 100 mm, thickness 1 mm) having a + C plane and a longitudinal direction of the A axis is 58.4 degrees with respect to the + C plane. By slicing on a plane having an angle (FIG. 7A), a trapezoidal wafer having a (11-22) plane was produced (FIG. 7B). By cutting out from a hexagonal nitride single crystal grown in the C-plane direction, a hexagonal nitride single crystal wafer having an A plane having a higher quality (11-22) plane could be produced.
+C面を有し、M軸が長手方向である長方形のGaN種結晶基板(幅30mm、長さ100mm、厚み1mm)を用い、その上にGaN単結晶を成長させた(厚み30mm)。そのGaN単結晶インゴットの模式図を、図8Aに示す。ついで、図8Aに示すように、前記インゴットを、M面から傾いた面、つまり、+C面と62度の角度を有する面でスライス加工することにより、(1−101)面を有する台形のウエハを作製した(図8B)。C面方向に成長させた六方晶系窒化物単結晶から切り出すことにより、さらに高品質な(1−101)面を有するA面を有する六方晶系窒化物単結晶ウエハを製造できた。 A rectangular GaN seed crystal substrate (width 30 mm, length 100 mm, thickness 1 mm) having a + C plane and the longitudinal direction of the M axis was used, and a GaN single crystal was grown thereon (thickness 30 mm). A schematic diagram of the GaN single crystal ingot is shown in FIG. 8A. Next, as shown in FIG. 8A, the ingot is sliced by a plane inclined from the M plane, that is, a plane having an angle of 62 degrees with the + C plane, thereby forming a trapezoidal wafer having a (1-101) plane. Was produced (FIG. 8B). By cutting out from a hexagonal nitride single crystal grown in the C-plane direction, a hexagonal nitride single crystal wafer having an A-plane having a higher quality (1-101) plane could be produced.
前記実施例2の製造方法により得られたA面GaN基板上に、図9に示す半導体レーザを作製した。つまり、A面GaN基板A01上に、コンタクト層A02、n型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層A03(厚み1.2μm)、n型GaNからなる光ガイド層A04(厚み0.05μm)、InGaNを含む多重量子井戸構造からなる量子井戸活性層A05(井戸層7nm、障壁層10nmであり2つの井戸層からなる(トータルの厚み37nm))、アンドープGaNキャップ層(図示せず、厚み0.01μm)、p型GaNからなる光ガイド層A06(厚み0.05μm)、p型AlGaNからなるp型クラッド層A07(厚み0.5μm)、p型GaNからなるコンタクト層A08(厚み0.15μm)を結晶成長により順次積層し、その上に、さらにSiO2からなる絶縁層A09(厚み0.1μm)を積層した。前記絶縁層A09には、電流狭窄構造を形成するために、共振器方向に延びるストライプ状の開口部を設け、開口部からp型GaNコンタクト層A08が露出している。露出したp型GaNコンタクト層A08及び絶縁層A09の上面に、p電極A10(材料Pd/Ti/Pt/Au、厚み0.3μm)を形成し、これにより、電流狭窄構造内へキャリア(ホール)を注入可能である。n型GaN基板A01の裏面に、n電極A11(材料Mo/Ti/Au、厚み0.3μm)を形成した。このレーザ共振器の長さ、幅及び厚みは、それぞれ、600μm、300μm及び80μmとし、電流狭窄構造115の幅は、約2μmとした。 A semiconductor laser shown in FIG. 9 was fabricated on the A-plane GaN substrate obtained by the manufacturing method of Example 2. That is, on the A-plane GaN substrate A01, a contact layer A02, an n-type cladding layer A03 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N (thickness 1.2 μm), and an optical guide layer A04 made of n-type GaN (thickness 0.05 μm) , A quantum well active layer A05 having a multiple quantum well structure containing InGaN (well layer 7 nm, barrier layer 10 nm and two well layers (total thickness 37 nm)), undoped GaN cap layer (not shown, thickness 0) .01 μm), p-type GaN light guide layer A06 (thickness 0.05 μm), p-type AlGaN p-type cladding layer A07 (thickness 0.5 μm), p-type GaN contact layer A08 (thickness 0.15 μm) ) Were sequentially laminated by crystal growth, and an insulating layer A09 (thickness 0.1 μm) made of SiO 2 was further laminated thereon. The insulating layer A09 is provided with a stripe-shaped opening extending in the direction of the resonator in order to form a current confinement structure, and the p-type GaN contact layer A08 is exposed from the opening. A p-electrode A10 (material Pd / Ti / Pt / Au, thickness 0.3 μm) is formed on the exposed upper surfaces of the p-type GaN contact layer A08 and the insulating layer A09, whereby carriers (holes) are formed in the current confinement structure. Can be injected. On the back surface of the n-type GaN substrate A01, an n-electrode A11 (material Mo / Ti / Au, thickness 0.3 μm) was formed. The length, width and thickness of the laser resonator were 600 μm, 300 μm and 80 μm, respectively, and the width of the current confinement structure 115 was about 2 μm.
前記レーザ共振器は、へき開により形成し、共振器端面の前方端面及び後方端面には誘電体多層膜を形成し、前方端面の反射率が10%、後方端面の反射率が90%となるようにした。 The laser resonator is formed by cleavage, and a dielectric multilayer film is formed on the front end face and the rear end face of the cavity end face so that the reflectivity of the front end face is 10% and the reflectivity of the rear end face is 90%. I made it.
以上のようにして製造した半導体レーザは、ピエゾ分極を抑制できるA面上に発光領域が形成されているので、従来の半導体レーザに見られたピエゾ分極による発光再結合確率の低下を抑制でき、低しきい値電流の青色/緑色半導体レーザを実現できる。 Since the semiconductor laser manufactured as described above has a light emitting region formed on the A-plane capable of suppressing piezo polarization, it is possible to suppress a decrease in light emission recombination probability due to piezo polarization seen in conventional semiconductor lasers. A blue / green semiconductor laser with a low threshold current can be realized.
以上のように、本発明の製造方法によれば、平面状の種結晶基板を使用し、その両面に六方晶系窒化物単結晶を同時に成長させるため、成長レートをより一層向上させることができる。さらに、種結晶基板の両面の結晶成長は、等方的な成長であるため、結晶内部の歪みを低減でき、得られる結晶は高品質であり、その実用的効果は大きい。本発明により得られる六方晶系窒化物単結晶は、例えば、半導体として使用可能であり、特に、発光デバイスの基板として好適に使用でき、その他の用途にも使用できる。 As described above, according to the manufacturing method of the present invention, the planar seed crystal substrate is used, and the hexagonal nitride single crystal is simultaneously grown on both surfaces thereof, so that the growth rate can be further improved. . Furthermore, since the crystal growth on both sides of the seed crystal substrate is isotropic, distortion inside the crystal can be reduced, the resulting crystal is of high quality, and its practical effect is great. The hexagonal nitride single crystal obtained according to the present invention can be used as, for example, a semiconductor, and can be particularly suitably used as a substrate of a light emitting device, and can be used for other purposes.
101、201、301、501 種結晶基板
102、202、502 六方晶系窒化物単結晶
302 六方晶系窒化物半導体結晶
400 製造装置
401 育成炉
402 ヒータ
403 熱電対
404 坩堝固定台
405 回転軸
406 坩堝
407 融液
409 流量調整器
A01 基板
A02、A08 コンタクト層
A03、A07 クラッド層
A04、A06 光ガイド層
A05 活性層
A09 絶縁層
A10、A11 電極
101, 201, 301, 501
Claims (5)
+C面及び−C面を有し、かつ、結晶成長させるIII族元素窒化物単結晶と同一の組成からなる種結晶基板を準備し、
ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方のフラックスと、窒素とを含む融液と前記種結晶基板の+C面及び−C面が接触するように前記種結晶基板の配置し、
窒素含有ガスの存在下、前記種結晶基板の+C面及び−C面の双方から同時にIII族元素窒化物単結晶を成長させるIII族元素窒化物単結晶の製造方法。A method for producing a group III element nitride single crystal,
Preparing a seed crystal substrate having a + C plane and a -C plane and having the same composition as the group III element nitride single crystal for crystal growth;
A melt containing at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum and indium, at least one flux of alkali metal and alkaline earth metal, nitrogen, and the + C plane and − of the seed crystal substrate Arranging the seed crystal substrate so that the C-plane is in contact;
A method for producing a group III element nitride single crystal, comprising simultaneously growing a group III element nitride single crystal from both the + C plane and the −C plane of the seed crystal substrate in the presence of a nitrogen-containing gas.
請求項1記載の製造方法により得られるIII族元素窒化物単結晶を、A面、(1−101)面及び(11−22)面からなる群から選択される一つの面で切り出すことを特徴とするIII族元素窒化物単結晶ウエハの製造方法。A method for producing a group III element nitride single crystal wafer,
A group III element nitride single crystal obtained by the manufacturing method according to claim 1 is cut out by one plane selected from the group consisting of an A plane, a (1-101) plane, and a (11-22) plane. A method for producing a group III element nitride single crystal wafer.
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