JP5256198B2 - Iii族窒化物単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
の種結晶膜をサファイアなどの単結晶基板上に堆積させてテンプレート基板を得、テンプレート基板上にGaN 単結晶を育成する方法が報告されている(特開2000−327495号公報)。
III族窒化物からなる下地膜を基板上に気相成長法により形成する下地膜形成工程;
基板および前記下地膜を水素存在下に1000℃以上、1300℃以下で加熱処理することによって、下地膜を除去して前記基板の表面を粗面化するエッチング工程;
基板の表面にガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属の窒化物の単結晶からなる種結晶膜を気相成長法によって形成し、基板と種結晶膜の間にボイド率15〜45%の空隙を形成する種結晶膜形成工程;および
ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属の窒化物からなるIII族窒化物単結晶を前記種結晶膜上にナトリウムフラックス法によって育成する単結晶育成工程
を備えている。
図1(a)に示すように、基板1の表面1aに、III族窒化物からなる下地膜2を形成する。次いで、水素の存在下に基板および下地膜を加熱することで、図1(b)に示すように、下地膜2がほぼエッチングされて消失し、基板1Aの表面に多数の微細なクレーターが生成し、粗化面3が形成される。次いで、図1(c)に示すように、基板1Aの表面3上に、III族窒化物単結晶からなる種結晶膜4を形成する。この種結晶膜4内では、粗化面3の影響で転位が抑制され、結晶性の良い種結晶が得られる。
フラックスには、目的とするIII族窒化物単結晶の原料を混合し、使用する。フラックスを構成する原料は、目的とするIII族窒化物単結晶に合わせて選択する。
図1、図2を参照しつつ説明した前記方法に従い、c面GaN単結晶の自立基板を作製した。
直径2インチのc面サファイア基板1をMOCVD炉(有機金属化学気相成長炉)内に入れ、水素雰囲気中で1150℃にて10分加熱し、表面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を500℃まで下げ、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを原料としてGaN膜を0.03μmの厚さに成長させた。次いで、基板温度を1100℃まで上げ、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料としてGaNの下地膜2を0.5μmの厚さに成長させた。
この基板を再び水素雰囲気中にて1150℃で15分間加熱し、表面のGaN膜2をほぼ蒸発させ、サファイア基板1Aを露出させた。このときGaNと共にサファイア基板1Aの表面はエッチングされて蒸発し、微小な凹凸が生成されていることが確認された。
この基板を再びTMGとアンモニアとを原料とし、水素ガスおよび窒素ガスをキャリアガスとして、再び1100℃の温度で基板上にGaNの種結晶膜4を成長させ、5μmの厚さに堆積した。このようにして得られた種結晶膜4の欠陥密度を測定したところ、108個/cm2程度であった。
この基板を種基板として、Naフラックス法にてc面GaN単結晶5を育成した。成長に用いた原料は、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属リチウムである。アルミナるつぼに金属ガリウム45g、金属ナトリウム66g、金属リチウム45mgをそれぞれ充填して、炉内温度900℃・圧力50気圧にてGaN単結晶を約100時間育成した。るつぼから取り出したところ、透明な単結晶が成長しており、基板表面にGaNが約1mmの厚さで堆積していた。
このようにして得られたc面GaN単結晶の自立基板を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化し、直径2インチのGaN単結晶の自立基板を得た。このGaN単結晶基板の欠陥密度を測定したところ、105個/cm2以下と非常に少なく、XRDによる(0002)ωスキャンの半値幅は20秒が得られた。
図1、図2を参照しつつ説明した前記方法に従い、a面GaN単結晶の自立基板を作製した。
直径2インチのr面サファイア基板1をMOCVD炉(有機金属化学気相成長炉)内に入れ、水素雰囲気中で1150℃にて10分加熱し、表面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を500℃まで下げ、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを原料としてGaN膜を0.03μmの厚さに成長させた。次いで、基板温度を1100℃まで上げ、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料としてGaN単結晶の下地膜2を0.5μmの厚さに成長させた。
この基板を再び水素雰囲気中にて1150℃で30分間加熱し、表面のGaN膜2をほぼ蒸発させ、サファイア基板1Aを露出させた。このときGaNと共にサファイア基板表面はエッチングされ蒸発し、微小な凹凸が生成されていることが確認された。
この基板を再び同一炉内でTMGとアンモニアとを原料とし、水素ガスおよび窒素ガスをキャリアガスとして、再び1100℃の温度で基板1A上にGaNの種結晶膜4を成長し、5μmの厚さに堆積した。このようにして得られた種結晶膜4の欠陥密度を測定したところ、108個/cm2程度であった。
この基板を種基板としてNaフラックス法にてGaN結晶5を育成した。成長に用いた原料は、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属リチウムである。アルミナるつぼに金属ガリウム45g、金属ナトリウム66g、金属リチウム45mgをそれぞれ充填して、炉内温度900℃・圧力50気圧にてGaN単結晶を約100時間育成した。るつぼから取り出したところ、透明な単結晶が成長しており、基板表面にa面GaN単結晶5が約1mmの厚さで堆積していた。サファイア基板1Aは冷却中に自然に剥離しており、クラックの発生もみられなかった。サファイアとGaNの熱膨張差により、サファイア基板表面に形成された微小な凹凸にて剥離していた。同じ工程を10回繰り返し行ったところ、10回とも同様の結果であった。
このようにして得られたa面GaN単結晶の自立基板を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化し、直径2インチのGaN単結晶の自立基板を得た。このGaN単結晶基板の欠陥密度を測定したところ、10回とも106個/cm2以下であり、X線ロッキングカーブ(XRC)測定による(11−20)ωスキャンの半値幅は50秒が得られた。
図1、図2を参照しつつ説明した前記方法に従い、m面GaN単結晶の自立基板を作製した。
直径2インチのm面サファイア基板1をMOCVD炉(有機金属化学気相成長炉)内に入れ、水素雰囲気中で1150℃にて10分加熱し、表面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を500℃まで下げ、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを原料としてGaN膜を0.03μmの厚さに成長させた。次いで、基板温度を1100℃まで上げ、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料としてGaN単結晶の下地膜2を0.5μmの厚さに成長させた。
この基板を再び水素雰囲気中にて1150℃で30分間加熱し、表面のGaN膜2をほぼ蒸発させ、サファイア基板1Aを露出させた。このときGaNと共にサファイア基板1Aの表面はエッチングされ蒸発し、微小な凹凸が生成されていることが確認された。
この基板を再び同一炉内でTMGとアンモニアとを原料とし、水素ガスおよび窒素ガスをキャリアガスとして、再び1100℃の温度で基板1A上にm面GaN単結晶の種結晶膜4を成長し、5μmの厚さに堆積した。このようにして得られた種結晶膜4の欠陥密度を測定したところ、108個/cm2程度であった。
この基板を種基板としてNaフラックス法でm面GaN単結晶5を育成した。成長に用いた原料は、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属リチウムである。アルミナるつぼに金属ガリウム45g、金属ナトリウム66g、金属リチウム45mgをそれぞれ充填して、炉内温度900℃・圧力50気圧にてGaN単結晶を約100時間育成した。るつぼから取り出したところ、透明な単結晶が成長しており、基板表面にGaNが約1mmの厚さで堆積していた。サファイア基板1Aは冷却中に自然に剥離しており、クラックの発生もみられなかった。サファイアとGaNの熱膨張差により、サファイア基板表面に形成された微小な凹凸にて剥離していた。同じ工程を10回繰り返し行ったところ、10回とも同様の結果であった。
このようにして得られたGaN自立基板を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化し、直径2インチのm面GaN単結晶の自立基板を得た。このGaN単結晶基板の欠陥密度を測定したところ、10回とも106個/cm2以下であり、X線ロッキングカーブ(XRC)測定による(1−100)ωスキャンの半値幅は50秒が得られた。
図1、図2を参照しつつ説明した前記方法に従い、c面GaN単結晶の自立基板を作製した。
直径2インチのc面サファイア基板1をMOCVD炉(有機金属化学気相成長炉)内に入れ、水素雰囲気中で1150℃にて10分加熱し、表面のクリーニングを行った。
次いで、基板温度を500℃まで下げ、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを原料としてGaN膜を0.03μmの厚さに成長させた。次いで、基板温度を1100℃まで上げ、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料としてGaNの下地膜2を0.5μmの厚さに成長させた。
この基板を再び水素雰囲気中にて1100℃で15分間加熱し、表面のGaN膜2をほぼ蒸発させ、サファイア基板1Aを露出させた。このときGaNと共にサファイア基板1Aの表面はエッチングされて蒸発し、微小な凹凸が生成されていることが確認された。
これらの基板を再びTMGとアンモニアとを原料とし、水素ガスおよび窒素ガスをキャリアガスとして、再び1100℃の温度で基板上にGaNの種結晶膜4を成長させ、5μmの厚さに堆積した。条件A,B,Cを用いて得られた種結晶膜4の表面モフォロジー、サファイア基板/種結晶膜(GaN)界面付近の断面SEM像、基板内にて空隙が界面に占める面積の割合(ボイド率)、欠陥密度を測定した。ボイド率、欠陥密度の結果は以下の通りである。
ボイド率 15%、 欠陥密度(平均) 1.4×109個/cm2
条件B:
ボイド率 30%、 欠陥密度(平均) 8.2×108個/cm2
条件C:
ボイド率 45%、 欠陥密度(平均) 2.5×108個/cm2
これらの基板を種基板として、Naフラックス法にてc面GaN単結晶5を育成した。成長に用いた原料は、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属リチウムである。アルミナるつぼに金属ガリウム45g、金属ナトリウム66g、金属リチウム45mgをそれぞれ充填して、炉内温度900℃・圧力50気圧にてGaN単結晶を約100時間育成した。るつぼから取り出したところ、透明な単結晶が成長しており、基板表面にGaNが約1mmの厚さで堆積していた。
剥離を確認したc面GaN単結晶の自立基板を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化し、直径2インチのGaN単結晶の自立基板を得た。条件A,B,CのGaN単結晶基板の欠陥密度を測定したところ、それぞれ平均で1.8×103,1.8×103,1.5×103(個/cm2)と非常に少なかった。X線ロッキングカーブ(XRC)測定による(0002)ωスキャンの半値幅はおおむね20秒程度が得られた。
(下地膜の作製)
直径2インチのc面サファイア基板1をMOCVD炉(有機金属化学気相成長炉)内に入れ、水素雰囲気中で1150℃にて10分加熱し、表面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を500℃まで下げ、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを原料としてGaN膜を0.03μmの厚さに成長させた。次いで、基板温度を1100℃まで上げ、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料として、c面GaN単結晶の下地膜2を5μmの厚さに成長させた。このようにして得られた積層用種基板の欠陥密度を測定したところ、1×1010個/cm2程度であった。
この基板を種基板としてNaフラックス法にてGaN結晶を育成した。成長に用いた原料は、金属ガリウム、金属ナトリウムおよび金属リチウムである。アルミナるつぼに金属ガリウム45g、金属ナトリウム66g、金属リチウム45mgをそれぞれ充填して、炉内温度900℃・圧力50気圧にてGaN単結晶を約100時間育成した。るつぼから取り出したところ、透明な単結晶が成長しており、基板表面にGaNが約1mmの厚さで堆積していた。
同じ工程を10回1枚ずつ繰り返し行ったところ、10回ともサファイア基板はGaN層に密着しており、うち8回はクラックおよび割れが多数発生した。サファイアとGaNの熱膨張係数差により降温時に基板が反り、その応力によりクラックや割れが発生したものと見られる。クラックや割れの発生しなかった2枚について、サファイア基板1をダイヤモンド砥粒による研磨で除去することを試みたところ、2枚とも研磨中にGaN層5に亀裂および割れが生じ、良品は1枚も得られなかった。
この分割されたGaN単結晶基板の欠陥密度を測定したところ、2枚の平均で約4×106個/cm2であり、X線ロッキングカーブ(XRC)測定による(0002)ωスキャンの半値幅は60秒であった。
Claims (7)
- III族窒化物からなる下地膜を基板上に気相成長法により形成する下地膜形成工程;
前記基板および前記下地膜を水素存在下に1000℃以上、1300℃以下で加熱処理することによって、前記下地膜を除去して前記基板の表面を粗面化するエッチング工程;
前記基板の表面にガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属の窒化物の単結晶からなる種結晶膜を気相成長法によって形成し、前記基板と前記種結晶膜の間にボイド率15〜45%の空隙を形成する種結晶膜形成工程;および
ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属の窒化物からなるIII族窒化物単結晶を前記種結晶膜上にナトリウムフラックス法によって育成する単結晶育成工程
を備えていることを特徴とする、III族窒化物単結晶の製造方法。 - 前記種結晶膜上に育成される前記III族窒化物単結晶が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 前記種結晶膜が窒化ガリウムからなることを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
- 前記下地膜が窒化ガリウムからなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の方法。
- 前記基板がサファイアからなることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の方法。
- 前記フラックス法によって育成された前記III族窒化物単結晶を前記基板から剥離させることによって自立基板を得ることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つの請求項に記載の方法。
- 前記下地膜形成工程およびエッチング工程を交互に複数回実施することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一つの請求項に記載の方法。
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