JP5515341B2 - Group III nitride crystal growth method - Google Patents
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Description
本発明は、発光デバイス、電子デバイスなどの半導体デバイスの基板として好適に用いられる大型で結晶性の高いIII族窒化物結晶の成長方法に関する。 The present invention relates to a method for growing a large group III nitride crystal that is suitably used as a substrate of a semiconductor device such as a light emitting device or an electronic device.
GaN結晶、AlN結晶などのIII族窒化物結晶は、発光デバイス、電子デバイスなどの半導体デバイスの基板などに好適に用いられる。特性の高い半導体デバイスを効率的に製造するために、大型で結晶性の高いIII族窒化物結晶が求められている。 Group III nitride crystals such as GaN crystals and AlN crystals are suitably used for substrates of semiconductor devices such as light emitting devices and electronic devices. In order to efficiently manufacture a semiconductor device having high characteristics, a group III nitride crystal having a large size and high crystallinity is required.
ここで、III族窒化物結晶は、天然には存在しないため、III族窒化物結晶を成長させるための下地基板としては、III族窒化物とは化学組成が異なる異種下地基板が用いられる。かかる異種下地基板としては、III族窒化物結晶との格子定数の不整合が小さい観点から、サファイア基板、スピネル基板、SiC基板、GaAs基板などが好ましく用いられる。 Here, since the group III nitride crystal does not exist in nature, a different type base substrate having a chemical composition different from that of the group III nitride is used as the base substrate for growing the group III nitride crystal. As such a different base substrate, a sapphire substrate, a spinel substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, or the like is preferably used from the viewpoint of a small mismatch in lattice constant with the group III nitride crystal.
たとえば、特開2004−91278号公報(以下、特許文献1という)は、異種下地基板(サファイア基板)上にIII族窒化物の低温堆積バッファ層(たとえばAlN低温堆積バッファ層)を形成し、その低温堆積バッファ層上にIII族窒化物結晶(たとえばGaN結晶)を成長させる方法を開示する。また、特開2004−331453号公報(以下、特許文献2という)は、異種下地基板(たとえばサファイア基板、GaAs基板など)上にパターン化された金属膜(たとえば金属Ti膜)を形成し、そのパターン化された金属膜上にIII族窒化物結晶(たとえばGaN結晶、AlN結晶など)を成長させる方法を開示する。また、特許文献2は、異種下地基板(たとえばサファイア基板、GaAs基板など)上にパターン化された金属膜(たとえば金属Ti膜)を形成し、そのパターン化された金属膜上にバッファ膜(たとえばGaNバッファ膜、AlNバッファ膜など)を形成し、そのバッファ膜上にIII族窒化物結晶(たとえばGaN結晶、AlN結晶など)を成長させる方法を開示する。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2004-91278 (hereinafter referred to as Patent Document 1) forms a group III nitride low-temperature deposition buffer layer (for example, an AlN low-temperature deposition buffer layer) on a different base substrate (sapphire substrate). A method for growing a group III nitride crystal (eg, GaN crystal) on a low temperature deposition buffer layer is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 2004-331453 (hereinafter referred to as Patent Document 2) forms a patterned metal film (for example, a metal Ti film) on a different base substrate (for example, a sapphire substrate, a GaAs substrate, etc.) A method for growing a group III nitride crystal (eg, GaN crystal, AlN crystal, etc.) on a patterned metal film is disclosed. Further, Patent Document 2 forms a patterned metal film (for example, a metal Ti film) on a different kind of base substrate (for example, sapphire substrate, GaAs substrate, etc.), and a buffer film (for example, for example) on the patterned metal film. A method of forming a group III nitride crystal (for example, GaN crystal, AlN crystal, etc.) on the buffer film is disclosed.
しかし、特許文献1および2に開示されるような異種下地基板上にパターン化された金属膜および/またはバッファ層を形成し、その金属膜またはバッファ層上にIII族窒化物結晶を成長させる方法では、結晶系の違いおよび格子定数の不整合を完全には緩和することができず、成長したIII族窒化物結晶には歪み応力が発生する。また、異種下地基板とIII族窒化物結晶との熱膨張係数の違いによる歪み応力が発生する。このため、得られたIII族窒化物結晶には、反りの発生、割れの発生、結晶性の低下、結晶成長面における結晶軸のばらつきなどが発生する問題があった。 However, a method of forming a patterned metal film and / or buffer layer on a heterogeneous underlying substrate as disclosed in Patent Documents 1 and 2 and growing a group III nitride crystal on the metal film or buffer layer Then, the difference in crystal system and the mismatch of lattice constants cannot be completely relaxed, and strain stress is generated in the grown group III nitride crystal. Further, a strain stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the different base substrate and the group III nitride crystal. For this reason, the obtained group III nitride crystal has problems that warp, cracks, crystallinity, crystal axis variation on the crystal growth surface, and the like occur.
上記の問題を解決するために、特開2008−133151号公報(以下、特許文献3という)は、複数の種基板を、種基板の側部側にずらして配置する配置工程と、複数の種基板の各々の表面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを備え、複数の種基板の各々の表面上に成長した結晶の各々が一体化するように成長させる方法を開示する。 In order to solve the above problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-133151 (hereinafter referred to as Patent Document 3) discloses an arrangement step in which a plurality of seed substrates are arranged while being shifted to the side of the seed substrate, and a plurality of seed substrates. A method of growing a group III nitride crystal on each surface of the substrate, and growing the crystals so that each of the crystals grown on each surface of the plurality of seed substrates is integrated.
しかし、特許文献3に開示されるような複数の種基板上にIII族窒化物結晶を成長させる方法では、少なくとも1つの側部表面が{10−10}面である種基板を複数配置して、その表面(主表面)上にIII族窒化物結晶を成長させると、結晶成長表面に{10−10}面のファセット({10−1f}面(ここで、fは0以外の整数)が現れ、結晶成長表面に凹部が形成され、III族窒化物結晶の歩留まりが低減するとともに、ファセットを結晶成長表面として成長した結晶領域の転位密度が高くなるという問題があった。 However, in the method of growing a group III nitride crystal on a plurality of seed substrates as disclosed in Patent Document 3, a plurality of seed substrates having at least one side surface of {10-10} plane are arranged. When a group III nitride crystal is grown on the surface (main surface), a {10-10} facet ({10-1f} plane (where f is an integer other than 0) is formed on the crystal growth surface. As a result, there was a problem that a recess was formed on the crystal growth surface, the yield of the group III nitride crystal was reduced, and the dislocation density of the crystal region grown using the facet as the crystal growth surface was increased.
本発明は、上記問題を解決して、大型で結晶性が高く結晶成長表面が平坦なIII族窒化物結晶の成長方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for growing a large group III nitride crystal having high crystallinity and a flat crystal growth surface.
本発明は、主平面と複数の側平面とを有するIII族窒化物チップ基板であって、主平面の任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面が{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、III族窒化物チップ基板を複数準備する工程と、複数のIII族窒化物チップ基板を、各III族窒化物チップ基板の主平面の法線方向が互いに平行でかつ各III族窒化物チップ基板の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各側平面を互いに隣接させて配置する工程と、配置された複数のIII族窒化物チップ基板の主平面上に、III族窒化物結晶を成長させる工程と、を備えるIII族窒化物結晶の成長方法である。 The present invention is a group III nitride chip substrate having a main plane and a plurality of side planes, and the normal line at an arbitrary position of the main plane is 1.0 ° or less with respect to the <0001> direction at the position. A plurality of group III nitride chip substrates having an inclination angle θ and each side plane being a {hk- (h + k) 0} plane other than the {10-10} plane (where h and k are integers) are prepared. And a plurality of group III nitride chip substrates, wherein the normal directions of the main planes of the group III nitride chip substrates are parallel to each other and other than the <10-10> direction of the group III nitride chip substrates < a step of arranging side planes adjacent to each other so that hk- (h + k) 0> directions (where h and k are integers) are parallel to each other, and a plurality of arranged group III nitride chip substrates A group III nitride crystal is grown on the main plane of And a method of growing a group III nitride crystal.
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法において、各側平面の平均粗さRaを5nm以下とすることができる。また、主平面を長方形とすることができる。 In the group III nitride crystal growth method according to the present invention, the average roughness Ra of each side plane can be 5 nm or less. The main plane can be rectangular.
本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法によれば、大型で結晶性が高く結晶成長表面が平坦なIII族窒化物結晶の成長方法を提供することができる。 According to the method for growing a group III nitride crystal according to the present invention, a method for growing a group III nitride crystal having a large size, high crystallinity, and a flat crystal growth surface can be provided.
図1および2を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法は、主平面12mと複数の側平面12s、12tとを有するIII族窒化物チップ基板12であって、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面12s、12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、III族窒化物チップ基板12を複数準備する工程を備える。また、複数のIII族窒化物チップ基板12を、各III族窒化物チップ基板12の主平面12mの法線方向が互いに平行でかつ各III族窒化物チップ基板12の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各側平面12s、12tを互いに隣接させて配置する工程を備える。また、配置された複数のIII族窒化物チップ基板12の主平面12m上に、III族窒化物結晶20を成長させる工程を備える。これらの工程を備えることにより、大型で結晶性の高いIII族窒化物結晶が得られる。
Referring to FIGS. 1 and 2, the method for growing a group III nitride crystal according to the present invention is a group III
ここで、図1〜5を参照して、III族窒化物母結晶10、III族窒化物基板11、III族窒化物チップ基板12およびIII族窒化物結晶20は、いずれも六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有するため、それらの結晶の面を一般的に{hkil}面(ここで、h、k、iおよびlは整数、i=−(h+k))と表すことができ、それらの結晶の方向を一般的に<hkil>方向(ここで、h、k、iおよびlは整数、i=−(h+k))と表すことができる。なお、{hkil}面は、(hkil)面およびそれに結晶幾何学的に等価な結晶面を含む総称的な結晶面を意味する。また、<hkil>方向は、[hkil]方向およびそれに結晶幾何学的に等価な方向を含む総称的な方向を意味する。なお、図1〜5は、現実の寸法を反映したものではなく、理解を容易にするために、特に結晶または基板の厚さ方向の長さを他の方向の長さに比べて大きく描いている。
Here, referring to FIGS. 1 to 5, group III
図4を参照して、上述のように、従来の結晶成長方法、たとえば特許文献1および2に開示された結晶成長方法により、サファイア基板、GaAs基板などの異種下地基板上に成長させたIII族窒化物母結晶10は、結晶成長の際に異種下地基板とIII族窒化物結晶との格子定数および/または熱膨張係数の違いにより発生した歪み応力のために、異種下地基板から分離した後は、その結晶成長表面10gおよび{0001}面10cが湾曲(たとえば、異種下地基板としてのサファイア基板またはGaAs基板上に成長させてその異種下地基板から分離されたIII族窒化物母結晶は(0001)面が凹に湾曲)した反りを有する。かかるIII族窒化物母結晶10から、III族窒化物結晶を成長させるための下地基板として、III族窒化物母結晶10の中央部における<0001>方向に対して垂直な平面を主平面11mとするIII族窒化物基板11を切り出す。こうして得られるIII族窒化物基板11の主平面11mの任意の位置における<0001>方向は、その位置によって大きく異なる。かかるIII族窒化物基板11上にIII族窒化物結晶20を成長させると、III族窒化物結晶20はIII族窒化物基板11の結晶性を受け継ぐエピタキシャル成長をするため、成長するIII族窒化物結晶20はその位置によって<0001>方向が大きく異なる。かかるIII族窒化物結晶20は結晶性が低いため、このIII族窒化物結晶20を基板として用いた半導体デバイスの特性が低下する。
Referring to FIG. 4, as described above, a group III grown on a different underlying substrate such as a sapphire substrate or a GaAs substrate by a conventional crystal growth method, for example, the crystal growth method disclosed in Patent Documents 1 and 2. After the
そこで、発明者らは、大型で結晶性の高いIII族窒化物結晶20を成長させるため、図1、2および4を参照して、主平面12mと複数の側平面12s、12tとを有するIII族窒化物チップ基板12であって、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面12s、12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、III族窒化物チップ基板12を複数準備すること、複数のIII族窒化物チップ基板12を、各III族窒化物チップ基板12の主平面12mの法線方向が互いに平行でかつ各III族窒化物チップ基板12の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各側平面12s、12tを互いに隣接させて配置すること、および、配置された複数のIII族窒化物チップ基板12の主平面12m上に、III族窒化物結晶20を成長させることにより、大型で結晶性の高いIII族窒化物結晶20が成長することを見い出して、本発明を完成させた。以下、詳細に説明する。なお、図1〜3において、<ND>とは、III族窒化物チップ基板12における主平面12mの法線方向を示す。
In order to grow a large group III
(III族窒化物チップ基板を複数準備する工程)
図1および4を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、主平面12mと複数の側平面12s、12tとを有するIII族窒化物チップ基板12であって、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面12s、12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、III族窒化物チップ基板12を複数準備する工程を備える。
(Step of preparing a plurality of group III nitride chip substrates)
1 and 4, the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment is a group III
本工程で準備されるIII族窒化物チップ基板12は、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有する。このため、図2を参照して、かかるIII族窒化物チップ基板12の主平面12m上に、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°程度以下の傾斜角θcを有するIII族窒化物結晶20をエピタキシャル成長させることができ、結晶性の高いIII族窒化物結晶20が得られる。かかる観点から、III族窒化物チップ基板12の主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して有する傾斜角θは0.5°以下であることが好ましい。
In group III
ここで、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して有する傾斜角θ(すなわち主平面12mの任意の位置においてその法線と<0001>方向とのなす傾斜角θ)は、その任意の位置において主平面12mと{0001}面12cとのなす傾斜角θと同義であり、(0002)面または(0004)面などに関するX線回折ピークの位置により測定することができる。
Here, the inclination angle θ that the normal line at an arbitrary position of the
また、本工程で準備されるIII族窒化物チップ基板12は、各側平面12s,12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である。ここで、図3を参照して、III族窒化物チップ基板12の少なくとも1つの側平面が{10−10}面であると、{10−10}面は電荷中性面(非極性面)のなかで原子の最密充填面であり最も安定な結晶面であるため、かかるIII族窒化物チップ基板12を複数配置してそれらの主平面12m上にIII族窒化物結晶20を成長させると、結晶成長表面20gに{10−10}面のファセット20fである{10−1f}面(ここで、fは0以外の整数)が現れるため、結晶成長表面20gに凹部が形成され、III族窒化物結晶20の歩留まりが低減するとともに、ファセット20fを結晶成長表面として成長した結晶領域(ファセット成長結晶領域20fc)の転位密度が高くなる。このため、本実施形態のIII族窒化物チップ基板12は、各側平面12s,12tの全てが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である必要がある。
Further, in the group III
ここで、本工程において、III族窒化物チップ基板12を複数準備する方法には、特に制限はなく、以下の方法を用いることができる。
Here, in this step, the method for preparing a plurality of group III
サファイア基板(主面は(0001)面)、GaAs基板(主面は(111)A面)などの異種下地基板の主面上に、III族窒化物母結晶を成長させる。これにより、一般的に、異種下地基板から分離した後に、図4に示すような結晶成長表面10gおよび{0001}面10cが湾曲(たとえば、異種下地基板としてサファイア基板またはGaAs基板上に成長させてその異種下地基板から分離されたIII族窒化物母結晶は(0001)面が凹に湾曲)したIII族窒化物母結晶10が得られる。III族窒化物母結晶10の成長方法には、特に制限はなく、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法、昇華法などの気相法、または、III族元素の融液に窒素を溶解させた溶液を用いる溶液法などの液相法などが用いられる。
A group III nitride mother crystal is grown on the main surface of a different kind of base substrate such as a sapphire substrate (main surface is (0001) surface), GaAs substrate (main surface is (111) A surface). Thus, generally, after separation from the different base substrate, the
図1および4を参照して、得られたIII族窒化物母結晶10から、主平面12mと複数の側平面12s、12tを有するIII族窒化物チップ基板12を複数切り出す。ここで、各III族窒化物チップ基板12は、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面12s,12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)となるように切り出す。切り出しの方法には、特に制限はなく、ワイヤーソー、ダイサー、放電加工、スクライブなどにより切り出すことができる。
Referring to FIGS. 1 and 4, a plurality of group III
ここで、III族窒化物チップ基板12の切り出しは、各側平面12s,12tが{10−10}面以外の所定の{hk−(h+k)0}面となるように行うのが理想的ではあるが、実際に切り出された各側平面12s,12tは、{hk−(h+k)0}面に対して3°以下程度の傾斜角を有する場合がある。しかしながら、各側平面12s,12tの傾斜角がこの程度であれば、大型で結晶性が高く結晶成長表面が平坦なIII族窒化物結晶20を成長させる障害とはならない。なお、各側平面12s,12tの法線と<hk−(h+k)0>方向とのなす傾斜角は、(10−10)面または(11−20)面などに関するX線回折ピークの位置によって測定することができる。
Here, it is ideal that the group III
図1および2を参照して、結晶性が高いIII族窒化物結晶20を成長させる観点から、III族窒化物チップ基板12の主平面12mは平坦であることが好ましい。具体的には、主平面12mの平均粗さRaは、5nm以下が好ましく、2.5nm以下がより好ましい。主平面12mの5nm以下の面粗さRaは、主平面12mに研削、研磨(機械的研磨、化学機械的研磨を含む)、ドライエッチング、ウエットエッチングなどの処理を施すことによって得られる。
Referring to FIGS. 1 and 2, from the viewpoint of growing group
また、図1および2を参照して、複数のIII族窒化物チップ基板12の接合部分上にも転位密度が低く結晶性が高いIII族窒化物結晶20を成長させる観点から、側平面12s,12tは平坦であることが好ましい。具体的には、側平面12s,12tの面粗さRaは、5nm以下が好ましく、2.5nm以下がより好ましい。側平面12s,12tの5nm以下の面粗さRaは、側平面12s,12tに研削、研磨(機械的研磨、化学機械的研磨を含む)、ドライエッチング、ウエットエッチングなどの処理を施すことによって得られる。
1 and 2, from the viewpoint of growing a group
ここで、平均粗さRaとは、JIS K 0601に規定する算術平均粗さRaをいい、具体的には、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの距離(偏差の絶対値)を合計し基準長さで平均した値をいう。平均粗さRaの測定は、AFM(原子間力顕微鏡)により行うことができる。 Here, the average roughness Ra refers to the arithmetic average roughness Ra specified in JIS K 0601. Specifically, the average roughness Ra is extracted from the roughness curve by the reference length in the direction of the average line, and the average of the extracted portions is determined. This is the value obtained by summing the distance from the line to the roughness curve (absolute value of deviation) and averaging it with the reference length. The average roughness Ra can be measured with an AFM (atomic force microscope).
また、図1を参照して、III族窒化物チップ基板12の主平面12mの形状は、平面を隙間無く覆うこと(平面充填)ができる形状であれば特に制限はなく、正方形、長方形、菱形、平行四辺形などの四角形、正六角形、平行六辺形などの六角形が挙げられる。III族窒化物チップ基板の作製の作業性が高い観点から、III族窒化物チップ基板の主平面の形状は、正方形、長方形などの直角四角形が好ましい。さらに、III族窒化物チップ基板の方向性を目視で容易に識別できる観点から、III族窒化物チップ基板の主平面の形状は、直角四角形の中でも長方形がより好ましい。
Referring to FIG. 1, the shape of
(III族窒化物チップ基板を配置する工程)
図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、複数のIII族窒化物チップ基板12を、各III族窒化物チップ基板12の主平面12mの法線方向が互いに平行でかつ各III族窒化物チップ基板12の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各側平面12s、12tを互いに隣接させて配置する工程を備える。
(Step of placing a group III nitride chip substrate)
Referring to FIG. 2, in the method for growing a group III nitride crystal of this embodiment, a plurality of group III
複数のIII族窒化物チップ基板12を上記のように配置することにより、配置された複数のIII族窒化物チップ基板12の全体にわたって、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、すべての側平面12s、12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)となる。このため、複数のIII族窒化物チップ基板12の主面上に、結晶性が高く結晶成長表面20gが平坦なIII族窒化物結晶20を成長させることが可能となる。また、多数のIII族窒化物チップ基板12を上記のように配置することにより、大型で結晶性が高く結晶成長表面20gが平坦なIII族窒化物結晶20を成長させることができる。
By disposing the plurality of group III
(III族窒化物結晶を成長させる工程)
図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、配置された複数のIII族窒化物チップ基板12の主平面12m上に、III族窒化物結晶20を成長させる工程と、を備える。
(Step of growing group III nitride crystal)
Referring to FIG. 2, the group III nitride crystal growth method of the present embodiment is a step of growing group
かかる工程により、複数のIII族窒化物チップ基板12の主面上に、III族窒化物結晶20が複数のIII族窒化物チップ基板12の結晶性を受け継ぐエピタキシャル成長をする。ここで、複数のIII族窒化物チップ基板12の全体にわたって、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有していることから、成長したIII族窒化物結晶20は、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して有する傾斜角θc(すなわち結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置においてその法線と<0001>方向とのなす傾斜角θc)は1.0°程度以下となり、結晶性が高い。
Through this process, the group
ここで、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置においてその法線と<0001>方向とのなす傾斜角θcは、その任意の位置において結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hと{0001}面20cとのなす傾斜角θcと同義であり、(0002)面または(0004)面などに関するX線回折ピークの位置により測定することができる。
Here, the inclination angle θc between the normal line and the <0001> direction at an arbitrary position of the
また、複数のIII族窒化物チップ基板12のすべての側平面12s,12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)であることから、III族窒化物結晶20の結晶成長表面20gには、ファセットが形成されず、平坦になる。
Further, all the
また、多数のIII族窒化物チップ基板12が配置されていると、大型のIII族窒化物結晶20が得られる。このようにして、大型で結晶性が高く結晶成長表面20gが平坦なIII族窒化物結晶20が得られる。
When a large number of group III
(実施例1)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
(1)III族窒化物母結晶の作製
図4を参照して、III族窒化物母結晶10であるGaN母結晶を以下のようにして作製した。まず、異種下地基板(図示せず)として(111)A面の主平面を有する直径2インチ(50.8mm)で厚さ0.8mmのGaAs基板の主平面上に、スパッタ法によりマスク層として厚さ100nmのSiO2層を形成した。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチングにより、SiO2層(マスク層)に直径が2μmの開口部が4μmのピッチで平面的に六方稠密に配置されたパターンを形成した。ここで、各開口部にはGaAs基板の主平面が露出していた。
Example 1
1. Step of Preparing Multiple Group III Nitride Chip Substrates (1) Production of Group III Nitride Mother Crystal Referring to FIG. 4, a GaN mother crystal that is a group III
次に、主平面に複数の開口部を有するSiO2層(マスク層)が形成されたGaAs基板上に、HVPE法により、500℃の雰囲気温度で厚さ80nmのGaN低温バッファ層を成長させ、GaN低温バッファ層上に厚さ5mmのGaN母結晶(III族窒化物母結晶10)を成長させた。 Next, a GaN low-temperature buffer layer having a thickness of 80 nm is grown at an ambient temperature of 500 ° C. by an HVPE method on a GaAs substrate on which a SiO 2 layer (mask layer) having a plurality of openings in the main plane is formed. A GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) having a thickness of 5 mm was grown on the GaN low-temperature buffer layer.
次に、王水を用いたエッチングにより、GaN母結晶(III族窒化物母結晶10)から、GaAs基板(異種下地基板)を除去して、直径2インチ(50.8mm)で厚さ3mmのGaN母結晶(III族窒化物母結晶10)を得た。 Next, by etching using aqua regia, the GaAs substrate (heterogeneous base substrate) is removed from the GaN mother crystal (group III nitride mother crystal 10), and the diameter is 2 inches (50.8 mm) and the thickness is 3 mm. A GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) was obtained.
かかるGaN母結晶(III族窒化物母結晶10)は、結晶成長中に発生する反りを保持していた。すなわち、このGaN母結晶(III族窒化物母結晶10)は、{0001}面10cが(0001)面を凹として湾曲しており、その湾曲は、高低差で300μm、曲率半径で1.0mであった。
Such a GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) retains the warp that occurs during crystal growth. That is, in this GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10), the {0001}
かかるGaN母結晶(III族窒化物母結晶)から直径2インチ(50.8mm)で厚さ0.4mmのGaN基板(III族窒化物基板11)を切り出すと、GaN基板の主平面11mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して有する傾斜角は、1.5°程度となる。
When a GaN substrate (Group III nitride substrate 11) having a diameter of 2 inches (50.8 mm) and a thickness of 0.4 mm is cut out from the GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal), an
(2)III族窒化物チップ基板の作製
図1および4を参照して、GaN母結晶(III族窒化物母結晶10)から、GaNチップ基板の全ての側平面12s,12tが{10−10}面を含まないように、複数のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を切り出した。切り出された各GaNチップ基板は、5mm×10mm×厚さ800μmであった。具体的には、各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)において、5mm×10mmの主表面12mが(0001)面に近い面、5mm×800μmの側平面12sがほぼ(2−310)面、10mm×800μmの側平面12tがほぼ(−2−130)面であった。
(2) Fabrication of Group III Nitride Chip Substrate With reference to FIGS. 1 and 4, from the GaN mother crystal (group III nitride mother crystal 10), all
切り出された各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)には、GaN母結晶(III族窒化物母結晶10)の結晶性がそのまま引き継がれる。したがって、5mm×10mmの主平面12mを有する各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)は、中央傾斜角θ0に対して、5mmの辺に対して平行な方向に0.15°以下、10mmの辺に対して平行な方向に0.3°以下の差分傾斜角θ1を有する。ここで、中央傾斜角θ0とは、III族窒化物チップ基板12の主平面12mの中央においてその法線と<0001>方向とのなす傾斜角と定義する。また、差分傾斜角θ1とは、各III族窒化物チップ基板12において、主平面12mの任意の位置における<0001>方向と主平面12mの中央における<0001>方向とのなす傾斜角と定義する。
The crystallinity of the GaN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) is inherited as it is to each of the cut out GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12). Accordingly, each GaN chip substrate (group III nitride chip substrate 12) having a
各GaN基板(III族窒化物チップ基板12)の主表面12mを、主表面12mの中央における法線が<0001>方向と同一になるように調整しながら、主表面12mの平均粗さが5nmになるように、研磨して平坦化した。
While adjusting the
次いで、各GaN基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tを、主平面12mに対して垂直になるように調整しながら、各側平面12s,12tの平均粗さRaが5nmになるように、研磨して平坦化した。
Next, while adjusting the side planes 12s and 12t of each GaN substrate (group III nitride chip substrate 12) to be perpendicular to the
上記のように研磨により主平面および側平面を平坦化した各GaN基板(III族窒化物チップ基板12)の中央傾斜角θ0を(0002)面に関するX線回折ピークの位置から測定して、かかる中央傾斜角θ0が0.2°以下のチップ基板を56枚選別した。すなわち、選別された各GaN基板(III族窒化物チップ基板12)について、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは、θ=|θ0+θ1|で表されることから、0.5°以下と算出された。
The central inclination angle θ 0 of each GaN substrate (Group III nitride chip substrate 12) whose main plane and side plane have been flattened by polishing as described above is measured from the position of the X-ray diffraction peak with respect to the (0002) plane, 56 chip substrates having a central inclination angle θ 0 of 0.2 ° or less were selected. That is, with respect to each selected GaN substrate (group III nitride chip substrate 12), the inclination angle θ formed by the normal at an arbitrary position of the
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、上記のように選別した56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を、各GaNチップ基板の主平面12mの法線方向が互いに平行で、各GaNチップ基板の<2−310>方向が互いに平行で、かつ、各GaNチップ基板の<−2130>方向が互いに平行になるように、各側平面12s,12を互いに隣接させて配置し、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) selected as described above are arranged on the
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、HVPE法により、10体積%の塩化ガリウムガス、20体積%のアンモニアガスおよび70体積%の水素ガスのガス雰囲気下、1135℃の雰囲気温度で約3時間GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 2, HVPE is formed on the
上記基板上に結晶成長表面が平坦な一体化GaN結晶が得られた。かかるGaN結晶の転位密度は、CL(カソードルミネッセンス)による非発光暗点密度の測定を行ったところ、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では6×106cm-2であった。
An integrated GaN crystal having a flat crystal growth surface was obtained on the substrate. The dislocation density of such a GaN crystal is 1 × 10 6 cm − in the crystal region immediately above the GaN chip substrate (group III nitride chip substrate 12) when non-light emitting dark spot density is measured by CL (cathode luminescence). 2. It was 6 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the joint portion of each
また、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、以下のようにして算出した。GaN結晶の中央と中央から互い垂直な4つの方向に20mm離れた4つの位置において、(0002)面に関するX線回折ピークの位置の測定から、得られたGaN結晶は、その中央傾斜角θc0が0.2°以下であり、その差分傾斜角θc1が0.4°以下であった。ここで、中央傾斜角θc0とは、III族窒化物結晶20の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの中央においてその法線と<0001>方向とのなす傾斜角と定義する。また、差分傾斜角θc1とは、III族窒化物結晶20において、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における<0001>方向と、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの中央における<0001>方向とのなす傾斜角と定義する。このとき、傾斜角θcはθc=|θc0+θc1|で表されることから、0.6°以下と算出された。
In addition, an inclination angle formed between a normal line at an arbitrary position of a
また、GaN結晶の結晶成長表面の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、80arcsecと小さく、高い結晶性を有していた。結果を表1にまとめた。 Further, the half-value width of the X-ray diffraction peak in the rocking curve relating to the (0002) plane at the center of the crystal growth surface of the GaN crystal was as small as 80 arcsec and had high crystallinity. The results are summarized in Table 1.
(実施例2)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
図1および2を参照して、各側平面12s,12tの平均粗さRaを2.5nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、複数のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を準備した。
(Example 2)
1. Step of preparing a plurality of group III nitride chip substrates Referring to FIGS. 1 and 2, a plurality of group III nitride chip substrates are prepared in the same manner as in Example 1 except that the average roughness Ra of each
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を配置して、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, in the same manner as in Example 1, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) are arranged, and the peripheral portion is arranged. This was removed to obtain a circular substrate having a diameter of 2 inches.
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 2, the circular substrate formed by arranging 56 GaN chip substrates (group III nitride chip substrate 12) in the same manner as in Example 1. A GaN crystal (Group III nitride crystal 20) was grown on the
上記基板上に結晶成長面が平坦で一体化したGaN結晶が得られた。かかるGaN結晶の転位密度は、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では4×106cm-2であった。また、得られたGaN結晶は、その中央傾斜角θc0が0.2°以下であり、その差分傾斜角θc1が0.3°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、0.5°以下と算出された。また、GaN結晶の結晶成長面の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、70arcsecと小さく、高い結晶性を有していた。結果を表1にまとめた。
A GaN crystal in which the crystal growth surface was flat and integrated on the substrate was obtained. The dislocation density of the GaN crystal is 1 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12), and each side plane of the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12). It was 4 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the junction portion of 12s and 12t. The obtained GaN crystal had a central inclination angle θc 0 of 0.2 ° or less and a differential inclination angle θc 1 of 0.3 ° or less. Therefore, the inclination angle between the normal line at an arbitrary position of the
(実施例3)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
図1および2を参照して、各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の主平面12mの中央における法線と<0001>方向とのなす中央傾斜角θ0が0.5°以下のチップ基板を56枚選別したこと以外は実施例1と同様にして、複数のGaNチップ基板を準備した。かかるGaNチップ基板は、実施例1のGaNチップ基板と同様に、中央傾斜角θ0に対して、5mmの辺に対して平行な方向に0.15°以下、10mmの辺に対して平行な方向に0.3°以下の差分傾斜角θ1を有する。すなわち、選別された各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)について、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは、θ=|θ0+θ1|を用いて、0.8°以下と算出された。
(Example 3)
1. Step of Preparing Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIGS. 1 and 2, the normal line at the center of
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を配置して、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, in the same manner as in Example 1, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) are arranged, and the peripheral portion is arranged. This was removed to obtain a circular substrate having a diameter of 2 inches.
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 2, the circular substrate formed by arranging 56 GaN chip substrates (group III nitride chip substrate 12) in the same manner as in Example 1. A GaN crystal (Group III nitride crystal 20) was grown on the
上記基板上に一体化したGaN結晶が得られた。かかるGaN結晶の転位密度は、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では8×106cm-2であった。また、得られたGaN結晶は、中央傾斜角θc0が0.5°以下であり、差分傾斜角θc1が0.5°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、1.0°以下と算出された。また、GaN結晶の結晶成長面の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、120arcsecと小さく、高い結晶性を有していた。結果を表1にまとめた。
A GaN crystal integrated on the substrate was obtained. The dislocation density of the GaN crystal is 1 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12), and each side plane of the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12). It was 8 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the junction portion of 12s and 12t. The obtained GaN crystal had a central tilt angle θc 0 of 0.5 ° or less and a differential tilt angle θc 1 of 0.5 ° or less. Therefore, the inclination angle between the normal line at an arbitrary position of the
(比較例1)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
図1および2を参照して、各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の中央傾斜角θ0が1.2°以下となるように、チップ基板を選別したこと以外は実施例1と同様にして、複数のGaNチップ基板を準備した。かかるGaNチップ基板は、実施例1のGaNチップ基板と同様に、中央傾斜角θ0に対して、5mmの辺に対して平行な方向に0.15°以下、10mmの辺に対して平行な方向に0.3°以下の差分傾斜角θ1を有する。すなわち、選別された各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)について、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは、θ=|θ0+θ1|を用いて、1.5°以下と算出された。
(Comparative Example 1)
1. Step of preparing a plurality of group III nitride chip substrates Referring to FIGS. 1 and 2, the central tilt angle θ 0 of each GaN chip substrate (group III nitride chip substrate 12) is 1.2 ° or less. A plurality of GaN chip substrates were prepared in the same manner as in Example 1 except that the chip substrates were selected. Similar to the GaN chip substrate of Example 1, such a GaN chip substrate is 0.15 ° or less in a direction parallel to the side of 5 mm with respect to the central inclination angle θ 0 and parallel to the side of 10 mm. The direction has a differential inclination angle θ 1 of 0.3 ° or less. That is, for each selected GaN chip substrate (group III nitride chip substrate 12), the inclination angle θ between the normal line at an arbitrary position of the
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を配置して、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, in the same manner as in Example 1, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) are arranged, and the peripheral portion is arranged. This was removed to obtain a circular substrate having a diameter of 2 inches.
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 2, the circular substrate formed by arranging 56 GaN chip substrates (group III nitride chip substrate 12) in the same manner as in Example 1. A GaN crystal (Group III nitride crystal 20) was grown on the
上記基板上に結晶成長表面が平坦な一体化したGaN結晶が得られた。かかるGaN結晶の転位密度は、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では1×107cm-2であった。また、得られたGaN結晶は、中央傾斜角θc0が1.2°以下であり、差分傾斜角θc1が0.3°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、1.5°以下と算出された。また、GaN結晶の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、220arcsecと大きく、結晶性が低くなった。このような低い結晶性のGaN結晶は、これを基板として用いた半導体デバイスの特性を低下させる。結果を表1にまとめた。
An integrated GaN crystal having a flat crystal growth surface on the substrate was obtained. The dislocation density of the GaN crystal is 1 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12), and each side plane of the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12). It was 1 × 10 7 cm −2 in the crystal region immediately above the 12s and 12t junctions. The obtained GaN crystal had a central tilt angle θc 0 of 1.2 ° or less and a differential tilt angle θc 1 of 0.3 ° or less. Therefore, the inclination angle between the normal line at an arbitrary position of the
(比較例2)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
図1および3を参照して、各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の5mm×800μmの側平面12sが(10−10)面、10mm×800μmの側平面12tが(11−20)面となるように、GaNチップ基板を切り出したこと以外は実施例1と同様にして、複数のGaNチップ基板を準備した。かかるGaNチップ基板は、実施例1のGaNチップ基板と同様に、中央傾斜角θ0は0.2°以下であり、また、中央傾斜角θ0に対して、5mmの辺に対して平行な方向に0.15°以下、10mmの辺に対して平行な方向に0.3°以下の差分傾斜角θ1を有する。すなわち、選別された各GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)について、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは、θ=|θ0+θ1|を用いて、0.5°以下と算出された。
(Comparative Example 2)
1. Step of Preparing Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIGS. 1 and 3, each GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12) has a 5 mm × 800
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図3を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を配置して、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 3, in the same manner as in Example 1, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) are arranged, and the peripheral portion is arranged. This was removed to obtain a circular substrate having a diameter of 2 inches.
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図3を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 3, the circular substrate formed by arranging 56 GaN chip substrates (group III nitride chip substrate 12) in the same manner as in Example 1. A GaN crystal (Group III nitride crystal 20) was grown on the
上記基板上に一体化したGaN結晶が得られた。しかし、GaN結晶の結晶成長表面20g上には、10mmのピッチで<11−20>方向と平行な方向に伸びるファセット20fが形成されていた。このため、GaN結晶の歩留まりが低下した。結晶成長表面20gを研磨して円形基板の主平面12mに平行な平坦面を形成した後、CL(カソードルミネッセンス)による非発光暗点密度の測定によりGaN結晶の転位密度を測定した。GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2と低かったが、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では2×107cm-2と高くなった。
A GaN crystal integrated on the substrate was obtained. However,
ここで、GaN結晶(III族窒化物結晶20)について、GaNチップ基板の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域のCL発光強度は、GaNチップ基板の直上の結晶領域のCL発光強度に比べて、365nm付近において、2倍以上であった。このことから、GaNチップ基板の接合部分の直上の結晶領域は、GaNチップ基板の直上の結晶領域に比べて不純物の取り込みが大きかったものと考えられる。
Here, regarding the GaN crystal (group III nitride crystal 20), the CL emission intensity of the crystal region immediately above the joint portion of each
また、得られたGaN結晶は、中央傾斜角θc0が0.2°以下であり、差分傾斜角θc1が0.3°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20gに平行な面の任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、0.5°以下と算出された。
Further, the obtained GaN crystal had a central tilt angle θc 0 of 0.2 ° or less and a differential tilt angle θc 1 of 0.3 ° or less. Therefore, the inclination angle θc formed by the normal line at any position of the plane parallel to the
また、GaN結晶の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、80arcsecと小さく、結晶性が高かった。結果を表1にまとめた。 Further, the half width of the X-ray diffraction peak in the rocking curve with respect to the (0002) plane at the center of the GaN crystal was as small as 80 arcsec, and the crystallinity was high. The results are summarized in Table 1.
(実施例4)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
図1および2を参照して、実施例1と同様にして複数のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を準備した。かかるGaNチップ基板は、実施例1のGaNチップ基板と同様に、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは0.5°以下(ここで、θ=|θ0+θ1|であり、中央傾斜角θ0は0.2°以下、差分傾斜角θ1は0.3°以下)であった。
Example 4
1. Step of Preparing Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIGS. 1 and 2, a plurality of GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) were prepared in the same manner as in Example 1. In the GaN chip substrate, as in the GaN chip substrate of the first embodiment, the inclination angle θ between the normal line at an arbitrary position of the
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、実施例1と同様にして、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を配置して、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, in the same manner as in Example 1, 56 GaN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) are arranged, and the peripheral portion is arranged. This was removed to obtain a circular substrate having a diameter of 2 inches.
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、56枚のGaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、III族元素の融液に窒素を溶解させた溶液を用いる溶液法により、GaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal Referring to FIG. 2, on the
具体的には、内径80mmのカーボン製の坩堝内に、上記円形基板をその主平面12mを上に向けて配置して、その上に金属Gaを100g配置した。かかる円形基板と金属Gaを配置した坩堝を、窒素ガス雰囲気下、1150℃の雰囲気温度および2000気圧(202.7MPa)の雰囲気圧力で30時間保持することにより、金属Gaが融解したGa融液に窒素が溶解した溶液を円形基板の主平面12mに接触させて、主平面12m上にGaN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。
Specifically, the circular substrate was placed in a carbon crucible having an inner diameter of 80 mm with its
上記円形基板上に一体化した結晶成長表面が平坦な厚さ20μmのGaN結晶が得られた。かかるGaN結晶の転位密度は、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、GaNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では3×106cm-2であった。また、得られたGaN結晶は、中央傾斜角θc0が0.2°以下であり、差分傾斜角θc1が0.3°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20gの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、0.5°以下と算出された。また、GaN結晶の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は、80arcsecと小さく、高い結晶性を有していた。結果を表1にまとめた。
A GaN crystal having a thickness of 20 μm and a flat crystal growth surface integrated on the circular substrate was obtained. The dislocation density of the GaN crystal is 1 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12), and each side plane of the GaN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12). It was 3 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the junction portion of 12s and 12t. Further, the obtained GaN crystal had a central tilt angle θc 0 of 0.2 ° or less and a differential tilt angle θc 1 of 0.3 ° or less. Accordingly, θc = | θc 0 + θc 1 | is used as the inclination angle θc between the normal line at an arbitrary position of the
(実施例5)
1.III族窒化物チップ基板を複数準備する工程
(1)III族窒化物母結晶の作製
図4を参照して、III族窒化物母結晶10であるAlN母結晶を以下のようにして作製した。まず、異種下地基板(図示せず)として(0001)面の主平面を有する直径2インチ(50.8mm)で厚さ0.5mmのSiC基板の主平面上に、昇華法により、AlN母結晶(III族窒化物母結晶10)を成長させた。
(Example 5)
1. Step of Preparing Multiple Group III Nitride Chip Substrates (1) Production of Group III Nitride Mother Crystal With reference to FIG. 4, an AlN mother crystal that is a group III
昇華法によるAlN母結晶の成長においては、結晶が0.5mmの厚さに成長するまでは、雰囲気温度を1700℃として、0.1体積%の二酸化炭素(CO2)ガスを供給して、結晶に炭素(C)原子をドーピングした。その後、雰囲気温度を1800℃として、二酸化炭素ガスの供給を止めて、さらに厚さ5mmのAlN母結晶を成長させた。成長したAlN母結晶の結晶成長表面((0001)面に相当する)には、複数のファセットにより形成される六角錐状の凹部が複数形成されていた。 In the growth of the AlN mother crystal by the sublimation method, until the crystal grows to a thickness of 0.5 mm, the atmospheric temperature is set to 1700 ° C., and 0.1% by volume of carbon dioxide (CO 2 ) gas is supplied. The crystal was doped with carbon (C) atoms. Thereafter, the atmospheric temperature was set to 1800 ° C., supply of carbon dioxide gas was stopped, and an AlN mother crystal having a thickness of 5 mm was further grown. On the crystal growth surface (corresponding to the (0001) plane) of the grown AlN mother crystal, a plurality of hexagonal pyramidal recesses formed by a plurality of facets were formed.
次に、機械的研磨によりAlN母結晶(III族窒化物母結晶10)からSiC基板を除去して、直径2インチ(50.8mm)で厚さ3mmのAlN母結晶を得た。このとき、AlN母結晶のうちAlN炭素原子がドーピングされた厚さ0.5mmmの結晶領域を、SiC基板とともに除去した。 Next, the SiC substrate was removed from the AlN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) by mechanical polishing to obtain an AlN mother crystal having a diameter of 2 inches (50.8 mm) and a thickness of 3 mm. At this time, the crystal region of 0.5 mm thickness doped with AlN carbon atoms in the AlN mother crystal was removed together with the SiC substrate.
次に、AlN母結晶の結晶成長表面(ほぼ(0001)面)およびその反対側表面(ほぼ(000−1)面)を、平均粗さRaが50nmになるように研磨して平坦化した。ここで、平均粗さRaは、AFMにより測定した。こうして、ほぼ(0001)面である主面とほぼ(000−1)面である主面とを有する厚さ3mmのAlN母結晶(III族窒化物母結晶10)を得た。 Next, the crystal growth surface (approximately (0001) plane) and the opposite surface (approximately (000-1) plane) of the AlN mother crystal were polished and planarized so that the average roughness Ra was 50 nm. Here, the average roughness Ra was measured by AFM. In this way, an AlN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10) having a thickness of 3 mm having a principal surface that is substantially (0001) and a principal surface that is substantially (000-1) is obtained.
(2)III族窒化物チップ基板の作製
AlN母結晶(III族窒化物母結晶10)から、AlNチップ基板の全ての側平面12s,12tが{10−10}面を含まないように、複数のAlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を切り出した。切り出された各AlNチップ基板は、5mm×10mm×厚さ800μmであった。各AlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)において、5mm×10mmの主表面12mがほぼ(0001)面、5mm×800μmの側平面12sがほぼ(2−310)面、10mm×800μmの側平面12tがほぼ(−2−130)面であった。
(2) Production of Group III Nitride Chip Substrate From AlN mother crystal (Group III nitride mother crystal 10), a plurality of
ここで、切り出したAlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)は、(0002)面に関するX線回折ピークの位置を測定したところ、中央傾斜角θ0に対して、5mmの辺に対して平行な方向に0.1°以下、10mmの辺に対して平行な方向に0.2°以下の差分傾斜角θ1を有していた。 Here, cut-out AlN chip substrate (III-nitride chip substrate 12), (0002) was measured the position of the X-ray diffraction peaks for surface, the central angle of inclination theta 0 for 5mm sides The differential tilt angle θ 1 was 0.1 ° or less in the parallel direction and 0.2 ° or less in the direction parallel to the side of 10 mm.
次に、各AlN基板(III族窒化物チップ基板12)の主表面12mを、主表面12mの中央における法線が<0001>方向と同一になるように調整しながら、主表面12mの平均粗さが5nmになるように、研磨して平坦化した。次いで、各AlN基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tを、主平面12mに対して垂直になるように調整しながら、各側平面12s,12tの平均粗さRaが5nmになるように、研磨して平坦化した。
Next, the average roughness of the
上記のように研磨により主平面および側平面を平坦化した各AlN基板(III族窒化物チップ基板12)の中央傾斜角θ0を(0002)面に関するX線回折ピークの位置から測定して、かかる中央傾斜角θ0が0.5°以下のチップ基板を56枚選別した。すなわち、選別された各AlN基板(III族窒化物チップ基板12)は、主平面12mの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θは、θ=|θ0+θ1|で表されることから、0.7°以下と算出された。
The central inclination angle θ 0 of each AlN substrate (Group III nitride chip substrate 12) whose main plane and side plane have been flattened by polishing as described above is measured from the position of the X-ray diffraction peak with respect to the (0002) plane, 56 chip substrates having a central inclination angle θ 0 of 0.5 ° or less were selected. That is, each selected AlN substrate (group III nitride chip substrate 12) has an inclination angle θ between a normal line at an arbitrary position of the
2.複数のIII族窒化物チップ基板を配置する工程
図2を参照して、上記のように選別した56枚のAlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)を、各AlNチップ基板の主平面12mの法線方向が互いに平行で、各GaNチップ基板の<2−310>方向が互いに平行で、かつ、各AlNチップ基板の<−2130>方向が互いに平行になるように、各側平面12s,12tを互いに隣接させて配置し、周辺部を除去して、直径2インチの円形基板とした。
2. Step of Arranging Multiple Group III Nitride Chip Substrates Referring to FIG. 2, 56 AlN chip substrates (Group III nitride chip substrate 12) selected as described above are arranged on a
3.III族窒化物結晶を成長させる工程
図2を参照して、56枚のAlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)が配置されて形成された上記の円形基板の主平面12m上に、昇華法により、45KPaの雰囲気圧力および2100℃の雰囲気温度で30時間AlN結晶(III族窒化物結晶20)を成長させた。こうして、上記円形基板上に、厚さが約3mmで直径が2インチ(50.8mm)の一体化した結晶成長表面20gが平坦なAlN結晶が得られた。
3. Step of Growing Group III Nitride Crystal With reference to FIG. 2, sublimation is performed on the
かかるAlN結晶の転位密度は、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて測定したところ、AlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の直上の結晶領域では1×106cm-2、AlNチップ基板(III族窒化物チップ基板12)の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域では6×106cm-2であった。 The dislocation density of the AlN crystal was measured using a TEM (transmission electron microscope), and found to be 1 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the AlN chip substrate (Group III nitride chip substrate 12). It was 6 × 10 6 cm −2 in the crystal region immediately above the junction between the side planes 12 s and 12 t of the substrate (Group III nitride chip substrate 12).
また、得られたAlN結晶は、中央傾斜角θc0が0.5°以下であり、差分傾斜角θc1が0.5°以下であった。したがって、GaN結晶(III族窒化物結晶20)の結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcは、θc=|θc0+θc1|を用いて、1.0°以下と算出された。
The obtained AlN crystal had a central inclination angle θc 0 of 0.5 ° or less and a differential inclination angle θc 1 of 0.5 ° or less. Therefore, the inclination angle between the normal line at an arbitrary position of the
また、AlN結晶の中央における(0002)面に関するロッキングカーブにおけるX線回折ピークの半値幅は80arcsecと小さく、このAlN結晶は高い結晶性を有していた。結果を表1にまとめた。 The half width of the X-ray diffraction peak in the rocking curve with respect to the (0002) plane at the center of the AlN crystal was as small as 80 arcsec, and this AlN crystal had high crystallinity. The results are summarized in Table 1.
表1を参照して、実施例1〜5に示すように、主平面12mの任意の位置における法線がその位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各側平面12s,12tが{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、III族窒化物チップ基板12を複数準備して、複数のIII族窒化物チップ基板12を、各III族窒化物チップ基板12の側平面12s,12tの法線方向が互いに平行でかつ各III族窒化物チップ基板12の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各側平面12s,12tを互いに隣接させて配置して、配置された複数のIII族窒化物チップ基板12の主平面12m上にIII族窒化物結晶20を成長させることにより、大型で結晶性が高く結晶成長表面が平坦なIII族窒化物結晶20が得られた(図2を参照)。
Referring to Table 1, as shown in Examples 1 to 5, the normal line at an arbitrary position of
また、実施例1および2を参照して、III族窒化物チップ基板12の各側平面12s,12tの平均粗さRaを5nm以下から2.5nm以下に低減することにより、III族窒化物チップ基板12の各側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域の転位密度を低減し、結晶成長表面20g近傍を主平面12mに平行に切断する仮想平面20hの任意の位置における法線とその位置における<0001>方向とのなす傾斜角θcを低減し、X線回折ピークの半値幅を低減して、より結晶性の高いIII族窒化物結晶20が得られた(図2を参照)。
Further, referring to Examples 1 and 2, the group III nitride chip is reduced by reducing the average roughness Ra of the side planes 12s and 12t of the group III
一方、比較例2を参照して、III族窒化物チップ基板のいずれかの側平面が{10−10}面であると、一体化したIII族窒化物結晶20は得られるものの、結晶成長表面20gにファセット20fによる凹部が形成されるため、III族窒化物結晶20の歩留まりが低下した(図3を参照)。また、III族窒化物結晶20においてIII族窒化物チップ基板12の側平面12s,12tの接合部分の直上の結晶領域の転位密度が高くなった。
On the other hand, referring to Comparative Example 2, if any side plane of the group III nitride chip substrate is a {10-10} plane, an integrated group
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 III族窒化物母結晶、10c,11c,12c,20c {0001}面、10g,20g 結晶成長表面、11 III族窒化物基板、11m,12m 主平面、12 III族窒化物チップ基板、12s,12t 側平面、20 III族窒化物結晶、20f ファセット、20fc ファセット成長結晶領域、20h 仮想平面。 10 Group III nitride mother crystal, 10c, 11c, 12c, 20c {0001} plane, 10g, 20g crystal growth surface, 11 Group III nitride substrate, 11m, 12m main plane, 12 Group III nitride chip substrate, 12s, 12t side plane, 20 group III nitride crystal, 20f facet, 20fc facet growth crystal region, 20h virtual plane.
Claims (3)
前記主平面の任意の位置における法線が前記位置における<0001>方向に対して1.0°以下の傾斜角θを有し、各前記側平面が{10−10}面以外の{hk−(h+k)0}面(ここで、hおよびkは整数)である、前記III族窒化物チップ基板を複数準備する工程と、
複数の前記III族窒化物チップ基板を、各前記III族窒化物チップ基板の前記主平面の法線方向が互いに平行でかつ各前記III族窒化物チップ基板の<10−10>方向以外の<hk−(h+k)0>方向(ここで、hおよびkは整数)が互いに平行になるように、各前記側平面を互いに隣接させて配置する工程と、
配置された複数の前記III族窒化物チップ基板の前記主平面上に、III族窒化物結晶を成長させる工程と、を備えるIII族窒化物結晶の成長方法。 A group III nitride chip substrate having a main plane and a plurality of side planes,
A normal line at an arbitrary position of the main plane has an inclination angle θ of 1.0 ° or less with respect to the <0001> direction at the position, and each side plane has a {hk− other than {10−10} plane. Preparing a plurality of group III nitride chip substrates having a (h + k) 0 plane (where h and k are integers);
A plurality of the group III nitride chip substrates are arranged such that the normal directions of the main planes of the group III nitride chip substrates are parallel to each other and other than the <10-10> direction of the group III nitride chip substrates < arranging the side planes adjacent to each other so that hk- (h + k) 0> directions (where h and k are integers) are parallel to each other;
Growing a group III nitride crystal on the main plane of the plurality of group III nitride chip substrates arranged. A method for growing a group III nitride crystal.
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