JP6085764B2 - Gallium oxide single crystal and gallium oxide single crystal substrate - Google Patents
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Description
本発明は、酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板に関する。 The present invention relates to a gallium oxide single crystal and a gallium oxide single crystal substrate.
酸化ガリウム(Ga2O3)単結晶からなるGa2O3基板は、例えば、GaN系の薄膜デバイスを成膜し発光素子などを作ることに用いられている。このようなGa2O3単結晶は、種々の方法により製造することが提案されているが、大型の単結晶基板を製造するための結晶育成法として、EFG(Edge Defined Film Fed Growth)法が注目されている。 A Ga 2 O 3 substrate made of a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) single crystal is used, for example, for forming a GaN-based thin film device to form a light emitting element or the like. It has been proposed that such a Ga 2 O 3 single crystal is manufactured by various methods. As a crystal growth method for manufacturing a large single crystal substrate, an EFG (Edge Defined Film Fed Growth) method is used. Attention has been paid.
例えば、特許文献1には、Ga2O3融液を受容するルツボに立設されたスリットを有するダイを備え、ダイの断面内に設けられたスリット上昇したGa2O3融液に種結晶を接触させた後に種結晶を引き上げることにより、所定のサイズ、形状のGa2O3単結晶を得ることが記載されている。 For example, Patent Document 1, Ga 2 O 3 with a die having a slit erected in a crucible for receiving the melt, the seed crystal to the Ga 2 O 3 melt slits elevated provided in the cross-section of the die It is described that a Ga 2 O 3 single crystal having a predetermined size and shape can be obtained by pulling up the seed crystal after bringing it into contact.
ところで、GaN系の薄膜デバイスの成長基板に用いられるGa2O3単結晶のような結晶では、原子が理想的な周期的配列をしていることが好ましいが、実際の結晶育成においては、種結晶と融液を接触させた際の熱衝撃や、不適切な結晶成長速度で育成されることによって、主に結晶の成長方向に沿って、直線上に並んだ原子の位置がまとまってずれてしまうことがあり、このような線状の結晶欠陥は転位と呼ばれている。 By the way, in a crystal such as a Ga 2 O 3 single crystal used for a growth substrate of a GaN-based thin film device, it is preferable that atoms have an ideal periodic arrangement, but in actual crystal growth, Due to thermal shock when the crystal is brought into contact with the melt and growth at an inappropriate crystal growth rate, the positions of the atoms arranged in a straight line are largely displaced along the crystal growth direction. Such a linear crystal defect is called a dislocation.
一般に、高い発光効率を得るためには転位の無いGa2O3単結晶基板を用いることが好ましいが、無転位の単結晶基板を得ることは難しく、現在のEFG法による結晶育成技術で製造されるGa2O3単結晶は、有限の転位を含んでいる。 In general, in order to obtain high luminous efficiency, it is preferable to use a dislocation-free Ga 2 O 3 single crystal substrate, but it is difficult to obtain a dislocation-free single crystal substrate, which is manufactured by the current crystal growth technique by the EFG method. The Ga 2 O 3 single crystal contains finite dislocations.
転位が表面に存在するGa2O3基板上にデバイス、例えば、GaN系LEDを作製する場合、Ga2O3基板上の転位が、成長したGaN膜にも伝播し、発光層中の転位密度が大きくなり発光効率が低下してしまうという問題があるため、Ga2O3単結晶基板の転位密度は可能な限り低くする必要がある。 Device in Ga 2 O 3 substrate dislocations present on the surface, for example, the case of manufacturing a GaN-based LED, Ga 2 O 3 dislocations on the substrate, also spread to the grown GaN film, the dislocation density in the light emitting layer Therefore, the dislocation density of the Ga 2 O 3 single crystal substrate needs to be as low as possible.
転位の少ない結晶を得るために、高温で細いネックを作製することや、結晶の育成速度を抑えることが一般に行われているが、酸化ガリウム単結晶育成において、これらの実施は注意を要する。酸化ガリウムは融点以上における蒸気圧が高く、結晶育成中の原料蒸発は大きな課題である。転位低減のためにより高温で結晶育成を行った場合、蒸発量は更に増えてより大量の原料が失われてしまう。また、育成速度を遅くすることも同様で、結晶育成が長時間になるとより多くの原料が失われるため好ましくない。 In order to obtain a crystal with few dislocations, a thin neck is produced at a high temperature and the growth rate of the crystal is generally suppressed. However, the gallium oxide single crystal growth requires caution. Gallium oxide has a high vapor pressure above its melting point, and evaporation of the raw material during crystal growth is a major issue. When crystal growth is performed at a higher temperature to reduce dislocations, the amount of evaporation further increases and a larger amount of raw material is lost. Similarly, slowing the growth rate is not preferable because the longer the crystal growth, the more raw material is lost.
結局のところ、現在の酸化ガリウム単結晶の育成においては、転位の抑制と原料ロスの低減がトレードオフの関係にある中で、転位密度が1×106個/cm2未満の1インチ以上の大型単結晶を製造することは難しく、このような単結晶を加工して得られる基板の表面には、1×106個/cm2以上の転位が存在する。 After all, in the current growth of gallium oxide single crystals, the dislocation density is less than 1 × 10 6 pieces / cm 2 and less than 1 inch, while there is a trade-off between suppression of dislocation and reduction of raw material loss. It is difficult to produce a large single crystal, and dislocations of 1 × 10 6 pieces / cm 2 or more exist on the surface of a substrate obtained by processing such a single crystal.
一方で基板上にGaN膜を形成するプロセスにおいては、Lateral Epitaxy on the Patterned Substrate(LEPS)法と呼ばれる、GaN膜の転位密度を低減する技術がある。この方法は、基板表面に幅2〜10μmの凹凸を形成し、凸部から横方向にGaN膜を成長させることで、基板‐GaN界面で生じた転位が上方に伸びていく途中で横方向に屈曲するため、膜の表面近傍での転位密度を、基板に凹凸を形成しない場合と比較して1/3程度に低減させることが出来、紫外LEDを高効率化することが可能である。 On the other hand, in the process of forming a GaN film on a substrate, there is a technique called a lateral epitaxy on the patterned substrate (LEPS) method for reducing the dislocation density of the GaN film. In this method, unevenness having a width of 2 to 10 μm is formed on the substrate surface, and a GaN film is grown in the lateral direction from the convex portion, so that the dislocation generated at the substrate-GaN interface extends in the lateral direction while extending upward. Since it bends, the dislocation density in the vicinity of the surface of the film can be reduced to about 1/3 compared with the case where unevenness is not formed on the substrate, and the efficiency of the ultraviolet LED can be increased.
この方法を用いることで、転位密度の大きいGa2O3基板からであっても、GaN膜の表面の転位密度を減少させて、紫外LEDを高効率化することが可能になるが、しかし一般にLEPS法のための表面に凹凸を備えた基板を作製するには、フォトリソグラフィ技術を用いて基板表面にマスクを形成し、ウェットエッチング等によってマスクの開口部を凹状に加工するため、複雑な工程を要し製造コストが高くなる課題があった。 By using this method, even from a Ga 2 O 3 substrate having a high dislocation density, it becomes possible to reduce the dislocation density on the surface of the GaN film and increase the efficiency of the ultraviolet LED. In order to fabricate a substrate with irregularities on the surface for the LEPS method, a mask is formed on the substrate surface using photolithography technology, and the opening of the mask is processed into a concave shape by wet etching or the like. And the manufacturing cost is high.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、通常は存在することが好ましくない単結晶中の転位を逆に積極的に利用することで、高品質の半導体デバイス膜を作製することができるLEPS法を行うのに好適な凹凸が表面に形成されたGa2O3基板を低コストで提供すること、および、そのために必要な転位を含んだ酸化ガリウム単結晶を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to produce a high-quality semiconductor device film by actively utilizing dislocations in a single crystal, which is usually not preferable to exist. An object of the present invention is to provide a Ga 2 O 3 substrate having unevenness formed on the surface thereof suitable for performing a possible LEPS method at a low cost, and to provide a gallium oxide single crystal containing dislocations necessary for that purpose. To do.
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかる酸化ガリウム単結晶は、EFG法によって製造され、転位密度が1×106〜3×107個/cm2であり、転位が引き上げ方向であるb軸方向に沿って存在する、ことを特徴とする。
To achieve the above object, a first aspect in accordance gallium oxide single crystal of the present invention are produced by the EFG process, dislocation density Ri 1 × 10 6 ~3 × 10 7 cells / cm 2 der dislocations It exists along the b-axis direction which is a pulling direction .
例えば、ネック径が0.4〜1.3mmであることが好ましい。
For example, the neck diameter is preferably 0.4 to 1.3 mm.
本発明の第2の観点にかかる酸化ガリウム単結晶基板は、
第1の観点にかかる酸化ガリウム単結晶からなり、CMP加工が施されていることを特徴とする。
The gallium oxide single crystal substrate according to the second aspect of the present invention is:
It consists of a gallium oxide single crystal according to the first aspect, and is subjected to CMP processing.
基板主面の表面上に、面内方向に沿って転位が存在することを特徴とする。
その表面にエッチングが施され、転位の存在する箇所と存在しない箇所とのエッチングレート差によって、フォトレジストのようなマスクを用いること無く、転位が存在する箇所に溝状のエッチピットを生じることで、基板表面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
また、少なくとも1インチサイズであることが好ましい。
Dislocations exist along the in-plane direction on the surface of the main surface of the substrate.
Etching is performed on the surface, and a groove-like etch pit is generated at the location where the dislocation exists without using a mask like a photoresist due to the difference in etching rate between the location where the dislocation exists and the location where the dislocation does not exist. The substrate surface is provided with irregularities.
Moreover, it is preferable that it is at least 1 inch size.
本発明によれば、LEPS法を行うのに好適な凹凸が表面に形成された基板を低コストで作製することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate with which the unevenness | corrugation suitable for performing a LEPS method was formed in the surface can be produced at low cost.
以下、本発明の酸化ガリウム(Ga2O3)単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板について図面を参照して説明する。本実施の形態では、酸化ガリウム単結晶をEFG(Edge Defined Film Fed Growth)法で(101)面の結晶をb軸方向に引き上げることにより製造する場合を例に本発明を説明する。 Hereinafter, a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) single crystal and a gallium oxide single crystal substrate of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention will be described by taking as an example a case where a gallium oxide single crystal is manufactured by pulling up a (101) plane crystal in the b-axis direction by an EFG (Edge Defined Film Fed Growth) method.
EFG法とは、スリットを有するダイが収容されたルツボに酸化ガリウム原料を投入して加熱し、スリットを介してその上部に溢出した酸化ガリウム原料の融液と種結晶とを接触させて酸化ガリウム単結晶を製造(育成)する方法である。図1(a)は、EFG法による酸化ガリウム単結晶の製造方法の一例の育成炉を説明する模式断面図であり、同図(b)は 図1(a)の種結晶と酸化ガリウム単結晶、及びダイトップ上の酸化ガリウム融液部分を示す、部分拡大図である。まず、酸化ガリウム単結晶の製造装置を用いた酸化ガリウム単結晶の製造方法について簡単に説明する。 In the EFG method, a gallium oxide raw material is put into a crucible containing a die having a slit and heated, and the melt of the gallium oxide raw material overflowing through the slit is brought into contact with the seed crystal to gallium oxide. This is a method for producing (growing) a single crystal. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a growth furnace as an example of a method for producing a gallium oxide single crystal by the EFG method, and FIG. 1B is a diagram illustrating a seed crystal and a gallium oxide single crystal in FIG. FIG. 2 is a partially enlarged view showing a gallium oxide melt portion on the die top. First, a gallium oxide single crystal manufacturing method using a gallium oxide single crystal manufacturing apparatus will be briefly described.
図1(a)に示すように、酸化ガリウム単結晶の製造装置1の内部には、酸化ガリウム単結晶の原料としての酸化ガリウム融液2を受容するルツボ3が配置されている。ルツボ3は、有底円筒状に形成され、支持台4上に載置されており、その底面の温度を熱電対7によって測定されている。ルツボ3は、酸化ガリウム融液2を受容できるように、耐熱性を有する金属材料、例えば、イリジウム(Ir)により形成され、図示しない原料投入部によりルツボ3内に必量な量の原料が投入される。 As shown in FIG. 1 (a), a crucible 3 for receiving a gallium oxide melt 2 as a raw material for a gallium oxide single crystal is disposed inside a gallium oxide single crystal manufacturing apparatus 1. The crucible 3 is formed in a bottomed cylindrical shape, is placed on a support base 4, and the temperature of the bottom surface thereof is measured by a thermocouple 7. The crucible 3 is formed of a heat-resistant metal material, for example, iridium (Ir), so that the gallium oxide melt 2 can be received, and a necessary amount of raw material is charged into the crucible 3 by a raw material charging portion (not shown). Is done.
ルツボ3内には、ダイ5が配置されている。ダイ5は、例えば、略直方体状に形成され、その下端から上端(開口5B)に延びる1つまたは複数のスリット5Aが設けられている。例えば、図1(a)では、ダイ5は、その厚さ方向の中央に1つのスリット5Aが設けられている。このダイ5は、製造する酸化ガリウム単結晶の形状、枚数等に応じて所望のものが用いられる。 A die 5 is disposed in the crucible 3. The die 5 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, for example, and is provided with one or a plurality of slits 5A extending from the lower end to the upper end (opening 5B). For example, in FIG. 1A, the die 5 is provided with one slit 5A at the center in the thickness direction. A desired die 5 is used according to the shape, the number, etc. of the gallium oxide single crystal to be produced.
1つのスリット5Aは、ダイ5のほぼ全幅にわたって、ダイ5の厚さ方向に所定の間隔のスリット幅を有するように設けられている。このスリット5Aは、酸化ガリウム融液2を毛細管現象によってダイ5の下端からスリット5Aの開口5Bに上昇させる役割を有する。 One slit 5 </ b> A is provided so as to have a slit width of a predetermined interval in the thickness direction of the die 5 over almost the entire width of the die 5. The slit 5A serves to raise the gallium oxide melt 2 from the lower end of the die 5 to the opening 5B of the slit 5A by capillary action.
ルツボ3の上面には、蓋6が配置されている。蓋6は、ダイ5を除くルツボ3の上面が閉塞される形状に形成されている。このため、ルツボ3の上面に蓋6が配置された状態で、スリット5Aの開口5Bを除くルツボ3の上面が閉塞される。このように、蓋6は、ルツボ3から高温の酸化ガリウム融液2が蒸発することを防止し、さらにスリット5Aの上面以外に酸化ガリウム融液2の蒸気が付着することを抑制する。 A lid 6 is disposed on the upper surface of the crucible 3. The lid 6 is formed in a shape in which the upper surface of the crucible 3 excluding the die 5 is closed. For this reason, the upper surface of the crucible 3 except the opening 5B of the slit 5A is closed in a state where the lid 6 is disposed on the upper surface of the crucible 3. As described above, the lid 6 prevents the high-temperature gallium oxide melt 2 from evaporating from the crucible 3, and further suppresses the vapor of the gallium oxide melt 2 from adhering to other than the upper surface of the slit 5A.
また、ルツボ3を包囲するように設けられた断熱材8の周囲には、例えば、高周波コイルからなるヒータ部9が配置されている。このヒータ部9によりルツボ3が所定の温度に加熱され、ルツボ3内の原料が融解して酸化ガリウム融液2になる。原料の融解温度は、例えば、ダイ5の開口5B上に置いた酸化ガリウム粒子の溶ける温度として確認される(チップメルト)。断熱材8は、ルツボ3と所定の間隔を有するように配置されており、ヒータ部9により加熱されるルツボ3の急激な温度変化を抑制する保温性を有する。 In addition, around the heat insulating material 8 provided so as to surround the crucible 3, for example, a heater unit 9 made of a high-frequency coil is disposed. The crucible 3 is heated to a predetermined temperature by the heater 9, and the raw material in the crucible 3 is melted to become the gallium oxide melt 2. The melting temperature of the raw material is confirmed, for example, as a temperature at which gallium oxide particles placed on the opening 5B of the die 5 melt (chip melt). The heat insulating material 8 is disposed so as to have a predetermined distance from the crucible 3, and has heat retention properties that suppress a rapid temperature change of the crucible 3 heated by the heater unit 9.
また、スリット5Aの上部には、種結晶10を保持する種結晶保持具11が配置されている。種結晶保持具11は、種結晶保持具11(種結晶10)を昇降可能に支持するシャフト12に接続されている。 A seed crystal holder 11 that holds the seed crystal 10 is disposed above the slit 5A. The seed crystal holder 11 is connected to a shaft 12 that supports the seed crystal holder 11 (seed crystal 10) so as to be movable up and down.
そして、シャフト12により種結晶保持具11を降下して、毛細管現象で上昇し、開口5Bから露出したダイトップ上の融液2Aと種結晶10とを接触させて(シードタッチ)、さらに、シャフト12により種結晶保持具11を上昇させて、細いネック部13aを形成(ネッキング工程)する(図1(b)参照)。その後、単結晶13をダイ5の幅方向に拡張するように結晶成長させてスプレッド部13bを育成(スプレディング工程)し、ダイ5の幅まで拡幅した(フルスプレッド)後は、ダイ5と同じ幅の直胴部13cが育成される(直胴工程)。 Then, the seed crystal holder 11 is lowered by the shaft 12, is lifted by capillary action, the melt 2A on the die top exposed from the opening 5B is brought into contact with the seed crystal 10 (seed touch), and further the shaft 12 raises the seed crystal holder 11 to form a thin neck portion 13a (necking step) (see FIG. 1B). Thereafter, the single crystal 13 is grown so as to extend in the width direction of the die 5 to grow the spread portion 13b (spreading process) and widen to the width of the die 5 (full spread). A straight body portion 13c having a width is grown (straight body step).
このような酸化ガリウム単結晶の製造装置により製造(育成)された酸化ガリウム単結晶13の概略図を図2に示す。図2に示すように、酸化ガリウム単結晶13は、略シート状に形成されている。酸化ガリウム単結晶13は、育成工程に対応した結晶形状に形成されており、ネッキング工程で形成されるネック部13aと、スプレディング工程で形成されるスプレッド部13bと、直胴工程で形成される直胴部13cとを備えている。なお、酸化ガリウム単結晶基板21として利用するのは、通常、直胴部13cの結晶である。 A schematic view of the gallium oxide single crystal 13 manufactured (grown) by such a gallium oxide single crystal manufacturing apparatus is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the gallium oxide single crystal 13 is formed in a substantially sheet shape. The gallium oxide single crystal 13 is formed in a crystal shape corresponding to the growth process, and is formed in a neck part 13a formed in the necking process, a spread part 13b formed in the spreading process, and a straight body process. And a straight body portion 13c. Note that the crystal of the straight body portion 13c is usually used as the gallium oxide single crystal substrate 21.
本発明の酸化ガリウム単結晶13には、図3の引き出し番号14で示すように、転位が酸化ガリウム単結晶の引き上げ方向に沿って存在し、その転位密度は1×106〜3×107個/cm2である。酸化ガリウム単結晶13の転位密度をかかる範囲にすることにより、後述するように、Lateral Epitaxy on the Patterned Substrate(LEPS)法によるGaNエピタキシャル膜成長に好適な、図4及び図5に示すような表面に凹凸が形成された酸化ガリウム単結晶基板を製造することができる。この基板にGaNエピタキシャル膜をLEPS法により成膜してGaN系LEDデバイスを作製すると、発光層に伝播する転位を低減することが可能となり、発光効率の損失を抑制することができる。このため、転位14を含んだ酸化ガリウム単結晶13からであっても高品質のGaN系LEDデバイスを作製することが可能になる。 In the gallium oxide single crystal 13 of the present invention, dislocations exist along the pulling direction of the gallium oxide single crystal, as indicated by reference numeral 14 in FIG. 3, and the dislocation density is 1 × 10 6 to 3 × 10 7. Pieces / cm 2 . By setting the dislocation density of the gallium oxide single crystal 13 in such a range, as will be described later, the surface as shown in FIGS. 4 and 5 is suitable for GaN epitaxial film growth by the lateral epitaxy on the patterned substrate (LEPS) method. It is possible to manufacture a gallium oxide single crystal substrate having irregularities formed thereon. When a GaN-based LED device is manufactured by forming a GaN epitaxial film on this substrate by the LEPS method, it is possible to reduce dislocations propagating to the light emitting layer and to suppress loss of light emission efficiency. For this reason, even if it is from the gallium oxide single crystal 13 containing the dislocation | rearrangement 14, it becomes possible to produce a high quality GaN-type LED device.
酸化ガリウム単結晶13の転位密度は、1×106〜3×107個/cm2であることが好ましい。かかる範囲とすることにより前記LEPS法に好適な凹凸が表面に形成された基板が得られ、GaN系LEDデバイスの発光効率をさらに向上させることができるためである。 The dislocation density of the gallium oxide single crystal 13 is preferably 1 × 10 6 to 3 × 10 7 pieces / cm 2 . By setting it as this range, it is because the board | substrate with which the unevenness | corrugation suitable for the said LEPS method was formed on the surface is obtained, and the luminous efficiency of a GaN-type LED device can be improved further.
本件における酸化ガリウム単結晶の転位密度は、透過型電子顕微鏡(TEM)にて転位を濃淡模様として観察し、その数を計測することにより測定される。 The dislocation density of the gallium oxide single crystal in the present case is measured by observing the dislocation as a shading pattern with a transmission electron microscope (TEM) and measuring the number thereof.
また、酸化ガリウム単結晶13は、そのネック径(ネック部13aの径)が0.4〜1.3mmであることが好ましい。酸化ガリウム単結晶13のネック径をかかる範囲にすることにより、その転位密度を1×106〜3×107個/cm2に調整しやすいためである。 Moreover, it is preferable that the neck diameter (diameter of the neck part 13a) of the gallium oxide single crystal 13 is 0.4-1.3 mm. This is because the dislocation density can be easily adjusted to 1 × 10 6 to 3 × 10 7 pieces / cm 2 by setting the neck diameter of the gallium oxide single crystal 13 in such a range.
図3中の破線で示される酸化ガリウム単結晶基板21は、転位14を含む酸化ガリウム単結晶13を、所定のサイズ、例えば、1インチサイズに切り出した基板である。酸化ガリウム単結晶基板21を半導体デバイス基板に用いる場合、その表面を原子レベルで平坦にする必要がある。そのための仕上げ加工にCMP(Chemical Mechanical Polish)加工が適応される。なお、CMP加工は化学的なエッチング効果と機械加工とを組み合わせた加工である。 A gallium oxide single crystal substrate 21 indicated by a broken line in FIG. 3 is a substrate obtained by cutting a gallium oxide single crystal 13 including dislocations 14 into a predetermined size, for example, 1 inch size. When the gallium oxide single crystal substrate 21 is used as a semiconductor device substrate, it is necessary to flatten the surface at the atomic level. For this purpose, CMP (Chemical Mechanical Polish) processing is applied. The CMP process is a process that combines a chemical etching effect and mechanical processing.
この転位14を含む酸化ガリウム単結晶基板21にCMP加工を用いて仕上げ研磨を行った後に、公知の方法にてエッチングを行うと、転位14が存在する箇所を起点として腐食が進行し、図5に示すような溝状のエッチピット22が形成され、表面に凹凸が形成された基板を得ることができる。このとき単結晶の転位密度を適宜選択することで、凹凸の幅を調整することができる。また、転位が伸びる方向で隣り合った転位を起点とした複数のエッチピット同士がエッチングの進行と共に一つに合わさることでより長いエッチピットが形成される。これによりエッチピットの長さは、転位の伸びる方向によって異なるが、概ね10μm〜数mmとなる。なお、図5ではエッチピット22の断面は矩形だが、その他にも三角溝形や、前記矩形の角部が丸まった断面形状であっても良い。 When the gallium oxide single crystal substrate 21 including the dislocations 14 is subjected to final polishing using CMP processing and then etched by a known method, corrosion proceeds from the location where the dislocations 14 are present, as shown in FIG. A substrate having groove-shaped etch pits 22 as shown in FIG. 1 and having irregularities formed on the surface can be obtained. At this time, the width of the unevenness can be adjusted by appropriately selecting the dislocation density of the single crystal. In addition, a longer etch pit is formed by combining a plurality of etch pits starting from dislocations adjacent to each other in the direction in which the dislocations extend together as etching progresses. As a result, the length of the etch pit is approximately 10 μm to several mm, although it varies depending on the direction in which the dislocation extends. In FIG. 5, the etch pit 22 has a rectangular cross section, but may have a triangular groove shape or a cross-sectional shape with rounded corners of the rectangle.
ピット幅とピット間隔が2〜10μm程度に揃うように基板にエッチングを施すと、上述したように表面に転位が存在する箇所を起点に腐食が進行し、図4及び図5のように表面に凹凸が形成された基板をマスク無しで作製することができる。通常、基板表面に凹凸を形成する際は、基板を研磨加工した後にフォトレジスト等によるマスクを基板表面に形成し、マスクの開口部をエッチングすることで凹面を形成する。しかし、本発明の方法によれば、マスク形成に要する工程がまったく不要となり、大幅にコスト削減した表面に凹凸が形成された基板を実現できる。 When the substrate is etched so that the pit width and the pit interval are about 2 to 10 μm, the corrosion proceeds from the location where dislocations exist on the surface as described above, and the surface is exposed as shown in FIGS. A substrate on which unevenness is formed can be manufactured without a mask. In general, when forming irregularities on the substrate surface, after polishing the substrate, a mask made of photoresist or the like is formed on the substrate surface, and the concave portion is formed by etching the opening of the mask. However, according to the method of the present invention, the steps required for mask formation are completely unnecessary, and a substrate with irregularities formed on the surface can be realized with greatly reduced costs.
基板の転位密度とエッチングにより形成されたピット幅および間隔、つまり凹凸の形状との関係を調べたところ、図6の結果が得られた。図6から、酸化ガリウム単結晶基板21に形成される凹凸部の幅を、LEPS法に好適な2〜10μmにするには、酸化ガリウム単結晶13の転位密度を1×106〜3×107個/cm2にすれば良いことが分かる。このため、本実施の形態の酸化ガリウム単結晶13によれば、酸化ガリウム単結晶基板21に形成される凹凸部の幅を、LEPS法に好適な2〜10μmにすることができる。 When the relationship between the dislocation density of the substrate and the pit width and interval formed by etching, that is, the shape of the unevenness was examined, the result of FIG. 6 was obtained. From FIG. 6, the dislocation density of the gallium oxide single crystal 13 is set to 1 × 10 6 to 3 × 10 in order to make the width of the concavo-convex portion formed on the gallium oxide single crystal substrate 21 to be 2 to 10 μm suitable for the LEPS method. It can be seen that 7 pieces / cm 2 is sufficient. For this reason, according to the gallium oxide single crystal 13 of this Embodiment, the width | variety of the uneven | corrugated | grooved part formed in the gallium oxide single crystal substrate 21 can be 2-10 micrometers suitable for a LEPS method.
また、このような表面に凹凸が形成された基板上にLEPS法によりGaN系の薄膜デバイスを成膜すると、元々転位が多く存在した基板凹部に成長したGaN膜は、基板凸部に成長したGaN膜が横方向成長することで覆われてしまうため、基板‐GaN界面で発生した転位がデバイス表面、例えばLED素子の発光層まで伝播することは無い。また、この横方向成長時には基板‐GaN界面で発生した転位が上方に伸びていく途中で屈曲し横方向に伝播するため、凸部上部では転位密度の低減が図られ、転位の多い酸化ガリウム基板からであっても、結果として図7のような高品質のGaN基板を作製することができる。 Further, when a GaN-based thin film device is formed on a substrate having such irregularities on the surface by the LEPS method, the GaN film grown on the substrate concave portion where many dislocations originally existed is converted into the GaN film grown on the substrate convex portion. Since the film is covered by the lateral growth, dislocations generated at the substrate-GaN interface do not propagate to the device surface, for example, the light emitting layer of the LED element. Also, during this lateral growth, dislocations generated at the substrate-GaN interface bend and propagate in the lateral direction while extending upward, so the dislocation density is reduced at the top of the convex part, and the gallium oxide substrate with many dislocations As a result, a high-quality GaN substrate as shown in FIG. 7 can be produced as a result.
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の各実施例にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1〜4)
本実施の形態の効果を確認するため、実施例1〜4として、ネック径を0.4〜1.3mmの範囲で制御することで転位密度の異なる酸化ガリウム単結晶を作製し、これらの単結晶を切り出して1インチ基板を得た後にエッチングにより表面に凹凸を形成した。
(Examples 1-4)
In order to confirm the effect of this embodiment, as Examples 1 to 4, gallium oxide single crystals having different dislocation densities were produced by controlling the neck diameter in the range of 0.4 to 1.3 mm, and these single crystals were cut out. After obtaining a 1-inch substrate, unevenness was formed on the surface by etching.
(比較例1〜2)
本実施の形態の効果を確認するための比較例として、ネック径が0.2mmおよび1.5mmの酸化ガリウム単結晶を作製し、これらの単結晶を切り出して1インチ基板を得た後にエッチングにより表面に凹凸を形成した。
(Comparative Examples 1-2)
As a comparative example for confirming the effect of the present embodiment, gallium oxide single crystals having a neck diameter of 0.2 mm and 1.5 mm are manufactured, and after cutting these single crystals to obtain a 1-inch substrate, etching is performed on the surface. Unevenness was formed.
作製した単結晶基板の転位密度、これらの基板をエッチングすることで形成された凹凸の形状、およびそれぞれの単結晶を作製したときのネック径を表1に示す。なお、シードタッチ温度(シードタッチ時の熱電対7の表示温度)は1930℃とした。 Table 1 shows the dislocation density of the produced single crystal substrates, the shape of the irregularities formed by etching these substrates, and the neck diameter when each single crystal was produced. The seed touch temperature (the display temperature of the thermocouple 7 at the time of seed touch) was 1930 ° C.
表1に示すように、本発明によれば、転位密度が1×106〜3×107個/cm2の酸化ガリウム単結晶が、ネック径を0.4〜1.3mmとすることにより得られ、また、凹凸部の幅がLEPS法に好適な2〜10μmとなることを確認した。 As shown in Table 1, according to the present invention, a gallium oxide single crystal having a dislocation density of 1 × 10 6 to 3 × 10 7 pieces / cm 2 has a neck diameter of 0.4 to 1.3 mm. It was also confirmed that the width of the concavo-convex part was 2 to 10 μm suitable for the LEPS method.
以上説明したように、本実施の形態によれば、酸化ガリウム単結晶の転位密度が1×106〜3×107個/cm2であるので、この酸化ガリウム単結晶から加工された表面に凹凸を備えた基板を用いることにより、高品質のGaN膜を作製することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the dislocation density of the gallium oxide single crystal is 1 × 10 6 to 3 × 10 7 pieces / cm 2 , the surface processed from the gallium oxide single crystal By using a substrate with irregularities, a high-quality GaN film can be produced.
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。例えば、上記実施の形態では、EFG法での(101)面の結晶育成により酸化ガリウム単結晶を製造する場合を例に本発明を説明したが、酸化ガリウム単結晶の製造方法はEFG法に限定されるものではなく、転位密度が1×106〜3×107個/cm2の酸化ガリウム単結晶13が形成可能な各種の方法を用いることができる。また、育成する結晶面も(101)面に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and applications are possible. For example, in the above embodiment, the present invention has been described by taking as an example the case where a gallium oxide single crystal is manufactured by crystal growth of the (101) plane by the EFG method. However, the method for manufacturing a gallium oxide single crystal is limited to the EFG method. Instead, various methods capable of forming the gallium oxide single crystal 13 having a dislocation density of 1 × 10 6 to 3 × 10 7 pieces / cm 2 can be used. Further, the crystal plane to be grown is not limited to the (101) plane.
本発明は、本発明の酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板に有用である。 The present invention is useful for the gallium oxide single crystal and the gallium oxide single crystal substrate of the present invention.
1 酸化ガリウム単結晶の製造装置
2 酸化ガリウム融液
3 ルツボ
4 支持台
5 ダイ
5A スリット
5B 開口
6 蓋
7 熱電対
8 断熱材
9 ヒータ部
10 種結晶
11 種結晶保持具
12 シャフト
13 酸化ガリウム単結晶
13a 酸化ガリウム単結晶のネック部
13b 酸化ガリウム単結晶のスプレッド部
13c 酸化ガリウム単結晶の直胴部
21 酸化ガリウム単結晶基板
22 エッチピット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manufacturing apparatus of gallium oxide single crystal 2 Gallium oxide melt 3 Crucible 4 Support stand 5 Die 5A Slit 5B Opening 6 Lid 7 Thermocouple 8 Heat insulating material 9 Heater part 10 Seed crystal 11 Seed crystal holder 12 Shaft 13 Gallium oxide single crystal 13a Neck portion of gallium oxide single crystal 13b Spread portion of gallium oxide single crystal 13c Straight body portion of gallium oxide single crystal 21 Gallium oxide single crystal substrate 22 Etch pit
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