JP6186763B2 - Method for producing group 13 nitride crystal, method for producing group 13 nitride crystal substrate, and group 13 nitride crystal substrate - Google Patents
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Description
本発明は、13族窒化物結晶の製造方法、13族窒化物結晶基板の製造方法、及び13族窒化物結晶基板に関する。
The present invention relates to a method for producing a
窒化ガリウム(GaN)系半導体は、青色発光ダイオード(LED)や白色LED、半導体レーザー(LD:Laser Diode)などの半導体デバイスに用いられる。特に、半導体デバイスには、c面のGaN基板が用いられている。 Gallium nitride (GaN) -based semiconductors are used in semiconductor devices such as blue light-emitting diodes (LEDs), white LEDs, and semiconductor lasers (LDs: Laser Diodes). In particular, c-plane GaN substrates are used for semiconductor devices.
GaN基板は、サファイア基板あるいはGaAs基板等の異種基板上に、ELO(Epitaxial lateral overgrowth)法やadvance−DEEP法、VAS(Void−Assisted Separation)法といった成長方法を用い、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法でGaNを厚く成長させた後、異種基板からGaN厚膜を分離する方法で製造されている。このようにして製造されたGaN基板は、転移密度が106cm−2程度にまで低減されており、大きさも、2インチのものが実用化されている。 The GaN substrate is formed on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate or a GaAs substrate by using a growth method such as an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method, an advanced-DEEP method, or a VAS (Void-Assisted Separation) method, and an HVPE (Hydride Vapor Phase). After the GaN is grown thick by this method, the GaN thick film is manufactured from a different substrate. The GaN substrate manufactured in this way has a transition density reduced to about 10 6 cm −2 and a size of 2 inches has been put into practical use.
一方、液相成長法を用いてGaN基板を製造する手法の一つとして、金属ナトリウムと金属Gaの混合融液中に窒素を溶解し、GaNを結晶成長させるフラックス法が開示されている。 On the other hand, as one of the techniques for producing a GaN substrate using a liquid phase growth method, a flux method is disclosed in which nitrogen is dissolved in a mixed melt of metallic sodium and metallic Ga to crystal-grow GaN.
フラックス法は700℃〜900℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も3MPa〜8MPa程度と比較的低く、工業化可能な結晶成長方法である。このフラックス法を用いたGaN基板の製造方法が開示されている(例えば、特許文献1〜特許文献3参照)。 The flux method is capable of crystal growth at a relatively low temperature of 700 ° C. to 900 ° C., and the internal pressure of the vessel is relatively low at about 3 MPa to 8 MPa. A method of manufacturing a GaN substrate using this flux method is disclosed (for example, see Patent Documents 1 to 3).
特許文献1には、基板上に結晶成長させる際に、融液の攪拌条件を変えて結晶成長させる方法が開示されている。特許文献1では、まず、成長面が凹凸となるように設定された第1の攪拌条件を採用して結晶成長させ、次に、成長面が平滑となるように設定された第2の攪拌条件を採用して結晶成長させることが開示されている。 Patent Document 1 discloses a method of growing a crystal by changing the stirring condition of the melt when the crystal is grown on the substrate. In Patent Document 1, first, the first agitation condition set so that the growth surface is uneven is employed for crystal growth, and then the second agitation condition is set so that the growth surface becomes smooth. It is disclosed that the crystal is grown by employing the above.
特許文献2には、半導体層の上部にパターニングされたマスク膜を形成し、マスク膜から露出する半導体層を種結晶として13族窒化物結晶を層状に結晶成長させることが開示されている。特許文献3には、種結晶のa面に半導体結晶をa軸方向に層状に結晶成長させる方法が開示されている。
Patent Document 2 discloses that a patterned mask film is formed on a semiconductor layer, and a
ここで、レーザーダイオードとしては、GaN基板のc面上に、InGaNからなる活性層を形成した構成のものが実現されている。しかしながら、活性層のInGaN量子井戸のIn組成が大きくなるにつれて、活性層とGaN基板との格子定数差が大きくなることにより、歪が増大する。そして、この歪が増大するほど、c面は極性面であるため、ピエゾ電界によりレーザーダイオードの発光効率が大きく低下する。 Here, a laser diode having a configuration in which an active layer made of InGaN is formed on the c-plane of a GaN substrate is realized. However, as the In composition of the InGaN quantum well in the active layer increases, the lattice constant difference between the active layer and the GaN substrate increases, thereby increasing the strain. As the strain increases, the c-plane is a polar plane, and the light emission efficiency of the laser diode is greatly reduced by the piezoelectric field.
そこで、c面のような極性基板に代えて、半極性基板や無極性基板を用いた純緑色レーザーが報告されている。例えば、フラックス法を用いて半極性基板や無極性基板を作製する方法としては、c面に窒化物結晶を結晶成長させると共に、c軸方向に結晶成長させることで、半極性基板や無極性基板に用いる13族窒化物結晶のバルク結晶を製造することが開示されている。
Therefore, a pure green laser using a semipolar substrate or a nonpolar substrate instead of a polar substrate such as the c-plane has been reported. For example, as a method of manufacturing a semipolar substrate or a nonpolar substrate using a flux method, a nitride crystal is grown on the c-plane and a crystal is grown in the c-axis direction. It is disclosed to produce a bulk crystal of a
しかしながら、c軸方向に結晶成長させる場合、結晶成長時に結晶内に金属ナトリウム、金属ガリウム、あるいはナトリウムとガリウムの混合物といった融液成分がインクルージョンとして入りやすいため、結晶成長時に混合融液の撹拌等を行う必要があった。このため、フラックス法を用いて、インクルージョンの抑制された半極性基板または無極性基板の製造に用いる13族窒化物結晶を製造することは困難であった。
However, when the crystal is grown in the c-axis direction, a melt component such as metal sodium, metal gallium, or a mixture of sodium and gallium is likely to enter the crystal during crystal growth. There was a need to do. For this reason, it has been difficult to produce a
本発明は、フラックス法を用いて、インクルージョンの抑制された半極性基板または無極性基板の製造に用いる13族窒化物結晶を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、少なくともアルカリ金属及び13族金属を含む混合融液中に気相から窒素を溶解し、前記混合融液中において窒化物結晶を結晶成長させる13族窒化物結晶の製造方法において、下地基板の主面に、窒化物結晶が結晶成長を開始しうる材質からなる、前記主面に沿った直線状の成長開始領域を形成すると共に、該主面における該成長開始領域以外の領域に、窒化物結晶の核発生を阻害し且つ窒化物結晶の結晶成長を阻害しない材質からなるマスクが形成されたマスク領域を形成する第1工程と、前記混合融液中において、前記成長開始領域から窒化物結晶の結晶成長を開始させる第2工程と、前記成長開始領域から結晶成長した窒化物結晶の{10−11}面を主成長面とした結晶成長及び前記成長開始領域から該成長開始領域に連続する前記マスク領域に向かう方向への結晶成長を継続させる第3工程と、を含む、13族窒化物結晶の製造方法である。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention dissolves nitrogen from a gas phase in a mixed melt containing at least an alkali metal and a
本発明によれば、フラックス法を用いて、インクルージョンの抑制された半極性基板または無極性基板の製造に用いる13族窒化物結晶を得ることができる。
According to the present invention, a
以下に添付図面を参照して、本実施の形態にかかる13族窒化物結晶の製造方法、13族窒化物結晶基板の製造方法、及び13族窒化物結晶基板について説明する。なお、以下の説明において、図には発明が理解できる程度に構成要素の形状、大きさ及び配置が概略的に示されているに過ぎず、これにより本発明が特に限定されるものではない。また、複数の図に示される同様の構成要素については同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略する場合がある。
A
(第1の実施の形態)
本実施の形態の13族窒化物結晶の製造方法は、少なくともアルカリ金属及び13族金属を含む混合融液中に気相から窒素を溶解し、前記混合融液中において窒化物結晶を結晶成長させる13族窒化物結晶の製造方法である。すなわち、本実施の形態の13族窒化物結晶の製造方法は、フラックス法を用いた製造方法である。
(First embodiment)
In the method for producing a
本実施の形態の13族窒化物結晶の製造方法は、第1工程と、第2工程と、第3工程と、をこの順に少なくとも含む。第1工程は、下地基板の主面に、窒化物結晶が結晶成長を開始しうる材質からなる長尺状の成長開始領域を形成すると共に、該主面における該成長開始領域以外の領域を、窒化物結晶の核発生を阻害し且つ窒化物結晶の結晶成長を阻害しない材質からなるマスク領域とする工程である。第2工程は、混合融液中において、成長開始領域から窒化物結晶の結晶成長を開始させる工程である。第3工程は、成長開始領域から結晶成長した窒化物結晶の{10−11}面を主成長面とした結晶成長、及び成長開始領域から該成長開始領域に連続するマスク領域に向かう方向への結晶成長を継続させる工程である。
The method for producing a
本実施の形態の13族窒化物結晶の製造方法では、上記第1工程、第2工程、第3工程をこの順に含むことによって、インクルージョンの抑制された半極性基板または無極性基板の製造に用いる13族窒化物結晶を得ることができると考えられる。
In the method for manufacturing a
上記効果が奏される理由は明らかとなっていないが、以下のように推測される。しかしながら下記推測によって本発明は限定されない。 The reason for the above effect is not clear, but is presumed as follows. However, the present invention is not limited by the following estimation.
フラックス法による窒化物結晶の結晶成長では、本実施の形態では、混合融液中の窒素の過飽和度が比較的低くなるように、温度、窒素分圧、ガリウム、ナトリウム量比を調整してあるので、成長開始領域から窒化物結晶の{10−11}面を主成長面とした結晶成長が生じる。 In the crystal growth of the nitride crystal by the flux method, in this embodiment, the temperature, nitrogen partial pressure, gallium and sodium amount ratios are adjusted so that the degree of supersaturation of nitrogen in the mixed melt is relatively low. Therefore, crystal growth occurs with the {10-11} plane of the nitride crystal as the main growth plane from the growth start region.
{10−11}面は平坦な結晶面となりやすいため、結晶中にインクルージョンが取り込まれることが抑制されると考えられる。このため、本実施の形態の製造方法では、c面を主な成長面として結晶成長する従来のフラックス法液相エピタキシャル成長で必要とされた攪拌などの手段による融液の精密制御をせずとも、インクルージョンの低減した13族窒化物結晶を製造することができると考えられる。
Since the {10-11} plane is likely to be a flat crystal plane, it is considered that inclusion is suppressed from being incorporated into the crystal. For this reason, in the manufacturing method of the present embodiment, without performing precise control of the melt by means such as stirring required in the conventional flux method liquid phase epitaxial growth in which crystal growth is performed with the c-plane as the main growth surface, It is considered that a
従って、本実施の形態では、フラックス法を用いて、インクルージョンの抑制された半極性基板または無極性基板の製造に用いる13族窒化物結晶を製造することができると推測される。
Therefore, in this Embodiment, it is estimated that the
また、結晶成長を開始させる成長開始領域は、長尺状であることから、比較的大きな13族窒化物結晶を製造する場合であっても、結晶成長時間が比較的短時間で済むと考えられる。
In addition, since the growth start region for starting crystal growth is long, it is considered that even when a relatively
以下、詳細を説明する。 Details will be described below.
―13族窒化物結晶―
図1は、本実施の形態の13族窒化物結晶105の製造工程の説明図である。
―
FIG. 1 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the
まず、第1工程について説明する。第1工程は、下地基板101の主面に、窒化物結晶が結晶成長を開始しうる材質からなる長尺状の成長開始領域104を形成すると共に、該主面における該成長開始領域104以外の領域を、窒化物結晶の核発生を阻害し且つ窒化物結晶の結晶成長を阻害しない材質からなるマスク領域103とする工程である。
First, the first step will be described. In the first step, a long
図1(a)〜図1(c)は、第1工程の一例を示す説明図である。 Fig.1 (a)-FIG.1 (c) are explanatory drawings which show an example of a 1st process.
詳細には、まず、図1(a)に示すように下地基板101を用意する。下地基板101には、後述するマスク領域103や成長開始領域104の形成方法に適した結晶基板を用いればよい。
Specifically, first, a
下地基板101には、例えば、サファイア、SiC、MgAl2O4等の、フラックス法では13族窒化物が核発生しにくい材質からなる結晶基板を用いる。また、下地基板101には、サファイアやSiC、ZnO基板等のフラックス法では13族窒化物が核発生しにくい材質からなる主面に、GaN薄膜をエピタキシャル成長させた、所謂テンプレート基板を用いてもよい。また、下地基板101には、自立したGaN結晶基板を用いてもよい。
For the
下地基板101の主面(マスク領域103及び成長開始領域104を形成する側の面)の面方位は、特に限定されない。
The plane orientation of the main surface of base substrate 101 (the surface on the side where
本実施の形態では、後述する第2工程及び第3工程において、{10−11}面を主成長面とした結晶成長を行わせるが、後述するように、第2工程及び第3工程では、結晶成長条件を{10−11}面の形成される条件に最適化する。このため、下地基板101の面方位は、特に限定されず、第2工程及び第3工程では結晶成長条件を調整することで、後述する結晶成長を行わせることができる。このため、下地基板101の主面の面方位は、特に限定されない。
In the present embodiment, in the second step and the third step, which will be described later, crystal growth is performed with the {10-11} plane as the main growth surface, but as described later, in the second step and the third step, The crystal growth conditions are optimized to the conditions for forming the {10-11} plane. For this reason, the surface orientation of the
例えば、下地基板101の主面の面方位は、c面、m面、これらのc面やm面から傾いた面の何れであってもよい。
For example, the surface orientation of the main surface of the
次に、下地基板101の主面に、マスク領域103及び成長開始領域104を形成する(図1(c)参照)。
Next, a
図2は、下地基板101上にマスク領域103及び成長開始領域104の形成された基板100Aを示す模式図である。図2(a)は、基板100Aをマスク領域103側から垂直に視認したときを示す平面図である。図2(b)は、図2(a)のA−A’断面図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a
成長開始領域104は、長尺状の領域である。具体的には、成長開始領域104は、下地基板101の主面側を垂直方向から視認したときの形状が直線状の領域である。
The
成長開始領域104の長尺方向と、13族窒化物層102のa軸方向と、の成す角度は、特に限定されない。
The angle formed by the long direction of the
本実施の形態では、図2(b)に示すように、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成する13族窒化物層102のa軸方向と、が平行ではない場合(すなわち、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成している13族窒化物層102のa軸方向と、の成す角度αが、0°より大きい場合)を説明する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the longitudinal direction of the
成長開始領域104の幅(長尺方向に直交する方向の長さ)は、特に限定されない。例えば、成長開始領域104の幅は、1mm以下であることが好ましく、200μm以下であることが更に好ましい。これは、フラックス法を用いた結晶成長では、下地側の結晶の欠陥が結晶成長する結晶に引き継がれることから、最終生成物である13族窒化物結晶105を下地基板101側から分離し易くすることを考慮したためである。
The width of the growth start region 104 (the length in the direction orthogonal to the longitudinal direction) is not particularly limited. For example, the width of the
成長開始領域104は、下地基板101上に複数形成してもよいし、1本形成してもよい。下地基板101上に複数の成長開始領域104を設ける場合には、該成長開始領域104から結晶成長した13族窒化物結晶105が互いに接することのないように、結晶成長させる13族窒化物結晶105の大きさに応じた間隔を隔てて、成長開始領域104の長尺方向に交差する方向に配列させることが好ましい。
A plurality of growth start
隣接する成長開始領域104間の距離を、成長後の13族窒化物結晶105が互いに接触しない程度に隔てた距離とすることで、隣接する13族窒化物結晶105が結晶成長時に接することによる歪や欠陥の発生が抑制される。
By setting the distance between the adjacent growth start
成長開始領域104は、窒化物結晶が結晶成長を開始しうる材質からなる。具体的には、成長開始領域104は、結晶成長させる窒化物結晶からなる。例えば、結晶成長させる窒化物結晶がGaN等の13族窒化物である場合には、成長開始領域104は、13族窒化物からなる。
The
成長開始領域104の面方位は特に限定されない。本実施の形態では、成長開始領域104は、(0001)面(すなわち、c面)である場合を説明する。
The plane orientation of the
マスク領域103は、下地基板101の主面側における、成長開始領域104以外の領域である。マスク領域103は、フラックス法における窒化物結晶の核発生を阻害し、且つ、フラックス法による窒化物結晶の結晶成長を阻害しない材質からなる。
The
マスク領域103の構成材料には、例えば、アルミナなどの酸化物を用いる。
As a constituent material of the
成長開始領域104及びマスク領域103の形成方法は、特に限定されず、用途に応じて適宜選択できる。
The formation method of the growth start area |
図1(b)及び図1(c)は、成長開始領域104及びマスク領域103の形成方法の一例を示す模式図である。
FIGS. 1B and 1C are schematic views showing an example of a method for forming the
図1(b)及び図1(c)に示すように、下地基板101の主面に、13族窒化物層102を形成する。13族窒化物層102は、成長開始領域104の構成材料からなる層である。具体的には、下地基板101上に、MOCVD法やHVPE法を用いて、13族窒化物をエピタキシャル成長させることで、13族窒化物層102を形成する。これによって、下地基板101上に13族窒化物層102の積層されたテンプレート基板100を作製する。
As shown in FIGS. 1B and 1C, a
次に、13族窒化物層102上に、公知のレジスト等を用いて、成長開始領域104の形成対象となる領域以外の領域(すなわち、マスク領域103の形成対象となる領域)にマスクを形成する。その後、ドライエッチングを行い、マスク領域103における、該マスクの形成された領域以外の領域(すなわち、成長開始領域104の形成対象となる領域)の13族窒化物結晶を除去し、13族窒化物層102を露出させる。そして、該マスクを除去する。
Next, a mask is formed on the
これによって、該ドライエッチング時に該マスクで覆われていた領域がマスク領域103となり、13族窒化物層102における、該ドライエッチングによって露出された領域が成長開始領域104となる。
As a result, the region covered with the mask at the time of the dry etching becomes the
なお、成長開始領域104及びマスク領域103の形成方法は、図1(b)及び図1(c)に示す方法に限られない。
Note that the method of forming the
例えば、下地基板101として、主面側に13族窒化物の成膜されたサファイア基板や、SiC、ZnO基板等のいわゆるテンプレート基板、または自立したGaN結晶基板を用意する。そして、サファイア基板やMgAl2O4基板等の上記マスク領域103の構成材料からなるマスク基板に、面方向に長い貫通孔を空けたものを用意し、このマスク基板を下地基板101の主面に載置する。そして、下地基板101における該マスク基板から露出した領域(貫通孔に対応する領域)、すなわち、13族窒化物結晶の露出した領域が、成長開始領域104として機能し、このマスク基板が、マスク領域103として機能することで、成長開始領域104及びマスク領域103が形成される。
For example, as the
また、下地基板101として、主面側がマスク材の構成材料からなる基板を用意する。そして、この基板上に、この基板の面方向に沿って直線状に13族窒化物結晶の膜を成膜することで、成長開始領域104とマスク領域103を形成してもよい。
Further, as the
また、例えば、フラックス法では13族窒化物が核発生しにくい材質からなる下地基板101上に、MOCVD法やHVPE法を用いて、13族窒化物をエピタキシャル成長させることで13族窒化物層102を形成する。これによって、下地基板101上に13族窒化物層102の積層されたテンプレート基板100を作製する(図1(b)参照)。
Further, for example, the
次に、13族窒化物層102上に、公知のレジスト等を用いて成長開始領域104の形成対象となる領域に長尺状のマスクを形成する。その後、ドライエッチングを行い、13族窒化物層102における、該マスクの形成された領域以外の領域の13族窒化物結晶を除去し、下地基板101の表面を露出させる。次いで、該マスクを除去する。
Next, a long mask is formed on the
これによって、13族窒化物層102における該ドライエッチング時に該マスクで覆われていた領域が成長開始領域104となり、ドライエッチングによって13族窒化物層102が除去されることで露出した、フラックス法では13族窒化物が核発生しにくい材質からなる下地基板101の領域が、マスク領域103となる。
As a result, the region covered with the mask at the time of the dry etching in the
次に、第2工程、及び第3工程について説明する。 Next, the second step and the third step will be described.
第2工程は、混合融液中において、成長開始領域104から窒化物結晶の結晶成長を開始させる工程である。
The second step is a step of starting crystal growth of nitride crystals from the
図1(c)は、第2工程の説明図である。第2の工程では、アルカリ金属(フラックス)と13族金属を含む混合融液に気相から窒素を溶解し、この混合融液中で、成長開始領域104から13族窒化物結晶の結晶成長を開始させる。
FIG. 1C is an explanatory diagram of the second step. In the second step, nitrogen is dissolved from the gas phase in a mixed melt containing an alkali metal (flux) and a
混合融液は、フラックスと、13族金属等の原料と、を含む。
The mixed melt contains a flux and a raw material such as a
フラックスには、ナトリウム、あるいはナトリウム化合物(例えば、アジ化ナトリウム)を用いるが、その他の例として、リチウムや、カリウム等のその他のアルカリ金属や、当該アルカリ金属の化合物を用いてもよい。また、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム等のアルカリ土類金属や、当該アルカリ土類金属の化合物をフラックスとして用いてもよい。なお、フラックスとして、複数種類のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を混合して用いてもよい。 As the flux, sodium or a sodium compound (for example, sodium azide) is used. As another example, other alkali metals such as lithium and potassium, and compounds of the alkali metals may be used. Moreover, you may use alkaline earth metals, such as barium, strontium, and magnesium, and the compound of the said alkaline earth metal as a flux. Note that a plurality of types of alkali metals or alkaline earth metals may be mixed and used as the flux.
原料として用いる13族金属には、ガリウムを用いることが好ましいが、その他の例として、ホウ素、アルミニウム、インジウム等のその他の13族金属や、これらの混合物を用いてもよい。
As the
なお、混合融液24中には、Ge,Mg,Fe,Mn等のドーパント物質やCa,Ba,Sr等のフラックスとなるアルカリ土類金属、雑結晶の低減効果を有する炭素等を混合してもよい。
In the
第2工程では、反応容器内に保持した混合融液内(具体的には、反応容器の内側の底部、詳細後述)に、成長開始領域104及びマスク領域103の形成された下地基板101を設置し、窒素分圧、混合融液の温度、原料とフラックスとのモル比等を、成長開始領域104から窒化物結晶の結晶成長が開始される条件に調整することで、結晶成長を開始させる。
In the second step, the
具体的には、第2工程では、窒素分圧を1MPa〜6MPaの範囲内とすることが好ましい。また、第2工程では、混合融液の温度(結晶成長温度)は、800℃〜900℃の範囲内とすることが好ましい。 Specifically, in the second step, the nitrogen partial pressure is preferably in the range of 1 MPa to 6 MPa. In the second step, the temperature of the mixed melt (crystal growth temperature) is preferably in the range of 800 ° C to 900 ° C.
例えば、ガリウムとアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率を50%〜90%の範囲内とし、混合融液の結晶成長温度を850℃〜900℃の範囲内とし、窒素分圧を1.5MPa〜6MPaの範囲内とすることが好ましい。 For example, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of gallium and alkali metal (for example, sodium) is in the range of 50% to 90%, and the crystal growth temperature of the mixed melt is in the range of 850 ° C. to 900 ° C. Preferably, the nitrogen partial pressure is in the range of 1.5 MPa to 6 MPa.
さらに好適な実施形態としては、ガリウムとアルカリ金属とのモル比を0.3:0.7とし、結晶成長温度を860℃〜870℃の範囲とし、窒素分圧を2MPa〜3.5MPaの範囲とすることがより好ましい。 In a more preferred embodiment, the molar ratio of gallium to alkali metal is 0.3: 0.7, the crystal growth temperature is in the range of 860 ° C. to 870 ° C., and the nitrogen partial pressure is in the range of 2 MPa to 3.5 MPa. More preferably.
図1(d)は、第3工程の説明図である。図1(d)に示すように、第3工程では、成長開始領域104から13族窒化物結晶105の結晶成長を開始させる。
FIG.1 (d) is explanatory drawing of a 3rd process. As shown in FIG. 1D, in the third step, crystal growth of the
第3工程は、成長開始領域104から結晶成長した窒化物結晶の{10−11}面を主成長面とした結晶成長、及び成長開始領域104から該成長開始領域104に連続するマスク領域103に向かう方向への結晶成長を継続させる工程である。
In the third step, crystal growth with the {10-11} plane of the nitride crystal grown from the
図1(e)〜図1(g)は、第3工程の説明図である。第2工程で成長開始領域104から結晶成長を開始した13族窒化物結晶105は(図1(d)参照)、第3工程において、{10−11}面を主成長面とした結晶成長、及び成長開始領域104から該成長開始領域104に連続するマスク領域103に向かう方向への結晶成長を継続する。
FIG.1 (e)-FIG.1 (g) are explanatory drawings of a 3rd process. The
図3は、結晶成長した13族窒化物結晶105を示す模式図である。図3(a)は、結晶成長した13族窒化物結晶105を、下地基板101の主面側から見た平面図である。図3(b)は、図3(a)のA−A’断面図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the
第3工程では、結晶成長条件を{10−11}面が形成される条件に最適化することで、結晶成長の継続により{10−11}面が形成され、{10−11}面を成長面とした結晶成長を継続させることができる。 In the third step, by optimizing the crystal growth conditions to the conditions under which the {10-11} plane is formed, the {10-11} plane is formed by continuing the crystal growth, and the {10-11} plane is grown. Surface crystal growth can be continued.
このような第3工程の結晶条件は、窒素分圧、混合融液の温度、ガリウムとアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率等の調整により実現できる。 Such crystallization conditions in the third step can be realized by adjusting the nitrogen partial pressure, the temperature of the mixed melt, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of gallium and alkali metal (for example, sodium), and the like.
具体的には、第3工程では、窒素分圧を、融液中の窒素が比較的低過飽和となる分圧に調整する。具体的には、2MPa〜3.5MPaの範囲内とすることが好ましい。また、第3工程では、混合融液の温度(結晶成長温度)は、YAGやアルミナ等の材質の坩堝が融液に溶解したり反応したりして結晶が成長するのに問題となることのない温度に調整する。具体的には、860℃〜870℃の範囲内とすることが好ましい。また、ガリウムとアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率は、前述の窒素、温度の条件で{10−11}面が形成されやすい、50%〜80%の範囲内、さらには60%〜75%とすることが好ましい。 Specifically, in the third step, the nitrogen partial pressure is adjusted to a partial pressure at which the nitrogen in the melt has a relatively low supersaturation. Specifically, it is preferable to be within a range of 2 MPa to 3.5 MPa. Further, in the third step, the temperature of the mixed melt (crystal growth temperature) is problematic because a crucible made of a material such as YAG or alumina dissolves in or reacts with the melt. Adjust to no temperature. Specifically, it is preferable to set it within the range of 860 ° C to 870 ° C. Further, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of gallium and alkali metal (for example, sodium) is such that the {10-11} plane is easily formed under the aforementioned conditions of nitrogen and temperature, 50% to 80%. It is preferable to set it within the range of 60% to 75%.
なお、第2工程を、第3工程と同じ結晶成長条件(温度、分圧、アルカリ金属のモル比等の条件)とすることで、第2工程と第3工程とを同じ条件で継続して進行させることができる。 In addition, the 2nd process and the 3rd process are continued on the same conditions by making the 2nd process into the same crystal growth conditions (conditions, such as temperature, partial pressure, and alkali metal molar ratio) as the 3rd process. Can be advanced.
図4は、本実施の形態における第2工程及び第3工程を実施するための製造装置1の模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram of the manufacturing apparatus 1 for performing the second step and the third step in the present embodiment.
図4に示すように、製造装置1は、ステンレス製の閉じた形状の耐圧容器11を備える。耐圧容器11はバルブ21部分で製造装置1から取り外すことが可能であり、耐圧容器11部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる構成となっている。
As shown in FIG. 4, the manufacturing apparatus 1 includes a
耐圧容器11内には、反応容器12が設けられている。反応容器12は、フラックス(例えば、ナトリウム)と、13族金属(例えば、ガリウム)を含む混合融液24と、を保持する。また、反応容器12内には、成長開始領域104とマスク領域103の形成された下地基板101である基板100Aが設置される。
A
反応容器12の材質は適宜選択できる。例えば、反応容器12には、BN焼結体、P−BN等の窒化物、アルミナ、YAG等の酸化物、SiC等の炭化物等を使用することができる。また、反応容器12は、耐圧容器11から取り外すことができる。
The material of the
また、耐圧容器11には、13族窒化物結晶の原料である窒素(N2)ガスおよび全圧調整用の希釈ガスを供給するガス供給管14が接続されている。ガス供給管14は窒素供給管17とガス供給管20に分岐しており、それぞれバルブ15、18で分離することが可能となっている。
The
希釈ガスとしては、不活性ガスのアルゴン(Ar)ガスを用いることが望ましいが、これに限定されず、その他のヘリウム(He)等の不活性ガスを希釈ガスとして用いてもよい。 As the diluent gas, it is desirable to use an argon (Ar) gas that is an inert gas, but the present invention is not limited to this, and other inert gases such as helium (He) may be used as the diluent gas.
窒素ガスは、窒素ガスのガスボンベ等と接続された窒素供給管17から供給されて、圧力制御装置16で圧力を調整された後、バルブ15を介してガス供給管14に供給される。一方、希釈ガス(例えば、アルゴンガス)は、希釈ガスのガスボンベ等と接続されたガス供給管20から供給されて、圧力制御装置19で圧力を調整された後、バルブ18を介してガス供給管14に供給される。このようにして圧力を調整された窒素ガスと希釈ガスは、ガス供給管14にそれぞれ供給されて混合される。
Nitrogen gas is supplied from a
そして、窒素および希釈ガスの混合ガスは、ガス供給管14からバルブ21を経て耐圧容器11に供給される。
Then, a mixed gas of nitrogen and dilution gas is supplied from the
また、ガス供給管14には、圧力計22が設けられており、圧力計22によって耐圧容器11内の全圧をモニターしながら耐圧容器11内の圧力を調整できるようになっている。
The
なお、窒素ガスは窒化ガリウムの原料であり、これに不活性ガスであるアルゴンを混合するのは、全圧を高くしナトリウムの蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して制御するためである。これにより、制御性の高い結晶成長が可能となる。 Nitrogen gas is a raw material of gallium nitride, and argon, which is an inert gas, is mixed with it to increase the total pressure and suppress the evaporation of sodium, while controlling the pressure of the nitrogen gas independently. It is. Thereby, crystal growth with high controllability becomes possible.
本実施の形態では、このように窒素ガスおよび希釈ガスの圧力をバルブ15、18と圧力制御装置16、19とによって調整することにより、窒素分圧を調整することができる。また、耐圧容器11の全圧を調整できるので、耐圧容器11内の全圧を高くして、反応容器12内のアルカリ金属(例えばナトリウム)の蒸発を抑制することができる。即ち、窒化ガリウムの結晶成長条件に影響を与える窒素原料となる窒素分圧と、ナトリウム(フラックス)の蒸発抑制に影響を与える全圧を、別々に制御する事が可能となっている。
In this embodiment, the nitrogen partial pressure can be adjusted by adjusting the pressures of the nitrogen gas and the dilution gas with the
また、耐圧容器11の外側にはヒーター13が配置されており、耐圧容器11および反応容器12を加熱して、混合融液24の温度を調整することができる。
Further, a
第2工程及び第3工程を実施する場合には、まず、反応容器12に、フラックスとして用いられる物質と、原料とを投入する。そして、原料等をセッティングした後に、ヒーター13に通電して、耐圧容器11およびその内部の反応容器12を結晶成長温度まで加熱する。すると、反応容器12内においてフラックスとして用いられる物質と、原料等が溶融し、混合融液24が形成される。また、この混合融液24に上記分圧の窒素を接触させて混合融液24中に溶解させることにより、原料である窒素を混合融液24中に供給することができる。
In carrying out the second step and the third step, first, a substance used as a flux and a raw material are charged into the
そして、所定の結晶成長温度、所定の窒素分圧下で、気相から混合融液24中に溶解する窒素と混合融液24中の13族金属が反応して、混合融液24内に設置された基板100aにおける成長開始領域104から窒化物結晶の結晶成長が開始される(第2工程)。
Then, under a predetermined crystal growth temperature and a predetermined nitrogen partial pressure, nitrogen dissolved in the
そして、更に、第3工程の結晶成長条件に維持することで、成長開始領域104から結晶成長を開始した13族窒化物結晶105が、{10−11}面を主成長面とした結晶成長を継続し、マスク領域103を覆うように結晶成長する。
Further, by maintaining the crystal growth conditions in the third step, the
上記第1工程〜第3工程を経ることによって、図3(b)に示すように、{10−11}面を有する13族窒化物結晶105が製造できる。
Through the first to third steps, a
なお、製造した13族窒化物結晶105は、{10−11}面を有する13族窒化物結晶105である。
The manufactured
図1及び図3に示す例では、{10−11}面と(0001)面(c面)を備えた、13族窒化物結晶105を示した。また、図1及び図3に示す例では、13族窒化物結晶105は、成長開始領域104の長尺方向に対して垂直な断面形状が台形状である場合を示した。この台形状の上底側に相当する領域は、c面である。
In the example shown in FIGS. 1 and 3, a
また、本実施の形態では、上述したように、成長開始領域104の長尺方向と、13族窒化物層102のa軸と、の成す角度αが0より大きい(例えば、5°)となるように調整した。このため、13族窒化物結晶105の、成長開始領域104の長尺方向に垂直な断面の台形の斜面に対応する結晶面には、複数の{10−11}面が形成され、凹凸を有する面となると考えられる(図3(a)参照)。
In the present embodiment, as described above, the angle α formed by the long direction of the
次に、第4工程について説明する。 Next, the fourth step will be described.
図1(h)は、第4工程の説明図である。第4工程では、上記第2工程〜第3工程によって結晶成長した13族窒化物結晶105を、基板100Aから分離する。
FIG. 1H is an explanatory diagram of the fourth step. In the fourth step, the
具体的には、第3工程によって結晶成長した13族窒化物結晶105を、室温まで冷却する。そののち、基板100Aと13族窒化物結晶105とを分離する。
Specifically, the
なお、13族窒化物結晶105及び基板100Aの冷却過程で、基板100Aと13族窒化物結晶105との熱膨張係数差により、成長開始領域104あるいはその近傍の結晶が破断して、基板100Aと結晶成長した13族窒化物結晶105とがすでに分離している場合もある。
In the cooling process of the
上記工程によって、13族窒化物結晶105を製造することができる。
Through the above process, the
(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態では、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成する13族窒化物層102のa軸方向と、が平行ではない場合(すなわち、成長開始領域104の長尺方向と13族窒化物層102のa軸方向との成す角度αが、0°より大きい場合)を説明した。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the long direction of the
本実施の形態では、成長開始領域の長尺方向と、成長開始領域を構成する13族窒化物層のa軸方向と、が平行となるように、成長開始領域を形成した場合を説明する。
In the present embodiment, a case will be described in which the growth start region is formed so that the long direction of the growth start region is parallel to the a-axis direction of the
図5は、下地基板200上に、マスク領域203及び成長開始領域204の形成された基板200Aを示す模式図である。図5(a)は、基板200Aをマスク領域203側から垂直に視認したときを示す平面図である。図5(b)は、図5(a)のA−A’断面図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a
なお、マスク領域203、及び成長開始領域204は、第1の実施の形態のマスク領域103、及び成長開始領域104の各々に相当する。なお、本実施の形態では、第1の実施の形態と異なる点は、上述したように、角度αが0°である点である。また、本実施の形態では、下地基板200は、13族窒化物からなる。例えば、下地基板200には、第1の実施の形態の下地基板101に13族窒化物層102を積層したテンプレート基板100を用いてもよいし、13族窒化物からなる基板を用いてもよい。
Note that the
図5に示すように、本実施の形態では、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成する13族窒化物層(下地基板200)のa軸方向と、が平行である(すなわち、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成する13族窒化物層との成す角度αが、0°である)。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the longitudinal direction of the
なお、成長開始領域204は、下地基板200である13族窒化物層のc面であり、この点は第1の実施の形態と同じである。
The
本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、第1工程〜第4工程を経ることによって、13族窒化物結晶205を製造する。
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the
図6は、本実施の形態における13族窒化物結晶205の製造方法の一例を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a method for manufacturing the
図6(a)〜図6(b)は、第1工程の説明図である。図6(a)に示すように、まず、下地基板200を用意する。図6に示す例では、下地基板200には、13族窒化物が核発生しやすい基板を用いた場合を説明する。具体的には、下地基板200には、自立したGaN結晶基板を用いてもよい。また、この下地基板200の主面の面方位は、c面である場合を説明する。
FIG. 6A to FIG. 6B are explanatory diagrams of the first step. As shown in FIG. 6A, first, a
次に、下地基板200上に、マスク領域203と成長開始領域204とを形成する。これらのマスク領域203及び成長開始領域204の形成方法は、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成する13族窒化物層(下地基板200)のa軸方向と、が平行(角度αが0°)となるように、成長開始領域204を形成する以外は、第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。これによって、テンプレート基板200Aを製造する。
Next, a
次に、第2工程では、第1の実施の形態と同様にして、成長開始領域204から13族窒化物結晶205の結晶成長を開始させる(図6(c))。さらに、第3工程では、第1の実施の形態と同様にして、13族窒化物結晶205について、{10−11}面を主成長面とした結晶成長を行わせる(図6(d)〜図6(f)参照)。
Next, in the second step, as in the first embodiment, crystal growth of the
図7は、結晶成長した13族窒化物結晶205を示す模式図である。図7(a)は、結晶成長した13族窒化物結晶205を、下地基板200の主面側から見た平面図である。図7(b)は、図7(a)のA−A’断面図である。図8は、13族窒化物結晶205を模式的に示す斜視図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a
第3工程では、第1の実施の形態と同様に、結晶成長条件を{10−11}面が形成される条件に最適化することで、結晶成長の継続により{10−11}面が形成され、{10−11}面を成長面とした結晶成長を継続させることができる。 In the third step, as in the first embodiment, the {10-11} plane is formed by continuing the crystal growth by optimizing the crystal growth conditions to the conditions for forming the {10-11} plane. Thus, crystal growth with the {10-11} plane as the growth plane can be continued.
本実施の形態では、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成する13族窒化物層(下地基板200)のa軸方向と、が平行(角度αが0°)であることから、第1の実施の形態に比べて、より{10−11}面の結晶成長が優先して進行すると考えられる。このため、得られる13族窒化物結晶205の、成長開始領域204の長尺方向に対して垂直な断面形状は、図7(b)及び図8に示すように、三角形状となる。
In the present embodiment, the longitudinal direction of the
また、13族窒化物結晶205の、該断面形状である三角形の斜面に対応する結晶面は、ほぼ平坦な{10−11}面となると考えられる(図7(b)参照)。
In addition, it is considered that the crystal plane corresponding to the triangular slope of the cross-sectional shape of the
第4工程については、第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。 Since the fourth step is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
このように、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成する13族窒化物層(下地基板200)のa軸方向と、が平行(角度αが0°)となるように、成長開始領域204を形成することで、図7(b)及び図8に示すように、13族窒化物結晶205の、成長開始領域204の長尺方向に対して垂直な断面形状が三角形状の13族窒化物結晶205を製造することができる。
Thus, the long direction of the
(第3の実施の形態)
上記第1の実施の形態では、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成する13族窒化物層102のa軸方向と、が平行ではない場合(すなわち、成長開始領域104の長尺方向と13族窒化物層102のa軸方向との成す角度αが、0°より大きい場合)を説明した。また、第1の実施の形態では、成長開始領域104は、13族窒化物層102のc面である場合を説明した。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the long direction of the
一方、本実施の形態では、成長開始領域が13族窒化物層のm面であり、且つ、成長開始領域の長尺方向と、成長開始領域を構成する13族窒化物層のa軸方向と、が平行となるように、成長開始領域を形成した場合を説明する。
On the other hand, in the present embodiment, the growth start region is the m-plane of the
図9は、下地基板301上に、13族窒化物層302、マスク領域303、及び成長開始領域304の形成された基板300Aを示す模式図である。図9(a)は、基板300Aをマスク領域303側から垂直に視認したときを示す平面図である。図9(b)は、図9(a)のA−A’断面図である。
FIG. 9 is a schematic view showing a
なお、下地基板301、13族窒化物層302、マスク領域303、及び成長開始領域304は、第1の実施の形態の下地基板101、13族窒化物層102、マスク領域103、及び成長開始領域104の各々に相当する。
The
なお、本実施の形態では、第1の実施の形態と異なる点は、上述したように、角度αが0°である点である。また、本実施の形態では、成長開始領域304が、13族窒化物層302のm面である点が第1の実施の形態とは異なる。
In the present embodiment, the difference from the first embodiment is that the angle α is 0 ° as described above. Further, the present embodiment is different from the first embodiment in that the
本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、第1工程〜第4工程を経ることによって、13族窒化物結晶305(図10参照)を製造する。
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the
図10は、本実施の形態における13族窒化物結晶305の製造方法の一例を示す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a method for producing
図10(a)〜図10(b)は、第1工程の説明図である。図10(a)に示すように、まず、下地基板301上に、m面を主面とする13族窒化物層302の形成されたテンプレート基板300を用意する。
FIG. 10A to FIG. 10B are explanatory diagrams of the first step. As shown in FIG. 10A, first, a
次に、マスク領域303と成長開始領域304とを形成する。これらのマスク領域303及び成長開始領域304の形成方法は、成長開始領域304の長尺方向と、成長開始領域304を構成する13族窒化物層302のa軸方向と、が平行(角度αが0°)となるように、成長開始領域304を形成する以外は、第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。これによって、基板300Aを製造する。
Next, a
次に、第2工程では、第1の実施の形態と同様にして、成長開始領域304から13族窒化物結晶305の結晶成長を開始させる(図10(c))。さらに、第3工程では、第1の実施の形態と同様にして、13族窒化物結晶305について、{10−11}面を主成長面とした結晶成長を行わせる(図10(d)〜図10(f)参照)。
Next, in the second step, crystal growth of the
図11は、結晶成長した13族窒化物結晶305を示す模式図である。図11(a)は、結晶成長した13族窒化物結晶305を、下地基板301の主面側から見た平面図である。図11(b)は、図11(a)のA−A’断面図である。図12は、13族窒化物結晶205を模式的に示す斜視図である。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a
第3工程では、第1の実施の形態と同様に、結晶成長条件を{10−11}面が形成される条件に最適化することで、結晶成長の継続により{10−11}面が形成され、{10−11}面を成長面とした結晶成長を継続させることができる。 In the third step, as in the first embodiment, the {10-11} plane is formed by continuing the crystal growth by optimizing the crystal growth conditions to the conditions for forming the {10-11} plane. Thus, crystal growth with the {10-11} plane as the growth plane can be continued.
本実施の形態では、成長開始領域304の長尺方向と、成長開始領域304を構成する13族窒化物層302のa軸方向と、が平行(角度αが0°)であり、成長開始領域304は、13族窒化物層302のm面である。
In the present embodiment, the longitudinal direction of the
窒化物結晶は、{10−11}面と(000−1)N極性面を形成しながら成長するが、(000−1)N極性面は成長速度が非常に遅いため、結晶は[0001]方向に拡大する。このため、本実施の形態で製造される13族窒化物結晶305は、成長開始領域304の長尺方向と基板300の主面の双方に垂直な断面形状が、直角三角形状の13族窒化物結晶305となる。具体的には、下地基板301の主面に垂直な(000−1)N極性面を底面とし、{10−11}面を斜面とした、成長開始領域304の長尺方向と基板300の主面の双方に垂直な断面形状が、直角三角形状の13族窒化物結晶305が得られる。
A nitride crystal grows while forming a {10-11} plane and a (000-1) N polar plane, but the (000-1) N polar plane has a very slow growth rate. Magnify in the direction. Therefore, the
また、13族窒化物結晶305の、該断面形状である直角三角形の斜面に対応する結晶面は、ほぼ平坦な{10−11}面となると考えられる(図12参照)。
Further, it is considered that the crystal plane of the
第4工程については、第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。 Since the fourth step is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
このように、成長開始領域304の長尺方向と、成長開始領域304を構成する13族窒化物層302のa軸方向と、が平行(角度αが0°)であり、成長開始領域304を、13族窒化物層302のm面とすることで、成長開始領域304の長尺方向に対して垂直な断面形状が、直角三角形状の13族窒化物結晶305が製造できる(図11(b)及び図12参照)。
Thus, the longitudinal direction of the
(第4の実施の形態)
本実施の形態では、上記実施の形態で製造された13族窒化物結晶105、205、305から、13族窒化物結晶基板を製造する方法について説明する。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a method for manufacturing a
本実施の形態の製造方法は、上記実施の形態で製造された13族窒化物結晶105、205、305を、無極性面または半極性面を主面とするように加工する加工工程を含む。
The manufacturing method of the present embodiment includes a processing step of processing the
無極性面とは、六方晶の結晶構造の13族窒化物結晶において、結晶面内で13族原子と窒素原子の数が同数で電荷に偏りがなく結晶軸方向に極性を持たない結晶面である。具体的には、無極性面は、六方晶の結晶のm面やa面等である。半極性面とは、結晶面が13族原子だけ、あるいは窒素原子だけで構成される極性面であるc面と無極性面を除いた結晶面である。半極性面は13族原子と窒素原子の数が等しくないため、電荷のバランスが崩れており極性を有するが、その度合いがc面極性面と無極性面の間であるため半極性と定義されている。具体的には、六方晶の結晶の{10−11}面や{20−21}面や{11−22}面や{−1103}面等がある(その他、c面と無極性面以外の結晶面はいずれも半極性面である。)。
A nonpolar plane is a crystal plane of a
加工方法には、公知の方法を用いればよく、限定されない。 A known method may be used for the processing method and is not limited.
図13は、第2の実施の形態で製造した13族窒化物結晶205の加工方法の一例を示す説明図である。
FIG. 13 is an explanatory view showing an example of a processing method of the
図13(a)に示すように、例えば、加工工程では、13族窒化物結晶205における、13族窒化物結晶205の成長開始領域204の長尺方向に対して交差する面である{20−21}面に対して、該13族窒化物結晶205を平行にスライスする。
As shown in FIG. 13A, for example, in the processing step, the surface of the
次に、スライスした後の13族窒化物結晶205である13族窒化物結晶基板206の各々の表面を研磨した後に、CMP処理(Chemical Mechanical Polishing)を施す。これにより、半極性面である{20−21}面を主面とする三角形状の13族窒化物結晶基板206が得られる。
Next, after polishing the surface of each
13族窒化物結晶基板206は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板206には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
The
この成長縞は結晶成長中の成長速度の揺らぎ等に起因して形成される。ここで、結晶成長速度の揺らぎは、不純物の取り込みの揺らぎを生じさせるため、成長縞は、蛍光顕微鏡で観察することにより、発光強度や発光色の違いとして観察される。 These growth stripes are formed due to fluctuations in the growth rate during crystal growth. Here, since fluctuations in the crystal growth rate cause fluctuations in the incorporation of impurities, the growth fringes are observed as differences in emission intensity and emission color when observed with a fluorescence microscope.
また、13族窒化物結晶が成長した混合融液にはアルカリ金属が含まれているので、本発明の13族窒化物基板の結晶中には不純物としてアルカリ金属が微量ながら含まれている。アルカリ金属にナトリウムを使用して結晶成長したGaN結晶中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3台のナトリウムが検出される。また、13族窒化物結晶基板206は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、金属ナトリウムや金属ガリウム、これらの混合物がそのままのかたちで結晶内に取り込まれるインクルージョンが抑制されている。
Further, since the mixed melt in which the
図14は、第2の実施の形態で製造した13族窒化物結晶205の加工方法の、図13とは異なる例を示す説明図である。
FIG. 14 is an explanatory view showing an example different from FIG. 13 of the processing method of the
まず、図13(a)に示した13族窒化物結晶205の両脇を切断し、図14(a)に示す、三角柱形状に成型する。次に、図14(a)に示すように、三角柱形状に整形した13族窒化物結晶205について、成長開始領域204の長尺方向に対して平行な{20−21}面に平行にスライスする(図14(b)参照)。
First, both sides of the
次に、スライスした13族窒化物結晶205である結晶207をさらに所望の大きさに成型加工した後に、得られた結晶208の表面を研磨する(図14(c)参照)。そしてさらに、CMP処理を施す(図14(d)参照)。
Next, the
これにより、半極性面である{20−21}面を主面とする13族窒化物結晶基板209が得られる(図14(d)参照)。
Thereby, a
得られた13族窒化物結晶基板209は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板209には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
The obtained
この成長縞は、上記と同様にして観察することができる。また、13族窒化物結晶基板209は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
This growth stripe can be observed in the same manner as described above. In addition, since the
図15は、第2の実施の形態で製造した13族窒化物結晶205を、無極性面を主面とするよう加工する場合を示す説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a case where the
まず、図13(a)に示した13族窒化物結晶205の両脇を切断し、図15(a)に示す、三角柱形状に成型する。次に、図15(a)に示すように、三角柱形状に整形した13族窒化物結晶205について、成長開始領域204の長尺方向に対して平行な{10−10}面に平行にスライスする(図15(a)参照)。
First, both sides of the
次に、スライスした13族窒化物結晶205である結晶210をさらに所望の大きさに成型加工した後に、得られた複数種類の大きさの結晶210または結晶211について(図15(b)及び図15(c)参照)、さらに所望の大きさに成型する(図15(d)参照)。
Next, the
そして、更に、当該成型によって得られた結晶212の表面を研磨し、そしてさらに、CMP処理を施す(図15(e)参照)。
Further, the surface of the
これにより、無極性面である{10−10}面を主面とする13族窒化物結晶基板213が得られる(図15(e)参照)。
As a result, a
得られた13族窒化物結晶基板213は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板213には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
Since the obtained
この成長縞は、上記と同様にして観察することができる。また、13族窒化物結晶基板213は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶205を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
This growth stripe can be observed in the same manner as described above. Further, since the
図16は、第3の実施の形態で製造した13族窒化物結晶305を、半極性面を主面とするよう加工する場合を示す説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a case where the
まず、図16(a)に示すように、第3の実施の形態で製造した13族窒化物結晶305を、成長開始領域304の長尺方向と交差する{20−21}面に平行にスライスする。次に、図16(b)に示すように、スライスした結晶の表面を研磨し、その後、CMP処理を施す。このような加工を施すことで、{20−21}面を主面とする三角形状の13族窒化物結晶基板306が得られる(図16(b))。
First, as shown in FIG. 16A, the
得られた13族窒化物結晶基板306は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板306には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
Since the obtained
この成長縞は、上記と同様にして観察することができる。また、13族窒化物結晶基板306は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
This growth stripe can be observed in the same manner as described above. In addition, since the
図17は、第3の実施の形態で製造した13族窒化物結晶305の加工方法の、図16とは異なる例を示す説明図である。
FIG. 17 is an explanatory view showing an example different from FIG. 16 of the processing method of the
まず、図16(a)に示した13族窒化物結晶305の両脇を切断し、図17(a)に示す、三角柱形状に成型する。次に、図17(a)に示すように、三角柱形状に整形した13族窒化物結晶305について、成長開始領域304の長尺方向に対して平行な{20−21}面に平行にスライスする(図17(a)参照)。
First, both sides of the
次に、スライスした13族窒化物結晶305である結晶307をさらに所望の大きさに成型加工した後に、得られた結晶308の表面を研磨する(図14(b)、図14(c)参照)。そしてさらに、CMP処理を施す(図14(c)参照)。
Next, after the
これにより、半極性面である{20−21}面を主面とする13族窒化物結晶基板309が得られる(図17(d)参照)。
Thereby, a
得られた13族窒化物結晶基板309は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板309には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
Since the obtained
この成長縞は、上記と同様にして観察することができる。また、13族窒化物結晶基板309は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
This growth stripe can be observed in the same manner as described above. In addition, since the
図18は、第3の実施の形態で製造した13族窒化物結晶305を、無極性面を主面とするよう加工する場合を示す説明図である。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a case where the
まず、図16(a)に示した13族窒化物結晶305の両脇を切断し、図18(a)に示す、三角柱形状に成型する。次に、図18(a)に示すように、三角柱形状に整形した13族窒化物結晶305について、成長開始領域304の長尺方向に対して平行な{10−10}面に平行にスライスする(図18(a)参照)。
First, both sides of the
次に、スライスした13族窒化物結晶305である結晶310をさらに所望の大きさに成型加工した後に、得られた複数種類の大きさの結晶310または結晶311について(図18(b)及び図18(c)参照)、さらに所望の大きさに成型する(図18(d)参照)。
Next, after the sliced
そして、更に、当該成型によって得られた結晶311の表面を研磨し、そしてさらに、CMP処理を施す(図18(d)参照)。
Further, the surface of the
これにより、無極性面である{10−10}面を主面とする13族窒化物結晶基板312が得られる(図18(d)参照)。
As a result, a
得られた13族窒化物結晶基板312は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、この13族窒化物結晶基板312には、{10−11}面に平行な成長縞が形成されている。
Since the obtained
この成長縞は、上記と同様にして観察することができる。また、13族窒化物結晶基板312は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶305を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
This growth stripe can be observed in the same manner as described above. In addition, since the
以上説明したように、本実施の形態では、上記実施の形態で製造された13族窒化物結晶105、205、305から、13族窒化物結晶基板206、209、213を製造する。
As described above, in this embodiment,
従って、インクルージョンや、歪、欠陥の低減された13族窒化物基板206、209、213を製造することができる。
Therefore, the
また、製造した13族窒化物基板206、209、213、306、309、312は、無極性面あるいは半極性面を主面とし、主面に{10−11}面に平行な成長縞が形成されている基板である。
In addition, the manufactured
このため、これらの13族窒化物基板206、209、213は、上記第1の実施の形態1〜第3の実施の形態で製造した基板を加工したものであるといえる。従って、これらの13族窒化物基板206、209、213、306、309、312は、インクルージョンや、歪、欠陥の低減された13族窒化物基板であるといえる。
Therefore, it can be said that these
次に、{10−11}面を主面とする基板製造のための加工工程を説明する。半極性面である{10−11}面は、13族窒化物結晶を主成長面である{10−11}面に平行に結晶をスライスすることで容易に得られる。
Next, a processing process for manufacturing a substrate having the {10-11} plane as a main surface will be described. The {10-11} plane which is a semipolar plane can be easily obtained by slicing a
図3に示した結晶105の場合には、成長した{10−11}面に平行に結晶105をスライスして加工することで、{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。このとき、成長開始領域104の長尺方向にα傾いて形成された{10−11}面に平行に結晶105をスライスして表面加工することで、広い面積の{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。
In the case of the
また、図8に示した結晶205の場合には、成長した{10−11}面に平行に結晶をスライスして加工することで、{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。このとき、成長開始領域204の長尺方向に平行に形成された{10−11}面に平行に結晶204をスライスして表面加工することで、広い面積の{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。
Further, in the case of the
同様に、図12に示した結晶305の場合には、成長した{10−11}面に平行に結晶をスライスして加工することで、{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。このとき、成長開始領域304の長尺方向に平行に形成された{10−11}面に平行に結晶305をスライスして表面加工することで、広い面積の{10−11}面を主面とする13族窒化物結晶基板が得られる。
Similarly, in the case of the
このようにして製造された{10−11}面を主面とする基板は、主成長面が{10−11}面である13族窒化物結晶105,205、305を加工することによって得られた基板であるので、インクルージョンの取り込みが抑制されている。
The substrate having the {10-11} plane as the main surface manufactured in this way is obtained by processing the
また、これらの13族窒化物基板206、209、213、306、309、312および前述の{10−11}面基板は、主面が無極性面あるいは半極性面であるので、これらの基板を用いてInGaN活性層を有する発光デバイスを製造することで、高いIn組成のInGaN活性層の発光効率低下やブルーシフトを抑制することができる。その結果、緑色波長領域で発振する半導体レーザーや、高出力のLEDを製造することができる。
In addition, these
以下に本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、符号は、上記に図を参照して説明した各構成に対応している。 Examples are shown below to describe the present invention in more detail, but the present invention is not limited to these Examples. The reference numerals correspond to the respective configurations described above with reference to the drawings.
(実施例1)
本実施例では、図1に示す工程に沿って、製造装置4を用いて結晶成長を行い、13族窒化物結晶105を製造した。
Example 1
In this example, the
まず、下地基板101として、φ2インチのc面サファイア基板を使用した(図1(a)参照)。 First, a φ2 inch c-plane sapphire substrate was used as the base substrate 101 (see FIG. 1A).
―第1工程―
次に、このサファイア基板に、MOCVD法により13族窒化物層102としてGaN層をエピタキシャル成長させることで、テンプレート基板100を作製した。(図1(b)参照)。このMOCVDによるGaN層のエピタキシャル成長は、低温GaNバッファー層を成長させた後、高温GaN層を成長させる、一般的な2ステップ成長で行った。
―First step―
Next, a
次に、サファイア基板にストライプ状の貫通穴を開けたものをマスク領域103として用意し、13族窒化物層102としてのGaN層上に載置した。このGaN層における、サファイア基板の貫通孔から露出した領域(GaN層のc面)を、成長開始領域104とした。これによって、13族窒化物層102及びマスク領域103の形成された基板100Aを作製した。
Next, a sapphire substrate having stripe-like through holes was prepared as a
成長開始領域104の長尺方向の長さは45mmであり、幅は500μmであった。また、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成するGaN層のa軸と、の成す角度αは、約5°であった(図2参照)。
The length of the
―第2工程〜第3工程―
次に、図4に示す製造装置1を用いて第2工程及び第3工程を行った。
-2nd process-3rd process-
Next, the 2nd process and the 3rd process were performed using manufacturing device 1 shown in FIG.
まず、耐圧容器11をバルブ21部分で製造装置1から分離し、酸素1ppm以下、露点−80℃以下の高純度のAr雰囲気のグローブボックスに入れた。次に、YAGからなる内径92mmの反応容器12内に、本実施例で製造した基板100Aを設置した。次に、13族金属原料であるガリウム(Ga)を250gと、フラックスであるナトリウム(Na)を195gと、反応容器12内に投入した。なお、ガリウムとナトリウムのモル比は、0.3:0.7とした。更に、反応容器12内に、カーボンを0.9g添加した。次に、反応容器12を耐圧容器11内に設置した。
First, the
次に、耐圧容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器12内部を外部雰囲気と遮断した。なお、製造装置1におけるこれらの一連の作業は、高純度のArガス雰囲気のグローブボックス内で行った。このため、耐圧容器11内部には、Arガスが充填された状態であった。
Next, the
そして、耐圧容器11をグローブボックスから取り出し、製造装置1に組み込んだ。詳細には、耐圧容器11をヒーター13のある所定の位置に設置し、バルブ21部分で窒素とアルゴンのガス供給管14に接続した。次に、バルブ21とバルブ18を開け、ガス供給管20からArガスを導入し、圧力制御装置19で圧力を調整して耐圧容器11内の全圧を2.5MPaに調整した後に、バルブ18を閉じた。
Then, the
次に、窒素供給管17から窒素ガスを導入し、圧力制御装置16で圧力を調整してバルブ15を開け、耐圧容器11内の全圧を4MPaにした。すなわち、耐圧容器11の内部空間23の窒素の分圧は、1.5MPaであった。その後、バルブ15を閉じ、圧力制御装置16を8MPaに設定した。
Next, nitrogen gas was introduced from the
次いで、ヒーター13に通電し、反応容器12を結晶成長温度にまで昇温した。結晶成長温度は870℃とした。結晶成長温度では、反応容器12内のガリウムとナトリウムは融解し、混合融液を形成した。なお、混合融液の温度は反応容器12の温度と同温になる。また、この温度まで昇温すると本実施例の装置では、耐圧容器11内の気体が熱せられ全圧は8MPaとなった。すなわち、窒素分圧は3MPaとなった。
Next, the
次いで、バルブ15を開け、窒素ガス圧力を8MPaとした。これは、窒素が窒化ガリウムの結晶成長で消費されても耐圧容器11内の窒素分圧を3MPaに維持するためである。
Subsequently, the
このようにして窒素を混合融液中に溶解させ、基板100A主面に形成した成長開始領域104から13族窒化物結晶105であるGaNの結晶成長を開始させた(図1(d)参照)。
In this way, nitrogen was dissolved in the mixed melt, and crystal growth of GaN as the
そして、反応容器12内の温度を870℃、窒素ガス分圧を3MPaに保持した状態で、1000時間結晶成長を継続した。このとき、13族窒化物結晶105であるGaNが、成長開始領域104(GaN層)からマスク領域103であるサファイア基板上に広がって成長することが確認できた。また、{10−11}面が主結晶成長面となり、また、c面もわずかに形成されながら結晶成長が継続されていることが確認できた(図1(e)〜図1(g)参照)。
Then, crystal growth was continued for 1000 hours with the temperature in the
そして、1000時間結晶成長を継続した後、ヒーター13の通電を止め、混合融液24の温度を室温まで降温させた。耐圧容器11内のガスの圧力を下げた後、耐圧容器11を開けると、反応容器12内の基板100A上に、13族窒化物結晶105として、GaN結晶が結晶成長していた。
And after continuing crystal growth for 1000 hours, electricity supply to the
―第4工程―
結晶成長後、マスク領域103であるサファイア基板を軽くずらすと、13族窒化物結晶105であるGaN結晶における、基板100A上に形成された成長開始領域104部分が割れて、GaN結晶がきれいに分離した(図1(h)参照)。
-Fourth step-
After the crystal growth, when the sapphire substrate that is the
―13族窒化物結晶の評価―
この結晶成長によって得られたGaN結晶は、{10−11}面が主な結晶成長面となり、また、結晶上部にc面もわずかに形成されたため、成長開始領域104の長尺方向に垂直な断面形状は、台形であった(図3(b)参照)。
―Evaluation of
In the GaN crystal obtained by this crystal growth, the {10-11} plane is the main crystal growth plane, and a c-plane is slightly formed on the top of the crystal, so that it is perpendicular to the longitudinal direction of the
また、本実施例では、成長開始領域104の長尺方向と、成長開始領域104を構成するGaN層のa軸と、の成す角度を約5°になるようにしたので、該断面形状台形の斜面に対応する結晶面には、該長尺方向に交差する方向に向かってずれた、複数の{10−11}面が形成され、凹凸を有する面となっていた。(図3(a)参照)。
In the present embodiment, the angle formed by the long direction of the
結晶成長した13族窒化物結晶105としてのGaN結晶のサイズは、成長開始領域104の長尺方向に沿った方向の長さが約85mm、断面台形形状の下辺側に相当する底面の幅が40mm、上辺側に相当する上部の長さが約45mm、高さが約32mmであった。
The size of the grown GaN crystal as the
また、13族窒化物結晶105としてのGaN結晶について、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析を行った結果、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
As a result of SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis of the GaN crystal as the
(実施例2)
本実施例では、成長開始領域の長尺方向と、成長開始領域を構成するGaNのa軸と、が平行となるように、成長開始領域を形成し、結晶成長を行った。
(Example 2)
In this example, the growth start region was formed so that the long direction of the growth start region was parallel to the a-axis of GaN constituting the growth start region, and crystal growth was performed.
本実施例では、図6に示す工程に沿って、製造装置4を用いて結晶成長を行い、13族窒化物結晶205を製造した。
In this example, the
まず、下地基板200として、c面を主面とする、φ2インチのGaN基板を用意した。
First, a φ2 inch GaN substrate having a c-plane as a main surface was prepared as the
―第1工程―
次に、サファイア基板に直線状の貫通孔を開けたものマスク領域203として用意した。そして、このマスク領域203を、下地基板200としてのGaN基板上に載置した。このGaN層における、マスク領域203の貫通孔から露出した領域(GaN基板のc面)を、成長開始領域204とした。これによって、マスク領域203及び成長開始領域204の形成された基板200Aを作製した。
―First step―
Next, a
成長開始領域204の長尺方向の長さは45mmであり、幅は500μmであった。また、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成するGaN基板のa軸とは、平行であった(図7参照)。
The length in the longitudinal direction of the
―第2工程〜第3工程―
次に、図4に示す製造装置1を用いて、実施例1で用いた基板100Aに代えて、本実施例で作製した基板200Aを用いた以外は、実施例1と同じ結晶成長条件で、第2工程及び第3工程を行った。
-2nd process-3rd process-
Next, using the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 4, under the same crystal growth conditions as in Example 1, except that the
本実施例では、混合融液24中で、成長開始領域204から結晶成長を開始した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶(図6(c)参照)が、結晶成長の継続によって、マスク領域203であるサファイア基板上に広がって成長することが確認できた。また、この結晶成長の継続によって、13族窒化物結晶205としてのGaN結晶の{10−11}面が主成長面となって成長が継続していることが確認できた(図6(d)〜図6(f)参照)。
In this embodiment, in the
1000時間の結晶成長時間の後、ヒーター13の通電を止め、混合融液24の温度を室温まで降温した。そして、耐圧容器11内のガスの圧力を下げた後、耐圧容器11を開けると、反応容器12内の基板200A上にGaN結晶が結晶成長していた。
After the crystal growth time of 1000 hours, the
―第4工程―
結晶成長後、マスク領域203であるサファイア基板を軽くずらすと、13族窒化物結晶205であるGaN結晶における、基板200A上に形成された成長開始領域204部分が割れて、GaN結晶がきれいに分離した(図6(g)参照)。
-Fourth step-
After the crystal growth, when the sapphire substrate that is the
―13族窒化物結晶の評価―
この結晶成長によって得られたGaN結晶は、図8及び図13(a)に示すように、マスク領域203に接していない面が、{10−11}面で囲まれた形状になっており、成長開始領域204の長尺方向に平行な稜線に連続する{10−11}面が最も広い形状になっていた。また、{10−11}面が主な結晶成長面となり成長したため、結晶成長によって得られたGaN結晶は、成長開始領域204の長尺方向に垂直な断面形状が三角形状となっていた(図13(b)参照)。
―Evaluation of
As shown in FIGS. 8 and 13A, the GaN crystal obtained by this crystal growth has a shape in which the surface not in contact with the
また、本実施例では、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域204を構成するGaN基板のa軸とが平行であるので、該断面形状三角形の斜面に対応する{10−11}面は、該長尺方向に沿ってほぼ平坦に形成された面となっていた(図13(a)、図7(a)参照)。
Further, in this embodiment, since the longitudinal direction of the
結晶成長した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶のサイズは、成長開始領域204の長尺方向に沿った方向の長さが約85mm、断面三角形状の下辺に相当する底面の幅が40mm、高さが約35mmであった。
The size of the GaN crystal as the grown
―13族窒化物結晶基板の製造―
次に、本実施例で作製した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶を加工して、13族窒化物結晶基板を作製した。
―Manufacture of
Next, the GaN crystal as the
まず、図13(a)に示したように、本実施例で作製した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶を、成長開始領域204の長尺方向と交差する{20−21}面に平行にスライスした。次に、スライスしたGaN結晶の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した。
First, as shown in FIG. 13A, the GaN crystal as the
このようにして、{20−21}面を主面とする三角形状の半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板206)を得た(図13(b)参照)。
In this way, a triangular semipolar GaN crystal substrate (
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板206)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた。また、この半極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the manufactured semipolar GaN crystal substrate (
(実施例3)
本実施例では、実施例2と同様にして製造した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶について、実施例2とは異なる加工を行い、13族窒化物結晶基板を作製した。
(Example 3)
In this example, a GaN crystal as the
まず、図14(a)に示したように、実施例2で作製した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶の両脇を切断し、三角柱形状に成型した。次に、図14(a)に示すように、成型後のGaN結晶について、成長開始領域204の長尺方向と平行する{20−21}面に平行にスライスした。スライスされた結晶207のサイズは最大で45×36mm2であった(図14(b)参照)。
First, as shown in FIG. 14A, both sides of the GaN crystal as the
次に、スライスした結晶207をさらに所望の大きさに成型し、成型後の結晶208の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した(図14(c)参照)。
Next, the sliced
このようにして、13族窒化物結晶基板209として、{20−21}面を主面とする四角形状の半極性GaN結晶基板を得た(図14(d)参照)。
Thus, a tetragonal semipolar GaN crystal substrate having a {20-21} plane as a main surface was obtained as the
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板209)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた。また、この半極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the manufactured semipolar GaN crystal substrate (
(実施例4)
本実施例では、実施例2と同様にして製造した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶について、実施例2とは異なる加工を行い、13族窒化物結晶基板を作製した。
Example 4
In this example, a GaN crystal as the
まず、図15(a)に示したように、実施例2で作製した13族窒化物結晶205としてのGaN結晶の両脇を切断し、三角柱形状に成型した。次に、図15(a)に示すように、成長開始領域204の長尺方向と平行する{10−10}面に平行にスライスした。スライスされた結晶210のサイズは様々であったが、最大の結晶211で45×35mm2であった(図15(b)、(c)参照)。
First, as shown in FIG. 15A, both sides of a GaN crystal as the
次に、スライスした結晶210をさらに所望の大きさに成型し、成型後の結晶212の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した(図15(d)参照)。
Next, the sliced
このようにして、13族窒化物結晶基板213として、{10−10}面を主面とする四角形状の無極性GaN結晶基板を得た(図15(e)参照)。
Thus, a square nonpolar GaN crystal substrate having a {10-10} plane as a main surface was obtained as the
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した無極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板213)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた(図15(e)参照)。また、この無極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the produced nonpolar GaN crystal substrate (
(実施例5)
本実施例では、成長開始領域が13族窒化物層のm面であり、且つ、成長開始領域の長尺方向と、成長開始領域を構成する13族窒化物層のa軸方向と、が平行となるように、成長開始領域を形成し、結晶成長を行った。
(Example 5)
In this embodiment, the growth start region is the m-plane of the
本実施例では、図10に示す工程に沿って、製造装置4を用いて結晶成長を行い、13族窒化物結晶305を製造した。
In this example, the
―第1工程―
まず、テンプレート基板300として、下地基板301としてのサファイア基板上に、13族窒化物層302としてGaNの成膜された、m面を主面とするφ2インチのテンプレート基板300を用意した(図10(a)参照)。
―First step―
First, as a
次に、テンプレート基板300の主面に、サファイア基板に直線状の貫通孔を開けたものを載せてマスク領域303とした。そして、13族窒化物層302としてのGaN層における、貫通孔から露出した領域(すなわわち、GaN層のm面)を、成長開始領域304とした(図10(b))。これによって、マスク領域303及び成長開始領域304の形成された基板300Aを作製した。
Next, on the main surface of the
成長開始領域304の、長尺方向の長さは40mmであり、幅は500μmであった。また、成長開始領域304の長尺方向と、成長開始領域304を構成する13族窒化物層302であるGaN層のa軸と、は平行であった(図9(a)参照)。
The length in the longitudinal direction of the
―第2工程〜第3工程―
次に、図4に示す製造装置1を用いて、実施例1で用いた基板100Aに代えて、本実施例で作製した基板300Aを用いた以外は、実施例1と同じ結晶成長条件で、第2工程及び第3工程を行った。
-2nd process-3rd process-
Next, using the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 4, under the same crystal growth conditions as in Example 1, except that the
本実施例では、混合融液24中で、成長開始領域304から結晶成長を開始した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶(図10(c)参照)が、結晶成長の継続によって、マスク領域303に広がって成長することが確認できた。また、本実施例では、13族窒化物結晶305としてのGaN結晶は、{10−11}面と(000−1)N極性面を形成しながら成長することが確認できたが、(000−1)N極性面は成長速度が非常に遅く、該GaN結晶は[0001]方向に拡大して成長した(図10(d)〜図10(f)参照)。
In this embodiment, in the
1000時間の結晶成長時間の後、ヒーター13の通電を止め、混合融液24の温度を室温まで降温した。そして、耐圧容器11内のガスの圧力を下げた後、耐圧容器11を開けると、反応容器12内の基板300A上にGaN結晶が結晶成長していた。
After the crystal growth time of 1000 hours, the
―第4工程―
結晶成長後、マスク領域303であるサファイア基板を軽くずらすと、13族窒化物結晶305であるGaN結晶における、基板300A上に形成された成長開始領域304部分が割れて、GaN結晶がきれいに分離した(図10(g)参照)。
-Fourth step-
After crystal growth, when the sapphire substrate, which is the
―13族窒化物結晶の評価―
この結晶成長によって得られた13族窒化物結晶305であるGaN結晶は、図11及び図12に示すように、マスク領域303と接していない面が(000−1)面と{10−11}面で囲まれた形状になっており、マスク領域303における、成長開始領域304の長尺方向に平行な{10−11}面が最も広い形状になっていた。
―Evaluation of
As shown in FIGS. 11 and 12, the GaN crystal, which is a
また、13族窒化物結晶305であるGaN結晶は、{10−11}面と(000−1)N極性面を形成しながら成長したため、下地基板300の主面に垂直な(000−1)N極性面を底面とし、{10−11}面を斜面とする、成長開始領域304の長尺方向とテンプレート基板300主面に対して垂直な断面が直角三角形である結晶になった(図11(b)、図12参照)。
In addition, since the GaN crystal that is the
また、本実施例では、本実施例では、成長開始領域204の長尺方向と、成長開始領域304を構成するGaN基板のa軸とが平行であるので、上記断面の直角三角形の斜面に対応する{10−11}面は、該長尺方向に沿ってほぼ平坦に形成された面となっていた(図11(a)、図12参照)。
Further, in this example, in this example, the long direction of the
結晶成長した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶のサイズは、成長開始領域304の長尺方向に沿った方向の長さが約80mm、直角方向の長さが約35mm、高さが約35mmであった(図12参照)。
The size of the GaN crystal as the grown
―13族窒化物結晶基板の製造―
次に、本実施例で作製した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶を加工して、13族窒化物結晶基板を作製した。
―Manufacture of
Next, the GaN crystal as the
まず、図16(a)に示したように、本実施例で作製した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶を、成長開始領域304の長尺方向と交差する{20−21}面に平行にスライスした。次に、スライスしたGaN結晶の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した。
First, as shown in FIG. 16A, the GaN crystal as the
このようにして、{20−21}面を主面とする三角形状の半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板306)を得た(図16(b)参照)。
Thus, a triangular semipolar GaN crystal substrate (
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板306)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた。また、この半極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the manufactured semipolar GaN crystal substrate (
(実施例6)
本実施例では、実施例5と同様にして製造した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶について、実施例5とは異なる加工を行い、13族窒化物結晶基板を作製した。
(Example 6)
In this example, a GaN crystal as the
まず、図17(a)に示したように、実施例5で作製した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶の両脇を切断し、三角柱形状に成型した。次に、図17(a)に示すように、成型後のGaN結晶について、成長開始領域304の長尺方向と平行する{20−21}面に平行にスライスした。スライスされた結晶307のサイズは最大で40×35mm2であった(図17(b)参照)。
First, as shown in FIG. 17A, both sides of the GaN crystal as the
次に、スライスした結晶307をさらに所望の大きさに成型し、成型後の結晶308の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した(図17(c)参照)。
Next, the sliced
このようにして、13族窒化物結晶基板309として、{20−21}面を主面とする四角形状の半極性GaN結晶基板を得た(図17(d)参照)。
Thus, a tetragonal semipolar GaN crystal substrate having a {20-21} plane as a main surface was obtained as a
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した半極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板309)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた(図17(d)参照)。また、この半極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the manufactured semipolar GaN crystal substrate (
(実施例7)
本実施例では、実施例5と同様にして製造した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶について、実施例5とは異なる加工を行い、13族窒化物結晶基板を作製した。
(Example 7)
In this example, a GaN crystal as the
まず、図16(a)に示したように、実施例5で作製した13族窒化物結晶305としてのGaN結晶の両脇を切断し、三角柱形状に成型した。次に、図18(a)に示すように、成長開始領域304の長尺方向と平行する{10−10}面に平行にスライスした。スライスされた結晶310のサイズは様々であったが、最大で40×35mm2であった(図18(b)参照)。
First, as shown in FIG. 16A, both sides of the GaN crystal as the
次に、スライスした結晶310をさらに所望の大きさに成型し、成型後の結晶311の表面を研磨し、その後、CMP処理を施した(図18(c)参照)。
Next, the sliced
このようにして、13族窒化物結晶基板312として、{10−10}面を主面とする四角形状の無極性GaN結晶基板を得た(図18(d)参照)。
Thus, a square nonpolar GaN crystal substrate having a {10-10} plane as a main surface was obtained as the
―13族窒化物結晶基板の評価―
製造した無極性GaN結晶基板(13族窒化物結晶基板312)の主面を、蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞が観察できた。成長縞は、{10−11}面に平行に形成されていた(図18(d)参照)。また、この無極性GaN結晶基板中には、SIMS分析で、1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。
―Evaluation of
When the main surface of the produced nonpolar GaN crystal substrate (
103、203、303 マスク領域
104、204、304 成長開始領域
105、205、305 13族窒化物結晶
206、209、213、306、309、312 13族窒化物結晶基板
103, 203, 303
Claims (6)
下地基板の主面に、窒化物結晶が結晶成長を開始しうる材質からなる、前記主面に沿った直線状の成長開始領域を形成すると共に、該主面における該成長開始領域以外の領域に、窒化物結晶の核発生を阻害し且つ窒化物結晶の結晶成長を阻害しない材質からなるマスクが形成されたマスク領域を形成する第1工程と、
前記混合融液中において、前記成長開始領域から窒化物結晶の結晶成長を開始させる第2工程と、
前記成長開始領域から結晶成長した窒化物結晶の{10−11}面を主成長面とした結晶成長及び前記成長開始領域から該成長開始領域に連続する前記マスク領域に向かう方向への結晶成長を継続させる第3工程と、
を含む、13族窒化物結晶の製造方法。 In a method for producing a group 13 nitride crystal, wherein nitrogen is dissolved from a gas phase in a mixed melt containing at least an alkali metal and a group 13 metal, and a nitride crystal is grown in the mixed melt.
The main surface of the base substrate, made of a material nitride crystal may initiate crystal growth, thereby forming the main surface linear growth starting region along a, in a region other than the growth initiation region in the main surface A first step of forming a mask region in which a mask made of a material that inhibits nucleation of nitride crystals and does not inhibit crystal growth of nitride crystals;
A second step of starting the crystal growth of the nitride crystal from the growth start region in the mixed melt;
Crystal growth with a {10-11} plane of a nitride crystal grown from the growth start region as a main growth surface, and crystal growth from the growth start region toward the mask region continuous to the growth start region A third step to continue;
A method for producing a group 13 nitride crystal.
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