JP6327136B2 - 継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法およびＧａＮ結晶の製造方法 - Google Patents
継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法およびＧａＮ結晶の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、主として、継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法およびＧａＮ結晶の製造方法に関する。
ＧａＮ基板は、ＧａＮ（窒化ガリウム）結晶のみで構成された自立基板である。
ＧａＮ基板は、主に、窒化物半導体デバイス用の基板として使用される。窒化物半導体は、窒化物系III−V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体、などとも呼ばれ、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む他に、ＧａＮのＧａの一部または全部が、他の周期表１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ）に置換された化合物を含む。例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等である。
ＧａＮ基板は、主に、窒化物半導体デバイス用の基板として使用される。窒化物半導体は、窒化物系III−V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体、などとも呼ばれ、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む他に、ＧａＮのＧａの一部または全部が、他の周期表１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ）に置換された化合物を含む。例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等である。
主表面が極性面であるＧａＮ（０００１）基板（Ｃ面ＧａＮ基板）を用いた、ＬＤ（レーザーダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）のような半導体発光デバイスが、既に実用化されている。
一方、非極性または半極性ＧａＮ基板を使用することにより、特性の改善された窒化物半導体デバイスが得られるとの期待がある。
大面積の半極性ＧａＮ基板の製造方法が、特開２０１０−１３２９８号公報（特許文献１）で提案されている。この特許文献で提案された方法によれば、円盤形のシード基板上にＧａＮをｃ軸成長させて得た円盤形のバルクＧａＮ結晶から、複数のＧａＮ結晶片が切り出され、その複数のＧａＮ結晶片から継ぎ合せＧａＮ結晶が形成される。そして、その継ぎ合せＧａＮ結晶を研磨して得た、半極性面を主表面とするシードＧａＮ基板上に、バルクＧａＮ結晶が気相成長される。そのバルクＧａＮ結晶が半極性ＧａＮ基板に加工される。
特開２０１０−１３２９８号公報に開示された継ぎ合せＧａＮ結晶は、複数のＧａＮ結晶片が一方向に並んだ構造を有している。
一方、非極性または半極性ＧａＮ基板を使用することにより、特性の改善された窒化物半導体デバイスが得られるとの期待がある。
大面積の半極性ＧａＮ基板の製造方法が、特開２０１０−１３２９８号公報（特許文献１）で提案されている。この特許文献で提案された方法によれば、円盤形のシード基板上にＧａＮをｃ軸成長させて得た円盤形のバルクＧａＮ結晶から、複数のＧａＮ結晶片が切り出され、その複数のＧａＮ結晶片から継ぎ合せＧａＮ結晶が形成される。そして、その継ぎ合せＧａＮ結晶を研磨して得た、半極性面を主表面とするシードＧａＮ基板上に、バルクＧａＮ結晶が気相成長される。そのバルクＧａＮ結晶が半極性ＧａＮ基板に加工される。
特開２０１０−１３２９８号公報に開示された継ぎ合せＧａＮ結晶は、複数のＧａＮ結晶片が一方向に並んだ構造を有している。
継ぎ合せＧａＮ結晶を用いて、より大きな面積を有するＧａＮシード基板を作製するには、継ぎ合せＧａＮ結晶を構成する複数のＧａＮ単結晶を２つの方向に並べることが有効である。
本発明の主たる目的は、複数のＧａＮ単結晶が２つの方向に並んだ構成を有する継ぎ合せＧａＮ結晶の製造に用いられる製造方法であって、特に、その複数のＧａＮ単結晶間の結晶方位を一致させるうえで有利な製造方法を、提供することである。
本発明は、更に、かかる方法で製造される継ぎ合せＧａＮ結晶をシードに使用する、ＧａＮ結晶の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の主たる目的は、複数のＧａＮ単結晶が２つの方向に並んだ構成を有する継ぎ合せＧａＮ結晶の製造に用いられる製造方法であって、特に、その複数のＧａＮ単結晶間の結晶方位を一致させるうえで有利な製造方法を、提供することである。
本発明は、更に、かかる方法で製造される継ぎ合せＧａＮ結晶をシードに使用する、ＧａＮ結晶の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態には、以下に挙げる継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法およびＧａＮ結晶の製造方法が含まれる。
〔１〕（i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１ＧａＮ単結晶と、第２ＧａＮ単結晶と、該第１ＧａＮ単結晶と該第２ＧａＮ単結晶の間の接合面とを含むＧａＮ結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法。
〔２〕〔１〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
〔３〕〔１〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得たＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なるＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
〔１〕（i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１ＧａＮ単結晶と、第２ＧａＮ単結晶と、該第１ＧａＮ単結晶と該第２ＧａＮ単結晶の間の接合面とを含むＧａＮ結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法。
〔２〕〔１〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
〔３〕〔１〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得たＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なるＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
本発明の実施形態には、更に、以下が含まれる。
〔１ａ〕（i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１単結晶と、第２単結晶と、該第１単結晶と該第２単結晶の間の接合面とを含む結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１単結晶の一部と、前記第２単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せ結晶の製造方法。
〔２ａ〕前記原結晶が窒化物半導体結晶である、〔１ａ〕に記載の製造方法。
〔３ａ〕〔２ａ〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
〔４ａ〕〔２ａ〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得た窒化物半導体結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なる窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
〔１ａ〕（i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１単結晶と、第２単結晶と、該第１単結晶と該第２単結晶の間の接合面とを含む結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１単結晶の一部と、前記第２単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せ結晶の製造方法。
〔２ａ〕前記原結晶が窒化物半導体結晶である、〔１ａ〕に記載の製造方法。
〔３ａ〕〔２ａ〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
〔４ａ〕〔２ａ〕に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得た窒化物半導体結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なる窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
好ましい実施形態によれば、複数のＧａＮ単結晶が２つの方向に並んだ構成を有する継ぎ合せＧａＮ結晶の製造に用いられる製造方法であって、特に、その複数のＧａＮ単結晶間の結晶方位を一致させるうえで有利な、継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法が提供される。
更に、かかる方法で製造される継ぎ合せＧａＮ結晶をシードに使用する、ＧａＮ結晶の製造方法が提供される。
更に、かかる方法で製造される継ぎ合せＧａＮ結晶をシードに使用する、ＧａＮ結晶の製造方法が提供される。
１．継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法
（１）第１実施形態
第１実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、大きく分けて次の（i）〜（iii）の３つのステップを含む。
（i）継ぎ合せＧａＮ結晶である原結晶を準備する結晶準備ステップ。
（ii）原結晶を分割する結晶分割ステップ。
（iii）原結晶を分割して得た部分結晶同士を継ぎ合せる結晶継ぎ合せステップ。
各ステップの詳細を以下に説明する。
（１）第１実施形態
第１実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、大きく分けて次の（i）〜（iii）の３つのステップを含む。
（i）継ぎ合せＧａＮ結晶である原結晶を準備する結晶準備ステップ。
（ii）原結晶を分割する結晶分割ステップ。
（iii）原結晶を分割して得た部分結晶同士を継ぎ合せる結晶継ぎ合せステップ。
各ステップの詳細を以下に説明する。
（i）結晶準備ステップ
結晶準備ステップで準備する原結晶は、２つのＧａＮ単結晶（それぞれ「第１ＧａＮ単結晶」、「第２ＧａＮ単結晶」と称する）と、その２つのＧａＮ単結晶の接合面とを、少なくとも含む、継ぎ合せＧａＮ結晶である。
原結晶は、第１ＧａＮ単結晶と第２ＧａＮ単結晶を含む複数のＧａＮ単結晶を、結晶接合技法を用いて互いに継ぎ合せることにより作製される。
原結晶を構成するＧａＮ単結晶は、その製造方法により限定されるものではないが、好ましくは、アモノサーマル法あるいは液相成長法（例えば、フラックス法）で成長された、格子歪みの小さなＧａＮ結晶である。
結晶準備ステップで準備する原結晶は、２つのＧａＮ単結晶（それぞれ「第１ＧａＮ単結晶」、「第２ＧａＮ単結晶」と称する）と、その２つのＧａＮ単結晶の接合面とを、少なくとも含む、継ぎ合せＧａＮ結晶である。
原結晶は、第１ＧａＮ単結晶と第２ＧａＮ単結晶を含む複数のＧａＮ単結晶を、結晶接合技法を用いて互いに継ぎ合せることにより作製される。
原結晶を構成するＧａＮ単結晶は、その製造方法により限定されるものではないが、好ましくは、アモノサーマル法あるいは液相成長法（例えば、フラックス法）で成長された、格子歪みの小さなＧａＮ結晶である。
結晶接合技法の一例が、前述の特許文献１に開示されている。この例では、２つのＧａＮ結晶表面を、真空チャンバ内でアルゴンイオンエッチングして清浄化し、更に熱処理を行った後、圧着することにより接合させている。
国際公開ＷＯ２０１４／０８４２１７号公報には、ＧａＮを含む各種の無機材料同士を、常温接合させる技法が開示されている。簡単に説明すると、真空中に配置した接合対象の材料の表面に、イオンビームや原子ビームに代表される不活性元素の高速粒子ビームを照射する。その高速粒子ビームの粒子の衝突に応じて、材料の表面から酸化膜層や不純物層がスパッタされて除去される。これにより材料の表面は活性化し、ダングリングボンドと呼ばれる表面原子の結合手が現れる。この状態となった材料の表面同士を接触させることにより、接合が形成される。
国際公開ＷＯ２０１４／０８４２１７号公報には、ＧａＮを含む各種の無機材料同士を、常温接合させる技法が開示されている。簡単に説明すると、真空中に配置した接合対象の材料の表面に、イオンビームや原子ビームに代表される不活性元素の高速粒子ビームを照射する。その高速粒子ビームの粒子の衝突に応じて、材料の表面から酸化膜層や不純物層がスパッタされて除去される。これにより材料の表面は活性化し、ダングリングボンドと呼ばれる表面原子の結合手が現れる。この状態となった材料の表面同士を接触させることにより、接合が形成される。
図１に、結晶準備ステップで準備する原結晶の構造例を示す。
図１を参照すると、原結晶１０は、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２とが継ぎ合された構造を有しており、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶の間には接合面１３がある。
接合面１３における、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２の間の方位ズレは、可能な限り小さいことが望ましい。
原結晶１０は、第１ＧａＮ単結晶１１および第２ＧａＮ単結晶１２のみから構成されていてもよいが、限定されるものではない。図２に示すように、原結晶１０は、３個以上のＧａＮ単結晶が一列に継ぎ合された構成を有していてもよく、第１ＧａＮ単結晶１１および第２ＧａＮ単結晶１２は、その中に含まれる２個の隣接したＧａＮ単結晶であり得る。
図１を参照すると、原結晶１０は、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２とが継ぎ合された構造を有しており、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶の間には接合面１３がある。
接合面１３における、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２の間の方位ズレは、可能な限り小さいことが望ましい。
原結晶１０は、第１ＧａＮ単結晶１１および第２ＧａＮ単結晶１２のみから構成されていてもよいが、限定されるものではない。図２に示すように、原結晶１０は、３個以上のＧａＮ単結晶が一列に継ぎ合された構成を有していてもよく、第１ＧａＮ単結晶１１および第２ＧａＮ単結晶１２は、その中に含まれる２個の隣接したＧａＮ単結晶であり得る。
（ii）結晶分割ステップ
結晶分割ステップでは、（i）結晶準備ステップで準備した原結晶を分割する。
ここで、分割により得られる複数の部分結晶には、各々次の条件を充たす第１部分結晶および第２部分結晶が含まれるようにする。
その条件とは、第１ＧａＮ単結晶の一部、第２ＧａＮ単結晶の一部、および、第１ＧａＮ単結晶と第２ＧａＮ単結晶の間の接合面の一部を含むことである。
この条件から理解されるように、第１部分単結晶と第２部分単結晶は、いずれも、継ぎ合せＧａＮ結晶である。
結晶分割ステップでは、（i）結晶準備ステップで準備した原結晶を分割する。
ここで、分割により得られる複数の部分結晶には、各々次の条件を充たす第１部分結晶および第２部分結晶が含まれるようにする。
その条件とは、第１ＧａＮ単結晶の一部、第２ＧａＮ単結晶の一部、および、第１ＧａＮ単結晶と第２ＧａＮ単結晶の間の接合面の一部を含むことである。
この条件から理解されるように、第１部分単結晶と第２部分単結晶は、いずれも、継ぎ合せＧａＮ結晶である。
原結晶の分割は、ＧａＮ結晶の切断／スライスに通常使用される技法を用いて行うことができる。切断ツールとしては、ワイヤソー、内周刃ソー、外周刃ソー等を使用することができる。
一例では、図１に示す原結晶１０を、紙面内における上下方向に二等分して、図３に示す第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂを得ることができる。
図３を参照すると、第１部分結晶１０ａは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａ、および、これら２つの部分の間の接合面１３ａを含んでおり、第２部分結晶１０ｂも、第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂ、および、これら２つの部分の間の接合面１３ｂを含んでいる。
第１部分結晶の第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと、第２部分結晶の第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂは、それぞれ、原結晶に含まれていた第１ＧａＮ単結晶１１の上半分と下半分である。同様に、第１部分結晶の第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと、第２部分結晶の第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂは、それぞれ、原結晶に含まれていた第２ＧａＮ単結晶１２の上半分と下半分である。
一例では、図１に示す原結晶１０を、紙面内における上下方向に二等分して、図３に示す第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂを得ることができる。
図３を参照すると、第１部分結晶１０ａは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａ、および、これら２つの部分の間の接合面１３ａを含んでおり、第２部分結晶１０ｂも、第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂ、および、これら２つの部分の間の接合面１３ｂを含んでいる。
第１部分結晶の第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと、第２部分結晶の第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂは、それぞれ、原結晶に含まれていた第１ＧａＮ単結晶１１の上半分と下半分である。同様に、第１部分結晶の第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと、第２部分結晶の第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂは、それぞれ、原結晶に含まれていた第２ＧａＮ単結晶１２の上半分と下半分である。
結晶分割ステップにおける原結晶の分割の仕方は、二等分に限定されるものではない。
結晶分割ステップにおいて、原結晶１０を、図４に示すように、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎに分割してもよい。図４の例では、部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎの全てが、第１部分結晶および第２部分結晶に要求される前述の条件を充たしている。
結晶分割ステップにおいて、原結晶１０を、図４に示すように、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎに分割してもよい。図４の例では、部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎの全てが、第１部分結晶および第２部分結晶に要求される前述の条件を充たしている。
（iii）結晶継ぎ合せステップ
結晶継ぎ合せステップでは、（ii）結晶分割ステップで得た第１部分結晶および第２部分結晶を継ぎ合せて、新たな継ぎ合せＧａＮ結晶（「二次結晶」と称する）を得る。
ここでの条件は、第１ＧａＮ単結晶部分同士および第２ＧａＮ単結晶部分同士を接合することによって、第１部分結晶と第２部分結晶を継ぎ合せることである。
結晶継ぎ合せステップでは、（ii）結晶分割ステップで得た第１部分結晶および第２部分結晶を継ぎ合せて、新たな継ぎ合せＧａＮ結晶（「二次結晶」と称する）を得る。
ここでの条件は、第１ＧａＮ単結晶部分同士および第２ＧａＮ単結晶部分同士を接合することによって、第１部分結晶と第２部分結晶を継ぎ合せることである。
図３に示す第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂを継ぎ合せる場合には、図５（ａ）に示すように、第１部分結晶に含まれる第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと、第２部分結晶に含まれる第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂとを接合し、かつ、第１部分結晶に含まれる第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと、第２部分結晶に含まれる第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂとを接合する。
図５（ｂ）に、第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂを継ぎ合せて得られる二次結晶２０の構造を示す。図示されるように、二次結晶２０を構成する４つのＧａＮ単結晶部分１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、２つの方向に並んでいる。
２つの方向の一方は、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと第２ＧａＮ単結晶部分１２ａとの接合面に直交する方向Ａである（第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂと第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂとの接合面に直交する方向でもある）。２つの方向の他の一方は、第１部分結晶１０ａの第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと第２部分結晶１０ｂの第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂとの接合面に直交する方向Ｂである（第１部分結晶１０ａの第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと第２部分結晶１０ｂの第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂとの接合面に直交する方向でもある）。
２つの方向の一方は、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと第２ＧａＮ単結晶部分１２ａとの接合面に直交する方向Ａである（第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂと第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂとの接合面に直交する方向でもある）。２つの方向の他の一方は、第１部分結晶１０ａの第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと第２部分結晶１０ｂの第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂとの接合面に直交する方向Ｂである（第１部分結晶１０ａの第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと第２部分結晶１０ｂの第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂとの接合面に直交する方向でもある）。
結晶継ぎ合せステップでは、（i）結晶準備ステップと同じ結晶接合技法を用いることができる。すなわち、前述の特許文献１に開示された方法のように、第１部分結晶と第２部分結晶の表面を、真空チャンバ内でアルゴンイオンエッチングして清浄化し、更に熱処理を行った後、圧着して接合させる。あるいは、国際公開ＷＯ２０１４／０８４２１７号公報に開示された方法を用いて、常温で接合させる。
接合に先立って、互いに接合させるべき第１部分結晶と第２部分結晶の表面は、グラインディングおよび／またはラッピングにより平坦化したうえ、更に、ＣＭＰ処理をして、ダメージ層の除去と、原子レベルの平滑化を行う。
接合に先立って、互いに接合させるべき第１部分結晶と第２部分結晶の表面は、グラインディングおよび／またはラッピングにより平坦化したうえ、更に、ＣＭＰ処理をして、ダメージ層の除去と、原子レベルの平滑化を行う。
以上に説明した第１実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法の利点を説明すると、次の通りである。
前述の通り、（i）結晶準備ステップで準備する原結晶１０において、接合面１３における第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２の間の方位ズレは可能な限り小さいことが望ましい。しかし、この方位ズレを完全に解消することは簡単ではない。通常、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２との間には、たとえ僅かであっても、必ず結晶ズレが存在する。
一方、（iii）結晶継ぎ合せステップでも、接合面における第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂの間の方位ズレは、可能な限り小さくすることが望まれる。
前述の通り、（i）結晶準備ステップで準備する原結晶１０において、接合面１３における第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２の間の方位ズレは可能な限り小さいことが望ましい。しかし、この方位ズレを完全に解消することは簡単ではない。通常、第１ＧａＮ単結晶１１と第２ＧａＮ単結晶１２との間には、たとえ僅かであっても、必ず結晶ズレが存在する。
一方、（iii）結晶継ぎ合せステップでも、接合面における第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂの間の方位ズレは、可能な限り小さくすることが望まれる。
ここで、第１部分結晶１０ａと第２部分結晶１０ｂは、どちらも原結晶１０から切り出されたものであるから、第１部分結晶１０ａにおける２つの単結晶部分１１ａと１２ａの間の方位ズレと、第２部分結晶１０ｂにおける２つの単結晶部分１１ｂと１２ｂの間の方位ズレとでは、ズレの方向と量が実質的に等しい。
従って、（iii）結晶継ぎ合せステップにおいて、第１部分結晶１０ａの第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと、第２部分結晶１０ｂの第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂの間の方位ズレを小さくすれば、第１部分結晶１０ａの第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと、第２部分結晶１０ｂの第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂの間の方位ズレも、自動的に小さくなる。
従って、（iii）結晶継ぎ合せステップにおいて、第１部分結晶１０ａの第１ＧａＮ単結晶部分１１ａと、第２部分結晶１０ｂの第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂの間の方位ズレを小さくすれば、第１部分結晶１０ａの第２ＧａＮ単結晶部分１２ａと、第２部分結晶１０ｂの第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂの間の方位ズレも、自動的に小さくなる。
（２）第１実施形態の変形例
第１実施形態の一変形例においては、（ii）結晶分割ステップにおいて、図４に示すように、原結晶１０をＮ個（Ｎは３以上の整数）の部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎに分割する。そして、（iii）結晶継ぎ合せステップにおいては、ｍ個（ｍは３以上Ｎ以下の整数）の部分結晶を、図６（ａ）に示すように継ぎ合せる。すなわち、隣接する部分結晶間で、互いの第１ＧａＮ結晶部分同士、第２ＧａＮ結晶部分同士が接合されるようにする。
図６（ｂ）は、こうして得られる二次結晶（継ぎ合せＧａＮ結晶）の平面図である。
第１実施形態の一変形例においては、（ii）結晶分割ステップにおいて、図４に示すように、原結晶１０をＮ個（Ｎは３以上の整数）の部分結晶１０‐１〜１０‐Ｎに分割する。そして、（iii）結晶継ぎ合せステップにおいては、ｍ個（ｍは３以上Ｎ以下の整数）の部分結晶を、図６（ａ）に示すように継ぎ合せる。すなわち、隣接する部分結晶間で、互いの第１ＧａＮ結晶部分同士、第２ＧａＮ結晶部分同士が接合されるようにする。
図６（ｂ）は、こうして得られる二次結晶（継ぎ合せＧａＮ結晶）の平面図である。
（３）第２実施形態
第２実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、第１実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法における３つのステップ（i）〜（iii）を備えるとともに、加えて、次の（iv）および（v）のステップを有する。
（iv）（iii）結晶継ぎ合せステップで得た二次結晶を分割する、第二の結晶分割ステップ。
（v）二次結晶を分割して得た部分結晶同士を継ぎ合せる、第二の結晶継ぎ合せステップ。
第２実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、第１実施形態に係る継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法における３つのステップ（i）〜（iii）を備えるとともに、加えて、次の（iv）および（v）のステップを有する。
（iv）（iii）結晶継ぎ合せステップで得た二次結晶を分割する、第二の結晶分割ステップ。
（v）二次結晶を分割して得た部分結晶同士を継ぎ合せる、第二の結晶継ぎ合せステップ。
第２実施形態における（iv）第二の結晶分割ステップでは、例えば、図５（ｂ）に示す二次結晶２０を、図７に示すように、紙面内における上下方向に二等分する。
図７を参照すると、二次結晶２０は、第３部分結晶２０ｃと第４部分結晶２０ｄに分割されている。
第３部分結晶２０ｃは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｃおよび１１ｂｃ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｃおよび１２ｂｃを含んでいる。
第４部分結晶２０ｄは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｄおよび１１ｂｄ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｄおよび１２ｂｄを含んでいる。
図７を参照すると、二次結晶２０は、第３部分結晶２０ｃと第４部分結晶２０ｄに分割されている。
第３部分結晶２０ｃは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｃおよび１１ｂｃ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｃおよび１２ｂｃを含んでいる。
第４部分結晶２０ｄは、第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｄおよび１１ｂｄ、第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｄおよび１２ｂｄを含んでいる。
図７に示す第３部分結晶２０ｃと第４部分結晶２０ｄが、（v）第二の結晶継ぎ合せステップでは、図８（ａ）に示すように継ぎ合される。すなわち、第１ＧａＮ単結晶部分同士および第２ＧａＮ単結晶部分同士の接合によって、第３部分結晶と第４部分結晶とが継ぎ合される。
かかる継ぎ合せの結果、図８（ｂ）に示す、新たな継ぎ合せＧａＮ結晶である三次結晶３０が形成される。
かかる継ぎ合せの結果、図８（ｂ）に示す、新たな継ぎ合せＧａＮ結晶である三次結晶３０が形成される。
この第２実施形態においても、（v）第二の結晶継ぎ合せステップにおいて、第３部分結晶２０ｃの第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂｃと、第４部分結晶２０ｄの第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｄの間の方位ズレを小さくすれば、第３部分結晶２０ｃの第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂｃと、第４部分結晶２０ｄの第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｄの間の方位ズレが、自動的に小さくなる。
これは、第３部分結晶２０ｃにおける第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂｃと第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂｃの間の方位ズレと、第４部分結晶２０ｄにおける第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｄと第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｄの間の方位ズレとは、ズレの方向と量が実質的に同じであることによる。
これは、第３部分結晶２０ｃにおける第１ＧａＮ単結晶部分１１ｂｃと第２ＧａＮ単結晶部分１２ｂｃの間の方位ズレと、第４部分結晶２０ｄにおける第１ＧａＮ単結晶部分１１ａｄと第２ＧａＮ単結晶部分１２ａｄの間の方位ズレとは、ズレの方向と量が実質的に同じであることによる。
２．ＧａＮ結晶の製造方法
実施形態に係るＧａＮ結晶の製造方法では、前記１．で説明した方法を用いて製造される継ぎ合せＧａＮ結晶（二次結晶および三次結晶）の、少なくとも一部をシードに用いる。
例えば、図５（ｂ）に示す二次結晶２０の表面を、グラインディング、ラッピング、ポリシング、ＣＭＰ等の平坦化技法を用いて、ＧａＮのエピタキシャル成長に適した平坦面に加工し、シード基板とすることができる。そのようにして得られるシード基板２０Ｓ上に、図９に示すように、バルクＧａＮ結晶１００を成長させることができる。バルクＧａＮ結晶１００の成長方法は、好ましくはＨＶＰＥ法である。
実施形態に係るＧａＮ結晶の製造方法では、前記１．で説明した方法を用いて製造される継ぎ合せＧａＮ結晶（二次結晶および三次結晶）の、少なくとも一部をシードに用いる。
例えば、図５（ｂ）に示す二次結晶２０の表面を、グラインディング、ラッピング、ポリシング、ＣＭＰ等の平坦化技法を用いて、ＧａＮのエピタキシャル成長に適した平坦面に加工し、シード基板とすることができる。そのようにして得られるシード基板２０Ｓ上に、図９に示すように、バルクＧａＮ結晶１００を成長させることができる。バルクＧａＮ結晶１００の成長方法は、好ましくはＨＶＰＥ法である。
継ぎ合せ結晶が厚い場合には、これをスライスして厚さ３００μｍ〜２ｍｍの板を切り出し、その板の表面をＧａＮのエピタキシャル成長に適した平坦面に加工することにより、シード基板を得ることができる。
一例においては、前記１．で説明した方法を用いて製造される継ぎ合せＧａＮ結晶同士を更に継ぎ合せて、より大きなサイズの継ぎ合せＧａＮ結晶を取得し、それをシード基板に加工してもよい。
一例においては、前記１．で説明した方法を用いて製造される継ぎ合せＧａＮ結晶同士を更に継ぎ合せて、より大きなサイズの継ぎ合せＧａＮ結晶を取得し、それをシード基板に加工してもよい。
シード基板を１枚ずつ使用することは必須ではない。複数のシード基板を、各々の主表面が同一平面上となるように密に並べて、集合シードを構成してもよい。かかる集合シード上にＨＶＰＥ法でＧａＮを成長させると、各シード基板の表面から成長する結晶が合体して、集合シード全体を覆うひとつながりのバルクＧａＮ結晶が得られる。
シード基板の主表面は、継ぎ合せＧａＮ結晶の表面を研磨して平坦化する際、あるいは、継ぎ合せＧａＮ結晶をスライスする際に、所望する結晶面と平行となるようにすることができる。
シード基板の主表面は、継ぎ合せＧａＮ結晶の表面を研磨して平坦化する際、あるいは、継ぎ合せＧａＮ結晶をスライスする際に、所望する結晶面と平行となるようにすることができる。
シード基板上に成長させたバルクＧａＮ結晶は、加工してＧａＮ基板にすることができる。また、そのＧａＮ基板をシードに用いて、更なるバルクＧａＮ結晶を成長させ、そのバルクＧａＮ結晶を加工してＧａＮ基板を得ることもできる。
ＧａＮ基板の面方位に限定はなく、（０００１）基板、（０００−１）基板、（１０−１０）基板、（１１−２０）基板、（３０−３１）基板、（３０−３−１）基板、（２０−２１）基板、（２０−２−１）基板、（３０−３２）基板、（３０−３−２）基板、（１０−１１）基板、（１０−１−１）基板、（１１−２１）基板、（１１−２−１）基板等、様々なＧａＮ基板を作製することができる。
ＧａＮ基板の直径は、限定するものではないが、２インチ（約５ｃｍ）、４インチ（約１０ｃｍ）、６インチ（約１５ｃｍ）等とすることができる。
ＧａＮ基板の面方位に限定はなく、（０００１）基板、（０００−１）基板、（１０−１０）基板、（１１−２０）基板、（３０−３１）基板、（３０−３−１）基板、（２０−２１）基板、（２０−２−１）基板、（３０−３２）基板、（３０−３−２）基板、（１０−１１）基板、（１０−１−１）基板、（１１−２１）基板、（１１−２−１）基板等、様々なＧａＮ基板を作製することができる。
ＧａＮ基板の直径は、限定するものではないが、２インチ（約５ｃｍ）、４インチ（約１０ｃｍ）、６インチ（約１５ｃｍ）等とすることができる。
３．その他の実施形態
上記１．に説明した、継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、ＧａＮ以外の様々な窒化物半導体からなる継ぎ合せ結晶、更には、窒化物半導体以外の様々な無機材料からなる継ぎ合せ結晶の製造に応用することができる。窒化物半導体以外の無機材料には、限定するものではないが、II−VI族半導体、IV族半導体、酸化物等が含まれる。
上記１．に説明した、継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法は、ＧａＮ以外の様々な窒化物半導体からなる継ぎ合せ結晶、更には、窒化物半導体以外の様々な無機材料からなる継ぎ合せ結晶の製造に応用することができる。窒化物半導体以外の無機材料には、限定するものではないが、II−VI族半導体、IV族半導体、酸化物等が含まれる。
以上、本発明を実施形態に即して具体的に説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。
１０ 原結晶
１１ 第１ＧａＮ単結晶
１２ 第２ＧａＮ単結晶
１３ 接合面
２０ 二次結晶
２０Ｓ シード基板
３０ 三次結晶
１１ 第１ＧａＮ単結晶
１２ 第２ＧａＮ単結晶
１３ 接合面
２０ 二次結晶
２０Ｓ シード基板
３０ 三次結晶
Claims (7)
- （i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１ＧａＮ単結晶と、第２ＧａＮ単結晶と、該第１ＧａＮ単結晶と該第２ＧａＮ単結晶の間の接合面とを含むＧａＮ結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１ＧａＮ単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２ＧａＮ単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せＧａＮ結晶の製造方法。
- 請求項１に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
- 請求項１に記載の製造方法を用いて継ぎ合せＧａＮ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いてＧａＮ結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得たＧａＮ結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なるＧａＮ結晶を成長させるステップと、を有するＧａＮ結晶の製造方法。
- （i）原結晶を準備するステップであって、該原結晶が、第１単結晶と、第２単結晶と、該第１単結晶と該第２単結晶の間の接合面とを含む結晶である、結晶準備ステップと；（ii）原結晶を、第１部分結晶および第２部分結晶を含む複数の部分結晶に分割するステップであって、該第１部分結晶および該第２部分結晶が、それぞれ、前記第１単結晶の一部と、前記第２単結晶の一部と、前記接合面の一部とを含む、結晶分割ステップと；（iii）前記第１部分結晶と前記第２部分結晶とを継ぎ合せて二次結晶を得るステップであって、前記第１部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第１単結晶の一部とが接合され、かつ、前記第１部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部と、前記第２部分結晶に含まれる前記第２単結晶の一部とが接合される、結晶継ぎ合せステップと；を含む継ぎ合せ結晶の製造方法。
- 前記原結晶が窒化物半導体結晶である、請求項４に記載の製造方法。
- 請求項５に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項５に記載の製造方法を用いて継ぎ合せ結晶を製造するステップと、該製造するステップで得た継ぎ合せ結晶の少なくとも一部をシードに用いて窒化物半導体結晶を成長させるステップと、該成長させるステップで得た窒化物半導体結晶の少なくとも一部をシードに用いて更なる窒化物半導体結晶を成長させるステップと、を有する窒化物半導体結晶の製造方法。
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