JP6365992B2 - Group III nitride crystal manufacturing method and RAMO4 substrate - Google Patents
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Description
本発明はIII族窒化物結晶製造方法及びRAMO4基板に関するものである。 The present invention relates to a group III nitride crystal manufacturing method and a RAMO 4 substrate.
一般式RAMO4で表される基板(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)の一例としてScAlMgO4基板が知られている。ScAlMgO4基板は、GaN等の窒化物半導体の成長基板として用いられている(例えば、特許文献1参照。)。図11は、特許文献1に記載された従来のScAlMgO4基板製造方法の工程を示す図である。S201工程の単結晶形成において、ScAlMgO4のバルク材料が形成される。S202工程の成長基板作製においてバルク材料を劈開することにより基板が形成される。S203のGaN層形成において、前記基板上にGaN層が形成される。S204工程の成長基板除去において、成長基板であるScAlMgO4基板が、緩衝弗酸等を用いてエッチングによって除去されたり、ScAlMgO4基板の一部を劈開後、さらにエッチングや研磨により成長基板が除去されたりする。これらの工程を行うことで、最終的に、GaN基板が形成される。 A substrate represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements, and A represents Fe. (III) represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Ga, and Al, and M is a group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn, and Cd As an example, a ScAlMgO 4 substrate is known. The ScAlMgO 4 substrate is used as a growth substrate for a nitride semiconductor such as GaN (see, for example, Patent Document 1). FIG. 11 is a diagram showing the steps of the conventional ScAlMgO 4 substrate manufacturing method described in Patent Document 1. In the formation of the single crystal in step S201, a bulk material of ScAlMgO 4 is formed. The substrate is formed by cleaving the bulk material in the growth substrate production in step S202. In the GaN layer formation in S203, a GaN layer is formed on the substrate. In the growth substrate removal of S204 step, ScAlMgO 4 substrate is a growth substrate, or is removed by etching using buffered hydrofluoric acid or the like, after cleaving a portion of ScAlMgO 4 substrate, further growth substrate by etching or polishing is removed Or By performing these steps, a GaN substrate is finally formed.
上述のように、特許文献1では、GaN基板を製造する際、S204工程においてRAMO4基板をエッチングや研磨によって除去している。また、RAMO4基板の一部を、劈開によって除去した場合には、除去したRAMO4基板を一度溶解させてから再度単結晶体とすることで、再利用している。しかしながら、近年、GaN基板作製のコストや製造効率等を勘案し、除去したRAMO4基板を容易に再利用することが求められている。つまり、本開示は、III族窒化物を製造する際に、成長基板であるRAMO4基板の使用効率を向上させる方法を提供することを目的とする。 As described above, in Patent Document 1, when manufacturing a GaN substrate, the RAMO 4 substrate is removed by etching or polishing in step S204. Further, when a part of the RAMO 4 substrate is removed by cleavage, the removed RAMO 4 substrate is reused by dissolving the removed RAMO 4 substrate once and making it into a single crystal again. However, in recent years, it has been required to easily reuse the removed RAMO 4 substrate in consideration of the cost of manufacturing the GaN substrate, the manufacturing efficiency, and the like. That is, an object of the present disclosure is to provide a method for improving the use efficiency of the RAMO 4 substrate, which is a growth substrate, when manufacturing a group III nitride.
上記目的を達成するために、本開示は、一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなり、側部に切り欠きを有するRAMO4基板を準備する工程と、前記RAMO4基板上にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、前記切り欠きを起点に前記RAMO4基板を劈開させる工程と、を有する、III族窒化物結晶製造方法を提供する。
また、本開示は、一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるRAMO4基板において、側部に切り欠きを有する、RAMO4基板を提供する。
To achieve the above object, the present disclosure provides a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R is one selected from the group consisting of Sc, In, Y, and a lanthanoid element) Or A represents a plurality of trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe (III), Ga, and Al, and M represents Mg, Mn, Fe ( II), representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Co, Cu, Zn, and Cd), and preparing a RAMO 4 substrate having a notch on the side, and growing a group III nitride crystal RAMO 4 on a substrate, and a step for cleaving the RAMO 4 substrate the notch starting point, to provide a group III nitride crystal manufacturing method.
Further, the present disclosure provides a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R is one or more trivalent selected from the group consisting of Sc, In, Y, and a lanthanoid element) A represents an element, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe (III), Ga, and Al, and M represents Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu A RAMO 4 substrate having a notch on a side portion thereof is provided. The RAMO 4 substrate is a RAMO 4 substrate composed of one or more divalent elements selected from the group consisting of Zn, Cd, and Cd.
本開示によれば、RAMO4基板を容易に再利用し、III族窒化物を製造する方法およびRAMO4基板を提供できる。 According to the present disclosure, the RAMO 4 substrate easily reused, it provides a method and RAMO 4 substrate to produce a group III nitride.
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図10を参照しながら説明する。実施の形態において、III族窒化物をGaNとし、RAMO4基板をScAlMgO4として説明を行なう。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In the embodiment, the group III nitride is GaN, and the RAMO 4 substrate is ScAlMgO 4 .
(実施の形態1)
図5に本開示の実施の形態1に係る、III族窒化物を製造する方法の各工程を示す。本方法は、ScAlMgO4単結晶からなり、側部に切り欠き2bを有するScAlMgO4基板10を準備する工程(図5A)と、ScAlMgO4基板10上にIII族窒化物結晶4を成長させる工程(図5B)と、切り欠き2bを起点にScAlMgO4基板10を劈開させる工程(図5C)と、を有する、III族窒化物結晶製造方法である。
(Embodiment 1)
FIG. 5 shows each step of the method for producing a group III nitride according to the first embodiment of the present disclosure. This method comprises a step of preparing a ScAlMgO 4 substrate 10 made of a ScAlMgO 4 single crystal and having a notch 2b on the side (FIG. 5A), and a step of growing a group III nitride crystal 4 on the ScAlMgO 4 substrate 10 ( 5B) and a step (FIG. 5C) of cleaving the ScAlMgO 4 substrate 10 starting from the notch 2b (FIG. 5C).
図5Aの上図は、ScAlMgO4基板10の主面を平面視した図であり、下図は、ScAlMgO4基板10の厚み方向の側面図であり、特に、ScAlMgO4基板10の側部の一部を拡大した図である。ScAlMgO4基板10の主面は、ScAlMgO4単結晶の劈開面であり、切り欠き2bは、ScAlMgO4基板10の側部に、劈開面と略平行に配されている。図5Bの工程で、ScAlMgO4基板10を種基板としてその主面上にIII族窒化物結晶を成長させる。その後、ScAlMgO4基板10は、切り欠き2bを起点に、III族窒化物結晶の形成された側10bと、III族窒化物結晶の形成されていない側10aとに容易に分離される。このため、容易に、III族窒化物結晶の形成されていない側10aを再利用することが可能である。例えば、III族窒化物結晶の形成されていない側10aを再利用して、その主面上にIII族窒化物結晶を成長させても良い。 Top view of FIG. 5A is a diagram viewed from above the main surface of ScAlMgO 4 substrate 10, below is a side view in the thickness direction of ScAlMgO 4 substrate 10, in particular, a portion of the side of ScAlMgO 4 substrate 10 FIG. The main surface of the ScAlMgO 4 substrate 10 is a cleavage plane of the ScAlMgO 4 single crystal, and the notch 2b is arranged on the side portion of the ScAlMgO 4 substrate 10 substantially in parallel with the cleavage surface. In the step of FIG. 5B, a group III nitride crystal is grown on the main surface of the ScAlMgO 4 substrate 10 as a seed substrate. Thereafter, the ScAlMgO 4 substrate 10 is easily separated into the side 10b where the group III nitride crystal is formed and the side 10a where the group III nitride crystal is not formed starting from the notch 2b. For this reason, the side 10a on which the group III nitride crystal is not formed can be easily reused. For example, the side 10a where the group III nitride crystal is not formed may be reused to grow the group III nitride crystal on the main surface.
次に、ScAlMgO4基板10を製造する方法を含めたIII族窒化物結晶製造方法の詳細について説明する。説明に際し、III族窒化物としてGaN(窒化ガリウム)を例示する。 Next, details of a method for producing a group III nitride crystal including a method for producing the ScAlMgO 4 substrate 10 will be described. In the description, GaN (gallium nitride) is exemplified as the group III nitride.
本方法の詳細は、図1に示すように、単結晶ScAlMgO4を生成するScAlMgO4インゴット準備工程と、単結晶ScAlMgO4インゴットの外形を加工し、側部に複数の切り欠き2a、2bを有する円筒状のScAlMgO4インゴット1を準備するScAlMgO4インゴット外形加工工程と、インゴット1を基板状に加工し、側部に切り欠き2bを有するScAlMgO4基板10を準備するScAlMgO4基板準備工程と、ScAlMgO4基板10のエピタキシャル成長面に対応する面(主面)の凹凸を除去する凹凸除去工程と、ScAlMgO4基板10の主面上にGaN層4を成長させるGaN結晶成長工程と、切り欠き2bを起点にScAlMgO4基板を除去するScAlMgO4除去工程と、GaN基板4aの主面をエピレディ面化加工するGaN基板加工工程と、を含む。以下、各工程の詳細を説明する。 Details of this method, as shown in FIG. 1, has a ScAlMgO 4 ingot preparing step of generating a single crystal ScAlMgO 4, processed outline of the single crystal ScAlMgO 4 ingot, a plurality of notches 2a to the side, the 2b ScAlMgO 4 ingot outer shape processing step for preparing a cylindrical ScAlMgO 4 ingot 1, ScAlMgO 4 substrate preparation step for processing the ingot 1 into a substrate and preparing a ScAlMgO 4 substrate 10 having a notch 2b on the side, and a ScAlMgO substrate 4 origin and uneven removal step of removing the unevenness of the surface (main surface) corresponding to the epitaxial growth surface of the substrate 10, a GaN crystal growth step of growing a GaN layer 4 on the main surface of ScAlMgO 4 substrate 10, a notch 2b and ScAlMgO 4 removing step of removing the ScAlMgO 4 substrate, Ga Including a GaN substrate processing step of processing epiready face the main surface of the substrate 4a, a. Hereinafter, details of each process will be described.
ScAlMgO4インゴット準備工程では、例えば、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いて製造された単結晶ScAlMgO4インゴットを準備する。インゴットの製造方法の一例として、直径50mmのインゴットを生成する方法を説明する。まず出発原料として純度が4N(99.99%)であるSc2O3、Al2O3およびMgOを、所定のモル比で配合する。そして、直径100mmのイリジウム製の坩堝に、当該出発原料3400gを投入する。次に、原料を投入した坩堝を、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉(育成炉)に投入し、この炉内を真空にする。その後、炉内に窒素を導入し、炉内が大気圧となった時点で坩堝の加熱を開始する。そして、ScAlMgO4の融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱して材料を溶融させる。次に、(0001)方位に切り出したScAlMgO4単結晶を種結晶として用い、この種結晶を坩堝内の融液近くまで降下させる。そして種結晶を一定の回転速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引き上げ速度0.5mm/hの速度で種結晶を上昇させて(0001軸方向に引き上げ)、結晶成長させる。これにより、直径50mm、直胴部の長さ50mmの単結晶インゴットが得られる。 In the ScAlMgO 4 ingot preparation step, for example, a single crystal ScAlMgO 4 ingot manufactured using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace is prepared. As an example of the ingot manufacturing method, a method of generating an ingot having a diameter of 50 mm will be described. First, Sc 2 O 3 , Al 2 O 3 and MgO having a purity of 4N (99.99%) are blended in a predetermined molar ratio as starting materials. Then, 3400 g of the starting material is put into an iridium crucible having a diameter of 100 mm. Next, the crucible containing the raw materials is put into a high-frequency induction heating type Czochralski furnace (growing furnace), and the inside of the furnace is evacuated. Thereafter, nitrogen is introduced into the furnace, and heating of the crucible is started when the pressure in the furnace reaches atmospheric pressure. Then, the material is melted by gradually heating over 12 hours until the melting point of ScAlMgO 4 is reached. Next, the ScAlMgO 4 single crystal cut in the (0001) direction is used as a seed crystal, and the seed crystal is lowered to near the melt in the crucible. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a constant rotation speed, and the seed crystal is raised at a speed of 0.5 mm / h while gradually lowering the temperature by bringing the tip of the seed crystal into contact with the melt. (Raised in the direction of the 0001 axis) to grow crystals. Thereby, a single crystal ingot having a diameter of 50 mm and a length of the straight body portion of 50 mm is obtained.
ScAlMgO4インゴット外形加工工程では、引き上げられたインゴットを、円柱状に加工し、さらに円柱の側部に切り欠き加工を行う。まず、インゴットの両端部(トップとテール)をバンドソー、内周刃や外周刃によるスライサー、シングルワイヤソーなどを用いて切断する。引き上げられたScAlMgO4インゴットは整った円形にはなっていないのでダイヤモンドホイールなどによる外周研削加工や研摩布による研摩を行い、円柱化する。円柱化されたScAlMgO4インゴット1の斜視図を図2Aに示す。 In the ScAlMgO 4 ingot outer shape processing step, the pulled ingot is processed into a cylindrical shape, and further, a notch process is performed on the side of the column. First, both ends (top and tail) of the ingot are cut using a band saw, a slicer with an inner peripheral blade or an outer peripheral blade, a single wire saw, or the like. Since the pulled ScAlMgO 4 ingot is not in the form of a regular circle, it is subjected to outer peripheral grinding using a diamond wheel or the like and polishing with a polishing cloth to form a cylinder. A perspective view of the columnar ScAlMgO 4 ingot 1 is shown in FIG. 2A.
ここで、ScAlMgO4単結晶について説明する。ScAlMgO4単結晶は、岩塩型構造(111)面的なScO2層と、六方晶(0001)面的なAlMgO2層とが交互に積層した構造となっている。六方晶(0001)面的な2層は、ウルツ鉱型構造と比較して平面的になっており、面内の結合と比較して、上下層間の結合は、0.03nmほど長く、結合の力が弱い。このため、ScAlMgO4単結晶は、(0001)面で劈開することができる。この特性を利用し、ScAlMgO4基板準備工程で、円柱化されたScAlMgO4インゴット1を決められた厚みに基板化する。この場合、劈開させるための起点が必要であるため、ScAlMgO4インゴット外形加工工程でインゴットの側部に切り欠き2a、2bを形成する。起点の形成方法について図2B、2Cを用いて説明する。 Here, the ScAlMgO 4 single crystal will be described. The ScAlMgO 4 single crystal has a structure in which a rock salt structure (111) -plane ScO 2 layer and a hexagonal (0001) -plane AlMgO 2 layer are alternately stacked. The hexagonal (0001) plane two layers are planar compared to the wurtzite structure, and the bond between the upper and lower layers is about 0.03 nm longer than the in-plane bond. The power is weak. For this reason, the ScAlMgO 4 single crystal can be cleaved in the (0001) plane. Using this characteristic, the columnar ScAlMgO 4 ingot 1 is formed into a substrate having a predetermined thickness in the ScAlMgO 4 substrate preparation step. In this case, since a starting point for cleaving is necessary, the notches 2a and 2b are formed in the side portions of the ingot in the ScAlMgO 4 ingot outer shape processing step. A method of forming the starting point will be described with reference to FIGS. 2B and 2C.
図2B、図2Cに示すように、ScAlMgO4基板準備工程で、最終的なScAlMgO4基板の厚みをt1とする場合には、t1間隔で起点となる切り欠き2aを形成する。さらに、切り欠き2b付き基板を形成するために、t1の起点から同方向にt2離れた位置に切り欠きを設ける。切り欠き2aは、インゴットから基板化する際の劈開の起点であり、切り欠き2bは、ScAlMgO4基板を再利用する際の劈開の起点である。例えばt1=500μm、t2=100μmとして形成する。 As shown in FIGS. 2B and 2C, in the ScAlMgO 4 substrate preparation step, when the final thickness of the ScAlMgO 4 substrate is t1, notches 2a that are the starting points are formed at intervals of t1. Further, in order to form a substrate with a notch 2b, a notch is provided at a position away from t2 in the same direction by t2. The notch 2a is a starting point of cleavage when the ingot is turned into a substrate, and the notch 2b is a starting point of cleavage when the ScAlMgO 4 substrate is reused. For example, t1 = 500 μm and t2 = 100 μm.
次に切り欠きの形成方法について説明する。図2Bはダイシングやレーザー加工により形成した切り欠き形状である。ダイシング加工する場合は、例えば直径100mm、砥石粒径30μm、粒度#600のブレードを1800min−1で回転させて加工を行う。レーザー加工の場合は、パルス幅がナノ秒のYAGレーザーであれば、例えば波長400nm以下、パルス幅100nsec以下のレーザーを用いることができる。また、パルス幅が1nsec以下の超短パルスレーザーであれば、赤外線や可視光のレーザーを用いることができる。ダイシングやレーザー加工により形成された切り欠きは、図2Bに示すように、マクロ的にみて、切り欠きの先端部が鋭利な形状となる。一方、図2Cはワイヤソーで加工した場合の切り欠き形状である。ワイヤソーにより、切り欠きを1箇所ずつ形成する場合はシングルワイヤソーを用い、同時に複数個所加工する場合はマルチワイヤソーを用いる。使用するワイヤの線径が細い程、幅の狭い切り欠き形状が形成できる。ワイヤソーには、例えばコア径80μm、砥粒サイズ8〜16μmのダイヤを電着した固定砥粒ワイヤを使用することができる。マルチワイヤソーを使って切り欠きを形成する場合は、まずt1のピッチで複数の切り欠き2aを形成した後、t2の距離だけ、インゴットまたはワイヤ位置をずらして切り欠き2bを形成する。ワイヤソーで形成された切り欠きは、図2Cに示すように、マクロ的にみて、切り欠きの先端がR形状となる。 Next, a method for forming notches will be described. FIG. 2B shows a notch shape formed by dicing or laser processing. When dicing, for example, a blade having a diameter of 100 mm, a grindstone particle size of 30 μm, and a particle size of # 600 is rotated at 1800 min −1 for processing. In the case of laser processing, a laser having a wavelength of 400 nm or less and a pulse width of 100 nsec or less can be used as long as the YAG laser has a pulse width of nanoseconds. In addition, an infrared or visible laser can be used as long as the pulse width is an ultrashort pulse laser of 1 nsec or less. As shown in FIG. 2B, the notch formed by dicing or laser processing has a sharp shape at the tip of the notch when viewed macroscopically. On the other hand, FIG. 2C shows a notch shape when processed with a wire saw. A single wire saw is used when forming notches one by one with a wire saw, and a multi-wire saw is used when machining a plurality of locations at the same time. As the wire diameter of the wire used is thinner, a narrow notch shape can be formed. For the wire saw, for example, a fixed abrasive wire electrodeposited with a diamond having a core diameter of 80 μm and an abrasive grain size of 8 to 16 μm can be used. When forming a notch using a multi-wire saw, first, a plurality of notches 2a are formed at a pitch of t1, and then the ingot or wire position is shifted by a distance of t2 to form the notches 2b. As shown in FIG. 2C, the notch formed by the wire saw has an R shape at the tip of the notch when viewed macroscopically.
図2DはScAlMgO4インゴット1を円形面(上面)から見た図である。図2Dに示す切り欠きの深さdや円周方向の幅wは、dは0.1mm以上5mm以下、wは0.1mm以上15mm以下とすることが好ましい。例えばScAlMgO4インゴット1が2インチ(直径50mm)の円柱である場合、切り欠きの深さdが0.1mmであれば、円周方向の幅wは幾何学的に決まり、4.46mmとなる。また、ScAlMgO4インゴット1が4インチ(直径100mm)の円柱である場合、切り欠きの深さdが0.1mmであれば、円周方向の幅wは6.32mmとなる。ScAlMgO4インゴット1が円柱でない場合には、切り欠きの深さdおよび幅wをそれぞれ形状に応じて決める。切り欠きの深さdが深すぎると、基板の有効面積が減るため、基板の有効面積で許容できる範囲とする。基板の有効面積で許容できる範囲(切り欠きの深さd)とは、具体的には、5mm以下である。円柱であれば、前述のように深さが決まると幅も幾何学的に決まる。このため、wは、15mm以下となる。 FIG. 2D is a view of the ScAlMgO 4 ingot 1 as seen from a circular surface (upper surface). As for the depth d of the notch shown in FIG. 2D and the width w in the circumferential direction, d is preferably 0.1 mm to 5 mm, and w is preferably 0.1 mm to 15 mm. For example, when the ScAlMgO 4 ingot 1 is a cylinder of 2 inches (diameter 50 mm), if the notch depth d is 0.1 mm, the circumferential width w is geometrically determined to be 4.46 mm. . In addition, when the ScAlMgO 4 ingot 1 is a 4 inch (diameter 100 mm) cylinder, if the notch depth d is 0.1 mm, the circumferential width w is 6.32 mm. When the ScAlMgO 4 ingot 1 is not a cylinder, the notch depth d and width w are determined according to the shape. If the notch depth d is too deep, the effective area of the substrate is reduced, so that the effective area of the substrate is allowed. Specifically, the allowable range (notch depth d) of the effective area of the substrate is 5 mm or less. In the case of a cylinder, when the depth is determined as described above, the width is also geometrically determined. For this reason, w becomes 15 mm or less.
ScAlMgO4インゴット1を実際に劈開する場合には、図3に示す刃3の形状を切り欠き2a、2bにあて劈開を行なう。そのため、切り欠きの形状は、刃先が鋭く入り込む形状であることが好ましく、図2Bに示すように、切り欠きの先端部(インゴット1の内部側の先端部)が、鋭利な形状であるが好ましい。
切り欠き2bは同一面内で複数個所設けることも考えられるが、位置合わせが不十分のまま、複数の箇所から劈開すると劈開面に段差が生じてしまう。したがって、同一面内に切り欠きを複数個所設ける場合には、原子レベルでの位置合わせが必要であり、実質的に困難なため、同一面内には、1箇所設ければよい。
When the ScAlMgO 4 ingot 1 is actually cleaved, the shape of the blade 3 shown in FIG. 3 is cleaved into the notches 2a and 2b. Therefore, it is preferable that the shape of the notch is a shape in which the cutting edge is sharply inserted, and as shown in FIG. 2B, the tip of the notch (the tip on the inner side of the ingot 1) is preferably a sharp shape. .
Although it is conceivable to provide a plurality of cutouts 2b in the same plane, if the cleavage is performed from a plurality of locations with insufficient alignment, a step is generated on the cleavage plane. Accordingly, when a plurality of cutouts are provided in the same plane, alignment at the atomic level is necessary, which is substantially difficult.
次に、ScAlMgO4基板準備工程を説明する。本工程では、切り欠きを有するScAlMgO4基板10を得るために、図3に示す刃3を切り欠き2aにあて、劈開方向に力を加えることにより劈開を行ない、円柱状のインゴット1から厚みt1のScAlMgO4基板10を得る。刃3の材質は鋼製である。刃3の代表的な形状を図3A、図3Bに示す。図3Aに示すように、刃3は、片刃であってもよく、図3Bに示すように、両刃であってもよい。刃3の刃先の角度(図3Aにおいてθ1、図3Bにおいてθ2で表される角度)は30°以下であることが望ましい。刃3の形状は図3Aおよび図3Bで示される形状に限らず、例えば両刃の場合、図3Bにおいてθ2で示される角度が、刃先の中心から非対称であってもよく、角度が複数段つけられていてもよい。 Next, the ScAlMgO 4 substrate preparation process will be described. In this step, in order to obtain the ScAlMgO 4 substrate 10 having a notch, the blade 3 shown in FIG. 3 is applied to the notch 2a, and cleavage is performed by applying a force in the cleavage direction, so that the thickness t1 from the cylindrical ingot 1 is increased. ScAlMgO 4 substrate 10 is obtained. The material of the blade 3 is made of steel. A typical shape of the blade 3 is shown in FIGS. 3A and 3B. As shown in FIG. 3A, the blade 3 may be a single blade, or may be a double blade as shown in FIG. 3B. The angle of the blade edge of the blade 3 (the angle represented by θ1 in FIG. 3A and θ2 in FIG. 3B) is desirably 30 ° or less. The shape of the blade 3 is not limited to the shape shown in FIGS. 3A and 3B. For example, in the case of both blades, the angle indicated by θ2 in FIG. 3B may be asymmetric from the center of the blade edge, and a plurality of angles are provided. It may be.
ScAlMgO4バルク材料を劈開したときの劈開面(ScAlMgO4基板のエピタキシャル成長面)の平面度測定データを図4に示す。当該データはφ40mmのScAlMgO4基板の同一平面内で直交するXY軸でレーザー反射式測長機(三鷹光器製NH−3MA)を用いて取得したデータである。図4において、矢印で示すように、バルク材料を劈開した劈開面には、500nm以上の凹凸部が存在する。ScAlMgO4基板では、劈開時の劈開方向の剥がし力がばらつくことで、同一原子層での劈開が起こらず、結果的に、500nm以上の段差からなる凹凸部が生じると考えられる。高さ500nm以上の段差部分がエピタキシャル成長面に存在すると、基板上に結晶をエピタキシャル成長させる際に不具合が発生する。基板のエピタキシャル成長面に高さ500nm以上の段差が存在する場合の弊害について説明する。高さ500nm以上の段差が存在するエピタキシャル成長面にGaN等の結晶を作製すると、高さ500nm以上の段差部分で違う結晶方位となる。例えば、エピタキシャル成長面上にMOCVD(Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法でLED発光層に用いられるInGaN層を形成すると、インジウムの組成が段差部分と平坦部とで変化してしまう。そしてインジウムの組成が変わると、LED素子としての発光波長と輝度が変わる。その結果、LED素子として発光ムラが発生し、輝度低下が起きてしまう。 FIG. 4 shows flatness measurement data of the cleavage plane (epitaxial growth surface of the ScAlMgO 4 substrate) when the ScAlMgO 4 bulk material is cleaved. The data is data obtained by using a laser reflection type length measuring device (NH-3MA manufactured by Mitaka Kogyo Co., Ltd.) with XY axes orthogonal to each other in the same plane of a φ40 mm ScAlMgO 4 substrate. In FIG. 4, as shown by the arrows, there are uneven portions of 500 nm or more on the cleaved surface obtained by cleaving the bulk material. In the ScAlMgO 4 substrate, the peeling force in the cleavage direction at the time of cleavage varies, so that cleavage in the same atomic layer does not occur, and as a result, an uneven portion having a step of 500 nm or more is generated. If a stepped portion having a height of 500 nm or more exists on the epitaxial growth surface, a problem occurs when a crystal is epitaxially grown on the substrate. An adverse effect when a step having a height of 500 nm or more exists on the epitaxial growth surface of the substrate will be described. When a crystal such as GaN is formed on an epitaxial growth surface having a step having a height of 500 nm or more, different crystal orientations are formed in the step portion having a height of 500 nm or more. For example, when an InGaN layer used for an LED light emitting layer is formed on the epitaxial growth surface by a MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method, the composition of indium changes between the stepped portion and the flat portion. When the composition of indium changes, the emission wavelength and brightness of the LED element change. As a result, light emission unevenness occurs as the LED element, resulting in a decrease in luminance.
劈開で生じた500nm以上の凹凸を除去するのは容易ではない。特に、ScAlMgO4基板の劈開面の加工の難しさは、劈開で生じた凹凸を除去しようとしても、全体に占める平坦面の割合が大きいと、平坦面を加工する際に、一部の領域(凹凸)に加工負荷が集中しやすくなり、表面ではなく、より表面から深い内部で劈開による割れが発生する。そのため、割れ部分が除去されることによって新しい凹凸が形成されると考えられる。また、平坦面の割合が高い場合に、内部で劈開しないような荷重を加えただけでは、劈開工程で生じた凹凸をほとんど除去出来ない。 It is not easy to remove unevenness of 500 nm or more generated by cleavage. In particular, it is difficult to process the cleaved surface of the ScAlMgO 4 substrate. Even if it is intended to remove the irregularities generated by cleaving, if the ratio of the flat surface to the whole is large, a certain area ( The processing load tends to concentrate on the unevenness, and cracks due to cleavage occur not inside the surface but inside deeper from the surface. Therefore, it is considered that new irregularities are formed by removing the cracked portion. Further, when the ratio of the flat surface is high, the unevenness generated in the cleavage process can hardly be removed only by applying a load that does not cleave inside.
そこでScAlMgO4材料の特徴に鑑み、以下に詳述する加工方法(粗凹凸形成工程および微少凹凸形成工程)を見出した。これが本開示の凹凸除去工程である。具体的には、ScAlMgO4基板のエピタキシャル成長面とする領域全面に一定の高さの凹凸形状を形成する(粗凹凸形成工程)。次いで、段階的に加圧力を小さくしていくことで、加圧力のばらつきの絶対量を小さくして内部での劈開を防止しつつ、全面に形成した一定の高さの凹凸形状を徐々に小さくする(微少凹凸形成工程)。すなわち、ScAlMgO4単結晶体を切り欠き2aを起点として劈開面で劈開して、図5Aの上図に示すScAlMgO4基板10を準備する。そして、ScAlMgO4基板10の主面上に高さ500nm以上の凹凸を形成する粗凹凸形成工程と、高さ500nm以上の凹凸を研磨して、高さ500nm未満の凹凸を形成する微少凹凸形成工程と、を少なくとも行う。 Accordingly, in view of the characteristics of the ScAlMgO 4 material, a processing method (a rough unevenness forming step and a fine unevenness forming step) described in detail below was found. This is the unevenness removing step of the present disclosure. Specifically, a concavo-convex shape having a certain height is formed over the entire region of the ScAlMgO 4 substrate as an epitaxial growth surface (rough concavo-convex forming step). Next, by gradually reducing the applied pressure, the uneven amount of the constant height formed on the entire surface is gradually reduced while decreasing the absolute amount of applied pressure variation and preventing internal cleavage. (Small unevenness forming step). That is, the ScAlMgO 4 single crystal body is cleaved at the cleavage plane starting from the notch 2a to prepare the ScAlMgO 4 substrate 10 shown in the upper diagram of FIG. 5A. Then, a rough unevenness forming step for forming unevenness with a height of 500 nm or more on the main surface of the ScAlMgO 4 substrate 10, and a fine unevenness forming step for polishing unevenness with a height of 500 nm or more to form unevenness with a height of less than 500 nm. And at least do.
粗凹凸形成工程では、連続して表面粗さが500nm以下である領域(以下、「平坦部」とも称する)の面積がいずれも1mm2以下となるように、エピタキシャル成長面とする領域の全面に凹凸形状を分布させる。粗凹凸形成工程で1mm2より大きい平坦部を形成してしまうと、微少凹凸形成工程において、加工負荷の集中によって内部で劈開し、500nmよりも大きい凹凸が発生するからである。また、粗凹凸形成工程で形成する複数の凹凸の凸部の高さの差は、±0.5μm以下の範囲に収まることが好ましい。高さのばらつきがこの範囲内に入るような、均一な高さの凹凸を全面に形成することで、微少凹凸形成工程によって徐々に凹凸の高さを低くでき、面内に均一な平坦部を形成できる。 In the rough unevenness forming step, unevenness is formed on the entire surface of the region to be the epitaxial growth surface so that the area of the region having a surface roughness of 500 nm or less (hereinafter also referred to as “flat portion”) is 1 mm 2 or less. Distribute the shape. This is because if a flat portion larger than 1 mm 2 is formed in the rough unevenness forming step, the fine unevenness forming step is cleaved inside due to the concentration of processing load, and unevenness larger than 500 nm is generated. Moreover, it is preferable that the difference in height of the convex portions of the plurality of concaves and convexes formed in the rough concave-convex forming step is within a range of ± 0.5 μm or less. By forming unevenness with a uniform height over the entire surface so that the variation in height falls within this range, the height of the unevenness can be gradually lowered by the minute unevenness forming process, and a uniform flat portion is formed in the surface. Can be formed.
具体的には、粗凹凸形成工程において、高さ500nm以上の凹凸を、第1砥粒を用いて形成し、微少凹凸形成工程において、高さ500nm未満の凹凸を、前記第1砥粒よりも硬度の低い第2砥粒を用いて形成する。 Specifically, in the rough unevenness forming step, the unevenness having a height of 500 nm or more is formed using the first abrasive grains, and in the fine unevenness forming process, the unevenness having a height of less than 500 nm is formed more than the first abrasive grains. It forms using the 2nd abrasive grain with low hardness.
より詳細には、一定の高さの凹凸形状を加工する凹凸形成工程では、砥粒サイズの大きいダイヤモンド固定砥粒を用いた研削加工を行う。砥粒サイズとしては♯300以上♯20000以下(好ましくは#600)のダイヤモンド砥粒を使用する。この範囲のサイズのダイヤモンド砥粒を用いた加工によれば、加工面の凹凸の高さの差を±5μm以下の範囲に収められる。また、粗凹凸形成工程における加工条件は、砥石回転数500min―1以上50000min―1以下(好ましくは1800min―1)、ScAlMgO4基板回転数10min―1以上300min―1以下(好ましくは100min―1)、加工速度0.01μm/秒以上1μm/秒以下(好ましくは0.3μm/秒)、加工除去量1μm以上300μm以下(好ましくは20μm)とすることが好ましい。図6に、♯600のダイヤモンド砥粒を用い、砥石回転数1800min―1、ScAlMgO4基板回転数100min―1、加工速度0.3μm/秒、加工除去量20μmで加工した結果を示す。図6は、加工面のX方向の平面度を、前述と同様の方法で測定した結果である。図6に示されるように、エピタキシャル成長面とする領域に1mm2以上の平坦部(凹凸の高さが500nm以下である領域が1mm2以上連続した箇所)が生じず、規則正しい凹凸形状を形成することが出来ている。 More specifically, in the concavo-convex forming step of processing a concavo-convex shape having a constant height, grinding using diamond fixed abrasive grains having a large abrasive grain size is performed. As the abrasive grain size, diamond abrasive grains of # 300 or more and # 20000 or less (preferably # 600) are used. According to processing using diamond abrasive grains having a size in this range, the difference in height of the unevenness on the processed surface can be kept within a range of ± 5 μm or less. The processing conditions in the crude irregularities forming step, the grinding wheel rotational speed 500 min -1 or more 50000Min -1 or less (preferably 1800 min -1), ScAlMgO 4 substrate rotational speed 10min -1 or 300 min -1 or less (preferably 100 min -1) The processing speed is preferably 0.01 μm / second or more and 1 μm / second or less (preferably 0.3 μm / second), and the processing removal amount is 1 μm or more and 300 μm or less (preferably 20 μm). FIG. 6 shows the result of processing using # 600 diamond abrasive grains at a grinding wheel rotational speed of 1800 min −1 , a ScAlMgO 4 substrate rotational speed of 100 min −1 , a processing speed of 0.3 μm / sec, and a processing removal amount of 20 μm. FIG. 6 shows the result of measuring the flatness in the X direction of the processed surface by the same method as described above. As shown in FIG. 6, a flat portion of 1 mm 2 or more (a portion where the height of the unevenness is 500 nm or less is continuous 1 mm 2 or more) does not occur in the region to be the epitaxial growth surface, and a regular uneven shape is formed. Is made.
次に粗凹凸形成工程で形成した凹凸を徐々に除去する微少凹凸形成工程を説明する。微少凹凸形成工程において、前記高さ500nm以上の凹凸を除去しつつ、高さ500nm未満の凹凸を、加圧力を段階的に弱めた研磨により形成する。微少凹凸形成工程では、砥粒としてコロイダルシリカを主成分とするスラリーを用い、回転数10min−1以上1000min−1以下(好ましくは60min−1)、スラリー供給量0.02ml/分以上2ml/分以下(好ましくは0.5ml/分)、研磨パッドは不織布パッドとすることが好ましい。スラリー供給量は基板面積により量を変える。具体的には、基板面積が大きくなる程スラリー供給量を増やすことが好ましい。凹凸が多い場合、凸部に加工力が選択的に集中しやすい。そこで、加圧量は、微少凹凸形成工程の初期には10000Pa以上20000Pa以下の範囲とし、凸部が平坦になってくるにつれて5000Pa以上10000Pa未満とし、最終的には1000Pa以上5000Pa以下の範囲とすることが好ましい。このように段階的に加圧力を低減することで、内部での劈開を生じさせることなくエピタキシャル成長面とする領域から高さ500nm以上の凹凸を除去することが出来る。 Next, the micro unevenness | corrugation formation process which removes the unevenness | corrugation formed at the rough unevenness | corrugation formation process gradually is demonstrated. In the fine unevenness forming step, the unevenness with a height of less than 500 nm is formed by polishing with gradually decreasing pressure while removing the unevenness with a height of 500 nm or more. The fine irregularities forming step, using a slurry composed mainly of colloidal silica as abrasive grains, the rotational speed 10min -1 or more 1000min -1 or less (preferably 60min -1), the slurry supply rate 0.02 ml / min to 2 ml / min In the following (preferably 0.5 ml / min), the polishing pad is preferably a non-woven pad. The amount of slurry supplied varies depending on the substrate area. Specifically, it is preferable to increase the slurry supply amount as the substrate area increases. When there are many irregularities, the processing force tends to concentrate selectively on the convex portions. Therefore, the amount of pressurization is in the range of 10,000 Pa to 20,000 Pa at the beginning of the micro unevenness forming process, and is set to 5000 Pa to less than 10,000 Pa as the convex portion becomes flat, and finally in the range of 1000 Pa to 5000 Pa. It is preferable. By reducing the applied pressure stepwise in this way, it is possible to remove unevenness having a height of 500 nm or more from the region to be the epitaxial growth surface without causing internal cleavage.
微少凹凸形成工程において、最初に加圧力を15000Paで3分間研磨加工を行い、次に加圧力を8000Paに下げて5分間研磨加工を行い、最後に加圧力を1000Paに下げて10分間研磨加工を行った結果を図7に示す。図7は加工後のエピタキシャル成長面のX方向の平面度を前述と同様の方法で測定した表面形状測定結果である。また、図8にエピタキシャル成長面の10μm角の範囲についてAFM(原子間力顕微鏡)によって測定した表面形状測定結果を示す。図8に示されるように、10μm角の範囲において高さ500nm以上の凹凸は無く、最大高さを示すRmaxが6.42nmであるように高さ50nm以上の凹凸も観察されない。なおRqは0.179nmである。さらに詳細に形状分析を行った図8より100μm2の微小な領域において表面粗さRaが0.139nmであり、50nm以上の凹凸のない極平滑面を形成できていることがわかる。ここで、得られたエピタキシャル成長面の表面粗さRaは0.08nm以上0.5nm以下である。なお表面粗さRaは、BRUKER社のDimension Iconで、ISO13565−1に準拠して測定した。以上によりエピレディ面を有するScAlMgO4基板10が準備される。 In the minute unevenness forming process, first, polishing is performed for 3 minutes at a pressure of 15000 Pa, then polishing is performed for 5 minutes by lowering the pressure to 8000 Pa, and finally polishing is performed for 10 minutes by reducing the pressure to 1000 Pa. The results are shown in FIG. FIG. 7 shows the surface shape measurement result obtained by measuring the flatness in the X direction of the epitaxially grown surface after processing by the same method as described above. Further, FIG. 8 shows the surface shape measurement result measured by AFM (atomic force microscope) in the range of 10 μm square of the epitaxial growth surface. As shown in FIG. 8, there is no unevenness with a height of 500 nm or more in the range of 10 μm square, and no unevenness with a height of 50 nm or more is observed such that Rmax indicating the maximum height is 6.42 nm. Rq is 0.179 nm. FIG. 8 obtained by further detailed shape analysis shows that an extremely smooth surface having a surface roughness Ra of 0.139 nm and no irregularities of 50 nm or more can be formed in a minute region of 100 μm 2 . Here, the surface roughness Ra of the obtained epitaxial growth surface is 0.08 nm or more and 0.5 nm or less. The surface roughness Ra was measured with a Dimension Icon from BRUKER in accordance with ISO13565-1. Thus, the ScAlMgO 4 substrate 10 having the epi-ready surface is prepared.
次にGaN結晶成長工程について説明する。GaN単結晶成長法はV族及びIII族の原料ガスを反応させ合成する気相成長法と、溶液もしくは融液を用いる液相成長法がある。気相成長法としてはHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法やOVPE(Oxide Vapor Phase Epitaxy)法を用いることができる。液相成長法としてNaフラックス(Sodium Flux)法などを用いることができる。 Next, the GaN crystal growth process will be described. The GaN single crystal growth method includes a vapor phase growth method for reacting and synthesizing group V and group III source gases, and a liquid phase growth method using a solution or a melt. As the vapor phase growth method, a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method or an OVPE (Oxide Vapor Phase Epitaxy) method can be used. As a liquid phase growth method, a Na flux (Sodium Flux) method or the like can be used.
HVPE法はIII族源としてGaClを用いる方法である。具体的には、石英管炉内の原料ガス生成部で金属GaとHClガスを反応させGaClガスを生成する。この際の反応効率を高めると、HClのほぼ100%が反応してGaClガスを生成する。GaClガスは種基板(ScAlMgO4基板10)が設置された成長部へと輸送される。そして、GaClガスが、1000〜1100℃程度でNH3ガスと反応することにより、GaNが生成される。HVPE法の特徴はGaNの高速成長が可能なことであり、数百nm〜数mmのGaN自立基板の形成が可能となる。本開示では、ScAlMgO4基板10を種基板として、図5Bに示すようにScAlMgO4基板10にGaN層4を形成することができる。 The HVPE method uses GaCl as a group III source. Specifically, GaCl gas is generated by reacting metal Ga and HCl gas in a raw material gas generating section in a quartz tube furnace. When the reaction efficiency at this time is increased, almost 100% of HCl reacts to generate GaCl gas. The GaCl gas is transported to the growth part where the seed substrate (ScAlMgO 4 substrate 10) is installed. Then, GaCl gas, by reaction with NH 3 gas at approximately 1000 to 1100 ° C., GaN is generated. A feature of the HVPE method is that GaN can be grown at a high speed, and a GaN free-standing substrate having a thickness of several hundred nm to several mm can be formed. In the present disclosure, using the ScAlMgO 4 substrate 10 as a seed substrate, the GaN layer 4 can be formed on the ScAlMgO 4 substrate 10 as shown in FIG. 5B.
GaN層4の別の形成方法であるOVPE法について説明する。OVPE法はGa2OをGa源として用いる。当該方法では、Ga2Oガスを発生させ、成長部でGa2OガスとNH3を反応させることでGaN結晶を成長させる。当該方法では、副生成物が水素や水蒸気であることから、排気系をつまらせることがなく、原理的に長時間の連続成長が可能である。 The OVPE method, which is another method for forming the GaN layer 4, will be described. The OVPE method uses Ga 2 O as a Ga source. In this method, Ga 2 O gas is generated, and a GaN crystal is grown by reacting Ga 2 O gas and NH 3 in the growth part. In this method, since the by-product is hydrogen or water vapor, the exhaust system is not clogged, and in principle, continuous growth for a long time is possible.
なお、HVPE法やOVPE法による装置が横方向からガスを流すタイプの装置であれば、切り欠き2bをガス流れの下流側にするようにScAlMgO4基板10を設置することが好ましい。 In addition, if the apparatus by the HVPE method or the OVPE method is a type in which a gas flows from the lateral direction, it is preferable to install the ScAlMgO 4 substrate 10 so that the notch 2b is on the downstream side of the gas flow.
さらにGaN層4形成の別の方法としてNaフラックス法がある。Naフラックス法では、高温のGa−Na融液へ窒素を溶かしこむことで過飽和状態を生じさせて、GaNを成長させる。種基板(ScAlMgO4基板10)及びGaとNaが設置された坩堝をステンレスチューブに入れ、3〜4MPaの窒素圧をかけつつヒーターにより800〜900℃に加熱する。加熱されたGa−Na融液に窒素が溶解することによりGaN結晶がScAlMgO4基板10上に成長する。Naフラックス法の特徴は、成長速度はHVPE法と比較して遅いが、転位密度が小さく、欠陥の少ない高品質なGaN結晶を得ることができる。 Further, there is a Na flux method as another method for forming the GaN layer 4. In the Na flux method, nitrogen is dissolved in a high-temperature Ga—Na melt to cause a supersaturated state and grow GaN. The seed substrate (ScAlMgO 4 substrate 10) and the crucible on which Ga and Na are placed are placed in a stainless steel tube and heated to 800 to 900 ° C. with a heater while applying a nitrogen pressure of 3 to 4 MPa. As nitrogen is dissolved in the heated Ga—Na melt, GaN crystals grow on the ScAlMgO 4 substrate 10. A feature of the Na flux method is that the growth rate is slower than that of the HVPE method, but a high-quality GaN crystal with a small dislocation density and few defects can be obtained.
次にScAlMgO4除去工程について説明する。従来のように、種基板にサファイア基板を用いる場合には、サファイア基板とGaN層との熱膨張差の違いによる伸縮で、前記GaN結晶成長プロセスの降温段階で、サファイア基板とGaN基板が分離される。しかし、ScAlMgO4とGaNの熱膨張係数が近いため、本開示では、GaN結晶成長プロセスが完了してもScAlMgO4基板10とGaN層4は分離されない。そのため、分離プロセスが必要となる。 Next, the ScAlMgO 4 removal step will be described. When a sapphire substrate is used as a seed substrate as in the prior art, the sapphire substrate and the GaN substrate are separated at the temperature lowering stage of the GaN crystal growth process due to expansion and contraction due to the difference in thermal expansion difference between the sapphire substrate and the GaN layer. The However, since the thermal expansion coefficients of ScAlMgO 4 and GaN are close, in the present disclosure, the ScAlMgO 4 substrate 10 and the GaN layer 4 are not separated even when the GaN crystal growth process is completed. Therefore, a separation process is necessary.
GaN結晶成長工程で生成されたGaN層4は、外周形状がいびつな形状となるため、外周を円形にする円筒加工を行う。例えば、円形加工は、回転砥石を用いて研削する。次に、ScAlMgO4基板の一部(図5において、10aで示される部分)を除去するため、ScAlMgO4基板10の側部に形成された切り欠き2bを刃3(図3Aまたは図3Bに示される刃3)をあてる。そして、切り欠き2bを起点に、ScAlMgO4基板10の劈開方向に力を加えることにより、図5Bに示すように、ScAlMgO4基板10を、GaN層4を含むScAlMgO4基板10bと、ScAlMgO4基板10aとに分離する。分離されたScAlMgO4基板10aは、凹凸除去工程で説明したプロセスを行うことにより、再度種基板として再生することができる。 Since the outer peripheral shape of the GaN layer 4 generated in the GaN crystal growth step is distorted, cylindrical processing is performed to make the outer periphery circular. For example, in circular processing, grinding is performed using a rotating grindstone. Next, in order to remove a part of the ScAlMgO 4 substrate (the portion indicated by 10a in FIG. 5), the notch 2b formed in the side portion of the ScAlMgO 4 substrate 10 is shown in the blade 3 (shown in FIG. 3A or FIG. 3B). Apply the blade 3). Then, by applying a force in the cleavage direction of the ScAlMgO 4 substrate 10 starting from the notch 2b, as shown in FIG. 5B, the ScAlMgO 4 substrate 10 is replaced with the ScAlMgO 4 substrate 10b including the GaN layer 4, and the ScAlMgO 4 substrate. Separated into 10a. The separated ScAlMgO 4 substrate 10a can be regenerated as a seed substrate again by performing the process described in the unevenness removal step.
次にGaN基板加工工程について説明する。本工程では、GaN層4のエピタキシャル成長面であるGa面20とScAlMgO4が存在するN面21とを研削・研摩し、エピタキシャル成長できるGaN自立基板4aに仕上げる。研削は固定砥粒を用いたグラインディングや遊離砥粒を用いたラッピングにより行なわれる。Ga面20の研磨は遊離砥粒を小さくしたラッピングの後、CMP(Chemical Mechanical Ploishing)により結晶のダメージである加工変質層を除去する方法とすることができる。一方、N面21はScAlMgO4基板10bを研削により除去し、N面21を研摩により仕上げる。これにより、図5Dに示すように、エピタキシャル成長が可能なGaN自立基板4aが形成される。 Next, the GaN substrate processing step will be described. In this step, the Ga surface 20 which is the epitaxial growth surface of the GaN layer 4 and the N surface 21 where ScAlMgO 4 is present are ground and polished to finish the GaN free-standing substrate 4a capable of epitaxial growth. Grinding is performed by grinding using fixed abrasive grains or lapping using loose abrasive grains. Polishing of the Ga surface 20 can be a method of removing a work-affected layer that is a crystal damage by CMP (Chemical Mechanical Polishing) after lapping with loose abrasive grains reduced. On the other hand, the N surface 21 is removed by grinding the ScAlMgO 4 substrate 10b, and the N surface 21 is finished by polishing. Thereby, as shown in FIG. 5D, a GaN free-standing substrate 4a capable of epitaxial growth is formed.
本開示では、ScAlMgO4除去工程で分離された、ScAlMgO4基板10aについて、再度凹凸除去工程を行うことにより、ScAlMgO4基板10aを種基板として使用することができる。つまり、再生されたScAlMgO4基板10aを再度用いてGaN自立基板の形成が可能である。したがって、ScAlMgO4を効率的に使用することができ、材料歩留まりを向上させることができる。なお、ScAlMgO4基板10の切り欠き2bは一箇所である必要はなく、種基板の再生回数に応じて、切り欠きを有するScAlMgO4基板準備工程において、基板の厚み方向に複数個所形成することができる。 In the present disclosure, the ScAlMgO 4 substrate 10a separated in the ScAlMgO 4 removal step can be used as the seed substrate by performing the unevenness removal step again on the ScAlMgO 4 substrate 10a. That is, it is possible to form a GaN free-standing substrate by using the regenerated ScAlMgO 4 substrate 10a again. Therefore, ScAlMgO 4 can be used efficiently, and the material yield can be improved. Note that the notch 2b of the ScAlMgO 4 substrate 10 does not have to be a single location, and a plurality of notches 2b may be formed in the thickness direction of the substrate in the ScAlMgO 4 substrate preparation step having a notch according to the number of times of regeneration of the seed substrate. it can.
(実施の形態2)
図9に本開示の実施の形態2に係る、III族窒化物を製造する方法の各工程を示す。本開示の実施の形態2に係る製造方法は、単結晶ScAlMgO4を生成するScAlMgO4インゴット準備工程と、単結晶ScAlMgO4から円筒のインゴットを生成し、さらにインゴットの側部に切り欠きを設けるScAlMgO4インゴット外形加工工程と、インゴットを基板状に加工し、切り欠きを有するScAlMgO4基板を準備するScAlMgO4基板準備工程と、ScAlMgO4基板のエピタキシャル成長面に対応する面の凹凸を除去する凹凸除去工程と、ScAlMgO4基板上にIII族窒化物結晶(例えば、GaN結晶)をエピタキシャル成長させるIII族窒化物結晶成長工程と、デバイスを形成するデバイス形成工程とを含む。前記デバイス形成工程には、切り欠きを起点にScAlMgO4を除去するScAlMgO4除去を含む。
(Embodiment 2)
FIG. 9 shows each step of the method for producing a group III nitride according to the second embodiment of the present disclosure. Manufacturing method according to the second embodiment of the present disclosure, a ScAlMgO 4 ingot preparing step of generating a single crystal ScAlMgO 4, to produce a cylindrical ingot from the single crystal ScAlMgO 4, further provided with a notch on the side of the ingot ScAlMgO 4 ingot outer shape processing step, ScAlMgO 4 substrate preparation step of preparing indented ScAlMgO 4 substrate by processing ingot into substrate shape, and unevenness removal step of removing surface unevenness corresponding to epitaxial growth surface of ScAlMgO 4 substrate And a group III nitride crystal growth step of epitaxially growing a group III nitride crystal (eg, GaN crystal) on the ScAlMgO 4 substrate, and a device formation step of forming a device. The device formation step includes ScAlMgO 4 removal for removing ScAlMgO 4 from the notch.
実施の形態1との違いは、ScAlMgO4基板上にIII族窒化物結晶のエピタキシャル成長を行い、さらにデバイスを形成することである。なお、凹凸除去工程までは実施の形態1と同様であるので、III族窒化物結晶成長工程以降を説明する。ただし、凹凸除去工程において、実施の形態1ではエピタキシャル成長面は、ScAlMgO4基板の一方の面(表側)のみに形成すれば良いが、実施の形態2においては、ScAlMgO4基板の両面にエピタキシャル成長面を形成してもよい。この場合、両面にGaN等のIII族窒化物結晶(III族窒化物半導体)のエピタキシャル成長を行うことができる。また、上述の加工技術を用いることにより、例えば本基板のエピタキシャル成長面にLED発光層を形成した場合に、前述したような組成の変化やそれによるLED素子の発光ムラや輝度低下といった問題が生じない。さらに、凹凸除去工程により、ScAlMgO4基板のエピタキシャル成長面の凹凸の高さを50nm以下とすることにより、例えばエピタキシャル成長面にLED発光層を形成した後の電極形成時に、凹凸に起因した形成不良(段差部でのエッチング残りなど)が抑制される。そのため、本基板を用いて製造するLEDなどのデバイスの製造歩留りが向上する。 The difference from the first embodiment is that a group III nitride crystal is epitaxially grown on a ScAlMgO 4 substrate to further form a device. Since the unevenness removing step is the same as that in the first embodiment, the group III nitride crystal growth step and subsequent steps will be described. However, the uneven removal step, the epitaxial growth surface in the first embodiment, ScAlMgO 4 may be formed only on one surface of the substrate (front side), but in the second embodiment, the epitaxial growth surface on both sides of ScAlMgO 4 substrate It may be formed. In this case, a group III nitride crystal such as GaN (group III nitride semiconductor) can be epitaxially grown on both sides. Further, by using the above-described processing technique, for example, when an LED light emitting layer is formed on the epitaxial growth surface of the substrate, problems such as the above-described change in composition, light emission unevenness of the LED element, and luminance decrease due to the change are not caused. . Furthermore, by forming the unevenness on the epitaxial growth surface of the ScAlMgO 4 substrate to 50 nm or less by the unevenness removal step, for example, when forming an electrode after forming the LED light emitting layer on the epitaxial growth surface, formation defects (steps due to the unevenness) Etching residue etc. at the part) is suppressed. Therefore, the manufacturing yield of devices such as LEDs manufactured using this substrate is improved.
実施の形態2の結晶成長工程では、ScAlMgO4基板10のエピタキシャル成長面に例えばMOCVD法でIII族窒化物の気相成長を行い、図10Aに示すIII族窒化物結晶層5を形成する。ScAlMgO4基板上に例えばMOCVD法でIII族窒化物の気相成長を行うと、III族窒化物の原料は、エピタキシャル成長面の劈開面である(0001)面を移動(マイグレーション)する。そして、安定な位置があればその位置に止まってエピタキシャル成長していく。 In the crystal growth process of the second embodiment, the group III nitride crystal layer 5 shown in FIG. 10A is formed on the epitaxial growth surface of the ScAlMgO 4 substrate 10 by vapor phase growth of group III nitride, for example, by MOCVD. When the vapor phase growth of the group III nitride is performed on the ScAlMgO 4 substrate by, for example, the MOCVD method, the group III nitride raw material moves (migrate) on the (0001) plane that is the cleavage plane of the epitaxial growth surface. If there is a stable position, it stops at that position and grows epitaxially.
III族窒化物結晶層形成工程では、例えばn型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層の積層体からなるIII族窒化物結晶層5(LEDデバイスの発光層)を形成することができる。n型窒化物半導体層としては、例えばn型のAluGavInwN(但し、u+v+w=1、u≧0、v≧0、w≧0である。)半導体から形成される層とすることができる。n型ドーパントとして、例えばシリコン(Si)を用いてもよい。n型ドーパントとして、Siの他に例えば酸素(O)等を用いてもよい。活性層としては、例えば、厚さが3nm〜20nm程度のGa1−xInxN井戸層(但し、0<x<1である。)と、厚さが5nm〜30nm程度のGaNバリア層とが交互に積層されたGaInN/GaNからなる多重量子井戸(MQW)構造を有する層(井戸層)とすることができる。LEDデバイスが出射する光の波長は、活性層を構成する窒化物半導体のバンドギャップの大きさ、具体的には井戸層の半導体組成であるGa1−xInxN半導体におけるInの組成xによって決まる。p型窒化物半導体層は、例えば、p型のAlsGatN(但し、s+t=1、s≧0、t≧0である。)半導体から形成されている層とすることができる。p型ドーパントして、例えばマグネシウム(Mg)を用いることができる。p型ドーパントには、Mgの他に例えば亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)等を用いてもよい。 In the group III nitride crystal layer forming step, for example, a group III nitride crystal layer 5 (light emitting layer of the LED device) formed of a laminate of an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer is formed. Can do. The n-type nitride semiconductor layer is a layer formed from, for example, an n-type Al u Ga v In w N (where u + v + w = 1, u ≧ 0, v ≧ 0, w ≧ 0) semiconductor. be able to. For example, silicon (Si) may be used as the n-type dopant. As the n-type dopant, for example, oxygen (O) or the like may be used in addition to Si. As the active layer, for example, a Ga 1-x In x N well layer having a thickness of about 3 nm to 20 nm (where 0 <x <1), a GaN barrier layer having a thickness of about 5 nm to 30 nm, Can be a layer (well layer) having a multiple quantum well (MQW) structure made of GaInN / GaN in which are alternately stacked. The wavelength of light emitted from the LED device depends on the size of the band gap of the nitride semiconductor constituting the active layer, specifically, the In composition x in the Ga 1-x In x N semiconductor, which is the semiconductor composition of the well layer. Determined. p-type nitride semiconductor layer is, for example, p-type Al s Ga t N (where, s + t = 1, a s ≧ 0, t ≧ 0. ) may be a layer formed from a semiconductor. As the p-type dopant, for example, magnesium (Mg) can be used. In addition to Mg, for example, zinc (Zn), beryllium (Be), or the like may be used as the p-type dopant.
次にデバイス形成工程について説明する。デバイス形成工程では、III族窒化物結晶成長工程で積層されたIII族窒化物結晶層5を、リソグラフィ法およびドライエッチング法等により所望の形状に加工する。例えば、p型窒化物半導体層、活性層、n型窒化物半導体の一部が除去された凹部6を形成し、電極を形成できるようにする。そして、n型窒化物半導体層と電気的に接続されたn側電極8と、p型窒化物半導体層と電気的に接続されたp側電極7とを形成する。n側電極8は、例えばチタン(Ti)層及び白金(Pt)層からなる積層構造(Ti/Pt)等により形成される。この他に、チタン(Ti)層及びアルミニウム(Al)層からなる積層構造(Ti/Al)を用いてもよい。p側電極7は、例えばパラジウム(Pd)層および白金(Pt)層からなる積層構造(Pd/Pt)等により形成される。この他に、銀(Ag)層を用いてもよい。 Next, a device formation process will be described. In the device formation step, the group III nitride crystal layer 5 stacked in the group III nitride crystal growth step is processed into a desired shape by a lithography method, a dry etching method, or the like. For example, the recess 6 from which a part of the p-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the n-type nitride semiconductor is removed is formed so that an electrode can be formed. Then, an n-side electrode 8 electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer and a p-side electrode 7 electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer are formed. The n-side electrode 8 is formed of, for example, a laminated structure (Ti / Pt) composed of a titanium (Ti) layer and a platinum (Pt) layer. In addition, a laminated structure (Ti / Al) composed of a titanium (Ti) layer and an aluminum (Al) layer may be used. The p-side electrode 7 is formed of, for example, a laminated structure (Pd / Pt) composed of a palladium (Pd) layer and a platinum (Pt) layer. In addition, a silver (Ag) layer may be used.
次にIII族窒化物結晶層5の結晶成長面と逆側に形成されているScAlMgO410aを除去する。具体的には、ScAlMgO4基板10の側部に形成された切り欠き2bに刃をあて、切り欠き2bを起点に、ScAlMgO4基板10の劈開方向に力を加えることにより、ScAlMgO4基板10を、図10Bに示すIII族窒化物結晶層5および電極等からなるデバイス構造を含むScAlMgO4基板10bとScAlMgO4基板10aとに分離する。分離されたScAlMgO4基板10aは、実施の形態1で説明した凹凸除去工程を行うことにより、再度種基板として再生することができる。したがって、本実施の形態においても、ScAlMgO4を効率的に使用し、材料歩留まりを向上させることができる。なお、ScAlMgO4基板10の切り欠き2bは一箇所である必要はなく、ScAlMgO4基板10の再生回数に応じて、ScAlMgO4基板10の厚み方向に複数個所形成されていてもよい。つまり、ScAlMgO4基板準備工程において、複数個所に切り欠きを形成することで、ScAlMgO4基板10を複数回利用することができる。なお、ScAlMgO4基板10aの再生時には、ScAlMgO4基板10aが所定の厚みになるように研摩を行う。さらに、凹凸除去工程の微少凹凸形成工程で、微細な凹凸構造を形成することにより、光取り出しの効率向上が可能となる。 Next, the ScAlMgO 4 10a formed on the side opposite to the crystal growth surface of the group III nitride crystal layer 5 is removed. Specifically, ScAlMgO 4 against the blade to the side the formed notch 2b of the substrate 10, starting from the notch 2b, by applying a force to the cleavage direction of ScAlMgO 4 substrate 10, the ScAlMgO 4 substrate 10 Then, the substrate is separated into a ScAlMgO 4 substrate 10b and a ScAlMgO 4 substrate 10a including a device structure including the group III nitride crystal layer 5 and electrodes shown in FIG. 10B. The separated ScAlMgO 4 substrate 10a can be regenerated as a seed substrate again by performing the unevenness removing step described in the first embodiment. Therefore, also in the present embodiment, ScAlMgO 4 can be used efficiently and the material yield can be improved. It is not necessary notch 2b of ScAlMgO 4 substrate 10 is one place, in accordance with the views of ScAlMgO 4 substrate 10 may be a plurality of locations formed in the thickness direction of the ScAlMgO 4 substrate 10. That is, in the ScAlMgO 4 substrate preparation step, the ScAlMgO 4 substrate 10 can be used a plurality of times by forming notches at a plurality of locations. When the ScAlMgO 4 substrate 10a is regenerated, polishing is performed so that the ScAlMgO 4 substrate 10a has a predetermined thickness. Furthermore, the light extraction efficiency can be improved by forming a fine concavo-convex structure in the micro concavo-convex formation step of the concavo-convex removal step.
(その他)
なお、上述の実施の形態1及び2では、一般式RAMO4で表される単結晶体からなる基板のうち、ScAlMgO4の単結晶体から得られる基板について説明したが、本開示は、これに限定されない。具体的には、本開示のScAlMgO4に代表される基板は、一般式RAMO4で表されるほぼ単一結晶材料から構成される。上記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素(原子番号67−71)から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlから選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、MはMg、Mn、Fe(II),Co,Cu,Zn,Cdから選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。なお、ほぼ単一結晶材料とは、エピタキシャル成長面を構成するRAMO4が90at%以上含まれ、かつ、任意の結晶軸に注目したとき、エピタキシャル成長面のどの部分においてもその向きが同一であるような結晶質固体をいう。ただし、局所的に結晶軸の向きが変わっているものや、局所的な格子欠陥が含まれるものも、単結晶として扱う。なお、Oは酸素である。ただし、上記の通り、RはSc、AはAl、MはMgとするのが望ましい。
(Other)
In the first and second embodiments described above, the substrate obtained from the single crystal of ScAlMgO 4 has been described among the substrates formed of the single crystal represented by the general formula RAMO 4. It is not limited. Specifically, a substrate typified by ScAlMgO 4 of the present disclosure is composed of a substantially single crystal material represented by the general formula RAMO 4 . In the above general formula, R represents one or more trivalent elements selected from Sc, In, Y, and a lanthanoid element (atomic number 67-71), and A represents Fe (III), Ga And one or more trivalent elements selected from Al, and M is one or more divalent elements selected from Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn, Cd Represents. Note that the almost single crystal material includes 90 at% or more of RAMO 4 constituting the epitaxial growth surface, and when attention is paid to an arbitrary crystal axis, the direction is the same in any part of the epitaxial growth surface. A crystalline solid. However, those in which the orientation of the crystal axis is locally changed and those containing local lattice defects are also treated as single crystals. O is oxygen. However, as described above, it is desirable that R is Sc, A is Al, and M is Mg.
また、上記単結晶体からなる基板上に結晶成長させるIII族窒化物についても、GaNやn型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層等に限定されない。III族窒化物を構成するIII族元素金属としては、ガリウム(Ga)が最も良いが、例えば、III族元素金属の他の例としては、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、タリウム(Tl)等が挙げられ、III族窒化物には当該III族元素金属を、1種類のみでも2種類以上併用しても良い。例えば、III族元素金属として、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、およびインジウム(In)からなる群から選択される少なくとも一つを用いても良い。この場合、製造されるIII族窒化物結晶の組成は、AlsGatIn{1−(s+t)}N(ただし、0≦s≦1、0≦t≦1、s+t≦1)で表され、実施の形態1においては、GaNをIII族窒化物とするのが良い。なお、2種類以上のIII族元素金属を用いて製造される三元系以上の窒化物結晶としては、例えば、GaxIn1−xN(0<x<1)の結晶があげられる。 Further, the group III nitride crystal grown on the single crystal substrate is not limited to GaN, n-type nitride semiconductor layer, active layer, p-type nitride semiconductor layer, or the like. Gallium (Ga) is the best Group III element metal constituting the Group III nitride, but other examples of Group III element metals include aluminum (Al), indium (In), and thallium (Tl). In the group III nitride, the group III element metal may be used alone or in combination of two or more. For example, at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In) may be used as the group III element metal. In this case, the composition of the III-nitride crystal to be produced, expressed in Al s Ga t In {1- ( s + t)} N ( However, 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1, s + t ≦ 1) In the first embodiment, GaN is preferably a group III nitride. An example of a ternary or higher nitride crystal produced using two or more Group III element metals is a Ga x In 1-x N (0 <x <1) crystal.
基板上へMOCVC気相成長時でLED発光層を成長されLED素子を製造するにあたり、本開示に係る基板を利用することで、種基板材料の材料効率を向上させながら、LED素子として発光ムラが発生し、輝度の低下を防ぐことが出来る。 In manufacturing an LED element by growing an LED light emitting layer on a substrate during MOCVC vapor phase growth, by using the substrate according to the present disclosure, the material efficiency of the seed substrate material is improved, and light emission unevenness is generated as the LED element. It is possible to prevent a decrease in luminance.
1 インゴット
2a、2b 切り欠き
3 刃
4 GaN層(III族窒化物結晶層)
5 III族窒化物結晶層
6 凹部
7 p側電極
8 n側電極
10、10a、10b ScAlMgO4基板
20 Ga面(エピタキシャル成長面)
21 N面
1 Ingot 2a, 2b Notch 3 Blade 4 GaN layer (Group III nitride crystal layer)
5 Group III nitride crystal layer 6 Recess 7 P-side electrode 8 N-side electrode 10, 10a, 10b ScAlMgO 4 substrate 20 Ga surface (epitaxial growth surface)
21 N side
Claims (7)
前記RAMO4基板上にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
前記RAMO4基板を劈開させる工程と、を有し、
前記切り欠きは、前記RAMO4基板の厚み方向に複数個設けられる、III族窒化物結晶製造方法。 A single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements; Represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe, (III), Ga, and Al, and M represents Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn, and Cd. Preparing a RAMO 4 substrate having a notch on the side portion, which represents one or more divalent elements selected from the group consisting of:
Growing a group III nitride crystal on the RAMO 4 substrate;
Cleaving the RAMO 4 substrate,
The group III nitride crystal manufacturing method, wherein a plurality of the notches are provided in a thickness direction of the RAMO 4 substrate.
側部に切り欠きを有し、
前記切り欠きは、前記RAMO4基板の厚み方向に複数個設けられている、RAMO4基板。 A single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements; Represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe, (III), Ga, and Al, and M represents Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn, and Cd. In a RAMO 4 substrate consisting of one or more divalent elements selected from the group consisting of:
Has a notch on the side,
The RAMO 4 substrate, wherein a plurality of the notches are provided in the thickness direction of the RAMO 4 substrate.
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