JP6385004B2 - Group 13 element nitride crystal layer and functional device - Google Patents

Group 13 element nitride crystal layer and functional device Download PDF

Info

Publication number
JP6385004B2
JP6385004B2 JP2014249156A JP2014249156A JP6385004B2 JP 6385004 B2 JP6385004 B2 JP 6385004B2 JP 2014249156 A JP2014249156 A JP 2014249156A JP 2014249156 A JP2014249156 A JP 2014249156A JP 6385004 B2 JP6385004 B2 JP 6385004B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
group
crystal
crystal layer
element nitride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014249156A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016108199A (en
Inventor
克宏 今井
克宏 今井
岩井 真
真 岩井
崇行 平尾
崇行 平尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2014249156A priority Critical patent/JP6385004B2/en
Publication of JP2016108199A publication Critical patent/JP2016108199A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6385004B2 publication Critical patent/JP6385004B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

本発明は、13族元素窒化物結晶層および機能素子に関するものである。本発明は、高品質であることが要求される技術分野、例えばポスト蛍光灯といわれている高演色性の青色LEDや高速高密度光メモリ用青紫レーザ、ハイブリッド自動車用のインバータに用いるパワーデバイスなどに用いることができる。   The present invention relates to a group 13 element nitride crystal layer and a functional element. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a technical field that is required to have high quality, for example, a high color rendering blue LED called a post fluorescent lamp, a blue-violet laser for high-speed and high-density optical memory, and a power device used for an inverter for a hybrid vehicle. Can be used.

近年、窒化ガリウムなどの13族元素窒化物を用いて、青色LEDや白色LED、青紫色半導体レーザなどの半導体デバイスを作製し、その半導体デバイスを各種電子機器へ応用することが活発に研究されている。   In recent years, semiconductor devices such as blue LEDs, white LEDs, and blue-violet semiconductor lasers are manufactured using group 13 element nitrides such as gallium nitride, and application of the semiconductor devices to various electronic devices has been actively studied. Yes.

白色LEDの用途拡大に伴い、LEDチップにはより一層の高性能化が求められている。高性能化とは、高効率化、高輝度化である。   As the application of white LEDs expands, LED chips are required to have higher performance. High performance means high efficiency and high brightness.

現時点で一般的に用いられている、サファイア上基板上にMOCVD法でGaN薄膜(発光部)を形成する構造では、発光部の転位密度が1×10〜1×1010/cmと非常に大きいため、転位部分でキャリアの非発光再結合が発生し、発光効率の向上が困難であった。 In a structure in which a GaN thin film (light emitting part) is formed on a sapphire substrate, which is generally used at present, by MOCVD, the dislocation density of the light emitting part is very high, 1 × 10 9 to 1 × 10 10 / cm 2. Therefore, non-radiative recombination of carriers occurs at the dislocation part, and it is difficult to improve luminous efficiency.

MOCVD法やHVPE法などの気相法において、発光部の転位密度を減らす試みがなされている。たとえば、特許文献1では、種結晶上にSiOのマスクを形成し、種結晶上に気相法によってGaN結晶を成長させることにより、種結晶から伝播する転位を遮断あるいは屈曲させることによるGaN薄膜の低転位化を行っている。 Attempts have been made to reduce the dislocation density in the light emitting part in gas phase methods such as MOCVD and HVPE. For example, in Patent Document 1, a GaN thin film is formed by forming a SiO 2 mask on a seed crystal and growing or growing a GaN crystal on the seed crystal by a vapor phase method, thereby blocking or bending dislocations propagating from the seed crystal. Of low dislocation.

金属ガリウムを窒素と直接反応させて窒化ガリウム結晶を成長させる場合、1500℃、1GPaといった、高温高圧条件が必要になる。一方、フラックス法は、液相法の一つであり、窒化ガリウムの場合、フラックスとして金属ナトリウムを用いることで窒化ガリウムの結晶成長に必要な温度を800℃程度、圧力を数MPaに緩和することができる。具体的には、金属ナトリウムと金属ガリウムとの混合融液中に窒素ガスが溶解し、窒化ガリウムが過飽和状態になって結晶として成長する。こうした液相法では、気相法に比べて転位が発生しにくいため、転位密度の低い高品質な窒化ガリウムを得ることができる。   When a gallium nitride crystal is grown by directly reacting metal gallium with nitrogen, high-temperature and high-pressure conditions such as 1500 ° C. and 1 GPa are required. On the other hand, the flux method is one of liquid phase methods. In the case of gallium nitride, the temperature required for crystal growth of gallium nitride is reduced to about 800 ° C. and the pressure is reduced to several MPa by using metallic sodium as the flux. Can do. Specifically, nitrogen gas is dissolved in a mixed melt of metallic sodium and metallic gallium, and gallium nitride becomes supersaturated and grows as crystals. In such a liquid phase method, dislocations are less likely to occur than in a gas phase method, so that high-quality gallium nitride having a low dislocation density can be obtained.

Naフラックス法では、種結晶と成長部の界面近傍で、自発的に転位が減少することが知られている。非特許文献1には、Naフラックス法による転位低減メカニズムが解説されている。これによると、フラックス法成長初期の過飽和度が小さい時期には、GaN結晶の(10-11)面が表面に現れ、プロセスが進行して過飽和度が大きくなってくると、次第に(0001)面が発達するようになる。これに伴い、種結晶から伝播する転位は、当初はc軸方向に伸びるが、次第に傾いてきて、やがて傾斜後の転位が複数重合し、転位束を形成する。(10-11)面が形成されるのは界面から数ミクロン、(0001)面が発達するのは界面から数十ミクロンの厚さである。   In the Na flux method, it is known that dislocations spontaneously decrease near the interface between the seed crystal and the growth part. Non-Patent Document 1 describes a dislocation reduction mechanism by the Na flux method. According to this, when the supersaturation degree in the initial stage of the flux method growth is small, the (10-11) plane of the GaN crystal appears on the surface, and as the process proceeds and the supersaturation level increases, the (0001) plane gradually increases. Will develop. Along with this, dislocations propagating from the seed crystal initially grow in the c-axis direction, but gradually tilt, and eventually a plurality of dislocations after the tilting are polymerized to form a dislocation bundle. The (10-11) plane is formed several microns from the interface, and the (0001) plane develops several tens of microns from the interface.

特許文献2では、フラックス法に用いる種結晶の表面を意図的に凸凹にすることにより、種結晶から伝播する転位の一部を屈曲させて凸凹構造の内側に閉じ込め、転位密度の低いGaN結晶を成長させることを狙っている。   In Patent Document 2, by intentionally making the surface of the seed crystal used in the flux method uneven, a part of dislocations propagating from the seed crystal is bent and confined inside the uneven structure, and a GaN crystal having a low dislocation density is formed. Aiming to grow.

特許文献3では、フラックス法による結晶成長初期に、窒素が未飽和の状態で意図的に保持し、種結晶の表面をメルトバックすることで、結晶性が低く転位の多い種結晶表層を除去し、転位密度の低いGaN結晶の実現を目指している。   In Patent Document 3, in the initial stage of crystal growth by the flux method, nitrogen is intentionally held in an unsaturated state, and the seed crystal surface layer with low crystallinity and many dislocations is removed by melting back the surface of the seed crystal. The aim is to realize GaN crystals with low dislocation density.

JJAP Vol.45,2006,pp.2528-2530JJAP Vol.45, 2006, pp.2528-2530

特開2000-349338JP2000-349338 特開2005-281067JP2005-281067 特開2009-012986JP2009-012986

特許文献1記載の構造では、種基板表面に微細なSiOマスクを設ける必要があり、製造プロセスが複雑になる。また、SiOマスク上での結晶のラテラルオーバーグロースを利用するものであるので、育成した結晶層表面における転位密度を低くするためには、結晶層を厚くすることが必要である。例えば、結晶層表面における転位密度を10/cm台に低減させるには、GaN結晶層の厚さは200μm程度必要である。 In the structure described in Patent Document 1, it is necessary to provide a fine SiO 2 mask on the seed substrate surface, which complicates the manufacturing process. Further, since the lateral overgrowth of the crystal on the SiO 2 mask is utilized, it is necessary to increase the thickness of the crystal layer in order to reduce the dislocation density on the surface of the grown crystal layer. For example, in order to reduce the dislocation density on the surface of the crystal layer to 10 6 / cm 2 , the thickness of the GaN crystal layer needs to be about 200 μm.

非特許文献1では、気相法に比べると早い段階で転位密度を低減できるが、しかし結晶層表面において十分に転位を低減させるには、数十ミクロンの厚さが必要であった。したがって、たとえばフラックス法によって育成した結晶層の厚さが50μm以下の領域では、転位密度が十分に低減していない。このため、得られた結晶層を薄く研磨加工すると、結晶層の研磨面に貫通転位が多数現れるので、貫通転位を通じて電流リークを起こしやすくなる。   In Non-Patent Document 1, the dislocation density can be reduced at an early stage as compared with the vapor phase method, but a thickness of several tens of microns is required to sufficiently reduce the dislocation on the crystal layer surface. Therefore, for example, in the region where the thickness of the crystal layer grown by the flux method is 50 μm or less, the dislocation density is not sufficiently reduced. For this reason, when the obtained crystal layer is thinly polished, a number of threading dislocations appear on the polished surface of the crystal layer, so that current leakage is likely to occur through the threading dislocation.

特許文献2の構造でも、同様に、結晶層の厚さを大きくしないと、結晶層表面における転位密度を低減することが難しい。例えば、特許文献3の実施例によると、10/cmの転位密度を結晶層表面で実現するためには、GaN結晶層の厚さを数百μmとする必要があった。 Similarly, in the structure of Patent Document 2, it is difficult to reduce the dislocation density on the surface of the crystal layer unless the thickness of the crystal layer is increased. For example, according to the example of Patent Document 3, in order to realize a dislocation density of 10 6 / cm 2 on the surface of the crystal layer, the thickness of the GaN crystal layer has to be several hundred μm.

特許文献3では、結晶成長工程中にメルトバックできるため、プロセスそれ自体は平易であるが、高温高圧のNaフラックス中でのメルトバック量の制御が難しく、実用性が乏しい。   In Patent Document 3, since meltback can be performed during the crystal growth process, the process itself is simple, but it is difficult to control the amount of meltback in a high-temperature and high-pressure Na flux, and practicality is poor.

本発明の課題は、13族元素窒化物からなる種結晶上に成長した13族元素窒化物からなる結晶層であって、結晶層の厚さを薄くでき、かつ結晶層の表面における転位密度を低減できるような構造を提供することである。   An object of the present invention is a crystal layer made of a group 13 element nitride grown on a seed crystal made of a group 13 element nitride, which can reduce the thickness of the crystal layer and reduce the dislocation density on the surface of the crystal layer. It is to provide a structure that can be reduced.

本発明は、13族元素窒化物からなる種結晶上に成長した、13族元素窒化物からなる結晶層であって、
前記結晶層が、種結晶と13族元素窒化物結晶層との平滑な界面に沿った界面層と、この界面層上に設けられた成長層とを有しており、
前記界面層が、13族元素窒化物結晶層の表面へと向かって延びる初期転位と、この初期転位から屈曲して初期転位に対して交差する方向に延びる傾斜転位とを有しており、前記初期転位の99%が終端した境界を前記界面層と前記成長層との境界としたとき、前記界面層の厚さが15μm以下であることを特徴とする。
The present invention is a crystal layer made of a group 13 element nitride grown on a seed crystal made of a group 13 element nitride,
The crystal layer has an interface layer along a smooth interface between the seed crystal and the group 13 element nitride crystal layer, and a growth layer provided on the interface layer;
The interface layer has the initial dislocation extending towards the surface of the Group 13 element nitride crystal layer, and an inclined dislocations extending in a direction crossing the initial dislocation is bent from the initial dislocation, the When the boundary at which 99% of initial dislocations terminates is defined as the boundary between the interface layer and the growth layer, the thickness of the interface layer is 15 μm or less.

また、本発明は、13族元素窒化物からなる種結晶、およびこの種結晶上に設けられた前記請求項1〜5のいずれか一つの請求項に記載の13族元素窒化物結晶層を有することを特徴とする、複合基板に係るものである。   Moreover, this invention has the seed crystal | crystallization which consists of a group 13 element nitride, and the group 13 element nitride crystal layer as described in any one of the said Claims 1-5 provided on this seed crystal. The present invention relates to a composite substrate.

また、本発明は、前記13族元素窒化物結晶層、および前記結晶層の表面上に形成された13族元素窒化物からなる機能層を備えていることを特徴とする、機能素子に係るものである。   In addition, the present invention relates to a functional element comprising the group 13 element nitride crystal layer and a functional layer made of a group 13 element nitride formed on a surface of the crystal layer. It is.

本発明者は、従来技術の項目で述べた様々な13族元素窒化物結晶層の微構造を、TEMや蛍光顕微鏡などを用いて詳細に検討し、結晶層が薄い段階で転位を低減し、あるいは消滅させ得るような微構造を研究してきた。   The present inventor examined the microstructure of various Group 13 element nitride crystal layers described in the section of the prior art in detail using a TEM, a fluorescence microscope, etc., and reduced dislocations when the crystal layer was thin. Or I have been studying the microstructure that can be extinguished.

例えば特許文献1に記載されたような気相法では、転位は界面から結晶層の表面へと向かってほぼ真っ直ぐに多数延びる。このため、ラテラルオーバーグロースを利用して転位を低減するには、かなりの厚さが必要である。また、転位が横方向に延びる場合も、横方向に向かって延びる転位同士が会合して再度縦方向に延びる転位束を形成し、転位束が結晶層の表面に現れやすい。   For example, in the vapor phase method as described in Patent Document 1, many dislocations extend almost straight from the interface toward the surface of the crystal layer. For this reason, in order to reduce a dislocation | rearrangement using a lateral overgrowth, considerable thickness is required. Also, when dislocations extend in the horizontal direction, dislocations extending in the horizontal direction meet to form a dislocation bundle extending in the vertical direction again, and the dislocation bundle tends to appear on the surface of the crystal layer.

また、上述したようなフラックス法による転位低減メカニズムについて、図4の参考図を参照しつつ述べる。   The dislocation reduction mechanism by the flux method as described above will be described with reference to the reference diagram of FIG.

図4に示すように、種結晶1の表面1a上に13族元素窒化物結晶層10を育成する。ここで、結晶成長の初期には、例えばGaN結晶の(10-11)面が表面に現れる。これに伴い、初期転位13aが界面Iに対して略垂直に延びる。次いで、プロセスが進行して融液の過飽和度が大きくなってくると、次第に(0001)面が発達するようになる。これに伴い、種結晶1から伝播する転位は、当初はc軸方向に伸びるが、次第に13bから13cのように初期転位13aに対して傾斜してくる。そして、傾斜後の転位13cが複数重合し、例えば領域Dにおいて、界面Iに対して略垂直に延びる転位束15を形成する。(10-11)面が形成されるのは界面Iから数ミクロンの厚さであり、(0001)面が発達するのは界面Iから数十ミクロンの厚さである。更に結晶成長を続けると、複数の転位束15が領域Eで重合し、新しい転位束16を形成する。   As shown in FIG. 4, a group 13 element nitride crystal layer 10 is grown on the surface 1 a of the seed crystal 1. Here, at the initial stage of crystal growth, for example, the (10-11) plane of a GaN crystal appears on the surface. Along with this, the initial dislocation 13a extends substantially perpendicular to the interface I. Next, as the process proceeds and the degree of supersaturation of the melt increases, the (0001) plane gradually develops. Along with this, dislocations propagated from the seed crystal 1 initially extend in the c-axis direction, but gradually tilt with respect to the initial dislocations 13a as in 13b to 13c. Then, a plurality of tilted dislocations 13 c are polymerized to form, for example, a dislocation bundle 15 that extends substantially perpendicular to the interface I in the region D. The (10-11) plane is formed with a thickness of several microns from the interface I, and the (0001) plane develops with a thickness of several tens of microns from the interface I. When the crystal growth is further continued, the plurality of dislocation bundles 15 are polymerized in the region E to form new dislocation bundles 16.

この結果、結晶層10を厚くしても、その表面10aに現れる転位束はなかなか減らない。また、表面10aで転位束が少なくなるまで成長を続けた場合にも、結晶層を研磨加工して薄くすると、多くの転位が研磨面に現れてくるので、薄くかつ表面転位密度の低い結晶層を得ることができない。   As a result, even if the crystal layer 10 is thickened, the dislocation bundle appearing on the surface 10a is not easily reduced. Even when growth is continued until the dislocation bundle is reduced on the surface 10a, if the crystal layer is polished and thinned, many dislocations appear on the polished surface. Therefore, the crystal layer is thin and has a low surface dislocation density. Can't get.

本発明者は、以上の知見に立ち、結晶成長開始時の条件を精密に制御することによって、結晶の成長モードを制御し、界面のごく近傍で転位を水平方向に屈曲させることを試みた。この点について、図3の模式図を参照しつつ述べる。   Based on the above knowledge, the present inventor tried to control the crystal growth mode by precisely controlling the conditions at the start of crystal growth, and to bend the dislocations in the horizontal direction very close to the interface. This point will be described with reference to the schematic diagram of FIG.

すなわち、本発明者は、種結晶1の表面1aから結晶層2を成長させる際に、成長初期において、(10-11)面での成長をなるべく抑え、まずは縦方向への成長を促してm面を発達させ、次いで早期に成長モードを切り替えることにより、横方向に成長させることに成功した。   That is, when growing the crystal layer 2 from the surface 1a of the seed crystal 1, the present inventor suppresses growth on the (10-11) plane as much as possible in the initial stage of growth, and first promotes growth in the vertical direction. By developing the surface and then switching the growth mode early, we succeeded in growing in the lateral direction.

これによって、成長初期の界面層2bにおいては、縦方向に延びる短い初期転位3aを生成させ、この初期転位3aを早期に屈曲させ、初期転位3aに対して傾斜する傾斜転位3cおよび3bが生成することがわかった。しかも、この際、界面Iに対して略平行に伸びる転位3bが、他の転位と重合する前に終端し、終端転位を形成することが判明した。   As a result, in the interface layer 2b in the initial stage of growth, short initial dislocations 3a extending in the vertical direction are generated, the initial dislocations 3a are bent at an early stage, and inclined dislocations 3c and 3b that are inclined with respect to the initial dislocations 3a are generated. I understood it. Moreover, at this time, it has been found that the dislocations 3b extending substantially parallel to the interface I terminate before polymerizing with other dislocations to form terminal dislocations.

この結果、界面層2b上には、界面層2bよりも転位密度の低い成長層2cが生成する。この際、界面層2bの厚さtが小さいうちに3c、3bのように転位の屈曲が始まる。しかも、傾斜転位3bは途中で終端し、他の傾斜転位と会合しにくく、転位束を形成しにくいので、結晶層2の全体厚さが小さくとも結晶層2の表面2aに貫通転位が現れにくく、表面における転位密度を小さくすることができる。すなわち、非特許文献1に記載されているように数十μmの厚さを必要としない。   As a result, a growth layer 2c having a dislocation density lower than that of the interface layer 2b is generated on the interface layer 2b. At this time, the bending of dislocations starts as 3c and 3b while the thickness t of the interface layer 2b is small. In addition, the inclined dislocations 3b terminate in the middle, hardly associate with other inclined dislocations, and do not easily form dislocation bundles, so that the threading dislocations hardly appear on the surface 2a of the crystal layer 2 even if the total thickness of the crystal layer 2 is small. The dislocation density on the surface can be reduced. That is, as described in Non-Patent Document 1, a thickness of several tens of μm is not required.

(a)は、種結晶1上に形成された13族元素窒化物結晶層2を示す模式図であり、(b)は、複合基板4を示す模式図であり、(c)は、複合基板4上に機能素子構造5を形成してなる機能素子15を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the group 13 element nitride crystal layer 2 formed on the seed crystal 1, (b) is a schematic diagram which shows the composite substrate 4, (c) is a composite substrate 4 is a schematic diagram showing a functional element 15 formed by forming a functional element structure 5 on 4. (a)は、種結晶1上で発生した核6を示す模式図であり、(b)は、核6からの成長方向を示す模式図である。(A) is a schematic diagram showing a nucleus 6 generated on the seed crystal 1, and (b) is a schematic diagram showing a growth direction from the nucleus 6. 本発明の結晶層の構成を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the crystal layer of this invention. 参考例の結晶層の構成を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the crystal layer of a reference example. 本発明実施例で得られた結晶層のTEM写真である。It is a TEM photograph of the crystal layer obtained in the example of the present invention. 本発明実施例で得られた結晶層の蛍光顕微鏡写真である。It is a fluorescence micrograph of the crystal layer obtained by the Example of this invention.

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に説明する。
好適な実施形態においては、図1(a)に示すように、窒化ガリウムからなる種結晶1の表面1aに13族元素窒化物結晶層2を形成する。次いで、好ましくは、結晶層2の表面2aを研磨加工することで、図1(b)に示すように結晶層3を薄くし、複合基板4を得る。3aは研磨後の表面である。
The present invention will be further described below with reference to the drawings as appropriate.
In a preferred embodiment, as shown in FIG. 1A, a group 13 element nitride crystal layer 2 is formed on the surface 1a of the seed crystal 1 made of gallium nitride. Next, preferably, the surface 2a of the crystal layer 2 is polished to make the crystal layer 3 thinner as shown in FIG. 3a is the surface after polishing.

こうして得られた複合基板4の表面3aに機能層5を気相法で形成し、機能素子15を得る(図1(c))。ただし、5a、5b、5c、5d、5eは、表面3a上に成長した用途に応じて設計されるエピタキシャル層である。   A functional layer 5 is formed on the surface 3a of the composite substrate 4 obtained in this way by a vapor phase method to obtain a functional element 15 (FIG. 1C). However, 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e are epitaxial layers designed according to the use grown on the surface 3a.

なお、機能層5を形成する前に13族元素窒化物結晶層2の表面2aを研磨することは必須ではなく、成長面をそのまま利用することもできる。また、図1(b)の複合基板4を作製した後に種結晶1を研削加工等によって除去し、その後に結晶層3の表面に機能層5を形成することができる。   It is not essential to polish the surface 2a of the group 13 element nitride crystal layer 2 before forming the functional layer 5, and the growth surface can be used as it is. In addition, after the composite substrate 4 of FIG. 1B is manufactured, the seed crystal 1 can be removed by grinding or the like, and then the functional layer 5 can be formed on the surface of the crystal layer 3.

(種結晶)
本発明では、種結晶は、13族元素窒化物結晶層を育成可能な限り、特に限定されない。ここでいう13族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第13族元素のことである。13族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。この13族元素窒化物は、特に好ましくは、GaN、AlN、GaAlNである。
(Seed crystal)
In the present invention, the seed crystal is not particularly limited as long as the group 13 element nitride crystal layer can be grown. Here, the group 13 element is a group 13 element according to the periodic table established by IUPAC. The group 13 element is specifically gallium, aluminum, indium, thallium, or the like. This group 13 element nitride is particularly preferably GaN, AlN, or GaAlN.

種結晶は、それ自体で自立基板(支持基板)を形成していてよく、あるいは別の支持基板上に形成された種結晶膜であってよい。この種結晶膜は、一層であってよく、あるいは支持基板側にバッファ層を含んでいて良い。   The seed crystal may form a self-supporting substrate (support substrate) by itself, or may be a seed crystal film formed on another support substrate. This seed crystal film may be a single layer, or may include a buffer layer on the support substrate side.

種結晶膜の形成方法は気相成長法が好ましいが、有機金属化学気相成長(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、パルス励起堆積(PXD)法、MBE法、昇華法を例示できる。有機金属化学気相成長法が特に好ましい。また、成長温度は、950〜1200℃が好ましい。   As a method for forming the seed crystal film, a vapor deposition method is preferable, but a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a hydride vapor deposition (HVPE) method, a pulsed excitation deposition (PXD) method, MBE Method and sublimation method. Metalorganic chemical vapor deposition is particularly preferred. The growth temperature is preferably 950 to 1200 ° C.

支持基板上に種結晶膜を形成する場合には、支持基板を構成する単結晶の材質は限定されないが、サファイア、AlNテンプレート、GaNテンプレート、GaN自立基板、シリコン単結晶、SiC単結晶、MgO単結晶、スピネル(MgAl)、LiAlO、LiGaO、LaAlO,LaGaO,NdGaO等のペロブスカイト型複合酸化物、SCAM(ScAlMgO)を例示できる。また組成式〔A1−y(Sr1−xBa〕〔(Al1−zGa1−u・D〕O(Aは、希土類元素である;Dは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である;y=0.3〜0.98;x=0〜1;z=0〜1;u=0.15〜0.49;x+z=0.1〜2)の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。 When the seed crystal film is formed on the support substrate, the material of the single crystal constituting the support substrate is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, GaN free-standing substrate, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single Examples thereof include crystals, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , LaAlO 3 , LaGaO 3 , NdGaO 3 and other perovskite complex oxides, SCAM (ScAlMgO 4 ). The composition formula [A 1-y (Sr 1- x Ba x) y ] [(Al 1-z Ga z) 1-u · D u ] O 3 (A is a rare earth element; D is niobium and One or more elements selected from the group consisting of tantalum; y = 0.3-0.98; x = 0-1; z = 0-1; u = 0.15-0.49; x + z = 0 .1 to 2) cubic perovskite structure composite oxides can also be used.

13族元素窒化物結晶層の育成方向は、ウルツ鉱構造のc面の法線方向であってよく、またa 面、m面それぞれの法線方向であってもよい。   The growth direction of the group 13 element nitride crystal layer may be the normal direction of the c-plane of the wurtzite structure, or may be the normal direction of the a-plane and the m-plane.

種結晶の表面における転位密度は、種結晶上に設ける13族元素窒化物結晶層の転位密度を低減するという観点から、低いことが望ましい。この観点からは、種結晶の転位密度は、7×10/cm以下が好ましく、5×10/cm以下が更に好ましい。また、種結晶の転位密度は品質の点からは低いほど良いので、下限は特にないが、一般的には、5×10/cm以上であることが多い。 The dislocation density on the surface of the seed crystal is desirably low from the viewpoint of reducing the dislocation density of the group 13 element nitride crystal layer provided on the seed crystal. From this viewpoint, the dislocation density of the seed crystal is preferably 7 × 10 8 / cm 2 or less, and more preferably 5 × 10 8 / cm 2 or less. Further, the lower the dislocation density of the seed crystal, the better from the viewpoint of quality, so there is no particular lower limit, but generally it is often 5 × 10 7 / cm 2 or more.

(13族元素窒化物結晶層)
窒化ガリウム結晶層の製法は特に限定されないが、有機金属化学気相成長(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、パルス励起堆積(PXD)法、MBE法、昇華法などの気相法、フラックス法などの液相法を例示できる。
(Group 13 element nitride crystal layer)
The manufacturing method of the gallium nitride crystal layer is not particularly limited, but metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, hydride vapor deposition (HVPE) method, pulse excitation deposition (PXD) method, MBE method, sublimation Examples thereof include gas phase methods such as the method, and liquid phase methods such as the flux method.

この結晶層を構成する13族元素窒化物において、13族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第13族元素のことである。13族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。この13族元素窒化物は、特に好ましくは、GaN、AlN、GaAlNである。また、添加剤としては、炭素や、低融点金属(錫、ビスマス、銀、金)、高融点金属(鉄、マンガン、チタン、クロムなどの遷移金属)が挙げられる。低融点金属は、ナトリウムの酸化防止を目的として添加する場合があり、高融点金属は、坩堝を入れる容器や育成炉のヒーターなどから混入する場合がある。   In the group 13 element nitride constituting the crystal layer, the group 13 element is a group 13 element according to a periodic table established by IUPAC. The group 13 element is specifically gallium, aluminum, indium, thallium, or the like. This group 13 element nitride is particularly preferably GaN, AlN, or GaAlN. Examples of the additive include carbon, low melting point metals (tin, bismuth, silver, gold) and high melting point metals (transition metals such as iron, manganese, titanium, and chromium). The low melting point metal may be added for the purpose of preventing oxidation of sodium, and the high melting point metal may be mixed from a container in which a crucible is put or a heater of a growth furnace.

例えば図3の模式図に示すように、本発明の13族元素窒化物結晶層2は、種結晶と13族元素窒化物結晶層との界面に沿った界面層2bと、この界面層上に設けられた成長層2cとを有する。   For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 3, the group 13 element nitride crystal layer 2 of the present invention includes an interface layer 2b along the interface between the seed crystal and the group 13 element nitride crystal layer, and on the interface layer. And a provided growth layer 2c.

ここで、界面層2bは、前記界面Iに沿って延びるものである。この界面層2bと接する種結晶1には、いわゆる下地層やバッファ層も含んでいてよい。   Here, the interface layer 2b extends along the interface I. The seed crystal 1 in contact with the interface layer 2b may include a so-called underlayer or buffer layer.

界面層2bは、界面Iから延びる初期転位およびこれに連続する傾斜転位を包含する層である。本発明の観点からは、界面層2bの厚さtは15μm以下とするが、5μm以下が更に好ましい。また、界面層2bの厚さtは1μm以上であることが好ましい。界面層2b内部で、初期転位から連続する転位のほとんどが終端し転位密度が低減する。   The interface layer 2b is a layer that includes initial dislocations extending from the interface I and inclined dislocations continuous thereto. From the viewpoint of the present invention, the thickness t of the interface layer 2b is set to 15 μm or less, more preferably 5 μm or less. The thickness t of the interface layer 2b is preferably 1 μm or more. In the interface layer 2b, most of the dislocations continuing from the initial dislocations are terminated and the dislocation density is reduced.

本発明においては、初期転位の99%が終端した境界を、界面層と成長層との境界とする。このため、種結晶と界面層との境界から成長層に向かって100本の初期転位を追跡し、そのうち99本が終端した場所を確認し、界面層と成長層との境界とする。そして、種結晶と界面層との境界から、界面層と成長層との境界までの間隔を、界面層の厚さと定義する。   In the present invention, the boundary where 99% of the initial dislocations are terminated is defined as the boundary between the interface layer and the growth layer. For this reason, 100 initial dislocations are traced from the boundary between the seed crystal and the interface layer toward the growth layer, and the location where 99 of them are terminated is confirmed as the boundary between the interface layer and the growth layer. The distance from the boundary between the seed crystal and the interface layer to the boundary between the interface layer and the growth layer is defined as the thickness of the interface layer.

また、本発明の観点からは、結晶層2、3の厚さTは、20μm以下が好ましく、15μm以下が更に好ましい。また、結晶層の厚さtは5μm以上であることが好ましい。   Further, from the viewpoint of the present invention, the thickness T of the crystal layers 2 and 3 is preferably 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less. The thickness t of the crystal layer is preferably 5 μm or more.

界面層上の成長層2cは、界面層2bに存在する初期転位から連続する転位のほとんどが終端し、転位密度が低くなっている層である。具体的には、後述するTEM写真を撮像した後に、5μm×5μmの視野において、転位密度が5×10cm−2以下であることが好ましい。 The growth layer 2c on the interface layer is a layer in which most of the dislocations continuing from the initial dislocation existing in the interface layer 2b are terminated and the dislocation density is low. Specifically, after taking a TEM photograph to be described later, the dislocation density is preferably 5 × 10 5 cm −2 or less in a visual field of 5 μm × 5 μm.

本発明においては、界面層が、前記13族元素窒化物の表面へと向かって延びる初期転位と、この初期転位から屈曲して初期転位に対して交差する方向に延びる傾斜転位とを有している。   In the present invention, the interface layer has initial dislocations extending toward the surface of the group 13 element nitride, and inclined dislocations that are bent from the initial dislocations and extend in a direction intersecting the initial dislocations. Yes.

初期転位に対する傾斜転位の傾斜角度は、TEM写真において、30〜90°であり、好ましくは60〜90°である。   The inclination angle of the inclined dislocation relative to the initial dislocation is 30 to 90 °, preferably 60 to 90 ° in the TEM photograph.

特に好適な実施形態においては、傾斜転位が界面Iと略平行に延びる。これによって傾斜転位が末端で終端し易くなり、結晶層の表面まで延びにくくなる。   In a particularly preferred embodiment, the inclined dislocations extend substantially parallel to the interface I. As a result, the inclined dislocations are easily terminated at the end, and are difficult to extend to the surface of the crystal layer.

特に好適な実施形態においては、13族元素窒化物結晶層をフラックス法によって育成する。この際、フラックスの種類は、13族元素窒化物を生成可能である限り、特に限定されない。好適な実施形態においては、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むフラックスを使用し、ナトリウム金属を含むフラックスが特に好ましい。   In a particularly preferred embodiment, the group 13 element nitride crystal layer is grown by a flux method. At this time, the type of the flux is not particularly limited as long as the group 13 element nitride can be generated. In a preferred embodiment, a flux containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal is used, and a flux containing sodium metal is particularly preferred.

フラックスには、13族元素の原料物質を混合し、使用する。この原料物質としては、単体金属、合金、化合物を適用できるが、13族元素の単体金属が取扱いの上からも好適である。   For the flux, a raw material of a group 13 element is mixed and used. As the raw material, a single metal, an alloy, or a compound can be applied, but a single metal of a group 13 element is preferable from the viewpoint of handling.

透過型電子顕微鏡(TEM)による転位の測定方法は以下のようにする。
TEM観察用の薄片作製には、エッチングレートの異なる異相界面に対し正確に薄片化を行うためにFIB(Focused Ion Beam)法を用いた。
具体的には(1)樹脂埋め、(2)切り出し、(3)機械研磨、(4)FIB加工の順で断面TEM観察用試料を作製した。
(1)
エポキシ系樹脂を使用して試料を補強した。
(2)
マイクロカッターにより2.5×1.5×2mmの大きさに切り出した。
(3)
コンポジット定盤(スラリー:3μm)、セラミック定盤(スラリー:1.5μm)により機械研磨を行い、FIB加工面を鏡面仕上げした。その後、手研磨で試料の厚みが約60〜70μmまで薄片化し、その試料片をTEM観察用Cu単孔メッシュに貼り付けた。
(4)
イオンビーム加工時でのチャージングを抑えるためにFIB装置に移す前にまずカーボンコーティングを行った。その後、薄片試料作製箇所をイオンビーム加工によるダメージから保護するためにFIB装置内でPt蒸着を行った。そしてその箇所を中心に厚さ約200nm以下まで薄膜化した。
透過型電子顕微鏡(JEM-2010) を用いて、加速電圧200kVで観察を行った。電子線入射方向は[11-20]GaNとした。明視野像と暗視視野像(g=-1100、g=000-2)により、転位の状況を観察した。
The dislocation measurement method using a transmission electron microscope (TEM) is as follows.
For the production of TEM observation slices, the FIB (Focused Ion Beam) method was used in order to accurately slice the heterogeneous interfaces with different etching rates.
Specifically, a cross-sectional TEM observation sample was prepared in the order of (1) resin filling, (2) cutting, (3) mechanical polishing, and (4) FIB processing.
(1)
An epoxy resin was used to reinforce the sample.
(2)
It cut out to the magnitude | size of 2.5 * 1.5 * 2mm with the micro cutter.
(3)
Machine polishing was performed with a composite surface plate (slurry: 3 μm) and ceramic surface plate (slurry: 1.5 μm), and the FIB processed surface was mirror finished. Thereafter, the sample was thinned to about 60 to 70 μm by hand polishing, and the sample piece was attached to a Cu single-hole mesh for TEM observation.
(4)
In order to suppress charging during ion beam processing, carbon coating was first performed before moving to the FIB system. Thereafter, Pt vapor deposition was performed in the FIB apparatus in order to protect the thin sample preparation site from damage caused by ion beam processing. Then, the thickness was reduced to about 200 nm or less, centering on the location.
Observation was performed at an acceleration voltage of 200 kV using a transmission electron microscope (JEM-2010). The electron beam incident direction was [11-20] GaN. The state of dislocation was observed by a bright field image and a dark field image (g = -1100, g = 000-2).

(13族元素窒化物結晶層の育成の制御例)
本発明の13族元素窒化物結晶層を育成するための好適な制御方法を例示する。
(Control example of growth of group 13 element nitride crystal layer)
The suitable control method for growing the group 13 element nitride crystal layer of this invention is illustrated.

好ましくは、初期段階では、縦方向の成長を促進する際に、なるべく低い過飽和度とし、かつ融液の対流を抑制することによって、できるだけ濃度勾配のみを駆動力として結晶成長させる。   Preferably, in the initial stage, when the growth in the vertical direction is promoted, the crystal growth is performed using only the concentration gradient as much as possible as the driving force by setting the degree of supersaturation as low as possible and suppressing the convection of the melt.

具体的には、初期段階では、以下の方法で育成することが好ましい。
(1A) ルツボ内の融液の平均育成温度を高めにすることで過飽和度を大きくして核6の形成を抑制する(図2)。
(2A) ルツボの上部をルツボの底部よりも高温に保持することによって、ルツボ内での融液の対流を抑制する。
(3A)融液の攪拌はしないようにするか、あるいは攪拌速度を小さくする。
(4A) 窒素含有ガスの分圧を低くする。
Specifically, in the initial stage, it is preferable to grow by the following method.
(1A) By increasing the average growth temperature of the melt in the crucible, the degree of supersaturation is increased to suppress the formation of nuclei 6 (FIG. 2).
(2A) By holding the upper part of the crucible at a higher temperature than the bottom part of the crucible, the convection of the melt in the crucible is suppressed.
(3A) Do not stir the melt or reduce the stirring speed.
(4A) Lower the partial pressure of the nitrogen-containing gas.

これによって、初期段階では、核6の形成が抑制され、核6から上方へと向かって結晶成長する(矢印C)。この際、初期転位3aも上方へと向かって成長し、かつ刃状転位となる。   Thereby, in the initial stage, the formation of the nucleus 6 is suppressed, and the crystal grows upward from the nucleus 6 (arrow C). At this time, the initial dislocations 3a also grow upward and become edge dislocations.

好適な実施形態においては、初期段階の条件を停止した後、育成条件を変更することによって、結晶成長速度を上げる(後期段階)。この結果、結晶成長7は横方向への成長が主となり(矢印A、B)、転位も3b、3cのように傾斜転位が主となる。また、傾斜転位3b、3cにおいてはらせん転位が主となり、らせん転位あるいは混合転位に変化する。   In a preferred embodiment, after stopping the initial stage conditions, the growth conditions are changed to increase the crystal growth rate (late stage). As a result, the crystal growth 7 is mainly in the lateral direction (arrows A and B), and the dislocation is mainly tilted dislocations 3b and 3c. Further, in the tilted dislocations 3b and 3c, the screw dislocation is mainly used, and changes to the screw dislocation or the mixed dislocation.

この段階では、好ましくは以下のようにする。
(1B) ルツボ内の融液の平均育成温度を低めにすることで過飽和度を小さくする。
(2B) ルツボの上部をルツボの底部よりも低温に保持するか、あるいは上部と下部とを同じ温度にすることによって、ルツボ内での融液の自然対流を促進する。
(3B)融液の攪拌を行い、攪拌速度を大きくしたり、攪拌方向を定期的に反転させる。
(4B) 窒素含有ガスの分圧を高くする。
At this stage, the following is preferable.
(1B) The degree of supersaturation is reduced by lowering the average growth temperature of the melt in the crucible.
(2B) The natural convection of the melt in the crucible is promoted by keeping the upper part of the crucible at a lower temperature than the bottom part of the crucible, or by keeping the upper part and the lower part at the same temperature.
(3B) Stir the melt to increase the stirring speed or periodically reverse the stirring direction.
(4B) Increase the partial pressure of the nitrogen-containing gas.

例えば、以下のような条件を適用可能である。
(初期段階)
(1A) ルツボ内の融液の平均育成温度を860〜870℃とする。
(2A) ルツボの上部の温度を,ルツボの底部の温度よりも10〜30℃高く保持する。
(3A) 融液の攪拌はしないようにするか、あるいは攪拌速度を6rpm以下とする。また、攪拌方向を1方向とする。
(4A) 窒素含有ガスの分圧を3.0〜3.5MPaとする。
For example, the following conditions can be applied.
(Early stage)
(1A) The average growth temperature of the melt in the crucible is set to 860 to 870 ° C.
(2A) Maintain the temperature at the top of the crucible 10-30 ° C. higher than the temperature at the bottom of the crucible.
(3A) The melt is not stirred or the stirring speed is 6 rpm or less. The stirring direction is one direction.
(4A) The partial pressure of the nitrogen-containing gas is set to 3.0 to 3.5 MPa.

(第二段階)
(1B) ルツボ内の融液の平均育成温度を840〜860℃とする。また、初期段階との平均育成温度の差を10〜20℃とする。
(2B) ルツボの底部の温度を,ルツボの上の温度よりも、0〜20℃高く保持する。
(3B) 融液の攪拌をし、攪拌方向を定期的に変更する。更に、回転方向を変えるときに、ルツボの回転を停止させることが好ましい。この場合には、回転停止時間は100秒〜6000秒が好ましく、600秒〜3600秒が更に好ましい。また、回転停止時間の前後における回転時間は10秒〜600秒が好ましく、回転速度は10〜30rpmが好ましい。
(4B) 窒素含有ガスの分圧を4〜4.5MPaとする。また、初期段階における窒素含有ガスの分圧よりも0.5〜1MPa高くする。
(Second stage)
(1B) The average growth temperature of the melt in the crucible is set to 840 to 860 ° C. Moreover, the difference of the average growth temperature with an initial stage shall be 10-20 degreeC.
(2B) Keep the temperature at the bottom of the crucible 0-20 ° C. higher than the temperature above the crucible.
(3B) Stir the melt and periodically change the stirring direction. Furthermore, it is preferable to stop the rotation of the crucible when changing the rotation direction. In this case, the rotation stop time is preferably 100 seconds to 6000 seconds, and more preferably 600 seconds to 3600 seconds. The rotation time before and after the rotation stop time is preferably 10 seconds to 600 seconds, and the rotation speed is preferably 10 to 30 rpm.
(4B) The partial pressure of the nitrogen-containing gas is 4 to 4.5 MPa. Moreover, it is 0.5-1 MPa higher than the partial pressure of the nitrogen-containing gas in the initial stage.

フラックス法では、窒素原子を含む気体を含む雰囲気下で単結晶を育成する。このガスは窒素ガスが好ましいが、アンモニアでもよい。
雰囲気中の窒素原子を含む気体以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。
In the flux method, a single crystal is grown in an atmosphere containing a gas containing nitrogen atoms. This gas is preferably nitrogen gas, but may be ammonia.
The gas other than the gas containing nitrogen atoms in the atmosphere is not limited, but an inert gas is preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable.

育成の初期段階では、前記した(1A)〜(4A)の条件下で、1時間以上保持することが好ましく、2時間以上保持することが更に好ましい。また、初期段階での保持時間は5時間以下が好ましい。   In the initial stage of the growth, it is preferably held for 1 hour or more, more preferably 2 hours or more under the conditions (1A) to (4A) described above. The holding time in the initial stage is preferably 5 hours or less.

融液における13族元素窒化物/フラックス(例えばナトリウム)の比率(mol比率)は、本発明の観点からは、高くすることが好ましく、15mol%以上が好ましく、25mol%以上が更に好ましい。ただし、この割合が大きくなり過ぎると結晶品質が落ちる傾向があるので、40mol%以下が好ましい。   From the viewpoint of the present invention, the ratio (mol ratio) of group 13 element nitride / flux (for example, sodium) in the melt is preferably increased, preferably 15 mol% or more, and more preferably 25 mol% or more. However, if this ratio becomes too large, the crystal quality tends to deteriorate, so 40 mol% or less is preferable.

(結晶層の加工および形態)
好適な実施形態においては、13族元素窒化物結晶層が円板状であるが、角板などの他の形態でも良い。また、好適な実施形態においては、結晶層の寸法が、直径φ25mm以上である。これによって、機能素子の量産に適した、取り扱い易い結晶層を提供できる。
(Processing and morphology of crystal layer)
In the preferred embodiment, the group 13 element nitride crystal layer is disk-shaped, but other forms such as a square plate may be used. In a preferred embodiment, the crystal layer has a diameter of 25 mm or more. Thereby, an easy-to-handle crystal layer suitable for mass production of functional elements can be provided.

13族元素窒化物結晶層の表面を研削、研磨加工する場合について述べる。
研削(グライディング)とは、砥粒をボンドで固定した固定砥粒を高速回転させながら対象物に接触させて、対象物の面を削り取ることをいう。かかる研削によって、粗い面が形成される。窒化ガリウム基板の底面を研削する場合、硬度の高いSiC、Al23、ダイヤモンドおよびCBN(キュービックボロンナイトライド、以下同じ)などで形成され、粒径が10μm以上100μm以下程度の砥粒を含む固定砥粒が好ましく用いられる。
The case where the surface of the group 13 element nitride crystal layer is ground and polished will be described.
Grinding refers to scraping off the surface of an object by bringing fixed abrasive grains, which are fixed by abrasive bonds, into contact with the object while rotating at high speed. A rough surface is formed by this grinding. When grinding the bottom surface of a gallium nitride substrate, it is formed of high hardness SiC, Al 2 O 3 , diamond, CBN (cubic boron nitride, the same shall apply hereinafter), etc., and contains abrasive grains having a particle size of about 10 μm to 100 μm Fixed abrasives are preferably used.

また、研磨(ラッピング)とは、遊離砥粒(固定されていない砥粒をいう、以下同じ)を介して定盤と対象物とを互いに回転させながら接触させて、または固定砥粒と対象物とを互いに回転させながら接触させて、対象物の面を磨くことをいう。かかる研磨によって、研削の場合よりも面粗さが小さい面であって微研磨(ポリシング)の場合より粗い面が形成される。硬度の高いSiC、Al23、ダイヤモンドおよびCBNなどで形成され、粒径が0.5μm以上15μm以下程度の砥粒が好ましく用いられる。 In addition, polishing (lapping) refers to contact between a surface plate and an object while rotating each other through loose abrasive grains (referred to as non-fixed abrasive grains hereinafter), or fixed abrasive grains and an object. The surface of the object is polished by rotating and rotating each other. By this polishing, a surface having a surface roughness smaller than that in the case of grinding and a surface rougher than that in the case of fine polishing (polishing) is formed. Abrasive grains formed of SiC, Al 2 O 3 , diamond, CBN, or the like having high hardness and having a particle size of about 0.5 μm to 15 μm are preferably used.

微研磨(ポリシング)とは、遊離砥粒を介して研磨パッドと対象物とを互いに回転させながら接触させて、または固定砥粒と対象物とを互いに回転させながら接触させて、対象物の面を微細に磨いて平滑化することをいう。かかる微研磨によって、研磨の場合よりも面粗さが小さい結晶成長面が形成される。   Fine polishing (polishing) means that the polishing pad and the object are brought into contact with each other through rotating abrasive grains, or the fixed abrasive grains and the object are brought into contact with each other while being rotated, and the surface of the object is brought into contact. This means smoothing by smoothing. By such fine polishing, a crystal growth surface having a smaller surface roughness than that in the case of polishing is formed.

(機能層および機能素子)
前述した機能層は、単一層であってよく、複数層であってよい。また、機能としては、高輝度・高演色性の白色LEDや高速高密度光メモリ用青紫レーザディスク、ハイブリッド自動車用のインバータ用のパワーデバイスなどに用いることができる。
(Functional layer and functional element)
The functional layer described above may be a single layer or a plurality of layers. As functions, it can be used for white LEDs with high luminance and high color rendering, blue-violet laser disks for high-speed and high-density optical memory, power devices for inverters for hybrid vehicles, and the like.

13族元素窒化物結晶層上に気相法、好ましくは有機金属気相成長(MOCVD)法により半導体発光ダイオード(LED)を作製すると、LED内部の転位密度が前記結晶層と同等となる。   When a semiconductor light emitting diode (LED) is fabricated on a group 13 element nitride crystal layer by a vapor phase method, preferably by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the dislocation density inside the LED becomes equal to that of the crystal layer.

機能層の成膜温度は、成膜速度の観点から、950℃以上が好ましく、1000℃以上が更に好ましい。また、欠陥を抑制するという観点からは、機能層の成膜温度は、1200℃以下が好ましく、1150℃以下が更に好ましい。   The film forming temperature of the functional layer is preferably 950 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, from the viewpoint of the film forming speed. Further, from the viewpoint of suppressing defects, the film formation temperature of the functional layer is preferably 1200 ° C. or lower, and more preferably 1150 ° C. or lower.

機能層の材質は、13族元素窒化物が好ましい。13族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第13族元素のことである。13族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。   The material of the functional layer is preferably a group 13 element nitride. Group 13 elements are Group 13 elements according to the periodic table established by IUPAC. The group 13 element is specifically gallium, aluminum, indium, thallium, or the like.

発光素子構造は、例えば、n型半導体層、このn型半導体層上に設けられた発光領域およびこの発光領域上に設けられたp型半導体層を備えている。図1(c)の発光素子15では、複合基板4上に、n型コンタクト層5a、n型クラッド層5b、活性層5c、p型クラッド層5d、p型コンタクト層5eが形成されており、発光素子構造5を構成する。   The light-emitting element structure includes, for example, an n-type semiconductor layer, a light-emitting region provided on the n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer provided on the light-emitting region. In the light emitting element 15 of FIG. 1C, an n-type contact layer 5a, an n-type cladding layer 5b, an active layer 5c, a p-type cladding layer 5d, and a p-type contact layer 5e are formed on the composite substrate 4. A light emitting element structure 5 is formed.

また、前記発光構造には、更に、図示しないn型半導体層用の電極、p型半導体層用の電極、導電性接着層、バッファ層、導電性支持体などを設けることができる。   The light emitting structure may further include an n-type semiconductor layer electrode, a p-type semiconductor layer electrode, a conductive adhesive layer, a buffer layer, a conductive support, and the like (not shown).

本発光構造では、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって発光領域で光が発生すると、その光をp型半導体層上の透光性電極又は13族元素窒化物単結晶膜側から取り出す。なお、透光性電極とは、p型半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。   In this light emitting structure, when light is generated in the light emitting region due to recombination of holes and electrons injected from the semiconductor layer, the light is transmitted to the translucent electrode or the group 13 element nitride single crystal film side on the p-type semiconductor layer. Take out from. The translucent electrode is a translucent electrode made of a metal thin film or a transparent conductive film formed on almost the entire surface of the p-type semiconductor layer.

n型半導体層、p型半導体層を構成する半導体の材質は、III −V 族系化合物半導体からなり、以下を例示できる。
AlyInxGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)
n型導電性を付与するためのドープ材としては、珪素、ゲルマニウム、酸素を例示できる。また、p型導電性を付与するためのドープ材としては、マグネシウム、亜鉛を例示できる。
The material of the semiconductor constituting the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is made of a III-V group compound semiconductor, and the following can be exemplified.
Al y In x Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1)
Examples of the doping material for imparting n-type conductivity include silicon, germanium, and oxygen. Moreover, magnesium and zinc can be illustrated as a dope material for providing p-type conductivity.

発光構造を構成する各半導体層の成長方法は、種々の気相成長方法を挙げることができる。例えば、有機金属化合物気相成長法(MOCVD(MOVPE)法)、分子線エピタキシー法(MBE法)、ハイドライト気相成長法(HVPE法)等を用いることができる。その中でもMOCVD法によると、各半導体層の結晶性や平坦度の良好なものを得ることができる。MOCVD法では、GaソースとしてTMG(トリメチルガリウム)、TEG(トリエチルガリウム)などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としては、アンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。   Examples of the growth method of each semiconductor layer constituting the light emitting structure include various vapor phase growth methods. For example, an organic metal compound vapor phase growth method (MOCVD (MOVPE) method), a molecular beam epitaxy method (MBE method), a hydride vapor phase growth method (HVPE method), or the like can be used. Among them, the MOCVD method can obtain a semiconductor layer with good crystallinity and flatness. In the MOCVD method, alkyl metal compounds such as TMG (trimethyl gallium) and TEG (triethyl gallium) are often used as the Ga source, and gases such as ammonia and hydrazine are used as the nitrogen source.

発光領域は、量子井戸活性層を含む。量子井戸活性層の材料は、n型半導体層およびp型半導体層の材料よりもバンドギャップが小さくなるように設計される。量子井戸活性層は単一量子井戸(SQW)構造であっても多重量子井戸(MQW)構造であってもよい。量子井戸活性層の材質は以下を例示できる。   The light emitting region includes a quantum well active layer. The material of the quantum well active layer is designed so that the band gap is smaller than the materials of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. The quantum well active layer may have a single quantum well (SQW) structure or a multiple quantum well (MQW) structure. The material of a quantum well active layer can illustrate the following.

量子井戸活性層の好適例として、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN系量子井戸活性層(x=0.15、y=0.20)であって、膜厚がそれぞれ3nm/8nmであるものを3〜10周期形成させたMQW構造が挙げられる。   As a preferred example of the quantum well active layer, an AlxGa1-xN / AlyGa1-yN-based quantum well active layer (x = 0.15, y = 0.20) having a thickness of 3 nm / 8 nm, respectively, 3 An MQW structure formed for 10 to 10 periods is mentioned.

(実施例1)
(種結晶基板の作製)
MOCVD法を用いて、直径2インチ、厚さ500μmのc面サファイア基板の上に、530℃にて、低温GaNバッファ層を40nm堆積させた。次いで、1050℃にて、厚さ3μmのGaNからなる種結晶膜を堆積させた。TEM観察による欠陥密度は、1×10/cmであった。有機溶剤、超純水でそれぞれ10分間超音波洗浄した後に乾燥させて、これを種結晶基板とした。
Example 1
(Preparation of seed crystal substrate)
Using a MOCVD method, a low-temperature GaN buffer layer of 40 nm was deposited on a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 500 μm at 530 ° C. Next, a seed crystal film made of GaN having a thickness of 3 μm was deposited at 1050 ° C. The defect density by TEM observation was 1 × 10 9 / cm 2 . The substrate was subjected to ultrasonic cleaning with an organic solvent and ultrapure water for 10 minutes and then dried to obtain a seed crystal substrate.

(液相法GaN結晶成長)
不活性ガスを充填したグローブボックス中で、金属Gaと金属Naをモル比20:80で秤量し、種結晶基板とともに、アルミナ製のルツボの底に配置した。ルツボをステンレス製の保持容器に収納し、この保持容器を、予め真空ベークしてある耐圧容器内に備えられた回転台の上に設置した後、耐圧容器に蓋をして密閉した。次いで、耐圧容器内を真空ポンプにて0.1Pa以下まで真空引きした。
(Liquid phase GaN crystal growth)
In a glove box filled with an inert gas, metal Ga and metal Na were weighed at a molar ratio of 20:80, and placed together with the seed crystal substrate at the bottom of an alumina crucible. The crucible was housed in a stainless steel holding container, and this holding container was placed on a turntable provided in a pressure-baked container that had been baked in advance, and then the pressure-resistant container was covered and sealed. Next, the inside of the pressure vessel was evacuated to 0.1 Pa or less with a vacuum pump.

続いて、耐圧容器内部に設置したヒーターを発熱させることで、ルツボ内の原料を融解させ、Ga−Na混合融液を生じさせた。融液表面近傍が870℃、坩堝底部が850℃になるように加熱しながら、3.5MPaになるまで窒素ガスボンベから窒素ガスを導入して結晶成長を開始した(初期段階)。   Subsequently, by heating the heater installed inside the pressure vessel, the raw material in the crucible was melted to produce a Ga—Na mixed melt. While heating so that the melt surface vicinity was 870 ° C. and the crucible bottom was 850 ° C., nitrogen gas was introduced from the nitrogen gas cylinder until the pressure became 3.5 MPa (initial stage).

5時間後に、坩堝底部温度を850℃に維持したまま、融液表面近傍温度を850℃に変化させ、圧力を4.0MPaに変化させると同時に、回転台の連続的な反転による撹拌を開始して、結晶成長モードを変化させた。回転条件は、中心軸周りに20rpmの速度で一定周期の時計回りと反時計回りで回転させた。加速時間=12秒、保持時間=600秒、減速時間=12秒、停止時間=0.5秒とした(後期段階)。この状態で20時間保持した後、室温まで自然冷却し、成長した窒化ガリウム結晶板を回収した。   After 5 hours, while maintaining the temperature at the bottom of the crucible at 850 ° C., the temperature near the melt surface was changed to 850 ° C., the pressure was changed to 4.0 MPa, and stirring by continuous inversion of the rotary table was started. The crystal growth mode was changed. The rotation conditions were a clockwise rotation and a counterclockwise rotation at a constant cycle at a speed of 20 rpm around the central axis. Acceleration time = 12 seconds, holding time = 600 seconds, deceleration time = 12 seconds, stop time = 0.5 seconds (late stage). After maintaining in this state for 20 hours, it was naturally cooled to room temperature, and the grown gallium nitride crystal plate was recovered.

得られた窒化ガリウム結晶板の表面を研磨加工し、カソードルミネッセンス法により転位密度を評価したところ、2×105/cm2であった。次いで断面を研磨加工し、TEM観察を行ったところ、図3、図5に示すような微構造が観察された。 When the surface of the obtained gallium nitride crystal plate was polished and the dislocation density was evaluated by the cathodoluminescence method, it was 2 × 10 5 / cm 2 . Next, when the cross section was polished and subjected to TEM observation, a microstructure as shown in FIGS. 3 and 5 was observed.

また、断面の蛍光顕微鏡観察により結晶成長履歴を調べたところ、柱状に成長した結晶が途中で成長モードが変化し、平滑に成長している様子が観察された(図6参照)。ただし、蛍光顕微鏡像は、以下のようにして得た。
装置: オリンパス製 BX61等
測定条件: 励起フィルター BP340-390nm
吸収フィルター BA420IF
ダイクロイックミラー DM410
観察視野: 対物レンズ5倍および20倍
ソフト: 市販の画像取り込みソフト(Adobe Photoshop、ImageJ等)
Further, when the crystal growth history was examined by observing the cross section with a fluorescence microscope, it was observed that the crystal grown in a columnar shape changed in the middle and was growing smoothly (see FIG. 6). However, the fluorescence microscope image was obtained as follows.
Equipment: Olympus BX61, etc. Measurement conditions: Excitation filter BP340-390nm
Absorption filter BA420IF
Dichroic mirror DM410
Field of view: 5x and 20x objective lens Software: Commercial image capture software (Adobe Photoshop, ImageJ, etc.)

また、界面層の厚さは5μmであった。成長層における転位密度は5×10/cm2であった。 Further, the thickness of the interface layer was 5 μm. The dislocation density in the growth layer was 5 × 10 5 / cm 2 .

得られた基板上に、青色LED構造を成膜し、その発光特性を測定した。1mm角のLEDチップの発光強度の面内分布は、均一性が高く、外周部と中央で違いはみられなかった。また、350mAでの電流駆動時の発光特性における光出力が200mW以上のチップの割合は75%と高かった。   A blue LED structure was formed on the obtained substrate, and the light emission characteristics were measured. The in-plane distribution of the emission intensity of the 1 mm square LED chip was highly uniform, and no difference was observed between the outer periphery and the center. In addition, the ratio of chips having an optical output of 200 mW or more in the light emission characteristics during current drive at 350 mA was as high as 75%.

(実施例2)
実施例1と同様にしてGaN結晶を育成した。ただし、実施例1において、以下の点を変更した。
(Example 2)
A GaN crystal was grown in the same manner as in Example 1. However, the following points were changed in Example 1.

初期段階で10時間保持した後、後期段階の結晶成長を行った。即ち、融液表面近傍が870℃、坩堝底部が850℃になるように加熱しながら、3.5MPaになるまで窒素ガスボンベから窒素ガスを導入して結晶成長を開始した(初期段階)。10時間後に、坩堝底部温度を850℃に維持したまま、融液表面近傍温度を850℃に変化させ、圧力を4.0MPaに変化させると同時に、回転台の連続的な反転による撹拌を開始して、結晶成長モードを変化させた(後期段階)。   After holding for 10 hours in the initial stage, crystal growth in the late stage was performed. That is, crystal growth was started by introducing nitrogen gas from a nitrogen gas cylinder until the pressure reached 3.5 MPa while heating so that the melt surface vicinity was 870 ° C. and the crucible bottom was 850 ° C. (initial stage). After 10 hours, while maintaining the crucible bottom temperature at 850 ° C., the temperature near the melt surface was changed to 850 ° C., the pressure was changed to 4.0 MPa, and stirring by continuous inversion of the turntable was started. The crystal growth mode was changed (late stage).

この結果、図3、図5に示すような微構造が観測された。界面層の厚さは15μmであった。また、成長層における転位密度は1×10/cmであった。 As a result, a microstructure as shown in FIGS. 3 and 5 was observed. The thickness of the interface layer was 15 μm. The dislocation density in the growth layer was 1 × 10 5 / cm 2 .

得られた基板上に、青色LED構造を成膜し、その発光特性を測定した。1mm角のLEDチップの発光強度の面内分布は、均一性が高く、外周部と中央で違いはみられなかった。また、350mAでの電流駆動時の発光特性における光出力が200mW以上のチップの割合は80%と高かった。   A blue LED structure was formed on the obtained substrate, and the light emission characteristics were measured. The in-plane distribution of the emission intensity of the 1 mm square LED chip was highly uniform, and no difference was observed between the outer periphery and the center. In addition, the ratio of chips with an optical output of 200 mW or more in the light emission characteristics at the time of current drive at 350 mA was as high as 80%.

(比較例1)
実施例1において、結晶成長初期に前述の「初期段階」の育成を行わず、全体にわたって「後期段階」の製造条件で結晶育成を行った。これ以外は実施例1と同様に実験を行った。
(Comparative Example 1)
In Example 1, the above-mentioned “initial stage” was not grown in the initial stage of crystal growth, and the crystal was grown under the “late stage” manufacturing conditions throughout. Except for this, the experiment was performed in the same manner as in Example 1.

回収した窒化ガリウム結晶板の表面を研磨加工し、カソードルミネッセンス法により転位密度を評価したところ、2×10/cmであった。次いで、結晶断面を研磨加工し、TEM観察を行った。この結果、界面Iから転位が斜め方向に向かって伸び、成長に伴って重合し、転位束を形成していた。 When the surface of the recovered gallium nitride crystal plate was polished and the dislocation density was evaluated by the cathodoluminescence method, it was 2 × 10 7 / cm 2 . Next, the crystal cross section was polished and subjected to TEM observation. As a result, dislocations extended from the interface I in an oblique direction and polymerized with growth to form dislocation bundles.

この基板上に、青色LED構造を成膜し、その発光特性を測定した。1mm角のLEDチップの発光強度の面内分布は、均一性が低くく、発光強度が低い領域がまばらに観察された。また、350mAでの電流駆動時の発光特性における光出力が200mW以上のチップの割合は50%と実施例に比べて有意に低かった。光出力が低いチップのリーク電流特性を調べたところ、低電圧の領域からリーク電流が発生していることが確認され、光出力が低い原因がリーク電流にあることがわかった。
また、本比較例について、初期転位の99%が終端したときの厚さは60μmであった。
A blue LED structure was formed on this substrate, and the light emission characteristics were measured. The in-plane distribution of the emission intensity of the LED chip of 1 mm square was not uniform and sparsely observed areas where the emission intensity was low. In addition, the ratio of chips having a light output of 200 mW or more in the light emission characteristics at the time of current drive at 350 mA was 50%, which was significantly lower than that of the example. When the leakage current characteristics of the chip with low light output were examined, it was confirmed that leakage current was generated from a low voltage region, and it was found that the cause of the low light output was leakage current.
In this comparative example, the thickness when 99% of the initial dislocations terminated was 60 μm.

Claims (8)

13族元素窒化物からなる種結晶上に成長した、13族元素窒化物からなる結晶層であって、
前記結晶層が、前記種結晶と前記結晶層との平滑な界面に沿った界面層と、この界面層上に設けられた成長層とを有しており、前記界面層が、前記結晶層の表面へと向かって延びる初期転位と、この初期転位から屈曲して前記初期転位に対して交差する方向に延びる傾斜転位とを有しており、前記初期転位の99%が終端した境界を前記界面層と前記成長層との境界としたとき、前記界面層の厚さが15μm以下であることを特徴とする、13族元素窒化物結晶層。
A crystal layer made of a group 13 element nitride grown on a seed crystal made of a group 13 element nitride,
The crystal layer has an interface layer along a smooth interface between the seed crystal and the crystal layer, and a growth layer provided on the interface layer, and the interface layer is formed of the crystal layer. An initial dislocation extending toward the surface, and an inclined dislocation that is bent from the initial dislocation and extends in a direction intersecting the initial dislocation, and a boundary at which 99% of the initial dislocation terminates is the interface. A group 13 element nitride crystal layer , wherein the interface layer has a thickness of 15 μm or less when a boundary between the layer and the growth layer is formed.
前記傾斜転位が前記界面と略平行に延びることを特徴とする、請求項1記載の13族元素窒化物結晶層。   The group 13 element nitride crystal layer according to claim 1, wherein the inclined dislocations extend substantially parallel to the interface. 前記界面層の厚さが5μm以下であることを特徴とする、請求項1または2記載の13族元素窒化物結晶層。 Wherein the thickness of the interfacial layer is 5μm or less, according to claim 1 or 2 Group 13 element nitride crystal layer according. 前記結晶層の表面が研磨面であることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の13族元素窒化物結晶層。 The group 13 element nitride crystal layer according to any one of claims 1 to 3 , wherein a surface of the crystal layer is a polished surface. 13族元素窒化物からなる種結晶、およびこの種結晶上に設けられた請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の13族元素窒化物結晶層を有することを特徴とする、複合基板。 A composite crystal comprising: a seed crystal composed of a group 13 element nitride; and a group 13 element nitride crystal layer according to any one of claims 1 to 4 provided on the seed crystal. substrate. 請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の13族元素窒化物結晶層、および前記結晶層の前記表面上に形成された13族元素窒化物からなる機能層を備えていることを特徴とする、機能素子。 A group 13 element nitride crystal layer according to any one of claims 1 to 4 , and a functional layer made of a group 13 element nitride formed on the surface of the crystal layer. A functional element. 前記機能層が発光機能を有することを特徴とする、請求項記載の機能素子。 The functional element according to claim 6 , wherein the functional layer has a light emitting function. 13族元素窒化物からなる種結晶を更に備えており、この種結晶上に前記13族元素窒化物結晶層が設けられていることを特徴とする、請求項または記載の機能素子。
The functional element according to claim 6 or 7 , further comprising a seed crystal made of a group 13 element nitride, wherein the group 13 element nitride crystal layer is provided on the seed crystal.
JP2014249156A 2014-12-09 2014-12-09 Group 13 element nitride crystal layer and functional device Active JP6385004B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014249156A JP6385004B2 (en) 2014-12-09 2014-12-09 Group 13 element nitride crystal layer and functional device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014249156A JP6385004B2 (en) 2014-12-09 2014-12-09 Group 13 element nitride crystal layer and functional device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016108199A JP2016108199A (en) 2016-06-20
JP6385004B2 true JP6385004B2 (en) 2018-09-05

Family

ID=56121793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014249156A Active JP6385004B2 (en) 2014-12-09 2014-12-09 Group 13 element nitride crystal layer and functional device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6385004B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017208793A1 (en) 2016-05-31 2017-12-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solar cell module and manufacturing method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005281067A (en) * 2004-03-30 2005-10-13 Sumitomo Electric Ind Ltd Group iii nitride crystal substrate, producing method therefor and group iii nitride semiconductor device
JP5464004B2 (en) * 2010-03-29 2014-04-09 豊田合成株式会社 Group III nitride semiconductor crystal manufacturing method
JP6059061B2 (en) * 2013-03-29 2017-01-11 日本碍子株式会社 Method for manufacturing group III nitride substrate and method for reducing dislocation density of group III nitride substrate

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016108199A (en) 2016-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6344987B2 (en) Group 13 element nitride crystal layer and functional device
JP6030762B2 (en) Gallium nitride substrate and functional element
KR101936967B1 (en) Group 13 element nitride film and laminate thereof
US9045844B2 (en) Method for peeling group 13 element nitride film
JP4397695B2 (en) Method for manufacturing group III nitride substrate
JP5518270B1 (en) Composite substrate and functional element
JP6143148B2 (en) Group III nitride crystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method
US9941442B2 (en) Group 13 element nitride crystal substrate and function element
US10000864B2 (en) Group 13 element nitride crystal layer and function element
JP6169292B1 (en) Group 13 element nitride crystal substrate and functional device
JP6385004B2 (en) Group 13 element nitride crystal layer and functional device
JP2005251961A (en) Group iii nitride single crystal wafer and method for manufacturing semiconductor device using same
JP5924800B1 (en) Group 13 element nitride crystal layer and functional device
JP6211087B2 (en) Method for producing group 13 element nitride and method for producing melt composition
WO2018123153A1 (en) Method for producing group 13 element nitride
JP2017014029A (en) Manufacturing method of gallium nitride crystal, gallium nitride crystal, and gallium nitride crystal substrate

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170721

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180307

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180315

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180507

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180802

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180806

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6385004

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150