JP6402079B2

JP6402079B2 - β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の製造方法

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Publication number: JP6402079B2
Application number: JP2015172634A
Authority: JP
Inventors: 公祥輿; 信也渡辺; 優山岡; 渡邊　誠; 誠渡邊
Original assignee: Tamura Corp; Koha Co Ltd
Current assignee: Tamura Corp; Koha Co Ltd
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: JP2016013970A

Description

本発明は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法に関する。

酸化ガリウム単結晶を製造するための結晶育成法の一例としては、ＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法がある（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１に記載されたＥＦＧ法を用いて酸化ガリウム単結晶を形成する場合は、酸化ガリウム融液から酸化ガリウム単結晶を結晶成長させる。

特開２０１３−２３７５９１号公報

酸化ガリウム単結晶を成長させる場合は、結晶成長中に酸化ガリウム融液の蒸発を防止するため、酸化ガリウム融液の表面に酸素を供給している。しかしながら、酸化ガリウム融液の表面に酸素を供給し過ぎてしまうと、結晶成長させた酸化ガリウム単結晶の基板加工工程の際に、酸化ガリウム単結晶の表面に多数の線状ピットが発生してしまうことが、本発明者等によって明らかにされた。

本発明の目的は、線状ピットの少ないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造することのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供することにある。

上記目的は、下記の［１］〜［５］に記載された各発明により達成される。

［１］不活性ガスと、前記不活性ガスに対する流量比が０〜２％の酸素を含む雰囲気下において、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を、ＥＦＧ法により育成する工程と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を含み、前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶を育成する工程において、前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶中の実効キャリア濃度に応じて前記流量比を０〜２％の範囲内で所定の値に設定する、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［２］前記不活性ガスが窒素である、上記［１］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［３］前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、４．２×１０ ^１８［／ｃｍ ^３］〜１．１５×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］の範囲内にある場合、前記不活性ガスに対する酸素の流量比を１％以下に設定する、上記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［４］前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、１．２８×１０ ^１８［／ｃｍ ^３］〜１．１５×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］の範囲内にある場合、前記不活性ガスに対する酸素の流量比を０％に設定する、上記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［５］前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０^１７［／ｃｍ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０^１９［／ｃｍ^３］の範囲内にある、上記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

本発明によれば、線状ピットの少ないβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造することのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供することが可能となる。

ＥＦＧ結晶製造装置の要部断面図である。 β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す要部斜視図である。ＣＭＰで研磨された酸化ガリウム基板の表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。リン酸エッチングされた酸化ガリウム基板の表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。 β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の実効キャリア濃度と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の単位面積当たりの線状ピットの個数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

図１及び図２において、全体を示す符号１０は、ＥＦＧ結晶製造装置を模式的に示している。

このＥＦＧ結晶製造装置１０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系粉末を溶解して得られたＧａ_２Ｏ_３系融液１１を受容するルツボ１２と、ルツボ１２内に設置されたダイ１３と、スリット１３ａの開口部１３ｂを除くルツボ１２の上面を閉塞する蓋１４と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系種結晶（以下、「種結晶」という。）２０を保持する種結晶保持具２１と、種結晶保持具２１を昇降可能に支持するシャフト２２とを備えている。

ルツボ１２は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１１を収容し得る耐熱性を有するイリジウム等の金属材料からなる。ダイ１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１１を毛細管現象により上昇させるためのスリット１３ａを有する。蓋１４は、ルツボ１２から高温のＧａ_２Ｏ_３系融液１１が蒸発することを防止し、スリット１３ａの上面以外の部分にＧａ_２Ｏ_３系融液１１の蒸気が付着することを防ぐものである。

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３は、種結晶２０を下降させて、ダイ１３のスリット１３ａ内を毛細管現象により開口部１３ｂまで上昇したＧａ_２Ｏ_３系融液１１に接触させ、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１１と接触した種結晶２０を引き上げることで平板状に成長する。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の結晶方位は、種結晶２０の結晶方位と等しい。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の結晶方位を制御する場合は、例えば種結晶２０の底面の面方位及び水平面内の角度を調整する。

面２４は、スリット１３ａのスリット方向と平行なβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の主面である。成長させたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３を切り出してβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系基板の主面の面方位にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の面２４の面方位を一致させる。その一例としては、例えば（−２０１）面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、面２４の面方位を（−２０１）とする。

種結晶２０及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶又はＣｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の元素を含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶である。

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の育成は、窒素Ｎ_２、アルゴンＡｒ、ヘリウムＨｅ等の不活性ガスの少なくとも１種と酸素Ｏ_２との混合ガスを用いて行われる。本実施の形態では、特に限定されるものではないが、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の育成は、窒素Ｎ_２と酸素Ｏ_２との混合雰囲気下で行われる。

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の成長中にＧａ_２Ｏ_３系融液１１の蒸発を生じるため、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１１に所要の酸素流量比の条件でβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を作製することが好ましい。本実施の形態では、特に限定されるものではないが、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比の上限を２％以下に制御する。

酸化ガリウム基板は、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３から切り出される。

ここで、ピットとは、結晶の表面に窪みとして現れる結晶欠陥である。上記の線状ピットは、［０１０］方向に伸びた、長さ数μｍ〜数百μｍ程度の線状のピットであるが、その長さ、幅、深さ、形状等は、特に限定されるものではない。なお、点状のピットは線状ピットに含まれない。

本発明者らの知見によれば、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下の酸化ガリウム基板を用いて素子を製造することにより、素子の歩留りを高めることができる。そのため、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下であることは、酸化ガリウム基板が高品質であることを示す一つの指標となる。

以下に、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３から切り出される酸化ガリウム基板の線状ピットの密度の評価方法の一例を示す。

線状ピットの密度の評価にあたり、先ず、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３から薄板状の酸化ガリウム基板を切り出す。次に、薄板状の酸化ガリウム基板の主面を研磨する。

図３は、ＣＭＰ（Chemical mechanical planarization）で研磨された酸化ガリウム基板の表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。図４は、リン酸エッチングされた酸化ガリウム基板の表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。尚、通常の基板作製の工程ではＣＭＰまでしか行わないが、ここでは評価のためにリン酸エッチングを行い、線状ピットを確認しやすくし、単位面積当たりの個数を数え、線状ピットの密度を調べている。

図５は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３中の単位立方センチ当たりのドナー濃度Ｎ_Ｄ及びアクセプタ濃度Ｎ_Ａの差（実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａ）と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３の単位面積当たりの線状ピットの個数との関係を示すグラフである。なお、実効キャリア濃度の評価はＣ−Ｖ測定にて行った。実効キャリア濃度の測定範囲は１×１０^１７〜１×１０^２０［／ｃｍ^３］である。

図５において、プロット黒色菱形は、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比２％のときの測定値を、プロット白色四角は、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比１％のときの測定値を、プロット白色三角は、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比０％のときの測定値をそれぞれ示している。

β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の成長時において供給される窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比を２％から１％以下にすることで、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３から切り出される酸化ガリウム基板の表面に生じる線状ピットの密度の平均値を１０００個／ｃｍ^２以下にすることが可能となる。

図５から明らかなように、酸化ガリウム基板の表面に生じる線状ピットの密度の平均値は、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が２％のとき、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの大きさによって変化する。一方、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が１％以下のときは、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの大きさに依らず、線状ピットを１０００個／ｃｍ^２以下に抑えることが可能になる。

図５によれば、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が２％であるときの実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの測定範囲の下限値は２．０５×１０^１７［／ｃｍ^３］である。

窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が２％であるとき、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａを２．０５×１０^１７〜５．９６×１０^１７［／ｃｍ^３］の範囲で低下させても、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３中の線状ピットの密度は零になることから、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａが２．０５×１０^１７［／ｃｍ^３］以下になっても、線状ピットの密度は零になることが推測される。よって、実効キャリア濃度の評価範囲の下限となる１×１０^１７［／ｃｍ^３］程度まで下げても、線状ピットの密度は零になることが推測される。

一方、窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が２％であるときの実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの測定範囲の上限値は、図５に示すように、２．２３×１０^１９［／ｃｍ^３］である。

窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が２％であるとき、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａを１．１７×１０^１９〜２．２３×１０^１９［／ｃｍ^３］の範囲で増加させても、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３中の線状ピットの密度は零になることから、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａが２．２３×１０^１９［／ｃｍ^３］以上になっても、線状ピットの密度は零になることが推測される。よって、実効キャリア濃度の評価範囲の上限となる１×１０^２０［／ｃｍ^３］程度まで上げても、線状ピットの密度は零になることが推測される。

窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が１％であるときの実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの測定範囲の下限値は４．２×１０^１８［／ｃｍ^３］であり、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの上限値は１．１５×１０^１９［／ｃｍ^３］である。

実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａが４．２×１０^１８〜１．１５×１０^１９［／ｃｍ^３］の範囲内にあって酸素流量を１％に制御することで、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３中の線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下に抑えられる。

窒素Ｎ_２に対する酸素Ｏ_２の流量比が０％であるときの実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの測定範囲の下限値は１．２８×１０^１８［／ｃｍ^３］であり、実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａの上限値は１．０７×１０^１９［／ｃｍ^３］である。

実効キャリア濃度Ｎ_Ｄ−Ｎ_Ａが１．２８×１０^１８〜１．０７×１０^１９［／ｃｍ^３］の範囲内にあって酸素流量を０％に制御することで、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３中の線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下に抑えられる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２３を育成する際の雰囲気ガス中の酸素流量を制御することにより、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下である酸化ガリウム基板を得ることができる。

酸化ガリウム基板を成長基板として用いることにより、線状ピット密度の低い高品質の結晶膜をエピタキシャル成長させることができる。

その結果、酸化ガリウム基板と、その上の結晶膜とを用いて形成されるＬＥＤデバイスやパワーデバイス等の歩留まりを高めることができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例及び図示例を例示したが、上記実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０…ＥＦＧ結晶製造装置、１１…Ｇａ_２Ｏ_３系融液、１２…ルツボ、１３…ダイ、１３ａ…スリット、１３ｂ…開口部、１４…蓋、２０…β−Ｇａ_２Ｏ_３系種結晶、２１…種結晶保持具、２２…シャフト、２３…β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶

Claims

不活性ガスと、前記不活性ガスに対する流量比が０〜２％の酸素を含む雰囲気下において、線状ピットの密度の平均値が１０００個／ｃｍ^２以下のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を、ＥＦＧ法により育成する工程と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、
を含み、
前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶を育成する工程において、前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶中の実効キャリア濃度に応じて前記流量比を０〜２％の範囲内で所定の値に設定する、
β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
前記不活性ガスが窒素である、
請求項１に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
前記β−Ｇａ _２Ｏ _３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、４．２×１０ ^１８［／ｃｍ ^３］〜１．１５×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］の範囲内にある場合、前記不活性ガスに対する酸素の流量比を１％以下に設定する、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、１．２８×１０ ^１８［／ｃｍ ^３］〜１．１５×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］の範囲内にある場合、前記不活性ガスに対する酸素の流量比を０％に設定する、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の実効キャリア濃度が、２．０５×１０^１７［／ｃｍ^３］〜５．９６×１０ ^１７［／ｃｍ ^３］、又は１．１７×１０ ^１９［／ｃｍ ^３］〜２．２３×１０^１９［／ｃｍ^３］の範囲内にある、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。