JP6455575B2 - Method for manufacturing group 13 metal nitride substrate - Google Patents

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本発明は、第13族金属窒化物基板の製造方法に関する。具体的には、結晶品質が極めて良好な大型の基板を効率的に得ることができる、第13族金属窒化物基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate. Specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate, which can efficiently obtain a large substrate with extremely good crystal quality.

窒化ガリウム(GaN)に代表される周期表第13族金属窒化物半導体は、大きなバンドギャップを有し、さらにバンド間遷移が直接遷移型であることから、紫外、青色等の発光ダイオードや半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子として実用化されている。
これらのデバイスは、同種の材料からなり、かつ結晶欠陥の少ない高品質な半導体基板(自立基板)を用いて製造されることが好ましく、このような半導体基板となり得る周期表第13族金属窒化物結晶(以下、単に第13族窒化物結晶と称する場合がある)の製造技術が盛んに研究されている。
Periodic table group 13 metal nitride semiconductors typified by gallium nitride (GaN) have a large band gap, and the transition between bands is a direct transition type. It is put to practical use as a light emitting element on the relatively short wavelength side.
These devices are preferably manufactured using a high-quality semiconductor substrate (free-standing substrate) made of the same kind of material and having few crystal defects, and a periodic table Group 13 metal nitride that can be such a semiconductor substrate. A technique for producing a crystal (hereinafter sometimes simply referred to as a group 13 nitride crystal) has been actively studied.

第13族窒化物結晶の製造方法として、ハイドライド気相成長法(HVPE法)などの気相成長法やフラックス法、アモノサーマル法などの液相成長法等が知られている。HVPE法は、水素気流中でGaの塩化物と周期表第5族元素の水素化物(NH3)を炉内に導入し熱分解させ、熱分解で発生する結晶を基板上に堆積させる方法である。一方、アモノサーマル法は、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素を含有する溶媒と、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の結晶材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニアなどの窒素含有溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。具体的には、オートクレーブなどの耐圧性容器内に結晶原料や種結晶を入れて密閉し、ヒーター等で加熱することにより耐圧性容器内に高温域と低温域を形成し、その一方において原料を溶解し、他方において結晶を育成することにより、結晶を製造することができる。 As a method for producing a Group 13 nitride crystal, a vapor phase growth method such as a hydride vapor phase growth method (HVPE method), a liquid phase growth method such as a flux method, an ammonothermal method, and the like are known. The HVPE method is a method in which Ga chloride and a hydride (NH 3 ) of a Group 5 element in a periodic table are introduced into a furnace and thermally decomposed in a hydrogen stream, and crystals generated by the thermal decomposition are deposited on the substrate. is there. On the other hand, the ammonothermal method is a method for producing a desired crystal material using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state and a dissolution-precipitation reaction of raw materials. When applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a nitrogen-containing solvent such as ammonia. Specifically, a crystal raw material or seed crystal is placed in a pressure-resistant container such as an autoclave and sealed, and heated with a heater or the like to form a high-temperature region and a low-temperature region in the pressure-resistant container. Crystals can be produced by dissolving and growing crystals on the other hand.

一般に、周期表第13族金属窒化物基板(以下、単に第13族金属窒化物基板、または第13族窒化物基板と称する場合がある)は、上述の方法を用いて種結晶の主面上に成長させたバルク結晶を、スライス等の加工処理を施すことで得ることができる。しかしながら従前公知のバルク結晶の成長方法では、種結晶に存在する結晶欠陥や反りがバルク結晶に引き継がれてしまうという問題がある。このような問題を解決する方法の1つとして、ELO法(Epitaxial Lateral Overgrowth)が知られている。ELO法は、種結晶主面上にマスク層を形成し、気相成長法によって開口部からマスク上にラテラル成長させる結晶成長法であるが、転位がラテラル成長によって止まるため、結晶欠陥の少ない層を形成できることが知られている(特許文献1参照)。   In general, a periodic table group 13 metal nitride substrate (hereinafter sometimes simply referred to as a group 13 metal nitride substrate or a group 13 nitride substrate) is formed on the main surface of the seed crystal using the above-described method. The bulk crystal grown in this manner can be obtained by processing such as slicing. However, the conventionally known bulk crystal growth method has a problem that crystal defects and warpage existing in the seed crystal are inherited by the bulk crystal. As one method for solving such a problem, an ELO method (Epitaxial Lateral Overgrowth) is known. The ELO method is a crystal growth method in which a mask layer is formed on the main surface of the seed crystal and laterally grown on the mask from the opening by a vapor phase growth method. However, since dislocations are stopped by the lateral growth, the layer has few crystal defects. It is known that can be formed (see Patent Document 1).

また他の方法として例えば特許文献2には、細長シードを用いてc軸に垂直な方向へ結晶成長を行うことにより、C面を広げるようにして面積を拡大した板状結晶を得る方法が開示されている。   As another method, for example, Patent Document 2 discloses a method of obtaining a plate-like crystal whose area is enlarged by widening the C-plane by performing crystal growth in a direction perpendicular to the c-axis using an elongated seed. Has been.

特開平11−251253号公報JP-A-11-251253 特表2008−521737号公報Special table 2008-521737 gazette

本発明者らがアモノサーマル法に代表される液相成長法について鋭意検討したところ、種結晶の主面上にバルク結晶を成長させた場合には、種結晶から成長層への結晶欠陥や反りの伝播に留まらず、結晶欠陥や反りの伝播に起因してクラックが発生してしまい、大型で良質な結晶を得ることが困難であるという新たな課題が存在することが見出された。さらに、液相成長法は一般に気相成長法よりも成長速度が遅いために、特許文献2のように横方向成長により面積を拡大するような成長には、極めて長い時間を要し、生産性の観点から現実的ではなかった。さらに、横方向成長を利用した場合であっても、極性面を主面とする板状結晶を成長する場合には、その表裏の極性の違いに起因して結晶中に歪みが生じると予測され、このような方法で得たバルク結晶にスライス・研磨等の加工処理を施したところ、加工処理中に割れや大きなクラックが発生してしまい、歩留まりよく半導体基板を得ることが困難であるという新たな課題が存在することが見出された。   When the present inventors diligently studied the liquid phase growth method represented by the ammonothermal method, when a bulk crystal was grown on the main surface of the seed crystal, crystal defects and It has been found that there is a new problem that it is difficult to obtain large-sized and high-quality crystals because cracks are generated not only due to the propagation of warp but also due to the propagation of crystal defects and warp. Furthermore, since the liquid phase growth method is generally slower in growth rate than the vapor phase growth method, the growth of expanding the area by lateral growth as in Patent Document 2 requires a very long time, and the productivity. From the point of view, it was not realistic. Furthermore, even when lateral growth is used, when a plate-like crystal having a polar surface as the main surface is grown, it is predicted that distortion will occur in the crystal due to the difference in polarity between the front and back surfaces. When processing such as slicing and polishing is performed on the bulk crystal obtained by such a method, cracks and large cracks occur during the processing, and it is difficult to obtain a semiconductor substrate with a high yield. It has been found that there is a serious problem.

そこで本発明では、大型で高品質の第13族金属窒化物基板の製造方法であって、結晶欠陥や反りやクラックの発生が少なく、加工処理時の割れの発生を抑制可能な第13族金属窒化物基板の製造方法を提供することを課題とする。   Accordingly, in the present invention, a large-scale and high-quality Group 13 metal nitride substrate manufacturing method, in which the generation of crystal defects, warpage, and cracks is small and the generation of cracks during processing can be suppressed. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nitride substrate.

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、極性面を主面とする種結晶の片方の主面を成長阻害部材で被覆してから結晶成長を行い、裏側に存するもう一方の主面の種結晶を除去したうえでさらに結晶成長を行って、裏側に存するもう一方の主面側から板状の基板を得ることで前記課題を解決し得ることを見出した。
即ち、本発明は以下の通りである。
[1] 極性面を主面とし、おもて側の主面と裏側の主面を有する種結晶であって、該おもて側の主面の少なくとも一部を成長阻害部材で被覆して複数のライン状開口部を有するストライプパターンを形成した種結晶を準備する準備工程と、
複数の該ライン状開口部から、該おもて側の主面に対して垂直な方向に第一の第13族金属窒化物結晶を成長させる第一成長工程と、
該第一成長工程で成長させた第一の第13族金属窒化物結晶が露出するまで、裏側の主面から種結晶の一部または全部を除去する除去工程と、
該除去工程で露出させた第一の第13族金属窒化物結晶から、少なくとも該裏側の主面に平行な方向に第二の第13族金属窒化物結晶を成長させる第二成長工程と、
該第二成長工程で成長させた第二の第13族金属窒化物結晶を切断および/または研削して、板状の第13族金属窒化物基板を得る基板作製工程とを備え、
前記第一成長工程において、複数のライン状開口部から成長した第一の第13族金属窒化物結晶同士が、互いに連結されるように成長させ、
前記除去工程において、露出した第一の第13族金属窒化物結晶は種結晶の主面と平行な面を複数有しており、
前記第二成長工程において、第一の第13族金属窒化物結晶から成長した複数の第二の第13族金属窒化物結晶同士が接合するまで成長させることを特徴とする、第13族金属窒化物基板の製造方法。
[2] 前記種結晶のおもて側の主面が−C面であり、裏側の主面が+C面である、[1]に記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[3] 前記複数のライン状開口部が、a軸方向に伸びるストライプパターンを形成する、[1]または[2]に記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[4] 前記複数のライン状開口部が、m軸方向に伸びるストライプパターンを形成する、[1]または[2]に記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[5] 前記ストライプパターンの成長阻害部材の幅W1が1mm〜20mmである、[1]〜[4]のいずれかに記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[6] 前記第一の成長工程において、複数のライン状開口部からおもて側の主面に対して垂直な方向に板状の第13族金属窒化物結晶を成長させる、[1]〜[5]のいずれかに記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[7] 前第二成長工程において、第二の第13族金属窒化物結晶の成長表面が連続した平坦な面なるまで成長させる、[1]〜[6]のいずれかに記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[8] 前記第一成長工程および前記第二成長工程を、超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒中で結晶成長をさせることによって行う、[1]〜[7]のいずれかに記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
[9] 前記第13族金属窒化物基板の主面が極性面である、[1]〜[8]のいずれかに記載の第13族金属窒化物基板の製造方法。
As a result of intensive studies, the inventors of the present invention performed crystal growth after coating one main surface of a seed crystal having a polar surface as a main surface with a growth-inhibiting member, and seeding the other main surface existing on the back side. It has been found that the above problem can be solved by removing the crystal and further growing the crystal to obtain a plate-like substrate from the other main surface side existing on the back side.
That is, the present invention is as follows.
[1] A seed crystal having a polar surface as a main surface, a front main surface and a back main surface, wherein at least a part of the front main surface is coated with a growth inhibiting member. Preparing a seed crystal having a stripe pattern having a plurality of line-shaped openings; and
A first growth step of growing a first Group 13 metal nitride crystal from a plurality of the line-shaped openings in a direction perpendicular to the main surface on the front side;
A removal step of removing part or all of the seed crystal from the main surface on the back side until the first Group 13 metal nitride crystal grown in the first growth step is exposed;
A second growth step of growing a second group 13 metal nitride crystal from the first group 13 metal nitride crystal exposed in the removing step in a direction parallel to at least the main surface on the back side;
Cutting and / or grinding the second group 13 metal nitride crystal grown in the second growth step to obtain a plate-shaped group 13 metal nitride substrate,
In the first growth step, first group 13 metal nitride crystals grown from a plurality of line-shaped openings are grown so as to be connected to each other,
In the removing step, the exposed first group 13 metal nitride crystal has a plurality of surfaces parallel to the main surface of the seed crystal,
In the second growth step, the group 13 metal nitride is grown until a plurality of second group 13 metal nitride crystals grown from the first group 13 metal nitride crystal are joined to each other. Manufacturing method of physical substrate.
[2] The method for producing a Group 13 metal nitride substrate according to [1], wherein a main surface on the front side of the seed crystal is a -C plane and a main surface on the back side is a + C plane.
[3] The method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate according to [1] or [2], wherein the plurality of line-shaped openings form a stripe pattern extending in the a-axis direction.
[4] The method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate according to [1] or [2], wherein the plurality of line-shaped openings form a stripe pattern extending in the m-axis direction.
[5] The method for producing a Group 13 metal nitride substrate according to any one of [1] to [4], wherein the width W 1 of the growth inhibition member of the stripe pattern is 1 mm to 20 mm.
[6] In the first growth step, plate-like Group 13 metal nitride crystals are grown in a direction perpendicular to the main surface on the front side from the plurality of line-shaped openings, [1] to [1] to The method for producing a Group 13 metal nitride substrate according to any one of [5].
[7] The group 13 according to any one of [1] to [6], wherein the growth surface of the second group 13 metal nitride crystal is grown to a continuous flat surface in the previous second growth step. A method for manufacturing a metal nitride substrate.
[8] The method according to any one of [1] to [7], wherein the first growth step and the second growth step are performed by crystal growth in a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state. A method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate.
[9] The method for producing a Group 13 metal nitride substrate according to any one of [1] to [8], wherein the main surface of the Group 13 metal nitride substrate is a polar surface.

本発明によれば、大型で高品質の第13族金属窒化物基板の製造方法であって、結晶欠陥や反りやクラックの発生が少なく、加工処理時の割れの発生を抑制可能な第13族金属窒化物基板の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a large and high-quality Group 13 metal nitride substrate manufacturing method, which is less likely to cause crystal defects, warpage and cracks, and can suppress the occurrence of cracks during processing. A method for manufacturing a metal nitride substrate can be provided.

図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. 図2は、本発明で用いることができる別の結晶製造装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic view of another crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. 図3は、本発明の製造方法の一連の工程を説明するための概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a series of steps of the production method of the present invention. 図4は、複数のライン状開口部を設ける場合の具体例を示すための概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram for illustrating a specific example in the case where a plurality of line-shaped openings are provided. 図5は、第一成長工程の結晶成長の具体例を示すための概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram for illustrating a specific example of crystal growth in the first growth step. 図6は、除去工程で得られる結晶の具体例を示すための概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram for illustrating a specific example of crystals obtained in the removing step. 図7は、実施例1で得られたGaN基板のXRC半値幅を示したグラフである。FIG. 7 is a graph showing the XRC half width of the GaN substrate obtained in Example 1. 図8は、比較例1で得られたGaN結晶のXRC半値幅を示したグラフである。FIG. 8 is a graph showing the XRC half width of the GaN crystal obtained in Comparative Example 1. 図9は、比較例2で得られたGaN結晶のXRC半値幅を示したグラフである。FIG. 9 is a graph showing the XRC half width of the GaN crystal obtained in Comparative Example 2.

以下において、本発明の周期表第13族金属窒化物基板(以下、第13族窒化物基板と称する)の製造方法について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様や具体例に限定されるものではない。
なお、本願において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本願におけるミラー指数は、指数が負である場合に当該指数の前にマイナス記号をつけて表記している。また、本明細書において<・・・・>との表記は方向の集合表現、[・・・・]との表記は方向の個別表現を表す。それに対して{・・・・}との表記は面の集合表現、(・・・・)との表記は面の個別表現を表す。
Hereinafter, a method for producing a periodic table group 13 metal nitride substrate (hereinafter referred to as a group 13 nitride substrate) of the present invention will be described in detail.
The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments and specific examples of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments and specific examples.
In addition, the numerical value range represented using "to" in this application means the range which includes the numerical value described before and behind "to" as a lower limit and an upper limit. Further, the Miller index in the present application is described by adding a minus sign in front of the index when the index is negative. Further, in this specification, the notation <...> Represents a collective expression of directions, and the notation [...] Represents an individual expression of directions. On the other hand, the notation {...} Represents the collective expression of the faces, and the notation (...

本明細書において「オフ角」とは、ある面の指数面からのずれを表す角度である。
本願明細書において「主面」とは、結晶に存在する表面のうち最も広い面を意味し、種結晶の「主面」は、通常、表裏に略平行に存在し、それぞれ「おもて側の主面」と「裏側の主面」と称する。
本願明細書において、「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鉱型結晶構造)における{0001}面であり、c軸に直交する面である。かかる面は極性面であり、第13族金属窒化物結晶では「+C面」は第13族金属面(窒化ガリウムの場合はガリウム面)であり、「−C面」は窒素面である。
In this specification, the “off angle” is an angle representing a deviation of a certain surface from the exponential surface.
In the present specification, the “main surface” means the widest surface among the surfaces existing in the crystal, and the “main surface” of the seed crystal usually exists substantially parallel to the front and back surfaces, Are referred to as the “main surface” and “the back main surface”.
In the present specification, the “C plane” is a {0001} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite crystal structure) and is a plane orthogonal to the c-axis. Such a plane is a polar plane. In the Group 13 metal nitride crystal, the “+ C plane” is a Group 13 metal plane (gallium plane in the case of gallium nitride), and the “−C plane” is a nitrogen plane.

また、本願明細書において、「M面」とは{1−100}面と等価な面であり、具体的には(1−100)面、(01−10)面、(−1010)面、(−1100)面、(0−110)面、或いは(10−10)面であり、m軸に直交する面である。かかる面は非極性面であり、通常は劈開面である。
また、本願明細書において、「A面」とは{2−1−10}面と等価な面であり、具体的には(2−1−10)面、(−12−10)面、(−1−120)面、(−2110)面、(1−210)面、或いは(11−20)面であり、a軸に直交する面である。かかる面は非極性面である。本明細書において「c軸」「m軸」「a軸」とは、それぞれC面、M面、A面に垂直な軸を意味する。
In the present specification, the “M plane” is a plane equivalent to the {1-100} plane, specifically, a (1-100) plane, a (01-10) plane, a (−1010) plane, The (−1100) plane, (0-110) plane, or (10-10) plane is a plane orthogonal to the m-axis. Such a surface is a nonpolar surface and is usually a cleaved surface.
In the specification of the present application, the “A plane” is a plane equivalent to the {2-1-10} plane, specifically, the (2-1-10) plane, the (-12-10) plane, ( A (1-120) plane, a (-2110) plane, a (1-210) plane, or a (11-20) plane, which is a plane orthogonal to the a-axis. Such a surface is a nonpolar surface. In this specification, “c-axis”, “m-axis”, and “a-axis” mean axes perpendicular to the C-plane, M-plane, and A-plane, respectively.

また、本願明細書において「半極性面」とは、例えば、第13族金属窒化物結晶が六方晶であってその主面が(hklm)で表される場合、h、k、lのうち少なくとも2つが0でなく、且つmが0でない面をいう。また、半極性面は、C面、すなわち{0001}面に対して傾いた面で、表面に周期表第13族金属元素と窒素元素の両方あるいは片方のみが存在する場合で、かつその存在比が1:1でない面を意味する。h、k、l、mはそれぞれ独立に−5〜5のいずれかの整数であることが好ましく、−3〜3のいずれかの整数であることがより好ましく、低指数面であることが好ましい。具体的には、例えば{20−21}面、{20−2−1}面、{30−31}面、{30−3−1}面、{10−11}面、{10−1−1}面、{10−12}面、{10−1−2}面、{11−22}面、{11−2−2}面、{11−21}面、{11−2−1}面など低指数面が挙げられる。   Further, in the present specification, the “semipolar plane” means, for example, that when the group 13 metal nitride crystal is a hexagonal crystal and the main surface is represented by (hklm), at least one of h, k, and l Two are non-zero and m is non-zero. Further, the semipolar plane is a C plane, that is, a plane inclined with respect to the {0001} plane, where both or only one of group 13 metal element and nitrogen element in the periodic table is present on the surface, and the abundance ratio thereof. Means a surface that is not 1: 1. h, k, l, and m are each independently preferably an integer of -5 to 5, more preferably an integer of -3 to 3, and preferably a low index surface. . Specifically, for example, {20-21} plane, {20-2-1} plane, {30-31} plane, {30-3-1} plane, {10-11} plane, {10-1- 1} plane, {10-12} plane, {10-1-2} plane, {11-22} plane, {11-2-2} plane, {11-21} plane, {11-2-1} Low index surface such as surface.

また、本明細書においてC面、M面、A面や特定の指数面を称する場合には、±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から10°以内のオフ角を有する範囲内の面を含む。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。また、c軸、m軸、a軸などの特定の軸方向を称する場合も同様に、10°以内のオフ角を有する方向を含む。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。   Further, in this specification, when referring to the C, M, A, or specific index plane, a range having an off angle within 10 ° from each crystal axis measured with an accuracy within ± 0.01 °. Including the inner face. The off angle is preferably within 5 °, more preferably within 3 °. Similarly, when referring to specific axial directions such as the c-axis, m-axis, and a-axis, the direction including an off angle of 10 ° or less is included. The off angle is preferably within 5 °, more preferably within 3 °.

<第13族金属窒化物基板の製造方法>
本発明の第13族金属窒化物基板(以下、第13族窒化物基板と称する場合がある)の製造方法は、以下(1)〜(5)の工程を含むことを特徴とする。
(1)極性面を主面とし、おもて側の主面と裏側の主面を有する種結晶であって、該おもて側の主面の少なくとも一部を成長阻害部材で被覆して複数のライン状開口部を有するストライプパターンを形成した種結晶を準備する準備工程
(2)複数の該ライン状開口部から、該おもて側の主面に対して垂直な方向に第一の第13族金属窒化物結晶(以下、第一の第13族窒化物結晶と称する場合がある)を成長させ、複数のライン状開口部から成長した第一の第13族窒化物結晶同士が、互いに連結されるように成長させる第一成長工程
(3)該第一成長工程で成長させた第一の第13族窒化物結晶が露出するまで、裏側の主面から種結晶の一部または全部を除去し、露出した第一の第13族窒化物結晶は種結晶の主面と平行な面を複数有するように加工する除去工程
(4)該除去工程で露出させた第一の第13族窒化物結晶から、少なくとも該裏側の主面に平行な方向に第二の第13族金属窒化物結晶(以下、第二の第13族窒化物と称する場合がある)を成長させ、第一の第13族窒化物結晶から成長した複数の第二の第13族窒化物結晶同士が接合するまで成長させる第二成長工程
(5)該第二成長工程で成長させた第二の第13族金属窒化物結晶を切断および/または研削して、板状の第13族金属窒化物基板を得る基板作製工程
図3に、本製造方法の一連の工程を説明する概念図を示し、以下に第13族金属窒化物結晶としてGaN結晶を成長する場合を例として説明するが、本発明の製造方法はこれに限定されない。
<Method for Producing Group 13 Metal Nitride Substrate>
The method for producing a Group 13 metal nitride substrate (hereinafter sometimes referred to as a Group 13 nitride substrate) of the present invention includes the following steps (1) to (5).
(1) A seed crystal having a polar surface as a main surface and having a main surface on the front side and a main surface on the back side, and covering at least a part of the main surface on the front side with a growth inhibiting member A preparation step of preparing a seed crystal in which a stripe pattern having a plurality of line-shaped openings is formed. (2) From the plurality of line-shaped openings, the first crystal is perpendicular to the main surface on the front side. Group 13 metal nitride crystals (hereinafter sometimes referred to as first Group 13 nitride crystals) are grown, and the first Group 13 nitride crystals grown from the plurality of line-shaped openings are, First growth step of growing so as to be connected to each other (3) Part or all of the seed crystal from the main surface on the back side until the first group 13 nitride crystal grown in the first growth step is exposed The exposed first group 13 nitride crystal has a plurality of planes parallel to the main surface of the seed crystal. (4) From the first group 13 nitride crystal exposed in the removal step, at least a second group 13 metal nitride crystal (hereinafter referred to as a direction parallel to the main surface on the back side). And may be referred to as a second group 13 nitride), and is grown until a plurality of second group 13 nitride crystals grown from the first group 13 nitride crystal are joined together. Two-growth step (5) Substrate manufacturing step of obtaining a plate-like group 13 metal nitride substrate by cutting and / or grinding the second group 13 metal nitride crystal grown in the second growth step. FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a series of steps of the manufacturing method. Hereinafter, a case where a GaN crystal is grown as a Group 13 metal nitride crystal will be described as an example. However, the manufacturing method of the present invention is limited to this. Not.

図3(a)は準備工程において、成長阻害部材で被覆して複数のライン状開口部を有するストライプパターンを形成した種結晶の断面図である。種結晶101のおもて側の主面として−C面上に、マスク102にてa軸方向に平行に伸びるストライプパターンを形成する。次いで、図3(b)は第一成長工程において、第一のGaN結晶104を成長させた状態であって(b−1)が−C面側の上面図を示し、(b−2)がA−A'における断面図を示す。ライン状開口部103から−c軸方向へGaN結晶104が成長し、板状結晶が形成される。また、種結晶の側面からも−c軸方向へGaN結晶104が成長するため、種結晶の外周を囲むように枠状結晶が成長し、板状結晶同士が端部で連結される。さらに、図3(c)は除去工程において、裏側の主面である+C面から種結晶を除去した状態であって、(c−1)が−C面側の上面図を示し、(c−2)がA−A'における断面図を示す。種結晶101は完全に除去され、第一のGaN結晶104の+C面が露出したGaN結晶枠105が得られる。種結晶101は完全に除去されているため、GaN結晶枠の板状結晶の間は連結されておらず空洞となり、板状結晶の端部に存在する枠状結晶によってのみ連結されて一体化したGaN結晶枠105を形成している。図3(d)は第二成長工程において、第二のGaN結晶106を成長させた状態である。(d−1)のように露出された第一のGaN結晶104からなるGaN結晶枠105の+C面から、横方向(+C面に平行な方向)に第二のGaN結晶106を成長させる。結晶成長を続けると、(d−2)のように各板状結晶の+C面から成長を開始した第二のGaN結晶106は互いに接合して、一体のGaN結晶となる。最後に、図3(e)は基板作製工程において、第二のGaN結晶106からGaN結晶枠105を除去して得られた、板状のGaN基板107の断面図である。第二のGaN結晶106から、少なくとも第一のGaN結晶104を切断および/または研削によって分離することにより、大口径のC面を主面とする板状のGaN基板107を得る。
以下に、各工程についてさらに詳細に説明を行う。
FIG. 3A is a cross-sectional view of a seed crystal in which a stripe pattern having a plurality of line-shaped openings is formed by covering with a growth inhibiting member in the preparation step. A stripe pattern extending parallel to the a-axis direction is formed by the mask 102 on the −C plane as the main surface on the front side of the seed crystal 101. Next, FIG. 3B shows a state in which the first GaN crystal 104 is grown in the first growth step, where (b-1) shows a top view on the −C plane side, and (b-2) shows Sectional drawing in AA 'is shown. A GaN crystal 104 grows in the −c-axis direction from the line-shaped opening 103, and a plate-like crystal is formed. Further, since the GaN crystal 104 also grows in the −c-axis direction from the side surface of the seed crystal, a frame-like crystal grows so as to surround the outer periphery of the seed crystal, and the plate crystals are connected at the end. Further, FIG. 3C shows a state in which the seed crystal is removed from the + C plane which is the main surface on the back side in the removing step, and (c-1) shows a top view on the −C plane side, 2) shows a cross-sectional view at AA ′. The seed crystal 101 is completely removed, and a GaN crystal frame 105 in which the + C plane of the first GaN crystal 104 is exposed is obtained. Since the seed crystal 101 is completely removed, the plate-like crystals of the GaN crystal frame are not connected to each other and become a cavity, and are connected and integrated only by the frame-like crystal existing at the end of the plate-like crystal. A GaN crystal frame 105 is formed. FIG. 3D shows a state in which the second GaN crystal 106 is grown in the second growth step. The second GaN crystal 106 is grown in the lateral direction (direction parallel to the + C plane) from the + C plane of the GaN crystal frame 105 made of the exposed first GaN crystal 104 as shown in (d-1). When the crystal growth is continued, the second GaN crystals 106 that have started growing from the + C plane of each plate-like crystal as shown in (d-2) are joined together to form an integral GaN crystal. Finally, FIG. 3E is a cross-sectional view of the plate-like GaN substrate 107 obtained by removing the GaN crystal frame 105 from the second GaN crystal 106 in the substrate manufacturing process. By separating at least the first GaN crystal 104 from the second GaN crystal 106 by cutting and / or grinding, a plate-like GaN substrate 107 having a large-diameter C-plane as a main surface is obtained.
Below, it demonstrates still in detail about each process.

[準備工程]
本発明の第13族金属窒化物基板の製造方法に係る準備工程は、「極性面を主面とし、おもて側の主面と裏側の主面を有する種結晶であって、該おもて側の主面の少なくとも一部を成長阻害部材で被覆して複数のライン状開口部を有するストライプパターンを形成した種結晶を準備する」工程である。準備工程は、種結晶の主面の少なくとも一部を成長阻害部材で被覆する工程であってもよく、既に主面の少なくとも一部が成長阻害部材で被覆された種結晶を入手する工程であってもよい。
[Preparation process]
The preparatory process according to the method for manufacturing a Group 13 metal nitride substrate of the present invention is “a seed crystal having a polar surface as a main surface and a main surface on the front side and a main surface on the back side, A step of preparing a seed crystal in which a stripe pattern having a plurality of line-shaped openings is formed by covering at least a part of the main surface on the front side with a growth inhibiting member ”. The preparation step may be a step of covering at least a part of the main surface of the seed crystal with the growth inhibiting member, or obtaining a seed crystal having at least a part of the main surface coated with the growth inhibiting member. May be.

(種結晶)
本発明の製造方法における種結晶は、例えば、GaNに代表される第13族金属窒化物、または、サファイア、Si、SiC、Ga23、GaAs、ZnO(酸化亜鉛)などの基板が挙げられ、第13族金属窒化物、サファイア、GaAs、酸化亜鉛、SiおよびSiCからなる群から選ばれる少なくとも1種の結晶であることが好ましい。また、第13族金属窒化物の中でも、その上に成長させる第13族金属窒化物結晶と同種の結晶であることが好ましい。例えば、GaN結晶を成長させてGaN基板を得ようとしている場合は、種結晶もGaNからなることが好ましい。第13族金属窒化物結晶としては、GaNの他に、AlN、InN、またはこれらの混晶などを挙げることができる。混晶としては、AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaNおよびGaを含む混晶であり、より好ましいのはGaNである。なお、種結晶として、その上に成長させる第13族金属窒化物結晶と異種の結晶を含む基板を用いる場合には、異種の結晶上に第13族金属窒化物結晶からなる結晶層を形成したもの(テンプレート基板)を用いることが好ましい。
(Seed crystal)
Examples of the seed crystal in the production method of the present invention include a Group 13 metal nitride represented by GaN, or a substrate such as sapphire, Si, SiC, Ga 2 O 3 , GaAs, ZnO (zinc oxide). It is preferably at least one crystal selected from the group consisting of Group 13 metal nitrides, sapphire, GaAs, zinc oxide, Si and SiC. Further, among the group 13 metal nitrides, the same type of crystal as the group 13 metal nitride crystal grown thereon is preferable. For example, when it is intended to obtain a GaN substrate by growing a GaN crystal, the seed crystal is also preferably made of GaN. Examples of the Group 13 metal nitride crystal include AlN, InN, or a mixed crystal thereof in addition to GaN. Examples of the mixed crystal include AlGaN, InGaN, AlInN, and AlInGaN. Preferred is a mixed crystal containing GaN and Ga, and more preferred is GaN. In the case where a substrate containing a different type of crystal from the Group 13 metal nitride crystal grown thereon is used as a seed crystal, a crystal layer made of the Group 13 metal nitride crystal is formed on the different type of crystal. It is preferable to use a thing (template substrate).

種結晶の主面の形状は特に限定されないが、四角形、六角形、十二角形、円形、楕円形などが挙げられ、最終的に得られる第13族窒化物基板として円形のウエハを作製しやすいことから、四角形、六角形、円形であることが好ましい。
種結晶の主面の最大径は10mm以上であることが好ましく、15mm以上であることがより好ましく、20mm以上であることがさらに好ましく、通常、150mm以下である。前記下限値以上とすることで、得られる第13族窒化物基板の主面の大きさをより大きなものとすることができる傾向がある。なお、主面の最大径とは、主面の形状が円形の場合にはその直径を、円形以外の形状の場合には主面における最大長さを意味する。
The shape of the main surface of the seed crystal is not particularly limited, and examples thereof include a quadrangle, a hexagon, a dodecagon, a circle, and an ellipse, and it is easy to produce a circular wafer as the finally obtained group 13 nitride substrate. Therefore, it is preferable that the shape is a quadrangle, a hexagon, or a circle.
The maximum diameter of the main surface of the seed crystal is preferably 10 mm or more, more preferably 15 mm or more, further preferably 20 mm or more, and usually 150 mm or less. By setting the lower limit value or more, the size of the main surface of the obtained group 13 nitride substrate tends to be larger. The maximum diameter of the main surface means the diameter when the shape of the main surface is circular, and the maximum length of the main surface when the shape is other than circular.

種結晶の主面の結晶面は極性面であり、種結晶が第13族金属窒化物などの六方晶系材料である場合には、{0001}面である。主面は、おもて側と裏側に存在し、これらは略平行な面として存在する。おもて側と裏側はどのように決定してもよいが、後述の成長工程をアモノサーマル法で実施する場合には、極性による結晶成長速度の違いからおもて側の主面が−C面であることが好ましく、裏面側の主面が+C面であることが好ましい。   The crystal plane of the main surface of the seed crystal is a polar plane, and when the seed crystal is a hexagonal material such as a group 13 metal nitride, it is the {0001} plane. The main surface exists on the front side and the back side, and these exist as substantially parallel surfaces. The front side and the back side may be determined in any way. However, when the growth process described later is performed by the ammonothermal method, the main surface on the front side is − The C surface is preferable, and the main surface on the back surface side is preferably the + C surface.

種結晶の厚みも特に限定されないが、100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましい。
種結晶の結晶成長方法については何ら限定されないが、種結晶としてGaN等の第13族金属窒化物結晶を用いる場合には、ハイドライド気相成長法(HVPE法)、有機金属化学蒸着法(MOCVD法)、有機金属塩化物気相成長法(MOC法)、分子線エピタキシー法(MBE法)等の気相成長法で成長させた結晶であってもよく、液相エピタキシー法(LPE法)、フラックス法、アモノサーマル法(本明細書において、アモノサーマル法を液相成長法に分類して取り扱うものとする。)等の液相成長法で成長させた結晶であってもよい。この中でも、主面面積が大面積の種結晶を用いるとの観点からは、成長効率の高いHVPE法で得た結晶が好ましい。
The thickness of the seed crystal is not particularly limited, but is preferably 100 μm or more, and more preferably 200 μm or more.
The crystal growth method of the seed crystal is not limited at all. However, when a group 13 metal nitride crystal such as GaN is used as the seed crystal, a hydride vapor phase growth method (HVPE method), a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). ), Crystal grown by vapor phase growth method such as metal organic chloride vapor phase growth method (MOC method), molecular beam epitaxy method (MBE method), liquid phase epitaxy method (LPE method), flux It may be a crystal grown by a liquid phase growth method such as a method or an ammonothermal method (in this specification, the ammonothermal method is classified and handled as a liquid phase growth method). Among these, from the viewpoint of using a seed crystal having a large main surface area, a crystal obtained by the HVPE method with high growth efficiency is preferable.

(成長阻害部材)
本発明の製造方法における成長阻害部材はマスクとして機能する部材であり、種結晶のおもて側の主面上の第一の第13族金属窒化物結晶の成長を抑制するために設けられる。成長阻害部材は、種結晶のおもて側の主面表面が露出しているライン状の開口部が残るように部分的に形成される。前記成長阻害層の材料としては、反応中に溶解したり、分解しなければ特に限定されるものではないが、例えば、Si、Al、W、Mo、Ti、Pt、Ir、Ag、Au、Ta、Ru、Nb、Pd、やそれらの合金、あるいは酸化物や窒化物などが挙げられる。
(Growth inhibition member)
The growth inhibiting member in the production method of the present invention is a member that functions as a mask, and is provided to suppress the growth of the first Group 13 metal nitride crystal on the main surface on the front side of the seed crystal. The growth inhibiting member is partially formed so as to leave a line-shaped opening in which the main surface of the front side of the seed crystal is exposed. The material of the growth inhibition layer is not particularly limited as long as it does not dissolve or decompose during the reaction. For example, Si, Al, W, Mo, Ti, Pt, Ir, Ag, Au, Ta , Ru, Nb, Pd, alloys thereof, oxides or nitrides.

成長阻害部材の形状については、板状結晶の成長の起点となるライン状の開口部をおもて側の主面に設けることのできる形状であれば何ら限定されないが、ライン状の開口部の長手方向の側面となる直線部分を有する形状であることが好ましく、例えば、三角形状、四角形状、六角形状等の多角形状であることがより好ましく、ストライプ形状であることがさらに好ましい。   The shape of the growth-inhibiting member is not limited as long as it is a shape that can provide a line-shaped opening serving as a starting point for the growth of the plate-like crystal on the main surface on the front side. It is preferably a shape having a straight portion serving as a side surface in the longitudinal direction, for example, more preferably a polygonal shape such as a triangular shape, a quadrangular shape or a hexagonal shape, and further preferably a stripe shape.

成長阻害部材の幅W1は特に限定されないが、1mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、また、20mm以下であることが好ましく、10mm以下であることがより好ましい。これは、後述する第二の第13族窒化物結晶を成長させる際の板状結晶が配列する間隔を調整して、前記下限値以上とすることで、基板の主面全体において接合部を減らすことができる傾向があり、また、前記上限値以下とすることで、第二の第13族窒化物結晶が互いに接合しやすい結晶成長を促進することができ、第二の第13族窒化物結晶同士が接合するまで成長させるのに要する時間が短くなる傾向があり、好ましい。 The width W 1 of the growth inhibiting member is not particularly limited, but is preferably 1 mm or more, more preferably 2 mm or more, more preferably 20 mm or less, and even more preferably 10 mm or less. This is because by adjusting the interval at which the plate-like crystals are arranged when growing a second group 13 nitride crystal, which will be described later, to be equal to or greater than the lower limit, the number of joints is reduced over the entire main surface of the substrate. The second group 13 nitride crystal can be promoted to be easily bonded to each other, and the second group 13 nitride crystal can be promoted. This tends to shorten the time required for growth until they are bonded to each other, which is preferable.

ライン状開口部の幅W2は特に限定されないが、1μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることがさらに好ましく、20μm以上であることが特に好ましく、また、5000μm以下であることが好ましく、1000μm以下であることがより好ましく、500μm以下であることがさらに好ましい。前記下限値以上とすることでライン状開口部からの結晶成長を促進できる傾向があり、また、前記上限値以下とすることで種結晶の影響を小さくすることができる傾向がある。 The width W 2 of the line-shaped opening is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, further preferably 10 μm or more, particularly preferably 20 μm or more, It is preferably 5000 μm or less, more preferably 1000 μm or less, and even more preferably 500 μm or less. There exists a tendency which can promote the crystal growth from a line-shaped opening part by setting it as the said lower limit or more, and there exists a tendency which can make the influence of a seed crystal small by setting it as the said upper limit or less.

また、ライン状開口部の長手方向の長さL1は特に限定されないが、10mm以上であることが好ましく、20mm以上であることがより好ましく、25mm以上であることがさらに好ましい。前記下限値以上とすることで大型の結晶が得られる傾向がある。
また、ライン状の開口部の長手方向については何ら限定されないが、{0001}面を主面とする種結晶を用いた場合は、結晶成長時に安定な面となりやすいM面またはA面を主面として板状結晶を成長することができることから、ライン状開口部の長手方向をa軸方向またはm軸方向とすることが好ましい。このような方向にすれば、ライン状開口部は、a軸方向またはm軸方向に伸びるストライプパターンを形成する。a軸方向またはm軸方向に伸びる長手方向は、10°以下のオフ角を有することが好ましく、より好ましくは6°以下である。オフ角を有すると、より安定した板状結晶を成長することができる。
Further, the length L 1 in the longitudinal direction of the line-shaped opening is not particularly limited, but is preferably 10 mm or more, more preferably 20 mm or more, and further preferably 25 mm or more. There exists a tendency for a large crystal | crystallization to be obtained by setting it as the said lower limit or more.
Further, the longitudinal direction of the line-shaped opening is not limited at all. However, when a seed crystal having a {0001} plane as a main surface is used, an M-plane or A-plane that tends to be a stable surface during crystal growth is used as the main surface. Since a plate-like crystal can be grown, it is preferable that the longitudinal direction of the line-shaped opening is the a-axis direction or the m-axis direction. With such a direction, the line-shaped opening forms a stripe pattern extending in the a-axis direction or the m-axis direction. The longitudinal direction extending in the a-axis direction or the m-axis direction preferably has an off angle of 10 ° or less, more preferably 6 ° or less. When it has an off angle, a more stable plate crystal can be grown.

また、ライン状開口部の数は特に限定されず、通常2本以上であるが、3本以上であることが好ましく、4本以上であることがさらに好ましく、また、通常100本以下である。これは、後述する第二の第13族窒化物結晶を成長させる際の板状結晶が配列する間隔を調整して、前記下限値以上とすることで、第二の第13族窒化物結晶が互いに接合しやすい結晶成長を促進することができる傾向があり、また、前記上限値以下とすることで、基板の主面全体において接合部を減らすことができる傾向がある。   The number of line-shaped openings is not particularly limited and is usually 2 or more, preferably 3 or more, more preferably 4 or more, and usually 100 or less. This is because the second group 13 nitride crystal is adjusted by adjusting the interval in which the plate-like crystals are arranged when growing a second group 13 nitride crystal, which will be described later, to be equal to or more than the lower limit value. There is a tendency that crystal growth that is easy to bond to each other can be promoted, and by making the upper limit or less, there is a tendency that joints can be reduced over the entire main surface of the substrate.

また、ライン状開口部を複数設けて、ストライプパターンを形成していれば、その数や配置については何ら限定されないが、ライン状開口部同士が略平行になるように複数本形成されることが好ましい。また、おもて側の主面にライン状開口部を有しており、これらがストライプパターンを形成していればよいので、これらのラインに交差する別の形状の開口部があってもよい。   In addition, as long as a plurality of line-shaped openings are provided to form a stripe pattern, the number and arrangement thereof are not limited, but a plurality of line-shaped openings may be formed so as to be substantially parallel to each other. preferable. Moreover, since it has a line-shaped opening part in the main surface of the front side, and these should just form the stripe pattern, there may be an opening part of another shape which cross | intersects these lines. .

ライン状開口部がストライプパターンを形成する場合の具体例を図4(a)〜(d)に示す。図4(a)はストライプ状の成長阻害部材202を種結晶の主面の端部まで達するように複数本平行に設けて、複数本のライン状開口部203同士を平行に形成した例である。この複数本のライン状開口部はその長手方向がa軸平行に形成されているため、この例では第一の第13族窒化物結晶を成長させた際にM面を主面とする板状結晶を複数枚成長させることができる。また図4(b)、(c)は種結晶の端部に達しない四角形状の成長阻害部材202を、a軸方向に平行に複数枚設けて、複数本のライン状開口部203同士が平行に存在し、種結晶の端部においてそれらの開口部が互いに連結された例である。
これらの種結晶を用いて第一成長工程を実施した場合には、種結晶の端部においてそれらの開口部からも板状結晶が成長し、ストライプパターンを形成するライン状開口部から成長する板状結晶同士を連結する部分となる。さらに図4(d)は種結晶の端部に達しない四角形状の成長阻害部材202を、a軸方向に平行に複数枚設けて、複数本のライン状開口部203同士が平行に存在し、さらにこれらのラインに垂直に交差するようにライン状開口部を設けた例である。この種結晶を用いて第一成長工程を実施した場合には、前記垂直に交差するように設けられたライン状開口部からも板状結晶が成長し、ストライプパターンを形成するライン状開口部から成長する板状結晶同士を連結する部分となる。
Specific examples in the case where the line-shaped openings form a stripe pattern are shown in FIGS. FIG. 4A shows an example in which a plurality of stripe-shaped growth inhibiting members 202 are provided in parallel so as to reach the end of the main surface of the seed crystal, and a plurality of line-shaped openings 203 are formed in parallel. . Since the plurality of line-shaped openings are formed so that the longitudinal direction thereof is parallel to the a-axis, in this example, when the first group 13 nitride crystal is grown, a plate shape having the M plane as the main surface A plurality of crystals can be grown. 4B and 4C, a plurality of rectangular growth inhibiting members 202 that do not reach the end of the seed crystal are provided in parallel to the a-axis direction, and the plurality of line-shaped openings 203 are parallel to each other. The openings are connected to each other at the end of the seed crystal.
When the first growth step is performed using these seed crystals, a plate-like crystal grows also from the openings at the end of the seed crystal, and grows from the line-like openings forming the stripe pattern. It becomes a part which connects the shaped crystals. Further, FIG. 4 (d) is provided with a plurality of rectangular growth inhibiting members 202 that do not reach the end of the seed crystal in parallel to the a-axis direction, and a plurality of line-shaped openings 203 are present in parallel, Furthermore, it is an example in which line-shaped openings are provided so as to intersect these lines perpendicularly. When the first growth step is performed using this seed crystal, a plate-like crystal grows also from the line-shaped opening provided so as to intersect perpendicularly, and from the line-shaped opening that forms the stripe pattern. It becomes a part which connects plate-like crystals to grow.

また、種結晶の主面だけでなく側面にも成長阻害部材を形成してもよいが、種結晶の側面から結晶成長可能であれば、複数のライン状開口部から結晶成長した板状結晶同士をその側端面で連結されるように結晶成長させることができるので、少なくともライン状開口部に隣接する種結晶の側面に成長阻害部材を設けない、つまり、該側面を露出させておくことが好ましい。ライン状開口部に隣接する種結晶の側面を露出させておくことで、該側面からの横方向成長を促進させ、該側面から横方向成長した結晶(枠状結晶)と、主面に形成したライン状開口部から成長した板状結晶とを合一できる。ライン状開口部の最小幅W2に対する、該開口部に隣接する種結晶の側面の長さの比は100以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましく、400以上であることがさらに好ましい。前記下限値以上とすることで、該側面からの横方向成長をより促進できる傾向がある。なお、開口部に隣接する種結晶の側面の長さとは、該側面の長さのうち、主面に平行な方向の最大長さを意味するものとする。また、開口部に隣接する種結晶の側面の面方位は特に限定されないが、M面、A面などの非極性面;(10−1−1)面、(10−11)面などの半極性面などを好ましく挙げることができる。 In addition, the growth inhibiting member may be formed not only on the main surface of the seed crystal but also on the side surface. However, if crystal growth is possible from the side surface of the seed crystal, the plate crystals grown from a plurality of line-shaped openings are formed. Can be grown so as to be connected at the side end surfaces thereof, it is preferable not to provide a growth inhibiting member on at least the side surface of the seed crystal adjacent to the line-shaped opening, that is, to expose the side surface. . By exposing the side surface of the seed crystal adjacent to the line-shaped opening, lateral growth from the side surface is promoted, and a crystal (frame-shaped crystal) grown laterally from the side surface is formed on the main surface. The plate crystal grown from the line-shaped opening can be united. The ratio of the length of the side surface of the seed crystal adjacent to the opening to the minimum width W 2 of the line-shaped opening is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, and preferably 400 or more. Further preferred. By setting it to the lower limit value or more, lateral growth from the side surface tends to be further promoted. In addition, the length of the side surface of the seed crystal adjacent to the opening means the maximum length in the direction parallel to the main surface among the lengths of the side surface. Further, the plane orientation of the side surface of the seed crystal adjacent to the opening is not particularly limited, but nonpolar planes such as M plane and A plane; semipolar planes such as (10-1-1) plane and (10-11) plane A surface etc. can be mentioned preferably.

種結晶の主面のうち、その外縁に成長阻害部材を設けても良いが、図4(b)、(c)のように外縁から中心に向かって0.1mmの領域に成長阻害部材を設けない、つまり、外縁から中心に向かって0.1mmの領域を露出部とすることが好ましく、外縁から中心に向かって5mmの領域を露出部とすることがより好ましい。このように外縁近傍を露出部とすることで、ライン状開口部から結晶成長した板状結晶の側端面を、種結晶の側面及び外縁近傍の露出部から成長した結晶(枠状結晶)と結合した状態で結晶成長を進めることができ、板状結晶同士が互いに連結されるように成長させることができる。   A growth inhibiting member may be provided on the outer edge of the main surface of the seed crystal, but a growth inhibiting member is provided in a region of 0.1 mm from the outer edge toward the center as shown in FIGS. 4B and 4C. In other words, it is preferable that an area of 0.1 mm from the outer edge toward the center is an exposed part, and an area of 5 mm from the outer edge toward the center is more preferably an exposed part. Thus, by making the vicinity of the outer edge an exposed part, the side end face of the plate crystal grown from the line-shaped opening is combined with the crystal (frame crystal) grown from the side surface of the seed crystal and the exposed part near the outer edge. In this state, crystal growth can proceed, and plate crystals can be grown so as to be connected to each other.

また、種結晶の主面のうち、成長阻害部材で被覆されている割合については特に限定されないが、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、また、通常99.99%以下である。前記下限値以上とすることで、種結晶から成長した板状結晶への反りや結晶欠陥の伝播を抑制できる傾向がある。   Further, the ratio of the main surface of the seed crystal covered with the growth inhibiting member is not particularly limited, but it is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and usually 99. 99% or less. By setting it to the lower limit value or more, there is a tendency that warpage to the plate crystal grown from the seed crystal and propagation of crystal defects can be suppressed.

[第一成長工程]
本発明の第13族窒化物基板の製造方法に係る第一成長工程は、「複数のライン状開口部から、おもて側の主面に対して垂直な方向に第一の第13族窒化物結晶を成長させ、複数のライン状開口部から成長した第一の第13族窒化物結晶同士が、互いに連結されるように成長させる」工程である。
[First growth process]
The first growth step according to the method for manufacturing a Group 13 nitride substrate of the present invention is as follows: “From the plurality of line-shaped openings, the first Group 13 nitride is formed in a direction perpendicular to the main surface on the front side. This is a step of growing a physical crystal so that first group 13 nitride crystals grown from a plurality of line-shaped openings are connected to each other.

成長させる結晶の形状については特に限定されないが、複数のライン状開口部からおもて側の主面に対して垂直な方向に板状の第13族窒化物結晶(板状結晶)を成長させることが好ましい。具体的には、図5(a)のライン状開口部203からおもて側の主面である−C面に垂直な方向(−c軸方向)へ第一の第13族窒化物結晶を成長させ、図5(b)に示すような板状結晶204とする。なお、本明細書において板状結晶とは、ライン状の開口部から成長した結晶であって、種結晶201の主面に対して垂直な方向の最大高さHと、種結晶の主面に対して平行な方向の最小幅W3とがH>W3の条件を満足する形状の結晶を意味する。 The shape of the crystal to be grown is not particularly limited, but a plate-like group 13 nitride crystal (plate-like crystal) is grown in a direction perpendicular to the main surface on the front side from a plurality of line-shaped openings. It is preferable. Specifically, the first group 13 nitride crystal is formed in a direction (−c axis direction) perpendicular to the −C plane that is the main surface on the front side from the line-shaped opening 203 in FIG. The plate crystal 204 is grown as shown in FIG. In this specification, a plate-like crystal is a crystal grown from a line-shaped opening, and has a maximum height H in a direction perpendicular to the main surface of the seed crystal 201 and a main surface of the seed crystal. The minimum width W 3 in the direction parallel to the crystal means a crystal having a shape satisfying the condition of H> W 3 .

さらに、これら複数の板状結晶を連結するようにしてライン状開口部に交差するような第13族窒化物結晶(枠状結晶)を成長させることが好ましい。枠状結晶は、上記で説明した通り、種結晶の側面から横方向成長して拡大した−C面領域が−c軸方向へ第一の第13族窒化物結晶が成長することよって形成される方法や、図4(b)、(c)のような種結晶を用いることによって、種結晶の外縁近傍の露出部から−c軸方向へ第一の第13族窒化物結晶が成長することよって形成される方法などが挙げられる。これらの方法によって得られる第一の第13族窒化物結晶は図5(c)のような形状を有する。この場合、板状結晶204の側端面は、種結晶の側面および/または種結晶の外縁近傍の露出部から成長した枠状結晶205によって結合される。板状結晶204の側端部を互いに連結するように枠状結晶205を形成することで、それがガイドの役割を果たし、板状結晶の側端面が安定面とならずに、−c面に相当する面積が小さくなることを抑制することができる。また、次工程である除去工程で種結晶を除去した場合にも、枠状結晶205によって複数の板状結晶204が第一成長工程で成長した軸方向を変えることなく一体化している状態を保つことができるため、板状結晶204同士の結晶軸方向を同一の方向に揃えておくことが可能となる。板状結晶204を一体化したまま保持しておくという目的においては、図4(d)に示すような種結晶を用いて、板状結晶の中央部を横断して連結するような枠状結晶を形成してもよい。   Further, it is preferable to grow a group 13 nitride crystal (frame crystal) that intersects the line-shaped opening so as to connect the plurality of plate crystals. As described above, the frame-like crystal is formed by growing the first group 13 nitride crystal in the −c-axis direction in the −C plane region that is expanded by lateral growth from the side surface of the seed crystal. By using the seed crystal as shown in FIGS. 4B and 4C, the first group 13 nitride crystal grows in the −c-axis direction from the exposed portion near the outer edge of the seed crystal. The method of forming is mentioned. The first group 13 nitride crystal obtained by these methods has a shape as shown in FIG. In this case, the side end faces of the plate-like crystal 204 are joined by the frame-like crystal 205 grown from the side surface of the seed crystal and / or the exposed portion near the outer edge of the seed crystal. By forming the frame-like crystal 205 so that the side ends of the plate-like crystal 204 are connected to each other, it serves as a guide, and the side-end face of the plate-like crystal does not become a stable surface, It can suppress that a corresponding area becomes small. Even when the seed crystal is removed in the next removal step, the plurality of plate crystals 204 are kept integrated by the frame crystal 205 without changing the axial direction grown in the first growth step. Therefore, the crystal axes of the plate crystals 204 can be aligned in the same direction. For the purpose of holding the plate-like crystal 204 in an integrated state, a frame-like crystal that is connected across the central portion of the plate-like crystal using a seed crystal as shown in FIG. May be formed.

このような方法を用いて得られた板状結晶は、結晶欠陥や反りやクラックの発生が少なく、加工処理時の割れの発生が抑制された結晶となる傾向がある。成長阻害部材で被覆されていない開口部から板状結晶を結晶成長させることで、成長初期に横方向成長を促すことができ結晶欠陥が低減されるものと考えられる。さらに、板状結晶が得られる程度に厚膜成長を行うことで、成長結晶が種結晶に打ち勝ち、反りの伝播が抑制されるものと考えられる。また、成長方法として気相成長法に比較して過酷な成長条件となる液相成長法を用いる場合には特に、種結晶の主面に形成した成長阻害部材を成長中にその主面上に強固に固定することが困難となり、成長途中で成長層に発生した応力等によって簡単に剥離する場合がある。つまり、成長途中で生じた応力を成長阻害部材の剥離によって緩和することで、成長層に留まる内部応力を低減することができ、その結果、応力に起因して発生するクラックが抑制され、さらには、加工処理等によって荷重がかかった場合でも割れの発生が抑制されていると考えられる。   A plate-like crystal obtained by using such a method tends to be a crystal in which the occurrence of crystal defects, warpage, and cracks is small and the occurrence of cracks during processing is suppressed. It is considered that the crystal growth of the plate-like crystal from the opening not covered with the growth inhibiting member can promote the lateral growth at the initial stage of growth and reduce the crystal defects. Further, it is considered that the growth crystal overcomes the seed crystal and the propagation of warpage is suppressed by performing the thick film growth to the extent that a plate-like crystal is obtained. Also, especially when using the liquid phase growth method, which is a harsh growth condition compared to the vapor phase growth method, the growth inhibiting member formed on the main surface of the seed crystal is grown on the main surface during the growth. It may be difficult to fix firmly and may be easily peeled off due to stress generated in the growth layer during the growth. In other words, by relaxing the stress generated during the growth by peeling the growth inhibiting member, the internal stress remaining in the growth layer can be reduced, and as a result, cracks caused by the stress are suppressed, It is considered that the occurrence of cracking is suppressed even when a load is applied by processing or the like.

成長させる板状結晶の形状については特に限定されないが、ライン状の開口部の幅W2と、板状結晶における、種結晶の主面に対して平行な方向の最小幅W3とが、W3>W2の関係を満たすことが好ましい。前記関係を充足することで、成長初期に横方向成長を促すことができ結晶欠陥が低減される傾向がある。係る観点から、ライン状の開口部の幅W2に対する、板状結晶における、種結晶の主面に対して平行な方向の最小幅W3の比が5以上であることが好ましく、10以上であることがより好ましく、20以上であることがさらに好ましく、また、通常1000以下である。 The shape of the plate crystal to be grown is not particularly limited, but the width W 2 of the line-shaped opening and the minimum width W 3 in the direction parallel to the main surface of the seed crystal in the plate crystal are W preferably satisfies the 3> W 2 relationship. By satisfying the relationship, lateral growth can be promoted at the initial stage of growth, and crystal defects tend to be reduced. From such a viewpoint, the ratio of the minimum width W 3 in the direction parallel to the main surface of the seed crystal in the plate crystal to the width W 2 of the line-shaped opening is preferably 5 or more. More preferably, it is more preferably 20 or more, and usually 1000 or less.

結晶成長方法について、板状の第13族窒化物結晶を成長可能な成長法であれば良く、具体的には、液相エピタキシー法(LPE法)、フラックス法、アモノサーマル法等の公知の液相成長方法が好ましく用いられる。中でも−c軸方向の結晶成長速度を大きくできる傾向があることから、アモノサーマル法を好ましく採用することができる。   As the crystal growth method, any growth method capable of growing a plate-like group 13 nitride crystal may be used. Specifically, known methods such as a liquid phase epitaxy method (LPE method), a flux method, an ammonothermal method, and the like. A liquid phase growth method is preferably used. Among these, the ammonothermal method can be preferably employed because the crystal growth rate in the −c-axis direction tends to be increased.

[除去工程]
本発明の第13族窒化物基板の製造方法に係る除去工程は、「第一成長工程で成長させた第一の第13族窒化物結晶が露出するまで、裏側の主面から種結晶の一部または全部を除去し、露出した第一の第13族窒化物結晶は種結晶の主面と平行な面を複数有するように加工する」工程である。
[Removal process]
The removing step according to the method for manufacturing the group 13 nitride substrate of the present invention is as follows: “From the main surface on the back side until the first group 13 nitride crystal grown in the first growth step is exposed, The first group 13 nitride crystal exposed by removing a part or the whole is processed to have a plurality of planes parallel to the main surface of the seed crystal ”.

裏側の主面から種結晶を除去する方法としては、特に限定されないが、ワイヤーソーなど公知の手法による切断や、砥石などを用いた公知の方法による研削などを用いて、種結晶を除去すればよい。露出した第一の第13族窒化物結晶は種結晶の主面と平行な面を複数有するように加工するために、切断および/または研削は、種結晶の主面の平行に実施することが好ましい。   The method for removing the seed crystal from the main surface on the back side is not particularly limited, but if the seed crystal is removed by cutting by a known method such as a wire saw or grinding by a known method using a grindstone or the like. Good. In order to process the exposed first group 13 nitride crystal to have a plurality of planes parallel to the main surface of the seed crystal, the cutting and / or grinding may be performed in parallel to the main surface of the seed crystal. preferable.

図6(a)は、第一成長工程にて得られた図5(c)の形状の結晶について、+c軸側に存在する種結晶を完全に除去して得られた結晶の+C面側の上面図である。また、図6(b)はA−A'で切断した切断斜視図である。ここで、除去工程後に得られた結晶を「第13族窒化物結晶枠」と称する。図6の第13族窒化物結晶枠は、種結晶が完全に除去されて第一成長工程で成長された第一の第13族窒化物結晶の+C面が露出しており、板状結晶の+C面は一定の間隔を持って複数並んでいる。   FIG. 6A shows the crystal of the shape shown in FIG. 5C obtained in the first growth step on the + C plane side of the crystal obtained by completely removing the seed crystal existing on the + c axis side. It is a top view. FIG. 6B is a cut perspective view cut along AA ′. Here, the crystal obtained after the removing step is referred to as “Group 13 nitride crystal frame”. In the group 13 nitride crystal frame of FIG. 6, the seed crystal is completely removed, and the + C plane of the first group 13 nitride crystal grown in the first growth step is exposed, and the plate-like crystal is A plurality of + C planes are arranged at regular intervals.

次工程の第二成長工程では、除去工程で露出させた板状結晶(+C面)から第二の第13族窒化物結晶を成長させるため、少なくとも板状結晶の一部が露出するまで種結晶除去することが必要である。種結晶の除去は一部でも全部でもよいが、種結晶の主面に平行な加工を実施しやすいことやその後の第二成長工程で平坦な面が得やすいことなどから、種結晶の全部を除去することが好ましい。また、種結晶のおもて側の主面に設けた成長阻害部材も一緒に除去することが好ましい。よって、第13族窒化物結晶枠は図6のように、板状結晶の間に貫通する空洞が存在することが好ましい。なお、種結晶の裏側の主面にも第一の第13族窒化物結晶が成長している場合には、種結晶と共に、これも除去する。   In the second growth step of the next step, since the second group 13 nitride crystal is grown from the plate crystal (+ C plane) exposed in the removal step, the seed crystal is used until at least a part of the plate crystal is exposed. It is necessary to remove. The seed crystal can be removed in part or in whole, but it is easy to perform processing parallel to the main surface of the seed crystal and a flat surface can be easily obtained in the subsequent second growth step. It is preferable to remove. It is also preferable to remove the growth inhibiting member provided on the main surface on the front side of the seed crystal. Therefore, the group 13 nitride crystal frame preferably has a cavity penetrating between the plate crystals as shown in FIG. When the first group 13 nitride crystal is grown on the main surface on the back side of the seed crystal, it is removed together with the seed crystal.

[第二成長工程]
本発明の第13族窒化物基板の製造方法に係る第二成長工程は、「除去工程で露出させた第一の第13族窒化物結晶から、少なくとも該裏側の主面に平行な方向に第二の第13族窒化物を成長させ、第一の第13族窒化物結晶から成長した複数の第二の第13族窒化物結晶同士が接合するまで成長させる」工程である。
[Second growth process]
The second growth step according to the method for manufacturing a group 13 nitride substrate of the present invention includes: “from the first group 13 nitride crystal exposed in the removing step, at least in a direction parallel to the main surface on the back side. The second group 13 nitride is grown and grown until a plurality of second group 13 nitride crystals grown from the first group 13 nitride crystal are joined together.

成長させる結晶の形状については、種結晶の裏側の主面に平行な方向に成長していれば特に限定されないが、横方向成長により形成される平板状の結晶であることが好ましい。図3(d−1)に示すように、第13族窒化物結晶枠のうち、複数の板状結晶から横方向に結晶成長が開始し、複数の第二の第13族窒化物結晶が形成される。少なくともこれら2つ以上の第二の第13族窒化物結晶同士が接合するまで結晶成長させることが必要である。好ましくは、図3(d−2)のように、多数の第二の第13族窒化物結晶が接合して第13族窒化物結晶枠を覆う連続した一枚の平板状となって、成長表面が連続した平坦な面になるまで成長させることである。このような成長行えば、次工程の基板作製工程において、大きな主面を有する基板を得ることが可能となる。   The shape of the crystal to be grown is not particularly limited as long as it grows in a direction parallel to the main surface on the back side of the seed crystal, but is preferably a plate-like crystal formed by lateral growth. As shown in FIG. 3 (d-1), in the group 13 nitride crystal frame, crystal growth starts in the lateral direction from a plurality of plate crystals, and a plurality of second group 13 nitride crystals are formed. Is done. It is necessary to grow the crystal until at least these two or more second group 13 nitride crystals are bonded to each other. Preferably, as shown in FIG. 3D-2, a large number of second group 13 nitride crystals are joined to form a continuous flat plate covering the group 13 nitride crystal frame. Growing until the surface is a continuous flat surface. By performing such growth, it is possible to obtain a substrate having a large main surface in the next substrate manufacturing process.

第二成長工程において、種結晶の主面と垂直方向の成長を行う第一成長工程と異なり、種結晶の主面と平行方向に成長を行うことができるのは、極性の異なる面の成長を利用しているためである。本発明で用いる種結晶は極性面を主面とするため、そこから第一成長工程を経て得られた第13族窒化物結晶枠も、種結晶と同様の極性を有することとなる。成長面が極性面である場合には、その極性から表裏に成長速度に大幅に差が出るのが通常である。これを利用して、結晶成長速度の速い面をおもて側の主面として活用し、種結晶に垂直方向の成長速度が速いことを利用して板状結晶の成長を進めると共に、成長速度の遅い面を裏側の主面として活用することによって、種結晶に平行方向の成長速度が優位になることを利用して横方向成長を進めることができる。よって、図6(b)の第13族窒化物結晶枠を用いて第二成長工程を行う場合には、成長速度の遅い+c軸側で、横方向成長(すなわちa軸およびm軸方向の成長)を促し、第二の第13族窒化物結晶同士を接合させて、成長表面が連続した平坦な面を形成することができる。なお、極性面のうち、成長速度の速い面と遅い面とは、選択する第13族窒化物の種類や、第13族窒化物結晶の成長方法などによって異なるため、これらの特徴に合わせて適宜選択すればよい。   In the second growth step, unlike the first growth step in which the growth is performed in a direction perpendicular to the main surface of the seed crystal, the growth can be performed in a direction parallel to the main surface of the seed crystal. This is because it is used. Since the seed crystal used in the present invention has a polar surface as a main surface, the Group 13 nitride crystal frame obtained from the first crystal through the first growth step also has the same polarity as the seed crystal. When the growth surface is a polar surface, the growth rate is usually greatly different from the polarity to the front and back. Utilizing this, the surface with a high crystal growth rate is used as the main surface on the front side, and the growth rate of the plate crystal is advanced by utilizing the fact that the growth rate in the direction perpendicular to the seed crystal is high. By utilizing the slow surface as the main surface on the back side, lateral growth can be promoted by taking advantage of the growth rate in the direction parallel to the seed crystal. Therefore, when the second growth process is performed using the group 13 nitride crystal frame of FIG. 6B, lateral growth (ie, growth in the a-axis and m-axis directions) is performed on the + c-axis side where the growth rate is slow. ) To join the second group 13 nitride crystals together to form a flat surface with a continuous growth surface. Of the polar surfaces, the fast growth surface and the slow growth surface vary depending on the type of group 13 nitride to be selected, the growth method of the group 13 nitride crystal, and the like. Just choose.

結晶成長方法について、第13族窒化物結晶の横方向成長が可能な成長法であれば良く、具体的には、液相エピタキシー法(LPE法)、フラックス法、アモノサーマル法等の公知の液相成長方法が好ましく用いられる。中でも+c軸方向の横方向成長を促進できる傾向があることから、アモノサーマル法を好ましく採用することができる。   As the crystal growth method, any growth method capable of lateral growth of a group 13 nitride crystal may be used. Specifically, known methods such as a liquid phase epitaxy method (LPE method), a flux method, an ammonothermal method, and the like. A liquid phase growth method is preferably used. Of these, the ammonothermal method can be preferably employed because it tends to promote lateral growth in the + c-axis direction.

[基板製造工程]
本発明の第13族窒化物基板の製造方法に係る基板製造工程は、「該第二成長工程で成長させた第二の第13族金属窒化物結晶を切断および/または研削して、板状の第13族金属窒化物基板を得る」工程である。
第二の第13族金属窒化物結晶を切断および/または研削する方法については、特に限定されず、ワイヤーソーなど公知の手法による切断や、砥石などを用いた公知の方法による研削などを用いて板状の結晶を製造すればよい。少なくとも、第二の第13族金属窒化物結晶から第二成長工程で用いた第13族窒化物結晶枠を分離して、板状とすることが必要である。本工程においては、切断および/または研削の加工以外に、通常、半導体基板を作製する際に実施する研磨やエッチング、洗浄などの工程を含んでいてもよい。表面研磨工程としては、例えばダイヤモンド砥粒等の砥粒を用いて表面を研磨する操作、CMP(chemicalmechanical polishing)、機械研磨後RIEでダメージ層エッチングする操作が挙げられる。
[Substrate manufacturing process]
The substrate manufacturing process according to the method for manufacturing a group 13 nitride substrate of the present invention includes: “cutting and / or grinding the second group 13 metal nitride crystal grown in the second growth process, To obtain a Group 13 metal nitride substrate.
The method for cutting and / or grinding the second group 13 metal nitride crystal is not particularly limited, and it is possible to use a known method such as a wire saw or a known method using a grindstone. A plate-like crystal may be manufactured. At least the group 13 nitride crystal frame used in the second growth step needs to be separated from the second group 13 metal nitride crystal into a plate shape. In this step, in addition to cutting and / or grinding, steps such as polishing, etching, and cleaning that are usually performed when a semiconductor substrate is manufactured may be included. Examples of the surface polishing step include an operation for polishing the surface using abrasive grains such as diamond abrasive grains, a CMP (chemical mechanical polishing), and an operation for etching the damaged layer by RIE after mechanical polishing.

板状の第13族金属窒化物基板の厚みとしては、100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましい。また、板状の第13族金属窒化物基板の主面の最大径は10mm以上であることが好ましく、15mm以上であることがより好ましく、20mm以上であることがさらに好ましく、通常、150mm以下である。板状の第13族金属窒化物基板の主面の面積はそれぞれ1cm2以上であることが好ましく、2cm2以上であることがより好ましく、4cm2以上であることがさらに好ましい。 The thickness of the plate-like group 13 metal nitride substrate is preferably 100 μm or more, and more preferably 200 μm or more. Further, the maximum diameter of the main surface of the plate-like group 13 metal nitride substrate is preferably 10 mm or more, more preferably 15 mm or more, further preferably 20 mm or more, and usually 150 mm or less. is there. Preferably the area of the main surface of the plate-like Group 13 metal nitride substrates are each 1 cm 2 or more, more preferably 2 cm 2 or more, more preferably 4 cm 2 or more.

板状の第13族金属窒化物基板の主面の形状としては、四角形、六角形、十二角形、円形、楕円形などが挙げられるが、円形または四角形あるいは六角形であることが好ましい。なお、いずれの形状であっても、適当な箇所にオリエンテーションフラットを作製することができる。   Examples of the shape of the main surface of the plate-like group 13 metal nitride substrate include a quadrangle, a hexagon, a dodecagon, a circle, and an ellipse, but a circle, a rectangle, or a hexagon is preferable. In addition, even if it is any shape, an orientation flat can be produced in an appropriate location.

[アモノサーマル法による結晶成長]
以下、本発明の製造方法第一成長工程および第二成長工程で第13族窒化物結晶を成長させる際に好ましく用いられるアモノサーマル法において、GaN結晶を作製する場合の結晶成長装置の構成及び成長条件の具体例を挙げて説明するが、以下の態様に限定されるものではない。なお、第二成長工程では、以下で説明する種結晶として、除去工程で得られた第13族窒化物結晶枠を用いればよい。
[Crystal growth by ammonothermal method]
Hereinafter, in the ammonothermal method preferably used for growing a group 13 nitride crystal in the first growth step and the second growth step of the production method of the present invention, the structure of a crystal growth apparatus for producing a GaN crystal and Although a specific example of the growth condition will be described, the present invention is not limited to the following mode. In the second growth step, the group 13 nitride crystal frame obtained in the removal step may be used as a seed crystal described below.

(アモノサーマル法による結晶成長)
アモノサーマル法とは、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にある窒素含有溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。以下に本発明における結晶成長方法に用いることのできる、鉱化剤、溶媒、原料について具体的に説明する。
(Crystal growth by ammonothermal method)
The ammonothermal method is a method for producing a desired material by utilizing a raw material dissolution-precipitation reaction using a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state. The mineralizer, solvent, and raw material that can be used in the crystal growth method of the present invention are specifically described below.

(鉱化剤)
本発明において、アモノサーマル法によって第13族窒化物結晶を結晶成長させるに際して、鉱化剤を用いることが好ましい。アンモニアなどの窒素を含有する溶媒に対する結晶原料の溶解度が高くないために、溶解度を向上させるためにハロゲンやアルカリ金属系の鉱化剤が用いられるが、その種類は特に限定されない。
(Mineralizer)
In the present invention, it is preferable to use a mineralizer when the group 13 nitride crystal is grown by the ammonothermal method. Since the solubility of the crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia is not high, a halogen or alkali metal mineralizer is used to improve the solubility, but the type is not particularly limited.

ハロゲン元素を含む鉱化剤の例としては、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、アンモニウムヘキサハロシリケート、及びヒドロカルビルアンモニウムフルオリドや、ハロゲン化テトラメチルアンモニウム、ハロゲン化テトラエチルアンモニウム、ハロゲン化ベンジルトリメチルアンモニウム、ハロゲン化ジプロピルアンモニウム、及びハロゲン化イソプロピルアンモニウムなどのアルキルアンモニウム塩、フッ化アルキルナトリウムのようなハロゲン化アルキル金属、ハロゲン化アルカリ土類金属、ハロゲン化金属等が例示される。このうち、好ましくはハロゲン化アルカリ、アルカリ土類金属のハロゲン化物、金属のハロゲン化物、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素であり、さらに好ましくはハロゲン化アルカリ、ハロゲン化アンモニウム、第13族金属のハロゲン化物、ハロゲン化水素であり、特に好ましくはハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化水素である。   Examples of mineralizers containing halogen elements include ammonium halide, hydrogen halide, ammonium hexahalosilicate, and hydrocarbyl ammonium fluoride, tetramethyl ammonium halide, tetraethyl ammonium halide, benzyl trimethyl ammonium halide, halogen Examples thereof include alkylammonium salts such as dipropylammonium halide and isopropylammonium halide, alkyl metal halides such as sodium alkyl fluoride, alkaline earth metal halides and metal halides. Of these, preferred are alkali halides, alkaline earth metal halides, metal halides, ammonium halides and hydrogen halides, and more preferred are alkali halides, ammonium halides and group 13 metal halides. And hydrogen halide, particularly preferably ammonium halide, gallium halide, and hydrogen halide.

また、ハロゲン元素を含む鉱化剤とともに、ハロゲン元素を含まない鉱化剤を用いることも可能であり、例えばNaNH2やKNH2やLiNH2などのアルカリ金属アミドと組み合わせて用いることもできる。ハロゲン化アンモニウムなどのハロゲン元素含有鉱化剤とアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤とを組み合わせて用いる場合は、ハロゲン元素含有鉱化剤の使用量を多くすることが好ましい。具体的には、ハロゲン元素含有鉱化剤100質量部に対して、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤を50〜0.01質量部とすることが好ましく、20〜0.1質量部とすることがより好ましく、5〜0.2質量部とすることがさらに好ましい。アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤を添加することによって、c軸方向の結晶成長速度に対するm軸の結晶成長速度の比(m軸/c軸)を一段と大きくすることも可能である。 In addition to a mineralizer containing a halogen element, a mineralizer that does not contain a halogen element can be used. For example, it can be used in combination with an alkali metal amide such as NaNH 2 , KNH 2, or LiNH 2 . When a halogen element-containing mineralizer such as ammonium halide and a mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element are used in combination, it is preferable to increase the amount of the halogen element-containing mineralizer. Specifically, the mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element is preferably 50 to 0.01 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the halogen element-containing mineralizer. It is more preferable to set it as 1 mass part, and it is further more preferable to set it as 5-0.2 mass part. By adding a mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element, the ratio of the m-axis crystal growth rate to the crystal growth rate in the c-axis direction (m-axis / c-axis) can be further increased. It is.

また、成長させる第13族窒化物結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用することが好ましい。鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。
鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、1.0wtppm以下であることがさらに好ましい。
なお、結晶成長を行う際には、反応容器にハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化リン、ハロゲン化シリコン、ハロゲン化ゲルマニウム、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化ヒ素、ハロゲン化スズ、ハロゲン化アンチモン、ハロゲン化ビスマスなどを存在させておいてもよい。
Further, in order to prevent impurities from being mixed into the Group 13 nitride crystal to be grown, it is preferable to use the mineralizer after purification and drying as necessary. The purity of the mineralizer is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher.
It is desirable that the amount of water and oxygen contained in the mineralizer is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, more preferably 10 wtppm or less, and even more preferably 1.0 wtppm or less. .
When crystal growth is performed, aluminum halide, phosphorus halide, silicon halide, germanium halide, zinc halide, arsenic halide, tin halide, antimony halide, bismuth halide, etc. are added to the reaction vessel. It may be present.

(溶媒)
アモノサーマル法に用いられる溶媒には、窒素を含有する溶媒(窒素含有溶媒)を用いる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる周期表第13族金属窒化物半導体結晶の安定性を損なうことのない溶媒が挙げられる。溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
(solvent)
As the solvent used in the ammonothermal method, a solvent containing nitrogen (nitrogen-containing solvent) is used. Examples of the nitrogen-containing solvent include a solvent that does not impair the stability of the group 13 metal nitride semiconductor crystal to be grown. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.

溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、0.1wtppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。   The amount of water and oxygen contained in the solvent is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, more preferably 10 wtppm or less, and further preferably 0.1 wtppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

(原料)
成長工程においては、種結晶上に成長結晶として成長させようとしている第13族窒化物結晶を構成する元素を含む原料を用いる。例えば、第13族金属の窒化物結晶を成長させようとする場合は、第13族金属を含む原料を用いる。好ましくは第13族窒化物結晶の多結晶原料及び/又は周期表第13族金属であり、より好ましくは窒化ガリウム及び/又は金属ガリウムである。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては周期表第13族元素がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよい。例えば、成長させる第13族金属窒化物結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。
(material)
In the growth step, a raw material containing an element constituting the Group 13 nitride crystal to be grown as a growth crystal on the seed crystal is used. For example, when a nitride crystal of a Group 13 metal is to be grown, a raw material containing a Group 13 metal is used. Preferred are polycrystalline raw materials for Group 13 nitride crystals and / or Group 13 metals of the periodic table, and more preferred are gallium nitride and / or metallic gallium. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component whose group 13 element in the periodic table is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the Group 13 metal nitride crystal to be grown is gallium nitride, a mixture of gallium nitride and metal gallium can be used.

多結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属又はその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物などの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶を用いることもできる。   The method for producing the polycrystalline raw material is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, and an imide compound can be used. Furthermore, a nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.

(製造装置)
本発明の第13族窒化物結晶の製造に用いることのできる結晶製造装置の具体例を図1および図2に示す。本発明で用いる結晶製造装置は反応容器を含む。
図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。図1に示される結晶製造装置では、オートクレーブ(耐圧性容器)1の内部がライニングされており、ライニング3内側を反応容器として結晶成長が行われる。オートクレーブ1中は原料を溶解るための原料溶解領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6とから構成されている。その他の部材の設置は、後述する図2の結晶製造装置と同様にすることができる。
(manufacturing device)
A specific example of a crystal manufacturing apparatus that can be used for manufacturing the Group 13 nitride crystal of the present invention is shown in FIGS. The crystal production apparatus used in the present invention includes a reaction vessel.
FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the inside of an autoclave (pressure-resistant container) 1 is lined, and crystal growth is performed using the inside of the lining 3 as a reaction container. The autoclave 1 is composed of a raw material dissolution region 9 for melting the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. The other members can be installed in the same manner as the crystal manufacturing apparatus in FIG.

図2は、本発明で用いることができる別の結晶製造装置の模式図である。図2に示される結晶製造装置において、結晶成長は、オートクレーブ1(耐圧性容器)中に反応容器として装填されるカプセル(内筒)20中で行われる。カプセル20は、原料を溶解するための原料充填領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6から構成されている。原料充填領域9には原料8とともに溶媒や鉱化剤を入れることができる。結晶成長領域6には種結晶7をワイヤー4で吊すなどして設置することができる。原料充填領域9と結晶成長領域6の間には、2つの領域を区画バッフル板5が設置されている。   FIG. 2 is a schematic view of another crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 2, crystal growth is performed in a capsule (inner cylinder) 20 loaded as a reaction vessel in the autoclave 1 (pressure-resistant vessel). The capsule 20 includes a raw material filling region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. In the raw material filling area 9, a solvent and a mineralizer can be put together with the raw material 8. A seed crystal 7 can be installed in the crystal growth region 6 by suspending it with a wire 4. Between the raw material filling region 9 and the crystal growth region 6, a partition baffle plate 5 is installed in two regions.

(結晶成長)
本発明の第13族窒化物結晶の製造方法に係る結晶成長方法の一例について説明する。本発明の第13族窒化物結晶の製造方法に係る結晶成長を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止する。ここで、種結晶としては、その主面の少なくとも一部を成長阻害部材で被覆したものを用いる。なお、一度、板状の結晶を成長したあと、再度育成をする際には、成長阻害部材は種結晶の主面上に残っていても、剥がれていてもよい。
(Crystal growth)
An example of the crystal growth method according to the method for producing a Group 13 nitride crystal of the present invention will be described. When carrying out crystal growth according to the method for producing a Group 13 nitride crystal of the present invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. To do. Here, as the seed crystal, a crystal whose at least a part of its main surface is coated with a growth inhibiting member is used. When the plate-like crystal is once grown and then grown again, the growth inhibiting member may remain on the main surface of the seed crystal or may be peeled off.

原料等の材料を導入する前又は導入した後に反応容器内を脱気しても良い。また、原料等の材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させても良い。通常は、反応容器内への種結晶の設置は、原料及び鉱化剤を充填する際に同時又は充填後に行う。種結晶の設置後には、必要に応じて加熱脱気をしても良い。脱気時の真空度は1×10-2Pa以下が好ましく、5×10-3Pa以下がさらに好ましく、1×10-3Pa以下が特に好ましい。 The inside of the reaction vessel may be degassed before or after introducing a material such as a raw material. Moreover, you may distribute | circulate inert gas, such as nitrogen gas, at the time of introduction | transduction of materials, such as a raw material. Usually, the seed crystal is placed in the reaction vessel at the same time or after filling the raw material and the mineralizer. After installation of the seed crystal, heat deaeration may be performed as necessary. The degree of vacuum at the time of deaeration is preferably 1 × 10 −2 Pa or less, more preferably 5 × 10 −3 Pa or less, and particularly preferably 1 × 10 −3 Pa or less.

図2に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶7、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20をオートクレーブ(耐圧性容器)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧性容器を密閉する。
その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態及び/又は亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、物質の粘度が低くなり、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填領域では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長領域では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。
When the production apparatus shown in FIG. 2 is used, the capsule 20 is sealed in the capsule 20 which is a reaction vessel by putting the seed crystal 7, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer, and then sealing the capsule 20 with an autoclave (pressure resistance). Container) 1, and preferably, the space between the pressure-resistant container and the reaction container is filled with the second solvent to seal the pressure-resistant container.
Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state and / or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity of the substance is generally lower and it diffuses more easily than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling region, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth region, the temperature is changed so that it becomes a subcritical state, and crystal growth using the difference in solubility between the supercritical state material and the subcritical state material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持される。溶媒としてアンモニアを用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)及びP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。   In the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When ammonia is used as a solvent, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa, but if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. . In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.

超臨界条件では、第13族窒化物結晶の十分な成長速度が得られるが、本発明においては、第13族窒化物結晶の成長速度は一定速度以上であることが好ましい。種結晶の主面に垂直な方向の成長速度は50μm/day以上が好ましく、100μm/day以上がより好ましく、200μm/day以上がさらに好ましい。
反応時間は、特に鉱化剤の反応性及び熱力学的パラメーター、すなわち温度及び圧力の数値に依存する。このため、これらの条件をコントロールすることにより、第13族窒化物結晶の成長速度を速くすることが好ましい。第13族窒化物結晶の成長速度を一定速度以上とすることにより、より大面積の主面を有する板状結晶が得られる傾向がある。
Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of the group 13 nitride crystal can be obtained. In the present invention, the growth rate of the group 13 nitride crystal is preferably equal to or higher than a certain rate. The growth rate in the direction perpendicular to the main surface of the seed crystal is preferably 50 μm / day or more, more preferably 100 μm / day or more, and further preferably 200 μm / day or more.
The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. For this reason, it is preferable to increase the growth rate of the Group 13 nitride crystal by controlling these conditions. By setting the growth rate of the group 13 nitride crystal to a certain rate or more, a plate crystal having a larger principal surface tends to be obtained.

第13族窒化物結晶の成長中、反応容器内の圧力は結晶性および生産性の観点から、30MPa以上にすることが好ましく、60MPa以上にすることがより好ましく、100MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は安全性の観点から、700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度及び反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、及び自由容積の存在によって多少異なる。   During the growth of the Group 13 nitride crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 30 MPa or more, more preferably 60 MPa or more, and further preferably 100 MPa or more from the viewpoint of crystallinity and productivity. . The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less from the viewpoint of safety. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate, but in practice, the raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of

反応容器内の温度範囲は、結晶性および生産性の観点から、下限値が320℃以上であることが好ましく、370℃以上であることがより好ましく、450℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、安全性の観点から、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。本発明の第13族窒化物結晶の製造では、反応容器内における原料充填領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差(|ΔT|)は、結晶性および生産性の観点から、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、100℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、80℃以下が特に好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。   From the viewpoint of crystallinity and productivity, the lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 320 ° C or higher, more preferably 370 ° C or higher, and further preferably 450 ° C or higher. From the viewpoint of safety, the upper limit value is preferably 700 ° C. or less, more preferably 650 ° C. or less, and further preferably 630 ° C. or less. In the production of the Group 13 nitride crystal of the present invention, the temperature of the raw material filling region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference (| ΔT |) is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or lower, and 90 ° C. or lower from the viewpoints of crystallinity and productivity. More preferably, 80 ° C. or lower is particularly preferable. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.

反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器の自由容積、すなわち、反応容器に結晶原料、及び種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。反応容器として図2のようなカプセル20を用いる場合には、溶媒の超臨界状態においてカプセル20内外で圧力がバランスするように、溶媒量を適宜調整することが好ましい。   In order to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate, is the free volume of the reaction vessel, that is, when crystal raw materials and seed crystals are used in the reaction vessel. Subtract the volume of the seed crystal and the structure on which the seed crystal is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel to remain. Based on the liquid density at the boiling point of the solvent of volume, it is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, more preferably 40 to 70%. When the capsule 20 as shown in FIG. 2 is used as the reaction vessel, it is preferable to appropriately adjust the amount of the solvent so that the pressure is balanced inside and outside the capsule 20 in the supercritical state of the solvent.

反応容器内での第13族窒化物結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内のアンモニア等の溶媒を亜臨界状態又は超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。   The growth of the Group 13 nitride crystal in the reaction vessel is carried out by heating and raising the temperature of the reaction vessel using an electric furnace having a thermocouple, so that the solvent such as ammonia in the reaction vessel is subcritical or supercritical. This is done by maintaining the state. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.

なお、上述したの「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、及び/又は外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。通常は、原料充填領域の温度と結晶成長領域の温度の平均値を平均温度とする。   The above-mentioned “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface, and It can be estimated in terms of internal temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature. Usually, an average value of the temperature of the raw material filling region and the temperature of the crystal growth region is defined as the average temperature.

所定の温度に達した後の反応時間については、第13族窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。
反応中、反応温度は一定にしても良いし、徐々に昇温又は降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、反応温度を降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。
The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of Group 13 nitride crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but usually several hours to several hundreds. Can be a day.
During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for forming the desired crystal, the reaction temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けても良い。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した周期表第13族金属窒化物半導体結晶及び未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。   After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by pipe connection to a valve connection port of the valve attached to the reaction vessel, passing through a vessel filled with water or the like. Further, if necessary, the ammonia solvent in the reaction vessel is sufficiently removed by making a vacuum or the like, and then dried, and the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal formed by opening the lid of the reaction vessel and the like Additives such as unreacted raw materials and mineralizers can be taken out.

なお、上述の結晶成長を実施した後に、再度反応容器内に窒素を含有する溶媒、原料及び鉱化剤を入れて封止して、種結晶の主面に対して垂直な方向に複数回繰り返し結晶成長させても良い。この場合、種結晶と板状結晶とが一体となった結晶体を、種結晶として用いても良い。   In addition, after carrying out the above-mentioned crystal growth, the solvent containing the nitrogen, the raw material, and the mineralizer are again put in the reaction vessel, sealed, and repeated several times in the direction perpendicular to the main surface of the seed crystal. Crystals may be grown. In this case, a crystal body in which the seed crystal and the plate crystal are integrated may be used as the seed crystal.

<第13族金属窒化物基板>
前述した本発明の製造方法によって、大口径で高品質の第13族窒化物基板を得ることができる。第13族窒化物基板の主面の結晶面は特に限定されないが、大口径の主面を確保できる点から、C面であることが好ましい。
また、本発明の製造方法によって製造される第13族窒化物基板の物性については特に限定されないが、好ましい物性を以下に説明する。
<Group 13 metal nitride substrate>
By the manufacturing method of the present invention described above, a large-diameter and high-quality group 13 nitride substrate can be obtained. The crystal plane of the main surface of the group 13 nitride substrate is not particularly limited, but is preferably a C-plane from the viewpoint that a large-diameter main surface can be secured.
Moreover, although the physical property of the group 13 nitride substrate manufactured by the manufacturing method of the present invention is not particularly limited, preferable physical properties will be described below.

(キャリア濃度)
第13族窒化物基板のキャリア濃度は、GaN結晶の場合、通常1.0×1017cm-3以上、好ましくは2.0×1017cm-3以上であり、通常1×1019cm-3以下、好ましくは8.0×1018cm-3以下である。
(Carrier concentration)
In the case of a GaN crystal, the carrier concentration of the group 13 nitride substrate is usually 1.0 × 10 17 cm −3 or more, preferably 2.0 × 10 17 cm −3 or more, and usually 1 × 10 19 cm −. 3 or less, preferably 8.0 × 10 18 cm −3 or less.

(X線回折ピークのロッキングカーブ(XRC)の半値幅)
第13族窒化物基板のX線回折の(002)回折ピークおよび(102)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は、通常50arcsec以下、好ましくは40arcsec以下、より好ましくは30arcsec以下、さらに好ましくは25arcsec以下、最も好ましくは20arcsec以下である。
(Half width of X-ray diffraction peak rocking curve (XRC))
The full width at half maximum of the rocking curve of the (002) diffraction peak and (102) diffraction peak of the X-ray diffraction of the group 13 nitride substrate is usually 50 arcsec or less, preferably 40 arcsec or less, more preferably 30 arcsec or less, and even more preferably 25 arcsec or less. Most preferably, it is 20 arcsec or less.

また、XRCを第13族窒化物基板の主面内の複数点で測定した場合に、XRC半値幅のばらつきが小さいことが好ましい。たとえば、等間隔で30点以上測定を行った場合、XRC半値幅の平均値が30arcsec以下であることが好ましく、28arcsec以下であることがより好ましく、標準偏差が15以下であることが好ましく、10以下であることがより好ましい。さらに、等間隔で30点以上測定を行った場合、全測定点数におけるXRC半値幅が50arcsec以上の点数の割合が20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。   Further, when XRC is measured at a plurality of points in the main surface of the group 13 nitride substrate, it is preferable that variations in the XRC half width are small. For example, when 30 or more points are measured at equal intervals, the average value of the XRC half-width is preferably 30 arcsec or less, more preferably 28 arcsec or less, and the standard deviation is preferably 15 or less. The following is more preferable. Further, when 30 points or more are measured at equal intervals, the ratio of the points having an XRC half width of 50 arcsec or more in all measurement points is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and more preferably 5%. More preferably, it is as follows.

(曲率半径)
第13族窒化物基板の曲率半径は、通常5m以上、好ましくは10m以上、より好ましくは20m以上であり、さらに好ましくは50m以上である。
(curvature radius)
The curvature radius of the group 13 nitride substrate is usually 5 m or more, preferably 10 m or more, more preferably 20 m or more, and further preferably 50 m or more.

<デバイス>
本発明の製造方法により得られた第13族窒化物基板は、デバイス、即ち発光素子や電子デバイス、パワーデバイスなどの用途に好適に用いられる。本発明の第13族窒化物結晶や基板が用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。また、本発明の第13族窒化物基板が用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター(HEMT、HBT)があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター(SCR、GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、ショットキーバリアダイオード(SBD)がある。
<Device>
The group 13 nitride substrate obtained by the production method of the present invention is suitably used for devices such as light emitting elements, electronic devices, and power devices. Examples of the light-emitting element in which the Group 13 nitride crystal or the substrate of the present invention is used include a light-emitting diode, a laser diode, and a light-emitting element obtained by combining these with a phosphor. Moreover, examples of the electronic device in which the group 13 nitride substrate of the present invention is used include a high frequency element, a high withstand voltage high output element, and the like. Examples of high-frequency elements include transistors (HEMT, HBT), and examples of high-voltage high-power elements include thyristors (SCR, GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and Schottky barrier diodes (SBD). .

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

<実施例1>
本実施例では、図2に示すような反応装置を用いて窒化物結晶を成長させた。
(1)ニッケル基合金製のオートクレーブ1を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として用いて結晶成長を行なった。
原料8として多結晶GaN粒子をカプセル下部領域(原料溶解領域9)内に設置し鉱化剤として高純度のNH4Fをカプセル内に投入した。さらに下部の原料溶解領域9と上部の結晶成長領域6の間に白金製のバッフル板5を設置した。種結晶7として、HVPE法で得られたC面基板を、白金製のワイヤーとシード支持枠を用いて吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。種結晶7のおもて側の主面(−C面)は46mm□であり、長手方向がa軸方向に平行(M面に平行)である50μm幅(W1)の細長いライン状開口部が4mmの間隔(ピッチ)で配置されるように、4mm幅のPtマスクで被覆して、図4(a)のようにおもて側の主面全体にストライプパターンを形成し、ライン状開口部203から、おもて側の主面(−C面)のCMP仕上げされた領域を一部露出させた。次いで、以下に示す手順で、図5(b)のようにライン状開口部から−c軸方向へ板状の結晶をM面が広がるように成長させた。
<Example 1>
In this example, a nitride crystal was grown using a reactor as shown in FIG.
(1) Crystal growth was performed using the nickel-based alloy autoclave 1 as a pressure resistant container and the Pt—Ir capsule 20 as a reaction container.
Polycrystalline GaN particles were placed as the raw material 8 in the capsule lower region (raw material dissolution region 9), and high-purity NH 4 F was charged into the capsule as a mineralizer. Further, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material melting region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, a C-plane substrate obtained by the HVPE method was suspended using a platinum wire and a seed support frame, and placed in the crystal growth region 6 above the capsule. The main surface (−C surface) on the front side of the seed crystal 7 is 46 mm □, and the elongated linear opening of 50 μm width (W 1 ) whose longitudinal direction is parallel to the a-axis direction (parallel to the M-plane). Is covered with a Pt mask having a width of 4 mm, and a stripe pattern is formed on the entire main surface on the front side as shown in FIG. From the portion 203, the CMP-finished region of the main surface (−C surface) on the front side was partially exposed. Next, in the procedure shown below, a plate-like crystal was grown from the line-shaped opening to the −c axis direction so that the M-plane spread as shown in FIG.

(2)カプセル20の上部にPt製のキャップを溶接により接続したのち、カプセル下部を液体窒素で冷却し、バルブを開け外気に触れることなくHIを充填した。次いで、カプセルをNH3ガスラインに接続し、外気に触れることなくNH3を充填した後、再びバルブを閉じた。その後、キャップ上部のチューブを封じ切った。なお、カプセル中に導入されたF濃度はNH3に対して1.0mol%、I濃度は1.5mol%であった。 (2) After a Pt cap was connected to the upper part of the capsule 20 by welding, the lower part of the capsule was cooled with liquid nitrogen, and the valve was opened and filled with HI without touching the outside air. Next, the capsule was connected to the NH 3 gas line, and after filling with NH 3 without touching the outside air, the valve was closed again. Thereafter, the tube at the top of the cap was sealed. The F concentration introduced into the capsule was 1.0 mol% with respect to NH 3 and the I concentration was 1.5 mol%.

(3)カプセルをオートクレーブに挿入し、オートクレーブを密封した。
(4)バルブを開けて真空脱気し、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスメタノール溶媒によって冷却して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填した後、再びバルブ10を閉じた。
(5)オートクレーブ1を複数に分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ内部の平均温度が618℃、内部の温度差(ΔT)が14℃になるようにオートクレーブ外面温度で制御しながら昇温し、設定温度に達した後、その温度にて21日間保持した。オートクレーブ内の圧力は218MPaであった。
(3) The capsule was inserted into the autoclave and the autoclave was sealed.
(4) The valve was opened and vacuum degassed. While maintaining the vacuum state, the autoclave 1 was cooled with dry ice methanol solvent and charged with NH 3 without touching the outside air, and then the valve 10 was closed again. .
(5) The autoclave 1 was stored in an electric furnace composed of a plurality of heaters. The temperature was raised while controlling the autoclave outer surface temperature so that the average temperature inside the autoclave was 618 ° C. and the internal temperature difference (ΔT) was 14 ° C. After reaching the set temperature, the temperature was maintained for 21 days. The pressure in the autoclave was 218 MPa.

(6)オートクレーブ1を冷却しながら、オートクレーブに付属したバルブ10を開放
し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。
(7)オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。種結晶上に窒化ガリウム結晶(第一のGaN結晶)が成長しており、−c軸方向への成長厚み(N寸法とする)は4mmでN方向(−c軸方向)へ成長速度は190μm/dayという高い成長速度で成長していた。
(6) While cooling the autoclave 1, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed.
(7) The autoclave lid was opened and the capsule 20 was taken out. A gallium nitride crystal (first GaN crystal) is grown on the seed crystal, the growth thickness in the −c axis direction (N dimension) is 4 mm, and the growth rate in the N direction (−c axis direction) is 190 μm. The growth rate was as high as / day.

また、結晶成長は−c軸方向だけでなく、種結晶の主面と平行なa軸方向にも成長することにより、−C面領域が拡大していた。拡大した−C面領域上にも−c軸方向への成長が進行し、ライン状開口部から成長した板状結晶部分は、種結晶の両端に存在する横方向成長により拡大した−C面領域上の−c軸方向成長した結晶(枠状結晶)と一体化して、図5(c)のように互いに連結されていた。   Further, the crystal growth is not only in the −c-axis direction but also in the a-axis direction parallel to the main surface of the seed crystal, so that the −C plane region is expanded. The growth in the -c-axis direction also proceeds on the enlarged -C plane region, and the plate-like crystal portion grown from the line-shaped opening is enlarged by the lateral growth existing at both ends of the seed crystal. They were integrated with the crystals grown in the −c-axis direction (frame crystals) and connected to each other as shown in FIG.

(8)裏側の主面(+C面)から研削行って種結晶を完全に除去し、上記(7)で得られた第一のGaN結晶の+C面を露出させたGaN結晶枠を得た。裏側の主面は、上面から見ると図6(a)のようになっており、板状結晶部分および枠状結晶部分のそれぞれは+C面が露出している。   (8) The seed crystal was completely removed by grinding from the main surface (+ C surface) on the back side to obtain a GaN crystal frame in which the + C surface of the first GaN crystal obtained in (7) was exposed. The main surface on the back side is as shown in FIG. 6A when viewed from above, and the + C plane is exposed in each of the plate-like crystal portion and the frame-like crystal portion.

(9)上記(8)で得られたGaN結晶枠を種結晶7として用い、(1)〜(6)と同様の方法でF濃度はNH3に対して0.5mol%、I濃度は1.5mol%、圧力216MPa、平均温度611℃、温度差(ΔT)18℃、保持時間21日として、種結晶7であるGaN結晶枠上に窒化ガリウム(第二のGaN結晶)を成長させた。の成長を行った。GaN結晶枠の−C面側は、板状結晶が−c軸方向に伸びるように第二のGaN結晶が成長しており、+C面側は板状結晶から横方向への成長が進んで第二のGaN結晶同士が接合しており、一体化した+C面を有する平板上の第二のGaN結晶が形成された。 (9) Using the GaN crystal frame obtained in the above (8) as the seed crystal 7, the F concentration is 0.5 mol% with respect to NH 3 and the I concentration is 1 by the same method as (1) to (6). Gallium nitride (second GaN crystal) was grown on the GaN crystal frame serving as the seed crystal 7 at 0.5 mol%, a pressure of 216 MPa, an average temperature of 611 ° C., a temperature difference (ΔT) of 18 ° C., and a holding time of 21 days. Made growth. On the −C plane side of the GaN crystal frame, the second GaN crystal grows so that the plate crystal extends in the −c axis direction, and on the + C plane side, the growth from the plate crystal to the lateral direction proceeds. Two GaN crystals were joined together, and a second GaN crystal on a flat plate having an integrated + C plane was formed.

(10)種結晶7として用いたGaN結晶枠を切断して除去することにより、+C面側に形成された平板状の第二のGaN結晶を分離して、a軸方向の長さ50mm、m軸方向の長さが20mm、厚み300μmのGaN基板が得られる。
得られたGaN基板について、C面の曲率半径を測定したところa軸方向が555m、m軸方向が18mと極めて良好な値を示し、反りのないほぼフラットな結晶が得られたことが確認できた。得られた結果を表1にまとめて示す。
また、X線回折ピークのロッキングカーブ(XRC)測定を行い半値幅を求めたところ、(002)回折ピークでは22.0arcsecであり、(102)回折ピークでは20.3arcsecであった。さらに、X線回折の(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を、得られたGaN基板のC面について、m軸方向に200μmピッチで連続的に測定した結果を図7に示した。横軸が基板内の中心点を0mmとした測定点を表し、縦軸がXRC半値幅を表す。C面のほぼ全面に渡って30arcsec未満であり、面内で均一に結晶性に優れることが確認できた。
(10) The GaN crystal frame used as the seed crystal 7 is cut and removed to separate the plate-like second GaN crystal formed on the + C plane side, and the length in the a-axis direction is 50 mm, m A GaN substrate having an axial length of 20 mm and a thickness of 300 μm is obtained.
When the curvature radius of the C-plane of the obtained GaN substrate was measured, the a-axis direction was 555 m and the m-axis direction was 18 m, indicating that a very flat crystal without warping was obtained. It was. The obtained results are summarized in Table 1.
Moreover, when the rocking curve (XRC) measurement of the X-ray diffraction peak was performed and the half width was obtained, it was 22.0 arcsec for the (002) diffraction peak and 20.3 arcsec for the (102) diffraction peak. Further, FIG. 7 shows the result of measuring the rocking curve of the (002) diffraction peak of the X-ray diffraction continuously on the C-plane of the obtained GaN substrate at a pitch of 200 μm in the m-axis direction. The horizontal axis represents the measurement point where the center point in the substrate is 0 mm, and the vertical axis represents the XRC half-value width. It was less than 30 arcsec over almost the entire C plane, and it was confirmed that the crystallinity was excellent uniformly in the plane.

[X線ロッキングカーブ(XRC)半値幅]
X線ロッキングカーブ(XRC)は、PANalytical社製の高分解能X線回折計で測定した。GaN(002)反射とGaN(102)反射についてロッキングカーブ測定を実施し、結晶のチルト及びツイスト方向の結晶方位分布を評価した。ここで、(002)、(102)はX線の回折面を表す。
[X-ray rocking curve (XRC) half width]
X-ray rocking curve (XRC) was measured with a high resolution X-ray diffractometer manufactured by PANalytical. Rocking curve measurement was performed for GaN (002) reflection and GaN (102) reflection, and crystal orientation distribution in the tilt and twist directions of the crystal was evaluated. Here, (002) and (102) represent X-ray diffraction planes.

[曲率半径]
曲率半径は1軸ステージ(x軸)又は2軸ステージ(x−y)のある高精度クレードルを有したPANalytical社製の高分解能X線回折計を用いて測定した。試料を一軸方向(x方向)に0.5〜5mm間隔で移動し、各ポイントで測定したX線ロッキングカーブから最大強度を与えるω値を算出し、移動距離xに対するω値をプロットし、最小自乗法でグラフの傾きkを算出した。傾きkから次式にて曲率半径R[m]を算出した。
[curvature radius]
The radius of curvature was measured using a high-resolution X-ray diffractometer manufactured by PANalytical having a high-precision cradle having a single-axis stage (x-axis) or a two-axis stage (xy). The sample is moved in the uniaxial direction (x direction) at intervals of 0.5 to 5 mm, the ω value giving the maximum intensity is calculated from the X-ray rocking curve measured at each point, the ω value against the moving distance x is plotted, and the minimum The slope k of the graph was calculated by the square method. The curvature radius R [m] was calculated from the slope k by the following equation.

R=1/k×180×π/1000       R = 1 / k × 180 × π / 1000

<比較例1>
種結晶7として、HVPE法で得られたC面基板のおもて側の主面(+C面)に、長手方向がa軸方向に平行(M面に平行)である50μm幅(W1)の細長いライン状開口部が200μmの間隔(ピッチ)で配置されるように、200μm幅のPtマスクで被覆して、図4(a)のようにおもて側の主面全体にストライプパターンを形成した。これ以外は、実施例1の(2)〜(6)と同様の方法でF濃度はNH3に対して0.5mol%、I濃度は1.5mol%、圧力215MPa、平均温度618℃、温度差(ΔT)14℃、保持時間22日として、種結晶7上に窒化ガリウム(GaN)結晶を成長させた。ライン状開口部から成長したGaN結晶は、マスク直上ですぐに隣同士の結晶が接合し、得られたGaN結晶は、種結晶7のおもて側の主面(+C面)に厚さ0.6mmの平坦な膜を形成するように成長していた。得られたGaN結晶を目視で確認したところ、C面内に細かいクラックが複数発生しているのが確認できた。
<Comparative Example 1>
The seed crystal 7 has a 50 μm width (W 1 ) whose longitudinal direction is parallel to the a-axis direction (parallel to the M plane) on the main surface (+ C plane) on the front side of the C-plane substrate obtained by the HVPE method. 4e is covered with a Pt mask having a width of 200 μm so that the elongated line-shaped openings are arranged at intervals (pitch) of 200 μm, and a stripe pattern is formed on the entire main surface on the front side as shown in FIG. Formed. Other than this, the F concentration was 0.5 mol% relative to NH 3 , the I concentration was 1.5 mol%, the pressure was 215 MPa, the average temperature was 618 ° C., and the temperature was the same as in Example 1 (2) to (6). A gallium nitride (GaN) crystal was grown on the seed crystal 7 with a difference (ΔT) of 14 ° C. and a holding time of 22 days. The GaN crystals grown from the line-shaped openings are immediately joined to each other immediately above the mask, and the obtained GaN crystals have a thickness of 0 on the main surface (+ C plane) on the front side of the seed crystal 7. It grew to form a flat film of 6 mm. When the obtained GaN crystal was visually confirmed, it was confirmed that a plurality of fine cracks were generated in the C plane.

得られたGaN結晶について、C面の曲率半径を測定したところa軸方向が2.5〜50mと面内にムラがあり、m軸方向が17mであった。得られた結果を表1にまとめて示す。
さらに、X線回折の(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を、得られたGaN基板のC面について、m軸方向に200μmピッチで連続的に測定した結果を図8に示した。XRC半値幅は20〜120arcsecの範囲で大きくばらついていた。
The obtained GaN crystal was measured for the C-plane curvature radius. As a result, the a-axis direction was 2.5 to 50 m, the surface was uneven, and the m-axis direction was 17 m. The obtained results are summarized in Table 1.
Further, FIG. 8 shows the result of continuously measuring the rocking curve of the (002) diffraction peak of X-ray diffraction on the C-plane of the obtained GaN substrate at a pitch of 200 μm in the m-axis direction. The XRC half-value width varied widely in the range of 20 to 120 arcsec.

<比較例2>
種結晶7として、HVPE法で得られたC面基板にマスクでパターンを形成することなく用いた。これ以外は、実施例1の(2)〜(6)と同様の方法でF濃度はNH3に対して0.5mol%、I濃度は4.0mol%、圧力220MPa、平均温度616℃、温度差(ΔT)24℃、保持時間27日として、種結晶7上に窒化ガリウム(GaN)結晶を成長させた。得られたGaN結晶は、種結晶7の+C面側に厚さ0.5mmの平坦な膜を形成し、−C面側に厚さ4mmの平坦な膜を形成するように成長していた。
<Comparative Example 2>
The seed crystal 7 was used without forming a pattern with a mask on a C-plane substrate obtained by the HVPE method. Other than this, the F concentration was 0.5 mol% with respect to NH 3 , the I concentration was 4.0 mol%, the pressure was 220 MPa, the average temperature was 616 ° C., and the temperature was the same as in Example 1 (2) to (6). A gallium nitride (GaN) crystal was grown on the seed crystal 7 with a difference (ΔT) of 24 ° C. and a holding time of 27 days. The obtained GaN crystal was grown so that a flat film having a thickness of 0.5 mm was formed on the + C plane side of the seed crystal 7 and a flat film having a thickness of 4 mm was formed on the −C plane side.

得られたGaN結晶について、C面の曲率半径を測定したところa軸方向が1.1mであり、m軸方向が1.1mであった。得られた結果を表1にまとめて示す。
さらに、X線回折の(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を、得られたGaN基板のC面について、m軸方向に200μmピッチで連続的に測定した結果を図9に示した。XRC半値幅は20〜200arcsecの範囲で大きくばらついていた。
About the obtained GaN crystal, when the curvature radius of C surface was measured, the a-axis direction was 1.1 m and the m-axis direction was 1.1 m. The obtained results are summarized in Table 1.
Further, FIG. 9 shows the result of measuring the rocking curve of the (002) diffraction peak of X-ray diffraction continuously at a pitch of 200 μm in the m-axis direction on the C-plane of the obtained GaN substrate. The XRC half-value width varied widely in the range of 20 to 200 arcsec.

実施例1、比較例1、2の成長結晶を比較すると、実施例1では、板状結晶である第一のGaN結晶から横方向成長して一体化した第二のGaN結晶からなるGaN基板が得られ、極めて結晶性が良好であることが確認された。一方、比較例1,2では、HVPE法で得られた種結晶上に成長した、C面を主面とするGaN結晶が得られたが、明らかに結晶性が悪いことが確認された。
また、図7〜9に示す各成長結晶のXRC半値幅の分布について、表2にまとめて示す。
Comparing the grown crystals of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, in Example 1, a GaN substrate composed of a second GaN crystal integrated laterally from a first GaN crystal that is a plate-like crystal is obtained. It was confirmed that the crystallinity was extremely good. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, a GaN crystal having a C-plane as a main surface grown on a seed crystal obtained by the HVPE method was obtained, but it was confirmed that the crystallinity was clearly poor.
In addition, Table 2 summarizes the XRC half-value width distribution of each grown crystal shown in FIGS.

実施例1、比較例1、2の成長結晶を比較すると、実施例1では、明らかにXRC半値幅が小さく、かつそのばらつきが少ないことが確認された。よって、主面内で均一に良好な結晶性を示すことがわかる。一方、比較例1,2ではXRC半値幅は大きく、かつばらつきも大きいことが確認された。   Comparing the grown crystals of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, it was confirmed that in Example 1, the XRC half-value width was clearly small and the variation was small. Therefore, it can be seen that good crystallinity is uniformly exhibited in the main surface. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, it was confirmed that the XRC half width was large and the variation was large.

本発明によれば、大型で結晶欠陥や反りやクラックの発生が少なく、加工処理時の割れの発生を抑制可能な第13族窒化物基板の製造方法を提供することができる。係る製造方法で得られた第13族窒化物基板は、発光デバイスやパワーデバイス用の基板として好適に用いられ、産業上の利用可能性が高い。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the group 13 nitride board | substrate which can suppress generation | occurrence | production of the crack at the time of a process can be provided with few generation | occurrence | production of a crystal defect, curvature, and a crack. The group 13 nitride substrate obtained by such a manufacturing method is suitably used as a substrate for a light emitting device or a power device, and has high industrial applicability.

1 オートクレーブ(耐圧性容器)
2 オートクレーブ内面
3 ライニング
4 ワイヤー
5 バッフル板
6 結晶成長領域
7 種結晶
8 原料
9 原料充填領域
10 バルブ
11 真空ポンプ
12 アンモニアボンベ
13 窒素ボンベ
14 マスフローメーター
20 カプセル(内筒)
101 種結晶
102 成長阻害部材(マスク)
103 ライン状開口部
104 第一のGaN結晶
105 GaN結晶枠
106 第二のGaN結晶
107 GaN基板
201 種結晶
202 成長阻害部材(マスク)
203 ライン状開口部
204 板状結晶
205 枠状結晶
1 Autoclave (pressure-resistant container)
2 Autoclave inner surface 3 Lining 4 Wire 5 Baffle plate 6 Crystal growth area 7 Seed crystal 8 Raw material 9 Raw material filling area 10 Valve 11 Vacuum pump 12 Ammonia cylinder 13 Nitrogen cylinder 14 Mass flow meter 20 Capsule (inner cylinder)
101 seed crystal 102 growth inhibiting member (mask)
103 line-shaped opening 104 first GaN crystal 105 GaN crystal frame 106 second GaN crystal 107 GaN substrate 201 seed crystal 202 growth inhibiting member (mask)
203 Line-shaped opening 204 Plate-like crystal 205 Frame-like crystal

Claims (4)

m軸に平行な長さ20mmの仮想的な線分であって下記(A)の条件を充たす線分を、C面上に少なくともひとつ引くことができるGaN基板:
(A)当該線分上の等間隔で離れた41個の測定点で(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を行ったとき、該ロッキングカーブの半値幅の平均値が30arcsec以下である。
A GaN substrate that can draw at least one line segment that is a virtual line segment with a length of 20 mm parallel to the m-axis and that satisfies the following condition (A) on the C plane:
(A) When the rocking curve measurement of the (002) diffraction peak is performed at 41 measurement points that are separated at equal intervals on the line segment, the average value of the half-value width of the rocking curve is 30 arcsec or less.
m軸に平行な長さ20mmの仮想的な線分であって下記(A)の条件を充たす線分を、C面上に少なくともひとつ引くことができるGaN基板:
(A)当該線分上の等間隔で離れた41個の測定点で(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を行ったとき、該ロッキングカーブの半値幅の平均値が28arcsec以下である。
A GaN substrate that can draw at least one line segment that is a virtual line segment with a length of 20 mm parallel to the m-axis and that satisfies the following condition (A) on the C plane:
(A) When the rocking curve of the (002) diffraction peak is measured at 41 measurement points that are spaced apart at equal intervals on the line segment, the average value of the half-value widths of the rocking curve is 28 arcsec or less.
m軸に平行な長さ20mmの仮想的な線分であって、前記(A)の条件に加え下記(B)の条件を充たす線分を、C面上に少なくともひとつ引くことができる、請求項1または2に記載のGaN基板:
(B)当該線分上の等間隔で離れた41個の測定点で(002)回折ピークのロッキングカーブ測定を行ったとき、該ロッキングカーブの半値幅が50arcsec以上の測定点の割合が5%以下である。
An imaginary line segment having a length of 20 mm parallel to the m-axis, wherein at least one line segment satisfying the following condition (B) in addition to the condition (A) can be drawn on the C plane: Item 1 or 2 GaN substrate:
(B) When the rocking curve measurement of the (002) diffraction peak was performed at 41 measurement points spaced at equal intervals on the line segment, the ratio of the measurement points having a half-width of the rocking curve of 50 arcsec or more was 5%. It is as follows.
Li、NaおよびKを実質的に含有しない、請求項1〜のいずれか一項に記載のGaN基板。 The GaN substrate according to any one of claims 1 to 3 , which does not substantially contain Li, Na, and K.
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