JP6639317B2 - Method for producing group 13 element nitride crystal and seed crystal substrate - Google Patents

Method for producing group 13 element nitride crystal and seed crystal substrate Download PDF

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本発明は、13族元素窒化物結晶を製造する方法およびこれに利用可能な種結晶基板に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a group 13 element nitride crystal and a seed crystal substrate usable for the method.

特許文献1によれば、サファイア基板上に窒化ガリウム(GaN)層を形成した後、レーザーを窒化ガリウム層に照射することで、窒化ガリウム層をサファイア基板から分離するレーザーリフトオフ法が開示されている。   Patent Literature 1 discloses a laser lift-off method in which a gallium nitride (GaN) layer is formed on a sapphire substrate, and then the gallium nitride layer is irradiated with a laser to separate the gallium nitride layer from the sapphire substrate. .

特許文献2では、サファイア基板上に窒化ガリウム層を設けるのに際して、サファイア基板と窒化ガリウム層との界面に沿ってボイドを生成し、フラックス法による育成後の熱膨張率の差により、窒化ガリウム層をサファイア基板から自然剥離する方法が開示されている。   In Patent Document 2, when a gallium nitride layer is provided on a sapphire substrate, voids are generated along the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride layer, and the gallium nitride layer is formed by a difference in the coefficient of thermal expansion after growth by a flux method. A method of spontaneously peeling from a sapphire substrate is disclosed.

しかし、サファイア基板は高コストなので、特許文献3において、配向多結晶焼結体からなる基板を用いる育成方法を開示した。すなわち、多結晶アルミナを焼結し、基板法線方向にアルミナ結晶粒子のc 軸を配向させた基板である配向アルミナ基板を準備する。この配向アルミナ基板上に窒化ガリウム結晶を形成することで、窒化ガリウム結晶がc 軸方向に配向したGaN自立基板を作製する方法が開示されている。   However, since a sapphire substrate is expensive, Patent Document 3 discloses a growing method using a substrate made of an oriented polycrystalline sintered body. That is, an oriented alumina substrate is prepared by sintering polycrystalline alumina and orienting the c-axis of the alumina crystal particles in the normal direction of the substrate. A method is disclosed in which a gallium nitride crystal is formed on an oriented alumina substrate to produce a freestanding GaN substrate in which the gallium nitride crystal is oriented in the c-axis direction.

なお、本出願人は、特許文献4では、更に、0.1°〜1°の平均傾斜角を有する配向GaN自立基板を提案した。   Note that, in Patent Document 4, the present applicant further proposed an oriented GaN free-standing substrate having an average inclination angle of 0.1 ° to 1 °.

また、非特許文献1によれば、InGaN結晶成長では、GaN基板のc 面と基板表面の角度(傾斜角)に対しIn原子の取込み量が変化することが公知である。   According to Non-Patent Document 1, it is known that in InGaN crystal growth, the amount of In atoms taken in varies with the angle (tilt angle) between the c-plane of the GaN substrate and the substrate surface.

特開2004−087775JP-A-2004-087775 WO 2009/011407WO 2009/011407 WO 2014/192911WO 2014/192911 特願2016−034005Japanese Patent Application No. 2006-034005

M. Krysko et al., “Correlation between luminescence andcompositional striations in InGaN layers grown on miscut GaN substrates”, Applied Physics Letters, 91, 211904(2007)M. Krysko et al., “Correlation between luminescence and compositional striations in InGaN layers grown on miscut GaN substrates”, Applied Physics Letters, 91, 211904 (2007)

しかし、配向多結晶アルミナ焼結体上にGaN結晶を育成する技術については、いまだ以下の問題がある。すなわち、配向多結晶アルミナ焼結体の平均傾斜角をある程度以上低減すると製造コストが上昇するおそれがある。また、配向多結晶アルミナ焼結体の傾斜角には製造条件によるバラツキも生ずる。このため、配向多結晶アルミナ焼結体上に育成された13族元素窒化物結晶の平均傾斜角を更に低減できる育成方法が求められる。   However, the technology for growing a GaN crystal on an oriented polycrystalline alumina sintered body still has the following problems. That is, if the average inclination angle of the oriented polycrystalline alumina sintered body is reduced to a certain degree or more, the production cost may increase. In addition, the inclination angle of the oriented polycrystalline alumina sintered body varies depending on the manufacturing conditions. For this reason, a growth method that can further reduce the average tilt angle of the group 13 element nitride crystal grown on the oriented polycrystalline alumina sintered body is required.

本発明の課題は、13族元素窒化物結晶を配向多結晶焼結体上に育成するのに際して、13族元素窒化物結晶の平均傾斜角を低減できる育成方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a growth method capable of reducing the average tilt angle of a Group 13 element nitride crystal when growing a Group 13 element nitride crystal on an oriented polycrystalline sintered body.

本発明は、 傾斜角が相対的に大きい単結晶粒子と前記傾斜角が相対的に小さい単結晶粒子を有する配向多結晶焼結体上に、13族元素窒化物からなり、結晶育成面を有する種結晶層を設け、この際前記結晶育成面から凹んだ凹部を設け、前記凹部から前記配向多結晶焼結体の表面を露出させるのに際して、前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子上に前記種結晶層を設け、前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子を前記凹部から露出させる工程;および
前記結晶育成面上に13族元素窒化物結晶を育成する工程
を有することを特徴とする、13族元素窒化物結晶の製造方法にかかるものである。
The present invention is directed to an oriented polycrystalline sintered body having a single crystal particle having a relatively large inclination angle and a single crystal particle having a relatively small inclination angle, comprising a Group 13 element nitride, and having a crystal growing surface. A seed crystal layer is provided, and at this time, a concave portion recessed from the crystal growth surface is provided, and when the surface of the oriented polycrystalline sintered body is exposed from the concave portion , the inclination angle is relatively small on the single crystal particles. further comprising the step of growing a and on the crystal growth surface group 13 element nitride crystal; in the seed crystal layer provided, the inclination angle is relatively large the single crystal particles Ru is exposed from the recess step The present invention relates to a method for producing a group 13 element nitride crystal.

また、本発明は、
傾斜角が相対的に大きい単結晶粒子と前記傾斜角が相対的に小さい単結晶粒子を有する配向多結晶焼結体、および13族元素窒化物からなり、結晶育成面を有する種結晶層を備える種結晶基板であって
前記種結晶層に前記結晶育成面から凹んだ凹部が設けられており、前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子上に前記種結晶層が設けられており、前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子が前記凹部から露出している種結晶基板にかかるものである。
Also, the present invention
An oriented polycrystalline sintered body having a single crystal particle having a relatively large inclination angle and a single crystal particle having a relatively small inclination angle , and a seed crystal layer comprising a group 13 element nitride and having a crystal growth surface. A seed crystal substrate ,
The seed crystal layer is provided with a concave portion that is depressed from the crystal growth surface , and the seed crystal layer is provided on the single crystal particles having a relatively small inclination angle, and the inclination angle is relatively small. The present invention relates to a seed crystal substrate in which the large single crystal particles are exposed from the recess .

本発明者は、配向多結晶焼結体上に13族元素窒化物結晶を育成するのに際して、種結晶層を設けるとき、種結晶層の結晶育成面から凹んだ凹部を設け、この凹部から配向多結晶焼結体の表面が露出するようにした。そして、この種結晶層上に13族元素窒化物結晶を設けることにより、一様な種結晶層上に13族元素窒化物結晶を育成した場合に比べて、窒化物結晶の平均傾斜角が低減したものとなることを見いだし、本発明に到達した。   The present inventor, when growing a group 13 element nitride crystal on an oriented polycrystalline sintered body, when providing a seed crystal layer, provides a recess recessed from the crystal growth surface of the seed crystal layer, The surface of the polycrystalline sintered body was exposed. By providing the group 13 element nitride crystal on the seed crystal layer, the average tilt angle of the nitride crystal is reduced as compared with a case where the group 13 element nitride crystal is grown on a uniform seed crystal layer. And reached the present invention.

(a)は、配向多結晶焼結体1上に13族元素窒化物結晶層2を形成した断面を示す模式図であり、(b)は、13族元素窒化物結晶層2を平面的に見た模式図である。(A) is a schematic diagram showing a cross section in which a group 13 element nitride crystal layer 2 is formed on an oriented polycrystalline sintered body 1, and (b) is a plan view showing the group 13 element nitride crystal layer 2 in a plan view. FIG. (a)は、配向多結晶焼結体11における単結晶粒子の傾斜角分布を示す模式図であり、(b)は、配向多結晶焼結体11の表面11aに13族元素窒化物膜15、16を設けた状態を示す。(A) is a schematic diagram showing a tilt angle distribution of single crystal particles in the oriented polycrystalline sintered body 11, and (b) is a group 13 element nitride film 15 on a surface 11 a of the oriented polycrystalline sintered body 11. , 16 are provided. (a)は、傾斜角の大きい単結晶粒子13の表面13a上の13族元素窒化物膜15を昇華によって消失させた状態を模式的に示し、(b)は、傾斜角の小さい単結晶粒子14の表面14a上に残留した13族元素窒化物膜16をバッファ層として用い、バッファ層の上に種結晶層17を設けた状態を示す。(A) schematically shows a state in which the group 13 element nitride film 15 on the surface 13a of the single crystal particle 13 with a large inclination angle has disappeared by sublimation, and (b) shows a single crystal particle with a small inclination angle. 14 shows a state in which a group 13 element nitride film 16 remaining on the surface 14a of the substrate 14 is used as a buffer layer, and a seed crystal layer 17 is provided on the buffer layer. (a)は、種結晶層17上に13族元素窒化物結晶19を育成した状態を模式的に示し、(b)は、13族元素窒化物結晶19を基板から分離した状態を示す。(A) schematically shows a state in which a group 13 element nitride crystal 19 is grown on the seed crystal layer 17, and (b) shows a state in which the group 13 element nitride crystal 19 is separated from the substrate. 実施例1において、種結晶基板の表面をレーザー顕微鏡で観察した状態を示す。In Example 1, the state which observed the surface of the seed crystal substrate with the laser microscope is shown. 実施例1において、種結晶基板の表面をEBSD法で測定することによって得られたGaNおよびアルミナの相マップを示す。4 shows a phase map of GaN and alumina obtained by measuring the surface of the seed crystal substrate by the EBSD method in Example 1. 実施例2において、種結晶基板の表面をレーザー顕微鏡で観察した状態を示す。In Example 2, the state which observed the surface of the seed crystal substrate with the laser microscope is shown. 実施例2において、種結晶基板の表面をEBSD法で測定することによって得られたGaNおよびアルミナの相マップを示す。4 shows a phase map of GaN and alumina obtained by measuring the surface of a seed crystal substrate by the EBSD method in Example 2.

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に説明する。
最初に、配向多結晶焼結体上に育成される13族元素窒化物結晶層の状態について、典型例を説明する。
Hereinafter, the present invention will be further described with reference to the drawings as appropriate.
First, a typical example of a state of a group 13 element nitride crystal layer grown on an oriented polycrystalline sintered body will be described.

図1(a)に模式的に示すように、配向多結晶焼結体1は、多数の単結晶粒子3からなっており、隣接する単結晶粒子3間には粒界5がある。配向多結晶焼結体においては、単結晶粒子3の結晶方位がランダムではなく、ある程度は特定方向に向かって揃っている。すなわち、図1(a)に示すように、各単結晶粒子3の結晶方位Aはある程度揃っている。また、好ましくは、単結晶粒子3は、配向多結晶焼結体の第一の主面1aと第二の主面1bとの間に延びている。本例では第一の主面1aを結晶育成面としている。   As schematically shown in FIG. 1A, the oriented polycrystalline sintered body 1 is composed of a large number of single crystal particles 3, and there is a grain boundary 5 between adjacent single crystal particles 3. In the oriented polycrystalline sintered body, the crystal orientation of the single crystal particles 3 is not random, but is aligned in a specific direction to some extent. That is, as shown in FIG. 1A, the crystal orientation A of each single crystal particle 3 is uniform to some extent. Preferably, single crystal particles 3 extend between first main surface 1a and second main surface 1b of the oriented polycrystalline sintered body. In this example, the first main surface 1a is a crystal growth surface.

次いで、配向多結晶焼結体1の育成面1a上に13族元素窒化物結晶層2をエピタキシャル成長させる。すなわち、配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣った結晶方位を有するように、13族元素窒化物結晶層2が育成される。2bは、結晶層2の成長開始面であり、2aは結晶層2の表面である。結晶層2は、多数の単結晶粒子4からなっており、隣接する単結晶粒子4間には粒界6がある。結晶層2においては、単結晶粒子4の結晶方位Bがランダムではなく、下地となる配向多結晶焼結体を構成する各単結晶粒子3の方位Aに概ね倣っている。   Next, a group 13 element nitride crystal layer 2 is epitaxially grown on the growth surface 1 a of the oriented polycrystalline sintered body 1. That is, the group 13 element nitride crystal layer 2 is grown so as to have a crystal orientation substantially similar to the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body. 2b is a growth start surface of the crystal layer 2, and 2a is a surface of the crystal layer 2. The crystal layer 2 is composed of a large number of single crystal grains 4, and there is a grain boundary 6 between adjacent single crystal grains 4. In the crystal layer 2, the crystal orientation B of the single crystal particles 4 is not random but generally follows the orientation A of each single crystal particle 3 constituting the oriented polycrystalline sintered body serving as a base.

ただし、図1(a)に示す横断面では、13族元素窒化物結晶2を構成する各単結晶粒子4の結晶方位Bは揃っているが、単結晶粒子4の他の結晶方位については揃っている必要はない。すなわち、図1(b)に示すように、各単結晶粒子4を平面的に(育成方向に向かって平行な方向から)見た場合には、結晶方位C、Dはランダムになっており特には配向性はない。ただし、平面的に見た場合に単結晶粒子4の結晶方位に配向性を付与することも可能である。   However, in the cross section shown in FIG. 1A, the crystal orientations B of the single crystal grains 4 constituting the group 13 element nitride crystal 2 are uniform, but the other crystal orientations of the single crystal grains 4 are uniform. You don't have to. That is, as shown in FIG. 1B, when each single crystal particle 4 is viewed in a plane (from a direction parallel to the growth direction), the crystal orientations C and D are random, and Has no orientation. However, it is also possible to impart orientation to the crystal orientation of the single crystal particles 4 when viewed in a plan view.

ここで、配向多結晶アルミナ焼結体の平均傾斜角をある程度以上低くするためには、製造コストが上昇するおそれがある。また、配向多結晶焼結体の傾斜角には、製造条件によるバラツキも生ずる。例えば、図2(a)に示す例では、配向多結晶焼結体11を構成する多数の単結晶粒子13、14の傾斜角にはバラツキがある。例えば、傾斜角の相対的に大きな単結晶粒子13と相対的に小さい単結晶粒子14とがともに配列されているものとする。矢印D、Eは、それぞれ、各単結晶粒子を構成する単結晶の結晶方位である。11bは底面である。   Here, in order to reduce the average inclination angle of the oriented polycrystalline alumina sintered body to a certain degree or more, the production cost may increase. In addition, the inclination angle of the oriented polycrystalline sintered body varies depending on the manufacturing conditions. For example, in the example shown in FIG. 2A, the inclination angles of a large number of single crystal particles 13 and 14 constituting the oriented polycrystalline sintered body 11 vary. For example, it is assumed that single crystal particles 13 having a relatively large inclination angle and single crystal particles 14 having a relatively small inclination angle are arranged. Arrows D and E indicate the crystal orientations of the single crystals constituting each single crystal particle, respectively. 11b is a bottom surface.

こうした配向多結晶焼結体11上に種結晶層を育成し、その上に更に13族元素窒化物結晶を育成した場合には、13族元素窒化物結晶の傾斜角が下地の配向多結晶焼結体の傾斜角αを引き継ぐため、平均傾斜角を低くすることが難しく、また傾斜角にバラツキが生じやすかった。   When a seed crystal layer is grown on such an oriented polycrystalline sintered body 11 and a Group 13 element nitride crystal is further grown thereon, the inclination angle of the Group 13 element nitride crystal is set to the orientation polycrystalline firing of the base. Since the inclination angle α of the body is taken over, it is difficult to reduce the average inclination angle, and the inclination angle tends to vary.

これに対して、本発明実施例においては、例えば図3(b)に示すように、配向多結晶焼結体11上に、13族元素窒化物膜15、16を形成する。この際、各単結晶粒子13の表面13a、単結晶粒子14の表面14a上に13族元素窒化物膜が形成されるのであるが、単結晶粒子の傾斜角によって13族元素窒化物膜15、16の厚さが変化する。すなわち、傾斜角αの相対的に大きい単結晶粒子13上では13族元素窒化物膜15が薄くなり、傾斜角αの相対的に小さい単結晶粒子14上では、膜16が膜15よりも厚くなる。   On the other hand, in the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 3B, the group 13 element nitride films 15 and 16 are formed on the oriented polycrystalline sintered body 11. At this time, a group 13 element nitride film is formed on the surface 13a of each single crystal particle 13 and the surface 14a of the single crystal particle 14, and the group 13 element nitride film 15, 16 changes in thickness. That is, the group 13 element nitride film 15 becomes thinner on the single crystal grain 13 having a relatively large inclination angle α, and the film 16 becomes thicker than the film 15 on the single crystal grain 14 having a relatively small inclination angle α. Become.

ここで、図2(b)の積層体を、還元雰囲気下で加熱すると、13族元素窒化物膜15、16が各表面から順に昇華する。ここで、13族元素窒化物膜15が昇華によって消失するようにするとともに、13族元素窒化物膜16が残るようにする。すると、図3(a)に示すように、単結晶粒子14上にはバッファ層16が残留し、単結晶粒子13の表面13aは、バッファ層16の間から露出する。   Here, when the laminate of FIG. 2B is heated in a reducing atmosphere, the group 13 element nitride films 15 and 16 sublime in order from each surface. Here, the group 13 element nitride film 15 is made to disappear by sublimation, and the group 13 element nitride film 16 is left. Then, as shown in FIG. 3A, the buffer layer 16 remains on the single crystal particles 14, and the surface 13 a of the single crystal particles 13 is exposed from between the buffer layers 16.

この状態でバッファ層16上に種結晶層を成膜する。これによって、図3(b)に示すように、膜16上に種結晶層17が成膜され、種結晶層17の間の凹部23には、単結晶粒子13の表面13aが露出する。   In this state, a seed crystal layer is formed on the buffer layer 16. As a result, as shown in FIG. 3B, a seed crystal layer 17 is formed on the film 16, and the surface 13 a of the single crystal particle 13 is exposed in the recess 23 between the seed crystal layers 17.

次いで、図4(a)に示すように、種結晶層17上に13族元素窒化物結晶19を育成する。この際、傾斜角の相対的に大きい単結晶粒子13の表面13aが露出していることから、単結晶粒子13上には13族元素窒化物結晶19が育成されず、空隙18が生成する。一方、種結晶層17上には13族元素窒化物が成長し、やがて水平方向に向かって成長して層状に連結され、13族元素窒化物結晶19を生成する。この13族元素窒化物結晶19は、多数の水平方向につながった単結晶粒子21からなる。20は粒界である。   Next, as shown in FIG. 4A, a group 13 element nitride crystal 19 is grown on the seed crystal layer 17. At this time, since the surface 13 a of the single crystal particle 13 having a relatively large inclination angle is exposed, the group 13 element nitride crystal 19 is not grown on the single crystal particle 13, and a void 18 is generated. On the other hand, a group 13 element nitride grows on the seed crystal layer 17, and then grows in the horizontal direction and is connected in layers to generate a group 13 element nitride crystal 19. The group 13 element nitride crystal 19 is composed of a large number of single crystal grains 21 connected in the horizontal direction. 20 is a grain boundary.

この際、種結晶層17の傾斜角は、単結晶粒子14の傾斜角を引き継ぐので、種結晶層17の傾斜角は単結晶粒子14の傾斜角に近くなる。そして、13族元素窒化物結晶の各単結晶粒子21の傾斜角も、種結晶層17の傾斜角を引き継ぐので、これらの傾斜角は互いに近くなる。この結果として、13族元素窒化物結晶の各単結晶粒子21の平均傾斜角は、配向多結晶焼結体11の単結晶粒子13、14のうち、傾斜角の小さい単結晶粒子14の傾斜角を引き継ぐことになる。すなわち、13族元素窒化物結晶19における単結晶粒子の方位Fは、配向多結晶焼結体11における単結晶粒子の方位Eを引き継ぐ。この結果として、13族元素窒化物結晶19を構成する各単結晶粒子21の平均傾斜角は、配向多結晶焼結体11の平均傾斜角に比べて低減することができる。   At this time, since the inclination angle of the seed crystal layer 17 takes over the inclination angle of the single crystal particles 14, the inclination angle of the seed crystal layer 17 is close to the inclination angle of the single crystal particles 14. Since the inclination angle of each single crystal particle 21 of the group 13 element nitride crystal also inherits the inclination angle of seed crystal layer 17, these inclination angles are close to each other. As a result, the average inclination angle of each single crystal particle 21 of the group 13 element nitride crystal is the inclination angle of single crystal particles 14 having a small inclination angle among single crystal particles 13 and 14 of oriented polycrystalline sintered body 11. Will be taken over. That is, the orientation F of the single crystal particles in the group 13 element nitride crystal 19 takes over the orientation E of the single crystal particles in the oriented polycrystalline sintered body 11. As a result, the average inclination angle of each single crystal particle 21 constituting group 13 element nitride crystal 19 can be reduced as compared with the average inclination angle of oriented polycrystalline sintered body 11.

次いで、図4(b)に示すように、13族元素窒化物結晶19を配向多結晶焼結体11から分離することによって、13族元素窒化物結晶の自立基板を得ることが可能である。   Next, as shown in FIG. 4B, by separating the group 13 element nitride crystal 19 from the oriented polycrystalline sintered body 11, it is possible to obtain a freestanding substrate of the group 13 element nitride crystal.

以下、本発明の各構成要素について更に述べる。
(配向多結晶焼結体)
下地基板として用いる配向多結晶焼結体は、育成面および底面を有している。そして、配向多結晶焼結体の表面の平均傾斜角は、ボイドを形成すると言う観点から、1°〜20°が好ましく、3°〜12°が更に好ましい。
Hereinafter, each component of the present invention will be further described.
(Oriented polycrystalline sintered body)
The oriented polycrystalline sintered body used as the base substrate has a growth surface and a bottom surface. The average inclination angle of the surface of the oriented polycrystalline sintered body is preferably 1 ° to 20 °, more preferably 3 ° to 12 °, from the viewpoint of forming voids.

ただし、傾斜角とは、対象とする表面を電子線後方散乱回折法(EBSD法)によって測定した各単結晶粒子の結晶方位D、EおよびFの、特定結晶方位Lからの角度を意味する。これは、図4(b)に示した結晶方位Dを有する単結晶粒子の場合ではαを指す。なお、特定結晶方位Lとは、通常、配向多結晶焼結体11の表面に対する法線である。また、平均傾斜角とは、対象とする表面をEBSD法によって測定した各単結晶粒子の結晶方位DおよびEの、特定結晶方位Lからの傾斜角の平均値や、各単結晶粒子の結晶方位Fの、特定結晶方位Lからの傾斜角の平均値を意味する。   However, the tilt angle means the angle of the crystal orientations D, E, and F of each single crystal particle measured from the target surface by the electron beam back scattering diffraction method (EBSD method) from the specific crystal orientation L. This indicates α in the case of a single crystal particle having the crystal orientation D shown in FIG. The specific crystal orientation L is usually a normal to the surface of the oriented polycrystalline sintered body 11. The average tilt angle is an average value of the tilt angles of the crystal orientations D and E of each single crystal particle measured from the target surface by the EBSD method from the specific crystal orientation L, and the crystal orientation of each single crystal particle. It means the average value of the inclination angles of F from the specific crystal orientation L.

配向多結晶焼結体の厚さは、250μm以上、2mm以下とすることが好ましい。この厚さを250μm以上とすることによって、製造時の取り扱いが容易になる。また、この観点からは、配向多結晶焼結体の厚さを300μm以上とすることが更に好ましい。   It is preferable that the thickness of the oriented polycrystalline sintered body be 250 μm or more and 2 mm or less. By setting the thickness to 250 μm or more, handling during manufacture becomes easy. From this viewpoint, it is further preferable that the thickness of the oriented polycrystalline sintered body be 300 μm or more.

配向多結晶焼結体の材質は、特に限定されないが、配向多結晶アルミナ、配向多結晶酸化亜鉛、または配向多結晶窒化アルミニウムが好ましい。   The material of the oriented polycrystalline sintered body is not particularly limited, but is preferably oriented polycrystalline alumina, oriented polycrystalline zinc oxide, or oriented polycrystalline aluminum nitride.

配向多結晶焼結体は、多数の単結晶粒子を含んで構成される焼結体からなり、多数の単結晶粒子が一定の方向にある程度又は高度に配向したものである。このように配向された多結晶焼結体を用いることで、略法線方向に概ね揃った結晶方位を有する13族元素窒化物結晶の自立基板を作製可能である。   The oriented polycrystalline sintered body is formed of a sintered body including a large number of single crystal particles, in which a large number of single crystal particles are oriented in a certain direction to some extent or highly. By using the polycrystalline sintered body oriented in this way, it is possible to produce a freestanding substrate of a Group 13 element nitride crystal having a crystal orientation substantially aligned in a substantially normal direction.

配向多結晶焼結体を得る製法としては、大気炉、窒素雰囲気炉、水素雰囲気炉等を用いた通常の常圧焼結法に加え、熱間等方圧加圧法(HIP)、ホットプレス法(HP)、放電プラズマ焼結(SPS)等の加圧焼結法、及びこれらを組み合わせた方法を用いることができる。   As a method for obtaining an oriented polycrystalline sintered body, in addition to a normal atmospheric pressure sintering method using an air furnace, a nitrogen atmosphere furnace, a hydrogen atmosphere furnace, etc., a hot isostatic pressing method (HIP), a hot press method (HP), a pressure sintering method such as spark plasma sintering (SPS), or a combination thereof.

配向多結晶焼結体を構成する単結晶粒子の焼結体表面における平均粒径は、0.3〜1000μmであるのが好ましく、より好ましくは3〜1000μm、さらに好ましくは10μm〜200μm、特に好ましくは14μm〜200μmである。   The average particle size of the single crystal particles constituting the oriented polycrystalline sintered body on the sintered body surface is preferably 0.3 to 1000 μm, more preferably 3 to 1000 μm, further preferably 10 μm to 200 μm, and particularly preferably. Is 14 μm to 200 μm.

なお、焼結体粒子の板面における平均粒子径は、EBSD法を用いて、解析ソフトにより測定される。解析ソフトには、OIM Data Analysisを用いた。   The average particle diameter of the sintered body particles on the plate surface is measured by analysis software using the EBSD method. OIM Data Analysis was used as analysis software.

配向多結晶焼結体の配向面は特に限定がなく、c面、a面、r面又はm面等であってもよい。   The orientation plane of the oriented polycrystalline sintered body is not particularly limited, and may be a c-plane, a-plane, r-plane, or m-plane.

配向多結晶焼結体の焼結助剤として、MgO、ZrO、Y、CaO、SiO、TiO、Fe、Mn、La等の酸化物、AlF、MgF、YbF等のフッ化物などから選ばれる少なくとも1種以上が挙げられる。透光性の観点では添加物の量は必要最小限に留めるべきであり、好ましくは5000ppm以下、より好ましくは1000ppm以下、さらに好ましくは700ppm以下である。
配向多結晶焼結体は、砥石で研削して表面を平坦にした後、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により表面を平滑化するのが好ましい。
Oxides such as MgO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , CaO, SiO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , Mn 2 O 3 , La 2 O 3 as sintering aids for the oriented polycrystalline sintered body; At least one selected from fluorides such as AlF 3 , MgF 2 , and YbF 3 is exemplified. From the viewpoint of translucency, the amount of the additive should be kept to a necessary minimum, and is preferably 5000 ppm or less, more preferably 1000 ppm or less, and further preferably 700 ppm or less.
It is preferable that the surface of the oriented polycrystalline sintered body is flattened by grinding with a grindstone, and then the surface is smoothed by lapping using diamond abrasive grains.

(種結晶層)
本発明では、13族元素窒化物からなり、結晶育成面を有する種結晶層を設けるとともに、結晶育成面から凹んだ凹部を設ける。この際、凹部から配向多結晶焼結体の表面が露出するようにする。例えば、図3の例では、種結晶層17に結晶育成面17aが設けられており、種結晶層17の間に凹部23が設けられている。そして、凹部から配向多結晶焼結体11の表面11aが露出している。
(Seed crystal layer)
In the present invention, a seed crystal layer made of a Group 13 element nitride and having a crystal growth surface is provided, and a concave portion which is recessed from the crystal growth surface is provided. At this time, the surface of the oriented polycrystalline sintered body is exposed from the recess. For example, in the example of FIG. 3, a crystal growth surface 17 a is provided on the seed crystal layer 17, and a concave portion 23 is provided between the seed crystal layers 17. The surface 11a of the oriented polycrystalline sintered body 11 is exposed from the recess.

好適な実施形態においては、例えば図2、図3に示すように、配向多結晶焼結体11の表面11aに、13族元素窒化物膜15、16を設ける。次いで、配向多結晶焼結体11および膜15、16を還元雰囲気下に加熱することによって、13族元素窒化物膜の一部を昇華によって消失させ、13族元素窒化物からなるバッファ層16を設けるとともに、バッファ層16の間に配向多結晶焼結体11の表面11aが露出させる。次いで、バッファ層16上に種結晶層17を設ける。   In a preferred embodiment, for example, as shown in FIGS. 2 and 3, group 13 element nitride films 15 and 16 are provided on the surface 11 a of the oriented polycrystalline sintered body 11. Next, by heating the oriented polycrystalline sintered body 11 and the films 15 and 16 in a reducing atmosphere, a part of the group 13 element nitride film is eliminated by sublimation, and the buffer layer 16 made of the group 13 element nitride is removed. At the same time, the surface 11 a of the oriented polycrystalline sintered body 11 is exposed between the buffer layers 16. Next, a seed crystal layer 17 is provided on the buffer layer 16.

種結晶層および13族元素窒化物膜を構成する13族元素窒化物は、IUPACで規定する13族元素の窒化物である。具体的には、IUPACで規定する13族元素の一種または二種以上の窒化物である。この13族元素は、好ましくはガリウム、アルミニウム、インジウムである。また、13族元素窒化物結晶は、具体的には、GaN、AlN、InN、GaAl1−xN(1>x>0)、GaIn1−xN(1>x>0)、GaAlInN1―x−y(1>x>0、1>y>0)が好ましい。 The group 13 element nitride forming the seed crystal layer and the group 13 element nitride film is a group 13 element nitride specified by IUPAC. Specifically, it is a nitride of one or more of Group 13 elements defined by IUPAC. The Group 13 element is preferably gallium, aluminum, or indium. Further, Group 13 element nitride crystal, specifically, GaN, AlN, InN, Ga x Al 1-x N (1>x> 0), Ga x In 1-x N (1>x> 0) , Ga x Al y InN 1- x-y (1>x>0,1>y> 0) are preferable.

凹部と種結晶層との各平面的パターンは特に限定されない。還元性雰囲気下での加熱によって、13族元素窒化物膜の一部を昇華によって消失させる13族元素窒化物結晶においては、これらの平面的パターンは、配向多結晶焼結体の表面における単結晶粒子の傾斜角の分布に依存するので、比較的ランダムになる。   Each planar pattern of the concave portion and the seed crystal layer is not particularly limited. In a group 13 element nitride crystal in which a part of the group 13 element nitride film disappears by sublimation by heating in a reducing atmosphere, these planar patterns are formed by a single crystal on the surface of the oriented polycrystalline sintered body. It is relatively random because it depends on the distribution of the tilt angles of the particles.

配向多結晶焼結体上に13族元素窒化物膜をMOCVD法によって形成する場合、13族元素窒化物膜の材質としてGaN、AlN、GaAlNを用いる場合は、成膜温度を500〜600℃とすることが好ましく、InGaNを用いる場合には、500〜750℃とすることが好ましい。これによって、傾斜角が大きい単結晶粒子上では、傾斜角の小さい単結晶粒子上よりも、13族元素窒化物膜の膜厚が薄くなり易い。ゆえに、この後に還元性雰囲気下での加熱によって13族元素窒化物膜の一部(薄い部分)を昇華によって消失させることが容易になる。   When a group 13 element nitride film is formed on an oriented polycrystalline sintered body by MOCVD, and when GaN, AlN, and GaAlN are used as the material of the group 13 element nitride film, the film forming temperature is set to 500 to 600 ° C. When InGaN is used, the temperature is preferably set to 500 to 750 ° C. Thereby, the film thickness of the group 13 element nitride film tends to be thinner on the single crystal particles having a large inclination angle than on the single crystal particles having a small inclination angle. Therefore, it becomes easy to remove a part (thin part) of the group 13 element nitride film by sublimation by heating in a reducing atmosphere thereafter.

好適な実施形態においては、13族元素窒化物膜の材質としてInGaNを用いる。この場合には、傾斜角が大きい単結晶粒子上ほど、エピタキシャル成長時の13族元素窒化物膜中へのIn原子の取込み量が低下する特性がある。この結果、13族元素窒化物膜を構成する窒化物中での13族元素( Ga原子とIn原子) の総量が少なくなり、結果として13族元素窒化物膜の厚さが薄くかつIn組成が低いInGaN層の形成が促進される。   In a preferred embodiment, InGaN is used as the material of the group 13 element nitride film. In this case, there is a characteristic that the amount of In atoms taken into the group 13 element nitride film during epitaxial growth decreases on the single crystal particle having a large inclination angle. As a result, the total amount of Group 13 elements (Ga atoms and In atoms) in the nitride constituting the Group 13 element nitride film is reduced, and as a result, the thickness of the Group 13 element nitride film is reduced and the In composition is reduced. The formation of a low InGaN layer is promoted.

13族元素窒化物膜の材質としてGaNを用いる場合、形成温度は500 ℃〜550 ℃とし、水素雰囲気で形成するのが特に好ましい。また、13族元素窒化物膜の厚さは、サファイア基板上に形成する際の厚さに換算して、4nm 〜8nm となるように設定することが望ましい。
なお、配向多結晶焼結体上の種結晶膜、13族元素窒化物膜の膜厚は、配向多結晶焼結体を構成する単結晶粒子ごとに膜厚が異なるため、サファイア基板上に同じ成膜条件にて作製したときの膜厚を「設計膜厚」としている。
When GaN is used as the material of the group 13 element nitride film, it is particularly preferable to form the film at a temperature of 500 ° C. to 550 ° C. in a hydrogen atmosphere. It is desirable that the thickness of the group 13 element nitride film be set to 4 nm to 8 nm in terms of the thickness when formed on a sapphire substrate.
Note that the thickness of the seed crystal film and the group 13 element nitride film on the oriented polycrystalline sintered body is the same on the sapphire substrate because the thickness is different for each single crystal particle constituting the oriented polycrystalline sintered body. The film thickness when formed under the film forming conditions is referred to as “design film thickness”.

13族元素窒化物膜の材質としてAlNを用いる場合、形成温度は550 ℃〜650 ℃とし、水素雰囲気で形成するのが望ましい。また、13族元素窒化物膜の厚さは、サファイア基板上に形成する際の厚さに換算して、4nm 〜8nm となるように設定することが望ましい。   When AlN is used as the material of the group 13 element nitride film, it is preferable to form the film in a hydrogen atmosphere at a temperature of 550 ° C. to 650 ° C. It is desirable that the thickness of the group 13 element nitride film be set to 4 nm to 8 nm in terms of the thickness when formed on a sapphire substrate.

13族元素窒化物膜の材質としてInGaNを用いる場合、形成温度は500 ℃〜750 ℃とし、窒素雰囲気で形成するのが望ましい。また、13族元素窒化物膜の厚さは、サファイア基板上に形成する際の厚さに換算して、8nm 〜20nmとなるように設定することが特に好ましい。   When InGaN is used as the material of the group 13 element nitride film, it is preferable to form the film at a temperature of 500 ° C. to 750 ° C. in a nitrogen atmosphere. It is particularly preferable to set the thickness of the group 13 element nitride film to 8 nm to 20 nm in terms of the thickness when formed on a sapphire substrate.

配向多結晶焼結体のうち傾斜角の相対的に大きいアルミナ単結晶粒子上の13族元素窒化物膜を効率的に昇華させるためには、還元性雰囲気下で加熱することが好ましい。こうした還元性雰囲気は、水素含有雰囲気が好ましく、窒素ガスなどの不活性ガスも含有していて良い。   In order to efficiently sublimate the group 13 element nitride film on the alumina single crystal particles having a relatively large inclination angle in the oriented polycrystalline sintered body, it is preferable to heat in a reducing atmosphere. Such a reducing atmosphere is preferably a hydrogen-containing atmosphere, and may also contain an inert gas such as nitrogen gas.

好適な実施形態においては、13族元素の原料(トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなど)とアンモニアガスを用いて13族元素窒化物膜を形成した後、13族元素原料の供給を停止するとともにアンモニアガス、窒素ガスの供給も停止し、いったん水素ガス雰囲気のみにする。次いで、温度を種結晶膜の成膜温度にまで上昇させた後、種結晶膜を成膜する前に、水素ガス雰囲気下で基板を保持して13族元素窒化物膜の一部を昇華させることが好ましい。この昇華時の温度は、材質によるが、
1000〜1200℃が好ましく、1050〜1150℃が更に好ましい。また、この昇華工程の時間は、5〜60分間が好ましい。
In a preferred embodiment, after forming a Group 13 element nitride film using a Group 13 element material (such as trimethylgallium, trimethylaluminum, and trimethylindium) and ammonia gas, the supply of the Group 13 element material is stopped. The supply of ammonia gas and nitrogen gas is also stopped, and only the hydrogen gas atmosphere is once used. Next, after raising the temperature to the seed crystal film forming temperature, before forming the seed crystal film, the substrate is held in a hydrogen gas atmosphere to partially sublimate a group 13 element nitride film. Is preferred. The temperature during this sublimation depends on the material,
1000-1200 ° C is preferred, and 1050-1150 ° C is more preferred. Further, the time of the sublimation step is preferably 5 to 60 minutes.

種結晶層の作製方法は特に限定されないが、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、HVPE(ハライド気相成長法)、スパッタリング等の気相法、Naフラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相法、粉末の固相成長を利用した粉末法、及びこれらの組み合わせが好ましく例示される。   The method of forming the seed crystal layer is not particularly limited, but a vapor phase method such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), HVPE (halide vapor phase epitaxy), sputtering, or a Na flux method Preferred examples include a liquid phase method such as an ammonothermal method, a hydrothermal method, and a sol-gel method, a powder method utilizing solid phase growth of powder, and a combination thereof.

(13族元素窒化物結晶の育成)
次いで、種結晶層上に13族元素窒化物結晶層を形成する。この13族元素窒化物結晶層は、配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣った結晶方位を有するように形成する。13族元素窒化物結晶層の形成方法は、配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣った結晶方位を有する限り特に限定がなく、MOCVD、HVPE等の気相法、Naフラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相法、粉末の固相成長を利用した粉末法、及びこれらの組み合わせが好ましく例示されるが、Naフラックス法により行われるのが特に好ましい。
(Growth of Group 13 element nitride crystal)
Next, a group 13 element nitride crystal layer is formed on the seed crystal layer. The group 13 element nitride crystal layer is formed so as to have a crystal orientation substantially following the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body. The method of forming the group 13 element nitride crystal layer is not particularly limited as long as it has a crystal orientation substantially similar to the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body, such as a gas phase method such as MOCVD and HVPE, a Na flux method, A liquid phase method such as a thermal method, a hydrothermal method, and a sol-gel method, a powder method utilizing solid phase growth of powder, and a combination thereof are preferably exemplified, but the method is particularly preferably performed by a Na flux method.

Naフラックス法による13族元素窒化物結晶の形成は、種結晶基板を設置した坩堝に13族金属、金属Na及び所望によりドーパント(例えばゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、酸素(O)等のn型ドーパント、又はベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)等のp型ドーパント)を含む融液組成物を充填し、窒素雰囲気中で830〜910℃、3.5〜4.5MPaまで昇温加圧した後、温度及び圧力を保持しつつ回転することにより行うのが好ましい。保持時間は目的の膜厚によって異なるが、10〜100時間程度としてもよい。   The formation of a group 13 element nitride crystal by the Na flux method is performed by placing a group 13 metal, metal Na, and optionally a dopant (eg, germanium (Ge), silicon (Si), oxygen (O), etc.) in a crucible provided with a seed crystal substrate. a melt composition containing an n-type dopant or a p-type dopant such as beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), zinc (Zn), cadmium (Cd), It is preferable that the temperature and pressure are raised to 830 to 910 ° C. and 3.5 to 4.5 MPa in a nitrogen atmosphere, and then the rotation is performed while maintaining the temperature and the pressure. The holding time varies depending on the target film thickness, but may be about 10 to 100 hours.

また、こうしてNaフラックス法により得られたGaN多結晶を砥石で研削して表面を平坦にした後、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により表面を平滑化するのが好ましい。   Also, it is preferable that the GaN polycrystal obtained by the Na flux method is ground with a grindstone to flatten the surface, and then the surface is smoothed by lapping using diamond abrasive grains.

13族元素窒化物結晶を構成する窒化物は、IUPACで規定する13族元素の一種または二種以上の窒化物である。この13族元素は、好ましくはガリウム、アルミニウム、インジウムである。また、13族元素窒化物結晶は、具体的には、GaN、AlN、InN、GaAl1−xN(1>x>0)、GaIn1−xN(1>x>0)、GaAlInN1―x−y(1>x>0、1>y>0)が好ましい。 The nitride constituting the Group 13 element nitride crystal is a nitride of one or more of Group 13 elements specified in IUPAC. The Group 13 element is preferably gallium, aluminum, or indium. Further, Group 13 element nitride crystal, specifically, GaN, AlN, InN, Ga x Al 1-x N (1>x> 0), Ga x In 1-x N (1>x> 0) , Ga x Al y InN 1- x-y (1>x>0,1>y> 0) are preferable.

13族元素窒化物結晶層は、ドーパントを含まないものであってもよい。あるいは、13族元素窒化物結晶層は、n型ドーパント又はp型ドーパントでドープされていてもよい。p型ドーパントの好ましい例としては、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、亜鉛(Zn)及びカドミウム(Cd)からなる群から選択される1種以上が挙げられる。n型ドーパントの好ましい例としては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)及び酸素(O)からなる群から選択される1種以上が挙げられる。   The group 13 element nitride crystal layer may not contain a dopant. Alternatively, the group 13 element nitride crystal layer may be doped with an n-type dopant or a p-type dopant. Preferred examples of the p-type dopant include one or more selected from the group consisting of beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), zinc (Zn), and cadmium (Cd). Can be Preferred examples of the n-type dopant include one or more selected from the group consisting of silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and oxygen (O).

好適な実施形態においては、13族元素窒化物結晶の表面における平均傾斜角が、配向多結晶焼結体の表面における平均傾斜角よりも低減したものとなる。この平均傾斜角は、前述の配向多結晶焼結体の場合と同様にEBSD法により測定するものである。   In a preferred embodiment, the average tilt angle at the surface of the group 13 element nitride crystal is smaller than the average tilt angle at the surface of the oriented polycrystalline sintered body. This average inclination angle is measured by the EBSD method as in the case of the oriented polycrystalline sintered body described above.

本発明によれば、配向多結晶焼結体上に、この配向多結晶焼結体の表面の平均傾斜角よりも平均傾斜角が低減した13族元素窒化物結晶を育成することが可能である。こうして得られた13族元素窒化物結晶は、配向多結晶焼結体と一体化された形で使用できる。しかし、好適な実施形態においては、13族元素窒化物結晶を配向多結晶焼結体から分離することによって、13族元素窒化物結晶を含む自立基板を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to grow a group 13 element nitride crystal in which the average tilt angle is smaller than the average tilt angle of the surface of the oriented polycrystalline sintered body, on the oriented polycrystalline sintered body. . The group 13 element nitride crystal thus obtained can be used in a form integrated with the oriented polycrystalline sintered body. However, in a preferred embodiment, a free-standing substrate containing a Group 13 element nitride crystal can be obtained by separating the Group 13 element nitride crystal from the oriented polycrystalline sintered body.

(13族元素窒化物結晶の配向多結晶焼結体からの分離)
本発明方法では、13族元素窒化物結晶を育成した後の降温時に、熱膨張係数差による応力発生による自然剥離を生じさせることもでき、この場合にも界面における接合強度が低いことから13族元素窒化物結晶に破損が生じにくい。しかし、一般には自然剥離は生じにくいため、他の分離方法を採用することが好ましい。なぜなら、例えば特許文献2に記載の方法のような、単結晶サファイアや単結晶GaN との界面で作製される数μmサイズのボイドの場合と異なり、配向多結晶焼結体の単結晶粒子程度のサイズのボイドが形成されることから、界面での応力が緩和されるためと考えられる。
(Separation of Group 13 element nitride crystal from oriented polycrystalline sintered body)
In the method of the present invention, spontaneous peeling due to stress generation due to a difference in thermal expansion coefficient can be caused at the time of temperature decrease after growing the group 13 element nitride crystal. In this case, too, the bonding strength at the interface is low. The element nitride crystal is hardly damaged. However, in general, spontaneous peeling is unlikely to occur, so it is preferable to employ another separation method. This is because unlike the case of a void having a size of several μm produced at the interface with single-crystal sapphire or single-crystal GaN as in the method described in Patent Document 2, for example, the size of a single-crystal grain of an oriented polycrystalline sintered body is small. It is considered that the formation of voids of a size alleviates the stress at the interface.

さらに、特許文献2に記載の方法を、配向多結晶焼結体上に13族元素窒化物結晶を育成する場合に適用しても、平均傾斜角が低減する効果は得られない。   Furthermore, even if the method described in Patent Document 2 is applied to growing a Group 13 element nitride crystal on an oriented polycrystalline sintered body, the effect of reducing the average tilt angle cannot be obtained.

この分離方法は特に限定されない。好適な実施形態においては、配向多結晶焼結体側からレーザー光を照射することによって配向多結晶焼結体と13族元素窒化物とを分離する。   This separation method is not particularly limited. In a preferred embodiment, the oriented polycrystalline sintered body and the group 13 element nitride are separated by irradiating a laser beam from the oriented polycrystalline sintered body side.

配向多結晶焼結体は、サファイア基板とは異なり、レーザー光を配向多結晶焼結体側から照射すると配向多結晶焼結体内部の粒界でレーザー光が散乱するため、配向多結晶焼結体と13族元素窒化物結晶との界面にレーザー光を集光できず、高密度にすることができない。このため、界面で13族元素窒化物結晶を均一に分解することが難しく、割れやクラックなどの破損を起こすという問題があった。   Unlike a sapphire substrate, an oriented polycrystalline sintered body is different from a sapphire substrate in that when laser light is irradiated from the oriented polycrystalline sintered body side, the laser light is scattered at grain boundaries inside the oriented polycrystalline sintered body. The laser beam cannot be focused on the interface between the crystal and the group 13 element nitride crystal, and the density cannot be increased. For this reason, it is difficult to uniformly decompose the group 13 element nitride crystal at the interface, and there has been a problem of causing breakage such as cracks and cracks.

一方、本発明では、13族元素窒化物結晶と配向多結晶焼結体との界面に空隙が生ずることから接合強度が低くなるため、レーザーリフトオフ法を適用した場合でも、13族元素窒化物結晶の剥離が容易になる。更に、界面での応力が低減できることから、剥離時の割れやクラックを低減することもできる。   On the other hand, in the present invention, since a void is formed at the interface between the Group 13 element nitride crystal and the oriented polycrystalline sintered body, the bonding strength is reduced. Therefore, even when the laser lift-off method is applied, the Group 13 element nitride crystal is used. Is easy to peel off. Further, since the stress at the interface can be reduced, cracks and cracks at the time of peeling can also be reduced.

あるいは、13族元素窒化物結晶層を前記配向多結晶焼結体からケミカルエッチングによって分離することができる。本発明では、配向多結晶焼結体と13族元素窒化物結晶層との界面に空隙18が多数形成されているので、そのボイドを通して界面に沿ってエッチャントが含浸されやすく、ゆえに13族元素窒化物結晶層の分離を促進できる。   Alternatively, the group 13 element nitride crystal layer can be separated from the oriented polycrystalline sintered body by chemical etching. In the present invention, since a large number of voids 18 are formed at the interface between the oriented polycrystalline sintered body and the group 13 element nitride crystal layer, the etchant is easily impregnated along the interface through the voids, and therefore the group 13 element nitride Separation of the material crystal layer can be promoted.

ケミカルエッチングを行う際のエッチャントとしては、硫酸、塩酸等の強酸、もしくは水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等の強アルカリが好ましい。また、ケミカルエッチングを行う際の温度は、70℃以上が好ましい。   As an etchant for performing chemical etching, a strong acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid, or a strong alkali such as an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution is preferable. The temperature at which the chemical etching is performed is preferably 70 ° C. or higher.

(自立基板)
13族元素窒化物結晶を配向多結晶焼結体から分離することで、自立基板を得ることができる。本発明において「自立基板」とは、取り扱う際に自重で変形又は破損せず、固形物として取り扱うことのでき、多数の13族元素窒化物単結晶粒子で構成される基板を意味する。すなわち、自立基板は、水平面方向に二次元的に連結されてなる多数の単結晶粒子で構成されており、それ故、略法線方向には単結晶構造を有することになる。したがって、自立基板は、全体としては単結晶ではないものの、局所的なドメイン単位では単結晶構造を有するため、発光機能等のデバイス特性を確保するのに十分な高い結晶性を有することができる。そうでありながら、本発明の自立基板は単結晶基板ではない。
(Independent board)
A self-standing substrate can be obtained by separating the group 13 element nitride crystal from the oriented polycrystalline sintered body. In the present invention, the “self-supporting substrate” means a substrate which is not deformed or broken by its own weight when handled, can be handled as a solid, and is composed of a large number of group 13 element nitride single crystal particles. That is, the self-standing substrate is composed of a large number of single crystal particles connected two-dimensionally in the horizontal plane direction, and therefore has a single crystal structure in a substantially normal direction. Therefore, the self-standing substrate is not a single crystal as a whole, but has a single crystal structure in a local domain unit, and thus can have a sufficiently high crystallinity to secure device characteristics such as a light emitting function. Nevertheless, the freestanding substrate of the present invention is not a single crystal substrate.

好ましくは、自立基板を構成する多数の単結晶粒子は、略法線方向に概ね揃った結晶方位を有する。「略法線方向に概ね揃った結晶方位」とは、必ずしも法線方向に完全に揃った結晶方位とは限らず、自立基板を用いたデバイスが所望のデバイス特性を確保できるかぎり、法線ないしそれに類する方向にある程度揃った結晶方位であってよいことを意味する。製法由来の表現をすれば、13族元素窒化物単結晶粒子は、配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣って成長した構造を有する。「配向多結晶焼結体の結晶方位に概ね倣って成長した構造」とは、配向多結晶焼結体の結晶方位の影響を受けた結晶成長によりもたらされた構造を意味し、必ずしも配向多結晶焼結体の結晶方位に完全に倣って成長した構造であるとは限らず、自立基板を用いた発光素子等のデバイスが所望のデバイス特性を確保できるかぎり、配向多結晶焼結体の結晶方位にある程度倣って成長した構造であってよい。すなわち、この構造は配向多結晶焼結体と異なる結晶方位に成長する構造も含む。その意味で、「結晶方位に概ね倣って成長した構造」との表現は「結晶方位に概ね由来して成長した構造」と言い換えることもでき、この言い換え及び上記意味は本明細書中の同種の表現に同様に当てはまる。したがって、そのような結晶成長はエピタキシャル成長によるものが好ましいが、これに限定されず、それに類する様々な結晶成長の形態であってもよい。いずれにしても、このように成長することで、自立基板は略法線方向に関しては結晶方位が概ね揃った構造とすることができる。   Preferably, a large number of single crystal particles constituting the self-standing substrate have crystal orientations substantially aligned in a substantially normal direction. "A crystal orientation substantially aligned in a substantially normal direction" is not necessarily a crystal orientation completely aligned in a normal direction, and as long as a device using a free-standing substrate can secure desired device characteristics, the normal or This means that the crystal orientation may be somewhat uniform in a similar direction. In terms of the expression derived from the manufacturing method, the group 13 element nitride single crystal particles have a structure grown substantially following the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body. The “structure grown substantially following the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body” means a structure brought about by crystal growth affected by the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body, and is not necessarily an oriented polycrystalline sintered body. The structure does not necessarily grow completely following the crystal orientation of the crystal sintered body. As long as a device such as a light emitting device using a self-standing substrate can secure desired device characteristics, the crystal of the oriented polycrystalline sintered body It may be a structure grown to some extent according to the orientation. That is, this structure includes a structure that grows in a crystal orientation different from that of the oriented polycrystalline sintered body. In that sense, the expression "structure grown substantially following the crystal orientation" can also be rephrased as "structure grown substantially derived from the crystal orientation". The same applies to expressions. Therefore, such crystal growth is preferably performed by epitaxial growth, but is not limited to this, and various forms of crystal growth similar thereto may be used. In any case, by growing in this way, the self-standing substrate can have a structure in which the crystal orientations are substantially aligned in the substantially normal direction.

したがって、本自立基板は、法線方向に見た場合に単結晶と観察され、水平面方向の切断面で見た場合に粒界が観察される柱状構造の単結晶粒子の集合体であると捉えることも可能である。ここで、「柱状構造」とは、典型的な縦長の柱形状のみを意味するのではなく、横長の形状、台形の形状、及び台形を逆さにしたような形状等、種々の形状を包含する意味として定義される。もっとも、上述のとおり、自立基板は法線ないしそれに類する方向にある程度揃った結晶方位を有する構造であればよく、必ずしも厳密な意味で柱状構造である必要はない。柱状構造となる原因は、前述のとおり、配向多結晶焼結体の結晶方位の影響を受けて多数の単結晶粒子が隣接する単結晶粒子と界面を形成しながら会合しつつ、それぞれ成長するためと考えられる。このため、柱状構造ともいえる単結晶単結晶粒子の断面の平均粒径(以下、断面平均径という)は成膜条件だけでなく、配向多結晶焼結体の表面の平均粒径にも依存するものと考えられる。   Therefore, the self-supporting substrate is regarded as a single crystal when viewed in the normal direction, and as an aggregate of single crystal particles having a columnar structure in which a grain boundary is observed when viewed in a horizontal plane. It is also possible. Here, the term “columnar structure” does not only mean a typical vertical columnar shape, but includes various shapes such as a horizontally long shape, a trapezoidal shape, and a shape obtained by inverting a trapezoidal shape. Defined as meaning. However, as described above, the free-standing substrate may have a structure having a crystal orientation that is aligned to some extent in the direction of the normal or a similar direction, and does not necessarily have to be a columnar structure in a strict sense. As described above, the cause of the columnar structure is that a large number of single crystal particles grow while each forming an interface with an adjacent single crystal particle while forming an interface under the influence of the crystal orientation of the oriented polycrystalline sintered body. it is conceivable that. For this reason, the average particle size of the cross section of the single crystal single crystal particles, which can be said to be a columnar structure (hereinafter, referred to as the cross section average diameter), depends on not only the film forming conditions but also the average particle size of the surface of the oriented polycrystalline sintered body. It is considered something.

自立基板を構成する多数の単結晶粒子は、略法線方向で特定結晶方位に配向している。特定結晶方位は、13族元素窒化物の有しうるいかなる結晶方位(例えばc面、a面等)であってもよい。例えば、多数の単結晶粒子が略法線方向でc軸に配向している場合、基板表面の各構成粒子はc軸を略法線方向に向けて(すなわちc面を基板表面に露出させて)配置されることとなる。そして、自立基板を構成する多数の単結晶粒子は略法線方向で特定結晶方位に配向しつつも、個々の構成粒子は様々な角度で若干傾斜している。つまり、基板表面は全体として略法線方向に所定の特定結晶方位への配向を呈するが、各単結晶粒子の結晶方位は特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布している。この各単結晶粒子の結晶方位は、前述のとおり、基板表面のEBSD法による測定によって評価することができる。すなわち、各単結晶粒子の結晶方位が特定結晶方位から様々な角度で傾斜して分布している状態をEBSD法により観察可能であり、その平均傾斜角は、0°〜5°であることが好ましい。   Many single crystal particles constituting the self-supporting substrate are oriented in a specific crystal orientation in a substantially normal direction. The specific crystal orientation may be any crystal orientation (for example, c-plane, a-plane, etc.) that the group 13 element nitride can have. For example, when a large number of single crystal particles are oriented along the c-axis in a substantially normal direction, each constituent particle on the substrate surface has the c-axis oriented substantially in the normal direction (ie, exposing the c-plane to the substrate surface). ). While a large number of single crystal particles constituting the self-supporting substrate are oriented in a specific crystal orientation in a substantially normal direction, the individual constituent particles are slightly inclined at various angles. In other words, the substrate surface as a whole exhibits an orientation in a substantially normal direction to a predetermined specific crystal orientation, but the crystal orientation of each single crystal grain is distributed at various angles from the specific crystal orientation. As described above, the crystal orientation of each single crystal particle can be evaluated by measuring the substrate surface by the EBSD method. That is, a state in which the crystal orientation of each single crystal grain is distributed at various angles from the specific crystal orientation can be observed by the EBSD method, and the average inclination angle is 0 ° to 5 °. preferable.

好ましくは、自立基板の最表面における単結晶粒子の断面平均径は0.3μm以上であり、より好ましくは3μm以上、さらに好ましくは20μm以上、特に好ましくは50μm以上、最も好ましくは70μm以上である。また、自立基板の最表面における単結晶粒子の断面平均径の上限は特に限定されないが、1000μm以下が現実的であり、より現実的には500μm以下であり、さらに現実的には200μm以下である。   Preferably, the cross-sectional average diameter of the single crystal particles on the outermost surface of the self-standing substrate is 0.3 μm or more, more preferably 3 μm or more, further preferably 20 μm or more, particularly preferably 50 μm or more, and most preferably 70 μm or more. The upper limit of the cross-sectional average diameter of the single crystal particles on the outermost surface of the free-standing substrate is not particularly limited, but is practically 1000 μm or less, more practically 500 μm or less, and further practically 200 μm or less. .

自立基板は直径50.8mm(2インチ)以上の大きさを有するのが好ましく、より好ましくは直径100mm(4インチ)以上であり、さらに好ましくは直径200mm(8インチ)以上である。   The free-standing substrate preferably has a size of at least 50.8 mm (2 inches) in diameter, more preferably at least 100 mm (4 inches) in diameter, and even more preferably at least 200 mm (8 inches) in diameter.

本発明の自立基板を用いた発光素子の構造やその作製方法は特に限定されるものではない。典型的には、発光素子は、自立基板に発光機能層を設けることにより作製され、この発光機能層の形成は、自立基板の結晶方位に概ね倣った結晶方位を有するように、略法線方向に単結晶構造を有する多数の半導体単結晶粒子で構成される層を一つ以上形成するのが好ましい。   The structure of a light-emitting element using the self-standing substrate of the present invention and a method for manufacturing the light-emitting element are not particularly limited. Typically, a light-emitting element is manufactured by providing a light-emitting functional layer on a self-supporting substrate, and the formation of the light-emitting functional layer is performed in a direction substantially normal to the self-standing substrate so as to have a crystal orientation substantially similar to that of the self-standing substrate. It is preferable to form at least one layer composed of a large number of semiconductor single crystal particles having a single crystal structure.

本発明の自立基板は、上述した発光素子のみならず、各種電子デバイス、パワーデバイス、受光素子、太陽電池等の種々の用途に好ましく利用することができる。   The self-standing substrate of the present invention can be preferably used not only for the above-described light emitting element but also for various uses such as various electronic devices, power devices, light receiving elements, and solar cells.

( 実施例1)
図2〜4を参照しつつ説明した方法に従い、c軸方向に配向したGaNからなる自立基板(配向GaN自立基板)を得た。
(c軸に配向した配向アルミナ焼結体からなる基板の作製)
原料として、板状アルミナ粉末(キンセイマテック株式会社製、グレード00610)を用意した。板状アルミナ粒子100重量部に対し、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)7重量部と、可塑剤(DOP:ジ(2−エチルヘキシル)フタレート、黒金化成株式会社製)3.5重量部と、分散剤(レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部と、分散媒(2−エチルヘキサノール)を混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。上記のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。得られたテープを直径50.8mm(2インチ)の円形に切断した後150枚積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、真空パックを行った。この真空パックを85℃の温水中で、100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、円盤状の成形体を得た。
(Example 1)
According to the method described with reference to FIGS. 2 to 4, a free-standing substrate (oriented GaN free-standing substrate) made of GaN oriented in the c-axis direction was obtained.
(Production of Substrate Consisting of Oriented Alumina Sintered with c-Axis)
As a raw material, a plate-like alumina powder (grade 00110, manufactured by Kinsei Matech Co., Ltd.) was prepared. 7 parts by weight of a binder (polyvinyl butyral: product number BM-2, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) and a plasticizer (DOP: di (2-ethylhexyl) phthalate, Kurokin Chemical Co., Ltd.) are added to 100 parts by weight of the plate-like alumina particles. 3.5 parts by weight), 2 parts by weight of a dispersant (Reodol SP-O30, manufactured by Kao Corporation) and a dispersion medium (2-ethylhexanol) were mixed. The amount of the dispersion medium was adjusted so that the slurry viscosity became 20,000 cP. The slurry prepared as described above was formed into a sheet shape on a PET film by a doctor blade method so that the thickness after drying was 20 μm. The obtained tape was cut into a circular shape having a diameter of 50.8 mm (2 inches), and thereafter, 150 sheets were laminated, placed on an Al plate having a thickness of 10 mm, and vacuum-packed. The vacuum pack was subjected to isostatic pressing in hot water of 85 ° C. at a pressure of 100 kgf / cm 2 to obtain a disk-shaped compact.

得られた成形体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中1600℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成した。得られた焼結体を熱間当方圧加圧法(HIP)にてアルゴン中1700℃で2時間、ガス圧1500kgf/cm2の条件で再度焼成した。   The obtained molded body was placed in a degreasing furnace and degreased at 600 ° C. for 10 hours. The obtained degreased body was fired in a nitrogen press at 1600 ° C. for 4 hours under a surface pressure of 200 kgf / cm 2 using a graphite mold. The obtained sintered body was fired again in argon at 1700 ° C. for 2 hours under a gas pressure of 1500 kgf / cm 2 by a hot isostatic pressing method (HIP).

このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて#2000まで研削して表面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、表面を平滑化し、直径50.8mm(2インチ)、厚さ400μmの配向アルミナ焼結体からなる基板1を得た。砥粒のサイズを3μmから0.5μmまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の表面粗さRaは0.5nmであった。   The sintered body thus obtained was fixed on a ceramic surface plate, and ground to # 2000 using a grindstone to flatten the surface. Next, the surface was smoothed by lapping using diamond abrasive grains to obtain a substrate 1 made of oriented alumina sintered body having a diameter of 50.8 mm (2 inches) and a thickness of 400 μm. The flatness was improved while the size of the abrasive grains was gradually reduced from 3 μm to 0.5 μm. The surface roughness Ra after processing was 0.5 nm.

(配向アルミナ焼結体からなる基板の評価)
配向アルミナ焼結体からなる基板をEBSD法により測定した。すなわち、電子線後方散乱回折(EBSD)装置(TSLソリューションズ製、OIM)を取り付けたSEM(日本電子製、JSM−7001F)にて配向アルミナ焼結体からなる基板の加工面を500μm×500μmの視野で観察した。このEBSD測定の諸条件は以下のとおりとした。
<EBSD測定条件>
・加速電圧:15kV
・試料傾斜角:70°
・ステップ幅:1.5μm
(Evaluation of substrate made of oriented alumina sintered body)
The substrate made of the oriented alumina sintered body was measured by the EBSD method. That is, a processed surface of a substrate made of an oriented alumina sintered body was viewed in a 500 μm × 500 μm field by an SEM (JSM-7001F, manufactured by JEOL Ltd.) equipped with an electron backscatter diffraction (EBSD) device (OIM, manufactured by TSL Solutions). Was observed. Various conditions for this EBSD measurement were as follows.
<EBSD measurement conditions>
・ Acceleration voltage: 15 kV
・ Sample tilt angle: 70 °
・ Step width: 1.5 μm

EBSD法による測定結果から、表面構成粒子のc軸の傾斜角の頻度分布、平均傾斜角および平均粒径を計算した。なお、この計算には、解析ソフトOIM Data Analysisを用いた。   From the measurement result by the EBSD method, the frequency distribution of the inclination angle of the c-axis of the surface constituent particles, the average inclination angle, and the average particle diameter were calculated. In this calculation, analysis software OIM Data Analysis was used.

配向アルミナ焼結体からなる基板を構成する各粒子は概ねc軸が基板の法線方向に配向していた。また、表面を構成する各粒子の傾斜角はガウス分布に近似した頻度分布であり、その平均傾斜角は6°であった。また、平均粒径は40μmが得られた。   Each particle constituting the substrate made of the oriented alumina sintered body had a substantially c-axis oriented in the normal direction of the substrate. The inclination angle of each particle constituting the surface was a frequency distribution approximating a Gaussian distribution, and the average inclination angle was 6 °. Further, an average particle size of 40 μm was obtained.

(13族元素窒化物膜の成膜と昇華)
この配向アルミナ焼結体からなる基板11をMOCVD炉内サセプタに載せ、水素雰囲気中で温度を1200℃まで上げて水素雰囲気中でクリーニング処理を行った後、500℃まで温度を低下させ、水素ガスをキャリアガスとして、TMG(トリメチルガリウム)とアンモニアとを原料とし、13族元素窒化物膜15、16としてGaN層を、設計膜厚8nm相当分形成した。その後、TMGとアンモニアガスの供給を停止し、水素をキャリアガスとして基板温度を1100℃まで上げ、5分間その状態で待機し、13族元素窒化物膜15を昇華によって消失させた。
(Formation and sublimation of Group 13 element nitride film)
The substrate 11 made of the oriented alumina sintered body is placed on a susceptor in a MOCVD furnace, the temperature is increased to 1200 ° C. in a hydrogen atmosphere, and a cleaning process is performed in a hydrogen atmosphere. Was used as a carrier gas, and TMG (trimethyl gallium) and ammonia were used as raw materials, and GaN layers were formed as Group 13 element nitride films 15 and 16 to a design film thickness of 8 nm. Thereafter, the supply of TMG and ammonia gas was stopped, the substrate temperature was raised to 1100 ° C. using hydrogen as a carrier gas, and the system was kept on standby for 5 minutes, and the group 13 element nitride film 15 was eliminated by sublimation.

次いで、表面14a上に残留した13族元素窒化物膜16をバッファ層として用い、水素ガスと窒素ガスをキャリアガスとし、TMGとアンモニアとを原料とし、シランガスをドーパントとして、n型GaN層を設計膜厚2μmの厚さ相当形成し、図3(b)に示す種結晶基板22を作製した。   Next, an n-type GaN layer is designed using the group 13 element nitride film 16 remaining on the surface 14a as a buffer layer, hydrogen gas and nitrogen gas as carrier gases, TMG and ammonia as raw materials, and silane gas as a dopant. A seed crystal substrate 22 shown in FIG. 3B was formed by forming a film having a thickness of 2 μm.

作製した種結晶基板をMOCVD炉から取出し、表面をレーザー顕微鏡で観察したところ、図5のように平坦基板上に多数の粒子が形成されており、図5中に示した矢印間にて断面形状を取得した結果、粒子の高さは、約3μm であった。また、種結晶基板の表面をEBSD法を用いて観察しGaNおよびアルミナの相マップを作成したところ、平坦部はGaNが形成されておらず、アルミナが露出したものであり、粒子は島状にGaN層17が形成されたものであることが確認された(図6)。   The prepared seed crystal substrate was taken out from the MOCVD furnace, and the surface was observed with a laser microscope. As shown in FIG. 5, a large number of particles were formed on the flat substrate, and the cross-sectional shape was defined between the arrows shown in FIG. As a result, the height of the particles was about 3 μm. When the surface of the seed crystal substrate was observed using the EBSD method and a phase map of GaN and alumina was created, GaN was not formed in the flat portion, alumina was exposed, and the particles were in an island shape. It was confirmed that the GaN layer 17 was formed (FIG. 6).

GaNおよびアルミナ上の各粒子について、EBSD法による測定により平均傾斜角を算出した結果、図6におけるGaN粒子の平均傾斜角は3°であり、GaN層17の間から露出するアルミナ粒子の平均傾斜角は8°であった。GaN層の形成された箇所では、アルミナ粒子がGaN層に覆われていたため、アルミナ粒子の傾斜角を測定出来なかったが、配向アルミナ基板上にGaN層が成長するときはエピタキシャル成長であり、GaN層の傾斜角はアルミナ粒子の傾斜角とほぼ同じとなることから、平均傾斜角が3°程度のアルミナ粒子上に平均傾斜角3°程度のGaN層が形成されたものと考えられる。この一方、平均傾斜角8°のアルミナ粒子上に成膜された13族元素窒化物膜15は昇華によって消失したものと考えられる。   As a result of calculating the average inclination angle of each particle on GaN and alumina by the EBSD method, the average inclination angle of the GaN particles in FIG. 6 is 3 °, and the average inclination angle of the alumina particles exposed from between the GaN layers 17 is 3 °. The angle was 8 °. At the position where the GaN layer was formed, the inclination angle of the alumina particles could not be measured because the alumina particles were covered by the GaN layer. However, when the GaN layer was grown on the oriented alumina substrate, the growth was epitaxial growth. Is almost the same as the inclination angle of the alumina particles, it is considered that a GaN layer having an average inclination angle of about 3 ° was formed on alumina particles having an average inclination angle of about 3 °. On the other hand, it is considered that the group 13 element nitride film 15 formed on the alumina particles having an average inclination angle of 8 ° disappeared by sublimation.

(GaN結晶の育成)
島状のGaN層が設けられた種結晶基板22の上に、GaN結晶19をフラックス法により厚膜成長させた。アルミナ坩堝に20gの金属Gaと、40gの金属Naとを充填する。さらに、このアルミナ坩堝を耐熱金属製の育成容器に入れて密閉する。炉内温度を850℃とし、窒素ガスを導入して炉内圧力を4MPaとした。耐熱・耐圧の結晶育成炉内において、該育成容器を、水平回転させながら20時間保持することによって、種結晶基板22上にGaN結晶19を約500μmの厚みに成長させた。室温まで冷却した後、アルミナ坩堝内からGaN結晶が成長した基板を取り出した。
(Growth of GaN crystal)
On the seed crystal substrate 22 provided with the island-shaped GaN layer, a GaN crystal 19 was grown in a thick film by a flux method. An alumina crucible is filled with 20 g of metal Ga and 40 g of metal Na. Further, this alumina crucible is placed in a growth container made of a heat-resistant metal and hermetically sealed. The furnace temperature was set to 850 ° C., and nitrogen gas was introduced to set the furnace pressure to 4 MPa. The GaN crystal 19 was grown on the seed crystal substrate 22 to a thickness of about 500 μm by holding the growth container horizontally for 20 hours in a heat and pressure resistant crystal growth furnace. After cooling to room temperature, the substrate on which the GaN crystal had grown was taken out of the alumina crucible.

取り出した厚膜GaN結晶の表面および裏面(剥離面)を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することで平坦化し、300μmの厚みとなるようにし、レーザーリフトオフ法により配向アルミナ基板と厚膜GaN結晶を分離することにより、配向GaN自立基板を得た。自立基板にはクラックや割れは見られなかった。また、自立基板の表面をEBSD法により測定したところ、平均傾斜角は3°、断面平均径は80μmが得られた。   The surface and the back surface (peeled surface) of the removed thick-film GaN crystal are flattened by polishing using diamond abrasive grains to have a thickness of 300 μm, and the oriented alumina substrate and the thick-film GaN crystal are separated by a laser lift-off method. By separation, an oriented GaN free-standing substrate was obtained. No cracks or cracks were found on the freestanding substrate. When the surface of the self-standing substrate was measured by the EBSD method, the average inclination angle was 3 ° and the average cross-sectional diameter was 80 μm.

( 実施例2)
実施例1におけるGaNからなる13族元素窒化物膜15、16の設計膜厚を4nmに変更した。これ以外は実施例1と同様にして種結晶基板22を作製した。
(Example 2)
The designed film thickness of the group 13 element nitride films 15 and 16 made of GaN in Example 1 was changed to 4 nm. Except for this, the seed crystal substrate 22 was produced in the same manner as in Example 1.

得られた種結晶基板の表面をレーザー顕微鏡により観察したところ、図7のように平坦基板上に多数の粒子が形成されており、図7中に示した矢印間にて断面形状を取得した結果、粒子の高さは約6μm であった。また、種結晶基板の表面をEBSD法を用いて観察しGaNおよびアルミナの相マップを作成したところ、平坦部にはGaNが形成されておらずアルミナ粒子が露出しており、粒子は島状にGaN層17が形成されたものであることが確認された(図8)。   When the surface of the obtained seed crystal substrate was observed with a laser microscope, a large number of particles were formed on the flat substrate as shown in FIG. 7, and the result of obtaining the cross-sectional shape between the arrows shown in FIG. The height of the particles was about 6 μm. When the surface of the seed crystal substrate was observed using the EBSD method and a phase map of GaN and alumina was created, GaN was not formed on the flat portion and the alumina particles were exposed, and the particles became island-shaped. It was confirmed that the GaN layer 17 was formed (FIG. 8).

次いで、実施例1と同様の手法にて、フラックス法により、配向GaN自立基板を300μm厚に作製したところ、自立基板に割れやクラックは見られなかった。自立基板の表面をEBSD法により測定したところ、平均傾斜角は2°、断面平均径は120μmが得られた。   Next, when a free-standing oriented GaN substrate was formed to a thickness of 300 μm by the flux method in the same manner as in Example 1, no cracks or cracks were found in the free-standing substrate. When the surface of the self-supporting substrate was measured by the EBSD method, the average inclination angle was 2 ° and the average cross-sectional diameter was 120 μm.

( 実施例3)
実施例1における13族元素窒化物膜15、16をInGaNによって形成した。
配向アルミナ焼結体からなる基板には、直径2インチ、厚さ400μm、表面粗さRa0.5nm、平均傾斜角6°、平均粒径40μmの基板を用意した。
この配向アルミナ焼結体からなる基板をMOCVD炉内サセプタに載せ、水素雰囲気中で基板温度を1200℃まで上げて水素雰囲気中でクリーニング処理を行った後、700℃まで温度を低下させ、窒素ガスをキャリアガスとし、TMGとTMI(トリメチルインジウム)とアンモニアとを原料として、13族元素窒化物膜15、16としてInGaN層を設計膜厚で10nm形成した。その後、水素をキャリアガスとして基板温度を1100℃まで上げ、15分その状態で待機し、InGaNからなる13族元素窒化物膜15を昇華によって消失させた。次いで、表面14a上に残留したInGaN層を13族元素窒化物膜16として用い、TMGとアンモニアとを原料としシランガスをドーパントにしてn型GaN層を2 μmの厚さに成長させ、種結晶基板22を作製した。
(Example 3)
Group 13 element nitride films 15 and 16 in Example 1 were formed of InGaN.
As a substrate made of an oriented alumina sintered body, a substrate having a diameter of 2 inches, a thickness of 400 μm, a surface roughness Ra of 0.5 nm, an average inclination angle of 6 °, and an average particle size of 40 μm was prepared.
The substrate made of the oriented alumina sintered body is placed on a susceptor in a MOCVD furnace, the substrate temperature is increased to 1200 ° C. in a hydrogen atmosphere, and a cleaning process is performed in a hydrogen atmosphere. Was used as a carrier gas, and TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia were used as raw materials, and an InGaN layer having a designed thickness of 10 nm was formed as the group 13 element nitride films 15 and 16. Thereafter, the substrate temperature was raised to 1100 ° C. using hydrogen as a carrier gas, and the system was kept on standby for 15 minutes, and the Group 13 element nitride film 15 made of InGaN was eliminated by sublimation. Next, using the InGaN layer remaining on the surface 14a as the group 13 element nitride film 16, an n-type GaN layer is grown to a thickness of 2 μm using TMG and ammonia as raw materials and silane gas as a dopant to form a seed crystal substrate. No. 22 was produced.

得られた種結晶基板22を用い、実施例1と同様の手法により配向GaN自立基板を作製した。その表面の平均傾斜角は2°であった。また、自立基板に割れやクラックは見られなかった。   Using the seed crystal substrate 22 thus obtained, an oriented GaN free-standing substrate was manufactured in the same manner as in Example 1. The average inclination angle of the surface was 2 °. No cracks or cracks were found on the freestanding substrate.

このように、本発明により、配向GaN自立基板の平均傾斜角を低減することが可能となり、その上にLED構造を形成したときに発光スペクトルの波長半値幅を低減することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the average inclination angle of the oriented GaN free-standing substrate, and it is possible to reduce the wavelength half width of the emission spectrum when an LED structure is formed thereon.

Claims (13)

傾斜角が相対的に大きい単結晶粒子と前記傾斜角が相対的に小さい単結晶粒子を有する配向多結晶焼結体上に、13族元素窒化物からなり、結晶育成面を有する種結晶層を設け、この際前記結晶育成面から凹んだ凹部を設け、前記凹部から前記配向多結晶焼結体の表面を露出させるのに際して、前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子上に前記種結晶層を設け、前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子を前記凹部から露出させる工程;および
前記結晶育成面上に13族元素窒化物結晶を育成する工程
を有することを特徴とする、13族元素窒化物結晶の製造方法。
A seed crystal layer made of a Group 13 element nitride and having a crystal growth surface is formed on an oriented polycrystalline sintered body having a single crystal particle having a relatively large inclination angle and a single crystal particle having a relatively small inclination angle. Providing, at this time, a concave portion depressed from the crystal growth surface, and when exposing the surface of the oriented polycrystalline sintered body from the concave portion, the seed crystal is formed on the single crystal particles having a relatively small inclination angle. characterized by having a step of growing a and on the crystal growth surface group 13 element nitride crystal; the layer is provided, the inclination angle is relatively large the single crystal particles Ru is exposed from the recess step A method for producing a Group 13 element nitride crystal.
前記配向多結晶焼結体の前記表面に13族元素窒化物膜を設け、この際前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子上で前記13族元素窒化物膜が厚く、前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子上で前記13族元素窒化物膜が薄くなる工程、
前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子上で前記13族元素窒化物膜を除去することによって、バッファ層を設けるとともに前記バッファ層の間に前記配向多結晶焼結体の前記表面を露出させる工程;および
前記バッファ層上に前記種結晶層を設ける工程
を有することを特徴とする、請求項1記載の方法
A group 13 element nitride film is provided on the surface of the oriented polycrystalline sintered body, and at this time, the group 13 element nitride film is thick on the single crystal particles having a relatively small inclination angle, and the inclination angle is small. Thinning the group 13 element nitride film on the relatively large single crystal particles;
By removing the group 13 element nitride film on the single crystal particles having a relatively large tilt angle, a buffer layer is provided and the surface of the oriented polycrystalline sintered body is exposed between the buffer layers. Causing; and
Providing the seed crystal layer on the buffer layer
The method of claim 1, comprising:
前記配向多結晶焼結体および前記13族元素窒化物膜を還元雰囲気下に加熱することによって、前記13族元素窒化物膜の一部を昇華によって消失させ、前記バッファ層を設けるとともに前記バッファ層の間に前記配向多結晶焼結体の前記表面を露出させることを特徴とする、請求項記載の方法。 By heating the oriented polycrystalline sintered body and the group 13 element nitride film under a reducing atmosphere, a part of the group 13 element nitride film is eliminated by sublimation, and the buffer layer is provided. 3. The method according to claim 2 , wherein the surface of the oriented polycrystalline sintered body is exposed during the step. 前記還元雰囲気が、水素を含む雰囲気であることを特徴とする、請求項記載の方法。 The method according to claim 3 , wherein the reducing atmosphere is an atmosphere containing hydrogen. 前記13族元素窒化物結晶の表面における平均傾斜角を、前記配向多結晶焼結体の前記表面における平均傾斜角よりも低減することを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の方法。 The average tilt angle on the surface of the group 13 element nitride crystal is made smaller than the average tilt angle on the surface of the oriented polycrystalline sintered body, The method according to any one of claims 1 to 4 , wherein The method described in the section. 前記13族元素窒化物結晶を前記配向多結晶焼結体から分離することによって、前記13族元素窒化物結晶を含む自立基板を得ることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の方法。 The self-standing substrate containing the Group 13 element nitride crystal is obtained by separating the Group 13 element nitride crystal from the oriented polycrystalline sintered body, The method according to any one of Claims 1 to 5 , The method according to claim. 前記配向多結晶焼結体側からレーザー光を照射することによって前記配向多結晶焼結体と前記13族元素窒化物結晶とを分離することを特徴とする、請求項記載の方法。 The method according to claim 6 , wherein the oriented polycrystalline sintered body and the group 13 element nitride crystal are separated by irradiating a laser beam from the oriented polycrystalline sintered body side. 前記13族元素窒化物膜が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムまたはこれらの混晶からなることを特徴とする、請求項2、3または4記載の方法。 5. The method according to claim 2 , wherein the Group 13 element nitride film is made of gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, or a mixed crystal thereof . 前記13族元素窒化物膜が、窒化ガリウムインジウムからなることを特徴とする、請求項記載の方法。 9. The method according to claim 8 , wherein said Group 13 element nitride film comprises gallium indium nitride. 傾斜角が相対的に大きい単結晶粒子と前記傾斜角が相対的に小さい単結晶粒子を有する配向多結晶焼結体、および13族元素窒化物からなり、結晶育成面を有する種結晶層を備える種結晶基板であって
前記種結晶層に前記結晶育成面から凹んだ凹部が設けられており、前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子上に前記種結晶層が設けられており、前記傾斜角が相対的に大きい前記単結晶粒子が前記凹部から露出していることを特徴とする、種結晶基板。
An oriented polycrystalline sintered body having a single crystal particle having a relatively large inclination angle and a single crystal particle having a relatively small inclination angle , and a seed crystal layer comprising a group 13 element nitride and having a crystal growth surface. A seed crystal substrate ,
The seed crystal layer is provided with a concave portion that is depressed from the crystal growth surface , and the seed crystal layer is provided on the single crystal particles having a relatively small inclination angle, and the inclination angle is relatively small. A seed crystal substrate, wherein the large single crystal particles are exposed from the recess .
前記傾斜角が相対的に小さい前記単結晶粒子と前記種結晶層との間に、13族元素窒化物からなるバッファ層を有することを特徴とする、請求項10記載の種結晶基板 The seed crystal substrate according to claim 10, further comprising a buffer layer made of a Group 13 element nitride between the single crystal particle having a relatively small tilt angle and the seed crystal layer . 前記種結晶層が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムまたはこれらの混晶からなることを特徴とする、請求項10または11記載の種結晶基板。 The seed crystal substrate according to claim 10 , wherein the seed crystal layer is made of gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, or a mixed crystal thereof . 前記種結晶層の平均傾斜角が、前記配向多結晶焼結体の表面の平均傾斜角よりも低減されていることを特徴とする、請求項10〜12のいずれか一つの請求項に記載の種結晶基板。

The average tilt angle of the seed crystal layer is smaller than the average tilt angle of the surface of the oriented polycrystalline sintered body, The claim according to any one of claims 10 to 12 , wherein. Seed crystal substrate.

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