JP6900967B2 - 半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板 - Google Patents
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Description
しかしながら、T. Kawase et al., "Properties of 6-inch Semi-insulating GaAs Substrates Manufactured by Vertical Boat Method", GaAs ManTech1999, April, 1999, pp19-22(非特許文献1)に開示の半絶縁性ヒ化ガリウム基板の比抵抗は、その最大値は非特許文献1に記載されていないが、非特許文献1に記載されているグラフから読み取ると、5×107Ω・cm未満である。比抵抗が5×107Ω・cm以上に大きい半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板においては、比抵抗のミクロ分布のばらつきが基板の中心部と外周部とで大きくなり、比抵抗のミクロ分布を均一にすることが困難であり、主面のミクロ平坦性が低くなるという問題点がある。
本開示によれば、比抵抗が高くとも、主面のミクロ平坦性が高い半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板を提供できる。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。以下においては、図面を参照しながら説明するが、本明細書および図面において同一または対応する要素に同一の符号を付すものとし、それらについて同じ説明は繰り返さない。また、本明細書および図面中の(hkl)は面方位を示し、[hkl]は方位を示す。ここで、h、kおよびlは同じまたは異なる整数でありミラー指数と呼ばれる。ミラー指数の前に表される「−」は、本来数字の頭上に表されるものであり、そのミラー指数の後に「バー」と読まれる。たとえば、[0−10]は、「ゼロ・イチ・バー・ゼロ」と読まれる。
図1を参照して、本実施形態にかかる半絶縁性GaAs結晶基板11(半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板)は、面方位が(100)の直径2Rmmの主面において、上記主面の中心から[010]方向に、0mm、0.5Rmm、および(R−17)mmを中心とする3つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が5×107Ω・cm以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が0.50以下である。本実施形態の半絶縁性GaAs結晶基板11は、面方位が(100)である主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。
図1に示すように、本実施形態の半絶縁性GaAs結晶基板11は、主面の面方位が(100)である。すなわち、半絶縁性GaAs結晶基板11は、半絶縁性GaAs結晶体から、その(100)面を主面として切り出すことにより得られる。
図1に示すように、本実施形態の半絶縁性GaAs結晶基板11は、主面の中心から[010]方向に、0mm、0.5Rmm、および(R−17)mmを中心とする3つの測定領域のそれぞれについて、比抵抗の平均値が5×107Ω・cm以上であり、比抵抗の標準偏差を比抵抗の平均値で除して得られる変動係数が0.50以下である。本実施形態の半絶縁性GaAs結晶基板11は、比抵抗の上記変動係数が0.50以下であることから、主面における比抵抗のミクロ分布が均一であり、主面のミクロ平坦性が高い。
本実施形態の半絶縁性GaAs結晶基板11において、主面における比抵抗のミクロ分布を均一にする観点から、上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれについて、転位密度は、9.5×103cm-2以下が好ましく、5.5×103cm-2以下がより好ましい。
半絶縁性GaAs結晶基板の比抵抗のミクロ分布を均一化するためには、比抵抗のミクロ分布に影響を与える転位密度の分布を均一化することが重要である。半絶縁性GaAs結晶基板は、通常、[100]方向に結晶成長させた大口径の半絶縁性GaAs結晶体を(100)面およびそれに平行な面で切り出すことにより製造する。[100]方向に結晶成長させた大口径の半絶縁性GaAs結晶体においては、面方位が(100)の断面における転位密度は、その断面の中心および外周において高くなり、中心と外周との中間において低くなるという不均一な分布を有する。したがって、このような転位密度の不均一な分布を均一化する必要がある(方策I)。また、GaAs結晶の結晶学的性質から、半絶縁性GaAs結晶体の転位密度は<100>方向([010]方向ならびにこの方向に結晶学的に等価な[00−1]方向、[0−10]方向および[001]方向の4方向の総称)で高くなりやすい。そのため、<100>方向における転位密度を低くする必要がある(方策II)。さらに、上記転位密度の不均一な分布を均一化する(方策I)とともに、<100>方向における転位密度を低くする(方策II)ことが好ましい(方策III)。
図3に、半絶縁性GaAs結晶体の製造に用いられる装置の第1例を示す。図3(A)は装置の概略上面図であり、図3(B)は装置の概略側断面図である。上記の転位密度の不均一な分布は、半絶縁性GaAs結晶体10の結晶成長の際に、半絶縁性GaAs結晶体10とGaAs原料融液4との固液界面からの下方の放熱が減少することに由来するものと考えられる。すなわち、固液界面からの下方への放熱は、固液界面が上昇することにより、GaAs原料融液4からステージ(坩堝を支持するために坩堝下方に位置する台をいう、図示せず)への直接的な放熱から、GaAs原料融液4から半絶縁性GaAs結晶体10を介在したステージへの間接的な放熱に変化するため、減少する。しかし、従来の半絶縁性GaAs結晶体の製造方法においては、図3に示すような断熱材3が配置されていないため、結晶成長用坩堝2の側面側に配置されたヒータ(図示せず。)からの加熱は、固液界面が上昇しても変化しない。このため、従来の半絶縁性GaAs結晶体の製造方法においては、固液界面の上昇に伴って下方への放熱が小さくなるため、側面からの入熱が一定のままでは、固液界面の液相側からの入熱と、固相側からの放熱の熱収支が変わってしまい、固液界面相対位置や形状の変化による熱応力が発生して転位密度の分布を不均一にする。第1例は、方策Iとして、上記の熱収支の変化を抑制することにより転位密度の分布を均一化するために、結晶成長用坩堝2とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝2の側面外周の周りに、テーパ付の断熱材3を配置する。
図4に、半絶縁性GaAs結晶体の製造に用いられる装置の第2例を示す。図4(A)は装置の概略上面図であり、図4(B)は装置の概略側断面図である。半絶縁性GaAs結晶体10中の転位は熱応力により発生するものと考えられることから、半絶縁性GaAs結晶体10の<100>方向における転位密度を低くするために、半絶縁性GaAs結晶体10の<100>方向の温度差を小さくする必要がある。このため、第2例は、方策IIとして、結晶成長用坩堝2とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝2の側面外周の周りに、半絶縁性GaAs結晶体10の<100>方向([010]方向を含む結晶学的に等価な4方向、具体的には、[010]方向、[00−1]方向、[0−10]方向および[001]方向を意味する。以下同じ。)に断熱性が高い部分を有する断熱材3を配置する。
図5に、半絶縁性GaAs結晶体の製造に用いられる装置の第3例を示す。図5(A)は装置の概略上面図であり、図5(B)は装置の概略側断面図である。第3例は、上記方策Iおよび方策IIを組み合わせた方策IIIとして、結晶成長用坩堝2とヒータとの間に、具体的には結晶成長用坩堝2の側面外周の周りに、半絶縁性GaAs結晶体10の<100>方向に断熱性が高い部分を有するテーパ付の断熱材3を配置する。
<半絶縁性GaAs結晶基板の製造>
実施例Iにおいては、図3に示す装置を用いて、直径150mmの大口径のカーボンをドープした半絶縁性GaAs結晶体10を垂直ボート法により成長させた。断熱材3は、筒状形状を有し、GaAs種結晶SC側(以下、シード側ともいう。)に対応する部分に比べて半絶縁性GaAs結晶体の結晶成長面側(以下、テール側ともいう。)に対応する部分の断熱性が高くなるように、具体的にはシード側に比べてテール側の断熱材3の厚さが大きくなるように、テーパを設けた。断熱材3の材質は窒化ケイ素(Si3N4)とした。半絶縁性GaAs結晶体10の成長条件は常法とした。これにより実施例Iの半絶縁性GaAs結晶体を製造した。
上記のように製造された実施例I−1(最シード側)および実施例I−2(最テール側)の半絶縁性GaAs結晶基板の主面の上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれにおける比抵抗のミクロ分布の指標となる平均値および変動係数ならびに転位密度を上述の方法により測定し、上記3つの測定領域のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数ならびに転位密度の評価を行った。結果を表1にまとめた。
上記のようにして製造された実施例I−1(最シード側)および実施例I−2(最テール側)の半絶縁性GaAs結晶基板の主面の上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれにおける表面平坦度を測定して評価した。その測定方法は、以下のとおりとした。すなわち、実施例I−1および実施例I−2の半絶縁性GaAs結晶基板の主面をミラー加工した。上記中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2のそれぞれの中心を中心とする20mm角の範囲について、各20mm角領域における平坦度測定器(コーニング・トロペル社ウルトラソート6220)を用いて、LTV(Local Thickness Variation)測定を行なった。結果を表1にまとめた。
<半絶縁性GaAs結晶基板の製造>
実施例IIにおいては、図4に示す装置を用いて、直径150mmの大口径のカーボンをドープした半絶縁性GaAs結晶体10を垂直ブリッジマン法により成長させた。断熱材3は、第1材料3aと、第1材料3aよりも断熱性の高い(すなわち、熱伝導率の低い)材質からなる第2材料3bと、を周方向に45°ずつ交互に並べることより形成されている円筒形状を有し、第1材料3aの材質をカーボンとし、第2材料3bの材質を窒化ケイ素(Si3N4)とした。また、断熱材3は、結晶成長用坩堝2において[100]方向に結晶成長する半絶縁性GaAs結晶体10の<110>方向に第1材料3aの中心軸が位置し、<100>方向に第2材料3bの中心軸が位置するように配置した。これにより実施例IIの半絶縁性GaAs結晶体を製造した。
上記のように製造された実施例II−1(最シード側)および実施例II−2(最テール側)の半絶縁性GaAs結晶基板の主面の上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Iと同様にして評価した。結果を表1にまとめた。
<半絶縁性GaAs結晶基板の製造>
実施例IIIにおいては、図5に示す装置を用いて、直径150mmの大口径のカーボンをドープした半絶縁性GaAs結晶体10を垂直ブリッジマン法により成長させた。断熱材3は、筒状形状を有し、GaAs種結晶SC側(以下、シード側ともいう。)に対応する部分に比べて半絶縁性GaAs結晶体の結晶成長面側(以下、テール側ともいう。)に対応する部分の断熱性が高くなるように、具体的にはシード側に比べてテール側の断熱材3の厚さが大きくなるように、テーパを設けた。また、断熱材3は、第1材料3aと、第1材料3aよりも断熱性の高い(すなわち、熱伝導率の低い)材質からなる第2材料3bと、を周方向に45°ずつ交互に並べることより形成されており、第1材料3aの材質をカーボンとし、第2材料3bの材質を窒化ケイ素(Si3N4)とした。また、断熱材3は、結晶成長用坩堝2において[100]方向に結晶成長する半絶縁性GaAs結晶体10の<110>方向に第1材料3aの中心軸が位置し、<100>方向に第2材料3bの中心軸が位置するように配置した。これにより実施例IIIの半絶縁性GaAs結晶体を製造した。
上記のように製造された実施例III−1(最シード側)および実施例III−2(最テール側)の半絶縁性GaAs結晶基板の主面の上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Iと同様にして評価した。結果を表1にまとめた。
断熱材を用いなかったこと以外は、実施例Iと同様にして比較例Iの半絶縁性GaAs結晶体を製造した。製造された比較例Iの半絶縁性GaAs結晶体から実施例Iと同様に切り出すことにより、厚さ600μmの複数の半絶縁性GaAs結晶基板を製造した。製造された複数の半絶縁性GaAs結晶基板のうち、半絶縁性GaAs結晶体10の最シード側に対応する部分から得られた半絶縁性GaAs結晶基板を比較例I−1の半絶縁性GaAs結晶基板とし、半絶縁性GaAs結晶体10の最テール側に対応する部分から得られた半絶縁性GaAs結晶基板を比較例I−2の半絶縁性GaAs結晶基板とした。製造された比較例I−1(最シード側)および比較例I−2(最テール側)の半絶縁性GaAs結晶基板の主面の上記3つの測定領域(中心部測定領域F0、中間部測定領域F1および外周部測定領域F2)のそれぞれにおける比抵抗の平均値および変動係数、転位密度、ならびに表面平坦度を実施例Iと同様にして評価した。結果を表1にまとめた。
Claims (3)
- 面方位が(100)の直径2Rmmの主面において、
前記主面の中心から[010]方向に、0mm、0.5Rmm、および(R−17)mmの距離の点を中心とする3つの測定領域のそれぞれについて、
前記測定領域の中心から[010]方向に−5mmから+5mmの距離の範囲に亘って100μmピッチの101点で比抵抗の測定を行い、前記101点における前記比抵抗の測定値から算出される前記比抵抗の平均値が5×10 7 Ω・cm以上であり、
450℃の溶融水酸化カリウム中で20分間エッチングしたときに形成されるエッチピットの各前記測定領域の中心の1mm角内の密度として算出される転位密度が9.5×103cm-2以下であり、
各前記測定領域の中心の2mm角領域における表面平坦度が0.8μm以下である、半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。 - 前記主面の直径2Rmmが150mm以上である、請求項1に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。
- 前記転位密度が5.5×103cm-2以下であり、
前記表面平坦度が0.5μm以下である、請求項1または請求項2に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム結晶基板。
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