JP6916719B2 - Method for producing Group III nitride single crystal laminate and Group III nitride single crystal laminate - Google Patents

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本発明は、発光ダイオード(LED)などの光デバイスの製造に用いるIII族窒化物単結晶積層体の製造方法及びIII族窒化物単結晶積層体に関する。特に、積層体外縁部における多結晶体の形成を抑制しつつ、高い成長速度で歩留まり良く積層体を製造するための窒化アルミニウム単結晶積層体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a Group III nitride single crystal laminate used for producing an optical device such as a light emitting diode (LED), and a Group III nitride single crystal laminate. In particular, the present invention relates to a method for producing an aluminum nitride single crystal laminate for producing a laminate with a high growth rate and a high yield while suppressing the formation of a polycrystalline body at the outer edge of the laminate.

III族窒化物半導体(AlGaInN、X+Y+Z=1、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1)は、直接遷移型のバンド構造を持つため、高効率な発光素子の作製が可能である。このようなIII族窒化物半導体デバイスは、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等の気相成長法によって、単結晶基板上にIII族窒化物半導体薄膜を結晶成長させることにより製造される。中でも、MOCVD法は、原子層レベルでの膜厚制御が可能であり、また比較的高い成長速度が得られることから、工業的には現在最も多く用いられている手法である。 Group III nitride semiconductors (Al X Ga Y In Z N, X + Y + Z = 1, 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1) have a direct transition type band structure and are therefore highly efficient. It is possible to manufacture a light emitting element. Such a group III nitride semiconductor device is formed on a single crystal substrate by a gas phase growth method such as a metalorganic vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. It is produced by crystal growth of a group III nitride semiconductor thin film. Among them, the MOCVD method is the most widely used method in the industry at present because the film thickness can be controlled at the atomic layer level and a relatively high growth rate can be obtained.

また、III族窒化物半導体薄膜を結晶成長させる単結晶基板としては、昇華(PVT:Physical Vapor Transport)法やハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の公知の結晶成長方法で得られた窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)等のIII族窒化物単結晶基板が用いられている。PVT法は、固体のIII族窒化物を高温で昇華させることで発生したIII族金属ガス(例えば、アルミニウムガス)と窒素ガスを低温のベース基板上に供給し、III族窒化物単結晶を析出させることで成長させる方法である(特許文献1参照)。高い成長速度で厚膜を成長することが可能であるというメリットがある。一方、HVPE法は、ベース基板上で、III族ハロゲン化物ガス(例えば、塩化アルミニウムガス)と窒素源ガス(例えば、アンモニアガス)とを反応させて、単結晶を製造する方法であり、PVT法に比べて成長速度は遅いものの、不純物濃度の低い単結晶を製造できるメリットがある。この両者が半導体デバイス用単結晶ベース基板の製造方法として多く用いられている(特許文献2参照)。 Further, as a single crystal substrate for crystal growth of a group III nitride semiconductor thin film, a known crystal growth method such as a sublimation (PVT: Physical Vapor Transport) method or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method can be used. Group III nitride single crystal substrates such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN) have been used. In the PVT method, a group III metal gas (for example, aluminum gas) and nitrogen gas generated by sublimating a solid group III nitride at a high temperature are supplied onto a low temperature base substrate to precipitate a group III nitride single crystal. It is a method of growing by letting (see Patent Document 1). It has the advantage that it is possible to grow a thick film at a high growth rate. On the other hand, the HVPE method is a method for producing a single crystal by reacting a Group III halide gas (for example, aluminum chloride gas) with a nitrogen source gas (for example, ammonia gas) on a base substrate, and is a PVT method. Although the growth rate is slower than that of the above, there is an advantage that a single crystal having a low impurity concentration can be produced. Both of these are often used as methods for manufacturing a single crystal base substrate for a semiconductor device (see Patent Document 2).

GaNやAlN等のIII族窒化物単結晶は、六方晶系のウルツ鉱型構造をとり、各種の結晶面を形成することが知られている。例えば、極性面である{0001}面(+c面、−c面)、非極性面である{10−10}面(m面)や{11−20}面(a面)、半極性面である{1−102}面(r面)が存在する。極性とは、原子配列の方向性を示すものである。III族窒化物単結晶において、{0001}面はIII族金属極性(例えばAlN単結晶の場合はアルミニウム極性)である(0001)面(+c面)と、その反対側の面であり、窒素極性面である(000−1)面(−c面)を含む。具体的には、III族金属原子から垂直上側に窒素原子を配置する結晶をIII族金属極性といい、反対に窒素原子から垂直上側にIII族金属原子を配置する結晶を窒素極性という。(0001)面とその反対側の(000−1)面は異なる特性をもつ。 Group III nitride single crystals such as GaN and AlN are known to have a hexagonal wurtzite structure and form various crystal planes. For example, polar planes {0001} plane (+ c plane, -c plane), non-polar planes {10-10} plane (m plane), {11-20} plane (a plane), and semi-polar plane. There is a {1-102} plane (r plane). Polarity indicates the directionality of the atomic arrangement. In a group III nitride single crystal, the {0001} plane is a (0001) plane (+ c plane) having a group III metal polarity (for example, an aluminum polarity in the case of an AlN single crystal) and a plane on the opposite side thereof, and has a nitrogen polarity. Includes (000-1) plane (-c plane) which is a plane. Specifically, a crystal in which a nitrogen atom is arranged vertically above the group III metal atom is called a group III metal polarity, and a crystal in which a group III metal atom is arranged vertically above the nitrogen atom is called a nitrogen polarity. The (0001) plane and the (000-1) plane on the opposite side have different characteristics.

例えば、AlN単結晶のアルミニウム極性面においては、表面に現れる1つの窒素原子が1つのアルミニウム原子と結合しており、窒素極性面においては、表面に現れる1つの窒素原子が3つのアルミニウム原子と結合している。窒素極性面上にIII族窒化物半導体を成長する場合、成長中に飛来するIII族原子に対して窒素原子の結合手が1本しかないため結合力が弱くなることから成長速度が遅い。また、同様の理由からIII族空孔などを形成しやすく、アルミニウム極性面上にIII族窒化物半導体層を成長する場合に比べて結晶品質が劣る場合がある。 For example, on the aluminum polar surface of an AlN single crystal, one nitrogen atom appearing on the surface is bonded to one aluminum atom, and on the nitrogen polar surface, one nitrogen atom appearing on the surface is bonded to three aluminum atoms. is doing. When a group III nitride semiconductor is grown on a polar surface of nitrogen, the growth rate is slow because the bonding force is weakened because there is only one bond with the group III atoms flying during the growth. Further, for the same reason, group III vacancies and the like are likely to be formed, and the crystal quality may be inferior to that in the case where the group III nitride semiconductor layer is grown on the polar surface of aluminum.

以上のことから、窒素極性面を半導体薄膜の成長面として用いることは不適となる場合があるため、一般的にはIII族金属極性面上に前記III族窒化物半導体薄膜を成長させて窒化物半導体素子が製造されている。 From the above, it may be unsuitable to use the nitrogen polar plane as the growth surface of the semiconductor thin film. Therefore, in general, the group III nitride semiconductor thin film is grown on the group III metal polar plane to nitride the nitride. Semiconductor devices are manufactured.

WO2012063853WO20102063853 特許第3803788号Patent No. 3803788 特開2013−222902号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-222902 特開2007−320849号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-320849 特許5446945号Patent No. 5446945

窒化物半導体素子を効率良く製造するためには、1枚の単結晶基板上にIII族窒化物半導体薄膜を積層させて得られたウェーハからできるだけ多くの窒化物半導体素子を切り出せることが必要であり、このため、直径の大きなIII族窒化物単結晶基板が要望されている。しかしながら、III族窒化物単結晶基板の製造にあたり、ベース基板上にIII族窒化物単結晶層を成長する際に、III族窒化物単結晶層の端部または外縁部に、III族窒化物多結晶が、単結晶層表面に対して凸状に成長する場合があることが知られている。この多結晶はクラウンと呼ばれ、成長させる単結晶層の膜厚が大きくなるほど顕著となる。クラウンとその付近の領域は、他の領域と比較して、結晶品質が悪く、半導体素子製造用基板として使用することができないため、クラウン発生部を切断した後、III族窒化物半導体薄膜を成長させる必要があり、1枚の単結晶基板から得られる素子数の低下や、クラウン発生部を切断するための工程が増加する等、生産性の点で課題があった。 In order to efficiently manufacture a nitride semiconductor device, it is necessary to be able to cut out as many nitride semiconductor devices as possible from a wafer obtained by laminating a group III nitride semiconductor thin film on a single single crystal substrate. Therefore, there is a demand for a group III nitride single crystal substrate having a large diameter. However, in the production of the Group III nitride single crystal substrate, when the Group III nitride single crystal layer is grown on the base substrate, a large amount of Group III nitride is formed at the end or the outer edge of the Group III nitride single crystal layer. It is known that crystals may grow convexly with respect to the surface of the single crystal layer. This polycrystal is called a crown, and becomes more prominent as the film thickness of the single crystal layer to be grown increases. Since the crystal quality of the crown and its vicinity is poorer than that of other regions and it cannot be used as a substrate for manufacturing semiconductor devices, a group III nitride semiconductor thin film is grown after cutting the crown generating portion. There are problems in terms of productivity, such as a decrease in the number of elements obtained from one single crystal substrate and an increase in the number of steps for cutting the crown generating portion.

さらに、III族窒化物単結晶層を厚膜化した際には、成長時間の増加に伴いクラウンが大きく発達し、基板表面への原料ガスの供給を阻害するため、クラウンに近い領域の単結晶成長速度が低下し、得られたIII族窒化物単結晶層は、中心部の膜厚に比べ、外周部の膜厚が小さくなり、面内膜厚分布が悪化するという問題もあった。特にクラウンの発生は、(0001)面のAlN単結晶層を成長させる際に顕著に起こる現象であり、膜厚の大きな(0001)面のIII族窒化物単結晶層を得る際の課題となっている。 Furthermore, when the group III nitride single crystal layer is thickened, the crown develops significantly as the growth time increases, which hinders the supply of the raw material gas to the substrate surface. Therefore, the single crystal in the region close to the crown. There is also a problem that the growth rate of the obtained group III nitride single crystal layer is reduced, the film thickness of the outer peripheral portion is smaller than that of the central portion, and the in-plane film thickness distribution is deteriorated. In particular, the generation of crowns is a phenomenon that occurs remarkably when the AlN single crystal layer on the (0001) plane is grown, and becomes a problem when obtaining the Group III nitride single crystal layer on the (0001) plane having a large film thickness. ing.

III族窒化物単結晶層を得る際のクラウン発生を抑制させる方法としてこれまで種々の方法が提案されている。例えば、特許文献3では、III族窒化物成長時のクラウン発達の抑制のため、ベース基板の外周部周囲に窒化物を含む多結晶体を配置し、該多結晶体にIII族窒化物を析出させることで基板外周部の過飽和度を下げる方法が示されている。しかし、この方法によると、クラウンの発達速度は低減できるが、周囲の多結晶体にクラウン同様の大きな凸部が発達するため、原料ガス供給の阻害を低減させることに関しては、さらなる改善の余地があった。 Various methods have been proposed so far as a method for suppressing the generation of crowns when obtaining a group III nitride single crystal layer. For example, in Patent Document 3, in order to suppress crown development during the growth of Group III nitride, a polycrystal containing a nitride is arranged around the outer periphery of the base substrate, and Group III nitride is precipitated on the polycrystal. A method of reducing the degree of supersaturation of the outer peripheral portion of the substrate is shown. However, according to this method, although the development rate of the crown can be reduced, there is room for further improvement in reducing the obstruction of the raw material gas supply because large protrusions similar to the crown develop in the surrounding polycrystalline body. there were.

また、特許文献4には、所定の深さを有する種基板収容部を有するサセプタにGaN種基板を収容して成長することにより、GaN単結晶側面におけるGaN多結晶成長を抑制できると記載されている。しかし、この場合にも、クラウンの発達速度は低減できるが、種基板収容部の角にクラウン同様の大きな凸部が発達するため、原料ガス供給の阻害を低減させることに関しては、さらなる改善の余地があった。 Further, Patent Document 4 describes that GaN polycrystal growth on the side surface of a GaN single crystal can be suppressed by accommodating a GaN seed substrate in a susceptor having a seed substrate accommodating portion having a predetermined depth and growing the GaN seed substrate. There is. However, even in this case, although the development rate of the crown can be reduced, there is room for further improvement in reducing the obstruction of the raw material gas supply because a large convex portion similar to the crown develops at the corner of the seed substrate accommodating portion. was there.

また、特許文献5では、(000−1)面を表面とし、傾斜面を有する側面を備えたベース基板を用いて成長した窒化物半導体の表面が、該ベース基板の表面より大きくなるように成長する製造方法が示されている。しかし、該方法を用いても、クラウンの発生により、表面積が大きくならない場合があった。さらに、前述したように、半導体素子製造用基板を製造する場合、表面は(0001)面であることが好ましいが、特許文献5の方法は、(0001)面上の成長には不適であった。 Further, in Patent Document 5, the surface of the nitride semiconductor grown by using the base substrate having the (000-1) surface as the surface and the side surface having the inclined surface is grown so as to be larger than the surface of the base substrate. The manufacturing method to be carried out is shown. However, even if this method is used, the surface area may not be increased due to the generation of crowns. Further, as described above, when manufacturing a substrate for manufacturing a semiconductor device, the surface is preferably a (0001) plane, but the method of Patent Document 5 is not suitable for growth on the (0001) plane. ..

すなわち本発明の目的は、(0001)面を表面としたベース基板上に、クラウンの成長が抑制され、該単結晶層の面内膜厚分布が改善されたIII族窒化物単結晶層を成長することで製造するIII族窒化物単結晶積層体の製造方法を提供することにある。 That is, an object of the present invention is to grow a group III nitride single crystal layer on a base substrate having the (0001) plane as a surface, in which the growth of the crown is suppressed and the in-plane thickness distribution of the single crystal layer is improved. It is an object of the present invention to provide a method for producing a group III nitride single crystal laminate to be produced.

本発明者らは、上記課題を解決するため、ベース基板上へIII族窒化物単結晶を成長させる際の成長条件について検討した。その結果、原料ガスである窒素源ガスとIII族源ガスの窒素原子量とIII族原子量の比について、各々のガス供給管より供給される比と実際にベース基板に到達する比が大きく異なる場合があること、さらに、ベース基板に到達する窒素原子量とIII族原子量の比と、クラウンの成長に相関があるという知見を得た。そこで、さらに検討を進めた結果、ベース基板上に到達する窒素原子量とIII族原子量の比を特定の範囲とすることでクラウンの発生を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors have investigated the growth conditions for growing a Group III nitride single crystal on a base substrate. As a result, regarding the ratio of the nitrogen atom weight and the group III atom weight of the nitrogen source gas which is the raw material gas and the group III source gas, the ratio supplied from each gas supply pipe and the ratio actually reaching the base substrate may differ greatly. Furthermore, it was found that there is a correlation between the ratio of the nitrogen atom weight reaching the base substrate and the group III atom weight and the growth of the crown. Therefore, as a result of further studies, it has been found that the generation of crowns can be suppressed by setting the ratio of the nitrogen atomic weight and the group III atomic weight reaching on the base substrate within a specific range, and the present invention has been completed.

すなわち、第1の本発明は、III族源ガスと窒素源ガスとを反応させることにより、III族窒化物単結晶からなるベース基板上にIII族窒化物単結晶を成長させるIII族窒化物単結晶積層体の製造方法であって、前記ベース基板におけるIII族窒化物単結晶を成長させる面が(0001)面であり、前記III族窒化物単結晶を成長させる面の外縁に到達するIII族源ガスと窒素源ガスにおけるIII族原子量に対する窒素原子量の比(窒素原子量/III族原子量)の経時平均値が0.5〜3.0であることを特徴とするIII族窒化物単結晶積層体の製造方法である。 That is, in the first invention, a group III nitride that grows a group III nitride single crystal layer on a base substrate made of a group III nitride single crystal by reacting a group III source gas with a nitrogen source gas. a method for producing a single crystal laminate, said base surface for growing a III nitride single crystal layer in the substrate is (0001) plane, the group-III nitride single crystal layer on the outer edge of the surface to be grown Group III nitride characterized by a time-dependent average value of the ratio of nitrogen atom weight to group III atom weight (nitrogen atom weight / group III atom weight) in the group III source gas and the nitrogen source gas reaching This is a method for producing a monocrystalline laminate.

本発明の製造方法では、以下の態様が好適に採り得る。
(1)前記ベース基板の、III族窒化物単結晶を成長させる面の中心におけるラマン分光分析によって検出されるE highピークの半値幅に対する、端部から10μm内側の位置における該半値幅の比の値(端部から10μmの位置の半値幅/中心の半値幅)が1.2以下である基板であること。
(2)前記III族源ガスと窒素源ガスと共にハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1 種のハロゲン系ガスを供給すること。
(3)前記ベース基板は、窒化アルミニウム単結晶からなるものであり、前記III族窒化物単結晶層は、窒化アルミニウム単結晶層であること。
In the production method of the present invention, the following aspects can be preferably adopted.
(1) The half width of the base substrate at a position 10 μm inward from the end with respect to the half width of the E 2 high peak detected by Raman spectroscopy at the center of the surface on which the Group III nitride single crystal layer is grown. The substrate shall have a ratio value (half-value width at a position 10 μm from the end / half-value width at the center) of 1.2 or less.
(2) Supply at least one halogen-based gas selected from hydrogen halide gas and halogen gas together with the group III source gas and nitrogen source gas.
(3) The base substrate is made of an aluminum nitride single crystal, and the group III nitride single crystal layer is an aluminum nitride single crystal layer.

本発明のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法によれば、ベース基板のIII族窒化物単結晶を成長させる面が(0001)面の場合においてもクラウンの発生を抑制できるため、外周領域の成長速度を向上させ、III族窒化物単結晶層の面内膜厚分布を改善することができる。これにより、成長時間を少なくすることができ、生産性が向上する。本発明の製造方法で得られるIII族窒化物単結晶積層体は、ベース基板上に成長させたIII族窒化物単結晶層の表面の面積がベース基板のIII族窒化物単結晶を成長させる面の面積よりも大きくなるように成長させることができるため、得られたIII族窒化物単結晶層を半導体素子製造用基板として有効に用いることができる。 According to the method for producing a Group III nitride single crystal laminate of the present invention, the generation of crowns can be suppressed even when the plane on which the Group III nitride single crystal of the base substrate is grown is the (0001) plane, so that the outer peripheral region can be suppressed. It is possible to improve the growth rate of the group III nitride single crystal layer and improve the in-plane film thickness distribution of the group III nitride single crystal layer. As a result, the growth time can be reduced and the productivity is improved. In the group III nitride single crystal laminate obtained by the production method of the present invention, the surface area of the group III nitride single crystal layer grown on the base substrate is the surface on which the group III nitride single crystal of the base substrate is grown. Since it can be grown to be larger than the area of, the obtained Group III nitride single crystal layer can be effectively used as a substrate for manufacturing a semiconductor device.

本発明で用いるベース基板の概略図である。It is the schematic of the base substrate used in this invention. 本発明の製造方法に用いる縦型気相成長装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of the vertical vapor phase deposition apparatus used in the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に用いる横型気相成長装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of the horizontal vapor phase deposition apparatus used in the manufacturing method of this invention.

<III族窒化物単結晶積層体の製造方法>
本発明のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法は、III族窒化物単結晶からなるベース基板におけるIII族窒化物単結晶を成長させる面(以下「結晶成長面」とも言う)が(0001)面であり、さらに、前記結晶成長面の外縁に到達するIII族源ガスと窒素源ガスにおけるIII族原子量に対する窒素原子量の比の値(窒素原子量/III族原子量、以下「V/III値」とも言う)の経時平均値が0.5〜3.0であことが特徴である。このような本発明の製造方法によって上記結晶成長面が(0001)面の場合においてもクラウンの発生を抑制できる理由について詳細は不明であるが、本発明者らは以下のとおり推測している。
<Manufacturing method of Group III nitride single crystal laminate>
In the method for producing a Group III nitride single crystal laminate of the present invention, the surface on which the Group III nitride single crystal layer is grown (hereinafter, also referred to as “crystal growth surface”) in the base substrate composed of the Group III nitride single crystal is (hereinafter also referred to as “crystal growth surface”). 0001) plane, and further, the value of the ratio of the nitrogen atom weight to the group III atom weight in the group III source gas and the nitrogen source gas reaching on the outer edge of the crystal growth plane (nitrogen atom weight / group III atom weight, hereinafter "V /". It is characterized in that the time-dependent average value of (also referred to as "III value") is 0.5 to 3.0. The reason why the generation of crowns can be suppressed even when the crystal growth plane is the (0001) plane by such a production method of the present invention is unknown, but the present inventors speculate as follows.

すなわち、ベース基板の結晶成長面上における窒素源ガスとIII族源ガスの反応によりIII族窒化物単結晶層が成長するが、この時、単結晶の成長は結晶成長面に対して鉛直方向に進行する。しかしながら、結晶成長面と、結晶成長面の側面とが接するベース基板の端部においては、結晶成長方向が定まりにくく、多方向への結晶成長が生じて異常成長が生じやすい傾向にあるものと推測される。結晶成長面が(0001)面である場合には、鉛直方向は、[0001]方向(+c軸方向)、平行方向は、<11−20>方向(a軸方向)あるいは<10−10>方向(m軸方向)となる。そして、各方向における単結晶成長速度は、+c軸方向>a軸方向>m軸方向であることから、このような成長速度差を考慮せずにIII族窒化物単結晶の結晶成長を行うと、多方向への結晶成長が生じて異常成長が生じやすく多結晶体が成長し、クラウンが発生するものと推測される。 That is, the group III nitride single crystal layer grows due to the reaction between the nitrogen source gas and the group III source gas on the crystal growth plane of the base substrate. At this time, the growth of the single crystal is in the vertical direction with respect to the crystal growth plane. proceed. However, it is presumed that the crystal growth direction is difficult to determine at the end of the base substrate where the crystal growth surface and the side surface of the crystal growth surface are in contact with each other, and crystal growth in multiple directions tends to occur and abnormal growth tends to occur. Will be done. When the crystal growth plane is the (0001) plane, the vertical direction is the [0001] direction (+ c-axis direction), and the parallel direction is the <11-20> direction (a-axis direction) or the <10-10> direction. (M-axis direction). Since the single crystal growth rate in each direction is + c-axis direction> a-axis direction> m-axis direction, if the crystal growth of the Group III nitride single crystal is performed without considering such a growth rate difference. It is presumed that crystal growth occurs in multiple directions and abnormal growth is likely to occur, the polycrystal grows, and a crown is generated.

一方、本発明の製造方法では、結晶成長面の端部における上記V/III値を特定の範囲とすることで、特にa軸方向への成長速度が向上し、端部の結晶成長における平行方向の成長速度が優勢となっているものと推測される。その結果、ベース基板に対し、形成される単結晶層の径が大きくなるように結晶成長が進行し、端部における異常成長の発生が抑制できるものと推測される。 On the other hand, in the production method of the present invention, by setting the V / III value at the end of the crystal growth surface within a specific range, the growth rate in the a-axis direction is particularly improved, and the parallel direction in the crystal growth of the end. It is presumed that the growth rate of is predominant. As a result, it is presumed that the crystal growth proceeds so that the diameter of the formed single crystal layer becomes larger with respect to the base substrate, and the occurrence of abnormal growth at the end can be suppressed.

なお一般的には、十分な結晶成長速度を担保するため、窒素源ガスとIII族源ガスは、各々のガス供給口からの供給量として、通常V/III値が1.0を超えるように供給されており、ベース基板に到達するV/III値も結晶成長に十分な値であるものと考えられていた。しかしながら、供給された窒素源ガスとIII族源ガスは、反応系内の温度、キャリアガスの存在や、各々のガスの拡散速度の違い等の要因によって、結晶成長面に到達するV/III値が大きく低下する場合があることが、本発明者らの検討により明らかとなった。そこで、結晶成長面の端部に到達するV/III値を制御することによって、初めてクラウンの発生が抑制できたものと推測される。 In general, in order to ensure a sufficient crystal growth rate, the nitrogen source gas and the group III source gas are usually supplied with a V / III value of more than 1.0 as the supply amount from each gas supply port. It was thought that the V / III value, which was supplied and reached the base substrate, was also sufficient for crystal growth. However, the supplied nitrogen source gas and Group III source gas reach the crystal growth plane due to factors such as the temperature in the reaction system, the presence of carrier gas, and the difference in diffusion rate of each gas. It has been clarified by the examination by the present inventors that the temperature may be significantly reduced. Therefore, it is presumed that the generation of crowns could be suppressed for the first time by controlling the V / III value reaching the end of the crystal growth plane.

図1は、本実験の製造方法に用いるベース基板の概略図を示したものである。ベース基板1は、III族窒化物単結晶層を成長させる面(結晶成長面)2と、該結晶成長面2に対して略垂直である側面4を有する。また、該結晶成長面2と該側面4とが接する端部5、及び該結晶成長面2において、該端部5から該結晶成長面2の中心にかけて1mmの幅をもつ領域である外縁部3を有する。 FIG. 1 shows a schematic view of a base substrate used in the manufacturing method of this experiment. The base substrate 1 has a surface (crystal growth surface) 2 for growing a group III nitride single crystal layer and a side surface 4 substantially perpendicular to the crystal growth surface 2. Further, at the end portion 5 where the crystal growth surface 2 and the side surface 4 are in contact with each other, and the outer edge portion 3 which is a region having a width of 1 mm from the end portion 5 to the center of the crystal growth surface 2 on the crystal growth surface 2. Has.

上記結晶成長面の端部に到達するV/III値は、反応装置の形状、ベース基板と原料ガスノズルとの距離、該ノズルから供給されるガスの線速度、反応装置内の温度環境等によって大きく異なるため、製造に先立って、用いる反応装置、反応条件に応じた流体解析等を実施し、上記範囲となる様、V/III値の値を決定すれば良い。 The V / III value reaching the end of the crystal growth surface greatly depends on the shape of the reactor, the distance between the base substrate and the raw material gas nozzle, the linear velocity of the gas supplied from the nozzle, the temperature environment in the reactor, and the like. Since they are different, the V / III value may be determined so as to be within the above range by performing a fluid analysis or the like according to the reaction apparatus to be used and the reaction conditions prior to the production.

また、結晶成長装置の構造や、結晶成長条件によっては、ベース基板を指示する支持台を回転させながら、すなわち、ベース基板を回転させながら結晶成長を行うことや、或いは、III族源ガスと窒素源ガスの供給量を変化させながら結晶成長を行うことも考えられる。本発明の製造方法においては、結晶成長時に結晶成長面の端部に到達するV/III値の経時平均値を0.5〜3.0の範囲とすることが必要である。V/III値の経時平均値が0.5より低い場合には、クラウンの形成速度が増加し、3.0より高い場合には、III族窒化物単結晶層の結晶品質が低下するため、好ましくない。 Further, depending on the structure of the crystal growth apparatus and the crystal growth conditions, the crystal growth may be performed while rotating the support base that indicates the base substrate, that is, while rotating the base substrate, or the group III source gas and nitrogen. It is also conceivable to carry out crystal growth while changing the supply amount of the source gas. In the production method of the present invention, it is necessary to set the time-dependent average value of the V / III value that reaches the end of the crystal growth surface during crystal growth in the range of 0.5 to 3.0. If the V / III value over time is lower than 0.5, the crown formation rate increases, and if it is higher than 3.0, the crystal quality of the Group III nitride single crystal layer decreases. Not preferred.

V/III値の経時平均値は、ベース基板を回転させずに一定の供給量でIII族源ガスと窒素源ガスを供給する場合には一定値であるが、ベース基板を回転させながら結晶成長を行う場合、あるいは、III族源ガスと窒素源ガスの供給量を変化させながら結晶成長を行う場合には、V/III値は経時的に変化する。ベース基板を回転させながら結晶成長を行う場合の端部に到達するV/III値の経時平均値は、端部に到達するV/III値の最大値と最小値の平均が経時平均値となる。一方III族源ガスと窒素源ガスの供給量を変化させながら結晶成長を行う場合には、端部全域に到達するV/III値と該値で供給される時間の加重平均値が経時平均値となる。 The time-dependent average value of the V / III value is a constant value when the group III source gas and the nitrogen source gas are supplied in a constant supply amount without rotating the base substrate, but crystal growth occurs while rotating the base substrate. Or, when crystal growth is performed while changing the supply amounts of the group III source gas and the nitrogen source gas, the V / III value changes with time. When crystal growth is performed while rotating the base substrate, the average value over time of the V / III value reaching the end is the average of the maximum and minimum values of the V / III value reaching the end. .. On the other hand, when crystal growth is performed while changing the supply amounts of the group III source gas and the nitrogen source gas, the V / III value reaching the entire end and the weighted average value of the time supplied at that value are the average values over time. It becomes.

高い結晶成長速度を得、効率的に高品質な単結晶層を得ることができる観点から、結晶成長面の端部に到達するV/III値の経時平均値は、0.6〜2.8、特に0.7〜2.5であることが好ましい。 From the viewpoint of obtaining a high crystal growth rate and efficiently obtaining a high-quality single crystal layer, the average value over time of the V / III value reaching the end of the crystal growth surface is 0.6 to 2.8. , Especially preferably 0.7 to 2.5.

上記本発明の製造方法における結晶成長方法はIII族源ガスと窒素源ガスとを反応させることにより、ベース基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる方法であり、かかる結晶成長方法として、公知の方法を採用することができる。結晶成長方法として具体的には、固体のIII族窒化物を加熱して昇華することにより、III族金属ガスをIII族源ガスとして、窒素ガスを窒素源ガスとして用いるPVT法や、III族ハロゲン化物ガスをIII族源ガスとして用いるHVPE法、III有機物ガスをIII族源ガスとして用いるMOCVD法などがある。なかでも、不純物濃度が低いIII族窒化物を比較的高速で成長できるHVPE法を用いることが好ましい。 The crystal growth method in the production method of the present invention is a method of growing a group III nitride single crystal on a base substrate by reacting a group III source gas with a nitrogen source gas, and is known as such a crystal growth method. Method can be adopted. Specifically, as a crystal growth method, a PVT method using a group III metal gas as a group III source gas and a nitrogen gas as a nitrogen source gas by heating and sublimating a solid group III nitride, or a group III halogen. There are an HVPE method using a compound gas as a group III source gas, a MOCVD method using a III organic gas as a group III source gas, and the like. Among them, it is preferable to use the HVPE method capable of growing a group III nitride having a low impurity concentration at a relatively high speed.

<ベース基板>
本発明の製造方法において用いるベース基板としては、III族窒化物単結晶層を成長させる面が(0001)面であれば特に制限されず、公知の基板を用いることができるが、均一な結晶成長が可能である点から、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム等の混晶等のIII族窒化物単結晶であることが好ましい。特にベース基板としては、転位やクラックを抑制する観点から成長させるIII族窒化物単結晶層と同種のIII族窒化物単結晶を用いることが好ましい。
<Base board>
The base substrate used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as the plane on which the group III nitride single crystal layer is grown is the (0001) plane, and a known substrate can be used, but uniform crystal growth. A group III nitride single crystal such as a mixed crystal of aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, gallium nitride, etc. is preferable. In particular, as the base substrate, it is preferable to use a group III nitride single crystal of the same type as the group III nitride single crystal layer to be grown from the viewpoint of suppressing dislocations and cracks.

ベース基板の形状は、円形、多角形、楕円形など、任意の形状でよい。ただし、本発明の製造方法においては、ベース基板端部が<11−20>方向に成長し、最終的には{10−10}面を側面とした六角形で安定する。そのため、該ベース基板の側面は{10−10}面以外であることが好ましい。ただし、基板の向きを判断するために基板の一部にオリエンテーションフラットやインデックスフラット、あるいは切り欠きを形成することができ、これらによって側面の一部が{10−10}面となってもよい。 The shape of the base substrate may be any shape such as a circular shape, a polygonal shape, and an elliptical shape. However, in the manufacturing method of the present invention, the end portion of the base substrate grows in the <11-20> direction, and finally becomes stable in a hexagon with the {10-10} plane as the side surface. Therefore, it is preferable that the side surface of the base substrate is other than the {10-10} surface. However, an orientation flat, an index flat, or a notch may be formed in a part of the substrate in order to determine the orientation of the substrate, and a part of the side surface may be a {10-10} surface by these.

結晶成長面の外縁部の結晶品質が低い場合、外縁部においても結晶成長の方向が安定しにくい傾向があり、多結晶体が生成しやすい傾向にある。従って、本発明において用いるベース基板としては、均一な単結晶層を得る観点から結晶成長面の結晶性の面内均一性が高いことが好ましい。ベース基板の結晶性の乱れは、ベース基板の加工(すなわち、所定の大きさに切断、研磨)時に生じやすく、ベース基板の端部あるいは外縁部において生じやすい。 When the crystal quality of the outer edge portion of the crystal growth surface is low, the direction of crystal growth tends to be difficult to stabilize even at the outer edge portion, and polycrystals tend to be easily formed. Therefore, as the base substrate used in the present invention, it is preferable that the in-plane uniformity of the crystallinity of the crystal growth plane is high from the viewpoint of obtaining a uniform single crystal layer. The disorder of the crystallinity of the base substrate is likely to occur during processing of the base substrate (that is, cutting and polishing to a predetermined size), and is likely to occur at the edge or the outer edge of the base substrate.

結晶性は、ラマン分光分析によって検出されるE highピークの半値幅で評価することができる。端部から中心にかけて10μmより外側の領域は、特に傾斜面を有している場合などには表面形状が安定しておらず、ラマン分光分析においてレーザーの焦点を合わせることが困難であり、測定が正確にできない場合がある。従って、測定可能で端部に近い地点のE highピークの半値幅によって、ベース基板の結晶性の面内均一性を評価することができる。 Crystallinity can be evaluated by the half width of the E 2 high peak detected by Raman spectroscopy. The surface shape of the region outside 10 μm from the edge to the center is not stable, especially when it has an inclined surface, and it is difficult to focus the laser in Raman spectroscopic analysis. It may not be possible to be accurate. Therefore, the in-plane uniformity of the crystallinity of the base substrate can be evaluated by the full width at half maximum of the E 2 high peak at a point close to the end, which is measurable.

一般的に、外縁部は加工の影響でダメージ層が残りやすく、結晶成長面の中心に比べて該半値幅が大きい。本発明においては、結晶成長面の中心におけるラマン分光分析によって検出されるE highピークの半値幅に対する、端部から10μm内側の位置における該半値幅の比の値(端部から10μm内側の位置の半値幅/中心の半値幅)が1.2以下である基板であることが好ましい。上記ベース基板を使用することにより、外縁部の異常成長を抑制できる。 E highピークの半値幅評価は市販の顕微レーザーラマン分光光度計を使用することが可能である。例えば、励起レーザーとして波長531.98nmのレーザーを使用し、0.5cm−1以下の波数分解能を得られるようにスリット幅やグレーティングを調整する。測定に際しては、励起レーザー出力を10mW程度に調整し、対物レンズ100倍を用いて測定スポットを直径約1μmとして励起レーザーを照射して局所的なラマンスペクトルを測定する。得られたスペクトルにおけるE highピークの半値幅を算出する。E highピークは、窒化アルミニウム単結晶の場合、657.4cm−1に検出される。基板が有する応力によって該ピークの検出波数は前後することもある。 In general, the outer edge portion tends to have a damaged layer remaining due to the influence of processing, and the half width is larger than that of the center of the crystal growth plane. In the present invention, the value of the ratio of the half width to the half width of the E 2 high peak detected by Raman spectroscopy at the center of the crystal growth plane at a position 10 μm inside from the end (position 10 μm inside from the end). It is preferable that the substrate has a half-value width / center half-value width) of 1.2 or less. By using the above base substrate, abnormal growth of the outer edge portion can be suppressed. A commercially available microlaser Raman spectrophotometer can be used to evaluate the half width of the E 2 high peak. For example, a laser having a wavelength of 531.98 nm is used as an excitation laser, and the slit width and grating are adjusted so that a wavenumber resolution of 0.5 cm -1 or less can be obtained. At the time of measurement, the excitation laser output is adjusted to about 10 mW, the measurement spot is set to a diameter of about 1 μm using an objective lens 100 times, and the excitation laser is irradiated to measure the local Raman spectrum. The half width of the E 2 high peak in the obtained spectrum is calculated. The E 2 high peak is detected at 657.4 cm -1 in the case of the aluminum nitride single crystal. The detected wave number of the peak may fluctuate depending on the stress of the substrate.

さらに、ベース基板の端部におけるチッピングや成長時のガス流れの乱れを抑制するという観点から、前記ベース基板の外縁部に傾斜面を有することが好ましい。該傾斜面は結晶面であっても結晶面でなくてもよく、該傾斜面の幅や深さは任意の距離でよい。 Further, from the viewpoint of suppressing chipping at the end portion of the base substrate and turbulence of the gas flow during growth, it is preferable to have an inclined surface at the outer edge portion of the base substrate. The inclined surface may be a crystal plane or not a crystal plane, and the width and depth of the inclined surface may be any distance.

さらに、本発明において用いるベース基板としては、表面において安定したステップフロー成長を促進させ結晶品質を向上することができるほか、製造したIII族窒化物単結晶積層体を、素子製造用基板として用いる場合に容易にエピレディの状態とすることができるとの観点から、オフ角を有していてもよい。オフ角の範囲としては、±10°以下、より好ましくは、0.05°以上4°以下、さらに好ましくは0.1°以上2°以下である。 Further, as the base substrate used in the present invention, stable step flow growth can be promoted on the surface to improve the crystal quality, and the manufactured Group III nitride single crystal laminate is used as the device manufacturing substrate. It may have an off-angle from the viewpoint that it can be easily put into an epiready state. The range of the off angle is ± 10 ° or less, more preferably 0.05 ° or more and 4 ° or less, and further preferably 0.1 ° or more and 2 ° or less.

このようなベース基板はPVT法、HVPE法など公知の方法で製造される。製造したブールを、ワイヤーソーなどで切断して基板状にしたあと、該基板表面をCMPして平坦化した基板をベース基板とすることが好ましい。切断後には外縁部に、がたつきが生じていたり、空隙が生じていたりする場合が多く、これらはクラウン成長を促進する要因となる。そのため、表面のCMPを行う前または後に、切断や面取りにより基板外縁部の該がたつきや空隙を除去することが好ましい。ただし、切断や面取りによって外縁部にダメージが入ったり表面に傷が入ったりする場合があるため、これらの加工はCMPの前に行うことが好ましい。 Such a base substrate is manufactured by a known method such as a PVT method or an HVPE method. It is preferable to cut the produced boule with a wire saw or the like to form a substrate, and then CMP the surface of the substrate to flatten the substrate as a base substrate. After cutting, the outer edge often has rattling or voids, which are factors that promote crown growth. Therefore, it is preferable to remove the rattling and voids on the outer edge of the substrate by cutting or chamfering before or after performing CMP on the surface. However, since cutting or chamfering may damage the outer edge or scratch the surface, it is preferable to perform these processes before CMP.

<結晶成長装置>
本発明の製造方法に用いる製造装置としてしては、気相成長法に用いる公知の製造装置を用いることができる。係る製造装置として具体的には、ベース基板を載置する支持台に対し、鉛直方向より、III族源ガスと窒素源ガスを供給する縦型製造装置や、該支持台に対し平行方向よりIII族源ガスと窒素源ガスを供給する横型製造装置等が挙げられる。
<Crystal growth device>
As the manufacturing apparatus used in the manufacturing method of the present invention, a known manufacturing apparatus used in the vapor phase growth method can be used. Specifically, as such a manufacturing apparatus, a vertical manufacturing apparatus that supplies a group III source gas and a nitrogen source gas from a vertical direction to a support base on which a base substrate is placed, or a vertical manufacturing apparatus that supplies a nitrogen source gas from a direction parallel to the support base III. Examples include horizontal manufacturing equipment that supplies a family source gas and a nitrogen source gas.

図2は、本発明の製造方法に用いる縦型気相成長装置の一例の概略図である。図2に示す装置10は、反応管11と、反応管の内部に配置されたベース基板1、ベース基板1が設置された、回転可能な基板支持台(サセプタ)12を有する。サセプタは、局所加熱手段により加熱される。ベース基板の上方からベース基板表面へIII族源ガスを吹き出すIII族源ガス供給口13と窒素源ガスを吹き出す窒素源ガス供給口14を有するシャワーヘッド型の原料ガス供給ノズル15を有する。また、窒素源ガスとIII族源ガスを基板表面へ効率よく供給するためのプッシングガスを供給する、プッシングガス供給ノズルを有する。 FIG. 2 is a schematic view of an example of a vertical vapor deposition apparatus used in the manufacturing method of the present invention. The device 10 shown in FIG. 2 has a reaction tube 11, a base substrate 1 arranged inside the reaction tube, and a rotatable substrate support (susceptor) 12 on which the base substrate 1 is installed. The susceptor is heated by local heating means. It has a shower head type raw material gas supply nozzle 15 having a group III source gas supply port 13 for blowing out group III source gas from above the base substrate to the surface of the base substrate and a nitrogen source gas supply port 14 for blowing out nitrogen source gas. It also has a pushing gas supply nozzle that supplies a pushing gas for efficiently supplying a nitrogen source gas and a group III source gas to the surface of the substrate.

上記図2の縦型気相成長装置は、ベース基板に対し鉛直方向より、III族源ガスと窒素源ガスを供給する製造装置であるが、図3に示すようなベース基板に対し平行方向よりIII族源ガスと窒素源ガスを供給する横型気相成長装置を採用する場合には、ベース基板の結晶成長面端部に到達するIII族源ガスと窒素源ガスのV/III値は上記ガスの供給口に近い箇所と遠い箇所で異なる傾向にある。このため端部全体に到達するV/III値を均一化し、均一な単結晶層を得られやすい点から、支持台を回転させながら、すなわちベース基板を回転させながら結晶成長を行うことが好ましい。支持台の回転速度は、III族窒化物単結晶の大きさや成長速度に応じて適宜決定すれば良い。回転数が低すぎると、V/III値の平均化効果が薄く、高すぎるとIII族窒化物単結晶の結晶性に影響を及ぼす傾向にあるため、通常5〜50rpmの範囲で適宜決定すれば良い。 The vertical gas phase growth device of FIG. 2 is a manufacturing device that supplies the group III source gas and the nitrogen source gas to the base substrate from the vertical direction, but from the direction parallel to the base substrate as shown in FIG. When a horizontal gas phase growth device that supplies a group III source gas and a nitrogen source gas is adopted, the V / III values of the group III source gas and the nitrogen source gas that reach the end of the crystal growth surface of the base substrate are the above gases. It tends to be different in the place near the supply port and the place far from the supply port. Therefore, it is preferable to perform crystal growth while rotating the support, that is, rotating the base substrate, from the viewpoint that the V / III value reaching the entire end portion can be made uniform and a uniform single crystal layer can be easily obtained. The rotation speed of the support base may be appropriately determined according to the size and growth rate of the Group III nitride single crystal. If the rotation speed is too low, the averaging effect of the V / III value is weak, and if it is too high, it tends to affect the crystallinity of the Group III nitride single crystal. good.

<III族源ガス>
本発明の製造方法に用いるIII族源ガスは、特に制限されるものではなく、III族窒化物単結晶を製造する際に使用される、公知の原料ガスを使用すればよい。その中でも、本発明の効果が顕著となるのは、アルミニウムを含むIII族源ガスを用いた場合である。例えば、HVPE法の場合、塩化アルミニウムガスやヨウ化アルミニウムガス等のハロゲン化アルミニウムガスが用いられる。ハロゲン化アルミニウムガスは、反応性が高く、高い成長速度を得ることができるため、本発明で使用する原料ガスに好適である。
<Group III source gas>
The group III source gas used in the production method of the present invention is not particularly limited, and a known raw material gas used in producing a group III nitride single crystal may be used. Among them, the effect of the present invention is remarkable when a group III source gas containing aluminum is used. For example, in the case of the HVPE method, an aluminum halide gas such as aluminum chloride gas or aluminum iodide gas is used. The aluminum halogenated gas is suitable as the raw material gas used in the present invention because it has high reactivity and a high growth rate can be obtained.

例えば、ハロゲン化アルミニウムガスは、固体のハロゲン化アルミニウムを気化させて供給してもよく、金属アルミニウムを塩化水素ガスや塩素ガス等の原料生成用ハロゲン系ガスと反応させることによりハロゲン化アルミニウムガスを得てもよい。金属アルミニウムからハロゲン化アルミニウムガスを製造する場合には、ハロゲン化アルミニウムガスの原料となるアルミニウムとしては、純度が99.99%以上の固体を使用することが好ましい。固体のアルミニウムの寸法及び形状は特に制限されるものではないが、実際に使用する装置において、アルミニウムと原料生成用ハロゲン系ガスとの接触効率、ハロゲン系ガスの流通のしやすさ等を考慮すると、例えば直径0.1〜10mmであって長さ0.1〜10mmのペレット形状のものを好適に使用できる。 For example, the halogenated aluminum gas may be supplied by vaporizing solid aluminum halide, and the halogenated aluminum gas is produced by reacting metallic aluminum with a halogen-based gas for producing a raw material such as hydrogen chloride gas or chlorine gas. You may get it. When the halogenated aluminum gas is produced from metallic aluminum, it is preferable to use a solid having a purity of 99.99% or more as the aluminum as a raw material of the halogenated aluminum gas. The dimensions and shape of solid aluminum are not particularly limited, but in consideration of the contact efficiency between aluminum and the halogen-based gas for producing raw materials, the ease of circulation of the halogen-based gas, etc. in the equipment actually used. For example, pellets having a diameter of 0.1 to 10 mm and a length of 0.1 to 10 mm can be preferably used.

また、アルミニウムを含む有機金属ガスと原料生成用ハロゲン系ガスとの反応を利用してハロゲン化アルミニウムガスを得てもよい。 Further, the halogenated aluminum gas may be obtained by utilizing the reaction between the organometallic gas containing aluminum and the halogen-based gas for producing a raw material.

III族源ガスは、キャリアガスと共にベース基板上に供給することが好ましい。キャリアガスとしては、水素ガス及び/又は各種の不活性ガスを用いることができる。キャリアガスは1種類のガスを使用することもできるし、2種類以上のガスを混合して使用することもできる。中でも、III族窒化物単結晶の製造に悪影響を与えないという点で、キャリアガスには、水素ガス、及び窒素ガスから選ばれる1種類以上を用いることが好ましい。III族源ガスをキャリアガスで希釈された状態で供給する場合には、III族源ガスの濃度が例えば0.0001〜50体積%とすればよい。III族源ガスの供給量は、例えば0.005〜500sccmとすることができる。 The group III source gas is preferably supplied on the base substrate together with the carrier gas. As the carrier gas, hydrogen gas and / or various inert gases can be used. As the carrier gas, one kind of gas may be used, or two or more kinds of gases may be mixed and used. Above all, it is preferable to use one or more kinds selected from hydrogen gas and nitrogen gas as the carrier gas in that it does not adversely affect the production of the Group III nitride single crystal. When the group III source gas is supplied in a state of being diluted with the carrier gas, the concentration of the group III source gas may be, for example, 0.0001 to 50% by volume. The supply amount of the group III source gas can be, for example, 0.005 to 500 sccm.

<窒素源ガス>
本発明の製造方法に用いる窒素源ガスとしては窒素を含有する反応性ガスが採用されるが、コストと取り扱いやすさの点でアンモニアガスを使用することが好ましい。
<Nitrogen source gas>
As the nitrogen source gas used in the production method of the present invention, a reactive gas containing nitrogen is adopted, but it is preferable to use ammonia gas in terms of cost and ease of handling.

この窒素源ガスは、通常、下記のキャリアガスに適宜希釈して、ベース基板上へ供給される。上記キャリアガスと共にベース基板上へ供給する場合は、装置の大きさ等により、窒素源ガスの供給量、キャリアガスの供給量を決定すればよい。 This nitrogen source gas is usually diluted appropriately with the following carrier gas and supplied onto the base substrate. When supplying the carrier gas together with the carrier gas onto the base substrate, the supply amount of the nitrogen source gas and the supply amount of the carrier gas may be determined according to the size of the apparatus and the like.

III族窒化物単結晶の製造のし易さ等を考慮すると、キャリアガスの供給量は10〜10000sccmの範囲とすることが好ましく、さらに、50〜5000sccmの範囲とすることが好ましい。窒素源ガスの濃度は、該キャリアガスに対して、0.001体積%以上90体積%以下の範囲から実用的な濃度を選択すればよい。また、窒素源ガスの供給量は0.01〜1000sccmの範囲とすることが好ましい。 Considering the ease of producing a Group III nitride single crystal and the like, the amount of carrier gas supplied is preferably in the range of 10 to 10000 sccm, and more preferably in the range of 50 to 5000 sccm. As the concentration of the nitrogen source gas, a practical concentration may be selected from the range of 0.001% by volume or more and 90% by volume or less with respect to the carrier gas. The amount of nitrogen source gas supplied is preferably in the range of 0.01 to 1000 sccm.

<ハロゲン系ガス>
本発明の製造方法においては、III族源ガスと窒素源ガスと共にハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを含むことが好ましい。ハロゲン系ガスをIII族源ガスと窒素源ガスと共に供給することにより、III族窒化物単結晶を成長する際に、外縁部において多結晶を分解し、クラウンの成長速度を抑制する効果を有する。ハロゲンガスとしては塩素ガス、臭素ガスが挙げられる。また、ハロゲン化水素ガスとしては塩化水素ガス、臭化水素ガス等が挙げられる。中でも、ガス配管に対する腐食性の低さ、取り扱いやすさ及び経済性を考慮すると塩化水素ガスを使用することが好ましい。ハロゲン系ガスは、III族源ガス供給ノズルから、III族源ガスとともに供給することも可能であるし、窒素源ガス供給ノズルから、窒素源ガスとともに供給することも可能である。また、別途配置されたハロゲン系ガス供給ノズルから、ハロゲン系ガス単独またはハロゲン系ガスおよび上記キャリアガスを供給しても良い。さらには、基板上へ吹き出すように配置されたノズルでなくとも、成長部上流側全体から供給しても良いし、サセプタの下側に配置された供給口により、サセプタ周りから上方に向かって供給しても良い。該ハロゲン系ガスの供給量は、上記III族源ガスの供給量に対して、100〜5000体積%であることが好ましく、500〜3000体積%であることがより好ましい。
<Halogen gas>
In the production method of the present invention, it is preferable to contain at least one halogen-based gas selected from a hydrogen halide gas and a halogen gas together with the group III source gas and the nitrogen source gas. By supplying the halogen-based gas together with the group III source gas and the nitrogen source gas, when the group III nitride single crystal is grown, the polycrystal is decomposed at the outer edge portion, and the crown growth rate is suppressed. Examples of the halogen gas include chlorine gas and bromine gas. Examples of the hydrogen halide gas include hydrogen chloride gas and hydrogen bromide gas. Above all, it is preferable to use hydrogen chloride gas in consideration of low corrosiveness to the gas pipe, ease of handling and economy. The halogen-based gas can be supplied together with the group III source gas from the group III source gas supply nozzle, or can be supplied together with the nitrogen source gas from the nitrogen source gas supply nozzle. Further, the halogen-based gas alone or the halogen-based gas and the carrier gas may be supplied from a halogen-based gas supply nozzle arranged separately. Further, the nozzle may be supplied from the entire upstream side of the growth portion instead of the nozzle arranged so as to blow out onto the substrate, or may be supplied upward from around the susceptor by the supply port arranged below the susceptor. You may. The supply amount of the halogen-based gas is preferably 100 to 5000% by volume, more preferably 500 to 3000% by volume, based on the supply amount of the Group III source gas.

<プッシングガス>
本発明において、III族源ガス、及び窒素源ガスの原料ガスを反応器内のベース基板上へ効率よく、所定のV/III値で供給するためには、III族源ガス、及び窒素源ガスを供給するために用いるキャリアガスとは別に、反応器内にプッシングガスを供給して該原料ガスの流れを形成することが好ましい。プッシングガスの供給流路としては、III族源ガス、及び窒素源ガスの流路制御の点から、成長部上流側全体から供給するか、III族源ガス、及び窒素源ガスの供給管の外周部に設けることが好ましい。プッシングガスとしては、水素ガス及び/又は各種の不活性ガスを用いることができる。プッシングガスは1種類のガスを使用することもできるし、2種類以上のガスを混合して使用することもできる。中でも、III族窒化物単結晶の製造に悪影響を与えないという点で、プッシングガスには、水素ガス、及び窒素ガスから選ばれる1種類以上を用いることが好ましい。プッシングガス供給量は、反応器の容積に応じて適宜決定することができるが、一般的には例えば50〜50000sccmであることが好ましく、100〜10000sccmであることがより好ましい。また、あらかじめ精製器を用いて酸素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素等の不純ガス成分を除去しておくことが好ましい。
<Pushing gas>
In the present invention, in order to efficiently supply the raw material gas of the group III source gas and the nitrogen source gas onto the base substrate in the reactor at a predetermined V / III value, the group III source gas and the nitrogen source gas are used. It is preferable to supply a pushing gas into the reactor to form a flow of the raw material gas separately from the carrier gas used for supplying the gas. As the supply flow path of the pushing gas, from the viewpoint of flow control of the group III source gas and the nitrogen source gas, it is supplied from the entire upstream side of the growth part, or the outer periphery of the supply pipe of the group III source gas and the nitrogen source gas. It is preferable to provide it in the portion. As the pushing gas, hydrogen gas and / or various inert gases can be used. As the pushing gas, one kind of gas may be used, or two or more kinds of gases may be mixed and used. Above all, it is preferable to use one or more kinds selected from hydrogen gas and nitrogen gas as the pushing gas in that it does not adversely affect the production of the Group III nitride single crystal. The amount of pushing gas supplied can be appropriately determined according to the volume of the reactor, but is generally preferably, for example, 50 to 50,000 sccm, and more preferably 100 to 10,000 sccm. Further, it is preferable to remove impure gas components such as oxygen, water vapor, carbon monoxide, and carbon dioxide in advance using a refiner.

<ベース基板の温度>
結晶成長時のベース基板の温度(成長温度)は、特に制限されるものではなく、公知の条件を採用することができる。具体的には、成長温度は1000〜1700℃であることが好ましい。中でも、ハロゲン化アルミニウムガスを使用したアルミニウム系III族窒化物単結晶、特に、窒化アルミニウム単結晶を製造する場合には、ベース基板の温度(成長温度)は1200〜1600℃であることが好ましい。この場合、ハロゲン化アルミニウムガスの供給量としては、0.001〜100sccmの範囲とすることが好ましい。
<Base substrate temperature>
The temperature of the base substrate (growth temperature) at the time of crystal growth is not particularly limited, and known conditions can be adopted. Specifically, the growth temperature is preferably 1000 to 1700 ° C. Above all, in the case of producing an aluminum-based group III nitride single crystal using aluminum halide gas, particularly an aluminum nitride single crystal, the temperature (growth temperature) of the base substrate is preferably 1200 to 1600 ° C. In this case, the supply amount of the halogenated aluminum gas is preferably in the range of 0.001 to 100 sccm.

<III族窒化物単結晶の成長速度>
ハロゲン化アルミニウムガスは、アルミニウム系III族窒化物単結晶の成長速度が10μm/h以上、より好ましくは15μm/h以上となるよう、十分な量を供給することが好ましい。なお、結晶性を高める観点から、結晶の成長速度の上限値は100μm/h以下であることが好ましいが、外部からベース基板を加熱する手段を設けた場合には、100μm/h以上とすることも可能である(外部からの加熱手段を設けた場合の成長速度の上限値は300μm/h程度である)。
<Growth rate of group III nitride single crystal>
It is preferable to supply a sufficient amount of the aluminum halide gas so that the growth rate of the aluminum-based group III nitride single crystal is 10 μm / h or more, more preferably 15 μm / h or more. From the viewpoint of increasing crystallinity, the upper limit of the crystal growth rate is preferably 100 μm / h or less, but when a means for heating the base substrate from the outside is provided, it should be 100 μm / h or more. (The upper limit of the growth rate when an external heating means is provided is about 300 μm / h).

<反応器内の圧力>
使用する原料等に応じて適宜決定すればよいが、III族窒化物単結晶の成長中、反応器内部の圧力は0.2〜1.5atmの範囲とすることが好ましい。
<Pressure in the reactor>
The pressure inside the reactor is preferably in the range of 0.2 to 1.5 atm during the growth of the group III nitride single crystal, although it may be appropriately determined depending on the raw material to be used and the like.

<III族窒化物単結晶の成長後の冷却>
III族窒化物単結晶の成長後の冷却は、ベース基板に応力やクラックが発生しない速度が好ましい。具体的には、10分〜15時間で、処理効率を考慮すると、30分〜6時間が好ましい。
<Cooling after growth of group III nitride single crystal>
Cooling after the growth of the group III nitride single crystal is preferably performed at a rate at which stress or cracks do not occur in the base substrate. Specifically, it is 10 minutes to 15 hours, and 30 minutes to 6 hours is preferable in consideration of processing efficiency.

<III族窒化物単結晶積層体>
上記本発明のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法によれば、ベース基板の結晶成長面が(0001)面の場合においてもクラウンの発生を抑制できるため、外周領域の成長速度を向上させ、III族窒化物単結晶層の面内膜厚分布を改善することができる。
<Group III nitride single crystal laminate>
According to the method for producing a group III nitride single crystal laminate of the present invention, the generation of crowns can be suppressed even when the crystal growth plane of the base substrate is the (0001) plane, so that the growth rate of the outer peripheral region is improved. , The in-plane film thickness distribution of the group III nitride single crystal layer can be improved.

ここで、III族窒化物単結晶層の端部や外縁部に発生するクラウン成長の評価は、成長による単結晶層の重量増加量に対するクラウンの重量増加量の比の値で評価できる。例えば、成長後のIII族窒化物積層体の重量から、あらかじめ測定しておいたベース基板の重量を差し引くことにより、単結晶層の重量増加量とクラウンの重量増加量の和が算出される。さらにIII族窒化物積層体からクラウンのみを研削等によって除去した後に秤量することで、単結晶層の重量増加量とクラウンの重量増加量がそれぞれ算出される。以上の方法により、単結晶層の重量増加量に対するクラウンの重量増加量の比の値を算出することができる。 Here, the evaluation of the crown growth generated at the end portion and the outer edge portion of the group III nitride single crystal layer can be evaluated by the value of the ratio of the weight increase amount of the crown to the weight increase amount of the single crystal layer due to the growth. For example, the sum of the weight increase of the single crystal layer and the weight increase of the crown is calculated by subtracting the weight of the base substrate measured in advance from the weight of the group III nitride laminate after growth. Further, by removing only the crown from the Group III nitride laminate by grinding or the like and then weighing, the weight increase amount of the single crystal layer and the weight increase amount of the crown are calculated, respectively. By the above method, the value of the ratio of the weight increase of the crown to the weight increase of the single crystal layer can be calculated.

さらに、上記III族窒化物単結晶積層体は、クラウンの発生が抑制できるため、特に厚膜成長時においても、面内の膜厚分布を改善することができる。該膜厚は、ノギスやレーザー照射による板厚測定器により測定できる。III族窒化物単結晶積層体の板厚から、あらかじめ測定しておいたベース基板の板厚を差し引くことによりIII族窒化物単結晶層の膜厚を算出することができる。 Further, since the group III nitride single crystal laminate can suppress the generation of crowns, the in-plane film thickness distribution can be improved particularly even during thick film growth. The film thickness can be measured with a caliper or a plate thickness measuring device by laser irradiation. The film thickness of the Group III nitride single crystal layer can be calculated by subtracting the previously measured plate thickness of the base substrate from the plate thickness of the Group III nitride single crystal laminate.

本発明によれば、前記III族窒化物単結晶層の面積が前記ベース基板の面積よりも大きくすることができる。つまり、前記ベース基板の結晶成長面の面積に対する前記III族窒化物単結晶層の表面の面積の比の値を1より大きくすることができる。該比の値は、画像処理ソフトにて算出した面積や、ノギスや移動距離を測定できる顕微鏡等を使用して測定した径で求めることができる。 According to the present invention, the area of the Group III nitride single crystal layer can be made larger than the area of the base substrate. That is, the value of the ratio of the area of the surface of the group III nitride single crystal layer to the area of the crystal growth surface of the base substrate can be made larger than 1. The value of the ratio can be obtained by the area calculated by the image processing software or the diameter measured by using a microscope or the like capable of measuring a caliper or a moving distance.

III族窒化物単結晶積層体は、III族窒化物単結晶層の膜厚が大きくなるほどクラウンが成長しやすい傾向にあるが、本発明の製造方法によれば、クラウンの発生を抑制できるため、前記III族窒化物単結晶層の膜厚の最大値が500μm以上であり、且つ、前記窒化物単結晶層表面の外縁部を除く領域において、最小膜厚/最大膜厚が0.7以上であるIII族窒化物単結晶積層体を得ることができる。このような本発明のIII族窒化物単結晶積層体は、半導体素子製造用基板として有効に用いることができる。 In the group III nitride single crystal laminate, the crown tends to grow more easily as the thickness of the group III nitride single crystal layer increases. However, according to the production method of the present invention, the generation of the crown can be suppressed. The maximum value of the film thickness of the group III nitride single crystal layer is 500 μm or more, and the minimum film thickness / maximum film thickness is 0.7 or more in the region excluding the outer edge portion of the surface of the nitride single crystal layer. A certain Group III nitride single crystal laminate can be obtained. Such a group III nitride single crystal laminate of the present invention can be effectively used as a substrate for manufacturing a semiconductor device.

また、本発明によれば、結晶品質の高いIII族窒化物単結晶積層を成長することができる。該結晶品質は、(0002)面における、X線ロッキングカーブの半値幅(FWHM)で評価することができ、本発明によれば、該半値幅が60秒であるIII族窒化物単結晶積層を成長することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to grow a group III nitride single crystal laminate having high crystal quality. The crystal quality can be evaluated by the half width (FWHM) of the X-ray locking curve on the (0002) plane, and according to the present invention, a group III nitride single crystal laminate having the half width of 60 seconds can be evaluated. Can grow.

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、ラマン分光分析によるE highピークの半値幅、X線ロッキングカーブの半値幅、基板端部における経時窒素原子量/III族原子量、III族窒化物単結晶重量増加量に対するクラウン重量増加量の比、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚、ベース基板の結晶成長面の面積に対するIII族窒化物単結晶層表面の面積の比は、以下の方法にて測定した。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
The half-value width of the E 2 high peak by Raman spectroscopy, the half-value width of the X-ray locking curve, the nitrogen atom weight over time / Group III atom weight at the edge of the substrate, and the ratio of the crown weight increase to the weight increase of the Group III nitride single crystal. The ratio of the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge and the area of the surface of the Group III nitride single crystal layer to the area of the crystal growth surface of the base substrate was measured by the following method.

(ラマン分光分析によるE highピークの半値幅)
顕微ラマンスペクトルのE highピーク半値幅評価は日本分光製のレーザーラマン分光光度計NRD−7100を使用した。励起レーザーとして波長531.98nmのレーザーを使用し、幅10μm×長さ1000μmスリットと、600本/mmのグレーティングを使用した。励起レーザー出力は10.8mWとして100倍の対物レンズを用いて測定スポットを直径約1μmに集光した後、励起レーザーを窒化アルミニウム単結晶に照射して局所的なラマンスペクトルを測定した。このときの露光時間は5秒として3回積算した。また、測定したラマンスペクトルの波数は同様の条件で測定したシリコン基板の波数521.448cm−1のラマンシフトにより校正した。測定した窒化アルミニウム単結晶のE highラマンシフトのピーク(657.4cm−1)はローレンツ関数フィッティングによりピーク波数を求め、該波数に検出されたピークの半値幅(FWHM)を算出した。
(Half width of E 2 high peak by Raman spectroscopic analysis)
A laser Raman spectrophotometer NRD-7100 manufactured by JASCO Corporation was used to evaluate the half width of the E 2 high peak of the microscopic Raman spectrum. A laser having a wavelength of 531.98 nm was used as the excitation laser, and a slit having a width of 10 μm and a length of 1000 μm and a grating having 600 lines / mm were used. The excitation laser output was 10.8 mW, the measurement spot was focused to a diameter of about 1 μm using a 100 times objective lens, and then the excitation laser was irradiated to the aluminum nitride single crystal to measure the local Raman spectrum. The exposure time at this time was set to 5 seconds and integrated three times. The wavenumber of the measured Raman spectrum was calibrated by a Raman shift of a silicon substrate with a wavenumber of 521.448 cm -1 measured under the same conditions. The peak wave number of the measured E 2 high Raman shift peak (657.4 cm -1 ) of the aluminum nitride single crystal was obtained by Lorentz function fitting, and the half width (FWHM) of the peak detected in the wave number was calculated.

(X線ロッキングカーブの半値幅)
PANalytical社製のX線回折装置X‘Pert PRO−MRDを使用した。入射側の光学系はミラーとGe220対称4結晶モノクロメータ、Divergence slitは1/2°、クロススリットは2mm×2mmとした。受光側光学系はOpen detectorとした。X線管電圧は45kV、管電流は40mAとした。基板中心にX線が照射されるように基板を設置し、2θ、z、ωを調整した。回折面が(0002)面となるように基板角度をセットし、さらにピーク強度が最大となるようにω、chiを調整した。最後にωロッキングカーブを測定し、検出されたピークの半値幅(FWHM)を算出した。
(Half width of X-ray locking curve)
An X-ray diffractometer X'Pert PRO-MRD manufactured by PANalytical was used. The optical system on the incident side was a mirror and a Ge220 symmetric 4-crystal monochromator, the Divergence slit was 1/2 °, and the cross slit was 2 mm × 2 mm. The optical system on the light receiving side was an open detector. The X-ray tube voltage was 45 kV and the tube current was 40 mA. The substrate was placed so that X-rays were irradiated to the center of the substrate, and 2θ, z, and ω were adjusted. The substrate angle was set so that the diffraction plane was the (0002) plane, and ω and chi were adjusted so that the peak intensity was maximized. Finally, the ω locking curve was measured, and the full width at half maximum (FWHM) of the detected peak was calculated.

(基板端部における経時窒素原子量/III族原子量)
下記に示す製造方法において基板上に到達する原料ガスの窒素原子量/III族原子量を流体解析にて算出した。流体解析は、汎用熱流体解析ソフトウェアのANSYS FLUENTを用い、実機を模した3D構造、各境界条件(温度、圧力、ガス種、ガス流量等)をもとに行った。伝熱・輻射に関してはDO(Discrete ordinates)モデル、流れに関しては層流モデルにて、定常熱解析を行った。
サセプタを回転して成長した場合には、該窒素原子量/III族原子量が最大値となる基板端部位置の窒素原子量/III族原子量と該窒素原子量/III族原子量が最小値となる基板端部位置の窒素原子量/III族原子量の平均値を経時N/Alとした。
(Atomic weight of nitrogen over time at the edge of the substrate / Atomic weight of Group III)
In the production method shown below, the nitrogen atomic weight / group III atomic weight of the raw material gas reaching the substrate was calculated by fluid analysis. The fluid analysis was performed using ANSYS FLUENT, a general-purpose thermo-fluid analysis software, based on a 3D structure imitating an actual machine and each boundary condition (temperature, pressure, gas type, gas flow rate, etc.). Steady thermal analysis was performed using a DO (Discrete ordinates) model for heat transfer and radiation, and a laminar flow model for flow.
When the susceptor is rotated and grown, the nitrogen atomic weight / group III atomic weight at the position of the substrate end where the nitrogen atomic weight / group III atomic weight is the maximum value and the substrate edge where the nitrogen atomic weight / group III atomic weight is the minimum value The average value of the nitrogen atomic weight / group III atomic weight at the position was defined as N / Al over time.

(III族窒化物単結晶重量増加量に対するクラウン重量増加量の比)
ベース基板および該ベース基板上にIII族窒化物単結晶層を成長して作製したIII族窒化物単結晶積層体を秤量した。クラウンを研削除去した後、再び秤量した。クラウン除去前の前記積層体の重量とクラウン除去後の前記積層体の重量の差がクラウン重量増加量である。一方、クラウン除去後の積層体の重量とベース基板の重量の差がIII族窒化物単結晶層の重量増加量である。クラウン重量増加量をIII族窒化物単結晶層重量増加量で除することにより、III族窒化物単結晶重量増加量に対するクラウン重量増加量の比を算出した。
(Ratio of crown weight increase to Group III nitride single crystal weight increase)
A group III nitride single crystal laminate prepared by growing a group III nitride single crystal layer on the base substrate and the base substrate was weighed. The crown was ground and removed and then weighed again. The difference between the weight of the laminated body before removing the crown and the weight of the laminated body after removing the crown is the amount of increase in crown weight. On the other hand, the difference between the weight of the laminate after removing the crown and the weight of the base substrate is the amount of increase in the weight of the Group III nitride single crystal layer. The ratio of the crown weight increase to the group III nitride single crystal weight increase was calculated by dividing the crown weight increase by the group III nitride single crystal layer weight increase.

(外縁部を除く表面における最大膜厚に対する最小膜厚の比(最小膜厚/最大膜厚)
外縁部を除く表面において、FAシステムズ社製の非接触板厚測定器を用いて、0.5mm間隔でレーザーを照射することによりIII族窒化物単結晶積層体の板厚を測定した。各測定点における板厚からベース基板の板厚を差し引くことにより、各測定点におけるIII族窒化物単結晶層の膜厚を算出した。全測定点のうちの最小膜厚を最大膜厚で除することにより、外縁部を除く表面における最大膜厚に対する最小膜厚の比を算出した。
(Ratio of minimum film thickness to maximum film thickness on the surface excluding the outer edge (minimum film thickness / maximum film thickness)
On the surface excluding the outer edge portion, the plate thickness of the Group III nitride single crystal laminate was measured by irradiating a laser at intervals of 0.5 mm using a non-contact plate thickness measuring instrument manufactured by FA Systems. The film thickness of the Group III nitride single crystal layer at each measurement point was calculated by subtracting the plate thickness of the base substrate from the plate thickness at each measurement point. The ratio of the minimum film thickness to the maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was calculated by dividing the minimum film thickness of all the measurement points by the maximum film thickness.

(ベース基板の結晶成長面の面積に対するIII族窒化物単結晶層表面の面積の比)
OLYMPUS社製の実体顕微鏡SZX7を用いて、倍率100倍でベース基板の結晶成長面を撮影した。撮影した画像をもとに、画像処理ソフトウェアImageJにより結晶成長面の面積を算出した。III族窒化物単結晶層成長後、クラウンを研削除去し、クラウン除去後の窒化物単結晶積層体において、ベース基板と同様に前記実体顕微鏡を用いて倍率100倍で撮影後、ImageJで表面の面積を算出した。III族窒化物単結晶層の表面の面積をベース基板の結晶成長面の面積で除することで、ベース基板の結晶成長面の面積に対するIII族窒化物単結晶層表面の面積の比を算出した。
(Ratio of the area of the surface of the group III nitride single crystal layer to the area of the crystal growth surface of the base substrate)
The crystal growth surface of the base substrate was photographed at a magnification of 100 times using a stereomicroscope SZX7 manufactured by OLYMPUS. The area of the crystal growth plane was calculated by the image processing software ImageJ based on the captured image. After the growth of the group III nitride single crystal layer, the crown is ground and removed, and in the nitride single crystal laminate after removing the crown, the surface is photographed with a stereomicroscope at a magnification of 100 times in the same manner as the base substrate, and then the surface is subjected to ImageJ. The area was calculated. By dividing the surface area of the Group III nitride single crystal layer by the area of the crystal growth surface of the base substrate, the ratio of the area of the surface of the Group III nitride single crystal layer to the area of the crystal growth surface of the base substrate was calculated. ..

(ベース基板の製造)
(ベース基板A)
ベース基板として、昇華法により製造された、厚さ500μm、表面が(0001)面、オフ角0.3°であり、表面がCMPされた直径25mmの円形の窒化アルミニウム単結晶基板を用意した。該基板はCMP前に端部の面取りを行ったため、外縁部に幅0.2mmの傾斜面を有している。該基板の中心におけるラマン分光分析によるE highピークの半値幅は3.3cm−1、端部から10μm内側の位置における該半値幅は3.5cm−1(端部から10μmの位置の半値幅/中心の半値幅=1.06)であった。該基板の表面中心の(0002)のX線ロッキングカーブの半値幅は21秒であった。該基板の結晶成長面の面積は470mmであった。
(Manufacturing of base substrate)
(Base substrate A)
As a base substrate, a circular aluminum nitride single crystal substrate having a thickness of 500 μm, a surface of (0001) surface, an off angle of 0.3 °, and a surface of 25 mm in diameter, which was manufactured by a sublimation method, was prepared. Since the end portion of the substrate was chamfered before CMP, the outer edge portion has an inclined surface having a width of 0.2 mm. The half width of the E 2 high peak by Raman spectroscopy at the center of the substrate is 3.3 cm -1 , and the half width at a position 10 μm inside from the end is 3.5 cm -1 (half width at a position 10 μm from the end). / Half width at the center = 1.06). The half-value width of the (0002) X-ray locking curve at the center of the surface of the substrate was 21 seconds. The area of the crystal growth surface of the substrate was 470 mm 2 .

(ベース基板B)
上記ベース基板Aを側面がm面とa面になるようにダイヤモンドペンで劈開し、表面が7mm四方である正方形形状である窒化アルミニウム単結晶基板を用意した。劈開後の基板中心におけるラマン分光分析によるE highピークの半値幅は3.3cm−1、端部から10μm内側の位置における該半値幅は3.3cm−1(端部から10μm内側の位置の半値幅/中心の半値幅=1.00)であり、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が21秒であった。該ベース基板の結晶成長面の面積は49mmであった。
(Base substrate B)
The base substrate A was cleaved with a diamond pen so that the side surfaces were m-plane and a-plane, and an aluminum nitride single crystal substrate having a square shape with a 7 mm square surface was prepared. The half-value width of the E 2 high peak by Raman spectroscopic analysis at the center of the substrate after cleavage is 3.3 cm -1 , and the half-value width at the position 10 μm inside from the end is 3.3 cm -1 (at the position 10 μm inside from the end). Half width / center half width = 1.00), and the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 21 seconds. The area of the crystal growth surface of the base substrate was 49 mm 2 .

(ベース基板C)
ベース基板として、昇華法により製造された、厚さ500μm、表面が(0001)面、オフ角0.3°である、表面がCMPされた直径25mmの円形であり一部のm方向にオリエンテーションフラットを有する窒化アルミニウム単結晶基板を用意した。該基板はCMP前に端部の面取りを行ったため、外縁部に幅0.2mmの傾斜面を有している。該基板の中心におけるラマン分光分析によるE highピークの半値幅は3.3cm−1、端部から10μm内側の位置における該半値幅は3.8cm−1(端部から10μmの位置の半値幅/中心の半値幅=1.15)であった。該基板の表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は21秒であった。該基板の結晶成長面の面積は470mmであった。
(Base substrate C)
As a base substrate, it is a circular shape with a thickness of 500 μm, a surface of (0001) surface, an off angle of 0.3 °, a diameter of 25 mm with a CMP surface, and an orientation flat in some m directions, manufactured by the sublimation method. An aluminum nitride single crystal substrate having the above was prepared. Since the end portion of the substrate was chamfered before CMP, the outer edge portion has an inclined surface having a width of 0.2 mm. The half width of the E 2 high peak by Raman spectroscopy at the center of the substrate is 3.3 cm -1 , and the half width at a position 10 μm inside from the end is 3.8 cm -1 (half width at a position 10 μm from the end). / Half width at the center = 1.15). The half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface of the substrate was 21 seconds. The area of the crystal growth surface of the substrate was 470 mm 2 .

(ベース基板D)
ベース基板として、昇華法により製造された、厚さ500μm、表面が(0001)面、オフ角0.3°である、表面がCMPされた直径25mmの円形であり一部のm方向にオリエンテーションフラットを有する窒化アルミニウム単結晶基板を用意した。該基板はCMP前に端部の面取りを行ったため、外縁部に幅0.2mmの傾斜面を有している。該基板の中心におけるラマン分光分析によるE highピークの半値幅は3.3cm−1、端部から10μm内側の位置における該半値幅は4.5cm−1(端部から10μmの位置の半値幅/中心の半値幅=1.36)であった。該基板の表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は21秒であった。該基板の結晶成長面の面積は470mmであった。
(Base board D)
As a base substrate, it is a circular shape with a thickness of 500 μm, a surface of (0001) surface, an off angle of 0.3 °, a diameter of 25 mm with a CMP surface, and an orientation flat in some m directions, manufactured by the sublimation method. An aluminum nitride single crystal substrate having the above was prepared. Since the end portion of the substrate was chamfered before CMP, the outer edge portion has an inclined surface having a width of 0.2 mm. The half width of the E 2 high peak by Raman spectroscopy at the center of the substrate is 3.3 cm -1 , and the half width at a position 10 μm inside from the end is 4.5 cm -1 (half width at a position 10 μm from the end). / Half width at the center = 1.36). The half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface of the substrate was 21 seconds. The area of the crystal growth surface of the substrate was 470 mm 2 .

実施例1
ベース基板Bを用いて、図2に示す縦型気相成長装置を用いて、HVPE法にて窒化アルミニウム単結晶膜を積層した。基板はノズルの真下に設置された直径150mmのサセプタの中心に設置した。アルミニウムと塩化水素ガスを反応させて製造した三塩化アルミニウムガスをIII族源ガスとして、アンモニアガスを窒素源ガスとして用いた。III族源ガス供給口から三塩化アルミニウムガス2sccmと塩化水素ガス18sccmと水素ガス980sccm、窒素源ガス供給口からアンモニアガス2sccmと水素ガス998sccmを供給した。プッシングガス供給ノズルから窒素ガス5000sccmを供給した。サセプタを1450℃に加熱した状態で窒化アルミニウム単結晶層を成長させた。成長時間は、基板中心の窒化アルミニウム単結晶膜厚が100〜140μmになるように制御した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は1.00であった。
Example 1
Using the base substrate B, the aluminum nitride single crystal film was laminated by the HVPE method using the vertical vapor deposition apparatus shown in FIG. The substrate was installed in the center of a susceptor having a diameter of 150 mm, which was installed directly under the nozzle. Aluminum trichloride produced by reacting aluminum with hydrogen chloride gas was used as a group III source gas, and ammonia gas was used as a nitrogen source gas. Aluminum trichloride gas 2 sccm, hydrogen chloride gas 18 sccm and hydrogen gas 980 sccm were supplied from the group III source gas supply port, and ammonia gas 2 sccm and hydrogen gas 998 sccm were supplied from the nitrogen source gas supply port. Nitrogen gas 5000 sccm was supplied from the pushing gas supply nozzle. The aluminum nitride single crystal layer was grown while the susceptor was heated to 1450 ° C. The growth time was controlled so that the aluminum nitride single crystal film thickness at the center of the substrate was 100 to 140 μm. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 1.00.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.15であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.96であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.09であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が24秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.15, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.96. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.09. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 24 seconds.

実施例2
基板をサセプタの中心から40mm離れた位置に設置した以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は位置によって0.85〜0.89であった。
Example 2
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that the substrate was installed at a position 40 mm away from the center of the susceptor. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate with time was 0.85 to 0.89 depending on the position.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.22であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.94であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.02であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が27秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.22, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.94. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.02. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 27 seconds.

比較例1
基板をサセプタの中心から60mm離れた位置に設置した以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は位置によって0.40〜0.58であった。
Comparative Example 1
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that the substrate was installed at a position 60 mm away from the center of the susceptor. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate with time was 0.40 to 0.58 depending on the position.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.40であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.95であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.94であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が25秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.40, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.95. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.94. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 25 seconds.

比較例2
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを0.2sccmと水素ガスを999.8sccm供給した以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.08であった。
Comparative Example 2
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that 0.2 sccm of ammonia gas and 999.8 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.08.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.53であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.92であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.93であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が42秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.53, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.92. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.93. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 42 seconds.

実施例3
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを5sccmと水素ガスを995sccm供給した以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は2.52であった。
Example 3
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that 5 sccm of ammonia gas and 995 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 2.52.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.05であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.95であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.11であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が27秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.05, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.95. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.11. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 27 seconds.

比較例3
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを8sccmと水素ガスを992sccm供給した以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は4.03であった。
Comparative Example 3
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that ammonia gas was supplied at 8 sccm and hydrogen gas was supplied at 992 sccm from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 4.03.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.03であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.95であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.12であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が70秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.03, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.95. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.12. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 70 seconds.

実施例4
III族源ガス供給口から三塩化アルミニウムガス2sccmと塩化水素ガス6sccmと水素ガス992sccmした以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は1.00であった。
Example 4
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that aluminum trichloride gas 2 sccm, hydrogen chloride gas 6 sccm, and hydrogen gas 992 sccm were discharged from the group III source gas supply port. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 1.00.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.30であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.95であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.96であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が44秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.30, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.95. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.96. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 44 seconds.

実施例5
III族源ガス供給口から三塩化アルミニウムガス2sccmと水素ガス998sccmした以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は1.00であった。
Example 5
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that aluminum trichloride gas 2 sccm and hydrogen gas 998 sccm were collected from the group III source gas supply port. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 1.00.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.38であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.92であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.95であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が57秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.38, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.92. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.95. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 57 seconds.

実施例6
ベース基板Aを用いたことと、基板中心の窒化アルミニウム単結晶膜厚が800〜840μmになるように成長時間を制御したこと以外は実施例1と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.98であった。
Example 6
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 1 except that the base substrate A was used and the growth time was controlled so that the thickness of the aluminum nitride single crystal at the center of the substrate was 800 to 840 μm. .. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.98.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.20であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.76であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.18であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が25秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.20, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.76. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.18. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 25 seconds.

実施例7
ベース基板Cを用いたこと以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.98であった。
Example 7
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 6 except that the base substrate C was used. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.98.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.27であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.73であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.13であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が24秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.27, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.73. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.13. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 24 seconds.

実施例8
ベース基板Dを用いたこと以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.98であった。
Example 8
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 6 except that the base substrate D was used. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.98.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.33であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.70であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.00であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が29秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.33, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.70. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.00. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 29 seconds.

実施例9
基板中心の窒化アルミニウム単結晶膜厚が500〜540μmになるように成長時間を制御したこと以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.98であった。
Example 9
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 6 except that the growth time was controlled so that the thickness of the aluminum nitride single crystal at the center of the substrate was 500 to 540 μm. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.98.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.16であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.89であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.14であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が23秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.16, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.89. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.14. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 23 seconds.

実施例10
基板中心の窒化アルミニウム単結晶膜厚が300〜340μmになるように成長時間を制御したこと以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.98であった。
Example 10
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 6 except that the growth time was controlled so that the thickness of the aluminum nitride single crystal at the center of the substrate was 300 to 340 μm. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.98.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.10であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.94であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.09であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が27秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.10, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.94. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.09. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 27 seconds.

比較例4
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを0.2sccmと水素ガスを999.8sccm供給した以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.08であった。
Comparative Example 4
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 6 except that 0.2 sccm of ammonia gas and 999.8 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.08.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.71であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.39であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.92であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が35秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.71, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.39. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.92. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 35 seconds.

比較例5
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを0.2sccmと水素ガスを999.8sccm供給した以外は実施例9と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.08であった。
Comparative Example 5
An aluminum nitride single crystal laminate was produced in the same manner as in Example 9 except that 0.2 sccm of ammonia gas and 999.8 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.08.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.66であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.63であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.94であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が28秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.66, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.63. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.94. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 28 seconds.

比較例6
窒素源ガス供給ノズルからアンモニアガスを0.2sccmと水素ガスを999.8sccm供給した以外は実施例10と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.08であった。
Comparative Example 6
An aluminum nitride single crystal laminate was produced in the same manner as in Example 10 except that 0.2 sccm of ammonia gas and 999.8 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply nozzle. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.08.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.49であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.93であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.97であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が27秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.49, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.93. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.97. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 27 seconds.

比較例7
プッシングガスを供給しなかった以外は実施例6と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は5.20であった。
Comparative Example 7
An aluminum nitride single crystal laminate was produced in the same manner as in Example 6 except that the pushing gas was not supplied. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 5.20.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.65であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.13であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.08であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が112秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.65, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.13. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.08. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 112 seconds.

実施例11
図3に示す気相成長装置を用いて、HVPE法にて窒化アルミニウム単結晶膜を積層した。基板はノズルの吹き出し口の斜め下に設置された直径70mmのサセプタの中心に設置した。アルミニウムと塩化水素ガスを反応させて製造した三塩化アルミニウムガスをIII族源ガスとして、アンモニアガスを窒素源ガスとして用いた。III族源ガス供給口から三塩化アルミニウムガス4sccmと塩化水素ガス36sccmと水素ガス1760sccm、窒素源ガス供給口からアンモニアガス16sccmと水素ガス184sccmを供給した。プッシングガス供給ノズルから窒素ガス3250sccmと水素ガス3250sccmを供給した。サセプタを20rpmで回転し、1450℃に加熱した状態で窒化アルミニウム単結晶層を成長させた。成長時間は、基板中心の窒化アルミニウム単結晶膜厚が800〜840μmになるように制御した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.84であった。
Example 11
The aluminum nitride single crystal film was laminated by the HVPE method using the vapor phase growth apparatus shown in FIG. The substrate was installed in the center of a susceptor having a diameter of 70 mm, which was installed diagonally below the outlet of the nozzle. Aluminum trichloride produced by reacting aluminum with hydrogen chloride gas was used as a group III source gas, and ammonia gas was used as a nitrogen source gas. Aluminum trichloride gas 4 sccm, hydrogen chloride gas 36 sccm and hydrogen gas 1760 sccm were supplied from the group III source gas supply port, and ammonia gas 16 sccm and hydrogen gas 184 sccm were supplied from the nitrogen source gas supply port. Nitrogen gas 3250 sccm and hydrogen gas 3250 sccm were supplied from the pushing gas supply nozzle. The aluminum nitride single crystal layer was grown in a state where the susceptor was rotated at 20 rpm and heated to 1450 ° C. The growth time was controlled so that the aluminum nitride single crystal film thickness at the center of the substrate was 800 to 840 μm. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.84.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.16であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.72であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.15であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が26秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.16, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.72. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.15. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 26 seconds.

比較例8
サセプタを回転させなかったこと以外は実施例11と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の経時平均値は位置によって0.45〜1.22であった。
Comparative Example 8
An aluminum nitride single crystal laminate was produced in the same manner as in Example 11 except that the susceptor was not rotated. The average value over time on the outer edge of the substrate at this time was 0.45 to 1.22 depending on the position.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.42であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.48であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は1.04であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が35秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.42, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.48. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 1.04. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 35 seconds.

比較例9
窒素源ガス供給口からアンモニアガス10sccmと水素ガス190sccmを供給した以外は実施例11と同じ方法で窒化アルミニウム単結晶積層体を製造した。この時の基板外縁部上の窒素原子量/III族原子量の経時平均値は0.44であった。
Comparative Example 9
An aluminum nitride single crystal laminate was produced by the same method as in Example 11 except that 10 sccm of ammonia gas and 190 sccm of hydrogen gas were supplied from the nitrogen source gas supply port. At this time, the average value of nitrogen atomic weight / group III atomic weight on the outer edge of the substrate over time was 0.44.

得られた窒化アルミニウム単結晶積層体の、表面重量増加量に対するクラウン重量増加量の比の値は0.44であり、外縁部を除く表面における最小膜厚/最大膜厚は0.40であった。ベース基板の結晶成長面に対するIII族窒化物単結晶層の表面の面積の比は0.95であった。また、表面中心の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が32秒であった。 The value of the ratio of the amount of increase in crown weight to the amount of increase in surface weight of the obtained aluminum nitride single crystal laminate was 0.44, and the minimum / maximum film thickness on the surface excluding the outer edge was 0.40. rice field. The ratio of the surface area of the group III nitride single crystal layer to the crystal growth surface of the base substrate was 0.95. Further, the half width of the X-ray locking curve of the (0002) plane at the center of the surface was 32 seconds.

1:ベース基板
2:結晶成長面
3:外縁部
4:側面
5:端部
10:縦型気相成長装置
11:反応管
12:サセプタ
13:III族源ガス供給口
14:窒素源ガス供給口
15:原料ガス供給ノズル
16:プッシングガス供給ノズル
20:横型気相成長装置
21:窒素源ガス供給ノズル
22:III族源ガス供給ノズル
1: Base substrate 2: Crystal growth surface 3: Outer edge 4: Side surface 5: End 10: Vertical gas phase growth device 11: Reaction tube 12: Suceptor 13: Group III source gas supply port 14: Nitrogen source gas supply port 15: Raw material gas supply nozzle 16: Pushing gas supply nozzle 20: Horizontal gas phase growth device 21: Nitrogen source gas supply nozzle 22: Group III source gas supply nozzle

Claims (4)

III族源ガスと窒素源ガスとを反応させることにより、III族窒化物単結晶からなるベース基板上にIII族窒化物単結晶を成長させるIII族窒化物単結晶積層体の製造方法であって、
前記ベース基板における
III族窒化物単結晶を成長させる面が(0001)面であり、
前記III族窒化物単結晶を成長させる面の外縁に到達するIII族源ガスと窒素源ガスにおけるIII族原子量に対する窒素原子量の比(窒素原子量/III族原子量)の経時平均値が0.5〜3.0であることを特徴とするIII族窒化物単結晶積層体の製造方法。
A method for producing a Group III nitride single crystal laminate in which a Group III nitride single crystal layer is grown on a base substrate made of a Group III nitride single crystal by reacting a Group III source gas with a nitrogen source gas. hand,
The plane on which the Group III nitride single crystal layer is grown on the base substrate is the (0001) plane.
The time-dependent average value of the ratio of the nitrogen atom weight to the group III atom weight (nitrogen atom weight / group III atom weight) of the group III source gas and the nitrogen source gas reaching on the outer edge of the surface on which the group III nitride single crystal layer is grown is 0. .. A method for producing a group III nitride single crystal laminate, which is characterized by being 5 to 3.0.
前記ベース基板の、III族窒化物単結晶を成長させる面の中心におけるラマン分光分析によって検出されるE highピークの半値幅に対する、該基板端部から10μm内側の位置における該半値幅の比の値が1.2以下であるベース基板を用いる請求項1に記載のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法。 The ratio of the half width of the base substrate to the half width of the E 2 high peak detected by Raman spectroscopy at the center of the surface on which the Group III nitride single crystal layer is grown at a position 10 μm inside from the edge of the substrate. The method for producing a Group III nitride single crystal laminate according to claim 1, wherein a base substrate having a value of 1.2 or less is used. 前記III族源ガスと窒素源ガスと共にハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを供給することを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法。 The group III nitride single crystal according to claim 1 or 2, wherein at least one halogen-based gas selected from a hydrogen halide gas and a halogen gas is supplied together with the group III source gas and the nitrogen source gas. Method for manufacturing a laminate. 前記ベース基板は、窒化アルミニウム単結晶からなるものであり、 The base substrate is made of a single crystal of aluminum nitride.
前記III族窒化物単結晶層は、窒化アルミニウム単結晶層である、 The group III nitride single crystal layer is an aluminum nitride single crystal layer.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のIII族窒化物単結晶積層体の製造方法。 The method for producing a Group III nitride single crystal laminate according to any one of claims 1 to 3.
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