JP7236655B2 - RAMO4 substrate, manufacturing method thereof, and manufacturing method of group III nitride crystal. - Google Patents

RAMO4 substrate, manufacturing method thereof, and manufacturing method of group III nitride crystal. Download PDF

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Description

本発明は、RAMO基板、その製造方法、及びIII族窒化物結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a RAMO4 substrate, its manufacturing method, and a manufacturing method of group III-nitride crystals.

近年、一般式RAMOで表される単結晶基板が、GaN結晶成長用の基板として注目されている。ここで、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg,Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つはまたは複数の二価の元素を表す。 In recent years, a single crystal substrate represented by the general formula RAMO4 has attracted attention as a substrate for growing GaN crystals. wherein R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanides, and A represents the group consisting of Fe(III), Ga, and Al. represents one or more trivalent elements selected from Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd. represents a valence element.

特に、特許文献1に記載されたRAMOの一例であるScAlMgO単結晶(「SCAMO結晶」ともいう。)は、岩塩型構造の(111)面的なScO層と、六方晶の(0001)面的なAlMgO層とが交互に積層した構造となっている。六方晶(0001)面的な2層は、ウルツ鉱型構造と比較して平面的になっており、面内の結合と比較して、上下層間の結合は、0.03nmほど長く、結合力が弱い。従って、ScAlMgO単結晶は、(0001)面で劈開することができる。 In particular, the ScAlMgO 4 single crystal (also referred to as “SCAMO crystal”), which is an example of RAMO 4 described in Patent Document 1, has a (111) face ScO 2 layer with a rock salt structure and a hexagonal (0001 ) are alternately stacked with planar AlMgO 2 layers. The hexagonal (0001) plane two layers are planar compared to the wurtzite structure, and compared to the in-plane bond, the bond between the upper and lower layers is about 0.03 nm longer, and the bond strength is is weak. Therefore, the ScAlMgO4 single crystal can be cleaved at the (0001) plane.

また、六方晶(0001)面的なAlMgO層のa軸格子定数が、3.23Å(32.3nm)であり、GaNのa軸格子定数が、3.18Å(31.8nm)であり、両者の格子不整合は1.5%程度である。一方、サファイア単結晶とGaNとの格子不整合が16%であることから、成長用の基板としてSCAM結晶の方がサファイア結晶よりも高品質なGaN結晶が得られるものとして期待できる。 Further, the a-axis lattice constant of the hexagonal (0001) AlMgO 2 layer is 3.23 Å (32.3 nm), the a-axis lattice constant of GaN is 3.18 Å (31.8 nm), The lattice mismatch between the two is about 1.5%. On the other hand, since the lattice mismatch between the sapphire single crystal and GaN is 16%, it can be expected that the SCAM crystal can be used as a growth substrate to obtain a higher quality GaN crystal than the sapphire crystal.

また、ScAlMgO結晶の熱膨張係数は、6.6×10-6/Kで、GaNの5.5×10-6/Kと比べて大きい。そこで、ScAlMgO結晶上に200μmを超える厚めのGaN結晶を成長させた後に、上記のc面劈開性、及び、結晶成長後の冷却過程での熱収縮時の応力差を利用することで、c面での剥離・自立化が可能であると期待されている。 Also, the thermal expansion coefficient of ScAlMgO 4 crystal is 6.6×10 −6 /K, which is larger than 5.5×10 −6 /K of GaN. Therefore, after growing a thick GaN crystal of more than 200 μm on the ScAlMgO 4 crystal, by utilizing the above-mentioned c-plane cleavage and the stress difference during thermal contraction during the cooling process after crystal growth, c It is expected that it will be possible to peel off the surface and make it self-supporting.

しかしながら、実際に劈開したScAlMgO単結晶上に、数μm程度のGaN薄膜を形成した場合に転位密度を評価してみると5×10cm-2~1×10cm-2程度であった。サファイア基板上のGaN薄膜の転位密度が1×10cm-2~1×10cm-2程度であり、改善傾向は見られたが市販されている自立GaN基板の転位密度が3×10cm-2であることを考慮すると、近年のGaNデバイスの要求仕様からは十分に転位密度を低減できているわけではない。また、劈開したScAlMgO単結晶上に400μmを超える厚めのGaN結晶を成長させた場合に、ScAlMgOのc面剥離性を利用して自立化を試みてみたが密着力が強く自然剥離が困難であった。時には、ScAlMgO結晶、GaN結晶のいずれかが割れてしまうこともあり期待されるような特性を活かし切れていない。 However, when a GaN thin film of about several μm is formed on an actual cleaved ScAlMgO 4 single crystal, the dislocation density is about 5×10 7 cm −2 to 1×10 8 cm −2 . rice field. The dislocation density of the GaN thin film on the sapphire substrate was about 1×10 8 cm −2 to 1×10 9 cm −2 , and there was an improvement trend. Considering that the dislocation density is 6 cm −2 , the dislocation density cannot be sufficiently reduced according to the recent requirements of GaN devices. In addition, when a thick GaN crystal exceeding 400 μm is grown on a cleaved ScAlMgO 4 single crystal, an attempt was made to make it self-sustaining by utilizing the c-plane exfoliation of ScAlMgO 4 , but the adhesion was strong and natural exfoliation was difficult. Met. Occasionally, either the ScAlMgO 4 crystal or the GaN crystal is cracked, and the expected characteristics cannot be fully utilized.

なお、サファイア基板上にGaN結晶を形成する場合では、結晶成長後のGaN結晶のピット密度や転位密度を低減させるに、サファイア基板に凹凸パターンを形成し、そのパターン基板上にGaNを結晶成長させるといった手法が有効であることが知られている。
例えば、特許文献2には、円錐状又は角錐状の凸部を表面に格子状に配置して形成されたサファイア基板に対してGaN結晶を形成すれば、ピット密度、転位密度の低減が可能であると開示されている。
When forming a GaN crystal on a sapphire substrate, in order to reduce the pit density and dislocation density of the GaN crystal after crystal growth, an uneven pattern is formed on the sapphire substrate, and GaN is crystal-grown on the pattern substrate. It is known that such a method is effective.
For example, Patent Document 2 discloses that pit density and dislocation density can be reduced by forming a GaN crystal on a sapphire substrate having conical or pyramidal projections arranged in a lattice pattern on the surface. It is disclosed that there is

また、その他にも、転位密度の低減の手法として、特許文献3には、ストライプ状の溝を形成したパターンに対してGaNを結晶成長させる転位密度を低減する手法が開示されている。 In addition, as a method for reducing the dislocation density, Patent Document 3 discloses a method for reducing the dislocation density by crystal-growing GaN on a pattern in which stripe-shaped grooves are formed.

特開2015-178448号公報JP 2015-178448 A 特開2016-060659号公報JP 2016-060659 A 特開2006-114829号公報JP 2006-114829 A

しかし、上記特許文献1乃至3による方法では転位密度の低減は十分ではなく、より低転位密度のIII族窒化物結晶を得ることができるRAMO基板の製造方法が課題であった。 However, the methods according to Patent Documents 1 to 3 are not sufficient to reduce the dislocation density, and a method for producing a RAMO4 substrate capable of obtaining a Group III nitride crystal with a lower dislocation density has been a problem.

本開示は、上記課題を解決したRAMO基板を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a RAMO4 substrate that solves the above problems.

上記目的を達成するために、本発明に係るRAMO基板は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板であって、
前記+c面に周囲を複数のV溝で覆われて構成される三角錐台を有し、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、(01-1Z)面、(-101Z)面、又は(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)により構成されている。
In order to achieve the above object, the RAMO 4 substrate according to the present invention is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R is from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements represents one or more selected trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg , Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd . and
Having a truncated triangular pyramid formed by covering the +c plane with a plurality of V-grooves,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [-1100] direction of the hexagonal crystal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is composed of a {11-2Z} plane, a (01-1Z) plane, a (-101Z) plane, or a (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). .

本発明に係るRAMO基板の製造方法は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板を準備し、
前記+c面に対してマスクを施してウェットエッチングすることで、周囲をV溝で覆われる三角錐台を形成するに際し、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、あるいは、(01-1Z)面、(-101Z)面、(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)となるように前記ウェットエッチングを施す。
A method for manufacturing a RAMO 4 substrate according to the present invention is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R is one selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements). or multiple trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn, Fe ( II), representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Co, Cu, Zn, and Cd), providing a RAMO 4 substrate having a +c-plane as a major surface;
In forming a truncated triangular pyramid surrounded by a V-groove by masking and wet-etching the +c plane,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [−1100] direction of the hexagonal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is the {11-2Z} plane, or the (01-1Z) plane, (-101Z) plane, or (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). The wet etching is performed.

本開示によれば、優れたRAMO基板および低転位密度のIII族窒化物結晶を製造できる。 According to the present disclosure, superior RAMO 4 substrates and low dislocation density group III-nitride crystals can be produced.

(a):実施の形態4に係る凹凸付きRAMO基板上の三角形エピタキシャル領域のm面近接パターンの平面図、(b):実施の形態4に係る凹凸付きRAMO基板の断面図、(c):実施の形態4に係るRAMO基板上の三角形エピタキシャル領域のa面近接パターンの平面図(a): Top view of the m-plane proximity pattern of the triangular epitaxial region on the RAMO4 substrate with unevenness according to the fourth embodiment, (b): Cross-sectional view of the RAMO4 substrate with unevenness according to the fourth embodiment, (c) ): Plan view of the a-plane proximity pattern of the triangular epitaxial region on the RAMO4 substrate according to the fourth embodiment. 実施の形態4に係るRAMO基板上の六角形エピタキシャル領域のm面近接パターンの平面図Plan view of m-plane proximity pattern of hexagonal epitaxial regions on RAMO4 substrate according to embodiment 4 実施の形態4に係るRAMO基板上の六角形エピタキシャル領域のa面近接パターンの平面図Plan view of the a-plane proximity pattern of the hexagonal epitaxial region on the RAMO4 substrate according to the fourth embodiment ScAlMgOの結晶格子(正規図)Crystal lattice of ScAlMgO (normal view) ScAlMgOの結晶格子(正規図から60°回転)Crystal lattice of ScAlMgO4 (rotated 60° from the normal view) ScAlMgOの結晶格子(正規図から120°回転)Crystal lattice of ScAlMgO4 (120° rotation from the normal view) ScAlMgO結晶の結晶方位の定義図Definition diagram of the crystal orientation of the ScAlMgO4 crystal 六方晶結晶のm面方位の定義図Definition of m-plane orientation of hexagonal crystal 六方晶結晶のa面方位の定義図Definition of the a-plane orientation of a hexagonal crystal (a):ScAlMgO基板をウェットエッチングした後の表面顕微鏡写真、(b):凹凸付ScAlMgO基板上にGaN薄膜を形成した表面電子顕微鏡写真、(c):凹凸付ScAlMgO基板上にGaN厚膜を形成した表面電子顕微鏡写真、(d):V溝側壁([-1100]方向)に異常成長した結晶の断面顕微鏡写真、(e):V溝側壁([11-20]方向)に異常成長した結晶の断面顕微鏡写真(a): Surface micrograph after wet etching of ScAlMgO substrate, (b): Surface electron micrograph of GaN thin film formed on uneven ScAlMgO substrate, (c): GaN on uneven ScAlMgO substrate Surface electron micrograph of a thick film formed, (d): cross-sectional micrograph of crystal abnormally grown on the V-groove sidewall ([-1100] direction), (e): on the V-groove sidewall ([11-20] direction) Cross-sectional micrograph of abnormally grown crystal RAMO基板のウェットエッチングプロセスフローWet etching process flow of RAMO4 substrate ScAlMgO基板上に形成されたパターンPattern formed on ScAlMgO4 substrate ScAlMgO基板上に形成されたパターンへのGaN結晶成長した表面電子顕微鏡写真Surface electron micrograph of GaN crystal growth on a pattern formed on a ScAlMgO4 substrate ScAlMgO基板上への結晶成長フローCrystal growth flow on ScAlMgO4 substrate ScAlMgO基板上への結晶成長フローCrystal growth flow on ScAlMgO4 substrate ScAlMgO基板上への結晶成長フローCrystal growth flow on ScAlMgO4 substrate ScAlMgO基板上への結晶成長フローCrystal growth flow on ScAlMgO4 substrate 凹凸付ScAlMgO基板上に形成されたGaN結晶表面電子顕微鏡写真Surface electron micrograph of a GaN crystal formed on a textured ScAlMgO4 substrate 凹凸付ScAlMgO基板上に形成されたGaN結晶表面電子顕微鏡写真Surface electron micrograph of a GaN crystal formed on a textured ScAlMgO4 substrate 凹凸付ScAlMgO基板上に形成されたGaN結晶表面電子顕微鏡写真Surface electron micrograph of a GaN crystal formed on a textured ScAlMgO4 substrate 実施の形態4で規定される凹凸付ScAlMgO基板上3角エピ領域上に形成されたGaN結晶表面の光学顕微鏡写真Optical micrograph of a GaN crystal surface formed on a triangular epitaxial region on a ScAlMgO 4 substrate with unevenness defined in Embodiment 4. 実施の形態4で規定される凹凸付ScAlMgO基板上3角エピ領域上に形成されたGaN結晶表面のCL像(500倍)CL image (500x) of the GaN crystal surface formed on the triangular epi region on the uneven ScAlMgO 4 substrate defined in Embodiment 4. 凹凸無ScAlMgO基板に形成されたGaN結晶表面のCL像(2000倍)CL image of the GaN crystal surface formed on the unevenness-free ScAlMgO4 substrate (2000x) 凹凸有ScAlMgO基板に形成されたGaN結晶表面のCL像(2000倍)CL image of GaN crystal surface formed on uneven ScAlMgO4 substrate (2000x)

第1の態様に係るRAMO基板は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板であって、
前記+c面に周囲を複数のV溝で覆われて構成される三角錐台を有し、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、(01-1Z)面、(-101Z)面、又は(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)により構成されている。
The RAMO 4 substrate according to the first aspect is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R is one selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements or represents a plurality of trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn, Fe(II ), representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Co, Cu, Zn , and Cd.
Having a truncated triangular pyramid formed by covering the +c plane with a plurality of V-grooves,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [-1100] direction of the hexagonal crystal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is composed of a {11-2Z} plane, a (01-1Z) plane, a (-101Z) plane, or a (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). .

第2の態様に係るRAMO基板は、上記第1の態様において、前記V溝斜面が、{11-2Z}面(但し、Zは正の整数とする)により構成されていてもよい。 In the RAMO 4 substrate according to the second aspect, in the first aspect, the V-groove slope may be composed of a {11-2Z} plane (where Z is a positive integer).

第3の態様に係るRAMO基板は、上記第1又は第2の態様において、前記+C面上にIII族窒化物結晶が形成されていてもよい。 In the RAMO 4 substrate according to the third aspect, in the first or second aspect, a group III nitride crystal may be formed on the +C plane.

第4の態様に係るRAMO基板の製造方法は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板を準備し、
前記+c面に対してマスクを施してウェットエッチングすることで、周囲をV溝で覆われる三角錐台を形成するに際し、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、あるいは、(01-1Z)面、(-101Z)面、(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)となるように前記ウェットエッチングを施す。
A method for manufacturing a RAMO 4 substrate according to the fourth aspect is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R is selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements represents one or more trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn, providing a RAMO 4 substrate having a +c-plane as a major surface composed of Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd;
In forming a truncated triangular pyramid surrounded by a V-groove by masking and wet-etching the +c plane,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [−1100] direction of the hexagonal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is the {11-2Z} plane, or the (01-1Z) plane, (-101Z) plane, or (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). The wet etching is performed.

第5の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1の態様のRAMO基板を準備し、
前記RAMO基板上にIII族窒化物結晶を成長させ、
前記III族窒化物と前記RAMO基板とを自然剥離させる。
A method for producing a group III nitride crystal according to a fifth aspect comprises preparing the RAMO4 substrate of the first aspect,
growing a III-nitride crystal on the RAMO4 substrate;
The III-nitride and the RAMO4 substrate are spontaneously exfoliated.

以下、実施の形態に係るRAMO基板及びその製造方法、並びにIII族窒化物結晶の製造方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。 Hereinafter, a RAMO4 substrate, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a Group III nitride crystal according to embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code|symbol is attached|subjected about the substantially same member in drawing.

RAMO基板の一種であるScAlMgO基板上に低転位密度のIII族窒化物結晶の一種であるGaN結晶を形成し、自発自立・剥離化を実現する結晶の構成、及びその製造方法を以下に説明する。 A GaN crystal, which is a type of group III nitride crystal with a low dislocation density, is formed on a ScAlMgO4 substrate, which is a type of RAMO4 substrate. explain.

まず、最初にScAlMgO結晶に関する物性に関して説明しておく。ScAlMgO単結晶(「SCAMO結晶」ともいう。)の結晶格子を図3に記す。Sc(スカンジウム)原子(11)とO(酸素)原子(12)からなる原子岩塩型構造(111)面的なScO層と、アルミニウム(Al)原子とマグネシウム(Mg)原子が同サイトに入ったAlMgサイト(13)とO(酸素)原子(12)原子からなる六方晶(0001)面的なAlMgO層とが交互に積層した構造となおりその六方晶(0001)面的な2層は、ウルツ鉱型構造と比較して平面的になっており、面内の結合と比較して、上下層間の結合は、0.03nmほど長く、結合力が弱い。従って、ScAlMgO単結晶は、(0001)面で劈開しやすい性質は先に述べたとおりである。このScAlMgO単結晶構造に特有な特徴として三回対称性の性質を有する。原子の並びを見ると、一見、六方晶のように見えるが、原子の結合に注目すると厳密には三回対称性の性質を有することがわかる。図3(a)で示す結晶の原子群をc軸中心に60°回転した図3(b)の結晶群の並びは原子同士の結合状態を考慮すると異なるものである。さらに、図3(b)の結晶群をc軸中心に60°回転した図3(c)の結晶の並びは原子同士の結合状態を考慮しても図3(a)に一致することがわかる。例えば、スカンジウム(Sc)原子(11)のみの並びに着目すれば六回対称性であるが、スカンジウム(Sc)原子と酸素原子(O)の結合手に着目すれば三回対称性を持つことがわかる。又、このような見方は、AlMgサイトに関しても同様の見方が見られる。従って、この原子配列からScAlMgO単結晶は、三回対称性と六回対称性の性質の両方を有することが予想される。 First, the physical properties of the ScAlMgO 4 crystal will be explained. The crystal lattice of the ScAlMgO 4 single crystal (also called “SCAMO crystal”) is shown in FIG. Atomic rock salt type structure (111) consisting of Sc (scandium) atoms (11) and O (oxygen) atoms (12). Surface ScO 2 layer, aluminum (Al) atoms and magnesium (Mg) atoms enter the same site. AlMg sites (13) and hexagonal (0001) plane AlMgO layers consisting of O (oxygen) atoms (12) atoms are alternately stacked, and the two hexagonal (0001) plane layers are laminated. is planar compared to the wurtzite structure, and the bond between the upper and lower layers is about 0.03 nm longer and weaker than the in-plane bond. Therefore, the ScAlMgO 4 single crystal has the property of being easily cleaved on the (0001) plane as described above. This ScAlMgO 4 single crystal structure has three-fold symmetry as a unique feature. Looking at the arrangement of atoms, it looks like a hexagonal crystal at first glance, but if you pay attention to the bonding of atoms, you can see that it has three-fold symmetry in a strict sense. The arrangement of the crystal group shown in FIG. 3B, which is obtained by rotating the atomic group of the crystal shown in FIG. Furthermore, it can be seen that the arrangement of the crystals in FIG. 3(c) obtained by rotating the crystal group in FIG. 3(b) by 60° about the c-axis coincides with that in FIG. . For example, when focusing only on the arrangement of scandium (Sc) atoms (11), it has six-fold symmetry, but when focusing on the bonds between scandium (Sc) atoms and oxygen atoms (O), it can have three-fold symmetry. Recognize. In addition, such a view is also seen with respect to the AlMg site. Therefore, from this atomic arrangement, the ScAlMgO 4 single crystal is expected to possess both three-fold and six-fold symmetry properties.

実際に、原子の並び方を評価するXRD(X線回折法)を用いてScAlMgO単結晶を調べると(11-29)面の六回対称性の性質をもつことが確認された。 In fact, when the ScAlMgO 4 single crystal was examined using XRD (X-ray diffraction method) for evaluating the arrangement of atoms, it was confirmed that it had the property of 6-fold symmetry of the (11-29) plane.

また、図5(a)に示すとおり、ScAlMgO単結晶をScAlMgO基板にしてマスクを施してウェットエッチを実施すると三回対称性のピラミッド形状の凸部が現れる。これは、結晶の持つ結合の対称性が原因で出現した結果であると言える。この三角ピラミッドの形状からScAlMgO結晶の方位の定義づけを行うことができる。 Further, as shown in FIG. 5(a), when a ScAlMgO 4 single crystal is used as a substrate of ScAlMgO 4 and a mask is applied and wet etching is performed, three-fold symmetrical pyramid-shaped protrusions appear. It can be said that this result is caused by the bond symmetry of the crystal. The orientation of the ScAlMgO 4 crystal can be defined from the shape of this triangular pyramid.

このScAlMgO結晶の三回対称性といった性質は、前述したXRD法では全く検出できないものであり、現在のところ、上述したウェットエッチといった手法を用いなければ調べることはできない。これは、ScAlMgO結晶の原子の並びからくる性質というよりも原子の結合状態に由来する性質だからである。 The three-fold symmetry of the ScAlMgO 4 crystal cannot be detected at all by the XRD method described above, and at present cannot be investigated without using the wet etching method described above. This is because the properties are derived from the bonding state of the atoms rather than from the arrangement of atoms in the ScAlMgO 4 crystal.

このような凹凸付ScAlMgO基板にMOCVDによりGaN結晶を0.5μm結晶成長させ、基板表面を電子顕微鏡により観察した結果を図5(b)に示す。三角形ピラミッドの頂点部のc面には六角形状のGaN結晶が成長していることがわかる。XRD(X線回折法)評価により、三角形ピラミッド状の凸部の頂点方向は、ScAlMgO結晶、GaN結晶の、それぞれの[-1100]、[10-10]、[0-110]方向に一致することが確かめられた。 A 0.5 μm GaN crystal was grown on such a ScAlMgO 4 substrate with unevenness by MOCVD, and the result of observing the substrate surface with an electron microscope is shown in FIG. 5(b). It can be seen that a hexagonal GaN crystal is grown on the c-plane at the vertex of the triangular pyramid. According to the XRD (X-ray diffraction method) evaluation, the apex direction of the triangular pyramid-shaped protrusions coincides with the [-1100], [10-10], and [0-110] directions of the ScAlMgO 4 crystal and the GaN crystal, respectively. It was confirmed that

これらの結果から、ScAlMgO結晶の[-1100]、[10-10]、[0-110]方向に出現している面と、[01-10]、[1-100]、[-1010]方向に出現している面は異なる面であることが言える。GaN結晶のm面に相当する面の場合はGaN結晶内で等価な面としてみなしてよかったのだが、ScAlMgO結晶では、状況が異なっているということである。 From these results, the planes appearing in the [-1100], [10-10], [0-110] directions of the ScAlMgO 4 crystal and [01-10], [1-100], [-1010] It can be said that the faces appearing in the directions are different faces. In the case of the plane corresponding to the m-plane of the GaN crystal, it was fine to regard it as an equivalent plane in the GaN crystal, but the situation is different in the ScAlMgO 4 crystal.

ここで、以下の説明においてわかりやすくする為に、ScAlMgO結晶の結晶方向、結晶面を以下のように定義しておく。 Here, for the sake of clarity in the following description, the crystal direction and crystal plane of the ScAlMgO 4 crystal are defined as follows.

図3(d)は、ScAlMgO基板にマスクを施してウェットエッチングして出現する凸部形状(14)を上から見た時の三角形頂点方向を六方晶系の[-1100]、[10-10]、[0-110]方向に合わせた際の結晶方向を示す。 FIG. 3(d) shows a convex shape (14) appearing by applying a mask to the ScAlMgO 4 substrate and performing wet etching. 10] and [0-110] orientations.

このように六方晶のミラー指数を用いて結晶方位を定義した際に、ScAlMgO結晶の結晶面を図4のように定義する。a1軸、a2軸、a3軸、c軸、のミラー指数をk、l、m、Zで表記する時、面は(klmZ)面と表記するものとする。
六方晶のm面方向の斜面は、[-1100]方向の斜面を(21)(-110Z)、[10-10]方向の斜面を(25)(10-1Z)、[0-110]方向の斜面を(23)(0-11Z)で、[01-10]方向の斜面を(26)(01-1Z)、[1-100]方向の斜面を(24)(1-10Z)、[-1010]方向の斜面を(22)(-101Z)で定義する(ここでZは、正の整数とする)。図4(a)には、Z=2の場合の面を例として記している。
When the crystal orientation is defined using the hexagonal Miller index, the crystal plane of the ScAlMgO 4 crystal is defined as shown in FIG. When the Miller indexes of the a1-axis, a2-axis, a3-axis, and c-axis are represented by k, l, m, and Z, the plane is represented as a (klmZ) plane.
The slopes of the m-plane direction of the hexagonal crystal are the [-1100] direction slopes (21) (-110Z), the [10-10] direction slopes (25) (10-1Z), and the [0-110] direction. is (23)(0-11Z), [01-10] direction is (26)(01-1Z), [1-100] direction is (24)(1-10Z), [ −1010] direction is defined by (22)(−101Z) (where Z is a positive integer). FIG. 4(a) shows a surface when Z=2 as an example.

六方晶のa面方向の斜面は、[11-20]方向の斜面を(31)(11-2Z)、[-12-10]方向の斜面を(35)(-12-1Z)、[-2110]方向の斜面を(33)(-211Z)で、[-1-120]方向の斜面を(32)(-1-12Z)、[1-210]方向の斜面を(36)(1-21Z)、[2-1-10]方向の斜面を(34)(2-1-1Z)で定義する(ここでZは、正の整数とする)。図4(b)には、Z=2の場合の面を例として記している。 The slopes in the a-plane direction of the hexagonal crystal are the slopes in the [11-20] direction (31) (11-2Z), the slopes in the [-12-10] direction (35) (-12-1Z), [- 2110] direction slope is (33)(-211Z), [-1-120] direction slope is (32)(-1-12Z), [1-210] direction slope is (36)(1- 21Z), and the slope in the [2-1-10] direction is defined by (34)(2-1-1Z) (where Z is a positive integer). FIG. 4(b) shows a surface when Z=2 as an example.

(実施の形態1)
実施の形態1に関わる凹凸付RAMO基板の構成は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるc面を表面とするRAMO基板とし、一方の主表面をエピタキシャル面とし、これを便宜上+c面と定義する。前記+c面に対してV溝を保有しており、凹凸付RAMO基板上にIII族窒化物結晶を配置して構成する。前記凹凸付RAMO基板の凸部と前記III族窒化物は接しており、前記凹凸付RAMO基板の凹部には空洞が存在する。
(Embodiment 1)
The structure of the uneven RAMO 4 substrate according to the first embodiment is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R is selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements. A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn , representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd) with a c-plane surfaced RAMO4 substrate, one major surface of is the epitaxial plane, which is defined as the +c plane for convenience. It has a V-groove with respect to the +c plane, and is constructed by arranging a Group III nitride crystal on a RAMO 4 substrate with unevenness. The protrusions of the RAMO4 substrate with protrusions and the group III nitride are in contact with each other, and the recesses of the RAMO4 substrate with protrusions and recesses have cavities.

この凹凸付RAMO基板の製造方法は、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるc面を保有するRAMO基板を準備し、一方の主表面をエピタキシャル面としてエピレディ状態に加工する。例えば、決められた基板厚になるようにc面で剥離され、決められたオフ角になるようにオフ角を形成し、エピを実施する表面をCMP加工によりRaが0.2nm程度になるように平滑化を実施し、最終洗浄を経て完了する。こうして得られたエピタキシャル面を+c面と便宜上定義する。この+c面に対してハードマスクをパターニングしRAMO基板にエッチングを施してV溝を形成し、最後にハードマスクを除去する。このようにして完成した凹凸付RAMO基板にしてIII族窒化物結晶の結晶成長を実施する。 The method for manufacturing this uneven RAMO 4 substrate is a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R is one selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements or represents a plurality of trivalent elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn, Fe(II ), representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Co, Cu, Zn, and Cd), with one major surface being the epitaxial plane. It is processed to the epiready state as. For example, the c-plane is peeled to a predetermined substrate thickness, the off-angle is formed to a predetermined off-angle, and the epitaxial surface is subjected to CMP processing so that Ra is about 0.2 nm. smoothing is performed on the surface and completed with a final wash. The epitaxial plane thus obtained is defined as +c plane for convenience. A hard mask is patterned against the +c plane, the RAMO 4 substrate is etched to form V-grooves, and finally the hard mask is removed. A group III nitride crystal is grown on the thus completed RAMO 4 substrate with unevenness.

RAMO基板の一種であるScAlMgO基板上に低転位密度のIII族窒化物結晶の一種であるGaN結晶を結晶成長する場合には、ScAlMgO基板のへき開面である六方晶(0001)面的なAlMgO層のa軸格子定数が、3.23Åであり、GaNのa軸格子定数が、3.18Åであり、非常に近い。これに対して、ScAlMgOの上記V溝の斜面では、GaNの格子定数とは全く一致していない。これらの物性の違いからV溝を保有する凹凸付ScAlMgO基板上にGaN結晶を結晶成長させる場合、その結晶成長の選択性を生じる。選択性の強さは、ScAlMgO基板上の凸部のc面>ScAlMgO基板上の凹部のc面>ScAlMgO基板上のV溝の斜面、といった関係となる。 When a GaN crystal, which is a type of group III nitride crystal with a low dislocation density, is grown on a ScAlMgO4 substrate, which is a type of RAMO4 substrate, a hexagonal (0001) plane , which is a cleavage plane of the ScAlMgO4 substrate, is grown. The a-axis lattice constant of the simple AlMgO2 layer is 3.23 Å, and the a-axis lattice constant of GaN is 3.18 Å, which are very close. In contrast, the slope of the V-groove of ScAlMgO 4 does not match the lattice constant of GaN at all. Due to the difference in these physical properties, when a GaN crystal is grown on an uneven ScAlMgO 4 substrate having V-grooves, selectivity of the crystal growth occurs. The strength of selectivity has a relationship of: c-plane of convex portion on ScAlMgO 4 substrate>c-plane of concave portion on ScAlMgO 4 substrate>slant surface of V-groove on ScAlMgO 4 substrate.

これらの結果、ScAlMgO基板上の凸部のc面の面積がScAlMgO基板上の凹部のc面の面積よりも大きくなるように設定すれば、ScAlMgO基板上の凸部に最も選択的にGaNが成長することになり、又、V溝の側部、底面へのGaN成長が抑制されることから、凸部に成長させたGaNを横方向成長でつなげることによりV溝部を空洞状態にして転位密度を低減させることが可能になる。 As a result, if the c-plane area of the protrusions on the ScAlMgO4 substrate is set to be larger than the area of the c-planes of the recesses on the ScAlMgO4 substrate, the protrusions on the ScAlMgO4 substrate are most selectively GaN grows, and the growth of GaN on the sides and bottom of the V-groove is suppressed. Therefore, the V-groove is made hollow by connecting the GaN grown on the convex portions by lateral growth. It becomes possible to reduce the dislocation density.

(実施の形態2)
(本発明に至った経過)
ScAlMgO単結晶は、c面である剥離面に、六方晶(0001)面的なAlMgO面が出ており、そのa軸格子定数が、0.323nm(3.23Å)となっており、一方、GaN結晶のa軸格子定数が、0.318nm(3.18Å)である。両者のa軸格子定数は非常に近く、ScAlMgO基板の剥離面に転位密度の少ない高品質なGaN結晶を結晶成長させることが可能である。
(Embodiment 2)
(Progress leading to the present invention)
The ScAlMgO 4 single crystal has a hexagonal (0001) AlMgO 2 plane on the c-plane, which is the c-plane, and its a-axis lattice constant is 0.323 nm (3.23 Å). On the other hand, the a-axis lattice constant of GaN crystal is 0.318 nm (3.18 Å). The a-axis lattice constants of both are very close, and it is possible to grow a high-quality GaN crystal with a low dislocation density on the peeled surface of the ScAlMgO 4 substrate.

ScAlMgO結晶とGaN結晶との格子不整合は1.5%程度であり、サファイア単結晶とGaN結晶との格子不整合が16%である。それぞれの格子不整合を比較すると、成長用の基板としてはScAlMgO結晶の方がサファイア結晶よりもふさわしいことがわかる。実際に、それぞれの結晶に厚さ10μm程度のGaN結晶の結晶成長を実施したところ、結晶内転位密度がサファイア基板上では5×10cm-2程度であるのに対して、ScAlMgO基板上では8×10cm-2と大幅に低減した。 The lattice mismatch between the ScAlMgO 4 crystal and the GaN crystal is about 1.5%, and the lattice mismatch between the sapphire single crystal and the GaN crystal is 16%. Comparing the respective lattice mismatches, it can be seen that the ScAlMgO 4 crystal is more suitable as a substrate for growth than the sapphire crystal. Actually, when GaN crystals with a thickness of about 10 μm were grown on each crystal, the dislocation density in the crystal was about 5×10 8 cm −2 on the sapphire substrate, whereas it was about 5×10 8 cm −2 on the ScAlMgO 4 substrate. In , it was greatly reduced to 8×10 7 cm −2 .

しかし、デバイス仕様からの要求として上記の転位密度では、まだ十分ではない。このことから、ScAlMgO基板上でもGaN結晶におけるさらなる低転位化を実現する必要があり選択結晶成長技術が必要となる。求められる転位密度のスペックとしては、現在の市販の自立GaN基板で5×10cm-2程度が要求されており、これをScAlMgO上選択結晶成長で、しかも、厚みで10μm~100μm程度で実現できれば自立GaN基板と比較した時にコスト面で有利となり市場価値が大きくなる。また、ScAlMgO上GaN結晶の自発剥離化を促進する為にもScAlMgO上選択結晶成長構造が必要となる。 However, the above dislocation density is not yet sufficient as required by device specifications. For this reason, it is necessary to further reduce the dislocations in the GaN crystal even on the ScAlMgO 4 substrate, and a selective crystal growth technique is required. The required dislocation density specification is about 5×10 6 cm −2 for the current commercially available self-supporting GaN substrate. If it can be realized, it will be advantageous in terms of cost when compared with a self-supporting GaN substrate, and the market value will increase. In addition, a selective crystal growth structure on ScAlMgO 4 is also required to promote spontaneous exfoliation of the GaN crystal on ScAlMgO 4 .

しかし、ScAlMgO上GaNの選択結晶成長技術は、サファイア基板上の選択結晶成長技術とは大きく異なる。サファイア基板上の選択結晶成長技術では、凹凸付のサファイア基板全面にGaNを結晶成長させることになるが、サファイア結晶とGaN結晶界面のバッファー層に含む転位密度が10~10cm-2と大きい為に凹凸のパターンの寸法として数μm程度の小さなものになり全面に均一なGaNを結晶成長させることになる。目指す転位密度も1x10cm-2程度となる。それに対して、バッファー層に含む転位密度がサファイア基板のそれと比較して一桁低いScAlMgOを用いて1x10cm-2台の低転位密度を実現する為の結晶成長面のパターンの寸法としては5μm~100μm程度が好ましい。このことは、ScAlMgO上選択結晶成長で、しかも、厚みで10μm~100μm程度で1x10cm-2台の低転位密度を目指すことからくるパターンの寸法の目安である。ここでいうパターンの寸法とは繰り返し周期の寸法と考えてもよい。その際に、パターン側壁への結晶堆積が大きな問題になった。 However, the selective crystal growth technique of GaN on ScAlMgO4 is significantly different from the selective crystal growth technique on sapphire substrate. In the selective crystal growth technique on the sapphire substrate, GaN is crystal-grown on the entire surface of the uneven sapphire substrate . Because of the large size, the size of the uneven pattern is as small as several micrometers, resulting in uniform GaN crystal growth over the entire surface. The target dislocation density is also about 1×10 8 cm −2 . On the other hand, using ScAlMgO 4 whose dislocation density contained in the buffer layer is an order of magnitude lower than that of the sapphire substrate, the pattern size of the crystal growth surface for achieving a low dislocation density of the order of 1×10 6 cm −2 is About 5 μm to 100 μm is preferable. This is a guideline for the pattern dimension obtained by selective crystal growth on ScAlMgO 4 and aiming for a low dislocation density on the order of 1×10 6 cm −2 with a thickness of about 10 μm to 100 μm. The dimension of the pattern here may be considered as the dimension of the repetition period. At that time, the deposition of crystals on the sidewalls of the pattern became a big problem.

パターンエピの結晶成長様式としては、パターン底部から結晶成長させる方式と、パターンの上面で種結晶を3次元成長させ横方向において結合して斜面結晶成長により転位の結合を促し、転位密度の低減を実現できる方式がある。前者は転位密度の低減率としてパターン底の面積÷全体面積であり、転位密度の低減率は最大でも1/10といった程度である。後者は、3次元成長による転位の結合といった原理を用いるので、転位密度の低減率で1/100とか1/1000を実現できるので効果が大きい。そこで後者のエピ方式を今回は採用している。 As for the crystal growth mode of pattern epitaxy, there is a method in which crystals grow from the bottom of the pattern, and a seed crystal is grown three-dimensionally on the upper surface of the pattern and bonded in the lateral direction to promote the bonding of dislocations through slant crystal growth, thereby reducing the dislocation density. There is a method that can be implemented. In the former, the reduction rate of the dislocation density is the area of the bottom of the pattern divided by the total area, and the reduction rate of the dislocation density is about 1/10 at maximum. The latter method uses the principle of dislocation bonding by three-dimensional growth, so that the reduction rate of dislocation density can be reduced to 1/100 or 1/1000, which is very effective. Therefore, the latter epi method is adopted this time.

本発明者らは、実施の形態1においてScAlMgO基板にパターン溝を形成することで、ScAlMgO上にGaN結晶を選択結晶成長できる方式を発見したことを説明し、この原理に基づいて低転位密度のGaN結晶を実現する取り組みを実施した。その取り組みで課題となったのがパターン側壁への有害となる結晶の異常成長であった。本発明者らの鋭意検討の結果、パターン溝の側壁に結晶が堆積しない構成を実現できることを見出すことができ、本発明に至った。具体的には、RAMO基板上には、ある結晶面方位に選択的に結晶化しやすい面があることを見出した。 The inventors of the present invention have discovered a method that enables selective crystal growth of GaN crystals on ScAlMgO4 by forming pattern grooves in the ScAlMgO4 substrate in the first embodiment. Efforts have been made to achieve dense GaN crystals. The problem with this approach was the abnormal growth of crystals, which is harmful to the sidewalls of the pattern. As a result of diligent studies by the present inventors, they have found that it is possible to realize a structure in which crystals are not deposited on the side walls of pattern grooves, leading to the present invention. Specifically, it was found that on the RAMO 4 substrate, there is a plane that is selectively easily crystallized in a certain crystal plane orientation.

実施の形態2では、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるc面を主表面として有するRAMO基板に対して、一方の主表面をエピタキシャル面として構成しこれを+c面で定義し、前記+c面にV溝を保有し、前記エピタキシャル面に対してマスクを施してエッチングして出現する三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、あるいは、(01-1Z)面、(-101Z)面、(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)で構成されていることを特徴とする凹凸付きRAMO基板を用いる。
このようなV溝斜面の方位を限定することでV溝斜面に発生する有害なGaN結晶成長を抑制することが可能となった。
In Embodiment 2, a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R is one or more trivalent selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements) represents the elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al, M represents Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu , Zn, and Cd representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Zn, and Cd) as a major surface for a RAMO4 substrate having a c-plane as a major surface, one major surface being configured as an epitaxial plane. This is defined by the +c plane, and one of the triangular apex directions of the truncated triangular pyramid that has a V groove on the +c plane and that appears by applying a mask to the epitaxial plane and etching it is a hexagonal [− 1100] direction and the crystal plane orientation, the slope of the V-groove is the {11-2Z} plane, or the (01-1Z) plane, the (-101Z) plane, or the (1-10Z) plane (however, Z is a positive integer).
By limiting the orientation of the slope of the V-groove in this way, it is possible to suppress harmful GaN crystal growth that occurs on the slope of the V-groove.

(実施の形態3)
実施の形態3の構成を実現する為に、凹凸付RAMO基板を形成する方法を以下に記す。まず、一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるc面を主表面として有するRAMO基板を準備する。引き続き、一方の主表面をエピタキシャル面として加工しこの面を+c面と定義する。引き続き、前記+c面に対してマスクを施してウェットエッチングを施して出現する三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位の定義づけをおこなう。引き続き、前記+c面に対して、V溝の斜面が、{11-2Z}面、あるいは、(01-1Z)面、(-101Z)面、(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)となるようにV溝を形成する加工を施すことで凹凸付RAMO基板が完成する。
(Embodiment 3)
A method of forming a RAMO 4 substrate with unevenness in order to realize the configuration of the third embodiment will be described below. First, a single crystal represented by the general formula RAMO 4 (in the general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements, A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al; M represents Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and A RAMO 4 substrate having a c-plane as a major surface made of Cd (representing one or more divalent elements selected from the group consisting of Cd) is prepared. Subsequently, one main surface is processed as an epitaxial plane and this plane is defined as the +c plane. Subsequently, one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid appearing by applying a mask to the +c plane and performing wet etching is defined as the [-1100] direction of the hexagonal crystal system and the crystal plane orientation. Subsequently, with respect to the +c plane, the slope of the V groove is the {11-2Z} plane, or the (01-1Z) plane, the (-101Z) plane, or the (1-10Z) plane (where Z is a positive A RAMO 4 substrate with unevenness is completed by processing to form a V-groove so as to be an integer).

(実施の形態4)
本開示の実施の形態4として、RAMO基板にGaN結晶を選択結晶成長させる領域、成長させない領域を示す図を、図1(a)、(c)に示す。以下にその考え方を以下詳細に説明する。
ScAlMgO結晶は、3回対称性を有している結晶であり、GaN結晶が6回対称性を有している結晶であることは上で説明したとおりである。
(Embodiment 4)
As a fourth embodiment of the present disclosure, FIGS. 1(a) and 1(c) show a region where a GaN crystal is selectively grown on a RAMO4 substrate and a region where it is not grown. The concept will be described in detail below.
As described above, the ScAlMgO 4 crystal is a crystal with 3-fold symmetry, and the GaN crystal is a crystal with 6-fold symmetry.

図5(a)にSiO膜を200nm堆積し、ピッチ10μm、直径2μmの真円のマスクパターンを形成し、HSO濃度90%の硫過水を95°に保持した状態で20分エッチングして現れた凹凸を形成した基板表面を光学顕微鏡で観察した結果を示す。三角形状のパターンが出現しておりこれはScAlMgO単結晶の三回対称性の性質が出た結果である。マスクであるSiOは、フッ酸処理により除去した後の状態である。マスクパターンは真円であったが、出現したパターンの形状は略三角形になっている。ScAlMgO結晶がウェットエッチ速度の異方性を有していることがわかる。SiOを除去したあとには、三角形のピラミッドの最上点に+c面が露出している領域があり、三角ピラミッドの底部の面と同一の底面にも+c面が露出している。 In FIG . 5(a), a SiO2 film was deposited to a thickness of 200 nm to form a perfect circular mask pattern with a pitch of 10 μm and a diameter of 2 μm. The results of observation with an optical microscope of the surface of the substrate on which unevenness appeared by etching are shown. A triangular pattern appears, which is a result of the three-fold symmetry property of the ScAlMgO 4 single crystal. SiO 2 as a mask is in a state after being removed by hydrofluoric acid treatment. Although the mask pattern was a perfect circle, the shape of the pattern that appeared was substantially triangular. It can be seen that the ScAlMgO 4 crystal has an anisotropy of the wet etch rate. After removing the SiO 2 , there is an area where the +c plane is exposed at the top of the triangular pyramid, and the +c plane is also exposed on the same base as the bottom plane of the triangular pyramid.

図5(b)は、このようにして凹凸をつけたパターン付ScAlMgO基板にMOCVDによりGaN結晶を0.5μm結晶成長させた結果の基板表面を電子顕微鏡により観察した結果である。三角形ピラミッドの頂点部の+c面には六角形状のGaN結晶が成長しており、また、三角形ピラミッドの底と面を同じにする底面にもGaNが成長しているのがわかる。一方で、側壁にはGaN結晶がまったく成長していない。 FIG. 5(b) is an electron microscope observation of the surface of the patterned ScAlMgO 4 substrate having the irregularities formed in this way and growing a GaN crystal to a thickness of 0.5 μm by MOCVD. It can be seen that hexagonal GaN crystals are grown on the +c planes of the apexes of the triangular pyramids, and GaN is also grown on the bottoms of the triangular pyramids that are flush with the bottoms of the triangular pyramids. On the other hand, no GaN crystal has grown on the side walls.

次に、図5(c)は、図5(b)の基板に、HVPE法でさらにパターン無のGaN基板上で20μmの膜厚に相当する結晶を成長させた結果を示す。ScAlMgO結晶の、側壁斜面である(-110Z)、(10-1Z)、(0-11Z)面(Zは正の整数)に、異常なGaN結晶が成長している。このまま結晶成長していくと側壁のGaN結晶の方がより大きく成長し平坦なGaN結晶を得ることができなくなり結晶成長としては破綻する。従って、この側壁に形成されるGaN結晶は有害であり発生を抑制する対策が必要であることがわかってきた。 Next, FIG. 5(c) shows the result of growing a crystal corresponding to a film thickness of 20 μm on a non-patterned GaN substrate by the HVPE method on the substrate of FIG. 5(b). Abnormal GaN crystals are grown on the (-110Z), (10-1Z), and (0-11Z) planes (Z is a positive integer), which are sidewall slopes of the ScAlMgO 4 crystal. If crystal growth continues in this state, the GaN crystal on the side wall will grow larger, making it impossible to obtain a flat GaN crystal, and the crystal growth will fail. Therefore, it has been found that the GaN crystals formed on the sidewalls are harmful and that countermeasures for suppressing their generation are necessary.

この現象は、パターン形状がドットでなくともストライプの形状でも起こる。ストライプ形状V溝の(-110Z)面(Zは正の整数)に選択的に結晶成長が進んだ様子を図5(d)に示す。ストライプ状V溝で(10-1Z)、(0-11Z)面(Zは正の整数)でも同様の現象が起こること。また、同その逆方向である(1-10Z)、(-101Z)、(01-1Z)面(Zは正の整数)には、全くGaN結晶の異常成長がないことも確認された。 This phenomenon occurs even if the pattern shape is not a dot but a stripe shape. FIG. 5(d) shows selective crystal growth on the (-110Z) plane (Z is a positive integer) of the striped V-groove. A similar phenomenon occurs in the (10-1Z) and (0-11Z) planes (Z is a positive integer) in the striped V-groove. It was also confirmed that there was no abnormal growth of GaN crystals on the (1-10Z), (-101Z), and (01-1Z) planes (Z is a positive integer) in the opposite direction.

図5(e)にScAlMgO基板の{11-2Z}面(Zは正の整数)のストライプ構造の断面を示す。{11-2Z}面(Zは正の整数)には、GaN結晶が横方向に成長しやすいこともあり側壁へのGaN結晶は全く起こらないことが確認された。
これらの結果から、ScAlO基板上の選択結晶成長を実現する為には、(-110Z)、(0-11Z)、(10-1Z)面(Zは正の整数)を露出するのは好ましくないという結果になる。
FIG. 5(e) shows a cross section of the stripe structure of the {11-2Z} plane (Z is a positive integer) of the ScAlMgO 4 substrate. It was confirmed that the {11-2Z} plane (where Z is a positive integer) tends to grow GaN crystals in the lateral direction, and that GaN crystals do not form on the side walls at all.
From these results, it is preferable to expose the (−110Z), (0−11Z), and (10−1Z) planes (where Z is a positive integer) in order to achieve selective crystal growth on the ScAlO 4 substrate. result in no.

逆に、(01-1Z)、(1-10Z)、(-101Z)(Zは正の整数)、もしくは、{11-2Z}(Zは正の整数)を露出するのが好ましいという結果になる。
これらの結果から、凹凸付ScAlO基板上の選択結晶成長で望ましい形態として、エピ領域のパターニング構成を図1、及び、図2に示す。
Conversely, it is preferable to expose (01-1Z), (1-10Z), (-101Z) (Z is a positive integer), or {11-2Z} (Z is a positive integer). Become.
From these results, the patterning configuration of the epi region is shown in FIGS.

図1(a)は、GaN結晶のm軸方向に、種結晶領域が最充填するように配置可能な好ましいパターンとなる。エピ領域(1)が結晶成長開始する領域となり、その周囲が非エピ領域となる。図1(a)中のX-X’で切断した断面図を図1(b)に示す。ScAlO基板(3)上にV溝(4)が形成されている。 FIG. 1(a) is a preferable pattern that can be arranged so that the seed crystal region is most filled in the m-axis direction of the GaN crystal. The epitaxial region (1) is the region where crystal growth starts, and the surrounding area is the non-epitaxial region. FIG. 1(b) shows a cross-sectional view taken along line XX' in FIG. 1(a). A V-groove (4) is formed on the ScAlO 4 substrate (3).

エピ領域(1)以外の非結晶領域が、エッチングされて溝部になる非エピ領域となる。エピ領域(1)の周囲は<11-2Z>面となっている。従って、速やかに横方向成長して種結晶領域(2)になる。側壁にGaNが成長しやすい(-110Z)、(10-1Z)、(0-11Z)(Zは整数)が存在しないので結晶品質の高いGaN結晶を得ることができる。 Amorphous regions other than the epitaxial regions (1) are etched to form non-epitaxial regions that form grooves. The <11-2Z> plane is formed around the epi region (1). Therefore, it quickly grows laterally to become the seed crystal region (2). Since (-110Z), (10-1Z), and (0-11Z) (where Z is an integer) where GaN tends to grow on the sidewall do not exist, a GaN crystal with high crystal quality can be obtained.

図1(c)は、GaN結晶のa軸方向に、種結晶領域が最充填することが可能なエピ領域の配置パターンとなる。エピ領域(5)が結晶成長開始する領域となり、その周囲が非エピ領域となる。
エピ領域(5)以外の非結晶領域が、エッチングされてV溝部になる非エピ領域となる。エピ領域(5)の周囲は{11-2Z}面(Zは正の整数)となっている。従って、速やかに横方向成長して種結晶領域(6)になる。側壁にGaNが成長しやすい斜面(-110Z)、(0-11Z)、(10-1Z)(Zは整数)が存在しないので結晶品質の高いGaN結晶を得ることができる。
FIG. 1(c) shows an arrangement pattern of the epitaxial region that can be refilled with the seed crystal region in the a-axis direction of the GaN crystal. The epitaxial region (5) is the region where crystal growth starts, and the surrounding area is the non-epitaxial region.
Amorphous regions other than the epitaxial region (5) are etched to form non-epitaxial regions that form V-grooves. A {11-2Z} plane (Z is a positive integer) is formed around the epi region (5) . Therefore, it quickly grows laterally to become the seed crystal region (6) . Since slopes (-110Z), (0-11Z), and (10-1Z) (Z is an integer) on which GaN tends to grow do not exist on the sidewall, a GaN crystal with high crystal quality can be obtained.

図2(a)及び図2(b)は、GaN結晶の六角形状の種結晶領域を実現する際に側壁へのGaN堆積が起こらないようにする為の配置である。 FIGS. 2(a) and 2(b) are arrangements for avoiding GaN deposition on sidewalls when realizing hexagonal seed regions of GaN crystals.

図2(a)は、GaN種結晶のm軸方向に、種結晶領域が最充填するように配置可能な好ましいパターンとなる。エピ領域(7)が結晶成長開始する領域となり、その周囲が非エピ領域となる。上で説明したとおりに、(-110Z)、(0-11Z)、(10-1Z)(Zは正の整数)を回避する為にエピ領域(7)に示すように該当する面で内側に切れ込みを入れることで回避している。例えば、この切込みを{11-2Z}面(Zは正の整数)で構成すれば側壁堆積を回避することが可能になり結晶品質を改善することができる。この切れ込みの部分が{11-2Z}面(Zは正の整数)面で構成される為に、エピ領域(7)は、速やかに横方向成長して種結晶領域(8)になる。図2(b)は、GaN種結晶のa軸方向に、種結晶領域が最充填するように配置可能な好ましいパターンとなる。エピ領域(9)が結晶成長開始する領域となり、その周囲が非エピ領域となる。

FIG. 2(a) is a preferable pattern that can be arranged so that the seed crystal region is most filled in the m-axis direction of the GaN seed crystal. The epitaxial region (7) is the region where crystal growth starts, and the surrounding area is the non-epitaxial region. As explained above, to avoid (-110Z), (0-11Z), (10-1Z) (Z is a positive integer ), we It is avoided by inserting a notch. For example, if the cut is composed of {11-2Z} planes (where Z is a positive integer), sidewall deposition can be avoided and crystal quality can be improved. Since the notch portion is composed of {11-2Z} planes (where Z is a positive integer), the epitaxial region (7) rapidly grows laterally to become the seed crystal region (8). FIG. 2(b) is a preferable pattern that can be arranged so that the seed crystal region is most filled in the a-axis direction of the GaN seed crystal. The epitaxial region (9) is the region where crystal growth starts, and the surrounding area is the non-epitaxial region.

実施の形態3で説明したパターン形成方法で、実施の形態4で説明した{11-2Z}面(Zは正の整数)のみからなる三角形、もしくは、六角形で構成される場合には、ScAlMgO基板の三回対称に特有のGaNのm面の差異に関しては気にする必要はなくScAlMgO結晶の方位を調べる工程は含めなくてもよい。 In the pattern formation method described in Embodiment 3, when it is composed of triangles or hexagons consisting only of {11-2Z} planes (Z is a positive integer) described in Embodiment 4, ScAlMgO There is no need to worry about the difference in the m-plane of GaN peculiar to the three-fold symmetry of the four- substrate, and the step of investigating the orientation of the ScAlMgO4 crystals need not be included.

(実施の形態5)
非エピ領域は、ウェットエッチングにより容易に形成されるV溝で構成される。図6に前記V溝の形成フローを記載する。まず、図6の工程(a)で、c面を表面とするScAlMgO基板を準備する。続けて、図6の工程(b)において、ScAlMgO基板(50)上に、少なくとも硫酸、過酸化水素水を含む薬液に対して耐性のあるハードマスク(51)を堆積する。例えば、二酸化珪素膜であればプラズマCVD法、スパッタ法により形成できる。
(Embodiment 5)
The non-epi regions consist of V-grooves that are easily formed by wet etching. FIG. 6 shows the formation flow of the V-grooves. First, in step (a) of FIG. 6, a ScAlMgO 4 substrate having a c-plane surface is prepared. Subsequently, in step (b) of FIG. 6, a hard mask (51) resistant to chemicals containing at least sulfuric acid and hydrogen peroxide is deposited on the ScAlMgO 4 substrate (50). For example, a silicon dioxide film can be formed by plasma CVD or sputtering.

(1)続けて、図6の工程(c)において、上記ハードマスク(51)上にレジストマスク(52)を形成し露光しパターニングする。
(2)続けて、図6の工程(d)において、このレジストマスク(52)によりハードマスク(51)に対してパターニングを実施する。例えば、フッ酸を含む薬液によるウェットエッチ、または、ドライエッチプロセスといった手法により容易に実施することが可能である。レジストマスク(52)は、ハードマスク(51)のパターニング加工後には除去する。このようなプロセスを経て、パターニングされたハードマスク(53)を形成することが可能である。
(3)次に、ScAlMgO基板(50)上にパターニング加工されたハードマスク(53)を形成した状態で、化学式HSOで表される硫酸、及び、化学式Hで表される過酸化水素水を少なくとも含む薬液中でScAlMgO結晶と化学反応させる。この薬液の温度としては、35℃以上の高温状態に保持した状態でエッチングすることで実用上問題ないエッチング速度にてScAlMgO基板をエッチング加工することが可能である。少なくとも硫酸、過酸化水素水を混合した薬液に浸潤させることでScAlMgO基板(50)をエッチング加工する。硫酸、過酸化水を混合した直後の反応熱により100℃近くまで温度が上がるのでそのような薬液でエッチング処理を行ってもよい。硫酸と過酸化水素水とを3:1の割合で混合した薬液を湯煎する際に水が沸騰するよりも低い温度95℃に調節する。この薬液に、上に記載したパターニング加工されたハードマスクを形成したScAlMgO基板(50)を浸潤させてもよい。ここで薬液の温度は、35℃~290℃、より好ましくは、50℃~150℃の範囲に設定されるのが望ましい。温度が高ければ高いほどエッチング速度は高速になるがV溝(パターン溝)の形状制御が困難になる。
(1) Subsequently, in step (c) of FIG. 6, a resist mask (52) is formed on the hard mask (51), exposed and patterned.
(2) Subsequently, in step (d) of FIG. 6, the resist mask (52) is used to pattern the hard mask (51). For example, wet etching using a chemical solution containing hydrofluoric acid or a dry etching process can be used to facilitate this process. The resist mask (52) is removed after patterning the hard mask (51). Through such a process it is possible to form a patterned hard mask (53).
(3) Next, while forming a patterned hard mask (53) on the ScAlMgO4 substrate (50), sulfuric acid represented by the chemical formula H2SO4 and H2O2 represented by the chemical formula chemically react with the ScAlMgO 4 crystals in a chemical solution containing at least a hydrogen peroxide solution. As for the temperature of this chemical, it is possible to etch the ScAlMgO 4 substrate at a practically acceptable etching rate by etching in a high temperature state of 35° C. or higher. The ScAlMgO 4 substrate (50) is etched by being immersed in a chemical mixture of at least sulfuric acid and hydrogen peroxide. Since the temperature rises to nearly 100° C. due to reaction heat immediately after mixing sulfuric acid and peroxide water, etching may be performed with such a chemical solution. The temperature is adjusted to 95° C., which is lower than the boiling point of water when boiling a chemical solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide are mixed at a ratio of 3:1. A ScAlMgO 4 substrate (50) having a patterned hard mask as described above may be soaked in this chemical. Here, the temperature of the chemical solution is desirably set in the range of 35°C to 290°C, more preferably in the range of 50°C to 150°C. The higher the temperature, the higher the etching rate, but the more difficult it becomes to control the shape of the V-groove (pattern groove).

より好ましくは、薬液の温度が75℃~95℃の範囲で、硫酸と過酸化水素水の混合薬液で硫酸の濃度が75%~95%の割合に調節するのが好ましい。このような条件で20μm/hrを超えるエッチング速度で、斜面が滑らかなV溝を形成することを可能になる。 More preferably, the temperature of the chemical is in the range of 75° C. to 95° C., and the concentration of sulfuric acid is adjusted to 75% to 95% with a mixed chemical of sulfuric acid and hydrogen peroxide. Under such conditions, it becomes possible to form a V-groove with a smooth slope at an etching rate exceeding 20 μm/hr.

図5(d)、(e)で示したV溝は、温度95℃、硫酸濃度90%の硫過水で60分エッチングした断面形状を示している。a軸方向のV溝斜面の傾斜角は45°であり、m軸方向のV溝斜面の傾斜角は、[-1100]方向斜面では、48°であり、[1-100]方向斜面では60°の傾斜を持っていた。ここでV溝の定義として以下のように定める。斜面の水平に対する傾きとして40°~70°の範囲として、凹凸の凹部の底の面積比率が溝部の50%以下の場合をV溝とする。このように設定することでScAlMgO基板凹部の底の面積比率を凸部での面積に対して抑えることができるので、凸部での結晶成長が主となるので溝部での横方向成長が促進されることになる。 The V-shaped grooves shown in FIGS. 5(d) and 5(e) show cross-sectional shapes etched for 60 minutes with sulfuric acid hydrogen peroxide having a temperature of 95° C. and a sulfuric acid concentration of 90%. The inclination angle of the V-groove slope in the a-axis direction is 45°, and the inclination angle of the V-groove slope in the m-axis direction is 48° for the [-1100] direction slope and 60° for the [1-100] direction slope. ° had a slope. Here, the V groove is defined as follows. A V-groove is defined when the slope of the slope with respect to the horizontal is in the range of 40° to 70° and the area ratio of the bottom of the concave portion of the unevenness is 50% or less of the groove portion. By setting in this way, the area ratio of the bottom of the ScAlMgO 4 substrate concave portion can be suppressed with respect to the area of the convex portion. will be

(実施の形態6)
実施の形態4で説明した三角形パターンの凹凸付ScAlMgO上に、MOCVDで0.5μmのGaNをエピタキシャル成長させた凸凹付ScAlMgO/GaN複合体を実施の形態6として以下に説明する。
図7(a)が、ScAlMgOにV溝を形成した後の表面の顕微鏡写真である。エピタキシャル領域である三角形の一辺が10μm、ピッチが12μmで設計されている。領域(61)、領域(64)が、実施の形態4で説明した{11-2Z}面(Zは正の整数)面で囲まれるエピタキシャル領域に相当する。領域(62)、領域(63)が、m面(-110Z)、(0-11Z)、(10-1Z)、(01-1Z)、(1-10Z)、(-101Z)(Zは正の整数)で囲まれるエピタキシャル領域に相当する。図7(b)が、前記パターンを有するScAlMgO基板上にMOCVDで0.5μmエピタキシャル成長させた結果の基板表面を電子顕微鏡で観察した写真に相当する。a面<11-2Z>面(Zは整数)で囲まれた領域(65)と領域(68)では、種結晶が六角形状に結晶成長することがわかる。m面最近接の配置で配列した領域では結合することなく種結晶が形成されている。a面最近接の配置で配列した領域(69)では結晶が合体して一つの島となりその間の下部にはボイドが形成されている。このような構成では下面のScAlMgO基板からの引継ぎの影響を抑制できるので低転位密度を実現することができる。他方、領域(66)、領域(67)では、m面で囲まれる領域で横方向成長が抑制されるので種結晶の配置としては適していないことがわかる。
ここで、MOCVDで種結晶0.5μmを実現する際のプロセスに関して説明しておく。ScAlMgO上へのGaN成長は、ヘテロ成長である為にバッファ層を必要とする。ここでは、600℃~700℃の温度で20nm膜厚の低温バッファ層を形成後に、1100℃を超える温度に昇温し再結晶化した後に結晶成長を開始すれば形状の揃った六角形状の大きさの揃った種結晶を得ることが可能である。
(Embodiment 6)
A ScAlMgO 4 /GaN composite with unevenness in which 0.5 μm GaN is epitaxially grown by MOCVD on the ScAlMgO 4 with the triangular pattern described in the fourth embodiment will be described below as a sixth embodiment.
FIG. 7(a) is a micrograph of the surface after V-grooves were formed in ScAlMgO 4 . Each side of the triangle, which is the epitaxial region, is designed to be 10 μm and the pitch is 12 μm. Regions (61) and (64) correspond to epitaxial regions surrounded by {11-2Z} planes (Z is a positive integer) described in the fourth embodiment. Regions (62) and (63) are m planes (-110Z), (0-11Z), (10-1Z), (01-1Z), (1-10Z), (-101Z) (Z is positive (integer of ). FIG. 7(b) corresponds to a photograph of the substrate surface observed with an electron microscope as a result of epitaxial growth of 0.5 μm by MOCVD on the ScAlMgO 4 substrate having the pattern. It can be seen that the seed crystal grows in a hexagonal shape in the region (65) and the region (68) surrounded by the a-plane <11-2Z> plane (Z is an integer). Seed crystals are formed without bonding in the regions arranged in the m-plane closest arrangement. In the region (69) arranged in the a-plane closest arrangement, the crystals coalesce to form one island, and a void is formed in the lower portion between them. With such a configuration, the influence of takeover from the ScAlMgO 4 substrate on the lower surface can be suppressed, so a low dislocation density can be realized. On the other hand, in the regions (66) and (67), lateral growth is suppressed in the regions surrounded by the m-planes, so it is found that these regions are not suitable for seed crystal placement.
Here, the process for realizing a seed crystal of 0.5 μm by MOCVD will be described. GaN growth on ScAlMgO 4 requires a buffer layer due to the heterogeneous growth. Here, after forming a low-temperature buffer layer with a film thickness of 20 nm at a temperature of 600° C. to 700° C., the temperature is increased to over 1100° C. to recrystallize, and then crystal growth is started. It is possible to obtain seed crystals with a uniform grain size.

(実施の形態7)
以下、実施の形態7として、実施の形態6で説明した三角形パターンの凹凸付ScAlMgO上に形成された六角形状の種結晶上に低転位密度のGaN結晶を得る為の結晶成長プロセスを図6に示す。図8(a)で実施の形態6で説明した手法で六角形状の種結晶(72)がV溝(71)が形成されたScAlMgO基板(70)上に形成される。その表面の電子顕微鏡写真を図8(e)に示す。続いて図8(b)でHVPE法を用いてGaNを3次元成長させピラミッド状のGaN結晶(73)を得る。その表面の電子顕微鏡写真を図8(f)に示す。続いて、図8(c)でHVPE法を用いて平坦膜(74)を2次元成長させる。最後に高品質なGaN結晶(75)を結晶成長して低転位密度のGaN結晶を得る。その表面の電子顕微鏡委写真を図8(g)に示す。このプロセスを経て結晶成長したチップの表面光学顕微鏡写真を図9(a)に示す。この場合、三角パターンの寸法は、20um、ピッチが24umであった。ピットが形成されている領域もあるが、きれいな平滑膜が形成されている領域(76)があることがわかる。図9(b)にその表面のCL(カソードルミネッセンス)法で500倍の倍率で転位密度を観察した結果を示す。転位密度の粗密がみられ転位の収束が起こっていることを確認できる。その一部を拡大し2000倍の倍率で観察した結果を図10(b)に示す。種結晶からの引継ぎ領域(76)での転位密度は、6.0x10cm-2程度である。横方向成長で結合した領域の転位密度は、1.2x10cm-2程度である。エピ領域からの結晶が結合する3重点領域での転位密度は、1.3x10cm-2程度である。選択結晶成長を用いずにScAlMgO基板上に直接MOCVDで3μm結晶成長させた試料を2000倍の倍率で観察した結果を図10(a)に示す。選択エピ成長を利用することで転位密度が1.3×10cm-2から1.2x10cm-2まで約一桁程度低減できていることがわかる。種結晶引継ぎ領域(76)では、それよりもやや転位密度が高い。種結晶の結合部である3重点では、転位密度の増加がみられるがこれは配置の微調整および結晶成長条件の微調整により抑制することは可能である。転位の対消滅をより促進させるエピ構造を追及すれば、転位密度の大幅な抑制が可能であることが示された。
このように三角パターンを用いることでGaN結晶とScAlMgO結晶の接触面積を低減することができるので転位密度低減、そにに加えて自然剥離を促進させることができる。
(Embodiment 7)
Hereinafter, as Embodiment 7, a crystal growth process for obtaining a GaN crystal with a low dislocation density on a hexagonal seed crystal formed on ScAlMgO 4 with triangular-patterned unevenness explained in Embodiment 6 is shown in FIG. shown in A hexagonal seed crystal (72) is formed on a ScAlMgO 4 substrate (70) having a V-groove (71) formed thereon by the method described in Embodiment 6 with reference to FIG. 8(a). An electron micrograph of the surface is shown in FIG. 8(e). Subsequently, in FIG. 8B, HVPE is used to grow GaN three-dimensionally to obtain a pyramidal GaN crystal (73). An electron micrograph of the surface is shown in FIG. 8(f). Subsequently, in FIG. 8C, a flat film (74) is two-dimensionally grown using the HVPE method. Finally, a high-quality GaN crystal (75) is crystal-grown to obtain a GaN crystal with a low dislocation density. An electron microscope photograph of the surface is shown in FIG. 8(g). FIG. 9(a) shows a surface optical micrograph of a chip crystal-grown through this process. In this case, the triangular pattern had a dimension of 20 um and a pitch of 24 um. It can be seen that there is a region (76) where a clean smooth film is formed, although there are regions where pits are formed. FIG. 9(b) shows the result of observing the dislocation density of the surface by a CL (cathode luminescence) method at a magnification of 500 times. It can be confirmed that dislocation convergence occurs due to variations in dislocation density. FIG. 10(b) shows the result of magnifying a part of it and observing it at a magnification of 2000 times. The dislocation density in the take-over region (76) from the seed crystal is on the order of 6.0×10 7 cm −2 . The dislocation density in the laterally grown region is on the order of 1.2×10 7 cm −2 . The dislocation density at the triple point region where crystals from the epi region join is on the order of 1.3×10 8 cm −2 . FIG. 10(a) shows the result of observation at a magnification of 2000 times for a sample in which a 3 μm crystal was grown directly on a ScAlMgO 4 substrate by MOCVD without using selective crystal growth. It can be seen that the dislocation density can be reduced by about one order of magnitude from 1.3×10 8 cm −2 to 1.2×10 7 cm −2 by using selective epitaxial growth. The seed transfer region (76) has a slightly higher dislocation density. An increase in dislocation density is observed at the triple point, which is the joint of the seed crystal, but this can be suppressed by finely adjusting the arrangement and finely adjusting the crystal growth conditions. It was shown that the dislocation density can be greatly suppressed by pursuing an epistructure that promotes dislocation pair annihilation.
By using the triangular pattern in this manner, the contact area between the GaN crystal and the ScAlMgO 4 crystal can be reduced, so that the dislocation density can be reduced and, in addition, natural exfoliation can be promoted.

(実施の形態8)
今回は、MOCVDにて種結晶を形成し、HVPE法により厚膜化を試みた。しかし、HVPE法でも直接バッファー層を形成することは可能であり、一連のプロセスは、MOCVDのみ、あるいは、HVPE設備のどちらか一方だけでも実現することは可能になる。
さらに、HVPE法により膜厚200μm以上を堆積すればScAlMgO基板からの自然剥離によりGaN結晶を自立化させることも可能である。
(Embodiment 8)
This time, a seed crystal was formed by MOCVD, and an attempt was made to thicken the film by HVPE. However, it is also possible to directly form the buffer layer by the HVPE method, and a series of processes can be realized by either MOCVD alone or HVPE equipment alone.
Furthermore, if a film thickness of 200 μm or more is deposited by the HVPE method, it is possible to make the GaN crystal self-sustaining by natural peeling from the ScAlMgO 4 substrate.

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。 It should be noted that the present disclosure includes appropriate combinations of any of the various embodiments and / or examples described above, and each embodiment and / or The effects of the embodiment can be obtained.

本発明に係るRAMO基板は、III族窒化物結晶の製造方法に用いることができる。 The RAMO4 substrate according to the present invention can be used in a method for manufacturing group III nitride crystals.

1 実施の形態4におけるScAlMgO基板上の三角形エピ領域
2 実施の形態4におけるScAlMgO基板上種結晶成長領域
3 V溝形成されたScAlMgO4基板
4 ScAlMgO4基板に形成されたV溝
5 実施の形態4におけるScAlMgO基板上の三角形エピ領域
6 実施の形態4におけるScAlMgO基板上種結晶成長領域
7 実施の形態4におけるScAlMgO基板上のエピ領域
8 実施の形態4におけるScAlMgO基板上種結晶成長領域
9 実施の形態4におけるScAlMgO基板上の三角形エピ領域
11 スカンジウム(Sc)原子
12 酸素(O)原子
13 Al-Mgサイト
14 ScAlMgOのエッチング形状
21 六方晶結晶の(-110Z)面(Z=2の場合)
22 六方晶結晶の(-101Z)面(Z=2の場合)
23 六方晶結晶の(0-11Z)面(Z=2の場合)
24 六方晶結晶の(1-10Z)面(Z=2の場合)
25 六方晶結晶の(10-1Z)面(Z=2の場合)
26 六方晶結晶の(01-1Z)面(Z=2の場合)
31 六方晶結晶の(11-2Z)面(Z=2の場合)
32 六方晶結晶の(-1-12Z)面(Z=2の場合)
33 六方晶結晶の(-211Z)面(Z=2の場合)
34 六方晶結晶の(2-1-1Z)面(Z=2の場合)
35 六方晶結晶の(-12-1Z)面(Z=2の場合)
36 六方晶結晶の(1-21Z)面(Z=2の場合)
50 ScAlMgO基板
51 ハードマスク
52 厚膜レジストマスク
53 パターニングされたハードマスク
54 パターン加工されたV溝
55 パターン加工されたScAlMgO基板
61 エピ領域がa面で囲まれたパターン
62 エピ領域がm面で囲まれたパターン
63 エピ領域がa面で囲まれたパターン
64 エピ領域がm面で囲まれたパターン
65 領域31にGaNが結晶成長した領域
66 領域32にGaNが結晶成長した領域
67 領域33にGaNが結晶成長した領域
68 領域34にGaNが結晶成長した領域
69 GaNのa面密接に配置されたパター上のGaN結晶
70 パターン加工されたScAlMgO基板
71 パターン加工されたScAlMgO基板上に形成されたV溝
72 パターン加工されたScAlMgO基板上に形成されたGaN種結晶
73 パターン加工されたScAlMgO基板上に形成されたGaN種結晶上のピラミッド状GaN結晶
74 ピラミッド状GaN結晶上に成長された平滑GaN結晶
75 高品質GaN結晶
76 ScAlMgO基板上GaN結晶
77 ScAlMgO基板上から引き継がれたGaN結晶
77 横方向成長でつながったGaN結晶
78 ScAlMgO基板上エピが結合する3重点におけるGaN結晶領域
1 Triangular Epitaxial Region 2 on ScAlMgO 4 Substrate in Fourth Embodiment Seed Crystal Growth Region 3 on ScAlMgO 4 Substrate in Fourth Embodiment ScAlMgO 4 Substrate 4 with V Groove Formed V Groove 5 on ScAlMgO 4 Substrate Fourth Embodiment Seed crystal growth region 7 on ScAlMgO 4 substrate in Embodiment 4 Epi region 8 on ScAlMgO 4 substrate in Embodiment 4 Seed crystal growth region on ScAlMgO 4 substrate in Embodiment 4 9 Triangular epitaxial regions on ScAlMgO 4 substrate in Embodiment 4 11 Scandium (Sc) atoms 12 Oxygen (O) atoms 13 Al—Mg sites 14 ScAlMgO 4 etching shape 21 (−110Z) plane of hexagonal crystal (Z= 2)
22 (-101Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
23 (0-11Z) plane of hexagonal crystal (when Z=2)
24 (1-10Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
25 (10-1Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
26 (01-1Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
31 (11-2Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
32 (-1-12Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
33 (-211Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
34 (2-1-1Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
35 (-12-1Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
36 (1-21Z) plane of hexagonal crystal (when Z = 2)
50 ScAlMgO 4 substrate 51 Hard mask 52 Thick film resist mask 53 Patterned hard mask 54 Patterned V-groove 55 Patterned ScAlMgO 4 substrate 61 Pattern 62 in which the epitaxial region is surrounded by a planes The epitaxial region is m planes A pattern 63 surrounded by a pattern 64 having an epitaxial region surrounded by an a-plane A pattern 65 having an epitaxial region surrounded by an m-plane A region 66 in which GaN is crystal-grown in region 31 A region 67 in which GaN is crystal-grown in region 32 Region 33 GaN crystal-grown region 68 GaN crystal-grown region 69 GaN a-plane closely arranged GaN crystal 70 on patterned ScAlMgO 4 substrate 71 Patterned on ScAlMgO 4 substrate Formed V-grooves 72 GaN seed crystals 73 formed on patterned ScAlMgO4 substrates Pyramidal GaN crystals 74 on GaN seed crystals formed on patterned ScAlMgO4 substrates Pyramidal GaN crystals Grown smooth GaN crystal 75 High-quality GaN crystal 76 GaN crystal 77 on ScAlMgO 4 substrate GaN crystal 77 inherited from ScAlMgO 4 substrate GaN crystal 78 connected by lateral growth GaN crystal 78 on ScAlMgO 4 substrate GaN crystal region

Claims (5)

一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板であって、
前記+c面に周囲を複数のV溝で覆われて構成される三角錐台を有し、
前記V溝は、斜面の水平に対する傾きとして40°~70°の範囲として、凹凸の凹部の底の面積比が溝部の50%以下であり、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、(01-1Z)面、(-101Z)面、又は(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)により構成されている、RAMO基板。
A single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements, and A represents , Fe(III), Ga, and Al, and M represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd. representing one or more divalent elements selected from the group consisting of:
Having a truncated triangular pyramid formed by covering the +c plane with a plurality of V-grooves,
In the V-groove, the inclination of the slope with respect to the horizontal is in the range of 40° to 70°, and the area ratio of the bottom of the recess of the unevenness is 50% or less of the groove,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [-1100] direction of the hexagonal crystal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is composed of a {11-2Z} plane, a (01-1Z) plane, a (-101Z) plane, or a (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). , RAMO 4 substrate.
前記V溝斜面が、{11-2Z}面(但し、Zは正の整数とする)により構成される、請求項1に記載のRAMO基板。 2. The RAMO 4 substrate of claim 1, wherein the V-groove slope is composed of {11-2Z} planes (where Z is a positive integer). 前記+面上にIII族窒化物結晶が形成された、請求項1又は2に記載のRAMO基板。 3. The RAMO4 substrate of claim 1 or 2, wherein a III-nitride crystal is formed on the + c- plane. 一般式RAMOで表される単結晶(前記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)で構成される+c面を主表面として有するRAMO基板を準備し、
前記+c面に対してマスクを施してウェットエッチングすることで、周囲をV溝で覆われる三角錐台を形成するに際し、
前記三角錐台の三角形頂点方向の一つを六方晶系の[-1100]方向と結晶面方位を
定義した時に、
前記V溝の斜面が、{11-2Z}面、あるいは、(01-1Z)面、(-101Z)面、(1-10Z)面(但し、Zは正の整数とする)となるように前記ウェットエッチングを施す、RAMO基板の製造方法。
A single crystal represented by the general formula RAMO 4 (wherein R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanide elements, and A represents , Fe(III), Ga, and Al, and M represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd. preparing a RAMO4 substrate having a +c-plane as a major surface composed of one or more divalent elements selected from the group consisting of
In forming a truncated triangular pyramid surrounded by a V-groove by masking and wet-etching the +c plane,
When one of the triangular vertex directions of the truncated triangular pyramid is defined as the [−1100] direction of the hexagonal system and the crystal plane orientation,
The slope of the V-groove is the {11-2Z} plane, or the (01-1Z) plane, (-101Z) plane, or (1-10Z) plane (where Z is a positive integer). A method for manufacturing a RAMO4 substrate, wherein the wet etching is performed.
請求項1に記載のRAMO基板を準備し、
前記RAMO基板上にIII族窒化物結晶を成長させ、
前記III族窒化物と前記RAMO基板とを自然剥離させる、III族窒化物結晶の製造方法。
providing a RAMO4 substrate according to claim 1;
growing a III-nitride crystal on the RAMO4 substrate;
A method for producing a group III nitride crystal, wherein the group III nitride and the RAMO4 substrate are spontaneously exfoliated.
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