KR20100134577A - 질화물 반도체 결정과 그 제조 방법 - Google Patents

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슈이치 구보
요코 마시게
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미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

원하는 주면을 갖는 판상 질화물 반도체 결정을 간편한 방법으로 효율적으로 제조하는 방법을 제공한다. 결정 상의 결정 성장면을 성장 방향으로 투영한 투영면의 길이 방향의 길이 L 과 최대폭 W 의 비 (L/W) 가 2 ∼ 400 으로서, 상기 최대폭 W 가 5 ㎜ 이하인 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써, 상기 종 결정 상에 판상 질화물 반도체 결정을 성장시킨다.

Description

질화물 반도체 결정과 그 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 질화물 반도체 결정과 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법에 의하면, 판상 질화물 반도체 결정을 간편한 조작으로 얻을 수 있고, 특히 대면적의 비극성면을 주면으로 한 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다.
질화 갈륨 (GaN) 으로 대표되는 질화물 반도체는, 큰 밴드갭을 가지며, 또 밴드간 전이가 직접 전이형이기 때문에, 자외, 청색 또는 녹색 등의 발광 다이오드, 반도체 레이저 등의 비교적 단파장측의 발광 소자나, 전자 디바이스 등의 반도체 디바이스의 기판으로서 유망한 재료이다.
현재 가장 일반적인 질화물 반도체 기판은 C 면을 주면으로 하는 기판이다. 그러나, C 면을 주면으로 하는 GaN 기판을 사용한 InGaN 계 청색, 녹색 LED 나 LD 에 있어서는, 그 성장축인 c 축 방향에 피에조 전계가 발생한다는 문제점이 있었다. 피에조 전계는 InGaN 층의 결정 구조가 변형되어 압전 분극이 생기기 때문에 발생하고, 이 분극에 의해 발광층에 주입되는 정공과 전자가 멀어져 발광에 기여하는 재결합 확률이 저하되게 된다. 이 때문에 내부 양자 효율이 낮아져 발광 디바이스의 외부 양자 효율의 저하로 이어진다. 상기 피에조 전계의 영향을 약하게 하기 위해서 GaN 결정의 C 면에 수직인 A 면, M 면으로 불리는 비극성면을 성장면으로 한 InGaN 계 청색, 녹색 LED 나 LD 연구가 활발하게 이루어지고 있다 (비특허문헌 1).
질화물 반도체는, 고융점이며, 게다가 융점 부근의 질소의 해리압이 높기 때문에, 융액으로부터의 벌크 성장이 곤란하다. 한편, 하이드라이드 기상 성장법 (HVPE 법) 이나 유기 금속 화학 기상 퇴적법 (MOCVD 법) 등의 기상 성장법을 사용함으로써, 질화물 반도체 기판을 제조할 수 있는 것이 알려져 있다. 이 때, 종 결정을 지지체 상에 설치한 상태에서 원료 가스를 공급함으로써, 종 결정 표면에 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있다 (예를 들어 특허문헌 1 참조). 종 결정 상에 성장시킨 질화물 반도체 결정은 종 결정과 함께 지지체로부터 분리되어, 필요에 따라 종 결정을 연마 등의 방법에 의해 제거함으로써 꺼낼 수 있다.
일본 공개특허공보 2006-240988호
닛케이 일렉트로닉스 2006.8.14 P65-P70
그러나, 이 방법에 의해 원하는 주면을 갖는 판상 질화물 반도체 기판을 제조하고자 하면, 비효율적인 공정을 거쳐야 한다는 문제에 직면하는 경우가 있다. 예를 들어, 비극성면을 주면으로 하는 비교적 큰 판상 질화물 반도체 기판을 제조하고자 하면, 하지 (下地) 기판으로서 비교적 큰 비극성면을 주면으로 하는 기판이 존재하지 않기 때문에, R 면 사파이어 기판이나 M 면 탄화 규소 (SiC) 기판 등의 이종 하지 기판 상에 비극성면을 성장면으로 하여 성장시켜, 하지 기판을 분리하여 기판을 얻거나, 또는, 일단 종 결정의 극성면 상에 그 극성면에 수직인 방향으로 결정을 성장시킨 후에, 슬라이스하여 원하는 비극성면을 잘라내야 한다. 전자의 경우, 이종 하지 기판 상의 성장으로 인해 결정 중에 많은 적층 결함이 생기게 되어 고품질의 결정은 얻을 수 없다. 후자의 경우, 적층 결함이 없는 고품질의 결정이 얻어지지만, 목적으로 하는 판상 결정보다 상당히 큰 결정을 종 결정 상에 성장시키는 것이 필요하게 되고, 게다가 슬라이스 공정을 피할 수 없다. 또, 그러한 큰 결정을 성장시키는 것 자체가 매우 곤란한 경우도 있어, 이 방법에 의해 원하는 질화물 반도체 결정을 얻기에는 한계가 있었다.
그래서 본 발명자들은, 이와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위해서, 판상 질화물 반도체 결정을 효율적으로 제공할 수 있게 하는 것을 본 발명의 목적으로 하여 검토를 진행하였다. 특히, 슬라이스 공정을 거치지 않고, 질화물 반도체 기판을 간편한 방법으로 제조할 수 있는 판상 질화물 반도체 결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하여 검토를 진행하였다. 또, 특히 비극성면을 주면으로 하는 대면적의 질화물 반도체 기판을 간편한 방법으로 제조할 수 있는 판상 질화물 반도체 결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하여 검토를 진행하였다.
본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 종 결정의 결정 성장면 등을 연구함으로써 과제를 해결할 수 있음을 발견하였다. 즉, 과제를 해결하는 수단으로서, 이하의 본 발명을 제공하기에 이르렀다.
[1] 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써 상기 종 결정 상에 질화물 반도체 결정을 성장시키는 결정 성장 공정을 포함하는, 질화물 반도체 결정의 제조 방법으로서,
상기 종 결정 상에 성장시키는 질화물 반도체 결정이 판상 결정이며,
상기 판상 결정을 성장시키는 상기 종 결정 상의 결정 성장면을 성장 방향으로 투영한 투영면의 길이 방향의 길이 L 과 최대폭 W 의 비 (L/W) 가 2 ∼ 400 으로서, 상기 최대폭 W 가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[2] 상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {10－1X} 면 및 {11－2Y} 면으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 면인 것을 특징으로 하는 [1] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법 (상기 X 와 상기 Y 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다).
[3] 상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {10－1X} 면, 또는 그 양방으로서, 상기 종 결정의 주면이 대략 M 면인 것을 특징으로 하는 [2] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[4] 상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {11－2Y} 면, 또는 그 양방으로서, 상기 종 결정의 주면이 대략 A 면인 것을 특징으로 하는 [2] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[5] 상기 종 결정이, {10－10} 면, {11－2Z} 면, {10－1S} 면, 또는 {11－20} 면을 갖는 것을 특징으로 하는 [2] ∼ [4] 중 어느 한 항 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법 (상기 Z 와 상기 S 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다).
[6] 서로 평행한 제 1 변과 제 2 변을 갖는 결정 성장면과, 상기 결정 성장면과 수직인 면으로서 상기 결정 성장면의 제 1 변을 한 변으로 하는 제 1 측면과, 상기 결정 성장면과 수직인 면으로서 상기 결정 성장면의 제 2 변을 한 변으로 하는 제 2 측면을 적어도 가지고 있고, 상기 결정 성장면의 제 1 변과 제 2 변의 거리가 5 ㎜ 이하이며, 상기 결정 성장면의 제 1 변과 제 2 변의 평균 길이와 제 1 변과 제 2 변의 거리의 비 (평균 길이/거리) 가 2 ∼ 400 인 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써, 상기 결정 성장면에 대해 수직인 방향으로 판상 결정을 성장시키는 결정 성장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 [1] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[7] 상기 종 결정의 제 1 측면이 비극성면인 것을 특징으로 하는 [6] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[8] 상기 종 결정이, 결정 성장면이 C 면이고, 제 1 측면이 M 면인 육방정인 것을 특징으로 하는 [6] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[9] 상기 종 결정이, 결정 성장면이 C 면이고, 제 1 측면이 A 면인 육방정인 것을 특징으로 하는 [6] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[10] 상기 결정 성장 공정에 의해, 제 1 측면과 평행한 면이 주면이 되도록 질화물 반도체 결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 [6] ∼ [9] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[11] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 적어도 1 종류를 항상 상기 판상 결정의 결정 성장단을 향하여 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [10] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[12] 상기 원료 가스를 공급하는 공급구와 상기 판상 결정의 결정 성장단의 거리를 일정하게 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [11] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[13] 상기 제어를, 상기 공급구와 상기 결정 성장단의 거리를 계측하면서 실시하는 것을 특징으로 하는 [12] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[14] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 [11] ∼ [13] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[15] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 방향을 바꾸는 것을 특징으로 하는 [11] ∼ [14] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[16] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스의 공급 속도를 바꾸는 것을 특징으로 하는 [11] ∼ [15] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[17] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 종 결정의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 [11] ∼ [16] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[18] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스를, 상기 종 결정의 결정 성장면에 수직인 방향으로부터 공급하는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [17] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[19] 상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스를, 상기 종 결정의 주면을 예상하는 공간과 상기 주면과 대향하는 면을 예상하는 공간으로부터 각각 상기 종 결정을 향하여 공급하는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [17] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[20] 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 형상이 상기 결정 성장단의 형상과 상사형 (相似形) 인 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [19] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[21] 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 형상이 슬릿상이며, 그 슬릿상 개구부의 최대 길이가 상기 종 결정의 투영면의 길이 L 이상인 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [20] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[22] 상기 종 결정을 위치 결정하기 위한 지지체에 상기 종 결정이 설치되어 있고, 상기 종 결정과 상기 지지체의 접촉면이, 상기 종 결정의 결정 성장면으로부터 1 ㎜ 이상 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [21] 중 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[23] 상기 종 결정이, 사파이어, SiC, ZnO, 및 Ⅲ 족 질화물 반도체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [22] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[24] 상기 질화물 반도체가 Ⅲ 족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [23] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[25] 상기 질화물 반도체가 GaN 반도체인 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [24] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[26] 주면의 면적이 2500 ㎟ 이상인 판상 결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 [1] ∼ [25] 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[27] 상기 주면이 비극성면인 것을 특징으로 하는 [26] 에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
[28] [1] ∼ [27] 중 어느 한 항에 기재된 결정 성장 공정을 실시함으로써 상기 종 결정 상에 질화물 반도체 결정을 성장시키고, 성장시킨 상기 질화물 반도체 결정을 상기 종 결정으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는, 성장시킨 상기 질화물 반도체 결정을 슬라이스하지 않고 질화물 반도체 결정을 제조하는 방법.
[29] [1] ∼ [28] 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는 질화물 반도체 결정.
[30] 면적이 2500 ㎟ 이상인 비극성면을 주면으로 하고, 두께가 1.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 판상 질화물 반도체 결정.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 의하면, 원하는 주면을 갖는 판상 질화물 반도체 결정을 간편한 방법으로 효율적으로 제조할 수 있다. 특히, 종 결정의 결정 성장면의 종류와 사이즈, 및 결정 성장 조건을 조합함으로써 원하는 사이즈와 주면을 갖는 질화물 반도체 결정을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 결정 성장에 바람직하게 사용되는 HVPE 장치의 개략 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 결정 성장에 바람직하게 사용되는 다른 HVPE 장치의 개략 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 결정 성장에 바람직하게 사용되는 또 다른 HVPE 장치의 개략 단면도이다.
도 4 는 제어 기구와 출력 기구의 관계 등을 나타내는 개략도이다.
도 5 는 비교예 2 에서 종 결정 상에 결정 성장시킨 상태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하에 있어서, 본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하에 기재하는 구성 요건의 설명은, 본 발명의 대표적인 실시형태에 기초하여 이루어지는 경우가 있지만, 본 발명은 그러한 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서는, 질화물 반도체 결정으로서 질화 갈륨 결정을 예로서 설명하는 경우가 있지만, 본 발명에서 채용할 수 있는 질화물 반도체 결정은 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 있어서 「∼」 를 이용해 나타내지는 수치 범위는, 「∼」 의 전후에 기재되는 수치를 하한치 및 상한치로 하여 포함하는 범위를 의미한다.
(종 결정)
본 발명에 있어서 사용하는 종 결정은, 판상 결정을 성장시키는 결정 성장면을 성장 방향으로 투영한 투영면을 상정했을 때에, 그 투영면의 길이 방향의 길이 L 과 최대폭 W 의 비 (L/W) 가 2 ∼ 400 으로서, 최대폭 W 가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.
종 결정은, 결정 성장면 상에 원하는 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있는 것이면, 그 종류는 상관없다. 예를 들어, 사파이어, SiC, ZnO, Ⅲ 족 질화물 반도체를 들 수 있다. 바람직하게는, 제조하고자 하는 질화물 반도체와 동일하거나 또는 상이한 종류의 질화물 반도체의 종 결정을 사용하는 경우이며, 보다 바람직하게는, 제조하고자 하는 질화물 반도체를 구성하는 Ⅲ 족 원소와 동일한 종류의 Ⅲ 족 원소를 적어도 포함하는 질화물 반도체의 종 결정을 사용하는 경우이며, 더욱 바람직하게는 제조하고자 하는 질화물 반도체와 동일 종의 질화물 반도체의 종 결정을 사용하는 경우이다. 다른 관점에서 말하면, 제조하고자 하는 질화물 반도체 결정과 격자 상수가 근사하여 열팽창 계수의 차가 작은 종 결정을 선택하는 것이 바람직하다.
결정 성장면을 성장 방향으로 투영한 투영면의 최대폭 W 는 5 ㎜ 이하이며, 0.2 ㎜ ∼ 5 ㎜ 가 바람직하고, 0.3 ㎜ ∼ 3 ㎜ 가 보다 바람직하고, 0.5 ㎜ ∼ 2 ㎜ 가 더욱 바람직하다. 투영면의 폭은 일정해도 되고 일정하지 않아도 된다. 바람직한 것은, 투영면의 폭이 일정하며, 2 개의 마주보는 장변이 서로 평행인 경우이다. 투영면의 폭이 일정한 경우에는, 그 폭이 투영면의 최대폭 W 가 되고, 투영면의 폭이 일정하지 않은 경우에는, 가장 큰 폭이 최대폭 W 가 된다. 투영면의 폭이 일정하지 않은 경우에는, 폭이 길이 방향으로 연속적으로 변화하고 있는 것인 것이 바람직하고, 폭이 길이 방향으로 연속적으로 일정한 비율로 변화 하고 있는 것인 것이 보다 바람직하다.
투영면의 길이 방향의 길이 L 과 최대폭 W 의 비 (L/W) 는 2 ∼ 400 으로, 3 ∼ 270 이 바람직하고, 5 ∼ 160 이 보다 바람직하다. 투영면이 직사각형인 경우, 길이 방향의 길이 L 은 장변과 동등하다. 투영면의 최장 변과 그것과 마주보는 변의 길이가 상이한 경우에는, 그것들 2 변의 길이의 평균치를 가지고 길이 방향의 길이 L 로 한다.
종 결정의 두께는, 통상은 0.1 ㎜ ∼ 50 ㎜ 의 범위 내에서 선택할 수 있고, 0.5 ㎜ ∼ 20 ㎜ 가 바람직하고, 1 ㎜ ∼ 10 ㎜ 가 보다 바람직하다.
투영면의 면방위는 (0001) 면, (000－1) 면 등의 극성면, {1－100} 면이나 {11－20} 면 등의 비극성면, {1－102} 면, {11－22} 면 등의 반극성면을 들 수 있다. 본 발명에서는, 이들 면 중 투영면으로서는 (0001) 면과 (000－1) 면이 바람직하고, (0001) 면이 특히 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 종 결정은 투영면과 동일한 면을 결정 성장면으로서 가지고 있어도 되고, 가지지 않아도 된다. 예를 들어, 투영면이 (0001) 면인 경우, (0001) 면을 결정 성장면으로서 갖는 종 결정을 사용해도 되고, 투영면이 (0001) 면이 되는 결정 성장면을 갖는 종 결정을 사용해도 된다. 투영면이 (0001) 면이 되는 결정 성장면으로서는, {10－1X} 면이나 {11－2Y} 면을 들 수 있다. 여기서, X 와 Y 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다. 본 발명에서 사용하는 종 결정은, ＋C 면, {10－1X} 면 및 {11－2Y} 면으로 이루어지는 군에서 선택되는 2 이상의 결정 성장면을 갖는 것이어도 된다. 2 이상의 결정 성장면을 갖는 경우에는, 그들 결정 성장면은 연속하고 있을 필요가 있으며, 그들의 연속하고 있는 결정 성장면 전체를 결정 성장 방향으로 투영한 면을 본 발명에서 말하는 투영면으로 한다.
본 발명에서 사용하는 종 결정의 주면은 투영면과 수직인 면인 것이 바람직하다. 그리고, 제조하고자 하는 질화물 반도체 결정의 주면을 종 결정의 주면으로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 종 결정의 주면과 동일한 면방위를 갖는 면이, 얻어지는 판상 결정의 주면이 된다.
본 발명에서 특히 바람직하게 사용되는 종 결정은, 결정 성장면이 (0001) 면, {10－1X} 면, 또는 그 양방으로서, 주면이 대략 {1－100} 면인 결정이다. 또, 본 발명에서 특히 바람직하게 사용되는 다른 종 결정은, 결정 성장면이 (0001) 면, {11－2Y} 면, 또는 그 양방으로서, 주면이 대략 {11－20} 면인 결정이다. 여기에서 「대략」 이란, 오프 각도가 ±20°이내인 면을 의미하는 것으로, 바람직한 오프 각도의 범위는 ±10°이내이며, 보다 바람직한 오프 각도의 범위는 ±5°이내이다.
이들 2 종류의 특히 바람직한 종 결정에 있어서의 주면 이외의 측면으로서는, {10－10} 면, {11－2Z} 면, {10－1S} 면, 또는 {11－20} 면을 들 수 있다. 여기에서 Z 와 S 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다. 이들 중에서는, {10－10} 면, {11－2Z} 면, {10－1S} 면이 바람직하고, {10－10} 면이 보다 바람직하다.
또, 이들 2 종류의 특히 바람직한 종 결정에 있어서, 결정 성장면의 대면의 면방위는 특별히 제한되지 않는다. 이 면은 통상은 결정 성장 장치의 기판 홀더에 접하는 면이 되어 원료 가스에 닿지 않기 때문에, 어느 면이어도 상관없다. 예를 들어 (000－1) 면을 들 수 있다.
이들 2 종류의 특히 바람직한 종 결정을 이용하면, 결정 성장면과 거기에 인접하는 면 사이에 형성되는 모서리부를 기점으로 하는 다결정의 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. 이로써, 보다 균일하고 양질인 판상 결정을 효율적으로 성장시킬 수 있다. 보다 균일하고 양질인 판상 결정이 얻어지는 것은, 얻어지는 결정에 이상 성장부가 없거나, 결정의 착색이 없거나, X 선 회절법에 의한 결정성의 분포가 없는 것에 의해 용이하게 확인할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 외에도 다양한 결정면을 갖는 종 결정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 서로 평행한 제 1 변과 제 2 변을 갖는 결정 성장면과, 결정 성장면과 수직인 면으로서 결정 성장면의 제 1 변을 한 변으로 하는 제 1 측면과, 결정 성장면과 수직인 면으로서 상기 결정 성장면의 제 2 변을 한 변으로 하는 제 2 측면을 적어도 갖는 종 결정도 사용할 수 있다. 여기서는, 제 1 변과 제 2 변의 평균 길이와 제 1 변과 제 2 변의 거리의 비 (평균 길이/거리) 가 2 ∼ 400 이며, 제 1 변과 제 2 변의 거리가 5 ㎜ 이하인 것이 필요해진다.
이런 종류의 종 결정 측면의 면방위는 결정 성장면과 수직이면 특별히 제한되지 않고, (0001) 면, (000－1) 면 등의 극성면, {1－100} 면이나 {11－20} 면 등의 비극성면, {1－102} 면, {11－22} 면 등의 반극성면을 들 수 있다. 예를 들어 결정 성장면이 (0001) 면 혹은 (000－1) 면인 경우, 측면의 면방위는 {1－100} 면 혹은 {11－20} 면이 된다. 결정 성장면이 {1－100} 면인 경우, 측면은 (0001) 면, (000－1) 면 혹은 {11－20} 면이 된다. 결정 성장면이 {11－20} 면인 경우, 측면은 (0001) 면, (000－1) 면 혹은 {1－100} 면이 된다. 측면 중, 종 결정의 제 1 측면과 제 2 측면이 되는 면은 성장시키는 질화물 반도체 결정의 주면이 되는 면이다. 따라서, 제조하고자 하는 질화물 반도체 결정의 주면과 동일한 면을 제 1 측면 또는 제 2 측면으로서 갖는 종 결정을, 본 발명에서는 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
결정 성장면이 (0001) 면 혹은 (000－1) 면이고, 측면의 면방위가 {1－100} 면 혹은 {11－20} 면인 경우가 바람직하고, 결정 성장면이 (0001) 면이고, 측면의 면방위가 {1－100} 면 혹은 {11－20} 면인 경우가 보다 바람직하고, 결정 성장면이 (0001) 면이고, 측면의 면방위가 {1－100} 면인 것이 더욱 바람직하다.
상기의 면의 표기에 있어서 「대략」 이 부여되어 있지 않은 것에 대해서도, 각각 오프 각도를 가지고 있어도 된다. 오프 각도는 ±10°이내인 것이 바람직하고, ±5°이내인 것이 보다 바람직하다.
이 명세서에 있어서, 「C 면」이란, 육방정 구조 (우르차이트강형 결정 구조) 에 있어서의 {0001} 면과 등가인 면이다. Ⅲ-V 족 화합물 반도체 결정에서는, 「C 면」 은 Ⅲ 족 면이며, 질화 갈륨에서는 Ga 면에 상당한다. {0001} 면과 등가인 면은 (0001) 면, (000－1) 면이다.
이 명세서에 있어서, {10－10} 면이란 「M 면」 을 가리키며, 육방정 구조 (우르차이트강형 결정 구조) 에 있어서의 {1－100} 면과 등가인 면으로, 이것은 비극성면이며, 통상은 벽개면이다. {1－100} 면과 등가인 면은 (1－100) 면, (－1100) 면, (01－10) 면, (0－110) 면, (10－10) 면, (－1010) 면이다.
이 명세서에 있어서, {11－20} 면이란 「A 면」을 가리키며, 육방정 구조 (우르차이트강형 결정 구조) 에 있어서의 {11－20} 면과 등가인 면으로, 이것은 비극성면이다. {11－20} 면과 등가인 면은, (11－20) 면, (－1－120) 면, (1－210) 면, (－12－10) 면, (－2110) 면, (2－1－10) 면이 있다.
원하는 면을 갖는 종 결정은, 필요에 따라 결정을 잘라냄으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, C 면을 갖는 Ⅲ 족 질화물 반도체 기판을 형성하고, 그 후에 M 면 또는 A 면이 나타나도록 잘라냄으로써 M 면 또는 A 면을 제 1 측면으로 하는 종 결정을 얻을 수 있다. 잘라내는 방법으로서는, 줄, 연삭반, 내주날 슬라이서, 와이어쏘 등으로 가공 (연삭, 절단) 하는 방법, 연마에 의해 가는 방법, 벽개에 의해 분할하는 방법 등이 있는데, 벽개에 의해 M 면 또는 A 면을 형성하는 것이 바람직하다. 벽개 방법에 대해서는, 다이아몬드 스크라이버에 의해 노치를 새겨 분할해도 되고, 레이저 스크라이버 장치를 사용해도 된다. 그대로 손으로 분할해도 되고, 다른 토대에 올려놓고 브레이킹 장치로 실시해도 된다.
(성장 장치)
본 발명에서는, 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써, 종 결정의 투영면에 대해 수직인 방향으로 판상 결정을 성장시킨다. 성장 방법으로서는, MOCVD 법이나 HVPE 법 등을 들 수 있는데, 성장 속도가 빠른 HVPE 법이 바람직하다.
도 1 은, 본 발명에 사용되는 질화물 반도체 결정의 제조 장치의 구성예를 설명하기 위한 도면인데, 구성의 상세에 특별한 제한은 없다. 도 1 에 도시한 HVPE 장치는, 리액터 (100) 내에 종 결정 (109) 을 탑재하기 위한 기판 홀더 (105) 와 기판 홀더를 상하 이동시킬 수 있게 하는 승강 기구 (106) 를 구비하고 있다. 또, 리액터 (100) 내에 가스를 도입하기 위한 도입관 (101 ∼ 104) 과, 배기하기 위한 배기관 (108) 이 설치되어 있다. 또한, 리액터 (100) 를 측면으로부터 가열하기 위한 히터 (107) 가 설치되어 있다.
리액터 (100) 의 재질로서는, 석영, 소결체 질화 붕소, 스테인리스 등이 사용된다. 바람직한 재질은 석영이다. 리액터 (100) 내에는, 반응 개시전에 미리 분위기 가스를 충전해 둔다. 분위기 가스 (캐리어 가스) 로서는, 예를 들어 수소, 질소, He, Ne, Ar 과 같은 불활성 가스 등을 들 수 있다. 이들 가스는 혼합하여 사용해도 된다.
기판 홀더 (105) 의 재질로서는 카본이 바람직하고, SiC 로 표면을 코팅하고 있는 것이 보다 바람직하다. 기판 홀더 (105) 의 형상은, 본 발명에서 사용하는 종 결정 (109) 을 유지할 수 있는 형상이면 특별히 제한되지 않지만, 결정 성장할 때에 결정 성장면 부근에 구조물이 존재하지 않는 것인 것이 바람직하다. 결정 성장면 부근에 성장할 가능성이 있는 구조물이 존재하면, 그곳에 다결정체가 부착되고, 그 생성물로서 HCl 가스가 발생하여 결정 성장시키고자 하는 결정에 악영향이 미치게 된다. 종 결정 (109) 과 기판 홀더 (105) 의 접촉면은, 종 결정의 결정 성장면으로부터 1 ㎜ 이상 떨어져 있는 것이 바람직하고, 3 ㎜ 이상 떨어져 있는 것이 보다 바람직하고, 5 ㎜ 이상 떨어져 있는 것이 더욱 바람직하다.
도입관 (101) 으로부터는, 예를 들어 Ⅲ 족 질화물 반도체를 성장시키는 경우, Ⅲ 족원이 되는 원료 가스를 공급한다. 이 때, 갈륨, 알루미늄, 인듐 등의 염화물 가스 등을 직접 도입해도 되고, 또 리액터 내에서 갈륨, 알루미늄, 인듐 등의 금속 원료와 염산 가스 등을 반응시킨 후, 그 반응 가스를 도입해도 된다.
그 때, 원료 가스와 함께, 도입관 (104) 으로부터 캐리어 가스를 공급해도 된다. 캐리어 가스로서는, 예를 들어 수소, 질소, He, Ne, Ar 과 같은 불활성 가스 등을 들 수 있다. 이들 가스는 혼합하여 사용해도 된다.
도입관 (103) 으로부터는 질소원이 되는 원료 가스를 공급한다. 통상은 NH3 을 공급한다. 또, 도입관 (102) 으로부터는 캐리어 가스를 공급한다. 캐리어 가스로서는 도입관 (104) 으로부터 공급하는 캐리어 가스와 동일한 것을 예시할 수 있다. 이 캐리어 가스는 원료 가스 노즐을 분리시켜 노즐 선단에 폴리 결정이 부착되는 것을 방지하는 효과도 있다. 또, 도입관 (102) 으로부터는 도펀트 가스를 공급할 수도 있다. 예를 들어, SiH4 나 SiH2Cl2, H2S 등의 n 형 도펀트 가스를 공급할 수 있다.
도입관 (101 ∼ 104) 으로부터 공급하는 상기 가스는 각각 서로 교체하여 다른 도입관으로부터 공급해도 상관없다. 또, 질소원이 되는 원료 가스와 캐리어 가스는 동일한 도입관으로부터 혼합하여 공급해도 된다. 또한 다른 도입관으로부터 캐리어 가스를 혼합해도 된다. 이들의 공급 양태는, 리액터 (100) 의 크기나 형상, 원료의 반응성, 목적으로 하는 결정 성장 속도 등에 따라 적절히 결정할 수 있다.
도입관 (101 ∼ 104) 의 도입 위치나 도입 방향은 특정한 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 옆으로부터의 도입, 또 아래로부터의 도입, 위로부터의 도입, 경사로부터의 도입이 가능하다. 종 결정의 주면 (예를 들어 종 결정의 제 1 측면) 을 예상하는 공간과 주면에 대향하는 면 (예를 들어 종 결정의 제 2 측면) 을 예상하는 공간으로부터 각각 종 결정을 향하여 도입하는 양태, 특히 도 1 에 나타내는 바와 같이, 종 결정의 결정 성장면의 우측 경사 상방과 좌측 경사 상방으로부터 결정 성장면을 사이에 두도록 도입하는 양태를 바람직한 예로서 들 수 있다. 도 1 에서는, 도입관 (101 ∼ 103) 이 포개어져 설치되어 있지만, 이들의 도입관은 각각 떨어져 설치되어 있어도 상관없다. 단, 도입관 (101 ∼ 103) 을 포개어서 설치해 두면, 캐리어 가스로 원료 가스를 분리할 수 있어 공급구 부근의 다결정체 발생을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
도입관 선단의 공급구 형상은 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 종 결정의 결정 성장면과 상사형으로 하거나, 종 결정 상에 성장하는 결정의 결정 성장단과 상사형으로 하거나 할 수 있다. 그 중에서도, 공급구의 형상이 슬릿상이며, 그 슬릿상 개구부의 최대 길이가 종 결정 (109) 의 제 1 변 및 제 2 변의 길이 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로는 10 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 30 ㎜ 이상인 것이 보다 바람직하고, 50 ㎜ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또 공급구가 평행하게 배치된 복수의 슬릿으로 되어도 된다. 공급구의 재질로서는 석영, 열분해 질화 붕소 (PBN), 열분해 그라파이트 (PG), SiC 등이 바람직하고, 석영, PBN, PG 가 보다 바람직하다.
가스 배기관 (108) 은 리액터 내벽의 상면, 저면, 측면에 설치할 수 있다. 먼지 빠짐의 관점에서 결정 성장단보다 하부에 있는 것이 바람직하고, 도 1 과 같이 리액터 저면에 가스 배기관 (108) 이 설치되어 있는 것이 보다 바람직하다.
다른 성장 장치 예로서 도 2 에 나타내는 장치를 들 수도 있다. 여기서는, 종 결정 (209) 을 기판 홀더 (205) 위에 설치할 수 있게 되어 있고, 승강 기구 (206) 로 하향으로 이동 가능하게 되어 있는 점이 도 1 의 장치와 상이하다. 또, 캐리어 가스용 배관 (204) 이 종 결정 (209) 의 바로 위에 설치되어 있는 점도 상이하다.
또 다른 성장 장치로서 도 3 에 나타내는 장치를 들 수도 있다. 여기서도, 종 결정 (309) 을 기판 홀더 (305) 위에 설치할 수 있게 되어 있고, 승강 기구 (306) 로 하향으로 이동 가능하게 되어 있는 점이 도 1 의 장치와 상이하다. 또, 도입관 (301 ∼ 303) 이 종 결정 (309) 의 바로 위에 설치되어 있는 점도 상이하다.
도 1 과 같은 성장 장치를 이용하면 기상 중에서 발생하는 파티클의 영향을 저감시킬 수 있어 피트가 없는 양질인 결정이 얻어진다는 이점이 있고, 도 2 나 도 3 과 같은 성장 장치를 이용하면 승강 기구 등의 구동부를 장치 하부에 설치할 수 있어 메인터넌스가 용이해진다는 이점이 있다.
(결정 성장 공정에 있어서의 제어)
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에서는, 적어도 1 종류의 원료 가스를 항상 상기 판상 결정의 결정 성장단을 향하여 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다. 여기에서, 결정 성장단을 향하여 공급한다는 것은, 결정 성장단의 방향을 향하여 원료 가스를 공급하는 것을 의미한다. 종래법에 따라 고정된 기판 홀더 상에 종 결정을 설치하고, 그 종 결정 상에 질화물 반도체 결정을 성장시키면, 결정 성장에 수반하여 결정 성장단은 이동한다. 이 이동분을 고려하면서 항상 결정 성장단의 방향을 향하여 원료가 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
여기에서, 결정 성장단을 향하여 공급하는 원료 가스는, 결정 성장에 사용하는 원료 가스 중 적어도 1 종류이면 된다. 원료 가스 중 1 종류만을 선택하여 결정 성장단을 향하여 공급하는 경우에는, 잘 확산되지 않는 원료 가스를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화물 반도체 결정으로서 GaN 결정을 성장시킬 때는, 원료 가스로서 NH3 가스와 GaCl 가스를 채용하는 경우가 많은데, 이 때에 한쪽만을 선택하여 결정 성장단을 향하여 공급하는 경우에는, GaCl 을 선택하는 것이 바람직하다. 선택하지 않은 원료 가스는, 예를 들어 리액터 상부로부터 캐리어 가스와 함께 공급하거나 하여 결정 성장단에 확산 공급되도록 해 둔다.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에서는, 적어도 1 종류의 원료 가스를 공급하는 공급구와 결정 성장단의 거리를 일정하게 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다. 원료 가스를 공급하는 공급구와 결정 성장단의 거리는, 지나치게 가까우면 공급구에 질화물 반도체의 다결정체가 부착되게 되어 장시간 성장시킬 수 없게 되고, 반대로 지나치게 멀면 원료 효율이 떨어져 원하는 결정 성장 속도를 얻을 수 없게 된다. 이 때문에, 공급구와 결정 성장단의 거리는 일반적으로는 1 ㎝ ∼ 15 ㎝ 가 바람직하고, 3 ㎝ ∼ 12 ㎝ 가 보다 바람직하고, 5 ㎝ ∼ 10 ㎝ 가 더욱 바람직하다. 결정 성장 공정 중에 있어서 공급구와 결정 성장단의 거리는, 항상 성장 개시시의 거리의 ±15 ㎜ 이내로 제어하는 것이 바람직하고, ±10 ㎜ 이내로 제어하는 것이 보다 바람직하고, ±5 ㎜ 이내로 제어하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 공급구로부터의 원료 가스의 공급 속도는, 통상 0.01 m/min ∼ 1 m/min 이며, 0.05 m/min ∼ 0.7 m/min 인 것이 바람직하고, 0.1 m/min ∼ 0.4 m/min 인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 있어서, 적어도 1 종류의 원료 가스를 항상 상기 판상 결정의 결정 성장단을 향하여 공급하도록 제어하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 결정 성장과 함께, 종 기판을 유지하는 기판 홀더의 위치나 원료 가스 공급구의 위치를 이동시키거나, 원료 가스 공급구의 분사 각도나 가스 공급 속도를 바꾸거나 함으로써 제어할 수 있다. 이들 제어 방법은 조합하여 실시해도 된다. 이들의 이동이나 변화는 연속적으로 실시해도 되고, 축차로 실시해도 되지만, 연속적으로 실시하는 것이 바람직하다.
구체적인 제어 방법으로서는, 원료 가스 공급구를 고정시켜 두고, 결정 성장과 함께 종 기판을 유지하는 기판 홀더의 위치를 결정 성장 방향과 역방향으로 이동시키는 방법이나, 기판 홀더의 위치를 고정시켜 두고, 결정 성장과 함께 원료 가스 공급구의 위치를 결정 성장 방향으로 이동시키는 방법을 채용할 수 있다. 이들 방법을 채용할 때는, 기판 홀더나 원료 가스 공급구의 이동 속도를 결정 성장 속도와 동일한 정도로 하는 것이 바람직하다. 또 다른 제어 방법으로서, 기판 홀더의 위치를 고정시켜 두고, 결정 성장과 함께 원료 가스 공급구의 분사 각도 또는 원료 가스 공급구로부터 공급되는 가스 공급 속도의 적어도 한쪽을 바꾸는 방법도 들 수 있다.
상기의 위치 제어나 각도 제어를 적정하게 실시하기 위해서는, 결정 성장 공정 중의 결정 성장단의 위치를 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 이 때문에, 본 발명에서 사용하는 결정 성장 장치에는 결정 성장단의 위치 검출 기구가 구비되어 있는 것이 바람직하다. 결정 성장단의 위치 검출 기구는, 결정 성장 공정 중에 있어서의 결정 성장단의 위치를 측정하여 그 결과를 제어하기 위해서 이용할 수 있는 기능을 구비한 것이라면, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, CCD (전하 결합 소자) 등의 화상 관찰 장치를 바람직하게 채용할 수 있다. 또, 내열성의 보어 스코프 등을 채용해도 된다.
결정 성장단의 위치 검출 기구에 의해 얻어진 정보는, 제어 기구에 의해 처리하는 것이 바람직하다. 제어 기구는, 결정 성장단의 위치에 따라 결정 성장 장치 중의 기판 홀더나 공급구의 위치나 공급구의 분사 각도를 제어하는 지시를 내리는 기능을 구비하고 있다. 제어 기구는 제어 상황을 모니터하기 위한 출력 기구와 조합되어 있어도 된다. 제어 기구와 출력 기구의 상세에 대해, 도 4 에 나타내는 기구를 예로 들어 설명한다. 도 4 의 제어 기구 (401) 는, A/D 컨버터 (403), CPU (중앙 처리 장치) (404), 모터 드라이버 (405) 로 이루어져 있고, 출력 기구 (407) 는 디스플레이 (408), 프린터 (409) 로 되어 있다. 결정 성장단의 위치 검출 기구 (402) 에 의해 검출된 결정 성장단의 위치 데이터 (예를 들어 좌표) 는, A/D 컨버터 (403) 에 의해 디지털 데이터로 변환하여 CPU (404) 로 유도된다. CPU (404) 에서 적절한 보정 등을 실시한 후, 출력 기구 (407) 내의 출력 회로에 따라 데이터를 수치화 내지 그래프화하여 디스플레이 (408) 에 표시시키고, 프린터 (409) 에 의해 그것들을 인쇄한다. 또, CPU (404) 에서는 얻어진 위치 정보에 따라 최적인 제어 방향과 제어량을 산출하고, 모터 드라이버 (405) 에 지시를 내려 기판 홀더나 원료 가스 공급구의 위치를 이동시키는 모터 (406) 를 구동시킨다. 이들 일련의 동작은 미리 컴퓨터에 프로그램으로 해 두고, CPU (404) 의 지령에 의해 모터 드라이버 (405) 나 A/D 컨버터 (403) 를 통하여 자동으로 실시시키는 것이 가능하다. 또한, 결정 성장단의 위치 검출 기구 (402) 가 위치 정보를 디지털 신호로서 출력하는 경우에는, A/D 컨버터 (403) 를 생략할 수 있다.
또한, 경험칙 등에 의해 파악한 결정 성장 속도 등에 기초하여, 결정 성장 공정 중에 있어서의 결정 성장단의 위치를 거의 정확하게 예측하는 것이 가능하다면, 결정 성장단의 위치 검출 기구는 생략하는 것이 가능하다. 또, 결정 성장단의 위치 검출 기구 대신에, 결정 성장 장치 내의 온도나 압력을 측정하는 기구를 이용하여, 그들의 측정 결과에 기초하여 결정 성장단의 위치를 예측하여 제어해도 된다. 이들의 개변은, 당업자의 지식 범위 내에서 적절하게 실시하는 것이 가능하다.
본 발명의 제조 방법에 따라, 기판 홀더나 원료 가스 공급구의 위치를 이동시키는 경우, 그 이동 거리는 제조하고자 하는 결정의 크기에 따라 결정할 수 있다. 대형 결정을 얻는 경우에는, 10 ㎜ 이상이 바람직하고, 20 ㎜ 이상이 보다 바람직하고, 50 ㎜ 이상이 더욱 바람직하다.
(결정 성장 조건)
본 발명에 있어서의 결정 성장은, 통상은 950 ℃ ∼ 1120 ℃ 에서 실시하고, 970 ℃ ∼ 1100 ℃ 에서 실시하는 것이 바람직하고, 980 ℃ ∼ 1090 ℃ 에서 실시하는 것이 보다 바람직하고, 990 ℃ ∼ 1080 ℃ 에서 실시하는 것이 더욱 바람직하다. 리액터 내의 압력은 10 ㎪ ∼ 200 ㎪ 인 것이 바람직하고, 30 ㎪ ∼ 150 ㎪ 인 것이 보다 바람직하고, 50 ㎪ ∼ 120 ㎪ 인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서의 결정 성장의 성장 속도는, 성장 방법, 성장 온도, 원료 가스 공급량, 결정 성장 면방위 등에 따라 상이하지만, 일반적으로는 5 ㎛/h ∼ 500 ㎛/h 의 범위이며, 10 ㎛/h ∼ 500 ㎛/h 가 바람직하고, 50 ㎛/h ∼ 400 ㎛/h 가 보다 바람직하고, 100 ㎛/h ∼ 300 ㎛/h 인 것이 더욱 바람직하다. 성장 속도는, 상기 이외에 캐리어 가스의 종류, 유량, 공급구-결정 성장단 거리 등을 적절히 설정함으로써 제어할 수 있다.
(질화물 반도체 결정)
본 발명에 의해 얻어지는 질화물 반도체 결정은, 성장시의 측면을 주면으로 하는 판상 결정이다. 이 판상 결정의 주면은, 통상은 종 결정의 투영면에 수직인 면이다. 종 결정의 주면이 투영면에 수직인 경우는, 얻어지는 판상 결정의 주면은 종 결정의 주면과 평행이 된다. 예를 들어, 투영면이 ＋C 면이고, 주면이 M 면인 종 결정을 이용하여 본 발명에 의해 얻어지는 질화물 반도체 결정은, M 면을 주면으로 하는 판상 결정이다. 또, 투영면이 ＋C 면이고, 주면이 A 면인 종 결정을 이용하여 본 발명에 의해 얻어지는 질화물 반도체 결정은, A 면을 주면으로 하는 판상 결정이다. 본 발명의 제조 방법에 의하면, 얻어지는 판상 결정의 주면을 충분한 크기로 할 수 있기 때문에, 슬라이스 기술을 사용하지 않고 연삭, 연마만으로 질화물 반도체 기판으로 완성할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「주면」 이란, 결정을 구성하는 면 중 면적이 최대인 면을 의미한다.
슬라이스 기술을 사용하지 않고 연삭, 연마만으로 질화물 반도체 기판으로 완성할 수 있다는 이점은, 특히 비극성면을 주면으로 하는 질화물 반도체 기판을 얻는 경우에 효과적으로 활용할 수 있다. 예를 들어, M 면을 주면으로 하는 질화물 반도체 기판을 제조하고자 하는 경우, 종래법에 의하면 종 결정의 C 면 상에 C 면에 수직인 방향으로 질화물 반도체 결정을 성장시킨 후, 얻어진 질화물 반도체 결정을 C 면에 수직인 방향으로 슬라이스하여 M 면을 나오게 해야만 했다. 이 방법에서는, 공정 수가 많은 데다 상당히 큰 질화물 반도체 결정을 성장시켜야 한다는 결점이 있다. 한편, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 슬라이스가 필요없기 때문에 공정 수를 줄일 수 있고, 게다가 필요로 하는 기판 사이즈보다 약간 큰 결정을 성장시키면 된다. 따라서, 본 발명에 의하면 효율적으로 목적으로 하는 질화물 반도체 기판을 얻을 수 있다. 예를 들어, 비극성면을 주면으로 하고, 두께가 1.5 ㎜ 이하인 판상 질화물 반도체 결정을 바람직하게 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 주면의 면적이 큰 판상 질화물 반도체 결정을 용이하게 얻을 수 있다. 주면의 면적은, 종 결정의 결정 성장면의 사이즈나 결정 성장 시간에 따라 적절히 조정하는 것이 가능하다. 본 발명에 의하면, 예를 들어 주면의 면적을 2500 ㎟ 이상으로 할 수 있고, 5700 ㎟ 이상으로 하는 것이 가능하며, 나아가서는 10000 ㎟ 이상으로 하는 것이 가능하다.
본 발명에 의해 제공되는 질화물 반도체 결정의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는, Ⅲ 족 질화물 반도체 결정을 들 수 있으며, 보다 구체적으로는 질화 갈륨, 질화 알루미늄, 질화 인듐, 또는 이들의 혼정 (混晶) 을 들 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 질화물 반도체 결정은 다양한 용도에 사용할 수 있다. 특히, 자외, 청색 또는 녹색 등의 발광 다이오드, 반도체 레이저 등의 비교적 단파장측의 발광 소자나, 전자 디바이스 등의 반도체 디바이스의 기판으로서 유용하다. 또, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 질화물 반도체 결정을 하지 기판으로서 이용하여, 더욱 큰 질화물 반도체 결정을 얻는 것도 가능하다.
실시예
이하에 실시예와 비교예를 들어 본 발명의 특징을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에 나타내는 재료, 사용량, 비율, 처리 내용, 처리 순서 등은, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 한 적절히 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하에 나타내는 구체예에 의해 한정적으로 해석되어서는 안된다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 도 2 에 나타내는 HVPE 장치를 이용하여 질화물 반도체 결정의 성장을 실시하였다. 도 2 의 HVPE 장치에는, 슬릿상 노즐이 3 단 구비되어 있으며, 이 원료 공급구의 1 단의 사이즈는, 폭 20 ㎜, 높이 2 ㎜ 이며, PBN 제이다.
M 면을 주면으로 하는 GaN 종 결정 (209) 을 준비하였다. 이 종 결정은, HVPE 법으로 C 면 GaN 템플릿 상에 제작된 것을 슬라이스하여 얻어진 결정으로, a 축 방향으로 약 20.0 ㎜, c 축 방향으로 약 8 ㎜, m 축 방향으로 약 1 ㎜ 의 길이를 갖는 직육면체이다.
이어서, HVPE 장치의 리액터 (200) 내의 기판 홀더 (205) 에, ＋C 면이 상향으로 또한 슬릿 분사구의 길이 방향과 종 결정의 a 축 방향이 평행해지도록 종 결정을 세트하였다. 반응실의 온도를 1040 ℃ 까지 올려 원료를 ＋C 면 상에 공급함으로써 언도프 GaN 을 ＋C 면 상에 성장시켰다. 이 성장 공정에 있어서는 성장 압력을 1.01×105 ㎩ 로 하고, 슬릿상 노즐의 상단으로부터의 NH3 가스의 분압을 7×103 ㎩, 중단으로부터 N2 가스의 분압을 3×102 ㎩, 하단으로부터 GaCl 가스의 분압을 3×102 ㎩ 로 하여 도입하였다. 204 로부터는 캐리어 가스로서 H2 가스를 도입하였다.
50 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켜 세로가 약 22.0 ㎜, 가로가 약 22.0 ㎜ 인 정사각형의 측면 (M 면) 을 가지며, m 축 방향의 두께가 약 1 ㎜ 인 GaN 단결정을 얻었다. 주면 (M 면) 의 면적은 484.0 ㎟, 성장면 (＋C 면) 의 면적은 22.0 ㎟ 였다.
이 GaN 단결정을 연마, 정형 (整形) 함으로써, 세로 20.0 ㎜, 가로 20.0 ㎜, 두께 350 ㎛ 의 정사각형의 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어졌다.
(비교예 1)
직경 2 인치, 두께 430 ㎛ 의 사파이어 기판을 하지 기판으로서 이용하고, 그 위에 MOCVD 법으로 2 ㎛ 의 (0001) 면 GaN 을 성장시킴으로써 2 인치 GaN 템플릿 기판을 준비하였다. 이어서, 기판을 HVPE 장치의 리액터 장치 내에 배치하여, 성장 온도를 1040 ℃ 로 승온시킨 후, 하지 GaN 층 상에 실질적으로 H2 만으로 이루어지는 캐리어 가스와 Ga 와 HCl 의 반응 생성물인 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하면서 GaN 층을 약 40 시간에 걸쳐서 성장시켰다. 이 성장 공정에 있어서, 성장 압력을 1.01×105 ㎩ 로 하고, GaCl 가스의 분압을 3.07×102 ㎩ 로 하고, NH3 가스의 분압을 1.27×104 ㎩ 로 하였다. 성장 종료 후, 실온까지 강온시켜 두께가 약 5 ㎜ 인 GaN 단결정을 얻었다.
와이어쏘 타입의 장치를 이용하여 슬라이싱을 실시하였다. 각 와이어의 간격은 700 ㎛ 이고, 슬라이싱 속도는 1 ㎜/h 이다. 와이어의 직경은 0.1 ∼ 0.2 ㎜ 의 범위에서 적절히 선택하였다. 결정의 C 면과 수직으로 M 면과 평행하게 슬라이싱함으로써 복수 장의 M 면 GaN 기판을 얻었다. 얻어진 GaN 기판의 사이즈는 단변 약 5 ㎜, 장변 약 10 ∼ 30 ㎜ 의 직사각형 형상이었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 도 3 에 나타내는 HVPE 장치를 이용하여 질화물 반도체 결정의 성장을 실시하였다.
M 면을 주면으로 하는 GaN 종 결정 (309) 을 준비하였다. 이 종 결정은, HVPE 법으로 C 면 GaN 템플릿 상에 제작된 것을 슬라이스하여 얻어진 결정으로, a 축 방향으로 약 20.0 ㎜, c 축 방향으로 약 5.0 ㎜, m 축 방향으로 약 0.3 ㎜ 의 길이를 갖는 직육면체이다.
HVPE 장치의 리액터 (300) 내의 기판 홀더 (305) 에 ＋C 면이 상향으로 종 결정을 세트하였다. 이 때 －C 면은 기판 홀더 (305) 에 접하고 있어 직접 원료 가스와 닿지 않는다. 반응실의 온도를 1040 ℃ 까지 올려 원료를 ＋C 면 방향으로부터 공급함으로써 언도프 GaN 을 성장시켰다. 이 성장 공정에 있어서는 성장 압력을 1.01×105 ㎩ 로 하고, NH3 가스의 분압을 7.03×103 ㎩, N2 가스의 분압을 1.79×104 ㎩, GaCl 가스의 분압을 7.37×102 ㎩, H2 가스의 분압을 7.53×104 ㎩ 로 하여 도입하였다.
40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 얻어진 GaN 단결정의 형상은 판상이고, a 축 방향이 약 22.0 ㎜, c 축 방향이 약 12.5 ㎜, m 축 방향의 두께가 약 1.4 ㎜ 였다. 주면 (M 면) 의 면적은 275.0 ㎟ 였다.
이 GaN 단결정을 연마, 정형함으로써, a 축 방향이 20.0 ㎜, c 축 방향이 11.0 ㎜, 두께 330 ㎛ 인 직사각형의 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어졌다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, GaN 종 결정으로서 a 축 방향으로 약 20.0 ㎜, c 축 방향으로 약 4.2 ㎜, m 축 방향으로 약 4.5 ㎜ 의 길이를 갖는 직육면체의 결정을 사용한 것 이외는, 실시예 2 와 완전히 동일하게 실시하였다.
40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 얻어진 GaN 단결정은 판상이고, a 축 방향이 약 22.0 ㎜, c 축 방향이 약 11.0 ㎜, m 축 방향의 두께가 약 5.6 ㎜ 였다. 주면 (M 면) 의 면적은 187.0 ㎟ 였다.
이 GaN 단결정을 슬라이스, 연마, 정형함으로써, a 축 방향이 20.0 ㎜, c 축 방향이 10.0 ㎜, 두께 330 ㎛ 인 직사각형의 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 5 장 얻어졌다.
(비교예 2)
본 비교예에서는, GaN 종 결정으로서 a 축 방향으로 약 20.0 ㎜, c 축 방향으로 약 0.4 ㎜, m 축 방향으로 약 7.0 ㎜ 의 길이를 갖는 직육면체의 결정을 사용한 것 이외는, 실시예 2 와 완전히 동일하게 실시하였다.
40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 얻어진 GaN 단결정은 판상이 아니고, 도 5 에 나타내는 바와 같은 ＋c 축 방향으로 성장한 2 개의 벽이 형성된 형상으로 되었다. a 축 방향이 약 20.0 ㎜, c 축 방향의 최대 길이는 약 10.0 ㎜, 최소 길이는 약 5.2 ㎜ 로, c 축 방향의 길이는 균일하지 않고 울퉁불퉁하였다. 또 하나의 벽의 m 축 방향의 두께는 약 0.8 ㎜ 였다.
(실시예 4)
M 면 ((10－10) 면) 을 주면으로 하고, 측면이 ＋C 면, (－1－122) 면, －C 면, (11－22) 면의 4 면으로 이루어지는 GaN 종 결정을 준비하였다. 이 종 결정은, c 축 방향으로 약 5 ㎜, a 축 방향으로 약 15 ㎜ ∼ 18 ㎜, m 축 방향으로 약 2 ㎜ 의 길이를 가지고 있다.
도 3 에 나타내는 HVPE 장치의 리액터 내의 기판 홀더에 ＋C 면이 상향이 되도록 종 결정을 세트하였다. 이 때 －C 면은 기판 홀더에 접하고 있어 직접 원료 가스와 닿지 않는다. 반응실의 온도를 1040 ℃ 까지 올려 원료를 ＋C 면 방향으로부터 공급함으로써 언도프 GaN 을 성장시켰다. 이 성장 공정에 있어서는, 성장 압력을 1.01×105 ㎩ 로 하고, NH3 가스의 분압을 7.03×103 ㎩, N2 가스의 분압을 1.79×104 ㎩, GaCl 가스의 분압을 7.37×102 ㎩, H2 가스의 분압을 7.53×104 ㎩ 로 하여 도입하였다.
40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 얻어진 GaN 단결정은 모서리부에 이상 성장은 없이 균질한 판상 결정이 얻어졌다. 성장 후의 c 축 방향의 길이는 약 15 ㎜ 였다.
이 GaN 단결정을 슬라이스, 연마, 정형함으로써, 가로 세로 15 ㎜ 이고 두께 330 ㎛ 인 M 면을 주면으로 하는 균질한 자립 기판이 복수 장 얻어졌다.
(실시예 5)
M 면 ((10－10) 면) 을 주면으로 하고, 측면이 ＋C 면, (1－100) 면, －C 면, (01－10) 면의 4 면으로 이루어지는 GaN 종 결정을 준비하였다. 이 종 결정은, c 축 방향으로 약 5 ㎜, a 축 방향으로 약 15 ㎜ ∼ 18 ㎜, m 축 방향으로 약 2 ㎜ 의 길이를 가지고 있다.
실시예 4 와 동일하게 40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 얻어진 GaN 단결정은 모서리부에 이상 성장은 없이 균질한 판상 결정이 얻어졌다. 이 점에서 실시예 4 와 실시예 5 의 판상 결정은 다른 실시예의 판상 결정보다 더욱 우수하였다. 실시예 5 의 성장 후의 c 축 방향의 길이는 약 15 ㎜ 였다.
이 GaN 단결정을 연마, 정형함으로써, 가로 세로 15 ㎜ 이고 두께 330 ㎛ 인 M 면을 주면으로 하는 균질한 자립 기판이 얻어졌다.
(실시예 6)
M 면을 주면으로 하고, 측면이 ＋C 면, A 면, －C 면, A 면의 4 면으로 이루어지는 GaN 종 결정을 준비하였다. 이 종 결정은, c 축 방향으로 약 5 ㎜, a 축 방향으로 약 15 ㎜, m 축 방향으로 약 2 ㎜ 의 길이를 갖는 직육면체이다.
실시예 4 와 동일하게 하여 40 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시켰다. 이 GaN 단결정을 연마, 정형함으로써, M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어졌다.
(실시예 7)
본 실시예에서는, 도 2 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 결정 성장단의 위치가 항상 같은 위치에 있도록 기판 홀더 승강 기구를 구동시키도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 상방으로 이동한 것이 검출되면, 그 이동분만큼 기판 홀더가 도면의 하방으로 이동하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 1 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 1 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 1 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
(실시예 8)
본 실시예에서는, 도 2 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 결정 성장단과 노즐 공급구의 위치 관계가 항상 동일해지도록 노즐 승강 기구를 구동시키도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 상방으로 이동한 것이 검출되면, 그 이동분만큼 노즐 공급구도 도면의 상방으로 이동하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 1 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 1 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 1 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
(실시예 9)
본 실시예에서는, 도 2 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 항상 결정 성장단을 향하여 원료 가스가 공급되도록 노즐 공급구의 방향 (각도) 을 제어하도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 상방으로 이동한 것이 검출되면, 노즐 공급구의 방향을 상방을 향하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 1 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 1 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 1 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
(실시예 10)
본 실시예에서는, 도 1 에 나타내는 HVPE 장치를 이용하여 질화물 반도체 결정의 성장을 실시한다. 도 1 의 HVPE 장치에는, 슬릿상 노즐이 3 단 구비되어 있으며, 이 원료 공급구의 1 단의 사이즈는, 폭 20 ㎜, 높이 2 ㎜ 이며, PBN 제이다.
실시예 1 과 동일한 GaN 종 결정 (109) 을 준비하여, HVPE 장치의 리액터 (100) 내의 기판 홀더 (105) 에, ＋C 면이 하향으로 또한 슬릿 분사구의 길이 방향과 종 결정의 a 축 방향이 평행해지도록 종 결정을 세트한다. 반응실의 온도를 1040 ℃ 까지 올려 원료를 ＋C 면의 방향으로 공급함으로써 언도프 GaN 을 ＋C 면 상에 성장시킨다. 이 성장 공정에 있어서는 성장 압력을 1.01×105 ㎩ 로 하고, 슬릿상 노즐의 상단으로부터의 NH3 가스의 분압을 7×103 ㎩, 중단으로부터 N2 가스의 분압을 3×102 ㎩, 하단으로부터 GaCl 가스의 분압을 3×102 ㎩ 로 하여 도입하였다. 104 로부터는 캐리어 가스로서 H2 가스를 도입한다.
50 시간 성장시킨 후, 실온까지 강온시킴으로써, 실시예 1 과 동일한 결정을 얻는다. 이 GaN 단결정을 연마, 정형함으로써, 정사각형의 M 면을 주면으로 하는 자립 기판을 얻는다.
(실시예 11)
본 실시예에서는, 도 1 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 결정 성장단의 위치가 항상 같은 위치에 있도록 기판 홀더 승강 기구를 구동시키도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 하방으로 이동한 것이 검출되면, 그 이동분만큼 기판 홀더가 도면의 상방으로 이동하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 10 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 10 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 5 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면의 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
(실시예 12)
본 실시예에서는, 도 1 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 결정 성장단과 노즐 공급구의 위치 관계가 항상 동일해지도록 노즐 승강 기구를 구동시키도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 하방으로 이동한 것이 검출되면, 그 이동분만큼 노즐 공급구도 도면의 하방으로 이동하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 10 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 10 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 10 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면의 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
(실시예 13)
본 실시예에서는, 도 1 에 나타내는 장치에, 추가로 CCD 와 기판 홀더 승강 기구를 설치한 HVPE 장치를 이용하여 GaN 결정 성장을 실시한다. CCD 는, 결정 성장에 수반하여 이동하는 결정 성장단의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 설치되어 있다. CCD 에 의해 측정된 결정 성장단의 위치 정보는, 도 4 의 제어 기구에 따라 처리되고, 결정 성장 공정 중에 항상 결정 성장단을 향하여 원료 가스가 공급되도록 노즐 공급구의 방향 (각도) 을 제어하도록 미리 설정되어 있다. 즉, 결정이 성장하여 결정 성장단이 도면의 하방으로 이동한 것이 검출되면, 노즐 공급구의 방향을 하방을 향하도록 설정되어 있다. 이와 같은 HVPE 장치를 사용한 점을 제외하고, 그 밖의 조건은 실시예 10 과 동일하게 하여 GaN 결정 성장을 실시한다.
그 결과, 실시예 10 과 동일한 사이즈를 갖는 M 면을 주면으로 하는 자립 기판이 얻어진다. 실시예 10 에 비해, 성장 속도가 빠르고, 결정 성장면의 전체에 걸쳐 보다 균일하게 결정 성장이 관찰된다.
본 발명을 상세하게 또 특정 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않는 다양한 변경이나 수정을 추가할 수 있음은 당업자에게 있어 분명하다.
본 출원은, 2008년 3월 3일 출원된 일본 특허 출원 (일본 특허출원 2008-052587호) 에 기초한 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
산업상 이용가능성
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 의하면, 원하는 판상 질화물 반도체 결정을 간편한 방법으로 효율적으로 제조할 수 있다. 특히 비극성면을 주면으로 하는 대면적의 질화물 반도체 기판을 간편한 방법으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 제조 비용과 노력을 삭감시킬 수 있음과 동시에, 종래는 제조할 수 없었던 새로운 질화물 반도체 결정을 제공할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능성이 높다.
100, 200, 300 : 리액터
101, 201 : 도입관 (슬릿상 노즐 상단)
102, 202 : 도입관 (슬릿상 노즐 중단)
103, 203 : 도입관 (슬릿상 노즐 하단)
301, 302, 303 : 도입관 (관상 노즐)
104, 204, 304 : 도입관 (캐리어 가스용 배관)
105, 205, 305 : 기판 홀더
106, 206, 306 : 승강 기구
107, 207, 307 : 히터
108, 208, 308 : 배기관
109, 209, 309, 501 : 종 결정
401 : 제어 기구
402 : 결정 성장단의 위치 검출 기구
403 : A/D 컨버터
404 : CPU (중앙 처리 장치)
405 : 모터 드라이버
406 : 모터
407 : 출력 기구
408 : 디스플레이
409 : 프린터

Claims (30)

  1. 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써 상기 종 결정 상에 질화물 반도체 결정을 성장시키는 결정 성장 공정을 포함하는, 질화물 반도체 결정의 제조 방법으로서,
    상기 종 결정 상에 성장시키는 질화물 반도체 결정이 판상 결정이며,
    상기 판상 결정을 성장시키는 상기 종 결정 상의 결정 성장면을 성장 방향으로 투영한 투영면의 길이 방향의 길이 L 과 최대폭 W 의 비 (L/W) 가 2 ∼ 400 으로서, 상기 최대폭 W 가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {10－1X} 면 및 {11－2Y} 면으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법 (상기 X 와 상기 Y 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {10－1X} 면, 또는 그 양방으로서, 상기 종 결정의 주면이 대략 M 면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 종 결정의 결정 성장면이, ＋C 면, {11－2Y} 면, 또는 그 양방으로서, 상기 종 결정의 주면이 대략 A 면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종 결정이, {10－10} 면, {11－2Z} 면, {10－1S} 면, 또는 {11－20} 면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법 (상기 Z 와 상기 S 는, 각각 독립적으로 0 이외의 정수이다).
  6. 제 1 항에 있어서,
    서로 평행한 제 1 변과 제 2 변을 갖는 결정 성장면과, 상기 결정 성장면과 수직인 면으로서 상기 결정 성장면의 제 1 변을 한 변으로 하는 제 1 측면과, 상기 결정 성장면과 수직인 면으로서 상기 결정 성장면의 제 2 변을 한 변으로 하는 제 2 측면을 적어도 가지고 있고, 상기 결정 성장면의 제 1 변과 제 2 변의 거리가 5 ㎜ 이하이며, 상기 결정 성장면의 제 1 변과 제 2 변의 평균 길이와 제 1 변과 제 2 변의 거리의 비 (평균 길이/거리) 가 2 ∼ 400 인 종 결정에 대해 원료 가스를 공급함으로써, 상기 결정 성장면에 대해 수직인 방향으로 판상 결정을 성장시키는 결정 성장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 종 결정의 제 1 측면이 비극성면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 종 결정은, 결정 성장면이 C 면이고, 제 1 측면이 M 면인 육방정인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 종 결정은, 결정 성장면이 C 면이고, 제 1 측면이 A 면인 육방정인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 의해, 제 1 측면과 평행한 면이 주면이 되도록 질화물 반도체 결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 적어도 1 종류를 항상 상기 판상 결정의 결정 성장단을 향하여 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 가스를 공급하는 공급구와 상기 판상 결정의 결정 성장단의 거리를 일정하게 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어를, 상기 공급구와 상기 결정 성장단의 거리를 계측하면서 실시하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 방향을 바꾸는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 원료 가스의 공급 속도를 바꾸는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 판상 결정의 성장에 수반하여 상기 종 결정의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스를, 상기 종 결정의 결정 성장면에 수직인 방향으로부터 공급하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 공정에 있어서, 상기 원료 가스를, 상기 종 결정의 주면을 예상하는 공간과 상기 주면과 대향하는 면을 예상하는 공간으로부터 각각 상기 종 결정을 향하여 공급하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 형상이 상기 결정 성장단의 형상과 상사형인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 가스를 공급하는 공급구의 형상이 슬릿상이며, 상기 슬릿상 개구부의 최대 길이가 상기 종 결정의 투영면의 길이 L 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종 결정을 위치 결정하기 위한 지지체에 상기 종 결정이 설치되어 있고, 상기 종 결정과 상기 지지체의 접촉면이, 상기 종 결정의 결정 성장면으로부터 1 ㎜ 이상 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종 결정이, 사파이어, SiC, ZnO, 및 Ⅲ 족 질화물 반도체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체가 Ⅲ 족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체가 GaN 반도체인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주면의 면적이 2500 ㎟ 이상인 판상 결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 주면이 비극성면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 기재된 결정 성장 공정을 실시함으로써 상기 종 결정 상에 질화물 반도체 결정을 성장시키고, 성장시킨 상기 질화물 반도체 결정을 상기 종 결정으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는, 성장시킨 상기 질화물 반도체 결정을 슬라이스하지 않고 질화물 반도체 결정을 제조하는 방법.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는, 질화물 반도체 결정.
  30. 면적이 2500 ㎟ 이상인 비극성면을 주면으로 하고, 두께가 1.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 판상 질화물 반도체 결정.
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