KR20130109946A - ＧａＮ 결정 자립 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

전표면에서 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는 GaN 결정 자립 기판 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 GaN 결정 자립 기판은, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 성장시킨 것이며, (0001)면 성장 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 결정 성장면으로서 성장시킨 패싯 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하이다.

Description

ＧａＮ 결정 자립 기판 및 그 제조 방법{FREESTANDING GAN CRYSTAL SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD FOR SAME}
본 발명은, 색순도가 높은 발광 디바이스의 제작에 적합한 GaN 결정 자립 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광 디바이스에 이용되는 기판은, 발광 디바이스의 종류에 따라 요구되는 특성이 상이하다. 예를 들면, 일본 특허공개 제2000-049374호 공보(특허문헌 1)는, 기판으로부터의 피크 파장이 550 nm 또는 그 근방에 있는 넓은 발광(이후, 옐로우 발광이라고 함)을 적극적으로 이용하여 백색광을 얻기 위해, 옐로우 발광이 강한 기판의 이용을 개시한다. 또, 단색 발광의 발광 디바이스에서는, 옐로우 발광이 존재하면 색순도가 저하되기 때문에, 이것을 방지하기 위해 일본 특허공개 평11-1396호 공보(특허문헌 2)는 고순도화한 GaN 기판을 개시한다. 또, 일본 특허공개 제2007-126320호 공보(특허문헌 3)는, 기판에 의한 광흡수가 작고 도전성을 겸비한 GaN 기판을 개시한다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 제2000-049374호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 평11-1396호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허공개 제2007-126320호 공보
그러나, 기판의 순도를 높게 하면 그 도전성이 손상되기 때문에, 발광 디바이스용의 기판으로서는 바람직하지 않다. 도전성을 담당하는 불순물을 적당량 첨가하면, 기판에 의한 광흡수가 작고, 옐로우 발광이 적고 도전성을 겸비한 GaN 기판을 얻을 수 있지만, HVPE(하이드라이드 기상 성장)법에 의한 GaN 결정 성장에서는, 주요 결정 성장면으로서 (0001)면에서 성장을 시작했다고 하더라도, 성장의 진행에 따라 결정 성장면에 (0001)면, {10-11}면, {11-22}면이 혼재하게 되어, 결정 성장면의 전체면에 있어서, 옐로우 발광이 적고 도전성을 겸비하는 것은 불가능했다.
따라서, 본 발명은, HVPE법에 의해, 결정 성장면으로서 (0001)면, {10-11}면, {11-22}면이 혼재하는 상태로 성장시킨 GaN 결정을 가공하여 형성된 GaN 결정 자립 기판으로서, 전표면에서 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는 GaN 결정 자립 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 성장시킨 GaN 결정을 가공하여 형성된 GaN 결정 자립 기판으로서, GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정 자립 기판이다.
본 발명에 따른 GaN 결정 자립 기판에 있어서, 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하로 하고, 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하로 할 수 있다.
또, 본 발명은, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 GaN 결정을 성장시키는 공정과, GaN 결정을 가공하여 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정을 포함하고, GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법에 있어서, GaN 결정 자립 기판은, 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하로 하고, 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 색순도가 높은 발광 디바이스 제작에 적합한, 전체면에서 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는 GaN 결정 자립 기판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
[실시형태 1]
본 발명의 일실시형태인 GaN 결정 자립 기판은, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯(facet)이라고도 함. 이하 동일.)이 혼재하는 상태로 성장시킨 GaN 결정을 가공하여 형성된 GaN 결정 자립 기판이다. 여기서, GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역((0001)면 성장 결정 영역이라고도 함. 이하 동일.)에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역(패싯 성장 결정 영역이라고도 함. 이하 동일.)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하이다.
본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역) 및 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)의 각각의 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도가 정해진 범위내에 있기 때문에, 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는다.
상기 관점에서, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하인 것이 바람직하다.
여기서, GaN 결정 자립 기판의 (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역) 및 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)은, 형광 현미경에 의해 관찰된다. 또, GaN 결정 자립 기판의 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도는, 모두 SIMS(2차 이온 질량 분석법)에 의해 측정된다. 또, GaN 결정 자립 기판의 결정면(예를 들면, (0001)면, {10-11}면 및 {11-22}면 등)은, X선 회절에 의해 측정된다.
또한, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판에 있어서, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서 (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)이 혼재하는 상태로 GaN 결정을 성장시키는 방법, 및, 이러한 GaN 결정을 가공하여 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 방법에 관해서는, 실시형태 2의 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법에 있어서 후술한다.
또, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, 그 주표면을 관통하는 전위의 평균 밀도(평균 전위 밀도라고 함. 이하 동일.)가 3×106 cm-2 이하인 것이 바람직하다. 이러한 평균 전위 밀도가 낮을수록, 신뢰성이 높은 발광 디바이스를 얻을 수 있다. 이러한 관점에서, 평균 전위 밀도는 1×106 cm-2 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 현재의 GaN 결정 자립 기판의 제조 기술의 관점에서, 평균 전위 밀도는 현재 시점에서 1×104 cm-2보다 작게 하는 것은 어렵고, 따라서 1×104 cm-2 정도 이상이다. 여기서, GaN 결정 자립 기판의 평균 전위 밀도는, CL(캐소드 루미네센스)법에 의해 측정된다.
또, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, 그 주표면이 평탄하고, 그 주표면에 가장 가까운 결정면의 곡률 반경이 10 m 이상인 것이 바람직하다. 이러한 결정면의 곡률 반경이 클수록, 기판의 표면 내에서 발광 파장이 균일한 발광 디바이스를 얻을 수 있다. 이러한 관점에서, 주표면에 가장 가까운 결정면의 곡률 반경은 20 m 이상이 보다 바람직하다. 또, 현재의 GaN 결정 자립 기판의 제조 기술의 관점에서, 현재 시점에서 그 주표면에 가장 가까운 결정면의 곡률 반경은, 100 m보다 크게 하는 것은 어렵고, 따라서 100 m 정도 이하이다. 여기서, 결정면의 곡률 반경은, 대상이 되는 결정면에 관한 X선 회절에 의해 측정된다.
또, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, 전표면에 있어서 높은 도전성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 기판의 전표면에 있어서 0.05 Ωcm 이하의 비저항인 것이 바람직하고, 0.02 Ωcm 이하의 비저항인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 기판의 비저항은 홀 측정으로 측정된다.
또, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판의 주표면에 가장 가까운 결정면은, 특별히 제한은 없지만, 그 주표면 상에 결정성이 높은 반도체층을 에피택셜 성장시키는 관점에서, (0001)면, {10-10}면, {11-20}면, {10-11}면, {11-22}면, {20-21}면, {22-44}면 등이 바람직하다. 또, GaN 결정 자립 기판의 주표면 상에 결정성이 높은 반도체층을 에피택셜 성장시키는 관점에서, GaN 결정 자립 기판의 주표면은, 상기 결정면에 대한 오프각의 절대치가 5° 이하인 것이 바람직하다. 여기서, GaN 기판에 가장 가까운 결정면의 면방위 및 그 주표면과 그 결정면의 오프각은, X선 회절에 의해 측정된다.
또, 본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판은, 피크 파장이 400 nm인 광에 의해 여기되는 옐로우 발광(피크 파장이 550 nm 또는 그 근방에 있는 넓은 발광)의 피크 강도를, 기판의 전표면에 있어서 작게 할 수 있다.
[실시형태 2]
본 발명의 다른 실시형태인 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법은, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)이 혼재하는 상태로 GaN 결정을 성장시키는 공정과, GaN 결정을 가공하여 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정을 포함한다. 여기서, GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역((0001)면 성장 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)을 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역(패싯 성장 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하이다.
본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법에 의해, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역) 및 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)의 각각의 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도가 정해진 범위내에 있는 실시형태 1의 GaN 결정 자립 기판이 효율적으로 얻어진다. 본 실시형태의 제조 방법에 의해 얻어지는 GaN 결정 자립 기판(실시형태 1의 GaN 결정 자립 기판)은, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역) 및 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)의 각각의 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도가 정해진 범위내에 있기 때문에, 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는다.
〔GaN 결정을 성장시키는 공정〕
본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법에서의 GaN 결정을 성장시키는 공정은, 특별히 제한은 없지만, 하지(下地) 기판을 이용하는 방법으로서, 하지 기판을 준비하는 서브 공정과, 하지 기판 상에 GaN 결정을 성장시키는 서브 공정을 포함할 수 있다.
(하지 기판을 준비하는 서브 공정)
하지 기판을 준비하는 공정에 있어서 준비되는 하지 기판은, GaN 결정을 에피택셜 성장시킬 수 있는 기판이라면 특별히 제한은 없지만, GaN 결정과의 격자 정합성이 높다고 하는 이유에서, GaN 하지 기판 및 AlN 하지 기판 등의 III족 질화물 하지 기판, 사파이어(Al2O3) 하지 기판, GaAs 하지 기판 등이 바람직하게 이용되며, 그 중에서도 GaN 하지 기판이 특히 바람직하게 이용된다. GaN 하지 기판을 사용함으로써, 하지 기판으로부터의 불순물의 혼입을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
상기 관점에서, 하지 기판의 표면의 청정도가 중요하다. 특히 기판의 이면측 표면은 결정 성장전에 성장로 내에서 에칭할 수 없기 때문에, 성장로 내에 투입하기 전에 청정도를 높일 필요가 있다. 그 때문에 기판의 이면측 표면을 에칭하고 나서 성장로 내에 투입하는 것이 바람직하다. 에칭 방법으로는, 알칼리 용제 등에 의한 웨트 에칭, 할로겐계 가스 등에 의한 드라이 에칭 등을 들 수 있다.
하지 기판의 주표면의 면방위로는, (0001)면의 GaN이 성장하는 면방위를 선택하면, 결정성이 우수한 GaN 결정을 성장할 수 있기 때문에 바람직하다.
(하지 기판 상에 GaN 결정을 성장시키는 서브 공정)
하지 기판 상에 GaN 결정을 성장시키는 서브 공정에서의 GaN 결정의 성장 방법은, 특별히 제한은 없지만, 결정성이 높은 GaN 결정을 고속으로 성장시키는 관점에서, HVPE법이 바람직하다.
여기서, HVPE법에서는, 통상, 석영 반응관 내에서 결정 성장이 행해지므로, 석영 반응관 내의 결정을 가열하기 때문에, 결정과 함께 석영 반응관도 가열된다. 그 때문에 고온으로 가열된 석영 반응관으로부터의 분해 가스가 불순물로서 결정에 취입되어 버린다. 따라서 석영 반응관의 내부를, 성장 온도하에서 안정적인 재질(예를 들면, pBN(열분해 질화붕소), SiC 코트 카본(탄화규소로 피복된 탄소) 등)로 구성된 라이너관으로 커버하는 것이 바람직하다. 또, 하지 기판 상에 원료 가스를 공급하기 위해 반응관 중에 배치하는 가스 도입관도 석영으로 형성하면 되지만, 하지 기판 근방에서 고온으로 가열되기 때문에, 성장 온도하에서 안정적인 재질(예를 들면, pBN, SiC 코트 카본 등)로 형성되는 노즐을 고온에 노출되는 가스 도입관의 선단부에 설치하는 것이 바람직하다. 또, 반응관 중에 가공하기 쉬운 카본제의 부재를 배치하는 경우가 있지만, 이것은 카본 오염원이 되기 때문에, pBN, SiC 등으로 코팅하는 것이 바람직하다. 또한, 석영 반응관과 라이너관의 간극을 퍼지하는 퍼지 가스(예를 들면, H2, N2, Ar 등)를 흘려, 불순물이 체류하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또, 하지 기판을 설치하는 서셉터도 고온이 되기 때문에, 서셉터를 pBN으로 형성하거나, 서셉터의 표면을 pBN, AlN, Al2O3, SiC(탄화규소) 등의 고순도이며 안정적인 재질로 코팅하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 하여, GaN 결정의 성장 중에, GaN 결정에 의도하지 않게 첨가(소극적 첨가)되는 탄소 및 산소의 농도를 억제할 수 있다.
GaN 결정을 성장시키는 서브 공정에 있어서, HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 GaN 결정을 성장시킬 때, GaN 결정에 첨가(상기 소극적 첨가 및 하기 적극적 첨가를 포함)되는 불순물, 예를 들면, 탄소, 규소, 산소의 농도를 조절하여 두꺼운 GaN 결정을 성장시킴으로써, 옐로우 발광이 적고, 도전성을 갖는 GaN 결정 및 GaN 결정 자립 기판을 얻을 수 있다.
GaN 결정에 의도하여 첨가(적극적 첨가)되는 불순물은, 옐로우 발광의 발생이 적고 비저항이 낮다는 이유에서, 규소가 바람직하다. GaN 결정에 규소를 첨가하는 방법에는 특별히 제한은 없고, 도핑 가스로서, 규소를 함유하는 가스, 예를 들면, SiF4(사불화규소) 가스, SiH4(실란) 가스, Si2H6(디실란) 가스, SiH3Cl(일염화실란) 가스, SiH2Cl2(이염화실란) 가스, SiHCl3(삼염화실란) 가스, SiCl4(사염화규소) 가스 등이 바람직하게 이용된다. 이들 중에서도 SiF4 가스가 특히 바람직하게 이용된다. SiF4 가스는, 규소를 함유하는 다른 가스에 비해, 900℃ 이상 1150℃ 이하의 고온에서도 분해되기 어렵기 때문에, GaN 결정에 효율적으로 첨가할 수 있다.
예를 들면, 도펀트(의도적으로 첨가(적극적 첨가)되는 불순물을 말함. 이하 동일.)로서 규소가 첨가된 GaN 결정을 HVPE법에 의해 성장시키는 방법을, 이하에 설명한다. HVPE 장치는, 제1 원료 가스 봄베와, 도핑 가스 봄베와, 제2 원료 가스 봄베와, 제1 가스 도입관과, 도핑 가스 도입관과, 제2 가스 도입관과, 소스 보트와, 서셉터와, 히터와, 반응관과, 배기관과, 배출 가스 처치 장치를 구비하고 있다. HVPE 장치는, 예를 들면 횡형 반응관이어도 좋고 종형 반응관이어도 좋다.
반응관은, 내부에 하지 기판을 유지하여, 그 하지 기판 상에 GaN 결정을 성장시키기 위한 용기이다. 반응관은, 예를 들면 석영 반응관 등을 이용할 수 있다. 또, 반응관의 내부에는, 라이너관을 배치하는 것이 바람직하다. 제1 원료 가스 봄베, 제2 원료 가스 봄베 및 소스 보트에는, 성장시키는 GaN 결정을 구성하는 원소를 포함하는 원료가 각각 공급된다. 도핑 가스 봄베에는, 도펀트인 규소를 포함하는 가스로서, 예를 들면 SiF4 가스가 충전되어 있다. 제1 가스 도입관, 도핑 가스 도입관 및 제2 가스 도입관은, 제1 원료 가스, 도핑 가스 및 제2 원료 가스의 각각을 반응관의 외부로부터 내부에 도입하기 위해 반응관에 설치되어 있다. 소스 보트는, GaN 결정의 금속 원료로서, 예를 들면 금속 Ga를 수용 유지하며, 제2 가스 도입관 내에 배치되어 있다. 서셉터는 하지 기판을 유지하고 있다.
히터는, 반응관의 외부에 배치되며, 반응관의 내부를 전체적으로, 예를 들면 700℃ 이상 1500℃ 이하로 가열할 능력을 갖고 있다. 배기관은, 반응후의 가스를 반응관의 외부로 배출하기 위해, 반응관에 설치되어 있다. 배출 가스 처치 장치는, 배기관으로부터 배출되는 반응후의 가스를 환경에의 부하를 줄이도록 제해(除害)하도록 구성되어 있다.
다음으로, 제1 원료 가스로서의 NH3(암모니아) 가스 및 제2 원료 가스로서의 HCl(염화수소) 가스를 각각 충전한 제1 원료 가스 봄베 및 제2 원료 가스 봄베를 준비한다. 또, 소스 보트에 금속 Ga를 공급한다. 또, SiF4 가스를 내부에 충전한 도핑 가스 봄베를 준비한다.
그 후, 소스 보트를 가열한다. 그리고, 제2 가스 도입관으로부터 공급되는 HCl 가스(제2 원료 가스)와, 소스 보트의 금속 Ga를 반응시켜 GaCl 가스(염화갈륨) 가스(반응 가스)를 생성한다. 제1 가스 도입관(104)으로부터 공급되는 NH3 가스(제1 원료 가스)와, 도핑 가스와, 반응 가스를 하지 기판의 표면에 닿도록 흘려(공급하여) 반응시킨다. 이 때, 이들 가스를 하지 기판에 운반하기 위한 캐리어 가스를 이용해도 좋다. 캐리어 가스는, 예를 들면 N2(질소) 가스, H2(수소) 가스 및 Ar(아르곤) 가스 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다.
HVPE법에서는, 히터를 이용하여, 반응관의 내부를 GaN 결정이 적절한 속도로 성장하는 온도로 가열한다. GaN 결정을 성장시키는 온도는, 바람직하게는 900℃ 이상 1150℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 1000℃ 이상 1100℃ 이하이다.
상기 조건으로 하지 기판 상에, 1 mm 이상, 바람직하게는 3 mm 이상, 보다 바람직하게는 5 mm 이상의 두께의 GaN 결정을 성장시키면, GaN 결정의 결정 측면을 제외한 결정 성장면에 있어서도, (0001)면과, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)이 혼재하는 상태로 성장하여, 얻어진 GaN 결정에도, 그 결정 측면을 제외한 결정 성장면에 있어서, (0001)면과, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)이 혼재한다. 여기서, GaN 결정의 결정 측면을 제외한 결정 성장면을 대상으로 하는 것은, 결정 측면이 결정 성장면이 되는 경우가 있고, 이러한 경우의 결정 측면에는 통상 패싯이 형성되기 때문에, 결정 측면에서의 패싯을 제외한다는 취지이다. 이러한 GaN 결정에는, 상기 결정 성장면에 상기 패싯에 의해 구성되는 피트가 다수 형성된다. 이러한 피트의 표면(즉 상기 패싯)의 면방위는, 주로 {10-11}과 {11-22}이다. 이러한 피트의 깊이는, 결정 성장 조건, 결정 성장 두께에 따라 변화하지만, GaN 결정으로부터 생기는 다수매의 GaN 기판을 절취하는 관점에서, 결정 성장 두께의 1/2 이하인 것이 바람직하다. 또, 피트를 형성하는 패싯 성장 결정 영역을 주표면에 투영하여 얻어지는 면의 면적이, 주표면의 전면적에 대하여 차지하는 면적 백분율은, 성장 조건, 성장 막두께에 따라 변화하지만, 0.1% 이상 99% 이하의 범위이다.
GaN 결정의 성장시의 규소를 포함하는 가스(SiF4 가스)의 분압은, 2.0×10-7 atm 이상 1.0×10-5 atm 이하인 것이 바람직하다. 규소를 포함하는 가스(SiF4 가스)의 분압이 2.0×10-7 atm 이상인 경우, n형 도펀트로서의 Si가 충분히 GaN 결정에 취입된다. 한편, SiF4 가스의 분압이 1.0×10-5 atm 이하인 경우, SixNy(질화규소)계 화합물의 생성을 보다 억제할 수 있기 때문에, 규소를 도핑하는 제어성을 보다 양호하게 할 수 있다. 또, GaN 결정에 도핑되는 규소의 농도를 고려하면, Si를 포함하는 가스(SiF4 가스)의 분압은 1.0×10-5 atm 이하이다.
여기서, GaN 결정의 성장에 있어서, (0001)면을 결정 성장면으로서 성장시키는 (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 성장)에는 규소가 취입되기 쉽고, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면(패싯)을 결정 성장면으로서 성장시키는 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에는 산소가 취입되기 쉽다.
이 때문에, 상기와 같이, GaN 결정의 성장시에, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 성장)과 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)을 혼재시키고, 성장하는 GaN 결정에 대하여, 탄소 및 산소의 첨가를 억제하고, 규소의 첨가를 조절함으로써, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 성장)에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 바람직하게는, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정을 성장시킬 수 있다.
GaN 결정을 성장시키는 서브 공정에 있어서는, 상기와 같이 하여, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역) 및 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)의 각각에 첨가되는 탄소, 규소 및 산소의 농도를 조절함으로써, GaN 결정의 전표면에 있어서, 바람직하게는 0.05 Ωcm 이하의 비저항, 보다 바람직하게는 0.02 Ωcm 이하의 비저항을 갖는 GaN 결정을 성장시킬 수 있다.
GaN 결정을 성장시키는 서브 공정에 있어서는, 상기와 같이 하여, GaN 결정의 주표면을 관통하는 전위의 평균 밀도(평균 전위 밀도라고 함. 이하 동일.)가, 바람직하게는 3×106 cm-2 이하, 보다 바람직하게 1×106 cm-2 이하인 GaN 결정을 성장시킬 수 있다. 또, 현재의 GaN 결정의 제조 기술의 관점에서, 평균 전위 밀도는, 1×104 cm-2보다 작게 하는 것은 어렵고, 따라서 1×104 cm-2 정도 이상이다.
〔GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정〕
본 실시형태의 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법에서의 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정은 특별히 제한은 없지만, 하지 기판을 제거하는 서브 공정, GaN 결정의 외측 가장자리부를 제거하는 공정, GaN 결정을 슬라이스하는 서브 공정 및 슬라이스된 GaN 결정의 주표면을 표면 처리하는 서브 공정 중 적어도 어느 것을 포함할 수 있다.
(하지 기판을 제거하는 서브 공정)
하지 기판을 제거하는 서브 공정에 있어서, 하지 기판을 제거하는 방법은 특별히 제한은 없고, 외측 둘레날, 내측 둘레날, 와이어쏘우, 레이저 등으로 절단하는 방법, 다이아몬드 지석 등으로 연삭하는 방법 등이 있다.
(GaN 결정의 외측 가장자리부를 제거하는 서브 공정)
GaN 결정의 외측 가장자리부를 제거하는 서브 공정에 있어서, GaN 결정의 외측 가장자리부를 제거하는 방법은 특별히 제한은 없고, 다이아몬드 지석 등으로 연삭하는 방법 등이 있다.
(GaN 결정을 슬라이스하는 서브 공정)
GaN 결정을 슬라이스하는 서브 공정에 있어서, GaN 결정을 슬라이스하는 방법은 특별히 제한은 없고, 외측 둘레날, 내측 둘레날, 와이어쏘우, 레이저 등으로 절단하는 방법 등이 있다. 이러한 GaN 결정을 슬라이스하는 서브 공정에 있어서, 생산성 향상의 관점에서, 복수매의 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 것이 바람직하다. GaN 결정 자립 기판을 형성하는 관점에서, GaN 결정의 슬라이스 두께(즉, GaN 결정 자립 기판의 두께)는, 100 ㎛ 이상이 바람직하고, 300 ㎛ 이상이 보다 바람직하다.
(슬라이스된 GaN 결정의 주표면을 표면 처리하는 서브 공정)
슬라이스된 GaN 결정(즉 GaN 결정 자립 기판)의 주표면을 표면 처리하는 서브 공정에 있어서, GaN 결정 자립 기판의 주표면을 표면 처리하는 방법에는 특별히 제한은 없지만, 기계적 연마, 화학 기계적 연마 등의 연마, 웨트 에칭, 드라이 에칭 등의 에칭 등의 방법이 있다.
상기 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정에 의해, 상기 GaN 결정으로부터, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 성장)에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정 자립 기판을 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게는, (0001)면 성장 결정 영역(제1 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 패싯 성장 결정 영역(제2 결정 영역)에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하인 GaN 결정 자립 기판을 형성할 수 있다.
본 실시형태의 제조 방법에 의해 얻어진 GaN 결정 자립 기판은, 그 주표면을 관통하는 전위의 평균 밀도(평균 전위 밀도)가, 3×106 cm-2 이하가 바람직하고, 1×106 cm-2 이하가 보다 바람직하다. 이러한 전위의 평균 밀도가 낮을수록, 신뢰성이 높은 발광 디바이스를 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태의 제조 방법에 의해 얻어진 GaN 결정 자립 기판은, 그 주표면이 평탄하고, 그 주표면에 가장 가까운 결정면의 곡률 반경이 10 m 이상인 것이 바람직하고, 20 m 이상인 것이 보다 바람직하다. 이러한 결정면의 곡률 반경이 클수록, 발광 파장의 면내 균일성이 높은 발광 디바이스를 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태의 제조 방법에 의해 얻어진 GaN 결정 자립 기판은, 피크 파장이 400 nm의 광에 의해 여기되는 옐로우 발광(피크 파장이 550 nm 또는 그 근방에 있는 넓은 발광)의 피크 강도를, 기판의 전표면에 있어서 작게 할 수 있다.
실시예
[실시예 1]
본 실시예에서는, 이하의 방법에 의해, HVPE법에 있어서 결정 중에 취입되는 탄소, 규소 및 산소의 농도를 조절함으로써, (0001)면 성장 결정 영역, 패싯 성장 결정 영역({10-11}면 성장 결정 영역 및 {11-22}면 성장 결정 영역)의 모든 결정 영역에 있어서, 실온에서 도전성을 가지면서 옐로우 발광이 약한 GaN 결정 자립 기판을 얻을 수 있었다.
1. 하지 기판의 준비
직경 60 mm, 두께 400 ㎛의 GaN 하지 기판을 준비했다. 하지 기판의 주표면은 평탄하고, 주표면에 가장 가까운 결정면은, X선 회절에 의해 측정한 바 (0001)면이었다. (0001)면의 곡률 반경은, X선 회절에 의해 측정한 바, 20 m였다. 하지 기판의 주표면을 관통하는 전위의 평균 밀도(평균 전위 밀도)는, CL법에 의해 측정한 바, 1×106 cm- 3였다.
2. GaN 결정의 성장
다음으로 HVPE법에 의해, 하지 기판 상에, SiF4 가스를 도핑 가스로서 이용함으로써 GaN 결정을 성장시켰다.
이러한 GaN 결정의 성장에는 HVPE 장치를 이용했다. 석영 반응관의 내부에는 pBN제의 라이너관을 설치했다. 석영 반응관과 라이너관 사이에는 퍼지 가스로서 N2 가스를 도입했다. 하지 기판 표면에 가스를 도입하는 가스 도입관의 선단 영역은 pBN관으로 구성했다. 하지 기판을 배치하는 서셉터는 pBN 코트 카본으로 형성하고, 그 위에 하지 기판을 배치했다. 제1 원료 가스로서 NH3 가스를, 제2 원료 가스로서 HCl 가스를, 도핑 가스로서 SiF4 가스를, 캐리어 가스로서 순도가 99.999 체적% 이상인 H2 가스를 준비했다. 제1 가스 도입관, 제2 가스 도입관 및 도핑 가스 도입관의 각각으로부터, 캐리어 가스를 반응관의 내부에 도입하고, 히터의 온도를 1000℃로 상승시켰다. 그 후, 소스 보트에 금속 Ga를 공급하고, 소스 보트를 750℃로 가열했다.
제2 가스 도입관으로부터 공급되는 HCl 가스와 소스 보트의 Ga를, Ga+HCl→ GaCl+1/2H2와 같이 반응시킴으로써, 반응 가스로서 GaCl 가스를 생성했다.
이어서, 제1 가스 도입관으로부터 공급되는 제1 원료 가스로서 NH3 가스와, GaCl 가스를 하지 기판의 GaN 결정을 성장시키는 주표면에 닿도록 캐리어 가스와 함께 흘리고, 그 주표면 상에서 GaCl+NH3→ GaN+HCl+H2와 같이 반응시켰다.
결정 성장 시간 20시간으로 직경 60 mm, 두께 5 mm의 GaN 결정을 성장시켰다. GaN 결정의 결정 성장 표면에는, (0001)면과, {10-11}면 및 {11-22}면의 패싯이 혼재하고 있고, 이러한 복수의 패싯에 의해 형성되는 피트가 다수 존재했다. 피트의 깊이는 1 mm~1.5 mm였다. 피트를 형성하는 패싯 성장 결정 영역을 주표면에 투영하여 얻어지는 면의 면적이, 주표면의 전면적에 대하여 차지하는 면적 백분률은 약 80%였다.
3. GaN 기판의 형성
다음으로, 얻어진 GaN 결정을, 슬라이서를 이용하여 하지 기판에 평행하게 슬라이스했다.
이어서, 슬라이스하여 얻어진 GaN 결정 자립 기판의 외측 가장자리부를 제거했다. 이어서, 슬라이스후 외측 가장자리부를 제거하여 얻어진 GaN 결정 자립 기판에 CMP(화학 기계적 연마) 행하여, 그 가공 변질층을 제거했다. 이렇게 하여, 각각의 GaN 결정으로부터, 직경 2인치(50.8 mm), 두께 400 ㎛의 GaN 결정 자립 기판이 5장 얻어졌다.
4. GaN 기판의 물성 측정
얻어진 5장의 GaN 결정 자립 기판 중, 하지 기판측으로부터 3장째의 GaN 기판의 (0001) 성장 결정 영역과 패싯({10-11}면 및 {11-22}면) 성장 결정 영역에 있어서, 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도를 SIMS법에 의해 측정했다. 여기서, (0001)면 성장 결정 영역과 패싯 성장 결정 영역은, 형광 현미경에 의한 관찰에 의해 식별했다. 또, 실온(25℃)에서 피크 파장이 400 nm인 광으로 여기했을 때의 발광 스펙트럼을 측정하여, 옐로우 발광의 피크 강도를 구했다. 얻어진 옐로우 발광의 피크 강도는, 후술하는 비교예 2에서 얻어진 GaN 결정 자립 기판의 패싯 성장 결정 영역에서의 옐로우 발광 강도에 대한 상대 강도로 나타냈다.
또, GaN 결정 자립 기판의 주표면을 관통하는 전위의 평균 밀도(평균 전위 밀도)는 1×106 cm-2이며, 하지 기판과 동등하게 저밀도였다. 또, GaN 결정 자립 기판의 (0001)면의 곡률 반경은, X선 회절에 의해 측정한 바, 20 m이며, 하지 기판과 동등하게 컸다. 또, GaN 결정 자립 기판에는 크랙의 발생은 없었다. 또, GaN 결정 자립 기판은, 홀 측정으로 비저항을 측정한 바, 모든 영역에서 0.015∼0.030 Ωcm였다. 결과를 표 1에 정리했다.
Figure pct00001
표 1을 참조하여, HVPE법에 있어서, 탄소 농도, 규소 농도 및 산소 농도를 적절히 조절함으로써, (0001)면 성장 결정 영역과 패싯 성장 결정 영역의 양쪽(즉, 전표면)에 있어서, 옐로우 발광 피크 강도의 상대 강도가 낮은 GaN 결정 자립 기판이 얻어졌다. 또한, 패싯 성장 결정 영역에 있어서, {10-11}면 성장 결정 영역과 {11-22}면 성장 결정 영역 간에서는, 불순물 농도나 옐로우 발광 강도는 거의 동일했다.
[비교예 1]
상기 실시예에 비해, 라이너관 및 가스 도입관의 노즐을 설치하지 않고, 서셉터를 카본으로 형성한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, GaN 결정 자립 기판을 제작했다. 얻어진 GaN 결정의 두께 및 피트 발생 상황, 그리고 GaN 결정 자립 기판의 전위 밀도 및 곡률 반경은 실시예 1과 동일했다.
표 1을 참조하여, 비교예 1에서는, 실시예 1에 비해, GaN 결정 자립 기판의 옐로우 발광 피크 강도의 상대 강도가 높아졌다. 특히, GaN 결정 자립 기판의 패싯 성장 결정 영역에서의 옐로우 발광 피크 강도의 상대 강도가 현저히 높아졌다. 또한, 패싯 성장 결정 영역에 있어서, {10-11}면 성장 결정 영역과 {11-22}면 성장 결정 영역 간에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 불순물 농도나 옐로우 발광 강도는 거의 동일했다.
[비교예 2]
상기 실시예 1에 비해, 카본제의 라이너관 및 카본제의 가스 도입관의 노즐을 설치하고, 서셉터를 카본으로 형성한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, GaN 결정 자립 기판을 제작했다. 얻어진 GaN 결정의 두께 및 피트 발생 상황, 그리고 GaN 결정 자립 기판의 전위 밀도 및 곡률 반경은 실시예 1과 동일했다.
표 1을 참조하여, 비교예 2에서는, 실시예 1에 비해, GaN 결정 자립 기판의 옐로우 발광 피크 강도의 상대 강도가 높아졌다. 특히, GaN 결정 자립 기판의 (0001)면 성장 결정 영역에서의 옐로우 발광 피크 강도의 상대 강도가 현저하게 높아졌다. 또한, 패싯 성장 결정 영역에 있어서, {10-11}면 성장 결정 영역과 {11-22}면 성장 결정 영역 간에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 불순물 농도나 옐로우 발광 강도는 거의 동일했다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기 설명이 아니라 특허청구범위에 의해 나타나며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위내의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (4)

  1. HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 성장시킨 GaN 결정을 가공하여 형성된 GaN 결정 자립 기판으로서,
    상기 GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 상기 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 상기 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 것인 GaN 결정 자립 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 상기 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하인 것인 GaN 결정 자립 기판.
  3. HVPE법에 의해, 결정 측면을 제외한 결정 성장면으로서, (0001)면과 {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면이 혼재하는 상태로 GaN 결정을 성장시키는 공정과,
    상기 GaN 결정을 가공하여 GaN 결정 자립 기판을 형성하는 공정
    을 포함하고,
    상기 GaN 결정 자립 기판은, (0001)면을 상기 결정 성장면으로서 성장시킨 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 5×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, {10-11}면 및 {11-22}면 중 적어도 어느 면을 상기 결정 성장면으로서 성장시킨 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 5×1018 개/㎤ 이하인 것인 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 GaN 결정 자립 기판은, 상기 제1 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 3×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 1×1018 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 1×1017 개/㎤ 이하이며, 상기 제2 결정 영역에 있어서, 탄소 농도가 2×1016 개/㎤ 이하이고 규소 농도가 5×1017 개/㎤ 이하이고 산소 농도가 5×1017 개/㎤ 이상 2×1018 개/㎤ 이하인 것인 GaN 결정 자립 기판의 제조 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111052414A (zh) * 2017-08-24 2020-04-21 日本碍子株式会社 13族元素氮化物层、自立基板以及功能元件

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5937408B2 (ja) * 2012-04-09 2016-06-22 古河機械金属株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体基板、ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法、及び、半導体デバイスの製造方法
JP6279619B2 (ja) 2014-01-28 2018-02-14 住友化学株式会社 半導体基板の製造方法
JP6578570B2 (ja) * 2015-03-03 2019-09-25 国立大学法人大阪大学 Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶基板の製造方法
JP6477036B2 (ja) * 2015-03-05 2019-03-06 住友電気工業株式会社 半導体積層体および半導体装置
JP6731590B2 (ja) * 2016-05-02 2020-07-29 国立大学法人大阪大学 窒化物結晶基板の製造方法
JP6735647B2 (ja) 2016-09-29 2020-08-05 株式会社サイオクス 窒化物結晶基板の製造方法
CN111133133B (zh) * 2017-09-25 2022-03-18 国立大学法人名古屋大学 气相生长装置及其控制方法
JP7002731B2 (ja) * 2018-05-11 2022-01-20 国立大学法人東海国立大学機構 気相成長装置
JP7002722B2 (ja) * 2017-09-25 2022-02-04 国立大学法人東海国立大学機構 気相成長装置
JP6998798B2 (ja) * 2018-03-02 2022-01-18 株式会社サイオクス ＧａＮ積層体およびその製造方法
JP7063736B2 (ja) * 2018-06-13 2022-05-09 株式会社サイオクス 窒化物結晶基板の製造方法
JP7117732B2 (ja) * 2018-07-11 2022-08-15 国立大学法人大阪大学 Ｉｉｉ族窒化物基板およびｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法
JP7339096B2 (ja) * 2019-09-25 2023-09-05 住友化学株式会社 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH111396A (ja) * 1997-06-09 1999-01-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物系化合物半導体の製造方法
JP3397141B2 (ja) * 1998-07-28 2003-04-14 住友電気工業株式会社 白色ｌｅｄ
JP4145437B2 (ja) * 1999-09-28 2008-09-03 住友電気工業株式会社 単結晶ＧａＮの結晶成長方法及び単結晶ＧａＮ基板の製造方法と単結晶ＧａＮ基板
JP4573049B2 (ja) * 2001-09-19 2010-11-04 住友電気工業株式会社 窒化ガリウム結晶、窒化ガリウム基板及び半導体レーザデバイス
KR20060127743A (ko) * 2005-06-06 2006-12-13 스미토모덴키고교가부시키가이샤 질화물 반도체 기판과 그 제조 방법
JP4720441B2 (ja) * 2005-11-02 2011-07-13 日立電線株式会社 青色発光ダイオード用ＧａＮ基板
JP2007197302A (ja) * 2005-12-28 2007-08-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法および製造装置
JP4395609B2 (ja) * 2006-03-13 2010-01-13 国立大学法人東北大学 窒化ガリウム系材料からなる基板
JP4187175B2 (ja) * 2006-03-13 2008-11-26 国立大学法人東北大学 窒化ガリウム系材料の製造方法
JPWO2009011394A1 (ja) * 2007-07-17 2010-09-24 住友電気工業株式会社 電子デバイスを作製する方法、エピタキシャル基板を作製する方法、ｉｉｉ族窒化物半導体素子及び窒化ガリウムエピタキシャル基板
JP5045388B2 (ja) * 2007-11-20 2012-10-10 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶の成長方法およびｉｉｉ族窒化物半導体結晶基板の製造方法
JP5560528B2 (ja) * 2008-01-28 2014-07-30 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物単結晶インゴットの製造方法、及びｉｉｉ族窒化物単結晶基板の製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111052414A (zh) * 2017-08-24 2020-04-21 日本碍子株式会社 13族元素氮化物层、自立基板以及功能元件
CN111052414B (zh) * 2017-08-24 2023-07-21 日本碍子株式会社 13族元素氮化物层、自立基板以及功能元件

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US8574364B2 (en) 2013-11-05
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US9153742B2 (en) 2015-10-06
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