WO2009110436A1 - 窒化物半導体結晶とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記種結晶上に成長させる窒化物半導体結晶が板状結晶であり、
前記板状結晶を成長させる前記種結晶上の結晶成長面を成長方向に投影した投影面の長手方向の長さLと最大幅Wの比(L/W)が2~400であって、前記最大幅Wが5mm以下であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
[2] 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{10-1X}面および{11-2Y}面からなる群より選択される1以上の面であることを特徴とする[1]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法(前記Xと前記Yは、各々独立に0以外の整数である)。
[3] 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{10-1X}面、またはその両方であって、前記種結晶の主面が略M面であることを特徴とする[2]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[4] 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{11-2Y}面、またはその両方であって、前記種結晶の主面が略A面であることを特徴とする[2]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[5] 前記種結晶が、{10-10}面、{11-2Z}面、{10-1S}面、または{11-20}面を有することを特徴とする[2]~[4]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法(前記Zと前記Sは、各々独立に0以外の整数である)。
[6] 互いに平行な第一辺と第二辺を有する結晶成長面と、前記結晶成長面と垂直な面であって前記結晶成長面の第一辺を一辺とする第一側面と、前記結晶成長面と垂直な面であって前記結晶成長面の第二辺を一辺とする第二側面とを少なくとも有していて、前記結晶成長面の第一辺と第二辺の距離が5mm以下であり、前記結晶成長面の第一辺と第二辺の平均長と第一辺と第二辺の距離の比(平均長/距離)が2~400である種結晶に対して、原料ガスを供給することによって、前記結晶成長面に対して垂直な方向へ板状結晶を成長させる結晶成長工程を含むことを特徴とする[1]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[7] 前記種結晶の第一側面が非極性面であることを特徴とする[6]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[8] 前記種結晶が、結晶成長面がC面であり、第一側面がM面である六方晶であることを特徴とする[6]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[9] 前記種結晶が、結晶成長面がC面であり、第一側面がA面である六方晶であることを特徴とする[6]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[10] 前記結晶成長工程によって、第一側面と平行な面が主面となるように窒化物半導体結晶を成長させることを特徴とする[6]~[9]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[11] 前記結晶成長工程において、前記原料ガスの少なくとも一種類を常に前記板状結晶の結晶成長端に向けて供給するように制御することを特徴とする[1]~[10]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[12] 前記原料ガスを供給する供給口と前記板状結晶の結晶成長端との距離を一定に保つように制御することを特徴とする[1]~[11]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[13] 前記制御を、前記供給口と前記結晶成長端との距離を計測しながら行うことを特徴とする[12]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[14] 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスを供給する供給口の位置を移動させることを特徴とする[11]~[13]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[15] 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスを供給する供給口の向きを変えることを特徴とする[11]~[14]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[16] 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスの供給速度を変えることを特徴とする[11]~[15]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[17] 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記種結晶の位置を移動させることを特徴とする[11]~[16]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[18] 前記結晶成長工程において、前記原料ガスを、前記種結晶の結晶成長面に垂直な方向から供給することを特徴とする[1]~[17]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[19] 前記結晶成長工程において、前記原料ガスを、前記種結晶の主面を見込む空間と前記主面と対向する面を見込む空間からそれぞれ前記種結晶に向けて供給することを特徴とする[1]~[17]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[20] 前記原料ガスを供給する供給口の形状が前記結晶成長端の形状と相似形であることを特徴とする[1]~[19]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[21] 前記原料ガスを供給する供給口の形状がスリット状であり、該スリット状開口部の最大長が前記種結晶の投影面の長さL以上であることを特徴とする[1]~[20]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[22] 前記種結晶を位置決めするための支持体に前記種結晶が設置されており、前記種結晶と前記支持体の接触面が、前記種結晶の結晶成長面から1mm以上離れていることを特徴とする[1]~[21]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[23] 前記種結晶が、サファイア、SiC、ZnO、及びIII族窒化物半導体からなる群より選択されることを特徴とする[1]~[22]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[24] 前記窒化物半導体がIII族窒化物半導体であることを特徴とする[1]~[23]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[25] 前記窒化物半導体がGaN半導体であることを特徴とする[1]~[24]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[26] 主面の面積が2500mm2以上である板状結晶を成長することを特徴とする[1]~[25]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[27] 前記主面が非極性面であることを特徴とする[26]に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
[28] [1]~[27]のいずれか一項に記載の結晶成長工程を実施することにより前記種結晶上に窒化物半導体結晶を成長させ、成長させた前記窒化物半導体結晶を前記種結晶から分離することを特徴とする、成長させた前記窒化物半導体結晶をスライスすることなく窒化物半導体結晶を製造する方法。
[29] [1]~[28]のいずれか一項に記載の製造方法により製造される窒化物半導体結晶。
[30] 面積が2500mm2以上である非極性面を主面とし、厚みが1.5mm以下であることを特徴とする板状窒化物半導体結晶。
101,201, 導入管(スリット状ノズル上段)
102,202, 導入管(スリット状ノズル中段)
103,203, 導入管(スリット状ノズル下段)
301, 302, 303 導入管(管状ノズル)
104,204,304 導入管(キャリアガス用配管)
105,205,305 基板ホルダー
106,206,306 昇降機構
107,207,307 ヒーター
108,208,308 排気管
109,209,309,501 種結晶
401 制御機構
402 結晶成長端の位置検出機構
403 A/Dコンバーター
404 CPU(中央処理装置)
405 モータードライバー
406 モーター
407 出力機構
408 ディスプレイ
409 プリンター
本発明において用いる種結晶は、板状結晶を成長させる結晶成長面を成長方向に投影した投影面を想定したときに、その投影面の長手方向の長さLと最大幅Wの比(L/W)が2~400であって、最大幅Wが5mm以下であることを特徴とする。
投影面の長手方向の長さLと最大幅Wの比(L/W)は2~400であり、3~270が好ましく、5~160がより好ましい。投影面が長方形である場合、長手方向の長さLは長辺に等しい。投影面の最長辺とそれに向かい合う辺の長さが異なる場合は、それら2辺の長さの平均値をもって長手方向の長さLとする。
種結晶の厚みは、通常は0.1mm~50mmの範囲内で選択することができ、0.5mm~20mmが好ましく、1mm~10mmがより好ましい。
本発明で用いる種結晶は、投影面と同じ面を結晶成長面として有していてもよいし、有していなくてもよい。例えば、投影面が(0001)面である場合、(0001)面を結晶成長面として有する種結晶を用いてもよいし、投影面が(0001)面となるような結晶成長面を有する種結晶を用いてもよい。投影面が(0001)面となるような結晶成長面としては、{10-1X}面や{11-2Y}面を挙げることができる。ここで、XとYは、各々独立に0以外の整数である。本発明で用いる種結晶は、+C面、{10-1X}面および{11-2Y}面からなる群より選択される2以上の結晶成長面を有するものであってもよい。2つ以上の結晶成長面を有する場合は、それらの結晶成長面は連続している必要があり、それらの連続している結晶成長面全体を結晶成長方向に投影した面を本発明でいう投影面とする。
これら2種類の特に好ましい種結晶における主面以外の側面としては、{10-10}面、{11-2Z}面、{10-1S}面、または{11-20}面を挙げることができる。ここでZとSは、各々独立に0以外の整数である。これらの中では、{10-10}面、{11-2Z}面、{10-1S}面が好ましく、{10-10}面がより好ましい。
また、これら2種類の特に好ましい種結晶において、結晶成長面の対面の面方位は特に制限されない。この面は通常は結晶成長装置の基板ホルダーに接する面となって原料ガスに触れないため、いずれの面であっても構わない。例えば(000-1)面を挙げることができる。
この種の種結晶の側面の面方位は結晶成長面と垂直であれば特に制限されることはなく、(0001)面、(000-1)面等の極性面、{1-100}面や{11-20}面等の非極性面、{1-102}面、{11-22}面等の半極性面を挙げることができる。例えば結晶成長面が(0001)面もしくは(000-1)面の場合、側面の面方位は{1-100}面もしくは{11-20}面となる。結晶成長面が{1-100}面の場合、側面は(0001)面、(000-1)面もしくは{11-20}面となる。結晶成長面が{11-20}面の場合、側面は(0001)面、(000-1)面もしくは{1-100}面となる。側面のうち、種結晶の第一側面と第二側面になる面は、成長させる窒化物半導体結晶の主面となる面である。したがって、製造したい窒化物半導体結晶の主面と同じ面を第一側面または第二側面として有する種結晶を、本発明では選択して用いることが好ましい。
結晶成長面が(0001)面もしくは(000-1)面で、側面の面方位が{1-100}面もしくは{11-20}面である場合が好ましく、結晶成長面が(0001)面で、側面の面方位が{1-100}面もしくは{11-20}面である場合がより好ましく、結晶成長面が(0001)面で、側面の面方位が{1-100}面であることがさらに好ましい。
この明細書において、「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{0001}面と等価な面である。III-V族化合物半導体結晶では、「C面」は、III 族面であり、窒化ガリウムでは、Ga面に相当する。 {0001}面と等価な面は、(0001)面、(000-1)面である。
この明細書において、{10-10}面とは「M面」のことであり、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{1-100}面と等価な面であり、これは、非極性面であり、通常は劈開面である。{1-100}面と等価な面は、(1-100)面、(-1100)面、(01-10面)、(0-110)面、(10-10)面、(-1010)面である。
この明細書において、{11-20}面とは「A面」のことであり、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{11-20}面と等価な面であり、これは、非極性面である。{11-20}面と等価な面は、(11-20)面、(-1-120)面、(1-210)面、(-12-10)面、(-2110)面、(2-1-10)面がある。
本発明では、種結晶に対して、原料ガスを供給することによって、種結晶の投影面に対して垂直な方向へ板状結晶を成長させる。成長方法としては、MOCVD法やHVPE法等が挙げられるが、成長速度の速いHVPE法が好ましい。
さらに別の成長装置として、図3に示す装置を挙げることもできる。ここでも、種結晶309を基板ホルダー305の上に設置することができるようになっており、昇降機構306で下向きに移動可能になっている点が図1の装置と異なっている。また、導入管301~303が種結晶309の直上に設置されている点も異なっている。
図1のような成長装置を用いれば気相中で発生するパーティクルの影響を低減でき、ピットのない良質な結晶が得られるという利点があり、図2や図3のような成長装置を用いれば昇降機構等の駆動部を装置下部に設置することができメンテナンスが容易になるという利点がある。
本発明の窒化物半導体結晶の製造方法では、少なくとも一種類の原料ガスを常に前記板状結晶の結晶成長端に向けて供給するように制御することが好ましい。ここで、結晶成長端に向けて供給するとは、結晶成長端の方向に向けて原料ガスを供給することを意味する。従来法にしたがって固定された基板ホルダー上に種結晶を設置し、その種結晶上に窒化物半導体結晶を成長させると、結晶成長に伴って結晶成長端は移動する。この移動分を考慮しつつ、常に結晶成長端の方向に向けて原料が供給されるようにすることが好ましい。
本発明における結晶成長は、通常は950℃~1120℃で行い、970℃~1100℃で行うことが好ましく、980℃~1090℃で行うことがより好ましく、990℃~1080℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa~200kPaであるのが好ましく、30kPa~150kPaであるのがより好ましく、50kPa~120kPaであるのがさらに好ましい。
本発明により得られる窒化物半導体結晶は、成長時の側面を主面とする板状の結晶である。この板状結晶の主面は、通常は種結晶の投影面に垂直な面である。種結晶の主面が投影面に垂直である場合は、得られる板状結晶の主面は種結晶の主面と平行になる。例えば、投影面が+C面で、主面がM面である種結晶を用いて本発明により得られる窒化物半導体結晶は、M面を主面とする板状結晶である。また、投影面が+C面で、主面がA面である種結晶を用いて本発明により得られる窒化物半導体結晶は、A面を主面とする板状結晶である。本発明の製造方法によれば、得られる板状結晶の主面を十分な大きさにすることができるため、スライス技術を使うことなく、研削、研磨のみで窒化物半導体基板として仕上げることができる。なお、本明細書において「主面」とは、結晶を構成する面のうち面積が最大である面を意味する。
本実施例では、図2に示すHVPE装置を用いて窒化物半導体結晶の成長を行った。図2のHVPE装置には、スリット状のノズルが3段備え付けられており、この原料供給口の1段のサイズは、幅20mm、高さ2mmであり、PBN製である。
M面を主面とするGaN種結晶209を用意した。この種結晶は、HVPE法でC面GaNテンプレート上に作製されたものをスライスして得られた結晶であり、a軸方向に約20.0mm、c軸方向に約8mm、m軸方向に約1mmの長さを有する直方体である。
次いで、HVPE装置のリアクター200内の基板ホルダー205に、+C面が上向きで且つスリット吹出し口の長手方向と種結晶のa軸方向が平行になるように種結晶をセットした。反応室の温度を1040℃まで上げ、原料を+C面上に供給することにより、アンドープGaNを+C面上に成長させた。この成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、スリット状のノズルの上段からのNH3ガスの分圧を7×103Pa、中段からN2ガスの分圧を3×102Pa、下段からGaClガスの分圧を3×102Paとし導入した。204からはキャリアガスとしてH2ガスを導入した。
50時間成長した後、室温まで降温し、縦が約22.0mm、横が約22.0mmの正方形の側面(M面)を有し、m軸方向の厚さが約1mmのGaN単結晶を得た。主面(M面)の面積は484.0mm2、成長面(+C面)の面積は22.0mm2であった。
このGaN単結晶を研磨、整形することにより、縦20.0mm、横20.0mm、厚さ350μmの正方形のM面を主面とする自立基板が得られた。
直径2インチ、厚さ430μmのサファイア基板を下地基板として用いて、その上にMOCVD法で2μmの(0001)面GaNを成長することにより、2インチGaNテンプレート基板を準備した。次いで、基板をHVPE装置のリアクター装置内に配置して、成長温度を1040℃に昇温した後、下地GaN層上に、実質的にH2のみからなるキャリアガスと、GaとHClの反応生成物であるGaClガスと、NH3ガスとを供給しながら、GaN層を約40時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスの分圧を3.07×102Paとし、NH3ガスの分圧を1.27×104Paとした。成長終了後、室温まで降温し厚さが約5mmのGaN単結晶を得た。
ワイヤーソータイプの装置を用いて、スライシングを行った。各ワイヤーの間隔は700μmで、スライシング速度は1mm/hである。ワイヤーの直径は0.1~0.2mmの範囲で適宜選択した。結晶のC面と垂直にM面と平行にスライシングすることにより、複数枚のM面GaN基板を得た。得られたGaN基板のサイズは短辺約5mm、長辺約10~30mmの長方形形状であった。
本実施例では、図3に示すHVPE装置を用いて窒化物半導体結晶の成長を行った。
M面を主面とするGaN種結晶309を用意した。この種結晶は、HVPE法でC面GaNテンプレート上に作製されたものをスライスして得られた結晶であり、a軸方向に約20.0mm、c軸方向に約5.0mm、m軸方向に約0.3mmの長さを有する直方体である。
HVPE装置のリアクター300内の基板ホルダー305に、+C面が上向きで種結晶をセットした。この時-C面は基板ホルダー305に接しており、直接原料ガスと触れることはない。反応室の温度を1040℃まで上げ、原料を+C面方向から供給することにより、アンドープGaNを成長させた。この成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、NH3ガスの分圧を7.03×103Pa、N2ガスの分圧を1.79×104Pa、GaClガスの分圧を7.37×102Pa、H2ガスの分圧を7.53×104Paとし導入した。
40時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶の形状は板状であり、a軸方向が約22.0mm、c軸方向が約12.5mm、m軸方向の厚さが約1.4mmであった。主面(M面)の面積は275.0mm2であった。
このGaN単結晶を研磨、整形することにより、a軸方向が20.0mm、c軸方向が11.0mm、厚さ330μmの長方形のM面を主面とする自立基板が得られた。
本実施例では、GaN種結晶としてa軸方向に約20.0mm、c軸方向に約4.2mm、m軸方向に約4.5mmの長さを有する直方体の結晶を用いた以外は、実施例2と全く同様に行った。
40時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶は板状であり、a軸方向が約22.0mm、c軸方向が約11.0mm、m軸方向の厚さが約5.6mmであった。主面(M面)の面積は187.0mm2であった。
このGaN単結晶をスライス、研磨、整形することにより、a軸方向が20.0mm、c軸方向が10.0mm、厚さ330μmの長方形のM面を主面とする自立基板が5枚得られた。
本比較例では、GaN種結晶としてa軸方向に約20.0mm、c軸方向に約0.4mm、m軸方向に約7.0mmの長さを有する直方体の結晶を用いた以外は、実施例2と全く同様に行った。
40時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶は板状では無く、図5に示すような、+c軸方向に成長した2つの壁が形成された形状となった。a軸方向が約20.0mm、c軸方向の最大長は約10.0mm、最小長は約5.2mmであり、c軸方向の長さは均一ではなく凸凹していた。また一つの壁のm軸方向の厚さは約0.8mmであった。
M面((10-10)面)を主面とし、側面が+C面、(-1-122)面、-C面、(11-22)面の4面からなるGaN種結晶を用意した。この種結晶は、c軸方向に約5mm、a軸方向に約15mm~18mm、m軸方向に約2mmの長さを有している。
図3に示すHVPE装置のリアクター内の基板ホルダーに、+C面が上向きとなるように種結晶をセットした。この時-C面は基板ホルダーに接しており、直接原料ガスと触れることはない。反応室の温度を1040℃まで上げ、原料を+C面方向から供給することにより、アンドープGaNを成長させた。この成長工程においては、成長圧力を1.01×105Paとし、NH3ガスの分圧を7.03×103Pa、N2ガスの分圧を1.79×104Pa、GaClガスの分圧を7.37×102Pa、H2ガスの分圧を7.53×104Paとし導入した。
40時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶は角部に異常成長はなく、均質な板状結晶が得られた。成長後のc軸方向の長さは約15mmであった。
このGaN単結晶をスライス、研磨、整形することにより、15mm角で厚さ330μmのM面を主面とする均質な自立基板が複数枚得られた。
M面((10-10)面)を主面とし、側面が+C面、(1-100)面、-C面、(01-10)面の4面からなるGaN種結晶を用意した。この種結晶は、c軸方向に約5mm、a軸方向に約15mm~18mm、m軸方向に約2mmの長さを有している。
実施例4と同様に40時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶は角部に異常成長はなく、均質な板状結晶が得られた。この点で実施例4と実施例5の板状結晶は、他の実施例の板状結晶よりもさらに優れていた。実施例5の成長後のc軸方向の長さは約15mmであった。
このGaN単結晶を研磨、整形することにより、15mm角で厚さ330μmのM面を主面とする均質な自立基板が得られた。
M面を主面とし、側面が+C面、A面、-C面、A面の4面からなるGaN種結晶を用意した。この種結晶は、c軸方向に約5mm、a軸方向に約15mm、m軸方向に約2mmの長さを有する長方体である。
実施例4と同様にして40時間成長した後、室温まで降温した。このGaN単結晶を研磨、整形することにより、M面を主面とする自立基板が得られた。
本実施例では、図2に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に結晶成長端の位置が常に同じ位置にあるように基板ホルダー昇降機構を駆動させるようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の上方に移動したことが検出されると、その移動分だけ基板ホルダーが図の下方に移動するように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例1と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例1と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例1に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本実施例では、図2に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に結晶成長端とノズルの供給口の位置関係が常に同じになるようにノズル昇降機構を駆動させるようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の上方に移動したことが検出されると、その移動分だけノズルの供給口も図の上方に移動するように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例1と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例1と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例1に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本実施例では、図2に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に常に結晶成長端に向けて原料ガスが供給されるようにノズル供給口の向き(角度)を制御するようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の上方に移動したことが検出されると、ノズルの供給口の向きを上方に向くように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例1と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例1と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例1に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本実施例では、図1に示すHVPE装置を用いて窒化物半導体結晶の成長を行う。図1のHVPE装置には、スリット状のノズルが3段備え付けられており、この原料供給口の1段のサイズは、幅20mm、高さ2mmであり、PBN製である。
実施例1と同じGaN種結晶109を用意して、HVPE装置のリアクター100内の基板ホルダー105に、+C面が下向きで且つスリット吹出し口の長手方向と種結晶のa軸方向が平行になるように種結晶をセットする。反応室の温度を1040℃まで上げ、原料を+C面の方向に供給することにより、アンドープGaNを+C面上に成長させる。この成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、スリット状のノズルの上段からのNH3ガスの分圧を7×103Pa、中段からN2ガスの分圧を3×102Pa、下段からGaClガスの分圧を3×102Paとし導入した。104からはキャリアガスとしてH2ガスを導入する。
50時間成長した後、室温まで降温することにより、実施例1と同様の結晶を得る。このGaN単結晶を研磨、整形することにより、正方形のM面を主面とする自立基板を得る。
本実施例では、図1に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に結晶成長端の位置が常に同じ位置にあるように基板ホルダー昇降機構を駆動させるようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の下方に移動したことが検出されると、その移動分だけ基板ホルダーが図の上方に移動するように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例10と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例10と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例5に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本実施例では、図1に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に結晶成長端とノズルの供給口の位置関係が常に同じになるようにノズル昇降機構を駆動させるようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の下方に移動したことが検出されると、その移動分だけノズルの供給口も図の下方に移動するように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例10と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例10と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例10に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本実施例では、図1に示す装置に、さらにCCDと基板ホルダー昇降機構を設置したHVPE装置を用いてGaN結晶成長を行う。CCDは、結晶成長に伴って移動する結晶成長端の位置を正確に測定できるように設置されている。CCDにより測定された結晶成長端の位置情報は、図4の制御機構にしたがって処理され、結晶成長工程中に常に結晶成長端に向けて原料ガスが供給されるようにノズル供給口の向き(角度)を制御するようにあらかじめ設定されている。すなわち、結晶が成長し結晶成長端が図の下方に移動したことが検出されると、ノズルの供給口の向きを下方に向くように設定されている。このようなHVPE装置を用いた点を除いて、その他の条件は実施例10と同じにしてGaN結晶成長を行う。
その結果、実施例10と同様のサイズを有するM面を主面とする自立基板が得られる。実施例10に比べて、成長速度が速く、結晶成長面の全体にわたってより均一に結晶成長が認められる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2008年3月3日出願の日本特許出願(特願2008-052587号)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (30)
- 種結晶に対して原料ガスを供給することによって前記種結晶上に窒化物半導体結晶を成長させる結晶成長工程を含む、窒化物半導体結晶の製造方法であって、
前記種結晶上に成長させる窒化物半導体結晶が板状結晶であり、
前記板状結晶を成長させる前記種結晶上の結晶成長面を成長方向に投影した投影面の長手方向の長さLと最大幅Wの比(L/W)が2~400であって、前記最大幅Wが5mm以下であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。 - 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{10-1X}面および{11-2Y}面からなる群より選択される1以上の面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法(前記Xと前記Yは、各々独立に0以外の整数である)。
- 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{10-1X}面、またはその両方であって、前記種結晶の主面が略M面であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶の結晶成長面が、+C面、{11-2Y}面、またはその両方であって、前記種結晶の主面が略A面であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶が、{10-10}面、{11-2Z}面、{10-1S}面、または{11-20}面を有することを特徴とする請求項2~4のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法(前記Zと前記Sは、各々独立に0以外の整数である)。
- 互いに平行な第一辺と第二辺を有する結晶成長面と、前記結晶成長面と垂直な面であって前記結晶成長面の第一辺を一辺とする第一側面と、前記結晶成長面と垂直な面であって前記結晶成長面の第二辺を一辺とする第二側面とを少なくとも有していて、前記結晶成長面の第一辺と第二辺の距離が5mm以下であり、前記結晶成長面の第一辺と第二辺の平均長と第一辺と第二辺の距離の比(平均長/距離)が2~400である種結晶に対して、原料ガスを供給することによって、前記結晶成長面に対して垂直な方向へ板状結晶を成長させる結晶成長工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶の第一側面が非極性面であることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶が、結晶成長面がC面であり、第一側面がM面である六方晶であることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶が、結晶成長面がC面であり、第一側面がA面である六方晶であることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程によって、第一側面と平行な面が主面となるように窒化物半導体結晶を成長させることを特徴とする請求項6~9のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記原料ガスの少なくとも一種類を常に前記板状結晶の結晶成長端に向けて供給するように制御することを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記原料ガスを供給する供給口と前記板状結晶の結晶成長端との距離を一定に保つように制御することを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記制御を、前記供給口と前記結晶成長端との距離を計測しながら行うことを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスを供給する供給口の位置を移動させることを特徴とする請求項11~13のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスを供給する供給口の向きを変えることを特徴とする請求項11~14のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記原料ガスの供給速度を変えることを特徴とする請求項11~15のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記板状結晶の成長に伴って前記種結晶の位置を移動させることを特徴とする請求項11~16のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記原料ガスを、前記種結晶の結晶成長面に垂直な方向から供給することを特徴とする請求項1~17のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記結晶成長工程において、前記原料ガスを、前記種結晶の主面を見込む空間と前記主面と対向する面を見込む空間からそれぞれ前記種結晶に向けて供給することを特徴とする請求項1~17のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記原料ガスを供給する供給口の形状が前記結晶成長端の形状と相似形であることを特徴とする請求項1~19のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記原料ガスを供給する供給口の形状がスリット状であり、該スリット状開口部の最大長が前記種結晶の投影面の長さL以上であることを特徴とする請求項1~20のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶を位置決めするための支持体に前記種結晶が設置されており、前記種結晶と前記支持体の接触面が、前記種結晶の結晶成長面から1mm以上離れていることを特徴とする請求項1~21のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記種結晶が、サファイア、SiC、ZnO、及びIII族窒化物半導体からなる群より選択されることを特徴とする請求項1~22のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記窒化物半導体がIII族窒化物半導体であることを特徴とする請求項1~23のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記窒化物半導体がGaN半導体であることを特徴とする請求項1~24のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 主面の面積が2500mm2以上である板状結晶を成長することを特徴とする請求項1~25のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記主面が非極性面であることを特徴とする請求項26に記載の窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項1~27のいずれか一項に記載の結晶成長工程を実施することにより前記種結晶上に窒化物半導体結晶を成長させ、成長させた前記窒化物半導体結晶を前記種結晶から分離することを特徴とする、成長させた前記窒化物半導体結晶をスライスすることなく窒化物半導体結晶を製造する方法。
- 請求項1~28のいずれか一項に記載の製造方法により製造される窒化物半導体結晶。
- 面積が2500mm2以上である非極性面を主面とし、厚みが1.5mm以下であることを特徴とする板状窒化物半導体結晶。
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