JP5333374B2 - GaN crystal manufacturing method, GaN crystal substrate, and group III nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN結晶の製造方法、GaN結晶基板およびIII族窒化物半導体デバイスに関する。かかるGaN結晶、GaN結晶基板およびIII族窒化物半導体デバイスは、発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイスに好ましく用いられる。 The present invention relates to a GaN crystal manufacturing method, a GaN crystal substrate, and a group III nitride semiconductor device. Such GaN crystals, GaN crystal substrates, and group III nitride semiconductor devices are preferably used for various semiconductor devices such as light-emitting elements, electronic elements, and semiconductor sensors.
転位密度が低くかつ製造コストの安いIII族窒化物結晶基板を得るために、特開2005−236261号公報(以下、特許文献1という)において、液相法により下地基板上に第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程と、気相法により第1のIII族窒化物結晶上に第2のIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むIII族窒化物結晶の製造方法が提案されている。 In order to obtain a group III nitride crystal substrate having a low dislocation density and a low production cost, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-236261 (hereinafter referred to as Patent Document 1), a first group III is formed on a base substrate by a liquid phase method. A method for producing a group III nitride crystal comprising a step of growing a nitride crystal and a step of growing a second group III nitride crystal on the first group III nitride crystal by a vapor phase method is proposed. Yes.
上記特許文献1にかかる製造方法によれば、気相法により成長させるIII族窒化物結晶の転位密度を低く、かつ、その表面が平坦になるか(有機金属化学気相堆積法による成長の場合)または結晶成長速度が高い(ハイドライド気相成長法による成長の場合)ため、低転位密度のIII族窒化物結晶を低コストで製造することができる。
According to the manufacturing method according to
しかし、フラックス法など液相法で成長させた第1のIII族窒化物結晶の結晶内または結晶表面には、凹凸が存在することがあり、また、結晶成長中に取り込まれた不純物(たとえばLiなど)が存在することもある。このような第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させると、第2のIII族窒化物結晶に顕著な反りが発生したり、あるいは不純物が拡散したりする。顕著な反りが発生したIII族窒化物結晶からは各種半導体デバイスに有用なIII族窒化物結晶基板を作製できない。また、III族窒化物結晶中に含まれる不純物は、その不純物の種類によっては、そのIII族窒化物結晶およびそれを加工して得られる基板の光学的、電気的および/または機械的特性を低下させる。 However, irregularities may exist in the crystal or the crystal surface of the first group III nitride crystal grown by a liquid phase method such as a flux method, and impurities incorporated during crystal growth (for example, Li Etc.) may exist. When the second group III nitride crystal is grown on the first group III nitride crystal by a vapor phase method, the second group III nitride crystal may be significantly warped or impurities may be generated. Or spread. A group III nitride crystal substrate useful for various semiconductor devices cannot be produced from a group III nitride crystal in which significant warpage has occurred. Depending on the type of impurities, the impurities contained in the group III nitride crystal may deteriorate the optical, electrical and / or mechanical properties of the group III nitride crystal and the substrate obtained by processing the group III nitride crystal. Let
そこで、本発明は、上記問題点を解決して、転位密度が低く、反りが少なく、かつ、不純物の濃度が低いGaN結晶の製造方法、GaN結晶基板およびIII族窒化物半導体デバイスを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention is to solve the above problems, the dislocation density is low, warping is small, and a method for producing a concentration of the impurity is low GaN crystal, to provide a GaN crystal substrate and the Group III nitride semiconductor device With the goal.
本発明は、液相法により第1のGaN結晶を成長させる工程と、第1のGaN結晶の表面を表面粗さRaが5nm以下かつ反りの曲率半径が2m以上になるように加工する工程と、加工がされた第1のGaN結晶上に気相法により第2のGaN結晶を成長させる工程とを含むGaN結晶の製造方法である。 The present invention includes a step of growing a first GaN crystal by a liquid phase method, a step of processing the surface of the first GaN crystal so that the surface roughness Ra is 5 nm or less and the curvature radius of warpage is 2 m or more. a method for producing a GaN crystal and a step of growing a second GaN crystal by a vapor phase method on the first GaN on the crystal machining is.
また、本発明は、上記の製造方法により得られた第1または第2のGaN結晶を含むGaN結晶基板である。 The present invention also provides a GaN crystal substrate including the first or second GaN crystal obtained by the above manufacturing method.
また、本発明は、上記のGaN結晶基板を含むIII族窒化物半導体デバイスであって、GaN結晶基板上に少なくとも1層のIII族窒化物半導体層が形成されているIII族窒化物半導体デバイスである。 The present invention is also a group III nitride semiconductor device including the above GaN crystal substrate, wherein at least one group III nitride semiconductor layer is formed on the GaN crystal substrate. is there.
本発明によれば、転位密度が低く、反りが少なく、かつ、不純物の濃度が低いGaN結晶の製造方法、GaN結晶基板およびIII族窒化物半導体デバイスを提供することができる。 According to the present invention, dislocation density is low, warping is small, and a method for producing a concentration of the impurity is low a GaN crystal, it is possible to provide a GaN crystal substrate and the Group III nitride semiconductor device.
(参考形態1)
図1を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法に関して参考となる一形態は、図1(a)に示すように液相法により少なくとも1種類の金属元素を含有する溶媒とIII族元素とを含む結晶成長用液体2を用いて、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図1(b)に示すように上記の金属元素の少なくとも1種類を含む結晶処理用液体4中で第1のIII族窒化物結晶10を熱処理する工程と、図1(c)に示すように熱処理がされた第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と、を含む。
(Reference form 1)
Referring to FIG. 1, one embodiment which is a reference regarding the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention is a solvent containing at least one metal element by a liquid phase method as shown in FIG. And a step of growing the first group III
参考形態1で用いられる液相法は、溶媒を用いる液相法であれば、特に制限はなく、Ga融液(III族元素の融液)を主溶媒として用いてGa融液中のGa(III族元素)とGa融液中に溶解させたN(窒素)とを反応させる溶液成長法、およびGaN(III族窒化物)原料を高温高圧で融解させた後冷却して結晶成長させる融液成長法に比べて、III族元素とその溶媒として少なくとも1種類の金属元素を含む融液を用いてその融液中のIII族元素とその融液に高温高圧で溶解させたN(窒素)とを反応させるフラックス法が、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速で成長させることができ、すなわち比較的低コストで製造できる観点から好ましい。ここで、フラックス法において用いられる溶媒をフラックスと呼ぶ。かかるフラックス法においては、III族窒化物結晶の原料であるIII族元素とそのフラックスである少なくとも1種類の金属元素を含む結晶成長用融液が、結晶成長用液体として用いられる。
The liquid phase method used in
液相法としてフラックス法が用いられる場合は、本参考形態のIII族窒化物結晶の製造方法は、図1(a)に示すように、III族元素とこのIII族元素のフラックスとして少なくとも1種類の金属元素とを含む結晶成長用融液(結晶成長用液体2)を用いて液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図1(b)に示すように上記の金属元素の少なくとも1種類を含む結晶処理用融液(結晶処理用液体4)中で第1のIII族窒化物結晶10を熱処理する工程と、図1(c)に示すように熱処理がされた第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と、を含む。
When the flux method is used as the liquid phase method, as shown in FIG. 1 (a), the Group III nitride crystal manufacturing method of the present embodiment has at least one group III element and a flux of the Group III element. A step of growing a first group III
ここで、フラックス法とは、図1(a)を参照して、600℃以上1400℃以下程度の温度と0.1MPa以上10MPa以下程度の圧力下で、III族元素とフラックスとして少なくとも1種類の金属元素を含む結晶成長用融液(結晶成長用液体2)に窒素含有ガス3を溶解させて、第1のIII族窒化物結晶10の成長を行なうものである。フラックスとしては、少なくとも1種類の金属元素は、特に制限はないが、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属および遷移金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属元素であることが好ましい。たとえば、III族元素がGaの場合は、アルカリ金属元素であるNa(ナトリウム)、Li(リチウム)など、アルカリ土類金属元素であるCa(カルシウム)などが好ましく用いられる。また、III族元素がAlの場合には、遷移金属元素であるCu(銅)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cr(クロム)などが好ましく用いられる。
Here, with reference to FIG. 1A, the flux method refers to at least one group III element and flux at a temperature of about 600 ° C. to 1400 ° C. and a pressure of about 0.1 MPa to 10 MPa. The first group
液相法(たとえば、フラックス法)により結晶成長用融液(結晶成長用液体2)中で成長させた不純物の多い第1のIII族窒化物結晶10を結晶処理用液体4中で熱処理することにより、第1のIII族窒化物結晶10中および表面の不純物が、結晶処理用液体4中に放出されて除去される。ここで、フラックス法においては、結晶処理用液体4として、上記結晶成長用融液に含まれる金属元素の少なくとも1種類を含む結晶処理用融液が用いられる。こうして、不純物濃度の低い第1のIII族窒化物結晶が得られる。この不純物濃度が低減された第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させることにより、転位密度が低く、反りが少なく、かつ、不純物の濃度が低い(すなわち、純度の高い)第2のIII族窒化物結晶が得られる。
Heat-treating the first group
ここで、第1のIII族窒化物結晶の熱処理の際には、結晶の分解および破損を抑制するため、結晶処理用融液(結晶処理用液体4)に窒素含有ガス3を供給することが好ましい。この窒素含有ガス3の分圧(すなわち、結晶の熱処理圧力)は、0.1MPa以上であることが好ましい。0.1MPaよりも低いと第1のIII族窒化物結晶の分解および/または破損が進みやすい。
Here, in the heat treatment of the first group III nitride crystal, the nitrogen-containing
また、第1のIII族窒化物結晶の熱処理温度は、600℃以上1600℃以下であることが好ましい。600℃よりも低いと、不純物の拡散が遅く、第1のIII族窒化物結晶からの不純物の除去が困難となり、1600℃よりも高いと第1のIII族窒化物結晶の分解および/または破損が進みやすい。また、第1のIII族窒化物結晶を熱処理時間は、5時間以上500時間以下であることが好ましい。5時間よりも短いと第1のIII族窒化物結晶からの不純物の除去が困難となり、500時間よりも長いと第1のIII族窒化物結晶の分解および/または破損が起こりやすい。 The heat treatment temperature of the first group III nitride crystal is preferably 600 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower. When the temperature is lower than 600 ° C., the diffusion of impurities is slow, and it is difficult to remove the impurities from the first group III nitride crystal. When the temperature is higher than 1600 ° C., the decomposition and / or breakage of the first group III nitride crystal is difficult. Is easy to proceed. The heat treatment time for the first group III nitride crystal is preferably 5 hours or more and 500 hours or less. If it is shorter than 5 hours, it is difficult to remove impurities from the first group III nitride crystal, and if it is longer than 500 hours, the first group III nitride crystal is likely to be decomposed and / or broken.
また、フラックス法により第1のIII族窒化物結晶10としてGaN結晶を成長させる場合、結晶成長を促進させる観点から、結晶成長用融液(結晶成長用液体2)のフラックスとして、NaとLiとが含められる。かかるNaとLiは、その他の不純物とともに、第1のGaN結晶中および表面に取り込まれる。第1のGaN結晶に取り込まれた不純物のうち、特にLiは結晶中に拡散しやすく、GaN結晶の電気的特性を低下させる問題がある。ここで、第1のGaN結晶成長工程の際に用いたフラックスのうちLiを含まずNaを含む結晶処理用液体4中で第1のGaN結晶を熱処理することにより、結晶中および表面のLiを除去することができる。すなわち、液相法(たとえば、フラックス法)において、結晶成長用液体が溶媒(たとえば、フラックス)としてLiを含む結晶成長用液体(結晶成長用融液)中で成長された第1のIII族窒化物結晶を、Liを含まない結晶処理用液体(結晶処理用融液)中で熱処理することにより、結晶中および表面のLiを除去することができる。
Further, when a GaN crystal is grown as the first group
(参考形態2)
図1を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法に関して参考となる他の形態は、図1(a)に示すように液相法により少なくとも1種類の金属元素を含有する溶媒とIII族元素とを含む結晶成長用液体2を用いて、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図1(b)に示すように上記の金属元素の少なくとも1種類とIII族元素とを含む結晶処理用液体4中で第1のIII族窒化物結晶10を熱処理する工程と、図1(c)に示すように熱処理がされた第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と、を含む。本参考形態で用いられる液相法は、溶媒を用いる液相法であれば、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速で成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Reference form 2)
Referring to FIG. 1, another embodiment to be referred to for the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention contains at least one metal element by a liquid phase method as shown in FIG. A step of growing a first group
液相法としてフラックス法が用いられる場合は、本参考形態のIII族窒化物結晶の製造方法は、図1(a)に示すように、III族元素とこのIII族元素のフラックスとして少なくとも1種類の金属元素とを含む結晶成長用融液(結晶成長用液体2)を用いて液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図1(b)に示すように上記の金属元素の少なくとも1種類とIII族元素とを含む結晶処理用融液(結晶処理用液体4)中で第1のIII族窒化物結晶10を熱処理する工程と、図1(c)に示すように熱処理がされた第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程とを含む。
When the flux method is used as the liquid phase method, as shown in FIG. 1 (a), the Group III nitride crystal manufacturing method of the present embodiment has at least one group III element and a flux of the Group III element. A step of growing a first group
すなわち、参考形態1において用いられる結晶処理用液体(結晶処理用融液)には、結晶成長用液体(結晶成長用融液)の溶媒(フラックス)含まれる金属元素の少なくとも1種類が含まれているのに対し、参考形態2において用いられる結晶処理用液体(結晶処理用融液)には、結晶成長用液体(結晶成長用融液)の溶媒(フラックス)に含有される金属元素の少なくとも1種類に加えてIII族元素が含まれている点に特徴がある。
That is, the crystal processing liquid (crystal processing melt) used in
参考形態2においては、結晶処理用液体4(結晶処理用融液)は、結晶成長用液体に含まれる金属元素の少なくとも1種類およびIII族元素が含まれていることから、第1のIII族窒化物結晶を熱化学的平衡に近い環境下で熱処理を行なうことができ、熱処理の際の結晶の分解および/または破損をさらに抑制することができる。
In
なお、参考形態1の場合と同様に、第1のIII族窒化物結晶を熱処理の際に結晶処理用液体4に窒素含有ガス3を供給することが好ましく、この窒素含有ガス3の分圧は、0.1MPa以上であることが好ましく、第1のIII族窒化物結晶の熱処理温度は、600℃以上1600℃以下であることが好ましく、第1のIII族窒化物結晶を熱処理時間は、5時間以上500時間以下であることが好ましい。
As in the case of
たとえば、フラックス法により第1のIII族窒化物結晶10としてGaN結晶を成長させる場合、結晶成長を促進させる観点から、結晶成長用液体2は、NaとLiとを含有するフラックスとIII族元素であるGaとを含む結晶成長用融液が用いられる。かかるNaとLiは、その他の不純物とともに、第1のGaN結晶中および表面に取り込まれる。第1のGaN結晶に取り込まれた不純物のうち、特にLiは、GaN結晶の電気的特性を低下させる問題がある。ここで、Liを含有せずNaを含有するフラックスに加えてIII族元素であるGaを含む結晶処理用融液(結晶処理用液体4)中で第1のGaN結晶を熱処理することにより、結晶の分解および/または破損を抑制しながら、結晶中および表面のLiを除去することができる。すなわち、液相法(たとえば、フラックス法)において、溶媒(たとえば、フラックス)としてLiを含む結晶成長用液体(結晶成長用融液)中で成長された第1のIII族窒化物結晶を、Liを含まない結晶処理用液体(結晶処理用融液)中で熱処理することにより、結晶中および表面のLiを除去することができる。
For example, when a GaN crystal is grown as the first group
(実施形態1)
図2を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法の一実施形態は、図2(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図2(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10の表面を、表面粗さRaが5nm以下かつ反りの曲率半径が2m以上になるように加工する工程と、図2(c)に示すように加工がされた第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む。
(Embodiment 1)
Referring to FIG. 2, in one embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
本実施形態における液相法は、特に制限はなく、Ga融液(III族元素の融液)を主溶媒として用いてGa融液中のGa(III族元素)とGa融液中に溶解させたN(窒素)とを反応させる溶液成長法、GaN(III族窒化物)原料を高温高圧で融解させた後冷却して結晶成長させる融液成長法、および超臨界アンモニア中にGa(III族元素)あるいはGa(III族元素)の化合物を存在させておき、GaN(III族窒化物結晶)を成長させる安熱合成法、などを用いてもよい。しかし、これらの方法に比べて、III族元素とその溶媒として少なくとも1種類の金属元素を含む融液を用いて、その融液中のIII族元素とその融液に溶解させたN(窒素)とを反応させるフラックス法が、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から好ましい。 The liquid phase method in the present embodiment is not particularly limited, and a Ga melt (group III element melt) is used as a main solvent and dissolved in Ga (group III element) and the Ga melt. In addition, a solution growth method in which N (nitrogen) is reacted, a melt growth method in which a GaN (Group III nitride) raw material is melted at a high temperature and a high pressure and then cooled to grow a crystal, and Ga (Group III) in supercritical ammonia. Elemental) or Ga (Group III element) compound may be present, and an athermal synthesis method for growing GaN (Group III nitride crystal) may be used. However, compared to these methods, a group III element and a melt containing at least one metal element as its solvent are used, and a group III element in the melt and N (nitrogen) dissolved in the melt are used. Is preferable from the viewpoint that a group III nitride crystal having a low dislocation density can be grown at a relatively high speed in the liquid phase method, that is, can be produced at a relatively low cost.
液相法たとえばフラックス法による第1のIII族窒化物結晶の成長においては、熱力学的な準平衡状態を完全に保ちつつ結晶を成長させることが設備技術的に困難であるため、成長直後の表面には大きな凹凸が残存していることもある。表面に大きな凹凸が存在する場合は、気相法による第2のIII族窒化物結晶の成長において、第1のIII族窒化物結晶の成長を引き継いで、様々な面方位の結晶成長面が出現しやすい。この面方位の違いによって、不純物の取り込み効率が異なるため、第2のIII族窒化物結晶の成長において、結晶中および結晶表面における不純物分布が不均一になりやすい。また、表面に大きな凹凸が存在する第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させると、第1のIII族窒化物結晶の表面の凹凸部から様々な面方位の結晶成長面が出現し、結晶の均質性が損なわれるなどの問題が生じる。 In the growth of the first group III nitride crystal by the liquid phase method such as the flux method, it is difficult to grow the crystal while maintaining the thermodynamic quasi-equilibrium state completely. Large irregularities may remain on the surface. When large irregularities exist on the surface, the growth of the second group III nitride crystal by the vapor phase method takes over the growth of the first group III nitride crystal, and crystal growth planes with various plane orientations appear. It's easy to do. Due to this difference in plane orientation, the impurity incorporation efficiency differs, so that the impurity distribution in the crystal and on the crystal surface tends to be nonuniform in the growth of the second group III nitride crystal. Further, when the second group III nitride crystal is grown on the first group III nitride crystal having large irregularities on the surface by a vapor phase method, the irregularities on the surface of the first group III nitride crystal are obtained. As a result, crystal growth surfaces with various plane orientations appear and problems such as loss of crystal homogeneity arise.
本実施形態においては、図2(b)に示すように、第1のIII族窒化物結晶の表面を、表面粗さRaが5nm以下かつ反りの曲率半径が2m以上になるように加工する工程を含むことにより、結晶表面の凹凸および/または表面側領域に偏析した不純物を除去することができる。こうして、不純物濃度の低い第1のIII族窒化物結晶が得られる。ここで、表面粗さRaとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積を抜き取り、この抜き取り部分の平均面から測定曲面までの距離(偏差の絶対値)の合計を基準面積で平均した値をいい、AFM(原子間力顕微鏡)などにより測定することができる。本願においては、基準面積を10μm×10μmとした。面粗さRaが5nmより大きくまたは反りの曲率半径が2m未満となると、第1のIII族窒化物結晶の表面の凹凸が大きくなり、上記問題点が生じやすくなる。かかる観点から、表面粗さRaは5nm以下が好ましく、3nm以下がより好ましい。また、反りの曲率半径Rは、基板内において距離Dだけ離れた2点において、一方の点に対して他方の点が高さHだけ高くなっているとすると、R=D2/8Hで定義される。かかる反りの曲率半径Rは、2m以上が好ましく、3m以上がより好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the surface of the first group III nitride crystal is processed so that the surface roughness Ra is 5 nm or less and the curvature radius of warpage is 2 m or more. By including the impurities on the crystal surface and / or impurities segregated in the surface side region can be removed. Thus, the first group III nitride crystal having a low impurity concentration is obtained. Here, the surface roughness Ra is a reference area extracted from the roughness curved surface in the direction of the average surface, and the total distance (absolute value of deviation) from the average surface of the extracted portion to the measurement curved surface is a reference area. The average value is used, and can be measured by an AFM (atomic force microscope) or the like. In the present application, the reference area is 10 μm × 10 μm. When the surface roughness Ra is larger than 5 nm or the curvature radius of warpage is less than 2 m, the unevenness of the surface of the first group III nitride crystal becomes large, and the above-mentioned problems are likely to occur. From this viewpoint, the surface roughness Ra is preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less. The curvature radius R of the warp is defined as R = D 2 / 8H, assuming that at two points separated by a distance D in the substrate, the other point is higher than the other point by the height H. Is done. The curvature radius R of the warp is preferably 2 m or more, and more preferably 3 m or more.
ここで、第1のIII族窒化物結晶の表面を表面粗さRaが5nm以下かつ反りの曲率半径が2m以上になるように加工する方法には、特に制限はないが、結晶の表面を平坦化する方法である研削、研磨などの方法と、研削および/または研磨により結晶の表面側領域に形成される加工変質層を除去する方法であるエッチングなどの方法を組み合わせることが好ましい。ここで、エッチング方法としては、塩素ガスなどを用いたRIE(反応性イオンエッチング)、塩化水素ガスと水素ガスとの混合ガスまたはアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスを用いたエッチングなどの気相エッチングが好ましく用いられる。 Here, the method of processing the surface of the first group III nitride crystal so that the surface roughness Ra is 5 nm or less and the curvature radius of curvature is 2 m or more is not particularly limited, but the surface of the crystal is flattened. It is preferable to combine a method such as grinding or polishing, which is a method for forming a film, and a method such as etching which is a method for removing a work-affected layer formed in the surface side region of the crystal by grinding and / or polishing. Here, as an etching method, a gas phase such as RIE (reactive ion etching) using chlorine gas or the like, etching using a mixed gas of hydrogen chloride gas and hydrogen gas or a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas, or the like. Etching is preferably used.
(実施形態2)
図3を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法の他の実施形態は、図3(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図3(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10の表面側領域10aの少なくとも一部を除去する工程と、図3(c)に示すように表面側領域10aの少なくとも一部が除去された第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 2)
Referring to FIG. 3, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
本実施形態においては、図3(b)に示すように、第1のIII族窒化物結晶10の表面側領域10aの少なくとも一部を除去することにより、結晶表面および/または表面側領域に偏析した不純物を除去することができる。こうして、不純物濃度の低い第1のIII族窒化物結晶が得られる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, at least a part of the surface-
第1のIII族窒化物結晶10の表面側領域10aの少なくとも一部を除去する方法には、特に制限はないが、結晶に歪みを与えにくいという観点から、塩素ガスなどを用いたRIE(反応性イオンエッチング)、塩化水素ガスと水素ガスとの混合ガスまたはアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスを用いたエッチングなどの気相エッチングが好ましく用いられる。
The method for removing at least a part of the surface-
(実施形態3)
図4を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法のさらに他の実施形態は、図4(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図4(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を3500μmよりも厚く成長させる工程とを含む。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 3)
Referring to FIG. 4, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
本実施形態においては、液相法たとえばフラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2の窒化物結晶を3500μmよりも厚く成長させることにより、第1のIII族窒化物結晶から第2のIII族窒化物結晶に拡散した不純物の単位体積当たりの数量(すなわち、不純物濃度、単位はcm-3)を低減することができ、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶を成長させることができる。 In the present embodiment, the first nitride crystal is grown to be thicker than 3500 μm by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, for example, the flux method. The quantity per unit volume of impurities diffused from the group III nitride crystal to the second group III nitride crystal (that is, the impurity concentration, the unit is cm −3 ) can be reduced, and the second impurity concentration is low. Group III nitride crystals can be grown.
(実施形態4)
図5を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法のさらに他の実施形態は、図5(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図5(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と、図5(c)に示すように第2のIII族窒化物結晶20の表面側領域20aの少なくとも一部を除去する工程と、図5(d)に示すように表面側領域20aの少なくとも一部が除去された第2のIII族窒化物結晶20上に気相法により第3のIII族窒化物結晶を30成長させる工程とを含む。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族を低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 4)
Referring to FIG. 5, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
液相法たとえばフラックス法で成長させた第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させると、第1のIII族窒化物結晶から第2のIII族窒化物結晶に拡散した不純物は、第2のIII族窒化物結晶の表面およびその近傍の表面側領域に偏析することが、SIMS(2次イオン質量分析法)などにより、確認された。そこで、本実施形態においては、第2のIII族窒化物結晶20の表面側領域20aの少なくとも一部を除去し、かかる除去後の第2のIII族窒化物結晶20上に、気相法により第3のIII族窒化物結晶を成長させることにより、不純物濃度がさらに低減された第3のIII族窒化物結晶を得ることができる。
When the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, for example, the flux method, the second group III nitride crystal is grown from the first group III nitride crystal. It was confirmed by SIMS (secondary ion mass spectrometry) that impurities diffused in the group III nitride crystal segregate on the surface of the second group III nitride crystal and the surface side region in the vicinity thereof. Therefore, in the present embodiment, at least a part of the surface-side region 20a of the second group
(実施形態5)
図4を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法のさらに他の実施形態は、図4(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程と、図4(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と含むIII族窒化物結晶の製造方法であって、第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程は、第1の結晶成長温度で結晶成長させるサブ工程と第2の結晶成長温度で結晶成長させるサブ工程とを含み、第1の結晶成長温度は第2の結晶成長温度よりも低いことを特徴とする。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 5)
Referring to FIG. 4, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group III nitride crystal is grown by a liquid phase method as shown in FIG. And a step of growing a second group
液相法たとえばフラックス法で成長させた第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させると、第1のIII族窒化物結晶から第2のIII族窒化物結晶に不純物が拡散する。本実施形態においては、第2のIII族窒化物結晶の成長の初期の結晶成長温度を低くすることにより、不純物の拡散速度を低下させることができ、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。 When the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, for example, the flux method, the second group III nitride crystal is grown from the first group III nitride crystal. Impurities diffuse into the group III nitride crystal. In the present embodiment, by lowering the initial crystal growth temperature of the second group III nitride crystal, the impurity diffusion rate can be lowered, and the second group III nitride having a low impurity concentration. Crystals are obtained.
ここで、第2のIII族窒化物結晶を成長させる第1の結晶成長温度は、第2のIII族窒化物結晶の初期の結晶成長速度に比べて不純物の拡散速度を低くすることができる温度であれば特に制限はないが、第2の結晶成長温度に比べて、50℃以上低いことが好ましく、100℃以上低いことがより好ましい。また、第1の結晶成長温度は、800℃以上1100℃以下が好ましい。第1の結晶成長温度は、800℃より低いと成長するIII族窒化物結晶の結晶性が悪くなり、1100℃より高いと結晶成長中にIII族窒化物結晶の分解が進みやすくなる。 Here, the first crystal growth temperature for growing the second group III nitride crystal is a temperature at which the diffusion rate of impurities can be made lower than the initial crystal growth rate of the second group III nitride crystal. If it is, there will be no restriction | limiting in particular, However, It is preferable that it is 50 degreeC or more lower than the 2nd crystal growth temperature, and it is more preferable that it is 100 degreeC or more lower. The first crystal growth temperature is preferably 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. When the first crystal growth temperature is lower than 800 ° C., the crystallinity of the growing group III nitride crystal is deteriorated. When the first crystal growth temperature is higher than 1100 ° C., the group III nitride crystal is easily decomposed during the crystal growth.
(実施形態6)
図4を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法のさらに他の実施形態は、図4(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図4(b)に示すように第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と含むIII族窒化物結晶の製造方法であって、第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程は、第1の結晶成長速度で結晶成長させるサブ工程と第2の結晶成長速度で結晶成長させるサブ工程とを含み、第1の結晶成長速度は第2の結晶成長速度より大きいことを特徴とする。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 6)
Referring to FIG. 4, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
液相法たとえばフラックス法で成長させた第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させると、第1のIII族窒化物結晶から第2のIII族窒化物結晶に不純物が拡散する。本実施形態においては、第2のIII族窒化物結晶の成長の初期の結晶成長速度を大きくすることにより、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。 When the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, for example, the flux method, the second group III nitride crystal is grown from the first group III nitride crystal. Impurities diffuse into the group III nitride crystal. In the present embodiment, the second group III nitride crystal having a low impurity concentration is obtained by increasing the initial crystal growth rate of the second group III nitride crystal.
ここで、第2のIII族窒化物結晶を成長させる際に、第1の結晶成長速度は、不純物の拡散速度に比べて十分に結晶成長速度を高くすることができる速度であれば特に制限はないが、第2の結晶成長速度に比べて、1.5倍以上大きいことが好ましく、2倍以上大きいことがより好ましい。また、第1の結晶成長速度は、100μm/hr以上1000μm/hr以下が好ましい。第1の結晶成長速度は、100μm/hrより小さいと不純物の拡散を抑制する効果が小さくなり、1000μm/hrより大きいと多結晶化などの異常な結晶成長が発生しやすくなる。 Here, when growing the second group III nitride crystal, the first crystal growth rate is not particularly limited as long as the crystal growth rate can be sufficiently higher than the impurity diffusion rate. However, it is preferably 1.5 times or more, more preferably 2 or more times as large as the second crystal growth rate. Further, the first crystal growth rate is preferably 100 μm / hr or more and 1000 μm / hr or less. If the first crystal growth rate is less than 100 μm / hr, the effect of suppressing the diffusion of impurities is reduced, and if it is greater than 1000 μm / hr, abnormal crystal growth such as polycrystallization tends to occur.
III族窒化物結晶の成長速度を大きくする方法は、特に制限はないが、III族元素含有ガスおよび/または窒素含有ガスの分圧を高める方法、結晶成長温度を高める方法などが挙げられる。不純物の拡散速度を高めずに結晶の成長速度を高める観点から、III族元素含有ガスおよび/または窒素含有ガスの分圧を高める方法が好ましい。 The method for increasing the growth rate of the group III nitride crystal is not particularly limited, and examples thereof include a method for increasing the partial pressure of the group III element-containing gas and / or the nitrogen-containing gas, and a method for increasing the crystal growth temperature. From the viewpoint of increasing the crystal growth rate without increasing the impurity diffusion rate, a method of increasing the partial pressure of the group III element-containing gas and / or nitrogen-containing gas is preferable.
(実施形態7)
図6を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の製造方法のさらに他の実施形態は、図6(a)に示すように液相法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、図6(c1)または(c2)に示すように第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程と含むIII族窒化物結晶の製造方法であって、第2のIII族窒化物結晶20を成長させる工程において、第1のIII族窒化物結晶10を含むIII族窒化物結晶をサセプタ9に接触させて、第1のIII族窒化物結晶10中の不純物をサセプタ9中に拡散させることを特徴とする。本実施形態で用いられる液相法は、特に制限はないが、転位密度が低いIII族窒化物結晶を液相法の中では比較的高速に成長させることができる、すなわち比較的低コストで製造できる観点から、フラックス法を用いることが好ましい。
(Embodiment 7)
Referring to FIG. 6, in another embodiment of the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a first group
液相法たとえばフラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる際に、この第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶をサセプタに接触させて、第1のIII族窒化物結晶中の不純物をサセプタ中に拡散させることにより、第2のIII族窒化物結晶への不純物の拡散が低減され、不純物濃度の低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。 When the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, for example, the flux method, the III group containing the first group III nitride crystal is included. By bringing the group nitride crystal into contact with the susceptor and diffusing the impurities in the first group III nitride crystal into the susceptor, the diffusion of impurities into the second group III nitride crystal is reduced, and the impurity concentration A low second group III nitride crystal.
ここで、図6(c1)および(c2)を参照して、サセプタとは、第2のIII族窒化物結晶を成長させるための第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶を載置する台をいう。また、第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶とは、第1のIII族窒化物結晶そのもの(図6(c2)を参照)の他、第1のIII族窒化物結晶10の成長に用いられる下地基板1がIII族窒化物結晶で形成されている場合は、第1のIII族窒化物結晶10が成長したIII族窒化物結晶の下地基板1(以下、III族窒化物結晶下地基板ともいう)(図6(c1)を参照)をも意味する。第1のIII族窒化物結晶が成長したIII族窒化物結晶基板(すなわち、第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶)をサセプタに接触させると、第1のIII族窒化物結晶およびIII族窒化物結晶下地基板中の不純物をサセプタ中に拡散させることができ、第1のIII族窒化物結晶中の不純物を低減することが可能となる。こうして、不純物濃度の低い第1のIII族窒化物結晶が得られる。
6 (c1) and 6 (c2), the susceptor is a group III nitride crystal including a first group III nitride crystal for growing a second group III nitride crystal. A table to be placed. Further, the group III nitride crystal including the first group III nitride crystal includes the first group
サセプタ9の材質は、第1のIII族窒化物結晶中の不純物をサセプタ中に拡散させる性質を有するものであれば特に制限はないが、耐熱性および化学的安定性が高く、不純物のサセプタへの拡散を大きくする観点から、石英、カーボン、窒化物などが好ましく、これらの中でも窒化物がより好ましい。また、不純物のサセプタへの拡散を大きくする観点から、サセプタ9は、少なくとも第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶に接触する領域(結晶接触領域9cという、以下同じ)が窒化物で形成されていることが好ましい。
The material of the susceptor 9 is not particularly limited as long as it has a property of diffusing impurities in the first group III nitride crystal into the susceptor. However, the material of the susceptor 9 has high heat resistance and high chemical stability. Quartz, carbon, nitride, etc. are preferable from the viewpoint of increasing the diffusion of the above, and nitride is more preferable among these. From the viewpoint of increasing the diffusion of impurities into the susceptor, the susceptor 9 is nitrided in a region in contact with the group III nitride crystal including at least the first group III nitride crystal (hereinafter referred to as
本実施形態のIII族窒化物結晶の製造方法は、たとえばフラックス法により第1のIII族窒化物結晶10を薄くまたは厚く成長させる(図6(a)を参照)。
In the method for producing a group III nitride crystal of the present embodiment, the first group
次に、第1のIII族窒化物結晶を、薄く成長させた場合はそのまま、厚く成長させた場合は第1のIII族窒化物結晶10をIII族窒化物結晶下地基板1との界面から所定の距離にある面でこの下地基板1の主面と平行にスライスすることにより、この下地基板1上に成長した第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)が得られる(図6(b)を参照)。また、厚く成長させた第1のIII族窒化物結晶をスライスすることにより自立基板となる第1のGaN結晶が得られる(図6(b)を参照)。
Next, when the first group III nitride crystal is grown thin, the first group
次に、第1のIII族窒化物結晶10が成長されたIII族窒化物結晶下地基板1(図6(c1)を参照)または第1のIII族窒化物結晶(図6(c2)を参照)をサセプタ9に接触させて、第2のIII族窒化物結晶20を気相法により成長させる。かかる製造方法により、不純物濃度の低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。
Next, the group III nitride crystal base substrate 1 (see FIG. 6 (c1)) on which the first group
上記実施形態1〜7ならびに参考形態1および2において、第1のIII族窒化物結晶を液相法により成長させる際には、大面積の結晶が容易に得られる観点から、下地基板1を用いることが好ましい。下地基板1は、その上に第1のIII族窒化物結晶を成長させることができるものであれば特に制限はないが、フラックス法による第1のIII族窒化物結晶の成長を容易にする観点から、サファイア下地基板などの異種下地基板上に薄膜のIII族窒化物結晶が形成されているいわゆるテンプレート基板、SiC下地基板、III族窒化物結晶下地基板などが好ましく、これらの中でもIII族窒化物結晶下地基板などが特に好ましい。
In the first to seventh embodiments and the first to second embodiments, when the first group III nitride crystal is grown by the liquid phase method, the
したがって、上記実施形態1〜7ならびに参考形態1および2における第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程において、図7を参照して、少なくとも結晶成長面側領域1gの少なくとも一部がIII族窒化物結晶で形成されている下地基板1を用いることが好ましい。かかる下地基板を用いることにより、液相法による第1のIII族窒化物結晶の成長が容易になる。
Therefore, in the step of growing the first Group III nitride crystal in
また、上記実施形態1〜7ならびに参考形態1および2における第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程において、GaAs基板上に気相法で成長させたIII族窒化物結晶で形成されている下地基板(III族窒化物結晶下地基板)を用いることが好ましい。かかるIII族窒化物結晶下地基板は、GaAs基板との熱膨張係数差が小さいため、結晶中の歪みおよび転位密度が低く、反りが少なく、高品質であり、液相法による第1のIII族窒化物結晶成長の下地基板として好適である。さらには、液相法により成長した第1のIII族窒化物結晶上に気相法で第2のIII族窒化物結晶を成長させる工程において、第1のIII族窒化物結晶中の不純物をIII族窒化物結晶下地基板中に拡散させ、第1のIII族窒化物中から第2のIII族窒化物結晶中への不純物の拡散を低減することができる。 Further, in the step of growing the first group III nitride crystal in the first to seventh embodiments and the first and second embodiments, the group III nitride crystal is grown on the GaAs substrate by a vapor phase method. It is preferable to use a base substrate (group III nitride crystal base substrate). Such a group III nitride crystal base substrate has a small difference in thermal expansion coefficient from that of the GaAs substrate, so that the strain and dislocation density in the crystal are low, the warp is small, the quality is high, and the first group III by the liquid phase method is used. It is suitable as a base substrate for nitride crystal growth. Further, in the step of growing the second group III nitride crystal by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method, the impurities in the first group III nitride crystal are changed to III. Diffusion into the group nitride crystal base substrate can reduce the diffusion of impurities from the first group III nitride into the second group III nitride crystal.
ここで、GaAs基板上に気相法で成長させたIII族窒化物結晶下地基板の転位密度は、転位密度の低い第1のIII族窒化物結晶を成長させる観点から、5×106cm-2以下であることが好ましい。転位密度は、TEM(透過型電子顕微鏡)分析、またはエッチピット密度(以下、EPDという)測定により得られるが、TEM分析に比べて光学顕微鏡などによる広範囲での観察が可能なEPD測定による転位密度の精度が高いことから、本願においては、転位密度とは、特に指定が無い限り、EPD測定による転位密度をいうものとする。 Here, the dislocation density of the group III nitride crystal base substrate grown on the GaAs substrate by a vapor phase method is 5 × 10 6 cm − from the viewpoint of growing the first group III nitride crystal having a low dislocation density. It is preferably 2 or less. The dislocation density can be obtained by TEM (transmission electron microscope) analysis or etch pit density (hereinafter referred to as EPD) measurement. Compared to TEM analysis, dislocation density can be observed over a wide range using an optical microscope. In the present application, the dislocation density means a dislocation density by EPD measurement unless otherwise specified.
また、実施形態1〜7ならびに参考形態1および2におけるIII族窒化物結晶の製造方法において、図8を参照して、図8(a)に示すようにGaAs基板上に気相法で成長させたIII族窒化物結晶で形成されている下地基板1は、低転位密度領域1kと高転位密度領域1hとを有し、第1のIII族窒化物結晶10を成長させる工程において、低転位密度領域1k上に結晶成長する第1のIII族窒化物結晶10の成長速度の大きい第1の領域10kが、高転位密度領域1h上に結晶成長する第1のIII族窒化物結晶10の成長速度の小さい第2の領域10hを覆うことを特徴とする。
In addition, in the method for producing a group III nitride crystal in
ファセット成長法などの気相法によりGaAs基板上に低転位密度領域1k(その領域の結晶表面がGa面)と、その領域に比べて面方位が異なる高転位密度領域1h(その領域の結晶表面がN面)とを有するIII族窒化物結晶下地基板1を作製することができ、かかるIII族窒化物結晶下地基板1上にフラックス法により第1のIII族窒化物結晶10を成長させると、上記低転位密度領域1k上に転位密度が低い第1の領域10kが成長し、上記高転位密度領域1h上に転位密度が高い第2の領域10hが成長する。ここで、第1の領域10kは第2の領域10hに比べて結晶成長速度が高いため、図8(a)に示すように、第1の領域10kは第2の領域10hを覆うため、転位密度が低い第1のIII族窒化物結晶10が得られる。このため、図8(b)を参照して、かかる転位密度の低い第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させることにより、転位密度が低いIII族窒化物結晶が得られる。
A low
上記のIII族窒化物結晶の製造方法においては、上記下地基板1中の低転位密度領域1kの転位密度が5×106cm-2以下であり、第1のIII族窒化物結晶10の第1の領域10kが、上記低転位密度領域1kの低転位を引き継ぐことができる。これにより、転位密度の低い第1のIII族窒化物結晶が得られる。
In the above method for producing a group III nitride crystal, the dislocation density of the low
ここで、実施形態1〜7ならびに参考形態1および2において、主として第1のIII族窒化物結晶を成長させる液相法としてフラックス法を用いて説明した。しかし、第1のIII族窒化物結晶を成長させる液相法としては、参考形態1および2においては溶媒を用いる液相法であれば特に制限はない。また、実施形態1〜7においては液相法であれば特に制限はなく、フラックス法、Gaを主溶媒とした溶液成長法、融液成長法、安熱合成法などを用いることができる。また、実施形態1〜7ならびに参考形態1および2において、第1のIII族窒化物結晶10上に第2のIII族窒化物結晶20を成長させる気相法としては、特に制限はないが、転位密度が低い結晶をエピタキシャル成長させやすい観点から、ハイドライド気相成長法(以下、HVPE法という)または有機金属化学気相堆積法(以下、MOCVD法という)を用いることが好ましい。
Here, in
(実施形態8)
本発明にかかるIII族窒化物結晶基板の一実施形態は、実施形態1〜7の製造方法により得られた第1、第2または第3のIII族窒化物結晶を含む基板である。図2(d)、図3(d)、図4(c)、図5(e)、図6(d1)および(d2)ならびに図8(c)を参照して、かかるIII族窒化物結晶基板U1,V1〜V11,W1〜W5は、下地基板1上に形成された第1、第2または第3のIII族窒化物結晶10,20,30を平板状に加工して得られる。ここで、平板状に加工とは、第1、第2または第3のIII族窒化物結晶を、たとえば下地基板に平行に切削して、その主面を研削および/または研磨することをいう。また、III族窒化物結晶基板U1は第1のIII族窒化物結晶10を含み、III族窒化物結晶基板V1〜V11はいずれも第2のIII族窒化物結晶20を含み、III族窒化物結晶基板W1〜W5はいずれも第3のIII族窒化物結晶30を含む。より具体的には、III族窒化物結晶基板U1は第1のIII族窒化物結晶10、または、第1のIII族窒化物結晶10および下地基板1で形成され、III族窒化物結晶基板V1〜V11はいずれも第2のIII族窒化物結晶20で形成され、III族窒化物結晶基板W1〜W5はいずれも第3のIII族窒化物結晶30で形成されている。
(Embodiment 8)
One embodiment of the group III nitride crystal substrate according to the present invention is a substrate including the first, second, or third group III nitride crystal obtained by the manufacturing method of the first to seventh embodiments. Referring to FIGS. 2 (d), 3 (d), 4 (c), 5 (e), 6 (d1) and (d2) and 8 (c), such a group III nitride crystal The substrates U1, V1 to V11, and W1 to W5 are obtained by processing the first, second, or third group
本実施形態のIII族窒化物結晶基板においては、特性の良好な半導体デバイスを作製するために好適な基板とする観点から、アルカリ金属元素の原子濃度が5×1016cm-3以下であることが好ましい。 In the group III nitride crystal substrate of the present embodiment, the atomic concentration of the alkali metal element is 5 × 10 16 cm −3 or less from the viewpoint of making the substrate suitable for producing a semiconductor device having good characteristics. Is preferred.
また、本実施形態のIII族窒化物結晶基板においては、直径が45mm以上であることが好ましい。実施形態1〜7のIII族窒化物結晶の製造方法によれば、基板の直径を45mm以上のIII族窒化物結晶基板が容易に得られ、基板作製のコストが低減できる。 Moreover, in the group III nitride crystal substrate of this embodiment, it is preferable that a diameter is 45 mm or more. According to the group III nitride crystal manufacturing method of the first to seventh embodiments, a group III nitride crystal substrate having a substrate diameter of 45 mm or more can be easily obtained, and the cost for manufacturing the substrate can be reduced.
(実施形態9)
本発明にかかるIII族窒化物半導体デバイスの一実施形態は、図9を参照して、実施形態8のIII族窒化物結晶基板90を含むIII族窒化物半導体デバイス900であって、III族窒化物結晶基板90上に少なくとも1層のIII族窒化物半導体層99が形成されている。
(Embodiment 9)
One embodiment of a group III nitride semiconductor device according to the present invention is a group III
本実施形態の半導体デバイスは、不純物濃度および転位密度が低く反りが少ないIII族窒化物結晶基板上に形成された不純物濃度および転位密度が低く反りが少ないIII窒化物半導体を有するため、その特性が高い。 Since the semiconductor device of this embodiment has a III nitride semiconductor having a low impurity concentration and a low dislocation density and a low dislocation density formed on a group III nitride crystal substrate with a low warp, the characteristics thereof are low. high.
図9を参照して、本実施形態のIII族窒化物半導体デバイス900は、たとえば、以下の構造を有する。すなわち、GaN結晶基板(III族窒化物結晶基板90)の一方の主面上に、少なくとも1層のIII族窒化物半導体層99として、n型GaN層91、Al0.3Ga0.7N層92、Al0.04Ga0.96N層93、Al0.08Ga0.92N層94、Al0.3Ga0.7N層95およびp型GaN層96が形成されている。また、このp型GaN層96上の一部には、p側電極97が形成されている。また、GaN結晶基板(III族窒化物結晶基板90)の他方の主面上には、n側電極98が形成されている。
Referring to FIG. 9, group III
図9を参照して、本実施形態の半導体デバイスの製造方法は、液相法により成長された第1のIII族窒化物結晶または気相法により成長された第2もしくは第3のIII族窒化物結晶を加工してIII族窒化物結晶基板90を形成する工程と、このIII族窒化物結晶基板90上に気相法により少なくとも1層のIII族窒化物半導体層99を形成する工程とを含む。
Referring to FIG. 9, the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment includes the first group III nitride crystal grown by the liquid phase method or the second or third group III nitride grown by the vapor phase method. Forming a group III
実施形態1〜7において気相法により得られる第2または第3のIII族窒化物結晶は、不純物濃度および転位密度が低く反りが少ないため、半導体デバイスの基板として好適に用いることができる。また、第1のIII族窒化物結晶は、転位密度が低く、また、参考形態1もしくは2のように熱処理することにより、または実施形態2のようにその表面側領域の少なくとも一部を除去することにより、または実施形態7のようにサセプタに接触させることにより、その結晶表面および結晶中の不純物濃度を低減することができるため、半導体デバイスの基板として好適に用いることができる。
The second or third group III nitride crystal obtained by the vapor phase method in the first to seventh embodiments can be suitably used as a substrate for a semiconductor device because the impurity concentration and the dislocation density are low and the warpage is small. In addition, the first group III nitride crystal has a low dislocation density, and heat treatment as in
ここで、図1(c)を参照して、参考形態1または2と同様にして不純物濃度が低減された第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶として少なくとも1層のIII族窒化物半導体層を形成することもできる。また、図6(c1)および(c2)を参照して、実施形態7と同様にして第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶がサセプタに接触することにより不純物濃度が低減された第1のIII族窒化物結晶上に、気相法により第2のIII族窒化物結晶として少なくとも1層のIII族窒化物半導体層を形成することもできる。
Here, referring to FIG. 1C, the second group III nitride is formed on the first group III nitride crystal whose impurity concentration is reduced in the same manner as in
また、III族窒化物結晶基板上に少なくとも1層のIII族窒化物半導体層を形成する気相法としては、特に制限はないが、結晶成長速度の制御が容易で、不純物濃度および転位密度が低い半導体層をエピタキシャル成長させやすい観点から、MOCVD法、MBE(分子線エピタキシ)法などが好ましい。 The vapor phase method for forming at least one group III nitride semiconductor layer on the group III nitride crystal substrate is not particularly limited, but the crystal growth rate can be easily controlled, and the impurity concentration and dislocation density can be reduced. The MOCVD method, the MBE (molecular beam epitaxy) method and the like are preferable from the viewpoint of easy growth of a low semiconductor layer.
(参考例1)
1.フラックス法による第1のIII族窒化物結晶の成長
図1を参照して、まず、下地基板1として、HVPE法により製造された直径50mm×厚さ300μmで結晶成長面が(0001)面であるウルツ鉱型のGaN結晶下地基板を準備した。次に、図1(a)に示すように、このGaN結晶下地基板1上に、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。具体的には、反応容器7であるBN(窒化ホウ素)製の坩堝の底部に上記GaN結晶下地基板1をその(0001)面を上に向けて配置した。次いで、この反応容器7内に、20gの金属Gaと、10gの金属Naと、1gの金属Liとを入れてチャンバー内で875℃まで加熱して、結晶成長用液体2となるGa−Na−Li融液を形成した。このGa−Na−Li融液(結晶成長用液体2)中にガス分圧3.0MPaの窒素ガス(窒素含有ガス3)を30時間供給することにより、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を成長させた。
(Reference Example 1)
1. Growth of First Group III Nitride Crystal by Flux Method Referring to FIG. 1, first, as
この第1のGaN結晶について、TEMを用いた分析による転位密度(TEM分析による転位密度)は、1×107cm-2以下であった。さらに高精度に転位密度を測定するため、この第1のGaN結晶を250℃の燐酸と硫酸の混合溶液に1時間浸漬させて、転位に対応するエッチピットを生成させた。このエッチピットの密度(EPD)で測定される精度が高い転位密度(EPD測定による転位密度)は、3.7×106cm-2であった。これに対して、下地基板1の転位密度は2.0×107cm-2であった。これらのことから、この第1のGaN結晶の転位密度は下地基板に比べて低減されていることがわかった。さらに、第1のGaN結晶中に含まれる不純物をSIMS(2次イオン質量分析法)により評価した。この結果、第1のGaN結晶中には、不純物として、Li原子が2.0×1018cm-3と高濃度に含まれていた。
About this 1st GaN crystal, the dislocation density by the analysis using TEM (dislocation density by the TEM analysis) was 1 × 10 7 cm −2 or less. In order to measure the dislocation density with higher accuracy, the first GaN crystal was immersed in a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid at 250 ° C. for 1 hour to generate etch pits corresponding to the dislocation. The dislocation density (dislocation density by EPD measurement) with high accuracy measured by the density of this etch pit (EPD) was 3.7 × 10 6 cm −2 . On the other hand, the dislocation density of the
2.第1のIII族窒化物結晶の熱処理
次に、図1(b)に示すように、成長させた第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と10gの金属Naを反応容器7に入れ、875℃まで加熱することにより、第1のGaN結晶に接触させる結晶処理用液体4であるNa融液を形成した。すなわち、結晶処理用液体4には、結晶成長用液体2に含まれるNaおよびLiのフラックスのうち、Naは含まれるがLiは含まれていない。このNa融液(結晶処理用液体4)中にガス分圧2.7MPaの窒素ガス(窒素含有ガス3)を250時間供給することにより、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)の熱処理を行なった。この結果、結晶の表面に荒れが起こり、フラックス法により成長させた第1のGaN結晶の厚さが20μm低減し、GaN結晶下地基板1の厚さが15μm低減したが、結晶の破損には至らなかった。上記熱処理がされた第1のGaN結晶中の不純物の濃度は、SIMSにより評価したところ、Li原子の濃度が3.0×1016cm-3と大幅に低減していた。
2. Next, as shown in FIG. 1 (b), the grown first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and 10 g of metal Na are reacted in a reaction vessel. 7 and heated to 875 ° C. to form a Na melt, which is a crystal processing liquid 4 brought into contact with the first GaN crystal. That is, the crystal processing liquid 4 contains Na but not Li among the fluxes of Na and Li contained in the
3.気相法による第2のIII族窒化物結晶の成長
次に、熱処理がされた第1のGaN結晶を塩酸でエッチングした後、純水で洗浄し、イソプロパノール液中で5分間の超音波洗浄を3回行ない、乾燥させるという洗浄を施した。
3. Growth of second group III nitride crystal by vapor phase method Next, the first heat-treated GaN crystal is etched with hydrochloric acid, washed with pure water, and then subjected to ultrasonic cleaning in isopropanol solution for 5 minutes. It was washed 3 times and dried.
次に、図1(c)に示すように、熱処理がされた第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には、第1のGaN結晶上に、1030℃および101kPaの結晶成長条件で、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで30時間供給することにより、第2のGaN結晶を成長させた。この第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。 Next, as shown in FIG. 1C, the second GaN crystal (second group III) is formed on the heat-treated first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) by the HVPE method. Nitride crystals 20) were grown. Specifically, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) are mixed at a molar ratio of 120: 1000: 7000 under the crystal growth conditions of 1030 ° C. and 101 kPa on the first GaN crystal. By supplying at 8120 sccm for 30 hours, a second GaN crystal was grown. The thickness of the second GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.9 mm at the thinnest part.
4.III族窒化物結晶基板の作製
次に、図1(c)および(d)に示すように、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶を、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を6枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1側より、GaN結晶基板U1(A)、V1(A)、V2(A)、V3(A)、V4(A)およびV5(A)とする。ここで、基板U1(A)は第1のGaN結晶および下地基板1で形成され、基板V1(A)、V2(A)、V3(A)、V4(A)およびV5(A)はそれぞれ第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)で形成されている。これらのGaN結晶基板中(基板U1(A)については第1のGaN結晶中)に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表1にまとめた。
4). Production of Group III Nitride Crystal Substrate Next, as shown in FIGS. 1C and 1D, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and a first GaN crystal are formed on a GaN
5.III族窒化物半導体デバイスの作製
次に、図9を参照して、上記の各GaN結晶基板(III族窒化物結晶基板90)を洗浄した後、その一方の主面上に、MOCVD法により、III族窒化物半導体層99として厚さ1μmのn型GaN層91、厚さ10nmのAl0.3Ga0.7N層92、厚さ3nmのAl0.04Ga0.96N層93、厚さ3nmのAl0.08Ga0.92N層94、厚さ10nmのAl0.3Ga0.7N層95および厚さ10μmのp型GaN層96を順次エピタキシャル成長させた。次いで、このp型GaN層96上の一部には、直径が80μmでPd層(厚さ5nm)とAu層(厚さ5nm)による積層構造を持つp側電極97を形成した。また各GaN結晶基板(III族窒化物結晶基板90)の他方の主面上には、Al層(厚さ10nm)とAu層(厚さ10nm)による積層構造を持つn側電極98を形成して、LEDデバイスを得た。これらのLEDデバイスの波長360nmにおける発光ピーク強度を測定し、GaN結晶基板V1(A)を含むLEDデバイスの発光ピーク強度を1.00としたときの各LEDデバイスの相対発光ピーク強度を表2にまとめた。
5. Production of Group III Nitride Semiconductor Device Next, referring to FIG. 9, after cleaning each of the above GaN crystal substrates (Group III nitride crystal substrate 90), on one main surface thereof, by MOCVD method, As the group III
(参考例2)
参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶を成長させた。次に、この第1のGaN結晶を、結晶処理用液体として20gの金属Gaと10gの金属Naから形成されるGa−Na融液を用いたこと以外は、参考例1と同様に熱処理した。この結果、参考例1に見られたような結晶の厚さの低減は認められなかった。この熱処理がされた第1のGaN結晶中の不純物の濃度は、SIMSにより評価したところ、参考例1の場合と同様にLi原子の濃度が3.0×1016cm-3と大幅に低減していた。
(Reference Example 2)
In the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal was grown by a flux method. Next, the first GaN crystal was heat-treated in the same manner as in Reference Example 1 except that a Ga—Na melt formed of 20 g of metal Ga and 10 g of metal Na was used as the crystal processing liquid. As a result, the reduction in crystal thickness as seen in Reference Example 1 was not observed. The impurity concentration in the heat-treated first GaN crystal was evaluated by SIMS. As in the case of Reference Example 1, the Li atom concentration was significantly reduced to 3.0 × 10 16 cm −3. It was.
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した後、その上にHVPE法により第2のGaN結晶を成長させた。得られた第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。次に、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶と第2のGaN結晶が一体化して形成されているIII族窒化物結晶を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を6枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1側より、GaN結晶基板U1(B)、V1(B)、V2(B)、V3(B)、V4(B)およびV5(B)とする。ここで、基板U1(B)は第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)および下地基板1で形成され、基板V1(B)、V2(B)、V3(B)、V4(B)およびV5(B)はそれぞれ第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)で形成されている。これらのGaN結晶基板中(基板U1(B)については第1のGaN結晶中)に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表1にまとめた。
Next, in the same manner as in Reference Example 1, the first GaN crystal was washed, and then a second GaN crystal was grown thereon by the HVPE method. The thickness of the obtained second GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.9 mm at the thinnest part. Next, a group III nitride crystal in which the first GaN crystal and the second GaN crystal are integrally formed on the GaN
次に、各GaN結晶基板の一方の主面上に、参考例1と同様にしてIII族窒化物半導体層を順次エピタキシャル成長させてLEDデバイスを作製した。これらのLEDデバイスの波長360nmにおける発光ピーク強度を測定し、参考例1におけるGaN結晶基板V1(A)を含むLEDデバイスの発光ピーク強度を1.00としたときの各LEDデバイスの相対発光ピーク強度を表2にまとめた。 Next, a group III nitride semiconductor layer was sequentially epitaxially grown on one main surface of each GaN crystal substrate in the same manner as in Reference Example 1 to produce an LED device. The emission peak intensity at a wavelength of 360 nm of these LED devices is measured, and the relative emission peak intensity of each LED device when the emission peak intensity of the LED device including the GaN crystal substrate V1 (A) in Reference Example 1 is 1.00. Are summarized in Table 2.
(比較例1)
参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶を成長させた。次に、得られた第1のGaN結晶を、上記熱処理を行なうことなく、参考例1と同様の方法で洗浄し、その上に参考例1と同様にしてHVPE法により第2のGaN結晶を成長させた。得られた第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。次に、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶と第2のGaN結晶が一体化して形成されているIII族窒化物結晶を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を6枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1側より、GaN結晶基板U1(C)、V1(C)、V2(C)、V3(C)、V4(C)およびV5(C)とする。ここで、基板U1(C)は第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)および下地基板1で形成され、基板V1(C)、V2(C)、V3(C)、V4(C)およびV5(C)はそれぞれ第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)で形成されている。これらのGaN結晶基板中(基板U1(C)については第1のGaN結晶中)に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表1にまとめた。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal was grown by a flux method. Next, the obtained first GaN crystal is washed by the same method as in Reference Example 1 without performing the above heat treatment, and then the second GaN crystal is formed thereon by HVPE as in Reference Example 1. Grown up. The thickness of the obtained second GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.9 mm at the thinnest part. Next, a group III nitride crystal in which the first GaN crystal and the second GaN crystal are integrally formed on the GaN
次に、各GaN結晶基板の一方の主面上に、参考例1と同様にしてIII族窒化物半導体層を順次エピタキシャル成長させてLEDデバイスを作製した。これらのLEDデバイスの波長360nmにおける発光ピーク強度を測定し、参考例1におけるGaN結晶基板V1(A)を含むLEDデバイスの発光ピーク強度を1.00としたときの各LEDデバイスの相対発光ピーク強度を表2にまとめた。 Next, a group III nitride semiconductor layer was sequentially epitaxially grown on one main surface of each GaN crystal substrate in the same manner as in Reference Example 1 to produce an LED device. The emission peak intensity at a wavelength of 360 nm of these LED devices is measured, and the relative emission peak intensity of each LED device when the emission peak intensity of the LED device including the GaN crystal substrate V1 (A) in Reference Example 1 is 1.00. Are summarized in Table 2.
表1より明らかなように、結晶成長用液体に含まれるIII族元素およびフラックスに含有される元素のうち、フラックスに含まれる少なくとも1種類の元素、より好ましくはフラックスに含まれる少なくとも1種類の元素およびIII族元素を含む結晶処理用液体中で、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶を熱処理することにより、第1のIII族窒化物結晶中および表面の不純物濃度を著しく低減することができた。また、不純物濃度が低減された第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させることにより、転位密度が低く、反りが少なく、かつ不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。また、表2から明らかなように、かかる第2のIII族窒化物結晶から得られるIII族窒化物結晶基板上に少なくとも1層以上のIII族窒化物半導体層を形成して得られる半導体デバイス(たとえばLEDデバイス)は、特性(たとえば発光強度)が高くなった。 As is apparent from Table 1, among group III elements contained in the crystal growth liquid and elements contained in the flux, at least one element contained in the flux, more preferably at least one element contained in the flux And heat treatment of the first group III nitride crystal grown by the flux method in a crystal processing liquid containing a group III element and a group III element, thereby significantly reducing the impurity concentration in the first group III nitride crystal and on the surface. We were able to. Further, by growing the second group III nitride crystal by the vapor phase method on the first group III nitride crystal with the reduced impurity concentration, the dislocation density is low, the warp is small, and the impurity concentration is low. A second group III nitride crystal is obtained. As is apparent from Table 2, a semiconductor device obtained by forming at least one group III nitride semiconductor layer on a group III nitride crystal substrate obtained from the second group III nitride crystal ( For example, LED devices have higher characteristics (for example, emission intensity).
(実施例1)
1.フラックス法による第1のGaN結晶の成長
図2(a)を参照して、結晶成長用液体2として、20gの金属Gaと、10gの金属Naと、0.5gの金属Liから形成されるGa−Na−Li融液を用いたこと、結晶成長時間を150時間としたこと以外は、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を厚さ約500μmに成長させた。得られた第1のGaN結晶の表面には、不純物であるLi原子の濃度は5.0×1016cm-3と低かったが、大きな凹凸が見られ、第1のGaN結晶において、最も厚い部分の厚さは550μm、最も薄い部分の厚さは350μmであり、その高低差は200μmに及んだ。
Example 1
1. Growth of first GaN crystal by flux method Referring to FIG. 2 (a), as
2.第1のGaN結晶の表面加工
次に、図2(b)を参照して、この第1のGaN結晶の表面を、ダイヤモンド砥粒を用いて、表面粗さRaが5nm以下になるように研磨加工した。次いで、表面を研磨した第1のGaN結晶の表面を、塩素ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)により3μm程度エッチングすることにより、上記ダイヤモンド砥粒による研磨加工により導入された加工変質層を完全に除去した。
2. Next, referring to FIG. 2B, the surface of the first GaN crystal is polished by using diamond abrasive grains so that the surface roughness Ra is 5 nm or less. processed. Next, the surface of the first GaN crystal whose surface has been polished is etched by about 3 μm by RIE (reactive ion etching) using chlorine gas, so that the work-affected layer introduced by the polishing process using the diamond abrasive grains is performed. Completely removed.
上記表面処理後の第1のGaN結晶の反りは、表面加工していない裏面側から触針式段差形を用いて直径50mmにわたって走査させ測定したところ、下に凸であり、その曲率半径は2.2mであった。 The warpage of the first GaN crystal after the surface treatment was measured by scanning over a diameter of 50 mm using a stylus type step shape from the back side not subjected to surface processing, and was convex downward, and its curvature radius was 2 .2 m.
3.気相法による第2のIII族窒化物結晶の成長
図2(c)を参照して、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を洗浄した後、その上にHVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には第1のGaN結晶上に、1030℃および101kPaの結晶成長条件で、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで30時間供給することにより、第2のGaN結晶を成長させた。この第2のGaN結晶の厚さは3.0mmで、その表面は平坦であった。また、この第2のGaN結晶の反りは、下に凸であり、その曲率半径は5.5mであった。また、この第2のGaN結晶は、TEM分析による転位密度が1×107cm-2以下であり、EPD測定による転位密度が3.7×106cm-2であった。また、この第2のGaN結晶は、ラマン分光によっては結晶の歪みが観察されなかった。
3. Growth of Second Group III Nitride Crystal by Vapor Phase Method Referring to FIG. 2C, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) is cleaned in the same manner as in Reference Example 1. Then, a second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown thereon by HVPE. Specifically, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) in a molar ratio of 120: 1000: 7000 and a total gas amount of 8120 sccm on the first GaN crystal under crystal growth conditions of 1030 ° C. and 101 kPa. For 30 hours to grow a second GaN crystal. The thickness of the second GaN crystal was 3.0 mm, and the surface was flat. The warpage of the second GaN crystal was convex downward, and the radius of curvature was 5.5 m. Further, this second GaN crystal had a dislocation density of 1 × 10 7 cm −2 or less by TEM analysis and a dislocation density of 3.7 × 10 6 cm −2 by EPD measurement. Further, no distortion of the crystal was observed in the second GaN crystal by Raman spectroscopy.
(比較例2)
実施例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶を厚さ約500μmに成長させた。得られた第1のGaN結晶の表面には、実施例1と同様に、不純物であるLi濃度は5.0×1016cm-3と低かったが、大きな凹凸が見られ、第1のGaN結晶において、最も厚い部分の厚さは550μm、最も薄い部分の厚さは350μmであった。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, the first GaN crystal was grown to a thickness of about 500 μm by the flux method. On the surface of the obtained first GaN crystal, as in Example 1, the Li concentration as an impurity was as low as 5.0 × 10 16 cm −3 , but large irregularities were observed, and the first GaN crystal was observed. In the crystal, the thickness of the thickest part was 550 μm, and the thickness of the thinnest part was 350 μm.
次に、この第1のGaN結晶を、その表面加工を行なうことなく、実施例1と同様に洗浄した。洗浄後の第1のGaN結晶上に、実施例1と同様にHVPE法により第2のGaN結晶を成長させた。第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.5mmであった。また、この第2のGaN結晶は、曲率半径が1.5mの下に凸の大きな反りが発生していた。このことは、この第2のGaN結晶をスライスした場合、III族窒化物半導体結晶基板としては、実用に耐えない大きな結晶方位の分布が付くことを示すものである。 Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Example 1 without performing surface processing. A second GaN crystal was grown on the cleaned first GaN crystal by the HVPE method in the same manner as in Example 1. The thickness of the second GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.5 mm at the thinnest part. In addition, the second GaN crystal had a large convex warp with a radius of curvature of 1.5 m. This indicates that when the second GaN crystal is sliced, the group III nitride semiconductor crystal substrate has a large crystal orientation distribution that cannot be practically used.
この第2のGaN結晶には、不純物の分布に起因する応力の発生が起こっていることが、ラマン分光ならびに、X線回折を用いて観察された。また、この第2のGaN結晶は、TEM分析による転位密度が1×107cm-2以下であり、EPD測定による転位密度が3.7×106cm-2であった。 In the second GaN crystal, it was observed using Raman spectroscopy and X-ray diffraction that stress was generated due to the distribution of impurities. Further, this second GaN crystal had a dislocation density of 1 × 10 7 cm −2 or less by TEM analysis and a dislocation density of 3.7 × 10 6 cm −2 by EPD measurement.
本比較例において、第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶)に歪みが発生するのは、図10を参照して、以下の理由によるものと考えられる。図10(a)を参照して、下地基板1上にフラックス法によりIII族窒化物結晶を厚く成長させると、この第1のIII族窒化物結晶(第1のIII族窒化物結晶10)の表面に凹凸が発生し、下地基板1の主面に対して平行なc面10cと平行でないファセット10fとが現われる。
In this comparative example, it is considered that the distortion occurs in the second GaN crystal (second group III nitride crystal) for the following reason with reference to FIG. Referring to FIG. 10A, when a group III nitride crystal is grown thickly on the
図10(b)〜(d)を参照して、結晶表面にc面10cとファセット10fを有する第1のIII族窒化物結晶10上に気相法により第2のIII族窒化物結晶20を成長させると、c面10c上には炭素原子濃度が高い炭素高濃度含有領域20cが形成され、ファセット10f上には酸素原子濃度が高い酸素高濃度含有領域20dが形成される。ここで、炭素高濃度含有領域20cと酸素高濃度含有領域20dとは、格子定数および熱膨張率が異なるため、内部応力が発生し、結晶に歪み領域12hが発生する。
Referring to FIGS. 10B to 10D, a second group
(実施例2)
図3(a)を参照して、結晶成長時間を60時間としたこと以外は、参考例1と同様に、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ180μmに成長させた。この第1のGaN結晶は、その表面の凹凸は見られなかったが、その表面近傍に黒褐色の着色が見られた。表面から深さ方向にSIMS分析をしたところ、表面では不純物であるLi原子の濃度が1.0×1018cm-3と高濃度に含まれていたが、表面からの深さが20μmの位置ではLi原子の濃度は6.0×1016cm-3に低減していた。
(Example 2)
Referring to FIG. 3A, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) is thickened by the flux method in the same manner as in Reference Example 1 except that the crystal growth time is 60 hours. The film was grown to 180 μm. The first GaN crystal had no irregularities on the surface, but was colored black brown in the vicinity of the surface. When SIMS analysis was performed in the depth direction from the surface, the concentration of Li atoms as impurities on the surface was as high as 1.0 × 10 18 cm −3 , but the depth from the surface was 20 μm. In this case, the concentration of Li atoms was reduced to 6.0 × 10 16 cm −3 .
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。次いで、図3(b)を参照して、洗浄された第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)をHVPE装置の結晶成長容器に配置して、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)の表面側領域10aを気相エッチングにより除去した。具体的には、1030℃、101kPaで、HClガスとH2ガス(キャリアガス)との混合ガス(モル比は1000:7000)を、全ガス流量8000sccmで1時間供給し、次いで、1030℃、101kPaで、NH3ガスとH2ガス(キャリアガス)との混合ガス(モル比は1000:7000)を、全ガス流量8000sccmで30分間供給することにより、第1のGaN結晶の表面から20μmの深さまでの表面側領域10aをエッチングにより除去した。
Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Reference Example 1. Next, referring to FIG. 3B, the cleaned first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) is placed in the crystal growth vessel of the HVPE apparatus, and the first GaN crystal (first The surface-
次に、図3(c)を参照して、上記気相エッチングがされた第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、参考例1と同様にして、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には、第1のGaN結晶上に、1030℃および101kPaの結晶成長条件で、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで30時間供給することにより、第2のGaN結晶を成長させた。この第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。 Next, referring to FIG. 3 (c), on the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) subjected to the above-mentioned vapor phase etching, in the same manner as in Reference Example 1, the HVPE method is used. A second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown. Specifically, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) are mixed at a molar ratio of 120: 1000: 7000 under the crystal growth conditions of 1030 ° C. and 101 kPa on the first GaN crystal. By supplying at 8120 sccm for 30 hours, a second GaN crystal was grown. The thickness of the second GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.9 mm at the thinnest part.
次に、図3(c)および(d)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第2のGaN結晶部分を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板V1(D)、V2(D)、V3(D)、V4(D)およびV5(D)とする。これらのGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を比較例1の結果とともに表3にまとめた。
Next, referring to FIGS. 3C and 3D, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and a second GaN crystal (second The second GaN crystal portion of the group III nitride crystal formed integrally with the group III nitride crystal 20) is sliced in parallel to the (0001) plane in the same manner as in Reference Example 1, and further the surface. The five GaN crystal substrates having a thickness of 300 μm and a surface roughness Ra of 0.01 μm were obtained. These GaN crystal substrates are referred to as GaN crystal substrates V1 (D) , V2 (D) , V3 (D) , V4 (D), and V5 (D) from the side closer to the
表3から明らかなように、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶の表面側領域の少なくとも一部を除去した後、その第1のIII族窒化物結晶上にHVPE法などの気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させることにより、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。 As apparent from Table 3, after removing at least a part of the surface side region of the first group III nitride crystal grown by the flux method, the HVPE method or the like is formed on the first group III nitride crystal. By growing the second group III nitride crystal by a vapor phase method, a second group III nitride crystal having a low impurity concentration can be obtained.
(実施例3)
図4(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。
(Example 3)
4A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 100 μm by the flux method.
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。次いで、図4(b)を参照して、洗浄された第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、結晶成長時間を60時間としたこと以外は参考例1と同様にして、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には、第1のGaN結晶上に、1030℃および101kPaの結晶成長条件で、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで60時間供給することにより、厚さ約6.5mmの第2のGaN結晶を得た。 Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Reference Example 1. Next, referring to FIG. 4B, the same procedure as in Reference Example 1 is performed except that the crystal growth time is set to 60 hours on the cleaned first GaN crystal (first group III nitride crystal 10). Then, the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown by the HVPE method. Specifically, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) are mixed at a molar ratio of 120: 1000: 7000 under the crystal growth conditions of 1030 ° C. and 101 kPa on the first GaN crystal. By supplying at 8120 sccm for 60 hours, a second GaN crystal having a thickness of about 6.5 mm was obtained.
次に、図4(b)および(c)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第2のGaN結晶部分を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を11枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板V1(E)、V2(E)、V3(E)、V4(E)、V5(E)、V6(E)、V7(E)、V8(E)、V9(E)、V10(E)およびV11(E)とする。これらのGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表4にまとめた。ここで、GaN結晶基板V7(E)は、第2のGaN結晶の結晶成長開始面から3.5mm(3500μm)よりも大きい距離に位置する。
4B and 4C, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and the second GaN crystal (second GaN crystal) are formed on the GaN
次に、上記の各GaN結晶基板を洗浄した後、参考例1と同様にして、各GaN結晶基板をそれぞれ含む各LEDデバイスを作製した。各LEDデバイスの波長360nmにおける発光ピーク強度を測定し、参考例1におけるGaN結晶基板V1(A)を含むLEDデバイスの発光ピーク強度を1.00としたときの各LEDデバイスの相対発光ピーク強度を表5にまとめた。 Next, after each GaN crystal substrate was washed, each LED device including each GaN crystal substrate was fabricated in the same manner as in Reference Example 1. The emission peak intensity at a wavelength of 360 nm of each LED device is measured, and the relative emission peak intensity of each LED device when the emission peak intensity of the LED device including the GaN crystal substrate V1 (A) in Reference Example 1 is set to 1.00. Table 5 summarizes.
表4において、第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶)の結晶成長開始面から3500μmよりも大きい距離に位置するGaN結晶基板V7(E)〜V11(E)において不純物であるLi原子が検出されなかったことから、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上に、HVPE法などの気相法により第2のIII族窒化物結晶を3500μmよりも厚く成長させることにより、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶が得られることがわかる。また、表4および表5から、不純物濃度が低いIII族窒化物結晶基板を用いたLEDは、それ以外のLEDに比べて、発光強度が高くなったことがわかる。 In Table 4, Li which is an impurity in the GaN crystal substrates V7 (E) to V11 (E) located at a distance larger than 3500 μm from the crystal growth start surface of the second GaN crystal (second group III nitride crystal) Since no atoms were detected, the second group III nitride crystal is grown to a thickness of more than 3500 μm on the first group III nitride crystal grown by the flux method by a vapor phase method such as the HVPE method. Thus, it can be seen that a second group III nitride crystal having a low impurity concentration can be obtained. Also, from Tables 4 and 5, it can be seen that the LED using the group III nitride crystal substrate having a low impurity concentration has higher emission intensity than other LEDs.
(実施例4)
図5(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。
Example 4
Referring to FIG. 5A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 100 μm by a flux method.
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。次いで、図5(b)を参照して、洗浄された第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、結晶成長時間を2時間としたこと以外は参考例1と同様にして、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には、第1のGaN結晶上に、1030℃および101kPaの結晶成長条件で、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで2時間供給することにより、厚さ約200μmの第2のGaN結晶を得た。 Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Reference Example 1. Next, referring to FIG. 5B, the same as in Reference Example 1 except that the crystal growth time was set to 2 hours on the cleaned first GaN crystal (first group III nitride crystal 10). Then, the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown by the HVPE method. Specifically, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) are mixed at a molar ratio of 120: 1000: 7000 under the crystal growth conditions of 1030 ° C. and 101 kPa on the first GaN crystal. By supplying at 8120 sccm for 2 hours, a second GaN crystal having a thickness of about 200 μm was obtained.
次に、図5(c)を参照して、この第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を結晶成長炉から取り出し、第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)の表面にダイヤモンド砥粒による機械的研磨加工を行ない、結晶表面から50μmまでの距離までの表面側領域20aを除去した。 Next, referring to FIG. 5C, the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) is taken out of the crystal growth furnace, and the second GaN crystal (second group III nitride) is taken out. The surface of the crystal 20) was mechanically polished with diamond abrasive grains to remove the surface side region 20a up to a distance of 50 μm from the crystal surface.
次に、図5(d)を参照して、表面研磨された第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)上にHVPE法により第3のGaN結晶(第3のIII族窒化物結晶30)を成長させた。ここで、結晶成長条件は、結晶成長時間を30時間としたこと以外は、本実施例における第2のGaN結晶の成長条件と同じとした。得られた第3のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。 Next, referring to FIG. 5D, a third GaN crystal (third group III nitride) is formed on the surface-polished second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) by HVPE. A crystal 30) was grown. Here, the crystal growth conditions were the same as the growth conditions of the second GaN crystal in this example except that the crystal growth time was 30 hours. The thickness of the obtained third GaN crystal was 3.0 mm at the thickest part and 2.9 mm at the thinnest part.
次に、図5(d)および(e)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)と第3のGaN結晶(第3のIII族窒化物結晶30)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第3のGaN結晶部分を、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板W1(F)、W2(F)、W3(F)、W4(F)およびW5(F)とする。これらのGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を比較例1の結果とともに表6にまとめた。
Next, referring to FIGS. 5D and 5E, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and the second GaN crystal (second The third GaN crystal portion of the group III nitride crystal formed by integrating the group III nitride crystal 20) and the third GaN crystal (third group III nitride crystal 30) is represented by its (0001) Slicing was performed in parallel to the surface, and the surface was further polished to obtain five GaN crystal substrates having a thickness of 300 μm and a surface roughness Ra of 0.01 μm. These GaN crystal substrates are referred to as GaN crystal substrates W1 (F) , W2 (F) , W3 (F) , W4 (F), and W5 (F) from the side closer to the
次に、上記の各GaN結晶基板を洗浄した後、参考例1と同様にして、各GaN結晶基板をそれぞれ含む各LEDデバイスを作製した。各LEDデバイスの波長360nmにおける発光ピーク強度を測定し、参考例1におけるGaN結晶基板V1(A)を含むLEDデバイスの発光ピーク強度を1.00としたときの各LEDデバイスの相対発光ピーク強度を比較例1における相対発光ピーク強度とともに表7にまとめた。 Next, after each GaN crystal substrate was washed, each LED device including each GaN crystal substrate was fabricated in the same manner as in Reference Example 1. The emission peak intensity at a wavelength of 360 nm of each LED device is measured, and the relative emission peak intensity of each LED device when the emission peak intensity of the LED device including the GaN crystal substrate V1 (A) in Reference Example 1 is set to 1.00. The relative emission peak intensities in Comparative Example 1 are summarized in Table 7.
表6から明らかなように、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上にHVPE法などの気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させ、この第2のIII族窒化物結晶の表面側領域の少なくとも一部を除去し、かかる除去がされた第2のIII族窒化物結晶上にHVPE法などの気相法により第3のIII族窒化物結晶を成長させることにより、不純物濃度が低い第3のIII族窒化物結晶が得られる。また、表6および7から明らかなように、不純物濃度が低いIII族窒化物結晶基板を用いたLEDは、それ以外のLEDに比べて、発光強度が高くなる。 As is apparent from Table 6, a second group III nitride crystal is grown on the first group III nitride crystal grown by the flux method by a vapor phase method such as the HVPE method. Removing at least a part of the surface side region of the nitride crystal and growing a third group III nitride crystal on the second group III nitride crystal thus removed by a vapor phase method such as an HVPE method; As a result, a third group III nitride crystal having a low impurity concentration is obtained. Further, as is clear from Tables 6 and 7, the LED using the group III nitride crystal substrate having a low impurity concentration has a higher emission intensity than other LEDs.
(実施例5)
図4(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。
(Example 5)
4A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 100 μm by the flux method.
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。次いで、図4(b)を参照して、洗浄された第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。 Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Reference Example 1. Next, referring to FIG. 4B, a second GaN crystal (second group III nitride) is formed on the cleaned first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) by the HVPE method. Crystals 20) were grown.
上記第2のGaN結晶の成長は、まず、930℃(第1の結晶成長温度)、101kPaで、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで3時間供給することにより、厚さ約200μmのGaN結晶(GaN結晶II−Aという、実施例5において同じ)を成長させた。次いで、1030℃(第2の結晶成長温度)、101kPaで、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで30時間供給することにより、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmの厚さのGaN結晶(GaN結晶II−Bという、実施例5において同じ)を成長させた。 In the growth of the second GaN crystal, first, at 930 ° C. (first crystal growth temperature) and 101 kPa, GaCl gas, NH 3 gas and H 2 gas (carrier gas) are in a molar ratio of 120: 1000: 7000, By supplying a total gas amount of 8120 sccm for 3 hours, a GaN crystal having a thickness of about 200 μm (referred to as GaN crystal II-A in Example 5) was grown. Next, at 1030 ° C. (second crystal growth temperature) and 101 kPa, GaCl gas, NH 3 gas and H 2 gas (carrier gas) are supplied at a molar ratio of 120: 1000: 7000 for a total gas amount of 8120 sccm for 30 hours. Thus, a GaN crystal (GaN crystal II-B, the same as in Example 5) having a thickness of 3.0 mm at the thickest portion and 2.9 mm at the thinnest portion was grown.
次に、図4(b)および(c)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(GaN結晶II−AおよびGaN結晶II−B、第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶のGaN結晶II−Bの部分を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板V1(G、V2(G)、V3(G)、V4(G)およびV5(G)とする。これらのGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表8にまとめた。
Next, referring to FIGS. 4B and 4C, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and the second GaN crystal (GaN crystal II) are formed on the GaN
(実施例6)
図4(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。
(Example 6)
4A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 100 μm by the flux method.
次に、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。次いで、図4(b)を参照して、洗浄された第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上に、HVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。 Next, the first GaN crystal was washed in the same manner as in Reference Example 1. Next, referring to FIG. 4B, a second GaN crystal (second group III nitride) is formed on the cleaned first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) by the HVPE method. Crystals 20) were grown.
上記第2のGaN結晶成長は、まず、1030℃、101kPaで、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比240:1000:7000で、全ガス量8240sccmで1時間供給することにより、厚さ約200μmのGaN結晶(GaN結晶II−Cという、実施例6において同じ)を成長させた。すなわち、このときの結晶成長速度(第1の結晶成長速度)は、約200μm/hrであった。 In the second GaN crystal growth, first, GaCl gas, NH 3 gas and H 2 gas (carrier gas) are supplied at a molar ratio of 240: 1000: 7000 and a total gas amount of 8240 sccm for 1 hour at 1030 ° C. and 101 kPa. As a result, a GaN crystal having a thickness of about 200 μm (referred to as GaN crystal II-C in Example 6) was grown. That is, the crystal growth rate (first crystal growth rate) at this time was about 200 μm / hr.
次いで、1030℃、101kPaで、GaClガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)をモル比120:1000:7000で、全ガス量8120sccmで30時間供給することにより、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmの厚さのGaN結晶(GaN結晶II−Dという、実施例6において同じ)を成長させた。すなわち、このときの結晶成長速度(第2の結晶成長速度)は約100μm/hrであった。 Next, at 1030 ° C. and 101 kPa, GaCl gas, NH 3 gas, and H 2 gas (carrier gas) are supplied at a molar ratio of 120: 1000: 7000 at a total gas amount of 8120 sccm for 30 hours, whereby 3. A GaN crystal (GaN crystal II-D, the same as in Example 6) having a thickness of 0 mm and a thickness of 2.9 mm at the thinnest part was grown. That is, the crystal growth rate (second crystal growth rate) at this time was about 100 μm / hr.
次に、図4(b)および(c)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(GaN結晶II−CおよびGaN結晶II−D、第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶のGaN結晶II−Dの部分を、参考例1と同様にして、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板V1(H)、V2(H)、V3(H)、V4(H)およびV5(H)とする。これらのGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMS法により評価した。結果を表8にまとめた。
Next, referring to FIGS. 4B and 4C, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and the second GaN crystal (GaN crystal II) are formed on the GaN
表8より明らかなように、フラックス法により成長された第1のIII族窒化物結晶上にHVPE法などの気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる工程を、結晶成長条件を変えた2つの工程として、初めの工程における第1の結晶成長温度を低くするか、初めの工程における第1の結晶成長速度を高くすることにより、不純物濃度の低い第2のIII族窒化物結晶が得られる。 As apparent from Table 8, the step of growing the second group III nitride crystal by the vapor phase method such as the HVPE method on the first group III nitride crystal grown by the flux method, As the two changed steps, the second group III nitride crystal having a low impurity concentration can be obtained by lowering the first crystal growth temperature in the first step or increasing the first crystal growth rate in the first step. Is obtained.
(実施例7)
図6(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ100μmに成長させた。
(Example 7)
Referring to FIG. 6A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first Group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 100 μm by a flux method.
次に、図6(c1)を参照して、参考例1と同様にして第1のGaN結晶を洗浄した後、厚さ100μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)が形成されているGaN結晶下地基板1(これが、第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶に該当する、以下同じ)を厚さ1mmのカーボン製のサセプタ9に接触させて、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上にHVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。結晶成長条件は、参考例1と同様とした。得られた第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。
Next, referring to FIG. 6C1, the first GaN crystal is washed in the same manner as in Reference Example 1, and then the first GaN crystal (first Group III nitride crystal 10) having a thickness of 100 μm is obtained. A GaN
次に、図6(c1)および(d1)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第2のGaN結晶部分を、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板1に近い側より、GaN結晶基板V1(I)、V2(I)、V3(I)、V4(I)およびV5(I)とする。このGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMS法により評価した。結果を表9にまとめた。
Next, referring to FIGS. 6 (c1) and (d1), a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and a second GaN crystal (second The second GaN crystal portion of the group III nitride crystal formed integrally with the group III nitride crystal 20) is sliced parallel to the (0001) plane, and the surface is polished to obtain a thickness. 5 GaN crystal substrates having a surface roughness Ra of 0.01 μm and a surface roughness Ra of 300 μm were obtained. These GaN crystal substrates are referred to as GaN crystal substrates V1 (I) , V2 (I) , V3 (I) , V4 (I), and V5 (I) from the side closer to the
(実施例8)
図6(a)を参照して、結晶成長時間を130時間としたこと以外は参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ450μmに成長させた。
(Example 8)
Referring to FIG. 6A, the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) is thickened by the flux method in the same manner as in Reference Example 1 except that the crystal growth time is 130 hours. The film was grown to 450 μm.
次に、図6(b)を参照して、GaN結晶下地基板1と第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)との界面から第1のGaN結晶内に100μmの距離にある面で(0001)面に平行に、切りしろが100μmであるスライサーによって、第1のGaN結晶をスライスして、下地基板1上に形成された厚さ50μmの第1のGaN結晶と厚さ300μmの第1のGaN結晶とを得た。これらの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶)の上記スライス面を研磨した後、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。
Next, referring to FIG. 6B, the distance of 100 μm from the interface between the GaN
次に、図6(c1)または(c2)を参照して、上記のようにして得られた2つの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)のそれぞれの上に、以下のようにしてHVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。以下、下地基板1上に形成された厚さ50μmの第1のGaN結晶上に第2のGaN結晶を成長させる例を実施例8−1として、厚さ300μmの第1のGaN結晶上に第2のGaN結晶を成長させる例を実施例8−2として説明する。
Next, referring to FIG. 6 (c1) or (c2), on each of the two first GaN crystals (first group III nitride crystal 10) obtained as described above, In this manner, the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown by the HVPE method. Hereinafter, as Example 8-1 in which a second GaN crystal is grown on a first GaN crystal having a thickness of 50 μm formed on the
(実施例8−1)
図6(c1)を参照して、厚さ50μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)が形成されているGaN結晶下地基板1を、結晶に接触する領域(結晶接触領域9c)がpBN(熱分解窒化ホウ素)でその表面が平坦になるようにコーティングされた厚さ1mmのカーボン製のサセプタ9に接触させて、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上にHVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。結晶成長条件は、参考例1と同様とした。得られた第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。
(Example 8-1)
Referring to FIG. 6 (c1), the GaN
次に、図6(c1)および(d1)を参照して、GaN結晶下地基板1上に第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第2のGaN結晶部分を、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、下地基板に近い側より、GaN結晶基板V1(J)、V2(J)、V3(J)、V4(J)およびV5(J)とする。このGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表9にまとめた。 Next, referring to FIGS. 6 (c1) and (d1), a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and a second GaN crystal (second The second GaN crystal portion of the group III nitride crystal formed integrally with the group III nitride crystal 20) is sliced parallel to the (0001) plane, and the surface is polished to obtain a thickness. 5 GaN crystal substrates having a surface roughness Ra of 0.01 μm and a surface roughness Ra of 300 μm were obtained. These GaN crystal substrates are referred to as GaN crystal substrates V1 (J) , V2 (J) , V3 (J) , V4 (J), and V5 (J) from the side closer to the base substrate. Impurities contained in the GaN crystal substrate were evaluated by SIMS. The results are summarized in Table 9.
(実施例8−2)
図6(c2)を参照して、厚さ300μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を、結晶に接触する領域(結晶接触領域9c)がpBN(熱分解窒化ホウ素)でその表面が平坦になるようにコーティングされた厚さ1mmのカーボン製のサセプタ9に接触させて、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上にHVPE法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。結晶成長条件は、参考例1と同様とした。得られた第2のGaN結晶の厚さは、最も厚い部分で3.0mm、最も薄い部分で2.9mmであった。
(Example 8-2)
Referring to FIG. 6 (c2), the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) having a thickness of 300 μm has a region (
次に、図6(c2)および(d2)を参照して、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)と第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)が一体化して形成されているIII族窒化物結晶の第2のGaN結晶部分を、その(0001)面に平行にスライスし、さらに表面の研磨加工を行ない、厚さが300μmで、表面粗さRaが0.01μmであるGaN結晶基板を5枚得た。これらのGaN結晶基板を、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)に近い側より、GaN結晶基板V1(K)、V2(K)、V3(K)、V4(K)およびV5(K)とする。このGaN結晶基板中に含まれる不純物をSIMSにより評価した。結果を表9にまとめた。
Next, referring to FIGS. 6 (c2) and (d2), the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) and the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20). The second GaN crystal portion of the group III nitride crystal formed integrally is sliced parallel to the (0001) plane, and the surface is further polished to a thickness of 300 μm and a surface roughness. Five GaN crystal substrates having Ra of 0.01 μm were obtained. From these GaN crystal substrates, the GaN crystal substrates V1 (K) , V2 (K) , V3 (K) , V4 (K) from the side closer to the first GaN crystal (first group
表9より明らかなように、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる際に、第1のIII族窒化物結晶をサセプタに接触させて、第1のIII族窒化物結晶中の不純物を前記サセプタ中に拡散させることにより、不純物濃度が低い第2のIII族窒化物結晶およびIII族窒化物基板が得られる。図6(c)を参照して、特に、サセプタ9として、少なくとも第1のIII族窒化物結晶10に接触する領域(結晶接触領域9c)が窒化物で形成されているものを用いることにより、第2のIII族窒化物結晶およびIII族窒化物基板の不純物濃度をより低減することができる。
As apparent from Table 9, when the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the flux method, the first group III nitride crystal is grown. Is brought into contact with the susceptor to diffuse the impurities in the first group III nitride crystal into the susceptor, thereby obtaining the second group III nitride crystal and group III nitride substrate having a low impurity concentration. With reference to FIG. 6C, in particular, by using a susceptor 9 in which at least a region (
(実施例9)
図6(a)を参照して、参考例1と同様にして、フラックス法により第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を厚さ450μmに成長させた。
Example 9
Referring to FIG. 6A, in the same manner as in Reference Example 1, a first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) was grown to a thickness of 450 μm by a flux method.
次に、図6(b)を参照して、GaN結晶下地基板1と第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)との界面から第1のGaN結晶内に100μmの距離にある面で(0001)面に平行に第1のGaN結晶をスライスして、下地基板1上に形成された厚さ50μmの第1のGaN結晶と厚さ300μmの第1のGaN結晶とを得た。これらの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶)の上記スライス面を研磨した後、参考例1と同様にして、第1のGaN結晶を洗浄した。
Next, referring to FIG. 6B, the distance of 100 μm from the interface between the GaN
次に、図6(c1)または(c2)を参照して、上記のようにして得られた2つの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)のそれぞれの上に、以下のようにしてMOCVD法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。以下、下地基板1上に形成された厚さ50μmの第1のGaN結晶上に第2のGaN結晶を成長させる例を実施例9−1として、厚さ300μmの第1のGaN結晶上に第2のGaN結晶を成長させる例を実施例9−2として説明する。
Next, referring to FIG. 6 (c1) or (c2), on each of the two first GaN crystals (first group III nitride crystal 10) obtained as described above, In this manner, the second GaN crystal (second group III nitride crystal 20) was grown by the MOCVD method. Hereinafter, as Example 9-1 in which a second GaN crystal is grown on a first GaN crystal having a thickness of 50 μm formed on the
(実施例9−1)
図6(c1)を参照して、厚さ50μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)が形成されているGaN結晶下地基板1を、結晶に接触する領域(結晶接触領域9c)がpBN(熱分解窒化ホウ素)でその表面が平坦になるようにコーティングされた厚さ1mmのカーボン製のサセプタ9に接触させて、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上にMOCVD法により第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。具体的には、第1のGaN結晶上に、1100℃および101kPaの結晶成長条件で、TMG(トリメチルガリウム)ガスとNH3ガスとH2ガス(キャリアガス)とN2ガス(キャリアガス)をモル比1:2000:7000:9000で、全ガス量40000sccmで2時間供給することにより、厚さ6μmの第2のGaN結晶が得られた。第1のGaN結晶、第2のGaN結晶および第2のGa結晶成長前後のサセプタ表面における不純物濃度をSIMSにより評価した。結果を表10にまとめた。
(Example 9-1)
Referring to FIG. 6 (c1), the GaN
(実施例9−2)
図6(c2)を参照して、厚さ300μmの第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)を、結晶に接触する領域(結晶接触領域9c)がpBN(熱分解窒化ホウ素)でその表面が平坦になるようにコーティングされた厚さ1mmのカーボン製のサセプタ9に接触させて、第1のGaN結晶(第1のIII族窒化物結晶10)上にMOCVD法により実施例9−1と同様にして第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶20)を成長させた。これにより、厚さ6μmの第2のGaN結晶が得られた。第1のGaN結晶、第2のGaN結晶および第2のGaN結晶成長前後のサセプタ表面における不純物濃度をSIMSにより評価した。結果を表10にまとめた。
(Example 9-2)
Referring to FIG. 6 (c2), the first GaN crystal (first group III nitride crystal 10) having a thickness of 300 μm has a region (
表10に示すように、フラックス法により成長させた第1のIII族窒化物結晶上に気相法により第2のIII族窒化物結晶を成長させる際に、第1のIII族窒化物結晶を含むIII族窒化物結晶をサセプタに接触させると、サセプタ表面の不純物濃度は、第2のGaN結晶成長前は不純物であるLi原子が検出されなかったが、第2のGaN結晶(第2のIII族窒化物結晶)成長後はLi原子の濃度が3.0×1017cm-3または2.0×1017cm-3に増大した。また、これにより、第1のGaN結晶に比べて、不純物濃度が低減された第2のGaN結晶が得られることがわかった。 As shown in Table 10, when the second group III nitride crystal is grown by the vapor phase method on the first group III nitride crystal grown by the flux method, the first group III nitride crystal is When the containing group III nitride crystal was brought into contact with the susceptor, the impurity concentration on the susceptor surface was not detected as Li atoms as impurities before the second GaN crystal growth, but the second GaN crystal (second III After the growth of the group nitride crystal), the concentration of Li atoms increased to 3.0 × 10 17 cm −3 or 2.0 × 10 17 cm −3 . In addition, it was found that a second GaN crystal with a reduced impurity concentration was obtained compared to the first GaN crystal.
(実施例10)
下地基板1として、HVPE法により製造された直径50mm×厚さ300μmで結晶成長面が(0001)面であるウルツ鉱型のGaN結晶下地基板に替えて、研磨された直径50mmのサファイア基板の(0001)面上にMOCVD法によりGaN結晶薄膜を3μm成長させた基板を用いたこと以外は、実施例1〜9と同様にしてGaN結晶基板およびLEDを作製したところ、実施例1〜9と同様の結果が得られた。
(Example 10)
Instead of a wurtzite type GaN crystal base substrate having a diameter of 50 mm × thickness of 300 μm and a crystal growth surface of (0001) manufactured by the HVPE method, the
(実施例11)
下地基板1として、以下の特許3788041号明細書の段落0051から0056に記載の方法によりGaAs基板上に作製したGaN結晶下地基板を用いたこと以外は実施例1〜9と同様にして気相法により成長させた第2または第3のGaN結晶からGaN結晶基板を作製したところ、この基板のEPD測定による転位密度は平均で1×106cm-2であり、実施例1〜9のGaN結晶基板に比べて結晶性がさらに向上していた。ここで、本実施例で用いた下地基板は、具体的には、図11〜14を参照して、以下の方法で作製した。
(Example 11)
As the
(1)マスク層の形成
まず、図11および14を参照して、プラズマCVD装置を用いて、直径30mmのGaAs(111)A基板(結晶成長に用いる主面が(111)A面であるように切り出されたGaAs基板をいう、以下単にGaAs基板140という)上に、マスク層142としてSiN層を厚さ0.1μmになるように形成した。次いで、このマスク層142に規則的な分布をする窓142wをフォトリソグラフィによって開けた。窓142wは図11に示す千鳥ドット窓(この窓は、GaAs<11−2>に平行な直線上に並び隣接する窓群が半ピッチずれている。ここで、窓の幅Wは2μm角、窓のピッチPは4μm、窓列のピッチdは3.5μmとした。
(1) Formation of mask layer First, referring to FIGS. 11 and 14, a plasma CVD apparatus is used to make a GaAs (111) A substrate having a diameter of 30 mm (the main surface used for crystal growth is the (111) A plane). A SiN layer having a thickness of 0.1 μm was formed as a
(2)GaNバッファ層の形成
次に、HVPE装置を用いて、図14(a)を参照して、周期的な窓142wを有するマスク層142によって覆われたGaAs基板140をHVPE装置の中に配置した。HVPE装置内でGaAs基板140を約500℃に加熱した。原料ガス導入口からH2ガスとHClガスの混合ガスを導入し、850℃に加熱されたGa溜内のGa融液に接触させて、GaClガスを合成した。別の原料ガス導入口からH2とNH3の混合ガスを導入し、500℃に加熱されたGaAs基板140の近傍でGaCl+NH3→GaNの反応を起こさせて、GaAs基板140にGaNを堆積させた。これによって、図14(b)を参照して、GaAs基板140上に厚さ約70nmのGaNバッファ層143bを形成させた。SiN層はGaN成長抑制作用があり、SiN層上にはGaNは堆積しない。ここで、GaNバッファ層143bの厚さは70nmであり、マスク層142の厚さ100nmより小さい。したがって、窓142wとなっているGaAs基板140上の部分だけにGaNバッファ層143bが形成された。
(2) Formation of GaN buffer layer Next, referring to FIG. 14 (a), the
(3)GaN結晶の形成
次に、HClの導入を停止して、基板温度を500℃から約1000℃まで上げた。再び、HClガスをGa溜に導入することにより、上記と同様にしてGaClガスを合成する。別の原料ガス導入口からH2とNH3の混合ガスを導入し、約1000℃に加熱されたGaAs基板140の近傍でGaCl+NH3→GaNの反応を起こさせて、GaAs基板140にGaNを堆積させた。かかるGaNは窓142w中のGaNバッファ層143b上にエピタキシャル成長する。また、形成されていたGaNバッファ層143bも約1000℃に加熱されることにより結晶化する。したがって、窓142w内のGaAs基板140上にGaN結晶143が成長する。
(3) Formation of GaN crystal Next, the introduction of HCl was stopped, and the substrate temperature was raised from 500 ° C. to about 1000 ° C. Again, by introducing HCl gas into the Ga reservoir, GaCl gas is synthesized in the same manner as described above. A mixed gas of H 2 and NH 3 is introduced from another source gas inlet, and a reaction of GaCl + NH 3 → GaN is caused in the vicinity of the
図12および14(c)を参照して、マスク層142の厚さ(100nm)よりGaN結晶143の厚さが大きくなると、マスク層142上をGaN結晶143が正六角形状に広がった。ここで、窓は正三角形の頂点に位置しているため、図13を参照して、ある窓から正六角形状に広がったGaN結晶143は、隣接窓から正六角形状に広がってきた結晶と接する。各窓から広がるGaN結晶143の成長速度は等しいため正六角錐の結晶は隈無く接触した。GaN結晶143がマスク層142の上面を隈無く覆い尽くした後、図14(d)を参照して、このGaN結晶143は上方に成長した。GaN結晶143の成長速度は50μm/hrであった。こうして、厚さ約350μmのGaN結晶143を成長させた。このように無数の小さい窓から独立に核発生させて結晶成長(ラテラル成長)させるため、GaN結晶143中の内部応力を大幅に低減することができる。表面は擦りガラス状であった。
Referring to FIGS. 12 and 14C, when the thickness of the
(4)GaAs基板の除去
次に、図14(d)および(e)を参照して、GaN結晶143が成長したGaAs基板140をエッチング装置の中に配置して、王水を用いて約10時間エッチングした。これにより、GaAs基板140が完全に除去されて、GaN結晶143が得られた。このGaN結晶143の両側の主面を研磨して、本実施例いで用いるGaN結晶下地基板とした。これは自立基板であった。
(4) Removal of GaAs Substrate Next, referring to FIGS. 14D and 14E, the
上記のようにして得られたGaN結晶基板について、X線回折装置により、基板表面とGaN(0001)面との角度の関係を測定したところ、基板表面の法線とGaN(0001)面の法線とのなす角度は基板内で2.5゜であった。また、GaN(0001)面の法線のバラツキは基板内で3.2゜であった。また、研磨後の基板の反りは、長さDが1インチ(約25mm)について高さHが約25μmであった。基板の反りの曲率半径Rは、R=D2/8Hで定義され、3125mmとなる。かかる反りは、フォトリソグラフィによるパターン描画が可能な反りである。このようにして、反りが少ない、すなわち、結晶の内部応力および歪みが少ないGaN結晶基板を下地基板として用いた。 Regarding the GaN crystal substrate obtained as described above, the relationship between the angle of the substrate surface and the GaN (0001) plane was measured by an X-ray diffractometer. The angle formed with the line was 2.5 ° within the substrate. Further, the variation of the normal line of the GaN (0001) plane was 3.2 ° within the substrate. Further, the warpage of the substrate after polishing was about 25 μm in height H when the length D was 1 inch (about 25 mm). The curvature radius R of the warp of the substrate is defined by R = D 2 / 8H and is 3125 mm. Such a warp is a warp capable of pattern drawing by photolithography. In this way, a GaN crystal substrate with less warpage, that is, with less internal stress and distortion of the crystal was used as the base substrate.
(実施例12)
下地基板として、特開2003−183100号公報の段落0221から0271に記載のようにHVPE法により作製した転位密度が1×104cm-2の低転位密度領域と転位密度が1×108cm-2の高転位密度領域とを有するGaN結晶下地基板を用いて、実施例1〜9と同様にして、このGaN結晶下地基板上にフラックス法により第1のGaN結晶を成長させた。この第1のGaN結晶の結晶成長面におけるEPD測定による転位密度は、平均で1×106cm-2であった。この第1のGaN結晶上に気相法により成長させた第2または第3のGaN結晶を成長させた。この第2または第3のGaN結晶からGaN結晶基板を作製したところ、この基板のEPD測定による転位密度は、平均で5×105cm-2であり、実施例1〜9のGaN結晶基板に比べて結晶性がさらに向上していた。
(Example 12)
As a base substrate, a low dislocation density region having a dislocation density of 1 × 10 4 cm −2 and a dislocation density of 1 × 10 8 cm produced by the HVPE method as described in paragraphs 0221 to 0271 of JP2003-183100A. Using a GaN crystal base substrate having a high dislocation density region of -2, a first GaN crystal was grown on the GaN crystal base substrate by a flux method in the same manner as in Examples 1-9. The dislocation density measured by EPD on the crystal growth surface of the first GaN crystal was 1 × 10 6 cm −2 on average. A second or third GaN crystal grown by a vapor phase method was grown on the first GaN crystal. When a GaN crystal substrate was fabricated from the second or third GaN crystal, the dislocation density of the substrate measured by EPD was 5 × 10 5 cm −2 on average, which was found in the GaN crystal substrates of Examples 1-9. In comparison, the crystallinity was further improved.
本実施例において、図8(a)を参照して、フラックス法により成長させた厚さ300μmの第1のGaN結晶の断面を蛍光顕微鏡で観察すると、GaN結晶下地基板1の低転位密度領域1k上に形成される第1の領域10kが、GaN結晶下地基板1の高転位密度領域1h上に形成される第2の領域10hを覆っていた。ここで、これは、第1の領域10kは第2の領域10hに比べて結晶成長速度が高いことによるものと考えられる。このため、第1のGaN結晶は、結晶成長面の全面の転位密度が低減する。
In this example, referring to FIG. 8A, when a cross section of the first GaN crystal having a thickness of 300 μm grown by the flux method is observed with a fluorescence microscope, the low
ここで、本実施例で用いた下地基板は、具体的には、図15を参照して、以下の方法で作製した。 Here, the base substrate used in this example was specifically manufactured by the following method with reference to FIG.
(1)GaN層の形成
図15(a)を参照して、GaN結晶下地基板を成長させるための基板として、たとえば、直径50mmのサファイアc面基板(結晶成長に用いる主面がc面({0001}面をいう)であるように切り出されたサファイア基板150をいう、以下同じ)を用いた。ここで、サファイア結晶は六方晶系であり、GaN結晶と同じ晶系に属する。
(1) Formation of GaN layer Referring to FIG. 15A, as a substrate for growing a GaN crystal base substrate, for example, a sapphire c-plane substrate having a diameter of 50 mm (the principal surface used for crystal growth is c-plane ({
まず、図15(b)を参照して、上記のサファイア基板150上に、MOCVD法により厚さ約2μmのGaN層151をエピタキシャル成長させた。ここで、GaN層の結晶成長面はGaN結晶のc面であった。
First, referring to FIG. 15B, a
(2)マスクの形成
次に、図15(c)を参照して、上記GaN層151上に熱CVD法により厚さ100nmのSiO2層を形成した。次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、ストライプ状のマスク152が等間隔に配置されたマスクパターンを形成した。マスクパターンは、マスク152の長手方向がGaN層151の<1−100>方向(すなわち、GaN層のa面({11−20}面)に平行)とした。マスク152の幅(ストライプ幅、以下同じ)M、GaN層151の露呈部幅Nおよびマスク152のピッチPは、それぞれM=50μm、N=350μmおよびP=400μmとした。なお、これらにはP=M+Nの関係がある。
(2) Formation of Mask Next, referring to FIG. 15C, an SiO 2 layer having a thickness of 100 nm was formed on the
(3)GaN結晶の形成
次に、図15(d)を参照して、マスク152が形成されたGaN層151上にHVPE法によりGaN結晶153を成長させた。GaN結晶の成長条件は、成長温度(具体的には、サファイア基板温度)が1050℃、NH3ガス分圧が30kPa(0.3atm)、HClガス分圧(これが、GaClガス分圧に相当する)が2kPa(0.02atm)、Ga溜の温度が800℃以上、成長時間が10時間とした。こうして、厚さ約1250μmのGaN結晶153を成長させた。
(3) Formation of GaN Crystal Next, referring to FIG. 15D, a
図15(d)を参照して、上記GaN結晶153の成長においては、その結晶成長面には、複数のc面153cおよびファセット153fが形成され、対向する2つのファセットによりV溝153pが形成された。V溝153pを形成するファセットの多くは、{11−22}面を持つものであった。本実施例においては、<1−100>方向({11−22}面に平行な方向)が長手方向となるストライプを形成したことから、ファセットはストライプの長手方向に平行であることがわかる。
Referring to FIG. 15D, in the growth of the
このGaN結晶153の断面を蛍光顕微鏡で観察すると、その明暗の差により、3つの領域が見られる。一つは転位をその内部に高密度に捕獲しつつV溝153pの溝底部153vからc軸方向に伸びる領域であり、これを後に高転位密度領域153hと定義する。すなわち、高転位密度領域153hは、V溝153pの溝底部153vから結晶内部にc軸方向に形成されている。一つはファセット153fから溝底部153vに転位を掃き出しつつc軸方向に伸びるファセット成長領域153jである。すなわち、ファセット成長領域153jは、ファセット153fから結晶内部にc軸方向に形成されている。一つはc面153cから溝底部153vに転位を掃き出しつつc軸方向に伸びるc面成長領域153iである。すなわち、c面成長領域153iは、c面153cから結晶内部にc軸方向に形成されている。
When the cross section of the
本実施例において、上記のc面153c、ファセット153fおよびV溝153pが維持されて、GaN結晶153が成長すると、結晶成長面に対して垂直となる方向に対して結晶成長および転位進行するため、ファセット成長領域153j内の転位が、V溝153pの溝底部153vから結晶内部にc軸方向に伸びる領域に集まり、この領域の転位密度が高くなることから、この領域を高転位密度領域153hと定義する。一方、この高転位密度領域153hに対して、c面成長領域153iおよびファセット成長領域153jを低転位密度領域153kと定義する。このようにして、高転位密度領域153hと低転位密度領域153kとを有するGaN結晶を形成することにより、部分的ながら転位密度の低いGaN結晶153が得られる。なお、図15におけるGaN結晶153の高転位密度領域153hおよび低転位密度領域153kが、それぞれ図8におけるGaN結晶下地基板1の高転位密度領域1hおよび低転位密度領域1kに対応する。
In this embodiment, when the c-plane 153c, facet 153f and V-groove 153p are maintained and the
図15(d)および(e)を参照して、上記GaN結晶153をサファイア基板150の主面に平行な面で切削した後、その主面を研磨して本実施例で用いるGaN結晶下地基板とした。
Referring to FIGS. 15D and 15E, after cutting the
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 下地基板、10c,153c c面、10f,153f ファセット、1g 結晶成長面側領域、1h,153h 高転位密度領域、1k,153k 低転位密度領域、2 結晶成長用液体、3 窒素含有ガス、4 結晶処理用液体、7 反応容器、9 サセプタ、9c 結晶接触領域、10 第1のIII族窒化物結晶、10a,20a 表面側領域、10h 第2の領域、10k 第1の領域、12h 歪み領域、20 第2のIII族窒化物結晶、20c 炭素高濃度含有領域、20d 酸素高濃度含有領域、30 第3のIII族窒化物結晶、90 III族窒化物結晶基板、91 n型GaN層、92 Al0.3Ga0.7N層、93 Al0.04Ga0.96N層、94 Al0.08Ga0.92N層、95 Al0.3Ga0.7N層、96 p型GaN層、97 p側電極、98 n側電極、99 III族窒化物半導体層、140 GaAs基板、142 マスク層、142w 窓、143,153 GaN結晶、143b GaNバッファ層、150 サファイア基板、151 GaN層、152 マスク、153i c面成長領域、153j ファセット成長領域、153p V溝、153v 溝底部、900 III族窒化物半導体デバイス、U1,V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8,V9,V10,V11,W1,W2,W3,W4,W5 III族窒化物結晶基板。 1 ground substrate, 10c, 153c c-plane, 10f, 153f facet, 1g crystal growth surface side region, 1h, 153h high dislocation density region, 1k, 153k low dislocation density region, 2 crystal growth liquid, 3 nitrogen-containing gas, 4 Crystal processing liquid, 7 reaction vessel, 9 susceptor, 9c crystal contact region, 10 first group III nitride crystal, 10a, 20a surface side region, 10h second region, 10k first region, 12h strain region, 20 second group III nitride crystal, 20c high carbon concentration region, 20d high oxygen concentration region, 30 third group III nitride crystal, 90 group III nitride crystal substrate, 91 n-type GaN layer, 92 Al 0.3 Ga 0.7 n layer, 93 Al 0.04 Ga 0.96 n layer, 94 Al 0.08 Ga 0.92 n layer, 95 Al 0.3 Ga 0.7 n layer, 96 p-type GaN layer, 97 p-side electrode, 98 n-side Pole, 99 Group III nitride semiconductor layer, 140 GaAs substrate, 142 mask layer, 142w window, 143,153 GaN crystal, 143b GaN buffer layer, 150 sapphire substrate, 151 GaN layer, 152 mask, 153 ic surface growth region, 153j Facet growth region, 153p V-groove, 153v groove bottom, 900 Group III nitride semiconductor device, U1, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, W1, W2, W3 W4, W5 Group III nitride crystal substrate.
Claims (3)
前記GaN結晶基板上に少なくとも1層のIII族窒化物半導体層が形成されているIII族窒化物半導体デバイス。 A group III nitride semiconductor device comprising the GaN crystal substrate of claim 2 ,
A group III nitride semiconductor device in which at least one group III nitride semiconductor layer is formed on the GaN crystal substrate.
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