JP2007197240A - Method for manufacturing gallium nitride single crystal substrate and gallium nitride single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】低欠陥密度の窒化ガリウム単結晶基板を製造可能とする。
【解決手段】窒化ガリウム単結晶基板1上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴット2(必要により外形加工によって円柱状の窒化ガリウムインゴット3とする)の成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板4aを、種結晶基板として用い、その種結晶基板である窒化ガリウム単結晶基板1上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴット2を作製し、この新たな窒化ガリウムインゴット2を切り出して窒化ガリウム単結晶基板4を製造する。この製造工程を繰り返し行うことにより、低欠陥の窒化ガリウム単結晶基板が得られる。
【選択図】図1A low defect density gallium nitride single crystal substrate can be manufactured.
SOLUTION: A gallium nitride ingot 2 obtained by crystal growth of gallium nitride on a gallium nitride single crystal substrate 1 (cut into a cylindrical gallium nitride ingot 3 by external processing if necessary) was cut out from the latter half of the growth. Using the gallium nitride single crystal substrate 4a as a seed crystal substrate, gallium nitride is grown on the gallium nitride single crystal substrate 1 which is the seed crystal substrate to produce a new gallium nitride ingot 2, and this new gallium nitride The ingot 2 is cut out to manufacture the gallium nitride single crystal substrate 4. By repeating this manufacturing process, a low-defect gallium nitride single crystal substrate can be obtained.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、青色から紫外域の発光ダイオード用やレーザーダイオード用などの基板として使用される窒化ガリウム単結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム単結晶基板に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride single crystal substrate used as a substrate for light emitting diodes and laser diodes in the blue to ultraviolet region, and a gallium nitride single crystal substrate.
窒化物系半導体材料は、バンドギャップが大きく、直接遷移型であるため、短波長発光素子への応用が、盛んに行われている。 Nitride-based semiconductor materials have a large band gap and are of direct transition type, so that they are actively applied to short wavelength light emitting devices.
窒化物系半導体素子は、MOVPE法(有機金属気相成長法)、MBE法(分子線気相成長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)などの気相成長法を用いて、下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。 Nitride-based semiconductor devices are formed by using a vapor phase growth method such as MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam vapor phase epitaxy), or HVPE (hydride vapor phase epitaxy). It is obtained by performing epitaxial growth on top.
しかし、上記の成長方法により得られた窒化物系半導体素子の窒化物半導体結晶中には、多数の結晶欠陥が存在している。これらの結晶欠陥は、窒化物系半導体系発光素子の特性の悪化、寿命低下の原因になる。このため、結晶欠陥の低下が望まれる。窒化物半導体結晶中の欠陥が多くなる原因としては、窒化物半導体の格子定数と整合する異種の下地基板がないためと考えられる。従って、窒化物半導体と格子定数が整合する窒化ガリウム(GaN)の自立基板が要望されている。 However, a large number of crystal defects exist in the nitride semiconductor crystal of the nitride-based semiconductor element obtained by the above growth method. These crystal defects cause the deterioration of the characteristics and the lifetime of the nitride-based semiconductor light-emitting element. For this reason, reduction of crystal defects is desired. It is considered that the reason why the number of defects in the nitride semiconductor crystal increases is that there is no different base substrate that matches the lattice constant of the nitride semiconductor. Accordingly, there is a need for a gallium nitride (GaN) free-standing substrate whose lattice constant matches that of the nitride semiconductor.
GaN自立基板の作製方法は、成長速度が速いことから、HVPE法が主流であり、HVPE法によりサファイア基板上にGaN厚膜を成長させた後、サファイア基板を機械研磨やレーザー剥離法により除去して、GaN自立基板を作製する方法が知られている。 The GaN free-standing substrate fabrication method is fast because of its high growth rate, and the HVPE method is the mainstream. After a GaN thick film is grown on the sapphire substrate by the HVPE method, the sapphire substrate is removed by mechanical polishing or laser peeling. Thus, a method for manufacturing a GaN free-standing substrate is known.
しかし、上記方法により作製したGaN自立基板には結晶欠陥が多く存在し、結晶欠陥を多く含んだGaN自立基板上に窒化物系半導体素子を作製しても、窒化物系半導体素子は多数の結晶欠陥を含んだものとなってしまう。窒化物系半導体素子中の結晶欠陥を減らすためには、GaN自立基板の結晶欠陥を減らすことが必要である。結晶欠陥を減らす方法として、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth、以下単にラテラル成長という)法により、GaN自立基板の欠陥を減らすことが行われている。 However, the GaN free-standing substrate produced by the above method has many crystal defects, and even if a nitride-based semiconductor device is produced on a GaN free-standing substrate containing many crystal defects, the nitride-based semiconductor device has many crystals. It will contain defects. In order to reduce crystal defects in the nitride-based semiconductor device, it is necessary to reduce crystal defects in the GaN free-standing substrate. As a method for reducing crystal defects, the defect of a GaN free-standing substrate is reduced by an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth, hereinafter simply referred to as lateral growth) method.
例えば、特許文献1や特許文献2には、GaAs基板上にHVPE法のラテラル成長によってGaN厚膜を成長し、GaAs基板をエッチングで剥がすことでGaN自立基板を得ること、更には、そのGaN基板上にHVPE法によってGaN単結晶をエピタキシャル成長し、エピタキシャル成長したGaNインゴットから、軸方向に直角な方向に切り出して複数の自立したGaN基板を得るという提案がある。また、特許文献3には、GaNインゴットを成長方向と平行な面でスライス加工してGaN基板とするという提案がある。
上記HVPE法のラテラル成長で得られたアズグロウン(as-grown)のGaN自立基板の内には、欠陥密度が1×105個/cm3を下回る低欠陥領域の部分を有する基板も得られているが、この低欠陥領域の部分は非常に限定された部分であり、以下の問題がある。 Among the as-grown GaN free-standing substrates obtained by the lateral growth of the HVPE method, there is also obtained a substrate having a portion of a low defect region whose defect density is less than 1 × 10 5 pieces / cm 3. However, this low defect region portion is a very limited portion and has the following problems.
(a)低欠陥が要求されるレーザー素子の場合には、GaN自立基板のかなり限定された部分(低欠陥領域部分)でしか、レーザー素子を作ることができない。即ち、GaN自立基板上に製品となるレーザー素子チップが得られる面積歩留が非常に悪い。 (A) In the case of a laser element that requires a low defect, the laser element can be made only in a considerably limited portion (low defect region portion) of the GaN free-standing substrate. That is, the area yield for obtaining a laser element chip as a product on a GaN free-standing substrate is very poor.
(b)欠陥密度が1×105個/cm2を超えて高い欠陥密度領域の部分までGaN自立基板を活用しようとした場合、それほど低欠陥性は要求されないが、十分な熱放散が必要なハイパワー用LED素子の用途が考えられる。しかし、このような用途でも、レーザー素子の場合と同様に、GaN自立基板のかなり限定された部分でしかLED素子を作ることが出来ず(低欠陥領域でない部分からLED素子を作っても、信頼性のないLED素子となってしまう)、かなり高コストのLED素子となってしまう。 (B) When a GaN free-standing substrate is used up to a portion of a high defect density region with a defect density exceeding 1 × 10 5 pieces / cm 2 , low defectivity is not required, but sufficient heat dissipation is required. Applications of high power LED elements are conceivable. However, even in such applications, as in the case of laser elements, LED elements can be made only in a fairly limited part of a GaN free-standing substrate (even if LED elements are made from parts that are not low-defect regions, reliable LED device having a low characteristic) and a considerably high-cost LED device.
このように、現状の低欠陥と言われているGaN自立基板は、非常に使いにくいものになっている。 Thus, the GaN free-standing substrate, which is said to be low defects at present, is very difficult to use.
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、面全体が低欠陥密度のGaN基板を製造することが可能な窒化ガリウム単結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム単結晶基板を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a gallium nitride single crystal substrate manufacturing method and a gallium nitride single crystal substrate capable of manufacturing a GaN substrate having a low defect density on the entire surface. There is to do.
第1の発明は、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。 1st invention uses the gallium nitride single crystal substrate cut out from the growth latter half part of the gallium nitride ingot obtained by carrying out crystal growth of the gallium nitride on the gallium nitride single crystal substrate as a seed crystal substrate, The seed crystal A method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate characterized in that a gallium nitride crystal is grown on a substrate to produce a new gallium nitride ingot, and the new gallium nitride ingot is cut out to produce a gallium nitride single crystal substrate. is there.
第2の発明は、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出され且つ平坦化された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、その種結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて新たな窒化ガリウムインゴットを作製し、この新たな窒化ガリウムインゴットを切り出して窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。 The second invention uses, as a seed crystal substrate, a gallium nitride single crystal substrate that has been cut out and flattened from the latter half of the gallium nitride ingot obtained by crystal growth of gallium nitride on the gallium nitride single crystal substrate. A gallium nitride single crystal substrate characterized in that a gallium nitride crystal is grown on the seed crystal substrate to produce a new gallium nitride ingot, and the new gallium nitride ingot is cut out to produce a gallium nitride single crystal substrate. It is a manufacturing method.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記新たな窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を次の新たな種結晶基板として、前記結晶成長を繰り返し行うことにより、窒化ガリウム単結晶基板を製造することを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法である。 According to a third invention, in the first or second invention, the crystal growth is repeated by using the gallium nitride single crystal substrate cut out from the latter half of the growth of the new gallium nitride ingot as the next new seed crystal substrate. Thus, the gallium nitride single crystal substrate according to claim 1 or 2, wherein the gallium nitride single crystal substrate is manufactured.
上記第1〜第3の発明において、前記窒化ガリウムの結晶成長には、HVPE法、MOVPE法、又はMBE法などが用いられる。 In the first to third aspects of the invention, HVPE, MOVPE, MBE, or the like is used for crystal growth of the gallium nitride.
第4の発明は、第1〜第3のいずれかの発明により製造された窒化ガリウム単結晶基板であって、欠陥密度が1×105個/cm2未満である窒化ガリウム単結晶基板である。 A fourth invention is a gallium nitride single crystal substrate manufactured according to any one of the first to third inventions, wherein the defect density is less than 1 × 10 5 pieces / cm 2. .
本発明によれば、窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウムを結晶成長させて得られた窒化ガリウムインゴットの、結晶欠陥の少ない成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を、種結晶基板として用い、この種結晶基板上に窒化ガリウムの単結晶を成長させているので、低欠陥である窒化ガリウム基板が得られる。特に、新たな窒化ガリウムインゴットの成長後半部分から切り出された窒化ガリウム単結晶基板を次の新たな種結晶基板として、結晶成長を繰り返し行うことにより、面全体が低欠陥である窒化ガリウム単結晶基板を製造することができる。従って、窒化物系レーザーなど低欠陥が要求される素子や、それほど低欠陥性は必要としないが熱放散が重要なハイパワーの窒化物系LEDなどの製造において、窒化ガリウム基板上の素子の面積歩留を大幅に改善することが可能になり、大幅なコストダウンを実現することが出来る。 According to the present invention, a gallium nitride single crystal substrate obtained by crystallizing gallium nitride on a gallium nitride single crystal substrate and cut from the latter half of the growth with few crystal defects is used as a seed crystal substrate. Since a single crystal of gallium nitride is grown on this seed crystal substrate, a gallium nitride substrate having low defects can be obtained. In particular, the gallium nitride single crystal substrate cut out from the second half of the growth of the new gallium nitride ingot is used as the next new seed crystal substrate, and the crystal growth is repeated, so that the gallium nitride single crystal substrate whose entire surface is low-defects. Can be manufactured. Therefore, the area of devices on a gallium nitride substrate in the manufacture of devices that require low defects such as nitride lasers, and high-power nitride LEDs that do not require so low defects but heat dissipation is important. The yield can be greatly improved, and a significant cost reduction can be realized.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図1に、本発明の第1の実施形態の製造工程を示す。まず、初めの種結晶基板となるGaN単結晶基板1(単に、GaN基板1ともいう)を用意する。この種結晶基板となるGaN単結晶基板1の作製は、例えば、サファイア基板上にHVPE法によりGaN厚膜を成長させた後、サファイア基板を除去してGaN単結晶基板1を作製する。或いは、GaAs基板上にストライプ窓や円形窓を多数有するマスクを形成し、その上にHVPE法によるラテラル成長によって、厚膜のGaN結晶を成長し、その後GaAs基板を除去することでGaN単結晶基板1を作製したりしてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention. First, a GaN single crystal substrate 1 (also simply referred to as a GaN substrate 1) is prepared as an initial seed crystal substrate. For producing the GaN single crystal substrate 1 serving as the seed crystal substrate, for example, after a GaN thick film is grown on the sapphire substrate by the HVPE method, the sapphire substrate is removed to produce the GaN single crystal substrate 1. Alternatively, a GaN single crystal substrate is formed by forming a mask having a large number of stripe windows and circular windows on a GaAs substrate, growing a thick GaN crystal thereon by lateral growth using the HVPE method, and then removing the GaAs substrate. 1 may be produced.
次に、GaN単結晶基板1上に、HVPE法を用いてGaN単結晶をエピタキシャル成長させ(図1(a))、数ミリの厚さのGaNインゴット2を作製する。HVPE法では、ホットウォール型反応炉内にGa融液の貯液容器を設置し、このGa融液に塩化水素(HCl)ガスとキャリアガスの水素ガスを吹き付けて、塩化ガリウム(GaCl)を合成し、合成したGaClを水素ガスと共にGaN基板1付近に流し、アンモニア(NH3)と反応させて、加熱したGaN基板1上にGaN結晶を成長させる。GaN結晶のエピタキシャル成長には、MOVPE法やMBE法を用いることもできる。
Next, a GaN single crystal is epitaxially grown on the GaN single crystal substrate 1 by using the HVPE method (FIG. 1A), and a
次に、外形研削機を用いた外形加工により、GaNインゴット2の外形を整え(図1(b))、円柱状のGaNインゴット3とする。
Next, the outer shape of the GaN
次に、この円柱状のGaNインゴット3を、その軸方向に直角な方向にスライサーなどにより切断し(又は劈開により)、GaN基板4(ウェハ)を切り出す(図1(c))。この切り出したGaN基板4のうちで、円柱状のGaNインゴット3の上半分の部分、すなわちGaNインゴット3の後半に成長した部分(成長後半部分)から切り出したGaN基板4のうちの一枚(例えば、図示例では、成長後半部分の二枚のうち、最上部のGaN基板4a)を、種結晶基板に選択する(図1(d))。
Next, the cylindrical GaN ingot 3 is cut by a slicer or the like in a direction perpendicular to the axial direction thereof (or by cleavage) to cut out the GaN substrate 4 (wafer) (FIG. 1C). Among the cut out
次いで、上記選択されたGaN基板4aを種結晶基板として用い、この種結晶基板であるGaN単結晶基板1上に、HVPE法を用いてGaN単結晶をエピタキシャル成長させて(図1(a))、新たなGaNインゴット2を作製する。更に、この新たなGaNインゴット2の外形を整えて(図1(b))、円柱状のGaNインゴット3とし、円柱状のGaNインゴット3を切断してGaN基板4を切り出す(図1(c))。切り出されたGaNインゴット3のうちの成長後半部分のGaN基板4の一枚を、新たな種結晶基板に選択する(図1(d))。
Next, using the
以上の工程(図1(a)、(b)、(c)、(d)を1サイクルとする)を繰り返し行う。結晶欠陥の少ないGaNインゴットの成長後半部分から切り出したGaN基板4を種結晶基板に用いているので、繰り返し成長を行うにつれて、得られるGaN基板4の欠陥密度が減少して行く。
The above steps (FIGS. 1A, 1B, 1C, and 1D are set as one cycle) are repeated. Since the
図3は、上記第1の実施形態(及び後述の第2の実施形態)により作製したGaN基板4(及びGaN基板5)の欠陥密度が、成長回数に伴ってどのように変化するかを調べた結果をプロットしたグラフである。図3から分かるように、成長条件にもよるが、繰り返し成長を行うにつれて欠陥密度が減少して行く。最終的にどのレベルで欠陥密度が飽和ないし収束するのかは分からないが、常に欠陥の少ないGaNインゴット3の成長後半部分(上半分)から切り出したGaN基板4(又はGaN基板5)を種結晶に用いることにより、安定して1×105個/cm2を下回る低欠陥なGaN基板1を製造できるようになる。 FIG. 3 shows how the defect density of the GaN substrate 4 (and GaN substrate 5) manufactured according to the first embodiment (and the second embodiment described later) changes with the number of growths. It is the graph which plotted the result. As can be seen from FIG. 3, although depending on the growth conditions, the defect density decreases as repeated growth is performed. Although it is not known at what level the defect density finally saturates or converges, the GaN substrate 4 (or GaN substrate 5) cut out from the latter half of the growth (upper half) of the GaN ingot 3 with few defects is used as a seed crystal. By using it, it becomes possible to manufacture a GaN substrate 1 having a low defect of less than 1 × 10 5 pieces / cm 2 stably.
上記繰り返し成長により、切り出されたGaN基板4の欠陥密度が所定値より低く、例えば1×105個/cm2未満となった以降に、得られたGaN基板4の表面および裏面を、ラッピング・ポリッシング等の研磨(必要により面取り)を施して平坦化し(図1(e))、平坦化されたGaN基板5を完成品(製品)とする(図1(f))。この完成品のGaN基板5は、面全体が低欠陥密度の透明な基板である。
After the repeated growth described above, the defect density of the
図2に、本発明の第2の実施形態の製造工程を示す。基本的には上記第1の実施形態と同様であるが、円柱状に外形加工されたGaNインゴット3の成長後半部分から切り出されたGaN基板4に対し、更にラッピング・ポリッシング等の研磨(必要により面取り)を施して平坦化したGaN基板5(図示例では、最上部のGaN基板5a)を、新たな種結晶基板として選択(図2(g))する点で相違している。
FIG. 2 shows a manufacturing process according to the second embodiment of the present invention. Basically the same as in the first embodiment, but the
即ち、この平坦化されたGaN基板5(5a)を種結晶基板として用い、この種結晶基板であるGaN単結晶基板1上に、HVPE法を用いてGaN単結晶をエピタキシャル成長させ(図2(a))、新たなGaNインゴット2を作製し、更に、この新たなGaNインゴット2の外形を整え(図2(b))、円柱状のGaNインゴット3とし、円柱状のGaNインゴット3を切断(又は劈開)してGaN基板4を切り出し(図2(c))、切り出されたGaN基板4のうちの成長後半部分(上半分)のGaN基板4に研磨等の表面加工を施して平坦化し(図2(e))、この平坦化したGaN基板5を新たな種結晶基板に選択する(図1(g))。
That is, the planarized GaN substrate 5 (5a) is used as a seed crystal substrate, and a GaN single crystal is epitaxially grown on the GaN single crystal substrate 1 as the seed crystal substrate by using the HVPE method (FIG. 2A )), A
以上の工程(図2(a)、(b)、(c)、(e)、(g)を1サイクルとする)を繰り返し行うことにより、図3に示すように、面全体の結晶欠陥が少ないGaN基板5が得られる。GaN基板5の欠陥密度が、例えば1×105個/cm2以下となった時点から、得られたGaN基板5を完成品(製品)とし(図2(f))、GaN基板5上に窒化物系レーザーなどを作製する。
By repeating the above steps (FIGS. 2 (a), (b), (c), (e), and (g) are taken as one cycle), as shown in FIG. A small number of
上記第1の実施形態において、GaNインゴット3の最上部から得られるGaN基板4aを種結晶基板として用いる場合を説明したが、GaNインゴット3の最上部(最上面)から切り出されたGaN基板4aには、その表面に成長縞やピットなどの荒れが見られる場合があり、このような場合にはGaN基板上にきれいな結晶を成長できないので、第2の実施形態のように、GaN基板の表面を研磨等により加工して平坦化したGaN基板を種結晶基板として用いるのがよい。また、GaNインゴット3の成長後半部分から切り出されたGaN基板4の荒れが特に酷くない場合や、GaNインゴット3の成長後半部分の途中から切り出されたGaN基板4を用いる場合にも、研磨等により表面を加工したGaN基板を種結晶基板に用いるようにしてもよい。
In the first embodiment, the case where the
1 GaN単結晶基板(GaN基板)
2 GaNインゴット
3 円柱状のGaNインゴット
4 切り出されたGaN基板
4a 最上部のGaN基板
5 平坦化されたGaN基板
5a 最上部のGaN基板
1 GaN single crystal substrate (GaN substrate)
2 GaN Ingot 3
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