JP2010052978A - Method for producing group iii nitride single crystal - Google Patents
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Abstract
【課題】3族窒化物単結晶体が成長して厚くなっても、簡単に割れることなく、高品質な状態で単結晶体の成長を連続的に行うことができる窒化物体の製造方法を提供する。
【解決手段】気相成長法によって3族窒化物単結晶体3bを種基板3aに連続的に成長させて単結晶体3bをバルク状に作製する3族窒化物単結晶体の製造方法であって、結晶成長のために外部から印加する制御温度を、成長させる単結晶体3bの厚みの増加に応じて上昇させる。なお、気相成長法はハイドライド気相成長法である。
【選択図】図1Provided is a method for manufacturing a nitride body that can continuously grow a single crystal in a high quality state without easily cracking even when a group III nitride single crystal grows thick. To do.
A method of manufacturing a group III nitride single crystal in which a group III nitride single crystal 3b is continuously grown on a seed substrate 3a by vapor phase growth to produce a single crystal 3b in bulk. Thus, the control temperature applied from the outside for crystal growth is increased in accordance with the increase in the thickness of the single crystal 3b to be grown. The vapor phase growth method is a hydride vapor phase growth method.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、基板の表面にGaN,AlN,AlGaNなどの3族窒化物単結晶体(3族窒化物単結晶体)のバルク体を気相成長法によって成長させる3族窒化物単結晶体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a group III nitride single crystal in which a bulk body of a group III nitride single crystal (group III nitride single crystal) such as GaN, AlN, or AlGaN is grown on a surface of a substrate by a vapor phase growth method. It relates to a manufacturing method.
GaN,AlGaN等の窒化物体は、例えば、発光ダイオード(LED),半導体レーザ(LD)などの発光素子,トランジスタ,パワーFET(Field Effect Transistor)などのパワーデバイスなどの電子素子などに用いられ、今後、使用の拡大が見込まれている。 Nitride objects such as GaN and AlGaN are used in electronic elements such as light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs), power devices such as transistors and power FETs (Field Effect Transistors). , Expansion of use is expected.
しかしながら、GaN,AlGaNなどの3族窒化物単結晶体は、高融点であること、N(窒素)の平衡蒸気圧が高いことなどから、液相からのバルク型の単結晶の製造が困難である。そのため、サファイア(Al2O3),炭化珪素(SiC)などの異種基板(成長する窒化物体と異なる材料から成る基板)の上に、3族窒化物体から成る薄膜を気相成長させて、その薄膜を各種デバイス用に利用することが行われている。
However,
さらに、近年、ハイドライド気相成長法(HVPE法;Hydride Vapor Phase Epitaxy法)などの気相成長法によって自立型のGaN単結晶の基板の実用化が始まっている(例えば、特許文献1参照)。また、AlN単結晶のHVPE法による製造方法についても研究が行われている(例えば、特許文献2参照)。
従来、HVPE法によって製造される3族窒化物単結晶体から成る基板は、サファイアやGaAs基板を種基板として厚膜成長させた後に、この種基板を剥離して3族窒化物単結晶基板を得ている。しかしながら、サファイアなどの異種基板は、成長させるGaN,AlGaNなどの3族窒化物単結晶体から成る成長膜との格子定数差が大きい。例えば、サファイアとGaNとの格子不整合は13.7%もあるため、サファイア上にGaNのエピ膜を成長させると転位が多く発生しやすい。LEDでは高輝度化、電子デバイスではハイパワー化が必要なため、基板からこのような転位を低減させることが必要である。 Conventionally, a substrate made of a group III nitride single crystal produced by the HVPE method is grown on a thick film using a sapphire or GaAs substrate as a seed substrate, and then the seed substrate is peeled off to form a group III nitride single crystal substrate. It has gained. However, a dissimilar substrate such as sapphire has a large lattice constant difference from a growth film made of a group III nitride single crystal such as GaN or AlGaN to be grown. For example, since the lattice mismatch between sapphire and GaN is 13.7%, dislocations are likely to occur when an epitaxial film of GaN is grown on sapphire. Since LEDs require higher brightness and electronic devices require higher power, it is necessary to reduce such dislocations from the substrate.
さらに、これらの発光素子、電子素子が汎用的に用いるためには、基板の低コスト化も不可欠である。しかし、厚膜成長の厚さは数mm程度が上限であり、それ以上の厚みにすると基板の割れや、膜自体の品質低下が起こりやすく、基板の低コスト化の障害となっている。 Furthermore, in order to use these light-emitting elements and electronic elements for general purposes, it is indispensable to reduce the cost of the substrate. However, the upper limit of the thickness of the thick film growth is about several millimeters. If the thickness is larger than that, the substrate is easily cracked and the quality of the film itself is easily deteriorated, which is an obstacle to the cost reduction of the substrate.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、これらを解決した3族窒化物単結晶体の製造方法を提供することである。 The present invention has been completed in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a group III nitride single crystal that solves these problems.
本発明の3族窒化物単結晶体の製造方法は、気相成長法によって3族窒化物単結晶体を種基板に連続的に成長させて単結晶体をバルク状に作製する3族窒化物単結晶体の製造方法であって、結晶成長のために外部から印加する制御温度を、成長させる前記単結晶体の厚みの増加に応じて上昇させるものである。 The method for producing a group III nitride single crystal of the present invention is a group III nitride in which a group III nitride single crystal is continuously grown on a seed substrate by vapor phase growth to produce a single crystal in bulk. In the method for producing a single crystal, a control temperature applied from the outside for crystal growth is increased in accordance with an increase in the thickness of the single crystal to be grown.
このとき、前記気相成長法がハイドライド気相成長法であることが望ましい。 At this time, the vapor phase growth method is preferably a hydride vapor phase growth method.
また、前記3族窒化物単結晶体が、GaN単結晶,AlN単結晶またはそれらの混晶から構成されることが望ましい。 The group III nitride single crystal is preferably composed of a GaN single crystal, an AlN single crystal, or a mixed crystal thereof.
さらに、前記種基板が、GaN単結晶,AlN単結晶またはそれらの混晶から構成されることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the seed substrate is composed of a GaN single crystal, an AlN single crystal, or a mixed crystal thereof.
本発明の3族窒化物単結晶体の製造方法は、結晶成長のために外部から印加する制御温度を、成長させる単結晶体の厚みの増加に応じて上昇させるようにしている。これにより、3族窒化物単結晶体が成長して厚くなっても、簡単に割れることなく、高品質な状態で単結晶体の成長を連続的に行うことができる。
In the method for producing a
なお、本発明の製造方法が効果を奏する理由については次のように推測している。 The reason why the production method of the present invention is effective is presumed as follows.
HPVE法などによりバルク状の単結晶体を気相成長させる場合、気相から供給される化学種の濃度が従来の薄膜形成の場合などと比べると極めて高い。そして、これらの高濃度の化学種が連続的に基板上の成長表面に供給され、そこで高速に移動(マイグレーション)して単結晶を形成することになる。これを可能にするのは、成長表面における十分な温度である。 When a bulk single crystal is vapor-grown by the HPVE method or the like, the concentration of chemical species supplied from the vapor phase is extremely higher than in the case of conventional thin film formation. These high-concentration chemical species are continuously supplied to the growth surface on the substrate, where they move (migrate) at high speed to form a single crystal. This is made possible by a sufficient temperature at the growth surface.
このような高速成長に必要な温度(熱)は、基板を保持するサセプターなどから基板を介して供給されるものが主であるため、単結晶体が成長して厚くなるにつれて、成長表面に供給される熱が徐々に不足しがちになる。そのため、従来では、単結晶体を厚く成長させるにつれて、最適な温度条件からずれていき、基板の品質低下や割れの問題が生じていたものと思われる。 The temperature (heat) required for such high-speed growth is mainly supplied via a substrate from a susceptor or the like that holds the substrate. Therefore, as the single crystal grows and becomes thicker, it is supplied to the growth surface. The heat that is generated tends to be deficient gradually. For this reason, conventionally, as the single crystal body is grown thickly, it deviates from the optimum temperature condition, and it seems that the problem of deterioration of the substrate and the problem of cracking have occurred.
それに対して、本発明では、結晶成長のために外部から印加する制御温度を、成長させる単結晶体の厚みの増加に相応させて上昇させるようにしているので、単結晶体が厚くなって成長表面の温度供給が減少したときに、この温度供給を補償する方向に制御することとなる。したがって、単結晶体が成長して厚くなっても、最適な温度の成長条件が保たれ、その結果、割れにくく、高品質な状態を保った状態での成長が可能となると思われる。 On the other hand, in the present invention, the control temperature applied from the outside for crystal growth is increased in accordance with the increase in the thickness of the single crystal to be grown, so that the single crystal grows thicker. When the surface temperature supply decreases, the temperature supply is controlled to compensate. Therefore, even when the single crystal grows and becomes thicker, the growth conditions at the optimum temperature are maintained, and as a result, it is considered that the growth can be performed in a state where it is hard to break and maintains a high quality state.
以上の本発明の3族窒化物単結晶体の製造方法によれば、結晶欠陥の少ない高品質な単結晶基板を得ることができ、基板間の品質も安定したものとなる。したがって、本発明の3族窒化物単結晶体から製造した3族窒化物単結晶基板は、発光ダイオード(LED),半導体レーザ(LD)などの発光素子、トランジスタ,パワーFET(Field Effect Transistor)などのパワーデバイスなどの電子素子に好適に使用される。 According to the above method for producing a group III nitride single crystal of the present invention, a high-quality single crystal substrate with few crystal defects can be obtained, and the quality between the substrates can be stabilized. Therefore, the group III nitride single crystal substrate manufactured from the group III nitride single crystal of the present invention includes a light emitting element such as a light emitting diode (LED) and a semiconductor laser (LD), a transistor, a power FET (Field Effect Transistor), and the like. It is suitably used for electronic elements such as power devices.
以下、本発明の3族窒化物単結晶体の製造方法について、実施形態の一例を説明する。 Hereinafter, an example of the embodiment will be described with respect to the method for producing a group III nitride single crystal of the present invention.
図1は、本発明の3族窒化物単結晶体を製造するための気相成長装置の一例を示す断面模式図である。図1において、Sは気相成長装置、1は保持体、2は石英管、3aは成長用の種結晶の基板(種基板)、3bは成長した単結晶体、4aおよび4bはヒータ、5a,5bは原料ガス、6はカウンターフローのガス流、7はガリウム容器を示す。以下、本発明の3族窒化物単結晶体の製造方法について説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a vapor phase growth apparatus for producing the group III nitride single crystal of the present invention. In FIG. 1, S is a vapor phase growth apparatus, 1 is a holding body, 2 is a quartz tube, 3a is a seed crystal substrate (seed substrate) for growth, 3b is a grown single crystal, 4a and 4b are heaters, 5a 5b is a source gas, 6 is a gas flow of a counter flow, and 7 is a gallium container. Hereinafter, the method for producing a group III nitride single crystal of the present invention will be described.
(1)まず、種基板3aを保持体1で保持した状態で気相成長装置Sの石英管2の内部に配置する。 (1) First, the seed substrate 3a is placed inside the quartz tube 2 of the vapor phase growth apparatus S while being held by the holding body 1.
保持体1にはグラファイトを用いるが、後述するように原料ガスとして腐食性のアンモニアや塩化水素を使用するため、表面にSiC、BNおよびTaCからなる群から選ばれる1種以上をコーティングしておくことが好ましい。なお、コーティング法としては、CVD法、スパッタ法などが挙げられる。これにより保持体1の耐食性が向上する。なお、BNのなかでもPBNが好ましい。PBNとは、焦性窒化ホウ素(パイロリティックBN(p−BN))である。 Although graphite is used for the support 1, since corrosive ammonia or hydrogen chloride is used as a source gas as will be described later, the surface is coated with at least one selected from the group consisting of SiC, BN and TaC. It is preferable. Examples of the coating method include a CVD method and a sputtering method. Thereby, the corrosion resistance of the holder 1 is improved. PBN is preferable among BN. PBN is pyrogenic boron nitride (pyrolytic BN (p-BN)).
また、保持体1の中心軸を中心として保持した種基板3aを回転させる機構を設け、結晶の成長中に自転させることが望ましい。これにより、種基板3a上に成長する結晶の均一性を向上させることができる。なお、回転数としては、例えば、2rpm〜50rpm程度の範囲から選択することが可能である。 Further, it is desirable to provide a mechanism for rotating the seed substrate 3a held around the central axis of the holding body 1 so that the seed substrate 3a rotates during crystal growth. Thereby, the uniformity of the crystal growing on the seed substrate 3a can be improved. In addition, as rotation speed, it is possible to select from the range of about 2 rpm-50 rpm, for example.
種基板3aは、3族窒化物単結晶体を用いる。具体的には、GaN,AlGaN等の窒化ガリウム系化合物半導体、AlN等を用いることができる。また、3族窒化物単結晶体がGaN単結晶の場合、種基板3aとしては、サファイア、SiC、GaN単結晶、AlN単結晶、またはGaN単結晶およびAlN単結晶の混晶などを挙げることができる。中でも、GaN単結晶やAlN単結晶またはGaN単結晶およびAlN単結晶の混晶が好適に用いられる。成長用の種基板3aの厚みは0.3〜0.6mm程度である。また、成長用の種基板3aの直径は20mm〜60mmである。
The seed substrate 3a uses a
気相成長装置Sの本体である石英管2は、石英などからなり、形状は円筒状、角筒状などの筒状体のものが好適に用いられる。 The quartz tube 2 which is the main body of the vapor phase growth apparatus S is made of quartz or the like, and a cylindrical body such as a cylindrical shape or a rectangular tube shape is preferably used.
(2)次に、保持体1の側のヒータ4bを700℃以上に加熱し、原料ガス5aや5bとともにカウンターフロー6を導入し、種基板3a上に単結晶体3bを成長させる。 (2) Next, the heater 4b on the holding body 1 side is heated to 700 ° C. or higher, the counter flow 6 is introduced together with the source gases 5a and 5b, and the single crystal 3b is grown on the seed substrate 3a.
このための気相成長法としては、ハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いることが好ましい。なお、その他の気相成長法としては有機金属気相成長法(MOVPE法)、昇華法などが挙げられるが、成長速度が速く、品質も良く、窒化物体を作製させやすいという理由によりHVPE法が好ましい。以下、HVPE法を用いた例で説明する。 As a vapor phase growth method for this purpose, it is preferable to use a hydride vapor phase growth method (HVPE method). Other vapor phase growth methods include metal organic vapor phase growth (MOVPE), sublimation, etc., but the HVPE method is used because of its high growth rate, good quality, and ease of producing nitrided bodies. preferable. Hereinafter, an example using the HVPE method will be described.
原料ガス5aや5bには、V族のアンモニアと3族のトリメチルガリウムまたは塩化ガリウムを用い、カウンターフロー6には窒素や水素またはこれらの混合ガスを用いる。塩化ガリウムを3族原料に使用する場合は、後述するように、金属ガリウムを石英製のガリウム容器7に充填し、約800℃で塩化水素ガスを流して反応させることにより塩化ガリウムを生成する。
The source gases 5a and 5b use group V ammonia and
ヒータ4aおよび4bは、石英管2の外周部に周設され、例えば、抵抗加熱方式のものを用いることができる。保持体1側のヒータ4bは、低温バッファ層などの成膜時には700〜1000℃、単結晶成長開始時は1000〜1300℃とすることにより、保持体1と種基板3aを加熱すると良い。なお、低温バッファ層は成長用の種基板3aとしてサファイア基板を用いた場合に必要となり、10〜100nmで成膜される。なお、低温バッファ層を成膜する場合、ガス組成は単結晶体3bを成長させるときと同じである。 The heaters 4a and 4b are provided around the outer periphery of the quartz tube 2, and, for example, a resistance heating type can be used. The heater 4b on the holding body 1 side may heat the holding body 1 and the seed substrate 3a by setting the temperature to 700 to 1000 ° C. when forming a low-temperature buffer layer or the like and 1000 to 1300 ° C. when starting single crystal growth. The low-temperature buffer layer is required when a sapphire substrate is used as the growth seed substrate 3a, and is formed at a thickness of 10 to 100 nm. Note that when the low-temperature buffer layer is formed, the gas composition is the same as that for growing the single crystal 3b.
気相成長装置S内に供給されて窒化物体を成長させる原料ガスは、アンモニア(NH3)ガス,塩化ガリウム(GaCl)ガス,塩化水素(HCl)ガスなどであり、さらに窒素(N2)ガス,水素(H2)ガス,シラン(SiH4)ガスなどを含んでいてもよい。 The source gas supplied into the vapor phase growth apparatus S to grow a nitride body is ammonia (NH 3 ) gas, gallium chloride (GaCl) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like, and also nitrogen (N 2 ) gas. , Hydrogen (H 2 ) gas, silane (SiH 4 ) gas, or the like may be included.
塩化水素ガスを用いる場合、塩化水素は気相成長装置Sのガス供給管のガリウム容器7部でガリウム金属と800℃程度の温度で反応させて塩化ガリウム(GaCl)ガスとして原料ガス5bとして供給される。このためには、原料供給側のヒータ4aを所定の温度に加熱することにより、ガリウム容器7を加熱するとよい。このようにして生成した塩化ガリウムガスの原料ガス5bに、アンモニアガスを原料ガス5aから供給して混合させて、所定の温度とした種基板3aに供給することによって種基板3aの表面にGaNの単結晶体3bを高速で成長させることができる。なお、反応時の圧力は、通常、HPVE法では大気圧(常圧)とする。
When hydrogen chloride gas is used, hydrogen chloride is reacted as gallium metal at a temperature of about 800 ° C. in the
アンモニアガスと塩化水素ガスの流量比は、アンモニアガスの流量が塩化水素ガスの流量の15〜30倍程度とするとよい。この比率とすることによって、GaN単結晶体の成長速度を高めることができ、GaN単結晶体中の転位を増加させる柱状結晶の成長を抑えることができる。 The flow rate ratio between ammonia gas and hydrogen chloride gas is preferably such that the flow rate of ammonia gas is about 15 to 30 times the flow rate of hydrogen chloride gas. By setting this ratio, the growth rate of the GaN single crystal can be increased, and the growth of columnar crystals that increase dislocations in the GaN single crystal can be suppressed.
カウンターフロー6は、原料ガスを乱流の起こらないように層流にしたり、成長に寄与できなかった反応生成物を装置の外部に運んだり、石英管2の内側に付着物が付着することを防止したりするために導入されるガス流である。上述したように、窒素や水素またはこれらの混合ガスを用いることができ、原料ガス5a,5bの数倍〜数十倍の流量とする。具体的には、3〜20倍程度の流量とすることが望ましい。 The counter flow 6 makes the source gas laminar so as not to cause turbulent flow, carries reaction products that could not contribute to the growth to the outside of the apparatus, and adheres to the inside of the quartz tube 2. It is a gas flow that is introduced to prevent or prevent. As described above, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas thereof can be used, and the flow rate is several times to several tens of times that of the source gases 5a and 5b. Specifically, the flow rate is preferably about 3 to 20 times.
(3)さらに、本発明では、成長させる単結晶体3bの厚みの増加に応じて外部からの制御温度を上昇させるようにする。従来、結晶成長時の温度は、成長開始時に1000〜1300℃の特定の温度で行い、同一の温度を保持した状態で結晶成長が行われる。このような従来の方法では、単結晶体が厚くなるにつれて転位が発生したり割れたりする傾向があった。これに対して、本発明では、成長させる単結晶体3bの厚みの増加に応じて、外部からの制御温度(図1では、石英管2の保持体1の外部に周設したヒータ4bの設定温度)を上昇させるようにした。これにより、厚く成長させても割れにくく、高品質な結晶成長が可能となる。この理由は既に上述したが、以下のとおりと推測する。すなわち、従来の方法では、単結晶体が成長するにつれて、保持体を介して成長表面に供給される熱の単位時間当たりの供給量が減少しがちになり、成長表面の温度が最適値からずれてしまい、転位が発生したり、割れたりするものと思われる。これに対して、本発明の構成によれば、単結晶体が成長にあわせて、成長表面に供給される単位時間当たりの熱(温度)を増加させるようにしているので、単結晶体が成長して厚くなっても、最適な温度の成長条件が保たれ、その結果、割れにくく、高品質な状態を保った状態での成長が可能となると思われる。 (3) Further, in the present invention, the control temperature from the outside is increased in accordance with the increase in the thickness of the single crystal 3b to be grown. Conventionally, the temperature during crystal growth is a specific temperature of 1000 to 1300 ° C. at the start of growth, and crystal growth is performed while maintaining the same temperature. In such a conventional method, there is a tendency that dislocations are generated or cracked as the single crystal becomes thicker. On the other hand, in the present invention, as the thickness of the single crystal 3b to be grown increases, the control temperature from the outside (in FIG. 1, the setting of the heater 4b provided outside the holder 1 of the quartz tube 2 is set). Temperature). Thereby, even if it grows thickly, it is hard to break and high-quality crystal growth becomes possible. The reason for this has already been described above, but is assumed to be as follows. That is, in the conventional method, as the single crystal grows, the supply amount per unit time of heat supplied to the growth surface via the holding body tends to decrease, and the temperature of the growth surface deviates from the optimum value. It seems that dislocations are generated or cracked. On the other hand, according to the configuration of the present invention, the single crystal is grown because the heat (temperature) per unit time supplied to the growth surface is increased as the single crystal grows. Even if it becomes thicker, the growth conditions at the optimum temperature are maintained, and as a result, it is considered that growth is possible in a state where it is hard to break and maintains a high quality state.
なお、制御温度を上昇させる度合いは、装置によっても変動するが、成長初期温度から単結晶体3bの成長厚み1mmに対し0.1から5.0℃の範囲で制御温度を上昇させると良い。なお、理論上は、単結晶体3bの成長表面の温度をモニタしつつ、一定の範囲に収まるようにヒータの温度を制御すれば良いはずだが、実際に結晶成長に関与するのは最表面領域であり、この箇所だけを取り出して温度測定することは現実的には困難である。したがって、上述した制御温度の範囲内で、値を変更しながら、結晶成長を繰り返し、割れや品質を評価しながら、使用する成長装置に応じた最適な値を決めるようにすれば良い。 Although the degree to which the control temperature is raised varies depending on the apparatus, it is preferable to raise the control temperature in the range of 0.1 to 5.0 ° C. with respect to the growth thickness of 1 mm of the single crystal 3b from the initial growth temperature. Theoretically, while the temperature of the growth surface of the single crystal 3b should be monitored, the temperature of the heater should be controlled so as to be within a certain range, but it is actually the outermost surface region that is involved in crystal growth. Therefore, it is practically difficult to take out only this portion and measure the temperature. Therefore, it is only necessary to determine the optimum value according to the growth apparatus to be used while repeating crystal growth while changing the value within the above-described control temperature range, and evaluating cracks and quality.
GaNの単結晶体3bから基板形状に加工するには、半導体シリコンなどの一般的なウェハ加工工程を適用することができ、概ね以下のような工程を経れば良い。
(a)ダイアモンド砥石を使用して成長させたGaNの単結晶体を外周研削して所定の外径とする。
(b)GaNの単結晶体をダイアモンド砥粒などを固着させたワイヤ、または、真鍮ワイヤにダイアモンドやSiC砥粒をスラリーで滴下しながら、ワイヤの往復運動で結晶を切断するワイヤーソーにより、所定厚み(例えば0.6mm)のウェハ形状に切り出す。
(c)GaNの単結晶ウェハの両面をダイアモンド砥粒、または、SiC砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いてデバイス工程で使用する表面を鏡面研磨することにより、GaNの単結晶ウェハ基板を得る。
In order to process the single crystal body 3b of GaN into a substrate shape, a general wafer processing process such as semiconductor silicon can be applied, and generally the following processes may be performed.
(A) A GaN single crystal grown using a diamond grindstone is ground to a predetermined outer diameter.
(B) A wire saw in which diamond abrasive grains or the like are bonded to a single crystal of GaN, or a wire saw that cuts crystals by reciprocating motion of a wire while dropping diamond or SiC abrasive grains on a brass wire with a slurry. Cut into a wafer shape with a thickness (eg, 0.6 mm).
(C) After roughly polishing both surfaces of a single crystal wafer of GaN using diamond abrasive grains or SiC abrasive grains, the surface used in the device process is mirror-polished using colloidal silica, whereby a single crystal of GaN is polished. A wafer substrate is obtained.
以上、説明した工程により、光学素子、電子素子に適用される窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長するのに好適なGaN単結晶等から成る窒化物体の基板が製造可能となる。 As described above, a nitride object substrate made of a GaN single crystal or the like suitable for epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor applied to an optical element and an electronic element can be manufactured by the process described above.
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、AlN単結晶から成る種基板3aを用い、ガリウムに替えてアルミニウムを使用し、ヒータ4a,4bとして高周波誘導加熱コイルを用い、アンモニア(NH3)ガスと塩化水素(HCl)ガスを主成分とする原料ガスを供給することによって、AlN単結晶の成長が可能となる。また、原料ガスの塩化水素に変えて金属アルミニウムを用いずに、有機金属ガスのトリメチルアルミニウムを用いても同様である。 For example, a seed substrate 3a made of AlN single crystal is used, aluminum is used instead of gallium, high frequency induction heating coils are used as heaters 4a and 4b, and ammonia (NH 3 ) gas and hydrogen chloride (HCl) gas are the main components. It is possible to grow an AlN single crystal by supplying the source gas. The same applies to trimethylaluminum, which is an organic metal gas, instead of using metal aluminum instead of hydrogen chloride, which is a raw material gas.
また、図1では、種基板3aに対して、単結晶体3bの成長面を鉛直方向に対して下向きとなるように配置して成長させた場合について説明した。この場合、成長面に対してゴミなどが落下することを低減できるので好ましい。しかしながら、成長面が鉛直方向に対して上向き、あるいは鉛直方向に対して横向きになるように、単結晶体3bを配置しても構わない。 Moreover, FIG. 1 demonstrated the case where it grew by arrange | positioning so that the growth surface of the single crystal body 3b might become downward with respect to the perpendicular direction with respect to the seed substrate 3a. In this case, it is preferable because dust and the like can be prevented from falling on the growth surface. However, the single crystal body 3b may be arranged so that the growth surface faces upward with respect to the vertical direction or laterally with respect to the vertical direction.
さらに、気相成長装置Sは、図1のような形状に限定されるものではなく、気相中で窒化物体を成長させる装置に適用可能であり、原料ガスも実施例に示した材料に限定されず、窒化物体を成長可能な原料ガスに応用可能である。 Furthermore, the vapor phase growth apparatus S is not limited to the shape as shown in FIG. 1, but can be applied to an apparatus for growing a nitride body in the vapor phase, and the source gas is also limited to the materials shown in the embodiments. However, it can be applied to a source gas capable of growing a nitride body.
本発明の窒化物体の製造方法の実施例について以下に説明する。 Examples of the method for manufacturing a nitride object of the present invention will be described below.
図1に示す気相成長装置Sを用いてGaN単結晶体を製造した。まず、種基板3aとして、直径52mm、厚み0.4mmの円板状のGaN単結晶から成るものを用いた。気相成長装置Sである石英管2内に設置された、外径60mm、厚さ20mmの円筒状でSiCを0.2mmコーティングしたグラファイトから成る保持体1に、種基板3aの成長面が下向きになるように外周部を挟持して固定した。 A GaN single crystal was manufactured using the vapor phase growth apparatus S shown in FIG. First, a seed substrate 3a made of a disk-shaped GaN single crystal having a diameter of 52 mm and a thickness of 0.4 mm was used. The growth surface of the seed substrate 3a faces downward on a holder 1 made of graphite, which is installed in a quartz tube 2 which is a vapor phase growth apparatus S and is coated with 0.2 mm of SiC having an outer diameter of 60 mm and a thickness of 20 mm. The outer periphery was sandwiched and fixed so that
次に、ガリウムをガリウム容器7に収容し、抵抗型のヒータ4aに通電して石英管内を加熱し、ガリウムの温度をヒータ4aにより800℃程度に制御しながら、塩化水素ガスを30cc/分の量で供給し、塩化ガリウムを3族の原料ガスとして5bから供給した。また、ほぼ同時にアンモニアガスを750cc/分の量でV族の原料ガス5aとして供給した。さらに、種基板3aの温度は1000℃になるようにヒータ4bを1100℃に制御した。これにより、保持体1を20rpmで回転させながらGaNの単結晶体3bの成長を開始した。
Next, gallium is accommodated in the
次に、成長厚みに応じて1mmあたり1.0℃のレートでヒータ4bを1100℃から徐々に上昇させ、成長厚み25mmまで結晶成長を行った。 Next, the heater 4b was gradually raised from 1100 ° C. at a rate of 1.0 ° C. per 1 mm according to the growth thickness, and crystal growth was performed to a growth thickness of 25 mm.
結晶成長終了後、気相成長装置SからGaNの単結晶体を取り出し、ダイアモンド砥石を使用して外径50.8mmとなるように外周研削した。その後、外周研削したGaNの単結晶体をダイアモンド砥粒が固着したワイヤを用いたワイヤーソーにより厚み0.6mmに複数枚切断し、GaNの単結晶基板を得た。 After the completion of crystal growth, a single crystal of GaN was taken out from the vapor phase growth apparatus S, and peripheral grinding was performed using a diamond grindstone to an outer diameter of 50.8 mm. Thereafter, a plurality of GaN single crystal bodies that were ground on the periphery were cut into a thickness of 0.6 mm by a wire saw using a wire to which diamond abrasive grains were fixed to obtain a GaN single crystal substrate.
次に、ワイヤーソーにより切り出したGaN単結晶基板の両面を、ダイアモンド砥粒を用いて粗研磨し、さらに、コロイダルシリカを用いて、結晶成長に用いる面をメカノケミカル研磨して鏡面加工し、直径50.8mm、厚み0.4mmのGaN単結晶基板のウェハを作製した。 Next, both sides of the GaN single crystal substrate cut out with a wire saw are roughly polished using diamond abrasive grains, and further, the surface used for crystal growth is mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica. A GaN single crystal substrate wafer having a thickness of 50.8 mm and a thickness of 0.4 mm was produced.
以上のようにして作製した、GaN単結晶基板のウェハ表面をX線トポグラフ像で観察したところ、平均転位密度は4×104cm−2であった。 When the wafer surface of the GaN single crystal substrate produced as described above was observed with an X-ray topographic image, the average dislocation density was 4 × 10 4 cm −2 .
なお、比較例1として、成長中の温度としてヒータ4bを1100℃で一定にしたまま結晶成長を行った以外は全く同様の工程でGaNの単結晶種基板上にGaN単結晶体を作製したところ、成長厚みが5mm程度のところで割れの発生が起こった。また、この比較例のGaN単結晶体からウェハを作製し、5mmまでの平均転位密度を測定したところ、2×105cm−2であり、割れや品質の点で本発明の有効性が確認された。 As Comparative Example 1, a GaN single crystal was produced on a GaN single crystal seed substrate in exactly the same process except that the crystal growth was performed with the heater 4b kept constant at 1100 ° C. as the temperature during growth. Cracks occurred when the growth thickness was about 5 mm. Further, when a wafer was produced from the GaN single crystal of this comparative example and the average dislocation density up to 5 mm was measured, it was 2 × 10 5 cm −2 , and the effectiveness of the present invention was confirmed in terms of cracks and quality. It was done.
さらに、比較例2として、種基板として、サファイアを用いたところ、成長させたGaN単結晶体は成長厚みが1mmを超えると割れを生じた。また、割れた部分を避けて測定した平均転位密度は2×108cm−2程度であり、比較例1と同様に、割れの発生や品質面での本発明の有効性が確認された。 Furthermore, as a comparative example 2, when sapphire was used as a seed substrate, the grown GaN single crystal was cracked when the growth thickness exceeded 1 mm. Moreover, the average dislocation density measured by avoiding the cracked portion was about 2 × 10 8 cm −2 , and as in Comparative Example 1, the effectiveness of the present invention in terms of generation of cracks and quality was confirmed.
S:気相成長装置
1:保持体
2:石英管
3a:種基板
3b:(成長した)単結晶体
4a,4b:ヒータ
5a,5b:原料ガス
6:カウンターフローのガス流
7:ガリウム容器
S: Vapor growth apparatus 1: Holding body 2: Quartz tube 3a: Seed substrate 3b: (Growth) single crystal 4a, 4b: Heaters 5a, 5b: Source gas 6: Gas flow of counter flow 7: Gallium container
Claims (4)
結晶成長のために外部から印加する制御温度を、成長させる前記単結晶体の厚みの増加に応じて上昇させる、3族窒化物単結晶体の製造方法。 A method for producing a group III nitride single crystal in which a group III nitride single crystal is continuously grown on a seed substrate by vapor phase epitaxy to produce a single crystal in bulk.
A method for producing a group III nitride single crystal, wherein a control temperature applied from the outside for crystal growth is increased in accordance with an increase in thickness of the single crystal to be grown.
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JP2012101977A (en) * | 2010-11-10 | 2012-05-31 | Hitachi Cable Ltd | Method for manufacturing nitride semiconductor substrate, and method for manufacturing nitride semiconductor self-standing substrate |
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