JP6421357B2 - 酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板 - Google Patents

Description

本発明は、酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板に関する。

酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３基板は、例えば、ＧａＮ系の薄膜デバイスを成膜し発光素子などを作ることに用いられている。このようなＧａ_２Ｏ_３単結晶は、種々の方法により製造することが提案されているが、大型の単結晶基板を製造するための結晶育成法として、ＥＦＧ（Edge Defined Film Fed Growth）法が注目されている。

例えば、特許文献１には、Ｇａ_２Ｏ_３融液を受容するルツボに立設されたスリットを有するダイを備え、ダイの断面内に設けられたスリット上昇したＧａ_２Ｏ_３融液に種結晶を接触させた後に種結晶を引き上げることにより、所定のサイズ、形状のＧａ_２Ｏ_３単結晶を得ることが記載されている。

特開２００４−５６０９８号公報

ところで、ＧａＮ系の薄膜デバイスの成長基板に用いられるＧａ_２Ｏ_３単結晶のような結晶では、原子が理想的な周期的配列をしていることが好ましいが、実際の結晶育成においては、種結晶と融液を接触させた際の熱衝撃や、不適切な結晶成長速度で育成されることによって、直線上に並んだ原子の位置がまとまってずれてしまうことがあり、このような線状の結晶欠陥は転位と呼ばれている。

一般に、高い発光効率を得るためには転位の無いＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を用いることが好ましいが、無転位の単結晶基板を得ることは難しく、現在の結晶育成技術によるＧａ_２Ｏ_３単結晶は、有限の転位を含んでいる。このような単結晶を用いて基板を作製する場合、結晶中の転位の方向と結晶を切断する方向との関係によって、基板主面上への転位の現れ方は異なり、例えば転位の方向と垂直に結晶を切断し、スライシング加工する場合は、図４（ａ）から図４（ｃ）中に破線で示すように、基板主面上に多くの転位が現れてしまう。

転位が表面に存在するＧａ_２Ｏ_３基板上にデバイス、例えば、ＧａＮ系ＬＥＤを作製する場合、図５に示すようにＧａ_２Ｏ_３基板上の転位（破線部分）が、ハッチングで示す成長したＧａＮ層（発光層含む）にも伝播し、発光層中の転位密度が大きくなり発光効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、発光効率を向上させることができる酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる酸化ガリウム単結晶は
透過型電子顕微鏡にて転位を濃淡模様として観察し、その数を計測することにより測定されるか、又はＸ線トポグラフ法により回折Ｘ線強度のマッピングを行うことにより、転位を濃淡模様として測定される転位密度が５．０×１０ ^５ 個／ｃｍ ^２ 以上、３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下である、ことを特徴とする。

本発明の第２の観点にかかる酸化ガリウム単結晶基板は、
第１の観点にかかる酸化ガリウム単結晶からなる、ことを特徴とする。
また、少なくとも１インチサイズであることが好ましい。

本発明によれば、発光効率を向上させることができる。

（ａ）ＥＦＧ法による酸化ガリウム単結晶の製造方法の一例の育成炉を説明する模式断面図である。（ｂ） 図１（ａ）の種結晶と酸化ガリウム単結晶、及びダイトップ上の酸化ガリウム融液部分を示す、部分拡大図である。 ＥＦＧ法により作製される酸化ガリウム単結晶の概略図である。 ネッキング条件と酸化ガリウム単結晶の転位密度との関係を示す図である。 （ａ）Ｇａ_２Ｏ_３単結晶表面上に転位が現れた状態の説明図である。（ｂ）図４（ａ）のＧａ_２Ｏ_３単結晶を転位の方向と垂直にスライシング加工する状態を示す説明図である。（ｃ）基板表面上に転位が現れた状態を説明するための図であり、貫通転位を含んだＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を示す説明図である。 発光効率が低下する状態を説明するための図である。

以下、本発明の酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板について図面を参照して説明する。

本発明の酸化ガリウム単結晶は、その転位密度が３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下である。このように、転位密度が小さい（転位が少ない）酸化ガリウム単結晶を用いて酸化ガリウム単結晶基板を作製し、この酸化ガリウム単結晶基板にＧａＮエピタキシャル膜を作製すると、ＧａＮ膜の発光層からの発光効率の損失を１０％以下に抑えることができる。このため、酸化ガリウム単結晶の転位密度を３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下とすることにより、発光効率を向上させることができる。

酸化ガリウム単結晶の転位密度は、３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下であることが好ましく、１×１０^６個／ｃｍ^２以下であることがさらに好ましく、５×１０^５個／ｃｍ^２以下であることが最も好ましい。かかる範囲とすることにより、発光効率をさらに向上させることができる。なお、酸化ガリウム単結晶の転位密度の下限については酸化ガリウム単結晶が製造（育成）できる範囲内であれば特に限定されるものではなく、０個／ｃｍ^２超に設定されるものとする。

本件における酸化ガリウム単結晶の転位密度は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて転位を濃淡模様として観察し、その数を計測することにより測定される。転位密度が１０^４個／ｃｍ^２以下であれば、Ｘ線トポグラフ法により回折Ｘ線強度のマッピングを行うことにより、転位を濃淡模様として測定することも可能である。

また、転位密度はネック径とシードタッチ温度を適宜選択することで制御可能である。上記の転位を含む酸化ガリウム単結晶を得る方法の一つとして、そのネック径（後述するネック部１３ａの径）が１．４ｍｍ以下であることが好ましい。酸化ガリウム単結晶のネック径を小さくすることにより、その転位密度を低下させやすいためである。酸化ガリウム単結晶のネック径は、１．２ｍｍ以下であることがより好ましく、１．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。特に、酸化ガリウム単結晶のネック径を０．８ｍｍ以下にすると、その転位密度を３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下に容易に制御できる。また、酸化ガリウム単結晶のネック径の下限は、酸化ガリウム単結晶が製造（育成）可能な径であれば特に限定されるものではないが、育成された単結晶のハンドリングを考慮すると、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明の酸化ガリウム単結晶基板は、その転位密度が３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下の酸化ガリウム単結晶を、所定のサイズ、例えば、１インチサイズに切り出した基板である。酸化ガリウム単結晶基板を半導体デバイス基板に用いる場合、その表面を原子レベルで平坦にする必要がある。そのための仕上げ加工にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）加工が適応される。なお、ＣＭＰ加工は化学的なエッチング効果と機械加工とを組み合わせた加工である。

次に、以上のような酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板の製造方法について説明する。本実施の形態では、酸化ガリウム単結晶をＥＦＧ（Edge Defined Film Fed Growth）法による結晶育成により製造する場合を例に説明する。

ＥＦＧ法とは、スリットを有するダイが収容されたルツボに酸化ガリウム原料を投入して加熱し、スリットを介してその上部に溢出した酸化ガリウム原料の融液と種結晶とを接触させて酸化ガリウム単結晶を製造（育成）する方法である。図１（ａ）は、ＥＦＧ法による酸化ガリウム単結晶の製造方法の一例の育成炉を説明する模式断面図であり、同図（ｂ）は 図１（ａ）の種結晶と酸化ガリウム単結晶、及びダイトップ上の酸化ガリウム融液部分を示す、部分拡大図である。まず、酸化ガリウム単結晶の製造装置を用いた酸化ガリウム単結晶の製造方法について簡単に説明する。

図１（ａ）に示すように、酸化ガリウム単結晶の製造装置１の内部には、酸化ガリウム単結晶の原料としての酸化ガリウム融液２を受容するルツボ３が配置されている。ルツボ３は、有底円筒状に形成され、支持台４上に載置されており、その底面の温度を熱電対７によって測定されている。ルツボ３は、酸化ガリウム融液２を受容できるように、耐熱性を有する金属材料、例えば、イリジウム（Ｉｒ）により形成され、図示しない原料投入部によりルツボ３内に必量な量の原料が投入される。

ルツボ３内には、ダイ５が配置されている。ダイ５は、例えば、略直方体状に形成され、その下端から上端（開口５Ｂ）に延びる１つまたは複数のスリット５Ａが設けられている。例えば、図１（ａ）では、ダイ５は、その厚さ方向の中央に１つのスリット５Ａが設けられている。このダイ５は、製造する酸化ガリウム単結晶の形状、枚数等に応じて所望のものが用いられる。

１つのスリット５Ａは、ダイ５のほぼ全幅にわたって設けられ、また、ダイ５の厚さ方向に所定の間隔で設けられている。このスリット５Ａは、酸化ガリウム融液２を毛細管現象によってダイ５の下端からスリット５Ａの開口５Ｂに上昇させる役割を有する。

ルツボ３の上面には、蓋６が配置されている。蓋６は、ダイ５を除くルツボ３の上面が閉塞される形状に形成されている。このため、ルツボ３の上面に蓋６が配置された状態で、スリット５Ａの開口５Ｂを除くルツボ３の上面が閉塞される。このように、蓋６は、ルツボ３から高温の酸化ガリウム融液２が蒸発することを防止し、さらにスリット５Ａの上面以外に酸化ガリウム融液２の蒸気が付着することを抑制する。

また、ルツボ３を包囲するように設けられた断熱材８の周囲には、例えば、高周波コイルからなるヒータ部９が配置されている。このヒータ部９によりルツボ３が所定の温度に加熱され、ルツボ３内の原料が融解して酸化ガリウム融液２になる。原料の融解温度は、例えば、ダイ５の開口５Ｂ上に置いた酸化ガリウム粒子の溶ける温度として確認される（チップメルト）。断熱材８は、ルツボ３と所定の間隔を有するように配置されており、ヒータ部９により加熱されるルツボ３の急激な温度変化を抑制する保温性を有する。

また、スリット５Ａの上部には、種結晶１０を保持する種結晶保持具１１が配置されている。種結晶保持具１１は、種結晶保持具１１（種結晶１０）を昇降可能に支持するシャフト１２に接続されている。

そして、シャフト１２により種結晶保持具１１を降下して、毛細管現象で上昇し、開口５Ｂから露出したダイトップ上の融液２Ａと種結晶１０とを接触させて（シードタッチ）、さらに、シャフト１２により種結晶保持具１１を上昇させて、細いネック部１３ａを形成（ネッキング工程）ずる（図１（ｂ）参照）。その後、単結晶１３をダイ５の幅方向に拡張するように結晶成長させてスプレッド部１３ｂを育成（スプレディング工程）し、ダイ５の幅まで拡幅した（フルスプレッド）後は、ダイ５と同じ幅の直胴部１３ｃが育成される（直胴工程）。

このような酸化ガリウム単結晶の製造装置により製造（育成）された酸化ガリウム単結晶１３の概略図を図２に示す。図２に示すように、酸化ガリウム単結晶１３は、略シート状に形成されている。酸化ガリウム単結晶１３は、育成工程に対応した結晶形状に形成されており、ネッキング工程で形成されるネック部１３ａと、スプレディング工程で形成されるスプレッド部１３ｂと、直胴工程で形成される直胴部１３ｃとを備えている。なお、酸化ガリウム単結晶基板２１として利用するのは、通常、直胴部１３ｃの結晶である。

このような酸化ガリウム単結晶の製造方法において、本発明の転位密度が３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下の酸化ガリウム単結晶を得るには、例えば、ネック部１３ａの転位を低減させ、酸化ガリウム単結晶を育成する方法がある。具体的には、ネッキング工程において、種結晶が融液と接触する際の熱的衝撃を低減させるべく、シードタッチ時の熱電対７の表示温度（シードタッチ温度）をできるだけ高くしてシードタッチを行い、かつ、ネック部１３ａ中に生じる転位の数を減らすべく、ネック部１３ａの径（ネック径）を細く作製する。

上述の方法で転位密度を制御した酸化ガリウム単結晶を切り出して１インチ基板を得て、この基板上にＧａＮ膜を成膜してＧａＮ基板とし、公知の手法にてＧａＮ系ＬＥＤデバイスを作製した。発光効率を評価するために上記ＬＥＤの作製途中、発光層まで成膜したものを取り出し、カソードルミネッセンス（ＣＬ）像を観察したところ、ＧａＮ基板表面に転位が生じた箇所は転位が発光層まで伝播し非発光領域となった。

これらの転位密度の異なる酸化ガリウムから作製した、酸化ガリウム基板の転位密度、ＧａＮ膜表面の転位密度、発光層の発光効率を評価した結果を表１に示す。なお発光効率はＣＬ像観察した際の観察領域に対する発光領域の割合と定義した。これによると酸化ガリウム基板の転位密度を３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下とすることで、発光効率を９０％以上とすることができると判明した。
また、それぞれの基板作製に用いた酸化ガリウム単結晶のネッキング条件（ネック径及びシードタッチ温度）を同様に表１に示した。

上記の結果を受けて、転位密度３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下の結晶を得ることができるネッキング条件の探索を行った。図３に、ネック径を０．４〜１．４ｍｍ、シードタッチ温度を１９２０〜１９５０℃に変化させた際の、酸化ガリウム単結晶の転位密度を示す。これにより、シードタッチ温度が１９３０℃以上の温度域で、且つ、ネック径０．８ｍｍ以下の条件で、酸化ガリウム単結晶を育成することにより、酸化ガリウム単結晶の転位密度を３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下にできる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、酸化ガリウム単結晶基板の転位密度が３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下であるので、この酸化ガリウム単結晶を用いることにより、ＧａＮ膜の発光層からの発光効率の損失を抑制することができ、発光効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＥＦＧ法の結晶育成により酸化ガリウム単結晶を製造する場合を例に本発明を説明したが、酸化ガリウム単結晶の製造方法はＥＦＧ法に限定されるものではなく、転位密度が３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下の酸化ガリウム単結晶が形成可能な各種の方法を用いることができる。

本発明は、本発明の酸化ガリウム単結晶、及び、酸化ガリウム単結晶基板に有用である。

１ 酸化ガリウム単結晶の製造装置
２ 酸化ガリウム融液
３ ルツボ
４ 支持台
５ ダイ
５Ａ スリット
５Ｂ 開口
６ 蓋
７ 熱電対
８ 断熱材
９ ヒータ部
１０ 種結晶
１１ 種結晶保持具
１２ シャフト
１３ 酸化ガリウム単結晶
２１ 酸化ガリウム単結晶基板

Claims (3)

1. 透過型電子顕微鏡にて転位を濃淡模様として観察し、その数を計測することにより測定されるか、又はＸ線トポグラフ法により回折Ｘ線強度のマッピングを行うことにより、転位を濃淡模様として測定される転位密度が５．０×１０ ^５ 個／ｃｍ ^２ 以上、３．５×１０^６個／ｃｍ^２以下である、ことを特徴とする酸化ガリウム単結晶。
2. 請求項１に記載の酸化ガリウム単結晶からなる、ことを特徴とする酸化ガリウム単結晶基板。
3. 少なくとも１インチサイズである、ことを特徴とする請求項２に記載の酸化ガリウム単結晶基板。

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