説明

III族窒化物半導体単結晶の製造方法

【課題】非極性面及び半極性面を主面とした結晶成長において、多結晶が発生することにより生じる、結晶の厚膜成長阻害を防ぐことを課題とする。
【解決手段】III族窒化物結晶からなり非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に、III族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、前記主面からc軸方向に±90°傾斜した面をK面と定義したとき、該K面に対して特定の角度の面を有する側面を持った下地基板を用いることで多結晶発生の問題を解決する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、III族窒化物結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化ガリウムに代表される窒化物半導体は、大きなバンドギャップを有し、またバンド間遷移が直接遷移型であることから、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用な材料である。
【0003】
このような窒化物半導体基板の主面は、大型の基板を効率よく製造することができるなどの理由により(0001)面であることが一般的である。しかし、(0001)面を主面とするGaN基板上にInGaNなど半導体層を形成して半導体装置を製造した場合、ピエゾ電界が生じることに起因して本来期待される特性が得られないという問題が生じた。
【0004】
これに対し、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体基板を用いて作製されるデバイスが検討されるようになり、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体基板の大型化の技術が進んできている。例えば特許文献1では、シードの主面が略同一方向に向くようにしてシードを複数配置し、シードの主面上に結晶を成長させることで大型の結晶を得ることが開示されている。また、特許文献2では、シード基板を並べ、その上に成長させた結晶を{20−21}面等を主面とするように切出し、切出した基板上で結晶成長させる方法が開示されている。
【0005】
一方、特許文献3には、非極性面である{1−100}面や{11−20}面を成長面として結晶を成長させた場合に生じる多結晶成長した多結晶領域が形成されやすいという課題に対し、{1−100}面に対するオフ角が特定の角度である主表面を有する下地基板を用いることにより、多結晶成長を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2010−275171号公報
【特許文献2】特開2011−026181号公報
【特許文献3】特開2011−016676号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明者らは、半極性面を主面とした結晶成長について研究を進めたところ、半極性面を主面とした結晶成長においても、上記特許文献3と同様に多結晶が成長した多結晶領域が形成されやすいという知見を得た。本発明は、非極性面及び半極性面を主面とした結晶成長において、多結晶が発生することにより生じる、結晶の厚膜成長阻害を防ぐことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、上記多結晶発生の問題を解決すべく鋭意研究を進め、結晶成長に伴い下地基板の側面のうち特定の面を有する部分近傍の主面上に成長した結晶には多結晶は発生していないことに着目した。そして更に研究を進め、近傍の主面上に多結晶が発生しない側面に共通する性質、即ち下地基板の側面と、主面からc軸方向に±90°傾斜した面(
以下、本明細書においてK面と定義する。)との関係に想到し、上記K面に対して特定の角度の面を有する側面を持った下地基板を用いることで上記多結晶発生の問題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【0009】
即ち本発明は以下のとおりである。
III族窒化物結晶からなり非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に、III族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法であって、
前記主面からc軸方向に±90°傾斜した面をK面と定義したとき、前記下地基板の側面として、K面に対して−35°〜35°である面が下地基板側面全体の50%より小さいことを特徴とする、III族窒化物半導体結晶の製造方法である。
【0010】
また、前記下地基板は、複数の下地基板を主面が略同一方向に向くようにして配置されてなることが好ましく、または、前記下地基板は、単一のIII族窒化物結晶であることが好ましい。
【0011】
また、前記下地基板は、III族窒化物結晶から非極性面又は半極性面を主面とする複数のIII族窒化物結晶プレートを切出し、該III族窒化物結晶プレートを主面が略同一方向に向くようにして配置し、該配置されたIII族窒化物結晶プレート上にさらなるIII族窒化物結晶を成長させてなることが好ましい。
【0012】
前記下地基板は、半極性面を主面とすることが好ましく、{20−21}または{10−11}であることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法によると、多結晶の発生を抑制することができるため、より大きな非極性面又は半極性面を主面とする窒化物半導体結晶を得ることができる。具体的には、多結晶に原料が優先的に供給されることを防ぎ、単結晶成長領域へ十分な原料を供給することができるので、十分な膜厚の窒化物半導体の単結晶を成長させることができる。また、多結晶の増殖に由来するクラックの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施例に用いる結晶製造装置を示す概略図である。
【図2】比較例1におけるGaN結晶の形状を示す概略図である。
【図3】実施例1における結晶成長前の下地基板の形状を示す図である。
【図4】実施例2における結晶成長前の下地基板の形状を示す図である。
【図5】実施例3における結晶成長前の下地基板の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法について、以下詳細に説明する。構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づきされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
【0016】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法は、III族窒化物結晶からなり非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に、III族窒化物結晶を成長させる方法である。
本発明の製造方法に用いる下地基板は、主面を非極性面又は半極性面とするものである。主面が非極性面又は半極性面であれば特段限定されないが、非極性面としては{11−20}面、{1−100}面などがあげられ、半極性面としては{20−21}面、{10−11}面、{10−12}面、{11−22}面、{11−21}面などがあげられる。このうち、下地基板の主面が半極性面であることが好ましく、{20−21}、{10−11}面であることがより好ましい。なお、ここでいう主面とは、デバイスを形成すべき面、あるいは構造体において最も広い面を意味する。
【0017】
本明細書において非極性面および半極性面と称する場合には、±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から、10°以内のオフ角を有する範囲の面を含むものとする。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。
また、本明細書において<・・・・>との表記は方向の集合表現、[・・・・]との表記は方向の個別表現を表す。それに対して{・・・・}との表記は面の集合表現、(・・・・)との表記は面の個別表現を表す。
【0018】
下地基板はIII族窒化物半導体結晶であれば種類は特段限定されるものではないが、製造しようとしている窒化物半導体結晶を構成するIII族元素と同じ種類のIII族元素を少なくとも含む窒化物半導体の下地基板である場合が好ましく、製造しようとしている窒化物半導体結晶と同一種類のIII族窒化物半導体結晶であることがより好ましい。
【0019】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法に用いる下地基板は、主面からc軸方向に±90°傾斜した面をK面と定義したとき、下地基板の側面として、K面に対して−35°〜35°である面が下地基板側面全体の50%より小さいことを特徴とする。なお、ここでいう側面とは、主面に交差する面であればよく、交差する角度は特に限定されないが、作成の容易さから主面と垂直に交差する面であることが好ましい。
既に述べたように、結晶成長に用いる下地基板として、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上を用いた場合には、多結晶領域が発生し得る。本発明者らは、多結晶が発生しない側面に共通する性質を見出し、主面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)に対して特定の角度の面を有する側面を持った下地基板を用いることで上記多結晶発生の問題を解決できることに想到した。
【0020】
このことについて、図を用いてより具体的に説明する。
図2は、本発明の比較例1で製造したGaNバルク結晶の概略図である。図2においてGaNバルク結晶2は、(20−21)を主面とするマザーシード上に、HVPE法にてGaN結晶を成長させて得られたものである。
(20−21)を主面とするGaNバルク結晶2のうち、図中の多結晶発生領域21において多結晶が発生し、その他の部分には多結晶は存在しない。この多結晶発生領域21は、GaNバルク結晶2のうち、側面が主面である(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)23に対して図中22で示される角度よりも傾きが小さい面(円の場合には接面)である領域に発生するものである。本発明者らが検討したところ、図中22で示される角度が35°であることが判明した。そこで、結晶の側面のうち、K面23に対して−35°〜35°でない側面には多結晶が発生しないという知見を得、III族窒化物半導体結晶の製造方法に用いる下地基板を、その側面として、K面に対して−35°〜35°である面が下地基板全体の50%より小さい下地基板とすることで、本発明の課題を解決できることに想到した。
【0021】
図3は、上記発明者らの知見を証明するために行った、本発明の実施例1で用いた下地基板である。主面である(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)33に対する下地基板3の側面の角度を様々な角度とし、結晶を成長させた結果、下地基板の側面がK面に対して−35°〜35°の面を含む領域にのみ多結晶が発生した。
本発明者らはこのように、下地基板の側面の、K面に対する角度に着目することで、多結晶が発生する問題を解決した。
【0022】
また、これまで非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上にIII族窒化物半導体
結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法においては、下地基板の側面に着目したものはない。また、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板が四角形の場合には、4辺のうち対向する2辺において主面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)を含んでいる場合がほとんどであり、その側面のうちK面に対して−35°〜35°である面は下地基板側面全体の少なくとも50%以上となる。
本発明では、下地基板の側面に着目し、K面に対して−35°〜35°の面が下地基板側面全体の50%を下回るように形状を整え、その主面上に結晶成長させるものである。なお、上記K面は、主面からc軸方向に±90°傾斜した面であることから、主面が非極性面である場合にはK面は{0001}面となる。
【0023】
本発明において、下地基板の側面における、K面に対して−35°〜35°の面は、より大きなGaN基板を得る観点及び生産効率の観点から、下地基板側面全体に対して少なければ少ないほど好ましく、40%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、20%以下であることが更に好ましく、10%以下であることが特に好ましく、5%以下であることが最も好ましい。
また、本発明において、下地基板の側面としては{11−24}および/または{11−22}を含むことが好ましく、これらの面を30%以上含むことがより好ましく、50%以上含むことがこれより好ましく、80%以上含むことがさらに好ましく、側面が{11−24}および/または{11−22}からなることが特に好ましい。
【0024】
下地基板の側面全体に対する、K面に対して−35°〜35°の面の割合を調整するための手段は特段限定されず、通常ウエハーなどを切削する方法を用いればよい。具体的にはダイシングブレードなどを用いて調整することが挙げられる。
【0025】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法は、下地基板の主面が非極性面又は半極性面であり、且つその側面が特定の要件を満たすものであればその製造方法も特に限定されない。III族窒化物半導体結晶の製造方法の具体例としては、C面を主面とするIII族窒化物結晶から非極性面又は半極性面を主面とするプレートを切り出して下地基板とし、該下地基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させる方法や、いわゆるタイル法と呼ばれるものや、マザーシードを用いた方法などが挙げられる。
【0026】
タイル法は、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板を複数準備する工程、下地基板の主面が略同一方向に向くようにして複数の下地基板を配置する工程、及び下地基板の主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程、を含む方法である。この方法により、下地基板が小さい場合であっても、同様の主面を有する複数枚の下地基板を並べ、その主面上にIII族窒化物結晶を成長させることで、大型の非極性又は半極性面を主面とするIII族窒化物基板を得ることができるため、好ましい。
【0027】
一方マザーシートを用いた方法としては、非極性面又は半極性面を主面とするプレートを複数準備する工程、プレートの主面が略同一方向に向くようにして複数のプレートを配置する工程、プレートの主面上にIII族窒化物結晶を成長させる工程、及び得られたIII族窒化物結晶から非極性面又は半極性面を主面とするマザーシードを作製し、これを下地基板として、更にIII族窒化物結晶を成長させる工程、を含む方法である。このような方法を採用することにより、結晶の質が向上するため好ましい。また、大型で単一の結晶であるマザーシードを下地基板とするので、下地基板の側面を本発明の範囲にするための加工を容易に行うことができるため、好ましい。なお、上記略同一とは、主面の方向の同一性を厳密に求められない意味であり、おおよそ同じ方向を向いていれば上記実施態様の目的を達成できることを、当業者は理解する。具体的には、プレートの主面の軸方向が、プレート間で±5°以内となるように配置することが好ましく、より好ましくは±3°以内、さらに好ましくは±1°以内、特に好ましくは±0.2°以内である。
【0028】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の成長方法としては、
1)ハライド気相成長法(HVPE法)
2)有機金属化学蒸着法(MOCVD法)
3)有機金属塩化物気相成長法(MOC法)
4)昇華法
5)液相エピタキシー法(LPE法)
6)アモノサーマル法
などの公知の方法を適宜採用することができる。本発明のIII窒化物半導体結晶の製造方法には1)〜4)のような気相成長法を採用することが好ましく、量産性の観点からHVPE法またはMOCVD法を採用することがより好ましく、HVPE法を採用することが特に好ましい。以下、HVPE法を採用した結晶成長方法を、製造装置と共に説明する。
【0029】
図1には、HVPE法を採用した製造方法に用いられる製造装置の概念図を示す。 図1に図示したHVPE装置は、リアクター100内に、下地基板(シード)を載置するためのサセプター107と、成長させるIII族窒化物半導体結晶の原料を入れるリザーバー105とを備えている。また、リアクター100内にガスを導入するための導入管101〜104と、排気するための排気管108が設置されている。さらに、リアクター100を側面から加熱するためのヒーター106が設置されている。
【0030】
リアクター100の材質としては、石英、焼結体窒化ホウ素、ステンレス等を用いることができるが、好ましい材質は石英である。リアクター100内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガス(キャリアガス)としては、例えば、水素、窒素、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは1種のみで用いてもよく、混合して用いてもよい。
【0031】
サセプター107の材質としてはカーボンが好ましく、SiCで表面をコーティングしているものがより好ましい。サセプター107の形状は、本発明で用いる下地基板(シード)を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に結晶成長面付近に構造物が存在しないものであることが好ましい。結晶成長面付近に成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてHClガスが発生して、結晶成長させようとしている結晶に悪影響が出る場合がある。シードとサセプター107の接触面は、シードの結晶成長面から1mm以上離れていることが好ましく、3mm以上離れていることがより好ましく、5mm以上離れていることがさらに好ましい。
【0032】
リザーバー105には、成長させるIII窒化物半導体の原料を入れる。III族源となる原料として、Ga、Al、Inなどを挙げることができる。リザーバー106にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー105に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー105にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管103からHClガスを供給することができる。このとき、HClガスとともに、導入管103からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えば水素、窒素、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは1種のみで用いてもよく、混合して用いてもよい。
【0033】
導入管104からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はNH3を供給する。また、導入管101からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管104から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。このキャリアガスは原料ガスノズルを分離し、ノズル先端にポリ結晶が付着することを防ぐ効果もある。また、導入管102からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、SiH4やSiH2Cl2、H2S等のn型のドーパントガスを供給することができる。
【0034】
導入管101〜104から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、窒素源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター100の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。
【0035】
ガス排気管108は、リアクター内壁の上面、底面、側面に設置することができる。ゴミ落ちの観点から結晶成長端よりも下部にあることが好ましく、図1のようにリアクター底面にガス排気管108が設置されていることがより好ましい。
【0036】
本発明の製造方法における結晶成長は、通常は950℃〜1120℃で行い、970℃〜1100℃で行うことが好ましく、980℃〜1090℃で行うことがより好ましく、990℃〜1080℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa〜200kPaであるのが好ましく、30kPa〜150kPaであるのがより好ましく、50kPa〜120kPaであるのがさらに好ましい。
【0037】
また、本発明における結晶成長の成長速度は、成長方法、成長温度、原料ガス供給量、結晶成長面方位等により異なるが、一般的には5μm/h〜500μm/hの範囲であり、10μm/h以上が好ましく、50μm/h以上がより好ましく、70μm以上であることがさらに好ましく、140μm/h以上が特に好ましい。本発明の製造方法では、結晶の成長速度を遅くしなくても多結晶の発生を抑制することができることから、効率よくIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。成長速度は、キャリアガスの種類、流量、供給口−結晶成長端距離等を適宜設定することによって制御することができる。
【0038】
本発明の製造方法により得られるIII窒化物半導体結晶は、主面の面積が大きいほど好ましい。上述したタイル法やマザーシードを用いた方法により、主面の面積を例えば500mm2以上にすることが可能であり、2500mm2以上にすることが可能であり、さらには10000mm2以上にすることが可能である。
【0039】
本発明の製造方法による得られるIII族窒化物半導体結晶は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムまたはこれらの混晶をあげることができる。
【0040】
また、本発明の製造方法により得られるIII族窒化物半導体結晶は、結晶内キャリア濃度が1×1018cm-3以上であることが好ましく、1×1019cm-3であることがより好ましい。結晶内のキャリア濃度が高いと、結晶内の抵抗率が低く、導電性に優れた半導体結晶となる。上記結晶内のキャリア濃度は、van der Pauw法によるホール測定を用いて測定することができる。
【0041】
本発明の製造方法により得られた窒化物半導体結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。
【実施例】
【0042】
以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、以下の実施例に示す具体的な形態にのみ限定的に解釈されることはない。
【0043】
<製造例1:タイル法による結晶成長>
図1に示すHVPE法による結晶製造装置により、結晶成長を行った。(0001)面成長により作製された、<0001>(c軸)方向に17mm、<11−20>(a軸)方向に30mmの長方形で、主面が(20−21)面であるGaN自立基板を8枚準備した。8枚の基板を<0001>(c軸)方向に4列、<11−20>(a軸)方向に2列に並べたものを用意し、サセプター108上に置いた。並べた基板を搭載したサセプター108を図1に示すようにリアクター100内に配置して、反応室の温度を1020℃まで上げ、HVPE法にてGaN単結晶膜を78時間成長させた。この単結晶成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を5.96×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を6.98×103Paとした。単結晶成長工程が終了後室温まで降温し、GaNバルク結晶1を得た。結晶は[20−21]方向に最大で12.2mm、最小8mmの成長膜厚であった。成長膜厚分布には傾向がなく、ランダムな膜厚分布であった。
【0044】
得られたGaNバルク結晶1について、断面蛍光像観察を行ったところ、シード界面から80μm厚の蛍光像の暗い層が観察された。この蛍光像の暗い層のSIMS測定を行ったところ、酸素濃度が5×1019cm-3であり、結晶の大部分の酸素濃度が3×1018cm-3であるのと比較して、酸素濃度が高い層であることが分かった。得られたGaNバルク結晶1について外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、研磨を行って、厚さ400μmの(20−21)面を主面とする55mm角の正方形のGaN自立基板1を作製した。作製されたGaN自立基板1には、貫通穴が多いことが確認された。
【0045】
<比較例1:円形マザーシートを用いた結晶成長>
製造例1と同様にして(20−21)面を主面とするGaNバルク結晶1を作製し、引き続き外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、研磨を行って、厚さ400μmの(20−21)面を主面とする直径50mmのGaN自立基板2を作製した。
GaN自立基板2をサセプター108上に置き、成長時間を50時間としたこと以外は製造例1と同様にしてGan自立基板2の主面上にGaN結晶を成長させ、GaNバルク結晶2を得た。結晶は[20−21]方向に最大で7.8mm、最小で4.2mmの成長膜厚であった。成長膜厚分布には傾向がなく、ランダムな膜厚分布であった。
【0046】
またGaNバルク結晶2には多結晶が発生していた。発生していた箇所は(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面とのなす角が±35°以内の面上であり、GaN自立基板2の外周におけるその割合は61%であった。得られたGaNバルク結晶2について多結晶部分を除去する外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし研磨を行って、(10−10)面を主面とする複数枚のGaN基板を作製した。作製されたGaN基板には貫通穴は確認されなかった。シードに存在していた貫通穴は成長で埋まったと考えられる。
【0047】
<実施例1:不定形マザーシートを用いた結晶成長>
製造例1と同様にして(20−21)面を主面とするバルク結晶1を作製し、引き続き外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、厚さ750μmの(20−21)面を主面とするGaN基板を作製した。引き続き該基板の側面が、(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜したとのなす角が24°、42°、68°、−27°、−54°、−61°、−82°の面で形成されるようにダイシングを行った。各々の面の長さを測長したところ、22mm、48mm、20mm、20mm、40mm、22mm、7mmであった。
その後研磨を行って、厚さ400μmの不定形GaN自立基板3を作製した。
GaN自立基板3をサセプター108上に置き、比較例1と同様にしてGaN自立基板
3の主面上にGaN結晶を成長させ、GaNバルク結晶3を得た。結晶は[20−21]方向に最大で7.8mm、最小で6.2mmの成長膜厚であった。成長膜厚分布には傾向がなく、ランダムな膜厚分布であった。
【0048】
またGaNバルク結晶3には多結晶が発生していた。発生していた箇所は(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面上であり、GaN自立基板3の外周におけるその割合は21%であり、比較例1と比較して大幅に多結晶の発生を抑制することが出来た。得られたGaNバルク結晶3について多結晶部分を除去するための外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし研磨を行って、(10−10)面を主面とする複数枚のGaN自立基板を作製した。作製されたGaN自立基板はクラックフリーであり、貫通穴は確認されなかった。シードに存在していた貫通穴は成長で埋まったと考えられる。
【0049】
<実施例2:不定形マザーシートを用いた結晶成長>
製造例1と同様にして(20−21)面を主面とするバルク結晶1を作製し、引き続き外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、厚さ750μmの(20−21)面を主面とするGaN基板を作製した。引き続き該基板の側面が、(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面とのなす角が0°、24°、40°、70°、80°、−22°、−37°、−75°の面で形成されるようにダイシングを行った。各々の面の長さを測長したところ55mm、10mm、25mm、50mm、15mm、12mm、30mm、35mmであった。その後研磨を行って、厚さ400μmの不定形GaN自立基板4を作製した。
GaN自立基板4をサセプター108上に置き、成長時間を130時間とした以外は比較例1と同様にしてGaNバルク結晶4を成長させた。結晶は[20−21]方向に最大で19.6mm、最小8.6mm以下の成長膜厚であった。成長膜厚分布には傾向がなく、ランダムな膜厚分布であった。
【0050】
また、GaNバルク結晶4には多結晶が発生していた。発生していた箇所は(20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面とのなす角が±35°以内の面上であり、GaN自立基板4の外周におけるその割合は33%であり、比較例1比較して大幅に多結晶の発生を抑制することが出来た。得られたGaNバルク結晶4について多結晶部分を除去する外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし研磨を行って、厚さ400μの(10−10)面を主面とするGaN自立基板を31枚作製した。作製されたGaN自立基板はクラックフリーであり、貫通穴は確認されなかった。シードに存在していた貫通穴は、成長で埋まったと考えられる。
【0051】
実施例2で得られた31枚のGaN自立基板のうち、シード側から15番目のGaN自立基板の評価を実施した。基板面内におけるc軸方向のチルト角分布を、X線回折法のωスキャンをc軸方向に3点実施することにより測定したところ、40mm間隔換算で±0.35°であった。次に、シード側から14番目のGaN自立基板を用いて、MOCVD法により405nm発光のInGaN系のLED構造を作製した。具体的には、基板にInGaN/GaN量子井戸を含んだ構造を成長させることによってLED構造を作製した。作製したLEDについて、中心波長325nmのHe−Cdレーザーを励起光源として用いて室温にてPL(Photo−Luminescence)測定を実施したところ、PL強度は最大4.615、平均1.282であった。
【0052】
<製造例2:タイル法による結晶成長>
図1に示すHVPE法による結晶製造装置により、結晶成長を行った。(0001)面成長により作製された、<0001>(c軸)方向に30mm、<11−20>(a軸)方向に25mmの長方形で、主面が(10−11)面であるGaN自立基板を10枚準備
した。10枚の基板を<0001>(c軸)方向に5列、<11−20>(a軸)方向に2列に並べたものを用意し、サセプター108上に置いた。並べた基板を搭載したサセプター108を図1に示すようにリアクター100内に配置して、反応室の温度を1040℃まで上げ、HVPE法にてGaN単結晶膜を130時間成長させた。この単結晶成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を5.96×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を6.98×103Paとした。単結晶成長工程が終了後室温まで降温し、GaNバルク結晶5を得た。結晶は[10−11]方向に最大で12.2mm、最小11.8mmの成長膜厚を有しており、平坦なバルク結晶であった。
【0053】
得られたGaNバルク結晶5について外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、研磨を行って、厚さ400μmの(10−11)面を主面とするGaN自立基板を15枚作製した。
【0054】
<実施例3:不定形マザーシートを用いた結晶成長>
製造例2と同様にして(10−11)面を主面とするバルク結晶5を作製し、引き続き外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、厚さ750μmの(10−11)面を主面とするGaN基板を作製した。引き続き該基板の側面が、(10−11)面からc軸方向に±90°傾斜した面とのなす角が0°(2箇所)、72°、-68°、90°(2箇所)の面で形成されるようにダイシングを行った。各々の面の長さを測長したところ、34mm、52mm、16mm、13mm、33mm、35mmであった。その後研磨を行って、厚さ400μmの不定形GaN自立基板5を作製した。
GaN自立基板5をサセプター108上に置き、製造例2と同様の条件下でGaN自立基板5の主面上にGaN結晶を成長させ、GaNバルク結晶6を得た。結晶は[10−11]方向に最大で13mm、最小で12.5mmの成長膜厚であった。
【0055】
またGaNバルク結晶6には多結晶が発生していた。発生していた箇所は(10−11)面から±c軸方向に90°傾斜した面とのなす角が±35°以内の面上であり、GaN自立基板5の外周におけるその割合は47%であった。得られたGaNバルク結晶6について多結晶部分を除去するための外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし研磨を行って、(10−10)面を主面とするGaN自立基板を作製した。作製されたGaN自立基板はクラックフリーであった。
【符号の説明】
【0056】
100 リアクター
101 キャリアガス用配管
102 ドーパントガス用配管
103 III族原料用配管
104 V族原料用配管
105 III族原料用リザーバー
106 ヒーター
107 サセプター
108 排気管
109 成長用基板
G1 キャリアガス
G2 ドーパントガス
G3 III族原料ガス
G4 V族原料ガス
2 GaNバルク結晶
21 多結晶発生領域
22 (20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)と多結晶発生領域との境界角度
23 (20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)
3 GaN下地基板
31 多結晶発生領域
33 (20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)
4 GaN下地基板
41 多結晶発生領域
43 (20−21)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)
5 GaN下地基板
51 多結晶発生領域
53 (10−11)面からc軸方向に±90°傾斜した面(K面)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
III族窒化物結晶からなり非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に、III族窒化物半導体結晶を成長させるIII族窒化物半導体結晶の製造方法であって、
前記主面からc軸方向に±90°傾斜した面をK面と定義したとき、前記下地基板の側面として、K面に対して−35°〜35°である面が下地基板側面全体の50%より小さいことを特徴とする、III族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項2】
前記下地基板は、複数の下地基板を主面が略同一方向に向くようにして配置されてなる、請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項3】
前記下地基板は、単一のIII族窒化物結晶である、請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項4】
前記下地基板は、III族窒化物結晶から非極性面又は半極性面を主面とする複数のIII族窒化物結晶プレートを切出し、該III族窒化物結晶プレートを主面が略同一方向に向くようにして配置し、該配置されたIII族窒化物結晶プレート上にさらなるIII族窒化物結晶を成長させてなることを特徴とする、請求項3に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項5】
前記下地基板は、半極性面を主面とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項6】
前記下地基板の主面は、{20−21}または{10−11}である請求項5に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−35696(P2013−35696A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−170470(P2011−170470)
【出願日】平成23年8月3日(2011.8.3)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成23年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率・高品質照明の基盤技術開発/LED照明の高効率化・高品質化に係る基盤技術開発/窒化物等の結晶成長手法の高度化に関する基盤技術開発」にかかわる委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000005968)三菱化学株式会社 (4,356)
【Fターム(参考)】