ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造方法
【課題】ＧａＮ結晶の転位密度を減少させることが可能な、Ｎａフラックス法によるＧａＮ結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】種結晶１８として、サファイア基板１００と、サファイア基板１００上に形成されたＧａＮ層１０１と、によって構成されたテンプレート基板を用い、ＧａＮ層１０１上に１５μｍ／ｈ以上の成長速度でＧａＮ結晶１０２を成長させた。インクルージョン１０３によって転位１０４の伝搬が阻止されるため、ＧａＮ結晶１０２の転位密度が減少する。次に、ＧａＮ結晶１０２上に７μｍ／ｈ以下の成長速度でＧａＮ結晶１０５を成長させた。ＧａＮ結晶１０５はステップフロー成長し、転位１０４はＧａＮ結晶１０５中において曲げられるため、転位密度がさらに減少する。
【解決手段】種結晶１８として、サファイア基板１００と、サファイア基板１００上に形成されたＧａＮ層１０１と、によって構成されたテンプレート基板を用い、ＧａＮ層１０１上に１５μｍ／ｈ以上の成長速度でＧａＮ結晶１０２を成長させた。インクルージョン１０３によって転位１０４の伝搬が阻止されるため、ＧａＮ結晶１０２の転位密度が減少する。次に、ＧａＮ結晶１０２上に７μｍ／ｈ以下の成長速度でＧａＮ結晶１０５を成長させた。ＧａＮ結晶１０５はステップフロー成長し、転位１０４はＧａＮ結晶１０５中において曲げられるため、転位密度がさらに減少する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックス法によって種結晶上にIII 族窒化物半導体結晶を製造する方法に関するものであり、転位の少ないIII 族窒化物半導体結晶を得ることができる製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体結晶の製造方法として、いわゆるＮａフラックス法が知られている。これは、Ｎａ（ナトリウム）とＧａ（ガリウム）との混合融液を約８００℃、数十気圧下で窒素とを反応させて、ＧａＮを結晶成長させる方法である。
【０００３】
このＮａフラックス法では、種結晶して、たとえば、サファイア基板上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などによってＧａＮを成長させたテンプレート基板や、ＧａＮ自立基板を用いる。
【０００４】
Ｎａフラックス法において、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を制御する方法として、特許文献１に記載の方法がある。特許文献１には、窒素の流量によって成長速度を制御し、成長速度を一定に保つことで均質なＧａＮ結晶を製造する方法が記載されている。しかし、成長速度を故意に変化させてＧａＮ結晶を成長させることは記載がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６３１６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｎａフラックス法によってＧａＮ結晶を製造する場合において、種結晶としてテンプレート基板などの転位密度の高いものを用いると、転位密度を大きく低減することが難しく、結晶性を向上させることが困難であった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、フラックス法によるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、III 族窒化物半導体結晶の転位密度を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、種結晶にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、種結晶上に、成長速度を１５μｍ／ｈ以上としてインクルージョンを有するIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１工程と、第１工程の後、成長速度を１５μｍ／ｈよりも遅くしてインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２工程と、を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法である。
【０００９】
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。
【００１０】
III 族金属は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうち少なくとも１つであり、特にＧａのみを用いてＧａＮ結晶を製造するのが望ましい。
【００１１】
アルカリ金属は、通常はＮａ（ナトリウム）を用いるが、Ｋ（カリウム）を用いてもよく、ＮａとＫの混合物であってもよい。さらには、Ｌｉ（リチウム）やアルカリ土類金属を混合してもよい。また、混合融液には、結晶成長させるIII 族窒化物半導体の伝導型、磁性などの物性の制御や、結晶成長の促進、雑晶の抑制、成長方向の制御、などの目的でドーパントを添加してもよい。たとえばＣ（炭素）を添加すると、雑晶の抑制や結晶成長促進の効果を得られる。また、ｎ型ドーパントしてＧｅ（ゲルマニウム）などを用いることができ、ｐ型ドーパントとしてＺｎ（亜鉛）などを用いることができる。
【００１２】
また、窒素を含む気体とは、窒素分子や、アンモニア等の窒素を構成元素として含む化合物の気体であり、それらの混合ガスでもよく、さらには希ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。
【００１３】
また、インクルージョンは、III 族窒化物半導体結晶の育成中に混合融液が取り込まれ、III 族窒化物半導体結晶中にその混合融液が残って包含されたものである。
【００１４】
成長速度の制御は、温度、圧力、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比、などによって制御することができる。
【００１５】
第１工程においてIII 族窒化物半導体結晶中にインクルージョンを発生させるには、成長速度を１５μｍ／ｈ以上とすればよい。ただし、成長速度は３０μｍ／ｈ以下とするのがよい。これよりも速いと、インクルージョンの発生が多発し、結晶性が悪化しすぎてしまう。より望ましいのは、２０〜３０μｍ／ｈである。また、種結晶表面にあらかじめエッチングなどによって凹凸を設けておくことで、インクルージョンを発生しやすくしてもよい。
【００１６】
第１工程において成長させるIII 族窒化物半導体結晶の厚さは、０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。０．５ｍｍ以上とすれば、転位密度を十分に低減することができ、第２工程でのIII 族窒化物半導体結晶の成長において、ステップフロー成長を起こしやすくすることができる。よりステップフロー成長を起こしやすくするために、第１工程で成長させるIII 族窒化物半導体結晶表面の転位密度は、１×１０8 ／ｃｍ2 以下となるようにすることが望ましい。ただし、第１工程において成長させるIII 族窒化物半導体結晶の厚さは２ｍｍ以下とすることが望ましい。これより厚くしても、第１工程による転位密度の低減効果が飽和してしまうためである。より望ましくは０．８〜１．５ｍｍである。
【００１７】
第２工程におけるIII 族窒化物半導体結晶の成長速度は、インクルージョンが発生しない成長速度であればよく、１５μｍ／ｈより遅い速度であればよい。特に、７μｍ／ｈ以下の成長速度とすることが望ましい。ステップフロー成長が発生しやすく、ステップフロー成長によって転位をIII 族窒化物半導体結晶の主面に平行な方向に曲げることができ、転位密度を低減することができる。より望ましくは１〜７μｍ／ｈである。
【００１８】
種結晶は、III 族窒化物半導体自立基板であってもよいし、テンプレート基板であってもよい。テンプレート基板は、サファイア基板などの異種基板上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などによってIII 族窒化物半導体層を形成した基板である。特に本発明は、種結晶としてテンプレート基板を用いる場合に適している。本発明を用いることでテンプレート基板を用いた場合であっても転位密度を大きく低減することができる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、第２工程は、７μｍ／ｈ以下の成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させる工程である、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。
【００２０】
第３の発明は、第２の発明において、第１工程は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１８〜３０％とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とし、第２工程は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１３％以下とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を７μｍ／ｈ以下とする、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。
【００２１】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、第１工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．５ｍｍ以上成長させる工程である、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。
【００２２】
第５の発明は、第４の発明において、第２工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上成長させる工程である、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。
【００２３】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、種結晶のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる側の表面は、１×１０8 ／ｃｍ2 以上の転位密度である、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。
【００２４】
第７の発明は、第１の発明から第５の発明において、種結晶は、異種基板上にIII 族窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板である、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。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明によれば、インクルージョンによって転位の伝搬を阻止することができるため、III 族窒化物半導体の転位密度を低減することができる。そして、その後にインクルージョンが発生しない成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させることで、転位密度が低く、かつインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００２６】
また、第２の発明のように、第２の工程で成長速度を７μｍ／ｈ以下とすれば、III 族窒化物半導体結晶がステップフロー成長しやすくなる。そのため、III 族窒化物半導体結晶の転位密度をさらに低減することができる。
【００２７】
また、第３の発明のように、III 族窒化物半導体結晶の成長速度は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比によって制御することができ、モル比を１３％以下とすることで、混合融液の粘性が小さくなり、成長速度が７μｍ／ｈ以下となるため、ステップフロー成長を起こすことができる。
【００２８】
また、第４の発明のように、第１の工程においてIII 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上の厚さに成長させれば、転位を十分に低減することができる。さらに、転位が十分に低減されたことでステップフロー成長が起こりやすくなるため、第２工程においてステップフロー成長による転位密度の低減の効果がより高まる。また、第５の発明のように、第１の工程で０．４ｍｍ以上成長させた後に第２工程で０．５ｍｍ以上成長させれば、転位をさらに低減することができる。
【００２９】
また、第６の発明のように、本発明は１×１０8 ／ｃｍ2 以上の高い転位密度を有した種結晶を用いる場合に特に有効である。このような転位密度の高い種結晶を用いた場合は、種結晶上にIII 族窒化物半導体を２次元成長させにくく、転位を主面に平行な方向に曲げて伝搬を阻止することが難しいため、転位密度を低減することが難しかったが、本発明によれば、転位密度が高い種結晶を用いた場合にも、III 族窒化物半導体結晶の転位密度を効果的に低減することができる。
【００３０】
また、第７の発明のように、本発明は種結晶をテンプレート基板とする場合に有効である。テンプレート基板は転位密度が高く、成長速度を下げてもステップフロー成長が発生しにくいため、本発明を適用することで効果的に転位密度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１のＧａＮ結晶の製造に用いる製造放置１の構成を示した図。
【図２】実施例１のＧａＮ結晶の製造工程を示した図。
【図３】実施例１のＧａＮ結晶の製造工程を示した図。
【図４】インクルージョン１０３の発生機構を説明した図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、実施例１のＧａＮ結晶の製造方法に用いる製造装置１の構成を示した図である。製造装置１は、圧力容器１０と、反応容器１１と、坩堝１２と、加熱装置１３と、供給管１４、１６と、排気管１５、１７と、によって構成されている。
【００３４】
圧力容器１０は、円筒形のステンレス製であり、耐圧性を有している。また、圧力容器１０には、供給管１６、排気管１７が接続されている。圧力容器１０の内部には、反応容器１１と加熱装置１３が配置されている。反応容器１１は耐熱性を有している。反応容器１１内には、坩堝１２が配置される。坩堝１２は、たとえばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、アルミナ、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）などである。坩堝１２には、ＧａとＮａを含む混合融液２１が保持され、混合融液２１中には種結晶１８が保持される。反応容器１１には、供給管１４、排気管１５が接続されており、供給管１４、排気管１５に設けられた弁（図示しない）により反応容器１１内の換気、窒素の供給、反応容器１１内の圧力の制御、を行う。また、圧力容器１０にも供給管１６より窒素が供給され、供給管１６、排気管１７の弁（図示しない）で窒素の供給量、排気量を調整することで、圧力容器１０内の圧力と反応容器１１内の圧力とがほぼ同じになるよう制御する。また、加熱装置１３により、反応容器１１内の温度を制御する。
【００３５】
なお、反応容器１１として耐圧性を有したものを使用すれば、必ずしも圧力容器１０は必要ではない。また、坩堝１２を回転あるいは揺動させて坩堝１２中に保持される混合融液２１を攪拌することができる装置を設け、ＧａＮ結晶の育成中に混合融液２１を撹拌して混合融液２１中のＮａ、Ｇａ、窒素の濃度分布が均一となるようにするとよい。ＧａＮ結晶を均質に育成することができる。また、ＧａＮ結晶育成中のＮａの蒸発を防止するために、坩堝１２には蓋を設けてもよい。
【００３６】
次に、製造装置１を用いたＧａＮ結晶の製造方法について説明する。
【００３７】
まず、種結晶１８として、サファイア基板１００上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ層１０１が形成されたテンプレート基板を用意する。ＧａＮ層１０１のＧａＮ結晶を成長させる側の表面（サファイア基板１００側とは反対側の表面）の転位密度は、１×１０9 〜１×１０10／ｃｍ2 である。
【００３８】
次に、この種結晶１８を、坩堝１２の底面に配置し、Ｎａ、Ｇａ、Ｃを坩堝１２内に配置し、その坩堝１２を反応容器１１の中に入れて封をし、さらにその反応容器１１を圧力容器１０内に配置して封をした。ＮａやＧａは、固体の状態で坩堝１２内に配置してもよいし、液体のＮａ、Ｇａをそれぞれ坩堝１２内に入れたり、液体のＮａ、Ｇａを混合してから坩堝１２内に入れてもよい。Ｎａ、Ｇａ、Ｃを合わせた全体に対するＧａのモル比は２２％とした。Ｃは雑晶の発生を抑制し、結晶成長を促進するために添加した。次に、加熱装置１３により加熱して坩堝１２内にＧａとＮａの混合融液２１を生じさせ、混合融液２１の温度を８７０℃とした。また、供給管１４、排気管１５により反応容器１１内に窒素を供給して、反応容器１１内の圧力を４．２ＭＰａとした。また、圧力容器１０内にも供給管１６、排気管１７より窒素を供給して、圧力容器１０内の圧力が反応容器１１内の圧力と同程度となるようにした。種結晶１８は、ＧａとＮａの混合融液２１中に保持される。この温度、圧力を６０時間維持し、種結晶１８のＧａＮ層１０１上に厚さ１．２ｍｍのＧａＮ結晶１０２を成長させた。ＧａＮ結晶１０２の成長速度は２０μｍ／ｈである。
【００３９】
ここで、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を２２％として、ＧａＮ結晶１０２の成長速度を２０μｍ／ｈに制御しているため、ＧａＮ結晶１０２の成長中、２次元核成長部の会合部やオーバーグロース部に混合融液２１の一部が残る。その後ＧａＮ結晶１０２がさらに成長することで、残された混合融液２１が結晶中に取り込まれ、ＧａＮ結晶１０２中にインクルージョン１０３が発生する（図４参照）。また、ＧａＮ結晶１０２中には、種結晶１８のＧａＮ層１０１から多数の転位１０４が伝搬する。しかし、その転位１０４の一部は、インクルージョン１０３によってその伝搬が阻止されて終端する（図２、図４参照）。その結果、ＧａＮ結晶１０２の転位密度は、その成長とともに減少していく。そして、厚さ１．２ｍｍまで成長したＧａＮ結晶１０２では、その表面の転位密度は１×１０8 ／ｃｍ2 以下に低減されており、ＧａＮ層１０１表面の転位密度よりも１桁から２桁のオーダー低い転位密度となっている。
【００４０】
上記のＧａＮ結晶１０２を成長させる工程では、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を２２％とすることによってＧａＮ結晶１０２の成長速度を２０μｍ／ｈに制御しているが、ＧａＮ結晶１０２の成長速度は１５μｍ／ｈ以上とすればよく、ＧａＮ結晶１０２中にインクルージョン１０３を発生させることができる。ＧａＮ結晶１０２の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とするには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を１８％以上とすればよい。ただし、ＧａＮ結晶１０２の成長速度は３０μｍ／ｈ以下とするのがよい。これよりも成長速度が速いと、インクルージョン１０３が多数発生して結晶性を悪化させてしまい望ましくない。より望ましいＧａＮ結晶１０２の成長速度は、２０〜３０μｍ／ｈである。ＧａＮ結晶１０２の成長速度がこの範囲となるためには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を１８〜３０％とすればよい。
【００４１】
次に、加熱、加圧を停止して常温、常圧に戻し、ＧａＮ結晶１０２の結晶成長を終了させた後、坩堝１２から種結晶１８を取り出し、エタノールなどによってＮａを除去した。また、坩堝１２内の残留物も除去した。
【００４２】
次に、再び種結晶１８、Ｎａ、Ｇａ、Ｃを坩堝１２内に配置し、その坩堝１２を反応容器１１に入れて密封し、さらにその反応容器１１を圧力容器１０内に配置した。Ｎａ、Ｇａ、Ｃ全体に対するＧａのモル比は７％とした。そして、ＧａＮ結晶１０２の育成時と同様の温度、圧力として１００時間維持し、ＧａＮ結晶１０２上に厚さ０．６ｍｍのＧａＮ結晶１０５を成長させた。ＧａＮ結晶１０５の成長速度は６μｍ／ｈである。
【００４３】
ここで、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を７％としており、混合融液２１中のＧａ量が少ないため、混合融液２１の粘性が小さく、横方向に成長しやすい条件となっていて、ステップフロー成長が起こりやすくなっている。ステップフロー成長とは、結晶表面のテラスからの結晶成長が少なく、ステップから横方向（結晶表面に水平な方向）に結晶が成長する結晶成長モードである。また、混合融液２１中のＧａ量が少ないためにＧａＮの成長速度が６μｍ／ｈと遅くなっており、これもＧａＮ結晶１０５がステップフロー成長しやすい条件となっている。さらに、前工程により成長させたＧａＮ結晶１０２表面の転位密度を１×１０8 ／ｃｍ2 以下としていることも、ステップフロー成長を発生させやすくする要因となっている。その結果、ＧａＮ結晶１０２上に成長するＧａＮ結晶１０５は、ステップフロー成長が支配的な成長となる。このステップフロー成長によって、ＧａＮ結晶１０２から伝搬する転位１０４の大部分はＧａＮ結晶１０５中において横方向（ＧａＮ結晶１０５の主面に水平な方向）に曲げられ、ＧａＮ結晶１０５の主面に垂直な方向への転位１０４の伝搬は阻害される（図３参照）。その結果、ＧａＮ結晶１０２上に育成されたＧａＮ結晶１０５の表面は、ＧａＮ結晶１０２よりも転位密度が減少している。
【００４４】
上記のＧａＮ結晶１０５を成長させる工程では、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を７％とすることによってＧａＮ結晶１００の成長速度を６μｍ／ｈとしているが、ＧａＮ結晶１００のステップフロー成長が発生しやすくし、転位密度を低減するためには、ＧａＮ結晶１０５の成長速度を７μｍ／ｈ以下とすればよく、このとき、混合融液２１全体に対するＧａのモル比は１３％以下とすればよい。より望ましいＧａＮ結晶１０５の成長速度は１〜７μｍ／ｈである。ＧａＮ結晶１０５の成長速度がこの範囲となるためには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を４〜１３％とすればよい。また、上記工程では、ＧａＮ結晶１０５を厚さ０．６ｍｍ成長させているが、ＧａＮ結晶１０５の転位密度を十分に低減するためには０．４ｍｍ以上の厚さに成長させればよい。より望ましくは０．５〜１．５ｍｍである。また、ＧａＮ結晶１０５がステップフロー成長しやすくなるよう、ＧａＮ結晶１０２の厚さを０．５ｍｍ以上とするのが望ましい。ＧａＮ結晶１０２表面の転位密度がより低減し、ＧａＮ結晶１０２上に形成するＧａＮ結晶１０５の成長モードを、よりステップフロー成長が支配的な成長モードとすることができる。より望ましいＧａＮ結晶１０２の厚さは０．８〜１．５ｍｍである。
【００４５】
なお、ＧａＮ結晶１０５を成長させた後、ＧａＮ結晶１０５上に、７μｍ／ｈより速く１５μｍ／ｈ以下の範囲の成長速度でさらにＧａＮ結晶を成長させてもよい。成長速度がこの範囲であれば、インクルージョン１０３が発生せず、転位密度を増加させてしまうこともないので、より短時間で良質のＧａＮ結晶を育成することができる。
【００４６】
次に、加熱、加圧を停止して常温、常圧に戻し、ＧａＮ結晶１０５の結晶成長を終了させ、種結晶１８および種結晶１８上に成長したＧａＮ結晶１０２、１０５を取り出し、付着したＮａをエタノールなどによって除去する。そして、得られた結晶から種結晶１８、およびインクルージョン１０３を含むＧａＮ結晶１０２を研磨などによって除去した。これにより、インクルージョン１０３を含まず、かつ転位密度の低い良好な結晶性を有するＧａＮ結晶１０５を得ることができた。
【００４７】
この得られたＧａＮ結晶１０５を種結晶として、再びＮａフラックス法によってＧａＮ結晶１０５上にＧａＮ結晶を成長させてもよい。さらに良質なＧａＮ結晶を得ることができる。
【００４８】
以上に述べた実施例１のＧａＮ結晶の製造方法によれば、転位密度の多いテンプレート基板を用いた場合であっても、転位密度がテンプレート基板のＧａＮ層よりも大きく低減されたＧａＮ結晶を製造することができる。
【実施例２】
【００４９】
実施例１と同様に、サファイア基板１００上にＧａＮ層１０１が形成されたテンプレート基板を用い、製造装置１を用いてＧａＮ層１０１上にＧａＮ結晶を成長させた。混合融液中全体に対するＧａのモル比、成長温度、成長圧力は、実施例１のＧａＮ結晶１０２の成長時と同様であり、それぞれ２２％、８７０℃、４．２ＭＰａとした。成長速度は２０μｍ／ｈであり、４０時間成長させて０．８ｍｍのＧａＮ結晶を育成した。このとき、ＧａＮ結晶にはインクルージョンが発生し、実施例１のＧａＮ結晶１０２と同様に転位密度が低減される。その後、成長温度は保持したまま圧力を２．３ＭＰａに下げて、成長速度を７μｍ／ｈとし、これを６０時間維持して厚さ約０．４ｍｍのＧａＮ結晶をさらに成長させた。成長速度を７μｍ／ｈとしているため、ステップフロー成長が支配的な成長となり、転位がＧａＮ結晶主面に平行な方向に曲げられるため、転位密度をさらに低減することができる。
【００５０】
以上に述べた実施例２のＧａＮ結晶の製造方法もまた、実施例１のＧａＮ結晶の製造方法と同様に、転位密度の多いテンプレート基板を用いた場合であっても、転位密度がテンプレート基板のＧａＮ層よりも大きく低減されたＧａＮ結晶を製造することができる。
【００５１】
なお、実施例１では、混合融液全体に対するＧａのモル比を変えることでＧａＮの成長速度を制御し、実施例２では圧力の制御によって成長速度を制御しているが、温度、圧力、混合融液全体に対するＧａのモル比、のいずれか２以上を制御することでＧａＮの成長速度を制御してもよい。また、不純物を添加することで成長速度を制御してもよい。
【００５２】
また、実施例１、２では、種結晶としてテンプレート基板を用いたが、ＧａＮ自立基板を用いてもよい。
【００５３】
また、実施例１、２は、ＧａＮ結晶の製造方法であったが、本発明はＧａＮ以外のIII 族窒化物半導体、たとえばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの製造にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明により製造されるIII 族窒化物半導体結晶は、III 族窒化物半導体からなる電子デバイスの成長基板などに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：圧力容器
１１：反応容器
１２：坩堝
１３：加熱装置
１４、１６：供給管
１５、１７：排気管
１８：種結晶
１００：サファイア基板
１０１：ＧａＮ層
１０２、１０５：ＧａＮ結晶
１０３：インクルージョン
１０４：転位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックス法によって種結晶上にIII 族窒化物半導体結晶を製造する方法に関するものであり、転位の少ないIII 族窒化物半導体結晶を得ることができる製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体結晶の製造方法として、いわゆるＮａフラックス法が知られている。これは、Ｎａ（ナトリウム）とＧａ（ガリウム）との混合融液を約８００℃、数十気圧下で窒素とを反応させて、ＧａＮを結晶成長させる方法である。
【０００３】
このＮａフラックス法では、種結晶して、たとえば、サファイア基板上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などによってＧａＮを成長させたテンプレート基板や、ＧａＮ自立基板を用いる。
【０００４】
Ｎａフラックス法において、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を制御する方法として、特許文献１に記載の方法がある。特許文献１には、窒素の流量によって成長速度を制御し、成長速度を一定に保つことで均質なＧａＮ結晶を製造する方法が記載されている。しかし、成長速度を故意に変化させてＧａＮ結晶を成長させることは記載がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６３１６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｎａフラックス法によってＧａＮ結晶を製造する場合において、種結晶としてテンプレート基板などの転位密度の高いものを用いると、転位密度を大きく低減することが難しく、結晶性を向上させることが困難であった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、フラックス法によるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、III 族窒化物半導体結晶の転位密度を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、種結晶にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、種結晶上に、成長速度を１５μｍ／ｈ以上としてインクルージョンを有するIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１工程と、第１工程の後、成長速度を１５μｍ／ｈよりも遅くしてインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２工程と、を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法である。
【０００９】
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。
【００１０】
III 族金属は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのうち少なくとも１つであり、特にＧａのみを用いてＧａＮ結晶を製造するのが望ましい。
【００１１】
アルカリ金属は、通常はＮａ（ナトリウム）を用いるが、Ｋ（カリウム）を用いてもよく、ＮａとＫの混合物であってもよい。さらには、Ｌｉ（リチウム）やアルカリ土類金属を混合してもよい。また、混合融液には、結晶成長させるIII 族窒化物半導体の伝導型、磁性などの物性の制御や、結晶成長の促進、雑晶の抑制、成長方向の制御、などの目的でドーパントを添加してもよい。たとえばＣ（炭素）を添加すると、雑晶の抑制や結晶成長促進の効果を得られる。また、ｎ型ドーパントしてＧｅ（ゲルマニウム）などを用いることができ、ｐ型ドーパントとしてＺｎ（亜鉛）などを用いることができる。
【００１２】
また、窒素を含む気体とは、窒素分子や、アンモニア等の窒素を構成元素として含む化合物の気体であり、それらの混合ガスでもよく、さらには希ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。
【００１３】
また、インクルージョンは、III 族窒化物半導体結晶の育成中に混合融液が取り込まれ、III 族窒化物半導体結晶中にその混合融液が残って包含されたものである。
【００１４】
成長速度の制御は、温度、圧力、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比、などによって制御することができる。
【００１５】
第１工程においてIII 族窒化物半導体結晶中にインクルージョンを発生させるには、成長速度を１５μｍ／ｈ以上とすればよい。ただし、成長速度は３０μｍ／ｈ以下とするのがよい。これよりも速いと、インクルージョンの発生が多発し、結晶性が悪化しすぎてしまう。より望ましいのは、２０〜３０μｍ／ｈである。また、種結晶表面にあらかじめエッチングなどによって凹凸を設けておくことで、インクルージョンを発生しやすくしてもよい。
【００１６】
第１工程において成長させるIII 族窒化物半導体結晶の厚さは、０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。０．５ｍｍ以上とすれば、転位密度を十分に低減することができ、第２工程でのIII 族窒化物半導体結晶の成長において、ステップフロー成長を起こしやすくすることができる。よりステップフロー成長を起こしやすくするために、第１工程で成長させるIII 族窒化物半導体結晶表面の転位密度は、１×１０8 ／ｃｍ2 以下となるようにすることが望ましい。ただし、第１工程において成長させるIII 族窒化物半導体結晶の厚さは２ｍｍ以下とすることが望ましい。これより厚くしても、第１工程による転位密度の低減効果が飽和してしまうためである。より望ましくは０．８〜１．５ｍｍである。
【００１７】
第２工程におけるIII 族窒化物半導体結晶の成長速度は、インクルージョンが発生しない成長速度であればよく、１５μｍ／ｈより遅い速度であればよい。特に、７μｍ／ｈ以下の成長速度とすることが望ましい。ステップフロー成長が発生しやすく、ステップフロー成長によって転位をIII 族窒化物半導体結晶の主面に平行な方向に曲げることができ、転位密度を低減することができる。より望ましくは１〜７μｍ／ｈである。
【００１８】
種結晶は、III 族窒化物半導体自立基板であってもよいし、テンプレート基板であってもよい。テンプレート基板は、サファイア基板などの異種基板上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などによってIII 族窒化物半導体層を形成した基板である。特に本発明は、種結晶としてテンプレート基板を用いる場合に適している。本発明を用いることでテンプレート基板を用いた場合であっても転位密度を大きく低減することができる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、第２工程は、７μｍ／ｈ以下の成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させる工程である、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。
【００２０】
第３の発明は、第２の発明において、第１工程は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１８〜３０％とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とし、第２工程は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１３％以下とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を７μｍ／ｈ以下とする、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。
【００２１】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、第１工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．５ｍｍ以上成長させる工程である、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。
【００２２】
第５の発明は、第４の発明において、第２工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上成長させる工程である、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。
【００２３】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、種結晶のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる側の表面は、１×１０8 ／ｃｍ2 以上の転位密度である、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。
【００２４】
第７の発明は、第１の発明から第５の発明において、種結晶は、異種基板上にIII 族窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板である、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。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明によれば、インクルージョンによって転位の伝搬を阻止することができるため、III 族窒化物半導体の転位密度を低減することができる。そして、その後にインクルージョンが発生しない成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させることで、転位密度が低く、かつインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００２６】
また、第２の発明のように、第２の工程で成長速度を７μｍ／ｈ以下とすれば、III 族窒化物半導体結晶がステップフロー成長しやすくなる。そのため、III 族窒化物半導体結晶の転位密度をさらに低減することができる。
【００２７】
また、第３の発明のように、III 族窒化物半導体結晶の成長速度は、混合融液全体に対するIII 族金属のモル比によって制御することができ、モル比を１３％以下とすることで、混合融液の粘性が小さくなり、成長速度が７μｍ／ｈ以下となるため、ステップフロー成長を起こすことができる。
【００２８】
また、第４の発明のように、第１の工程においてIII 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上の厚さに成長させれば、転位を十分に低減することができる。さらに、転位が十分に低減されたことでステップフロー成長が起こりやすくなるため、第２工程においてステップフロー成長による転位密度の低減の効果がより高まる。また、第５の発明のように、第１の工程で０．４ｍｍ以上成長させた後に第２工程で０．５ｍｍ以上成長させれば、転位をさらに低減することができる。
【００２９】
また、第６の発明のように、本発明は１×１０8 ／ｃｍ2 以上の高い転位密度を有した種結晶を用いる場合に特に有効である。このような転位密度の高い種結晶を用いた場合は、種結晶上にIII 族窒化物半導体を２次元成長させにくく、転位を主面に平行な方向に曲げて伝搬を阻止することが難しいため、転位密度を低減することが難しかったが、本発明によれば、転位密度が高い種結晶を用いた場合にも、III 族窒化物半導体結晶の転位密度を効果的に低減することができる。
【００３０】
また、第７の発明のように、本発明は種結晶をテンプレート基板とする場合に有効である。テンプレート基板は転位密度が高く、成長速度を下げてもステップフロー成長が発生しにくいため、本発明を適用することで効果的に転位密度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１のＧａＮ結晶の製造に用いる製造放置１の構成を示した図。
【図２】実施例１のＧａＮ結晶の製造工程を示した図。
【図３】実施例１のＧａＮ結晶の製造工程を示した図。
【図４】インクルージョン１０３の発生機構を説明した図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、実施例１のＧａＮ結晶の製造方法に用いる製造装置１の構成を示した図である。製造装置１は、圧力容器１０と、反応容器１１と、坩堝１２と、加熱装置１３と、供給管１４、１６と、排気管１５、１７と、によって構成されている。
【００３４】
圧力容器１０は、円筒形のステンレス製であり、耐圧性を有している。また、圧力容器１０には、供給管１６、排気管１７が接続されている。圧力容器１０の内部には、反応容器１１と加熱装置１３が配置されている。反応容器１１は耐熱性を有している。反応容器１１内には、坩堝１２が配置される。坩堝１２は、たとえばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、アルミナ、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）などである。坩堝１２には、ＧａとＮａを含む混合融液２１が保持され、混合融液２１中には種結晶１８が保持される。反応容器１１には、供給管１４、排気管１５が接続されており、供給管１４、排気管１５に設けられた弁（図示しない）により反応容器１１内の換気、窒素の供給、反応容器１１内の圧力の制御、を行う。また、圧力容器１０にも供給管１６より窒素が供給され、供給管１６、排気管１７の弁（図示しない）で窒素の供給量、排気量を調整することで、圧力容器１０内の圧力と反応容器１１内の圧力とがほぼ同じになるよう制御する。また、加熱装置１３により、反応容器１１内の温度を制御する。
【００３５】
なお、反応容器１１として耐圧性を有したものを使用すれば、必ずしも圧力容器１０は必要ではない。また、坩堝１２を回転あるいは揺動させて坩堝１２中に保持される混合融液２１を攪拌することができる装置を設け、ＧａＮ結晶の育成中に混合融液２１を撹拌して混合融液２１中のＮａ、Ｇａ、窒素の濃度分布が均一となるようにするとよい。ＧａＮ結晶を均質に育成することができる。また、ＧａＮ結晶育成中のＮａの蒸発を防止するために、坩堝１２には蓋を設けてもよい。
【００３６】
次に、製造装置１を用いたＧａＮ結晶の製造方法について説明する。
【００３７】
まず、種結晶１８として、サファイア基板１００上にＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ層１０１が形成されたテンプレート基板を用意する。ＧａＮ層１０１のＧａＮ結晶を成長させる側の表面（サファイア基板１００側とは反対側の表面）の転位密度は、１×１０9 〜１×１０10／ｃｍ2 である。
【００３８】
次に、この種結晶１８を、坩堝１２の底面に配置し、Ｎａ、Ｇａ、Ｃを坩堝１２内に配置し、その坩堝１２を反応容器１１の中に入れて封をし、さらにその反応容器１１を圧力容器１０内に配置して封をした。ＮａやＧａは、固体の状態で坩堝１２内に配置してもよいし、液体のＮａ、Ｇａをそれぞれ坩堝１２内に入れたり、液体のＮａ、Ｇａを混合してから坩堝１２内に入れてもよい。Ｎａ、Ｇａ、Ｃを合わせた全体に対するＧａのモル比は２２％とした。Ｃは雑晶の発生を抑制し、結晶成長を促進するために添加した。次に、加熱装置１３により加熱して坩堝１２内にＧａとＮａの混合融液２１を生じさせ、混合融液２１の温度を８７０℃とした。また、供給管１４、排気管１５により反応容器１１内に窒素を供給して、反応容器１１内の圧力を４．２ＭＰａとした。また、圧力容器１０内にも供給管１６、排気管１７より窒素を供給して、圧力容器１０内の圧力が反応容器１１内の圧力と同程度となるようにした。種結晶１８は、ＧａとＮａの混合融液２１中に保持される。この温度、圧力を６０時間維持し、種結晶１８のＧａＮ層１０１上に厚さ１．２ｍｍのＧａＮ結晶１０２を成長させた。ＧａＮ結晶１０２の成長速度は２０μｍ／ｈである。
【００３９】
ここで、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を２２％として、ＧａＮ結晶１０２の成長速度を２０μｍ／ｈに制御しているため、ＧａＮ結晶１０２の成長中、２次元核成長部の会合部やオーバーグロース部に混合融液２１の一部が残る。その後ＧａＮ結晶１０２がさらに成長することで、残された混合融液２１が結晶中に取り込まれ、ＧａＮ結晶１０２中にインクルージョン１０３が発生する（図４参照）。また、ＧａＮ結晶１０２中には、種結晶１８のＧａＮ層１０１から多数の転位１０４が伝搬する。しかし、その転位１０４の一部は、インクルージョン１０３によってその伝搬が阻止されて終端する（図２、図４参照）。その結果、ＧａＮ結晶１０２の転位密度は、その成長とともに減少していく。そして、厚さ１．２ｍｍまで成長したＧａＮ結晶１０２では、その表面の転位密度は１×１０8 ／ｃｍ2 以下に低減されており、ＧａＮ層１０１表面の転位密度よりも１桁から２桁のオーダー低い転位密度となっている。
【００４０】
上記のＧａＮ結晶１０２を成長させる工程では、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を２２％とすることによってＧａＮ結晶１０２の成長速度を２０μｍ／ｈに制御しているが、ＧａＮ結晶１０２の成長速度は１５μｍ／ｈ以上とすればよく、ＧａＮ結晶１０２中にインクルージョン１０３を発生させることができる。ＧａＮ結晶１０２の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とするには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を１８％以上とすればよい。ただし、ＧａＮ結晶１０２の成長速度は３０μｍ／ｈ以下とするのがよい。これよりも成長速度が速いと、インクルージョン１０３が多数発生して結晶性を悪化させてしまい望ましくない。より望ましいＧａＮ結晶１０２の成長速度は、２０〜３０μｍ／ｈである。ＧａＮ結晶１０２の成長速度がこの範囲となるためには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を１８〜３０％とすればよい。
【００４１】
次に、加熱、加圧を停止して常温、常圧に戻し、ＧａＮ結晶１０２の結晶成長を終了させた後、坩堝１２から種結晶１８を取り出し、エタノールなどによってＮａを除去した。また、坩堝１２内の残留物も除去した。
【００４２】
次に、再び種結晶１８、Ｎａ、Ｇａ、Ｃを坩堝１２内に配置し、その坩堝１２を反応容器１１に入れて密封し、さらにその反応容器１１を圧力容器１０内に配置した。Ｎａ、Ｇａ、Ｃ全体に対するＧａのモル比は７％とした。そして、ＧａＮ結晶１０２の育成時と同様の温度、圧力として１００時間維持し、ＧａＮ結晶１０２上に厚さ０．６ｍｍのＧａＮ結晶１０５を成長させた。ＧａＮ結晶１０５の成長速度は６μｍ／ｈである。
【００４３】
ここで、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を７％としており、混合融液２１中のＧａ量が少ないため、混合融液２１の粘性が小さく、横方向に成長しやすい条件となっていて、ステップフロー成長が起こりやすくなっている。ステップフロー成長とは、結晶表面のテラスからの結晶成長が少なく、ステップから横方向（結晶表面に水平な方向）に結晶が成長する結晶成長モードである。また、混合融液２１中のＧａ量が少ないためにＧａＮの成長速度が６μｍ／ｈと遅くなっており、これもＧａＮ結晶１０５がステップフロー成長しやすい条件となっている。さらに、前工程により成長させたＧａＮ結晶１０２表面の転位密度を１×１０8 ／ｃｍ2 以下としていることも、ステップフロー成長を発生させやすくする要因となっている。その結果、ＧａＮ結晶１０２上に成長するＧａＮ結晶１０５は、ステップフロー成長が支配的な成長となる。このステップフロー成長によって、ＧａＮ結晶１０２から伝搬する転位１０４の大部分はＧａＮ結晶１０５中において横方向（ＧａＮ結晶１０５の主面に水平な方向）に曲げられ、ＧａＮ結晶１０５の主面に垂直な方向への転位１０４の伝搬は阻害される（図３参照）。その結果、ＧａＮ結晶１０２上に育成されたＧａＮ結晶１０５の表面は、ＧａＮ結晶１０２よりも転位密度が減少している。
【００４４】
上記のＧａＮ結晶１０５を成長させる工程では、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を７％とすることによってＧａＮ結晶１００の成長速度を６μｍ／ｈとしているが、ＧａＮ結晶１００のステップフロー成長が発生しやすくし、転位密度を低減するためには、ＧａＮ結晶１０５の成長速度を７μｍ／ｈ以下とすればよく、このとき、混合融液２１全体に対するＧａのモル比は１３％以下とすればよい。より望ましいＧａＮ結晶１０５の成長速度は１〜７μｍ／ｈである。ＧａＮ結晶１０５の成長速度がこの範囲となるためには、混合融液２１全体に対するＧａのモル比を４〜１３％とすればよい。また、上記工程では、ＧａＮ結晶１０５を厚さ０．６ｍｍ成長させているが、ＧａＮ結晶１０５の転位密度を十分に低減するためには０．４ｍｍ以上の厚さに成長させればよい。より望ましくは０．５〜１．５ｍｍである。また、ＧａＮ結晶１０５がステップフロー成長しやすくなるよう、ＧａＮ結晶１０２の厚さを０．５ｍｍ以上とするのが望ましい。ＧａＮ結晶１０２表面の転位密度がより低減し、ＧａＮ結晶１０２上に形成するＧａＮ結晶１０５の成長モードを、よりステップフロー成長が支配的な成長モードとすることができる。より望ましいＧａＮ結晶１０２の厚さは０．８〜１．５ｍｍである。
【００４５】
なお、ＧａＮ結晶１０５を成長させた後、ＧａＮ結晶１０５上に、７μｍ／ｈより速く１５μｍ／ｈ以下の範囲の成長速度でさらにＧａＮ結晶を成長させてもよい。成長速度がこの範囲であれば、インクルージョン１０３が発生せず、転位密度を増加させてしまうこともないので、より短時間で良質のＧａＮ結晶を育成することができる。
【００４６】
次に、加熱、加圧を停止して常温、常圧に戻し、ＧａＮ結晶１０５の結晶成長を終了させ、種結晶１８および種結晶１８上に成長したＧａＮ結晶１０２、１０５を取り出し、付着したＮａをエタノールなどによって除去する。そして、得られた結晶から種結晶１８、およびインクルージョン１０３を含むＧａＮ結晶１０２を研磨などによって除去した。これにより、インクルージョン１０３を含まず、かつ転位密度の低い良好な結晶性を有するＧａＮ結晶１０５を得ることができた。
【００４７】
この得られたＧａＮ結晶１０５を種結晶として、再びＮａフラックス法によってＧａＮ結晶１０５上にＧａＮ結晶を成長させてもよい。さらに良質なＧａＮ結晶を得ることができる。
【００４８】
以上に述べた実施例１のＧａＮ結晶の製造方法によれば、転位密度の多いテンプレート基板を用いた場合であっても、転位密度がテンプレート基板のＧａＮ層よりも大きく低減されたＧａＮ結晶を製造することができる。
【実施例２】
【００４９】
実施例１と同様に、サファイア基板１００上にＧａＮ層１０１が形成されたテンプレート基板を用い、製造装置１を用いてＧａＮ層１０１上にＧａＮ結晶を成長させた。混合融液中全体に対するＧａのモル比、成長温度、成長圧力は、実施例１のＧａＮ結晶１０２の成長時と同様であり、それぞれ２２％、８７０℃、４．２ＭＰａとした。成長速度は２０μｍ／ｈであり、４０時間成長させて０．８ｍｍのＧａＮ結晶を育成した。このとき、ＧａＮ結晶にはインクルージョンが発生し、実施例１のＧａＮ結晶１０２と同様に転位密度が低減される。その後、成長温度は保持したまま圧力を２．３ＭＰａに下げて、成長速度を７μｍ／ｈとし、これを６０時間維持して厚さ約０．４ｍｍのＧａＮ結晶をさらに成長させた。成長速度を７μｍ／ｈとしているため、ステップフロー成長が支配的な成長となり、転位がＧａＮ結晶主面に平行な方向に曲げられるため、転位密度をさらに低減することができる。
【００５０】
以上に述べた実施例２のＧａＮ結晶の製造方法もまた、実施例１のＧａＮ結晶の製造方法と同様に、転位密度の多いテンプレート基板を用いた場合であっても、転位密度がテンプレート基板のＧａＮ層よりも大きく低減されたＧａＮ結晶を製造することができる。
【００５１】
なお、実施例１では、混合融液全体に対するＧａのモル比を変えることでＧａＮの成長速度を制御し、実施例２では圧力の制御によって成長速度を制御しているが、温度、圧力、混合融液全体に対するＧａのモル比、のいずれか２以上を制御することでＧａＮの成長速度を制御してもよい。また、不純物を添加することで成長速度を制御してもよい。
【００５２】
また、実施例１、２では、種結晶としてテンプレート基板を用いたが、ＧａＮ自立基板を用いてもよい。
【００５３】
また、実施例１、２は、ＧａＮ結晶の製造方法であったが、本発明はＧａＮ以外のIII 族窒化物半導体、たとえばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの製造にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明により製造されるIII 族窒化物半導体結晶は、III 族窒化物半導体からなる電子デバイスの成長基板などに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：圧力容器
１１：反応容器
１２：坩堝
１３：加熱装置
１４、１６：供給管
１５、１７：排気管
１８：種結晶
１００：サファイア基板
１０１：ＧａＮ層
１０２、１０５：ＧａＮ結晶
１０３：インクルージョン
１０４：転位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、種結晶にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記種結晶上に、成長速度を１５μｍ／ｈ以上としてインクルージョンを有するIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１工程と、
前記第１工程の後、成長速度を１５μｍ／ｈよりも遅くしてインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２工程と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程は、７μｍ／ｈ以下の成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させる工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
前記第１工程は、前記混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１８〜３０％とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とし、
前記第２工程は、前記混合融液に前記III 族金属を供給し、前記混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１３％以下とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を７μｍ／ｈ以下とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第１工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．５ｍｍ以上成長させる工程である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３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５】
前記第２工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上成長させる工程である、ことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項６】
前記種結晶のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる側の表面は、１×１０8 ／ｃｍ2 以上の転位密度である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５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７】
前記種結晶は、異種基板上にIII 族窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６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８】
請求項１ないし請求項７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によって製造したIII 族窒化物半導体結晶を種結晶として、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、前記種結晶上に再度III 族窒化物半導体結晶を成長させる、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１】
III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、種結晶にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法において、
前記種結晶上に、成長速度を１５μｍ／ｈ以上としてインクルージョンを有するIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第１工程と、
前記第１工程の後、成長速度を１５μｍ／ｈよりも遅くしてインクルージョンを有しないIII 族窒化物半導体結晶を成長させる第２工程と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程は、７μｍ／ｈ以下の成長速度でIII 族窒化物半導体結晶を成長させる工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
前記第１工程は、前記混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１８〜３０％とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を１５μｍ／ｈ以上とし、
前記第２工程は、前記混合融液に前記III 族金属を供給し、前記混合融液全体に対するIII 族金属のモル比を１３％以下とすることで、III 族窒化物半導体結晶の成長速度を７μｍ／ｈ以下とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第１工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．５ｍｍ以上成長させる工程である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３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５】
前記第２工程は、III 族窒化物半導体結晶を０．４ｍｍ以上成長させる工程である、ことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【請求項６】
前記種結晶のIII 族窒化物半導体結晶を成長させる側の表面は、１×１０8 ／ｃｍ2 以上の転位密度である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５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７】
前記種結晶は、異種基板上にIII 族窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６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８】
請求項１ないし請求項７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によって製造したIII 族窒化物半導体結晶を種結晶として、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液と、少なくとも窒素を含む気体とを反応させ、前記種結晶上に再度III 族窒化物半導体結晶を成長させる、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０７６７７（Ｐ２０１１−２０７６７７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７１７５（Ｐ２０１０−７７１７５）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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