JP2025071301A - Crystal substrate and method for producing the same - Google Patents
Crystal substrate and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2025071301A JP2025071301A JP2025028055A JP2025028055A JP2025071301A JP 2025071301 A JP2025071301 A JP 2025071301A JP 2025028055 A JP2025028055 A JP 2025028055A JP 2025028055 A JP2025028055 A JP 2025028055A JP 2025071301 A JP2025071301 A JP 2025071301A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- substrate
- closed space
- crystal body
- closed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
本発明は、結晶基板および結晶基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a crystal substrate and a method for manufacturing a crystal substrate.
窒化ガリウム(GaN)等のIII族窒化物で構成された結晶基板は、発光素子やトランジスタ等の半導体デバイスを作製するための基板として用いられている。当該結晶基板における転位密度を低減させるための様々な技術が提案されている(例えば非特許文献1参照)。 Crystal substrates made of Group III nitrides such as gallium nitride (GaN) are used as substrates for manufacturing semiconductor devices such as light-emitting elements and transistors. Various techniques have been proposed to reduce the dislocation density in such crystal substrates (see, for example, Non-Patent Document 1).
本発明の一目的は、III族窒化物で構成された結晶基板における転位密度を、より低減させるための技術を提供することである。 One objective of the present invention is to provide a technique for further reducing dislocation density in a crystal substrate made of Group III nitrides.
本発明の一態様によれば
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体と、
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に複数の前記閉空間が配置されることで形成された、複数の閉空間列を有し、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在する、結晶基板
が提供される。
According to one aspect of the present invention, a first crystal body made of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces containing an alkali metal;
the intermediate layer has a plurality of closed space rows formed by arranging a plurality of the closed spaces on each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body,
A crystal substrate is provided in which a certain row of closed spaces is selected from the plurality of rows of closed spaces, a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces are selected, and the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are designated as h1 and h2, respectively, and there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
本発明の他の態様によれば、
III族窒化物の単結晶からなる基板であって、
前記単結晶が含む貫通転位において、刃状転位の比率が60%未満である、結晶基板
が提供される。
According to another aspect of the present invention,
A substrate made of a single crystal of a Group III nitride,
A crystal substrate is provided in which the single crystal contains threading dislocations in which the ratio of edge dislocations is less than 60%.
本発明のさらに他の態様によれば、
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体を用意する工程と、
前記第1結晶体上に、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体を、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液中で成長させる工程と、
を有し、
前記第2結晶体を成長させる工程では、
前記第2結晶体が、前記アルカリ金属を内包する閉空間を複数含む中間層を有し、
前記中間層において、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に複数の前記閉空間が配置されることで、複数の閉空間列が形成され、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在するように、前記第2結晶体を成長させる、結晶基板の製造方法
が提供される。
According to yet another aspect of the present invention,
preparing a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
growing a second crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride on the first crystal body in a mixed melt containing an alkali metal and a Group III element;
having
In the step of growing the second crystal body,
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces containing the alkali metal;
a plurality of closed space rows are formed by arranging a plurality of the closed spaces on each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body in the intermediate layer,
A method for manufacturing a crystal substrate is provided, which comprises selecting a certain row of closed spaces from the plurality of rows of closed spaces, selecting a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces, and growing the second crystal body so that when the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are h1 and h2, respectively, there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
III族窒化物で構成された結晶基板における転位密度を、より低減させるための技術が提供される。 A technology is provided to further reduce dislocation density in crystal substrates composed of group III nitrides.
<本発明の一実施形態> <One embodiment of the present invention>
以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、種結晶基板21(以下、種基板21ともいう)を種結晶として、結晶基板31(以下、基板31ともいう)を成長させる技術について説明する。種基板21および基板31は、それぞれ、III族窒化物の単結晶で構成される。種基板21および基板31を構成するIII族窒化物として、窒化ガリウム(GaN)が例示される。
An embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, a technology for growing a crystal substrate 31 (hereinafter also referred to as substrate 31) using a seed crystal substrate 21 (hereinafter also referred to as seed substrate 21) as a seed crystal will be described. The
本実施形態では、種基板21として、ボイド形成剥離(VAS)法で成長されたGaN基板を例示するが、種基板21として、他の方法で成長されたGaN基板を用いてもよい。ただし、後述のように、閉空間列25Cを面内において分散した状態で形成する観点から、種基板21として用いられるGaN基板は、基板31の成長の下地となる主面21sにおいて、転位密度が過大でない低転位密度領域(転位密度が例えば1×107/cm2未満である領域)を有することが好ましく、転位密度が過大である転位集中領域(転位密度が例えば1×107/cm2以上である領域)を有しないことが、より好ましい。つまり、主面21sにおける最大の転位密度が例えば1×107/cm2未満であることが、より好ましい。VAS法は、主面21sにおける最大の転位密度が例えば1×107/cm2未満である種基板21を得る一つの方法として、好ましく用いられる。本明細書において、転位とは、貫通転位を意味し、表現の煩雑さを避けるため、貫通転位を、単に、転位と称することがある。
In this embodiment, a GaN substrate grown by the void-assisted separation (VAS) method is exemplified as the
(1)結晶基板の製造方法
本実施形態による基板31の製造方法について説明する。図1は、本実施形態による基板31の製造方法の全体を示すフローチャートである。本製造方法は、種基板21を用意するステップS100と、液相法、具体的にはフラックス法により基板31を作製するステップS200と、を有する。
(1) Manufacturing Method of Crystal Substrate A manufacturing method of
(S100:種結晶基板用意)
ステップS100では、種基板21を用意する。図2は、VAS法の例でのステップS100の詳細を示すフローチャートである。図3(a)~3(g)は、VAS法の例でのステップS100における種基板21の作製工程を示す概略断面図である。
(S100: Preparation of seed crystal substrate)
In step S100, a
(S110:ボイド形成基板用意)
ステップS100は、ステップS110~S140を有する。ステップS110では、ボイド形成基板15を用意する。ステップS110は、より詳細には、ステップS111~S114を有する。ステップS111では、図3(a)に示すように、下地基板10を用意する。下地基板10として、サファイア基板が例示される。
(S110: Preparation of void-forming substrate)
Step S100 includes steps S110 to S140. In step S110, a void-formed
ステップS112では、図3(b)に示すように、下地基板10上に下地層11を形成する。下地層11は、例えば、低温成長されたGaNで構成されたバッファ層と、GaNの単結晶層と、の積層で構成される。バッファ層および単結晶層は、例えば有機金属気相成長(MOVPE)により形成される。III族原料としては例えばトリメチルガリウム(TMG)が用いられ、V族原料としては例えばアンモニア(NH3)が用いられる。バッファ層の厚さ、単結晶層の厚さは、それぞれ、例えば20nm、0.5μmである。
In step S112, as shown in FIG. 3B, an
ステップS113では、図3(c)に示すように、下地層11上に金属層12を形成する。金属層12は、例えば、チタン(Ti)を厚さ20nm蒸着することで形成される。
In step S113, as shown in FIG. 3(c), a
ステップS114では、図3(d)に示すように、熱処理により、金属層12を窒化してナノマスク14を形成するとともに、下地層11にボイドを形成してボイド含有層13を形成する。当該熱処理は、例えば以下のように行われる。下地層11および金属層12が形成された下地基板10を、電気炉内に投入し、ヒータを有するサセプタ上に載置する。そして、下地基板10を、水素ガス(H2ガス)または水素化物ガスを含む雰囲気中で加熱する。具体的には、例えば、窒化剤ガスとして20%のNH3ガスを含有するH2ガス気流中において、所定の温度、例えば850℃以上1100℃以下の温度で、20分間の熱処理を行う。
In step S114, as shown in FIG. 3(d), the
当該熱処理により、金属層12が窒化されることで、表面に高密度の微細孔を有するナノマスク14が形成される。また、ナノマスク14の微細孔を介して下地層11の一部がエッチングされることで、下地層11中にボイドが生じ、ボイド含有層13が形成される。このようにして、ステップS110では、下地基板10上に形成されたボイド含有層13およびナノマスク14を有するボイド形成基板15が用意される。
The heat treatment nitrides the
ナノマスク14の微細孔の分布、および、ボイド含有層13のボイドの分布が、面内で均一化されるように、当該熱処理が行われることが好ましい。このため、例えば、温度分布が面内で均一に近づくようヒータの加熱具合が調節されることが好ましく、また例えば、サセプタを回転させながら当該熱処理が行われることが好ましい。
It is preferable that the heat treatment is performed so that the distribution of the micropores in the
(S120:HVPEによる結晶体成長)
ステップS120では、図3(e)に示すように、ボイド形成基板15のナノマスク14上に、結晶体20を成長させる。結晶体20は、気相法、具体的にはハイドライド気相成長(HVPE)法により成長させる。ここで、HVPE装置200について説明する。図10は、HVPE装置200を例示する概略構成図である。
(S120: Crystal growth by HVPE)
In step S120, as shown in Fig. 3(e), a
HVPE装置200は、石英等の耐熱性材料からなり、成膜室201が内部に構成された気密容器203を備えている。成膜室201内には、処理対象の基板250を保持するサセプタ208が設けられている。サセプタ208は、回転機構216が有する回転軸215に接続されており、回転自在に構成されている。気密容器203の一端には、成膜室201内へ塩酸(HCl)ガス、NH3ガス、窒素ガス(N2ガス)を供給するガス供給管232a~232cが接続されている。ガス供給管232cには水素(H2)ガスを供給するガス供給管232dが接続されている。ガス供給管232a~232dには、上流側から順に、流量制御器241a~241d、バルブ243a~243dがそれぞれ設けられている。ガス供給管232aの下流には、原料としてのGa融液を収容するガス生成器233aが設けられている。ガス生成器233aには、HClガスとGa融液との反応により生成された塩化ガリウム(GaCl)ガスを、サセプタ208上に保持された基板250に向けて供給するノズル249aが接続されている。ガス供給管232b、232cの下流側には、これらのガス供給管から供給された各種ガスをサセプタ208上に保持された基板250に向けて供給するノズル249b、249cがそれぞれ接続されている。気密容器203の他端には、成膜室201内を排気する排気管230が設けられている。排気管230にはポンプ231が設けられている。気密容器203の外周にはガス生成器233a内やサセプタ208上に保持された基板250を所望の温度に加熱するゾーンヒータ207が、気密容器203内には成膜室201内の温度を測定する温度センサ209が、それぞれ設けられている。HVPE装置200が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ280に接続されており、コントローラ280上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。
The
ステップS120は、HVPE装置200を用い、例えば以下の処理手順で実施することができる。まず、ガス生成器233a内に原料としてGaを収容する。また、サセプタ208上に処理対象の基板250としてボイド形成基板15を保持する。そして、成膜室201内の加熱および排気を実施しながら、成膜室201内へH2ガスとN2ガスとの混合ガスを供給する。そして、成膜室201内が所望の成膜温度、成膜圧力に到達し、また、成膜室201内の雰囲気が所望の雰囲気となった状態で、ガス供給管232a、232bからガス供給を行い、ボイド形成基板15に対し、成膜ガスとしてGaClガスとNH3ガスとを供給する。
Step S120 can be performed, for example, by the following procedure using the
ステップS120を実施する際の処理条件としては、以下が例示される。
成長温度Tg:980~1100℃、好ましくは1050~1100℃
成膜室201内の圧力:90~105kPa、好ましくは90~95kPa
GaClガスの分圧:0.2~15kPa
NH3ガスの分圧/GaClガスの分圧:4~20
N2ガスの流量/H2ガスの流量:1~20
The processing conditions for carrying out step S120 are exemplified as follows.
Growth temperature Tg: 980 to 1100° C., preferably 1050 to 1100° C.
Pressure in the film formation chamber 201: 90 to 105 kPa, preferably 90 to 95 kPa
Partial pressure of GaCl gas: 0.2 to 15 kPa
Partial pressure of NH3 gas/partial pressure of GaCl gas: 4 to 20
Flow rate of N2 gas/flow rate of H2 gas: 1 to 20
当該成長処理において、ボイド含有層13を起点として成長を開始したGaN結晶が、ナノマスク14の微細孔を通って表面に現れることで、ナノマスク14上に初期核が形成される。初期核が、厚さ方向(縦方向)および面内方向(横方向)に成長し、面内で互いに結合することで、GaN単結晶からなる連続膜の結晶体20が形成される。結合した初期核間には互いに引き合う力が働くため、結晶体20には引張応力が導入される。また、初期核が形成されなかった領域では、ナノマスク14と結晶体20との間に、ボイド含有層13のボイドを起因とする空隙16が形成される。
In this growth process, GaN crystals that start growing from the void-containing
初期核の分布、および、空隙16の分布が、面内で均一化されるように、当該成長処理が行われることが好ましい。このため、例えば、温度分布が面内で均一に近づくようゾーンヒータ207の加熱具合が調節されることが好ましく、また例えば、サセプタ208を回転させながら当該成長処理が行われることが好ましい。初期核の分布、および、空隙16の分布が、面内で均一化されるように、ナノマスク14の微細孔の分布、および、ボイド含有層13のボイドの分布は、面内で均一化されていることが好ましい。初期核が均一に分布することで、面内で転位密度が局所的に非常に高い転位集中領域(転位密度が例えば1×107/cm2以上である領域)が生じないため、転位密度の分布が均一となる。また、初期核が均一に分布することで、引張応力が面内で均一となる。
It is preferable that the growth process is performed so that the distribution of the initial nuclei and the distribution of the
成長させる結晶体20の厚さは、結晶体20から少なくとも1枚の自立した種基板21が得られる厚さ、例えば0.2mm以上の厚さであることが好ましい。成長させる結晶体20の厚さの上限は、特に制限されない。
The thickness of the
(S130:剥離)
ステップS130では、図3(f)に示すように、結晶体20をボイド形成基板15から剥離させる。この剥離は、結晶体20の成長中において、あるいは結晶体20の成長後に成膜室201内を冷却する過程において、結晶体20がナノマスク14との間に形成された空隙16を境にボイド形成基板15から自然に剥離することで行われる。空隙16が均一に分布することで、特定領域への応力集中が生じにくい状態で、剥離が行われる。
(S130: Peeling)
3(f), the
所定厚さの結晶体20を成長させた後、成膜室201内を搬出作業が可能な温度にまで低下させ、成膜室201内からボイド形成基板15および結晶体20を搬出する。
After the
結晶体20の成長中に導入された引張応力に起因して、剥離した結晶体20は、成長側表面が凹むように反る。結晶体20において、引張応力が面内で均一であることにより、反りが均一に発生する。これにより、剥離した結晶体20を構成するGaN単結晶のc面120は、主面20sを+c側から見たときに、結晶体20の内側に向かって凹の球面状に湾曲する。ここで「球面状」とは、球面近似される曲面状のことを意味している。また、ここでいう「球面近似」とは、真円球面(真球)または楕円球面(長球)に対して所定の誤差の範囲内で近似されることを意味している。
Due to the tensile stress introduced during the growth of the
なお、主面20sの中心の法線方向から見た平面視において、結晶体20の最外周部では、成長する結晶の均一性が低下しやすい。このため、上述の「c面120が球面状に湾曲する」ことは、結晶体20の最外周部では成立していないこともある。上述の「c面120が球面状に湾曲する」ことは、平面視で主面20sの中心側の80%以上の面積の領域(以下、主要領域ともいう)において成立していればよい。これは、後述の、種基板21のc面121、結晶体30のc面130、基板31のc面131、結晶体40のc面140、および、基板41のc面141についても、同様である。
In addition, in a plan view from the normal direction of the center of the
結晶体20のc面120が、「主要領域において、主面20sを+c側から見たときに、結晶体20の内側に向かって凹の球面状に湾曲する」ことを、煩雑さを避けるため単に、結晶体20のc面120が、「凹の球面状に湾曲する」とも表現する。後述の、種基板21のc面121、結晶体30のc面130、基板31のc面131、結晶体40のc面140、および、基板41のc面141についても、同様な表現を用いる。
To avoid complication, the c-
結晶体20のオフ角は、結晶体20を構成するGaN単結晶のc軸方向と、主面20sの中心の法線方向とがなす角として定義される。後述の、種基板21、結晶体30、基板31、結晶体40および基板41のそれぞれのオフ角についても、同様に定義される。
The off-angle of the
結晶体20のオフ角は、c面120が湾曲しているため、主面20s内の位置に応じて変化する。つまり、剥離した結晶体20は、オフ角分布を有する。主面20sの中心におけるオフ角が、中心オフ角である。中心オフ角は、下地基板10のオフ角を調整することで制御でき、所定方向(例えばa軸方向、また例えばm軸方向)に傾斜するよう設定されることがある。
The off-angle of the
中心オフ角が所定方向に傾斜している場合、傾斜方向に対して平行な方向と垂直な方向とで、c面120の曲率半径が異なることがある。つまり、c面120の湾曲形状は、真円球面で近似される場合のみならず、楕円球面で近似される場合もあり得る。真円球面で近似される場合、c面120の形状は、1つの曲率半径で表される。楕円球面で近似される場合、c面120の形状は、2つの曲率半径で表される。
When the central off-angle is tilted in a specific direction, the radius of curvature of c-
なお、例えばストライプマスクを用いたELO(Epitaxially Lateral Overgrowth)のような、初期核の発生密度を不均一に分布させることで転位集中領域を生じさせる方法で成長された結晶体では、c面の形状がゆがむ。つまり、このような結晶体では、c面の曲率半径が面内で変動する。c面の凹凸の向きが場所によって反転することも起こり得る。このため、このような結晶体におけるc面の形状は、一定の曲率半径によって適切に球面近似されることができない。 In addition, in crystals grown using a method that creates dislocation concentration regions by unevenly distributing the density of initial nuclei, such as ELO (Epitaxially Lateral Overgrowth) using a stripe mask, the shape of the c-plane is distorted. That is, in such crystals, the radius of curvature of the c-plane varies within the plane. It is also possible that the direction of the unevenness of the c-plane is reversed depending on the location. For this reason, the shape of the c-plane in such crystals cannot be appropriately approximated as a sphere with a constant radius of curvature.
(S140:機械加工および研磨)
ステップS140では、図3(g)に示すように、ステップS130で剥離した結晶体20に、必要に応じ、機械加工および研磨、またはこれらの一方を施すことで、種基板21(自立した基板としての結晶体20)を得る。機械加工は、例えば、ワイヤーソーによる切断である。例えば、結晶体20の全体から1枚の種基板21を得てもよい。また例えば、結晶体20を複数枚にスライスすることで、結晶体20の全体から複数枚の種基板21を得てもよい。得られた種基板21に対し、必要に応じて、研磨を行ってもよいし、研磨を行わなくてもよい。両主面のうち一方の主面を研磨してもよい。なお、ステップS130で剥離した結晶体20を、そのまま種基板21として用いてもよい。
(S140: Machining and polishing)
In step S140, as shown in FIG. 3(g), the
ステップS140における機械加工または研磨に起因して、種基板21のc面121の曲率半径が、剥離した結晶体20のc面120の曲率半径から変化することがある。
Due to the machining or polishing in step S140, the radius of curvature of the c-
図3(g)は、平板形状に構成された種基板21を例示する。種基板21は、主面21sに対して最も近い低指数の結晶面がc面121であり、c面121が主面21sに対して(種基板21の両主面のいずれか一方の主面21sに対して)凹の球面状に湾曲するように、構成されている。c面121は、球面形状からのゆがみが抑制されているため、(主要領域において)一定の曲率半径を有する。以上のようにして、ステップS100では、種基板21(結晶体20)が用意される。
Figure 3 (g) illustrates a
種基板21のc面121が球面近似される形状であるということは、転位密度の面内分布が均一であること(つまり、転位密度が局所的に非常に高い領域が無いこと)を意味する。種基板21の主面21sにおいて、最大の転位密度は、1×107/cm2未満、好ましくは例えば5×106/cm2以下であり、平均的な転位密度は、好ましくは例えば3×106/cm2以下である。
The fact that the c-
転位密度は、例えば、多光子励起フォトルミネッセンス(以下、MPPLと略称する)によるGaNのバンド端近傍の発光強度マッピングによって評価される。転位欠陥は非輻射再結合中心であるため、転位欠陥周辺で発光強度が弱くなり、発光強度マッピング像において転位欠陥が暗点として観察される。このことを利用して、転位密度を評価することができる。具体的には例えば、試料上の任意の場所において1視野250μm角の観察領域で撮像し、評価結果として得られた暗点密度を、転位密度として取り扱うことができる。本明細書では、MPPLで測定される暗点密度を、転位密度として扱う。 The dislocation density is evaluated, for example, by emission intensity mapping near the band edge of GaN using multiphoton excited photoluminescence (hereinafter abbreviated as MPPL). Since dislocation defects are non-radiative recombination centers, the emission intensity is weak around the dislocation defects, and the dislocation defects are observed as dark spots in the emission intensity mapping image. This can be used to evaluate the dislocation density. Specifically, for example, an image is taken of an observation area of 250 μm square in one field of view at any location on the sample, and the dark spot density obtained as the evaluation result can be treated as the dislocation density. In this specification, the dark spot density measured by MPPL is treated as the dislocation density.
(S200:液相法による結晶基板作製)
ステップS100で種基板21が用意された後、ステップS200では、液相法、具体的にはフラックス法により基板31を作製する。図4(a)~4(c)は、ステップS200における基板31の作製工程を示す概略断面図である。図4(a)は、ステップS100で用意された種基板21を示す。
(S200: Preparation of crystal substrate by liquid phase method)
After the
(S210:フラックス法による結晶体成長)
ステップS200は、ステップS210およびS220を有する。ステップS210では、図4(b)に示すように、種基板21上に、フラックス法により結晶体30を成長させる。フラックス法では、フラックス(溶媒)として用いられるアルカリ金属と、III族元素(本例ではGa)とを含む混合融液中で、III族窒化物(本例ではGaN)を成長させる。フラックスとなるアルカリ金属としては、ナトリウム(Na)が好ましく用いられるが、リチウム(Li)やカリウム(K)などの他のアルカリ金属元素が用いられてもよい。また、これらの元素を混合して用いてもよい。フラックスとして用いる金属は、アルカリ金属にアルカリ土類金属を加えたものであってもよい。当該アルカリ土類金属としては、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)等を、単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。ここで、フラックス液相成長装置300について説明する。図11は、フラックス液相成長装置300を例示する概略構成図である。
(S210: Crystal growth by flux method)
Step S200 includes steps S210 and S220. In step S210, as shown in FIG. 4B, a
フラックス液相成長装置300は、耐圧容器303を備える。耐圧容器303は、ステンレス(SUS)等からなり、耐圧容器303の内部には、例えば10MPa程度の高圧状態に昇圧させることが可能な加圧室301が構成されている。加圧室301内には、坩堝308と、坩堝308の蓋と、反応容器310と、坩堝308内を加熱するヒータ307と、加圧室301内の温度を測定する温度センサ309と、が設けられている。坩堝308は、例えばNaをフラックスとした、NaとGaから構成される混合融液を収容するとともに、処理対象の基板350を、その主面(結晶成長の下地面)を上向きとした状態で混合融液中に浸漬させることが可能なように構成されている。反応容器310は、反応容器本体と反応容器蓋から構成されており、反応容器310の内部に坩堝308が収容されている。反応容器310の外側に、ヒータ307が設けられている。フラックス液相成長装置300は、また、回転機構320を備え、回転機構320により、反応容器310を、つまりその内部に収容された坩堝308を、回転させることができる。耐圧容器303には、加圧室301内へN2ガスを供給するガス供給管332が接続されている。ガス供給管332には、上流側から順に、圧力制御装置333、流量制御器341、バルブ343が設けられている。フラックス液相成長装置300が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ380に接続されており、コントローラ380上で実行されるプログラムによって、後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。
The flux liquid
ステップS210は、フラックス液相成長装置300を用い、例えば以下の処理手順で実施される。まず、坩堝308内に、処理対象の基板350である種基板21と、混合融液の原料(NaおよびGa)とを収容し、また必要に応じ添加剤を収容して、耐圧容器303を封止する。そして、加圧室301内にN2ガスを供給し、所定のガス圧力にしてから加熱を開始する。ヒータ307による加熱を開始することで坩堝308内のNaおよびGaが溶融し、混合融液(Naを媒体としたGa融液、NaとGaとを含む混合融液)が形成される。結晶の成長温度まで昇温後、結晶の成長圧力にガス圧を調整する。混合融液中に窒素(N)を溶け込ませ、この状態を所定時間維持する。本明細書における「混合融液」とは、窒素を溶け込ませていないものに限らず、窒素を溶け込ませたものをも含む。
Step S210 is performed, for example, by the following procedure using the flux liquid
ステップS210を実施する際の処理条件としては、以下が例示される。
成長温度(混合融液の温度):700~1000℃、好ましくは800~900℃、さらに好ましくは870~890℃
成長圧力(加圧室内の圧力):0.1~10MPa、好ましくは1~6MPa、さらに好ましくは2.5~4.0MPa
混合融液中のNa濃度〔[Na]/([Na]+[Ga])〕:10~90%、好ましくは40~85%、さらに好ましくは70~85%(本Na濃度はモル濃度)
ここで、例えばNaについて、モル数を[Na]と表す。また、このようなモル数の表記は、他の元素についても同様とする。
本実施形態では、混合融液として、Na(フラックスとして用いられるアルカリ金属の例)、および、Ga(III族元素、つまり第13族典型金属元素の例)に、下記に説明する他の金属Mが添加されたものが用いられる。混合融液における、Gaと他の金属Mとを合わせた含有量に対する、他の金属Mの含有量の比率として、他の金属Mの濃度(モル濃度)が規定される。
他の金属Mの濃度〔[M]/([M]+[Ga])〕:3~15%、好ましくは4~12%
このとき、他の金属Mは、単元素としてもよく、複数元素としてもよい。複数元素の場合は、複数元素を合わせたものをMと呼ぶ。[M]は、ナトリウムとガリウム以外に、添加された金属元素の総モル数となる。
混合融液へのその他の添加剤として、例えば、カーボン(C)を加えても良い。C濃度〔[C]/([C]+[Ga]+[Na])〕:例えば0.1~1.0%
混合融液と窒素ガスの気液界面と、種基板21の主面との距離:3~70mm、好ましくは5~40mm、さらに好ましくは20~35mm
回転速度:1~30rpm、好ましくは5~20rpm、さらに好ましくは7~15rpm
The processing conditions for performing step S210 are exemplified as follows.
Growth temperature (temperature of mixed melt): 700 to 1000°C, preferably 800 to 900°C, more preferably 870 to 890°C
Growth pressure (pressure in the pressure chamber): 0.1 to 10 MPa, preferably 1 to 6 MPa, more preferably 2.5 to 4.0 MPa
Na concentration in the mixed melt [[Na]/([Na]+[Ga])]: 10-90%, preferably 40-85%, more preferably 70-85% (the Na concentration is a molar concentration)
Here, for example, the number of moles of Na is represented as [Na]. This notation of the number of moles is also used for other elements in the same manner.
In this embodiment, the mixed molten liquid used is one in which Na (an example of an alkali metal used as a flux) and Ga (an example of a Group III element, i.e., a
Concentration of other metal M [[M]/([M]+[Ga])]: 3 to 15%, preferably 4 to 12%
In this case, the other metal M may be a single element or multiple elements. In the case of multiple elements, the combination of the multiple elements is called M. [M] is the total number of moles of the metal elements added other than sodium and gallium.
As another additive to the mixed molten liquid, for example, carbon (C) may be added. C concentration [[C]/([C]+[Ga]+[Na])]: for example, 0.1 to 1.0%
Distance between the gas-liquid interface of the mixed melt and the nitrogen gas and the main surface of the seed substrate 21: 3 to 70 mm, preferably 5 to 40 mm, and more preferably 20 to 35 mm
Rotation speed: 1 to 30 rpm, preferably 5 to 20 rpm, more preferably 7 to 15 rpm
混合融液に添加される他の金属Mは、第4族遷移金属、第5族遷移金属、第6族遷移金属、第7族遷移金属、第8族遷移金属、第9族遷移金属、第10族遷移金属、第11族遷移金属、第12族典型金属、第14族典型金属、および、第15族典型金属のうちから選択された少なくとも1つの金属を含む。他の金属Mとして、具体的には例えば、Ti、Nb、Cr、Fe、Ni、Zn、Ge、Sn、Sb、およびBiのうちの1つ、または、これらを組み合わせたものを用いてよい。なお、混合融液に添加される他の金属Mは、成長させたいIII族窒化物に含まれるIII族元素とは異なる第13族典型金属元素(例えば、GaNを成長させる場合においては、AlまたはIn)を含んでいてもよい。なお、このように他のIII族元素を添加する場合であっても、上述のような薄い濃度であれば、混晶とはならない。
The other metal M added to the mixed melt includes at least one metal selected from group 4 transition metals, group 5 transition metals, group 6 transition metals, group 7 transition metals, group 8 transition metals, group 9 transition metals,
ステップS210により、図4(b)に示すように、種基板21の主面21s上にGaN単結晶が成長することで、結晶体30が形成される。また、結晶体30において、結晶体30と種基板21との界面27の付近に、混合融液に含まれるアルカリ金属(本例ではNa)がインクルージョン22として取り込まれることで、(少なくとも)当該アルカリ金属を内包する閉空間23、を複数含む中間層24が形成される。中間層24より上側には、閉空間23を(インクルージョン22を)含まない結晶体30で構成された上側層26が形成される。
In step S210, as shown in FIG. 4(b), a GaN single crystal grows on the
図12は、本実施形態による結晶体30の模式的な斜視図である。当該模式的な斜視図は、後述の図5(a)~図7に示す実験で得られた知見から推測される仮説的なモデルである。種基板21の貫通転位を起点として、結晶体30の中間層24中に、成長方向(厚さ方向)に延在する線状の結晶欠陥51が形成され、各線状の結晶欠陥51上に、閉空間23(インクルージョン22)が複数、離散的に形成されることで、閉空間列25Cが構成される。(例えばVAS法で作製された種基板21においては、)貫通転位は主面上にランダムに分布しているため、閉空間列25Cは、面内においてランダムに分布している。
Figure 12 is a schematic perspective view of the
後述の結晶体30の成長方法から理解されるように、閉空間23は、成長方向(厚さ方向)に所定の間隔で複数回形成される。このため、同時に形成された閉空間23は、各閉空間列25C中で、同じ高さに配置される。図12に、種基板21と結晶体30との界面27に略平行な、つまり、界面27からの高さが略一定である仮想平面52を示す。ここで、ある面と他の面とが略平行とは、当該ある面の法線方向と、当該他の面の法線方向とのなす角が、2℃以下であることをいう。同時に形成された閉空間23は、同じ仮想平面52上に配置される。
As will be understood from the growth method of the
各閉空間列25Cに含まれる閉空間23を、界面27に直交する断面53に投影したとき、断面53内において、投影された閉空間23が、断面53と仮想平面52との交差する線上に並ぶことで、つまり、界面27と略平行な方向に並ぶことで、閉空間行25Rが構成される。このため、断面53に投影された閉空間23は、閉空間行25Rと閉空間列25Cとによる行列状構造25を構成する。図4(b)は、このように、界面27と直交する断面(紙面)に投影された閉空間23が構成する行列状構造25を模式的に示している。
When the
本願発明者は、後述のように、種基板21が有する貫通転位の密度と比べ、上側層26が有する貫通転位54の密度が減少するという知見を得ている。このことから、中間層24の線状の結晶欠陥51上に形成された閉空間列25Cは、貫通転位を終端する働き(種基板21の貫通転位を、上側層26まで延在させない働き)を有すると考えられる。なお、図示をわかりやすくするため、中間層24により終端している貫通転位が上側層26まで延在したと仮定した場合の(つまり、中間層24により減少した分の)貫通転位55を、破線で示す。
The inventors of the present application have found that the density of threading dislocations 54 in the
ステップS210において、より具体的には、例えば以下のようにして、結晶体30を成長させる。上述の、他の金属Mが含まれた混合融液を用い、成長温度である混合融液の温度を例えば880℃とし、成長圧力である窒素ガス圧力を例えば3.4MPaとして、例えば10時間保持することにより、種基板21上に、結晶体30の初期層を成長させる。
More specifically, in step S210, the
その後、閉空間列25Cを有する中間層24を形成する。中間層24を形成する方法として、例えば成長温度を制御する方法が挙げられ、また例えば成長圧力を制御する方法が挙げられる。なお、これらの方法は、適宜組み合わせて用いてもよい。
Then, an
成長温度を制御する方法では、初期層の成長の後、窒素ガス圧力を例えば3.4MPaとしたまま、混合融液の温度を例えば875℃に下降させて、例えば1時間保持する。これにより、混合融液に含まれるアルカリ金属(本例ではNa)がインクルージョン22として取り込まれるように、つまり、当該アルカリ金属を内包する閉空間23が形成されるように、結晶体30を成長させる。さらにその後、窒素ガス圧力を例えば3.4MPaとしたまま、混合融液の温度を再び例えば880℃に上昇させて、例えば1時間保持する。これにより、閉空間23が(インクルージョン22が)形成されないように、結晶体30を成長させる。このような成長温度の下降と上昇とを交互に行うことにより、閉空間列25Cを有する中間層24を形成する。
In the method of controlling the growth temperature, after the growth of the initial layer, the temperature of the mixed melt is lowered to, for example, 875°C while keeping the nitrogen gas pressure at, for example, 3.4 MPa, and maintained for, for example, 1 hour. This allows the
成長圧力を制御する方法では、初期層の成長の後、混合融液の温度を例えば880℃としたまま、窒素ガス圧力を例えば3MPaに下降させて、例えば1時間保持する。これにより、閉空間23が(インクルージョン22が)形成されるように、結晶体30を成長させる。さらにその後、混合融液の温度を例えば880℃としたまま、窒素ガス圧力を例えば3.4MPaに上昇させて、例えば1時間保持する。このようにして、閉空間23が(インクルージョン22が)形成されないように、結晶体30を成長させる。このような成長圧力の下降と上昇とを交互に行うことにより、閉空間列25Cを有する中間層24を形成する。
In the method of controlling the growth pressure, after the growth of the initial layer, the nitrogen gas pressure is lowered to, for example, 3 MPa while keeping the temperature of the mixed melt at, for example, 880°C, and maintained for, for example, one hour. This allows the
中間層24が形成された後、例えば初期層の成長と同様に、混合融液の温度を例えば880℃とし、窒素ガス圧力を例えば3.4MPaとして、例えば100時間保持することで、閉空間23が(インクルージョン22が)形成されない結晶体30の成長を行うことにより、上側層26を形成する。
After the
このように、ステップS210では、中間層24を有する結晶体30を成長させる。具体的には例えば、閉空間23が形成される結晶体30の成長と、閉空間23が形成されない結晶体30の成長と、が交互に行われることで、中間層24が形成されるように、成長温度の下降と上昇とを交互に行うか、または、成長圧力の下降と上昇とを交互に行う。
In this way, in step S210, a
図5(a)および5(b)は、本実施形態の実験例として作製した結晶体30の蛍光顕微鏡像であり、種基板21と結晶体30との界面27に直交する断面を示す。図5(b)は、図5(a)の一部を拡大した像である。下方の明るい領域が種基板21を示し、上方の暗い領域が結晶体30を示す。種基板21と結晶体30との境界として、直線状の界面27が観察される。図5(a)および5(b)は、界面に沿った方向について、それぞれ、700μm程度の領域および100μm程度の領域を示す。
Figures 5(a) and 5(b) are fluorescent microscope images of a
界面27から少し上方の結晶体30中に、明るく示される複数の閉空間23が行列状に配置された行列状構造25が、つまり中間層24が、観察される。複数の閉空間23は、界面に沿った方向(平行な方向)に、行状に配置されており、界面と交差する方向(直交する方向)に、列状に配置されている。なお、行列状構造25において、行内のすべての位置に閉空間23が存在するとは限らず、同様に、列内のすべての位置に閉空間23が存在するとは限らない。つまり、行列状構造25は(各閉空間列25Cは)、閉空間23の欠損を有していてもよい。
A
図5(a)に示す例では、行列状構造25が、例えば500μm以上に亘って行状に配置されている。また、図5(a)から理解されるように、行列状構造25は、界面と直交する方向から見た平面視において、結晶体30のほぼ全面に亘って、例えば80%以上の面積に亘って形成されている。図5(a)または図5(b)に示す例では、複数の閉空間23が、例えば3行以上、また例えば4行以上、さらにまた例えば5行以上、行状に配置されており、複数の閉空間23が、例えば3列以上、また例えば4列以上、さらにまた例えば5列以上、列状に配置されている。
In the example shown in FIG. 5(a), the
図5(a)から理解されるように、行列状構造25は、つまり中間層24は、界面27から所定の高さ以内の領域に形成されており、中間層24よりも上側には、閉空間23を(インクルージョン22を)含まない領域である上側層26が形成されている。
As can be seen from FIG. 5(a), the
図6(a)および6(b)は、本実施形態の実験例として作製した結晶体30のMPPL像(多光子顕微鏡像)であり、種基板21と結晶体30との界面27に直交する断面を示す。下方の暗い領域が種基板21を示し、上方の明るい領域が結晶体30を示す。図6(a)および図6(b)は、コントラストを変えて表示した同一領域のMPPL像である。図6(a)は、種基板21よりも結晶体30における構造が観察されやすいコントラストで表示したMPPL像であり、図6(b)は、結晶体30よりも種基板21における構造が観察されやすいコントラストで表示したMPPL像である。
Figures 6(a) and 6(b) are MPPL images (multiphoton microscope images) of a
図6(a)からわかるように、結晶体30が含む線状の結晶欠陥51上に(線状の結晶欠陥51に沿って)複数の閉空間23が(インクルージョン22が)配置されることで、閉空間列25Cが形成されている。線状の結晶欠陥51は、成長方向に(界面27に対して概ね直交する方向に)延在している。また、このような閉空間列25Cが、複数列、界面27に沿った方向に並んで配置されることで、閉空間23の行列状構造25が形成されている。
As can be seen from FIG. 6(a), a plurality of closed spaces 23 (inclusions 22) are arranged on (along) a linear crystal defect 51 contained in the
図6(b)からわかるように、種基板21中に、厚さ方向(上下方向)に延在する貫通転位が存在しており、結晶体30において、当該貫通転位の延長上に、閉空間列25Cが形成されている。つまり、結晶体30が含む線状の結晶欠陥51は、種基板21が含む貫通転位を起点として形成されたものであり、このような線状の結晶欠陥51上に、閉空間列25Cが形成されていることがわかる。
As can be seen from FIG. 6(b), there are threading dislocations in the
図7は、図6(b)と同じMPPL像に、種基板21と結晶体30との界面27から一定の高さの直線(つまり、観察されている断面と仮想平面52との交差する線)を描き加えた図である。図7には、例示的に3列分の閉空間列25C1、25C2および25C3を示す。例えば、閉空間列25C1に含まれる3つの閉空間23までの高さを、それぞれ、h1、h2およびh3とする。閉空間列25C1~25C3に含まれる閉空間23のうち、高さh1に配置された閉空間23により、閉空間行25R1が構成され、高さh2に配置された閉空間23により、閉空間行25R2が構成され、高さh3に配置された閉空間23により、閉空間行25R3が構成されている。
Figure 7 is a figure in which a straight line (i.e., a line intersecting the observed cross section and the virtual plane 52) is drawn at a certain height from the
図4(b)、図5(a)~図7、および、図12を参照して説明した内容を踏まえ、本実施形態による中間層24が有する閉空間列25Cについて、以下のようにいうことができる。
Based on the contents explained with reference to Figures 4(b), 5(a) to 7, and 12, the
例えば、複数の閉空間列25Cのうちのある閉空間列25Cを選び、当該閉空間列25Cに含まれる第1の閉空間23および第2の閉空間23を選び、第1の閉空間23および第2の閉空間23から種基板21までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間23を有する他の閉空間列25Cが、複数存在する。
For example, when a certain
また例えば、複数の閉空間列25Cのうちのある閉空間列25Cを選び、当該閉空間列25Cに含まれる第1の閉空間23および第2の閉空間23を選び、第1の閉空間23および第2の閉空間23のそれぞれを通り種基板21と結晶体30との界面27に略平行な第1の仮想平面52および第2の仮想平面52を考えたとき、第1の仮想平面52上に配置される閉空間23を含む閉空間列25Cが、複数存在し、第2の仮想平面52上に配置される閉空間23を含む閉空間列25Cが、複数存在する。
For example, when a certain
また例えば、複数の閉空間列25Cに含まれる閉空間23を、種基板21と結晶体30との界面27に直交する断面53に投影したとき、当該断面53内において、投影された複数の閉空間23が当該界面27と略平行な方向に並ぶことで構成される閉空間行25Rが、複数存在する。
For example, when the
図4(b)に示されるように、種基板21と結晶体30とが構成する積層結晶基板100の、界面27に直交する断面内で(厚さ方向に平行な断面内で)、中間層24は、空間的に点在している複数の閉空間23を(インクルージョン22を)含んでおり、中間層24は、種基板21を構成するGaN単結晶から、結晶体30を構成するGaN単結晶が、フラックス法により均一に成長するための遷移領域となっている。例えば上述の処理条件で成長処理を行うことにより、閉空間23を(インクルージョン22を)、中間層24の面内において、均一に、または、局在化せずに分散した状態で、分布させることができる。
As shown in FIG. 4(b), in a cross section perpendicular to the interface 27 (cross section parallel to the thickness direction) of the
種基板21の結晶性を反映して結晶体30が成長することで、結晶体30としてGaN単結晶が得られる。本願発明者は、閉空間列25Cを有する中間層24が形成されるように、結晶体30を成長させることで、結晶体30の上側層26における転位密度を、種基板21における転位密度よりも大幅に減少させることができる、という知見を見出した。例えば、種基板21の主面21sにおける3×106/cm2程度の平均的な転位密度を、結晶体30の上側層26の主面30sにおいて3×105/cm2程度の平均的な転位密度に、大幅に減少させられることを確認している。結晶体30の上側層26の主面30sにおいて、最大の転位密度は、好ましくは例えば5×105/cm2以下であり、平均的な転位密度は、好ましくは例えば3×105/cm2以下である。主面30sにおける最小の転位密度は、特に制限されない。最小の転位密度に対する最大の転位密度の比は、最小の転位密度が低いほど大きくなり得るが、目安としては、例えば100倍以下、また例えば10倍以下である。
The
また、本願発明者は、VAS法で成長された種基板21(以下、転位の種類についての説明において、種基板21とは、VAS法で成長された種基板21を意味する)と、(上側層26の)結晶体30とで、転位(貫通転位)の種類の比率(刃状転位と、混合転位と、らせん転位と、の比率)が変化している、という知見も見出した。種基板21の主面21sにおいて、刃状転位と、混合転位と、らせん転位と、の比率は、例えば、64:36:0である。これに対し、本実施形態による結晶体30の上側層26の主面30sにおいて、刃状転位と、混合転位と、らせん転位と、の比率は、例えば、56:44:0である。種基板21、および、(上側層26の)結晶体30において、らせん転位は検出されていない。
The inventors of the present application have also found that the ratio of types of dislocations (threading dislocations) (ratio of edge dislocations, mixed dislocations, and screw dislocations) changes between the
閉空間列25Cを有する中間層24の形成を伴う結晶体30の成長により、転位(貫通転位)が全体的に減少するとともに、そのうち刃状転位が優先的に減少しているのではないかと推測される。
It is speculated that the growth of the
刃状転位の比率は、種基板21と比べて結晶体30で低い、という特徴がみられる。また、混合転位の比率は、種基板21と比べて結晶体30で高い、という特徴がみられる。(VAS法で成長された)種基板21が含む転位の特徴としては、例えば、刃状転位の比率が60%以上であることが挙げられ、また例えば、混合転位の比率が40%未満であることが挙げられる。これに対し、本実施形態で成長された結晶体30において、上側層26を構成する結晶体30が含む転位の特徴としては、例えば、刃状転位の比率が60%未満であることが挙げられ、また例えば、混合転位の比率が40%以上であることが挙げられる。
The
結晶体が含む転位(貫通転位)の種類は、例えば以下のようにして評価することができる。結晶体の主面(表面)を例えば、水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの混合溶融アルカリ液で処理することにより、各転位に対応する位置にエッチピットを形成する。エッチピットが形成された当該主面を、例えば微分干渉顕微鏡で観察し、エッチピットの大きさによって、エッチピットを複数の群に分類する。また、各群のエッチピットの断面を、例えば透過電子顕微鏡(TEM)で観察することにより、各群のエッチピットがどのような種類の転位に対応するものであるかを、確認する。確認された対応関係を利用することで、微分干渉顕微鏡で観察された各エッチピットの大きさから、結晶体が含む種類の転位を、評価することができる。 The type of dislocations (threading dislocations) contained in a crystal can be evaluated, for example, as follows. The main surface (surface) of the crystal is treated with a molten alkaline solution of, for example, a mixture of potassium hydroxide and sodium hydroxide, to form etch pits at positions corresponding to each dislocation. The main surface on which the etch pits are formed is observed, for example, with a differential interference microscope, and the etch pits are classified into a number of groups according to their size. In addition, the cross sections of the etch pits in each group are observed, for example, with a transmission electron microscope (TEM), to confirm what type of dislocation each group of etch pits corresponds to. Using the confirmed correspondence, the type of dislocation contained in the crystal can be evaluated from the size of each etch pit observed with the differential interference microscope.
結晶体30が含む転位の種類は、より具体的には、以下のようにして評価した。結晶体30の上側層26から取得した基板31上に、後述の変形例(図8参照)と同様にして、HVPE法によりGaN単結晶をエピタキシャル成長させることで、結晶体40を形成した。そして、結晶体40に対して、転位の種類を評価した。これは、同様のHVPE法で形成された種基板21と結晶体40とに対し、転位の種類を評価することで、種基板21と結晶体40とにおける転位の種類の比率の比較評価を、精度良く行うためである。結晶体40は、結晶体30の転位を引き継いでエピタキシャル成長しているため、結晶体40と結晶体30とでは、転位密度は同程度であり、また、転位の種類の比率は変化しないこととなる。このため、結晶体40に対する転位の種類の比率の評価結果は、結晶体30に対する転位の種類の比率の評価結果と同様であるといえる。
More specifically, the type of dislocations contained in the
なお、フラックス法を用いて成長させることで、結晶体30における水素濃度および酸素濃度は、それぞれ、抑制することができる。結晶体30における水素濃度は、例えば1×1017/cm3未満であり、好ましくは5×1016/cm3以下である。結晶体30における酸素濃度は、例えば、1×1017/cm3未満であり、好ましくは8×1016/cm3以下である。
It should be noted that by growing the crystal using the flux method, it is possible to suppress the hydrogen concentration and the oxygen concentration in the
結晶体30を構成するGaN単結晶のc面130は、結晶体30の主面30sに対して凹の球面状に湾曲する。本願発明者は、VAS法で成長された種基板21を種結晶として、フラックス法により結晶体30を成長させることで、種基板21のc面121の曲率半径よりも、結晶体30のc面130の曲率半径を大きくすることができる、という知見も見出した。この理由は、種基板21と結晶体30との界面付近に介在する中間層24によって、結晶体30が種基板21に拘束される力が弱まり、結晶体30の成長に伴って結晶体30中に発生する圧縮応力が緩和されるためではないか、と推測される。
The c-
成長させる結晶体30の厚さは、特に制限されないが、本実施形態では、結晶体30から少なくとも1枚の自立した基板31が得られる厚さ、例えば0.2mm以上の厚さとする。所定厚さの結晶体30を成長させた後、耐圧容器303内を室温と大気圧に復帰させ、坩堝308内から、結晶体30が形成された種基板21を取り出す。
The thickness of the
(S220:機械加工および研磨)
ステップS220では、図4(c)に示すように、ステップS210で成長させた結晶体30を、機械加工、例えばワイヤーソーにより切断して、種基板21から分離する。種基板21と結晶体30との界面27から適切に離れた位置で切断することにより、分離された結晶体30に、中間層24を含む結晶体30の根元部分が含まれないようにできる。つまり、閉空間23を(インクルージョン22を)含まない上側層26の結晶体30を、選択的に分離することができる。結晶体30を分離することで残る、種基板21と、中間層24を含む結晶体30の根元部分との積層結晶基板110は、フラックス法等で結晶成長を行うための種結晶として再利用してもよい。
(S220: Machining and polishing)
In step S220, as shown in FIG. 4C, the
分離された結晶体30に(上側層26に)、必要に応じ、機械加工および研磨、またはこれらの一方を施すことで、基板31(自立した基板としての結晶体30)を得る。例えば、結晶体30の全体から1枚の基板31を得てもよい。また例えば、結晶体30を複数枚にスライスすることで、結晶体30の全体から複数枚の基板31を得てもよい。得られた基板31に対し、必要に応じて、研磨を行ってもよいし、研磨を行わなくてもよい。両主面のうち一方の主面を研磨してもよい。なお、分離された結晶体30を、そのまま基板31として用いてもよい。
The separated crystal 30 (upper layer 26) is machined and/or polished as necessary to obtain a substrate 31 (
結晶体30の種基板21からの分離に起因して、結晶体30のc面130の曲率半径が、分離前の結晶体30のc面130の曲率半径から変化することがある。また、分離された結晶体30に対する機械加工または研磨に起因して、基板31のc面131の曲率半径が、分離された結晶体30のc面130の曲率半径から変化することもある。ただし、このような曲率半径の変化が生じても、種基板21のc面121の曲率半径と比べて、分離された結晶体30のc面130の曲率半径、および、基板31のc面131の曲率半径が大きい、という傾向は保たれる。
Due to the separation of the
図4(c)は、平板形状に構成された基板31を例示する。基板31は、主面31sに対して最も近い低指数の結晶面がc面131であり、c面131が主面31sに対して(基板31の両主面のいずれか一方の主面31sに対して)凹の球面状に湾曲するように、構成されている。c面131は、球面形状からのゆがみが抑制されているため、(主要領域において)一定の曲率半径を有する。以上のように、ステップS200では、種基板21(結晶体20)を種結晶として、フラックス法により基板31(結晶体30)が作製される。
Figure 4 (c) illustrates a
(2)本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
(2) Effects Obtained by the Present Embodiment According to the present embodiment, one or more of the following effects can be obtained.
(a)種基板21上に、閉空間列25Cを有する中間層24が形成されるように(または、行列状構造25を有する中間層24が形成されるように)、結晶体30を成長させることで、中間層24の上側に形成される上側層26の結晶体30を構成するGaN単結晶の転位密度を、種基板21を構成するGaN単結晶の転位密度よりも、大幅に減少させることができる。
(a) By growing the
結晶体30により構成される基板31は、転位密度が基板全面に亘り均一に例えば3×105/cm2程度と非常に低く、高品質である。このため、基板31は、当該基板を用いて製造される半導体デバイスの性能向上に資することが期待され、例えば、既存のデバイスに比べ省エネルギー効果の高いパワーデバイスを製造するための基板としての利用が期待される。
The
閉空間列25Cを(行列状構造25を)有する中間層24の形成を伴う結晶体30の成長により(つまり、このような成長により結晶体30が形成されたことを反映して)、上側層26の結晶体30として、(VAS法で成長された)種基板21に対して、転位の種類の比率が変化した結晶体30が得られる。
By growing the
(b)閉空間列25Cを(行列状構造25を)有する中間層24は、種基板21と結晶体30との界面に直交する方向から見た平面視において、結晶体30のほぼ全面に亘って、例えば80%以上の面積に亘って形成することができる。これにより、上述のような転位密度の減少効果を、結晶体30のほぼ全面に亘って均一に得ることができる。
(b) The
中間層24が有する閉空間列25Cを構成する閉空間23は、種基板21の貫通転位を起点とする結晶体30の線状の結晶欠陥51上に、並ぶ。閉空間列25Cが、行列状構造25が形成される程度に、面内に分散した状態で形成されるためには、種基板21の主面21s上における転位同士の間隔が、ある程度広いことが好ましいと考えられる。転位同士の間隔が過度に狭いと、隣接する転位上に形成される閉空間23同士が(インクルージョン22同士が)、ぶつかり合って適正に並べなくなるからである。したがって、種基板21は、主面21sに、閉空間列25Cが分散した状態で形成されやすい領域として、転位密度が過大でない低転位密度領域(転位密度が例えば1×107/cm2未満である領域)を有することが好ましい。
The
また、種基板21は、主面21sにおいて、転位密度が過大である転位集中領域(転位密度が例えば1×107/cm2以上である領域)を有しないこと、つまり、主面21sにおける最大の転位密度が例えば1×107/cm2未満であることが、より好ましい。これにより、閉空間列25Cを(行列状構造25を)、種基板21の主面21sの上方の広い面積に亘るように、面内で均一に形成することが容易になる。
Moreover, it is more preferable that the
(c)VAS法で成長された種基板21を種結晶として、フラックス法により基板31を成長させることで、基板31におけるc面131の曲率半径を、種基板21におけるc面121の曲率半径よりも大きくすることができる。c面131の曲率半径が大きいほど、c面131の湾曲が低減されるので、基板31の面内におけるオフ角分布の幅を小さくできる。つまり、面内におけるオフ角の均一性が高められた基板31を得ることができる。種基板21の球面状のc面121から、曲率半径の拡大を生じさせることで、基板31の球面状のc面131が得られている。このため、基板31では、種基板21と比べて、面内で全体的に、オフ角変化が緩やかとなっている。基板31では、種基板21と比べて、面内で全体的にオフ角変化が緩やかになることにより、オフ角分布の幅を小さくすることができる。
(c) By growing the
基板31が大径になるほどオフ角分布の幅は大きくなりやすいので、オフ角分布の幅を小さくできる本技術は、大径の基板31に適用されることが特に好ましい。種基板21のc面121の曲率半径は、例えば3m以上であり、例えば15m以下である。基板31のc面131の曲率半径は、種基板21のc面121の曲率半径よりも大きく、好ましくは15m以上であり、より好ましくは20m以上であり、さらに好ましくは30m以上である。基板31のサイズは、大径の基板を求める市場の要請から、例えば直径4インチ(10.16cm)以上であることが好ましい。これに対応して、種基板21のサイズも、例えば直径4インチ以上であることが好ましい。c面131が球面状であることで、主面31s内のある領域内(例えば半導体デバイス1つ分に対応する領域内)において、オフ角が不規則に変化せず、またオフ角の変化が緩やかとなる。また、c面131が球面状であることで、主面31s内の全体的なオフ角分布を容易に把握することができる。即ち、c面131の曲率半径が大きい事で、大径の基板にも拘らず面内のオフ角分布は小さくする事が出来、且つc面131が球面状であることで、オフ角の変化が規則的に変化する。
The larger the diameter of the
フラックス法による結晶成長に伴い、種基板21と結晶体30との界面付近にインクルージョン22が取り込まれる現象を利用することで、中間層24を形成でき、基板31のc面131の曲率半径を大きくすることができる。インクルージョン22が、つまり閉空間23が、種基板21と結晶体30との界面の面内で均一に、または、局在化せずに分散した状態で、分布することにより、曲率半径を大きくする効果を、面内で均一に得ることができる。
By utilizing the phenomenon in which inclusions 22 are incorporated near the interface between the
種基板21の凹の球面状のc面121から、曲率半径の拡大を生じさせることで、基板31の凹の球面状のc面131が得られている。このため、c面131は、局所的に凸形状の曲率を有したりせず、基板31内では、局所的なひずみが抑制されている。これにより、基板31は、クラックや欠けが生じ難く、加工が容易である。このため、基板31の製造工程や、基板31を用いたデバイス製造工程での歩留まり向上が図られる。
The concave spherical c-
<変形例>
上述の実施形態の変形例について説明する。実施形態では、種基板21を種結晶として基板31を作製する製造方法について説明した。本変形例では、さらに、基板31を種結晶として結晶基板41(以下、基板41ともいう)を作製する製造方法について説明する。
<Modification>
A modified example of the above embodiment will be described. In the embodiment, the manufacturing method for producing the
図8は、本変形例による基板41の製造方法を示すフローチャートである。本製造方法は、種基板21を用意するステップS100と、液相法、具体的にはフラックス法により基板31を作製するステップS200と、気相法、例えばHVPE法により基板41を作製するステップS300とを有する。ステップS100およびS200は、上述の実施形態において図1を参照して説明したものと同様である。
Figure 8 is a flow chart showing a method for manufacturing a
(S300:気相法による結晶基板作製)
ステップS200で基板31が用意された後、ステップS300では、気相法、例えばHVPE法により基板41を作製する。図9(a)~9(c)は、ステップS300における基板41の作製工程を示す概略断面図である。図9(a)は、ステップS200で用意された基板31を示す。
(S300: Preparation of crystal substrate by vapor phase method)
After the
(S310:HVPE法による結晶体成長)
ステップS300は、ステップS310およびS320を有する。ステップS310では、図9(b)に示すように、基板31上に、HVPE法によりGaN単結晶をエピタキシャル成長させることで、結晶体40を形成する。ステップS310は、HVPE装置200により、処理対象の基板250として基板31を用い、種基板21の作製に係るステップS120と同様な処理手順で実施することができる。ステップS310の結晶成長処理の処理条件としては、ステップS120と同様な条件が例示される。なお、結晶体40の種結晶に用いる基板31として、種基板21上に積層された状態の結晶体30(図4(b)に示す積層結晶基板100)を用いてもよい。
(S310: Crystal growth by HVPE method)
Step S300 includes steps S310 and S320. In step S310, as shown in FIG. 9B, a GaN single crystal is epitaxially grown on a
成長させる結晶体40の厚さは、結晶体40から少なくとも1枚の自立した基板41が得られる厚さ、例えば0.2mm以上の厚さであることが好ましい。成長させる結晶体20の厚さの上限は、特に制限されない。
The thickness of the
HVPE法を用いて成長させることで、結晶体40における水素濃度および酸素濃度を、それぞれ、抑制することができる。結晶体40における水素濃度は、例えば1×1017/cm3未満であり、好ましくは5×1016/cm3以下である。結晶体40における酸素濃度は、例えば、5×1016/cm3以下であり、好ましくは3×1016/cm3以下であり、さらに好ましくは1×1016/cm3以下である。
By growing the
(S320:機械加工および研磨)
ステップS320では、図9(c)に示すように、ステップS310で成長させた結晶体40を、機械加工、例えばワイヤーソーにより切断して、基板31から分離する。結晶体40を分離することで残る、基板31と結晶体40の根元部分との積層結晶基板130は、HVPE法等で結晶成長を行うための種結晶として再利用してもよい。
(S320: Machining and polishing)
9C, in step S320, the
分離された結晶体40に、必要に応じ、機械加工および研磨、またはこれらの一方を施すことで、基板41(自立した基板としての結晶体40)を得る。例えば、結晶体40の全体から1枚の基板41を得てもよい。また例えば、結晶体40を複数枚にスライスすることで、結晶体40の全体から複数枚の基板41を得てもよい。得られた基板41に対し、必要に応じて、研磨を行ってもよいし、研磨を行わなくてもよい。両主面のうち一方の主面を研磨してもよい。なお、分離された結晶体40を、そのまま基板41として用いてもよい。
The separated
結晶体40の基板31からの分離に起因して、結晶体40のc面140の曲率半径が、分離前の結晶体40のc面140の曲率半径から変化することがある。また、分離された結晶体40に対する機械加工または研磨に起因して、基板41のc面141の曲率半径が、分離された結晶体40のc面140の曲率半径から変化することもある。
Due to the separation of the
図9(c)は、平板形状に構成された基板41を例示する。基板41は、主面41sに対して最も近い低指数の結晶面がc面141であり、c面141が主面41sに対して(基板41の両主面のいずれか一方の主面41sに対して)凹の球面状に湾曲するように、構成されている。c面141は、球面形状からのゆがみが抑制されているため、(主要領域において)一定の曲率半径を有する。
Figure 9 (c) illustrates a
以上のように、ステップS300では、基板31を種結晶として、気相法、例えばHVPE法により、基板41が作製される。HVPE法は、フラックス法よりも高い成長レートで結晶を成長させることができる。このため、本変形例は、フラックス法により結晶性が高められた基板31を得た後、基板31を種結晶として厚膜の結晶体40を得る技術として好ましく用いられる。
As described above, in step S300,
基板41(結晶体40)の結晶性は、基板31(結晶体30)の結晶性と同程度に高い。また、基板41のc面141の曲率半径は、基板31のc面131の曲率半径と少なくとも同程度に大きく、種基板21のc面121の曲率半径よりも大きい。本変形例の実験例として、HVPE法により自立基板41を作製した。実験例の基板41において、基板全面に亘り例えば3×105/cm2程度の非常に低い転位密度が得られることを確認している。また、実験例の基板41において、c面のm軸方向およびa軸方向の曲率半径として、それぞれ20m以上(好ましくは30m以上)である曲率半径、例えば、76.4mおよび65.5mという非常に大きい値が得られることを確認している。
The crystallinity of the substrate 41 (crystal 40) is as high as that of the substrate 31 (crystal 30). The radius of curvature of the c-
<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態および変形例を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other embodiments>
The embodiment and the modified examples of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment and modified examples, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、変形例において、結晶体40を基板31から分離せずに、基板31と結晶体40との積層結晶基板120から、1枚または複数枚の基板を得るようにしてもよい。また例えば、結晶体20、30または40を成長させる際に、必要に応じて、導電型決定不純物等の不純物を添加してもよい。
For example, in a modified example, one or more substrates may be obtained from a
<本発明の好ましい態様>
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiment of the present invention>
Preferred aspects of the present invention will be described below.
(付記1)
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体と、
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を(インクルージョンを)複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に(複数の線状の結晶欠陥のそれぞれに沿って)複数の前記閉空間が配置されることで形成された、複数の閉空間列を有し、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在する、結晶基板。
(Appendix 1)
a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces (inclusions) containing an alkali metal;
the intermediate layer has a plurality of closed space rows formed by arranging a plurality of the closed spaces on (along) each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body,
A crystal substrate, in which a certain row of closed spaces is selected from the plurality of rows of closed spaces, a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces are selected, and when the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are h1 and h2, respectively, there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
(付記2)
前記第2結晶体は、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を有し、
前記第1結晶体の、前記第2結晶体の成長の下地となる主面における貫通転位密度に対し、前記上側層の前記第2結晶体の主面における貫通転位密度が低い、付記1に記載の結晶基板。
(Appendix 2)
the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space,
2. The crystal substrate of claim 1, wherein the threading dislocation density in the main surface of the second crystal body of the upper layer is lower than the threading dislocation density in the main surface of the first crystal body that serves as the base for growth of the second crystal body.
(付記3)
前記中間層の前記第2結晶体が含む前記線状の結晶欠陥は、前記第1結晶体が含む貫通転位を起点として形成されている、付記1または2に記載の結晶基板。
(Appendix 3)
3. The crystal substrate according to claim 1, wherein the linear crystal defect contained in the second crystal body of the intermediate layer is formed with a threading dislocation contained in the first crystal body as an origin.
(付記4)
前記第1結晶体の、前記第2結晶体の成長の下地となる主面は、貫通転位密度が1×107/cm2未満である領域を有する、付記1~3のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 4)
4. The crystal substrate according to claim 1, wherein a main surface of the first crystal body, which serves as a base for growth of the second crystal body, has a region having a threading dislocation density of less than 1×10 7 /cm 2 .
(付記5)
前記第1結晶体の、前記第2結晶体の成長の下地となる主面は、貫通転位密度が1×107/cm2以上である領域を有しない(最大の転位密度が1×107/cm2未満である)、付記1~4のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 5)
5. The crystal substrate according to claim 1, wherein the main surface of the first crystal body, which serves as a base for growth of the second crystal body, does not have an area having a threading dislocation density of 1×10 7 /cm 2 or more (the maximum dislocation density is less than 1×10 7 /cm 2 ).
(付記6)
前記第2結晶体は、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を有し、前記上側層の前記第2結晶体の主面における最大の貫通転位密度が5×105/cm2以下である付記1~5のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 6)
The crystal substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space, and a maximum threading dislocation density in a main surface of the second crystal body of the upper layer is 5 x 105 / cm2 or less.
(付記7)
前記第2結晶体は、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を有し、前記上側層の前記第2結晶体の主面における平均の貫通転位密度が3×105/cm2以下である付記1~6のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 7)
The crystal substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space, and an average threading dislocation density in a main surface of the second crystal body of the upper layer is 3 x 105 / cm2 or less.
(付記8)
前記第1結晶体を構成する単結晶のc面は、所定の曲率で凹の球面状に湾曲しており、
前記第2結晶体は、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を有し、
前記上側層の前記第2結晶体を構成する単結晶のc面の曲率半径が、前記第1結晶体を構成する単結晶のc面の曲率半径よりも大きい、付記1~8のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 8)
the c-plane of the single crystal constituting the first crystal body is curved into a concave spherical shape with a predetermined curvature,
the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space,
9. The crystal substrate according to claim 1, wherein a radius of curvature of a c-plane of the single crystal constituting the second crystal body of the upper layer is larger than a radius of curvature of a c-plane of the single crystal constituting the first crystal body.
(付記9)
前記第2結晶体は、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を有し、
前記上側層の前記第2結晶体は、らせん転位を有さず、
前記上側層の前記第2結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率は、前記第1結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率よりも低い、付記1~8のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 9)
the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space,
the second crystal body of the upper layer is free of screw dislocations;
9. The crystal substrate according to claim 1, wherein a ratio of edge dislocations among threading dislocations contained in the second crystal body of the upper layer is lower than a ratio of edge dislocations among threading dislocations contained in the first crystal body.
(付記10)
前記上側層の前記第2結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率は、60%未満であり、前記第1結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率は、60%以上である、付記9に記載の結晶基板。
(Appendix 10)
10. The crystal substrate of claim 9, wherein a ratio of edge dislocations among the threading dislocations contained in the second crystal body of the upper layer is less than 60%, and a ratio of edge dislocations among the threading dislocations contained in the first crystal body is 60% or more.
(付記11)
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体と、
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を(インクルージョンを)複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に(複数の線状の結晶欠陥のそれぞれに沿って)複数の前記閉空間が配置されることで形成された、複数の閉空間列を有し、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間のそれぞれを通り前記第1結晶体と前記第2結晶体との界面に略平行な第1の仮想平面および第2の仮想平面を考えたとき、第1の仮想平面上に配置される閉空間を含む閉空間列が、複数存在し、第2の仮想平面上に配置される閉空間を含む閉空間列が、複数存在する、結晶基板。
(Appendix 11)
a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces (inclusions) containing an alkali metal;
the intermediate layer has a plurality of closed space rows formed by arranging a plurality of the closed spaces on (along) each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body,
A crystal substrate in which, when a certain row of closed spaces is selected from the plurality of rows of closed spaces, a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces are selected, and a first imaginary plane and a second imaginary plane are considered which pass through the first closed space and the second closed space, respectively, and are approximately parallel to the interface between the first crystal body and the second crystal body, there are a plurality of rows of closed spaces including closed spaces arranged on the first imaginary plane, and there are a plurality of rows of closed spaces including closed spaces arranged on the second imaginary plane.
(付記12)
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体と、
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を(インクルージョンを)複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に(複数の線状の結晶欠陥のそれぞれに沿って)複数の前記閉空間が配置されることで形成された、複数の閉空間列を有し、
前記複数の閉空間列に含まれる閉空間を、前記第1結晶体と前記第2結晶体との界面に直交する断面に投影したとき、当該断面内において、投影された複数の閉空間が当該界面と略平行な方向に並ぶことで構成される閉空間行が、複数存在する、結晶基板。
(Appendix 12)
a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces (inclusions) containing an alkali metal;
the intermediate layer has a plurality of closed space rows formed by arranging a plurality of the closed spaces on (along) each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body,
A crystal substrate in which, when the closed spaces included in the multiple closed space rows are projected onto a cross section perpendicular to the interface between the first crystal body and the second crystal body, there are multiple closed space rows within the cross section, each of which is formed by the multiple projected closed spaces being arranged in a direction approximately parallel to the interface.
(付記13)
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体と、
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を(インクルージョンを)複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第1結晶体と前記第2結晶体との界面に交差する断面において、複数の前記閉空間が前記界面に沿った方向に行状に配置されるとともに、複数の前記閉空間が前記界面と交差する方向に配置されることで形成された、前記閉空間の行列状構造を有する、結晶基板。
(Appendix 13)
a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces (inclusions) containing an alkali metal;
The intermediate layer is a crystal substrate having a matrix structure of closed spaces formed by arranging a plurality of the closed spaces in rows in a direction along the interface between the first crystal body and the second crystal body, and arranging a plurality of the closed spaces in a direction intersecting the interface, in a cross section intersecting the interface.
(付記14)
前記行列状構造において、複数の前記閉空間が、3行以上(4行以上、5行以上)、行状に配置されている、付記13に記載の結晶基板。
(Appendix 14)
14. The crystal substrate of
(付記15)
前記行列状構造において、複数の前記閉空間が、3列以上、(4列以上、5列以上)、列状に配置されている、付記13または14に記載の結晶基板。
(Appendix 15)
15. The crystal substrate according to
(付記16)
前記行列状構造は、前記界面に沿った方向に500μm以上に亘って形成されている、付記13~15のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 16)
16. The crystal substrate according to any one of
(付記17)
前記行列状構造は、平面視において、前記第2結晶体の80%以上の面積に形成されている、付記13~16のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 17)
17. The crystal substrate according to any one of
(付記18)
III族窒化物の単結晶からなる基板であって、
前記単結晶が含む貫通転位において、刃状転位の比率が60%未満である、結晶基板。
(Appendix 18)
A substrate made of a single crystal of a Group III nitride,
A crystal substrate, wherein the ratio of edge dislocations among the threading dislocations contained in the single crystal is less than 60%.
(付記19)
前記単結晶が含む貫通転位は、らせん転位を有しない、付記18に記載の結晶基板。
(Appendix 19)
19. The crystal substrate of claim 18, wherein the threading dislocations contained in the single crystal are free of screw dislocations.
(付記20)
4インチ以上の直径を有し、
前記単結晶のc面が、前記基板の主面を+c側から見たときに前記基板の内側に向かって、15m以上の大きさの曲率半径で凹の球面状に湾曲しており、平面視された前記主面の80%以上の面積の領域において、一定の曲率半径を有する、付記18または19に記載の結晶基板。
(Appendix 20)
Has a diameter of 4 inches or more;
20. The crystal substrate according to claim 18 or 19, wherein the c-plane of the single crystal is curved inwardly of the substrate with a radius of curvature of 15 m or more in a concave spherical shape when the main surface of the substrate is viewed from the +c side, and has a constant radius of curvature in a region of 80% or more of the main surface in a planar view.
(付記21)
前記単結晶のc面のa軸方向の曲率半径、および、前記単結晶のc面のm軸方向の曲率半径のいずれもが20m以上(好ましくは30m以上)である付記18~20のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 21)
21. The crystal substrate according to any one of claims 18 to 20, wherein both of a radius of curvature of the c-plane of the single crystal in the a-axis direction and a radius of curvature of the c-plane of the single crystal in the m-axis direction are 20 m or more (preferably 30 m or more).
(付記22)
前記単結晶の前記主面における最大の貫通転位密度が5×105/cm2以下である付記18~21のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 22)
22. The crystal substrate according to any one of claims 18 to 21, wherein the maximum threading dislocation density in the main surface of the single crystal is 5×10 5 /cm 2 or less.
(付記23)
前記単結晶の前記主面における平均の貫通転位密度が3×105/cm2以下である付記18~22のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 23)
23. The crystal substrate according to any one of claims 18 to 22, wherein the average threading dislocation density in the main surface of the single crystal is 3×10 5 /cm 2 or less.
(付記24)
前記単結晶の前記主面における最小の貫通転位密度に対する最大の転位密度の比が100倍以下である付記18~23のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 24)
24. The crystal substrate according to any one of claims 18 to 23, wherein the ratio of the maximum dislocation density to the minimum threading dislocation density in the main surface of the single crystal is 100 times or less.
(付記25)
前記単結晶における水素濃度は、1×1017/cm3未満(好ましくは5×1016/cm3以下)である、付記18~24のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 25)
25. The crystal substrate according to any one of claims 18 to 24, wherein the hydrogen concentration in the single crystal is less than 1×10 17 /cm 3 (preferably 5×10 16 /cm 3 or less).
(付記26)
前記単結晶における酸素濃度は、1×1017/cm3未満(好ましくは8×1016/cm3以下、より好ましくは5×1016/cm3以下、さらに好ましくは3×1016/cm3以下、さらに好ましくは1×1016/cm3以下)である、付記18~25のいずれか1つに記載の結晶基板。
(Appendix 26)
The crystal substrate according to any one of appendices 18 to 25, wherein the oxygen concentration in the single crystal is less than 1×10 17 /cm 3 (preferably 8×10 16 / cm 3 or less , more preferably 5×10 16 /cm 3 or less, even more preferably 3×10 16 /cm 3 or less, and even more preferably 1×10 16 /cm 3 or less).
(付記27)
III族窒化物の単結晶で構成された第1結晶体を用意する工程と、
前記第1結晶体上に、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体を、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液中で成長させる工程と、
を有し、
前記第2結晶体を成長させる工程では、
前記第2結晶体が、前記アルカリ金属を内包する閉空間を(インクルージョンを)複数含む中間層を有し、
前記中間層において、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に(複数の線状の結晶欠陥のそれぞれに沿って)複数の前記閉空間が配置されることで、複数の閉空間列が形成され、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在するように、前記第2結晶体を成長させる、結晶基板の製造方法。
(Appendix 27)
preparing a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
growing a second crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride on the first crystal body in a mixed melt containing an alkali metal and a Group III element;
having
In the step of growing the second crystal body,
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces (inclusions) containing the alkali metal;
a plurality of closed spaces are arranged on each of the plurality of linear crystal defects included in the second crystal body (along each of the plurality of linear crystal defects) in the intermediate layer, thereby forming a plurality of closed space rows;
A method for manufacturing a crystal substrate, comprising the steps of: selecting a certain row of closed spaces from the plurality of rows of closed spaces; selecting a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces; and growing the second crystal body so that, when the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are h1 and h2, respectively, there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
(付記28)
前記混合融液は、前記アルカリ金属と、第13族典型金属元素である前記III族元素と、に加え、他の金属を含み、
前記他の金属は、第4族遷移金属、第5族遷移金属、第6族遷移金属、第7族遷移金属、第8族遷移金属、第9族遷移金属、第10族遷移金属、第11族遷移金属、第12族典型金属、前記III族元素とは異なる第13族典型金属元素、第14族典型金属、および、第15族典型金属のうちから選択された少なくとも1つの金属を含み、
前記第2結晶体を成長させる工程では、
前記閉空間が形成される前記第2結晶体の成長と、前記閉空間が形成されない前記第2結晶体の成長と、が交互に行われることで、前記中間層が形成されるように、成長温度の下降と上昇とを交互に行うか、または、成長圧力の下降と上昇とを交互に行う、付記27に記載の結晶基板の製造方法。
(Appendix 28)
the mixed molten liquid contains, in addition to the alkali metal and the Group III element which is a
the other metal includes at least one metal selected from among a Group 4 transition metal, a Group 5 transition metal, a Group 6 transition metal, a Group 7 transition metal, a Group 8 transition metal, a Group 9 transition metal, a
In the step of growing the second crystal body,
A method for manufacturing a crystal substrate as described in
(付記29)
前記他の金属は、Ti、Nb、Cr、Fe、Ni、Zn、Ge、Sn、Sb、およびBiのうちの少なくとも1つを含む、付記28に記載の結晶基板の製造方法。
(Appendix 29)
29. The method for producing a crystal substrate according to claim 28, wherein the other metal includes at least one of Ti, Nb, Cr, Fe, Ni, Zn, Ge, Sn, Sb, and Bi.
(付記30)
前記混合融液における、前記III族元素と前記他の金属とを合わせた含有量に対する、前記他の金属の含有量の比率である、前記他の金属の濃度を、3%以上15%以下(好ましくは4%以上12%以下)にする、付記28または29に記載の結晶基板の製造方法。
(Appendix 30)
30. The method for producing a crystal substrate according to claim 28 or 29, wherein a concentration of the other metal, which is a ratio of a content of the other metal to a combined content of the Group III element and the other metal in the mixed molten liquid, is set to 3% or more and 15% or less (preferably 4% or more and 12% or less).
(付記31)
前記第2結晶体を成長させる工程では、
前記中間層が形成された後、前記閉空間が形成されない前記第2結晶体の成長を行うことにより、前記中間層よりも上側に配置され前記閉空間を含まない上側層を形成する、付記28~30のいずれか1つに記載の結晶基板の製造方法。
(Appendix 31)
In the step of growing the second crystal body,
31. The method for manufacturing a crystal substrate according to any one of claims 28 to 30, wherein after the intermediate layer is formed, the second crystal body is grown in such a way that the closed space is not formed, thereby forming an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space.
(付記32)
前記第2結晶体上に、III族窒化物の単結晶で構成された第3結晶体を、気相法により成長させる工程、をさらに有する、付記28~31のいずれか1つに記載の結晶基板の製造方法。
(Appendix 32)
32. The method for producing a crystal substrate according to any one of claims 28 to 31, further comprising the step of growing a third crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride on the second crystal body by a vapor phase method.
10…下地基板、11…下地層、12…金属層、13…ボイド含有層、14…ナノマスク、15…ボイド形成基板、16…空隙、20、30、40…結晶体、21、31、41…基板、20s、21s、30s、31s、40s、41s…主面、120、121、130、131、140、141…c面、100、110、120、130…積層結晶基板、22…インクルージョン、23…閉空間、24…中間層、25…行列状構造、25R…閉空間行、25C…閉空間列、26…上側層、27…(種基板21と結晶体30との)界面、51…線状の結晶欠陥、52…仮想平面、53…断面、54…(上側層の)貫通転位
10...underlying substrate, 11...underlying layer, 12...metal layer, 13...void-containing layer, 14...nanomask, 15...void-formed substrate, 16...void, 20, 30, 40...crystal, 21, 31, 41...substrate, 20s, 21s, 30s, 31s, 40s, 41s...main surface, 120, 121, 130, 131, 140, 141...c-plane, 100, 110, 120, 130...laminated crystal substrate, 22...inclusion, 23...closed space, 24...intermediate layer, 25...matrix-like structure, 25R...closed space row, 25C...closed space column, 26...upper layer, 27...interface (between
Claims (13)
前記単結晶が含む前記c面を貫通する貫通転位は、前記基板の厚さ方向と直交する方向に折れ曲がらずに前記厚さ方向に延在し、前記貫通転位における刃状転位の比率が60%未満である、結晶基板。 A substrate made of a single crystal of a Group III nitride, the low-index crystal plane closest to a primary surface of the substrate being a c-plane;
A crystal substrate, wherein threading dislocations penetrating the c-plane contained in the single crystal extend in the thickness direction of the substrate without bending in a direction perpendicular to the thickness direction of the substrate, and a ratio of edge dislocations among the threading dislocations is less than 60%.
前記第1結晶体上に成長し、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体と、
を有し、
前記第2結晶体は、アルカリ金属を内包する閉空間を複数含む中間層を有し、
前記中間層は、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に複数の前記閉空間が配置されることで形成された、複数の閉空間列を有し、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在する、結晶基板。 a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
a second crystal body grown on the first crystal body and composed of a single crystal of a Group III nitride;
having
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces containing an alkali metal;
the intermediate layer has a plurality of closed space rows formed by arranging a plurality of the closed spaces on each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body,
A crystal substrate, in which a certain row of closed spaces is selected from the plurality of rows of closed spaces, a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces are selected, and when the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are h1 and h2, respectively, there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
前記第1結晶体の、前記第2結晶体の成長の下地となる主面における貫通転位密度に対し、前記上側層の前記第2結晶体の主面における貫通転位密度が低い、請求項9に記載の結晶基板。 the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space,
10. The crystal substrate of claim 9, wherein the threading dislocation density in the main surface of the second crystal body of the upper layer is lower than the threading dislocation density in the main surface of the first crystal body that serves as the base for growth of the second crystal body.
前記上側層の前記第2結晶体は、らせん転位を有さず、
前記上側層の前記第2結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率は、前記第1結晶体が含む貫通転位における刃状転位の比率よりも低い、請求項9~11のいずれか1項に記載の結晶基板。 the second crystal body has an upper layer that is disposed above the intermediate layer and does not include the closed space,
the second crystal body of the upper layer is free of screw dislocations;
12. The crystal substrate according to claim 9, wherein a ratio of edge dislocations among threading dislocations contained in the second crystal body of the upper layer is lower than a ratio of edge dislocations among threading dislocations contained in the first crystal body.
前記第1結晶体上に、III族窒化物の単結晶で構成された第2結晶体を、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液中で成長させる工程と、
を有し、
前記第2結晶体を成長させる工程では、
前記第2結晶体が、前記アルカリ金属を内包する閉空間を複数含む中間層を有し、
前記中間層において、前記第2結晶体が含む複数の線状の結晶欠陥のそれぞれの上に複数の前記閉空間が配置されることで、複数の閉空間列が形成され、
前記複数の閉空間列のうちのある閉空間列を選び、当該閉空間列に含まれる第1の閉空間および第2の閉空間を選び、第1の閉空間および第2の閉空間から前記第1結晶体までの高さをそれぞれh1およびh2としたとき、h1およびh2と同じ高さに閉空間を有する他の閉空間列が、複数存在するように、前記第2結晶体を成長させる、結晶基板の製造方法。 preparing a first crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride;
growing a second crystal body composed of a single crystal of a Group III nitride on the first crystal body in a mixed melt containing an alkali metal and a Group III element;
having
In the step of growing the second crystal body,
the second crystal body has an intermediate layer including a plurality of closed spaces containing the alkali metal;
a plurality of closed space rows are formed by arranging a plurality of the closed spaces on each of a plurality of linear crystal defects included in the second crystal body in the intermediate layer,
A method for manufacturing a crystal substrate, comprising the steps of: selecting a certain row of closed spaces from the plurality of rows of closed spaces; selecting a first closed space and a second closed space included in the row of closed spaces; and growing the second crystal body so that, when the heights from the first closed space and the second closed space to the first crystal body are h1 and h2, respectively, there are a plurality of other rows of closed spaces having closed spaces at the same heights as h1 and h2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025028055A JP2025071301A (en) | 2020-02-20 | 2025-02-25 | Crystal substrate and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020026735A JP2021130584A (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Crystal substrate and manufacturing method of crystal substrate |
| JP2025028055A JP2025071301A (en) | 2020-02-20 | 2025-02-25 | Crystal substrate and method for producing the same |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020026735A Division JP2021130584A (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Crystal substrate and manufacturing method of crystal substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2025071301A true JP2025071301A (en) | 2025-05-02 |
Family
ID=77552073
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020026735A Pending JP2021130584A (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Crystal substrate and manufacturing method of crystal substrate |
| JP2025028055A Pending JP2025071301A (en) | 2020-02-20 | 2025-02-25 | Crystal substrate and method for producing the same |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020026735A Pending JP2021130584A (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Crystal substrate and manufacturing method of crystal substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP2021130584A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024161621A1 (en) * | 2023-02-03 | 2024-08-08 | 住友電気工業株式会社 | Gallium nitride single crystal substrate and method for producing same |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4424497B2 (en) * | 2005-02-15 | 2010-03-03 | 日立電線株式会社 | Method for manufacturing nitride semiconductor crystal |
| JP6553765B1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-07-31 | 株式会社サイオクス | Crystal substrate manufacturing method and crystal substrate |
-
2020
- 2020-02-20 JP JP2020026735A patent/JP2021130584A/en active Pending
-
2025
- 2025-02-25 JP JP2025028055A patent/JP2025071301A/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2021130584A (en) | 2021-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107407008B (en) | Method for manufacturing group III nitride semiconductor crystal substrate | |
| US7621998B2 (en) | Single crystalline gallium nitride thick film having reduced bending deformation | |
| JP2025071301A (en) | Crystal substrate and method for producing the same | |
| JP6731590B2 (en) | Method for manufacturing nitride crystal substrate | |
| CN111575796B (en) | Method for producing group III nitride crystal | |
| JP2012067005A (en) | METHOD FOR GROWING AlxGa1-xN CRYSTAL, AND AlxGa1-xN CRYSTAL SUBSTRATE | |
| JP2010052967A (en) | Method for production of group iii element nitride crystal, group iii element nitride crystal, substrate for fabricating semiconductor device, and semiconductor device | |
| WO2020158571A1 (en) | Nitride semiconductor substrate, laminated structure, and method for manufacturing nitride semiconductor substrate | |
| JP7264343B2 (en) | Group III nitride crystal production method and seed substrate | |
| WO2017026196A1 (en) | Production method for group 13 nitride single crystal and production apparatus for group 13 nitride single crystal | |
| JP2008024580A (en) | AlxGa1-xN crystal growth method and AlxGa1-xN crystal substrate | |
| JP2009062231A (en) | Crystal growth method, crystal growth apparatus, stacked crystal growth apparatus, and semiconductor device having crystal thin film manufactured by these. | |
| US9691610B2 (en) | Method for producing a group III nitride semiconductor crystal and method for producing a GaN substrate | |
| CN110306241B (en) | Manufacturing method of crystal substrate and crystal substrate | |
| US20230399770A1 (en) | Group iii nitride crystal, group iii nitride semiconductor, group iii nitride substrate, and method for producing group iii nitride crystal | |
| JP2018016499A (en) | Method for manufacturing group iii nitride semiconductor | |
| CN107794567B (en) | Method for manufacturing group III nitride semiconductor | |
| JP7141984B2 (en) | crystal substrate | |
| JP5045589B2 (en) | Group III nitride crystal growth method | |
| JP2018016497A (en) | Method for manufacturing group iii nitride semiconductor | |
| JP6720888B2 (en) | Method for manufacturing group III nitride semiconductor | |
| JP2017100944A (en) | Group 13 nitride crystal and group 13 nitride crystal substrate | |
| WO2024009683A1 (en) | Method for producing group iii nitride crystals | |
| JP2021130585A (en) | Method for manufacturing gallium nitride crystal | |
| JP2009029672A (en) | Group III nitride crystal and growth method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20250225 |