JP2005200250A

JP2005200250A - 窒化物半導体結晶の製造方法及び窒化物半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP2005200250A
Application number: JP2004006467A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Oshima; 祐一大島
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: JP4513326B2

Abstract

【課題】単結晶窒化物半導体基板を種結晶として用い、気相成長によって厚さ５mm以上の窒化物単結晶インゴットを製造するに際し、窒化物半導体単結晶インゴット側面へ多結晶付着や成長面最外周部における異常成長による歪やクラックの発生をなくすと共に、厚さの増大に伴う成長位置変化の結果として起こる結晶品質の不均一をなくす。
【解決手段】気相成長による窒化物半導体単結晶インゴットの成長において、成長中の結晶の成長面外周および側面を覆うカバー１６を設けることによって、結晶側面への他結晶の付着を防止するのと同時に、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させ、成長表面を炉内で常に一定の位置に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体結晶の製造方法及び窒化物半導体基板の製造方法に関するものである。

ＧａＮ等の窒化物半導体は、禁制帯幅が大きく、且つ直接遷移型であることから、紫外〜青色発光素子材料として注目されている。

この窒化物半導体発光素子を作製するための基板としては、サファイア等の異種基板が用いられてきたが、ヘテロエピタキシャル成長に伴う高密度の転位の発生や、素子作製プロセスの複雑化などの問題があった。

これを解決するために窒化物半導体自立基板の開発が盛んに行われている。代表的な方法としては、サファイア等の異種基板上にＨＶＰＥ法（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：ハイドライド気相成長法）を用いて厚いＧａＮ層を形成し、成長後に異種基板を除去することで自立ＧａＮ基板とする方法がある（例えば、特許文献１参照）。これは、空隙を有する層を歪み緩和層として機能させ、下地基板とIII族窒化物半導体層との格子定数差や熱膨張係数差に起因する歪みを緩和するものであり、これにより、欠陥密度が低く、結晶品質の良好な反りのないIII族窒化物半導体基板を得ることができ、基板の除去を容易に行うことができるとされている。この技術によって低転位のＧａＮ基板が実現しつつあり、市場にも出回り始めている。

しかし、ＨＶＰＥ法で作製されたＧａＮ基板は非常に高価である。流通量もごく僅かである。これは、それぞれの基板を１枚ずつ結晶成長し、加工していることが大きな原因である。一般に、この工程はサファイアやＧａＡｓのような異種基板上のヘテロ成長であるから、成長するＧａＮ結晶中の転位の発生を防ぐために、下地基板の準備には非常に手間がかかる。下地基板作製方法の一例を挙げれば、まずサファイア基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で１μｍ程度の薄いＧａＮ層を形成し、その上に精密なフォトリソグラフィ技術を用いて、幅数μｍ程度のＳｉＯ₂のストライプマスクを形成する。このような加工を施した下地基板の上にＨＶＰＥ法を用いて厚さ５００μｍ程度のＧａＮ厚膜を形成する。その後、レーザ剥離法などを用いてＧａＮ厚膜をサファイア基板から分離し、両面を研磨加工して、ようやくＧａＮ基板が完成する。これを、１枚１枚の基板すべてに実施する。このような多数の工程を経るため、ＧａＮ基板の製造歩留まりは非常に低い。特に、下地ＧａＮ層の成長とマスク形成工程、そして異種基板の除去工程で問題が多い。

そこで、上記のような方法で得られたＧａＮ基板を新たに種結晶とし、高速で長時間成長を行うことでインゴットを作製し、そこからＧａＮ基板を切り出す方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１７８９８４号公報特開２００３−５２７２９６号公報

しかしながら、従来通りの気相成長法で、単に長時間成長を行っても、インゴット成長は失敗する。ひとつは、インゴット側面へ多結晶付着や成長面最外周部における異常成長による歪やクラックの発生であり、もう一つは、厚さの増大に伴う成長位置変化の結果として起こる、結晶品質の不均一である。

そこで、本発明は、上述の問題を解決し、これまでにない高品質な窒化物半導体基板、およびその製造方法を提案するものである。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る窒化物半導体結晶の製造方法は、単結晶窒化物半導体基板を種結晶として用い、気相成長によって厚さ５mm以上の窒化物単結晶（インゴット）を製造する方法において、成長結晶の成長面エッジ部分および側面部分を所定距離を置いて周囲からカバーで覆い、これによって成長面エッジ部分および側面の異常成長を防止しながら窒化物単結晶を成長することを特徴とする。

上記カバーを設けることによって、成長面エッジ部分および側面の異常成長を防止することができる。またカバーの長さを、成長しようとするインゴットの長さよりも大きくすることにより、結晶が大きく成長しても炉内の流れを常に一定に保つことができる。

ここで上記の所定距離は、例えば種結晶の、成長面の外周から半径方向内側１mm以上の部分、および側面の全てを覆うカバーと、結晶との間隔である。

請求項２の発明は、請求項１記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させ、炉内での成長位置が一定になるように補正制御しながら窒化物単結晶を成長することを特徴とする。

これは厚く成長することによる、炉内での成長位置変化を補正するために、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させるものである。この位置補正制御手段は、例えば成長面位置の光学的な検出装置と、コンピュータ制御されたアクチュエータによって比較的簡単に実現することができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記補正制御は、結晶の成長速度と同じ速度で結晶の位置が後退し、成長面が常に同じ位置に保たれるように行うことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、ハイドライド気相成長法を用いることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、成長速度が３５０μｍ／ｈ以上であることを特徴とする。

請求項６の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、請求項１〜５のいずれかに記載の方法で作製された窒化物半導体結晶をスライスして得ることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６記載の窒化物半導体基板の製造方法において、窒化物半導体結晶を円筒形に整形した後に、オリエンテーションフラットを形成し、その後にスライスすることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７記載の窒化物半導体基板の製造方法において、２箇所以上のオリエンテーションフラットを形成することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。

＜発明の要点＞
本発明の要点は、気相成長による窒化物半導体単結晶インゴットの成長において、成長中の結晶の成長面外周および側面を覆うカバーを設けることによって、結晶側面への他結晶の付着を防止するのと同時に、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させ、成長表面を炉内で常に一定の位置に維持することで、上記の問題を解決し、均質で高品質な窒化物半導体単結晶を得ることにある。

詳述するに、本発明での気相成長によるインゴット成長が、ＳｉやＧａＡｓなど、融液からの引き上げによる方法と大きく異なるのは、次の２点である。

（１）側面やエッジ部分への異常成長
気相成長では、原料ガスが成長結晶の成長面のみならず、側面にまで回り込んでしまい、結晶側面において、多結晶付着等、異常な成長を引き起こす。多結晶の付着があると、成長に伴ってそれらが結晶中心部に向かって増殖し、成長結晶の大部分が多結晶化してしまうことがある。また、成長面のエッジ部分では原料ガスの流れが乱れるため、盛り上がりが生じ、さらにガスの流れを乱し、成長結晶の形状を著しく損ねてしまう。次第に大きく成長する結晶それ自体も、流れを変化させる要因となる。

（２）厚さの増大による成長位置変化
通常の気相成長装置では、インゴット成長を想定していないため、結晶支持軸の位置は固定である。そのため、厚さの増大に伴って、成長表面の位置が上流に向かって前進してしまう。窒化物半導体結晶の気相成長は気相反応の激しい系であるため、成長表面位置の変化は、大きな影響がある。最も影響を受けるのは成長速度で、成長位置の数mmの変化が数十％もの大きな変動を招くことがある。成長速度が大きく変化すると、ドーパントの濃度や欠陥密度、歪が不均一になり、インゴットをスライスして基板を作製した場合、切り出す位置によって特性がばらついてしまうことになる。

以上２点の考察から、気相成長による窒化物単結晶インゴットの製造方法における、次のような手法を考案した。

まず、厚く成長することによる、炉内での成長位置変化を補正するために、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させる。この補正制御は、例えば成長面位置の光学的な検出装置と、コンピュータ制御されたアクチュエータによって比較的簡単に実現できる。同時に、成長結晶の成長面エッジ部分および側面部分を覆うカバーを設ける。これによって成長面エッジ部分および側面の異常成長を防止する。さらに、カバーの長さを、成長しようとするインゴットの長さよりも大きくする。それにより、結晶が大きく成長しても炉内の流れを常に一定に保つことができる。

上述のような種結晶と成長装置の使用に加え、インゴット成長の際には、成長速度を３５０μｍ／ｈ以上とすることで不純物の混入を抑え、高品質な結晶を得ることができる。

成長したインゴットは、スライス加工をする前に、オリエンテーションフラットを形成しておくことが望ましい。これによって、従来のような１枚ずつ加工した場合と比べて大幅なコストダウンが可能である。

本発明によれば、成長結晶の成長面エッジ部分および側面部分を所定距離を置いて周囲からカバーで覆うことによって成長面エッジ部分および側面の異常成長を防止しながら窒化物単結晶を成長することができる。

また本発明の他の特徴によれば、結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させ、炉内での成長位置が一定になるように補正制御しながら窒化物単結晶を成長するため、厚く成長することができる。

従って、本発明の製造方法で得られた窒化物単結晶を用いることで、クラックや転位などの欠陥の少ない、特性が高いレベルで揃った窒化物半導体基板を低コストで得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、実施例を中心にして説明する。

図１は本発明の実施例で用いた、ＨＶＰＥ法による結晶育成装置（ＨＶＰＥ炉）の模式図である。

１は上部に排気口１０を有する石英反応管であり、周囲に配置したヒータ２で加熱でされる。石英反応管１内の下方にはＧａソースボート５が設置されると共に、ＮＨ₃導入管３、ＨＣｌ導入管４及びＧａＣｌ導入管７を通じて、それぞれのガスを導入できるようになっている。石英反応管１内の上方には、下端に種基板９が固定された結晶回転軸８が垂下され、アクチュエータ１５によって上下方向に変位し得るように構成されている。

種基板９より成長するＧａＮ単結晶の面の現在位置は、これに対し斜め下方からレーザ光源１１の光１２を発射し、その反射光を検出器１３で検出することで把握される。すなわち、検出器１３からの基板成長面位置の検出信号をコンピュータ１４で読み取り、所望位置からの偏差に応じてアクチュエータ１５を制御し、結晶成長面が炉内で常に同じ所望位置になるように制御する。

上記成長結晶の成長面エッジ部分および側面部分は、種結晶９の成長面の外周から１mm以上の所定距離を置いて周囲からカバー１６で覆われる。カバー１６の構造は図２に示す通りである。円筒本体の内径は、６２mmで下端面は、半径方向内側に３．５mm延びた領域ａを有し、直径５５mmのカバー開口１７を形成してなる円筒形のグラファイト製のカバー１６である。

＜実施例＞
本発明に関する実施例を、図１を用いて説明する。

はじめに、種基板として、ボイド形成剥離法（特許文献１の特開２００３−１７８９８４号公報に開示された製造方法）を用いて、直径６０mmの単結晶ＧａＮ基板を作製した。種基板は両面鏡面研磨加工されており、厚さは４３０μｍである。主面はｃ面であり、表側がＧａ極性面である。

この種基板を、図１に示すＨＶＰＥ炉にセットした。

種結晶のエッジ部分（結晶成長面における外周から半径方向内側２．５mmまでの領域）、および側面部分は、図２に示すような長さ５０mmの円筒形のグラファイト製のカバー１６で覆った。種結晶成長面のカバー開口径は５５mmである。

ヒータ２で加熱した石英反応管１の中に設置されたＧａソースボート５中に、ＨＣｌ導入管４を通じてＨＣＩガスを流すと、ボート５に充填された金属Ｇａ６と反応してＧａＣｌとなる。これを、ＧａＣｌ導入管７を通じて、結晶回転軸８に固定された種基板９に供給する。ＮＨ₃は、ＮＨ₃導入管３を通じて、ＧａＣｌとは独立に種基板９に供給する。ＧａＣｌとＮＨ₃は種基板９上で反応し、ＧａＮ単結晶が成長する。この際、レーザ光源１１から発射され、結晶成長面で反射したレーザ光１２を検出器１３で検出することで、基板成長面位置は常にモニタされる。信号をコンピュータ１４で読み取り、アクチュエータ１５を制御して、結晶成長面が炉内で常に同じ位置になるように制御する。このようなＨＶＰＥ装置を用いて、種結晶９の上に成長速度４００μｍ／ｈで１００時間の結晶成長を行った。

これにより、直径５５mm、長さ４０mmの円筒形のインゴットが得られた。カバー１６の効果によって、側面への多結晶付着等は見られなかった。また、結晶回転軸８の移動速度から、成長速度は常に一定であることが確認された。

得られたインゴットを直径５０mmにまで円筒研削した。Ｘ線回折によって（１−１００）面の位置を割り出し、長さ１５mmのオリエンテーションフラットを作成した。スライス後に裏表を判別するために、９０度回転した位置に長さ１０mmの第２オリエンテーションフラットも形成した。その後、ワイヤーソーを用いてスライスし、厚さ５００μｍのＧａＮ基板を４０枚切り出した。それぞれの基板に両鏡面研磨加工を施し、直径５０mmの透明なＧａＮ単結晶基板とした。

得られた４０枚のＧａＮ基板の転位密度をＥＰＤ法によって測定したところ、３×１０⁵cm^-2±１０％であった。また、Ｈａｌｌ測定によるキャリア濃度の測定結果は１．５×１０¹⁸cm^-3±１２％であった。これらの結果から、高品質且つ特性の揃ったＧａＮ基板が得られたことが分かった。

＜比較例：軸を止め、カバーなし＞
実施例１と同様の種結晶を、同じ装置にセットし、同じ条件で成長を行った。ただし、実施例１で説明したようなカバー１６は外した。結晶回転軸８の位置も固定したままにした。その結果、長さ３５mmのインゴットが得られたが、その側面には多結晶がびっしりと付着していた。成長面はシワが寄ったように荒れており、そのエッジ部分も大きく盛り上がっていた。

得られたインゴットを直径５０mmにまで円筒研削したところ、結晶内部に多数の微小なクラックを含んでいることがわかった。これは、側面への多結晶の付着や、成長面エッジ部分の盛り上がりに起因する応力によって成長中にクラックが生じたものと考えられる。先述した成長面の荒れは、クラックを埋め込みながら成長が進行したために生じたと考えられる。Ｘ線回折によって（１−１００）面の位置を割り出し、長さ１５mmのオリエンテーションフラットを作製した。スライス後に裏表を判別するために、９０度回転した位置に長さ１０mmの第２オリエンテーションフラットも形成した。その後、ワイヤーソーを用いてスライスし、厚さ５００μｍのＧａＮ基板を２５枚切り出した。それぞれの基板に両鏡面研磨加工を施し、直径５０mmの透明なＧａＮ単結晶基板とした。

得られた２５枚のＧａＮ基板の転位密度をＥＰＤ法によって測定したところ、５×１０⁷cm^-2±５０％と高い値を示し、しかも大きくばらついていた。生じたクラックを埋め込みながら成長したことが原因と考えられる。また、Ｈａｌｌ測定によるキャリア濃度の測定結果は、インゴットの根元付近では１．５×１０¹⁸cm^-3であり、先端に近づくにつれて上昇し、先端付近では３×１０¹⁸cm^-3であった。これは、厚さの増大に伴って成長表面位置が変化したのと同時に、周囲の流れが変化し、それによって成長速度が次第に低下したことを示している。結局、結晶性が悪く、ばらつきの大きなものしか得られなかった。

＜他の応用例、変形例＞
以上述べた実施例においては、本発明をＧａＮ基板の製造方法に適用した例について説明したが、窒化アルミニウムガリウムや窒化ガリウムインジウムなどの３元混晶の単結晶自立基板の製造や、Ｍｇ等をドープしたｐ型ＧａＮ基板の製造に適用することもできる。

昇華法や、他の成長方法にも適用可能である。

本法で作製した結晶を種基板として繰り返し用いることも考えられる。

本発明により得られるIII族窒化物半導体基板は、ＧａＮ系デバイス用の基板として広く用いることができる。特に、レーザダイオード用の基板として用いると、欠陥密度の低い良質なＧａＮ系結晶が得られるため、信頼性の高い高性能なレーザダイオードを作製することができるようになる。

本発明の一実施例を示す、ＨＶＰＥ法による結晶育成装置の模式図である。図１におけるカバーの形状を描いた図である。

符号の説明

１石英反応管
３ＮＨ₃導入管
４ＨＣｌ導入管
５Ｇａソースボート
６金属Ｇａ
７ＧａＣｌ導入管
８結晶回転軸
９種基板
１１レーザ光源
１２レーザ光
１３検出器
１４コンピュータ
１５アクチュエータ
１６カバー
１７カバー開口

Claims

単結晶窒化物半導体基板を種結晶として用い、気相成長によって厚さ５mm以上の窒化物単結晶を製造する方法において、
成長結晶の成長面エッジ部分および側面部分を所定距離を置いて周囲からカバーで覆い、これによって成長面エッジ部分および側面の異常成長を防止しながら窒化物単結晶を成長することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
請求項１記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、
結晶回転軸を成長速度に合わせて後退させ、炉内での成長位置が一定になるように補正制御しながら窒化物単結晶を成長することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
請求項２に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、
上記補正制御は、結晶の成長速度と同じ速度で結晶の位置が後退し、成長面が常に同じ位置に保たれるように行うことを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、
ハイドライド気相成長法を用いることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
請求項４記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、
成長速度が３５０μｍ／ｈ以上であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の方法で作製された窒化物半導体結晶をスライスして得ることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
請求項６記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
窒化物半導体結晶を円筒形に整形した後に、オリエンテーションフラットを形成し、その後にスライスすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
請求項７記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
２箇所以上のオリエンテーションフラットを形成することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。