JP2008100861A - Sapphire single crystal substrate and group iii nitride-based compound semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造に用いられるサファイア単結晶基板に係り、特に、その面上に積層させて製造されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上するサファイア単結晶基板と、この基板を用いて得られるIII族窒化物系化合物半導体の改良に関するものである。 The present invention relates to a sapphire single crystal substrate used for manufacturing a group III nitride compound semiconductor, and more particularly, to a sapphire single crystal that improves the crystallinity of a group III nitride compound semiconductor manufactured by being laminated on the surface thereof. The present invention relates to improvement of a crystal substrate and a group III nitride compound semiconductor obtained using the substrate.
ＡｌＮやＧａＮ等のIII族窒化物系化合物半導体は発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に亘る直接遷移型の半導体で、発光ダイオード(ＬＥＤ)やレーザダイオード(ＬＤ)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物系化合物半導体を積層して発光素子として用いる場合、通常、III族窒化物系化合物半導体と格子定数の近いサファイア単結晶が基板として用いられている。 Group III nitride compound semiconductors such as AlN and GaN are direct transition semiconductors whose emission spectrum covers a wide range from ultraviolet to red, and are applied to light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). . When the group III nitride compound semiconductor is stacked and used as a light emitting device, a sapphire single crystal having a lattice constant close to that of the group III nitride compound semiconductor is usually used as a substrate.
ところで、サファイア単結晶基板上に積層される上記III族窒化物系化合物半導体は、サファイア基板の結晶欠陥や結晶性を引き継いで成長するため、転位が多かったり面方位が揃っていない結晶性に劣るサファイア単結晶を基板として用いた場合、この基板上に積層されるIII族窒化物系化合物半導体も同様な結晶欠陥と結晶性を有してしまうことが知られている（例えば、磁性ガーネット膜に関する特許文献１参照）。そして、結晶欠陥を有するIII族窒化物系化合物半導体を発光素子として利用した場合、発光強度等の光学特性に劣る欠点があった。また、得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶欠陥が多いことから、転位を原因とするピット等や結晶のひび割れ等の外観不良も増加してしまう欠点があった。
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、その面上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上するサファイア単結晶基板と、この基板を用いて得られるIII族窒化物系化合物半導体を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems, and the problem is that a sapphire single crystal substrate in which the crystallinity of a group III nitride compound semiconductor obtained by being laminated on the surface is improved. Another object of the present invention is to provide a group III nitride compound semiconductor obtained using this substrate.
この課題を解決するため、本発明者等は、チョクラルスキー法により製造されたサファイア単結晶に関し、サファイア結晶の同一面内における格子定数の測定を行うと共に、その測定データに基づきIII族窒化物系化合物半導体の製造に適する基板の選別を行った。 In order to solve this problem, the inventors of the present invention relate to a sapphire single crystal manufactured by the Czochralski method, and measure the lattice constant in the same plane of the sapphire crystal, and based on the measurement data, a group III nitride The substrate suitable for the production of the compound semiconductor was selected.
この結果、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶を基板として用いた場合、その面上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上することを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見に基づき完成されている。 As a result, when a sapphire single crystal having a lattice constant variation distribution within 0.002 mm within the same plane of the sapphire crystal is used as the substrate, the group III nitride compound semiconductor obtained by laminating on the plane is used. It came to discover that crystallinity improved. The present invention has been completed based on such technical findings.
すなわち、請求項１に係る発明は、
その面上にIII族窒化物系化合物半導体が積層されるサファイア単結晶基板を前提とし、
サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であることを特徴とし、
また、請求項２に係る発明は、
サファイア単結晶基板上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体を前提とし、
上記サファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されていることを特徴とするものである。
That is, the invention according to claim 1
On the premise of a sapphire single crystal substrate on which a group III nitride compound semiconductor is laminated,
The distribution of lattice constant variation within the same plane of the sapphire crystal is within 0.002 mm,
The invention according to claim 2
Assuming a group III nitride compound semiconductor obtained by laminating on a sapphire single crystal substrate,
The sapphire single crystal substrate is constituted by the sapphire single crystal substrate according to claim 1.
請求項１に記載の発明に係るサファイア単結晶基板によれば、
サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であり、この条件を満たさない結晶性に劣るサファイア単結晶は上記基板から除外される。このため、請求項１のサファイア単結晶基板を適用することで、面内における格子定数が均一となる結晶性に優れたIII族窒化物系化合物半導体を得ることが可能となる。
According to the sapphire single crystal substrate according to the invention of claim 1,
The distribution of the lattice constant variation within the same plane of the sapphire crystal is within 0.002 mm, and the sapphire single crystal with poor crystallinity that does not satisfy this condition is excluded from the substrate. Therefore, by applying the sapphire single crystal substrate according to claim 1, it is possible to obtain a group III nitride compound semiconductor excellent in crystallinity with uniform in-plane lattice constant.
また、請求項２に記載の発明に係るIII族窒化物系化合物半導体によれば、
上記化合物半導体を積層するサファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されているため、面内における格子定数が均一となってその結晶性に優れている。
According to the group III nitride compound semiconductor according to the invention of claim 2,
Since the sapphire single crystal substrate on which the compound semiconductor is laminated is composed of the sapphire single crystal substrate according to claim 1, the in-plane lattice constant is uniform and the crystallinity is excellent.
従って、転位によるピットやひび割れ等の外観不良が低減するため収率の向上が図れ、かつ、得られたIII族窒化物系化合物半導体を発光素子として利用した場合に発光強度等の光学特性を向上できる効果を有する。 Therefore, it is possible to improve the yield by reducing appearance defects such as pits and cracks due to dislocations, and to improve optical characteristics such as emission intensity when the obtained group III nitride compound semiconductor is used as a light emitting device. It has an effect that can be done.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
まず、本発明に係るサファイア単結晶基板は、サファイア結晶の同一面内における格子定数を測定し、測定結果に基づき選別されたサファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶により構成されていることを特徴とし、また、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体は、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶基板上に積層させて得られることを特徴とする。 First, in the sapphire single crystal substrate according to the present invention, the lattice constant in the same plane of the sapphire crystal is measured, and the distribution of variation in the lattice constant in the same plane of the sapphire crystal selected based on the measurement result is within 0.002 mm. The group III nitride compound semiconductor according to the present invention has a lattice constant variation distribution within 0.002 cm in the same plane of the sapphire crystal. It is obtained by laminating on a sapphire single crystal substrate.
ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのような２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮ（いずれも０＜ｘ＜１）のような３元系、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１， ０＜ｙ＜１， ０＜ｘ＋ｙ＜１）の４元系を包括した、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１, ０≦ｙ≦１, ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物半導体をいう。尚、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。これは窒化アルミニウムガリウム(ＡｌｘＧａ１−ｘＮ, ０＜ｘ＜１)についても同様とする。 Here, the group III nitride compound semiconductor is a binary system such as AlN, GaN, InN, Al x Ga 1-x N, Al x In 1-x N, Ga x In 1-x N (any even 0 <x <1) 3-way systems, such as, Al x Ga y in 1- x-y N (0 <x <1, 0 <y <1, 0 encompasses quaternary of <x + y <1) was refers to the general formula Al x Ga y in 1-x -y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is represented by the compound semiconductor. In the present specification, unless otherwise specified, the group III nitride compound semiconductor is simply referred to as a group III nitride compound semiconductor doped with an impurity for making the conductivity type p-type or n-type. An expression that also includes The same applies to aluminum gallium nitride (Al x Ga 1-x N, 0 <x <1).
また、本発明において適用されるサファイア単結晶の育成方法は任意であり、例えば、チョクラルスキー法、ＥＦＧ法、Kyropolous法、ブリッジマン法、ＶＧＦ法等で製造されたサファイア単結晶が適用される。例えば、チョクラルスキー法によって育成されたサファイア単結晶インゴットの肩部を切断して得られた直胴部を円筒研削し、次いで内周刃切断機またはワイヤーソーで所望の厚さに切断して得られるサファイア単結晶ウエハーが挙げられる。また、上記ウエハーのベべリング方法やポリッシュ方法も任意であり、酸化物単結晶の研磨において一般的に利用されている方法が適用される。 Further, the method for growing a sapphire single crystal applied in the present invention is arbitrary, and for example, a sapphire single crystal manufactured by the Czochralski method, EFG method, Kyropolous method, Bridgman method, VGF method or the like is applied. . For example, the straight body obtained by cutting the shoulder of a sapphire single crystal ingot grown by the Czochralski method is cylindrically ground, and then cut to a desired thickness with an inner peripheral cutting machine or a wire saw. Examples thereof include a sapphire single crystal wafer obtained. Further, the wafer beveling method and polishing method are arbitrary, and a method generally used in polishing an oxide single crystal is applied.
次に、サファイア単結晶の格子定数を測定する方法については特に限定されるものでなく、一般的に利用されているFewster法やBond法等が挙げられる。また、サファイア単結晶基板の選別は、ｃ面サファイア単結晶の場合はａ軸方向の格子定数の測定を行い、ａ面サファイア単結晶の場合はｃ軸方向の格子定数の測定を行うと共に、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内である条件を満たすサファイア単結晶を選別すればよい。 Next, the method for measuring the lattice constant of the sapphire single crystal is not particularly limited, and commonly used Fewster method, Bond method, and the like can be mentioned. The selection of the sapphire single crystal substrate is carried out by measuring the lattice constant in the a-axis direction in the case of a c-plane sapphire single crystal, and measuring the lattice constant in the c-axis direction in the case of an a-plane sapphire single crystal. What is necessary is just to select the sapphire single crystal which satisfy | fills the conditions that the distribution of the dispersion | variation in the lattice constant within the same plane of a crystal is 0.002 cm or less.
また、上記サファイア単結晶基板におけるIII族窒化物系化合物半導体の積層方法としては、例えば、有機金属気相結晶成長法（ＭＯＶＰＥ法）、塩化物気相成長法（ＨＶＰＥ法）等が挙げられる。 Examples of the method for stacking the group III nitride compound semiconductor on the sapphire single crystal substrate include a metal organic vapor phase crystal growth method (MOVPE method) and a chloride vapor phase growth method (HVPE method).
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明の技術的内容が実施例により何ら制限されるものではない。 Examples of the present invention will be specifically described below, but the technical contents of the present invention are not limited to the examples.
ｃ面３インチサファイア単結晶ウエハーの面内における格子定数をFewster法により測定した。尚、測定した回折面は（００６）面、（１０２）面を用い、かつ、１５ｍｍピッチでビームサイズ３×３ｍｍにてサファイア面内を９点測定した。 The lattice constant in the plane of the c-plane 3 inch sapphire single crystal wafer was measured by the Fewster method. The diffracted surfaces measured were (006) plane and (102) plane, and 9 points in the sapphire plane were measured at 15 mm pitch and 3 × 3 mm beam size.
そして、測定した９点におけるａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Å以内である単結晶ウエハーをＧａＮのＭＯＶＰＥ成長用基板として用い評価した。
『ＭＯＶＰＥ法によるＧａＮ単結晶膜の育成と評価』
上記サファイア単結晶基板のｃ面上にＭＯＶＰＥ法にてアンドープＧａＮを成長させると共に、ＧａＮが成長した４枚のサファイア単結晶基板について、その面内をＸ線回折装置を用い１５ｍｍピッチでビームサイズ３×３ｍｍにてＧａＮ（００２）面のＸ線ロッキングカーブを９点測定し、平均値をその基板の値とした。結果を以下の表１に示す。
［比較例１］
実施例１と同様にして、ｃ面３インチサファイア単結晶ウエハーの面内における格子定数をFewster法により測定し、測定したａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Åを越えるサファイア単結晶ウエハーを選別し、これをＧａＮのＭＯＶＰＥ成長用基板として用い評価した。
Then, a single crystal wafer having a variation distribution of lattice constants in the a-axis direction at 9 points measured within 0.002 cm was used and evaluated as a substrate for MOVPE growth of GaN.
"Growth and evaluation of GaN single crystal film by MOVPE method"
The undoped GaN is grown on the c-plane of the sapphire single crystal substrate by MOVPE, and the four sapphire single crystal substrates on which the GaN is grown have an in-plane X-ray diffractometer and a beam size of 3 with a 15 mm pitch Nine X-ray rocking curves of the GaN (002) plane were measured at × 3 mm, and the average value was taken as the value of the substrate. The results are shown in Table 1 below.
[Comparative Example 1]
In the same manner as in Example 1, the in-plane lattice constant of a c-plane 3 inch sapphire single crystal wafer was measured by the Fewster method, and the distribution of the measured lattice constant in the a-axis direction exceeded 0.002 cm. Was selected and evaluated as a substrate for MOVPE growth of GaN.
そして、実施例１と同様にしてＧａＮ（００２）面のＸ線ロッキングカーブを９点測定し、平均値をその基板の値とした。この結果も以下の表１に示す。 Then, nine X-ray rocking curves of the GaN (002) plane were measured in the same manner as in Example 1, and the average value was taken as the value of the substrate. The results are also shown in Table 1 below.
これに対し、表１に示された数値から比較例１では、実施例１と比較しＧａＮの結晶性は大幅に低下していることが確認される。このことから、ｃ面３インチサファイア単結晶におけるａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Åを越えるサファイア単結晶を基板として使用した場合、ＧａＮの結晶性が低下するためＬＥＤ用のＧａＮとして十分な発光強度を得られないことが理解される。 On the other hand, it is confirmed from the numerical values shown in Table 1 that in Comparative Example 1, the crystallinity of GaN is significantly reduced as compared with Example 1. From this, when using a sapphire single crystal whose lattice constant variation distribution in the a-axis direction of the c-plane 3 inch sapphire single crystal exceeds 0.002 mm as a substrate, the crystallinity of GaN deteriorates, so that GaN for LED is used. It will be understood that sufficient emission intensity cannot be obtained.
本発明に係るサファイア単結晶基板によれば結晶性に優れたIII族窒化物系化合物半導体を得ることが可能となる。このため、ＬＥＤの発光素子等として用いられるIII族窒化物系化合物半導体の製造用基板として利用される産業上の可能性を有している。また、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体は結晶性に優れており、ＬＥＤの発光素子等として用いられた場合にその発光強度を向上させることができるこのため、ＬＥＤの発光素子等として利用される産業上の可能性を有している。 According to the sapphire single crystal substrate according to the present invention, a group III nitride compound semiconductor excellent in crystallinity can be obtained. For this reason, it has the industrial possibility utilized as a board | substrate for manufacture of the group III nitride compound semiconductor used as a light emitting element etc. of LED. In addition, the group III nitride compound semiconductor according to the present invention is excellent in crystallinity and can improve the light emission intensity when used as a light emitting element of an LED. It has industrial potential to be used.
Claims (2)
サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であることを特徴とするサファイア単結晶基板。 In a sapphire single crystal substrate on which a group III nitride compound semiconductor is laminated,
A sapphire single crystal substrate characterized in that the distribution of variation in lattice constant within the same plane of the sapphire crystal is within 0.002 mm.
上記サファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されていることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体。 In a group III nitride compound semiconductor obtained by laminating on a sapphire single crystal substrate,
A group III nitride compound semiconductor, wherein the sapphire single crystal substrate is composed of the sapphire single crystal substrate according to claim 1.
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|---|---|---|---|---|
| JP2011042560A (en) * | 2009-07-22 | 2011-03-03 | Shinshu Univ | Method and equipment for producing sapphire single crystal |
| JP2013018678A (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-31 | Shinshu Univ | Crucible for growing crystal, and method for growing crystal |
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2006
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