JP4924225B2

JP4924225B2 - ＧａＮ結晶の成長方法

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Publication number: JP4924225B2
Application number: JP2007156717A
Authority: JP
Inventors: 志行西岡; 康二上松
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: JP2008308356A

Description

本発明は、ＧａＮ結晶の成長方法およびＧａＮ結晶基板に関し、詳しくは、ＧａＮ結晶を結晶成長面が｛１−１００｝面となるように成長させるＧａＮ結晶の成長方法に関する。

発光デバイス、電子デバイス、半導体センサなどに好適に用いられるＧａＮ結晶は、通常、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法などの気相法、フラックス法などの液相法により、（０００１）面の主面を有するサファイア基板または（１１１）Ｇａ面の主面を有するＧａＡｓ基板などの主面上に結晶成長させることにより製造される。このため、通常得られるＧａＮ結晶は、面方位が｛０００１｝の主面を有する。

ここで、ＧａＮ結晶は、六方晶系でありウルツ鉱型の結晶構造を有するため、［０００１］方向（ｃ軸方向）に、Ｇａ原子面、Ｎ原子面が交互に存在することによる極性が存在する。このとき、ｃ軸を極性軸と呼ぶ。したがって、上記の主面が｛０００１｝面であるＧａＮ結晶を基板としてその主面上にＭＱＷ（多重量子井戸）構造の発光層を形成させた発光デバイスは、ＧａＮ結晶が有する［０００１］方向（ｃ軸方向ともいう）の極性により、発光層内において自発分極が生じるため、発光効率が低下する。このため、極性軸に対して交点を有する｛０００１｝面でなく極性軸に平行で交点を有しない面を主面とするＧａＮ結晶およびＧａＮ結晶基板を得ることが求められている。ＧａＮ結晶においては、極性軸と交わらず、かつ、安定な面としては、｛１−１００｝面（Ｍ面ともいう、以下同じ）および｛１１−２０｝面（Ａ面ともいう、以下同じ）などが挙げられる。すなわち、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面を主面とするＧａＮ結晶またはＧａＮ結晶基板を得ることが求められている。

｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面を主面とするＧａＮ結晶またはＧａＮ結晶基板を得る方法として、以下の方法が提案されている。たとえば、特開２００２−２９８９７号公報（特許文献１）は、｛０００１｝面を結晶成長面として成長させたＧａＮ結晶を｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行な複数の面で切り出して、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面を主面とするＧａＮ結晶基板を製造する方法を開示する。しかし、かかる特許文献１の方法においては、口径の大きいＧａＮ結晶基板を得ることが困難である。

また、特開２００６−３１５９４７号公報（特許文献２）は、主面が｛０００１｝面のＧａＮの一次ウエハを｛１−１００｝面に平行にスライスした複数のＧａＮのバーを各バーのＣ面（｛０００１｝面）が互いに接するようにかつそのＭ面（｛１−１００｝面）が上面となるように配列し、その上面にＨＶＰＥ法などにより結晶成長面がＭ面（｛１−１００｝面）である口径の大きいＧａＮ結晶を成長させる方法を開示する。しかし、ＨＶＰＥ法においても、ＧａＮ結晶をＭ面を結晶成長面として成長させることは、その結晶成長速度が低く、生産性に劣り厚く成長させることが困難であるという問題点があった。
特開２００２−２９８９７号公報特開２００６−３１５９４７号公報

そこで、本発明は、ＨＶＰＥ法による結晶成長面が｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶の結晶成長において、結晶成長速度が高く厚い結晶を効率良く成長させる方法を提供することを目的とする。

本発明は、主面が｛１−１００｝面である１つ以上のＧａＮ結晶下地基板を準備する工程と、ＧａＮ結晶下地基板の主面上にハイドライド気相成長法によりＧａＮ結晶をその結晶成長面が｛１−１００｝面となるように成長させる工程とを含み、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（１）および（２）
ｙ≧０．０３５２ｘ²−７５．６５９ｘ＋４０７３７（１）
ｙ≦０．０７８２ｘ²−１６５．９５ｘ＋８８１２１（２）
を満たすＧａＮ結晶の成長方法である。

本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法においては、上記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、さらに、結晶成長温度ｘ℃と結晶成長温度ｘ℃との関係が１１００℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒが以下の式（３）および（４）
ｙ≧０．０３７６ｘ²−８０．４４０ｘ＋４３１３０（３）
ｙ≦０．０４０１ｘ²−８１．７７５ｘ＋４１５９５（４）
を満たすことができる。

また、本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法においては、ＧａＮ結晶下地基板を準備する工程において、複数のＧａＮ結晶下地基板を準備し、複数のＧａＮ結晶基板を各ＧａＮ結晶下地基板の主面が互いに平行でかつその［０００１］方向が同一になるように互いに隣接させて配置し、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、複数のＧａＮ結晶下地基板の主面上にＧａＮ結晶を成長させることができる。

本発明によれば、ＨＶＰＥ法による結晶成長面が｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶の結晶成長において、結晶成長速度が高く厚い結晶を効率良く成長させる方法を提供することができる。

（実施形態１）
本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法の一実施形態は、図１、図２および図４を参照して、主面１ｍが｛１−１００｝面である１つ以上のＧａＮ結晶下地基板１を準備する工程と、ＧａＮ結晶下地基板１の主面１ｍ上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶２をその結晶成長面２ｇが｛１−１００｝面となるように成長させる工程とを含み、ＧａＮ結晶２を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（１）および（２）
ｙ≧０．０３５２ｘ²−７５．６５９ｘ＋４０７３７（１）
ｙ≦０．０７８２ｘ²−１６５．９５ｘ＋８８１２１（２）
を満たす。

ＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面１ｍ上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶２をその結晶成長面２ｇが｛１−１００｝面となるように成長させる際に、結晶成長温度ｘ℃を１０８０℃以上１１６０℃以下、かつ、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が式（１）および（２）を満たすことにより、多結晶化することなく平坦な結晶成長面で高い成長速度でＧａＮ結晶を成長させることができ、結晶成長面２ｇが｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶を効率よく成長させることができる。

主面１ｍが｛１−１００｝面である１つ以上のＧａＮ結晶下地基板１を準備する工程は、特に制限はないが、たとえば、［０００１］方向に結晶成長されたＧａＮバルク結晶を｛１−１００｝面に平行な複数の面でスライスすることにより行なうことができる。

次に、ＧａＮ結晶の成長工程として、上記のＧａＮ結晶下地基板１の主面１上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶２をその結晶成長面２ｇが｛１−１００｝面となるように成長させる。

ＨＶＰＥ法による結晶成長においては、たとえば、図１に示すようなＨＶＰＥ装置１０を用いる。このＨＶＰＥ装置１０は、反応容器１１、反応容器１１にＧａＮ結晶下地基板１を載せるためのサセプタ１２、Ｇａ原料５が配置されているＧａ容器１５、ＨＣｌガス４をＧａ原料５に導入するためのＨＣｌガス導入管１１ａ、ＨＣｌガス４とＧａ原料５とが反応して生成するＧａ塩化物ガス６をＧａＮ結晶下地基板１上に導入するためのＧａ塩化物ガス導入管１１ｂ、ＮＨ₃ガス８をＧａＮ結晶下地基板１上に導入するためのＮＨ₃ガス導入管１１ｃ、反応後のガスを排気するための排気口１１ｄ、Ｇａ原料５、Ｇａ塩化物ガス６およびＮＨ₃ガス８を加熱するためのヒータ１３ａ、およびＧａＮ結晶下地基板１を加熱するためのヒータ１３ｂが配設されている。

図１を参照して、上記ＨＶＰＥ装置１０を用いて、たとえば、以下のようにしてＧａＮ結晶を成長させることができる。反応容器１１内に設置されたサセプタ１２上にＧａＮ結晶下地基板１を配置する。Ｇａ容器１５内にＧａ（Ｇａ原料５）を配置する。ヒータ１３ａにより８００℃〜１１００℃程度に加熱されて融解したＧａ（Ｇａ原料５）にＨＣｌガスを導入し、反応して生成したＧａ塩化物ガス６をＧａＮ結晶下地基板１上に導入する。また、ＮＨ₃ガス８をＧａＮ結晶下地基板１上に導入する。Ｇａ塩化物ガス６とＮＨ₃ガス８を反応させてＧａＮ結晶下地基板１の主面１ｍ上にＧａＮ結晶を成長させる。

ここで、Ｇａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの導入に際しては、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガスまたはＡｒガスなどのキャリアガスを用いることができる。かかるキャリアガスを加えることにより、Ｇａ塩化物ガスまたはＮＨ₃ガスの導入量を安定化させるとともに、Ｇａ塩化物ガスとＮＨ₃ガスとの反応性を調節することができ、効率よく結晶性のよいＧａＮ結晶が得られる。

本発明におけるＧａＮ結晶の成長は、ＧａＮ結晶下地基板１上にＧａＮ結晶２を成長させるホモエピタキシャル成長であるため、成長するＧａＮ結晶の結晶方位はＧａＮ結晶下地基板の結晶方位と同じになる。したがって、ＧａＮ結晶下地基板の｛１−１００｝主面上には結晶成長面が｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶が成長（以下、ＧａＮ結晶の｛１−１００｝面成長ともいう）する。しかし、かかるＧａＮ結晶の｛１−１００｝面成長は、ＧａＮ結晶の｛０００１｝面成長（ＧａＮ結晶下地基板の｛０００１｝主面上に結晶成長面が｛０００１｝面であるＧａＮ結晶が成長）に比べて、結晶成長速度が小さく、また、厚く結晶成長させるにつれて多結晶化しやすい。

ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶の｛０００１｝面成長においては、結晶成長条件を、通常、Ｇａ塩化物ガスの分圧を５０Ｐａ〜１×１０⁴Ｐａ程度、ＮＨ₃ガスの分圧を５×１０³Ｐａ〜５×１０⁴Ｐａ程度、Ｇａ塩化物ガスとＮＨ₃ガスとのガス比（モル比）を１：０．５〜１：１０００程度、ＧａＮ結晶下地基板の温度（すなわち、結晶成長温度）を９００℃〜１１００℃程度にして、ＧａＮ結晶の成長速度を１０μｍ／ｈｒ〜１０００μｍ／ｈｒ程度に調整することにより、結晶性のよい厚いＧａＮ結晶が得られている。ここで、ＧａＮ結晶の成長速度を高めると多結晶化しやすくなる。

本発明におけるＧａＮ結晶の｛１−１００｝面成長においては、ＧａＮ結晶の｛０００１｝面成長に用いられる通常の結晶成長条件では、結晶成長速度が小さく、また、厚く結晶成長させるにつれて多結晶化しやすい。本発明においては、結晶成長温度および結晶成長速度を高めることにより、すなわち、結晶成長温度ｘ℃を１０８０℃以上１１６０℃以下、かつ、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が式（１）および（２）を満たすことにより、多結晶化することなく平坦な結晶成長面で高い成長速度でＧａＮ結晶を成長させることができ、結晶成長面が｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶を効率よく成長させることができる。

ここで、結晶成長温度が、１０８０℃未満であると鏡面成長可能な成長速度が低いため、厚く結晶成長させることが困難であり、１１６０℃を超えるとＧａＮ結晶下地基板および反応容器などの劣化が大きくなる。また、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が、ｙ＞０．０７８２ｘ²−１６５．９５ｘ＋８８１２１であると結晶成長の際に多結晶化が起こり、ｙ＜０．０３５２ｘ²−７５．６５９ｘ＋４０７３７であると結晶成長の際の結晶成長面が平坦でなくなり、不安定な結晶成長が起こる。

本発明におけるＧａＮ結晶の｛１−１００｝面成長においては、結晶成長温度および結晶成長速度の両方を高めるためには、Ｇａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧も高める必要がある。結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が式（１）および（２）を満たすようにするためには、たとえば、Ｇａ塩化物ガスの分圧を１００Ｐａ〜１×１０⁴Ｐａ程度、ＮＨ₃ガスの分圧を５×１０³Ｐａ〜５×１０⁴Ｐａ程度、Ｇａ塩化物ガスとＮＨ₃ガスとのガス比（モル比）を１：１〜１：５００程度とすることが好ましい。

本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法においては、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１１００℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（３）および（４）
ｙ≧０．０３７６ｘ²−８０．４４０ｘ＋４３１３０（３）
ｙ≦０．０４０１ｘ²−８１．７７５ｘ＋４１５９５（４）
を満たすことが好ましい。

かかる結晶成長温度および結晶成長速度の条件を満たすことにより、多結晶化することなくより平坦な結晶成長面で高い成長速度で結晶性のよいＧａＮ結晶を成長させることができる。

ここで、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が式（３）および（４）を満たすようにするためには、たとえば、Ｇａ塩化物ガスの分圧を１００Ｐａ〜１×１０⁴Ｐａ程度、ＮＨ₃ガスの分圧を５×１０³Ｐａ〜５×１０⁴Ｐａ程度、Ｇａ塩化物ガスとＮＨ₃ガスとのガス比（モル比）を１：１〜１：１００程度とすることが好ましい。

（実施形態２）
本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法の他の実施形態は、図１、図３および図４を参照して、ＧａＮ結晶下地基板１を準備する工程として、主面１ｍが｛１−１００｝面である複数のＧａＮ結晶下地基板１を準備し、複数のＧａＮ結晶基板１を各ＧａＮ結晶下地基板１の主面１ｍが互いに平行でかつその［０００１］方向が同一になるように互いに隣接させて配置する。次に、ＧａＮ結晶２を成長させる工程として、複数のＧａＮ結晶下地基板１の主面１ｍ上にＧａＮ結晶２をその結晶成長面２ｇが｛１−１００｝面となるように成長させる。ここで、ＧａＮ結晶２を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（１）および（２）
ｙ≧０．０３５２ｘ²−７５．６５９ｘ＋４０７３７（１）
ｙ≦０．０７８２ｘ²−１６５．９５ｘ＋８８１２１（２）
を満たす。

本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法によれば、複数のＧａＮ結晶下地基板１の主面１ｍ上にＧａＮ結晶２を、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が上記の式（１）および（２）を満たすように、成長させることにより、各ＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面上に成長するＧａＮ結晶２が互いに繋がって成長する。このため、複数のＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面１ｍ上に、結晶成長面２ｍが｛１−１００｝面である口径の大きいひとつのＧａＮ結晶を効率よく成長させることができる。ここで、複数のＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面１ｍ上にひとつのＧａＮ結晶を成長させるために、複数のＧａＮ結晶下地基板１は各ＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面が互いに平行に、かつ、その［０００１］方向が同一になるように配置するに必要がある。各ＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面が互いに平行でないと、または、各ＧａＮ結晶下地基板の［０００１］方向が同一でないと、成長するＧａＮ結晶に歪みが生じてクラックが発生しやすくなる。

また、本実施形態のＧａＮ結晶の成長方法においても、実施形態１と同様に、ＧａＮ結晶を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１１００℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（３）および（４）
ｙ≧０．０３７６ｘ²−８０．４４０ｘ＋４３１３０（３）
ｙ≦０．０４０１ｘ²−８１．７７５ｘ＋４１５９５（４）
を満たすことが好ましい。

（実施形態３）
本発明にかかるＧａＮ結晶基板の一実施形態は、図２および図３を参照して、実施形態１または２の方法により成長させたＧａＮ結晶２から得られる主面２ｍが｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶基板２ｐである。ここで、ＧａＮ結晶２からＧａＮ結晶基板２ｐを得る方法には、特に制限はされないが、図２および図３を参照して、たとえば、ＧａＮ結晶下地基板１の｛１−１００｝主面１ｍ上に成長させたＧａＮ結晶２を主面１ｍに平行な複数の面２ｓ，２ｔで切り出す方法がある。こうして、主面２ｍが｛１−１００｝面であるＧａＮ結晶基板２ｐが効率よく得られる。

（比較例ＡＲ１，ＡＲ２、実施例Ａ１）
１．複数のＧａＮ結晶下地基板の準備
ＨＶＰＥ法により、｛０００１｝面で結晶成長させたＧａＮバルク結晶を｛１−１００｝面に平行な複数の面で切り出して得られる複数の厚さが３００μｍのＧａＮ結晶下地基板を、その｛１−１００｝主面が互いに平行で、その［０００１］方向が同一になるように、互いに隣接させて配置して直径が約５０．８ｍｍで厚さが３００μｍの下地基板とした。

２．ＧａＮ結晶の成長
図１および図３を参照して、上記の下地基板（複数のＧａＮ結晶下地基板１）の｛１−１００｝主面１ｍ上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶２をその結晶成長面が｛１−１００｝面となるように約２ｍｍの厚さに成長させた。ここで、ＧａＮ結晶の成長条件は、結晶成長温度（具体的には、ＧａＮ結晶下地基板の温度）は１０８０℃とし、結晶成長速度がそれぞれ７０μｍ／ｈｒ（比較例ＡＲ１）、１００μｍ／ｈｒ（実施例Ａ１）、１３０μｍ／ｈｒ（比較例ＡＲ２）となるようにＧａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整した。

成長したＧａＮ結晶を微分干渉顕微鏡で観察した。ここで、顕微鏡像より多結晶の有無を評価し、目視により結晶成長面が平坦（鏡面）であるか否かを評価した。比較例ＡＲ１のＧａＮ結晶は、結晶成長面は平坦であったが、多結晶が発生した。

実施例Ａ１のＧａＮ結晶は、多結晶は発生せず、その結晶成長面が平坦であった。比較例ＡＲ２の結晶は、多結晶は発生しなかったが、その結晶成長面が平坦でなかった。総合判定として、多結晶が発生せずその結晶成長面が平坦（鏡面）なものを良（○）、多結晶が発生しないがその結晶成長面が平坦（鏡面）でないものを不良Ｉ（△）、結晶成長面は平坦（鏡面）であるが多結晶が発生するものを不良ＩＩ（×）とした。結果を表１にまとめた。

（比較例ＢＲ１，ＢＲ２、実施例Ｂ１〜Ｂ３）
ＧａＮ結晶の成長条件を、結晶成長温度は１１００℃とし、結晶成長速度がそれぞれ１００μｍ／ｈｒ（比較例ＢＲ１）、１３０μｍ／ｈｒ（実施例Ｂ１）、１５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｂ２）、１７０μｍ／ｈｒ（実施例Ｂ３）、２００μｍ／ｈｒ（比較例ＢＲ２）となるようにＧａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整したこと以外は、実施例Ａ１と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。

比較例ＢＲ１のＧａＮ結晶は、多結晶は発生しなかったがその結晶成長面が平坦でなく、総合判定が不良Ｉ（△）であった。実施例Ｂ１〜Ｂ３のＧａＮ結晶は、多結晶は発生せずその結晶成長面が平坦であり、総合判定が良（○）であった。比較例ＢＲ２の結晶は、結晶成長面は平坦であったが多結晶が発生し、総合判定は不良ＩＩ（×）であった。結果を表２にまとめた。

（比較例ＣＲ１，ＣＲ２、実施例Ｃ１〜Ｃ４）
ＧａＮ結晶の成長条件を、結晶成長温度は１１１０℃とし、結晶成長速度がそれぞれ１１０μｍ／ｈｒ（比較例ＣＲ１）、１５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｃ１）、２００μｍ／ｈｒ（実施例Ｃ２）、２４０μｍ／ｈｒ（実施例Ｃ３）、２６０μｍ／ｈｒ（実施例Ｃ４）、２９０μｍ／ｈｒ（比較例ＣＲ２）となるようにＧａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整したこと以外は、実施例Ａ１と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。

比較例ＣＲ１のＧａＮ結晶は、多結晶は発生しなかったがその結晶成長面が平坦でなく、総合判定が不良Ｉ（△）であった。実施例Ｃ１〜Ｃ４のＧａＮ結晶は、多結晶は発生せずその結晶成長面が平坦であり、総合判定が良（○）であった。比較例ＣＲ２の結晶は、結晶成長面は平坦であったが多結晶が発生し、総合判定が不良ＩＩ（×）であった。結果を表３にまとめた。

（比較例ＤＲ１，ＤＲ２、実施例Ｄ１〜Ｄ５）
ＧａＮ結晶の成長条件を、結晶成長温度は１１３０℃とし、結晶成長速度がそれぞれ１５０μｍ／ｈｒ（比較例ＤＲ１）、２００μｍ／ｈｒ（実施例Ｄ１）、２５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｄ２）、３５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｄ３）、４００μｍ／ｈｒ（実施例Ｄ４）、４５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｄ５）、５００μｍ／ｈｒ（比較例ＤＲ２）となるようにＧａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整したこと以外は、実施例Ａ１と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。

比較例ＤＲ１のＧａＮ結晶は、多結晶は発生しなかったがその結晶成長面が平坦でなく、総合判定が不良Ｉ（△）であった。実施例Ｄ１〜Ｄ５のＧａＮ結晶は、多結晶は発生せずその結晶成長面が平坦であり、総合判定が良（○）であった。比較例ＤＲ２の結晶は、結晶成長面は平坦であったが多結晶が発生し、総合判定が不良ＩＩ（×）であった。結果を表４にまとめた。

（比較例ＥＲ１，ＥＲ２、実施例Ｅ１〜Ｅ５）
ＧａＮ結晶の成長条件を、結晶成長温度は１１５０℃とし、結晶成長速度がそれぞれ２００μｍ／ｈｒ（比較例ＥＲ１）、３００μｍ／ｈｒ（実施例Ｅ１）、４００μｍ／ｈｒ（実施例Ｅ２）、４５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｅ３）、５５０μｍ／ｈｒ（実施例Ｅ４）、６００μｍ／ｈｒ（実施例Ｅ５）、７００μｍ／ｈｒ（比較例ＥＲ２）となるようにＧａ塩化物ガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整したこと以外は、実施例Ａ１と同様にしてＧａＮ結晶を成長させた。

比較例ＥＲ１のＧａＮ結晶は、多結晶は発生しなかったがその結晶成長面が平坦でなく、総合判定が不良Ｉ（△）であった。実施例Ｅ１〜Ｅ５のＧａＮ結晶は、多結晶は発生せずその結晶成長面が平坦であり、総合判定が良（○）であった。比較例ＥＲ２の結晶は、結晶成長面は平坦であったが多結晶が発生し、総合判定が不良ＩＩ（×）であった。結果を表５にまとめた。

表１〜表５の結果を図４にプロットした。ここで、図４のプロットにおいて、多結晶が発生せずその結晶成長面が平坦なものを○、多結晶が発生しないがその結晶成長面が平坦でないものを△、結晶成長面は平坦であるが多結晶が発生するものを×と表記した。

図４から明らかなように、結晶成長温度が高くなるとともに、多結晶を発生させずに｛１−１００｝面を結晶成長面としてその結晶成長面を平坦に維持して結晶成長させることができる結晶成長速度の範囲が広くなる。具体的には、ＧａＮ結晶下地基板の｛１−１００｝主面上にＧａＮ結晶２をその結晶成長面が｛１−１００｝面となるように、かつ、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと結晶成長温度ｘ℃との関係が上記の式（１）および（２）を満たすように、成長させることにより、平坦な結晶成長面を有するＧａＮ結晶が効率よく得られる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法において用いられるＨＶＰＥ法を説明するための概略断面図である。本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法の他の実施形態を示す概略断面図である。本発明にかかるＧａＮ結晶の成長方法における結晶成長温度と結晶成長速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ＧａＮ結晶下地基板、１ｍ，２ｍ主面、２ＧａＮ結晶、２ｇ結晶成長面、２ｐＧａＮ結晶基板、２ｓ，２ｔ面、４ＨＣｌガス、５Ｇａ原料、６Ｇａ塩化物ガス、８ＮＨ₃ガス、１０ＨＶＰＥ装置、１１反応容器、１１ａＨＣｌガス導入管、１１ｂＧａ塩化物ガス導入管、１１ｃＮＨ₃ガス導入管、１１ｄ排気口、１２サセプタ、１３ａ，１３ｂヒータ、１５Ｇａ容器。

Claims

主面が｛１−１００｝面である１つ以上のＧａＮ結晶下地基板を準備する工程と、前記ＧａＮ結晶下地基板の前記主面上にハイドライド気相成長法によりＧａＮ結晶をその結晶成長面が｛１−１００｝面となるように成長させる工程とを含み、
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、結晶成長温度ｘ℃が１０８０℃以上１１６０℃以下であり、結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと前記結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（１）および（２）
ｙ≧０．０３５２ｘ²−７５．６５９ｘ＋４０７３７（１）
ｙ≦０．０７８２ｘ²−１６５．９５ｘ＋８８１２１（２）
を満たすＧａＮ結晶の成長方法。
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、さらに、前記結晶成長温度ｘ℃が１１００℃以上１１６０℃以下であり、前記結晶成長速度ｙμｍ／ｈｒと前記結晶成長温度ｘ℃との関係が以下の式（３）および（４）
ｙ≧０．０３７６ｘ²−８０．４４０ｘ＋４３１３０（３）
ｙ≦０．０４０１ｘ²−８１．７７５ｘ＋４１５９５（４）
を満たす請求項１に記載のＧａＮ結晶の成長方法。
前記ＧａＮ結晶下地基板を準備する工程において、複数の前記ＧａＮ結晶下地基板を準備し、複数の前記ＧａＮ結晶基板を各前記ＧａＮ結晶下地基板の前記主面が互いに平行でかつその［０００１］方向が同一になるように互いに隣接させて配置し、
前記ＧａＮ結晶を成長させる工程において、複数の前記ＧａＮ結晶下地基板の前記主面上に前記ＧａＮ結晶を成長させる請求項１または請求項２に記載のＧａＮ結晶の成長方法。