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JP-2026077903-A - 結晶基板および結晶基板の製造方法

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】結晶基板は、ＩＩＩ族窒化物の単結晶からなる基板であって、基板の主面に対して最も近い低指数の結晶面がｃ面であり、単結晶が含むｃ面を貫通する貫通転位は、基板の厚さ方向と直交する方向に折れ曲がらずに厚さ方向に延在し、貫通転位における刃状転位の比率が６０％未満である。 【選択図】図１２

Inventors

  • 皿山 正二
  • 吉田 丈洋
  • 佐藤 隆
  • 三好 直哉
  • 村上 明繁

Assignees

  • 住友化学株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20260304

Claims (5)

  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。
  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、請求項１に記載の結晶基板。
  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、請求項１または２に記載の結晶基板。
  4. 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、請求項１～３のいずれか１項に記載の結晶基板。
  5. 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。

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。 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）。 大島祐一、外５名、「ボイド形成剥離法によるＧａＮ基板」、日立電線、Ｎｏ.２６（２００７－１）、ｐ. ３１－３６ 図１は、本発明の一実施形態による結晶基板の製造方法の全体を示すフローチャートである。図２は、一実施形態による結晶基板の製造方法におけるステップＳ１００の詳細を示すフローチャートである。図３（ａ）～３（ｇ）は、一実施形態のステップ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。図４（ａ）～４（ｃ）は、一実施形態のステップ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５（ａ）および５（ｂ）は、一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る。図６（ａ）および図６（ｂ）は、一実施形態の実験例として作製した結晶体３０のＭＰＰＬ像である。図７は、一実施形態の実験例として作製した結晶体３０のＭＰＰＬ像である。図８は、一実施形態の変形例による結晶基板の製造方法の全体を示すフローチャートである。図９（ａ）～９（ｃ）は、一実施形態の変形例のステップ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１０は、ＨＶＰＥ装置を例示する概略構成図である。図１１は、フラックス液相成長装置を例示する概略構成図である。図１２は、一実施形態による結晶体３０の模式的な斜視図である。 ＜本発明の一実施形態＞ 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。 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。 （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。 （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。 （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。 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。 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。 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。 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。 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。 （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。 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。 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。 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 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。 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。 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。 （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