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JP2004221480A - Embedded substrate crystal manufacturing method and embedded substrate crystal - Google Patents

Embedded substrate crystal manufacturing method and embedded substrate crystal Download PDF

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JP2004221480A
JP2004221480A JP2003009890A JP2003009890A JP2004221480A JP 2004221480 A JP2004221480 A JP 2004221480A JP 2003009890 A JP2003009890 A JP 2003009890A JP 2003009890 A JP2003009890 A JP 2003009890A JP 2004221480 A JP2004221480 A JP 2004221480A
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】結晶方位に関し反対向きの構造をとる異なる極性A、Bを混在させた結晶において少なくとも表面において極性Aの単結晶としてデバイスをその上に製造するに適した単結晶基板を製造する事が目的である。
【解決手段】結晶方位に関し反対向きの構造を取る異なる極性A、Bを持つ部分が混在する結晶において、一方の極性Bの部分をエッチングして全部あるいは一部を除去し、その上に再び結晶を成長させて極性Aの結晶によって表面を覆うか全体を極性Aの単結晶にする。あるいは極性Bの一部を除去し、あるいは除去せず極性Bの上を異種物質で被覆し、さらに同じ結晶の成長を行い極性Aの結晶によって表面を覆うようにする。
【選択図】 図4
An object of the present invention is to manufacture a single crystal substrate suitable for manufacturing a device as a single crystal having a polarity A at least on a surface of a crystal in which different polarities A and B having a structure opposite to each other with respect to a crystal orientation are mixed. Is the purpose.
SOLUTION: In a crystal in which portions having different polarities A and B having structures opposite to each other with respect to the crystal orientation are mixed, one of the polarities B is etched to remove all or part thereof, and the crystal is re-applied thereon. Is grown to cover the surface with a crystal of polarity A or make the whole a single crystal of polarity A. Alternatively, a part of the polarity B is removed, or the polarity B is covered with a different substance without being removed, and the same crystal is grown to cover the surface with the crystal of the polarity A.
[Selection diagram] Fig. 4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二つの極性が混在する基板上に、結晶成長を行う製造方法、並びにその製造方法で得られた結晶に関する。ここで極性というのは電気的な双極子や磁気的な南北の極というのではない。この明細書だけに使われる特別の用語である。ある平面に関し反平行に異なる結晶構造の方向という意味で使っている。表面に対して結晶方位が平行な部分と反平行な部分が共存する結晶のことを極性が共存する結晶という。だから当然に単結晶の場合に、その表面に関して反転対称性がある結晶にはそのようなものは存在しない。その表面に関して反転対称性(Inversion symmetry)がない結晶の場合だけそのような状態がありうる。この用語と語義自体が新規であり、わかりにくいので極性と極性が共存する結晶について初めに説明する。
【0002】
結晶には単結晶と多結晶がある。極性が混在する結晶というのは単結晶でない。
しかし、かといって多結晶といってしまうのは問題がある。いずれでもない中間的な結晶といえるであろう。そのような概念はこれまで存在しなかった。そのような実体がこれまで存在しなかったからである。
【0003】
単結晶というのはいたるところ同じ結晶方位をもち並進対称性、回転対称性を全体としてもっている結晶である。単結晶の種結晶を使いチョクラルスキー法やブリッジマン法で結晶を成長させると種結晶と同じ方位の単結晶が成長する。その他の方法でも単結晶の種を使うと、それに倣った方位の単結晶ができる。単結晶の種を使った結晶成長の場合は、極性が共存するような結晶はできない。
【0004】
多結晶は結晶方位がランダムであり並進対称性も回転対称性もないような規則性のない結晶である。しかし短い距離では同じ結晶方位をもつので単結晶の粒子の集まりということもできる。
【0005】
多結晶の場合は方位がランダムだから、それをどのようにしても極性が共存するような結晶を得る事はできない。両極性が共存する結晶というのはそのように従来の結晶製造方法ではできないものなのである。特別な結晶の製造をしたときだけに出現する新規な結晶形態である。
【0006】
しかも極性共存結晶はそれ自体に価値があるのではない。そうではなくて単結晶を作りたいのであるが極性共存結晶がやむをえずできてしまう、という事情がある。
【0007】
本発明は極性共存結晶から単結晶を作る方法を提案するのである。初めから単結晶ができればもとより問題がない。ある種の結晶製造方法によると極性共存型の結晶ができてしまう。それを一様な極性の単結晶にしたいというのが本発明の意図である。
【0008】
【従来の技術】
それではどうして極性の共存する結晶ができるのか?ということを述べる。窒化ガリウム(GaN)はバンドギャップが広いので青色発光素子として有用である。大型のGaN単結晶が製造できないので現在はサファイヤ単結晶を基板としてInGaN系のLEDが作られている。サファイヤ基板は三方晶系であり正六角形の格子構造をもっている。c軸まわりに三回対称性や三回反転対称性はない。サファイヤと窒化ガリウムは格子定数も大きく異なり格子不整合でありサファイヤ基板の上にエピタキシャル成長させたGaNやInGaNは欠陥を大量に含む。
【0009】
しかし、それにも拘らずサファイヤ基板上のGaN、InGaN、BeGaNなどの窒化物は安定でありpn接合を作り順方向に電流を流すことによって発光させることができる。だからGaN系の薄膜は専らサファイヤ基板の上に形成される。現在でも、InGaN発光素子として実績のあるのはサファイヤ基板上に作ったものだけである。
【0010】
ところがサファイヤ基板には劈開がない。素子分離には機械的にダイシングするしかない。それは手間がかかり歩留まりの悪い方法である。それにレーザとする場合は自然劈開面を共振器面として利用できないので研磨によって平行な平滑面を仕上げたいものであるがサファイヤではそれができない。さらにまたサファイヤは絶縁体であるから底面からn電極を取るというようなことはできない。n電極もp電極も上面から取る必要がある。それは有効な面積を減らすことになるからチップ面積を余分に必要とするということである。
【0011】
そのような難点はあるが依然としてサファイヤ基板のInGaN系発光素子が青色発光素子として大量に製造されており使用されている。サファイヤ基板は製造容易であるし、その上に作ったGaN系薄膜は安定し発光素子としての性能も優れているからである。
【0012】
サファイヤにはそのような実績の積み重ねがあるのであるが、なおそれでも窒化ガリウム単結晶を基板として採用したいという根強い要望がある。大面積で高品質の窒化ガリウム単結晶を製造することは依然としてできないのであるが、もしも窒化ガリウムの単結晶基板を使用できるならば、サファイヤ基板の欠点を全て克服できるわけである。
【0013】
それはつまり自然劈開があるからウエハを素子分離するのに便利であるしレーザの場合の共振器を劈開で容易に作製できるということである。さらにまたドーピングによって窒化ガリウムを低抵抗率のものにできるからn電極を底面に設け電流を縦に流すことができ面積を節減できる、という利点もある。そういうわけで実績あるInGaN/サファイヤ基板の青色発光素子の流れとは別に、大型GaN単結晶を製造するという試みが続いている。
【0014】
GaNは加熱しただけでは溶融しないから融液を作製できない。だから液体原料から固体を作り出して単結晶を作るという通常のチョクラルスキー法、ブリッジマン法などを使って単結晶を製造することはできない。
【0015】
サファイヤ基板の上に薄いGaN、InGaN、BeGaNなどの薄膜を製造するのは有機金属CVD(MOCVD)法が専ら使われている。それはトリメチルガリウムのようなガリウムの有機原料、トリメチルインジウムのようなインジウム原料と窒素原料のアンモニアを水素などのキャリヤガスにまぜ気体にしてコールドウオールの反応炉に送給し加熱したサファイヤ基板の上にGaN、InGaNなどの薄膜を成長させるものである。成長速度が遅いが、ごく薄い薄膜を作製するのだから遅くても差し支えない。
【0016】
GaN薄膜を生成するために用いられるもう一つの手法はHVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)である。それは有機原料を使わずガリウム金属を使うホットウオール型の反応炉の上方にGaボートを置いて加熱してGaの融液としHClを吹き付けてGaClとする。GaClガスが下方に落下してゆくのでアンモニアガスを与えるとGaClとアンモニアが反応してGaNができ、それがサファイヤ基板の上に堆積するというものである。
【0017】
GaN薄膜を作る第3の方法はMOC法(Metallorganic Chloride Method)といわれるものである。トリメチルガリウムを原料とするがHClガスと一旦反応させてGaClとし、それをアンモニアと反応させてGaNとする。有機金属を材料として直接にアンモニアと反応させると炭素が混入しやすく、それがGaNの電気的特性を劣化させるので一旦GaClを作り炭素が入りにくくしている。
【0018】
そのように気相反応によってGaN薄膜をサファイヤ基板の上に生成してInGaN系の発光素子を製造するということが行われている。実際にはサファイヤとGaNでは格子定数が違いすぎるし応力が大きくなるのでGaN薄膜を作るにも特別の工夫が必要である。
【0019】
気相成長法によってGaNの厚い膜を作るには内部応力を減らす工夫が必要である。その問題を解決したのがエピタキシャルラテラルオーバーグロース法(ELO;Epitaxial Lateral Overgrowth)である。それはサファイヤ基板を薄いSiO膜で覆い六回対称性を有するように1μm〜2μm直径の小さい窓を規則正しく開けて基板が窓から露呈するようにし、その上からMOCVD法、MOC法、HVPE法などでGaNの薄膜を成長させる。図8にELOマスクで下地基板を被覆した状態の平面図を示す。図9はその縦断面図である。図10〜図12はELO成長を説明するためのものである。
【0020】
下地基板2(例えばサファイヤ)を覆ってELOマスク3がある。それはSiO、SiNなどである。窓4には下地基板2が露呈している。その上に窒化ガリウムを気相成長させると下地基板2の上にはGaN核ができるがSiOマスク(ELOマスク)の上にはGaN核ができないので初めは窓4の内部にGaN結晶核が生成しそれが成長する(図10)。マスクの厚みを超えるとGaN結晶5はELOマスク3の上を横方向に成長し始める(図11)。横方向なのでlateralというのである。横方向に延びる傾斜面は低面指数のファセット6となっている。台形結晶の上面はC面8である。隣接する窓4から横方向へ延びた結晶面(ファセット)6が2等分線上で接触するとGaN結晶5は以後縦方向に結晶成長するようになる。縦方向の成長が続くと表面(C面8)が平坦になり、平坦なC面8を保持しながら成長が続くようになる(図12)。
【0021】
GaN結晶は多くの転位7を含む。転位7は成長とともに成長方向へ延びてゆく。初めは縦に転位7が延びる。ELOを用いるとマスク3の縁を越える時と隣接窓4、4から進出した結晶5が接触した時と2度成長方向が変わる。それとともに転位7の延びる方向も変化し転位が不連続になり減少する。そのために転位密度が10cm−2〜10cm−2程度に減る。ELOについては数多くの論文が書かれ様々の改良案が提案されている。例えば
【0022】
(1)碓井彰「ハイドライドVPEによる厚膜GaN結晶の成長」電子情報通信学会論文誌C−II、vol.J81,No.1,p58−64(1998年1月)
【0023】
(2)酒井朗、碓井彰「GaN選択横方向成長による転位密度の低減」応用物理第68巻第7号、p774−779、1999
などによって提案されている。
【0024】
ELOはサファイヤ基板の上にGaN、InGaNの低転位薄膜を成長させるためにも用いることができる。堅牢で頑健なサファイヤ基板の場合はサファイヤ基板を剥したり研磨で除去したりすることができないので、たとえ厚くGaNを成長させても単独のGaN結晶を作ることはできない。あくまでサファイヤ基板が付いたままとなる。
【0025】
ELO法によってGaAs基板にGaN薄膜を成長させる手法は本出願人によってなされている。GaAs基板は除去することができる。もしも厚いGaN結晶をGaAs基板の上に成長させることができればGaAs基板を除去してGaNの自立した膜を製作できる可能性がある。本出願人になる
【0026】
(3)特願平9−298300号、
【0027】
(4)特願平10−9008号
【0028】
は基板をGaAs(111)単結晶として、その上に六回対称性をもつ蜂の巣状に分布した窓をもつSiO、SiNマスクを付けて窓からGaN結晶を成長させ初期転位を減少させ厚くGaN結晶を作りGaAs基板を除去してGaNの自立結晶を作製する手法を提案した。
【0029】
ELOはGaN系薄膜成長について開発された方法である。ELOは成長の初期だけに関する工夫であり薄膜の低転位化には有用である。
【0030】
しかしELOだけでは充分に低転位にならずGaNを厚く成長させて得られたGaN結晶は転位が多すぎ歪みも大きく使いものにはならない。そこで本出願人が次に創案したのは平坦なC面を保つ成長法ではなくてわざとたくさんのファセットを作ってそれを消滅させないように維持しながら結晶成長させるという巧妙な手法である。GaNは六方晶系の結晶であり、よく似た結晶系の他種単結晶基板のC面の上にc軸方向にヘテロエピタキシャル成長させることができる。対称性が合致しないので、それ以外の面(非C面)の上にGaNを成長させることはできない。
【0031】
サファイヤ単結晶が最も頻用される。サファイヤはAl:O=2:3でAlの位置が偏っており六方晶系でない。三方晶系であり3回対称性や3回反転対称性はないがC面の上にGaNをC面成長させることができる。
【0032】
従来は鏡面(C面)を保持しながら成長させていたが本発明者はそれをやめてファセットを維持しながらGaNを成長させるようにした。ここでファセットというのは、この場合C面以外の低指数の結晶面を指している。{11−22}とか{10−11}とかいう低指数面がファセット面である。GaNは3回対称性があってファセットは6つ集まって6角錐の穴となるか、12個集まって12角錐の穴となる。サファイヤにはc軸廻りに3回対称性はないがGaNにはそれがある。
【0033】
c軸方向に関しての反転対称性(Inversion Symmetry)はGaNにはない。反転対称性がないということが極性の発生にとって重要である。極性という概念は本発明者が説明のためにここで作ったものである。誘電体の分極や、磁性体の極性など物性物理学一般で使われる概念ではない。混同してはならない。反転対称性がある結晶には極性という概念はなく常に無極性である。極性が問題になるのはその結晶に反転対称性がないからである。
【0034】
本出願人は新たにファセット成長法という巧妙な手法によって結晶成長の全期間にわたって転位を減らすことができるようになった。それは
【0035】
(5)特願平11−273882号(ファセット成長法)
に詳しく記載しておいた。
【0036】
図13〜15にそれを説明する。図13はGaN結晶の表面のファセットを囲む一部の斜視図である。6角錐または12角錐のピット(穴)が結晶表面にランダムに発生するのであるが、それはファセット9の集合体のピット22でありファセット9はその面の法線の方向に向けて成長するのでファセット9面に存在する転位はファセットの境界稜線23へと押しやられる(矢印25)。ここでは下向きに矢印を描いているがピットは成長とともに上に動くから実際には横向きの動きとなる。
【0037】
稜線23に集まった転位は稜線23をたどって下方へ(矢印26)推移するので6角錐、12角錐穴のピット底24に集まる。線状に延びてきた転位が稜線23へ、稜線23からピット底24へと移っていき底部に集結する。つまりファセット角錐22の底部24中心に転位が集められるので、その他の部位の転位が大幅に減少する。転位の総数は変わらないとしても転位を角錐穴の底24へ局在させているので、その他の部分の転位を減らす。他の部分だけを見れば低転位化できたということになる。
【0038】
ファセット成長を維持するというのが、その発明の重要な着想であるがそのために成長温度を少し低くするとかガス濃度を高めるとかいうようにC面成長とは異なる条件によっている。
【0039】
ファセット成長法によって転位を1000個とか10000個のオーダーでファセットピットの底へ集結させることができ、その他の部分の転位密度は10cm−2〜10cm−2程度に減らすことができる。優れた着想に基づく発明である。しかしこの発明はファセットピットが出現するのはランダムで確率的であって位置が決まらない、という欠点がある。GaN結晶を厚く作って下地基板を取り除きGaNの自立膜としてGaN系発光素子の基板とするのが目的である。
【0040】
その場合発光素子の活性層など重要な部位に転位の集結点が掛からないようにしなければならない。転位集結点(角錐の底24)がランダム分布するとウエハ上にどのようにチップを配置させてもチップの活性層に転位集結点が掛かってしまう。それは歩留まりを致命的に押し下げる。
【0041】
ファセットピットのできる場所を予め定めることができれば好都合である。そのために本出願人はELOマスクの他に、より周期の大きい被覆部をもつマスク(SiO、SiN)を下地基板の上に形成して、その上にGaNを気相成長させるという手法を新たに編み出した。
【0042】
(6)特願2001−284323号(ドット状の閉鎖欠陥集合領域H)
これは下地基板の上にある大きい二次元周期でSiO、SiNのマスク被覆部を(ELOマスクの他に)ドット状に形成しておき、その上にGaNをファセット成長させるものである。図16〜図18によってそれを説明する。ELOマスクは被覆部がより広く小さい窓が開いているようなネガ型のマスクであるが、このファセット用マスク30は被覆部が狭く露呈部が広いポジ型のマスクである。
【0043】
周期はELOの周期の数十倍〜数百倍である。下地基板2の上に数十μm〜数百μmの直径をもつ被覆部30を周期的にもつファセット用マスクを形成する。広い開口部32が描いてあるが実際にはそこには細かいELOマスクが設けられる。つまり二重マスク構造となっている。複雑になるのでここではELOマスクのことは述べない。被覆部30の上にはGaNが成長しにくいので、その部分が角錐状にくぼんで成長することになる。その窪みがファセットピット22になる。つまりマスク被覆部30の上が全てファセット9として成長し続ける。
【0044】
角錐ピット22の底部24、つまり被覆部30の中心鉛直線上に転位が集結(欠陥集合領域H)することになる。集結転位は粒界Kによって囲まれる(図17)。粒界Kによって包摂されるので底に集結した転位が再び解けるということはない。ファセット用マスクの被覆部30にファセットピット22ができ、そこに転位集結部(欠陥集合領域H)ができ、その他の部分は低転位になる。低転位部分も2種類に分けられ欠陥集合領域Hの周りでファセット直下にできた単結晶低転位随伴領域Zと、隣接ファセットの中間にできる単結晶低転位余領域Yとが区別される。そのようなファセット結晶を厚く成長させ下地基板を取り除き表面に平行に薄く切り出すと平面のウエハとなる(図18)。
【0045】
大量の転位が狭い領域に高密度に押し込められるから、より使いやすいGaN基板を製造できる可能性がある。この発明はドット状に被覆部を有するファセット用マスク30を付けて結晶成長させる。転位集結部Hは予め形成した被覆部30を中心に合致しドット状に二次元分布する。レーザ素子を作製する場合は、活性層など重要な部位が転位集結部Hに重ならないようにすれば歩留まりが高揚するはずである。転位集結部のことを本出願人は閉鎖欠陥集合領域Hと名付けている。数多くの転位が集結しておりそれが粒界によって閉鎖され再び広がらないからそのように命名したのである。これは欠陥集合領域Hの位置を予め指定できるという長所がある。それを避けて発光素子チップの設計をすれば良いということである。
【0046】
(7)特願2001−311018号(ストライプ状の欠陥集合領域H)
これはマスク被覆部を孤立し、規則正しく分布するドット状でなく一定間隔で平行に設けた線状の被覆部を下地基板へ形成するものである。線状の欠陥集合領域Hが平行に生成される。レーザチップをGaN基板の上に作る場合は、ある方位(劈開)にチップ端面がくるようにすると自然劈開によってチップ切り出し、共振器形成を行うことができて便利である。それで被覆部を平行線状に設けたマスクを使ったファセット成長法を提案している。それはレーザチップ、LEDチップを切り出す場合に便利である。欠陥集合領域Hを素子の重要でない部分に当てるか切断部に該当させることができる。
【0047】
従来例(5)、(6)、(7)はいずれもファセット成長法によってファセットピットの底へ転位を高密度に局在させることによって、その他の部位の転位を減少させるものである。局在した欠陥集合領域Hがいったい何か?ということについて本出願人は様々に探求した。ある欠陥集合領域Hは多結晶であるようである。また、ある欠陥集合領域Hは単結晶であるが周囲の単結晶とは方位が少しずれているということもある。あるいは単結晶で周囲の単結晶とは方位が逆転している場合もある。そのように欠陥集合領域Hの正体については様々のものがあって一概にこれこれとは断定できなかった。
【0048】
下地基板を除いたGaNの自立膜は透明であって一様な光学的特性をもち肉眼では欠陥集合領域Hとその他の区別がつかない。カソードルミネセンス(CL)によって欠陥集合領域Hと周囲の単結晶部分を区別できることがわかった。CL観察によれば周囲の単結晶部分も一様なのでなく、電気抵抗が大きい部分と電気抵抗の小さい部分が明白に区別できた。それは逆角錐状のピットの斜壁の直下に続いて成長した部分が抵抗の低い部分となり、ピットの外の隣接ピット間でC面成長した部分が抵抗の高い部分となる、ということもわかってきた。ファセットピットに続いて成長した部分を単結晶低転位随伴領域Zと呼ぶ。ピット間のC面成長部分を単結晶低転位余領域Yと呼ぶ。両者はCLによって明白に区別することができる。
【0049】
円状(詳しくは6角、12角)のピットの中心には欠陥集合領域Hが、それと同心に単結晶低転位随伴領域Zがあり、隣接する単結晶低転位随伴領域Zの間に星型の単結晶低転位余領域Yができる。
【0050】
単結晶低転位随伴領域Zも単結晶低転位余領域Yも単結晶であり方位は連続している。その部分を発光素子の活性層を含む領域として利用すればよい。
【0051】
ところがZの中心にあるHの正体がようやく、結晶方位の反転した単結晶であるということがわかってきた。つまりZとYは上向きにc軸をもつC面結晶であるとして、Hは下向きにc軸をもつ−C面結晶であったのである。
【0052】
そのように結晶成長させたGaNから下地基板を除去しGaNの自立膜としてウエハとし、それを下地基板としてGaNを再び気相成長させると、ZとYの上には上向きにc軸をもつC面結晶が成長するが、Hの上には下向きにc軸をもつ−C面結晶が成長する。つまり基板が種となってGaNを成長させる場合一様なC面結晶が得られず、一部に−C面の結晶ができる。つまり極性の異なる領域を含む基板を用いて薄膜結晶を成長させると種と同じ方位の結晶を生成するからやはり極性の異なる領域を同じ比率で含むようなものしかできない。
【0053】
Z、Yを含むC面結晶は面積も広く主要部をなし有用な部分である。Hを含む−C面結晶は面積は狭くて発光素子を製造するには無用の部分であり邪魔といってもよい。そのように2種類の区別できる領域が共存するものであることがわかった。
【0054】
そこにいたるまでに長い道のりがある。そのあらましをここに説明した。だから初めに述べた極性というのはGaNの場合簡単にいえばc軸方向ということである。GaNは3回対称性をもちM面{−1100}とA面{2−1−10}がC面と直交する重要な面である。しかしこれらの法線方向に関して2回反転対称性があるからM面を表面とするGaNには極性A、極性Bの区別はない。同様にA面を表面とするGaNには極性A、極性Bの区別はないのである。
【0055】
極性というのは結晶系対称性だけで決まるのではなくて表面が何かということにもよる。GaNの場合はC面を表面とする場合だけ極性A、極性Bの区別が発生する。それはC面に関してそのままの反転対称性も2回反転対称性も3回、4回、6回反転対称性も何もないからである。
【0056】
つまり下地基板にファセット用マスクを付けてGaNをファセット成長させたときに初めて極性の反対である二つの区別可能な部分ができる。それはだから単結晶でないし、多結晶ともいえない。双晶(Twin)ともいえない。新たな固体物性の状態という他はない。
【0057】
自立したGaN単結晶基板を製造したとして、その上にInGaN系のLED、LDを多数製作するわけであるが、一様な単結晶基板と比べて欠陥集合領域Hが大量に存在するということはいかにも不便である。欠陥集合領域HをさけてLED、LDを作製するといっても欠陥集合領域Hが一部でもLD、LEDチップの重要部分にかかったりすると、そのLD、LEDは不良品となってしまう。
【0058】
だから欠陥集合領域Hが存在しないような一様な窒化ガリウム単結晶が望まれる。これまでの説明において繰り返し述べているように下地基板上に成長させたGaNは歪みが大きくて転位も多く剥離してしまうのでELOとかファセット成長という手法によらなければ低転位の厚い膜ができない。となると欠陥集合領域Hの存在は不可避ということになってしまう。
【0059】
【発明が解決しようとする課題】
単結晶ウエハというものは極性の異なる部位を含むことなく一様な極性であることが切実に望まれる。本発明はそのような目的を追求したものである。そのような目的に沿うものとして、本出願人はすでに
【0060】
(8)特願2002−219059号(骸骨基板)
を提案している。これは塩化水素ガスによってドライエッチングすると、欠陥集合領域Hの部分だけが選択的に除去されるという新規な発見によるものである。Z、Y、Hが共存するGaN自立膜を作った時に、Z+YとHは結晶の方位が違うということが分かった。その当時には欠陥集合領域Hが結晶方位の反転した部分だということが明確にわかっていなかった。しかし、それでも塩化水素によるドライエッチングに対するふるまいが異なるという重要なことが分かった。それで塩化水素エッチングによって欠陥集合領域Hを除去してしまう。同一方位を有する単結晶であるYとZだけの結晶基板となる。縦方向の穴がたくさん空いているからそれを骸骨基板と呼ぶ。骸骨基板に再び気相成長法によってGaNを成長させると、それは初めから欠陥集合領域Hを含まないから同じ方位の単結晶膜が成長する。それによって一様な構造をもつGaNの単結晶が得られる。
【0061】
本発明はそのような発明の延長線上にあるものである。欠陥集合領域Hを選択除去できれば良いのである。本発明は欠陥集合領域Hが存在する基板から一様な方位、特性をもつ基板を製造することを目的とする。極性を区別するために、一方の結晶方位(Y、Z)を極性Aと呼び、他方の反転している結晶方位(H)を極性Bと呼ぶことにする。図1はそのように極性Aと極性Bが共存している結晶の一部を示している。そのようなものは通常の単結晶成長方法ではできない。これまで述べたマスクを使った複雑な方法でやっとできるものである。図1の結晶において、極性Bの部分のない極性Aの部分だけを含む単結晶を製造することが本発明の目的だということができる。
【0062】
【課題を解決するための手段】
本発明では、二つの異なる極性A、Bを持つ部分が混在する結晶において、極性の異なる部位の化学的特性が異なるので、一方の極性Bの部分をエッチングして全部あるいは一部を除去し、その上に再び結晶を成長させて極性Aの結晶によって表面を覆うか全体を極性Aの単結晶にする。
【0063】
または極性Bの一部を除去しあるいは除去せず、その上を異種物質で被覆しさらに同じ結晶の成長を行う。そして極性Aの結晶によって表面を覆うようにする。
【0064】
極性Aと極性Bはある種のエッチングに対する化学的な性質が異なりある物質を用いるドライエッチングや、あるエチャントを用いるウエットエッチングによって何れかの極性のものだけを選択的にエッチングできるということがわかった。本発明はそのような発見に基づき、極性が混在する基板の片方の極性領域のみを一部あるいは全部を除去して空洞部を作り、もう一度結晶成長して空洞部を埋め込み全体あるいは少なくとも表面は全て同一の極性をもつ単結晶とする。
【0065】
もう一つの方法は極性Bをマスクしてしまい、その上から結晶成長させて極性Bの部分を埋めてしまい極性Aだけにする手法である。
【0066】
それら全体が単結晶であるか、少なくとも表面については単結晶であるから、その上にデバイスを形成するためのウエハとして利用することができる。表面に極性が異なる領域が混在しないので半導体レーザ、発光ダイオードをその上に作製したときに活性層やストライプの位置配分について考慮する必要がない。
【0067】
【発明の実施の形態】
本発明を実施するための出発基板の模式図を図1に示す。これは例えば規則正しく被覆部が並ぶドット型のマスクを使ってファセット成長したことによって得られた結晶である。Aと記した部分が極性Aの部分である。Bと記した部分が極性Bの部分である。本発明の出発基板はそのように規則正しく極性Bの部分が並んでいるということは必須でない。ランダムに並んでいても良い。ドット状である必要もなく線状に極性Aと極性Bの部分が混在していてもよい。それはどのような形状であってもよい。
【0068】
しかし、その比率は半々というのではあまり良くない。何れかの極性の領域が50%を大きく超えているということが望ましい。本発明は不要な方の極性の領域を除去し空洞Vを作り必要な極性の結晶を再度成長させて空洞Vを埋め込むのであるから空洞部分の比率が小さい方が良い。
【0069】
だから不要な方の極性が30%以下が望ましい。20%以下ならさらによい。特に10%以下ならより好都合である。しかし基板を反転すれば極性A、極性Bが入れ替わるのであるから不要、必要な方の極性といってもそれは相対的なものであり、いずれかの極性の領域が30%以下または20%以下、好ましくは10%以下にするということである。
【0070】
[1.出発基板]
極性A、極性Bが混在する出発基板はこれまでに述べたように特殊な成長方法を採用したためにできたものであり自然界には存在しない。融液から単結晶成長するチョクラルスキー法、ブリッジマン法ではそのような基板はできない。様々の手段によって転位を押さえつつ気相成長させたものであって初めて極性混在という現象が現れる。
【0071】
だから極性混在という現象は窒化ガリウム(GaN)の結晶の場合に初めて出現したものである。だから窒化ガリウムの場合に最も重要である。
【0072】
しかしながら極性が混在すれば本発明が適用できる。だから極性がある結晶であれば本発明は全て適用できるということである。反転対称性がある結晶なら極性はないから極性混在という状態はありえない。例えばシリコン(Si)やダイヤモンド(C)は立方晶系であり4回反転対称性、3回対称性、鏡影対称性がある。単一の元素からなるので、どの面で切っても反転対称があるから極性という概念はない。
【0073】
GaAs、GaP、InPなどの3−5族はシリコンと同じ結晶構造をもち4回反転対称性、3回対称性、鏡影対称性(−43mと記す)がある。−4というのは4回反転対称ということである。4回反転対称性があるから4回軸方向には極性はない。だから(100)面基板には極性が存在しない。
【0074】
しかし異なる2元素を含み3回軸まわりの反転対称性がないから、3回軸<111>に関して極性の区別が発生する。つまり<111>方向と<−1−1−1>方向は違う。(111)面と(−1−1−1)面は等価でない。ここで<klm>方向に直交する面方位を(klm)と表現する。つまり結晶面とそれに直交する結晶方位は同じ面指数を用いる。GaAsの場合は(111)Ga面とか(111)As面とかいって区別する。前者は表面にGa原子が露呈しているという意味、後者はAs原子が露呈しているという意味である。表面が(111)Ga面の単結晶GaAsはその裏面が必ず(111)As面となる。
【0075】
そのような事情は閃亜鉛鉱(ZnS;zincblende)構造をもつ3−5族GaAs、InP、GaPに共通のことである。InPの場合は3回対称軸に直交する面で切った結晶は(111)In面と(111)P面の区別がある。GaPでも同様である。これらの場合は、P、Asの出ている面がエッチングしやすい。だから極性Bが(111)P、As面であり、極性Aが(111)Ga、In面である。
【0076】
GaAs、InP、GaPなどの閃亜鉛鉱型の3−5族は高圧、高温で融液とすることができる。液体封止チョクラルスキー(LEC;Liquid Encapsulated Czochralski)法、ブリッジマン法(水平ブリッジマンHB、垂直ブリッジマンVB)によって種結晶を使って融液から液相成長できるから単結晶が比較的簡単に製造できる。これまで述べたような両極性が混在するような結晶は通常は発生しない。しかし、もしもそのような極性混在のものができれば本発明が適用できる、ということである。
【0077】
これまで専ら説明してきたGaNの場合は3−5族であるが閃亜鉛鉱型でないから事情は異なる。GaNやあるAlNはウルツ鉱型(ZnS;Wurtzite)の結晶構造を持つ。それは六方晶系であって3回対称性があるが3回軸(c軸)に関して反転対称性がない。だから(0001)面(C面)と(000−1)面(−C面)とは異なる。その場合も表面にGaだけが出る面とNだけが出る面ができる。前者を(0001)Ga面、後者を(0001)N面と書いて区別する。後者は(000−1)面であるが、代わりにNを付けて(0001)N面というように書くのである。その場合も窒素が露出している面がエッチング容易面であり、これまで述べてきた極性Bにあたる。Gaが出ている面が極性Aとなる。
【0078】
[2.エッチングの手段]
極性A、極性Bに対して選択性をもつドライエッチング法として本発明者は、塩化水素(HCl)あるいは塩素(Cl)を用いるドライエッチングを発見した。それはGaNやGaAsの極性の違いによってエッチング速度が著しく違う。そのためにいずれかの極性領域だけを選択エッチングできる。その他にも極性選択性をもつドライエッチングの材料が存在するかもしれないが、今のところ本発明者にわかっているのはそれだけである。
【0079】
極性A、極性Bに対しウエットエッチング法でも極性選択性のあるエッチャントを見出した。それは燐酸+硫酸(HPO+HSO)または水酸化カリウム(KOH)からなるエッチャントである。出発基板において表面、裏面で極性は反転しているのだからウエットエッチングの場合は注意を要する。表面の一部だけ除去する場合は表面だけにエッチャントを付けてエッチングするという工夫が必要である。
【0080】
[3.骸骨基板]
図2は出発基板の一部の断面図である。極性Bを一つ含む狭い部分だけを示す。マスクを使って気相成長させたものだから極性Bの部分は表面に垂直方向に一様に存在する。それをエッチングすると図3のような基板となる。それは極性Aのみが残留し極性Bが全て除去され空洞Vとなったものである。極性Bが完全にないのでそれを出発基板と区別するために「骸骨基板」と名付ける。
【0081】
[4.骨格基板]
極性Bを全部除去するのでなくて、一部が残留しているもの、つまり極性Aと一部の極性Bを含む基板は「骨格基板」と呼ぶ。図19、図22は骨格基板である。
【0082】
[5.エッチングの程度]
図3のように極性Bを底まで全部除去するということは有用である(骸骨基板)。その上に気相成長すると骸骨基板の結晶方位をなぞって極性Aだけが成長し、極性Aの単結晶となる。
【0083】
しかし上方だけの一部を除去するのでも良い(骨格基板)。空洞Vが狭いと空洞壁から横向きに極性Aが成長するようになるからである。その場合表面は全部極性Aとなる。表面だけを見れば極性Aの単結晶である。
【0084】
横向き成長するためには空洞の直径Dが50μm以下(D≦50μm)でありアスペクト比(高さ/直径=H/D)が2以上というような条件が必要である。
【0085】
[6.埋め込み基板]
骸骨基板、骨格基板、あるいは出発基板の上に、同じ材料を再成長させて(少なくとも表面は)空洞のない単結晶を作る。本発明の目的であるその結晶を埋め込み基板と呼ぶことにする。
【0086】
マスクを使う場合は僅かに窪みになる程度に極性Bをエッチング除去するようにしてもよい。マスクを使う場合は全くエッチングしないでも良い場合もある。以下の7〜10は可能な成長の手順を列挙したものである。
【0087】
[7.骸骨基板の上に再成長(図3、4、5)]
図3のように極性Bを全て除去した骸骨基板の上に同じ物質を結晶成長させる。図4のように空洞Vの内壁が種となり種から極性Aの結晶が横向きに成長する。表面からは極性Aの結晶A’が上向きに成長する。やがて図5のように空洞が極性Aで埋め込まれる。表面にはさらに極性Aの結晶A’が堆積する。図5のように全てが極性Aの結晶方位のものとなる。その後は所望の厚みになるまで成長を持続して層を積み上げれば良い。
【0088】
[8.骨格基板の上に再成長(図19、20、21)]
極性Bの全部でなく一部だけを選択エッチングによって除去するとエッチングに要する時間、薬剤、費用を削減できる。コストを下げることができて好都合である。その場合極性Bを除去した後に空いた穴の直径が50μm以下で、穴のアスペクト比(高さH/直径D)が2より大きければ壁の側面から壁の極性Aを引き継いで横方向に結晶成長する。だから図20、21に示すように極性Aが成長してゆく。
【0089】
[9.骨格基板の上にマスクを付けて再成長(図22、23)]
極性Bの全部でなくて一部だけを選択エッチングした骨格基板上に結晶成長するときには上記のような穴の直径、高さに対する制限が邪魔だということもある。そのような場合には極性Bを除いた後の穴にSiN、SiOなどのマスクMを付ける。マスクによって極性Bを塞ぐようにする。そうすると穴の側壁や表面は極性Aなのであるから極性Aの結晶が成長してゆく。マスクの上を極性Aが覆い、やがて全体を極性Aの結晶が覆うようになる。
【0090】
[10.出発基板の上にマスクを付けて再成長(図6、7)]
極性Bを全くエッチング除去せず出発基板に初めからマスクMを付けて極性Bを覆うという手法を用いることができる。マスクの上に極性Aが成長するのか、極性Bが成長するのか?問題のあるところである。ファセット成長によって欠陥集合領域Hを作り出したのは、まさにそのようなマスクなのだから同じようなマスクを付けておいて再成長すると極性Bが成長する可能性があるようにも思われる。
【0091】
しかしファセット成長の下地基板は異種の材料を使っており同種材料のような種結晶としての力が弱い。しかし本発明の場合は同じ材料からなる出発基板の上に再成長させるのでマスクの上にも所望の極性Aが成長する。内部には極性Bの部分も一部残留するが表面については極性Aの単結晶であるものができる。マスクを付けたものを被覆基板と呼ぶ。図6は被覆基板を示す。
【0092】
【実施例】
[実施例1(GaN;KOH)]
極性が異なる領域が混在する、GaN結晶基板を準備した。これは先述のようにGaAs(111)下地基板上にELOマスク+ファセット成長マスクを形成しておきHVPE法でGaN結晶をc軸方向に厚く成長させ、GaAs下地基板を除去したものである。GaNの単独自立膜であり(0001)面をもつ結晶である。単結晶ではなくて図1のように極性Aの中に極性Bが点在して存在する。
【0093】
GaN出発基板を700℃まで昇温し、HClガス雰囲気中に4時間放置し片方の極性領域のみエッチングを行った。図3のように極性Bが完全に除去された骸骨基板となる。
【0094】
その後HVPE法を使用して、GaN骸骨基板上にGaN結晶の再成長を行った。空洞が埋め込まれた埋め込み基板が得られた。
【0095】
得られた基板をKOH0.02M溶液中にて1時間エッチングを行った。水酸化カリウムは極性B、極性Aでエッチングレートが異なる。だから両方の極性の部分が混在すると極性Bの部分が窪みになるから混在しているかどうかということがわかる。この実験では局所的な窪みなどは観察できなかった。すなわち基板表面は均一の極性からなる基板であることがわかった。
【0096】
[実施例2(GaN;燐酸:硫酸=1:1)]
極性A、極性Bが共存するGaN結晶基板を準備した。実施例1におけるHClガスによるエッチングの代わりに、燐酸と硫酸の1:1の混合溶液によって、250℃、5時間エッチングを行った。極性Bが全部除かれた骸骨基板が得られた。骸骨基板の上に、実施例1と同様にHVPE法によって、GaN結晶成長を行った。得られたGaN埋め込み基板は、実施例1と同様、一つの極性のみからなる基板であった。
【0097】
[実施例3(GaN;水酸化カリウム(KOH)]
実施例1におけるHClガスによるエッチングの代わりに、水酸化カリウム溶液を使用して10時間エッチングを行った。KOHに極性A、極性Bに対して選択性のあることは実施例1で述べた。今度はそれを骸骨基板を作るために用いている。
その後、実施例1と同様に、HVPE法によって、GaN結晶成長を行った。得られた基板は実施例と同様、一つの極性のみからなる基板であった。
【0098】
[実施例4(SiOマスク)]
極性が異なる領域が混在するGaN結晶基板を準備した。今度はエッチングを全く行わない。図6、図7に示すようなマスク被覆による手法である。極性Bの部分の上だけにSiO膜を成膜した。極性Aの部分は被覆されないで残っている。全体をSiOで被覆し、フォトリソグラフィによって極性Aの上のマスクを除去した。極性Aのみが外部に露出しているような状態とした(図6)。
【0099】
その後HVPE法を使用してGaN結晶成長を行った。得られた基板(図7)は実施例1と同様、一つの極性のみからなる基板であった。
【0100】
[実施例5]
実施例1〜4で得られたGaN基板の転位密度をカソードルミネセンスを使用して評価した。CLによると転位は黒く細い線として見えるので表面に出ている転位の数を数えることができる。その結果、基板全面にわたって転位密度は10cm−2以下であった。それは出発基板の極性Aにおける転位密度とほぼ同じ程度である。
【0101】
[実施例6]
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにジンクセレン(ZnSe)を使用した。ZnSeは3−5族ではなくて2−6族である。バンドギャップが広いから青色発光素子の基板として利用できる。立方晶系であり閃亜鉛鉱(ZnS;Zinc Blende型;−43m)である。それは4回反転対称性があり4回軸廻りには極性A、極性Bの別はない。3回軸に関して反転対称でないから極性A、極性Bの区別が発生する。ZnSeも高温に加熱しても融液にならないからチョクラルスキー法、ブリッジマン法で単結晶を製造することができない。ヨウ素輸送法や昇華法によって単結晶が得られるが、あまり大きいものはできない。
【0102】
ここでは2インチ径のZnSe基板を用いた。ヨウ素輸送法、昇華法は種結晶を使い気相でZnSeの材料を輸送して種の上に付ける手法だから種に極性Aと極性Bが共存するものを使えば両極性の存在するようなZnSe基板(出発基板)を作ることができる。そのような種結晶はGaAs(111)基板を下地基板としてマスクを付け分子線エピタキシャル成長法(MBE)か有機金属CVD法(MOCVD)によってファセット成長させることによって製造できる。
【0103】
極性Aと極性Bの共存するZnSe基板を出発原料として塩化水素ガスで選択エッチングすると前例と同じように極性Bだけを除去できた。そうしてできた骸骨基板に再びヨウ素輸送法によって再成長させると極性AだけのZnSe単結晶が得られた。
【0104】
[実施例7]
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにGaAsを使用した。GaAsは立方晶系であり閃亜鉛鉱型である。だから(111)Ga面と、(111)As面は化学的性質が異なり、塩化水素ドライエッチングによるエッチング速度も違う。GaAsはLEC法、VB法、HB法によって大型の単結晶インゴットを容易に製造でき、それを薄く切って単結晶ウエハにすることができる。だから極性A、極性Bが共存する結晶というものは普通にはできない。しかし、そのようなものを製造することはできる。
【0105】
極性Aと極性Bの共存するGaAs基板を出発原料として塩化水素ガスで選択エッチングすると前例と同じように極性Bだけを除去できた。そうしてできた骸骨基板に分子線エピタキシャル成長法(MBE)または有機金属CVD法(MOCVD)によって再成長すると極性AだけのZnSe単結晶が得られた。
【0106】
[実施例8]
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにAlNを使用した。AlNもウルツ鉱型でありAlN融液ができないので大型のものはできない。15mmφ、1mm厚み程度のものしかできない。これも異なる極性が共存するということは普通にはないが工夫すれば作ることができる。そして塩化水素ガスで選択エッチングして極性Aだけからなる骸骨基板を作ることができる。その上に気相成長によってAlNを再成長させると極性Aだけの結晶が得られた。
【0107】
【発明の効果】
転位を減らすために特別な方法で結晶成長させると結晶方位が表面に関して反転対称性がない場合、極性の異なる二つの領域が共存する場合がある。二つの極性の異なる領域が共存する場合において、本発明は選択エッチングによって一方の極性の全部を除去し空洞として骸骨基板に、あるいは一方の極性の一部分を除去し穴とした骨格基板に、または一方の極性の部分をマスクによって覆って被覆基板とする。骸骨基板、骨格基板、被覆基板を種結晶として再び結晶成長させると、少なくとも表面だけに関しては一つの極性だけの単結晶が得られる。それはデバイスを作製するための基板ウエハとして用いることができる。デバイスチップと極性の関係を気にしなくて良いのでデバイスの設計がより容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】結晶構造が互いに反対方向を向いている極性Aと極性Bが共存するような結晶(出発基板)の一部分の斜視図。
【図2】同じく極性Aと極性Bが共存する出発基板の一つの極性Bを含む一部だけの縦断面図。
【図3】出発基板を選択エッチングして極性Bの部分を除き、極性Bのあった部分に空洞Vを形成し、残りは全部極性Aになった骸骨基板の一つの空洞を含む一部だけの縦断面図。
【図4】骸骨基板の上に同じ材料によって気相成長して空洞Vを極性Aで埋め込む過程を示す成長途上の基板の一つの空洞を含む一部だけの縦断面図。
【図5】骸骨基板の上に気相成長によって同じ極性Aの結晶を成長させ空洞を埋め一様な極性Aの単結晶とした埋め込み基板の一つの埋め込み部だけを含む縦断面図。
【図6】極性Aと極性Bが共存する出発基板の極性Bの上を被覆するマスクMを形成したものの一つの極性Bを含む一部だけの縦断面図。
【図7】極性BをマスクMで覆ったものに再度結晶成長させて少なくとも表面は極性Aだけとしたものの縦断面図。
【図8】下地基板の上に6回対称性をもつように孤立した窓を有するELOマスクを設けたものの一部の平面図。
【図9】下地基板の上に6回対称性をもつように孤立した窓を有するELOマスクを設けたものの一部の縦断面図。
【図10】6回対称性をもつように窓を有するELOマスクを設けた下地基板の上にGaNを気相成長させ窓の上にGaN結晶が孤立して角錐状に成長した状態を示す一部の縦断面図。
【図11】6回対称性をもつように窓を有するELOマスクを設けた下地基板の上にGaNを気相成長させ窓の上にGaN結晶が孤立して角錐状に成長した後マスクの上に横方向に成長している状態を示す一部の縦断面図。
【図12】6回対称性をもつように窓を有するELOマスクを設けた下地基板の上にGaNを気相成長させ窓の上にGaN結晶が孤立して角錐状に成長した後マスクの上に横方向に成長し接触すると縦方向に成長していく状態を示す一部の縦断面図。
【図13】C面を表面とするGaNの成長において表面にファセットからなる角錐状のファセットピットを作り出しファセット成長を維持して転位をピットの底へ集めることによって他の部分を低転位にする手法を示すためのGaN結晶の表面近傍一部の斜視図。
【図14】C面を表面とするGaNの成長において表面にファセットからなる角錐状のファセットピットを作り出しファセット成長を維持して転位をピットの底へ集めることによって他の部分を低転位にする手法を示すためのGaN結晶の表面近傍ピットの平面図。
【図15】C面を表面とするGaNの成長において表面にファセットからなる角錐状のファセットピットを作り出しファセット成長を維持して転位をピットの底へ集め底に欠陥集合領域Hを作り出すことによって他の部分を低転位にする手法を示すためのGaN結晶の表面近傍一部の斜視図。
【図16】下地基板の上に孤立した被覆部を周期的に含むマスクを形成したファセット成長法の初期の基板の縦断面図。
【図17】マスクを付けた下地基板の上にGaNを気相成長させたときにマスクの上にファセットピットができてファセット面を保持しながら成長するのでピット底部には欠陥集合領域Hができピットの側面の下には単結晶低転位随伴領域Zができ、隣接ピットの間には単結晶低転位余領域Yができ、それが縦方向に成長することを示すための縦断面図。
【図18】下地基板を除去して成長方向に垂直な面で切ってGaNウエハとしたものの縦断面図。
【図19】極性Aと極性Bが共存する出発基板を選択エッチングして極性Bの上方部分を除き、極性Bの下半を残して空洞を形成して骨格基板とした一つの空洞を含む一部だけの縦断面図。空洞の直径をD、深さをHとする。
【図20】アスペクト比(H/D)が大きい空洞を設けた骨格基板にGaNを気相成長させると、空洞の底よりも側壁から結晶成長がおこるので極性Aの方位を受け継いだ部分A’が成長してゆく有り様を示すための縦断面図。
【図21】アスペクト比が大きい空洞を有する骨格基板にGaNを気相成長させると側壁の結晶方位を受け継いだ結晶成長がおこり表面は極性Aだけになった結晶が成長することを示すための縦断面図。
【図22】極性Aと極性Bが共存する出発基板を選択エッチングして極性Bの上方部分を除き、極性Bの下半を残して空洞を形成して骨格基板とし空洞の底にマスクを設けたものの一つの空洞を含む一部だけの縦断面図。
【図23】図22の骨格基板の上にGaNを気相成長させ極性Aだけからなる結晶A’を成長させたことを示すための縦断面図。
【符号の説明】
2 下地基板
3 ELOマスク
4 窓
5 GaN結晶
6 ファセット
7 転位
8 C面
9 ファセット
22 ファセットピット
23 稜線
24 ピット底
25 ファセットにおいて転位の進む方向
26 稜線において転位の進む方向
28 ピット底部に続く欠陥集合領域
30 ファセット成長用マスク
32 開口部
H 欠陥集合領域
Z 単結晶低転位随伴領域
Y 単結晶低転位余領域
A 極性A
B 極性B
K 粒界
V 空洞
M マスク
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method for growing a crystal on a substrate having two polarities, and a crystal obtained by the manufacturing method. Here, polarity is not an electric dipole or magnetic north-south pole. A special term used only in this specification. It is used to mean the direction of different crystal structures antiparallel to a plane. A crystal in which a portion having a crystal orientation parallel to a surface and an antiparallel portion coexist is called a crystal in which polarity coexists. So, of course, in the case of a single crystal, there is no such thing in a crystal having inversion symmetry with respect to its surface. Such a state can only exist for a crystal without Inversion symmetry with respect to its surface. Since this term and its meaning are new and difficult to understand, a crystal in which polarity and polarity coexist will be described first.
[0002]
Crystals include single crystals and polycrystals. A crystal having mixed polarity is not a single crystal.
However, it is problematic to call it polycrystalline. It can be said that it is an intermediate crystal that is neither. Such a concept has never existed. Because no such entity has ever existed.
[0003]
A single crystal is a crystal having the same crystal orientation throughout and having translational symmetry and rotational symmetry as a whole. When a single crystal seed crystal is grown by the Czochralski method or the Bridgman method, a single crystal having the same orientation as the seed crystal grows. When a single crystal seed is used in other methods, a single crystal having an orientation following the seed is formed. In the case of crystal growth using a single crystal seed, a crystal in which polarity coexists cannot be formed.
[0004]
A polycrystal is a crystal having no regularity such that the crystal orientation is random and has neither translational symmetry nor rotational symmetry. However, at short distances, since they have the same crystal orientation, they can be said to be a collection of single crystal particles.
[0005]
In the case of polycrystal, since the orientation is random, it is not possible to obtain a crystal in which the polarity coexists regardless of the orientation. A crystal in which both polarities coexist cannot be obtained by such a conventional crystal manufacturing method. It is a new crystal form that appears only when special crystals are produced.
[0006]
Moreover, polar coexisting crystals are not worth their own. Instead, we want to make a single crystal, but there is a circumstance that a polar coexisting crystal is inevitably formed.
[0007]
The present invention proposes a method for producing a single crystal from a polar coexisting crystal. There is no problem if a single crystal can be formed from the beginning. According to a certain kind of crystal manufacturing method, a polar coexistence type crystal is formed. It is the intention of the present invention to make it a single crystal of uniform polarity.
[0008]
[Prior art]
Then, how can a crystal with polarity coexist? It states that. Gallium nitride (GaN) is useful as a blue light emitting element because of its wide band gap. Since a large GaN single crystal cannot be manufactured, an InGaN-based LED is currently manufactured using a sapphire single crystal as a substrate. The sapphire substrate is trigonal and has a regular hexagonal lattice structure. There is no triple symmetry or triple inversion symmetry around the c-axis. Sapphire and gallium nitride also have greatly different lattice constants and are lattice mismatched, and GaN and InGaN epitaxially grown on a sapphire substrate contain a large amount of defects.
[0009]
However, nevertheless, nitrides such as GaN, InGaN, and BeGaN on the sapphire substrate are stable and can emit light by forming a pn junction and flowing a current in the forward direction. Therefore, a GaN-based thin film is formed exclusively on a sapphire substrate. At present, only devices made on a sapphire substrate have a proven track record as InGaN light emitting devices.
[0010]
However, the sapphire substrate has no cleavage. The only way to separate elements is to mechanically dice. It is a tedious and low yielding method. In the case of using a laser, a naturally cleaved surface cannot be used as a resonator surface. Therefore, it is desired to finish a parallel smooth surface by polishing, but sapphire cannot. Furthermore, since sapphire is an insulator, it is not possible to take an n-electrode from the bottom. Both the n electrode and the p electrode need to be taken from the top. That is, an extra chip area is required because the effective area is reduced.
[0011]
Despite such difficulties, sapphire substrate InGaN-based light-emitting devices are still being mass-produced and used as blue light-emitting devices. This is because the sapphire substrate is easy to manufacture, and the GaN-based thin film formed thereon is stable and has excellent performance as a light emitting element.
[0012]
Although sapphire has a track record of such achievements, there is a strong desire to use gallium nitride single crystal as a substrate even in the worst case. It is still not possible to produce high quality gallium nitride single crystals with large areas, but if gallium nitride single crystal substrates can be used, all the disadvantages of sapphire substrates can be overcome.
[0013]
That is, there is a natural cleavage, so that it is convenient to separate the wafer into elements, and a resonator in the case of a laser can be easily formed by cleavage. Furthermore, since gallium nitride can be made to have a low resistivity by doping, there is an advantage that an n-electrode can be provided on the bottom surface to allow a current to flow vertically and the area can be reduced. For this reason, an attempt to manufacture a large GaN single crystal has been continued apart from the flow of the blue light emitting device of the InGaN / sapphire substrate, which has been proven.
[0014]
Since GaN does not melt only by heating, a melt cannot be produced. Therefore, a single crystal cannot be produced using the usual Czochralski method, Bridgman method, or the like, in which a solid is produced from a liquid raw material to produce a single crystal.
[0015]
For manufacturing a thin film of GaN, InGaN, BeGaN, or the like on a sapphire substrate, an organic metal CVD (MOCVD) method is exclusively used. It mixes gallium organic raw material such as trimethylgallium, indium raw material such as trimethylindium, and nitrogen raw material ammonia with a carrier gas such as hydrogen and feeds it to a cold wall reactor to heat it on a heated sapphire substrate. This is for growing a thin film such as GaN or InGaN. Although the growth rate is slow, it can be slow because a very thin thin film is produced.
[0016]
Another technique used to produce a GaN thin film is the HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method. A Ga boat is placed above a hot-wall type reactor using gallium metal without using an organic raw material, and heated to form a Ga melt and spray HCl to obtain GaCl. Since the GaCl gas falls downward, when the ammonia gas is given, GaCl and ammonia react to form GaN, which is deposited on the sapphire substrate.
[0017]
A third method of forming a GaN thin film is called a MOC method (Metalorganic Chloride Method). Although trimethylgallium is used as a raw material, GaCl is reacted once with HCl gas, and is reacted with ammonia to form GaN. When an organic metal is used as a material and directly reacts with ammonia, carbon is likely to be mixed, and this deteriorates the electrical characteristics of GaN, so that GaCl is once formed to make it difficult for carbon to enter.
[0018]
In such a manner, a GaN thin film is formed on a sapphire substrate by a gas phase reaction to manufacture an InGaN-based light emitting device. Actually, since sapphire and GaN have too different lattice constants and increase stress, special measures are required to form a GaN thin film.
[0019]
In order to form a thick GaN film by a vapor growth method, it is necessary to reduce internal stress. The solution to that problem is the epitaxial lateral overgrowth method (ELO). It converts sapphire substrate to thin SiO 2 A small window having a diameter of 1 μm to 2 μm is regularly opened so as to have a six-fold symmetry so that the substrate is exposed from the window, and a GaN thin film is grown thereon by MOCVD, MOC, HVPE or the like. . FIG. 8 is a plan view showing a state where the underlying substrate is covered with an ELO mask. FIG. 9 is a longitudinal sectional view thereof. 10 to 12 are for explaining ELO growth.
[0020]
An ELO mask 3 covers the base substrate 2 (for example, sapphire). It is SiO 2 , SiN and the like. The base substrate 2 is exposed in the window 4. When gallium nitride is vapor-phase grown thereon, GaN nuclei are formed on the underlying substrate 2 but SiO 2 2 Since a GaN nucleus cannot be formed on the mask (ELO mask), a GaN crystal nucleus is initially generated inside the window 4 and grows (FIG. 10). When the thickness of the GaN crystal 5 exceeds the thickness of the mask, the GaN crystal 5 starts growing laterally on the ELO mask 3 (FIG. 11). Lateral, it is lateral. The inclined surface extending in the lateral direction is a facet 6 having a low surface index. The upper surface of the trapezoidal crystal is the C plane 8. When the crystal face (facet) 6 extending in the horizontal direction from the adjacent window 4 contacts on the bisector, the GaN crystal 5 grows in the vertical direction thereafter. As the growth in the vertical direction continues, the surface (C surface 8) becomes flat, and the growth continues while maintaining the flat C surface 8 (FIG. 12).
[0021]
The GaN crystal contains many dislocations 7. The dislocations 7 extend in the growth direction as they grow. Initially, dislocations 7 extend vertically. When ELO is used, the growth direction changes twice when the edge of the mask 3 is exceeded and when the crystal 5 that has advanced from the adjacent windows 4 and 4 comes into contact. At the same time, the direction in which the dislocation 7 extends changes, and the dislocation becomes discontinuous and decreases. Therefore, the dislocation density is 10 9 cm -2 -10 8 cm -2 Reduced to a degree. Many papers have been written on ELO, and various improvements have been proposed. For example
[0022]
(1) Akira Usui, “Growth of thick GaN crystal by hydride VPE,” IEICE Transactions C-II, vol. J81, no. 1, p58-64 (January 1998)
[0023]
(2) Akira Sakai, Akira Usui "Reduction of dislocation density by selective lateral growth of GaN" Applied Physics Vol. 68, No. 7, p774-779, 1999
And so on.
[0024]
ELO can also be used to grow a low dislocation thin film of GaN or InGaN on a sapphire substrate. In the case of a robust and robust sapphire substrate, the sapphire substrate cannot be peeled or removed by polishing, so that a single GaN crystal cannot be produced even if GaN is grown thick. The sapphire substrate remains attached.
[0025]
A method of growing a GaN thin film on a GaAs substrate by the ELO method has been performed by the present applicant. The GaAs substrate can be removed. If a thick GaN crystal can be grown on a GaAs substrate, there is a possibility that the GaAs substrate can be removed to produce a freestanding GaN film. Become the applicant
[0026]
(3) Japanese Patent Application No. 9-298300,
[0027]
(4) Japanese Patent Application No. Hei 10-9008
[0028]
Is a GaAs (111) single crystal substrate with a six-fold symmetry honeycomb-shaped window on it. 2 Proposed a method of growing a GaN crystal from a window with a SiN mask, reducing initial dislocations, forming a thick GaN crystal, and removing a GaAs substrate to produce a freestanding GaN crystal.
[0029]
ELO is a method developed for the growth of GaN-based thin films. ELO is a contrivance only for the initial stage of growth, and is useful for reducing dislocations in a thin film.
[0030]
However, ELO alone does not result in a sufficiently low dislocation, and a GaN crystal obtained by growing GaN thickly has too many dislocations and a large strain to be unusable. Therefore, the present applicant has devised not a growth method for maintaining a flat C-plane but a clever method for intentionally producing a large number of facets and growing the crystal while maintaining them so as not to disappear. GaN is a hexagonal crystal and can be heteroepitaxially grown in the c-axis direction on the C-plane of another kind of single crystal substrate having a similar crystal system. Since the symmetry does not match, GaN cannot be grown on other planes (non-C plane).
[0031]
Sapphire single crystals are most frequently used. Sapphire is not hexagonal because Al: O = 2: 3 and the position of Al is biased. Although it is trigonal and has no three-fold symmetry or three-fold inversion symmetry, GaN can be grown on the C-plane on the C-plane.
[0032]
Conventionally, the growth was performed while maintaining the mirror surface (C surface). However, the present inventor has stopped the growth and grown the GaN while maintaining the facet. Here, the facet indicates a low-index crystal plane other than the C plane in this case. A low index surface such as {11-22} or {10-11} is a facet surface. GaN has threefold symmetry, and six facets gather to form a hexagonal pyramid hole, or 12 facets gather to form a 12-pyramidal hole. Sapphire has no three-fold symmetry about the c-axis, but GaN does.
[0033]
GaN has no inversion symmetry with respect to the c-axis direction. The lack of inversion symmetry is important for polarity generation. The concept of polarity was created here by the inventor for explanation. It is not a concept generally used in condensed matter physics such as polarization of a dielectric or polarity of a magnetic substance. Don't be confused. A crystal having inversion symmetry has no concept of polarity and is always nonpolar. Polarity is a problem because the crystal has no inversion symmetry.
[0034]
The present inventor has been able to reduce dislocations over the entire period of crystal growth by using a new technique called facet growth. that is
[0035]
(5) Japanese Patent Application No. 11-273882 (facet growth method)
Has been described in detail.
[0036]
This is illustrated in FIGS. FIG. 13 is a perspective view of a part surrounding a facet on the surface of a GaN crystal. The pits (holes) of the hexagonal pyramid or the 12-pyramid are randomly generated on the crystal surface. The pits 22 are pits 22 of the aggregate of the facet 9 and the facet 9 grows in the direction of the normal of the facet. The dislocations existing on the nine faces are pushed to the boundary ridge line 23 of the facet (arrow 25). Here, an arrow is drawn downward, but the pit moves upward as it grows, so it actually moves sideways.
[0037]
Since the dislocations gathered on the ridge line 23 follow the ridge line 23 and move downward (arrow 26), they are gathered on the pit bottom 24 of the hexagonal pyramid or the dodecagonal pyramid hole. The dislocations extending linearly move to the ridge line 23, and from the ridge line 23 to the pit bottom 24, and gather at the bottom. That is, since dislocations are collected at the center of the bottom 24 of the facet pyramid 22, dislocations at other portions are greatly reduced. Even though the total number of dislocations does not change, since the dislocations are localized at the bottom 24 of the pyramidal hole, dislocations in other portions are reduced. Looking at only the other parts, it means that the dislocation could be reduced.
[0038]
Maintaining facet growth is an important idea of the invention, but for that, it depends on conditions different from C-plane growth, such as slightly lowering the growth temperature or increasing the gas concentration.
[0039]
By the facet growth method, dislocations can be gathered at the bottom of the facet pit in the order of 1000 or 10000, and the dislocation density in other portions is 10 or less. 7 cm -2 -10 6 cm -2 Can be reduced to a degree. This is an invention based on an excellent idea. However, the present invention has the disadvantage that the appearance of facet pits is random and stochastic and the position is not determined. The purpose is to form a thick GaN crystal, remove the underlying substrate, and use it as a GaN-based light emitting device substrate as a GaN free-standing film.
[0040]
In that case, it is necessary to prevent dislocation concentration points from being applied to important parts such as the active layer of the light emitting element. If the dislocation concentration points (pyramidal bottoms 24) are randomly distributed, the dislocation concentration points will be applied to the active layer of the chip no matter how the chips are arranged on the wafer. It can severely reduce yield.
[0041]
It would be advantageous if the location of the facet pit could be predetermined. For this purpose, the present applicant has proposed, in addition to the ELO mask, a mask (SiO 2 , SiN) on an undersubstrate, and vapor-grown GaN thereon.
[0042]
(6) Japanese Patent Application No. 2001-284323 (dot-shaped closed defect accumulating region H)
This is a large two-dimensional period of SiO2 on the underlying substrate. 2 , A mask covering portion of SiN is formed in a dot shape (in addition to the ELO mask), and GaN is facet-grown thereon. This will be described with reference to FIGS. The ELO mask is a negative type mask having a wider covering portion and a small window. The facet mask 30 is a positive type mask having a narrow covering portion and a wide exposed portion.
[0043]
The period is several tens to several hundred times the period of ELO. A facet mask having a coating portion 30 having a diameter of several tens μm to several hundreds μm on the base substrate 2 is formed. Although a wide opening 32 is drawn, a fine ELO mask is actually provided there. That is, it has a double mask structure. The ELO mask will not be described here because it becomes complicated. Since GaN hardly grows on the covering portion 30, the portion grows in a pyramid shape. The depression becomes a facet pit 22. That is, the entire surface of the mask covering portion 30 continues to grow as the facet 9.
[0044]
The dislocations converge on the bottom 24 of the pyramid pit 22, that is, on the center vertical line of the covering portion 30 (defect accumulating region H). Aggregated dislocations are surrounded by grain boundaries K (FIG. 17). The dislocations gathered at the bottom are not melted again because they are included by the grain boundaries K. Facet pits 22 are formed in the covering portion 30 of the facet mask, and dislocation aggregation portions (defect accumulating regions H) are formed there, and the other portions have low dislocations. The low dislocation portion is also divided into two types, and a single crystal low dislocation accompanying region Z formed immediately below the facet around the defect accumulating region H and a single crystal low dislocation extra region Y formed between the adjacent facets are distinguished. When such a facet crystal is grown thickly, the underlying substrate is removed, and a thin wafer is cut out parallel to the surface, resulting in a flat wafer (FIG. 18).
[0045]
Since a large amount of dislocations can be densely pushed into a narrow region, there is a possibility that a more usable GaN substrate can be manufactured. In the present invention, a crystal is grown by attaching a facet mask 30 having a dot-shaped covering portion. The dislocation concentrating portions H are two-dimensionally distributed in a dot shape with the covering portion 30 formed in advance as a center. In the case of manufacturing a laser device, the yield should be increased if important parts such as the active layer do not overlap the dislocation concentrating portion H. The present applicant has named the dislocation gathering portion a closed defect accumulating region H. It is so named because a large number of dislocations converge and are closed by grain boundaries and do not spread again. This has an advantage that the position of the defect accumulating region H can be designated in advance. This means that the light emitting element chip can be designed avoiding this.
[0046]
(7) Japanese Patent Application No. 2001-311018 (Striped defect accumulating region H)
In this method, a mask covering portion is isolated, and a linear covering portion provided in parallel at a predetermined interval, instead of a regularly distributed dot shape, is formed on a base substrate. Linear defect accumulating regions H are generated in parallel. When a laser chip is formed on a GaN substrate, it is convenient to make the chip end face in a certain direction (cleavage) so that the chip can be cut out by natural cleavage to form a resonator. Therefore, a facet growth method using a mask having a coating portion provided in parallel lines is proposed. It is convenient when cutting out laser chips and LED chips. The defect accumulating region H can be applied to an unimportant portion of the device or correspond to a cut portion.
[0047]
In the conventional examples (5), (6) and (7), the dislocations at other portions are reduced by localizing the dislocations to the bottom of the facet pit at a high density by the facet growth method. What is the localized defect accumulating region H? The applicant has sought variously on that matter. Certain defect accumulating regions H appear to be polycrystalline. Further, a certain defect accumulating region H is a single crystal, but the orientation may be slightly shifted from the surrounding single crystal. Alternatively, the orientation of the single crystal may be reversed with respect to the surrounding single crystal. As described above, there are various types of the identity of the defect accumulating region H, and it cannot be definitely determined.
[0048]
The GaN free-standing film excluding the base substrate is transparent, has uniform optical characteristics, and is indistinguishable from the defect accumulating region H with the naked eye. It has been found that the cathodoluminescence (CL) can distinguish the defect accumulating region H from the surrounding single crystal portion. According to CL observation, the surrounding single crystal portion was not uniform, and a portion having a large electric resistance and a portion having a small electric resistance could be clearly distinguished. It is also understood that the portion that grows immediately below the slope of the inverted pyramid-shaped pit becomes a low resistance portion, and the portion that grows on the C plane between adjacent pits outside the pit becomes a high resistance portion. Was. The portion grown following the facet pit is referred to as a single crystal low dislocation accompanying region Z. The portion of the C-plane grown between the pits is referred to as an extra low dislocation single crystal region Y. Both can be clearly distinguished by CL.
[0049]
At the center of a circular (specifically, hexagonal or dodecagonal) pit, there is a defect accumulating region H, concentrically with a single crystal low dislocation accompanying region Z, and a star shape between adjacent single crystal low dislocation accompanying regions Z. The single crystal low dislocation extra region Y is formed.
[0050]
Both the single crystal low dislocation accompanying region Z and the single crystal extra low dislocation region Y are single crystals, and the orientation is continuous. That portion may be used as a region including the active layer of the light emitting element.
[0051]
However, it has been found that the identity of H at the center of Z is finally a single crystal with inverted crystal orientation. That is, Z and Y are C-plane crystals having an upward c-axis, and H is a -C plane crystal having a downward c-axis.
[0052]
The base substrate is removed from the GaN thus grown to form a wafer as a self-standing film of GaN, and GaN is vapor-grown again using the base substrate as a base substrate. While a plane crystal grows, a -C plane crystal having a c-axis downward grows on H. In other words, when GaN is grown using the substrate as a seed, uniform C-plane crystals cannot be obtained, and -C-plane crystals are partially formed. In other words, when a thin film crystal is grown using a substrate including regions having different polarities, crystals having the same orientation as the seed are generated, so that only those having regions having different polarities in the same ratio can be obtained.
[0053]
The C-plane crystal containing Z and Y is a useful part with a large area and a main part. The -C plane crystal containing H has a small area and is unnecessary for manufacturing a light-emitting element, and may be an obstacle. Thus, it was found that two types of distinguishable regions coexist.
[0054]
There is a long way to get there. The outline is described here. Therefore, the polarity mentioned earlier is simply the c-axis direction in the case of GaN. GaN has threefold symmetry, and the M plane {-1100} and the A plane {2-1-10} are important planes orthogonal to the C plane. However, there is no distinction between the polarity A and the polarity B in GaN having the M-plane as the surface because of the inversion symmetry twice in these normal directions. Similarly, there is no distinction between polarity A and polarity B for GaN having the A-plane as the surface.
[0055]
Polarity depends not only on the symmetry of the crystal system, but also on what the surface is. In the case of GaN, the distinction between the polarity A and the polarity B occurs only when the C plane is the surface. This is because there is no inversion symmetry, no inversion symmetry, no inversion symmetry three times, no inversion symmetry three times, and no inversion symmetry in the C plane.
[0056]
In other words, only when the facet mask is attached to the base substrate and GaN is facet-grown, two distinguishable portions having opposite polarities are formed. So it is not a single crystal or a polycrystal. It cannot be said to be twin (Twin). There is no other state of solid physical properties.
[0057]
When a self-supported GaN single crystal substrate is manufactured, a number of InGaN-based LEDs and LDs are manufactured thereon. However, the fact that a large number of defect accumulating regions H are present as compared with a uniform single crystal substrate means that Inconvenient. Even if the LED and LD are produced while avoiding the defect accumulating region H, if the defect accumulating region H partially covers an important portion of the LD or LED chip, the LD or LED becomes defective.
[0058]
Therefore, a uniform gallium nitride single crystal having no defect accumulating region H is desired. As has been repeatedly described in the above description, GaN grown on the underlying substrate has large strain and many dislocations are peeled off. Therefore, a thick film with low dislocations cannot be formed unless ELO or facet growth is used. Then, the existence of the defect accumulating region H is unavoidable.
[0059]
[Problems to be solved by the invention]
It is urgently desired that a single crystal wafer has a uniform polarity without including portions having different polarities. The present invention has pursued such an object. To that end, Applicant has already
[0060]
(8) Japanese Patent Application No. 2002-219059 (skeleton substrate)
Has been proposed. This is based on a novel finding that when dry etching is performed using hydrogen chloride gas, only the defect accumulating region H is selectively removed. When a GaN free-standing film in which Z, Y, and H coexist was formed, it was found that Z + Y and H had different crystal orientations. At that time, it was not clearly understood that the defect accumulating region H was a portion where the crystal orientation was inverted. However, it was found that the behavior of dry etching with hydrogen chloride is still important. Therefore, the defect accumulating region H is removed by hydrogen chloride etching. It becomes a crystal substrate of only Y and Z which are single crystals having the same orientation. Since there are many vertical holes, it is called a skeleton board. When GaN is grown again on the skeleton substrate by vapor phase epitaxy, since it does not include the defect accumulating region H from the beginning, a single crystal film having the same orientation grows. Thereby, a GaN single crystal having a uniform structure is obtained.
[0061]
The present invention is an extension of such an invention. It is only necessary that the defect accumulating region H can be selectively removed. An object of the present invention is to manufacture a substrate having a uniform orientation and characteristics from a substrate having a defect accumulating region H. In order to distinguish the polarities, one crystal orientation (Y, Z) is referred to as polarity A, and the other inverted crystal orientation (H) is referred to as polarity B. FIG. 1 shows a part of a crystal in which the polarity A and the polarity B coexist. Such a thing cannot be performed by a normal single crystal growth method. It can only be done with a complicated method using the mask described so far. It can be said that it is an object of the present invention to produce a single crystal including only the portion of polarity A without the portion of polarity B in the crystal of FIG.
[0062]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in a crystal in which portions having two different polarities A and B are mixed, the chemical characteristics of the portions having different polarities are different, so that one of the polar B portions is etched to remove all or a part thereof. A crystal is grown thereon and the surface is covered with a crystal of polarity A or the whole is a single crystal of polarity A.
[0063]
Alternatively, a part of the polarity B is removed or not removed, and the surface is coated with a different substance, and the same crystal is grown. Then, the surface is covered with a crystal of polarity A.
[0064]
Polarity A and polarity B have different chemical properties with respect to certain types of etching. It has been found that only one of the polarities can be selectively etched by dry etching using a certain substance or wet etching using a certain etchant. . Based on such a finding, the present invention removes part or all of only one polar region of a substrate having mixed polarities to create a cavity, crystal-grows again and fills the cavity, or at least the entire surface Single crystals with the same polarity.
[0065]
Another method is to mask the polarity B, grow a crystal on the mask, fill the polarity B portion, and use only the polarity A.
[0066]
Since all of them are single crystals or at least the surface is single crystals, they can be used as wafers for forming devices thereon. Since regions with different polarities do not coexist on the surface, there is no need to consider the position distribution of the active layers and stripes when fabricating semiconductor lasers and light emitting diodes thereon.
[0067]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic view of a starting substrate for carrying out the present invention. This is, for example, a crystal obtained by facet growth using a dot type mask in which coating portions are regularly arranged. The portion indicated by A is the portion of polarity A. The portion denoted by B is a portion of polarity B. It is not essential that the starting substrate of the present invention has such regularly arranged portions of polarity B. They may be arranged at random. It is not necessary to be dot-shaped, and portions of polarity A and polarity B may be mixed linearly. It can be of any shape.
[0068]
However, the ratio is not so good if it is evenly divided. It is desirable that the region of either polarity greatly exceeds 50%. In the present invention, since the region of the unnecessary polarity is removed to form the cavity V and the crystal of the necessary polarity is grown again to fill the cavity V, the smaller the ratio of the cavity portion is, the better.
[0069]
Therefore, it is desirable that the unnecessary polarity is 30% or less. It is even better if it is 20% or less. In particular, it is more convenient if it is 10% or less. However, when the substrate is reversed, the polarity A and the polarity B are exchanged, so it is unnecessary. Even if the polarity is necessary, it is relative, and the region of either polarity is 30% or less or 20% or less, Preferably, it is 10% or less.
[0070]
[1. Departure board]
The starting substrate in which the polarity A and the polarity B are mixed is formed by adopting a special growth method as described above, and does not exist in nature. Such a substrate cannot be formed by the Czochralski method or the Bridgman method in which a single crystal is grown from a melt. The phenomenon of mixed polarity appears for the first time in the case of vapor phase growth while suppressing dislocations by various means.
[0071]
Therefore, the phenomenon of mixed polarity first appeared in the case of gallium nitride (GaN) crystals. Therefore, it is most important in the case of gallium nitride.
[0072]
However, the present invention can be applied if the polarity is mixed. Therefore, the present invention can be applied to any crystal having polarity. A crystal having inversion symmetry has no polarity, so there is no possibility of mixed polarity. For example, silicon (Si) and diamond (C) are cubic and have fourfold inversion symmetry, threefold symmetry, and mirror symmetry. Since it is composed of a single element, there is no concept of polarity because it has inversion symmetry even if it is cut at any plane.
[0073]
Groups 3 to 5 such as GaAs, GaP, and InP have the same crystal structure as silicon and have fourfold inversion symmetry, threefold symmetry, and mirror symmetry (denoted by -43m). -4 means four-fold inversion symmetry. There is no polarity in the axial direction four times because of the fourfold inversion symmetry. Therefore, the (100) plane substrate has no polarity.
[0074]
However, since two different elements are included and there is no inversion symmetry about the three-fold axis, a distinction in polarity occurs for the three-fold <111>. That is, the <111> direction is different from the <-1-1-1> direction. The (111) plane and the (-1-1-1) plane are not equivalent. Here, the plane orientation orthogonal to the <klm> direction is expressed as (klm). That is, the same plane index is used for the crystal plane and the crystal orientation orthogonal thereto. In the case of GaAs, a distinction is made between a (111) Ga plane and a (111) As plane. The former means that Ga atoms are exposed on the surface, and the latter means that As atoms are exposed. Single crystal GaAs having a (111) Ga surface on the front surface always has a (111) As surface on the back surface.
[0075]
Such a situation is common to Group III-V GaAs, InP and GaP having a zinc blende (ZnS; zincblend) structure. In the case of InP, a crystal cut by a plane orthogonal to the three-fold symmetry axis has a distinction between a (111) In plane and a (111) P plane. The same applies to GaP. In these cases, the surface where P and As are exposed is easily etched. Therefore, the polarity B is the (111) P, As plane, and the polarity A is the (111) Ga, In plane.
[0076]
Zinc blende type 3-5 group such as GaAs, InP and GaP can be melted at high pressure and high temperature. The liquid-encapsulated Czochralski (LEC) method and the Bridgman method (horizontal Bridgman HB, vertical Bridgman VB) can be used to grow a liquid crystal from a melt using a seed crystal. Can be manufactured. Crystals in which both polarities are mixed as described above do not usually occur. However, it means that the present invention can be applied if such a mixed polarity can be obtained.
[0077]
In the case of GaN which has been described so far, it belongs to Group 3-5, but the situation is different because it is not a zinc blende type. GaN and certain AlN have a wurtzite (Wurtzite) crystal structure. It is hexagonal and has threefold symmetry but no inversion symmetry with respect to the threefold axis (c-axis). Therefore, the (0001) plane (C plane) and the (000-1) plane (−C plane) are different. Also in this case, there is a surface on which only Ga emerges and a surface on which only N emerges. The former is distinguished by writing the (0001) Ga plane, and the latter is written as the (0001) N plane. The latter is the (000-1) plane, but is written with the N instead, such as the (0001) N plane. Also in this case, the surface from which nitrogen is exposed is the easy-to-etch surface, which corresponds to the polarity B described above. The surface from which Ga is exposed has polarity A.
[0078]
[2. Etching means]
As a dry etching method having selectivity with respect to polarity A and polarity B, the present inventor has proposed hydrogen chloride (HCl) or chlorine (Cl). 2 ) Was found dry etching. The etching rate is significantly different depending on the polarity of GaN or GaAs. Therefore, only one of the polar regions can be selectively etched. There may be other dry-etching materials with polarity selectivity, but this is the only one known to the present inventors.
[0079]
An etchant having polarity selectivity for the polarity A and the polarity B was also found by the wet etching method. It is phosphoric acid + sulfuric acid (H 3 PO 4 + H 2 SO 4 ) Or potassium hydroxide (KOH). Care must be taken in the case of wet etching since the polarity is inverted on the front and back surfaces of the starting substrate. If only a part of the surface is to be removed, it is necessary to provide an etchant only on the surface and perform etching.
[0080]
[3. Skeleton board]
FIG. 2 is a sectional view of a part of the starting substrate. Only the narrow part containing one polarity B is shown. The portion of polarity B exists uniformly in the direction perpendicular to the surface because the film is grown by vapor phase using a mask. When it is etched, a substrate as shown in FIG. 3 is obtained. That is, only the polarity A remains and the polarity B is completely removed to form a cavity V. Since there is no polarity B, it is named "skeleton substrate" to distinguish it from the starting substrate.
[0081]
[4. Skeletal substrate]
A substrate that does not completely remove the polarity B but partially remains, that is, a substrate that includes the polarity A and a portion of the polarity B is referred to as a “skeleton substrate”. 19 and 22 show a skeleton substrate.
[0082]
[5. Degree of etching]
It is useful to remove all the polarity B to the bottom as shown in FIG. 3 (skeleton substrate). When vapor phase growth is performed thereon, only polarity A grows following the crystal orientation of the skeleton substrate, and a single crystal of polarity A is formed.
[0083]
However, only the upper part may be removed (skeleton substrate). This is because when the cavity V is narrow, the polarity A grows laterally from the cavity wall. In that case, the entire surface has polarity A. Looking at the surface alone, it is a single crystal of polarity A.
[0084]
For lateral growth, it is necessary that the diameter D of the cavity be 50 μm or less (D ≦ 50 μm) and the aspect ratio (height / diameter = H / D) be 2 or more.
[0085]
[6. Embedded substrate]
The same material is regrown (at least on the surface) on a skeletal, skeletal, or starting substrate to produce a void-free single crystal. The crystal, which is the object of the present invention, will be called an embedded substrate.
[0086]
When a mask is used, the polarity B may be removed by etching to such an extent that it is slightly depressed. In the case where a mask is used, it may not be necessary to perform etching at all. The following 7 to 10 list possible growth procedures.
[0087]
[7. Regrowth on the skeleton substrate (Figs. 3, 4, 5)]
As shown in FIG. 3, the same substance is grown on the skeleton substrate from which all the polarity B has been removed. As shown in FIG. 4, the inner wall of the cavity V becomes a seed, and a crystal of polarity A grows laterally from the seed. From the surface, a crystal A ′ of polarity A grows upward. Eventually, the cavity is filled with polarity A as shown in FIG. Crystal A ′ of polarity A is further deposited on the surface. As shown in FIG. 5, all of them have the crystal orientation of polarity A. Thereafter, the layers may be piled up by continuing the growth until the desired thickness is obtained.
[0088]
[8. Regrowth on skeletal substrate (FIGS. 19, 20, 21)]
If only part, but not all, of the polarity B is removed by selective etching, the time, chemicals, and cost required for etching can be reduced. This is advantageous because the cost can be reduced. In this case, if the diameter of the hole formed after removing the polarity B is 50 μm or less and the aspect ratio (height H / diameter D) of the hole is larger than 2, the polarity A of the wall is taken over from the side surface of the wall and the crystal is laterally crystallized. grow up. Therefore, the polarity A grows as shown in FIGS.
[0089]
[9. Regrowth with mask on skeletal substrate (Figs. 22, 23)]
When a crystal is grown on a skeletal substrate in which only a part of the polarity B is selectively etched, but not all, the above-described restriction on the diameter and height of the hole may be an obstacle. In such a case, SiN, SiO 2 Attach a mask M such as The polarity B is closed by a mask. Then, since the side wall and the surface of the hole have the polarity A, the crystal of the polarity A grows. Polarity A covers the mask, and eventually the polarity A crystal entirely covers the mask.
[0090]
[10. Regrowth with mask on starting substrate (Figs. 6 and 7)]
It is possible to use a method of covering the polarity B by attaching the mask M to the starting substrate from the beginning without removing the polarity B at all. Will polarity A or polarity B grow on the mask? There is a problem. It is just such a mask that created the defect accumulating region H by facet growth, so it seems that the polarity B may grow when a similar mask is attached and regrown.
[0091]
However, the base substrate of the facet growth uses a different kind of material and has a weak power as a seed crystal like the same kind of material. However, in the case of the present invention, the desired polarity A also grows on the mask since the regrowth is performed on the starting substrate made of the same material. Although a portion of polarity B remains partially inside, a single crystal of polarity A can be formed on the surface. The one with the mask is called a coated substrate. FIG. 6 shows a coated substrate.
[0092]
【Example】
[Example 1 (GaN; KOH)]
A GaN crystal substrate having regions having different polarities was prepared. This is obtained by forming an ELO mask and a facet growth mask on a GaAs (111) base substrate as described above, growing a GaN crystal thick in the c-axis direction by HVPE, and removing the GaAs base substrate. GaN is a single independent standing film and is a crystal having a (0001) plane. Instead of a single crystal, polarity B is interspersed within polarity A as shown in FIG.
[0093]
The GaN starting substrate was heated to 700 ° C., left in an HCl gas atmosphere for 4 hours, and only one polar region was etched. As shown in FIG. 3, a skeleton substrate from which polarity B is completely removed is obtained.
[0094]
Thereafter, the GaN crystal was regrown on the GaN skeleton substrate using the HVPE method. A buried substrate in which the cavities were buried was obtained.
[0095]
The obtained substrate was etched in a KOH 0.02 M solution for 1 hour. Potassium hydroxide has different etching rates depending on polarity B and polarity A. Therefore, if the portions of both polarities coexist, the portion of the polarity B becomes hollow, so it can be seen whether or not they coexist. No local depression could be observed in this experiment. That is, it was found that the substrate surface was a substrate having a uniform polarity.
[0096]
[Example 2 (GaN; phosphoric acid: sulfuric acid = 1: 1)]
A GaN crystal substrate having both polarities A and B was prepared. Instead of etching with HCl gas in Example 1, etching was performed at 250 ° C. for 5 hours using a 1: 1 mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid. A skeleton substrate from which all the polarity B was removed was obtained. A GaN crystal was grown on the skeleton substrate by the HVPE method as in Example 1. The obtained buried GaN substrate was a substrate having only one polarity as in Example 1.
[0097]
Example 3 (GaN; potassium hydroxide (KOH))
The etching was performed for 10 hours using a potassium hydroxide solution instead of the etching with HCl gas in Example 1. As described in Example 1, KOH has selectivity for polarity A and polarity B. This time it is used to make a skeleton board.
Then, as in Example 1, GaN crystal growth was performed by HVPE. The obtained substrate was a substrate having only one polarity as in the example.
[0098]
[Example 4 (SiO 2 mask)]
A GaN crystal substrate in which regions having different polarities were mixed was prepared. This time, no etching is performed. This is a method using a mask coating as shown in FIGS. SiO only on the part of polarity B 2 A film was formed. The portion of polarity A remains uncoated. The whole is SiO 2 And the mask over polarity A was removed by photolithography. Only the polarity A was exposed to the outside (FIG. 6).
[0099]
Thereafter, GaN crystal growth was performed using the HVPE method. The obtained substrate (FIG. 7) was a substrate having only one polarity, as in Example 1.
[0100]
[Example 5]
The dislocation density of the GaN substrates obtained in Examples 1 to 4 was evaluated using cathodoluminescence. According to CL, the dislocations appear as thin black lines, so that the number of dislocations appearing on the surface can be counted. As a result, the dislocation density is 10 6 cm -2 It was below. It is about the same as the dislocation density at polarity A of the starting substrate.
[0101]
[Example 6]
Zinc selenium (ZnSe) was used instead of the GaN substrate used in Examples 1 to 4. ZnSe is not in group 3-5 but in group 2-6. Since the band gap is wide, it can be used as a substrate for a blue light emitting element. It is a cubic system and is sphalerite (ZnS; Zinc Blende type; -43 m). It has fourfold inversion symmetry, and there is no polarity A or polarity B around the fourfold axis. Since there is no reversal symmetry with respect to the threefold axis, a distinction is made between polarity A and polarity B. Since ZnSe does not become a melt even when heated to a high temperature, a single crystal cannot be produced by the Czochralski method or the Bridgman method. Single crystals can be obtained by iodine transport or sublimation, but not so large.
[0102]
Here, a ZnSe substrate having a diameter of 2 inches was used. The iodine transport method and the sublimation method use a seed crystal to transport ZnSe material in the gas phase and attach it to the seed. Therefore, if the seed has both polarity A and B, then ZnSe can be used. A substrate (starting substrate) can be made. Such a seed crystal can be manufactured by using a GaAs (111) substrate as a base substrate and performing facet growth by molecular beam epitaxial growth (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) with a mask.
[0103]
By selectively etching with a hydrogen chloride gas using a ZnSe substrate having both polarities A and B as a starting material, only polarity B could be removed as in the previous example. When the skeleton substrate thus formed was regrown by the iodine transport method again, a ZnSe single crystal having only polarity A was obtained.
[0104]
[Example 7]
GaAs was used instead of the GaN substrate used in Examples 1 to 4. GaAs is cubic and is of the sphalerite type. Therefore, the (111) Ga plane and the (111) As plane have different chemical properties, and also have different etching rates by hydrogen chloride dry etching. GaAs can be easily manufactured into a large single crystal ingot by the LEC method, the VB method, and the HB method, and can be sliced into a single crystal wafer. Therefore, a crystal in which the polarity A and the polarity B coexist cannot usually be obtained. However, such can be produced.
[0105]
By selectively etching with a hydrogen chloride gas using a GaAs substrate having both polarities A and B as a starting material, only the polarity B could be removed as in the previous example. When the skeleton substrate thus formed was regrown by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a ZnSe single crystal having only polarity A was obtained.
[0106]
Example 8
In place of the GaN substrate used in Examples 1 to 4, AlN was used. AlN is also of the wurtzite type and cannot be made of an AlN melt, and therefore cannot be of a large size. It can only be about 15 mmφ and about 1 mm thick. It is not usually the case that different polarities coexist, but it can be made by devising. Then, a skeleton substrate consisting of only the polarity A can be formed by selective etching with hydrogen chloride gas. When AlN was regrown thereon by vapor phase growth, a crystal having only polarity A was obtained.
[0107]
【The invention's effect】
When a crystal is grown by a special method to reduce dislocations, two regions having different polarities may coexist when the crystal orientation has no inversion symmetry with respect to the surface. In the case where two regions having different polarities coexist, the present invention removes all of one polarity by selective etching to a skeleton substrate as a cavity, or removes a part of one polarity to a skeleton substrate as a hole, or Is covered with a mask to form a coated substrate. When the skeleton substrate, the skeleton substrate, and the coated substrate are crystal-grown again as seed crystals, a single crystal having only one polarity is obtained at least on the surface. It can be used as a substrate wafer for making devices. Since it is not necessary to worry about the relationship between the device chip and the polarity, device design becomes easier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a part of a crystal (starting substrate) in which a polarity A and a polarity B whose crystal structures face in opposite directions coexist.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of only a part including one polarity B of a starting substrate in which a polarity A and a polarity B coexist.
FIG. 3 shows that a starting substrate is selectively etched to remove a portion having a polarity B to form a cavity V in a portion having a polarity B, and the rest is only a portion including one cavity of a skeleton substrate having a polarity A. FIG.
FIG. 4 is a vertical sectional view showing only a part including one cavity of a growing substrate showing a process of vapor-phase growing the same material on the skeleton substrate and embedding a cavity V with a polarity A;
FIG. 5 is a longitudinal sectional view including only one buried portion of a buried substrate in which a crystal of the same polarity A is grown on a skeleton substrate by vapor phase growth to fill a cavity to form a uniform crystal of a uniform polarity A.
FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of only a portion including one polarity B in a case where a mask M covering the polarity B of a starting substrate where the polarity A and the polarity B coexist is formed.
FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view of a crystal whose polarity B is covered with a mask M, where crystal growth is performed again, and at least the surface has only polarity A.
FIG. 8 is a plan view of a part of an under substrate provided with an ELO mask having windows that are isolated so as to have six-fold symmetry.
FIG. 9 is a partial longitudinal sectional view of a case where an ELO mask having an isolated window having six-fold symmetry is provided on a base substrate.
FIG. 10 shows a state in which GaN is vapor-phase grown on an underlying substrate provided with an ELO mask having a window having six-fold symmetry, and a GaN crystal is isolated and grown in a pyramid shape on the window. Sectional drawing of a part.
FIG. 11 shows a GaN vapor-phase grown on an undersubstrate provided with an ELO mask having a window having six-fold symmetry, and a GaN crystal grown on the window in an isolated pyramid shape, and then on the mask. FIG. 3 is a partial vertical cross-sectional view showing a state of growing horizontally.
FIG. 12 shows a GaN vapor-phase grown on an undersubstrate provided with an ELO mask having a window having a six-fold symmetry, and a GaN crystal grown on the window in an isolated pyramid shape. FIG. 3 is a partial vertical cross-sectional view showing a state in which the crystal grows in the horizontal direction and grows in the vertical direction when contacted.
FIG. 13 shows a method of forming pyramid-shaped facet pits composed of facets on the surface in the growth of GaN having the C-plane as a surface, and maintaining facet growth to collect dislocations at the bottom of the pits to reduce other portions to low dislocations. FIG. 2 is a perspective view of a portion near the surface of a GaN crystal for illustrating the state of FIG.
FIG. 14 shows a method of forming pyramid-shaped facet pits composed of facets on the surface in the growth of GaN having the C-plane as a surface, maintaining facet growth, and collecting dislocations at the bottom of the pits to reduce other portions to low dislocations. FIG. 4 is a plan view of pits near the surface of a GaN crystal for showing the pits.
FIG. 15 shows another example of a method of growing GaN having a C-plane as a surface by forming pyramid-shaped facet pits made of facets on the surface and maintaining facet growth to collect dislocations at the bottoms of the pits and create defect accumulating regions H at the bottoms. FIG. 4 is a perspective view of a part near the surface of a GaN crystal for illustrating a method of reducing dislocations in a portion of FIG.
FIG. 16 is a vertical cross-sectional view of an initial substrate in a facet growth method in which a mask that periodically includes isolated coating portions is formed on a base substrate.
FIG. 17 shows that facet pits are formed on a mask when GaN is vapor-phase grown on a masked base substrate, and the pits grow while retaining facet surfaces, so that a defect accumulating region H is formed at the bottom of the pits. FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing that single crystal low dislocation accompanying regions Z are formed below the side surfaces of pits, and single crystal extra dislocation extra regions Y are formed between adjacent pits, and grow in the vertical direction.
FIG. 18 is a longitudinal sectional view of a GaN wafer cut by a plane perpendicular to the growth direction by removing a base substrate.
FIG. 19 is a diagram showing a case where a starting substrate having polarities A and B coexist is selectively etched to remove a portion above the polarities B and leave a lower half of the polarities B to form a cavity, which includes one cavity serving as a skeletal substrate. FIG. The diameter of the cavity is D and the depth is H.
FIG. 20 shows that when GaN is vapor-phase grown on a skeleton substrate provided with a cavity having a large aspect ratio (H / D), crystal growth occurs from the side wall rather than the bottom of the cavity, and the portion A ′ inherits the direction of polarity A. FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing how the burglar grows.
FIG. 21 is a longitudinal section showing that when GaN is vapor-phase grown on a skeleton substrate having a cavity having a large aspect ratio, crystal growth inheriting the crystal orientation of the side wall occurs and a crystal having only polarity A grows on the surface. Area view.
FIG. 22 shows a starting substrate having both polarities A and B co-existed by selective etching to remove a portion above the polarities B and leave a lower half of the polarities B to form a cavity to serve as a skeletal substrate and provide a mask at the bottom of the cavity. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of only a part including one cavity.
FIG. 23 is a longitudinal sectional view showing that GaN is vapor-phase grown on the skeletal substrate of FIG. 22 to grow a crystal A ′ having only polarity A.
[Explanation of symbols]
2 Base substrate
3 ELO mask
4 windows
5 GaN crystal
6 facets
7 Dislocation
8 C surface
9 facets
22 facet pit
23 ridgeline
24 Pit bottom
25 Direction of dislocation progression in facet
26 Direction of dislocation progression at ridge
28 Defect collection area following the bottom of the pit
30 Facet growth mask
32 opening
H defect accumulating area
Z single crystal low dislocation associated region
Y single crystal low dislocation extra region
A Polarity A
B Polarity B
K grain boundary
V cavity
M mask

Claims (11)

表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行であって表裏面に貫通する極性Bの単結晶領域を有する出発基板を、塩化水素ガス或いは塩素ガスによってドライエッチングするか、燐酸と硫酸の混合液又は水酸化カリウム液をエッチャントとしてウエットエッチングして、極性Bの全部を除去し基板を貫通する空洞を有する骸骨基板とし、骸骨基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、空洞を極性Aの結晶で埋め込み、表面に極性Aの結晶を成長させることによって全体が極性Aの単結晶である埋め込み基板結晶を製造することを特徴とする埋め込み基板結晶製造方法。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, having a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and having a crystal orientation antiparallel to the polarity A; The starting substrate having a single crystal region of polarity B penetrating on the front and back surfaces is dry-etched with hydrogen chloride gas or chlorine gas, or wet-etched with a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid or a potassium hydroxide solution as an etchant. Is removed to form a skeleton substrate having a cavity penetrating the substrate, and the skeleton substrate is used as a seed crystal for vapor-phase growth or liquid-phase growth using the same material. A method for producing a buried substrate crystal, characterized by producing a buried substrate crystal having a polarity A as a whole by growing the crystal. 表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bであって表裏面に貫通し直径が50μm以下の単結晶領域を有する出発基板を、塩化水素ガス或いは塩素ガスによってドライエッチングするか、燐酸と硫酸の混合液又は水酸化カリウム液をエッチャントとしてウエットエッチングして、極性Bの領域の直径をDとして表面から深さHを直径Dで割ったアスペクト比H/Dが2以上になる深さH分だけを除去して穴を形成した骨格基板とし、骨格基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、穴を極性Aの結晶で埋め込み、表面に極性Aの結晶を成長させることによって表面部分が極性Aの単結晶である埋め込み基板結晶を製造することを特徴とする埋め込み基板結晶製造方法。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and a polarity having a crystal orientation antiparallel to the polarity A The starting substrate which is B and has a single crystal region having a diameter of 50 μm or less penetrating the front and back surfaces is dry-etched with a hydrogen chloride gas or a chlorine gas, or wetted with a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid or a potassium hydroxide solution as an etchant. Etching is performed to obtain a skeletal substrate in which holes are formed by removing only the depth H where the aspect ratio H / D obtained by dividing the depth H from the surface by the diameter D is 2 or more, where D is the diameter of the region of polarity B and D is the diameter. The same material is used as a seed crystal for the skeletal substrate, and vapor-phase or liquid-phase growth is performed. The holes are filled with polar A crystals, and polar A crystals are grown on the surface. Ah Embedded substrate crystal manufacturing method is characterized in that the production of embedded substrate crystal. 表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bであって表裏面に貫通する単結晶領域を有する出発基板を、フォトリソグラフィによって極性Bの部分だけを異種材料のマスクで覆った被覆基板とし、被覆基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、マスクの上もマスクのない極性Aの部分も極性Aの結晶によって覆い表面部分が極性Aの単結晶である埋め込み基板結晶を製造することを特徴とする埋め込み基板結晶製造方法。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and a polarity having a crystal orientation antiparallel to the polarity A The starting substrate, which is B and has a single crystal region penetrating on the front and back surfaces, is a coated substrate in which only the portion of polarity B is covered with a mask of a different material by photolithography. A buried substrate crystal, characterized in that a buried substrate crystal is produced by growing a phase or a liquid phase, covering both the mask and the portion of the polarity A without the mask with a crystal of the polarity A and having a surface portion of a single crystal of the polarity A. Production method. 表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行であって表裏面に貫通する極性Bの単結晶領域を有する出発基板を、塩化水素ガス或いは塩素ガスによってドライエッチングするか、燐酸と硫酸の混合液又は水酸化カリウム液をエッチャントとしてウエットエッチングして、極性Bの全部を除去し基板を貫通する空洞を有する骸骨基板とし、骸骨基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、空洞を極性Aの結晶で埋め込み、表面に極性Aの結晶を成長させることによって得られた全体が極性Aの単結晶であることを特徴とする埋め込み基板結晶。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, having a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and having a crystal orientation antiparallel to the polarity A; The starting substrate having a single crystal region of polarity B penetrating on the front and back surfaces is dry-etched with hydrogen chloride gas or chlorine gas, or wet-etched with a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid or a potassium hydroxide solution as an etchant. Is removed to form a skeleton substrate having a cavity penetrating the substrate, and the skeleton substrate is used as a seed crystal for vapor-phase growth or liquid-phase growth using the same material. A buried substrate crystal, characterized in that the whole obtained by growing the crystal is a single crystal of polarity A. 表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bであって表裏面に貫通し直径が50μm以下の単結晶領域を有する出発基板を、塩化水素ガス或いは塩素ガスによってドライエッチングするか、燐酸と硫酸の混合液又は水酸化カリウム液をエッチャントとしてウエットエッチングして、極性Bの領域の直径をDとして表面から深さHを直径Dで割ったアスペクト比H/Dが2以上になる深さH分だけを除去して穴を形成した骨格基板とし、骨格基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、穴を極性Aの結晶で埋め込み、表面に極性Aの結晶を成長させることによって得られた表面部分が極性Aの単結晶であることを特徴とする埋め込み基板結晶。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and a polarity having a crystal orientation antiparallel to the polarity A The starting substrate which is B and has a single crystal region having a diameter of 50 μm or less penetrating the front and back surfaces is dry-etched with a hydrogen chloride gas or a chlorine gas, or wetted with a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid or a potassium hydroxide solution as an etchant. Etching is performed to obtain a skeletal substrate in which holes are formed by removing only the depth H where the aspect ratio H / D obtained by dividing the depth H from the surface by the diameter D is 2 or more, where D is the diameter of the region of polarity B and D is the diameter. By using the same material as a skeletal substrate as a seed crystal for vapor phase growth or liquid phase growth, filling the holes with polar A crystals, and growing a polar A crystal on the surface, the surface portion of polar A is obtained. single Embedded substrate crystal characterized in that it is a crystal. 表面と裏面をもち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系をもち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bであって表裏面に貫通する単結晶領域を有する出発基板を、フォトリソグラフィによって極性Bの部分だけを異種材料のマスクで覆った被覆基板とし、被覆基板を種結晶として同じ材料を用いて気相成長または液相成長し、マスクの上もマスクのない極性Aの部分も極性Aの結晶によって覆うことによって得られた表面部分が極性Aの単結晶であることを特徴とする埋め込み基板結晶。A single crystal region of polarity A having a front and back surface, a crystal system having no inversion symmetry with respect to the front and back surfaces, having a parallel crystal orientation and penetrating the front and back surfaces, and a polarity having a crystal orientation antiparallel to the polarity A The starting substrate, which is B and has a single crystal region penetrating on the front and back surfaces, is a coated substrate in which only the portion of polarity B is covered with a mask of a different material by photolithography. A buried substrate crystal characterized in that a surface portion obtained by phase growth or liquid phase growth, and a portion of the polarity A on and without a mask covered by a crystal of the polarity A is a single crystal of the polarity A. 得られた埋め込み結晶の新たに成長した部分の転位密度が10cm−2以下であることを特徴とする請求項4〜6の何れかに記載の埋め込み基板結晶。7. The buried substrate crystal according to claim 4, wherein a dislocation density of a newly grown portion of the obtained buried crystal is 10 6 cm −2 or less. 窒化ガリウムであることを特徴とする請求項4〜7の何れかに記載の埋め込み基板結晶。The embedded substrate crystal according to claim 4, wherein the crystal is gallium nitride. ZnSeであることを特徴とする請求項4〜7の何れかに記載の埋め込み基板結晶。The buried substrate crystal according to claim 4, wherein the buried substrate crystal is ZnSe. GaAsであることを特徴とする請求項4〜7の何れかに記載の埋め込み基板結晶。The buried substrate crystal according to claim 4, wherein the buried substrate crystal is GaAs. AlNであることを特徴とする請求項4〜7の何れかに記載の埋め込み基板結晶。The embedded substrate crystal according to claim 4, wherein the crystal is AlN.
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