(57)【要約】  【課題】  厚み分布が小さく、温度変化による転位および不純物が少ない高品質な単結晶体を提供する。  【解決手段】  単結晶を形成させるための主面が水平となるように設けられた種基板を、回転軸が鉛直方向となるように回転させる工程と、前記種基板に向かって開口したガス供給口を先端に有し、同軸構造の外筒部と内筒部とから構成されたガス供給管の前記ガス供給口において、前記内筒部から３族元素ガスまたは５族元素ガスのいずれか一方を前記種基板に直接供給させ、前記内筒部と前記外筒部との間から３族元素ガスまたは５族元素ガスの他方のガスを、前記内筒部からのガス供給速度よりも遅いガス供給速度にて、前記種基板に直接供給させる工程と、を具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成長法を用いた単結晶体の製造方法であって、
単結晶を形成させるための主面が水平となるように設けられた種基板を、回転軸が鉛直方向となるように回転させる工程と、
前記種基板に向かって開口したガス供給口を先端に有し、同軸構造の外筒部と内筒部とから構成されたガス供給管の前記ガス供給口において、前記内筒部から３族元素ガスまたは５族元素ガスのいずれか一方を前記種基板に直接供給させ、前記内筒部と前記外筒部との間から３族元素ガスまたは５族元素ガスの他方のガスを、前記内筒部からのガス供給速度よりも遅いガス供給速度にて、前記種基板に直接供給させる工程と、
を具備する単結晶体の製造方法。
【請求項２】
前記内筒部からの前記ガス供給速度は、前記内筒部と前記外筒部との間から前記ガス供給速度の２〜６倍である請求項１記載の単結晶体の製造方法。
【請求項３】
前記ガス供給管の中心軸方向から前記ガス供給管を平面透過視したとき、
前記ガス供給管の前記ガス供給口は、前記種基板の領域内に含まれる請求項１または２記載の単結晶体の製造方法。
【請求項４】
前記３族元素ガスは、塩化ガリウム、塩化アルミニウムおよび塩化インジウムからなる群から選ばれる１種以上であり、
前記５族元素ガスは、アンモニアである請求項１乃至３のいずれか記載の単結晶体の製造方法。
【請求項５】
前記気相成長法が、ハイドライド気相成長法である請求項１乃至４のいずれか記載の単結晶体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮなどの単結晶体を気相成長法によって成長させる単結晶体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ，ＡｌＧａＮなどの窒化物体は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子，トランジスタ，パワーＦＥＴ（Field Effect Transistor）などのパワーデバイスなどの電子素子などに用いられ、今後、使用の拡大が見込まれている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＮ，ＡｌＧａＮなどの３族窒化物単結晶体は、高融点であること、Ｎ（窒素）の平衡蒸気圧が高いことなどから、液相からのバルク型の単結晶の製造が困難である。そのため、サファイア（Ａｌ２Ｏ３），炭化珪素（ＳｉＣ）などの種基板上に薄膜を気相成長させて、その薄膜を各種デバイス用に利用することが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ハイドライド気相成長法を用い、アンモニアガスと塩化ガリウムガスとをそれぞれ異なるガス供給管から種基板上に設ける技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２６３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の製造方法では、アンモニアガスと塩化ガリウムガスとが十分に混合されず、高品質な単結晶体が得られない傾向があった。さらに、得られた単結晶体の厚みの分布にばらつきがあるため、単結晶体を厚膜成長させる場合に、厚み分布のばらつきがさらに大きくなり、十分な品質が得られず、また、この単結晶体から単結晶基板を切り出す場合、単結晶基板の取り数が減少する傾向があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、厚み分布のばらつきが小さく、高品質な単結晶体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる単結晶体の製造方法は、気相成長法を用いた単結晶体の製造方法であって、単結晶を形成させるための主面が水平となるように設けられた種基板を、回転軸が鉛直方向となるように回転させる工程と、前記種基板に向かって開口したガス供給口を先端に有し、同軸構造の外筒部と内筒部とから構成されたガス供給管の前記ガス供給口において、前記内筒部から３族元素ガスまたは５族元素ガスのいずれか一方を前記種基板に直接供給させ、前記内筒部と前記外筒部との間から３族元素ガスまたは５族元素ガスの他方のガスを、前記内筒部からのガス供給速度よりも遅いガス供給速度にて、前記種基板に直接供給させる工程と、を具備する。
【０００９】
前記内筒部からの前記ガス供給速度は、前記内筒部と前記外筒部との間から前記ガス供給速度の２〜６倍であることが好ましい。
【００１０】
前記ガス供給管の中心軸方向から前記ガス供給管を平面透過視したとき、前記ガス供給
管の前記ガス供給口は、前記種基板の領域内に含まれることが好ましい。
【００１１】
前記３族元素ガスは、塩化ガリウム、塩化アルミニウムおよび塩化インジウムからなる群から選ばれる１種以上であり、前記５族元素ガスは、アンモニアであることが好ましい。
【００１２】
前記気相成長法は、ハイドライド気相成長法であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の単結晶体の製造方法によれば、気相成長法において前述のように、特定の供給速度により原料ガスを種基板に直接供給することにより、厚みの分布のばらつきが小さく、高品質な単結晶体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の単結晶体の製造方法に用いる気相成長装置Ｓの一例を示す断面模式図である。
【図２】気相成長装置Ｓにおけるガス供給管４のガス供給口４ｃを平面視した図である。
【図３】気相成長装置Ｓにおけるガス供給口４ｃおよび種基板３ａを透過平面視した図である。
【図４】気相成長装置Ｓにて成長させた単結晶体３ｂの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の単結晶体の製造方法について、実施形態の一例を説明する。
【００１６】
本発明の単結晶体の製造方法は、気相成長法を用いる。気相成長法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、昇華法などが挙げられる。なかでも、成長速度が速く、品質も良く、窒化物体を作製させやすいという理由によりＨＶＰＥ法が好ましい。以下、ＨＶＰＥ法を用いた例で説明する。
【００１７】
（工程１）
本発明の一実施形態の単結晶体の製造方法は、種基板３ａを回転させる工程を含む（工程１）。
【００１８】
図１において種基板３ａは気相成長装置Ｓの保持体１上に設けられる。種基板３ａは、単結晶を成長させるための主面が水平になるように設けられている。ここで、水平とは重力方向と直角に交わる方向を示し、−５°〜５°の範囲内のずれは許容とする。
【００１９】
図１において保持体１は、その中心軸を中心として種基板３ａを回転させる機構を設けている。これにより保持体１は回転方向８に回転することで種基板３ａを回転させる。これにより、種基板３ａ上に成長させる単結晶の均一性を向上させることができる。なお、回転数としては、例えば、２ｒｐｍ〜５０ｒｐｍ程度の範囲から選択することが可能である。
【００２０】
種基板３は鉛直方向に回転軸Ａを有する。ここで、鉛直方向とは重力方向を示し、−５°〜５°の範囲内のずれは許容とする。
【００２１】
保持体１にはグラファイトを用いることができるが、単結晶体の原料ガスとして腐食性のアンモニアおよび塩化水素を使用する場合、表面にＳｉＣ、ＢＮおよびＴａＣからなる群から選ばれる１種以上をコーティングしておくことが好ましい。なお、コーティング法
としては、ＣＶＤ法、スパッタ法などが挙げられる。これにより保持体１の耐食性が向上する。なお、ＢＮのなかでもＰＢＮが好ましい。ＰＢＮとは、焦性窒化ホウ素（パイロリティックＢＮ（ｐ−ＢＮ））である。
【００２２】
（工程２）
本発明の一実施形態の単結晶体の製造方法は、特定のガス供給管から第１の原料ガス５ａおよび第２の原料ガス５ｂを種基板３ａに供給させる工程を含む（工程２）。本実施形態では、第１の原料ガス５ａおよび第２の原料ガス５ｂのいずれか一方に３族元素ガスを用い、他方に５族元素ガスを用いているが、本発明はこれらに限定されない。
【００２３】
３族元素ガスとは、周期表の第１３族元素（たとえば、ガリウム、アルミニウム、インジウムなど）を含むガスをいう。例えば、塩化ガリウム、塩化アルミニウム、塩化インジウムなどが挙げられる。また、５族元素ガスとは、周期表の第１５族元素（たとえば、窒素、砒素など）を含むガスをいい、例えば、アンモニアなどが挙げられる。
【００２４】
ガス供給管４は、図２に示すようにガス供給口４ｃ付近にてＢを同軸構造となるように設けられた外筒部４ｂ（直径５〜６０ｍｍ）と内筒部４ａ（直径３〜１５ｍｍ）とから構成される。同軸構造とすることで、ガス供給管４のガス供給口４ｃから供給された第１の原料ガスおよび第２の原料ガスが種基板３ａ上にて均一に混合され、結果として結晶性に優れ、厚みのばらつきが少ない単結晶体の作製が可能となる。さらに、ガス供給管４における軸Ｂは、工程１における回転軸Ａと同軸であることが好ましい。
【００２５】
図１の場合、第１の原料ガス５ａとして用いた３族元素ガスが内筒部４ａから供給され、第２の原料ガス５ｂとして用いた５族元素ガスが内筒部４ａと外筒部４ｂとの隙間から供給されるが、内筒部４ａから５族元素ガスが供給され、内筒部４ａと外筒部４ｂとの隙間から３族元素ガスが供給されてもかまわない。
【００２６】
図１のように、ガリウム容器７ｂをガス供給管４内に設けることが可能であり、さらに、結晶性に優れ、厚みのばらつきが少ない単結晶体を好適に作製できるように３族元素ガスおよび５族元素ガスを供給できるため、内筒部４ａから３族元素ガス５ａが供給され、内筒部４ａと外筒部４ｂとの隙間から５族元素ガス５ｂが供給されることがより好ましい。
【００２７】
図１に示すように工程２において、内筒部４ａから第１の原料ガス５ａを種基板３ａに直接供給させるとともに、内筒部４ａと外筒部４ｂとの隙間から第２の原料ガス５ｂを種基板３ａに直接供給させ、その際、第２の原料ガス５ｂを第１の原料ガス５ａの供給速度よりも遅くする。こうすることで、一定時間において、第１の原料ガス５ａの供給量が、第２の原料ガス５ｂの供給量よりも多くなり、ガス供給口４ｃから出た第１の原料ガス５ａの密度は、ガス供給口４ｃから出た第２の原料ガス５ｂの密度よりも大きくなる。そして、種基板３ａに到達する前に、第１の原料ガス５ａは、その外側に位置する第２の原料ガス５ｂ側に広がって分散することになり、種基板３ａに到達する際には第１の原料ガス５ａおよび第２の原料ガス５ｂは均一に分散することになる。よって、得られた単結晶体は、厚み分布のばらつきが低減され、好適な結晶性を示す。
【００２８】
なお、工程２において、第１の原料ガス５ａおよび第２の原料ガス５ｂは、種基板３ａに向けて直接吹き付ける。このために、例えば、図３に示すように、ガス供給管４の中心軸方向（好適には鉛直方向）からガス供給管４を平面透過視したとき、ガス供給管のガス供給口４ｃは、種基板３ａの領域内に含まれるような装置を用いることが好ましい。例えば、いずれか一方の原料ガスを種基板３ａに向けて直接吹き付けるのではなく、例えば、装置内をいずれか一方の原料ガスによって充満させ、もう一方の原料ガスを種基板３ａに
直接吹き付ける方法も考えられるが、この場合、単結晶体の成長速度が遅くなってしまう。また、種基板３ａ以外の場所に単結晶体が作製されて、この余分な単結晶体が種基板３ａ上に設けられた単結晶体に混ざった場合、工程２において、第１の原料ガス５ａのガス供給速度は、第２の原料ガス５ｂのガス供給速度の２〜６倍であることが好ましい。具体的には、第１の原料ガス５ａのガス供給速度は、２０〜６００ｍｍ／ｓである場合、第２の原料ガス５ｂのガス供給速度は、第１の原料ガス５ａのガス供給速度をもとにして設定することができる。なお、これらのガス供給速度はガス供給口の断面積とガス流量から算出することができる。
【００２９】
工程２に示したガス供給管４を用いて気相成長法を行うことにより、厚みが均一化され、さらに、高品質な単結晶体を作製することができる（例えば、図４に示すような、円柱状の単結晶体）。そのため、単結晶体の厚みを１ｍｍ以上（好ましくは１０ｍｍ以上、最も好ましくは２５ｍｍ以上）と成長させても、平均転位密度が１×１０９ｃｍ−２以下と低い高品質な単結晶体が得られる。このように、大きな厚みを有し、かつ結晶品質のばらつきが小さい単結晶体から、ダイシングにより、複数枚の単結晶基板を切り出すことができる。
【００３０】
以上の説明において種基板３ａの具体例として、サファイアを用いた。種基板３ａとしては他に、ＧａＮ，ＡｌＧａＮなどの３族窒化物単結晶体、ＳｉＣ、ＧａＮ単結晶、ＡｌＮ単結晶、またはＧａＮ単結晶およびＡｌＮ単結晶の混晶などを挙げることができる。種基板３ａとしては、得られる単結晶体の品質に優れることから、成長させる単結晶体と同一の材料、つまり、ホモエピタキシャル成長させるものが好ましい。例えば、ＧａＮ単結晶体を作製する場合、種基板３ａとしてはＧａＮ基板が好ましい。成長用の種基板３ａの厚みは０．３〜０．６ｍｍ程度である。また、種基板３ａが円板状である場合、種基板３ａの直径は２０ｍｍ〜６０ｍｍである。
【００３１】
気相成長装置Ｓを形成する装置本体２とガス供給管４ｂとは、石英などからなり、形状は円筒状、角筒状などの筒状体のものが好適に用いられる。
【００３２】
単結晶体の製造にて行われる加熱は、図１の場合、装置本体２の外周部に周設されたヒータ６ａおよび６ｂを用いて行われる。ヒータ６ａおよび６ｂは、単結晶成長開始時は１０００〜１３００℃とする。
【００３３】
３族元素ガスである塩化ガリウムは、図１に示すように、金属ガリウムを石英製のガリウム容器７ｂに充填して加熱によりガリウム融液７ａを作製し、約８００℃で塩化水素ガスを流して反応させることにより生成される。このためには、原料供給側のヒータ６ｂを所定の温度に加熱することにより、ガリウム容器７を加熱するとよい。このようにして生成した塩化ガリウムガス５ａに、アンモニアガス５ｂを混合させて、所定の温度とした種基板３ａに供給することによって種基板３ａの表面にＧａＮの単結晶体３ｂを高速で成長させることができる。なお、反応時の圧力は、通常、ＨＰＶＥ法では大気圧（常圧）とする。
【００３４】
アンモニアガスと、塩化ガリウムガスの原料である塩化水素ガスと、の流量比は、アンモニアガスの流量が塩化水素ガスの流量の１５〜８０倍程度とするとよい。この比率とすることによって、ＧａＮ単結晶体の成長速度を高めることができ、ＧａＮ単結晶体中の転位を増加させる柱状結晶の成長を抑えることができる。
【００３５】
図示していないが、気相成長装置Ｓには、原料ガスを乱流の起こらないように層流にしたり、成長に寄与できなかった反応生成物を装置の外部に運んだり、石英管２の内側に付着物が付着することを防止したりするために導入されるカウンターフローを用いてもよい
。カウンターフロー用のガスとしては、窒素、水素またはこれらの混合ガスを用いることができる。
【００３６】
得られた単結晶体３ｂは、例えば、以下に示す方法により基板形状に加工される。
【００３７】
まず、ダイアモンド砥石を使用して成長させた単結晶体３ｂを外周研削して所定の外径とする。次に、単結晶体を、ダイアモンド砥粒などを固着させたワイヤ、または、真鍮ワイヤにダイアモンドまたはＳｉＣ砥粒をスラリーで滴下しながら、ワイヤの往復運動で結晶を切断するワイヤーソーにより、所定厚み（例えば０．６ｍｍ）のウェハ形状に切り出す。
【００３８】
そして、単結晶ウェハの両面をダイアモンド砥粒、または、ＳｉＣ砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いてデバイス工程で使用する表面を鏡面研磨することにより、単結晶ウェハ基板を得る。
【００３９】
以上より、光学素子、電子素子に適用される窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長するのに好適なバルク型でかつ高品質な単結晶基板の製造が可能となる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００４１】
また、図１では、種基板３ａの成長面が鉛直方向に対して上向きとなるように、ガス供給管４を種基板３ａ上に設けた気相成長装置Ｓを具体例として挙げたが、種基板３ａの成長面が鉛直方向に対して下向きとなるように、ガス供給管４上に種基板３ａを設けた気相成長装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
Ｓ：気相成長装置
１：保持体
２：装置本体
３ａ：種基板
３ｂ：（成長した）単結晶体
４：ガス供給管
４ａ：内筒部
４ｂ：外筒部
４ｃ：ガス供給口
５ａ：第１の原料ガス
５ｂ：第２の原料ガス
６ａ，６ｂ：ヒータ
７ａ：ガリウム融液
７ｂ：ガリウム容器
８：保持体１の回転方向
Ａ：種基板３ａの回転軸
Ｂ：ガス供給口４ｃのうち内筒部４ａのガス供給口の中心軸
【図１】
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【図２】
2011173750.tif 000004
【図３】
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【図４】
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