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JP2012012292A - Manufacturing method for group iii nitride crystal, and group iii nitride crystal and group iii nitride crystal substrate obtained by the same - Google Patents

Manufacturing method for group iii nitride crystal, and group iii nitride crystal and group iii nitride crystal substrate obtained by the same Download PDF

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JP2012012292A JP2011120731A JP2011120731A JP2012012292A JP 2012012292 A JP2012012292 A JP 2012012292A JP 2011120731 A JP2011120731 A JP 2011120731A JP 2011120731 A JP2011120731 A JP 2011120731A JP 2012012292 A JP2012012292 A JP 2012012292A
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iii nitride
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silicon
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健史 藤戸
Yasuhiro Uchiyama
泰宏 内山
Yoshinori Suzuki
敬紀 鈴木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a group III nitride crystal to which silicon is homogeneously doped at a high concentration in an in-plane direction and a film thickness direction achieving excellent controllability and reproducibility.SOLUTION: The method of manufacturing the group III nitride crystal includes a process to prepare a ground substrate in a crystal growth furnace and a growth process to grow the group III nitride crystal on the ground substrate by reacting halides of group III elements with a compound including nitrogen element. The method of manufacturing the group III nitride crystal comprises supplying further a halogen element containing substance and a silicon containing substance to the crystal growth furnace at the growth process from the same lead-in tube.

Description

本発明は、III族窒化物結晶の製造方法、および該製造方法により得られるIII族窒化物結晶、III族窒化物結晶基板に関する。   The present invention relates to a method for producing a group III nitride crystal, a group III nitride crystal obtained by the production method, and a group III nitride crystal substrate.

III族窒化物結晶は、高融点であり、しかも融点付近の窒素の解離圧が高いことから、融液からのバルク成長が困難である。一方、ハイドライド気相成長(HVPE)法や有機金属化学気相成長(MOCVD)法等の気相成長法を用いることによって、III族窒化物結晶基板を製造できることが知られている。例えば窒化ガリウム結晶基板を製造する場合、サファイア等の下地基板を気相成長装置の結晶成長炉(リアクター)内にセットし、リアクター内に、ガリウム化合物を含有するガスと窒素化合物を含有するガスなどからなるIII族窒化物結晶形成用ガスを供給することにより、下地基板上に窒化ガリウム結晶を数μm〜数cmの厚さにまで成長させる。そして、その後、下地基板などの部分を研磨やレーザーを照射する方法を用いて除去することにより、所望のIII族窒化物結晶基板を得ることができる。前記の気相成長法のうち、HVPE法は他の成長方法に比べて高い成長速度が実現できる特徴をもつことから、III族窒化物結晶の厚膜成長が必要な場合や、十分な厚みを有するIII族窒化物結晶基板を得るための方法として有効である。   Group III nitride crystals have a high melting point, and the dissociation pressure of nitrogen near the melting point is high, so that bulk growth from the melt is difficult. On the other hand, it is known that a group III nitride crystal substrate can be manufactured by using a vapor phase growth method such as a hydride vapor phase growth (HVPE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. For example, when manufacturing a gallium nitride crystal substrate, a base substrate such as sapphire is set in a crystal growth furnace (reactor) of a vapor phase growth apparatus, and a gas containing a gallium compound and a nitrogen compound is contained in the reactor. By supplying a gas for forming a group III nitride crystal consisting of gallium nitride, a gallium nitride crystal is grown on the base substrate to a thickness of several μm to several cm. Then, a desired group III nitride crystal substrate can be obtained by removing portions such as the base substrate using a method of polishing or laser irradiation. Among the above-mentioned vapor phase growth methods, the HVPE method has a feature that can achieve a higher growth rate than other growth methods. Therefore, when a thick film growth of a group III nitride crystal is necessary or a sufficient thickness is required. This is effective as a method for obtaining a group III nitride crystal substrate having the same.

一方、発光素子およびパワーデバイス用素子を製造するのに用いられるGaN基板としては、基板の裏面にも電極を付けた上下電極構造のデバイスを製造するために、不純物の添加により導電性を高めたものが通常使用されている。デバイス構造を設計する際、エピタキシャル構造の最表面がP型層となるように設計することが多いので、通常GaN基板にn型の導電性を与える。   On the other hand, as a GaN substrate used for manufacturing light emitting elements and power device elements, conductivity was increased by adding impurities in order to manufacture a device having an upper and lower electrode structure in which electrodes are also attached to the back surface of the substrate. Things are usually used. In designing the device structure, since it is often designed that the outermost surface of the epitaxial structure is a P-type layer, n-type conductivity is usually given to the GaN substrate.

n型のGaN結晶を、MOCVD法で成長させる際には、通常モノシランやジシランをドーピング原料ガスに用いて珪素(シリコン(Si))をドープする方法が採られている(例えば特許文献1)。しかしHVPE法では、モノシランやジシランをドーピングガスに用いることができない。HVPE法は高温に加熱されたリアクター壁に原料ガスが接触する、所謂ホットウォールタイプの結晶成長方式であるため、モノシランやジシランが成長している結晶に到達する前に分解してしまい、実効的に結晶中に取り込まれないためである。   When growing an n-type GaN crystal by MOCVD, a method of doping silicon (silicon (Si)) using monosilane or disilane as a doping source gas is generally employed (for example, Patent Document 1). However, in the HVPE method, monosilane or disilane cannot be used as a doping gas. The HVPE method is a so-called hot wall type crystal growth method in which a source gas contacts a reactor wall heated to a high temperature, so that it decomposes before reaching a crystal on which monosilane or disilane is growing, and is effective. This is because it is not taken into the crystal.

そこで特許文献2では、HVPE法による気相成長時に、SiHCl4−x(x=1〜3)をドーピング原料ガスに用いてSiをドープしながらn型の窒化物系III−V族化合物半導体層を形成する方法を提案している。また、特許文献3には、不純物元素としてシリコン(Si)を含有するIII族窒化物半導体基板が開示されており、ジクロロシラン(SiHCl)、テトラクロロシラン(四塩化珪素(SiCl))を用いてIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることが記載されている。また、特許文献4には、テトラクロロシラン(四塩化珪素(SiCl))をドーピングガスとして用いることによりシリコン(Si)をドーピングしたIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させることが記載されている。
さらに特許文献5には、III族金属ハロゲン化物形成用のハロゲン元素含有物質の供給管と異なる第二の供給管から、結晶成長炉にさらにハロゲン元素含有物質を導入し、耐熱性珪素含有材料からなる流通管に通して基板上に導き、流通管に含まれている珪素をIII族窒化物系半導体結晶にドープする方法を提案している。
Therefore, in Patent Document 2, an n-type nitride-based III-V group compound is doped with Si using SiH x Cl 4-x (x = 1 to 3) as a doping source gas during vapor phase growth by the HVPE method. A method for forming a semiconductor layer is proposed. Patent Document 3 discloses a group III nitride semiconductor substrate containing silicon (Si) as an impurity element, and includes dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), tetrachlorosilane (silicon tetrachloride (SiCl 4 )). Is described for epitaxially growing a group III nitride semiconductor. Patent Document 4 describes that a group III nitride semiconductor crystal doped with silicon (Si) is epitaxially grown by using tetrachlorosilane (silicon tetrachloride (SiCl 4 )) as a doping gas.
Furthermore, in Patent Document 5, a halogen element-containing substance is further introduced into the crystal growth furnace from a second supply pipe different from the halogen element-containing substance supply pipe for forming the group III metal halide, and the heat-resistant silicon-containing material is used. In this method, a group III nitride-based semiconductor crystal is doped with silicon contained in the flow pipe through the flow pipe.

特開平3−252175号公報JP-A-3-252175 特開2000−91234号公報JP 2000-91234 A 特開2006−193348号公報JP 2006-193348 A 特開2009−126723号公報JP 2009-126723 A 特開2005−223243号公報JP 2005-223243 A

III族窒化物半導体結晶をHVPE法やMOCVD法などの気相成長法で成長させる際に、III族窒化物結晶のn型導電性を制御するためには、III族窒化物結晶中のn型不純物(ドーパント)の濃度を制御する必要がある。
一方で、本発明者等はn型不純物としてのシリコンをドーピングするために上記特許文献2〜4でドーピングガスとして用いられているシラン(SiH)、ジシラン(Si)、テトラクロロシラン(SiCl)、トリクロロシラン(SiHCl)、ジクロロシラン(SiHCl)、および、モノクロロシラン(SiHCl)は、III族窒化物結晶の成長温度では、結晶が成長する下地基板上に到達する前に分解して、導入管などのリアクター内に吸着され、珪素が析出するという課題あることを見出した。
In order to control the n-type conductivity of the group III nitride crystal when the group III nitride semiconductor crystal is grown by a vapor phase growth method such as HVPE method or MOCVD method, the n-type in the group III nitride crystal is used. It is necessary to control the concentration of the impurity (dopant).
On the other hand, the present inventors have used silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), tetrachlorosilane (which are used as doping gases in Patent Documents 2 to 4 above to dope silicon as an n-type impurity ( SiCl 4 ), trichlorosilane (SiHCl 3 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and monochlorosilane (SiH 3 Cl) reach the underlying substrate on which the crystal grows at the group III nitride crystal growth temperature. It has been found that there is a problem that it decomposes before being adsorbed and is adsorbed in a reactor such as an introduction pipe to precipitate silicon.

また、上記特許文献2〜4で用いられているドーピングガスは、窒素ガスやアンモニアガスと反応して窒化珪素(SixNy(xおよびyは任意の整数))系化合物を生成してしまうという問題もある。
上記特許文献5で用いられている耐熱性珪素含有材料からなる流通管にハロゲン元素含有物質を導入して珪素をドーピングする場合、成長中に耐熱性珪素含有材料の腐食が進むとドーピングの濃度も変化することとなり、結果的にIII族窒化物結晶中の珪素濃度を制御することができない。
In addition, the doping gas used in Patent Documents 2 to 4 also reacts with nitrogen gas or ammonia gas to generate a silicon nitride (SixNy (x and y are arbitrary integers))-based compounds. is there.
In the case where doping is performed by introducing a halogen element-containing substance into a flow pipe made of a heat-resistant silicon-containing material used in Patent Document 5, when the corrosion of the heat-resistant silicon-containing material progresses during growth, the doping concentration also increases. As a result, the silicon concentration in the group III nitride crystal cannot be controlled.

本発明は、このような課題を解決し、効率よく安定して、大面積の結晶中に均一に珪素をドーピングすることが出来る製造方法を提供するものである。さらに、そのような製造方法を用いて、結晶中の面内および膜厚方向での均一性が高く、高濃度の珪素がドーピングされたIII族窒化物結晶をも提供するものである。   The present invention solves such problems and provides a production method capable of doping silicon uniformly in a large-area crystal efficiently and stably. Furthermore, by using such a manufacturing method, a Group III nitride crystal having high uniformity in the plane and in the film thickness direction in the crystal and doped with a high concentration of silicon is also provided.

本発明者等は上記目的を達成するため鋭意検討した結果、ハロゲン元素含有物質と珪素含有化合物を同時に同一導入管から供給し、結晶が成長する下地基板上に導くことにより、リアクター内に珪素を析出することなく、III族窒化物結晶に高濃度に珪素をドープできることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明の要旨は、結晶成長炉内に下地基板を準備する工程と、III族元素のハロゲン化物と窒素元素を含む化合物を反応させて該下地基板上にIII族窒化物結晶を成長させる成長工程を含むIII族窒化物結晶の製造方法であって、前記成長工程で結晶成長炉にさらにハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を同一の導入管から供給するIII族窒化物結晶の製造方法に関する。
As a result of diligent investigations to achieve the above object, the inventors of the present invention simultaneously supplied a halogen-containing substance and a silicon-containing compound from the same introduction tube, and led the silicon into the reactor by introducing it onto a base substrate on which crystals grow. The present inventors have found that a group III nitride crystal can be doped with silicon at a high concentration without precipitating, and reached the present invention.
That is, the gist of the present invention is to prepare a base substrate in a crystal growth furnace, and to grow a group III nitride crystal on the base substrate by reacting a group III element halide and a nitrogen element-containing compound. The present invention relates to a method for producing a group III nitride crystal including a step, wherein a halogen element-containing material and a silicon-containing material are further supplied to a crystal growth furnace from the same introduction tube in the growth step.

また本発明は、前記ハロゲン元素含有物質、及び前記珪素含有物質の供給において、供給するハロゲン元素含有物質中のハロゲン元素の量と供給する珪素含有物質中の珪素の量が以下の関係式(1)を満たす前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1 < Y1 < A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+F1 ・・・式(1)
X1 珪素の量(モル比)
Y1 ハロゲン元素の量(モル比)
A1 9.682E−4
B1 8.000E−1
C1 −7.400
D1 −8.000E−6
E1 1.000E−2 (下限)
F1 1.480E−2 (上限)
ただし、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1<0になる場合は、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1=0とする。
また本発明は、前記ハロゲン元素含有物質が塩化水素であり、前記珪素含有物質がジクロロシランであって、各々の供給量が以下の関係式(2)を満たす前記記載のIII族窒化物結晶の製造方法に関する。
A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E < Y < A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+F ・・・式(2)
X ジクロロシランの供給量(モル比)
Y 塩化水素の供給量(モル比)
A 9.682E−4
B 1.110
C −1.060E+1
D −2.760E−6
E 8.706E−3 (下限)
F 1.861E−2 (上限)
ただし、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E<0になる場合は、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E=0とする。
また本発明は、前記珪素含有物質がジクロロシランである前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
また本発明は、前記ハロゲン元素含有物質がハロゲン化水素である前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
また本発明は、ハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質に加えて、さらにキャリアガスを同一の導入管から供給する前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
Further, according to the present invention, in the supply of the halogen element-containing material and the silicon-containing material, the amount of halogen element in the supplied halogen element-containing material and the amount of silicon in the supplied silicon-containing material can be expressed by The group III nitride crystal satisfying the above).
A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + E1 <Y1 <A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + F1. Formula (1)
X1 Amount of silicon (molar ratio)
Y1 Amount of halogen element (molar ratio)
A1 9.682E-4
B1 8.000E-1
C1-7.400
D1-8.000E-6
E1 1.000E-2 (lower limit)
F1 1.480E-2 (upper limit)
However, if A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1-D1) + E1 <0, then A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1- D1) It is assumed that + E1 = 0.
Further, according to the present invention, there is provided the group III nitride crystal according to the above, wherein the halogen element-containing substance is hydrogen chloride, the silicon-containing substance is dichlorosilane, and each supply amount satisfies the following relational expression (2). It relates to a manufacturing method.
A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <Y <A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + F) Formula (2)
X Dichlorosilane supply (molar ratio)
Y Supply amount of hydrogen chloride (molar ratio)
A 9.682E-4
B 1.110
C -1.060E + 1
D-2.760E-6
E 8.706E-3 (lower limit)
F 1.861E-2 (upper limit)
However, when A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <0, A × ln (B × (X−D)) − (C × (X− D) Let + E = 0.
The present invention also relates to a method for producing the group III nitride crystal, wherein the silicon-containing substance is dichlorosilane.
The present invention also relates to a method for producing the Group III nitride crystal, wherein the halogen element-containing substance is hydrogen halide.
The present invention also relates to a method for producing a group III nitride crystal in which a carrier gas is further supplied from the same introduction tube in addition to a halogen element-containing material and a silicon-containing material.

また本発明は、結晶成長炉内に前記III族元素のハロゲン化物及び前記窒素元素を含む化合物を導入管から供給し、該導入管と異なる導入管からハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を供給する、前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
また本発明は、前記成長工程をハイドライド気相成長(HVPE)法にて行う前記III族窒化物結晶の製造方法に関する。
また本発明は、前記III族窒化物結晶の製造方法により得られるIII族窒化物結晶にも関する。
また本発明は、前記III族窒化物結晶からなるIII族窒化物結晶基板にも関する。
Further, the present invention supplies the halide of the group III element and the compound containing the nitrogen element into the crystal growth furnace from the introduction pipe, and supplies the halogen element-containing substance and the silicon-containing substance from the introduction pipe different from the introduction pipe. , And relates to a method for producing the group III nitride crystal.
The present invention also relates to a method for producing the group III nitride crystal, wherein the growth step is performed by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method.
The present invention also relates to a group III nitride crystal obtained by the method for producing a group III nitride crystal.
The present invention also relates to a group III nitride crystal substrate comprising the group III nitride crystal.

本発明の製造方法では、ハロゲン元素含有物質の供給方法を工夫したり、供給量を制御することにより、導入管などのリアクター内で珪素(シリコン(Si))を析出することなく、珪素を気体状態のまま効率的に下地基板に供給することができるため、安定してIII族窒化物結晶に珪素を高濃度にドープにすることができる。つまり、本発明の製造方法を用いれば、優れた制御性および再現性を実現しつつ、結晶中の面内方向および膜厚方向に均一に珪素が高濃度にドーピングされたIII族窒化物結晶を製造できる。その結果、厚膜かつ大面積のIII族窒化物結晶を安定に製造することができ、生産性の向上が期
待できる。
In the production method of the present invention, by devising the supply method of the halogen element-containing substance or controlling the supply amount, the silicon is gasified without precipitating silicon (silicon (Si)) in the reactor such as the introduction pipe. Since the substrate can be efficiently supplied to the base substrate, the group III nitride crystal can be stably doped with silicon at a high concentration. That is, by using the manufacturing method of the present invention, a group III nitride crystal in which silicon is uniformly doped at a high concentration in the in-plane direction and the film thickness direction in the crystal can be obtained while realizing excellent controllability and reproducibility. Can be manufactured. As a result, a thick film and a large area group III nitride crystal can be stably produced, and an improvement in productivity can be expected.

1000℃雰囲気においてのH,Cl,Siの3元素の化学平衡の相図である。It is a phase diagram of chemical equilibrium of three elements of H, Cl, and Si in an atmosphere of 1000 ° C. 1000℃雰囲気においてのHClとクロロシラン系化合物の化学平衡の相図である。It is a phase diagram of the chemical equilibrium of HCl and a chlorosilane type compound in 1000 degreeC atmosphere. HClとジクロロシランの化学平衡の相図、および実施例1〜4、比較例1、2を示したグラフである。It is the graph which showed the phase diagram of the chemical equilibrium of HCl and dichlorosilane, and Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 実施例および比較例で用いたHVPE装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the HVPE apparatus used by the Example and the comparative example. 塩素と珪素の化学平衡の相図、および実施例1〜4、比較例1、2を示したグラフである。It is the graph which showed the phase diagram of the chemical equilibrium of chlorine and silicon, and Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

以下において、本発明のIII族窒化物結晶の製造方法、および該製造方法により得られるIII族窒化物結晶、III族窒化物結晶基板について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, a method for producing a group III nitride crystal of the present invention, a group III nitride crystal obtained by the method, and a group III nitride crystal substrate will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

本発明のIII族窒化物結晶の製造方法は、気相成長装置の結晶成長炉(以下、リアクターと称することがある)内の導入管などで珪素が析出して付着することなく、珪素をIII族窒化物結晶に高濃度にドープすることができる製造方法である。つまり、結晶成長炉内に下地基板を準備する工程と、III族元素のハロゲン化物と窒素元素を含む化合物を反応させて該下地基板上にIII族窒化物結晶を成長させる成長工程を含むIII族窒化物結晶の製造方法において、前記成長工程で結晶成長炉にさらにハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を同一の導入管から供給して珪素がドーピングされたIII族窒化物結晶を得る製造方法である。   In the method for producing a group III nitride crystal of the present invention, silicon is not deposited and deposited in an introduction tube or the like in a crystal growth furnace (hereinafter sometimes referred to as a reactor) of a vapor phase growth apparatus. This is a manufacturing method capable of doping a group nitride crystal with a high concentration. That is, a group III including a step of preparing a base substrate in a crystal growth furnace and a step of growing a group III nitride crystal on the base substrate by reacting a group III element halide with a nitrogen element compound. In the method for producing a nitride crystal, the halogen-containing material and the silicon-containing material are further supplied from the same introduction pipe to the crystal growth furnace in the growth step to obtain a group III nitride crystal doped with silicon. .

珪素(Si)をIII族窒化物結晶に高濃度にドープするためには、Siを気体の珪素含有物質として成長させる結晶の表面まで到達させる必要がある。しかし、HVPEのようなホットウォール型の装置ではリアクター全体がIII族窒化物結晶の成長温度である高温となるため、Siをn型不純物としてドーピングするためにドーピングガスとして用いられるシラン(SiH)、ジシラン(Si)、テトラクロロシラン(SiCl)、トリクロロシラン(SiHCl)、ジクロロシラン(SiHCl)、および、モノクロロシラン(SiHCl)などの珪素含有物質は、結晶が成長する下地基板上に到達する前に高温条件によって分解して、導入管などのリアクター内にSiが吸着されて析出してしまう。そこで、ドーピングガスとしての珪素含有物質と同時にハロゲン元素含有物質を供給することにより、高温であっても珪素含有物質がリアクター内で気体として安定に存在することが可能となり、成長させる結晶の表面まで気体として到達し、得られる結晶中にSiを高濃度でドーピングすることが可能になるものと考えられる。
本発明者らの検討から、Siが析出する現象は、導入管などのリアクター内における化学平衡により推測することが出来る。ここで、化学平衡線図の作成には、GTT−Technologies Ltd. とThermfact Ltd.が共同開発した、熱力学平衡計算ソフトウェア「FactSage」、及び、熱力学データベース「Fact」を使用した。
具体的にはハロゲン元素含有物質としてClを含有する物質を用いた場合を例として、図1に1000℃雰囲気においてのH,Cl,Siの3元素の化学平衡の相図を示す。横軸がSiのモル比を表し、縦軸がClのモル比を表す。
また、図2にハロゲン元素含有物質としてHCl、珪素含有物質としてクロロシラン系化合物を用いた場合を例として、1000℃雰囲気においての化学平衡の相図を示す。図2においては、横軸はクロロシラン系化合物のモル比となり、縦軸はHClのモル比としている。
図1および図2のグラフ上の曲線はSiが固体となって析出する境界を示した曲線であり、曲線より上側の領域はSiが化合物となって気体の状態になり、下側の領域はSiの少なくとも一部が固体となって析出すると考えられる。例えば、ドーピングガスである珪素含有物質としてジクロロシランとキャリアガスとしてHとのみを導入管より供給し、ハロゲン元素含有物質を導入しなかった場合は、グラフの縦軸であるClのモル比はゼロとなり、導入管などのリアクター内にジクロロシランを少しでも導入しただけで1000℃雰囲気ではSiとなって析出し、得られるIII族窒化物結晶中に十分な濃度のSiをドーピングすることができない。一方で、さらにHClを同時に導入管より供給した場合には、化学平衡の関係からSiとして析出する割合を低減することが可能となり、得られるIII族窒化物結晶中により高濃度のSiをドーピングすることができるようになる。
なお、ハロゲン元素としてBrやFといったCl以外の元素を含む場合であっても、上述の方法にて図1および図2と同様の化学平衡線図を得ることができることから、同様に本願発明の効果を奏すると言える。
本発明の製造方法においては、図1および図2の相図から、グラフ上の曲線の上側の領域に入るように、ドーピングガスである珪素含有物質の導入量に併せてハロゲン元素含有物質の導入量を調整し、リアクター内に両物質を導入することで、Siを導入管などのリアクター内に析出させることなく、効率的により高濃度で結晶中にSiをドープさせることができるため好ましい。
たとえば、前記ハロゲン元素含有物質、及び前記珪素含有物質の供給において、供給するハロゲン元素含有物質中のハロゲン元素の量と供給する珪素含有物質中の珪素の量が以下の関係式(1)を満たすように供給量を調整することが好ましい。
A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1 < Y1 < A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+F1 ・・・式(1)
X1 珪素の量(モル比)
Y1 ハロゲン元素の量(モル比)
A1 9.682E−4
B1 8.000E−1
C1 −7.400
D1 −8.000E−6
E1 1.000E−2 (下限)
F1 1.480E−2 (上限)
ただし、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1<0になる場合は、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1=0とする。
具体的には、前記ハロゲン元素含有物質が塩化水素であり、前記珪素含有物質がジクロロシランである場合には、塩化水素のモル比が以下の関係式(2)を満たすようにハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を同一の導入管から供給することが好ましい。
A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E < Y < A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+F ・・・式(2)
X ジクロロシランのモル比
Y 塩化水素のモル比
A 9.682E−4
B 1.110
C −1.060E+1
D −2.760E−6
E 8.706E−3 (下限)
F 1.861E−2 (上限)
ただし、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E<0になる場合は、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E=0とする。
In order to dope silicon (Si) into a group III nitride crystal at a high concentration, it is necessary to reach the surface of the crystal on which Si is grown as a gaseous silicon-containing substance. However, in a hot wall type apparatus such as HVPE, the entire reactor becomes a high temperature, which is the growth temperature of the group III nitride crystal, and therefore silane (SiH 4 ) used as a doping gas for doping Si as an n-type impurity. , Disilane (Si 2 H 6 ), tetrachlorosilane (SiCl 4 ), trichlorosilane (SiHCl 3 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and monochlorosilane (SiH 3 Cl) are crystalline. Before reaching the growing base substrate, it decomposes under high temperature conditions, and Si is adsorbed and deposited in a reactor such as an introduction tube. Therefore, by supplying the halogen-containing material simultaneously with the silicon-containing material as a doping gas, it becomes possible for the silicon-containing material to stably exist as a gas in the reactor even at high temperatures, and to the surface of the crystal to be grown. It is considered that it reaches as a gas and can be doped with Si at a high concentration in the obtained crystal.
From the study by the present inventors, the phenomenon of Si precipitation can be estimated by chemical equilibrium in a reactor such as an introduction tube. Here, for the preparation of the chemical equilibrium diagram, GTT-Technologies Ltd. And Thermfact Ltd. Used the thermodynamic equilibrium calculation software “FactSage” and the thermodynamic database “Fact”.
Specifically, taking as an example the case of using a substance containing Cl as the halogen element-containing substance, FIG. 1 shows a phase diagram of the chemical equilibrium of three elements of H, Cl, and Si in an atmosphere of 1000 ° C. The horizontal axis represents the molar ratio of Si, and the vertical axis represents the molar ratio of Cl.
FIG. 2 shows a phase diagram of chemical equilibrium in an atmosphere of 1000 ° C., taking as an example the case of using HCl as the halogen element-containing material and chlorosilane-based compound as the silicon-containing material. In FIG. 2, the horizontal axis represents the molar ratio of the chlorosilane-based compound, and the vertical axis represents the molar ratio of HCl.
The curves on the graphs of FIG. 1 and FIG. 2 are the curves showing the boundary where Si is deposited as a solid, the region above the curve is in a gaseous state with Si as a compound, and the region below is It is considered that at least a part of Si is precipitated as a solid. For example, when only dichlorosilane as a silicon-containing substance as a doping gas and H 2 as a carrier gas are supplied from an introduction tube and no halogen element-containing substance is introduced, the molar ratio of Cl as the vertical axis of the graph is It becomes zero, and even if dichlorosilane is introduced into a reactor such as an introduction pipe even a little, it is precipitated as Si in an atmosphere of 1000 ° C., and a sufficient concentration of Si cannot be doped in the obtained group III nitride crystal. . On the other hand, when HCl is simultaneously supplied from the introduction pipe, it is possible to reduce the rate of precipitation as Si from the relationship of chemical equilibrium, and doping of higher concentration Si into the obtained group III nitride crystal Will be able to.
Even when the halogen element contains an element other than Cl, such as Br or F, the chemical equilibrium diagrams similar to those in FIGS. 1 and 2 can be obtained by the above-described method. It can be said that there is an effect.
In the production method of the present invention, the introduction of the halogen-containing material is introduced in accordance with the amount of introduction of the silicon-containing material as the doping gas so as to enter the region above the curve on the graph from the phase diagrams of FIGS. It is preferable to adjust the amount and introduce both substances into the reactor because Si can be efficiently doped into the crystal at a higher concentration without precipitating Si in the reactor such as an introduction tube.
For example, in the supply of the halogen element-containing material and the silicon-containing material, the amount of halogen element in the supplied halogen element-containing material and the amount of silicon in the supplied silicon-containing material satisfy the following relational expression (1): It is preferable to adjust the supply amount.
A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + E1 <Y1 <A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + F1. Formula (1)
X1 Amount of silicon (molar ratio)
Y1 Amount of halogen element (molar ratio)
A1 9.682E-4
B1 8.000E-1
C1-7.400
D1-8.000E-6
E1 1.000E-2 (lower limit)
F1 1.480E-2 (upper limit)
However, if A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1-D1) + E1 <0, then A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1- D1) It is assumed that + E1 = 0.
Specifically, when the halogen element-containing substance is hydrogen chloride and the silicon-containing substance is dichlorosilane, the halogen element-containing substance so that the molar ratio of hydrogen chloride satisfies the following relational expression (2): It is preferable to supply the silicon-containing substance from the same introduction pipe.
A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <Y <A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + F) Formula (2)
X Molar ratio of dichlorosilane Y Molar ratio of hydrogen chloride A 9.682E-4
B 1.110
C -1.060E + 1
D-2.760E-6
E 8.706E-3 (lower limit)
F 1.861E-2 (upper limit)
However, when A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <0, A × ln (B × (X−D)) − (C × (X− D) Let + E = 0.

式(2)において、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)は、図2に示される、塩化水素とジクロロシランの化学平衡線図を表す式である。そこで、Yの下限値(E)と上限値(F)の意味について説明する。上限値を超える値でハロゲン元素含有物質を供給した場合は、ハロゲン元素含有物質の過剰供給により成長速度が著しく減少し、異常成長が発生する場合がある。よって、鏡面成長をさせるためには上限値以下でハロゲン元素含有物質を調整することが好ましい。また、下限値未満でハロゲン元素含有物質を流した場合は、III族窒化物結晶へのSiのドーピング量が著しく減少し、より高いキャリア濃度を有するIII族窒化物結晶を得ることが難しくなる。さらに結晶中のSiのドーピング量が減少すると同時に、導入管などのリアクター内に大量にSiが析出してリアクターが損傷する可能性が高くなる。よって、Siのドーピング効率向上とリアクター劣化の抑制という観点から、下限値以上でハロゲン元素含有物質を調整することが好ましい。
図3にハロゲン元素含有物質としてHCl、珪素含有物質としてクロロシラン系化合物を用いた場合を例として、1000℃雰囲気においての化学平衡の相図及び、Yの上限値と下限値をあらわす曲線を示す。後述の実施例3では、鏡面の成長表面を有しキャリア濃度が6.31×1017/cmであるGaN結晶を得られているが、Si析出割合は導入したジクロロシランの量に対して96.75モル%である。一方、上述のYの下限値は実施例3と同一のジクロロシランの導入量に対して、90.00モル%のSi析出割合の条件として規定した場合の値である。なお、Si析出割合とハロゲン元素含有物質中のハロゲン元素量(Yの値)は熱力学平衡計算ソフトウェア「FactSage」を用いて算出される。
ここで、式(2)におけるEの値は、1.1E−2が好ましく、図3の理論値に近づくことがより好ましい。また、式(2)におけるFの値は、1.4E−2が好ましく、図3の理論値に近づくことがより好ましい。
ハロゲン元素と珪素の関係として図1に示す化学平衡の相図が得られることから、ハロゲン元素含有物質としてHCl以外の物質を用い、珪素含有物質としてジクロロシラン以外の物質を用いた場合でも、上述のYの上限値と下限値については同様に考えることができる。たとえば、図5にハロゲン元素としてClを含むハロゲン元素含有物質を用い、珪素含有物質を用いた場合に、1000℃雰囲気においての、化学平衡の相図及び、Y1の上限値と下限値とをClとSiのモル比であらわす曲線を示す。このように、ハロゲン元素含有物質と珪素含有物質との化学平衡の関係はハロゲン元素とSiの関係として考えることができるため、供給するハロゲン元素含有物質中のハロゲン元素の量と供給する珪素含有物質中の珪素の量が、図5における下限値以上、上限値以下となるように上記関係式(1)を満たす範囲でハロゲン元素含有物質と珪素含有物質とを供給すれば、鏡面成長を保ちつつSiのドーピング量を確保することができ、リアクター内のSiの析出も抑制することができるため好ましい。
ここで、式(1)におけるE1の値は、1.1E−2が好ましく、図5の理論値に近づくことがより好ましい。また、式(1)におけるF1の値は、1.3E−2が好ましく、図5の理論値に近づくことがより好ましい。
In formula (2), A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D)) is a formula representing a chemical equilibrium diagram of hydrogen chloride and dichlorosilane shown in FIG. 2. Therefore, the meaning of the lower limit value (E) and the upper limit value (F) of Y will be described.When the halogen element-containing material is supplied at a value exceeding the upper limit value, the growth rate is remarkably increased due to the excessive supply of the halogen element-containing material. Therefore, it is preferable to adjust the halogen-containing material below the upper limit for mirror growth, and when the halogen-containing material is flowed below the lower limit. Therefore, it is difficult to obtain a group III nitride crystal having a higher carrier concentration because the Si doping amount in the group III nitride crystal is remarkably reduced. The possibility of Si being deposited in a large amount in a reactor such as a tube increases the possibility of damage to the reactor, so the halogen element-containing material should be adjusted at the lower limit or higher from the viewpoint of improving Si doping efficiency and suppressing reactor deterioration. It is preferable.
FIG. 3 shows a phase diagram of chemical equilibrium in an atmosphere of 1000 ° C. and a curve representing the upper limit value and lower limit value of Y in the case of using HCl as the halogen element-containing material and chlorosilane-based compound as the silicon-containing material as an example. In Example 3 to be described later, a GaN crystal having a mirror growth surface and a carrier concentration of 6.31 × 10 17 / cm 3 is obtained, but the Si precipitation rate is based on the amount of introduced dichlorosilane. It is 96.75 mol%. On the other hand, the lower limit value of Y described above is a value in the case where it is defined as the condition of the Si deposition ratio of 90.00 mol% with respect to the same amount of dichlorosilane introduced as in Example 3. Note that the Si precipitation ratio and the halogen element amount (Y value) in the halogen-containing material are calculated using thermodynamic equilibrium calculation software “FactSage”.
Here, the value of E in the formula (2) is preferably 1.1E-2, and more preferably close to the theoretical value of FIG. Moreover, 1.4E-2 is preferable and the value of F in Formula (2) is more preferable to approximate the theoretical value of FIG.
Since the phase diagram of the chemical equilibrium shown in FIG. 1 is obtained as the relationship between the halogen element and silicon, even when a substance other than HCl is used as the halogen element-containing substance and a substance other than dichlorosilane is used as the silicon-containing substance, The upper limit value and the lower limit value of Y can be considered similarly. For example, when a halogen-containing material containing Cl as a halogen element is used in FIG. 5 and a silicon-containing material is used, the phase diagram of chemical equilibrium and the upper limit value and lower limit value of Y1 in a 1000 ° C. atmosphere are expressed as Cl. A curve represented by the molar ratio of Si to Si is shown. Thus, since the chemical equilibrium relationship between the halogen-containing material and the silicon-containing material can be considered as the relationship between the halogen element and Si, the amount of the halogen element in the halogen-containing material to be supplied and the silicon-containing material to be supplied If the halogen element-containing material and the silicon-containing material are supplied in a range satisfying the relational expression (1) so that the amount of silicon in the substrate is not less than the lower limit value and not more than the upper limit value in FIG. This is preferable because the amount of Si doping can be ensured and the precipitation of Si in the reactor can also be suppressed.
Here, the value of E1 in Formula (1) is preferably 1.1E-2, and more preferably close to the theoretical value of FIG. Moreover, 1.3E-2 is preferable and the value of F1 in Formula (1) is more preferable to approach the theoretical value of FIG.

1)準備工程
本発明の製造方法は、気相成長装置の結晶成長炉内に下地基板を準備する工程を有する。
(下地基板の種類)
本発明で用いる下地基板は、III族窒化物結晶を成長することが出来る成長面を有するものであれば、特に種類は限定されないが、得られるIII族窒化物結晶の結晶性が良
好であることから六方晶系の結晶であることが好ましく、成長させるIII族窒化物結晶と格子定数の近い六方晶系の結晶であることがより好ましく、例えばサファイア、酸化亜鉛結晶、窒化物結晶などが挙げられる。中でも窒化物結晶であることが好ましく、より好ましくは成長面に成長させるIII族窒化物結晶と同一種の窒化物結晶を用いる場合である。例えば窒化ガリウムなどが挙げられる。特に、下地基板の成長面にIII族窒化物結晶を含むことが好ましい。
サファイアの格子定数はa軸で4.758Å、c軸で12.983Åである。窒化ガリウムの格子定数はa軸で3.189Å、c軸で5.185Åである。
下地基板の面方位は、III族窒化物結晶を成長することが出来る成長面であれば特に方位は限定されず、例えば{0001}面、{10−10}面、{11−20}面、{11−22}面、{20−21}面などを好ましく用いることができ、中でも(0001)面を用いることがより好ましい。
1) Preparation Step The manufacturing method of the present invention includes a step of preparing a base substrate in a crystal growth furnace of a vapor phase growth apparatus.
(Type of substrate)
The base substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it has a growth surface capable of growing a group III nitride crystal, but the crystallinity of the obtained group III nitride crystal is good. To a hexagonal crystal, more preferably a hexagonal crystal having a lattice constant close to that of the group III nitride crystal to be grown, such as sapphire, zinc oxide crystal, and nitride crystal. . Of these, a nitride crystal is preferable, and a nitride crystal of the same type as the group III nitride crystal grown on the growth surface is more preferable. An example is gallium nitride. In particular, it is preferable that a growth surface of the base substrate contains a group III nitride crystal.
The lattice constant of sapphire is 4.758Å on the a axis and 12.983Å on the c axis. The lattice constant of gallium nitride is 3.189Å on the a-axis and 5.185Å on the c-axis.
The plane orientation of the base substrate is not particularly limited as long as it is a growth plane capable of growing a group III nitride crystal. For example, the {0001} plane, {10-10} plane, {11-20} plane, The {11-22} plane, the {20-21} plane, and the like can be preferably used, and the (0001) plane is more preferably used.

この明細書において、「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における(0001)面である。III族窒化物結晶では、「C面」は、III族面であり、窒化ガリウムでは、Ga面に相当する。また、この明細書において「C面」は、±0.01°以内の精度で計測されるC軸から25°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のことを指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。   In this specification, the “C plane” is a (0001) plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure). In the group III nitride crystal, the “C plane” is a group III plane, and in gallium nitride, it corresponds to the Ga plane. Further, in this specification, the “C plane” refers to a growth surface of a base substrate having a growth surface in a range inclined by 25 ° from the C axis measured with an accuracy within ± 0.01 °. More preferably, it is a growth surface in a range inclined by 10 °, and further preferably a growth surface in a range inclined by 5 °.

この明細書において、{10−10}面とは「M面」のことであり、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{1−100}面と等価な面であり、これは、非極性面であり、通常は劈開面である。{1−100}面と等価な面は、(1−100)面、(−1100)面、(01−10)面、(0−110)面、(10−10)面、(−1010)面である。また、この明細書において「M面」は、±0.01°以内の精度で計測されるM軸からA軸方向へ15°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。さらに、「M面」は±0.01°以内の精度で計測されるM軸からC軸方向へ25°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。   In this specification, the {10-10} plane is the “M plane” and is a plane equivalent to the {1-100} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure). A polar surface, usually a cleaved surface. The plane equivalent to {1-100} plane is (1-100) plane, (−1100) plane, (01-10) plane, (0-110) plane, (10-10) plane, (−1010) Surface. Further, in this specification, the “M plane” is a growth plane of a base substrate having a growth plane within a range inclined by 15 ° from the M axis to the A axis direction measured with an accuracy within ± 0.01 °. More preferably, it is a growth surface in a range inclined by 10 °, and more preferably a growth surface in a range inclined by 5 °. Further, the “M plane” means a growth plane of the base substrate having a growth plane within a range inclined by 25 ° from the M axis to the C axis direction measured with an accuracy within ± 0.01 °, more preferably. Is a growth surface within a range inclined by 10 °, more preferably a growth surface within a range inclined by 5 °.

この明細書において、{11−20}面とは「A面」のことであり、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{11−20}面と等価な面であり、これは、非極性面である。{11−20}面と等価な面は、(11−20)面、(−1−120)面、(1−210)面、(−12−10)面、(−2110)面、(2−1−10)面である。また、この明細書において「A面」は、±0.01°以内の精度で計測されるA軸からM軸方向へ15°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のことを指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。さらに、「A面」は±0.01°以内の精度で計測されるA軸からC軸方向へ25°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。   In this specification, the {11-20} plane is the “A plane” and is a plane equivalent to the {11-20} plane in the hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure). It is a polar surface. The planes equivalent to the {11-20} plane are (11-20) plane, (-1-120) plane, (1-210) plane, (-12-10) plane, (-2110) plane, (2 -1-10) plane. Further, in this specification, the “A surface” is a growth surface of the base substrate having a growth surface in a range inclined by 15 ° from the A axis to the M axis direction measured with an accuracy within ± 0.01 °. More preferably, it is a growth surface in a range inclined by 10 °, and more preferably a growth surface in a range inclined by 5 °. Further, “A-plane” refers to a growth plane of the base substrate having a growth plane within a range inclined by 25 ° from the A-axis to the C-axis direction measured with an accuracy within ± 0.01 °, more preferably. Is a growth surface within a range inclined by 10 °, more preferably a growth surface within a range inclined by 5 °.

この明細書において、{11−22}面とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{11−22}面と等価な面であり、これは、半極性面である。{11−22}面と等価な面は、(11−22)面、(−1−122)面、(1−212)面、(−12−12)面、(−2112)面、(2−1−12)面である。また、この明細書において{11−22}面は、±0.01°以内の精度で計測される<11−22>軸からM軸方向へ15°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましく
は10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。さらに、{11−22}面は±0.01°以内の精度で計測される<11−22>軸からC軸方向へ25°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。
この明細書において、{20−21}面とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{20−21}面と等価な面であり、これは、半極性面である。{20−21}面と等価な面は、(20−21)面、(2−201)面、(02−21)面、(0−221)面、(−2201)面、(−2021)面である。また、この明細書において{20−21}面は、±0.01°以内の精度で計測される<20−21>軸からA軸方向へ15°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。さらに、{20−21}面は±0.01°以内の精度で計測される<20−21>軸からC軸方向へ25°傾斜した方向の範囲内に成長面がある下地基板の成長面のこと指し、より好ましくは10°傾斜した方向の範囲内の成長面であり、さらに好ましくは5°傾斜した方向の範囲内の成長面である。
In this specification, the {11-22} plane is a plane equivalent to the {11-22} plane in the hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure), which is a semipolar plane. The plane equivalent to the {11-22} plane is (11-22) plane, (-1-122) plane, (1-212) plane, (-12-12) plane, (-2112) plane, (2 -1-12) plane. Further, in this specification, the {11-22} plane has a growth plane within a range of a direction inclined by 15 ° from the <11-22> axis to the M-axis direction, which is measured with an accuracy within ± 0.01 °. It refers to the growth surface of the base substrate, more preferably a growth surface within a range inclined by 10 °, and still more preferably a growth surface within a range inclined by 5 °. Further, the {11-22} plane is measured with an accuracy within ± 0.01 °, and the growth surface of the base substrate has a growth surface in a range inclined by 25 ° from the <11-22> axis to the C-axis direction. More preferably, it is a growth surface in a range inclined by 10 °, and more preferably a growth surface in a range inclined by 5 °.
In this specification, the {20-21} plane is a plane equivalent to the {20-21} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure), which is a semipolar plane. The plane equivalent to the {20-21} plane is the (20-21) plane, (2-201) plane, (02-21) plane, (0-221) plane, (−2201) plane, (−2021). Surface. Further, in this specification, the {20-21} plane has a growth plane within a range of a direction inclined by 15 ° from the <20-21> axis to the A-axis direction measured with an accuracy within ± 0.01 °. It refers to the growth surface of the base substrate, more preferably a growth surface within a range inclined by 10 °, and still more preferably a growth surface within a range inclined by 5 °. Further, the {20-21} plane is measured with an accuracy within ± 0.01 °, and the growth surface of the base substrate has a growth surface in a range inclined by 25 ° from the <20-21> axis to the C-axis direction. More preferably, it is a growth surface in a range inclined by 10 °, and more preferably a growth surface in a range inclined by 5 °.

(下地基板の製造方法)
本発明で用いられる下地基板の製造方法は特に限定されず、一般的に知られる方法で製造することが出来る。
例えば下地基板の結晶成長方法としては、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法、MOCVD(Meral−organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等を挙げることができる。
(Base substrate manufacturing method)
The manufacturing method of the base substrate used in the present invention is not particularly limited, and can be manufactured by a generally known method.
For example, as a crystal growth method of the base substrate, HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, MOCVD (Meral-Organic Chemical Vapor Deposition) method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method and the like can be exemplified.

(下地基板の設置)
気相成長装置の結晶成長炉(リアクター)内に下地基板を準備する方法としては、特に限定されず、例えば図4に示すようなHVPE装置を用いた場合には、基板ホルダー107に載置することができる。具体的には、後述の成長工程の説明にて詳述する。
(Installation of base substrate)
The method for preparing the base substrate in the crystal growth furnace (reactor) of the vapor phase growth apparatus is not particularly limited. For example, when an HVPE apparatus as shown in FIG. 4 is used, it is placed on the substrate holder 107. be able to. Specifically, it will be described in detail in the description of the growth process described later.

2)成長工程
本発明の製造方法は、III族元素のハロゲン化物と窒素元素を含む化合物(以下、これらをまとめてIII族窒化物結晶形成用ガスと称することがある)を反応させて該下地基板上にIII族窒化物結晶を成長させる成長工程を有する。該成長工程では、結晶成長炉にさらにハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を同一の導入管から供給することで珪素が高濃度でドーピングされたIII族窒化物結晶が得られる。
気相成長装置の結晶成長炉(リアクター)内にハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を供給する際に、同一の導入管から供給しない場合には、リアクター内が成長温度となる高温条件になっているために珪素含有物質を供給する導入管の途中で分解が起こり、Siが吸着されて析出してしまう。よって、リアクター内のうち特に導入管周辺にSiが多量に析出することになり、好ましくない。
リアクター内にハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を供給する際に、導入管内の流速を上げ、均一に珪素含有物質を下地基板へ導入できることから、これらに加えて、さらにキャリアガスを同一の導入管から供給することが好ましい。
2) Growth process The production method of the present invention comprises reacting a compound containing a halide of a group III element and a nitrogen element (hereinafter, these may be collectively referred to as a group III nitride crystal forming gas) to form the base. A growth step of growing a group III nitride crystal on the substrate; In the growth step, a group III nitride crystal doped with a high concentration of silicon is obtained by supplying a halogen-containing material and a silicon-containing material from the same introduction tube to the crystal growth furnace.
When supplying the halogen element-containing material and the silicon-containing material into the crystal growth furnace (reactor) of the vapor phase growth apparatus, if not supplied from the same introduction pipe, the temperature inside the reactor becomes a high temperature condition that becomes the growth temperature. Therefore, decomposition occurs in the middle of the introduction pipe for supplying the silicon-containing substance, and Si is adsorbed and deposited. Therefore, a large amount of Si is precipitated in the reactor, particularly around the introduction pipe, which is not preferable.
When supplying the halogen-containing material and silicon-containing material into the reactor, the flow rate in the introduction tube can be increased and the silicon-containing material can be uniformly introduced into the base substrate. It is preferable to supply from.

また、リアクター内にIII族窒化物結晶形成用ガスを各々の導入管から供給する際には、下地基板に到達する前に珪素化合物が生成されることなく、珪素含有物質が下地基板に到達しやすくなることから、III族窒化物結晶形成用ガスを供給する導入管とは異なる導入管からハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を供給することが好ましい。
(III族窒化物結晶)
結晶成長させるIII族窒化物結晶の種類は特に制限されない。例えばGaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AlInGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaNであり、より好ましいのはGaNである。
本発明のIII族窒化物結晶は、デバイス特性における導電性を確保する理由からキャリア濃度が5E+17/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは8E+17/
cm3以上、さらに好ましくは1E+18/cm3以上である。また、移動度の低下、吸光度の上昇、不純物による欠陥の増加などの理由からキャリア濃度は4E+18/cm3
下であることが好ましく、より好ましくは3E+18/cm3以下、さらに好ましくは1
.4E+18/cm3以下である。特に、本発明の製造方法によれば、Siのドーピング
濃度は5E+17/cm3以上とすることが可能であり、好ましくは8E+17/cm3以上、さらに好ましくは1E+18/cm3以上である。また、本発明の製造方法において
鏡面成長を維持する点から、Siのドーピング濃度は4E+18/cm3以下であること
が好ましく、より好ましくは3E+18/cm3以下、さらに好ましくは1.4E+18
/cm3以下である。
In addition, when the group III nitride crystal forming gas is supplied into the reactor from each introduction pipe, the silicon-containing material reaches the base substrate without generating a silicon compound before reaching the base substrate. In view of this, it is preferable to supply the halogen-containing material and the silicon-containing material from an introduction pipe different from the introduction pipe that supplies the group III nitride crystal forming gas.
(Group III nitride crystal)
The type of group III nitride crystal for crystal growth is not particularly limited. For example, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, etc. can be mentioned. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, and more preferred is GaN.
The group III nitride crystal of the present invention preferably has a carrier concentration of 5E + 17 / cm 3 or more, more preferably 8E + 17 / cm, for the purpose of ensuring conductivity in device characteristics.
cm 3 or more, more preferably 1E + 18 / cm 3 or more. The carrier concentration is preferably 4E + 18 / cm 3 or less, more preferably 3E + 18 / cm 3 or less, and even more preferably 1 for reasons such as a decrease in mobility, an increase in absorbance, and an increase in defects due to impurities.
. 4E + 18 / cm 3 or less. In particular, according to the manufacturing method of the present invention, the Si doping concentration can be 5E + 17 / cm 3 or more, preferably 8E + 17 / cm 3 or more, and more preferably 1E + 18 / cm 3 or more. In addition, the Si doping concentration is preferably 4E + 18 / cm 3 or less, more preferably 3E + 18 / cm 3 or less, and even more preferably 1.4E + 18 from the viewpoint of maintaining mirror growth in the production method of the present invention.
/ Cm 3 or less.

(ハロゲン元素含有物質)
本発明で用いることができるハロゲン元素含有物質としては特に限定されず、例えばHCl、HBr、HFなどのハロゲン化水素;Cl、Br、Fなどのハロゲンガス;ハロゲン元素を放出するガスなどが挙げられる。なかでも、珪素含有物質を気体として安定させやすいことからHCl、HBr、HFなどのハロゲン化水素が好ましく、より好ましくはHClである。また、別の視点では、ドーピングガスとして用いる珪素含有物質がハロゲン元素を含む場合には、該ハロゲン元素と同一のハロゲン元素を含むものであることが好ましい。
(Halogen element-containing substances)
The halogen element-containing substance that can be used in the present invention is not particularly limited. For example, hydrogen halides such as HCl, HBr, and HF; halogen gases such as Cl 2 , Br 2 , and F 2 ; gases that release halogen elements, and the like Is mentioned. Of these, hydrogen halides such as HCl, HBr, and HF are preferable, and HCl is more preferable because the silicon-containing material is easily stabilized as a gas. From another viewpoint, when the silicon-containing substance used as the doping gas contains a halogen element, it is preferable that the silicon-containing substance contains the same halogen element as the halogen element.

(珪素含有物質)
本発明で用いることができる珪素含有物質としては珪素を含んでいる物質であれば特に限定されず、リアクター内でn型不純物として機能するSiのドーピングガスとなるものであればよい。たとえば、Si固体;モノシラン;SiHCl、SiHCl、SiHCl、SiClなどのクロロシラン系化合物;SiHBr、SiHBr2、SiHBr、SiBrなどのブロモシラン系化合物;SiHF、SiH、SiHF、SiFなどのフルオロシラン系化合物;SiHI、SiH、SiHI、SiIなどのヨウ化シラン系化合物等のハロシラン化合物が挙げられる。中でも、ドーピングガスとしての安定性からSiHCl、SiHCl、SiHCl、SiClなどのクロロシラン系化合物が好ましく、より好ましくはジクロロシラン(SiHCl)である。
(Silicon-containing substance)
The silicon-containing substance that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it contains silicon, and any substance may be used as long as it becomes a Si doping gas that functions as an n-type impurity in the reactor. For example, Si solid; monosilane; chlorosilane compounds such as SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 ; bromosilane compounds such as SiH 3 Br, SiH 2 Br 2 , SiHBr 3 , SiBr 4 ; SiH 3 F, Fluorosilane compounds such as SiH 2 F 2 , SiHF 3 , and SiF 4 ; and halosilane compounds such as iodide silane compounds such as SiH 3 I, SiH 2 I 2 , SiHI 3 , and SiI 4 are included. Of these, chlorosilane compounds such as SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , and SiCl 4 are preferable, and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is more preferable because of its stability as a doping gas.

(III族窒化物結晶の成長工程)
本発明のIII族窒化物結晶の製造方法において用いることができる結晶成長方法としては、Hydride Vapor Phase Epitaxy(HVPE)法、Meral−organic Chemical Vapor Deposition(MOCVD)法、Molecular Beam Epitaxy(MBE)法、昇華法等の気相法を挙げることができる。高純度結晶が得られるという理由から、好ましいのはHVPE法、MOCVD法であり、最も好ましいのはHVPE法である。次に、本発明のIII族窒化物結晶の製造方法を用いてIII族窒化物結晶を成長させる工程について説明する。
(Group III nitride crystal growth process)
As a crystal growth method that can be used in the method for producing a group III nitride crystal of the present invention, there are a Hydrogen Vapor Phase Epitaxy (HVPE) method, a M-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method, a Molecular Beam Epix method, A gas phase method such as a sublimation method can be given. The HVPE method and the MOCVD method are preferable because the high-purity crystal can be obtained, and the HVPE method is most preferable. Next, the process of growing a group III nitride crystal using the method for producing a group III nitride crystal of the present invention will be described.

結晶成長に用いる装置の詳細は特に制限されない。例えば、図4に示すようなHVPE装置を用いることができる。図4のHVPE装置は、リアクター100内に、下地基板109を載置するための基板ホルダー(サセプター)107と、成長させるIII族窒化物結晶の原料を入れるリザーバー105とを備えている。また、リアクター100内にガス
を導入するための導入管101〜104と、排気するための排気管108が設置されている。さらに、リアクター100を側面から加熱するためのヒーター106が設置されている。
リアクター100の材質としては、石英、多結晶ボロンナイトライド(BN)ステンレス等が用いられる。好ましい材質は石英であり、なかでも得られる結晶のキャリア濃度が安定することから合成石英がより好ましい。リアクター100内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガスとしては、例えばHガス、Nガス、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
Details of the apparatus used for crystal growth are not particularly limited. For example, an HVPE apparatus as shown in FIG. 4 can be used. The HVPE apparatus shown in FIG. 4 includes a substrate holder (susceptor) 107 on which a base substrate 109 is placed and a reservoir 105 into which a group III nitride crystal material to be grown is placed. In addition, introduction pipes 101 to 104 for introducing gas into the reactor 100 and an exhaust pipe 108 for exhausting are installed. Further, a heater 106 for heating the reactor 100 from the side surface is installed.
As a material of the reactor 100, quartz, polycrystalline boron nitride (BN) stainless steel or the like is used. A preferred material is quartz, and synthetic quartz is more preferred because the carrier concentration of the crystal obtained is stable. The reactor 100 is filled with atmospheric gas in advance before starting the reaction. Examples of the atmospheric gas include H 2 gas, N 2 gas, inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used.

基板ホルダー107の材質としてはカーボンが好ましく、SiCで表面をコーティングしているものがより好ましい。基板ホルダー107の形状は、本発明の下地基板109を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に成長している結晶の上流側に構造物が存在しないものであることが好ましい。上流側に結晶が成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてHClガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。基板ホルダー107の下地基板載置面の大きさは、載置する下地基板よりも小さいことが好ましい。すなわち、ガス上流側から見たときに、下地基板の大きさで基板ホルダー107が隠れるくらいの大きさであることがさらに好ましい。   Carbon is preferable as the material of the substrate holder 107, and a material whose surface is coated with SiC is more preferable. The shape of the substrate holder 107 is not particularly limited as long as the substrate substrate 109 of the present invention can be installed, but there is no structure upstream of the growing crystal when the crystal is grown. It is preferable. If there is a structure in which a crystal may grow on the upstream side, a polycrystal adheres to the structure, and HCl gas is generated as a product, which adversely affects the crystal to be grown. The size of the base substrate placement surface of the substrate holder 107 is preferably smaller than the base substrate to be placed. That is, it is more preferable that the substrate holder 107 is sized to be hidden by the size of the base substrate when viewed from the gas upstream side.

下地基板を基板ホルダー107に載置するとき、下地基板の成長面はガス流れの上流側(図4ではリアクターの上方)を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガスが下地基板の結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが下地基板の結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。このように下地基板を載置することによって、より均一で結晶性に優れたIII族窒化物結晶を得ることができる。   When placing the base substrate on the substrate holder 107, it is preferable to place the base substrate so that the growth surface of the base substrate faces the upstream side of the gas flow (above the reactor in FIG. 4). That is, the gas is preferably placed so as to flow toward the crystal growth surface of the base substrate, and more preferably, the gas flows from a direction perpendicular to the crystal growth surface of the base substrate. By placing the base substrate in this way, a group III nitride crystal having more uniform and excellent crystallinity can be obtained.

リザーバー105には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ga、Al、Inなどを挙げることができる。
リザーバー105にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー105に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー105にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管103からHClガスなどのハロゲン化水素を供給することができる。ここで、リザーバー105のIII族源となる原料と導入管103から供給されたガスが反応し、III族原料ガスG3としてIII族元素のハロゲン化物がリアクター内に供給される。このとき、HClガスなどのハロゲン化水素とともに、導入管103からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えばHガス、Nガス、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。キャリアガスは雰囲気ガスと同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
The reservoir 105 is charged with a raw material to be a group III source. Examples of such a group III source material include Ga, Al, and In.
A gas that reacts with the raw material put in the reservoir 105 is supplied from an introduction pipe 103 for introducing the gas into the reservoir 105. For example, when a raw material that is a group III source is put in the reservoir 105, hydrogen halide such as HCl gas can be supplied from the introduction pipe 103. Here, the raw material serving as the group III source of the reservoir 105 reacts with the gas supplied from the introduction pipe 103, and a group III element halide is supplied into the reactor as the group III source gas G3. At this time, the carrier gas may be supplied from the introduction pipe 103 together with hydrogen halide such as HCl gas. Examples of the carrier gas include H 2 gas, N 2 gas, inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used. The carrier gas may be the same as or different from the atmospheric gas, but is preferably the same.

導入管104からは、V族原料ガスG4として窒素元素を含む化合物を供給する。通常はNHガスを供給する。また、導入管102からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管103から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。導入管102から供給するキャリアガスと導入管103から供給するキャリアガスは同じものであることが好ましい。また、導入管101からは、ドーパントガスである珪素含有物質とハロゲン元素含有物質を同時に供給する。例えば、SiHやSiHCl等のn型のドーパントガスを供給することができる。また、導入管101からも、キャリアガスを供給することができる。キャリアガスとしては、導入管102、103から供給するキャリアガスと同じものを例示することができ、これらと同じものであることが好ましい。 From the introduction pipe 104, a compound containing a nitrogen element is supplied as the group V source gas G4. Usually, NH 3 gas is supplied. A carrier gas is supplied from the introduction pipe 102. As the carrier gas, the same carrier gas supplied from the introduction pipe 103 can be exemplified. The carrier gas supplied from the introduction pipe 102 and the carrier gas supplied from the introduction pipe 103 are preferably the same. Further, from the introduction pipe 101, a silicon-containing material and a halogen element-containing material, which are dopant gases, are supplied simultaneously. For example, an n-type dopant gas such as SiH 4 or SiH 2 Cl 2 can be supplied. The carrier gas can also be supplied from the introduction pipe 101. As the carrier gas, the same carrier gas supplied from the introduction pipes 102 and 103 can be exemplified, and these are preferably the same.

導入管101、102、104から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、窒素源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター100の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。   The gases supplied from the introduction pipes 101, 102, and 104 may be exchanged with each other and supplied from different introduction pipes. In addition, the source gas and the carrier gas serving as a nitrogen source may be mixed and supplied from the same introduction pipe. Further, a carrier gas may be mixed from another introduction pipe. These supply modes can be appropriately determined according to the size and shape of the reactor 100, the reactivity of the raw materials, the target crystal growth rate, and the like.

前述の通り、ドーピングガスG1とV族原料ガスG4、III族原料ガスG3はそれぞれ別々の導入管から供給されることが好ましい。
ガス排出管108は、ガス導入のための導入管101〜104とは反対側のリアクター内壁から排出することができるように設置するのが一般的である。図4では、ガス導入のための導入管101〜104が設置されているリアクター上面とは反対に位置するリアクター底面にガス排出管108が設置されている。ガス導入のための導入管がリアクター右側面に設置されている場合は、ガス排出管はリアクター左側面に設置されていることが好ましい。このような態様を採用することによって、一定方向に向けて安定にガスの流れを形成することができる。
As described above, the doping gas G1, the group V source gas G4, and the group III source gas G3 are preferably supplied from separate introduction pipes.
The gas discharge pipe 108 is generally installed so that it can be discharged from the reactor inner wall on the opposite side to the introduction pipes 101 to 104 for gas introduction. In FIG. 4, a gas discharge pipe 108 is installed on the bottom surface of the reactor located opposite to the top surface of the reactor where the introduction pipes 101 to 104 for gas introduction are installed. When the introduction pipe for introducing gas is installed on the right side of the reactor, the gas discharge pipe is preferably installed on the left side of the reactor. By adopting such an aspect, a gas flow can be stably formed in a certain direction.

HVPE法による結晶成長は、通常は800℃〜1200℃で行い、900℃〜1100℃で行うことが好ましく、925℃〜1070℃で行うことがより好ましく、950℃から1050℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa〜200kPaであるのが好ましく、30kPa〜150kPaであるのがより好ましく、50kPa〜120kPaであるのがさらに好ましい。   Crystal growth by the HVPE method is usually performed at 800 ° C. to 1200 ° C., preferably 900 ° C. to 1100 ° C., more preferably 925 ° C. to 1070 ° C., and more preferably 950 ° C. to 1050 ° C. preferable. The pressure in the reactor is preferably 10 kPa to 200 kPa, more preferably 30 kPa to 150 kPa, and even more preferably 50 kPa to 120 kPa.

結晶成長を行った後に得られるIII族窒化物結晶は、結晶面の境界に多結晶体を有することがある。ここでいう多結晶体とは、例えば六方晶系の結晶格子を形成することができず、しかるべき位置に原子がいない状態の結晶を意味する。すなわち結晶方位が無秩序な微小な結晶の集合体をいい、非常に小さな単結晶粒の集まりを意味する。このような多結晶体を有する場合は、多結晶体を除去する工程を行った後に、さらに多結晶体を除去した結晶の表面にIII族窒化物結晶を成長する工程を行う。そのようにして得られたIII族窒化物結晶が、なお結晶面の境界に多結晶体を有するときは、再び多結晶体を除去する工程を行い、さらに表面にIII族窒化物結晶を成長する工程を行う。このような操作を繰り返すことによって、多結晶体を有さないIII族窒化物結晶を得ることができる。   The group III nitride crystal obtained after crystal growth may have a polycrystal at the boundary of the crystal plane. The polycrystal here means, for example, a crystal in which a hexagonal crystal lattice cannot be formed and there is no atom at an appropriate position. That is, it refers to a collection of minute crystals with disordered crystal orientation, meaning a collection of very small single crystal grains. In the case of having such a polycrystal, after performing the step of removing the polycrystal, a step of growing a group III nitride crystal on the surface of the crystal from which the polycrystal has been removed is further performed. When the group III nitride crystal thus obtained still has a polycrystal at the boundary of the crystal plane, the step of removing the polycrystal is performed again, and a group III nitride crystal is further grown on the surface. Perform the process. By repeating such an operation, a group III nitride crystal having no polycrystal can be obtained.

本発明の製造方法によって得られるIII族窒化物結晶の結晶系は、六方晶系であることが好ましい。また、得られるIII族窒化物結晶は、単結晶であることが好ましい。下地基板の上に成長させるIII族窒化物結晶の厚さは1mm〜10cmが好ましい。結晶成長後に研削、研磨、レーザー照射等を行う場合は、ある程度の大きさの結晶が必要になるため、下地基板の上に成長させるIII族窒化物結晶の厚さは5mm〜10cmが好ましく、1cm〜10cmがより好ましい。   The crystal system of the group III nitride crystal obtained by the production method of the present invention is preferably a hexagonal system. Further, the obtained group III nitride crystal is preferably a single crystal. The thickness of the group III nitride crystal grown on the base substrate is preferably 1 mm to 10 cm. When grinding, polishing, laser irradiation, etc. are performed after crystal growth, a crystal of a certain size is required. Therefore, the thickness of the group III nitride crystal grown on the base substrate is preferably 5 mm to 10 cm, and preferably 1 cm. 10 cm is more preferable.

本発明の製造方法によって得られたIII族窒化物結晶は、そのまま用いてもよいし、研削やスライス加工などの処理を行ってから用いてもよい。ここでスライス加工とは、(1)成長した結晶を下地基板として使用できるように表面の品質を均一にする加工や、(2)成長初期部分には内在する転位から発生するストレスがあることを考慮してその部分を切り捨てるために行う加工をいう。スライス加工は、具体的には内周刃スライサー、ワイヤーソースライサー等を用いて行うことができる。本発明では、スライス加工を行うことによって、形状がほぼ同じで、転位密度がより低く、かつ、表面欠陥が少ない結晶を製造することが好ましい。   The group III nitride crystal obtained by the production method of the present invention may be used as it is, or may be used after processing such as grinding or slicing. Here, slicing means (1) processing to make the quality of the surface uniform so that the grown crystal can be used as a base substrate, and (2) that there is stress generated from dislocations in the initial stage of growth. This refers to the processing that is performed in order to cut off the portion in consideration. Specifically, the slicing can be performed using an inner peripheral slicer, a wire source slicer, or the like. In the present invention, it is preferable to produce a crystal having substantially the same shape, lower dislocation density, and fewer surface defects by slicing.

上記のような研削やスライス加工、および一般的な研磨や洗浄などの工程を行って、本
発明のIII族窒化物結晶からなるIII族窒化物結晶基板とすることもできる。
本発明の製造方法によれば、表面粗さが1nm以下であるC面やM面を備えているIII族窒化物結晶を得ることができる。特に、結晶成長後に研磨を行わなくても、表面粗さが1nm以下であるC面やM面をもつことを備えているIII族窒化物結晶を製造することができる点で優れている。なお、本発明における表面粗さ(Rms)は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて10μm角の表面粗さを測定したデータから自乗平均平方根で計算することにより求められる。また、C面やM面とは、前述の下地基板についての説明と同様の意味で用いられる。
The group III nitride crystal substrate made of the group III nitride crystal of the present invention can also be obtained by performing processes such as grinding and slicing as described above, and general polishing and cleaning.
According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal having a C-plane or M-plane with a surface roughness of 1 nm or less can be obtained. In particular, a group III nitride crystal having a C-plane or M-plane with a surface roughness of 1 nm or less can be produced without polishing after crystal growth. In addition, the surface roughness (Rms) in this invention is calculated | required by calculating with a root mean square from the data which measured the surface roughness of 10 micrometers square using atomic force microscope (AFM). Further, the C plane and the M plane are used in the same meaning as described above for the base substrate.

本発明の製造方法により製造したIII族窒化物結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。また、本発明の製造方法により製造したIII族窒化物結晶を下地基板として用いて、さらに大きなIII族窒化物結晶を得ることも可能である。   The group III nitride crystal produced by the production method of the present invention can be used for various applications. In particular, it is useful as a substrate for semiconductor devices such as light emitting diodes of ultraviolet, blue or green, etc., light emitting elements having relatively short wavelengths such as semiconductor lasers, and electronic devices. It is also possible to obtain a larger group III nitride crystal by using the group III nitride crystal manufactured by the manufacturing method of the present invention as a base substrate.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、以下の実施例および比較例では、図4に示すHVPE装置を用いて結晶成長を行った。
<評価方法>
(1)キャリア濃度
本発明により得られたGaN結晶中のキャリア濃度は、van der Pauw法によるホール測定を行い、決定した。試料として5mm×5mmの正方形のGaN結晶からなる基板を用意し、正方形の頂点に近い試料表面上に電極をインジウム含有はんだで形成して、測定を行った。
The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
In the following examples and comparative examples, crystal growth was performed using the HVPE apparatus shown in FIG.
<Evaluation method>
(1) Carrier concentration The carrier concentration in the GaN crystal obtained by the present invention was determined by performing hole measurement by the van der Pauw method. A substrate made of a 5 mm × 5 mm square GaN crystal was prepared as a sample, and an electrode was formed on the sample surface near the apex of the square with indium-containing solder, and measurement was performed.

<実施例1>
下地基板として、サファイア基板上にMOCVDでGaNを15μm程度成長したテンプレート基板を準備した。
前記下地基板を、直径70mm、厚さ20mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー107上に置き、HVPE装置のリアクター100内に図4に示すように配置した。
<Example 1>
As a base substrate, a template substrate in which GaN was grown to about 15 μm by MOCVD on a sapphire substrate was prepared.
The base substrate was placed on a SiC-coated carbon substrate holder 107 having a diameter of 70 mm and a thickness of 20 mm, and placed in the reactor 100 of the HVPE apparatus as shown in FIG.

リアクター内を1040℃まで昇温した後、HキャリアガスG1と、NキャリアガスG2と、GaとHClの反応生成物であるGaClガスG3と、NHガスG4とを、導入管101〜104からそれぞれ供給した。ここで、リザーバー105中のGaへ導入管103からHClを供給して、リアクター内にGaClガスG3を供給した。また、成長させる結晶中に珪素をドーピングするために導入管101のH2キャリアガスG1にジクロロシラン(SiHCl)と塩化水素(HCl)を同時に供給して、テンプレート基板109上にGaN層を23時間成長させた。このGaN層成長工程において、成長圧力を1.01×10Paとし、GaClガスG3の分圧を7.36×10Paとし、NHガスG4の分圧を7.03×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)の分圧を6.74×10−1Paとし、塩化水素(HCl)の分圧を4.49×10Paとした。
GaN層成長工程終了後、リアクター内を室温まで降温し、III族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、Si析出はほとんど見られなかった。
得られたGaN結晶は、成長面表面状態は鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さ
が3.1mmであった。また、ホール測定にてキャリア濃度を測定したところ、1.07×1018/cmであった。
After raising the temperature in the reactor to 1040 ° C., H 2 carrier gas G 1, N 2 carrier gas G 2, GaCl gas G 3 which is a reaction product of Ga and HCl, and NH 3 gas G 4 are introduced into the introduction pipes 101- 104 respectively. Here, HCl was supplied from the introduction tube 103 to Ga in the reservoir 105, and GaCl gas G3 was supplied into the reactor. Further, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and hydrogen chloride (HCl) are simultaneously supplied to the H 2 carrier gas G 1 of the introduction tube 101 in order to dope silicon into the crystal to be grown, and a GaN layer is formed on the template substrate 109. Grow for 23 hours. In this GaN layer growth step, the growth pressure is 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of the GaCl gas G3 is 7.36 × 10 2 Pa, and the partial pressure of the NH 3 gas G4 is 7.03 × 10 3 Pa. The partial pressure of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) was 6.74 × 10 −1 Pa, and the partial pressure of hydrogen chloride (HCl) was 4.49 × 10 1 Pa.
After completion of the GaN layer growth step, the temperature in the reactor was lowered to room temperature to obtain a GaN crystal that was a group III nitride crystal. Almost no Si deposition was observed in the reactor.
The obtained GaN crystal had a growth surface with a mirror surface, and the thickness measured by a stylus type film thickness meter was 3.1 mm. Moreover, it was 1.07 * 10 < 18 > / cm < 3 > when carrier concentration was measured by the hole measurement.

<実施例2>
実施例1のGaN層成長工程において、NHガスG4の分圧を7.02×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)の分圧を6.73×10−1Paとし、塩化水素(HCl)の分圧を6.73×10Paとした以外は、実施例1と同様にしてIII族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、全くSi析出は見られなかった。得られたGaN結晶は、成長面表面状態は鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さが3.0mmであった。また、ホール測定にてキャリア濃度を測定したところ、1.03×1018/cmであった。
<Example 2>
In the GaN layer growth process of Example 1, the partial pressure of NH 3 gas G4 is set to 7.02 × 10 3 Pa, the partial pressure of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is set to 6.73 × 10 −1 Pa, and chlorination is performed. A GaN crystal that is a group III nitride crystal was obtained in the same manner as in Example 1 except that the partial pressure of hydrogen (HCl) was set to 6.73 × 10 1 Pa. No Si deposition was observed in the reactor. The obtained GaN crystal had a growth surface with a mirror surface, and the thickness measured with a stylus type film thickness meter was 3.0 mm. Further, the carrier concentration was measured by hole measurement and found to be 1.03 × 10 18 / cm 3 .

<実施例3>
実施例1のGaN層の成長時間を24時間とし、GaN層成長工程においてGaClガスG3の分圧を7.37×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)の分圧を1.35×10Paとし、塩化水素(HCl)の分圧を6.74×10Paとした以外は、実施例1と同様にしてIII族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、多量のSi析出が見られた。熱力学平衡計算ソフトウェア「FactSage」、及び、熱力学データベース「Fact」を使用して化学平衡のシミュレーションを行った結果、導入したジクロロシランの量に対して96.75モル%のSiが析出していると考えられる。
得られたGaN結晶は、成長面表面状態は鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さが3.0mmであった。また、ホール測定にてキャリア濃度を測定したところ、6.31×1017/cmであった。
<Example 3>
The growth time of the GaN layer of Example 1 was 24 hours, the partial pressure of GaCl gas G3 was 7.37 × 10 2 Pa in the GaN layer growth step, and the partial pressure of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) was 1.35. × and 10 0 Pa, except that the partial pressure of hydrogen chloride (HCl) was 6.74 × 10 0 Pa, to obtain a GaN crystal a group III nitride crystal in the same manner as in example 1. A large amount of Si deposition was observed in the reactor. As a result of simulation of chemical equilibrium using the thermodynamic equilibrium calculation software “FactSage” and the thermodynamic database “Fact”, 96.75 mol% of Si was precipitated with respect to the amount of introduced dichlorosilane. It is thought that there is.
The obtained GaN crystal had a growth surface with a mirror surface, and the thickness measured with a stylus type film thickness meter was 3.0 mm. Further, the carrier concentration was measured by hole measurement and found to be 6.31 × 10 17 / cm 3 .

<実施例4>
実施例1においてリアクター内を1020℃まで昇温した後、GaN層の成長時間を56時間とし、GaN層成長工程でGaClガスG3の分圧を6.02×10Paとし、NHガスG4の分圧を7.58×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)の分圧を5.35×10−1Paとし、塩化水素(HCl)の分圧を8.92×10Paとした以外は、実施例1と同様にしてIII族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、Si析出は全く見られなかった。しかしながら、得られたGaN結晶では異常成長が発生しており、成長面が鏡面のGaN結晶を得ることが出来なかった。
<Example 4>
In Example 1, after raising the temperature in the reactor to 1020 ° C., the growth time of the GaN layer was 56 hours, the partial pressure of the GaCl gas G3 was 6.02 × 10 2 Pa in the GaN layer growth step, and the NH 3 gas G4 Is set to 7.58 × 10 3 Pa, the partial pressure of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is set to 5.35 × 10 −1 Pa, and the partial pressure of hydrogen chloride (HCl) is set to 8.92 × 10 1. A GaN crystal, which is a group III nitride crystal, was obtained in the same manner as in Example 1 except that Pa was used. No Si deposition was observed in the reactor. However, abnormal growth occurred in the obtained GaN crystal, and it was impossible to obtain a GaN crystal having a mirror growth surface.

<比較例1>
下地基板として、表面がGa面であるポリッシュされたC面のGaN自立基板を準備した。
実施例1のELO基板に代えてGaN自立基板を用い、リアクター内を1020℃まで昇温した後、GaN層を24時間成長させ、このGaN層成長工程においてGaClガスG3の分圧を7.37×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)および塩化水素(HCl)を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にしてIII族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、Si析出は全く見られなかった。得られたGaN結晶は、成長面表面状態は鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さが2.3mmであった。また、ホール測定にてキャリア濃度を測定したところ、3.71×1017/cmであった。
<Comparative Example 1>
As a base substrate, a polished C-plane GaN free-standing substrate having a Ga surface was prepared.
A GaN free-standing substrate was used instead of the ELO substrate of Example 1, the temperature inside the reactor was raised to 1020 ° C., and then a GaN layer was grown for 24 hours. In this GaN layer growth step, the partial pressure of GaCl gas G3 was 7.37. A GaN crystal, which is a group III nitride crystal, was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pressure was × 10 2 Pa and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and hydrogen chloride (HCl) were not used. No Si deposition was observed in the reactor. The obtained GaN crystal had a growth surface with a mirror surface and had a thickness of 2.3 mm as measured by a stylus thickness meter. Further, the carrier concentration was measured by hole measurement and found to be 3.71 × 10 17 / cm 3 .

<比較例2>
実施例1においてリアクター内を1020℃まで昇温した後、GaN層の成長時間を24時間とし、GaN層成長工程においてGaClガスG3の分圧を7.37×10Paとし、ジクロロシラン(SiHCl)の分圧を1.35×10Paとし、塩化水素
(HCl)を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にしてIII族窒化物結晶であるGaN結晶を得た。リアクター内には、多量のSi析出が見られた。得られたGaN結晶は、成長面表面状態鏡面であり、触針式の膜厚計で測定した厚さが3.0mmであった。
また、ホール測定にてキャリア濃度を測定したところ、5.72×1017/cmであった。
<Comparative example 2>
In Example 1, after raising the temperature in the reactor to 1020 ° C., the growth time of the GaN layer was set to 24 hours, and the partial pressure of the GaCl gas G3 was set to 7.37 × 10 2 Pa in the GaN layer growth step, and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) was set to 1.35 × 10 0 Pa and hydrogen chloride (HCl) was not used to obtain a GaN crystal as a group III nitride crystal in the same manner as in Example 1. A large amount of Si deposition was observed in the reactor. The obtained GaN crystal was a growth surface surface state mirror surface, and the thickness measured by a stylus type film thickness meter was 3.0 mm.
Further, the carrier concentration was measured by hole measurement and found to be 5.72 × 10 17 / cm 3 .

Figure 2012012292
Figure 2012012292

本発明のIII族窒化物結晶の製造方法によれば、結晶中の面内方向および膜厚方向に均一に珪素がドーピングされたIII族窒化物結晶を得ることができる。その結果、厚膜かつ大面積のIII族窒化物結晶を安定に製造することができ、生産性の向上が期待できる。
得られたIII族窒化物結晶は、発光ダイオード、半導体レーザー等の半導体発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。通常、発光素子を製造するのに用いられるGaN基板としては、基板の裏面にも電極を付けた上下電極構造のデバイスを製造するために、不純物を添加することにより導電性を高めたものが使用されている。したがって、高濃度の珪素がドーピングされて導電性が高められたIII族窒化物結晶を製造できる本発明は産業上の利用可能性が高い。
According to the method for producing a group III nitride crystal of the present invention, a group III nitride crystal in which silicon is uniformly doped in the in-plane direction and the film thickness direction in the crystal can be obtained. As a result, a thick film and a large area group III nitride crystal can be stably produced, and an improvement in productivity can be expected.
The obtained group III nitride crystal is useful as a substrate for semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers, and semiconductor devices such as electronic devices. Usually, the GaN substrate used to manufacture light-emitting elements is one that has increased conductivity by adding impurities in order to manufacture a device with an upper and lower electrode structure in which electrodes are also attached to the back surface of the substrate. Has been. Therefore, the present invention capable of producing a group III nitride crystal doped with a high concentration of silicon and having enhanced conductivity has high industrial applicability.

100 リアクター
101〜104 導入管
105 リザーバー
106 ヒーター
107 基板ホルダー
108 ガス排出管
109 基板
G1 ドーピングガス
G2 キャリアガス
G3 III族原料ガス
G4 V族原料ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Reactor 101-104 Introduction pipe 105 Reservoir 106 Heater 107 Substrate holder 108 Gas exhaust pipe
109 Substrate G1 Doping gas G2 Carrier gas G3 Group III source gas G4 Group V source gas

Claims (10)

結晶成長炉内に下地基板を準備する工程と、III族元素のハロゲン化物と窒素元素を含む化合物を反応させて該下地基板上にIII族窒化物結晶を成長させる成長工程を含むIII族窒化物結晶の製造方法であって、前記成長工程で結晶成長炉にさらにハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を同一の導入管から供給することを特徴とする、III族窒化物結晶の製造方法。   A group III nitride including a step of preparing a base substrate in a crystal growth furnace and a growth step of growing a group III element halide and a compound containing a nitrogen element to grow a group III nitride crystal on the base substrate. A method for producing a group III nitride crystal, characterized in that a halogen element-containing substance and a silicon-containing substance are further supplied from the same introduction pipe to the crystal growth furnace in the growth step. 前記ハロゲン元素含有物質、及び前記珪素含有物質の供給において、供給するハロゲン元素含有物質中のハロゲン元素の量と供給する珪素含有物質中の珪素の量が以下の関係式(1)を満たす、請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1 < Y1 < A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+F1 ・・・式(1)
X1 珪素の量(モル比)
Y1 ハロゲン元素の量(モル比)
A1 9.682E−4
B1 8.000E−1
C1 −7.400
D1 −8.000E−6
E1 1.000E−2 (下限)
F1 1.480E−2 (上限)
ただし、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1<0になる場合は、A1×ln(B1×(X1−D1))−(C1×(X1−D1)+E1=0とする。
In the supply of the halogen element-containing material and the silicon-containing material, the amount of halogen element in the supplied halogen element-containing material and the amount of silicon in the supplied silicon-containing material satisfy the following relational expression (1): Item 3. A method for producing a Group III nitride crystal according to Item 1.
A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + E1 <Y1 <A1 × ln (B1 × (X1−D1)) − (C1 × (X1−D1) + F1. Formula (1)
X1 Amount of silicon (molar ratio)
Y1 Amount of halogen element (molar ratio)
A1 9.682E-4
B1 8.000E-1
C1-7.400
D1-8.000E-6
E1 1.000E-2 (lower limit)
F1 1.480E-2 (upper limit)
However, if A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1-D1) + E1 <0, then A1 * ln (B1 * (X1-D1))-(C1 * (X1- D1) It is assumed that + E1 = 0.
前記ハロゲン元素含有物質が塩化水素であり、前記珪素含有物質がジクロロシランであって、各々の供給量が以下の関係式(2)を満たす、請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E < Y < A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+F ・・・式(2)
X ジクロロシランの供給量(モル比)
Y 塩化水素の供給量(モル比)
A 9.682E−4
B 1.110E+0
C −1.060E+1
D −2.760E−6
E 8.706E−3 (下限)
F 1.861E−2 (上限)
ただし、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E<0になる場合は、A×ln(B×(X−D))−(C×(X−D)+E=0とする。
The group III nitride crystal according to claim 1, wherein the halogen element-containing substance is hydrogen chloride, the silicon-containing substance is dichlorosilane, and the supply amounts thereof satisfy the following relational expression (2). Method.
A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <Y <A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + F) Formula (2)
X Dichlorosilane supply (molar ratio)
Y Supply amount of hydrogen chloride (molar ratio)
A 9.682E-4
B 1.110E + 0
C -1.060E + 1
D-2.760E-6
E 8.706E-3 (lower limit)
F 1.861E-2 (upper limit)
However, when A × ln (B × (X−D)) − (C × (X−D) + E <0, A × ln (B × (X−D)) − (C × (X− D) Let + E = 0.
前記珪素含有物質がジクロロシランである、請求項1又は2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the silicon-containing substance is dichlorosilane. 前記ハロゲン元素含有物質がハロゲン化水素である、請求項1又は2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the halogen element-containing substance is hydrogen halide. ハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質に加えて、さらにキャリアガスを同一の導入管から供給する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein a carrier gas is further supplied from the same introduction tube in addition to the halogen element-containing material and the silicon-containing material. 結晶成長炉内に前記III族元素のハロゲン化物及び前記窒素元素を含む化合物を導入管から供給し、該導入管と異なる導入管からハロゲン元素含有物質及び珪素含有物質を供給する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The group III element halide and the nitrogen element-containing compound are supplied from an introduction pipe into a crystal growth furnace, and a halogen element-containing substance and a silicon-containing substance are supplied from an introduction pipe different from the introduction pipe. 7. The method for producing a group III nitride crystal according to any one of 6 above. 前記成長工程をハイドライド気相成長(HVPE)法にて行う、請求項1〜7のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the growth step is performed by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法により得られるIII族窒化物結晶。   A group III nitride crystal obtained by the method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 8. 請求項9に記載のIII族窒化物結晶からなるIII族窒化物結晶基板。   A group III nitride crystal substrate comprising the group III nitride crystal according to claim 9.
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