JP7712166B2 - Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrate - Google Patents
Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrateInfo
- Publication number
- JP7712166B2 JP7712166B2 JP2021159375A JP2021159375A JP7712166B2 JP 7712166 B2 JP7712166 B2 JP 7712166B2 JP 2021159375 A JP2021159375 A JP 2021159375A JP 2021159375 A JP2021159375 A JP 2021159375A JP 7712166 B2 JP7712166 B2 JP 7712166B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- steps
- epitaxial growth
- substrate
- terrace
- single crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
本発明は、エピタキシャル成長用基板の製造方法及びエピタキシャル成長用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for epitaxial growth and a substrate for epitaxial growth.
一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y及びランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga及びAlからなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及びCdからなる群より選択される少なくとも一種の二価の元素を表す。)が知られている。例えばScAlMgO4基板は、GaN等の窒化物半導体のエピタキシャル成長用の基板として用いられている(非特許文献1参照)。 A single crystal represented by the general formula RAMO4 (wherein R represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements, A represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Fe(III), Ga and Al, and M represents at least one divalent element selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn and Cd) is known. For example, a ScAlMgO4 substrate is used as a substrate for epitaxial growth of nitride semiconductors such as GaN (see Non-Patent Document 1).
非特許文献1に記載されるように、ScAlMgO4の研磨基板にはステップが多く、c面の平坦なテラスが、単位格子内に存在する三つの劈開面に対応して3種類混在する。そのため、例えばGaN等の単結晶を研磨基板上にてエピタキシャル成長させる場合、種類の異なるテラス間の境界部から多くの貫通転位が生じる。一方、ScAlMgO4の劈開基板にはステップが極めて少ないため、同様にGaN等の単結晶をエピタキシャル成長させる場合、結晶の成長核が不足してアイランド状で凸凹の結晶が成長する。 As described in Non-Patent Document 1, the polished substrate of ScAlMgO 4 has many steps, and three types of flat terraces of the c-plane are mixed corresponding to the three cleavage planes existing in the unit cell. Therefore, when a single crystal such as GaN is epitaxially grown on the polished substrate, many threading dislocations are generated at the boundary between the different types of terraces. On the other hand, since the cleaved substrate of ScAlMgO 4 has very few steps, when a single crystal such as GaN is epitaxially grown on the polished substrate, the crystal growth nuclei are insufficient, and island-shaped uneven crystals grow.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、単結晶のエピタキシャル成長により適したエピタキシャル成長用基板の製造方法を提供することを目的とする。本発明はまた、単結晶のエピタキシャル成長により適したエピタキシャル成長用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for manufacturing an epitaxial growth substrate that is more suitable for the epitaxial growth of single crystals. Another aim of the present invention is to provide an epitaxial growth substrate that is more suitable for the epitaxial growth of single crystals.
本発明の一側面に係る、エピタキシャル成長用基板の製造方法は、一般式RAMO4で表される単結晶体を劈開させて、劈開面をエピタキシャル成長面として有する基板を得る工程と、劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を衝突させて、劈開面に周期性を有するステップ・テラス構造を形成する工程と、を備える。ステップ間の間隔であるテラスの幅は0.2~100μmである。
なお、一般式中、Rは、Sc、In、Y及びランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga及びAlからなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及びCdからなる群より選択される少なくとも一種の二価の元素を表す。
A method for producing an epitaxial growth substrate according to one aspect of the present invention includes the steps of cleaving a single crystal represented by the general formula RAMO4 to obtain a substrate having the cleavage plane as an epitaxial growth plane, and bombarding the cleavage plane with energetic charged particles to form a periodic step-terrace structure on the cleavage plane. The width of the terrace, which is the distance between the steps, is 0.2 to 100 μm.
In the general formula, R represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements, A represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al, and M represents at least one divalent element selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd.
上記製造方法の一態様において、劈開面への荷電粒子の衝突が、劈開面にイオンビームを照射することにより行われてよい。その際、イオンビームがArイオンビームであることが好ましく、また当該イオンビームを、下記条件の少なくとも一つを満たすように照射することが好ましい。
Arイオンの粒子衝突数が108/cm2以下。
Arイオンの粒子エネルギーが1KeV以下。
Arイオンのビーム電流値が0.05μA以下。
In one aspect of the above-mentioned manufacturing method, the collision of the charged particles with the cleavage plane may be performed by irradiating the cleavage plane with an ion beam. In this case, the ion beam is preferably an Ar ion beam, and the ion beam is preferably irradiated so as to satisfy at least one of the following conditions:
The number of particle collisions of Ar ions is 10 8 /cm 2 or less.
The particle energy of the Ar ions is 1 KeV or less.
The beam current value of Ar ions is 0.05 μA or less.
本発明の一側面に係る、エピタキシャル成長用基板は、一般式RAMO4で表される単結晶体の劈開面をエピタキシャル成長面として有し、劈開面が、周期性を有するステップ・テラス構造を有し、ステップ間の間隔であるテラスの幅が0.2~100μmである。 According to one aspect of the present invention, a substrate for epitaxial growth has, as an epitaxial growth surface, a cleavage surface of a single crystal body represented by the general formula RAMO4 , the cleavage surface has a periodic step-terrace structure, and the width of the terrace, which is the distance between the steps, is 0.2 to 100 μm.
上記基板の一態様において、ステップの高さが、単結晶体の単位格子長の整数倍であることが好ましい。 In one embodiment of the substrate, the height of the steps is preferably an integer multiple of the unit cell length of the single crystal body.
上記基板の一態様において、テラスの幅が0.3~30μmであることが好ましい。 In one embodiment of the above substrate, the terrace width is preferably 0.3 to 30 μm.
本発明によれば、単結晶のエピタキシャル成長により適したエピタキシャル成長用基板の製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、単結晶のエピタキシャル成長により適したエピタキシャル成長用基板を提供することができる。エピタキシャル成長用基板は、上記製造方法により得ることができる。本発明によれば、例えばGaN等の単結晶をエピタキシャル成長させる場合に、貫通転位の発生を抑制しかつアイランド状に単結晶が成長することを抑制することができる、優れたエピタキシャル成長用基板を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a manufacturing method for an epitaxial growth substrate that is more suitable for the epitaxial growth of a single crystal. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an epitaxial growth substrate that is more suitable for the epitaxial growth of a single crystal. The epitaxial growth substrate can be obtained by the above manufacturing method. According to the present invention, it is possible to provide an excellent epitaxial growth substrate that can suppress the occurrence of threading dislocations and suppress the growth of the single crystal in an island shape when epitaxially growing a single crystal such as GaN.
以下、場合により図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention, with reference to the drawings where necessary. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
<エピタキシャル成長用基板の製造方法>
エピタキシャル成長用基板の製造方法は、一般式RAMO4で表される単結晶体を劈開させて、劈開面をエピタキシャル成長面として有する基板を得る工程(劈開工程)と、劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を衝突させて、劈開面に周期性を有するステップ・テラス構造を形成する工程(ステップ・テラス形成工程)と、を備える。
<Method for manufacturing epitaxial growth substrate>
The method for manufacturing an epitaxial growth substrate includes a step (cleavage step) of cleaving a single crystal represented by the general formula RAMO4 to obtain a substrate having the cleavage plane as an epitaxial growth plane, and a step (step-terrace formation step) of bombarding the cleavage plane with energetic charged particles to form a periodic step-terrace structure on the cleavage plane.
(劈開工程)
一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式中、Rは、Sc、In、Y及びランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga及びAlからなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及びCdからなる群より選択される少なくとも一種の二価の元素を表す。)としては、ScAlMgO4、LuGaMgO4、InGaMgO4、YFeFeO4、YFeMnO4等が挙げられる。成長させたい結晶との格子定数整合性の観点から、単結晶体の種類を選択すればよい。
(cleavage process)
Examples of the single crystal represented by the general formula RAMO4 (wherein R represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements, A represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Fe(III), Ga and Al, and M represents at least one divalent element selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn and Cd) include ScAlMgO4 , LuGaMgO4 , InGaMgO4 , YFeFeO4 , YFeMnO4 , etc. The type of single crystal can be selected from the viewpoint of lattice constant matching with the crystal to be grown.
ScAlMgO4を例としてRAMO4の一般的な構造を説明すると、ScAlMgO4は、岩塩型構造であるScO2層と、六方晶系グラファイト構造(h-BN)であるAlMgO2層とが交互に積層した構造を有している。単位格子内に三か所存在するAlMgO2層間の結合力が弱いため、ScAlMgO4単結晶はAlMgO2層間においてc軸に垂直に劈開することができる。ScAlMgO4の単位格子長は25.160Åである。 The general structure of RAMO 4 will be explained using ScAlMgO 4 as an example. ScAlMgO 4 has a structure in which ScO 2 layers with a rock salt structure and AlMgO 2 layers with a hexagonal graphite structure (h-BN) are alternately laminated. Since the bonding force between the three AlMgO 2 layers present in the unit lattice is weak, the ScAlMgO 4 single crystal can be cleaved perpendicular to the c-axis between the AlMgO 2 layers. The unit lattice length of ScAlMgO 4 is 25.160 Å.
劈開面をエピタキシャル成長面として有する基板は、例えば引き上げ法等の公知の方法により得られる、小傾角粒界がない良質なRAMO4単結晶体をブロック形状に切断加工した後に、ブロックの角にc面に平行に刃を当てて圧力を加えて劈開させることにより得ることができる。 A substrate having a cleavage plane as an epitaxial growth surface can be obtained by cutting a high-quality RAMO4 single crystal having no small-angle grain boundaries, which is obtained by a known method such as a pulling method, into a block shape, and then applying pressure to a corner of the block with a blade parallel to the c-plane to cleave the block.
(ステップ・テラス形成工程)
劈開工程にて得られた基板の劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を均一に衝突させることにより、劈開面表面の結晶構造を再構築することができる。機械的な力により得られる劈開面には、不安定で原子スケールで平坦な表面状態のテラスが発生している。このテラスに適切な条件でエネルギーを有する荷電粒子を衝突させることにより、熱的に安定なステップを形成することができる。荷電粒子を衝突させる目的は、劈開面表面の温度を上げ、平坦な劈開面表面にステップとなる凸凹を形成することである。エネルギーを有する荷電粒子が結晶の表面に当たると、一般に表面の原子は弾き飛ばされたり、周りの原子にエネルギーを与え高温になることによって原子が移動したりする。荷電粒子を衝突させる際に、劈開面表面を加熱するため、プラズマやレーザー光照射を併用してもよい。
(Step/terrace formation process)
By uniformly bombarding the cleavage surface of the substrate obtained in the cleavage process with energetic charged particles, the crystal structure of the cleavage surface can be reconstructed. Terraces, which are unstable and flat on the atomic scale, are generated on the cleavage surface obtained by mechanical force. Thermally stable steps can be formed by bombarding these terraces with energetic charged particles under appropriate conditions. The purpose of bombarding the charged particles is to increase the temperature of the cleavage surface and form unevenness that will become steps on the flat cleavage surface. When energetic charged particles hit the surface of a crystal, atoms on the surface are generally ejected or the surrounding atoms are energized and heated, causing the atoms to move. When bombarding the charged particles, plasma or laser light irradiation may be used in combination to heat the cleavage surface.
なお、基板表面を改質する方法としては、荷電粒子を用いる方法の他に、単に基板を空気中で加熱する方法や、熱リン酸を用いて基板をケミカルエッチングする方法が挙げられる。ただし、前者の方法では1400℃で結晶は白濁し、またこれ以下の温度ではステップを増やすことが難しい。また、後者の方法では転位とステップのみが深くエッチングされ、均一な成長核を形成することが難しい。 In addition to the method using charged particles, methods for modifying the substrate surface include simply heating the substrate in air and chemically etching the substrate using hot phosphoric acid. However, with the former method, the crystal becomes cloudy at 1400°C, and it is difficult to increase the number of steps at temperatures below this. Furthermore, with the latter method, only the dislocations and steps are deeply etched, making it difficult to form uniform growth nuclei.
荷電粒子は、ステップ同士の間隔であるテラスの幅が0.2~100μmとなるように劈開面に衝突させる。これにより、劈開面上に適度な密度でステップが形成されることになり、貫通転位の発生を抑制しかつアイランド状に単結晶が成長することを抑制することができる。この観点から、テラスの幅は0.3~30μmであることがより好ましい。テラスの幅は、衝突させる荷電粒子のエネルギー強度、衝突数等により調整することができる。なお、ステップが極めて少ない劈開基板の劈開面が有するテラスの幅は、概ね100μm超である。ステップが極めて多い研磨基板の研磨面が有するテラスの幅は、概ね0.15μm以下である。 The charged particles are collided with the cleavage surface so that the terrace width, which is the distance between steps, is 0.2 to 100 μm. This results in the formation of steps at an appropriate density on the cleavage surface, which suppresses the occurrence of threading dislocations and the growth of single crystals in an island shape. From this perspective, it is more preferable that the terrace width is 0.3 to 30 μm. The terrace width can be adjusted by the energy intensity of the colliding charged particles, the number of collisions, etc. The terrace width of the cleavage surface of a cleavage substrate with very few steps is generally more than 100 μm. The terrace width of the polished surface of a polished substrate with very many steps is generally 0.15 μm or less.
荷電粒子は、ステップの高さが単位格子長の整数倍になるように劈開面に衝突させることが好ましい。基板上にて結晶をエピタキシャル成長させる際に、結晶はステップを結晶成長の成長核としてそこからテラスに対して平行に成長し、その後テラスを覆うと垂直方向に成長が進行する(ステップフロー成長)。垂直方向に成長するときに隣のテラスで成長した結晶層とぶつかるが、その際にテラスとテラスの境界部のステップの高さが単位格子長の整数倍であることにより、格子不整合を小さくすることができ貫通転位の発生を抑制することができる。ステップの高さは、荷電粒子のエネルギー強度を変えることで調節可能である。 The charged particles are preferably bombarded with the cleavage plane so that the step height is an integer multiple of the unit lattice length. When growing a crystal epitaxially on a substrate, the crystal grows parallel to the terrace from the steps as growth nuclei, and then grows vertically when the terrace is covered (step-flow growth). As it grows vertically, it collides with the crystal layer grown on the adjacent terrace, but if the step height at the boundary between the terraces is an integer multiple of the unit lattice length, the lattice mismatch can be reduced and the occurrence of threading dislocations can be suppressed. The step height can be adjusted by changing the energy intensity of the charged particles.
図1は、エピタキシャル成長用基板を用いたステップフロー成長を示す図である。同図において、Hはステップの高さ、Wはテラスの幅、矢印のGpはテラス上の結晶の成長方向、矢印のGvはテラスを覆った後の結晶の成長方向をそれぞれ意味する。 Figure 1 shows step-flow growth using an epitaxial growth substrate. In the figure, H is the step height, W is the terrace width, the arrow Gp indicates the growth direction of the crystal on the terrace, and the arrow Gv indicates the growth direction of the crystal after covering the terrace.
エネルギーを有する荷電粒子は、劈開面に元々存在する、単位格子長の1/3倍の長さの整数倍の3種類のステップを減少させ、単位格子長の整数倍のステップを増加させるように照射することが好ましい。元々存在する3種類のステップの総数を最小限に抑えることで、貫通転位の発生をさらに抑制することができる。劈開面に元々存在するステップの総数は、荷電粒子のエネルギー強度を変えることで調整可能である。 It is preferable to irradiate the energetic charged particles so as to reduce the three types of steps originally present on the cleavage plane, each of which has a length that is an integer multiple of 1/3 of the unit lattice length, and to increase the number of steps that are an integer multiple of the unit lattice length. By minimizing the total number of the three types of steps originally present, the occurrence of threading dislocations can be further suppressed. The total number of steps originally present on the cleavage plane can be adjusted by changing the energy intensity of the charged particles.
劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を衝突させる方法としては、例えば、劈開面にイオンビームを照射する方法や、劈開面をプラズマで処理する方法(ただし、プラズマ中のイオン等の荷電粒子を上記イオンビーム照射における荷電粒子と同等の条件(エネルギー強度、衝突数等)に調整する)などが挙げられる。いずれの方法においても、非常に弱い条件にて劈開面表面を処理することで、所望のステップ・テラス構造を形成することができる。 Methods for bombarding the cleavage plane with energetic charged particles include, for example, irradiating the cleavage plane with an ion beam, or treating the cleavage plane with plasma (wherein the charged particles such as ions in the plasma are adjusted to the same conditions (energy intensity, number of collisions, etc.) as the charged particles in the ion beam irradiation). In either method, the desired step-terrace structure can be formed by treating the cleavage plane surface under very weak conditions.
基板と化学反応しなければ、イオンビームに用いられるイオン種は特に制限されない。イオン種としてはAr、N2、He、O2等が挙げられる。原子レベルで平坦な面に均一密度で格子定数の整数倍のステップを形成する目的を達成するうえで必要な表面加熱と粒子の衝突による表面の破壊ができるのであれば、粒子の種類は問わない。 There is no particular restriction on the ion species used in the ion beam as long as it does not chemically react with the substrate. Examples of ion species include Ar, N2 , He, O2, etc. The type of particles is not important as long as it is possible to heat the surface and destroy the surface by particle collision, which are necessary to achieve the purpose of forming steps of an integer multiple of the lattice constant at a uniform density on an atomically flat surface.
イオンビームに含まれるイオンは、均一な密度でイオンビームが照射できるのであれば特に制限されず、単一イオンでもクラスターイオン(ガスクラスターイオンビーム)でもよい。照射イオンのイオン種、イオンビームのエネルギー、照射イオンの粒子数、照射密度等を適宜調節することにより、所望の密度の均質な単一種類ステップと、所望の幅を有するテラスとを劈開面上に形成することができる。 The ions contained in the ion beam are not particularly limited as long as the ion beam can be irradiated with a uniform density, and may be single ions or cluster ions (gas cluster ion beam). By appropriately adjusting the ion species of the irradiated ions, the energy of the ion beam, the number of particles of the irradiated ions, the irradiation density, etc., it is possible to form homogeneous single-type steps with the desired density and terraces with the desired width on the cleavage surface.
イオンビームとしては、イオンが不活性であり、ある程度の質量があるとの観点からArイオンビームを用いることができる。また、イオンビームを、下記条件の少なくとも一つを満たすように照射することが好ましい。
Arイオンの粒子衝突数が108/cm2以下。
Arイオンの粒子エネルギーが1KeV以下。
Arイオンのビーム電流値が0.05μA以下。
いずれの条件も、非常に弱い条件のイオンビームにて劈開面表面を処理することを意味している。ステップの高さの調整や、劈開面に元々存在するステップを減少させるには、上記範囲にて各種条件を調整すればよい。
As the ion beam, an Ar ion beam can be used from the viewpoint that the ions are inactive and have a certain degree of mass. In addition, it is preferable to irradiate the ion beam so as to satisfy at least one of the following conditions.
The number of particle collisions of Ar ions is 10 8 /cm 2 or less.
The particle energy of the Ar ions is 1 KeV or less.
The beam current value of Ar ions is 0.05 μA or less.
All of these conditions mean that the cleavage plane surface is treated with an ion beam under very weak conditions. To adjust the step height or reduce the number of steps that originally exist on the cleavage plane, various conditions can be adjusted within the above ranges.
なお、ステップを形成できるのであれば特に制限されないが、イオンビームの照射条件は例えば以下のように設定することができる。
Arイオンの粒子衝突数が103/cm2以上。
Arイオンの粒子エネルギーが10eV以上。
Arイオンのビーム電流値が1pA以上。
The ion beam irradiation conditions can be set, for example, as follows, although there are no particular limitations as long as the steps can be formed.
The number of particle collisions of Ar ions is 10 3 /cm 2 or more.
The particle energy of the Ar ions is 10 eV or more.
The beam current value of the Ar ions is 1 pA or more.
本開示では、劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を衝突させることで、平坦な劈開面表面にステップとなる凸凹を形成する方法を採用しているが、その他ケミカルエッチング、サーマルエッチング、あるいはレーザーアブレーション等の、原子レベルで平坦な面を荒らすことができる方法により、劈開面表面を処理してもよい。 In this disclosure, a method is used in which energetic charged particles are bombarded onto the cleavage plane to form step irregularities on the flat cleavage plane surface, but the cleavage plane surface may also be treated by other methods that can roughen a flat surface at the atomic level, such as chemical etching, thermal etching, or laser ablation.
<エピタキシャル成長用基板>
エピタキシャル成長用基板は、一般式RAMO4で表される単結晶体の劈開面をエピタキシャル成長面として有し、劈開面が、周期性を有するステップ・テラス構造を有し、ステップ間の間隔である前記テラスの幅が0.2~100μmである。
<Epitaxial growth substrate>
The substrate for epitaxial growth has a cleavage plane of a single crystal represented by the general formula RAMO4 as an epitaxial growth plane, the cleavage plane having a periodic step-terrace structure, and the width of the terrace, which is the distance between the steps, is 0.2 to 100 μm.
上記エピタキシャル成長用基板は、上述したエピタキシャル成長用基板の製造方法により得ることができる。 The epitaxial growth substrate can be obtained by the above-mentioned method for manufacturing an epitaxial growth substrate.
エピタキシャル成長用基板上にはIII-V族半導体、II-VI族半導体、その他の化合物半導体の結晶を成長させることができる。III-V族半導体としては、AlN、GaN、InN及びこれらの固溶体が挙げられ、II-VI族半導体としてはZnO、ZnS等が挙げられ、その他の化合物半導体としてはGa2O3等が挙げられる。 Crystals of III-V group semiconductors, II-VI group semiconductors, and other compound semiconductors can be grown on the epitaxial growth substrate. III-V group semiconductors include AlN, GaN, InN, and solid solutions thereof. II-VI group semiconductors include ZnO, ZnS, and other compound semiconductors include Ga 2 O 3 .
例えばScAlMgO4を加工して得られるエピタキシャル成長用基板は、格子整合性の観点からGaNの結晶成長に特に好適に用いることができる。ScAlMgO4は、サファイヤに比べてGaNとの格子不整合率が10倍小さく、貫通転位密度を大幅に低減することができる。 For example, epitaxial growth substrates obtained by processing ScAlMgO4 are particularly suitable for GaN crystal growth from the viewpoint of lattice matching. ScAlMgO4 has a lattice mismatch rate with GaN that is 10 times smaller than that of sapphire, and can significantly reduce the threading dislocation density.
例えばGaNの結晶成長には、非特許文献1に記載されるようにMOVPE法を採用することができる。MOVPE法では、気体である有機金属(Ga)とアンモニア(NH3)が、高温に加熱された基板表面近傍で反応しGaNが基板に吸着する。原子状のGaNは基板表面を移動しながらステップに堆積し、テラスに沿って基板に平行な横方向にエピタキシャル成長することになる。 For example, MOVPE can be used to grow GaN crystals, as described in Non-Patent Document 1. In MOVPE, gaseous organometallic (Ga) and ammonia (NH 3 ) react near the surface of a substrate heated to a high temperature, and GaN is adsorbed onto the substrate. Atomic GaN moves across the substrate surface and deposits on steps, and epitaxially grows laterally parallel to the substrate along the terraces.
以下、本発明について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(ScAlMgO4単結晶の育成)
原料として酸化スカンジウムSc2O3、酸化マグネシムMgO、及び酸化アルミニウムAl2O3粉末を秤量混合し、混合粉末を得た。
得られた混合粉末をアルミナ製るつぼ内に入れて1400℃で焼成して冷却した後、焼成粉末を単結晶育成炉内のIr製るつぼ内に入れた。
高周波加熱によりIr製るつぼを加熱して、酸素を微量に含む窒素中で焼成粉末を溶融し、融液の上からシードを接触させて固化することにより単結晶を引き上げた。成長した単結晶を融液から切り離して冷却した後、炉から取り出した。
以上のようにして、ScAlMgO4単結晶を得た。
(Growth of ScAlMgO4 single crystal)
As raw materials, scandium oxide Sc 2 O 3 , magnesium oxide MgO, and aluminum oxide Al 2 O 3 powders were weighed and mixed to obtain a mixed powder.
The resulting mixed powder was placed in an alumina crucible, fired at 1400° C., and then cooled, and the fired powder was placed in an Ir crucible in a single crystal growth furnace.
The Ir crucible was heated by high-frequency heating to melt the sintered powder in nitrogen containing a small amount of oxygen, and a seed was placed on top of the melt to solidify it, pulling up a single crystal. The grown single crystal was separated from the melt, cooled, and then removed from the furnace.
In this manner, a ScAlMgO4 single crystal was obtained.
(ScAlMgO4単結晶の劈開基板作製)
上記のとおり得られたScAlMgO4単結晶をブロック形状に切断加工した。そして、ブロックの角にc面に平行に刃を当て、圧力を加えることで、ScAlMgO4単結晶の劈開基板を得た。当該劈開基板の劈開面には、肉眼で観察できる段差は認められなかった。
(Preparation of cleaved substrates of ScAlMgO4 single crystal)
The ScAlMgO4 single crystal obtained as described above was cut into a block shape. A blade was then applied to the corner of the block parallel to the c-plane, and pressure was applied to obtain a cleaved substrate of the ScAlMgO4 single crystal. No steps observable by the naked eye were observed on the cleaved surface of the cleaved substrate.
劈開基板の劈開面のAFM像を図2及び図3に示す。 AFM images of the cleaved surface of the cleaved substrate are shown in Figures 2 and 3.
図2は、劈開面のテラス部分のAFM像である。同図に示されるように、劈開面には原子レベルで平坦なテラスが存在することが分かる。 Figure 2 is an AFM image of the terrace portion of the cleavage surface. As shown in the figure, it is clear that the cleavage surface has terraces that are flat at the atomic level.
図3は、劈開面のステップ部分のAFM像である。劈開面の大部分はテラスで構成されているが、その一部にはステップが存在する。ステップの高さは約8Å(0.8nm)であり、同図では数段整然と並ぶテラス間の段差を構成している。ステップの高さは単位格子のおよそ1/3に当たり、これは単位格子中に3箇所結合が弱い面(劈開面)があると指摘されている事実と合致している。 Figure 3 is an AFM image of the step portion of the cleavage plane. Most of the cleavage plane is composed of terraces, but some of them have steps. The step height is about 8 Å (0.8 nm), and in the figure, it forms the steps between the terraces that are arranged in an orderly fashion in several steps. The step height is about 1/3 of the unit lattice, which is consistent with the fact that it has been pointed out that there are three planes (cleavage planes) with weak bonds in the unit lattice.
(劈開基板へのイオンビーム照射)
上記のとおり得られた劈開基板の劈開面に、株式会社昭和真空製の照射装置を用いてArイオンビームを照射した。同装置では、高周波電界によってイオン化された低圧のArガスを直流の電界によってイオンビームとする。本実施例では、そのビーム径をアパーチャーにより絞った後に劈開面に照射した。イオンビームの照射により、劈開面に周期性を有するステップ・テラス構造を形成することができた。所望のステップが形成された部分では、Arイオンの粒子衝突数は108/cm2以下であった。その際のArイオンの粒子エネルギーは1KeV以下であり、Arイオンのビーム電流値は0.05μA以下であった。
(Ion beam irradiation to cleaved substrate)
The cleaved surface of the cleaved substrate obtained as described above was irradiated with an Ar ion beam using an irradiation device manufactured by Showa Vacuum Co., Ltd. In this device, low-pressure Ar gas ionized by a high-frequency electric field is converted into an ion beam by a direct current electric field. In this example, the beam diameter was narrowed by an aperture and then irradiated onto the cleaved surface. Irradiation with the ion beam allowed a step-terrace structure having periodicity to be formed on the cleaved surface. In the portion where the desired steps were formed, the number of particle collisions of the Ar ions was 10 8 /cm 2 or less. The particle energy of the Ar ions at that time was 1 KeV or less, and the beam current value of the Ar ions was 0.05 μA or less.
図4は、劈開基板の劈開面における、イオンビーム照射により形成されたステップ・テラス構造のAFM像である。また、図5は、劈開基板の劈開面における、イオンビーム照射により形成されたステップ・テラス構造のAFM像の断面図である。形成されたステップ・テラス構造におけるステップの高さは、約25Åの整数倍であった。また、約8Å(単位格子c軸の1/3)の高さのステップは見つからなかった。テラスの幅は10μmであった。 Figure 4 is an AFM image of a step-terrace structure formed by ion beam irradiation on the cleaved surface of the cleaved substrate. Figure 5 is a cross-sectional view of an AFM image of a step-terrace structure formed by ion beam irradiation on the cleaved surface of the cleaved substrate. The height of the steps in the formed step-terrace structure was an integer multiple of about 25 Å. No steps with a height of about 8 Å (1/3 of the unit cell c-axis) were found. The width of the terrace was 10 μm.
比較として、ScAlMgO4単結晶のエピレディー研磨基板を例示する。図6は、研磨基板の研磨面における、ステップ・テラス構造のAFM像の断面図である。ステップ・テラス構造におけるステップの高さは、約8Å(単位格子c軸の1/3)であった。テラスの幅は約0.14μmであった。 For comparison, an epi-ready polished substrate of ScAlMgO4 single crystal is shown. Figure 6 is a cross-sectional view of an AFM image of a step-terrace structure on the polished surface of the polished substrate. The step height in the step-terrace structure was about 8 Å (1/3 of the unit cell c-axis). The width of the terrace was about 0.14 μm.
上記のとおり得られた基板は、GaN等の単結晶のエピタキシャル成長に適したエピタキシャル成長用基板であるということができる。 The substrate obtained as described above can be said to be an epitaxial growth substrate suitable for epitaxial growth of single crystals such as GaN.
本開示に係るエピタキシャル成長用基板は、エピレディー研磨基板よりも少なく、かつ単なる劈開基板よりも多い、適度なステップを有する。そのため、本開示に係るエピタキシャル成長用基板を用いることで、単結晶をエピタキシャル成長させる際に、アイランド状に単結晶が成長することを抑制しつつ貫通転移を低減させることができる。これにより、欠陥密度の小さいGaN等の窒化物半導体を得ることができる。 The epitaxial growth substrate according to the present disclosure has an appropriate number of steps, fewer than an epi-ready polished substrate, and more than a simple cleaved substrate. Therefore, by using the epitaxial growth substrate according to the present disclosure, it is possible to reduce threading dislocations while suppressing the growth of island-shaped single crystals during epitaxial growth of the single crystal. This makes it possible to obtain nitride semiconductors such as GaN with low defect density.
Claims (5)
前記劈開面にエネルギーを有する荷電粒子を衝突させることで、前記劈開面に、テラスとテラスの境界部にステップを有し、かつ前記ステップ間の間隔である前記テラスの幅が0.2~100μmであり、前記ステップの高さが前記単結晶体の単位格子長の整数倍である、周期性を有するステップ・テラス構造を形成する工程であって、前記劈開面への前記荷電粒子の衝突が、前記劈開面にイオンビームを照射することにより行われる工程と、を備える、エピタキシャル成長用基板の製造方法。
[一般式中、Rは、Sc、In、Y及びランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga及びAlからなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及びCdからなる群より選択される少なくとも一種の二価の元素を表す。] A step of cleaving a single crystal represented by the general formula RAMO4 to obtain a substrate having the cleavage surface as an epitaxial growth surface;
a step of forming a periodic step-terrace structure on the cleavage surface, the step having steps at boundaries between terraces, the width of the terraces being the distance between the steps being 0.2 to 100 μm, and the height of the steps being an integer multiple of a unit lattice length of the single crystal body, by colliding the cleavage surface with charged particles having energy, the step being performed by irradiating the cleavage surface with an ion beam .
[In the general formula, R represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements, A represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al, and M represents at least one divalent element selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd.]
前記イオンビームを、下記条件の少なくとも一つを満たすように照射する、請求項1に記載の製造方法。
Arイオンの粒子衝突数が108/cm2以下。
Arイオンの粒子エネルギーが1KeV以下。
Arイオンのビーム電流値が0.05μA以下。 the ion beam is an Ar ion beam,
The method according to claim 1 , wherein the ion beam is irradiated so as to satisfy at least one of the following conditions:
The number of particle collisions of Ar ions is 10 8 /cm 2 or less.
The particle energy of the Ar ions is 1 KeV or less.
The beam current value of Ar ions is 0.05 μA or less.
前記劈開面が、テラスとテラスの境界部にステップを有し、かつ前記ステップ間の間隔である前記テラスの幅が0.2~100μmであり、前記ステップの高さが前記単結晶体の単位格子長の整数倍である、周期性を有するステップ・テラス構造を有する、エピタキシャル成長用基板。
[一般式中、Rは、Sc、In、Y及びランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga及びAlからなる群より選択される少なくとも一種の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及びCdからなる群より選択される少なくとも一種の二価の元素を表す。] The cleavage plane of a single crystal body represented by the general formula RAMO4 is used as an epitaxial growth plane,
a cleavage surface having a periodic step-terrace structure in which steps are provided at boundaries between terraces, the width of the terraces, which is the distance between the steps, is 0.2 to 100 μm, and the height of the steps is an integer multiple of a unit lattice length of the single crystal body .
[In the general formula, R represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Sc, In, Y, and lanthanoid elements, A represents at least one trivalent element selected from the group consisting of Fe(III), Ga, and Al, and M represents at least one divalent element selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd.]
The substrate according to claim 4 , wherein the terrace has a width of 0.3 to 30 μm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021159375A JP7712166B2 (en) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021159375A JP7712166B2 (en) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023049570A JP2023049570A (en) | 2023-04-10 |
| JP7712166B2 true JP7712166B2 (en) | 2025-07-23 |
Family
ID=85801944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021159375A Active JP7712166B2 (en) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7712166B2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009179534A (en) | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Rohm Co Ltd | ZnO-based substrate and ZnO-based substrate processing method |
| JP2017149633A (en) | 2016-02-23 | 2017-08-31 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | RAMO4 substrate and manufacturing method thereof |
| JP2018197179A (en) | 2017-05-24 | 2018-12-13 | パナソニック株式会社 | Ramo4 substrate and group nitride semiconductor device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2912214B2 (en) * | 1996-02-13 | 1999-06-28 | 日本電気株式会社 | Surface treatment method for semiconductor substrate, surface treatment apparatus, and method for manufacturing semiconductor device |
-
2021
- 2021-09-29 JP JP2021159375A patent/JP7712166B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009179534A (en) | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Rohm Co Ltd | ZnO-based substrate and ZnO-based substrate processing method |
| JP2017149633A (en) | 2016-02-23 | 2017-08-31 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | RAMO4 substrate and manufacturing method thereof |
| JP2018197179A (en) | 2017-05-24 | 2018-12-13 | パナソニック株式会社 | Ramo4 substrate and group nitride semiconductor device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023049570A (en) | 2023-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4741506B2 (en) | Large area and uniform low dislocation density GaN substrate and its manufacturing process | |
| JP5670289B2 (en) | (Al, Ga, In) N boule manufacturing method, single crystal, microelectronic device structure, (Al, Ga, In) N boule, wafer and parts | |
| CN101800170B (en) | Method for producing group iii nitride semiconductor and template substrate | |
| JP2009519202A (en) | Group III nitride product and method for producing the same | |
| WO2009142311A1 (en) | Group iii nitride semiconductor laminate structure and process for producing the group iii nitride semiconductor laminate structure | |
| JP2010040867A (en) | Group iii nitride semiconductor laminated structure and method of manufacturing same | |
| JP2002241192A (en) | Semiconductor crystal manufacturing method and semiconductor light emitting device | |
| JP4618836B2 (en) | Nitride-based compound semiconductor substrate and method for manufacturing the same | |
| US20080191203A1 (en) | Method for Producing Gan Film, Semiconductor Device, Method for Generating Thin Film of Nitride of Group III Element and Semiconductor Device Having Thin Film of Nitride of Group III Element | |
| KR101503618B1 (en) | Method for producing substrate for group iii nitride semiconductor element fabrication, method for producing group iii nitride semiconductor free-standing substrate or group iii nitride semiconductor element, and group iii nitride growth substrate | |
| KR20150102703A (en) | β-GA_2 O_3-BASED-SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE | |
| JP2003163370A (en) | Manufacturing method of semiconductor crystal | |
| TW201310702A (en) | Method of growing a heteroepitaxial layer | |
| JPH10324597A (en) | LiGaO2 single crystal, single crystal substrate, and method for producing them | |
| TW201413787A (en) | Method for producing a Group III nitride semiconductor | |
| JP2002050580A (en) | Vapor growth method of nitride semiconductor | |
| JP6197897B2 (en) | Gallium nitride crystal, group 13 nitride crystal, crystal substrate, and manufacturing method thereof | |
| JP5293592B2 (en) | Group III nitride semiconductor manufacturing method and template substrate | |
| JP2008207968A (en) | Method for manufacturing gallium oxide-gallium nitride composite substrate, and gallium oxide-gallium nitride composite substrate | |
| Shen et al. | Surface modification on wet-etched patterned sapphire substrates using plasma treatments for improved GaN crystal quality and LED performance | |
| JP7712166B2 (en) | Method for manufacturing epitaxial growth substrate and epitaxial growth substrate | |
| EP1557487A2 (en) | Method of manufacturing GaN crystal substrate | |
| US7615470B2 (en) | Method of manufacturing gallium nitride semiconductor | |
| Min et al. | Evolutionary growth of microscale single crystalline GaN on an amorphous layer by the combination of MBE and MOCVD | |
| JP3898575B2 (en) | Method for forming GaInN layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240830 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250410 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250415 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250514 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250708 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250710 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7712166 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |