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JP7855060B2 - Group III element nitride substrate and method for manufacturing a Group III element nitride substrate - Google Patents
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JP7855060B2 - Group III element nitride substrate and method for manufacturing a Group III element nitride substrate - Google Patents

Group III element nitride substrate and method for manufacturing a Group III element nitride substrate

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JP7855060B2 JP2024511218A JP2024511218A JP7855060B2 JP 7855060 B2 JP7855060 B2 JP 7855060B2 JP 2024511218 A JP2024511218 A JP 2024511218A JP 2024511218 A JP2024511218 A JP 2024511218A JP 7855060 B2 JP7855060 B2 JP 7855060B2
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Description

本発明は、III族元素窒化物基板およびIII族元素窒化物基板の製造方法に関する。This invention relates to a group III element nitride substrate and a method for manufacturing a group III element nitride substrate.

発光ダイオード、半導体レーザ、パワーIC等の各種デバイスの基板として、III族元素窒化物基板が用いられている。Group III element nitride substrates are used as substrates for various devices such as light-emitting diodes, semiconductor lasers, and power ICs.

上記III族元素窒化物基板は、例えば、特許文献1に記載されているように、下地基板にIII族元素窒化物結晶をエピタキシャル成長させることで得ることができる。The above-mentioned Group III element nitride substrate can be obtained, for example, by epitaxially growing Group III element nitride crystals on a substrate, as described in Patent Document 1.

特開2010-168226号公報Japanese Patent Publication No. 2010-168226

しかし、上記エピタキシャル成長により得られるIII族元素窒化物基板にはクラックが発生しやすく、歩留まりの向上が望まれている。However, the group III element nitride substrates obtained by the above epitaxial growth method are prone to cracking, and an improvement in yield is desired.

上記に鑑み、本発明は、クラックの発生が抑制されたIII族元素窒化物基板を提供することを主たる目的とする。In view of the above, the main objective of the present invention is to provide a group III element nitride substrate in which crack occurrence is suppressed.

1.本発明の実施形態によるIII族元素窒化物基板は、互いに対向する第一主面および第二主面を有するIII族元素窒化物基板であって、前記基板面内の所定の部位における、III族元素窒化物のm軸方向の熱伝導率は、III族元素窒化物のa軸方向の熱伝導率よりも大きい。
2.上記1に記載のIII族元素窒化物基板において、上記基板面内の所定の部位における、上記m軸方向の熱伝導率は、上記a軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きくてもよい。
3.上記1または2に記載のIII族元素窒化物基板において、上記基板の面内の複数の部位における上記m軸方向の熱伝導率の平均値と上記a軸方向の熱伝導率の平均値との差は2%以上であってもよい。ここで、m軸方向の熱伝導率の平均値とa軸方向の熱伝導率の平均値との差は、式:(m軸方向の熱伝導率の平均値-a軸方向の熱伝導率の平均値)/m軸方向の熱伝導率の平均値から算出される。
4.上記1から3のいずれかに記載のIII族元素窒化物基板は、円盤状とされてもよく、その直径は75mm以上であってもよい。
5.上記1から4のいずれかに記載のIII族元素窒化物基板は、III族元素窒化物結晶の自立基板であってもよい。
1. The group III element nitride substrate according to an embodiment of the present invention is a group III element nitride substrate having a first main surface and a second main surface facing each other, wherein the thermal conductivity of the group III element nitride in the m-axis direction at a predetermined portion within the substrate surface is greater than the thermal conductivity of the group III element nitride in the a-axis direction.
2. In the group III element nitride substrate described in item 1 above, the thermal conductivity in the m-axis direction at a predetermined location within the substrate surface may be 2% or more greater than the thermal conductivity in the a-axis direction.
3. In the Group III element nitride substrate described in 1 or 2 above, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction at multiple locations within the plane of the substrate may be 2% or more. Here, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction is calculated from the formula: (average value of thermal conductivity in the m-axis direction - average value of thermal conductivity in the a-axis direction) / average value of thermal conductivity in the m-axis direction.
4. The group III element nitride substrate described in any of items 1 to 3 above may be disc-shaped, and its diameter may be 75 mm or more.
5. The Group III element nitride substrate described in any of items 1 to 4 above may be a self-supporting substrate of a Group III element nitride crystal.

6.本発明の別の実施形態によるIII族元素窒化物基板の製造方法は、互いに対向する上面および下面を有する下地基板を準備すること、および、前記下地基板上に、III族元素窒化物結晶をフラックス法により育成すること、を含み、前記フラックス法による結晶の育成は、前記下地基板の面内の第一方向における原料溶液の流れが前記下地基板の面内の第二方向における原料溶液の流れよりも速くなるように行われる。
7.上記6に記載の製造方法において、上記下地基板は、III族元素窒化物を含んでもよい。
8.上記6または7に記載の製造方法において、上記III族元素窒化物基板は、互いに対向する第一主面および第二主面を有してもよく、基板面内の所定の部位における、III族元素窒化物のm軸方向の熱伝導率は、III族元素窒化物のa軸方向の熱伝導率よりも大きくてもよい。
6. A method for manufacturing a Group III element nitride substrate according to another embodiment of the present invention comprises preparing a base substrate having an upper surface and a lower surface facing each other, and growing a Group III element nitride crystal on the base substrate by a flux method, wherein the crystal growth by the flux method is carried out such that the flow of the raw material solution in a first direction within the plane of the base substrate is faster than the flow of the raw material solution in a second direction within the plane of the base substrate.
7. In the manufacturing method described in item 6 above, the substrate may contain a group III element nitride.
8. In the manufacturing method described in 6 or 7 above, the Group III element nitride substrate may have a first main surface and a second main surface facing each other, and the thermal conductivity of the Group III element nitride in the m-axis direction at a predetermined location within the substrate surface may be greater than the thermal conductivity of the Group III element nitride in the a-axis direction.

本発明の実施形態によれば、クラックの発生が抑制されたIII族元素窒化物基板を提供することができる。According to embodiments of the present invention, a group III element nitride substrate in which crack formation is suppressed can be provided.

本発明の1つの実施形態に係るIII族元素窒化物基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。This is a schematic cross-sectional view showing the general structure of a group III element nitride substrate according to one embodiment of the present invention. 図1Aに示すIII族元素窒化物基板の平面図である。Figure 1A is a plan view of a group III element nitride substrate. 熱伝導率の測定箇所を説明するための図である。This is a diagram illustrating the measurement points for thermal conductivity. 1つの実施形態に係るIII族元素窒化物基板の製造工程を示す図である。This figure shows the manufacturing process of a group III element nitride substrate according to one embodiment. 図3Aに続く図である。This figure follows Figure 3A. 図3Bに続く図である。This figure follows Figure 3B. 第一実施形態における坩堝内に配置された基板を上から見た図である。This is a top view of the substrate placed inside the crucible in the first embodiment. 第二実施形態における坩堝内に配置された基板を上から見た図である。This is a top view of the substrate placed inside the crucible in the second embodiment. 本発明の1つの実施形態に係る素子基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。This is a schematic cross-sectional view showing the general configuration of an element substrate according to one embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。また、図面は説明をより明確にするため、実施の形態に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。The embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, in order to clarify the explanation, the drawings may schematically represent the width, thickness, shape, etc., of each part compared to the embodiments, but these are merely examples and do not limit the interpretation of the present invention.

A.III族元素窒化物基板
図1Aは本発明の1つの実施形態に係るIII族元素窒化物基板の概略の構成を示す模式的な断面図であり、図1Bは図1Aに示すIII族元素窒化物基板の平面図である。III族元素窒化物基板10は、板状であり、互いに対向する第一主面11および第二主面12を有し、これらは側面13を介してつながっている。
A. Group III Element Nitride Substrate Figure 1A is a schematic cross-sectional view showing the general configuration of a Group III element nitride substrate according to one embodiment of the present invention, and Figure 1B is a plan view of the Group III element nitride substrate shown in Figure 1A. The Group III element nitride substrate 10 is plate-shaped and has a first main surface 11 and a second main surface 12 facing each other, which are connected via a side surface 13.

図示例では、III族元素窒化物基板は、円盤状(ウエハ)とされているが、これに限らず、任意の適切な形状とされ得る。III族元素窒化物基板のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。円盤状のIII族元素窒化物基板の直径は、例えば50mm以上300mm以下であり、好ましくは75mm以上であり、より好ましくは100mm以上である。サイズの大きい(例えば、直径75mm以上の)III族元素窒化物基板によれば、例えば、サイズの大きい素子の生産性を向上させ得る。In the illustrated example, the Group III element nitride substrate is disc-shaped (wafer), but it is not limited to this and can be any suitable shape. The size of the Group III element nitride substrate can be appropriately set according to the purpose. The diameter of the disc-shaped Group III element nitride substrate is, for example, 50 mm or more and 300 mm or less, preferably 75 mm or more, and more preferably 100 mm or more. A larger Group III element nitride substrate (for example, with a diameter of 75 mm or more) can improve the productivity of larger devices, for example.

III族元素窒化物基板の厚さは、例えば250μm以上800μm以下であり、好ましくは300μm以上750μm以下であり、より好ましくは350μm以上725μm以下である。The thickness of the Group III element nitride substrate is, for example, 250 μm or more and 800 μm or less, preferably 300 μm or more and 750 μm or less, and more preferably 350 μm or more and 725 μm or less.

III族元素窒化物基板はIII族元素窒化物結晶で構成される。III族元素窒化物を構成するIII族元素としては、例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)が用いられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。III族元素窒化物の具体例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化ガリウムインジウム(GaInN)、窒化アルミニウムインジウム(AlInN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)が挙げられる。なお、括弧内の各化学式において、代表的には、x+y+z=1である。 Group III element nitride substrates are composed of Group III element nitride crystals. Examples of Group III elements used to make up Group III element nitrides include aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). These can be used individually or in combination of two or more. Specific examples of Group III element nitrides include aluminum nitride (Al x N), gallium nitride (Ga y N), indium nitride (In z N), aluminum gallium nitride (Al x Ga y N), gallium gallium nitride (Ga y In z N), aluminum gallium nitride (Al x In z N), and aluminum gallium indium nitride (Al x Ga y In z N). In the chemical formulas in parentheses, typically x + y + z = 1.

上記III族元素窒化物はドーパントを含み得る。ドーパントとしては、例えば、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)、カドミウム(Cd)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)等のp型ドーパント、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、酸素(O)等のn型ドーパントが挙げられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。The above-mentioned Group III element nitrides may contain dopants. Examples of dopants include p-type dopants such as beryllium (Be), magnesium (Mg), strontium (Sr), cadmium (Cd), iron (Fe), manganese (Mn), and zinc (Zn), and n-type dopants such as silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and oxygen (O). These can be used individually or in combination of two or more.

上記III族元素窒化物結晶においては、代表的には、<0001>方向がc軸方向であり、<1-100>方向がm軸方向であり、<11-20>方向がa軸方向である。また、c軸に直交する結晶面はc面であり、m軸に直交する結晶面はm面であり、a軸に直交する結晶面はa面である。本実施形態においては、III族元素窒化物基板10の厚さ方向はc軸に平行または略平行であり、第一主面11は(0001)面側のIII族元素極性面であり、第二主面12は(000-1)側の窒素極性面である。In the above-described Group III element nitride crystal, typically, the <0001> direction is the c-axis direction, the <1-100> direction is the m-axis direction, and the <11-20> direction is the a-axis direction. Furthermore, the crystal plane perpendicular to the c-axis is the c-plane, the crystal plane perpendicular to the m-axis is the m-plane, and the crystal plane perpendicular to the a-axis is the a-plane. In this embodiment, the thickness direction of the Group III element nitride substrate 10 is parallel or substantially parallel to the c-axis, the first main surface 11 is the Group III element polarity plane on the (0001) plane side, and the second main surface 12 is the nitrogen polarity plane on the (000-1) side.

代表的には、第一主面11は、(0001)面に平行であってもよく、(0001)面に対して傾斜していてもよい。第一主面11の(0001)面に対する傾斜角は、例えば10°以下であり、5°以下であってもよく、2°以下であってもよく、1°以下であってもよい。第二主面12は、(000-1)面に平行であってもよく、(000-1)面に対して傾斜していてもよい。第二主面12の(000-1)面に対する傾斜角は、例えば10°以下であり、5°以下であってもよく、2°以下であってもよく、1°以下であってもよい。Typically, the first main surface 11 may be parallel to the (0001) plane, or it may be inclined with respect to the (0001) plane. The inclination angle of the first main surface 11 with respect to the (0001) plane is, for example, 10° or less, may be 5° or less, may be 2° or less, or may be 1° or less. The second main surface 12 may be parallel to the (000-1) plane, or it may be inclined with respect to the (000-1) plane. The inclination angle of the second main surface 12 with respect to the (000-1) plane is, for example, 10° or less, may be 5° or less, may be 2° or less, or may be 1° or less.

III族元素窒化物基板10の面内の熱伝導率は、例えば170W/mK~220W/mKである。III族元素窒化物基板の面内の任意の部位または所定の部位における、III族元素窒化物のm軸方向の熱伝導率は、m軸方向に直交するa軸方向の熱伝導率よりも大きい。好ましくは、平面視中央部10aに位置する第一部位51において、m軸方向の熱伝導率はa軸方向の熱伝導率よりも大きく、平面視周縁部10bに位置する第二部位52において、m軸方向の熱伝導率はa軸方向の熱伝導率よりも大きい。周縁部10bは、例えば、III族元素窒化物基板10の端10cから径方向内側にIII族元素窒化物基板10の半径の50%以内の領域を意味し得る。もしくは、III族元素窒化物基板10の中心から径方向外側にIII族元素窒化物基板10の半径の50%以上の領域を意味し得る。The in-plane thermal conductivity of the Group III element nitride substrate 10 is, for example, 170 W/mK to 220 W/mK. In any or predetermined location within the plane of the Group III element nitride substrate, the thermal conductivity in the m-axis direction of the Group III element nitride is greater than the thermal conductivity in the a-axis direction perpendicular to the m-axis direction. Preferably, in the first location 51 situated in the central part 10a in a plan view, the thermal conductivity in the m-axis direction is greater than the thermal conductivity in the a-axis direction, and in the second location 52 situated in the peripheral part 10b in a plan view, the thermal conductivity in the m-axis direction is greater than the thermal conductivity in the a-axis direction. The peripheral part 10b may mean, for example, a region within 50% of the radius of the Group III element nitride substrate 10 radially inward from the edge 10c of the Group III element nitride substrate 10. Alternatively, it may mean a region greater than 50% of the radius of the Group III element nitride substrate 10 radially outward from the center of the Group III element nitride substrate 10.

熱伝導率は、レーザーフラッシュ法、周期加熱放射測温法等の測定方法により熱拡散率を測定し、得られた熱拡散率から算出され得る。Thermal conductivity can be calculated by measuring the thermal diffusivity using measurement methods such as the laser flash method or periodic heating radiation thermometer, and then obtaining the result from the thermal diffusivity.

III族元素窒化物基板の面内の所定の部位における、m軸方向の熱伝導率は、a軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きいことが好ましく、3%以上大きいことがより好ましく、5%以上大きいことがさらに好ましく、6%以上大きいことが特に好ましい。上記第一部位において、m軸方向の熱伝導率は、a軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きいことが好ましく、3%以上大きいことがより好ましく、5%以上大きいことがさらに好ましく、6%以上大きいことが特に好ましい。上記第二部位において、m軸方向の熱伝導率は、a軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きいことが好ましく、3%以上大きいことがより好ましく、5%以上大きいことがさらに好ましく、6%以上大きいことが特に好ましい。In a predetermined portion of the plane of a group III element nitride substrate, the thermal conductivity in the m-axis direction is preferably 2% or more greater than the thermal conductivity in the a-axis direction, more preferably 3% or more greater, even more preferably 5% or more greater, and particularly preferably 6% or more greater. In the first portion described above, the thermal conductivity in the m-axis direction is preferably 2% or more greater than the thermal conductivity in the a-axis direction, more preferably 3% or more greater, even more preferably 5% or more greater, and particularly preferably 6% or more greater. In the second portion described above, the thermal conductivity in the m-axis direction is preferably 2% or more greater than the thermal conductivity in the a-axis direction, more preferably 3% or more greater, even more preferably 5% or more greater, and particularly preferably 6% or more greater.

1つの実施形態においては、図2に示す円盤状の基板面内の5点、具体的には、中心および中心から上下左右の径方向外側に基板の半径の60%進んだ部位(左、上、中心、右、下)全てにおいて、m軸方向の熱伝導率は、a軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きいことが好ましく、3%以上大きいことがより好ましく、5%以上大きいことがさらに好ましく、6%以上大きいことが特に好ましい。In one embodiment, at five points on the disc-shaped substrate surface shown in Figure 2, specifically the center and the points extending 60% of the substrate radius radially outward from the center (left, top, center, right, bottom), the thermal conductivity in the m-axis direction is preferably 2% or more greater than the thermal conductivity in the a-axis direction, more preferably 3% or more greater, even more preferably 5% or more greater, and particularly preferably 6% or more greater.

III族元素窒化物基板の面内の複数の部位におけるm軸方向の熱伝導率の平均値とa軸方向の熱伝導率の平均値との差は、好ましくは2%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは6%以上である。ここで、m軸方向の熱伝導率の平均値とa軸方向の熱伝導率の平均値との差は、式:(m軸方向の熱伝導率の平均値-a軸方向の熱伝導率の平均値)/m軸方向の熱伝導率の平均値から算出される。例えば、上記中央部に位置する第一部位におけるm軸方向の熱伝導率と上記周縁部に位置する第二部位におけるm軸方向の熱伝導率との平均値と、上記中央部に位置する第一部位におけるa軸方向の熱伝導率と上記周縁部に位置する第二部位におけるa軸方向の熱伝導率との平均値との差は、好ましくは2%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは6%以上である。The difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction at multiple locations within the plane of a group III element nitride substrate is preferably 2% or more, more preferably 3% or more, even more preferably 5% or more, and particularly preferably 6% or more. Here, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction is calculated from the formula: (average value of thermal conductivity in the m-axis direction - average value of thermal conductivity in the a-axis direction) / average value of thermal conductivity in the m-axis direction. For example, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction at the first location in the central part and the thermal conductivity in the m-axis direction at the second location in the peripheral part, and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction at the first location in the central part and the thermal conductivity in the a-axis direction at the second location in the peripheral part, is preferably 2% or more, more preferably 3% or more, even more preferably 5% or more, and particularly preferably 6% or more.

1つの実施形態においては、図2に示す円盤状の基板面内の5点(左、上、中心、右、下)におけるm軸方向の熱伝導率の平均値とa軸方向の熱伝導率の平均値との差は、好ましくは2%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは6%以上である。In one embodiment, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction at five points (left, top, center, right, bottom) on the disc-shaped substrate surface shown in Figure 2 is preferably 2% or more, more preferably 3% or more, even more preferably 5% or more, and particularly preferably 6% or more.

本発明の実施形態によるIII族元素窒化物基板は、上記熱伝導率の関係を満足し得、クラックの発生が良好に抑制され得る。III族元素窒化物基板のサイズ(例えば、直径)が大きくなるほど、クラックは発生しやすい傾向にあるが、本発明の実施形態によれば、III族元素窒化物基板のサイズが大きい場合においても、クラックの発生が良好に抑制され得る。The Group III element nitride substrate according to the embodiment of the present invention can satisfy the above relationship of thermal conductivity and effectively suppress crack formation. While crack formation tends to increase with increasing size (e.g., diameter) of the Group III element nitride substrate, according to the embodiment of the present invention, crack formation can be effectively suppressed even when the Group III element nitride substrate is large.

B.製造方法
本発明の1つの実施形態に係るIII族元素窒化物基板の製造方法は、下地基板を準備すること、および、下地基板上にIII族元素窒化物結晶を育成すること、を含む。
B. Manufacturing Method A method for manufacturing a group III element nitride substrate according to one embodiment of the present invention includes preparing a base substrate and growing a group III element nitride crystal on the base substrate.

図3Aから図3Cは、1つの実施形態に係るIII族元素窒化物基板の製造工程を示す図である。図3Aは、互いに対向する上面20aおよび下面20bを有する下地基板20を示している。Figures 3A to 3C show the manufacturing process of a group III element nitride substrate according to one embodiment. Figure 3A shows a base substrate 20 having an upper surface 20a and a lower surface 20b facing each other.

上記下地基板としては、例えば、所望の形状・サイズを有するIII族元素窒化物基板を製造可能な形状・サイズを有する基板が用いられる。代表的には、下地基板は、直径50mm~350mmの円盤状とされる。下地基板の厚さは、例えば300μm~2000μmである。As the base substrate mentioned above, for example, a substrate having a shape and size that allows for the manufacture of a Group III element nitride substrate of the desired shape and size is used. Typically, the base substrate is disc-shaped with a diameter of 50 mm to 350 mm. The thickness of the base substrate is, for example, 300 μm to 2000 μm.

下地基板は、例えば、育成するIII族元素窒化物結晶層とは同種の組成(化学組成)を有する材料で構成され、III族元素窒化物を含み得る。具体的には、下地基板としてIII族元素窒化物下地基板を用い得る。なお、III族元素窒化物の詳細は上述のとおりである。1つの実施形態においては、窒化ガリウム基板が用いられる。The substrate is composed of a material having the same composition (chemical composition) as the Group III element nitride crystal layer to be grown, and may contain Group III element nitride. Specifically, a Group III element nitride substrate can be used as the substrate. Details of the Group III element nitride are as described above. In one embodiment, a gallium nitride substrate is used.

上記III族元素窒化物下地基板は、例えば、育成用基板上に種結晶膜を成膜して得られた種結晶基板の種結晶膜側に、III族元素窒化物結晶を育成し、形成された育成層を育成用基板から分離することにより得ることができる。育成用基板は、任意の適切な材料で構成され得る。育成用基板としては、代表的には、サファイア基板が用いられる。The above-mentioned Group III element nitride substrate can be obtained, for example, by forming a seed crystal film on a growth substrate, growing a Group III element nitride crystal on the seed crystal film side of the seed crystal substrate, and then separating the formed growth layer from the growth substrate. The growth substrate can be made of any suitable material. Typically, a sapphire substrate is used as the growth substrate.

上記種結晶膜の厚さは、例えば0.2μm以上10μm以下であり、好ましくは1μm以上5μm以下である。種結晶膜を構成する材料としては、代表的には、III族元素窒化物が用いられる。III族元素窒化物の詳細は上述のとおりである。1つの実施形態においては、窒化ガリウムが用いられる。The thickness of the seed crystal film is, for example, 0.2 μm to 10 μm, preferably 1 μm to 5 μm. Typical materials used to constitute the seed crystal film include group III element nitrides. Details of the group III element nitrides are as described above. In one embodiment, gallium nitride is used.

種結晶膜は、任意の適切な方法により成膜され得る。種結晶膜の成膜方法としては、代表的には、気相成長法が用いられる。気相成長法の具体例としては、有機金属化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、パルス励起堆積(PXD)法、分子線エピタキシー(MBE)法、蒸着法、昇華法が挙げられる。これらの中でも、MOCVD法が好ましく用いられる。Seed crystal films can be deposited by any suitable method. Typical methods for depositing seed crystal films include vapor deposition. Specific examples of vapor deposition methods include metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor deposition (HVPE), pulsed excitation deposition (PXD), molecular beam epitaxy (MBE), vapor deposition, and sublimation. Among these, MOCVD is preferred.

任意の適切な方法によりIII族元素窒化物結晶を育成し、III族元素窒化物下地基板を得ることができる。III族元素窒化物結晶の育成方法としては、上記種結晶膜の結晶方位に概ね倣った結晶方位を達成し得る方法であれば、特に限定されない。III族元素窒化物結晶の育成方法の具体例は、後述する。A Group III element nitride crystal can be grown by any suitable method to obtain a Group III element nitride substrate. The method for growing the Group III element nitride crystal is not particularly limited, as long as it can achieve a crystal orientation that generally follows the crystal orientation of the seed crystal film. Specific examples of methods for growing Group III element nitride crystals will be described later.

次に、下地基板20上にIII族元素窒化物結晶を育成してIII族元素窒化物結晶層16を形成し、図3Bに示すように積層基板30を得る。所望のIII族元素窒化物基板の厚さに応じて、III族元素窒化物結晶の育成の程度(III族元素窒化物結晶層16の厚さ)は調整され得る。III族元素窒化物結晶の育成方向としては、用途、目的等に応じて、任意の適切な方向が選択され得る。具体例として、上記c面、a面、m面それぞれの法線方向、上記c面、a面、m面に対して傾斜した面の法線方向が挙げられる。Next, a group III element nitride crystal is grown on the base substrate 20 to form a group III element nitride crystal layer 16, and a laminated substrate 30 is obtained as shown in Figure 3B. The degree of growth of the group III element nitride crystal (thickness of the group III element nitride crystal layer 16) can be adjusted according to the desired thickness of the group III element nitride substrate. Any appropriate direction can be selected for the growth direction of the group III element nitride crystal depending on the application, purpose, etc. Specific examples include the normal directions of the c-plane, a-plane, and m-plane, respectively, and the normal directions of the planes inclined to the c-plane, a-plane, and m-plane.

III族元素窒化物結晶は、任意の適切な方法により育成され得る。III族元素窒化物結晶の育成方法としては、上記下地基板の結晶方位に概ね倣った結晶方位を達成し得る方法であれば、特に限定されない。III族元素窒化物結晶の育成方法の具体例としては、有機金属化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、パルス励起堆積(PXD)法、分子線エピタキシー(MBE)法、昇華法等の気相成長法;フラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相成長法が挙げられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。Group III element nitride crystals can be grown by any suitable method. The method for growing Group III element nitride crystals is not particularly limited, as long as it can achieve a crystal orientation that generally follows the crystal orientation of the underlying substrate. Specific examples of methods for growing Group III element nitride crystals include vapor phase growth methods such as metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor deposition (HVPE), pulsed excitation deposition (PXD), molecular beam epitaxy (MBE), and sublimation; and liquid phase growth methods such as flux, amonothermal, hydrothermal, and sol-gel methods. These can be used individually or in combination of two or more.

好ましくは、III族元素窒化物結晶の育成方法として、フラックス法(例えば、Naフラックス法)が採用される。このような育成方法の詳細は、例えば、特許第5244628号公報に記載されており、適宜、記載された育成方法の各種条件を調整して育成してもよい。具体的には、III族元素窒化物結晶の育成は、加圧窒素ガスを供給可能な耐圧容器と、この耐圧容器内で回転可能な回転台と、この回転台に載置される外容器とを備える結晶製造装置を用いて、各種条件を調整して行うことができる。Preferably, a flux method (e.g., the Na flux method) is used as a method for growing Group III element nitride crystals. Details of such a growth method are described, for example, in Japanese Patent Publication No. 5244628, and the crystals may be grown by adjusting the various conditions of the described growth method as appropriate. Specifically, the growth of Group III element nitride crystals can be carried out by adjusting various conditions using a crystal manufacturing apparatus comprising a pressure vessel capable of supplying pressurized nitrogen gas, a turntable rotatable within the pressure vessel, and an outer vessel placed on the turntable.

フラックス法によるIII族元素窒化物結晶の育成は、代表的には、育成容器としての坩堝を用いて行われる。具体的には、坩堝内の所定の位置に上記種結晶基板が配置され、さらに、原料が充填される。種結晶基板が配置された坩堝は、代表的には、蓋をした状態で、窒素を含む雰囲気下、所定の圧力・温度下に置かれ、育成処理に供される。The growth of Group III element nitride crystals by the flux method is typically carried out using a crucible as the growth container. Specifically, the seed crystal substrate is placed in a predetermined position within the crucible, and then the raw materials are filled in. The crucible containing the seed crystal substrate is typically placed with a lid on, under a nitrogen-containing atmosphere, and under predetermined pressure and temperature, and subjected to the growth process.

上記原料は、例えば、フラックス、III族元素、および、必要に応じてドーパントを含む融液組成物である。フラックスは、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むことが好ましく、より好ましくは金属ナトリウムを含む。代表的には、フラックスと金属原料物質とを混合して使用する。金属原料物質としては、単体金属、合金、金属化合物等が用いられ得るが、取扱いの観点から、単体金属が好ましく用いられる。The above raw materials are, for example, a molten composition containing flux, a Group III element, and optionally a dopant. The flux preferably contains at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, and more preferably contains metallic sodium. Typically, the flux and the metal raw material are used in mixture form. As the metal raw material, elemental metals, alloys, metal compounds, etc., can be used, but from the viewpoint of handling, elemental metals are preferably used.

上記坩堝(蓋を含む)としては、フラックス法に用いられ得る任意の適切な材質で形成され得る。坩堝の材質としては、例えば、アルミナ、イットリア、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)が挙げられる。また、坩堝の材質は、単結晶であってもよく、多結晶(セラミックス)であってもよい。セラミックスは、HIP処理などで相対密度を高めた、いわゆる透光性を持たせたものであってよい。The crucible (including the lid) can be formed from any suitable material that can be used in the flux process. Examples of crucible materials include alumina, yttria, and YAG (yttrium aluminum garnet). The crucible material may be single crystal or polycrystalline (ceramic). The ceramic may have its relative density increased by HIP treatment or other methods, giving it so-called translucency.

育成は、上述のとおり、窒素を含む雰囲気下で行われ得る。育成雰囲気は、窒素に加えて、他のガスを含み得る。他のガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが好ましく用いられる。As described above, growth can be carried out under a nitrogen-containing atmosphere. The growth atmosphere may contain other gases in addition to nitrogen. Inert gases such as argon, helium, and neon are preferably used as the other gases.

育成時の雰囲気の圧力は、任意の適切な圧力に設定され得る。育成時の雰囲気の圧力は、例えば、フラックスの蒸発を防止する観点から、好ましくは10気圧以上であり、より好ましくは30気圧以上である。一方、育成時の雰囲気の圧力は、例えば、育成装置が大がかりとなるのを防止する観点から、好ましくは2000気圧以下であり、より好ましくは500気圧以下である。The atmospheric pressure during cultivation can be set to any appropriate pressure. From the viewpoint of preventing flux evaporation, the atmospheric pressure during cultivation is preferably 10 atmospheres or higher, and more preferably 30 atmospheres or higher. On the other hand, from the viewpoint of preventing the cultivation apparatus from becoming large-scale, the atmospheric pressure during cultivation is preferably 2000 atmospheres or lower, and more preferably 500 atmospheres or lower.

育成時の雰囲気の温度は、任意の適切な温度に設定され得る。育成時の雰囲気の温度は、好ましくは700℃~1000℃であり、より好ましくは800℃~900℃である。The ambient temperature during cultivation can be set to any appropriate temperature. Preferably, the ambient temperature during cultivation is 700°C to 1000°C, and more preferably 800°C to 900°C.

育成は、坩堝を回転させながら行うことが好ましい。例えば、蓋をした坩堝を上記外容器に収容して上記回転台の上に載置し、回転台を回転させることにより坩堝を回転させる。回転方向は、任意の適切な方向に設定され得るが、好ましい実施形態においては、所定の周期で時計回りと反時計回りとを繰り返す。回転速度は、好ましくは5rpm~40rpmである。Cultivation is preferably carried out while rotating the crucible. For example, a lidded crucible is placed in the outer container and placed on the rotating platform, and the crucible is rotated by rotating the platform. The direction of rotation can be set to any appropriate direction, but in a preferred embodiment, it alternates between clockwise and counterclockwise rotations at a predetermined period. The rotation speed is preferably 5 rpm to 40 rpm.

育成は、種結晶基板の面内の第一方向における原料溶液の流れが第二方向における原料溶液の流れよりも速くなるように回転させることにより行うことが好ましい。このような形態によれば、上述の熱伝導率を有するIII族元素窒化物基板を良好に得ることができる。具体的には、所定の方向(第一方向)の攪拌性を向上させることで、第一方向において強固な繋がりをもって結晶が育成され得、他の方向(第二方向)よりも熱伝導率の高い結晶層を形成し得る。The growth is preferably carried out by rotating the seed crystal substrate so that the flow of the raw material solution in the first direction within the plane of the substrate is faster than the flow of the raw material solution in the second direction. With this configuration, a group III element nitride substrate having the above-mentioned thermal conductivity can be obtained successfully. Specifically, by improving the agitation in a predetermined direction (first direction), crystals can be grown with strong bonds in the first direction, and a crystal layer with higher thermal conductivity than in other directions (second direction) can be formed.

上記第一方向は、得られるIII族元素窒化物基板のm軸方向に対応し得、上記第二方向は、得られるIII族元素窒化物基板のa軸方向に対応し得る。第一方向は、III族元素窒化物下地基板のm軸方向に対応し得、第二方向は、III族元素窒化物下地基板のa軸方向に対応し得る。第一方向をIII族元素窒化物下地基板の劈開しやすい面であるm面に直交させることにより、クラックの発生が抑制され(例えば、III族元素窒化物結晶層16を形成後、積層基板30を冷却する際に)、歩留まりが向上し得る。The first direction described above may correspond to the m-axis direction of the resulting Group III element nitride substrate, and the second direction described above may correspond to the a-axis direction of the resulting Group III element nitride substrate. The first direction may correspond to the m-axis direction of the Group III element nitride underlayment, and the second direction may correspond to the a-axis direction of the Group III element nitride underlayment. By orienting the first direction perpendicular to the m-plane, which is the easily cleavable surface of the Group III element nitride underlayment, crack generation can be suppressed (for example, when cooling the laminated substrate 30 after forming the Group III element nitride crystal layer 16), and the yield can be improved.

上記原料溶液の流れの制御は、例えば、坩堝内における結晶を育成させる基板(種結晶基板)と基板を囲む壁との位置関係を調整することにより行い得る。図4Aは、第一実施形態における坩堝内に配置された基板を上から見た図である。本実施形態では、平面視略楕円形の坩堝90を用いて原料溶液の流れを制御する。この場合、楕円形の長辺方向が第一方向L1となり得、楕円形の短辺方向が第二方向L2となり得る。具体的には、結晶を育成させる基板(種結晶基板)20は、坩堝の中央部に配置され、長辺方向(第一方向L1)における基板20と坩堝90の内壁90aとの距離d1は、短辺方向(第二方向L2)における基板20と坩堝90の内壁90aとの距離d2よりも大きくなるように配置される。距離d2に対する距離d1の比(d1/d2)は、好ましくは1.5以上である。The flow of the raw material solution described above can be controlled, for example, by adjusting the positional relationship between the substrate (seed crystal substrate) on which crystals are grown in the crucible and the wall surrounding the substrate. Figure 4A is a top view of the substrate arranged in the crucible in the first embodiment. In this embodiment, the flow of the raw material solution is controlled using a crucible 90 that is approximately elliptical in plan view. In this case, the direction of the long side of the ellipse may be the first direction L1, and the direction of the short side of the ellipse may be the second direction L2. Specifically, the substrate (seed crystal substrate) 20 on which crystals are grown is placed in the center of the crucible, and the distance d1 between the substrate 20 and the inner wall 90a of the crucible 90 in the direction of the long side (first direction L1) is arranged to be greater than the distance d2 between the substrate 20 and the inner wall 90a of the crucible 90 in the direction of the short side (second direction L2). The ratio of distance d1 to distance d2 (d1/d2) is preferably 1.5 or more.

図4Bは、第二実施形態における坩堝内に配置された基板を上から見た図である。本実施形態では、坩堝90内に調整壁92を配置させることにより原料溶液の流れを制御する。この場合、調整壁92に沿う方向が第一方向L1となり得、調整壁92に略直交する方向が第二方向L2となり得る。具体的には、結晶を育成させる基板(種結晶基板)20は、一対の調整壁92に挟まれるように配置され、調整壁92に沿う方向(第一方向L1)における基板20と坩堝90の内壁90aとの距離d1は、調整壁92に略直交する方向(第二方向L2)における基板20と調整壁92との距離d2よりも大きくなるように配置される。距離d2に対する距離d1の比(d1/d2)は、好ましくは1.5以上である。調整壁92の長さは、基板20の直径よりも長く形成され得る。調整壁92の材質としては、上述の坩堝の材質と同様の材質が用いられ得る。本実施形態では、調整壁92で原料溶液の流れを制御し得る限り、坩堝90の形状は特に限定されない。図示例では、坩堝90は平面視略円形とされているが、例えば、第一実施形態と同様、略楕円形であってもよい。Figure 4B is a top view of the substrate placed inside the crucible in the second embodiment. In this embodiment, the flow of the raw material solution is controlled by placing adjustment walls 92 inside the crucible 90. In this case, the direction along the adjustment walls 92 may be the first direction L1, and the direction substantially perpendicular to the adjustment walls 92 may be the second direction L2. Specifically, the substrate (seed crystal substrate) 20 on which crystals are grown is placed so as to be sandwiched between a pair of adjustment walls 92, and the distance d1 between the substrate 20 and the inner wall 90a of the crucible 90 in the direction along the adjustment walls 92 (first direction L1) is set to be greater than the distance d2 between the substrate 20 and the adjustment walls 92 in the direction substantially perpendicular to the adjustment walls 92 (second direction L2). The ratio of distance d1 to distance d2 (d1/d2) is preferably 1.5 or more. The length of the adjustment walls 92 may be formed to be longer than the diameter of the substrate 20. The material used for the adjustment wall 92 may be the same as the material used for the crucible described above. In this embodiment, the shape of the crucible 90 is not particularly limited, as long as the flow of the raw material solution can be controlled by the adjustment wall 92. In the illustrated example, the crucible 90 is approximately circular in plan view, but it may be approximately elliptical, for example, as in the first embodiment.

III族元素窒化物結晶の育成後、図3Cに示すように、下地基板20からIII族元素窒化物結晶(III族元素窒化物結晶層16)を分離して自立基板32を得てもよいし、図示例とは異なり、積層基板30をそのまま自立基板として用いてもよい。III族元素窒化物結晶は、任意の適切な方法により下地基板から分離され得る。III族元素窒化物結晶の分離方法としては、例えば、III族元素窒化物結晶の育成後の降温工程において下地基板との熱収縮差を利用して下地基板から自発分離させる方法、ケミカルエッチングにより分離する方法、レーザ光照射によるレーザリフトオフ法が挙げられる。レーザリフトオフ法によりIII族元素窒化物結晶を分離する場合、代表的には、レーザ光を積層基板30の下地基板20の下面20b側から照射する。また、研削、ワイヤソー等の切断機を用いた切断により、自立基板を得てもよい。After growing the Group III element nitride crystals, as shown in Figure 3C, the Group III element nitride crystals (Group III element nitride crystal layer 16) may be separated from the base substrate 20 to obtain a self-supporting substrate 32. Alternatively, unlike the illustrated example, the laminated substrate 30 may be used as a self-supporting substrate as is. The Group III element nitride crystals can be separated from the base substrate by any suitable method. Examples of methods for separating the Group III element nitride crystals include a method that utilizes the difference in thermal shrinkage between the Group III element nitride crystals and the base substrate during the cooling process after growth to allow for spontaneous separation, a method of separation by chemical etching, and a laser lift-off method using laser light irradiation. When separating the Group III element nitride crystals by the laser lift-off method, typically, laser light is irradiated from the lower surface 20b side of the base substrate 20 of the laminated substrate 30. Alternatively, a self-supporting substrate may be obtained by grinding or cutting using a cutting machine such as a wire saw.

自立基板は、そのまま上記III族元素窒化物基板とされ得るが、代表的には、自立基板に対して任意の適切な加工を行い、上記III族元素窒化物基板を得る。The self-supporting substrate can be used as is to obtain the above-mentioned Group III element nitride substrate, but typically, the self-supporting substrate is subjected to any appropriate processing to obtain the above-mentioned Group III element nitride substrate.

上記自立基板に対して行う加工の一例としては、周縁部の研削加工(例えば、ダイヤモンド砥石を用いた研削加工)が挙げられる。代表的には、研削により、上記所望の形状・サイズ(例えば、所望の直径を有する円盤状)となるように加工する。One example of processing performed on the above-mentioned self-supporting substrate is grinding of the peripheral edge (for example, grinding using a diamond grinding wheel). Typically, grinding is performed to process the substrate into the desired shape and size (for example, a disc shape with a desired diameter).

上記自立基板に対して行う加工の別の例としては、主面(上面、下面)の研削、研磨(例えば、ラップ研磨、化学機械研磨(CMP))等の加工が挙げられる。代表的には、研削および研磨により、所望の厚さとなるように薄板化および平坦化する。Another example of processing performed on the above-mentioned self-supporting substrate is grinding and polishing of the main surfaces (top and bottom surfaces) (e.g., lapping, chemical mechanical polishing (CMP)). Typically, grinding and polishing are used to thin and flatten the substrate to the desired thickness.

また、例えば、上記自立基板に対して行う加工としては、外周エッジの面取り、加工変質層の除去、加工変質層に起因し得る残留応力の除去が挙げられる。Furthermore, examples of processing performed on the above-mentioned self-supporting substrate include chamfering of the outer edge, removal of the processed altered layer, and removal of residual stress that may be caused by the processed altered layer.

C.用途
上記III族元素窒化物基板には、機能層が形成され得る。図5は、本発明の1つの実施形態に係る素子基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。素子基板40は、III族元素窒化物基板10とIII族元素窒化物基板10の第一主面(III族元素極性面)11上に形成された機能層42とを有する。機能層42は、代表的には、結晶をエピタキシャル成長させて形成される。
C. Applications A functional layer can be formed on the above-mentioned Group III element nitride substrate. Figure 5 is a schematic cross-sectional view showing the general configuration of an element substrate according to one embodiment of the present invention. The element substrate 40 has a Group III element nitride substrate 10 and a functional layer 42 formed on the first main surface (Group III element polar surface) 11 of the Group III element nitride substrate 10. The functional layer 42 is typically formed by epitaxial growth of crystals.

上記機能層は、例えば、発光層、整流素子層、スイッチング素子層、パワー半導体層として機能し得る。1つの実施形態においては、上記機能層を構成する材料として、III族元素窒化物結晶が採用される。III族元素窒化物を構成するIII族元素としては、例えば、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、In(インジウム)が用いられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。The above-mentioned functional layer can function, for example, as a light-emitting layer, a rectifier layer, a switching element layer, or a power semiconductor layer. In one embodiment, a group III element nitride crystal is used as the material constituting the above-mentioned functional layer. Examples of group III elements that constitute the group III element nitride include Ga (gallium), Al (aluminum), and In (indium). These can be used individually or in combination of two or more.

なお、III族元素窒化物基板10に機能層42が形成された状態で(素子基板40とした状態で)、III族元素窒化物基板10の第二主面(窒素極性面)12に対し、研削、研磨等の加工を行ってもよい。Furthermore, while the functional layer 42 is formed on the group III element nitride substrate 10 (in the state of being an element substrate 40), the second main surface (nitrogen polar surface) 12 of the group III element nitride substrate 10 may be subjected to processing such as grinding or polishing.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[比較例1]
(下地基板の準備)
直径6インチのc面自立窒化ガリウム基板を準備した。
[Comparative Example 1]
(Preparation of the base substrate)
A 6-inch diameter c-plane self-supporting gallium nitride substrate was prepared.

(窒化ガリウム結晶の育成)
窒化ガリウム結晶の育成は、加圧窒素ガスを供給可能な耐圧容器と、この耐圧容器内で回転可能な回転台と、この回転台に載置される外容器とを備える結晶製造装置により行った。
上記下地基板を、窒素雰囲気のグローブボックス内で、直径200mmのアルミナ坩堝の中(中央部)に配置した。次に、原子比Ga/(Ga+Na)(mol%)が15mol%となるように、金属ガリウムと金属ナトリウムを坩堝内に充填し、アルミナ板で蓋をした。この状態で、坩堝をステンレス製の内容器に入れ、さらにこの内容器を収容可能なステンレス製の外容器に入れて、窒素導入パイプの付いた蓋で外容器を閉じた。この状態で、外容器を予め真空ベークしておいた結晶製造装置内の加熱部に設置されている回転台の上に載置し、結晶製造装置の耐圧容器に蓋をして密閉した。
次いで、耐圧容器内を真空ポンプにて0.1Pa以下まで真空引きした。続いて、加熱部(上段ヒータ、中段ヒータおよび下段ヒータ)を操作して、加熱空間の温度を870℃になるように加熱しながら、4.0MPaになるまで窒素ガスボンベから耐圧容器内に窒素ガスを導入し、外容器を中心軸周りに20rpmの速度(攪拌速度)で一定周期の時計回りおよび反時計回りで回転させた。この状態を40時間保持した。
その後、室温まで自然冷却して大気圧にまで減圧した後、耐圧容器の蓋を開けて中から坩堝を取り出した。坩堝の中の固化した金属ナトリウムを除去し、窒化ガリウム結晶を成長させた下地基板を回収した。こうして、窒化ガリウム基板(ウエハ)を得た。
(Growth of gallium nitride crystals)
The growth of gallium nitride crystals was carried out using a crystal manufacturing apparatus comprising a pressure vessel capable of supplying pressurized nitrogen gas, a rotating platform that can rotate within the pressure vessel, and an outer container placed on the rotating platform.
The above substrate was placed in the center of a 200 mm diameter alumina crucible inside a glove box under a nitrogen atmosphere. Next, metallic gallium and metallic sodium were filled into the crucible so that the atomic ratio Ga/(Ga+Na) (mol%) was 15 mol%, and the crucible was covered with an alumina plate. In this state, the crucible was placed in a stainless steel inner container, and then placed in a stainless steel outer container capable of housing this inner container, and the outer container was closed with a lid equipped with a nitrogen introduction pipe. In this state, the outer container was placed on a rotating platform installed in the heating section of the crystal manufacturing apparatus, which had been pre-baked under vacuum, and the pressure vessel of the crystal manufacturing apparatus was sealed with a lid.
Next, the pressure vessel was evacuated to 0.1 Pa or less using a vacuum pump. Subsequently, the heating section (upper heater, middle heater, and lower heater) was operated to heat the heating space to 870°C, while nitrogen gas was introduced into the pressure vessel from a nitrogen gas cylinder until the pressure reached 4.0 MPa. The outer vessel was then rotated clockwise and counterclockwise at a constant period of 20 rpm (stirring speed) around its central axis. This state was maintained for 40 hours.
Afterward, the mixture was allowed to cool naturally to room temperature and then reduced to atmospheric pressure. The lid of the pressure vessel was opened and the crucible was removed. The solidified metallic sodium inside the crucible was removed, and the substrate on which the gallium nitride crystals had grown was recovered. In this way, a gallium nitride substrate (wafer) was obtained.

[実施例1]
窒化ガリウム結晶の育成に使用する坩堝を、長辺260mmで短辺180mmの楕円形のアルミナ坩堝に変更し、下地基板(c面自立窒化ガリウム基板)を、そのm軸方向が長辺方向に沿い、a軸方向が短辺方向に沿うように坩堝内に配置したこと(図4Aに示すd1/d2:3.67)、および、窒化ガリウム結晶の育成の際、攪拌速度を10rpmに変更したこと以外は比較例1と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。
[Example 1]
A gallium nitride substrate was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1, except that the crucible used for growing gallium nitride crystals was changed to an elliptical alumina crucible with a long side of 260 mm and a short side of 180 mm, the base substrate (c-plane self-supporting gallium nitride substrate) was placed in the crucible so that its m-axis direction was aligned with the long side direction and its a-axis direction was aligned with the short side direction (d1/d2: 3.67 as shown in Figure 4A), and the stirring speed during gallium nitride crystal growth was changed to 10 rpm.

[実施例2]
窒化ガリウム結晶の育成の際、攪拌速度を20rpmに変更したこと以外は実施例1と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。
[Example 2]
A gallium nitride substrate was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the stirring speed was changed to 20 rpm during the growth of the gallium nitride crystal.

[実施例3]
窒化ガリウム結晶の育成の際、攪拌速度を30rpmに変更したこと以外は実施例1と同様にして、窒化ガリウム基板を作製した。
[Example 3]
A gallium nitride substrate was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the stirring speed was changed to 30 rpm during the growth of the gallium nitride crystal.

<評価>
実施例および比較例について下記の評価を行った。
1.熱伝導率
得られた窒化ガリウム基板について、図2に示す5点(左、上、中心、右、下)における熱拡散率および比熱を求め、熱伝導率を算出した。熱拡散率の測定はレーザーフラッシュ法熱定数測定装置を用いて、比熱の測定は示差走査熱量計を用いて、室温にて測定した。重量を測定して得た密度は、6.06g/cmであった。なお、熱拡散率は、グラインダー(♯1000)を用いて得られた基板のガリウム極性面を研削して厚さ500μmとし、上記所定の箇所を含む10mm×10mmのサイズに切り出した試験片のa軸方向およびm軸方向について測定を行った。また、グラインダー(♯1000)を用いて得られた基板のガリウム極性面を研削して厚さ300~400μmとし、上記所定の箇所を含む10mm×10mmのサイズに切り出した切出片から3mm×3mmの試験片を3枚切り出し、これらを重ねて厚さ1mm以上とし、比熱(c軸方向)の測定に供した。
評価結果を表1から表4に示す。なお、表中の右下の値は、5点におけるm軸方向の熱伝導率の平均値からa軸方向の熱伝導率の平均値を差し引いた値を、5点におけるm軸方向の熱伝導率の平均値で除した値である。
2.歩留まり
各実施例および比較例においてウエハを20枚作製し、クラックが発生しているか否かを目視で確認し、クラックが確認されなかった枚数を確認し、歩留まりを算出した。なお、確認されたクラック(下地基板のm面での割れ)は、全て、窒化ガリウム結晶の育成後に発生していた。
評価結果を表5に示す。
<Evaluation>
The following evaluations were performed on the examples and comparative examples.
1. Thermal Conductivity The thermal diffusivity and specific heat of the obtained gallium nitride substrate were determined at five points (left, top, center, right, and bottom) as shown in Figure 2, and the thermal conductivity was calculated. The thermal diffusivity was measured using a laser flash thermal constant measuring device, and the specific heat was measured using a differential scanning calorimeter, both at room temperature. The density obtained by weight measurement was 6.06 g/ cm³ . The thermal diffusivity was measured in the a-axis and m-axis directions of a test piece cut to a size of 10 mm × 10 mm, including the specified locations, after grinding the gallium polar surface of the substrate obtained using a grinder (#1000) to a thickness of 500 μm. Furthermore, the gallium polar surface of the substrate obtained using a grinder (#1000) was ground to a thickness of 300-400 μm, and three 3 mm x 3 mm test pieces were cut from a 10 mm x 10 mm piece including the predetermined area, and these were stacked to a thickness of 1 mm or more and used for measuring specific heat (in the c-axis direction).
The evaluation results are shown in Tables 1 to 4. The value in the lower right corner of each table is calculated by subtracting the average thermal conductivity in the a-axis direction from the average thermal conductivity in the m-axis direction at five points, and then dividing this result by the average thermal conductivity in the m-axis direction at five points.
2. Yield In each example and comparative example, 20 wafers were fabricated, and the presence or absence of cracks was visually checked. The number of wafers without cracks was counted, and the yield was calculated. All cracks that were found (cracks on the m-plane of the underlying substrate) occurred after the growth of the gallium nitride crystal.
The evaluation results are shown in Table 5.

実施例においてクラックの発生は抑制されており、高い(70%以上の)歩留まりが確認された。In the examples, crack occurrence was suppressed, and a high yield (over 70%) was confirmed.

本発明の実施形態によるIII族元素窒化物基板は、例えば、各種半導体デバイスの基板として利用され得る。The Group III element nitride substrate according to the embodiment of the present invention can be used, for example, as a substrate for various semiconductor devices.

10 III族元素窒化物基板
11 第一主面
12 第二主面
13 側面
16 III族元素窒化物結晶層
20 下地基板
20a 上面
20b 下面
30 積層基板
32 自立基板
40 素子基板
42 機能層
90 坩堝
92 調整壁
10 Group III element nitride substrate 11 First main surface 12 Second main surface 13 Side surface 16 Group III element nitride crystal layer 20 Underlayment substrate 20a Top surface 20b Bottom surface 30 Laminated substrate 32 Self-supporting substrate 40 Element substrate 42 Functional layer 90 Crucible 92 Adjustment wall

Claims (5)

互いに対向する第一主面および第二主面を有するIII族元素窒化物基板であって、
前記第一主面の(0001)面に対する傾斜角は、10°以下であり、
前記第二主面の(000-1)面に対する傾斜角は、10°以下であり、
前記基板面内の所定の部位における、III族元素窒化物のm軸方向の熱伝導率は、III族元素窒化物のa軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きい、
III族元素窒化物基板。
A group III element nitride substrate having a first principal surface and a second principal surface facing each other,
The inclination angle of the first main surface with respect to the (0001) surface is 10° or less.
The inclination angle of the second main surface with respect to the (000-1) surface is 10° or less.
The thermal conductivity of the group III element nitride in the m-axis direction at a predetermined location within the substrate surface is 2% or more greater than the thermal conductivity of the group III element nitride in the a-axis direction.
Group III element nitride substrate.
前記基板の面内の複数の部位における前記m軸方向の熱伝導率の平均値と前記a軸方向の熱伝導率の平均値との差は2%以上である、請求項に記載のIII族元素窒化物基板:
ここで、m軸方向の熱伝導率の平均値とa軸方向の熱伝導率の平均値との差は、式:(m軸方向の熱伝導率の平均値-a軸方向の熱伝導率の平均値)/m軸方向の熱伝導率の平均値から算出される。
The difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction at multiple locations within the plane of the substrate is 2% or more, according to claim 1 :
Here, the difference between the average value of the thermal conductivity in the m-axis direction and the average value of the thermal conductivity in the a-axis direction is calculated using the formula: (average value of the thermal conductivity in the m-axis direction - average value of the thermal conductivity in the a-axis direction) / average value of the thermal conductivity in the m-axis direction.
円盤状とされ、直径が75mm以上である、請求項1または2に記載のIII族元素窒化物基板。 A group III element nitride substrate according to claim 1 or 2, having a disc shape and a diameter of 75 mm or more. III族元素窒化物結晶の自立基板である、請求項1または2に記載のIII族元素窒化物基板。 A group III element nitride substrate according to claim 1 or 2, which is a self-supporting substrate of group III element nitride crystals. III族元素窒化物基板の製造方法であって、
互いに対向する上面および下面を有する下地基板を準備すること、および、
前記下地基板上に、III族元素窒化物結晶をフラックス法により育成すること、を含み、
前記フラックス法による結晶の育成は、前記下地基板の面内の第一方向における原料溶液の流れが前記下地基板の面内の第二方向における原料溶液の流れよりも速くなるように行われ、
前記下地基板は、III族元素窒化物下地基板であり、
前記第一方向は、前記下地基板のm面と直交しており、
前記III族元素窒化物基板は、互いに対向する第一主面および第二主面を有し、
前記第一主面の(0001)面に対する傾斜角は、10°以下であり、
前記第二主面の(000-1)面に対する傾斜角は、10°以下であり、
前記III族元素窒化物基板面内の所定の部位における、III族元素窒化物のm軸方向の熱伝導率は、III族元素窒化物のa軸方向の熱伝導率よりも2%以上大きい、
III族元素窒化物基板の製造方法。
A method for manufacturing a group III element nitride substrate,
Prepare a base substrate having an upper surface and a lower surface that face each other, and
This includes growing a group III element nitride crystal on the aforementioned substrate by a flux method,
The crystal growth by the flux method is carried out such that the flow of the raw material solution in the first direction within the plane of the substrate is faster than the flow of the raw material solution in the second direction within the plane of the substrate .
The aforementioned substrate is a Group III element nitride substrate,
The first direction is perpendicular to the m-plane of the substrate.
The group III element nitride substrate has a first main surface and a second main surface that face each other.
The inclination angle of the first main surface with respect to the (0001) surface is 10° or less.
The inclination angle of the second main surface with respect to the (000-1) surface is 10° or less.
In a predetermined location within the surface of the group III element nitride substrate, the thermal conductivity of the group III element nitride in the m-axis direction is 2% or more greater than the thermal conductivity of the group III element nitride in the a-axis direction.
A method for manufacturing a group III element nitride substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2015006989A (en) 2009-01-21 2015-01-15 日本碍子株式会社 Group 3b nitride crystal plate manufacturing device

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