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公開番号2024121016
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-05
出願番号2024108192,2021502114
出願日2024-07-04,2020-02-19
発明の名称GaN結晶および基板
出願人三菱ケミカル株式会社,国立研究開発法人物質・材料研究機構
代理人弁理士法人秀和特許事務所
主分類C30B 29/38 20060101AFI20240829BHJP(結晶成長)
要約【課題】GaN-HEMTのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に用いられ得るGaN結晶、および、GaN-HEMTのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に用いられ得る基板に関する。
【解決手段】面積5cm²以上の(0001)表面を有し、該(0001)表面の(0001)結晶面からの傾斜が10度以下であるGaN結晶であって、Fe濃度が5×10¹⁷atoms/cm³以上1×10¹⁹atoms/cm³未満であり、総ドナー不純物濃度が5×10¹⁶atoms/cm³未満であることを特徴とするGaN結晶。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
続きを表示（約 810 文字）【請求項２】
Ｆｅ濃度が６×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である、請求項１に記載のＧａＮ結晶。
【請求項３】
Ｆｅ濃度が１×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である、請求項１または２に記載のＧａＮ結晶。
【請求項４】
室温抵抗率が１×１０
１１
Ωｃｍ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項５】
１００℃における抵抗率が１×１０
１０
Ωｃｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項６】
２００℃における抵抗率が５×１０
８
Ωｃｍ以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項７】
３００℃における抵抗率が１×１０
８
Ωｃｍ以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項８】
抵抗率が、室温において１×１０
１２
Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０
１０
Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０
９
Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０
８
Ωｃｍ以上である、請求項３に記載のＧａＮ結晶。
【請求項９】
前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満である、請求項１～８のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
【請求項１０】
前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０
７
ｃｍ
－２
未満である、請求項１～９のいずれか一項に記載のＧａＮ結晶。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明はＧａＮ結晶および基板に関し、とりわけ、半絶縁性ＧａＮ結晶および半絶縁性ＧａＮ結晶からなる基板に関する。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）はIII族窒化物化合物の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
近年、ＧａＮ－ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）用の基板として、半絶縁性ＧａＮ層を表面層として設けた基板や、全体が半絶縁性ＧａＮ結晶からなる単結晶ＧａＮ基板が、検討されている（特許文献１）。
通常、１×１０
５
Ωｃｍ以上の室温抵抗率を有するＧａＮが、半絶縁性ＧａＮと呼ばれる。
【０００３】
ＧａＮを半絶縁性にするには、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃ（炭素）のような、ｎ型キャリアを補償する作用のある不純物でドープすればよいことが知られている。このような不純物は補償不純物と呼ばれることがある。
特許文献１に記載されたところによれば、ある特定の条件下において、室温抵抗率が８．５×１０
９
Ωｃｍで（００４）ＸＲＤロッキングカーブの半値幅が３３ａｒｃｓｅｃである、厚さ５μｍのＦｅドープ半絶縁性ＧａＮ層を、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）でサファイア基板上に成長させ得たという。なお、該Ｆｅドープ半絶縁性ＧａＮ層の転位密度は１×１０
８
／ｃｍ
２
台前半から１×１０
７
／ｃｍ
２
台後半の間であったと書かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１２－２４６１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、
ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に用いられ得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスの製造に用いられ得る基板に関する。
本発明者等は、ＨＶＰＥで成長されるＧａＮ結晶をＦｅでドープしたときの、ドナー不純物濃度の増加を効果的に抑える方法を見出し、本発明に想到した。また、本発明者等は、ドナー不純物の濃度を低く抑える一方で適度な濃度にＦｅをドープすることにより、好ましい特性を備える半絶縁性ＧａＮ結晶が得られることを見出し、本発明に想到した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態には以下の形態が含まれるが、限定されるものではない。
［１］面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜が１０度以下であるＧａＮ結晶であって、Ｆｅ濃度が５×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上１×１０
１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であり、総ドナー不純物濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
未満であることを特徴とするＧａＮ結晶。
［２］Ｆｅ濃度が６×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下または３×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である、前記［１］に記載のＧａＮ結晶。
［３］Ｆｅ濃度が１×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である、前記［１］または［２］
に記載のＧａＮ結晶。
［４］室温抵抗率が１×１０
１１
Ωｃｍ以上、２×１０
１１
Ωｃｍ以上、５×１０
１１
Ωｃｍ以上、１×１０
１２
Ωｃｍ以上、２×１０
１２
Ωｃｍ以上または５×１０
１２
Ωｃｍ以上である、前記［１］～［３］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［５］１００℃における抵抗率が１×１０
１０
Ωｃｍ以上、２×１０
１０
Ωｃｍ以上または５×１０
１０
Ωｃｍ以上である、前記［１］～［４］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。［６］２００℃における抵抗率が５×１０
８
Ωｃｍ以上、１×１０
９
Ωｃｍ以上または２×１０
９
Ωｃｍ以上である、前記［１］～［５］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［７］３００℃における抵抗率が１×１０
８
Ωｃｍ以上、２×１０
８
Ωｃｍ以上または５×１０
８
Ωｃｍ以上である、前記［１］～［６］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［８］抵抗率が、室温において１×１０
１２
Ωｃｍ以上、１００℃において５×１０
１０
Ωｃｍ以上、２００℃において２×１０
９
Ωｃｍ以上、且つ３００℃において５×１０
８
Ωｃｍ以上である、前記［３］に記載のＧａＮ結晶。
［９］前記（０００１）表面側で測定される（００４）ＸＲＤロッキングカーブ半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ未満、２５ａｒｃｓｅｃ未満、２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満である、前記［１］～［８］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１０］前記（０００１）表面における貫通転位密度が１×１０
７
ｃｍ
－２
未満、５×１０
６
ｃｍ
－２
未満または１×１０
６
ｃｍ
－２
未満である、前記［１］～［９］のいずれかに記載のＧａＮ結晶。
［１１］面積５ｃｍ
２
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｆｅ等の補償不純物の濃度が比較的低くても半絶縁性を有することが可能であり、しかも結晶品質の良好なＧａＮ結晶が提供される。
本発明によれば、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型デバイス構造の窒化物半導体デバイスのための基板に好適に用い得るＧａＮ結晶、および、ＧａＮ－ＨＥＭＴのような横型の窒化物半導体デバイスの製造に好適に用い得る基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、実施形態に係るＧａＮ結晶を示す斜視図である。
図２は、単結晶ＧａＮ基板をシードに用いてＨＶＰＥで成長させたアンドープとＦｅ濃度３．７×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
のＧａＮ結晶の熱伝導率を、室温から３００℃までの間で測定した結果を示す。
図３は、実施形態に係るＧａＮ結晶の（０００１）表面を、正方格子によって５ｍｍ×５ｍｍのセルに分けたところを示す平面図である。
図４は、実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板を示す斜視図である。
図５は、実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板を示す断面図である。
図６は、実施形態に係る単結晶ＧａＮ基板を示す断面図である。
図７は、実施形態に係るＧａＮ結晶の成長に適したＨＶＰＥ装置の基本構成を示す模式図である。
図８は、ＨＶＰＥ装置のサセプター温度と、成長したＧａＮ結晶の不純物濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ＧａＮ結晶では、［０００１］および［０００－１］に平行な結晶軸がｃ軸、＜１０－１０＞に平行な結晶軸がｍ軸、＜１１－２０＞に平行な結晶軸がａ軸と呼ばれる。ｃ軸に直交する結晶面はｃ面（c-plane）、ｍ軸に直交する結晶面はｍ面（m-plane）、ａ軸に直交する結晶面はａ面（a-plane）と呼ばれる。
本明細書において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、ＧａＮ結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味する。
六方晶のミラー指数（ｈｋｉｌ）は、ｈ＋ｋ＝－ｉの関係があることから、（ｈｋｌ）と３桁で表記されることもある。例えば、（０００４）を３桁で表記すると（００４）である。
本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味し、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下であることを意味する。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
１．ＧａＮ結晶
本発明の第一実施形態はＧａＮ結晶に関する。
第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、面積５ｃｍ
２
以上の（０００１）表面を有し、該（０００１）表面の（０００１）結晶面からの傾斜は１０度以下（０度を含む）である。第一実施形態に係るＧａＮ結晶は、様々な厚さを有してよく、自立した基板、他のＧａＮ結晶上に成長したエピタキシャル層、接合技術によって支持基板上に積層されたＧａＮ層など、様々な形態をとり得る。第一実施形態に係るＧａＮ結晶の形状は任意であり、後述する本発明の単結晶ＧａＮ基板が得られる形状であることが好ましい。
（０００１）表面の面積は、１８ｃｍ
２
以上、或いは７５ｃｍ
２
以上、或いは１６５ｃｍ
２
以上であってもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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