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公開番号2024161234
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-15
出願番号2024153026,2020537396
出願日2024-09-05,2019-07-24
発明の名称n型GaN結晶、GaNウエハ、ならびに、GaN結晶、GaNウエハおよび窒化物半導体デバイスの製造方法
出願人三菱ケミカル株式会社
代理人弁理士法人秀和特許事務所
主分類C30B 29/38 20060101AFI20241108BHJP(結晶成長)
要約【課題】アモノサーマル法で成長されたGaN結晶に匹敵する20arcsec以下の(004)XRDロッキングカーブFWHMを持つGaN結晶を、量産性に優れたHVPEで成長させることができれば、c面GaNウエハを基板に用いて生産される窒化物半導体デバイスの開発促進や低コスト化に貢献できるものと期待される。
【解決手段】n型GaN結晶は、最も高い濃度で含有するドナー不純物がGeであり、0.03Ω・cm未満の室温抵抗率を有し、その(004)XRDロッキングカーブFWHMは20arcsec未満である。このn型GaN結晶は、それぞれ面積が3cm²以上である2つの主面を有し、その一方はGa極性であって(0001)結晶面に対する傾斜が0度以上10度以下であり得る。更に、このn型GaN結晶は20mm以上の直径を有し得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭが２０ａｒｃｓｅｃ未満であることを特徴とするｎ型ＧａＮ結晶。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
請求項１に記載のｎ型ＧａＮ結晶であって、該結晶は互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面はそれぞれ面積が３ｃｍ
２
以上であり、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下である、ｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項３】
２０ｍｍ以上の直径を有する、請求項２に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項４】
互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、
最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、
０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、
該一方の主面上で少なくとも１本のラインに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であること
を特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項５】
前記全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下である、請求項４に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項６】
互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、
最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、
０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、
該一方の主面上で少なくとも２本の互いに垂直なラインのそれぞれに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であること
を特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項７】
前記各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下である、請求項６に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項８】
０．０２Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有する、請求項２～７のいずれか一項に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項９】
キャリア濃度が１×１０
１８
ｃｍ
－３
以上である、請求項２～７のいずれか一項に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
【請求項１０】
不純物濃度に関して下記（ａ）～（ｃ）から選ばれる一以上の条件を充たす、請求項２～９のいずれか一項に記載のｎ型ＧａＮ結晶：
（ａ）Ｓｉ濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である；
（ｂ）Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である；
（ｃ）Ｈ濃度が１×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である。
（【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、主として、ｎ型ＧａＮ結晶、ＧａＮウエハ、ならびに、ＧａＮ結晶、ＧａＮウエハおよび窒化物半導体デバイスの製造方法に関する。
続きを表示（約 6,400 文字）【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）はIII－V族化合物半導体の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
バルクＧａＮ結晶の代表的な成長技法には、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）、高圧溶液成長法、アモノサーマル法およびＮａフラックス法がある（非特許文献１）。ＨＶＰＥは他の技法に比べＧａＮ結晶の成長レートが格段に高く、現在市販されているＧａＮウエハの殆ど全てはＨＶＰＥで成長されている。
【０００３】
アモノサーマル法で成長された直径１インチのｃ面ＧａＮシードウエハ上に、ＨＶＰＥでＧａＮ結晶を成長させ、そのＧａＮ結晶から直径１８ｍｍのｃ面ＧａＮウエハを切り出したとの報告がある（非特許文献２）。
アモノサーマル法で成長されたｃ面ＧａＮシードウエハ上にＨＶＰＥでＧａＮ結晶を成長させ、更に、そのＨＶＰＥ成長したＧａＮ結晶から切り出したｃ面シードウエハ上にＨＶＰＥによって、Ｓｉ（ケイ素）でドープしたＧａＮ結晶を成長させたとの報告がある（非特許文献３）。該ＳｉドープＧａＮ結晶の（００２）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭは３２ａｒｃｓｅｃであったという。
アモノサーマル法で成長されたｃ面ＧａＮシードウエハ上に、ＨＶＰＥによって、Ｇｅ（ゲルマニウム）でドープしたＧａＮ結晶を成長させたとの報告がある（非特許文献４）。該ＧｅドープＧａＮ結晶の（００２）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭは６７ａｒｃｓｅｃであったという。
【０００４】
酸性アモノサーマル法で成長されたｍ面ＧａＮシードウエハ上にＨＶＰＥで５．６ｍｍ厚のＧａＮ結晶を成長させ、そのＨＶＰＥ成長したＧａＮ結晶から直径２インチのｍ面ＧａＮウエハを切り出したとの報告がある（非特許文献５）。該２インチＨＶＰＥウエハの中央で１３ａｒｃｓｅｃという（２００）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭが得られている。
ＮＨ
４
Ｆ（フッ化アンモニウム）とＮＨ
４
Ｉ（ヨウ化アンモニウム）を鉱化剤に用いて酸性アモノサーマル法で成長させたＧａＮ結晶からなる、（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭが約１０ａｒｃｓｅｃという導電性ｃ面ＧａＮウエハが知られている（特許文献１）。
上記にいうＸＲＤはＸ線回折（X-Ray Diffraction）のことであり、ＦＷＨＭは半値全幅（Full Width at Half Maximum）のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
ＷＯ２０１８／０３０３１１Ａ１
【非特許文献】
【０００６】
H. Amano, Japanese Journal of Applied Physics 52 (2013) 050001
J. Z. Domagala, et al., Journal of Crystal Growth 456 (2016) 80
M. Iwinska, et al., Journal of Crystal Growth 456 (2016) 91
M. Iwinska, et al., Journal of Crystal Growth 480 (2017) 102
Y. Tsukada, et al., Japanese Journal of Applied Physics 55 (2016) 05FC01
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アモノサーマル法で成長されたＧａＮ結晶に匹敵する２０ａｒｃｓｅｃ以下の（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭを持つＧａＮ結晶を、量産性に優れたＨＶＰＥで成長させることができれば、ｃ面ＧａＮウエハを基板に用いて生産される窒化物半導体デバイスの開発促進や低コスト化に貢献できるものと、本発明者等は考えた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一面においてｎ型ＧａＮ結晶に関し、他の一面においてＧａＮウエハに関し、更に他の一面においてＧａＮウエハの製造方法に関し、更に他の一面においてエピタキシャルウエハの製造方法に関し、更に他の一面においてエピタキシャルウエハに関し、更に他の一面において窒化物半導体デバイスの製造方法に関し、更に他の一面においてバルクＧａＮ結晶の製造方法に関する。
【０００９】
本発明の実施形態には以下の［Ａ１］～［Ａ２６］が含まれるが、これらに限定されるものではない。
［Ａ１］最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭが２０ａｒｃｓｅｃ未満、１８ａｒｃｓｅｃ未満、１６ａｒｃｓｅｃ未満、１４ａｒｃｓｅｃ未満または１２ａｒｃｓｅｃ未満であることを特徴とするｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ２］前記［Ａ１］に記載のｎ型ＧａＮ結晶であって、該結晶は互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面はそれぞれ面積が３ｃｍ
２
以上であり、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下である、ｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ３］２０ｍｍ以上、４５ｍｍ以上、９５ｍｍ以上または１４５ｍｍ以上の直径を有する、前記［Ａ２］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ４］互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、該一方の主面上で少なくとも１本のラインに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ５］前記全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下、１６ａｒｃｓｅｃ以下、１４ａｒｃｓｅｃ以下、１２ａｒｃｓｅｃ以下または１０ａｒｃｓｅｃ以下である、前記［Ａ４］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ６］互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、最も高い濃度で含有するドナー不純物がＧｅであること、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、および、該一方の主面上で少なくとも２本の互いに垂直なラインのそれぞれに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ７］前記各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下、１６ａｒｃｓｅｃ以下、１４ａｒｃｓｅｃ以下、１
２ａｒｃｓｅｃ以下または１０ａｒｃｓｅｃ以下である、前記［Ａ６］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ８］０．０２Ω・ｃｍ未満、０．０１５Ω・ｃｍ未満または０．０１０Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有する、前記［Ａ２］～［Ａ７］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ９］キャリア濃度が１×１０
１８
ｃｍ
－３
以上、２×１０
１８
ｃｍ
－３
以上、３×１０
１８
ｃｍ
－３
以上または４×１０
１８
ｃｍ
－３
以上である、前記［Ａ２］～［Ａ７］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１０］不純物濃度に関して下記（ａ）～（ｃ）から選ばれる一以上の条件を充たす、前記［Ａ２］～［Ａ９］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶：
（ａ）Ｓｉ濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である；
（ｂ）Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である；
（ｃ）Ｈ濃度が１×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である。
［Ａ１１］不純物濃度に関する前記条件（ａ）～（ｃ）の全てを充たす、前記［Ａ１０］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１２］Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下、２×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下または１×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である、前記［Ａ２］～［Ａ１１］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１３］Ｇｅ濃度が１×１０
１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上、かつ、Ｓｉ濃度が４×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である、前記［Ａ２］～［Ａ１２］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１４］Ｇｅ、Ｓｉ、ＯおよびＨを除く各不純物の濃度が５×１０
１５
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である、前記［Ａ２］～［Ａ１３］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１５］ＨＶＰＥで成長されたＧａＮ結晶である、前記［Ａ２］～［Ａ１４］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ａ１６］前記［Ａ２］～［Ａ１５］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶からなるＧａＮウエハ。
［Ａ１７］前記［Ａ２］～［Ａ１５］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶からなる第一領域がＧａ極性側に設けられ、該ｎ型ＧａＮ結晶よりもキャリア濃度が低い第二領域がＮ極性側に設けられた、ＧａＮウエハ。
［Ａ１８］前記第一領域の厚さが５μｍ以上２５０μｍ以下である、前記［Ａ１７］に記載のＧａＮウエハ。
【００１０】
本発明の実施形態には、更に以下の［Ｂ１］～［Ｂ２９］が含まれる。
［Ｂ１］０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有し、（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭが２０ａｒｃｓｅｃ未満であり、不純物濃度に関して下記（ａ）～（ｃ）から選ばれる一以上の条件を充たす、ｎ型ＧａＮ結晶：
（ａ）Ｓｉ濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である；
（ｂ）Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である；
（ｃ）Ｈ濃度が１×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である。
［Ｂ２］前記［Ｂ１］に記載のｎ型ＧａＮ結晶であって、該結晶は互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面はそれぞれ面積が３ｃｍ
２
以上であり、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下である、ｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ３］２０ｍｍ以上、４５ｍｍ以上、９５ｍｍ以上または１４５ｍｍ以上の直径を有する、前記［Ｂ２］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ４］互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、該一方の主面上で少なくとも１本のラインに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であること、および、不純物濃度に関して下記（ａ）～（ｃ）から選ばれる一以上の条件を充たすことを特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶：
（ａ）Ｓｉ濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である；
（ｂ）Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である；
（ｃ）Ｈ濃度が１×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である。
［Ｂ５］前記全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下、１６ａｒｃｓｅｃ以下、１４ａｒｃｓｅｃ以下または１２ａｒｃｓｅｃ以下である、前記［Ｂ４］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ６］互いに反対方向を向いた２つの主面を有し、該２つの主面の一方はＧａ極性であって（０００１）結晶面に対する傾斜が０度以上１０度以下であるｎ型ＧａＮ結晶において、０．０３Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有すること、該一方の主面上で少なくとも２本の互いに垂直なラインのそれぞれに沿って長さ４０ｍｍにわたり１ｍｍ毎に（００４）ＸＲＤロッキングカーブを測定したときに、各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの最大値が２０ａｒｃｓｅｃ以下であること、および、不純物濃度に関して下記（ａ）～（ｃ）から選ばれる一以上の条件を充たすことを特徴とする、ｎ型ＧａＮ結晶：
（ａ）Ｓｉ濃度が５×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以上である；
（ｂ）Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である；
（ｃ）Ｈ濃度が１×１０
１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である。
［Ｂ７］前記各ライン上の全測定点間における（００４）ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭの平均値が１８ａｒｃｓｅｃ以下、１６ａｒｃｓｅｃ以下、１４ａｒｃｓｅｃ以下または１２ａｒｃｓｅｃ以下である、前記［Ｂ６］に記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ８］０．０２Ω・ｃｍ未満、０．０１５Ω・ｃｍ未満または０．０１０Ω・ｃｍ未満の室温抵抗率を有する、前記［Ｂ２］～［Ｂ７］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ９］キャリア濃度が１×１０
１８
ｃｍ
－３
以上または２×１０
１８
ｃｍ
－３
以上である、前記［Ｂ２］～［Ｂ７］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ１０］不純物濃度に関して前記条件（ａ）～（ｃ）の全てを充たす、前記［Ｂ２］～［Ｂ９］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
［Ｂ１１］Ｏ濃度が３×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下、２×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下または１×１０
１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３
以下である、前記［Ｂ２］～［Ｂ１０］のいずれかに記載のｎ型ＧａＮ結晶。
（【００１１】以降は省略されています）

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