砷化镓晶体和砷化镓晶体基板

本申请是申请日为2017年7月4日、国际申请号为PCT/JP2017/024463、中国申请号为201780087442.6的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及砷化镓晶体和砷化镓晶体基板。

背景技术

化合物半导体基板如砷化镓晶体基板已经适合用作半导体器件的基板。需要开发一种在其上可以生长高品质的外延层的化合物半导体基板以形成具有高特性的半导体器件。

T.Bunger等人在国际化合物半导体制造技术会议(2003)3.5(InternationalConference on Compound Semiconductor Mfg.(2003)3.5)中提出的“半绝缘GaAs的垂直梯度凝固法生长期间的活性炭控制(Active Carbon Control During VGF Growth ofSemiinsulating GaAs)”(非专利文献1))公开了：为了生长半绝缘GaAs(砷化镓)晶体，通过调节GaAs原料熔体中的氧浓度来调节GaAs晶体中的碳浓度。

现有技术文献

非专利文献

NPL 1：T.Bunger等，在国际化合物半导体制造技术会议(2003)3.5(International Conference on Compound Semiconductor Mfg.(2003)3.5)中提出的“半绝缘GaAs的垂直梯度凝固法生长期间的活性炭控制(Active Carbon Control During VGFGrowth of Semiinsulating GaAs)”

发明内容

在根据本公开的砷化镓晶体中，砷化镓晶体的蚀坑密度为10个·cm

在根据本公开的砷化镓晶体基板中，砷化镓晶体基板的蚀坑密度为10个·cm

附图说明

图1是显示本公开中的砷化镓晶体的示例性制造方法和制造装置的示意截面图。

图2是显示本公开中的砷化镓晶体的制造方法和制造装置中使用的示例性遮蔽板的示意俯视图。

图3是显示砷化镓晶体的示例性典型制造方法和制造装置的示意截面图。

图4是显示砷化镓晶体基板中的EPD(蚀坑密度)与氧浓度之间的关系的图。

图5是显示砷化镓晶体基板中的氧浓度与硼浓度之间的关系的图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

如在T.Bunger等在国际化合物半导体制造技术会议(2003)3.5(InternationalConference on Compound Semiconductor Mfg.(2003)3.5)中提出的“半绝缘GaAs的垂直梯度凝固法生长期间的活性炭控制(Active Carbon Control During VGF Growth ofSemiinsulating GaAs)”(非专利文献1)公开的GaAs晶体的制造中，GaAs原料熔体中的氧浓度高，并且氧与添加的掺杂剂(例如，C(碳))反应，结果是掺杂剂的掺入量减少。这不利地导致GaAs晶体的绝缘性或导电性的低效调节。此外，当GaAs原料熔体中的氧浓度高时，生长的GaAs晶体硬化并且在加工时易于破裂，因此不利地导致加工成品率降低。

为了解决上述问题，本公开的目的在于提供一种砷化镓晶体和砷化镓晶体基板，所述砷化镓晶体和砷化镓晶体基板各自可以有效地调节绝缘性或导电性，并且各自在加工时抑制破裂，从而产生高加工成品率。

[本公开的有益效果]

根据本公开，可以提供一种砷化镓晶体和砷化镓晶体基板，所述砷化镓晶体和砷化镓晶体基板各自可以在其中有效地调节绝缘性或导电性，并且各自在加工时抑制破裂，从而产生高加工成品率。

[实施方式的描述]

首先，列出并描述了本发明的实施方式。

[1]在根据本发明的一个实施方式的砷化镓晶体中，所述砷化镓晶体的蚀坑密度为10个·cm

[2]在根据本实施方式的砷化镓晶体中，所述氧浓度可以为2.0×10

[3]根据本实施方式的砷化镓晶体可以包含具有圆柱形状的直体部，其中所述直体部的直径可以为100mm以上且305mm以下。尽管这样的砷化镓晶体的直体部的直径大至100mm以上且305mm以下，但是由于在所述砷化镓晶体中的蚀坑密度和氧浓度非常低，因此可以有效地调节其绝缘性或导电性，并且抑制加工时的破裂，从而产生高加工成品率。

[4]在根据本实施方式的砷化镓晶体中，所述砷化镓晶体的n型导电性杂质浓度可以为1.0×10

[5]在根据本实施方式的砷化镓晶体中，所述砷化镓晶体的比电阻可以为1.2×10

[6]在根据本实施方式的砷化镓晶体中，所述砷化镓晶体的硼浓度可以为1.0×10

[7]在根据本发明的另一个实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的蚀坑密度为10个·cm

[8]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，氧浓度可以为2.0×10

[9]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的直径可以为100mm以上且305mm以下。尽管这样的砷化镓晶体基板的直径大至100mm以上且305mm以下，但是由于在所述砷化镓晶体基板中的蚀坑密度和氧浓度非常低，因此可以有效地调节其绝缘性或导电性，并且抑制加工时的破裂，从而产生高加工成品率。

[10]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的n型导电性杂质浓度可以为1.0×10

[11]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的比电阻可以为1.2×10

[12]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的硼浓度可以为1.0×10

[13]在根据本实施方式的砷化镓晶体基板中，所述砷化镓晶体基板的蚀坑密度可以为10个·cm

[实施方式的详情]

<第一实施方式：砷化镓晶体>

本实施方式的GaAs(砷化镓)晶体的EPD(蚀坑密度)为10个·cm

(蚀坑密度)

术语“EPD(蚀坑密度)”是指用化学品处理表面时在每单位面积晶体表面中产生的腐蚀孔(蚀坑)的数量。具体地，本实施方式的GaAs晶体的EPD是指在350℃下用25质量％的KOH(氢氧化钾)水溶液处理30分钟时在单位面积的表面中产生的蚀坑的数量。本实施方式的GaAs晶体的EPD为10个·cm

(氧浓度)

通过CPAA(带电粒子活化分析)测量氧浓度。CPAA是一种活化分析，其中通过测量由高能带电粒子撞击产生的放射性核素发射的辐射来量化目标元素。在量化GaAs晶体的氧浓度时，使用

在此，在用于氧浓度的CPAA中，使用通过

本实施方式的GaAs晶体的氧浓度小于7.0×10

(直体部的直径)

由于本实施方式的GaAs晶体通常通过但不特别限于诸如如下所述的VB(垂直布里奇曼)法或VGF(垂直梯度凝固)法的晶舟法制造，因此GaAs晶体包含具有圆柱形状的直体部，并且所述直体部的直径优选为100mm以上且305mm以下。尽管GaAs晶体的直体部的直径大至100mm以上且305mm以下，但蚀坑密度和氧浓度非常低。为了在大尺寸GaAs晶体中实现低EPD和氧浓度，GaAs晶体的直体部的直径优选为100mm以上，且更优选为150mm以上。鉴于当前的制造技术水平，GaAs晶体的直体部的直径优选为305mm以下，且更优选为204mm以下。

(n型导电性杂质浓度)

为了使本实施方式的GaAs晶体具有n型导电性和非常低的EPD和氧浓度，本实施方式的GaAs晶体的n型导电性杂质浓度(使GaAs晶体具有n型导电性的杂质的浓度)优选为1.0×10

(比电阻)

为了使本实施方式的GaAs晶体具有半绝缘性和非常低的EPD和氧浓度，本实施方式的GaAs晶体的比电阻优选为1.2×10

(半绝缘杂质浓度)

使本实施方式的GaAs晶体具有半绝缘性的半绝缘杂质没有特别限制，但优选为碳以有效地使GaAs晶体具有半绝缘性。为了使GaAs晶体具有比电阻为1.2×10

(硼浓度)

本实施方式的GaAs晶体通过使用坩埚的晶舟法如如下所述的VB(垂直布里奇曼)法或VGF(垂直梯度凝固)法制造。坩埚通常包含硼(PBN(热解氮化硼)通常用于坩埚，并且硼氧化物膜用作坩埚的、与GaAs原料接触的内壁表面上的密封构件)。因此，本实施方式的GaAs晶体包含硼。为了防止GaAs晶体中的掺杂剂活化率降低，本实施方式的GaAs晶体的硼浓度优选为1.0×10

(砷化镓晶体的制造装置)

参考图1，尽管没有特别限制，但是为了有效地制造具有10个·cm

坩埚21包含晶种保持部和连接至所述晶种保持部的晶体生长部。所述晶种保持部是中空圆柱形部分，其在连接至晶体生长部的一侧开口并且在与其相对的一侧设置有底壁。在该部分，可以保持GaAs晶种11。晶体生长部包含：圆锥部，其具有圆锥形状并且在轴向的小直径侧连接至晶种保持部；和中空圆柱形直体部，其连接至圆锥部的轴向上的大直径侧。晶体生长部具有在其中保持GaAs原料13并通过使已加热至熔融状态的GaAs原料13凝固来生长GaAs晶体的功能。

在此，坩埚21的材料没有特别限制，只要所述材料具有高机械强度并且可以承受使原料熔化的温度即可。例如，可以为此适当地使用PBN(热解氮化硼)。此外，为了防止GaAs附着到坩埚21的内壁表面上，优选在内壁表面上形成氧化膜21c如硼氧化物膜作为密封构件。硼氧化物膜的实例包含B

密封构件23的材料不受特别限制，只要所述材料能够承受使原料熔化的温度即可。可以为此适当地使用硼氧化物如B

通常放置多个加热器24a、24b以适当地控制GaAs原料13的熔化和凝固；然而，为了降低要生长的GaAs晶体中的EPD和氧浓度，优选设置较少数量的加热器间间隙。优选设置一个加热器间间隙。也就是说，优选设置较少数量的加热器。优选设置两个加热器。

为了降低要生长的GaAs晶体中的氧浓度，优选在GaAs原料13与密封构件23之间设置遮蔽板25。遮蔽板25的材料没有特别限制，只要所述材料具有高机械强度并且可以承受使原料熔化的温度即可。例如，可以为此适当地使用PBN(热解氮化硼)。为了降低要生长的GaAs晶体中的EPD和氧浓度、并且防止坩埚破损，遮蔽板25的遮蔽比(遮蔽板的面积相对于坩埚21的直体部的垂直于轴向的横截面面积的百分比；同样适用于下面的描述)优选为75％以上且100％以下，且更优选为90％以上且98％以下。应该注意，参考图2，遮蔽板25可以设置有用于调节遮蔽比的开口25o。

(制造砷化镓晶体的方法)

参考图1，尽管没有特别限制，但是为了有效地生长具有低的EPD和氧浓度的GaAs(砷化镓)晶体，本实施方式中的制造GaAs晶体的方法优选基于使用上述制造装置20的晶舟法如VB(垂直布里奇曼)法或VGF(垂直梯度凝固)法。另外，为了制造具有大直径的直体部的GaAs晶体，更优选VB方法。具体地，本实施方式中的制造GaAs晶体的方法优选包含GaAs晶种装载步骤、GaAs原料装载步骤、遮蔽板放置步骤、密封构件放置步骤和晶体生长步骤。

首先，在GaAs晶种装载步骤中，使用制造装置20以将GaAs晶种11装载在坩埚21的晶种保持部中。接着，在GaAs原料装载步骤中，将GaAs原料13装载在坩埚21的晶体生长部(圆锥部和直体部)中。在此，GaAs原料13没有特别限制，只要其是具有高纯度(例如，99.9质量％以上)的GaAs即可。为此适当地使用GaAs多晶、GaAs单晶的物理性质差的部分等。接着，在遮蔽板放置步骤中，将遮蔽板25放置在坩埚21中的GaAs原料13上。接着，在密封构件放置步骤中，将密封构件23放置在坩埚21中的遮蔽板25上。

接着，在晶体生长步骤中，将从下到上依次设置了GaAs晶种11、GaAs原料13、遮蔽板25和密封构件23的坩埚21装载在晶体装置20中。坩埚21由坩埚保持台22保持，并且加热器24a、24b设置成包围坩埚21。接着，通过向加热器24a、24b供应电流来加热坩埚21。由此，GaAs原料13熔化成熔体，并且密封构件23也熔化成液体密封构件。此外，由于坩埚21的材料的氧化，在坩埚21的内壁中形成氧化膜。

在这种情况下，GaAs原料13的熔体被由于加热器24a和加热器24b之间存在加热器间间隙24abo而形成的局部低温部产生的对流而搅拌。可以推测通过使搅拌后的GaAs原料13与坩埚21的内壁的氧化膜21c和/或密封构件23接触，由此坩埚21的内壁的氧化膜21c和/或密封构件23中包含的氧掺入GaAs原料13中。在此，参考图3，在典型的制造装置30中，设置三个以上的加热器34a、34b、34c、34d。因此，存在两个以上的加热器间间隙34abo、34bco和34cdo。因此，由所得到的局部低温部产生许多对流，结果是坩埚31的内壁的氧化膜31c和/或密封构件33中包含的大量氧掺入GaAs原料13中。另一方面，参考图1，在本实施方式的制造装置20中仅设置两个加热器24a、24b。因此，只有一个加热器间间隙24abo。因此，由所得到的局部低温部产生较少对流，结果抑制了氧掺入GaAs原料13中。

另外，在本实施方式的制造装置20中，遮蔽板25设置在GaAs原料13和密封构件23之间。因此，抑制了GaAs原料13和密封构件23之间的接触，结果抑制了氧掺入GaAs原料13中。

接着，在VB方法的情况下通过将坩埚21沿轴向移动到下侧或者在VGF方法的情况下通过调节加热器24a、24b各自的温度形成温度梯度，其中在坩埚21的轴向上的GaAs晶种11侧的温度相对低并且GaAs原料13侧的温度相对高。因此，熔融的GaAs原料13从GaAs晶种11侧起依次凝固，从而生长GaAs晶体。晶体生长部的圆锥部和直体部中的熔融GaAs原料13按此顺序完全凝固，从而形成GaAs晶体。在VB方法中，坩埚21的移动速度(下拉速度)没有特别限制，并且可以例如为2.0mm/小时以上且5.0mm/小时以下。以这种方式，获得具有非常低的EPD和氧浓度的GaAs晶体。

需要说明的是，在本实施方式的制造GaAs晶体的方法中，随着生长的晶体的直体部的直径变大，在GaAs熔体中更易于出现温差从而更有利于通过对流进行搅拌，结果GaAs晶体中的氧浓度易于更高。根据本实施方式中的制造GaAs晶体的方法，因为通过放置遮蔽板减小原料和密封构件之间的接触面积并且通过适当的加热器结构和加热环境设计减少对流，所以可以抑制氧掺入GaAs原料中。

<第二实施方式：砷化镓晶体基板>

本实施方式的GaAs(砷化镓)晶体基板的EPD(蚀坑密度)为10个·cm

与第一实施方式的GaAs晶体一样，在本实施方式的GaAs晶体基板中，氧浓度优选为2.0×10

优选地，在本实施方式的GaAs晶体基板中，蚀坑密度为10个·cm

虽然没有特别限制，但是本实施方式中的制造GaAs晶体基板的方法优选包含使用第一实施方式的GaAs晶体的加工步骤和抛光步骤，从而有效地形成具有低EPD和低氧浓度的GaAs晶体基板。在加工步骤中，研磨GaAs晶体的外周，并且在适当规定的方向上切割已经研磨的GaAs晶体，从而获得具有适当规定的面取向的主表面的GaAs晶体基板。接着，在抛光步骤中，对GaAs晶体基板的主表面进行机械抛光和/或化学机械抛光(CMP)，从而获得具有抛光成镜面的主表面的GaAs晶体基板。

[实施例]

(实施例I)

1.GaAs晶体的制造

使用如图1所示的制造装置根据VB法通过添加Si(硅)作为n型导电性杂质生长具有不同硅浓度的四种n型导电性GaAs晶体(实施例I-1至I-5)。作为GaAs原料，使用纯度为99.9质量％的GaAs多晶。将PBN板用作遮蔽板。将B

2.GaAs晶体基板的制造

将获得的GaAs晶体的外周研磨，并且将得到的GaAs晶体沿垂直于晶体生长方向的平面切割。然后，对其主表面进行机械抛光和化学机械抛光(CMP)，从而制造各自具有表1中所示的直径且厚度为325μm以上且700μm以下的GaAs晶体基板(实施例I-1至I-5)。测量所得到的GaAs晶体基板各自的EPD、氧浓度、硅浓度、硼浓度和比电阻。经由图像分析通过测量将GaAs晶体基板在350℃下的25质量％的KOH水溶液中浸泡30分钟时在其表面中产生的单位面积上的蚀坑的数量来测量EPD。通过CPAA(带电粒子活化分析)测量氧浓度。通过GDMS(辉光放电质谱法)测量硅浓度和硼浓度。根据van der Pauw法通过霍尔测量来测量比电阻。其结果汇总示于表1、图4和图5中。在此，图4和图5包含除了实施例I-1至I-5之外的实施例。

(实施例II)

1.GaAs晶体的制造

使用如图1所示的制造装置根据VB法通过添加C(碳)作为半绝缘杂质生长具有不同碳浓度和比电阻的五种半绝缘GaAs晶体(实施例II-1至II-5)。作为GaAs原料，使用纯度为99.9质量％的GaAs多晶。将PBN板用作遮蔽板。将B

2.GaAs晶体基板的制造

将获得的GaAs晶体的外周研磨，并且将得到的GaAs晶体沿垂直于晶体生长方向的平面切割。然后，对其主表面进行机械抛光和化学机械抛光(CMP)，从而制造各自具有表2中所示的直径且厚度为325μm以上且700μm以下的GaAs晶体基板(实施例II-1至II-5)。测量所得到的GaAs晶体基板各自的EPD、氧浓度、碳浓度、硼浓度和比电阻。经由图像分析通过测量将GaAs晶体基板在350℃下的25质量％的KOH水溶液中浸泡30分钟时在其表面中产生的单位面积上的蚀坑的数量来测量EPD。通过CPAA(带电粒子活化分析)测量氧浓度和碳浓度。通过GDMS(辉光放电质谱法)测量硼浓度。根据van der Pauw法通过霍尔测量来测量比电阻。结果汇总示于表2、图4和图5中。在此，图4和图5包含除实施例II-1至II-5之外的实施例。

(比较例)

为了与实施例I和II进行比较，除了表3中所示的制造方法和制造条件以外，以与实施例I(在n型导电性的情况下)和实施例II(在半绝缘性的情况下)相同的方式制造GaAs晶体和GaAs晶体基板(比较例RI-1至RI-3和RII-1至RII-3)。应注意，比较例RI-1和RII-1各自通过LEC(液体封装的切克劳斯基(Czochralski))法制造，并且与上述实施例I和II一样，使用纯度为99.9质量％的GaAs多晶作为原料，使用C(碳)作为半绝缘杂质，且使用Si(硅)作为n型导电性杂质。以与实施例I或II相同的方式测量所得到的GaAs晶体基板各自的EPD、氧浓度、硅浓度或碳浓度、硼浓度和比电阻。结果汇总示于表3、图4和图5中。在此，图4包含除比较例RI-1至RI-3和RII-1至RII-3之外的比较例。

参考表1至3和图4，在实施例I-1至I-5和实施例II-1至II-5中的n型导电性和半绝缘性的两种情况下，EPD低至10个·cm

此外，参考表1至3和图5，在实施例I-1至I-5和实施例II-1至II-5中，在n型导电性和半绝缘性的两种情况下，得到如下的GaAs晶体基板，其各自的氧浓度较低而小于7.0×10

本文公开的实施方式和实施例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求书限定，而不是由上述的实施方式和实施例限定，并且其旨在包含在与权利要求书等同的范围和含义内的任何修改。

标号说明

11：GaAs晶种；13：GaAs原料；21、31：坩埚；21c、31c：氧化膜；22、32：坩埚保持台；23、33：密封构件；24a、24b、34a、34b、34c、34d：加热器；24abo、34abo、34bco、34cdo：加热器间间隙；25：遮蔽板；25o：开口；26：腔室。