第１４回窒化物半導体応用研究会 名古屋市工業研究所

平成２４年１１月１２日

GaN系LEDと光デバイスの研究開発動向について

サファイア基板の研究・技術動向

東北大学 名誉教授 ㈱福田結晶技術研究所

福田 承生

ＧａＮ ＬＥＤ 及び パワーデバイス結晶基板

１．サファイア単結晶 ２．Ｓｉ単結晶 ３．ＧａＮ単結晶 ４．低格子不整単結晶

ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＳＣＡＭ、etc…

Market share of Sapphire substrate in Y2007 Volume and Revenue Forecast For Finished Wafers

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

2"

3"

4"

6"

8"

Finished Sapphire ASP per Unit surface

US$

per

Sq

uar

e cm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Sapphire LED (US$m) US $ m

サファイア基板市場動向

サファイア単結晶市場動向と結晶方位 ・ＧａＮ ＬＥＤ用基板 ・ＧａＮパワーデバイス用基板 ・SOSデバイス用基板 ・窓材(ｽﾏｰﾄﾌｫﾝ、時計、指紋認証用等）

・・・Ｃ面(ｍ面） ・・・(ｍ面、ａ面、Ｃ面)? ・・・Ｒ面 ・・・ａ面

0123456789

1011121314151617

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

窓材

LED

ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ SOS

KY method

６“φ

１１５≒１００ wafers １枚／１ｍｍ

４“φ＝１０２

８“φ＝２０４ ２００wafers

１．５２＝２．２５ times

C板ウエハーは横にくりぬき

サンテック

a軸成長

6

Vertical Horizontal Gradient

19

ｱｰｸｴﾅｼﾞｰ法結晶成長炉

結晶製造方法

EFG Ky VHGH HEM ｱｰｸｴﾅｼﾞｰ ＣＺ ＣＺ

成長方位 ａ ａ ａ ａ Ｃ Ｃ Ｃ

(Ｃ面) ａ ａ

ｍ,Ｒ ｍ,Ｒ

現状重量 ・・ 30kg 8～10kg 製造 60kg 100kg 37kg 30kg 10kg

開 発 100kg～200kg 50kg 50kg

ｳｪﾊｰｻｲｽﾞ 2”ー4” 2”ー4” 2”ー4” 2”ー4” 2”ー4” 2”ー4” 2”ー4” 6”Φ 6”Φ 8”Φ 8”Φ 8”Φ 8”Φ

ルツボ Mo,W Mo,W Mo,W Mo,W Mo,W Ir Mo,W

＝On axis growth

～ ～

(RF) (R)

サイクル M M S S M M M

㈱福田結晶技術研究所 ＣＺ法サファイア結晶技術開発

ＣＺ 高周波加熱

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

ＣＺ 抵抗加熱

1”Φ,2”Φ

4”Φ

6”Φ

8”Φ

10”Φ

1”Φ,2”Φ

3”Φ

4”Φ

6”Φ

8”Φ

4”Φ×600L

6”Φ×400L

8”Φ×300L

4”Φ×300L

6”Φ×400L

結晶成長実験

結晶成長実験

8”Φ×300L

2016

12”Φ×300L

サファイア単結晶の欠陥

１．形状(曲がり、表面荒れ・・・)

２．クラック

３．気泡

４．サブグレイン

５．熱歪

６．転位

７．光散乱

８．着色

９．不純物

Cybestar炉

SS炉

STK炉

CZ-7 NSG

CZ-2

KDN CZ-12

KDN

CZ-4

NSG

高周波加熱炉 2～4”φ用

KSS

高周波加熱炉 6”φ用

NSG

CZ-9

KDN

CZ-10

NSG

CZ-18

(CZ-13,CZ-15,CZ-17)

KDN

CZ-14

高周波加熱炉 8”φ～10”φ用

KDN

CZ-11

R-3 SFT

抵抗加熱炉 2”φ～4”φ用

R-4 KDN

R-5 KDN

R-2

R-1

SFT R-7

KDN R-6

抵抗加熱炉

６”φ用 ６”φ～８”φ用

４“φ sapphire crystals

１．Normal hot zone ２．Low thermal

gradient

３． Lower thermal

gradient

200L

2mm/h~8mm/h

130L

2mm/h

50KW

Less thermal gradient

100L

2mm/h

４． Lower thermal

gradient

30KW

Cross- Nicole observation • CZ wafer • VHGF wafer • KY wafer

17

Growth rate

2～5mm/h

(4”φ)

６“φ

１１５≒１００ wafers １枚／１ｍｍ

４“φ＝１０２

８“φ＝２０４ ２００wafers

１．５２＝２．２５ times

引上げのメリット

CZ法作製サファイア単結晶

8”φ

6”φ

4”φ

c軸引上げ

CZ method(RF)

引上げのメリット

CZ method(RF) CZ法作製サファイア単結晶

φ6”×300L

c軸

Φ４”×４５０Ｌｍｍ

Φ４”×５００Ｌｍｍ

抵抗加熱CZ法作製サファイア単結晶

3”φ～4”φ c軸引上げ

低温度勾配、カーボンヒーター、 Moルツボ

c

半極性

Requirement for bulk GaN

c面

Polar

High dislocationDifficult to grow on nonpolar, semipolar substrate

Polar axis

Nonpolar

Nonpolar Semipolar

High reliability and high performanceof GaN device

The high-quality bulk crystal processing technology is indispensable to assume GaN to be the second Si.

Low dislocation・Nonpolar・semipolarGaN substrate (a, m, (1013))

GaN/Sapphire substrateby hetero-epitaxial method

GaN thin film multilayer structure for laser application on c face substrate

by UCSB Prof. Nakamura

dislocation density～109 cm-2

Bulk GaN crystal by Solvothermal method

Low dislocationLow price

? ?

HVPE

6”φSapphire

substrate

a-plane

m-plane

r-plane

～

Sapphire substrate for LED

Polar c-plane

None Polar, Semi Polar m-plane, a-plane, r-plane, ?-plane

50mm

0º 15º 20º 8º TILTED ANGLE from M-PLANE

15

4 °

20 °

×25

×25 0 °

8 °

PL

INT

EN

SIT

Y (

a.u

.)

WAVELENGTH (nm)

1500

1000

500

0 300 450 600

×125

°

MISMATCH = GaN - SUBSTRATE

GaN

CRYSTALLOGRAPHIC RELATIONSHIP between EPITAXIAL FILM and SAPPHIRE SUBSTRATE

(0110); M-PLANE, (0001); C-PLANE, (2110); A-PLANE, (0112); R-PLANE

( 0 0 0 1 ) / ( 0 0 0 1 )

( 0 0 0 1 ) / ( 2 1 1 0 )

( 0 1 1 3 ) / ( 0 1 1 0 )

( % ) G a N / A l 2 O 3 G a N / / A l 2 O 3

- 2 . 6

1 . 9

1 3 . 8

1 3 . 8

1 . 9

- 0 . 4

( 2 1 1 0 ) / ( 0 1 1 2 )

[ 0 3 3 2 ] / / [ 2 1 1 0 ]

[ 2 1 1 0 ] / / [ 0 0 0 1 ]

[ 2 1 1 0 ] / / [ 0 1 1 0 ]

[ 0 1 1 0 ] / / [ 2 1 1 0 ]

[ 0 1 1 0 ] / / [ 0 1 1 0 ]

[ 2 1 1 0 ] / / [ 0 0 0 1 ]

[ 0 0 0 1 ] / / [ 0 1 1 1 ]

[ 0 1 1 0 ] / / [ 2 1 1 0 ] 1 3 . 8

1 . 1

INTERFACE PLANE IN-PLANE LATTICE-MISMATCH SYMMETRY

COINCIDENCE

COINCIDENCE

COINCIDENCE

NONCOINCIDENCE

T. Matsuoka, "Lattice-Matching Growth of

InGaAlN Systems", in Proc. Fall Meeting of

Material Research Symp., 395, pp. 39-50 (1996).

テール側

中央部

端面から約20mm範囲の外周部(進行性はなし)

トップ側

CZ18-030 ｒ軸

CZ18-030 ｒ軸 6”φ ウェハー

a面 c面

6”φ Sapphire Single Crystals for none-polar & semi-polar substrates

a axis growth

m axis growth

r axis growth

ａ軸 ８”Φ×２００mm

Sapphire single crystal growth method >6”φ

EFG KY CZ

Inductive heating

CZ Resistance

heating VHGF

Growth axis a a c, a r, m

c, a r, m

ａ

Productivity for 6”φ wafer

△ △ ◎ ◎ ○

Thermal gradient

high low High～low low low

Rotation none none none

Quality △ ◎ ○ ◎ ◎?

Crucible Mo Mo、W Ir Mo Mo,W

Difficulty for large

diameter

Available to purchase apparatus

and technology

Under development

Under development

Under development

： (growth speed)×（second power of radius ）×（crystal length） Productivity

(per one furnace)

For LED C Plane

Sapphire single crystal growth method >6”φ

EFG KY CZ

Inductive heating

CZ Resistance

heating VHGF

Growth axis a a a,m a,m a

Productivity for 6”φ wafer

△ △

1mm/h ◎

～6mm/h ◎

2mm/h △

1mm/h

Thermal gradient

high low High～low low Low

Rotation none none none

Quality △ ◎ ◎ ◎ ◎?

Crucible Mo Mo、W Ir Mo Mo,W

Difficulty for large

diameter

Available to purchase apparatus

and technology

Under development

6”φx500L

Under development

6”φx300L

Under development

： (growth speed)×（second power of radius ）×（crystal length） Productivity

(per one furnace)

For LED m Plane

なぜ今 ８”ΦＡℓ2O3単結晶成長技術開発なのか？

１．現状のＫｙ法、HEM法、ｱｰｸｴﾅｼﾞｰ法等 いずれも成長速度が遅いので8”Φ以上の大型結晶から ２”Φ、４”Φ結晶をくりぬき出している。

２．効率が悪いが６”Φ結晶も可で、より大型化で８”Φも可能 Ｋｙ法 100ｋｇﾁｬｰｼﾞから500ｋｇﾁｬｰｼﾞ？へ

３．ＧａＮﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ用基板候補に８”ΦＳｉ（１１１)ウェハー

４．ＧａＮ ＬＥＤ用基板候補に Ｓｉ(１１１)ウェハー 大口径 低コスト基板に有利で ＧａＮ m面(非極性)

単結晶実用化と結晶品質

結 晶 品 質

完全結晶 (低欠陥)

デバイスグレード

Ｓｉ 半導体応用 ソーラー

(Solar grade)

ＧａＡｓ レーザー ソーラー 携帯電話

ＬＴ,

ＬN

光応用 (Optical grade)

携帯電話 (Saw grade)

Ａℓ2Ｏ3

ＬＥＤ パワーデバイス ﾍﾃﾛｴﾋﾟﾀｷｼｬﾙ基板： LED grade

ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ grade

窓材、軸受け

CZ法大型サファイア結晶製造装置 同一装置―異種炉内構造 ４インチ用、６インチ用、８インチ用

- On axis growth - c軸、a軸、m軸、ｒ軸 引上げで多用途化対応

第19号炉 チャンバー直径1000φ、 発振機120KW

★引上げ方位を変える時は引上げ軸に対応した耐火物に変える

4”φx600L

ワークコイルC ルツボC 耐火物C

8”φx300L

6”φx400L

ワークコイルB ルツボB 耐火物B

ワークコイルA ルツボA 耐火物A

抵抗加熱炉 大型サファイア結晶製造装置

８インチ用 on axis growth C軸、ｍ軸

開発

同一チャンバー 抵抗加熱式、高周波加熱式 選択、互換性

加熱方式 抵抗加熱式

ルツボサイズ 16”

原料チャージ量 100kg

インゴット径 Φ300mm

チャンバー高さ 1400mm

チャンバー内径 Φ950mm

装置寸法 W1100×D2100×H3800

各種単結晶基板価格と成長速度

0.001

0.01

0.1

1

10

100

¥1 ¥10 ¥100 ¥1000 ¥10000 ¥100000

成長レート

(

mm

/ h

)

単位面積あたりのコスト (日本円 / cm2)

溶融法

気相成長

SiO2 (Quartz)

Si

GaAs

InP

SiC

HVPE-GaN

70mm/h

1~10mm/h

Al2O3

液相成長