DE112022001212T5 - Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat eine c-Ebene, die in Bezug auf eine Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, und eine Richtung der Neigung fällt zwischen eine <1-100>-Richtung und eine <11-20>-Richtung.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche enthält, wobei eine Richtung der ersten Oberfläche in Bezug auf eine c-Ebene geneigt ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Halbleitersubstrate von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, wie Galliumnitrid (GaN)-Wafer und Aluminiumnitrid (AIN)-Wafer, wurden als Substrate für lichtemittierende Vorrichtungen, wie Leuchtdioden und Halbleiterlaser, verwendet (z.B. Patentliteratur 1). Darüber hinaus wurden Hochfrequenz- und Leistungsvorrichtungen, die diese Substrate verwenden, aktiv für ihre praktischen Anwendungen entwickelt.
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III enthält eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Wenn die erste Oberfläche als Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als Rückoberfläche definiert ist, ist die Hauptoberfläche typischerweise eine polare Oberfläche eines Elements der Gruppe III und die Rückoberfläche typischerweise eine polare Stickstoff-Oberfläche. Auf der Hauptoberfläche kann ein epitaxialer Kristall gezüchtet werden und es können verschiedene Vorrichtungen darauf hergestellt werden.
  • Wenn ein GaN-Substrat verwendet wird, dessen Hauptoberflächenrichtung mit seiner Kristallebene (c-Ebene) übereinstimmt, kann die Oberfläche des Dünnfilms beim Aufwachsen auf seiner Hauptoberfläche wellig werden und muss nicht unbedingt eine glatte, ebene Oberfläche werden. Dementsprechend wird häufig eine Vorrichtung bzw. ein Bauelement hergestellt, indem ein GaN-Substrat verwendet wird, das gegenüber der c-Ebene leicht geneigt ist, und darauf ein Dünnfilm aufgewachsen wird. Eine solche leichte Neigung einer Oberfläche gegenüber einer Ebene mit niedrigem Brechungsindex wird als „Off-Cut“ bezeichnet, ein solches Substrat als „Off-Cut-Substrat“ und der Winkel der Neigung als „Off-Winkel“. Eine Richtung, in der die Hauptoberfläche geneigt ist (Off-Richtung), ist im Allgemeinen die <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) oder <11-20>-Richtung (a-Achsen-Richtung) eines GaN-Kristallgitters (Patentliteratur 1 bis 3).
  • Zitatenliste
  • Patentliteratur
    • [PTL 1] JP 3888374 B2
    • [PTL 2] JP 4952547 B2
    • [PTL 3] JP 2019-77600 A
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Ein Halbleiter von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat eine hexagonale Wurtzit-Kristallstruktur. Dementsprechend werden eine a-Achse und eine m-Achse zu Richtungen mit höchst unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen in einer c-Ebene und das Kristallwachstumsverhalten unterscheidet sich auch zwischen der a-Achsenrichtung und der m-Achsenrichtung. Wenn zum Beispiel ein Kristall des Halbleiters von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III in einer Lösung gezüchtet wird, entwickelt sich eine m-Ebene, was zu einer hexagonalen Bodenform führt, bei der die a-Achsenrichtung einem Scheitelpunkt des Hexagons entspricht und die m-Achsenrichtung einer Seite des Hexagons entspricht. Wenn die Off-Richtung von der a-Achsen-Richtung oder der m-Achsen-Richtung in der Ebene eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III verschoben wird, wird eine Verhaltensänderung des Kristallwachstums zum Zeitpunkt des epitaxialen Wachstums verstärkt, mit dem Ergebnis, dass eine Störung der Morphologie und Veränderungen der Eigenschaften in der Ebene des epitaxialen Films auftreten. In der Zwischenzeit wird das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III häufig durch die Verarbeitung eines Kristalls hergestellt, der eine starke Verformung aufweist, die aus dem heteroepitaxialen Wachstum resultiert, und daher kann es zu Abweichungen in der Ebene des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III kommen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitzustellen, bei dem, selbst wenn seine Off-Richtung variiert wird, eine Verhaltensänderung des Kristallwachstums zum Zeitpunkt des Epitaxialwachstums gering ist, und daher eine Störung der Morphologie und Veränderungen der Eigenschaften in seiner Ebene kaum auftreten.
  • Lösung des Problems
  • Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat eine c-Ebene, die in Bezug auf eine Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, und eine Richtung der Neigung fällt zwischen eine <1-100>-Richtung und eine <11-20>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform liegt die Richtung der Neigung in einem Bereich von ±15° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform liegt die Richtung der Neigung in einem Bereich von ±12,5° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform liegt die Richtung der Neigung in einem Bereich von ±7,5° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform beträgt die Fläche einer Region, die von der Neigungsrichtung eingenommen wird, 50 % oder mehr in Bezug auf die Gesamtfläche der ersten Oberfläche.
  • In einer Ausführungsform hat die Neigung einen Winkel von 0,2° bis 0,8°.
  • Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat eine c-Ebene, die in Bezug auf eine Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat eine flache Orientierung parallel zu einer <11-20>-Richtung und eine Richtung der Neigung fällt innerhalb eines Bereichs von +45°±15° oder innerhalb eines Bereichs von -45°±15° oder innerhalb eines Bereichs von +135°±15° oder innerhalb eines Bereichs von -135°±15° in Bezug auf eine <1-100>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform liegt die Richtung der Neigung in einem Bereich von +45°±12,5° oder in einem Bereich von -45°±12,5° oder in einem Bereich von +135°±12,5° oder in einem Bereich von -135°±12,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung.
  • In einer Ausführungsform liegt die Richtung der Neigung in einem Bereich von +45°±7,5° oder in einem Bereich von -45°±7,5° oder in einem Bereich von +135°±7,5° oder in einem Bereich von -135°±7,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem, selbst wenn seine Off-Richtung variiert wird, eine Verhaltensänderung des Kristallwachstums zum Zeitpunkt des Epitaxialwachstums gering ist, und daher kaum eine Störung der Morphologie und Veränderungen der Eigenschaften in seiner Ebene auftreten.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine typische schematische perspektivische Ansicht eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine schematische, erläuternde Ansicht zur Veranschaulichung von Ebenenrichtungen und Kristallebenen in der Kristallstruktur des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist eine schematische erläuternde Ansicht zur Veranschaulichung einer Off-Richtung in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist eine typische schematische Schnittansicht des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5A bis 5C sind schematische, erläuternde Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Wenn hier der Ausdruck „Gewicht“ verwendet wird, kann er durch „Masse“ ersetzt werden, die üblicherweise als SI-Einheit für ein Gewicht verwendet wird.
  • Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist typischerweise ein freistehendes Substrat, das aus einem Nitridkristall eines Elements der Gruppe III besteht. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „freistehendes Substrat“ ein Substrat, das zum Zeitpunkt seiner Handhabung nicht durch sein eigenes Gewicht verformt oder gebrochen wird und daher wie ein Festkörper gehandhabt werden kann. Das freistehende Substrat kann als jedes der Substrate verschiedener Halbleitervorrichtungen verwendet werden, wie einer lichtemittierenden Vorrichtung und einer Leistungssteuerungsvorrichtung.
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der vorliegenden Erfindung hat typischerweise eine Waferform (im Wesentlichen vollständig runde Form). Allerdings kann das Substrat in jede andere Form wie eine rechteckige Form wie erforderlich verarbeitet werden.
  • Als Durchmesser des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jeder geeignete Durchmesser angenommen werden, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Der Durchmesser des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise 50 mm oder mehr, bevorzugter 75 mm oder mehr, noch bevorzugter 100 mm oder mehr, weil die Wirkung der vorliegenden Erfindung in einem größeren Ausmaß ausgedrückt werden kann. Insbesondere wenn das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein sogenanntes Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser ist, das einen Durchmesser von 75 mm oder mehr aufweist, kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung leicht auf eine elektronische Hochfrequenz-/Hochleistungsvorrichtung angewendet werden, insbesondere auf eine solche Vorrichtung zur Handhabung großer elektrischer Leistung (sogenannte Leistungsvorrichtung), was eine Vergrößerung der Elementgröße zur Folge hat.
  • Spezielle Beispiele für das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser sind ein 4-Inch-Wafer, ein 6-Inch-Wafer, ein 8-Inch-Wafer und ein 12-Inch-Wafer.
  • Die Dicke des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (wenn die Dicke nicht konstant ist, die Dicke einer Stelle mit der größten Dicke) beträgt vorzugsweise 300 µm bis 1000 µm.
  • Typische Beispiele für Nitrid eines Elements der Gruppe III sind Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AIN), Indiumnitrid (InN) und deren Mischkristalle. Diese Nitride können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
  • Die Nitride eines Elements der Gruppe III sind insbesondere GaN, AIN, InN, GaxAl1-xN (1 >x>0), GaxIn1-xN (1 >x>0), AlxIn1-xN (1 >x>0) oder GaxAlyInzN (1>x>0, 1 >y>0, x+y+z=1). Diese Nitride können mit verschiedenen n-Typ-Dotierstoffen oder p-Typ-Dotierstoffen dotiert sein.
  • Typische Beispiele für den p-Typ-Dotierstoff sind Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Strontium (Sr) und Cadmium (Cd). Diese Dotierstoffe können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
  • Typische Beispiele für den n-Typ-Dotierstoff sind Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Sauerstoff (O). Diese Dotierstoffe können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche enthält. Wenn die erste Oberfläche als Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als Rückoberfläche definiert ist, ist die Hauptoberfläche typischerweise eine polare Oberfläche eines Elements der Gruppe III und die Rückoberfläche typischerweise eine polare Stickstoff-Oberfläche, solange die Richtung der Ebene des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III auf der Seite der c-Ebene liegt. Die Hauptoberfläche kann jedoch auch auf die polare Stickstoff-Oberfläche und die Rückoberfläche auf die polare Oberfläche eines Elements der Gruppe III eingestellt sein. Auf der Hauptoberfläche kann ein epitaxialer Kristall gezüchtet werden und darauf können verschiedene Vorrichtungen hergestellt werden. Die Rückoberfläche kann mit einem Suszeptor oder dergleichen gehalten werden, um das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu übertragen.
  • In der Beschreibung des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Oberfläche als die Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als die Rückoberfläche beschrieben. Dementsprechend kann in dieser Beschreibung der Begriff „Hauptoberfläche“ durch „erste Oberfläche“ ersetzt werden, der Begriff „erste Oberfläche“ kann durch „Hauptoberfläche“ ersetzt werden, der Begriff „Rückoberfläche“ kann durch „zweite Oberfläche“ ersetzt werden, und der Begriff „zweite Oberfläche“ kann durch „Rückoberfläche“ ersetzt werden.
  • 1 ist eine typische schematische perspektivische Ansicht eines Halbleitersubstrats 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, ist in dem Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine ebene <0001 >-Richtung (c-Achse) in Bezug auf einen Normalvektor A seiner ersten Oberfläche geneigt. Das heißt, das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Off-Cut-Substrat mit einem Off-Winkel, der in Bezug auf die ebene <0001 >-Richtung geneigt ist.
  • 2 ist eine schematische erläuternde Ansicht zur Veranschaulichung von Ebenenrichtungen und Kristallebenen in der Kristallstruktur des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der in 2 dargestellten Kristallstruktur ist eine <0001 >-Richtung eine c-Achsen-Richtung, eine <1-100>-Richtung ist eine m-Achsen-Richtung und eine <11-20>-Richtung ist eine a-Achsen-Richtung. Die obere Oberfläche eines hexagonalen Kristalls, der als regelmäßiges hexagonales Prisma betrachtet werden kann, ist eine c-Ebene, und eine Seitenwandoberfläche des regelmäßigen hexagonalen Prismas ist eine m-Ebene.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt. Mit anderen Worten, in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die <0001 >-Richtung (c-Achsen-Richtung) in Bezug auf den Normalvektor der ersten Oberfläche (der Normalvektor A in 1) geneigt.
  • Der Winkel der vorstehend erwähnten Neigung beträgt vorzugsweise 0,2° bis 0,8°, bevorzugter 0,3° bis 0,8°, noch bevorzugter 0,4° bis 0,8°, besonders bevorzugt 0,5° bis 0,7°, da so die Wirkung der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck kommen kann.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fällt die Richtung der vorstehend erwähnten Neigung zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung. Das heißt, in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fällt die Richtung der Neigung (Off-Richtung) zwischen die m-Achsen-Richtung und die a-Achsen-Richtung. In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann auf Grund der Off-Richtung, die zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung fällt, wie gerade beschrieben, die Wirkung der vorliegenden Erfindung in einem größeren Ausmaß ausgedrückt werden.
  • 3 ist eine schematische erläuternde Ansicht zur Veranschaulichung der Off-Richtung in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein herkömmliches Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hat im allgemeinen eine Off-Richtung in der <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) oder der <11-20>-Richtung (a-Achsen-Richtung), wie in den vorstehend erwähnten Patentschriften 1 bis 3 beschrieben, während die Off-Richtung in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung (Richtung innerhalb eines Bereichs, der durch den durchgehenden gekrümmten Pfeil angezeigt wird) ist.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fällt die Richtung der vorstehend erwähnten Neigung vorzugsweise in den Bereich von ±15° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung, bevorzugter fällt sie in den Bereich von ±12,5° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung, noch bevorzugter fällt sie in den Bereich von ±10° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung, besonders bevorzugt fällt sie in den Bereich von ±7,5° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung und ganz besonders bevorzugt fällt sie in den Bereich von ±5° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung, da die Wirkung der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang ausgedrückt werden kann. Dabei ist die „mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung“ eine Richtung bei 45° von der <1-100>-Richtung in Richtung der <11-20>-Richtung (oder umgekehrt) und ist eine Richtung, die durch den gestrichelten Linienpfeil in 3 angezeigt wird.
  • Bei dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Fläche einer Region, die von der Richtung der vorstehend erwähnten Neigung (Richtung einer Neigung, die vorzugsweise in den Bereich von ±15° (bevorzugter in den Bereich von ±12,5°, noch bevorzugter in den Bereich von ±10°, besonders bevorzugt in den Bereich von ±7,5°, am meisten bevorzugt in den Bereich von ±5°) in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung fällt), vorzugsweise 50 % oder mehr, bevorzugter 60 % oder mehr, noch bevorzugter 70 % oder mehr in Bezug auf die Gesamtfläche der ersten Oberfläche, da die Wirkung der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck kommen kann. Dies bedeutet, dass in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der größte Teil (vorzugsweise 50 % oder mehr) der Richtung, in der die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, vorzugsweise in den Bereich von ±15° (vorzugsweise in den Bereich von ±12,5°, bevorzugter in den Bereich von ±10°, besonders bevorzugt in den Bereich von ±7,5°, am meisten bevorzugt in den Bereich von ±5°) in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung, und die Region, die von der Richtung der Neigung eingenommen wird, ist vorzugsweise groß (ihr Verhältnis beträgt vorzugsweise 60% oder mehr, bevorzugter 70% oder mehr). Der obere Grenzwert des Verhältnisses der Fläche der von der Neigungsrichtung eingenommenen Region (Neigungsrichtung, die vorzugsweise in den Bereich von ±15° (bevorzugter in den Bereich von ±12,5°, noch bevorzugter in den Bereich von ±10°, besonders bevorzugt in den Bereich von ±7,5°, am meisten bevorzugt in den Bereich von ±5°) in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung fällt) zur Gesamtfläche der ersten Oberfläche beträgt realistischerweise vorzugsweise 100% oder weniger.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fällt die Richtung, in der die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche in der Mitte des Substrats geneigt ist, zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung, und fällt vorzugsweise in den Bereich von ±15° (bevorzugter in den Bereich von ±12,5°, noch bevorzugter in den Bereich von ±10°, besonders bevorzugt in den Bereich von ±7,5°, am meisten bevorzugt in den Bereich von ±5°) in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung. In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, solange der größte Teil der Richtung, in der die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, innerhalb der Bereiche liegt, ein Teil der Richtung, in der die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, in die <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) oder die <11-20>-Richtung (a-Achsen-Richtung) geneigt werden.
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine flache Orientierung parallel zur <11-20>-Richtung aufweisen. In diesem Fall fällt die Richtung der vorstehend erwähnten Neigung in den Bereich von +45°±15° oder in den Bereich von -45°±15° oder in den Bereich von +135°±15° oder in den Bereich von -135°±15° in Bezug auf die <1-100>-Richtung, weil die Wirkung der vorliegenden Erfindung in einem größeren Umfang ausgedrückt werden kann.
  • Die Richtung der vorstehend erwähnten Neigung fällt vorzugsweise in den Bereich von +45°±12,5° oder in den Bereich von -45°±12,5° oder in den Bereich von +135°±12,5° oder in den Bereich von -135°±12,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung, fällt bevorzugter in den Bereich von +45°±10° oder in den Bereich von - 45°±10° oder in den Bereich von +135°±10° oder in den Bereich von -135°±10° in Bezug auf die <1-100>-Richtung, fällt noch bevorzugter in den Bereich von +45°±7,5° oder innerhalb des Bereichs von -45°±7,5° oder innerhalb des Bereichs von +135°±7,5° oder innerhalb des Bereichs von -135°±7,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung und fällt besonders bevorzugt in den Bereich von +45°±5° oder in den Bereich von -45°±5° oder in den Bereich von +135°±5° oder in den Bereich von - 135°±5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung, da die Wirkung der vorliegenden Erfindung in noch größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden kann. Eine solche Ausgestaltung kann dazu führen, dass die Richtung der Neigung in den Bereich von ±15° (vorzugsweise in den Bereich von ±12,5°, bevorzugter in den Bereich von ±10°, noch bevorzugter in den Bereich von ±7,5°, besonders bevorzugt in den Bereich von ±5°) in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung fällt.
  • Der Mechanismus, durch den der Effekt der vorliegenden Erfindung ausgedrückt werden kann, wenn in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist und die Richtung der Neigung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung liegt, ist wie nachstehend beschrieben gedacht.
  • Wenn ein epitaxialer Film auf einem Halbleiter von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gebildet wird, dessen Hauptoberfläche die c-Ebene ist, entwickelt sich die a-Ebene nicht in der Richtung der Seitenoberfläche des Films, aber die m-Ebene entwickelt sich leicht darin. Dies liegt daran, dass die Kristallwachstumsrate in Richtung der m-Achse geringer als in Richtung der a-Achse ist.
  • Bei einem so genannten einfachen Substrat ohne Off-Winkel findet das Wachstum des epitaxialen Films überall auf der Oberfläche des Substrats statt und so erfolgt kein gleichmäßiges Kristallwachstum. Dementsprechend kann die Dicke des Films variieren, und die Unebenheit des Epi-Films nimmt zu.
  • Andererseits wächst ein epitaxialer Film auf einem Substrat mit einem Off-Winkel durch sogenanntes Step-Flow-Wachstum. Beim Step-Flow-Wachstum entsteht auf dem Substrat ein winziger Schritt, der als atomarer Schritt bezeichnet wird, und ein Rohmaterial (z.B. ein Metallion) wird auf dem Substrat so abgeschieden, dass der atomare Schritt in die Richtung fortschreitet, in der der Off-Winkel geneigt ist, mit dem Ergebnis, dass ein glatter Epi-Film mit zufriedenstellender Kristallinität gebildet wird.
  • Im Falle eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit einer von der m-Achse abweichenden c-Ebene ist die Form des Atomschritts bzw. der Atomstufe wahrscheinlich flach (linear), wenn man das Substrat von oben betrachtet. Dies liegt daran, dass die Wachstumsrichtung des atomaren Schritts die Richtung der m-Achse ist, was zu einem Zustand führt, in dem eine entwickelte m-Ebene fortschreitet. Wenn indes aus irgendeinem Grund ein Unterschied in der Fortschrittsgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Atomschritten auftritt (z.B. Temperaturunregelmäßigkeit oder Unregelmäßigkeiten in der Rohstoffkonzentration), besteht die Tendenz, dass ein Schritt mit einer höheren Geschwindigkeit schneller und ein Schritt mit einer niedrigeren Geschwindigkeit langsamer voranschreitet. Der schnellere Schritt holt den langsameren Schritt ein, um mit ihm zu verschmelzen, was dazu führt, dass es zu einem Step-Bunching mit großen Schritten kommen kann. Darüber hinaus kommt es in einigen Fällen zu einem großen Schritt, bei dem sich die Bunchings zusammenschließen. Wenn das Bunching oder der große Schritt auftritt, kommt es zu Unregelmäßigkeiten beim Einbau einer Verunreinigung, wie eines Dotierstoffs, was zu Schwankungen der Eigenschaften des Epi-Films führt. Wenn die m-Ebene bei der Herstellung von Vorrichtungen gespalten wird, kommt es außerdem zu einer Störung in der Spaltungsebene, die zu Schwankungen der Vorrichtungseigenschaften führt.
  • Bei einem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit einer von der a-Achse abweichenden c-Ebene ist der Atomschritt wahrscheinlich ungleichmäßig, wenn man das Substrat von oben betrachtet. Dies liegt daran, dass, obwohl die Fortschrittsrichtung des atomaren Schritts die Richtung der a-Achse wird, die a-Ebene aufgrund einer hohen Kristallwachstumsrate in Richtung der a-Achse kaum entwickelt wird. Da die a-Ebene nicht entwickelt ist, haben die Atomschritte bzw. Atomstufen keine einheitliche Fortschrittsrichtung und so kann eine wellenförmige Morphologie, begleitet von Welligkeit, auftreten. Wenn eine solche wellenförmige Morphologie auftritt, wird die Unebenheit der Oberfläche des Epi-Films vergrößert, was die Herstellung von Vorrichtungen erschwert.
  • Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann im Falle des m-Achsen-off-Substrats die Bildung eines glatten Epi-Films erwartet werden, aber die Steuerung der Kristallwachstumsbedingungen ist streng, um das Auftreten von Bunching zu verhindern. Im Falle des a-Achsen-off-Substrats ist die Fortschrittsrichtung des Schritts hingegen instabil, und es kann zu einer Welligkeit des Epi-Films kommen.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ist die c-Ebene in Bezug auf die Richtung der ersten Oberfläche geneigt, und die Richtung der Neigung fällt zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung. Dementsprechend befindet sich die Off-Richtung zwischen der m-Achse und der a-Achse. In diesem Fall ist erstens die Fortschrittsrichtung des atomaren Schritts nicht parallel zur m-Achse und daher hat der Atomschritt keine vollständig lineare Form. Dementsprechend gibt es einen Crank-Abschnitt, der als Ausgangspunkt dient, von dem aus der Schritt fortschreitet. Infolgedessen treten keine Unregelmäßigkeiten in der Fortschrittsgeschwindigkeit des Schritts auf, und es kommt nicht zu einem Bunching. Außerdem hat die Fortschrittsrichtung des Atomschritts eine konstante Neigung in Bezug auf die a-Achse. Dementsprechend kann der Atomschritt nicht mäandern und es kann keine wellige Morphologie entstehen. Somit kann ein Epi-Film mit geringen Unebenheiten über einen größeren Bedingungsbereich gebildet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie vorstehend beschrieben, ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem eine Störung der Morphologie und Schwankungen der Eigenschaften in seiner Ebene kaum auftreten, und daher kann die Ausbeute einer mit diesem Substrat hergestellten Vorrichtung verbessert werden. Wenn zum Beispiel eine Leistungsvorrichtung mit dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, können Unebenheiten in der Prüfspannung beseitigt werden, um die Ausbeute zu verbessern.
  • Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Kristallwachstumsverhalten, das für die Richtung der a-Achse und die Richtung der m-Achse charakteristisch ist, gemildert, und daher kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem Welligkeit, Bunchings und ein großer Schritt auf der Oberfläche eines epitaxialen Films unterdrückt sind.
  • Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Laser mit geringen Verlusten und zufriedenstellenden Eigenschaften hergestellt werden. Im Falle eines m-Achsen-off-Substrats tritt eine Störung in einer Spaltungsebene aufgrund des Einflusses von Bunching oder einem großen Schritt auf. Dementsprechend können die Endoberflächen des Lasers nicht parallel ausgebildet werden und folglich tritt ein Verlust auf. Bei einem a-Achsen-off-Substrat kommt es auf dem Epi-Film zu einer Welligkeit, die mit einer wellenförmigen Morphologie einhergeht, und somit zu einem Verlust im Wellenleiter des Lasers. Andererseits können gemäß der vorliegenden Erfindung die Endoberflächen des Lasers annähernd parallel ausgebildet werden und die Welligkeit des Epi-Films wird ebenfalls unterdrückt. Dementsprechend kann ein Laser mit geringen Verlusten und zufriedenstellenden Eigenschaften hergestellt werden.
  • 4 ist eine typische schematische Schnittansicht des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 dargestellt, hat das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung typischerweise eine Hauptoberfläche (polare Oberfläche eines Element der Gruppe III) 10 und eine Rückoberfläche (polare Stickstoff-Oberfläche) 20. Das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Seitenoberfläche 30 aufweisen.
  • Ein Endabschnitt des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede geeignete Form annehmen, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für die Form des Endabschnitts des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten: eine Form, bei der abgeschrägte Abschnitte auf einer Hauptoberflächenseite und auf einer Rückoberflächenseite jeweils so abgeschrägt sind, dass sie eine flache Oberfläche bilden; eine Form, bei der die abgeschrägten Abschnitte auf der Hauptoberflächenseite und auf der Rückoberflächenseite jeweils R-förmig abgeschrägt sind; eine Form, bei der nur der abgeschrägte Abschnitt auf der Hauptoberflächenseite des Endabschnitts so abgeschrägt ist, dass er eine ebene Oberfläche ist; und eine Form, bei der nur der abgeschrägte Abschnitt auf der Rückoberflächenseite des Endabschnitts so abgeschrägt ist, dass er eine ebene Oberfläche ist.
  • Wenn der Endabschnitt des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschrägt ist, kann der abgeschrägte Abschnitt über die gesamte Runde eines Außenumfangsabschnitts oder nur in einem Teil des Außenumfangsabschnitts angeordnet sein.
  • Die Hauptoberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, von der eine betroffene Schicht im Wesentlichen entfernt ist und die eine geringe Oberflächenrauheit in einer mikroskopischen Region unter dem Gesichtspunkt aufweist, ein Halbleiterbauelement zu erhalten, in dem Vorrichtungen, die durch epitaxiales Aufwachsen von Vorrichtungsschichten hergestellt werden sollen, zufriedenstellende Eigenschaften aufweisen und Schwankungen der Vorrichtungseigenschaften zwischen den Vorrichtungen vermindert werden.
  • Unter dem vorstehend genannten Gesichtspunkt beträgt die Oberflächenrauheit (Ra) der Hauptoberfläche, gemessen in einem 90-µm-Quadrat mit einem AFM, vorzugsweise 1,0 nm oder weniger, bevorzugter 0,6 nm oder weniger, noch bevorzugter 0,3 nm oder weniger, und die Oberflächenrauheit (Ra) der Hauptoberfläche, gemessen in einem 10-µm-Quadrat mit einem AFM, vorzugsweise 0,6 nm oder weniger, bevorzugter 0,4 nm oder weniger, noch bevorzugter 0,2 nm oder weniger.
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Im Hinblick auf die Ausprägung der Wirkung der vorliegenden Erfindung in einem größeren Ausmaß wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Folgenden beschrieben.
  • In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird typischerweise, wie in 5A dargestellt, ein Impfkristallfilm 2 auf einer Hauptoberfläche 1a eines Basissubstrats 1 gebildet, und eine Schicht 3 eines Nitrids eines Elements der Gruppe III wird auf einer polaren Gruppe-III-Element-Oberfläche 2a des Impfkristallfilms 2 gebildet. Als Nächstes wird eine Schicht eines Nitrids eines Elements der Gruppe III (Impfkristallfilm 2+Schicht 3 eines Nitrids eines Elements der Gruppe III), die als freistehendes Substrat dient, von dem Basissubstrat 1 getrennt, um ein freistehendes Substrat 100' mit einer Hauptoberfläche 10' und einer Rückoberfläche 20' bereitzustellen.
  • Als Material für das Basissubstrat kann jedes geeignete Material verwendet werden, sofern die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für ein solches Material sind Saphir, kristallorientiertes Aluminiumoxid, Galliumoxid, AlxGa1-xN (0≤x≤1), GaAs und SiC.
  • Die Off-Richtung des Basissubstrats ist vorzugsweise so eingestellt, dass die Off-Richtung eines als Kristall auf dem Basissubstrat gezüchteten Nitrids eines Elements der Gruppe III zwischen der <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) und der <11-20>-Richtung (a-Achsen-Richtung) liegt, da das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung effizient erhalten werden kann. Bei dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fällt die Richtung der vorstehend erwähnten Neigung vorzugsweise in den Bereich von ±15° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung des Nitrids eines Elements der Gruppe III, bevorzugter fällt sie in den Bereich von ±10° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung des Nitrids eines Elements der Gruppe III und noch bevorzugter in den Bereich von ±5° in Bezug auf die mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung des Nitrids eines Elements der Gruppe III, weil die Wirkung der vorliegenden Erfindung in einem größeren Ausmaß ausgedrückt werden kann. Hierin ist die „mittlere Richtung zwischen der <1-100>-Richtung und der <11-20>-Richtung“ eine Richtung unter 45° von der <1-100>-Richtung zur <11-20>-Richtung (oder umgekehrt).
  • Als Verfahren zur Herstellung des Basissubstrats, dessen Hauptoberfläche geneigt ist, und dessen Off-Richtung zwischen der <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) und der <11-20>-Richtung (a-Achsenrichtung) des als Kristall auf dem Basissubstrat gezüchteten Nitrids eines Elements der Gruppe III fällt, wird beispielsweise ein Verfahren angegeben, bei dem ein zylindrisches Ingot aus einem Einkristall eines Materials für ein Basissubstrat hergestellt wird, das durch ein Ziehverfahren (Czochralski-Verfahren) in einer c-Achsenrichtung erzeugt wird, eine von der c-Achsenrichtung zu einer Designrichtung um einen vorbestimmten Betrag geneigte Richtung durch ein Röntgenbeugungsverfahren abgeleitet wird, und Befestigen des Ingots an einer vorbestimmten Vorrichtung, gefolgt von Schneiden mit einer Drahtsäge, einem Verfahren, das das Herstellen des Basissubstrats durch Aushöhlen aus einem großen Einkristall, der durch das Kyropoulos-Verfahren hergestellt wurde, beinhaltet, und einem Verfahren, das das Herstellen eines plattenförmigen Einkristalls durch ein EFG-Verfahren durch Verwendung eines Impfkristalls mit einer vorbestimmten Richtung, gefolgt von Formen, beinhaltet.
  • Aber auch wenn das Basissubstrat, dessen Hauptoberfläche geneigt ist und dessen Off-Richtung zwischen der <1-100>-Richtung (m-Achsen-Richtung) und der <11-20>-Richtung (a-Achsen-Richtung) des als Kristall auf dem Basissubstrat gewachsenen Nitrids eines Elements der Gruppe III liegt, nicht verwendet wird, kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch auf folgende Weise effizient erhalten werden: wenn ein freistehendes Substrat (Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III), das als a-Achsen-off- oder m-Achsen-off-Substrat hergestellt wurde, zu einer Scheibenform verarbeitet wird, wird die Verarbeitung mit einer Neigung in einer gewünschten Richtung durchgeführt.
  • Als Material für den Impfkristallfilm kann jedes geeignete Material verwendet werden, sofern die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für ein solches Material sind AlxGa1-xN (0≤x≤1 ) und InxGa1-xN (0≤x≤1). Von diesen Materialien wird Galliumnitrid bevorzugt. Das Material für den Impfkristallfilm ist vorzugsweise Galliumnitrid, das bei der Beobachtung mit einem Fluoreszenzmikroskop einen gelben Lumineszenzeffekt zeigt. Der Begriff „gelbe Lumineszenz“ bezieht sich auf einen Peak (gelbe Lumineszenz (YL) oder eine gelbe Bande (YB)), der in den Bereich von 2,2 eV bis 2,5 eV zusätzlich zu einem Exzitonenübergang (UV) von einer Bande zu einer anderen Bande auftritt.
  • Als Verfahren zur Bildung des Impfkristallfilms kann jedes geeignete Bildungsverfahren verwendet werden, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Ein solches Bildungsverfahren ist beispielsweise ein Dampfwachstumsverfahren, und bevorzugte Beispiele dafür sind eine metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD), eine Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE), eine gepulste Anregungsabscheidung (PXD), ein MBE-Verfahren und ein Sublimationsverfahren. Von diesen Verfahren ist die metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) das bevorzugte Verfahren zur Bildung des Impfkristallfilms.
  • Die Bildung des Impfkristallfilms durch das MOCVD-Verfahren erfolgt vorzugsweise durch Abscheiden einer bei niedriger Temperatur gewachsenen Pufferschicht von 20 nm bis 50 nm bei 450°C bis 550°C und anschließendes Laminieren eines Films mit einer Dicke von 2 µm bis 4 µm bei 1000°C bis 1200°C.
  • Jedes geeignete Bildungsverfahren mit einer Kristallrichtung, die im Wesentlichen der Kristallrichtung des Impfkristallfilms folgt, kann als Verfahren zur Bildung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III in dem Maße angenommen werden, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für derartige Bildungsverfahren beinhalten: Gasphasenwachstumsverfahren, wie eine metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD), eine Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE), eine gepulste Anregungsabscheidung (PXD), eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) und ein Sublimationsverfahren; Flüssigphasenwachstumsverfahren, wie ein Na-Flux-Verfahren, ein ammonothermisches Verfahren, ein hydrothermales Verfahren und ein Sol-Gel-Verfahren; ein Pulverwachstumsverfahren, das Festphasenwachstum (Kornwachstum) von Pulver (Festphasenwachstumsverfahren) verwendet; und eine Kombination davon.
  • Wenn das Na-Flux-Verfahren als Verfahren zur Bildung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III angewandt wird, wird das Na-Flux-Verfahren vorzugsweise in Übereinstimmung mit einem in JP 5244628 B2 beschriebenen Herstellungsverfahren durchgeführt, indem die Bedingungen und dergleichen entsprechend angepasst werden, so dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden kann.
  • Als Nächstes kann das freistehende Substrat mit der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III durch Trennen der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III vom Basissubstrat erhalten werden.
  • Als Verfahren zur Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III vom Basissubstrat kann jedes geeignete Verfahren angewandt werden, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für solche Verfahren beinhalten: ein Verfahren, das die spontane Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch Verwendung einer thermischen Schrumpfungsdifferenz in einem Temperatursenkungsschritt nach dem Wachstum der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III beinhaltet; ein Verfahren, das die Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch chemisches Ätzen beinhaltet; ein Verfahren, das das Ablösen der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch ein Laserabhebungsverfahren beinhaltet, das das Anwenden von Laserlicht von einer Rückoberfläche 1b des Basissubstrats 1 beinhaltet, wie durch die Pfeile A angezeigt, wie in 5A dargestellt; und ein Verfahren zum Ablösen der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III vom Basissubstrat durch Schleifen. Darüber hinaus kann das freistehende Substrat, das die Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III enthält, durch Schneiden der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III unter Verwendung einer Drahtsäge oder dergleichen erhalten werden.
  • Als Nächstes wird das freistehende Substrat durch Schleifen seines Außenumfangsabschnitts in eine kreisförmige Form mit dem gewünschten Durchmesser gebracht.
  • Als Größe des freistehenden Substrats kann jede geeignete Größe gewählt werden, soweit die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Eine solche Größe ist beispielsweise 25 mm (etwa 1 Inch), von 45 mm bis 55 mm (etwa 2 Inch), von 95 mm bis 105 mm (etwa 4 Inch), von 145 mm bis 155 mm (etwa 6 Inch), von 195 mm bis 205 mm (etwa 8 Inch) oder von 295 mm bis 305 mm (etwa 12 Inch).
  • Als Nächstes wird die Hauptoberfläche und/oder die Rückoberfläche einer Abtragsbearbeitung durch Oberflächenbearbeitung, wie Schleifen, Läppen oder Polieren, unterzogen, um dadurch ein freistehendes Substrat zu erhalten, das zu einer dünnen Platte mit einer gewünschten Dicke gedreht und abgeflacht wird.
  • Bei der Oberflächenbearbeitung, wie Schleifen, Läppen oder Polieren, wird das freistehende Substrat im Allgemeinen mit einer zu bearbeitenden Oberflächenplatte verbunden, z.B. durch die Verwendung eines Wachses. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bondingdruck des freistehenden Substrats an die zu bearbeitende Oberflächenplatte, insbesondere ein Druck, der auf das freistehende Substrat zum Zeitpunkt des Bondings des freistehenden Substrats auf die zu bearbeitende Oberflächenplatte ausgeübt wird, in geeigneter Weise eingestellt.
  • Die Dicke des freistehenden Substrats nach dem Polieren (wenn die Dicke nicht konstant ist, die Dicke einer Stelle mit der größten Dicke) beträgt vorzugsweise 300 µm bis 1000 µm.
  • Die Außenumfangskante des freistehenden Substrats wird bei Bedarf durch Schleifen abgeschrägt. Wenn die betroffene Schicht auf der Hauptfläche verbleibt, wird die betroffene Schicht im Wesentlichen entfernt. Wenn zudem eine aus der betroffenen Schicht resultierende Restspannung auf der Rückoberfläche verbleibt, wird die Restspannung ebenfalls entfernt. Schließlich wird das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten.
  • Bei dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Anfasen durch ein beliebiges geeignetes Anfasungsverfahren in dem Maße durchgeführt werden, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für ein solches Anfasungsverfahren sind: Schleifen mit Diamantschleifkörnern; Polieren mit einem Band und chemisch-mechanisches Polieren (CMP) mit einer Aufschlämmung wie kolloidalem Siliziumdioxid und einem Polierkissen aus einem Vliesstoff.
  • Ein Kristall kann auf der Hauptoberfläche (polare Gruppe-III-Element-Oberfläche) 10 des zu erhaltenden Halbleitersubstrats 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III epitaxial gezüchtet werden, und die Bildung einer funktionellen Schicht 4, wie in 5C dargestellt, liefert ein funktionelles Element 5. Die Bezugsziffer 20 steht für die Rückoberfläche (polare Stickstoff-Oberfläche) des Substrats.
  • Der epitaxialer Kristall, der auf dem zu erhaltenden Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gezüchtet werden soll, kann beispielsweise Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Indiumnitrid oder ein Mischkristall davon sein. Spezielle Beispiele für solche epitaxiale Kristalle sind GaN, AIN, InN, GaxAl1-xN (1 >x>0), GaxIn1-xN (1 >x>0), AlxIn1-xN (1 >x>0) und GaxAlyInzN (1 >x>0, 1 >y>0, x+y+z=1). Darüber hinaus enthalten Beispiele für die Funktionsschicht, die auf dem zu erhaltenden Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III anzuordnen ist, eine Gleichrichterelementschicht, eine Schaltelementschicht und eine Leistungshalbleiterschicht zusätzlich zu einer lichtemittierenden Schicht. Darüber hinaus können die Dicke und die Gesamtdickenvariation des freistehenden Substrats vermindert werden, indem die polare Stickstoff-Oberfläche nach der Anordnung der Funktionsschicht auf der polaren Oberfläche eines Elements der Gruppe III des zu erhaltenden Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einer Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, unterzogen wird.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf Beispiele beschränkt. Test- und Bewertungsverfahren in Beispielen und dergleichen sind wie nachstehend beschrieben. Der Begriff „Teil(e)“ in der folgenden Beschreibung bedeutet „Gewichtsteil(e)“, sofern nicht anders angegeben, und der Begriff „%“ in der folgenden Beschreibung bedeutet „Gew.-%“, sofern nicht anders angegeben.
  • <Messung des Off-Winkels und der Off-Richtung>
  • Die Messung wurde mit einem energiedispersiven Röntgendiffraktometer (hergestellt von Bruker AXS, D2 CRYSO) durchgeführt. Ein Beugungspeak aufgrund der (0002)-Ebene eines Halbleiters von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit einem hexagonalen Einheitsgitter wurde für die Messung eines Off-Winkels verwendet. Ein Beugungspeak der (10-15)-Ebene des Halbleiters von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit einem hexagonalen Einheitsgitter wurde für die Messung einer Kristallrichtung und einer Off-Richtung verwendet. Eine Winkelbeziehung zwischen der Richtung, in der der Off-Winkel maximal wurde, d.h. die Neigungsrichtung einer c-Ebene in Bezug auf eine Hauptoberfläche, und der Kristallrichtung in der c-Ebene wurde gemessen, und eine <1-100>-Richtung und eine <11-20>-Richtung wurden so bestimmt, dass die Richtung, in der der Off-Winkel maximal wurde, dazwischen liegt. Diese Richtungen können auch als [1-100] bzw. [11-20] bezeichnet werden und sind Richtungen, die parallel zu einer m-Achse bzw. einer a-Achse und senkrecht zueinander verlaufen. Wenn mehrere <1-100>-Richtungen und <11-20>-Richtungen, zwischen denen die Richtung liegt, in der der Off-Winkel maximal wird, bestimmt wurden, wurden die jeweiligen Richtungen so bestimmt, dass die Richtung, in der der Off-Winkel maximal wird, nahe der Mitte zwischen den beiden Richtungen liegt.
  • <Beobachtung der Bunching- und Wavy-Morphologie>
  • Die Oberflächenmorphologie eines epitaxialen Films wurde mit einem Differentialinterferenzkontrastmikroskop (hergestellt von Leica, Modellnummer: DM8000M) bei einer Vergrößerung von 100, 200 oder 500 beobachtet.
  • <Beobachtung und Messung der Oberflächenrauheit (Ra) mit AFM>
  • Beobachtung und Messung wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) durchgeführt. Der Messbereich wurde auf ein 90-µm-Quadrat oder ein 10-µm-Quadrat eingestellt.
  • [Beispiel 1]
  • Ein 6-Inch-Saphir-Substrat, dessen Hauptoberfläche eine um 0,5° gegenüber der c-Ebene geneigte Richtung aufwies, wurde durch ein Verfahren hergestellt, bei dem aus einem Saphir-Einkristall, der durch eine Ziehverfahren (Czochralski-Verfahren) hergestellt wurde, ein zylindrischer Ingot in Richtung der c-Achse hergestellt wurde, bei dem durch ein Röntgenbeugungsverfahren eine von der c-Achsen-Richtung in Richtung einer Design-Richtung um einen vorbestimmten Betrag geneigte Richtung abgeleitet wurde und bei dem der Ingot an einer vorbestimmten Vorrichtung befestigt wurde, gefolgt von einem Schnitt mit einer Drahtsäge. Die Richtung der Neigung der Hauptoberfläche (Richtung des Off-Winkels) wurde so festgelegt, dass sie genau in der Mitte zwischen der a-Achse und der m-Achse liegt. Genauer gesagt handelt es sich um eine Richtung, die von der <11-20>-Richtung in <1-100>-Richtung um 45° in der c-Ebene gedreht ist.
  • Ein Impfkristallfilm aus Galliumnitrid mit einer Dicke von 2 µm wurde auf dem hergestellten Saphirsubstrat durch ein MOCVD-Verfahren gebildet, um ein Impfkristallsubstrat zu erhalten.
  • Das so entstandene Impfkristallsubstrat wurde in einem Aluminiumoxid-Tiegel in einer Handschuhbox unter Stickstoffatmosphäre angeordnet.
  • Anschließend wurden Galliummetall und Natriummetall in den Tiegel gegeben, so dass sich das folgende Verhältnis ergab: Ga/(Ga+Na) (Mol%)=15 Mol%. Der Tiegel wurde in einen Behälter aus hitzebeständigem Metall gefüllt und der Behälter wurde dann auf einen Tisch gestellt, auf dem ein Kristallzuchtofen gedreht werden konnte. Nachdem die Temperatur und der Druck des Kristallzüchtungsofens auf 870°C bzw. 4,0 MPa erhöht wurden, während dieser Zustand 100 Stunden lang beibehalten wurde, wurde eine Lösung durch Drehen des Behälters gerührt, um so einen Kristall zu züchten. Danach wurde auf Raumtemperatur geglüht und der Druck auf Atmosphärendruck gesenkt. Danach wurde der Züchtungsbehälter aus dem Kristallzüchtungsofen entnommen.
  • Das erstarrte Natriummetall im Tiegel wurde durch Waschen mit einem Alkohol entfernt. Auf diese Weise wurde eine Galliumnitrid-Kristallschicht (Dicke: 1 mm) ohne Risse auf dem Impfkristallsubstrat erhalten.
  • Das Basissubstrat wurde abgelöst, um die Galliumnitrid-Kristallschicht durch ein Laser-Lift-off-Verfahren (LLO) abzutrennen und so ein freistehendes Galliumnitrid-Substrat zu erhalten.
  • Das freistehende Galliumnitrid-Substrat wurde durch Schleifen des Außenumfangsabschnitts des freistehenden Galliumnitrid-Substrats in eine Kreisform mit einem Durchmesser von 100 mm gebracht.
  • Das so entstandene freistehende Substrat wurde auf eine keramische Oberflächenplatte gebondet, die mit Wachs bearbeitet wurde, und die polare Oberfläche von Ga wurde geschliffen und geläppt. Die Oberfläche wurde mit Diamantschleifkörnern mit einem Korndurchmesser von jeweils 0,1 µm zu einer Spiegeloberfläche veredelt.
  • Anschließend wurde das freistehende Substrat, bei dem die polare Ga-Oberfläche bearbeitet worden war, umgedreht und auf der aus Keramik hergestellten Oberflächenplatte zur Bearbeitung mit einem Wachs befestigt, und die polare Stickstoff-Oberfläche wurde geschliffen und geläppt. Die Oberfläche wurde mit Diamantschleifkörnern mit einem Korndurchmesser von jeweils 0,1 µm in eine Spiegeloberfläche als Endbearbeitung verwandelt.
  • So wurde ein Wafer (1) hergestellt, der als freistehendes Galliumnitrid-Substrat dient.
  • Der Wafer (1) hatte eine Dicke von 500 µm.
  • Die Off-Richtung des resultierenden Wafers (1) wurde durch ein Röntgenbeugungsverfahren bewertet. Der Off-Winkel und die Off-Richtung im mittleren Abschnitt des Substrats wurden gemessen und es wurde festgestellt, dass sie um 0,6° in einer mittleren Richtung zwischen der a-Achse und der m-Achse geneigt sind.
  • Die Bildung eines epitaxialen Films wurde mit dem hergestellten Wafer (1) durch ein MOCVD-Verfahren durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Bedingungen für die Filmbildung (Temperatur, Durchflussrate des Rohmaterialgases und Zeit) so eingestellt, dass der Epi-Film eine Dicke von 1 µm hatte.
  • Die Oberfläche des hergestellten Epi-Films wurde mit dem Differentialinterferenzkontrastmikroskop betrachtet. Bei einer Vergrößerung von 200 zeigte die Oberfläche des Epi-Films kein eindeutiges Bunching oder wellenförmige Morphologie. Anschließend wurde eine Bewertung mit dem AFM durchgeführt. Die Bewertung in einem Sichtfeld von 90 µm mal 90 µm lieferte einen gleichmäßigen Kontrast und ergab eine Ra von 0,9 nm. Bei der Betrachtung in einem Sichtfeld von 10 µm × 10 µm wurde ein Atomschritt auf der Oberfläche festgestellt, der eine Ra von 0,2 nm aufwies.
  • [Beispiel 2]
  • Ein Wafer (2) wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Richtung der Neigung der Hauptoberfläche des Saphirsubstrats (Richtung des Off-Winkels) so eingestellt wurde, dass sie in eine Richtung geneigt wurde, die von der <11-20>-Richtung zur <1-100>-Richtung um 37,5° in der c-Ebene gedreht wurde.
  • Die Bildung eines epitaxialen Films wurde mit dem hergestellten Wafer (2) in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Oberfläche des hergestellten Epi-Films wurde mit dem Differentialinterferenzkontrastmikroskop betrachtet. Bei einer Vergrößerung von 200 zeigte die Oberfläche des Epi-Films kein eindeutiges Bunching oder wellenförmige Morphologie. Anschließend wurde eine Bewertung mit dem AFM durchgeführt. Die Bewertung in einem Sichtfeld von 90 µm mal 90 µm lieferte einen gleichmäßigen Kontrast und ergab eine Ra von 1,0 nm.
  • [Beispiel 3]
  • Ein Wafer (3) wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Richtung der Neigung der Hauptoberfläche des Saphirsubstrats (Richtung des Off-Winkels) so eingestellt wurde, dass sie in eine Richtung geneigt wurde, die von der <11-20>-Richtung zur <1-100>-Richtung um 57,5° in der c-Ebene gedreht wurde.
  • Die Bildung eines epitaxialen Films wurde mit dem hergestellten Wafer (3) in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Oberfläche des hergestellten Epi-Films wurde mit dem Differentialinterferenzkontrastmikroskop betrachtet. Bei 200-facher Vergrößerung zeigte die Oberfläche des Epi-Films kein eindeutiges Bunching oder wellenförmige Morphologie, aber leichte Unebenheiten waren zu erkennen. Anschließend wurde eine Bewertung mit dem AFM durchgeführt. Die Bewertung in einem Sichtfeld von 90 µm mal 90 µm lieferte einen Kontrast mit leichter Schattierung und ergab eine Ra von 1,2 nm.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Ein Wafer (C1) wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Richtung der Neigung der Hauptoberfläche des Saphirsubstrats (Richtung des Off-Winkels) in Richtung der a-Achse geneigt wurde.
  • Die Bildung eines epitaxialen Films wurde mit dem hergestellten Wafer (C1) in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Oberfläche des hergestellten Epi-Films wurde mit dem Differentialinterferenzkontrastmikroskop betrachtet. Bei der Betrachtung mit einer Vergrößerung von 200 wurde festgestellt, dass die Oberfläche des Epi-Films eine wellenförmige Morphologie aufweist, die von Wellenbildung begleitet wird. Anschließend wurde eine Bewertung mit dem AFM durchgeführt. Die Bewertung in einem Sichtfeld von 90 µm mal 90 µm ergab einen Kontrast, der von einer der Welligkeit entsprechenden Schattierung begleitet wurde, und ergab eine Ra von 1,3 nm.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • Ein Wafer (C2) wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Richtung der Neigung der Hauptoberfläche des Saphirsubstrats (Richtung des Off-Winkels) in Richtung der m-Achse geneigt wurde.
  • Die Bildung eines epitaxialen Films wurde mit dem hergestellten GaN-Substrat in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Oberfläche des hergestellten Epi-Films wurde mit dem Differentialinterferenzkontrastmikroskop betrachtet. Bei einer Vergrößerung von 200 wurde festgestellt, dass die Oberfläche des Epi-Films einen großen Schritt aufweist. Anschließend wurde eine Bewertung mit dem AFM durchgeführt. Die Bewertung in einem Sichtfeld von 90 µm mal 90 µm ergab einen Kontrast, der von einer Schattierung begleitet wurde, die dem Bunching entspricht, und ergab eine Ra von 2,1 nm.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als ein beliebiges der Substrate verschiedener Halbleiterbauelemente verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III
    100'
    freistehendes Substrat
    1
    Basissubstrat
    1a
    Hauptoberfläche des Basissubstrats
    1b
    Rückoberfläche des Basissubstrats
    2
    Impfkristallfilm
    2a
    polare Gruppe-III-Element-Oberfläche des Impfkristallfilms
    3
    Schicht eines Nitrids eines Elements der Gruppe III
    4
    Funktionsschicht
    5
    Funktionselement
    10
    Hauptoberfläche
    10'
    Hauptoberfläche
    20
    Rückoberfläche
    20'
    Rückoberfläche
    30
    Seitenoberfläche
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 3888374 B2 [0004]
    • JP 4952547 B2 [0004]
    • JP 201977600 A [0004]
    • JP 5244628 B2 [0066]

Claims (9)

  1. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, umfassend: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine c-Ebene aufweist, die in Bezug auf eine Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, und wobei eine Richtung der Neigung zwischen eine <1-100>-Richtung und eine <11-20>-Richtung fällt.
  2. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 1, wobei die Richtung der Neigung in einen Bereich von ±15° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung fällt.
  3. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 2, wobei die Richtung der Neigung in einen Bereich von ±12,5° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung fällt.
  4. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 3, wobei die Richtung der Neigung in einen Bereich von ±7,5° in Bezug auf eine mittlere Richtung zwischen die <1-100>-Richtung und die <11-20>-Richtung fällt.
  5. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Fläche einer Region, die von der Richtung der Neigung eingenommen wird, 50 % oder mehr in Bezug auf eine Gesamtfläche der ersten Oberfläche beträgt.
  6. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Neigung einen Winkel von 0,2° bis 0,8° aufweist.
  7. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, umfassend: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine c-Ebene aufweist, die in Bezug auf eine Richtung der ersten Oberfläche geneigt ist, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine flache Ausrichtung parallel zu einer <11-20>-Richtung aufweist, und wobei eine Richtung der Neigung in einen Bereich von +45°±15° oder in einen Bereich von -45°±15° oder in einen Bereich von +135°±15° oder in einen Bereich von -135°±15° in Bezug auf eine <1-100>-Richtung fällt.
  8. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 7, wobei die Richtung der Neigung in einen Bereich von +45°±12,5° oder in einen Bereich von -45°±12,5° oder in einen Bereich von +135°±12,5° oder in einen Bereich von -135°±12,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung fällt.
  9. Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 8, wobei die Richtung der Neigung in einen Bereich von +45°±7,5° oder in einen Bereichs von -45°±7,5° oder in einen Bereich von +135°±7,5° oder in einen Bereich von -135°±7,5° in Bezug auf die <1-100>-Richtung fällt.
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