JP2001261498A

JP2001261498A - ＧａＮ系結晶成長用基板およびその用途

Info

Publication number: JP2001261498A
Application number: JP2000083729A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Furuta; 正寛古田; Hiroshi Hamamura; 寛濱村
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nikon Corp
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nikon Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】選択成長法のマスク層材料にタングステンを
含みながらも、ＧａＮ系半導体素子の特性を改善し得る
ＧａＮ系結晶成長用基板を提供することであり、それを
用いて形成したＧａＮ系半導体素子を提供すること。【解決手段】ＧａＮ系結晶が成長可能な結晶基板１の
該基板面に、マスク領域ｄと非マスク領域ｅとが形成さ
れるパターンにてマスク層２を形成し、ＥＬＯ技術に対
応し得るＧａＮ系結晶成長用基板とする。ここで、該マ
スク層の材料をタングステン窒化物（特に窒素の組成比
率は０〜５０atm％が好ましい）として、マスク層直下
のエッチングを抑制する。当該成長用基板を用いること
によって、素子の特性劣化が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ系半導体の結
晶成長の技術分野、およびそれを用いた素子の技術分野
に属する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系結晶をエピタキシャル成長させ
るための結晶基板としては、サファイア結晶基板が一般
的に用いられている。従来、より高品質のＧａＮ系結晶
を成長させるために、サファイア結晶基板上に、Ｚｎ
Ｏ、ＡｌＮなどからなるバッファ層を形成し、その上に
ＧａＮ系結晶を成長させていたが、得られたＧａＮ系結
晶は、格子定数の差、熱膨張係数の差などによって、転
位を高密度に含むものであった。転位は、半導体素子に
とって、特性を損なうものとなる。

【０００３】これに対し、転位密度の低いＧａＮ系結晶
を成長させ得る方法の１つとして、選択成長法（ＥＬＯ
(Epitaxial Lateral Overgrowth)法、選択横方向成長
法、とも呼ばれる）が報告されている。選択成長法で
は、図４に示すように、ベースとなる結晶基板１０上
に、ＧａＮ系結晶が実質的に成長し得ない材料からなる
マスク層２０を、マスク領域（マスク層が形成されてい
る領域）１０ａと非マスク領域（マスク層が形成されて
いない領域）１０ｂを描くように特定のマスクパターン
にて形成する。選択成長法は、これを結晶成長用基板と
して用い、その非マスク領域１０ｂを結晶成長の出発面
として、ＧａＮ系結晶３０を成長させ、該結晶がマスク
層２０上面を横方向にも成長して該マスク層を埋め込ん
で覆うまで成長させる方法である。

【０００４】選択成長法によってマスク層を埋め込んで
覆ったＧａＮ系結晶層中には、特定の部分に、転位線の
伝搬の少ない部分が形成されている。選択成長法に用い
られるマスク層の材料の代表的なものとしては、ＳｉＯ
₂が挙げられるが、近年では、タングステンなどの高融
点金属も用いられるようになった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、マスク層の材
料としてタングステンを用いた場合、図４（ｂ）にハッ
チングを施して示すように、マスク層直下の結晶基板表
層が大きくエッチングされることが知られている。これ
は、タングステンの強い触媒作用によってＧａＮ系結晶
成長に用いられるアンモニア、水素などの分子（原子）
が活性化し、ＧａＮに対してエッチング作用を及ぼすこ
とによるものと考えられている。

【０００６】マスク層直下がこのような状態のままで素
子構造を形成すると、基板側から光を取り出すタイプの
発光素子では、マスク層（金属膜であるが薄膜のために
光は透過する）直下のエッチング部分で光のロスが生じ
る。また、上方側から光を取り出す通常のタイプでも、
基板の裏面（下面）に反射層を設ける場合があり、同様
にマスク層直下の部分でロスが生じる。また、受光素子
の場合にも、基板側から検出対象光を取り込む際には、
マスク層直下の部分で検出対象光のロスが生じる。

【０００７】また、結晶基板がサファイアのような絶縁
体ではなく、ＳｉＣのような導電体の場合には、素子の
電極は結晶基板に形成され、結晶基板が電流経路となる
場合があるが、マスク層直下がエッチングされた状態で
は、その部分は電流経路の障害となり、発光強度や受光
感度などの素子の特性を劣化させることになる。

【０００８】本発明の課題は上記問題を解決し、選択成
長法のマスク層材料にタングステンを含みながらも、Ｇ
ａＮ系半導体素子の特性を改善し得るＧａＮ系結晶成長
用基板を提供することであり、それを用いて形成したＧ
ａＮ系半導体素子を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の特徴を
有するものである。（１）ＧａＮ系結晶が成長可能な結晶基板の該基板面
に、マスク領域と非マスク領域とが形成されるパターン
にてマスク層が設けられ、該マスク層がタングステン窒
化物からなるものであることを特徴とするＧａＮ系結晶
成長用基板。

【００１０】（２）上記タングステン窒化物の窒素の組
成比率が０〜５０atm％である上記（１）記載のＧａＮ
系結晶成長用基板。

【００１１】（３）上記タングステン窒化物からなるマ
スク層が、その層の厚さの増加と共に窒素の組成比が変
化するように形成されている上記（１）記載のＧａＮ系
結晶成長用基板。

【００１２】（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記
載のＧａＮ系結晶成長用基板が当該素子の基板として用
いられ、ＧａＮ系半導体素子構造をなすように、該基板
上にＧａＮ系結晶層が形成され、電極が付与されてなる
ＧａＮ系半導体素子。

【００１３】本発明でいうＧａＮ系結晶とは、式Ｉｎ_X
Ｇａ_YＡｌ_ZＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１，
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体である。特
に、厚膜層として有用なものとしてはＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮなどが挙げられる。

【００１４】本明細書では、ＧａＮ系結晶やサファイア
基板などの六方格子結晶の格子面を４つのミラー指数
（ｈｋｉｌ）によって指定する場合があれば、記載の便
宜上、指数が負のときには、その指数の前にマイナス記
号を付けて表記するものとし、この負の指数に関する表
記方法以外は、一般的なミラー指数の表記方法に準じ
る。従って、ＧａＮ系結晶の場合では、Ｃ軸に平行なプ
リズム面（特異面）は６面あるが、例えば、その１つの
面は（１−１００）と表記し、該（１−１００）面に垂
直な方向は〔１−１００〕、それと等価な方向の集合を
〈１−１００〉と表記する。また、（１−１００）面に
垂直でかつＣ軸に平行な面は（１１−２０）と表記し、
該（１１−２０）面に垂直な方向は〔１１−２０〕、そ
れと等価な方向の集合を〈１１−２０〉と表記する。但
し、図面にミラー指数を記入する場合があれば、指数が
負のときには、その指数の上にマイナス記号を付けて表
記し、ミラー指数の一般的な表記方法に全て準じる。本
発明でいう結晶方位は、全て、結晶基板上に成長したＧ
ａＮ系結晶を基準とする方位である。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１（ａ）に模式図を示すよう
に、本発明のＧａＮ系結晶成長用基板（以下、「当該成
長用基板」とも言う）は、選択成長法によってＧａＮ系
結晶を成長させ得るように、結晶基板１の基板面にマス
ク層２が形成された構造を有するものである。マスク層
のパターンは、選択成長法が適用可能なように、基板面
にマスク領域と非マスク領域とが形成されるパターンで
ある。本発明では、このマスク層の材料をタングステン
窒化物とする。

【００１６】先ず、本発明者等は、タングステン単膜
が、基板表面から垂直に結晶成長する柱状結晶が集合し
た膜であり、結晶粒界がマスク層を厚さ方向に貫いてい
るために、結晶成長時に活性化したアンモニア、水素な
どの分子（原子）がこの結晶粒界を通って結晶基板面に
達するというエッチングのメカニズムに着目した。マス
ク層の材料をタングステン窒化物とすることによって、
タングステン単体の場合に比べて、先ず、タングステン
の強い触媒性が抑制される。さらに、マスク層に見られ
る柱状の結晶性が低下し、マスク層を厚さ方向に貫く結
晶粒界が減少するので、前記の活性化された分子（原
子）が結晶基板面に到達する量が低減される。この２つ
の作用によって、マスク層直下のエッチングが効果的に
抑制される。

【００１７】また、マスク層の材料をタングステン窒化
物とすることによって、結晶基板の表層がＡｌＮバッフ
ァ層やＧａＮ系薄膜である場合には、該表層とマスク層
との密着性や安定性が、両者共に窒化物であることによ
って向上する。

【００１８】結晶基板は、ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚み方
向として成長可能なものであればよい。例えば、従来か
らＧａＮ系結晶を成長させる際に汎用されている、サフ
ァイア、水晶、ＳｉＣ等を用いてもよい。なかでも、サ
ファイアのＣ面、Ａ面、６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サ
ファイア基板が好ましい。

【００１９】また、上記結晶基板を基礎の結晶基板とし
て用い、その表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨
張係数の違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ
等のバッファ層を設けた状態のもの、さらにはＧａＮ系
結晶薄膜を成長させたものを結晶基板としても良い。特
に、結晶基板の表層がＧａＮ系材料である場合には、上
記したように、該表層とマスク層との密着性や安定性が
向上する。

【００２０】マスク層の形成パターンは、ＧａＮ系結晶
の成長のしかたや、転位線の伝搬のしかたに大きな影響
を与える重要なものである。特に、マスク領域と非マス
ク領域との比率や、マスク領域と非マスク領域との境界
線の方向が重要である。結晶成長方法や雰囲気ガスなど
の成長条件によって例えば、マスク領域と非マスク領域
との境界線を〈１−１００〉方向の直線とする場合、Ｇ
ａＮ系結晶は横方向に高速に成長する結果、マスク層を
平坦に埋め込んだときのＧａＮ系結晶層の厚さは、比較
的薄くて済む。一方、マスク領域と非マスク領域との境
界線を〈１１−２０〉方向の直線とする場合、横方向成
長速度に対しＣ軸方向の成長速度が速いため、マスク層
を平坦に埋め込むには、ＧａＮ系結晶層はある程度の厚
さが必要となる。

【００２１】マスク層の形成パターンのうち、ＧａＮ系
半導体素子の形成に特に有用なものとして、ストライプ
状のパターンが挙げられる。ストライプ状のパターン
は、帯状のマスク領域と帯状の非マスク領域とが交互に
並ぶよう、帯状のマスク層を縞状に配置したパターンで
ある。この帯の長手方向が、上記したマスク領域と非マ
スク領域との境界線の方向である。これら有用な形成パ
ターンの帯幅やピッチなど詳細な仕様は、公知の選択成
長法を参照してよい。

【００２２】マスク層の形成方法は、例えば真空蒸着、
スパッタリング、ＣＶＤ等の方法により、マスク層の材
料にて基板全面を覆う層を形成した後、フォトリソグラ
フィー技術によって感光性レジストのパターニングを行
い、エッチングによってベース基板の非マスク領域とな
る部分を露出させる等の方法が挙げられる。なお、マス
ク層の厚さは、公知の選択成長法を適用可能な厚さであ
ればよく、通常５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。

【００２３】マスク層の材料はタングステン窒化物であ
るが、その組成比は、Ｗ：Ｎ＝１：１に限定されるもの
ではなく、ＷＮ_Xで表されるものであってよい。なかで
も、マスク層の導電性を確保するためには、窒素の組成
比は、５０atm％以下が好ましい。マスク層の形成方法
として上記で挙げたスパッタリングの中でも、反応性
（reactive）スパッタリング法では、窒素ガス雰囲気中
において、タングステン（ターゲット物質）と反応させ
ながらタングステン窒化物膜を形成する。従って、供給
する窒素ガス量を制御することによって、マスク層の厚
さの増加と共に窒素の組成比を意図的に変化させること
が可能である。また、その他の成膜法として、ＣＶＤ
法、ＷＮをターゲットとしたスパッタリングなどが挙げ
られる。

【００２４】マスク層の材料中の窒素の組成比を該マス
ク層の厚さの増加と共に変化させる場合は、その組成比
の変化は、増加、減少、任意の曲線を描く増減など、ま
た、そのときの変化の度合いも、直線的、曲線的、階段
状的など、種々の組み合わせを、用途や求める特性に応
じて選択すればよい。

【００２５】例えば、窒素の組成比をマスク層の厚さの
増加と共に減少させる場合、この態様によって、マスク
層内の下層付近では、十分な窒素組成によって、上述の
柱状の結晶性の低下によるエッチングの抑制、結晶基板
との密着性を図ることができる。他方、マスク層内の上
層付近では、窒素組成の減少によって、タングステンの
性質が顕著となり、高融点金属をマスク層の材料として
用いる場合に独特の、次の特徴をより顕著に得ることが
できる。

【００２６】当該成長用基板を用い選択成長法によっ
て結晶成長を行なう際には、マスク層表層が示すタング
ステンの性質（導電性）によって、マスク層表面での静
電気発生が抑えられ、マスクへのパーティクル付着が減
少し、再成長膜の欠陥が減少する。当該成長用基板を基板に用いて半導体素子を形成する
場合、該素子が、半導体レーザーやパワーデバイスな
ど、高電流を流す素子である場合には、マスク層表層が
示すタングステンの性質によって、基板の疑似抵抗が減
少し、素子特性が向上する。同時に、高電流などによっ
て素子内で生じた発熱をマスク層を通じて速やかに逃が
すことが可能となるので、この点からも素子の特性が向
上する。

【００２７】また、タングステンの金属としての特性を
生かす態様として、このマスク層を選択成長法に用いな
がらも、ＧａＮ系結晶内に埋め込まれたあとでは電極と
して用いる態様が挙げられる。例えば、図３（ａ）の素
子の態様では、ｎ型−ＧａＮ基板１上に、マスク層２を
くし型パターンとして互いに導通した状態で設け、選択
成長法によってｎ型−ＧａＮ層３が形成されている。結
晶層１、３には各々オーミック電極Ｐ１、Ｐ２が設けら
れ、マスク層からは導通用経路Ｐ３が素子外に引き出さ
れている。このような素子構成とすることによって、マ
スク層は、あたかも電子管のグリッドのように機能し、
増幅やスイッチングなど、種々の特性を示す素子とな
る。

【００２８】上記のような素子構成の場合、図３（ｂ）
に拡大して示すように、マスク層をショットキー電極と
する態様が有用である。マスク層とＧａＮ層との間にシ
ョットキー障壁を形成するには、ＧａＮ層と接触する側
のタングステン組成を大きくする必要があるが、ＧａＮ
層との密着性の問題から、マスク層の下側をタングステ
ンリッチとすることが好ましい。これは、マスク層の上
側をタングステンリッチとした場合では、選択成長法に
よって成長したＧａＮ層と密着性が良くなく、好ましい
ショットキー接合が得られないからである。図３（ｂ）
の例では、マスク層２の下層側の方が、タングステンが
より多い組成となっており、層１との間でより顕著なシ
ョットキー接合が形成されている。マスク層の厚さの増
加と共に窒素の組成比も増加するよう形成されており、
これによって、柱状の結晶性を低下させて、マスク層を
厚さ方向に貫く結晶粒界を減少させている。

【００２９】マスク層の材料中の窒素の組成比を該層の
厚さの増加と共に変化させる場合、窒素の組成比の変動
幅は、０〜６６．６７atm％程度が実際の製造上可能で
ある。マスク層中において、窒素は、タングステンとの
化合物としてだけでなく、単独で局所的に含まれる場合
もある。本発明でいう窒素の組成比とは、化合物の状態
での組成比だけでなく、前記のような窒素の単独での含
有状態をも含んだ、全体としての組成比である。

【００３０】本発明のＧａＮ系半導体素子は、当該成長
用基板が素子の基板として用いられ、選択成長法による
ＧａＮ系結晶層を下層として、その上に種々のＧａＮ系
結晶層がＧａＮ系半導体素子構造をなすように積層さ
れ、必要な電極が付与されてなるものである。素子の種
類（発光素子、受光素子、ＨＥＭＴなどの電子デバイス
など）や素子内の積層構造、発光・受光に関するメカニ
ズム、電極（ショットキー電極、オーミック電極など）
の種類などは限定されず、公知技術を参照してよい。

【００３１】図２は、本発明のＧａＮ系半導体素子の一
例として受光素子を示したものである。同図に示す受光
素子の構造中、基板Ｓが、本発明によるＧａＮ系結晶成
長用基板である。同図の例では、基板Ｓは、サファイア
結晶基板１ａ上に、ＡｌＮ低温バッファ層１ｂが形成さ
れ、その上に、タングステン窒化物からなるマスク層２
が紙面に垂直方向に延びるストライプパターンにて形成
された構造となっている。

【００３２】図２の素子構造の例では、基板Ｓ上にＧａ
Ｎ系結晶層３、４、５を積層状に成長させ、ｎ型電極
６、ｐ型７を設けたものである。ＧａＮ系結晶層は、下
側から順に、ｎ型ＧａＮ系結晶層（コンタクト層）３、
アンドープＧａＮ系結晶層（受光層）４、ｐ型ＧａＮ系
結晶層（コンタクト層）５である。両電極６、７は、共
にオーミック電極である。

【００３３】ＧａＮ系結晶層３〜５のうち層３が、選択
成長法によって基板Ｓ上に成長させた層であって、層３
の成長後、その場で供給原料を変えて、層４、層５を順
次積み重なるように成長させたものである。

【００３４】図２の素子全体の構造は、基板側から受光
対象光Ｌを入射させて用いてもよい構造であり、マスク
層直下のエッチングが十分に抑制されている当該成長用
基板の特徴によって、受光対象光Ｌは大きな障害もな
く、受光層４に到達できるものとなっている。

【００３５】

【実施例】本実施例では、図１（ｂ）に示す構造の当該
成長用基板を実際に製作し、さらに該基板を用い選択成
長法によってＧａＮ結晶を成長させ、マスク層直下の状
態を観察した。

【００３６】〔結晶基板の作成〕図１（ｂ）に示すよう
に、最も基礎の結晶基板１ａとしては直径２インチ、厚
さ３３０μｍのサファイアＣ面基板を用いた。まずこの
サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲
気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行
った。その後、温度を５００℃まで下げＡｌ原料として
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアン
モニアを流し、ＡｌＮ低温バッファ層１ｂ（厚さ約２０
ｎｍ）を成長させ、さらに１０００℃に昇温して、Ｇａ
原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料のア
ンモニアを流してＧａＮ層１ｃ（厚さ約３μｍ）を成長
させた。

【００３７】〔基板面全面へのマスク層の形成〕上記結
晶基板をスパッタリング装置に移し、該装置の槽内にＮ
₂ガスを導入し、スパッタターゲットとしてタングステ
ンを用い、反応性スパッタリングを行ない、タングステ
ン窒化物の膜を形成した。

【００３８】〔マスク層のパターニング〕フォトリソグ
ラフィーによって上記で形成されたマスク層（全面）上
に感光性レジストのパターニングを行い、エッチングに
よってストライプ状のマスク層２を形成した。ストライ
プの帯の長手方向は、成長するＧａＮ系結晶の〈１１−
２０〉方向とし、本発明によるＧａＮ系結晶成長用基板
を得た。

【００３９】〔ＧａＮ結晶の成長〕次にこの成長用基板
をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲気下で１０００
℃まで昇温し、ＴＭＧ、アンモニアを９０分間流し、Ｇ
ａＮ結晶をマスク層を埋め込むまで成長させた。ＧａＮ
結晶層は、先ず非マスク領域において、その断面が上に
凸のピラミッド状を呈するように成長した後、結晶基板
面（バッファ層１ｂの上面）から約１０μｍの厚さで平
坦となった。

【００４０】この状態の試料を、成長したＧａＮ結晶の
（１１−２０）面でへき開し、マスク層直下部分のエッ
チング状態を観察したところ、エッチングによる浸食は
全く観察されなかった。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、当該成長用基板は、マス
ク層の材料にタングステン窒化物を用いているので、マ
スク層直下に生じるエッチングを抑制することが可能と
なった。また、マスク層の材料中の窒素の組成比を該層
の厚さの増加と共に変化させることによって、マスク層
直下に生じるエッチングを抑制しながらも、タングステ
ン単膜が示す特徴を享受し得るものとなる。また、当該
成長用基板を用いてＧａＮ系半導体素子を形成すること
によって、タングステンをマスク層として用いた場合の
特徴が得られ、かつ、マスク層直下に生じるエッチング
が抑制されたことによって、素子の特性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＧａＮ系結晶成長用基板を示す模式図
である。マスク層が、マスク領域と非マスク領域とを描
くパターンにて形成されていることを示唆するように、
同図では、３つのマスク層を描いている。

【図２】本発明のＧａＮ系半導体素子の一例を模式的に
示す断面図である。電極には他と区別するためのハッチ
ングを施している。

【図３】本発明のＧａＮ系半導体素子の他の例を模式的
に示す断面図である。電極、およびマスク層には他と区
別するためのハッチングを施している。

【図４】選択成長法によるＧａＮ系結晶成長法を示す図
である。図４（ｂ）では、エッチングによる侵食部分に
ハッチングを施している。

【符号の説明】

１結晶基板２マスク層ｄマスク領域ｅ非マスク領域

フロントページの続き (72)発明者濱村寛東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE15 DA01 DA11 FG02 5F041 AA40 CA34 CA40 CA46 CA67 5F045 AA04 AA18 AA19 AB09 AB14 AB17 AB18 AB31 AC08 AC12 AD09 AD14 AF02 AF09 AF13 AF20 DA53 DC55 EB15 HA12 5F073 AA51 CA02 CB05 CB07 DA05 DA07 DA35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ系結晶が成長可能な結晶基板の該
基板面に、マスク領域と非マスク領域とが形成されるパ
ターンにてマスク層が設けられ、該マスク層がタングス
テン窒化物からなるものであることを特徴とするＧａＮ
系結晶成長用基板。
【請求項２】上記タングステン窒化物の窒素の組成比
率が０〜５０atm％である請求項１記載のＧａＮ系結晶
成長用基板。
【請求項３】上記タングステン窒化物からなるマスク
層が、その層の厚さの増加と共に窒素の組成比が変化す
るように形成されている請求項１記載のＧａＮ系結晶成
長用基板。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ
系結晶成長用基板が当該素子の基板として用いられ、Ｇ
ａＮ系半導体素子構造をなすように、該基板上にＧａＮ
系結晶層が形成され、電極が付与されてなるＧａＮ系半
導体素子。