JP2001322899A - 窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法Info
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Abstract
ガリウム系化合物半導体基板を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 粒径が非常に小さい砥粒を用いて、研磨
速度を徐々に遅くしながら窒化ガリウム系化合物半導体
基板の表面を研磨することにより、表面のピットおよび
スクラッチラインを低減する。また、研磨後の窒化ガリ
ウム系化合物半導体基板の表面をRIEを用いて、低い
エッチングレートでエッチングして表面ダメージ層を除
去することにより、研磨後のすぐれた表面平坦性を維持
した状態で、窒化ガリウム系化合物半導体基板表面の結
晶性を改善する。
Description
レーザーダイオード等のデバイスに利用される窒化ガリ
ウム系化合物半導体基板及びその製造方法に関する。
青色発光ダイオードや青紫色半導体レーザー等の可視発
光デバイスとして精力的に利用されるようになってき
た。
ア基板上に半導体薄膜を積層した構造が用いられてお
り、有機金属気相成長法を用いてサファイア基板上にA
lNやGaN等の低温バッファ層を成長した後、およそ
1100℃の成長温度で窒化ガリウム系化合物半導体よ
りなる多層膜を成長して形成することによって作製され
ている。
系化合物半導体の間には十数%の格子不整があり、現状
の窒化ガリウム系化合物半導体には109〜1010cm
-3程度の結晶欠陥が存在している。このような高密度の
結晶欠陥は、デバイスの特性低下や低寿命化を引き起こ
し、問題となっている。
ELO(エピタキシャル−ラテラル−オーバーグロウ
ス)が提案されている。これは、サファイア基板上にG
aNバッファ層、GaN層を順次積層し、その上にSi
O2よりなるストライプのマスクを形成し、更にその上
にGaN層を成長したものである。この方法によれば、
GaN層の結晶欠陥密度が従来よりもかなり低減され
る。
デバイスに比較すると、窒化ガリウム系化合物半導体の
結晶欠陥密度は依然として高い。
減するための新たな試みとして、GaN基板の開発が精
力的に行われるようになってきた。GaN基板は、その
上に堆積する窒化ガリウム系化合物半導体との格子不整
合を低減あるいは無くすだけでなく、透光性、通電性が
あり、劈開性にもすぐれているため、デバイス作製上の
メリットは大きい。
に少量のGaNを添加し、超高温および超高圧でGa−
GaN融液とする方法があるが、成長速度が遅く、基板
サイズが小さくなる等の問題がある。そのため、現状で
はサファイア等の基板上に厚膜のGaNをHVPE法
(ハイドライド気相成長法)を用いて成長する方法が主
流となっている。例えば特開平9−335580号公報
に開示されているように、前処理済みの酸化物基板上に
GaNを成長させて、一定の厚さの1次のGaN層を形
成し、その1次のGaN層が成長された酸化物基板を研
磨して、酸化物基板の一部を除去し、その1次のGaN
層の上に2次のGaN層を成長し、酸化物基板を完全に
除去し、その2次のGaN層の上の3次のGaN層を成
長することでGaN基板を作製できることが提案されて
いる。
は、サファイア基板ではなく、Zカット面を表面とする
水晶基板を用いることで、クラックが入りにくく、基板
を除去しやすいGaN基板を作製できることが提案され
ている。
900号公報や特開2000−22212号公報に開示
されているように、(111)GaAs基板上に千鳥型
窓やストライプ窓を有するマスクを形成してGaNバッ
ファ層とGaN層を順次に成長させ、GaAs基板を除
去した後に、再びGaNを成長することによって、無色
透明で、反りの少ない大口径のGaN基板が得られるこ
とが提案されている。
で得られたGaN基板の表面は凹凸が激しく、従来のサ
ファイア基板上に低温バッファ層およびGaN層を順次
積層したGaN層の表面に比較すると、格段に悪くなっ
ている。
H等のアルカリを加熱して表面のGaN層を化学的にエ
ッチングする方法がある。しかし、エッチングレートが
遅い上、表面に多数のエッチピットが発生するため、実
用的ではない。そこで、最近ではGaN基板を研磨する
ことによって表面平坦性を改善する試みがなされてい
る。
研磨されたGaN基板は、目視レベルでは鏡面に近くな
っているが、光学顕微鏡レベルでは、まだ大きなピット
やスクラッチライン等の凹凸が多数発生している。この
ようなGaN基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体よ
りなるデバイスを作製した場合、その特性劣化だけでな
く面内均一性や歩留まりが従来のサファイア基板上のデ
バイスに比較して悪くなるという問題点がある。そのた
め、ピットが少なく、かつ表面平坦性のすぐれたGaN
基板が熱望されている。
り、ピットの少ない、表面平坦性のすぐれたGaN基板
等の窒化ガリウム系化合物半導体基板を提供することを
目的とする。
すぐれた窒化ガリウム系化合物半導体基板を成長だけで
得ることは困難である。そこで本発明者らは、研磨によ
って基板の表面平坦性を改善するための鋭意検討を行っ
た。
て、研磨速度を徐々に遅くしながら表面を研磨すること
により、基板の表面平坦性が大幅に改善されることを見
い出した。
面に物理的なダメージを受けているため、表面ダメージ
層が発生している。そこで、RIE(反応性イオンエッ
チング装置)を用いて、低いエッチングレートで基板の
表面をエッチングし、表面ダメージ層を除去することに
より、研磨直後のピットの少ない、かつ平坦性のすぐれ
た表面を維持した状態で、基板表面の結晶性が改善され
ること見いだした。
く、表面の平坦性および結晶性にすぐれた本発明の窒化
ガリウム系化合物半導体基板を得ることができる。
平滑に研磨された窒化ガリウム系化合物半導体基板であ
って、その表面の深さが20Å以上のスクラッチライン
の線密度が105本/cm以下であることを特徴とする
窒化ガリウム系化合物半導体基板であり、研磨時に発生
するスクラッチラインの密度が低減され、窒化ガリウム
系化合物半導体基板の表面平坦性が向上するという作用
を有する。
磨された窒化ガリウム系化合物半導体基板であって、そ
の表面の深さが50Å以上のスクラッチラインの線密度
が104本/cm以下であることを特徴とする窒化ガリ
ウム系化合物半導体基板であり、研磨時に発生するスク
ラッチラインの密度が低減され、窒化ガリウム系化合物
半導体基板の表面平坦性が向上するという作用を有す
る。
00Å以上のピット密度が105個/cm2以下であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ガリウム
系化合物半導体基板であり、研磨時に発生するピット密
度が低減され、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面
平坦性が向上するという作用を有する。
000Å以上のピット密度が104個/cm2以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ガリウ
ム系化合物半導体基板であり、研磨時に発生するピット
密度が低減され、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表
面平坦性が向上するという作用を有する。
長法を用いて厚膜の窒化ガリウム系化合物半導体層を成
長して形成されたものである請求項1から4のいずれか
に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板であり、下地
に基板を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面
平坦性が向上するという作用を有する。
に表面が反応性イオンエッチング装置によりエッチング
されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか
に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板であり、研磨
直後のピットやスクラッチラインの少ない平坦な表面を
維持した状態で、前記基板の研磨前と同等レベルの結晶
性が得られるという作用を有する。
化合物半導体基板の表面を、粒径が1μm以上の砥粒に
よって研磨した後に、さらに粒径が1μm以下の砥粒に
よって研磨することを特徴とする窒化ガリウム系化合物
半導体基板の製造方法であり、粒径が1μm以上の砥粒
で研磨することで、短い研磨時間で表面のバックグラウ
ンドの大きな凹凸が除去され、さらに粒径が1μm以下
の砥粒で研磨することで細かいピットが除去されること
により、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面平坦性
が向上するという作用を有する。
化合物半導体基板の表面を、最初から粒径が1μmより
も小さい砥粒によって研磨することを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体基板の製造方法であり、研磨時に
発生する細かいピットを最初の研磨段階から抑制するこ
とにより、ピットがさらに低減され、窒化ガリウム系化
合物半導体基板の表面平坦性が向上するという作用を有
する。
が0.01μm以上、0.5μm以下であることを特徴
とする請求項8に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基
板の製造方法であり、窒化ガリウム系化合物半導体基板
表面のピットおよびスクラッチラインがさらに低減され
るという作用を有する。
磨時間の経過とともに遅くすることを特徴とする請求項
7から9のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導
体基板の製造方法であり、表面のバックグラウンドの凹
凸の大きさに関わらず、短い研磨時間でピットが大幅に
低減され、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面平坦
性が向上するという作用を有する。
が3μm/h以下であることを特徴とする請求項10に
記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法であ
り、研磨速度を徐々に遅くすることにより、研磨時に発
生する細かいピットを抑制し、窒化ガリウム系化合物半
導体基板の表面が平坦化されるまでの研磨量を少なくす
ることができるという作用を有する。
ウム系化合物半導体基板が、基板上に気相成長法を用い
て厚膜の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長して形成
されたものである請求項7から11のいずれかに記載の
窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法であり、下
地に基板を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板の表
面平坦性が向上するという作用を有する。
ガリウム系化合物半導体基板の表面を、さらに反応性イ
オンエッチング装置によりエッチングすることで、研磨
による表面ダメージ層を除去することを特徴とする請求
項7から12のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物
半導体基板の製造方法であり、研磨直後のピットやスク
ラッチラインの少ない平坦な表面を維持した状態で、前
記基板の研磨前と同等レベルの結晶性が得られるという
作用を有する。
図面を用いながら説明する。
導体基板すなわち、InxGayAl1−x−yN(0≦x
<1、0<y≦1)基板の一例として、GaN基板(x
=0、y=1)の研磨方法を図2および図3に示す。
置の主要部を表す図で、図3は本発明の実施の形態で用
いる研磨装置の概略図である。図2において、セラミッ
ク製の基板貼り付け盤1の中央には、表面を表にしたG
aNの基板2がワックスにて均一に貼り付けられてい
る。修正リング3は研磨時に研磨剤をラップ定盤に平均
的にチャージするためのものであり、センターポール式
のおもり4は基板2にかかる荷重を調整するためのもの
である。
るフェイシング(面出し)によって十分に平坦化された
銅製のラップ定盤5を50rpmで回転させ、潤滑油6
を高圧窒素7を用いてノズル8より霧状にして吹き付
け、ラップ定盤5全体を潤滑油6で満遍なく覆ってお
く。
基板貼り付け盤1をGaN基板2が下向きになるように
して置き、修正リング3を周りからはめ込む。そして、
基板貼り付け盤1の上に重さ10kg(基板2の単位面
積あたりの荷重は4kg/cm2)のおもり4を載せ
る。
の荷重は0.1kg/cm2〜40kg/cm2の範囲内
にあることが望ましい。前記荷重が0.1kg/cm2
よりも小さいと研磨速度が大幅に遅くなり、研磨に長い
時間を要する。また、前記荷重が40kg/cm2より
も大きいと、研磨速度は速くなるが、過度の荷重による
基板2の割れや欠けの原因となるため、好ましくない。
せると同時に、修正リング3をモーター9により、基板
貼り付け盤1とともに30rpmで回転させる。なお、
ラップ定盤5と修正リング3の回転方向は同一(反時計
回り)にしている。
て十分撹拌された研磨剤となる砥粒11(灯油中に混合
されたもの)を1sccmの流量でノズル12より3秒
間ラップ定盤5に霧状にして吹き付け、潤滑油6を1s
ccmの流量でノズル8より2秒間ラップ定盤5上に霧
状にして吹き付ける。
やアルミナ等の砥粒が考えられるが、硬度の高いGaN
の基板2の研磨には、より望ましいと思われる多結晶ダ
イヤモンドよりなる砥粒を用いた。
は、吹き付け時間と高圧窒素7の吹き付け圧の両方で制
御可能である。
け後毎に60秒間のインターバルをとり、その間、修正
リング3によって砥粒11を平均的にラップ定盤5にな
じませるようにして研磨を行った。
け盤1をホットプレートに載せ、150℃に加熱して、
基板ワックスを溶かし、基板2を基板貼り付け盤1から
取り外す。取り外した後は、基板2に付着したワックス
をアルコールで十分に洗い流しておく。
0mm角〜15mm角程度で、凹凸が大きく、最大高低
差(P−V)が1μm〜1.5μmのGaN基板を用い
た。GaN基板は4枚準備し、砥粒の粒径が6μm、3
μm、1μm、0.75μmの各場合について30分間
の研磨を行った。ただし、用いた砥粒の「粒径」は、
「平均粒径」のことを指している。いずれの粒径の砥粒
で研磨したGaN基板も目視では鏡面に近いが、ノマル
スキー微分干渉顕微鏡を用いて詳細に観察したところ、
砥粒の粒径によって表面状態に大きな違いが見られた。
図4は本発明の実施の形態で用いる未研磨および研磨済
みのGaN基板表面を表す図で、図5は本発明の実施の
形態で用いる研磨済みのGaN基板表面を表す図で、図
6は本発明の実施の形態で用いる研磨済みのGaN基板
表面を表す図である。図4〜図6には倍率100倍にお
ける研磨済みGaN基板の表面写真(図4(A)を除
く)を示す。図4(A)は研磨する前の最初のGaN基
板の表面状態であり、谷13および山14からなる大き
な凹凸を示している。
(B))および粒径3μmの研磨表面(図4(C))で
は、研磨前の表面(図4(A))のような大きな山状の
凹凸が消滅し、細かいえぐれ(以下「ピット15」と称
する。)及びスクラッチライン16が発生している。
(D))では未だ山状の起伏の跡17が少し残っている
が、細かいピット15が大幅に低減され、表面のバック
グラウンドの平坦性は大きく向上している。
75μmの研磨表面では、バックグラウンドの平坦性は
大きく向上しているものの、粒径1μmの研磨表面に比
較して山状の起伏の跡17がさらに顕著に残っている。
(研磨表面は図4(C)と同等)を3枚準備し、粒径が
3μm、1μm、0.75μmのそれぞれについて60
分の研磨を行った。
た基板は、図5(A)に示すように細かいピット15の
密度が少し低減した程度であったが、粒径1μmと粒径
0.75μmの研磨により基板は共に図5(B)の表面
状態となり、スクラッチライン16はあるものの、表面
のバックグラウンドの細かいピット15が激減し、表面
平坦性が大きく改善された。
た粒径1μmの砥粒で研磨した基板(研磨表面は図4
(D)と同等)を粒径1μmあるいは粒径0.75μm
の砥粒で60分間研磨しても図5(B)と同等レベルの
表面が得られた。
粒径3μmの砥粒で60分研磨した場合、図5(A)に
近い表面状態となり、新たに細かいピット15が発生し
た。
m以上の砥粒で研磨することにより、短い研磨時間(3
0分)で表面のバックグラウンドを平坦化することがで
きた。
ドの大きな凹凸が平坦化されたGaN基板(図4
(B)、図4(C)に相当)またはバックグラウンドの
大きな凹凸の大半が平坦化されたGaN基板(図4
(D)に相当)を粒径が1μm以下の砥粒で研磨するこ
とにより、細かいピット15まで平坦化し、GaN基板
の表面平坦性が大きく向上した。
研磨GaN基板を、粒径が1μmの砥粒で最初から90
分間研磨(上述では30分間研磨後、再度60分間研
磨)しても、図5(B)のようなピット15の激減した
平坦性のよい表面が得られたが、砥粒の粒径を最初から
0.75μmにして研磨することにより、図5(C)に
示すように、細かいピット15がさらに低減した。
い砥粒を用いて研磨した場合、表面のバックグラウンド
の凹凸が大きければ、表面平坦化に長い時間を要する
が、表面のバックグラウンドの凹凸の状態にかかわらず
研磨時に発生する細かいピット15を最初の研磨段階か
ら抑制することができるため、ピット15が大幅に低減
され、GaN基板の表面平坦性がさらに向上する。
場合では、図4(A)から図4(E)までの表面状態の
GaN基板を各1枚(計5枚)準備し、さらに小さい粒
径の0.5μmおよび0.1μmの砥粒で90分間以上
研磨したところ、粒径0.5μmの研磨表面(図6
(A))および粒径0.1μmの研磨表面(図6
(B))に示すようにスクラッチライン16の密度がさ
らに低減でき、スクラッチライン16の深さも浅くなっ
ていることが確認できた。
については、粒径が0.05μmと0.01μmのコロ
イダルシリカを含むアルカリ性水溶液を用いて、メカノ
クロス(ポリシングクロス)上でポリッシュを実施(メ
カノクロスの回転速度は50rpm、基板の単位面積あ
たりの荷重は4kg/cm2、アルカリ性水溶液の流量
は0.1cc/秒)したところ、同様にスクラッチライ
ン密度の低い研磨表面(図6(C))が得られた。
75μmの砥粒でも平坦化できるが、スクラッチライン
密度をより低減し、バックグラウンドの平坦性をより高
めるためには、粒径0.5μmが以下の砥粒を用いるこ
とが望ましい。また、粒径が0.01μmより小さい砥
粒で研磨した場合は、粒径が0.01μmの砥粒で研磨
した場合と同等以下の表面状態となり、表面状態の改善
効果は得られなかった。
N基板の表面状態をAFM(原子間力顕微鏡)によって
評価したので、その結果を(表1)に示す。また、用い
たGaN基板は15mm角、膜厚95μm(5μm研
磨)であり、GaN基板の中央および端から5mmのポ
イントを20μmの範囲でスキャンさせた。
ラインの大半は深さが50Å以下であり、深さが20Å
以上のスクラッチラインの線密度は約105本/cm以
下であった。また、深さが50Å以上のスクラッチライ
ンの線密度は約104本/cm以下であった。
りも深く、深さが500Å以上のピット密度は105個
/cm2以下であった。また、深さが1000Å以上の
ピット密度は104個/cm2以下であった。
ては、ピットを除けば研磨前の2桁以上も低い値であ
り、表面平坦性が大幅に向上していることが明らかであ
る。
の表面の凹凸状態にかかわらず、より短時間で平坦性の
すぐれた表面を得るためには、表面のバックグラウンド
の大きな凹凸を平坦化するまでは、研磨速度はなるべく
速い方が望ましい。平坦化が進むに従って研磨速度を徐
々に遅くした方が、より短時間の研磨で表面平坦性のす
ぐれたGaN基板を得ることができる。この時、研磨速
度は砥粒の粒径を小さくすれば遅くすることができる。
また、前述のように研磨時のおもり4の荷重を調整する
ことでも研磨速度を調整することができ、おもり4の荷
重を減らせば研磨速度は遅くなる。しかしながら、これ
らの方法では研磨速度を徐々に変えることは困難であ
る。
々に変化させる方法を用いれば、研磨速度を徐々に変化
させることができる。また、砥粒11や潤滑油6の供給
量(吹き付け量)を一定にして、砥粒11や潤滑油6の
吹き付けインターバルの時間を徐々に変化させる方法も
同様の効果を得ることができる。
きいGaN基板(図4(A)と同等レベルの表面をもつ
未研磨基板)を2枚準備した。そして、粒径が0.5μ
mの砥粒を用い、砥粒の供給量を変えて、最初からの研
磨速度がそれぞれ12μm/h、3μm/hとなるよう
に研磨したところ、前者は180分間研磨したにもかか
わらず、表面状態は図5(B)のレベルにとどまった。
ところが、後者は120分間の研磨後には、図6(A)
レベルの平坦性が得られた。これは、前者が研磨の途中
段階(約60分経過)では、スクラッチラインが低減さ
れていないことより、研磨速度が速すぎると、バックグ
ラウンドが平坦化された後も細かいピットは低減される
が、スクラッチラインが研磨時に再発しやすくなるため
に、このまま研磨し続けても図6(A)レベルの平坦性
は得られないと考えられる。
を3μm/hに低減した場合については、研磨の途中段
階でピットやスクラッチラインが多発するため、このま
ま研磨を継続しても、表面のバックグラウンドのピット
が激減しない(図5(A)レベル)ことは確認してい
る。
徐々に減らし、研磨速度を12μm/hから3μm/h
に60分間かけて徐々に変化させて前記の未研磨基板の
研磨を行った結果、図1(A)に示すように90分間で
図6(B)レベルの平坦な表面を得ることができた。
は、図1(B)(この場合は約10分間の研磨時間短
縮)に示すように、表面のバックグラウンドレベルの大
きな凹凸が、ある程度平坦化されるまで(この場合は研
磨開始後30分間)は一定の速い研磨速度で研磨した方
がよいことがわかる。
を得るためには、表面のバックグラウンドレベルの大き
な凹凸の深さをあらかじめ測定しておき、凹凸の深さが
深い場合(例えば図4(A)レベル)は、最初の研磨速
度を速くし、凹凸の深さが浅い場合(例えば図4(B)
レベル)は、最初の研磨速度も低めにすることが望まし
い。
て、砥粒の流量を一定にして、潤滑油を徐々に増やして
いく方法でも全く同様の効果を得ることができた。
かわらず、GaN基板を研磨する場合、研磨速度を時間
の経過とともに遅くすることにより、より短い研磨時間
で平坦性のすぐれた表面が得られることがわかった。
において、初期の研磨速度を変えてみた。
5μmの砥粒を用い、砥粒の供給量を変えて初期の研磨
速度を前記4枚のGaN基板について各々12μm/
h、6μm/h、3μm/h、1μm/hとした。そし
て、それぞれの初期の研磨速度を60分かけて1μm/
hまで下げ、各基板の細かいピットがほとんど見られな
くなるまで研磨を行った。
で平坦化されるまでの研磨深さは、初期の研磨速度が速
いものから順に12μm、8μm、3μm、2.5μm
となった。これは、初期の研磨速度が1μm/hだと、
深さが2.5μmの研磨だけで平坦性のすぐれた表面が
得られることを示している。従って、この研磨に用いた
GaN基板表面のバックグラウンドの凹凸はP−V値が
非常に大きな値(1.5μm)であるが、初期のGaN
基板の研磨速度が3μm/h以下でも、非常に少ない研
磨量で平坦性のすぐれた表面を得ることができることが
わかった。現実問題として、研磨前のGaN基板表面の
バックグラウンドの凹凸は、大きくても2μm以下であ
るため、研磨速度は3μm/h以下であることがより望
ましいと考えられる。
法を用いて厚膜の窒化ガリウム系化合物半導体を成長し
た基板を研磨してどうなるかを調べた。例として、基板
をサファイアとし、気相成長法にはHVPE法を用い、
窒化ガリウム系化合物半導体をGaNとした。サファイ
ア基板上に約50μm積層したGaNの表面は、目視レ
ベルでは鏡面であるが、ノマルスキー微分干渉顕微鏡の
観察によれば、凹凸が大きいものとなっている。そこ
で、前記基板を0.5μmの粒径よりなる砥粒を用い
て、2μm/hの研磨速度で約6μmの研磨を実施し
た。その結果、GaN基板の研磨と同様に良好な平坦性
を有する表面を得ることができた。
ファイアとしたが、SiC、GaAs、ZnO等を基板
に用いてもよい。また、前記基板上にSiO2よりなる
窓やストライプを設けたものを基板としてもよい。
たGaN基板は、研磨時に物理的なダメージを受けてい
るため、GaN基板表面には少なくとも結晶性の悪化し
たダメージ層が残る。従って、研磨によって平坦化され
たGaN基板上に高品質な窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を作製するためには、ダメージ層の除去が必要とな
る。
ましいが、ケミカルエッチングでは基板表面に多くのエ
ッチピットを形成するので、今回はRIE(反応性イオ
ンエッチング装置)を用いたエッチングを実施した。
をプロセスガスとして塩素ガスを10sccm流し、高
周波パワーを400W、バイアスパワーを50W、基板
温度を50℃でエッチングを行った。図6(B)レベル
のGaN基板を用いて、エッチング深さ1μmまでエッ
チングしたところ、研磨直後のピットの少ない平坦な表
面を維持した状態で、前記基板の研磨前と同等レベルの
結晶性が得られることを確認した。
0nm/分以下に下げることが望ましく、300nm/
分よりも大きい場合は、エッチング表面に多くのピット
が発生する。
幅を測定した結果、研磨前のGaN基板と、研磨後にR
IEでエッチングしたGaN基板とではほとんど同等
(前者430秒、後者440秒)であった。表面平坦性
については、段差計およびAFMを用いてGaN基板面
内におけるスクラッチラインの線密度、ピット密度の平
均値および最大値を測定した結果、前者後者共に(表
1)に示す値と同等レベルであることがわかった。
ングしたGaN基板の結晶性は、研磨前のGaN基板と
ほぼ同等であり、研磨後の優れた表面平坦性について
も、RIE後も維持されていると判断できる。
チングしたGaN基板と、研磨後にRIEでエッチング
しなかったGaN基板を準備し、各々のGaN基板上に
有機金属気相成長法を用いてGaNエピタキシャル膜を
約2μm積層した。その結果、エッチングしなかったG
aN基板上のエピタキシャル膜表面は白濁し凹凸の非常
に大きい表面であったのに対し、エッチングしたGaN
基板上のエピタキシャル膜表面は鏡面で、かつエピタキ
シャル膜成長前に見られたスクラッチラインやピットが
エピタキシャル膜成長後には約1桁以上低減された。特
に、スクラッチラインの低減を含めたエピタキシャル膜
表面平坦性の改善に関しては、エピタキシャル膜成長直
前の熱処理が有効であり、その成長方法の一例を示す。
aN基板を有機洗浄(望ましくは有機洗浄後にフッ酸洗
浄)し、GaN基板上の塩化物や有機物等を除去した。
気相成長装置内にセットし、GaN基板表面の窒素抜け
防止のため、アンモニアを1slmの流量で流しなが
ら、1000℃まで昇温した。昇温後は、水素を10%
〜90%、アンモニアを0.5slm〜5slmの流量
で1分〜5分間保持(熱処理)し、その後、TMG(ト
リメチルガリウム)を20sccm、アンモニアを2s
lm流しながら、GaNエピタキシャル膜を60分間
(膜厚2μm)成長した。
タキシャル膜では、熱処理をしなかったGaNエピタキ
シャル膜に比較して、スクラッチ密度が低減し、表面平
坦性がさらに向上した。ここで、熱処理条件について
は、水素が10%以下では表面状態の改善はなく、水素
90%以上ではGaNエピタキシャル膜表面のバックグ
ラウンドの凹凸が大きくなった。また、アンモニアは
0.5slm以下だとエピタキシャル膜表面の窒素抜け
が発生し、アンモニアが5slm以上では、平坦性の改
善効果は飽和の傾向が見られた。さらには、熱処理時間
が1分以内だと熱処理なしと同等レベルの平坦性であ
り、熱処理時間が5分以上だと、表面のバックグラウン
ドの凹凸が大きくなることがわかっている。
したGaN基板等の窒化ガリウム系化合物半導体基板に
熱処理を加え、その上にGaNエピタキシャル膜を成長
したものを基板として用い、窒化ガリウム系化合物半導
体よりなるデバイスを作製すれば、従来よりも結晶性お
よび平坦性が向上し、歩留まりやデバイス特性を向上さ
せることができる。
大きい窒化ガリウム系化合物半導体よりなる基板を、粒
径が非常に小さい砥粒を用いて研磨速度を徐々に遅くし
ながら研磨することにより、短時間かつ少ない研磨量
で、表面平坦性が従来よりも大幅に向上した窒化ガリウ
ム系化合物半導体よりなる基板を得ることができる。ま
た、前記基板の研磨後にRIEで低いエッチングレート
によってエッチングして表面ダメージ層を除去すること
により、研磨直後のピットやスクラッチラインの少ない
平坦な表面を維持した状態で、前記基板の研磨前と同等
レベルの結晶性を得ることができる。さらに、RIEで
エッチング後の前記基板に熱処理を加え、その上にGa
Nエピタキシャル膜を成長することによって得られた基
板上に結晶性および平坦性の優れた窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を成長させることができる。
を表す図
済みのGaN基板表面を表す図
基板表面を表す図
基板表面を表す図
Claims (13)
- 【請求項1】表面が平滑に研磨された窒化ガリウム系化
合物半導体基板であって、その表面の深さが20Å以上
のスクラッチラインの線密度が105本/cm以下であ
ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板。 - 【請求項2】表面が平滑に研磨された窒化ガリウム系化
合物半導体基板であって、その表面の深さが50Å以上
のスクラッチラインの線密度が104本/cm以下であ
ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板。 - 【請求項3】表面の深さが500Å以上のピット密度が
105個/cm2以下であることを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板。 - 【請求項4】表面の深さが1000Å以上のピット密度
が104個/cm2以下であることを特徴とする請求項1
または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板。 - 【請求項5】基板上に気相成長法を用いて厚膜の窒化ガ
リウム系化合物半導体層を成長して形成されたものであ
る請求項1から4のいずれかに記載の窒化ガリウム系化
合物半導体基板。 - 【請求項6】研磨後に、さらに表面が反応性イオンエッ
チング装置によりエッチングされていることを特徴とす
る請求項1から5のいずれかに記載の窒化ガリウム系化
合物半導体基板。 - 【請求項7】窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面
を、粒径が1μm以上の砥粒によって研磨した後に、さ
らに粒径が1μm以下の砥粒によって研磨することを特
徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。 - 【請求項8】窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面
を、最初から粒径が1μmよりも小さい砥粒によって研
磨することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基
板の製造方法。 - 【請求項9】前記砥粒の粒径が0.01μm以上、0.
5μm以下であることを特徴とする請求項8に記載の窒
化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。 - 【請求項10】研磨速度を研磨時間の経過とともに遅く
することを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載
の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。 - 【請求項11】前記研磨速度が3μm/h以下であるこ
とを特徴とする請求項10に記載の窒化ガリウム系化合
半導体基板の製造方法。 - 【請求項12】前記窒化ガリウム系化合物半導体基板
が、基板上に気相成長法を用いて厚膜の窒化ガリウム系
化合物半導体層を成長して形成されたものである請求項
7から11のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半
導体基板の製造方法。 - 【請求項13】研磨後の窒化ガリウム系化合物半導体基
板の表面を、さらに反応性イオンエッチング装置により
エッチングすることで、研磨による表面ダメージ層を除
去することを特徴とする請求項7から12のいずれかに
記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
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