JP2004200578A - エピタキシャル基板及びサファイア単結晶基材 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ軸以外の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材と、少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜とを含み、実用に足るエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】サファイア単結晶基材１と、このサファイア単結晶基材１の主面１Ａ上に形成された少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜３とを具えたエピタキシャル基板１０において、主面１Ａの配向方向をサファイア単結晶の＜１１−２０＞方向（ａ軸）から＜１−１００＞方向（ｍ軸）へ向けて、好ましくは０．０５度〜０．２度傾斜させた方向に設定する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板及びサファイア単結晶基材に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及びそのエピタキシャル基板の基材として好適に用いることのできるサファイア単結晶基材に関する。
【０００２】
【従来の技術】III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むIII族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆるエピタキシャル基板がある。前記基材としては安価であり入手が容易であることから、サファイア単結晶が用いられている。
【０００４】前記エピタキシャル基板は所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱し、III族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給することによって、ＣＶＤ法に従い目的とするIII族窒化物膜を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したサファイア単結晶基材としては、従来Ｃ軸（＜０００１＞方向）配向した、いわゆるＣ面サファイア単結晶基材が用いられてきた。しかしながら、Ｃ面サファイア単結晶基材はＣ面の切り出しなどが困難であること、基板成長速度が遅いことなどの理由から、他の結晶軸方向に配向した主面を有する、例えばＡ面サファイア単結晶基材などと比較して高価であるとともに、大口径のものを得るのが困難であった。
【０００６】かかる観点より、Ｃ面サファイア単結晶基材に代わる、他の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材を用いることが試みられている。しかしながら、このようなサファイア単結晶基材上に特にＡｌを含むIII族窒化物からなる下地膜を形成した場合、前記下地膜上に多数の表面欠陥が発生したり、表面平坦性が著しく劣化してしまうという問題があった。さらには、結晶性の劣化も著しく、このようなエピタキシャル基板上にIII族窒化物膜を形成して目的とする半導体素子を作製した場合において、その特性が著しく劣化してしまっていた。
【０００７】したがって、現状においては、Ｃ軸以外の結晶軸方向に配向したサファイア単結晶基材と、この単結晶基材上に形成したＡｌ含有下地膜とを具えたエピタキシャル基板において、実用に足るものを得ることができないのが現状である。
【０００８】本発明は、Ｃ軸以外の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材と、少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜とを含み、実用に足るエピタキシャル基板を提供するとともに、このエピタキシャル基板を構成する前記サファイア単結晶基材を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、＜１１−２０＞方向より＜１−１００＞方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有するサファイア単結晶基材と、このサファイア単結晶基板の前記主面上に形成された、少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【００１０】また本発明は、＜１１−２０＞方向より＜１−１００＞方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有する、少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜のエピタキシャル成長用サファイア単結晶基材に関する。
【００１１】本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。そして、上述したＣ面サファイア単結晶基材と比較して廉価であるとともに、大口径の加工が容易であることなどの理由から、ａ軸（＜１１−２０＞方向）に配向した主面を有する、いわゆるＡ面サファイア単結晶基材に着目した。そして、このＡ面サファイア単結晶基材を実用に供するべくさらなる鋭意検討を実施した。
【００１２】その結果、前記サファイア単結晶基材の主面が前記ａ軸からｍ軸（＜１−１００＞方向）へ向けて所定の角度傾斜するようにして、バルク状のサファイア単結晶部材から切り出し、得られたサファイア単結晶基材の傾斜した主面上にＡｌ含有III族窒化物下地膜を形成することにより、この下地膜における表面欠陥や表面の粗れなどを防止し、実用に供することのできるエピタキシャル基板を提供できることを見出したものである。
【００１３】したがって、前記エピタキシャル基板上にIII族窒化物膜を形成した目的の半導体素子を作製した場合において、その諸特性の劣化を抑制することができ、Ｃ軸サファイア単結晶基材を含むエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子と同等の特性を得ることができるようになる。
【００１４】なお、本発明の好ましい態様においては、前記サファイア単結晶基材の、前記III族窒化物下地膜と対向する表層部分において表面窒化層を形成する。この場合、前記III族窒化物下地膜は、前記サファイア単結晶基材の前記主面上に、前記表面窒化層を介して形成させることになり、前記III族窒化物下地膜の結晶性をさらに向上させることができる。したがって、このようにして得たエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子の諸特性をさらに向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１６】図１はサファイア単結晶の結晶構造を示す図であり、図１から明らかなように、サファイア単結晶は六方晶系の結晶構造を呈し、Ｃ軸、ａ軸及びｍ軸は互いに直交して存在する。
【００１７】本発明においては、エピタキシャル基板を構成するサファイア単結晶基材における主面の配向方向Ｘがａ軸からｍ軸へ向けて所定の角度傾斜していることが必要である。具体的は、図１に示す結晶構造において、ａ軸及びｍ軸を含む平面内でＣ軸を中心に回転するようにして、角度θだけ傾斜していることが必要である。本発明の目的を達成することができれば角度θの値は特には限定されないが、好ましくは０．０５度〜０．２度に設定する。
【００１８】この場合、前記サファイア単結晶基材上に形成されたＡｌ含有III族窒化物下地膜の表面欠陥などをより効果的に抑制することができるとともに、その表面平坦性を向上させることができる。具体的には前記下地膜の表面粗さＲａを５Å以下、さらには３Å以下にまですることができる。
【００１９】図２は、本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。図２に示すエピタキシャル基板１０は、サファイア単結晶基材１と、このサファイア単結晶基材１の主面１Ａ上に形成された少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜３とを具える。また、サファイア単結晶基材１の表層部分には表面窒化層２が形成されている。
【００２０】図２に示すエピタキシャル基板１０において、サファイア単結晶基材１の主面１Ａは図１に示すＸ方向に配向していることが必要である。そして、主面１Ａの傾斜角度を上述した好ましい範囲に設定することにより、下地膜３の主面３Ａの表面粗さＲａを５Å以下とすることができる。したがって、エピタキシャル基板１０上に所定のIII族窒化物膜を形成した場合においてその結晶品質の劣化を抑制することができ、良好な特性を呈する半導体素子を得ることができる。
【００２１】また、図２に示すエピタキシャル基板１０においては、サファイア単結晶基材１の表層部分に表面窒化層２を形成しているが、これによって下地膜３の結晶性を向上させることができる。表面窒化層２は、サファイア単結晶基材１の主面１Ａから１ｎｍにおける深さにおける窒素含有量が好ましくは１０原子％以下となるように形成する。この場合、下地膜３の（０００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が３５０秒以下であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２０００秒以下、さらには１５００秒以下となり、良好な結晶性を呈するようになる。
【００２２】なお、表面窒化層２の窒素含有量及び厚さは、Ａｒイオンを用いてサファイア単結晶基材１を厚さ方向にエッチングすると同時に、ＥＳＣＡによる組成分析を行って得た、厚さ方向の組成分析より求めたものである。
【００２３】詳細なＥＳＣＡ測定条件は以下に示す通りである。Ｘ線源として、Ｍｇターゲットを用いたエネルギー１２５３．６ｅＶのＸ線を用いた。分析は、測定領域１．１ｍｍφ、検出角４５度、及びパスエネルギー３５．７５ｅＶで行ない、窒素原子の同定には、Ｎ１ｓスペクトルを用いた。測定の際の真空度は３×１０^−９Ｔｏｒｒであった。エッチングには加速電圧３．０ｋＶのＡｒ^＋イオンを用い、その際、ラスター領域は３ｍｍ×３ｍｍである。
【００２４】本条件でのエッチング速度は、ＳｉＯ_２で４０Å／分であり、Ａｌ_２Ｏ_３のスパッタ速度はＳｉＯ_２の場合の１／３であることが確認された。そこで、窒化表面のスパッタ速度を便宜上Ａｌ_２Ｏ_３換算エッチングレートから計算し、１ｎｍエッチングするための時間を逆算して、そのエッチング時点の窒素濃度を上記窒素含有量としたものである。
【００２５】表面窒化層２は、サファイア単結晶基材１をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって行なう。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって形成する。
【００２６】なお、表面窒化層２は必ずしも要求されるものではなく、表面窒化層２を有しないサファイア単結晶基材１の主面１Ａ上に直接的に下地膜３を形成した場合においても、本発明の目的を十分に達成することができる。
【００２７】本発明の作用効果は、下地膜３中のＡｌ含有量が増大するにつれて顕著になる。したがって、下地膜３中のＡｌ含有量が全III族元素に対して５０原子％以上であることが好ましく、さらには１００原子％以上、すなわち下地膜３がＡｌＮから構成されていることが好ましい。
【００２８】なお、下地膜３は、Ａｌの他にＧａ及びＩｎなどのIII族元素を含有することができ、必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むことができる。
【００２９】また、下地膜３はＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて作製することができる。
【００３０】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
サファイア単結晶基材としてａ軸方向からｍ軸方向に角度０．１２度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定し、１２００℃まで加熱した。
【００３１】そして、アンモニアガス（ＮＨ_３）を水素キャリアガスとともに５分間流し、前記基材の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が５原子％であることが判明した。
【００３２】次いで、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、窒素供給原料としてアンモニアガス（ＮＨ_３）を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＮＨ_３／ＴＭＡモル比＝５００の流量で、前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給してＡｌＮ下地膜を厚さ３μｍに形成し、エピタキシャル基板を作製した。なお、ＮＨ_３及びＴＭＡの流量は、前記モル比を満足するように成膜速度に応じて適宜に選択する。
【００３３】このようにして得たＡｌＮ下地膜の結晶性をＸ線回折によって調べたところ、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は約２５０秒であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は約１１００秒であり、表面粗さＲａは２．５Åであった。したがって、前記ＡｌＮ下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【００３４】（実施例２）
サファイア単結晶基材としてａ軸方向からｍ軸方向に角度０．１８度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用いた以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。ＡｌＮ下地膜の結晶性をＸ線回折によって調べたところ、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は約３００秒であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は約９００秒であり、表面粗さＲａは３．０Åであった。したがって、前記ＡｌＮ下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【００３５】（実施例３）
サファイア単結晶基材としてａ軸方向からｍ軸方向に角度０．０８度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用いた以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。ＡｌＮ下地膜の結晶性をＸ線回折によって調べたところ、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は約２５０秒であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は約１４００秒であり、表面粗さＲａは２．０Åであった。したがって、前記ＡｌＮ下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【００３６】（実施例４）
サファイア単結晶基材として実施例１と同様にａ軸方向からｍ軸方向に角度０．１２度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用い、前記基材の主面に対して窒化処理を施さなかった以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。ＡｌＮ下地膜の結晶性をＸ線回折によって調べたところ、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は約３２０秒であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は約１９００秒であり、表面粗さＲａは３．５Åであった。したがって、前記ＡｌＮ下地膜は、ほぼ良好な結晶性及び表面平坦性を有することが判明した。
【００３７】（比較例）
サファイア単結晶基材としてＡ面サファイア単結晶を用いた以外は、実施例同様にしてエピタキシャル基板を作製した。ＡｌＮ下地膜の（０００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５００秒であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は約２５００秒であり、表面粗さＲａは６Åであって、結晶性及び表面平坦性共に十分でないことが判明した。
【００３８】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、図２に示すエピタキシャル基板１０において、サファイア単結晶基材１と下地膜３との間に、バッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、下地膜３の結晶性をさらに向上させることもできる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、Ｃ軸以外の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材と、少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜とを含み、実用に足るエピタキシャル基板を提供するとともに、このエピタキシャル基板を構成する前記サファイア単結晶基材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア単結晶の結晶構造を示す図である。
【図２】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ サファイア単結晶基材、２ 表面窒化層、３ Ａｌ含有III族窒化物下地膜、１０ エピタキシャル基板

Claims (13)

1. ＜１１−２０＞方向より＜１−１００＞方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有するサファイア単結晶基材と、このサファイア単結晶基板の前記主面上に形成された、少なくともＡｌを含むIII族窒化物下地膜とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板。
2. 前記傾斜角度は０．０５度〜０．２度であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
3. 前記III族窒化物下地膜の表面粗さが５Å以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエピタキシャル基板。
4. 前記サファイア単結晶基材の、前記III族窒化物下地膜と対向する表層部分において表面窒化層を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
5. 前記表面窒化層の窒素含有量が、前記サファイア単結晶基材の前記主面から１ｎｍの深さにおいて１０原子％以下であることを特徴とする、請求項４に記載のエピタキシャル基板。
6. 前記III族窒化物下地膜の（０００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が３５０秒以下であり、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２０００秒以下であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のエピタキシャル基板。
7. 前記III族窒化物下地膜中のＡｌ含有量が全III族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
8. 前記III族窒化物下地膜はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項７に記載のエピタキシャル基板。
9. ＜１１−２０＞方向より＜１−１００＞方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有する、少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜のエピタキシャル成長用サファイア単結晶基材。
10. 前記傾斜角度は０．０５度〜０．２度であることを特徴とする、請求項９に記載のサファイア単結晶基材。
11. 前記サファイア単結晶基材の表層部分において表面窒化層を具えることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のサファイア単結晶基材。
12. 前記表面窒化層の窒素含有量が、前記サファイア単結晶基材の前記主面から１ｎｍの深さにおいて１０原子％以下であることを特徴とする、請求項１１に記載のサファイア単結晶基材。
13. 請求項１〜８のいずれか一に記載のエピタキシャル基板を含むことを特徴とする、半導体素子。

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