JP2005145754A - 窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の窒化物半導体基板は10 mm以上の直径を有し、AlxGa1-xN(0≦x≦1)により表される基本組成を有する窒化物半導体層からなる単層構造か、前記窒化物半導体層を含む複層構造を有し、前記窒化物半導体層の質量密度が、下記一般式(1):
【数1】
(ax=aGaN+(aAlN−aGaN)xであり(aGaNはGaNのa軸長を表し、aAlNはAlNのa軸長を表す。)、cx=cGaN+(cAlN−cGaN)xであり(cGaNはGaNのc軸長を表し、cAlNはAlNのc軸長を表す。)、Mx=MGa+(MAl−MGa)xであり(MGaはGaの原子量を表し、MAlはAlの原子量を表す。)、MNは窒素の原子量を表し、Naはアボガドロ数を表す。)により表される質量密度の理論値ρ(x)の98%以上であることを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
本発明の窒化物半導体基板は、一般式:AlxGa1-xN(0≦x≦1)により表される基本組成を有するIII−V族窒化物系半導体層を有する。x=0の場合、GaNとなる。AlGaN系半導体としてはGaNが特に好ましい。
窒化物半導体層を成長させる手段として、ハイドライド気相成長(HVPE)法を用いるのが望ましい。HVPE法による窒化物半導体層の成長において、図1に示すようにアンモニア等の窒素を含む原料ガス(窒素化合物ガス)の分圧を50 kPa以上とすることにより、結晶品質を大幅に改善することができる。窒素化合物ガスの分圧が50 kPa未満であると窒素抜けが顕著になり、結晶品質が低下する。さらに、図2に示すように窒化物半導体層の成長後に、窒素化合物ガスを含有する雰囲気中で熱処理を施すことにより基板の結晶性を一層向上させることが可能である。この熱処理は通常アンモニア雰囲気中で行うので、アンモニアアニールと呼ぶことができる。熱処理は加圧下で行うのが好ましく、具体的には4MPa以上で行うのが好ましく、特に5MPa以上で行うのが好ましい。熱処理雰囲気の圧力が4MPa未満では、窒化物半導体層の質量密度が余り増大せず、逆に窒素抜けが増加するおそれがある。
直径2インチのサファイア基板上に、有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて厚さ300 nmのGaN膜を形成した。GaN膜の上にTiを20 nmの厚さに真空蒸着した後、H2とNH3の混合雰囲気中で1000℃、30分間熱処理を行った。熱処理した基板をHVPE炉に入れ、GaNを厚さ500μmに成長させた。GaNの原料としてGaCl及びNH3を用い、GaCl分圧を10 kPaとし、NH3分圧を図1に示すように20〜160 kPaの範囲で変動させた。得られたGaN層はサファイア基板から自然に剥離した。得られたGaNの板の両面を鏡面研磨し、直径2インチ、厚さ330μmの透明なGaN自立基板を得た。
実施例1で得られた質量密度が6.031 g/cm3のGaN自立基板を高圧容器に封入し、NH3雰囲気中、800℃で96時間熱処理を行った。その際、図2に示すように圧力を2〜10 MPaに変動させた。炉から取り出したGaN自立基板の質量密度をアルキメデス法によって測定したところ、5.950〜6.090 g/cm3(理論値ρ(x)の約98〜100%)であった。結果を図2に示す。本実施例の場合、熱処理による質量密度の増大効果は圧力が4MPaより大きいときに得られ、約8MPaでほぼ飽和することがわかる。具体的には8MPaのとき質量密度は6.085 g/cm3(理論値ρ(x)の約99.9%)となりほぼ100%近かった。
直径2インチのサファイア基板に有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて厚さ300 nmのGaN膜を形成した。これをHVPE炉に入れ、厚さ300μmのGaNを成長させた。その際、原料としてGaCl及びNH3を用い、GaCl分圧を10 kPa、NH3分圧を30 kPaとした。得られた厚さ330μmのGaN層を、レーザ剥離法(M. K. Kelly, O. Ambacher, R. Dimitrov, R. Handschuh and M. Stutzmann, Phys. Status Solidi (a), 1997年, 第159巻, R3)を用いて、サファイア基板から剥離した。剥離の際にGaN層にクラックが生じたが、最大で15 mm角程度のGaN基板が得られた。
Claims (14)
- 直径が10 mm以上の窒化物半導体基板であって、AlxGa1-xN(0≦x≦1)により表される基本組成を有する窒化物半導体層からなる単層構造か、前記窒化物半導体層を含む複層構造を有し、前記窒化物半導体層の質量密度が、下記一般式(1):
- 請求項1に記載の窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体層からなる自立した基板であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項2に記載の窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体層の厚さが200μm以上であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、前記質量密度の分布が面内で±0.1%以内であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、前記質量密度の分布が厚さ方向で±0.2%以内であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体層が単結晶であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体層の貫通刃状転位密度が1×107 cm-2以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の窒化物半導体基板を製造する方法において、前記窒化物半導体層をハイドライド気相成長法を用いて成長させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項8に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体層の原料として用いる窒素化合物ガスの分圧を50 kPa以上とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項8又は9に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体層を異種基板上にエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項10に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、エピタキシャル成長した窒化物半導体層を異種基板から剥離して窒化物半導体の自立基板とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項8〜11のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後、窒素化合物ガスを含有する雰囲気中で熱処理することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項12に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、4MPa以上の圧力下で熱処理することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項12又は13に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、熱処理温度が400〜1200℃であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
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