JP2005277254A - 基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質かつＩＩＩ族窒化物半導体のへテロ接合面とｃ軸が直交せず、傾いて成長した窒化物半導体基板を提供する。
【解決手段】 本発明の窒化物半導体基板は、４Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板または６Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた第２の基板であって、第１の基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向とのなす角θが５°以上８５°以下であることを特徴とする。また、本発明の第１のＳｉＣ製基板は、かかる窒化物半導体基板に使用することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待されているＩＩＩ族窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体を使用する青色・緑色発光ダイオードおよび紫色半導体レーザが実用化されている。これらの半導体デバイスは、サファイア（０００１）基板、サファイア（１１−２０）基板、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板または６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板などを用いることによって実現されている。これらの基板は、全てｃ軸方向に反転対象性を持たない六方晶系であり、図８に示すように、結晶の成長方向は、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ軸と同一方向であり、基板のへテロ接合面８４に直交している。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体は大きな圧電性を有している。したがって、ヘテロ接合面を形成した場合、その歪によってピエゾ分極が発生し、大きな内部電界が生じる（非特許文献１参照）。この内部電界は、デバイス特性に大きな影響を与える。たとえば、発光ダイオードまたはレーザダイオードに応用する場合、発光層には通常、量子井戸構造を用いるが、大きな内部電界によりピエゾ分極が発生し、図９に示すように、バンド構造が変化し、それにより発光効率が低下する。

ＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓなどの他の化合物半導体レーザでは、量子井戸に意図的に歪を入れることにより特性を向上させている。これは、発光層を基板の格子定数と異なる量子井戸構造とすることにより、量子井戸層内に格子不整合による歪を発生させて、バンド構造を変化させ、レーザの閾値電流を低下させる手法である。しかしながら、現状のＩＩＩ族窒化物半導体においては、意図的に歪を加えてもレーザの閾値電流はほとんど低下しない。その原因は、ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方向がｃ軸配向しているためである。ｃ軸配向している結晶に、格子定数の異なる材料を発光層として、歪を加えても、バンド構造は効果的に変化せず、レーザの特性を向上させることができない。

また、電界効果トランジスタなどの電子デバイスに応用する場合、通常ＧａＮとＡｌＧａＮのヘテロ接合を用いることにより、２次元電子ガスを形成し、デバイスを高性能化している。このＧａＮとＡｌＧａＮのヘテロ接合によって発生した、ヘテロ接合界面には２次元電子ガスが発生するが、ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＧａＡｓなどの半導体に比べ非常に大きな圧電定数を有しているため、不純物を添加せずに製造しても、界面には１０¹³／ｃｍ²程度の２次元電子ガスが発生する。そのため、ＩＩＩ族窒化物半導体はすべてデプレッション型で動作しており、エンハンスメント型の素子を実現することはできない。

このように、ＩＩＩ族窒化物半導体において、ピエゾ分極による内部電界はデバイス特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ分極による内部電界を抑制するためには、ＩＩＩ族窒化物半導体のへテロ界面とｃ軸を直交させず、傾けて成長させればよいことが既に報告されている。また、ｃ軸を傾けて成長することができれば、価電子帯のバンド構造が効果的に変化し、それにより半導体レーザの閾値が低減できるなどの理論計算も既に報告されている。

ＩＩＩ族窒化物半導体において、ｃ軸を成長方向から傾けて成長する方法は、Ｓｉ（００１）基板上に選択成長を用いて行なう方法（非特許文献２参照）、サファイアＲ面に選択成長を行なう方法（非特許文献３参照）および４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上にＡｌＮを成長する方法が知られている（非特許文献４参照）。しかし、これらの方法は、再成長または基板の前処理などが必要であり、また多数の積層欠陥が発生するなどの問題点もあり、より簡便で再現性が良く、かつ結晶性の良好な基板の製造技術が必要である。
Japanese Journal Applied Physics, (1997) Vol. 36 L382−L385 Japanese Journal Applied Physics, (2002) Vol. 41 L846−L848 Japanese Journal Applied Physics, (2003) Vol. 42 L818−L820 Applied Physics Letters (2003) Vol. 83, p. 5208−5210

本発明の課題は、高品質かつＩＩＩ族窒化物半導体のへテロ接合面とｃ軸が直交せず、傾いて成長した窒化物半導体基板を提供することにある。

本発明の窒化物半導体基板は、４Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板または６Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた第２の基板であって、第１の基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向とのなす角θが５°以上８５°以下であることを特徴とする。また、本発明の第１のＳｉＣ製基板は、かかる窒化物半導体基板に使用することを特徴とする。

本発明によれば、高性能のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子および従来実現できなかったエンハンスメント型電界効果トランジスタを提供することができる。

本発明の窒化物半導体基板は、４Ｈ−ＳｉＣ製または６Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板のヘテロ接合面上に、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させて得られる第２の基板であって、第１の基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向（第１の基板におけるヘテロ接合面の法線方向）とのなす角θが５°以上８５°以下であることを特徴とする。ＩＩＩ族窒化物半導体のへテロ界面とｃ軸とが直交せず、傾いているため、ピエゾ分極による内部電界を抑制することができ、価電子帯のバンド構造が効果的に変化し、半導体レーザの閾値を低減できるなどの優れた特性を有する。

図１に、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の典型的な構造を例示する。この基板（第２の基板）は、有機金属化合物気相成長法により、４Ｈ−ＳｉＣ（３０−３８）からなる第１の基板１３上に、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層１２と、厚さ１μｍのＧａＮ層１１とを形成して得られる。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板（第２の基板）は、たとえば、図１に示すように、第１の基板１３と、ＡｌＮ層１２と、ＧａＮ層１１により構成される。図２に、４Ｈ−ＳｉＣの単位格子におけるＳｉＣ（３０−３８）面２２の模式図を示す。また、図３に、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶の成長方向と基板のｃ軸との傾きθを示す。図２におけるＳｉＣ（３０−３８）面２２は、図３においてθが約５５°をなす面である。

図１に例示した窒化物半導体基板（第２の基板）のＸ線回折２θ−ωスキャン結果を、図５に示す。測定は、試料を基板から約５５°傾け、４Ｈ−ＳｉＣの（０００４）回折からのピーク５１を中心に２θ−ωスキャンにより行なった。図５に示すとおり、第１の基板である４Ｈ−ＳｉＣの（０００４）回折からのピーク５１と、ＧａＮ層の（０００２）回折からのピーク５２と、ＡｌＮ層の（０００２）回折からのピーク５３が得られている。このことから、成長したＧａＮ層およびＡｌＮ層のｃ軸は、基板のｃ軸と同じ方向であることがわかる。

図６に、４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１０）回折からのピーク６１を中心に、２θ−ωスキャンした結果を示す。図６に示すとおり、ＡｌＮのピーク６３とＧａＮからのピーク６２が得られていることから、ＡｌＮおよびＧａＮは、第１の基板である４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１０）にそろって結晶成長していることがわかる。同様に、図７に、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）回折からのピーク７１を中心に、２θ−ωスキャンによる結果を示す。図７に示すとおり、ＡｌＮのピーク７３とＧａＮからのピーク７２が得られており、ＡｌＮおよびＧａＮは、第１の基板である４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）にそろって結晶成長していることがわかる。

これらのことから、第１の基板のａ軸と、第１の基板上に成長したＧａＮおよびＡｌＮのａ軸がそろっていることが分かる。したがって、成長したＧａＮおよびＡｌＮは、第１の基板のｃ軸とａ軸にそれぞれそろっており、成長したＩＩＩ族窒化物半導体は、ｃ軸が成長方向に対して５５°傾いていることが分かる。また、４Ｈ−ＳｉＣ（３０−３８）基板の上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる際に、成長条件を変化させることによって、ｃ軸を成長方向から７°傾けて成長することも可能である。

このように、４Ｈ−ＳｉＣの面方位を任意に変化させることによって、その上に作製するＩＩＩ族窒化物半導体の成長方向とｃ軸のなす角θを任意に制御することが可能となる。ただし、ＩＩＩ族窒化物半導体はｃ軸の配向性が強いため、結晶の成長方向とｃ軸のなす角θが５°より小さい場合、ｃ軸と成長方向が揃ってしまう傾向がある。この傾向を避け、窒化物半導体のｃ軸を傾けて成長させるには、θを５°以上とする必要があり、θは１５°以上が好ましく、２５°以上がより好ましい。

一方、４Ｈ−ＳｉＣからなる第１の基板中には、多数の積層欠陥が含まれており、また成長方向とｃ軸のなす角θを９０°にすると、前述のとおり、４Ｈの窒化物半導体が形成されてしまう。この傾向は、θが９０°に近いほど顕著になるため、θは８５°以下とする必要がある。特に、θが７５°以下、好ましくは６５°以下になると、窒化物半導体層の成長条件によっては、ＩＩＩ族窒化物半導体に、第１の基板のポリタイプを引き継いだ積層欠陥が入る傾向がなくなる。

このようにＳｉＣ製の第１の基板のｃ軸と、ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方向とのなす角θが、５°以上８５°以下となるように第２の基板を製造すると、ピエゾ分極による内部電界を抑制することができ、価電子帯のバンド構造が効果的に変化し、半導体レーザの閾値が低減できるなどの優れた特性を有する窒化物半導体基板が得られる。ＡｌＮ層とＧａＮ層を形成する場合に限らず、ＡｌＮ層またはＧａＮ層のみを形成する場合、ＡｌＮとＧａＮの混晶であるＡｌＧａＮ層を形成する場合でも同様の結果を得ることができる。

４Ｈ−ＳｉＣの（３０−３８）面を基板として用いる場合と同様に、６Ｈ−ＳｉＣを使用する場合においては、（１０−１４）面を用いた場合に、同じ結果が得られる。これは、６Ｈ−ＳｉＣにおける（１０−１４）面は、４Ｈ−ＳｉＣの（３０−３８）面に相当する面だからである。したがって、かかる４Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板および６Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する結晶面が（０００１）面とθの角度を有しており、ピエゾ分極による内部電界を効果的に抑制することができる窒化物半導体基板の材料として有用である。

実施例１〜１３
基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向とのなす角θは、５°以上８５°以下の範囲内に設定する必要があるが、かかる範囲内で、より良好な整合性を有する面を得るための好ましい角（θ）を調べた。本実施例では、４Ｈ−ＳｉＣとＡｌＮの組合わせにおいて、自然に形成された面である自形面の格子定数を元に検討を行なった。

４Ｈ型のＳｉＣ結晶面を表１に示す。表１に示した４Ｈ−ＳｉＣの結晶面は、バルク状の４Ｈ−ＳｉＣ結晶について、自形面をＸ線および光学的に解析して決定した。４Ｈ−ＳｉＣからなる第１の基板上に形成したＡｌＮ層の接合面における格子定数を表１に示す。また、それぞれの場合における、４Ｈ−ＳｉＣの結晶面と（０００１）面とのなす角、すなわち第１の基板のｃ軸とＡｌＮの成長方向とのなす角θを併せて表１に示す。

これらの面の原子配列について、ＡｌＮの１周期を基準とした長さの検討を行なった。図４（ａ）は、４Ｈ−ＳｉＣの単位格子における、検討した自形面４１の模式図を示す。第１の基板のｃ軸とＡｌＮの成長方向とのなす角θは、Ｃ面４２と自形面４１とのなす角と同一である。Ｘ軸方向は、自形面４１とＣ面４２が交差する方向であり、Ｙ軸の方向は、自形面４１におけるＸ軸と直交する方向である。

図４（ｂ）は、自形面における原子配列を示す概念図である。ＳｉＣ結晶では、図４（ｂ）に示すように、原子Ｓｉ４７と原子Ｃ４８が規則正しく配列している。Ｘ軸方向の単位距離Ａｘは、種々の自形面において同じであった。しかしながらＹ軸方向の単位距離Ｂｘは最も良く一致する面が存在していた。表１に示す不整合率は、Ｙ軸方向の単位距離Ｂｘについて、検討した自形面４１における４Ｈ−ＳｉＣとＡｌＮとのＢｘの差をＡｌＮの長さを基準に表している。

Ｙ軸方向の単位距離Ｂｘの比は、表１に示すような整合関係があり、４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１４）面とＡｌＮの（１０−１２）面の整合性が優れていることがわかった。表１の結果から明らかなとおり、不整合率を低減する点で、θは１５°以上７５°以下が好ましく、２５°以上６５°以下がより好ましいことがわかった。また、４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１４）面のθは４３．３°であり、θが４３．３°に近いほど、原子間距離の整合性が向上し、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体結晶が得られた。かかる観点から、θは、第１の基板が４Ｈ−ＳｉＣの場合には、４３．３°±３５°が好ましく、４３．３°±３０°がより好ましく、４３．３°±１５°が特に好ましいことがわかった。不整合率は、最も良好な組み合わせである４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１４）面とＡｌＮの（１０−１２）面と、最も不整合率の低い組合わせとでは、２０倍程度の差があった。

実施例１４〜２７
６Ｈ−ＳｉＣとＡｌＮとの組合わせにおいても、実施例１〜１３と同様に整合性を検討した。その結果を、表２に示す。表２の結果から明らかなとおり、６Ｈ−ＳｉＣの（１０−１５）面とＡｌＮの（３０−３５）面において、整合性が優れていた。最適のθ値は、実施例１〜１３と同様に、不整合率を低減する点で、θは１５°以上７５°以下が好ましく、２５°以上６５°以下がより好ましいことが確認できた。また、６Ｈ−ＳｉＣの（１０−１５）面のθは４８．６°であり、θが４８．６°に近いほど整合性が高かった。かかる観点から、θは、第１の基板が６Ｈ−ＳｉＣの場合には、４８．６°±３５°が好ましく、４８．６°±３０°がより好ましく、４８．６°±１５°が特に好ましいことがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の典型的な構造を表す断面図である。 ４Ｈ−ＳｉＣの単位格子におけるＳｉＣ（３０−３８）面を表す模式図である。 本発明におけるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶の成長方向と基板のｃ軸との傾きθを表す模式図である。 （ａ）は、４Ｈ−ＳｉＣの単位格子における自形面を表す模式図であり、（ｂ）は、自形面における原子配列を表す概念図である。 基板表面から５５°傾け、４Ｈ−ＳｉＣの（０００４）回折からのピークを中心に２θ−ωスキャンにより調査した結果を表す図である。 ４Ｈ−ＳｉＣの（１０−１０）回折からのピークを中心に２θ−ωスキャンにより調査した結果を表す図である。 ４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）回折からのピークを中心に２θ−ωスキャンにより調査した結果を表す図である。 結晶の成長方向と、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ軸との関係を表す模式図である。 内部電界によりバンド構造が変化した状態を表す概念図である。

符号の説明

１１ ＧａＮ層、１２ ＡｌＮ層、１３ 第１の基板。

Claims (6)

1. ４Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた第２の基板であって、第１の基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向とのなす角θが５°以上８５°以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
2. ６Ｈ−ＳｉＣ製の第１の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた第２の基板であって、第１の基板のｃ軸と窒化物半導体の成長方向とのなす角θが５°以上８５°以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
3. 前記θが、１５°以上７５°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
4. 前記θが、２５°以上６５°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体基板に使用する第１のＳｉＣ製基板。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。

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