JP2006261649A - 窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 - Google Patents
窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006261649A JP2006261649A JP2006030950A JP2006030950A JP2006261649A JP 2006261649 A JP2006261649 A JP 2006261649A JP 2006030950 A JP2006030950 A JP 2006030950A JP 2006030950 A JP2006030950 A JP 2006030950A JP 2006261649 A JP2006261649 A JP 2006261649A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- semiconductor material
- substrate
- layer group
- semiconductor layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
【課題】窒化物半導体結晶がある程度の厚みを有していながら均一性や安定性に優れており、製造コストが安く、窒化物半導体系デバイス用基板として有用な窒化物半導体材料を提供すること。
【解決手段】半導体または誘電体基板上に、第一窒化物半導体層群を有する窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、X線の半値幅の変動が±30%以内であり、表面の光の反射率は15%以上であり、その変動は±10%以下であり、且つ、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm以上であることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】半導体または誘電体基板上に、第一窒化物半導体層群を有する窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、X線の半値幅の変動が±30%以内であり、表面の光の反射率は15%以上であり、その変動は±10%以下であり、且つ、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm以上であることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、半導体デバイスに好適に用いられる窒化物半導体材料に関する。また本発明は、該窒化物半導体材料を製造するために有用な窒化物半導体結晶の製造方法にも関する。
従来より、Ga、Al、B、As、In、PまたはSbのうちの少なくとも1つの元素とNとを組成に含む化合物半導体(以下、「窒化物半導体」という)は、そのバンドギャップが1.9〜6.2eVと広範囲であり、紫外から可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有することから、発光・受光デバイス用半導体材料として有望であることが知られている。この窒化物半導体の代表例としては、一般式がBxAlyGazIn1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される化合物半導体がある。そして、窒化物半導体デバイスは、主としてサファイアを成長用基板として形成され、現在、サファイア基板上に設けられたGaN膜及びその上の窒化物半導体膜を利用した発光ダイオードが市販されるに至っている。
ところが、サファイア基板とGaNの格子不整合率は約16%と大きく、サファイア基板上に成長したGaN膜の欠陥密度は109〜1010cm-2にも達している。このような高い欠陥密度は、とりわけサファイア基板上に形成された青色半導体レーザの寿命を短くする原因となっていた。
さらに窒化物半導体を成長可能な基板上に窒化物半導体を成長すると、その膜厚が増加することによりにより結晶欠陥が少なくなることがわかっている。しかしサファイア基板などでGaNの厚膜を形成するとGaNにクラックや割れが発生し、さらに下地基板からGaNが剥離してしまうという問題点があった(非特許文献1および非特許文献2参照)。
さらに窒化物半導体を成長可能な基板上に窒化物半導体を成長すると、その膜厚が増加することによりにより結晶欠陥が少なくなることがわかっている。しかしサファイア基板などでGaNの厚膜を形成するとGaNにクラックや割れが発生し、さらに下地基板からGaNが剥離してしまうという問題点があった(非特許文献1および非特許文献2参照)。
さらに例えばGaNを数百μm成長しても、成長後の表面は欠陥が発生したり、成長する面が複数発生したりすることがあった(非特許文献3および特許文献1〜8参照)。
ここで、GaN膜の作製に用いることができる最も理想的な基板は、やはりGaN基板である。しかし、GaNは窒素の平衡蒸気圧がGaに比べて極端に高いために、従来の引き上げ法などを利用してバルク結晶を成長させることが困難である。そのため、窒化物半導体とは異なる材料からなる基板すなわち異種材料からなる基板(例えばサファイア基板、SiC基板、Si基板、GaAs基板等があり、以下、「異種基板」という)上に厚いGaN膜を成長させた後、異種基板を除去することにより、窒化物半導体材料を作製する方法が提案されている(特許文献6〜8参照)。
ところがこれらの方法で作成したGaN基板は、結晶の均一性や安定性の面で十分に品質が安定しているとは言えず、価格も従来技術のサファイア基板に対して高価である。
そこで本発明は、窒化物半導体結晶がある程度の厚みを有していながら均一性や安定性に優れており、製造コストが安く、窒化物半導体系デバイス用基板として有用な窒化物半導体材料を提供することを課題とした。また、本発明は、ある程度の厚みに成長してもクラックや割れが発生せず、下地基板から剥がれず、表面の研磨工程を必要としない、成長面が単一面で構成される窒化物半導体結晶の製造方法を提供することも課題とした。
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する本発明によって課題を解決しうることを見い出した。
本発明は、半導体または誘電体基板上に、第一窒化物半導体層群を有する窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、X線の半値幅の変動が±30%以内であり、表面の光の反射率は15%以上であり、その変動は±10%以下であり、且つ、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm以上であることを特徴とする窒化物半導体材料を提供する。
本発明は、半導体または誘電体基板上に、第一窒化物半導体層群を有する窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、X線の半値幅の変動が±30%以内であり、表面の光の反射率は15%以上であり、その変動は±10%以下であり、且つ、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm以上であることを特徴とする窒化物半導体材料を提供する。
また、本発明は、基板上に窒化物半導体結晶を成長させる際に、以下の(1)または(2)のうちの少なくとも1つを満たすように条件を設定することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法も提供する。
(1)結晶成長開始時は成長速度を30μm/h以上に設定する。
(2)結晶成長が進むにつれて成長速度を徐々に低下させる。
(1)結晶成長開始時は成長速度を30μm/h以上に設定する。
(2)結晶成長が進むにつれて成長速度を徐々に低下させる。
本発明の窒化物半導体材料は、結晶中に存在する転位欠陥が少なく、良質な結晶性と良好な表面平坦性を備えているため、半導体素子作製に有利な厚みを有している。本発明の製造方法を用いれば、このような窒化物半導体材料を従来の成長装置で大量かつ安価に製造することができる。特に、結晶成長効率が高く、研磨工程を省くことができる点で極めて有利である。
以下において、本発明の窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本発明の窒化物半導体材料は、半導体または誘電体基板上に第一窒化物半導体層群を有する。
本明細書において「A上に形成されたB層」という表現は、Aの上面にB層の底面が接するようにB層が形成されている場合と、Aの上面に1以上の層が形成され、さらにその層上にB層が形成されている場合の両方を含む。また、Aの上面とB層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではAとB層の間に1以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の基板や各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
本明細書において「A上に形成されたB層」という表現は、Aの上面にB層の底面が接するようにB層が形成されている場合と、Aの上面に1以上の層が形成され、さらにその層上にB層が形成されている場合の両方を含む。また、Aの上面とB層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではAとB層の間に1以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の基板や各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
(基板)
本発明の窒化物半導体材料において用いることができる半導体または誘電体基板は、通常、直径が2cm以上であって、表面上に後述する第一窒化物半導体層群を成長させることができるものであればその種類は特に制限されない。好ましいのは、立方晶系または六方晶系に属する結晶構造を有する基板であり、立方晶系の基板としてSi、GaAs、InGaAs、GaP、InP、ZnSe、ZnTe、CdTeを挙げることができる。また、六方晶系の基板として、サファイア、SiC、GaN、スピネル、ZnOなどを用いることができる。特に好ましい基板はサファイアである。
本発明の窒化物半導体材料において用いることができる半導体または誘電体基板は、通常、直径が2cm以上であって、表面上に後述する第一窒化物半導体層群を成長させることができるものであればその種類は特に制限されない。好ましいのは、立方晶系または六方晶系に属する結晶構造を有する基板であり、立方晶系の基板としてSi、GaAs、InGaAs、GaP、InP、ZnSe、ZnTe、CdTeを挙げることができる。また、六方晶系の基板として、サファイア、SiC、GaN、スピネル、ZnOなどを用いることができる。特に好ましい基板はサファイアである。
半導体または誘電体基板は、直径が2cm以上であればその具体的な形状は特に制限されない。ここでいう「直径が2cm以上」とは、直径2cmの円を切り出すことができる大きさを有していることを意味するものであり、基板の形状は円形でなくても構わない。例えば、一辺が2cm以上の矩形であってもよい。この直径としては、好ましくは2.5cm以上、より好ましくは5cm以上である。また、基板の厚みは、製造および使用時における取り扱いに支障を来さない範囲であればよく、通常は100μm〜1mm、好ましくは200〜750μm、より好ましくは300〜500μmである。
本発明では、オフ基板を用いることもできる。例えば、サファイア基板であれば、その窒化物半導体材料を成長させる面が(ABCD)面または(ABCD)面[ここでA、B、C、Dは自然数]から微傾斜した面である基板を用いることができる。ここでいう微傾斜の角度は、通常0〜10°、好ましくは0〜0.50°、より好ましくは0〜0.20°である。例えば、(0001)面からm軸方向に微傾斜しているサファイア基板を好ましく用いることができる。この他に例えばa(11−20)面、r(1−102)面、m(1−100)面とそれぞれの等価な面なども好ましく用いることができる。ここでいう等価な面とは、立方晶系では90°、六方晶系では60°回転させると結晶学的に原子の配列が同じになる面になる場合のことをいう。
(第一窒化物半導体層群)
本発明の窒化物半導体材料は、半導体または誘電体基板上に第一窒化物半導体層群を有することを特徴とする。
第一窒化物半導体層群は、単一の層から構成されていてもよいし、複数の層から構成されていてもよい。複数の層から構成されている場合は、異種の材料から形成される複数の層で構成される場合や、同じ材料でも成長温度や成長速度を変化させるように成長条件が違う層で構成される場合でもよい。また、第一窒化物半導体層を構成する各層は、例えばGaN層にAlやInの混晶率などが連続的に変化する層が含まれていてもよい。
本発明の窒化物半導体材料は、半導体または誘電体基板上に第一窒化物半導体層群を有することを特徴とする。
第一窒化物半導体層群は、単一の層から構成されていてもよいし、複数の層から構成されていてもよい。複数の層から構成されている場合は、異種の材料から形成される複数の層で構成される場合や、同じ材料でも成長温度や成長速度を変化させるように成長条件が違う層で構成される場合でもよい。また、第一窒化物半導体層を構成する各層は、例えばGaN層にAlやInの混晶率などが連続的に変化する層が含まれていてもよい。
第一窒化物半導体層群を構成する各層は、それぞれドープされていてもよい。キャリア濃度は、通常は1x1017cm-3〜1x1019cm-3、好ましくは5x1017cm-3〜5x1018cm-3、より好ましくは1x1018cm-3〜2x1018cm-3とする。例えば第一窒化物半導体層群がn型GaNを含む場合、該n型GaNはシリコン、酸素または炭素のうちの少なくとも1つの元素を含むことが好ましい。また、第一窒化物半導体層群が半絶縁性GaNを含む場合、Fe、Cr、CまたはZnのうちの少なくとも1つの元素を含むことが好ましい。
第一窒化物半導体層群の厚みは、通常は25μm以上、好ましくは25〜500μm、より好ましくは30〜300μm、さらに好ましくは50〜250μm、さらにより好ましくは100〜200μm、特に好ましくは130〜180μmである。
第一窒化物半導体層群は、その面内方向に対して欠陥密度の空間的な周期性を有さないことが好ましい。
第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、好ましくは3nm以下であり、より好ましくは1nm以下であり、さらに好ましくは0.8nm以下である。ここでいうRMSは表面粗さを表すものであり、値が小さいほど表面が整っていることを意味する。本発明におけるRMSは、AFMにより10μm角の表面粗さを測定したデータから、自乗平均平方根で計算することにより測定される。
第一窒化物半導体層群の表面は、同一種類の結晶面(facet)からなり、異なる種類の結晶面を含んでいないことが好ましい。すなわち、初期に成長した結晶面以外の結晶面を有さないことが好ましい。第一窒化物半導体層群が複数の層から構成される場合は、後述する第二窒化物半導体層の上に最初に形成される層の初期成長面以外の結晶面を、最後に形成される層の表面が有さないことを意味する。表面が初期に成長した結晶面以外の結晶面を有さないことは、成長を開始した結晶面と同じ結晶面のみが表面にあることを意味し、そうでなければ違う結晶面、例えばC面で成長を開始した場合にa面やr面やm面が発生しており、そういった違う結晶面は目視によりウェハーを様々な角度に傾けて観察すると、C面以外の角度でキラキラと光が反射することにより確認することができる。
また、第一窒化物半導体層群の表面は、X線の半値幅の変動が±30%以内、好ましくは±20%以内、より好ましくは±10%以内、さらにより好ましくは±5%以内、特に好ましくは±1%以内である。X線の半値幅は、通常用いられているX線回折により測定することができる。また、ここでいうX線の半値幅の変動とは、図2に示すように第一窒化物半導体層群の表面を5カ所以上選択してX線の半値幅を測定し、最大値と最小値の差の1/2を平均値で割った値を計算することにより得ることができる。
上記と同様に第一窒化物半導体層群の表面の光の反射率の変動が±10%以内、好ましくは±8%以内、より好ましくは±5%以内、さらにより好ましくは±3%以内、特に好ましくは±1%以内である。光の反射率は通常用いられている反射率測定装置により測定することができる。また、ここでいう光の反射率の変動とは第二窒化物半導体層群の表面を5カ所以上選択してX線の半値幅を測定し、最大値と最小値の差の1/2を平均値で割った値を計算することにより得ることができる。
(第二窒化物半導体層群)
本発明の窒化物半導体材料は、半導体または誘電体基板と第一窒化物半導体層群との間に第二窒化物半導体層群を有していてもよい。第二窒化物半導体層群を構成する窒化物半導体としては、具体的にInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlyGa1-yN(0≦y≦1)、InxAlyGazN(x+y+z=1)などを挙げることができる。第二窒化物半導体層を構成する各層は、混晶率などが連続的に変化していてもよい。また、基板の面内方向に対して、第二窒化物半導体層群は欠陥密度の空間的な周期性を有さないことが好ましい。
本発明の窒化物半導体材料は、半導体または誘電体基板と第一窒化物半導体層群との間に第二窒化物半導体層群を有していてもよい。第二窒化物半導体層群を構成する窒化物半導体としては、具体的にInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlyGa1-yN(0≦y≦1)、InxAlyGazN(x+y+z=1)などを挙げることができる。第二窒化物半導体層を構成する各層は、混晶率などが連続的に変化していてもよい。また、基板の面内方向に対して、第二窒化物半導体層群は欠陥密度の空間的な周期性を有さないことが好ましい。
第二窒化物半導体層群は、単一の層から構成されていてもよいし、複数の層から構成されていてもよい。複数の層から構成されている場合は、例えばGaNの層中にAlやInを含む層を単層で挿入したり、GaNとAllnGaNの超格子で構成してもよい。または格子定数の違いにより発生する転位が減少するような構造、例えば基板と第二層の表面を構成する材料との間に発生する格子定数差よりも、基板との間に発生する格子定数差が大きい材料を挿入した構造でもよい。第二窒化物半導体層群は単一の導電型を示してもよいし、複数の異なる導電型を示してもよい。
例えば、第二窒化物半導体層群がn型GaNを含む場合、該n型GaNはシリコン、酸素または炭素のうちの少なくとも1つの元素を含むことが好ましい。また、第二窒化物半導体層群がp型GaNを含む場合、ZnまたはMgのうちの少なくとも1つの元素を含むことが好ましい。
第二窒化物半導体層群の厚みは、通常は1〜50μm、好ましくは2〜10μm、より好ましくは3〜5μmである。
第一窒化物半導体層群と第二窒化物半導体層群の合計厚みは、通常は11〜550μm、好ましくは30〜350μm、より好ましくは50〜250μm、さらにより好ましくは100〜200μm、特に好ましくは130〜180μmである。
(製造方法)
このような特徴を有する本発明の窒化物半導体材料の製造方法は特に制限されないが、以下に好ましい製造方法を挙げて具体的に説明する。ここでは、第二窒化物半導体層を設けた場合について説明する。
まず、第二窒化物半導体層を、基板上に成長させる。第二窒化物半導体層の成長は気相成長でも液相成長でもよいが、好ましくは気相成長である。さらに気相成長でも有機金属気相成長法(MOVPE法)、パルスレーザ堆積法、パルス電子堆積法、ハイドライド気相成長法(HVPE法)、分子線エピタキシー法または液相成長法のいずれでも良いが、好ましくは有機金属気相成長法やハイドライド気相成長法で行う。次いで、形成された第二窒化物半導体層の上に、さらに第一窒化物半導体層を成長させる。第一窒化物半導体層の成長方法は、ハイドライド気相成長法または液相成長法のいずれでもよいが、ハイドライド気相成長法が好ましい。
このような特徴を有する本発明の窒化物半導体材料の製造方法は特に制限されないが、以下に好ましい製造方法を挙げて具体的に説明する。ここでは、第二窒化物半導体層を設けた場合について説明する。
まず、第二窒化物半導体層を、基板上に成長させる。第二窒化物半導体層の成長は気相成長でも液相成長でもよいが、好ましくは気相成長である。さらに気相成長でも有機金属気相成長法(MOVPE法)、パルスレーザ堆積法、パルス電子堆積法、ハイドライド気相成長法(HVPE法)、分子線エピタキシー法または液相成長法のいずれでも良いが、好ましくは有機金属気相成長法やハイドライド気相成長法で行う。次いで、形成された第二窒化物半導体層の上に、さらに第一窒化物半導体層を成長させる。第一窒化物半導体層の成長方法は、ハイドライド気相成長法または液相成長法のいずれでもよいが、ハイドライド気相成長法が好ましい。
本発明の窒化物半導体材料は、基板表面の法線に対して45〜90°の角度からガスを流すことにより当該基板上に窒化物半導体結晶を成長させる工程を利用して製造することが特に好ましい。すなわち、基板上に第二窒化物半導体層群および第一窒化物半導体層群を成長させる際に、ガスを上記の角度で流すことが好ましい。上記角度でガスを流しながら成長させるのは、第一窒化物半導体層群および第二窒化物半導体層群を構成する層のすべてである必要はないが、少なくとも第一窒化物半導体層群を構成する層のうち表面側の層を成長させることが好ましく、第一窒化物半導体層群を構成するすべての層を成長させることがより好ましく、第二窒化物半導体層群および第一窒化物半導体層群を構成する層のすべてを成長させることが特に好ましい。ガスを流す角度は、基板表面の法線に対してより好ましくは60〜90°であり、さらに好ましくは70〜90°であり、特に好ましくは80〜90°である。
従来の方法では、できるだけ結晶成長速度を速くするために、基板表面に対してガスを垂直に流していた。こうすることにより、成長速度は150μm/h以上と速くなるが、ウェハー面内の膜厚分布や成長速度が速いことにより発生する欠陥の密度が多かった。さらに縦型のリアクターを使用していると、ウェハーを上向きに設置するため、上からゴミ等の異物が落ちてきた場合に、その異物が結晶の品質を落とす原因にもなっていた。
上記のように例えば基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより、これらの問題を解決して、窒化物半導体の膜厚や結晶の品質の均一性が非常に高い膜を得ることができる。ガスの流れが基板に対して垂直の場合は、基板の中心部分と周辺部分のガスの濃度に差が発生していたが、基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより、基板の面内におけるガス濃度のムラを抑えることができる。
上記のように例えば基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより、これらの問題を解決して、窒化物半導体の膜厚や結晶の品質の均一性が非常に高い膜を得ることができる。ガスの流れが基板に対して垂直の場合は、基板の中心部分と周辺部分のガスの濃度に差が発生していたが、基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより、基板の面内におけるガス濃度のムラを抑えることができる。
本発明では、複数の窒化物半導体層を基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより成長させることが好ましい。例えば基板上に第二窒化物半導体層を形成した後にその上に第一窒化物半導体層を形成する場合は、第一窒化物半導体層の窒化物半導体結晶の成長開始から成長速度を制御することが特に表面性を改良するうえで好ましい。具体的には、以下の2つの条件の少なくとも1以上、好ましくは両方を満足するように成長を行うのがよい。
(1)第一窒化物半導体層の結晶成長開始時は成長速度を30μm/h以上に設定する。
(2)第一窒化物半導体層の結晶成長が進むにつれて成長速度を徐々に低下させる。
また、第二窒化物半導体層は、成長速度を5μm/h以下に設定することが好ましい。
(1)第一窒化物半導体層の結晶成長開始時は成長速度を30μm/h以上に設定する。
(2)第一窒化物半導体層の結晶成長が進むにつれて成長速度を徐々に低下させる。
また、第二窒化物半導体層は、成長速度を5μm/h以下に設定することが好ましい。
ガス流れに対して基板を垂直に設置しているときに比べて第一窒化物半導体層の初期の成長速度を低下させたことにより、窒化物半導体の成長開始からの結晶性を格段に向上させることができる。例えば、第一窒化物半導体層の成長開始時に成長速度を30μm/hと設定した場合は、成長が進むにつれて成長速度は徐々に低下し、200μmを遥かに超える膜厚を成長した場合は成長速度は20μm/h以下程度に低下し、それ以後は一定になる傾向にある。通常は、5〜20μm/h程度で一定になる。この成長速度の低下が、初期に成長した成長速度が高い部分の少し荒れている表面を平坦にする効果があると考えられる。
表面を平坦にするためには、ガスの流れに対して上流側の基板端部の温度と下流側の基板端部の間に温度差を設けることが好ましい。具体的には上流側の温度を高くし、下流側の温度を低くすることが好ましい。基板の長さ(上流側の基板端部から下流側の基板端部までの距離)が15cmであるときの上流側と下流側の温度差は、通常10℃〜100℃であり、好ましくは15℃〜75℃であり、より好ましくは20℃〜45℃である。すなわち、基板の単位長さあたりの温度差は、通常0.5℃/cm〜10.0℃/cmであり、好ましくは0.67℃/cm〜6.7℃/cmであり、より好ましくは1.0℃/cm〜5.0℃/cmであり、特に好ましくは1.3℃/cm〜3.0℃/cmである。このような温度差を設ければ、上流側から下流側にかけてより平坦で均一な表面を形成しやすくなる。
図4は、本発明の窒化物半導体材料を製造するための好ましいリアクター例を図示したものである。基板1は、回転軸2を備えた多角錐状のサセプター3上に図示するように設置し、回転軸2を矢印の方向に回転させながら、上から塩化ガリウムとアンモニアの混合ガスを流入する。混合ガスは、最初にサセプター3の頂部に接触し、頂部からサセプター3の側面に沿って下方に向かい、基板1上を通ってさらに下方へと流れる。このとき、頂部およびその近傍では、図5に示すように窒化ガリウムの多結晶体4が形成され、該多結晶体を経た混合ガスが基板1に流れる。サセプター3の頂部には、多結晶体を形成させることができる構造物を設置しておいてもよい。例えば、基板(ウェハー)と重ならないキャップなどを設置することができる。このようなキャップは、ウェハーに干渉しないものであって、取り外して交換可能なものであることが好ましい。
ここで、多角錐状のサセプターの高さは、通常8.0cm〜20.0cm、好ましくは9.0cm〜15.0cm、より好ましくは10.0cm〜13.0cmである。また、多角錐状のサセプターの底面の形状は、次の範囲の直径を有する円を内接するような多角形となるように設計されていることが好ましい。すなわち、内接円の直径は、通常40cm〜80cm、好ましくは50cm〜75cm、より好ましくは60cm〜70cmである。基板の設置位置は、図5に示す窒化ガリウムの多結晶体4が製造時に基板に接触しない位置とする。通常は、頂部の下方1cm〜10cm、好ましくは2cm〜8cm、より好ましくは3cm〜4cmの位置に基板を設置する。サセプターの回転速度は、通常5rpm〜30rpm、好ましくは5rpm〜20rpm、さらに好ましくは5rpm〜15rpmである。
本発明の窒化物半導体材料を製造する際には、リアクター内に供給する混合ガス中に塩化水素ガスを混合させることもできる。塩化水素ガスは、成長開始から終了まで一定の流量を流し続けてもよいし、成長が進むにつれて変化させてもよい。好ましいのは、サセプター頂部およびその近傍に形成される窒化ガリウムの多結晶体の成長とともに塩化水素ガスの流量を減らす態様である。すなわち、成長開始時には、多結晶体の生成を抑制する程度にたくさん流し、成長が進むにつれ流量を徐々に減少させるのが特に好ましい。
また、この方法を用いれば、第二窒化物半導体層の成長の際に発生する転位が第一窒化物半導体層に伝播しにくいという利点もある。例えば、MOVPEで成長した転位を有する3μm程度の膜の上に、HVPE装置で上記方法にしたがってGaN膜を成長させると転位が伝播しないため好ましい。
上記のように、基板表面の法線に対して角度をつけてガスを流すことにより、200μm程度の厚膜でもクラックや割れがなく、下地基板から剥がれず、表面に光沢があるために研磨工程を必要としない、成長面が単一面で構成される表面を形成することができる。研磨工程を必要としないために、製造コストや製造時間を大幅に抑えることが可能であり、その後のプロセスにそのまま使用できる点で優れている。
(応用)
本発明によって得られる窒化物半導体材料は、さまざまな分野に利用することができる。例えば、窒化物半導体デバイス用の基板として有用であり、本発明の窒化物半導体材料の上に第三層群として半導体層を形成して窒化物半導体デバイスを提供することができる。具体的には、発光素子、受光素子、光カプラ、熱電変換素子、太陽電池素子、光センサ、スイッチング素子、インバータ、遅延素子、論理回路、整流素子、発振素子、電流増幅素子、電圧制御素子、電流に対する抵抗、電荷に対するキャパシタ、電流に対するインダクタンス、超音波伝播素子または光音波相互作用発現素子のいずれかの機能、あるいはこれらを集積化した機能を有する層を第二層群と第一層群の上に設けることができる。
本発明によって得られる窒化物半導体材料は、さまざまな分野に利用することができる。例えば、窒化物半導体デバイス用の基板として有用であり、本発明の窒化物半導体材料の上に第三層群として半導体層を形成して窒化物半導体デバイスを提供することができる。具体的には、発光素子、受光素子、光カプラ、熱電変換素子、太陽電池素子、光センサ、スイッチング素子、インバータ、遅延素子、論理回路、整流素子、発振素子、電流増幅素子、電圧制御素子、電流に対する抵抗、電荷に対するキャパシタ、電流に対するインダクタンス、超音波伝播素子または光音波相互作用発現素子のいずれかの機能、あるいはこれらを集積化した機能を有する層を第二層群と第一層群の上に設けることができる。
このような第三層群としての半導体層を形成した後、さらにその上に第四層群として、光取り出し向上等を目的とした層を形成することもできる。また、上に記載しているような発光や受光素子を組み立てる場合に素子自体を成長方向とは逆に組み立てることがある(例えばフリップチップ等)。そのときに、素子の土台として必要な厚い層群として、本発明の窒化物半導体材料を用いることもできる。さらに、本発明の窒化物半導体材料は、基板、例えばサファイア基板からレーザー剥離法などで第一窒化物半導体層を剥離し、剥離した窒化物半導体層を種々の基板として使用することもできる。これまで記述した形態はもちろんであるが、それ以外にも様々な形態に応用できる。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
(実施例1)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上に、MOVPE法により3μmのアンドープGaNを成長した。その後、GaN層を成長させた基板をHVPE装置に入れ、基板の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上に、MOVPE法により3μmのアンドープGaNを成長した。その後、GaN層を成長させた基板をHVPE装置に入れ、基板の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は図1に見られるように、厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。通常、これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)によるウェハー中心(図2のb)の半値幅は183.1(arcaec)であった。また、図2に示すようにさらにウェハー表面を4カ所選択してX線の半値幅を測定したところ、a点は185.5(arcaec)、c点は202.8(arcaec)、d点は188.0(arcaec)、e点は189.7(arcaec)であり、面内の変動は±6%以内であった。成長した表面のRMS値は0.7nmであった。さらに表面のPL(フォトルミネッセンス)測定でバンド端発光のピークの強度を測定したところ、MOVPE法で成長した3μmの膜(図3(b))に対して、厚み200μmのGaN膜(図3(a))は70倍の発光強度を示した。さらに、ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は19.6%で、その面内での変動は7.4%であった。
(実施例2)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により3μmのアンドープAlGaN層を成長した。AlGaN層を成長させた基板をガス流れに対して基板表面が平行になるように(基板表面の法線に対してガス流れの角度が90°になるように)HVPE装置に設置した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により3μmのアンドープAlGaN層を成長した。AlGaN層を成長させた基板をガス流れに対して基板表面が平行になるように(基板表面の法線に対してガス流れの角度が90°になるように)HVPE装置に設置した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。通常、これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した面以外の面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は200(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は0.8nmであった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は16.2%で、その面内での変動は9.0%であった。
(実施例3)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成し、その上に、InGaN層とGaN層の厚みがそれぞれ10nmの膜を交互に5周期(5層ずつ)挿入した超格子バッファー層を形成し、さらにその上に厚み1.5μmのアンドープGaN層を成長した。その基板をガス流れに対して、基板が平行になるように(基板表面の法線に対してガス流れの角度が90°になるように)、HVPE装置に設置した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成し、その上に、InGaN層とGaN層の厚みがそれぞれ10nmの膜を交互に5周期(5層ずつ)挿入した超格子バッファー層を形成し、さらにその上に厚み1.5μmのアンドープGaN層を成長した。その基板をガス流れに対して、基板が平行になるように(基板表面の法線に対してガス流れの角度が90°になるように)、HVPE装置に設置した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが200μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は185(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は16.8%で、その面内での変動は9.4%であった。
(実施例4)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に、MOVPE法により厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成し、その上にAlGaN層とGaN層のそれぞれ10nmの膜を交互に5周期(5層ずつ)挿入した超格子バッファー層を形成し、さらにその上に厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成した。その後、HVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に、MOVPE法により厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成し、その上にAlGaN層とGaN層のそれぞれ10nmの膜を交互に5周期(5層ずつ)挿入した超格子バッファー層を形成し、さらにその上に厚み1.5μmのアンドープGaN層を形成した。その後、HVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は150(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は16.2%で、その面内での変動は9.4%であった。
(実施例5)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は170(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであり、厚膜のキャリア濃度は2×1018cm-3であった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は17.8%で、その面内での変動は8.5%であった。
(実施例6)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み3μmのSiドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にMOVPE法により厚み3μmのSiドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃(上流側の基板端部)
970℃(下流側の基板端部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は180(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであり、厚膜のキャリア濃度は2×1018cm-3であった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は19.5%で、その面内での変動は8.8%であった。
(実施例7)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(11−20)基板上にMOVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(11−20)基板上にMOVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長した後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は250(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであり、厚膜のキャリア濃度は2×1018cm-3であった。
(実施例8)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にHVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長し、引き続いて下記条件でHVPE装置でGaN層を成長した。このとき、アンドープGaN層成長時から、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上にHVPE法により厚み3μmのアンドープGaN層を成長し、引き続いて下記条件でHVPE装置でGaN層を成長した。このとき、アンドープGaN層成長時から、基板表面の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
SiH4分圧:0.286Pa(2.82×10-6atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)による半値幅は185(arcaec)で、面内の変動は±10%以内であった。表面のRMS値は1nmであり、厚膜のキャリア濃度は2×1018cm-3であった。
(実施例9)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上にGaNの核形成を行うために、MOVPE法により厚み3μmのp型(Mg)ドープGaN層を成長した。その後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が75°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上にGaNの核形成を行うために、MOVPE法により厚み3μmのp型(Mg)ドープGaN層を成長した。その後、基板をHVPE装置に入れ、基板表面の法線に対してガス流れの角度が75°になるように設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃
成長時間:5時間
成長後のGaN層の結晶は厚みが170μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。これだけ厚く成長すると、直径5cm以上の大きな面内にはn角錐の欠陥が通常は発生するが、このウェハーにはそのような欠陥はなく鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)によるウェハー中心の半値幅は183.1(arcaec)で、面内の変動は±6%以内であった。成長した表面のRMS値は0.7nmであった。さらに表面のPL(フォトルミネッセンス)測定でバンド端発光のピークの強度を測定したところ、MOVPE法で成長した3μmの膜に対して、厚み200μmのGaN膜は70倍の発光強度を示した。さらに、ハロゲンランプによるウェハー表面の反射率は18.5%で、その面内での変動は10%以下であった。
(実施例10)
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上に、MOVPE法により3μmのアンドープGaNを成長した。その後、GaN層を成長させた基板をHVPE装置に入れ、基板の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(ウェハー上部)
970℃(ウェハー下部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)面からm軸方向に0.15°オフ(微傾斜)している基板上に、MOVPE法により3μmのアンドープGaNを成長した。その後、GaN層を成長させた基板をHVPE装置に入れ、基板の法線に対してガス流れの角度が80°になるように基板を設置してGaN層を成長した。HVPE法での成長条件は次のように設定した。
HCl分圧:1.14kPa(1.13×10-2atm)
(以下、HClはGaメタルと反応し、GaClが生成される)
NH3分圧:4.58kPa(4.52×10-2atm)
成長温度:1000℃(ウェハー上部)
970℃(ウェハー下部)
キャリアガス:H2(16[L])
成長時間:5時間
このとき、最初の1時間はGaリザーバーへの配管とは別にHCl分圧を84.4Pa(8.33×10-4atm)とし、次の2時間で56.3Pa(5.56×10-4atm)とし、さらに次の1時間で28.1Pa(2.78×10-4atm)となるように徐々に下げた。
成長後のGaN層の結晶は厚みが110μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。このウェハーは鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)によるウェハー中心(図2のb)の半値幅は226.0(arcaec)であった。面内の変動は±15%であった。成長した表面のRMS値は0.7nmであった。さらに、ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は19.5%で、その面内での変動は10.0%であった。
成長後のGaN層の結晶は厚みが110μmで、表面にはクラック、割れや空間的に周期的な欠陥が集中するところがなかった。このウェハーは鏡面であり、初期に成長した結晶面以外の結晶面は観察されなかった。X線回折(0002)によるウェハー中心(図2のb)の半値幅は226.0(arcaec)であった。面内の変動は±15%であった。成長した表面のRMS値は0.7nmであった。さらに、ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は19.5%で、その面内での変動は10.0%であった。
(比較例1)
ディスク回転型のMOCVD装置を用いて、直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に厚み3μmのGaN層を成長した。さらにHVPE法で基板表面に対して垂直にガスを当て(基板表面の法線に対してガス流れの角度は0°)、厚み300μmのGaN膜を成長したところ、成長したGaN膜にはクラックや剥がれが発生した。その時のウェハー面内の膜厚分布は中心で500μmであった。さらに、初期に発生した(0001)面以外の面も発生し、表面が荒れていた。
X線回折(0002)による半値幅は中心付近は170(arcaec)で、面内の変動は±10以上であった。表面のRMS値は中心付近は1nmであった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は16.5%で、その面内での変動は20.8%であった。
ディスク回転型のMOCVD装置を用いて、直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に厚み3μmのGaN層を成長した。さらにHVPE法で基板表面に対して垂直にガスを当て(基板表面の法線に対してガス流れの角度は0°)、厚み300μmのGaN膜を成長したところ、成長したGaN膜にはクラックや剥がれが発生した。その時のウェハー面内の膜厚分布は中心で500μmであった。さらに、初期に発生した(0001)面以外の面も発生し、表面が荒れていた。
X線回折(0002)による半値幅は中心付近は170(arcaec)で、面内の変動は±10以上であった。表面のRMS値は中心付近は1nmであった。ハロゲンランプによるウェハー表面の365nmの光の反射率は16.5%で、その面内での変動は20.8%であった。
(比較例2)
ディスク回転型のMOCVD装置を用いて、直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に厚み3μmのGaN層を成長した。成長したGaN層の結晶のX線回折(0002)による半値幅は300(arcaec)であった。さらにHVPE法で基板に対して垂直にガスを当て、厚み25μmのGaN膜を成長したところ、成長したGaN膜の表面の一部は曇っており、鏡面の部分の欠陥密度が2×108cm-2と大きかった。
ディスク回転型のMOCVD装置を用いて、直径5.08cm(2インチ)の円形で厚み430μmのサファイア(0001)基板上に厚み3μmのGaN層を成長した。成長したGaN層の結晶のX線回折(0002)による半値幅は300(arcaec)であった。さらにHVPE法で基板に対して垂直にガスを当て、厚み25μmのGaN膜を成長したところ、成長したGaN膜の表面の一部は曇っており、鏡面の部分の欠陥密度が2×108cm-2と大きかった。
本発明の窒化物半導体材料は、ある程度の厚みを有していながら均一性や安定性に優れているため、窒化物半導体系デバイス用基板等として極めて有用である。また、本発明の製造方法を用いれば、このような窒化物半導体材料を従来の成長方法・装置で大量かつ安価に製造することができ、自立基板より安価に提供できる点で産業上の利用可能性が高い。本発明は、発光ダイオード、半導体レーザー等、特に青色、白色の発光デバイスやそれを用いたチップ及びモジュール、さらに電子デバイス等の半導体素子等に好適に応用され得るものである。
1 基板
2 回転軸
3 サセプター
4 窒化ガリウムの多結晶体
2 回転軸
3 サセプター
4 窒化ガリウムの多結晶体
Claims (34)
- 半導体または誘電体基板上に、第一窒化物半導体層群を有する窒化物半導体材料であって、
前記第一窒化物半導体層群の表面は、RMSが5nm以下であり、X線の半値幅の変動が±30%以内であり、表面の光の反射率は15%以上であり、その変動は±10%以下であり、且つ、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm以上であることを特徴とする窒化物半導体材料。 - 請求項1に記載の窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群の厚みが25μm〜500μmであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1または2に記載の窒化物半導体材料であって、半導体または誘電体基板と、第一窒化物半導体層群との間にさらに第二窒化物半導体層群を有することを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項3に記載の窒化物半導体材料であって、前記第二窒化物半導体層群の厚みが1〜50μmであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、前記基板が六方晶系または六方晶系に属する結晶構造を有することを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項5に記載の窒化物半導体材料であって、前記立方晶系の基板が、Si、GaAs、InGaAs、GaP、InP、ZnSe、ZnTeまたはCdTeのいずれかであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項6に記載の窒化物半導体材料であって、前記六方晶系の基板が、サファイア、SiC、GaN、スピネルまたはZnOのいずれかであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項7に記載の窒化物半導体材料であって、前記サファイア基板の成長面が(ABCD)面または(ABCD)面[ここでA、B、C、Dは自然数]から微傾斜した面であることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、前記基板の厚みが100μm〜1mmであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、前記基板は直径が2cm以上であることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、 前記第一窒化物半導体層群の表面が未研磨である窒化物半導体材料。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、前記基板の面内方向に対して、第一窒化物半導体層群が欠陥密度の空間的な周期性を有さないことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項3〜12のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第二窒化物半導体層群が複数の異なる導電型を示すことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項13に記載の窒化物半導体材料であって、当該第二窒化物半導体層群がn型半導体であることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項14に記載の窒化物半導体材料であって、前記第二窒化物半導体層群に含まれるn型GaNが、シリコン、酸素または炭素のうちの少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項13に記載の窒化物半導体材料であって、当該第二窒化物半導体層群がp型半導体であることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項16に記載の窒化物半導体材料であって、前記第二窒化物半導体層群に含まれるp型GaNが、ZnまたはMgのうちの少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項3〜17のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第二窒化物半導体層群が少なくともInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlyGa1-yN(0≦y≦1)またはInxAlyGazN(x+y+z=1)のいずれか1つを含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項3〜18のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第二窒化物半導体層群が有機金属気相成長法、パルスレーザ堆積法、パルス電子堆積法、ハイドライド気相成長法、分子線エピタキシー法または液相成長法のいずれか、あるいはその組み合わせの方法によって形成されていることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第一窒化物半導体層群がInxGa1-xN(0≦x≦1)またはAlyGa1-yN(0≦y≦1)を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項20に記載の窒化物半導体材料であって、第一窒化物半導体層群が複数の異なる導電型を示すInxGa1-xN(0≦x≦1)またはAlyGa1-yN(0≦y≦1)を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項21に記載の窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群がn型半導体であるInxGa1-xN(0≦x≦1)またはAlyGa1-yN(0≦y≦1)からなることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項22に記載の窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群に含まれるn型InxGa1-xN(0≦x≦1)またはAlyGa1-yN(0≦y≦1)が、シリコン、酸素または炭素のうちの少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項21に記載の窒化物半導体材料であって、前記第一窒化物半導体層群が半絶縁性半導体層を含むことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項24に記載の窒化物半導体材料であって、前記半絶縁性半導体層が、Fe、Cr、CまたはZnのうちの少なくとも1つの元素を含む窒化ガリウム層であることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜25のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第一窒化物半導体層群の面内方向に対して、第一窒化物半導体層群が欠陥密度の空間的な周期性を有さないことを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項1〜26のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第一窒化物半導体層群がハイドライド気相成長法または液相成長法のいずれかによって形成されていることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 請求項3〜27のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料であって、第一窒化物半導体層群と第二窒化物半導体層群は同じ成長装置を用いて連続して形成されたものであることを特徴とする窒化物半導体材料。
- 基板上に窒化物半導体結晶を成長させる際に、以下の(1)または(2)のうちの少なくとも1つを満たすように条件を設定することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
(1)結晶成長開始時は成長速度を30μm/h以上に設定する。
(2)結晶成長が進むにつれて成長速度を徐々に低下させる。 - 請求項29に記載の窒化物半導体結晶の製造方法であって、基板表面の法線に対して45〜90°の角度からガスを流すことにより、当該基板上に窒化物半導体結晶を成長させることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項30に記載の窒化物半導体結晶の製造方法であって、前記ガスの流れに対して上流側の基板端部の温度を下流側の基板端部の温度よりも高くすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項31に記載の窒化物半導体結晶の製造方法であって、上流側の基板端部と下流側の基板端部との温度差を、上流側端部と下流側端部との間の距離で除した値が0.5℃/cm〜10.0℃/cmであることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項29〜32のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶の製造方法であって、供給するガスの中に塩化水素ガスを含ませることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項33に記載の窒化物半導体結晶の製造方法であって、供給するガス中の塩化水素ガスの濃度を結晶成長が進むにつれて低下させることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006030950A JP2006261649A (ja) | 2005-02-21 | 2006-02-08 | 窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005080384 | 2005-02-21 | ||
JP2006030950A JP2006261649A (ja) | 2005-02-21 | 2006-02-08 | 窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006261649A true JP2006261649A (ja) | 2006-09-28 |
Family
ID=37100480
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006030950A Pending JP2006261649A (ja) | 2005-02-21 | 2006-02-08 | 窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006261649A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018116971A (ja) * | 2017-01-16 | 2018-07-26 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 半導体基板の製造方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002241198A (ja) * | 2001-02-13 | 2002-08-28 | Hitachi Cable Ltd | GaN単結晶基板及びその製造方法 |
JP2002329665A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体から成る単体基板の製造方法 |
JP2002343728A (ja) * | 2001-05-21 | 2002-11-29 | Nec Corp | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム結晶基板 |
JP2002542142A (ja) * | 1999-04-16 | 2002-12-10 | シービーエル テクノロジーズ インコーポレイテッド | 複合ガス導入システムおよび方法 |
JP2003510237A (ja) * | 1999-09-30 | 2003-03-18 | プロウテク アイエヌシー | ハイドライド気相エピタキシーとレーザビームを用いる窒化物単結晶基板の製造装置及び製造方法 |
JP2004530306A (ja) * | 2001-06-08 | 2004-09-30 | アドバンスト テクノロジー マテリアルズ,インコーポレイテッド | 高表面品質GaNウェーハおよびその製造方法 |
JP2005225756A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Technologies & Devices Internatl Inc | クラックフリーiii族窒化物半導体材料の製造方法 |
-
2006
- 2006-02-08 JP JP2006030950A patent/JP2006261649A/ja active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002542142A (ja) * | 1999-04-16 | 2002-12-10 | シービーエル テクノロジーズ インコーポレイテッド | 複合ガス導入システムおよび方法 |
JP2003510237A (ja) * | 1999-09-30 | 2003-03-18 | プロウテク アイエヌシー | ハイドライド気相エピタキシーとレーザビームを用いる窒化物単結晶基板の製造装置及び製造方法 |
JP2002241198A (ja) * | 2001-02-13 | 2002-08-28 | Hitachi Cable Ltd | GaN単結晶基板及びその製造方法 |
JP2002329665A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体から成る単体基板の製造方法 |
JP2002343728A (ja) * | 2001-05-21 | 2002-11-29 | Nec Corp | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム結晶基板 |
JP2004530306A (ja) * | 2001-06-08 | 2004-09-30 | アドバンスト テクノロジー マテリアルズ,インコーポレイテッド | 高表面品質GaNウェーハおよびその製造方法 |
JP2005225756A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Technologies & Devices Internatl Inc | クラックフリーiii族窒化物半導体材料の製造方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018116971A (ja) * | 2017-01-16 | 2018-07-26 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 半導体基板の製造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Baker et al. | Characterization of planar semipolar gallium nitride films on sapphire substrates | |
JP4462251B2 (ja) | Iii−v族窒化物系半導体基板及びiii−v族窒化物系発光素子 | |
US7981713B2 (en) | Group III-V nitride-based semiconductor substrate, group III-V nitride-based device and method of fabricating the same | |
JP2022160588A (ja) | Iii族金属窒化物結晶およびその形成方法 | |
CN101410950B (zh) | 使用纳米结构柔性层和hvpe制造高质量化合物半导体材料的生长方法 | |
CN101949058B (zh) | Iii族氮化物半导体自立基板及其制造方法、iii族氮化物半导体装置及其制造方法 | |
KR101066135B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 화합물 반도체 적층 구조체 | |
US8963165B2 (en) | Nitride semiconductor structure, nitride semiconductor light emitting element, nitride semiconductor transistor element, method of manufacturing nitride semiconductor structure, and method of manufacturing nitride semiconductor element | |
US20070176199A1 (en) | Nitride-based group III-V semiconductor substrate and fabrication method therefor, and nitride-based group III-V light-emitting device | |
KR20110088483A (ko) | GaN 단결정 기판의 제조 방법 및 GaN 단결정 기판 | |
JP2009132613A (ja) | Iii−v族窒化物系半導体基板及びその製造方法、iii−v族窒化物系半導体デバイス、iii−v族窒化物系半導体基板のロット | |
JP4691911B2 (ja) | Iii−v族窒化物系半導体自立基板の製造方法 | |
US20070215901A1 (en) | Group III-V nitride-based semiconductor substrate and method of fabricating the same | |
WO2002023604A1 (fr) | Materiau de base semi-conducteur et procede de fabrication dudit materiau | |
JP4380294B2 (ja) | Iii−v族窒化物系半導体基板 | |
JP2009147271A (ja) | 基板製造方法およびiii族窒化物半導体結晶 | |
KR20150052275A (ko) | 특정한 결정학적 특징을 갖는 iii-v족 기판 물질 및 제조 방법 | |
JP6704387B2 (ja) | 窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びに半導体デバイス及びその製造方法 | |
US20100105159A1 (en) | Nitride semiconductor single crystal substrate, and methods of fabricating the same and a vertical nitride semiconductor light emitting diode using the same | |
US20090026488A1 (en) | Nitride semiconductor material and production process of nitride semiconductor crystal | |
JP2005340747A (ja) | Iii−v族窒化物系半導体基板及びその製造方法、iii−v族窒化物系半導体デバイス、iii−v族窒化物系半導体基板のロット | |
JP2002329665A (ja) | 窒化物半導体から成る単体基板の製造方法 | |
JP5120285B2 (ja) | Iii−v族窒化物系半導体自立基板の製造方法 | |
JP2015032730A (ja) | 窒化物半導体構造およびそれを製造する方法 | |
JP2006261649A (ja) | 窒化物半導体材料および窒化物半導体結晶の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090109 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090508 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110705 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20111101 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |