JP2007070154A - Iii−v族窒化物系半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SiドープGaN厚膜12は、図示しないサファイア基板上に、アンドープ部13、Siドープ部14を順次エピタキシャル成長させた後、サファイア基板から剥離して得られ、SiドープGaN厚膜12の両面をそれぞれ100μmづつ研磨することにより厚さ400μmのGaN自立基板15が得られる。
【選択図】 図1
Description
図14は、GaNにSiを均一にドーピングした場合のSiドーピング濃度とGaN基板の反りとの関係について調べた結果である。この結果より、GaN結晶中のSi濃度が高いほど反りが大きくなることが分かる。
図15は、ドーピング濃度を一定(5×1018cm−3)とし、ドーピング層を表面側に形成した場合のドーピング層の厚さと反りとの関係について調べた結果である。この結果より、ドーピング層が厚いほど大きな反りを生じることが分かる。
図16は、Siドーピング濃度を5×1018cm−3とし、ドープ層の厚さを100μmとした場合のドーピング開始位置と反りとの関係について調べた結果である。この結果より、ドーピングの厚さ方向の位置によって反りが異なり、種基板に近い位置にドーピングを行うと反りが急激に大きくなることが分かる。
(第1の実施形態の構成)
図1(a)は、本発明の第1の実施形態のSiドープGaN厚膜を示すものである。
このSiドープGaN厚膜12は全体の厚さ(t0)が600μmで、不純物がドーピングされていないアンドープ部13(厚さ(t1):300μm)と、その上に形成されSiが所定の濃度にドーピングされたSiドープ部14(厚さ(t2):300μm)とからなっている。
Siドープ部14のSi濃度(抵抗率)は、1×1018以上7×1018cm−3以下(抵抗率0.02Ωcm以下)とするのが好ましい。1×1018cm−3より小さいとデバイス裏面に接触抵抗の充分に小さい電極を形成することができず、7×1018cm−3を超えると反りや結晶性に悪影響を与えるからである。
GaN自立基板15は、図1(a)のように予め600μmの厚さに成長させた後,研磨等の手段によって所望の厚さ(この例では400μm)に仕上げても良いし、最初から400μmの厚さになるように結晶成長させても良い。
GaN自立基板を発光デバイスに用いる場合、発光波長に対する光吸収が小さいほど発光効率が有利となる。
図2に、Siドーピング濃度と基板の吸収係数との関係を示す。この結果より、GaNのバンドギャップエネルギである3.4eV以下のエネルギーの光に対する吸収係数はドーピング濃度とともに増大することが分かる。
発光デバイスを作製する際、GaN自立基板15は100〜200μmの厚さまでバックラップされるが、本実施形態では、図1(b)に示すように、このバックラップされる部分をSiがドープされていないアンドープ部13(厚さ200μm)としている。このため、発光デバイスに実際使用される必要最小部分のみにSiをドーピングしているので、波長380nm以上の光に対する吸収係数を5cm−1未満と低くすることができる。
図3に、Siドーピング濃度と基板の熱伝導率との関係を示す。この結果より、ドーピング濃度が大きくなるほど、基板の熱伝導率は低下することが分かる。熱伝導率が低下すると、エピタキシャル成長時の基板の温度均一性に悪影響を与え、基板が大面積であるほど特に顕著な問題となる。
本実施形態のGaN自立基板15は、デバイス形成プロセスでバックラップされる部分をSiがドープされていないアンドープ部13(厚さ200μm)としている(図1(b))。このため、実際使用される必要部分のみにSiをドーピングしてGaN自立基板中のドーピングする領域を必要最小限にしているので、熱伝導率の低下を防止して、GaN自立基板15全体の平均熱伝導率を1.9W/cmKより大きくすることができる。
(1)通常の方法でGaN厚膜全体にドーピングを行うと、高濃度になるほど反りが大きくなり、結晶方位のばらつきが大きくなってしまうが、本実施形態では、エピタキシャル成長時に厚さt1、t2、及びその比t2/t1を所定の範囲とすることによりGaN厚膜中の所定の箇所のみにドーピングを行っているので、反りを低減することができる。従って、同じドーピング濃度であれば結晶方位分布のばらつきをより小さくでき、同じ結晶方位分布のばらつきであればよりドーピング濃度を高くすることができる。具体的には、直径が25mm以上で結晶方位分布を±0.3度以下として結晶方位のばらつきを小さく抑えたGaN自立基板を製造できる。このため、この上に発光デバイスを作製すると、波長の面内分布が大幅に改善されるため、非常に高い歩留まりを実現することができる。
(2)デバイス形成層(表面の層)の電気抵抗率を0.02Ωcm以下とできるので、素子の動作電圧を充分に小さくし、かつ良好なオーム性の電極形成が可能となる。
(3)デバイス形成プロセスにおいてバックラップされる部分にはドーピングを行わずに必要最小限の箇所にドーピングしているので、波長380nm以上の光に対する吸収係数を5cm−1未満とできる。このため、発光波長に対する光吸収が小さくエネルギー効率が良好な発光デバイスの形成が可能となる。
(4)デバイス形成プロセスにおいてバックラップされる部分にはドーピングを行わずに必要最小限の箇所にドーピングしているので、基板全体の熱伝導率を1.9W/cmKより大きくすることができる。このため、基板上にGaN等をエピタキシャル成長させる際に、基板の温度分布が均一となり、均一なエピタキシャル層の形成が可能となる。
(第2の実施形態の構成)
図4(a)は、本発明の第2の実施形態のSi,TlドープGaN厚膜を示すものである。
このSi,TlドープGaN厚膜22は全体の厚さが600μmで、不純物がドーピングされていないアンドープ部23(厚さ300μm)と、その上に形成されSi及びTlが所定の濃度にドーピングされたSi,Tlドープ部24(厚さ300μm)とからなっている。
(第3の実施形態の構成)
図5(a)は、本発明の第3の実施形態のSi,BドープGaN厚膜を示すものである。
このSi,BドープGaN厚膜32は全体の厚さが600μmで、Bが所定の濃度にドーピングされたBドープ部33(厚さ300μm)と、その上に形成されSiが所定の濃度にドーピングされたSiドープ部34(厚さ300μm)とからなっている。
(第4の実施形態の構成)
図6(a)は、本発明の第4の実施形態のGe,BドープGaN厚膜を示すものである。
このGe,BドープGaN厚膜42は全体の厚さが600μmで、Bが所定の濃度にドーピングされたBドープ部43(厚さ250μm)と、その上に形成されBとGeの濃度が厚さ方向に漸次変化した漸次部44(厚さ50μm)と、その上に形成されGeが所定の濃度にドーピングされたGeドープ部45(厚さ300μm)とからなっている。
図7(a)は、本発明の第5の実施形態のGeドープGaN厚膜を示すものである。
このGeドープGaN厚膜52は全体の厚さが600μmで、不純物がドーピングされていないアンドープ部53(厚さ200μm)と、その上に形成されBが高濃度にドーピングされた高Geドープ部54(厚さ10μm)と、その上に形成されGeが高Geドープ部54より低濃度にドーピングされたGeドープ部55(厚さ390μm)とからなっている。
(SiをGaN厚膜全域にドープした例)
図8を参照して、SiをGaN厚膜全域にドープした例を説明する。
まず、直径2インチのc面単結晶サファイア基板上1にHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法によって厚さ600μmのSiドープGaN厚膜2を成長させた(図8(a))。
このHVPE法に用いたHVPE炉は、III族元素のハロゲン化物であるGaCl3を基板に輸送できる装置であり、GaCl3は、H2もしくはN2といったキャリアガスとともに供給されるHClとGa金属との反応で生成される。基板領域で、GaCl3とNH3とが混合し、反応しながら基板上にGaNが気相成長する。基板領域の温度は電気炉で1050℃に設定した。また、原料となるGaCl3分圧、NH3分圧を基板領域でそれぞれ、5×10−4atm、5×10−3atmとした。また、Siのドーピングは、SiH2Cl2を用いて行った。このとき、成長開始から終了まで全ての厚さにわたってドーピングを行った。後のSIMS分析により、このときのSi濃度は7×1018cm−3であることが分かった。
(SiをGaN厚膜の所定の領域にドープした例)
図9に示すように、従来例と同様にして、サファイア基板上11に厚さ600μmのSiドープGaN厚膜12を成長させた。ただし、成長開始から300μmまではドーピングを行わずアンドープ部13とし、300μmから600μmまでに比較例と同じSiドープを行いSiドープ部14とした(図9(a))。
この基板の方位分布をX線によって測定してみると、φ2"面内で最大でも±0.2度の方位分布であり、比較例に比べて大幅に改善されていることが分かった。同条件で作製した基板のc軸方向の光吸収係数および熱伝導率はそれぞれ4.4cm−1(λ=382nm)、1.94W/cmKであり、比較例の場合に比べて改善されていた。また、ドーピング実施部の電気抵抗率は0.004Ωcmであり、従来例と同等の低抵抗率であった。
(SiとTlを同時にGaN厚膜の所定の領域にドープした例)
図10に示すように、従来例と同様にして、サファイア基板21上に厚さ600μmのSi,TlドープGaN厚膜22を成長させた。ただし、成長開始から300μmまではドーピングを行わずアンドープ部23とし、300μmから600μmまでにSiとTlを同時に添加したSi,Tlドープ部24とした(図10(a))。Siの添加量は比較例と同様であり、Tlの添加量は1.5×1018cm−3とした。
この基板の方位分布をX線によって測定してみると、φ2"面内で最大でも±0.05度の方位分布であり、従来例に比べて大幅に改善されていることが分かった。同条件で作製した基板のc軸方向の光吸収係数および熱伝導率はそれぞれ4.8cm−1(λ=382nm),1.92W/cmKであり、比較例の場合に比べて改善されていた。また、ドーピング実施部の電気抵抗率は0.007Ωcmと、充分に小さかった。
(GaN厚膜にSiドープ部とBドープ部を別々に形成した例)
図11に示すように、従来例と同様にしてサファイア基板31上に厚さ600μmのSi,BドープGaN厚膜32を成長させた。ただし、成長開始から300μmまでの部分にBを5×1018cm−3の濃度で添加してBドープ部33とし、300μmから600μmまでの部分には実施例1と同様のSiドープを行ってSiドープ部34とした(図11(a))。
この基板の方位分布をX線によって測定してみると、φ2"面内で最大でも±0.05度の方位分布であり、従来例に比べて大幅に改善されていることが分かった。同条件で作製した基板のc軸方向の光吸収係数および熱伝導率はそれぞれ4.7cm−1(λ=382nm)、1.93W/cmKであり、従来例の場合に比べて改善されていた。また、Siドーピング実施部の電気抵抗率は0.004Ωcmと、従来例と同等の低抵抗率であった。
(GaN厚膜中のGe濃度とB濃度を漸次的に変化させた例)
図12に示すように、従来例と同様にしてサファイア基板41上に厚さ600μmのGe,BドープGaN厚膜42を成長させた。ただし、成長開始から250μmまでの部分にBを5×1018cm−3の濃度で添加して、Bドープ部43とした。また、250μmから300μmまでの漸次部44では、Bのドーピング量を徐々に減らして厚さが300μmに到達したところでゼロになるようにする一方で、厚さ250μmからGeを徐々に濃度を増加させながら添加し、厚さが300μmの部分でGe濃度が7×1018cm−3になるようにした。更に、厚さが300−600μmの部分ではGeを7×1018cm−3の濃度になるように添加してGeドープ部45とした(図12(a))。
(GeをGaN厚膜の所定の領域に高濃度にドープした例)
図13に示すように、従来例と同様にしてサファイア基板51上に厚さ600μmのGeドープGaN厚膜52を成長させた。ただし、成長開始から200μmまでの部分はアンドープ部53とし、200μmから210μmまでの間ではGeを7×1018cm−3の高濃度で添加した高Geドープ部54とした。残りの部分のGe濃度は1×1018cm−3としてGeドープ部55とした(図13(a))。
この状態でダイシングによって300μm角のチップに切り分け、その両面に電極を形成した。このチップの動作電圧は4Vであり、高Geドープ層の無い場合に比べて約30%低減することができた。
2 SiドープGaN厚膜
3 GaN自立膜
4,15,25,35,46,56 GaN自立基板
12 SiドープGaN厚膜
13,23 アンドープ部
14 Siドープ部
22 Si,TlドープGaN厚膜
24 Si,Tlドープ部
32 Si,BドープGaN厚膜
33 Bドープ部
34 Siドープ部
42 Ge,BドープGaN厚膜
43 Bドープ部
44 漸次部
45 Geドープ部
52 GeドープGaN厚膜
53 アンドープ部
54 高Geドープ部
55 Geドープ部
57 エピタキシャル層
Claims (13)
- 同一組成からなるIII−V族窒化物系半導体厚膜内に、所定の不純物濃度を含有する第1の領域と、該第1の領域より低い不純物濃度を含有する第2の領域とを設けたことを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板。
- 前記III−V族窒化物系半導体厚膜がGaN厚膜であり、前記第1の領域にはSiを1×1018以上7×1018cm−3以下添加したものであり、前記第2の領域が不純物を添加していないものであることを特徴とする請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体基板。
- 同一組成からなるIII−V族窒化物系半導体厚膜内に、抵抗率を調整するための第1の不純物と、それによる格子の歪みを補償するための第2の不純物とを添加したものであることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板。
- 前記第1の不純物と前記第2の不純物とを前記III−V族窒化物系半導体厚膜内の所定の領域に同時に添加したものであることを特徴とする請求項3記載のIII−V族窒化物系半導体基板。
- 前記第1の不純物と前記第2の不純物とを前記III−V族窒化物系半導体厚膜内の異なる領域にそれぞれ添加したものであることを特徴とする請求項3記載のIII−V族窒化物系半導体基板。
- 前記III−V族窒化物系半導体厚膜の表面側に前記第1の不純物を添加した第1の領域が形成され、
前記III−V族窒化物系半導体厚膜の裏面側に前記第2の不純物を添加した第2の領域が形成され、
前記第1の領域と前記第2の領域との間に、前記第1の不純物と前記第2の不純物の濃度が漸次的に変化する第3の領域が形成されていることを特徴とする請求項3記載のIII−V族窒化物系半導体基板。 - 同一組成からなるIII−V族窒化物系半導体厚膜の表面側に、所定の不純物濃度を含有する第1の領域が100μm以上の厚さに形成され、
前記III−V族窒化物系半導体厚膜の裏面側に、前記第1の領域より低い不純物濃度を含有する第2の領域が形成され、
前記第1の領域と前記第2の領域との間に、前記第1の領域より高い不純物濃度を含有する第3の領域が50μm以下の厚さに形成されていることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板。 - サファイア基板上に、III−V族窒化物系半導体厚膜をエピタキシャル成長後、前記サファイア基板を削除して前記厚膜の片面又は両面を研磨することによりIII−V族窒化物系半導体基板とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法において、
前記エピタキシャル成長は、不純物が添加されていない領域を形成する第1の工程と、不純物を一定濃度添加する領域を形成する第2の工程とからなり、
前記第1の工程で形成する領域の厚さをt1とし、前記第2の工程で形成する領域の厚さをt2としたときに、t2/t1を0.01以上1.5以下とするようにエピタキシャル成長させることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。 - 前記t1が300μm以上500μm以下であり、前記t2が300μm以下であることを特徴とする請求項8記載のIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。
- サファイア基板上に、III−V族窒化物系半導体厚膜をエピタキシャル成長後、前記サファイア基板を削除して前記厚膜の片面又は両面を研磨することによりIII−V族窒化物系半導体基板とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法において、
前記エピタキシャル成長は、不純物が添加されていない領域を形成する第1の工程と、
抵抗率を調整するための不純物と、それによる格子の歪みを補償するための異種の不純物とを同時に添加した領域を形成する第2の工程とからなることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。 - サファイア基板上に、III−V族窒化物系半導体厚膜をエピタキシャル成長後、前記サファイア基板を削除して前記厚膜の片面又は両面を研磨することによりIII−V族窒化物系半導体基板とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法において、
前記エピタキシャル成長は、不純物添加による格子の歪みを補償するための異種の不純物を添加した領域を形成する第1の工程と、
抵抗率を調整するための不純物を添加した領域を形成する第2の工程とからなることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。 - サファイア基板上に、III−V族窒化物系半導体厚膜をエピタキシャル成長後、前記サファイア基板を削除して前記厚膜の片面又は両面を研磨することによりIII−V族窒化物系半導体基板とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法において、
前記エピタキシャル成長は、不純物添加による格子の歪みを補償するための異種の不純物を所定濃度添加した領域を形成する第1の工程と、
前記格子の歪みを補償するための異種の不純物を漸次的に減少させると共に、抵抗率を調整するための不純物を漸次的に増加させる領域を形成する第2の工程と、
前記抵抗率を調整するための不純物を所定濃度添加した領域を形成する第3の工程とからなることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。 - サファイア基板上に、III−V族窒化物系半導体厚膜をエピタキシャル成長後、前記サファイア基板を削除して前記厚膜の片面又は両面を研磨することによりIII−V族窒化物系半導体基板とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法において、
前記エピタキシャル成長は、不純物が添加されていない領域を形成する第1の工程と、
不純物を所定濃度添加した領域を50μm以下の厚さに形成する第2の工程と、
前記不純物を前記第2の工程で添加した濃度よりも低い濃度で添加した領域を100μm以上の厚さに形成する第3の工程とからなることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。
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