JP2009007241A - GaN系窒化物半導体自立基板の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板を準備する工程と、該基板上にGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程と、GaNドット及びNH4Cl層上に低温GaNバッファ層を形成する工程、低温GaNバッファ層上にGaN系窒化物半導体層を形成する工程と、基板温度を常温に戻すことによりGaN系窒化物半導体層を基板より自然剥離させる工程とを含む、GaN系窒化物半導体自立基板の作製方法である。
【選択図】図14
Description
転位密度を減少させるために多様なバッファ層を使い、LEO(lateral epitaxial overgrowth)、PENDEOエピタシーなどの選択成長や横方向成長技術を用いて低欠陥薄膜成長が可能になった。
以上纏めると従来のGaN系の自立基板は複雑なプロセスによって、低歩留まりと高価という大きな問題がある。
(2)上記基板は、サファイア基板であることを特徴とする(1)に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(3)上記基板上にGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程の前に、基板表面を窒化しAlNXO1−X(0<X≦1)を局部的に形成する工程を含むことを特徴とする(2)に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(4)上記GaNドット及びNH4Cl層を形成する工程は、Gaガス雰囲気中でHCl及びNH3をフローすることによりGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程であることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(5)上記GaNドットは、c軸方向に揃えられていることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(6)上記低温バッファ層は、GaN、AlN、InN、BN、及びこれらの混晶半導体のうちのいずれかを構成材料とする層であることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれかに記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(7)上記低温バッファ層は、400℃以上800℃以下の温度で形成することを特徴とする(1)乃至(6)のいずれかに記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
(8)上記各工程は、単一のHVPE装置内で連続して行うことを特徴とする(1)乃至(7)のいずれかに記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
本実施例では、次の1)から5)の工程を基本とする。
1)サファイア基板の高温窒化工程
2)NH4Cl層とGaNドット形成工程
3)低温GaNバッファ層の成長工程
4)高温厚膜GaN層の形成工程
5)GaN自立基板のセルフリフトオフ工程
そして本実施例では1)〜5)の工程を経て、c面成長したGaN自立基板が得られる。
以下上記1)〜5)の工程について詳細に説明する。
本工程は、HVPE反応炉でサファイア基板の高温窒化処理によってサファイア基板の表面に局部的に、AlNXO1−X(0<X≦1)を形成する工程である。
図1に、HVPE反応炉の中でサファイア基板をNH3ガス雰囲気で高温窒化処理によって局部的に形成されたAlNXO1−X(0<X≦1)の模式図を示す。AlNXO1−Xは次の工程で行われるGaNドット形成のシード層の役割を果たす。
本工程は、工程1)により窒化処理したサファイア基板上にNH4Cl層とGaNドットを形成する工程である。図2に、形成されたGaNドット及びNH4Cl層を示す。本工程は、工程1)の窒化工程に連続して行われる。基板の温度を1080℃から500℃まで下げ、Gaボートの温度は450℃に設定した。
図4は、NH4Cl層のω−2θXRD結果を示す。図4から分かるように、多結晶状態の(100)、(110)、(200)、(220)のピークとGaNドットからの(0002)ピークが観察された。
図5は、エッチング後のサファイア基板表面のSEM写真である。200 nmのGaNドットが均一に分布していることが分かった。このエッチング後のサファイア基板表面のXRD結果を図6に示す。エッチングによってNH4Clのピークが完全に消え、少量の単結晶状態のc軸に揃えたGaNによる(0002)ピークだけが観察された。
本工程は、工程2)で形成されたGaNドットを含めたNH4Cl層の上に低温バッファ層を成長する工程である。これはNH4Cl層の形成温度より高い温度で低温バッファ層を成長させることにより、基板温度の増加によるNH4Cl層の合成を抑え、高温GaN層のシード層を形成するものである。
図7に、NH4Cl層の上にNH4Cl層の形成温度より高い温度で形成された低温GaNバッファ層を模式的に示す。
低温バッファ層は、400℃以上800℃以下の温度で形成することができる。
ただし、GaN低温バッファー層の形成温度に関しては、500℃〜600℃の温度範囲がより望ましい。
なおNH4Cl層の沸点(boiling temperature)は520℃であり、この温度以上では、NH4Clを合成する量が急激に減少し、サファイア基板上に形成するGaN成長比率が上がる。
図8は、端面SEM写真を示している。低温バッファ層の厚さは2.3ミクロンであり、成長条件はHCl流量:40sccm、NH3流量:1L/min、キャリア窒素ガスの流量: 2.5L/minである。写真の一部ではGaNドットが観察された。
図9は、低温GaNバッファ層のω−2θXRD結果を示している。多結晶状態のNH4Clピークと共にc軸に揃えたGaNドットを含めた低温GaNバッファ層の(0002)ピークを示している。
本工程は、工程2)と工程3)で形成されたバッファ層の上に厚膜高温GaN層を形成するために、成長温度を1040℃へ上げて厚膜GaN層を形成する工程である。この時1040℃の成長温度で熱処理効果があり、NH4Cl層の完全な分解に伴い、界面で多数のボイドが形成される。
図10は、低温バッファ層の上に高温厚膜GaN層が形成されるとともに、温度上昇中界面ではボイドが形成されていることを模式的に示す。
図11に好ましいボイドの写真を示す。これは、高温厚膜GaN層の形成前に低温バッファ層を550℃で180nm形成した場合のものである。
また熱処理効果によって工程2)と工程3)をとおして形成されたバッファ層の厚さは、1.2ミクロンまで減少した。
図13は、この試料のω−2θXRD結果を示している。工程2)で形成されたNH4Cl層は完全に分解され、NH4Cl層のピークは観察されない、GaNバッファ層の(0002)ピークのみが観察された。即ち、熱処理によってNH4Cl層の分解が間接的に分かる。熱処理は、1040℃、NH3雰囲気で10分間行われた。
図14は、基板温度を室温へ冷却中における界面からの分離によるセルフリフトオフを模式的に示している。
本工程は、高温厚膜GaNを成長し、基板温度を室温まで下げる時、界面でストレスの緩和に伴う自然剥離によりGaN自立基板を作製する工程である。
また、図18はGaN自立基板のPL結果を示している。ドナー−アクセプター対発光(donor-bound exciton)ピーク(3.4718 eV)は、ストレインフリーバルク結晶の発光位置と同位置であることが分かった。
サファイア基板上のNH4Cl層の形成のみでは良質なGaN成長は難しくなる。このような問題を解決するためにはHVPEでは殆ど使われてないGaNドットと低温GaNバッファ層を用いることで良質なGaN結晶成長が可能になった。
また、選択的に形成されたGaNドットはボイド形成によって自然冷却中サファイア基板と厚膜GaNが自然リフトオフされ、付加的なプロセスなしで簡単にサファイア基板を分離させることが可能となる。
例えば自立基板としてGaNを例示したが、AlGaN、InGaNといったGaN系窒化物半導体についても本発明は適用できる。
また低温バッファ層としてGaNバッファ層を例示したが、AlN、InN、BN、及びそれらの混晶半導体のうちのいずれかであってもよい。
Claims (8)
- 基板を準備する工程と、該基板上にGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程と、GaNドット及びNH4Cl層上にIII-V族窒化物半導体からなる低温バッファ層を形成する工程と、低温バッファ層上にGaN系窒化物半導体層を形成する工程と、基板温度を常温に戻すことによりGaN系窒化物半導体層を基板より自然剥離させる工程とを含む、GaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項1に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記基板上にGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程の前に、基板表面を窒化しAlNXO1−X(0<X≦1)を局部的に形成する工程を含むことを特徴とする請求項2に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記GaNドット及びNH4Cl層を形成する工程は、Gaガス雰囲気中でHCl及びNH3をフローすることによりGaNドット及びNH4Cl層を形成する工程であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記GaNドットは、c軸方向に揃えられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記低温バッファ層は、GaN、AlN、InN、BN、及びこれらの混晶半導体のうちのいずれかを構成材料とする層であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記低温バッファ層は、400℃以上800℃以下の温度で形成することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
- 上記各工程は、単一のHVPE装置内で連続して行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のGaN系窒化物半導体自立基板の作製方法。
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