JP2009065025A

JP2009065025A - 化合物半導体基板

Info

Publication number: JP2009065025A
Application number: JP2007232632A
Authority: JP
Inventors: Jun Komiyama; 純小宮山; Shunichi Suzuki; 俊一鈴木; Hideo Nakanishi; 秀夫中西; Tomonori Uchimaru; 知紀内丸; Hideyuki Kanai; 秀之金井; Minoru Osada; 実長田
Original assignee: National Institute for Materials Science; Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK; National Institute for Materials Science
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】ラマン分光法を用いた簡易な応力測定方法を見出し、これに基づいて、ＧａＮ活性層を有する化合物半導体基板において、バッファ層における応力を制御し、全体として応力フリーの化合物半導体基板を提供する。
【解決手段】厚さ１００〜１０００μｍの六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、単結晶Ｓｉ上に立方晶ＳｉＣ層が形成されたもののうちのいずれかからなる台基板１上に、バッファ層２、厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ活性層３を順次積層し、前記バッファ層２を、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ‐１の上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦０．３）２ｂ‐１が形成され、さらに、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２ａ‐ｎおよび厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ＜０．５）２ｃ‐ｎの２層を１組としたものが１〜５００組積層されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光デバイス、電子デバイス等の製造に用いられる窒化ガリウム系化合物半導体基板に関する。

窒化ガリウムは、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。

従来、低コストの基板上に、窒化物等の単結晶膜をヘテロエピタキシャル成長させた化合物半導体デバイスとしては、例えば、特許文献１等に記載されているような、Ｓｉ基板上に窒化物半導体のバッファ層を積層し、その上に、窒化物半導体による高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）構造を形成したものが知られている。

一方、窒化ガリウム膜の結晶性の評価には、ラマン分光法が用いられており、例えば、特許文献２には、窒化ガリウム系半導体発光素子の積層構造の全層にわたる平均的なＥ２フォノンモードのラマンシフト量を測定することにより、平均的な格子歪み量を評価する方法が開示されている。
特開２００３−５９９４８号公報特開２００５−３２２９４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような窒化ガリウム系化合物半導体デバイスについて、従来は、各層を構成する化合物半導体の結晶の格子定数の相違に基づいて生じる応力の測定は容易ではなく、したがって、その応力を十分に制御することは困難であった。

化合物半導体基板においては、それぞれ組成が異なる単結晶層により形成された積層構造は、各層間で生じる応力の相違が大きいと、基板にクラックが生じやすくなり、デバイス形成時等において歩留低下を招くという課題を有していた。
したがって、基板に応力が生じないようなバッファ層構造の制御が求められていた。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、ラマン分光法を用いた簡易な応力測定方法を見出し、これに基づいて、ＧａＮ活性層を有する化合物半導体基板において、バッファ層における応力を制御し、全体として応力フリーの化合物半導体基板を提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体基板は、厚さ１００〜１０００μｍの台基板上に、バッファ層および厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ活性層が順次積層されている化合物半導体基板であって、前記台基板が、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、単結晶Ｓｉ上に立方晶ＳｉＣ層が形成されたもののうちのいずれかからなり、前記バッファ層は、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）の上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦０．３）が形成され、さらに、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）および厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ＜０．５）の２層を１組としたものが１〜５００組積層されてなることを特徴とする。
このような層構成により、バッファ層における応力制御がなされ、全体としてほぼ応力フリーの窒化ガリウム系化合物半導体基板とすることができる。

前記化合物半導体基板においては、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層がＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、前記Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層がＧａＮ（ｚ＝０）であることが好ましい。
このような構成によれば、各層の組成構成の制御が比較的容易であり、効率的に応力制御を行うことができる。

また、前記台基板は、導電性、強度向上およびコスト削減等の観点から、六方晶ＳｉＣであることが好ましい。

また、前記ＧａＮ活性層およびバッファ層は、各層の破断面に単色光を照射したときの散乱光のラマン分光スペクトルのＥ_2Hピークがいずれも、波数５６８±２ｃｍ^-1以内であることが好ましい。
ラマン分光法によるＥ_2Hピークが上記範囲内に現れる場合、応力がほとんど生じていない窒化ガリウム系化合物半導体基板が得られる。

上述したとおり、本発明によれば、バッファ層における応力が制御され、全体として応力がほとんど生じていない窒化ガリウム系化合物半導体基板を提供することができる。
したがって、本発明に係る化合物半導体基板は、デバイス形成工程においても、基板に生じた応力に伴うクラックの発生がなく、デバイス素子の品質および歩留の向上に寄与し得るものである。

以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に本発明に係る化合物半導体基板の層構成の概略を示す。
図１に示す化合物半導体基板は、台基板１上に、バッファ層２およびＧａＮ活性層３が順次積層されている化合物半導体基板である。そして、前記台基板１は、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、単結晶Ｓｉ上に立方晶ＳｉＣ層が形成されたもののうちのいずれかからなり、かつ、前記バッファ層２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ‐１の上に、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦０．３）２ｂ‐１が形成され、さらに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ‐ｎおよびＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ＜０．５）２ｃ‐ｎの２層を１組としたものが１〜５００組積層されてなるものである。
このような層構成とすることにより、バッファ層における応力制御がなされ、全体として応力がほとんど生じていない窒化ガリウム系化合物半導体基板が得られる。

前記化合物半導体基板においては、上記のように、台基板１には、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、単結晶Ｓｉ上に立方晶ＳｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ）層が形成されたもののうちのいずれかが用いられる。これらの中でも、導電性、強度向上およびコスト削減等の観点から、六方晶ＳｉＣであることが好ましい。

前記台基板の厚さは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。
前記厚さが１００μｍ未満である場合、薄すぎて、十分な機械的強度が得られない。
一方、前記厚さが１０００μｍを超える場合、コスト高となり、好ましくない。

前記バッファ層２は、まず、前記台基板１の直上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ‐１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦０．３）２ｂ‐１が１組目のバッファ層として形成される。
前記１組目のバッファ層の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ‐２およびＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ＜０．５）２ｃ‐２の２層が２組目として形成される。そして、前記２組目と同様の層構成の組が、繰り返し積層される。
このように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層と、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層もしくはＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層とは、異なる組成であり、このような層を交互に複数層積層させることにより、両層の相互作用による結晶格子の相違に起因して生じる応力の緩和効果が得られる。
ここで、１組目のバッファ層は、台基板に最も近く、台基板に影響される応力を考慮し、組成の急激な変化を抑制するため、その２層目のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２ｂ‐１の組成を０．２≦ｙ≦０．３とする。

また、前記バッファ層においては、各層の組成構成の制御を容易とし、効率的に応力制御を行う観点から、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２ａ‐ｎがＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、前記Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層２ｃ‐ｎがＧａＮ（ｚ＝０）であることが好ましい。すなわち、１層目のＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）２ａ−１は、ＡｌＮ単結晶層であり、２組目以降のバッファ層は、ＡｌＮ単結晶層とＧａＮ単結晶層とが交互に繰り返されている構成であることが好ましい。

前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層およびＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層は、十分な応力緩和効果を得るため、厚さは、それぞれ、３〜２５０ｎｍとし、また、２組目以降の層構成の組は、１〜５００組繰り返し積層されることが好ましい。
各層が薄すぎたり、積層数が少なすぎると、十分な応力緩和効果が得られない。
一方、各層が厚すぎたり、積層数が多すぎる場合、コスト高となり、好ましくない。
前記バッファ層の厚さおよび積層数は、その上に形成されるＧａＮ層の厚さ等を考慮して、上記範囲内において、後述するラマン分光法を用いた応力測定法を利用して、適宜、最適化することができる。

前記バッファ層２上に形成されるＧａＮ活性層３は、厚さ０．５〜５μｍであることが好ましい。
前記厚さが０．５μｍ未満である場合、ＧａＮ活性層はデバイスの仕様を十分に満たすことができない。
一方、前記厚さが５μｍを超える場合、コスト高となり、好ましくない。
前記ＧａＮ活性層は、目的とするデバイスの種類によって最適な厚さが異なり、所望の厚さに応じて、前記バッファ層の構造は、最適化する必要がある。

前記ＧａＮ活性層およびバッファ層においては、ラマン分光スペクトルのＥ_2Hピーク位置と該化合物半導体基板における応力とは相関性があり、Ｅ_2Hピークの波数が小さい側へシフトしている場合は、強い引っ張り応力により、クラックが発生しやすくなる。
一方、ピーク波数が大きい側へシフトしている場合は、強い圧縮応力により、クラックが発生しやすくなる。
また、ＧａＮ活性層のみ、または、バッファ層のみのＥ_2Hピークが制御されている場合も、クラックが発生しやすい。このため、ＧａＮ活性層およびバッファ層の両方において、Ｅ_2Hピークの波数が制御されている必要がある。

したがって、前記ＧａＮ活性層およびバッファ層は、各層の破断面に単色光を照射したときの散乱光のラマン分光スペクトルのＥ_2Hピークがいずれも、波数５６８±２ｃｍ^-1以内、好ましくは、５６８±１ｃｍ^-1以内であることが好ましく、これを層構成の最適化を図る上での基準とすることができる。
すなわち、ラマン分光法によるＥ_2Hピークが上記範囲内に現れる場合、ほぼ応力フリーの窒化ガリウム系化合物半導体基板が得られる。
なお、ここで照射する単色光は、可視光域または紫外光域のものであることが好ましい。

前記単色光を照射する際は、前記ＧａＮ活性層の上面から照射すると、例えば、ＧａＮ活性層が薄い場合等は、励起光が層の厚さ方向の深い部分にまで到達し、この深い部分、すなわち、ＧａＮ活性層の下層のバッファ層等の影響を受け、各層について正確な散乱光の分光スペクトルの測定が困難となる。
このため、基板を劈開した破断面に励起光を照射して測定することにより、ＧａＮ活性層の表面や各層の界面近傍等における局所的な分光スペクトルの測定が可能となり、応力測定を詳細に行うことができる。
なお、前記破断面は、鏡面研磨やエッチング等の処理を施すと、２次的な応力が発生するおそれがあるため、未処理のまま測定に用いることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例］
まず、厚さ２５０μｍのＳｉＣ単結晶基板上を、Ｈ₂ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、原料としてトリメチルアルミニウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層としてのＡｌＮ（ｘ＝１）を形成した。
次に、原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（ｙ＝０．２）を積層させた。
さらに、上記と同様にして、厚さ１０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層としてのＡｌＮ（ｘ＝１）を形成し、この上に、原料としてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１０ｎｍのＡｌ_ZＧａ_1-ZＮ単結晶層としてのＧａＮ（ｚ＝０）を積層させ、これを交互に４９組繰り返し積層して、厚さ１μｍのバッファ層を形成した。
前記バッファ層上に、原料ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１μｍのＧａＮ活性層を形成し、化合物半導体基板を作製した。
なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。

また、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層において、０．２＜ｙ≦０．３の範囲内で、ｙの値を変化させ、それ以外については、上記と同様にして、化合物半導体基板を作製した。

上記において作製した各化合物半導体基板を劈開した破断面の断面方向に、可視光域の単色光（波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー）を照射して、顕微ラマン分光装置Ｔ６４０００（株式会社堀場製作所／株式会社ジョバンイボン社）を用いて、ラマン分光スペクトル測定を行った。
バッファ層およびＧａＮ活性層におけるＥ_2Hピークを測定した。
これらの結果を図２に示す（試料Ａ〜Ｄ）。
ここで、図２中、●はＧａＮ活性層、■はバッファ層、△は界面における応力を表している。すなわち、縦軸方向に並ぶ３点が、同一試料についての各層における測定値を示している。

図２に示したように、バッファ層およびＧａＮ活性層のＥ_2Hのピークいずれもが５６８ｃｍ^-1付近に認められる場合（試料Ｃ）、化合物半導体基板における応力がほぼフリーになっていることが認められた。

［比較例］
厚さ２５０μｍのＳｉＣ単結晶基板上を、Ｈ₂ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、原料としてトリメチルアルミニウムおよびＮＨ₃を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１０ｎｍのＡｌＮ単結晶層を形成し、この上に、原料としてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１０ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させ、これを交互に５０組繰り返し積層して、厚さ１μｍのバッファ層を形成した。
前記バッファ層上に、原料ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１μｍのＧａＮ活性層を形成した。

上記において作製した化合物半導体基板について、実施例と同様にして、ラマン分光スペクトルにより、バッファ層およびＧａＮ活性層におけるＥ_2Hピークを測定した。
この結果を図２に示す（試料Ｅ〜Ｇ）。
図２に示したように、バッファ層およびＧａＮ活性層のＥ_2Hのピークいずれもが５６８ｃｍ^-1付近に認められず、化合物半導体基板に生じる応力は大きかった。

本発明に係る化合物半導体基板の層構成を示す概略断面図である。実施例（試料Ａ〜Ｄ）および比較例（試料Ｅ〜Ｇ）に係る化合物半導体基板のラマン分光スペクトルにより、バッファ層およびＧａＮ活性層におけるＥ_2Hピークの測定値と応力の状態を示したグラフである。

符号の説明

１台基板
２バッファ層
２ａ‐１，２ａ‐２，２ａ‐３，…，２ａ‐ｎＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層
２ｂ‐１Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層
２ｃ‐２，２ｃ‐３，…，２ｃ‐ｎＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層
３ＧａＮ活性層

Claims

厚さ１００〜１０００μｍの台基板上に、バッファ層および厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ活性層が順次積層されている化合物半導体基板であって、
前記台基板が、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、単結晶Ｓｉ上に立方晶ＳｉＣ層が形成されたもののうちのいずれかからなり、
前記バッファ層は、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）の上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦０．３）が形成され、さらに、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．５＜ｘ≦１）および厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ＜０．５）の２層を１組としたものが１〜５００組積層されてなることを特徴とする化合物半導体基板。
前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層がＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、前記Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層がＧａＮ（ｚ＝０）であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板。
前記台基板が、六方晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体基板。
前記ＧａＮ活性層およびバッファ層は、各層の破断面に単色光を照射したときの散乱光のラマン分光スペクトルのＥ_2Hピークがいずれも、波数５６８±２ｃｍ^-1以内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体基板。