JP2009147271A - 基板製造方法およびiii族窒化物半導体結晶 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明においては、成長用基板として主面が(0001)面に対し0.5°以上2.0°以下のオフ角をもつ基板を採用する。このような成長用基板選択の結果、結晶核の殆どがステップに発生することとなる。そして、N極性面を成長面とするIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程における供給原料のV/III比を小さく設定する。このような原料供給によって、N極性面が窒素原子で終端され尽くされてはいない環境を実現し、V族原子の表面拡散を促進させている。このようにすると、表面平坦性に優れ且つ高い結晶性(チルト成分とツイスト成分が共に小さくしかも貫通転位密度が低い)を有している「−c面」(N極性面)を表面とするIII族窒化物半導体結晶が得られる。
【選択図】図1
Description
面であるa面や
面であるm面)、あるいは、半極性面(極性面である{0001}面(c面)に対して傾いた面)上にエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体のLEDでは、発光波長の駆動電流依存性が抑制可能であり偏光特性が改善されるという報告(非特許文献1:K. Okamot et al., Jpn. J. Appl.Phys., 45, pp. L1197-L1199, (2006)を参照)や、窒素極性面(N極性面:
面)上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた研究報告(非特許文献2:S. Rajan et al., Jpn. J. of Appl. Phys. Vol.44, No,49, pp.L1478-L1480 (2003) )がある。
(N極性面、以降ではこれを「−c面」という)上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、III族窒化物半導体結晶中に生じる自然分極とピエゾ分極の電界の方向を同一方向とすることができるため、半導体素子の設計上、種々の利点がある。
面を成長面とする第2のIII族窒化物半導体層を形成する第2の気相成長工程とを備え、前記窒化工程は、前記基板の表面を窒素含有雰囲気に暴露することにより実行されることを特徴とする。
面を成長面としてハイドライド気相成長(HVPE)させる第3の気相成長工程を更に備えるようにしてもよい。
面を成長面とし、(0002)面のロッキングカーブの半値全幅が200arcsec以下、かつ、
面のロッキングカーブの半値幅が700arcsec以下であることを特徴とする。
面を成長面とし、前記異種基板は、主面が(0001)面に対し0.5°以上2.0°以下のオフ角をもつことを特徴とする。
面のロッキングカーブの半値全幅が700arcsec以下である。
面である場合、たとえば(0002)面のX線回折強度の角度依存性の半値全幅はチルトを定量的に表現する。成長面が
面である場合、たとえば
面のX線回折強度の角度依存性の半値全幅はツイストを定量的に表現する。
面である場合、
面あるいは
面のX線回折強度の角度依存性の半値全幅はツイストとチルトの両方の情報を含んで、結晶のモザイク性を表現しているが、通常ツイストの成分がより強く反映されているため、これらをツイストの定量的指標として用いる場合が多い。純粋なツイストの定量的表現である
面の回折は、X線をサンプルの表面に水平に入射しなければならないため、測定上の困難さや表面モフォロジーに影響を受けることなどから、ツイストの定量的指標としてむしろ
面や
面のロッキングカーブの半値全幅を用いることが多い。
面よりもc軸となす角度が小さいため、ロッキングカーブの半値全幅にツイストの成分がより強く反映される。チルトよりツイストが大きな結晶では、
面のロッキングカーブの半値全幅は
面のそれよりも大きくなる。
面を成長面として、例えば50μm/h以下の成長速度でハイドライド気相成長させることもできる。また、このようにして得られた厚膜のIII族窒化物半導体結晶を成長用基板(やエピタキシャル成長層)から剥離(分離)して新たな基板とすることもできる。
面のロッキングカーブの半値全幅は200arcsec〜700arcsecの範囲にありツイストも小さい。
面のロッキングカーブの半値全幅は200arcsec〜550arcsecの範囲にありツイストも小さい。
面のロッキングカーブの半値全幅は200arcsec〜450arcsecの範囲にありツイストも小さい。
面は(0001)面と比べ反応性が高い為、NH3等のエッチング性のガスが多量に含まれていると、表面が荒れてしまい、後の厚膜成長で良好な結晶が得られない。
面((20−21)面)のロッキングカーブのX線回折チャートである。チルトに対応する(0002)面のロッキングカーブの半値全幅は106arcsecであり、ツイストに対応する
面および
面のロッキングカーブの半値全幅はそれぞれ277arcsecおよび367arcsecであって、これらの結果は、チルトおよびツイストが共に非常に小さいことを意味している。
面を主面としたGaN層を有する2インチサファイア基板を下地基板とした。このGaN層の厚さは1.5μmであり、X線ロッキングカーブの半値全幅はチルトに対応する(0002)回折で97arcsec、ツイストに対応する
回折で455arcsecであった。これを、直径80mm、厚さ20mmのSiCコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、HVPE装置のリアクター100内に図2に示したように配置した。
は253arcsecと下地GaN結晶に比べ大きく減少した。これは厚膜成長により主に刃状転位が減少したことに対応している。
101 V族原料用配管
102 ドーパント原料用配管
103 キャリアガス用配管
104 III族原料用配管
105 III族原料用リザーバー
106 ヒーター
107 サセプター
108 排気管
109 下地基板
Claims (21)
- 主面が(0001)面に対し0.5°以上2.0°以下のオフ角をもつ基板の表面を窒化する工程と、
前記表面窒化した基板上に第1のIII族窒化物半導体層を形成する第1の気相成長工程と、
前記第1のIII族窒化物半導体層上に
面を成長面とする第2のIII族窒化物半導体層を形成する第2の気相成長工程とを備え、
前記窒化工程は、前記基板の表面を窒素含有雰囲気に暴露することにより実行されることを特徴とする基板製造方法。 - 前記窒化工程は、900℃以上1100℃以下の温度範囲で窒素含有雰囲気に1分以上30分以下で暴露することにより実行されることを特徴とする請求項1に記載の基板製造方法。
- 前記窒素含有雰囲気がアンモニア含有雰囲気である請求項1又は2に記載の基板製造方法。
- 前記第2の気相成長工程は、V/IIIモル比が300乃至10000となる原料ガス供給条件下で実行される請求項1乃至3の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第2の気相成長工程は、水素ガス濃度が50モル%以上のキャリアガスにより原料ガスを供給して実行される請求項1乃至4の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第2の気相成長工程は、76〜850Torrの低圧条件下で実行される請求項1乃至5の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第1及び第2のIII族窒化物半導体層のIII族元素はガリウム、アルミニウム、及びインジウムの少なくとも1種である請求項1乃至6の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第1の気相成長工程は、III族元素の原料ガスとしてトリエチルガリウム(TEG:(C2H5)3Ga)を用い、500℃以上650℃以下の温度範囲で、前記第1のIII族窒化物半導体層を5〜30nmの層厚で形成するものである請求項7に記載の基板製造方法。
- 前記第2の気相成長工程の前に、前記第1の気相成長工程で形成された第1のIII族窒化物半導体層を1000℃以上の温度で熱処理する工程を備えている請求項1乃至8の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第2のIII族窒化物半導体層の上に、第3のIII族窒化物半導体結晶を
面を成長面としてハイドライド気相成長させる第3の気相成長工程を更に備えている請求項1乃至9の何れか1項に記載の基板製造方法。 - 前記第3の気相成長工程は、前記第3のIII族窒化物半導体結晶の成長速度を50μm/h以下とする条件で実行される請求項10に記載の基板製造方法。
- 前記基板はサファイア基板である請求項1乃至11の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 前記第3のIII族窒化物半導体結晶を分離して新たな基板とする工程を更に備えている請求項10乃至12の何れか1項に記載の基板製造方法。
- 異種基板上にエピタキシャル成長したIII族窒化物半導体結晶であって、
前記III族窒化物半導体結晶は
面を成長面とし、(0002)面のロッキングカーブの半値全幅が200arcsec以下、かつ、
面のロッキングカーブの半値全幅が700arcsec以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体結晶。 - 前記異種基板は、主面が(0001)面に対し0.5°以上2.0°以下のオフ角をもつものである請求項14に記載のIII族窒化物半導体結晶。
- 異種基板上にエピタキシャル成長したIII族窒化物半導体結晶であって、
前記III族窒化物半導体結晶は
面を成長面とし、前記異種基板は、主面が(0001)面に対し0.5°以上2.0°以下のオフ角をもつことを特徴とするIII族窒化物半導体結晶。 - (0002)面のロッキングカーブの半値全幅が200arcsec以下、かつ、
面のロッキングカーブの半値全幅が700arcsec以下であることを特徴とする請求項16に記載のIII族窒化物半導体結晶。 - 表面粗さがRMS値で1.0nm以下である請求項14乃至17の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体結晶。
- 前記III族窒化物半導体結晶表面での貫通転位密度が1×1010cm−2未満である請求項14乃至18の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体結晶。
- 前記異種基板はサファイア基板である請求項14乃至19の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体結晶。
- 前記III族窒化物半導体結晶は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、又はこれらの混晶である請求項14乃至20の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体結晶。
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