JP2009266874A - 半導体結晶成長用基板および半導体結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層に生ずる格子歪みを効果的に緩和する。
【解決手段】Ｓｉからなり、面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位である半導体結晶成長用基板１１の半導体層を形成する表面に、凹凸の少ない表面状態を有する鏡面な部分１２と、鏡面な部分１２の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する荒れた部分１３とを形成する。この場合、荒れた部分１３を周期的に形成し、荒れた部分１３のパターン形状を四角形の格子状とする。また、荒れた部分１３の中心間の寸法を５ｍｍとし、荒れた部分１３の幅を１０μｍとして、荒れた部分１３が形成された周期ｘを５ｍｍとし、また荒れた部分１３と鏡面な部分１２との面積比ｙを約０．００４とする。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板および半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶に関するものである。

基板上に窒化物系化合物半導体（たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、およびそれらの混晶）結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を製造するときには、窒化物系化合物半導体で構成された基板を用いることは困難である。このため、異種材料であるＳｉ（シリコン）、サファイヤ、炭化シリコン等からなる基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成している。しかしながら、この場合には基板と半導体層との格子定数、熱膨張係数の差によって、半導体層に格子歪みが発生して、マイクロクラック（ひび割れ）が生ずることがある。そこで、半導体層に発生する格子歪みを緩和することが考えられている。

図４は従来の基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を示す図である。図に示すように、Ｓｉからなる基板１上にＡｌＮからなる中間層２が形成され、中間層２上にＡｌＧａＩｎＮ結晶からなる半導体層３が形成されている。

この半導体結晶においては、基板１と半導体層３との間に中間層２が形成されているから、半導体層３に発生する格子歪みを緩和することができる。
特許第３３５２７１２号公報

しかし、このような半導体結晶においては、基板１が大口径となったとき、または半導体層３の厚さを大きくしたときには、中間層２によっては半導体層３に発生する格子歪みを緩和しきれなくなり、半導体層３に発生する歪み量が大きくなって、半導体層３にマイクロクラックが発生することがある。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、格子歪みを効果的に緩和することができる半導体層を形成することができる半導体結晶成長用基板、半導体層に生ずる格子歪みを効果的に緩和することができる半導体結晶を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板において、上記半導体層を形成する表面に、鏡面な部分と、上記鏡面な部分よりも表面粗さが大きな荒れた部分とを形成する。

この場合、上記荒れた部分を周期的に形成してもよい。

この場合、上記荒れた部分のパターン形状を、ストライプ状、または四角形、三角形もくしは六角形の格子状としてもよい。

これらの場合、材料をＳｉとし、Ｓｉの面方位を（１１１）または（１１１）と等価な面方位としてもよい。

これらの場合、上記荒れた部分が形成された周期ｘを０＜ｘ≦１０ｍｍとし、上記荒れた部分と上記鏡面な部分との面積比ｙを０．０００２≦ｙ≦１とするのが望ましい。

また、半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶において、上記の半導体結晶成長用基板に上記半導体層を形成する。

この場合、上記半導体層の材料をＧａＮ結晶とし、上記半導体層の層厚を０．５μｍ以上としてもよい。

本発明に係る半導体結晶成長用基板においては、鏡面な部分上には半導体層の転位密度が小さい領域が形成され、荒れた部分上には半導体層の転位密度が大きい領域が形成されるから、格子歪みを効果的に緩和することができる半導体層を形成することができる。

また、本発明に係る半導体結晶においては、半導体層は転位密度が小さい領域と転位密度が大きい領域とを有するから、半導体層の格子歪みを効果的に緩和することができる。

また、荒れた部分を周期的に形成したときには、半導体層の転位密度が小さい領域、転位密度が大きい領域が周期的に形成されるので、格子歪みが集中するのを避けることができ、また半導体層に半導体素子を容易に形成することができる。

図１は本発明に係る半導体結晶成長用基板の半導体層を形成する表面を示す図である。図に示すように、Ｓｉからなり、面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位である半導体結晶成長用基板１１の半導体層を形成する表面に、鏡面な部分１２と荒れた部分１３とが形成されている。この鏡面な部分１２は一般に用いられる半導体基板の表面状態のようにＣＭＰ研磨やウエットエッチングを施した凹凸の少ない表面状態を有する部分である。また、荒れた部分１３の表面粗さは鏡面な部分１２の表面粗さよりも大きい。すなわち、荒れた部分１３の凹凸の程度は鏡面な部分１２の凹凸の程度よりも大きい。また、荒れた部分１３が周期的に形成されており、荒れた部分１３のパターン形状は四角形の格子状である。また、荒れた部分１３の中心間の寸法は５ｍｍであり、荒れた部分１３の幅は１０μｍである。したがって、荒れた部分１３が形成された周期ｘは５ｍｍであり、また荒れた部分１３と鏡面な部分１２との面積比（荒れた部分１３の面積／鏡面な部分１２の面積）ｙは約０．００４である。

図２は本発明に係る半導体結晶を示す断面図である。図に示すように、半導体結晶成長用基板１１上にＡｌＮからなるバッファ層１４が形成され、バッファ層１４上にＧａＮ結晶からなる半導体層１５が形成されている。そして、バッファ層１４には転位密度が小さい領域１４ａおよび転位密度が大きい領域１４ｂが形成されている。また、半導体層１５には転位密度が小さい領域１５ａおよび転位密度が大きい領域１５ｂが形成されている。

つぎに、図２に示した半導体結晶の製造方法を図３により説明する。まず、図３(ａ)に示すように、半導体結晶成長用基板１１の表面にフォトリソグラフィを用いてレジスト２１を形成したのち、表面が荒れるエッチング条件で異方性ドライエッチング処理を行なう。つぎに、図３(ｂ)に示すように、レジスト２１を除去したのち、有機洗浄を行ない、さらにＲＣＡ法またはフッ酸溶液で洗浄することにより、半導体結晶成長用基板１１の表面を清浄にする。この状態では、半導体結晶成長用基板１１の表面は図１に示すようになる。つぎに、図３(ｃ)に示すように、半導体結晶成長用基板１１をＭＯＣＶＤ装置に装填し、水素雰囲気化で昇温してサーマルクリーニングを行なったのち、ＡｌＮ結晶を成長させることにより、バッファ層１４を形成する。この場合、半導体結晶成長用基板１１の表面の凹凸が大きいときには、ＡｌＮ結晶に多くの転位が発生するから、半導体結晶成長用基板１１の鏡面な部分１２上には転位密度が小さい領域１４ａが形成され、半導体結晶成長用基板１１の荒れた部分１３上には転位密度が大きい領域１４ｂが形成される。つぎに、図３(ｄ)に示すように、ＧａＮ結晶を成長させることにより、層厚が５μｍの半導体層１５を形成する。この場合、バッファ層１４の転位密度が小さい領域１４ａ上には転位密度が小さい領域１５ａが形成され、バッファ層１４の転位密度が大きい領域１４ｂ上には転位密度が大きい領域１５ｂが形成される。すなわち、半導体結晶成長用基板１１の鏡面な部分１２上には転位密度が小さい領域１５ａが形成され、半導体結晶成長用基板１１の荒れた部分１３上には転位密度が大きい領域１５ｂが形成される。

ここで一般に、基板上に形成された半導体層の転位密度を小さくしたときには、基板と半導体層との格子定数、熱膨張係数の差から半導体層に生じる格子歪みが緩和しにくく、半導体層の厚さを大きくすると歪み量が増加し、ついには結晶が自らの応力に耐えきれなくなり、マイクロクラック（せん断）等の部分破壊が発生することがある。一方、半導体層の転位密度を大きくしたときには、転位によって格子歪みが分散しやすいから、半導体層の厚さを大きくしたとしても、歪みの蓄積が少なくなる。しかしながら、半導体層の転位密度を大きくしたときには、転位が意図しないキャリアトラップや非発光再結合中心として働いたり、大電流注入時の高ストレス化でブレークダウンのトリガーとなったりするため、光デバイス、電子デバイス等の半導体素子の性能に悪影響を及ぼし、具体的には半導体レーザーの寿命を著しく短くし、また高電子移動度電界トランジスタに寄生容量成分が発生して、動作速度が低下する。これに対して、半導体層１５に転位密度が小さい領域１５ａと転位密度が大きい領域１５ｂとを形成したときには、転位密度が大きい領域１５ｂの転位によって格子歪みが分散しやすいから、半導体層１５の歪みの蓄積が少なくなるとともに、転位密度が小さい領域１５ａに半導体素子を形成すれば、半導体素子の性能に悪影響を及ぼすことがない。

このように、半導体結晶成長用基板１１に半導体層１５を形成したときには、転位密度が小さい領域１５ａと転位密度が大きい領域１５ｂとを有する半導体層１５を形成することができる。そして、転位密度が小さい領域１５ａと転位密度が大きい領域１５ｂとを有する半導体層１５を有する半導体結晶においては、半導体層１５の歪みの蓄積が少なくなるから、半導体結晶成長用基板１１の口径を大きくし、また半導体層１５の厚さを大きくしたとしても、マイクロクラックが発生するのを防止することができ、また転位密度が小さい領域１５ａに半導体素子を形成すれば、半導体素子の性能に悪影響を及ぼすことがない。たとえば、面方位が（１１１）であるＳｉからなる口径３インチの基板にＧａＮからなる５μｍの半導体層を形成したときには、半導体層にマイクロクラックが発生する。これに対して、口径３インチの半導体結晶成長用基板１１に５μｍの半導体層１５を形成したときには、半導体結晶成長用基板１１の反りが２０μｍ程度まで緩和され、しかもマイクロクラックの発生はない。また、荒れた部分１３を周期的に形成しているから、半導体層１５の転位密度が小さい領域１５ａ、転位密度が大きい領域１５ｂが周期的に形成されるので、格子歪みが集中するのを避けることができ、また半導体層１５に半導体素子を容易に形成することができる。

なお、上述実施の形態においては、Ｓｉからなる半導体結晶成長用基板１１を用いたが、サファイヤ、炭化シリコン等からなる半導体結晶成長用基板１１を用いてもよい。

また、上述実施の形態においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層がＧａＮ結晶からなる半導体層１５である場合について説明したが、半導体層の窒化物系化合物半導体結晶がＡｌＧａＮ結晶、ＩｎＧａＮ結晶等である場合にも、本発明を適用することができる。

また、上述実施の形態においては、表面が荒れるエッチング条件で異方性ドライエッチング処理を行なうことにより、荒れた部分１３を形成したが、サンドブラスト処理、ナノプリンティング法またはＣＶＤによるＳｉ微粒子の堆積などにより荒れた部分を形成してもよい。すなわち、半導体結晶成長用基板の表面にナノ〜サブミクロンオーダーの起伏が形成できればよい。ただし、溝状になるまで深くエッチングしてしまうと、半導体層形成後のフォトリソグラフィ時にレジストが均一に表面を流動しないという問題が生ずるから、溝状にならないようにする必要がある。

また、上述実施の形態においては、荒れた部分１３のパターン形状を四角形の格子状としたが、荒れた部分のパターン形状をストライプ状としてもよく、また三角形または六角形の格子状としてもよい。特に、面方位が（１１１）であるＳｉからなる半導体結晶成長用基板１１を用いるときには、窒化物系化合物半導体の結晶構造であるウルツ鉱（wurtzite）構造、面方位が（１１１）であるＳｉの結晶構造であるダイヤモンド（diamond）構造を反映した六角形または三角形の格子状にすると、格子歪みが均一に拡散しやすいが、一方では半導体素子を形成するには通常四角形を基本構造としてパターンを敷き詰めるようにフォトリソグラフィを行なうため、荒れた部分のパターン形状を両者の兼ね合いが取れる四角形の格子状にするのが望ましい。

また、上述実施の形態においては、荒れた部分１３が形成された周期ｘを５ｍｍとしたが、荒れた部分が形成された周期ｘを０＜ｘ≦１０ｍｍとするのが望ましい。すなわち、荒れた部分が形成された周期ｘは短周期であるほど半導体層の転位密度が小さい領域の残留歪みが少なくて済み、また周期ｘを１０ｍｍ以下にすれば、本発明の効果をより享受することができる。

また、上述実施の形態においては、荒れた部分１３と鏡面な部分１２との面積比ｙを約０．００４としたが、荒れた部分と鏡面な部分との面積比ｙを０．０００２≦ｙ≦１とするのが望ましい。すなわち、面積比ｙが０．０００２以上のときに本発明の効果をより享受することができ、また面積比ｙが１以下でないと、半導体層の利用効率が低下する。

また、上述実施の形態においては、ＧａＮからなる半導体層１５の層厚を５μｍとしたが、ＧａＮからなる半導体層の層厚が０．５μｍ以上の場合に本発明の効果をより享受することができる。

また、バッファ層１４、半導体層１５の成長には、Ｖ族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法が好適であるが、本発明の主旨に反しない限りは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、ハロゲン化気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法などの結晶成長法を用いてもよい。

本発明に係る半導体結晶成長用基板の半導体層を形成する表面を示す図である。 本発明に係る半導体結晶を示す断面図である。 図２に示した半導体結晶の製造方法の説明図である。 従来の基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を示す図である。

符号の説明

１１…半導体結晶成長用基板
１２…鏡面な部分
１３…荒れた部分
１５…半導体層
１５ａ…転位密度が小さい領域
１５ｂ…転位密度が大きい領域

Claims (7)

1. 窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板において、上記半導体層を形成する表面に、鏡面な部分と、上記鏡面な部分よりも表面粗さが大きな荒れた部分とが形成されたことを特徴とする半導体結晶成長用基板。
2. 上記荒れた部分が周期的に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶成長用基板。
3. 上記荒れた部分のパターン形状が、ストライプ状、または四角形、三角形もくしは六角形の格子状であることを特徴とする請求項２に記載の半導体結晶成長用基板。
4. Ｓｉからなり、面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体結晶成長用基板。
5. 上記荒れた部分が形成された周期ｘが０＜ｘ≦１０ｍｍであり、上記荒れた部分と上記鏡面な部分との面積比ｙが０．０００２≦ｙ≦１であることを特徴とする請求項２、３または４に記載の半導体結晶成長用基板。
6. 半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶において、請求項１乃至５のいずれかに記載の上記半導体結晶成長用基板に上記半導体層を形成したことを特徴とする半導体結晶。
7. 上記半導体層がＧａＮ結晶からなり、上記半導体層の層厚が０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体結晶。

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