JP2011073931A - 窒化ガリウム基板 - Google Patents

Abstract

【課題】割れにくく製造歩留まりを高めることができる窒化ガリウム基板を提供する。
【解決手段】窒化ガリウム基板１０は、例えば直径２インチ、厚さ１［ｃｍ］のＧａＮ単結晶インゴットから切り出されたものである。窒化ガリウム基板１０は、ＧａＮ単結晶のＣ面に対する主面１２の傾斜角θが２０°以上１６０°以下であり、破壊靭性が１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上である。このような窒化ガリウム基板１０によれば、クラックが入りにくく、割れが低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム基板に関するものである。

特許文献１には、窒化物半導体単結晶から成る基板が開示されている。この特許文献１の基板は、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）といった組成を有し、（１．２−０．７Ｘ）［ＭＰａ・ｍ^1/2］以上の破壊靭性値と、２０［ｃｍ²］以上の主面積を有している。

特開２００６−０４４９８２号公報

窒化ガリウム（ＧａＮ）やＩｎＧａＮといったＧａＮ系化合物半導体は、高いバンドギャップエネルギーを有することから、青色光ないし緑色光といった短波長の光を発する発光素子への用途が期待されている。このようなＧａＮ系化合物半導体は、一般的に、熱膨張係数が近い異種材料（Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア等）からなる基板上に、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等によって形成される。

しかし、ＧａＮ系化合物半導体を異種基板上に成長させると、熱膨張係数の違いや格子不整合などによって基板に応力が発生し、デバイスの反り、薄膜の剥離、および転位密度の増加に繋がり、デバイス特性に悪影響を及ぼすことがある。一方、ＧａＮ系化合物半導体をＧａＮ基板上に成長させると、熱膨張係数及び格子定数が互いに同程度であるためこのような問題が生じず、良好なデバイス特性を得ることができる。

しかしながら、ＧａＮ基板は、その製造の際にサファイア等の異種基板上に成長されることから、従来の半導体基板であるシリコン基板と比較して結晶欠陥が多く、割れ易いという問題点がある。一方、ＧａＮ基板は、ＧａＮ結晶の成長速度の遅さや材料コスト等により一枚当たりのコストが高いので、その製造過程において割れ等による不良品率を低減することが求められる。

また、発光素子に求められる発光波長によっては、インジウム（Ｉｎ）を含むＧａＮ系化合物半導体（ＩｎＧａＮやＩｎＡｌＧａＮなど）をＧａＮ基板上に成長させる場合がある。Ｉｎ原子の直径はＧａ原子の直径よりも大きいので、Ｉｎの組成を高めると格子不整合によりＩｎを含む層の内部歪が大きくなる。その結果、大きなピエゾ電界が当該層内に誘起され、再結合確率が低下して発光効率が抑えられてしまう。

このような問題点を解決するための技術として、Ｉｎを含むＧａＮ系化合物半導体を、ＧａＮ結晶のＣ面から大きく傾斜した主面上に成長させる技術が研究されている。このようにＣ面から傾斜した面上に成長させることにより、Ｉｎを含む層に生じるピエゾ電界を低減できるからである。

しかし、本発明者の研究によって、ＧａＮ結晶のＣ面から大きく傾斜した主面を有する窒化ガリウム基板の場合、Ｃ面を主面とするＧａＮ基板では十分とされる破壊靭性を有していても、割れが生じ易いことが判明した。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、割れにくく製造歩留まりを高めることができる窒化ガリウム基板を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による窒化ガリウム基板は、基板結晶のＣ面に対する主面の傾斜角が２０°以上１６０°以下であり、破壊靭性が１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上であることを特徴とする。

本発明によれば、割れ難い窒化ガリウム基板が得られる。基板結晶のＣ面に対する主面の傾斜角が２０°以上１６０°以下である場合、破壊靭性が１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上であればクラックが入りにくく、割れが低減されることが見出された。

また、窒化ガリウム基板は、主面が［１−１００］方向に傾斜していることを特徴としてもよい。本発明者の実験によれば、主面が［１−１００］方向に傾斜していることにより、［１１−２０］方向に傾斜している場合と比較して、クラックが更に入りにくく割れが一層低減される。

また、窒化ガリウム基板は、主面の形状が、［１１−２０］方向を長手方向とし、［１１−２０］方向と垂直な方向を短手方向とする細長形状であることを特徴としてもよい。本発明者の実験によれば、基板が［１１−２０］方向に長い方が、［１１−２０］方向に長い場合と比較して、クラックが更に入りにくく割れが一層低減される。

また、窒化ガリウム基板は、主面と基板結晶のＣ面との成す角が７５°±４°以内であることを特徴としてもよい。このような主面を有する窒化ガリウム基板を使用することにより、短波長の発光素子（特にレーザダイオード）を好適に製造できる。この場合、窒化ガリウム基板は、［１１−２０］方向に垂直な方向に沿った劈開面を有することがより好ましい。ここで、劈開面とは例えばレーザ光の共振端面を構成するための切断面をいう。通常、Ｃ面を主面とする基板では［１−１００］方向および［１１−２０］方向が劈開方向となるが、本発明者は、主面がＣ面から傾斜した窒化ガリウム基板において、劈開特性が傾斜角に応じて変化することを見出した。すなわち、主面と基板結晶のＣ面との成す角が７５°±４°以内である場合、［１１−２０］方向と比較して［１１−２０］方向に垂直な方向のほうが劈開され易く、例えばレーザダイオードといった鏡面を必要とする半導体素子を作製する際には、当該方向に劈開することが好ましい。

本発明による窒化ガリウム基板によれば、割れにくく製造歩留まりを高めることができる。

図１は、実施形態に係る窒化ガリウム基板を模式的に示す断面図である。 図２は、実施例１における基板の破壊靭性値と、クラックの発生状況とを示す図表である。 図３は、実施例２における基板加工時の割れ状況を示す図表である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による窒化ガリウム基板の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る窒化ガリウム基板を模式的に示す断面図である。図１に示される窒化ガリウム基板１０は、例えば直径２インチ（１インチは２．５４［ｃｍ］で換算される）、厚さ１［ｃｍ］のＧａＮ単結晶インゴットから切り出されたものである。この窒化ガリウム基板１０は、六方晶又は立方晶のＧａＮ単結晶からなることが好ましい。六方晶のＧａＮ単結晶としては、ウルツ鉱構造を有するものが挙げられる。六方晶のＧａＮ単結晶では、Ｃ面と呼ばれる（０００１）面、Ｍ面と呼ばれる（１−１００）面、Ａ面と呼ばれる（１１−２０）面、Ｒ面と呼ばれる（０１−１２）面、Ｓ面と呼ばれる（１０−１１）面が存在する。

窒化ガリウム基板１０は、鏡面研磨された主面１２を備える。主面１２には、デバイスが形成される。デバイスとしては、例えば、ＬＥＤやレーザダイオードといった発光素子が挙げられる。主面１２は、窒化ガリウム基板１０を構成するＧａＮ単結晶のＣ面から所定角度だけ傾斜している。本実施形態において、ＧａＮ単結晶のＣ面に対する主面１２の傾斜角（すなわち、主面１２の垂線ベクトルＶとｃ軸との成す角θ）は、ピエゾ電界の影響が効果的に抑制され得る２０°以上１６０°以下であり、例えば２３°、７５°といった数値である。特に、窒化ガリウム基板１０が短波長の発光素子（特にレーザダイオード）に使用される場合には、ピエゾ電界の発生を抑える為、ＧａＮ単結晶のＣ面に対する主面１２の傾斜角は７５°であることが好ましく、この場合、実質的に同等の傾斜角である７５°±４°以内であれば許容される。

窒化ガリウム基板１０のＧａＮ単結晶の破壊靭性は、１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上である。本実施形態のようにＧａＮ単結晶のＣ面に対する主面１２の傾斜角が２０°以上１６０°以下である場合、後述する実験結果から、破壊靭性が１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上であればクラックが入りにくく、割れが低減されるので、割れ難い窒化ガリウム基板１０が得られるからである。

ＧａＮ単結晶の破壊靭性はドーパント濃度によって調節でき、上記破壊靭性を実現するための窒化ガリウム基板１０のドーパント濃度は、例えば酸素原子がドープされてｎ導電型を有している場合、３×１０^２０［ｃｍ^−３］以下である。なお、窒化ガリウム基板１０のドーパント濃度を３×１０^２０［ｃｍ^−３］以下とすることにより、ＧａＮ単結晶の結晶性が崩れることなく、デバイス特性を維持することができる。また、窒化ガリウム基板１０のドーパント濃度の下限は、例えば１×１０^１６［ｃｍ^−３］である。窒化ガリウム基板１０のドーパント濃度が１×１０^１６［ｃｍ^−３］を下回ると、ドーパント濃度の制御が困難となるからである。窒化ガリウム基板１０の破壊靭性の大きさは、ダイヤモンドの圧子（ビッカース圧子）を、窒化ガリウム基板１０の表面（例えば主面１２）に圧入した際に発生したクラックの長さを測定することにより知ることができる。このとき、破壊靭性の大きさＫＩｃは、

により求められる。なお、上式において、ＫＩｃは破壊靭性値（単位ＭＮ／ｍ^３／２）であり、Ｅはヤング率であり、Ｈはビッカース硬度であり、Ｐは荷重であり、ｃはクラック長さである。

また、主面１２は、ＧａＮ単結晶のＣ面から［１−１００］方向（すなわちｍ軸方向）に傾斜していることが好ましい。後述する実験結果から、主面１２が［１−１００］方向に傾斜していることにより、［１１−２０］方向に傾斜している場合と比較して、クラックが更に入りにくく割れが一層低減されるからである。

ここで、［１−１００］方向に傾斜しているとは、主面１２の垂線ベクトルが、ＧａＮ単結晶のｃ軸ベクトルと［１−１００］方向ベクトル（すなわちｍ軸ベクトル）とにより構成される平面に含まれ、該垂線ベクトルとｃ軸ベクトルとが０°より大きい角度を成す状態を意味する。また、主面１２がＧａＮ単結晶のＣ面から［１−１００］方向に傾斜している場合、窒化ガリウム基板１０は、［１１−２０］方向に垂直な方向に沿った劈開面を有することが好ましい。通常、Ｃ面を主面とする基板では［１−１００］方向および［１１−２０］方向が劈開方向となるが、後述する実験結果から、主面１２がＣ面から傾斜した窒化ガリウム基板１０において、劈開特性が傾斜角に応じて変化することがわかった。すなわち、主面１２とＧａＮ単結晶のＣ面との成す角が７５°±４°以内である場合、［１１−２０］方向と比較して［１１−２０］方向に垂直な方向のほうが劈開され易く、例えばレーザダイオードといった鏡面を必要とする半導体素子を作製する際には、当該方向に劈開することが好ましい。

窒化ガリウム基板１０の外形の一例としては、主面１２の形状が、［１１−２０］方向を長手方向とし、［１１−２０］方向と垂直な方向を短手方向とする細長形状を呈しており、例えば長手方向の長さが１５［ｍｍ］、短手方向の幅が１０［ｍｍ］、厚さが５００［μｍ］である。このように、窒化ガリウム基板１０の［１１−２０］方向における長さは、［１１−２０］方向と垂直な方向における窒化ガリウム基板１０の幅より長いことが好ましい。後述する実験結果から、窒化ガリウム基板１０が［１１−２０］方向に長い方が、［１１−２０］方向に長い場合と比較して、クラックが更に入りにくく割れが一層低減されるからである。

酸素原子をドープした直径２インチ、厚さ１［ｃｍ］のＧａＮインゴットを準備した。このＧａＮインゴットは、六方晶構造における（０００１）面（すなわちＣ面）を主面とするものである。また、このＧａＮインゴットの比抵抗は１［Ω・ｃｍ］以下であり、キャリア濃度は１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上である。本実施例では、不純物のドープ量を調整することにより、破壊靭性が異なる２つのＧａＮインゴットＩ_Ａ，Ｉ_Ｂを準備した。

これらのＧａＮインゴットＩ_Ａ，Ｉ_Ｂをスライスして、厚さ５００［μｍ］の基板を１１枚取り出した。その際、［１−１００］方向（すなわちｍ軸方向）から、０°、１８°、２３°および７５°の傾斜角でもってＧａＮインゴットＩ_Ａ，Ｉ_Ｂをスライスした。これらの傾斜角を各々有する基板を各１枚ずつ取り出して破壊靭性を測定した。

また、本実施例では、１０［μｍ］以上のクラックが発生していなかった基板の枚数を数え、そのような基板が半分以上（５０％以上）である場合に良好とした。図２は、０°、１８°、２３°および７５°の傾斜角をそれぞれ有する各基板の、破壊靭性の測定結果とクラック判定の結果とを示す図表である。図２に示すように、ＧａＮ単結晶のＣ面からの主面の傾斜角が２３°以上であり、且つ破壊靭性値が１．３６以上である場合には、クラックの発生が効果的に抑制されることがわかった。

実施例１のＧａＮインゴットＩ_Ｂを用意し、このＧａＮインゴットＩ_Ｂを［１１−２０］方向（すなわちａ軸方向）からスライスしてその切断面をＣ面に対して［１１−２０］方向に傾け、その際のＣ面に対する傾斜角をそれぞれ２３°，７５°とした２種類の基板Ｗ_Ａ，Ｗ_Ｂと、［１−１００］方向からＧａＮインゴットＩ_Ｂをスライスしてその切断面をＣ面に対して［１−１００］方向に傾け、その際のＣ面に対する傾斜角をそれぞれ２３°，７５°とした２種類の基板Ｗ_Ｃ，Ｗ_Ｄとをそれぞれ１０枚ずつ準備した。なお、これらの基板Ｗ_Ａ〜Ｗ_Ｄのスライス時の厚さは５００［μｍ］であり、その後、研削・研磨によって厚さ４００［μｍ］とした。

図３は、これらの基板Ｗ_Ａ〜Ｗ_Ｄ各１０枚の中で加工の際に割れなかった基板の数を示した図表である。図３に示すように、主面を［１１−２０］方向（ａ軸方向）に傾けた基板Ｗ_Ａ，Ｗ_Ｂと、［１−１００］方向（ｍ軸方向）に傾けた基板Ｗ_Ｃ，Ｗ_Ｄとを比較すると、傾斜角の大きさに関係なく、［１−１００］方向に傾いた基板Ｗ_Ｃ，Ｗ_Ｄの方がクラックの発生が少なく、割れにくかった。

上記実施例２において作製した、［１−１００］方向に７５°傾斜させた基板Ｗ_Ｂに荷重を加えた。その際、ダイナミック微小硬度計（島津製作所製、ＤＵＨ−２０１Ｓ）を用い、三角錐形のバーコビッチ圧子の稜線を基板Ｗ_Ｂの表面に投影した方向（換言すれば、基板Ｗ_Ｂの表面に垂直な方向から見た場合に、該表面に生じた圧痕の凹線が延びる方向）が、［１１−２０］方向（ａ軸方向）と、［１１−２０］方向に垂直な方向とを向くように荷重を加えた。このとき、荷重を１００［ｇＦ］（１［ｇＦ］は、９．８０６６５［ｇ・ｍ／ｓ^２］に相当）とし、保持時間を２秒とした。

この実施例では、上記荷重を加えることで基板Ｗ_Ｂにクラックが発生したが、バーコビッチ圧子の向きにかかわらず、［１１−２０］方向に対して垂直な方向にクラックが入った。したがって、［１１−２０］方向（ａ軸方向）と比較して、［１１−２０］方向に垂直な方向のほうが割れ易いことが明らかとなった。

主面がＣ面から［１−１００］方向に２３°傾斜しており、［１１−２０］方向の長さが１０［ｍｍ］、［１１−２０］方向に垂直な方向の長さが５［ｍｍ］である基板Ｗ_Ｅと、主面がＣ面から［１−１００］方向に２３°傾斜しており、［１１−２０］方向の長さが５［ｍｍ］、［１１−２０］方向に垂直な方向の長さが１０［ｍｍ］である基板Ｗ_Ｆと、主面がＣ面から［１−１００］方向に７５°傾斜しており、［１１−２０］方向の長さが１０［ｍｍ］、［１１−２０］方向に垂直な方向の長さが５［ｍｍ］である基板Ｗ_Ｇと、主面がＣ面から［１−１００］方向に７５°傾斜しており、［１１−２０］方向の長さが５［ｍｍ］、［１１−２０］方向に垂直な方向の長さが１０［ｍｍ］である基板Ｗ_Ｈとを、それぞれ５枚ずつ準備した。

次に、これらの基板Ｗ_Ｅ〜Ｗ_Ｈが有する深さ１０［μｍ］以上のスクラッチの数を測定し、各５枚の基板Ｗ_Ｅ〜Ｗ_Ｈそれぞれについて、スクラッチ数の平均を算出した。そして、［１１−２０］方向に長い基板Ｗ_Ｅのスクラッチ数の平均値Ａ_Ｅと、［１１−２０］方向と垂直な方向に長い基板Ｗ_Ｆのスクラッチ数の平均値Ａ_Ｆとの比（Ａ_Ｅ／Ａ_Ｆ）を算出すると０．７８となった。同様に、［１１−２０］方向に長い基板Ｗ_Ｇのスクラッチ数の平均値Ａ_Ｇと、［１１−２０］方向と垂直な方向に長い基板Ｗ_Ｈのスクラッチ数の平均値Ａ_Ｈとの比（Ａ_Ｇ／Ａ_Ｈ）を算出すると０．６５となった。すなわち、［１１−２０］方向を長くした方が、クラックが入りにくいことが明らかとなった。

本発明による窒化ガリウム基板は、上述した実施形態および実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および実施例では窒化ガリウム基板の主面が［１−１００］方向に傾斜している場合、および［１１−２０］方向に傾斜している場合について説明したが、本発明では、窒化ガリウム基板の主面は他の方向に傾斜していてもよい。

１０…窒化ガリウム基板、１２…主面、Ｖ…垂線ベクトル

Claims (5)

1. 基板結晶のＣ面に対する主面の傾斜角が２０°以上１６０°以下であり、破壊靭性が１．３６［ＭＮ／ｍ^３／２］以上であることを特徴とする、窒化ガリウム基板。
2. 主面が［１−１００］方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム基板。
3. 主面の形状が、［１１−２０］方向を長手方向とし、［１１−２０］方向と垂直な方向を短手方向とする細長形状であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化ガリウム基板。
4. 主面と基板結晶のＣ面との成す角が７５°±４°以内であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化ガリウム基板。
5. ［１１−２０］方向に垂直な方向に沿った劈開面を有することを特徴とする、請求項４に記載の窒化ガリウム基板。

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