JP2013136512A - Iii−n基板製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III−N基板(IIIは、元素周期表のIII族元素のうち少なくとも1つの元素を表す)を製造するIII−N基板製造方法において、少なくとも40μmの厚さを有するIII−N厚膜層を、予め定められたN/III比および予め定められたリアクタ圧力でエピタキシャル成長させて、基板上に堆積させる工程を含み、前記III−N厚膜層のエピタキシャル成長工程の最終段階では、前記N/III比および/または前記リアクタ内の圧力それぞれを、前記予め定められたN/III比および/または前記予め定められたリアクタ圧力より、低下させることを特徴とするIII−N基板製造方法。また、前記基板は約0.1°〜1°未満の結晶の配向方位差を有することにより、表面モルフォロジーがさらに改善される。
【選択図】図3
Description
する発光ダイオード(LED)(非特許文献7)が作成されてきた。しかしながら、これらのテンプレートには依然として多くの問題がある。これらのテンプレートは、通常、強く反り返りやすく、クラックを形成しやすい傾向がある。これら二つの悪影響は、GaNと異種基板(通常はサファイア)との熱膨張の差異によるものである。さらに、HVPE法によって成長させたGaN層は、通常、表面が粗く、さらなるエピタキシャル成長のテンプレートとして使用可能となる前に、さらなる研磨工程を必要とする(非特許文献8)。
明らかに、室温における核形成層の結果として得られるより高い圧縮歪みは、この改善に関与している。なぜなら、約1000℃の典型的なHVPE成長温度における正味の引張歪みが低減または排除されるからである。(例えば、選択的に成長させたGaNストライプのように)パターニングされたテンプレート上に、クラックの無いさらに厚膜層を成長させることが可能である(非特許文献11)。
そのような大きなミスカット角度は、III−N成長には有利ではなく(非特許文献22、23)、むしろ不利であってより質の悪いモルフォロジーがもたらされる(非特許文献24)。おそらく、III−Nエピタキシャル成長における最適なミスカット角度が、特にサファイア上で、相対的に小さいものであるため、基板ミスカットの有利な効果が長年見落とされてきたものと考えられる。
Kitaoka(特許文献3)は、基板とIII−N層とを含むIII−N基板を開示している。別個のプロセス工程における基板上のIII−N薄膜層には、傾斜表面を得るために斜角が付けられている。対照的に、出発基板はミスカットを有していない。したがって、傾斜表面を得るため、高価な追加のプロセス工程が必要となる。次に、この傾斜したIII−N表面を液相エピタキシー(LPE)によって全面成長させる。
Kainosho(特許文献4)は、ペロブスカイト基板上にGaNベースの半導体を成長させることを開示している。ペロブスカイト基板の(011)結晶表面に対して1°〜4°のミスカットが選択されている。この方法は、サファイアまたは炭化シリコンなどのIII−N成長のための典型的な異種基板を使用することには関連していないが、それは、これらの物理的特性および利用可能性がIII−N層の成長に特に適しているためである。
Morishima(特許文献5)は、ハロゲンを含むガスを用いたテンプレートの必要な追加の反応性イオンエッチング工程と共に、0.5°未満のミスカットを有するシリコン・オン・サファイア基板上でのIII−N層の成長について開示している。この工程は、後に続くIII−N成長のため、テンプレートの「鏡のように平滑な」表面を設けるのに必要である。
Summerfelt(特許文献8)は、1°〜10°のミスカットを有するセラミック異種基板上に、SiC、AlN、またはGaNなどの半導体をヘテロエピタキシャル成長させることを開示している。ここで、半導体層をエピタキシャル成長させる前に、少なくとも1200℃の温度で少なくとも1時間のアニーリング工程、ならびに異種基板上へのセラミック緩衝層の成長が必要である。開示された実施形態によれば、これらの手段によって、半導体層の成長が開始する前に、緩衝層が高い表面品質を有することが確保される。緩衝層および半導体層は両方ともCVDによって成長する。実施形態では、c軸に対して5°のミスカット(または「オフ角」)が選択され、成長したSiC層は厚さ0.3μmであった。
この態様において、ミスカットを有する異種基板上に成長させたテンプレートは、III−N厚膜層を堆積させるための基礎的な役割を果たしている。この態様では、III−N薄膜層の堆積によって、正確な配向を有しミスカットを有さない異種基板上にテンプレートを作成する。これにより、薄膜層に平滑な表面モルフォロジーを得ることができる。さらに、テンプレート(このテンプレートは良質なものであることが予想される)の平滑な表面上に膜を成長させることによって、高密度の六角錐によって覆われることが多い微視的に粗い表面を有する厚膜層を得ることができる。この発明によれば、驚くべきことに、エピタキシャル成長が、その表面上に隣接する結晶格子面に対してわずかなミスカットを有する異種基板を備えたテンプレート上で行われ、かつ第一III−N薄膜層がその上に堆積されたとき、少なくとも40μmの厚さのIII−N厚膜層が、初期の第一III−N層に、高温アニーリング(例えば、少なくとも1200℃で少なくとも1時間)および/またはエッチングもしくは研磨などの追加工程を施さなくても、非常に平滑な表面モルフォロジーを有していた。
驚くべきことに、N/III比および/またはリアクタ圧力がエピタキシャル成長プロセスの最終段階において低下している場合、表面モルフォロジーを顕著に改善できることが実証されている。これは、上述のミスカットを有さない正確な基板を使用したときにも同様の結果が得られる。本発明の構成上の利点として異種基板の材料が特に重要となるので、その基板は、サファイア(Al2O3)、SiC、GaAs、Li(Al;Ga)Ox(0≦x≦3、特にx=2)などのような異種基板、または他の異種基板、あるいはそのような異種基板とIII−N薄膜層とを含むテンプレートであることが好ましい。同様に、本発明に係るこの態様のように、成長工程の最終段階において、成長パラメータを修正しつつHVPE成長させることにより、本来のIII−N基板またはテンプレート上におけるホモエピタキシャル成長させた場合の表面モルフォロジーをも改善することができる。この態様によって表面モルフォロジーを改善する場合には、特に、III−N厚膜層の成長をHVPEにより行い、N/III比および/またはHVPEリアクタ内の成長圧力を、III−N厚膜層の成長プロセスの最後の60分間、好ましくは最後の30分間、その中でも特に最後の10分間に低下させることが望ましい。
この態様において、表面品質を、異種基板が上述の配向方位差(ミスカット)を有する場合に、さらに改善することができる。
l,Ga)N=AlxGa1-xN、このとき0≦x≦1)とすることができる。この中で
も、(Al, Ga)NおよびGaNが特に好ましい。特定の態様に係る以下の説明は、
所定のIII−N化合物に限定されるものではなく、すべてのIII−N化合物に適用す
ることができる。さらに、第一III−N薄膜層およびIII−N厚膜層の組成は、互いに独立に選択することができる。すなわち、この組成は同じでもよく、異なってもよい。そして、上記製造工程によって作成されるIII−N層、特にMOVPE成長させるIII−N薄膜層およびHVPE成長させるIII−N厚膜層は、好ましくは結晶質、特に単結晶質である。また、サファイア基板との組み合わせに特に適しているのは、GaNまたはAlNを含む薄膜層およびGaNを含む厚膜層である。
きる。
ることができる。
そして、III−N材料は、上述の組成を有しており、その中でもGaNであることが好ましく、単結晶GaNであることが特に好ましい。
して使用するのに好適である。
これらの測定により、テンプレートの層特性が配向方位差を除いて非常に類似していることが明らかになった。多重ウェハMOVPEリアクタ上に同時に成長させた2つのテンプレートの低温PLスペクトルは、図1に典型的に示される。2つのテンプレートは、それらの表面品質においてわずかに異なっているのみであり、それによって、上述の結果が示される。特に、層の歪み、またはPLスペクトルもしくはHRXRDのロッキング曲線の線幅において、違いは見られなかった。これらのウェハ上のGaN層は、その上に成長させたサファイア基板と同じ配向方位差を有していた。MOVPE成長させたGaN薄膜層のサファイア基板に対する最大傾斜は、約200arcsecであることが分かった。したがって、驚くべきことに、III−N薄膜層における表面特性およびその他の特性は、正確な配向とわずかな配向方位差との間で違いを示さなかったと言うことができる。
したがって、表面の酸化、または他の要因による著しい影響を、確実に除外することができる。
エピタキシャル成長は、わずかな配向方位差を有する基板上における表面段差によって生じるステップフローによって制御されるものと仮定される[W.K.Burton,N.Cabrera,and F.C.Frank,Phil.Trans.A 243,299(1951)]。0.3°の配向方位差の場合、これらの段差は約50nmの平均距離を有する。これは、明らかに、表面に吸着されたGa原子の拡散距離よりも小さい(典型的には、高いN/III比およびN原子の容易な脱着により、III族の原
子のみを考慮すればよい)。同時に、段差距離は、転位の平均距離よりも著しく小さい
(薄いテンプレートに典型的な109cm-2の転位密度において約300nm)。これ
は、段差縁部における二次元成長に有利になるように、転位における三次元の核形成を抑制する理由になり得る。
テンプレートに関して既に観察されたように、HVPE成長させた厚膜層も、わずかな配向方位差(ミスカット)を有するときの改善された表面モルフォロジーを除いて、その光学特性および結晶特性において著しい違いを示さなかった。やはり、PLにおいてドナーによって制限された励起のエネルギーによって示されるような層の中の歪みは、基板の配向に関係なく同じであることが強調されるべきである(図4)。
結果は図5に要約される。
使用されたすべてのプロセス条件に対して、正確な配向の場合に表面品質は最悪であったが、この最悪の場合であっても、N/III比を変化させることにより、特にN/III比ならびに成長圧力を変化させることにより、表面品質を著しく改善することができた(図5において左側の縦の列を参照)。N/III比および成長圧力を変化させない場合、0.6°の配向方位差のものは0.3°のものよりも優れていた。成長プロセスの最終段階にN/III比のみを低下させたとき、0.3°に関する結果の方が良好であったが、それでもなお、0.6°の配向方位差に対する表面品質は非常に良好であった。最良の結果は、わずかな配向方位差のみ、好ましくは0.3°と、エピタキシャル成長プロセ
スの最終段階のN/III比および圧力の低下との最適な組み合わせによって得られた。この組み合わせにより、特に良好な表面品質がもたらされた。
Claims (9)
- III−N基板(IIIは、元素周期表のIII族元素のうち少なくとも1つの元素を表す)を製造するIII−N基板製造方法において、
少なくとも40μmの厚さを有するIII−N厚膜層を、予め定められたN/III比および予め定められたリアクタ圧力でエピタキシャル成長させて、基板上に堆積させる工程を含み、
前記III−N厚膜層のエピタキシャル成長工程の最終段階では、前記N/III比および/または前記リアクタ内の圧力それぞれを、前記予め定められたN/III比および/または前記予め定められたリアクタ圧力より、低下させることを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記N/III比および/または前記リアクタ圧力を、前記予め定められたN/III比の50%〜5%の範囲、かつ/または前記予め定められた圧力の65%〜25%の範囲に、それぞれ低下させることを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記N/III比および/または前記リアクタ圧力それぞれを、前記エピタキシャル成長工程の最終段階に低下させることを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記N/III比および/または前記リアクタ圧力それぞれを、前記エピタキシャル成長工程の最後の60分間に低下させることを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
異種基板および任意のIII−N薄膜層を含むテンプレート上に、前記III−N厚膜層の前記エピタキシャル成長が行われることを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記基板は0.1°〜2°の結晶の配向方位差を有することを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記基板は約0.1°〜1°未満の結晶の配向方位差を有することを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記基板は約0.3°〜約0.6°の結晶の配向方位差を有することを特徴とするIII−N基板製造方法。 - 請求項1に記載するIII−N基板製造方法において、
前記III−N厚膜層を堆積させた後に、前記基板を除去し、自立III−N層を作成することを特徴とするIII−N基板製造方法。
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