JP2023181502A - c面GaN基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るGaN結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、c面GaN基板を提供すること。【解決手段】5×1016atoms/cm3以上のSi濃度、1×1017atoms/cm3以下のH濃度および6×1015atoms/cm3以上のO濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板が提供される。【選択図】図1
Description
本発明は、主としてc面GaN基板に関する。
サファイア基板上にHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)でGaN結晶を成長させるときに、最初は成長表面にピットが生じる条件を用い、その後、該ピットが閉じる条件に変更したところ、均一性よく低減された転位密度を有するGaN結晶が得られたとの報告がある(特許文献1、特許文献2)。
ウエハを構成するGaN結晶のナノインデンテーション硬さを22GPaまで増加させることによって、転位密度(TDD;Threading Dislocation Density)が105cm-2台前半で、オフカット角度の変動が中心から±20mmの範囲内で0.1°以下である
、直径2インチの自立GaNウエハを実現できたとの報告がある(非特許文献1)。しかし、そのような硬いGaN結晶を製造する方法は、非特許文献1には開示されていない。
非特許文献1の著者等を発明者とする特許第6549768号(特許文献3)には、ナノインデンテーション硬さが22.0GPaを超えるGaN結晶が、その製造方法とともに記載されている。
特許文献3の記述によれば、このような硬いGaN結晶は、不純物濃度を極度に低くすること、具体的にはB(ホウ素)、Fe(鉄)、O(酸素)およびC(炭素)の各濃度を1×1015atoms/cm3未満とすることにより初めて得られたという。かかるGaN結晶を成長させるには、結晶成長中にシードに供給されるガスが接触する可能性のある反応室内の領域を、耐熱性1600℃以上かつ石英を含有しない材料で構成したHVPE炉を使用することと、更に、結晶成長の前に、サセプター近傍を1500℃以上まで加熱するとともに炉内にO2(酸素ガス)を供給するシーケンスとHCl(塩化水素ガス)およびH2(水素ガス)を供給するシーケンスとを交互に繰り返す「高温ベーク」を行うことが必要だったという。
ウエハを構成するGaN結晶のナノインデンテーション硬さを22GPaまで増加させることによって、転位密度(TDD;Threading Dislocation Density)が105cm-2台前半で、オフカット角度の変動が中心から±20mmの範囲内で0.1°以下である
、直径2インチの自立GaNウエハを実現できたとの報告がある(非特許文献1)。しかし、そのような硬いGaN結晶を製造する方法は、非特許文献1には開示されていない。
非特許文献1の著者等を発明者とする特許第6549768号(特許文献3)には、ナノインデンテーション硬さが22.0GPaを超えるGaN結晶が、その製造方法とともに記載されている。
特許文献3の記述によれば、このような硬いGaN結晶は、不純物濃度を極度に低くすること、具体的にはB(ホウ素)、Fe(鉄)、O(酸素)およびC(炭素)の各濃度を1×1015atoms/cm3未満とすることにより初めて得られたという。かかるGaN結晶を成長させるには、結晶成長中にシードに供給されるガスが接触する可能性のある反応室内の領域を、耐熱性1600℃以上かつ石英を含有しない材料で構成したHVPE炉を使用することと、更に、結晶成長の前に、サセプター近傍を1500℃以上まで加熱するとともに炉内にO2(酸素ガス)を供給するシーケンスとHCl(塩化水素ガス)およびH2(水素ガス)を供給するシーケンスとを交互に繰り返す「高温ベーク」を行うことが必要だったという。
H. Fujikura, et al., Japanese Journal of Applied Physics 57, 065502 (2018)
本発明の主たる目的は、不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るGaN結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、c面GaN基板を提供することである。
本発明の実施形態には、下記のc面GaN基板が含まれる。
[1]5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度、1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度および6×1015atoms/cm3以上のO濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
[2]最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満、21GPa未満または20GPa未満のGaN結晶を含む、前記[1]に記載のc面GaN基板。
[3]最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満、21GPa未満または20GPa未満のGaN結晶を含み、5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度および1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、
それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
[4]前記第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、前記第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.14度以下、0.12度以下、0.10度以下、0.08度以下、0.06度以下または0.04度以下である、前記[1]~[3]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[5]前記一方の主面における転位密度が、7×105cm-2以下または5×105cm-2以下である、前記[1]~[4]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[6]前記一方の主面における転位密度が、2×105cm-2以上である、前記[1]~[5]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[7]O濃度が2×1017atoms/cm3以下である、前記[1]~[6]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[8]O濃度が3×1016atoms/cm3以下である、前記[7]に記載のc面GaN基板。
[1]5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度、1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度および6×1015atoms/cm3以上のO濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
[2]最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満、21GPa未満または20GPa未満のGaN結晶を含む、前記[1]に記載のc面GaN基板。
[3]最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満、21GPa未満または20GPa未満のGaN結晶を含み、5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度および1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、
それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
[4]前記第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、前記第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.14度以下、0.12度以下、0.10度以下、0.08度以下、0.06度以下または0.04度以下である、前記[1]~[3]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[5]前記一方の主面における転位密度が、7×105cm-2以下または5×105cm-2以下である、前記[1]~[4]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[6]前記一方の主面における転位密度が、2×105cm-2以上である、前記[1]~[5]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[7]O濃度が2×1017atoms/cm3以下である、前記[1]~[6]のいずれかに記載のc面GaN基板。
[8]O濃度が3×1016atoms/cm3以下である、前記[7]に記載のc面GaN基板。
本発明の一態様によれば、不純物濃度を極度に低減する手段を講じることなく成長させ得るGaN結晶からなり、オフカット角度の変動が好ましく抑制された、c面GaN基板が提供される。
本明細書にいうGaN結晶は、特に断らない限り、ウルツ鉱型の結晶構造を有する六方晶GaN結晶を意味する。
GaN結晶では、[0001]および[000-1]に平行な結晶軸がc軸、<10-10>に平行な結晶軸がm軸、<11-20>に平行な結晶軸がa軸と呼ばれる。c軸に直交する結晶面はc面(c-plane)、m軸に直交する結晶面はm面(m-plane)、a軸に直交する結晶面はa面(a-plane)と呼ばれる。本明細書では、(0001)結晶面と(000-1)結晶面を総称してc面と呼んでいる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、GaN結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味する。
六方晶のミラー指数(hkil)は、h+k=-iの関係があることから、(hkl)と3桁で表記されることもある。例えば、(0004)を3桁で表記すると(004)である。
特に断らない限り、本明細書にいう転位は貫通転位(threading dislocation)を意味する。本明細書では、螺旋転位、混合転位および刃状転位を区別せず、総称して転位と呼ぶ。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
GaN結晶では、[0001]および[000-1]に平行な結晶軸がc軸、<10-10>に平行な結晶軸がm軸、<11-20>に平行な結晶軸がa軸と呼ばれる。c軸に直交する結晶面はc面(c-plane)、m軸に直交する結晶面はm面(m-plane)、a軸に直交する結晶面はa面(a-plane)と呼ばれる。本明細書では、(0001)結晶面と(000-1)結晶面を総称してc面と呼んでいる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、GaN結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味する。
六方晶のミラー指数(hkil)は、h+k=-iの関係があることから、(hkl)と3桁で表記されることもある。例えば、(0004)を3桁で表記すると(004)である。
特に断らない限り、本明細書にいう転位は貫通転位(threading dislocation)を意味する。本明細書では、螺旋転位、混合転位および刃状転位を区別せず、総称して転位と呼ぶ。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
1.c面GaN基板
実施形態に係るc面GaN基板の一例を図1に示す。
図1に示す基板100は自立GaNウエハであり、互いに反対方向を向いた2つの主面(大面積面)、すなわち、第一主面101と第二主面102を有する。
第一主面101と第二主面102は、好ましくは互いに平行である。
第一主面101は、窒化物半導体デバイスを製造するときなどに、窒化物半導体のエピタキシャル成長に使用される主面、すなわち「おもて面」である。第二主面102は「裏面」である。
実施形態に係るc面GaN基板の一例を図1に示す。
図1に示す基板100は自立GaNウエハであり、互いに反対方向を向いた2つの主面(大面積面)、すなわち、第一主面101と第二主面102を有する。
第一主面101と第二主面102は、好ましくは互いに平行である。
第一主面101は、窒化物半導体デバイスを製造するときなどに、窒化物半導体のエピタキシャル成長に使用される主面、すなわち「おもて面」である。第二主面102は「裏面」である。
第一主面101と第二主面102は、いずれか一方がGa極性で、他方がN極性である。
第一主面101がGa極性であるとき、(0001)結晶面に対する第一主面101の傾斜は0度以上10度以下である。該傾斜は、0.2度以上であってもよく、また、5度未満、2.5度未満、1.5度未満、1度未満または0.5度未満であってもよい。
第一主面101がN極性であるとき、(000-1)結晶面に対する第一主面101の傾斜は0度以上10度以下である。該傾斜は、1度以上、2度以上、3度以上、4度以上または5度以上であってもよい。
第一主面101がGa極性であるとき、(0001)結晶面に対する第一主面101の傾斜は0度以上10度以下である。該傾斜は、0.2度以上であってもよく、また、5度未満、2.5度未満、1.5度未満、1度未満または0.5度未満であってもよい。
第一主面101がN極性であるとき、(000-1)結晶面に対する第一主面101の傾斜は0度以上10度以下である。該傾斜は、1度以上、2度以上、3度以上、4度以上または5度以上であってもよい。
基板100の直径は、通常45mm以上であり、95mm以上、あるいは145mm以上であってもよく、典型的には50~55mm(約2インチ)、100~105mm(約4インチ)、150~155mm(約6インチ)等である。
基板100の厚さは、基板100が自立可能かつハンドリング可能となるように設計される。
基板100の直径が約2インチのとき、その厚さは好ましくは250μm以上、より好ましくは300μm以上であり、また、好ましくは500μm以下、より好ましくは450μm以下である。
基板100の直径が約4インチのとき、その厚さは好ましくは400μm以上、より好ましくは500μm以上であり、また、好ましくは800μm以下、より好ましくは650μm以下である。
基板100の直径が約6インチのとき、その厚さは好ましくは500μm以上、より好ましくは600μm以上であり、また、好ましくは850μm以下、より好ましくは750μm以下である。
基板100の厚さは、基板100が自立可能かつハンドリング可能となるように設計される。
基板100の直径が約2インチのとき、その厚さは好ましくは250μm以上、より好ましくは300μm以上であり、また、好ましくは500μm以下、より好ましくは450μm以下である。
基板100の直径が約4インチのとき、その厚さは好ましくは400μm以上、より好ましくは500μm以上であり、また、好ましくは800μm以下、より好ましくは650μm以下である。
基板100の直径が約6インチのとき、その厚さは好ましくは500μm以上、より好ましくは600μm以上であり、また、好ましくは850μm以下、より好ましくは750μm以下である。
基板100のオフカット角は、x方向成分とy方向成分という、第一主面101内で互いに直交する2方向の成分に分解することができる。このことを図2を参照して説明すると、次の通りである。
第一主面101の法線方向をz方向、c軸に平行なベクトルをベクトルVcとしたとき、ウエハ20のオフカット角はベクトルVcのz方向からの傾斜θに等しい。このベクトルVcは、x方向成分であるベクトルVcxと、y方向成分であるベクトルVcyとに分解することができる。xz平面上におけるベクトルVcの正射影がベクトルVcxであり、yz平面上におけるベクトルVcの正射影がベクトルVcyである。
ベクトルVcをこのように分解したとき、ベクトルVcxのz方向からの傾斜がオフカット角θのx方向成分θxであり、ベクトルVcyのz方向からの傾斜がオフカット角θのy方向成分θyである。
第一主面101の法線方向をz方向、c軸に平行なベクトルをベクトルVcとしたとき、ウエハ20のオフカット角はベクトルVcのz方向からの傾斜θに等しい。このベクトルVcは、x方向成分であるベクトルVcxと、y方向成分であるベクトルVcyとに分解することができる。xz平面上におけるベクトルVcの正射影がベクトルVcxであり、yz平面上におけるベクトルVcの正射影がベクトルVcyである。
ベクトルVcをこのように分解したとき、ベクトルVcxのz方向からの傾斜がオフカット角θのx方向成分θxであり、ベクトルVcyのz方向からの傾斜がオフカット角θのy方向成分θyである。
基板100では、第一主面101の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、第一主面101の中央を通りy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である。x方向はa面のひとつと平行であってもよく、そのときy方向はm面のひとつと平行である。
ここでいう変動幅とは最大値と最小値の差であり、変動幅が0.16度以下であるとは、言い換えると、中央値からの変動が±0.08度以内ということである。
該第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅は、小さければ小さい程好ましい。これらの変動幅は、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.14度以下、更には0.12度以下、更には0.10度以下、更には0.08度以下、更には0.06度以下、更には0.04度以下であり得る。
オフカット角の変動幅を評価する際、基板外周からの距離が5mm未満の部分は除外してもよい。
ここでいう変動幅とは最大値と最小値の差であり、変動幅が0.16度以下であるとは、言い換えると、中央値からの変動が±0.08度以内ということである。
該第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅は、小さければ小さい程好ましい。これらの変動幅は、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.14度以下、更には0.12度以下、更には0.10度以下、更には0.08度以下、更には0.06度以下、更には0.04度以下であり得る。
オフカット角の変動幅を評価する際、基板外周からの距離が5mm未満の部分は除外してもよい。
基板100のおもて面である第一主面101は鏡面仕上げされるのが普通であり、AFMで測定されるその根二乗平均(RMS)粗さは、測定範囲2μm×2μmにおいて好ましくは2nm未満であって、1nm未満または0.5nm未満であってもよい。
裏面である第二主面102は、鏡面仕上げされてもよいし、艶消し仕上げされてもよい。
基板100のエッジは面取りされてもよい。
基板100には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットまたはノッチ、おもて面と裏面の識別を容易にするためのインデックス・フラット等、必要に応じて様々なマーキングを施してもよい。
基板100の主面は円形であるが、円形に限定されるものではなく、正方形、長方形、六角形、八角形、その他任意の形状に変更することができる。
裏面である第二主面102は、鏡面仕上げされてもよいし、艶消し仕上げされてもよい。
基板100のエッジは面取りされてもよい。
基板100には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットまたはノッチ、おもて面と裏面の識別を容易にするためのインデックス・フラット等、必要に応じて様々なマーキングを施してもよい。
基板100の主面は円形であるが、円形に限定されるものではなく、正方形、長方形、六角形、八角形、その他任意の形状に変更することができる。
基板100は、HVPEで成長されたGaN結晶からなる。
基板100のO濃度は、6×1015atoms/cm3以上である。一般的な石英リアクターを備えるHVPE装置では、結晶成長中にシードに供給されるガスが石英製の部材に接触し得るところ、かかるHVPE装置で成長されたGaN結晶は、6×1015atoms/cm3以上の濃度でOを含有するのが普通である[例えば、H. Fujikura, et al., Japanese Journal of Applied Physics 56, 085503 (2017)を参照されたい。]。
また、一般的な石英リアクターを備えるHVPE装置で成長されたGaN結晶は、5×1016atoms/cm3以上のSi濃度と、1×1017atoms/cm3以下のH濃度を有するのが普通である。成長表面の平坦性を高めることにより、かかるGaN結晶のO濃度は3×1016atoms/cm3以下となり得る。
基板100のO濃度は、6×1015atoms/cm3以上である。一般的な石英リアクターを備えるHVPE装置では、結晶成長中にシードに供給されるガスが石英製の部材に接触し得るところ、かかるHVPE装置で成長されたGaN結晶は、6×1015atoms/cm3以上の濃度でOを含有するのが普通である[例えば、H. Fujikura, et al., Japanese Journal of Applied Physics 56, 085503 (2017)を参照されたい。]。
また、一般的な石英リアクターを備えるHVPE装置で成長されたGaN結晶は、5×1016atoms/cm3以上のSi濃度と、1×1017atoms/cm3以下のH濃度を有するのが普通である。成長表面の平坦性を高めることにより、かかるGaN結晶のO濃度は3×1016atoms/cm3以下となり得る。
基板100をなすGaN結晶は、最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満であり、21GPa未満であってもよく、更には20GPa未満であってもよい。
このようなナノインデンテーション硬さを有するGaN結晶は、一般的な石英リアクターを備えたHVPE装置を用いて成長させることができる。
このようなナノインデンテーション硬さを有するGaN結晶は、一般的な石英リアクターを備えたHVPE装置を用いて成長させることができる。
基板100は、意図的ドープしていないGaN(UID-GaN;un-intentionally doped GaN)からなり得る。非意図的なドナー不純物ドーピングのせいで、UID-GaNはn型導電性を示すのが普通である。
UID-GaNでは、キャリア濃度が5×1017cm-3程度まで高くなり得るとともに、室温抵抗率が0.04Ω・cm程度まで低くなり得る。これは、UID-GaNのSi濃度が5×1017atoms/cm3程度まで高くなり得ること、また、O濃度が2×1017atoms/cm3程度まで高くなり得ることによる。
UID-GaNでは、キャリア濃度が5×1017cm-3程度まで高くなり得るとともに、室温抵抗率が0.04Ω・cm程度まで低くなり得る。これは、UID-GaNのSi濃度が5×1017atoms/cm3程度まで高くなり得ること、また、O濃度が2×1017atoms/cm3程度まで高くなり得ることによる。
一例では、意図的ドーピングによって基板100の室温抵抗率を低下させ、0.03Ω・cm未満、更には0.02Ω・cm未満、更には0.015Ω・cm未満、更には0.010Ω・cm未満とすることができる。抵抗率を十分に低下させるには、基板100の室温におけるキャリア濃度を1×1018cm-3以上、更には2×1018cm-3以上とすることが好ましい。該キャリア濃度は、3×1018cm-3以上、更には4×1018cm-3以上としてもよい。電気特性の観点からは、該キャリア濃度に特段の上限は無いが、基板100の生産性を悪化させないためには、該キャリア濃度を1×1019cm-3以下に設定することが望ましく、8×1018cm-3以下、更には5×1018cm-3以下に設定してもよい。強いドーピングはGaN結晶の異常成長の発生頻度を
高めるからである。
高めるからである。
基板100抵抗率を下げるために用いられるドーパントは、好ましくはドナー不純物であり、なぜなら、ドナー不純物の方が一般にアクセプター不純物より高い活性化率を示すからである。活性化率とは、ドープされたGaNにおける、ドーパントの濃度に対するキャリア濃度の比率のことである。
GaN結晶中でドナーとして働く元素には、Si(ケイ素)、Ge(ゲルマニウム)等の14族元素と、O(酸素)、S(硫黄)等の16族元素があるところ、意図的ドーパントとして好ましいのはSiおよびGeである。Geで意図的にドーピングしたGaN結晶は、意図しないドーパントとしてSiを、Geと同じオーダーの濃度で含有することがあり得る。
GaN結晶中でドナーとして働く元素には、Si(ケイ素)、Ge(ゲルマニウム)等の14族元素と、O(酸素)、S(硫黄)等の16族元素があるところ、意図的ドーパントとして好ましいのはSiおよびGeである。Geで意図的にドーピングしたGaN結晶は、意図しないドーパントとしてSiを、Geと同じオーダーの濃度で含有することがあり得る。
基板100の第一主面101における転位密度を評価するときは、各測定点において180μm×180μm(32400μm2)以上の面積の矩形エリアを観察することが好ましい。観察面積が180μm×180μm以上のとき、第一主面101内における転位密度の最大値は最小値の4倍を超えることはなく、たいていは3倍以下であり、更には2倍以下であり得る。
基板100の第一主面101における転位密度は1×106cm-2未満であり、好ましくは7×105cm-2以下、より好ましくは5×105cm-2以下である。該転位密度は、通常、2×105cm-2以上である。
GaN結晶のカソードルミネセンス(CL)像には転位が暗点として現れるので、転位密度はCL像観察により測定できる。第一主面101がGa極性であるときは、270℃に加熱した濃度89%の硫酸で基板100を1時間エッチングした後の該第一主面101におけるエッチピットの密度を、転位密度とみなしてもよい。
基板100の第一主面101における転位密度は1×106cm-2未満であり、好ましくは7×105cm-2以下、より好ましくは5×105cm-2以下である。該転位密度は、通常、2×105cm-2以上である。
GaN結晶のカソードルミネセンス(CL)像には転位が暗点として現れるので、転位密度はCL像観察により測定できる。第一主面101がGa極性であるときは、270℃に加熱した濃度89%の硫酸で基板100を1時間エッチングした後の該第一主面101におけるエッチピットの密度を、転位密度とみなしてもよい。
第一主面101における転位密度を評価するときは、基板外周からの距離が5mm未満の領域と、ファセット成長領域とを、例外的な領域として除外してよい。
図3は、c軸配向したGaN結晶層がシード上で[0001]方向に成長するところを示す断面図であり、ファセット成長領域にハッチングを施している。図3から分かるように、[0001]方向に成長するGaN結晶層の表面に、当該GaN結晶層が成長しても成長表面から消えないピットが発生したとき、かかるピットが通過した領域がファセット成長領域である。
ファセット成長領域は、成長とともに拡径する傾向を示すことが多く、局所的に増加した欠陥密度を有するコアを内部に有し得る。
基板100の第一主面101において、ひとつのファセット成長領域の直径は、通常50μmから1000μmの範囲内である。該第一主面101におけるファセット成長領域の数密度は多くとも2cm2あたり1個、好ましくは4cm2あたり1個以下である。第一主面101におけるファセット成長領域の面積の総和は、第一主面の面積の1.5%以下であり、好ましくは0.75%以下である。
ファセット成長領域をなすGaN結晶と、ファセット成長領域以外の領域をなすGaN結晶とでは、成長時の表面の方位が異なっており、ファセット成長領域では酸素濃度とキャリア濃度がファセット成長領域以外の領域よりも高いのが普通である。
図3は、c軸配向したGaN結晶層がシード上で[0001]方向に成長するところを示す断面図であり、ファセット成長領域にハッチングを施している。図3から分かるように、[0001]方向に成長するGaN結晶層の表面に、当該GaN結晶層が成長しても成長表面から消えないピットが発生したとき、かかるピットが通過した領域がファセット成長領域である。
ファセット成長領域は、成長とともに拡径する傾向を示すことが多く、局所的に増加した欠陥密度を有するコアを内部に有し得る。
基板100の第一主面101において、ひとつのファセット成長領域の直径は、通常50μmから1000μmの範囲内である。該第一主面101におけるファセット成長領域の数密度は多くとも2cm2あたり1個、好ましくは4cm2あたり1個以下である。第一主面101におけるファセット成長領域の面積の総和は、第一主面の面積の1.5%以下であり、好ましくは0.75%以下である。
ファセット成長領域をなすGaN結晶と、ファセット成長領域以外の領域をなすGaN結晶とでは、成長時の表面の方位が異なっており、ファセット成長領域では酸素濃度とキャリア濃度がファセット成長領域以外の領域よりも高いのが普通である。
2.c面GaN基板の用途
実施形態に係るc面GaN基板は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)などの発光デバイスと、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイスとを含む、各種の窒化物半導体デバイスの製造に使用することができる。
窒化物半導体は、窒化物系III-V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、GaN系半導体などとも呼ばれ、GaNを含む他、GaNのガリウムの一部または全部を他の周期表第13族元素(B、Al、In等)で置換した化合物を含む。
窒化物半導体デバイスとは、デバイス構造の主要部を窒化物半導体で形成した半導体デバイスである。
実施形態に係るc面GaN基板は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)などの発光デバイスと、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイスとを含む、各種の窒化物半導体デバイスの製造に使用することができる。
窒化物半導体は、窒化物系III-V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、GaN系半導体などとも呼ばれ、GaNを含む他、GaNのガリウムの一部または全部を他の周期表第13族元素(B、Al、In等)で置換した化合物を含む。
窒化物半導体デバイスとは、デバイス構造の主要部を窒化物半導体で形成した半導体デバイスである。
3.実験結果
以下に、本発明者等が行なった実験の結果を記す。
3.1.実験1
直径76mmのc面サファイア基板上に、MOCVD法で約3μm厚のc軸配向GaN膜をエピタキシャル成長させてなるGaNテンプレートを準備した。GaN膜の表面はGa極性で、転位密度は108cm-2台であった。
このGaN膜の表面に、プラズマCVD法によって厚さ800ÅのSiNx膜を体積させ、更に、このSiNx膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングの技法を用いてパターニングすることにより、三角格子型のネットパターンを有する開口率40%の剥離層を形成した。この剥離層の付いたGaNテンプレートをシードに用いて、HVPEでGaN結晶を成長させた。
以下に、本発明者等が行なった実験の結果を記す。
3.1.実験1
直径76mmのc面サファイア基板上に、MOCVD法で約3μm厚のc軸配向GaN膜をエピタキシャル成長させてなるGaNテンプレートを準備した。GaN膜の表面はGa極性で、転位密度は108cm-2台であった。
このGaN膜の表面に、プラズマCVD法によって厚さ800ÅのSiNx膜を体積させ、更に、このSiNx膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングの技法を用いてパターニングすることにより、三角格子型のネットパターンを有する開口率40%の剥離層を形成した。この剥離層の付いたGaNテンプレートをシードに用いて、HVPEでGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長には、石英製のホットウォール型リアクターと、その内部に設置された石英製ガリウムボートおよびパイロリティックグラファイト製サセプターとを備える、常圧HVPE装置を用いた。
ガリウムボートの温度は終始850℃に保持しつつ、初期層、ピット化層(pitted layer)、平坦化層およびメイン層からなるGaN結晶を、下記表1に示す条件で成長させた。キャリアガスにはH2(水素ガス)とN2(窒素ガス)を用いた。
ガリウムボートの温度は終始850℃に保持しつつ、初期層、ピット化層(pitted layer)、平坦化層およびメイン層からなるGaN結晶を、下記表1に示す条件で成長させた。キャリアガスにはH2(水素ガス)とN2(窒素ガス)を用いた。
表1にいうV/III比は、リアクター内に供給するNH3(アンモニア)とガリウムボートに供給するHCl(塩化水素)のモル流量比である。
表1にいうキャリアガス中のH2モル比は、リアクター外からリアクター内に供給されるH2とN2のモル流量に基づいて算出した値である。
表1にいうキャリアガス中のH2モル比は、リアクター外からリアクター内に供給されるH2とN2のモル流量に基づいて算出した値である。
最初に成長させたのは初期層で、次いでピット化層と平坦化層を交互に成長させ、最後にメイン層を成長させた。
ピット化層は、成長表面に無数のピットが形成された層である。別途観察したところでは、ピット化層の成長初期に形成されたピットの底には必ず転位が存在していた。このことから、ピットの形成には、初期層の表面の転位が関係していると考えられた。
平坦化層は各ピット化層に続いて成長させる層で、その成長条件は、成長完了時点における成長表面のピット密度が結晶層の外周近傍を除いて1ピット/cm2以下となるように設定した。外周近傍を除く理由は、外周近傍では成長条件に関わりなくピットが発生し易い傾向があるからである。
ピット化層の数は2から5の間で変化させた。ピット化層と平坦化層は交互に成長させたので、平坦化層の数はピット化層の数と同じである。比較のために、ピット化層と平坦化層を省略したGaN結晶も成長させた。
メイン層の成長後、リアクター温度を室温まで下げ、GaNテンプレートとその上に成長したGaN結晶をリアクターから取り出して観察したところ、両者間の分離はリアクター内で実質的に完了していた。この分離は、少なくとも部分的には、メイン層の成長終了よりも前の段階で起こっていた可能性がある。
ピット化層は、成長表面に無数のピットが形成された層である。別途観察したところでは、ピット化層の成長初期に形成されたピットの底には必ず転位が存在していた。このことから、ピットの形成には、初期層の表面の転位が関係していると考えられた。
平坦化層は各ピット化層に続いて成長させる層で、その成長条件は、成長完了時点における成長表面のピット密度が結晶層の外周近傍を除いて1ピット/cm2以下となるように設定した。外周近傍を除く理由は、外周近傍では成長条件に関わりなくピットが発生し易い傾向があるからである。
ピット化層の数は2から5の間で変化させた。ピット化層と平坦化層は交互に成長させたので、平坦化層の数はピット化層の数と同じである。比較のために、ピット化層と平坦化層を省略したGaN結晶も成長させた。
メイン層の成長後、リアクター温度を室温まで下げ、GaNテンプレートとその上に成長したGaN結晶をリアクターから取り出して観察したところ、両者間の分離はリアクター内で実質的に完了していた。この分離は、少なくとも部分的には、メイン層の成長終了よりも前の段階で起こっていた可能性がある。
成長したGaN結晶の外周を円筒形に加工した後、そのメイン層部分からc面と略平行な主面を有するウエハをスライスした。該ウエハのN極性側のスライスダメージは、KOH水溶液エッチングにより除去した。該ウエハのGa極性側の主面は、研削で平坦化した後、ダメージ層を除去するために化学機械研磨した。こうして直径5cm(約2インチ)で厚さ400μmのc面GaN基板を完成させた。
このc面GaN基板のGa極性側の主面における転位密度を、CL像観察により調べた。
a面のひとつに平行な方向をx方向に選び、該主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上と、該主面の中央を通りx方向と垂直なy方向に延びる第二のライン上とで、転位密度測定を行った。
測定は、第一のラインと第二のラインとの交点(=該主面の中央)と、該交点を除く第一のライン上の8点と、該交点を除く第二のライン上の8点の、全17点で行った。隣り合う測定点間の間隔は5mmであった。
各測定点で180μm×240μmの矩形エリアを観察し、矩形エリア内に見出された転位の数をその面積(43200μm2)で除することで、測定点ごとに転位密度を算出した。17測定点間での平均値を、当該c面GaN基板の転位密度とした。
また、第一のライン上の40mmの区間内におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、第二のライン上の40mmの区間内におけるオフカット角のy方向成分の変動幅を、X線回折装置を用いて調べた。
結果を下記表2に記す。
このc面GaN基板のGa極性側の主面における転位密度を、CL像観察により調べた。
a面のひとつに平行な方向をx方向に選び、該主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上と、該主面の中央を通りx方向と垂直なy方向に延びる第二のライン上とで、転位密度測定を行った。
測定は、第一のラインと第二のラインとの交点(=該主面の中央)と、該交点を除く第一のライン上の8点と、該交点を除く第二のライン上の8点の、全17点で行った。隣り合う測定点間の間隔は5mmであった。
各測定点で180μm×240μmの矩形エリアを観察し、矩形エリア内に見出された転位の数をその面積(43200μm2)で除することで、測定点ごとに転位密度を算出した。17測定点間での平均値を、当該c面GaN基板の転位密度とした。
また、第一のライン上の40mmの区間内におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、第二のライン上の40mmの区間内におけるオフカット角のy方向成分の変動幅を、X線回折装置を用いて調べた。
結果を下記表2に記す。
実験1で作製したいずれのc面GaN基板においても、17測定点間における転位密度の最大値と最小値を比べたとき、前者は後者の2倍未満であった。
実験1で作製したいずれのc面GaN基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、HVPEで成長させたGaN結晶における(0001)結晶面の湾曲と推定された。
実験1で作製したいずれのc面GaN基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、HVPEで成長させたGaN結晶における(0001)結晶面の湾曲と推定された。
3.2.実験2
サファイア基板上にGaN膜を形成してなるGaNテンプレート上に、剥離層を介してHVPEでGaN結晶を平坦成長させ、そのGaN結晶をスライスする方法で、単結晶GaN(0001)基板を準備した。GaN結晶を成長させるとき、ピット化層と平坦化層の形成は行わなかった。
準備した単結晶GaN(0001)基板は、直径が64mm、厚さが400μmで、Ga極性側の主面における転位密度は2×106~4×106cm-2であった。
この単結晶GaN(0001)基板をシードに用いて、HVPEでGaN結晶を成長させた。
サファイア基板上にGaN膜を形成してなるGaNテンプレート上に、剥離層を介してHVPEでGaN結晶を平坦成長させ、そのGaN結晶をスライスする方法で、単結晶GaN(0001)基板を準備した。GaN結晶を成長させるとき、ピット化層と平坦化層の形成は行わなかった。
準備した単結晶GaN(0001)基板は、直径が64mm、厚さが400μmで、Ga極性側の主面における転位密度は2×106~4×106cm-2であった。
この単結晶GaN(0001)基板をシードに用いて、HVPEでGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長には、実験1で用いたものと同タイプのHVPE装置を用いた。
ガリウムボートの温度は終始850℃に保持しつつ、ピット化層、平坦化層およびメイン層からなるGaN結晶を、下記表3に示す条件で成長させた。キャリアガスにはH2(水素ガス)とN2(窒素ガス)を用いた。
ガリウムボートの温度は終始850℃に保持しつつ、ピット化層、平坦化層およびメイン層からなるGaN結晶を、下記表3に示す条件で成長させた。キャリアガスにはH2(水素ガス)とN2(窒素ガス)を用いた。
最初にピット化層と平坦化層を交互に成長させ、その後にメイン層を成長させた。実験1と同じく、ピット化層の数は2から5の間で変化させ、また、比較のためにピット化層と平坦化層を省略したGaN結晶も成長させた。
成長させたGaN結晶のメイン層部分から、実験1で作製したものと同じ直径と厚さを有するc面GaN基板を作製し、Ga極性側の主面における転位密度とオフカット角の変動を、実験1と同様の手順で評価した。
結果を下記表4に記す。
成長させたGaN結晶のメイン層部分から、実験1で作製したものと同じ直径と厚さを有するc面GaN基板を作製し、Ga極性側の主面における転位密度とオフカット角の変動を、実験1と同様の手順で評価した。
結果を下記表4に記す。
実験2で作製したいずれのc面GaN基板においても、17測定点間における転位密度の最大値と最小値を比べたとき、前者は後者の2倍未満であった。
実験2で作製したいずれのc面GaN基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、HVPEで成長させたGaN結晶における(0001)結晶面の湾曲と推定された。
実験2で作製したいずれのc面GaN基板においても、第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分と、第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分は、それぞれラインの一方端から他方端に向かって単調に変化していた。このことから、主面内でのオフカット角変動の主原因は、HVPEで成長させたGaN結晶における(0001)結晶面の湾曲と推定された。
上記実験1および実験2では、ピット化層の成長を第一段階と第二段階に分け、成長温度を途中で切り替えたが、これには2つの理由がある。
ひとつの理由は、成長温度を一定以下に低くした第一段階を設けないと、ピット化層を好ましく成長させることができなかったからである。詳しくいうと、実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、成長温度を930℃以下とした第一段階を設けないとき、ピット化層の成長表面全体に偏りなくピットを発生させることができなかった。
ただし、第一段階の成長温度を900℃まで下げると、ピット化層の表面で多結晶成長が発生する頻度が高くなり、その結果、多数のファセット成長領域がメイン層に形成された。内部で多結晶が成長したピットは、平坦化層を成長させても消失しなかったことによる。
ひとつの理由は、成長温度を一定以下に低くした第一段階を設けないと、ピット化層を好ましく成長させることができなかったからである。詳しくいうと、実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、成長温度を930℃以下とした第一段階を設けないとき、ピット化層の成長表面全体に偏りなくピットを発生させることができなかった。
ただし、第一段階の成長温度を900℃まで下げると、ピット化層の表面で多結晶成長が発生する頻度が高くなり、その結果、多数のファセット成長領域がメイン層に形成された。内部で多結晶が成長したピットは、平坦化層を成長させても消失しなかったことによる。
もうひとつの理由は、成長温度を一定以上に高くした第二段階を設けないとき、次に成長させた平坦化層の表面に、転位が異常に高い密度で集まった転位集合領域が形成されたからである。別途観察したところでは、この転位集合領域に集まった転位は、ピット化層または平坦化層の成長過程で発生しているようであった。
実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階の成長温度を930℃以上より高くしたとき、かかる転位集合領域の形成を効果的に抑制できた。ただし、それは第一段階におけるピット化層の成長厚を20μm以下としたときだけであった。
実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階における成長温度を970℃まで高くしても、ピット化層の成長表面が平坦化することはなかった。
実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階の成長温度を930℃以上より高くしたとき、かかる転位集合領域の形成を効果的に抑制できた。ただし、それは第一段階におけるピット化層の成長厚を20μm以下としたときだけであった。
実験1および実験2で使用したV/III比条件およびキャリアガス条件の下では、第二段階における成長温度を970℃まで高くしても、ピット化層の成長表面が平坦化することはなかった。
上記実験1では、周期的開口パターンを有するSiNx膜を剥離層として設けたGaNテンプレートをシードに用いたが、これに代えて、いわゆるVAS法[Y. Oshima, et al., Japanese Journal of Applied Physics 42 (2003) pp. L1-L3]で用いられる剥離層付きシードを用いてもよい。この剥離層付きシードは、サファイア基板上にMOVPEで低温バッファ層を介して厚さ数百nmのGaN層を成長させ、更に、その上に真空蒸着で厚さ数十nmのTi(チタン)層を形成した後、80%のH2(水素ガス)と20%のNH3(アンモニア)の混合ガス中、例えば1060℃で30分間アニールすることにより得ることができる。
以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。
100 基板
101 第一主面
102 第二主面
101 第一主面
102 第二主面
Claims (8)
- 5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度、1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度および6×1015atoms/cm3以上のO濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
- 最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満のGaN結晶を含む、請求項1に記載のc面GaN基板。
- 最大荷重が1mN以上50mN以下の範囲内におけるナノインデンテーション法により測定される硬さが22GPa未満のGaN結晶を含み、5×1016atoms/cm3以上のSi(ケイ素)濃度および1×1017atoms/cm3以下のH(水素)濃度を有し、一方の主面における転位密度が1×106cm-2未満であり、かつ、該一方の主面の中央を通りx方向に延びる第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、該一方の主面の中央を通り該x方向に垂直なy方向に延びる第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.16度以下である、c面GaN基板。
- 前記第一のライン上におけるオフカット角のx方向成分の変動幅と、前記第二のライン上におけるオフカット角のy方向成分の変動幅が、それぞれ、長さ40mmの区間内で0.14度以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載のc面GaN基板。
- 前記一方の主面における転位密度が7×105cm-2以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載のc面GaN基板。
- 前記一方の主面における転位密度が2×105cm-2以上である、請求項1~5のいずれか一項に記載のc面GaN基板。
- O濃度が2×1017atoms/cm3以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載のc面GaN基板。
- O濃度が3×1016atoms/cm3以下である、請求項7に記載のc面GaN基板。
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