JP3416042B2 - GaN基材及びその製造方法 - Google Patents

GaN基材及びその製造方法

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JP3416042B2 JP35331897A JP35331897A JP3416042B2 JP 3416042 B2 JP3416042 B2 JP 3416042B2 JP 35331897 A JP35331897 A JP 35331897A JP 35331897 A JP35331897 A JP 35331897A JP 3416042 B2 JP3416042 B2 JP 3416042B2
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巧 柴田
一行 只友
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばGaN系発
光素子の製造に好適なGaN基材及びその製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】一般的なGaN半導体材料の厚膜成長手
段としては、サファイア基板上にZnO等のバッファ層
を形成し、その上にHVPE法でGaN半導体材料を成
長させる方法がある。また、その改良技術として、サフ
ァイア基板に代え、スピネル、LGO、LAO、Zn
O、SiC等の基板を用いたり、易劈開性の基板を用い
たり、或いは基板表面にマスクを設けその上に選択成長
させる方法等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、GaN
半導体材料を厚膜成長すると、GaNとサファイア基板
との格子定数及び熱膨張係数の違いから界面に多大のス
トレスが掛かり、GaNが割れ大型基板が得られないと
いった問題点があった。また、転位密度が極めて大きい
(1×109 cm-2〜1×1010cm-2)基板しか得られな
いといった問題点があった。ここで転位とは、基板上に
半導体層を成長させるときに、格子定数が合致していな
い(格子不整合)状態で成長させた場合に発生する欠陥
であり、これら転位は結晶欠陥であるため非発光再結合
中心として働いたり、そこが電流のパスとして働き漏れ
電流の原因になるなど、当該GaN半導体材料を発光素
子に用いた場合に発光特性や寿命特性を低下させる原因
となる。
【0004】従って本発明は、厚膜のGaN半導体材料
の成長が可能で、しかも転位などの欠陥を内包しない高
品質なGaN基材及びその製造方法を提供することを目
的とする。
【0005】
【発明を解決するための手段】本発明のGaN基材は、
ベース基板と、該ベース基板の表面を部分的に覆うマス
ク層と、その上に成長され、ベース基板の非マスク部と
直接接触する部位を有すると共に前記マスク層上を覆う
GaN層とからなり、前記マスク層は、それ自身の表面
からは実質的にGaNが結晶成長し得ない材料からな
り、該マスク層の形成パターンは、GaN層の〈11−
20〉方向の格子と、GaN層の〈1−100〉方向の
格子とからなる格子状パターンであることを特徴とする
ものである。ここで、ベース基板表面の非マスク部が格
子状を呈していることあるいは、非マスク部がストラ
イプ状を呈していることも好ましい。さらに、ベース基
板は少なくともその表層がInXGaYAlZN(0≦X
≦1,0≦Y≦1,0≦Z≦1,X+Y+Z=1)であ
ることが好ましい。
【0006】また、本発明のGaN基材の製造方法は、
ベース基板の表面を、それ自身の表面からは実質的に結
晶成長し得ない材料からなるマスク層で部分的に覆い、
次いでベース基板表面の非マスク部を出発点として、前
記マスク層上を覆う厚さ以上にGaN層を成長させる
aN基材の製造方法であって、前記マスク層の形成パタ
ーンを、GaN層の〈11−20〉方向の格子と、〈1
−100〉方向の格子とからなる格子状パターンとする
ことを特徴とするものである。ここで、GaN層の成長
は、HVPE法もしくはMOCVD法により行われるこ
とが好ましい。
【0007】
【作用】本明細書では、GaN系結晶やサファイア基板
などの六方格子結晶の格子面を4つのミラー指数(hk
il)によって指定する場合があれば、記載の便宜上、
指数が負のときには、その指数の前にマイナス記号を付
けて表記するものとし、この負の指数に関する表記方法
以外は、一般的なミラー指数の表記方法に準じる。従っ
て、GaN系結晶の場合では、C軸に平行なプリズム面
(特異面)は6面あるが、例えば、その1つの面は(1
−100)と表記し、6面を等価な面としてまとめる場
合には{1−100}と表記する。また、前記{1−1
00}面に垂直でかつC軸に平行な面を等価的にまとめ
て{11−20}と表記する。また、(1−100)面
に垂直な方向は〔1−100〕、それと等価な方向の集
合を〈1−100〉とし、(11−20)面に垂直な方
向は〔11−20〕、それと等価な方向の集合を〈11
−20〉と表記する。但し、図面にミラー指数を記入す
る場合があれば、指数が負のときには、その指数の上に
マイナス記号を付けて表記し、ミラー指数の一般的な表
記方法に全て準じる。本発明でいう結晶方位は、ベース
基板上にC軸を厚み方向として成長したGaNの結晶を
基準とする方位である。
【0008】本明細書でいう「無転位」とは、転位が全
く存在しない理想的な状態(理論上存在する状態)だけ
を意味するのではなく、サファイア基板上にバッファ層
を介してGaN系結晶を成長させた場合における通常の
転位密度に比べて、産業上その転位の影響を無視し得る
程十分に低い転位密度とされた状態を意味する。
【0009】本発明者らは、先にGaNとサファイア基
板との格子定数及び熱膨張係数の違いに起因するGaN
層のクラック対策として、図4に示すように、ベース基
板1上に格子状にパターニングしたマスク層2を施し、
基板露出部へ点在的にチップサイズのGaN層30を成
長させることを提案している(特開平7−273367
号公報)。
【0010】その後本発明者らがさらに研究を重ねた結
果、点在的に成長させたGaN層30をさらに成長させ
ると、図1に示す如く厚さ方向だけでなく、各GaN層
30からマスク層2上へ向けての横方向へも成長が行わ
れることが確認された。しかも、成長条件によっては結
晶方位依存性を有することが判明した。
【0011】さらに、前述の結晶中に存在する転位は、
基板を含む下地から継承するか、何れかの成長界面で発
生し、結晶成長と共に成長する特性がある。非マスク部
を出発点としマスク層を覆うまでGaN結晶を成長させ
た場合、マスク層を覆うのに要する厚み、低転位領域の
形成される場所は、マスク層の方向(マスク層と非マス
ク部との境界線の方向)・GaN結晶を成長させる時の
ガス雰囲気により変化することを見いだした。また、上
述の横方向の成長をさらに進めると、図2に示すよう
に、マスク層2を完全に埋め込み、非常に欠陥の少ない
平坦でクラックの無い大型且つ厚膜のGaN層3が得ら
れる事を見出した。クラックが発生しないのは、マスク
層2界面とGaN層3との界面が分離しているためにス
トレスが緩和されていることが原因と思われる。本発明
はかかる知見に基づくものである。
【0012】
【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら、本発明
の実施の形態につき説明する。図2は本発明にかかるG
aN基材の一例を示す断面図であり、1はベース基板、
2は該ベース基板1の表面を部分的に覆うマスク層、3
はベース基板1の非マスク部11と直接接触する部位を
有すると共に前記マスク層2上を覆うGaN層である。
【0013】本発明で用いるベース基板1としては特に
制限はなく、従来からGaN層を成長させる際に汎用さ
れている、例えばサファイア、水晶、SiC等を用いる
ことができる。なかでも、サファイアのC面、A面、6
H−SiC基板、特にC面サファイア基板が好ましい。
またこれら材料の表面に、GaN層との格子定数や熱膨
張係数の違いを緩和するためのZnO、MgOやAlN
等のバッファ層を設けたものであっても良い。
【0014】特に、後に成長させるGaN結晶となるべ
く格子定数が近く、且つ熱膨張係数ができるだけ近いも
のを選択することが、転位などの欠陥を本来的に少なく
する点及びクラック等をより生じにくくする点で望まし
い。また、後述するマスク層2の薄膜形成の際における
高熱やエッチングに対する耐性に優れることが好まし
い。このようなベース基板1として、少なくともその表
層(GaN層3が成長される側の面表層)がInX Ga
Y AlZ N(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦Z≦1,X
+Y+Z=1)からなるものが挙げられる。具体的に
は、サファイア基板上に、MOVPE法によりZnOや
AlN等のバッファ層、及びGaN又はGaAlNの薄
層を順次成膜したものが好適に用い得る。このようなベ
ース基板であれば、GaN層3の成長界面から新たに発
生する転位の密度を低く抑える事が出来、良好な結晶性
のGaN層3を得ることができる。
【0015】上記マスク層2は、ベース基板1表面にお
けるGaN層3の成長可能領域を実質的に制限すること
を目的とする層であるので、該マスク層2を構成する材
料としては、それ自身の表面からは実質的に結晶が成長
し得ないものであることが必要である。このような材料
として例えば非晶質体が例示され、さらにこの非晶質体
としてSi、Ti、Ta、Zr等の窒化物や酸化物、即
ち、SiO2 、SiN X 、SiO1-X X 、TiO2
ZrO2 等が例示される。とりわけ、耐熱性に優れると
共に成膜及びエッチング除去が比較的容易なSiO2
SiNX 、SiO1-X X が適しており、またこれら材
料の多層構造でもよい。
【0016】該マスク層2は、例えばMOVPE、スパ
ッタ、CVD等の方法により基板全表面を覆うように形
成した後、通常のフォトリソグラフィー技術によって光
感光性レジストのパターニングを行い、エッチングによ
って基板の一部を露出させる等の手段で形成される。
【0017】マスク層2の形成パターンには特に限定は
なく、格子状、ストライプ状、ドット状等であって良い
が、格子状とすればベース基板1表面積を有効に使用で
きるため好ましい。格子状マスキングを採用する場合、
ベース基板1の露出パターンの形状は四角形、その他多
角形、円形でも構わない。しかし、横方向の結晶成長速
度はGaN層の〈1−100〉方向よりもGaN層の
〈11−20〉方向が速いという性質があるため、図3
に示すようにGaN層の〈11−20〉方向の格子
AとGaN層の〈1−100〉方向の格子幅Bと
を、0A≦Bの関係とし、マスク上の結晶性が良好で
ある特徴を最大限生かすようにすることが望ましい。な
お、格子の幅は1μm〜2mm程度、露出パターンは四
角形の場合は1μm〜2mm角程度とするのが好まし
い。
【0018】マスク層2で部分的に覆われたベース基板
1の上には、GaN層3が結晶成長によって形成され
る。この場合、GaN結晶はベース基板1の非マスク部
のみが出発点となって成長が始まる。即ちGaN層3と
ベース基板1との直接接触部位は、非マスク部のみとな
る。さらに成長を続けると、マスク層2の非マスク部キ
ャビティを完全に埋め、ほどなくマスク層2上に膨出す
る。なお成長を行うと、GaN結晶は厚さ方向だけでな
く、前記膨出部の側面を出発点として横方向への成長が
始まり、やがて他の非マスク部を出発点とする成長結晶
と合流し、ついにはマスク層2上を完全に覆うと共に厚
さ方向への成長が継続して行き、GaN層3が形成され
るものである。
【0019】このようにしてGaN層が非マスク部を出
発点として結晶成長しマスク層を覆うまでに要する厚
み、低転位領域が形成される場所は、マスク層の方向
(マスク層と非マスク部との境界線の方向)・GaN結
晶を成長させる時のガス雰囲気により変化する。マスク
層の長手方向を〈11−20〉方向にした場合、横方向
成長速度に対しC軸方向の成長速度が早いため、{1−
101}面などの斜めファセットが形成され易い。よっ
て、ピラミッド状の形状が先ず形成されてから平坦化す
る。このため平坦に埋め込むにはある程度の厚みが必要
となる。一方、マスク層の長手方向を〈1−100〉方
向にした場合、横方向成長速度が速くなるため{1−1
01}面などの斜めファセットは形成され難い。この結
果、平坦に埋め込むのが〈11−20〉に比べて薄くて
済む。
【0020】GaN層を非マスク部を出発点としてマス
ク層上を覆うように成長させる時の成長雰囲気ガスは、
水素・窒素・アルゴン・ヘリウム等が挙げられるが、形
状等を制御する上で水素・窒素が望ましい。水素と窒素
では、C軸方向と横方向の速度比が変動するため、目的
に応じ適時使い分けると素子設計の幅が広がる。基板−
成長層界面を起点とし上に伝搬する転位線(貫通転位)
の形成のされ方は、マスク層の開口部上に{1−10
1}面などの斜めファセットが出る場合、この面で曲げ
られるため、マスク層上に転位が形成され、この結果、
非マスク部(開口部)の上方が低転位領域となる。一
方、横方向成長速度が速く、{1−101}面などの斜
めファセットが形成され難い場合は、転位線はC軸方向
に伝搬する。この場合、マスク層の上方が低転位領域と
なる。この様に、成長条件を変化させることでマスク層
を埋め込むまでに要する厚さ・低転位領域の位置を制御
できるために、デバイス設計の自由度が上がる。また、
GaN層とベース基板との直接接触部位は非マスク部の
みで接触面積は小さく、両者の熱膨張係数の相違の影響
をあまり受けないことから、厚肉のGaN層が容易に成
長させ得るという利点もある。
【0021】GaN層3の形成材料としては、GaNだ
けでなく、GaN系半導体材料も使用でき、例えば式I
X GaY AlZ N(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦Z
≦1,X+Y+Z=1)で示される材料を使用できる。
かかるGaN層3の成長方法については制限はなく、H
VPE法、MOCVD法、MBE法等などがよい。C軸
方向に高速に成長させて厚膜を形成する場合はHVPE
法が好ましいが、薄膜を形成する場合はMOCVD法が
好ましい。
【0022】本発明にかかるGaN基材、特に厚肉に成
長させたGaN層3を基板として、その上にクラッド層
と活性層とからなる発光部等及び電極を形成すること
で、LEDやLD等の発光素子を製造することができ
る。
【0023】
【実施例】
(実施例1)直径2インチ、厚さ330μm、C面サフ
ァイア基板上に、MOVPE装置を使って、厚さ20n
mのAlNバッファ層を低温成長し、続いて1.5μm
のGaN薄層を成長し、ベース基板とした。この基板の
表面にマスク材料として厚さ500nmのSiO2 薄膜
をスパッタリング法で形成し、さらにエッチングによっ
て、線幅100μmで200μmピッチの格子状のパタ
ーンにマスク材料を残してマスク層とした。即ち、10
0μm角の正方形の露出部分が200μm間隔で並ぶ形
状となる。これを新たな基板としてHVPE装置に装填
し、300μmのn型GaN層を成長した。マスク層は
完全に埋め込まれ、表面の平坦性は良好であり、2イン
チ径のn型GaN基材が得られた。尚、マスク層上のG
aNをTEMで評価した結果、転位密度は1×102
-2以下であった。
【0024】(実施例2)直径2インチ、厚さ330μ
m、C面サファイア基板上に、MOVPE装置を使っ
て、厚さ50nmのAlNバッファ層を低温成長し、続
いて1.5μmのGaN薄層を成長し、ベース基板とし
た。この基板の表面にマスク材料として厚さ120nm
のSiO2 薄膜をスパッタリング法で形成し、さらにエ
ッチングによって、線幅1.5mmで2mmピッチの格
子状のパターンにマスク材料を残してマスク層とした。
即ち、500μm角の正方形の露出部分が1.5mm間
隔で並ぶ形状となる。この基板をHVPE装置に装填
し、2mmのn型GaN層を成長した。マスク層は完全
に埋め込まれ、クラックの発生は見られず、表面の平坦
性の良好な2インチ径のn型GaN基材が得られた。
【0025】(実施例3)実施例2で作製したベース基
板に、マスク材料として、厚さ500nmのSiO2
膜をスパッタリング法で形成し、さらにエッチングによ
って、線幅200μmの直線状パターンが400μmピ
ッチで並ぶストライプ状のパターンにマスク材料を残し
てマスク層とした。即ち、200μm幅の直線の露出部
分が200μm間隔で並ぶ形状となる。ストライプの方
向は〈1−100〉方向に合わせた。これを新たな基板
としてHVPE装置に装填し、220μmのn型GaN
層を成長した。マスク層は完全に埋め込まれ、クラック
の発生は見られず、表面の平坦性の良好な2インチ径の
n型GaN基材が得られた。
【0026】(実施例4)結晶構造が6H型であるSi
C基板(0001)上に、マスク材料として厚さ150
nmのSiO2 薄膜を熱CVD法で形成し、さらにエッ
チングによって、10μm径の円形の露出部分が100
μmピッチで並ぶドット状のパターンにマスク材料を残
してマスク層とした。即ち、100μm間隔の格子点上
に上記の円形露出部分が並んだ形状となる。これを新た
な基板としてHVPE装置に装填し、300μmのn型
GaN層を成長した。マスク層は完全に埋め込まれ、ク
ラックの発生は見られず、表面の平坦性の良好な2イン
チ径のn型GaN基材が得られた。
【0027】(実施例5)実施例2で作製したベース基
板に、表面にマスク材料として厚さ150nmのSiO
2 薄膜をスパッタリング法で形成し、さらにエッチング
によって、線幅2mmで2.1mmピッチの格子状のパ
ターンにマスク材料を残してマスク層とした。即ち、1
00μm角の正方形の露出部分が2mm間隔で並ぶ形状
となる。この基板をHVPE装置に装填し、2mmのn
型GaN層を成長した。室温付近まで冷却しHVPE装
置から取出したところ、GaN層はベース基板と自然に
分離しており、クラックの発生のない、平坦性の良好な
2インチ径のn型GaN基板が得られた。
【0028】(実施例6)本実施例では、マスク層の形
成パターンをストライプ状とし、そのストライプの長手
方向、結晶成長法、GaN成長時のガス雰囲気などを選
択して、マスク層の上層側に形成される低転位部分の位
置を制御することを試みた。結晶基板としてはサファイ
アC面基板を用いた。まずこのサファイアC面基板をM
OCVD装置内に配置し、水素雰囲気下で1100℃ま
で昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を
500℃まで下げAl原料としてトリメチルアルミニウ
ム(以下TMA)、N原料としてアンモニアを流し、A
lN低温バッファ層を成長させた。つづいて、温度を1
000℃に昇温しGa原料としてトリメチルガリウム
(TMG)を、N原料としてアンモニアを流しGaN層
を2μm成長させた。
【0029】この試料をMOCVD装置から取出し、ス
パッタリング装置にてSiO2 マスク層を形成した。マ
スク層の形成パターンはストライプ状とした。ストライ
プの長手方向はGaN層の〈11−20〉方向とし、帯
状のマスク層の幅、非マスク部の幅(マスク層同士の隙
間)を共に4μmとした。
【0030】この試料をHVPE装置内に配置し、水素
雰囲気下で、1000℃まで昇温し、TMG、アンモニ
アを30分間流し、非マスク部を出発点としてGaN結
晶をマスク層の上面を平坦に覆うまで成長させた。上面
が平坦となった時点でのGaN層の厚みは50μmであ
った。このとき低転位領域は非マスク部の上方に位置し
ていた。また、GaN層の表面の平坦性は良好であり、
2インチ径のGaN基材が得られた。
【0031】(実施例7)マスク層の形成パターンを、
GaN層の〈1−100〉方向を長手方向とするストラ
イプ状とし、結晶成長法をMOCVD法としたこと以外
は、実施例6と同様にGaN基材を形成した。この結
果、上面が平坦となった時点でのGaN層の厚みは4μ
mであった。このとき低転位領域はマスク層の上方に位
置していた。また、GaN層の表面の平坦性は良好であ
り、2インチ径のGaN基材が得られた。
【0032】(実施例8)マスク層の形成パターンを次
のようにしたこと以外は、実施例6と同様にGaN基材
を形成した。基板の表面全体をマスク材料で覆い、この
表面から直径10μmの開口を設け、該開口の内部底面
に基板の表面を露出させてこれを1つの非マスク部と
し、この開口が、中心間ピッチ20μmでマトリクス状
に並ぶパターンとした。この結果、上面が平坦となった
時点でのGaN層の厚みは20μmであった。また、G
aN層の表面の平坦性は良好であり、2インチ径のGa
N基材が得られた。
【0033】(実施例9)マスク層を覆うGaN層の結
晶成長法をHVPE法としたこと以外は、実施例7と同
様にGaN基材を形成した。上面が平坦となった時点で
のGaN層の厚みは20μmであった。このとき低転位
領域はマスク層の上方に位置していた。また、GaN層
の表面の平坦性は良好であり、2インチ径のGaN基材
が得られた。
【0034】(実施例10)上記実施例7で得られたG
aN基材をHVPE装置内に配置し、該基材上にGaN
結晶層を厚さ100μmとなるまで厚膜成長させた。形
成されたGaN層表面の転位を観察したところ、転位密
度の低い領域と高い領域とが明らかに別れて存在するよ
うな状態は無くなったが、転位密度は全体的に均一に低
くなっていた。また、GaN層の表面の平坦性は良好で
あり、2インチ径のGaN基材が得られた。
【0035】
【発明の効果】以上説明した通りの本発明のGaN基材
及びその製造方法によれば、厚膜のGaN半導体材料の
成長が可能で、しかも転位などの欠陥を内包しない高品
質なGaN基材を提供することができる。従って本発明
で得られたGaN基材を発光素子の構成材料として用い
た場合、転位に基づく非発光再結合中心の生成や、漏れ
電流の発生の問題を解消でき、当該発光素子の発光特性
や寿命特性を低下させることがないという優れた効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るGaN基材の成長途中の状態を示
す断面図である。
【図2】本発明に係るGaN基材を示す断面図である。
【図3】本発明におけるマスク層パターンの一例を示す
上面図である。
【図4】従来のGaN基材を示す断面図である。
【符号の説明】
1 ベース基板 2 マスク層 3 GaN層 11 非マスク部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 只友 一行 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 岡川 広明 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 大内 洋一郎 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 宮下 啓二 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平10−312971(JP,A) 特開 平8−64791(JP,A) 特開 昭56−150880(JP,A) 国際公開97/011518(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C30B 25/04 C30B 29/38 H01L 33/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベース基板と、該ベース基板の表面を部
    分的に覆うマスク層と、その上に成長され、ベース基板
    の非マスク部と直接接触する部位を有すると共に前記マ
    スク層上を覆うGaN層とからなり、 前記マスク層は、それ自身の表面からは実質的にGaN
    が結晶成長し得ない材料からなり、該マスク層の形成パ
    ターンは、GaN層の〈11−20〉方向の格子と、G
    aN層の〈1−100〉方向の格子とからなる格子状パ
    ターンである ことを特徴とするGaN基材。
  2. 【請求項2】 ベース基板は、少なくともその表層がI
    XGaYAlZN(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦Z≦
    1,X+Y+Z=1)であることを特徴とする請求項1
    記載のGaN基材。
  3. 【請求項3】 ベース基板の表面を、それ自身の表面か
    らは実質的にGaNが結晶成長し得ない材料からなるマ
    スク層で部分的に覆い、次いでベース基板表面の非マス
    ク部を出発点として、前記マスク層上を覆う厚さ以上に
    GaN層を成長させるGaN基材の製造方法であって、 前記マスク層の形成パターンを、GaN層の〈11−2
    0〉方向の格子と、〈1−100〉方向の格子とからな
    る格子状パターンとする ことを特徴とするGaN基材の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 GaN層の成長が、HVPE法、MOC
    VD法、MBE法のいずれかによって行われることを特
    徴とする請求項記載のGaN基材の製造方法。
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