JP3557441B2 - 窒化物半導体基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
基板表面の全面にわたって均一な低転位密度である窒化物半導体基板、および基板表面の全面にわたって均一に低転位密度の窒化物半導体結晶を成長する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
(0001)面もしくは(0001)面から数度傾斜した面方位を持つサファイアもしくはSiC基板上に、通常の成長方法(サファイア基板上でAlN低温バッファ層を用いる、H.Amano et al .Appl.Phys.Lett.48(1986)353 、SiC基板上AlNバッファ層を用いる、T.W.Weeks et al.Appl.Phys.Lett.67(1995)401)で窒化ガリウムを成長した場合、成長した窒化ガリウム中の転位密度は、サファイア基板上で109 〜1010cm−3、SiC基板上で〜108 cm−3となる。この値はガリウムヒ素基板と比べ5桁以上も大きく、その結果、これら基板上に作製した窒化物半導体レーザの発振しきい電流密度は高く、素子寿命は短いという問題があった。
【0003】
最近、選択成長を使った技術(Epitaxial Layer by OverGrowth ;ELOG)が開発され、転位密度を〜107 cm−3にまで低減できることが見い出された(A.Usui et al.Jpn.J.Appl.Phys.36(1997)L899.)。これは選択成長であらわれる横方向成長によって、転位の伝播方向が垂直方向から水平方向に曲げられることによる。また、選択成長であらわれるのと類似の横方向成長を優先的に引き起こし、その結果、転位密度を低減できるPendeo−epitaxy(T.S.Zheleva et al.. MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1,G3.38(1998))が開発された。また、その手法をレーザ構造作製に適用し、低転位密度領域に作製した紫色InGaNレーザは低しきい電流密度(〜2KA/cm2 )で発振し、かつ連続動作寿命が3000時間を超えている(S.Nakamura et al.Jpn.J.Appl.Phys.37(1998)L1020)。
【0004】
図4は、従来技術におけるELOGにより作製した窒化物半導体基板である。
(a)は、ELOG用にサファイア基板1やSiC基板上にGaN2を成長し、その上に<1120>方向にSiO2 3で2μmのライン11と8μmのスペース12を形成した様子を示している。この上にGaNを再成長したGaN成長層8でSiO2 3を埋め込み平坦化する。
【0005】
(b)はELOG技術で成長したGaN成長層の断面透過電子顕微鏡写真をもとに描いた転位の伝播の様子を示している。
垂直に延びる転位はいったん曲げられるが、SiO2 3上の結晶領域で集合し、再び上に延びる。そのため表面に高密度転位、欠陥領域が形成される。
【0006】
図5は、従来技術におけるPendeo Epitaxyにより作製した窒化物半導体基板である。
(a)はPendeo Epitaxy用にサファイア基板1上にGaNを成長し、一部GaN成長層を残し、基板界面までGaNをエッチングで取り去ってGaN核13を形成する。その上にGaN成長層8で再成長することによって、GaN核13を埋め込み平坦化する横方向成長が生じ、埋め込まれ平坦化する。
【0007】
(b)はPendeo Epitaxy技術によって成長したGaN成長層の断面透過電子顕微鏡写真をもとに描いた転位の伝播の様子を示している。
GaN核13から上に延びる転位はそのまま再成長層にも引き継がれる。
【0008】
しかし、図4,5(従来の技術)に説明するように、従来の選択成長技術ではライン11およびスペース12のマスクパターンが用いられているため、SiO2 3直上のGaN成長層8には依然高い密度で転位や欠陥が存在するし、Pendeo−epitaxyでは、横方向成長で形成された部分の転位密度は低いが、垂直に延びる転位成分を除くことができず、依然、局所的に高密度転位領域が存在する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の選択成長技術であるELOGやPendeo−epitaxyは、転位密度を低減化するのに大きな効果はあるものの、基板全面にわたって均一に低転位密度を得ることはできなかった。その上に、デバイス構造を作製する場合には、低転位密度領域を選ぶ必要があった。
【0010】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、基板表面の全面にわたって均一な低転位密度である窒化物半導体基板、および基板表面の全面にわたって均一に低転位密度の窒化物半導体結晶を成長する方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、(0001)面もしくは(0001)面から数度傾斜した面方位を持つサファイアもしくはSiC基板上に、通常の成長方法で窒化物である窒化ガリウムを成長し、その成長した窒化ガリウム(0001)表面の3つの等価な<1120>方向に、SiO2 などのマスク材で、開口部が正三角形を形成するように等間隔にマスクストライプを形成し、窒化ガリウムを成長する。正三角形の開口部に三角錐が形成した時点で成長を中断し、マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化ガリウムを除去した後に、窒化ガリウムをはじめとする窒化物半導体を成長する。
【0012】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の窒化物半導体基板は、(0001)面又は(0001)から数度傾斜した面方位を持つ基板上に島状の第一の窒化物層を有し、前記第一の窒化物層上に、前記第一の窒化物層の(0001)面の3つの等価な<1120>方向の辺と3つの等価な(1101)面を有する第二の窒化物層を有し、さらに前記第一、第二の窒化物層を覆う第三の窒化物層を有することに特徴を有している。
【0013】
また、本発明の窒化物半導体基板は、前記基板はサファイアであることに特徴を有している。
【0014】
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、前記基板はSiCであることに特徴を有している。
【0015】
また、本発明の窒化物半導体基板は、前記第二の窒化物層は三角錘形状を有することに特徴を有している。
【0016】
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、前記第二の窒化物層は六角錘形状を有することに特徴を有している。
【0017】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、(0001)面又は(0001)から数度傾斜した面方位を持つ基板上に窒化物層を成長し、その成長した窒化物層の(0001)面の3つの等価な<1120>方向の辺に正三角形あるいは正六角形を形成するように等間隔にマスクストライプを形成し、その上に窒化物層を成長することに特徴を有している。
【0018】
また、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、マスクストライプ上に窒化物層を成長する工程において、マスク材で覆われていない開口部に窒化物層が島状に形成した時点で成長を中断し、マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化物層を除去した後に窒化物層をさらに成長することに特徴を有している。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の第1実施例における窒化物半導体の構造およびその製造方法を説明する図である。
(a)はサファイア基板1やSiC基板上に第一の窒化物層であるGaN層2を設け、その上にSiO2 3で等価な3つの<1120>方向に、開口部が正三角形になるように、2μm/8μmのラインとスペースからなるマスクストライプ4を形成した平面図である。
【0020】
(0001)面もしくは(0001)面から数度傾斜した面方位を持つサファイア基板1もしくはSiC基板を用い、水素キャリアガス中で1000℃に加熱された基板上にアンモニアとトリメチルガリウムを供給するMOVPE法(有機金属気相成長法)により、AlNバッファ層を成長後、膜厚1〜2μmのGaN2を成長する。その成長したGaN2の(0001)面の3つの等価な<1120>方向に、SiO2 3マスク材で、たとえばマスク幅2μm、開口部が一辺8μmの正三角形になるように等間隔にマスクストライプ4を形成する。
【0021】
(b)は、サファイア基板1上のGaN層2上に形成したマスクストライプ4による正三角形開口部にGaNを成長し、第二の窒化物層である三角錐GaN成長層5を形成した断面図である。
GaNをMOVPE法により、そのマスクストライプ4上に成長すると、まず開口部にのみ成長し、3つの等価な(1101)面で囲まれた三角錐GaN成長層5が形成される。
【0022】
(c)は、サファイア基板1上に島状GaN7を設け、島状GaN7上に三角錐GaN成長層5を設け、三角錐GaN成長層5上にレジストマスク6を形成した断面図である。
フッ酸でSiO2 3マスクを除去し、リソグラフィーにより三角錐GaN成長層5を保護するようにレジストマスク6を形成し、塩素によるドライエッチングでマスクストライプ4下のGaNを除去し、サファイア基板1面を出す。
【0023】
(d)は、その上に第三の窒化物層であるGaN成長層8を設けた断面図である。
レジストマスク6を除去し、GaN成長層8をMOVPE法で成長すると、三角錐を埋め込むように、横方向成長が促進され、約20μm成長すると、平坦になる。
【0024】
図2は、第1実施例により作製したGaN膜の<1120>方向から観察した断面透過電子顕微鏡像をもとに描いた転位伝播の様子を示す図である。図によって、基板全面にわたって低転位密度が得られる機構を説明する。転位は高密度にサファイア基板1もしくはSiC基板界面からほぼ垂直に上に延び、三角錐GaN成長層5を形成する斜め(1101)面に到達すると向きを水平方向に変える。三角錐GaN成長層5の頂上付近に到達した転位は上に延びるが、その密度は小さい。すなわち、三角錐GaN成長層5中の転位は内部では垂直に延びるが、斜面で曲げられ表面に伝播する転位は少ない。その結果GaN成長層8表面には、全面にわたって転位密度として107 cm−2以下の低転位領域を形成できる。
【0025】
図3は、本発明の第2実施例で使用されるマスクストライプの図である。マスクパターンとして図に示したような正六角形のハニカムパターンを用い、六角錐構造を成長させることによっても、低転位化について同様の効果が確認された。開口部が正六角形のハニカム構造のSiO2 3のマスクストライプ9は、2μm/8μmのラインとスペースからなるマスクパターンである。この場合、六角錐が成長し、三角錐と同様の原理で、転位が、六角錐斜面で曲げられ表面に伝播する転位は少なく、密度として107 cm−2以下が得られる。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、マスクパターン開口部に三角錐あるいは六角錐構造のGaN層がまず形成され、続いて横方向成長によるGaN層によりこれら錐構造のGaN層が埋め込まれる成長様式を取る。基板界面から垂直に延びる転位は、錐構造の斜面に到達すると曲がる性質を持つため、ほとんどの転位は、表面に到達せず、その結果、基板全面にわたって密度107 cm−2以下の低転位密度が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(d)は、本発明の第1実施例における窒化物半導体の構造およびその製造方法を説明する図である。
【図2】第1実施例により作製したGaN膜の<1120>方向から観察した断面透過電子顕微鏡像をもとに描いた転位伝播の様子を示す図である。
【図3】本発明の第2実施例で使用されるマスクストライプの図である。
【図4】(a),(b)は、従来技術におけるELOGにより作製した窒化物半導体基板である。
【図5】(a),(b)は、従来技術におけるPendeo Epitaxyにより作製した窒化物半導体基板である。
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 GaN層
3 SiO2
4 マスクストライプ(マスクパターン)
5 三角錐GaN成長層
6 レジストマスク
7 島状GaN層
8 GaN成長層
9 マスクストライプ(マスクパターン)
11 ライン
12 スペース
13 GaN核
Claims (6)
- (0001)面又は(0001)から数度傾斜した面方位を持つ基板上に島状の第一の窒化物層を有し、
前記第一の窒化物層上に、前記第一の窒化物層の(0001)面の3つの等価な<1120>(下線は上線の代用である)方向の辺と3つの等価な(1101)(下線は上線の代用である)面を有する第二の窒化物層を有し、
さらに前記第一、第二の窒化物層を覆う第三の窒化物層を有することを特徴とする窒化物半導体基板。 - 前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板。
- 前記基板はSiCであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第二の窒化物層は三角錘形状を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
- 前記第二の窒化物層は六角錘形状を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
- (0001)面又は(0001)から数度傾斜した面方位を持つ基板上に窒化物層を成長し、
その成長した窒化物層の(0001)面の3つの等価な<1120>方向の辺に正三角形あるいは正六角形の開口部を形成するように等間隔にマスク材でマスクストライプを形成して、その開口部上に窒化物半導体を成長し、
マスク材で覆われていない開口部に窒化物層が島状に形成された時点で成長を中断し、
マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化物層を除去した後に窒化物層をさらに成長することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
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