JP4424497B2 - 窒化物半導体結晶の製造方法 - Google Patents
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ρ=f/h2・・・(1)
(fは表面被覆率であって、0≦f≦1を満たし、hは前記fを測定した時点における前記初期核の平均高さを表す。)により表される初期核密度ρが6×105cm-2以下であることを特徴とする。
(1) 上記製造方法において、塩化ガリウムガス及びアンモニアガスを用いたHVPE法を用いることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(2) 上記(1) に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核密度が6×105 cm-2以下になるように結晶成長工程中にエッチングを行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(3) 上記(1) に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核密度が6×105 cm-2以下になるように結晶成長工程とエッチングとを交互に行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(4) 上記(2) 又は(3) に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記エッチング用のガスとして、HCl及び/又はH2を用いることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(5) 上記(4) に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、塩化ガリウムガスに対する塩化水素ガスのモル比が0.3以上であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(6) 上記(4) 又は(5) に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、塩化ガリウムガスの分圧を1×10-3 atm以上とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(7) 上記(1)〜(6) のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核の表面被覆率が0.5以上になるまで前記エッチングを行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(8) 上記(1)〜(7) のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、結晶成長温度が950℃以上であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(9) 上記(1)〜(8) のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板がサファイア,SiC,GaN,Si,ZrB2,ZnO,LiAlO2,NdGaO3及びGaAsのいずれか、又はこれに窒化物半導体結晶膜をエピタキシャル成長させたものであることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(10) 上記(1)〜(9) のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板が、サファイア基板上に単結晶GaN膜を成長させたもの、又はさらにその上に金属膜を堆積させ、水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、GaN膜中に空隙を形成したものであることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(11) 上記(1)〜(10) のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて部分的にマスクを施すことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
(1) 基板
本発明に使用し得る基板は、サファイア,SiC,GaN,Si,ZrB2,ZnO,LiAlO2,NdGaO3,GaAs等のいずれでも良い。初期核密度を制御するために、これらの基板の上にAlN,GaN等の窒化物半導体結晶膜をエピタキシャル成長させたものを用いることもできる。
本発明を適用し得る窒化物半導体としては、III族原子とV族原子である窒素との化合物からなるのが好ましく、InxGayAl1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される半導体が好ましい。強度、製造安定性等を満足するという観点から、GaN及びAlGaNが特に好ましい。
窒化物半導体結晶としてGaNを例に挙げて、その製造方法を以下詳細に説明するが、一般にInxGayAl1-x-yNにより表されるその他の窒化物半導体結晶についても同様である。
本発明の窒化物半導体結晶を製造する際、初期核により被覆された基板表面の割合(表面被覆率)fが0.8以下の間、初期核密度ρが6×105 cm-2以下であることが必要である。初期核密度ρを6×105 cm-2以下とすることにより、転位密度が1×106 cm-2以下の窒化物半導体結晶を歩留り良く得ることができる。この転位密度は、青紫色LDの実用寿命で10000時間以上に相当する。
結晶成長方法としては、塩化ガリウムガス(GaCl)及びアンモニアガス(NH3)を原料として用いるハイドライド気相成長法(HVPE法)が好適である。HVPE法は結晶成長速度が100 μm/時以上と大きく、厚いGaN結晶膜を容易に成長させることができる。初期核密度を低減すると、平坦な結晶表面を得るためには結晶膜を厚く成長させる必要があることが多い。そのため、成長速度が大きいことは特に重要である。
図1は窒化物半導体結晶の製造装置の好ましい一例を示す。この装置は、反応管12と、その周囲に設けられたヒータ11とを有し、反応管12は、基板18を設置する基板ホルダ17と、基板18付近に開口する反応ガス導入管13,15と、基板18付近に開口するエッチングガス導入管14とを有する。反応ガス導入管15にはGa金属16を有する原料載置室20が設けられている。
MOVPE法により直径2インチのサファイア基板上に厚さ300 nmのGaN下地層を形成し、この表面に厚さ20 nmのTiを蒸着し、H2とNH3の混合気流中で1000℃で30分間熱処理を加えて、網目状TiN膜を有するボイド形成基板18を作製した。
HClガスによりエッチングを行いながら、HVPE法によりボイド形成基板18上にGaN結晶を成長させた。GaN初期核による基板の表面被覆率fが0.8に達する前にGaN結晶が成長した基板18を取り出し、GaN初期核の密度と、HClガス分圧との関係を調べた。表面被覆率fは、各HClガス分圧で得られたGaN初期核のSEM写真から画像分析により求めた。また初期核の平均高さhは、断面のSEM写真により求めた。各サンプルについて、表面被覆率fと初期核の平均高さhから、式(1) により初期核密度ρを算出した。結果を表1及び図2に示す。
実施例1と同じボイド形成基板18を基板ホルダ17にセットし、HClエッチングガス分圧(従って、初期核密度)を変化させて、実施例1と同じ条件でGaN結晶を400 μmの厚さに成長させた後、GaN結晶を基板18から剥離し、GaN自立基板を作製した。各GaN自立基板をリン酸と硫酸の加熱混合液中に浸漬してエッチングを行い、GaN自立基板表面に生じたエッチピットを計数し、GaN自立基板の転位密度を求めた。転位密度と初期核密度との関係を図5に示す。
直径2インチのサファイア基板上に形成されたGaN下地(エピタキシャル)層の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いてSiO2のストライプ状のマスクを形成して、ELO基板18を作製した。マスクの幅を40μm、マスクの開口部の幅を5μmとした。ELO基板18を基板ホルダ17にセットし、実施例1と同様の条件でGaN結晶の成長を行った。その際に、エッチングガスとして3×10-3 atmの分圧のHClガスを供給した。
より大きな転位密度低減効果を得るために、VAS法とELO法とを組み合わせた実験を行った。すなわち、直径2インチのサファイア基板上にGaNエピタキシャル層を積層させ、その表面に実施例3と同様にSiO2のストライプ状マスクを形成し、さらにその表面に金属Tiを蒸着し、実施例1と同様の熱処理を加えて、VAS・ELO基板18を作製した。VAS・ELO基板18のマスク開口部においては、TiN膜がGaN下地層を直接覆う構造となり、GaN下地層にボイドが形成された。それに対しマスク部のGaN下地層ではボイドは形成されなかった。
直径2インチのボイド形成基板18を基板ホルダ17にセットし、1050℃に加熱した状態で、結晶成長工程とエッチング工程を交互に行い、GaN結晶を成長させた。すなわち、GaCl分圧を5×10-3 cm-2、NH3分圧を5×10-2 cm-2として結晶成長を1分間行った後、HClエッチングガス分圧を5×10-3 cm-2としてエッチングを30秒間行った。これらの結晶成長工程とエッチングとを交互に20回繰り返し行い、表面被覆率がおよそ70%になるまでGaN結晶を成長させた。その後、GaCl分圧を8×10-3 cm-2、NH3分圧を5×10-2 cm-2として、結晶厚が400μmになるまで結晶成長を行った。得られたGaN結晶の転位密度を実施例2と同様の方法を用いて測定したところ、3×105 cm-2と著しく低かった。
12 反応管
13 反応ガス(NH3)導入管
14 エッチングガス(HCl)導入管
15 反応ガス(HCl)導入管
16 金属Ga
17 基板ホルダ
18 基板
20 原料載置室
21 排気口
Claims (12)
- 一般式:In x Ga y Al 1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体結晶の製造方法であって、基板上に前記窒化物半導体の多数の初期核を形成し、成長に従って互いに融合させ、もって平滑な結晶とする工程を有し、前記初期核による前記基板の表面被覆率が0.8以下の期間において、下記式(1):
ρ=f/h2・・・(1)
(fは表面被覆率であって、0≦f≦1を満たし、hは前記fを測定した時点における前記初期核の平均高さを表す。)により表される初期核密度ρが6×105cm-2以下であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。 - 請求項1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、塩化ガリウムガス及びアンモニアガスを用いたHVPE法を用いることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核密度が6×105 cm-2以下になるように結晶成長工程中にエッチングを行うことを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核密度が6×105 cm-2以下になるように結晶成長工程とエッチングとを交互に行うことを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項3又は4に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記エッチング用のガスとして、HCl及び/又はH2を用いることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項5に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、塩化ガリウムガスに対する塩化水素ガスのモル比が0.3以上であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項5又は6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、塩化ガリウムガスの分圧を1×10-3atm以上とすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2〜7のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記初期核の表面被覆率が0.5以上になるまで前記エッチングを行うことを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2〜8のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、結晶成長温度が950℃以上であることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2〜9のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板がサファイア,SiC,GaN,Si,ZrB2,ZnO,LiAlO2,NdGaO3及びGaAsのいずれか、又はこれに窒化物半導体結晶膜をエピタキシャル成長させたものであることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2〜10のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板が、サファイア基板上に単結晶GaN膜を成長させたもの、又はさらにその上に金属膜を堆積させ、水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、GaN膜中に空隙を形成したものであることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
- 請求項2〜11のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、前記基板の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて部分的にマスクを施すことを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。
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