JP4479706B2 - GaN自立基板の製造方法 - Google Patents
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Description
発光ダイオードの場合は、ダイシング工程では劈開性がないために歩留まりが上がらずコスト高を招いていた。半導体レーザの場合は劈開によって良好な共振器反射面を作製することができずレーザ特性など品質面で問題があった。
サファイヤと窒化ガリウムは格子定数がかなり違うので基板とエピ層の間の格子定数のミスマッチによって、エピ層中に多くの転位など欠陥が導入されるという問題もあった。
超高圧超高温でGaNを溶融でき融液から結晶成長できるが、それは小粒の結晶粒しか製造できず大口径のものを作ることは現在もできていない。
(1)HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)はホットウォール型の反応炉の上方にGa金属を入れた容器を設け下方にはサセプタを設けてサセプタの上に下地基板を置き、反応炉の全体を加熱し、上方から水素によって希釈されたHClガスをGa容器に吹き込んで2Ga+2HCl→2GaCl+H2の反応によってGaClの気体を合成し、それがサセプタの近くまで下降したあたりに水素で希釈したNH3ガスを吹き込み2GaCl+2NH3→2GaN+3H2の反応を起こさせて加熱された下地基板の上にGaN結晶を積層するものである。
それともう一つ問題がある。GaNは気相成長でゆっくりと成長させるが、成長とともに転位密度などが変わってくる。成長の初めで転位密度が高いが成長とともに転位密度が低下するというGaN結晶の場合、それを斜めに切ると転位密度が面内で著しく不均一になる。
あるいは、もっと大きい周期(30μm〜400μm)のストライプマスクやドッド状のマスクを付けファセットを生成維持しながら成長させるファセット成長法も本発明に適用することができる。
窒化ガリウムの結晶成長には既に述べたようにHVPE法、MOC法、MOCVD法、昇華法など気相成長法がある。どの方法でも本発明を実施することができる。ここではHVPE法を用いる(図2に概略を示す)。ここで用いたHVPE法というのは次のような手法である。
本発明の基本は、オフ角度を有したGaAs基板を下地基板として用い、GaAs下地基板の上に、GaN単結晶を気相成長させ、GaAs下地基板を除去して、オフ角度を有したGaN自立結晶基板を作製するということである。
図5はGaNの結晶構造を表現する斜視図である。これはいくつかのセルを含むが六方晶系の対称性がわかりやすいので複数セルを図示している。大きい白丸が窒素原子、小さい丸がGa原子である。底面で中心にGaがあり、それを中心とする正六角形の頂点にもGa原子が存在する。底面の中心Gaから周辺の6個のGaを結ぶ方向が反時計廻りに、[2−1−10]、[11−20]、[−12−10]、[−2110]、[−1−120]、[1−210]である。これがGaNにおけるGa−Ga結合の方向である。ガリウム原子の存在しない方向が[1−100]などである。
次のような手順でオフアングルGaAs下地基板の上にGaN結晶を作り自立膜にして研削、研磨しオフアングルと結晶性を調べた。
(甲群) 基板表面の法線ベクトルに対し、結晶方位[111]が<1−10>の方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているもの7種類
(乙群) 基板表面の法線ベクトルに対し、結晶方位[111]が<11−2>の方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているもの7種類全てオフアングルのGaAs基板である。
パターンB=図1右に示すような一辺2μmの正方形開口部を、一辺が4μmの正三角形を敷き詰めたパターンにおいて六回対称性のある正三角形の頂点に設けたもの
イ類で甲群の<1−10>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板1〜7とする。イ類で乙群の<11−2>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板8〜14とする。
ロ類で甲群の<1−10>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板15〜21とする。ロ類で乙群の<11−2>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板22〜28とする。
ハ類で甲群の<1−10>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板29〜35とする。ハ類で乙群の<11−2>方向に0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜傾斜しているものを基板36〜42とする。
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.1atm(10000Pa)
HCl分圧 1×10−3atm(100Pa)
成長温度 500℃
成長時間 60分
成長膜厚 60nm
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.2atm(20000Pa)
HCl分圧 3×10−2atm(3000Pa)
成長温度 1010℃
成長時間 10時間
成長膜厚 1.0mm
GaAs[111]=GaN[0001]
GaAs<1−10>=GaN<−1−120>
GaAs<11−2>=GaN<1−100>
というようなオフアングルの関係があったということが本発明者の実験によって分かった。
これら42種類の研磨ウエハをX線面検装置によって[0001]方向の傾きを調べた。それによると基板傾きの大きさと方位は先ほどの自立膜GaNとしたときにX線回折で調べたものとほぼ同一であった。
具体的な例によって説明する。
試料18: <1−10>方向5゜傾斜GaAs(111)A面の上にパターンB(正三角形繰り返し)を作り、その上にGaNを成長させたGaN基板
このGaN試料18を測定したところ、GaN[0001]方向が<−1−120>方向に4゜25min、<1−100>方向に0゜07min傾いていた。先ほどの説明だと、試料18は<−1−120>方向に5゜、<1−100>方向に0゜の傾きの筈であるが、少し違う。それはGaN厚膜結晶に反りがあるのと測定上の問題とによって発生した食い違いである。しかしながら、その違いは微少であって、むしろ初めの下地基板のオフアングルGaAsによって、GaNのオフアングルを正確に決めることができるということが驚くべき事である。
実施例1はオフ角GaAs下地基板の上に直接にELOマスクを設け(或いは設けず)その上にGaNをエピ成長させた。実施例2はオフ角GaAs基板の上に薄くGaNエピ層を付け、その上にELOマスクを設け(或いは設けず)その上にGaNをエピ成長させることにした。つまりGaNの成長が2段階になり中間でELO成長するようにする。そのようにして作ったオフアングルGaN結晶を研削研磨して平滑平坦ウエハを作りオフアングル、結晶性を調べた。
そのようなオフアングルGaAs(111)下地基板に、同じ炉内で、GaNバッファ層・エピ層を次の条件で積んで約10μmの膜厚のGaN結晶層を製造した。10μmというように薄いのはエピ層表面の平坦性を確保するためである。
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.1atm(10000Pa)
HCl分圧 1×10−3atm(100Pa)
成長温度 500℃
成長時間 60分
成長膜厚 60nm
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.2atm(20000Pa)
HCl分圧 2×10−3atm(200Pa)
成長温度 1010℃
成長時間 30分
成長膜厚 10μm
パターンA=図1左に示すようなピッチが8μmで開口部幅2μm被覆部幅6μmの平行ストライプ状のマスク
パターンB=図1右に示すような4μmの正三角形を敷き詰めたパターンにおいて六回対称性のある正三角形の頂点に一辺2μmの正方形開口部を設けたもの
(イ類)パターンAのELOをGaN膜の上に形成したもの
(ロ類)パターンBのELOをGaN膜の上に形成したもの
(ハ類)ELOマスクなし
[エピ層の生成条件]
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.2atm(20000Pa)
HCl分圧 3×10−2atm(3000Pa)
成長温度 1010℃
成長時間 10時間
成長膜厚 1.0mm
試料43〜84の結晶性は面内で均一であった。
実施例1と同様に、二つの方向に傾斜し7種類の異なったオフアングルのGaAs基板の上にパターンA、BのELOマスクを形成しあるいは形成しないものを下地基板として初め薄いバッファ層、のちに厚い(10mm)エピ層を成長させて成長面に平行に切断してオフアングルの複数枚のGaNウエハを作製し、その特性を調べた。
傾斜角: 0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜
甲群: GaAs[111]方向が<1−10>方向に傾斜している
乙群: GaAs[111]方向が<11−2>方向に傾斜している
(ロ類)パターンBのELOをGaN膜の上に形成したもの
(ハ類)ELOマスクなし
パターンB=図1右に示すような一辺2μmの正方形開口部を、一辺が4μmの正三角形を敷き詰めたパターンにおいて六回対称性のある正三角形の頂点に設けたもの
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.1atm(10000Pa)
HCl分圧 1×10−3atm(100Pa)
成長温度 500℃
成長時間 60分
成長膜厚 60nm
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.2atm(20000Pa)
HCl分圧 3×10−3atm(300Pa)
成長温度 1010℃
成長時間 100時間
成長膜厚 10mm
これらGaNインゴットの裏面の平坦部を基準面として、表面を研削加工し凹凸を除去し平滑化した。円柱形のGaNインゴットになった。裏面の平坦面を基準面にして、ワイヤーソーによって裏面法線に垂直の方向にインゴットを切断した。400μm厚みのGaNウエハを10枚切り出すことができた。
このようにオフアングルGaAs基板上にGaNを厚膜成長し面平行に切り出す手法によると、より数多くのオフアングルのGaNウエハを得ることができる。
たとえば、10mm厚みのインゴット(実質使用可能領域7mm)から5゜オフ角、400μm厚みの2インチ径GaNウエハを本発明では10枚切り取ることができた。
以上に述べたものはオフアングルのGaAs下地基板の上にGaNを成長させるものであった。実施例4ではオフ角をもつGaN基板を下地基板として用いる。実施例1で製造したオフ角のあるGaN基板があるので、これを種結晶として用いる。つまり下地基板はこれまでオフアングルGaAsであったが、ここではオフアングルGaNを下地基板とする。だから、これはヘテロエピタキシャル成長ではなくて、ホモエピタキシャル成長である。
乙群:GaN[0001](c軸)が<1−100>方向に傾いているもの
傾斜角: 0.1゜、0.3゜、1゜、5゜、10゜、20゜、25゜
だから基板は14種類ある。甲群の7つのオフ角のものを基板127〜133、乙群の7つのオフ角のものを基板134〜140とする。
クリーニング温度 1000℃
NH3分圧 0.4atm(40000Pa)
クリーニング時間 10分
この条件で基板表面のクリーニングを行った。低温バッファ層を挟まずに、直接高温でGaNの厚膜成長した。
成長方法 HVPE法
NH3分圧 0.2atm(20000Pa)
HCl分圧 3×10−3atm(300Pa)
成長温度 1010℃
成長時間 100時間
成長膜厚 10mm
このGaNインゴットはホモエピタキシャル成長であり、下地基板のGaN基板の結晶方位をそのまま引き継いで成長していた。だから成長部分のGaNのオフアングルβは下地GaNのオフアングルαと等しい。またc軸が<−1−120>方向に傾いている甲群のGaN下地基板(基板127〜133)からは、やはりc軸が<−1−120>方向に傾いたオフ角のGaNができた。乙群(基板134〜140)についても同様であった。
そのようなウエハをX線面検装置によって[0001]方向の傾きを調べた。種結晶のGaNと同じ結晶方位、オフアングルをもつことがわかった。
実施例1で製造した1゜のオフ角のあるGaN基板の上にMOCVD法でGaNエピ層を成長させた。オフ角をもたないC面ジャスト基板の上にエピ成長させたものは表面に凹凸が生じたが、本発明のオフ角GaN基板の上に成長させたGaNエピ層はモフォロジーが改善され平坦になっている。オフアングル基板の長所である。そのエピ層の上にInGaNを発光層とする青色LEDを作製した。ジャスト基板の上に作ったLEDよりもオフアングル基板の上に作ったLEDの方が輝度が高かった。それはエピ層のモフォロジーが良いからであり、それはオフアングルに起因する。オフアングルGaN基板はC面ジャストの基板より高輝度のLEDの製造を可能にする。
3 Gaボート
4 サセプタ
5 GaAs基板
6 ヒータ
Claims (4)
- 0.1゜〜25゜のオフ角度を有する(111)A面GaAs基板を下地基板として用い、その上にGaN単結晶層を成長した後、下地基板を除去して、0.1゜〜25゜のオフ角度を有するGaN自立基板を作製することを特徴とするGaN自立基板の製造方法。
- 0.1゜〜25゜のオフ角度を有する(111)A面GaAs基板を下地基板として用い、その上に複数の窓を有するSiN或いはSiO2からなるマスクを形成し、その上にGaN単結晶層を成長した後、下地基板を除去して、0.1゜〜25゜のオフ角度を有するGaN自立基板を作製することを特徴とするGaN自立基板の製造方法。
- 0.1゜〜25゜のオフ角度を有する(111)A面GaAs基板を下地基板として用い、その上にGaNエピタキシャル層を0.5μm〜10μmの厚みで形成し、その上に複数の窓を有するSiN或いはSiO2からなるマスクを形成し、その上にGaN単結晶層を成長した後、下地基板を除去して、0.1゜〜25゜のオフ角度を有するGaN自立基板を作製することを特徴とするGaN自立基板の製造方法。
- 下地基板であるGaAs基板のオフの方向は、基板表面の法線ベクトルに対し、面方位[111]が<1−10>方向に傾斜していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のGaN自立基板の製造方法。
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