JP4486435B2 - Iii族窒化物結晶基板の製造方法、それに用いるエッチング液 - Google Patents
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(i)III族元素化合物の半導体シード層を準備する工程、
(ii)前記半導体シード層の上に、欠陥密度が前記半導体シード層よりも大きい第1の半導体層を液相成長させる工程、
(iii)前記第1の半導体層の上に、欠陥密度が前記第1の半導体層よりも小さい第2の半導体層を液相成長させる工程、および、
(iv)少なくとも前記半導体シード層および前記第1の半導体層を除去して、第2の半導体層からなる自立型のIII族窒化物結晶基板を得る工程。また、前記(iv)工程の後に、さらに、前記第2の半導体層の表面を表面処理する工程を含むことが好ましい。
(I)III族元素化合物の半導体シード層を準備する工程、
(II)前記半導体シード層の上に、欠陥密度が前記半導体シード層よりも大きい第1の半導体層を液相成長させる工程、
(III)前記第1の半導体層の上に、欠陥密度が前記第1の半導体層よりも小さい第2の半導体層を液相成長させる工程、および、
(IV)前記第2の半導体層の表面を表面処理する工程。また、前記第2および第3の製造方法において、前記表面処理は、例えば、本発明のメルトバックエッチング、本発明のメカノケミカル研磨、機械的な加工、通常のメカノケミカル研磨等があげられ、これは単独で使用しても、併用してもよく、併用する場合、機械的な加工を行った後メカノケミカル研磨を行うことが好ましい。
0≦A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2)
0≦A/(A+M)≦0.05 ・・・(3)
0.95≦A/(A+M)≦0.999・・・(4)
0≦A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2)
0≦A/(A+M)≦0.05 ・・・(3)
0.95≦A/(A+M)≦0.999・・・(4)
実施形態1は、半導体シード層と第1の半導体層と第2の半導体層とを有するIII族窒化物結晶基板の表面を機械的に加工する加工工程と、前記加工した表面を、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融液に接触させて、メルトバックエッチングすることによる表面処理工程とを含む製造方法である。
0≦A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2)
0≦A/(A+M)≦0.05 ・・・(3)
0.95≦A/(A+M)≦0.999・・・(4)
実施形態2は、実施形態1のメルトバックエッチングに代えて、本発明のメカノケミカル研磨により表面処理を行う一例である。
0≦A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2)
このような組成であれば、より一層低い温度で本発明のメカノケミカル研磨を行うことができる。また、使用する研磨砥粒としては、例えば、比較的硬く、アルカリ金属等との反応性の低いアルミナ、ダイヤモンドおよびSiC等が使用できる。また、GaNおよびAlN等の表面処理を行うIII族窒化物結晶と硬度が同程度の研磨砥粒ならびに同一組成の研磨砥粒等も使用できる。本発明のメカノケミカル研磨は、使用する融液中の酸素や水分との反応性が高いので、例えば、N2ガスや希ガス等で置換した雰囲気下(例えば、グローブボックス等)で行うことが好ましい。酸素や水分があると、アルカリ金属やアルカリ土類金属は、金属ではなく酸化物や水酸化物となり、本来期待されたエッチング効果が発揮できなくなり、その結果、十分な表面処理効果を得ることが困難になる場合があるからである。使用する研磨クロスは、従来公知のものが使用でき、その中でも、アルカリ金属やアルカリ土類金属との反応性が低いものが好ましい。また、従来公知の研磨機が使用できる。処理温度としては、低温で行うことが好ましく、例えば、前記融液の粘度を下げるために、80℃〜200℃が好ましいが、これには制限されない。また、公知の研磨機の一部に加熱機を組み込み、研磨温度を高くすることもできる。Na−LiやNa−Ga系の融液とダイヤモンド砥粒とを用いた場合、例えば、10分間あたり0.05μm〜1μmの速度で、加工変質層のない、さらに、本発明のメルトバックエッチングよりも表面平坦性に優れるGaN結晶を得ることができる。
実施形態3は、実施形態1において、さらに、支持基板側から少なくとも半導体シード層および第1の半導体層を除去し、III族窒化物結晶基板を製造する方法の一例である。
実施形態4は、気相成長により成長させたIII族窒化物結晶基板表面をメルトバックエッチングにより処理する方法の一例である。
実施形態5は、バルク結晶をスライス加工することにより、ウェハ状のIII族窒化物結晶基板を加工する一例である。
以下に、電界効果トランジスタを作製する一例について説明する。電界効果トランジスタの構造を図8に模式的に示す。基板には、フラックスを用いた液相成長により得られるノンドープのGaN基板111を用いることができる。液相成長により得られるGaN基板111は、電気抵抗が、例えば、1010Ω以上で絶縁体に近い特性を示す。このGaN基板111上に、MOCVD法によってGaN層112とAlGaN層113とを形成する。さらに、この上にソース電極114、ゲート電極115およびドレイン電極116を形成する。ゲート電極115へ電圧を印加することによって、GaN層112とAlGaN層113との界面に形成される2次元電子ガス濃度117を制御し、トランジスタとしての動作を行わせる。特に、本発明のメルトバックエッチング、本発明のメカノケミカル研磨および通常のメカノケミカル研磨と本発明のメルトバックエッチングの併用により基板111の表面の欠陥や加工歪を減らすことが可能であり、その結果、MOCVDによって転位密度の小さなGaN層112とAlGaN層113を形成できる。そのため、絶縁性も高く、トランジスタ動作時のリーク電流を低減することができ、高周波特性の優れた電界効果トランジスタを実現できる。
11、17 自立型基板
12 半導体シード層
16、26 第2の半導体層
27 ウェハ
20 III族窒化物結晶
34 第1の半導体層
50 エッチング装置
51 スライダー
52 III族窒化物結晶基板
53 電気炉
54 坩堝
60 エッチング液(フラックス)
70 ヒーター
A 回転方向
B 移動方向
90 レーザ
91 GaN基板
92 n型GaN層
93、97 クラッド層
94、96 光ガイド層
95 活性層
98 コンタクト層
99 絶縁膜
100、101 電極
111 GaN基板
112 GaN層
113 AlGaN層
114 ソース
115 ゲート
116 ドレイン
117 2次元電子ガス濃度
Claims (26)
- III族窒化物結晶基板の製造方法であって、III族窒化物結晶表面を表面処理する工程を含み、前記表面処理工程が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方と、III族元素と、研磨砥粒とを含む融液に接触させて前記表面をメルトバックエッチングする工程および前記融液を用いてメカノケミカル研磨する工程の少なくとも一方を含むIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- 前記表面処理工程に先立って、III族窒化物結晶を機械的に加工する工程もしくはメカノケミカル研磨する工程の少なくとも一方を含む請求項1に記載の製造方法。
- 前記III族窒化物結晶が、バルク結晶をスライスしたものである請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記アルカリ金属が、Na、Li、K、RbおよびCsからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記アルカリ土類金属が、Ca、Mg、Sr、BaおよびBeからなる群から選択される少なくとも一つである請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記III族元素が、Ga、AlおよびInからなる群から選択される少なくとも一つである請求項1に記載の製造方法。
- 前記融液が、NaとGaとを含む請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記融液において、III族元素のモル数(A)と、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の合計のモル数(M)との関係(A/(A+M))が、下記の式(1)および(2)のいずれかを満たす請求項1から6のいずれかに記載の製造方法。
0<A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2) - 前記研磨砥粒が、アルミナ、ダイヤモンド、SiC、GaNおよびAlNからなる群から選択される少なくとも一つである請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記表面処理工程において、N2ガス、NH3ガスおよびH2ガスからなる群から選択される少なくとも一つを含む雰囲気下で行う請求項1から8のいずれかに記載の製造方法。
- 前記雰囲気圧力が、1atm(1×1.013×105Pa)〜10atm(10×1.013×105Pa)である請求項9に記載の製造方法。
- 前記メルトバックエッチングに使用する融液の温度が、400℃〜900℃である請求項1から10のいずれかに記載の製造方法。
- 前記表面処理工程が、III族窒化物結晶表面の変質層を除去する工程を含む請求項1から11のいずれかに記載の製造方法。
- 前記表面処理工程において、前記III族窒化物結晶表面の凹凸を±5μm以下にする請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。
- 予め、気相成長および液相成長の少なくとも一方の方法により前記III族窒化物結晶を成長させる工程を含む請求項1から13のいずれかに記載の製造方法。
- 前記液相成長が、窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも一つのIII族元素と、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方と、窒素とを含む融液中若しくは融液表面でIII族窒化物結晶を成長させる方法である請求項14に記載の製造方法。
- III族元素化合物の半導体シード層を準備し、前記半導体シード層の上にIII族窒化物結晶を成長させる請求項15に記載の製造方法。
- 前記液相成長が、第1段階と第2段階との2段階で行われ、第1段階が、前記半導体シード層の上に欠陥密度が前記半導体シード層よりも大きい第1の半導体層を形成する工程であり、第2段階が、前記第1の半導体層の上に欠陥密度が前記第1の半導体層よりも小さい第2の半導体層を形成する工程である請求項16に記載の製造方法。
- さらに、少なくとも前記第1の半導体層を除去して、第2の半導体層からなる自立型のIII族窒化物結晶基板を得る工程を含む請求項17に記載の製造方法。
- さらに、前記半導体シード層を除去する工程を含む請求項16または17に記載の製造方法。
- 前記半導体シード層が、支持基板上に形成されている請求項16から19のいずれかに記載の製造方法。
- アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方と、III族元素と、研磨砥粒とを含む融液であるエッチング液であって、前記エッチング液において、III族元素のモル数(A)と、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の合計のモル数(M)との関係(A/(A+M))が、下記の式(1)および(2)のいずれかを満たす、III族窒化物結晶をエッチングするためのエッチング液。
0<A/(A+M)≦0.10 ・・・(1)
0.9≦A/(A+M)≦0.999 ・・・(2) - NaとGaとを含む請求項21に記載のエッチング液。
- 前記研磨砥粒が、アルミナ、ダイヤモンド、SiC、GaNおよびAlNからなる群から選択される少なくとも一つである請求項21または22に記載のエッチング液。
- III族窒化物結晶基板の製造方法であって、
(i)III族元素化合物の半導体シード層を準備する工程と、
(ii)前記半導体シード層の上に、欠陥密度が前記半導体シード層よりも大きい第1の半導体層を液相成長させる工程と、
(iii)前記第1の半導体層の上に、欠陥密度が前記第1の半導体層よりも小さい第2の半導体層を液相成長させる工程と、
(iv)少なくとも前記半導体シード層および前記第1の半導体層を除去して、第2の半導体層からなる自立型のIII族窒化物結晶基板を得る工程と、
(v)得られた前記III族窒化物結晶基板の表面を表面処理する工程とを含み、
前記表面処理工程が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方とIII族元素と研磨砥粒とを含む融液に、前記III族窒化物結晶基板の表面を接触させて前記表面をメルトバックエッチングする工程、および、前記融液を用いて前記III族窒化物結晶基板の表面をメカノケミカル研磨する工程の少なくとも一方を含む製造方法。 - III族窒化物結晶基板の製造方法であって、
(I)III族元素化合物の半導体シード層を準備する工程、
(II)前記半導体シード層の上に、欠陥密度が前記半導体シード層よりも大きい第1の半導体層を液相成長させる工程、
(III)前記第1の半導体層の上に、欠陥密度が前記第1の半導体層よりも小さい第2の半導体層を液相成長させる工程、および、
(IV)前記第2の半導体層の表面を表面処理する工程を含み、
前記表面処理が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方とIII族元素と研磨砥粒とを含む融液を用いたメルトバックエッチング、および、前記融液を用いたメカノケミカルの少なくとも一方である製造方法。 - 前記半導体シード層が、支持基板上に形成されている請求項25に記載の製造方法。
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