JP4562001B2 - 窒化ガリウム単結晶基板ならびにその製造方法 - Google Patents
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そのうちで最もよく利用されているのはMOCVD法である。コールドウオールの反応炉において、TMGとアンモニアを水素で希釈した原料ガスを加熱したサファイヤ基板に吹き付けることによって基板上で直ちに反応をおこさせてGaNを合成する。これは大量のガスを吹き付けてその一部だけがGaN薄膜形成に寄与するので残りは無駄になる。収率が低い。成長速度も大きくすることはできない。LEDの一部をなすGaN薄層の形成にはよいが、厚いGaN結晶層を積むのには向いていない。それに有機金属に含まれる炭素が不純物として混入するので特性を落とす場合がある。
MOC法はホットウオール型反応炉においてTMGとHClを反応させ一旦GaClを作り、これを加熱させた基板の近くでアンモニアと反応させGaNとする。この方法はGaClを経るのでMOCVD法よりも炭素の混入が少ないがそれでも炭素混入があり、電子移動度の低下などを招く場合がある。
HVPE法は、Ga単体を原料とする。図1によって説明する。ホットウオール型反応炉1の周囲にはヒ−タ2が設置されている。反応炉1の上頂部に2種類の原料ガスを導入するためのガス導入管3、4が設けられる。反応炉1の内部上方空間にGaボート5を設ける。Ga融液6をGaボート5に収容しヒ−タ2によって加熱する。反応炉1の上方のガス導入口3はGaボート5に向かって開口している。これはH2+HClガスを導入する。もう一方のガス導入管4はGaボート5より下方で開口している。これはH2+NH3ガスを導入する。
GaNは高圧を掛けないと融液にできない。低圧で加熱すると昇華してしまう。この方法は、GaN多結晶を加熱し昇華させて空間中を輸送し、より温度の低い基板に堆積させるものである。
碓井彰「ハイドライドVPEによる厚膜GaN結晶の成長」電子情報通信学会論文誌vol.J81−C−II、No.1、p58〜64(1998年1月)
明している。n型ドーパントについては説明していない。
symmetry)の結晶であるから、
結晶面の表記がGaAs(閃亜鉛鉱型)など立方晶系(cubic
symmetry)の場合とは相違する。六方晶系の結晶表記法について簡単に述べる。3つのパラメータによって表現する方法と、4つのパラメータを使う方法がある。ここでは4パラメータを使った表現を用いる。初めの3つの主軸a軸、b軸、d軸とする。これらの主軸は一平面上にあって、120度の中心角を成している。しかもa=b=dである。
本発明者はGaNのn型ドーパントとして酸素(O)を使いたい。酸素をドープしようとする場合、成長面(C面)にはなかなか入っていかない、ということを最近本発明者が発見した。
(1) {kk−2kh} (k,hは整数)
特に、{11−20}面が顕著な効果を示す、ということがわかっている。{11−22}面でも酸素の取り込み効率は大きい。高面指数になるに従い、酸素の取り込み効率は低下してゆく傾向があるようである。
特に、{1−100}面が顕著な効果を示す。{1−101}面でも酸素の取り込み効率は大きい。この面方位も高面指数になるに従い、酸素の取り込み効率が低下してゆく傾向があるようである。
特にGaN(0001)Ga面が成長面となった場合、酸素がn型キャリヤとして入るべき窒素サイトに、非常に入りにくいメカニズムが働いているものと推測される。これらの現象は当然ながら、サファイア、SiC、GaN等のいかなる下地基板、種結晶を用いた場合においても見られる普遍的な現象である。
甲の方法は、種結晶の結晶面{hkmn}をそのまま維持して結晶成長した場合、全面において、効率的に酸素ドーピングがなされる。
というように象徴的に表現することができる。
GaN単結晶のインゴットから切り出した表面がM面(1−100)からなるGaN種結晶を準備した(図2(a))。GaN単結晶は、GaAs基板の上にラテラルオーバーグロース法によってGaNをC面成長させGaAs基板を王水で溶解除去したものである。M面だからこの結晶の成長方向に平行な一つの面で切っていることになる。
・NH3分圧 0.2atm (2×104Pa)
・HCl分圧 1×10−2atm(103Pa)
・成長時間 6時間
・キャリヤ濃度 = 6×1018cm−3
・キャリヤ移動度= 160Vs/cm2
の程度であり結晶内でほぼ均一であった。
Ion Mass Spectroscopy)分析を行った。その測定の結果次のようなことが分かった。
炭素(C) 3×1016cm−3
酸素(O) 8×1018cm−3
珪素(Si) 3×1017cm−3
この実施例によって製造された試料は、表面が平坦な、厚さ400μmの単体のGaN基板である。GaN基板の上に、その後、エピタキシャル成長を行ってデバイスを作製することができるような形状となっている。
GaN単結晶のインゴットから切り出した、表面がC面(0001)面からなるGaN種結晶を準備した(図3(a))。表面の極性はGa面である。このC面種結晶は表面研磨してあり、表面に加工変質層が全く存在しない。
・NH3分圧 0.15atm (1.5×104Pa)
・HCl分圧 5×10−3atm(5×102Pa)
・成長時間 10時間
その後、下地の種結晶部を研削除去した(図3(c))。表面を研磨し種結晶を除いて成長部だけにした結晶層の厚みは約400μmであった(図3(d))。
Mass Spectroscopy)分析を行った。その測定の結果次のようなことが分かった。
炭素(C) 7×1016cm−3
酸素(O) 1×1017cm−3
珪素(Si) 2×1016cm−3以下
GaN単結晶のインゴットから切り出した、表面がC面(0001)からなるGaN種結晶を準備した(図4(a))。この表面の極性はGa面である。このC面種結晶は表面研磨してあり、表面の加工変質層は除去されて全く存在しない。
・NH3分圧 0.2atm (2×104Pa)
・HCl分圧 1×10−2atm(103Pa)
・成長時間 5時間
・キャリヤ濃度 = 5×1018cm−3
・キャリヤ移動度= 170Vs/cm2
さらに同じ試料の表面付近のSIMS(Secondary Ion
Mass Spectroscopy)分析を行った。その測定の結果次のようなことが分かった。
炭素(C) 3×1016cm−3
酸素(O) 5×1018cm−3
珪素(Si) 4×1016cm−3 以下
この実施例にかかる試料片は、表面が平坦な、厚さ350μmの単体のn型GaN基板であった。その後に、GaN基板表面上にさらにエピタキシャル成長を行い、デバイス作製が可能な形状であった。
2 ヒ−タ
3 原料ガス導入管
4 原料ガス導入管
5 Ga溜(Gaボート)
6 Ga融液
7 サセプタ
8 回転軸
9 基板
10 ガス排出口
Claims (5)
- サファイア基板、GaAs基板、SiC基板又はGaN基板のいずれかである下地基板の上にGaN結晶をc軸方向に成長する方法であって、成長するGaN結晶にC面とC面以外のファセット面を同時に出現させながら成長させることで、C面以外のファセット面で成長した領域に酸素を含有させながら成長することを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
- 窒化ガリウム結晶の成長方法がHVPE法、MOC法、MOCVD法、あるいは昇華法であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
- 窒化ガリウム結晶に酸素ドープするために原料ガスに含まれた水、あるいはもともと原料ガスに含まれていた水を酸素源とすることを特徴とする請求項1〜請求項2のいずれかに記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
- サファイア基板、GaAs基板、SiC基板又はGaN基板のいずれかである下地基板の上にc軸方向に成長させたGaN結晶であって、C面とC面以外のファセット面(非C面)を有し、C面で成長した領域に比べてC面以外のファセット面で成長した領域に酸素を多く含有していることを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板。
- 非C面を通して酸素ドープしながら成長した結晶において酸素の活性化率が75%以上であることを特徴とする請求項4に記載の窒化ガリウム単結晶基板。
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