JP4691631B2 - サファイヤ基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイヤ基板に関し、特に、半導体をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体をエピタキシャル成長させる基板として、様々なものが案出されている。例えば、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム、シリコン（Ｓｉ）、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、等が挙げられる。このうち、青色発光素材として近年特に注目されているＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体、もしくはＧａＡｌＮに代表される窒化ガリウム系化合物半導体を始めとする各種半導体を結晶成長させる基板として現在もっとも広く用いられている基板は、サファイヤ基板である。
【０００３】
これは、III族窒化物半導体等の格子定数とサファイヤの格子定数が比較的近似し、耐高温性をも有しているためと、III族窒化物半導体をサファイヤ基板上でエピタキシャル成長させやすく、相性が良いのと、かつ、格子定数が近似している可能な基板の中ではもっとも価格が安価なためである。
【０００４】
III族窒化物半導体等をエピタキシャル成長させる必要上、サファイヤ基板は研磨により鏡面かつ平滑に面出し（平坦出し）されている。精度良く面出しされたサファイヤ基板により、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体は、格子欠陥のない大きな単結晶を形成し、他の基板と比較して歩留りが高く、発光特性の良好な半導体素子等を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点が多々あった。実際に平滑に研磨された基板を用いてIII族窒化物半導体等を結晶成長させると、良好に結晶成長する基板（すなわち、広範に渡って格子欠陥のない単結晶が成長する基板）と、きわめて品質が悪い状態で結晶成長してしまう基板（すなわち、格子欠陥の多い結晶または多結晶が成長してしまう基板）とが混在する現象が生じる。また同時に、良好に結晶成長する基板であっても、部分的に結晶成長の不良な箇所が生じる場合もある。
【０００６】
使用される基板は、いずれも同一ロットで同一の製造条件で研磨等され、同一の平滑性が保証されているものであり、エピタキシャル成長させる条件も同一である。したがって、本来すべての基板に対して同等に半導体が結晶成長すると期待できるところ、前述のごとく、基板ごとにもしくは、基板の部位により結晶の良否が大きく異なっている。
【０００７】
すなわち、従来の基板はどの基板に良好に結晶成長するかをあらかじめ知ることができないため、結晶不良をおこす基板が必ず混在し、全体として歩留りが低くなってしまうという問題点があった。また、同一基板内でも、結晶性のよい部位と、結晶性の悪い部位とがあるため、ダイシングなどで切り出した後の半導体の歩留りが低くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＧａＮ等のIII族窒化物半導体やＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を始めとする各種半導体を、良好にエピタキシャル成長させ歩留りの向上を図ることのできるサファイヤ基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、半導体をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板であって、結晶成長面が基板のｃ軸からａ軸とｍ軸の中間の方向に0.05°〜0.5°の傾斜角度を有し、且つサファイヤの（０００１）面と（０００６）面の距離に等しい高さのステップが形成されたことを特徴としている。ａ軸とｍ軸の中間の方向とは、ステップ面にキンクやレッジが存在するような方向を含む。
【００１１】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のサファイヤ基板において、エピタキシャル成長させる半導体を、III族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明のサファイヤ基板の概念図であり、図２は、サファイヤの結晶軸と結晶面とを表す概略図である。
【００１６】
図に示したように、サファイヤ基板は六方最密構造を有し、そのｃ面（（０００１）面）をテラスとし、ステップを経て（０００６）面がテラスとなり、以下同様の構造が周期的に連続している。ステップを形成する面はｍ面（（１０−１６）面、（０１−１６）面もしくは（−１１０６）面）である。
【００１７】
図３は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）により走査した本発明のサファイヤ基板の表面状態を表す出力図であり、図４は、そのうち一方向に走査した場合の表面の凹凸を表すチャート図である。まず、図３から明らかな様に、１μｍ2（＝1000ｎｍ×1000ｎｍ）の面積で数ｎｍ程度の凹凸しかなく、サファイヤ基板表面は全体として非常に高精度な平滑性をもって研磨されていることが分かる。
【００１８】
また、図４から明らかなように、本発明のサファイヤ基板は、ｍ軸方向に階段状に緩やかな面（微斜面）を形成するように作成されたものであり、ステップはおよそ0.25ｎｍで、これは、サファイヤの（０００１）面と（０００６）面の距離（およそ0.22ｎｍ）にほぼ等しい。すなわち、本発明のサファイヤ基板は、サファイヤ格子の一層を削り取るようにステップを形成し、面出しされたものであることがわかる。このときステップ間の距離（テラスのｍ軸方向への長さ）はおよそ20〜300ｎｍの長さである。
【００１９】
このように本発明のサファイヤ基板は、ｃ軸からｍ軸方向に約0.15°〜0.3°傾いた微斜面を形成する様に面出ししたものである。（以降においてこの傾斜角を、オフ角度と称することとする）。また、本発明のサファイヤ基板は、ラングの表示を用いて、Ａｌ2Ｏ3（Ｓ）−［ｘ（０００１）×（０１−１６）］（100≦ｘ≦1000）と表すことができ、ここで、Ａｌ₂Ｏ₃は対象となる結晶基板の化学式を表し、（Ｓ）はステップ面を、また（０００１）はテラスであるｃ面を、また（０１−１６）はｍ面をステップとするステップ面を、またｘはステップの周期を表し、その間の原子数をそれぞれ表す。なお、ステップ面は３通りの表記方法があるが、ここでは、そのうち（０１−１６）面のみを表している。
【００２０】
このサファイヤ基板を用いてＧａＮを積層させた結果を次に示す。図５は、本発明のサファイヤ基板を用いてＭＯＣＶＤ法により形成された窒化ガリウム系化合物半導体の発光強度を測定した実験結果を表す図である。図において横軸はオフ角度を、縦軸はPhoto Luminescence（ＰＬ）強度を表している。
【００２１】
図中▲１▼で示したように、従来のジャスト基板、すなわち、従来のサファイヤ基板（多少のバラツキを含む０°の基板）よりも、ｍ軸方向に0.5°程度までの微斜面が形成された本発明の基板を用いた半導体の方が、ＰＬ強度が明らかに向上している。一般に結晶性の良好なほどＰＬ強度が大きいといえるので、従来の基板に比し、本発明のサファイヤ基板を用いると、良好なＧａＮ結晶が形成されることが分かる。
【００２２】
一方、従来のサファイヤ基板は、ジャスト基板と称され、十分に平滑に研磨されたものであっても、本発明のサファイヤ基板の様に、そのオフ角度の角度精度を0.05°程度の精度まで管理し、制御を行って研磨されたものではなかった。図６は、従来のサファイヤ基板のオフ角度の角度精度をサンプリング調査した結果を集計した分布図を表す図である。
【００２３】
これは従来の方法で加工されたジャスト基板と称されているもので、同一ロットのものを20個サンプリングしてみたところ、オフ角が０〜±0.05°、±0.05°〜±0.10°、±0.10°〜±0.20°、±0.20°overまで様々なオフ角度を有した基板が、ランダムにほぼ同じ割合で混在していることが分かる。すなわち、従来のジャスト基板は、一定の精度で平滑な面出しを行い、オフ角＝０°と称するものであっても、実際、それ以上の精度まで研磨によるオフ角を制御することができなかったため、様々なオフ角度のものを有していたと考えられる。
【００２４】
この従来の基板をＡＦＭで表面走査してみると、基板の各々は一定のオフ角度を持っているものでもなく、また、高低差も大きいことが分かった。すなわち、表面は、ある程度平滑に仕上げてあるといっても、本発明のサファイヤ基板に比して凹凸が多く、その山と谷の差が大きいものであることがわかった。
【００２５】
このような従来の基板を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させた結晶表面を同様に測定してみると、結晶表面は凸凹しており、結晶性が悪いことが確認できた。従来の基板では、表面の山もしくは谷の部分に局所的に結晶成長が集中するため、半導体が結晶欠陥・不良をおこしてしまっていると推定できる。これが従来の半導体の歩留りの悪さの原因であったと考えられる。また一方、従来、確率的に結晶成長が良好で歩留りのよかったものがあったのは、基板全体もしくは基板のある部位が偶然に適度な微斜面を形成していたためと考えられる。
【００２６】
次に、本願発明者は、オフ角度が±0.05°という非常に高精度に面出しを行ったジャスト基板、すなわち、ｃ面テラス領域が著しく広いサファイヤ基板を作成し、ＧａＮをエピタキシャル成長させる実験を行った。するとＧａＮは局所的な結晶成長を行い、良好なＧａＮ半導体を得ることができなかった。
【００２７】
これは、あまりに平滑であると、結晶成長する核が存在しないため、一旦結晶成長が始まると、急激に結晶成長してしまう結果、格子欠陥の多い結晶や多結晶となるなどの結晶不良を生じてしまったと考えられる。
【００２８】
そこで本願発明者は、オフ角を0.05°から順に細分化してある角度をつけた基板を用意して半導体を成長させたところ、前述の図５のごとく、ＰＬ強度の大きい、すなわち、結晶性の良好な半導体を得る条件を見い出すことに成功した。特に、オフ角が0.15°〜0.3°までの基板は、従来の基板（従来のジャスト基板）を用いた場合の２倍もの発光特性を有するものを得ることができた。なお、図示は省略するが、本発明の基板を用いてＧａＮを結晶成長させると、オフ角度が0.5°程度までは、ＧａＮ表面（結晶成長面）は極めて平滑であり、凸凹（結晶欠陥・不良）は生じなかった。
【００２９】
以上の説明では、ステップはｍ面であったが、ａ面（例えば（１０００）面）であっても同様の効果を奏することは言うまでもない。また、ステップ面には、キンクやレッジが存在していてもよい。したがって、ａ軸とｍ軸の中間方向に微斜面が形成されていてもよい。この場合は、キンクも周期的に現れる。また、半導体成長には、適宜バッファ層を設けてもよい。また、エピタキシャル成長に用いることのできる方法は、すべて使用することができ、例えばツーフローＭＯＣＶＤ法などを用いることもできる。
【００３０】
さらに、オフ角度を保った平面出しは、一方向に研磨する方法でもよいが、研磨方法によっては、すり鉢状に面出ししてもよい。換言すれば、数mm×数mmのオーダーで面出しされていればよく、ウエハ全面が所定の方向に研磨されたものであることを要しない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のサファイヤ基板は、所定の方向に、所定の角度の傾斜をもって面出しされたものであるので、ＧａＮ等のIII族窒化物半導体やＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体等を始めとする各種半導体を、良好にエピタキシャル成長させることが可能となる。
【００３２】
すなわち、本発明のサファイヤ基板を用いて結晶成長させると、基板が所定の方向に所定のオフ角度をもって面出しされたものであるので、個々の基板自体の歩留りが向上し、かつ、ダイシング等によって分割された個々の半導体等の歩留りも当然向上する。また、その半導体も従来品のサファイヤ基板を用いた場合に比し、２倍程度の発光強度特性を有する良好なものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサファイヤ基板の概念図である。
【図２】本発明のサファイヤ基板の結晶軸と結晶面とを表す図である。
【図３】ＡＦＭにより走査した本発明のサファイヤ基板の表面状態を表す図である。
【図４】本発明のサファイヤ基板をｍ軸方向（ｍ面に垂直な方向）にＡＦＭ走査した場合の表面の凹凸を表す図である。
【図５】本発明のサファイヤ基板を用いてＭＯＣＶＤ法により形成された窒化ガリウム系化合物半導体の発光強度を測定した実験結果を表す図である。
【図６】 従来のサファイヤ基板のオフ角度の角度精度をサンプリング調査した結果を表す図である。

Claims (2)

1. 半導体をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板であって、前記基板の前記エピタキシャル成長させる結晶成長面が、前記基板のｃ軸から、ａ軸とｍ軸の中間の方向に0.15°〜0.3°の傾斜角度を有し、且つサファイヤの（０００１）面と（０００６）面の距離に等しい高さのステップが形成されたことを特徴とするサファイヤ基板。
2. 前記半導体は、III族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項１のいずれか一つに記載のサファイヤ基板。

Images