JP4696285B2 - Ｒ面サファイア基板とそれを用いたエピタキシャル基板及び半導体装置、並びにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サファイア基板、窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板、及び、それを用いた半導体装置に関するものである。

窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。

窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、（０００１）サファイア（以下Ｃ面サファイアという）、（１１−２０）サファイア、もしくは、（０００１）４Ｈ-ＳｉＣ、（０００１）６Ｈ−ＳｉＣなどの基板を用いてヘテロエピタキシ
ャル成長させている。

エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピ
タキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。

上記のように、既に実用化されている半導体装置に用いられている窒化物系半導体は、結晶構造が、反転対象性を持たない六方晶系のウルツ鋼構造であることに起因し、大きな圧電性を有している。また、図６は、異なる材料からなる２層（第１層１０１、及び、第２層１０２）が積層された窒化物系半導体のヘテロ接合を示しているが、結晶成長方位は全てへテロ接合界面１０１ａがＣ軸１０３として直交しており、これをＣ軸配向と呼ぶ。従って、格子定数の異なる２層を積層してなるヘテロ接合を作製した場合、結晶内に歪によって大きなピエゾ部電界を生じる。

例えば、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光装置の場合、Ｃ軸配向した結晶
を用いると、多重量子井戸構造など、ヘテロ接合により構成する活性層には上記ピエゾ電界が生じ、バンド構造が変化することによりキャリアの再結合確率を低減していた。このため、輝度向上が妨げられ、成長条件を最適化しても限界があることから高輝度の発光装置の作製は困難であった。

このように、窒化物系半導体におけるピエゾ電界の問題は、半導体装置の特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ電界による問題が存在しない結晶成長方法として、（１１−２０）配向（以下、Ａ軸配向という。）、もしくは、（１０−１０）配向させればよいことが非特許文献１において既に報告されている。

窒化物系半導体を（１０−１０）配向させる方法については、有効なものが無い一方で、窒化物系半導体を（１１−２０）配向させる方法としては、（１−１０２）サファイア基板（以下、Ｒ面サファイア基板という。）を用いる方法が非特許文献２に、及び、（１１−２０）４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮを成長する方法が非特許文献３に記載されている。これらの中で、後者の方法は、現状の（１１−２０）４Ｈ-ＳｉＣ基板自体の作製技術
において大型化が難しく、量産性が悪いため適さない。一方、Ｒ面サファイア基板は既に８インチ基板が現状でも製造可能であり、基板口径の問題はない。

また、シリコンを用いた半導体装置と同様の半導体装置製造プロセスが利用可能な点や、ＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）装置と結びつけた応用が可能な点を考慮すると、工業的な魅力は大きい。従って、量産性、コストの面から考えてＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を成長させる方法が最も有利であると考えられている。

また、発光装置の試作例もすでに報告例があり、非特許文献４には、Ｒ面サファイア基板上に、（１１−２０）面のＧａＮ層を形成したＧａＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造発光装置の試作例が既に報告されている。上記文献によると、図７に示すように、Ｒ面を主面とするサファイア基板１１１上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＮ層（３０μｍ）１１２、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層（１００ｎｍ）１１３、ＧａＮ/Ｉｎ０．
１５Ｇａ０．８５Ｎ多重量子井戸構造活性層１１４、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層（５０ｎｍ）１１５、ｐ型ＧａＮ層（２００ｎｍ）１１６を順次積層している。これに、反応性イオンエッチングによるメサ加工、及び、ｐ側電極１１７とｎ側電極１１８の形成を行い、発光装置を形成している。

Ｒ面サファイア基板上に窒化物計半導体を成長させる場合、その大きな格子定数差や、サファイアが無極性であることに起因する多量の貫通転位、及び、積層欠陥が導入されてしまうという問題、及び、半導体装置の製造に必要な急峻な界面の形成を困難にする劣悪な結晶形態の問題が存在していることが、本発明者ら、及び、その他の研究により明らかになっている。

貫通転位密度の低減のひとつの手法として、選択横方向成長が非特許文献５に示されている。図８に示すように、Ｒ面を主面とするサファイア基板１１１上に、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層１２１を成長した後、既存のフォトリソグラフィー技術、及び、ウエットエッチング技術により、ＳｉＯ２からなるマスク１２２を形成し、その後、ＭＯＶＰＥ法により、再成長ＧａＮ層１２３を再成長している。この方法によりマスク１２２が貫通転位が再成長層に伝搬するのを防止し、貫通転位密度を低減している。

しかし、この論文は、ＧａＮ層の結晶方位に対してマスク１２２の配置方向を変化させて再成長ＧａＮ層１２３中の転位の挙動を観察しただけであり、マスク１２２の寸法については検討が成されていない。

また、特許文献１には、サファイア基板に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、非特許文献６には、窒化物系半導体層に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、さらに、特許文献２には、窒化物系半導体層上にマスクを用いた選択横方向成長が、それぞれ、示されている。これらは、選択横方向成長による貫通転位密度の低減が示しているが、いずれもＣ軸配向した窒化物系半導体層を用いている。そして、その寸法を規定しているものもある。しかし、今回取り上げているＡ軸配向の窒化物系半導体は、Ｃ軸配向のものと成長のメカニズムが全く異なるため、それらの知見は全く当てはまらない。それはサファイアの原子配置の異方性に起因し、格子定数整合の問題が、サファイア基板面方位がＣ面かＲ面かにより、大きく異なるためである。
Japanese Journal of Applied Physics, Vol.39 (2000) 413-416 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) L818-820 Applied Physics Letters Vol. 83, (2003) 5208-5210 Applied Physics Letters Vol. 84, (2004) 3663-3665 Applied Physics Letters, Vol. 81 (2002) 1201-1203 公開特許公報 特開2000-106455 Journal of Crystal Growth 272 (2004) 377-380 公開特許公報 特開2004-262757

上記に鑑みて、本発明は、基板全面において低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、Ａ軸配向した窒化物系半導体をＲ面サファイア基板上に成長するための選択横方向成長について提案を行い、発光ダイオード、レーザダイオード、トランジスタ等、高性能の半導体装置を作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とするものである。

上記に鑑みて本発明は、Ｒ面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と凸状のテラス部とを交互に有し、上記溝部の幅が０．５〜３０μｍ、深さが０．３〜３μｍであり、かつ、テラス部の幅が０．５〜５μｍであることを特徴とするＲ面サファイア基板。

さらに上記Ｒ面サファイア基板の主面上に、Ａ面を主面とした窒化物系半導体層を有したことを特徴とする。

さらに上記溝部を上記窒化物系半導体層によって埋め込んだことを特徴とする。

さらに上記窒化物系半導体層上に半導体素子構造を有することを特徴とする。

さらに上記エピタキシャル基板を用いることを特徴とする。

さらに上記サファイア基板上に、上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させることを特徴とする。

さらに上記窒化物系半導体層を成長させる時のIII族原料の供給量に対するＶ族原料の
供給量の比を０．０１〜１００とすることを特徴とする。

本発明は、低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、Ａ軸配向した窒化物系半導体をＲ面サファイア基板に成長するための選択横方向成長を可能とし、高性能の発光ダイオード、レーザダイオードが作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、Ｒ面サファイア基板上に周期段差溝構造を形成した後、選択横方向成長により成長させた場合の、本発明の窒化物系半導体のエピタキシャル基板の構造を示す断面図である。

Ｒ面サファイア基板４の表面に周期段差溝加工が施され、溝部１１ｃ、及び、テラス部１１ｂが形成されている。その上に、第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次成長され、その後、最後に窒化物系半導体層１５が成長されている。窒化物系半導体層１５は選択横方向成長して、Ｒ面サファイア基板１１に形成された周期段差溝構造を埋め込み、エピタキシャル基板１となる。

次に、図１のエピタキシャル基板１の製造方法について説明する。

まず、図２のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてＲ面サファイア基板１１上に、ライン・アンド・スペースのマスク１２を形成する。その時の周期構造は、マスク部１１ｂが０．５μｍ以上５μｍ以下であり、かつ、マスク開口部１１ａの幅が０．５μｍ以上３０μｍ以下となるようにする。マスク１２の高さは後に行うエッチングにおける、Ｒ面サファイア１１とマスク１２の材料の選択比によって規定され、必要な厚みより厚くしておくことが望ましい。

次に、図３のようにエッチングによりＲ面サファイア基板１１表面のマスク開口部１１ａの一部を除去し、溝部１１ｃを形成する。マスク部１１ｂはエッチングされないため、テラス部１１ｂとなり、周期段差溝構造が形成される。Ｒ面サファイア基板１１のエッチング法は、既存の技術を用いれば良く、塩素系、または、フッ素系のガスを用いたドライエッチングが一般的である。この場合のマスク１２の材料はニッケルや酸化珪素を用いると良いが、これ以外でも良い。

次に、図４のように、Ｒ面サファイア基板１１表面からマスク１２を除去する。マスク１２の材料に応じて適切な薬液を選ぶ。このようにして、周期段差溝構造を有するＲ面サファイア基板４を得る。

次に、図１のようにＭＯＶＰＥ法により上記R面サファイア基板４上に窒化物系半導体
層１５を成長する。膜厚や組成を制御して第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次積層してやることで、その上には、表面が平坦で比較的結晶性の良いＡ軸配向した窒化物系半導体層１５を成長することができる。第１の下地層１３としてＡｌＮ、第２の下地層１４としてＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを用いると良いが、これについては、本発明において特筆すべき点ではない。従って、平坦化が成されるのであれば、下地層１１及び１２の組み合わせは限定されるものではなく、また、一層のみで下地層を構成しても良いし、下地層を用いずに直接窒化物系半導体層１５をＲ面サファイア基板４上に成長しても良い。

また、Ｖ／III比とは、成長時のIII族原料である有機金属の供給量に対する、Ｖ族原料であるアンモニア（以下、ＮＨ３という。）の供給量の比であり、例えば、４０００μｍｏｌ／分のＮＨ３と８０μｍｏｌ／分のトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという。）を供給する場合は、Ｖ／III比は５０となるのだが、窒化物系半導体層１５の成長時におい
ては、Ｖ／III比を０．０１〜１００とするのが良い。この範囲のＶ／III比で成長を行うことで選択横方向成長を促進し、第２の下地層１４の表面が凹凸形状を埋め込んで平坦化される。０．０１以下のＶ／III比は制御が難しく実施困難である。一方、Ｖ／III比が１００以上では、窒化物系半導体層１５の表面に成長ピットが形成されるなど、平坦化させ
ることが出来ない。これは、Ｖ／III比によって成長速度の異方性が変化し、窒化物系半
導体層１５の結晶が横方向に伸びなくなるためである。

一般に、Ｃ軸配向した窒化物系半導体であれば、Ｖ／III比を増加させることで選択横
方向成長が促進されるため、さらに高いＶ／III比とする。勿論、積層する材料にもよる
が、例えば、ＧａＮの場合、６００以上、２０００以下とすることが多い。この点で、Ｒ面サファイア基板１１上に成長させた、Ａ軸配向の窒化物系半導体層１５の選択横方向成長は特有である。

また、上記のサファイア基板に形成した周期段差溝加工の寸法については、ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク部では、窒化物系半導体層１５中に貫通転位が多く生成してしまうので、なるべくその幅は小さい方がよい。しかし、幅が小さすぎると、マスク作製が困難であるため、０．５μｍ以上が良い。また、第１の下地層１３または第２の下地層１４の、成長初期におけるドメインの大きさが１〜３μｍであるため、マスク部の幅は５μｍ以下であることが望ましく、好ましくは３μｍ以下であることがよい。

ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部１１ａは、エッチングにより溝部１１ｃが形成される。その側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層１５の貫通転位密度の低減に寄与する。

マスク開口部１１ａの幅は、上記のマスク部１１ｂと同様に、幅が小さすぎると、マスク１２の作製が困難であるため、０．５μm以上が良い。あまりに広いマスク開口部１１
ａ上の幅は窒化物系半導体層１５の初期成長ドメインが、溝の底部からも成長するため膜厚方向に成長し、貫通転位密度の低減が困難となる。Ｃ軸配向した窒化物系半導体層では、精々２０μｍ程度が限界であるが、Ｒ面サファイア基板４上に成長させたＡ軸配向の窒化物系半導体層１５の場合は、３０μｍまでの溝部１１ｃを用いることが可能である。これは、成長方位依存性により、溝部１１ｃの底からの成長よりも、選択横方向成長しているドメインの成長を促進することの方が優位だからである。

また、エッチング法により形成するＲ面サファイア基板４表面の周期段差溝構造の深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには０．３μｍ以上が良く、好ましくは０．５μｍ以上がよい。一方、機械的に堅牢であり、かつ、化学的にも安定なサファイアの加工は困難であるため、３μｍ以上の深さの周期段差溝構造は形成困難である。また、深い溝を埋め込むための窒化物系半導体層１５の成長が長時間となるため好ましくない。

以上のようにして成長したＡ軸配向の窒化物系半導体１５は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板５が作製される。

また、上記実施の形態において説明されたエピタキシャル基板は、窒化物系半導体層までしか積層しなかったが、半導体素子構造を有していても構わない。

半導体素子構造は、発光ダイオード、レーザダイオード、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタなどが挙げられる。半導体素子構造は既存の技術により構成することが出来るが、窒化物系半導体層が低転位密度化している。

従って、このエピタキシャル基板は特性の良い半導体装置を作製可能となる。電界効果型トランジスタであれば、ピエゾ電界が掛からないことを利用してエンハスメント型動作をさせることが可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（第１の実施例）
Ｒ面サファイア基板に周期段差溝加工を施した場合について説明する。

まず、図２のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア
基板１１上に、ニッケルからなるライン・アンド・スペースのマスク１２を形成した。その膜厚は、１５０ｎｍとした。また、その周期構造は、マスク部１１ｂ幅が３μｍ、マスク開口部１１ａの幅が１５μｍとした。

次に、塩素を用いた反応性イオンエッチングにより、サファイア表面のマスク開口部１１ａの一部を除去し、溝部１１ｃとなった。その深さは２μｍとした。

次に、王水を用いてサファイア基板１１表面からマスク１２を除去した。このようにして、周期段差溝構造を有するサファイア基板４が作製された。

次に、ＭＯＶＰＥ法により、成長温度１１００℃でＡｌＮからなる第１の下地層１３を１００ｎｍ、及び、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる第２の下地層１４を順次成長させた。これらの層の成長時は、Ｖ／III比は８００であった。その後、成長時のＶ／III比を６０に減少させ、ＧａＮからなる窒化物系半導体層１５を積層した。これによりＲ面サファイア基板４に形成された周期段差溝構造が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体層１５が得られた。Ｘ線回折によりＡ軸配向であることが確認され、また、この表面を原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）により測定したところ、自乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。さらに、ヘリウム-カドミウムレーザを光源に用いた顕微フォトルミ
ネセンス法により、窒化物系半導体層１５の発光分布を調べた。その結果を図５に示す。その後、周期溝構造に対応する明瞭なコントラストが確認でき、特に、マスク開口部１１ａに形成された選択横方向成長領域は、明るく光っていた。隣接するマスク部１１ｂ、及び、溝部１１ｃの発光強度比は約２０倍に達していた。選択横方向成長により結晶性が向上しているものと推測できる。

以下に、周期段差溝構造の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。

まず、ライン・アンド・スペースのマスクにおける、マスク開口部１１ａ、マスク部１１ｂの寸法、及び、周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造のＲ面サファイア基板４を作製した。次いで、ＭＯＶＰＥ法により、それぞれのＲ面サファイア基板４上に、上記と同様の構造を成長させ、ＡＦＭを用いて表面平坦性を、及び、平面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により貫通転位密度を評価した。

その結果を表１に示す。

溝部１１ｃ幅を変化させた条件１〜１５（実施例１〜１１、及び、比較例１〜４）を比較すると、条件溝部１１ｃ幅が３０μｍより大きい条件１３〜１５（比較例２〜４）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部１１ｃ幅は３０μｍ以下が良かった。一方、条件１（比較例１）のように、溝部１１ｃ幅が０．４μｍのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとした場合は、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件２〜１２（実施例１〜１１）のように、溝部１１ｃ幅は０．５μm以上
３０μｍ以下が良い。

また、テラス部１１ｂ幅を変化させた条件１６〜２２（実施例１２〜１６、及び、比較例５、６）を比較すると、テラス部１１ｂ幅が５μmより大きい条件２２（比較例６）の
場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部１１ｃ幅は５μｍ以下が良かった。一方、条件１６（比較例５）のように、溝部１１ｃ幅が０．４μｍのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。すなわち、条件１７〜２１（実施例１２〜１６）のように溝部幅は０．５μm以上
５μｍ以下が良い。

また、溝部１１ｃ深さを変化させた条件２３〜３０（実施例１７〜２２、及び、比較例７、８）を比較すると、条件２３（比較例７）のように０．３μｍ未満の深さでは、窒化物系半導体層１５の選択横方向成長が十分でなく、溝部１１ｃからも結晶核形成が起こるため、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。条件２４〜３０（実施例１７〜２２、及び、比較例８）のように、溝部１１ｃ深さを大きくすると貫通転位密度は低減できるものの、段差を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層１５
の成長時間は長くとる必要が生じる。これは製造コスト増大に繋がるので、１２０分以内で埋め込みが終了しない条件３０（比較例８）は好ましくない。従って、条件２４〜２９（実施例１７〜２２）のように、溝深さは０．３μｍ以上３μｍ以下とするのが良い。

本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。 本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明のＲ面サファイア基板について説明する断面図である。 本発明の効果を示す顕微フォトルミネセンスマッピング像図である。 Ｃ軸配向した窒化物系半導体のヘテロ接合を説明する模式図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の結晶成長方法を示す断面図である。

１ エピタキシャル基板
４ Ｒ面サファイア基板
５ エピタキシャル基板
８ エピタキシャル基板
１１ａ マスク開口部
１１ｂ テラス部
１１ｃ 溝部
１２ マスク
１３ 第１の下地層
１４ 第２の下地層
１５ 窒化物系半導体層
１０１ 第１層
１０１ａ ヘテロ接合界面
１０２ 第２層
１０３ C軸
１１１ Ｒ面サファイア基板
１１２ ｎ型ＧａＮ層
１１３ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１１４ ＧａＮ/Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ多重量子井戸構造活性層
１１５ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１１６ ｐ型ＧａＮ層
１１７ ｐ側電極１１８ ｎ側電極
１２１ ＧａＮ層
１２２ マスク
１２３ 再成長ＧａＮ層

Claims (7)

1. Ｒ面を有するサファイア基板の主面上に、凹状の溝部と凸状のテラス部とを交互に有し、上記溝部の幅が０．５〜３０μｍ、深さが０．３〜３μｍであり、かつ、テラス部の幅が０．５〜５μｍであることを特徴とするＲ面サファイア基板。
2. 請求項１記載のＲ面サファイア基板の主面上に、Ａ面を主面とした窒化物系半導体層を有したことを特徴とするエピタキシャル基板。
3. 上記溝部を上記窒化物系半導体層によって埋め込んだことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル基板。
4. 上記窒化物系半導体層上に半導体素子構造を有することを特徴とする請求項２または３に記載のエピタキシャル基板。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする半導体装置。
6. 上記サファイア基板上に、上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。
7. 上記窒化物系半導体層を成長させる時のIII族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比を０．０１〜１００とすることを特徴とする請求項６に記載のエピタキシャル基板の製造方法。