JP4914167B2 - 扁平な側面を有するａ面窒化物半導体単結晶基板 - Google Patents

Description

本発明は、面方位の判別が容易にできるよう、面方位の印として結晶方向において扁平な側面（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）を有するａ面窒化物半導体単結晶基板に関する。

半導体素子の製造の際に、基材、即ち、自立基板（ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｌａｔｅ）として使用される窒化ガリウム（ＧａＮ）のような窒化物系単結晶基板は、主として、ＧａＡｓ基板上に、窒化物半導体（ＧａＮ）の厚膜を成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することによって製造され（特許文献１参照）、又はサファイア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板上に、窒化物半導体の厚膜を成長させた後、サファイア基板を除去することによって（特許文献２参照）製造される。

従来の窒化物半導体単結晶基板は、主として、｛１１１｝面のＧａＡｓ基板やｃ面（｛０００１｝面）のサファイア基板上に成長したｃ面（｛０００１｝面）の窒化物膜であって、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線蒸着法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、又はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の方法によって成長する。

しかし、このようなｃ面窒化物系単結晶膜は、ｃ−結晶軸方向へ、例えば、ガリウム層と窒素層とが交互に積層されていて極性（ｐｏｌａｒｉｔｙ）を帯びることとなるが、例えば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造体の場合、自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）又は圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって形成される強い電場（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）により、ヘテロ構造体内の電子バンド構造（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が変化し、半導体素子の電気的・光学的特性に悪影響を及ぼす。即ち、ｃ−結晶軸の成長方向へ分極の不連続性（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）が存在して表面と界面に固定したシート電荷（ｓｈｅｅｔ ｃｈａｒｇｅ）を生成し、その結果で生じる内部電場が、量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）内の電子と正孔波動関数（ｗａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ）を分離させて、発光を赤色波長の方に移動させ、内部の量子効率（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を減少させる。

これに対し、ａ面（｛１１−２０｝面）窒化物系結晶は、非極性（ｎｏｎ−ｐｏｌａｒ）の特性を有しているため、上述したようなｃ面窒化物系単結晶の問題点、即ち、分極による内部電場によって量子効率が減少する問題点を解決することができる。ａ面窒化物系結晶は、分極場（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）がないためバンドの曲がり（ｂａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ）が発生せず、非極性結晶面にＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を成長させた構造からシュタルク効果（Ｓｔａｒｋ ｅｆｆｅｃｔ）が観察されないので、ａ面の非極性窒化物系ヘテロ構造体は、高効率の紫外線−可視光線領域の発光素子と高出力マイクロ波トランジスターに有用に使用される可能性を有している。

本願発明者は、ｒ面（｛１−１０２｝面）サファイア単結晶の基材上に、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて、ａ面窒化物単結晶を成長させた後、サファイア基材を分離し、厚さ３００μｍ以上の非極性ａ面窒化物自立基板を製造した（特許文献３参照）。

一方、窒化物半導体の基板上に半導体素子を形成する場合、作業精度を向上するために、使用される窒化物半導体基板の面方位を判別する必要がある。従来のｃ面窒化物半導体基板の場合には、面方位の判別に関連する報告がある（特許文献４参照）が、ｃ面窒化物半導体基板とは全く違う方位を有するａ面窒化物半導体基板に関しては、面方位の判別に係る研究が全く進んでおらず、面方位固有の印が求められている。

なお、ａ面窒化物半導体は、ｃ面窒化物半導体とは異なり、非極性を有するので、一般的には、主面の表裏を判別する必要がないが、半導体素子の製造の際に必要となる電極を形成するため、裏表の表面粗さを異にする必要がある。従って、表裏の区別するためにも、面方位の印が必要とされる。
特開平１０―１１４６００号公報 特開平１０−２５６６６２号公報 韓国特許出願第２００４−３２１９５号明細書 特開２００２−２２２７４６号公報

本発明の目的は、面方位の判別が容易にできるａ面窒化物半導体単結晶基板を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、主面がａ面（｛１１−２０｝面）であり、結晶方向において１個ないし３個の扁平な側面（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）を有することを特徴とするａ面窒化物半導体単結晶基板を提供する。

このように、上述した特定位置の扁平な側面を有する本発明のａ面窒化物半導体単結晶基板は、基板自体から面方位の判別が容易にできるため、窒化物半導体基板上に半導体素子を形成する際に、作業精度を大きく向上することができる。

以下、本発明についてより詳しく説明する。

ａ面（｛１１−２０｝面）を主面にする窒化物半導体単結晶基板の方位を図１に示す。図１を参照すると、ａ面窒化物半導体基板は、＜１−１００＞方向に垂直に対応する｛１−１００｝面（“ｍ面”）、＜０００１＞方向に垂直に対応する｛０００１｝面（“ｃ面”）及び｛１−１０２｝面（“ｒ面”）を等価面として有する。他にも、ａ面窒化物半導体基板は、上述したｍ面、ｃ面及びｒ面にそれぞれ平行な（任意の方向との角度の関係が同じである）｛−１１００｝面、｛０００−１｝面及び｛−１１０−２｝面を有し、また、上述したｒ面と直角に位置した｛１−１０−２｝面及び｛−１１０２｝面を有する。

このように、ａ面（図２〜４記載の“Ａ−面”）窒化物半導体基板は、互いに区別が付けられる８個の等価面を有するが、本願明細書においては、｛１−１００｝面及びこれに平行な｛−１１００｝面は何れもｍ面（図２〜４記載の“Ｍ−面”）と称し、｛０００１｝面及びこれに平行な｛０００−１｝面は何れもｃ面（図２〜４記載の“Ｃ−面”）と称し、｛１−１０２｝面、これに並行な｛−１１０−２｝面、及びこれに直角な｛１−１０−２｝面及び｛−１１０２｝面は何れもｒ面（図２〜４記載の“Ｒ−面”）と称することとする。これは、任意の方向との角度の関係が同じであれば、特定の方向や面を等価な方向や面に置き換えても同様の効果が得られることに基づく。

本発明によるａ面窒化物半導体単結晶基板は、このようなｍ面、ｃ面及びｒ面の等価面を示す特定の印として、１個、２個又は３個の“結晶方向において扁平な側面（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）”を有することによって、面方位又は等価な方向の判別が可能となる。

このような扁平な側面は、所定の長さを有し、基板の端部に形成されることが望ましい。扁平な側面の長さが短いほど基板の有效面積が大きくなるものの、短すぎると、扁平な側面を通して劈開方向の平行性を確かめる工程が困難となるので、例えば、直径５．０８ｃｍ（２インチ）の基板に対しては、５ｍｍないし１５ｍｍの長さで扁平な側面を形成することが望ましい。

本発明による円形の基板は、１個ないし３個の扁平な側面を有することができる。具体的に、扁平な側面は、１個の扁平な側面を有する場合に、ｍ面、ｃ面及びｒ面の何れか１個の面に形成され、２個の扁平な側面を有する場合に、ｍ面、ｃ面及びｒ面の何れか１個の面及びその面に平行な等価面に形成され、３個の扁平な側面を有する場合に、ｍ面、ｃ面、及び前記ｍ面とｃ面の何れか１個の面にのみ接するｒ面に形成される。

３個の扁平な側面を有する場合として、ｍ面、ｃ面、及び前記ｃ面に接するｒ面に扁平な側面（それぞれＯＦ１、ＯＦ２及びＯＦ３）を有する略円形の基板を図２ａに示し、ｍ面、ｃ面、及び前記ｍ面に接するｒ面に扁平な側面（それぞれＯＦ１、ＯＦ２及びＯＦ３）を有する略円形の基板を図２ｂに示す。

円形の基板において、表裏面の区別を付ける必要がある場合には、ｍ面、ｃ面、及び前記ｍ面とｃ面の何れか１個の面にのみ接するｒ面を示す３個の扁平な側面を有していなければならない。

本発明による楕円形の基板は、略矩形（長軸と短軸を有する）をなし、短軸が＜１−１００＞方向のものであって、１個又は２個の扁平な側面を有することができる。具体的に、１個の扁平な側面を有する場合には、ｍ面、ｃ面及びｒ面の何れか１個の面に、２個の扁平な側面を有する場合には、ｍ面、ｃ面及びｒ面の何れか２個の面に形成される。

１個の扁平な側面を有する代表的な楕円形の基板の例を図３ａないし図３ｃに示し、２個の扁平な側面を有する代表的な楕円形の基板の例を図４ａないし図４ｃに示す。

楕円形の基板において、裏表面の区別を付ける必要がある場合には、ｒ面を示す１個の扁平な側面、又はｍ面、ｃ面及びｒ面の何れか２個の扁平な側面を有していなければならない。

本発明において、結晶方向において扁平な側面を有するａ面窒化物半導体単結晶基板は、予め１個ないし３個の扁平な側面が形成されたｒ面サファイア単結晶基材の上に、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いてａ面窒化物半導体単結晶の厚膜を成長させた後、前記サファイア基材を分離して除去することで得られる。この際、ゴニオメータ（ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ）でｍ面、ｃ面、ｒ面等の面方向を測定し切断した後、研磨することによって、ｒ面サファイア単結晶基材に所望の扁平な側面を予め形成することができる。

ａ面（｛１１−２０｝面）を主面にする窒化物半導体単結晶基板の方位を示す図である。 結晶方向において３個の扁平な側面を有する円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において３個の扁平な側面を有する円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において１個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において１個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において１個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において２個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において２個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。 結晶方向において２個の扁平な側面を有する楕円形のａ面窒化物半導体単結晶基板を示す模式図である。

符号の説明

ＯＦ１ ｍ面における扁平な側面部
ＯＦ２ ｃ面における扁平な側面部
ＯＦ３ ｒ面における扁平な側面部

Claims (1)

1. 円形の形状を有し、主面がａ面（｛１１−２０｝面）であり、結晶方向において１個ないし３個の扁平な側面（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）を有し、
   前記扁平な側面は、ｍ面、ｃ面、及び前記ｍ面とｃ面の何れか１つの面にのみ接するｒ面に形成され、
   表裏面の区別が可能であることを特徴とするａ面窒化物半導体単結晶基板。

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