JP4939038B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光〜青色光の半導体レーザーや短波長発光ダイオードなどのエピタキシャル成長に好適なIII族窒化物半導体基板に関するものである。

実用的な窒化ガリウム（ＧａＮ）基板については、図７に示す形状のものが知られている（特許文献１参照）。図７（ａ）はIII族極性面側から見た平面図、図７（ｂ）は窒素極性面側から見た平面図、図７（ｃ）はＣ面取りの場合に対応する同図（ａ）のＡ−Ａ’線拡大断面図、図７（ｄ）はＲ面取りの場合に対応する同図（ａ）のＡ−Ａ’線拡大断面図である。円形のＧａＮ基板２０には、任意の結晶方位を示すためのオリエンテーションフラット（以後ＯＦと略す）２２と、透明なＧａＮ基板２０においても表裏を容易に判別することができるようにインデックスフラット（以後ＩＦと略す）２３が設けられている。また、ＯＦ２２、ＩＦ２３を除くＧａＮ基板２０の全外周には面取り部２１を有し、面取り部２１の形状は、θ＝５°〜３０°のＣ面取り、もしくは半径０.１ｍｍ〜０.５ｍｍのＲ面取りを行うことで、ＧａＮ基板２０のチッピングを防ぐことができ、さらにはＧａＮ基板２０の輪郭を強調できることが記載されている。

面取り（Ｃ面取り、Ｒ面取りを総称して面取りと呼ぶ）を施していないシリコン基板上に気相エピタキシャル成長を行うと、シリコン基板外周部にエッジクラウンと呼ばれるエピタキシャル膜の盛上り成長部が発生するために、シリコン基板には面取りを施す必要があることが報告されている（例えば、特許文献２参照）。

また、半導体基板上にデバイスを作製する際、ＯＦを顕微鏡観察したり、ＯＦを光学的センサで検知したりして、特定の結晶方位に対する角度合わせを行う必要がある。この光学的な角度合わせを正確に行えるように、ＯＦ部のみ面取りを行わないようにした半導体基板が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−３５６３９８号公報 特開平７−２２６３４９号公報 特開２０００−６８１７１号公報

III族窒化物半導体基板上へのエピタキシャル成長は、有機金属気相成長法などを用いて行われる。この際、III族窒化物半導体基板を、一般に炭素基材上に炭化珪素コーティングを施したサセプタに取り付けて成長を行う。サセプタには基板と同一サイズの円形の凹部（収納部）が形成されており、当該凹部に基板を設置することになる。ところが、上述した図７に示す従来構造の基板２０を用いた場合、成長中、基板２０が前記凹部内を回転し、基板２０の円弧部とＯＦ２２やＩＦ２３との境界部の角部、あるいはＣ面取り部２１の角部が、サセプタ凹部の炭化珪素コーティングの内壁面と接触して損傷を与えてしまう。サセプタの炭化珪素コーティングが損傷を受け剥離してしまうと、例えばIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長時の窒素源としてアンモニアを用いた場合に、サセプタ基材の炭素が腐食され、基板表面に付着して成長を阻害するパーティクルの発生原因となることが明らかになった。

また、面取り部２１の角度θが５°〜３０°と小さい場合、ピンセットで基板２０を拾い上げ易くするには面取り幅を広く取る必要があり、面取り幅を広くすると、基板２０の裏面とサセプタとの接触面積が小さくなり、成長時に基板２０を加熱する際に、基板２０面内の均熱性が悪くなり、成長層の組成の面内均一性が悪くなることが明らかになった。

上記の特許文献２では、シリコン基板に面取りを施さないとエッジクラウンが発生するとしているが、本発明者らは同様の現象をIII族窒化物半導体基板に対する気相エピタキシャル成長においても確認したことから、III族窒化物半導体基板においても面取りが必要であると考える。また、基板に面取りが施されていないと、基板外周部にチッピングが生じる恐れがあるため、ＯＦの観察に支障を来たさない部分はできるだけ面取りをしておきたい。更に、ＯＦ部の裏面の面取りが行われていないと、ＯＦ部からピンセットを用いて基板を拾い上げることが不可能であり、作業性が悪いという問題もある。

本発明は、上記課題に臨みてなされたものであり、基板加熱時の面内均熱性を確保できると共に、基板の取り扱いが容易なIII族窒化物半導体基板を提供することを目的とする。また、本発明は、エピタキシャル成長時にサセプタに損傷を与えることがなく、基板周辺部のエッジクラウンやチッピングが生じにくいIII族窒化物半導体基板を提供することを目的とする。

本発明のIII族窒化物半導体基板は、基基板周縁部に円弧部とオリエンテーションフラット部とを有し、III族極性面及び窒素極性面の両面側に面取りが施されたIII族窒化物半導体基板であって、前記窒素極性面の前記基板周縁部では前記オリエンテーションフラット部を含む全外周に亘って前記面取りがなされ、前記III族極性面の前記基板周縁部では前記オリエンテーションフラット部の一部で少なくとも７ｍｍに亘って前記面取りがなされず、かつ、前記一部では前記III族極性面と前記オリエンテーションフラット部のオリエンテーションフラット面とが直交してつながっていることを特徴とする。

前記オリエンテーションフラット部において、前記オリエンテーションフラット面と前記窒素極性面側の前記面取りとが滑らかな曲面でつながっていてもよい。

前記円弧部の側面と前記オリエンテーションフラット部との境界部分が角張らずに滑らかにつながっていてもよい。

前記円弧部の側面において、前記III族極性面側の前記面取りと前記窒素極性面側の前記面取りとが滑らかな曲面でつながっていてもよい。

前記窒素極性面側の前記面取りは、３０°を超え６０°までの角度でなされ、前記III族極性面側の前記面取りは５°を超え３０°までの角度でなされていてもよい。

前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮのいずれかとしてもよい。

本発明によれば、オリエンテーションフラット部の少なくとも一部で、III族極性面とオリエンテーションフラット面とが直交し、一方、窒素極性面側はオリエンテーションフラット部全体が面取りされているので、インデックスフラットやノッチなどを形成しなくとも、オリエンテーションフラット部の面取り状態によって、基板の表裏面を容易に判別できる。
また、窒素極性面側の面取り角度を大きくすることにより、面取り幅が狭く、基板上へのエピタキシャル成長の際に、サセプタと接触する面積を広くでき、基板加熱時の面内均熱性がよい。また、オリエンテーションフラット部を含む窒素極性面側の全外周に大きな角度の面取りが施されているので、基板をどこからでも、ピンセット等で拾い易く、基板の取り扱いが容易である。
また、オリエンテーションフラット部や面取り部を形成することによって基板側面に角張った部分や尖った部分が発生しないように、滑らかにつながる形状にしているので、エピタキシャル成長時にサセプタに損傷を与えたりすることがなく、また基板外周部のチッピングも生じにくい。

以下に、本発明に係るIII族窒化物半導体基板の実施形態を図面を用いて説明する。

ＧａＮをはじめとするIII族窒化物半導体は安定相としてウルツ鉱型構造をとるが、ウルツ鉱型構造はＣ面に対して2回対称性をもたない。したがって、単位格子の一端がIII族原子で終端している場合、もう一方は窒素原子で終端している。一般にIII族原子で終端している面をIII族極性面（+Ｃ面）と呼び、窒素原子で終端している面を窒素極性面（-Ｃ面）と呼ぶ。III族極性面は熱的化学的に安定であるが、窒素極性面は熱的化学的に不安定である。したがって、III族窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長を行う場合、III族極性面上に行うのが一般的であり、III族極性面がいわゆる表面、窒素極性面がいわゆる裏面ということになる。

図１は第１の実施形態のＧａＮ基板１を示すもので、同図（ａ）はＧａＮ基板１をIII族（ガリウム）極性面４側から見た平面図、同図（ｂ）はＧａＮ基板１を窒素極性面５側から見た平面図である。III族（ガリウム）極性面４は（０００１）面であり、窒素極性面５は（０００−１）面である。

ＧａＮ基板１は円形の自立基板であり、その外周には結晶方位を示すためのオリエンテーションフラット（ＯＦ）部２が形成されている。ＧａＮ基板１のIII族極性面４側の外周には、面取りが施された面取り部６を有する（図１（ａ））。III族極性面４側の面取り部６は、ＧａＮ基板１の円弧部になされており、ＯＦ部２には面取りが施されていない。また、ＧａＮ基板１の窒素極性面５側の外周にも、面取りが施された面取り部７を有する（図１（ｂ））。窒素極性面５側の面取り部７は、ＧａＮ基板１のＯＦ部２を含む全外周に亘ってなされている。

III族極性面４側の面取り部６の面取り角度θ_１は、図１（ａ）のＣ−Ｃ’線拡大断面図である図２に示すように、５°〜３０°の範囲で形成されている。また、窒素極性面５側の面取り部７の面取り角度θ_２は、３０°を超え６０°までの範囲で形成されている。III族極性面４側の面取り部６の面取り角度θ_１を５°〜３０°の範囲としたのは、ＧａＮ基板１のIII族極性面４上にＭＯＶＰＥ法などによりエピタキシャル成長を行った時に生じるエッジクラウンを抑制するためである。また、窒素極性面５側の面取り部７の面取り角度θ_２を３０°を超え６０°までの範囲としたのは、ピンセットなどでＧａＮ基板１を拾い上げやすいという特徴を付与したまま、エピタキシャル成長時にサセプタと接触する窒素極性面５の接触面積をできるだけ広くとるためである。

ＧａＮ基板１の円弧部の側面においては、図２に示すように、III族極性面４側の面取り部６と窒素極性面５側の面取り部７との間が、曲面８によって滑らかに接続されるように研削されている。また、ＧａＮ基板１のＯＦ部２の側面においては、図１（ａ）のD−D’線拡大断面図である図３に示すように、窒素極性面５側の面取り部７とＯＦ部２のＯＦ面３との間が、曲面９によって滑らかに接続されるように研削されている。このように、面取りによって生じた角部が滑らかな曲面８，９で接続されているので、基板取扱時に基板１のチッピングを防止でき、エピタキシャル成長時にサセプタに損傷を与えることがなくなる。
図４は、図１（ａ）のＥ部、即ち基板１円弧部とＯＦ部２との境界部近傍の拡大斜視図を示す。図４に示すように、曲面８，９で接続された形状に面取りすることによって、ＧａＮ基板１の円弧部の側面とＯＦ部２との境界部分において、直線状の角張った境界部・稜線部が減少し、滑らかさが増した形状となる。なお、この境界部分に更に研削・面取りを施し、角張った境界部・稜線部を除去して、より滑らかにつながった形状にするようにしても勿論よい。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態のＧａＮ基板１は、図５及び図６に示すように、上記第１の実施形態のＧａＮ基板１に対して更に面取りを施したものである。図５（ａ）はＧａＮ基板１をIII族（ガリウム）極性面４側から見た平面図、同図（ｂ）はＧａＮ基板１を窒素極性面５側から見た平面図であり、図６は、図５（ａ）のＦ部の拡大斜視図である。
第１の実施形態のＧａＮ基板１では、III族極性面４側のＯＦ部２全体について面取りを施さなかったが、第２の実施形態では、ＯＦ部２の一部のみ面取りを施さないようにしている。即ち、第２の実施形態のＧａＮ基板１では、上記第１の実施形態のＧａＮ基板１に対して、III族極性面４とＯＦ面３とが直交するＯＦ部２の両端部分にそれぞれ、研削により面取り部１０、１０が形成されている。面取り部１０を更に形成したのは、ＧａＮ基板１上へのエピタキシャル成長によってエッジクラウンが生じてしまう、面取りを施さない部分を極力少なくするためである。

上述した実施形態においては、ＯＦ部２の全体もしくは一部において、III族極性面４とＯＦ面３とが直交しているので、ＧａＮ基板１上にデバイスを作製する際に、特定の結晶方位を示すＯＦを顕微鏡等で精度よく検知でき、正確な光学的な角度合わせができる。また上記実施形態の基板１には、III族極性面４側のＯＦ部２には面取りを施さない部分があり、窒素極性面５側は全周にわたり面取りを施すことから、これにより表裏の判別が可能となり、ＩＦを形成する必要がない。

しかし、III族極性面４側のＯＦ部２の全体もしくは一部に面取りを施さないため、面取りを施していない部分にチッピングが生じ易くなる。例えば、ＯＦ面３が(11-20)面もしくはそれと等価な面である場合、ＯＦ面３と直交関係にある(10-10)面もしくはそれと等価な面が、ＧａＮ等のウルツ鉱型構造をとるIII族窒化物結晶において最も劈開しやすい面であり、ＯＦ部２にチッピングが生じると、それを起点に基板が割れてしまいやすい。したがって(10-10)面もしくはそれと等価な面をＯＦ面３とすることが好ましい。

なお、上記実施形態において、自立型のＧａＮ基板１は、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＣ（Metal Organic Chloride）法、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを用いて作製される。
また、上記実施形態では、III族窒化物半導体基板として、ＧａＮ基板を挙げて説明したが、本発明は、ＡｌＮ基板またはＩｎＮ基板にも同様に適用することができる。

以下に、本発明の具体的な実施例を述べる。

まず、ＧａＮの単結晶基板を作製した。方法として、ボイド形成剥離法(Yuichi OSHIMA et al. Japanese Journal of Applied Physics Vol.42 (2003) pp.L1-L3)を用いて、直径62.5mmのサファイア基板上に直径56mmのＧａＮ結晶を600μm成長させ、サファイア基板からＧａＮ結晶を剥離した。こうして得られたＧａＮ結晶の自立基板に対して、そのIII族極性面、窒素極性面の順で鏡面研磨を行い、厚さ400μmの両面研磨のＧａＮ基板を得た。更に、両面研磨のＧａＮ基板の外形を研削して、直径2インチの円形に形状を整えた。

次に、得られた直径2インチの円形のＧａＮ基板１に対し、図１ないし図４に示すように、その窒素極性面５側の外周部を研削によりＣ面取りした。このとき、Ｃ面取りした面取り部７の面取り角度θ_２は45°とした。次いで、ＧａＮ基板１のIII族極性面４側の外周部を研削によりＣ面取りした。このとき、Ｃ面取りした面取り部６の面取り角度θ_１は18°とした。さらに、研削により、III族極性面４側の面取り部６と窒素極性面５側の面取り部７がＧａＮ基板１全周に亘って滑らかな曲線でつながるように、曲面８の面取りを施した。

この面取り済みＧａＮ基板１に対してX線回折測定を行い、<10-10>方向を確認して (10-10)面を研削により削りだし、(10-10)面をＯＦ面３とした。この時、ＯＦ長（（0001)面と(10-10)面との直交する交線の長さ）が1７mmとなるようにした。この後、ＯＦ部２の窒素極性面５側をθ_２＝45°でＣ面取りし、更にＣ面取りした面取り部７とＯＦ面３との間が滑らかな曲線でつながるように、曲面９の面取りを施した。こうして、図１〜図４に示すＧａＮ基板１が得られた。

実施例１により得られたＧａＮ基板１に対し、さらにIII族極性面４側のＯＦ部２の両端から5mmずつＯＦ部２のIII族極性面４側を面取りした面取り部１０を形成し、ＯＦ部２で面取りが施されていない領域、即ちＯＦ長が７mm残るようにした。こうして、図５及び図６に示すＧａＮ基板１が得られた。

実施例２のようにＯＦ部２のＯＦ長を７mm残して面取りしたのは、面取りを行わない部分にはエピタキシャル成長後にエッジクラウンが生じてしまうため、極力面取りを行ったほうが好ましいためである。その一方、得られたＧａＮ基板１を用いてレーザーダイオードなどのデバイスを作製する場合、結晶方位を所望の方向に精密に合わせる際に、参照するＯＦ長が最低でも７mm程度ないと、結晶方位を精密に合わせることが困難になるためである。

本発明のIII族窒化物半導体基板の第１の実施形態および実施例１を示すもので、（ａ）はIII族極性面側から見た平面図、（ｂ）は窒素極性面側から見た平面図である。 図１（ａ）のＣ−Ｃ’線拡大断面図である。 図１（ａ）のＤ−Ｄ’線拡大断面図である。 図１（ａ）のＥ部の拡大斜視図である。 本発明のIII族窒化物半導体基板の第２の実施形態及び実施例２を示すもので、（ａ）はIII族極性面側から見た平面図、（ｂ）は窒素極性面側から見た平面図である。 図５（ａ）のＦ部の拡大斜視図である。 従来のIII族窒化物半導体基板の形状を示すもので、（ａ）はIII族極性面側から見た平面図、（ｂ）は窒素極性面側から見た平面図、（ｃ）はＣ面取りの場合に対応する同図（ａ）のＡ−Ａ’線拡大断面図、（ｄ）はＲ面取りの場合に対応する同図（ａ）のＡ−Ａ’線拡大断面図である。

符号の説明

１ ＧａＮ基板
２ ＯＦ部
３ ＯＦ面
４ III族極性面
５ 窒素極性面
６ III族極性面側の面取り部
７ 窒素極性面側の面取り部
８ 曲面
９ 曲面
１０ 面取り部
２１ 面取り部
２２ ＯＦ
２３ ＩＦ

Claims (6)

1. 基板周縁部に円弧部とオリエンテーションフラット部とを有し、III族極性面及び窒素極性面の両面側に面取りが施されたIII族窒化物半導体基板であって、
   前記窒素極性面の前記基板周縁部では前記オリエンテーションフラット部を含む全外周に亘って前記面取りがなされ、前記III族極性面の前記基板周縁部では前記オリエンテーションフラット部の一部で少なくとも７ｍｍに亘って前記面取りがなされず、かつ、前記一部では前記III族極性面と前記オリエンテーションフラット部のオリエンテーションフラット面とが直交してつながっていることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
2. 前記オリエンテーションフラット部において、前記オリエンテーションフラット面と前記窒素極性面側の前記面取りとが滑らかな曲面でつながっていることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板。
3. 前記円弧部の側面と前記オリエンテーションフラット部との境界部分が角張らずに滑らかにつながっていることを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体基板。
4. 前記円弧部の側面において、前記III族極性面側の前記面取りと前記窒素極性面側の前記面取りとが滑らかな曲面でつながっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板。
5. 前記窒素極性面側の前記面取りは、３０°を超え６０°までの角度でなされ、前記III族極性面側の前記面取りは５°を超え３０°までの角度でなされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板。
6. 前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮのいずれかから成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板。