JP4952547B2 - GaN基板、エピタキシャル層付き基板、半導体装置、およびGaN基板の製造方法 - Google Patents
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Description
(1−1) 本発明のGaN基板の準備
下地基板:
GaAs基板を下地基板として用いた。ただし、当該下地基板の表面の法線ベクトルに対し、結晶方位[111]が<1−10>方向に18°傾斜し、さらに<11−2>方向に0.03°傾斜している2インチのGaAs基板を用いた。そして、この下地基板の表面には、図7に示したストライプ状のパターンを有するマスク層を形成した。このマスク層は酸化シリコン(SiO2)からなる。マスク層10では、線状パターンの幅W1を6μm、開口部の幅W2を2μmとし、線状パターンのストライプピッチPを8μmとした。また、マスク層10の厚みは0.1μmとした。
上述した下地基板の表面上に、以下のような条件でGaN結晶層を形成した。すなわち、図9に示した成膜装置20を用いて、HVPE法により下地基板の表面上にGaN結晶層を形成した。下地基板の表面上のGaN結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いGaNエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、成膜温度を500℃、HClの分圧を1×10-3atm(100Pa)、NH3の分圧を0.1atm(10000Pa)、成膜時間を60分、成膜したバッファ層の厚みを60nmとした。また、バッファ層上に形成したGaNエピタキシャル層の成膜条件は、成膜温度を1030℃、HClの分圧を3×10-2atm(3000Pa)、NH3の分圧を0.2atm(20000Pa)、n型ドーパントとしてSiをドーピングしながら成膜時間を100時間、成膜したエピタキシャル層の厚みを10mmとした。
主表面がc面となっているGaN基板:
基本的に、上述した本発明によるGaN基板と同様の製造方法により製造したが、用いた下地基板としてのGaAs基板が、その主表面の法線ベクトルに対して結晶方位[111]が平行になっている点が異なる。このような下地基板を用いることにより、得られた自立GaN基板では主表面の法線ベクトルと結晶方位[0001]とが平行になっており、当該主表面は(0001)面(c面)と平行になっている。
上記した主表面がc面となっているGaN基板から、その主表面に対して垂直方向に厚さ400μmの基板を切出すことにより、主表面がm面となっているGaN基板を準備した。
得られた本発明の実施例および比較例のGaN基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図11に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子のn型AlGaN中間層31の厚みは50nm、n型GaNバッファ層32の厚みは2μm、発光層33の厚みは50nm、p型AlGaN層34の厚みは20nm、p型GaNコンタクト層35の厚みは50nm、とした。また、n電極36としてはAl/Tiを用い、その厚みはそれぞれAl:500nm、Ti:50nmとした。また、p電極37については、材料をPt/Tiとし、厚みをPt:500nm、Ti:50nmとした。n電極としては他に、Au/Ge/Ni(各厚み500nm/100nm/50nm)、Pt/Ti(各厚み500nm/50nm)、Au/Ti(各厚み500nm/50nm)、p電極としては他にPt(厚み500nm)、Ni(厚み500nm)としてもよい。このような発光素子は、発光層33としてInGaNを含んでいるため、青色領域よりも波長の長い緑色領域の光を出射する。
上述のようにして得られたGaN基板について、当該基板のオフ角(GaN基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位[0001]の傾斜方向および傾斜角度)を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、GaN基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。
GaN基板のオフ角およびオフ角の値の分布の測定:
GaN基板のオフ角は、2結晶XRD(X-ray diffraction)装置を用いて、スリットサイズ縦横ともに200μmで測定した。また、GaN基板内のオフ角の値の分布は、GaN基板の主表面について、基板の中心と、当該中心から<1−100>方向ならびに<11−20>方向に各20mm離れた4点の合計5点において上記XRD装置を用いてオフ角の測定を行なった。中心から20mm離れた4点の値と中心の値の差の絶対値の最大値をオフ角の分布の値とした。また、XRDでの測定精度は±0.01°である。
GaN基板について、SEMを用いたCL(カソードルミネッセンス)を用いて、上記XRDと同じ5点について□100μm内部の暗い点を数えて測定を行なった。
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的には、室温で発光素子にパルス電流を印加して発光スペクトルを測定した。
GaN基板のオフ角:
GaN基板のオフ角は、表面の法線ベクトルに対して面方位[0001]が、[11−20]方向にほぼ18°傾斜したオフ角を示した。また、[1−100]方向にほぼ0.05°傾斜したオフ角を示した。また、この[11−20]方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±0.5°(−17.5〜18.5°)の範囲に入っていた。また、[1−100]方向におけるオフ角の面内分布は、当該基板の面内においてオフ角の分布が±0.3°の範囲に入っていた。
GaN基板の転位密度を測定したところ、当該転位密度はどの試料についても1×107(/cm2)以下であった。
結果を図12に示す。図12は、発光素子に供給される電流と出射される光の波長との関係を示すグラフである。図12からわかるように、本発明の実施例の発光素子の波長と電流量との関係は、発光素子に供給される電流量が大きくなるに従って出射される光の波長が短波長側にシフトしているものの、そのシフト量はほぼ7nm程度であった。これは、従来のGaN基板、すなわち基板表面とGaNのc面とがほぼ平行になっているc面基板を用いて製造した比較例の発光素子における波長のシフト量が20nm程度であるのに比べて小さくなっている。なお、図12に示すm面基板を用いて製造した比較例の発光素子の場合は、ほとんど波長のシフトが起きていない。これはm面が無極性面であるため、発光層において内部電界の発生が無いと考えられるためである。
全試料(試料ID1〜70)について、上述した実施例1におけるGaN基板の製造方法と基本的に同様の製造方法を用いてGaN基板を得た。
試料ID1〜65については、GaN基板を形成するための下地基板としてGaAs基板を用いた一方、試料ID66〜70については、下地基板としてGaAsとは異なる材料の基板を用いた。具体的には、試料ID66および67について、下地基板としてサファイア基板を用い、試料ID68〜70のそれぞれについて、ZnO基板、SiC基板およびGaN基板を用いた。各下地基板については、形成されるGaN基板のオフ角方向が2方向になるように、GaN結晶膜が形成される主表面の法線方向に対して、面方位[0001]が2方向に傾斜する傾斜角(オフ角)が適宜設定されている。
上述した下地基板の表面上に、後述する表1〜表14に示すような条件でGaN結晶層を形成した。すなわち、図9に示した成膜装置20を用いて、HVPE法により下地基板の表面上にGaN結晶層を形成した。下地基板の表面上のGaN結晶の成長工程では、初め比較的低温で薄いバッファ層を成長させる。その後、バッファ層上に比較的高温で、厚いGaNエピタキシャル層を成長させる。バッファ層の成膜条件は、後述する表1〜表14に示すとおりとした。なお、下地基板としてGaNからなる基板を用いた試料ID70については、バッファ層の成長は行なわず、下地基板上に直接GaNエピタキシャル層を成長させた。
得られた試料ID1〜70のGaN基板の表面上に、エピタキシャル層を堆積し、さらに電極を形成、素子ごとに分割することによって、図11に示すような発光素子を形成した。なお、発光素子の各層の組成や厚みなどは、実施例1における発光素子と同様とした。
上述のようにして得られたGaN基板について、当該基板のオフ角(GaN基板の表面の法線ベクトルに対する、面方位[0001]の[1−100]方向での傾斜角度(オフ角度θa)および[11−20]方向での傾斜角度(オフ角度θb))を測定した。また、当該オフ角の値の面内分布も測定した。また、GaN基板について転位密度も測定した。さらに、形成した発光素子について、発光波長と電流量との関係を測定した。各データの測定方法は以下のとおりである。
GaN基板のオフ角は、XRD(X-ray diffraction)装置を用いて、実施例1におけるオフ角の測定方法と同様の方法により測定した。また、GaN基板の面内でのオフ角の分布についても、実施例1における測定方法と同様の測定方法を用いて測定した。
GaN基板について、SEMに取り付けたCLを用いて、実施例1における測定方法と同様の測定方法を用いて転位密度を測定した。
作成した発光素子について、供給する電流の値を変更しながら、同時に発光素子から出射される光の波長を測定した。具体的な測定方法は実施例1における測定方法と同様である。そして、発光素子に供給する電流の値が十分大きな値(具体的には200mA)になったときの発光波長と、電流が10mAのときの発光波長との差異をブルーシフト(Blue shift:Δλ(単位:nm))とした。
作成した発光素子について、温度80℃で、発光素子に100mAの電流を通電させるために必要な電圧を、動作開始当初での動作電圧と、1000時間動作させた後の動作電圧として測定し、その増加分をΔVop(単位:V)とした。
発光素子を形成するため、表面にエピタキシャル層を形成したGaN基板について、面内の波長分布を測定した。具体的な測定方法としては、GaN基板の裏面にn電極を形成し、エピタキシャル層上にp電極を形成した後、基板の中心と、当該中心から<1−100>方向および<11−20>方向に各20mm離れた4点の合計5点から、□500μmの発光素子を各点につき10個づつ取出した。この結果得られた合計50個の発光素子について、室温でパルス電流を印加して発光スペクトルを測定し、各点ごとに発光波長の平均値を算出した。そして、中心と他の4点とのそれぞれについての上記発光波長の平均値(5つのデータ)において、データの差の絶対値のうちもっとも大きい値を波長分布とした(単位はnm)。
以下、測定結果を示す。
Claims (10)
- 主表面を有するGaN基板であって、
前記主表面の法線ベクトルに対し、面方位[0001]が互いに異なる2つのオフ角方向である[1−100]方向および[11−20]方向に傾斜しており、
前記主表面の法線ベクトルに対する面方位[0001]の、前記[1−100]方向における傾斜角度および前記[11−20]方向における傾斜角度のうちのいずれか一方は10°以上40°以下であり、他方は0.02°以上40°以下である、GaN基板。 - 請求項1に記載のGaN基板と、
前記GaN基板の前記主表面上に形成されたエピタキシャル成長層とを備える、エピタキシャル層付き基板。 - 請求項2に記載のエピタキシャル層付き基板を用いた半導体装置。
- 主表面の法線ベクトルに対し、基準面方位が互いに異なる2つの下地基板側傾斜方向に傾斜している下地基板を準備する工程と、
前記下地基板の前記主表面上にGaN結晶層を成長させる工程と、
前記GaN結晶層から前記下地基板を除去することにより、GaN結晶層からなるGaN基板を得る工程とを備え、
前記GaN基板は、主表面を有し、前記主表面の法線ベクトルに対して、面方位[0001]が互いに異なる2つのオフ角方向に傾斜し、
前記下地基板における前記基準面方位の前記下地基板側傾斜方向での傾斜角度を変更することにより、前記GaN基板における前記面方位[0001]の前記オフ角方向での傾斜角度が調整され、
前記下地基板における前記2つの下地基板側傾斜方向における傾斜角度の一方が10°以上40°以下であり、他方が0.02°以上40°以下である、GaN基板の製造方法。 - 前記下地基板はGaAs基板であり、
前記基準面方位は[111]であり、
前記2つの下地基板側傾斜方向は<1−10>方向および<11−2>方向であり、
前記GaN基板の前記2つのオフ角方向は[11−20]方向および[1−100]方向である、請求項4に記載のGaN基板の製造方法。 - 前記下地基板はサファイア基板であり、
前記基準面方位は[0001]であり、
前記2つの下地基板側傾斜方向は[11−20]方向および[1−100]方向であり、
前記GaN基板の前記2つのオフ角方向は[1−100]方向および[11−20]方向である、請求項4に記載のGaN基板の製造方法。 - 前記下地基板はZnO基板であり、
前記基準面方位は[0001]であり、
前記2つの下地基板側傾斜方向は[1−100]方向および[11−20]方向であり、
前記GaN基板の前記2つのオフ角方向は[1−100]方向および[11−20]方向である、請求項4に記載のGaN基板の製造方法。 - 前記下地基板はSiC基板であり、
前記基準面方位は[0001]であり、
前記2つの下地基板側傾斜方向は[1−100]方向および[11−20]方向であり、
前記GaN基板の前記2つのオフ角方向は[1−100]方向および[11−20]方向である、請求項4に記載のGaN基板の製造方法。 - 前記下地基板はGaNからなる基板であり、
前記基準面方位は[0001]であり、
前記2つの下地基板側傾斜方向は[1−100]方向および[11−20]方向であり、
前記GaN基板の前記2つのオフ角方向は[1−100]方向および[11−20]方向である、請求項4に記載のGaN基板の製造方法。 - 前記GaN結晶層を成長させる工程に先立ち、前記下地基板の前記主表面上に複数の窓を有するマスク層を形成する工程をさらに備える、請求項4〜8のいずれか1項に記載のGaN基板の製造方法。
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