JP4952616B2 - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
このようにして、自立基板を作製する具体的な方法としては、例えば特許文献1に記載の方法などが知られている。
また、VAS(Void-assisted Separation:例えば、非特許文献1)法や、DEEP(Dislocation Elimination by the Epi-growth with inverted-Pyramidal pits:例えば、非特許文献2)法などが公開されている。VASは、サファイア等の基板上で、網目構造のTiN薄膜を介してGaNを成長することで、下地基板とGaN層の界面にボイドを形成し、GaN基板の剥離と低転位化を同時に可能にしたものである。また、DEEPは、
エッチング等で除去が可能なGaAs基板上にパターニングしたSiN等のマスクを用いてGaNを成長させ、結晶表面に故意にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることで、その他の領域を低転位化するものである。
面内のオフ角がばらつくと、その上に形成した発光素子デバイスの発光波長のばらつきに大きな影響を与え、著しく歩留まりを低下させてしまう。
さらに面内でオフ角がばらついている窒化物半導体自立基板23(図4(c))を種結晶として、その上にエピタキシャル成長しても、配向性は引き継がれるので、エピタキシャル層を厚く成長してスライスして得られる自立基板も、結局オフ角がばらついてしまうことになる。また、面方位が一様に揃っている窒化物半導体基板上に成長しても、貫通転位の減少などによる表裏面の欠陥密度差により、再び反ってしまうため、オフ角ばらつきの原因となる。
本発明の第1の態様は、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成し、前記サファイア基板から分離した前記窒化物半導体層を用いて自立した直径2インチの窒化物半導体基板を作製する窒化物半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板の中心を通る直線上にある5mm間隔の10点におけるC軸の半径方向外方へのX線解析装置を用いて測定した傾きの最大値と最小値との差であるC軸の傾きのばらつきが、0.3°以上1°以下であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法である。
本実施形態の窒化物半導体基板の製造方法は、まず、下地基板としてC面サファイア基板1を準備し、C面サファイア基板上1に窒化物半導体層2を形成する(図1(a))。
窒化物半導体層2は、例えば、InXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、0≦X+Y≦1)層などである。窒化物半導体層2の形成方法には、有機金属気相成長法(MOVPE法)やハイドライド気相成長法(HVPE法)、或いはこれらを組み合わせた気相成長法などが用いられる。
自立した窒化物半導体基板3は、分離された窒化物半導体層2から1枚のみ取得しても、窒化物半導体層3を厚くエピタキシャル成長させてスライスすることにより複数枚の窒化物半導体自立基板を取得してもよい。なお、窒化物半導体の「自立基板」は、搬送などの基板処理が可能な強度を有する基板であって、基板の厚さは、例えば200μm以上が好ましい。
働く。このため、分離された窒化物半導体層は、図4(b)に示すように、欠陥密度差に起因した内部応力により歪んで表面が凹形状に反ってしまい、研磨などで平坦な加工を施した窒化物半導体自立基板は、図4(c)に示すように、C軸が半径方向内方に傾き、オフ角が面内でばらついてしまう。
すなわち、図1に示すように、サファイア基板1のC軸の傾きが、分離後の窒化物半導体層2の欠陥密度差に起因した反りによるC軸の傾きをキャンセルする向きに同程度に傾いていれば、分離後の窒化物半導体層2に反りが生じても、C軸はほぼ一様に揃い、凹形状の窒化物半導体層2表面を研磨することにより、窒化物半導体自立基板3の面内のオフ角のばらつきは小さくなる。このように、サファイア基板1のC軸のオフ角の方向と大きさを規定することによって、分離後の窒化物半導体層2のC軸の傾きのばらつきを制御し、結果としてオフ角ばらつきの小さい、C軸の一様に揃った窒化物半導体自立基板3が得られる。
窒化物半導体層2の成長条件にもよるが、窒化物半導体層2が欠陥密度差によって生じるC軸の傾き(半径方向内方)のばらつきは、0.3°〜0.7°程度あり、これに対してサファイア基板1のオフ角ばらつきを反対方向(基板の半径方向外方)に0.3°〜1°
傾けてやることにより、窒化物半導体基板3のオフ角ばらつきを実用上問題のない、0.
3°以下に制御することが可能になる。
従って、分離後の窒化物半導体層2のC軸が一様に揃うようにするためには、サファイア基板1表面の半径の半分よりも内側では、サファイア基板1のC軸の半径方向外方への傾きが、0.3°より小さいことが好ましい。また、サファイア基板1表面の半径の半分
を含む外側では、サファイア基板1のC軸の傾きが半径方向外方に傾いているのが好ましく、更には、サファイア基板1表面の半径の半分を含む外側では、サファイア基板1のC軸の半径方向外方への傾きが外側に行くほど大きくなるのが好ましい。
[実施例1]
ボイド形成剥離法(Void-assisted Separation Method:VAS法)を用いてサファイ
ア基板上にGaNエピタキシャル層を成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより、自立したGaN基板を得て、その評価を行った。
VAS法は、サファイア基板とGaN成長層との間に網目構造を有する窒化チタンの薄膜を挟み込んで結晶成長を行う方法であるが、その詳細は、例えば上記の非特許文献1に記載されている。
まず、直径2インチのサファイアC面基板上に、MOVPE法により、トリメチルガリウム(TMG)とNH3を原料として、アンドープGaN層を300nmの厚さに成長させた。次に、このGaNエピタキシャル基板上に、Ti薄膜を20nmの厚さに蒸着し、これを電気炉に入れて、20%のNH3と80%のH2の混合ガスの雰囲気中にて、1050度で20分間熱処理を施した。その結果、アンドープGaN層の一部がエッチングされて高密度の空隙(ボイド)が発生してボイド形成GaN層に変化するとともに、Ti薄膜が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成された穴形成TiN層に変
化した。
この基板をHVPE炉に入れ、GaNを全体で800μmの厚さに堆積させた。Gaメタルのボートは900℃に加熱し、基板側は1100℃とし、キャリアガスとして水素5%と窒素95%の混合ガスを用いた。原料ガスとしてHClガスとGaを反応させてGaClを生成させ、同時にアンモニアガスを供給し、成長の開始時にはV/III比が10に
なるように流量を調整した。
この条件で、GaNの核がTiN層上に3次元の島状に成長し、次いで結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していった。この様子は、成長時間を変えて炉外に取り出した基板表面及び断面を顕微鏡観察することにより確認した。さらに成長時間を延ばして成長を続けた。GaN結晶成長の終了後、HVPE装置を冷却する過程で、GaN層はボイド層を境にサファイアの下地基板から自然に剥離し、800μm厚さのGaN自立基板が得られた。
実施例のサファイア基板は、サファイア基板表面の各点におけるC軸の半径方向外方への傾きの最大値と最小値との差であるC軸の傾きのばらつき(半径方向外方へのオフ角のばらつき)が、0.3°以上1°以下であって、サファイア基板表面の半径の半分よりも
内側では、サファイア基板のC軸の半径方向外方への傾きが、0.3°より小さく、サフ
ァイア基板表面の半径の半分を含む外側では、サファイア基板のC軸の傾きが半径方向外方に傾き、且つC軸の半径方向外方への傾きが外側に行くほど大きくなっているサファイア基板を用いた。
用いるサファイア基板のオフ角のばらつきが異なる以外は、全て上記した同一の製造条件でGaN自立基板を作製し、得られたGaN自立基板のオフ角のばらつきを測定した。
その結果、通常のサファイア基板(オフ角のばらつき0.1°以下)を用いた場合には
、GaN自立基板のオフ角のばらつきは0.45°であり、本実施例のサファイア基板を
用いた場合には、GaN自立基板のオフ角のばらつきは、0.23°以下であった。
ここで、オフ角のばらつきを、基板面内の複数点のオフ角のうち、「オフ角の最大値−オフ角の最小値」と定義し、基板面内のオフ角のばらつきを求めた。具体的には、オフ角の測定にはX線回折装置を用い、図2に示すように、2インチ(50.8mm)の基板の
中心を通る直線上にある5mm間隔の10点の位置におけるオフ角を測定して、オフ角のばらつきを求めた。
成長条件によって、サファイア基板のC軸のオフ角のばらつきを適時、選択しなければならないが、サファイア基板のオフ角のばらつき(半径方向の外向き)が0.3°以上〜
1°以下に入っていれば、大多数の成長条件に対して、成長した窒化物半導体基板のオフ角のばらつきを実用上問題のない、0.3°以内に抑え込めることが分かった。
実施例1で作製したGaN基板上に、次に示す発光素子構造の成長層を形成した。図3は、本実施例2に係わる窒化物系半導体発光素子を示す構造断面図である。
本実施例2の半導体層には、量子井戸構造を有している。発光ダイオード用の多層膜は、有機金属気相成長(MOCVD)法により作製した。有機金属原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。ガス原料として、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4 )を用いた。また、キャリアガスとして、水素及び窒素を用いた。
まず、上記の実施例1により得られたGaN自立基板(オフ角のばらつきを異にする)11を用いて、GaN自立基板11上に、1050℃にて、Siをキャリア濃度1×10
19cm−3ドープしたn型GaN層12を4μmの膜厚で成長させた。
次に800℃で、活性層として、厚さ10nmのGaN障壁層13(4層)と、厚さ3nmのIn0.1Ga0.9N井戸層14(3層)とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW)を有するInGaN系活性層15を成長させた。その上部に、p型Al0.1
Ga0.9Nクラッド層16と、p型GaNコンタクト層17とをこの順で形成した。
更に、p型GaNコンタクト層17上に正電極19、GaN自立基板11裏面に負電極18を形成した後、チップ化して作製した。
その後、図2に示す上記オフ角の測定箇所と同じ10点の箇所からチップを選んで、EL(Electro Luminescence)測定により、各チップの発光波長を測定し、基板面内の発光波長のばらつきを求めた。ここで、「発光波長の最大値−発光波長の最小値」を発光波長のばらつきと定義した。
2 窒化物半導体層
3 窒化物半導体基板(窒化物半導体自立基板)
11 GaN自立基板
15 InGaN系活性層
Claims (4)
- サファイア基板上に窒化物半導体層を形成し、前記サファイア基板から分離した前記窒化物半導体層を用いて自立した直径2インチの窒化物半導体基板を作製する窒化物半導体基板の製造方法において、
前記サファイア基板の中心を通る直線上にある5mm間隔の10点におけるC軸の半径方向外方へのX線解析装置を用いて測定した傾きの最大値と最小値との差であるC軸の傾きのばらつきが、0.3°以上1°以下であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板表面の半径の半分よりも内側では、前記サファイア基板のC軸の半径方向外方への傾きが、0.3°より小さいことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項1または2に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板表面の半径の半分を含む外側では、前記サファイア基板のC軸の傾きが半径方向外方に傾いていることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板表面の半径の半分を含む外側では、前記サファイア基板のC軸の半径方向外方への傾きが外側に行くほど大きくなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
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