JP5045955B2 - Iii族窒化物半導体自立基板 - Google Patents
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Description
減が図れるIII族窒化物半導体自立基板に関する。
め、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による2次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
結晶欠陥が比較的少ないIII族窒化物系半導体自立基板を得る方法としては、サファイ
ア基板などの異種基板を下地基板とし、この下地基板上に結晶成長速度の速いハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いてGaN結晶を厚くエピタキシャル成長させ、成長終了後に、下地基板を何らかの方法で除去し、残ったGaN結晶層をGaN自立基板として用いる方法が採用されている。
さらに、VAS(Void-Assisted Separation)法は、サファイア基板とGaN層との間にボイド層を介在させた形でGaN層を成長させ、成長終了後に前記ボイド層を境にGaN層を剥離させるものである(例えば、特許文献1参照)。
しかし、高速成長に適したHVPE法では、モノシランやジシランをドーピングガスに用いることができない。これは、HVPE法が、高温に加熱されたリアクタ壁に原料ガスが接触する、いわゆるホットウォールタイプの結晶成長方式であるため、モノシランやジシランが基板に到達する前に分解してしまい、実効的に結晶中に取り込まれないためである。
献3では、酸素をドーパントに用いてn型導電性のGaN基板を作製することが提案されている。
半導体自立基板を提供することにある。
本発明の第1の態様は、n型基板の外周部のキャリア濃度が、前記外周部より内側のキャリア濃度よりも低く、前記基板の面内における、キャリア濃度の最大値とキャリア濃度の最小値との差をキャリア濃度の前記最大値で除した値Δσが0.05より大きく、且つ前記基板の面内のいずれの場所においてもキャリア濃度が5.0×10 17 cm -3 を超えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板である。
より内側のキャリア濃度よりも低くすることにより、III族窒化物半導体自立基板の反り
を低減でき、クラックの発生を抑制できる。
III族窒化物半導体自立基板のキャリア濃度分布は、基板の中心及びその近傍でキャリ
ア濃度が最も高く、基板の中心(及びその近傍)から外周(外縁)に向かって次第にキャリア濃度が低下するキャリア濃度分布(後述の実施例1,2の場合)には限られない。例えば、基板の中心(及びその近傍)から外周(外縁)への中間部でキャリア濃度が最も高くなり、このキャリア濃度が最も高い位置から外周(外縁)へ向かってキャリア濃度が低下するようなキャリア濃度分布(後述の実施例3の場合)なども含まれる。
n型導電性の基板が用いられる。n型ドーパントを含むGaN等の窒化物半導体結晶層は圧縮歪となるため、基板面内でドーパント濃度分布、つまりキャリア濃度分布を変化させることにより、圧縮歪による応力の緩和を行うことが可能となる。
そこで、本実施形態では、基板の外周部のキャリア濃度が、それより内側のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度分布とすることで、基板の外周部側の圧縮歪を基板の中心部側の圧縮歪よりも低減して、基板の応力を緩和し、基板の反りの低減を図っている。基板の反りを低減することで、クラックの発生を大幅に抑制できる。
けるキャリア濃度の最大値Cmaxとキャリア濃度の最小値Cminとの差Cmax−Cminをキャリア濃度の最大値Cmaxで除した値(Cmax−Cmin)/Cmax=Δσ(以下、Δσを「キャリア濃度の最大変化量」という)で規定している。
従来、基板の面内におけるキャリア濃度は、なるべく均一化するようにしており、この均一化を図った場合のキャリア濃度の最大変化量Δσは、0.05以下である。本実施形
態のIII族窒化物半導体自立基板では、キャリア濃度の最大変化量Δσを0.05より大きくして、基板の反りの低減を図っている。なお、キャリア濃度の最大変化量Δσの上限は、後述の実施例などから、例えば0.18以下とするのが好ましい。
また、本実施形態のIII族窒化物半導体自立基板には、基板の導電性を高めるために、
シリコン、酸素等のn型ドーパントがドープされており、基板面内のいずれの場所においても、キャリア濃度が5.0×1017cm−3を超えている。
200μm以上とするのが好ましく、また、基板の直径は、2インチ(50.8mm)以
上が好ましい。
また、III族窒化物半導体自立基板の主面である表面は、C面、M面、またはA面のい
ずれかであることが好ましい。
下地基板からの分離方法には、VAS法(Void-Assisted Separation Method:ボイド形
成剥離法)での自然剥離、その他、エッチング、レーザー照射等の方法がある。下地基板には、サファイア基板、シリコン基板などの異種基板、或いはGaN基板等の同種基板が用いられ、また、III族窒化物半導体層の成長には、ハイドライド気相成長法(HVPE
法)、有機金属気相成長法(MOVPE法)などが用いられる。
も低くする方法としては、次のような方法が挙げられる。
下地基板は、通常、基板ホルダ(治具)によって保持されるが、この基板ホルダが下地基板の上面外縁部を保持する部分の高さ(厚さ)を大きくする方法、基板ホルダと下地基板上に成長するIII族窒化物半導体層との固着を防止するためのパージガス量(ホルダパ
ージガス量)を増加する方法、或いは原料ガスのキャリアガス量を増加する方法などがある。
VAS法では、サファイア基板とGaN自立基板となるGaN厚膜との間にボイド形成GaN層を設け、GaN厚膜の成長終了後にボイド形成GaN層を境にGaN厚膜を剥離させる方法であり、容易にGaN自立基板を作製できるという特長がある。
具体的には、サファイア基板上にMOVPE法によってアンドープGaN層を成長し、このアンドープGaN層上に真空蒸着によってTi薄膜を蒸着した。このTi薄膜を蒸着した基板を電気炉に入れ、アンモニアガスと水素ガスの混合ガスの雰囲気中で熱処理を施した。この熱処理により、アンドープGaN層が高密度のボイドを有するボイド形成GaN層とされると共に、Ti薄膜が窒化され且つサブミクロンの微細な孔が高密度に形成された孔形成TiN層とされた、ボイド形成基板が得られた。
このボイド形成基板を、下記の実施例及び比較例では、GaN自立基板となるGaN厚膜の成長用の出発基板(下地基板)として用いた。
図1、図2に示すように、成長炉(HVPE炉)内の均熱板1上に、出発基板となるボイド形成基板2が水平状態で載置される。HVPE法により、ボイド形成基板2上にGaN層(GaN厚膜)4を成長させる。ボイド形成基板2の外周部及び上面外縁部は、基板ホルダ(治具)3によって保持されている。ボイド形成基板2の上面外縁部を保持する基板ホルダ3の部分3aは、ボイド形成基板2の上面から高さ(厚さ)dの寸法を有する。ボイド形成基板2は、図示省略の回転駆動機構により、ボイド形成基板2の中心軸の回りに所定の回転数で回転駆動される。ボイド形成基板2の上部側方には、ボイド形成基板2上に原料ガス及びキャリアガスの混合ガス20を供給する原料噴出し口部5が設けられている。原料ガス及びキャリアガスの混合ガス20は、原料噴出し口部5から吹き出され、図1、図2中の左側(上流側)から右側(下流側)に水平に流れる。
また、均熱板1及びボイド形成基板2の外周と基板ホルダ3の内周との間の隙間には、パージガス(ホルダパージガス)10が流される。パージガス10は、基板ホルダ3とボイド形成基板2上に成長するGaN層4との固着を防止するためのガスであるが、このパージガス10を、実施例2では更にGaN層4のキャリア濃度分布を変更するためのガスとしても機能させている。
比較例1でのGaN層4を成長する成長条件は、次に述べる比較例2及び実施例1〜3における成長条件のベースとなるものである。比較例1では、アンドープのGaN層4を成長させた。従って、比較例1では、SiH2Cl2は流していない。
GaN層4の成長温度は1050℃とし、供給した原料ガス量はGaClが100cc、NH3が1000ccであり、キャリアガスの流量はN2を6.9slm(standard liter/min)、H2を2slmとし、基板回転は20rpmとし、GaN層4成長部の外周
に流したパージガス10のガス流量は1slmと設定し、アンドープのGaN層4を800μmの厚さ成長した。また、ボイド形成基板2の上面外縁部を保持する基板ホルダ3の部分3aの高さ(厚さ)dは、1mmとした。
測定された比較例1のGaN自立基板のキャリア濃度は、中心点(r=0mm)では5.25×1017cm−3、中心点からr=5mm、10mm、15mm、20mm、2
5mmの各点では、それぞれ5.25×1017cm−3、5.20×1017cm−3、5.19×1017cm−3、5.09×1017cm−3、5.00×1017cm−3
であった。
また、比較例1のGaN自立基板には、クラックの発生が認められた。
図5に、比較例1のGaN自立基板の反り、各点のキャリア濃度、及びクラックの発生の有無を示す(図5には、比較例2及び実施例1〜3のGaN自立基板の反り、各点のキャリア濃度、及びクラックの発生の有無も示している)。また、図6には、図5の測定結果のキャリア濃度分布をグラフ化して示している。
工して、直径2インチ(50.8mm)の厚さ400μmのGaN自立基板を得た。
比較例2では、上記比較例1の成長条件に加えて、n型ドーパント原料ガスであるSiH2Cl2を20cc供給し、高キャリア濃度のGaN層4を成長した。比較例2でも、比較例1と同様に、剥離して得られたGaN自立基板の反り、キャリア濃度分布を測定し、また、クラックの有無を調べた。その結果を図5に示す。
比較例2のGaN自立基板の反りは、比較例1のGaN自立基板と同じ93μmであり、キャリア濃度分布は、基板面内でほぼ均一であった。また、比較例2のGaN自立基板には、クラックがあった。
実施例1では、上記比較例2の成長条件において、基板ホルダ3の高さd=1mmより2mm高くし、d=3mmに変更した。基板ホルダ3の高さdを高くしたことにより、GaN層4の成長領域の外周部でガスが供給されにくい状態となるため、GaN層4の中心部側と外周部側のキャリア濃度が変化することが確認された。
実施例1でも、比較例1と同様に、剥離して得られたGaN自立基板の反り、キャリア濃度分布を測定し、また、クラックの有無を調べた。その結果を図5に示す。
実施例1のGaN自立基板のキャリア濃度分布は、GaN自立基板の中心部で最も高く、基板の中心部から外周(外縁)部に向かって次第にキャリア濃度が低下するキャリア濃度分布であった。実施例1のGaN自立基板の反りは72μmであり、比較例1,2に比べて反りが21μmも低減した。また、クラックの発生はなかった。
実施例2では、上記比較例2の成長条件において、パージガス10の流量を1slmから5slmに変更(パージガス10の流量を増加)した。
パージガス(ホルダパージガス)10は、元々成長したGaN層4と基板ホルダ3とが成長段階で固着しないような役割を果たしているが、パージガス10を流すことでボイド形成基板2側に原料が届きにくい状態にすることも可能である。GaN層4の成長外周部のパージガス10の流量を、比較例2の1slmから5slmに増加させることで、成長外周部のパージガス10の流速が速くなり、成長しにくい状態となる。このため、GaN層4の外周部が中心部よりも低キャリア濃度の成長となった。
実施例2でも、比較例1と同様に、剥離して得られたGaN自立基板の反り、キャリア濃度分布を測定し、また、クラックの有無を調べた。その結果を図5に示す。
実施例2のGaN自立基板のキャリア濃度分布は、GaN自立基板の中心部で最も高く、基板の中心部から外周(外縁)部に向かって次第にキャリア濃度が低下するキャリア濃度分布であった。実施例2のGaN自立基板の反りは65μmであり、比較例1,2に比べて反りが28μmも低減し、また、クラックの発生も認められなかった。
実施例3では、上記比較例2の成長条件において、キャリアガスの流量を変更した。即ち、N2を6.9slm、H2を2slmとするキャリアガスの流量条件(以下、流量条
件1という)から、N2を9.9slm、H2を2slmとするキャリアガスの流量条件
(以下、流量条件2という)に変更し、キャリアガスの流量を増加した。原料ガス中のキャリアガスの流量を変更することで、原料ガスであるNH3,GaCl,及びSiH2Cl2の反応点を変化させることができる。
で、どの部分で原料が反応しているか確認することが出来る。また、キャリアガス流量を流量条件2とし、同様に静止実験を行い、成長厚さの分布を調べた。
図3に、キャリアガス流量が流量条件1、流量条件2のときの、静止した基板上の各位置で成長したGaN層の厚さを、また、図4に図3の結果をグラフ化したものを示す。
図3、図4に結果から、キャリアガスの流量条件1では、原料供給側の基板ホルダ3の端部よりなだらかに厚さが小さくなる。つまり、もっとも原料が反応している点は、基板ホルダ3の端部、もしくは基板ホルダ3より外周の原料供給側であることが推測できる。
また、キャリアガスの流量を増加させた流量条件2では、基板の中心(r=0mm)より+15mm(基板中心よりも混合ガス20の下流側の方向)の位置がもっとも厚く、反応が激しい点となった。
実施例3でも、比較例1と同様に、剥離して得られたGaN自立基板の反り、キャリア濃度分布を測定し、また、クラックの有無を調べた。その結果を図5に示す。
実施例3のGaN自立基板のキャリア濃度分布は、基板の中心からr=15mm近傍までキャリア濃度が緩やかに増加し、その外周側でキャリア濃度が低下したキャリア濃度分布であった。実施例3のGaN自立基板の反りは67μmであり、比較例1,2に比べて反りが26μmも低減し、また、クラックの発生も認められなかった。
図7、図8に示すように、比較例1,2では、キャリア濃度の最大変化量Δσは、0.
05と均一なキャリア濃度分布であり、Siドープした比較例2のGaN自立基板でも、アンドープの比較例1のGaN自立基板と同じ反りであり、クラックの発生があった。
一方、実施例1〜3のGaN自立基板では、基板の外周部のキャリア濃度が、それより内側のキャリア濃度よりも低く、キャリア濃度の最大変化量Δσが0.13〜0.18であり、実施例1〜3のGaN自立基板の反りは、比較例1,2の反り(93μm)よりも大きく減少した。また、図7、図8に示す結果から、GaN自立基板のキャリア濃度の最大変化量Δσが0.05より大きければ、クラックの発生を防止することが可能であること
が分かる。また、キャリア濃度の最大変化量Δσが0.18の場合(実施例2の場合)に
は、基板の反りが28μmも低減された。また、基板の外周部より内側にキャリア濃度が高い点がある場合(実施例3の場合)、つまり基板の中心部よりキャリア濃度が高い点がずれていても、基板の反りは大きく低減されることが分かった。
2 ボイド形成基板
3 基板ホルダ
4 GaN層(GaN自立基板)
5 原料噴出し口部
10 パージガス
20 原料ガス及びキャリアガスの混合ガス
d 基板ホルダのボイド形成基板上面からの高さ
Claims (2)
- n型基板の外周部のキャリア濃度が、前記外周部より内側のキャリア濃度よりも低く、前記基板の面内における、キャリア濃度の最大値とキャリア濃度の最小値との差をキャリア濃度の前記最大値で除した値Δσが0.05より大きく、且つ前記基板の面内のいずれの場所においてもキャリア濃度が5.0×10 17 cm -3 を超えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板。
- 前記基板の主面が、C面、M面、またはA面のいずれかであることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体自立基板。
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