JP5103427B2 - Ｉｉｉ族窒化物基板 - Google Patents
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Description
本発明は、転位が低減されたＩＩＩ族窒化物基板の構造に関する。
ＩＩＩ族窒化物基板はフォトニクスデバイスや電子デバイス等に用いられ、単結晶の基板の上にＩＩＩ族窒化物結晶をエピタキシャル成長して形成したエピタキシャル基板として供給される。そしてその製造には、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ−法）等の薄膜形成方法が用いられる。
これらの方法で製造されるＩＩＩ族窒化物基板は、基板とＩＩＩ族窒化物結晶との間の格子ミスマッチに起因して両者の界面において転位が発生し、これがＩＩＩ族窒化物基板表面まで到達して結晶品質が悪化するという問題点がある。
そこで、この転位を低減するためのＩＩＩ族窒化物基板の構造やその製造方法が提案されている。例えば特許文献１には、基板上にＡｌＧａＮからなる第１の層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２の層とを、交互に複数積層した多層膜構造のバッファ層を設ける方法が開示されている。しかしながら特許文献１の方法でも、転位抑制効果は必ずしも十分とはいえない。
また特許文献２には、基板上にストライプ状または格子状のＡｌＧａＮ層を形成し、基板露出領域とＡｌＧａＮ層上部領域にＧａＮ層を形成させる方法が開示されている。ＧａＮは３次元的にエピタキシャル成長するので、基板露出領域では選択的に横方向成長してここに低転位領域が形成されることで転位低減効果が得られる。
しかしながら特許文献２の方法では、ストライプ状や格子状のマスク形成や基板加工などの手順が必要でＭＯＣＶＤ工程以外の新たな製造工程が必要となり、さらにマスク材料が基板中に混入するので、この不純物が原因となる転位の発生源となる。
さらに特許文献３では、基板に第１のＩＩＩ族窒化物結晶の成長下地層をエピタキシャル形成してなる下地基板に対して、成長下地層の表面に三次元的な微細凹凸を加熱形成しさらに下地基板の上に結晶層として第２のＩＩＩ族窒化物をエピタキシャル形成する方法が開示されている。これにより、結晶層と下地基板との界面に凹凸に起因する微細な空隙が散在し、この空孔領域が基板から伸展してきた転位を分散させる効果がある。
しかしながら特許文献３の方法は、結晶層と下地基板との界面に微細な空隙を作製する工程が必要となるので、製造方法が複雑となりやはりコスト高となる。
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、特に多層膜構造のバッファ層を有する基板において、従来の製造方法に準じた安価な製造方法で、従来よりも転位が抑制されたＩＩＩ族窒化物基板を提供することを目的とする。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板では、６Ｈ−ＳｉＣ基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された複数膜層と、前記複数膜層上に形成されたＩＩＩ族窒化物層とからなるＩＩＩ族窒化物基板であって、前記バッファ層は、ＡｌＮからなる第１のバッファ層とＡｌＧａＮからなる第２のバッファ層とからなり、前記複数膜層は、前記バッファ層と反対側の表面に凹凸を有する層が２層積層された凹凸層と、前記バッファ層と反対側の表面が平坦な層が２層積層された平坦層とが交互に複数回繰り返して形成されたものであり、前記凹凸層は、凹凸を有する厚さ２０ｎｍのＧａＮ層の上に凹凸を有する厚さ５ｎｍのＡｌＮ層が形成されたものであり、前記平坦層は、厚さ２０ｎｍのＧａＮ層の上に厚さ５ｎｍのＡｌＮ層が形成されたものであることを特徴とする。
また、前記バッファ層は材質の異なる複数の窒化物層が堆積されてなることが好ましい。
そして凹凸層は、ＩＩＩ族窒化物基板を劈開して得られる断面において基板とバッファ層の界面を基準線として、基準線と平行方向へ単位基準長さ４００ｎｍあたりの基準線からの最大高さが、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
さらに、複数膜層は六方晶のウルツ鉱型の結晶を有するＧａＮ（０００１）面が成長された層と、六方晶のウルツ鉱型の結晶を有するＡｌＮ（０００１）面が成長された層とが交互に積み重ねられることが好ましい。
このような構成をとることにより、効果的に貫通転位を低減することが可能となる。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板によれば、従来の多層膜構造を有するＩＩＩ族窒化物基板とほぼ同等の製造方法によって、より貫通転位が低減されたＩＩＩ族窒化物基板を提供することを可能とする。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るＩＩＩ族窒化物基板１は、基板２上に多層膜層３が形成される。この多層膜層３は、基板上に形成されたバッファ層４と、バッファ層上に形成された表面に凹凸を有する層が複数積層された凹凸層と表面が平坦な層が複数積層された平坦層とを交互に複数回繰り返してなる複数膜層５と、複数膜層上に形成されたＩＩＩ族窒化物層６とからなる。
基板２は、ＳｉＣあるいはＳｉの単結晶が好ましいが、その他の材料として、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬａＳｒ、ＡｌＴａＯ３、ＮｄＧａＯ３、ＭｇＯといった各種酸化物材料、Ｓｉ、Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種ＩＶ−ＩＶ族化合物、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮといった各種ＩＩＩ−Ｖ族化合物およびＺｒＢ２といった各種ホウ化物などでもよい。このうち、（０００１）面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶をバッファ層４とする場合には、例えば（０００１）面ＳｉＣあるいは（１１−２０）面及び（０００１）面サファイアを基板として用いることができる。また、（１１−２０）面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶をバッファ層４とする場合には、例えば（１１−２０）面ＳｉＣあるいは（１０−１２）面サファイアを基板として用いることができる。なお、基板２の厚みには特に制限はないが、取り扱い上数百μｍ〜数ｍｍが好適である。
バッファ層４は、材質の異なる第１のバッファ層４ａと第２のバッファ層４ｂからなり基板とＩＩＩ族窒化物層との熱膨張係数の差に起因する歪みを緩和する働きをする。この材質を適切に選択して２層構造とすることで、歪みをより効果的に緩和できる。一例として第１のバッファ層４ａをＡｌＮ、第２のバッファ層４ｂをＡｌＧａＮ、基板をＳｉＣとすると、このバッファ層４の熱膨張係数はＳｉＣ基板の熱膨張係数とＧａＮ系化合物の熱膨張係数との中間の値を有するので、歪の緩和効果が大きい。
複数膜層５は、表面に凹凸面を有する膜が複数積層された第１の層５ａと、この第１の層５ａの表面に形成され表面が平坦な膜層が複数積層された第２の層５ｂを備え、複数膜層５は繰り返し積層されている。さらに、第１の層５ａは材質の異なる第１の凹凸層５ａ１と、この第１の凹凸層５ａ１上に形成される第２の凹凸層５ａ２からなる。
第１の凹凸層５ａ１および第２の凹凸層５ａ２の凹凸は、ＩＩＩ族窒化物基板を劈開して得られる断面において基板とバッファ層の界面を基準線として、基準線と平行方向へ単位基準長さ４００ｎｍあたりの前記基準線からの最大高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのが好ましい。
基板とバッファ層の界面から発生した転位は、はじめは層の成長方向と同じ方向に伝播していくが、この凹凸層の界面に到達すると界面に沿って転位が伝播する。エピタキシャル成長中に形成される層には、もともと原子レベルでの凹凸は高密度に存在するが、転位の進行方向を変えるにはある程度大きな形状の凹凸、すなわち界面と平行な基準線からの最大高さが必要になる。図４に模式図を示す。
この凹凸の最大高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下においては、転位の進行方向を変えるのに十分なでかつ凹凸自身が新たな転位発生源となるおそれが少なく、より好適であるといえる。また、単位基準長さ４００ｎｍ以上での凹凸では、界面の起伏が緩やかになり転位の伝播効果が低減するので、好ましくない。
第２の層５ｂは、材質が異なる表面が平坦な第１の平坦層５ｂ１と、この第１の平坦層５ｂ１上に形成される表面が平坦な第２の平坦層５ｂ２からなる。この第２の層は、第１の層５ａで形成された凹凸によって凹凸界面に沿って伝播してきた転位を層の成長方向と垂直方向に屈曲して伝播させる作用がある。さらに、図４に示すように、屈曲した転位同士は互いに合体することで転位がループ状に形成され、これがバッファ層から伸展してきた転位を抑制する効果がある。
したがって複数膜層５は、材質の異なる層を積層することによる従来の転位抑制効果と、凹凸層の存在による転位を凹凸界面に沿って伝播させる効果と、これにつづいて形成された平坦層による転位屈曲効果とループ状転位形成による転位伝播低減効果という３つの作用効果を有することで、凹凸をもたない平坦層の積層のみの構造よりも転位を抑制する効果が得られる。さらに、凹凸を有する第１の層５ａと凹凸を有しない第２の層５ｂとを順次積層することにより、転位が合体してループ状になることが段階的に進み、結果的に転位の密度は基板側から表層側へかけて減少し、ＩＩＩ族窒化物層６中の転位が低密度になる。
図３に示すように、ＳｉＣ基板にＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成し、その上に凹凸面と平坦面を複数設けた複数膜層を形成し、さらにその上にＧａＮ膜を形成したＩＩＩ族窒化物基板を作成した。
（実施例）
ＭＯＣＶＤ装置を用いて４インチ径のウェーハ形状の６Ｈ−ＳｉＣの基板２に対して各種の膜を堆積した。
ＭＯＣＶＤ装置を用いて４インチ径のウェーハ形状の６Ｈ−ＳｉＣの基板２に対して各種の膜を堆積した。
バッファ層４
基板２の加熱温度を１０００℃、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスを供給して、基板２の一方の主面に対して第１のバッファ層４ａである厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層を形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。引き続き温度は１０００℃のままで、ＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３ガスを供給して、第１のバッファ層４ａの上面に厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮからなる第２のバッファ層４ｂを形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
基板２の加熱温度を１０００℃、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ３（アンモニア）ガスを供給して、基板２の一方の主面に対して第１のバッファ層４ａである厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層を形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。引き続き温度は１０００℃のままで、ＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３ガスを供給して、第１のバッファ層４ａの上面に厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮからなる第２のバッファ層４ｂを形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
凹凸層５ａ
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、第２のバッファ層４ｂの上面に厚さ２０ｎｍのＧａＮからなる第１の凹凸層５ａ１を形成した。このとき凹凸を設けるためにＧａとＮの比、すなわちＮ／Ｇａが比較的低くなるようにＴＭＧとＮＨ３ガス流量の比を調整するが、ここではＮ／Ｇａ＝５００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、第２のバッファ層４ｂの上面に厚さ２０ｎｍのＧａＮからなる第１の凹凸層５ａ１を形成した。このとき凹凸を設けるためにＧａとＮの比、すなわちＮ／Ｇａが比較的低くなるようにＴＭＧとＮＨ３ガス流量の比を調整するが、ここではＮ／Ｇａ＝５００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
さらに、温度１０００℃でＴＭＡとＮＨ３ガスを供給して、第１の凹凸５ａの上面に厚さ５ｎｍのＡｌＮからなる第２の凹凸層５ａ２を形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
上記のように、ＴＭＧガスとＮＨ３ガスの流量を制御して、Ｎ／Ｇａを比較的低くすることで第１の凹凸層５ａ１及び第２の凹凸層５ａ２、すなわち第１の層５ａは表面に凹凸を形成することが、ＭＯＣＶＤ法で可能であり、製造が容易である。なお、平面を平坦にする通常のエピタキシャル成長では、Ｎ／Ｇａが比較的高くなるようにＮ／Ｇａ＝５０００に調整する。
平坦層５ｂ
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、第２の凹凸層５ａ２の上に厚さ２０ｎｍのＧａＮからなる平坦層５ｂ１を形成した。ここではＮ／Ｇａ＝５０００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、第２の凹凸層５ａ２の上に厚さ２０ｎｍのＧａＮからなる平坦層５ｂ１を形成した。ここではＮ／Ｇａ＝５０００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
温度１０００℃でＴＭＡとＮＨ３ガスを供給して、第１の平坦層５ｂ１の上面に厚さ５ｎｍのＡｌＮからなる平坦層５ｂ２を形成した。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。そして、複数層膜５は５ａと５ｂの組み合わせで５回積層して形成した。
ＩＩＩ族窒化物層６
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、最後の第２の凹凸層５ａ２の上面に厚さ１μｍのＧａＮからなるＩＩＩ族窒化物層６を形成した。ここではＮ／Ｇａ＝５０００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
温度１０００℃でＴＭＧとＮＨ３ガスを供給して、最後の第２の凹凸層５ａ２の上面に厚さ１μｍのＧａＮからなるＩＩＩ族窒化物層６を形成した。ここではＮ／Ｇａ＝５０００とした。原料の供給量と供給時間により厚さを調整した。
（比較例）
第１の凹凸層５ａ１でのエピ成長時のガス流量比がＮ／Ｇａ＝５０００である以外は実施例と同様の工程でサンプルを作製した。
第１の凹凸層５ａ１でのエピ成長時のガス流量比がＮ／Ｇａ＝５０００である以外は実施例と同様の工程でサンプルを作製した。
評価方法は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）により窒化物基板の断面において複数膜層の基板側で観察された転位の本数と窒化物基板表面側まで達した貫通転位の本数を観察した。サンプル測定箇所は、基板の中心部から試料をサンプリングし、基準面に水平方向に対して幅２０００ｎｍの範囲を観察して、転位の本数をカウントしたものを表１に示した。
表１で明らかなように、実施例における複数膜層の基板側Ａでは、転位が２０本であるのに対して、ＩＩＩ族窒化物層側Ｂでは転位が１５本であり、５本すなわち２５％転位が減少していたが、複数膜層に凹凸が形成されていない比較例では、複数膜層の基板側Ａでは転位が４２本であるのに対して、ＩＩＩ族窒化物層側Ｂでは転位が３８本であり、４本すなわち９．５％の減少にとどまっていた。
１ ＩＩＩ族窒化物基板
２ 基板
３ 多層膜層
４ バッファ層
４ａ 第１のバッファ層
４ｂ 第２のバッファ層
５ 複数膜層
５ａ 第１の層
５ａ１ 第１の凹凸層
５ａ２ 第２の凹凸層
５ｂ 第２の層
５ｂ１ 第１の平坦層
５ｂ２ 第２の平坦層
６ ＩＩＩ族窒化物層
７ 基準線
８ 凹凸の最大高さ
９ 凹凸の単位基準長さ
２ 基板
３ 多層膜層
４ バッファ層
４ａ 第１のバッファ層
４ｂ 第２のバッファ層
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５ａ 第１の層
５ａ１ 第１の凹凸層
５ａ２ 第２の凹凸層
５ｂ 第２の層
５ｂ１ 第１の平坦層
５ｂ２ 第２の平坦層
６ ＩＩＩ族窒化物層
７ 基準線
８ 凹凸の最大高さ
９ 凹凸の単位基準長さ
Claims (2)
- ６Ｈ−ＳｉＣ基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された複数膜層と、
前記複数膜層上に形成されたＩＩＩ族窒化物層とからなるＩＩＩ族窒化物基板であって、
前記バッファ層は、ＡｌＮからなる第１のバッファ層とＡｌＧａＮからなる第２のバッファ層とからなり、
前記複数膜層は、前記バッファ層と反対側の表面に凹凸を有する層が２層積層された凹凸層と、前記バッファ層と反対側の表面が平坦な層が２層積層された平坦層とが交互に複数回繰り返して形成されたものであり、
前記凹凸層は、凹凸を有する厚さ２０ｎｍのＧａＮ層の上に凹凸を有する厚さ５ｎｍのＡｌＮ層が形成されたものであり、
前記平坦層は、厚さ２０ｎｍのＧａＮ層の上に厚さ５ｎｍのＡｌＮ層が形成されたものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物基板。 - 前記バッファ層は、材質の異なる複数の窒化物層が堆積されてなることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
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