JP5146697B2 - 窒化物半導体 - Google Patents
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しかし、かといって多結晶といってしまうのは問題がある。いずれでもない中間的な結晶といえるであろう。そのような概念はこれまで存在しなかった。そのような実体がこれまで存在しなかったからである。
それら全体が単結晶であるか、少なくとも表面については単結晶であるから、その上にデバイスを形成するためのウエハとして利用することができる。表面に極性が異なる領域が混在しないので半導体レーザ、発光ダイオードをその上に作製したときに活性層やストライプの位置配分について考慮する必要がない。
極性A、極性Bが混在する出発基板はこれまでに述べたように特殊な成長方法を採用したためにできたものであり自然界には存在しない。融液から単結晶成長するチョクラルスキー法、ブリッジマン法ではそのような基板はできない。様々の手段によって転位を押さえつつ気相成長させたものであって初めて極性混在という現象が現れる。
極性A、極性Bに対して選択性をもつドライエッチング法として本発明者は、塩化水素(HCl)あるいは塩素(Cl2)を用いるドライエッチングを発見した。それはGaNやGaAsの極性の違いによってエッチング速度が著しく違う。そのためにいずれかの極性領域だけを選択エッチングできる。その他にも極性選択性をもつドライエッチングの材料が存在するかもしれないが、今のところ本発明者にわかっているのはそれだけである。
図2は出発基板の一部の断面図である。極性Bを一つ含む狭い部分だけを示す。マスクを使って気相成長させたものだから極性Bの部分は表面に垂直方向に一様に存在する。それをエッチングすると図3のような基板となる。それは極性Aのみが残留し極性Bが全て除去され空洞Vとなったものである。極性Bが完全にないのでそれを出発基板と区別するために「骸骨基板」と名付ける。
極性Bを全部除去するのでなくて、一部が残留しているもの、つまり極性Aと一部の極性Bを含む基板は「骨格基板」と呼ぶ。図19、図22は骨格基板である。
図3のように極性Bを底まで全部除去するということは有用である(骸骨基板)。その上に気相成長すると骸骨基板の結晶方位をなぞって極性Aだけが成長し、極性Aの単結晶となる。
骸骨基板、骨格基板、あるいは出発基板の上に、同じ材料を再成長させて(少なくとも表面は)空洞のない単結晶を作る。本発明の目的であるその結晶を埋め込み基板と呼ぶことにする。
図3のように極性Bを全て除去した骸骨基板の上に同じ物質を結晶成長させる。図4のように空洞Vの内壁が種となり種から極性Aの結晶が横向きに成長する。表面からは極性Aの結晶A’が上向きに成長する。やがて図5のように空洞が極性Aで埋め込まれる。表面にはさらに極性Aの結晶A’が堆積する。図5のように全てが極性Aの結晶方位のものとなる。その後は所望の厚みになるまで成長を持続して層を積み上げれば良い。
極性Bの全部でなく一部だけを選択エッチングによって除去するとエッチングに要する時間、薬剤、費用を削減できる。コストを下げることができて好都合である。その場合極性Bを除去した後に空いた穴の直径が50μm以下で、穴のアスペクト比(高さH/直径D)が2より大きければ壁の側面から壁の極性Aを引き継いで横方向に結晶成長する。だから図20、21に示すように極性Aが成長してゆく。
極性Bの全部でなくて一部だけを選択エッチングした骨格基板上に結晶成長するときには上記のような穴の直径、高さに対する制限が邪魔だということもある。そのような場合には極性Bを除いた後の穴にSiN、SiO2などのマスクMを付ける。マスクによって極性Bを塞ぐようにする。そうすると穴の側壁や表面は極性Aなのであるから極性Aの結晶が成長してゆく。マスクの上を極性Aが覆い、やがて全体を極性Aの結晶が覆うようになる。
極性Bを全くエッチング除去せず出発基板に初めからマスクMを付けて極性Bを覆うという手法を用いることができる。マスクの上に極性Aが成長するのか、極性Bが成長するのか?問題のあるところである。ファセット成長によって欠陥集合領域Hを作り出したのは、まさにそのようなマスクなのだから同じようなマスクを付けておいて再成長すると極性Bが成長する可能性があるようにも思われる。
極性が異なる領域が混在する、GaN結晶基板を準備した。これは先述のようにGaAs(111)下地基板上にELOマスク+ファセット成長マスクを形成しておきHVPE法でGaN結晶をc軸方向に厚く成長させ、GaAs下地基板を除去したものである。GaNの単独自立膜であり(0001)面をもつ結晶である。単結晶ではなくて図1のように極性Aの中に極性Bが点在して存在する。
極性A、極性Bが共存するGaN結晶基板を準備した。実施例1におけるHClガスによるエッチングの代わりに、燐酸と硫酸の1:1の混合溶液によって、250℃、5時間エッチングを行った。極性Bが全部除かれた骸骨基板が得られた。骸骨基板の上に、実施例1と同様にHVPE法によって、GaN結晶成長を行った。得られたGaN埋め込み基板は、実施例1と同様、一つの極性のみからなる基板であった。
実施例1におけるHClガスによるエッチングの代わりに、水酸化カリウム溶液を使用して10時間エッチングを行った。KOHに極性A、極性Bに対して選択性のあることは実施例1で述べた。今度はそれを骸骨基板を作るために用いている。
その後、実施例1と同様に、HVPE法によって、GaN結晶成長を行った。得られた基板は実施例と同様、一つの極性のみからなる基板であった。
極性が異なる領域が混在するGaN結晶基板を準備した。今度はエッチングを全く行わない。図6、図7に示すようなマスク被覆による手法である。極性Bの部分の上だけにSiO2膜を成膜した。極性Aの部分は被覆されないで残っている。全体をSiO2で被覆し、フォトリソグラフィによって極性Aの上のマスクを除去した。極性Aのみが外部に露出しているような状態とした(図6)。
実施例1〜4で得られたGaN基板の転位密度をカソードルミネセンスを使用して評価した。CLによると転位は黒く細い線として見えるので表面に出ている転位の数を数えることができる。その結果、基板全面にわたって転位密度は106cm−2以下であった。それは出発基板の極性Aにおける転位密度とほぼ同じ程度である。
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにジンクセレン(ZnSe)を使用した。ZnSeは3−5族ではなくて2−6族である。バンドギャップが広いから青色発光素子の基板として利用できる。立方晶系であり閃亜鉛鉱(ZnS;Zinc Blende型;−43m)である。それは4回反転対称性があり4回軸廻りには極性A、極性Bの別はない。3回軸に関して反転対称でないから極性A、極性Bの区別が発生する。ZnSeも高温に加熱しても融液にならないからチョクラルスキー法、ブリッジマン法で単結晶を製造することができない。ヨウ素輸送法や昇華法によって単結晶が得られるが、あまり大きいものはできない。
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにGaAsを使用した。GaAsは立方晶系であり閃亜鉛鉱型である。だから(111)Ga面と、(111)As面は化学的性質が異なり、塩化水素ドライエッチングによるエッチング速度も違う。GaAsはLEC法、VB法、HB法によって大型の単結晶インゴットを容易に製造でき、それを薄く切って単結晶ウエハにすることができる。だから極性A、極性Bが共存する結晶というものは普通にはできない。しかし、そのようなものを製造することはできる。
実施例1〜4で使用したGaN基板の代わりにAlNを使用した。AlNもウルツ鉱型でありAlN融液ができないので大型のものはできない。15mmφ、1mm厚み程度のものしかできない。これも異なる極性が共存するということは普通にはないが工夫すれば作ることができる。そして塩化水素ガスで選択エッチングして極性Aだけからなる骸骨基板を作ることができる。その上に気相成長によってAlNを再成長させると極性Aだけの結晶が得られた。
3 ELOマスク
4 窓
5 GaN結晶
6 ファセット
7 転位
8 C面
9 ファセット
22 ファセットピット
23 稜線
24 ピット底
25 ファセットにおいて転位の進む方向
26 稜線において転位の進む方向
28 ピット底部に続く欠陥集合領域
30 ファセット成長用マスク
32 開口部
H 欠陥集合領域
Z 単結晶低転位随伴領域
Y 単結晶低転位余領域
A 極性A
B 極性B
K 粒界
V 空洞
M マスク
Claims (4)
- 表面と裏面を持ち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系を持ち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bの単結晶領域を有する窒化物半導体であって、基板内部と裏面に極性B領域が存在し、基板表面での極性Bの単結晶領域の密度が基板内部の横断面での極性Bの単結晶領域の密度より少ないか同一であることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 表面と裏面を持ち、表面・裏面に対して反転対称性のない結晶系を持ち結晶方位が平行で表裏面に貫通する極性Aの単結晶領域と、結晶方位が極性Aと反平行である極性Bの50μm以下の直径Dを持つ単結晶領域を有する窒化物半導体であって、基板内部と裏面に極性B領域が存在し、基板表面での極性Bの単結晶領域の密度が基板表面から2D以上の深さの横断面での極性Bの単結晶領域の密度より少ないことを特徴とする窒化物半導体基板。
- HVPE法で成長させたことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体基板。
- 極性Bの単結晶領域と極性Aの単結晶領域の境界に異物が介在しないことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の窒化物半導体基板。
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