JP5248777B2 - 高品質ホモエピタキシ用微傾斜窒化ガリウム基板 - Google Patents
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Description
本発明の分野
本発明は、高品質電子および光電子デバイスの作製においてホモエピタキシャル膜の蒸着に用いて有用な微傾斜III−V族窒化物基板、例えば微傾斜窒化ガリウム基板に関する。
窒化ガリウム(GaN)および関連するIII−IV族窒化物合金はバンドギャップの広い半導体材料であり、光電子機器(例えば青色およびUV発光ダイオードならびにレーザダイオードの作製)ならびに高周波数、高温および高出力電子機器に用途がある。このような高性能デバイスでは、高品質エピタキシャル膜を基板上に成長させなければならない。
結晶小板上および
面から離れるように若干傾斜した表面上のMOVPEホモエピタキシャル成長が報告されている(A.R.A.ツァウナー(Zauner)ら、J.Crystal Growth,210,435(2000年))。
本発明は、超小型電子および光電子デバイス構造の高品質ホモエピタキシャル作製に適正を有する微傾斜III−V族窒化物基板、たとえば、窒化ガリウム基板に関する。
方向からなる群から選択される方向に主に向かう<0001>方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされたGaN(0001)表面を含み、表面が50×50μm2AFM走査により測定された1nm未満のRMS粗さと、3E6cm−2未満の転位密度とを有するGaN基板に関する。
方向からなる群から選択される方向に主に向かう<0001>方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされたGaN(0001)表面を含み、表面が50×50μm2AFM走査により測定された1nm未満のRMS粗さと、3E6cm−2未満の転位密度とを有するGaN基板を形成する方法に関する。このようなウェハを合成するための方法は、バルクGaN単一結晶体を成長させるステップと、バルクGaN単一結晶体を処理してそこから少なくとも1つのウェハを形成するステップとを含み、処理ステップが(i)
方向からなる群から選択される方向に主に向かうオフカット角度でc面から離れるように傾斜したスライス面で行われるスライスステップと、(ii)
方向からなる群から選択される方向に主に向かうオフカット角度でc面から離れるように傾斜したラッピング面で行われる角度付きラッピングステップと、(iii)
方向からなる群から選択される方向に主に向かう<0001>方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされた(0001)表面を含む微傾斜へテロエピタキシャル基板上でバルクGaN単一結晶体を成長させるステップ後にバルクGaN単一結晶体を分離するステップとからなる群から選択されるステップを含む。
(a)
方向からなる群から選択される方向に主に向かう<0001>方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされたGaN(0001)表面を含み、表面が50×50μm2AFM走査により測定された1nm未満のRMS粗さと、3E6cm−2未満の転位密度とを有するGaN基板を形成するステップと、
(b)GaN基板上にホモエピタキシャルIII−V族窒化物材料、例えばGaNを蒸着するステップと、を含み、
バルクGaN単一結晶体を成長させるステップと、バルクGaN単一結晶体を処理してそこから少なくとも1つのウェハを形成するステップとを含み、処理ステップが(i)
方向からなる群から選択される方向に主に向かうオフカット角度でc面から離れるように傾斜したスライス面で行われるスライスステップと、(ii)
方向からなる群から選択される方向に主に向かうオフカット角度でc面から離れるように傾斜したラッピング面で行われる角度付きラッピングステップと、(iii)
方向からなる群から選択される方向に主に向かう<0001>方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされた(0001)表面を含む微傾斜へテロエピタキシャル基板上でバルクGaN単一結晶体を成長させるステップ後にバルクGaN単一結晶体を分離するステップとからなる群から選択されるステップを含む、超小型電子または光電子デバイスを作製する方法に関する。
本明細書の以後の説明は主に本発明の適用に対する例示的III−V族窒化種としてのGaNに向けられているが、本発明が二元化合物および合金を始めとするIII−V族窒化物系化合物に広く適用可能であることは認識されよう。本明細書で用いるように用語「III−V族窒化物」とは、窒素とAl、InおよびGaのうちの少なくとも1つとを含む半導体材料を指す。このようなIII−V族窒化物材料を記号を用いて(Al,In,Ga)Nと示し得る。用語(Al,In,Ga)Nは、Al、InおよびGaのうちの1つ以上を含む窒化物の置換をすべて含むため、代替材料としてAlN、InN、AlInN、AlGaNおよびAlInGaNを包含し、このような金属のうちの2つまたは3つすべてを含む化合物のAl、InおよびGaの化学量論係数は、このような全化学量論係数の合計が1であるという条件で、0〜1の適正な値を有し得る。この点において水素または炭素などの不純物、ドーパント、もしくはボロンなどの歪み変化材料も(Al,In,Ga)N材料に含有することができるが全化学量論係数の合計が1±0.1%偏差内である。このような化合物の例には、AlxGa1−xNこの場合0≦x≦1と、AlxInyGa1−xーyNこの場合0≦x≦1および0≦y≦1とがある。このように以後の説明は例示的材料としてGaNを対象とするが、他のIII−V族窒化物材料を本発明の高品質基板で同様に用い得る。本発明の方法および微傾斜基板の以降の開示の背景として、以下の説明は様々な大面積基板のc面上の有機金属気相成長(MOVPE)により窒化ガリウムのホモエピタキシャル成長の欠陥を示すように行われた一連の実験を対象とする。
表面は窒素終端化c面を指す。表面または面の方向は表面の法線方向として規定される。微傾斜ウェハの表面方向が、<0001>および
方向により規定される平面である場合、この表面は
方向に向かってオフカットされた(0001)表面と称される。GaN結晶の対称性のため
方向は
を含む方向の一群の一般的表現である。
方向は
を含む方向の一群の一般的表現である。本明細書で用いるように特定の方向例えば
方向または
方向に関して、用語「に主に向かう」は、このような方向±15度を意味する。このような参照は、本明細書においては極(オフカット)角を指すこととは異なり、方位許容角度を指すことに留意されたい。特定の方向に向かって方位変動が±5度であることが好ましく、このような変動が±2度であることが最も好ましい。
方向からなる群から選択される方向に主に向かう[0001]方向から、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度でオフカットされたGaN(0001)表面を含み、表面が50×50μm2AFM走査により測定された1nm未満のRMS粗さと、3E6cm−2未満の転位密度とを有するGaN基板を検討するものである。
方向または
方向に向かって、本発明の所与の用途においてそれぞれ適当であるように、約0.2〜約10度の範囲のオフカット角度で、約0.2〜約4度の範囲のオフカット角度で、約3〜約8度の範囲のオフカット角度で、約5〜約8度の範囲のオフカット角度で、約2.5〜約10度の範囲のオフカット角度で、約2.5〜約8度の範囲のオフカット角度で、約2.5〜約4度の範囲のオフカット角度でオフカットし得る。
方向に8度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
方向に向かって8度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
方向に8度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
に向かって8度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
方向に4度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
に向かって4度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
方向に4度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
に向かって4度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
方向に2度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
に向かって2度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
方向に2度傾斜させるようにした。続いてそのブールを
に向かって2度のオフカットを有する多数のウェハブランクにスライスした。
表面と称され、他方がガリウムで終端してガリウム終端化(0001)表面と称される2つの表面を有している。オフカットGaN(0001)ウェハも2つの表面を有している。一面は(0001)表面に対して微傾斜しているもののなおガリウム終端化表面と呼ばれるが、微傾斜(0001)表面はその表面に窒素原子のごく一部を露出する原子ステップを有している。
方向に向かって8度のオフカットを有するCMP仕上げ微傾斜GaN(0001)ウェハのDIC光学画像である。図9は、
方向に向かって8度のオフカットを有するCMP仕上げ微傾斜GaN(0001)ウェハの50×50μm2AFM画像である。CMP後の8度オフカットウェハは、図8および9に示すようにステップ構造を示した。
方向に向かって1度オフカットを作製した。
方向に向かって1度オフカットを作製した。
方向に向かって2度オフカットを作製した。
方向に向かって2度オフカットを作製した。
との間の中間の方向に向かって1度オフカットを作製した。
に向かって2度のオフカットを有する代表的なCMP仕上げ角度付きラッピングされたGaN(0001)表面のAFM画像である。表面は非常に平滑であった(画像内のピットは貫通転移に関連している)。
方向に向かって1度オフカットを有するc面サファイア基板を用いて、その基板上にHVPE GaN膜を成長させた。X線回折計測によりGaN膜も
方向に向かって1度オフカットを有することが確認された。他の実施形態において
<1010>
方向に向かって2度オフカットを有するc面サファイア基板上にHVPE GaNを成長させた。X線回折計測によりGaN膜も
方向に向かって2度オフカットであることが確認された。
方向に向かって4度オフカットを有する微傾斜c面サファイア基板上にHVPE技術によりGaN膜を成長させた。X線回折計測によりGaN膜も
方向に向かって4度オフカットを有する微傾斜であることが確認された。
に向かって1度)上に成長させた2μmホモエピタキシャル膜の中心付近および縁部付近のウェハ表面のDIC顕微鏡画像である。非均一ホモエピタキシャル膜が成長した公称c面基板とは異なり、このホモエピタキシャル膜は均一に平滑であった。
に向かって1度)上に成長させた2μmホモエピタキシャル膜の50×50μm2AFM走査である。表面は、10×10μm2の面積内に0.38nmというRMS粗さを有して非常に平滑であった。貫通転移は成長ピットとして蒸着されるとともに、膜の転移密度は約2E6cm−2であった。
に向かって1度オフカット)上に成長させた2μmの厚さのホモエピタキシャル膜の2×2μm2AFM走査である。ホモエピタキシャル膜のRMS粗さは、2×2μm2の面積内に0.12nmであり、膜の非常に平滑な性質を示した。
次の成長条件:成長速度=2μm/時および成長温度=1170℃で微傾斜GaN(0001)基板(
方向に向かって2度オフカット)上にAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)構造を成長させた。HEMT構造は、微傾斜基板上の2μmの厚さの非ドープMOVPEホモエピタキシャルGaN膜と、ホモエピタキシャルGaN膜の上の25nmAlGaN(Al:30原子%)層と、により構成されていた。光学顕微鏡で検査するとHEMTウェハは、均一且つ平滑な表面形態を有していた。c面GaN(0001)基板上のホモエピタキシャル表面上に概して観察されたヒロック形態は、微傾斜GaNウェハ上にはなかった。
以下の成長条件:成長速度=2μm/時および成長温度=1170℃で8度オフカット(
方向に向かって)GaN(0001)基板上にAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)構造を成長させた。HEMT構造は、微傾斜基板上の厚さ2μmの非ドープMOVPEホモエピタキシャルGaN膜と、ホモエピタキシャルGaN膜の上の25nmAlGaN(Al:30原子%)層とにより構成されていた。HEMT構造の表面形態は、平滑で且つ基板形態を複製していた。
に向かって)微傾斜GaN(0001)基板上に成長させたHEMT構造の表面のDIC顕微鏡画像であり、HEMT表面は基板表面を複製していた。ウェハ表面全体は均一であり、ヒロック形態がなかった。
[参考例1]
との間であった。光学顕微鏡検査では、表面形態が均一で且つかなり平滑であり、ホモエピタキシャル膜上にはヒロック形態はなかった。
との間のオフカット方向を有する微傾斜GaN(0001)基板上に成長させた2μmの厚さのホモエピタキシャルGaN膜の50×50μm2AFM走査である。成長条件は、成長速度が2μm/時および成長温度が1170℃であった。ピットは転移に関連していた。
本発明の微傾斜III−V族窒化物基板は、発光ダイオード、レーザダイオード、光電センサ、光電スイッチ、高電子移動度トランジスタなどのIII−V族窒化物系超小型電子および光電子デバイスの製造におけるホモエピタキシャル蒸着に用いて有用である。一例としてIII−V族窒化物基板は、青色およびUV発光ダイオードならびにレーザダイオードの作製に有用なGaN基板であり得る。本発明の基板は高周波数、高温および高出力電子用途に特に有用性がある。
方向に向かって公称8度のオフカットを有するCMP仕上げ微傾斜GaN(0001)ウェハのDIC光学画像である。
方向に向かって8度のオフカットを有するCMP仕上げ微傾斜GaN(0001)ウェハの10×10μm2AFM画像である。
方向に向かって2度のオフカットを有するCMP仕上げ角度付きラッピングされたGaN(0001)表面の10×10μm2AFM画像である。
に向かって1度)上の2μmの厚さのホモエピタキシャル膜成長の中心付近および縁部付近のウェハ表面のDIC顕微鏡画像である。
に向かって1度オフカット)上の2μmの厚さのホモエピタキシャル膜成長の50×50μm2AFM走査である。
に向かって1度オフカット)上の2μmの厚さのホモエピタキシャル膜成長の2×2μm2AFM走査である。
に向かって2度オフカット)上に成長させたHEMT構造の表面の2×2μm2AFM走査である。
に向かって)GaN(0001)基板上に成長させたHEMT構造の容量−電圧(CV)測定値である。
に向かって)微傾斜GaN(0001)基板上に成長させたHEMT構造の表面のDIC顕微鏡画像であり、HEMT表面の形態は図8に示した基板表面を複製していた。
に向かって)GaN(0001)基板上に成長させたHEMTデバイス層の容量−電圧(CV)測定値である。
群以外のオフカット方向を有する微傾斜GaN(0001)基板上に成長させた2μmの厚さのホモエピタキシャルGaN膜の50×50μm2AFM走査である。
Claims (18)
- <0001>方向から、
(i)前記
(ii)前記
からなる群から選択されるステップを含む方法。 - 前記少なくとも1つのウェハが、ラッピング、研磨および化学機械研磨からなる群から選択される少なくとも1つの仕上げステップにより仕上げられる、請求項1に記載の方法。
- 前記処理ステップが、ステップ(i)を含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記処理ステップが、ステップ(ii)を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記微傾斜へテロエピタキシャル基板が、サファイアおよびGaAsからなる群から選択される材料を備える、請求項5に記載の方法。
- 前記表面が、3E6cm-2未満の転位密度を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記オフカット角度の範囲は、5〜8度である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- (a)請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法によりGaN基板を形成するステップと、
(b)前記GaN基板上にホモエピタキシャルIII−V族窒化物材料を蒸着するステップと、
からなるステップを含む、超小型電子または光電子デバイスを作製する方法。 - 前記ホモエピタキシャルIII−V族窒化物材料を蒸着するステップが、MOVPEを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、1100〜1225℃の範囲の温度で行われる、請求項9または10に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、1120〜1170℃の範囲の温度で行われる、請求項9または10に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、700〜1220℃の範囲の温度で行われる、請求項9または10に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、0.1μm/時〜50μm/時の範囲の成長速度で行われる、請求項9〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、1μm/時〜4μm/時の範囲の成長速度で行われる、請求項9〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記蒸着ステップが、約2μm/時〜約4μm/時の範囲の成長速度で行われる、請求項9〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ホモエピタキシャルIII−V族窒化物材料が、GaNを含む、請求項9〜16のいずれか一項に記載の方法。
- AlGaN材料を前記GaN含有ホモエピタキシャルIII−V族窒化物材料上に蒸着してAlGaN/GaN HEMTを形成するステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
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