JP5660146B2 - 窒化物半導体自立基板及びレーザーダイオード - Google Patents
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また、上記の窒化物半導体自立基板の表面は、C面、M面、A面あるいは、これらの中間の高指数面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であっても良い。自立基板の表面を、正確な結晶面から微小角度で傾けた面(微傾斜面)とすることにより、基板の表面上に成長する結晶層の平坦性を向上することができるためである。
更に、上記窒化物半導体自立基板において、前記窒化物半導体自立基板は、アズグロウンの状態での膜厚分布が±2%以下であることが好ましい。
本発明者が、上述した従来方法で製作した窒化物半導体自立基板を詳細に調査した結果、これらの自立基板には、基板表面に沿った結晶軸の向き(基板表面に概ね平行な結晶軸の向き)のバラツキ、または基板表面の垂線に沿った結晶軸の向き(基板表面に概ね垂直な結晶軸の向き)のバラツキの少なくとも一方が、基板面内において、デバイス特性の向上などにおいて問題となると考えられる程度のバラツキを持っていることが判明した。なお、基板表面とは、基板の主面である成長面のことを指し、基板面内とは、基板の成長面における面内のことを指す。
基板表面W1に平行な方向の結晶軸の向きaのバラツキは、例えば、基板表面W1のある線上の各点における接線が基板表面W1に平行な方向の結晶軸の向き(ベクトル)aであるような線(流線のようなもの)を考えた場合、この線が直線とはならず、湾曲した曲線となるような結晶軸のバラツキを持つ。
そこで、本実施形態に係る窒化物半導体自立基板は、基板表面での転位密度が4×106/cm2以下であり、基板表面の面内各点の基板表面に沿った結晶軸の向きが面内でバラツキを有し、当該基板表面に沿った結晶軸の向きのバラツキが±0.2°以下の範囲である窒化物半導体自立基板を実現した。このように、窒化物半導体自立基板の結晶軸の向きの分布(バラツキ)を規定することにより、レーザーダイオードの歩留の向上やデバイス特性の向上を実現できることが判った。
また、成長初期に形成される核の密度を低くする一般的な方法を用いて、基板表面での転位密度を4×106/cm2以下とすることができる。基板表面での転位密度を4×106/cm2以下とすることで、基板表面の面内各点の基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きの面内でのバラツキを±0.2°程度以下の低い値に抑えられることが判った。
ここで、「自立基板」とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、自立基板の厚さを200μm以上とするのが好ましい。また、素子形成後の劈開の容易性等を考慮して、自立基板の厚さをlmm以下とするのが好ましい。自立基板が厚すぎると劈開が困難となり、劈開面に凹凸が生じる。この結果、たとえば半導体レーザ等に適用した場合、反射のロスによるデバイス特性の劣化が問題となる。
自立基板の直径は、2インチ以上とするのが好ましい。自立基板の直径は、製造時に用いる下地基板(成長用基板)の直径に依存し、下地基板として例えば直径6インチのサファイア基板を用いることで直径6インチの自立基板を得ることができる。
窒化物半導体自立基板の製作において、欠陥密度の低い基板を得るための一般的な方法として、自立基板となる窒化物半導体層を下地となる基板上に成長する最初期において、下地基板上に最初に発生する結晶核の密度を低くし、それぞれの核を大きく成長させて融合するという方法が採られる。これは、結晶欠陥が核と核の融合部分に発生し易いことから、この融合部分を減らすことで結晶欠陥の発生を抑制するという考えに基づくものである。
初期の核密度を減らす方法としては、下地基板の表面を開口部を有する絶縁体マスクで覆い、絶縁体マスクの開口部の密度を低くして核密度を減らす方法や、絶縁体マスクを用いない場合には、成長初期の基板表面での原料の過飽和度を低くすることで原料の基板表面への付着係数を下げて、初期に形成される核の密度を小さくする方法がある。
例えば、3インチ径で表面がC面であるGaN自立基板の場合には、基板表面の転位密度が5×106/cm2程度以上であれば、基板表面に沿う結晶軸の向きのバラツキが、±0.2°以下の範囲となるが、上記の一般的方法に従って基板表面の転位密度を4×106/cm2以下とした低欠陥密度の基板の場合には、基板表面に沿う結晶軸の向きのバラツキは±0.5°以上に悪化してしまう(後述の実施例の図4参照)。
成長初期の核密度が低いと、上述の様に核相互の融合により発生する転位が少ないので、基板の表面側と裏面側での転位密度の差が少なく、このため表面に概ね垂直な方向の結晶軸の向きのバラツキが少なくなるのである。
具体的な数値を挙げると、例えば、3インチ径のGaN自立基板において、基板表面の転位密度が5×106/cm2程度以上の場合には、基板表面に概ね垂直な結晶軸の向きのバラツキが±0.5°以上であるのに対して、基板表面の転位密度が4×106/cm2以下の場合には、基板表面に概ね垂直な結晶軸の向きのバラツキは±0.2°以下の低い値に抑えられる(後述の実施例の図5参照)。
そこで、本発明者は、上述の窒化物半導体自立基板の結晶軸の向きのバラツキを改善すべく鋭意検討を行った。その結果、成長初期に形成される核の密度を低くする方法を用いて、基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きのバラツキを低く抑えると共に、基板面内での成長条件を均一化する新たな成長方法を用いて、成長初期の核の基板表面に沿う結晶軸の向きのバラツキを抑えることで、基板表面に沿う方向および基板表面の垂線に沿う方向の両方向でそれぞれ結晶軸の向きが揃った窒化物半導体自立基板を製作できることを見出した。
窒化物半導体自立基板、例えば、GaN自立基板の成長の最初期は、上述のVAS法においてはTi上へのGaNの成長であり、またDEEP法においてはGaAs上のGaNの成長であり、いずれも異種材料の基板上の成長となっている。材料が異なる場合、それぞれの材料を構成する原子間の距離がもともと異なるため、これらの異種材料が接合する際には、接合を形成するために必要なエネルギーが最小となるように、それぞれの材料が接合面内で結晶軸の方位をずらしたかたちで接合する場合があることが知られている。代表的な例としては、サファイアC面上のC面GaN層の成長が挙げられ、この場合には、成長層であるGaN層がサファイアとの接合面でサファイアに対して30°回転して成長する。
自立基板の転位密度が大きい場合、すなわち成長初期の核密度が大きい場合(典型的には4×106/cm2よりも大きい場合)には、隣り合う核が小さいうちに融合する。核が小さいということは、核を回転・変形させるためのエネルギーも少ないので、核同士の融合の際にそれぞれの核が所定の方向に容易に回転・変形し、それぞれの核の結晶方位が揃う。このために、連続膜となった段階での基板表面に沿った方向の結晶軸のバラツキが小さくなる。
従来から広く用いられているMOVPE法(有機金属気相成長法)でサファイア基板上に形成したGaN層について、結晶軸のバラツキに関する報告が無いのは、得られるGaN層の転位密度が1×108/cm2〜1×1010/cm2と大きく、上記のように小さな核が融合する際に容易に結晶方位が揃ってしまうため、結晶軸のバラツキが無視できるほど小さくなるからである。
以上の理由から、HVPE法での膜厚均一性を改善することが、窒化物半導体自立基板の基板表面に沿った結晶軸方位のバラツキを抑制するために有効であると考え、本発明者はHVPE法の膜厚均一性を改善する方策を種々検討した。その過程で、原料ガスの吹出口と基板との距離を50cm以上とし、かつ、結晶成長領域のガス流速を1m/s以上とすることにより、膜厚分布を劇的に改善できることを見出した。
基板面内における成長条件の均一化による改善の効果は、具体的な数値で言うと、原料ガス吹出口14a,18aと成長用基板5との距離dが10cm、ガス流速が5cm/sとした従来の成長方法の場合には、3インチ径の成長用基板5面内で膜厚分布が±40%なのに対して、原料ガス吹出口14a,18aと成長用基板5との距離dを50cm、ガス流速を1m/sとした実施形態の成長方法の場合には、膜厚分布が±2%と大幅に改善した(後述の実施例の図7参照)。
また、これら結晶軸の向きの揃ったGaN自立基板を用い、GaN自立基板上にレーザーダイオード構造のエピタキシャル層を積層形成してレーザーダイオードを作製したところ、50%以上という高い歩留が得られた。
第1の実施例では、VAS法を用いてGaN自立基板を製造した。第1の実施例のGaN自立基板の製造工程を図3に示す。
次に、この成長用基板5上に、HVPE法でGaN厚膜6を300μm以上の厚さに成長した(図3(b))。このGaN厚膜6の成長には、上記の図2に示すHVPE装置を用いた。GaN厚膜6の成長後に、反応炉から基板を取り出し、TiN膜3を境界として機械的にGaN厚膜6を剥離して、GaN基板7を得た(図3(c))。
転位密度が約5×106/cm2より大きい場合には、基板表面に沿った結晶軸の向きのバラツキは±0.2°以下であり(図4)、基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きのバラツキは±0.5°以上であった(図5)。また、転位密度が4×106/cm2以下の場合には、基板表面に沿った結晶軸の向きのバラツキは±0.5°以上であり(図4)、基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きのバラツキは±0.2°以下であった(図5)。
比較例のそれぞれのGaN自立基板を用いて作製したレーザーダイオードの歩留はいずれも約7%程度であった。これは、上述したように基板表面に概ね平行あるいは概ね垂直な方向の結晶軸のバラツキが大きいために、へき開面で形成する共振器の平行度が悪いためである。
図7に、ガス吹出口と基板との距離dと、ガス流速と、基板面内の膜厚分布との関係を示す。また、図8に、ガス吹出口と基板との距離dと、ガス流速と、基板表面に沿った結晶軸の向きのバラツキとの関係を示す。
また、図8に示すように、ガス吹出口と基板との距離dが10cm、ガス流速が5cm/sの比較例の自立基板では、基板表面に沿う結晶軸のバラツキが±0.5°であるのに対して、ガス吹出口と基板との距離dを50cmに広げ、更に、ガス流速を1m/sec以上とした実施例の自立基板では、±0.2°以下のバラツキとなっている。
なお、実施例として、原料吹出口と基板間の距離dを50cmとし、ガス流速を1m/secとして製作した、転位密度4×106/cm2の3インチGaN基板では、基板表面に対して概ね平行、概ね垂直の両方向の結晶軸の向きが、基板全面にわたって共に±0.2°以下のバラツキとなっていた。
これら結晶軸の向きが従来よりも揃った実施例のGaN基板を用いて、上述した比較例と同様に図6に示す青紫色のレーザーダイオードを作製したところ、その歩留は60%程度あり、比較例の7%程度の歩留と比較して大幅に改善した。
このように、本実施例によれば、基板表面に沿った結晶軸の向きの基板面内におけるバラツキの最大絶対値を0.02°以上0.2°以下の範囲に制御すると共に、基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きの基板面内におけるバラツキの最大絶対値を0.02°以上0.2°以下の範囲に制御することができた。
第1の実施例において、面方位を異にするサファイア基板1から作製された種々の成長用基板5を用いて、ウルツ鉱構造のGaN自立基板を作製した。得られたGaN自立基板は、2〜6インチ径で転位密度が4×106/cm2から2×105/cm2であり、その表面がC面、M面、A面、およびこれらの中間の高指数面、あるいはこれらの面から5°以下で微傾斜した面である。第1の実施例と同様に、ガス吹出口と基板との距離dが50cm以上でガス流速が1m/s以上の場合に、基板表面に対して概ね平行、概ね垂直の両方向の結晶軸の向きのバラツキが基板面内で共に±0.2°以下となった。また、これらの自立基板上にレーザーダイオード構造を成長させた素子の歩留は、第1の実施例と同様に60%程度と比較例の7%と比較して大幅に改善した。
第1の実施例において、サファイア基板を用いた成長用基板に代えて、面方位を異にする種々のGaAs基板を用いて、閃亜鉛構造のGaN自立基板を作製した。この第3の実施例では、VAS法ではなく、GaAs基板上に直接GaN層を成長し、GaN層成長後にGaAs基板をエッチングすることにより、GaN自立基板を得た。
得られた閃亜鉛鉱構造のGaN自立基板は、2〜6インチ径で転位密度が4×106/cm2から2×105/cm2であり、その表面が(001)面、(111)A面、(111)B面、およびこれらの面の間の高指数面を持つ基板と、これらの結晶面から5°以下の範囲で微傾斜した基板であった。この場合にも、実施例1と同様にガス流速が1m/s以上の場合に、基板表面に対して概ね平行、概ね垂直の両方向の結晶軸の向きの基板面内でのバラツキを共に±0.2°以下とすることに成功した。これらの自立基板上に図6に示すレーザー構造を成長したところ、その歩留は第1の実施例と同様に60%程度と、比較例の7%と比べて大幅に改善した。なお、閃亜鉛鉱構造のGaN基板上に成長したレーザは、先のウルツ鉱構造のものとは異なり、青色〜緑色で発振した。これは、閃亜鉛鉱構造のGaNの方がウルツ鉱構造のGaNよりもバンドギャップが小さいため、より長波長で発光するためである。
第1〜第3の実施例と同様に自立基板を試作したが、GaN自立基板ではなく、AlN、InN、AlGaN、InAlGaN、BAlN、BInAlGaNからなる窒化物半導体自立基板を作製した。これらいずれの自立基板も、第1〜第3の実施例と同様な優れた結果が得られた。
ところが、本発明による結晶軸の方向の揃った自立基板を用いれば、このような特異な表面を持つ自立基板も、結晶軸が揃ったかたちで製作可能である。
W1 基板表面
a 基板表面に沿った結晶軸の向き
b 基板表面の垂線に沿った結晶軸の向き
d 距離
n 垂線(法線)
1 サファイア基板
2 ボイド形成GaN層
3 TiN膜
4 ボイド
5 成長用基板
6 GaN厚膜
7 GaN自立基板
10 反応管
11 基板ホルダ
12 支持軸
13 熱電対
14 NH3ガス導入管
15 HClガス導入管
16 容器
17 Ga融液
18 GaClガス導出管18
19 排気管
20 原料部ヒータ
21 成長部ヒータ
Claims (11)
- 基板表面での転位密度が4×106/cm2以下の窒化物半導体自立基板であり、
前記基板表面の面内各点の前記基板表面に沿った結晶軸の向きが面内でバラツキを有し、当該基板表面に沿った結晶軸の向きのバラツキが±0.2°以下の範囲であり、
前記基板表面の面内各点の前記基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きが面内でバラツキを有し、当該基板表面の垂線に沿った結晶軸の向きのバラツキが±0.2°以下の範囲であることを特徴とする窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板はウルツ鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面がC面またはC面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板はウルツ鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面がM面またはM面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板はウルツ鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面がA面またはA面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板はウルツ鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面がC面、M面、A面のいずれか2つの面の間の高指数面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板は閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面が(001)面または(001)面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板は閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面が(111)A面または(111)A面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板は閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面が(111)B面または(111)B面から5°以下の範囲で傾いた微傾斜面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板は閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体からなり、
前記基板表面が(001)面、(111)A面、(111)B面のいずれか2つの面の間の高指数面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 - 前記窒化物半導体自立基板は、アズグロウンの状態での膜厚分布が±2%以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の窒化物半導体自立基板上に、レーザーダイオード構造のエピタキシャル層が積層形成されていることを特徴とするレーザーダイオード。
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