JP5895908B2 - Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents
Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5895908B2 JP5895908B2 JP2013177108A JP2013177108A JP5895908B2 JP 5895908 B2 JP5895908 B2 JP 5895908B2 JP 2013177108 A JP2013177108 A JP 2013177108A JP 2013177108 A JP2013177108 A JP 2013177108A JP 5895908 B2 JP5895908 B2 JP 5895908B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plane
- substrate
- group iii
- iii nitride
- semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
尚、本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、AlxGayIn1-x-yN(x、y、x+yはいずれも0以上1以下)で示される半導体、及び、n型化/p型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びV族元素の組成の一部を、B及び/又はTl、並びに/或いは、P、As、Sb及び/又はBiで置換したものをも含むものとする。
そこで、エピタキシャル成長させるIII族窒化物系化合物半導体の膜厚方向を、c軸以外の方向にする技術が検討されている。
第1の発明においては、基板の凹凸の表面は窒化されている。
第2の発明においては、基板はc面を主面とするサファイア基板である。その場合に、成長させたIII族窒化物系化合物半導体の主面に平行な面の結晶方位面は、m面、又は、a面とすることができる。
さらに、第4の発明においては、基板は、a面を主面とするサファイア基板であり、側面と主面との交線は、サファイア基板のa面内において、m軸からc軸方向に0度以上40度以下の範囲で、m軸と交差した線分としている。その場合に、成長させたIII族窒化物系化合物半導体の主面に平行な面の結晶方位面は、m面とすることができる。
また、上記全発明において、凹凸の平面形状をストライプ状としたり、格子状とすることができる。
また、本発明は、上記の半導体を有した半導体素子、特に、半導体発光素子とすることができる。さらに、本発明は、上記の半導体を有したウエハとすることができる。
以下の特徴を有した発明も、本件明細書には記載されている。
第1の特徴は、凹凸の側面のうち、法線ベクトルの異なる2種の面の一方を、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料により覆うことである。
他の特徴は、凹凸の側面のうち、法線ベクトルの異なる2種の面の一方の表面に凹凸又は荒れを形成してIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長を困難とさせることである。尚、この場合、法線ベクトルの異なる2種の面の一方の面を例えばエッチング等により形成した後に当該面に凹凸又は荒れを形成しても、当該凹凸又は荒れを有する面を初めから形成しても良い。
他の特徴は、トリメチルアルミニウムを供給することによりアルミニウム薄膜を形成することである。
他の特徴は、アルミニウム薄膜を形成する工程を300℃以上420℃以下の温度で行うことである。
他の特徴は、加熱処理する工程は、水素雰囲気下、900℃以上1200℃以下の所定温度までの昇温中と当該所定温度での20分以下の保持を行うことである。
他の特徴は、加熱処理する工程においては、アンモニアその他のIII族窒化物系化合物半導体の窒素源となりうる反応性窒素化合物を供給しないことである。
他の特徴は、主面がa面であるサファイア基板上に、m面を主面とするIII族窒化物系化合物半導体が形成されたウエハであって、サファイア基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されていないことである。
他の特徴は、主面がa面であるサファイア基板上に、m面を主面とするIII族窒化物系化合物半導体が形成されたウエハであって、サファイア基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間の、前記サファイア基板の主面であるa面の少なくとも一部の領域には、III族窒化物系化合物半導体以外の材料からなる被膜が形成されていないことである。
他の特徴は、凹凸加工により基板の主面以外の面が形成され、当該面の少なくとも一部にIII族窒化物系化合物半導体が接していることである。
他の特徴は、上記のウエハ上に形成され、分割されたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子である。
本発明者らの検討によれば、非特許文献1に記載された技術では、サファイア基板の主面と平行にIII族窒化物系化合物半導体のc面とm面が混在したエピタキシャル成長が生じるばかりであった。
本発明者らが更に検討を加えたところ、主面がa面であり、c面からのオフ角が45度以下である側面を少なくとも有する凹凸を主面に形成したサファイア基板を用い、表面にアルミニウム薄膜を形成した後、窒化処理する際の条件を最適化することで、サファイア基板の主面と平行にIII族窒化物系化合物半導体のm面が形成されることがわかった。
図1.A及び図1.Bは、以下の実施例で行った場合の説明図である。これに基づき説明する。図1.Aの様に主面をa面とするサファイア基板の表面に、六角柱(六角錐台)状の凸部が適当な間隔で形成されるものとする。図1.Aでは凸部を1個のみ示している。ここで、六角柱(六角錐台)状の凸部の側面に、c面からのオフ角が45度以下である側面が形成されているとする。図1.Aでは灰色とした側面と、それと向かい合うもう一つの面である。六角柱(六角錐台)状の凸部の他の側面はc面に平行でも垂直でもないので、c面でもなく、また、m面でもa面でもない。
本発明者らの検討によると、厚さ40Å以下のアルミニウム薄膜を、図1.Aのような凸部を有する主面をa面としたサファイア基板に形成し、その後窒化処理によりAlN膜としたのちにIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させると、主として六角柱(六角錐台)状の凸部のc面からのオフ角が45度以下である側面から、サファイアのc軸とIII族窒化物系化合物半導体のc軸が一致するように、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長が主として生じる。この際、サファイアの凸部の他の側面からや、a面であるサファイアの凸部の頂上面やサファイアの凹部の面からは速い成長が生じない。
こうして、サファイアの六角柱(六角錐台)状の凸部のc面からのオフ角が45度以下である側面からの、サファイアのc軸とIII族窒化物系化合物半導体のc軸が一致するようなIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長が主として生じ、いわゆる横方向エピタキシャル成長(ELO)的にサファイア基板表面を全て埋めていく。この際、サファイア基板の主面であるa面(及びその法線であるa軸)と平行に、III族窒化物系化合物半導体のm面(及びその法線であるm軸)が形成されるように、エピタキシャル成長が進む(図1.B)。各軸にはGaNの軸か、サファイア(Sap.)の軸かを添え字で示した。これは、c面を主面とするサファイア基板にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる場合に、サファイア基板のa軸方向とIII族窒化物系化合物半導体のm軸方向が一致するとの公知の事実と整合する。
尚、図1.Cのような凸部(凹凸)を形成しても良い。図1.Cの凸部は、ストライプ状であって、段差の頂上面と底面がサファイア基板のa面、段差の側面がc面のみである。
また、図1.Bに示した通り、凹凸の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体は、−c方向に成長し、その表面は−c面である。これは、成長途中のIII族窒化物系化合物半導体をアルカリ溶液に浸して、当該成長面が極めてエッチングされやすいことから結論付けられた。
図1.Dの平面図のエッチングマスク(ハッチングした部分)を用いてドライエッチングを行えば、図1.Eのようなストライプ状の凸部を有する基板が得られる。
図1.Fの平面図のエッチングマスク(ハッチングした部分)を用いてドライエッチングを行えば、図1.Gのような格子状の凸部を有する基板が得られる。
図1.Eのサファイア基板は、ストライプ状の凸部の側面が全てc面である。図1.Eの形状のサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成した場合、基板の凹凸形状によりIII族窒化物系化合物半導体層との界面での屈折による光取り出し効果が、図1.A形状のサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成した場合に比較して劣る。これは図1.Eに示すように、凹凸が、主面であるa面に対して平行であるm軸に対して平行な面のみで形成されているため、発光の進行方向の、当該m軸方向に進行する成分が、凹凸により屈折の影響を全く受けないためである。そこで光取り出し効果を向上させるため、図1.Gのような格子状の凸部を有する基板に加工すると良い。この際、m面となる凸部の側面は、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長には用いられないので、図1.Fのエッチングマスクにおいては図面内の横方向のマスク部分を細く且つ少なく形成することで、a面を主面とするサファイア基板に形成されるべき凹凸の側面のc面の面積の減少を抑制すると良い。
そこで、図1.Iの断面図のように、サファイア基板の凹凸の側面のうち、法線ベクトルの向きが揃ったc面を残し、それとは逆向きのc面を、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長が生じない材料によりマスクすると良い。この場合、マスクされていないc面は全て法線ベクトルが揃っているので、エピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体の−c方向は全て揃う。即ち、異なるサファイア基板の凹凸の側面であるc面からエピタキシャル成長したIII族窒化物系化合物半導体は、接合面で不連続とならない。
或いは図1.Jの断面図ように、サファイア基板の凹凸の側面のうち、法線ベクトルの向きが揃ったc面を残し、それとは逆向きのc面を、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長が生じない程度に面荒れを形成したり、凹凸を形成したりすると良い。この場合も、面荒れ等していないc面は全て法線ベクトルが揃っているので、エピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体の−c方向は全て揃う。即ち、異なるサファイア基板の凹凸の側面であるc面からエピタキシャル成長したIII族窒化物系化合物半導体は、接合面で不連続とならない。
面荒れは、例えば図1.Kのようエッチングマスクを用いると図1.Eのような単純なストライプ状の凹凸が形成され、法線ベクトルが約180度異なる面が形成されるのに対し、図1.Lのようなエッチングマスクを用いることで、法線ベクトルが揃った側面と、凹凸によりエピタキシャル成長が行われない、または極めて遅い、或いは形成されても雑晶となるようにすると良い。
この際、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長する面がm面に垂直ではないため、対となるストライプの反対側の側面からはIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない、又は極めて遅い成長しか生じないことが確認された。
更に、c面を主面とするサファイア基板にストライプ状の凹凸を形成する場合に、当該ストライプの長手方向の結晶方位の設計により、側面からエピタキシャル成長し、横方向成長により凹凸を全て覆ったのちのIII族窒化物系化合物半導体の主面が、サファイア基板のc面に平行なm面かa面となることを見出した。
このように、本発明は、基板の主面に対し、異なる面を形成して、主面その他の好まざる凹凸の側面からはIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させず、所望の凹凸の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる包括的な発明である。所望の凹凸の側面からのエピタキシャル成長が支配的となり、他の面からのエピタキシャル成長を凌ぐ理由は場合により様々である。例えば他の面からはエピタキシャル成長が全くされないか非常に遅い。さらに他の面からのエピタキシャル成長が全くされないか非常に遅い理由としては、所望の側面以外はそもそもエピタキシャル成長しない面若しくは成長しがたい面のみを選択して形成する、或いは以下のように、例えばサファイア基板面の加熱処理と窒化処理のような、エピタキシャル成長の選択性を著しく向上させる手法を用いることである。以下の実施例ではサファイア基板の実施例を説明するが、本願発明は、他の材料の基板、少なくとも六方晶系の基板に適用可能である。例えばスピネルやSiC基板に適用できる。
所望の凹凸の側面の表面エネルギーと、他の面の表面エネルギーとの大小や、所望の凹凸の側面にエピタキシャル成長により形成された結晶又はIII族窒化物系化合物半導体の原料化学種の基板面近傍における拡散長という概念を用いても説明が可能である。
即ち、本発明の技術に基づく加熱処理と窒化処理は平滑な面である主面からのエピタキシャル成長を生ぜず、加工面であって平滑でない側面からのエピタキシャル成長が生じさせる。加工した側面は、加工しない表面、加工した底面に比べて、表面が荒れている(平坦でない、湾曲している、表面粗さが大きい、等)と考えられる。そのことが、III族窒化物系化合物半導体が選択的に側面に成長しやすい原因と考えている。この選択的な成長を起こさせるのに最適な条件が、今回発明の条件である。
アルミニウム源を供給せず、サファイア基板表面の高温水素ガス処理を行う場合、例えばその後一旦基板温度を300〜420℃に下げたのち、窒化処理を行うと、より良い。サファイア基板の高温水素ガス処理は、所定時間保持するほか、目標温度に達したのちすぐに冷却することでも良い。この場合は、目標温度に達する前後の時間でサファイア基板の高温水素ガス処理がされる。
このようなウエハを用いると、m面又はm面からわずかにオフした面に平行に積層界面を有するIII族窒化物系化合物半導体素子を形成できる。このような素子は、III族窒化物系化合物半導体の積層界面に垂直方向にはピエゾ電界が生じないので、その特性は、c面に平行に積層界面を有するIII族窒化物系化合物半導体素子よりも向上する。例えば発光素子では発光効率の向上が期待できる。
工程1では、水素下、サファイア基板を1160℃まで昇温し、その後300〜420℃に降温する。
工程2では、キャリアガス(窒素と水素の混合ガス)を導入しながら、基板温度を300〜420℃に保ったまま、トリメチルアルミニウムを導入する。
工程3では、トリメチルアルミニウムの導入を停止し、キャリアガス(窒素と水素の混合ガス)とアンモニアを導入しながら基板温度を1010℃まで上昇させる。
工程4では、キャリアガス(窒素と水素の混合ガス)とアンモニアを導入しながら、トリメチルガリウムを導入してエピタキシャル成長を行う。
工程5では、アンモニアと窒素の雰囲気下で基板温度を300℃以下まで下げる。
尚、以下の実験結果は、工程2乃至4においてキャリアガスを窒素のみとした場合、又は水素のみとした場合においてもほぼ同様であった。
図3.Aのようなマスクを用いて主面をa面とするサファイア基板をエッチングすると、図3.Bのように、六角柱の側面がやや傾いた、六角錐台状の凸部が個々に形成される。この際、凸部の頂上の六角形の辺のうち、上記サファイア基板のm軸と平行、即ちc軸と垂直な辺を有する側面は、サファイア基板のc面からわずかに傾いた(オフした)面となった。c面と成す角は45度以下であり、図3.Bのように、当該面にはサファイアのc軸を付して示してある。尚、凸部の高さをhとする。
尚以下では、形成される窒化ガリウムについて、X線回折の2θスキャンにより、サファイア基板の主面(a面)に平行な面がm面であるGaN結晶(以下、単にm−GaNと記す)と、サファイア基板の主面(a面)に平行な面がc面であるGaN結晶(以下、単にc−GaNと記す)との比を、m面間の干渉による回折X線強度とc面間の干渉による回折X線強度の比として求めた。
トリメチルアルミニウムを供給する際に、アンモニアを共存させるかどうかを検討した。トリメチルアルミニウムに対するアンモニアのモル比(V/III比)を0、10、60、110と変化させた場合に、その後形成される窒化ガリウムについて、X線回折の2θスキャンにより、m−GaNとc−GaNの比を求めた。その結果を図4.Aに示す。
アンモニアのモル比が0又は10では、c−GaNは検出されなかった。アンモニアのモル比が60では、c−GaNに基づくピークが検出された。アンモニアのモル比が110では、m−GaNに基づくピークが検出されず、実質的に全てc−GaNであった。
この結果から、多量のアンモニアが共存したままトリメチルアルミニウムを供給すると、主としてサファイア基板のa面に良好な窒化アルミニウムバッファが形成されてしまい、その後のGaNエピタキシャル成長においては、当該サファイア基板のa面からの成長が主体となり、c−GaNが多量に形成され、m−GaNは余り形成されないことがわかる。ここから、アンモニアは、実質的にない状態が好ましいと言える。
トリメチルアルミニウムの供給時の基板温度を400℃とし、供給時間を0秒から480秒の間で振った。その後形成される窒化ガリウムについて、X線回折の2θスキャンにより、m−GaNとc−GaNの比を求めた。その結果を図4.Bに示す。
トリメチルアルミニウムの供給時間が400秒以下では、c−GaNに基づくピークは検出されなかった。一方、トリメチルアルミニウムの供給時間が480秒では、m−GaNの割合は0.3%となった。
これは、アルミニウム薄膜を厚くしすぎると、窒化処理でサファイア基板のa面上に良好な窒化アルミニウムバッファが形成されてしまい、その後のGaNエピタキシャル成長においては、当該サファイア基板のa面からの成長が主体となり、c−GaNが多量に形成され、m−GaNは余り形成されないことがわかる。ここから、アルミニウム薄膜の厚さは40Å以下(トリメチルアルミニウム400秒供給に相当)とすべきことがわかる。
トリメチルアルミニウムの供給時間を160秒(アルミニウム薄膜の厚さ15Åに相当)とし、基板温度を350〜450℃の間で振った。その後形成される窒化ガリウムについて、X線回折の2θスキャンにより、m−GaNとc−GaNの比を求めた。その結果を図4.Cに示す。
基板温度が420℃以下では、c−GaNに基づくピークは検出されなかった。一方、基板温度が430℃以上では、m−GaNの割合は0.01%程度以下となった。
これは、アルミニウム薄膜の形成温度が高すぎると、その後の窒化処理でサファイア基板のa面上に良好な窒化アルミニウムバッファが形成されてしまい、その後のGaNエピタキシャル成長においては、当該サファイア基板のa面からの成長が主体となり、c−GaNが多量に形成され、m−GaNは余り形成されないとの理由によるものと考えられる。ここから、アルミニウム薄膜形成時の温度は420℃以下とすべきことがわかる。350℃以上であれば良く、恐らく300℃でも良好なm−GaNが得られる。
このように、本発明によれば、a面を主面とするサファイア基板上に、m面を主面とする厚膜のIII族窒化物系化合物半導体が形成できる。この際、サファイア基板のc軸とIII族窒化物系化合物半導体のc軸が平行となる。
このように、本発明によれば、マスクを形成しないで、極めて良質のm面を主面とするIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。
尚、図3.Aの六角形のマスクのAとBを、0.5μmずつ、或いは0.75μmずつとしたり、図3.Bの凸部の高さを0.35〜1.2μmの間で振って実験したが、上記の実験結果と有意な差は生じなかった。
この際、工程1で、サファイア基板の温度が1160℃に達した瞬間に冷却を始めても、即ちサファイア基板の温度を1160℃で保つ時間が0であっても、同様に比較的良好なm面を主面とするIII族窒化物系化合物半導体が得られた。
ストライプを形成するためのエッチングマスクは、凸部を残すためのエッチングしないマスクの幅を2μm幅、エッチング部であるマスクとマスクの間隔を3μmとした。エッチング深さは0.7μmとした。ストライプ状の凸部の側面は、主面であるm面と約70度の角度を成した。
このような凹凸を形成したm面を主面とするサファイア基板に、実施例1と同様の処理の後、窒化ガリウム(III族窒化物系化合物半導体)をエピタキシャル成長させた。結果を概念図として、図6に示す。
図6に示される通り、サファイア基板の凹凸に食い込んだ形の六角柱状のIII族窒化物系化合物半導体が観察された。
以下の実施例4乃至6においては、各サファイア基板に、幅2μmのストライプ状の凸部を0.01度ずつずらして放射状に形成した。隣り合うストライプ状の凸部は、一方の端では間隔2μm、他方の端では4μmとした。各ストライプの長さは約13mmとした。こうして、3つのサファイア基板に、90度の範囲で長手方向の異なるストライプを形成して、10度ごとに、X線回折の2θスキャンと、X線回折のΦスキャン(4軸X線回折装置による)を実施して、形成された窒化ガリウムの面方位を確認した。また、窒化ガリウムを120秒間成長させて、各ストライプの長手方向に垂直な断面を走査電子線顕微鏡(SEM)写真により解析し、主面と側面のいずれから成長が生じているのか確認した。
この際、窒化ガリウムの形成方法は、窒化ガリウムの成長時間の他は実施例1に倣った。これらの結果を実施例4乃至実施例6として以下に示す。
m軸に対してストライプの長手方向が0度〜40度の間において、側面のみからの成長が確認され、X線回折結果の解析により、サファイア基板の主面であるa面に平行な、厚膜GaNの表面は(10−10)m面であった。
m軸に対してストライプの長手方向が50度と80度では、側面のみからの成長が確認されたが、X線回折結果の解析によっては厚膜GaNの表面は特定することができなかった。
m軸に対してストライプの長手方向が90度の方向は、側面のみからの成長であった。X線回折結果の解析により、厚膜GaNの表面は(11−22)面であった。
m軸に対してストライプの長手方向が60度及び70度では、主面と側面両方からの成長が観察され、X線回折結果の解析により、厚膜GaNの表面に(0001)c面が検出された。このc面GaNのピークは、サファイア基板の主面であるa面から成長したc面GaNのピークと考えられるが、凹凸の側面から成長したGaNは高指数面であってピークが観測されなかったものと考えられる。
0度〜40度の間で成長した(10−10)m面GaNと(11−20)a面サファイア基板との面内配向を調査する為に、X線回折のΦスキャンを行った。実施したのはm面GaNの(10−11)面とa面サファイア基板の(11−23)面のΦスキャンである。0度〜40度で成長したm面GaNとa面サファイア基板との面内配向は、すべて図8に示すように、GaNのc軸とサファイアのc軸が平行であった。
一般的に、(11−20)a面サファイア基板上には、直接、又はバッファ層を介してGaNを成長させた場合、基板主面、つまり、サファイアの(11−20)a面とGaNの(0001)c面が平行となる。
c面サファイア基板上には、c面GaNが成長することは公知の事実である。その面内配向は、c面サファイア基板のa軸方向とc面GaNのm軸方向が平行となる関係である。ちょうど図9のような関係となる。
今回a面サファイア基板を加工して形成した側面である(0001)c面、又は(0001)c面からオフした面に、(0001)c面GaNが成長し、上記公知事実のような配向関係(図9のような配向関係)となった場合、基板主面、つまり、サファイアの(11−20)a面と平行に(10−10)m面GaNが成長する。また、0度〜40度まで同じ面内配向であったことから、これらの側面はすべてc面からオフした面であると予想される。
80度と90度で成長した(10−10)m面GaNと(10−10)m面サファイア基板との面内配向を調査する為に、Φスキャンを行った。m面GaNの(10−11)面とa面サファイア基板の(11−20)面のΦスキャンを行った。m面GaNとm面サファイア基板との面内配向は図11のX線回折結果に示すようなGaNのc軸とサファイア基板のc軸が垂直であるという結果となった。
一般的に、(10−10)m面サファイア基板上には、直接、又はバッファ層を介してGaNを成長させた場合、基板主面、つまり、サファイアの(10−10)m面と平行に(11−22)面、又は(10−10)m面、又は(10−13)面GaNが成長することが報告されている。
40度と50度の間では、X線回折ではピークが検出されなかったが、断面のSEM写真から、GaNの(11−20)a面がわずかに傾いていることが解った。これは実施例3において図6で示した。
a面サファイア基板上には、c面GaNが成長することは公知の事実である。その面内配向は、サファイア基板のm軸方向とGaNのa軸方向が平行となる関係である。
今回m面を主面とするサファイア基板を加工して形成した側面(11−20)a面、又は(11−20)a面からオフした面に、(0001)c面が平行となるようにGaNが成長し、上記公知事実のような配向関係となった場合、基板主面、つまり、サファイアの(10−10)m面とGaNの(11−20)a面が平行になるように成長するはずである。
しかし、今回の場合、サファイアの(10−10)m面とGaNの(10−10)m面が平行になるように成長している(図14)。これは公知の事実とは異なる。今回の結果の原因の可能性として、以下のようなことが考えられる。
上記でも説明した通り、サファイア基板のa面上には、c面が平行になるようにGaNが成長することは公知の事実である。その面内配向は、サファイア基板のm軸方向とGaNのa軸方向が平行となる関係以外に、サファイア基板のm軸方向とGaNのm軸方向が平行となる関係も報告されている(J. Appl.Phys. 74, 4430 (1993)、Appl. Phys. Lett., Vol. 82, No. 5, 3 February 2003)。このような配向となった場合、基板主面、つまり、サファイアの(10−10)m面とGaNの(10−10)m面が平行になるように成長したと考えられる。
厚膜GaNの表面がm面となる場合については、GaNの(10−11)面とサファイア基板の(11−23)面のΦスキャンを行った。結果は図16のように、GaNのc軸とサファイア基板のa軸が平行であった。
厚膜GaNの表面がa面となる場合については、GaNの(10−10)面とサファイア基板の(11−23)面のΦスキャンを行った。結果は図17のように、GaNのm軸とサファイア基板のm軸が平行であり、3つのドメイン構造を有するという結果となった。
一般的に、(0001)c面を主面とするサファイア基板上には、直接、又はバッファ層を介してGaNを成長させた場合、基板主面、つまり、サファイアの(0001)c面と平行に(0001)c面GaNが成長する。
a面サファイア基板上には、c面GaNが成長することは公知の事実である。その面内配向は、サファイア基板のc軸方向とGaNのm軸方向が平行となる関係である。ちょうど図18のような関係となる。
今回c面サファイア基板を加工して形成した側面(11−20)a面、又は(11−20)a面からオフした面に、(0001)c面GaNが成長し、上記公知事実のような配向関係(下の図のような配向関係)となり、基板主面、つまり、サファイアの(0001)c面と平行に(10−10)m面GaNが成長した。
Appl. Phys. Lett. 92, 092121 (2008)で、R. Armitage and H. Hirayama らが、m面サファイア基板上には、(10−10)m面GaN、又は、(11−22)面GaN、又は、混在した結晶が成長するという報告がある。また、Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 47, No. 5 (2008)では、T. WEIらが、m面サファイア基板上には、(10−10)m面GaN、又は、(10−13)面GaNが成長すると報告している。
m面サファイア上にm面GaNが成長する場合、その面内配向は、サファイア基板のc軸方向とGaNのc軸方向が直交することが公知事実から解っている(図19)。しかし、今回の場合、サファイアの等価な方向である3つの<10−10>m軸方向とGaNの[10−10]m軸方向が同一である方向であり、3つのドメイン構造を有していることから、単にm面サファイア上にm面GaNが成長するのみでは説明できない。
m面サファイア上にGaNの(10−13)面が平行となるように成長する場合、(10−13)面GaNのc軸方向と(10−10)m面サファイアのm軸方向は約32度の角を成す(図20)。つまり図19と図20、さらに図20のGaNが180度回転したGaNが同時に存在したとき、サファイアの(0001)c面に平行に、(11−20)a面GaNが成長し、図17のX線回折結果(Φスキャン)のような3つのドメインを持つ(11−20)a面GaNとなり、今回の結果に近い形となる。
今回c面サファイア基板を加工して形成した側面(10−10)m面、又は(10−10)m面からオフした面に、(10−10)m面と(10−13)面GaNの3つが同時成長したと考えられ、3つのドメインを有するが、基板主面、つまり、サファイアの(0001)c面と平行に(11−20)a面GaNが成長したと考えられる。
アルカリエッチングの結果から、(11−20)a面サファイア基板を加工して形成した側面 (0001)c面に(0001)c面が平行となるようにGaNが成長する場合が、その成長方向は−c軸方向である。
(11−20)a面サファイア基板を加工して側面にサファイアの(0001)c面を形成した場合、主面である(11−20)a面よりも側面である(0001)c面に、GaNが優先的に成長する。
(0001)c面サファイア基板を加工して側面にサファイアの(11−20)a面を形成した場合、主面である(0001)c面よりも側面である(11−20)a面に、GaNが優先的に成長する。a面かc面のどちらか一方の方がGaN成長し易いと考えると、これらの結果は矛盾する。従って、a面、c面のどちらが成長し易いという考え方では無く、加工した側面が成長し易いと考える方が自然である。選択的な成長を起こさせるのに最適な条件が、本発明の加熱処理と窒化処理である。
(0001)c面サファイア基板を加工して側面にサファイアの(10−10)m面を形成した場合、主面である(0001)c面よりも側面である(10−10)m面に、GaNが優先的に成長する。主面である(0001)c面に平行に(11−20)a面GaNが成長する。
(10−10)m面サファイア基板を加工して側面にサファイアの(11−20)a面を形成した場合、主面である(10−10)m面よりも側面である(11−20)a面に、GaNが優先的に成長する。主面である(10−10)m面に平行に(10−10)m面GaNが成長する。
B:2つのマスクの向かい合う2つの辺の間隔
h:凸部の高さ
Claims (14)
- 主面上に凹凸が形成され、III 族窒化物半導体と異なる材料から成る基板と、該基板の上に成長させたIII族窒化物系化合物半導体とを有する半導体において、
前記基板の前記凹凸の表面は窒化されており、該凹凸は、前記主面に平行な凹部の底面と凸部の頂上面と、前記主面に平行でない側面とを有し、
前記基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されておらず、
前記III族窒化物系化合物半導体は、前記基板の前記凹凸の前記側面から横方向にエピタキシャル成長した状態にあり、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体が、前記凸部の前記頂上面を横方向に覆って前記凹凸を覆っている半導体であり、
前記III族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体により形成される結晶方位面のみから成る半導体。 - 主面上に凹凸が形成され、III 族窒化物半導体と異なる材料から成る基板と、該基板の上に成長させたIII族窒化物系化合物半導体とを有する半導体において、
前記基板はc面を主面とするサファイア基板であり、
前記凹凸は、前記主面に平行な凹部の底面と凸部の頂上面と、前記主面に平行でない側面とを有し、
前記基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されておらず、
前記III族窒化物系化合物半導体は、前記基板の前記凹凸の前記側面から横方向にエピタキシャル成長した状態にあり、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体が、前記凸部の前記頂上面を横方向に覆って前記凹凸を覆っている半導体であり、
前記III族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体により形成される結晶方位面のみから成る半導体。 - 前記成長させたIII族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、m面、又は、a面であることを特徴とする請求項2に記載の半導体。
- 主面上に凹凸が形成され、III 族窒化物半導体と異なる材料から成る基板と、該基板の上に成長させたIII族窒化物系化合物半導体とを有する半導体において、
前記基板は、a面を主面とするサファイア基板であり、
前記凹凸は、前記主面に平行な凹部の底面と凸部の頂上面と、前記主面に平行でない側面であって、サファイアのc面からのオフ角が45度以下である側面とを有し、
前記基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されておらず、
前記III族窒化物系化合物半導体は、前記基板の前記凹凸の前記側面から横方向にエピタキシャル成長した状態にあり、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体が、前記凸部の前記頂上面を横方向に覆って前記凹凸を覆っている半導体であり、
前記III族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体により形成される結晶方位面のみから成る半導体。 - 前記成長させたIII族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、m面であることを特徴とする請求項4に記載の半導体。
- 主面上に凹凸が形成され、III 族窒化物半導体と異なる材料から成る基板と、該基板の上に成長させたIII族窒化物系化合物半導体とを有する半導体において、
前記基板は、a面を主面とするサファイア基板であり、
前記凹凸は、前記主面に平行な凹部の底面と凸部の頂上面と、前記主面に平行でない側面とを有し、
前記側面と前記主面との交線は、前記サファイア基板のa面内において、m軸からc軸方向に0度以上40度以下の範囲で傾斜しており、
前記基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されておらず、
前記III族窒化物系化合物半導体は、前記基板の前記凹凸の前記側面から横方向にエピタキシャル成長した状態にあり、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体が、前記凸部の前記頂上面を横方向に覆って前記凹凸を覆っている半導体であり、
前記III族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体により形成される結晶方位面のみから成る半導体。 - 前記成長させたIII族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、m面であることを特徴とする請求項6に記載の半導体。
- 主面上に凹凸が形成され、III 族窒化物半導体と異なる材料から成る基板と、該基板の上に成長させたIII族窒化物系化合物半導体とを有する半導体において、
前記基板は、m面を主面とするサファイア基板であり、
前記凹凸は、前記主面に平行な凹部の底面と凸部の頂上面と、前記主面に平行でない側面とを有し、
前記側面と前記主面の交線は、前記サファイア基板のm面内において、a軸からc軸方向に15度以上90度以下の範囲で傾斜しており、
前記基板と前記III族窒化物系化合物半導体との間に、III族窒化物系化合物半導体以外の材料から成る被膜が全く形成されておらず、
前記III族窒化物系化合物半導体は、前記基板の前記凹凸の前記側面から横方向にエピタキシャル成長した状態にあり、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体が、前記凸部の前記頂上面を横方向に覆って前記凹凸を覆っている半導体であり、
前記III族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、前記側面の前記基板の結晶方位によって決定される結晶方位を有する半導体により形成される結晶方位面のみから成る半導体。 - 前記成長させたIII族窒化物系化合物半導体の前記主面に平行な面の結晶方位面は、(11−22)面、r面、又はm面であることを特徴とする請求項8に記載の半導体。
- 前記基板の前記凹凸の表面は窒化されていることを特徴とする請求項2乃至請求項9の何れか1項に記載の半導体。
- 前記凹凸の平面形状をストライプ状とすることを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の半導体。
- 前記凹凸の平面形状を格子状とすることを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の半導体。
- 請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の半導体を有した半導体素子。
- 請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の半導体を有したウエハ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013177108A JP5895908B2 (ja) | 2008-01-29 | 2013-08-28 | Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008017543 | 2008-01-29 | ||
JP2008017543 | 2008-01-29 | ||
JP2013177108A JP5895908B2 (ja) | 2008-01-29 | 2013-08-28 | Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008212461A Division JP5353113B2 (ja) | 2008-01-29 | 2008-08-21 | Iii族窒化物系化合物半導体の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013241337A JP2013241337A (ja) | 2013-12-05 |
JP5895908B2 true JP5895908B2 (ja) | 2016-03-30 |
Family
ID=49842637
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013177108A Active JP5895908B2 (ja) | 2008-01-29 | 2013-08-28 | Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5895908B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6642805B2 (ja) | 2016-12-28 | 2020-02-12 | 豊田合成株式会社 | 半導体構造体の製造方法および半導体素子の製造方法 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3987660B2 (ja) * | 1998-07-31 | 2007-10-10 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体構造とその製法および発光素子 |
JP2002362999A (ja) * | 2001-06-05 | 2002-12-18 | Ngk Insulators Ltd | Iii族窒化物膜の製造方法、iii族窒化物膜製造用サファイア単結晶基板、及びエピタキシャル成長用基板 |
JP4696285B2 (ja) * | 2005-02-25 | 2011-06-08 | 京セラ株式会社 | R面サファイア基板とそれを用いたエピタキシャル基板及び半導体装置、並びにその製造方法 |
-
2013
- 2013-08-28 JP JP2013177108A patent/JP5895908B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013241337A (ja) | 2013-12-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5353113B2 (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体の製造方法 | |
JP5392855B2 (ja) | 半導体基板及びその製造方法 | |
JP5461773B2 (ja) | ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のm面窒化ガリウムの成長 | |
CN101138091B (zh) | 用于生长平坦半极性氮化镓的技术 | |
TWI489668B (zh) | 利用金屬有機化學汽相沉積之高品質氮面GaN、InN及AlN及其合金之異質磊晶生長的方法 | |
JP4084544B2 (ja) | 半導体基板及び半導体素子の製造方法 | |
JP4935700B2 (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体の製造方法、ウエハ、iii族窒化物系化合物半導体素子 | |
TW201213239A (en) | Light emitting element and method of manufacturing a semiconductor substrate | |
JP2008285364A (ja) | GaN基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子 | |
JP2001185493A (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体の製造方法及びiii族窒化物系化合物半導体素子 | |
JP5347835B2 (ja) | Iii族窒化物半導体結晶の製造方法 | |
JP2011046544A5 (ja) | ||
JP4749583B2 (ja) | 半導体基板の製造方法 | |
JP2007317752A (ja) | テンプレート基板 | |
JP5293592B2 (ja) | Iii族窒化物半導体の製造方法およびテンプレート基板 | |
JP2002299253A5 (ja) | ||
KR20160001619A (ko) | 질화물 반도체 층, 질화물 반도체 장치 및 질화물 반도체 층의 제조 방법 | |
JP5895908B2 (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体、iii族窒化物系化合物半導体の形成されたウエハ及びiii族窒化物系化合物半導体素子 | |
WO2014136602A1 (ja) | 窒化ガリウム結晶自立基板の製造方法 | |
JP5814131B2 (ja) | 構造体、及び半導体基板の製造方法 | |
JP4960621B2 (ja) | 窒化物半導体成長基板及びその製造方法 | |
JP7212173B2 (ja) | 窒化物半導体構造体、窒化物半導体デバイス及びその製造方法 | |
KR101271723B1 (ko) | 적층결함이 제거된 ⅲ족 질화물 기판의 제조방법 | |
JP5435646B2 (ja) | 半導体基板及びその製造方法 | |
JP2013199412A (ja) | Iii族窒化物半導体結晶の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141119 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141202 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150129 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150428 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150622 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20151020 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20151215 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160202 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160215 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Ref document number: 5895908 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |