JP6001124B2 - 窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法、及び窒化物半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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本発明の他の態様は、基板上にバッファ層を成長させる工程と、前記バッファ層上にIII族窒化物半導体層を成長させる工程と、を有する窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、前記バッファ層を成長させる工程では、Alを含むIII族窒化物半導体からなり、その表面にインバージョンドメインを有する層を、気相成長法により形成し、前記III族窒化物半導体層を成長させる工程では、前記インバージョンドメイン上に成長する層が前記インバージョンドメイン以外の領域上に成長する層によって埋め込まれてなり、表面がC面である層を、気相成長法により形成する窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法である。
図1は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板を製造する製造工程を示す断面図である。この製造工程を示す図1を用いて、本実施形態の窒化物半導体エピタキシャル基板を説明する。
また、これらの基板の表面としては、III族窒化物半導体のC面のIII族面を表面とした成長に適した、各種基板の表面を用いて良い。例えば、極性のないサファイア基板ではC面、あるいはC面からA軸、M軸あるいはその中間の方向に0〜2°傾いた表面を用いて良い。また、ZnO基板ではC面のZn面、SiC基板ではC面のSi面、GaN基板、AlN基板、AlGaN基板ではC面のIII族面、およびこれらのC面からA軸、M軸あるいはその中間の方向に0〜2°傾いた表面を用いて良い。Si基板では(111)面、GaAs基板の場合は(111)A面または(111)B面、およびこれらの面から任意の方向に0〜2°傾いた表面を用いて良い。
バッファ層3中の不純物として、Cl(塩素)、S(硫黄)、B(ホウ素)のうち、いずれか1種または2種以上を1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下の濃度で含ませる。これにより、添加する不純物の種類などにもよるが、バッファ層3の表面におけるIDの面密度(個数密度)を、概ね1×104cm−2以上1×1011cm−2以下の範囲に調整することができる。
図1(b)に示すように、バッファ層3の表面にはID5が存在し、バッファ層3の表面は、III族極性面(AlNバッファ層の場合、Al極性面)3a中に所定の面密度でID5のN極性面3bが現れている。
成長速度としては、HVPEの場合には、5〜100nm/分とし、また、MOVPEの場合には、1〜30nm/分とする。
具体的には、III族窒化物半導体層4の表面の転位密度が5×108cm−2以下であり、またIII族窒化物半導体層4のX線回折のロッキングカーブ測定における(0002)面、(0004)面、及び(10−12)面での半値幅は、それぞれ300秒以下、300秒以下、500秒以下である窒化物半導体エピタキシャル基板が得られる。なお、X線回折半値幅の測定条件は、X線源にCuKα1を用いて40kV、45mAでX線を発生させ、四結晶法によりX線ビームを平行にすると共に、X線ビームの照射面積は、ビームをスリットで30μm角まで絞り、測定した。
先に述べたように、上記の島(ピット)の斜面の存在により転位は減少する。このため、ピット密度(すなわち、ID密度)が極端に低い場合(例えば、1×104cm−2未満の場合)には、成長途中のIII族窒化物半導体層4の表面はそのほとんどが平らなC面で、まばらにしかピットが存在しない状態であるため、表面における斜面の割合が低く、本発明の転位低減の効果は得られない。また、ピット密度が極端に高い場合(例えば、1×1011cm−2より大きい場合)には、形成されるピットが小さいため、III族窒化物半導体層4の成長厚が小さい段階で表面が平坦化されてしまう。この場合にも、ピットの存続期間が短いために本発明の転位低減の効果は得られない。
ピット密度が適切な場合(例えば、1×104cm−2以上1×1011cm−2以下の場合)には、成長途中のIII族窒化物半導体層4の表面に十分な割合で斜面が存在し、しかも成長過程の比較的長い期間にわたって存続するため、従来よりも転位密度を低減できる。特に、ピット密度(ID密度)を1×105cm−2以上1×1010cm−2以下とするのが好ましく、更には1×106cm−2以上1×109cm−2以下とするのが転位低減のためには好ましい。
サファイア等からなる基板2とGaN等からなるIII族窒化物半導体層4との間には、大きな熱膨張率差があるため、III族窒化物半導体層4を成長させた後に室温状態に戻すと、窒化物半導体エピタキシャル基板1には熱膨張率差に起因する反りが発生し、III族窒化物半導体層4に圧縮応力が加わる。このIII族窒化物半導体層4に発生する圧縮応力により、GaN等のIII族窒化物半導体層4の表面にクラックが生じてしまう。従来のバッファ層の表面にIDが存在しない場合、GaN等のIII族窒化物半導体層4の厚さが5μm以上となると、クラック発生数が急激に増大してしまった。
ところが、本実施形態の窒化物半導体エピタキシャル基板1では、バッファ層3及び基板2側のIII族窒化物半導体層4にID5が存在するため、III族極性の結晶のみの場合と比較して、III族極性の結晶とN極性の結晶との間では、殊にIII族極性とN極性の境界部では、圧縮・引張時の伸縮変形等の挙動が変化する。このため、III族極性の結晶のみの場合と比べ、圧縮応力によるバッファ層3及び基板2側のIII族窒化物半導体層4の縮み方が減少し、特に問題となる基板2付近の応力の緩和がなされるものと推測される。バッファ層3及び基板2側のIII族窒化物半導体層4にID5が存在する本実施形態の窒化物半導体エピタキシャル基板1では、GaN等のIII族窒化物半導体層4の厚さを5μm以上とした場合にも、III族窒化物半導体層4の表面にクラックがない窒化物半導体エピタキシャル基板を歩留まり良く製造することができる。
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体デバイスは、上記実施形態の窒化物半導体エピタキシャル基板1を用い、窒化物半導体エピタキシャル基板1にIII族窒化物半導体層や電極などのデバイス構造を形成して作製される窒化物半導体デバイスである。この窒化物半導体デバイスは、上記実施形態の窒化物半導体エピタキシャル基板1のIII族窒化物半導体層4の表面が低転位であり、X線ロッキングカーブの半値幅も小さいので、従来の窒化物半導体エピタキシャル基板を用いた場合よりも、特性の優れた窒化物半導体デバイスを作製できる。
窒化物半導体エピタキシャル基板1は、サファイア基板である基板2上に、IDを有するAlN層であるバッファ層2を介して、III族窒化物半導体層4としてGaN層を形成したものである。このエピタキシャル基板1をMOVPE装置に設置し、エピタキシャル基板1上に青色LED構造の積層半導体を成長する。青色LED構造の積層半導体は、GaNのIII族窒化物半導体層4上に順次積層して成長した、n型GaNクラッド層21と、InGaN/GaN多重量子井戸構造の活性層22と、p型AlGaNクラッド層23と、p型GaNコンタクト層24とからなる。
上記の積層半導体を成長した後に、LED用基板をMOVPE装置より取出し、得られたLED用基板の積層半導体層をRIE(Reactive Ion Etching)により部分的にエッチング除去し、n型GaNクラッド層21の一部を露出する。露出したn型GaNクラッド層21上にn側電極25を形成すると共に、p型GaNコンタクト層24上にp側電極26を形成し、その後、チップ化等を行うことにより、図2に示す構造の青色LEDが作製される。結晶性のよいGaN層からなるIII族窒化物半導体層4上に、n型GaNクラッド層21と、活性層22と、p型AlGaNクラッド層23を有する窒化物半導体エピタキシャル基板1を用いて作製したLEDは、光出力が大きく、駆動電圧が低かった。
AlNバッファ層は、厚さ50nmとし、AlNバッファ層中に不純物としてCl、SまたはBを、大体1×1015cm−3〜1×1020cm−3の濃度範囲で含ませ、表面のID面密度を異にする複数のAlNバッファ層を形成した。そして、これらのAlNバッファ層上に、アンドープGaN層(厚さ8μm)を形成した。AlNバッファ層及びGaN層は、HVPE法により形成した。GaN層の成長は1050℃で1μm/分の成長速度、V/III比20の条件で行った。キャリアガスとしては、水素と窒素の混合ガスを用いた。
図3に示すように、比較例のGaN層(AlNバッファ層の表面にID無し)では、(0002)面および(0004)面のロッキングカーブの半値幅は、いずれも300秒を少し超え、また(10−12)面のロッキングカーブの半値幅は、500秒を少し超えていた。一方、実施例のGaN層では、AlNバッファ層表面のID面密度が1×104cm−2以上1×1011cm−2以下の範囲において、(0002)面および(0004)面のロッキングカーブの半値幅は、いずれも300秒以下であり、また(10−12)面のロッキングカーブの半値幅は、500秒以下であった。更に、AlNバッファ層表面のID面密度が1×105cm−2以上1×1010cm−2以下の範囲では、(0002)面および(0004)面のロッキングカーブの半値幅は、いずれも200秒以下、また(10−12)面のロッキングカーブの半値幅は、300秒以下と小さかった。
図4に示すように、比較例のGaN層表面の転位密度は、5×108cm−2を超えていた。これに対し、実施例のGaN層では、AlNバッファ層表面のID面密度が1×104cm−2以上1×1011cm−2以下の範囲において、GaN層表面の転位密度は5×108cm−2以下であり、更に、AlNバッファ層表面のID面密度が1×106cm−2以上1×109cm−2以下の範囲において、GaN層表面の転位密度は1×108cm−2程度と低かった。
また、GaN層の成長条件において、成長速度を0.1μm/分〜10μm/分、V/III比を1〜1000、成長温度を900℃〜1100℃、キャリアガス中のH2/N2比を0〜100の範囲で変えて上記と同様の実験を行ったところ、ほぼ同様の結果を得た。
図5に示すように、比較例のエピタキシャル基板も実施例のエピタキシャル基板もともに、GaN層の厚さが3μm程度までは、GaN層表面にクラックが発生することがなく、クラック歩留はほぼ100%であった。しかし、比較例のエピタキシャル基板では、GaN層の厚さが概ね5μm以上となると、急激にクラック歩留が低下した。一方、実施例のエピタキシャル基板では、GaN層の厚さが5μmを超えてもクラック歩留の低下は少なく、GaN層の厚さが10μmの時にも、約60%のクラック歩留があった。
ID面密度が1×104cm−2〜1×1011cm−2の範囲にある種々のAlNバッファ層についても、同様の実験を行ったところ、ほぼ同様の結果を得た。
2 基板
3 バッファ層
3a III族極性面
3b N極性面
4 III族窒化物半導体層
5 インバージョンドメイン(ID)
f1〜f5 結晶成長面
Claims (7)
- 基板上にバッファ層を成長させる工程と、前記バッファ層上にIII族窒化物半導体層を成長させる工程と、を有する窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記バッファ層を成長させる工程では、Alを含むIII族窒化物半導体からなり、Cl、S、Bのうち、いずれか1種または2種以上が1×10 15 cm −3 以上の濃度で添加され、その表面にインバージョンドメインを有する層を、気相成長法により形成し、
前記III族窒化物半導体層を成長させる工程では、前記インバージョンドメイン上に成長する層が前記インバージョンドメイン以外の領域上に成長する層によって埋め込まれてなり、表面がC面である層を、気相成長法により形成することを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記バッファ層を形成する工程では、
表面における前記インバージョンドメインの面密度が1×104cm−2以上1×1011cm−2以下の範囲にある前記バッファ層を形成することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記III族窒化物半導体層を形成する工程では、
表面にインバージョンドメインが存在しない前記III族窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記III族窒化物半導体層を形成する工程では、
表面の転位密度が5×108cm−2以下である前記III族窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記III族窒化物半導体層を形成する工程では、
X線ロッキングカーブ測定における(0002)面回折、(0004)面回折、及び(10−12)面回折の半値幅がそれぞれ300秒以下、300秒以下、500秒以下である前記III族窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記III族窒化物半導体層を形成する工程では、
5μm以上の厚さであって、表面にクラックがない前記III族窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 基板上にバッファ層を成長させる工程と、前記バッファ層上にIII族窒化物半導体層を成長させる工程と、前記III族窒化物半導体層上にデバイス構造を形成する工程と、を有する窒化物半導体デバイスの製造方法であって、
前記バッファ層を成長させる工程では、Alを含むIII族窒化物半導体からなり、Cl、S、Bのうち、いずれか1種または2種以上が1×10 15 cm −3 以上の濃度で添加され、その表面にインバージョンドメインを有する層を、気相成長法により形成し、
前記III族窒化物半導体層を成長させる工程では、前記インバージョンドメイン上に成長する層が前記インバージョンドメイン以外の領域上に成長する層によって埋め込まれてなり、表面がC面である層を、気相成長法により形成することを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
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