JP6269368B2 - 窒化ガリウム基板 - Google Patents
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Description
Ibe1a>Ibe2a …(I)
2.1≦Ibe1a/Ibe2a≦9.4 …(II)
を満たすGaN基板である。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
Ibe1a>Ibe2a …(I)
2.1≦Ibe1a/Ibe2a≦9.4 …(II)
を満たすGaN基板である。このような構成とすることにより、GaN基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。
(Ideep/Ibe)1a≦0.47 …(III)
を満たし、前記顕微PLマッピングにおける、前記第2領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第2領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)2aは、以下の関係式(IV)
(Ideep/Ibe)2a≦3 …(IV)
を満たすことが好ましい。この場合には、GaN基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
(Ideep/Ibe)1a≦0.11 …(V)
を満たし、前記顕微PLマッピングにおける、前記第2領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第2領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)2aは、以下の関係式(VI)
(Ideep/Ibe)2a≦1 …(VI)
を満たすことが好ましい。この場合には、GaN基板を用いて作製した半導体装置の特性の低下の抑制効果をさらに大きくすることができる。
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
<GaN基板>
図1に、実施形態1のGaN基板の表面(C面)の模式的な平面図を示す。図1に示すように、実施形態1のGaN基板10は、オリエンテーションフラット(オリフラ)30を有していること以外は略円形状の表面を有しており、GaN基板10の直径Rは100mm以上となっている。
以下、図3(a)〜図3(d)の模式的断面図を参照して、実施形態1のGaN基板の製造方法の一例について説明する。まず、図3(a)に示すように、成長面となる表面21aを有する成長用基板21を準備する。成長用基板21は、表面21a上にGaN結晶11を成長させることができるものであれば特に限定されず、たとえば、ガリウム砒素(GaAs)などの異種基板を用いてもよく、GaNからなる同種基板を用いてもよい。
図4に、実施形態1のGaN基板10のC面内の1辺が2mmの正方形の領域(以下、「2mm□領域」という。)の1点において、25℃で顕微PLマッピングを行うことによって得られたPL発光スペクトルの一例を示す。図4の横軸はPL発光の波長[nm]を示し、縦軸はPL発光強度[a.u.]を示す。
実施形態1のGaN基板10においては、第1領域のバンド端発光強度の平均値(Ibe1a)と、第2領域のバンド端発光強度の平均値(Ibe2a)とは以下の関係式(I)および(II)を満たしている。
2.1≦Ibe1a/Ibe2a≦9.4 …(II)
実施形態1のGaN基板10は、第1領域のバンド端発光強度の平均値(Ibe1a)と、第2領域のバンド端発光強度の平均値(Ibe2a)とが上記の関係式(I)および(II)を満たしている。そのため、実施形態1のGaN基板10の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下を抑制することができる。これは、本発明者らが鋭意検討した結果、見出したことによるものである。その詳細については、後述する。
上記のようにして特定された複数の第1領域のそれぞれの深い発光強度から、その平均値を算出することによって、「第1領域の深い発光強度の平均値(Ideep1a)」が求められる。
実施形態2のGaN基板10は、第1領域の酸素濃度が5×1017cm-3以上であって、第2領域の酸素濃度が5×1017cm-3未満であることを特徴としている。この場合にも、実施形態2のGaN基板10の表面上に他の半導体層をエピタキシャル成長すること等によって形成した半導体装置の特性の低下の抑制効果をより大きくすることができる。
実施形態3のGaN基板10は、上記の第1領域の貫通転位密度が1×106cm-2以上であることを特徴としている。実施形態3のGaN基板10においては、貫通転位密度が1×106cm-2以上の第1領域に転位を集中させることにより、貫通転位密度が1×106cm-2未満の第2の領域の結晶性を向上させることができる。
実施形態3における上記以外の説明は実施形態1および実施形態2と同様であるため、その説明については繰り返さない。すなわち、実施形態3のGaN基板10には、上述の貫通転位密度が1×106cm-2以上の第1領域と貫通転位密度が1×106cm-2未満の第2領域とが含まれているだけではなく、実施形態1または実施形態2のGaN基板10の特徴も含まれている。
まず、図3(a)に示すように、成長用基板21として直径110mmの表面((111)A面)21aを有するGaAs基板を準備した。
GaN結晶の結晶成長時に、結晶成長炉内の雰囲気に含まれる酸素量を制御したこと以外は試料1と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料2のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
上記のようにして作製した試料2のGaN基板の表面であるC面について、顕微PLマッピング測定を行った。その結果を図5および図6に示す。なお、顕微PLマッピング測定は、GaN基板のC面内の2mm□領域の複数の箇所について25℃でのPL発光分光分析を行い、当該2mm□領域のバンド端発光強度または深い発光強度の分布をマッピングにより表す方法である。
照射エネルギー密度:0.3mW/直径10μmの円形スポット
PL発光波長領域:350nm〜610nm
測定領域:GaN基板の表面のC面中央部の2mm□領域内において50μm間隔で40点×40点
温度:室温(25℃)
GaN結晶11の成長時におけるGaAs基板の中心温度を1030℃としたこと以外は試料2と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料3のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
GaN結晶11の成長時におけるGaAs基板の中心温度を980℃としたこと以外は試料2と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料4のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
成長用基板21として試料3のGaN基板と同一の方法および同一の条件で作製した直径110mmの表面(C面)を有するGaN基板上に、GaN結晶11の成長時におけるGaN基板の中心温度を1000℃とし、低温GaNバッファ層を形成せず、GaClガスの分圧を3.06kPaとし、NH3ガスの分圧を6.12kPaとしたこと以外は試料2と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料5のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
GaN結晶11の成長時におけるGaN基板の中心温度を1030℃としたこと以外は試料5と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料6のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
GaN結晶11の成長時におけるGaN基板の中心温度を980℃としたこと以外は試料5と同様にして、直径100mmの円形状のC面を表面として有するファセット構造の自立GaN基板である試料7のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
成長用基板としてGaNテンプレート基板を準備した。GaNテンプレート基板は、直径110mmのサファイア基板の表面(C面)上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりGaN膜を2μmの厚さで形成することにより用意した。そして、SiO2膜からなるパターニング層22および低温バッファ層を形成することなく、GaN結晶11が鏡面成長するようにGaNテンプレート基板の中心の温度が1100℃となるように加熱して、GaClガス(分圧:2.40kPa)およびNH3ガス(分圧:2.40kPa)をキャリアガスとしてのN2ガスとともにGaNテンプレート基板に供給することによって厚さ1mm程度のGaN結晶11をシラン(SiH4)ガスを用いたシリコン(Si)ドープを行いながら成長させ、試料1と同様して、直径100mmの円形状のC面を表面として有するコアレス構造(コア部とファセットとからなる窪みを有しない構造)の自立GaN基板である試料10のGaN基板(Si濃度:2×1018cm-3)を作製した(仕上げ厚み500μm)。
試料2と同様にして作製したGaN基板の貫通転位密度をエッチピットで評価した。H2SO4:H3PO3=1:1の溶液を250℃に加熱し、GaN基板を約30分間浸漬させて、光学顕微鏡でエッチピット密度を測定した。GaN基板の中心部でのエッチピットはコア近傍で高密度であり、コアから離れた領域では低密度であった。コアを中心とした半径50μm領域ではエッチピット密度が1×107cm-2以上であり、コアを中心とした半径50μm領域を除く、半径400μm領域では3×105cm-2であった。試料3、試料5および試料6と同様にして作製したGaN基板のエッチピット密度も同様の分布となっており、コアを中心とした半径50μmの領域ではエッチピット密度が1×106cm-2以上であり、コアを中心とした半径50μmの領域を除く半径400μmの領域では1×106cm-2未満であった。
試料2と同様の条件で作製したGaN基板の酸素濃度分布を二次イオン質量分析法(SIMS)により評価した。コア近傍のファセット成長領域では酸素濃度2×1018cm-3であり、コアから離れたC面成長領域(800μm□の4隅コア対角線交差部)では3×1016cm-3であった。試料3、試料5および試料6と同様にして作製したGaN基板の酸素濃度も、コア近傍のファセット成長領域では5×1017cm-3以上であり、コアから離れたC面成長領域では5×1017cm-3未満であった。
試料1および3〜8のGaN基板についても、試料2のGaN基板と同一の方法および同一の条件で顕微PLマッピング測定を行った。そして、試料1〜8のGaN基板の顕微PLマッピング測定結果から、試料1〜8のGaN基板のそれぞれについて、Ibe1a、Ideep1a、Ibe2a、Ideep2a、Ibe1a/Ibe2a、(Ideep/Ibe)1a、および(Ideep/Ibe)2aを算出した。その結果を表1に示す。
上記のようにして作製した試料1〜8のGaN基板上に、MOVPE法によりSBD構造をエピタキシャル成長させた。SBD構造は、キャリアストップ層であるキャリア濃度が2×1018cm-3で厚さ0.5μmのn+GaN層、およびキャリアドリフト層であるキャリア濃度が1×1016cm-3で厚さ5μmのn-GaN層をこの順にエピタキシャル成長させた。これらの層のエピタキシャル成長条件は、成長温度は1050℃であり、GaNの原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびNH3ガスを用い、Siドーパントの原料としてSiH4ガスを用いた。そして、上記のエピタキシャル成長後の試料1〜8のGaN基板の表面の外観を観察した。
上記のエピタキシャル成長評価で試料1〜8のGaN基板上に成長させたSBD構造上にドリフト層の表面に終端構造であるフィールドプレート用絶縁膜としてSiNx層を形成した。SiNx層はプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法で、SiH4ガスおよびNH3ガスを原料とし、厚みを0.5μmとした。
表1にまとめた各試料のSBD耐圧と顕微PLマッピング特性とを比較する。しばしば結晶の指標として用いられるバンド端発光強度の平均値に対する深い発光強度の平均値の比率(以下、「スペクトル強度比」という。)が小さい方が、GaN結晶の単結晶性および表面特性が良いと考えられるため、SBD耐圧が高いことが期待できる。
GaN基板のスペクトル強度比が大きい場合には、GaN基板の結晶バルク特性または表面特性が良くないと考えられ、その結果、以下の悪影響(A)〜(C)を生じると考えられる。
(B)逆方向電圧を印加した場合に空乏層がキャリアドリフト層を貫通し、キャリアストップ層およびGaN基板にまで及び、GaN基板の結晶バルク特性不良または表面特性不良の影響を受け、SBD耐圧が低下する。
11 GaN結晶
21 成長用基板
21a 表面
22 パターニング層
23 貫通転位
24 支持基板
25 貼り合わせ基板
30 オリフラ
Claims (6)
- 直径が100mm以上のC面を表面とする窒化ガリウム基板であって、
前記C面内の1辺が2mmの正方形の領域の25℃での顕微フォトルミネッセンスマッピングにおいて、バンド端発光強度の平均値が異なる第1領域と第2領域とを有し、
前記第1領域のバンド端発光強度の平均値Ibe1aと、前記第2領域のバンド端発光強度の平均値Ibe2aとは、以下の関係式(I)および(II)
Ibe1a>Ibe2a …(I)
2.1≦Ibe1a/Ibe2a≦9.4 …(II)
を満たす、窒化ガリウム基板。 - 前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第1領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第1領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)1aは、以下の関係式(III)
(Ideep/Ibe)1a≦0.47 …(III)
を満たし、
前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第2領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第2領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)2aは、以下の関係式(IV)
(Ideep/Ibe)2a≦3 …(IV)
を満たす、請求項1に記載の窒化ガリウム基板。 - 前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第1領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第1領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)1aは、以下の関係式(V)
(Ideep/Ibe)1a≦0.11 …(V)
を満たし、
前記顕微フォトルミネッセンスマッピングにおける、前記第2領域の前記バンド端発光強度の平均値に対する前記第2領域の深い発光強度の平均値の比率(Ideep/Ibe)2aは、以下の関係式(VI)
(Ideep/Ibe)2a≦1 …(VI)
を満たす、請求項1または請求項2に記載の窒化ガリウム基板。 - 前記第1領域の酸素濃度が5×1017cm-3以上であって、第2領域の酸素濃度が5×1017cm-3未満である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記第1領域の貫通転位密度が1×106cm-2以上である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の窒化ガリウム基板。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の窒化ガリウム基板と、支持基板とが貼り合わされてなる、貼り合わせ基板。
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