JP6405767B2 - 窒化ガリウム基板 - Google Patents
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Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
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基板の表面の一部の模式的な斜視図を示す。実施形態1のGaN基板10は、GaN結晶11から形成されている。そして、GaN結晶11の表面からGaN結晶11の内部に向かって延在する貫通転位23の集中領域が形成されている。
以下、図2(a)〜図2(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2(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3に、実施形態1のGaN基板10の表面全体の一例の模式的な平面図を示す。実施形態1のGaN基板10の表面の直径Rは100mm以上である。GaN基板10の表面の直径Rは、GaN基板10にオリエンテーションフラット(オリフラ)30が形成されている場合でも、GaN基板10にオリフラ30が形成されていないと仮定した場合の仮想円の直径を意味する。
以下に、上記の△kp(2mm□)および△kp(全面)の算出方法について説明する。
まず、上記の領域31a,31b,31c,31d,31eを、以下のようにして特定する。ここで、GaN基板10の表面の中心の点Aは、GaN基板10の表面の円の中心(GaN基板10にオリフラ30が形成されている場合にはオリフラ30が形成されていないと仮定した場合の仮想円の中心)の点として特定する。そして、上記のようにして特定された点Aを対角線の交点とし、図3に示すオリフラ30に平行な長さ2mmの2本の線分を2辺とし、オリフラ30に垂直な長さ2mmの2本の線分を2辺とする正方形の領域を領域31aとする。
次に、上記で特定された領域31a内の複数の箇所について顕微ラマン散乱マッピング測定を行うことにより領域31aの2mm□面内の各箇所のラマンスペクトルを測定し、領域31aの2mm□面内の各箇所におけるE2 Hフォノンモードに対応するピークをそれぞれ特定し、ピークの最大ピーク時の波数(ラマンシフト量に相当;単位:[cm-1])の値を各箇所で特定する。そして、2mm□面内の各箇所で特定された当該波数の中から最大値(a1)と最小値(a2)とを特定する。そして、上記のようにして特定された波数の最大値(a1)と最小値(a2)との差(a1−a2)を求めることによって、上記の領域31aの2mm□面内の△kp(2mm□)が求められる。
次に、上記の領域31a,31b,31c,31d,31eのそれぞれの波数の最大値a1,b1,c1,d1,e1の中からさらに波数の最大値(X1)を特定する。また、上記の領域31a,31b,31c,31d,31eのそれぞれの波数の最小値a2,b2,c2,d2,e2の中からさらに波数の最小値(X2)を特定する。そして、上記の波数の最大値(X1)と波数の最小値(X2)との差(X1−X2)を求めることによって△kp(全面)を求めることができる。
E2Hフォノンモードについて、以下にウルツ鉱型のGaN結晶を例にして説明する。E2Hフォノンモードは、図4に示すGa原子(白丸)およびN原子(黒丸)からなる結晶構造を有するGaN結晶において、図5に示すようにN原子がC面内で変位するモードである。
上述のように、E2Hフォノンモードは、GaN結晶中の隣接するN原子がC面内で面内方向に振動するモードに関係した散乱光である(非特許文献2参照)。C面内に圧縮歪が生じている場合には、振動のフォノン周波数が高くなるためE2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数も高くなる。一方C面内に引張歪が生じている場合には、振動のフォノン周波数が低くなるため、E2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数も低くなる。そして、GaN基板の局所的(ミクロ)および全体的(マクロ)のいずれにおいても圧縮歪または引張歪の一方が大きくなりすぎると、GaN基板上に他の半導体層をエピタキシャル成長させる際にGaN基板にクラックや割れが生じやすくなるため、GaN基板のE2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数(ラマンシフト量(歪の大きさ)に相当)は、ミクロおよびマクロのいずれにおいても小さい方が好ましい。
実施形態2のGaN基板10は、以下の(i)〜(iii)の点で、実施形態1と異なっていることを特徴としている。
(ii)表面の中央の点A、ならびに周縁の点B、点C、点Dおよび点Eの合計5点のそれぞれを中心とする1辺が2mmの正方形の領域31a,31b,31c,31d,31eのそれぞれの領域における顕微ラマン散乱マッピング測定により得られるラマンスペクトルのE2 Hフォノンモードに対応するラマンシフト量の最大値と最小値との差(△kp(2mm□))が0.1cm-1以上1cm-1以下である。
実施形態3のGaN基板10は、GaN基板10の表面の1辺が2mmの正方形の領域に、貫通転位密度が1×106cm-2以上の領域と、貫通転位密度が1×106cm-2未満の領域とが含まれてい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以上の領域(コア部12)に転位を集中させることにより、貫通転位密度が1×106cm-2未満の領域(ファセット13)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以上の領域と貫通転位密度が1×106cm-2未満の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2(a)に示すように、成長用基板21として直径110mmの表面(C面)21aを有するサファイア基板を準備した。次に、図2(b)に示すように、サファイア基板のC面上にプラズマCVD法によりSiO2膜を0.1μmの厚さで成膜し、その後、フォトリソグラフィー法およびBHF(バッファードフッ酸)を用いたエッチングにより、SiO2膜からなるパターニング層22を形成した。パターニング層22の形状は、直径50μmの円を800μmピッチで格子状に配置した形状とし、格子方向は、m軸およびa軸方向とそれぞれ一致させた。
成長用基板21としてサファイア基板上にMOCVD法により厚さ2μmのGaN膜を形成した直径110mmの表面を有するC面GaNテンプレート基板を用い、実験例1と同様にしてSiO2膜からなるパターニング層22を形成し、パターニング層22上に、低温GaNバッファ層を形成することなく、実験例1と同一の方法および同一の条件でGaN結晶を成長させ、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基板である実験例2のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
成長用基板21として直径110mmの表面((111)A面)を有するGaAs基板上に、実験例1と同一の方法および同一の条件で、低温GaNバッファ層を形成するとともに、GaN結晶を成長させ、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基板である実験例3のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
基板として、実験例1と同様に直径110mmのサファイア基板を使用し、実験例1と同様の方法および条件でGaN結晶を成長させ、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基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。そして、実験例1と同様にして、△kp(2mm□)および△kp(全面)を算出した。その結果を表1に示す。
基板として、実験例2と同様に直径110mmのC面GaNテンプレート基板を使用し、低温バッファ層を形成することなく、その他は実験例4と同様の方法および条件でGaN結晶を成長させ、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基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。そして、実験例1と同様にして、△kp(2mm□)および△kp(全面)を算出した。その結果を表1に示す。
基板として、実験例3と同様に直径110mmの表面((111)A面)を有するGaAs基板を使用し、成長初期酸素濃度制御を行ったこと以外は実験例1と同様の方法および条件でGaN結晶を成長させ、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基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。そして、実験例1と同様にして、△kp(2mm□)および△kp(全面)を算出した。その結果を表1に示す。
成長用基板21として実験例5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、実験例5と同一の方法および同一の条件で、低温GaNバッファ層を形成することなく、GaN結晶を成長させ、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基板である実験例7のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。そして、実験例1と同様にして、△kp(2mm□)および△kp(全面)をを算出した。その結果を表1に示す。
上記のようにして作製した実験例1〜7のGaN基板上に、MOVPE法により、ショットキーバリアダイオード(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1μm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、シリコン(Si)ドーパントの原料としてシラン(SiH4)ガスを用いた。そして、上記のエピタキシャル成長後の実験例1〜7のGaN基板の表面の外観を観察した。その結果を表1に示す。
成長用基板として実験例1と同様にして形成したGaNテンプレート基板を用い、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(2.40kPa)およびNH3ガス(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を成長させ、実験例1と同様な加工により、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基板である実験例8のGaN基板を作製した(仕上げ厚み500μm)。
図8に、実験例6のGaN基板の顕微ラマン分光分析結果を示す。図8に示す顕微ラマン分光分析結果は、実験例6のGaN基板の表面の中央の点Aを対角線の交点とする1辺が2mmの正方形の領域における転位集中領域であるコア部を含む直線とコア部を含まない直線とのE2 Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の分布を示している。図8に示すように、実験例6のGaN基板においては、コア近傍では歪が大きく変化し、コアから離れた領域ではあまり変化しない分布となった。
成長用基板21として直径160mmの表面((111)A面)を有するGaAs基板を用い、実験例6と同一の方法および同一の条件により、直径150mm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基板である実験例9のGaN基板を作製した(仕上げ厚み600μm)。径方向の温度差△T(中心温度と周縁(中心から半径75mmだけ離れた箇所)の温度差)は6℃であった。
実験例9のGaN基板においてマクロな歪が増大した要因として、GaN結晶成長時の成長用基板の径方向の温度分布に大きなばらつきが生じていたと考えられていた。そのため、試料ホルダの材質を石英から熱伝導率の高い炭化珪素(SiC)コートしたグラファイトに変更し、上記の温度差△Tを3℃としたこと以外は実験例9と同一の方法および同一の条件により、直径150mm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基板である実験例10のGaN基板を作製した(仕上げ厚み600μm)。
成長用基板21として実験例10と同一の方法および同一の条件で作製した実験例10のGaN基板を用い、低温バッファ層を形成しなかったこと以外は、実験例10と同一の方法および同一の条件で直径150mm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基板である実験例11のGaN基板を作製した(仕上げ厚み600μm)。
直径が100mmの表面を有するGaN基板では、△kp(全面)が2cm-1以下である場合(実験例5〜7)に良好な結果が得られていたが、直径が150mmの表面を有するGaN基板においては、△kp(全面)が1.5cm-1である場合(実験例10)でもクラックが生じており、0.93cm-1である場合(実験例11)にクラックも割れも生じない良好な結果が得られていた。このように、直径が100mmである場合と150mmである場合とで、クラックおよび割れが生じない指標となる△kp(全面)の値が異なるのは、GaN基板上に他の半導体層をエピタキシャル成長させる間の熱応力は、GaN基板の温度分布(温度差)に起因することによるものであると考えられる。GaN基板の表面の直径が大きくなるほどGaN基板の表面の温度差を小さくしてGaN基板に生じる熱応力を小さくするのは極めて困難である(一般に、GaN基板に生じる熱応力は、GaN基板の表面の直径の約2乗に比例する。直径150mmのGaN基板は、直径100mmのGaN基板の2倍以上の熱応力を有する)。
実験例5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(ピットが重なって分解できない)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。実験例6、7および11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。
実験例5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、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。実験例6、7および11と同様にして作製したGaN基板の酸素濃度もファセット成長領域では5×1017cm-3以上、C面成長領域では5×1017cm-3未満であった。
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
31a,31b,31c,31d,31e 領域
32 仮想円
Claims (6)
- 直径が150mm以上の表面を有する窒化ガリウム基板であって、
前記窒化ガリウム基板の前記表面の中央と周縁の4箇所の合計5箇所のそれぞれの箇所の1辺が2mmの正方形の領域における顕微ラマン散乱マッピング測定におけるE2 Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が0.1cm-1以上1cm-1以下であって、
前記5箇所の全測定点におけるE2 Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が1cm-1以下であり、
前記周縁は、前記窒化ガリウム基板の前記表面の外周から内側に5mm入り込んだ領域であり、
前記周縁の4箇所は、前記周縁と部分的に重なる1辺が2mmの4つの正方形の領域内にそれぞれ位置し、前記4箇所のうち2箇所と前記中央とが第1の直線上に存在し、前記4箇所のうち前記2箇所とは異なる2箇所と前記中央とが第2の直線上に存在し、前記第1と第2の直線は互いに直交する、窒化ガリウム基板。 - 前記窒化ガリウム基板の前記表面の1辺が2mmの正方形の領域に、貫通転位密度が1×106cm-2以上の領域と、貫通転位密度が1×106cm-2未満の領域とが含まれる、請求項1に記載の窒化ガリウム基板。
- 直径が100mm以上の表面を有する窒化ガリウム基板であって、
前記窒化ガリウム基板の前記表面の中央と周縁の4箇所の合計5箇所のそれぞれの箇所の1辺が2mmの正方形の領域における顕微ラマン散乱マッピング測定におけるE 2 H フォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が0.1cm -1 以上2cm -1 以下であって、
前記5箇所の全測定点におけるE 2 H フォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が2cm -1 以下であり、
前記周縁は、前記窒化ガリウム基板の前記表面の外周から内側に5mm入り込んだ領域であり、
前記周縁の4箇所は、前記周縁と部分的に重なる1辺が2mmの4つの正方形の領域内にそれぞれ位置し、前記4箇所のうち2箇所と前記中央とが第1の直線上に存在し、前記4箇所のうち前記2箇所とは異なる2箇所と前記中央とが第2の直線上に存在し、前記第1と第2の直線は互いに直交し、
前記窒化ガリウム基板の前記表面の1辺が2mmの正方形の領域に、貫通転位密度が1×106cm-2以上の領域と、貫通転位密度が1×106cm-2未満の領域とが含まれる、窒化ガリウム基板。 - 前記窒化ガリウム基板の前記表面の1辺が2mmの正方形の領域に、酸素濃度が5×1017cm-3以上の領域と、5×1017cm-3未満の領域とが含まれる、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。
- 直径が100mm以上の表面を有する窒化ガリウム基板であって、
前記窒化ガリウム基板の前記表面の中央と周縁の4箇所の合計5箇所のそれぞれの箇所の1辺が2mmの正方形の領域における顕微ラマン散乱マッピング測定におけるE 2 H フォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が0.1cm -1 以上2cm -1 以下であって、
前記5箇所の全測定点におけるE 2 H フォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数の最大値と最小値との差が2cm -1 以下であり、
前記周縁は、前記窒化ガリウム基板の前記表面の外周から内側に5mm入り込んだ領域であり、
前記周縁の4箇所は、前記周縁と部分的に重なる1辺が2mmの4つの正方形の領域内にそれぞれ位置し、前記4箇所のうち2箇所と前記中央とが第1の直線上に存在し、前記4箇所のうち前記2箇所とは異なる2箇所と前記中央とが第2の直線上に存在し、前記第1と第2の直線は互いに直交し、
前記窒化ガリウム基板の前記表面の1辺が2mmの正方形の領域に、酸素濃度が5×1017cm-3以上の領域と、5×1017cm-3未満の領域とが含まれる、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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