JP6481706B2 - 窒化ガリウム基板、半導体デバイスの製造方法、および、窒化ガリウム層接合基板の製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム基板、半導体デバイスの製造方法、および、窒化ガリウム層接合基板の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6481706B2 JP6481706B2 JP2017080453A JP2017080453A JP6481706B2 JP 6481706 B2 JP6481706 B2 JP 6481706B2 JP 2017080453 A JP2017080453 A JP 2017080453A JP 2017080453 A JP2017080453 A JP 2017080453A JP 6481706 B2 JP6481706 B2 JP 6481706B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- gan
- main surface
- growth
- gallium nitride
- 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
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 365
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims description 253
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims description 239
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 56
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 42
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 211
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 103
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 36
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 36
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 36
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K gallium trichloride Chemical compound Cl[Ga](Cl)Cl UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 30
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 27
- 238000005136 cathodoluminescence Methods 0.000 description 22
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 16
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 15
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000010408 film Substances 0.000 description 13
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 9
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 7
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 7
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical group [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 4
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002585 base Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 229910000043 hydrogen iodide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- -1 nitride compound Chemical class 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002835 Pt–Ir Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 5-(5-carboxythiophen-2-yl)thiophene-2-carboxylic acid Chemical compound S1C(C(=O)O)=CC=C1C1=CC=C(C(O)=O)S1 DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005046 Chlorosilane Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- KOPOQZFJUQMUML-UHFFFAOYSA-N chlorosilane Chemical compound Cl[SiH3] KOPOQZFJUQMUML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N chlorosilicon Chemical compound Cl[Si] SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- BUMGIEFFCMBQDG-UHFFFAOYSA-N dichlorosilicon Chemical compound Cl[Si]Cl BUMGIEFFCMBQDG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- PZPGRFITIJYNEJ-UHFFFAOYSA-N disilane Chemical compound [SiH3][SiH3] PZPGRFITIJYNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910021513 gallium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- DNUARHPNFXVKEI-UHFFFAOYSA-K gallium(iii) hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Ga+3] DNUARHPNFXVKEI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 229910000039 hydrogen halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012433 hydrogen halide Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 150000002926 oxygen Chemical class 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N silicon tetrachloride Chemical compound Cl[Si](Cl)(Cl)Cl FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/20—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02387—Group 13/15 materials
- H01L21/02389—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02516—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/0257—Doping during depositing
- H01L21/02573—Conductivity type
- H01L21/02576—N-type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02609—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
- H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/30—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface
- H01L29/32—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface the imperfections being within the semiconductor body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
不純物でドープすることにより、窒化物半導体は導電性とすることができる。O(酸素)、Si(ケイ素)、Ge(ゲルマニウム)などがn型不純物として知られている。Mg(マグネシウム)、Zn(亜鉛)などがp型不純物として知られている。
窒化物半導体は、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
非極性または半極性GaN基板は、C面サファイア基板あるいはC面GaN基板上にc軸成長したバルクGaN結晶を、非極性面または半極性面が主表面として現われるようにスライスする方法で得ることが可能である(非特許文献1)。この方法は、積層欠陥密度が低い非極性または半極性GaN基板が得られる点で有利であるものの、大面積基板の製造には適していない。そこで、最近では非極性または半極性GaN基板をシードに用いたホモエピタキシャル成長により、バルクGaN結晶を製造することが検討されている(特許文献4)。
陥は、該結晶で構成される半導体デバイスの特性を悪化させる。
従って、本発明の主たる目的は、その主表面上に積層欠陥密度の低い窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ得る非極性または半極性GaN基板と、その製造に必要な技術を提供することである。
(a1)第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面は非極性面または半極性面であり、該第1主表面内の任意の250μm四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が1×106cm−2以下である、窒化ガリウム基板。
(a2)前記第1主表面における基底面転位密度が1×104cm−2以下である、(a1)に記載の窒化ガリウム基板。
(a3)前記第1主表面における基底面転位密度が10cm−2以下である、(a2)に記載の窒化ガリウム基板。
(a4)前記第1主表面内の任意の250μm四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が1×104cm−2以下である、(a2)または(a3)に記載の窒化ガリウム基板。
(a5)前記第1主表面の面積が1.0cm2以上である、(a1)〜(a4)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(a6)前記第1主表面における積層欠陥密度が10cm−1以下である、(a1)〜(a5)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(a7)前記第1主表面がM面である、(a1)〜(a6)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(a8)前記第1主表面が、スライス加工により形成されたダメージ層を除去することにより露出せしめられた窒化ガリウム結晶の表面である、(a1)〜(a7)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(a9)前記(a1)〜(a8)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板の、前記第1主表面上に、窒化物半導体結晶を成長させる結晶成長工程を有する、窒化物半導体結晶の製造方法。
(a10)前記結晶成長工程では、気相成長法により窒化物半導体結晶を成長させる、(a9)に記載の製造方法。
(a11)前記気相成長法がHVPE法である、(a10)に記載の製造方法。
(a12)前記結晶成長工程ではバルク窒化物半導体結晶を成長させる、(a11)に記載の製造方法。
(a13)前記気相成長法がMOCVD法である、(a10)に記載の製造方法。
(a14)前記結晶成長工程では窒化物半導体結晶薄膜を成長させる、(a13)に記載の製造方法。
(a15)前記結晶成長工程において、前記第1主表面の直上に成長させる窒化物半導体結晶がGaN結晶である、(a9)〜(a14)のいずれかに記載の製造方法。
(b1)第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面がM面であり、キャリア濃度が3×1018cm−3以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が100cm−1以下である、窒化ガリウム基板。
(b2)キャリア濃度が4×1018cm−3以上である、(b1)に記載の窒化ガリウム基板。
(b3)キャリア濃度が5×1018cm−3以上である、(b2)に記載の窒化ガリウム基板。
(b4)酸素濃度が4×1018cm−3以上である、(b1)〜(b3)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(b5)第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面がM面であり、酸素濃度が4×1018cm−3以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が100cm−1以下である、窒化ガリウム基板。
(b6)前記第1主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が5倍未満である、(b4)または(b5)に記載の窒化ガリウム基板。
(b7)前記積層欠陥密度が50cm−1以下である、(b1)〜(b6)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(b8)前記積層欠陥密度が10cm−1以下である、(b7)に記載の窒化ガリウム基板。
(b9)前記第1主表面内の任意の250μm四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が1×106cm−2以下である、(b1)〜(b8)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(b10)前記第1主表面の面積が1.0cm2以上である、(b1)〜(b9)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(b11)当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、当該結晶の<10−10>方向と、がなす角度が0〜10°である、(b1)〜(b10)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板。
(b12)(b1)〜(b11)のいずれかに記載の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程を有する、半導体デバイスの製造方法。
(b13)半導体発光デバイスの製造方法である、(b12)に記載の製造方法。
する。
極性面は、+C面および−C面の総称とする。
+C面とは、その法線ベクトルが[0001]方向となす角度が0〜10°である表面を意味する。
−C面とは、その法線ベクトルが[000−1]方向となす角度が0〜10°である表面を意味する。
GaN単結晶の場合、+C面はGa極性面であり、−C面はN極性面である。
M面とは、その法線ベクトルが<10−10>方向となす角度が0〜10°である表面を意味する。
A面とは、その法線ベクトルが<11−20>方向となす角度が0〜10°である面を意味する。
半極性面は、極性面と非極性面のいずれにも該当しない表面を意味する。半極性面には、その法線ベクトルが、<30−31>方向、<30−3−1>方向、<20−21>方向、<20−1−1>方向、<10−11>方向、<10−1−1>方向、<10−12>方向、<10−1−2>方向、<10−13>方向、<10−1−3>方向、<11−21>方向、<11−2−1>方向、<11−22>方向、<11−2−2>方向、<11−23>方向および<11−2−3>方向から選ばれる方向と平行である表面が含まれるが、限定されるものではない。
図1(a)において、基板1の形状は円板、すなわち円形の主表面を有する板である。図1(b)において、基板1は、矩形の主表面を有する板である。図1(a)および(b)の各例において、基板1は、互いに平行な2つの主表面11と、端面12とを有している。主表面11と端面12との境界を滑らかにするための面取りは、必要に応じて施すことができる。また、図1の各例には設けられていないが、基板には、結晶の方位を表示するオリエンテーション・フラットや、表裏面の識別のためのインデックス・フラットを、必要に応じて設けることができる。
本明細書にいうM面GaN基板は、M面である主表面を有するGaN基板を意味する。従って、M面基板には、主表面の法線がGaN結晶の<1−100>方向となす角度が0°であるジャスト基板が含まれる他、主表面の法線がGaN結晶の<1−100>方向となす角度が10°以下であるオフ角付き基板が含まれる。
本明細書にいうC面GaN基板は、C面である主表面を有するGaN基板を意味する。従って、C面基板には、主表面の法線がGaN結晶の[0001]方向となす角度が0°であるジャスト基板が含まれる他、主表面の法線がGaN結晶の[0001]方向となす角度が10°以下であるオフ角付き基板が含まれる。
C面GaN基板は、GaN結晶が持つ本来的な性質のために、一方の主表面が+C面となり、他方の主表面が−C面となる。
1.非極性または半極性GaN基板
本発明の第1側面によれば、第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面は非極性面または半極性面であり、該第1主表面内の任意の250μm四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が1×106cm−2以下である、非極性
または半極性GaN基板が提供される(実施形態1)。
但し、第1主表面の外縁部に、機械加工に起因する欠陥密度の高いダメージ領域が形成されている場合には、かかるダメージ領域を除外して、第1主表面の基底面転位密度を算出するものとする(以下において第1主表面の基底面転位密度に言及する場合も同様とする)。
基底面転位密度は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定できる他、SEM−CL法(走査型電子顕微鏡とカソードルミネッセンスを組み合わせた方法)、試料表面をエッチングして形成したピットの数をAFMや光学顕微鏡で観察する方法等により、測定することができる。
実施形態1に係る非極性または半極性GaN基板において、第1主表面全体で平均した基底面転位密度は、7×105cm−2以下、さらには5×105cm−2以下、さらには2×105cm−2以下、さらには1×105cm−2以下、さらには1×104cm−2以下、さらには1×103cm−2以下、さらには10cm−2以下、さらには0cm−2であることがより好ましい。
第1主表面全体で平均した基底面転位密度が1×104cm−2以下である場合においては、更に、第1主表面内の任意の250μm四方の領域において、当該領域で平均した基底面転位密度が1×104cm−2以下であることが好ましい。
非極性または半極性GaN基板の積層欠陥密度は、試料を液体窒素で冷却して行う低温カソードルミネッセンス(LTCL)測定により評価することができる。室温でのカソードルミネッセンス測定によっては、積層欠陥密度は評価できない。
実施形態1に係る非極性または半極性GaN基板において、第1主表面の反対側の第2主表面における基底面転位密度は特に限定されない。
実施形態1に係るGaN基板は、ケイ素(Si)を含有してもよく、その濃度は、1×1017cm−3以上、さらには5×1017cm−3以上であってもよい。実施形態1に係るGaN基板のケイ素濃度は、好ましくは1×1019cm−3以下である。
実施形態1に係るGaN基板は、点欠陥を含有していてもよい。
実施形態1に係るGaN基板において、第1主表面の面積は、通常1cm2以上、好ましくは2cm2以上、より好ましくは5cm2以上であり、10cm2以上であってもよい。
実施形態1に係るGaN基板は、限定されるものではないが、次の手順により製造することができる。
(i)C面GaNテンプレートをシードに用いて、HVPE法によりGaN結晶を成長させ、そのGaN結晶を加工してC面GaN基板(一次基板)を作製する。
(ii)一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法によりGaN結晶を成長させ、そのGaN結晶を加工してM面GaN基板(二次基板)を作製する。
(iii)二次基板をシードに用いて、アモノサーマル法によりGaN結晶を成長させ、そのGaN結晶を加工して、非極性または半極性GaN基板(実施形態1に係るGaN基板)を作製する。
各ステップの詳細を以下に説明する。
一次基板用のGaN結晶は、予めGaN層の表面に選択成長用のマスクパターンを形成したC面GaNテンプレートをシードに用いて、HVPE法により成長させる。
C面GaNテンプレートとは、GaNとは異なる化学組成を有する単結晶基板を基材とし、その一方の主表面上にc軸成長した単結晶GaN層を有する、複合基板である。単結晶GaN層の表面は、GaNの+C面である。
C面GaNテンプレートの基材は、サファイア基板、SiC基板、Si基板、Ga2O3基板、AlN基板などである。単結晶GaN層はMOCVD法により形成され、その厚さは例えば0.5〜100μmである。
マスクパターンの好適例はストライプパターン(ライン&スペースパターン)である。ストライプパターンにおけるライン幅(マスク幅)は20μm〜100μm、スペース幅は200μm〜3000μmとすることができる。ストライプの方向は、単結晶GaN層のm軸に平行とする。
図2に示す結晶成長装置2は、成長炉200、成長炉内にガスを導入するための導入管201〜205、金属ガリウムを保持するリザーバー206、成長炉を取り囲むように配置されたヒーター207、シード基板を載置するためのサセプター208、成長炉内からガスを排出するための排気管209を備えている。
成長炉200、導入管201〜205、リザーバー206、排気管209の材質は、好ましくは石英である。サセプター208の材質は好ましくはカーボンであり、特に表面がSiCでコーティングされたものが好ましい。
キャリアガスおよびシールドガスとして好ましく使用されるのは水素ガス(H2)および窒素ガス(N2)である。
成長炉200内でGaClとNH3が反応して生じるGaNが、シード基板上にエピタキシャル成長する。
結晶成長時の成長炉内圧力は、好ましくは50〜120kPaの範囲内で適宜調節することができる。
シード基板上で均一に結晶が成長するように、サセプター208は回転させることが好ましい。回転速度は例えば1〜50rpmとすることができる。
ここでいうガス分圧は、成長炉内の圧力(P)に対して、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占める当該ガスの体積流量の比率(r)を乗じた値(P×r)をいうものとする。以下においてHVPE法における成長炉内のガス分圧に言及する場合も同様とする。
二次基板用のGaN結晶は、一次基板(C面GaN基板)をシードに用いて、アモノサーマル法により成長させる。成長工程に先立ち、一次基板の−C面(N極性面)には選択成長用のマスクパターンを形成する。
マスクパターンには、GaNのa軸に平行な、幅100μm程度のライン形の開口部を設ける。マスクは、アモノサーマル法によるGaN結晶の成長中に溶解または分解しない金属、例えば、Al、W、Mo、Ti、Pt、Ir、Ag、Au、Ta、Ru、Nb、Pd、やそれらの合金で形成する。
溶媒に用いるアンモニアが含有する水、酸素等の不純物の量は、好ましくは10ppm以下、より好ましくは0.1ppm以下である。
鉱化剤には、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化水素のような、ハロゲン元素を含むものを好ましく用いることができる。鉱化剤の純度は、好ましくは99%以上、より好ましくは99.99%以上である。
図3に示す結晶成長装置3において、結晶成長は筒形のオートクレーブ301中に装填される筒形の成長容器320中で行われる。成長容器320は、バッフル305で相互に区画された結晶成長領域306および原料溶解領域309を内部に有する。結晶成長領域306には、白金ワイヤー304で吊された種結晶307が設置されている。原料溶解領域309には原料308が装填されている。
真空ポンプ311、アンモニアボンベ312および窒素ボンベ313が接続されたガスラインがバルブ310を介してオートクレーブ301と接続されている。成長容器320にアンモニアを充填する際には、マスフローメーター314を用いてアンモニアボンベ312から供給されるアンモニアの量を確認することができる。
結晶成長中における成長容器320内の圧力は、通常120MPa以上、好ましくは150MPa以上、より好ましくは180MPa以上であり、また、通常700MPa以下、好ましくは500MPa以下、より好ましくは350MPa以下であり、300MPa以下であってもよい。
結晶成長中における成長容器320内の温度は、通常500℃以上、好ましくは515℃以上、より好ましくは530℃以上であり、また、通常700℃以下、好ましくは650℃以下、より好ましくは630℃以下である。
原料溶解領域309は、結晶成長領域306よりも高温とする。原料溶解領域と結晶成長領域の温度差は、好ましくは5℃以上、より好ましくは10℃以上であり、また、好ましくは100℃以下、より好ましくは80℃以下である。
このGaN結晶から二次基板(M面GaN基板)を切り出す。次のステップでエピタキシャル成長に用いる主表面は、ラッピングと、それに続くCMPによって平坦化する。スライス加工およびラッピングにより導入されるダメージ層を、CMPによって完全に取り除くために、同じ条件でスライス加工およびラッピングしたGaN結晶の断面SEM−CL観察を行って、除去すべきダメージ層のおよその厚さを予め調べておき、その厚さを考慮してCMP量を設定する。
二次基板(M面GaN基板)をシードに用いて、アモノサーマル法によりGaN結晶を成長させる。
アモノサーマル法を用いる場合に好ましく使用し得る原料、溶媒および鉱化剤は、二次基板用のGaN結晶を成長させる場合と同様である。使用し得る結晶成長装置や、結晶成長時の好ましい条件も、二次基板用のGaN結晶を成長させる場合と同様である。
二次基板上に成長したGaN結晶から、実施形態1に係る非極性または半極性GaN基板を切り出す。二次基板の主表面に平行にスライスすれば、M面GaN基板が得られる。他の方向にスライスすれば、M面以外の非極性面や様々な半極性面を主表面として有するGaN基板を得ることができる。
スライス後、少なくとも一方の主表面を、ラッピングと、それに続くCMPによって平坦化する。スライス加工およびラッピングにより導入されるダメージ層を、CMPによって完全に取り除くために、同じ条件でスライス加工およびラッピングしたGaN結晶の断面SEM−CL観察を行って、除去すべきダメージ層のおよその厚さを予め調べておき、その厚さを考慮してCMP量を設定する。
実施形態1に係るGaN基板の、低い基底面転位密度を有する第1主表面上には、エピタキシャル成長によって、積層欠陥の少ない高品質な窒化物半導体結晶を形成することができる。
実施形態1に係る非極性または半極性GaN基板と、該基板の第1主表面の直上に成長する窒化物半導体層とは、下記式(1)で表される格子不整合度の条件を充たすことが好ましい。
2|a1−a2|/[a1+a2]≦1×10−3 ・・・式(1)
上記式(1)において、a1およびa2は、それぞれ、GaNと該窒化物半導体層の、第1主表面に平行な結晶軸の格子定数を表している。
該格子不整合度は、5×10−4以下であることがより好ましく、1×10−4以下であることがさらに好ましく1×10−5以下であることが特に好ましい。
実施形態1に係るGaN基板の第1主表面上に、バルクGaN結晶をエピタキシャル成長させることもできる。すなわち、実施形態1に係るGaN基板は、バルクGaN結晶を成長させるためのシードとして用いることができる。
1.M面GaN基板
本発明の第2側面によれば、第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面がM面であり、キャリア濃度が3×1018cm−3以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が100cm−1以下である、M面GaN基板が提供される(実施形態2a)。
本発明の第2側面によれば、更に、第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面がM面であり、n型不純物濃度が4×1018cm−3以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が100cm−1以下であるM面GaN基板が提供される(実施形態2b)。
以下では、実施形態2aおよび2bを総称して実施形態2という場合がある。
上記実施形態2において、第1主表面における積層欠陥密度とは、第1主表面全体で平均した積層欠陥密度を意味している。但し、第1主表面の外縁部に、機械加工に起因する欠陥密度の高いダメージ領域が形成されている場合には、かかるダメージ領域を除外して、第1主表面の積層欠陥密度を算出するものとする(以下において第1主表面の積層欠陥密度に言及する場合も同様とする)。
実施形態2に係るM面GaN基板のキャリア濃度に特に上限はないが、1×1019cm−3を超えると電極との接触抵抗の低減効果は飽和する傾向がある。例えば発光デバイス用途においては、5×1019cm−3を超えるキャリア濃度がGaN基板に要求されることは稀である。
不純物に酸素を用いて3×1018cm−3以上のキャリア濃度を得るには、酸素の濃度を4×1018cm−3以上とすることが望ましい。
GaN基板中の不純物濃度はSIMS(二次イオン質量分析)により測定することができる。また、キャリア濃度はラマン分光により測定することができる。
第1主表面における積層欠陥密度は、好ましくは50cm−1以下であり、より好ましくは10cm−1以下である。
M面GaN基板の積層欠陥密度は、試料を液体窒素で冷却して行う低温カソードルミネッセンス(LTCL)測定により評価することができる。室温でのカソードルミネッセンス測定によっては、積層欠陥密度を評価することはできない。
実施形態2に係るM面GaN基板は、前述の実施形態1に係るM面GaN基板をシードに用いて、HVPE法で成長させたGaN結晶から製造することができる。
M面GaN基板をシードに用いてGaN結晶を成長させたとき、その成長方向は、該基板の主表面(M面)に垂直な方向となる。ここで、成長方向とは、基板の主表面上に成長するGaN結晶層の厚さ方向のことである。
成長中の結晶表面が鏡面となる条件を採用することにより、酸素で均一にドープされたGaN結晶を得ることができる。かかる条件では、成長中の結晶の表面をM面が占めるからである。かかる条件で成長させたGaN結晶から切り出したM面GaN基板では、主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が5倍未満となる。
一例では、複数枚のシード基板をサセプター上にタイルのように並べ、その複数枚のシード基板上にひとつの連続したGaN結晶層を成長させることもできる。
M面GaN基板の主表面上にGaN結晶をホモエピタキシャル成長させる場合、該主表面のオフ角を大きくする程、積層欠陥は発生し難くなる。従って、シード基板の主表面のオフ角は2°以上とすることが好ましく、5°以上とすることがより好ましい。
HVPE法によるGaN結晶の成長は、前述の図2に概念図を示す結晶成長装置を用いて行うことができる。
特に、以下に説明する(a)昇温ステップ、(b)初期成長ステップ、及び(c)主成長ステップをこの順に含む二段階成長法を行うことにより、積層欠陥密度の低減されたGaN結晶を得ることができる。
昇温ステップでは、シード基板にGaClを供給することなく、基板温度を室温からT1まで上昇させる。T1は好ましくは830℃以上、870℃以下である。昇温レートは、好ましくは12℃/min以上、30℃/min以下である。昇温レートは昇温ステップの全期間にわたって一定としてもよいし、途中で変更してもよい。
昇温ステップにおいて成長炉内に導入することのできる雰囲気ガスは、H2、NH3、N2等であり、少なくともNH3とN2の両方を導入することが好ましい。成長炉内に導入するNH3の体積流量は、成長炉内に導入する全てのガスの体積流量の総和の15%以上とすることが好ましい。
初期成長ステップでは、シード基板にGaClおよびNH3を供給してGaN結晶を成長させながら、基板温度をT1からT2まで上昇させる。T2は好ましくは940℃以上、1050℃以下である。昇温レートは、好ましくは11℃/min以上、24℃/min以下である。
初期成長ステップにおける成長炉内圧力を1.0×105Paとした場合、GaCl分圧は好ましくは2.0×102Pa以上、5.0×102Pa以下であり、NH3分圧は好ましくは8.0×103Pa以上、1.2×104Pa以下である。
初期成長ステップでは、成長炉内に導入する全てのガスのうち体積流量にして70%以
上、更には90%以上を、N2が占めるようにすることが好ましい。その他のガスとして、初期成長ステップでは成長炉内にH2を導入することができる。
主成長ステップでは、基板温度をT2に保ちながらシード基板上にGaClおよびNH3を供給して、GaN結晶を厚膜に成長させる。主成長ステップにおける成長炉内圧力は、好ましくは50kPa以上、120kPa以下である。
主成長ステップにおける成長炉内圧力を1.0×105Paとした場合、GaCl分圧は好ましくは2.0×102Pa以上、5.0×102Pa以下であり、NH3分圧は好ましくは8.0×103Pa以上、1.5×104Pa以下である。
主成長ステップでは、成長炉内に導入する全てのガスのうち体積流量にして70%以上、更には90%以上を、N2が占めるようにすることが好ましい。その他のガスとして、主成長ステップでは成長炉内にH2を導入することができる。
図5の例では昇温ステップから初期成長ステップにかけて昇温レートが一定である。図6の例では、昇温ステップと初期成長ステップの間に、基板温度を一定に保持する温度保持ステップを設けている。温度保持ステップの期間は適宜設定することができ、例えば、1分以上60分以下である。
図7の例では、初期成長ステップの前半と後半で昇温レートを変えている。この例では昇温レートの変更を不連続的に行っているが、徐々に変更することもできる。
酸素ドープ用のドーピングガスとしては、酸素ガス(O2)または水(H2O)を、ケイ素ドープ用のドーピングガスとしてはシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、クロロシラン(SiH3Cl)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)、テトラクロロシラン(SiCl4)、テトラフロロシラン(SiF4)などを、好ましく用いることができる。
2)上記1)において、成長炉とライナー管の間にシールドガスとして高純度の窒素ガスを流すことにより、成長炉から発生する酸素含有ガスがシード基板に接触することを更に効果的に抑制できる。
3)シード基板を載置するサセプターに局所加熱機構を設け、その局所加熱機構とヒーターを併用してシード基板を加熱する。そうすれば、シード基板を所定温度に加熱するために必要なヒーター出力を下げられるので、シード基板とともにヒーターで加熱されていた成長炉、導入管、リザーバー等の石英部材の温度を下げることができ、ひいてはこれらの石英部材からの酸素含有ガスの発生量を抑えることができる。
4)遮熱板等の手段を用いてヒーターの熱がリザーバーに伝わり難くすることで、リザーバーの温度を下げることができ、ひいては、リザーバーからの酸素含有ガスの発生量を抑
えることができる。
以上の手順により、目的とするM面GaN基板を得ることができる。
3.1 半導体発光デバイス
実施形態2に係るGaN基板は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)などの半導体発光デバイスの製造に好ましく用いることができる。
実施形態2に係るGaN基板を用いて製造し得る半導体発光デバイスの構造例を図8に示す。図8は断面図であり、半導体発光デバイス40Aは、GaN基板41の主表面上にMOVPE法(有機金属化合物気相成長法)で成長された半導体積層体Lを有している。半導体積層体LはGaN基板41側から順にn型層42、発光層43、p型層44を含んでいる。n型層42は、例えば、GaNまたはAlGaNで形成され、Siでドープされる。発光層43は、例えば、Inx1Ga1−x1N井戸層とInx2Ga1−x2N(0≦x2<x1)障壁層を交互に積層することにより形成される。p型層44は、例えば、GaNまたはAlGaNで形成され、Mgでドープされる。
p型層44の上面には正電極45が形成されている。積層体の部分的なエッチングにより露出したn型層の表面には、負電極46が形成されている。
また、GaN基板41のn型キャリア濃度を高めることにより、その電気抵抗が低くなり、n型層42とともに電流の経路として働くようになるために、半導体発光デバイス40Aの動作電圧が低減される。
図9に示す、負電極46をGaN基板41の裏面上に有する半導体発光デバイス40Bでは、GaN基板41のキャリア濃度を高めることによる動作電圧の低減効果がより顕著となる。なぜなら、GaN基板41の電気抵抗の低下によるデバイスの直列抵抗の低下に加えて、GaN基板41のキャリア濃度の増加によって負電極46とGaN基板41の間の接触抵抗が低くなるからである。
実施形態2に係るGaN基板を用いて、GaN層接合基板を製造することができる。
GaN層接合基板とは、図10に模式的に示すように、GaNとは化学組成が異なる異組成基板にGaN層が接合している複合基板であり、発光デバイスその他の半導体デバイスの製造に使用することができる。
GaN層接合基板は、典型的には、GaN基板の主表面近傍にイオンを注入する第1ステップと、そのGaN基板の主表面側を異組成基板に接合する第2ステップと、イオン注入された領域を境としてGaN基板を分離することによって、異組成基板に接合したGaN層を形成する第3ステップを、この順に実行することによって製造することができる。
従って、実施形態2に係るGaN基板を用いて製造されるGaN層接合基板は、該実施形態2に係るGaN基板から分離されたGaN層が、異組成基板に接合された構造を有することになる。
GaN層接合基板の構造、製造方法および用途については、特開2006−210660号公報、特開2011−44665号公報等を参照することができる。
実施形態2に係るM面GaN基板は、発光デバイスだけでなく、各種の半導体デバイスを製造するための基板として用いることができる。例えば、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、SAW(Surface Acoustic Wave)デバイス、振動子、共振子、発振器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)部品、電圧アクチュエータなどである。
1.実験1
(1)一次基板(C面GaN基板)の準備
主表面にマスクパターンを形成したC面GaNテンプレート上にHVPE法で成長させたGaN結晶から切り出した、CMP仕上げされた−C面(N極性面)を有する、C面GaN基板を準備した。
準備した一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法でGaN結晶を成長させた。具体的な手順は次の通りである。
(i)原料として、NH3とGaClを気相反応させて製造した多結晶GaNを準備した。また、鉱化剤としてフッ化アンモニウム(NH4F)およびヨウ化水素(HI)を準備した。
シードに用いる一次基板の−C面上には、幅100μmのライン形開口部を有するマスクパターンをTiW合金で形成した。開口部の長手方向はGaNのa軸に平行とした。
HIの導入後、ガスラインを切り換えて、NH3を成長容器内に導入した。NH3の量は、−33℃の液体NH3の体積に換算して、成長容器の有効容積の約55%とした。
成長容器から取り出した一次基板の−C面上では、マスクパターンの開口部から、c軸方向の寸法が7mmでm軸方向を厚さ方向とする板状のGaN結晶が成長していた。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、35mm(長さ)×7mm(幅)×330μm(厚さ)のM面基板(二次基板)を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
上記手順にて作製した二次基板(M面GaN基板)をシードとして、アモノサーマル法によりGaN結晶を成長させた。
シードが異なること、NH3に対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ0.5%および1.5%となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を20日間としたことを除いて、二次基板用のGaN結晶を成長させたときと同様の手順で三次基板用のGaN結晶を成長させた。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、17mm(長さ)×8mm(幅)×330μm(厚さ)のオフ角付きM面基板(三次基板)を切り出した。オフ角は[0001]方向に−2°とし、[−12−10]方向は±0.1°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板のSIMS分析を行ったところ、水素濃度が1.4×1019cm−3、酸素濃度が8.7×1018cm−3、フッ素濃度が7×1017cm−3であった。また、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)による分析では、基底面転位は検出されなかった。低温カソードルミネッセンス法(10kV、4nA、200倍視野、試料温度82K)による分析では、この基板の積層欠陥密度は0cm−1であった。
これらの測定において、1視野当りの観察領域は、1000倍視野では90μm×120μm、200倍視野では600μm×400μmであった。
上記手順にて作製した三次基板(M面GaN基板)をシード基板に用いて、HVPE法によりGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はN2およびNH3のみをシード基板に供給しながら、基板温度を850℃まで上昇させ(昇温ステップ)、この温度で15分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した800℃に加熱されたリザーバーに対し、N2で希釈したHClを供給することによって、シード基板へのGaClの供給を開始するとともに、21℃/分のレートで基板温度を上昇させた(初期成長ステップ)。
基板温度が950℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつGaClとNH3をシード基板に供給してGaN結晶を20時間成長させた(主成長ステップ)。
成長したGaN結晶は三次基板の主表面を膜状に覆っており、その厚さは約0.8mmであった。
また、アズグロンのGaN結晶膜を低温カソードルミネッセンス法(加速電圧5kV、電流500pA、200倍視野、試料温度82K)で分析した結果、積層欠陥は検知されなかった。
また、アズグロンのGaN結晶膜の、SIMS分析により測定した酸素濃度は4.0×1018cm−3であり、ラマン分光法により測定した主表面近傍のキャリア濃度は2.5×1018cm−3であった。
この酸素濃度値は、シードに用いた三次基板の酸素濃度(8.7×1018cm−3)よりも低く、その差は4.7×1018cm−3であった。
GaN結晶膜に含まれる酸素は、原料中に混入していたH2O等の酸素化合物、あるいは、気相成長装置を構成する石英製部材に由来するものと考えられた。
(1)一次基板(C面GaN基板)の作製
C面サファイア基板上に単結晶GaN層を成長させてなるC面GaNテンプレートを準備し、そのGaN層の表面上に、厚さ80nmの窒化ケイ素膜でマスクパターンを形成した。窒化ケイ素膜の形成にはプラズマCVD法を用い、パターニングにはフォトリソグラフィおよびドライエッチングの技法を用いた。
マスクパターンは、ライン幅(マスク幅)が50μmでスペース幅が800μmの、850μmピッチのストライプパターン(ライン&スペースパターン)とし、ストライプの方向は単結晶GaN層のm軸に平行とした。
こうして成長させたGaN結晶から、厚さ330μmのC面基板(一次基板)を切り出した。−C面にはラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
上記手順にて作製したC面GaN基板の−C面に、GaNのa軸に平行な幅100μmのライン形開口部を有するマスクパターンをTiW合金で形成したものをシードに用いて、アモノサーマル法でGaN結晶を成長させた。
アモノサーマル法によるGaN結晶の成長、および、そのGaN結晶からの三次基板(M面基板)の作製は、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ0.5%および0.75%となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を43日間に変更したことを除いて、上記実験1の(2)に記載の方法と同様にして行った
。
成長させたGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、27mm(長さ)×10mm(幅)×470μm(厚さ)のM面基板(二次基板)を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
上記手順にて作成したM面GaN基板をシードに用いて、アモノサーマル法でGaN結晶を成長させた。異なる種結晶を用いたことと、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ0.5%および1.5%となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、結晶成長時間を16日間としたことを除いて、二次基板用のGaN結晶を成長させたときと同様の手順で三次基板用のGaN結晶を成長させた。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、27mm(長さ)×7mm(幅)×330μm(厚さ)のオフ角付きM面基板(三次基板)を切り出した。オフ角は[0001]方向に−2°とし、[−12−10]方向は±0.1°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板のSIMS分析を行ったところ、酸素濃度が2.3×1018cm−3であった。また、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)による分析では、基底面転位は検出されなかった。低温カソードルミネッセンス法(10kV、4nA、200倍視野、試料温度82K)による分析では、この基板の積層欠陥密度は0cm−1であった。
上記手順にて作製した三次基板(M面GaN基板)をシード基板に用いて、HVPE法によりGaN結晶を成長させた。
この例では、2枚のシード基板を、図11に断面図を示すように、一方のC面と他方の−C面とが突き当たるようにサセプター上に並べて載置した。サセプターを上方から見たときの各シード基板のa軸同士がなす角度は0.5°以内となるようにした。
GaN結晶の成長には前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内にシード基板を載置した後、最初はN2およびNH3のみをシード基板に供給しながら、基板温度を850℃まで上昇させ(昇温ステップ)、この温度で15分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した800℃に加熱されたリザーバーに対し、N2で希釈したHClを供給することによって、シード基板へのGaClの供給を開始するとともに、21℃/分のレートで基板温度を上昇させた(初期成長ステップ)。
基板温度が950℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつGaClとNH3をシード基板に供給してGaN結晶を72時間成長させた(主成長ステップ)。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は1.0×105Pa、GaCl分圧は3.8×102Pa、アンモニア分圧は1.2×104Paとなるように制御した。キャリアガスにはN2およびH2を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるN2の比率を48%とした。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、25.5mm(長さ)×12.5mm(幅)×354μm(厚さ)のオフ角付きM面基板を切り出した。オフ角は[0001]方向に−5°とし、[−12−10]方向は±0
.1°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板のラマン分光法で測定した主表面近傍のキャリア濃度は5.8×1018〜1.3×1019cm−3であった。
キャリアの由来は、気相成長時にGaN結晶中に取り込まれた酸素と考えられた。
(1)M面GaN基板の作製 サファイア基板上に有機金属化学堆積(MOCVD)法により単結晶GaN層を成長させてなる、C面GaNテンプレートを準備した。
そのC面GaNテンプレートのGaN層上に、厚さ80nmの窒化ケイ素膜からなり、ドットパターンと三角格子パターンとを重ね合せたパターンを呈する、選択成長用のマスクパターンを形成した。
上記重ね合せパターンに含まれるドットパターンは、一辺800μmの正方形を単位格子とする正方格子の各格子位置に、正六角形のドットを配置したパターンとした。正方格子は、単位格子である正方形の2辺がGaN層のa軸に平行、他の2辺がGaN層のm軸に平行となるように配向させた。各ドットは、正六角形の各辺がGaN層のm軸と平行になるように配置した。各ドットのサイズは、正六角形の平行な2辺の間の距離が100μm、すなわち、正六角形の一辺の長さが57.7μmとなるように定めた。
上記重ね合せパターンに含まれる三角格子パターンは、ライン幅Wを2μm、隣接する格子点同士を結んで得られる正三角形の高さを20μmとした。従って、格子ピッチ(隣接する2つの格子点間の距離)Pは23.1μmとなった。三角格子パターンは、三角格子を構成するラインの各々が、GaN層のa軸に平行となるように配向させた。
ファセット成長モードが発生することにより、成長するGaN結晶は酸素でドープされた。酸素は、原料中に混入していたH2O等の酸素化合物、あるいは、気相成長装置を構成する石英製部材に由来するものと考えられた。
アズグロンGaN結晶の厚さは9.9mmで、その表面は凹凸を有しており、ファセット成長が維持されたことを示していた。
X線回折分析により調べたアズグロン結晶の(0001)面の曲率半径は、a軸方向が59m、m軸方向が13mであった。
このM面GaN基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)で評価したところ、8.0×105cm−2であった。
上記(1)で作製したM面GaN基板をシード基板に用いて、HVPE法によりGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はN2およびNH3のみをシード基板に供給しながら、基板温度を850℃まで上昇させ(昇温ステップ)、この温度で15分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した800℃に加熱されたリザーバーに対し、N2で希釈したHClを供給することによって、シード基板へのGaClの供給を開始するとともに、21℃/分のレートで基板温度を上昇させた(初期成長ステップ)。
基板温度が950℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつGaClとNH3をシード基板に供給してGaN結晶を50時間成長させた(主成長ステップ)。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は1.0×105Pa、GaCl分圧は4.1×102Pa、アンモニア分圧は1.3×104Paとなるように制御した。キャリアガスにはN2およびH2を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるN2の比率を48%とした。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有するオフ角付きM面基板を複数枚切り出した。オフ角は[0001]方向に−5°とし、[−12−10]方向は±0.1°以内となるようにした。
作製した複数のM面GaN基板の1枚について、主表面(成長厚さ約2mmの部分に相当)における積層欠陥密度を低温カソードルミネッセンス法(加速電圧7kV、電流2nA、300倍視野、試料温度82K)で評価したところ、27cm−1であった。
(1)一次基板(C面GaN基板)の作製
成長炉内のGaCl分圧を1.4×103Pa、NH3分圧を1.1×104Paとしたこと以外は、前記実験3.(1)と同様にして、選択成長用のマスクパターンを設けたC面GaNテンプレート上にHVPE法でGaN結晶を成長させた。
アズグロンGaN結晶の厚さは10.1mmで、その表面は凹凸を有しており、ファセット成長が維持されたことを示していた。
X線回折分析により調べたアズグロン結晶の(0001)面の曲率半径は、a軸方向が22m、m軸方向が191mであった。
このGaN結晶から、直径70mmのC面基板を切り出した。+C面にはラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
上記(1)で作製したC面GaN基板の+C面上に、HVPE法によりGaN結晶を成長させた。成長温度を最初の1時間40分は1065℃とし、その後、1005℃まで下げた。成長圧力は1.0×105Pa、GaCl分圧は6.3×102Pa、NH3分圧は7.4×103Paとした。成長時間はトータルで20時間とした。
アズグロンGaN結晶の厚さは3.0mmで、その表面は鏡面(C面)であった。
このGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、30mm(長さ)×2.5mm(幅)×330μm(厚さ)のオフ角付きM面基板を切り出した。オフ角は[0001]方向に−5°とし、[−12−10]方向は±0.1°以内となるようにした。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス
法(3kV、100pA、1000倍視野)で評価したところ、1.0×104cm−2以下であった。
上記(2)で作製した二次基板をシード基板に用いて、HVPE法でGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内に設置されたサセプター上に、シード基板を一方の主表面が上向きとなるように載置した後、最初はN2およびNH3のみをシード基板に供給しながら、基板温度を850℃まで上昇させ(昇温ステップ)、この温度で15分間保持した。
次いで、金属ガリウムを保持した800℃に加熱されたリザーバーに対し、N2で希釈したHClを供給することによって、シード基板へのGaClの供給を開始するとともに、21℃/分のレートで基板温度を上昇させた(初期成長ステップ)。
基板温度が950℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつGaClとNH3をシード基板に供給してGaN結晶を15時間成長させた(主成長ステップ)。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は1.0×105Pa、GaCl分圧は4.1×102Pa、アンモニア分圧は1.3×104Paとなるように制御した。キャリアガスにはN2およびH2を用い、成長炉内に供給される全てのガスの体積流量の総和に占めるN2の比率を48%とした。
アズグロンGaN結晶の積層欠陥密度を、低温カソードルミネッセンス法(7kV、2nA、300倍視野、試料温度82K)で評価したところ0cm−1であった。
(1)M面GaN基板の作製 サファイア基板上にMOCVD法によりノンドープGaN層をエピタキシャル成長させてなる、C面GaNテンプレートを準備した。次いで、そのGaN層の表面上に窒化ケイ素膜で選択成長用のマスクパターンを形成した。
マスクパターンは、ライン幅(マスク幅)が50μmでスペース幅が800μmの、850μmピッチのストライプパターン(ライン&スペースパターン)とし、ストライプの方向はGaN層のm軸に平行とした。
マスクパターンを設けた上記C面GaNテンプレート上に、更にMOCVD法でアンドープGaN層を横方向エピタキシャル成長させて、シード基板を得た。このシード基板上に、HVPE法でGaN結晶を成長させた。成長温度は1010℃、成長圧力は1.0×105Pa、GaCl分圧は6.6×102Pa、NH3分圧は7.6×103Paとした。成長時間は64時間とした。
このM面GaN基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)で評価したところ、5×106cm−2であった。
上記(1)で作製したM面GaN基板をシード基板に用いて、HVPE法によりGaN結晶を成長させた。
GaN結晶の成長にあたっては、前述の二段階成長法を用いた。すなわち、成長炉内のサセプター上にシード基板を載置した後、最初はN2およびNH3のみをシード基板に供給しながら、基板温度を850℃まで上昇させ、この温度で15分間保持した。次いで、金属ガリウムを保持した800℃に加熱されたリザーバーに対し、N2で希釈したHClを供給することによって、シード基板へのGaClの供給を開始するとともに、21℃/分のレートで基板温度を上昇させた。基板温度が950℃に達した後は、基板温度を一定に保持しつつGaClとNH3をシード基板に供給してGaN結晶を30時間成長させた。
昇温ステップの開始から主成長ステップの終了までの間、成長炉内の圧力は1.0×105Paとし、GaCl分圧は3.5×102Pa、NH3分圧は1.1×104Paとした。
アズグロンGaN結晶の基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)にて評価したところ、1.5×106cm−2であった。
また、アズグロンGaN結晶の積層欠陥密度を低温カソードルミネッセンス法(5kV、500pA、200倍視野、試料温度82K)にて評価したところ、1.5×102cm−1であった。
(1)M面GaN基板の作製
上記実験5の(1)と同様の方法でC面GaNテンプレート上に成長させたGaN結晶から、長辺がa軸に平行で短辺がc軸に平行な長方形の主表面を有する、20mm(長さ)×10mm(幅)×330μm(厚さ)のM面ジャスト基板(オフ角を設けないM面基板)を切り出した。両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板の主表面における基底面転位密度を、常温カソードルミネッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)で評価したところ、5×106cm−2であった。
上記(1)で作製したM面GaN基板をシードに用いて、アモノサーマル法でGaN結晶を成長させた。
アモノサーマル法の条件は、アンモニアに対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比がそれぞれ0.2%および1.5l%となるように鉱化剤の仕込み量を変えたことと、育成日数を9.1日とした他は、上記実験1の(2)で用いた条件と同様とした。
アズグロンGaN結晶のサイズは、11mm(c軸方向)×20mm(a軸方向)×1.8mm(m軸方向)であった。
このGaN結晶から、複数枚のM面基板を切り出した。切り出した基板の両方の主表面にラッピングおよびCMP処理を行って、スライシングにより形成されたダメージ層を完全に除去した。
このM面GaN基板の主表面における積層欠陥密度を、低温カソードルミネッセンス法(5kV、500pA、200倍視野、試料温度82K)にて測定したところ、1.5×102cm−1であった。
11 主表面
12 端面
2 結晶成長装置
200 成長炉
201〜205 導入管
206 リザーバー
207 ヒーター
208 サセプター
209 排気管
3 結晶成長装置
301 オートクレーブ
304 白金ワイヤー
305 バッフル
306 結晶成長領域
307 種結晶
308 原料
309 原料溶解領域
310 バルブ
311 真空ポンプ
312 アンモニアボンベ
313 窒素ボンベ
314 マスフローメーター
320 成長容器
40A 半導体発光デバイス
40B 半導体発光デバイス
41 GaN基板
42 n型層
43 発光層
44 p型層
45 正電極
46 負電極
Claims (15)
- 第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面の法線ベクトルが<10−10>方向となす角度が0〜10°であり、n型キャリア濃度が3×1018cm−3 以上、酸素濃度が4×10 18 cm −3 以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が50cm−1以下である、窒化ガリウム基板。
- 前記積層欠陥密度が10cm−1以下である、請求項1に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記n型キャリア濃度が4×1018cm−3 以上である、請求項1または2に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記n型キャリア濃度が5×1018cm−3 以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記第1主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が5倍未満である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
- 当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、該結晶の<10−10>方向と、がなす角度が0〜10°である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
- 第1主表面およびその反対側の第2主表面を有し、該第1主表面の法線ベクトルが<10−10>方向となす角度が0〜10°であり、酸素濃度が4×1018cm−3 以上、かつ、該第1主表面における積層欠陥密度が50cm−1以下である、窒化ガリウム基板。
- 前記積層欠陥密度が10cm−1以下である、請求項7に記載の窒化ガリウム基板。
- 前記第1主表面に平行な面内における酸素濃度の変動が5倍未満である、請求項7または8に記載の窒化ガリウム基板。
- n型キャリア濃度が4×1018cm−3 以上である、請求項7〜9のいずれか一項に記
載の窒化ガリウム基板。 - n型キャリア濃度が5×1018cm−3 以上である、請求項7〜10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
- 当該基板を構成する窒化ガリウム結晶の成長方向と、該結晶の<10−10>方向と、がなす角度が0〜10°である、請求項7〜11のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程を有する、半導体デバイスの製造方法。
- 半導体発光デバイスの製造方法である請求項13に記載の製造方法。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板の主表面近傍にイオンを注入する第1ステップと、
その窒化ガリウム基板の主表面側を異組成基板に接合する第2ステップと、
イオン注入された領域を境として窒化ガリウム基板を分離することによって、異組成基板に接合したGaN層を形成する第3ステップと、
を含む、窒化ガリウム層接合基板の製造方法。
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012275035 | 2012-12-17 | ||
JP2012275035 | 2012-12-17 | ||
JP2013072629 | 2013-03-29 | ||
JP2013072629 | 2013-03-29 | ||
JP2013114619 | 2013-05-30 | ||
JP2013114619 | 2013-05-30 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014553086A Division JP6137197B2 (ja) | 2012-12-17 | 2013-12-10 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019019494A Division JP6835113B2 (ja) | 2012-12-17 | 2019-02-06 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018087120A JP2018087120A (ja) | 2018-06-07 |
JP6481706B2 true JP6481706B2 (ja) | 2019-03-13 |
Family
ID=50978266
Family Applications (3)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014553086A Active JP6137197B2 (ja) | 2012-12-17 | 2013-12-10 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
JP2017080453A Active JP6481706B2 (ja) | 2012-12-17 | 2017-04-14 | 窒化ガリウム基板、半導体デバイスの製造方法、および、窒化ガリウム層接合基板の製造方法 |
JP2019019494A Active JP6835113B2 (ja) | 2012-12-17 | 2019-02-06 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014553086A Active JP6137197B2 (ja) | 2012-12-17 | 2013-12-10 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019019494A Active JP6835113B2 (ja) | 2012-12-17 | 2019-02-06 | 窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (3) | US9673046B2 (ja) |
JP (3) | JP6137197B2 (ja) |
TW (1) | TWI598478B (ja) |
WO (1) | WO2014097931A1 (ja) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014129544A1 (ja) | 2013-02-22 | 2014-08-28 | 三菱化学株式会社 | 周期表第13族金属窒化物結晶およびその製造方法 |
WO2016136552A1 (ja) * | 2015-02-23 | 2016-09-01 | 三菱化学株式会社 | C面GaN基板 |
CN108779580B (zh) | 2016-03-15 | 2021-11-16 | 三菱化学株式会社 | GaN结晶的制造方法 |
JP6831276B2 (ja) * | 2017-03-17 | 2021-02-17 | 古河機械金属株式会社 | Iii族窒化物半導体基板 |
US10892159B2 (en) | 2017-11-20 | 2021-01-12 | Saphlux, Inc. | Semipolar or nonpolar group III-nitride substrates |
JP6913626B2 (ja) * | 2017-12-25 | 2021-08-04 | 株式会社サイオクス | 半導体積層物 |
US11195973B1 (en) * | 2019-05-17 | 2021-12-07 | Facebook Technologies, Llc | III-nitride micro-LEDs on semi-polar oriented GaN |
JP7339019B2 (ja) * | 2019-05-20 | 2023-09-05 | 住友化学株式会社 | 窒化物半導体基板の製造方法 |
US11175447B1 (en) | 2019-08-13 | 2021-11-16 | Facebook Technologies, Llc | Waveguide in-coupling using polarized light emitting diodes |
JP7500293B2 (ja) * | 2020-06-12 | 2024-06-17 | パナソニックホールディングス株式会社 | Iii族窒化物結晶、iii族窒化物基板、及びiii族窒化物結晶の製造方法 |
KR102546042B1 (ko) * | 2021-12-22 | 2023-06-22 | 주식회사루미지엔테크 | HVPE법에 따른 Ga2O3 결정막 증착방법, 증착장치 및 이를 사용한 Ga2O3 결정막 증착 기판 |
WO2023233910A1 (ja) * | 2022-05-30 | 2023-12-07 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 半導体装置、その用途、およびその製造方法 |
WO2024181347A1 (ja) * | 2023-02-28 | 2024-09-06 | 三菱ケミカル株式会社 | 窒化ガリウム基板及び窒化ガリウムバルク結晶 |
Family Cites Families (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100344004C (zh) | 1997-10-30 | 2007-10-17 | 住友电气工业株式会社 | GaN单晶衬底及其制造方法 |
JP3968968B2 (ja) | 2000-07-10 | 2007-08-29 | 住友電気工業株式会社 | 単結晶GaN基板の製造方法 |
PL207400B1 (pl) | 2001-06-06 | 2010-12-31 | Ammono Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością | Sposób i urządzenie do otrzymywania objętościowego monokryształu azotku zawierającego gal |
TWI352434B (en) | 2002-12-11 | 2011-11-11 | Ammono Sp Zoo | A substrate for epitaxy and a method of preparing |
US7186302B2 (en) | 2002-12-16 | 2007-03-06 | The Regents Of The University Of California | Fabrication of nonpolar indium gallium nitride thin films, heterostructures and devices by metalorganic chemical vapor deposition |
KR100785395B1 (ko) | 2003-08-01 | 2007-12-13 | 도요 가세이 고교 가부시키가이샤 | 알콕시-테트라졸-1-일-벤즈알데히드 화합물 및 그의제조방법 |
US7956360B2 (en) * | 2004-06-03 | 2011-06-07 | The Regents Of The University Of California | Growth of planar reduced dislocation density M-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy |
JP5461773B2 (ja) * | 2004-06-03 | 2014-04-02 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 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 |
EP2041794A4 (en) * | 2006-06-21 | 2010-07-21 | Univ California | OPTOELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACIAL OR M-PLANNED GAN SUBSTRATES PREPARED BY AMMONIOTHERMIC GROWTH |
JP4613933B2 (ja) * | 2007-06-25 | 2011-01-19 | 住友電気工業株式会社 | GaN結晶の製造方法 |
JP2009065048A (ja) * | 2007-09-07 | 2009-03-26 | Rohm Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法 |
JP5144192B2 (ja) | 2007-09-21 | 2013-02-13 | 住友電気工業株式会社 | Iii族窒化物結晶の成長方法 |
US20120000415A1 (en) | 2010-06-18 | 2012-01-05 | Soraa, Inc. | Large Area Nitride Crystal and Method for Making It |
US9404197B2 (en) * | 2008-07-07 | 2016-08-02 | Soraa, Inc. | Large area, low-defect gallium-containing nitride crystals, method of making, and method of use |
JP5112983B2 (ja) * | 2008-08-06 | 2013-01-09 | 豊田合成株式会社 | Iii族窒化物半導体製造方法およびiii族窒化物半導体育成用の種結晶 |
JP5104830B2 (ja) | 2008-09-08 | 2012-12-19 | 住友電気工業株式会社 | 基板 |
JP5381581B2 (ja) * | 2009-09-30 | 2014-01-08 | 住友電気工業株式会社 | 窒化ガリウム基板 |
JP5282978B2 (ja) * | 2009-12-18 | 2013-09-04 | 日立電線株式会社 | Iii族窒化物半導体基板 |
US8253162B2 (en) * | 2010-04-27 | 2012-08-28 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | GaN substrate and light-emitting device |
US9564320B2 (en) | 2010-06-18 | 2017-02-07 | Soraa, Inc. | Large area nitride crystal and method for making it |
JP6031733B2 (ja) * | 2010-09-27 | 2016-11-24 | 住友電気工業株式会社 | GaN結晶の製造方法 |
JP5830973B2 (ja) * | 2010-12-01 | 2015-12-09 | 三菱化学株式会社 | GaN自立基板および半導体発光デバイスの製造方法 |
JP2012230969A (ja) * | 2011-04-25 | 2012-11-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | GaN系半導体デバイスの製造方法 |
JP2013035711A (ja) | 2011-08-05 | 2013-02-21 | Mitsubishi Chemicals Corp | 六角棒状GaN系半導体結晶およびその製造方法 |
JP2013227208A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-11-07 | Mitsubishi Chemicals Corp | Iii族窒化物結晶およびiii族窒化物結晶基板 |
KR102130289B1 (ko) | 2012-03-30 | 2020-07-08 | 미쯔비시 케미컬 주식회사 | 주기표 제 13 족 금속 질화물 결정 및 주기표 제 13 족 금속 질화물 결정의 제조 방법 |
JP5949064B2 (ja) * | 2012-03-30 | 2016-07-06 | 三菱化学株式会社 | GaNバルク結晶 |
-
2013
- 2013-12-10 JP JP2014553086A patent/JP6137197B2/ja active Active
- 2013-12-10 WO PCT/JP2013/083110 patent/WO2014097931A1/ja active Application Filing
- 2013-12-16 TW TW102146371A patent/TWI598478B/zh active
-
2015
- 2015-06-16 US US14/740,725 patent/US9673046B2/en active Active
-
2017
- 2017-03-29 US US15/472,604 patent/US10734485B2/en active Active
- 2017-04-14 JP JP2017080453A patent/JP6481706B2/ja active Active
-
2019
- 2019-02-06 JP JP2019019494A patent/JP6835113B2/ja active Active
-
2020
- 2020-06-19 US US16/906,714 patent/US11670687B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014097931A1 (ja) | 2014-06-26 |
US9673046B2 (en) | 2017-06-06 |
JP6835113B2 (ja) | 2021-02-24 |
JP2018087120A (ja) | 2018-06-07 |
US11670687B2 (en) | 2023-06-06 |
TW201435164A (zh) | 2014-09-16 |
US10734485B2 (en) | 2020-08-04 |
JP6137197B2 (ja) | 2017-05-31 |
US20150311068A1 (en) | 2015-10-29 |
US20170200789A1 (en) | 2017-07-13 |
JPWO2014097931A1 (ja) | 2017-01-12 |
JP2019077614A (ja) | 2019-05-23 |
TWI598478B (zh) | 2017-09-11 |
US20200321438A1 (en) | 2020-10-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6481706B2 (ja) | 窒化ガリウム基板、半導体デバイスの製造方法、および、窒化ガリウム層接合基板の製造方法 | |
US11664428B2 (en) | Self-standing GaN substrate, GaN crystal, method for producing GaN single crystal, and method for producing semiconductor device | |
US20100164070A1 (en) | Group III Nitride Semiconductor Crystal Substrate and Semiconductor Device | |
JP7255817B2 (ja) | GaN結晶の製造方法 | |
US20090127664A1 (en) | Group iii nitride semiconductor crystal growing method, group iii nitride semiconductor crystal substrate fabrication method, and group iii nitride semiconductor crystal substrate | |
JP2014118323A (ja) | 周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法及び周期表第13族金属窒化物半導体結晶 | |
JP2014043388A (ja) | 第13族窒化物結晶の製造方法 | |
JP2017088430A (ja) | GaNウエハ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180703 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180806 |
|
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: 20190115 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190128 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6481706 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |