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 PDF

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Description

本発明は、窒化ガリウム基板、および、窒化物半導体結晶の製造方法に関する。
窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物半導体は、周期表の第13族に属する金属元素の窒化物で構成される半導体であり、III族窒化物系化合物半導体、窒化ガリウム系半導体などとも呼ばれる。窒化物半導体は、(B,Al,Ga,In)N、(Al,Ga,In)N、BAlGaIn1−x−y−zN(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,0≦x+y+z≦1)、AlGaIn1−x−yN(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)などの組成式を用いて表記される場合がある。
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。
GaN基板は、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法(特許文献1)やアモノサーマル法(特許文献2、特許文献3)により成長させたバルクGaN結晶をスライスする方法で製造される。
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)。
特許文献4によれば、非極性または半極性GaN基板をシードに用いて、積層欠陥密度が100cm−1以下のGaN結晶をホモエピタキシャル成長させるには、成長させるGaN結晶とシードの間の不純物濃度差を3×1018cm−3以下にする必要があるとのことである。この文献には、不純物濃度4×1018cm−3以上かつ積層欠陥密度100cm−1以下のGaN結晶を、非極性GaN基板上にホモエピタキシャル成長させた例は記載されていない。
国際公開公報WO99/23693号 国際公開公報WO2002/101125号 特表2006−509710号公報 特開2012−066983号公報
Kenji Fujito, et al., phys. stat. sol. (a) 205 (2008) 1056
非極性または半極性GaN基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させたとき、該結晶中に新たに形成され、あるいは、該GaN基板から該結晶に引き継がれる積層欠
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。
本発明者らは、非極性または半極性GaN結晶の主表面に現われた基底面転位が、該主表面上に成長する窒化物半導体結晶における積層欠陥の発生に関与していることを見出し、本発明を完成させた。
本発明の第1の側面によれば、以下に挙げる窒化ガリウム基板と、窒化物半導体結晶の製造方法が提供される。
(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1×10cm−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1×10cm−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1×10cm−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1.0cm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。
本発明の第2の側面によれば、以下に挙げる窒化ガリウム基板と、半導体デバイスの製造方法が提供される。
(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1×10cm−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1.0cm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。
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が提供される。
図1は、単結晶基板や複合基板が通常有する形状を説明する図面であり、図1(a)は円板の斜視図であり、図1(b)は矩形の主表面を有する板の斜視図である。 HVPE法で使用される結晶成長装置の概念図である。 アモノサーマル法で使用される結晶成長装置の概念図である。 ライン形開口部を有するマスクパターンを形成したC面GaN基板の−C面(N極性面)上における、GaN結晶の成長の様子を示す模式図である。 二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。 二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。 二段階成長法で採用し得る温度プロファイルの一例である。 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示す断面図である。 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示す断面図である。 GaN層接合基板の構造を説明するための模式図である。 サセプター上に2枚のシード基板を並べたところを示す断面図である。
本明細書では、窒化物半導体単結晶の表面を、極性面、非極性面および半極性面に区分
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。
非極性面は、M面およびA面の総称とする。
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に、GaN基板、サファイア基板等の単結晶基板や、GaNテンプレート等の複合基板が通常有する形状を示す。
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。
本明細書において、非極性GaN基板とは、非極性面である主表面を有するGaN基板を意味する。また、半極性GaN基板とは、半極性面である主表面を有するGaN基板を意味する。
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]第1側面
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1×10cm−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、7×10cm−2以下、さらには5×10cm−2以下、さらには2×10cm−2以下、さらには1×10cm−2以下、さらには1×10cm−2以下、さらには1×10cm−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1×10cm−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1×10cm−2以下であることが好ましい。
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主表面全体で平均した積層欠陥密度は、好ましくは10cm−1以下、より好ましくは5cm−1以下、さらに好ましくは1cm−1以下である。基板の主表面に現われた積層欠陥は、該主表面上にエピタキシャル成長する窒化物半導体結晶に伝播する。
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、周期表の第1周期または第2周期に属する、窒素(N)および希ガス元素(HeおよびNe)以外の非金属元素、即ち、水素(H)、炭素(C)、酸素(O)およびフッ素(F)を含有してもよい。これらの元素の濃度の総和は1×1017cm−3を超えてもよいが、1×1020cm−3を超えないことが望ましい。
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、アルカリ金属濃度が低いことが好ましい。実施形態1に係るGaN基板のアルカリ金属濃度は、1×1017cm−3以下、さらには5×1016cm−3以下、さらには1×1016cm−3以下、さらには1×1015cm−3以下であることがより好ましい。
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1cm以上、好ましくは2cm以上、より好ましくは5cm以上であり、10cm以上であってもよい。
2.非極性または半極性GaN基板の製造方法
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。
2.1 一次基板(C面GaN基板)の作製
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、Ga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。
マスクパターンは、窒化ケイ素(SiN)や酸化ケイ素(SiO)のような、GaNの気相成長を阻害する材料からなる薄膜で形成する。
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。
HVPE法によるGaN結晶の成長は、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。
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。
導入管201、202、204、205を通して成長炉200に導入されるガスG1、G2、G4およびG5は、アンモニア(NH)、キャリアガス、シールドガス、ドーピングガス等である。導入管203を通してリザーバー206に供給される塩化水素(HCl)は、リザーバーに保持された金属ガリウムと反応してガス状塩化ガリウム(GaCl)を生じる。HClは、通常、キャリアガスで希釈されてリザーバー206に供給されるので、リザーバーを通して成長炉内に導入されるガスG3は、GaClとHClとキャリアガスを含んでいる。
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(H)および窒素ガス(N)である。
成長炉200内でGaClとNH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。
結晶成長時の基板温度は、好ましくは900〜1200℃の範囲内で適宜調節することができる。
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。
結晶成長速度は、例えば、80〜300μm/hの範囲内で調節することができる。成長炉内におけるGaClおよびNHのいずれか一方または両方の分圧を増加させることにより、成長速度を増加させることができる。GaCl分圧は、好ましくは2×10〜2×10Paである。NH分圧は、好ましくは4×10〜1×10Paである。
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。
HVPE法で成長させたバルクGaN結晶の外形を適宜な形状に加工した後、スライス加工、表面エッチングによるダメージ層除去、主表面の平坦化等、必要な加工を行い、C面GaN基板を作製する。次のステップでエピタキシャル成長に利用する−C面(N極性面)はCMP(Chemical Mechanical Polishing)仕上げする。
2.2 二次基板(M面GaN基板)の作製
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。
シード上に成長させるGaNの原料は好ましくは多結晶GaNであるが、限定されるものではなく、金属ガリウム(ゼロ価のガリウム)を含有していてもよい。多結晶GaNとしては、金属ガリウム、酸化ガリウム、水酸化ガリウム等をアンモニアと反応させる方法で製造したものや、金属ガリウムを高温高圧下で窒素と反応させる方法で製造したものを用いることができる。多結晶GaNに不純物として含まれる酸素の濃度は、通常、5×1020cm−3以下、好ましくは1×1020cm−3以下、より好ましくは5×1019cm−3以下である。
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。
アモノサーマル法によるGaN結晶の成長は、図3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。
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。
結晶成長の際には、種結晶、原料、鉱化剤および溶媒を封入した成長容器320をオートクレーブ301内に装填し、更にオートクレーブ301と成長容器320の間の空間にも溶媒を充填したうえで、オートクレーブ301を密閉する。そして、オートクレーブ301ごとヒーター(図示せず)で加熱して、成長容器320内を超臨界状態または亜臨界状態とする。
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。
一次基板の−C面上では、図4に模式的に示すように、マスクパターンの開口部から、m軸方向を厚さ方向とする板状のGaN結晶が成長する。
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。
2.3 非極性または半極性GaN基板の作製
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。
3.非極性または半極性GaN基板の用途
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|a−a|/[a+a]≦1×10−3 ・・・式(1)
上記式(1)において、aおよびa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、窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、各種の半導体デバイス構造を形成することができる。半導体デバイスの具体例としては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイス、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がある。
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。
[2]第2側面
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)。
GaN基板のキャリア濃度が3×1018cm−3以上であるとき、その表面には低接触抵抗の電極を容易に形成することができる。GaN基板のキャリア濃度が4×1018cm−3以上、さらには5×1018cm−3以上であるとき、その表面に低接触抵抗の電極を形成することは一層容易となる。
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。
不純物としてGaNに添加し得る元素については公知技術を適宜参照することができ、限定されるものではないが、好ましくは酸素(O)およびケイ素(Si)が挙げられる。酸素とケイ素はいずれか一方のみを用いてもよいし、両方を用いることもできる。
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。
実施形態2に係るM面GaN基板は、第1主表面における積層欠陥密度が100cm−1以下という低い値であるために、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法やMBE(分子ビームエピタキシー)法によって、該第1主表面上に高品質の窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
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。
2.M面GaN基板の製造方法
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。
(a)昇温ステップ
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Tまで上昇させる。T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、H、NH、N等であり、少なくともNHとNの両方を導入することが好ましい。成長炉内に導入するNH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。
(b)初期成長ステップ
初期成長ステップでは、シード基板にGaClおよびNHを供給してGaN結晶を成長させながら、基板温度をTからTまで上昇させる。T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1.0×10Paとした場合、GaCl分圧は好ましくは2.0×10Pa以上、5.0×10Pa以下であり、NH分圧は好ましくは8.0×10Pa以上、1.2×10Pa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、N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Hを導入することができる。
(c)主成長ステップ
主成長ステップでは、基板温度をTに保ちながらシード基板上にGaClおよびNH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1.0×10Paとした場合、GaCl分圧は好ましくは2.0×10Pa以上、5.0×10Pa以下であり、NH分圧は好ましくは8.0×10Pa以上、1.5×10Pa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、N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Hを導入することができる。
上記の二段階成長法で採用し得る基板温度プロファイルを図5〜図7に例示する。
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。
昇温成長ステップおよび主成長ステップでは、ドーピングガスを供給しながらGaN結晶を成長させることができる。
酸素ドープ用のドーピングガスとしては、酸素ガス(O)または水(HO)を、ケイ素ドープ用のドーピングガスとしてはシラン(SiH)、ジシラン(Si)、クロロシラン(SiHCl)、ジクロロシラン(SiHCl)、トリクロロシラン(SiHCl)、テトラクロロシラン(SiCl)、テトラフロロシラン(SiF)などを、好ましく用いることができる。
ドーピングガスの供給を行う代わりに、成長炉、導入管、リザーバー等の、結晶成長装置を構成する石英製部材から発生する酸素含有ガスを利用して、GaN結晶を酸素ドープすることも可能である。結晶成長中の石英製部材の温度が高くなる程、酸素含有ガスの発生量が増加し、GaN結晶中の酸素濃度が高くなる。GaN結晶中の酸素濃度を低く抑える必要がある場合には、前述の特許文献4(特開2012−066983号公報)に記載された手法を参照することができる。一例を挙げると次の通りである。
1)成長炉の内部に高純度pBN(熱分解窒化ホウ素)製のライナー管を配置し、その内側にシード基板を配置することによって、石英製の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防止する。
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。
上記の二段階成長法で成長させたバルクGaN結晶の外形を適宜な形状に加工した後、スライス加工、表面エッチングによるダメージ層除去、主表面の平坦化等、必要な加工を行う。少なくとも一方の主表面は、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。
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.M面GaN基板の用途
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。
GaN基板41の積層欠陥密度を低減させることにより、その上に成長する半導体積層体Lの品質が高くなり、半導体発光デバイス40Aの発光効率が良好となる。
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。
3.2 GaN層接合基板
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層接合基板に使用し得る異組成基板としては、サファイア基板、AlN基板、SiC基板、ZnSe基板、Si基板、ZnO基板、ZnS基板、石英基板、スピネル基板、カーボン基板、ダイヤモンド基板、Ga基板、ZrB基板、Mo基板、W基板などが例示される。
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。
3.3 その他の用途
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。
[3]実験結果
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。
(2)二次基板(M面GaN基板)の作製
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、NH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(NHF)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。
(ii)Pt−Ir合金製の筒形の成長容器の下部(原料溶解領域)に、多結晶GaNとNHFを装填した。NHFの量は、後に成長容器に導入するNHに対するフッ素原子のモル比が0.5%となるように設定した。次いで、成長容器の上部(結晶成長領域)と下部を区画する白金製バッフルを成長容器内に設置した。バッフル設置後、シードに用いる一次基板を白金製ワイヤーで吊るした状態で結晶成長領域内に設置した。
(iii)チューブ付きのPt−Ir製キャップを成長容器の上部に溶接により取り付けるとともに、該チューブをガスラインに接続した。次いで、成長容器の下部を液体窒素で冷却したうえで、該チューブを通して成長容器内にHIを導入した。HIの量は、次に成長容器に導入するNHに対するヨウ素原子のモル比が2%となるように設定した。
HIの導入後、ガスラインを切り換えて、NHを成長容器内に導入した。NHの量は、−33℃の液体NHの体積に換算して、成長容器の有効容積の約55%とした。
(iv)NH導入後、チューブを溶接により封じ切って成長容器を密封し、その密封した成長容器を、バルブ付きのニッケル基合金製筒形オートクレーブに挿入した。そして、該バルブを通して成長容器とオートクレーブの間の空間にもNHを充填したうえで、該バルブを閉じてオートクレーブを密閉した。該空間に充填したNHの量は、−33℃の液体NHの体積に換算して、該空間の容積の約56%とした。
(v)独立に制御可能な複数のヒーターを備える電気炉を用いてオートクレーブを外部から加熱した。成長容器内の平均温度(結晶成長領域と原料溶解領域の温度の平均値)が600℃、結晶成長領域と原料溶解領域の温度差が20℃となるようにヒーターを制御して、30日間保持した。このときのオートクレーブ内の圧力は215MPaであった。
(vi)30日が経過した後、オートクレーブのバルブを開放して、成長容器とオートクレーブの間の空間に充填されていたNHを放出させるとともに、それによって生じる成長容器内外の圧力差を利用して成長容器を割った。そして、成長容器内のNHも排出されたことを確認のうえ、一次基板を取り出した。
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。
(3)三次基板(M面GaN基板)の作製
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、NH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。
20日間の成長により得られたGaN結晶のサイズは、40mm(a軸方向)×10mm(c軸方向)×6mm(m軸方向)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、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。
(4)HVPE法によるGaN結晶成長
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NおよびNH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、N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NH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)。
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1.0×10Pa、GaCl分圧は3.1×10Pa、アンモニア分圧は9.8×10Paとなるように制御した。キャリアガスにはNおよびH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Nの比率を48%とした。
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。
アズグロンのGaN結晶膜を常温カソードルミネセッセンス法(3kV、100pA、1000倍視野)で分析した結果、基底面転位密度は9.4×10cm−2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HO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。
2.実験2
(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。
上記マスクパターンを形成したC面GaNテンプレート上に、HVPE法でアンドープGaN結晶を成長させた。成長開始から15分間は基板温度を970℃とし、その後は基板温度を1020℃に上げて成長を続けた。成長中の成長炉内の圧力は1.0×10Pa、GaCl分圧は7.4×10Pa、アンモニア分圧は1.1×10Paに制御した。成長時間は55時間とした。
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。
(2)二次基板(M面基板)の作製
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。
(3)三次基板(M面GaN基板)の作製
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。
得られたGaN結晶のサイズは、32mm(a軸方向)×12mm(c軸方向)×6mm(m軸方向)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、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。
(4)HVPE法によるGaN結晶成長
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NおよびNH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、N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NH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1.0×10Pa、GaCl分圧は3.8×10Pa、アンモニア分圧は1.2×10Paとなるように制御した。キャリアガスにはNおよびH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Nの比率を48%とした。
成長したGaN結晶は一方のシード基板上から他方のシード基板上にかけて連続した膜状を呈しており、その厚さは約5.1mm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、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。
得られたM面GaN基板の1枚について、その主表面(成長厚さ約2mmの部分に相当)における基底面転位密度および積層欠陥密度を測定した。結果は、常温カソードルミネッセンス法(加速電圧7kV、電流2nA、1000倍視野)で測定した基底面転位密度が3.1×10cm−2であり、低温カソードルミネッセンス法(加速電圧7kV、電流2nA、200倍視野、試料温度82K)で測定した積層欠陥密度が1.8cm−1であった。
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。
3.実験3
(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。
次いで、選択成長マスクを形成した上記C面GaNテンプレート上に、HVPE法によってGaN結晶を成長させた。成長温度は、最初の15分間は965℃とし、その後、1005℃まで上げた。成長圧力は1.0×10Pa、GaCl分圧は1.0×10Pa、NH分圧は1.0×10Paとした。成長時間は51時間とした。
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HO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。
得られた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、30mm(長さ)×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、8.0×10cm−2であった。
(2)HVPE法によるGaN結晶成長
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NおよびNH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、N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NH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1.0×10Pa、GaCl分圧は4.1×10Pa、アンモニア分圧は1.3×10Paとなるように制御した。キャリアガスにはNおよびH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Nの比率を48%とした。
得られたGaN結晶層の厚さは約4.0mm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。
4.実験4
(1)一次基板(C面GaN基板)の作製
成長炉内のGaCl分圧を1.4×10Pa、NH分圧を1.1×10Pa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。
(2)二次基板(M面GaN基板)の作製
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1.0×10Pa、GaCl分圧は6.3×10Pa、NH分圧は7.4×10Pa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、1.0×10cm−2以下であった。
(3)HVPE法によるGaN結晶成長
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NおよびNH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、N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NH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1.0×10Pa、GaCl分圧は4.1×10Pa、アンモニア分圧は1.3×10Paとなるように制御した。キャリアガスにはNおよびH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Nの比率を48%とした。
得られたGaN結晶層の膜厚は約1.5mmであった。
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。
5.実験5
(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1.0×10Pa、GaCl分圧は6.6×10Pa、NH分圧は7.6×10Paとした。成長時間は64時間とした。
アズグロンGaN結晶の厚さは8.3mm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、50mm(長さ)×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、5×10cm−2であった。
(2)HVPE法によるGaN結晶成長
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NおよびNH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、N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NH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1.0×10Paとし、GaCl分圧は3.5×10Pa、NH分圧は1.1×10Paとした。
得られたGaN結晶層の膜厚は約0.8mmであった。
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、1.5×10cm−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、1.5×10cm−1であった。
6.実験6
(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、5×10cm−2であった。
(2)アモノサーマル法によるGaN結晶成長
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、1.5×10cm−1であった。
実験1〜6の結果をまとめたものを表1に示す。
1 基板
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)

  1. 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 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。
  2. 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。
  3. 前記n型キャリア濃度が4×1018cm 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。
  4. 前記n型キャリア濃度が5×1018cm 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。
  5. 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。
  6. 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〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
  7. 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 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。
  8. 前記積層欠陥密度が10cm−1以下である、請求項に記載の窒化ガリウム基板。
  9. 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、請求項またはに記載の窒化ガリウム基板。
  10. n型キャリア濃度が4×1018cm 以上である、請求項のいずれか一項に記
    載の窒化ガリウム基板。
  11. n型キャリア濃度が5×1018cm 以上である、請求項10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
  12. 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11のいずれか一項に記載の窒化ガリウム基板。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
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