JP6858640B2 - ＳｃＡｌＭｇＯ４基板及び窒化物半導体装置 - Google Patents

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Description

本開示はＲＡＭＯ４基板及びＩＩＩ族窒化物半導体装置に関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素であるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ等の組み合わせにより広いバンドギャップをカバーし、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）などの光半導体デバイス、高周波、高出力用途の電子デバイス等に広く使用されている。これらのＩＩＩ族窒化物半導体を含むデバイスは、一般的にサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることで作製されている。しかしながらサファイア基板は、｛（ＧａＮの格子定数−サファイアの格子定数）／ＧａＮの格子定数｝にて表記されるＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ）との格子不整合が１３．８％と大きい。そのため、当該基板上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた際の欠陥密度が高くなってしまう、との課題がある。上記の格子不整合を低減させる新規な基板としてＳｃＭｇＡｌＯ４基板が提案されており、当該基板を用いたＧａＮのエピタキシャル技術も開示されている（特許文献１）。ＳｃＭｇＡｌＯ４は、｛（ＧａＮの格子定数−ＳｃＡｌＭｇＯ４の格子定数）／ＧａＮの格子定数｝にて表されるＧａＮとの格子不整合が−１．８％と小さい。そのため、ＳｃＭｇＡｌＯ４基板上にエピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物半導体が高品質・高性能になりやすく、各種ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスへの展開が期待されている。
ここで、特許文献１に開示されているＳｃＭｇＡｌＯ４基板は、ＳｃＭｇＡｌＯ４単結晶体をＣ面（（０００１）面）にて劈開することで得られる。一方で、ＩＩＩ族窒化物半導体は、基板表面に存在する原子層レベルの段差であるステップ端に沿ってエピタキシャル成長すること（以下、「ステップフロー成長」とも称する）により、高品質な膜となることが知られている。しかしながら、上述の（０００１）面にて劈開されたＳｃＭｇＡｌＯ４基板表面には、理想的なステップが存在しない。そのため、エピタキシャル成長の際、ＩＩＩ族窒化物半導体自体が（０００１）面上でランダムな核形成を起こし、それらの核に沿ったステップフロー成長が誘発される。この様なランダムな核からの成長は、その成長方向もランダムとなるため、結果的にＩＩＩ族窒化物半導体表面が大きなうねりを持つ表面モフォロジー荒れを引き起こしてしまうとの課題がある。
また、劈開により作製された（０００１）面を主面とするＳｃＭｇＡｌＯ４基板は、その主面に劈開の精度により数百ｎｍ以上の大きな凹凸を有する箇所が存在する。これらの大きな凹凸はエピタキシャル成長において欠陥形成などの不具合を生じさせてしまう。
一方、同様のヘテロ構造であるサファイア基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体成長では、基板にオフ角を持たせることで周期的なステップを形成し、ＩＩＩ族窒化物半導体をステップフロー成長させている。そして、この様なオフ角を持つ基板上で作製した高性能なＩＩＩ族窒化物半導体をＬＤの形成に用いることが開示されている（特許文献２）。
特開２０１５−１７８４４８号公報 特開２００８−９８６６４号公報
そこで、ＳｃＭｇＡｌＯ４に代表されるＲＡＭＯ４基板（Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）にオフ角を設け、周期的なステップを形成することが考えられる。しかしながら、ＲＡＭＯ４基板は、形成されるステップ高さも、ステップ形状も特殊であることから、従来のサファイア基板やＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる場合と同様のオフ角とすると、良好なＩＩＩ族窒化物半導体層やデバイスを得るのが困難であった。
本開示は以上の課題を解決すべくなされたものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体をステップフロー成長させることが可能な、適切なオフ角、およびオフ方向を有するＲＡＭＯ４基板を提供することを目的とする。また、本開示は、ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、良好な特性を有する光デバイスおよび電子デバイス等の供給も目的とする。
上記課題を解決するめ、一般式ＲＡＭＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなるＲＡＭＯ４基板であって、前記ＲＡＭＯ４基板の主面が、Ｃ面からＭ軸方向に対してθａ°傾いたオフ角ａを有しており、０．０５°≦｜θａ｜≦０．８°を満たす、ＲＡＭＯ４基板とする。
また、一般式ＲＡＭＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなるＲＡＭＯ４基板であって、前記ＲＡＭＯ４基板の主面が、Ｃ面からＡ軸方向に対してθｂ°傾いたオフ角ｂを有しており、０．０５°≦｜θｂ｜≦０．４°を満たす、ＲＡＭＯ４基板とする。
本開示のＲＡＭＯ４基板によれば、結晶性、平坦性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層を得ることが可能であり、従来のサファイア基板上エピタキシャル成長にて作製されるＩＩＩ族窒化物半導体光デバイスや電子デバイスに比べ、より高性能なデバイスの実現が可能である。更に、ＲＡＭＯ４基板上に形成された高品質なＩＩＩ族窒化物半導体層の特性を生かし、様々なＩＩＩ族窒化物半導体を組み合わせた窒化物半導体光素子、電子デバイスを提供することを可能とする。
ＳｃＭｇＡｌＯ４結晶の構造を示す模式図 ＳｃＭｇＡｌＯ４基板のＣ面、ＧａＮ基板のＣ面、およびサファイア基板のＣ面からそれぞれオフ角を設けた場合のオフ角とテラス幅との関係を示す図 本開示の実施の形態におけるＳｃＭｇＡｌＯ４基板の製造工程を示す工程図 本開示の実施の形態１のＳｃＭｇＡｌＯ４基板の表面を原子力顕微鏡で撮影した図 ＳｃＭｇＡｌＯ４基板の主面と、Ｍ軸方向［１−１００］、およびＡ軸方向［１１−２０］とがなす角度（オフ角ａ及びオフ角ｂ）を表した図 本開示の実施の形態１のＳｃＭｇＡｌＯ４基板と、バッファ層と、ＩＩＩ族窒化物半導体と、を含む積層構造体の図 本開示の実施の形態１のＳｃＭｇＡｌＯ４基板の主面上に作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の表面を光学顕微鏡で撮影した図 本開示の実施の形態１におけるＳｃＭｇＡｌＯ４基板の主面が有するオフ角ａ（θａ）と、当該主面上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の転位密度との相関図 本開示の実施の形態２のＳｃＭｇＡｌＯ４基板の主面上に作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の表面を光学顕微鏡で撮影した図 本開示の実施の形態３のＳｃＭｇＡｌＯ４基板の主面（オフ角（θａ，θｂ）＝（０．１°，０．１°））上に作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の表面を原子間力顕微鏡で撮影した図 本開示の実施の形態におけるＳｃＭｇＡｌＯ４基板を用いたＬＥＤの構造図 本開示の実施の形態におけるＳｃＭｇＡｌＯ４基板を用いて作製したＬＥＤのＩ−Ｌ特性を示した図 従来のＳｃＭｇＡｌＯ４基板の（０００１）面上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面を光学顕微鏡にて低倍率で撮影した図
以下、本開示のＲＡＭＯ４基板、およびＩＩＩ族窒化物半導体装置について説明するが、本開示は、以下の実施の形態に限定されない。なお、ミラー指数中のマイナス記号は、図中においては数値の上にオーバーラインとして示すが、以下の実施の形態の説明においては、表記の都合上、マイナス記号で表す。
１．ＲＡＭＯ４基板
本開示のＲＡＭＯ４基板は、一般式ＲＡＭＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素（原子番号６７−７１）からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなる基板であり、その主面は、Ｃ面からＭ軸方向［１−１００］および／またはＡ軸方向［１１−２０］に対して傾いたオフ角を有する。本開示では主面が種々のオフ角を有するＲＡＭＯ４基板を形成し、その主面上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、当該ＩＩＩ族窒化物半導体層の性能を評価することで、ＲＡＭＯ４基板に対して適切なオフ角、およびオフ方向を見出した。本開示のオフ角、およびオフ方向を有するＲＡＭＯ４基板は、高品質なＩＩＩ族窒化物半導体用ヘテロ基板として非常に有用である。以下、ＲＡＭＯ４基板の代表例であるＳｃＭｇＡｌＯ４基板を例に説明するが、本開示のＲＡＭＯ４基板は、これに限定されない。
（実施の形態１）
ＳｃＭｇＡｌＯ４の結晶構造を図１に示す。ＳｃＭｇＡｌＯ４の結晶は六方晶であるＭｇＡｌＯ２層とロックソルト構造であるＳｃＯ層が［０００１］方向（Ｃ軸方向）に積層された構造を取っている。一般的な劈開にて形成される（０００１）面（Ｃ面）はＭｇＡｌＯ２層からなる。ＳｃＭｇＡｌＯ４の結晶において、［０００１］方向の結晶格子（ｃ）は２５．１６０Åであり、オフ角を形成することで出現するステップ高さは２５．１６０÷３＝８．３８７Åとなる。このステップ高さはＩＩＩ族窒化物であるＧａＮ基板に出現するステップ高さ（２．５９３Å）や、サファイア基板（Ｃ面）に出現するステップ高さ（２．１６５Å）と比較して大きな値である。そして、ステップ高さは、形成されるステップの（０００１）面に平行な長さ（テラス幅）にも影響する。図２に示すようにＳｃＭｇＡｌＯ４結晶では、ＧａＮ基板やサファイア基板と同一オフ角度としても、これらに比べて長いテラス幅を持つ表面形状となる。
このように、ＳｃＭｇＡｌＯ４結晶では、オフ角を設けた際に見られるステップ高さや形状、テラス幅が、いずれもＧａＮ基板や、サファイア基板などの従来用いられている基板材料とは異なる。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させるために適正なオフ角の範囲も異なる。
以下、本実施の形態のＳｃＭｇＡｌＯ４基板について、図面を参照しながら説明する。図３にＳｃＭｇＡｌＯ４基板の製造工程の工程図を示す。ＳｃＭｇＡｌＯ４基板の製造工程は、ＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶インゴットを準備する工程（単結晶準備工程）と、ＳｃＭｇＡｌＯ４単結晶インゴットを（０００１）面にて劈開し、基板を形成する工程（劈開工程）と、当該基板のエピタキシャル成長面に対応する面を加工する工程（オフ角形成工程）とを含む。
例えば、単結晶準備工程では、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いて製造されたＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶インゴットを準備する。インゴットの製造方法としては、例えば、出発原料として、Ｓｃ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３およびＭｇＯを、所定のモル比で配合し、直径１００ｍｍのイリジウム製の坩堝内に投入し、加熱溶融させる。次に、（０００１）方位に切り出したＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶を種結晶として用い、この種結晶を坩堝内の融液近くまで降下させる。そして、種結晶を一定の回転速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引き上げ速度０．５ｍｍ／ｈの速度で種結晶を上昇させる。つまりＣ軸方向（［０００１］方向）に引き上げて、結晶を成長させる。所望の長さまで結晶を引き上げた後、融液から結晶を切り離し、冷却する。これにより、直径５０ｍｍ、長さ５０ｍｍの単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ４インゴットが得られる。
次に、ＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶が（０００１）面で劈開できる性質を利用し、劈開によって単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ４インゴットを分断し、基板状にする工程（劈開工程）を行う。
次にオフ角形成工程として、ＳｃＡｌＭｇＯ４表面にオフ角に対応した５００ｎｍ以上の高さの凹凸形状を形成する。次いで、研磨時の加圧力を段階的に小さくしていくことで、研磨時の加圧力のばらつきの絶対量を小さくする。そして、内部での劈開を防止しつつ、凹凸形状を徐々に小さくすることで、表面にオフ角を形成する。なお、オフ角形成工程では、オフ方向や角度が所望の範囲となるように、研磨方向を調整する。
オフ角形成工程の一例を以下に示す。まず、５００ｎｍ以上の凹凸形状を加工する工程（凹凸形成工程）では、砥粒サイズの大きいダイヤモンド固定砥粒を用いた研削加工を行う。砥粒としては、例えば粒度＃６００のダイヤモンド砥粒を使用する。これにより、研削加工後の加工面の凹凸の高さの差を±５μｍ以下に収めることが可能となる。なお、凹凸形成工程における加工条件は、例えば砥石回転数１８００ｍｉｎ−１、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板回転数１００ｍｉｎ−１、加工速度０．３ｍｍ／秒、加工除去量が２０μｍ程度とすることができる。次に凹凸形成工程で形成した凹凸を徐々に除去する工程（凹凸除去工程）を行う。この際、加圧力を段階的に弱めた研磨を行うことで、凹凸形成工程によって形成された高さ５００ｎｍ以上の凹凸を除去しつつ、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成することができる。具体的には、砥粒として例えば、コロイダルシリカを主成分とするスラリーを用い、回転数６０ｍｉｎ−１、スラリー供給量０．５ｍｌ／分、研磨パッドとして不織布パッドを用いることで行うことができる。その際に、加圧力は初期には１５０００Ｐａ程度の範囲から段階的に小さくし、最終的に加圧力の範囲を３０００Ｐａ程度とすることで所望のオフ角に応じた、ステップ高さ、テラス幅が形成される。このように段階的に加圧力を低減することで、内部での劈開を生じさせることなく凹凸を除去することが出来る。
図４に前述の条件にて作製したオフ角ａが０．２°となるように形成した本実施の形態ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の表面を原子力顕微鏡（ＡＦＭ）で撮影した図を示す。オフ角形成工程後のＳｃＡｌＭｇＯ４基板表面には周期的な構造が観測されており、基板のステップ高さも約０．８ｎｍと理論的なＳｃＡｌＭｇＯ４結晶のステップ高さと同等である。また、テラス幅は２４０ｎｍ程度であり、図２のグラフから見積もられるオフ角（０．２０〜０．２１°）とほぼ同等の値となっている。この様に、図３の工程図に沿った工程を経ることで所望のオフ角ａを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板を得ることが可能となる。
ここで、図５にＳｃＡｌＭｇＯ４基板のオフ方向及びオフ角を説明する図を示す。本開示においてオフ角とは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面の（０００１）面（Ｃ面）からの傾斜角をいう。また、本開示では、Ｍ面（１−１００）に対して垂直方向、すなわちＭ軸方向［１−１００］に対してθａ°傾斜したオフ角をオフ角ａとし、Ｍ面（１−１００）に対して平行方向、すなわちＡ軸方向［１１−２０］に対してθｂ°傾斜したオフ角をオフ角ｂと表す。
そして、本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板は、オフ角ａを有し、オフ角ｂを有さない。例えば、図４にて得られた本実施形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板のオフ角はＭ面（１−１００）に対して略垂直方向（Ｍ軸方向［１−１００］］に平行）に設けられており、θａが０．２０°程度である。一方、Ｍ面（１−１１０）に対して略平行方向のオフ角ｂは設けられていない。すなわち、θｂは０°である。
ここで、本実施の形態において、ＳｃＭｇＡｌＯ４基板のオフ角ａの好ましい範囲は、０．０５°≦｜θａ｜≦０．８°であり、より好ましくは、０．２°≦｜θａ｜≦０．６°である。以下、その理由について説明する。
本実施の形態のＳｃＭｇＡｌＯ４基板のオフ角ａは、当該ＳｃＭｇＡｌＯ４基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することで評価した。なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際、図６に示すように、ＳｃＭｇＡｌＯ４基板１０１上に先にバッファ層１０２を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を形成した。
図６のバッファ層１０２およびＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は、以下のように形成した。まず、オフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上にＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）を用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。ＩＩＩ族原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いた。また、キャリアガスとしては水素または窒素を用いた。ＭＯＣＶＤ炉内に導入したＳｃＭｇＡｌＯ４基板は１１００℃にて１０分間、水素雰囲気中にて熱クリーニング行った。この熱クリーニングによりＳｃＭｇＡｌＯ４基板表面に付着してしまっているカーボン系の汚れ等を取り除いた。その後、基板表面温度を４２５℃へと下げ、低温にてバッファ層１０２を堆積させた。バッファ層１０２の膜厚は、組成はバッファ層１０２の成長時間、及び供給するＩＩＩ族原料の比率にて調整した。バッファ層１０２形成後、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１の温度を１１２５℃へと昇温させ、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させた。本実施の形態では、バッファ層１０２にＧａＮを用い、膜厚は３０ｎｍとした。また、バッファ層１０２上のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３もＧａＮとした。さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の成長速度は３ミクロン／ｈとし、膜厚は２μｍとした。
図７に、主面がＣ面（０００１）からＭ軸方向（［１−１００］方向）に対して傾いたオフ角ａを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に、上述のバッファ層（ＧａＮ層）１０２およびＩＩＩ族窒化物半導体層（ＧａＮ膜）１０３を形成した場合の表面の光学顕微鏡写真を示す。すなわち、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた後の、ＧａＮ膜表面の光学顕微鏡写真を示す。図７において、オフ角θａは０〜１．２°のいずれかである。また、オフ角θｂは、いずれも０°である。図７の光学顕微鏡写真より、θａが０．４°〜０．８°においては平坦な良好な表面モフォロジーが得られていることがわかる。一方で、オフ角ａが大きい場合、つまりθａが１．２°である場合、オフ方向であるＭ軸方向と垂直に波状の表面モフォロジーが観測された。これは、ステップが集合し、多段化したバンチングの影響と思われる。また、従来例であるθａ＝０°は、図７では平坦な表面であるかのように見られるが、図１３に示すように低倍率の光学顕微鏡写真ではＩＩＩ族窒化物層表面に大きなグレインを持つ表面荒れが観測された。一方、０．０５°以上のθａを形成した場合には、この様な大きなグレインを持つ表面荒れが解消され、ＩＩＩ族窒化物層（ＧａＮ膜）が良好な表面を有していた。
図８に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面のオフ角（θａ）と、当該基板上に形成したＧａＮ膜の表面のカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定による転位密度との相関グラフを示す。図８中には、比較として、サファイア基板（オフ角度θａ＝０．１４°）上にＧａＮ膜を作製した際の転位密度（点線）を示している。図８より、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＧａＮ膜を形成した場合のほうが、サファイア基板上にＧａＮ膜を作製する場合と比べ、低い転位密度となることがわかる。つまり、良好なＧａＮ結晶がエピタキシャル成長によって形成されているといえる。また、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面がオフ角を有さない場合（θａ＝０°）より、オフ角ａを有するほうが、転位密度が減少している。つまり、オフ角形成により、更にＧａＮ膜が良好な結晶性を示すことがわかる。
このように、ＧａＮ膜の表面平坦性、結晶性を考慮すると、オフ角ａを設ける場合、０．０５°≦｜θａ｜≦０．８°とすることが好ましいといえる。なお、本実施形態ではＩＩＩ族窒化物半導体としてＧａＮを用い、その成長温度１１２５℃として検討を行ったが、ＩＩＩ族窒化物半導体としてＡｌＧａＩｎＮを用いる場合などには、組成に応じて成長温度が調整され、例えば７００〜１１７０℃程度が適正な成長温度となる。そして、例えば７００℃の低成長温度でＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる場合、原料の拡散長が高温の場合と比較して抑制される。そのため、オフ角ａ（θａ）が０．２°より小さくなる、すなわちテラス幅が広くなると、ステップ端まで原料が到達せず、テラス上で核が形成され、図１３に見られた様な大きなグレインを有する表面が生じる可能性がある。また、高い成長温度（例えば１１７０℃）では、原料の拡散が促進されるため、特定のステップに原料が集合してしまうバンチングが発生しやすくなる。そして、オフ角ａ（θａ）が０．６°より大きくなると、波状の荒れた表面が見られる可能性がある。よって、上記のθａの範囲は、より好ましくは０．２°≦｜θａ｜≦０．６°である。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板について説明する。本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板は、主面がＣ面（０００１）面から、Ｍ面（１−１００）に対して略平行方向にオフ角ｂ（θｂ）を有し、オフ角ａを有さない、すなわち、主面がＣ面（０００１）からＡ軸方向［１１−２０］に対してθｂ°傾いたオフ角ｂを有する。このようなオフ角ｂを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板の作製方法は、前述の実施の形態１のとＳｃＡｌＭｇＯ４基板の作製方法と同様である。ただし、上述のオフ角形成工程において、オフ方向およびオフ角を調整する。
本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板における、オフ角ｂの好ましい範囲は、０．０５°≦｜θａ｜≦０．４°であり、より好ましくは０．１°≦｜θｂ｜≦０．４°であり、さらに好ましくは０．１°≦｜θｂ｜＜０．４°である。以下、その理由について説明する。
実施の形態１と同様に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面上に、ＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ族窒化物半導体層（ＧａＮ膜）をエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長条件は実施の形態１と同様とした（バッファ層１０２の厚さ：３０ｎｍ、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の厚さ：２μｍ）。図９にオフ角ｂを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層（ＧａＮ膜）１０３を形成した場合のＧａＮ膜表面の光学顕微鏡写真を示す。図９において、オフ角θｂは０〜０．６°のいずれかである。一方、オフ角θａは、いずれも０°である。なお、θｂ＝０°の光学顕微鏡写真は、図７におけるθａ＝０°の写真と同じである。そして、当該ＧａＮ膜では、図１３に示すように低倍率の光学顕微鏡写真において、ＧａＮ膜表面に大きなグレインを持つ表面荒れが観測された。一方、θｂが０．０５°以上０．４°以下である場合には、良好な表面モフォロジーを確認できた。一方、θｂ＝０．６°ではオフ方向であるＡ軸方向と垂直に波上の表面モフォロジーが観測され、バンチングにより表面が荒れていた。以上の結果より、０．０５°≦｜θｂ｜≦０．４°にて、良好なＧａＮ膜を得ることが可能であるといえる。また、θｂに関しても、実施の形態１と同様に、ＩＩＩ族窒化物半導体の成長温度範囲７００〜１１７０℃において検討を行った結果、θｂが０．１°≦｜θｂ｜≦０．４°である場合に、良好なＩＩＩ族窒化物半導体層を得ることが可能であった。なお、θｂ＝０．４°の場合、高温領域(１１７０℃)でＡｌＧａＮなどを成長させると、表面に少しバンチングが発生する傾向がある。このため、θｂ≠０．４すなわち、０．１°≦｜θｂ｜＜０．４°であることがより好ましい。
（実施の形態３）
次に実施の形態３のＳｃＡｌＭｇＯ４基板について説明する。本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板は、主面がＣ面（０００１面）からＭ軸方向対してθａ°、Ａ軸方向に対してθｂ°傾いている。つまり、オフ角ａおよびオフ角ｂの合成オフ角を備えている。このようなオフ角ａおよびオフ角ｂを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板の作製方法は、前述の実施の形態１と同様である。ただし、上述のオフ角形成工程において、オフ方向およびオフ角を調整する。
本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ４基板において、オフ角ａの好ましい範囲は、０．０５°≦｜θａ｜≦０．８°であり、より好ましくは、０．２°≦｜θａ｜≦０．６°である。また、オフ角ｂの好ましい範囲は、０．０５°≦｜θａ｜≦０．４°であり、より好ましくは０．１°≦｜θｂ｜≦０．４°であり、さらに好ましくは０．１°≦｜θｂ｜＜０．４°である。以下、その理由について説明する。
実施の形態１と同様に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面上に、ＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ族窒化物半導体層（ＧａＮ膜）１０３をエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長条件や、膜厚等は、実施の形態１と同様とした。以下の表１に、検討を行ったθａおよびθｂと表面モフォロジー結果とを示す。
検討は（θａ，θｂ）＝（０．１°，０．０５°）、（０．１°，０．１°）、（０．２°，０．０５°）、（０．２°，０．１°）、（０．４°，０．０５°）、（０．４°，０．１°）、（０．６°，０．０５°）、（０．６°，０．１°）、（０．８°，０．０５°）、（０．８°，０．１°）、（１．２°，０．１°）、（０．０５°，０．４°）、（０．１°，０．４°）、（０．１°，０．６°）について行った。また、得られたＧａＮ膜の表面モフォロジーについて観察し、エピタキシャル成長温度を７００〜１１７０℃とした場合でも表面モフォロジーが良好だった場合を◎、エピタキシャル成長温度７００℃もしくは１１７０℃では、表面モフォロジーが若干低下したが、１１２５℃では表面モフォロジーが良好だった場合を〇、波状の荒れたモフォロジーが観測された場合を×と表記している。表１より、オフ角ａおよびオフ角ｂを備えたＳｃＡｌＭｇＯ４基板では、実施の形態１および２で特定する範囲内の合成オフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板上であれば、良好なＧａＮ膜を得ることが確認出来た。
Figure 0006858640
また、表１に示されるように、オフ角ａおよびオフ角ｂの大小関係の影響は観測されなかった。これは、合成オフ角を備えたＳｃＡｌＭｇＯ４基板上におけるＧａＮ成長において、それぞれＣ面（（０００１）面）からＭ面（（１−１００）面）に対して略垂直方向、略平行方向に存在するＭ面ステップ、Ａ面ステップへの吸着原子の取り込みがほぼ同等であることを示唆している。
図１０に（θａ，θｂ）＝（０．１°，０．１°）のＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた後の表面の原子間力顕微鏡図を示す。図１０より、ほぼ直線状のステップ形状が観測されていることがわかる。また、当該直線状ステップは、Ｍ軸方向［１−１００］からＡ軸方向［１１−２０］に４５°の方向に対して、垂直に交差するように形成されており、合成オフ角に対応した向きをしていることが確認できる。図１０に示した（θａ，θｂ）＝（０．１°，０．１°）の合成オフ角を持つＳｃＡｌＭｇＯ４基板上ＧａＮ表面に形成されるステップのＭ面ステップ、Ａ面ステップの占める割合はそれぞれ５０％である。Ｍ面ステップ、Ａ面ステップ間のＧａＮの取り込み速度（成長速度）が異なる場合、出現するステップ形状が直線形状から乱れる、もしくは合成方向から傾くことが予想される。しかしながら、方向および直線性が共に良好であることから、Ｍ面ステップ、Ａ面ステップへのＧａＮの取り込み速度の差異が存在していない、もしくは非常に小さいことが確認できる。
図１０の結果は、合成オフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板上でのＧａＮエピタキシャル成長において、０°＜｜θａ｜≦０．８°及び０°＜｜θｂ｜≦０．４°を満たすオフ角領域にて良好なＧａＮ膜を得ることが可能であることを表す。また前述のように、７００〜１１７０℃程度でのＩＩＩ族窒化物半導体層の形成を考慮すると、表１において◎で示されている０．２°≦｜θａ｜≦０．６°及び０．１°≦｜θｂ｜≦０．４°を満たすオフ角領域の範囲内とすることが好ましい。このような範囲内であれば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にてステップの方向、直線性に乱れを生じさせることなく、平坦性と結晶性を兼ね備えた良好なＩＩＩ族窒化物半導体層を得る事が可能となる。また、θｂ＝０．４の場合に、高温領域(１１７０℃)でＡｌＧａＮなどを成長させると、表面に少しバンチングが発生する場合がある。このため、θｂ≠０．４すなわち、０．２°≦｜θａ｜≦０．６°及び０．１°≦｜θｂ｜＜０．４°とすることがより好ましい。
（その他）
上述の実施の形態１〜３では、それぞれ厚さ２μｍのＧａＮ膜を形成して、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の性能を検証したが、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは１μｍ以上であれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面が平坦化することから同様の効果を得ることが出来る。また、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面上には、ＨＶＰＥ法などを用いて０．１ｍｍ以上のＧａＮ厚膜を形成することも可能である。
また、上述の実施の形態１〜３では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板表面を全面オフ角加工し、その上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させているが、全面オフ角加工を施した後に、一部の領域をＳｉＮｘやＳｉＯ２にてマスクを施したＳｃＡｌＭｇＯ４基板や、凸凹形状を追加工したＳｃＡｌＭｇＯ４基板等としてもよい。このような基板であっても、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる主面がオフ角加工されていれば、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた場合に同様の効果を得ることが可能である。
また、上述の実施の形態１〜３では、ＩＩＩ族窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法で形成しているが、エピタキシャル成長方法としてはＨＶＰＥ法、ＯＶＰＥ法、スパッタ法、ＭＢＥ法などのいずれであってもよい。これらは、単独で行ってもよく、複数を組み合わせてもよい。いずれにおいても、上記と同様の効果を得ることが出来る。
また、上述の実施の形態１〜３では、一般式ＲＡＭＯ４で表される単結晶体からなる基板のうち、ＳｃＡｌＭｇＯ４の単結晶体から得られる基板についてのみ説明したが、本開示は、これに限定されない。本開示の基板は、一般式ＲＡＭＯ４で表されるほぼ単一結晶材料から構成されるものであればよい。なお、ほぼ単一結晶材料とは、主面（ＩＩＩ族窒化物半導体層のエピタキシャル成長面）を構成するＲＡＭＯ４が９０ａｔ％以上含まれ、かつ、任意の結晶軸に注目したとき、エピタキシャル成長面のどの部分においてもその向きが同一であるような結晶質固体をいう。ただし、局所的に結晶軸の向きが変わっているものや、局所的な格子欠陥が含まれるものも、単結晶として扱う。なお、Ｏは酸素である。ただし、上記の通り、ＲはＳｃ、ＡはＡｌ、ＭはＭｇとするのが望ましい。
また、ＲＡＭＯ４基板上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体を構成するＩＩＩ族元素金属は、ガリウム（Ｇａ）が最も好ましいが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等であってもよく、これらを１種類のみ用いてもよく、２種類以上併用してもよい。例えば、ＩＩＩ族元素金属として、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）からなる群から選択される少なくとも一つを用いてもよい。この場合、製造されるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の組成は、ＡｌｓＧａｔＩｎ｛１−（ｓ＋ｔ）｝Ｎ（ただし、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、ｓ＋ｔ≦１）で表される。また、ＩＩＩ族元素金属には、例えば、ドーパント材等を共存させて反応させても良い。前記ドーパントとしては、特に限定されないが、その例には、モノシラン（ＳｉＨ４）、酸化ゲルマニウム（例えばＧｅ２Ｏ３、Ｇｅ２Ｏ等）、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）等が含まれる。
２．ＩＩＩ族窒化物半導体装置
上述のＲＡＭＯ４基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体装置について説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体装置は、例えば図１１に示すようなＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤデバイスとすることができる。ただし、ＩＩＩ族窒化物半導体装置は、ＬＥＤデバイスに限定されず、ＬＤ等の半導体デバイス、高周波、高出力用途の電子デバイス等とすることができる。
以下、実際に上記ＲＡＭＯ４基板（ＳｃＡｌＭｇＯ４基板）を用いて作製したＬＥＤデバイスについて説明する。まず、オフ角ａおよび／またはオフ角ｂを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法によりバッファ層１０２を形成し、さらにアンドープＧａＮ層（ＩＩＩ属窒化物半導体層）１０３をエピタキシャル成長により形成した。そして更にｎ−ＧａＮ層（ｎ−ＩＩＩ属窒化物半導体層）１０４、ＩｎＧａＮ活性層１０５、ｐ−ＧａＮ層（ｐ−ＩＩＩ属窒化物半導体層）１０６、ｐ−コンタクト層１０７を順次積層した。ドナー不純物であるＳｉ原料にはモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、アクセプタ不純物であるＭｇ原料にはシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。バッファ層１０２およびアンドープＧａＮ層１０３はそれぞれ３０ｎｍおよび３μｍとした。また、ｎ−ＧａＮ層１０４、ｐ−ＧａＮ層１０６、およびｐ−コンタクト層１０７はそれぞれ３μｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとした。ＩｎＧａＮ活性層１０５にはＩｎＧａＮ量子井戸を用い、発光波長が４５０ｎｍ程度となるように成長温度を７１７℃、膜厚を３ｎｍとし、エピタキシャル成長させた。作製したＬＥＤデバイスには表面側よりそれぞれｎ−ＧａＮ層１０４上にｎ電極１０８、ｐ−コンタクト層１０７上にｐ電極１０９を形成した。ＬＥＤのサイズは０．８ｍｍとした。
なお、オフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１のオフ角は、それぞれ（θａ，θｂ）＝（０．１°，０．１°）、（０．４°，０．１°）、（０．８°，０．１°）、（０．４°，０°）、（０°，０．１°）とした。図１２に作製したＬＥＤの電流注入時の光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を示す。図１２には、従来例となる（θａ，θｂ）＝（０°，０°）であるＳｃＡｌＭｇＯ４基板の特性も示している。図１２より、オフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板を用いてＬＥＤデバイスを作製した場合、発光特性が従来のＬＥＤデバイスと比べ、良好なＩ−Ｌ特性を示していることがわかる。また、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面が、オフ角ａまたはオフ角ｂのいずれか一方のみを有する場合と比べ、合成オフ角（オフ角ａおよびオフ角ｂ）を有するＬＥＤデバイスにおいて、更に良好な光出力が確認された。合成オフ角を持つＬＥＤデバイスでは、実施の形態３で好ましいとした範囲、すなわちＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面が、０．２°≦｜θａ｜≦０．６°及び０．１°≦｜θｂ｜＜０．４°を満たすオフ角（θａ，θｂ）＝（０．４°，０．１°）を有する場合に、ＬＥＤにて最も強い発光が確認された。以上のことから、主面が上述のオフ角を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板は、高性能デバイスの作製に非常に有用であることが確認できた。
なお、上記ではＬＥＤによって、ＩＩＩ族窒化物半導体装置の性能を確認したが、レーザーダイオード（ＬＤ）においても、上述のＲＡＭＯ４基板を用いることで、同様に高性能化が可能である。また、電子デバイスにおいても図８に示すように転位密度の小さな高品質なＩＩＩ族窒化物半導体層を備えたデバイス作製を可能とすることから高性能化が可能である。
本開示に係るオフ角を有する基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体に対して格子不整合が小さく、高品質なＩＩＩ族窒化物半導体膜を作製することが出来るヘテロ基板とすることが可能となる。また、基板上にＩＩＩ族窒化物デバイスを作製することで高品質、高性能なＩＩＩ族窒化物デバイスを提供することが可能となる。
１０１ ＲＡＭＯ４（ＳｃＭｇＡｌＯ４）基板
１０２ バッファ層
１０３ ＩＩＩ族窒化物半導体層（アンドープＧａＮ層）
１０４ ｎ−ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮ層）
１０５ ＩｎＧａＮ活性層
１０６ ｐ−ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）
１０７ ｐ−コンタクト層
１０８ ｎ電極
１０９ ｐ電極

Claims (6)

  1. ＳｃＡｌＭｇＯ４で表される単結晶体からなるＳｃＡｌＭｇＯ ４ 基板であって、
    前記ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の主面が、Ｃ面からＭ軸方向に対してθａ°傾いたオフ角ａと、Ｃ面からＡ軸方向に対してθｂ°傾いたオフ角ｂとを有しており、
    ０．２°≦｜θａ｜≦０．６°を満たし、かつ０．１°≦｜θｂ｜≦０．４°を満たす、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板。
  2. θｂ≠０．４である、請求項１に記載のＳｃＡｌＭｇＯ４基板。
  3. 前記主面上にＩＩＩ族窒化物半導体が配される、請求項１または２に記載のＳｃＡｌＭｇＯ４基板。
  4. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体がＧａＮである、請求項３に記載のＳｃＡｌＭｇＯ４基板。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｃＡｌＭｇＯ４基板と、
    前記ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に配されたＩＩＩ族窒化物半導体素子と、を備える、
    ＩＩＩ族窒化物半導体装置。
  6. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体素子は光デバイスまたは電子デバイスである、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体装置。
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