JP6984855B2

JP6984855B2 - 下地基板

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Publication number: JP6984855B2
Application number: JP2016164800A
Authority: JP
Inventors: 一行只友; 成仁岡田; 良井本
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2036-08-25
Also published as: JP2018030763A

Description

本発明は、半導体基板を製造するための下地基板に関する。

ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy、以下「ＨＶＰＥ法」という。）により低転位密度のＧａＮ層を形成する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、サファイア基板上に設けたＧａＮ膜上にマスク幅の異なる複数のマスクを形成し、それらのマスクの開口部からＨＶＰＥ法でＧａＮを結晶成長させることにより、マスクの開口部から結晶成長した小三角ファセット構造と、小三角ファセット構造が合体した巨大三角ファセット構造とを含む厚膜のＧａＮ層を形成し、このとき、小三角ファセット構造及び巨大三角ファセット構造によって転位の進行方向が曲げられることからＧａＮ層の表面に到達する転位が低減されることが開示されている。

特許文献２〜４には、下地基板上に規則正しくストライプマスクパターンを形成し、それらのマスクの開口部からＨＶＰＥ法でＧａＮを結晶成長させることにより、ファセットよりなる直線状のＶ溝を有するＧａＮ層を形成し、このとき、Ｖ溝の底部に転位が集合することから、それ以外の低転位密度の領域をデバイスの重要部分に使用することが開示されている。

特開２００４−１９３３７１号公報特開２００９−０５７２７６号公報特開２００６−０６６４９６号公報特開２００３−１８３１００号公報

パワーエレクトロニクスにおけるパワーデバイス用材料としてＧａＮが期待されている。そして、産業用や自動車用等の高耐圧及び大電流用途でのＧａＮ系パワーデバイスを実現する上で、従来のＬＥＤ等の発光デバイスよりも低転位密度のＧａＮ基板を作製する技術の確立が望まれている。

しかしながら、特許文献１に開示されたＧａＮ層の形成方法では、パワーデバイス用材料に求められるような低転位密度を実現することは困難である。また、特許文献２〜４に開示された方法で得られるＧａＮ層は、大面積の低転位密度領域を必要とするパワーデバイス用材料には不向きである。

本発明の課題は、パワーデバイス用材料として好適な低転位密度の大面積の半導体基板を製造するための下地基板を提供することである。

本発明は、半導体基板を製造するために用いられる下地基板であって、基板本体と前記基板本体上に設けられたマスクとを有し、前記基板本体上の面内において、前記マスクと前記基板本体が露出した開口部とが所定方向に交互に配設された部分を含むと共に、前記所定方向において、前記マスクの幅が１０μｍ以上２０μｍ以下及び前記マスクの幅に対する前記開口部の幅の比が１０以上５０以下であり、且つ前記マスク上に半導体の結晶成長が生じることなく、各々、前記開口部から露出する前記基板本体を底面として、前記半導体が前記所定方向に沿った断面形状が三角形となるように結晶成長した複数の三角ファセット構造を形成した後、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長して、相互に隣接する前記三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成し、そして、前記第１厚膜成長層が会合すると共に、その会合部に転位が集中し、また、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長すると同時に、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの上に、前記三角ファセット構造の頂上に連続して、前記三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で、且つ前記所定方向の寸法が両側に漸次拡大して前記所定方向に沿った断面形状が逆三角形となるように結晶成長して第２厚膜成長層を形成し、そして、前記第２厚膜成長層が合体して前記第１厚膜成長層を埋設すると共に、その表面において転位が分散する。

本発明によれば、基板本体上の面内において、マスクと基板本体が露出した開口部とが所定方向に交互に配設され、その所定方向において、マスクの幅が１０μｍ以上１００μｍ以下及びマスクの幅に対する開口部の幅の比が５以上５０以下であるので、それらの開口部から、各々、所定方向に沿った断面形状が三角形となるように半導体が結晶成長した大きな複数の三角ファセット構造を所定方向に並んで配設されるように形成することができる。そして、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの斜めファセット面から、半導体が結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成すると共に、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの上に、半導体が、三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で結晶成長して所定方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層を形成し、最終的に複数の三角ファセット構造の上の複数の第２厚膜成長層が合体して第１厚膜成長層を埋設することにより、転位の低減及び分散効果が得られ、その結果、これらの三角ファセット構造並びに第１及び第２厚膜成長層を含む半導体層からパワーデバイス用材料として好適な低転位密度の大面積の半導体基板を製造することができる。

下地基板の斜視図である。下地基板の平面図である。図１ＢにおけるIC-IC断面図である。マスクパターンの第１の変形例を示す平面図である。マスクパターンの第２の変形例を示す平面図である。マスクパターンの第３の変形例を示す平面図である。マスクパターンの第４の変形例を示す平面図である。三角ファセット構造形成ステップを示す斜視図である。三角ファセット構造形成ステップを示す平面図である。図３ＢにおけるIIIC-IIIC断面図である。厚膜成長ステップの前半を示す断面図である。厚膜成長ステップの前半の変形例を示す断面図である。厚膜成長ステップの後半を示す断面図である。厚膜成長ステップの後半の変形例を示す断面図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

実施形態に係る半導体基板の製造方法は、下地基板準備工程と半導体結晶成長工程とを備える。なお、ここではＧａＮを半導体とするＧａＮ基板の製造例を示すが、特にこれに限定されるものではなく、半導体がＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＮ等であってもよい。

（下地基板準備工程）
下地基板準備工程では、半導体基板を製造するために用いられる図１Ａ〜１Ｃに示すような下地基板１０を準備する。

下地基板１０は、基板本体１１とその上にストライプ状に設けられたマスク１２とを有する。

基板本体１１は、マスク１２間の開口部１３から露出する基板表面が後に開口部１３から結晶成長させるのと同一の半導体のＧａＮで構成されていることが好ましい。基板本体１１は、ＧａＮ基板、又は、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等の基材表面にＧａＮ膜が設けられたものであることが好ましい。基板表面を構成するＧａＮの主面は、特に限定されるものではないが、ｃ面であることが好ましい。なお、基板本体１１は、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等で構成されていてもよい。

マスク１２は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）等で形成されている。マスク１２は、基板本体１１上の面内において、マスク１２と基板本体１１が露出した開口部１３とが所定方向に交互に配設された部分を含み、且つ後述するように開口部１３からＧａＮがその所定方向に沿った断面形状が三角形となるように結晶成長した三角ファセット構造を形成するように設けられていればよい。具体的には、ストライプ状のマスク１２は、例えば、マスク幅方向、つまり、マスク１２と開口部１３とが交互に配設された所定方向が、開口部１３から露出した基板本体１１のａ軸方向又はｍ軸方向となるように設けられていることが好ましい。

マスク幅方向において、マスク１２の幅ｗは１０μｍ以上１００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。マスク１２の幅ｗは長さ方向に一定であることが好ましく、また、マスク１２の幅ｗは相互に同一であることが好ましい。開口部１３の幅Ｗは、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上９００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。開口部１３の幅Ｗも長さ方向に一定であることが好ましく、また、開口部１３の幅Ｗも相互に同一であることが好ましい。マスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）は５以上５０以下であり、好ましくは５以上２５以下、より好ましくは１０以上２５以下である。なお、マスク１２の幅ｗ及び開口部１３の幅Ｗのうちの少なくとも一方が長さ方向に一定でない場合、いずれかの部分のマスク１２とそれに隣接する開口部１３との関係において、マスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比が５以上５０以下であればよい。また、マスク１２の幅ｗ及び開口部１３の幅Ｗのうちの少なくとも一方が相互に同一でない場合、いずれかのマスク１２とそれに隣接する開口部１３との関係において、マスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）が５以上５０以下であればよい。

マスク１２の幅ｗ及び開口部１３の幅Ｗの和であるマスク１２の周期Ｐは、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。マスク１２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

なお、マスク１２のパターンは、基板本体１１上の面内において、マスク１２と基板本体１１が露出した開口部１３とが所定方向に交互に配設された部分を含むと共に、その所定方向において、マスク１２の幅ｗが１０μｍ以上１００μｍ以下及びマスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）が５以上５０以下であり、且つ開口部１３からＧａＮが所定方向に沿った断面形状が三角形となるように結晶成長した三角ファセット構造を形成する構成であれば、上記のストライプ状のマスクパターンに限定されるものではない。マスク１２のマスクパターンは、例えば、図２Ａに示すように、平面視においてマスク１２に任意形状の開口部１３が形成されたものであってもよく、図２Ｂに示すように、平面視においてマスク１２にハニカム状に正六角形の開口部１３が形成されたものであってもよく、図２Ｃに示すように、平面視においてマスク１２に三角格子を構成するように円形の開口部１３が形成されたものであってもよく、図２Ｄに示すように、平面視においてマスク１２に四角格子を構成するように矩形の開口部１３が形成されたものであってもよい。

以上の構成の下地基板１０によれば、基板本体１１上の面内において、マスク１２と基板本体１１が露出した開口部１３とがマスク幅方向に交互に配設され、そのマスク幅方向において、マスク１２の幅ｗが１０μｍ以上１００μｍ以下及びマスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）が５以上５０以下であるので、ＧａＮの結晶成長条件を適宜選択すれば、後述するように、それらの開口部から、各々、マスク幅方向に沿った断面形状が三角形となるようにＧａＮが結晶成長した大きな複数の三角ファセット構造をマスク幅方向に並んで配設されるように形成することができる。そして、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの斜めファセット面から、ＧａＮが結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成すると共に、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの上に、ＧａＮが、三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で結晶成長してマスク幅方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層を形成し、最終的に第１厚膜成長層による相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部の埋め込みが完了するのに続いて、複数の三角ファセット構造の上の複数の第２厚膜成長層が合体して第１厚膜成長層を埋設することにより、転位の低減及び分散効果が得られ、その結果、これらの三角ファセット構造並びに第１及び第２厚膜成長層を含むＧａＮ層からパワーデバイス用材料として好適な低転位密度の大面積のＧａＮ基板を製造することができる。

誘電体のマスク１２には、単に基板本体１１の転位の成長阻止層としての働きだけではなく、結晶成長するＧａＮを成長部に供給するポンプとしての働きがあるものと考えられる。そして、マスク１２の幅ｗが１０μｍ以上１００μｍ以下及びマスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）が５以上５０以下であれば、マスク１２の上に異常な結晶成長が生じることなく、大きな三角ファセット構造を安定して形成することができるものと考えられる。

（半導体結晶成長工程）
半導体結晶成長工程では、気相成長装置を用い、気相成長法のＨＶＰＥ法で、反応室で下地基板１０のマスク１２を設けた側の面に原料ガスを接触させることにより半導体のＧａＮの結晶成長を行う。原料ガスには、Ｇａ源ガスとしてＧａＣｌガスが挙げられ、Ｎ源ガスとしてＮＨ_３ガスが挙げられる。また、キャリアガスとして例えばＨ_２ガスやＮ_２ガスが挙げられる。なお、このとき、気相成長法としてＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）等を用いてもよい。

＜三角ファセット構造形成ステップ＞
ＧａＮは、下地基板１０上のマスク１２により結晶成長が規制されるため、マスク１２間の各開口部１３からエピタキシャル成長する。従って、開口部１３から基板本体１１の主面がｃ面のＧａＮが露出していれば、ＧａＮがｃ面成長する。このとき、図３Ａ〜３Ｃに示すように、ＧａＮは、各開口部１３において、結晶成長するに従ってマスク幅方向の寸法が両側から漸次短くなった後に最終的に線状に収束した頂上を構成し、このとき、マスク幅方向に沿った断面形状が上に頂点を有する三角形の突状に構成された幅が１００μｍ以上の大きな三角ファセット構造２１を形成する。ここで、本出願における「三角形」には、３本の線分の辺で構成された三角形の他、３本の辺のうちの少なくとも１本が弓形に外向きに膨出又は内向きに没入した略三角形も含まれる。

この三角ファセット構造２１は、マスク幅方向に間隔をおいて複数が並んで配設されるように開口部１３毎に形成され、全体として、三角ファセット構造２１とマスク１２とが交互にストライプ状に設けられたＧａＮ層２０（半導体層）を構成する。つまり、この三角ファセット構造２１は、各開口部１３に対応して形成されたものであり、複数の開口部１３において形成された複数の三角ファセット構造２１が合体して形成されたものではない。

マスク幅方向において、三角ファセット構造２１間の間隔は、マスク１２の幅ｗと同一であり、好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。三角ファセット構造２１の幅（底面幅）は、開口部１３の幅Ｗと同一であり、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上９００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。三角ファセット構造２１間の間隔に対する三角ファセット構造２１の幅の比は、マスク１２の幅ｗに対する開口部１３の幅Ｗの比（Ｗ／ｗ）と同一であり、好ましくは５以上５０以下、より好ましくは５以上２５以下、更に好ましくは１０以上２５以下である。

下地基板１０に含まれていた転位ｄは、マスク１２の対応部分では遮蔽されるが、開口部１３の対応部分ではＧａＮ層２０の三角ファセット構造２１に継承される。

ここで、ＧａＮの結晶成長条件は、三角ファセット構造２１の形成に好適なように適宜選択する。具体的には、Ｇａ源ガス（ＧａＣｌを生成するＨＣｌガス）流量は例えば０．４ｓｌｍ以上１．２ｓｌｍ以下であり、Ｎ源ガスの流量は例えば４ｓｌｍ以上２４ｓｌｍ以下であり、及びキャリアガスの流量は典型的には例えば１７．４ｓｌｍである。反応室内の圧力は典型的には９８０ｋＰａ以上１０００ｋＰａ以下であり、及び結晶成長温度は例えば１０００℃以上１１００℃以下である。

＜厚膜成長ステップ＞
三角ファセット構造２１形成ステップの後、引き続きＧａＮを結晶成長させる。このとき、図４Ａに示すように、ＧａＮは、複数の三角ファセット構造２１のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造２１間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２２を形成すると同時に（第１厚膜成長ステップ）、複数の三角ファセット構造２１のそれぞれの上に、その頂上に連続して、三角ファセット構造２１の底面、従って、下地基板１０の基板本体１１におけるマスク１２間の開口部１３から露出する基板表面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴ってマスク幅方向の寸法が両側に漸次拡大して、成長領域の履歴であるマスク幅方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層を形成し（第２厚膜成長ステップ）、そして、三角ファセット構造２１を含んで全体として単一のＧａＮ層２０（半導体層）を構成する。

また、下地基板１０の構成及びＧａＮの結晶成長条件を選択することにより、図４Ｂに示すように、ＧａＮは、複数の三角ファセット構造２１のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造２１間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２２を形成し（第１厚膜成長ステップ）、しかる後、第１厚膜成長層２２の形成と共に、複数の三角ファセット構造２１のそれぞれの上に、三角ファセット構造２１の頂上から間隔をおいて、三角ファセット構造２１の底面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴ってマスク幅方向の寸法が両側に漸次拡大して、成長領域の履歴であるマスク幅方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層を形成し（第２厚膜成長ステップ）、そして、三角ファセット構造２１を含んで全体として単一のＧａＮ層２０（半導体層）を構成してもよい。

ここで、本出願における「逆三角形」には、３本の線分の辺で構成された逆三角形の他、３本の辺のうちの少なくとも１本が弓形に外向きに膨出又は内向きに没入した略逆三角形も含まれる。なお、三角ファセット構造２１がｃ面成長したＧａＮで形成されている場合、第２厚膜成長層２３もそれと同様にｃ面成長したＧａＮで形成される。

そして、第１及び第２厚膜成長層２２，２３におけるＧａＮの結晶成長が進むと、図５Ａ（図４Ａに対応）及び５Ｂ（図４Ｂに対応）に示すように、第１厚膜成長層２２による相互に隣接する三角ファセット構造２１間の凹部の埋め込みが完了し、それに続いて、複数の三角ファセット構造２１の上の複数の第２厚膜成長層２３が合体することにより第１厚膜成長層２２を埋設し、最終的に三角ファセット構造２１並びに第１及び第２厚膜成長層２２，２３を含んで全体として表面が平坦な単一のＧａＮ層２０（半導体層）を構成する。

三角ファセット構造２１に含まれた転位ｄは、三角ファセット構造２１のファセットにおいて伝搬方向が屈曲等して第１厚膜成長層２２を伝搬し、相互に隣接する第１厚膜成長層２２の会合部の凹部に集中する。しかしながら、第１厚膜成長層２２が第２厚膜成長層２３に埋め込まれた後の表面においては転位ｄが分散し、また、その表面は低転位密度化される。この転位ｄの分散及び低減効果は、相互に隣接する第１厚膜成長層２２の会合部の凹部に集中することにより起きる転位ｄの対消滅と、最終的に第１厚膜成長層２２が第２厚膜成長層２３に埋め込まれることにより、第１厚膜成長層２２の転位ｄの上層への伝搬が規制されると共に第２厚膜成長層２３の転位ｄが分散することとによるものであると考えられる。

ここで、基板本体１１の表面から三角ファセット構造２１の頂上までの高さをＬ_Ｗ及び基板本体１１の表面から三角ファセット構造２１間の凹部が埋まった点、つまり、第２厚膜成長層２３の合体始点までの高さをＬ_Ｍとすると、第２厚膜成長層２３の結晶成長速度が速いとＬ_Ｍが小さくなり、第２厚膜成長層２３の結晶成長速度が遅いとＬ_Ｍが大きくなる。第２厚膜成長層２３の結晶成長速度が遅いと、相互に隣接する第１厚膜成長層２２の会合部の凹部への転位ｄの集中が促進されるので、高い転位低減効果を得ることができる一方、第１厚膜成長層２２間の凹部の埋め込み成長が進みにくくなる。転位ｄの分散及び低減効果を高めると共に第１厚膜成長層２２間の凹部の埋め込み成長を進める観点からは、Ｌ_Ｗに対するＬ_Ｍの比（Ｌ_Ｍ／Ｌ_Ｗ）は、好ましくは１以上３．７５以下、より好ましくは１．５以上３．７５以下である。

厚膜成長ステップでのＧａＮの結晶成長条件は、第１及び第２厚膜成長層２２，２３の形成に好適なように適宜設定する。ＧａＮの結晶成長条件は、三角ファセット構造形成ステップと同一であっても、異なっていても、どちらでもよい。

そして、このようにして作製したＧａＮ層２０に水平方向に亀裂を入れて分離することによりＧａＮ基板を得ることができる。このＧａＮ基板は、ハイブリッド自動車や電車等の高耐圧及び大電流の電力制御を行うパワーエレクトロニクスにおけるパワーデバイス用材料として好適に用いることができ、その他、これまで十分な特性を得ることができなかった緑色等の発光デバイス用材料、宇宙等の特殊用途における高付加価値が求められる太陽電池用材料としても好適に用いることができる。

以上の実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法によれば、各々、マスク幅方向に沿った断面形状が三角形となるようにＧａＮが結晶成長した幅が１００μｍ以上の大きな複数の三角ファセット構造２１をマスク幅方向に並んで配設されるように形成し、そして、それらの大きな三角ファセット構造２１のそれぞれの斜めファセット面から、ＧａＮが結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造２１間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層２２を形成すると共に、それらの大きな三角ファセット構造２１のそれぞれの上に、ＧａＮが、三角ファセット構造２１の底面と同一の結晶成長面で結晶成長してマスク幅方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層２３を形成し、最終的に第１厚膜成長層２２による相互に隣接する三角ファセット構造２１間の凹部の埋め込みが完了するのに続いて、複数の三角ファセット構造２１の上の複数の第２厚膜成長層２３が合体して第１厚膜成長層２２を埋設することにより、転位ｄの低減及び分散効果が得られ、その結果、これらの三角ファセット構造２１並びに第１及び第２厚膜成長層２２，２３を含むＧａＮ層２０からパワーデバイス用材料として好適な低転位密度の大面積のＧａＮ基板を製造することができる。また、低転位密度のＧａＮ基板でありながら、液相成長法で得られるものとは異なって残留不純物濃度が低く、更に、ドーピングにより高抵抗基板から低抵抗基板まで導電性制御を容易に行うことができる。

［実験１］
実験１では、主面がｃ面のサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法により厚さ３μｍ程度のＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた基板本体上に、幅を２〜５００μｍの範囲で少しずつ広くした厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のストライプ状のマスクを、開口部の幅が１０μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を１０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を１５分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。

実験１から、マスクの幅が１００μｍよりも広くなると、マスク上に結晶配向が異なるＧａＮ結晶が多数形成され、マスクの幅と開口部の幅との和の周期が大きくなっても、それに対応するような大きな三角ファセット構造は形成されないことが分かった。

［実験２］
実験２-１では、実験１で用いたのと同様の基板本体上に、幅１０μｍ及び厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のストライプ状のマスクを、開口部の幅が２００μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を６０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を５４０分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。また、実験２-２及び２-３では、開口部の幅をそれぞれ１０００μｍ及び２０００μｍとして実験２-１と同様の操作を行った。

実験２-４では、実験１で用いたのと同様の基板本体上に、幅１００μｍ及び厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のマスクを、開口部の幅が９００μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるようにストライプ状に設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を６０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を３６０分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。また、実験２-５では、マスクの幅を５０μｍ及び開口部の幅を９５０μｍとして、実験２-６では、マスクの幅を２０μｍ及び開口部の幅を９８０μｍとして実験２-４と同様の操作を行った。

実験結果を表１に示す。

表１に示す実験２-１〜２-６の結果から、マスクの幅が小さくても、開口部の幅が大きいと大きな三角ファセット構造は形成されない一方、開口部の幅が大きくても、マスクの幅をそれに対応するように大きく調整すれば、大きな三角ファセット構造が形成されることが分かる。

［実験３］
実験３-１〜３-１６では、実験１で用いたのと同様の基板本体上、又は、主面がｃ面のＧａＮ基板の基板本体上に、ストライプ状のＳｉＯ_２又はＳｉＮｘのマスクを、マスクの幅及び開口部の幅を種々組み合わせ、マスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、反応室内の圧力を常圧とした他は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）、結晶成長温度、及び結晶成長時間を種々組み合わせた。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。

実験結果を表２に示す。

表２に示す実験３-１〜３-１６の結果から、マスクの幅に対する開口部の幅の比が５〜５０の範囲である実験３-１〜３-１２では、安定して大きな三角ファセット構造が形成されることが分かる。一方、マスクの幅に比べて開口部の幅が大きく、その比が１００及び２００である実験３-１３〜３-１５、また逆に、マスクの幅に比べて開口部の幅が小さく、その比が０．０４２である実験３-１６では、三角ファセット構造が形成されないことが分かる。

［実験４］
実験４-１では、実験１で用いたのと同様の基板本体上に、幅１０μｍ及び厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のストライプ状のマスクを、開口部の幅が２００μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を６０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を５４０分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。また、基板内の５点以上の基準点の測定結果を平均して平均膜厚と平均転位密度を測定し、対消滅の理論と実験結果をフッティングして求めた対消滅だけの転位低減のモデル式に基づいて求めた転位密度の計算値から平均転位密度を減じ、それの転位密度の計算値に対する転位低減効率を算出した。

実験４-２では、実験１で用いたのと同様の基板本体上に、幅２０μｍ及び厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のストライプ状のマスクを、開口部の幅が９８０μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、前半、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を６０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を３６０分とし、後半、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を１０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１１００℃、及び結晶成長時間を３６０分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を蛍光顕微鏡観察することにより三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。また、実験４-１と同様、平均成長膜厚及び平均転位密度を測定し、転位密度の計算値を求めて転位低減効率を算出した。

実験４-３では、主面がｃ面のＧａＮ基板の基板本体上に、幅１０μｍ及び厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２のストライプ状のマスクを、開口部の幅が２００μｍとなり且つマスク幅方向がｍ軸方向となるように設けた試験用の下地基板を作製した。続いて、この下地基板にＨＶＰＥ法によりＧａＮを結晶成長させた。結晶成長条件は、Ｇａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）を６０、反応室内の圧力を常圧、結晶成長温度を１０４０℃、及び結晶成長時間を３６０分とした。そして、得られたＧａＮ層のａ面断面を電子顕微鏡観察してカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を得て三角ファセット構造の形成・不形成を確認した。また、実験４-１と同様、平均成長膜厚及び平均転位密度を測定し、転位密度の計算値を求めて転位低減効率を算出した。

実験結果を表３及び４に示す。また、表４には、実験４-１及び４-２について蛍光顕微鏡観察写真、並びに実験４-３についてカソードルミネッセンス（ＣＬ）像をそれぞれ示す。

表３及び４に示す実験４-１〜４-３の結果から、幅が２００μｍ又は９８０μｍの大きな複数の三角ファセット構造をマスク幅方向に並んで配設されるように形成するのに続いて、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの斜めファセット面から、ＧａＮが結晶成長して相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成すると共に、それらの大きな三角ファセット構造のそれぞれの上に、主面がｃ面のＧａＮが結晶成長してマスク幅方向に沿った断面形状が逆三角形となるように第２厚膜成長層を形成し、最終的に第１厚膜成長層による相互に隣接する三角ファセット構造間の凹部の埋め込みが完了するのに続いて、複数の三角ファセット構造の上の複数の第２厚膜成長層が合体して第１厚膜成長層を埋設することにより、低転位密度のＧａＮ層が得られることが分かる。

なお、基板本体の表面から三角ファセット構造の頂上までの高さをＬ_Ｗ及び基板本体の表面から第１厚膜成長層間の凹部が埋まった点までの高さをＬ_Ｍとすると、実験４-１〜４-３では、Ｌ_Ｗに対するＬ_Ｍの比（Ｌ_Ｍ／Ｌ_Ｗ）が１．８〜２．２であった。

本発明は、半導体基板を製造するための下地基板の技術分野について有用である。

１０下地基板
１１基板本体
１２マスク
１３開口部
２０ＧａＮ層（半導体層）
２１三角ファセット構造
２２第１厚膜成長層
２３第２厚膜成長層

Claims

半導体基板を製造するために用いられる下地基板であって、
基板本体と前記基板本体上に設けられたマスクとを有し、
前記基板本体上の面内において、前記マスクと前記基板本体が露出した開口部とが所定方向に交互に配設された部分を含むと共に、前記所定方向において、前記マスクの幅が１０μｍ以上２０μｍ以下及び前記マスクの幅に対する前記開口部の幅の比が１０以上５０以下であり、且つ前記マスク上に半導体の結晶成長が生じることなく、各々、前記開口部から露出する前記基板本体を底面として、前記半導体が前記所定方向に沿った断面形状が三角形となるように結晶成長した複数の三角ファセット構造を形成した後、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長して、相互に隣接する前記三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第１厚膜成長層を形成し、そして、前記第１厚膜成長層が会合すると共に、その会合部に転位が集中し、また、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの斜面の斜めファセット面から結晶成長すると同時に、前記半導体が、前記複数の三角ファセット構造のそれぞれの上に、前記三角ファセット構造の頂上に連続して、前記三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で、且つ前記所定方向の寸法が両側に漸次拡大して前記所定方向に沿った断面形状が逆三角形となるように結晶成長して第２厚膜成長層を形成し、そして、前記第２厚膜成長層が合体して前記第１厚膜成長層を埋設すると共に、その表面において転位が分散する下地基板。
請求項１に記載された下地基板において、
前記所定方向が前記開口部から露出した前記基板本体のａ軸方向又はｍ軸方向である下地基板。
請求項１又は２に記載された下地基板において、
前記開口部から露出した前記基板本体が前記開口部から結晶成長させるのと同一の半導体で構成されている下地基板。
請求項１乃至３のいずれかに記載された下地基板において、
前記マスクが前記基板本体上にストライプ状に設けられている下地基板。
請求項１乃至４のいずれかに記載された下地基板において、
前記半導体がＧａＮである下地基板。