JP7112379B2 - Ｉｉｉ族窒化物基板 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ族窒化物基板に関する。
従来、縦型ＧａＮパワーデバイスには、低抵抗、低転位のＧａＮ基板が必要とされている。例えばｎ型の低抵抗のＧａＮ基板を作成する場合、Ｓｉ原子やＯ原子の混入量を増加させてキャリア濃度を向上させることが行われてきた（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、キャリア濃度が１×１０２０／ｃｍ３以上の高濃度となる場合には、結晶性の悪化や転位欠陥の増加といった問題が生じる場合がある。
本発明は、高いキャリア濃度を達成しながら、低転位及び低抵抗のＩＩＩ族窒化物基板を提供することを目的とする。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板は、研磨された面内において、第１不純物濃度を示す第１領域と、
前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度を示す第２領域と、
を有し、
前記第１領域の第１転位密度は、前記第２領域の第２転位密度よりも低い。
前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度を示す第２領域と、
を有し、
前記第１領域の第１転位密度は、前記第２領域の第２転位密度よりも低い。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板によれば、低転位であって低抵抗であり、デバイス形成時に、転位密度の高い第２領域でリークが生じるのを抑制でき、絶縁耐圧の向上を図ることができる。
第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、研磨された面内において、第１不純物濃度を示す第１領域と、
前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度を示す第２領域と、
を有し、
前記第１領域の第１転位密度は、前記第２領域の第２転位密度よりも低い。
前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度を示す第２領域と、
を有し、
前記第１領域の第１転位密度は、前記第２領域の第２転位密度よりも低い。
第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第１の態様において、前記第１領域は、前記第２領域を中心として前記第２領域の周囲を囲うように配置されていてもよい。
第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第１又は第２の態様において、前記第１領域は、前記第２領域に向かって縮径する形状であってもよい。
第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記第２不純物濃度よりも低い第３不純物濃度を示す第３領域を、更に有してもよい。
第５の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第４の態様において、前記第３領域は、前記第２領域を中心として前記第２領域の周囲を囲うように配置されていてもよい。
第６の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第４の態様において、前記第１領域と前記第３領域とは、前記第２領域を中心として前記第２領域の周囲に交互に配置されていてもよい。
第７の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記第１領域に含まれる不純物は、酸素、シリコンの群から選択される少なくとも１つであってもよい。
第８の態様に係るＩＩＩ族窒化物基板は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記第１不純物濃度は、酸素濃度が１×１０２０／ｃｍ３以上であってもよい。
第９の態様に係るデバイスは、上記第１から第８のいずれかの態様に係るＩＩＩ族窒化物基板と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板に形成されたデバイス構造と、
を備える。
前記ＩＩＩ族窒化物基板に形成されたデバイス構造と、
を備える。
以下、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物基板について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
（実施の形態１）
＜ＩＩＩ族窒化物基板＞
図１は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板のｍ面から見た断面図である。図２は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板のａ面から見た断面図である。図３は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピット３の分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。図４は、図３のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板は、研磨された面内において、例えば、図１及び図２に示すように、種基板１の上に成長したＧａＮ層２とを有する。また、ＧａＮ層２の表面には、図１のｍ面から見た断面図に示されるように、｛１１－２２｝面を有する。さらに、図２のａ面から見た断面図に示されるように、｛１０－１１｝面を有する。また、図３のＳＥＭ写真及び図４の表面研磨後のカソードルミネッセンス像に示されるように、｛１１－２２｝面の第１領域１１と、｛１０－１１｝面の第３領域１３と、がエッチピットである第２領域１２の周囲を囲んでそれぞれ６つ配置されている。第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２の周囲を交互に配置されている。さらに、第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２に向かって縮径している。換言すれば、第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２を中心として放射状に延びている。また、エッチピットであるそれぞれの第２領域１２の周囲に第１領域１１及び第３領域１３が配置されている。
なお、図３のＳＥＭ写真に示されるように、この実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の面ではエッチピット３の密度が低く、つまり、転位密度が低いことがわかる。
＜ＩＩＩ族窒化物基板＞
図１は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板のｍ面から見た断面図である。図２は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板のａ面から見た断面図である。図３は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピット３の分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。図４は、図３のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板は、研磨された面内において、例えば、図１及び図２に示すように、種基板１の上に成長したＧａＮ層２とを有する。また、ＧａＮ層２の表面には、図１のｍ面から見た断面図に示されるように、｛１１－２２｝面を有する。さらに、図２のａ面から見た断面図に示されるように、｛１０－１１｝面を有する。また、図３のＳＥＭ写真及び図４の表面研磨後のカソードルミネッセンス像に示されるように、｛１１－２２｝面の第１領域１１と、｛１０－１１｝面の第３領域１３と、がエッチピットである第２領域１２の周囲を囲んでそれぞれ６つ配置されている。第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２の周囲を交互に配置されている。さらに、第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２に向かって縮径している。換言すれば、第１領域１１及び第３領域１３は、第２領域１２を中心として放射状に延びている。また、エッチピットであるそれぞれの第２領域１２の周囲に第１領域１１及び第３領域１３が配置されている。
なお、図３のＳＥＭ写真に示されるように、この実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の面ではエッチピット３の密度が低く、つまり、転位密度が低いことがわかる。
＜不純物濃度について＞
図５は、二次イオン質量分析法による解析範囲２０を示す、ＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図６は、図５の解析範囲の顕微鏡像である。図７は、図５の解析範囲について、二次イオン質量分析法によって得られる酸素濃度を濃淡として示す図である。図８は、図５の解析範囲について、二次イオン質量分析法によって得られるＳｉ濃度を濃淡として示す図である。
このＩＩＩ族窒化物基板は、例えば、図７に示すように、第１領域１１の酸素濃度は、１０２０／ｃｍ２台の後半であるのに対して、第３領域１３の酸素濃度は、１０２０／ｃｍ２台の前半である。つまり、第１領域１１の酸素濃度は、第３領域１３の酸素濃度よりも高い。また、第２領域１２の酸素濃度は、第１領域１１の酸素濃度よりも低く、第３領域１３よりも高いことがわかる。また、第１領域１１の第１転位密度は、第２領域１２の第２転位密度よりも低い。なお、図８に示すように、Ｓｉ濃度は、第１領域１１、第２領域１２及び第３領域１３にわたって１０１８／ｃｍ２前半～１０１９／ｃｍ２台後半であって、各領域について大きな差異はなく、不純物濃度の差異は酸素濃度に依存している。
図５は、二次イオン質量分析法による解析範囲２０を示す、ＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図６は、図５の解析範囲の顕微鏡像である。図７は、図５の解析範囲について、二次イオン質量分析法によって得られる酸素濃度を濃淡として示す図である。図８は、図５の解析範囲について、二次イオン質量分析法によって得られるＳｉ濃度を濃淡として示す図である。
このＩＩＩ族窒化物基板は、例えば、図７に示すように、第１領域１１の酸素濃度は、１０２０／ｃｍ２台の後半であるのに対して、第３領域１３の酸素濃度は、１０２０／ｃｍ２台の前半である。つまり、第１領域１１の酸素濃度は、第３領域１３の酸素濃度よりも高い。また、第２領域１２の酸素濃度は、第１領域１１の酸素濃度よりも低く、第３領域１３よりも高いことがわかる。また、第１領域１１の第１転位密度は、第２領域１２の第２転位密度よりも低い。なお、図８に示すように、Ｓｉ濃度は、第１領域１１、第２領域１２及び第３領域１３にわたって１０１８／ｃｍ２前半～１０１９／ｃｍ２台後半であって、各領域について大きな差異はなく、不純物濃度の差異は酸素濃度に依存している。
＜成長層の厚さと転位密度について＞
図９は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが５０μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１０は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが２００μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１１は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが３００μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１２は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さと転位密度との関係を示す図である。
図９乃至図１１に示すように、図１及び図２の成長層であるＧａＮ層２の厚さが増加するにつれて第２領域１２の数が少なくなることがわかる。つまり、図１２に示すように、種基板１の上に成長するＧａＮ層２の厚さが増加するにつれて転位密度が低くなることがわかる。具体的には、種基板１のＨＶＰＥ－ＧａＮの場合に転位密度が約３×１０６ｃｍ－２と高いのに対して、ＧａＮ層２の厚さが２００μｍで転位密度が約１．５×１０５ｃｍ－２、ＧａＮ層２の厚さが３００μｍで転位密度が約８×１０４ｃｍ－２と低くなっている。転位密度を考慮すると、およそＧａＮ層２の厚さが２００μｍ以上であることが好ましい。さらに、ＧａＮ層２の厚さが３００μｍ以上であることがより好ましい。
図９は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが５０μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１０は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが２００μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１１は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さが３００μｍである場合のＩＩＩ族窒化物基板のｃ軸から見た表面転位を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像である。図１２は、ＯＶＰＥ－ＧａＮ層の厚さと転位密度との関係を示す図である。
図９乃至図１１に示すように、図１及び図２の成長層であるＧａＮ層２の厚さが増加するにつれて第２領域１２の数が少なくなることがわかる。つまり、図１２に示すように、種基板１の上に成長するＧａＮ層２の厚さが増加するにつれて転位密度が低くなることがわかる。具体的には、種基板１のＨＶＰＥ－ＧａＮの場合に転位密度が約３×１０６ｃｍ－２と高いのに対して、ＧａＮ層２の厚さが２００μｍで転位密度が約１．５×１０５ｃｍ－２、ＧａＮ層２の厚さが３００μｍで転位密度が約８×１０４ｃｍ－２と低くなっている。転位密度を考慮すると、およそＧａＮ層２の厚さが２００μｍ以上であることが好ましい。さらに、ＧａＮ層２の厚さが３００μｍ以上であることがより好ましい。
図１３は、転位密度６．２×１０４／ｃｍ２のＯＶＰＥ－ＧａＮ層の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピットの分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１４は、転位密度６．４×１０４／ｃｍ２のＯＶＰＥ－ＧａＮ層の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピットの分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１５は、転位密度５．７×１０４／ｃｍ２のＯＶＰＥ－ＧａＮ層の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピットの分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１６は、転位密度４．３×１０６／ｃｍ２のＨＶＰＥ－ＧａＮ層の表面を表面研磨及びエッチング後のエッチピットの分布を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図１６に示すように、種基板１のＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）によるＧａＮ層の表面は、非常に高い転位密度を有する。一方、上記の種基板１の上にＯＶＰＥ法（酸化物気相成長法）によって成長させたＧａＮ層２を設けることによって、図１２乃至図１５に示すように、転位密度をおよそ２桁程度低減させることができる。
このＩＩＩ族窒化物基板によれば、低転位であって低抵抗である。そこで、その上にデバイス形成した場合にも、転位密度の低い第１領域の不純物濃度を高めることで、低抵抗化した第１領域に電気を優先的に流すことができる。これによって、転位密度の高い第２領域でリークが生じるのを抑制でき、絶縁耐圧の向上を図ることができる。
図１６に示すように、種基板１のＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）によるＧａＮ層の表面は、非常に高い転位密度を有する。一方、上記の種基板１の上にＯＶＰＥ法（酸化物気相成長法）によって成長させたＧａＮ層２を設けることによって、図１２乃至図１５に示すように、転位密度をおよそ２桁程度低減させることができる。
このＩＩＩ族窒化物基板によれば、低転位であって低抵抗である。そこで、その上にデバイス形成した場合にも、転位密度の低い第１領域の不純物濃度を高めることで、低抵抗化した第１領域に電気を優先的に流すことができる。これによって、転位密度の高い第２領域でリークが生じるのを抑制でき、絶縁耐圧の向上を図ることができる。
＜ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の概要＞
本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の概要を図１７のフローチャートを参照して説明する。実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、反応性ガス供給工程（Ｓ０１）、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程（Ｓ０２）、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程（Ｓ０３）、窒素元素含有ガス供給工程（Ｓ０４）、被酸化性ガス供給工程（Ｓ０５）、ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程（Ｓ０６）、被酸化性ガス反応工程（Ｓ０７）、および残留ガス排出工程（Ｓ０８）を有する。このＩＩＩ族窒化物基板の製造方法では、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを原料とするＯＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長を行うことを特徴とする。
（１）反応性ガス供給工程では、反応性ガスを原料反応室へ供給する（Ｓ０１）。
（２）ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、出発ＩＩＩ族元素源と反応性ガス（出発ＩＩＩ族元素源が酸化物の場合は還元性ガス、金属の場合は酸化性ガス）を反応させ、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する（Ｓ０２）。
（３）ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程で製造されたＩＩＩ族元素酸化物ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０３）。
（４）窒素元素含有ガス供給工程では、窒素元素含有ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０４）。
（５）被酸化性ガス供給工程では、被酸化性ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０５）。
（６）ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程で育成チャンバ内へ供給されたＩＩＩ族元素酸化物ガスと、窒素元素含有ガス供給工程で育成チャンバ内へ供給された窒素元素含有ガスを反応させ、ＩＩＩ族窒化物結晶を生成させる（Ｓ０６）。
（７）被酸化性ガス反応工程では、育成チャンバ内に供給されるＩＩＩ族元素酸化物ガス以外の酸化物と被酸化性ガスを反応させＩＩＩ族窒化物結晶中への酸素の混入を抑制する（Ｓ０７）。
（８）残留ガス排出工程では、ＩＩＩ族窒化物結晶の生成に寄与しない未反応のガスをチャンバ外に排出する（Ｓ０８）。
以上の各工程によって、種基板へＩＩＩ族窒化物結晶を成長させたＩＩＩ族窒化物基板を生成することができる。
本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の概要を図１７のフローチャートを参照して説明する。実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、反応性ガス供給工程（Ｓ０１）、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程（Ｓ０２）、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程（Ｓ０３）、窒素元素含有ガス供給工程（Ｓ０４）、被酸化性ガス供給工程（Ｓ０５）、ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程（Ｓ０６）、被酸化性ガス反応工程（Ｓ０７）、および残留ガス排出工程（Ｓ０８）を有する。このＩＩＩ族窒化物基板の製造方法では、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを原料とするＯＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長を行うことを特徴とする。
（１）反応性ガス供給工程では、反応性ガスを原料反応室へ供給する（Ｓ０１）。
（２）ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、出発ＩＩＩ族元素源と反応性ガス（出発ＩＩＩ族元素源が酸化物の場合は還元性ガス、金属の場合は酸化性ガス）を反応させ、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを生成する（Ｓ０２）。
（３）ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程で製造されたＩＩＩ族元素酸化物ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０３）。
（４）窒素元素含有ガス供給工程では、窒素元素含有ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０４）。
（５）被酸化性ガス供給工程では、被酸化性ガスを育成チャンバへ供給する（Ｓ０５）。
（６）ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程で育成チャンバ内へ供給されたＩＩＩ族元素酸化物ガスと、窒素元素含有ガス供給工程で育成チャンバ内へ供給された窒素元素含有ガスを反応させ、ＩＩＩ族窒化物結晶を生成させる（Ｓ０６）。
（７）被酸化性ガス反応工程では、育成チャンバ内に供給されるＩＩＩ族元素酸化物ガス以外の酸化物と被酸化性ガスを反応させＩＩＩ族窒化物結晶中への酸素の混入を抑制する（Ｓ０７）。
（８）残留ガス排出工程では、ＩＩＩ族窒化物結晶の生成に寄与しない未反応のガスをチャンバ外に排出する（Ｓ０８）。
以上の各工程によって、種基板へＩＩＩ族窒化物結晶を成長させたＩＩＩ族窒化物基板を生成することができる。
＜ＩＩＩ族窒化物基板の製造装置の概要＞
本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０の概要を図１８及び図１９のＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０の構成を示す概略図を参照して説明する。
なお、図１８及び図１９において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０は、原料チャンバ１００内に、原料反応室１０１が配置されており、原料反応室１０１内に出発ＩＩＩ族元素源１０５を載置した原料ボート１０４が配置されている。原料反応室１０１には、出発ＩＩＩ族元素源１０５と反応するガスを供給する反応性ガス供給管１０３が接続されており、またＩＩＩ族酸化物ガス排出口１０７を有する。反応性ガスは、出発ＩＩＩ族源が酸化物の場合は還元性ガス、金属の場合は酸化性ガスを用いる。また、原料チャンバ１００には、第１搬送ガス供給口１０２が備わっており、ＩＩＩ族酸化物ガスと搬送ガスは、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口１０８から接続管１０９を通過し育成チャンバ１１１へと流れる。育成チャンバ１１１は、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス供給口１１８と被酸化性ガス供給口１１３と窒素元素含有ガス供給口１１２と第２搬送ガス供給口１１４と排気口１１９を有し、種基板１１６を設置する基板サセプタ１１７を備える。
本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０の概要を図１８及び図１９のＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０の構成を示す概略図を参照して説明する。
なお、図１８及び図１９において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造装置１５０は、原料チャンバ１００内に、原料反応室１０１が配置されており、原料反応室１０１内に出発ＩＩＩ族元素源１０５を載置した原料ボート１０４が配置されている。原料反応室１０１には、出発ＩＩＩ族元素源１０５と反応するガスを供給する反応性ガス供給管１０３が接続されており、またＩＩＩ族酸化物ガス排出口１０７を有する。反応性ガスは、出発ＩＩＩ族源が酸化物の場合は還元性ガス、金属の場合は酸化性ガスを用いる。また、原料チャンバ１００には、第１搬送ガス供給口１０２が備わっており、ＩＩＩ族酸化物ガスと搬送ガスは、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口１０８から接続管１０９を通過し育成チャンバ１１１へと流れる。育成チャンバ１１１は、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス供給口１１８と被酸化性ガス供給口１１３と窒素元素含有ガス供給口１１２と第２搬送ガス供給口１１４と排気口１１９を有し、種基板１１６を設置する基板サセプタ１１７を備える。
＜製造方法および製造装置の詳細＞
図１８及び図１９を用いて、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の詳細を説明する。
ここでは、出発ＩＩＩ族元素源１０５に金属Ｇａを用いた場合の説明を行う。
（１）反応性ガス供給工程では、反応性ガス供給管１０３より反応性ガスを原料反応室１０１へ供給する。
（２）ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、反応性ガス供給工程で原料反応室１０１へ供給された反応性ガスが、出発ＩＩＩ族元素源１０５である金属Ｇａと反応し、ＩＩＩ族酸化物ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。生成されたＧａ２ＯガスはＩＩＩ族酸化物ガス排出口１０７を経由し、原料反応室１０１から原料チャンバ１００に排出される。排出されたＧａ２Ｏガスは、第１搬送ガス供給口１０２から原料チャンバへと供給される第１搬送ガスと混合され、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口１０８へと供給される。ここで、第１ヒータ１０６の温度を、Ｇａ２Ｏガスの沸点の観点から８００℃以上とし、第２ヒータ１１５よりも低温とすべく１８００℃未満とする。出発Ｇａ源は、原料ボート１０４内に載置されている。原料ボート１０４は、反応性ガスと出発Ｇａ源の接触面積を大きくできる形状であることが好ましい。
図１８及び図１９を用いて、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法の詳細を説明する。
ここでは、出発ＩＩＩ族元素源１０５に金属Ｇａを用いた場合の説明を行う。
（１）反応性ガス供給工程では、反応性ガス供給管１０３より反応性ガスを原料反応室１０１へ供給する。
（２）ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程では、反応性ガス供給工程で原料反応室１０１へ供給された反応性ガスが、出発ＩＩＩ族元素源１０５である金属Ｇａと反応し、ＩＩＩ族酸化物ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。生成されたＧａ２ＯガスはＩＩＩ族酸化物ガス排出口１０７を経由し、原料反応室１０１から原料チャンバ１００に排出される。排出されたＧａ２Ｏガスは、第１搬送ガス供給口１０２から原料チャンバへと供給される第１搬送ガスと混合され、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口１０８へと供給される。ここで、第１ヒータ１０６の温度を、Ｇａ２Ｏガスの沸点の観点から８００℃以上とし、第２ヒータ１１５よりも低温とすべく１８００℃未満とする。出発Ｇａ源は、原料ボート１０４内に載置されている。原料ボート１０４は、反応性ガスと出発Ｇａ源の接触面積を大きくできる形状であることが好ましい。
なお、ＩＩＩ族酸化物ガスを生成する方法には、大別して、出発Ｇａ源１０５を還元する方法と、出発Ｇａ源１０５を酸化する方法とがある。例えば、還元する方法においては、出発Ｇａ源１０５に酸化物（例えばＧａ２Ｏ３）、反応性ガスとして還元性ガス（例えばＨ２ガス、ＣＯガス、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ６ガス、Ｈ２Ｓガス、ＳＯ２ガス）を用いる。一方、酸化する方法においては、出発Ｇａ源１０５に非酸化物（例えば液体Ｇａ）、反応性ガスとしては酸化性ガス（例えばＨ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス）を用いる。例えば、下記式（Ｉ）によってＩＩＩ族酸化物ガスを生成することができる。
２Ｇａ＋Ｈ２Ｏ→Ｇａ２Ｏ＋Ｈ２ （Ｉ）
また、出発Ｇａ源１０５の他に、Ｉｎ源、Ａｌ源を出発ＩＩＩ族元素として採用できる。ここで第一搬送ガスとしては、不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
２Ｇａ＋Ｈ２Ｏ→Ｇａ２Ｏ＋Ｈ２ （Ｉ）
また、出発Ｇａ源１０５の他に、Ｉｎ源、Ａｌ源を出発ＩＩＩ族元素として採用できる。ここで第一搬送ガスとしては、不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
（３）ＩＩＩ族元素酸化物ガス供給工程では、ＩＩＩ族元素酸化物ガス生成工程で生成されたＧａ２Ｏガスを、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口１０８、接続管１０９、ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス供給口１１８を経由し育成チャンバ１１１へと供給する。原料チャンバ１００と育成チャンバ１１１を接続する接続管１０９の温度が、原料チャンバ１００の温度より低下すると、ＩＩＩ族酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じ、出発Ｇａ源１０５が接続管１０９内で析出する。したがって、接続管１０９は、第３ヒータ１１０によって、原料チャンバ１００の温度より低下しないよう第１ヒータ１０６より高温に加熱する。
（４）窒素元素含有ガス供給工程では、窒素元素含有ガスを窒素元素含有ガス供給口１１２から育成チャンバ１１１に供給する。窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｏガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガス、等を使用できる。
（５）被酸化性ガス供給工程では、被酸化性ガス供給口１１３から被酸化性ガスを育成チャンバ１１１へと供給する。被酸化性ガスを供給する理由は、ＩＩＩ族酸化物ガス以外の酸化物ガスを還元するためである（被酸化性ガス反応工程）。被酸化性ガスとしては、Ｇａ源以外の酸化物ガスとの反応性の観点から、Ｂガス、Ｇａガス、Ｉｎガス、Ｔｌガス等を使用できる。さらに、被酸化性ガスとして、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ６ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｃ４Ｈ１０ガス、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｃ３Ｈ６ガス、Ｃ４Ｈ８ガス、Ｃ２Ｈ２ガス、Ｃ３Ｈ４ガス、ＨＣＮガス、等を使用することも可能である。
（６）ＩＩＩ族窒化物結晶生成工程では、各供給工程を経て、育成チャンバ内へと供給された原料ガスを合成し、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造を行う。育成チャンバ１１１は、第２ヒータ１１５により、ＩＩＩ族酸化物ガスと窒素元素含有ガスが反応する温度まで高温化する。この際、育成チャンバ１１１の温度は、ＩＩＩ族酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じないようにするため、原料チャンバ１００の温度より低下しないよう加熱する。ゆえに、第２ヒータ１１５の温度は、１０００℃以上かつ１８００℃以下とする。また、原料チャンバ１００で生成されたＧａ２Ｏガス、及び第１搬送ガスによる育成チャンバ１１１の温度変動を抑制する理由から第２ヒータ１１５と第３ヒータ１１０の温度は同じとする。
ＩＩＩ族酸化物供給工程を経て、育成チャンバ１１１へと供給されたＩＩＩ族酸化物ガスと、窒素元素含有ガス供給工程を経て、育成チャンバ１１１へと供給される窒素元素含有ガスを種基板１１６より上流で混合することによって、下記式（ＩＩ）によって種基板１１６上でＩＩＩ族窒化物結晶の成長を行うことができる。
Ｇａ２Ｏ＋２ＮＨ３→２ＧａＮ＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ２ （ＩＩ）
Ｇａ２Ｏ＋２ＮＨ３→２ＧａＮ＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ２ （ＩＩ）
この際、窒素元素含有ガスが育成チャンバ１１１からの熱で分解することを抑制するために、窒素元素含有ガス供給口１１２、及び育成チャンバ１１１の外壁を断熱材で被覆することが好ましい。
また、育成チャンバ１１１の炉壁や基板サセプタ１１７上へのＩＩＩ族窒化物結晶の寄生成長が問題として挙げられる。そこで第２搬送ガス供給口１１４より育成チャンバ１１１へと供給された搬送ガスにより、ＩＩＩ族酸化物ガス、及び窒素元素含有ガスの濃度を制御することにより、育成チャンバ１１１の炉壁や基板サセプタ１１７へのＩＩＩ族窒化物結晶の寄生成長を抑制することができる。
また、種基板１１６としては、例として、窒化ガリウム、ガリウム砒素、シリコン、サファイア、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化ガリウム、ＳｃＡｌＭｇＯ４を用いることができる。
第二搬送ガスとしては、不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
第二搬送ガスとしては、不活性ガス、またはＨ２ガスを用いることができる。
さらに、ＩＩＩ族窒化物結晶の酸素濃度の低減のために、被酸化性ガス供給工程を経て、育成チャンバ１１１内に被酸化性ガスを供給する。ＩＩＩ族酸化物ガス生成工程、ＩＩＩ族酸化物ガス供給工程を経て育成チャンバ１１１に供給されるＧａ源以外の酸化物ガスが、ＩＩＩ族窒化物結晶の酸素濃度の増加に起因する。したがってＧａ源以外の酸化物ガスが種基板１１６に到達する前に、被酸化性ガスと反応させることで、結晶中への酸素の混入を抑制することができる。例えば、被酸化性ガスとして、Ｉｎガスを用いて、Ｇａ源以外の酸化物ガスであるＨ２Ｏを反応させる場合、ＩｎガスとＨ２Ｏガスが反応し、Ｉｎ２ＯガスとＨ２ガスが生成される。Ｉｎ２Ｏガスは、本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法のように１０００℃を超える成長温度では固体中に極めて取り込まれにくい。
なお、未反応のＩＩＩ族酸化物ガス、窒素元素含有ガス、被酸化性ガス、および搬送ガスは排気口１１９から排出される（残留ガス排出工程）。
なお、未反応のＩＩＩ族酸化物ガス、窒素元素含有ガス、被酸化性ガス、および搬送ガスは排気口１１９から排出される（残留ガス排出工程）。
このＩＩＩ族窒化物基板の製造方法では、ＩＩＩ族元素酸化物ガスを原料とするＯＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長を行っている。これによって、ＧａＮ層のｃ面に対して斜めのファセット面である｛１１－２２｝面（第１領域）及び｛１０－１１｝面（第３領域）から構成されるピットを基板全面に形成する成長モードとすることができる。その結果、成長したＧａＮ層が厚くなるにつれて転位が掃き集められて転位密度を低減することができる。上述のように、成長させるＧａＮ層の厚さとしては、２００μｍ以上が好ましい。その一方、ＯＶＰＥ法（酸化物気相成長法）でＧａＮ層を成長させているので、ＧａＮ層の面内において１０２０／ｃｍ２台後半の高い酸素濃度とすることができる。
（実施例１）
図１９において、原料チャンバ１００にライン１から供給する反応性ガス及び第１搬送ガスとして、Ｈ２ガスを４Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ２ガスを０．０２Ｌ／ｍｉｎとした。育成チャンバ１１１にライン２から供給する第２搬送ガスとして、Ｈ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎとした。また、育成チャンバ１１１にライン３から供給する窒素元素含有ガスとして、Ｈ２ガスを０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１３～１４Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスを１～２Ｌ／ｍｉｎとした。育成チャンバ１１１にライン４から供給する第２搬送ガスとして、Ｈ２ガスを１２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１２．５Ｌ／ｍｉｎとした。
また、原料チャンバ１００の温度を１１３０℃、育成チャンバ１１１の温度を１２００℃とした。加熱方式は抵抗加熱とした。育成チャンバ１１１での雰囲気は大気圧とし、成長時間を４６０分とした。
図１９において、原料チャンバ１００にライン１から供給する反応性ガス及び第１搬送ガスとして、Ｈ２ガスを４Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ２ガスを０．０２Ｌ／ｍｉｎとした。育成チャンバ１１１にライン２から供給する第２搬送ガスとして、Ｈ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎとした。また、育成チャンバ１１１にライン３から供給する窒素元素含有ガスとして、Ｈ２ガスを０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１３～１４Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガスを１～２Ｌ／ｍｉｎとした。育成チャンバ１１１にライン４から供給する第２搬送ガスとして、Ｈ２ガスを１２．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１２．５Ｌ／ｍｉｎとした。
また、原料チャンバ１００の温度を１１３０℃、育成チャンバ１１１の温度を１２００℃とした。加熱方式は抵抗加熱とした。育成チャンバ１１１での雰囲気は大気圧とし、成長時間を４６０分とした。
この実施例１に係るＩＩＩ族窒化物基板によれば、種基板１の上にＯＶＰＥ法（酸化物気相成長法）によって成長させたＧａＮ層２を設けることによって、種基板１に比べて転位密度をおよそ２桁程度低減させることができる。
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物基板によれば、低転位であって低抵抗であり、デバイス形成時に、転位密度の高い第２領域でリークが生じるのを抑制でき、絶縁耐圧の向上を図ることができる。
１ 種基板
２ 成長層
３ エッチピット
１０ ＩＩＩ族窒化物基板
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１３ 第３領域
２０ 解析範囲
１００ 原料チャンバ
１０１ 原料反応室
１０２ 第１搬送ガス供給口
１０３ 反応性ガス供給管
１０４ 原料ボート
１０５ 出発Ｇａ源（出発ＩＩＩ族元素源）
１０６ 第１ヒータ
１０７ ＩＩＩ族酸化物ガス排出口
１０８ ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口
１０９ 接続管
１１０ 第３ヒータ
１１１ 育成チャンバ
１１２ 窒素元素含有ガス供給口
１１３ 被酸化性ガス供給口
１１４ 第２搬送ガス供給口
１１５ 第２ヒータ
１１６ 種基板
１１７ 基板サセプタ
１１８ ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス供給口
１１９ 排気口
１５０ ＩＩＩ族窒化物基板の製造装置
２ 成長層
３ エッチピット
１０ ＩＩＩ族窒化物基板
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１３ 第３領域
２０ 解析範囲
１００ 原料チャンバ
１０１ 原料反応室
１０２ 第１搬送ガス供給口
１０３ 反応性ガス供給管
１０４ 原料ボート
１０５ 出発Ｇａ源（出発ＩＩＩ族元素源）
１０６ 第１ヒータ
１０７ ＩＩＩ族酸化物ガス排出口
１０８ ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス排出口
１０９ 接続管
１１０ 第３ヒータ
１１１ 育成チャンバ
１１２ 窒素元素含有ガス供給口
１１３ 被酸化性ガス供給口
１１４ 第２搬送ガス供給口
１１５ 第２ヒータ
１１６ 種基板
１１７ 基板サセプタ
１１８ ＩＩＩ族酸化物ガス及び搬送ガス供給口
１１９ 排気口
１５０ ＩＩＩ族窒化物基板の製造装置
Claims (7)
- ＧａＮ基板及び当該ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル層からなるＩＩＩ族窒化物基板であって
不純物元素として酸素を含み、
ｃ面について研磨された面内において、第１不純物濃度の酸素を含む第１領域と、
前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度の酸素を含む第２領域と、
を有し、
前記第１領域の第１転位密度は、前記第２領域の第２転位密度よりも低く、
前記第２不純物濃度よりも低い第３不純物濃度の酸素を含む第３領域を、更に有すると共に、
前記第１領域と前記第３領域とは、前記第２領域を中心としてその周囲に周方向に交互にそれぞれ６つずつ配置されており、
前記第２領域の数密度は、１．５×１０５／ｃｍ２以下である、ＩＩＩ族窒化物基板。 - 前記第１領域は、前記第２領域を中心として前記第２領域の周囲を囲うように配置されている、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
- 前記第１領域は、前記第２領域に向かって縮径する形状である、請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
- 前記第３領域は、前記第２領域を中心として前記第２領域の周囲を囲うように配置されている、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
- 前記第１領域に含まれる不純物元素として、さらにシリコンを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
- 前記第１不純物濃度は、酸素濃度が１×１０20／ｃｍ3以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物基板。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物基板と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板に形成されたデバイス構造と、
を備える、デバイス。
Priority Applications (6)
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