JP2007277062A - Iii族窒化物結晶基板の製造方法およびiii族窒化物結晶基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】III族窒化物結晶基板の反りを低減することができるIII族窒化物結晶基板の製造方法およびその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板を提供する。
【解決手段】下地基板1上にAlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層2を下地基板の温度を低下しながら成長させる工程と、第1のIII族窒化物結晶層2上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させる工程と、第2のIII族窒化物結晶層3からIII族窒化物結晶基板5を形成する工程と、を含む、III族窒化物結晶基板の製造方法とその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板である。
【選択図】図1
【解決手段】下地基板1上にAlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層2を下地基板の温度を低下しながら成長させる工程と、第1のIII族窒化物結晶層2上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させる工程と、第2のIII族窒化物結晶層3からIII族窒化物結晶基板5を形成する工程と、を含む、III族窒化物結晶基板の製造方法とその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板である。
【選択図】図1
Description
本発明はIII族窒化物結晶基板の製造方法およびIII族窒化物結晶基板に関し、特に、III族窒化物結晶基板の反りを低減することができるIII族窒化物結晶基板の製造方法およびその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板に関する。
窒化ガリウム(GaN)や窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)などからなるIII族窒化物結晶基板は、青色発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)などの発光デバイス用の基板として注目されている。また、III族窒化物結晶基板は、耐熱性および耐環境性に優れているという特徴から、電子デバイス用の基板としても注目されている。
III族窒化物結晶基板は、サファイア基板または炭化ケイ素(SiC)基板などの下地基板上にGaN、AlGaNまたはAlN(窒化アルミニウム)などからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上にIII族窒化物結晶層を気相成長させ、そのIII族窒化物結晶層から形成することができる。III族窒化物結晶層の気相成長においては、III族窒化物結晶層と異種基板である下地基板との格子定数差に起因してIII族窒化物結晶層に生じる歪みを緩和するためにバッファ層を形成するのが一般的である。
たとえば、非特許文献1には、下地基板としてのサファイア基板上にAlNまたはGaNからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上にIII族窒化物結晶としてのGaN結晶層を気相成長させる方法が開示されている。
また、特許文献1には、下地基板としてのサファイア基板上にGaNからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上にAlの組成が異なる2層のAlGaN結晶層を気相成長させる方法が開示されている。
また、特許文献2には、下地基板としてSiC基板を用い、そのSiC基板上にSiC基板から離れるにしたがってAlの組成比が減少するAlGaNからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上にInaAlbGa1-a-bN(0≦a、0≦b、a+b≦1)の組成式で表わされるIII族窒化物半導体層を成長させる方法が開示されている。
また、特許文献3には、下地基板上に金属元素含有膜を形成し、その金属元素含有膜上に空隙部を含むGaN結晶層を気相成長させて、その空隙部を剥離箇所として下地基板を剥離する方法が開示されている。
特開2001−308464号公報
特許第3604205号公報
特開2004−39810号公報
H. Amano and I. Akasaki, "Novel aspects of the growth of nitrides by MOVPE", Journal of Physics: Condensed Matter, vol.13, 2001年, pp.6935-6944
自立のIII族窒化物結晶基板は、下地基板上に厚さの大きいIII族窒化物結晶層を成長させて、そのIII族窒化物結晶層から切り出すことにより得ることができる。
しかしながら、非特許文献1に開示されているように、サファイア基板上にGaNからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上に大きな厚さのGaN結晶層を気相成長させた場合には、GaN結晶層の厚さが薄い段階から、GaN結晶層には引張応力が作用する。したがって、GaN結晶層には収縮しようとする傾向があるため、GaN結晶層の厚さが大きくなった場合には、GaN結晶層がサファイア基板ごと反ってしまい、割れてしまうという問題があった。
また、非特許文献1に開示されているように、サファイア基板上にAlNからなるバッファ層を形成し、そのバッファ層上に大きな厚さのGaN結晶層を気相成長させた場合には、GaN結晶層の厚さが薄い段階においては、GaN結晶層には圧縮応力が作用する。しかしながら、GaN結晶層の厚さが大きくなると、GaN結晶層には引張応力が作用するため、結局、GaN結晶層が反って、割れてしまうという問題があった。
また、特許文献1および特許文献2に開示されている方法は、バッファ層上に気相成長させたIII族窒化物結晶層上に素子を形成する方法としては有効であるが、自立のIII族窒化物結晶基板を形成する方法としては有効ではなかった。
また、特許文献3に開示されている方法では、自立のIII族窒化物結晶基板を製造することができるが、III族窒化物結晶基板の反りの低減に関してはさらなる改善が望まれていた。
そこで、本発明の目的は、III族窒化物結晶基板の反りを低減することができるIII族窒化物結晶基板の製造方法およびその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板を提供することにある。
本発明は、下地基板上にAlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層を下地基板の温度を低下しながら成長させる工程と、第1のIII族窒化物結晶層上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層を1mm以上の厚さに成長させる工程と、第2のIII族窒化物結晶層からIII族窒化物結晶基板を形成する工程と、を含む、III族窒化物結晶基板の製造方法である。なお、上記において、xは第1のIII族窒化物結晶層を構成するAl(アルミニウム)の組成比を示し、1−xは第1のIII族窒化物結晶層を構成するGa(ガリウム)の組成比を示す。また、上記において、yは第2のIII族窒化物結晶層を構成するAlの組成比を示し、1−yは第2のIII族窒化物結晶層を構成するGaの組成比を示す。
ここで、本発明のIII族窒化物結晶基板の製造方法においては、第1のIII族窒化物結晶層を50μm以上1000μm以下の厚さに成長させることが好ましい。
また、本発明のIII族窒化物結晶基板の製造方法においては、第1のIII族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、第1のIII族窒化物結晶層のAlの組成比xをLで1次微分したdx/dLの値が0よりも小さくなるように第1のIII族窒化物結晶層を成長させることが好ましい。ここで、第1のIII族窒化物結晶層のAlの組成比xをLで2次微分したd2x/dL2の値が0よりも大きくなるように第1のIII族窒化物結晶層を成長させることがより好ましい。
また、本発明のIII族窒化物結晶基板の製造方法においては、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法により、第1のIII族窒化物結晶層および第2のIII族窒化物結晶層を成長させることが好ましい。
また、本発明のIII族窒化物結晶基板の製造方法においては、下地基板として、窒化ガリウムの熱膨張係数と同一若しくはそれよりも大きい熱膨張係数を有する基板を用いることが好ましい。
さらに、本発明は、上記のいずれかのIII族窒化物結晶基板の製造方法により製造されたIII族窒化物結晶基板である。
また、本発明のIII族窒化物結晶基板においては、III族窒化物結晶基板の表面内の最大長さをDcmとしたとき、III族窒化物結晶基板の特定の結晶方位の最大の傾斜角が0.3×D°以下であることが好ましい。
本発明によれば、III族窒化物結晶基板の反りを低減することができるIII族窒化物結晶基板の製造方法およびその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板を提供することができる。
以下、本発明のIII族窒化物結晶基板の製造方法の一例について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
まず、図1(a)の模式的断面図に示すように、下地基板1を用意する。次に、図1(b)の模式的断面図に示すように、下地基板1上にAlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層2を成長させる。ここで、本発明において、第1のIII族窒化物結晶層2は、下地基板1の温度を低下しながら成長させられる。
次いで、図1(c)の模式的断面図に示すように、第1のIII族窒化物結晶層2上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させる。
そして、図1(d)の模式的断面図に示すように、第2のIII族窒化物結晶層3を破線4に沿って切断する。これにより、図1(e)の模式的断面図に示すように、第2のIII族窒化物結晶層3から切り出されたIII族窒化物結晶基板5が得られる。
異種基板(サファイア基板、SiC基板、GaAs基板)である下地基板上にIII族窒化物結晶層を厚く成長させた後、下地基板の除去若しくはIII族窒化物結晶層を切り出すことによってIII族窒化物結晶基板を製造する場合にはIII族窒化物結晶基板の反りの発生が問題となる。
そこで、本発明者は、下地基板1上に直接、III族窒化物結晶基板を切り出すためのIII族窒化物結晶層を成長させるのではなく、AlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層2を成長させた後、その第1のIII族窒化物結晶層2上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させ、その第2のIII族窒化物結晶層3からIII族窒化物結晶基板5を切り出すことによって、III族窒化物結晶基板5の反りを低減できることを見い出した。
さらに、本発明者は、下地基板1の温度を低下しながら第1のIII族窒化物結晶層2を成長させることによって、第1のIII族窒化物結晶層2中のAlの組成比xがその成長に伴って次第に低減するようにし、そのようにAlの組成比xが低減された第1のIII族窒化物結晶層2上に第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させて、第2のIII族窒化物結晶層3からIII族窒化物結晶基板5を形成した場合にはIII族窒化物結晶基板5の反りをさらに低減することができることを見い出し、本発明を完成するに至った。
AlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる第1のIII族窒化物結晶層の成長においては、第1のIII族窒化物結晶層を構成するAlの原料となるAl原料ガスとGaの原料となるGa原料ガスとの供給比が一定であっても、下地基板の温度が高い場合には第1のIII族窒化物結晶層中のAlの組成比xが高くなり、下地基板の温度が低い場合には第1のIII族窒化物結晶層中のAlの組成比xが低くなる。
したがって、下地基板1の温度を低下しながら第1のIII族窒化物結晶層2を成長させた場合には、Al原料ガスとGa原料ガスとの供給比を変化させることなく、第1のIII族窒化物結晶層2の成長に伴って第1のIII族窒化物結晶層2におけるAlの組成比xを次第に低減することができる(すなわち、第1のIII族窒化物結晶層2の厚さ方向に第1のIII族窒化物結晶層2中のAlの組成比xが低減するように傾斜をつけることができる)。ここで、下地基板1の温度変化が大きすぎると第1のIII族窒化物結晶層2が剥離してしまうおそれがあるため、第1のIII族窒化物結晶層2の成長中における下地基板1の最高温度と最低温度との差は200℃以下であることが好ましい。
なお、本発明においては、下地基板1の温度を低下させるとともにAl原料ガスとGa原料ガスとの供給比を変化させて第1のIII族窒化物結晶層2を成長させてもよいことは言うまでもない。この場合には、第1のIII族窒化物結晶層2の成長に伴ってAlの組成比xを連続的に低減することができる傾向にある。
また、下地基板1の温度Tは、第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、たとえば、図2(a)に示すように直線状に低下させてもよく、図2(b)に示すように指数関数状に低下させてもよく、図2(c)に示すように階段状に低下させてもよい。なお、図2(a)〜図2(c)において、横軸は第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離を示しており、横軸方向(紙面の右側)に進むにつれて第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から離れることを意味している。また、図2(a)〜図2(c)において、縦軸は下地基板1の温度を示している。
また、第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xをLで1次微分したdx/dLの値が0よりも小さくなるように第1のIII族窒化物結晶層2を成長させることが好ましい。この場合には、本発明により製造されるIII族窒化物結晶基板5の反りをより低減することができる傾向にある。
図3(a)および図3(b)に、第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xをLで1次微分したdx/dLの値が0よりも小さくなる場合の一例を示す。ここで、図3(a)は、第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xが第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から離れるにしたがって直線状に減少していることを示しており、図3(b)は、第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xが第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から離れるにしたがって指数関数状に減少していることを示している。なお、図3(a)および図3(b)において、横軸は第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離Lを示しており、縦軸は第1のIII族窒化物結晶層2中のAlの組成比xを示している。
また、第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xをLで1次微分したdx/dLの値を0よりも小さくするとともに第1のIII族窒化物結晶層2のAlの組成比xをLで2次微分したd2x/dL2の値が0よりも大きくなるように第1のIII族窒化物結晶層2を成長させることがさらに好ましい。この場合には、本発明により製造されるIII族窒化物結晶基板5の反りをさらに低減することができる傾向にある。ここで、d2x/dL2の値が0よりも大きくなる場合としては、Alの組成比xと第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離Lとが、たとえば図3(b)に示す関係にある場合が挙げられる。
なお、d2x/dL2の値が0よりも大きいこと、すなわちd2x/dL2>0は厳密に満たされている必要はなく、第1のIII族窒化物結晶層2中におけるAl組成分布の傾向、すなわち近似曲線がd2x/dL2>0を満たしていればよい。Alの組成比xと第1のIII族窒化物結晶層2の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離Lとが、たとえば図4に示す関係にある場合には、d2x/dL2>0は厳密には満たされていないが、第1のIII族窒化物結晶層2中におけるAl組成分布の傾向を示す近似曲線がd2x/dL2>0を満たしていると考えられる。
また、第1のIII族窒化物結晶層2は50μm以上1000μm以下の厚さに成長させることが好ましい。本発明者は、第1のIII族窒化物結晶層2の厚さを、従来のバッファ層の厚さとして提案されてきた数十nm〜数μmよりも大幅に厚い50μm以上1000μm以下とすることによって、後述する第2のIII族窒化物結晶層3の反りおよび割れを低減することができることを見い出した。その理由は不明であるが、第2のIII族窒化物結晶層3からIII族窒化物結晶基板5を形成するために第2のIII族窒化物結晶層3を1mm以上の厚さに成長させる場合には、第1のIII族窒化物結晶層2の厚さを厚くする方が第2のIII族窒化物結晶層3に反りおよび割れが発生することを低減することができる傾向にある。ただし、第1のIII族窒化物結晶層2の厚さが1000μmを超えると第2のIII族窒化物結晶層3に反りおよび割れが発生しやすくなる。
また、第1のIII族窒化物結晶層2および第2のIII族窒化物結晶層3はそれぞれ、たとえば、HVPE法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法またはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの従来から公知の気相成長法によって成長させることができる。ここで、本発明のように、第1のIII族窒化物結晶層2および第2のIII族窒化物結晶層3を厚く成長させる場合には、第1のIII族窒化物結晶層2および第2のIII族窒化物結晶層3をそれぞれHVPE法によって成長させることが好ましい。
また、下地基板1としては、たとえば、サファイア基板、SiC基板、GaAs(ヒ化ガリウム)基板、GaN基板またはAlN基板などを用いることができるが、なかでも、GaNの熱膨張係数と同一若しくはそれよりも大きい熱膨張係数を有する基板を用いることが好ましい。下地基板1として、GaNの熱膨張係数と同一若しくはそれよりも大きい熱膨張係数を有する基板を用いた場合には、第1のIII族窒化物結晶層2に割れが生じるのを防止することができる傾向にある。これは、第1のIII族窒化物結晶層2の成長時における成長温度の低下によって、熱応力に起因する引張応力が第1のIII族窒化物結晶層2に作用しにくくなるためと考えられる。また、下地基板1として、GaNの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する基板を用いた場合には、第1のIII族窒化物結晶層2の成長時における成長温度の低下によって、第1のIII族窒化物結晶層2に圧縮応力を与えることができる傾向にあると考えられるため、第1のIII族窒化物結晶層2に割れが生じるのを防止することができる傾向にある。
GaNの熱膨張係数と同一の熱膨張係数を有する基板としては、たとえば、GaN基板またはAlN基板などが挙げられる。また、GaNの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する基板としては、たとえば、サファイア基板やGaAs基板などが挙げられる。
また、下地基板1と第1のIII族窒化物結晶層2との間にGaNまたはAlNなどからなる従来から公知のバッファ層が形成されてもよい。また、本発明においては、下地基板1の表面上にマスクを設けてもよく、下地基板1の表面に凹凸を形成していてもよい。
また、本発明のIII族窒化物結晶基板5の反り低減の観点からは、III族窒化物結晶基板5の表面内の最大長さをDcmとしたとき、III族窒化物結晶基板5の特定の結晶方位の最大の傾斜角が0.3×D°以下であることが好ましい。
ここで、本発明において、III族窒化物結晶基板の特定の結晶方位の最大の傾斜角は、III族窒化物結晶基板に反りが全く生じていない場合の理想的な結晶方位(以下、「理想結晶方位」という。)と実際のIII族窒化物結晶基板においてその理想結晶方位と同一方向の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度のことを意味する。たとえば、III族窒化物結晶基板が全く反っておらず理想的な結晶である場合には、図5(a)の模式図に示すように、その理想的なIII族窒化物結晶基板の[0001]方向の結晶方位12はどの測定箇所においても[0001]方向の理想結晶方位13に対して傾斜しておらず、その最大の傾斜角は0°となる。しかしながら、III族窒化物結晶基板が少しでも反っている場合には、たとえば図5(b)の模式図に示すように、そのIII族窒化物結晶基板の[0001]方向の結晶方位12はその測定箇所によって[0001]方向の理想結晶方位13に対する傾斜角にばらつきが生じることになる。本発明のIII族窒化物結晶基板においては、その傾斜角のうち最大の傾斜角を0.3×D°以下(DはIII族窒化物結晶基板の表面内の最大長さ(cm))とすることが反りの低減の観点から好ましい。
なお、本発明において、特定の結晶方位はどの結晶方位であってもよいが、III族窒化物結晶基板の表面に平行な低指数面に垂直な結晶方位を選択することが、結晶方位の最大の傾斜角を容易に特定する観点から好ましい。たとえば、III族窒化物結晶基板について全く反りが生じていない理想的な結晶からなると仮定したときにそのIII族窒化物結晶基板の表面が(0001)面に平行である場合には、実際のIII族窒化物結晶基板については[0001]方向の結晶方位について評価することが好ましい。
また、本発明においては、第2のIII族窒化物結晶層3の反りおよび割れを低減することができるため、直径2インチを超える大口径のIII族窒化物結晶基板5の製造にも適用することができる。また、第2のIII族窒化物結晶層3をさらに厚く成長させて、複数枚のIII族窒化物結晶基板5を第2のIII族窒化物結晶層3から切り出して製造することも可能である。
本発明のIII族窒化物結晶基板5は、反りが低減されているため、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、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(高電子移動度トランジスタ)などの電子素子、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(表面弾性波)デバイスなどのデバイスの基板として広く用いることができる。
(実施例1)
図6に、本実施例において用いられるHVPE装置の模式的な構成を示す。ここで、HVPE装置500は、反応室501と、反応室501内に下地基板1を保持するための基板ホルダ502と、反応室501に導入するAl塩化物ガス53を合成するためのAl塩化物合成室503と、反応室501に導入するGa塩化物ガス55を合成するためのGa塩化物合成室505と、反応室501にN原料ガス57を導入するためのN原料ガス導入管507と、反応後のガスを排気するための排気管508と、を備えている。
図6に、本実施例において用いられるHVPE装置の模式的な構成を示す。ここで、HVPE装置500は、反応室501と、反応室501内に下地基板1を保持するための基板ホルダ502と、反応室501に導入するAl塩化物ガス53を合成するためのAl塩化物合成室503と、反応室501に導入するGa塩化物ガス55を合成するためのGa塩化物合成室505と、反応室501にN原料ガス57を導入するためのN原料ガス導入管507と、反応後のガスを排気するための排気管508と、を備えている。
また、Al塩化物合成室503にはAlが収容されているAlボート504が設置されており、Ga塩化物合成室505にはGaが収容されているGaボート506が設置されている。また、反応室501、Al塩化物合成室503、Ga塩化物合成室505およびN原料ガス導入管507の周囲を取り囲むようにしてヒータ513、ヒータ515およびヒータ517が設置されている。
このような構成のHVPE装置500において、まず、反応室501内の基板ホルダ502上に下地基板1を設置した。ここで、下地基板1は、昇華法で形成した直径2インチで厚さが350μmのAlN単結晶からなるAlN基板を用いた。
次に、ヒータ517によって下地基板1の周辺の温度を1000℃に加熱し、さらに基板ホルダ502に組み込まれたサブヒータ(図示せず)によって下地基板1の温度を500℃に上昇させた。
次いで、ヒータ513によってAl塩化物合成室503内のAlボート504を500℃に加熱するとともに、ヒータ515によってGa塩化物合成室505内のGaボート506を800℃に加熱した。そして、Al塩化物合成室503内に第1のHClガス51をキャリアガスであるH2ガスとともに導入した。これにより、Alボート504内のAlと第1のHClガス51が反応してAl塩化物ガス53が生成し、反応室501内に導入された。また、反応室501内にはN原料ガス57としてのNH3ガスもキャリアガスであるH2ガスとともに導入された。そして、下地基板1の表面上にAlNからなる低温バッファ層を50nmの厚さで形成した。
続いて、基板ホルダ502に組み込まれたサブヒータによって下地基板1の温度を上昇させるとともに、Ga塩化物合成室505内に第2のHClガス52をキャリアガスであるH2ガスとともに導入した。これにより、Gaボート506内のGaと第2のHClガス52が反応してGa塩化物ガス55が生成され、反応室501内にAl塩化物ガス53、Ga塩化物ガス55およびNH3ガスが導入されることになって、AlNからなる低温バッファ層上にAlxGa1-xN(0<x<1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層を10μmの厚さに成長させた。
ここで、第1のIII族窒化物結晶層の開始時においては下地基板1の温度が1300℃となり、第1のIII族窒化物結晶層の終了時においては下地基板1の温度が1000℃となるように、基板ホルダ502に組み込まれたサブヒータを調整して、時間に対して一定の割合で下地基板1の温度を低下させた。
次いで、第1のHClガス51の導入を停止し、下地基板1の温度を1000℃に保持した状態で、第1のIII族窒化物結晶層上にGaN結晶である第2のIII族窒化物結晶層を2mmの厚さに成長させた。
なお、下地基板1は水平面に対して10°の角度をつけて設置され、下地基板1を60rpmの回転速度で回転させた状態で上記の第1のIII族窒化物結晶層および第2のIII族窒化物結晶層をそれぞれ成長させた。
また、上記の第1のIII族窒化物結晶層は、予め調査した第1のHClガス51、第2のHClガス52およびNH3ガスの各流量と下地基板1の温度との関係に基づいて、第1のIII族窒化物結晶層の厚さ方向においてAlの組成比xが所定の減少をするように成長させた。ここで、第1のIII族窒化物結晶層の厚さ方向におけるAlの組成比xは、以下の式(1)を満たすように減少させた。
x=0.5(L−1.5H)6/(1.5H)6 …(1)
ここで、上記の式(1)において、Lは第1のIII族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離を示し、Hは第1のIII族窒化物結晶層の成長後の厚さを示している。したがって、LとHとは、0≦L≦Hの関係を満たす。
x=0.5(L−1.5H)6/(1.5H)6 …(1)
ここで、上記の式(1)において、Lは第1のIII族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離を示し、Hは第1のIII族窒化物結晶層の成長後の厚さを示している。したがって、LとHとは、0≦L≦Hの関係を満たす。
次に、第2のIII族窒化物結晶層であるGaN結晶から直径2インチで厚さ500μmのIII族窒化物結晶基板である実施例1のGaN結晶基板を切り出した。ここで、GaN結晶基板は、第2のIII族窒化物結晶層における結晶成長開始面から結晶成長方向に1000μmの位置から結晶成長開始面に対して平行に切り出すことにより得た。
また、実施例1のGaN結晶基板の表面を鏡面に研磨し、エッチングした後、実施例1のGaN結晶基板における(0001)面の湾曲状態を調査した。ここで、(0001)面の湾曲状態は、実施例1のGaN結晶基板の表面の中央点と、中央点から[11−20]方向に±2cmずらした点と、中央点から[1−100]方向に±2cmずらした点との5点についてそれぞれX線回折を行ない、それぞれのX線回折ピーク位置のずれから求めた。なお、(0001)面の湾曲状態は、実施例1のGaN結晶基板の表面の中央点から[11−20]方向または[1−100]方向のそれぞれについて求め、(0001)面が大きく湾曲している方を(0001)面の湾曲状態として採用した。
そして、上記のようにして求められた(0001)面の湾曲状態から、実施例1のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例1のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は2.8°であった。
(実施例2)
第1のIII族窒化物結晶層を50μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例2のGaN結晶基板を製造した。
第1のIII族窒化物結晶層を50μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例2のGaN結晶基板を製造した。
そして、実施例2のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例2のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を実施例1と同一の方法で算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は0.5°であった。
(実施例3)
第1のIII族窒化物結晶層を100μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例3のGaN結晶基板を製造した。
第1のIII族窒化物結晶層を100μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例3のGaN結晶基板を製造した。
そして、実施例3のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例3のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を実施例1と同一の方法で算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は0.1°であった。
(実施例4)
第1のIII族窒化物結晶層を500μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例4のGaN結晶基板を製造した。
第1のIII族窒化物結晶層を500μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例4のGaN結晶基板を製造した。
そして、実施例4のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例4のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を実施例1と同一の方法で算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は0.2°であった。
(実施例5)
第1のIII族窒化物結晶層を1000μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例5のGaN結晶基板を製造した。
第1のIII族窒化物結晶層を1000μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例5のGaN結晶基板を製造した。
そして、実施例5のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例5のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を実施例1と同一の方法で算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は0.6°であった。
(実施例6)
第1のIII族窒化物結晶層を2000μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例6のGaN結晶基板を製造した。
第1のIII族窒化物結晶層を2000μmの厚さに成長させたこと以外は実施例1と同一の方法によりIII族窒化物結晶基板である実施例6のGaN結晶基板を製造した。
そして、実施例6のGaN結晶基板の[0001]方向の理想結晶方位と実施例6のGaN結晶基板の[0001]方向の実際の結晶方位とが為す角度のうち最大の角度(最大の傾斜角)を実施例1と同一の方法で算出した。その結果を表1に示す。表1に示すように、その最大の傾斜角は3.7°であった。
表1に示すように、下地基板上にAlxGa1-xN(0<x<1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層を下地基板の温度を低下しながら成長させ、第1のIII族窒化物結晶層上にGaN結晶からなる第2のIII族窒化物結晶層を1mm以上の厚さに成長させて、その第2のIII族窒化物結晶層から切り出して得られた実施例1〜6のGaN結晶基板においては、[0001]方向の結晶方位の最大の傾斜角が3.7°以下と非常に小さくなっており、反りが低減されていることが確認された。
特に、第1のIII族窒化物結晶層を50μm以上1000μm以下の厚さに成長させて製造された実施例2〜5のGaN結晶基板においては、[0001]方向の結晶方位の最大の傾斜角が0.3×D°以下(D=5.08)となっており、反りが大きく低減されていることが確認された。
また、上記の実施例1〜6においては、下地基板としてAlN基板を用いたが、AlN基板以外にもサファイア基板、GaAs基板またはGaN基板を用いた場合にも同様の結果が得られると考えられる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、III族窒化物結晶基板の反りを低減することができるIII族窒化物結晶基板の製造方法およびその方法により製造されるIII族窒化物結晶基板を提供することができる。
1 下地基板、2 第1のIII族窒化物結晶層、3 第2のIII族窒化物結晶層、4 破線、5 III族窒化物結晶基板、12 [0001]方向の結晶方位、13 [0001]方向の理想結晶方位、51 第1のHClガス、52 第2のHClガス、53 Al塩化物ガス、55 Ga塩化物ガス、57 N原料ガス、500 HVPE装置、501 反応室、502 基板ホルダ、503 Al塩化物合成室、504 Alボート、505 Ga塩化物合成室、506 Gaボート、507 N原料ガス導入管、508 排気管、513,515,517 ヒータ。
Claims (8)
- 下地基板上にAlxGa1-xN(0<x≦1)の組成式で表わされる化学組成を有する第1のIII族窒化物結晶層を前記下地基板の温度を低下しながら成長させる工程と、前記第1のIII族窒化物結晶層上にAlyGa1-yN(0≦y<x)の組成式で表わされる化学組成を有する第2のIII族窒化物結晶層を1mm以上の厚さに成長させる工程と、前記第2のIII族窒化物結晶層からIII族窒化物結晶基板を形成する工程と、を含む、III族窒化物結晶基板の製造方法。
- 前記第1のIII族窒化物結晶層を50μm以上1000μm以下の厚さに成長させることを特徴とする、請求項1に記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- 前記第1のIII族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、前記第1のIII族窒化物結晶層のAlの組成比xを前記Lで1次微分したdx/dLの値が0よりも小さくなるように前記第1のIII族窒化物結晶層を成長させることを特徴とする、請求項1または2に記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- 前記第1のIII族窒化物結晶層の結晶成長開始面から結晶成長方向への距離をLとしたとき、前記第1のIII族窒化物結晶層のAlの組成比xを前記Lで2次微分したd2x/dL2の値が0よりも大きくなるように前記第1のIII族窒化物結晶層を成長させることを特徴とする、請求項3に記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- HVPE法により、前記第1のIII族窒化物結晶層および前記第2のIII族窒化物結晶層を成長させることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- 前記下地基板として、窒化ガリウムの熱膨張係数と同一若しくはそれよりも大きい熱膨張係数を有する基板を用いることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法。
- 請求項1から6のいずれかに記載のIII族窒化物結晶基板の製造方法により製造されたIII族窒化物結晶基板。
- 前記III族窒化物結晶基板の表面内の最大長さをDcmとしたとき、前記III族窒化物結晶基板の特定の結晶方位の最大の傾斜角が0.3×D°以下であることを特徴とする、請求項7に記載のIII族窒化物結晶基板。
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JP2006107600A JP2007277062A (ja) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | Iii族窒化物結晶基板の製造方法およびiii族窒化物結晶基板 |
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JP2011219296A (ja) * | 2010-04-07 | 2011-11-04 | Nippon Steel Corp | 炭化珪素単結晶ウェハ |
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2006
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