JP2008100861A - サファイア単結晶基板およびｉｉｉ族窒化物系化合物半導体 - Google Patents

Abstract

【課題】その面上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上するサファイア単結晶基板と、この基板を用いて得られるIII族窒化物系化合物半導体を提供すること。
【解決手段】上記サファイア単結晶基板はサファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であることを特徴とする。また、ＡｌＮ、ＧａＮ等一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１, ０≦ｙ≦１, ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されかつＬＥＤの発光素子等として用いられるIII族窒化物系化合物半導体は、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶基板上に積層させて得られることを特徴とする。得られたIII族窒化物系化合物半導体は面内における格子定数が均一となってその結晶性に優れている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造に用いられるサファイア単結晶基板に係り、特に、その面上に積層させて製造されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上するサファイア単結晶基板と、この基板を用いて得られるIII族窒化物系化合物半導体の改良に関するものである。

ＡｌＮやＧａＮ等のIII族窒化物系化合物半導体は発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に亘る直接遷移型の半導体で、発光ダイオード(ＬＥＤ)やレーザダイオード(ＬＤ)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物系化合物半導体を積層して発光素子として用いる場合、通常、III族窒化物系化合物半導体と格子定数の近いサファイア単結晶が基板として用いられている。

ところで、サファイア単結晶基板上に積層される上記III族窒化物系化合物半導体は、サファイア基板の結晶欠陥や結晶性を引き継いで成長するため、転位が多かったり面方位が揃っていない結晶性に劣るサファイア単結晶を基板として用いた場合、この基板上に積層されるIII族窒化物系化合物半導体も同様な結晶欠陥と結晶性を有してしまうことが知られている（例えば、磁性ガーネット膜に関する特許文献１参照）。そして、結晶欠陥を有するIII族窒化物系化合物半導体を発光素子として利用した場合、発光強度等の光学特性に劣る欠点があった。また、得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶欠陥が多いことから、転位を原因とするピット等や結晶のひび割れ等の外観不良も増加してしまう欠点があった。
特公平８−５７５６号公報

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、その面上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上するサファイア単結晶基板と、この基板を用いて得られるIII族窒化物系化合物半導体を提供することにある。

この課題を解決するため、本発明者等は、チョクラルスキー法により製造されたサファイア単結晶に関し、サファイア結晶の同一面内における格子定数の測定を行うと共に、その測定データに基づきIII族窒化物系化合物半導体の製造に適する基板の選別を行った。

この結果、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶を基板として用いた場合、その面上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性が向上することを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見に基づき完成されている。

すなわち、請求項１に係る発明は、
その面上にIII族窒化物系化合物半導体が積層されるサファイア単結晶基板を前提とし、
サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であることを特徴とし、
また、請求項２に係る発明は、
サファイア単結晶基板上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体を前提とし、
上記サファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明に係るサファイア単結晶基板によれば、
サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であり、この条件を満たさない結晶性に劣るサファイア単結晶は上記基板から除外される。このため、請求項１のサファイア単結晶基板を適用することで、面内における格子定数が均一となる結晶性に優れたIII族窒化物系化合物半導体を得ることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明に係るIII族窒化物系化合物半導体によれば、
上記化合物半導体を積層するサファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されているため、面内における格子定数が均一となってその結晶性に優れている。

従って、転位によるピットやひび割れ等の外観不良が低減するため収率の向上が図れ、かつ、得られたIII族窒化物系化合物半導体を発光素子として利用した場合に発光強度等の光学特性を向上できる効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係るサファイア単結晶基板は、サファイア結晶の同一面内における格子定数を測定し、測定結果に基づき選別されたサファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶により構成されていることを特徴とし、また、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体は、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であるサファイア単結晶基板上に積層させて得られることを特徴とする。

ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのような２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（いずれも０＜ｘ＜１）のような３元系、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１， ０＜ｙ＜１， ０＜ｘ＋ｙ＜１）の４元系を包括した、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１, ０≦ｙ≦１, ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物半導体をいう。尚、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。これは窒化アルミニウムガリウム(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ, ０＜ｘ＜１)についても同様とする。

また、本発明において適用されるサファイア単結晶の育成方法は任意であり、例えば、チョクラルスキー法、ＥＦＧ法、Kyropolous法、ブリッジマン法、ＶＧＦ法等で製造されたサファイア単結晶が適用される。例えば、チョクラルスキー法によって育成されたサファイア単結晶インゴットの肩部を切断して得られた直胴部を円筒研削し、次いで内周刃切断機またはワイヤーソーで所望の厚さに切断して得られるサファイア単結晶ウエハーが挙げられる。また、上記ウエハーのベべリング方法やポリッシュ方法も任意であり、酸化物単結晶の研磨において一般的に利用されている方法が適用される。

次に、サファイア単結晶の格子定数を測定する方法については特に限定されるものでなく、一般的に利用されているFewster法やBond法等が挙げられる。また、サファイア単結晶基板の選別は、ｃ面サファイア単結晶の場合はａ軸方向の格子定数の測定を行い、ａ面サファイア単結晶の場合はｃ軸方向の格子定数の測定を行うと共に、サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内である条件を満たすサファイア単結晶を選別すればよい。

また、上記サファイア単結晶基板におけるIII族窒化物系化合物半導体の積層方法としては、例えば、有機金属気相結晶成長法（ＭＯＶＰＥ法）、塩化物気相成長法（ＨＶＰＥ法）等が挙げられる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明の技術的内容が実施例により何ら制限されるものではない。

ｃ面３インチサファイア単結晶ウエハーの面内における格子定数をFewster法により測定した。尚、測定した回折面は（００６）面、（１０２）面を用い、かつ、１５ｍｍピッチでビームサイズ３×３ｍｍにてサファイア面内を９点測定した。

そして、測定した９点におけるａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Å以内である単結晶ウエハーをＧａＮのＭＯＶＰＥ成長用基板として用い評価した。
『ＭＯＶＰＥ法によるＧａＮ単結晶膜の育成と評価』
上記サファイア単結晶基板のｃ面上にＭＯＶＰＥ法にてアンドープＧａＮを成長させると共に、ＧａＮが成長した４枚のサファイア単結晶基板について、その面内をＸ線回折装置を用い１５ｍｍピッチでビームサイズ３×３ｍｍにてＧａＮ（００２）面のＸ線ロッキングカーブを９点測定し、平均値をその基板の値とした。結果を以下の表１に示す。
［比較例１］
実施例１と同様にして、ｃ面３インチサファイア単結晶ウエハーの面内における格子定数をFewster法により測定し、測定したａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Åを越えるサファイア単結晶ウエハーを選別し、これをＧａＮのＭＯＶＰＥ成長用基板として用い評価した。

そして、実施例１と同様にしてＧａＮ（００２）面のＸ線ロッキングカーブを９点測定し、平均値をその基板の値とした。この結果も以下の表１に示す。

実施例１では、結晶性に優れたｃ面３インチサファイア単結晶がＧａＮのＭＯＶＰＥ成長用基板として適用されており、上記表１に示された数値から育成されたＧａＮの結晶性も良好であることが確認される。このことから、実施例１に係るサファイア単結晶基板を用いることにより発光効率の高いＬＥＤ用ＧａＮを育成できることが理解される。

これに対し、表１に示された数値から比較例１では、実施例１と比較しＧａＮの結晶性は大幅に低下していることが確認される。このことから、ｃ面３インチサファイア単結晶におけるａ軸方向の格子定数のバラツキ分布が０．００２Åを越えるサファイア単結晶を基板として使用した場合、ＧａＮの結晶性が低下するためＬＥＤ用のＧａＮとして十分な発光強度を得られないことが理解される。

本発明に係るサファイア単結晶基板によれば結晶性に優れたIII族窒化物系化合物半導体を得ることが可能となる。このため、ＬＥＤの発光素子等として用いられるIII族窒化物系化合物半導体の製造用基板として利用される産業上の可能性を有している。また、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体は結晶性に優れており、ＬＥＤの発光素子等として用いられた場合にその発光強度を向上させることができるこのため、ＬＥＤの発光素子等として利用される産業上の可能性を有している。

Claims (2)

1. その面上にIII族窒化物系化合物半導体が積層されるサファイア単結晶基板において、
   サファイア結晶の同一面内における格子定数のバラツキの分布が０．００２Å以内であることを特徴とするサファイア単結晶基板。
2. サファイア単結晶基板上に積層させて得られるIII族窒化物系化合物半導体において、
   上記サファイア単結晶基板が請求項１に記載のサファイア単結晶基板で構成されていることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体。