JP2010056129A

JP2010056129A - 窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板および窒化物系化合物半導体の結晶成長方法

Info

Publication number: JP2010056129A
Application number: JP2008216606A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Oda; 康裕小田; Takashi Kobayashi; 隆小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】基板の面内において成長温度に分布が生じるのを緩和し、目的とする窒化物系化合物半導体の結晶品質を面内で均一化できる、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板および窒化物系化合物半導体の結晶成長方法を提供すること。
【解決手段】窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板であって、Ｓｉ（１１１）基板を例とする結晶形成用基板１の、結晶成長が起こる側とは反対側の面に、炭素膜を例とする赤外線吸収層２を有することを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板および窒化物系化合物半導体の結晶成長方法に関する。

窒化物系化合物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、およびそれらの混晶）は、一般的に結晶成長法として用いられているＭＯＣＶＤ法において良好な結晶品質を得るために、１０００℃前後の高い温度雰囲気下で結晶成長を行う必要がある。この際の加熱は、結晶成長に用いる基板を、支持部材であるカーボンサセプタなどに載せ、このカーボンサセプタを抵抗ヒーターや誘導加熱等により加熱して、そこから基板に熱を伝えることによって行う。この方法では、以下に示す理由から結晶成長用基板内の温度分布が不均一になる。

第１に、加熱雰囲気は、水素や窒素などで反応炉内にガス流を作り、還元性もしくは不活性とすることが圧倒的に多い。このとき、基板表面と裏面とでは熱エネルギーの収支が異なっており、裏面側はサセプタからの加熱と基板表面への熱伝導、表面側は裏面からの熱伝導と雰囲気ガスへの熱伝導が生じるため、裏面よりも表面の温度が低いという温度勾配が発生する。窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板としてよく用いられている基板（サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮなど）は、温度に対して正の熱膨張率を持つため、裏面側が表面側よりも膨張して基板が凹状に反ってしまう。このとき、基板外周部は中心部と比べてサセプタから浮き上がる。

第２に、加熱された結晶成長用基板上に窒化物系化合物半導体の結晶成長を開始すると、上記温度勾配によるものだけではなく、基板と窒化物系化合物半導体との格子定数、熱膨張係数の差に応じて新たな応力が基板に加わり始める。Ｓｉ基板上ＧａＮ成長においては、ＧａＮ層の結晶成長が進行していくにつれて基板が凸状に反っていく。このとき、基板中心部は外周部と比べてサセプタから浮き上がる。

基板裏面とサセプタが密着しているときに比べて、浮き上がった部分はサセプタからの熱伝導が直接行われず、密着している部分からの熱伝導か、もしくはサセプタからの輻射と隙間に存在する気体を介しての熱伝導により加熱されることになり、密着している部位よりも温度が下がってくる（例えば、下記非特許文献１の図２に、基板の反りと温度差との関係がまとめられている）。特に、窒化物系化合物半導体の成長温度域では、それが顕著に現れてくる。

このとき、基板側が輻射、すなわちサセプタからの赤外線を効率よく吸収できるのであれば、浮き上がった部分の温度低下を最小にとどめることも可能であるが、特にＳｉ基板は赤外線を吸収せずに透過ないし反射してしまい、反りの影響は大きくなる。

窒化物系化合物半導体に限らず、一般に半導体の結晶成長温度と結晶品質（転位密度、バックグラウンドキャリア濃度、非発光再結合中心の存在など）とは密接な関係にあることが知られているので、基板内の熱分布の均一性を向上させることは、均一な結晶品質をもった半導体層を基板上に形成するために重要なこととなる。

基板の反りという問題に対して、下記特許文献１に記載のように、シリコン基板と目的とする窒化物系半導体との間に歪みを緩和する層を挿入することで、反りによって基板上に結晶成長した窒化物系化合物半導体にクラックが入るのを防ぐ技術は考案されている。しかし、これは、結晶成長が終了して室温まで冷却したときの反りに重点を置いたものであり、結晶成長中の基板がフラットに保たれて熱分布が均一になっているわけではなかった。
特許第３３５２７１２号公報 "Growth of blue GaN LED structures on 150-mm Si(111)", A. Dadgar et al., J. Crystal Growth Vol. 297 (2006), pp. 279-282.

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、窒化物系化合物半導体を形成する際に基板が反ることにより、基板の面内において成長温度に分布が生じるのを緩和し、目的とする窒化物系化合物半導体の結晶品質を面内で均一化できる、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板および窒化物系化合物半導体の結晶成長方法を提供することである。

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板であって、結晶形成用基板の結晶成長が起こる側とは反対側の面に赤外線吸収層を有することを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、該基板が、該基板の結晶成長が起こる側の面を上面として台座に載置され、該台座からの伝熱により加熱されて、前記上面で窒化物系化合物半導体の結晶成長が起こる際に、前記上面の温度が、前記赤外線吸収層が無い場合よりも高くなることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、前記赤外線吸収層が炭素膜であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、前記炭素膜の厚さが１００ｎｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、前記結晶形成用基板がシリコン基板であり、その面方位が（１１１）またはそれと等価な面方位であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
窒化物系化合物半導体の結晶成長方法であって、請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を、該基板の結晶成長が起こる側の面を上面として台座に載置し、該台座からの伝熱により加熱して、前記上面に窒化物系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長方法を構成する。

結晶成長用基板の裏面に赤外線を効率よく吸収できる層をあらかじめ形成し、その基板を用いることによって、基板の面内において成長温度に分布が生じるのを緩和し、目的とする窒化物系化合物半導体の結晶品質を面内で均一化できる、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板および窒化物系化合物半導体の結晶成長方法を提供することが可能となる。

図１に、本発明に係る、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板の基本構成を示す。結晶形成用基板１は、通常、結晶成長を実際に行う表面（図１においては上面）を可能な限り原子レベルで鏡面加工し、裏面は目的に応じて鏡面ないしアズカットエッチングしたものを使用する。

本発明においては、上記加工に加えて、基板裏面側に赤外線を効率よく吸収する赤外線吸収層２を事前に形成しておく。この結晶形成用基板１裏面に密着した赤外線吸収層２が、基板を載せている台座（サセプタ）から放射される赤外線を吸収し、結晶形成用基板１を熱伝導で加熱することにより、仮に基板が結晶成長中に歪みで反っても、サセプタに接触してサセプタから直接熱伝導で加熱されている部分と、反りによってサセプタから浮き上がってしまった部分とでの温度差が小さくなる。この様子を図２に、模式的に示す。

赤外線吸収層２は、赤外線を効率よく吸収するので、上記のように基板内温度均一性を向上させるとともに、窒化物系化合物半導体の結晶成長が起こる基板上面の温度を、赤外線吸収層２が無い場合よりも高める。このような温度上昇が大きいほど、それと並行して、基板内温度均一性が向上する。

高周波用電子デバイスへの応用を考慮に入れた場合、上記赤外線吸収層２が寄生容量成分としてデバイス特性を劣化させる要因になる可能性がある場合、また、光デバイスも含め、裏面側に電極形成をする心要がある場合は、赤外線吸収層２によって電極形成が困難になる場合があるため、必要に応じて、研磨や洗浄などで、結晶成長後の赤外線吸収層２を除去する。従って、赤外線吸収層２は、容易に除去されるものであることが望ましい。

また、さらに、窒化物系化合物半導体が、一般に、高温で結晶成長を行うことも考慮すると、赤外線吸収層２の材料としては、高温でも熱拡散や変質を起こしにくい耐熱材料であることが望ましい。

以上を考慮すると、赤外線吸収層２の材料としては炭素が、赤外吸収係数が大きいことなどからも好適な材料となる。炭素は、真空蒸着法やスピンコート法などにより結晶形成用基板１裏面に付着させることが可能であり、また、必要に応じて、酸素雰囲気下での灰化処理や四塩化炭素などでの洗浄により除去可能である。特に、Ｓｉ基板を用いる場合においては、表面処理にフッ酸系の薬品を用いることが多いが、炭素はフッ酸で侵されない事も都合がよい。

上記方法においては、特に膜厚によって赤外線吸収量が異なるため、少なくとも１００ｎｍ以上の炭素膜を堆積することが望ましい。また、炭素膜の除去が容易であるように、炭素膜の厚さは５μｍ以下であることが望ましい。

本発明は、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板全てにおいて適用可能であるが、特に、結晶形成用基板１が、赤外線に対して透明なシリコン基板である場合において有効である。

［実施の形態例］
本発明の実施の形態例として、図３に示すように、結晶形成用基板１としてＳｉ（１１１）基板を用いているが、本発明はこれに限定されることなく適用可能である。

結晶形成用基板１であるＳｉ（１１１）基板をＲＣＡ法もしくはフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。

次に、ＥＣＲスパッタ法により、カーボン（炭素）をＳｉ（１１１）基板の裏面側に２００ｎｍ以上堆積して、炭素膜である赤外線吸収層２を形成する。この後、再度フッ酸溶液で洗浄し、Ｓｉ（１１１）基板の表側の清浄表面を回復させる。ＭＯＣＶＤ装置に前記加工済み基板を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。

クリーニング後、目的とする窒化物系化合物半導体層を形成する。すなわち、上記の基板を、結晶成長が起こる側の面を上面として台座（サセプタ）に載置し、該台座からの伝熱により加熱して、前記上面に窒化物系化合物半導体を結晶成長させる。

窒化物系化合物半導体層の成長には、Ｖ族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法が好適であるが、本発明の趣旨に反しない限りは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法やハロゲン化気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法などの結晶成長法を用いてもかまわない。

一例として、３インチＳｉ（１１１）基板上に目的とするＧａＮ層を２μｍ堆積しようとした場合、本発明を適用せずに堆積しようとすると、ＧａＮ層の成長が進むにつれて基板中心部分の温度が周辺部分の温度より３０℃以上低くなってくる。これに対して、本発明を適用して同膜厚のＧａＮ層を成長した場合、温度差は１０℃未満にまで小さくなる。

結晶成長終了後、四塩化炭素による洗浄か、もしくはアッシング処理を基板裏面に対して行い、赤外線吸収層２として堆積してあったカーボンを除去する。

本発明に係る、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板の基本構成を示す図である。本発明に係る、窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を用い、実際に結晶成長を行った際に基板が歪みで反った場合を示す模式図である。結晶形成用基板裏面に赤外線吸収層として炭素を蒸着し、目的とする窒化物系化合物半導体を結晶成長した時の構造を示す図である。

符号の説明

１：結晶形成用基板、２：赤外線吸収層。

Claims

窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板であって、結晶形成用基板の結晶成長が起こる側とは反対側の面に赤外線吸収層を有することを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板。
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、
該基板が、該基板の結晶成長が起こる側の面を上面として台座に載置され、該台座からの伝熱により加熱されて、前記上面で窒化物系化合物半導体の結晶成長が起こる際に、前記上面の温度が、前記赤外線吸収層が無い場合よりも高くなることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板。
請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、
前記赤外線吸収層が炭素膜であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板。
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、
前記炭素膜の厚さが１００ｎｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板。
請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板において、
前記結晶形成用基板がシリコン基板であり、その面方位が（１１１）またはそれと等価な面方位であることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板。
窒化物系化合物半導体の結晶成長方法であって、請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板を、該基板の結晶成長が起こる側の面を上面として台座に載置し、該台座からの伝熱により加熱して、前記上面に窒化物系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶成長方法。