JP2010248021A - 窒化物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル成長時の面内温度分布を均一にして、混晶比やキャリア濃度において均一なエピタキシャル結晶膜を成長させることができる窒化物半導体基板を提供する。
【解決手段】表面側に凹又は凸の反りをもつ窒化物半導体基板１であって、裏面３側を平面５に置いたとき、前記平面５と接触していない部分であって前記平面５から前記裏面３までの高さが所定値以上の部分における前記裏面３の平均粗さを、前記平面５と接触している部分を含む前記平面５から前記裏面３までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面３の平均粗さより大きくする。このように、窒化物半導体基板１が平面５と接触していない部分の表面粗さを大きくすれば、その部分の窒化物半導体基板１はより多くの輻射熱を受けて温度が高くなるので、基板面内温度の均一性を向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体基板に係り、特に、青色発光素子等の半導体成長用基板として用いるのに好適なものに関する。

半導体成長用基板として既に世の中に広く普及しているシリコン（Ｓｉ）基板や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板は、主に引上げ法によって作製される。これらの基板は融液からバルク結晶を成長させた大型のインゴットを切り出して作製され、転位、欠陥が少なく安定的に生産されている。

他方、窒化物半導体基板は、ＳｉやＧａＡｓのようにバルク結晶を成長させることができないため、窒化物半導体を成長させるための基板を用いて、その上に窒化物半導体を成長させることにより作製していた。窒化物半導体を成長させるための基板としては、これまでＳｉＣ基板も利用されることもあるが、主として単結晶サファイア基板が利用されてきた。

しかしながら、サファイア基板は窒化物半導体であるＧａＮなどとは大きく格子定数が異なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮを成長させたのではＧａＮの単結晶膜を得ることができない。このため、サファイア基板上に、まず比較的低温でＡｌＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、つぎに、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上にＧａＮを成長させる方法が考案されている。

この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、ＧａＮの単結晶エピタキシャル成長は可能になったが、この方法でも、やはり基板と結晶の格子定数の大きなずれの悪影響から、成長後のＧａＮは無数の欠陥を有している。この欠陥は、ＧａＮ系レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を製作する上で性能と信頼性に大きな障害となることが予想される。

上記のような理由から、基板と結晶との格子のずれが生じないＧａＮ自立基板の出現が切望されている。このような要請を満足するＧａＮ自立基板を実現する方法として、例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、超高温高圧法、フラックス法等の種々の方法が試みられている。中でも、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板の開発は最も進んでおり、市場への流通も始まっている。ＨＶＰＥ法で製作された窒化物半導体基板は、青紫色レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の高出力化、高効率化の材料として注目されている。

ＧａＮ自立基板として最も実用化が進んでいるのが、下地基板上に転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピタキシャル成長させ、このＧａＮ厚膜層を下地基板から剥離してＧａＮ自立基板として用いる方法である。具体的には、サファイア基板にＧａＮ層を形成した下地基板に、剥離のための中間層としてＴｉ膜を形成する。その後、水素ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気で加熱することにより、上記ＧａＮ層に空隙（ボイド）を形成するとともに、上記Ｔｉ膜を、微細孔を有するＴｉＮ膜に変化させる。このＴｉＮ膜上にＧａＮ厚膜層を成長し、ＧａＮ厚膜層をサファイア基板から剥離して、比較的反りが少なく且つ低欠陥のＧａＮ自立基板を作製する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１７８９８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の厚膜成長では、インゴットではなく窒化物半導体基板毎に下地基板を用意して成長を行うので、下地基板のスペックや厚膜成長時の炉内、もしくは装置差によって加工後の基板の反り形状にバラツキが生じていた。その結果、そのような窒化物半導体基板を用いたエピタキシャル成長では面内温度分布が不均一になり、混晶材料の混晶比やキャリア濃度分布が不均一になるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決し、エピタキシャル成長時の面内温度分布が均一になり、混晶比やキャリア濃度が均一なエピタキシャル結晶膜を成長することが可能な窒化物半導体基板を提供することにある。

本発明の一態様によれば、表面側に凹又は凸の反りをもつ窒化物半導体基板であって、裏面側を平面に置いたとき、前記平面と接触していない部分であって前記平面から前記裏面までの高さが所定値以上の部分における前記裏面の平均粗さを、前記平面と接触している部分を含む前記平面から前記裏面までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面の平均粗さより大きくした窒化物半導体基板が提供される。

この場合、前記所定値が５μｍであることが好ましい。また、前記平面から前記裏面までの高さが５μｍ以上の部分における前記裏面の平均粗さを、前記平面から前記裏面までの高さが５μｍ未満の部分における前記裏面の平均粗さの少なくとも２倍以上４倍以下とすることが好ましい。さらに、前記平面と接触している部分を含む前記平面から前記裏面までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面の平均粗さが、前記所定値以上の部分に向かって徐々に大きくなっていることが好ましい。

本発明によれば、エピタキシャル成長時の面内温度分布が均一となり、混晶比やキャリア濃度が均一なエピタキシャル結晶膜を成長させることができる。

本発明の一実施の形態を示す表面側に凹の反りをもつ窒化物半導体基板の概略断面図である。 本発明の一実施の形態を示す表面側に凸の反りをもつ窒化物半導体基板の概略断面図である。 本発明の一実施の形態を示す平均粗さに対するキャリア濃度面内バラツキの評価結果を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体基板の正面図である。

窒化物半導体基板、例えばＧａＮ基板において、窒化物半導体基板の表面（Ｇａ面）に形成するエピタキシャル成長層の均一性を阻害している要因として、成長時の面内温度分布が均一でないことが挙げられる。通常、エピタキシャル成長では窒化物半導体基板はサセプタに収められる。このサセプタからの伝導熱と輻射熱を裏面（Ｎ面）に受けて窒化物半導体基板は成長している。窒化物半導体基板がサセプタと接触している部分は伝導熱によるため、そうでない部分と比べて温度が高くなる。窒化物半導体基板がサセプタと接触していない部分においては、輻射熱によるので比較的温度が低くなる。その結果、成長時の面内温度分布が均一でなくなる。

ところで、窒化物半導体基板は、その表面粗さが大きい程より多くの輻射熱を受ける。このため、窒化物半導体基板がサセプタと接触していない部分の表面粗さを大きくすれば、その部分の窒化物半導体基板は、輻射熱の影響により、温度を高くすることが可能である。そこで、サセプタと接触していない部分で裏面の平均粗さを大きくすると基板面内温度の均一性を向上させることが可能となる。本発明のこのような知見に基づいたなされたものである。

本発明の一実施の形態は、表面側に凹又は凸の反りをもつ窒化物半導体基板であって、裏面側を平面に置いたとき、前記平面と接触していない部分において、前記平面から前記裏面までの高さが所定値以上の部分における前記裏面の平均粗さを、前記平面と接触している部分を含む前記平面から前記裏面までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面の平均粗さより大きくした窒化物半導体基板である。

窒化物半導体基板１は、図４に示すように、表面が表面２をなし裏面が裏面をなす円形をしており、その外周にオリエンテーションフラットが形成されている。このような窒化物半導体基板１には反りがある。窒化物半導体基板の反りとは、窒化物半導体基板を平面に吸着しない状態、例えば、表面が平らで水平に保持されたベース板上に単に載置した自然の状態における基板表面の状態をいう。

表面側に凹の反りをもつ窒化物半導体基板としては、例えば、図１に示すように、一つの極小点をもつ一様な反りがある窒化物半導体基板１を挙げることができる。この窒化物半導体基板１が平面５と接触している部分には、裏面３側の極小点が含まれる。極小点は、通常、窒化物半導体基板１の中心部となる。平面５と接触していない部分における平面５から裏面３までの高さをＨとする。また、窒化物半導体基板１の外周端部分３ｂにおける平面５から裏面３までの高さＨ０が反り量となる。

窒化物半導体基板１の裏面３の全面は粗面処理が施されている。平面５から裏面３までの高さＨが所定値Ｈ１以上の部分における裏面３の算術平均粗さをＲａ１とする。平面５と接触している部分を含む平面５から裏面３までの高さＨが所定値Ｈ１未満の部分における裏面３の算術平均粗さをＲａ０とする。裏面３は、所定値Ｈ１を境界部分として、
Ｒａ１＞Ｒａ０ （１）
の関係式を満たすように粗面処理されている。

また、表面側に凸の反りをもつ窒化物半導体基板としては、例えば、図２に示すように、一つの極大点をもつ一様反りがある窒化物半導体基板１を挙げることができる。この窒化物半導体基板１が平面と接触している部分は、裏面３側の外周端部分となる。平面５と接触していない部分には、裏面３側の極大点が含まれる。極大点は、通常、窒化物半導体基板１の中心部となる。平面５と接触していない部分における平面５から裏面３までの高さをＨとする。また、窒化物半導体基板１の外周端部分３ｂにおける平面５から裏面３までの高さＨ０が反り量となる。

平面５から裏面３までの高さＨが所定値Ｈ１以上の部分における裏面３の算術平均粗さをＲａ１とする。平面５と接触している部分を含む平面５から裏面３までの高さＨが前記所定値Ｈ１未満の部分における裏面３の算術平均粗さをＲａ０とする。裏面３は、所定値Ｈ１を境界部分として、
Ｒａ１＞Ｒａ０ （２）
の関係式を満たすように粗面処理されている。なお、算術平均粗さを単に平均粗さとも言う。

上述したような実施の形態の窒化物半導体基板１の表面にエピタキシャル層を成長させるために、窒化物半導体基板１をサセプタ６に収める。このサセプタ６に収められた窒化物半導体基板１は、サセプタ６から裏面３までの高さＨが所定値Ｈ１以上の部分における裏面３の平均粗さＲａ１が、平面となるサセプタ６の底面と接触する部分を含むサセプタ６から裏面３までの高さが所定値Ｈ１未満の部分における裏面３の平均粗さＲａ０より大きくなっている。窒化物半導体基板１の表面粗さＲａが大きいほどサセプタ６からの輻射熱の影響をより多く受けるので、サセプタ６から裏面３までの高さＨが所定値Ｈ１以上の部分の温度は所定値Ｈ１未満の部分の温度よりも高くなる。

したがって、窒化物半導体基板１のサセプタ６と接触している裏面部分と比較して、温度が低くなっているサセプタ６と接触していない裏面部分の温度を高めることができるので、エピタキシャル成長時の基板面内温度分布が均一となる。その結果、混晶材料の混晶比やキャリア濃度が均一なエピタキシャル結晶膜を成長させることができる。

また、窒化物半導体基板の裏面の平均粗さを変化させることによって、混晶材料の混晶比やキャリア濃度分布を均一にすることができるので、特許文献１に記載の厚膜成長を行って得られた窒化物半導体基板に反り形状のバラツキが生じていても、エピタキシャル成長後の素子の品質均一化並びに歩留向上を図ることができる。その結果、ＧａＮ系レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を製作する上で、性能と信頼性をより向上させることができる。

上述した実施の形態において、窒化物半導体基板は、所定値が５μｍであることが好ましい。所定値を５μｍとしたのは、５μｍ以上になるとサセプタから裏面に与える輻射熱の影響が支配的になるからである。

また、接触していない部分のうち平面から裏面までの高さが５μｍ以上の部分における裏面の平均粗さを、接触している部分を含み平面から裏面までの高さが５μｍ未満の部分における裏面の平均粗さの少なくとも２倍以上４倍以下とすることが好ましい。

ここで平均粗さの差を２倍以上としたのは、その値未満であると面内均一性に顕著な差が見られないためである。また４倍以下と規定したのは、その値を超えると平均粗さの差が大きくなることで逆にエピタキシャル成長時の面内温度分布差が生じ、キャリア濃度のバラツキに悪影響が出るからである。

また、上述した実施の形態では、平面と接触しない裏面部分において、平面から裏面までの高さが所定値以上の部分における裏面の平均粗さを、平面から裏面までの高さが所定値未満の部分における裏面の平均粗さより大きくするようにしたが、この裏面の平均粗さは所定値の部分を境界部分として段階的に大きくなるようしても、所定値の部分に向かって徐々に大きくなるようにしても、あるいは所定値の部分を通過して徐々に大きくなるようにしてもよい。さらには、裏面の平均粗さは、平面と接触しない裏面部分のみならず、平面と接触する部分を含み、基板中心部から平面と接触しない裏面部分にかけて徐々に大きくなるようにしてもよい。ここで徐々に大きくなるようにするとは、連続的に大きくする場合も、段階的に大きくする場合も含まれる。

平面から裏面までの高さが高くなるにつれて前記裏面の平均粗さを徐々に大きくすると、平面と接触していない部分における平均粗さの急峻な変化を抑えることができるので、平均粗さを急峻に変化させた場合にその境界部分においてみられるキャリア濃度のばらつきを抑えることができる。

＜実施例１＞
ＨＶＰＥ法及び特許文献１に記載した方法によって得られた窒化物半導体基板を複数枚用意した。この基板は、表面側に凹の反りをもち、反り量７μｍ、厚さ０．４ｍｍ、直径はφ２インチである。この窒化物半導体基板の裏面を、ボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）からなる粒径１０μｍ程度の砥粒を用いてラップ処理した。ラップ処理後、裏面の中心部の粗さを測定したところ算術平均粗さＲａは０．３μｍであった。なお、裏面中心部の粗さは、裏面が接触している部分の粗さ、及び接触している部分のみならず接触していない平面から裏面までの高さが５μｍ未満の部分の粗さの平均粗さである。

ここで、反り形状による平面からの高さが５μｍ以上の裏面外周部分を、粒径を変えた砥粒を用いて追加工した。追加工は、各窒化物半導体基板の裏面外周部分の表面粗さが０．１μｍピッチで荒くなるようした。各窒化物半導体基板の裏面外周部分において算術平均粗さＲａは０．３〜１．４μｍとなった。

この窒化物半導体基をそのまま用いてＭＯＶＰＥ装置により、その表面にＳｉドープのｎ型ＧａＮのエピタキシャル成長を行い、基板面内のキャリア濃度の均一性を評価した。その結果を表１及び図３に示す。

キャリア濃度の面内均一性を評価したところ、高さが５μｍ以上の裏面外周部分での算術平均粗さＲａが０．５〜１．３の範囲では、キャリア濃度のバラツキは±２０％未満であった。平均粗さＲａが０．６〜１．２の範囲に入ると、キャリア濃度のバラツキは±１３％以下と良好な結果であった。平均粗さＲａが０．７〜１．１の範囲に入ると、キャリア濃度のバラツキは±１０％以下とさらに良好な結果が得られた。

しかし、平均粗さＲａが０．５未満、１．３を超えると、キャリア濃度のバラツキは±２０％を超えて悪い結果が得られた。これより、キャリア濃度のバラツキを±１３％以下とするためには、高さが５μｍ以上の裏面外周部分での平均粗Ｒａさは、裏面中心部の平均粗さＲａ０．３μｍの２倍以上（０．６以上）であって、０．３μｍの４倍以下（１．２以下）であることが好ましいことが分かった。

＜実施例２＞
実施例１と同様に窒化物半導体基板を、その裏面の平均粗さＲａが０．３μｍとなるようにラップ処理した。窒化物半導体基板に、平均粗さを外周部分に向かって底部の平均粗
さから徐々に粗くなるように追加工を行い、裏面底部からの高さが５μｍ以上の外周部分が平均粗さＲａ０．６μｍとなるようにした。キャリア濃度を測定した結果、バラツキは±１０％以内となり、良好な結果が得られた。

実施例１のように裏面底部の平均粗さが高さ５μｍ部分において急峻に変化する場合、平均粗さが０．６であるとキャリア濃度のバラツキは±１０％を超えていたが、実施例２のように、裏面底部の平均粗さを徐々に荒くなるようにすることにより、平均粗さの急峻な変化を抑えるようにすると、平均粗さ０．６でも±１０％以内とすることができることが分かった。これは、裏面底部と外周加工部分の平均粗さの急峻な変化を抑えることでその境界部分において見られたキャリア濃度のバラツキを抑えることが可能となったためである。

＜比較例１＞
実施例１と同様に、直径φ２インチ、表面側に凹の反りをもち、その反り量が５μｍ程度の窒化物半導体基板を用意し、同様のラップ処理を行い裏面の面内粗さを０．１μｍとして基板面内均一に仕上げた。
そのままこの基板を用いてＭＯＶＰＥ装置により、実施例１と同じ条件でエピタキシャル成長を行ったところ、面内のキャリア濃度は中心部が高く、外周に向かうに従って徐々に低くなり、キャリア濃度の面内バラツキは±２０％という悪い結果が得られた。

１ 窒化物半導体基板
２ 表面
３ 裏面
４ 粗面処理
５ 平面
６ サセプタ
Ｈ０ 反り量
Ｒａ 平均粗さ

Claims (4)

1. 表面側に凹又は凸の反りをもつ窒化物半導体基板であって、
   裏面側を平面に置いたとき、前記平面と接触していない部分であって前記平面から前記裏面までの高さが所定値以上の部分における前記裏面の平均粗さを、前記平面と接触している部分を含む前記平面から前記裏面までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面の平均粗さより大きくした窒化物半導体基板。
2. 前記所定値が５μｍである請求項１に記載の窒化物半導体基板。
3. 前記平面から前記裏面までの高さが５μｍ以上の部分における前記裏面の平均粗さを、前記平面から前記裏面までの高さが５μｍ未満の部分における前記裏面の平均粗さの少なくとも２倍以上４倍以下とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
4. 前記平面と接触している部分を含む前記平面から前記裏面までの高さが前記所定値未満の部分における前記裏面の平均粗さが、前記所定値以上の部分に向かって徐々に大きくなっている請求項１に記載の窒化物半導体基板。

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