具体的な実施態様の説明の前に、本発明の主要な技術を説明する。
既に説明したように、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有し、前記III族窒化物半導体結晶層内に、III族極性と窒素極性との極性反転層構造を前記基板の表面と平行方向に有する。
ここで、前記III族窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、前記III族窒化物半導体結晶層の厚さは、20nm以上2000nm以下であり、前記極性反転層構造は、原子レベルで接合されている接合構造であってもよい。
また、前記極性反転層構造は、2枚の前記III族窒化物半導体結晶層を接合したものであってもよい。
また、前記III族窒化物半導体結晶層の(10−12)面におけるX線回折ロッキングカーブの半値幅は、1000arcsec以下であってもよい。
また、前記III族窒化物半導体結晶層内に、前記極性反転層構造を2以上有してもよい。
また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を、2枚一組として第1の半導体基板組とし、前記第1の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて配置し加熱炉内に設置する第1の設置工程と、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下に制御しながら前記第1の半導体基板組を加熱する加熱工程と、接合された2枚の前記III族窒化物半導体基板の少なくとも一方の前記基板を剥離する基板剥離工程とを含む。
ここで、前記第1の設置工程において、前記第1の半導体基板組を、前記第1の半導体基板組の動きを規制するためのホルダに収納し、前記ホルダの開口を閉じるカバー部材により前記ホルダの開口を閉じ、前記カバー部材と対向する基板との隙間を0.5mm以下とし、前記加熱中の加熱炉内に不活性ガスを供給してもよい。
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層の上に、更にIII族窒化物半導体緩衝層を成長させる成膜工程を有し、前記III族窒化物半導体緩衝層の厚さは、10nm以上1000nm以下であり、前記半導体基板の反り量は、30μm以下であり、前記第1の設置工程において、前記ホルダ内で前記第1の半導体基板組を、前記III族窒化物半導体基板のDカット面を揃える配置、または、Dカット面を揃えた位置から±60°、±120°あるいは180°対向する配置で設置してもよい。
また、前記第1の設置工程において、前記ホルダに複数の前記第1の半導体基板組を設置してもよい。
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士、または前記基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体結晶層が接合した前記III族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層が形成された前記III族窒化物半導体基板とを、第2の半導体基板組とし、前記第2の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置する第2の設置工程を含んでもよい。
また、前記第2の設置工程と、前記加熱工程と前記基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体結晶層上に、III族窒化物半導体薄膜の結晶成長を行う結晶成長工程を有し、前記結晶成長工程で得られた2枚の前記III族窒化物半導体基板同士または前記結晶成長工程で得られた前記III族窒化物半導体基板と前記III族窒化物半導体緩衝層とが形成された前記III族窒化物半導体基板を、第3の半導体基板組とし、前記第3の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体薄膜同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置する第3の設置工程を含んでもよい。
また、前記第3の設置工程と、前記加熱工程と、前記基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。
また、前記III族窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、前記ホルダの材質は、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムおよびこれらの合金)、ジルコニア、炭化タンタルの少なくとも一つから構成されてもよい。
また、前記加熱工程において、1回の加熱中に複数回、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下の異なる2点間の温度に複数回制御するか、または、異なる複数の温度に制御してもよい。
また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造装置は、加熱炉と、前記加熱炉を加熱するヒータと、少なくとも前記ヒータを制御することにより、前記加熱炉内の温度を制御する制御装置と、前記加熱炉内に配置され、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を2枚一組とした半導体基板組を複数組収納する開口部を有し、前記開口部に収納された前記半導体基板組の動きを規制するホルダと、前記加熱炉内に配置され、前記ホルダの前記開口部を覆うように配置された蓋とを有する。
また、前記半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着し、前記開口部および前記ホルダは、前記半導体基板組を複数組収納する深さを有し、前記複数組の半導体基板組の上には、前記半導体基板組に荷重を掛ける加重部材を設置し、前記温度制御装置は、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下の異なる2点間の温度に複数回制御するか、または異なる複数の温度に制御してもよい。
さらに、他の実施の態様である窒化物半導体デバイスは、上記した特徴を有する窒化物半導体基板を用いて、前記III族窒化物半導体結晶層を幅w、厚さh、長さlとなる形状の導波路に形成し、前記幅w、前記厚さh、前記長さlは、前記長さlの方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。
また、前記入射波長をλ1とし、前記窒化物半導体デバイスの出力光の波長をλ2とした場合の前記III族窒化物半導体結晶層の入射波長における屈折率をn1、出射波長における屈折率をn2として、前記幅wまたは前記厚さhの値の一つを固定した後、前記幅wまたは前記厚さhの固定していない値を変化させたときに、n1=n2となるときのwまたはhの値が算出されてもよい。
ここで、前記長さlの方向の入射面、出射面以外の前記III族窒化物半導体結晶層は、保護層で覆われていてもよい。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明においては、窒化アルミニウムをAlN、窒化アルミニウムガリウムをAlGaN、窒化アルミニウムガリウムインジウムをAlGaInN、サファイアをAl2O3、炭化ケイ素をSiCと示す。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(実施の形態1)
[1.窒化物半導体基板の構成]
図1および図2を参照して本実施の形態に係る窒化物半導体基板1について説明する。図1は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の概略図である。図2は、図1に示す窒化物半導体基板1のc軸結晶方位(III族極性および窒素極性)が結晶層内で反転している状態を示す電子顕微鏡写真である。
本実施の形態に係る窒化物半導体基板1は、例えば極性反転型SHG素子等に用いる窒化物半導体基板である。窒化物半導体基板1は、基板の表面に、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有している。また、窒化物半導体基板1は、III族窒化物半導体結晶層内に、III族極性であるAl極性と窒素極性との極性反転層構造を有している。
具体的には、図1に示すように、窒化物半導体基板1は、基板の一例であるサファイア基板2と、III族窒化物半導体の一例である窒化アルミニウム(AlN)結晶層3と、窒化アルミニウム結晶層4を有している。
サファイア基板2の上に形成された窒化アルミニウム結晶層3と窒化アルミニウム結晶層4とは、サファイア基板2のc軸方向に沿って互いに反平行な自発分極ないしピエゾ分極を有している。ここで、ウルツ鉱型結晶中のAl−N結合のうちc軸に平行な結合に着目し、サファイア基板側にAlが位置する場合をAl極性、Nが位置する場合を窒素極性の結晶方位と定義するのが一般的である。よって、窒化アルミニウム結晶層3と窒化アルミニウム結晶層4はそれぞれ、Al極性、窒素極性である。以下では、サファイア基板2の上に配置された窒化アルミニウム結晶層について、Al極性を有する窒化アルミニウム結晶層を、+cAlN結晶層と呼ぶ。また、窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶層を、−cAlN結晶層と呼ぶ。本実施の形態では、窒化アルミニウム結晶層3は、+cAlN結晶層であり、第1のIII族窒化物半導体結晶層である。窒化アルミニウム結晶層4は、−cAlN結晶層であり、第2のIII族窒化物半導体結晶層である。
ここで、Al極性と窒素極性が反転している窒化アルミニウム結晶層3および4が積層された構造を極性反転構造という。つまり、+cAlN結晶層上に−cAlN結晶層が積層された構造を極性反転構造という。また、窒化アルミニウム結晶層3および4との極性反転構造において、Al極性と窒素極性が反転している層を、極性反転層と定義する。極性反転層は、1乃至2原子の厚さの中での構造であり、かつ、窒化アルミニウム結晶層3と4との界面という側面を持つものである。また、窒化物半導体基板1において、+cAlN結晶層上に−cAlN結晶層が積層された構造を極性反転構造は、サファイア基板2の表面と平行方向に、+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との界面が配置される構成となっている。つまり、窒化物半導体基板1において、極性反転層は、図1にも示すようにサファイア基板2の表面と平行方向に存在する。
なお、図1では窒化物半導体基板1を模式的に表現しているため、サファイア基板と窒化アルミニウム結晶層3および4とが同等の厚さにみえるが、実際にはサファイア基板2は、200μm以上1000μm以下程度であり、窒化アルミニウム結晶層3および4は、それぞれ10nm以上1000nm以下程度である。そのため、窒化アルミニウム結晶層3および4の厚さを合計した厚さは、20nm以上2000nm以下程度の範囲で作製される。図1に示す窒化物半導体基板1では、窒化アルミニウム結晶層3および4の界面である厚みの中央付近に極性反転層を有する。しかし、窒化アルミニウム結晶層3と4は同じ厚さでなくてもよい。そのため、極性反転層は、必ずしも結晶層3および4の合計厚さの中央付近にできるものではなく、窒化物半導体基板1を加工して得られるデバイスの特性要求に応じて、極性反転層の位置を自由に設定できるものである。
図2の(a)および(b)は、窒化物半導体基板1のIII族極性と窒素極性とがIII族結晶層内で反転している状態を示す電子顕微鏡写真である。より詳細には、図2の(a)および(b)に示す電子顕微鏡写真は、HAADF−STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡)による窒化物半導体基板の観測像(STEM像)である。図2の(a)および(b)では、窒化物半導体基板が有するサファイア基板と、サファイア基板のc軸方向の一方向を正としたときの正の極性を示す+cAlN結晶層と、c軸方向の正の方向と反対方向を負としたときの負の極性を示す−cAlN結晶層とが観測されている。極性が反転している部分、すなわち+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との界面は、後述する方法でAlN基板を貼り合わせた場合の界面である。なお、図2の(b)は、図2の(a)に示した半導体基板における+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との界面近傍の一部を1500万倍の高倍率で測定した結果を示している。
STEM像では、重い原子ほど明るく見える。このことより、図2の(b)において、白いドットはN原子よりも重いAl原子を示しており、そこから彗星の尾のように伸びている部分にN原子が存在していることがわかる。+cAlN結晶層と−cAlN結晶層とは、もともと2枚の独立したAlN基板であったが、界面にはくっきりとした原子像が見られており、非常に高い結晶性を示していることが分かる。+cAlN結晶層から−cAlN結晶層への極性反転は、単原子層で生じており、これまでの結晶成長法では難しかった急峻な極性反転を実現している。ここで、原子構造の乱れが1nm以下であること、+cAlN結晶層と−cAlN結晶層とが1乃至2原子レベルで完全に接合していること、および、+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との界面にアモルファス層が存在していないことを、STEM像から読み取ることができる。
また、STEM像からAl原子の原子間距離を抽出すると、貼り合わせ界面では2.8Åであり、貼り合わせ界面から離れた箇所では2.5Åであった。貼り合わせ界面では原子間距離が1割ほど大きくなっていることから、貼り合わせ界面には酸素や炭素などの不純物が含まれており、これらを介した原子結合になっていることが考えられる。また、図3には上記で説明した電子顕微鏡写真の倍率を250万倍とした写真を示す。図3に示す矢印の長さは10nmであり、界面がまっすぐに数十nm延びていて、結晶状態及び極性反転構造が良好な界面が続いていることが観察できる。
ここで、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の展開例(変形例)を図4に示す。窒化物半導体基板1は、以下のように、サファイア基板2の上に窒化アルミニウム結晶層3および4だけでなく、複数の窒化アルミニウム結晶層を備えてもよい。図4は、極性反転層を複数層持つ結晶構造の概略図である。
図4の(a)は、図1の窒化アルミニウム結晶層3と4に窒化アルミニウム結晶層5を加えて、極性反転層を2層持つ結晶構造を示している。図4の(b)は、さらに窒化アルミニウム結晶層6を加えて、極性反転層を3層持つ結晶構造を示している。上記したように極性反転層の位置に関する設計の自由度を明示するために、図4の(a)および(b)では窒化アルミニウム結晶層3および4と窒化アルミニウム結晶層5および6との厚さを変えて示している。
なお、基板は、サファイア基板2だけに限られず、サファイア、炭化ケイ素(SiC)および窒化アルミニウム(AlN)、シリコン(Si)の少なくとも一つからなる基板であればよい。また、第1のIII族窒化物半導体および第2のIII族窒化物半導体を構成する窒化アルミニウム結晶層は、窒化アルミニウム(AlN)だけに限られず、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされる窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、または、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlNGaIn)であってもよい。第1のIII族窒化物半導体、第2のIII族窒化物半導体は、異なるIII族窒化物材質であっても接合できるが、熱膨張係数差による応力と界面に生じるダングリングボンドを抑制する観点から、同じ材質であることが好ましい。
[2.窒化物半導体基板の作製方法]
次に、上記した極性反転型SHG素子等に用いる窒化物半導体基板1の作製方法を、図5および図6を用いて説明する。図5は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の作製方法を示す断面図である。図6は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の作製方法を示すフローチャートである。図7は、図5の(a)〜(e)の各ステップを立体的に描き、より理解を促進するための図である。図7に示す工程は図5と同じであるため、説明は省略する。
なお、以下において、AlN緩衝層3aおよび3bを熱処理したものを、それぞれAlN結晶層3aおよび3bと呼ぶ。また、Al極性を有するAlN緩衝層3aおよび3b並びにAlN結晶層3aおよび3bを、それぞれ+cAlN緩衝層3aおよび3b並びに+cAlN結晶層3aおよび3bと呼ぶ。同様に、窒素極性を有するAlN緩衝層3bおよびAlN結晶層3bを、それぞれ−cAlN緩衝層3bおよび−cAlN結晶層3bと呼ぶ。
図5および図6に示すように、窒化物半導体基板1の作製方法は大きく分けて次の6つのステップからなる。
はじめに、図5の(a)に示されるように、サファイア基板2aの上にAlN緩衝層3aを成膜する工程が行われる(ステップS11)。AlN緩衝層3aは、窒化アルミニウム結晶層3の前駆体であり、後の構成において熱処理されることにより、窒化アルミニウム結晶層3となる層である。AlN緩衝層3aは、例えば、700W、600℃の条件でスパッタ法を用いて成膜される。このとき生成されるAlN緩衝層3aは、例えば200nmの厚さである。なお、サファイア基板2a上にAlN緩衝層3aが成膜された基板を、III族窒化物半導体基板(以下、単に「半導体基板」)と呼ぶ。
なお、AlN緩衝層3aの製膜は、スパッタ法に限らず、MOVPE法、ハイドライド気相成長(Hydride vapor phase epitaxy:HVPE)法、分子線エピタキシャル(Molecular beam epitaxy:MBE)法などであってもよい。また、AlN緩衝層が成膜されるサファイア基板2の面方位は、サファイアc面に限られず、a面、r面、n面、m面およびそれらの面から±4°以内のオフ角の誤差を含むものであってもよい。さらに、基板の材料は、上述したように、サファイアに限られず、SiC、AlN、シリコンなどであってもよい。また、基板は、特許文献1の手法により一度アニールされ、結晶状態を改善した基板を使っても良い。
さらに、サファイア基板2aおよびAlN緩衝層3aにより形成されたIII族窒化物半導体基板と同様、サファイア基板2bおよびAlN緩衝層3bにより形成されたIII族窒化物半導体基板を用意する。
次に、図5の(b)に示すように、サファイア基板2a上にAlN緩衝層3aが成膜された半導体基板とサファイア基板2b上にAlN緩衝層3bが成膜された半導体基板とを2枚一組として半導体基板組とし、各半導体基板におけるAlN緩衝層3aと3bが配置された面(AlN面)を対向して密着させる(ステップS12)。なお、このときの半導体基板組は、第1の半導体基板組である。ここで、2枚の半導体基板のAlN緩衝層3aおよび3bの対向するAlN面同士の結晶方位はc軸周りの回転の自由度があるが、この面内の結晶方位(例えばa軸方位)のズレは、±1°以内、または、±60±1°、±120±1°、180±1°以内が望ましい。また、2枚の半導体基板を固定するために、2枚の半導体基板をサファイア基板2aおよび2bと同形状の底面形状を持つ円筒形のホルダに入れ、更に実質的に不活性ガスの滞留状態とするためにカバー部材でホルダに蓋をすることが望ましい。カバー部材と対向するサファイア基板2bとの距離は、0.5mm以下、好ましくは0.1mm以下とする。なお、ホルダおよび蓋については後に詳述する。
次に、図5の(c)に示すように、AlN面を対向して密着させた半導体基板組の熱処理を行う。熱処理は、電気炉などを用いた熱処理工程である。例えば、1700℃の温度で3時間熱処理を行う。熱処理の条件はIII族半導体、基板材料および基板の反り量等によって選択される。例えば、温度に関しては1300℃以上1750℃以下、時間に関しては10分以上5時間以下が許容範囲であり、時間に関しては好ましくは30分以上3時間以下程度である。熱処理中は炉の内部を不活性ガスの窒素等により、0.3気圧以上3気圧以下程度で保ちつつ、不純物を排出するために、窒素ガスなどの不活性ガスを常時、供給し排出する制御を行っている。しかし、半導体基板組の主面対向面や周囲では、ガスが実質的に流れない滞留状態としており、熱処理時にAlNの成分が解離して抜け出すのが抑制され、表面が平坦でかつ高品質のAlN結晶層が形成された窒化物半導体基板1が作製される。
ステップS11〜S13に示した処理は、特許文献1に記載された内容と類似している。しかし、特許文献1の記載技術は、半導体基板単体のAlN結晶層の結晶品質を格段に向上させる技術であるのに対し、本発明に係る技術は、AlN結晶層の結晶品質を格段に向上させる技術を利用した上で、2枚の半導体基板を原子レベルの精度で接合させるものである。
次に、図5の(d)に示すように、2枚の半導体基板のうちの一方について、サファイア基板2bを剥離する処理を行う(ステップS14)。サファイア基板2bを剥離した窒化物半導体基板1は、サファイア基板2a上にAl極性のAlN結晶層3aが配置され、AlN結晶層3aの上に窒素極性のAlN結晶層3bが配置された構成となっている。このような製法で極性反転されたAlN結晶層の評価結果を以下に説明する。
本実施の形態では、スパッタ法で成膜した厚さ200nmのAlN結晶層3aおよび3bの2枚を使用している。図8に例示するように、スパッタ法で製膜したAlN結晶層3aの極性はAl極性であり、+cAlNと表現される。逆に、窒素(N)極性のAlN結晶層3bは−cAlNと表現される。上記した様に、ウェハを重ねる際に、2枚のAlN結晶層の面内の結晶方位(例えばa軸方位)が一致するようにオリエンテーションフラット(以下オリフラと記す)と呼ばれる切れ込みの角度を一致させている。また、熱処理(またはアニールと記す)温度を1700℃、熱処理時間を3時間として熱処理を行った。サファイア基板2の剥離は、ブレードB(図7の(d)参照)を挿入することにより行っており、貼り合わせ界面にブレードBを挿入し、てこの原理で機械的に剥離しているが、精密切削などの他の方法であっても良い。
次に、図5の(e)及び(f)、図6のステップS15及びステップS16は、上記した様に得られた半導体基板を、デバイスとして加工する工程である。本実施の形態では、SHG素子を例に取り簡単に説明する。なお、SHG素子の詳細については、後に詳述する。
まず、図5の(e)に示すように、サファイア基板2aの上に積層された+cAlN結晶層3aと−cAlN結晶層3bとを、リソグラフィー、ドライエッチングといった半導体加工プロセスで一般的な手法を用いて導波路コア層のパターンに形成する(ステップS15)。その後、図5の(f)に示すように、導波路コア層内に光を閉じ込めるための保護層として、クラッド層7を形成する。クラッド層7は、酸化アルミニウム(Al2O3)をスパッタ法によりサファイア基板2aおよび導波路コア層を構成する+cAlN結晶層3aと−cAlN結晶層3bのy軸方向(図20の(a)参照)の入射面および出射面以外を覆うように成膜することで形成する(ステップS16)。また、SHG素子において基本波およびSH波が導波路を伝搬する際に、エバネッセント波がクラッド層だけでなくその上の空気中に漏れ出すことを防ぐために、AlOxの膜厚を1μmに設定している。
なお、図5の(d)の段階で、必要に応じて他の一方のサファイア基板2aも剥離して、極性反転構造を有する+cAlN結晶層3aと−cAlN結晶層3bのみを残すことも可能であるが、加工の都合上、図5の(e)の工程を終えた後に、極性反転構造を有する+cAlN結晶層3aと−cAlN結晶層3bをサファイア基板2aから外してもよい。これにより、+cAlN結晶層3aと−cAlN結晶層3bをクラッド層として、導波路コア層の全周を同じ材料にすることができる。クラッド層7の材料は、SHG素子の場合には酸化ケイ素(SiO)などがあげられる。
ここで、図5の(b)の工程において、窒化物半導体基板1の接合に用いられる各半導体基板は、各半導体基板の反り量、初期の結晶品質を接合が起こりやすい範囲に選ぶことが重要な条件となる。そこで、以下、接合に用いられる半導体基板の反り量および初期の結晶品質について説明する。
図8は、接合に用いられる半導体基板の反り量を説明する為の模式図である。図8では、理解を容易にするため半導体基板の反り量を実際の反り量より大きく描いている。図8において、Pは曲率半径の中心点、Rは曲率半径、r1は基板の反り量を示している。
例えば、2インチ径、厚さ400μmの円形のサファイア基板2aの上に、図8に示すようにAlN緩衝層3aが形成されている。例えば、AlN緩衝層3aの膜厚は200nmとしている。また、サファイア基板2aは、ウェハの中央がほぼ球形に反っている凹型の反りを有しており、反りの曲率半径Rは約89mである。曲率半径が凹型約89mの場合のおおよその基板中心付近の反り量(基板周縁からの深さ)は、5μm程度になる。また、AlN緩衝層3aの表面粗さは、0.2nm以上0.3nm以下程度である。このような半導体基板を用い、2枚の半導体基板のAlN面を向かい合わせて密着すると、2枚の半導体基板は原子間結合によりAlN緩衝層3a同士が接合する。
一方、AlN緩衝層3aの膜厚が200nmで、曲率半径Rが約11m、表面粗さが0.4nm以上0.6nm以下程度の半導体基板を用いた場合には、2枚の半導体基板は原子間結合をするには至らなかった。曲率半径が約11mの場合の、おおよその基板中心付近の反り量は、45μm程度になる。
上記した様に、ほぼ同じ条件で熱処理しても、AlN緩衝層3aの接合体ができるものとできないものがあるが、それは半導体基板の反り量、表面荒さなどが影響している。しかしながら、接合体ができた半導体基板組のサファイア基板2aを剥離して観察すると、表面から干渉縞が見えないことから、空気層の入り込んでいる形跡はなく、完全に全面にわたって接合しているため、全てのウェハ面をデバイス用に活用できる。また、接合しなかった半導体基板は、AlN単層の優れた結晶層を持つ基板として活用できることはいうまでもない。
また、後述するように、2枚の半導体基板を接合する際、ホルダ内において、複数組の窒化物半導体基板のそれぞれにおいて、2枚の半導体基板を向かい合わせて密着させ、この半導体基板組を積み上げているため、最下段の半導体基板組には上段の2枚分の半導体基板の重さ6.8g、または、4枚分の半導体基板の重さ13.6gの加重を与えていることになる。ここで、半導体基板組の上に、基板と同形状で反りのなるべく少ない、曲率半径Rが約30m以上の加重部材182(図17参照)を載せることは有効である。
加重部材182に使う材質としては、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
さらに、接合をより確実に実現するため、反り量を改善する目的で熱処理の前に2枚の基板を貼り合わせた状態で、1時間以上20時間以下程度、25kPa以上500kPa以下程度の荷重をかけて反り量を改善した半導体基板組を使用することも、本発明の範囲に含まれる。
半導体基板における反りの中央付近最大値r1と曲率半径Rの関係は、2インチウェハによる場合、R(m)=5、10、20、40、60、80、100に対応する反り量r1(μm)=84、42、21、10、7、5、4程度となる。曲率半径20m程度になると反り量は20μm程度に収まり、接合し易くなると考えられる。また、基板の反りの量r1は上記した様に小さい方が接合のためには好ましい。
図9は、凹型の反りを持つ半導体基板同士を対向させた模式図である。図9では、図8で説明した凹型の半導体基板を、2枚向かい合わせに密着させて載置している。図9の(a)に示すサファイア基板2aおよび2bは、同じ厚さで示しているが、異なる厚さであってもよい。また、図9に示すAlN緩衝層3aおよび3bは、例えば厚さが10nm以上1000nm以下程度である。AlN緩衝層3aおよび3bは、同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。特に、AlN緩衝層3aおよび3bは、接合後の光特性等のデバイス設計上、厚さを異ならせたものであってもよい。
ここで、図9の(a)のr0は、半導体基板中央付近にできる最大間隙を示している。上述したように、2枚の半導体基板の反り量が20μmであれば、最大隙間r0は約40μmになる。ウェハの直径は、2インチで約50.8mmであるため、図9では最大隙間r0を大きく描いているが、実際には僅かな隙間が残ることになる。この隙間が少ない方が、接合体を作る上でより好ましい。
また、図示はしないが、2枚の半導体基板は、後述するように、半導体基板の半径方向の動きを規制するホルダ内に収められ、カバー部材で蓋をした状態で、加熱処理のため温度を上げる前に加熱炉の中で一旦真空にする工程を経る。加熱炉の中を真空にするのは、不純物を排出するためである。そのため、ホルダまたはカバー部材には、直径1mmの空気抜きの穴が1つまたは複数設けられている。ここで、徐々に温度を上げながら真空にする過程で、温度を1300℃以上1750℃以下程度に上げることで、膨張の関係、硬度軟化の関係で、最大隙間r0が小さくなる方向に力が働く。これにより、図9の(b)に示すように、完全に平坦な状態を経由することと、初期の表面粗さの良好なことに加えて、アニール効果により結晶品質が非常に良好な状態になっていることから、AlN緩衝層3aおよび3bとの表面では原子間結合が起こっていると考えられる。そのため、2枚の半導体基板の反りの形状や量は、ほぼ同じであることが望ましい。これは、窒化物半導体層の厚さを揃えるよりは、厚さは異なっても反り量を測定してペアを決めることが考えられる。一方、サファイア基板2aおよび2bのうちの一方は剥離して不要となるものであるので、剥離する方を、サファイア基板として残るものの厚さに合わせることは、反りの量を揃える上で有効である。
ここで、図5の(d)でのサファイア基板2bの剥離を容易にする方法について説明する。実験では完全に隔離できた基板と、一部隔離側の基板にAlNの極性反転構造を持つ結晶層が残ったケースがあった。サファイア基板2aおよび2bのうちのどちらの基板もデバイスを作る上で利用することができるが、完全に一方または両方の基板が剥離できる方が好ましい。そこで、図8に示すサファイア基板2a上にAlN緩衝層3aを成膜する前に、剥離層として、10nm以上50nm以下程度のBN(窒化ホウ素)膜やBGaN(窒化ガリウムホウ素)膜を設けることで、基板の剥離を容易に行える様になり生産性の向上を図ることができる。この剥離層は、III族窒化物半導体基板組を構成する2枚のIII族窒化物半導体基板の両方に生成してもよいが、一方の基板が剥がれやすければよいため、剥離層を有するIII族窒化物半導体基板と剥離層を有しないIII族窒化物半導体基板とで半導体基板組を作ることができる。また、剥離面のクリーニングは必要に応じて実施する事ができる。剥離層の有無に関わらず、1000℃以上1250℃以下程度の温度範囲で、水素ガスを供給しながら5分以上30分以下の間クリーニングを行うことが有効である。
また、図10に示すような基本形の基板を組み合わせ半導体基板組とすることが有効である。図10の(a)は、サファイア基板2aの上にAlN緩衝層3aを成膜した基板である。図10の(b)は、サファイア基板2の上に+cAlN極性のAlN結晶層3と−cAlN極性のAlN結晶層4が接合した基板であり、図1で説明した形態である。なお、図10の(a)のサファイア基板2a、AlN緩衝層3aは、熱処理前を示しており、AlN結晶層と区別するためにAlN層はAlN緩衝層としているが、AlN膜として記載することもある。図10(c)は、サファイア基板2の上に+cAlN極性のAlN結晶層3と−cAlN極性のAlN結晶層4が接合した基板であり、さらにその上にAlN緩衝層5aを成膜した状態の基板であり、最上層のAlN緩衝層5aは熱処理を経ていない状態のものである。ここで、半導体基板組の組合せとして(a)−(a)、(a)−(b)、(a)−(c)、(b)−(c)が考えられる。接合した形の半導体基板としては(b)、(c)が単体でデバイス用として用いることができる状態であり、さらに(a)−(b)、(a)−(c)、(b)−(c)を繰り返して、何層もの極性反転層を有する窒化物半導体基板を手に入れることができる。
ここで、熱処理前のAlN緩衝層では熱処理後のAlN結晶層に比べAlNの結晶粒が小さいとされている。特許文献1では、基板温度を1700℃まで上昇すると、AlN緩衝層において隣接するグレイン同士が合体され、AlN緩衝層の表面が平坦化される。また、グレイン同士の境界には、転位が存在するが、グレイン同士が合体して大きなグレインが形成されることにより、単位面積当たりに占めるグレインの数は熱処理する基板温度の上昇と共に減少する。よって、単位面積当たりに占める転位の数も減少する。したがって、熱処理後のAlN結晶層では、貫通転位密度が低減され、表面の平坦性がよく高品質なAlN結晶層を得ることができると説明されている。そのため、上記で説明した熱処理前の+cAlN極性は接合後の説明のためであり、熱処理を施している間に+cAlN極性になるものも含んでいる。
[3.窒化物半導体基板の特性]
以下、上述した方法で作製された窒化物半導体基板1の特性について説明する。
はじめに、図11を用いて、図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側のAlN結晶層の剥離表面近傍の構造特性について、HAADF−STEM(High-angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy)像を用いて説明する。図11は、窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層の(11−20)面をHAADF−STEMで観察した結果である。
HAADF−STEMは、透過電子を利用した材料観察方法である。細く絞った電子線を試料に走査させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより像が得られる。一般的なTEM像では、結晶格子のひずみや欠陥といった情報を得られるが、HAADF−STEMでは、結晶の組成についての情報が得られる。本観察でHAADF−STEMを利用した目的は、高倍率の原子像でAl原子とN原子を判別し、極性反転の様子を観察するためである。
図11の(a)では、窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層の(11−20)面をHAADF−STEMで観察した結果を示している。また、図11の(b)は、図11の(a)の一部を拡大した像である。窒化物半導体基板1における+cAlN結晶層の膜厚は194nmで、スパッタ法で成膜時に想定していた値と一致したが、−cAlN結晶層の膜厚は178nmとなっており、+c側と比較して15nmほど薄くなっていることがわかった。
この理由として、一方の窒化物半導体基板1におけるサファイア基板を剥離する際に、厚さ15nmのAlN膜が、剥離したサファイア基板側に持っていかれたことが考えられる(図11の(b)参照)。これまでの実験結果から、サファイア基板と+cAlN結晶層との界面には−cAlN結晶層が20nmほど形成されることがわかっており、−cAlN結晶層の領域は機械的強度が弱く、剥離の起点となったことが考えられる。
上述した方法でサファイア基板を機械的に剥離したAlN結晶層の表面は、機械的剥離という行為に反して比較的平坦であった。図12により、原子間力顕微鏡(AFM)のダイナミックモードにより表面状態を観察した像を示す。図12は、窒化物半導体基板1を原子間力顕微鏡のダイナミックモードにより表面状態を観察した像である。図12の(a)に示す5×5μm範囲での表面粗さは、RMS値で0.90nm、図12の(b)に示す1×1μm範囲での表面粗さは、RMS値で0.82nmであった。
一般的に、表面粗さが1nm以下であれば接合は可能であるとされており、図4で説明したように、本プロセスを繰り返すことで4層以上の多層極性反転構造の実現も可能である。または、2層の極性反転構造上に+cAlN結晶層をスパッタ法により成膜することで3層の極性反転構造も作製可能である。上述した剥離された15nm程度の+cAlN膜を追加して成膜することで、サファイア基板側から見て−cAlN結晶層(約20nm)、+cAlN結晶層(約170nm)、−cAlN結晶層(約170nm)、+cAlN結晶層(約20nm)というバランスを整えることも可能である。
次に、図13を用いて、図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側の結晶について、X線回折装置(XRD)で(0002)面におけるX線回折と(10−12)面におけるX線回折のロッキングカーブ測定(XRC)を行った結果を示す。図13は、窒化物半導体基板1のX線回折ロッキングカーブ測定(XRC)結果であり、(a)は(0002)面の測定結果、(b)は(10−12)面の測定結果である。図13の(a)および(b)に示す破線は、本実施の形態の方法により作製された極性反転構造を有するAlN結晶層の結果(実施例)であり、実線はスパッタ成膜した直後のAlN膜(AlN単膜)の結果(比較例1)を参考値として示している。図13の(a)は(0002)面におけるX線回折結果を、図13の(b)は(10−12)面におけるX線回折結果を示している。
AlN緩衝層3aと3bとを向かい合わせて密着させて熱処理することにより得られたAlN結晶層では、(10−12)面におけるX線回折の結果が大幅に改善される傾向は、AlN単膜が形成された基板を向かい合わせて密着させて熱処理した時と同様であり、FWHMは302arcsecと非常に良好である。AlN結晶層の(0002)面についてはFWHMがやや悪化しているものの、大きな悪影響は確認されなかった。したがって、接合による極性反転を導入した場合も、熱処理による結晶性向上の効果は十分維持していることを確認した。
また、2θ−ω測定から見積もられた、AlN結晶層のc軸およびa軸の格子定数(c軸は4.990Åで引張1.16%、a軸は3.098Åで圧縮0.45%)およびそこから導出される2軸性応力(2軸性応力σxx=2.11GPa)は、AlN単膜基板のアニール時の結果とほぼ一致する結果である。したがって、上述した方法により作製された窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層は、SHG素子等のデバイス用として好適な特性を有している。
また、図14の(a)を用いてラマン分光測定結果について説明する。図14は、窒化物半導体基板1のラマン分光測定結果である。
ラマン分光法とは、試料に光を照射したときに生じるラマン散乱光から結晶構造や構造品質を評価する測定手法である。ラマン散乱光の波長は試料の結晶構造を反映して、格子振動の固有モードに対応したフォノンエネルギー分だけ入射光より長波側にシフトすることが知られており、この変化量をラマンシフトと呼んでいる。ラマンシフト量とラマンスペクトルの半値幅から、本実施の形態の方法により作製された極性反転構造を有するAlN結晶層の結晶性を評価した。
AlN膜のラマンスペクトル中のピークはいくつか存在するが、このうち代表的なE2(high)ピークは、結晶中の歪量に比例してラマンシフト量が変化し、構造の不完全性を反映してその線幅(FWHM)が広がることが知られる。単層膜AlN基板であれば、図14の(a)に破線で示すように658cm−1に存在する。図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側の極性反転構造の結晶については、図14の(a)に示す実線のAlN E2(high)に示すように、ラマンシフト量は663.6cm−1であり、単層膜AlN基板のアニール後の値とほぼ一致するものである。また、ピークのFWHMは5.8cm−1であり良好な結晶性を示している。
また、図14の(b)に、経験的に得られたラマンシフト量とσxxの関係を示す。ラマンシフト量からは、結晶の面内に生じる2軸性応力を導出することができる。両者の比例関係は経験的に求められており、比例係数は−4.04cm−1/GPaであるとされる。ここから2軸性応力を求めると、1.47GPaの圧縮応力が生じていることになる。この値は、XRDの2θ−ω測定から求められた2軸性応力σxxの値2.11GPaと比較して30%低い値であるが、それでも大きな圧縮応力が生じていることがラマン分光測定からも明らかにされた。
また、ウェハの置き方と、+cAlN結晶層および−cAlN結晶層の面内結晶方位の角度ズレについて説明する。図15は、窒化物半導体基板1の(10−12)のX線回折極点図である。
ウェハの置き方によって+cAlN結晶層と−cAlN結晶層の間で面内結晶方位の角度ズレが予想されたため、(10−12)の極点図を測定したものを図15に示す。極点図とは、円の半径方向に煽り角χ、円周方向に回転角φとしてX線回折測定結果をマッピングしたものである。一般には、異種基板上に結晶成長した際に、結晶の配向性を評価するために利用されるが、本実施の形態では+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との面内結晶方位の角度ズレを評価するために利用している。図15の各グラフは、煽り角χを測定用の回折量が最大になる点を選び、煽り角χを固定して窒化物半導体基板1を回転し測定した結果である。
AlN結晶層は六方晶系の結晶構造を有しており、六方晶系の結晶構造は6回回転対称であるため、極点図の6つの方向から観測したときのピークもその特性を反映している。極点図を見る限り、各ピーク位置にはずれが見られないが、より詳細に評価するため、それぞれのピークを細かくφスキャンした結果も示している。一部の観測結果では、ダブルピークの波形が見られるが、ピークの間隔は最大で0.87度であり、+cAlN結晶層と−cAlN結晶層との角度ズレは1度以下に抑えられているといえる。1度という角度は原理的に要求されるような根拠ある数字ではないが、結晶の対称性を考えると角度ずれは可能な限り小さいほうがよいと考えられる。
以上のように、本実施の形態に係る極性反転層構造を有する窒化物半導体基板1は、極性反転構造を有し、表面が平坦でかつ高品質の結晶層が形成された半導体基板である。これにより、窒化物半導体基板1は、結晶の光学特性として非常に良好な特性を示すので、紫外光発光素子等の光源に適した窒化物半導体基板を提供することができる。
[4.効果等]
以上、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1によると、サファイア等の基板上にAlN等のIII族窒化物半導体緩衝層が形成された半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体緩衝層同士を向かい合わせて密着して熱処理することにより、原子層オーダで急峻な極性反転層を持つ半導体基板を、ウェハスケールで実現することができる。また、このときの熱処理により、結晶性の向上も同時に図ることができる。また本発明により、従来用いられてきた親水化接合において必須となる「ボールねじや空圧シリンダとベローズ型直線導入機構を組み合わせた特殊な接合圧力印加機構」や、表面活性化接合のような「高真空環境」を不要とする事ができるという大きな効果を実現するものである。
図2で説明したように、極性反転層にアモルファス層が存在しないことは、SHG素子等への応用上において重要である。SHG素子において、基本波の最大振幅は、極性の異なるAlN結晶層の貼り合わせ界面(極性反転層)に一致しており、アモルファス層との重なりにより光の吸収が生じることが予想されるためである。さらに詳しく説明すれば、アモルファス層は構造が無秩序であることから屈折率や吸収係数が緩やかに変化するバンドテイリングが生じ、高い光強度を必要とするSHG素子ではこのテイル準位に共鳴した2光子吸収が生じやすく、これが大きな光吸収につながる可能性がある。
このことより、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1は、後述するように、疑似位相整合型SHGデバイスを作製する基板として適している。
(実施の形態2)
次に、上記したIII族窒化物半導体基板組の製造装置60について説明する。
図16は、本実施の形態に係る製造装置60の概略構成図である。理解を容易にするため、図16では製造装置60を簡略化し、正面からみた断面図と主要な構成だけを記載している。
図16には、製造装置60の全体の構成を示している。製造装置60は、加熱炉61と、容器62と、容器蓋63と、穴64と、基板組ホルダ65と、温度センサ66と、指令装置67と、比較装置68と、制御装置69と、流入ガス配管70と、流入ガス制御弁71と、排出ガス配管72と、排出ガス制御弁73と、加熱ヒータ74a、74b、74cおよび74dとを備えている。
加熱炉61は製造装置60内の炉空間である。加熱炉61の前方または後方には窒化物半導体基板を出し入れする開閉用の扉(図示せず)が設けられている。
製造装置60である加熱炉61の全体的な形状は、略直方体または略円柱状である。加熱炉61の材質は、炭素または窒化ホウ素などの高耐熱性素材である。
容器62は、高純度カーボン製の容器である。容器62は、加熱炉61における加熱方式が誘導加熱の場合は発熱部材としての機能も果たす。高純度カーボンは、本来、高温に対して安定な物質であり、かつ、加工がしやすく安価であるという特徴を有している。
容器蓋63は容器62の蓋であり、容器62と一体になって熱処理するAlN緩衝層を有する半導体基板組をほぼ気密状態にする為の容器である。
穴64は、加熱炉61内に充填された不活性ガスのガス抜き用穴である。穴64は、半導体基板組の加熱を開始する前に、加熱炉61の内部を真空置換する際に、容器62中のガスを排除するための穴である。本実施の形態では、穴64は、容器蓋63に直径1mm程度で2箇所設けられている。なお、この穴64は、容器蓋63に限らず、容器62の容器62に設けられても良い。
基板組ホルダ65は、加熱炉61内に配置され、上述した半導体基板組を加熱するときに半導体基板組の動きを規制するためのホルダである。基板組ホルダ65の中には、半導体基板組81が2組設置されている。基板組ホルダ65は、高純度カーボンを使用しているが、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
温度センサ66は、図示では一つであるが、加熱炉61内の内部温度の分布を見る為に、加熱炉61内に複数配置されている。この実施の形態では容器蓋63は、基板組ホルダ65の蓋も兼ねているが、基板組ホルダ65に独立した蓋を設けてもよい。なお、基板組ホルダ65の構成については、後に詳述する。
加熱ヒータ74a〜74dは、加熱炉61の外側に配置され、加熱炉61の内部に配置された基板組ホルダ65を加熱する機能を有している。加熱ヒータ74a〜74dは、例えば誘導加熱式の加熱ヒータである。
指令装置67は、操作者の指示に従って、起動、停止、加熱制御、真空化、不活性ガスなどの流入排出制御等の指令を出す装置である。指令装置67は、より具体的には、プログラムで制御されたコンピュータが使用されている。先に記載したように加熱炉61の内部を真空に置換した後に窒素ガスを流入しながら高速度で昇温し、900℃〜1300℃以降は昇温速度を1/2程度に下げるプログラムも、この指令装置67内に組み込まれている。
比較装置68は、加熱炉61内の圧力を検出する気圧センサ(図示せず)で検出された測定値を数値化し、指令装置67からの指示と比較する。比較装置68の出力は、制御装置69に伝えられ、流入ガス制御弁71、排出ガス制御弁73および加熱ヒータ74a〜74dを制御する信号を出力する。なお、流入ガス配管70、排出ガス配管72は、それぞれ一つには限定されない。また、流入ガスは高温にしておいた方が昇温の際に有利である為、流入ガスの加熱装置(図示せず)を備えていてもよい。
本実施の形態に係る窒化物半導体基板1用の製造装置60は、加熱ヒータ74a〜74dによって加熱制御される加熱炉61の内部に、厚さ10nm以上1000nm以下のIII族窒化物半導体からなる緩衝層の前駆体を有し、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる1組以上の半導体基板を保持する基板組ホルダ65を、半導体基板の加熱時に有する。加熱ヒータは、例えば制御装置69等に制御され、均一に加熱炉61の内部を過熱する方式であれば、誘導加熱、電波加熱、抵抗加熱、ガス・石油等の燃焼加熱であっても構わない。
加熱処理時の加熱炉61は、加熱炉61内の不純物を排出するため常温において一旦真空置換される。その後、加熱ヒータ74a〜74dにより温度を上昇させながら、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、または、不活性ガスにアンモニアを添加したガスが、流入ガス制御弁71を通して加熱炉61の内部に充填される。また、不活性ガスを主成分として、アンモニア、酸素、シラン(SiH4)、モノメチルシラン(SiH3CH3)やゲルマン(GeH4)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)などの有機金属ガスも混入させてもよい。混合比は不活性ガスに対して20%以下が好ましい。排出ガス制御弁73を通して上記窒素ガス等が一定の気圧になるように制御すると共に、炉空間内で発生する不純物が一定量以下になるように常時排出されている。
ここで、使用できるガスは、塩素などの腐食性ガスを除き、上記以外の種類のガスであっても混合ガスとして用いられても良い。実施の形態1で説明した極性反転層構造を有する窒化物半導体基板1を作製するには、上記したような加熱炉を用いて、温度に関しては1300℃以上1750℃以下、時間に関しては10分以上5時間以下が許容範囲であり、好ましくは30分以上3時間以下程度である。また、温度は1300℃以上1750℃以下の異なる2点間(例えば1400℃と1700℃)の温度に10分〜20分毎に複数回制御するか、または異なる複数の温度になるように(例えば1400℃10分、1500℃30分、1700℃60分)に温度制御装置によって制御されても良い。これらの温度や時間は基板やIII族半導体層の材料によって選ばれる。
次に、図17を用いて基板組ホルダ165の説明をする。図17は、本実施の形態に係る基板組ホルダ165の概略構成図であり、(a)は上面断面図、(b)は側面断面図を示している。図17に示す基板組ホルダ165は、図16における基板組ホルダ65に相当するものであり、内部に3組の半導体基板組181が設置される。
図17に示すように、基板組ホルダ165は、内部に半導体基板組181を収容するための空間である開口部を有している。また、基板組ホルダ165の上方には、開口部を覆うように蓋163が配置される。
また、基板組ホルダ165の内部には、ガス置換用の穴164が設けられている。穴164は、基板組ホルダ165の側壁を貫通する直径1mm程度の穴であり、基板組ホルダ165において2または数カ所設けられている。真空化処理等の際に必要となるが、ホルダ内部での不活性ガスの移動が極力少なくなるように、穴径は細くして、基板組ホルダ165の内部ではガスが実質的に流れない滞留状態としている。
また、基板組ホルダ165の内部には、半導体基板組181を上部から押さえる加重部材182が配置されている。加重部材182は、半導体基板組181と蓋との隙間を調整し、0.5mm以下、好ましくは0.1mm以下になるように調整する機能も果たしている。加重部材182の重量は、例えば半導体基板4枚程度に対して13g以上14g以下程度である。加重部材の材質は、基板組ホルダ165、蓋163と同様にIII族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
また、図17の(a)に示すように、基板組ホルダ165を上方から見たときに、基板組ホルダ165の側壁の一部には、オリフラ規制部材183が設けられている。オリフラ規制部材183は、図15で説明したように、基板組ホルダ165内に収納された半導体基板組181の結晶軸のズレの影響を少なくするため、半導体基板のオリフラ部分を押さえることにより複数の半導体基板の面内の配置位置(向き)を統一する部材である。オリフラ規制部材183の形状は、オリフラのカット部分と同形状が好ましいが、図17のように楕円断面を持つ円柱形状や長方体の様なものでもよい。オリフラ規制部材183の材質は、基板組ホルダ165の部材により、適宜変更してもよい。
(実施の形態3)
以下に、本発明の窒化物半導体を用いた極性反転層を有する窒化物半導体基板1を用いたSHGデバイス(第二次高調波発生素子)について図を使って説明する。
SHGデバイスの説明の前に、特許文献1の技術で熱処理をした単層AlN結晶層を有する半導体基板の性能について説明する。後述する極性反転型のSHGデバイスを作製するにあたり、特許文献1による熱処理後の単層AlN結晶層を有する基板を測定した。図18は、X線回折ロッキングカーブ測定(XRC)を行った結果であり、(a)は単層AlN結晶層の(0002)面の測定結果、(b)は単層AlN結晶層の(10−12)面の測定結果を示す。
図18の(a)に示すように、単層AlN結晶層の(0002)面については、X線回折ロッキングカーブの半値幅は、熱処理前には532arcsecであったが、熱処理後には49arcsecとなっている。また、図18の(b)に示すように、単層AlN結晶層の(10−12)面については、熱処理前に6031arcsecであった値が熱処理後には287arcsecとなり、結晶性が大幅に改善している。
図19は、窒化物半導体基板1の分光エリプソメトリの測定結果である。分光エリプソメトリの測定結果から常屈折率noと異常屈折率neの波長分散を測定した。
図19の測定結果より、窒化物屈折率の波長分散を研究した論文である” R. Goldhahn, “Dielectric Function of Nitride Semiconductors: Recent Experimental Results”, ACTA PHYSICA POLONICA A, Vol 104 (2003)”と一致する傾向が見られた。なお、図19において、no(FFA AlN)は窒化物半導体基板1の常屈折率、ne(FFA AlN)は窒化物半導体基板1の異常屈折率、no(ref.[6])は上述した論文における常屈折率、ne(ref.[6])は上述した論文における異常屈折率である。なお、異常屈折率とは異常光線についての屈折率であり、後述する図20の(a)の座標ではz軸方向に偏光した電磁波に対する屈折率となる。同様に、常屈折率は常光線についての屈折率であり、図20の(a)の座標ではx−y面内の任意の方位に偏光した電磁波に対する屈折率である。
図19の測定結果より、窒化物半導体基板1の結晶性が良好であり、窒化物半導体基板1は、光学素子として利用できることを実験的に確認することができた。
ここで、既存のInGaN青色レーザを光源とし、AlN結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるような光学部材を用いて光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。そこで、以下、上述した方法により作製された窒化物半導体基板1のAlN結晶層を光学部材として利用したSHGデバイスについて説明する。
図20は、図5の(e)、(f)に示した工程によって、SHGデバイスの構成を示す概略図である。図20の(a)は、SHGデバイス300の断面模式図である。また、図20の(b)は、SHGデバイス300の斜視図である。
本実施の形態に係るSHGデバイス300は、導波路301と、サファイアで構成されるクラッド層302とを有している。導波路301は、+cAlN結晶層303と、−cAlN結晶層304とを有している。+cAlN結晶層303と−cAlN結晶層304とは、上述した方法で作製された極性反転構造となっている。
ここで、導波路301は、窒化物半導体基板1を用いて、極性反転構造を有するAlN結晶層を導波路幅w、導波路厚さh、導波路長lとなる形状の導波路に形成したものである。このときの導波路幅w、導波路厚さh、導波路長lは、後述するように、導波路長lの方向つまり図20の(a)に示すy軸方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。
ここで、図20の(a)を用いて極性反転層を中心とした、第二次高調波発生の仕組みを説明する。
+cAlN結晶層303と−cAlN結晶層304とで構成された導波路301は、光学非線形性を有している。光学非線形性を有する導波路301により第二次高調波(SH波)を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。すなわち、導波路301に入力された光(基本波)と発生する光(SH波)とは結晶中で進む速さが異なるため、光の位相がπ異なる場合には両者が打ち消しあってしまう。そこで、導波路301では、異方性結晶の複屈折を利用して位相整合させることが一般的である。すなわち、異方性結晶への入射角度をうまく調整することで基本波とSH波の屈折率を一致させる。これにより、導波路301において位相整合条件が満たされるので、効率よくSH波を発生させることが可能となる。なお、複屈折位相整合については、「非線形光学結晶による高調波変換の基礎」(Journal of Plasma and Fusion Research Vol.85, No.5 May 2009 P239-242)に詳細が記されている。
ここで、AlN結晶層は、自立基板の作製に大きなコストがかかることから、数mm角のAlN結晶を要する従来の複屈折位相整合方法は実用的ではない。かつ、複屈折性が弱いことから、深紫外波長域では複屈折を用いた位相整合はそもそも不可能である。そこで、極性反転させたAlN結晶層(薄膜)を利用した疑似位相整合を用いている。このSHGデバイス300からの出力は、下記の(式1)で示されるように、y軸方向(伝搬方向)とz軸方向(垂直方向)の位相整合を満たす必要がある。このとき、y軸方向の位相整合は導波路中のモード分散を利用し、z軸方向の位相整合はAlNの極性反転を利用する。なお、(式1)において、lはy軸方向に延びる導波路の導波路長、kは光の波数、d33は非線形光学係数である。
まず、y軸に関する項については、(式2)のように表せる。
(式2)において、λωは基本波の波長、nωは基本波における実効屈折率、n2ωはSH波における実効屈折率を示す。基本波とSH波の実効屈折率が一致するとΔkは0になり、第1項はsinc関数として1を示すため、高いSHG効率を得ることができる。ここでは、一般的な複屈折は利用せず、上述したようにモード分散を利用して位相整合条件を満たしている。つまり、SH波には導波路の層の中央に電界分布の節が存在する高次モードを用いることで、基底次モード間では一致することのない実効屈折率の一致を実現している。
図20の(a)は導波路301を側面から見た図、図20の(b)は導波路301の斜視図になる。図20の(a)では、AlN結晶層により形成された導波路301を伝搬する基本波の電界分布(TM00 Ez ω)とSH波の電界分布(TM01 Ez 2ω)とを実線で示している。また、図21の(a)に示された電界分布図は、TM00 Ez ωを、図21の(b)にTM01 Ez 2ωの電界分布をxz平面上にプロットしたものである。図21の(a)および(b)において、フィールド中にBlで指示している分布が正の値、Rdで指示している分布が負の値を示している。
ここで、TMとは、Transverse magnetic modeを意味しており、図20の(a)では、x軸方向にのみ磁界成分が存在するような電磁波を指す。さらに、TMijの添字i、jはx軸方向とz軸方向のそれぞれの電界分布の節の数を表している。図20の(a)では、TM00 Ez ωには節がないが、TM01 Ez 2ωには節が中央に1つ見られる。AlNは屈折率が高く、サファイア(Al2O3)は屈折率が低いことを利用して、それぞれの材料における電界分布を調整することで、両者の実効屈折率を調整することができる。なお、図20の(a)において、TM00 Ez ωおよびTM01 Ez 2ωのカーブを示した近傍に記載されている破線は、電界0の位置を示している。
例えば、厚さhと導波路幅wを適宜調整することにより電界分布を調整することができる。図20の(b)ではサファイア基板302を残しているが、図5の(d)の段階でも記載したように、基板を全て剥離して、別のクラッド層を周囲全周施すことができる。SHG素子の場合には酸化ケイ素(SiO2)にすると、より光の閉じ込め効果を向上させ、波長変換効率を向上させることができる。
ただし、TM01 Ez 2ωは電界に正負があるため通常の単一の極性を有するAlN膜だと位相整合項の重なり積分が0になってしまうことが問題となる。そのため、上記した極性反転を行い、非線形光学係数d33(z)の符号をSH波電界分布の節にあたる膜厚において反転させる必要がある。これにより(式1)の積分項は非0の値になり、SHG光が出力される。これらの取り組みにより、最終的にy軸方向とz軸方向の位相整合条件が満たされ、高効率なSHG出力を実現することができる。
なお、モード分散位相整合と分極反転による疑似位相整合型SHGについては論文” Polymer waveguides with optimized overlap integral for modal dispersion phasematching”に詳細な説明が記されている。
このように、既存のInGaN青色レーザを光源とし、窒化物半導体基板1のAlN結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるようなSHGデバイスを用いて光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。
なお、AlN結晶層を非線形光学結晶として用いる利点として、次の3点が挙げられる。
(1)AlN結晶層の吸収端波長は210nmであるから、紫外の広い領域で透明である。
(2)既存の非線形光学結晶であるBBO(ホウ酸バリウム)やCLBO(ホウ酸セシウムリチウム)よりも高い非線形光学係数d33を有する。
(3)AlN結晶層は、化学的および機械的に安定な材料であり、BBOやCLBOのような潮解性および有毒性がない。
次に、図22に、本実施の形態に係る導波路301の設計の一例を示す。以下では、導波路301において、導波路幅wの設計の一例を示している。なお、図22に示すグラフの横軸は導波路幅、縦軸は基本波(入射波長λ1=532nm)とSH波(出射波長λ2=266nm)の実効屈折率を示している。導波路301を構成するAlN結晶層の膜厚はh=110nm、導波路長はl=1mmとした。
図22には、TM00 EzωおよびTM01 Ez2ωの実効屈折率neff,1とneff,2が導波路301の導波路幅wによって変化する曲線を示している。導波路301の導波路幅wを、2つの曲線の交点である導波路幅w=1.94μmにすると、実効屈折率の差がゼロとなり、波長変換効率は最大となる。本設計では、基本波にλ1=532nmの波長を用いたが、これは測定系の都合でYAGレーザのSH波を使用するためである。より短波長での波長変換を行う場合、λ1=450nm付近の波長で設計を行えば、λ2=225nmのSH波との間で位相整合を満たすことができる。
ここで、上述した設計例は、入射波長をλ1とし、SHGデバイスから出力される出力光の波長をλ2=λ1/2とした場合の結晶層の入射波長における屈折率をn1、出射波長における屈折率をn2として、AlN結晶層の膜厚(導波路厚さ)hをh=110nmに固定して導波路幅wの値を変化させたときに、n1=n2となる導波路幅wの値を求めたものである。n1とn2の許容差は(n1−n2)/n1で計算した場合好ましくは0.1%以下、より好ましくは±0.005%である。導波路301の設計はこれに限らず、例えば導波路幅wの値を固定してAlN結晶層の膜厚hを変化させるグラフを用いることもできる。
以上、上記した様に、AlN等のIII族窒化物半導体緩衝層が形成された窒化物半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して熱処理することにより、原子層オーダで急峻な極性反転層を持つ半導体基板を、ウェハスケールで実現することができる。また、この熱処理により、結晶性の向上も同時に図ることができる。したがって、上述した極性反転層を持つ窒化物半導体基板1を導波路状に加工することで、疑似位相整合型SHGデバイスの作製ができるものである。これにより、波長400nm台の半導体レーザと上述したSHGデバイスの組合せにより、波長200nm台の発光素子を実現することができる。
(その他の実施の形態)
以上、本発明に係る窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。
例えば、上述した実施の形態では、III族窒化物半導体緩衝層が形成された窒化物半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して熱処理したが、基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体結晶層が接合したIII族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板とを、第2の半導体基板組とし、第2の半導体基板組の各III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置し(第2の設置工程)、熱処理してもよい。また、第2の設置工程と、加熱工程と基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。
また、基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層上に、III族窒化物半導体薄膜の結晶成長を行う結晶成長工程を有し、結晶成長工程で得られた2枚のIII族窒化物半導体基板同士または結晶成長工程で得られたIII族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層とが形成されたIII族窒化物半導体基板を、第3の半導体基板組とし、第3の半導体基板組の各III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体薄膜同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置し(第3の設置工程)、熱処理してもよい。また、第3の設置工程と、加熱工程と基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。
また、製造装置の構成、ホルダの形状等については、上述した構成および形状に限定されず、適宜変更してもよい。