JP2020050573A - Iii族窒化物半導体基板の製造方法、及び、iii族窒化物半導体基板 - Google Patents
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Abstract
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成長面に複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が存在する状態を維持して、{−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板の前記主面上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することで、III族窒化物半導体層を形成する成長工程を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
{−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板と、
前記下地基板上に位置し、複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が主面に存在するIII族窒化物半導体層と、
を有するIII族窒化物半導体基板が提供される。
まず、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の概要を説明する。本発明者らは、特徴的な下地基板上に特徴的な成長条件でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長した場合、特徴的な凹凸が成長面に存在する状態を維持したままIII族窒化物半導体結晶が成長することを見出した。そして、このようにIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長した場合、得られた結晶に鋭角な穴や割れが生じにくいことを見出した。
成長温度:970℃以上
GaCl分圧(Ga上HCl流量から計算):0.1kPa以上3.4Pa以下
NH3分圧 :1.5kPa以上51kPa以下
V/III比:0.5以上25以下
圧力:70kPa以上150kPa以下
本実施形態では、第1の実施形態で説明したIII族窒化物半導体基板の製造方法を利用して、半極性自立基板を製造する。
準備工程S10では、図6(1)に示すように、半極性面を主面とし、III族窒化物半導体からなる半極性種基板1を準備する。半極性種基板1の主面は、{−1−12−3}面から10°以内のオフ角を有する面である。
成長時間:1h〜50h
V/III比:1〜20
成長膜厚:100μm〜10mm
成長時間:1h〜50h
V/III比:1〜20
成長膜厚:100μm〜10mm
図5に戻り、III族窒化物半導体層形成工程S20では、図6(2)に示すように、半極性種基板1の上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長して、III族窒化物半導体層2を形成する。III族窒化物半導体層形成工程S20において、第1の実施形態で説明した成長工程を適用する。準備工程S10で準備した半極性種基板1が、第1の実施形態で説明した下地基板100となる。結果、III族窒化物半導体層2に割れが生じる不都合を抑制できる。
図5に戻り、切出工程S30では、III族窒化物半導体層2から、半極性面を主面とする半極性自立基板を切り出す。
複数の{−h0h−l}面で構成された凹凸が成長面に存在する状態を維持してIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することで生成したIII族窒化物半導体層は、成長面が平坦な状態でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することで生成したIII族窒化物半導体層よりも割れが生じ難いことを示す。また、深い穴が生じ難いことを示す。
図12に、実施例1の下地基板を示す。実施例1の下地基板は、GaNで構成され、一部に割れがあるが(基板の外周付近に位置する図中縦方向に伸びる割れ)、貫通孔がない。主面は{−1−12−3}面を+c軸投影方向に3°程度、m軸投影方向に8°程度傾けた面であり、径はΦ60mmであり、厚さは800μmであった。
成長温度:1040℃
V/III比:10
GaCl分圧:1.9kPa
NH3分圧 :19kPa
不純物:アンドープ
成長時間:20h
図13に、比較例1の下地基板を示す。比較例1の下地基板は、GaNで構成され、クラックは存在せず、表面にくぼみの穴がある。主面はc面であり、径はΦ50mmであり、厚さは400μmであった。
図14は、実施例1のGaN層の表面写真を示す。GaN層の表面にはクラックが存在しなかった。また、半極性種基板1の表面に存在したクラックがGaN層の表面では消滅していた。表面形状測定を行った結果、GaN層の表面凹凸の深さは600μm以下であった。厚さ5mmのGaN層をスライス加工したところ、表層部以外のスライスした基板にへこみの穴や貫通穴は存在しなかった。
III族窒化物半導体結晶の成長条件を最適化しなければ、複数の{−h0h−l}面で構成された凹凸を維持した結晶成長が実現できないことを示す。
下地基板上に、GaNをエピタキシャル成長して、厚さ200μm程度のGaN層を形成した。成長条件は、成長時間を45minとした点を除き、実施例1と同様である。
下地基板上に、GaNをエピタキシャル成長して、厚さ250μm程度のGaN層を形成した。成長条件は、成長温度を960℃とした点を除き、実施例2と同様である。
図7のフローチャートで示される製造方法で、下地基板上に、第1の成長層30(GaN)と第2の成長層40(GaN)をエピタキシャル成長して、厚さ4mm程度のGaN層(第1の成長層30及び第2の成長層を含む)を形成した。第1の成長層30及び第2の成長層40の成長条件は、各々の成長時間を8時間とした点を除き、実施例1のGaN層の成長条件と同じである。そして、第2の成長層40上に厚さ0.8mm程度のGaN層を形成した。当該GaN層の成長条件は、成長時間を4hとした点を除き、実施例1と同様である。
「比較例3」
実施例3と同一の第2の成長層40上に、厚さ0.8mm程度のGaN層を形成した。成長条件は、GaCl分圧を3.5kPa、NH3分圧を52kPa、成長時間を1hとした点を除き、実施例1と同様である。
図17に、実施例2のGaN層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した像を示す。また、図18に、比較例2のGaN層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した像を示す。図より、実施例2ではGaN層の表面にファセット面で形成された凹凸が存在するが、比較例2ではGaN層の表面に凹凸が存在しないことが分かる。
1. 成長面に複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が存在する状態を維持して、{−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板の前記主面上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することで、III族窒化物半導体層を形成する成長工程を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
2. 1に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
{−h0h−l}面は、{−1010}、{−101−1}、{−101−2}、{−101−3}、{−202−3}、{−202−5}、{−202−7}、{−303−4}、{−303−5}、{−303−7}、{−303−8}、{−303−10}、{−303−11}及び、{−101−4}の中のいずれかであるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
3. 1に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
{−h0h−l}面は、{−101−2}又は{−202−3}であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
4. 1から3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物半導体結晶の−c軸方向を前記成長面に投影した−c軸投影方向に沿って、互いに異なる第1の{−h0h−l}面と第2の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
5. 4に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程で前記III族窒化物半導体層の膜厚が厚くなるほど、前記第1の{−h0h−l}面の面積が小さくなり、前記第2の{−h0h−l}面の面積が大きくなるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
6. 4又は5に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程で前記III族窒化物半導体層の膜厚が厚くなるほど、前記第1の{−h0h−l}面の−c軸投影方向の長さが短くなり、前記第2の{−h0h−l}面の−c軸投影方向の長さが長くなるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
7. 4から6のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第1の{−h0h−l}面と前記第2の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上180°未満であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
8. 1から7のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物半導体結晶のm軸方向を前記成長面に投影したm軸投影方向に沿って、互いに等価な第3の{−h0h−l}面と第4の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
9. 8に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第3の{−h0h−l}面と前記第4の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上160°未満であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
10. 1から9のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程では、V/III比を0.5以上25以下とし、圧力を70kPa以上150kPa以下とし、成長温度を970℃以上とした成長条件でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長することで、前記凹凸が前記成長面に存在する状態を維持してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長するIII族窒化物半導体基の製造方法。
11. {−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板と、
前記下地基板上に位置し、複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が主面に存在するIII族窒化物半導体層と、
を有するIII族窒化物半導体基板。
12. 11に記載のIII族窒化物半導体基板において、
{−h0h−l}面は、{−1010}、{−101−1}、{−101−2}、{−101−3}、{−202−3}、{−202−5}、{−202−7}、{−303−4}、{−303−5}、{−303−7}、{−303−8}、{−303−10}、{−303−11}及び、{−101−4}の中のいずれかであるIII族窒化物半導体基板。
13. 11に記載のIII族窒化物半導体基板において、
{−h0h−l}面は、{−101−2}又は{−202−3}であるIII族窒化物半導体基板。
14. 11から13のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
III族窒化物半導体結晶の−c軸方向を成長面に投影した−c軸投影方向に沿って、互いに異なる第1の{−h0h−l}面と第2の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されているIII族窒化物半導体基板。
15. 14に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記第1の{−h0h−l}面と前記第2の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上180°未満であるIII族窒化物半導体基板。
16. 11から15のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
III族窒化物半導体結晶のm軸方向を成長面に投影したm軸投影方向に沿って、互いに等価な第3の{−h0h−l}面と第4の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されているIII族窒化物半導体基板。
17. 16に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記第3の{−h0h−l}面と前記第4の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上160°未満であるIII族窒化物半導体基板。
2 III族窒化物半導体層
2−1 III族窒化物半導体層の残存部
2−2 III族窒化物半導体層の分離部
10 下地基板
11 サファイア基板
12 III族窒化物半導体層
20 サセプター
30 第1の成長層
31 クラック
40 第2の成長層
51 第1の部分
52 第2の部分
100 下地基板
101 III族窒化物半導体層
102 成長面
Claims (17)
- 成長面に複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が存在する状態を維持して、{−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板の前記主面上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することで、III族窒化物半導体層を形成する成長工程を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
{−h0h−l}面は、{−1010}、{−101−1}、{−101−2}、{−101−3}、{−202−3}、{−202−5}、{−202−7}、{−303−4}、{−303−5}、{−303−7}、{−303−8}、{−303−10}、{−303−11}及び、{−101−4}の中のいずれかであるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
{−h0h−l}面は、{−101−2}又は{−202−3}であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物半導体結晶の−c軸方向を前記成長面に投影した−c軸投影方向に沿って、互いに異なる第1の{−h0h−l}面と第2の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項4に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程で前記III族窒化物半導体層の膜厚が厚くなるほど、前記第1の{−h0h−l}面の面積が小さくなり、前記第2の{−h0h−l}面の面積が大きくなるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項4又は5に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程で前記III族窒化物半導体層の膜厚が厚くなるほど、前記第1の{−h0h−l}面の−c軸投影方向の長さが短くなり、前記第2の{−h0h−l}面の−c軸投影方向の長さが長くなるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項4から6のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第1の{−h0h−l}面と前記第2の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上180°未満であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物半導体結晶のm軸方向を前記成長面に投影したm軸投影方向に沿って、互いに等価な第3の{−h0h−l}面と第4の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項8に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第3の{−h0h−l}面と前記第4の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上160°未満であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程では、V/III比を0.5以上25以下とし、圧力を70kPa以上150kPa以下とし、成長温度を970℃以上とした成長条件でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長することで、前記凹凸が前記成長面に存在する状態を維持してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長するIII族窒化物半導体基の製造方法。 - {−1−12−3}面を10°以内傾けた面を主面とする下地基板と、
前記下地基板上に位置し、複数の{−h0h−l}面(hは自然数、lは0あるいは自然数で0≦l/h≦4の関係を満たす)で構成された凹凸が主面に存在するIII族窒化物半導体層と、
を有するIII族窒化物半導体基板。 - 請求項11に記載のIII族窒化物半導体基板において、
{−h0h−l}面は、{−1010}、{−101−1}、{−101−2}、{−101−3}、{−202−3}、{−202−5}、{−202−7}、{−303−4}、{−303−5}、{−303−7}、{−303−8}、{−303−10}、{−303−11}及び、{−101−4}の中のいずれかであるIII族窒化物半導体基板。 - 請求項11に記載のIII族窒化物半導体基板において、
{−h0h−l}面は、{−101−2}又は{−202−3}であるIII族窒化物半導体基板。 - 請求項11から13のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
III族窒化物半導体結晶の−c軸方向を成長面に投影した−c軸投影方向に沿って、互いに異なる第1の{−h0h−l}面と第2の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されているIII族窒化物半導体基板。 - 請求項14に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記第1の{−h0h−l}面と前記第2の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上180°未満であるIII族窒化物半導体基板。 - 請求項11から15のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板において、
III族窒化物半導体結晶のm軸方向を成長面に投影したm軸投影方向に沿って、互いに等価な第3の{−h0h−l}面と第4の{−h0h−l}面とが交互に並んで前記凹凸が形成されているIII族窒化物半導体基板。 - 請求項16に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記第3の{−h0h−l}面と前記第4の{−h0h−l}面とのなす角は、100°以上160°未満であるIII族窒化物半導体基板。
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