JP4691911B2 - Iii−v族窒化物系半導体自立基板の製造方法 - Google Patents
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Description
θ > sin−1(D/2R)+0.09 (deg)
θ > sin−1(D/2R)+0.09 (deg)
そのために、まず、本発明者は、基板面内の特定領域における結晶軸の傾きの大きさを調べ、その基板上に成長したエピタキシャル層の表面モフォロジと結晶軸の傾きの大きさとの対応を明らかにした。その結果、結晶軸の傾きの大きさが、0.09°よりも小さくなると、50〜200μm程度の大きさの六角形をした微小な凹凸が多数出現するようになり、エピタキシャル層の表面モフォロジが急激に劣化することを見出した。従って、基板表面には、C面そのもの及びC面から0.09°より小さい角度で傾いた面が現れていないことが必要である。
基板面内の結晶軸の傾きの方向は、X線回折測定により求めることができる。具体的には、結晶を回折面に対して垂直な軸の周りに回転させながら、X線の回折ピークを測定する。すると、結晶軸が傾いている場合、ピーク位置がシフトして観測される。この回折ピークが、結晶のどの方向に対して最も大きくシフトするかを見れば、結晶軸の傾き方向が判別できる。基板面内の複数の点で、結晶軸の傾きを測定すれば、傾きの分布も容易に判別が可能である。
上述した結晶軸の傾きを有するIII−V族窒化物系半導体自立基板は、θ°のオフ角のついた基板を下地基板とし、当該下地基板上にIII−V族窒化物系単結晶の厚膜を成長させた後、このIII−V族窒化物系半導体膜を下地基板から剥離させることにより形成できる。
θ > sin-1(D/2R)+0.09(deg)・・・・・・・・(1)
反りの生じた自立基板中の結晶軸は、反りの形状を反映する形で、基板中で傾きの分布を持つ。
図1は、裏面が凸になるような反りを生じたGaN自立基板中のC軸の傾きを示すものであり、(a)は平面図、(b)は側面図、(c)は模式図である。図1(a)、(b)より、GaN自立基板1のC軸は、基板面内のどの位置においても反りの曲率の中心方向に向くように傾いて分布しており、その傾きの大きさは基板の中心から離れるに従って、大きくなっている。ここで、GaN自立基板1が球面状に反っているとみなし、自立基板1の直径をD、自立基板1裏面の反りの曲率をRとすると、図1(c)より、自立基板1の最外周部では、結晶軸はsin-1(D/2R)(deg)の傾きを生じる。従って、自立基板1の面内では、必然的に±sin-1(D/2R)(deg)の結晶軸の傾きの面内ばらつきが生じることになる。上述したように、基板の面内で基板表面に垂直な結晶方位がC軸方向から少なくとも0.09°以上傾いているようにするためには、このばらつきの範囲を考慮した上で、考えられる最大のばらつきよりもさらに0.09°以上傾いた基板を作成する必要がある。上記方法で作成するGaN基板は、下地基板のオフと同等かそれ以上のオフ角を持って成長することが分かっているので、このため下地基板のオフ角θ°を、あらかじめ上式(1)の関係を満たすように設定して結晶成長させればよい。
α±β = n・θ ± sin-1(D/2R) (deg)・・・・・・・・(2)
の関係を満たすことができるように下地基板のオフ角θ及び自立基板1の直径Dを選択し、自立基板1裏面の反りの曲率Rの値を結晶成長条件で最適化してやれば良い。ここで、nは、GaN基板が下地基板のオフ角に比例したオフ角を持って成長することから決まる定数であり、結晶成長条件に応じて経験的に決めることができる値である。
θ > (1/n)(sin-1(D/2R)+0.09) (deg)・・・・・(3)
となる。この式(3)を用いることにより、より精確に下地基板のオフ角θに必要な数値を計算することが可能になるが、通常、nが1に近い値をとること及び、オフ角θの決定に際し、通常は測定誤差等を考慮して安全サイドでオフ角θを選ぶことから、式(1)を用いることでなんら支障は無い。
以下、図2を参照しつつ、異種基板を用いて本実施形態に係るIII−V族窒化物系半導体の自立基板を製造する方法について説明する。
サファイア基板は、GaN結晶の成長温度である1000℃以上の高温域でも安定で、結晶成長の原料ガスや雰囲気ガスであるH2やNH3,HClとも反応しないため、異種基板として好ましい。
θ > sin-1(D/2R)+0.09 (deg)・・・・・・・・(4)
図3に、得られるGaN自立基板の一例を示す。このGaN自立基板11では、例えば基板面内の任意の2点での結晶軸のC軸方向からの傾き角α1,α2はいずれも0.09°以上であり、かつばらつきの大きさ|α2−α1|は1°以内とされている。
[参考例1]
図4に示すVAS法による製造工程に基づきGaNの自立基板を製造した。
まず、m軸方向に0.25°のオフを有する市販の直径2インチの単結晶C面サファイア基板21を用意した(工程a)。
[参考例2]
図7に示すように、参考例1で作製したGaN自立基板30上に、MOVPE法でSiドープGaN層40を2μm成長させた。GaN層40の成長圧力は常圧、成長時の自立基板30の温度は1100℃とした。原料は、III族原料としてTMGを、V族原料としてNH3を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/h、エピ層の目標キャリア濃度は、2×1018cm-3とした。
六角形の凹凸が密集して観察された領域Aの内外で、結晶のC軸の傾きを測定したところ、C軸の傾きの方向に依らず、前記領域Aの内部では、C軸の傾きの大きさが、すべて0.09°よりも小さいことがわかった。一方、前記領域Aの外部では、C軸の傾きの大きさは、すべて0.09°以上であった。
[参考例3]
参考例1と同様に図4に示すVAS法により、GaNの自立基板を製造した。
まず、m軸方向に0.30°のオフを有する市販の直径2インチの単結晶C面サファイア基板21を用意した(工程a)。
[参考例4]
参考例3で作製したGaN基板上30に、MOVPE法でSiドープGaN層50を2μm成長させた。GaN層50の成長圧力は常圧、成長時の基板温度は1100℃とした。原料は、III族原料としてTMGを、V族原料としてNH3を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/h、エピ層の目標キャリア濃度は、2×1018cm-3とした。
参考例1と同様に図4に示すVAS法により、GaNの自立基板を製造した。
まず、m軸方向に0.66°のオフを有する市販の直径2インチの単結晶C面サファイア基板21を用意した(工程a)。
実施例1で作製したGaN自立基板30上に、MOVPE法でSiドープGaN層を2μm成長した。GaN層の成長圧力は常圧、成長時の基板温度は1100℃とした。原料は、III族原料としてTMGを、V族原料としてNH3を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/h、エピ層の目標キャリア濃度は、2×1018cm-3とした。
11 GaN自立基板
15 アンドープGaN層
21 サファイア層
22 アンドープGaN層
23 Ti薄膜
24 ボイド形成GaN層
25 穴形成TiN層
26 GaN層
30 GaN自立基板
40 SiドープGaN層
50 SiドープGaN層
60 GaN自立基板
Claims (6)
- 低指数面から特定の方向にθ°だけ傾いた表面を持つ、θ°のオフ角のついたサファイア基板を下地基板とし、前記下地基板上にIII−V族窒化物系半導体単結晶の厚膜を成長させた後、前記III−V族窒化物系半導体単結晶の厚膜を前記下地基板から剥離させ、反りを有するIII−V族窒化物系半導体単結晶の自立基板を製造する方法であって、前記下地基板は、C面から0.09°以上20°以下の範囲で傾いた表面を有し、前記剥離後の自立基板の直径をD、自立基板裏面の反りの曲率をRとしたとき、前記下地基板のオフ角θ°をあらかじめ次式の関係を満たすように設定して前記III−V族窒化物系半導体単結晶の厚膜を成長させることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
θ > sin−1(D/2R)+0.09 (deg) - 前記下地基板は、C面からm軸方向に傾いた表面を持つ基板であることを特徴とする請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
- 前記III−V族窒化物系半導体単結晶の自立基板が窒化ガリウムの単結晶基板であることを特徴とする請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
- 前記III−V族窒化物系半導体単結晶の自立基板がオフ角を有する窒化ガリウムのC面単結晶基板であり、かつオフ角がa軸方向につけられていることを特徴とする請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
- 更に、前記オフ角の面内ばらつきが、±1°以内で、かつその傾きの最小値が0.09°以上、最大値が20°以下であることを特徴とする請求項4記載のIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
- 少なくとも、特定の方向にθ°だけ傾いた表面を持つサファイアC面基板上に単結晶窒化ガリウム膜を成長させ、その基板上に更に金属膜を堆積する工程と、該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、窒化ガリウム膜中に空隙を形成する工程と、その上に単結晶窒化ガリウムを堆積する工程と、単結晶窒化ガリウム基板から基板を除去し、反りを有する自立した窒化ガリウム基板を得る工程とを含むことを特徴とする、III−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法であって、前記下地基板は、C面から0.09°以上20°以下の範囲で傾いた表面を有し、前記剥離後の窒化ガリウム自立基板の直径をD、窒化ガリウム自立基板裏面の反りの曲率をRとしたとき、前記サファイアC面基板のオフ角θ°をあらかじめ次式の関係を満たすように設定して前記単結晶窒化ガリウムを堆積させることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
θ > sin−1(D/2R)+0.09 (deg)
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