JP5282766B2 - Iii族窒化物半導体基板および半導体発光デバイス - Google Patents
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Description
特許文献4には、融液中で種結晶GaNのA面又はM面にGaNを成長させた後に、更に−C軸方向にGaNを成長させることが開示されている。
本発明の第3の側面は、本発明の第2の側面によるIII族窒化物半導体基板を有することを特徴とする半導体発光デバイスに係る。
本発明の第3の側面は、本発明の第2の側面によるIII族窒化物半導体基板を有することを特徴とする半導体発光デバイスに係る。
{10−10}面または{11−20}面と隣り合う面は{0001}面以外にどのような面でもよい。すなわち{10−10}面または{11−20}面と直交している必要はなく、{0001}面から傾斜した面でもよい。例えば{1−102}面や{11−22}面,{1−10−2}面,{11−2−2}面のような半極性面でもよい。
{10−10}面または{11−20}面は長方形であることが好ましく、短辺の長さは0.1mm〜5mmであることが好ましく、0.1mm〜1mmであることがより好ましく、0.1mm〜0.5mmであることがさらに好ましい。また、{10−10}面または{11−20}面の面積は、2.5mm2(25mm×0.1mm)〜500mm2(100mm×5mm)であることが好ましく、2.5mm2(25mm×0.1mm)〜100mm2(100mm×1mm)であることがより好ましく、2.5mm2(25mm×0.1mm)〜50mm2(100mm×0.5mm)であることがさらに好ましい。
前記種結晶が{0001}面を有する場合、{0001}面は正方形または長方形であることが好ましく、短辺の長さは1mm〜20mmであることが好ましく、1mm〜15mmであることがより好ましく、1mm〜10mmであることがさらに好ましい。また、{0001}面の面積は、25mm2(25mm×1mm)〜2000mm2(100mm×20mm)であることが好ましく、25mm2(25mm×1mm)〜1500mm2(100mm×15mm)であることがより好ましく、25mm2(25mm×1mm)〜1000mm2(100mm×10mm)であることがさらに好ましい。
ここで(0001)面の短辺をあまり小さくすると、+C軸方向に大きく成長した場合には、他の方向への成長も進むため、種結晶が長方形の場合には向かい合う{10−10}面または{11−20}面が接近しているため、結果的に+C軸方向へ成長した結晶同士が接合してしまう。最も好ましくは(0001)面の短辺を3mm以上にするとよい。あるいは短辺が小さい時は種結晶の向かい合う{10−10}面または{11−20}面のいずれか一方の面に成長を阻害するようなマスクを形成してもよい。
AlGaNの組成を有するIII族窒化物半導体は、Al1-xGaxNのxが0〜1であるが、xは0.5〜1であるものが好ましく、0.7〜1であるものがより好ましく、0.9〜1であるものがさらに好ましい。
AlGaNの組成を有するIII族窒化物半導体を成長させる成長工程は、少なくともGaCl及びNH3を含む雰囲気中で実施されうる。該雰囲気は、キャリアガス、例えばH2及び/又はN2を含むことが好ましい。前記成長工程の温度は、900℃〜1150℃の範囲内であることが好ましく、950℃〜1100℃の範囲内であることがより好ましく、980℃〜1070℃の範囲内であることがさらに好ましい。ここで、GaClの分圧は、3×101Pa〜3×104Paの範囲内であることが好ましく、3×101Pa〜1×104Paの範囲内であることがより好ましく、3×101Pa〜5×103Paの範囲内であることがさらに好ましい。NH3の分圧は、1×103〜3×105Paの範囲内であることが好ましく、1×103Pa〜1×105Paの範囲内であることがより好ましく、1×103Pa〜5×104Paの範囲内であることがさらに好ましい。GaClは、GaとHClとを反応炉の内部又は外部で反応させて形成されうる。
種結晶の{10−10}面または{11−20}面から成長したGaN結晶の面はすべてが平坦にできるわけではない。種結晶の{10−10}面または{11−20}面が上記のように好ましい範囲で形成されている場合は、成長したGaN結晶には{10−10}面または{11−20}面と略平行な面が平坦に形成される。しかし種結晶の{10−10}面または{11−20}面から傾いた面から成長したGaN結晶の面は部分的には{10−10}面または{11−20}面が形成されるが、種結晶の{10−10}面または{11−20}面の傾きと同じ方向にステップがあり、そのステップのすべてが{10−10}面または{11−20}面を形成するのである。{10−10}面または{11−20}面からの傾きが小さければステップの面積は大きく、傾きが大きければステップの面積は小さくなる。
このように種結晶の{10−10}面または{11−20}面から傾いた面から成長したGaN結晶を切断して、様々な傾斜した{10−10}面または{11−20}面を製造する方法にも応用できる。
成長工程における+C軸方向への成長量とそれ以外の方向への成長量の比(+C軸方向/それ以外の方向)は、通常10〜100であり、15〜50であるのがより好ましく、20〜40であるのがさらに好ましい。+C軸方向の成長量は+C軸方向に成長した長さを測定することにより求められる。また、C軸以外の方向(例えばM軸方向)の成長量は、成長開始面からその方向に成長した長さを得られた結晶で測定することにより求められる。
成長したGaN結晶は、GaN種結晶Sの結晶構造を引き継いだ単結晶となりうる。
ここで、Reはバルク結晶中で入射電子の侵入長[μm]、ρは物質の密度[g/cm3]、Eは入射電子のエネルギー[keV]、Aは質量数[g/mol]、Zは原子番号である。
本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体の厚みは、通常0.1mm〜1mmであり、0.2mm〜0.8mmであることが好ましく、0.3mm〜0.5mmであることがより好ましい。例えば、本発明の製造方法によって、{10−10}面又は{11−20}面の面積が1cm2以上であって、厚みが0.3mm〜0.5mmであるIII族窒化物半導体基板を製造することが可能であり、より好ましくは、{10−10}面又は{11−20}面の面積が2cm2以上であって、厚みが0.3mm〜0.5mmであるIII族窒化物半導体基板を製造することが可能である。
本発明の製造方法によれば、XRD法によって測定される結晶面の曲率半径が15m以上であるIII族窒化物半導体基板を製造することができる。曲率半径は15m〜1000mであることが好ましく、15m〜500mであることがより好ましく、15m〜100mであることがさらに好ましい。
種結晶Sとして、図2に模式的に示す4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。周縁部を直線で構成されたGaN種結晶Sは、{0001}面(即ち、C面)を主面とし、M面を長辺の端面とし、A面を短辺の端面とする直方体で、長辺の端面は劈開で面だしされている。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約10mm、厚さは約400μmである。
種結晶Sとして、4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。GaN種結晶Sは、(0001)面(即ち、C面)を主面とし、M面に対してA軸方向に0.2°の傾きを有する面を長辺の端面とし、A面を短辺の端面とする直方体である。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約10mm、厚さは約400μmである。
種結晶Sとして、4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。GaN種結晶Sは、(0001)面(即ち、C面)を主面とし、M面に対してA軸方向に0.4°の傾きを有する面を長辺の端面とし、A面を短辺の端面とする直方体である。
種結晶Sとして、図2に模式的に示す4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。周縁部を直線で構成されたGaN種結晶Sは、{0001}面(即ち、C面)を主面とし、M面に対してA軸方向に2°の傾きを有する面を長辺の端面とし、A面を短辺の端面とする直方体である。長辺の端面はレーザースクライバーで切断することにより面だしされている。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約10mm、厚さは約400μmである。
このGaN種結晶を用いて、実施例1と同じ条件で結晶成長させたところ、図9に模式的に示すようなGaN結晶の構造体が得られた。
この成長工程によって得られたGaN結晶200’は、GaN種結晶SのM面からそれの+C軸方向(<0001>方向)に延びた壁状部分を有する。壁状部分からの切り出しにより、M面を主面とする直方体形状のバルク結晶が得られた。このバルク結晶のサイズは、長辺方向が約40mm、短辺方向が22mm、厚さが約2.3mmであった。このバルク結晶をカッティング、スライス、研磨することにより、15mm×30mm×400μmの複数枚のA軸方向に2度傾斜したM面自立基板が得られた。
主面が(0001)面(即ち、C面)からなる厚さ430μm、直径2インチのサファイア基板の上にMOCVD装置により表面が(0001)面からなるGaN層を厚さ4μm成長させたテンプレート基板を準備した。次いで、裏面のサファイア側にダイヤモンドスクライバーで、約10mm間隔で、GaNのM面と平行な方向に傷をつけて劈開させ、図6に模式的に示すように、幅が約10mmのバー状のGaNテンプレート基板をGaN種結晶Sとして得た。
種結晶Sとして、図7に模式的に示す4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。GaN種結晶Sは、(0001)面(即ち、C面)を主面とし、±0.01°以内の精度で計測されるA面に対してM軸方向に±0.2°の傾きを有する面を長辺の端面とし、M面を短辺の端面とする直方体で、各端面はカッティング、研磨により面出しされている。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約10mm、厚さは約400μmである。
種結晶Sとして4個のバー状のSiC基板(SiC種結晶)を準備した。SiC種結晶Sは、(0001)面(即ち、C面)を主面とし、M面を長辺の端面とし、A面を短辺の端面とする直方体で、長辺の端面が劈開で面だしされている。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約13mm、厚さは約330μmであった。
種結晶Sとして、4個のバー状のGaN自立基板(以下、GaN種結晶)を準備した。GaN種結晶Sは、(0001)面(即ち、C面)を主面とし、A面に対してM軸方向に0.4°の傾きを有する面を長辺の端面とし、M面を短辺の端面とする直法体である。サイズは、長辺が約40mm、短辺が約10mm、厚さは約400μmである。
実施例1とまったく同じように、4個のバー状のGaN種結晶を図1に示すHVPE装置10の支持部107上に約5mm間隔で配列させた。その後、以下のGaN結晶の成長工程を実施した。
HVPE装置10の反応室100を1050℃まで昇温した後、H2キャリアガスG1、N2キャリアガスG2、GaとHClとの反応生成物であるGaClガスG3、及び、NH3ガスG4を種結晶SとしてのGaN単結晶(以下、GaN種結晶)に供給しながら、GaN種結晶SからGaN結晶を50時間にわたって気相中で成長させた。この成長工程において、成長圧力を1.01×105Paとし、GaClガスG3の分圧を1.26×102Paとし、NH3ガスG4の分圧を9.26×103Paとした。この成長工程の終了後に反応室100を室温まで降温した。これにより、図4に模式的に示すようなGaN結晶の構造体が得られた。NH3/GaCl比を増加させたことにより、種結晶に付着する多結晶が減少した。
この成長工程によって得られるGaN結晶200は、GaN種結晶SのM面からそれの+C軸方向(<0001>方向)に延びた壁状部分を有する。壁状部分からの切り出しにより、M面を主面とする直方体形状のバルク結晶が得られた。このバルク結晶のサイズは、長辺方向が約40mm、短辺方向が32mm、厚さが約2.3mmであった。このバルク結晶をカッティング、スライス、研磨することにより、20mm×30mm×400μmの複数枚のM面自立基板が得られた。
得られた結晶のM面側について、実施例1と同じ条件でCL像を観測したところ、長さが10μmよりも長い転位線は全く観測されなかった。
種結晶Sとして、(0001)面(即ち、C面)を主面とする直径が2インチ、厚さ400μmの円形の自立GaN基板を準備した。この種結晶Sは、端面が円形であるので、M面やA面の劈開面、研磨面はないウェハーである。
種結晶Sとして、(0001)面(即ち、C面)を主面とするサファイア基板にMOCVD法でGaNを4μmの厚さまで成長させ、その上にSiNx膜によりマスクパターン(ライン・アンド・スペース・パターン)を形成した。マスクパターンは、開口部(スペース部)が3μm幅で、マスク部(ライン部)が27μm幅とした。次いで、該開口部に露出したGaN層からMOCVD法でGaN結晶をELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法で成長させた。マスク部(ライン部)は、<1−100>軸に平行に延びる。成長条件は、形成されるGaN結晶の断面形状が矩形になるように調整した。また、隣り合う結晶が横方向成長によりSiNx膜からなるマスク部の上で会合しないように成長を停止させた。横方向成長を停止した終端面にはA面が現れていた。このようにしてGaN種結晶Sを得た。
Claims (7)
- 表面として非極性面を有するIII族窒化物半導体であって、前記非極性面の面積が1cm 2 以上であり、かつ、前記非極性面の前記表面の近傍においてカソードルミネッセンス法により前記非極性面側から観測した場合に観測される転位線の長さが10μm以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
- 前記非極性面の面積が5cm2以上であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板。
- 前記非極性面が{10−10}面または{11−20}面であることを特徴とする請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体基板。
- XRD法によって測定される結晶面の曲率半径が15m以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板。
- 前記III族窒化物半導体基板がAl1-xGaxN(0≦x≦1)であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体基板を有することを特徴とする半導体発光デバイス。
- 発光波長が380nm以上であることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光デバイス。
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