JP7284983B2 - 半導体基板の製造方法及びそれに用いる下地基板 - Google Patents
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Description
下地基板準備工程では、GaN基板を製造するために用いられる図1A~1Cに示すような下地基板10を準備する。下地基板10は、基板本体11と、各々、その上に設けられた長周期マスク12及び短周期マスク13とを備える。
半導体結晶成長工程では、気相成長装置を用い、反応室において、気相成長法のHVPE法(ハイドライド気相成長法:Hydride Vapor Phase Epitaxy)により、下地基板10の長周期マスク12及び短周期マスク13を設けた側の表面に原料ガスを接触させることにより半導体のGaNを結晶成長させる。原料ガスには、Ga源ガスとしてGaとHClガスとから得られるGaClガスが挙げられ、N源ガスとしてNH3ガスが挙げられる。また、キャリアガスとして例えばH2ガスやN2ガスが挙げられる。
小三角ファセット構造形成ステップでは、図2A及びBに示すように、下地基板10のマスク間に露出した基板本体11の本体表面を起点としてGaNを結晶成長させる。このとき、GaNは、長周期マスク12及び短周期マスク13により結晶成長が規制され、マスク間に露出した基板本体11の本体表面からエピタキシャル成長する。したがって、マスク間に露出した基板本体11の本体表面がGaNのc面であれば、GaNがc面成長する。そして、GaNは、各マスク間において、結晶成長するに従って所定方向である長周期マスク12及び短周期マスク13の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
大三角ファセット構造形成ステップでは、図3A及びBに示すように、小三角ファセット構造21上にGaNを結晶成長させる。このとき、GaNは、小三角ファセット構造21の表面からエピタキシャル成長する。そして、GaNは、各長周期マスク12間において、それらの間に形成された小三角ファセット構造21を全て取り込み、結晶成長するに従って長周期マスク12及び短周期マスク13の幅方向の寸法が両側から漸次狭くなった後に最終的に線状に収束する。
厚膜成長ステップでは、大三角ファセット構造22上にGaNを結晶成長させる。このとき、図4Aに示すように、GaNは、複数の大三角ファセット構造22のそれぞれの斜面の斜めファセット面からエピタキシャルラテラル成長(Epitaxial Lateral Overgrowth:以下「ELO成長」という。)して相互に隣接する大三角ファセット構造22間の凹部を埋め込むように第1厚膜成長層23を形成する(第1厚膜成長ステップ)。それと同時に、GaNは、複数の大三角ファセット構造22のそれぞれの上に、その頂上に連続して、大三角ファセット構造22の底面、したがって、下地基板10の表面のマスク間に露出した基板本体11の本体表面と同一の結晶成長面で結晶成長し、結晶成長に伴って長周期マスク12及び短周期マスク13の幅方向の寸法が両側に漸次拡大し、長周期マスク12及び短周期マスク13の幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように第2厚膜成長層24を形成する(第2厚膜成長ステップ)。そして、これらの第1及び第2厚膜成長層23,24に加え、小三角ファセット構造21及び大三角ファセット構造22を含み、全体として単一のGaN層20(半導体層)が構成される。
以下の実施例1~3及び比較例のGaN層の形成実験を行った。なお、表1には、それぞれで用いた下地基板の構成を示す。
主面がc面のサファイア基板上にMOVPE法で厚さ3μm程度のGaN膜をエピタキシャル成長させた基板本体11上に、各々、a軸方向に延びるようにストライプ状に延びるSiO2の長周期マスク12及び短周期マスク13を設けた下地基板10を作製した。図7Aに示すように、長周期マスク12の幅w1を10μm及び長周期マスク12間の間隔W1を200μmとした。短周期マスク13の幅w2を3μm及び短周期マスク13間の間隔W2を26μmとし、長周期マスク12間の間隔W1を短周期マスク13で7等分に分割した。
図7Bに示すように、短周期マスク13の幅w2を5μm及び短周期マスク13間の間隔W2を36μmとし、長周期マスク12間の間隔W1を短周期マスク13で5等分に分割した下地基板10を用いたことを除いて実施例1と同様にしてGaN層を形成した。
図7Cに示すように、短周期マスク13の幅w2を4μm及び短周期マスク13間の間隔W2を47μmとし、長周期マスク12間の間隔W1を短周期マスク13で4等分に分割した下地基板10を用いたことを除いて実施例1と同様にしてGaN層を形成した。
長周期マスクのみを設け、短周期マスクを設けていない下地基板を用いたことを除いて実施例1~3と同様にしてGaN層を形成した。この比較例では、第1~第3ステップのGaNの結晶成長により、下地基板上には、大三角ファセット構造並びに第1及び第2厚膜成長層を含む表面が平坦なGaN層が形成された。
実施例1~3及び比較例のそれぞれで得られたGaN層の表面について、図10に示すように、長周期マスク12の1ピッチ分の60μm幅の部分を、長周期マスクの幅方向に5等分に分割し、各々、21μm×60μmの長方形のA領域、B領域、C領域、D領域、及びE領域とした。そして、A~E領域のそれぞれについて、表面のCL像の暗点密度から転位密度を求めた。また、A~E領域の平均転位密度を算出した。
11 基板本体
12 長周期マスク
13 短周期マスク
20 GaN層
21 小三角ファセット構造
22 大三角ファセット構造
23 第1厚膜成長層
24 第2厚膜成長層
Claims (10)
- 基板本体と、前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で15μm以上80μm以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクとを備え、相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出した下地基板を準備するステップと、
前記下地基板における前記複数の短周期マスク間に露出した前記基板本体を起点として半導体を結晶成長させることにより、各々、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に小さい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の小三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップと、
前記下地基板における前記複数の長周期マスク間に、各々、前記複数の小三角ファセット構造のうちの2以上を取り込むとともに、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が相対的に大きい三角形を構成するように前記半導体が結晶成長した複数の大三角ファセット構造を、それらが前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に並んで配設されるように形成するステップと、
を含む半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
前記複数の大三角ファセット構造のそれぞれの斜めファセット面から、前記半導体がエピタキシャルラテラル成長して相互に隣接する前記大三角ファセット構造間の凹部を埋め込むように第1厚膜成長層を形成するステップと、
前記複数の大三角ファセット構造のそれぞれの上に、前記長周期マスク及び前記短周期マスクの幅方向に沿った断面形状が逆三角形を構成するように前記半導体が前記大三角ファセット構造の底面と同一の結晶成長面で結晶成長した第2厚膜成長層を形成するステップと、
を更に含み、
前記複数の大三角ファセット構造の上の複数の前記第2厚膜成長層が合体することにより前記第1厚膜成長層を埋設する半導体基板の製造方法。 - 請求項1又は2に記載された半導体基板の製造方法において、
前記半導体がGaNである半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
相互に隣接する前記長周期マスク間の間隔が100μm以上3000μm以下である半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
前記複数の長周期マスクが前記基板本体上に設けられている周期が100μm以上1000μm以下である半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
前記短周期マスクの幅の前記長周期マスクの幅に対する比が1/10以上1/2以下である半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔の相互に隣接する前記長周期マスク間の間隔に対する比が1/10以上1/2以下である半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載された半導体基板の製造方法において、
相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔が、前記短周期マスクの幅よりも大きい半導体基板の製造方法。 - 請求項8に記載された半導体基板の製造方法において、
相互に隣接する前記短周期マスク間の間隔の前記短周期マスクの幅に対する比が2以上20以下である半導体基板の製造方法。 - 半導体基板を製造するために用いられる下地基板であって、
基板本体と、
前記基板本体上に一定周期で間隔をおいて設けられたストライプ状の複数の長周期マスクと、
前記基板本体上における相互に隣接する前記長周期マスク間に一定周期で15μm以上80μm以下の間隔をおいて設けられた前記長周期マスクとは幅の異なるストライプ状の複数の短周期マスクと、
を備え、
相互に隣接する前記短周期マスク間に前記基板本体が露出した下地基板。
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