WO2014038634A1 - エピタキシャルウエハ及びその製造方法 - Google Patents

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epitaxial wafer
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film
epitaxial
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常川　高志
和正 清見
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三菱化学株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an epitaxial wafer having a M-plane as a main growth surface and containing a Group 13 metal nitride semiconductor film of the periodic table and a method for manufacturing the same.
  • GaN gallium nitride
  • nitride semiconductor epitaxial wafers have been used in various devices such as light emitting devices.
  • nitride semiconductor epitaxial wafers are used not only for light-emitting devices but also for power semiconductor elements (power devices). For this reason, development of nitride semiconductor epitaxial wafers that can withstand high pressures and large currents is underway.
  • a growth film of a nitride semiconductor epitaxial wafer is formed on a periodic table group 13 metal nitride (hereinafter sometimes simply referred to as “group 13 nitride”) substrate having a C-plane as a growth main surface.
  • group 13 nitride periodic table group 13 metal nitride
  • the influence of the piezo electric field is increased and the efficiency of the light emitting element is lowered.
  • crystal defects such as threading dislocations may occur, resulting in a high dislocation density.
  • Patent Document 1 discloses a nitride semiconductor using a nitride semiconductor substrate having an M-plane as a growth main surface.
  • an epitaxial growth film that is flat and has few crystal defects can be formed on a substrate having an M-plane as a main growth surface.
  • the epitaxially grown film formed on the group 13 nitride semiconductor substrate having the M-plane as the main growth surface tends to easily incorporate impurities that can be dopants compared to the case where the C-plane is the main growth surface. all right. Since an epitaxial wafer manufacturing method that hardly incorporates impurities that can be dopants in epitaxial growth on the M-plane has not been established, an epitaxial wafer having a growth film with a reduced carrier concentration cannot be manufactured.
  • the epitaxial growth film formed on the Group 13 nitride semiconductor substrate with the M-plane as the main growth surface takes in a large amount of impurities, particularly O, which can be n-type dopants such as oxygen (O) and silicon (Si), and the carrier concentration Therefore, the withstand voltage is reduced, and the current (leakage current) that flows when a reverse bias voltage is applied increases. For this reason, there existed a subject that it could not endure high pressure and a large current.
  • the present inventors have made it difficult to incorporate impurities that can be n-type dopants such as O and Si by adopting specific conditions, and can easily perform the M plane.
  • impurities that can be n-type dopants such as O and Si by adopting specific conditions, and can easily perform the M plane.
  • the present inventors can obtain an epitaxial wafer with high pressure resistance by keeping the carrier concentration of the epitaxial growth film formed on the group 13 nitride semiconductor substrate having the M-plane as the main growth surface within a certain range. I found out.
  • the present invention has the following configuration.
  • an epitaxial wafer having an epitaxially grown film that hardly incorporates an impurity that can be an n-type dopant on a Group 13 nitride semiconductor substrate having an M-plane as a main growth surface and a method for manufacturing the same.
  • an epitaxially grown film in which the concentration of an impurity that can be an n-type dopant is reduced and the carrier concentration is reduced is easily manufactured on a Group 13 nitride semiconductor substrate having an M-plane as a main growth surface. Can do.
  • an epitaxial growth film having a carrier concentration of 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 is grown on the group 13 nitride semiconductor substrate using the M plane as a growth main surface, An epitaxial wafer with high pressure resistance can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a unit cell having a crystal structure of a group 13 nitride semiconductor.
  • a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • the epitaxial wafer mainly includes a semiconductor laminate including a periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrate (hereinafter sometimes simply referred to as “group 13 nitride semiconductor substrate”) and an epitaxially grown film provided on the substrate. It has a structure.
  • An epitaxial wafer according to the present invention comprises a hexagonal crystal suitable for the manufacture of a Group 13 nitride semiconductor device, and a Group 13 nitride semiconductor substrate for epitaxial growth having an M-plane as a growth main surface, and the substrate. It is comprised from the epitaxial growth film of the group 13 nitride semiconductor formed on the surface of this growth main surface.
  • Examples of the group 13 nitride semiconductor substrate in the manufacturing method of the present invention include a periodic table group 13 metal nitride substrate typified by GaN and AlN. Further, among the group 13 metal nitrides of the periodic table, the group 13 nitride semiconductor substrate is preferably a crystal of the same kind as the epitaxial growth film grown thereon. For example, when a GaN crystal is to be grown as an epitaxial growth film, the group 13 nitride semiconductor substrate is also preferably a GaN substrate.
  • Examples of the periodic table group 13 metal nitride include GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof. Examples of the mixed crystal include AlGaN, InGaN, AlInN, and AlInGaN.
  • the periodic table group 13 metal nitride semiconductor grown on the different type crystal is used. It is preferable to use a substrate (template substrate) in which a crystal layer made of the same kind of crystal as the crystal is formed.
  • the group 13 nitride compound constituting the group 13 nitride semiconductor substrate according to the present invention has a hexagonal crystal structure.
  • the hexagonal c-axis [0001] plane normal to the hexagonal column (upper and lower surfaces of the hexagonal column) is referred to as the C plane [0001], and each hexagonal side wall surface is an M plane. Call ⁇ 1-100 ⁇ .
  • the polarization direction is along the c-axis direction.
  • the C plane exhibits different properties on the + c axis side and the ⁇ c axis side. That is, even if the + c plane ((0001) plane) and the ⁇ c plane ((000-1) plane) are geometrically equivalent planes, their chemical properties are different.
  • the M plane is a crystal plane perpendicular to the C plane, the normal line of the M plane is orthogonal to the polarization direction. For this reason, the M plane is a nonpolar plane having no polarity.
  • the M plane has six types of plane orientations ((1-100), (10-10), (01-10), ( ⁇ 1100), ( ⁇ 1010), (0-110)), these plane orientations are geometrically equivalent plane orientations, and their chemical properties are also equivalent. ⁇ 1-100 ⁇ .
  • the Group 13 nitride semiconductor substrate of the epitaxial wafer of the present invention has an M-plane, which is one of the nonpolar planes, as the main growth surface.
  • the group 13 nitride semiconductor substrate having the M-plane as the main growth surface can be produced by cutting from a bulk single crystal such as GaN having the C-plane as the main plane.
  • the M plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and the orientation error in both the c-axis direction and the a-axis direction is set within ⁇ 1 °, preferably within ⁇ 0.3 °.
  • the Bulk single crystals for cutting out Group 13 nitride semiconductor substrates include gas phase methods such as hydride vapor phase (HVPE) and sublimation, liquid phase methods such as liquid phase epitaxy (LPE), and ammonothermal methods.
  • gas phase methods such as hydride vapor phase (HVPE) and sublimation
  • liquid phase methods such as liquid phase epitaxy (LPE)
  • ammonothermal methods The crystal obtained by the method can be used.
  • a group 13 nitride semiconductor substrate made of a single crystal obtained by the HVPE method or the ammonothermal method is preferable.
  • the Group 13 nitride semiconductor crystal When the Group 13 nitride semiconductor crystal is grown with the M-plane as the main growth surface, good crystallinity is exhibited.
  • the M-plane As the main growth surface, the dislocation density penetrating the main surface of the substrate can be reduced, so that the grown epitaxial film has few threading dislocations and an epitaxial wafer with reduced crystal defects can be obtained. . Therefore, by setting the M-plane as the main surface for crystal growth, it is possible to grow a periodic table group 13 nitride semiconductor crystal with few crystal defects. Can be improved.
  • the M-plane of the group 13 nitride semiconductor substrate preferably has an off-angle in the c-axis direction, and more preferably has an off-angle in the ⁇ c-axis direction.
  • the off-angle refers to an angle representing a deviation from a predetermined low index surface.
  • the off-angle of the growth main surface indicates an angle representing a deviation from the M-plane.
  • the growth main surface of the group 13 nitride semiconductor substrate having an off angle is a surface inclined at a predetermined angle with respect to the M plane.
  • the absolute value of the off angle is preferably more than 0 °, more preferably 2 ° or more, still more preferably 4 ° or more, and usually preferably 10 ° or less.
  • the thickness of the group 13 nitride semiconductor substrate can be appropriately determined by design.
  • the thickness of the substrate is preferably 100 ⁇ m or more, more preferably 200 ⁇ m or more, and further preferably 250 ⁇ m or more.
  • the thickness of the substrate is preferably 700 ⁇ m or less, more preferably 650 ⁇ m or less, and further preferably 500 ⁇ m or less.
  • the dislocation density of the group 13 nitride semiconductor substrate is not particularly limited, but is preferably 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, more preferably 5 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less, and still more preferably. 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the 13 nitride semiconductor substrate made of a single crystal obtained by the ammonothermal method dislocation density is 1 ⁇ 10 6 cm -2 or less, the dislocation is reduced to propagate to the epitaxial film to be grown thereon It is preferable because a higher quality epitaxially grown film can be obtained.
  • an epitaxial growth film is laminated on the main growth surface of the group 13 nitride semiconductor substrate, and the epitaxial growth film has a carrier concentration of 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • a carrier having a target concentration can be contained by adding oxygen as an n-type dopant to the epitaxial growth film.
  • a gas containing oxygen or water vapor may be circulated in the container.
  • n-type dopants other than oxygen examples include Si, Ge, Se, and S. These impurities are added to the Group 13 nitride crystal as an n-type dopant and become carriers in the Group 13 nitride crystal.
  • Si is an impurity generally used in gallium nitride crystals and is preferably used.
  • the carrier concentration of the epitaxially grown film is preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more, more preferably 2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more, and further preferably 3 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more.
  • the carrier concentration of the epitaxially grown film is preferably 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, more preferably 9 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, and 8 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less. more preferably, more preferably at 5 ⁇ 10 16 cm -3 or less, more preferably 1 ⁇ is 10 16 cm -3 or less, further preferably to 9 ⁇ 10 15 cm -3.
  • an epitaxial wafer with high pressure resistance can be obtained by suppressing the carrier concentration of the epitaxially grown film within the above range.
  • a breakdown voltage of a leak current of 1.0 ⁇ 10 4 A / cm 2 or less is required at 600V.
  • the epitaxial wafer obtained by the present invention can withstand a high voltage of 600V or higher. For this reason, the epitaxial wafer according to the present invention can be applied to a power device or the like.
  • the epitaxial wafer formed on the growth principal surface of the M plane has a flat surface state of the epitaxial growth film, and a high quality epitaxial wafer can be obtained. Thereby, it is suitable for further growing an epitaxial film on the epitaxial wafer to form a device structure or the like. Since the epitaxial wafer according to the present invention has high pressure resistance and a good surface state, it can be particularly suitably used for power devices and the like.
  • the oxygen concentration of the epitaxially grown film is preferably 5 ⁇ 10 15 to 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the carrier concentration of the epitaxial growth film can be set to a preferable value. Thereby, the pressure resistance of the epitaxial wafer can be increased.
  • the oxygen concentration of the epitaxially grown film is preferably 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, more preferably 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, and 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less. Further preferred.
  • the oxygen content in the reactor for growing the epitaxially grown film can be adjusted.
  • oxygen, oxide, or water vapor can coexist in the reaction furnace.
  • a member that adsorbs oxygen such as carbon graphite or AlN, can be disposed in the reaction furnace in which the epitaxial growth film is grown.
  • the inside of the reaction furnace is formed of a material made of oxide, the inner wall of the reaction furnace may be coated with a compound other than oxide.
  • the epitaxially grown film contains an n-type dopant, and the activation rate of the n-type dopant is preferably 0.7 or less, more preferably 0.55 or less, and even more preferably 0.4 or less.
  • the activation rate of the n-type dopant refers to the percentage of the carrier concentration with respect to the n-type dopant concentration in the epitaxial growth film.
  • the n-type dopant concentration refers to the total concentration of impurities such as oxygen and silicon that can serve as donors.
  • the carrier concentration refers to the impurity concentration in a state where the impurities are correctly substituted in the crystal lattice position in the film and the positive (negative) charge is released (ionized state). That is, a high activation rate means that the ratio of the doped n-type dopant emitting electrons that act as carriers is large, and a low activation rate indicates the opposite. That is, even if the impurity concentration of the dopant in the epitaxial growth film is high, a growth film having a low carrier concentration can be produced by reducing the activation rate of the n-type dopant.
  • the electrons transition from the donor level to the acceptor level, so that the n-type is used when the acceptor concentration is higher than the donor concentration.
  • a semiconductor shows the properties of a p-type semiconductor.
  • Charge compensation in this specification refers to this electron transition phenomenon, and the n-type dopant concentration is considered to be a value in which the donor concentration of oxygen, silicon, or the like is reduced by the acceptor concentration.
  • the value obtained by subtracting the carbon concentration from the value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration in consideration of charge compensation is defined as the n-type dopant concentration, and the value obtained by dividing the carrier concentration by the value is defined as the activation rate. .
  • the dislocation density of the epitaxially grown film is preferably 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, more preferably 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less, and further preferably 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or less. .
  • the dislocation density may be 0 as long as it is within the above range.
  • the carbon concentration of the epitaxially grown film is preferably 1 ⁇ 10 15 to 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the carbon concentration is preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more, more preferably 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more, and further preferably 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more.
  • the carbon concentration is preferably 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, more preferably 4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, and even more preferably 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less. More preferably, it is not more than ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the carrier concentration of the epitaxially grown film can be set within a preferred range in the present invention.
  • Carbon which is an impurity that can be a p-type dopant, is considered to be donor-compensated (charge-compensated) for a part of oxygen, silicon, and the like that are n-type dopants contained in the epitaxial growth film.
  • the carrier concentration of the epitaxially grown film can be suppressed within the above range by containing a certain amount of carbon in the epitaxially grown film.
  • an epitaxially grown film having a desired carrier concentration can be obtained by adjusting the carbon concentration which is a p-type dopant.
  • the thickness of the epitaxially grown film can be appropriately determined from the correlation equation between the carrier concentration and the thickness.
  • the substrate thickness of the epitaxial wafer is preferably 2 ⁇ m or more.
  • the thickness of the epitaxially grown film is preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 8 ⁇ m or less, and further preferably 6 ⁇ m or less.
  • MOCVD method Metal organic chemical vapor deposition
  • MOCVD method is a chemical vapor deposition method (CVD method) using an organic metal as a raw material, and is a method of depositing a film by a chemical reaction by supplying a gas as a raw material to the substrate surface.
  • the MOCVD method is preferable because it can precisely control the crystal thickness and composition.
  • trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI) or the like is used as a Group 13 material in the periodic table, and ammonia (NH 3 ) or the like is used as a nitrogen material in a reaction furnace.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • TMI trimethylindium
  • NH 3 ammonia
  • the method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present invention includes a growth step in which an epitaxial growth film is grown by MOCVD on a Group 13 nitride semiconductor substrate having an M-plane as a main growth surface.
  • a growth temperature of 850 to 1150 ° C.
  • the growth temperature may be 850 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher, more preferably 980 ° C. or higher, and further preferably 1000 ° C. or higher.
  • the growth temperature should just be 1150 degrees C or less, it is preferable that it is 1120 degrees C or less, and it is more preferable that it is 1100 degrees C or less.
  • the growth temperature is set higher than the growth temperature of the epitaxial growth film that is usually employed, and is set within the range of 850 to 1150 ° C. Incorporation of carbon and oxygen can be suppressed by setting the growth temperature of the epitaxial growth film to a temperature higher than usual. As a result, the carrier concentration of the epitaxially grown film can be adjusted within the range of 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 . Thereby, an epitaxial wafer excellent in pressure resistance can be obtained.
  • the epitaxial growth film In the growth process of the epitaxial wafer manufacturing method according to the present invention, it is preferable to grow the epitaxial growth film at a growth pressure of 70 kPa or less.
  • the growth pressure may be 70 kPa or less, preferably 50 kPa or less, more preferably 40 kPa or less, and further preferably 20 kPa or less.
  • the carrier concentration of the epitaxial growth film may be in the range of 1 ⁇ 10 15 ⁇ 1 ⁇ 10 17 cm -3 . Thereby, the pressure resistance of the epitaxial wafer can be increased.
  • the V / III ratio which is the ratio of the supply amount of the nitrogen material to be supplied (Group V material) and the Group 13 material (Group III material) of the periodic table, is As described above, it is preferable to grow the epitaxial growth film.
  • the V / III ratio is preferably 900 or more, more preferably 950 or more, and further preferably 1050 or more. Moreover, it is preferable that it is 4000 or less, it is more preferable that it is 3260 or less, and it is further more preferable that it is 2200 or less.
  • the carrier concentration can be in the range of 1 ⁇ 10 15 ⁇ 1 ⁇ 10 17 cm -3.
  • the V / III ratio is obtained by calculating the molar ratio of the nitrogen element and the group 13 element contained in the source gas from the flow rate of the supplied source gas.
  • the MOCVD apparatus includes a base substrate, a member for mounting the base substrate, a gas supply pipe, and an exhaust pipe in a reaction furnace.
  • the constituent material of the member for mounting the reaction furnace and the base substrate include quartz, sintered boron nitride, and stainless steel. Among them, a preferable material is quartz.
  • the reaction furnace may be filled with an atmospheric gas in advance before starting the reaction.
  • the atmospheric gas carrier gas
  • inert gases such as hydrogen, nitrogen, He, Ne, and Ar.
  • a member for placing a base substrate is placed in a reaction furnace, and a reaction part is provided in a part of the member.
  • a susceptor is disposed in the reaction part, a quartz member is disposed on the susceptor, and a growth substrate is disposed thereon.
  • Examples of the material of the susceptor include silicon carbide (SiC), carbon, PBN, carbon coated with SiC, and the like.
  • the susceptor can be removed from the growth chamber and also functions as a substrate carrier for transport.
  • the susceptor preferably has a rotation mechanism.
  • the base substrate it is preferable to place the base substrate so that the growth surface faces the upstream side of the gas flow. That is, it is preferable that the epitaxial growth film forming gas supplied from the gas supply pipe is placed so as to flow toward the crystal growth surface of the base substrate, and the gas flows from a direction perpendicular to the crystal growth surface of the base substrate. More preferably. By placing the substrate in this way, a growth crystal with more uniform and excellent crystallinity can be obtained.
  • the manufacturing method of the present invention preferably further includes an AlN film forming step before the growth step.
  • the AlN film forming step is a step of applying an AlN coating to the surface of the quartz member in the reaction furnace before the growth step.
  • the AlN coating is performed by spraying coating raw material particles made of Al so as to cover the surface of the quartz member by a cold spray method or the like to form an AlN coating film.
  • the concentration of O, Si, etc. in the epitaxial growth film can be reduced. Thereby, the carrier concentration of the epitaxially grown film can be reduced more effectively.
  • an epitaxial wafer having excellent pressure resistance can be obtained.
  • the manufacturing method of the present invention makes it possible to manufacture an epitaxially grown film on the group 13 nitride semiconductor substrate having the M-plane as the main growth surface, which is less likely to take in impurities that can become n-type dopants.
  • an epitaxially grown film in which the concentration of an impurity that can be an n-type dopant is reduced is manufactured on a group 13 nitride semiconductor substrate having an M-plane as a main growth surface by a simple method as described above. it can.
  • the epitaxial wafer obtained by the manufacturing method of the present invention has excellent pressure resistance and a flat surface state.
  • the epitaxial wafer obtained by the production method of the present invention is suitably used for devices such as light emitting elements, electronic devices, and power devices.
  • Examples of the light-emitting element in which the epitaxial wafer of the present invention is used include a light-emitting diode, a laser diode, and a light-emitting element obtained by combining these with a phosphor.
  • examples of the electronic device in which the epitaxial wafer of the present invention is used include a high frequency element, a high withstand voltage high output element, and the like.
  • high-frequency elements include transistors (HEMT, HBT), and examples of high-voltage high-power elements include thyristors (SCR, GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and Schottky barrier diodes (SBD). . Since the epitaxial wafer of the present invention has a feature of excellent pressure resistance, it is suitable for any of the above applications.
  • Example 1 An epitaxial growth film was grown on the group 13 nitride semiconductor substrate using the MOCVD apparatus.
  • the main growth surface of the group 13 nitride semiconductor substrate was an M plane of (10-10). Quartz members were placed in the reaction furnace, and a reaction part was present in a part thereof. A carbon susceptor was disposed in the reaction part, a quartz tray was disposed on the susceptor, and a Group 13 nitride semiconductor substrate was disposed thereon. The substrate was heated by resistance heating.
  • a source gas was supplied from upstream of the reaction section, and the source gas was allowed to reach the substrate to grow an epitaxial growth film, thereby obtaining an epitaxial wafer.
  • the raw materials were NH 3 flow rate 10 l / min (slm), TMG supply amount 205.8 ⁇ mol / min, and the furnace pressure was normal pressure (101.3 kPa).
  • the growth temperature was 1040 ° C.
  • Example 2 After raising the susceptor temperature to 1200 ° C., the inner wall of the quartz member was coated with AlN over 10 minutes.
  • the coating material for the AlN coating was NH 3 flow rate 3 l / min (slm), TMA supply amount 7.86 ⁇ mol / min, and the furnace pressure was normal pressure (101.3 kPa). Thereafter, an epitaxial growth film was formed under the same conditions as in Example 1 to obtain an epitaxial wafer.
  • Example 3 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 4 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 5 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 20 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 6 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 66.7 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 7 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 40 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 8 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 860 ° C. and the growth pressure was 40 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 9 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 40 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 10 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 10 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 40 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 11 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C.
  • the growth pressure was normal pressure (101.3 kPa).
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 12 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1100 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 13 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1070 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 14 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1040 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 15 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 16 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • the NH 3 flow rate was 15 l / min (slm).
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 17 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • the NH 3 flow rate was 5 l / min (slm).
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 18 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the principal surface of the substrate and an off angle of 2 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 40 kPa.
  • the TMG supply amount was 205.8 ⁇ mol / min.
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Example 1 AlN coating was performed as in Example 2.
  • a gallium nitride substrate having an M-plane of (10-10) as the main surface of the substrate and an off angle of 4 ° in the (000-1) direction was prepared, and an epitaxially grown film was grown to obtain an epitaxial wafer.
  • the growth temperature was 1010 ° C. and the growth pressure was 12.5 kPa.
  • the NH 3 flow rate was 2 l / min (slm).
  • Other growth conditions were the same as in Example 1.
  • Epitaxial growth films were grown under the conditions shown in Table 1, and epitaxial wafers of the examples and comparative examples were obtained.
  • Example 1 the carrier concentration was 9.7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration was 2.8 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , and the carbon concentration was 2.5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.34. Activation rate indicates what pull the carbon concentration from the value obtained by adding the Si concentration is estimated to be oxygen concentration (1.0 ⁇ 10 16 cm -3) , obtained by dividing the carrier concentration in the number. Although the surface state was somewhat rough, the pressure resistance is considered to be good.
  • the carrier concentration was 5.4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration was 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration was 1.4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.39.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the value obtained by adding the Si concentration estimated to be the oxygen concentration (1.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ) and dividing the carrier concentration by that value. Although the surface state was somewhat rough, the pressure resistance is considered to be good. By performing the AlN coating, a carrier concentration lower than that in Example 1 could be obtained. Comparing Examples 1 and 2, it can be seen that when AlN coating is performed, the oxygen concentration decreases and the carrier concentration decreases.
  • Example 3 the oxygen concentration was 4.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the carbon concentration was 1.7 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , and the Si concentration was 8.9 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3. The concentration is considered to be less than 5.4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 . It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good. By performing AlN coating and further setting the off angle to -2 °, a lower carrier concentration can be obtained. The surface condition was also good.
  • the oxygen concentration was 2.7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration was 2.2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3
  • the Si concentration was 1.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3. The concentration is considered to be less than 5.4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the surface state is flat and the pressure resistance is good.
  • a lower carrier concentration can be obtained.
  • the surface condition was also good. Comparing Examples 2 to 4, it can be considered that the carrier concentration is low because the oxygen concentration decreases as the absolute value of the off angle increases.
  • the carrier concentration is 2.9 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration is 3.2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration is 1.6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3
  • the Si concentration is 1. It was 6 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.63. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value.
  • the surface state was flat. Also, the pressure resistance is considered to be good.
  • a lower carrier concentration could be obtained by performing AlN coating, further setting the off angle to ⁇ 2 °, and the growth pressure to 40 kPa. The surface condition was also very good.
  • Example 9 the carrier concentration was 1.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration was 2.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , and the carbon concentration was 1.7 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.42.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the value obtained by adding the Si concentration estimated to be the oxygen concentration (1.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ) and dividing the carrier concentration by that value. It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good.
  • the carrier concentration was 7.2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration was 2.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration was 1.4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.25.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the value obtained by adding the Si concentration estimated to be the oxygen concentration (1.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ) and dividing the carrier concentration by that value. It is considered that the surface state is flat (good) and the pressure resistance is good. Further, comparing Example 7, Example 9 and Example 10, it can be seen that the greater the absolute value of the off angle, the lower the oxygen concentration and the lower the carrier concentration. Further, when Examples 7, 9, and 10 are compared, it can be seen that the activation rate decreases as the absolute value of the off angle increases. That is, it can be seen that as the absolute value of the off angle is increased, the oxygen concentration and the activation rate are reduced and the carrier concentration is lowered.
  • the carrier concentration is 1.8 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration is 3.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration is 2.6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3
  • the Si concentration is 1 It was 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.43. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value.
  • the surface state was flat. Also, the pressure resistance is considered to be good.
  • a lower carrier concentration could be obtained by performing the AlN coating, further setting the off angle to ⁇ 2 °, and the growth pressure to 20 kPa. The surface condition was also very good.
  • Example 6 the carrier concentration was 5.4 ⁇ 10 16 cm -3, the oxygen concentration is 5.5 ⁇ 10 16 cm -3, carbon concentration 2.9 ⁇ 10 15 cm -3, Si concentration 1 It was 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.84. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value.
  • the surface state was flat. Also, the pressure resistance is considered to be good.
  • a lower carrier concentration could be obtained by performing AlN coating, further setting the off angle to ⁇ 2 °, and the growth pressure to 66.7 kPa.
  • the surface condition was also very good.
  • the surface condition was also very good.
  • Example 11 the carrier concentration was 8.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 . It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good. A comparison of Examples 5, 6, 7, and 11 shows that the lower the growth pressure, the lower the activation rate and the lower the carrier concentration.
  • the carrier concentration is 2.5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration is 8.7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration is 2.1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the Si concentration is 1 It was 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.32.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value.
  • the surface state was flat. Also, the pressure resistance is considered to be good.
  • a lower carrier concentration could be obtained by performing AlN coating, further setting the off angle to ⁇ 2 °, and the growth pressure to 40 kPa.
  • Example 12 is a carrier concentration of 5.0 ⁇ 10 15 cm -3, the oxygen concentration is 1.5 ⁇ 10 16 cm -3, carbon concentration 2.2 ⁇ 10 15 cm -3, Si concentration 1 0.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.22. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value.
  • the surface state was somewhat rough, the pressure resistance is considered to be good.
  • the carrier concentration was 5.4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 . Although the surface condition was slightly rough, the pressure resistance is considered to be good.
  • Example 14 the carrier concentration was 1.1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 . It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good.
  • Example 15 the carrier concentration is 8.6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration is 2.2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the carbon concentration is 3.0 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , and the Si concentration is 9 It was 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.31. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value. It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good. Comparing Examples 12 to 15, it can be seen that the lower the growth temperature, the better the surface state tends to be.
  • the carrier concentration is 1.1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration is 2.5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration is 2.4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3
  • the Si concentration is 9 4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.34. The activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value. It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good.
  • Example 17 the carrier concentration is 6.8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration is 2.3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the carbon concentration is 6.5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , and the Si concentration is 4 It was .9 ⁇ 10 15 cm -3.
  • the activation rate was 0.32.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the numerical value obtained by adding the oxygen concentration and the Si concentration, and dividing the carrier concentration by the numerical value. It is considered that the surface state is flat and the pressure resistance is good.
  • the carrier concentration was 2.9 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration was 4.6 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration was 3.9 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the activation rate was 0.56.
  • the activation rate is obtained by subtracting the carbon concentration from the value obtained by adding the Si concentration estimated to be the oxygen concentration (1.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ) and dividing the carrier concentration by that value.
  • the activation rate is lowered by lowering the V / III ratio.
  • an epitaxial wafer having high pressure resistance can be provided. For this reason, this invention can be applied to various devices, such as a power device, and its industrial applicability is high.

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Abstract

　本発明は、キャリア濃度が低減された成長膜を有し、Ｍ面を成長主面とする耐圧性に優れたエピタキシャルウエハを提供することを課題とする。本発明は、Ｍ面を成長主面とする周期表第１３族金属窒化物半導体基板と、前記成長主面の面上に設けられ、周期表第１３族金属窒化物半導体からなりキャリア濃度が１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３であるエピタキシャル成長膜とを有するエピタキシャルウエハに関する。

Description

エピタキシャルウエハ及びその製造方法
　本発明は、Ｍ面を成長主面とし、周期表第１３属金属窒化物半導体膜を含むエピタキシャルウエハ及びその製造方法に関する。
　従来から、窒化物半導体エピタキシャルウエハの半導体材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物が用いられており、窒化物半導体エピタキシャルウエハは発光デバイスなどの様々なデバイスに使用されている。近年は、窒化物半導体エピタキシャルウエハは、発光デバイス用途に加え、電力用半導体素子（パワーデバイス）にも用いられるようになっている。このため、高圧力、大電流に耐え得る窒化物半導体エピタキシャルウエハの開発が進められている。
　従来は、窒化物半導体エピタキシャルウエハの成長膜は、Ｃ面を成長主面とした周期表第１３族金属窒化物（以下、単に「第１３族窒化物」と称することもある。）基板上に形成されていた。しかし、この場合、ＧａＮなどの第１３族窒化物結晶の固有特性により、ピエゾ電界の影響が大きくなり、発光素子の効率が低下するという問題があった。また、Ｃ面を成長主面とした場合、貫通転位といった結晶欠陥が発生する結果、転位密度が高くなる場合があった。
　これらの問題を解決するために、Ｃ面以外の非極性面を主面としてＧａＮ結晶を成長させ、発光デバイスを作製することが検討されてきた。例えば、特許文献１には、Ｍ面を成長主面とした窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体が開示されている。ここでは、Ｍ面を成長主面とした基板上に、平坦でかつ結晶欠陥が少ないエピタキシャル成長膜を形成することができるとされている。
日本国特開２００８－９１４８８号公報
　しかしながら、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に形成したエピタキシャル成長膜は、Ｃ面を成長主面とした場合と比較してドーパントとなり得る不純物を取り込み易い傾向にあることがわかった。Ｍ面上のエピタキシャル成長においてドーパントとなり得る不純物を取り込みにくいエピタキシャルウエハの製造方法は確立されていなかったため、キャリア濃度が低減された成長膜を有するエピタキシャルウエハを製造できなかった。
　また、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に形成したエピタキシャル成長膜は、酸素（Ｏ）やケイ素（Ｓｉ）などのｎ型ドーパントとなり得る不純物、特にＯを多く取り込みキャリア濃度が高くなるため、耐圧性が低くなり、逆バイアス電圧をかけた時に流れる電流（リーク電流）が大きくなる。このため、高圧力、大電流に耐えられないという課題があった。
　上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、特定の条件を採用することで、ＯやＳｉなどのｎ型ドーパントとなり得る不純物を取り込みにくく、かつ簡便にＭ面を成長主面とした基板上に低キャリア濃度の成長膜を成長させる方法を見出した。また、本発明者らは、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に形成したエピタキシャル成長膜のキャリア濃度を一定範囲内に収めることにより、耐圧性の高いエピタキシャルウエハを得られることを見出した。具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
［１］Ｍ面を成長主面とする周期表第１３族金属窒化物半導体基板と、前記成長主面の面上に設けられ、周期表第１３族金属窒化物半導体からなりキャリア濃度が１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３であるエピタキシャル成長膜とを有するエピタキシャルウエハ。
［２］前記エピタキシャル成長膜がｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型ドーパントの活性化率が０．７以下である、前記［１］に記載のエピタキシャルウエハ。
［３］前記エピタキシャル成長膜の酸素濃度が５×１０１５～３×１０１７ｃｍ－３である、前記［１］又は［２］に記載のエピタキシャルウエハ。
［４］前記エピタキシャル成長膜の転位密度が１×１０７ｃｍ－２以下である、前記［１］～［３］のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
［５］前記周期表第１３族金属窒化物半導体基板の転位密度が１×１０７ｃｍ－２以下である、前記［１］～［４］のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
［６］前記成長主面がｃ軸方向にオフ角を有する、前記［１］～［５］のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
［７］前記オフ角の絶対値が１０°以下である、前記［６］に記載のエピタキシャルウエハ。
［８］前記エピタキシャル成長膜の炭素濃度が１×１０１５～５×１０１６ｃｍ－３である、前記［１］～［７］のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
［９］前記［１］～［８］のいずれかに記載したエピタキシャルウエハの製造方法であって、Ｍ面を成長主面とする周期表第１３族金属窒化物半導体基板上に有機金属化学気相成長法によって周期表第１３族金属窒化物半導体からなるエピタキシャル成長膜を成長させる成長工程を含み、前記成長工程では、７０ｋＰａ以下の成長圧力で前記エピタキシャル成長膜を成長させるエピタキシャルウエハの製造方法。
［１０］前記成長工程の前にＡｌＮ膜形成工程をさらに含む、前記［９］に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
［１１］前記［９］または［１０］に記載の製造方法により製造されるエピタキシャルウエハ。
　本発明によれば、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に、ｎ型ドーパントとなり得る不純物を取り込みにくいエピタキシャル成長膜を有するエピタキシャルウエハとその製造方法を提供することができる。本発明では、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に、ｎ型ドーパントとなり得る不純物の濃度が低減され、キャリア濃度が低減されたたエピタキシャル成長膜を、簡便に製造することができる。
　また、本発明によれば、Ｍ面を成長主面として第１３族窒化物半導体基板上に、１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３のキャリア濃度を有するエピタキシャル成長膜を成長させることにより、耐圧性の高いエピタキシャルウエハを得ることができる。
図１は、第１３族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した模式図である。
　以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は「～」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
（エピタキシャルウエハ）
　エピタキシャルウエハは、主として周期表第１３族金属窒化物半導体基板（以下、単に「第１３族窒化物半導体基板」と称することがある。）と、その基板上に設けられたエピタキシャル成長膜を含む半導体積層構造を有する。本発明に係るエピタキシャルウエハは、第１３族窒化物半導体素子の製造に適した六方晶構造の結晶からなり、Ｍ面を成長主面とするエピタキシャル成長用の第１３族窒化物半導体基板と、その基板の成長主面の面上に形成された第１３族窒化物半導体のエピタキシャル成長膜から構成される。
　本発明の製造方法における第１３族窒化物半導体基板としては、例えば、ＧａＮやＡｌＮに代表される周期表第１３族金属窒化物の基板が挙げられる。また、周期表第１３族金属窒化物の中でも、第１３族窒化物半導体基板は、その上に成長させるエピタキシャル成長膜と同種の結晶であることが好ましい。例えば、エピタキシャル成長膜としてＧａＮ結晶を成長させようとしている場合は、第１３族窒化物半導体基板もＧａＮ基板であることが好ましい。
　周期表第１３族金属窒化物としては、ＧａＮの他に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの混晶などを挙げることができる。混晶としては、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。好ましいのはＧａＮおよびＧａを含む混晶であり、より好ましいのはＧａＮである。
　なお、第１３族窒化物半導体基板として、その上に成長させるエピタキシャル成長膜と異種の結晶を含む基板を用いる場合には、異種の結晶上にその上に成長させる周期表第１３族金属窒化物半導体結晶と同種の結晶からなる結晶層を形成したもの（テンプレート基板）を用いることが好ましい。
（周期表第１３族金属窒化物半導体基板）
　本発明に係る第１３族窒化物半導体基板を構成する第１３族窒化物系化合物は、図１に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面と下面）をＣ面［０００１］と呼び、六角柱の側壁面の各々をＭ面｛１－１００｝と呼ぶ。
　第１３族窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、Ｃ面は、＋ｃ軸側と－ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と－ｃ面（（０００－１）面）とは幾何学的に等価な面であっても、化学的な性質は異なる。
　一方、Ｍ面は、Ｃ面に対して直角な結晶面であるため、Ｍ面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、Ｍ面は、極性のない非極性面である。なお、上述のように、六角柱の側壁面の各々がＭ面となるため、Ｍ面は、６種類の面方位（（１－１００）、（１０－１０）、（０１－１０）、（－１１００）、（－１０１０）、（０－１１０））で示されるが、これらの面方位は、幾何学的に等価な面方位であり、化学的性質も等価であるため、これらを総称して｛１－１００｝と示す。
　本発明のエピタキシャルウエハの第１３族窒化物半導体基板は、非極性面の１つであるＭ面を成長主面とする。Ｍ面を成長主面とする第１３族窒化物半導体基板は、例えば、Ｃ面を主面としたＧａＮなどのバルク単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のＭ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、ｃ軸方向およびａ軸方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内、好ましくは±０．３°以内とされる。
　第１３族窒化物半導体基板を切り出すためのバルク単結晶は、ハイドライド気相（ＨＶＰＥ）法や昇華法などの気相法、液相エピタキシ（ＬＰＥ）法などの液相法、アモノサーマル法などの方法で得られた結晶を用いることができる。中でも、ＨＶＰＥ法またはアモノサーマル法により得られた単結晶からなる第１３族窒化物半導体基板が好ましい。
　Ｍ面を成長主面として第１３族窒化物半導体結晶の成長を行った場合、良好な結晶性を示す。Ｍ面を成長主面とすることにより、基板の主面を貫通する転位密度を低減することができるため、成長したエピタキシャル膜も貫通転位が少なく、結晶欠陥を低減したエピタキシャルウエハを得ることができる。よって、Ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、結晶欠陥の少ない周期表１３族窒化物半導体結晶の成長を行うことができ、Ｃ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上させることができる。
　本発明における第１３族窒化物半導体基板のＭ面は、ｃ軸方向にオフ角を有することが好ましく、－ｃ軸方向にオフ角を有することがより好ましい。オフ角とは、所定の低指数面からのずれを表す角度のことをいう。本発明では、成長主面のオフ角は、Ｍ面からのずれを表す角度を示す。本発明では、オフ角を有する第１３族窒化物半導体基板の成長主面は、Ｍ面に対して所定の角度に傾斜した面となる。
　オフ角の絶対値は０°を超えることが好ましく、より好ましくは２°以上、さらに好ましくは４°以上であって、通常１０°以下であることが好ましい。ｃ軸方向のオフ角を上記範囲内となるように調整することによって、エピタキシャル成長膜へのｎ型ドーパントとなり得る不純物の取り込みを抑制することができる。これにより、エピタキシャルウエハの耐圧性を高めることができる。さらに、第１３族窒化物半導体基板の主面のオフ角を調整することによって、エピタキシャル成長膜の表面を平坦に保つことができるため好ましい。
　第１３族窒化物半導体基板の厚みは、設計により適宜決定することができる。例えば、エピタキシャルウエハでは基板の厚みは１００μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上であることがより好ましく、２５０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、エピタキシャルウエハでは基板の厚みは７００μｍ以下であることが好ましく、６５０μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることがさらに好ましい。
　第１３族窒化物半導体基板の転位密度は、特に限定されることはないが、１×１０７ｃｍ－２以下であることが好ましく、より好ましくは５×１０６ｃｍ－２以下、さらに好ましくは１×１０６ｃｍ－２以下である。特に、アモノサーマル法により得られる単結晶からなる第１３族窒化物半導体基板は転位密度が１×１０６ｃｍ－２以下であるため、その上に成長させるエピタキシャル膜に伝播する転位が低減され、より高品質のエピタキシャル成長膜を得ることができるため好ましい。
（エピタキシャル成長膜）
　本発明では、第１３族窒化物半導体基板の成長主面上には、エピタキシャル成長膜が積層され、エピタキシャル成長膜は、１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３のキャリア濃度を有する。本発明では、エピタキシャル成長膜に、酸素をｎ型ドーパントとして添加することで目的の濃度のキャリアを含有することができる。酸素をドーパントとして結晶原料に含ませるために、例えば、酸素又は水蒸気を含むガスを容器内に流通させてもよい。
　酸素以外のｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ等が挙げられる。これらの不純物は、ｎ型ドーパントとして第１３族窒化物結晶に添加され、第１３族窒化物結晶中でキャリアとなる。Ｓｉは窒化ガリウム結晶において、一般的に用いられる不純物であり、好適に用いられる。
　エピタキシャル成長膜のキャリア濃度は、１×１０１５ｃｍ－３以上であることが好ましく、２×１０１５ｃｍ－３以上であることがより好ましく、３×１０１５ｃｍ－３以上であることがさらに好ましい。また、エピタキシャル成長膜のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以下であることが好ましく、９×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、８×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、５×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、９×１０１５ｃｍ－３以下であることがさらに好ましい。
　本発明では、エピタキシャル成長膜のキャリア濃度を上記範囲内に抑えることにより、耐圧性の高いエピタキシャルウエハを得ることができる。
　ＧａＮ基板を電力用半導体素子（パワーデバイス）に用いる場合、一般的に、６００Ｖでリーク電流１．０×１０４Ａ／ｃｍ２以下の耐圧性が要求される。本発明で得られるエピタキシャルウエハは６００Ｖ以上の高電圧に耐えることができる。このため、本発明に係るエピタキシャルウエハはパワーデバイス等にも適用することができる。
　また、Ｍ面の成長主面上に形成されたエピタキシャルウエハは、エピタキシャル成長膜の表面の状態が平坦であり、良質なエピタキシャルウエハを得ることができる。これにより、該エピタキシャルウエハ上に更にエピタキシャル膜を成長させてデバイス構造などを形成するのに好適である。
　本発明に係るエピタキシャルウエハは、高い耐圧性と、良好な表面状態を有するため、パワーデバイス等に特に好適に用いることができる。
　エピタキシャル成長膜の酸素濃度は、５×１０１５～３×１０１７ｃｍ－３であることが好ましい。エピタキシャル成長膜の酸素濃度を上記範囲とすることにより、エピタキシャル成長膜のキャリア濃度を好ましい値とすることができる。これにより、エピタキシャルウエハの耐圧性を高めることができる。
　また、エピタキシャル成長膜の酸素濃度は、３×１０１７ｃｍ－３以下であることが好ましく、５×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３以下であることがさらに好ましい。
　エピタキシャル成長膜の酸素濃度を上記範囲内とするために、エピタキシャル成長膜を成長させる反応炉内の酸素含有量を調節することができる。例えば、エピタキシャル成長膜を成長させる際に、反応炉内に酸素、酸化物又は水蒸気を共存させることができる。また、反応炉内の酸素量を制御する場合は、エピタキシャル成長膜を成長させる反応炉内にカーボングラファイトやＡｌＮなど酸素を吸着するような部材を配置することもできる。反応炉内が酸化物からなる材料で形成される場合には、反応炉内壁を酸化物以外の化合物でコーティングしてもよい。
　エピタキシャル成長膜はｎ型ドーパントを含み、該ｎ型ドーパントの活性化率は０．７以下であることが好ましく、０．５５以下であることがより好ましく、０．４以下であることがさらに好ましい。
　ここで、ｎ型ドーパントの活性化率とは、エピタキシャル成長膜中のｎ型ドーパント濃度に対するキャリア濃度の百分率を指している。またｎ型ドーパント濃度とは、酸素、ケイ素などドナーとして働き得る不純物濃度の総和を指している。キャリア濃度は膜中で不純物が結晶格子位置に正しく置換され、且つ正（負）の電荷を放出した状態（イオン化した状態）の不純物濃度を指している。
　つまり活性化率が高いとは、ドーピングされたｎ型ドーパントがキャリアとして働く電子を放出する割合が大きいことを表しており、活性化率が低いとはその逆を指している。つまりエピタキシャル成長膜中のドーパントである不純物濃度が大きくても、ｎ型ドーパントの活性化率を低くする事で、低キャリア濃度の成長膜を作製することができる。
　一般的に膜中にドナー（ｎ型不純物）とアクセプター（ｐ型不純物）が存在するとき、電子がドナー準位からアクセプター準位に遷移する事により、ドナー濃度よりアクセプター濃度が高い場合はｎ型半導体の、逆の場合はｐ型半導体の性質を示す。本明細書における電荷補償とはこの電子の遷移現象を指しており、ｎ型ドーパント濃度としては、酸素やケイ素などのドナー濃度がアクセプター濃度分だけ減少した値になると考えられる。
　本明細書においては、電荷補償を考慮して酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引いた数値をｎ型ドーパント濃度とし、その数値でキャリア濃度を除算したものを活性化率としている。
　エピタキシャル成長膜の転位密度は、１×１０７ｃｍ－２以下であることが好ましく、１×１０６ｃｍ－２以下であることがより好ましく、１×１０３ｃｍ－２以下であることがさらに好ましい。転位密度は、上記範囲内であれば、０であっても良い。転位密度を上記上限値以下とすることにより、貫通転位が少ないエピタキシャル成長膜を得ることができる。また、転位密度を上記上限値以下とすることにより、結晶欠陥を低減することができ、エピタキシャルウエハの耐圧性を高めることができる。このエピタキシャル成長膜を発光デバイスに用いた場合には、良好な発光効率を得ることができる。
　エピタキシャル成長膜の炭素濃度は、１×１０１５～５×１０１６ｃｍ－３であることが好ましい。炭素濃度は１×１０１５ｃｍ－３以上であることが好ましく、５×１０１５ｃｍ－３以上であることがより好ましく、８×１０１５ｃｍ－３以上であることがさらに好ましい。また、炭素濃度は５×１０１６ｃｍ－３以下であることが好ましく、４×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、２×１０１６ｃｍ－３以下であることがより好ましく、９×１０１５ｃｍ－３以下であることがさらに好ましい。エピタキシャル成長膜の炭素濃度を調節することにより、本発明ではエピタキシャル成長膜のキャリア濃度を好ましい範囲内とすることができる。
　ｐ型ドーパントとなり得る不純物である炭素は、エピタキシャル成長膜に含まれるｎ型ドーパントである酸素やケイ素などの一部をドナー補償（電荷補償）するものと考えられる。このため、上述したように、エピタキシャル成長膜に一定量の炭素を含有させることにより、エピタキシャル成長膜のキャリア濃度を上記範囲内に抑えることができる。
　本発明では、ｐ型ドーパントである炭素濃度を調節することにより、所望のキャリア濃度を有するエピタキシャル成長膜を得ることができる。
　エピタキシャル成長膜の厚みは、キャリア濃度と厚みの相関式より適宜決定することができる。例えばキャリア濃度６×１０１６ｃｍ－３の場合は、エピタキシャルウエハでは基板の厚みは２μｍ以上であることが好ましい。また、エピタキシャル成長膜の厚みは１０μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましく、６μｍ以下であることがさらに好ましい。
（有機金属化学気相成長法）
　本発明に係るエピタキシャルウエハを製造する場合には、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いることが好ましい。ＭＯＣＶＤ法は、有機金属を原料とした化学蒸着法（ＣＶＤ法）であり、基板表面に原料となるガスを供給し、化学反応により膜を堆積する方法である。ＭＯＣＶＤ法は、結晶の膜厚や組成を精密に制御できる方法であるため好適である。
　ＭＯＣＶＤ法では、周期表第１３族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用い、窒素原料としては、アンモニア（ＮＨ３）等を用いて反応炉内で結晶を成長させる。
　本発明に係るエピタキシャルウエハの製造方法は、Ｍ面を成長主面とする第１３族窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長膜をＭＯＣＶＤ法で成長させる成長工程を含む。この成長工程では、８５０～１１５０℃の成長温度でエピタキシャル成長膜を成長させることが好ましい。
　成長温度は、８５０℃以上であれば良く、９００℃以上であることが好ましく、９５０℃以上であることがより好ましく、９８０℃以上であることがより好ましく、１０００℃以上であることさらに好ましい。また、成長温度は、１１５０℃以下であれば良く、１１２０℃以下であることが好ましく、１１００℃以下であることがさらに好ましい。
　本発明では、成長温度を、通常採用されるエピタキシャル成長膜の成長温度よりも高く設定し、８５０～１１５０℃の範囲内としている。エピタキシャル成長膜の成長温度を通常よりも高い温度に設定することにより、炭素、酸素の取り込みを抑制する事が出来る。これによりエピタキシャル成長膜のキャリア濃度を１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３の範囲内に調整することができる。これにより、耐圧性に優れたエピタキシャルウエハを得ることができる。
　本発明に係るエピタキシャルウエハの製造方法の成長工程では、７０ｋＰａ以下の成長圧力でエピタキシャル成長膜を成長させることが好ましい。成長圧力は、７０ｋＰａ以下であれば良く、５０ｋＰａ以下であることが好ましく、４０ｋＰａ以下であることより好ましく、２０ｋＰａ以下であることがさらに好ましい。成長圧力を上記上限値以下とすることにより、結晶中への酸素の取り込みが抑制され、エピタキシャル成長膜のキャリア濃度を、１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３の範囲内とすることができる。これにより、エピタキシャルウエハの耐圧性を高めることができる。
　本発明に係るエピタキシャルウエハの製造方法の成長工程では、供給する窒素原料（Ｖ族原料）と周期表第１３族原料（ＩＩＩ族原料）との供給量の比率であるＶ／ＩＩＩ比を、８００以上としてエピタキシャル成長膜を成長させることが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比は、９００以上であることが好ましく、より好ましくは９５０以上であり、さらに好ましくは１０５０以上である。また、４０００以下であることが好ましく、３２６０以下であることがより好ましく、２２００以下であることがさらに好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比を調整することより、エピタキシャル成長膜に取り込まれるＣ濃度を調整することができる。Ｖ／ＩＩＩ比を上記上限値以下とすることによりＣ濃度が高くなる傾向があり電荷補償の効果が大きくなることが期待でき、上記下限値以上にすることにより膜抵抗が大きくなりすぎることを防ぐことができ、キャリア濃度を１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３の範囲内とすることができるため好ましい。
　なお、Ｖ／ＩＩＩ比は、供給される原料ガスの流量から、原料ガスに含まれる窒素元素と第１３族元素とのモル比を算出することで求められる。
　ＭＯＣＶＤ装置は、反応炉内に、下地基板、下地基板を載置するための部材、ガス供給管、排気管を備えている。
　反応炉及び下地基板を載置するための部材の構成材質としては、石英、焼結体窒化ホウ素、ステンレス等が挙げられる。中でも、好ましい材質は石英である。反応炉内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておいても良い。雰囲気ガス（キャリアガス）としては、例えば、水素、窒素、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。
　ＭＯＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長膜を成長させる際には、反応炉内に下地基板を載置するための部材を配置し、その中の一部に反応部を設ける。反応部にはサセプターを配置し、サセプター上に石英部材を配置し、その上に成長基板を配置する。サセプターの材質としては、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン、ＰＢＮ、ＳｉＣでコーティングされたカーボン等を挙げることができる。サセプターは成長室から取り外し可能であり、搬送のための基板キャリアとしても機能する。また、サセプターは、回転機構を有することが好ましい。
　下地基板の成長面はガス流れの上流側を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガス供給管から供給されるエピタキシャル成長膜形成用ガスが下地基板の結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが下地基板の結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。このように基板を載置することによって、より均一で結晶性に優れた成長結晶を得ることができる。
　本発明の製造方法においては、成長工程の前にＡｌＮ膜形成工程をさらに含むことが好ましい。ＡｌＮ膜形成工程は、成長工程の前に反応炉内の石英部材の表面にＡｌＮコーティングを施す工程である。ＡｌＮコーティングは、コールドスプレー法などにより、石英製の部材の表面を覆うようにＡｌからなるコーティング原料粒子を吹き付け、ＡｌＮコーティング膜を形成することによって行われる。
　本発明では、成長前にリアクター内の石英部材の表面をＡｌＮコーティングすることにより、エピタキシャル成長膜中のＯやＳｉなどの濃度を減らすことができる。これにより、より効果的にエピタキシャル成長膜のキャリア濃度を減らすことができる。ＡｌＮコーティングを施すことにより、耐圧性に優れたエピタキシャルウエハを得ることができる。
　本発明の製造方法により、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に、ｎ型ドーパントとなり得る不純物を取り込みにくいエピタキシャル成長膜を製造することができる。本発明では、上述したように簡便な方法により、Ｍ面を成長主面とした第１３族窒化物半導体基板上に、ｎ型ドーパントとなり得る不純物の濃度が低減されたエピタキシャル成長膜を製造することができる。本発明の製造方法により得られたエピタキシャルウエハは、耐圧性に優れ、表面状態が平坦である。
（デバイス）
　本発明の製造方法により得られたエピタキシャルウエハは、デバイス、即ち発光素子や電子デバイス、パワーデバイスなどの用途に好適に用いられる。本発明のエピタキシャルウエハが用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。
　また、本発明のエピタキシャルウエハが用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター（ＨＥＭＴ、ＨＢＴ）があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター（ＳＣＲ、ＧＴＯ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）がある。本発明のエピタキシャルウエハは、耐圧性に優れるという特徴を有することから、上記のいずれの用途にも適している。
　以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
（実施例１）
　ＭＯＣＶＤ装置を用いて第１３族窒化物半導体基板の上に、エピタキシャル成長膜を成長させた。第１３族窒化物半導体基板の成長主面は、（１０－１０）のＭ面とした。反応炉内には石英製の部材を配置し、その中の一部に反応部を存在させた。反応部にはカーボン製のサセプターを配置し、サセプター上に石英製トレイを配置し、その上に第１３族窒化物半導体基板を配置した。基板は抵抗加熱により加熱した。原料ガスを反応部の上流から供給し、原料ガスを基板上に到達させることによりエピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。原料はＮＨ３流量１０ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）、ＴＭＧ供給量２０５．８μｍｏｌ／ｍｉｎとし、炉内圧力は常圧（１０１．３ｋＰａ）とした。成長温度は１０４０℃とした。
（実施例２）
　サセプター温度を１２００℃まで昇温させた後、１０分かけて石英部材の内壁にＡｌＮコーティングを実施した。ＡｌＮコーティングのコーティング原料はＮＨ３流量３ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）、ＴＭＡ供給量７．８６μｍｏｌ／ｍｉｎとし、炉内圧力は常圧（１０１．３ｋＰａ）で行った。その後、実施例１と同様の条件でエピタキシャル成長膜を形成し、エピタキシャルウエハを得た。
（実施例３）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例４）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例５）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力は２０ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例６）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を６６．７ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例７）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を４０ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例８）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は８６０℃とし、成長圧力を４０ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例９）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を４０ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１０）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に１０°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を４０ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１１）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を常圧（１０１．３ｋＰａ）とした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１２）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１１００℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１３）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０７０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１４）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０４０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１５）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１６）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。ＮＨ３流量は１５ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）とした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１７）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。ＮＨ３流量は５ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）とした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（実施例１８）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に２°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を４０ｋＰａとした。ＴＭＧ供給量２０５．８μｍｏｌ／ｍｉｎとした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
（比較例１）
　実施例２と同様にＡｌＮコーティングを実施した。基板の主面を（１０－１０）のＭ面とし、オフ角度が（０００－１）方向に４°である窒化ガリウム基板を準備し、エピタキシャル成長膜を成長させ、エピタキシャルウエハを得た。成長温度は１０１０℃とし、成長圧力を１２．５ｋＰａとした。ＮＨ３流量は２ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）とした。その他の成長条件は実施例１と同様とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すような条件でエピタキシャル成長膜を成長させ、各実施例及び比較例のエピタキシャルウエハを得た。
　実施例１は、キャリア濃度が９．７×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．８×１０１７ｃｍ－３、炭素濃度は２．５×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．３４であった。活性化率は酸素濃度と推定されるＳｉ濃度（１．０×１０１６ｃｍ－３）を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態はやや荒れていたが、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例２は、キャリア濃度が５．４×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は１．３×１０１７ｃｍ－３、炭素濃度は１．４×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．３９であった。活性化率は酸素濃度と推定されるＳｉ濃度（１．０×１０１６ｃｍ－３）を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態はやや荒れていたが、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行うことにより、実施例１よりも低いキャリア濃度を得ることができた。
　実施例１と２を比較すると、ＡｌＮコーティングを行った場合には酸素濃度が低減し、低キャリア濃度となることがわかる。
　実施例３は、酸素濃度は４．０×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は１．７×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は８．９×１０１５ｃｍ－３であったことから、キャリア濃度は５．４×１０１６ｃｍ－３未満であると考えられる。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－２°とすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができる。また、表面状態も良好であった。
　実施例４は、酸素濃度は２．７×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．２×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．３×１０１６ｃｍ－３であったことから、キャリア濃度は５．４×１０１６ｃｍ－３未満であると考えられる。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－４°とすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができる。また、表面状態も良好であった。
　実施例２～４を比較すると、オフ角の絶対値が大きいほど酸素濃度が低減している事から、低キャリア濃度となっていると考えられる。
　実施例７は、キャリア濃度が２．９×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は３．２×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は１．６×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．６×１０１６ｃｍ－３であった。活性化率は０．６３であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であった。また、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－２°とし、成長圧力を４０ｋＰａとすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができた。また、表面状態も極めて良好であった。
　実施例９は、キャリア濃度が１．３×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．３×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は１．７×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．４２であった。活性化率は酸素濃度と推定されるＳｉ濃度（１．０×１０１６ｃｍ－３）を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１０は、キャリア濃度が７．２×１０１５ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．０×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は１．４×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．２５であった。活性化率は酸素濃度と推定されるＳｉ濃度（１．０×１０１６ｃｍ－３）を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦（良好）であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　また、実施例７と実施例９と実施例１０を比較すると、オフ角の絶対値が大きいほど酸素濃度が低減し、低キャリア濃度となることがわかる。また、また、実施例７、９、１０を比較すると、オフ角の絶対値が大きいほど活性化率も小さくなっている事が分かる。すなわちオフ角の絶対値を大きくするほど、酸素濃度、及び活性化率が低減し、低キャリア濃度となることがわかる。
　実施例５は、キャリア濃度が１．８×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は３．３×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．６×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．１×１０１６ｃｍ－３であった。活性化率は０．４３であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であった。また、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－２°とし、成長圧力を２０ｋＰａとすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができた。また、表面状態も極めて良好であった。
　実施例６は、キャリア濃度が５．４×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は５．５×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．９×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．２×１０１６ｃｍ－３であった。活性化率は０．８４であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であった。また、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－２°とし、成長圧力を６６．７ｋＰａとすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができた。また、表面状態も極めて良好であった。また、表面状態も極めて良好であった。
　また、実施例１１は、キャリア濃度が８．０×１０１６ｃｍ－３であった。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例５、６、７、１１を比較すると、成長圧力が低い方が活性化率が低くなり、低キャリア濃度となることがわかる。
　実施例８は、キャリア濃度が２．５×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は８．７×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．１×１０１６ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．２×１０１６ｃｍ－３であった。活性化率は０．３２であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であった。また、耐圧性は良好であると考えられる。ＡｌＮコーティングを行い、さらにオフ角を－２°とし、成長圧力を４０ｋＰａとすることにより、より低いキャリア濃度を得ることができた。
　実施例７と８を比較すると、成長温度が特に低い範囲においては、低い方が、炭素濃度が高くなっていることがわかる。さらに、成長温度が低い方が、酸素濃度が大幅に高くなっているにもかかわらず、キャリア濃度はそれほど上昇していないことから、結晶中に取り込まれた炭素がｐ型ドーパントとして働き、電荷補償が進むことがわかる。
　実施例１２は、キャリア濃度が５．０×１０１５ｃｍ－３であり、酸素濃度は１．５×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．２×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は１．０×１０１６ｃｍ－３であった。活性化率は０．２２であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態やや荒れていたが、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１３は、キャリア濃度が５．４×１０１５ｃｍ－３であった。表面状態少々荒れていたが、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１４は、キャリア濃度が１．１×１０１６ｃｍ－３であった。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１５は、キャリア濃度が８．６×１０１５ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．２×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は３．０×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は９．１×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．３１であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１２～１５を比較すると、成長温度が低い方が、表面状態が良化する傾向となることがわかる。成長温度が比較的高い範囲おいては、成長温度を上げると、酸素濃度および炭素濃度ともに減少する傾向にあり、その結果キャリア濃度が低くなることがわかる。また、エピタキシャル成長膜中の不純物全体の濃度が減少しているため、結晶性が向上していると推察される。
　実施例１６は、キャリア濃度が１．１×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．５×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は２．４×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は９．４×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．３４であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１７は、キャリア濃度が６．８×１０１５ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．３×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は６．５×１０１５ｃｍ－３、Ｓｉ濃度は４．９×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．３２であった。活性化率は酸素濃度とＳｉ濃度を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。表面状態は平坦であり、耐圧性は良好であると考えられる。
　実施例１８は、キャリア濃度が２．９×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は４．６×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は３．９×１０１５ｃｍ－３であった。活性化率は０．５６であった。活性化率は酸素濃度と推定されるＳｉ濃度（１．０×１０１６ｃｍ－３）を加えた数値から炭素濃度を引き、その数値でキャリア濃度を除算したものを示している。
　実施例１６、１７、及び７、１８を比較すると、Ｖ／ＩＩＩ比を低くする事で活性化率が低くなることがわかる。
　一方、比較例１は、キャリア濃度は、１×１０１５ｃｍ－３を下回り測定不可であり、酸素濃度は２．９×１０１６ｃｍ－３、炭素濃度は３．８×１０１６ｃｍ－３であった。このことより、十分な導電性が得られないと考えられる。
　実施例１５～１７、比較例１を比較すると、実施例１６、１５、１７、比較例１の順にＶ／ＩＩＩ比が減少しており、Ｖ／ＩＩＩ比が小さい方が酸素濃度が低減、炭素濃度が増大し、その結果キャリア濃度が低くなることがわかる。
　本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は２０１２年９月７日出願の日本特許出願（特願２０１２－１９６８８７）、および、２０１３年３月２６日出願の日本特許出願（特願２０１３－０６３７１２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明によれば、高耐圧性を有するエピタキシャルウエハを提供することができる。このため、本発明はパワーデバイス等の様々なデバイスに応用することができ、産業上の利用可能性が高い。

Claims (11)

  1. 　Ｍ面を成長主面とする周期表第１３族金属窒化物半導体基板と、
    　前記成長主面の面上に設けられ、周期表第１３族金属窒化物半導体からなりキャリア濃度が１×１０１５～１×１０１７ｃｍ－３であるエピタキシャル成長膜とを有するエピタキシャルウエハ。
  2. 　前記エピタキシャル成長膜がｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型ドーパントの活性化率が０．７以下である、請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
  3. 　前記エピタキシャル成長膜の酸素濃度が５×１０１５～３×１０１７ｃｍ－３である、請求項１又は２に記載のエピタキシャルウエハ。
  4. 　前記エピタキシャル成長膜の転位密度が１×１０７ｃｍ－２以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
  5. 　前記周期表第１３族金属窒化物半導体基板の転位密度が１×１０７ｃｍ－２以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
  6. 　前記成長主面がｃ軸方向にオフ角を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
  7. 　前記オフ角の絶対値が１０°以下である、請求項６に記載のエピタキシャルウエハ。
  8. 　前記エピタキシャル成長膜の炭素濃度が１×１０１５～５×１０１６ｃｍ－３である、請求項１～７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載したエピタキシャルウエハの製造方法であって、
    　Ｍ面を成長主面とする周期表第１３族金属窒化物半導体基板上に有機金属化学気相成長法によって周期表第１３族金属窒化物半導体からなるエピタキシャル成長膜を成長させる成長工程を含み、
    　前記成長工程では、７０ｋＰａ以下の成長圧力で前記エピタキシャル成長膜を成長させるエピタキシャルウエハの製造方法。
  10. 　前記成長工程の前にＡｌＮ膜形成工程をさらに含む、請求項９に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
  11. 　請求項９または１０に記載の製造方法により製造されるエピタキシャルウエハ。
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