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JP2009227545A - 光デバイス用基板及びその製造方法 - Google Patents

光デバイス用基板及びその製造方法 Download PDF

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重男 大平
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Abstract

【課題】酸化ガリウム基板部材を用いながらも表面平坦性に優れ且つ結晶品質性に優れた窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】サーマルクリーニングを施したGa2O3基板部材を窒化処理してGa2O3基板部材の表面上に六方晶GaNからなる第１のバッファ層を形成し、第１のバッファ層の表面上に成長温度480〜520℃で六方晶GaNからなる第２のバッファ層を成長形成した後、第２のバッファ層の表面上に光デバイス用基板の表面層として成長温度650〜750℃で六方晶GaN層を成長形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光デバイス用基板及びその製造方法に係り、特に酸化ガリウム単結晶基板部材を備えると共に表面層として所定の成長温度で成長形成された窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム（GaN）系窒化物半導体層は、光デバイス用材料として応用され、すでに青色LED、緑色LED、白色LED、青紫LEDなどが市販されている。このような光デバイス用の基板部材として、サファイア及びSiCが用いられている。基板部材が導電性であれば、基板部材の背面から電極を引き出して縦型のデバイス構造を形成することができるので、横型構造よりも大きな電流を流すことが可能となり、発光効率の向上が見込まれる。また、基板部材が発光波長に対して透明であれば、基板部材の両面から光を取り出すことができ、光の取り出し効率の向上を図ることができる。このため、導電性があり且つ透明な基板部材が望まれている。しかしながら、実用化されているサファイアは透明であるが導電性がない。一方、SiCは導電性があるが不透明である。
これに対し、酸化ガリウム（Ga2O3）は、導電性があり且つ透明である、という特性を有するため、GaN系窒化物半導体層の成長用基板部材として注目されている。
ところが、Ga2O3とGaNとの格子定数のミスマッチが大きいため、Ga2O3基板部材上にGaNを成長させようとするとき、欠陥や転位が入ってしまい、高品質のGaN層を成長させることができないという問題があった。そこで、本発明者等は、Ga2O3基板部材を窒化処理することでその表面にGaN層を形成し、その後に成長させるGaN層との格子整合させる方法を提案した（下記特許文献１及び２参照）。
特開２００７−１３７７２７号公報 特開２００７−１３７７２８号公報
しかしながら、窒化処理したGa2O3基板部材上にGaN層を成長させても、必ずしも平坦で高品質な層であるとは言い難く、発光効率を向上させるためには、さらなる高品質なGaN層成長方法が必要となった。また、従来の方法では、Ga2O3基板部材の窒化処理にはプラズマ密度の高い電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマを用い、分子線エピタキシー（MBE）法によるGaN層成長には高周波（RF）プラズマを用いていたため、窒化処理とGaN層成長とで使用する装置が異なっていた。このため、これらの工程を連続処理することができず、窒化処理後の半製品を一旦大気中に出して、次工程であるGaN層成長用の装置へ移動させる必要があった。
本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、酸化ガリウム基板部材を用いながらも表面平坦性に優れ且つ結晶品質性に優れた窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板及びその製造方法を提供することを目的としている。
上述した課題を解決するため、本発明に係る光デバイス用基板は、酸化ガリウム単結晶基板部材を備えると共に表面層として所定の成長温度で成長形成された窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板において、酸化ガリウム単結晶基板部材の表面上に窒化処理により形成された六方晶窒化ガリウムからなる第１のバッファ層と、第１のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度より低い温度で成長形成された六方晶窒化ガリウムからなる第２のバッファ層と、第２のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度で成長形成された六方晶窒化ガリウム層とを備えたものである。
また、本発明に係る光デバイス用基板の製造方法は、酸化ガリウム単結晶基板部材を備えると共に表面層として所定の成長温度で成長形成された窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板の製造方法において、酸化ガリウム単結晶基板部材を窒化処理することにより酸化ガリウム単結晶基板部材の表面上に六方晶窒化ガリウムからなる第１のバッファ層を形成し、第１のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度より低い温度で六方晶窒化ガリウムからなる第２のバッファ層を成長形成し、第２のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度で六方晶窒化ガリウム層を成長形成する方法である。
本発明によれば、酸化ガリウム単結晶基板部材を窒化処理して第１のバッファ層を形成した後、所定の成長温度より低い温度で窒化ガリウムからなる第２のバッファ層を成長形成し、さらに、第２のバッファ層の表面上に所定の成長温度で窒化ガリウム層を成長形成するので、酸化ガリウム基板部材を用いながらも表面平坦性に優れ且つ結晶品質性に優れた窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に本発明の実施の形態に係る光デバイス用基板の断面構造を示す。酸化ガリウム（Ga2O3）単結晶基板部材１の表面部分に窒化処理により形成された六方晶窒化ガリウム（GaN）からなる第１のバッファ層２が配置されている。この第１のバッファ層２の表面上に所定の成長温度より低い温度で成長形成された六方晶GaNからなる第２のバッファ層３が配置され、さらに第２のバッファ層３の表面上に所定の温度で成長形成された六方晶GaN層４が配置されている。
この光デバイス用基板は、図２に示すような工程により製造することができる。
まず、Ga2O3基板部材１に対して、アセトン、メタノールによる有機洗浄をそれぞれ10分行った後、窒化前の前処理として、シリコン（Si）の酸化物処理に通常使用しているフッ化水素（HF）により10分のHF処理を行い、さらに、ガリウム砒素（GaAs）基板の洗浄に通常用いている溶液（H2O：H2SO4：H2O2＝1：4：1）により60℃、5分のエッチャント処理を行う。
このような前処理が施されたGa2O3基板部材１を真空容器内にセットし、サーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングはGa2O3基板部材１を加熱してクリーニングする方法で、温度750℃〜850℃、好ましくは800℃、加熱時間10分〜60分とする。
次に、Ga2O3基板部材１を窒化処理する。窒化処理は、窒素プラズマを用いるが、プラズマ励起の方法として高周波（RF）プラズマを用いる。この場合、分子状窒素（N2）に高周波の磁界をかけて、励起したプラズマを発生させる。RFプラズマよりプラズマ密度が高い電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマを用いることもできるが、GaN層の成長にはRFプラズマ励起による分子線エピタキシー（MBE）法を用いるため、窒化処理にRFプラズマを使用すれば、同一装置内で窒化からGaN層成長まで連続的に処理できることとなり、効率的な処理が可能となる。
窒化処理は、Ga2O3基板部材１の温度300〜400℃、プラズマパワー300〜350W、窒素流量2〜3sccm、窒化時間60〜100分として行う。窒化時間が60分より短いと、窒化層の形成が不十分となり、立方晶GaNが優先的に形成されてしまい、六方晶GaN形成には60分を超える窒化時間が必要である。逆に、窒化時間が100分を超えても、窒化層の厚さは飽和して一定になる。このため、窒化時間60〜100分が好ましい。このような窒化処理により、六方晶GaNからなる第１のバッファ層２が形成される。
次に、窒化処理したGa2O3基板部材１の表面上に六方晶GaNからなる第２のバッファ層３を成長形成させる。このとき、Ga2O3基板部材１の温度480〜520℃、プラズマパワー250〜350W、窒素流量1.5〜2.5sccm、成長時間5〜15分とする。成長時間が5分に満たないと、GaN層の成長が不十分となり、逆に15分を越えて層厚が厚くなると、応力発生により欠陥や転位が誘発され、その後のGaN層成長に影響を及ぼすため、この範囲内の成長時間で成長させることが好ましい。
続いて、第２のバッファ層３の表面上に六方晶GaN層４を成長形成させる。このGaN層４の成長は、Ga2O3基板部材１の温度650〜750℃、プラズマパワー250〜350W、窒素流量1.5〜2.5sccm、成長時間50〜90分で行う。
このようにして、Ga2O3基板部材１上に窒化処理により六方晶GaNからなる第１のバッファ層２を形成した後、さらに六方晶GaNからなる第２のバッファ層３を成長形成し、この第２のバッファ層３を介してGaN層４を成長させることで、表面平坦性及び結晶品質性に優れた六方晶GaN層４を得ることができる。
なお、本発明に係る光デバイス用基板を用いることにより、発光素子、受光素子等の各種の光デバイスを製造することができる。
また、この光デバイス用基板をテンプレート基板として使用し、表面層となるGaN層の上に六方晶GaN層を再現性よく作製することもできる。
（実施例１）
まず、Ga2O3単結晶をフローティングゾーン（FZ）法で育成した。このとき、Ga2O3粉末（純度４N）をラバーチューブで成形後、焼結し、これを原料棒として単結晶育成を行った。単結晶育成条件は、ドライエア雰囲気中で、成長速度7.5ｍｍ/ｈである。
育成した単結晶を8mm×8mm×2mm厚に切り出し、（100）面が表面になるように研磨加工した。さらに、基板部材洗浄としてアセトン、メタノールによる有機洗浄をそれぞれ10分行った後、窒化前の基板部材の前処理として、HF処理10分、溶液（H2O：H2SO4：H2O2＝1：4：1）によるエッチャント処理5分を行った。
この基板部材をRF-MBE装置に導入し、温度800℃付近まで加熱した後、10分間保持することによるサーマルクリーニングを行った。その後、RF励起した窒素プラズマによる窒化処理を行った。窒化条件は、基板部材温度300℃、RFプラズマパワー350W、窒素流量2.5sccm、窒化時間90分である。
図３に、窒化前後のGa2O3基板部材表面の反射高速電子回折（RHEED）パターンを観察した結果を示す。窒化前のGa2O3基板部材表面に対しては電子線を[010]方位から入射させたときのパターン、窒化後のGa2O3基板部材表面に対しては電子線を[11-20]方位または[1-100]方位から入射させたときのパターンが示されている。Ga2O3基板部材を窒化することで、シャープなストリークパターンが得られた様子を確認することができる。この窒化後のパターンは解析の結果、六方晶GaNであることがわかった。
次に、同じRF-MBE装置内で第２のバッファ層形成のためのGaN成長を行った。成長条件は、基板部材温度500℃、RFパワー300W、窒素流量2.0sccm、Gaセル温度940℃、成長時間10分である。この第２のバッファ層表面に対して電子線を[11-20]方位または[1-100]方位から入射させたときのRHEEDパターンを図４に示す。図３に示した窒化後のGa2O3基板部材表面と同様にシャープなストリークパターンが観察された。
さらに、第２のバッファ層の表面上にGaN層形成のためのGaN成長を行った。成長条件は、第２のバッファ層形成のための成長条件とは基板部材温度と成長時間が異なり、基板部材温度650℃、RFパワー300W、窒素流量2.0sccm、Gaセル温度940℃、成長時間60分である。図５は、形成されたGaN層表面に対して電子線を[11-20]方位から入射させたときのRHEEDパターンとGaN層の表面SEM写真を示す。RHEEDはストリーク状のパターンで、SEM写真から表面は優れた平坦性を有することが確認される。
このようにして製造された光デバイス用基板におけるGa2O3基板部材表面からGaN層にかけてのTEM断面を図６に示す。
また、この実施例１で作製したGaN層の結晶性をX線ロッキングカーブで評価したところ、図７に示すように、シングルピークで、GaN(002)の半値幅（FWHM）は22.0arcminであった。
（実施例２）
第２のバッファ層の表面上にGaN層を形成する際の基板部材温度を700℃とした他は、上記の実施例１と同様の条件で光デバイス用基板を製造した。
作製したGaN層の結晶性をX線ロッキングカーブで評価したところ、GaN(002)ピークのFWHMは22.1arcminであった。
（比較例１）
図８に示されるように、第２のバッファ層を形成することなく、窒化したGa2O3基板部材表面上に直接GaN層を高温で成長させた。Ga2O3基板部材のサーマルクリーニング及び窒化処理を上記の実施例と同じ条件で行った後、RF-MBE装置内で成長温度を780℃と700℃の２通りでそれぞれ成長時間60分としてGaN層形成のためのGaN成長を行った。
形成されたGaN層表面に対して電子線を[11-20]方位から入射させたときのRHEEDパターンとGaN層の表面SEM写真を図９に示す。成長温度が780℃の場合は、GaN層に剥離が発生していることが確認された。一方、成長温度700℃で成長させたGaN層は、剥離を抑えることができたが、RHEEDパターンはストリーク状とはならずにスポット状となり、また、SEM写真から表面平坦性が低いことが判明した。
X線ロッキングカーブによりGaN(002)ピークのFWHMを測定した結果は、以下の表１に示すように、成長温度780℃の場合は41.8arcmin、成長温度700℃の場合は83.0arcminであり、実施例１及び２で得られたGaN層におけるGaN(002)ピークのFWHMに対して２〜４倍大きい値となった。このことから、本発明における第２のバッファ層の形成が、GaN層の平坦性だけでなく、結晶性改善にも有効であることが判明した。
Figure 2009227545
（比較例２）
図１０に、文献E.G.Villora et al., Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 234102.に記載された光デバイス用基板の断面TEM像を示す。図中、aで示されるGa2O3基板部材表面の窒化層の上に第２のバッファ層を形成することなく、厚さ400nm程度のGaN層が形成されている。このGaN層のうちcで示される上層部分には積層欠陥がほとんど存在しないが、窒化層直上のbで示される厚さ約200nmの部分には水平方向の積層欠陥が大量に形成されていることが確認される。
これに対し、図６に示した実施例１の断面TEM像では、積層欠陥自体がないGaN層が厚さ100nm程度の第２のバッファ層の上に形成されている。
すなわち、第２のバッファ層を形成しない場合には、積層欠陥をなくすために厚さ約200nmのGaN成長が必要になるのに対し、Ga2O3基板部材表面の窒化層の上に厚さ100nm程度のGaN成長により第２のバッファ層を形成することで、積層欠陥のないGaN層が得られる。従って、生産効率、製造コストなどの観点から、第２のバッファ層の形成が有効であることがわかる。
本発明の実施の形態に係る光デバイス用基板の構造を示す断面図である。 実施の形態に係る光デバイス用基板の製造工程を示す図である。 実施例１における窒化前後のGa2O3基板部材表面のRHEEDパターンを示す図である。 実施例１における第２のバッファ層表面のRHEEDパターンを示す図である。 実施例１におけるGaN層表面のRHEEDパターンとSEM像を示す図である。 実施例１に係る光デバイス用基板の断面TEM像を示す図である。 実施例１におけるGaN層のX線ロッキングカーブを示す図である。 比較例１に係る光デバイス用基板の製造工程を示す図である。 比較例１におけるGaN層表面のRHEEDパターンとSEM像を示す図である。 比較例２に係る光デバイス用基板の断面TEM像を示す図である。
符号の説明
１ Ga2O3単結晶基板部材、２ 第１のバッファ層、３ 第２のバッファ層、４ GaN層。

Claims (7)

  1. 酸化ガリウム単結晶基板部材を備えると共に表面層として所定の成長温度で成長形成された窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板において、
    前記酸化ガリウム単結晶基板部材の表面上に窒化処理により形成された六方晶窒化ガリウムからなる第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度より低い温度で成長形成された六方晶窒化ガリウムからなる第２のバッファ層と、
    前記第２のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度で成長形成された六方晶窒化ガリウム層と
    を備えたことを特徴とする光デバイス用基板。
  2. 酸化ガリウム単結晶基板部材を備えると共に表面層として所定の成長温度で成長形成された窒化ガリウム層を有する光デバイス用基板の製造方法において、
    前記酸化ガリウム単結晶基板部材を窒化処理することにより前記酸化ガリウム単結晶基板部材の表面上に六方晶窒化ガリウムからなる第１のバッファ層を形成し、
    前記第１のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度より低い温度で六方晶窒化ガリウムからなる第２のバッファ層を成長形成し、
    前記第２のバッファ層の表面上に前記所定の成長温度で六方晶窒化ガリウム層を成長形成する
    ことを特徴とする光デバイス用基板の製造方法。
  3. 前記第１のバッファ層は、高周波窒素プラズマを用いた窒化処理により形成される請求項２に記載の光デバイス用基板の製造方法。
  4. 前記窒化処理は、前記酸化ガリウム単結晶基板部材の温度300〜400℃、窒化時間60〜100分により行われる請求項３に記載の光デバイス用基板の製造方法。
  5. 前記第２のバッファ層及び前記窒化ガリウム層は、高周波分子線エピタキシー法により成長形成される請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の光デバイス用基板の製造方法。
  6. 前記第２のバッファ層は、前記酸化ガリウム単結晶基板部材の温度480〜520℃、成長時間5〜15分で成長形成される請求項５に記載の光デバイス用基板の製造方法。
  7. 前記窒化ガリウム層は、前記酸化ガリウム単結晶基板部材の温度650〜750℃、成長時間50〜90分で成長形成される請求項５または請求項６に記載の光デバイス用基板の製造方法。
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