JP5238924B2 - 単結晶基板及び窒化物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶基板とそれを用いた窒化物半導体単結晶の製造方法に関するものであり、特に、中間層を介して窒化物半導体単結晶を成膜する際に、より高品質なＡｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ，ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）の一般式からなる窒化物半導体単結晶を成膜することのできる単結晶基板と、それを用いた窒化物半導体単結晶を製造する方法に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体はいわゆるワイドギャップ半導体とも呼ばれており、緑色，青色又は紫外領域において発光することが可能なことから、これらの半導体に関する研究開発が盛んに行われている。これら窒化物半導体の単結晶は、高輝度ＬＥＤフルカラーディスプレイに用いられる青色，緑色，又は紫外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ：Light Emitting Diode）への応用や、青色，緑色，又は紫外発光半導体レーザ（以下、ＬＤ：Laser Diode）等の次世代デバイス分野への応用が期待されている。

このうち、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ≧０，ｙ＞０，ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体単結晶を得る方法としては、加熱した下地基板の主面にＣＶＤ装置を用いて成膜する方法が一般的であり、係る成膜の工程では単結晶基板が下地基板として用いられる。ここで単結晶基板としては、窒化物半導体単結晶と格子定数が合致する適当な基板が存在しないことから、窒化物半導体単結晶との格子定数の差の大きな化合物単結晶、例えばサファイヤ（単結晶Ａｌ_２Ｏ_３），炭化ケイ素（ＳｉＣ），シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等が用いられているのが現状である。

しかし、上述の単結晶基板では、単結晶基板と窒化物半導体単結晶の格子定数の差に起因して、成膜した窒化物半導体単結晶に１０^９ｃｍ^−２〜１０^１０ｃｍ^−２にも及ぶ高密度の結晶欠陥（転位）が発生し、ＬＥＤやＬＤの長寿命化や高出力化及び高効率化を阻害するという問題が生じていた。

そこで、窒化物半導体単結晶２の結晶性および表面モフオロジ−を実用レベルにまで改善させ、窒化物半導体単結晶２が安定して歩留りよく成膜するようにするため、例えばサファイヤからなる単結晶基板１の一方の主面に中間層３を成膜した後で、この中間層３の上に窒化物半導体単結晶２を成膜する方法が従来知られている（図１参照）。

特開平０４−２９７０２３号公報

しかしながら、上述の特許文献１のように、平坦な単結晶基板１の一方の主面に中間層３を成膜する場合、中間層３を成膜した際に単結晶基板１に反りが生じて中間層３の表面が平坦でなくなるため、こうした中間層３に成膜させた窒化物半導体単結晶２の膜厚に偏りが生じるという問題点があった。

加えて、上述の特許文献１に示した、平坦な単結晶基板１の一方の主面に中間層３を成膜する方法では、単結晶基板１と中間層３との格子定数の差に起因して、中間層３に引張応力が生じるとともに、単結晶基板１に圧縮応力が生じていた。これらの引張応力及び圧縮応力により、中間層３を成膜した後の単結晶基板１には反りが生じていた。そのため、単結晶基板１の他方の主面４ｂの一部がＣＶＤ装置のサセプタから浮き上がって均一に加熱されず、中間層３の表面における温度分布が不均一となっていた。特に、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ≧０，ｙ＞０，ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体単結晶２を中間層３の上に成膜した場合には、成膜した窒化物半導体単結晶２の化学組成にバラツキが生じるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体単結晶２を成膜する際に中間層３の形成された単結晶基板１の形状を改善させるとともに、窒化物半導体単結晶２の成膜に好ましく用いることの出来る単結晶基板１と、それを用いた窒化物半導体単結晶２の製造方法を提供することである。

＜本発明の単結晶基板の基本構成について＞
本発明に係る単結晶基板１ａ，１ｂは、例えば図２に示すように、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ，ｙ≦０、ｘ＋ｙ＝１）の一般式からなる窒化物半導体単結晶２を積層させるために用いられる単結晶基板１ａであって、一方の主面４ａが凸面として形成されており、さらにその凸面が鏡面に研磨されていることを特徴とする。

＜本発明の単結晶基板の基本的原理について＞
単結晶基板１ａ，１ｂの一方の主面４ａを凸面として形成することで、一方の主面４ａに中間層３ａを成膜する際に、単結晶基板１ａ，１ｂと中間層３ａとの格子定数の差に起因して、中間層３ａに引張応力が生じるとともに、単結晶基板１ａ，１ｂにも圧縮応力が生じる。これら引張応力及び圧縮応力によって単結晶基板１ａ，１ｂに反りが生じ、この反りと上述の凸面の高低差Δｈ_ａとが相殺されて、成膜した中間層３ａの表面が平坦になる。そのため、中間層３ａの上に成膜した窒化物半導体単結晶２の膜厚の偏りが低減されるとともに、成膜した窒化物半導体単結晶２におけるＡｌ比率のバラツキは抑えられる。

本発明には上記に説明したような特徴を有するが、さらに他に多くの特徴も有する。それらについては、以下の実施例の説明の中で詳細を述べる。

第１の実施例では、単結晶基板１ａとして、図２に示すように、一方の主面４ａに鏡面研磨された凸面を有するものを用いた。単結晶基板１ａはサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなり、ｃ面から数度オフした面を主面の面方位として有するものを用いた。ここで、単結晶基板１ａの材質は、中間層３ａよりも熱膨張率の大きな材料又は中間層３ａよりも格子定数が大きな材料であれば良く、サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）以外にも炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であってもよい。また、単結晶基板１ａの主面の面方位は中間層３ａを成膜できる面方位であればよく、単結晶基板１ａとしてサファイヤ基板を用いた場合にはａ面、ｃ面若しくはｒ面、又はこれらの面から数度オフした面であってもよい。

そして、本実施例に係る単結晶基板１ａは、少なくとも一方の主面４ａを鏡面に研磨したものを用いた。鏡面に研磨する方法として、テープ研磨やラップ研磨をはじめとした、公知の片面研磨又は両面研磨の方法を用いてもよい。

ここで、単結晶基板１ａの一方の主面４ａは一定の曲率半径を有した曲面であってもよい。中間層３ａを成膜する際に凸面に万遍なく応力が懸かることで、より平坦な面を得られるからである。この一定の曲率半径が２.１×１０^４〜１.６×１０^５ｍｍ、さらに好ましくは８.０×１０^４〜１.６×１０^５ｍｍ（例えば、単結晶基板１ａとして直径２インチのサファイヤ基板を用いた場合には、一方の主面４ａの凸面の高低差Δｈ_ａが２〜１５μｍ、さらに好ましくは４〜１５μｍ）であれば、窒化物半導体単結晶２を成膜させる際に、ほぼ平坦な表面が得られるため好ましい。

第２の実施例では、単結晶基板１ｂとして、図３に示すように、一方の主面４ａに鏡面研磨された凸面を有するとともに、他方の主面４ｂに凹面を有するものを用いた。他方の主面４ｂを凹面とすることで、一方の主面４ａに中間層３ａを成膜する際に、単結晶基板１ｂに生じる反りとこの凹面の高低差Δｈ_ｂとが相殺されて、他方の主面４ｂがより平坦になるからである。そのため、その中間層３ａに窒化物半導体単結晶２を成膜する際には、単結晶基板１ｂとＣＶＤ装置１０（図４に示す）のサセプタ１４との接触状態が改善して単結晶基板１ｂ内の温度分布が均一になった。したがって、成膜する窒化物半導体単結晶２の一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮからなる化学組成が均一になり、窒化物半導体単結晶２からなる半導体素子の特性の精度を高めることができた。

ここで、他方の主面４ｂに凸面と略同一の曲率半径を有した凹面を形成してもよい。中間層３ａを形成する際に、中間層３ａとともに他方の主面４ｂも平坦な面になることで、他方の主面４ｂとＣＶＤ装置１０のサセプタ１４との接触性が改善されるからである。

本実施例に係る単結晶基板１ｂとしては、実施例１と同様の方法によって、少なくとも一方の主面４ａを鏡面に研磨したものを用いた。一方の主面４ａに対して鏡面に研磨を行う際に、追加研磨，熱処理又はエッチング等の手段によって加工歪みをコントロールすることで、一方の主面４ａを凸面としつつ他方の主面４ｂを凹面としてもよい。

第３の実施例では、実施例２に係る単結晶基板１ｂを用いて（図５（ａ）参照）、単結晶基板１ｂの凸面を有する一方の主面４ａにＧａＮからなる中間層３ａを成膜した（図５（ｂ）参照）。ここで、中間層３ａとしてＧａＮを用いることで、単結晶基板１ｂの他方の主面４ｂとサセプタ１４との接触状態が悪く、かつ単結晶基板１ｂの主面に温度分布が生じた状態で中間層３ａを成膜しても、均一な化学組成及び均一な格子定数を有する中間層３ａを成膜できるからである。ここで単結晶基板１ｂは、実施例１に係る単結晶基板１ａであってもよい。

中間層３ａの成膜方法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いたが、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法であってもよい。ここで、ＭＯＣＶＤ法のＣＶＤ装置１０は、図４に示すように、内部が中空となるように成型された反応管１１と、キャリアガスが充填されたガス供給源１２と、ガス供給源１２から反応管１１にガスを供給するガス噴出ノズル１３と、単結晶基板１ｂを保持するサセプタ１４とが具備されたものを用いた。

そして、サセプタ１４の上面に単結晶基板１ｂを戴置して、単結晶基板１ｂの他方の主面４ｂの側から所定の温度になるまで加熱を行いながら、ガス噴出ノズル１３を通じて原料ガス及びキャリアガスを供給し、単結晶基板１ｂの一方の主面４ａに中間層３ａを成膜させた。このとき、中間層３ａは０.５μｍ〜４.０μｍの厚さに成膜するのが好ましい。また、中間層３ａを成膜する前にＧａＮからなる低温バッファー層（図示せず）を形成してもよい。

中間層３ａを成膜した単結晶基板１ｂに対しては、中間層３ａの成膜工程と同様に、ＣＶＤ装置１０（図４に示す）のサセプタ１４を用いて、単結晶基板１ｂの他方の主面４ｂを通じて所定の温度になるまで加熱を行い、中間層３ａの上に窒化物半導体単結晶２を成膜させた（図５（ｃ））。ここで、窒化物半導体単結晶２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とそれらの混晶であり、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（但し、ｘ，ｙ≦１、ｘ+ｙ＝１）で表されるものである。

第４の実施例では、上述の実施例に係る単結晶基板１ｂと、それを用いた窒化物半導体単結晶２の製造方法の具体例を、比較例と対比しながら示す。

［具体例］
本実施例に係る単結晶基板１ｂは、一方の主面４ａには凸面を形成し、他方の主面４ｂには凹面を形成したものである。単結晶基板１ｂとしては、一方の主面４ａは鏡面を有する、直径２インチのサファイヤ基板を用いた。ここで、凸面及び凹面の高低差Δｈ_ａ，Δｈ_ｂは、ともに５μｍである。このサファイヤ基板をＣＶＤ装置１０のサセプタ１４に載せ、５５０℃まで加熱してＧａＮからなる厚さ２５〜３０ｎｍの低温バッファー層（図示せず）を形成した後、サファイヤ基板を１０５０℃まで加熱してその一方の主面４ａに厚さ３μｍのＧａＮからなる中間層３ａを成膜した。続いて、サファイヤ基板を１０７０℃まで加熱してＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる窒化物半導体単結晶２を５０ｎｍ成膜した。このとき、成膜した窒化物半導体単結晶２の膜厚の偏りは２.５％となり、窒化物半導体単結晶２におけるＡｌ比率のバラツキは０.５％以下となった。

［比較例］
一方、上述した具体例の比較例に係る単結晶基板は、一方の主面及び他方の主面に平坦な面を形成したものである。単結晶基板としては、一方の主面に鏡面を有する、直径２インチのサファイヤ基板を用いた。このサファイヤ基板をＣＶＤ装置１０のサセプタ１４に載せて、実施例１と同様の条件でＧａＮからなる低温バッファー層（図示せず）及び中間層３ａと、Ａｌ_0.27Ｇａ_0.73Ｎからなる窒化物半導体単結晶２を５０ｎｍ成膜した。このとき、成膜した窒化物半導体単結晶２の膜厚の偏りは５％であり、窒化物半導体単結晶２におけるＡｌ比率のバラツキは３％であった。

従来の形態に係る単結晶基板を用いた、窒化物半導体単結晶の製造方法を示す断面図である。 本実施形態及び実施例１に係る単結晶基板を示す断面図である。 実施例２に係る単結晶基板を示す断面図である。 実施例２及び実施例３におけるＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。 実施例３に係る窒化物半導体単結晶の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 単結晶基板
２ 窒化物半導体単結晶
３、３ａ 中間層
４ａ 一方の主面
４ｂ 他方の主面
１０ ＣＶＤ装置
１１ 反応管
１２ ガス供給源
１３ ガス噴出ノズル
１４ サセプタ

Claims (5)

1. Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ，ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）の一般式からなる窒化物半導体単結晶を成膜するために用いられる単結晶基板であって、
   一方の主面が凸面として形成されており、
   さらに当該凸面が鏡面に研磨されており、
   他方の主面が凹面として形成されていることを特徴とする単結晶基板。
2. 当該一方の主面が、一定の曲率半径を有した曲面であることを特徴とする、請求項１記載の単結晶基板。
3. 当該他方の主面が、当該一方の主面と略同一の曲率半径を有した凹面であることを特徴とする、請求項２記載の単結晶基板。
4. 当該曲率半径が、２.１×１０ ^４ 〜１.６×１０ ^５ ｍｍであることを特徴とする、請求項２又は３記載の単結晶基板。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の単結晶基板を用いて、
   当該単結晶基板の一方の主面にＧａＮからなる中間層を成膜した後で、
   当該中間層にＡｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ｎ（ｘ，ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）の一般式からなる窒化物半導体単結晶を成膜することを特徴とする、窒化物半導体単結晶の製造方法。

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