(57)【要約】【課題】ＩＩＩ族窒化物結晶の表面の螺旋転位、混合転位および刃状転位の各種転位の種別ごとにその転位密度が正確に測定できるＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法を提供する。【解決手段】本ＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法は、エッチングによりＩＩＩ族窒化物結晶１０の表面１０ｓにエッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐを形成させて、エッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐが形成された表面１０ｓをカソードルミネッセンスにより観察することにより、表面１０ｓの螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングによりＩＩＩ族窒化物結晶の表面にエッチピットを形成させて、前記エッチピットが形成された前記表面をカソードルミネッセンスにより観察することにより、前記表面の螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を測定するＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法。
【請求項２】
前記エッチングは、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスを用いて行なう請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法。
【請求項３】
前記エッチングは、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の前記表面に、少なくとも螺旋転位に基づくエッチピットおよび混合転位に基づくエッチピットが形成され、前記螺旋転位に基づくエッチピットおよび混合転位に基づくエッチピットのいずれもが互いに重複しないように行なう請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法。
【請求項４】
前記表面とＣ面とのなすオフ角が３°以下である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶の螺旋（らせん）転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を測定することにより、ＩＩＩ族窒化物結晶を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶などのＩＩＩ族窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイス用材料として非常に有用なものである。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度は、各種半導体デバイスの特性に大きな関わりがあるため、より正確に測定されることが望まれている。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度を測定する方法として、特開２０００−１８８２８５号公報（以下、特許文献１という）には、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスを用いてＧａＮ結晶の表面にエッチピットを形成させ、エッチピットが形成されたＧａＮ結晶の表面を走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという）または原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという）を用いて観察することにより、ＧａＮ結晶の表面の螺旋転位、混合転位および刃状転位の各種転位の種別ごとにその転位密度を測定できることが開示されている。
【０００４】
しかし、当社による検討の結果、特許文献１のＩＩＩ族窒化物結晶の転位密度の測定方法では、刃状転位の密度が実際よりも少なく評価されていることがわかった。
【特許文献１】特開２０００−１８８２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面の螺旋転位、混合転位および刃状転位の各種転位の種別ごとにその転位密度が正確に測定できるＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エッチングによりＩＩＩ族窒化物結晶の表面にエッチピットを形成させて、エッチピットが形成された表面をカソードルミネッセンスにより観察することにより、表面の螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を測定するＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法である。
【０００７】
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法において、エッチングは、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスを用いて行なうことができる。また、エッチングは、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面に、少なくとも螺旋転位に基づくエッチピットおよび混合転位に基づくエッチピットが形成され、螺旋転位に基づくエッチピットおよび混合転位に基づくエッチピットのいずれもが互いに重複しないように行なうことができる。また、表面とＣ面とのなすオフ角を３°以下とすることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面の螺旋転位、混合転位および刃状転位の各種転位の種別ごとにその転位密度が正確に測定できるＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法の一実施形態は、図１および図２を参照して、エッチングによりＩＩＩ族窒化物結晶１０の表面１０ｓにエッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐを形成させて、エッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐが形成された表面１０ｓをカソードルミネッセンス（以下、ＣＬという）により観察することにより、表面１０ｓの螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を測定する。
【００１０】
図１および図２を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶１０の表面１０ｓをエッチングすることにより、表面１０ｓに３種類のエッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐが形成される。ここで、大きな六角錘状（平面形状が六角形、断面形状が三角形）のエッチピット１１ｐは螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐと、小さな六角錘状（平面形状が六角形、断面形状が三角形）のエッチピット１２ｐは混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐと、小さな半球状（平面形状が円形、断面形状が半円形）のエッチピット１３ｐは刃状転位１３に基づくエッチピット１３ｐと類別される。
【００１１】
したがって、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をエッチングして、その表面に形成されるエッチピットの形状および大きさを観察することにより、表面に存在する転位の種別を判断することができる。
【００１２】
次に、エッチピットが形成されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をＣＬにより観察することにより、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐ、混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐおよび刃状転位１３に基づくエッチピット１３ｐを漏らすことなく正確に測定することができる。
【００１３】
ここで、ＣＬによるＩＩＩ族窒化物結晶の表面の観察とは、励起エネルギー源として電子線をＩＩＩ族窒化物結晶の表面に照射して、その表面からの発光を観察することをいう。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をそのままＣＬにより観察しても、結晶の表面に存在する転位が暗点として現われるため、その暗点の数および密度を測定することにより、転位の数および密度を正確に測定することができるが、転位の種別まで同定することはできない。
【００１５】
そこで、エッチングによりエッチピットが形成されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をＣＬにより観察することにより、転位芯に対応する暗点とエッチピットのコントラスト像が見られるため、その中心部の転位芯１１ｃに暗点を有する大きな六角錘状のエッチピット１１ｐを螺旋転位１１として、その中心部の転位芯１２ｃに暗点を有する小さな六角錘状のエッチピット１２ｐを混合転位１２ｐとして、小さな暗点状のエッチピット１３を刃状転位１３ｐとして、転位の種別ごとに、その数および密度を正確に測定することができる。
【００１６】
特に、刃状転位１３ｐに基づくエッチピット１３ｐは、エッチング条件によっては、十分に形成されない場合もあるが、ＣＬによる観察においては、ピット形成の程度の如何を問わず、エッチピット１３ｐとなる部分が暗点として現われ、明暗の差によって他の領域と区別することができる。
【００１７】
また、刃状転位１３に基づくエッチピット１３ｐには、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐが形成されていない表面に形成されるエッチピット１３０ｐ（刃状転位１３０に基づくエッチピット）の他、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐ内のピット面１１ｓに形成されるエッチピット１３１ｐ（刃状転位１３１に基づくエッチピット）および混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐ内のピット面１２ｓに形成されるエッチピット１３２ｐ（刃状転位１３２に基づくエッチピット）がある。
【００１８】
ここで、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐ内のピット面１１ｓに形成された刃状転位１３１に基づくエッチピット１３１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２内のピット面１２ｓに形成された刃状転位１３２に基づくエッチピット１３２ｐは、それぞれ螺旋転位と刃状転位および混合転位と刃状転位の異なる２種類の転位に基づくエッチピットが重複しているため、刃状転位に基づく小さなエッチピット１３１ｐ，１３２ｐが形態として現われにくくなる。しかし、ＣＬによる観察においては、かかるエッチピット１３１ｐ，１３２ｐが暗点として現われ、その数および密度を正確に測定することができる。
【００１９】
したがって、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をエッチングして、その表面に形成されるエッチピットをＣＬにより観察することにより、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面の螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度をきわめて正確に測定することができる。
【００２０】
これに対して、上記のエッチピットが形成されたＩＩＩ族窒化物結晶の表面をＳＥＭにより観察すると、図３を参照して、エッチピットのコントラスト像が見られるため、大きな六角錘状のエッチピット１１ｐを螺旋転位１１として、小さな六角錘状のエッチピット１２ｐを混合転位１２として、小さな半球状のエッチピット１３ｐを刃状転位１３として、転位の種別ごとに、その数および密度を測定することができる。しかし、ＳＥＭによる観察においては、上記ＣＬによる観察では見られた螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐ内のピット面１１ｓに形成された刃状転位１３１に基づくエッチピット１３１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２内のピット面１２ｓに形成された刃状転位１３２に基づくエッチピット１３２ｐは見られない。これらのエッチピット１３１ｐ，１３２ｐは、２つの異種別の転位に基づくエッチピットが重複しているため、その形状が明確に現われなくなり、その形状によるコントラスト像が得られなくなって、ＳＥＭによっては観察できないためと考えられる。
【００２１】
また、ＳＥＭによる観察においては、ＣＬによる観察に比べて、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐが形成されていない表面に形成される刃状転位１３０に基づくエッチピット１３０ｐの数および密度が減少する。これは、刃状転位１３０，１３１，１３２に基づくエッチピット１３０ｐ，１３１ｐ，１３２ｐは、その大きさが小さいこと、および、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐに比べてピット形成がされにくいことから、エッチング条件により、エッチピット１３０ｐ，１３１ｐ，１３２ｐの一部が十分に形成されない場合がある。このため、一部のエッチピット１３０ｐ，１３１ｐ．１３２ｐについて、その形状が明確に現われなくなり、その形状によるコントラスト像が得られなくなって、ＳＥＭによっては観察ができないためと考えられる。
【００２２】
以上のように、エッチングによりＩＩＩ族窒化物結晶の表面にエッチピットを形成して、エッチピットが形成された表面をＣＬにより観察することにより、表面の螺旋転位密度、混合転位密度および刃状転位密度を正確に測定することができる。
【００２３】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法において、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をエッチングする方法には、特に制限はなく、液相エッチング法であっても気相エッチングであってもよい。液相エッチング法においては、エッチング液として液温が３００℃〜５００℃程度の水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの混合融液（ＫＯＨ−ＮａＯＨ混合融液）、または液温が２００℃〜３００℃程度のリン酸と硫酸との混合液（Ｈ3ＰＯ4−Ｈ2ＳＯ4混合液）などが好ましく用いられる。気相エッチングにおいては、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスなどが好ましく用いられる。
【００２４】
ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面をエッチングする方法は、一度に大量の結晶のエッチングが可能であり、またエッチング後の洗浄工程が容易である観点から、気相エッチング法が好ましく、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスが好ましく用いられる。さらに、エッチングガスに含まれるハロゲンガスとしては、Ｃｌ2ガス、Ｆ2ガスなどが、ハロゲン化合物ガスとしてはＨＣｌガス、ＢＣｌ3ガス、ＣＦ4ガスなどが好ましく挙げられる。また、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面のエッチングを促進する観点から、エッチングガス中のハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスの含有量は、１０体積％以上であることが好ましい。また、かかる気相エッチングの際の雰囲気温度は、５００℃〜９００℃程度であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法において、図１および図２を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶１０の表面１０ｓのエッチングは、表面１０ｓに少なくとも螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐが漏れることなく全て形成されることが好ましい。表面に形成されるエッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐの内、刃状転位１３に基づくエッチピット１３ｐは、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐに比べてピット形成がされにくく、また、十分にピット形成がされていなくとも、ＣＬによる観察においては、暗点として容易に観察できるからである。また、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐは、完全に形成されていなくとも、互いに判別が可能な程度に形成されていれば十分だからである。
【００２６】
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法において、図１および図２を参照して、螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐのいずれもが互いに重複しないことが好ましい。螺旋転位１１に基づくエッチピット１１ｐおよび混合転位１２に基づくエッチピット１２ｐは、刃状転位１３に基づくエッチピット１３ｐに比べて、いずれもエッチングされやすいが、これらのエッチピット１１ｐ，１２ｐのいずれかが互いに重複すると、各々のエッチングピットの形状が不明確となり、螺旋転位か混合転位かの判別が難しくなるからである。
【００２７】
さらに、本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶の評価方法において、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面とＣ面（（０００１）面をいう、以下同じ）とのなすオフ角が３°以下であることが好ましい。Ｃ面とのオフ角が３°以下である表面上には、１層以上のＩＩＩ族窒化物結晶層を安定にエピタキシャル成長させて半導体デバイスを作製することが容易であるため、このような表面における各種転位毎の転位密度を測定することは重要である。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶の表面とＣ面とのオフ角は、その結晶のＸ線回折により測定することができる。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
図１および図２を参照して、結晶基板表面とＣ面とのなすオフ角が１°である２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍのＧａＮ単結晶基板（ＩＩＩ族窒化物結晶１０）の表面１０ｓを、エッチングガスであるＨＣｌガス（２０体積％）とＮ2ガス（８０体積％）の混合ガス雰囲気中８００℃で１０分間エッチングして、エッチピット１１ｐ，１２ｐ，１３ｐが形成された表面１０ｓの２０箇所の２００μｍ×２４０μｍの領域を２０００倍の倍率にしてＣＬにより観察して、大きな六角錘状のエッチピット１１ｐを螺旋転位、小さな六角錘状のエッチピット１２ｐを混合転位、小さな暗点状のエッチピット１３ｐを刃状転位としてその数を測定して、それらの転位密度を算出した。２０箇所の領域で算出した各種転位の転位密度の平均値を表１および図４にまとめた。エッチピットが形成された表面のＣＬによる観察から、ＧａＮ単結晶基板の表面において、螺旋転位密度は２．６×１０5ｃｍ-2、混合転位密度は３．９×１０5ｃｍ-2、刃状転位密度は１．７×１０6ｃｍ-2であった。
【００２９】
（比較例１）
エッチピットが形成された表面をＳＥＭにより観察したこと以外は、実施例１と同様にして、各種転位の転位密度を算出した。結果を表１および図４にまとめた。エッチピットが形成された表面のＳＥＭによる観察から、ＧａＮ単結晶基板の表面において、螺旋転位密度は２．６×１０5ｃｍ-2、混合転位密度は３．９×１０5ｃｍ-2、刃状転位密度は５．６×１０5ｃｍ-2であった。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１および図４から明らかなように、螺旋転位密度および混合転位密度については、ＣＬによる観察結果とＳＥＭによる観察結果が一致した。このことから、螺旋転位密度および混合転位密度は、ＣＬおよびＳＥＭいずれの観察方法によっても正確に測定できることがわかる。しかし、刃状転位密度については、ＳＥＭによる観察から算出された値は、ＣＬによる観察から算出された値を大きく下回った。このことから、刃状転位密度は、ＳＥＭによる観察では正確に測定できず、ＣＬによる観察により測定する必要があることがわかる。
【００３２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ＣＬにより観察されるＩＩＩ族窒化物結晶のエッチピットが形成された表面を示す概略平面図である。
【図２】図１のＩＩにおける概略断面図である。
【図３】ＳＥＭにより観察されるＩＩＩ族窒化物結晶のエッチピットが形成された表面を示す概略平面図である。
【図４】測定された各種転位の種別毎の転位密度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ＩＩＩ族窒化物結晶、１０ｓ  表面、１１  螺旋転位、１１ｃ，１２ｃ  転位芯、１１ｐ，１２ｐ，１３ｐ，１３０ｐ，１３１ｐ，１３２ｐ  エッチピット、１１ｓ，１２ｓ  ピット面、１２  混合転位、１３，１３０，１３１，１３２  刃状転位。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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