(57)【要約】  【課題】  従来のＧａＮ系エピタキシャル成長用基板はＧａＮとの格子整合が大きく、その結果成膜後の基板のそりや膜自身に歪が入りやすく、高品質膜の形成による更なるデバイスの性能向上には限界があるので、ＬＥＯ法など特殊な薄膜成長により高品質膜の成長が行なわれているが、プロセスが複雑となり、製造コストの低減が困難である。  【解決手段】  基板表面にサイズが0.1〜５μｍで、密度が10５／ｃｍ２以下のボイドを有するホウ化物であって、ＧａＮとの格子ミスマッチがサファイアの1／２以下であるＸＢ２からなる単結晶育成用基板を用いることにより、従来品より安価でかつ高品質なＧａＮ薄膜を形成できる優れた半導体装置を提供できる。【選択図】  図１
2005104742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムを含む単結晶をエピタキシャル成長させる基板において、該基板の表面に多数のボイドが形成されていることを特徴とする単結晶育成用基板。
【請求項２】
前記ボイドの開口の大きさは、該開口の外接円の直径が０．１μｍ乃至５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成用基板。
【請求項３】
前記ボイドの密度が１０５個／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成用基板。
【請求項４】
前記基板はホウ化物から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成用基板。
【請求項５】
前記基板は化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒのうち１種以上の元素を含む）の材料から構成されていることを特徴とする請求項４に記載の単結晶育成用基板。
【請求項６】
請求項１に記載の単結晶育成用基板上に窒化ガリウムを含む単結晶をエピタキシャル成長させてなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウムを含む単結晶（以下、ＧａＮ系単結晶という）をエピタキシャル成長させるための単結晶育成用基板およびこの単結晶育成用基板上にＧａＮ系単結晶を有する半導体をエピタキシャル成長させた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長用基板としては種々の基板材料が用いられてきた。これまで一般的に広く使用されてきたエピタキシャル成長用基板の材料はサファイアである。この理由は、サファイアは高価ではあるが、入手し易く、透明性があり発光ダイオード（ＬＥＤ）への応用の場合、発光に有利であること、またデバイスのプロセス条件下で耐熱性や耐薬品性に優れているためである。
【０００３】
ところが、サファイアはＧａＮ単結晶との格子不整合が約14％近くもあり、高効率なＬＥＤや半導体レーザーダイオード（ＬＤ）への使用には十分とはいえない。
【０００４】
そこで高品質なＧａＮ単結晶のエピタキシャル膜を成長させるために、サファイア基板上にマスク材料をマウントして、その開口部を介して横方向へエピタキシャル成長させる方法であるＬＥＯ（lateral epitaxial overgrowth）法などの特殊な成長方法が開発されてきた。また、同様な効果をねらって、最近ではサファイア基板にボイド層を介在させて転位密度を大幅に低減するＶＡＳ(Void Assisted Separation)法なる技術開発もなされている（非特許文献１を参照。)。
【非特許文献１】柴田真佐知、外３名，「ボイド形成剥離法によるＧａＮ自立基板の作製」，応用電子物性分科会誌，2003年，第９巻，第１号，ｐ．３−８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの対策は簡単には行なうことができないだけでなく、製造工程の煩雑さを招くことになり、これにより製造に時間がかかり迅速で容易に製品化できないという問題が生じていた。このように、従来のＧａＮ系単結晶のエピタキシャル成長用の基板は、ＧａＮ系単結晶との格子整合が大きく、その結果、成膜後の基板のそりや育成した膜に歪が入りやすく、高品質膜の形成による更なるデバイスの性能向上には限界があった。
【０００６】
本発明の目的は、従来のような煩雑な製造工程を不要とし、基板に高品質なＧａＮ系単結晶のエピタキシャル膜を成長させるための単結晶育成用基板を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ＧａＮ系単結晶のエピタキシャル成長用の高品質な単結晶育成用基板を提供することにある。さらに、本発明はこのような単結晶育成用基板を用いてＧａＮ系単結晶をエピタキシャル成長させた半導体装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の単結晶育成用基板は、１）窒化ガリウムを含む単結晶をエピタキシャル成長させる基板において、該基板の表面に多数のボイドが形成されていることを特徴とする。なお、ここでボイドとはその大きさ（すなわち開口の外接円の直径）がサブμｍから数μｍの凹部（または空孔）をさすものとする。
【０００８】
また、２）上記１）の単結晶育成用基板において、前記ボイドの平面視で該ボイドの外接円の直径が0.1μｍ乃至５μｍであることを特徴とする。
【０００９】
また、３）上記１）の単結晶育成用基板において、前記ボイドの密度が10５個／ｃｍ２以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、４）上記１）の単結晶育成用基板において、前記基板はホウ化物から構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、５）上記１）の単結晶育成用基板において、前記基板は化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒのうち１種以上を含む）の材料から構成されていることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の半導体装置は、６）上記１）の単結晶育成用基板上に窒化ガリウムを含む単結晶をエピタキシャル成長させてなることを特徴とする。
【００１３】
このように構成された単結晶育成用基板は、基板自体の格子定数がサファイアに比べて窒化ガリウムとの格子整合性が良く、かつその表面にボイドを有するため、窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長の際にボイドがバッファとしての役割を果たし、エピタキシャル膜の応力の緩和に有効であると共に低欠陥なエピタキシャル膜形成が可能となり、ＧａＮ系単結晶を成長させるのに適したものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の単結晶育成用基板は、ＧａＮ系単結晶をエピタキシャル成長させる基板の表面に多数のボイドが形成されており、前記ボイドの平面視で該ボイドの外接円の直径が0.1μｍ乃至５μｍであり、前記ボイドの密度が10５個／ｃｍ２以下である。また、前記基板はホウ化物から構成されており、前記基板は化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒの少なくとも１種を含む）の材料からなるので、基板材料として高融点，高強度，高硬度な特性を有するホウ化物から構成されることになり、結晶成長プロセスにおいて非常に安定した高品質のＧａＮ系単結晶を育成でき、ひいては特性の優れた半導体装置を得ることができる。
【００１５】
また、化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒの少なくとも一種を含む）の材料からなる単結晶は、その格子定数がＧａＮ系単結晶のそれと非常に近いため、格子ミスマッチが従来のサファイア等に比較して著しく小さい。これにより、ＧａＮ系単結晶の薄膜成長の際に基板のソリや成長膜の歪が小さい上に、基板と成膜の界面の歪を緩和する緩衝層としてのボイドが存在するので、複合的な歪低減効果を創出でき、より高品質で優れた単結晶育成用基板および半導体装置を提供できる。
【００１６】
さらに、従来のサファイアを用いた場合に行なっているように、転位密度を低減し、高品質なＧａＮ系単結晶のエピタキシャル膜を得るために、ＬＥＯ成長法などの特殊な成長プロセスを不要にできる。これにより、単結晶育成用基板を迅速でかつ容易に製造することができ、ひいては製造コストを低減した単結晶育成用基板および半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る単結晶育成用基板および半導体装置について説明する。基板表面のボイドのみを拡大して示した模式図である図１に示すように、本発明の単結晶育成用基板は、ＧａＮ系単結晶をエピタキシャル成長させる基板100の表面に多数のボイド200が形成されており、これらボイド200の平面視でボイドの外接円の直径が0.1μｍ乃至５μｍであり、ボイド200の密度が10５個／ｃｍ２以下としている。この理由は、ボイドの平面視における外接円の直径が0.1μｍ未満ではボイドの形成が不可能であり、また、５μｍを超えるとエピタキシャル成長を行なわせるときのバッファとしての機能がなくなるからである。また、基板100はホウ化物から構成されており、より好ましくは基板100は化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒの少なくとも１種を含む）の材料からなる。
【００１８】
ここで、本発明の基板材料としてホウ化物を挙げたのは、この材料がいずれも高融点，高強度，高硬度を有する非常に安定した材料であり、かつサファイアと比較して熱伝導率が比較的高く、電気伝導性も良好なものが多いからである。このために基板を電極として使用することが可能で、半導体膜に垂直に電気を流す発光素子や電力制御素子を作製する場合に簡単な構造となり、製造プロセスが簡単になる利点がある。特に熱の放散性に優れた大出力素子の基板として優れた特性が期待できる。さらに加えて、上記化学式ＸＢ２の材料は、窒化ガリウムとの格子ミスマッチの比較的小さい物質、具体的にはサファイアの格子ミスマッチの約１／２以下のものを選定した。
【００１９】
ちなみにＺｒＢ２は格子定数で0.6％、熱膨張率で５％の違いで、窒化ガリウムと良い一致を示す。これにより、欠陥密度の小さい高品質エピタキシャル膜成長が可能となる。
【００２０】
次に、これら基板材料の作製方法について説明する。これら基板材料の融点がいずれも2000℃を超える高融点物質であるため、通常の金属坩堝からの結晶成長はかなり困難であり、かつ育成コストが高くなる。従って、坩堝を用いないフローティング法ないしはベルヌーイ法が好適である。
【００２１】
例えば、フローティング法を用いる場合、まず作製する材料の微粉末を用意する。次に、この微粉末を加圧プレスし成形体を形成する。そしてこの成形体を高温で熱処理し、焼成体を作製する。この焼成体を原料棒とシード棒とにして、通常のフローティング法を適用して、基板材料の結晶成長を行なう。
【００２２】
このようにして得られる基板結晶は、出発原料の微粉末径、焼成条件および成長条件を制御することにより、結晶中に含まれるボイド（凹部または空孔）のサイズと密度とをある程度コントロールできる。育成された結晶は外周刃切断装置や内周刃切断装置、あるいはワイヤーソーや放電加工装置でスライス加工した後、研磨加工を行ない、ウエハ作製を行う。こうして作製されたウエハ表面には概ねサブμｍ〜10数μｍの大きさのボイドが形成されている。
【００２３】
さらに、ウエハ表面をエッチング処理等の後処理を施すことにより、ボイドの径（平面視における外接円の直径）や深さの微調整も可能である。
【００２４】
このようにして得られたウエハを用いて、ＧａＮ系単結晶からなる半導体の結晶成長は、現在ではほぼ標準技術となっているＭＯＣＶＤ法により行なうことができる。すなわち、この成長法においては、原料ガスとしてアンモニアガスと、13族（旧IIIB族）元素を含むアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させて、所望のＧａＮ系半導体薄膜結晶を基板上に成長させる。結晶成長プロセス後、各種エッチング工程および電極形成工程を経て、半導体装置であるチップが作製される。
【００２５】
かくして、本発明の単結晶育成用基板および半導体装置によれば、基板材料として高融点，高強度，高硬度な特性を有するホウ化物から構成されることになり、結晶成長プロセスにおいて非常に安定した高品質のＧａＮ系単結晶を育成でき、ひいては特性の優れた半導体装置を得ることができる。
【００２６】
また、化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒの少なくとも一種を含む）の材料からなる単結晶は、その格子定数がＧａＮ系単結晶のそれと非常に近いため、格子ミスマッチが従来のサファイア等に比較して著しく小さい。これにより、ＧａＮ系単結晶の薄膜成長の際に基板のソリや成長膜の歪が小さい上に、基板と成膜の界面の歪を緩和する緩衝層としてのボイドが存在するので、複合的な歪低減効果を創出でき、より高品質で優れた単結晶育成用基板および半導体装置を提供できる。
【００２７】
さらに、従来のサファイアを用いた場合に行なっているように、転位密度を低減し、高品質なＧａＮ系単結晶のエピタキシャル膜を得るために、ＬＥＯ成長法などの特殊な成長プロセスを不要にできる。これにより、単結晶育成用基板を迅速でかつ容易に製造することができ、ひいては製造コストを低減した単結晶育成用基板および半導体装置を提供できる。
【００２８】
以下に、本発明をより具体化した実施例についてＺｒＢ２を用いた単結晶育成用基板を説明する。
【実施例１】
【００２９】
商用ＺｒＢ２粉末（純度約98％、平均粒径約２μｍ）をラバープレスにて約9.8×10７Ｐａの圧力で加圧成形した後、真空中で1700℃，30分間加熱して直径１ｃｍ長さ14ｃｍの焼結棒を作製した。この焼結体の密度は理論値の58％であった。この焼結棒を用いてアルゴン（Ａｒ）雰囲気（0.8ＭＰａ）で高周波ＦＺ法を用いて結晶の育成を行なった。育成方向の下軸シャフトには種結晶ではなく焼結棒を使用し、成長速度は４ｃｍ／時間とし、上軸の原料供給速度は成長速度より約20％高めに設定し、回転数は成長結晶のみ６ｒｐｍとした。
【００３０】
この育成結晶をＸ線で方位測定し、放電加工機にてＣ面に並行に厚み約１ｍｍに切断した。その後、ＧＣ砥粒＃600を用いてラップ研磨、ダイヤ砥石でラップ研削、そして最後はコロイダルシリカを用いてポリシングを行ないＺｒＢ２の（０００１）面を主面とするウエハを作製した。
【００３１】
このウエハ表面を高倍率顕微鏡で観察すると、その表面には多数のボイドが存在していた。ボイドの密度は10４／ｃｍ２オーダーであり、その直径は１〜３μｍの範囲であった。このウエハをエピタキシャル基板として標準的なＭＯＣＶＤ法による厚さ約２μｍのＧａＮの成長を行なった。
【００３２】
このＧａＮエピタキシャル膜の結晶性をＸ線の半値幅（ＦＷＨＭ）で評価したところ、その値は200arc secであった。またＴＥＭ観察により貫通転位密度を測定したところ10８／ｃｍ２オーダーであった。比較のために同条件で基板をサファイアにして成長させたＧａＮエピタキシャル膜の結晶評価を行なったが、この場合はＦＷＨＭの値は320arc secで、転位密度は10１０／ｃｍ２オーダーであった。
【実施例２】
【００３３】
ラバープレス圧力を3.4×10７Ｐａ、真空中の加熱温度を1400℃、成長速度を６ｃｍ／時間とし、他の条件は実施例１と同条件でＺｒＢ２の（０００１）面を主面とするウエハを作製し、エピタキシャル成長を行なった。このウエハ表面のボイド密度は10５／ｃｍ２オーダーであり、その直径は３〜５μｍの範囲であった。このウエハを用いて実施例１と同条件でＧａＮ薄膜成長を行ない、結晶評価を行なった。ＦＷＨＭの値は210arc secで、転位密度は10９／ｃｍ２オーダーであった。なお比較のために本実施例でラバープレス圧力を2.5×10７Ｐａ、真空中の加熱温度を1000℃、成長速度を15ｃｍ／時間とし、他の条件は同様にした場合は、ウエハ表面のボイド密度は10１０／ｃｍ２オーダーであり、その直径は５〜10μｍの範囲であった。そしてこのウエハを用いた同条件で成膜したＧａＮ薄膜のＦＷＨＭは630arc secであり、転位密度は10１０〜10１１／ｃｍ２と従来サファイア基板上へのＧａＮエピタキシャル膜より品質が劣っていた。
【実施例３】
【００３４】
粉末原料として純度約99.0％、平均粒径1.5μｍの商用ＺｒＢ２を用い、プレス圧力を2.0×10８Ｐａ、真空中の焼結温度を2000℃、成長速度を３ｃｍ／時間とし、他の条件は実施例１と同条件で、（０００１）面を主面とするウエハを作製し、エピタキシャル成長を行なった。このウエハ表面のボイド密度は103〜10４／ｃｍ２オーダーで、ポア径は0.5〜1.5μｍであった。このウエハを用いて実施例１と同条件でＧａＮ薄膜成長を行ない、結晶評価を行った。FWHMの値は180arc secで、転位密度は10７／ｃｍ２オーダーであった。
【実施例４】
【００３５】
粉末原料として純度99.5％、平均粒径約1.0μｍの商用ＺｒＢ２を用い、プレス圧力2.0×10８Ｐａ、真空中の加熱温度が1900℃、成長速度を２ｃｍ／時間、育成雰囲気をヘリウム（Ｈｅ）ガス（0.9ＭＰａ）、回転数は結晶側と原料側双方５ｒｐｍで逆回転として結晶育成を行ない、他の条件は実施例１と同条件で（０００１）面を主面とするウエハを作製し、ＧａＮエピタキシャル成長を行なった。この際のウエハ表面のボイド密度は10０〜10２／ｃｍ２オーダーで、ポア直径は0.1〜0.6μｍであった。結晶評価結果はＦＷＨＭ値が120arc secで、転位密度は10６／ｃｍ２オーダーであった。なお比較のために、他の条件は実施例４と同条件で、原料粉末の平均粒径0.8μｍ、真空中の加熱温度2000℃、成長温速度を１ｃｍ／時間で結晶育成を行ない、ウエハを作製したところ、ウエハ表面のボイド密度は10１〜10２／ｃｍ２オーダーであり、ポア径は0.1μｍ以下であった。このウエハを用いてＧａＮエピタキシャル成長を行ない、結晶評価を行ったところ、ＦＷＨＭ値は300arc secで、転位密度は10９〜1010／ｃｍ２オーダーであり、従来のサファイア基板上へのＧａＮエピタキシャル成長時の品質と大差がなかった。
【００３６】
なお、これらの実施例ではＺｒＢ２を取り上げて説明したが、他のホウ化物例えば、ＨｆＢ２，ＴｉＢ２等についてもその融点はそれぞれ3380℃，2790℃そして格子ミスマッチが1.6％，5.2％とサファイアと比べると小さく、ＺｒＢ２と同様な製造方法とウエハプロセスが適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明品に係わる単結晶育成用基板を模式的に説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
100：基板
200：ボイド（凹部または空孔）
【図１】
2005104742.tif 000003