(57)【要約】  【課題】  成膜方法及び温度、圧力、原料ガス流量といった成膜条件によって決定される成膜速度と、最も高品質な膜が成膜できる最適な基板オフ角度との関係を明確に示すこと。  【解決手段】  ｃ面からのオフ角度が異なるサファイヤオフ基板を複数用意し、これらオフ基板に成膜速度を変化させながら成膜し、その中から高品質な膜が得られたオフ角度のみを成膜速度の関数としてプロットすることにより基準関数を求め、この基準関数に基づいて所定条件の成膜速度に対応する最適なオフ角度を導き出す。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイヤ基板上に半導体薄膜をエピタキシャル成長させるサファイヤ基板であって、前記基板の結晶成長面がｃ面から所定の角度で傾いたオフ角度の異なるオフ基板を複数用意し、これらオフ基板に、所定の成膜方法及び温度、圧力、原料ガス流量等の成膜条件によって決定される成膜速度を変化させながら成膜し、その中から高品質な膜が得られたオフ角度のみを成膜速度の関数でプロットして基準関数を求め、この基準関数に基づいて所定条件の成膜速度に対応する最適なオフ角度を導き出したことを特徴とするサファイヤ基板。
【請求項２】
前記基準関数が、最適オフ角度をｙ、成膜速度をｘとした時に、ｙ＝ａｘ＋ｂで表される一次関数である請求項１記載のサファイヤ基板。
【請求項３】
前記所定の成膜方法がＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法である請求項１または２記載のサファイヤ基板。
【請求項４】
前記一次関数のａが0.015〜0.020であり、ｂが0.1〜0.2である請求項１、２または３記載のサファイヤ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を結晶成長させる際に用いるサファイヤ基板に関する。
詳しくは、電子デバイス及び発光デバイスとして用いられるGaN等のIII族窒化物半導体薄膜やGaAlN等の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相析出法）やＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）等の成膜方法によりエピタキシャル成長させるためのサファイヤ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のサファイヤ基板として、エピタキシャル成長させる結晶成長面を、サファイヤｃ面から0.05°〜0.5°の範囲内で、サファイヤのｍ軸方向、ａ軸方向、または、ａ軸とｍ軸の中間の方向に傾けて形成することにより、GaN等のIII族窒化物半導体やGaAlN等の窒化ガリウム系化合物半導体を始めとする各種半導体を、良好にエピタキシャル成長させて歩留りの向上を図るものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１５８６９１号公報（第１−４頁、図５）
【０００３】
そして、結晶成長用として一般的に使用されるサファイヤ基板は、上記特許文献１にも記述される通り、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法等の成膜方法や、温度、圧力、原料、ガス流量等の成膜条件によらず、現状でも基板サプライヤから供給されるサファイヤ基板の主面がｃ面から0.0°〜±0.3°程度傾いた基板が使用されている。
ところで、ＭＯＣＶＤ法とＨＶＰＥ法を比較した場合、成膜のメカニズム、成膜装置の構造の違いから、得られる膜の品質と成膜速度に大きな差が生じる。
即ち、ＭＯＣＶＤ法では厚さや組成の制御性や均一性にも優れた膜が得られるが、通常では２〜３μm/h、成膜条件によってはその２〜３倍の速度での成膜が一般的である。
一方、ＨＶＰＥ法では数十〜数百μm/hという成膜速度が得られる半面、膜表面は数μm〜数十μmの凹凸を持ち、結晶品質もＭＯＣＶＤ法に比べ大幅に低下する。
これらＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法等により窒化ガリウム系化合物薄膜をサファイヤ基板上に成膜する際には、成膜方法及び各々の成膜方法における温度、圧力、原料ガス流量等の成膜条件によって成膜速度、膜品質が決定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし乍ら、このような従来のサファイヤ基板では、成膜方法、成膜条件によらず、基板サプライヤによって一般に提供されるオフ基板のオフ角度と、成膜方法及び成膜条件によって決定される成膜速度との関連が明確に見出されていないため、オフ角度に対応して膜表面の平坦性が優れた高品質な成膜を成膜できないという問題があった。
特に、成膜方法の違い、或いは同じ成膜方法でも成膜条件の違いによって数倍から数十倍と異なる成膜速度、即ちＭＯＣＶＤ法の２〜８μm/hからＨＶＰＥ法の10〜300μm/hという幅広い成膜速度に対して、最も高品質な膜が得られる最適な基板のオフ角度が明確にする必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記従来事情に鑑みてなされたもので、最も高品質な膜が成膜できる最適な基板オフ角度との関係を明確に示すことができるサファイヤ基板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】
前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、サファイヤ基板上に所定の成膜方法で半導体薄膜をエピタキシャル成長させるサファイヤ基板であって、前記基板の結晶成長面がｃ面から所定の角度で所定の方向に傾いたオフ角度の異なるオフ基板を複数用意し、これらオフ基板に、所定の成膜方法及び温度、圧力、原料ガス流量等の成膜条件によって決定される成膜速度を変化させながら前記薄膜を成膜し、これらの評価として、その中から最も高品質な膜が得られたオフ角度のみを成膜速度の関数としてプロットすることで基準関数を求め、この基準関数に基づいて所定条件の成膜速度に対応する最適なオフ角度を導き出したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記基準関数が、最適オフ角度をｙ、成膜速度をｘとした時に、ｙ＝ａｘ＋ｂで表される一次関数である構成を加えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の構成に、前記所定の成膜方法がＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法である構成を加えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の発明の構成に、前記一次関数のａが0.015〜0.020であり、ｂが0.1〜0.2である構成を加えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように本発明は、ｃ面からのオフ角度が異なるサファイヤオフ基板を複数用意し、これらオフ基板に成膜速度を変化させながら成膜し、その中から高品質な膜が得られたオフ角度のみを成膜速度の関数としてプロットすることにより基準関数を求め、この基準関数に基づいて、所定条件の成膜速度に対応する最適なオフ角度を導き出す。
従って、成膜方法及び温度、圧力、原料ガス流量といった成膜条件によって決定される成膜速度と、最も高品質な膜が成膜できる最適な基板オフ角度との関係を明確に示すことができる。
その結果、オフ角度に対応して膜表面の平坦性が優れた成膜を行うことができて、高品質化が図れる。
更に基準関数により導き出されるオフ角度を持つ基板を使用することで、成膜条件を変化させた場合に生じた成膜速度の変化に対応した最適なオフ角度の基板選択を、迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
この実施例では、成膜速度に対するサファイヤ基板の最適なオフ角度を検討するため、オフ角度の異なるサファイヤｃ面基板を複数用意し、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法にて、例えば温度、圧力、原料ガス流量等の成膜条件を様々に変化させながら、GaN（窒化ガリウム）膜を成膜した場合を示すものである。
【０００９】
上記サファイヤｃ面基板は、ｃ軸に垂直で且つオリフラと垂直に位置し、ａ軸がｃ軸に垂直で且つオリフラに平行にｍ軸が位置しているものを使用した。
【００１０】
実験には、ｃ面がｍ軸方向にのみ僅かにオフ（傾斜）した基板を用いたが、一般にはａ軸及びｍ軸方向への各々のオフ角度を合成した角度をオフ角度として定義し、本発明のオフ角度とは合成オフ角度を意味する。
【００１１】
本実験では、ｍ軸方向にのみオフしているため、合成オフ角度はｍ軸方向へのオフ角度に等しい。
実験には、軸精度±0.01°に精密コントロールしたJUST基板（0.00°）と、オフ角度が0.10°、0.15°、0.20°、0.25°、0.45°、0.55°、0.65°オフ基板とを使用し、これらの基板に同時にある条件下でGaN膜を成膜する実験を、成膜方法及び成膜条件を様々に変化させながら実施した。
【００１２】
更に本実験ではＭＯＣＶＤ法により成膜条件を変化させることで２μm/hから６μm/hの成膜速度までを得ると共に、ＨＶＰＥ法により成膜条件を変化させることで10μm/hから30μm/hの成膜速度までを得た。
【００１３】
その後、得られたGaN膜の全てをノマルスキ顕微鏡、ＡＦＭにて評価し、これらの中から各組において表面平坦性等の優れた最も高品質な膜と評価された基板を選び出し、これらのオフ角度のみを、成膜方法や成膜条件ではなく、その結果として得られた成膜速度の関数としてプロットした。
【００１４】
実験により得られた成膜速度と最適オフ角度との関係を図１に示す。
その結果、図１に示すように最適オフ角度をｙ、成膜速度をｘとした時に、最適オフ角度ｙは成膜速度ｘの関数として、ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ，ｂは定数であり、ａ≠０）で表される一次関数の関係を持つことが認められた。
【００１５】
本実験により導き出された比例定数ａ及び定数ｂは、ある成膜条件の結果として得られた成膜速度と最適オフ角度との関係から求められる。
しかし、例えば同一の成膜装置を用いて、成膜温度のみ変化させることによって、成膜速度を変えるといった実験を通して、成膜速度と最適オフ角度との関係を導き出すことにより、ある特定の成膜装置における成膜温度及び成膜速度と最適オフ角度との関係、即ち比例定数をより明確に示すことができる。
例えば成膜速度ｘが０〜30μm/hの範囲内においては、上記定数ａが0.017〜0.020であり、上記定数ｂが0.1〜0.2ａであることが好ましい。
【００１６】
図１で示されるデータのバラツキは、成膜装置、原料の種類等のファクターによるものであるが、一般に最適な基板のオフ角度が成膜速度と一次関数の関係にあることが示され、この関数を基板オフ角度規格決定の基準として使用することができる。
【００１７】
従って、この基準となる一次関数により導き出されるオフ角度の基板を使用することで、成膜条件を変化させた場合に生じた成膜速度変化に対応した最適なオフ角度の基板選択を、迅速に行うことができる。
【００１８】
尚、前示実施例では、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法にて成膜条件を様々に変化させながらGaN膜を成膜した場合を示したが、これに限定されず、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法以外の成膜方法を使用したり、GaN膜に代えてそれ以外のIII族窒化物半導体薄膜やGaAlN等の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成膜しても良い。
これらの場合も、上述した作用効果と同様な作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】成膜速度と最適オフ角度との関係を示す図である。
【図１】
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