(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法によるＳｉ基板の表面から厚み方向へ少なくとも３μｍの間に亘って低酸素濃度で酸素析出物が無く、かつ、表面構造が全面に亘ってダブルステップレーヤとなっており、該Ｓｉ基板の表面にＢＰ単結晶層が形成されていることを特徴とするＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハ。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板の表面から厚み方向へ少なくとも５μｍの間に亘る酸素濃度が１．０×１０17atoms／ｃｍ3以下で、残部の酸素濃度が５．０×１０17〜１．０×１０18atoms／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハ。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板の表面にＣＯＰ等のピットが存在しないことを特徴とする請求項１又は２記載のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハ。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載のＳｉウエーハにおいて、ＢＰ単結晶層の上に閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮ層が形成されていることを特徴とするＧａＮ発光素子用ウエーハ。
【請求項５】
ＣＺ法によるＳｉ単結晶からなるＳｉ基板に水素ガス雰囲気において８００〜１３００℃の温度でアニール処理を施した後、１０５０〜１１５０℃の温度でＳｉのエピタキシャル成長を施し、該Ｓｉ基板の表面にＢＰのエピタキシャル成長を施すことを特徴とするＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法。
【請求項６】
前記Ｓｉ基板を表面にＣＯＰ等のピットの無いものとすることを特徴とする請求項５記載のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法。
【請求項７】
前記Ｓｉ単結晶を抵抗値５／１０００〜１５／１０００ΩｃｍのＢヘビードープＰ+シリコン単結晶とすることを特徴とする請求項５又は６記載のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法。
【請求項８】
請求項５、６又は７記載のＳｉウエーハの製造方法において、ＢＰ単結晶層の上に閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮのエピタキシャル成長を施すことを特徴とするＧａＮ発光素子用ウエーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色の発光素子（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ素子）を作るためのＧａＮ（窒化ガリウム）半導体結晶成長用Ｓｉ（シリコン）ウエーハ、それを用いたＧａＮ発光素子用ウエーハ及びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、青色の発光素子としてのＧａＮ半導体結晶は、サファイア基板上にエピタキシャル成長によって育成されているが、ＧａＮ半導体結晶とサファイア基板の格子定数の差異による格子不整合を生じたり、基板としてのサファイアが劈開性、導電性を有しないことによる不具合がある。
【０００３】
従来、かかる不具合を解消するため、図７に示すように、基板としてＳｉを用い、Ｓｉ基板３１上にＧａ（ガリウム）のバリア層３２を介在してＧａＮ半導体結晶層３３を形成するＧａＮ発光素子用ウエーハとその製造方法が知られている（特開平１０−２４２０５５号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＧａＮ発光素子用ウエーハとその製造方法では、Ｓｉ基板上へのＧａのバリア層の形成は、両者の格子定数の大幅な違いにより不具合があり、Ｇａのバリア層上への閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮ層の形成が困難で、ＧａＮ層の結晶構造がウルツ鉱型の結晶系となり、発光素子としての青色発光時の輝度があまりあがらない不具合がある。
【０００５】
このため、Ｓｉ基板とＧａＮ層の中間層としてウルツ鉱型結晶構造のＧａＮと格子不整合が僅か０．６％程度のＢＰ（リン化ホウ素）単結晶を用いることが考えられる。
ＢＰ単結晶は、中性子の吸収作用があり、原子炉の安全管理や中性子線散乱による物性評価のための中性子線センサーとしての用途が期待され研究が行われている。
ＢＰは、閃亜鉛鉱型結晶構造を有し、ＧａＮとの格子不整合も前述したように僅かである。一方、Ｓｉとの格子不整合が１６％と大きいが、Ｂ（ホウ素）とＳｉとの相性がよく、Ｓｉ基板上へのＢＰのエピタキシャル成長が報告されているものの、未だ安定的な結晶成長を行えるまでには至っていない。
その理由として、下記の要因が挙げられる。
（１）ＢＰのエピタキシャル成長プロセス中に、Ｓｉ基板に含まれるＯ（酸素）が外方拡散し、Ｂを酸化するため、多結晶化が起こり単結晶成長を阻害する。
（２）Ｓｉ基板３４（図８、図９参照）の表面、すなわち、デバイス製作面にＣＯＰ(Crystal Originated Paricle ：ごく軽いエッチングで形成されるピット（０．５μｍぐらいの小孔））等の欠陥３５があると、結晶方位の違いによりＢＰの成長速度に差異が生じ、表面の凹凸が増幅され、表面の均一性（平面度）を欠いてしまう。
（３）Ｓｉ基板３６（図１０参照）の表面がシングルステップレーヤの場合、ＢＰの結晶成長中に、Ａ−Ａ面でフェースの異なるアンチフェーズドドメインが生じ多結晶化する。
一方、上記要因を解消するため、ＢＰエピタキシャル成長プロセスにおいて、前処理として、Ｓｉ基板を水素ガス雰囲気において１０００〜１２００℃の温度でアニール処理することが考えられるが、処理時間が長時間となる上、高温度に保持するため、新たな表面荒れが発生する等の不具合がある。
そこで、本発明は、閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮ層を良好に形成し得るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハ、それを用いたＧａＮ発光素子用ウエーハ及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、前記課題を解決するため、本発明のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハは、ＣＺ法によるＳｉ基板の表面から厚み方向へ少なくとも３μｍの間に亘って低酸度濃度で酸素析出物が無く、かつ、表面構造が全面に亘ってダブルステップレーヤとなっており、該Ｓｉ基板の表面にＢＰ単結晶層が形成されていることを特徴とする。
前記Ｓｉ基板の表面から厚み方向へ少なくとも５μｍの間に亘る酸素濃度は１．０×１０17atoms／ｃｍ3以下で、残部の酸素濃度は５．０×１０17〜１．０×１０18atoms／ｃｍ3であることが好ましい。
又、前記Ｓｉ基板の表面にはＣＯＰ等のピットが存在しないことが好ましい。
又、ＧａＮ発光素子用ウエーハは、前記ＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハにおいて、ＢＰ単結晶層の上に閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮ層が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
一方、本発明のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法は、ＣＺ法によるＳｉ単結晶からなるＳｉ基板に水素ガス雰囲気において８００〜１３００℃の温度でアニール処理を施した後、１０５０〜１１５０℃の温度でＳｉのエピタキシャル成長を施し、該Ｓｉ基板の表面にＢＰのエピタキシャル成長を施すことを特徴とする。
前記Ｓｉ基板は表面にＣＯＰ等のピットの無いものとすることが好ましい。
前記Ｓｉ単結晶は抵抗値５／１０００〜１５／１０００ΩｃｍのＢヘビードープＰ+シリコン単結晶とすることが好ましい。
又、ＧａＮ発光素子用ウエーハの製造方法は、第２のＧａＮ半導体結晶成長用ウエーハの製造方法において、ＢＰ単結晶層の上に閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮのエピタキシャル成長を施すことを特徴とする。
【０００８】
Ｓｉ基板の表面から厚み方向へ少なくとも３μｍの間に亘って酸素濃度が高くて酸素析出物が有ると、ＢＰ層のエピタキシャル成長プロセスにおいて、Ｓｉ基板中の酸素が外方拡散してＢを酸化するため、多結晶化が起こりＢＰの単結晶成長を阻害する。
低酸素濃度で酸素析出物の無い領域は、表面から厚み方向へ１５μｍの間に亘って形成することが望ましい。
表面から厚み方向へ少なくとも５μｍの間に亘る酸素濃度は、８×１０16atoms ／ｃｍ3 以下であることが望ましい。
【０００９】
水素ガス雰囲気におけるＳｉ基板のアニール処理温度が、８００℃未満であると、表面変化は少なくなる、一方、１３００℃を超えると、表面が荒れる不具合がある。
好ましいアニール処理温度は、９００〜１２５０℃である。
シリコン単結晶の抵抗値が、５／１０００Ωｃｍ未満であると、エピタキシャル中に不純物が酸素と反応する、一方、１５／１０００Ωｃｍを超えると、デバイス形成後に抵抗が大きくなりすぎる。
好ましいシリコン単結晶の抵抗値は、６／１０００〜１４／１０００Ωｃｍである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的な実施例を参照して説明する。
先ず、ＣＺ（チョクラルスキー）法により、ドーパントであるＢを１．０×１０18 atoms／ｃｍ3 以上ドーピングし、６インチのＢヘビードープＰ+ Ｓｉ単結晶（１００）を引き上げ、スライスしてＣＯＰ等のピットが存在しないＳｉ基板を得た。
次に、Ｓｉ基板に水素（Ｈ2 ）ガス雰囲気において８００〜１３００℃の温度でアニール処理施したところ、図１に示すように、表面から厚さ方向（図１においては上下方向）へ３μｍの間に亘って酸素及びその析出物の全く見られないものとなった。
図１において黒点状のものが酸素析出物である。
又、Ｓｉ基板の表面から厚み方向へ５μｍの間に亘る酸素濃度は、１．０×１０17 atoms／ｃｍ3 以下で、残部（バルク）の酸素濃度は、５．０×１０17〜１．０×１０18 atoms／ｃｍ3 であり、かつ、Ｓｉ基板の電気抵抗値は、５／１０００〜１５／１０００Ωｃｍであった。
【００１１】
次いで、アニール処理を施したＳｉ基板の表面に、１０５０〜１１５０℃の温度でＳｉのエピタキシャル成長を施してＳｉ単結晶層を形成した。
エピタキシャル装置は、内径５０ｍｍ、長さ３５０ｍｍの石英管の中央に石英でカバーされたＳｉＣコートを施した黒鉛サセプターを納置し、その上にＳｉ基板を載置し、外部より高周波を印加することによりサセプターを発熱させる構造のものである。
又、エピタキシャル成長は、原料ガスとしてＳｉＣｌ4 （四塩化ケイ素）ガス、キャリアガスとしてＨ2 ガスを用い、マスフローコントローラを介して一定量炉内に導入した。
得られたＳｉ基板は、表面構造が全面に亘ってダブルステップレーヤとなっていた。
【００１２】
次に、Ｓｉ基板のＳｉ単結晶層の上に、９００〜１１５０℃の温度でＢＰのエピタキシャル成長を施してＧａＮ成長の中間層（バッファー層）としてのＢＰ単結晶層を形成した。
エピタキシャル装置は、Ｓｉのエピタキシャル成長に用いたものと同様のものを用い、ＢＰのエピタキシャル成長は、原料ガスとしてＰＣｌ3 （三塩化リン）とＢＣｌ3 （三塩化ホウ素）の混合ガス、キャリアガスとしてＨ2 ガスを用い、マスフローコントローラを介して一定量炉内に導入した。
成長温度シーケンスを図２に示す。
得られたＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハは、図３に示すように、テラス状の結晶成長が行われていると共に、図４、図５に示すように、ダブルステップレーヤの表面構造のＳｉ基板１の上にＢＰ単結晶層２が、ＢＰ，ＢＰと順番に４．５６μｍの厚みに積層され、表面が極めて均一なものとなった。
【００１３】
比較のため、アニール処理とＳｉのエピタキシャル成長を施さない通常のミラーウエーハ（Ｓｉ基板）を用い、このＳｉ基板の表面に、上述のものと同様にＢＰのエピタキシャル成長を施してＢＰ単結晶層を形成したところ、その表面の結晶構造は、図６に示すように、四角錐の島状のＢＰの多結晶が成長しており、表面の均一性（平面度）に欠けたものとなった。
【００１４】
次いで、ＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの表面に、７００〜１１００℃の温度でＧａＮのエピタキシャル成長を施して閃亜鉛鉱型結晶構造のＧａＮ半導体結晶層を形成した。
エピタキシャル装置は、Ｓｉのエピタキシャル成長に用いたものと同様のものを用い、ＧａＮのエピタキシャル成長は、原料ガスとしてＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、キャリアガスとしてＨ2 、Ｎ2 （窒素）ガスを用い、マスフローコントローラを介して一定量炉内に導入した。
得られたＧａＮ発光素子用ウエーハは、ＧａＮ半導体単結晶層の表面が極めて均一で、その厚みが４μｍであり、又、結晶構造が完全な閃亜鉛鉱型となっていた。
【００１５】
上記ＧａＮ発光素子用ウエーハから、ＧａＮ発光素子を切り出して発光させたところ、青色発光時の輝度が極めて高いものであった。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハとその製造方法によれば、デバイス形成用領域側が低酸素濃度で酸素析出物が無く、かつ、表面構造がダブルステップレーヤとなっているので、ＧａＮ半導体単結晶層の中間層となるＢＰ単結晶層を、表面の均一性に優れたものとして、極めて安定的に形成することができる。
又、ＧａＮに対するＢＰの格子不整合が僅か０．６％程度であるので、ＧａＮの結晶構造を完全な閃亜鉛鉱型とすることができる。
又、ＧａＮ発光素子用ウエーハとその製造方法によれば、ＧａＮ半導体単結晶の結晶構造が完全な閃亜鉛鉱型となるので、発光素子とした場合、青色発光時の輝度を極めて高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法の実施の形態の一例を示すアニール処理工程後のＳｉウエーハの結晶構造の電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明に係るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの製造方法の実施の形態の一例を示すＢＰエピタキシャル成長工程の成長温度シーケンスの説明図である。
【図３】本発明に係るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの実施の形態の一例を示すＧａＮ成長中間層としてのＢＰエピタキシャル成長後の表面の電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明に係るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの実施の形態の一例を示す模式的な部分断面図である。
【図５】本発明に係るＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの実施の形態の一例を示すＢＰエピタキシャル成長後の断面の電子顕微鏡写真である。
【図６】従来のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハにエピタキシャル成長を施されたＢＰの結晶構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】従来のＧａＮ発光素子用ウエーハの断面図である。
【図８】従来のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの部分断面図である。
【図９】図６のＳｉウエーハの平面図である。
【図１０】ＢＰがエピタキシャル成長された従来のＧａＮ半導体結晶成長用Ｓｉウエーハの模式的な部分断面図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ基板
２  ＢＰ単結晶層
【図１】
0003748011.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003748011.tif 000004
【図４】
0003748011.tif 000005
【図５】
0003748011.tif 000006
【図６】
0003748011.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
0003748011.tif 000010
【図１０】
0003748011.tif 000011