專利名稱：氮化物半導(dǎo)體生長用基板及其制造方法、氮化物半導(dǎo)體外延基板、以及氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠生長低位錯密度的氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體生長用基板及其制造方法、以及使用氮化物半導(dǎo)體生長用基板所制作的氮化物半導(dǎo)體外延基板和氮化物半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
在GaN系LED中，作為用于提高其光輸出效率的方法，采用了在藍寶石基板的表面(生長面)上實施圓錐狀、方錐臺(角錐臺)狀等的凹凸加工，在凹凸加工的表面上外延生長GaN層直至表面變得平坦，并在GaN層上形成含有發(fā)光層的外延層的方法(例如，參照專利文獻1、2)。在上述藍寶石基板的凹凸加工的表面上生長GaN時，可促進GaN生長初期的島狀生長，并且通過使位錯彼此締合 減少，也具有可以得到與在平坦的藍寶石基板表面上生長的情況相比位錯少的GaN層這樣的效果。現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2002 — 280611號公報專利文獻2 :日本特開2011 — 91374號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題 通過在上述藍寶石基板的凹凸加工的表面上的GaN生長，雖然可實現(xiàn)位錯的降低，但尚不充分，要求進一步的低位錯化。本發(fā)明的目的是提供一種能夠生長低位錯密度的氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體生長用基板及其制造方法、以及使用氮化物半導(dǎo)體生長用基板所制作的氮化物半導(dǎo)體外延基板和氮化物半導(dǎo)體元件。用于解決問題的方法本發(fā)明的第一方式是一種氮化物半導(dǎo)體生長用基板，其在藍寶石基板的作為C面的主面上，以格子狀配置而形成有具有相對于所述主面以小于90°傾斜的側(cè)面的錐狀或錐臺狀的凸部，并且所述凸部距離所述主面的高度為O. 5 μ m以上3 μ m以下，鄰接的所述凸部間的距離為I μ m以上6 μ m以下，所述凸部的所述側(cè)面的表面粗糙度RMS為IOnm以下。本發(fā)明的第二方式是一種氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法，其是在藍寶石基板的作為C面的主面上，通過光刻和干蝕刻，在所述主面上以格子狀配置而形成距離所述主面的高度為O. 5 μ m以上3 μ m以下并且具有相對于所述主面以小于90°傾斜的側(cè)面的錐狀或錐臺狀的凸部，然后在含有氧的氛圍中對所述藍寶石基板實施退火處理，將所述凸部的所述側(cè)面的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下，使鄰接的所述凸部間的距離為IymW上6 μ m以下。
本發(fā)明的第三方式是一種氮化物半導(dǎo)體外延基板，其特征在于，在第一方式所述的氮化物半導(dǎo)體生長用基板上生長由氮化物半導(dǎo)體所形成的外延層直至其表面平坦化，從而形成。本發(fā)明的第四方式是一種氮化物半導(dǎo)體元件，在第三方式所述的氮化物半導(dǎo)體外延基板上形成有元件結(jié)構(gòu)。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可以得到一種能夠生長低位錯密度的氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體生長用基板。此外，可以得到使用氮化物半導(dǎo)體生長用基板所制作的、具有低位錯密度的氮化物半導(dǎo)體層的氮化物半導(dǎo)體外延基板和氮化物半導(dǎo)體元件。


圖1表不本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板，圖1 (a)為側(cè)面圖，圖1 (b)是放大圖1 (a)的主面一部分所得的平面圖，圖1 (C)是圖1 (b)的C 一 C截面圖。圖2是表示本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法的制造工序的工序圖。圖3是表示比較例的氮化物半導(dǎo)體外延基板的截面圖。圖4是表示本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板的截面圖。圖5是表示本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件的概略結(jié)構(gòu)的截面圖。圖6是表示本發(fā)明另一實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板的截面圖。符號說明 I 藍寶石基板(退火后)I’ 藍寶石基板(退火前)2 主面(退火后)2’ 主面(退火前)3 凸部(退火后)3’ 凸部(退火前)4 側(cè)面(退火后)4’ 側(cè)面(退火前)5 光致抗蝕劑(烘焙前)6 光致抗蝕劑(烘焙后)13 凸部14 側(cè)面15 上表面20 氮化物半導(dǎo)體外延基板21 GaN 層30 氮化物半導(dǎo)體外延基板31 GaN 層h 凸部的高度P 凸部間的間距(距離)
具體實施例方式本發(fā)明是基于下述見解進行的，S卩，在藍寶石基板的主面(C面)上實施圓錐狀等的凹凸加工，并在凹凸加工的主面上外延生長GaN等氮化物半導(dǎo)體時，氮化物半導(dǎo)體的位錯降低效果依存于凹凸形狀的傾斜側(cè)面的表面粗糙度，并且通過將側(cè)面的表面粗糙度rms值平滑化至IOnm以下，可以促進低位錯化。以下，對本發(fā)明的一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板及其制造方法、以及使用該氮化物半導(dǎo)體生長用基板所制作的氮化物半導(dǎo)體外延基板和氮化物半導(dǎo)體元件進行說明。(氮化物半導(dǎo)體生長用基板)圖1(a)是作為本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體·生長用基板的藍寶石基板的側(cè)面圖，圖1 (b)是放大圖1 (a)的主面一部分所得的平面圖，圖1 (C)是圖1 (b)的C 一C截面圖。如圖1 (a)所示，作為氮化物半導(dǎo)體生長用基板的藍寶石基板I是由藍寶石所形成的圓盤狀等的晶片，并且在生長氮化物半導(dǎo)體的藍寶石基板I的作為成為生長面的C面的主面2上實施了對氮化物半導(dǎo)體的低位錯化有效的凹凸加工。如圖1 (b)、(C)所示，在藍寶石基板I的主面2上以三角格子狀配置而形成有圓錐狀的凸部3。凸部3距離主面2的高度h為O. 5 μ m以上3 μ m以下，鄰接的凸部3間的間距(距離，三角格子的正三角形的邊的長度)P為Iym以上6μπι以下。凸部3具有相對于主面2以小于90°傾斜的傾斜角Θ的側(cè)面(圓錐面)4。側(cè)面4的傾斜角Θ優(yōu)選為30°以上70°以下。此外，凸部3的側(cè)面4形成為表面粗糙度的RMS (均方根粗糙度)的值為IOnm以下的平滑面。凸部3的側(cè)面4的表面粗糙度RMS更優(yōu)選為3nm以下。凸部3的側(cè)面4的平滑化，例如在通過干蝕刻形成凸部3后，在含有氧的氛圍中實施退火處理即可。本實施方式的凸部3是圓錐狀的，但也可以是棱錐狀(三角錐、四角錐等)、橢圓錐狀等錐狀。此外，本實施方式的凸部3，如圖1 (c)所示，是側(cè)面4的傾斜角Θ大致固定的圓錐狀，但也可以是側(cè)面的傾斜角不固定，圓錐狀、棱錐狀或橢圓錐狀等的凸部的側(cè)面向外側(cè)膨脹或向內(nèi)側(cè)收縮所得那樣的形狀(例如，圓錐狀的凸部的側(cè)面(圓錐面)向外側(cè)膨脹或向內(nèi)側(cè)收縮所得的拋物面狀或雙曲面狀的形狀)。進一步，藍寶石基板I的主面2上所形成的凸部還可以是錐臺狀的。作為錐臺狀，有圓錐臺狀、方錐臺狀(三角臺錐、四角臺錐等)、橢圓錐臺狀等，并且還可以是這些錐臺狀的側(cè)面向外側(cè)膨脹或向內(nèi)側(cè)收縮所得那樣的形狀。此外，本實施方式的凸部3以三角格子狀配置在主面2上，但并不限定于三角格子狀，例如，也可以以正方格子狀等格子狀進行配置，優(yōu)選凸部均勻地分散配置在藍寶石基板的主面上。(氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法)接著，對本發(fā)明的一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法進行說明。在圖2 (a) (d)中，表示本實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法的各工序的截面圖。本實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板是在藍寶石基板的作為C面的主面上，以三角格子狀配置而形成有圓錐狀的凸部的氮化物半導(dǎo)體生長用基板。
首先，在藍寶石基板的作為C面的主面2上形成光致抗蝕圖。作為一個例子，在進行了鏡面研磨的C面藍寶石基板的主面2的整面上涂布光致抗蝕劑，然后通過光刻法進行圖案曝光、顯影，從而在主面2上形成圓柱狀的光致抗蝕劑5以三角格子狀配置而成的光致抗蝕圖(圖2 (a))。鄰接的圓柱狀的光致抗蝕劑5、5間的間距P (成為通過后面的干蝕刻工序所形成的藍寶石基板的凸部的間距P)為I μ m以上6 μ m以下。接著，使用熱板對上述形成了光致抗蝕圖的藍寶石基板進行烘焙，并加熱光致抗蝕劑。在該烘焙工序中，隨著光致抗蝕劑5中多余的有機溶劑蒸發(fā)，圓柱狀的光致抗蝕劑5變化為半球狀的光致抗蝕劑6 (圖2 (b))。接著，對形成了半球狀的光致抗蝕劑6的藍寶石基板的主面2進行干蝕刻。干蝕刻工序，作為一個例子，使用等離子蝕刻裝置，在等離子蝕刻裝置的反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置藍寶石基板1，并向反應(yīng)室內(nèi)供給含有氯的反應(yīng)性氣體，利用反應(yīng)室內(nèi)生成的反應(yīng)性氣體等離子體，對藍寶石基板I的主面2進行干蝕刻。通過該干蝕刻，可在藍寶石基板I’的主面2’上以三角格子狀配置而形成圓錐狀的凸部3’(圖2 (C))。凸部3’距離主面2’的高度h為0.5μπι以上3μπι以下，并且鄰接的凸部3’、3’間的間距P為Iym以上6 μπι以下。但是，圓錐狀的凸部3’的側(cè)面4’和主面2’的表面通過干蝕刻而導(dǎo)致表面變粗，表面粗糙度RMS值為大于IOnm且為50nm以下的程度。接著，對通過干蝕刻 而以三角格子狀配置有多個凸部3’的藍寶石基板I’進行退火。退火工序，作為一個例子，使用電爐，在電爐內(nèi)設(shè)置藍寶石基板1’，并使電爐內(nèi)為含有氧的氛圍(氧氛圍或大氣)，在800°C以上1200°C以下的退火溫度下進行I小時以上的退火處理(圖2 (d))。通過該退火處理，表面粗糙度RMS超過IOnm并且為50nm以下的凸部3’的側(cè)面4’和主面2’被平滑化，退火后的凸部3的側(cè)面4和主面2的RMS為IOnm以下。由此，可以得到作為本實施方式的氮化物半導(dǎo)體生長用基板的藍寶石基板I。退火溫度越高并且退火處理時間越長，則退火后的側(cè)面4和主面2的RMS值越降低，最好的情況下，RMS值為O. 2nm。表面粗糙度RMS值是使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)測定的值。另外，例如，為了使半球狀的光致抗蝕劑6成為半橢圓體狀的光致抗蝕劑，可以通過調(diào)整曝光條件、烘焙條件而調(diào)整·改變圓錐狀的凸部3的側(cè)面4的傾斜角Θ。(氮化物半導(dǎo)體外延基板)本發(fā)明一種實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板是在上述進行了退火處理的藍寶石基板I上生長作為由氮化物半導(dǎo)體所形成的外延層的GaN層直至其表面平坦化而形成的。(比較例)首先，作為與本實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板進行比較的比較例，使用圖2(c)所示的退火前的藍寶石基板，即圓錐狀的凸部3’的側(cè)面4’和主面2’的表面粗糙度RMS大于IOnm且為50nm以下的藍寶石基板I’來生長GaN層。圖3表示比較例的氮化物半導(dǎo)體外延基板10。GaN層11在藍寶石基板I’上的生長通過HVPE (有機金屬氣相生長)來進行。作為生長條件，使HVPE裝置內(nèi)的壓力為IOkPa 120kPa、生長溫度為800°C 1200°C，Ga原料氣使用GaCl氣體，氮原料氣使用NH3，載氣使用H2和N2的混合氣體。
GaN層11在藍寶石基板I’上的生長中，原料氣容易附著在作為C面的主面2’上，容易產(chǎn)生GaN核。相反，在C面以外的凸部3’的傾斜側(cè)面4’上，原料氣通常難以附著，難以產(chǎn)生GaN核。然而，比較例的藍寶石基板I’的凸部3’的側(cè)面4’由于表面粗糙度RMS大于IOnm且為50nm以下，較粗糙，因此原料氣容易附著，較容易產(chǎn)生核。因此，從GaN生長初期開始，GaN在藍寶石基板I’的整面上生長，如圖3中虛線所示，生長初期的GaN生長面Π形成與藍寶石基板I’表面對應(yīng)的形狀。GaN的生長面按照H、f2、f3依次生長，并且很快就形成平坦的生長面。GaN的生長面中與C面不平行的傾斜斜面使位錯彎折而促進位錯彼此的締合 減少，然而在比較例的GaN層11中，由于生長面的傾斜斜面存在的時間短，并很快形成平坦的生長面，因此位錯降低效果小。另外，不管作為C面的主面2’是平滑面(RMS為IOnm以下)還是非平滑面(RMS大于IOnm且為50nm以下)，GaN生長都幾乎沒有變化。(本實施方式)本實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板使用如上述圖2 (d)所示的進行了退火處理的藍寶石基板1，即圓錐狀的凸部3的側(cè)面4和主面2的表面粗糙度RMS為IOnm以下的藍寶石基板I來生長GaN層21。圖4表示本實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板20。GaN層21在藍寶石基板I上的生長與上述比較例同樣，通過HVPE并在相同的生長條件下進行。本實施方式的藍寶石基板I與比較例不同，由于凸部3的側(cè)面4的表面粗糙度RMS被平坦化至IOnm以下，因此在作為C面以外的凸部3的傾斜側(cè)面4上，原料氣難以附著，難以產(chǎn)生GaN核。也就是說，GaN核在主面2上產(chǎn)生，在傾斜側(cè)面4上幾乎不產(chǎn)生，從而在生長初期，GaN在作為C面的主面2上生長，生長初期的GaN生長面fl如圖4中的虛線所示。在主面2上生長的生長面fl的GaN層以填滿凸部3的方式擴大生長(生長面f2、f3)，并進一步在凸部3上方形成具有凹坑(pit)的連續(xù)生長面f4的GaN層，一邊縮小生長面的凹坑一邊生長，并最終形成具有平坦表面的GaN層21。本實施方式的氮化物半導(dǎo)體外延基板20中，傾斜側(cè)面4上的GaN生長比作為C面
的主面2上的GaN生長慢。因此，GaN的生長面fl、f2......中與C面不平行的傾斜斜面存在
的時間變長，并且通過生長面的傾斜斜面而將位錯彎折，可促進位錯彼此的締合 減少。因此，本實施方式中，可以將GaN層21的位錯密度抑制為較低，并且可以得到具有結(jié)晶性良好的GaN層21的氮化物半導(dǎo)體外延基板20。即使將凸部3的側(cè)面4的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下，當(dāng)凸部3的高度h低于O. 5 μ m，或者鄰接的凸部3間的間距P比6 μ m寬時，也和使用以往未實施凹凸加工的平坦藍寶石基板來進行GaN生長的情況近似，無法獲得存在GaN生長面的傾斜斜面所產(chǎn)生的位錯降低效果。此外，如果凸部3的高度h高于3 μ m，則難以使藍寶石基板上生長的GaN層等氮化物半導(dǎo)體層的表面平坦化。以下，對測定氮化物半導(dǎo)體外延基板的GaN層表面的位錯密度的具體例子進行說明。對于使用未實施凹凸加工的平坦的藍寶石基板(主面的RMS為Inm以下)的以往情況、圓錐狀的凸部3’的側(cè)面4’的表面粗 糙度RMS超過IOnm且為50nm以下的上述比較例的情況、和圓錐狀的凸部3的側(cè)面4的表面粗糙度RMS為IOnm以下的上述實施方式的情況，分別測定氮化物半導(dǎo)體外延基板的GaN層表面的位錯密度。另外，在比較例和實施方式中，凸部距離主面的高度h為I μ m，連接的凸部間的間距P為4μ m。
以往的平坦的藍寶石基板上的GaN層的位錯密度為3X 108/cm2，比較例的藍寶石基板上的GaN層的位錯密度大于2 X 108/cm2，當(dāng)RMS為50nm時，位錯密度為2. 5X 108/cm2。此外，實施方式的藍寶石基板上的GaN層中，當(dāng)凸部的側(cè)面的表面粗糙度RMS為IOnm時，位錯密度為2X 108/cm2，當(dāng)該RMS為3nm時，位錯密度為1. 2X 108/cm2，當(dāng)該RMS為O. 2nm時，位錯密度為O. 5X108/cm2。此外，當(dāng)在O. 5μπι 6. 5μπι的范圍內(nèi)對藍寶石基板主面上所形成的圓錐狀的凸部3間的間距P進行各種變更，以及在O. 2 μ m 3.1 μ m的范圍內(nèi)對凸部3的高度h進行各種變更的情況下，使凸部3的側(cè)面4的表面粗糙度RMS分別為10nm、3nm、0. 2nm時，測定在藍寶石基板上所形成的GaN層表面的位錯密度。另外，凸部3的側(cè)面4的傾斜角Θ約為45。。將位錯密度(X IOVcm2)的測定結(jié)果示于表I 表3。將側(cè)面4的RMS值為IOnm的情況示于表1，側(cè)面4的RMS值為3nm的情況示于表2，側(cè)面4的RMS值為O. 2nm的情況示于表3。另外，如表I 表3所示，在藍寶石基板的主面上所形成的鄰接的凸部3彼此之間即使部分也未重疊的范圍內(nèi)制作了凸部3。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體生長用基板，其特征在于，在藍寶石基板的作為C面的主面上，以格子狀配置而形成有具有相對于所述主面以小于90°傾斜的側(cè)面的錐狀或錐臺狀的凸部，并且所述凸部距離所述主面的高度為0. 5 以上以下，鄰接的所述凸部間的距離為I y m以上6 m以下，所述凸部的所述側(cè)面的表面粗糙度RMS為IOnm以下。
2.一種氮化物半導(dǎo)體生長用基板的制造方法，其特征在于，在藍寶石基板的作為C面的主面上，通過光刻和干蝕刻，在所述主面上使鄰接的凸部間的距離為I U m以上6 y m以下以格子狀配置而形成距離所述主面的高度為0. 5 y m以上3 y m以下并且具有相對于所述主面以小于90°傾斜的側(cè)面的錐狀或錐臺狀的所述凸部，然后在含有氧的氛圍中對所述藍寶石基板實施退火處理，將所述凸部的所述側(cè)面的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下。
3.一種氮化物半導(dǎo)體外延基板，其特征在于，在權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體生長用基板上生長由氮化物半導(dǎo)體所形成的外延層直至其表面平坦化，從而形成。
4.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，在權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體外延基板上形成有元件結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠生長低位錯密度的氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體生長用基板及其制造方法、以及使用氮化物半導(dǎo)體生長用基板所制作的氮化物半導(dǎo)體外延基板和氮化物半導(dǎo)體元件。一種氮化物半導(dǎo)體生長用基板，其在藍寶石基板的作為C面的主面上，以格子狀配置而形成有具有相對于所述主面以小于90°傾斜的側(cè)面的錐狀或錐臺狀的凸部，并且所述凸部距離所述主面的高度為0.5μm以上3μm以下，鄰接的所述凸部間的距離為1μm以上6μm以下，所述凸部的所述側(cè)面的表面粗糙度RMS為10nm以下。
文檔編號H01L33/22GK103050597SQ20121039092
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者藤倉序章, 松田三智子, 今野泰一郎 申請人:日立電線株式會社