hvpe法によるgan基板開発 の現状 - astf...2009/10/30 · hvpe法によるgan基板開発...
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HVPE法によるGaN基板開発
の現状古河機械金属株式会社
研究開発本部
碓井 彰
2009/10/30 第5回窒化物半導体応用研究会
共同研究者:砂川晴男、鷲見紀彦、山本一富、佐々木斉、後藤裕輝
OUTLINE
1. HVPE法によるC面GaN基板
▫ 転位削減
▫ 曲率半径削減
2. HVPE法による(11-22)面GaN結晶の作製
▫ m面サファイア基板上の成膜構造▫ AlNバッファ層の効果
▫ ELOによる結晶性向上
窒化ガリウム(GaN)基板の応用と期待窒化ガリウム(GaN)基板の応用と期待窒化ガリウム(GaN)基板の応用と期待
•DVD用ピックアップ光源光出力:30 mW ~ 数100 mW、寿命: >10,000時間
★高輝度白色発光ダイオード
•液晶バックライト、自動車照明•固体照明
→熱伝導度、低欠陥、透明性
★青紫レーザダイオード
★電子デバイス(パワートランジスタ)•インバーター•HEV、EV用パワートランジスタ•携帯基地局用
→低欠陥、伝導度制御、高熱伝導度
基板市場予測基板市場予測
HVPE法によるGaN結晶成長
– 下地基板:サファイア(0001)面
– 成長温度1040℃– 基板回転(10rpm)
– n型ドーピング:Si
– 常圧成長
GaCl + NH3 ⇒ GaN + H2 + HCl成長反応:
Heater
850 ℃ ~1040 ℃
SiH2Cl2,H2
NH3,H2
Ga source Substrate
Exhaust
GaClHCl
GaNウエハー仕様
項目 仕様
面方位 (0001)
ウエハー サイズ 50.0Φ±0.5mm
ウエハー 厚さ 400±30μm
OF (Orientation Flat) (1-100)±0.5°,16±1mm
SF (Secondary Flat) (11-20)±5.0°CCW
TTV (Total Thickness Value) <15μm
そり <30μm
表面処理(Ga 面) Ra<0.5nm (CMP)
キャリアー濃度(Si doped) >1×1018cm-3
転位密度 <3×106cm-2
熱伝導度の測定
Temperature(K)Ther
mal
con
duct
ivity
(W/c
m-K
)
高い熱伝導度 :2.1 W/cm-K@RT
熱伝導度は結晶性(転位密度、不純物濃度等)に依存
D.Kotchetkov et al,:Appl.Phys.lett.,79(26), p4316(2001)
高い結晶性を示唆
Si: 1.3 W/cm-KGaAs: 0.55Al2O3: 0.42SiC: 4.9
10 20 30 40 50
10
20
30
40
50
X Axis [mm]
Y A
xis
[mm
]
1.0E+17
4.2E+17
7.3E+17
1.1E+18
1.4E+18
1.7E+18
2.0E+18
キャ
リア
濃度
[cm
-3]
n型ドーピング(Si)濃度分布
2” ウエハー上のキャリア濃度分布をテラヘルツ波(THz)反射画像マッピング
によって確認
キャリア濃度制御
THz反射によるキャリア濃度
マッピングシステム(共同研究:当社,理研*).
*S.Ohno et al., J. Euro. Opt. Soc., Rapid Publications 4, 09012(2009).
THz反射によるキャリア濃度
マッピングシステム(共同研究:当社,理研*).
*S.Ohno et al., J. Euro. Opt. Soc., Rapid Publications 4, 09012(2009).
carr
ier c
onc.
(cm
-3)
Average:1.1×1018[cm-3]
m面サファイヤ基板を用いた{11-22}面GaN結晶のHVPE成長
※本研究は、NEDOプロジェクト「ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発-窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発 」の一部として行われました。
{11-22}面
31.6º
(11-22)面の特徴・Inが取り込まれやすい。・発光偏向方向の制御
(11-22)面の特徴・Inが取り込まれやすい。・発光偏向方向の制御
T. Takeuchi et al, JJAP 39(2000)413.
内部電界と結晶面の関係
背景
電気分極
c面
a面
{11-22}面
a面m面
c面 c面に比べ内部電界の影響が小さい
c面に比べ内部電界の影響が小さい
1
K.Nishizuka et al, APL 85(2004)3122.
{11-22}ファセットからの強発光
M.Funato et al, JJAP 45(2006)L659.
{11-22}面InGaN/GaN 3色LED
現状の半極性、無極性GaN基板
(11-22):半極性面(0001)面:極性面
(1-100):無極性面
C面GaNバルク基板(数C面GaNバルク基板(数mmmm~~1cm)1cm)からのスライスからのスライス
m面サファイヤ基板を用いた{11-22}面GaN結晶報告例HVPE法: 基板表面窒化[1],AlGaNバッファ[4]MOCVD法: AlNバッファ[2],低温GaN層[3]
[1] Baker et. al. JJAP45(2006)L154.[2] Vennegues et. al. JJAP46(2007)4089.[3] Wernicke et. al. phys. stat. sol. (c) 5(2008)1815.[4] Usikov et.al phys. stat. sol. (c) 6(2009)s321.
目的
HVPE法により、厚膜成長にも適した高品質の{11-22}面GaN結晶製造方法を開発する
HVPE法により、厚膜成長にも適した高品質の{11-22}面GaN結晶製造方法を開発する
m面サファイヤ基板c軸方向に2ºオフ
GaN層 約1µm
GaN層 約25µm
AlNバッファ層 約40nm 600℃ / 1150℃
成膜温度
1040℃
1050℃
HVPE
MOCVD
成膜構造
AlN
成膜温度600℃ 1150℃
外観
光学
顕微鏡 〈11-20〉
〈0001〉500μm
白濁部透明部
500μm
〈11-20〉
〈0001〉
白濁部
透明部
AlN成膜温度と表面状態 (m面Justサファイヤ上)
GaN{10-10}X線極点図
AlN
成膜温度600℃ 1150℃
透明部
白濁部
GaN〈0001〉
m面配向
{10-13}配向
{11-22}配向
GaN〈0001〉
AlN成膜温度と結晶配向性 (m面Justサファイヤ上)
m面サファイヤ基板c軸方向に2ºオフ
GaN層 厚さ:50µm
GaN層 厚さ:25µm
SiO2マスク厚さ:150nm 幅:15µm
〈10-10〉GaN〈11-22〉GaN
AlN層
開口部 幅:2µm
{11-22}面GaNテンプレート上のELO成長
マスク無し マスク有り
959.4420.3 539.7
540.7
GaN{11-22}
25µm
CL像
濃淡
〈0001〉p入射
〈10-10〉入射
XRC半値幅の異方性が改善
m面サファイヤ基板c軸方向に2ºオフ
GaN層 厚さ:50µm
GaN層 厚さ:25µm
SiO2マスク厚さ:150nm 幅:15µm
〈10-10〉GaN〈11-22〉GaN
AlN層
開口部 幅:2µm
{11-22}面GaNテンプレート上のELO成長(I)
(a) マスク無し (b) マスク有り
959.4420.3 539.7
540.7
GaN{11-22}
〈0001〉p入射
〈10-10〉入射
XRC半値幅の異方性が改善
•m面サファイヤ基板上に、高温(1150℃)AlNバッファ層を介してHVPE成長することにより、m面GaNの成長を実現
•サファイアとAlNとのC軸の関係は、サファイアr面上のGaN a面成長とほぼ同様な関係を有している。
•m軸垂直入射XRC半値幅は500arcsec程度と良好な{11-22}面GaN層が得られたが、m軸平行入射XRC半値幅は1800arcsecと広く、断面CL観察によりc面に沿って観察されるダークラインと関係していると考えられる。
•m軸に平行なストライプマスクを用いたELO成長により、XRC半値幅の異方性が改善され、 m軸に対して垂直、あるいは平行入射XRC半値幅両方において、約500arcsecと良好な値が得られた。
•m面サファイヤ基板上に、高温(1150℃)AlNバッファ層を介してHVPE成長することにより、m面GaNの成長を実現
•サファイアとAlNとのC軸の関係は、サファイアr面上のGaN a面成長とほぼ同様な関係を有している。
•m軸垂直入射XRC半値幅は500arcsec程度と良好な{11-22}面GaN層が得られたが、m軸平行入射XRC半値幅は1800arcsecと広く、断面CL観察によりc面に沿って観察されるダークラインと関係していると考えられる。
•m軸に平行なストライプマスクを用いたELO成長により、XRC半値幅の異方性が改善され、 m軸に対して垂直、あるいは平行入射XRC半値幅両方において、約500arcsecと良好な値が得られた。
まとめ
m面サファイヤ基板を用いた{11-22}面GaN結晶のHVPE成長m面サファイヤ基板を用いた{11-22}面GaN結晶のHVPE成長
END