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