专利名称：氮化物半导体生长用基板及其制造方法、氮化物半导体外延基板、以及氮化物半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够生长低位错密度的氮化物半导体的氮化物半导体生长用基板及其制造方法、以及使用氮化物半导体生长用基板所制作的氮化物半导体外延基板和氮化物半导体元件。
背景技术：
在GaN系LED中，作为用于提高其光输出效率的方法，采用了在蓝宝石基板的表面(生长面)上实施圆锥状、方锥台(角錐台)状等的凹凸加工，在凹凸加工的表面上外延生长GaN层直至表面变得平坦，并在GaN层上形成含有发光层的外延层的方法(例如，参照专利文献1、2)。在上述蓝宝石基板的凹凸加工的表面上生长GaN时，可促进GaN生长初期的岛状生长，并且通过使位错彼此缔合 减少，也具有可以得到与在平坦的蓝宝石基板表面上生长的情况相比位错少的GaN层这样的效果。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2002 — 280611号公报专利文献2 :日本特开2011 — 91374号公报
发明内容
发明要解决的问题 通过在上述蓝宝石基板的凹凸加工的表面上的GaN生长，虽然可实现位错的降低，但尚不充分，要求进一步的低位错化。本发明的目的是提供一种能够生长低位错密度的氮化物半导体的氮化物半导体生长用基板及其制造方法、以及使用氮化物半导体生长用基板所制作的氮化物半导体外延基板和氮化物半导体元件。用于解决问题的方法本发明的第一方式是一种氮化物半导体生长用基板，其在蓝宝石基板的作为C面的主面上，以格子状配置而形成有具有相对于所述主面以小于90°倾斜的侧面的锥状或锥台状的凸部，并且所述凸部距离所述主面的高度为O. 5 μ m以上3 μ m以下，邻接的所述凸部间的距离为I μ m以上6 μ m以下，所述凸部的所述侧面的表面粗糙度RMS为IOnm以下。本发明的第二方式是一种氮化物半导体生长用基板的制造方法，其是在蓝宝石基板的作为C面的主面上，通过光刻和干蚀刻，在所述主面上以格子状配置而形成距离所述主面的高度为O. 5 μ m以上3 μ m以下并且具有相对于所述主面以小于90°倾斜的侧面的锥状或锥台状的凸部，然后在含有氧的氛围中对所述蓝宝石基板实施退火处理，将所述凸部的所述侧面的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下，使邻接的所述凸部间的距离为IymW上6 μ m以下。
本发明的第三方式是一种氮化物半导体外延基板，其特征在于，在第一方式所述的氮化物半导体生长用基板上生长由氮化物半导体所形成的外延层直至其表面平坦化，从而形成。本发明的第四方式是一种氮化物半导体元件，在第三方式所述的氮化物半导体外延基板上形成有元件结构。发明效果根据本发明，可以得到一种能够生长低位错密度的氮化物半导体的氮化物半导体生长用基板。此外，可以得到使用氮化物半导体生长用基板所制作的、具有低位错密度的氮化物半导体层的氮化物半导体外延基板和氮化物半导体元件。
图1表不本发明一种实施方式的氮化物半导体生长用基板，图1 (a)为侧面图，图1 (b)是放大图1 (a)的主面一部分所得的平面图，图1 (C)是图1 (b)的C 一 C截面图。图2是表示本发明一种实施方式的氮化物半导体生长用基板的制造方法的制造工序的工序图。图3是表示比较例的氮化物半导体外延基板的截面图。图4是表示本发明一种实施方式的氮化物半导体外延基板的截面图。图5是表示本发明一种实施方式的氮化物半导体元件的概略结构的截面图。图6是表示本发明另一实施方式的氮化物半导体外延基板的截面图。符号说明 I 蓝宝石基板(退火后)I’ 蓝宝石基板(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 侧面(退火后)4’ 侧面(退火前)5 光致抗蚀剂(烘焙前)6 光致抗蚀剂(烘焙后)13 凸部14 侧面15 上表面20 氮化物半导体外延基板21 GaN 层30 氮化物半导体外延基板31 GaN 层h 凸部的高度P 凸部间的间距(距离)
具体实施例方式本发明是基于下述见解进行的，S卩，在蓝宝石基板的主面(C面)上实施圆锥状等的凹凸加工，并在凹凸加工的主面上外延生长GaN等氮化物半导体时，氮化物半导体的位错降低效果依存于凹凸形状的倾斜侧面的表面粗糙度，并且通过将侧面的表面粗糙度rms值平滑化至IOnm以下，可以促进低位错化。以下，对本发明的一种实施方式的氮化物半导体生长用基板及其制造方法、以及使用该氮化物半导体生长用基板所制作的氮化物半导体外延基板和氮化物半导体元件进行说明。(氮化物半导体生长用基板)图1(a)是作为本发明一种实施方式的氮化物半导体·生长用基板的蓝宝石基板的侧面图，图1 (b)是放大图1 (a)的主面一部分所得的平面图，图1 (C)是图1 (b)的C 一C截面图。如图1 (a)所示，作为氮化物半导体生长用基板的蓝宝石基板I是由蓝宝石所形成的圆盘状等的晶片，并且在生长氮化物半导体的蓝宝石基板I的作为成为生长面的C面的主面2上实施了对氮化物半导体的低位错化有效的凹凸加工。如图1 (b)、(C)所示，在蓝宝石基板I的主面2上以三角格子状配置而形成有圆锥状的凸部3。凸部3距离主面2的高度h为O. 5 μ m以上3 μ m以下，邻接的凸部3间的间距(距离，三角格子的正三角形的边的长度)P为Iym以上6μπι以下。凸部3具有相对于主面2以小于90°倾斜的倾斜角Θ的侧面(圆锥面)4。侧面4的倾斜角Θ优选为30°以上70°以下。此外，凸部3的侧面4形成为表面粗糙度的RMS (均方根粗糙度)的值为IOnm以下的平滑面。凸部3的侧面4的表面粗糙度RMS更优选为3nm以下。凸部3的侧面4的平滑化，例如在通过干蚀刻形成凸部3后，在含有氧的氛围中实施退火处理即可。本实施方式的凸部3是圆锥状的，但也可以是棱锥状(三角锥、四角锥等)、椭圆锥状等锥状。此外，本实施方式的凸部3，如图1 (c)所示，是侧面4的倾斜角Θ大致固定的圆锥状，但也可以是侧面的倾斜角不固定，圆锥状、棱锥状或椭圆锥状等的凸部的侧面向外侧膨胀或向内侧收缩所得那样的形状(例如，圆锥状的凸部的侧面(圆锥面)向外侧膨胀或向内侧收缩所得的抛物面状或双曲面状的形状)。进一步，蓝宝石基板I的主面2上所形成的凸部还可以是锥台状的。作为锥台状，有圆锥台状、方锥台状(三角台锥、四角台锥等)、椭圆锥台状等，并且还可以是这些锥台状的侧面向外侧膨胀或向内侧收缩所得那样的形状。此外，本实施方式的凸部3以三角格子状配置在主面2上，但并不限定于三角格子状，例如，也可以以正方格子状等格子状进行配置，优选凸部均匀地分散配置在蓝宝石基板的主面上。(氮化物半导体生长用基板的制造方法)接着，对本发明的一种实施方式的氮化物半导体生长用基板的制造方法进行说明。在图2 (a) (d)中，表示本实施方式的氮化物半导体生长用基板的制造方法的各工序的截面图。本实施方式的氮化物半导体生长用基板是在蓝宝石基板的作为C面的主面上，以三角格子状配置而形成有圆锥状的凸部的氮化物半导体生长用基板。
首先，在蓝宝石基板的作为C面的主面2上形成光致抗蚀图。作为一个例子，在进行了镜面研磨的C面蓝宝石基板的主面2的整面上涂布光致抗蚀剂，然后通过光刻法进行图案曝光、显影，从而在主面2上形成圆柱状的光致抗蚀剂5以三角格子状配置而成的光致抗蚀图(图2 (a))。邻接的圆柱状的光致抗蚀剂5、5间的间距P (成为通过后面的干蚀刻工序所形成的蓝宝石基板的凸部的间距P)为I μ m以上6 μ m以下。接着，使用热板对上述形成了光致抗蚀图的蓝宝石基板进行烘焙，并加热光致抗蚀剂。在该烘焙工序中，随着光致抗蚀剂5中多余的有机溶剂蒸发，圆柱状的光致抗蚀剂5变化为半球状的光致抗蚀剂6 (图2 (b))。接着，对形成了半球状的光致抗蚀剂6的蓝宝石基板的主面2进行干蚀刻。干蚀刻工序，作为一个例子，使用等离子蚀刻装置，在等离子蚀刻装置的反应室内设置蓝宝石基板1，并向反应室内供给含有氯的反应性气体，利用反应室内生成的反应性气体等离子体，对蓝宝石基板I的主面2进行干蚀刻。通过该干蚀刻，可在蓝宝石基板I’的主面2’上以三角格子状配置而形成圆锥状的凸部3’(图2 (C))。凸部3’距离主面2’的高度h为0.5μπι以上3μπι以下，并且邻接的凸部3’、3’间的间距P为Iym以上6 μπι以下。但是，圆锥状的凸部3’的侧面4’和主面2’的表面通过干蚀刻而导致表面变粗，表面粗糙度RMS值为大于IOnm且为50nm以下的程度。接着，对通过干蚀刻 而以三角格子状配置有多个凸部3’的蓝宝石基板I’进行退火。退火工序，作为一个例子，使用电炉，在电炉内设置蓝宝石基板1’，并使电炉内为含有氧的氛围(氧氛围或大气)，在800°C以上1200°C以下的退火温度下进行I小时以上的退火处理(图2 (d))。通过该退火处理，表面粗糙度RMS超过IOnm并且为50nm以下的凸部3’的侧面4’和主面2’被平滑化，退火后的凸部3的侧面4和主面2的RMS为IOnm以下。由此，可以得到作为本实施方式的氮化物半导体生长用基板的蓝宝石基板I。退火温度越高并且退火处理时间越长，则退火后的侧面4和主面2的RMS值越降低，最好的情况下，RMS值为O. 2nm。表面粗糙度RMS值是使用原子力显微镜(Atomic Force Microscope AFM)测定的值。另外，例如，为了使半球状的光致抗蚀剂6成为半椭圆体状的光致抗蚀剂，可以通过调整曝光条件、烘焙条件而调整·改变圆锥状的凸部3的侧面4的倾斜角Θ。(氮化物半导体外延基板)本发明一种实施方式的氮化物半导体外延基板是在上述进行了退火处理的蓝宝石基板I上生长作为由氮化物半导体所形成的外延层的GaN层直至其表面平坦化而形成的。(比较例)首先，作为与本实施方式的氮化物半导体外延基板进行比较的比较例，使用图2(c)所示的退火前的蓝宝石基板，即圆锥状的凸部3’的侧面4’和主面2’的表面粗糙度RMS大于IOnm且为50nm以下的蓝宝石基板I’来生长GaN层。图3表示比较例的氮化物半导体外延基板10。GaN层11在蓝宝石基板I’上的生长通过HVPE (有机金属气相生长)来进行。作为生长条件，使HVPE装置内的压力为IOkPa 120kPa、生长温度为800°C 1200°C，Ga原料气使用GaCl气体，氮原料气使用NH3，载气使用H2和N2的混合气体。
GaN层11在蓝宝石基板I’上的生长中，原料气容易附着在作为C面的主面2’上，容易产生GaN核。相反，在C面以外的凸部3’的倾斜侧面4’上，原料气通常难以附着，难以产生GaN核。然而，比较例的蓝宝石基板I’的凸部3’的侧面4’由于表面粗糙度RMS大于IOnm且为50nm以下，较粗糙，因此原料气容易附着，较容易产生核。因此，从GaN生长初期开始，GaN在蓝宝石基板I’的整面上生长，如图3中虚线所示，生长初期的GaN生长面Π形成与蓝宝石基板I’表面对应的形状。GaN的生长面按照H、f2、f3依次生长，并且很快就形成平坦的生长面。GaN的生长面中与C面不平行的倾斜斜面使位错弯折而促进位错彼此的缔合 减少，然而在比较例的GaN层11中，由于生长面的倾斜斜面存在的时间短，并很快形成平坦的生长面，因此位错降低效果小。另外，不管作为C面的主面2’是平滑面(RMS为IOnm以下)还是非平滑面(RMS大于IOnm且为50nm以下)，GaN生长都几乎没有变化。(本实施方式)本实施方式的氮化物半导体外延基板使用如上述图2 (d)所示的进行了退火处理的蓝宝石基板1，即圆锥状的凸部3的侧面4和主面2的表面粗糙度RMS为IOnm以下的蓝宝石基板I来生长GaN层21。图4表示本实施方式的氮化物半导体外延基板20。GaN层21在蓝宝石基板I上的生长与上述比较例同样，通过HVPE并在相同的生长条件下进行。本实施方式的蓝宝石基板I与比较例不同，由于凸部3的侧面4的表面粗糙度RMS被平坦化至IOnm以下，因此在作为C面以外的凸部3的倾斜侧面4上，原料气难以附着，难以产生GaN核。也就是说，GaN核在主面2上产生，在倾斜侧面4上几乎不产生，从而在生长初期，GaN在作为C面的主面2上生长，生长初期的GaN生长面fl如图4中的虚线所示。在主面2上生长的生长面fl的GaN层以填满凸部3的方式扩大生长(生长面f2、f3)，并进一步在凸部3上方形成具有凹坑(pit)的连续生长面f4的GaN层，一边缩小生长面的凹坑一边生长，并最终形成具有平坦表面的GaN层21。本实施方式的氮化物半导体外延基板20中，倾斜侧面4上的GaN生长比作为C面
的主面2上的GaN生长慢。因此，GaN的生长面fl、f2......中与C面不平行的倾斜斜面存在
的时间变长，并且通过生长面的倾斜斜面而将位错弯折，可促进位错彼此的缔合 减少。因此，本实施方式中，可以将GaN层21的位错密度抑制为较低，并且可以得到具有结晶性良好的GaN层21的氮化物半导体外延基板20。即使将凸部3的侧面4的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下，当凸部3的高度h低于O. 5 μ m，或者邻接的凸部3间的间距P比6 μ m宽时，也和使用以往未实施凹凸加工的平坦蓝宝石基板来进行GaN生长的情况近似，无法获得存在GaN生长面的倾斜斜面所产生的位错降低效果。此外，如果凸部3的高度h高于3 μ m，则难以使蓝宝石基板上生长的GaN层等氮化物半导体层的表面平坦化。以下，对测定氮化物半导体外延基板的GaN层表面的位错密度的具体例子进行说明。对于使用未实施凹凸加工的平坦的蓝宝石基板(主面的RMS为Inm以下)的以往情况、圆锥状的凸部3’的侧面4’的表面粗 糙度RMS超过IOnm且为50nm以下的上述比较例的情况、和圆锥状的凸部3的侧面4的表面粗糙度RMS为IOnm以下的上述实施方式的情况，分别测定氮化物半导体外延基板的GaN层表面的位错密度。另外，在比较例和实施方式中，凸部距离主面的高度h为I μ m，连接的凸部间的间距P为4μ m。
以往的平坦的蓝宝石基板上的GaN层的位错密度为3X 108/cm2，比较例的蓝宝石基板上的GaN层的位错密度大于2 X 108/cm2，当RMS为50nm时，位错密度为2. 5X 108/cm2。此外，实施方式的蓝宝石基板上的GaN层中，当凸部的侧面的表面粗糙度RMS为IOnm时，位错密度为2X 108/cm2，当该RMS为3nm时，位错密度为1. 2X 108/cm2，当该RMS为O. 2nm时，位错密度为O. 5X108/cm2。此外，当在O. 5μπι 6. 5μπι的范围内对蓝宝石基板主面上所形成的圆锥状的凸部3间的间距P进行各种变更，以及在O. 2 μ m 3.1 μ m的范围内对凸部3的高度h进行各种变更的情况下，使凸部3的侧面4的表面粗糙度RMS分别为10nm、3nm、0. 2nm时，测定在蓝宝石基板上所形成的GaN层表面的位错密度。另外，凸部3的侧面4的倾斜角Θ约为45。。将位错密度(X IOVcm2)的测定结果示于表I 表3。将侧面4的RMS值为IOnm的情况示于表1，侧面4的RMS值为3nm的情况示于表2，侧面4的RMS值为O. 2nm的情况示于表3。另外，如表I 表3所示，在蓝宝石基板的主面上所形成的邻接的凸部3彼此之间即使部分也未重叠的范围内制作了凸部3。[表 I]
权利要求
1.一种氮化物半导体生长用基板，其特征在于，在蓝宝石基板的作为C面的主面上，以格子状配置而形成有具有相对于所述主面以小于90°倾斜的侧面的锥状或锥台状的凸部，并且所述凸部距离所述主面的高度为0. 5 以上以下，邻接的所述凸部间的距离为I y m以上6 m以下，所述凸部的所述侧面的表面粗糙度RMS为IOnm以下。
2.一种氮化物半导体生长用基板的制造方法，其特征在于，在蓝宝石基板的作为C面的主面上，通过光刻和干蚀刻，在所述主面上使邻接的凸部间的距离为I U m以上6 y m以下以格子状配置而形成距离所述主面的高度为0. 5 y m以上3 y m以下并且具有相对于所述主面以小于90°倾斜的侧面的锥状或锥台状的所述凸部，然后在含有氧的氛围中对所述蓝宝石基板实施退火处理，将所述凸部的所述侧面的表面粗糙度RMS平坦化至IOnm以下。
3.一种氮化物半导体外延基板，其特征在于，在权利要求1所述的氮化物半导体生长用基板上生长由氮化物半导体所形成的外延层直至其表面平坦化，从而形成。
4.一种氮化物半导体元件，其特征在于，在权利要求3所述的氮化物半导体外延基板上形成有元件结构。
全文摘要
本发明提供一种能够生长低位错密度的氮化物半导体的氮化物半导体生长用基板及其制造方法、以及使用氮化物半导体生长用基板所制作的氮化物半导体外延基板和氮化物半导体元件。一种氮化物半导体生长用基板，其在蓝宝石基板的作为C面的主面上，以格子状配置而形成有具有相对于所述主面以小于90°倾斜的侧面的锥状或锥台状的凸部，并且所述凸部距离所述主面的高度为0.5μm以上3μm以下，邻接的所述凸部间的距离为1μm以上6μm以下，所述凸部的所述侧面的表面粗糙度RMS为10nm以下。
文档编号H01L33/22GK103050597SQ20121039092
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月15日 优先权日2011年10月17日
发明者藤仓序章, 松田三智子, 今野泰一郎 申请人:日立电线株式会社