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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024172832
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体基板
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20241205BHJP
C30B 25/20 20060101ALI20241205BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B25/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023090831
(22)【出願日】2023-06-01
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、環境省、革新的な省ＣＯ２実現のための部材（ＧａＮ）や素材（ＣＮＦ）の社会実装・普及展開加速化事業（超低抵抗ＧａＮウエハを用いた高効率インバータの開発・検証）委託業務、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100113170
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 和久
(72)【発明者】
【氏名】隅 智亮
(72)【発明者】
【氏名】旭 雄大
【テーマコード（参考）】
4G077
【Ｆターム（参考）】
4G077AA02
4G077AA03
4G077AB01
4G077BE15
4G077DB08
4G077EB01
4G077ED06
4G077FG11
4G077GA01
4G077GA06
4G077TA04
4G077TB05
(57)【要約】
【課題】動作時の抵抗が低いデバイスを実現するため、良好なエピタキシャル層を形成可能な、高濃度に不純物添加されたＩＩＩ族窒化物半導体基板を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体基板は、ｎ型の伝導性を示し、ｎ型ドーパント元素のキャリア濃度が１０１９ｃｍ－３以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【選択図】図１
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体基板は、ｎ型の伝導性を示し、ｎ型ドーパント元素のキャリア濃度が１０１９ｃｍ－３以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｎ型の伝導性を示し、ｎ型ドーパント元素のキャリア濃度が１０１９ｃｍ－３以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、
を備え、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である、ＩＩＩ族窒化物半導体基板。
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、
を備え、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である、ＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項2】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶に比べて、カソードミネッセンスの発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度が５分の１以下となる、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項3】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の主たるＩＩＩ族元素と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の主たるＩＩＩ族元素とが同一である、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項4】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の前記ｎ型ドーパント元素が酸素である、請求項１から３のいずれか一項に記載の前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項5】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の中の酸素濃度が１×１０２０aｔｏｍｓ・ｃｍ－３以上である、請求項４に記載の前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【0002】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、半導体レーザー及び発光ダイオード等の光デバイス、並びに高周波又は高出力の電子デバイス等の分野で使用されている。近年、これらの半導体は、シリコン系のデバイスと比較して、電力変換の際のスイッチングロスの低減が期待できることから、特に注目を集めている。高周波又は高出力の電子デバイスを作製するためには、デバイス層に発生する結晶欠陥を抑えることが可能な高品質なＩＩＩ族窒化物基板上へデバイスを作製する必要がある。
【0003】
ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、例えば、ハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法ともいう）、アモノサーマル法、ナトリウムフラックス法、及び酸化物気相成長法（以下、ＯＶＰＥ法ともいう）を含む。
【0004】
基板製造方法として用いられることが最も多い、ＨＶＰＥ法では、単体のＩＩＩ族原料上にハロゲン化水素ガスを導入してハロゲン化物ガスを生成させ、生成したＩＩＩ族元素のハロゲン化物ガスを結晶成長用の原料ガスとして用いる。例えば、窒化ガリウム結晶を成長させる場合、Ｇａ金属にＨＣｌガスを導入して塩化ガリウム（例えば、ＧａＣｌ）ガスを製造し、塩化ガリウム含有ガスをＩＩＩ族源として用いることで、高速成長が実現できる。ＨＶＰＥ法では、主に、シリコン元素をＩＩＩ族窒化物結晶に添加することで、Ｎ型の導電性を有するＩＩＩ族窒化物結晶を得られることが知られている。
【0005】
一方、ＯＶＰＥ法では、酸化物原料ガスを用いることで、ＩＩＩ族窒化物結晶に酸素元素を高濃度に添加して、結晶を製造する。この方法では、ＩＩＩ族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて、ＩＩＩ族窒化物結晶を製造する。この方法で得られている基板では、転位密度が１０４ｃｍ―２台の低転位密度の基板が得られていて、高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を得る手段の一つである。
【0006】
上述のような各方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物結晶を機械的な加工もしくは化学反応などを用いて加工して、鏡面の表面を有するＩＩＩ族窒化物基板を得ることができる。これら基板の上にＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル膜を形成することで、デバイスを作製することができる。作製されるエピタキシャル膜は、基板の結晶品質を引き継ぐことが知られているが、そのためにはエピタキシャル層を形成する基板表面が、原子レベルで結晶としての配列が整っていて、前述の加工のダメージが除去されている必要がある（特許文献１，２）。そのために、基板表面の鏡面加工後に化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００５－１１２６４１号公報
【特許文献2】特開２００９－２９６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
前記の加工及び表面の処理方法は、広く市販されているキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ―３以下の窒化物半導体基板に対しては適切であり、化学機械研磨（ＣＭＰ）がなされた基板の上に良好なエピタキシャル層を形成することができていた。
【0009】
しかしながら、低抵抗なデバイスを作製するため、基板のキャリア濃度をより高めるために不純物を高濃度に添加すると、窒化物半導体結晶の各原子間の結合力において、イオン結合性の力の寄与が不純物濃度の低い結晶と比べて若干大きくなるため、化学反応しやすくなる。すなわち、化学薬品で分解されやすいことや、高温にさらされると構成原子が表面から容易に脱離してしまう。そのため、ＣＭＰにおいて結晶表面に窪みが発生して荒れてしまう問題が発生することを、本発明者らは発見した。この窪みの発生には、不純物を高濃度に添加すると、結晶表面において不純物が大きな面内分布を持つことにより、ＣＭＰの加工レートに面内分布が発生し、ＣＭＰ後の表面のエッチング量に分布が発生することが関係する。
【0010】
また、前述の基板上にエピタキシャル層を形成すると、エピタキシャル層形成のために基板を昇温すると基板の表面から構成原子が脱離するため、分解しやすい窪みの箇所が更に分解されて窪みのサイズが大きくなることや、新たな窪みが発生する。そのため、基板の上に形成されたエピタキシャル層に異常な結晶欠陥の発生を引き起こす場合がある。
【0011】
すなわち、本開示で解決すべき課題は、キャリア濃度が高い窒化物半導体結晶の表面に良好なエピタキシャル層を形成するために、結晶のエピタキシャル層を形成する表面での窪みの発生を抑えることである。
【0012】
本開示では、動作時の抵抗が低いデバイスを実現するため、良好なエピタキシャル層を形成可能な、高濃度に不純物添加されたＩＩＩ族窒化物半導体基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、ｎ型の伝導性を示し、ｎ型ドーパント元素のキャリア濃度が１０１９ｃｍ－３以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【発明の効果】
【0014】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板によれば、動作時の抵抗が低いデバイスを実現するための、良好なエピタキシャル層を形成可能な、高濃度に不純物添加されたＩＩＩ族窒化物半導体基板を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板の一例の断面構造を模式的に示す概略断面図である。
【図2】窒化ガリウム結晶と加工ダメージのある窒化ガリウム層のカソードルミネッセンスのスペクトルである。
【図3A】実施例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角１μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図3B】実施例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図4A】実施例１に係る窒化ガリウム基板の断面構造を模式的に示す概略断面図である。
【図4B】実施例１に係る窒化ガリウム基板の上に窒化ガリウム膜を成長させるために、１１００℃に昇温した場合の窒化ガリウム基板の断面構造を示す概略断面図である。
【図5A】実施例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図5B】実施例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角２５０μｍのフォトルミネッセンス（ＰＬ）像である。
【図6A】比較例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角１μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図6B】比較例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図7A】比較例１に係る窒化ガリウム基板の断面構造を模式的に示す概略断面図である。
【図7B】比較例１に係る窒化ガリウム基板の上に窒化ガリウム膜を成長させるために、１１００℃に昇温した場合の窒化ガリウム基板の断面構造を示す概略断面図である。
【図8A】比較例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
【図8B】比較例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角２５０μｍのフォトルミネッセンス（ＰＬ）像である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
＜本開示に至る経緯＞
本発明者らは、容易にかつ追加のコスト発生を抑えて前記の課題を解決するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）加工後のダメージを受けている層を十分には除去せずに残しておくことで、窪みの発生及び拡大を抑えることができると考えた。
本発明者らは、容易にかつ追加のコスト発生を抑えて前記の課題を解決するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）加工後のダメージを受けている層を十分には除去せずに残しておくことで、窪みの発生及び拡大を抑えることができると考えた。
【0017】
また、高濃度に不純物を添加されたＩＩＩ族窒化物半導体結晶では加工ダメージを受けているダメージ層も、不純物濃度の低い結晶基板と比べて、高温での分解反応速度が速い。そのため、ダメージの残ったダメージ層がＩＩＩ族窒化物半導体結晶の表面に存在していても、エピタキシャル層を形成するために高温にすることで、ダメージ層が分解除去され、良好なエピタキシャル層を形成できる基板表面を得ることが可能であることを見出し、本開示に至った。
【0018】
以下に本開示の各態様について説明する。
【0019】
第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、ｎ型の伝導性を示し、ｎ型ドーパント元素のキャリア濃度が１０１９ｃｍ－３以上のＩＩＩ族窒化物半導体結晶と、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【0020】
第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、上記第１の態様において、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶に比べて、カソードミネッセンスの発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度が５分の１以下となってもよい。
【0021】
第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、上記第１又は第２の態様において、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の主たるＩＩＩ族元素とＩＩＩ族窒化物半導体層の主たるＩＩＩ族元素とが同一であってもよい。
【0022】
第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、上記第１から第３のいずれかの態様において、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の前記ｎ型ドーパント元素が酸素であってもよい。
【0023】
第５の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板は、上記第４の態様において、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の中の酸素濃度が１×１０２０aｔｏｍｓ・ｃｍ－３以上であってもよい。
【0024】
以下、本開示の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板及びその製造方法について、添付図面を用いて例を挙げて説明する。ただし、本開示は、以下の説明で使用する数値や、特定の元素を用いることによるいかなる制限も受けない。
【0025】
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板１０の一例の断面構造を模式的に示す概略断面図である。このＩＩＩ族窒化物半導体基板１０は、図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２と、該ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４と、を備える。ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
図１は、本開示の実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板１０の一例の断面構造を模式的に示す概略断面図である。このＩＩＩ族窒化物半導体基板１０は、図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２と、該ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶と比べて、表面にダメージを有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４と、を備える。ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【0026】
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板１０によれば、動作時の抵抗が低いデバイスを実現するための、良好なエピタキシャル層を形成可能な、高濃度に不純物添加されたＩＩＩ族窒化物半導体基板を得ることが可能である。
【0027】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２の一部を機械加工したダメージのある層であるので、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２、及び、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層４中のそれぞれの主たるＩＩＩ族元素は同一である。機械加工後のダメージを含むＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の一部を機械加工したのみでは、機械加工の条件にもよるが、２～５μｍ程度有するが、本開示では、機械加工後にＩＩＩ族窒化物半導体層の一部を化学機械加工（ＣＭＰ）などの、ダメージを含む層を除去する工程により前述の厚みより薄くしてある。化学機械加工（ＣＭＰ）によって、ダメージを含むＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４を一部又は全部除去することができる。実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板１０の製造方法によれば、化学機械加工（ＣＭＰ）を、例えば、１時間以上５時間以下行うことによって、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４の残存する厚さを、１００ｎｍ以上、１μｍ以下にすることができる。なお、化学機械加工（ＣＭＰ）の時間は、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４の残存する厚さを上記範囲にするように適宜設定すればよい。
【0028】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４は、エピタキシャル層を形成する際の昇温過程でＩＩＩ族窒化物半導体結晶を保護するために、その厚みは１００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４によって、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２を昇温過程で保護することができ、その表面での分解による窪みの発生を抑えることが可能になる。厚みが１００ｎｍよりも小さい場合には昇温過程の途中で、ＩＩＩ族窒化物半導体層４が容易に分解しきってしまうため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２が高温下に露出してしまい、窪みが形成されてしまうおそれがある。
【0029】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４は、エピタキシャル層を形成する際には容易に除去されていることが良好なエピタキシャル層を形成するために重要であるので、その厚みは１μｍ以下であることが好ましい。厚みが１μｍ以下であれば、エピタキシャル層を形成するための昇温過程で、表面から加工ダメージの残っているＩＩＩ族窒化物半導体層を除去することが短時間で可能である。
【0030】
より厚みがある場合でも、前述のＩＩＩ族窒化物半導体結晶２の昇温時の保護は達成可能であるが、エピタキシャル層を形成するための昇温過程で、表面から加工ダメージの残っているＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４を除去するために長い時間、例えば、５時間を超える時間をかける必要があり、産業応用の観点から好ましくない。
【0031】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４は、加工してダメージを受けている層である。このため、例えば、カソードルミネッセンス（ＣＬ）による発光において、発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度がＩＩＩ族窒化物半導体結晶の５分の１以下であることを検出することによって、ＩＩＩ族窒化物半導体層（ダメージ層）４の存在を確認できる。加工ダメージが大きいほど前記波長での発光強度が加工前の結晶と比べて低くなるため、さらに発光強度が低くなることがある。なお、発光強度が最も高いピーク波長は、不純物濃度が高くキャリア濃度が高い結晶では、高純度の結晶のピーク波長と比べて短波長側にシフトすることがあり、必ずしもバント端の波長とは一致しない。
【0032】
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶２は、その上にエピタキシャル層を形成して、デバイスを作製した際に、動作時のオン抵抗を低減するために、ｎ型ドーパントとなる不純物が添加されていて、そのキャリア濃度は１０１９ｃｍ－３以上であることが好ましい。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素は、例えば、シリコン元素、ゲルマニウム元素、及び酸素元素からなる群から選択される少なくとも一種類を含むことが好ましい。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素は、酸素元素を含むことがより好ましい。この場合、特に、ＯＶＰＥ法によって基板に用いるＩＩＩ族窒化物半導体結晶を作製する際に、酸素元素をＩＩＩ族窒化物半導体結晶に容易に添加することが可能である。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素が、酸素元素を含む場合、酸素元素が１×１０２０aｔｏｍｓ・ｃｍ－３以上の濃度で添加されていることが好ましい。これにより、キャリア濃度を高めることが容易になる。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素は、例えば、シリコン元素、ゲルマニウム元素、及び酸素元素からなる群から選択される少なくとも一種類を含むことが好ましい。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素は、酸素元素を含むことがより好ましい。この場合、特に、ＯＶＰＥ法によって基板に用いるＩＩＩ族窒化物半導体結晶を作製する際に、酸素元素をＩＩＩ族窒化物半導体結晶に容易に添加することが可能である。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶のｎ型ドーパント元素が、酸素元素を含む場合、酸素元素が１×１０２０aｔｏｍｓ・ｃｍ－３以上の濃度で添加されていることが好ましい。これにより、キャリア濃度を高めることが容易になる。
【0033】
（実施例１）
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を窒化ガリウム基板、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を窒化ガリウム結晶、ＩＩＩ族窒化物半導体層を窒化ガリウム層とする。
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板として、ＯＶＰＥ法で製造された窒化ガリウム結晶上に加工によるダメージがある窒化ガリウム層を２００ｎｍ備えるものを用いていた。上記加工は、機械加工であり、その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって上記ダメージの除去を約３時間行った。さらに、このＩＩＩ族窒化物半導体基板の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）でＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム膜を形成した。
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を窒化ガリウム基板、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を窒化ガリウム結晶、ＩＩＩ族窒化物半導体層を窒化ガリウム層とする。
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板として、ＯＶＰＥ法で製造された窒化ガリウム結晶上に加工によるダメージがある窒化ガリウム層を２００ｎｍ備えるものを用いていた。上記加工は、機械加工であり、その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって上記ダメージの除去を約３時間行った。さらに、このＩＩＩ族窒化物半導体基板の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）でＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム膜を形成した。
【0034】
図２は、窒化ガリウム基板を構成する、窒化ガリウム結晶と加工ダメージのある窒化ガリウム層のＣＬのスペクトルを示している。発光強度のピーク波長は、３５２ｎｍであり、当該波長での発光強度について、窒化ガリウム結晶は、ダメージを有する窒化ガリウム層の５．６倍の強度であった。上記のことから、窒化ガリウム層４は、窒化ガリウム結晶２に比べて、カソードミネッセンスの発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度が５分の１以下となっており、ダメージを有することが確認できた。また、窒化ガリウム層の厚さは、上記の通り２００ｎｍであった。
【0035】
窒化ガリウム結晶は、酸素濃度が４×１０２０aｔｏｍｓ・ｃｍ－３であり、ｎ型の伝導性を有し、キャリア濃度は８×１０１９ｃｍ－３で、厚みは４００μｍである。
【0036】
図３Ａは、実施例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角１μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。図３Ｂは、実施例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
図３Ａに示すように、視野角１μｍのＡＦＭ像からは小さな線状の傷（加工痕：点線で囲んだ箇所）が複数確認できた。また、図３Ｂに示すように、視野角９０μｍのＡＦＭ像からは平坦性の指標であるＲｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ（ＲＭＳ）は１．８１ｎｍと低い値であり、平坦な加工表面であることが確認できた。
図３Ａに示すように、視野角１μｍのＡＦＭ像からは小さな線状の傷（加工痕：点線で囲んだ箇所）が複数確認できた。また、図３Ｂに示すように、視野角９０μｍのＡＦＭ像からは平坦性の指標であるＲｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ（ＲＭＳ）は１．８１ｎｍと低い値であり、平坦な加工表面であることが確認できた。
【0037】
図４Ａは、実施例１に係る窒化ガリウム基板１０の断面構造を模式的に示す概略断面図である。図４Ｂは、実施例１に係る窒化ガリウム基板２（１０）の上に窒化ガリウム膜を成長させるために、１１００℃に昇温した場合の窒化ガリウム基板２（１０）の断面構造を示す概略断面図である。図４Ｃは、図４Ｂに続いて、窒化ガリウム基板２（１０）の上にエピタキシャル成長させた窒化ガリウム膜６の断面構造を示す概略断面図である。
窒化ガリウム基板２（１０）の上に形成された窒化ガリウム膜６は、シリコンをドーパント元素として導入し、ｎ型でキャリア濃度は２×１０１６ｃｍ―３で、厚みは８μｍであった。
窒化ガリウム基板２（１０）の上に形成された窒化ガリウム膜６は、シリコンをドーパント元素として導入し、ｎ型でキャリア濃度は２×１０１６ｃｍ―３で、厚みは８μｍであった。
【0038】
図５Ａは、本実施例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）であり、図５Ｂは、実施例１に係る窒化ガリウム基板の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜の表面の状態を示す視野角２５０μｍのフォトルミネッセンス（ＰＬ）像である。
図５Ａに示すように、ＡＦＭ像からは、ＲＭＳは５．３５ｎｍとエピタキシャル層としては低く、平坦な膜を形成できることを確認できた。また、図５Ｂに示すように、ＰＬ像からは異常な結晶欠陥の発生は確認できず、良好なエピタキシャル層を形成できたことが確認できた。
図５Ａに示すように、ＡＦＭ像からは、ＲＭＳは５．３５ｎｍとエピタキシャル層としては低く、平坦な膜を形成できることを確認できた。また、図５Ｂに示すように、ＰＬ像からは異常な結晶欠陥の発生は確認できず、良好なエピタキシャル層を形成できたことが確認できた。
【0039】
（比較例１）
比較例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板として、ＯＶＰＥ法で製造された窒化ガリウム結晶上の加工によるダメージを除去したものを用いた。上記加工は、機械加工であり、さらに、ダメージの除去は、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、約１０時間行った。さらに、このＩＩＩ族窒化物半導体基板の上に、ＭＯＶＰＥ法でＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム膜を形成した。窒化ガリウム結晶は、実施例１と同様の不純物濃度、キャリア濃度を有していて、厚みも実施例１と同様である。
比較例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板として、ＯＶＰＥ法で製造された窒化ガリウム結晶上の加工によるダメージを除去したものを用いた。上記加工は、機械加工であり、さらに、ダメージの除去は、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、約１０時間行った。さらに、このＩＩＩ族窒化物半導体基板の上に、ＭＯＶＰＥ法でＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム膜を形成した。窒化ガリウム結晶は、実施例１と同様の不純物濃度、キャリア濃度を有していて、厚みも実施例１と同様である。
【0040】
図６Ａは、比較例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角１μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。図６Ｂは、比較例１に係る窒化ガリウム基板の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。
図６Ａに示すように、視野角１μｍのＡＦＭ像からは実施例１と異なり線状の傷は確認できなかった。また、図６Ｂに示すように、視野角９０μｍのＡＦＭ像からは点線で囲んだ箇所に窪みが確認でき、ＲＭＳは３．８７ｎｍであり、実施例１での窒化ガリウム基板の表面と比べて高い値であった。
図６Ａに示すように、視野角１μｍのＡＦＭ像からは実施例１と異なり線状の傷は確認できなかった。また、図６Ｂに示すように、視野角９０μｍのＡＦＭ像からは点線で囲んだ箇所に窪みが確認でき、ＲＭＳは３．８７ｎｍであり、実施例１での窒化ガリウム基板の表面と比べて高い値であった。
【0041】
図７Ａは、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２の断面構造を模式的に示す概略断面図である。図７Ｂは、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２の上に窒化ガリウム膜を成長させるために、１１００℃に昇温した場合の窒化ガリウム基板２２の断面構造を示す概略断面図である。図７Ｃは、図７Ｂに続いて、窒化ガリウム基板２２の上にエピタキシャル成長させた窒化ガリウム膜６の断面構造を示す概略断面図である。
図７Ａに示すように、窒化ガリウム基板２２には、窪み７が観察された。なお、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２では、窒化ガリウム結晶に比べて、カソードミネッセンスの発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度が５分の１以下となるダメージを有する窒化ガリウム層は確認できなかった。
また、窒化ガリウム基板２２上に形成する窒化ガリウム膜は、実施例１と同様に形成した。
図７Ａに示すように、窒化ガリウム基板２２には、窪み７が観察された。なお、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２では、窒化ガリウム結晶に比べて、カソードミネッセンスの発光スペクトルの最も発光強度が高い波長での発光強度が５分の１以下となるダメージを有する窒化ガリウム層は確認できなかった。
また、窒化ガリウム基板２２上に形成する窒化ガリウム膜は、実施例１と同様に形成した。
【0042】
図８Ａは、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜６の表面の状態を示す視野角９０μｍの原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）である。図８Ｂは、比較例１に係る窒化ガリウム基板２２の上に成長させて得られた窒化ガリウム膜６の表面の状態を示す視野角２５０μｍのフォトルミネッセンス（ＰＬ）像である。
図８Ａに示すように、ＡＦＭ像からは、ＲＭＳは６．４７ｎｍとエピタキシャル層としては低く、実施例１と同様に平坦な膜を形成できることを確認できた。しかしながら、図８Ｂに示すように、ＰＬ像からは異常な結晶欠陥８の発生が確認できた。この異常な結晶欠陥は転位の集中箇所であり、デバイスとして動作する際にリーク原因になるなどの悪影響を与えるため、問題となる。
図８Ａに示すように、ＡＦＭ像からは、ＲＭＳは６．４７ｎｍとエピタキシャル層としては低く、実施例１と同様に平坦な膜を形成できることを確認できた。しかしながら、図８Ｂに示すように、ＰＬ像からは異常な結晶欠陥８の発生が確認できた。この異常な結晶欠陥は転位の集中箇所であり、デバイスとして動作する際にリーク原因になるなどの悪影響を与えるため、問題となる。
【産業上の利用可能性】
【0043】
以上のように、本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体基板によれば、結晶欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル膜形成が可能であるため、低オン抵抗の電子デバイスの歩留まりや信頼性の向上が期待できる。
【符号の説明】
【0044】
２ ＩＩＩ族窒化物半導体基板（ＩＩＩ族窒化物半導体結晶、窒化ガリウム基板）
４ ダメージ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層、窒化ガリウム層）
６ エピタキシャル層（窒化ガリウム膜）
７ 窪み
８ 結晶欠陥
１０ ＩＩＩ族窒化物半導体基板
２２ 窒化ガリウム基板
４ ダメージ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層、窒化ガリウム層）
６ エピタキシャル層（窒化ガリウム膜）
７ 窪み
８ 結晶欠陥
１０ ＩＩＩ族窒化物半導体基板
２２ 窒化ガリウム基板
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】