ＨＶＰＥ法による高品質ＡｌＮ基板の開発

三宅秀人，平松和政三重大学 大学院工学研究科 電気電子工学専攻

2008年10月17日名城大学

Optoelectronics Lab. Mie Univ. 第３回窒化物半導体応用研究会

第３回窒化物半導体応用研究会

共同研究九州大学 桑野範之、山口大学 山田陽一、日本ガイシ 田中光浩

講演の内容

• なぜ、AlN基板の研究を行うのか

• どのようにAlN結晶の成長を行うのか

• 問題点、課題は何か

• HVPE法によるAlN成長の優位性は何か

なぜ、AlN基板の研究を行うのか

深紫外光深紫外光デバイスデバイス((λλ<300nm)<300nm)

AlxGa1-xN発光層

n型層

p型層

下地基板

300nm

250nm

0.0 0.2 0.4 0.6 0.83.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

CL

Peak

ene

rgy

[eV]

AlN molar fraction x固体光源としては、未開拓の領域

深紫外LED開発への課題

天野：応用物理2005.9号

AlGaNにおける転位密度の

低減技術開発

高品質なAlN基板の開発

どのようにAlN結晶の成長を行うのか

•Ｘ線半値幅の狭い結晶性の良好なものが得られる•成長温度が高く、高度な制御技術が必要である•不純物による着色の問題がある

•低温低圧での成長が可能である•成長速度や大口径化に課題がある

•GaNでは、数百μm/h以上と成長速度が速い

•大口径化の可能性がある•高純度なAlN膜が得られる

•欠陥密度の低減が期待できる

昇華法

フラックス法(溶液法)

HVPE法

K. Kamei et. al. : phys. stat. sol. (c) 4 (2007) 2211

R. Schlesser et. al. : J. Crystal Growth 241 (2002) 416

The Fox Group, Inc.

住友電工：GaN

HVPEHVPE法による法によるAlNAlNの結晶成長の結晶成長

HVPEHVPE装置の特徴装置の特徴反応炉加熱方式

l Hot-wall (1200 ℃以下で使用)HVPE法では一般的に使用され反応炉全体を加熱⇒温度の均一性は良いが限界温度が1200 ℃程度となる

l Cold-wall (1350 ℃以上で使用)赤外ランプにより基板のみを加熱し、1200 ℃以上の成長可能

原料部温度550 ℃前後：

Al(s)+3HCl(g)→AlCl3(g)+3/2H2(g)

AlN成長部 温度1100-1500 ℃前後：

AlCl3(g)+NH3(g) → AlN(s)+HCl3(g) Y.Kumagai and A.Koukitu: IPAP Conference Series 4(2004) 9

AlN成長の反応

• AlCl3

• NH3原料ガス

1100~1200抵抗加熱（Hot-wall） 赤外線（Cold-wall）反応炉加熱方式

30～120成長時間 [min]

30成長圧力 [Torr]1350~1500成長温度 [℃]

成長条件

成長温度の効果成長温度の効果

Sapphire(0001)Sapphire(0001)Epi.Epi.--AlNAlN1μm

使用基板：AlN template

2μm

(Al(s)+3HCl(g)→AlCl3(g)+3/2H2(g))

基板サイズ：10×14mm2

成長温度の効果成長温度の効果

表面観察：顕微鏡, SEM

1100 ℃ 1400 ℃ 1500 ℃1150 ℃

3μm3μm

l 1150 ℃以上で鏡面かつ，平坦な膜となる

l 1400 ℃以上で非常に平坦な膜が得られたが，クラックが発生した

3μm

Hot-wall HVPE Cold-wall HVPE

3μm

60μm 60μm 60μm 60μm

12.0 μm/h 15.5 μm/h 12.6 μm/h 11.3 μm/h3μm

成長温度[℃]12001100 1450

成長

速度

[μm

/h]

2

15

0 1150

表面モフォロジーの比較

成長温度成長温度・成長速度・成長速度の効果の効果

成長温度[℃]12001100 1450

成長

速度

[μm

/h]

2

15

0 1150

表面モフォロジーの比較

成長温度成長温度・成長速度・成長速度の効果の効果

HCl流量と成長速度は比例し、35μm/hを実現した

HCl流量と成長速度の関係

0 1 2 3 40

5

10

15

20

25

30

35

40成

長速

度[ μm

/h]

HCl流量[sccm]

2μm

成長温度 1450℃

1100 1200 1300 1400 15000

200400600800

10001200140016001800

FWH

M o

f XR

C[a

recs

ec]

成長温度[℃]

(10-12)回折 (10-12)回折 AlN template

成長温度の効果成長温度の効果

結晶性：XRD

成長温度を上げることで結晶性が改善

圧縮応力のかかったAlN template上への成長

AlN buffer層の使用

膜厚が約12 μm以上になるとクラックが発生

クラック密度が低減

更なる引っ張り応力を緩和できる下地基板の検討

対策

60μm

50μm

SapphireとAlNの熱膨張係数差による

クラックの発生 熱膨張係数 [10-6/℃]Sapphire: 7.5AlN: 4.15 50μm

HVPE法によるAlN成長の問題点

Sapphire (0001)

Epi.-AlN (MOVPE)

Sapphire (0001)

AlN

<10-10>

<11-20>

引っ張り応力緩和によるクラックの抑制を目指し、周期溝構造上へのAlN厚膜成長

加工

HVPE-AlN

溝幅 テラス幅

ボイド

HVPE-AlN成長

成長条件

30 [Torr]リアクタ圧力

60 [min](溝幅:3 μm)180 [min](溝幅:5 μm)

成長時間

AlCl3* , NH3原料ガス

1450 [℃]成長温度

* : Al + 3 HCl → AlCl3 + 3/2 H2

成長概要

Sapphire (0001)

AlN

5μm

7μm

テラス幅

5μm5μm

3μm

溝の深さ溝幅

<10-10>

<11-20>

550 oC1400～1500 oC

キャリアガス N2 : H2 = 1 : 1

NH3

HCl + H2AlCl3 +H2

AlN/sapphire

赤外線加熱

Al

50μm50μm

顕微鏡観察

溝 : テラス = 3μm : 7μm 溝 : テラス = 5μm : 5μm

•横方向成長したAlN同士が合体し、表面が平坦•クラックフリーなAlN

20μm 20μm

10μm 10μm

膜厚： 20 μm 膜厚： 27 μm

SEM観察

鳥瞰

断面

溝 : テラス = 3μm : 7μm 溝 : テラス = 5μm : 5μm

ボイドを形成し、AlN同士が合体していることを確認

断面

表面

断面

表面

sapphire

AlN

sapphire

AlN

ボイドの形成

1 2 30

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

FW

HM

of X

RC

[arc

sec] (0002)

(10-10)5945901671(10-10)132176393(0002)

5μm : 5μm

3μm : 7μm

周期溝構造なし

FWHM of XRC [arcsec]diffraction

周期溝構造なし

3μm : 7μm 5μm : 5μm

1.8×1073.3×1071.6×108らせん転位密度[cm-2]

9.5×1089.4×1087.4×109刃状転位密度[cm-2]

5μm : 5μm3μm : 7μm周期溝構造なし

XRD

結晶性の向上

転位密度を約1/10に低減

引っ張り応力緩和によるクラック抑制を目指して、周期溝構造上へAlN厚膜成長

l 結晶性･表面平坦性共に優れたクラックフリーAlN成長を実現ー XRDより、転位密度1/10減少 (らせん転位:107cm-2台、

刃状転位:108cm-2台)ー 優れた光学特性を有し、高品質な結晶

AlNのHVPE成長条件の検討

l 高温成長を行うことで結晶の平坦性や結晶性を向上させることができたが，クラックが発生した

まとめまとめ

l 1400 ℃以上の成長で原子ステップを有するエピタキシャル膜を35μm/hで成長できた

Optoelectronics Lab. Mie Univ. 第３回窒化物半導体応用研究会