JP2000031164A - Iii compound nitride semiconductor element - Google Patents

Iii compound nitride semiconductor element

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JP2000031164A
JP2000031164A JP19312598A JP19312598A JP2000031164A JP 2000031164 A JP2000031164 A JP 2000031164A JP 19312598 A JP19312598 A JP 19312598A JP 19312598 A JP19312598 A JP 19312598A JP 2000031164 A JP2000031164 A JP 2000031164A
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一高 寺嶋
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隆 宇田川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance pinch-off characteristics by forming a buffer layer on a single crystal substrate and then forming an active layer of aluminum nitride/ gallium/indium crystal layer through the buffer layer. SOLUTION: A buffer layer 110 containing boron and phosphorus as constitutional elements is deposited on an insulating single crystal substrate 101 of calcium fluoride. A boron nitride phosphide mixed crystal layer 114 is formed on the buffer layer 110 by ordinary atmospheric pressure MOCVD employing trimethyl gallium as a gallium source, ammonia as a nitrogen source and phosphine as a phosphorus source. A crystal layer 115 of aluminum nitride/ gallium/indium crystal layer represented by a general formula AlαGaβIn1-α-βN1-γMγ (0<=α, β<=1, 0<=α+β<=1, M represents a group V element other than nitrogen, 0<=γ<1) is formed on the mixed crystal layer 114.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、立方晶の結晶構造
を有する絶縁性の単結晶基板上に、立方晶のIII族窒化
物半導体結晶からなる活性層を形成したIII 族窒化物半
導体素子に係わる。本発明は、特にIII 族窒化物半導体
結晶からなる活性層を具備する電界効果型トランジスタ
(FET)を構成するために好適に用いることができ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a group III nitride semiconductor device having an active layer composed of a cubic group III nitride semiconductor crystal formed on an insulating single crystal substrate having a cubic crystal structure. Get involved. The present invention can be suitably used particularly for forming a field effect transistor (FET) including an active layer made of a group III nitride semiconductor crystal.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般式AlαGaβIn1-α- βN1-γ
Mγ(0≦α,β≦1、0≦α+β≦1、記号Mは窒素
以外の第V族元素を表し、0≦γ<1)で表記される窒
化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶からなるII
I 族窒化物半導体は、室温に於いて比較的高い(大き
な)禁止帯幅を有しており、一般にワイドバンドギャッ
プ(wide band−gap)半導体と呼称されて
いる(例えば、赤崎 勇編著、「III −V族化合物半導
体」(1994年5月20日初版、(株)培風館発
行)、329頁参照)。
2. Description of the Related Art The general formula AlαGaβIn1 - α - βN1 - γ
Mγ (0 ≦ α, β ≦ 1, 0 ≦ α + β ≦ 1, symbol M represents a Group V element other than nitrogen, and is composed of aluminum gallium indium crystal represented by 0 ≦ γ <1) II
Group I nitride semiconductors have a relatively high (large) bandgap at room temperature, and are generally referred to as wide band-gap semiconductors (for example, edited by Isamu Akasaki, " III-V Compound Semiconductor "(First Edition May 20, 1994, published by Baifukan Co., Ltd.), page 329).

【0003】III 族窒化物半導体は、近紫外光ないし短
波長の可視光を発するに適する禁止帯幅を有しているた
め(末松 安晴著、「光デバイス」(平成9年5月15
日初版第8刷、(株)コロナ社発行)、28〜29頁参
照)、近紫外光ないし青色発光の発光ダイオード(英略
称:LED)あるいはレーザダイオード(英略称:L
D)といった発光素子の活性層(発光層)として利用さ
れている(Mat.Res.Soc.Symp.Pro
c.、Vol.449(1997)、509〜518頁
照)。また、上記のような発光素子の他に、III 族窒化
物半導体は、室温での大きな禁止帯幅(band−ga
p)を有する優位性を基に、高温でも正常な動作が可能
な耐環境電子デバイスを構成するに利用されている。
A group III nitride semiconductor has a band gap suitable for emitting near-ultraviolet light or short-wavelength visible light (Yasuharu Suematsu, “Optical Device” (May 15, 1997)
The 8th printing of the first edition, published by Corona Co., Ltd.), pages 28-29), near-ultraviolet or blue light emitting diode (abbreviated as LED) or laser diode (abbreviated as L)
D) (Mat. Res. Soc. Symp. Pro)
c. Vol. 449 (1997), pp. 509-518). In addition to the light emitting element as described above, a group III nitride semiconductor has a large band-gap at room temperature.
Based on the superiority having p), it is used to construct environment-resistant electronic devices that can operate normally even at high temperatures.

【0004】III 族窒化物半導体から構成した活性層を
用いる電子デバイスの従来例として、例えば、電界効果
型トランジスタ(Field−Effct Trans
istor:略称FET)を構成した例がある。特に、
2次元電子ガス(two−dimensional e
lectron gas)の高速走行特性を利用した変
調ドープFET(Modulation Doped
FET:MODFET)が知られている(Electr
on.Lett.,33(14)(1997)、123
0〜1231頁)。
As a conventional example of an electronic device using an active layer formed of a group III nitride semiconductor, for example, a field-effect transistor (Field-Effect Transistor) is known.
istor: FET). In particular,
Two-dimensional electron gas (two-dimensional electron gas)
modulation doped FET (Modulation Doped) utilizing high-speed running characteristics of electron gas.
FET: MODFET) is known (Electr
on. Lett. , 33 (14) (1997), 123.
0-1231).

【0005】従来のMODFETの断面構造の構成例を
図1に掲示する。図1で、基板101には、絶縁性で六
方晶(hexagonal)のα−アルミナ(Al2
3 )単結晶(サファイア)が一般に使用される。サファ
イアが基板として常用されるのは、III 族窒化物半導体
結晶層の成膜温度のような比較的高温に対して、熱的耐
久性を保持しているからである。サファイア基板101
上には、基板101と活性層103を構成するIII 族窒
化物半導体との格子ミスマッチ(mis−match)
の緩和を意図して、緩衝層102が敷設される。緩衝層
102は、通常約400℃から約600℃の比較的低温
で成膜されるため、低温緩衝層と呼ばれる(赤崎 勇編
著、「III −V族化合物半導体」(1994年5月20
日初版、(株)培風館発行)、335頁参照)。この低
温緩衝層102は、従来より窒化アルミニウム・ガリウ
ム(AlA GaB N、但し0≦A,B≦1、A+B=
1)から構成されるのが一般的である(特開平2−2
29476号及び特開平4−297023号公報明細
書参照)。
[0005] Fig. 1 shows an example of a cross-sectional structure of a conventional MODFET. In FIG. 1, a substrate 101 is provided with an insulating hexagonal α-alumina (Al 2 O).
3 ) Single crystal (sapphire) is generally used. Sapphire is commonly used as a substrate because it maintains thermal durability against a relatively high temperature such as a film forming temperature of a group III nitride semiconductor crystal layer. Sapphire substrate 101
On top, a lattice mismatch (mis-match) between the substrate 101 and the group III nitride semiconductor forming the active layer 103
The buffer layer 102 is laid for the purpose of alleviating the pressure. The buffer layer 102 is usually formed at a relatively low temperature of about 400 ° C. to about 600 ° C., and is called a low-temperature buffer layer (edited by Isamu Akasaki, “III-V Group Compound Semiconductor” (May 20, 1994)
First edition, published by Baifukan Co., Ltd.), page 335). The low-temperature buffer layer 102 is made of aluminum gallium nitride (Al A Ga B N, where 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B =
In general, it is composed of the following (1)
No. 29476 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-297523).

【0006】低温緩衝層102上には、FETにあって
はチャネル(channel)層とも呼ばれる活性層1
03が積層される。活性層103は、n形或いはp形の
導電性の半導体結晶層から構成される。特に電子(el
ectron)を主たる電荷担体(majority
carrier)とするFETにあっては、n形窒化ガ
リウム(GaN)などのn形III 族窒化物半導体結晶か
ら活性層103を構成するのが通例である。活性層10
3上には、一般に電子供給層104と称されるn形伝導
層が積層される。2次元電子を活性層103内の電子供
給層104との接合界面近傍の極く薄い領域に蓄積でき
るバンド(band)構造を実現するために、電子供給
層104は活性層103よりも禁止帯幅を大とするIII
族窒化物半導体から構成される。電子供給層104は、
例えばn形不純物の変調ドーピング(上記の「III −V
族化合物半導体」、108〜110頁参照)を施したn
形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlA GaB
N、但し0≦A,B≦1、A+B=1)から構成するの
が一般的である。
On the low-temperature buffer layer 102, an active layer 1 also called a channel layer in the case of an FET.
03 are stacked. The active layer 103 is composed of an n-type or p-type conductive semiconductor crystal layer. Especially electronic (el
electron as a major charge carrier (majority).
In the case of an FET of a carrier type, the active layer 103 is generally made of an n-type group III nitride semiconductor crystal such as n-type gallium nitride (GaN). Active layer 10
On n, an n-type conductive layer generally called an electron supply layer 104 is laminated. In order to realize a band structure in which two-dimensional electrons can be accumulated in a very thin region near the junction interface with the electron supply layer 104 in the active layer 103, the electron supply layer 104 is more forbidden than the active layer 103. III
It is composed of a group III nitride semiconductor. The electron supply layer 104
For example, modulation doping of an n-type impurity (see above “III-V
Group semiconductors ", pp. 108-110)
Aluminum gallium mixed crystal (Al A Ga B
N, where 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B = 1).

【0007】活性層103と電子供給層104との中間
には、スペーサ(spacer)層105と称される、
活性層103を構成する材料よりも禁止帯幅を大とする
材料からなる高純度の結晶層が挿入されるのが通例とな
っている(Electron.Lett.,33(1
6)(1997)、1413〜1415頁参照)。通常
スペーサ層105は、不純物を故意に添加しないアンド
ープ(undope)のn形窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶(AlA GaB N、但し0≦A,B≦1、A+B
=1)から構成される。電子供給層104上には、低接
触抵抗のオーミック(Ohmic)電極であるソース
(source)電極107及びドレイン(drai
n)電極108の形成に供される低抵抗のn形III 族窒
化物半導体からなるコンタクト(contact)層1
06が積層される。コンタクト層106は、一般に電子
供給層104より小さい禁止帯幅を有するn形III 族窒
化物半導体から構成される。コンタクト層106をn形
窒化ガリウム(GaN)から構成する例がある(Pro
c.of the 2nd.Int.Nat.Con
f.Nitride Semiconductors
(Oct.27〜31、1997、The Japan
Soc.Appl.Phys.)、480〜481頁
参照)。また、ゲート(gate)電極109は、ソー
ス電極107及びドレイン電極108の間のコンタクト
層106を除去してリセス(recess)部116を
形成し、該リセス部の電子供給層104表面上に敷設し
てFETを構成する。
Between the active layer 103 and the electron supply layer 104, a spacer (spacer) layer 105 is provided.
It is customary to insert a high-purity crystal layer made of a material having a larger band gap than the material forming the active layer 103 (Electron. Lett., 33 (1)
6) (1997), pp. 1413-1415). Normally, the spacer layer 105 is made of an undoped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al A Ga B N, where 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B) where no impurity is intentionally added.
= 1). On the electron supply layer 104, a source electrode 107, which is an ohmic electrode having a low contact resistance, and a drain electrode
n) A contact layer 1 made of a low-resistance n-type group III nitride semiconductor for forming the electrode 108
06 are stacked. The contact layer 106 is generally made of an n-type group III nitride semiconductor having a smaller band gap than the electron supply layer 104. There is an example in which the contact layer 106 is made of n-type gallium nitride (GaN) (Pro
c. of the 2nd. Int. Nat. Con
f. Nitride Semiconductors
(Oct. 27-31, 1997, The Japan
Soc. Appl. Phys. ), Pp. 480-481). Further, the gate electrode 109 is formed by removing the contact layer 106 between the source electrode 107 and the drain electrode 108 to form a recess 116 and laying the recess on the surface of the electron supply layer 104 in the recess. To form an FET.

【0008】従来のIII 族窒化物半導体素子は、上記の
様な構成からなる積層構造体を母体材料として作製され
ている。先ず、基板として常用されるサファイアは六方
晶系に属する単結晶である。また、低温緩衝層として適
する結晶層は、六方晶ウルツ鉱(wurzite)結晶
構造型の微結晶が混在した窒化アルミニウム・ガリウム
(AlA GaB N、但し0≦A,B≦1、A+B=1)
からなるアモルファス(amorphous)結晶層で
あるとされている(特開平2−229476号公報明細
書参照)。従って、これらの六方晶結晶を下地層として
その上部に堆積した活性層等からなる積層構造体の各構
成層は、六方晶結晶となっている。結晶系から観た従来
の積層構造体の特徴は、各構成層がウルツ鉱型の六方晶
の結晶層から構成されていることにある。
A conventional group III nitride semiconductor device is manufactured using a laminated structure having the above-described structure as a base material. First, sapphire commonly used as a substrate is a single crystal belonging to a hexagonal system. Also, the crystal layers which are suitable as a low-temperature buffer layer, the hexagonal wurtzite (wurzite) crystal structure type aluminum gallium nitride crystallites are mixed in (Al A Ga B N, where 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B = 1 )
It is considered to be an amorphous (amorphous) crystal layer composed of (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-229476). Therefore, each of the constituent layers of the laminated structure including the active layer and the like deposited on the hexagonal crystal as a base layer and above is a hexagonal crystal. The feature of the conventional laminated structure viewed from the crystal system is that each constituent layer is composed of a wurtzite-type hexagonal crystal layer.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ショットキ(Scho
ttky)接合型のFET(MESFET)、特に低雑
音(low−noise)MESFETやMODFET
では、雑音指数(noise−figure)或いは高
速応答性などの主要な特性は、活性層の電子移動度を用
いて一般に表される電子の走行特性に大きく左右される
ことが知られている。
SUMMARY OF THE INVENTION Schottky
ttky) junction type FET (MESFET), especially low-noise MESFET and MODFET
It is known that major characteristics such as a noise-figure or high-speed response greatly depend on electron traveling characteristics generally expressed using the electron mobility of the active layer.

【0010】III 族窒化物半導体素子用途の従来の積層
構造体を構成する各構成層は、上記の如くウルツ鉱型の
六方晶結晶である。ウルツ鉱型のIII 族窒化物半導体結
晶の多くは、圧電(ピエゾ:piezo)効果を呈する
(上記の文献Electron.Lett.,Vol.
33(1997)参照)。従って、例えばIII 族窒化物
半導体結晶層をヘテロ(異種)接合させた場合には、接
合界面近傍の領域でピエゾ効果に因る不必要な容量が発
生する。この寄生容量の発生により、FETの高速応答
性は削がれるものとなる。
Each of the constituent layers constituting the conventional laminated structure for use in a group III nitride semiconductor device is a wurtzite-type hexagonal crystal as described above. Many wurtzite group III nitride semiconductor crystals exhibit a piezoelectric (piezo) effect (see the above-mentioned publication Electron. Lett., Vol.
33 (1997)). Therefore, for example, when a group III nitride semiconductor crystal layer is hetero-junction-bonded, unnecessary capacitance due to the piezo effect occurs in a region near the junction interface. Due to the occurrence of the parasitic capacitance, the high-speed response of the FET is reduced.

【0011】ピエゾ効果が発揮される度合いは、立方晶
(cubic)のIII 族窒化物半導体結晶では、六方晶
系のIII 族窒化物半導体結晶に比較して弱小となる。従
って、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から構築され
た積層構造体からは、高速応答性に優れるFET等のII
I 族窒化物半導体素子が提供され得る。立方晶のIII 族
窒化物半導体結晶層から積層構造体を構築するには、立
方晶の単結晶を基板とするのが先ず肝要である。最近で
は、ダイヤモンド構造型立方晶で導電性の珪素単結晶基
板(シリコン)を基板として、III 族窒化物半導体発光
素子(LED)を構成する技術が開示されている(El
ectron.Lett.、Vol.33、No.23
(1997)、1986〜1987頁参照)。しかし、
LEDなどの発光素子とは異なり、FETの構成には、
活性層との電気的絶縁を確保するために、絶縁性の立方
晶単結晶を基板とする必要がある。
The degree to which the piezo effect is exhibited is weaker in a cubic group III nitride semiconductor crystal than in a hexagonal group III nitride semiconductor crystal. Therefore, from a stacked structure constructed from a cubic group III nitride semiconductor crystal layer, a high-speed responsive FET such as an FET can be used.
A group I nitride semiconductor device can be provided. In order to construct a laminated structure from a cubic group III nitride semiconductor crystal layer, it is first important to use a cubic single crystal as a substrate. Recently, a technique for forming a group III nitride semiconductor light-emitting device (LED) using a cubic diamond conductive silicon single crystal substrate (silicon) as a substrate has been disclosed (El).
electron. Lett. Vol. 33, no. 23
(1997), 1986-1987). But,
Unlike light emitting elements such as LEDs, the configuration of FETs
In order to ensure electrical insulation from the active layer, it is necessary to use an insulating cubic single crystal as a substrate.

【0012】立方晶で絶縁性を有する単結晶材料は、酸
化マグネシウム(化学式:MgO)などが挙げられる
が、これらの立方晶基板材料とIII 族窒化物半導体結晶
とは、通常は格子のミスマッチ(mis−match)
が存在する。例えば、立方晶の絶縁性単結晶であるフッ
化カルシウム(化学式:CaF2 )の格子定数は、シリ
コン(5.431Å)に近い5.436Åである(「岩
波理化学辞典 第3版」(1976年4月5日、(株)
岩波書店発行)、1151頁参照)。従って、格子定数
を約4.51Åとする立方晶GaNとのミスマッチ度
は、GaNを基準として約21%の大きさに達する。こ
のため、立方晶単結晶を基板とする場合にあっても、II
I 族窒化物半導体結晶層との格子のミスマッチを緩和す
るための緩衝層を敷設するのが得策となる。最新の技術
に依れば(上記のAppl.Phys.Lett.、7
2(4)(1998)、415〜417頁参照)、シリ
コン基板上に六方晶のAlNからなる緩衝層を配置し
て、発光素子用途の積層構造体を構築する方法が開示さ
れている。しかし、六方晶の窒化アルミニウム(Al
N)からなる緩衝層上には、六方晶のIII 族窒化物半導
体結晶層が成育される。即ち、立方晶のシリコンを基板
としたところで、その表面に堆積する緩衝層が六方晶で
あれば、上層の積層構造体構成層もこれまた六方晶とな
る。従って、立方晶の結晶層からなる積層構造体を構築
するには、立方晶からなる基板に立方晶からなる緩衝層
を堆積する必要がある。
The cubic single-crystalline material having insulating properties includes magnesium oxide (chemical formula: MgO). These cubic substrate materials and the group III nitride semiconductor crystal usually have a lattice mismatch (MgO). mis-match)
Exists. For example, the lattice constant of calcium fluoride (chemical formula: CaF 2 ), which is a cubic insulating single crystal, is 5.436 °, which is close to that of silicon (5.431 °) (“Iwanami Physical and Chemical Dictionary 3rd Edition” (1976 April 5, Co., Ltd.
Iwanami Shoten), page 1151). Accordingly, the degree of mismatch with cubic GaN having a lattice constant of about 4.51 ° reaches about 21% based on GaN. For this reason, even when a cubic single crystal is used as the substrate,
It is advisable to provide a buffer layer for alleviating lattice mismatch with the group I nitride semiconductor crystal layer. According to the latest technology (see Appl. Phys. Lett., 7
2 (4) (1998), pp. 415-417), a method of arranging a buffer layer made of hexagonal AlN on a silicon substrate and constructing a laminated structure for a light emitting element is disclosed. However, hexagonal aluminum nitride (Al
A hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is grown on the buffer layer made of N). That is, if cubic silicon is used as the substrate and the buffer layer deposited on the surface is hexagonal, the upper layer constituting the laminated structure also becomes hexagonal. Therefore, in order to construct a laminated structure composed of cubic crystal layers, it is necessary to deposit a cubic buffer layer on a cubic substrate.

【0013】シリコン(Si)を基板とするIII 族窒化
物半導体発光素子の他の開示例では、AlX GaY In
z1-X-Y-Z P(0≦X,Y,Z<1、X+Y+Z=
1)結晶層特に立方晶である閃亜鉛鉱結晶型のリン化硼
素(BP)層をシリコン基板についての緩衝層として利
用する例が述べられている(特開平2−275682号
公報明細書参照)。ところが、BPの格子定数は4.5
38Åであるのに対し、Siのそれは5.431Åと大
きく異なる(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1
995年3月30日初版、(株)培風館発行)、28頁
参照)。従って、Si基板の表面上に、緩衝層としてで
あれ他の機能層としてであれ、連続性のあるBP結晶層
の成膜を意図しても、成長した層はBP(boron
monophosphide)或いはB132 からなる
角錐状の成長島が散在するのみの状況となる(澁澤直
哉、寺嶋 一高、第28回結晶成長国内会議予稿集
(「日本結晶成長学会誌」、Vol.24、No.2
(1997))、150頁参照)。この様な連続性の無
い緩衝層上には、連続性を有する結晶層を積層できるこ
とは極めて希有である。
In another disclosed example of a group III nitride semiconductor light emitting device using silicon (Si) as a substrate, Al X Ga Y In
z B 1-XYZ P (0 ≦ X, Y, Z <1, X + Y + Z =
1) An example is described in which a crystal layer, particularly a zinc-blende crystal-type boron phosphide (BP) layer, which is a cubic crystal, is used as a buffer layer for a silicon substrate (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-275682). . However, the lattice constant of BP is 4.5.
38%, whereas that of Si is significantly different at 5.431% (Iwao Teramoto, "Introduction to Semiconductor Devices" (1
First edition, March 30, 995, published by Baifukan Co., Ltd., p. 28). Therefore, even if it is intended to form a continuous BP crystal layer on the surface of the Si substrate, either as a buffer layer or as another functional layer, the grown layer is BP (boron).
monophosphide or B 13 P 2 scattered pyramidal growth islands (Naoya Shibusawa, Kazutaka Terashima, Proceedings of the 28th National Conference on Crystal Growth (“Journal of Japan Society for Crystal Growth”, Vol. 24, No. 2
(1997)), p. 150). It is extremely rare that a crystal layer having continuity can be laminated on such a buffer layer having no continuity.

【0014】BP系III −V族化合物半導体結晶(Al
X GaY Inz1-X-Y-Z P、但し0≦X,Y,Z<
1、X+Y+Z=1)は閃亜鉛鉱型の立方晶結晶である
(末松安晴著、「光デバイス」(平成9年5月15日初
版第8刷、(株)コロナ社発行)、28〜29頁参
照)。これより、BP系結晶層は、その上に立方晶のII
I族窒化物半導体結晶層を積層させるに優位に働くと思
量される。さらに、閃亜鉛鉱型のBP(格子定数=4.
538Å)は、立方晶のGaN(格子定数=4.510
Å)に略一致する格子定数を有するという元来の優位性
がある(前出の「III −V族化合物半導体」、330頁
参照)。しかし、従来の成膜技術では、立方晶のIII 族
窒化物半導体結晶層の成長を促すに足る閃亜鉛鉱型を主
体とするBP系結晶層を、緩衝層として定常的に立方晶
の単結晶基板上に成長するのは困難であった。立方晶を
主体としてなるIII 族窒化物半導体結晶層の成長を誘発
するBP系結晶からなる緩衝層を成長するための要件が
不明瞭であったからである。立方晶の結晶基板上に連続
性を有するBP系結晶層を与える成膜技術は、現在まで
のところ提示されておらず、また連続性のあるBP系結
晶層を成膜するに必要とされる要件も明確とはなってい
ない。
BP series III-V compound semiconductor crystal (Al
X Ga Y In z B 1- XYZ P, where 0 ≦ X, Y, Z <
1, X + Y + Z = 1) is a zinc-blende cubic crystal (Yasuharu Suematsu, “Optical Device” (May 15, 1997, First Edition, 8th edition, published by Corona Co., Ltd.), 28-29 Page). Thus, the BP-based crystal layer has a cubic II
It is thought that it works predominantly in laminating a group I nitride semiconductor crystal layer. Furthermore, a sphalerite-type BP (lattice constant = 4.
538 °) is cubic GaN (lattice constant = 4.510)
There is an original advantage that it has a lattice constant substantially matching に) (see “III-V Group Compound Semiconductor”, p. 330, supra). However, in the conventional film forming technique, a BP-based crystal layer mainly composed of zinc blende type, which is sufficient to promote the growth of a cubic group III nitride semiconductor crystal layer, is steadily used as a buffer layer as a cubic single crystal. It was difficult to grow on the substrate. This is because the requirements for growing a buffer layer made of a BP-based crystal that induces the growth of a group III nitride semiconductor crystal layer mainly composed of a cubic crystal were unclear. A film formation technique for providing a continuous BP-based crystal layer on a cubic crystal substrate has not been proposed so far, and is required for forming a continuous BP-based crystal layer. The requirements are not clear.

【0015】上述の内容を本発明が解決すべき課題とし
て纏めるに、本発明の第1の課題は、FETなどのIII
族窒化物半導体素子の構築に適する絶縁性の立方晶単結
晶基板材料を選択して、それを提示することにある。ま
た第2の課題は、その立方晶の絶縁性単結晶基板上に、
立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層構造体
を構築するに都合の良い緩衝層の構成要件を提示するこ
とにある。さらに本発明は、緩衝層が有するべき、立方
晶の絶縁性基板との格子の不整合性をより良く緩和する
ための要件と、緩衝層表面上に堆積する積層体構成層に
連続性をもたらすための要件とを結晶構造の観点から明
確にすることを目的とする。そして、本発明の最終的な
課題は、これらの課題の解決を通じて、立方晶のIII 族
窒化物半導体からなる活性層を具備するIII 族窒化物半
導体素子を提供することにある。
To summarize the above-mentioned contents as problems to be solved by the present invention, the first problem of the present invention is that
An object of the present invention is to select and present an insulating cubic single crystal substrate material suitable for constructing a group III nitride semiconductor device. The second problem is that the cubic insulating single-crystal substrate is
An object of the present invention is to provide a constituent element of a buffer layer that is convenient for constructing a laminated structure including a cubic group III nitride semiconductor crystal layer. In addition, the present invention provides the requirement for better mitigating lattice mismatch with the cubic insulating substrate that the buffer layer should have, and provides continuity for the stack constituent layers deposited on the buffer layer surface. Requirements from the viewpoint of the crystal structure. A final object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor device having an active layer made of a cubic group III nitride semiconductor by solving these problems.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
克服するためになされたもので、第1の課題を解決する
ために、本発明ではフッ化カルシウム(CaF2 )を絶
縁性の立方晶の基板材料として好適であるとして提示す
る。さらに本発明のIII 族窒化物半導体素子は、表面を
平滑とする立方晶のIII 族窒化物半導体結晶からなる連
続膜を定常的にもたらすための要件を備えたリン化硼素
(BP)系材料からなる緩衝層を具備するものである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems, and in order to solve the first problem, in the present invention, calcium fluoride (CaF 2 ) is converted into an insulating cubic. It is presented as being suitable as a crystalline substrate material. Further, the group III nitride semiconductor device of the present invention is made of a boron phosphide (BP) -based material which is required to constantly provide a continuous film made of a cubic group III nitride semiconductor crystal having a smooth surface. Provided with a buffer layer.

【0017】即ち、本願の請求項1に記載の発明は、絶
縁性のフッ化カルシウム(化学式:CaF2 )からなる
単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された少なくとも
硼素(元素記号:B)とリン(元素記号:P)とを構成
元素として含む緩衝(バッファ)層と、前記単結晶基板
上に前記緩衝層を介して形成された、一般式AlαGa
βIn1-α- βN1-γMγ(0≦α,β≦1、0≦α+
β≦1、記号Mは窒素以外の第V族元素を表し、0≦γ
<1)で表記される窒化アルミニウム・ガリウム・イン
ジウム結晶層からなる活性層とを具備するIII 族窒化物
半導体素子である。
That is, the invention according to claim 1 of the present application provides a single crystal substrate made of insulating calcium fluoride (chemical formula: CaF 2 ) and at least boron (element symbol: A buffer (buffer) layer containing B) and phosphorus (element symbol: P) as constituent elements; and a general formula AlαGa formed on the single crystal substrate via the buffer layer.
βIn 1- βN 1 -γMγ (0 ≦ α, β ≦ 1, 0 ≦ α +
β ≦ 1, the symbol M represents a Group V element other than nitrogen, and 0 ≦ γ
A group III nitride semiconductor device comprising: an active layer composed of an aluminum nitride-gallium-indium crystal layer represented by <1).

【0018】また、本願の請求項2に記載の発明は、緩
衝層上に立方晶で且つ連続性を有するIII 族窒化物半導
体結晶層の成育を定常的にもたらすために、緩衝層が備
えるべき要件を提示するものである。即ち、本願の請求
項2に記載の発明は、請求項1に記載の緩衝層が、硼素
(B)原子とリン(P)原子とからなるリン化硼素多量
体結晶(BXY 、但しX≧6及びY=1または2)の
含有量を1/20以下とするBP系III −V族化合物半
導体結晶から構成されることを特徴とするものである。
The invention according to claim 2 of the present application should be provided with a buffer layer in order to constantly grow a cubic and continuous group III nitride semiconductor crystal layer on the buffer layer. It presents requirements. That is, according to the invention described in claim 2 of the present application, the buffer layer described in claim 1 is characterized in that the buffer layer according to claim 1 is a boron phosphide polymer crystal (B X P Y ) comprising boron (B) atoms and phosphorus (P) atoms. It is characterized by being composed of a BP-based III-V compound semiconductor crystal in which the content of X ≧ 6 and Y = 1 or 2) is 1/20 or less.

【0019】また、本願の請求項3に記載の発明は、請
求項1、2の発明に加えて、基板を構成するCaF2
より良く格子整合を果たすBP系結晶からなる緩衝層を
提供するものである。即ち本願の請求項3の発明は、前
記緩衝層が、リン化硼素・インジウム結晶(Ba In
1-a P、但し0<a<0.62)からなることを特徴と
している。特に緩衝層は、硼素組成比(=a)の平均を
a=0.31とするB0.31In0.69P混晶から構成する
ことが好ましい。
According to a third aspect of the present invention, in addition to the first and second aspects of the present invention, there is provided a buffer layer made of a BP-based crystal having a better lattice match with CaF 2 constituting the substrate. It is. That the present invention of claim 3, the buffer layer, boron indium phosphide crystal (B a an In
1- aP, where 0 <a <0.62). In particular, the buffer layer is preferably made of a B 0.31 In 0.69 P mixed crystal in which the average of the boron composition ratio (= a) is a = 0.31.

【0020】また、本願の請求項4に記載の発明は、請
求項1乃至3に記載の緩衝層が、前記単結晶基板との界
面近傍の領域に単結晶からなる層が配置され、その上方
の領域に非晶質体を主体とする層が配置されたものから
なることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the buffer layer according to any one of the first to third aspects, wherein a layer made of a single crystal is disposed in a region near an interface with the single crystal substrate, and Characterized in that a layer mainly composed of an amorphous body is arranged in the region (1).

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】立方晶の結晶材料には、リン化ガ
リウム(化学式:GaP)、砒化ガリウム(GaAs)
やリン化インジウム(InP)などの閃亜鉛鉱型のIII
−V族化合物半導体がある。また、ダイヤモンド構造型
の珪素(Si)やゲルマニウム(元素記号:Ge)など
の元素(単体)半導体がある。また、岩塩構造型の酸化
マグネシウム(化学式:MgO)、酸化マンガン(化学
式:MnO)や酸化ニッケル(化学式:NiO)があ
る。更に、スピネル(spinel)構造型のMgAl
24 等がある(Int.Symp.Blue Las
er and LightEmitting Diod
es(1996、Ohmsha,Ltd.)、80〜8
5頁参照)。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Cubic crystal materials include gallium phosphide (chemical formula: GaP) and gallium arsenide (GaAs).
Of zinc-blende type, such as iron and indium phosphide (InP)
There is a -V compound semiconductor. Further, there is an element (single) semiconductor such as silicon (Si) or germanium (element symbol: Ge) having a diamond structure. Further, there are rock salt structure type magnesium oxide (chemical formula: MgO), manganese oxide (chemical formula: MnO), and nickel oxide (chemical formula: NiO). Further, a spinel structure type MgAl
2 O 4 etc. (Int. Symp. Blue Las)
er and LightEmitting Diode
es (1996, Ohmsha, Ltd.), 80-8.
See page 5.)

【0022】III 族窒化物半導体結晶層の成膜は、概ね
1000℃或いはそれを越える高温で実施される(赤崎
勇、天野 浩、「光学」、第22巻、第11号(19
93)、670頁参照)。基板はこの様な高温に耐熱性
を有する単結晶材料から構成する必要に迫られる。III
−V族化合物半導体結晶であるGaAsの融点は、12
38℃であり、InPのそれは1070℃である(上記
の「III −V族化合物半導体」、148頁の表7.1参
照)。従って、これらのIII −V族化合物半導体結晶
は、比抵抗(抵抗率)にして約106 オーム・センチメ
ートル(Ω・cm)を越える半絶縁性の単結晶が工業的
に生産されるに至っているが、耐熱性の観点からして難
がある。またGaPは、1467℃と比較的高い融点を
持つが(上記の「III −V族化合物半導体」、148頁
の表7.1参照)、絶縁性の単結晶基板が安定して供給
されるには至っていない。従って、これらのIII −V族
化合物半導体結晶からは、耐熱性と絶縁性の双方を充分
に満足する基板材料を選択するには難がある。
The film formation of the group III nitride semiconductor crystal layer is carried out at a high temperature of about 1000 ° C. or higher (Isao Akasaki, Hiroshi Amano, “Optics”, Vol. 22, No. 11 (19)
93), p. 670). The substrate must be made of a single crystal material having heat resistance at such a high temperature. III
The melting point of GaAs, which is a group V compound semiconductor crystal, is 12
38 ° C., and that of InP at 1070 ° C. (see “III-V compound semiconductors” above, see Table 7.1 on page 148). Accordingly, these III-V compound semiconductor crystals have been industrially produced as semi-insulating single crystals having a specific resistance (resistivity) exceeding about 10 6 ohm-cm (Ω · cm). However, it is difficult from the viewpoint of heat resistance. Although GaP has a relatively high melting point of 1467 ° C. (see “III-V compound semiconductors” above, Table 7.1 on page 148), it is difficult to supply an insulating single crystal substrate stably. Has not been reached. Therefore, it is difficult to select a substrate material that sufficiently satisfies both heat resistance and insulating properties from these III-V group compound semiconductor crystals.

【0023】一方、珪素(Si)、所謂、シリコン(s
ilicon)は、融点を1420℃(上記の「III −
V族化合物半導体」、148頁の表7.1参照)とする
耐熱性のある材料である。しかし、他の元素半導体であ
るGeと同様に、高純度の結晶でも抵抗率は数十から数
百Ω・cm程度であり、絶縁性の単結晶が得られがたい
難点がある。マイクロ波或いはミリ波帯域で動作する高
周波FETには、抵抗率にして大凡106 Ω・cmを越
える絶縁性の単結晶から基板を構成する必要がある。
On the other hand, silicon (Si), so-called silicon (s)
ilicon) has a melting point of 1420 ° C. (see “III-
V-group compound semiconductor ”(see Table 7.1 on page 148). However, similarly to Ge, which is another element semiconductor, even a high-purity crystal has a resistivity of about several tens to several hundreds Ω · cm, and there is a difficulty in obtaining an insulating single crystal. For a high-frequency FET operating in a microwave or millimeter-wave band, it is necessary to form a substrate from an insulating single crystal having a resistivity exceeding approximately 10 6 Ω · cm.

【0024】MgO、MnOやNiOは、耐熱性がある
酸化物半導体材料である。しかし、III 族窒化物半導体
を成膜する際の代表的な窒素(元素記号:N)源である
アンモニア(化学式:NH3 )により、表面の状態が劣
化する欠点がある(上記のInt.Symp.Blue
Laser and Light Emitting
Diodes、81頁参照)。また、MnO、NiO
或いは酸化コバルト(化学式:CoO)は、明瞭な劈開
性を示さない欠点がある(応用物理学会主催、「SiC
及び関連ワイドギャップ半導体研究会第5回予稿集」
(1996年10月31日〜11月1日)、講演番号IV
−3、20〜21頁参照)。スピネル(spinel)
構造型のMgAl24 基板上には、多結晶のIII族窒
化物半導体(GaN)膜が成長する(上記の「SiC及
び関連ワイドギャップ半導体研究会予稿集」、21頁参
照)。しかし、スピネル構造型の結晶も明瞭な劈開性を
示さないため、個別の素子に裁断するに難点がある。レ
ーザダイオードに於ける光共振面を形成するために、基
板の劈開を利用すれば都合が良い様に、FETにあって
も明瞭な劈開性を呈する単結晶材料から基板を構成する
のが得策である。MODFETの如く、ヘテロ(het
ero)接合界面の急峻性をもって発現させた低次元の
電子ガスを利用するFETにあって、劈開性単結晶材料
から基板を構成すれば、ダイヤモンド刃(カッタ)によ
るダイシング(dicing)手段による場合とは異な
り、ヘテロ接合界面に損傷を与えることなく劈開により
チップ(chip)化が果たせ便利である。
MgO, MnO and NiO are heat-resistant oxide semiconductor materials. However, there is a disadvantage that the surface condition is deteriorated by ammonia (chemical formula: NH 3 ) which is a typical nitrogen (element symbol: N) source when forming a group III nitride semiconductor (see Int. .Blue
Laser and Light Emitting
Diodes, page 81). Also, MnO, NiO
Alternatively, cobalt oxide (chemical formula: CoO) has a drawback in that it does not show a clear cleavage ("SiC", sponsored by the Japan Society of Applied Physics).
And related wide-gap semiconductor workshop 5th proceedings ”
(October 31-November 1, 1996), Lecture Number IV
-3, pages 20-21). Spinel
On the structural type MgAl 2 O 4 substrate, a polycrystalline group III nitride semiconductor (GaN) film is grown (see “SiC and Related Wide Gap Semiconductor Study Group Proceedings”, p. 21). However, the spinel type crystal does not show a clear cleavage property, and therefore, there is a problem in cutting into individual elements. As it is convenient to use the cleavage of the substrate to form the optical resonance surface in the laser diode, it is advisable to construct the substrate from a single crystal material that exhibits a clear cleavage even in the FET, as it is convenient. is there. Like MODFET, hetero (het)
ero) In a FET utilizing a low-dimensional electron gas developed with a steep junction interface, if the substrate is formed from a cleavable single crystal material, the case using a dicing means using a diamond blade (cutter) may be used. On the contrary, it is convenient that a chip can be formed by cleavage without damaging the heterojunction interface.

【0025】フッ化カルシウム(CaF2 )は、融点を
1373℃とする高融点の結晶材料である(「岩波理化
学辞典 第3版」(1976年4月5日、(株)岩波書
店発行)、1151頁参照)。即ち、III 族窒化物半導
体結晶の成膜温度で耐熱性を有する螢石結晶型に属する
立方晶の結晶である(上記の「岩波理化学辞典 第3
版」、1278頁参照)。また、正八面体の面方向に明
瞭な劈開を呈する(C.W.Ban著、「化学結晶学」
(昭和45年6月15日初版、(株)培風館発行)、5
0頁参照)。また、禁止帯幅が15.7エレクトロンボ
ルト(eV)と大きな電気的な絶縁材料である(泉谷
徹郎監修、「新しいガラスとその物性」(昭和59年
8月20日初版第1刷、(株)経営システム研究所発
行)、629頁、及び日本物理学会編、「表面新物質
とエピタクシー」(1992年12月10日初版、
(株)培風館発行)、167頁参照)。従って、CaF
2 の表面上にはFETと共に、例えばツェナ(Zene
r)ダイオードなどの整流性素子を相互に良好な絶縁を
保って形成できる。纏めれば、本発明の云う基板材料と
して備えるべき要件を備えている結晶である。更に、C
aF2 は、光学的に透明な材料である。従って、例えば
FETと発光素子とを組み合わせた複合素子を構成する
上でも優位な基板として利用できる。光学的な透明な単
結晶材料から基板を構成すれば、基板に因る発光の吸収
を回避できる。このため、素子から外部への発光の取り
出し効率に優れた発光素子を、例えばFETと共に集積
できる利点がある。この様な優位性から、本発明ではC
aF2 を好適な基板材料として利用する。
Calcium fluoride (CaF 2 ) is a high melting point crystalline material having a melting point of 1373 ° C. (“Iwanami Physical and Chemical Dictionary Third Edition” (published by Iwanami Shoten Co., Ltd. on April 5, 1976). See page 1151). That is, it is a cubic crystal belonging to the fluorite crystal type that has heat resistance at the film forming temperature of the group III nitride semiconductor crystal (see the above-mentioned “Iwanami Rikagaku Dictionary No. 3”).
Edition ", p. 1278). In addition, it shows a clear cleavage in the plane direction of the octahedron (CW Ban, “Chemical Crystallography”).
(First edition, June 15, 1970, published by Baifukan Co., Ltd.), 5
See page 0). It is a large electrical insulating material with a band gap of 15.7 electron volts (eV) (supervised by Tetsuro Izumiya, "New Glass and Its Physical Properties" (First Edition, August 20, 1984, First Edition, ) Management Systems Research Institute), p. 629, edited by The Physical Society of Japan, "New Surface and Epitaxy" (December 10, 1992, first edition,
(Published by Baifukan Co., Ltd.), page 167). Therefore, CaF
The FET is on the second surface, for example a Zener (Zene
r) Rectifying elements such as diodes can be formed while maintaining good mutual insulation. In summary, it is a crystal having the requirements to be provided as a substrate material according to the present invention. Further, C
aF 2 is an optically transparent material. Therefore, for example, it can be used as a superior substrate in forming a composite device in which an FET and a light emitting device are combined. When the substrate is made of an optically transparent single crystal material, absorption of light emitted by the substrate can be avoided. For this reason, there is an advantage that a light emitting element having excellent efficiency of extracting light from the element to the outside can be integrated with, for example, an FET. Due to such advantages, the present invention uses C
aF 2 is used as a suitable substrate material.

【0026】CaF2 からなる単結晶基板上には、BP
系のIII −V族化合物半導体結晶からなる緩衝層を堆積
する。本発明のBP系III −V族化合物半導体とは、硼
素(元素記号:B)とリン(元素記号:P)とを少なく
とも構成元素として含むIII−V族化合物半導体であ
る。BP系III −V族化合物半導体の端的な一例には、
リン化硼素(BP)がある。BPからなる緩衝層は、従
来の気相成長技術を利用して成膜出来る。例えば、三塩
化硼素(化学式:BCl3 )を硼素(B)源とし、三塩
化リン(PCl3 )をリン(P)源とするハライド(h
alide)気相成長(VPE)法により成膜出来る。
また、ボラン(化学式:BH3 )或いはジボラン(化学
式:B26)を硼素(B)源とし、ホスフィン(化学
式:PH3 )などをリン(P)源とする有機金属熱分解
気相成長法(MOCVD法)により成膜できる。また、
三塩化硼素等のハロゲン化合物とホスフィン等のリンの
水素化物を原料とするハイドライド(hydride)
気相成長法により成膜できる。
On a single crystal substrate made of CaF 2 , BP
A buffer layer made of a system III-V compound semiconductor crystal is deposited. The BP-based III-V compound semiconductor of the present invention is a III-V compound semiconductor containing at least boron (element symbol: B) and phosphorus (element symbol: P) as constituent elements. A simple example of a BP III-V compound semiconductor is:
There is boron phosphide (BP). The buffer layer made of BP can be formed using a conventional vapor deposition technique. For example, a halide (h) using boron trichloride (chemical formula: BCl 3 ) as a boron (B) source and phosphorus trichloride (PCl 3 ) as a phosphorus (P) source.
Alide) A film can be formed by a vapor phase epitaxy (VPE) method.
Metalorganic pyrolysis vapor phase growth using borane (chemical formula: BH 3 ) or diborane (chemical formula: B 2 H 6 ) as a boron (B) source and phosphine (chemical formula: PH 3 ) as a phosphorus (P) source. The film can be formed by a method (MOCVD method). Also,
Hydride from a hydride of a halogen compound such as boron trichloride and phosphorus such as phosphine as raw materials
A film can be formed by a vapor growth method.

【0027】従来のBPからなる緩衝層(特開平2−
275682号、特開平2−288371号、及び
特開平2−288388号各公報明細書参照)とは異な
り、本発明のBP緩衝層は、上層として表面を平滑で平
坦とする連続性のあるIII 族窒化物半導体結晶層を帰結
するための構成を備えたものとする。本発明の緩衝層の
構成を図2の断面模式図を基に説明する。図2の断面模
式図は、透過型電子顕微鏡(英略称:TEM)により撮
像した本発明に係わるBP緩衝層断面TEM像の模写図
である。本発明に係わるBP緩衝層110は、CaF2
基板101との接合界面111近傍の領域112に、ス
トランスキー・クラスタノフ(Stranski・Kr
astanov)モードによる成長様式(上記の「薄膜
作製ハンドブック」、59頁参照)を伺わせる、BPの
単結晶からなる層が配置された構成となっている。単結
晶層からなる領域112の上方の領域113は、非晶質
体を主体とした層が配置されている。
A buffer layer made of a conventional BP (Japanese Unexamined Patent Publication No.
Unlike 275682, JP-A-2-288371 and JP-A-2-288388, the BP buffer layer of the present invention has a continuous group III having a smooth and flat surface as an upper layer. A structure for contributing to the nitride semiconductor crystal layer is provided. The configuration of the buffer layer of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. The schematic cross-sectional view of FIG. 2 is a schematic TEM image of a cross-sectional TEM image of the BP buffer layer according to the present invention taken by a transmission electron microscope (abbreviation: TEM). The BP buffer layer 110 according to the present invention is made of CaF 2
In a region 112 near the bonding interface 111 with the substrate 101, a Stransky Krnov
The structure is such that a layer composed of a single crystal of BP, which indicates the growth mode in the astanov mode (see the above “Thin Film Preparation Handbook”, page 59), is arranged. In a region 113 above a region 112 formed of a single crystal layer, a layer mainly composed of an amorphous body is arranged.

【0028】上述のような構成からなるBP緩衝層は、
前述の各成長方法に於いて、成膜温度を比較的低温に設
定することにより安定して獲得できる。例えば、BCl
3 /PCl3 /H2 系ハライドVPE法による気相成長
法では、成膜温度を約300℃以上約500℃以下とす
ることをもって成膜出来る。ジボラン/ホスフィン/水
素系MOCVD成長法では、上記の結晶構成からなるB
P緩衝層が得られるのは、概ね250℃から600℃の
範囲の温度で成膜する場合である。同一の成長方法にあ
っても、成長反応容器の形状或いは流量条件などに依存
して適正な成膜温度範囲は微妙に変化するため、成長環
境及び条件に応じて適宣、温度範囲は選択すべきであ
る。
The BP buffer layer having the above structure is
In each of the above-described growth methods, the film can be stably obtained by setting the film forming temperature to a relatively low temperature. For example, BCl
In the vapor phase growth method by the 3 / PCl 3 / H 2 -based halide VPE method, the film can be formed by setting the film formation temperature to about 300 ° C. or more and about 500 ° C. or less. In the diborane / phosphine / hydrogen MOCVD growth method, the B
The P buffer layer is obtained when the film is formed at a temperature generally in the range of 250 ° C. to 600 ° C. Even in the same growth method, the appropriate film formation temperature range is slightly changed depending on the shape of the growth reaction vessel or the flow rate conditions, so the temperature range is appropriately selected according to the growth environment and conditions. Should.

【0029】その際の成膜温度の適正範囲の上限値及び
下限値は、BP緩衝層の内部の結晶組織構成をもって決
定できる。上限の温度とは、CaF2 との接合界面近傍
の領域のみならず、緩衝層の全体が単結晶から構成され
るBP緩衝層が得られる温度である。BP(格子定数=
4.538Å)と立方晶GaN(格子定数=4.510
Å)との格子ミスマッチ度は僅か0.6%であり、BP
単結晶から構成される緩衝層は、上層として高品質な立
方晶GaN結晶層を積層するに優位であると思量され
る。しかし、この僅かなミスマッチをも緩和する非晶質
体からなる層が存在しない場合、上層のIII 族窒化物半
導体結晶層の表面には、時として直線的な縞模様が格子
状に発生するため(所謂、クロスハッチパターン)、平
滑で平坦なIII 族窒化物半導体結晶層を安定して獲得す
るためには不都合となる。一方下限温度は、BP緩衝層
が部分的にも結晶化に至らず、緩衝層の全体が非晶質体
から構成される温度である。緩衝層の全体を非晶質体か
ら構成する場合の不具合は、上層としてIII 族窒化物半
導体結晶層を成膜するために基板を高温に昇温する際
に、構成原子相互の結合力を弱小とする非晶質体からな
る緩衝層は揮散して、基板表面が露呈することに起因し
ている。即ちこの場合、GaNを成膜する場合を例にす
れば、格子のミスマッチ度を約21%と大とするCaF
2 の表面上に、直接GaNを堆積せざるをえない事態を
招く。この様な状況下で帰結されるGaN膜は、連続性
に欠如したものとなる。緩衝層の内部の結晶組織は、X
線回折法による回折ピークの出現状況から知ることが出
来る。また、断面TEM技法に依れば、深さ方向での結
晶組織の変貌を解析することが出来る。
The upper and lower limits of the proper range of the film forming temperature can be determined by the crystal structure inside the BP buffer layer. The upper limit temperature is a temperature at which a BP buffer layer in which the entire buffer layer is formed of a single crystal as well as a region near the interface with CaF 2 is obtained. BP (lattice constant =
4.538 °) and cubic GaN (lattice constant = 4.510)
The degree of lattice mismatch with 度) is only 0.6%, and BP
The buffer layer made of a single crystal is considered to be superior to stacking a high-quality cubic GaN crystal layer as an upper layer. However, when there is no layer made of an amorphous material that can alleviate even a slight mismatch, linear stripes sometimes appear in a lattice pattern on the surface of the upper group III nitride semiconductor crystal layer. This is inconvenient for stably obtaining a smooth and flat group III nitride semiconductor crystal layer (a so-called cross hatch pattern). On the other hand, the lower limit temperature is a temperature at which the BP buffer layer does not partially crystallize and the entire buffer layer is formed of an amorphous material. A disadvantage when the entire buffer layer is made of an amorphous body is that when the substrate is heated to a high temperature in order to form a Group III nitride semiconductor crystal layer as an upper layer, the bonding force between constituent atoms is weakened. The buffer layer made of an amorphous material is volatilized to expose the substrate surface. That is, in this case, taking the case of forming a GaN film as an example, a CaF that increases the degree of lattice mismatch to approximately 21%
This causes a situation in which GaN must be directly deposited on the surface of ( 2 ). The GaN film consequent to such a situation lacks continuity. The crystal structure inside the buffer layer is X
It can be known from the appearance of diffraction peaks by the line diffraction method. Further, according to the cross-sectional TEM technique, it is possible to analyze the change of the crystal structure in the depth direction.

【0030】本発明のBP系緩衝層とは、その成膜温度
から観て、低温緩衝層と呼称されるべきものである(上
記の「III −V族化合物半導体」、335〜337頁参
照)。即ち、従来から知られているシリコン基板上のB
P緩衝層(特開平2−275682号、特開平2−
288371号、及び特開平2−288388号各公
報明細書参照)とは、その内部結晶構成も、またその成
膜条件も全く相違するものである。この様な構成を備え
た低温緩衝層は、その上に堆積する上層を連続性のある
III −V族化合物半導体結晶層から構成するに格別に効
果を奏する。
The BP-based buffer layer of the present invention should be referred to as a low-temperature buffer layer in view of the film formation temperature (see the above-mentioned "III-V compound semiconductor", pp. 335-337). . That is, B on a silicon substrate which has been conventionally known
P buffer layer (JP-A-2-275682, JP-A-2-27582)
288371 and JP-A-2-288388) have completely different internal crystal structures and film forming conditions. The low-temperature buffer layer having such a structure has a continuous upper layer deposited thereon.
This is particularly effective when it is composed of a group III-V compound semiconductor crystal layer.

【0031】上層を連続性のある結晶層とするには、上
記のような要件を備えた緩衝層とすれば充分である。し
かし、上層を構成するIII −V族化合物半導体結晶層を
立方晶とするには、BP系緩衝層に更なる構成要件が加
わる。立方晶からなる上層をもたらす緩衝層を構成する
には、緩衝層内のリン化硼素多量体結晶の量を規制する
必要がある。硼素モノフォスファイド(monopho
sphide)と称されるBPに対比されるリン化硼素
多量体結晶を、一般式Bij (i≠0、j≧1)で表
記するとする。代表的なBij 結晶には、i=13、
j=2の化学式B132 で表記される結晶がある(
V.I.MATKOVICH、Acta.Crys
t.、14(1961)、93頁及びJ.Amer.
Ceramic Society、47(1964)、
44〜46頁参照)。また、iを6とするB6 Pがある
(J.Amer.Chem.Soc.、82(196
0)、1330〜1332頁参照)。リン化硼素多量体
結晶の一分子を構成するリン原子の数を表すjは通常は
1または2である。
In order to make the upper layer a continuous crystal layer, it is sufficient to use a buffer layer having the above requirements. However, in order to make the III-V compound semiconductor crystal layer constituting the upper layer cubic, additional constituent requirements are added to the BP-based buffer layer. In order to construct a buffer layer that provides a cubic upper layer, it is necessary to regulate the amount of boron phosphide multimeric crystals in the buffer layer. Boron monophosphide
The boron phosphide multimer crystal, which is referred to as BP, is referred to as a general formula B i P j (i ≠ 0, j ≧ 1). A typical B i P j crystal has i = 13,
There is a crystal represented by the chemical formula B 13 P 2 where j = 2 (
V. I. Matkovich, Acta. Crys
t. , 14 (1961), p. Amer.
Ceramic Society, 47 (1964),
See pages 44-46). There is also B 6 P where i is 6 (J. Amer. Chem. Soc., 82 (196
0), pages 1330-1332. J representing the number of phosphorus atoms constituting one molecule of the boron phosphide multimer crystal is usually 1 or 2.

【0032】量的関係をもって、リン化硼素多量体結晶
に規制を加える技術的論拠を次に述べる。B132 が緩
衝層の構成材料として好ましくないのは、その結晶型が
菱面体構造の六方晶であることにある(上記のAme
r.Ceramic Society、47(196
4)、44〜46頁及びA.S.T.M.(Ameri
can Society of Testing Ma
terials)card13−205参照)。緩衝層
を構成する結晶の晶系は、上層に受け継がれる傾向にあ
る。従って、六方晶の緩衝層上に積層されるIII 族窒化
物半導体結晶層は、六方晶の結晶形態となる。この事態
を招聘することは、緩衝層上に立方晶を主体とするIII
族窒化物半導体結晶層からなる積層構造体を簡便に得る
ことを意図している本発明の目的にはそぐわず、また不
都合である。これが、本発明に於いてB原子とP原子の
集合体であるリン化硼素多量体結晶の量を少量に抑制す
る理由である。本発明では、6個以上の硼素(元素記
号:B)原子とリン(元素記号:P)原子とからなるリ
ン化硼素多量体結晶(BXY 、但しX≧6、Y=1ま
たは2)を量的に規制する対象とする。
The technical rationale for restricting the boron phosphide multimer crystal with a quantitative relationship will be described below. B 13 P 2 is not preferable as a constituent material of the buffer layer because its crystal form is a hexagonal crystal having a rhombohedral structure (the above-mentioned Ame).
r. Ceramic Society, 47 (196
4), pages 44-46 and A.I. S. T. M. (Ameri
can Society of Testing Ma
terials) card 13-205). The crystal system constituting the buffer layer tends to be inherited by the upper layer. Therefore, the group III nitride semiconductor crystal layer laminated on the hexagonal buffer layer has a hexagonal crystal form. Inviting this situation is due to the fact that mainly cubic crystals
This is inconvenient and inconvenient for the purpose of the present invention, which aims at easily obtaining a laminated structure composed of a group III nitride semiconductor crystal layer. This is the reason why in the present invention, the amount of boron phosphide polymer crystals, which are aggregates of B atoms and P atoms, is suppressed to a small amount. In the present invention, a boron phosphide multimeric crystal (B X P Y , where X ≧ 6, Y = 1 or 2) comprising six or more boron (element symbol: B) atoms and phosphorus (element symbol: P) atoms. ) Are subject to quantitative regulation.

【0033】具体的には、BP系緩衝層中のリン化硼素
多量体結晶の含有量が約30%未満となる様にするのが
好ましい。リン化硼素多量体結晶の量は、1/20以下
であるのがさらに好ましい。この程度に少量のリン化硼
素多量体結晶では、上層の結晶系に影響を及ぼすには至
らない。分子を構成する硼素(B)原子の数が増すと、
自ずとその分子が占有する体積が巨大となり、例えば、
BP結晶層内の歪みが増すなどこれまた不都合である。
この観点からしても、リン化硼素多量体結晶は殆ど含有
されていないのが特に好ましい。
Specifically, it is preferable that the content of the boron phosphide multimeric crystal in the BP-based buffer layer is less than about 30%. More preferably, the amount of the boron phosphide multimeric crystal is 1/20 or less. Such a small amount of boron phosphide multimer crystals does not affect the crystal system of the upper layer. When the number of boron (B) atoms constituting a molecule increases,
Naturally, the volume occupied by the molecule becomes huge, for example,
This is also inconvenient, such as increased strain in the BP crystal layer.
From this viewpoint as well, it is particularly preferable that the boron phosphide polymer crystals are hardly contained.

【0034】例えばB132 は、BPより次の反応式1
に従って生ずることが知られている(上記のAmer.
Ceramic Society、47(1964)、
44〜46頁参照)。 52 BP → 4 B132 + 11 P4 (反応式1) このBPの熱分解に因るB132 の生成は高温程、進行
する(日本産業技術振興協会新材料技術委員会編、「化
合物半導体デバイス」(1973年9月15日、(株)
工業調査会発行)、248頁参照)。従って、化学式B
132 で代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を少
量に抑制するには、緩衝層の成膜温度を前述の様に低温
に設定するのが有利である。成膜温度を出来るだけ低温
とした上で、更にBP系緩衝層の気相成長法による成膜
時において、硼素(B)源の反応系への供給量を少量と
し、且つ、硼素(B)源に対するリン(P)源の供給
比、即ちP/B比を大とすると、B132 結晶体の生成
を抑制するにより効果がある。例えば、BCl3 /PC
3 /H2 反応系を利用するハライドVPE法による3
50℃に於けるBPでの成長では、BCl3 の供給量を
約5×10-6モル(mol)/分とし、PCl3 /BC
3 供給比を300程度に設定することにより、B13
2 を殆ど含まないBP緩衝層を構成できる。
For example, B 13 P 2 is obtained from BP by the following reaction formula 1.
(Amer., Supra).
Ceramic Society, 47 (1964),
See pages 44-46). 52 BP → 4 B 13 P 2 +11 P 4 (Reaction formula 1) The production of B 13 P 2 due to the thermal decomposition of this BP proceeds as the temperature increases (edited by the Japan Society for the Promotion of Industrial Technology, New Materials Technology Committee, "Compound semiconductor device" (September 15, 1973, Co., Ltd.)
(Issued by the Industrial Research Council), page 248). Therefore, chemical formula B
In order to suppress the content of the boron phosphide polymer crystal represented by 13 P 2 to a small amount, it is advantageous to set the film forming temperature of the buffer layer to a low temperature as described above. After setting the film forming temperature as low as possible, when the BP-based buffer layer is formed by the vapor phase growth method, the supply amount of the boron (B) source to the reaction system is reduced and the boron (B) Increasing the supply ratio of the phosphorus (P) source to the source, that is, the P / B ratio, is more effective in suppressing the formation of B 13 P 2 crystals. For example, BCl 3 / PC
3 by halide VPE method using l 3 / H 2 reaction system
In the growth of BP at 50 ° C., the supply amount of BCl 3 was about 5 × 10 −6 mol / min, and PCl 3 / BC
By setting the l 3 supply ratio to about 300, B 13 P
A BP buffer layer containing almost no 2 can be formed.

【0035】さらに本発明では、結晶欠陥の少ない活性
層を獲得するために、基板を構成するCaF2 に格子整
合できる半導体材料からなる低温緩衝層を提供する。基
板と格子整合を果たす結晶材料から低温緩衝層を構成す
ることにより、格子のミスフィットに起因して基板と低
温緩衝層との界面で発生するミスフィット転位の密度を
そもそも低減できる。従って、結晶欠陥密度の小さい低
温緩衝層が構成できる利点がある。結晶欠陥密度の少な
い低温緩衝層上には、高移動度特性を発現するに有利な
結晶性に優れる活性層が堆積され得る。混晶から格子整
合系の低温緩衝層を構成する場合、構成元素が出来るだ
け少ない混晶であるのが望ましい。即ち、5元混晶より
も4元混晶、4元混晶よりも3元混晶から構成するのが
望ましい。規定された仕様を備えた低温緩衝層を得るた
めに制御すべき因子の数が、減ぜられるからである(永
井 治男他著、「III −V族半導体混晶」(1993年
7月30日初版第2刷、(株)コロナ社発行)。格子定
数を5.436ÅとするCaF2 に格子整合する低温緩
衝層は、リン化硼素・インジウム結晶(Ba In1-a
P)にあって、硼素組成比(=a)を0.31とするB
0.31In0.69P混晶から構成できる。
Further, the present invention provides a low-temperature buffer layer made of a semiconductor material capable of lattice-matching with CaF 2 constituting a substrate in order to obtain an active layer having few crystal defects. By forming the low-temperature buffer layer from a crystal material that performs lattice matching with the substrate, the density of misfit dislocations generated at the interface between the substrate and the low-temperature buffer layer due to lattice misfit can be reduced in the first place. Therefore, there is an advantage that a low-temperature buffer layer having a small crystal defect density can be formed. On the low-temperature buffer layer having a low crystal defect density, an active layer having excellent crystallinity, which is advantageous for exhibiting high mobility characteristics, can be deposited. When forming a lattice-matched low-temperature buffer layer from a mixed crystal, it is desirable that the mixed crystal has as few constituent elements as possible. That is, it is desirable that the quaternary mixed crystal be composed of a ternary mixed crystal rather than a quinary mixed crystal. This is because the number of factors to be controlled to obtain a low-temperature buffer layer with specified specifications is reduced (Haruo Nagai et al., “III-V Semiconductor Mixed Crystal” (July 30, 1993). first edition second Printing, low-temperature buffer layer lattice-matched to CaF 2 to 5.436Å Co., Ltd. corona publishing published). the lattice constant boron indium phosphide crystal (B a in 1-a
P), the boron composition ratio (= a) is set to 0.31 B
It can be composed of 0.31 In 0.69 P mixed crystal.

【0036】上記の混晶材料から低温緩衝層を構成する
にあっても、CaF2 単結晶基板との接合界面近傍の領
域は、主に単結晶からなる層から構成するのが好まし
い。またその上方の領域は、非晶質体を主体とする層か
ら構成するのが好ましい。従って、BPに代替するBa
In1-a P混晶から低温緩衝層を構成する場合にあって
も、緩衝層が備えるべき結晶組織的な構成要件はBPの
場合とは相違しない。また、立方晶からなる上層を堆積
するために、Ba In1-a P混晶からなる低温緩衝層は
132 に代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を
1/20以下、即ち、5%以下に抑制すべきことにも変
化はない。
In forming the low-temperature buffer layer from the above-mentioned mixed crystal material, it is preferable that the region near the junction interface with the CaF 2 single crystal substrate is mainly formed of a single crystal layer. Further, it is preferable that the region above it is composed of a layer mainly composed of an amorphous body. Thus, B a an alternative to BP
Even when the low-temperature buffer layer is formed from the In 1-a P mixed crystal, the structural requirements for the crystal structure to be provided in the buffer layer are not different from those in the case of BP. Further, in order to deposit an upper layer consisting of cubic, B low-temperature buffer layer made of a In 1-a P mixed crystal content of boron phosphide multimer crystals represented by B 13 P 2 1/20 or less That is, there is no change in what should be suppressed to 5% or less.

【0037】Ba In1-a P混晶から本発明の低温緩衝
層を構成する場合、必ずしも単一な組成の混晶層から構
成する必要はない。歪超格子(strained−la
yer super−lattice)を構成するため
の手段として周知の格子定数を異にする結晶層を相互に
重層させる方法によっても(日本物理学会編著、「半導
体超格子の物理と応用」(昭和61年9月30日初版第
4刷、(株)培風館発行)、83〜84頁参照)、Ba
In1-a P混晶からCaF2 に良好な整合性を発揮する
低温緩衝層を構成出来る。例えば、CaF2 の格子定数
(記号d(=5.436Å)で表す。)を中心として、
Δa(Å)だけ大きな格子定数の第1のBa In1-a
混晶層(格子定数(Å)=d+Δa)と、格子定数をd
−Δa(Å)とする第2のBa In1-a P混晶層とを交
互に重層して構成した超格子構造の重層構造体は、全体
としてCaF2 に良好な格子整合を果たす低温緩衝層と
して利用出来る。CaF2 の格子定数(d)より、+Δ
a或いは−Δa(Å)だけ変化した格子定数を有するB
a In1-a P混晶は、硼素組成比(=a)を相違させれ
ば構成することが出来る。
[0037] When configuring the low-temperature buffer layer of the present invention from B a In 1-a P mixed crystal, is not necessarily be composed of mixed crystal layer of a single composition. Strained-la
As a means for forming a yer super-lattice, a well-known method of superposing crystal layers having different lattice constants on each other (edited by the Physical Society of Japan, "Physics and Application of Semiconductor Superlattice" (September 1986) month 30 days first edition 4th Printing, Inc. Baifukan issue), pp. 83-84), B a
A low-temperature buffer layer exhibiting good compatibility with CaF 2 can be formed from an In 1-a P mixed crystal. For example, centering on the lattice constant of CaF 2 (represented by the symbol d (= 5.436 °))
First B a In 1-a P having a lattice constant larger by Δa (Å)
Mixed crystal layer (lattice constant (Å) = d + Δa) and lattice constant d
-Δa (Å) to the second B a In 1-a P mixed crystal layer and the multilayer structure of the superlattice structure in which the layered alternately, the low-temperature play a good lattice match to the CaF 2 as a whole It can be used as a buffer layer. From the lattice constant (d) of CaF 2 , + Δ
B having a lattice constant changed by a or -Δa (Å)
a In 1-a P mixed crystal can be formed by changing the boron composition ratio (= a).

【0038】上記した如く、CaF2 と格子整合が果せ
るBa In1-a P混晶の硼素組成比は、0.31換言す
ればインジウム組成比を0.69とするB0.31In0.69
Pである。従って、Ba In1-a P混晶から超格子構造
を構成する場合にあっては、a=0.31を中心として
大小双方向に等量に硼素の組成比を変位させる。硼素
(或いはインジウム)組成比の基準値からの大小方向へ
のずれを等量とするのは、Vegard則(永井 治男
他著、「III −V族半導体混晶」(1993年7月30
日初版第2刷、(株)コロナ社発行)、27頁参照)が
教示する如く、組成を変化させたことによるCaF2
格子定数からの大小方向へのBa In1-aP混晶の格子
定数の変位量を等量とするためである。Ba In1-a
混晶の場合、大小両方向に変位させられる硼素組成比の
最大の変位量は、硼素組成比a>0の条件を考え合わせ
ると、CaF2 に一致する格子定数を与える硼素組成比
である0.31を基準として±0.31である。従っ
て、Ba In1-a Pに於いて、硼素組成比(=a)が取
り得る範囲は、0<a<0.62である。
[0038] As described above, boron composition ratio of B a In 1-a P mixed crystal CaF 2 lattice matching Oseru is, B 0.31 an In 0.69 to 0.69 the indium composition ratio in other words 0.31
P. Accordingly, in the case of constituting the super lattice structure from a B a In 1-a P mixed crystal displaces the composition ratio of boron to an equivalent amount in the magnitude bidirectionally around the a = 0.31. The equivalence of the deviation of the boron (or indium) composition ratio from the reference value in the magnitude direction is determined by the Vegard rule (Hirio Nagai et al., “III-V Group Semiconductor Mixed Crystal” (July 30, 1993).
Day First Edition Second Printing, Inc. Corona Publishing published), page 27 reference) as taught, B a In 1-a P mixed crystals of the magnitude direction from the lattice constant of CaF 2 by the varying composition This is to make the displacement amount of the lattice constant of Eq. Ba In 1-a P
In the case of a mixed crystal, the maximum displacement of the boron composition ratio displaced in both the large and small directions is a boron composition ratio that gives a lattice constant matching CaF 2 when considering the condition of boron composition ratio a> 0. It is ± 0.31 with reference to 31. Therefore, in Ba In 1-a P, the possible range of the boron composition ratio (= a) is 0 <a <0.62.

【0039】本発明の低温緩衝層上には、直接III 族窒
化物半導体結晶からなる活性層を堆積できる。例えば、
0.31In0.69P(格子定数=5.436Å)からなる
低温緩衝層上には、チャネル層を構成する窒化ガリウム
結晶層を積層できる。立方晶の窒化ガリウム(GaN)
の格子定数は4.510Åであり、低温緩衝層を構成す
るB0.31In0.69Pとは、格子整合の関係にはない。し
かしながら、本発明の構成になる低温緩衝層は、格子不
整合の関係にある上層である窒化ガリウムからなる活性
層についても連続性のある平滑な結晶層とすることがで
きる。
On the low-temperature buffer layer of the present invention, an active layer made of a group III nitride semiconductor crystal can be directly deposited. For example,
A gallium nitride crystal layer constituting a channel layer can be stacked on the low-temperature buffer layer made of B 0.31 In 0.69 P (lattice constant = 5.436 °). Cubic gallium nitride (GaN)
Has a lattice constant of 4.510 ° and has no lattice matching relationship with B 0.31 In 0.69 P constituting the low-temperature buffer layer. However, in the low-temperature buffer layer according to the present invention, the active layer made of gallium nitride, which is the upper layer having a lattice mismatch, can be a continuous and smooth crystal layer.

【0040】また、低温緩衝層上に直接活性層を堆積す
るのではなく、介在層を挿入した上で、活性層を構成す
るIII 族窒化物半導体結晶層を積層する手法もある。こ
の場合、介在層を構成するに適する材料には、取り得る
格子定数の範囲が3.62Å以上4.54Å以下である
窒化リン化硼素(BP1-δNδ:0≦δ≦1)混晶があ
る。これは窒素組成比(=δ)如何に依って、活性層を
構成するに好適な窒化アルミニウム・ガリウム(AlA
GaB N:0≦A,B≦1、A+B=1)に格子整合す
る介在層が供給できるからである。例えば、窒素組成比
を0.03とするBP0.970.03混晶は、立方晶のGa
N(格子定数=4.510Å)に格子整合できる。ま
た、窒素組成比を0.17とするBP0.830.17混晶
は、立方晶のAlN(格子定数=4.380Å)に一致
する格子定数を有する。また、窒化砒化硼素(BAs1-
γNγ:0≦γ≦1)混晶からも介在層を構成できる。
砒化硼素(BAs;格子定数=4.777Å)と窒化硼
素(BN;格子定数=3.615Å)とからなる3元混
晶であるBAs1-γNγから介在層を構成することによ
り、介在層が格子整合を果たせるIII 族窒化物半導体結
晶の種類を増すことができる。例えば、砒素組成比を
0.81とするBAs0.810.19混晶からなる介在層
は、BP1-δNδ混晶では達成出来ない、インジウム組
成比を10%とするGa0.90In0.10N(格子定数=
4.560Å)と格子整合を果たすことが出来る。
There is also a method in which, instead of directly depositing an active layer on the low-temperature buffer layer, a group III nitride semiconductor crystal layer constituting the active layer is laminated after inserting an intervening layer. In this case, a material suitable for forming the intervening layer is a mixed crystal of boron phosphide nitride (BP 1 -δNδ: 0 ≦ δ ≦ 1) in which the range of possible lattice constants is 3.62 ° or more and 4.54 ° or less. is there. This is because aluminum gallium nitride (Al A) suitable for forming the active layer depends on the nitrogen composition ratio (= δ).
This is because an intervening layer lattice-matched to Ga B N: 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B = 1) can be supplied. For example, a BP 0.97 N 0.03 mixed crystal having a nitrogen composition ratio of 0.03 is a cubic Ga
N (lattice constant = 4.510 °). The BP 0.83 N 0.17 mixed crystal having a nitrogen composition ratio of 0.17 has a lattice constant that matches cubic AlN (lattice constant = 4.380 °). In addition, boron arsenide (BAs 1-
γNγ: 0 ≦ γ ≦ 1) The intervening layer can also be composed of a mixed crystal.
By forming the intervening layer from BAs 1 -γNγ which is a ternary mixed crystal composed of boron arsenide (BAs; lattice constant = 4.777 °) and boron nitride (BN; lattice constant = 3.615 °), the intervening layer is formed. The type of group III nitride semiconductor crystal that can achieve lattice matching can be increased. For example, an intervening layer composed of a BAs 0.81 N 0.19 mixed crystal having an arsenic composition ratio of 0.81 cannot be achieved by a BP 1 -δNδ mixed crystal, and Ga 0.90 In 0.10 N (a lattice constant) having an indium composition ratio of 10%. =
4.560 °) and lattice matching can be achieved.

【0041】FET用途の緩衝層にあって、緩衝層は、
活性層との電気的絶縁を果たすために高抵抗であるのが
好ましい。また、緩衝層上に設ける介在層も高抵抗であ
るのが好ましい。介在層も低温緩衝層と同じく、有機金
属熱分解気相成長(MOCVD)法、ハライド或いはハ
イドライド(hydride)VPE法や分子線エピタ
キシャル(MBE)法の一種であるガスソース(gas
−sorce)MBE法などで成膜できる。これらの手
法に於いて、例えば不純物をドーピング(dopin
g)しながら成膜すれば、高抵抗の低温緩衝層若しくは
介在層が得られる。例えば、アンドープでp形のBP系
低温緩衝層は、元素周期律表の第IV族に属するSiや錫
(元素記号:Sn)、第VI族のセレン(元素記号:S
e)や硫黄(元素記号:S)などのn形不純物のドーピ
ングにより高抵抗層となすことができる。アンドープで
n形のBP系低温緩衝層に対しては、第II族の亜鉛(元
素記号:Zn)、ベリリウム(元素記号:Be)やマグ
ネシウム(元素記号:Mg)、第IV族の炭素(元素記
号:C)などのp形不純物のドーピングにより高抵抗層
となすことができる。
In the buffer layer for FET use, the buffer layer is
It is preferable that the resistance is high in order to achieve electrical insulation with the active layer. It is also preferable that the intervening layer provided on the buffer layer has a high resistance. Similarly to the low-temperature buffer layer, the intervening layer is formed of a gas source (gas) which is a kind of a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a halide or hydride VPE method, or a molecular beam epitaxial (MBE) method.
-Source) The film can be formed by the MBE method or the like. In these methods, for example, doping with impurities (dopin
g) If the film is formed, a low-temperature buffer layer or an intermediate layer having a high resistance can be obtained. For example, an undoped p-type BP-based low-temperature buffer layer is made of Si or tin (element symbol: Sn) belonging to group IV of the periodic table, or selenium (element symbol: S) belonging to group VI.
A high resistance layer can be formed by doping an n-type impurity such as e) or sulfur (element symbol: S). For an undoped n-type BP-based low-temperature buffer layer, group II zinc (element symbol: Zn), beryllium (element symbol: Be) and magnesium (element symbol: Mg), and group IV carbon (element A high-resistance layer can be formed by doping a p-type impurity such as C :.

【0042】低温緩衝層の厚さは、10μm以下、望ま
しくは1μm以下とする。さらに好ましくは、5000
Å以下であり、特に500Å以下であると好ましい。さ
らに低温緩衝層は数原子層程度の厚さがあれば、特に、
CaF2 基板との接合界面近傍の領域に於ける単結晶層
を含む領域の厚さが数原子層程度あれば、低温緩衝層と
しての機能は充分に発揮することができる。
The thickness of the low-temperature buffer layer is 10 μm or less, preferably 1 μm or less. More preferably, 5000
Å or less, and particularly preferably 500 ° or less. Furthermore, if the low-temperature buffer layer has a thickness of several atomic layers,
If the thickness of the region including the single crystal layer in the region near the bonding interface with the CaF 2 substrate is about several atomic layers, the function as a low-temperature buffer layer can be sufficiently exhibited.

【0043】本発明に係わる低温緩衝層の上に、少なく
とも立方晶のIII 族窒化物半導体からなる活性層を具備
する積層構造体に、オーミック性電極材料からなるソー
ス(source)及びドレイン(drain)電極
と、ショットキ性電極材料からなるゲート電極を設けれ
ば、本発明に係わるFET等のIII 族窒化物半導体素子
を構成できる。
A laminated structure having at least an active layer made of a cubic group III nitride semiconductor on the low-temperature buffer layer according to the present invention is provided with a source and a drain made of an ohmic electrode material. By providing an electrode and a gate electrode made of a Schottky electrode material, a group III nitride semiconductor device such as a FET according to the present invention can be formed.

【0044】[0044]

【作用】本願の請求項1に記載した、螢石結晶型のフッ
化カルシウム(CaF2 )からなる立方晶基板と、その
上に設けた閃亜鉛鉱型結晶のリン化硼素(BP)系低温
緩衝層とからなる下地積層系は、その上層として積層す
る活性層を立方晶のIII族窒化物半導体結晶から構成す
るに優位に作用する。これにより、立方晶のIII族窒化
物半導体からなる活性層を備えた積層構造体を都合良く
構築でき、III 族窒化物半導体素子を簡便に構成する作
用をする。
According to the first aspect of the present invention, a cubic substrate made of fluorite crystal-type calcium fluoride (CaF 2 ) and a zinc-blende-type boron phosphide (BP) -based low-temperature substrate provided thereon are provided. The underlying laminated system composed of the buffer layer has an advantageous effect on the fact that the active layer laminated as the upper layer is composed of a cubic group III nitride semiconductor crystal. As a result, a laminated structure having an active layer made of a cubic group III nitride semiconductor can be conveniently constructed, and the function of simply configuring a group III nitride semiconductor device can be achieved.

【0045】また特に、菱面体構造の六方晶B132
代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を1/20以
下とし、BP、所謂、硼素モノフォスファイドを主体と
して構成した低温緩衝層は、上層のIII 族窒化物半導体
結晶層の結晶系を立方晶とするに優位に作用する。従っ
て、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層構
造体を構築するに優位に作用する。
In particular, the content of the boron phosphide multimer crystal typified by hexagonal B 13 P 2 having a rhombohedral structure is set to 1/20 or less, and the low temperature is mainly composed of BP, so-called boron monophosphide. The buffer layer has an excellent effect on making the crystal system of the upper group III nitride semiconductor crystal layer cubic. Therefore, it is advantageous in constructing a laminated structure composed of a cubic group III nitride semiconductor crystal layer.

【0046】特に、単結晶基板との界面近傍の領域に単
結晶からなる層が配置され、その上方の領域に非晶質体
を主体とする層が配置された低温緩衝層は、上層を構成
する結晶層の連続性を向上させる作用を有するため、連
続性のあるIII 族窒化物半導体結晶層がもたらされる。
In particular, the low-temperature buffer layer in which a single-crystal layer is disposed in a region near the interface with the single-crystal substrate and a layer mainly composed of an amorphous substance is disposed in a region above the low-temperature buffer layer constitutes an upper layer. Has the effect of improving the continuity of the resulting crystal layer, thereby providing a continuous group III nitride semiconductor crystal layer.

【0047】[0047]

【実施例】以下、本発明を実施例を元に説明する。 (第1の実施例)不純物を故意に添加していないアンド
ープ(undope)の{001}−フッ化カルシウム
(CaF2 )単結晶を基板101として、図3に示すシ
ョットキ接合型電界効果トランジスタ(MESFET)
用途の積層構造体1を構成した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments. First Embodiment A Schottky junction field effect transistor (MESFET) shown in FIG. 3 using an undoped {001} -calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal to which no impurity is intentionally added as a substrate 101. )
A laminated structure 1 for use was configured.

【0048】積層構造体1を構成するために、{00
1}−CaF2 基板101上には、リン化硼素(BP)
を主体として構成した緩衝層110を堆積した。BP緩
衝層110は、三塩化硼素(BCl3 )/三塩化リン
(PCl3 )/水素(H2 )反応系を用いた一般的なハ
ロゲンVPE法により450℃で成長した。BCl3
対するPCl3 の供給量の比率(=PCl3 /BCl3
比率)は、100倍に設定した。層厚を200Åとする
BP緩衝層110の、CaF2 基板101との接合面1
11から緩衝層110の上側に至る約30Åの領域は、
BPからなる単結晶層から構成し、更にその上方の領域
はBPからなる主に非晶質からなる層から構成した。該
BP緩衝層110中のリン化硼素多量体結晶の含有量は
4.8重量%と定量された。
In order to form the laminated structure 1, $ 00
On a 1} -CaF 2 substrate 101, boron phosphide (BP)
The buffer layer 110 mainly composed of was deposited. The BP buffer layer 110 was grown at 450 ° C. by a general halogen VPE method using a boron trichloride (BCl 3 ) / phosphorus trichloride (PCl 3 ) / hydrogen (H 2 ) reaction system. The supply amount of the ratio of PCl 3 for BCl 3 (= PCl 3 / BCl 3
Ratio) was set to 100 times. Bonding surface 1 of BP buffer layer 110 having a layer thickness of 200 ° to CaF 2 substrate 101
An area of about 30 ° from 11 to the upper side of the buffer layer 110 is:
A single crystal layer made of BP was formed, and a region further above the single crystal layer was formed of a layer mainly made of amorphous BP. The content of the boron phosphide multimeric crystal in the BP buffer layer 110 was determined to be 4.8% by weight.

【0049】BP緩衝層110の表面上には、トリメチ
ルガリウム((CH33 Ga)をガリウム(Ga)
源、アンモニア(NH3 :100%)を窒素(N)源、
及びホスフィン(PH3 :10%PH3 −90%H2
をリン(P)源とする一般的な常圧(大気圧)MOCV
D法により、960℃でアンドープの窒化リン化硼素
(BP1-δNδ)混晶層114を成膜した。BP1-δN
δ混晶層114の窒素組成比(=δ)は、NH3 とPH
3 とのMOCVD反応系への供給比を調整してδ=0.
03としてある。層厚は約100nmとした。
On the surface of the BP buffer layer 110, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) is coated with gallium (Ga).
A source of ammonia (NH 3 : 100%) into a nitrogen (N) source,
And phosphine (PH 3 : 10% PH 3 -90% H 2 )
General atmospheric pressure (atmospheric pressure) MOCV using P as phosphorus (P) source
According to Method D, an undoped boron phosphide nitride (BP 1 -δNδ) mixed crystal layer 114 was formed at 960 ° C. BP 1- δN
The nitrogen composition ratio (= δ) of the δ mixed crystal layer 114 is NH 3 and PH
3 to the MOCVD reaction system to adjust δ = 0.
03. The layer thickness was about 100 nm.

【0050】BP0.970.03混晶層114上には、上記
のMOCVD法により980℃で立方晶を主体とする窒
化ガリウム(GaN)層115を積層した。GaN層1
15中の六方晶系のGaN結晶の含有率は、通常のX線
回折法に依る検査に依れば約8〜9%であった。この層
厚を約200nmとするGaN層115には、成膜時に
ジシラン(5体積ppm)−水素混合ガスを使用して珪
素(Si)をドーピングし、GaN層115をキャリア
濃度を約2×1017cm-3とするn形層となした。この
n形GaN層115をFETの活性層、即ちチャネル
(channel)層として利用するためである。
On the BP 0.97 N 0.03 mixed crystal layer 114, a gallium nitride (GaN) layer 115 mainly composed of cubic crystals was laminated at 980 ° C. by the above-mentioned MOCVD method. GaN layer 1
The content of the hexagonal GaN crystal in No. 15 was about 8 to 9% according to inspection by a usual X-ray diffraction method. The GaN layer 115 having a thickness of about 200 nm is doped with silicon (Si) using a mixed gas of disilane (5 ppm by volume) and hydrogen at the time of film formation so that the GaN layer 115 has a carrier concentration of about 2 × 10 An n-type layer of 17 cm -3 was formed. This is because the n-type GaN layer 115 is used as an active layer of the FET, that is, a channel layer.

【0051】n形GaNチャネル層115上には、98
0℃で再びSiドープn形GaN層(層厚=200n
m、キャリア濃度=2.2×1018cm-3)をコンタク
クト層106として積層した。低接触抵抗のオーミック
電極を形成するために、コンタクト層106のキャリア
濃度は、チャネル層を構成するGaN層115のそれを
約1桁上回るものとした。キャリア濃度は、上記のSi
ドーピングガスのMOCVD反応系への流量を増加させ
ることをもって達成した。
On the n-type GaN channel layer 115, 98
At 0 ° C., the Si-doped n-type GaN layer (layer thickness = 200 n
m, carrier concentration = 2.2 × 10 18 cm −3 ) as a contact layer 106. In order to form an ohmic electrode having a low contact resistance, the carrier concentration of the contact layer 106 was set to be about one digit higher than that of the GaN layer 115 constituting the channel layer. The carrier concentration is above the Si
This was achieved by increasing the flow rate of doping gas to the MOCVD reaction system.

【0052】一般的なフォトリソグラフィー技術を利用
してパターンニングを施した後、ゲート電極109を配
置する予定の領域にあるコンタクト層106を、メタン
(CH3 )/水素(H2 )/アルゴン(Ar)混合ガス
を用いたプラズマエッチングにより除去し、リセス(r
ecess)部116を構成した。リセス部116に露
出させたn形GaNチャネル層115の略中央部にチタ
ン(Ti)膜、白金(Pt)膜及び金(Au)膜を順次
被着して、Ti/Pt/Auの3層の重層構造からなる
ゲート長を約2μmとするゲート電極109を構成し
た。ソース電極107及びドレイン電極108は、リセ
ス部116を挟んで対向して残存させたn形GaNコン
タクト層106の表面上に設けて、MESFET2とな
した。ソース及びドレイン電極107及び108は何れ
もAu・ゲルマニウム(Ge)合金の真空蒸着薄膜から
構成した。
After patterning is performed using a general photolithography technique, the contact layer 106 in the region where the gate electrode 109 is to be arranged is made of methane (CH 3 ) / hydrogen (H 2 ) / argon ( Ar) is removed by plasma etching using a mixed gas, and a recess (r) is formed.
access section 116. A titanium (Ti) film, a platinum (Pt) film, and a gold (Au) film are sequentially deposited on a substantially central portion of the n-type GaN channel layer 115 exposed in the recessed portion 116 to form three layers of Ti / Pt / Au. The gate electrode 109 having a gate length of about 2 μm was formed. The source electrode 107 and the drain electrode 108 were provided on the surface of the n-type GaN contact layer 106 which was left to face with the recessed portion 116 interposed therebetween, thereby forming MESFET2. Each of the source and drain electrodes 107 and 108 was formed of a vacuum-deposited thin film of Au / germanium (Ge) alloy.

【0053】(第2の実施例)本第2の実施例では、基
板101は第1の実施例と同様とし、緩衝層110を構
成する半導体材料を第1の実施例の場合のリン化硼素
(BP)からリン化硼素・インジウム混晶(Ba In
1-a P)に変更して、図4に示すMODFET用途の積
層構造体3を構成した。まず、硼素組成比(=a)を
0.31とするBa In1-a Pからなり、CaF2 基板
101に格子整合する層厚を約15nmとする緩衝層1
10を、CaF2基板101上に一般的な常圧MOCV
D法により構成した。MOCVD法による緩衝層110
の形成には、ジボラン(B26 )とフォスフィン(P
3 )を硼素(B)およびリン(P)の原料として用
い、インジウム(In)源には、結合価を1価とするシ
クロペンタジエニルインジウム(C55 In)を利用
した(J.Crystal Growth、107(1
991)、360〜364頁参照)。また、MOCVD
反応系へ供給したIII 族元素原料(B26 及びC5
5 In)の合計の濃度に対するV族元素原料(PH3
の供給濃度の比率、いわゆるV/ III比は180に設定
した。キャリアガスとしては水素(H2 )を利用した。
さらに、緩衝層110を成膜する温度を450℃に設定
したため、B6 P或いはB132 に代表される六方晶の
リン化硼素多量体結晶の含有量が約10%未満であるB
0.31In0.69P混晶緩衝層110が帰結された。
(Second Embodiment) In the second embodiment, the substrate 101 is the same as in the first embodiment, and the semiconductor material forming the buffer layer 110 is boron phosphide in the case of the first embodiment. (BP) boron indium phosphide mixed crystal from (B a an In
1-a P), and the laminated structure 3 for MODFET shown in FIG. 4 was constructed. First, a buffer layer 1 becomes boron composition ratio (= a) from B a In 1-a P to 0.31, and about 15nm layer thickness which is lattice-matched to CaF 2 substrate 101
10 is mounted on a CaF 2 substrate 101 by a general atmospheric pressure MOCV.
It was constituted by the D method. Buffer layer 110 by MOCVD
Diborane (B 2 H 6 ) and phosphine (P
H 3 ) was used as a raw material for boron (B) and phosphorus (P), and cyclopentadienyl indium (C 5 H 5 In) having a monovalent valence was used as the indium (In) source (J). Crystal Growth, 107 (1
991), pages 360-364). MOCVD
Group III element raw materials (B 2 H 6 and C 5 H
Group V element raw material (PH 3 ) based on the total concentration of 5 In)
, The so-called V / III ratio was set to 180. Hydrogen (H 2 ) was used as a carrier gas.
Furthermore, since the temperature at which the buffer layer 110 is formed is set at 450 ° C., the content of the hexagonal boron phosphide multimer crystal represented by B 6 P or B 13 P 2 is less than about 10%.
A 0.31 In 0.69 P mixed crystal buffer layer 110 resulted.

【0054】CaF2 基板101との接合界面111近
傍の領域が主にBa In1-a P単結晶から構成され、そ
の上方を非晶質体を主体とした層から構成したBa In
1-aP緩衝層110の上には、第1の実施例に記載され
たものと同様のn形GaNからなるチャネル層115
を、MOCVD法により積層した。n形GaNチャネル
層115上には、アンドープのn形窒化アルミニウム・
ガリウム混晶(Al0.20Ga0.80N)からなる層厚が約
7nmのスペーサ層105、Siドープのn形窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶(Al0.20Ga0.80N)からな
る層厚を約20nmとする電子供給層104、及び第1
の実施例に記載のものと同様のn形GaNコンタクト層
106を、MOCVD法により順次積層させて、MOD
FET4の作製に供する積層構造体3を構成した。
[0054] region in the vicinity of the junction interface 111 between the CaF 2 substrate 101 is composed primarily of B a In 1-a P monocrystalline, B a an In that the upper is constructed from a layer mainly containing amorphous material
On the 1-a P buffer layer 110, a channel layer 115 made of n-type GaN similar to that described in the first embodiment is used.
Were laminated by the MOCVD method. On the n-type GaN channel layer 115, undoped n-type aluminum nitride
Electrons to approximately 20nm layer thickness the layer thickness of gallium mixed crystal (Al 0.20 Ga 0.80 N) consists of about 7nm spacer layer 105, Si-doped n-type aluminum gallium nitride mixed crystal (Al 0.20 Ga 0.80 N) Supply layer 104 and first
An n-type GaN contact layer 106 similar to that described in the embodiment is sequentially laminated by MOCVD,
The laminated structure 3 to be used for manufacturing the FET 4 was formed.

【0055】尚、上記の各層は一般的な常圧MOCVD
法により成膜したが、SiドープAl0.20Ga0.80N電
子供給層104を成膜する際には、特に水分と酸素含有
量がppm(parts per million)オ
ーダー未満と少ない高純度のジシラン(5体積ppm)
−水素混合ガスを利用し、同層104のキャリア濃度が
約1.8×1018cm-3となる様にそのドーピング流量
を制御した。また、電子供給層104は、酸素やメトキ
シ(methoxy:−OCH3 )基などの酸素含有官
能基分子の含有量を低くすべく精製したトリメチルアル
ミニウム((CH33 Al)をアルミニウム(Al)
源として用いて成膜した。何れも高純度の原料を利用す
ることによって、n形窒化アルミニウム・ガリウム混晶
(Al0. 20Ga0.80N)層内にアルミニウム原子と酸素
不純物との結合体などに起源する深い準位を不用意に多
量に発生させないための措置である。
Each of the above layers is made of a general atmospheric pressure MOCVD.
When the Si-doped Al 0.20 Ga 0.80 N electron supply layer 104 is formed, a high-purity disilane (5 vol.%) Having a water and oxygen content of less than the order of ppm (parts per million) is formed. ppm)
-Using a hydrogen mixed gas, the doping flow rate was controlled such that the carrier concentration of the same layer 104 was about 1.8 × 10 18 cm −3 . The electron supply layer 104 is formed by converting trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al) purified to reduce the content of oxygen-containing functional group molecules such as oxygen and methoxy (—OCH 3 ) groups to aluminum (Al).
A film was formed by using as a source. Both by utilizing a high-purity raw material, the deep level of origin, such as conjugates of aluminum atoms and oxygen impurities not the n-type aluminum gallium nitride mixed crystal (Al 0. 20 Ga 0.80 N) layer This is a measure to prevent large quantities from being generated easily.

【0056】その後、第1の実施例と同様の手法によ
り、積層構造体3にリセス構造116を形成するための
加工を施した後、リセス部116の底部に露出した電子
供給層104の表面上にTi/Pt/Auを重層したゲ
ート電極109を配置した。また、ソース及びドレイン
電極107、108は、コンタクト層106の表面に対
向して配置し、図4に示すMODFET4となした。
After that, in the same manner as in the first embodiment, the laminated structure 3 is processed to form a recessed structure 116, and then the surface of the electron supply layer 104 exposed at the bottom of the recessed portion 116 is formed. A gate electrode 109 having Ti / Pt / Au layered thereon. In addition, the source and drain electrodes 107 and 108 were arranged so as to face the surface of the contact layer 106 to form the MODFET 4 shown in FIG.

【0057】(第3の実施例)本第3の実施例では、第
1の実施例に記載のものと同様の積層構造体を製造する
際に、リン化硼素(BP)からなる緩衝層110を、B
Cl3 /PCl3 /H2 ハロゲンVPE法により350
℃で成膜し、他は第1の実施例と同様にして積層構造体
を構成した。BP緩衝層の成膜温度をより低温とするこ
とにより、B132 等のリン化硼素多量体結晶の含有量
を約3%未満とするBP緩衝層110を構成した。
(Third Embodiment) In the third embodiment, when manufacturing a laminated structure similar to that described in the first embodiment, the buffer layer 110 made of boron phosphide (BP) is used. And B
Cl 3 / PCl 3 / H 2 halogen 350 by VPE method
A layered structure was formed at a temperature of 100 ° C., and the other conditions were the same as in the first embodiment. By lowering the film forming temperature of the BP buffer layer, the BP buffer layer 110 having a content of boron phosphide multimeric crystals such as B 13 P 2 of less than about 3% was formed.

【0058】本第3の実施例で作製した、第1の実施例
と層厚並びに内部の結晶組織の構成を同様とするBP緩
衝層110層上には、第1の実施例に記載の手段に則
り、BP1-δNδ混晶層114、n形GaNチャネル層
115、コンタククト層106を順次積層した。その
後、同じく第1の実施例に記載の手法によりリセス構造
116を形成してTi/Pt/Auからなるゲート電極
109を形成し、また、コンタクト層106にはソース
及びドレイン電極107、108を形成して、MESF
ETを構成した。作製したMESFETは、図3に示し
た構成であった。
The BP buffer layer 110 having the same layer thickness and internal crystal structure as the first embodiment manufactured in the third embodiment is provided with the means described in the first embodiment. The BP 1 -δNδ mixed crystal layer 114, the n-type GaN channel layer 115, and the contact layer 106 were sequentially laminated in accordance with the following formula. Thereafter, a recess structure 116 is formed by the method described in the first embodiment to form a gate electrode 109 made of Ti / Pt / Au, and source and drain electrodes 107 and 108 are formed in the contact layer 106. And MESF
Configured ET. The manufactured MESFET had the configuration shown in FIG.

【0059】図5〜7は、上記の第1乃至第3の実施例
で作製したFETのドレイン電流−電圧特性の一例であ
って、ソース/ドレイン電極107、108間のドレイ
ン電流のゲート電圧依存性を示す静特性の一例である。
図5は第1の実施例で作製したMESFETのドレイン
電流−電圧特性であって、正常なゲートアクション(ゲ
ート作用)と共に良好なピンチオフ(pinch−of
f)特性が帰結されているのが示されている。また、本
発明に係わる低温緩衝層を設けることに依って、連続性
に優れるものとなったチャネル層が室温で約520cm
2 /V・sと高い電子移動度(electron mo
bility)をもたらすことを反映して、第1の実施
例のMESFETは、約12mSの高い相互コンダクタ
ンス(trance conductance:gm
が得られるものとなった。
FIGS. 5 to 7 show examples of the drain current-voltage characteristics of the FETs manufactured in the first to third embodiments, and show the dependence of the drain current between the source / drain electrodes 107 and 108 on the gate voltage. It is an example of the static characteristic showing the property.
FIG. 5 shows the drain current-voltage characteristics of the MESFET manufactured in the first embodiment, and shows a good pinch-off with a normal gate action (gate action).
f) It is shown that the characteristics are consequent. Further, by providing the low-temperature buffer layer according to the present invention, the channel layer having excellent continuity can be formed at room temperature by about 520 cm.
2 / V · s and high electron mobility (electron mo
The MESFET of the first embodiment has a high transconductance (g m ) of about 12 mS, reflecting its
Was obtained.

【0060】図6は、第2の実施例で作製したMODF
ETのドレイン電流−電圧特性(直流静特性)の一例で
ある。連続性に優れる膜をもたらすに優位に作用する低
温緩衝層上に堆積されているために、n形GaNチャネ
ル層が連続膜となっていること、及びチャネル層とスペ
ーサ層との接合界面近傍の領域に於ける2次元電子ガス
の発生を反映して、約25mSの高いgm が付帯するM
ODFETが構成できた。加えて、ピンチオフ電圧は約
−7.8Vと均一であった。
FIG. 6 shows the MODF manufactured in the second embodiment.
It is an example of the drain current-voltage characteristics (DC static characteristics) of ET. The n-type GaN channel layer is a continuous film because it is deposited on a low-temperature buffer layer that has an advantage in providing a film with excellent continuity, and the vicinity of the junction interface between the channel layer and the spacer layer Reflecting the generation of two-dimensional electron gas in the region, the high g m of about 25 mS
The ODFET was constructed. In addition, the pinch-off voltage was uniform at about -7.8V.

【0061】図7は、第3の実施例で作製したMESF
ETのドレイン電流−電圧特性(直流静特性)の一例で
ある。第3の実施例では、図7に示す如く、第1の実施
例に係わるMESFETよりも更に高いgm を発現する
MESFETが作製された。第3の実施例で作製したM
ESFETは、第1の実施例のそれとは低温緩衝層の内
部の結晶組織構成を異にしている。特に第3の実施例の
MESFETは、リン化硼素多量体結晶(B132 )の
含有量を低量とする低温緩衝層を有するが故に、その上
のn形GaNチャネル層は、立方晶の構成比率が約95
%以上という、第1の実施例のそれに比較して立方晶の
構成比率がより大である連続膜から構成されていた。そ
のため上記の結果は、電子移動度により優れるチャネル
層が形成できたことを反映していると考慮される。その
結果、第3の実施例に記述した構成からなる積層構造体
からは、図7に示すように高いgm を有するMESFE
Tがもたらされた。
FIG. 7 shows the MESF fabricated in the third embodiment.
It is an example of the drain current-voltage characteristics (DC static characteristics) of ET. In the third embodiment, as shown in FIG. 7, MESFET expressing higher g m than MESFET according to the first embodiment was produced. M produced in the third embodiment
The ESFET differs from that of the first embodiment in the crystal structure inside the low-temperature buffer layer. In particular, since the MESFET of the third embodiment has a low-temperature buffer layer having a low content of boron phosphide polymer crystals (B 13 P 2 ), the n-type GaN channel layer thereon is cubic crystal. Of about 95
% Or more of the continuous film having a larger cubic crystal composition ratio than that of the first embodiment. Therefore, the above results are considered to reflect that a channel layer having better electron mobility was formed. As a result, from the third multilayer structure comprising configuration described in the examples, MESFE with high g m As shown in FIG. 7
T resulted.

【0062】(比較例)本比較例では、前述のように緩
衝層を形成するのに好ましいとする250℃から600
℃の範囲から外れた温度で{001}CaF2 基板上に
成膜したBP緩衝層を備えた積層構造体からMODFE
Tを構成した。本比較例では、B26 /PH3 /H2
系MOCVD法により、CaF2 基板上に900℃で、
立方晶のBP(硼素モノフォスファイド)と特に六方晶
のB132 とが混在してなり、且つB132 の含有量を
約30%とする緩衝層を構成した。珪素(シリコン)単
結晶基板に直接BP膜を成膜した場合(「日本結晶成長
学会誌」、Vol.24、No.2(1997)、15
0頁参照)と同様に高温で緩衝層を成膜するため、本比
較例の緩衝層は、CaF2 基板の表面に散在する角錐状
の成長島から構成される、連続性に欠けるBP/B13
2 混合膜から構成されるものとなった。
(Comparative Example) In this comparative example, as described above, it is preferable to form a buffer layer at 250 ° C. to 600 ° C.
MODFE from a laminated structure with a BP buffer layer formed on a {001} CaF 2 substrate at a temperature outside the range of
T was constructed. In this comparative example, B 2 H 6 / PH 3 / H 2
At 900 ° C. on a CaF 2 substrate by a system MOCVD method,
A buffer layer in which cubic BP (boron monophosphide) and particularly hexagonal B 13 P 2 were mixed and the content of B 13 P 2 was about 30% was formed. When a BP film is formed directly on a silicon (silicon) single crystal substrate (“Journal of the Japan Society for Crystal Growth”, Vol. 24, No. 2 (1997), 15
Since the buffer layer is formed at a high temperature as in the case of (see page 0), the buffer layer of this comparative example is composed of pyramidal growth islands scattered on the surface of the CaF 2 substrate, and lacks continuity. 13 P
It was composed of two mixed films.

【0063】上記の緩衝層の不連続性を無視して、BP
と主にB132 との混合体からなる緩衝層上に、直接前
記の第2の実施例と同様のn形GaNチャネル層を始め
とする上層部をMOCVD法により積層させ、MODF
ET用途の積層構造体を構成した。続いて上記の積層構
造体には、第2の実施例と同様にしてリセス部にゲート
電極を、また最表層のn形GaNコンタクト層上にソー
ス及びドレイン電極を形成して、MODFETをなし
た。作製したMODFETは、図4に示した構成であっ
た。
Neglecting the above-mentioned discontinuity of the buffer layer, the BP
Primarily B 13 in a buffer layer made of a mixture of P 2, so the upper portion including a direct second embodiment similar to the n-type GaN channel layer is laminated by the MOCVD method and, MODF
A laminated structure for ET use was constructed. Subsequently, a gate electrode was formed in the recessed portion and a source and drain electrode were formed on the outermost n-type GaN contact layer in the same manner as in the second embodiment to form a MODFET. . The manufactured MODFET had the configuration shown in FIG.

【0064】本比較例で作製したMODFETは、角錐
状の突起が散在してなる高温緩衝層の不連続性を反映し
た、不連続なn形GaN結晶層をチャネル層としてい
る。このチャネル層の不連続性に起因して、良好なピン
チオフをもたらす正常なゲートアクション(gate
action)を呈する、即ちFET特性を示す半導体
素子は、本比較例の積層構造体からは得られ難かった。
図8は本比較例で作製したMODFETから僅かながら
に獲得されたゲートアクションを示すMODFETのド
レイン電流−電圧特性(直流静特性)の一例である。不
連続で尚且亀裂が存在するチャネル層の結晶性の悪さを
如実に反映してgm は約3mSと低く、また特に、高ゲ
ートバイアス(bias)下では、gmは更に小となり
ピンチオフももたらすに至らなかった。本比較例のMO
DFETのgm の低さは、チャネル層の不連続性並びに
六方晶と立方晶の結晶形態が混在するチャネル層の結晶
系の不統一性による電子移動度の低さが原因している。
またピンチオフの不良は、高温で成膜したが故の緩衝層
の絶縁性の欠如も関与している。纏めれば、好ましい範
囲外の温度で成膜した緩衝層上には、正常なFET特性
を優にもたらすチャネル層(活性層)を具備した積層構
造体は構成し難く、従って、該積層構造体から良好な特
性のFETを帰結するのは困難である。
The MODFET manufactured in this comparative example uses a discontinuous n-type GaN crystal layer as a channel layer, which reflects the discontinuity of the high-temperature buffer layer in which pyramid-shaped protrusions are scattered. Due to this channel layer discontinuity, a normal gate action (gate) leading to good pinch-off
action), that is, a semiconductor element exhibiting FET characteristics was difficult to obtain from the laminated structure of this comparative example.
FIG. 8 is an example of a drain current-voltage characteristic (DC static characteristic) of a MODFET showing a gate action slightly obtained from the MODFET manufactured in this comparative example. The crystallinity of the poor channel layer exists Nao且crack discontinuous reflecting vividly g m is as low as about 3 mS, in particular, under a high gate bias (bias), g m results also further small becomes pinched off Did not reach. MO of this comparative example
Low of g m of DFET is discontinuity and low electron mobility due to inconsistencies in the crystal system of hexagonal and cubic channel layer crystalline form are mixed in the channel layer are caused.
Poor pinch-off also involves the lack of insulating properties of the buffer layer due to film formation at a high temperature. In summary, it is difficult to form a laminated structure having a channel layer (active layer) that provides excellent normal FET characteristics on the buffer layer formed at a temperature outside the preferable range. Therefore, it is difficult to obtain an FET having good characteristics.

【0065】[0065]

【発明の効果】本願の請求項1に記載の発明に依れば、
電気的絶縁性に優れるCaF2 単結晶基板上に、連続性
に優れる立方晶の窒化アルミニウム・ガリウム・インジ
ウム結晶層から成る積層構造体が得られる。この積層構
造体を用いれば、ピンチオフ特性に優れ、且つ高いコン
ダクタンス(gm )を発現するMESFETなどのIII
族窒化物半導体素子が提供できる。
According to the invention described in claim 1 of the present application,
A laminated structure comprising a cubic aluminum nitride gallium indium crystal layer having excellent continuity is obtained on a CaF 2 single crystal substrate having excellent electrical insulation. When this laminated structure is used, III such as MESFET having excellent pinch-off characteristics and exhibiting high conductance (g m ) is used.
A group III nitride semiconductor device can be provided.

【0066】また、本願の請求項2に記載の低温緩衝層
の内部構成に依れば、上層のIII 族窒化物半導体結晶層
を画一的な立方晶の結晶形態から構成するに、特に効果
がある。従って、FET特性の向上に寄与する高い電子
移動度を発揮するIII 族窒化物半導体結晶層を具備する
積層構造体が構成でき、より高いgm を有するFETな
ど特性が向上したIII 族窒化物半導体素子を提供でき
る。
According to the internal structure of the low-temperature buffer layer described in claim 2 of the present application, it is particularly effective to form the upper group III nitride semiconductor crystal layer from a uniform cubic crystal form. There is. Accordingly, the laminated structure having a group III nitride semiconductor crystal layer that exhibit high electron mobility contributes to improvement of the FET characteristics can be configured, group III nitride semiconductor characteristics such as FET is improved with a higher g m An element can be provided.

【0067】また、本願の請求項3に記載の発明に依れ
ば、CaF2 基板との格子整合性に優れる低温緩衝層が
構成でき、しいては、結晶性に優れたIII 族窒化物半導
体結晶層を具備した積層構造体が構成できる。この積層
構造体は、FETのgm をより向上させるなど、III 族
窒化物半導体素子の特性の向上をもたらすに効果を奏す
る。これより、特性に優れるMESFETなどのIII 族
窒化物半導体素子を提供できる効果がある。
According to the third aspect of the present invention, a low-temperature buffer layer excellent in lattice matching with a CaF 2 substrate can be formed, and further, a group III nitride semiconductor excellent in crystallinity. A laminated structure having a crystal layer can be formed. The laminate structure, such as to further improve the g m of the FET, the effect to result in enhanced properties of III-nitride semiconductor device. Thus, there is an effect that a group III nitride semiconductor device such as a MESFET having excellent characteristics can be provided.

【0068】また、本願の請求項4に記載の発明は、画
一化された結晶形態からなり且つ連続性を有する積層構
造体の構成層をもたらす効果を有する。
The invention according to claim 4 of the present application has an effect of providing a constituent layer of a laminated structure having a uniform crystal form and having continuity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】六方晶のサファイアを基板とする従来のMOD
FETの構成を示す断面模式図である。
Fig. 1 Conventional MOD using hexagonal sapphire as substrate
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of an FET.

【図2】フッ化カルシウム基板上に形成された本発明に
係わるリン化硼素緩衝層の内部結晶構成を示す模式図で
ある。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an internal crystal structure of a boron phosphide buffer layer according to the present invention formed on a calcium fluoride substrate.

【図3】第1および第3の実施例に係わるMESFET
の構成を示す断面模式図である。
FIG. 3 is a MESFET according to first and third embodiments;
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of FIG.

【図4】第2の実施例および比較例に係わるM0DFE
Tの構成を示す断面模式図である。
FIG. 4 shows M0DFE according to a second embodiment and a comparative example.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of T.

【図5】第1の実施例で作製したMESFETのドレイ
ン電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing drain current-voltage characteristics of the MESFET manufactured in the first embodiment.

【図6】第2の実施例で作製したMODFETのドレイ
ン電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing drain current-voltage characteristics of the MODFET manufactured in the second embodiment.

【図7】第3の実施例で作製したMESFETのドレイ
ン電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing drain current-voltage characteristics of the MESFET manufactured in the third embodiment.

【図8】比較例で作製したMODFETのドレイン電流
−電圧特性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing drain current-voltage characteristics of a MODFET manufactured in a comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 FET用途の積層構造体 2 III 族窒化物半導体素子としてのFET 3 FET用途の積層構造体 4 III 族窒化物半導体素子としてのFET 101 基板 102 低温緩衝層 103 活性層 104 電子供給層 105 スペーサ層 106 コンタクト層 107 ソース電極 108 ドレイン電極 109 ゲート電極 110 BP緩衝層 111 基板と緩衝層との接合界面 112 単結晶からなる接合界面近傍の領域 113 主に非晶質体からなる接合界面近傍より上方
の領域 114 窒化リン化硼素混晶層 115 n形GaNチャネル層 116 リセス部
REFERENCE SIGNS LIST 1 laminated structure for FET use 2 FET as group III nitride semiconductor device 3 laminated structure for FET use 4 FET as group III nitride semiconductor device 101 substrate 102 low temperature buffer layer 103 active layer 104 electron supply layer 105 spacer layer 106 Contact layer 107 Source electrode 108 Drain electrode 109 Gate electrode 110 BP buffer layer 111 Junction interface between substrate and buffer layer 112 Region near junction interface composed of single crystal 113 Above vicinity near junction interface mainly composed of amorphous material Region 114 boron nitrided phosphide mixed crystal layer 115 n-type GaN channel layer 116 recess

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁性のフッ化カルシウム(化学式:C
aF2 )からなる単結晶基板と、 該単結晶基板上に形成された少なくとも硼素(元素記
号:B)とリン(元素記号:P)とを構成元素として含
む緩衝(バッファ)層と、 前記単結晶基板上に前記緩衝層を介して形成された、一
般式AlαGaβIn1-α- βN1-γMγ(0≦α,β
≦1、0≦α+β≦1、記号Mは窒素以外の第V族元素
を表し、0≦γ<1)で表記される窒化アルミニウム・
ガリウム・インジウム結晶層からなる活性層とを具備す
るIII 族窒化物半導体素子。
1. An insulating calcium fluoride (chemical formula: C
aF 2 ), a buffer (buffer) layer formed on the single crystal substrate and containing at least boron (element symbol: B) and phosphorus (element symbol: P) as constituent elements; A general formula AlαGaβIn1 - α - βN1 - γMγ (0 ≦ α, β) formed on a crystal substrate via the buffer layer
.Ltoreq.1, 0.ltoreq..alpha. +. Beta..ltoreq.1, the symbol M represents a Group V element other than nitrogen, and aluminum nitride represented by 0.ltoreq..gamma. <1).
A group III nitride semiconductor device comprising: an active layer formed of a gallium / indium crystal layer.
【請求項2】 前記緩衝層が、硼素(B)原子とリン
(P)原子とからなるリン化硼素多量体結晶(BX
Y 、但しX≧6及びY=1または2)の含有量を1/2
0以下とするBP系III −V族化合物半導体結晶から構
成されることを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化
物半導体素子。
2. The method according to claim 1, wherein the buffer layer comprises a boron phosphide polymer crystal (B X P) comprising boron (B) atoms and phosphorus (P) atoms.
Y , provided that the content of X ≧ 6 and Y = 1 or 2) is 1 /
2. The group III nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the group III nitride semiconductor device is made of a BP-based group III-V compound semiconductor crystal having 0 or less.
【請求項3】 前記緩衝層が、リン化硼素・インジウム
結晶(Ba In1-aP、但し0<a<0.62)からな
ることを特徴とする請求項1乃至2に記載のIII 族窒化
物半導体素子。
Wherein the buffer layer is, boron indium phosphide crystal (B a In 1-a P , where 0 <a <0.62) III according to claim 1 or 2, characterized in that it consists Group III nitride semiconductor device.
【請求項4】 前記緩衝層が、前記単結晶基板との界面
近傍の領域に単結晶からなる層が配置され、その上方の
領域に非晶質体を主体とする層が配置されたものからな
ることを特徴とする請求項1乃至3に記載のIII 族窒化
物半導体素子。
4. The buffer layer according to claim 1, wherein a layer made of single crystal is arranged in a region near an interface with the single crystal substrate, and a layer mainly composed of an amorphous body is arranged in a region above the single crystal substrate. The group III nitride semiconductor device according to claim 1, wherein:
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