JP2006054231A - Manufacturing method of substrate for group 3 nitride semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、青色、紫外域の受発光素子等の製造に用いるのに好適な3族窒化物半導体素子用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for a group III nitride semiconductor device suitable for use in manufacturing a blue / ultraviolet light emitting / receiving device or the like.
GaNに代表される3族窒化物半導体を含む半導体素子は、室温におけるバンドギャップが約3.4eVと大きく、化学的にも安定であることから、青色、紫外域の受発光デバイスに応用されている。 A semiconductor element including a group III nitride semiconductor typified by GaN has a large band gap of about 3.4 eV at room temperature and is chemically stable. Therefore, it is applied to blue and ultraviolet light receiving and emitting devices. Yes.
3族窒化物半導体を含む半導体素子を製造するための半導体素子用基板は、3族窒化物半導体層を元基板の上にMOCVD法あるいはMBE法によりエピタキシャル成長させて製造される。この元基板は、本来は3族窒化物半導体の単結晶板であることが望ましいが、3族窒化物半導体の単結晶板を製造することが困難なため、実際には、製造しやすいサファイア(α−Al2 O3 の単結晶)からなる元基板が3族窒化物半導体の単結晶板の代わりに用いられている。
A semiconductor device substrate for manufacturing a semiconductor device including a
しかし、サファイアからなる元基板の上にGaN等の3族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて半導体素子用基板を製造した場合、得られた半導体素子用基板に反りが生じることが知られている。これは、サファイアの熱膨張係数が3族窒化物半導体の熱膨張係数よりも大きいので、例えば1000℃程度の高温で3族窒化物半導体層をサファイア元基板上に成長させた後それを室温まで冷却すると、サファイア元基板が3族窒化物半導体より大きく収縮するためである。
However, it is known that when a semiconductor element substrate is manufactured by epitaxially growing a group III nitride semiconductor such as GaN on an original substrate made of sapphire, the obtained semiconductor element substrate is warped. This is because the thermal expansion coefficient of sapphire is larger than the thermal expansion coefficient of the
上述した反りの問題を解決するため、サファイア元基板の両面にまず接着層としてAlを蒸着し、蒸着されたAl接着層の各表面にSi単結晶の薄い板をそれぞれ800℃の加熱下で積層させて接着し、該Si単結晶板上にGaN等の化合物半導体層を成長させて半導体素子用基板を製造する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve the warp problem described above, Al is first deposited as an adhesive layer on both surfaces of the original sapphire substrate, and a thin plate of Si single crystal is laminated on each surface of the deposited Al adhesive layer under heating at 800 ° C. A method of manufacturing a semiconductor device substrate by growing a compound semiconductor layer such as GaN on the Si single crystal plate is proposed (for example, see Patent Document 1).
このようにして基板を製造することにより、反りの少ない基板を得ることができるのは、次のような原理に基づく。Si単結晶の熱膨張係数はGaN等の3族窒化物半導体のそれよりも小さいので、サファイアと2枚のSi単結晶板とを複合して成る複合元基板は、全体としてサファイアの熱膨張係数とSi単結晶の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有した基板としてふるまう。一方、3族化合物半導体の熱膨張係数はサファイアとSi単結晶の中間の熱膨張係数を有しているので、3族化合物半導体と複合元基板との間の熱膨張係数の差は小さいものとなる。しかも2枚のSi単結晶板の厚さを同一とすることにより、Si単結晶とサファイアとの間の熱膨張係数の差に起因し、サファイア元基板にかかる応力はサファイア元基板の一対の面で同一となり、複合元基板自体の反りも小さくすることができる。
The reason why a substrate with less warpage can be obtained by manufacturing the substrate in this manner is based on the following principle. Since the thermal expansion coefficient of Si single crystal is smaller than that of Group III nitride semiconductors such as GaN, the composite original substrate formed by combining sapphire and two Si single crystal plates has a thermal expansion coefficient of sapphire as a whole. It behaves as a substrate having a thermal expansion coefficient intermediate between that of Si and the single crystal of Si. On the other hand, since the thermal expansion coefficient of the
さらに詳細には、次のように説明することができる。サファイアの熱膨張係数をα1 、Si単結晶の熱膨張係数をα2 、複合元基板の熱膨張係数をα3 、サファイアの弾性率をE1 、Si単結晶の弾性率をE2 、サファイア元基板の厚さをt1 、Si単結晶板2枚の合計の厚さをt2 とし、簡単化のため、サファイアと2枚のSi単結晶板とが複合された板の形状は長方形で、その幅がd、長さがLであるとする。サファイア元基板とSi単結晶板を貼り合わせたときの温度からT℃だけ異なる温度においてサファイア元基板の長さ方向にかかる応力は、長さ変化がL(α3 −α1 )Tで単位長さ当りの応力が弾性率と断面積との積E1 dt1 (dの微小な変化は無視)であるから、L(α3 −α1 )TE1 dt1 となる。一方、2枚のSi単結晶板にかかる応力は、同様にしてL(α2 −α3 )TE2 dt2 となる。この2つの応力は等しいので、次式(1)が成り立つ。
L(α3 −α1 )TE1 dt1 =L(α2 −α3 )TE2 dt2 (1)
ここで、両辺をLTdで除して
(α3 −α1 )E1 t1 =(α2 −α3 )E2 t2 (2)
を得て、α3 を求めると、
α3 =(α1 E1 t1 +α2 E2 t2 )/(E1 t1 +E2 t2 ) (3)
となる。
Further details can be explained as follows. The thermal expansion coefficient of sapphire is α 1 , the thermal expansion coefficient of Si single crystal is α 2 , the thermal expansion coefficient of composite substrate is α 3 , the elastic modulus of sapphire is E 1 , the elastic modulus of Si single crystal is E 2 , and sapphire The thickness of the original substrate is t 1 , and the total thickness of the two Si single crystal plates is t 2. For simplicity, the shape of the plate in which sapphire and two Si single crystal plates are combined is rectangular. Suppose that the width is d and the length is L. The stress applied in the length direction of the sapphire base substrate at a temperature different from the temperature at which the sapphire base substrate and the Si single crystal plate are bonded by T ° C. is a unit length with a length change of L (α 3 −α 1 ) T. Since the stress per strike is the product E 1 dt 1 of the elastic modulus and the cross-sectional area (ignoring minute changes in d), it becomes L (α 3 −α 1 ) TE 1 dt 1 . On the other hand, the stress applied to the two Si single crystal plates is similarly L (α 2 −α 3 ) TE 2 dt 2 . Since these two stresses are equal, the following equation (1) is established.
L (α 3 −α 1 ) TE 1 dt 1 = L (α 2 −α 3 ) TE 2 dt 2 (1)
Here, by dividing both sides by LTd, (α 3 −α 1 ) E 1 t 1 = (α 2 −α 3 ) E 2 t 2 (2)
And obtaining α 3 ,
α 3 = (α 1 E 1 t 1 + α 2 E 2 t 2 ) / (E 1 t 1 + E 2 t 2 ) (3)
It becomes.
物質をサファイアとSi単結晶に固定した場合、例えばt1 を大きくt2 を小さくするとα3 はα1 に近づき、t1 を小さくt2 を大きくするとα3 はα2 に近づく。したがって、t1 とt2 とを調整することにより、複合元基板の熱膨張係数α3 を、α1 とα2 の間にあるGaN等の3族化合物半導体の熱膨張係数に合わせることができる。このようにして熱膨張係数を合わせることにより、サファイア元基板と3族化合物半導体との間の熱膨張差に起因する反りが殆ど生じない半導体素子用基板を得ることができる。
以上説明した従来技術における複合元基板を用いて3族化合物半導体素子用基板を製作すれば、サファイア元基板を用いた場合に比べ、半導体素子用基板の反りを大幅に低減することができる。しかしながら、従来の複合元基板は600℃の加熱下でサファイア元基板とSi単結晶板とを貼り合わせて作製するものであるから、この複合元基板を用いた半導体素子用基板を用いて半導体素子を製造した場合、以下のような問題を生じる。すなわち、半導体素子が通常使用される−20〜120℃の温度範囲においては、半導体素子の一構成要素となっている基板内部が600℃より充分に低い温度状態となるため、サファイアとSi単結晶との間の熱膨張差に起因する応力が基板内部にかかった状態となる。この結果、半導体素子の経時劣化が激しく、半導体素子に内部亀裂が発生する等の原因により不良品が生成されやすいという問題を生じていた。
If the
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる3族窒化物半導体素子用基板の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a substrate for a group III nitride semiconductor device that can solve the above-described problems in the prior art.
本発明の目的は、基板における反りの問題を解決することができる3族窒化物半導体素子用基板の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a substrate for a group III nitride semiconductor device that can solve the problem of warpage in the substrate.
本発明の目的は、半導体素子の許容動作温度範囲内において、基板内部にかかる応力が小さい半導体素子用基板を得ることができる3族窒化物半導体素子用基板の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device substrate capable of obtaining a semiconductor device substrate with a low stress applied to the inside of the substrate within an allowable operating temperature range of the semiconductor device.
本発明者らは、上記課題を解決するため、内部にかかる応力が小さい化合物半導体素子用基板を得るための製造方法について鋭意検討した。その結果、サファイア元基板の少なくとも一方の主面に、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料からなる補助層を当該半導体素子の許容動作温度範囲内の温度下で形成することにより、形成後にサファイア元基板の主面又は補助層の表面に3族窒化物半導体層を成長させて半導体素子用基板とした場合に、該半導体素子用基板は、反りが少なく、しかも半導体素子の使用時に基板内部にかかる応力を小さく抑えることができることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors diligently studied a manufacturing method for obtaining a compound semiconductor element substrate having a low internal stress. As a result, an auxiliary layer made of a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the
請求項1の発明によれば、半導体素子を製造するために用いられる3族窒化物半導体素子用基板の製造方法において、サファイア元基板の少なくとも一方の主面に3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料からなる補助層を前記半導体素子の許容動作温度範囲内の温度下で形成した後、前記サファイア元基板の主面又は前記補助層の表面に少なくとも1つの3族窒化物半導体層を成長させることを特徴とする3族窒化物半導体素子用基板の製造方法が提案される。
According to invention of Claim 1, in the manufacturing method of the board | substrate for
請求項2の発明によれば、請求項1の発明において、前記補助層がシリコン単結晶層である3族窒化物半導体素子用基板の製造方法が提案される。 According to the second aspect of the present invention, there is proposed a method for manufacturing a substrate for a group III nitride semiconductor device, wherein the auxiliary layer is a silicon single crystal layer.
請求項3の発明によれば、請求項1又は2の発明において、前記3族窒化物半導体層の少なくとも1つがGaN層である3族窒化物半導体素子用基板の製造方法が提案される。
According to the invention of
本発明によれば、半導体素子に対して許容された動作温度範囲内において、材料の熱膨張係数差に起因する応力が内部に発生せず、クラック、ピットなどのマクロな欠陥がサファイア元基板や化合物半導体層等に生じるのを有効に抑えることができる。 According to the present invention, within the operating temperature range allowed for the semiconductor element, stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient of the material does not occur inside, and macro defects such as cracks and pits are generated on the sapphire base substrate and Occurrence in the compound semiconductor layer can be effectively suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。 Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明による3族窒化物半導体素子用基板の製造方法の一実施形態を示すものである。ここでは、サファイア元基板1を基板結晶とし、サファイア元基板1上に3族窒化物半導体層を気相成長により形成する場合の実施の形態を説明する。 FIG. 1 shows an embodiment of a method for manufacturing a substrate for a group III nitride semiconductor device according to the present invention. Here, an embodiment in which the sapphire base substrate 1 is a substrate crystal and a group III nitride semiconductor layer is formed on the sapphire base substrate 1 by vapor phase growth will be described.
まず、サファイア元基板1を用意する(図1(a))。サファイア元基板1は、300〜500μm程度の所要の厚みを有するサファイア板で、その面方位は(0001)面とするが、等価な面で置き換えを行ってもよい。サファイア元基板1の両表面である主面1A、1Bは鏡面であることが好ましく、サファイア元基板1の厚さはできるだけ均一のものとすることが好ましい。
First, a sapphire base substrate 1 is prepared (FIG. 1A). The sapphire base substrate 1 is a sapphire plate having a required thickness of about 300 to 500 μm, and its plane orientation is the (0001) plane, but it may be replaced with an equivalent plane. The
次に、図1(b)に示すように、サファイア元基板1の2つの主面1A、1Bのうち一方の主面1A上に補助層2を室温において250〜410μmの厚さに蒸着する。補助層の材質は、その熱膨張係数K2が、サファイア元基板1の熱膨張係数K1より小さいものが選ばれている。ここでは、補助層2の材料としてシリコン単結晶が選ばれている。補助層2はサファイア元基板1の主面1A上に室温において蒸着されるので、サファイア元基板1に補助層2が形成された状態においても、サファイア元基板1は室温においては補助層2との間に熱膨張差に起因する応力はかかっておらず、図1(b)に示す状態のサファイア元基板1は実質的に反りのない状態を保ったままである。
Next, as shown in FIG.1 (b), the auxiliary |
なお、基板の反りに関しては、曲率が0.05/m以下の場合については半導体製造上特に問題を生じないので、反りがこの範囲に入っている場合には実質的に反りがないということがある。 As for the warpage of the substrate, when the curvature is 0.05 / m or less, there is no particular problem in semiconductor manufacturing. Therefore, when the warpage is within this range, there is substantially no warpage. is there.
次に、図1(b)に示す状態のサファイア元基板1を図示しない気相成長装置の反応炉内にセットし、所要の成長温度の下で、先ず補助層2の上にAlN高温バッファ層3を成長させ、厚さ0.1μmの薄膜層として形成する(図1(c))。ここで、サファイア元基板1を主体として得られた基板は室温よりかなり高い成長温度まで温度上昇するため、図1(c)に示す工程においては、サファイア元基板1の熱膨張係数K1と補助層2の熱膨張係数K2との差により反りが生じることになる。K1>K2であるから、この反りの方向は、補助層2が引っ張られる方向である。
Next, the sapphire base substrate 1 in the state shown in FIG. 1B is set in a reaction furnace of a vapor phase growth apparatus (not shown), and an AlN high-temperature buffer layer is first formed on the
そして、さらに、図1(d)に示すように、AlN高温バッファ層3の上に、所要の3族窒化物半導体から成る化合物半導体層4を同じく気相成長法により薄膜層として所望の厚みに形成するも、所要の3族窒化物半導体素子用基板が得られる。化合物半導体層4は、AlN高温バッファ層3の上に形成されるので、両者間で格子整合が図られ、良好な結晶性及び表面の鏡面性をもって化合物半導体層4を形成することができる。
Further, as shown in FIG. 1D, a
ここで、AlN高温バッファ層3は、化合物半導体層4の成長温度とほぼ同一の1000℃程度の高い成長温度を用いて形成される。したがって、AlN高温バッファ層3及び化合物半導体層4の各成長はほぼ同一の高い温度の下で行われるので、温度の切り替えが不要であり、原料ガスの切り替えだけで済むので製造工程の簡略化を図ることができる。ここでAlN高温バッファ層3の膜厚は通常は0.1μm程度、化合物半導体層4の膜厚は通常は3μm程度である。
Here, the AlN high-
化合物半導体層4を形成する材料である3族窒化物半導体の熱膨張係数をK4とすると、K2<K4<K1の関係が成立している。ここで、補助層2を形成したサファイア元基板1(以下、単に補助層付基板と称することがある)の熱膨張係数はK1とK2の間の値になっており、サファイア元基板1の厚さ、補助層2の厚さを適宜調整することにより、補助層付基板の熱膨張係数をK4と一致させることができる。そして、化合物半導体層4を成長させた後、サファイア元基板1の温度が成長温度から低下し室温に戻った場合、補助層付基板と化合物半導体層4とは同じ熱膨張係数を有するので熱膨張差に起因する応力はこの2者の間には発生せず、しかも、補助層2は室温で形成されているので、サファイア元基板1と補助層2の間にも熱膨張差に起因する応力は発生していないのである。
When the thermal expansion coefficient of the
なお、AlN高温バッファ層3、化合物半導体層4の成膜は、MOVPE成長炉またはハイドライド気相成長炉を用いて公知の工程を含んで行うことができる。すなわち、アンモニアを供給すると共に、水素ガスで希釈した所要の金属原料を導入してこれを行うことができる。例えば、AlN高温バッファ層3は、アンモニアとトリメチルアルミニウムを反応炉内に導入することでAlN層を成長させて形成し、化合物半導体層4はアンモニアとトリメチルガリウムを反応炉内に導入することでGaN層を成長させて形成することができる。それらの成長工程自体及び膜厚制御には公知の技術を用いることができる。
The AlN high-
補助層2はサファイア元基板1の主面2Aに室温で形成させているので、サファイア元基板1と補助層2の熱膨張差に起因しサファイア元基板1と補助層2に働く応力は、常温においてはほぼ0である。厳密には、補助層2をサファイア元基板1に成形したときの温度において0となる。なお、上記実施の形態においては、補助層2をサファイア元基板1の主面2Aに室温で形成した場合について説明した。しかし、この形成温度はこの室温に限定されるものではなく、半導体素子の許容動作温度範囲、例えば−20〜120℃程度の温度範囲内の温度であればよく、好ましくは20〜60℃の温度範囲内の温度である。
Since the
以上の説明から判るように、本発明による3族窒化物半導体素子用基板の製造方法は、サファイア元基板1の少なくとも一方の主面2Aに、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料からなる補助層2を、半導体素子の許容動作温度範囲内の温度下で形成させて補助層付基板とするところに特徴を有する。
As can be seen from the above description, the method for manufacturing a substrate for a
なお、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料としては、Si単結晶、AlN単結晶、Si3 N4 単結晶を挙げることができ、Si単結晶が工業的に製造しやすいので好ましい。
Examples of the material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the
そして、補助層2を室温又はそれに近い温度下、あるいは半導体素子の許容動作温度範囲内の温度下で形成するには、蒸着法を用いることができる。蒸着は通常工業的に使用されている装置を用いて通常行われている条件で行うことができる。ただし、補助層2を形成中のサファイア元基板1の温度は、室温等の所要の温度状態に保たれなければならない。
In order to form the
補助層2を形成した後、サファイア元基板1の補助層の形成されていない主面1B又は補助層2の表面のいずれかに、3族窒化物半導体素子用基板の製造に必要な化合物半導体層4を成長させて、3族窒化物半導体素子用基板が得られるのであるが、この化合物半導体層4の成長は、通常は500℃以上1200℃以下の温度に加熱して行われる。このときには、サファイア元基板1と補助層2の熱膨張差に起因した応力が補助層付基板に働くが、化合物半導体層4の成長が終わり、全体を常温に冷却した段階で、サファイア元基板1と補助層2との熱膨張差に起因した応力は解消する。
After forming the
補助層を形成したサファイア元基板と3族窒化物半導体層との熱膨張差について検討すると次の通りである。一般に、サファイア元基板の少なくとも一方の主面に、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料からなる補助層を形成した補助層付基板全体の熱膨張係数をαK とし、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料からなる補助層の熱膨張係数をαA 、補助層の厚さをtA 、弾性率をEA とし、サファイア元基板の熱膨張係数、厚さ、弾性率をそれぞれα1 、t1 、E1 とすると、従来技術における上記と同様の推論により、
αK =(α1 E1 t1 +αA EA tA )/(E1 t1 +EA tA ) (4)
が成り立つ。
The difference in thermal expansion between the sapphire base substrate on which the auxiliary layer is formed and the
α K = (α 1 E 1 t 1 + α A E A t A ) / (E 1 t 1 + E A t A ) (4)
Holds.
すなわち、3族窒化物半導体の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する材料および補助層の厚さを変化させることにより、αK を調整することができ、3族窒化物半導体素子用基板の製造に用いる3族窒化物半導体の熱膨張係数αN (ここで、αA <αN <α1 )に近づけることができる。
That is, α K can be adjusted by changing the thickness of the material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the
以上の如く、本発明による製造方法においては、補助層を半導体素子の許容動作温度範囲内の温度下で形成することにより、半導体素子基板内部に発生し、サファイア元基板と補助層の熱膨張係数差に起因する応力を、半導体素子の通常の使用温度において実質的に無くすことができる。補助層の材料と補助層の厚さとサファイア元基板の厚さを調整することにより、3族窒化物半導体素子基板内部に発生し、補助層付基板と3族窒化物半導体層の熱膨張係数差に起因する応力を、半導体素子の通常の使用温度において実質的に無くすことができるので、本発明の製造方法により製造された3族窒化物半導体素子用基板は、これを用いて製作された半導体素子が通常使用される温度においては、内部に実質的に応力を有さず、したがって反りも無い半導体素子用基板となるのである。
As described above, in the manufacturing method according to the present invention, by forming the auxiliary layer at a temperature within the allowable operating temperature range of the semiconductor element, the thermal expansion coefficient of the sapphire base substrate and the auxiliary layer is generated inside the semiconductor element substrate. The stress due to the difference can be substantially eliminated at the normal use temperature of the semiconductor element. By adjusting the material of the auxiliary layer, the thickness of the auxiliary layer, and the thickness of the sapphire base substrate, the thermal expansion coefficient difference between the substrate with the auxiliary layer and the
図2は、本発明の他の実施の形態を説明するための工程図である。この実施の形態では、先ず、図1に示した実施の形態の場合と同じく、サファイア元基板11を用意し(図2(a))、サファイア元基板11の一方の主面11B上にシリコンから成る補助層12を室温にて所要の厚さに蒸着しておく(図2(b))。しかる後、サファイア元基板11上に補助層12が形成された基板を反応炉(図示せず)内に入れて、サファイア元基板11の温度を所要の成長温度まで上昇させ、サファイア元基板11の主面11A上にGaN低温バッファ層13を形成した後、GaN低温バッファ層13の上にGaNを成長させ、化合物半導体層14を形成する。GaN低温バッファ層13及び化合物半導体層14の成膜工程それ自体は図1に示した実施の形態の場合と同じである。
FIG. 2 is a process diagram for explaining another embodiment of the present invention. In this embodiment, first, as in the embodiment shown in FIG. 1, a
ここでも、サファイア元基板11の熱膨張係数K11、補助層12の熱膨張係数K12及び化合物半導体層14の熱膨張係数K14との間にはK12<K14<K11の関係が成立するように各層の材料が選ばれている。したがって、図1に示した実施の形態の場合と同様に、サファイア元基板11の上に補助層12を形成した補助層付基板を成長温度まで高めるのと同様の理由でサファイア元基板と補助層の間に2者の熱膨張差に起因する応力が生じ、反りを生じることとなる。
Here again, the relationship of K12 <K14 <K11 is established among the thermal expansion coefficient K11 of the
この状態において、化合物半導体層14をGaN低温バッファ層13を介して成長させる。ここで、図1に示した実施の形態の場合と同様に、サファイア元基板の厚さ、補助層の厚さを適宜調整することにより、補助層付基板の熱膨張係数をK14と一致させることができる。そして、化合物半導体層14を成長させた後、サファイア元基板11の温度が成長温度から低下し室温に戻った場合(図2(d))、補助層付基板と化合物半導体層は同じ熱膨張係数を有するので熱膨張差に起因する応力はこの2者の間には発生せず、しかも、補助層は室温で形成されているので、サファイア元基板11と補助層12の間にも熱膨張差に起因する応力は発生していないのである。
In this state, the
図3は、本発明のさらに他の実施の形態を説明するための工程図である。この実施の形態の場合には、サファイア元基板21を用意し(図3(a))、用意したサファイア元基板21の一対の主面21A、21Bにそれぞれシリコン単結晶から成る補助層22A、22Bを室温で蒸着して形成しておく(図3(b))。補助層22A、22Bの各材料はシリコン単結晶で、各層厚が等しくなるよう、図1について説明したのと同一の方法で所要の厚みに形成する。そして、補助層22Aの上にAlN高温バッファ層23を形成し(図3(c))、さらに、AlN高温バッファ層23の上に所要の3族窒化物半導体であるGaNを成長し、化合物半導体層24を形成する(図3(d))。図3(c)、(d)に示した工程は、図1(c)、(d)の工程と同じであり、各層の熱膨張係数の大小関係も図1の実施の形態の場合と同じである。
FIG. 3 is a process diagram for explaining still another embodiment of the present invention. In the case of this embodiment, a
図3に示した例では、サファイア元基板21の主面21Bにも補助層22Bが設けられている点で図1に示した実施の形態の場合と異なっている。図3に示した実施の形態では、サファイア元基板21の主面21A、21Bにそれぞれ設けられた補助層22A、22Bを同一の厚みに形成したので、化合物半導体層24の形成のためにサファイア元基板21を1000℃以上の高温にしても、両者における伸びが相殺され、サファイア元基板21と補助層22A、22Bとの間には2者の熱膨張差に起因する応力は発生するが、サファイア元基板21に反りを生じさせることはなく、サファイア元基板21が反りのない状態でAlN高温バッファ層23及び化合物半導体層24を形成することができる。
The example shown in FIG. 3 differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that an
図3に示した実施の形態の場合においても、図1に示した実施の形態の場合と同様に、サファイア元基板21の厚さ、補助層22A、22Bの厚さを適宜調整することにより、補助層付基板の熱膨張係数を化合物半導体層24の熱膨張係数と一致させることができる。そして、化合物半導体層24を成長させた後、サファイア元基板21の温度が成長温度から低下し室温に戻った場合、補助層付基板と化合物半導体層24は同じ熱膨張係数を有するので熱膨張差に起因する応力はこの2者の間には発生せず、しかも、補助層22A、22Bは室温で形成されているので、サファイア元基板21と補助層22A、22Bとの間にも熱膨張差に起因する応力は、やはり発生していないのである。
In the case of the embodiment shown in FIG. 3, as in the case of the embodiment shown in FIG. 1, by appropriately adjusting the thickness of the
1、11、21 サファイア元基板
1A、11A、21A、1B、11B、21B 主面
2、12、22A、22B 補助層
3、23 AlN高温バッファ層
13 GaN低温バッファ層
4、14、24 化合物半導体層
1, 11, 21
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