JP2006120855A - Group iii-v nitride semiconductor epitaxial wafer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer that comprises a buffer layer which suppresses occurrence and propagation of threading dislocation caused by defects of an SiC substrate. <P>SOLUTION: In the group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, an AlN buffer layer 2 is formed on an SiC substrate 1, and a group III-V nitride semiconductor crystal is formed on the AlN buffer layer 2. In the AlN buffer layer 2, group IV element is uniformly doped at concentration of 1×10<SP>19</SP>cm<SP>-3</SP>or higher. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭化シリコン(SiC)基板上に窒化アルミニウム(AlN)バッファー層(AlNからなるバッファー層)を形成したIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハに係り、特に、SiC基板上に良質なIII−V族窒化物半導体結晶を成長し、従来品よりも特性に優れた窒化物半導体デバイスを作製することが可能なIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ(III−V族窒化物半導体がエピタキシャル法により成長されたウェハ)に関するものである。   The present invention relates to a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer in which an aluminum nitride (AlN) buffer layer (a buffer layer made of AlN) is formed on a silicon carbide (SiC) substrate, and in particular, a high-quality III on a SiC substrate. A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer capable of growing a group V nitride semiconductor crystal and producing a nitride semiconductor device having better characteristics than conventional products (group III-V nitride semiconductor is an epitaxial method) The wafer is grown by the following method.

窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、およびこれらの混晶を最適な構造で積層成長させたIII−V族窒化物半導体積層構造を有するエピタキシャルウェハは、すでに青色発光ダイオード(LED)用エピタキシャルウェハとして市場に出回っており、さらには青色レーザダイオード(LD)用エピタキシャルウェハや紫外LED用エピタキシャルウェハなども開発されつつある。また、III−V族窒化物半導体結晶の用途は光デバイスだけでなく、近年の高出力トランジスタの需要に伴い、GaN−高電子移動度トランジスタ(HEMT)などの電界効果トランジスタ(FET)用エピタキシャルウェハの開発もなされるようになってきた。   An epitaxial wafer having a group III-V nitride semiconductor multilayer structure in which gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), and a mixed crystal thereof are laminated and grown in an optimum structure has already emitted blue light. It is on the market as an epitaxial wafer for diode (LED), and further, an epitaxial wafer for blue laser diode (LD) and an epitaxial wafer for ultraviolet LED are being developed. Further, III-V nitride semiconductor crystals are used not only for optical devices but also for epitaxial wafers for field effect transistors (FETs) such as GaN-high electron mobility transistors (HEMT) in response to the recent demand for high-power transistors. Development has also been made.

これら光・電子デバイス用エピタキシャルウェハに用いられる基板として実用レベルにあり、且つ市場に流通している基板は、サファイア基板とSiC基板だけである。SiC基板はサファイア基板と比べてコストや製造技術の面で劣るものの、熱伝導性が抜群に高く、さらには、導電性を有することができるというメリットがある。そのため、デバイスの用途に応じて使い分けられているのが現状である。   As substrates used for these epitaxial wafers for optical / electronic devices, there are only sapphire substrates and SiC substrates that are in practical use and are on the market. Although the SiC substrate is inferior in terms of cost and manufacturing technology as compared with the sapphire substrate, there is an advantage that the thermal conductivity is remarkably high, and furthermore, it can have conductivity. Therefore, the current situation is that they are properly used according to the application of the device.

これら基板上にIII−V族窒化物半導体結晶を形成するときは、有機金属気相成長法(MOVPE法)と分子線エピタキシャル成長法(MBE法)という2種類の結晶成長法が用いられている。しかし現在、工業レベルで主として用いられている結晶成長法はMOVPE法である。なぜなら、MOVPE法は、MBE法とは異なり高真空を必要とせず、一度に多数枚の基板上に成長することが容易であるからである。MOVPE法は、リアクター内で加熱状態にある基板に、複数の原料ガスを送り込み、これら原料ガスを基板上で熱分解させることによって行われる。   When forming a group III-V nitride semiconductor crystal on these substrates, two types of crystal growth methods, ie, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and molecular beam epitaxy (MBE) are used. However, at present, the crystal growth method mainly used at the industrial level is the MOVPE method. This is because, unlike the MBE method, the MOVPE method does not require a high vacuum and can be easily grown on a large number of substrates at a time. The MOVPE method is performed by sending a plurality of source gases to a substrate heated in the reactor and thermally decomposing these source gases on the substrate.

SiC基板上にMOVPE法にてIII−V族窒化物半導体結晶を成長するときは、六方晶SiC結晶の(0001)面上に成長がなされる。しかし、III−V族窒化物半導体結晶であるGaN結晶もしくは窒化インジウム・ガリウム(InGaN)結晶を直接に基板上に成長しても、濡れ性の悪さから平坦な膜にならず、六角柱状に結晶が形成(三次元核成長)される。しかし、濡れ性のよいAlNは膜として形成(二次元核成長)されるため、通常は、AlNもしくはアルミニウム(Al)を含んだIII−V族窒化物半導体混晶をバッファー層としてSiC基板上に成長した後、必要とするIII−V族窒化物半導体結晶としてGaNもしくはInGaNなどをバッファー層上に成長する方法がとられている。   When a group III-V nitride semiconductor crystal is grown on a SiC substrate by the MOVPE method, the growth is performed on the (0001) plane of a hexagonal SiC crystal. However, even if a GaN crystal or an indium gallium nitride (InGaN) crystal, which is a III-V nitride semiconductor crystal, is grown directly on the substrate, it does not become a flat film due to poor wettability, but is formed in a hexagonal column shape. Is formed (three-dimensional nuclear growth). However, since AlN with good wettability is formed as a film (two-dimensional nucleus growth), normally, a III-V nitride semiconductor mixed crystal containing AlN or aluminum (Al) is used as a buffer layer on the SiC substrate. After the growth, a method of growing GaN, InGaN or the like as a required group III-V nitride semiconductor crystal on the buffer layer is employed.

なお、SiC基板にIII−V族窒化物半導体結晶を形成するに際し、平面平坦性および電気的特性に優れた結晶を得る工夫としては、(1)バッファー層を構成するAlN薄膜の膜厚を臨界膜厚(4.6nm)以下にして、SiC基板に対してスードモーフィックに歪ませ、AlN薄膜中にミスフィット転位やこれによって生じる貫通転位が発生しないようにする方法(例えば、特許文献1参照)や、(2)表面がC面であるSiC基板上に窒化物系III−V族化合物半導体材料を結晶成長させる方法(例えば、特許文献2参照)などがある。この特許文献2においては、始めに熱酸化と酸化膜の除去を数回繰り返してSiC基板の研磨傷を完全に取り除き、そのC面SiC基板上に1100℃でAlNバッファー層を成長し、このAlNバッファー層上に1000℃で第1のGaN層、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)層、および第2のGaN層を成長する。
特開平9−219540号公報 特開2003−17419号公報
In addition, when forming a group III-V nitride semiconductor crystal on a SiC substrate, as a device for obtaining a crystal having excellent planar flatness and electrical characteristics, (1) the thickness of the AlN thin film constituting the buffer layer is critical. A method in which a film thickness (4.6 nm) or less is set to be pseudomorphic to the SiC substrate so that misfit dislocations and threading dislocations caused thereby are not generated in the AlN thin film (for example, see Patent Document 1) And (2) a method of growing a nitride III-V compound semiconductor material on a SiC substrate having a C-plane surface (see, for example, Patent Document 2). In this Patent Document 2, first, thermal oxidation and removal of the oxide film are repeated several times to completely remove the polishing scratches on the SiC substrate, and an AlN buffer layer is grown on the C-plane SiC substrate at 1100 ° C. A first GaN layer, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer, and a second GaN layer are grown on the buffer layer at 1000 ° C.
JP-A-9-219540 JP 2003-17419 A

しかしながら、SiC基板の品質はまだ発展途上にあり、改良の余地は多々存在する。なかでも基板表面には多数の研磨キズや結晶欠陥が存在し、シリコン(Si)基板やガリウム砒素(GaAs)基板と比べると厳密に平坦とは言い難い状態にある。そのため基板表面の結晶欠陥が起因となり、バッファー層中に貫通転位が発生し、その上の窒化物結晶に伝播されることになる。   However, the quality of the SiC substrate is still developing, and there is much room for improvement. In particular, there are many polishing flaws and crystal defects on the surface of the substrate, and it is difficult to say that it is strictly flat compared to a silicon (Si) substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate. For this reason, crystal defects on the substrate surface are caused, and threading dislocations are generated in the buffer layer and propagated to the nitride crystal thereon.

このような貫通転位は、レーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)などの光デバイスの寿命を短くし、高電子移動度トランジスタ(HEMT)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などの電子デバイスでは素子耐圧を大幅に下げるため、極力抑えなければいけない。   Such threading dislocations shorten the lifetime of optical devices such as laser diodes (LDs) and light emitting diodes (LEDs), and in electronic devices such as high electron mobility transistors (HEMTs) and heterojunction bipolar transistors (HBTs) In order to greatly reduce the pressure resistance, it must be suppressed as much as possible.

現状のSiC基板の製造技術では、基板に存在する欠陥を完全抑止することは不可能である。そのためSiC基板上に良質なIII−V族窒化物半導体薄膜結晶を積層するためには、バッファー層の貫通転位発生および伝播を止めなくてはならない。   With the current SiC substrate manufacturing technology, it is impossible to completely suppress defects present in the substrate. Therefore, in order to stack a high-quality group III-V nitride semiconductor thin film crystal on the SiC substrate, the generation and propagation of threading dislocations in the buffer layer must be stopped.

そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、SiC基板の欠陥に起因する貫通転位の発生および伝播を抑止するバッファー層を有するIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。換言すれば、本発明は、煩雑な工程を必要とすることなしに、SiC基板の欠陥に起因する貫通転位の発生および伝播抑止のためのバッファー層を提供し、製造コストが高くなることなく低転位のIII−V族窒化物半導体結晶の成長を実現することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer that solves the above problems and suppresses the generation and propagation of threading dislocations due to defects in the SiC substrate. In other words, the present invention provides a buffer layer for preventing the occurrence of threading dislocations due to defects in the SiC substrate and suppressing propagation without requiring a complicated process, and can reduce the manufacturing cost without increasing the cost. The purpose is to realize the growth of dislocation III-V nitride semiconductor crystals.

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

請求項1の発明に係るIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハは、SiC基板上にAlNバッファー層を形成し、該AlNバッファー層上にIII−V族窒化物半導体結晶を形成したIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記AlNバッファー層中に、IV族元素を1×1019cm-3以上の濃度で、層内に均一にドーピングしたことを特徴とする。 The group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to the invention of claim 1 is a group III-V in which an AlN buffer layer is formed on a SiC substrate and a group III-V nitride semiconductor crystal is formed on the AlN buffer layer. The nitride semiconductor epitaxial wafer is characterized in that a group IV element is uniformly doped in the AlN buffer layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more in the AlN buffer layer.

請求項2の発明は、請求項1記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、添加するIV族元素をシリコン(Si)またはゲルマニウム(Ge)としたことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 1, wherein the group IV element to be added is silicon (Si) or germanium (Ge).

請求項3の発明は、請求項2記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記AlNバッファー層の厚さを20nm以上としたことを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to the second aspect, wherein the thickness of the AlN buffer layer is 20 nm or more.

請求項4の発明は、請求項3記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記AlNバッファー層をMOVPE法にて成長したことを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to the third aspect, wherein the AlN buffer layer is grown by a MOVPE method.

請求項5の発明は、請求項4記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記AlNバッファー層の成長時の温度を1000℃以上としたことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to the fourth aspect, a temperature during the growth of the AlN buffer layer is set to 1000 ° C. or higher.

請求項6の発明は、請求項5記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記AlNバッファー層の成長時の成長圧力を200Torr以下としたことを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to the fifth aspect, characterized in that a growth pressure during the growth of the AlN buffer layer is 200 Torr or less.

<発明の要点>
SiC基板上にAlNバッファー層を成長するとき、シリコン原料もしくはゲルマニウム原料も同時に供給することによって、これらのIV族元素が成長中のAlN結晶の表面に常時存在することになる。これらIV族元素は共有結合性で結合力も強く、さらには結晶表面でアンチサーファクタントとして機能する。そのため最適な条件を選択することによりAlNバッファー層の表面への貫通転位の伝播を大幅に低減することができる。
<Key points of the invention>
When the AlN buffer layer is grown on the SiC substrate, these group IV elements are always present on the surface of the growing AlN crystal by simultaneously supplying the silicon raw material or the germanium raw material. These group IV elements are covalent and strong, and also function as anti-surfactants on the crystal surface. Therefore, propagation of threading dislocations to the surface of the AlN buffer layer can be significantly reduced by selecting the optimum conditions.

詳述するに、SiC基板直上のAlNバッファー層の成長初期においては、気相から供給されたAlN反応種がSiC基板の表面をある程度の時間拡散し、やがて任意の場所に結晶核として定着する。このようにSiC基板の面内にランダムにAlNの核が形成された後、成長と共にその核が拡大し、隣り合った核同士と融合を繰り返していく。このように二次元核成長して最終的にAlN結晶は平坦な膜となる。   In detail, in the early stage of growth of the AlN buffer layer directly on the SiC substrate, the AlN reactive species supplied from the vapor phase diffuses on the surface of the SiC substrate for a certain period of time and eventually settles as a crystal nucleus in an arbitrary place. After AlN nuclei are randomly formed in the plane of the SiC substrate in this way, the nuclei expand with growth, and fusion with adjacent nuclei is repeated. Thus, two-dimensional nuclei grow and finally the AlN crystal becomes a flat film.

しかし、SiC基板上に研磨キズや欠陥が存在した場合、核の融合(二次元核成長)はその地点で妨げられ、AlNが膜になったとき穴(ピット)状の結晶欠陥が残ることになり、その地点から貫通転位が発生する傾向にある。この貫通転位がバッファー層の表面に伝播した状態で、つまりピットが埋め込まれないまま次のIII−V族窒化物結晶の成長に移ると、結晶の表面まで貫通する転位となってデバイス特性劣化の原因となる。   However, if there are polishing scratches or defects on the SiC substrate, nuclear fusion (two-dimensional nucleus growth) is hindered at that point, and hole (pit) -like crystal defects remain when AlN becomes a film. Therefore, threading dislocations tend to occur from that point. When this threading dislocation propagates to the surface of the buffer layer, that is, when the next group III-V nitride crystal is grown without filling the pits, it becomes a dislocation penetrating to the surface of the crystal, resulting in deterioration of device characteristics. Cause.

この貫通転位の再表面への伝播を抑止するためには、AlNバッファー層の成長中に消滅させるか横方向に曲げなくてはならない。   In order to suppress the propagation of this threading dislocation to the resurface, it must be eliminated during the growth of the AlN buffer layer or bend laterally.

そのため、本発明ではアンチサーファクタントの技術を応用した。AlNの表面の原子は下の層の原子とは結合しているが、上の層がないので結合の手が余り、表面の自由エネルギーが高くなっている。そこにIV族元素が供給されると、余った手と結合を起こし表面の自由エネルギーが低くなる。その上のAlN反応種はIV族元素を避けるように表面拡散を起こし、結果的にAlNの横方向成長を促進することになる。これにより横方向成長の力で転位が曲げられ、隣りの転位と一緒になってループ転位を形成し、それより上にはいかなくなる。また転位のところはエネルギーが高いので、IV族元素は転位の箇所にとどまり、伝播をブロックする役割も果たす。   Therefore, the anti-surfactant technology is applied in the present invention. The atoms on the surface of AlN are bonded to the atoms in the lower layer, but since there is no upper layer, the bonding is not easy and the surface free energy is high. If a group IV element is supplied there, it will combine with the surplus hands and the free energy on the surface will be lowered. The AlN reactive species thereon causes surface diffusion to avoid group IV elements, and consequently promotes lateral growth of AlN. As a result, the dislocations are bent by the force of lateral growth, and together with the adjacent dislocations, loop dislocations are formed, and no higher than that. Also, because the energy of the dislocation is high, the group IV element stays at the dislocation and plays a role in blocking propagation.

しかし、Alの表面拡散長はガリウム(Ga)やインジウム(In)の表面拡散長に比べ極端に短く、AlNの横方向成長を実現することは困難である。そのためIV族元素をパルス的に供給するのではなく、AlNバッファー層の成長中に連続して供給することにした。これにより成長中のAlNの表面には常時アンチサーファクタントが形成されることになり、横方向成長を強力に促進することになる。   However, the surface diffusion length of Al is extremely shorter than the surface diffusion length of gallium (Ga) or indium (In), and it is difficult to achieve the lateral growth of AlN. Therefore, the group IV element was not supplied in a pulsed manner, but was continuously supplied during the growth of the AlN buffer layer. As a result, an anti-surfactant is always formed on the surface of the growing AlN, and the lateral growth is strongly promoted.

また、AlXGaYInZN(X,Y,Z>0、X+Y+Z=1)混晶も、最適な構造や条件を選択することによりSiC基板上のバッファー層として成長が可能である。しかし、本技術を用いると、Al、Ga、Inの表面拡散長の違いがより顕著になる。そのためバッファー層中のGaやInの偏析が大きくなり、これが起因となり貫通転位とは異なる結晶欠陥が発生することになる。そのため本発明ではAlNバッファー層だけに限定した。 Also, Al X Ga Y In Z N (X, Y, Z> 0, X + Y + Z = 1) mixed crystal can be grown as a buffer layer on the SiC substrate by selecting an optimum structure and conditions. However, when this technique is used, the difference in the surface diffusion length of Al, Ga, and In becomes more remarkable. For this reason, segregation of Ga and In in the buffer layer increases, and this causes crystal defects different from threading dislocations. Therefore, the present invention is limited to the AlN buffer layer only.

なお、上記AlNバッファー層上に、III−V族窒化物半導体結晶を積層することで、プロセス技術を変えることなく、従来よりも長寿命なLD、LED、もしくは高耐圧なHEMT、HBTを実現することができる。例えば、上記i型AlNバッファー層2(厚さ100nm)上に、チャネル層としてのi型GaN層3(厚さ2000nm)と、i型Al0.25Ga0.75N層(厚さ3nm)及びn型Al0.25Ga0.75N層(厚さ30nm)から成るAlGaN層とを順次成長し積層することで、HEMT用エピタキシャルウェハを製造することができる。 By laminating a group III-V nitride semiconductor crystal on the AlN buffer layer, an LD, LED, or high breakdown voltage HEMT or HBT having a longer life than before can be realized without changing the process technology. be able to. For example, on the i-type AlN buffer layer 2 (thickness 100 nm), an i-type GaN layer 3 (thickness 2000 nm) as a channel layer, an i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer (thickness 3 nm), and an n-type Al By sequentially growing and laminating an AlGaN layer composed of a 0.25 Ga 0.75 N layer (thickness 30 nm), an HEMT epitaxial wafer can be manufactured.

本発明によれば、SiC基板上にAlNバッファー層を形成したIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、そのAlNバッファー層中に、IV族元素を1×1019cm-3以上の濃度で均一にドーピングした構造としたので、AlNバッファー層上のIII−V族窒化物半導体結晶の構造に関係なく、低コストで従来より転位密度の少ないIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハを実現することができる。このIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いれば、プロセス技術を変えることなく、従来よりも長寿命なLD、LED、もしくは高耐圧なHEMT、HBTを実現することができる。 According to the present invention, in a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer in which an AlN buffer layer is formed on a SiC substrate, a group IV element is uniformly present in the AlN buffer layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more. Therefore, it is possible to realize a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer having a lower dislocation density at a lower cost regardless of the structure of the group III-V nitride semiconductor crystal on the AlN buffer layer. it can. By using this group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, it is possible to realize LDs, LEDs, or HEMTs and HBTs having a higher withstand voltage than conventional ones without changing the process technology.

以下、本発明の実施形態について実施例を中心に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with a focus on examples.

<実施例>
本発明の効果を確認するため、試作例として、図1に示すように、単結晶であるSiC基板1上に、Siドーピングした高純度なAlNバッファー層2を形成し、ドーピングするSiの濃度を5.0×1018cm-3(比較例)、1.2×1019cm-3(実施例1)、5.5×1019cm-3(実施例2)と変えて作製し、その比較を行った。
<Example>
In order to confirm the effect of the present invention, as a prototype example, as shown in FIG. 1, a high purity AlN buffer layer 2 doped with Si is formed on a SiC substrate 1 which is a single crystal, and the concentration of Si to be doped is changed. 5.0 × 10 18 cm −3 (Comparative Example), 1.2 × 10 19 cm −3 (Example 1), 5.5 × 10 19 cm −3 (Example 2) A comparison was made.

SiC基板1はポリタイプが4H、<0001>方向にon−Axis、Si面を用いた。また基板の表面処理として、熱酸化した後、希フッ酸洗浄を行った。これにより表面の酸化膜ごと異物を除去した。このときのSiC基板の表面状態を図2に示す。   The SiC substrate 1 has a polytype of 4H and an on-axis, Si surface in the <0001> direction. Further, as surface treatment of the substrate, after thermal oxidation, cleaning with diluted hydrofluoric acid was performed. This removed foreign matter along with the oxide film on the surface. The surface state of the SiC substrate at this time is shown in FIG.

このSiC基板1をMOVPE法による結晶成長装置のサセプタ上に設置し、水素雰囲気中にてバッファー層の成長温度(ここでは1100℃)まで加熱した。その後、10分間の空焼きを行い、トリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニア(NH3)を同時に流してAlNバッファー層2の成長を行った。またSiをドーピングするサンプルには、Si原料としてモノシランを用いた。このときの炉内圧力は135Torr(約180hPa)、TMAとNH3の流量はそれぞれ2.00×10-5mol/min、4.46×10-3mol/minとした。サンプルは図1に示すように、SiC基板1上にAlNバッファー層2を100nm成長した。 This SiC substrate 1 was placed on a susceptor of a crystal growth apparatus using the MOVPE method, and heated to the growth temperature of the buffer layer (here, 1100 ° C.) in a hydrogen atmosphere. Thereafter, baking was performed for 10 minutes, and trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) were simultaneously flowed to grow the AlN buffer layer 2. Further, monosilane was used as a Si raw material for the sample doped with Si. The furnace pressure at this time was 135 Torr (about 180 hPa), and the flow rates of TMA and NH 3 were 2.00 × 10 −5 mol / min and 4.46 × 10 −3 mol / min, respectively. As shown in FIG. 1, an AlN buffer layer 2 was grown to 100 nm on a SiC substrate 1 as a sample.

上記試作例のAlNバッファー層2の表面状態を調べた。前提となるサンプルは図1に示すように、SiC基板1上にAlNバッファー層2を100nm成長した単純な構造である。   The surface state of the AlN buffer layer 2 of the prototype was examined. As shown in FIG. 1, the sample as a premise has a simple structure in which an AlN buffer layer 2 is grown on a SiC substrate 1 by 100 nm.

比較のため、今回発明した技術を用いずに成長したAlNバッファー層2(従来例)の表面状態を図3に示す。従来例の場合、表面に貫通転位と思われるナノスケールの穴が多数存在し、それらが研磨キズに沿った形で並んでいることが分かる。   For comparison, FIG. 3 shows the surface state of the AlN buffer layer 2 (conventional example) grown without using the technique invented this time. In the case of the conventional example, it can be seen that there are many nanoscale holes that are thought to be threading dislocations on the surface, and they are arranged in a shape along the polishing scratches.

本発明技術を用いて、Siのドーピング濃度を5.0×1018cm-3(比較例)、1.2×1019cm-3(実施例1)、5.5×1019cm-3(実施例2)と変えたときのAlNバッファー層2の表面状態を図4、図5、図6に示す。これら図4、図5、図6の比較から、ドーピングしたSiの濃度が5.0×1018cm-3のAlNバッファー層(比較例)に較べ、1.2×1019cm-3、5.5×1019cm-3のAlNバッファー層(実施例1、2)のものは良好な表面状態であることが分かる。 Using the technology of the present invention, the doping concentration of Si is 5.0 × 10 18 cm −3 (Comparative Example), 1.2 × 10 19 cm −3 (Example 1), 5.5 × 10 19 cm −3. The surface state of the AlN buffer layer 2 when changed to (Example 2) is shown in FIG. 4, FIG. 5, and FIG. 4, 5, and 6, the concentration of doped Si is 1.2 × 10 19 cm −3 , 5 compared with the AlN buffer layer (comparative example) having a concentration of 5.0 × 10 18 cm −3. It can be seen that the AlN buffer layer (Examples 1 and 2) of 5 × 10 19 cm −3 is in a good surface state.

また、このようにドーピングするSiの濃度を変えたときのAlNバッファー層の転位密度とドーピング濃度の相関を図7に示す。ドーピングするSiの濃度と転位密度の間には明らかな相関があり、AlNバッファー層中のSiはバッファー層平坦化に大きな効果を発揮していることが分かる。すなわち、AlNバッファー層2中に、IV族元素のSiを1×1019cm-3〜9×1019cm-3の濃度、例えば1.2×1019cm-3(実施例1)、5.5×1019cm-3(実施例2)で、層内に均一にドーピングすると、転位密度を小さくすることができる。 FIG. 7 shows the correlation between the dislocation density of the AlN buffer layer and the doping concentration when the concentration of Si to be doped is changed. There is a clear correlation between the concentration of Si to be doped and the dislocation density, and it can be seen that Si in the AlN buffer layer exerts a great effect on the flattening of the buffer layer. That is, in the AlN buffer layer 2, Si of the group IV element has a concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 9 × 10 19 cm −3 , for example 1.2 × 10 19 cm −3 (Example 1), 5 When the layer is uniformly doped at 5 × 10 19 cm −3 (Example 2), the dislocation density can be reduced.

次に、AlNバッファー層中のSi濃度確認のため、SlMS測定も行った。III−V族窒化物半導体結晶が薄すぎると測定できないため、上記AlNバッファー層2上にi型GaN層3を2μm成長して測定を行った。測定サンプルの構造を図8に、SlMS分析結果を図9に示す。   Next, SlMS measurement was also performed to confirm the Si concentration in the AlN buffer layer. Since measurement cannot be performed if the group III-V nitride semiconductor crystal is too thin, the i-type GaN layer 3 is grown on the AlN buffer layer 2 by 2 μm and measurement is performed. The structure of the measurement sample is shown in FIG. 8, and the result of SlMS analysis is shown in FIG.

また、ドーピングしたSiの濃度が5.0×1018cm-3(比較例)、5.5×1019cm-3(実施例2)のときの、このサンプルの表面を調べた。これらのAFM比較結果を図10(比較例)と図11(実施例2)に示す。見やすいように微分画像も並べて示すが、転位密度と表面ラフネスには顕著な違いが見られる。両方のサンプル表面にはステップが発生しているものの、ドーピング濃度が5.0×1018cm-3であるサンプル(比較例)では転位密度は1.2×109cm-3でステップも不規則であるのに対し、5.5×1019cm-3であるサンプル(実施例2)では転位密度は5.0×107cm-2と少なくステップも規則的である。 Moreover, the surface of this sample when the concentration of doped Si was 5.0 × 10 18 cm −3 (comparative example) and 5.5 × 10 19 cm −3 (example 2) was examined. These AFM comparison results are shown in FIG. 10 (Comparative Example) and FIG. 11 (Example 2). Differential images are also shown side by side for easy viewing, but there are significant differences in dislocation density and surface roughness. Although steps occur on both sample surfaces, the sample with a doping concentration of 5.0 × 10 18 cm −3 (comparative example) has a dislocation density of 1.2 × 10 9 cm −3 and no steps. In contrast to the rule, in the sample (Example 2) which is 5.5 × 10 19 cm −3 , the dislocation density is as small as 5.0 × 10 7 cm −2 and the steps are also regular.

<他の実施例、変形例>
上述したAlNバッファー層2の転位を最小限に抑えるIV族原料の濃度や、成長時の温度、圧力、V/III比、雰囲気、製膜速度、成長圧力は、使用する装置により異なるため、試行錯誤をしておさえなくてはならない。
<Other embodiments and modifications>
Since the concentration of group IV raw material that minimizes dislocations in the AlN buffer layer 2 described above, growth temperature, pressure, V / III ratio, atmosphere, film formation speed, and growth pressure differ depending on the equipment used, trial You have to make mistakes.

上記実施例では、バッファー層の成長温度を1100℃としたが1000℃以上であればよい。例えばバッファー層成長温度を1200℃とし、その上にGaN層を成長させる温度を1100℃に下げることもできる。また炉内圧力は135Torr(約180hPa)としたが200Torr(約267hPa)以下とすればよい。   In the above embodiment, the growth temperature of the buffer layer is 1100 ° C., but it may be 1000 ° C. or higher. For example, the buffer layer growth temperature can be set to 1200 ° C., and the temperature for growing the GaN layer thereon can be lowered to 1100 ° C. The pressure in the furnace is 135 Torr (about 180 hPa), but it may be 200 Torr (about 267 hPa) or less.

また本発明において、SiC基板の表面からAlNバッファー層の表面までの転位伝播を防ぐため、AlNバッファー層中で転位の曲げまたはブロックを行うためには、ある程度以上の膜厚が必要である。上記実施例では、AlNバッファー層の膜厚を100nmとしたが、この転位の曲げまたはブロックを営ませるには、AlNバッファー層の膜厚として20nm以上の膜厚があればよい。   Further, in the present invention, in order to prevent dislocation propagation from the surface of the SiC substrate to the surface of the AlN buffer layer, in order to bend or block the dislocation in the AlN buffer layer, a film thickness of a certain degree or more is required. In the above embodiment, the thickness of the AlN buffer layer is set to 100 nm. However, in order to make this dislocation bend or block, the thickness of the AlN buffer layer may be 20 nm or more.

本実施例では、Si原料としてモノシランを用いたが、これより分解温度の低いジシラン、または、有機原料であるテトラメチルシリコンやテトラエチルシリコンを用いても同様な効果を得ることができる。   In the present embodiment, monosilane was used as the Si raw material, but the same effect can be obtained by using disilane having a lower decomposition temperature, or tetramethyl silicon or tetraethyl silicon, which are organic raw materials.

本発明のIII−V族窒化物半導体成長用基板の試作例の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the prototype of the board | substrate for III-V nitride semiconductor growth of this invention. 市販のSiC基板の表面状態を示す図である。It is a figure which shows the surface state of a commercially available SiC substrate. 本発明技術を適用せず、SiC基板上に成長したAlNバッファー層の表面状態を示す図である。It is a figure which shows the surface state of the AlN buffer layer which grew on the SiC substrate, without applying this invention technique. 比較例として、5.0×1018cm-3のSiをドーピングして、SiC基板上に成長したAlNバッファー層の表面状態を示す図である。As a comparative example, it is a figure which shows the surface state of the AlN buffer layer which doped Si of 5.0 * 10 < 18 > cm < -3 > and grew on the SiC substrate. 本発明のIII−V族窒化物半導体成長用基板の実施例1として、1.2×1019cm-3のSiをドーピングして、SiC基板上に成長したAlNバッファー層の表面状態を示す図である。The figure which shows the surface state of the AlN buffer layer which doped Si of 1.2 * 10 < 19 > cm < -3 > and grew on the SiC substrate as Example 1 of the board | substrate for III-V group nitride semiconductor growth of this invention. It is. 本発明のIII−V族窒化物半導体成長用基板の実施例2として、5.5×1019cm-3のSiをドーピングして、SiC基板上に成長したAlNバッファー層の表面状態を示す図である。The figure which shows the surface state of the AlN buffer layer which doped Si of 5.5 * 10 < 19 > cm < -3 > as Example 2 of the board | substrate for III-V group nitride semiconductor growth of this invention, and grew on the SiC substrate. It is. AlNバッファー層の転位密度とドーピングしたSi濃度の相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation of the dislocation density of an AlN buffer layer, and doping Si density | concentration. SIMS分析を行ったサンプルの構造図である。It is a structure figure of the sample which performed SIMS analysis. SiドーピングしたAlNバッファー層のSIMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the SIMS measurement result of the SiN doped AlN buffer layer. 比較例として図4で示したAlNバッファー層上に成長したi型GaN層の表面状態を示す図である。It is a figure which shows the surface state of the i-type GaN layer grown on the AlN buffer layer shown in FIG. 4 as a comparative example. 本発明の実施例2として図6で示したAlNバッファー層上に成長したi型GaN層の表面状態を示す図である。It is a figure which shows the surface state of the i-type GaN layer grown on the AlN buffer layer shown in FIG. 6 as Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 SiC基板
2 AlNバッファー層
3 i型GaN層
1 SiC substrate 2 AlN buffer layer 3 i-type GaN layer

Claims (6)

SiC基板上にAlNバッファー層を形成し、該AlNバッファー層上にIII−V族窒化物半導体結晶を形成したIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記AlNバッファー層中に、IV族元素を1×1019cm-3以上の濃度で、層内に均一にドーピングしたことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
In a group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer in which an AlN buffer layer is formed on a SiC substrate, and a group III-V nitride semiconductor crystal is formed on the AlN buffer layer,
A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein a group IV element is uniformly doped in the AlN buffer layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more.
請求項1記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
添加するIV族元素をシリコンまたはゲルマニウムとしたことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
In the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 1,
A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the group IV element to be added is silicon or germanium.
請求項2記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記AlNバッファー層の厚さを20nm以上としたことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
In the group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 2,
A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the AlN buffer layer has a thickness of 20 nm or more.
請求項3記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記AlNバッファー層をMOVPE法にて成長したことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
In the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 3,
A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the AlN buffer layer is grown by MOVPE.
請求項4記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記AlNバッファー層の成長時の温度を1000℃以上としたことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
The group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 4,
A group III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the temperature during growth of the AlN buffer layer is set to 1000 ° C. or higher.
請求項5記載のIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記AlNバッファー層の成長時の成長圧力を200Torr以下としたことを特徴とするIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
In the III-V nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 5,
A III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein a growth pressure during the growth of the AlN buffer layer is 200 Torr or less.
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