JP2006222361A - Nitride semiconductor crystal and its production process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration in crystal quality (surface planarity, orientation, dislocation density) of a thin film due to difference in lattice constant as much as possible in an AlN thin film as a buffer layer when III-V nitride semiconductor crystal is grown on an Si substrate. <P>SOLUTION: In the process for producing nitride semiconductor crystal where an AlN layer 2 is formed as a buffer layer on an Si substrate 1 and a thin film of III-V nitride semiconductor crystal is formed thereon, a mixed crystal layer of AlN and Si is formed by growing the AlN layer 2 while supplying Si material together with AlN material in the initial stage of growth thereby adding Si element to have a concentration of 1×10<SP>20</SP>cm<SP>-3</SP>or above. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物半導体結晶及びその製造方法に係り、特に、Si基板上に良質なIII−V族窒化物半導体薄膜結晶を成長し、従来品よりも特性に優れた窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウェハの供給を実現する技術に関するものである。   The present invention relates to a nitride semiconductor crystal and a method of manufacturing the same, and more particularly, a high-quality III-V nitride semiconductor thin film crystal is grown on a Si substrate, and has excellent characteristics compared to conventional products. The present invention relates to a technique for realizing wafer supply.

GaN、AlN、InN、及びこれらの混晶を最適な構造で積層成長させたIII−V族窒化物半導体エピタキシャルウェハは、既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、近年の高出力トランジスタの需要に伴い、窒化物半導体結晶の用途は光デバイスに留まらず、GaN−HEMT用エピタキシャルウェハとして開発もなされるようになってきた。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。   III-V nitride semiconductor epitaxial wafers in which GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof are laminated and grown in an optimum structure have already been put on the market as epitaxial wafers for blue light emitting diodes (LEDs). Blue laser diode (LD) epitaxial wafers and ultraviolet LED epitaxial wafers are also being developed. Further, with the recent demand for high-power transistors, the use of nitride semiconductor crystals is not limited to optical devices, but has been developed as epitaxial wafers for GaN-HEMT. As substrates used for these epitaxial wafers for optical / electronic devices, there are only sapphire substrates and SiC substrates on the market that are in practical use.

しかし、近年、Si基板上へのIII−V族窒化物半導体薄膜の結晶成長の研究が盛んになりつつある。それは、Si基板が、サファイア基板やSiC基板と比べて低価格なため、エピタキシャルウェハのさらなる低コスト化が可能であるためである。さらには大口径化が容易、且つ既存のSiデバイス用プロセスラインの適用が可能なため、デバイスの低コスト化も望める。   However, in recent years, research on crystal growth of III-V nitride semiconductor thin films on Si substrates has become active. This is because the Si substrate is less expensive than the sapphire substrate or the SiC substrate, so that the cost of the epitaxial wafer can be further reduced. Furthermore, since the diameter can be easily increased and the existing process line for Si devices can be applied, it is possible to reduce the cost of the device.

しかしSi基板上に良質なIII−V族窒化物半導体薄膜を成長することは困難である。その主な原因として、
(i) 熱膨張係数差によるウェハの反りおよびクラックの発生、
(ii) 基板との格子定数差による薄膜結晶の表面状態と配向性の劣化、および転位の増大、
の二つが挙げられる。
However, it is difficult to grow a high-quality group III-V nitride semiconductor thin film on a Si substrate. The main cause is
(i) Wafer warpage and cracks due to differences in thermal expansion coefficient,
(ii) Deterioration of the surface state and orientation of the thin film crystal due to the difference in lattice constant from the substrate, and increase of dislocations,
There are two.

ウェハの反りやクラック発生を抑止するためには、窒化物半導体結晶をできるだけ薄くしなくてはならない。しかし、薄い薄膜結晶だと、基板との格子定数差が顕著に反映されるため、良質な結晶を実現することは難しい。   In order to suppress the warpage and cracking of the wafer, the nitride semiconductor crystal must be made as thin as possible. However, in the case of a thin thin film crystal, a difference in lattice constant from the substrate is remarkably reflected, so that it is difficult to realize a high quality crystal.

この問題を解決するために、昔より様々な歪み緩和バッファー層構造が提案されており、金属TiやZnOなどのヘテロバッファーの報告もなされている。   In order to solve this problem, various strain relaxation buffer layer structures have been proposed for a long time, and hetero buffers such as metal Ti and ZnO have been reported.

例えば、AlN(窒化アルミニウム)薄膜はSiC基板との格子不整合率が1%であると共に、Ga薄膜との格子不整合が2.5%であることから、このAlN薄膜やGaN層をSiC基板とGaN系薄膜とのバッファー層として用いるべく研究がなされている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−176804号公報
For example, since an AlN (aluminum nitride) thin film has a lattice mismatch rate of 1% with a SiC substrate and a lattice mismatch with a Ga thin film of 2.5%, this AlN thin film or GaN layer is used as a SiC substrate. Research has been conducted to use the GaN-based thin film as a buffer layer (see, for example, Patent Document 1).
JP 2001-176804 A

ところで、基板にSi基板を用いるのは、既存製品よりもさらなる低コスト化を実現するためであり、バッファー層形成→窒化物薄膜成長と一つの装置内で一括して行いたい。そのためには、AlNバッファー層を用いて、その上に成長する窒化物半導体薄膜結晶をできるだけ平坦、且つ配向性が揃い、さらには低転位にすることが望ましい。そのためにはAlNバッファー層自体が良質な表面平坦性、配向性、転位密度を実現しなくてはならない。   By the way, the reason why the Si substrate is used as the substrate is to realize further cost reduction as compared with the existing products, and it is desired to collectively perform buffer layer formation → nitride thin film growth in one apparatus. For this purpose, it is desirable to use an AlN buffer layer and make the nitride semiconductor thin film crystal grown thereon as flat and oriented as possible, and to have low dislocations. For this purpose, the AlN buffer layer itself must realize good surface flatness, orientation, and dislocation density.

しかしながら、AlNとSiの格子定数差は以下の表1のように大きい。そのため、成長初期におけるSi基板上のAlNは粒状の塊が集まったように成長される。このままAlN成長を続けて、ある程度の厚さにしても表面平坦性、配向性、低転位化は望めない。   However, the difference in lattice constant between AlN and Si is large as shown in Table 1 below. Therefore, AlN on the Si substrate in the initial stage of growth grows as a collection of granular lumps. Even if AlN growth is continued as it is, even if the thickness is increased to a certain extent, surface flatness, orientation, and low dislocation cannot be expected.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、Si基板上にIII−V族窒化物半導体結晶を成長する際、そのバッファー層たるAlN薄膜において、格子定数差による薄膜の結晶品質(表面平坦性、配向性、転位密度)の劣化を極力抑止することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and when growing a group III-V nitride semiconductor crystal on a Si substrate, in the AlN thin film as the buffer layer, the crystal quality of the thin film due to the difference in lattice constant (surface flatness) Property, orientation, dislocation density).

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の発明に係る窒化物半導体結晶は、Si基板上にバッファー層としてAlN層を形成し、その上にIII−V族窒化物半導体結晶を薄膜として積層した窒化物半導体結晶において、上記AlN層の基板近傍の一部に、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加してAlNとSiの混晶層を形成したことを特徴とする。 The nitride semiconductor crystal according to the invention of claim 1 is a nitride semiconductor crystal in which an AlN layer is formed as a buffer layer on a Si substrate, and a group III-V nitride semiconductor crystal is stacked thereon as a thin film. A feature is that a mixed crystal layer of AlN and Si is formed by adding Si element so as to have a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more in a part of the vicinity of the substrate of the layer.

請求項2の発明は、請求項1記載の窒化物半導体結晶において、上記AlN層のSi添加部の厚さを、AlN層の半分以下の厚さ(例えば100nm以下)にしたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the nitride semiconductor crystal according to the first aspect, the thickness of the Si-added portion of the AlN layer is less than half that of the AlN layer (for example, 100 nm or less). .

請求項3の発明は、請求項1又は2記載の窒化物半導体結晶において、上記AlN層のSi添加部におけるSi元素の添加濃度を、基板から表面に向かうほど連続的に少なくしたことを特徴とする。   The invention of claim 3 is characterized in that, in the nitride semiconductor crystal of claim 1 or 2, the additive concentration of Si element in the Si addition part of the AlN layer is continuously reduced from the substrate toward the surface. To do.

請求項4の発明に係る窒化物半導体結晶の製造方法は、Si基板上にバッファー層としてAlN層を形成し、その上にIII−V族窒化物半導体結晶を薄膜として積層する窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層の成長初期に、AlNの原料と共にSi原料を流しながら成長することにより、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加してAlNとSiの混晶層を形成することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a nitride semiconductor crystal manufacturing method comprising: forming an AlN layer as a buffer layer on a Si substrate; and laminating a group III-V nitride semiconductor crystal as a thin film thereon. In the manufacturing method, at the initial stage of growth of the AlN layer, the Si element is added to a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more by growing while flowing the Si raw material together with the AlN raw material. A mixed crystal layer is formed.

請求項5の発明は、請求項4の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層のSi添加部の厚さを、AlN層の半分以下の厚さ(例えば100nm以下)にすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for producing a nitride semiconductor crystal according to the fourth aspect, the thickness of the Si-added portion of the AlN layer is less than half the thickness of the AlN layer (for example, 100 nm or less). A method for producing a nitride semiconductor crystal.

請求項6の発明は、請求項5の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層のSi添加部におけるSi元素の添加濃度を、基板から表面に向かうほど連続的に少なくすることを特徴とする。   The invention of claim 6 is characterized in that, in the method of manufacturing a nitride semiconductor crystal according to claim 5, the additive concentration of Si element in the Si addition part of the AlN layer is continuously reduced from the substrate toward the surface. To do.

請求項7の発明は、請求項5又は6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層をMOVPE法にて成長し、添加するSi原料としてモノシラン、ジシラン、ジクロシラン、トリメチルシリコン、トリエチルシリコンのいずれかを用いることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 5 or 6, wherein the AlN layer as the buffer layer is grown by the MOVPE method and monosilane, disilane, dichlorosilane, Either trimethyl silicon or triethyl silicon is used.

請求項8の発明は、請求項4〜7のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層の成長時の温度を1000℃以上にすることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the method for producing a nitride semiconductor crystal according to any one of claims 4 to 7, wherein a temperature during growth of the AlN layer as the buffer layer is set to 1000 ° C. or more. .

請求項9の発明は、請求項8に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層の成長時の成長圧力を200Torr(ほぼ267hPa)以下にすることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the method for producing a nitride semiconductor crystal according to the eighth aspect, a growth pressure during the growth of the AlN layer as the buffer layer is set to 200 Torr (approximately 267 hPa) or less.

<発明の要点>
本発明においては、初期のAlN層をSi原料を流しながら成長することにより、AlNとSiの混晶層を形成する。さらにこの混晶層の組成を連続的に変化させることにより、Si基板からAlN層へむかうにつれ格子定数が連続的に変化するようにする。
<Key points of the invention>
In the present invention, an AlN and Si mixed crystal layer is formed by growing an initial AlN layer while flowing Si raw material. Further, by continuously changing the composition of the mixed crystal layer, the lattice constant is continuously changed from the Si substrate to the AlN layer.

AlN成長初期においては、気相から供給されたAlが基板表面をある程度の時間拡散し、やがて気相中の窒素ラジカルと反応し、任意の場所にAlN結晶核として定着する。このように基板面内にランダムにAlNの核が形成された後、成長と共にその核が拡大して島となっていく。通常はこの島が二次元状に拡大して、島同士が融合して、最終的には一つの膜となる。しかし、格子定数差が大きいと、島は二次元状に拡大できずに三次元状に拡大するようになる。そうなると粒状の塊が集まったような薄膜となってしまう。   In the early stage of AlN growth, Al supplied from the gas phase diffuses on the surface of the substrate for a certain period of time, eventually reacts with nitrogen radicals in the gas phase, and is fixed as an AlN crystal nucleus in an arbitrary place. After AlN nuclei are randomly formed in the substrate surface in this way, the nuclei expand and become islands with growth. Normally, this island expands two-dimensionally, and the islands merge to form a single film. However, if the lattice constant difference is large, the island cannot be expanded two-dimensionally but expanded in three dimensions. If it becomes so, it will become a thin film that a granular lump gathered.

また、Siはアンチサーファクタントの役割も果たす。AlN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族元素のSi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族元素のSi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。これにより島の二次元状の拡大が促進されることになり、結果的には結晶の品質低下の抑止になる。   Si also serves as an anti-surfactant. Atoms on the surface of AlN are bonded to atoms in the lower layer, but since there is no upper layer, the bonding is more difficult and the surface free energy is higher. If Si of group IV element is supplied there, it will combine with surplus hands and the surface free energy will be lowered. The AlN reactive species on the surface causes surface diffusion so as to avoid the group IV element Si, and consequently promotes the lateral growth of AlN. As a result, the two-dimensional expansion of the island is promoted, and as a result, the deterioration of the crystal quality is suppressed.

なお、特許文献1には、6H−SiC(0001)基板上に、バッファー層としてAlN薄膜を形成し(特許文献1の図3(a))、その上にGaNバッファー層を形成し、その表面にn型不純物原料としてテトラエチルシラン(TESi)を供給し(特許文献1の図3(b))、それからトリメチルガリウム(TMG)およびアンモニア(NH3)を供給して、半導体層としてGaN層を形成する技術が開示されている(特許文献1、段落番号0049〜0051)。また特許文献1には、TESiの供給とGaN層を形成するためのTMG、NH3の供給を異なるタイミングで行う方法と、同じタイミングで行う方法も開示されている(特許文献1、段落番号0106)。 In Patent Document 1, an AlN thin film is formed as a buffer layer on a 6H—SiC (0001) substrate (FIG. 3A of Patent Document 1), and a GaN buffer layer is formed on the AlN thin film. Is supplied with tetraethylsilane (TESi) as an n-type impurity source (FIG. 3B of Patent Document 1), and then trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) are supplied to form a GaN layer as a semiconductor layer (Patent Document 1, paragraph numbers 0049 to 0051). Patent Document 1 also discloses a method of supplying TESi and TMG and NH 3 for forming a GaN layer at different timings and a method of performing them at the same timing (Patent Document 1, paragraph number 0106). ).

しかし、特許文献1はSiC基板を対象としている。また特許文献1はGaNバッファー層について記述したものであり、AlNバッファー層について記載したものではない。すなわち、AlNとSiの混晶層についての説明はなく、そのSi添加部におけるSiの濃度の数値や厚さや、Siの添加濃度を連続的に減少させる点についても言及がない。特許文献1はAlNバッファー層ではなく、その上のSiドープGaNバッファー層の例について記載したものである。従って、本発明のようにSi基板上のAlNバッファー層自体を工夫する技術、特にSi基板上のAlNバッファー層において界面にSiとAlNの混晶層を入れる技術とは異なる。   However, Patent Document 1 is directed to a SiC substrate. Patent Document 1 describes a GaN buffer layer, and does not describe an AlN buffer layer. That is, there is no description of the mixed crystal layer of AlN and Si, and there is no mention of the numerical value or thickness of the Si concentration in the Si addition portion, or the point of continuously decreasing the Si addition concentration. Patent Document 1 describes not an AlN buffer layer but an example of a Si-doped GaN buffer layer thereon. Therefore, the present invention is different from the technique of devising the AlN buffer layer itself on the Si substrate as in the present invention, particularly the technique of inserting a mixed crystal layer of Si and AlN at the interface in the AlN buffer layer on the Si substrate.

本発明によれば、Si基板上にバッファー層としてAlN層を形成し、その上にIII−V族窒化物半導体結晶を薄膜として積層するに際し、AlN層の成長初期に、AlNの原料と共にSi原料を流しながら成長することにより、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加して、AlN層の基板近傍の一部に、AlNとSiの混晶層を形成する。このため、SiがAlNの核が拡大する際にアンチサーファクタントとしの役割を果たし、AlNの横方向成長が促進され良質の結晶が得られる。したがって、本発明によれば、このAlNバッファー層上に形成されるGaN等のIII−V族窒化物半導体薄膜結晶も良質なものとなる。 According to the present invention, when an AlN layer is formed as a buffer layer on a Si substrate and a group III-V nitride semiconductor crystal is laminated thereon as a thin film, an SiN raw material together with an AlN raw material is formed at the initial stage of the growth of the AlN layer. The SiN element is added to a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more by growing the substrate while flowing, thereby forming a mixed crystal layer of AlN and Si in a part of the AlN layer near the substrate. For this reason, Si plays a role as an anti-surfactant when the nuclei of AlN expand, and the lateral growth of AlN is promoted to obtain a high-quality crystal. Therefore, according to the present invention, the III-V nitride semiconductor thin film crystal such as GaN formed on the AlN buffer layer is also of a high quality.

よって、本発明によるSi基板上のIII−V族窒化物半導体薄膜結晶によれば、従来よりも、より低価格な青色LED、白色LED、紫外LED、またはHEMTデバイスを実現することができる。   Therefore, according to the group III-V nitride semiconductor thin film crystal on the Si substrate according to the present invention, a blue LED, a white LED, an ultraviolet LED, or a HEMT device can be realized at a lower price than before.

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

図1に示すように、単結晶のSi基板1上に、バッファー層として高純度のAlN層2を形成し、その上にGaN層(図示せず)をMOVPE法にて成長する。このSi基板1上にAlN層2を形成するときのシーケンスを図2に示す。   As shown in FIG. 1, a high-purity AlN layer 2 is formed as a buffer layer on a single crystal Si substrate 1, and a GaN layer (not shown) is grown thereon by the MOVPE method. A sequence for forming the AlN layer 2 on the Si substrate 1 is shown in FIG.

図2に示すように、基板を加熱して室温からSiホモエピタキシーが可能な第1設定温度(ホモエピタキシー開始温度)T1に達する直前までの昇温過程では、水素雰囲気のみとする。このホモエピタキシー開始温度T1の設定値は、Siホモエピタキシーが確実に可能な800℃以上の温度とするのが好ましい。図2の場合、800℃(図2のa点)に設定し、この800℃(図2のa点)に昇温する直前までの間においては、水素雰囲気のみとする。   As shown in FIG. 2, only the hydrogen atmosphere is used in the temperature rising process until the substrate is heated to just reach the first set temperature (homoepitaxial start temperature) T <b> 1 at which Si homoepitaxy is possible from room temperature. The set value of the homoepitaxy start temperature T1 is preferably set to a temperature of 800 ° C. or higher at which Si homoepitaxy can be reliably performed. In the case of FIG. 2, the temperature is set to 800 ° C. (point “a” in FIG. 2), and only the hydrogen atmosphere is used until immediately before the temperature is raised to 800 ° C. (point “a” in FIG. 2).

そして、このホモエピタキシー開始温度T1の800℃から第2設定温度(成長温度)T2である1100℃以上に達するまでの昇温過程においては、Si元素を含む原料ガスを供給しながらSi基板の加熱を行う。図2では、成長温度T2を1100℃として設定し、この成長温度1100℃に達するまでの昇温過程(図2のa点〜b点の区間)において、モノシラン(SiH4)を流して、水素とモノシランの混合雰囲気下で昇温する。これによりSi基板の表面にSiが成長する。このようにホモエピタキシーを行いながら昇温することにより、Si基板表面が常に未反応な状態で露出することになる。 In the temperature rising process from the homoepitaxy start temperature T1 of 800 ° C. to the second set temperature (growth temperature) T2 of 1100 ° C. or higher, the Si substrate is heated while supplying the source gas containing the Si element. I do. In FIG. 2, the growth temperature T2 is set to 1100 ° C., and monosilane (SiH 4 ) is flown in the temperature rising process (a section between points a and b in FIG. 2) until the growth temperature reaches 1100 ° C. The temperature is raised in a mixed atmosphere of silane and monosilane. Thereby, Si grows on the surface of the Si substrate. By raising the temperature while performing homoepitaxy in this way, the surface of the Si substrate is always exposed in an unreacted state.

次に、成長温度T2の1100℃に達し温度が安定化した適当な時点(図2のb点)にて、水素雰囲気中にAlNの原料として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層2の成長を開始する。このAlN層2の成長初期に、上記AlNの原料と共にSi原料としてのモノシラン(SiH4)を引き続き流しながら成長することにより、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加してAlNとSiの混晶層を形成する。 Next, when the growth temperature T2 reaches 1100 ° C. and the temperature is stabilized (point b in FIG. 2), trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) are simultaneously used as raw materials for AlN in a hydrogen atmosphere. Then, the growth of the AlN layer 2 is started. In the early stage of the growth of the AlN layer 2, the Si element is added to a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more by growing while continuously flowing the monosilane (SiH 4 ) as the Si raw material together with the AlN raw material. Thus, a mixed crystal layer of AlN and Si is formed.

このAlN層のSi添加部の厚さは、AlN層2の厚さ(例えば200nm)の半分以下(例えば100nm以下)の厚さの層とする。また、このAlN層のSi添加部においては、Si元素の添加濃度を、基板から表面に向かうほど連続的に少なくする。この例では、AlN層2の成長を開始と同時に、モノシラン(SiH4)の供給量を低減し、Si添加部が、上記のAlN層2の厚さの1/4である50nmの厚さで終了し、モノシラン(SiH4)の流量がゼロとなるようにしている。これによりAlN層2の基板近傍の一部、つまりSi基板とその上のAlNバッファー層の界面に、SiとAlNの混晶層が形成される。 The thickness of the Si-added portion of the AlN layer is a layer having a thickness that is half or less (eg, 100 nm or less) of the thickness (eg, 200 nm) of the AlN layer 2. In addition, in the Si-added portion of the AlN layer, the additive concentration of Si element is continuously reduced from the substrate toward the surface. In this example, at the same time as the growth of the AlN layer 2 is started, the supply amount of monosilane (SiH 4 ) is reduced, and the Si-added portion has a thickness of 50 nm, which is ¼ of the thickness of the AlN layer 2. And the flow rate of monosilane (SiH 4 ) is made zero. As a result, a mixed crystal layer of Si and AlN is formed in a part of the AlN layer 2 near the substrate, that is, at the interface between the Si substrate and the AlN buffer layer thereon.

その後、AlN層2が所定の厚さ例えば200nmまで成長した時点(図2のc点)で、TMAの供給を停止して、AlN層2の成長を停止すると共に、炉の降温を開始する。そして、NH3の雰囲気下で降温し、所定の温度T3、例えば600℃まで基板の温度が降温した時点(図2のd点)で、NH3の供給を停止する。 Thereafter, when the AlN layer 2 is grown to a predetermined thickness, for example, 200 nm (point c in FIG. 2), the supply of TMA is stopped, the growth of the AlN layer 2 is stopped, and the temperature of the furnace is started. Then, the temperature is lowered in an NH 3 atmosphere, and the supply of NH 3 is stopped when the temperature of the substrate is lowered to a predetermined temperature T3, for example, 600 ° C. (point d in FIG. 2).

上記のように、AlN層の成長初期にSi元素を添加すると、AlNの核が拡大する際にSiがアンチサーファクタントとしの役割を果たすことから、AlNの横方向成長が促進され、良質のAlN膜が得られる。従って、このAlNバッファー層上に形成されるGaN等のIII−V族窒化物半導体薄膜結晶も良質なものとなる。   As described above, when Si element is added in the early stage of growth of the AlN layer, Si plays a role as an anti-surfactant when the nuclei of AlN expand, so that the lateral growth of AlN is promoted, and a good quality AlN film. Is obtained. Therefore, a III-V nitride semiconductor thin film crystal such as GaN formed on the AlN buffer layer is also good quality.

本発明の効果を確認するため、試作例(サンプル)として、図1に示すように、単結晶のSi基板1上に、高純度のAlN層2を形成し、そのAlN層2の特性の変化、およびその上に成長したGaN層の特性の比較を行った。   In order to confirm the effect of the present invention, as a prototype example (sample), as shown in FIG. 1, a high-purity AlN layer 2 is formed on a single-crystal Si substrate 1, and the characteristics of the AlN layer 2 change. , And the characteristics of the GaN layer grown thereon.

Si基板は<111>方向にon−Axisの仕様を用いた。また薄膜成長前に表面のRCA洗浄を行い、有機、無機の不純物、および酸化膜の除去を行った。   The Si substrate used on-axis specifications in the <111> direction. Also, RCA cleaning of the surface was performed before thin film growth to remove organic and inorganic impurities and oxide films.

本発明を適用して図1のサンプルを成長したときのシーケンス(実施例)を図2に 、また従来法にて図1のサンプルを成長したときのシーケンス(比較例)を図3に示す。前者は、AlN層の成長初期にAlNの原料と共にSi原料を流しながら成長した薄膜(本発明適用品)の成長シーケンスであり、後者はAlNの原料と共にSi原料を流さないで成長した薄膜(従来成長品)の成長シーケンスである。   FIG. 2 shows a sequence (Example) when the sample of FIG. 1 is grown by applying the present invention, and FIG. 3 shows a sequence (Comparative Example) when the sample of FIG. 1 is grown by the conventional method. The former is a growth sequence of a thin film (product applied to the present invention) grown while flowing an Si raw material together with an AlN raw material in the early stage of growth of the AlN layer, and the latter is a thin film grown without flowing an Si raw material together with the AlN raw material (conventional). (Growth product) growth sequence.

測定したサンプルは図1に示すように、Si基板上にAlN層を200nm成長した単純な構造である。従来成長品と本発明適用品共に、水素雰囲気中に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層を成長した。このときの成長温度は1100℃、炉内圧力は135Torr、TMAとNH3の流量はそれぞれ2.00×10-5mol/min、4.46×10-3mol/minとした。 As shown in FIG. 1, the measured sample has a simple structure in which an AlN layer is grown to 200 nm on a Si substrate. For both the conventionally grown product and the product to which the present invention was applied, an AlN layer was grown by simultaneously flowing trimethylaluminum (TMA) and ammonia NH 3 in a hydrogen atmosphere. At this time, the growth temperature was 1100 ° C., the furnace pressure was 135 Torr, and the flow rates of TMA and NH 3 were 2.00 × 10 −5 mol / min and 4.46 × 10 −3 mol / min, respectively.

上記のように、AlN層の成長初期にモノシランを流したサンプルを本発明品、流さないサンプルを従来品としたとき、本発明品で流すモノシラン流量は、AlN成長開始時は5.00×10-5mol/minとし、その後は連続的に減少させて、50nm成長させた時点で零となるようにした。 As described above, when the sample in which the monosilane was flown at the initial stage of the growth of the AlN layer is the product of the present invention and the sample not to be flowed is the conventional product, the flow rate of monosilane flowed by the product of the present invention is 5.00 × 10 -5 mol / min, and then continuously reduced to zero when 50 nm is grown.

従来成長と本発明適用AlNのAFM表面観察の比較を図4に、またX線の(002)面回折のロッキングカーブの比較を図5に示す。   FIG. 4 shows a comparison between conventional growth and AFM surface observation of AlN applied to the present invention, and FIG. 5 shows a comparison of rocking curves of (002) plane diffraction of X-rays.

AFMの結果より、従来成長品の表面は球状の粒子が寄り集まっている形状であるのに対し、本発明適用品はナノスケールの穴が開いているものの、一つの膜となっていることがわかる。また図5から分かるように、本発明適用品は回折ピークの半値幅も小さい。これより薄膜の配向性は、本発明を適用したことにより圧倒的に向上したことが確認された。   According to the results of AFM, the surface of the conventionally grown product has a shape in which spherical particles are gathered, whereas the product to which the present invention is applied has a nanoscale hole, but it is a single film. Recognize. Further, as can be seen from FIG. 5, the product to which the present invention is applied has a small half-width of the diffraction peak. From this, it was confirmed that the orientation of the thin film was overwhelmingly improved by applying the present invention.

本発明において、AlNとSiの混晶層の組成、厚さ、厚さ方向の組成変調は、目的とする薄膜結晶の積層構造、または最終的なデバイスの仕様により異なるため、用途に応じて最適化しなくてはならない。またこれを成長するためのSi原料濃度、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。   In the present invention, the composition, thickness, and compositional modulation in the thickness direction of the mixed crystal layer of AlN and Si vary depending on the target thin film crystal stack structure or the final device specifications, so it is optimal for the application. It must be converted. Further, since the Si raw material concentration, growth temperature, pressure, V / III ratio, atmosphere, film forming speed, and growth pressure for growing this vary depending on the apparatus used, trial and error must be carried out.

上記実施例では、Si原料としてモノシランを用いたが、この代わりに、分解温度の低いジシラン、また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ることができ、同様な効果を得ることができる。   In the above embodiment, monosilane is used as the Si raw material, but instead, disilane having a low decomposition temperature, tetramethyl silicon or tetraethyl silicon as organic raw materials can be used, and similar effects can be obtained.

本発明のIII−V族窒化物系化合物半導体結晶の下地となるSi基板上のAlN層の変化を調べたときのサンプル構造を示す図である。It is a figure which shows a sample structure when the change of the AlN layer on the Si substrate used as the foundation | substrate of the III-V group nitride type compound semiconductor crystal of this invention is investigated. 本発明を適用して図1の試作例(サンプル)を成長したときのシーケンスを示す図である。It is a figure which shows a sequence when the prototype example (sample) of FIG. 1 is grown by applying this invention. 従来法にて図1の試作例(サンプル)を成長したときのシーケンスを示す図である。It is a figure which shows a sequence when the trial manufacture example (sample) of FIG. 1 is grown by the conventional method. 試作例のAlN層表面のAFM観察結果を示したもので、(a)は従来成長品、(b)は本発明適用品の図面代用写真である。The AFM observation result on the surface of the AlN layer of the prototype is shown, (a) is a conventionally grown product, and (b) is a drawing substitute photograph of the product to which the present invention is applied. 本発明適用品のAlN層(002)面のX線回折ピークを、従来成長品と対比して示した図である。It is the figure which showed the X-ray-diffraction peak of the AlN layer (002) surface of this invention application product compared with the conventionally grown product.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板
2 AlN層
1 Si substrate 2 AlN layer

Claims (9)

Si基板上にバッファー層としてAlN層を形成し、その上にIII−V族窒化物半導体結晶を薄膜として積層した窒化物半導体結晶において、上記AlN層の基板近傍の一部に、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加してAlNとSiの混晶層を形成したことを特徴とする窒化物半導体結晶。 In a nitride semiconductor crystal in which an AlN layer is formed as a buffer layer on a Si substrate and a group III-V nitride semiconductor crystal is laminated thereon as a thin film, 1 element of Si is added to a part of the AlN layer near the substrate. A nitride semiconductor crystal comprising a mixed crystal layer of AlN and Si added so as to have a concentration of × 10 20 cm −3 or more. 請求項1記載の窒化物半導体結晶において、上記AlN層のSi添加部の厚さを、AlN層の半分以下の厚さにしたことを特徴とする窒化物半導体結晶。   2. The nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the thickness of the Si-added portion of the AlN layer is not more than half that of the AlN layer. 3. 請求項1又は2記載の窒化物半導体結晶において、上記AlN層のSi添加部におけるSi元素の添加濃度を、基板から表面に向かうほど連続的に少なくしたことを特徴とする窒化物半導体結晶。   3. The nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the Si element addition concentration in the Si addition portion of the AlN layer is continuously reduced from the substrate toward the surface. 4. Si基板上にバッファー層としてAlN層を形成し、その上にIII−V族窒化物半導体結晶を薄膜として積層する窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層の成長初期に、AlNの原料と共にSi原料を流しながら成長することにより、Si元素を1×1020cm-3以上の濃度になるように添加してAlNとSiの混晶層を形成することを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。 In a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal in which an AlN layer is formed as a buffer layer on a Si substrate and a group III-V nitride semiconductor crystal is stacked as a thin film on the SiN substrate, in the initial growth stage of the AlN layer, together with the AlN raw material A nitride semiconductor crystal characterized in that by growing while flowing Si raw material, Si element is added to a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more to form a mixed crystal layer of AlN and Si. Production method. 請求項4の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層のSi添加部の厚さを、AlN層の半分以下の厚さにすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   5. The method of manufacturing a nitride semiconductor crystal according to claim 4, wherein the thickness of the Si-added portion of the AlN layer is less than half that of the AlN layer. 請求項5の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記AlN層のSi添加部におけるSi元素の添加濃度を、基板から表面に向かうほど連続的に少なくすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   6. The method of manufacturing a nitride semiconductor crystal according to claim 5, wherein the Si element addition concentration in the Si addition portion of the AlN layer is continuously reduced from the substrate toward the surface. Method. 請求項5又は6に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層をMOVPE法にて成長し、添加するSi原料としてモノシラン、ジシラン、ジクロシラン、トリメチルシリコン、トリエチルシリコンのいずれかを用いることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   7. The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 5, wherein the AlN layer as the buffer layer is grown by MOVPE, and any of monosilane, disilane, dichlorosilane, trimethylsilicon, and triethylsilicon is added as a Si raw material to be added. A method for producing a nitride semiconductor crystal characterized by using the above. 請求項4〜7のいずれかに記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層の成長時の温度を1000℃以上にすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   8. The method for producing a nitride semiconductor crystal according to claim 4, wherein a temperature during growth of the AlN layer as the buffer layer is set to 1000 ° C. or higher. . 請求項8に記載の窒化物半導体結晶の製造方法において、上記バッファー層としてのAlN層の成長時の成長圧力を267hPa以下にすることを特徴とする窒化物半導体結晶の製造方法。   9. The method for manufacturing a nitride semiconductor crystal according to claim 8, wherein a growth pressure during the growth of the AlN layer as the buffer layer is 267 hPa or less.
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