JP2006232640A - R surface sapphire substrate, epitaxial substrate using the same, semiconductor device, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サファイア基板、窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板、及び、それを用いた半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a sapphire substrate, an epitaxial substrate made of a nitride semiconductor, and a semiconductor device using the same.
窒化アルミニウム(以下、AlNという。)、窒化ガリウム(以下、GaNという。)、窒化インジウム(以下、InNという。)、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム(以下、AlxGa1−x−yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)という。)などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。 Aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN), gallium nitride (hereinafter referred to as GaN), indium nitride (hereinafter referred to as InN), or aluminum gallium indium nitride (hereinafter referred to as AlxGa1-xyInyN) which is a mixed crystal thereof. Nitride-based semiconductors such as (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) can be used for light emitting / receiving elements and electron transit elements. A wide range of research has been conducted on application to devices, and some light-emitting diodes and laser diodes have already been put into practical use.
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、(0001)サファイア(以下C面サファイアという)、(11−20)サファイア、もしくは、(0001)4H-SiC、(0001)6H−SiCなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。 Since a nitride-based semiconductor cannot grow a large bulk single crystal, in general, (0001) sapphire (hereinafter referred to as C-plane sapphire), (11-20) sapphire, or (0001) 4H—SiC, (0001 ) Heteroepitaxial growth is performed using a substrate such as 6H-SiC.
エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(MOVPE) 法、分子線エピタキシー(MBE)法、ハライド気相成長(HVPE)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはMOVPE法である。 Epitaxial growth methods include metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), and halide vapor phase epitaxy (HVPE). The most common method for practical use is MOVPE. .
上記のように、既に実用化されている半導体装置に用いられている窒化物系半導体は、結晶構造が、反転対象性を持たない六方晶系のウルツ鋼構造であることに起因し、大きな圧電性を有している。また、図10は、異なる材料からなる2層(第1層101、及び、第2層102)が積層された窒化物系半導体のヘテロ接合を示しているが、結晶成長方位は全てへテロ接合界面101aがC軸103として直交しており、これをC軸配向と呼ぶ。従って、格子定数の異なる2層を積層してなるヘテロ接合を作製した場合、結晶内に歪によって大きなピエゾ部電界を生じる。
As described above, nitride-based semiconductors used in semiconductor devices that have already been put into practical use have large piezoelectric properties due to the fact that the crystal structure is a hexagonal Wurtz steel structure that does not have reversibility. It has sex. FIG. 10 shows a heterojunction of a nitride semiconductor in which two layers (
例えば、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光装置の場合、C軸配向した結晶を用いると、多重量子井戸構造など、ヘテロ接合により構成する活性層には上記ピエゾ電界が生じ、バンド構造が変化することによりキャリアの再結合確率を低減していた。このため、輝度向上が妨げられ、成長条件を最適化しても限界があることから高輝度の発光装置の作製は困難であった。 For example, in the case of a light-emitting device such as a light-emitting diode or a laser diode, if a C-axis oriented crystal is used, the piezo electric field is generated in an active layer composed of a heterojunction such as a multiple quantum well structure, and the band structure changes. This reduces the recombination probability of carriers. For this reason, the improvement in luminance is hindered, and there is a limit even if the growth conditions are optimized, so that it is difficult to manufacture a high-luminance light-emitting device.
このように、窒化物系半導体におけるピエゾ電界の問題は、半導体装置の特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ電界による問題が存在しない結晶成長方法として、(11-20)配向(以下、A軸配向という。)、もしくは、(10−10)配向させればよいことが非特許文献1において既に報告されている。
As described above, the problem of the piezo electric field in the nitride-based semiconductor greatly affects the characteristics of the semiconductor device. However, as a crystal growth method that does not have the problem due to the piezo electric field, the (11-20) orientation (hereinafter referred to as the A-axis) It is already reported in
窒化物系半導体を(10−10)配向させる方法については、有効なものが無い一方で、窒化物系半導体を(11−20)配向させる方法としては、(1−102)サファイア基板(以下、R面サファイア基板という。)を用いる方法が非特許文献2に、及び、(11−20)4H−SiC基板上にAlNを成長する方法が非特許文献3に記載されている。これらの中で、後者の方法は、現状の(11−20)4H-SiC基板自体の作製技術において大型化が難しく、量産性が悪いため適さない。一方、R面サファイア基板は既に8インチ基板が現状でも製造可能であり、基板口径の問題はない。 While there is no effective method for orienting a nitride-based semiconductor in (10-10), as a method for orienting a nitride-based semiconductor in (11-20), a (1-102) sapphire substrate (hereinafter, Non-Patent Document 2 describes a method using an R-plane sapphire substrate, and Non-Patent Document 3 describes a method of growing AlN on a (11-20) 4H—SiC substrate. Among these, the latter method is not suitable because it is difficult to increase the size and the mass productivity is poor in the current technology for producing the (11-20) 4H—SiC substrate itself. On the other hand, the R-plane sapphire substrate can already be manufactured as an 8-inch substrate, and there is no problem with the substrate diameter.
また、シリコンを用いた半導体装置と同様の半導体装置製造プロセスが利用可能な点や、SOS(シリコン・オン・サファイア)装置と結びつけた応用が可能な点を考慮すると、工業的な魅力は大きい。従って、量産性、コストの面から考えてR面サファイア基板上に窒化物系半導体を成長させる方法が最も有利であると考えられている。 Further, considering the fact that a semiconductor device manufacturing process similar to a semiconductor device using silicon can be used, and that it can be applied in conjunction with an SOS (silicon on sapphire) device, the industrial attractiveness is great. Therefore, a method of growing a nitride-based semiconductor on an R-plane sapphire substrate is considered to be most advantageous from the viewpoint of mass productivity and cost.
また、発光装置の試作例もすでに報告例があり、非特許文献4には、R面サファイア基板上に、(11−20)面のGaN層を形成したGaN/GaInN多重量子井戸構造発光装置の試作例が既に報告されている。上記文献によると、図11に示すように、R面を主面とするサファイア基板111上に、MOVPE法により、n型GaN層(30μm)112、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層(100nm)113、GaN/In0.15Ga0.85N多重量子井戸構造活性層114、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層(50nm)115、p型GaN層(200nm)116を順次積層している。これに、反応性イオンエッチングによるメサ加工、及び、p側電極117とn側電極118の形成を行い、発光装置を形成している。
In addition, a prototype example of a light emitting device has already been reported, and Non-Patent
R面サファイア基板上に窒化物計半導体を成長させる場合、その大きな格子定数差や、サファイアが無極性であることに起因する多量の貫通転位、及び、積層欠陥が導入されてしまうという問題、及び、半導体装置の製造に必要な急峻な界面の形成を困難にする劣悪な結晶形態の問題が存在していることが、本発明者ら、及び、その他の研究により明らかになっている。 When a nitride meter semiconductor is grown on an R-plane sapphire substrate, the large lattice constant difference, a large number of threading dislocations due to the nonpolarity of sapphire, and stacking faults are introduced, and The present inventors and other studies have revealed that there is a problem of a poor crystal form that makes it difficult to form a steep interface necessary for manufacturing a semiconductor device.
貫通転位密度の低減のひとつの手法として、選択横方向成長が非特許文献5に示されている。図12に示すように、R面を主面とするサファイア基板111上に、MOVPE法によりGaN層121を成長した後、既存のフォトリソグラフィー技術、及び、ウエットエッチング技術により、SiO2からなるマスク122を形成し、その後、MOVPE法により、再成長GaN層123を再成長している。この方法によりマスク122が貫通転位が再成長層に伝搬するのを防止し、貫通転位密度を低減している。
Non-Patent
しかし、この論文は、GaN層の結晶方位に対してマスク122の配置方向を変化させて再成長GaN層123中の転位の挙動を観察しただけであり、マスク122の寸法については検討が成されていない。
However, this paper only observed the dislocation behavior in the
また、特許文献1には、サファイア基板に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、非特許文献6には、窒化物系半導体層に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、さらに、特許文献2には、窒化物系半導体層上にマスクを用いた選択横方向成長が、それぞれ、示されている。これらは、選択横方向成長による貫通転位密度の低減が示しているが、いずれもC軸配向した窒化物系半導体層を用いている。そして、その寸法を規定しているものもある。しかし、今回取り上げているA軸配向の窒化物系半導体は、C軸配向のものと成長のメカニズムが全く異なるため、それらの知見は全く当てはまらない。それはサファイアの原子配置の異方性に起因し、格子定数整合の問題が、サファイア基板面方位がC面かR面かにより、大きく異なるためである。
上記に鑑みて、本発明は、基板全面において低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、A軸配向した窒化物系半導体をR面サファイア基板上に成長するための選択横方向成長について提案を行い、発光ダイオード、レーザダイオード、トランジスタ等、高性能の半導体装置を作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とするものである。 In view of the above, the present invention provides selective lateral growth for growing an A-axis-oriented nitride-based semiconductor on an R-plane sapphire substrate with low threading dislocation density and excellent surface flatness over the entire surface of the substrate. This makes it possible to provide an epitaxial substrate capable of manufacturing a high-performance semiconductor device such as a light emitting diode, a laser diode, or a transistor.
上記に鑑みて本発明は、R面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と凸状のテラス部とを交互に有し、上記溝部の幅が0.5〜30μm、深さが0.3〜3μmであり、かつ、テラス部の幅が0.5〜5μmであることを特徴とするR面サファイア基板。 In view of the above, the present invention has concave groove portions and convex terrace portions alternately on the main surface of a sapphire substrate having an R surface, and the groove portions have a width of 0.5 to 30 μm and a depth of An R-plane sapphire substrate having a thickness of 0.3 to 3 μm and a terrace portion width of 0.5 to 5 μm.
さらに上記R面サファイア基板の主面上に、A面を主面とした窒化物系半導体層を有したことを特徴とする。 Furthermore, a nitride-based semiconductor layer having an A surface as a main surface is provided on the main surface of the R-plane sapphire substrate.
さらに上記溝部を上記窒化物系半導体層によって埋め込んだことを特徴とする請求項2に記載のエピタキシャル基板。 The epitaxial substrate according to claim 2, wherein the groove is filled with the nitride semiconductor layer.
さらに上記窒化物系半導体層上に半導体素子構造を有することを特徴とする。 Further, the semiconductor device has a semiconductor element structure on the nitride-based semiconductor layer.
さらに上記エピタキシャル基板を用いることを特徴とする。 Furthermore, the epitaxial substrate is used.
さらに上記サファイア基板上に、上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させることを特徴とする。 Further, the nitride semiconductor layer is selectively grown in the lateral direction on the sapphire substrate.
さらに上記R面サファイア基板上に窒化物系半導体の結晶核を生成させないマスキングを配置する工程と、
さらに上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させる工程
とからなることを特徴とする。
A step of disposing a mask that does not generate crystal nuclei of the nitride semiconductor on the R-plane sapphire substrate;
And a step of selectively growing the nitride-based semiconductor layer in the lateral direction.
さらに上記マスクの間の幅が、0.5〜30μmであり、かつ、該マスクの幅が0.5〜5μm、高さが0.05〜3μmであることを特徴とする。 Furthermore, the width between the masks is 0.5 to 30 μm, the width of the mask is 0.5 to 5 μm, and the height is 0.05 to 3 μm.
さらに上記窒化物系半導体層を成長させる時のIII族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比を0.01〜100とすることを特徴とする。 Further, the ratio of the supply amount of the group V raw material to the supply amount of the group III raw material when growing the nitride-based semiconductor layer is set to 0.01 to 100.
本発明は、低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、A軸配向した窒化物系半導体をR面サファイア基板に成長するための選択横方向成長を可能とし、高性能の発光ダイオード、レーザダイオードが作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とする。 The present invention enables selective lateral growth for growing an A-axis oriented nitride-based semiconductor on an R-plane sapphire substrate with low threading dislocation density and excellent surface flatness, and a high-performance light-emitting diode. It is possible to provide an epitaxial substrate on which a laser diode can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、R面サファイア基板上に周期段差溝構造を形成した後、選択横方向成長により成長させた場合の、本発明の窒化物系半導体のエピタキシャル基板の構造を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an epitaxial substrate of a nitride semiconductor of the present invention when a periodic step groove structure is formed on an R-plane sapphire substrate and then grown by selective lateral growth.
R面サファイア基板4の表面に周期段差溝加工が施され、溝部11c、及び、テラス部11bが形成されている。その上に、第1の下地層13、第2の下地層14を順次成長され、その後、最後に窒化物系半導体層15が成長されている。窒化物系半導体層15は選択横方向成長して、R面サファイア基板11に形成された周期段差溝構造を埋め込み、エピタキシャル基板1となる。
Periodic step groove processing is performed on the surface of the R-
次に、図1のエピタキシャル基板1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板11上に、ライン・アンド・スペースのマスク12を形成する。その時の周期構造は、マスク部11bが0.5μm以上5μm以下であり、かつ、マスク開口部11aの幅が0.5μm以上30μm以下となるようにする。マスク12の高さは後に行うエッチングにおける、R面サファイア11とマスク12の材料の選択比によって規定され、必要な厚みより厚くしておくことが望ましい。
First, as shown in FIG. 2, a line-and-
次に、図3のようにエッチングによりR面サファイア基板11表面のマスク開口部11aの一部を除去し、溝部11cを形成する。マスク部11bはエッチングされないため、テラス部11bとなり、周期段差溝構造が形成される。R面サファイア基板11のエッチング法は、既存の技術を用いれば良く、塩素系、または、フッ素系のガスを用いたドライエッチングが一般的である。この場合のマスク12の材料はニッケルや酸化珪素を用いると良いが、これ以外でも良い。
Next, as shown in FIG. 3, a part of the mask opening 11a on the surface of the R-
次に、図4のように、R面サファイア基板11表面からマスク12を除去する。マスク12の材料に応じて適切な薬液を選ぶ。このようにして、周期段差溝構造を有するR面サファイア基板4を得る。
Next, as shown in FIG. 4, the
次に、図1のようにMOVPE法により上記R面サファイア基板4上に窒化物系半導体層15を成長する。膜厚や組成を制御して第1の下地層13、第2の下地層14を順次積層してやることで、その上には、表面が平坦で比較的結晶性の良いA軸配向した窒化物系半導体層15を成長することができる。第1の下地層13としてAlN、第2の下地層14としてAl0.5Ga0.5Nを用いると良いが、これについては、本発明において特筆すべき点ではない。従って、平坦化が成されるのであれば、下地層11及び12の組み合わせは限定されるものではなく、また、一層のみで下地層を構成しても良いし、下地層を用いずに直接窒化物系半導体層15をR面サファイア基板4上に成長しても良い。
Next, a nitride-based
また、V/III比とは、成長時のIII族原料である有機金属の供給量に対する、V族原料であるアンモニア(以下、NH3という。)の供給量の比であり、例えば、4000μmol/分のNH3と80μmol/分のトリメチルガリウム(以下、TMGという。)を供給する場合は、V/III比は50となるのだが、窒化物系半導体層15の成長時においては、V/III比を0.01〜100とするのが良い。この範囲のV/III比で成長を行うことで選択横方向成長を促進し、第2の下地層14の表面が凹凸形状を埋め込んで平坦化される。0.01以下のV/III比は制御が難しく実施困難である。一方、V/III比が100以上では、窒化物系半導体層15の表面に成長ピットが形成されるなど、平坦化させることが出来ない。これは、V/III比によって成長速度の異方性が変化し、窒化物系半導体層15の結晶が横方向に伸びなくなるためである。
The V / III ratio is the ratio of the supply amount of ammonia (hereinafter referred to as NH3), which is a Group V material, to the supply amount of organic metal, which is a Group III material during growth. For example, 4000 μmol / min. When NH3 and 80 μmol / min trimethylgallium (hereinafter referred to as TMG) are supplied, the V / III ratio is 50. However, when the nitride-based
一般に、C軸配向した窒化物系半導体であれば、V/III比を増加させることで選択横方向成長が促進されるため、さらに高いV/III比とする。勿論、積層する材料にもよるが、例えば、GaNの場合、600以上、2000以下とすることが多い。この点で、R面サファイア基板11上に成長させた、A軸配向の窒化物系半導体層15の選択横方向成長は特有である。
In general, in the case of a nitride-based semiconductor with C-axis orientation, selective lateral growth is promoted by increasing the V / III ratio, so that the V / III ratio is further increased. Of course, depending on the material to be laminated, for example, in the case of GaN, it is often 600 or more and 2000 or less. In this respect, the selective lateral growth of the A-axis-oriented nitride-based
また、上記のサファイア基板に形成した周期段差溝加工の寸法については、ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク部では、窒化物系半導体層15中に貫通転位が多く生成してしまうので、なるべくその幅は小さい方がよい。しかし、幅が小さすぎると、マスク作製が困難であるため、0.5μm以上が良い。また、第1の下地層13または第2の下地層14の、成長初期におけるドメインの大きさが1〜3μmであるため、マスク部の幅は5μm以下であることが望ましく、好ましくは3μm以下であることがよい。
In addition, as for the dimension of the periodic step groove processing formed on the sapphire substrate, a lot of threading dislocations are generated in the nitride-based
ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部11aは、エッチングにより溝部11cが形成される。その側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層15の貫通転位密度の低減に寄与する。
A
マスク開口部11aの幅は、上記のマスク部11bと同様に、幅が小さすぎると、マスク12の作製が困難であるため、0.5μm以上が良い。あまりに広いマスク開口部11a上の幅は窒化物系半導体層15の初期成長ドメインが、溝の底部からも成長するため膜厚方向に成長し、貫通転位密度の低減が困難となる。C軸配向した窒化物系半導体層では、精々20μm程度が限界であるが、R面サファイア基板4上に成長させたA軸配向の窒化物系半導体層15の場合は、30μmまでの溝部11cを用いることが可能である。これは、成長方位依存性により、溝部11cの底からの成長よりも、選択横方向成長しているドメインの成長を促進することの方が優位だからである。
Similarly to the
また、エッチング法により形成するR面サファイア基板4表面の周期段差溝構造の深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには0.3μm以上が良く、好ましくは0.5μm以上がよい。一方、機械的に堅牢であり、かつ、化学的にも安定なサファイアの加工は困難であるため、3μm以上の深さの周期段差溝構造は形成困難である。また、深い溝を埋め込むための窒化物系半導体層15の成長が長時間となるため好ましくない。
Further, the depth of the periodic step groove structure on the surface of the R-
以上のようにして成長したA軸配向の窒化物系半導体15は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板5が作製される。
The A-axis-oriented nitride-based
次に、本発明における別の実施の形態について説明する。図5は、R面サファイア基板上に成長させた窒化物系半導体層に周期段差溝加工を施し、再成長により選択横方向成長させる場合の断面図である。 Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view in the case where the nitride-based semiconductor layer grown on the R-plane sapphire substrate is subjected to periodic step groove processing and selectively grown in the lateral direction by regrowth.
まず、上記第1の実施の形態と同様に、MOVPE法により上記R面サファイア基板51上に、膜厚や組成を制御して第1の下地層52、第2の下地層53を、最初に順次積層してやることで、表面が平坦で、比較的結晶品質の良いA軸配向した窒化物系半導体層54を成長することができる。その後、試料を一度反応炉より取り出す。
First, as in the first embodiment, the
次に、図6のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層54上に、ライン・アンド・スペースのマスク55を形成する。その時の周期構造は、上記第1の実施の形態と同様に、マスク開口部54aの幅が0.5μm以上30μm以下であり、かつ、マスク部55bが0.5μm以上5μm以下となるようにする。マスク55の厚みは後に行うエッチングにおける、R面サファイア51とマスク55の材料の選択比によって規定され、必要な厚みより厚くしておくことが望ましい。
Next, as shown in FIG. 6, a line-and-
次に、エッチング法により窒化物系半導体層54の表面のマスク開口部の一部を除去する。窒化物系半導体層15のエッチング方法は、既存の技術を用いれば良く、塩素系、または、フッ素系のガスを用いたドライエッチングが一般的である。マスク55はニッケルや酸化珪素を用いると良いが、これ以外でも良い。また、適切なマスク材料とエッチング溶液があれば、ウエットエッチングで行っても良い。
Next, a part of the mask opening on the surface of the nitride-based
次に、そのマスクの材料に応じて適切な薬液を選び、窒化物系半導体層54表面からマスク55を除去する。
Next, an appropriate chemical solution is selected according to the material of the mask, and the
その後、図7に示すように、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層54上に、上記窒化物系半導体再成長層56を再成長させる。成長時のV/III比は、上記第1の実施の形態と同様に、0.01〜100とするのが良い。
Thereafter, as shown in FIG. 7, the nitride-based
また、上記窒化物系半導体層54に形成された周期段差溝加工の寸法については、上記と同様の理由により、ライン・アンド・スペースのマスク55におけるマスク部の幅は、0.5μm以5μm以下とするのが良い。
In addition, with respect to the dimension of the periodic step groove formed in the nitride-based
ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部54aの幅は、上記と同様の理由により、0.5μm以上30μm以下とするのが良い。ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部54aは、エッチングにより溝部54cが形成されている。従って、上記窒化物系半導体層54に形成された周期段差溝加工の側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層55の貫通転位密度の低減に寄与する。このようにすることで、窒化物系半導体層54に形成された周期段差溝構造を埋め込むように成長させることが可能である。
The width of the
また、エッチング法により形成する窒化物系半導体層54の溝部54cの深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには0.3μm以上が良く、好ましくは0.5μm以上がよい。一方、深い溝を埋めるための窒化物系半導体層15の成長が長時間となるため好ましくないので、溝部54cの深さは3μm以下とするのがよい。
Further, the depth of the
以上のように成長したA軸配向の窒化物系半導体55は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板5が作製される。
The A-axis oriented nitride-based
次に、本発明のさらに別の実施例について説明する。図8は、窒化物系半導体層上に周期配置されたマスクを形成し、上記窒化物系半導体層の選択横方向再成長により、該マスクを埋め込む場合の断面図である。 Next, still another embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view when a mask periodically arranged on a nitride-based semiconductor layer is formed and the mask is embedded by selective lateral regrowth of the nitride-based semiconductor layer.
まず、MOVPE法により上記R面サファイア基板11上に窒化物系半導体層84を成長する。上記第1の実施の形態と同様に、膜厚や組成を制御して第1の下地層82、第2の下地層83を、最初に順次積層してやることで、表面が平坦で、比較的結晶品質の良いA軸配向した窒化物系半導体層84を成長することができる。その後、試料を一度取り出す。
First, the
次に、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層84上に、ライン・アンド・スペースのマスクを形成する。その時の周期構造は、上記第1の実施の形態と同様に、マスク開口部84aの幅が0.5μm以上30μm以下、かつ、マスク85幅が0.5μm以上5μm以下でありとなるようにする。
Next, a line-and-space mask is formed on the nitride-based
その後、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層84上に、上記窒化物系半導体層84を再成長させる。その成長時のV/III比は、上記第1の実施の形態と同様に、0.01〜100とするのが良い。このようにすることで、マスク開口部84aから再成長が始まり、次第にマスク85を覆うように窒化物系半導体再成長層86が選択横方向成長し、最後にはマスク85を埋め込むことが可能である。この選択横方向成長時に貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体再成長層86中の貫通転位密度の低減に寄与する。
Thereafter, the
マスク85の高さは、0.05μm以上あれば、貫通転位密度の伝搬を十分に遮蔽できる。高さの大きいマスク85を用いると、マスク85を埋めるための窒化物系半導体層84の成長が長時間となるため好ましくないので、周期段差溝の深さは5μm以下とするのがよい。
If the height of the
以上のように成長したA軸配向の窒化物系半導体85は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板8が作製される。
The A-axis oriented
また、上記3つの実施の形態のいずれかにおいて説明されたエピタキシャル基板は、窒化物系半導体層までしか積層しなかったが、半導体素子構造を有していても構わない。 Moreover, although the epitaxial substrate described in any of the above three embodiments has been stacked only up to the nitride-based semiconductor layer, it may have a semiconductor element structure.
半導体素子構造は、発光ダイオード、レーザダイオード、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタなどが挙げられる。半導体素子構造は既存の技術により構成することが出来るが、窒化物系半導体層が低転位密度化している。 Examples of the semiconductor element structure include a light emitting diode, a laser diode, a field effect transistor, and a bipolar transistor. The semiconductor element structure can be formed by existing technology, but the nitride-based semiconductor layer has a low dislocation density.
従って、このエピタキシャル基板は特性の良い半導体装置を作製可能となる。電界効果型トランジスタであれば、ピエゾ電界が掛からないことを利用してエンハスメント型動作をさせることが可能である。 Therefore, this epitaxial substrate can produce a semiconductor device with good characteristics. In the case of a field effect transistor, an enhancement type operation can be performed by utilizing the fact that a piezoelectric field is not applied.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
(第1の実施例)
R面サファイア基板に周期段差溝加工を施した場合について説明する。
(First embodiment)
A case where periodic step groove processing is performed on the R-plane sapphire substrate will be described.
まず、図2のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板11上に、ニッケルからなるライン・アンド・スペースのマスク12を形成した。その膜厚は、150nmとした。また、その周期構造は、マスク部11b幅が3μm、マスク開口部11aの幅が15μmとした。
First, as shown in FIG. 2, a line-and-
次に、塩素を用いた反応性イオンエッチングにより、サファイア表面のマスク開口部11aの一部を除去し、溝部11cとなった。その深さは2μmとした。
Next, a part of the
次に、王水を用いてサファイア基板11表面からマスク12を除去した。このようにして、周期段差溝構造を有するサファイア基板4が作製された。
Next, the
次に、MOVPE法により、成長温度1100℃でAlNからなる第1の下地層13を100nm、及び、Al0.5Ga0.5Nからなる第2の下地層14を順次成長させた。これらの層の成長時は、V/III比は800であった。その後、成長時のV/III比を60に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層15を積層した。これによりR面サファイア基板4に形成された周期段差溝構造が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体層15が得られた。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面を原子間力顕微鏡(以下、AFMという。)により測定したところ、自乗根平均の面粗さは0.3nmであった。さらに、ヘリウム-カドミウムレーザを光源に用いた顕微フォトルミネセンス法により、窒化物系半導体層15の発光分布を調べた。その結果を図9に示す。その後、周期溝構造に対応する明瞭なコントラストが確認でき、特に、マスク開口部11aに形成された選択横方向成長領域は、明るく光っていた。隣接するマスク部11b、及び、溝部11cの発光強度比は約20倍に達していた。選択横方向成長により結晶性が向上しているものと推測できる。
Next, 100 nm of the first underlayer 13 made of AlN and the
以下に、周期段差溝構造の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。 The following experiments were conducted to evaluate surface flatness and threading dislocation density due to changes in the shape of the periodic step groove structure.
まず、ライン・アンド・スペースのマスクにおける、マスク開口部11a、マスク部11bの寸法、及び、周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造のR面サファイア基板4を作製した。次いで、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板4上に、上記と同様の構造を成長させ、AFMを用いて表面平坦性を、及び、平面透過型電子顕微鏡(TEM)観察により貫通転位密度を評価した。
First, in the line-and-space mask, the dimensions of the
その結果を表1に示す。
溝部11c幅を変化させた条件1〜15(実施例1〜11、及び、比較例1〜4)を比較すると、条件溝部11c幅が30μmより大きい条件13〜15(比較例2〜4)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部11c幅は30μm以下が良かった。一方、条件1(比較例1)のように、溝部11c幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとした場合は、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件2〜12(実施例1〜11)のように、溝部11c幅は0.5μm以上30μm以下が良い。
When the conditions 1-15 (Examples 1-11 and Comparative Examples 1-4) which changed the
また、テラス部11b幅を変化させた条件16〜22(実施例12〜16、及び、比較例5、6)を比較すると、テラス部11b幅が5μmより大きい条件22(比較例6)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部11c幅は5μm以下が良かった。一方、条件16(比較例5)のように、溝部11c幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。すなわち、条件17〜21(実施例12〜16)のように溝部幅は0.5μm以上5μm以下が良い。
Moreover, when the conditions 16-22 (Examples 12-16 and Comparative Examples 5 and 6) which changed the
また、溝部11c深さを変化させた条件23〜30(実施例17〜22、及び、比較例7、8)を比較すると、条件23(比較例7)のように0.3μm未満の深さでは、窒化物系半導体層15の選択横方向成長が十分でなく、溝部11cからも結晶核形成が起こるため、貫通転位密度も109/cm2以上となって結晶性が良くないので適さない。条件24〜30(実施例17〜22、及び、比較例8)のように、溝部11c深さを大きくすると貫通転位密度は低減できるものの、段差を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層15の成長時間は長くとる必要が生じる。これは製造コスト増大に繋がるので、120分以内で埋め込みが終了しない条件30(比較例8)は好ましくない。従って、条件24〜29(実施例17〜22)のように、溝深さは0.3μm以上3μm以下とするのが良い。
Moreover, when the conditions 23-30 (Examples 17-22 and Comparative Examples 7 and 8) which changed the
(第2の実施例)
以下に、窒化物系半導体層を形成し、それに周期段差溝加工を施した後に再成長を行う場合について説明する。
(Second embodiment)
Hereinafter, a case where a nitride-based semiconductor layer is formed and regrowth is performed after performing periodic step groove processing will be described.
まず、図6のように、MOVPE法により、R面サファイア基板51上に成長温度1100℃でAlNからなる第1の下地層52を100nm、及び、Al0.5Ga0.5Nからなる第2の下地層53を200nm順次成長させた。これらの層の成長時は、V/III比は800であった。その後、成長時のV/III比を60に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層54を2μm積層した。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面をAFMにより測定したところ、自乗根平均の面粗さは0.3nmであった。
First, as shown in FIG. 6, the
フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板51上に、ニッケルからなるライン・アンド・スペースのマスク55を形成した。その膜厚は、150nmとした。また、その周期構造は、テラス部54bが3μm、マスク開口部54aの幅が15μmとした。
A line-and-
次に、図7のように、塩素を用いた反応性イオンエッチングにより、上記窒化物系半導体層54のマスク開口部54aの一部を除去した。その深さは2μmとした。
Next, as shown in FIG. 7, a part of the
次に、王水を用いて窒化物系半導体層54の表面からマスク55を除去した。このようにして、周期段差溝構造を有する窒化物系半導体層54が作製された。
Next, the
その後、図5のように、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層54上に、窒化物系半導体層55を再成長させた。成長時のV/III比は60とした。これにより窒化物系半導体層54に形成された周期段差溝構造が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体層55が得られた。この表面をAFMにより測定したところ、2乗根平均の面粗さは0.3nmであった。
After that, as shown in FIG. 5, the nitride-based
以下に、周期段差溝構造の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。 The following experiments were conducted to evaluate surface flatness and threading dislocation density due to changes in the shape of the periodic step groove structure.
まず、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板51上に、上記と同様の構造を成長させた。次いで、ライン・アンド・スペースのマスクを調節して溝部54c、テラス部54bの寸法を、そして、エッチング条件を調節して周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造の窒化物系半導体層54を作製した。さらに、MOVPE法により、窒化物系半導体層55を再成長させ、AFMを用いて表面平坦性、及び、平面TEM観察により貫通転位密度を評価した。
First, a structure similar to the above was grown on each R-
その結果を表2に示す。
溝部54c幅を変化させた条件31〜45(実施例23〜33、及び、比較例9〜12)を比較すると、溝部54c幅が30μmより大きい条件43〜45(比較例10〜12)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部54c幅は30μm以下が良かった。一方、条件31(比較例9)のように、溝部54c幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件32〜42(実施例23〜33)のように、溝部54c幅は0.5μm以上30μm以下が良い。
When the conditions 31 to 45 (Examples 23 to 33 and Comparative Examples 9 to 12) in which the
また、テラス部54b幅を変化させた条件46〜52(実施例34〜38、及び、比較例13、14)を比較すると、テラス部54b幅が5μmより大きい条件52(比較例14)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、テラス部54b幅は5μm以下が良かった。一方、条件46(比較例13)のように、テラス部54b幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件47〜51(実施例34〜38)のように、テラス部54b幅は0.5μm以上5μm以下が良い。
Further, when the conditions 46 to 52 (Examples 34 to 38 and Comparative Examples 13 and 14) in which the width of the
また、溝54c部深さを変化させた条件53〜60(実施例39〜44、及び、比較例15、16)を比較すると、条件53(比較例15)のように、0.3μm未満の深さでは、窒化物系半導体層55の選択横方向成長が十分でなく、溝部からも結晶核形成が起こるため、貫通転位密度も109/cm2以上となって結晶性が良くなかった。条件54〜60(実施例39〜44、及び、比較例16)のように、溝部54c深さを大きくすると貫通転位密度は低減できるものの、段差を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層55の成長時間は長くとる必要が生じた。これは製造コスト増大に繋がるので、120分以内で埋め込みが終了しない条件60(比較例16)は好ましくない。従って、条件54〜59(実施例39〜44)のように、溝深さは0.3μm以上3μm以下とするのが良い。
Further, when the
(第3の実施例)
以下に、窒化物系半導体層を形成し、マスクを形成した後、再成長によりマスクを埋め込む場合について説明する。
(Third embodiment)
A case will be described below in which a nitride-based semiconductor layer is formed, a mask is formed, and then the mask is embedded by regrowth.
まず、図8のように、MOVPE法により、R面サファイア基板81上に成長温度1100℃でAlNからなる第1の下地層82を100nm、及び、Al0.5Ga0.5Nからなる第2の下地層83を200nm、順次成長させた。これらの層の成長時は、V/III比は800であった。その後、成長時のV/III比を60に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層84を2μm積層した。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面をAFMにより測定したところ、自乗根平均の面粗さは0.3nmであった。
First, as shown in FIG. 8, the first underlayer 82 made of AlN is grown on the R-
フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層84上に、炭化珪素からなるライン・アンド・スペースのマスク85を形成した。その膜厚は、150nmとした。また、その周期構造は、マスク85部が3μm、マスク開口部84aの幅が15μmとした。
A line-and-
その後、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層84上に、窒化物系半導体再成長層86を再成長させた。成長時のV/III比は60とした。これにより窒化物系半導体層84に形成されたマスク85が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体再成長層86が得られた。この表面をAFMにより測定したところ、2乗根平均の面粗さは0.3nmであった。
Thereafter, the nitride-based
以下に、ライン・アンド・スペースのマスク85の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。
In order to evaluate the surface flatness and threading dislocation density due to changes in the shape of the line-and-
まず、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板81上に、上記と同様の構造を成長させた。次いで、ライン・アンド・スペースのマスク85を調節してマスク部85、マスク開口部84aの寸法を、そして、エッチング条件を調節して周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造の窒化物系半導体層84を作製した。さらに、MOVPE法により、窒化物系半導体再成長層86を再成長させ、AFMを用いて表面平坦性を、及び、平面TEM観察により貫通転位密度を評価した。
First, a structure similar to the above was grown on each R-
その結果を表3に示す。
マスク部85幅を変化させた条件61〜75(実施例45〜55、及び、比較例17〜22)を比較すると、マスク部85幅が30μmより大きい条件73〜75(比較例18〜20)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2となって結晶性が良くないので適さない。従って、マスク部85幅は30μm以下が良かった。一方、条件61(比較例17)のようにマスク部85幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件62〜72(実施例45〜55)のように、マスク部85幅は0.5μm以上30μm以下が良い。
When the conditions 61 to 75 (Examples 45 to 55 and Comparative Examples 17 to 22) in which the width of the
また、マスク開口部84a幅を変化させた条件76〜82(実施例56〜60、及び、比較例21、22)を比較すると、マスク開口部84a幅が5μmより大きい条件82(比較例22)の場合は、RMS表面粗さがnmオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も109/cm2以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、マスク開口部84a幅は5μm以下が良かった。一方、条件76(比較例21)のようにマスク開口部84a幅が0.4μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件77〜81(実施例56〜60)のように、マスク開口部84a幅は0.5μm以上が良い。
Further, when the conditions 76 to 82 (Examples 56 to 60 and Comparative Examples 21 and 22) in which the width of the
また、マスク85高さを変化させた条件83〜90(実施例61〜66、及び、比較例23、24)を比較すると、条件83(比較例23)のように、0.05μm未満のマスク高さでは、パターン形成時に剥がれてしまい、適さない。従って、0.05μm以上の高さがよい。条件84〜90(実施例61〜66、及び、比較例24)のように、マスク85高さを大きくするとマスク85を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層85の成長時間は長くとる必要が生じた。これは製造コスト増大に繋がるので、120分以内で埋め込みが終了しない条件90(比較例24)は好ましくない。従って、条件84〜89(実施例61〜66)のように、溝深さは0.3μm以上3μm以下とするのが良い。貫通転位密度は、埋め込みが終了すれば、いずれもほぼ同等であった。
Further, when the
1 エピタキシャル基板
4 R面サファイア基板
5 エピタキシャル基板
8 エピタキシャル基板
11a マスク開口部
11b テラス部
11c 溝部
12 マスク
13 第1の下地層
14 第2の下地層
15 窒化物系半導体層
51 R面サファイア基板
52 第1の下地層
53 第2の下地層
54 窒化物系半導体層
54a マスク開口部
54b テラス部
54c 溝部
55 マスク
56 窒化物系半導体再成長層
81 R面サファイア基板
82 第1の下地層
83 第2の下地層
84 窒化物系半導体層
84a マスク開口部
85 マスク
86 窒化物系半導体再成長層
101 第1層
101a ヘテロ接合界面
102 第2層
103 C軸
111 R面サファイア基板
112 n型GaN層
113 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
114 GaN/In0.15Ga0.85N多重量子井戸構造活性層
115 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
116 p型GaN層
117 p側電極
118 n側電極
121 GaN層
122 マスク
123 再成長GaN層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させる工程
とからなることを特徴とする請求項6に記載のエピタキシャル基板の製造方法。 Placing a mask on the R-plane sapphire substrate that does not generate nitride-based semiconductor crystal nuclei;
The epitaxial substrate manufacturing method according to claim 6, further comprising a step of selectively growing the nitride-based semiconductor layer in a lateral direction.
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