JP2006240895A - Method for producing aluminum-based nitride crystal and laminated substrate - Google Patents

Method for producing aluminum-based nitride crystal and laminated substrate Download PDF

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JP2006240895A JP2005055608A JP2005055608A JP2006240895A JP 2006240895 A JP2006240895 A JP 2006240895A JP 2005055608 A JP2005055608 A JP 2005055608A JP 2005055608 A JP2005055608 A JP 2005055608A JP 2006240895 A JP2006240895 A JP 2006240895A
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明伯 纐纈
Yoshinao Kumagai
義直 熊谷
Toru Nagashima
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately remove a surface oxide layer existing on an aluminum nitride crystal substrate for growth and having a nitrogen polarity; and to epitaxially grow a good quality aluminum-based nitride crystal on the substrate by a vapor phase growth method such as an HVPE method. <P>SOLUTION: The oxide layer on the surface of the aluminum nitride crystal substrate is removed by an etching method of the aluminum nitride crystal substrate, comprising etching the surface of the aluminum nitride crystal substrate with a weak basic aqueous solution such as an ammonia aqueous solution. Then, the aluminum-based nitride crystal is epitaxially grown on the substrate. By this method, the quality of the aluminum-based nitride crystal in the growth layer side is improved by succeeding the crystallinity of the ground substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、紫外域動作の発光ダイオード、レーザーダイオード、高出力電子デバイス等の作製およびバルク結晶基板の作製に用いることのできる窒化アルミニウム系窒化物結晶積層基板並びに半導体結晶膜の気相エピタキシャル成長法による製造方法に関する。   The present invention is based on a vapor phase epitaxial growth method of an aluminum nitride-based nitride crystal multilayer substrate and a semiconductor crystal film that can be used for the production of light-emitting diodes, laser diodes, high-power electronic devices, etc. operating in the ultraviolet region and the production of bulk crystal substrates It relates to a manufacturing method.

窒化アルミニウムや窒化ガリウムといったIII族窒化物は大きなバンドギャップエネルギーを持つ。窒化アルミニウムのバンドギャップエネルギーは6.2eV程度であり、窒化ガリウムのバンドギャップエネルギーは3.4eV程度である。これらの混晶である窒化アルミニウムガリウムは、両成分比に応じ窒化アルミニウムと窒化ガリウムのバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーをとる。従って、これらのIII族窒化物を用いることにより、他の半導体では不可能な紫外領域の短波長発光が可能となり、白色光源用の紫外発光ダイオード、殺菌用の紫外発光ダイオード、高密度光ディスクメモリの読み書きに利用できるレーザー、通信用レーザーなどの発光光源が製造可能になる。さらに、電子の飽和ドリフト速度が高いことを利用して高速電子移動トランジスタといった電子デバイスの製造や、負の電子親和力を利用してフィールドエミッタへの応用が可能である。   Group III nitrides such as aluminum nitride and gallium nitride have a large band gap energy. The band gap energy of aluminum nitride is about 6.2 eV, and the band gap energy of gallium nitride is about 3.4 eV. These mixed crystals of aluminum gallium nitride take a band gap energy between the band gap energies of aluminum nitride and gallium nitride according to the ratio of both components. Therefore, by using these group III nitrides, it is possible to emit light in the ultraviolet region, which is impossible with other semiconductors, and for ultraviolet light emitting diodes for white light sources, ultraviolet light emitting diodes for sterilization, and high-density optical disk memories. Light emitting light sources such as lasers that can be used for reading and writing and lasers for communication can be manufactured. Furthermore, it is possible to manufacture an electronic device such as a high-speed electron transfer transistor by utilizing the high saturation drift velocity of electrons, and to apply it to a field emitter by utilizing negative electron affinity.

上記のような発光光源や電子デバイス等の機能を発現する部分は、基板上に数ミクロン以下の薄膜を積層して形成することで一般的に試みられている。これは公知の分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属気相エピタキシー(MOVPE:Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)法、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法などの結晶成長方法により形成される。   In general, attempts have been made to form a thin film of several microns or less on a substrate by forming a portion that exhibits the functions of the light emitting light source and the electronic device as described above. This can be achieved by crystal growth methods such as the known molecular beam epitaxy (MBE) method, metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, and hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. It is formed.

上記の発光機能を発現する積層構造を形成するための基板としては上記のIII族窒化物、特に窒化アルミニウムの結晶からなる基板が好ましいとされる。なぜならば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムといったIII族窒化物の単体もしくは混晶を成長層として形成する際には、界面における格子不整合の影響や、成長時の温度履歴によって発生する応力の影響を最小限に抑えることが必要になるためである。この結果、成長層の転位密度や欠陥、クラックが低減し、発光効率が向上すると考えられている。また、紫外線発光層を成長する場合においては、基板として窒化アルミニウムを用いることにより、基板部分のバンドギャップエネルギーが発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなるので、発光した紫外光が基板で吸収されず、光の取り出し効率が高くなる。   As the substrate for forming the laminated structure exhibiting the light emitting function, a substrate made of the above group III nitride, particularly aluminum nitride crystal is preferable. This is because the influence of lattice mismatch at the interface and the stress generated by the temperature history during growth are minimized when forming a single layer or mixed crystal of group III nitride such as aluminum nitride or gallium nitride as the growth layer. This is because it is necessary to limit to the limit. As a result, it is considered that the dislocation density, defects, and cracks of the growth layer are reduced and the light emission efficiency is improved. In the case of growing the ultraviolet light emitting layer, by using aluminum nitride as the substrate, the band gap energy of the substrate portion becomes larger than the band gap energy of the light emitting layer, so the emitted ultraviolet light is not absorbed by the substrate, The light extraction efficiency is increased.

上記のような窒化アルミニウム結晶基板の製造に関して、本発明者らはHVPE法で製造する方法を既に提案した(特開2003−303774号)。この方法によれば、非常に速い結晶成長速度が得られることから、厚膜のアルミニウム系III−V族化合物半導体結晶が実用レベルで量産することが可能となる。したがって、この方法によって得られる厚膜結晶をウェハ状に加工することによって、アルミニウム系III−V族化合物半導体結晶基板として用いることができる。このような最も好ましい基板上にMOVPE法やMBE法、HVPE法などの結晶成長法を用いて発光等を目的とした積層構造を形成することにより、高効率な発光光源が得られると期待される。なお、特開2003−303774号記載のアルミニウム系III−V族化合物半導体とは、本発明におけるアルミニウム系窒化物結晶を含むものである。   With respect to the production of the above-described aluminum nitride crystal substrate, the present inventors have already proposed a method of producing by the HVPE method (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-303774). According to this method, since a very high crystal growth rate can be obtained, it is possible to mass-produce a thick aluminum based III-V compound semiconductor crystal at a practical level. Therefore, by processing the thick film crystal obtained by this method into a wafer shape, it can be used as an aluminum-based III-V compound semiconductor crystal substrate. It is expected that a highly efficient light source can be obtained by forming a laminated structure for the purpose of light emission using a crystal growth method such as MOVPE, MBE, or HVPE on the most preferable substrate. . Note that the aluminum-based III-V compound semiconductor described in JP-A-2003-303774 includes the aluminum-based nitride crystal in the present invention.

窒化アルミニウム結晶基板として、サファイア、シリコンカーバイド、シリコン等からなる母材基板上に予め窒化アルミニウム結晶を予備成長させた基板、いわゆるテンプレート基板が存在する。該テンプレート基板では、その表面に予備成長結晶層が存在するため、基板上にアルミニウム系窒化物結晶を成長させる際には、格子定数のミスフィットが緩和された状態で成長できる。この時、エピタキシャル成長層側の結晶品質は、下地であるテンプレート基板上の予備成長層の結晶品質に強く影響される。つまり、結晶品質の良好な予備成長層が得られれば、結晶品質の良好なアルミニウム系窒化物結晶がエピタキシャル成長される。テンプレート基板は、MOVPE法やMBE法、HVPE法等の気相成長法による製造されたものの他、液相法、サファイア基板の表面窒化等の方法により製造される。このようなテンプレート基板上に、アルミニウム系窒化物結晶からなる発光等の機能を発現しうる積層構造や、基板上にさらに厚くアルミニウム系窒化物結晶、特に窒化アルミニウム結晶を成長することも頻繁に行われる。   As an aluminum nitride crystal substrate, there is a so-called template substrate in which an aluminum nitride crystal is preliminarily grown on a base material substrate made of sapphire, silicon carbide, silicon or the like. Since the pre-grown crystal layer is present on the surface of the template substrate, it can be grown in a state where the lattice constant misfit is relaxed when the aluminum-based nitride crystal is grown on the substrate. At this time, the crystal quality on the epitaxial growth layer side is strongly influenced by the crystal quality of the pre-growth layer on the template substrate which is the base. That is, if a pre-growth layer with good crystal quality is obtained, an aluminum-based nitride crystal with good crystal quality is epitaxially grown. The template substrate is manufactured by a method such as a liquid phase method or a surface nitridation of a sapphire substrate in addition to those manufactured by a vapor phase growth method such as MOVPE method, MBE method, and HVPE method. On such a template substrate, a laminated structure composed of an aluminum nitride crystal capable of exhibiting a function such as light emission, and an aluminum nitride crystal, particularly an aluminum nitride crystal, are more frequently grown on the substrate. Is called.

以上のように、窒化アルミニウム結晶基板は、発光や電子移動等の機能性を持つ積層構造や、さらに厚付けして基板を製造する際、基板に要求される材料物性を高い水準で満たし、成長層の特性をより高性能・高品質に仕上げることを可能にする。そのため、品質の良好な窒化アルミニウム結晶基板を提供することは、III族窒化物結晶の分野において最も望まれる技術の一つとして認識されている。   As described above, an aluminum nitride crystal substrate grows by satisfying the material properties required for the substrate at a high level when the substrate is manufactured with a laminated structure having functions such as light emission and electron transfer and further thickening. It makes it possible to finish the layer properties with higher performance and higher quality. Therefore, providing an aluminum nitride crystal substrate with good quality is recognized as one of the most desired techniques in the field of group III nitride crystals.

特開2003−303774号JP 2003-303774 A Physica Status Solidi (c) 0, No.7 2498-2501 (2003)Physica Status Solidi (c) 0, No.7 2498-2501 (2003) MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research 7, 4, 1-6 (2002)MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research 7, 4, 1-6 (2002)

しかしながら、窒化アルミニウム結晶基板上への成長層形成を検討する中で、大きな問題があった。すなわち、製造された窒化アルミニウム結晶基板は、基板上にさらにエピタキシャル成長層を形成するために異なる結晶成長装置の間を搬送されるが、その間に空気に晒されると窒化アルミニウム結晶基板表面が空気中の酸素や水分と反応し、表面近傍が酸化される。   However, there has been a big problem in considering the formation of a growth layer on an aluminum nitride crystal substrate. That is, the manufactured aluminum nitride crystal substrate is transported between different crystal growth apparatuses to form an epitaxial growth layer on the substrate, but when exposed to air during that time, the surface of the aluminum nitride crystal substrate is in the air. It reacts with oxygen and moisture, and the vicinity of the surface is oxidized.

図1はMOVPE法により製造した窒化アルミニウム結晶基板(テンプレート基板)をX線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)により深さ方向の元素プロファイルを測定した結果である。図1中のAl2p、O1s、N1s等は、X線光電子分光法において測定した内殻電子準位を示す。縦軸には窒化アルミニウム結晶基板に含まれる元素の濃度をatomic%で示し、横軸には基板表面からの深さを示した。この結果から、表面近傍には60atomic%を超える酸素が存在し、表面から50nmを超える深さまで酸素が検出された。すなわち、窒化アルミニウム結晶基板には表面酸化層(領域)が存在することが確かめられた。 FIG. 1 shows the results of measuring the element profile in the depth direction of an aluminum nitride crystal substrate (template substrate) manufactured by the MOVPE method by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In FIG. 1, Al 2p , O 1s , N 1s, etc. indicate the core electron levels measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The vertical axis represents the concentration of elements contained in the aluminum nitride crystal substrate in atomic%, and the horizontal axis represents the depth from the substrate surface. From this result, oxygen exceeding 60 atomic% was present in the vicinity of the surface, and oxygen was detected to a depth exceeding 50 nm from the surface. That is, it was confirmed that a surface oxide layer (region) exists in the aluminum nitride crystal substrate.

この表面酸化層の存在によって窒化アルミニウム結晶基板表面の結晶品質が悪化するため、基板上へのアルミニウム系窒化物結晶エピタキシャル成長が阻害され、その結果、窒化アルミニウム結晶基板本来の結晶品質が成長層に引継がれず、エピタキシャル成長層の結晶品質の向上への寄与が小さくなると考えられた。したがって、エピタキシャル成長層を形成する直前に、窒化アルミニウム結晶基板の表面酸化層を除去する前処理、すなわちエッチング処理が必要であると本発明者らは考えた。   The presence of this surface oxide layer deteriorates the crystal quality of the aluminum nitride crystal substrate surface, thereby inhibiting aluminum nitride crystal epitaxial growth on the substrate, and as a result, the original crystal quality of the aluminum nitride crystal substrate is inherited by the growth layer. Therefore, it was considered that the contribution to the improvement of the crystal quality of the epitaxial growth layer was reduced. Therefore, the present inventors considered that a pretreatment for removing the surface oxide layer of the aluminum nitride crystal substrate, that is, an etching treatment is necessary immediately before forming the epitaxial growth layer.

そこで本発明者らは、窒化アルミニウム結晶基板のエッチング方法について鋭意検討した。その結果、窒化アルミニウム結晶基板の表面を弱塩基性水溶液でエッチング処理し、次いで該基板上にアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させることにより、下地基板の結晶性を引継いで成長層側のアルミニウム系窒化物結晶の品質が改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。さらに、窒化アルミニウム結晶基板の結晶極性について注目すると、本発明の方法は、窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶基板においてその効果がより良く発現することを確認した。   Therefore, the present inventors diligently studied an etching method for the aluminum nitride crystal substrate. As a result, the surface of the aluminum nitride crystal substrate is etched with a weakly basic aqueous solution, and then an aluminum-based nitride crystal is epitaxially grown on the substrate, thereby taking over the crystallinity of the underlying substrate and the aluminum-based nitride on the growth layer side. The inventors have found that the quality of product crystals is improved, and have completed the present invention. Furthermore, paying attention to the crystal polarity of the aluminum nitride crystal substrate, it was confirmed that the effect of the method of the present invention is better exhibited in the aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polarity.

即ち、本発明は、窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶基板の表面に存在する酸化層を弱塩基性水溶液でエッチング処理して除去し、次いで該基板上にアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするアルミニウム系窒化物結晶の製造方法である。   That is, the present invention is characterized by removing an oxide layer present on the surface of an aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polarity by etching with a weakly basic aqueous solution, and then epitaxially growing an aluminum-based nitride crystal on the substrate. This is a method for producing an aluminum-based nitride crystal.

本発明では、窒素極性を有する成長用の窒化アルミニウム結晶基板に存在する表面酸化層を適切に除去し、該基板上にHVPE法等の気相成長方法を用いてアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させるので、エッチングの無い場合に比べて成長層側のアルミニウム系窒化物結晶の結晶品質が向上する。   In the present invention, the surface oxide layer present in the growth aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polarity is appropriately removed, and an aluminum nitride crystal is epitaxially grown on the substrate by using a vapor phase growth method such as HVPE method. Therefore, the crystal quality of the aluminum-based nitride crystal on the growth layer side is improved as compared with the case without etching.

本発明においては、窒化アルミニウム結晶基板上にアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させる。この窒化アルミニウム結晶基板としては、図2に示す様に窒化アルミニウム単結晶単体からなる基板、或いはサファイア、シリコン、シリコンカーバイド等の窒化アルミニウム結晶以外の結晶性母材基板上に予め窒化アルミニウム結晶の予備成長層を形成したテンプレート基板が採用される。また、これらの窒化アルミニウム結晶基板は、成長表面として窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶(以下、窒素極性窒化アルミニウム結晶ともいう)を有するものである。   In the present invention, an aluminum-based nitride crystal is epitaxially grown on an aluminum nitride crystal substrate. As this aluminum nitride crystal substrate, as shown in FIG. 2, a preliminary aluminum nitride crystal is previously formed on a substrate made of a single aluminum nitride single crystal or a crystalline base material substrate other than an aluminum nitride crystal such as sapphire, silicon or silicon carbide. A template substrate on which a growth layer is formed is employed. These aluminum nitride crystal substrates have an aluminum nitride crystal having a nitrogen polarity (hereinafter also referred to as a nitrogen polar aluminum nitride crystal) as a growth surface.

極性とは、原子配列の方向性を示すものである。窒化アルミニウム等のIII族窒化物結晶は図3に示すような六方晶系のウルツ鉱構造をとる。この結晶構造では、c 軸方向に関して対称面が無く、c 面成長のエピタキシャル膜には表裏が生じる。Al原子に注目した場合、Al原子から垂直上側にN原子を配置する結晶をアルミニウム極性(Al極性)という。反対にN原子から垂直上側にAl原子を配置する結晶を窒素極性(N極性)という。   Polarity indicates the directionality of atomic arrangement. Group III nitride crystals such as aluminum nitride have a hexagonal wurtzite structure as shown in FIG. In this crystal structure, there is no symmetry plane with respect to the c-axis direction, and the c-plane grown epitaxial film has two sides. When attention is paid to Al atoms, a crystal in which N atoms are arranged vertically above the Al atoms is called aluminum polarity (Al polarity). On the contrary, a crystal in which Al atoms are arranged vertically above N atoms is called nitrogen polarity (N polarity).

極性の窒化アルミニウム結晶の物性への影響は、化学的耐久性において端的に現れる。Al極性を有する窒化アルミニウム結晶は化学耐久性に優れ、一方、N極性を有する窒化アルミニウム結晶は化学耐久性に劣るものである。例えば、非特許文献2にあるように、50℃に加熱された水酸化カリウム水溶液に窒化アルミニウム結晶を浸漬することにより、窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶は溶解される。Al極性を有する窒化アルミニウムにおいては、表面に転位があった場合に転位からエッチングされてピットを形成するが、それ以外の表面では殆どエッチングされない。逆に、転位とピットが対応するので、ピットを計測することにより結晶表面に存在する転位密度(貫通転位密度)が計算でき、結晶品質の評価に応用されている。また、上記の通り極性によるエッチング耐性の差異から窒化アルミニウム結晶の極性判定にも応用される。   The influence on the physical properties of polar aluminum nitride crystals is manifested in chemical durability. Aluminum nitride crystals having Al polarity are excellent in chemical durability, while aluminum nitride crystals having N polarity are inferior in chemical durability. For example, as described in Non-Patent Document 2, an aluminum nitride crystal having a nitrogen polarity is dissolved by immersing the aluminum nitride crystal in a potassium hydroxide aqueous solution heated to 50 ° C. In aluminum nitride having Al polarity, when there is a dislocation on the surface, it is etched from the dislocation to form pits, but is hardly etched on the other surface. Conversely, since dislocations correspond to pits, the dislocation density (threading dislocation density) existing on the crystal surface can be calculated by measuring the pits, which is applied to the evaluation of crystal quality. Further, as described above, it is applied to the polarity determination of the aluminum nitride crystal from the difference in etching resistance depending on the polarity.

上記塩基性水溶液は強塩基性であり、非常にエッチング速度が速いため専ら窒化アルミニウム結晶の貫通転位密度の見積りや極性判定に用いられてきた。しかし、本発明者らは、エッチング速度が緩やかになると考えられる弱塩基物質の水溶液に着目し、そのような条件下で窒化アルミニウム結晶の表面酸化領域を適切に除去することを考え検討した。   Since the above basic aqueous solution is strongly basic and has a very high etching rate, it has been used exclusively for estimating the threading dislocation density of aluminum nitride crystals and determining the polarity. However, the present inventors paid attention to an aqueous solution of a weak base material that is considered to have a slow etching rate, and considered and studied to appropriately remove the surface oxidation region of the aluminum nitride crystal under such conditions.

本発明においては、弱塩基物質の水溶液(弱塩基性水溶液)を使用することが必要である。弱塩基物質とは水溶液にしたときの電離度が小さいものであり、例えばアンモニアが挙げられる。これを水溶液にすると水酸化アンモニウムになり、一部がアンモニウムイオンと水酸化物イオンに電離して塩基性を示す。電離する水酸化アンモニウムはごく一部であって、残りは水酸化アンモニウムとして水中に存在する。したがって、実効的に効く水酸化物イオンは強塩基物質を用いた場合に比べて少ないので、エッチング速度は比較的緩やかである。   In the present invention, it is necessary to use an aqueous solution of a weak base substance (weak basic aqueous solution). The weak base substance is a substance having a small ionization degree when made into an aqueous solution, and examples thereof include ammonia. When this is made into an aqueous solution, it becomes ammonium hydroxide, and a part thereof is ionized into ammonium ions and hydroxide ions to show basicity. Only a small part of the ammonium hydroxide is ionized and the rest is present in water as ammonium hydroxide. Therefore, since the effective hydroxide ions are less than when a strong base material is used, the etching rate is relatively slow.

一方、強塩基物質とは水溶液にしたときの電離度が1に近いものである。例えば、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムは電離度が1の強塩基物質であり、水溶液にするとカリウムイオン(ナトリウムイオン)と水酸化物イオンに完全に電離する。このような溶液をエッチングに用いと、エッチング速度が速くなり、制御が難しい。また、不純物として金属イオンの残留する欠点があるため好ましくない。   On the other hand, a strong base substance has an ionization degree close to 1 when it is made into an aqueous solution. For example, potassium hydroxide and sodium hydroxide are strong base substances having an ionization degree of 1, and when made into an aqueous solution, they are completely ionized into potassium ions (sodium ions) and hydroxide ions. When such a solution is used for etching, the etching rate is increased and control is difficult. Moreover, since there exists a fault that a metal ion remains as an impurity, it is not preferable.

本発明で用いられる弱塩基性溶液としては、金属イオンによる汚染防止やエッチング処理の制御のしやすさからアンモニア水溶液が最も好ましい。また、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド等の水酸化有機アンモニウムも弱塩基物質であり、これらをエッチング処理に用いることも可能である。このような弱塩基物質は、金属イオンが非常に少ない高純度品の入手が容易であり好ましい。   The weakly basic solution used in the present invention is most preferably an aqueous ammonia solution from the viewpoint of prevention of contamination by metal ions and ease of control of the etching treatment. Further, organic ammonium hydroxides such as tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide are also weak base materials, and these can be used for etching treatment. Such a weak base substance is preferable because it is easy to obtain a high-purity product with very few metal ions.

具体的に25%アンモニア水溶液の例で説明する。25%アンモニア水溶液を50℃に設定したホットプレート上で加熱し、そこに窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶基板を入れて25分以内を目安にエッチング処理し、表面酸化層を除去する。処理温度、処理時間は、使用するアンモニア水の濃度や除去すべき表面酸化層の厚みに大きく依存するため、これらの要因を勘案して適宜選択される。通常、処理温度としては、室温〜100℃の範囲から選択される。また、弱塩基性溶液によるエッチング処理の前に表面に付着した有機物を除去するために有機溶媒により脱脂洗浄しても良い。   Specifically, an example of a 25% aqueous ammonia solution will be described. A 25% aqueous ammonia solution is heated on a hot plate set at 50 ° C., and an aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polarity is put therein and etched within 25 minutes to remove the surface oxide layer. The treatment temperature and treatment time depend on the concentration of the ammonia water to be used and the thickness of the surface oxide layer to be removed, and are appropriately selected in consideration of these factors. Usually, the processing temperature is selected from the range of room temperature to 100 ° C. Further, degreasing and cleaning with an organic solvent may be performed in order to remove organic substances adhering to the surface before the etching treatment with the weak basic solution.

ただし、表面酸化層が除去されてもなお窒化アルミニウム結晶基板のエッチングを続けた場合は、エピタキシャル成長するアルミニウム系窒化物結晶の結晶品質がかえって悪くなる。窒素極性の窒化アルミニウム結晶は塩基性水溶液に触れる限り、表面の溶解が進行する。このため、基板表面のモフォロジが荒れるなどの現象により、その後のエピタキシャル成長に悪影響を及ぼす。従って、エッチング処理の条件は表面酸化層を除去する程度であればよい。   However, if the etching of the aluminum nitride crystal substrate is continued even after the surface oxide layer is removed, the crystal quality of the aluminum-based nitride crystal that is epitaxially grown is deteriorated. As long as the nitrogen-polar aluminum nitride crystal is in contact with a basic aqueous solution, dissolution of the surface proceeds. For this reason, the subsequent epitaxial growth is adversely affected by a phenomenon such as a rough morphology of the substrate surface. Accordingly, the etching process may be performed to remove the surface oxide layer.

エッチング処理終了後、弱塩基性水溶液を除去するため、超純水中で窒化アルミニウム結晶基板をすすぐ。残留する塩基性イオンを中和、除去するために希塩酸などの酸水溶液中ですすいだ後、超純水ですすぐことも有効である。次いで、高純度窒素ガスを吹き付けて窒化アルミニウム結晶基板を乾燥させ、直ちに結晶成長装置に搬送する。   After the etching process is completed, the aluminum nitride crystal substrate is rinsed in ultrapure water to remove the weakly basic aqueous solution. In order to neutralize and remove remaining basic ions, it is also effective to rinse in an aqueous acid solution such as dilute hydrochloric acid and then rinse with ultrapure water. Next, high purity nitrogen gas is blown to dry the aluminum nitride crystal substrate, and the substrate is immediately transferred to a crystal growth apparatus.

本発明において、アルミニウム系窒化物結晶とは窒化アルミニウムの単体からなる結晶もしくは少なくも窒化アルミニウムを含み、残部が窒化ガリウムおよび/または窒化インジウムからなる混晶である。   In the present invention, the aluminum-based nitride crystal is a crystal made of aluminum nitride alone or a mixed crystal containing at least aluminum nitride and the balance being gallium nitride and / or indium nitride.

窒化アルミニウム結晶基板にアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させる方法としては、既存のMOVPE法、MBE法、HVPE法等の気相成長法が採用される。   As a method for epitaxially growing an aluminum-based nitride crystal on an aluminum nitride crystal substrate, a vapor phase growth method such as an existing MOVPE method, MBE method, or HVPE method is employed.

以下、エピタキシャル結晶成長の詳細についてHVPE法を例として説明するが、これに限定されるものではない。図4は本発明の気相成長装置のアルミニウム系窒化物結晶の原料ガスと窒素源ガスの合流部分を概念的に示す平面図である。41は反応管の管壁である。ここで用いる反応管の材質は石英ガラスが好適に用いられる。反応管内にはガスを一方向に流すためにキャリアガスが常時流れている。キャリアガスの種類としては水素、窒素、ヘリウム、またはアルゴンの単体ガス、もしくはそれらの混合ガスが使用可能である。あらかじめ精製器を用いて酸素、水蒸気、一酸化炭素或いは二酸化炭素等の不純ガス成分を除去しておくことが好ましい。   Hereinafter, the details of the epitaxial crystal growth will be described using the HVPE method as an example, but the present invention is not limited to this. FIG. 4 is a plan view conceptually showing a merged portion of the source gas of nitrogen nitride crystal and the nitrogen source gas of the vapor phase growth apparatus of the present invention. Reference numeral 41 denotes a tube wall of the reaction tube. Quartz glass is preferably used as the material for the reaction tube used here. A carrier gas always flows in the reaction tube in order to flow the gas in one direction. As the kind of carrier gas, hydrogen, nitrogen, helium, argon simple gas, or a mixed gas thereof can be used. It is preferable to remove impure gas components such as oxygen, water vapor, carbon monoxide or carbon dioxide in advance using a purifier.

反応管41には加熱装置42が配置される。本発明の方法は、コールドウォールタイプの加熱方法(高周波誘導加熱方式、光による基板加熱方式等)にも有効である。図4はホットウォールの加熱装置を用いた場合であり、反応管41を取り巻くように加熱装置42が配置されている。ホットウォールの加熱装置には公知の抵抗加熱装置や輻射加熱装置を用いればよい。反応管の所定の位置に基板保持のためにサセプタ43を設置し、エッチングが完了した窒化アルミニウム結晶基板44をサセプタ上に設置する。   A heating device 42 is disposed in the reaction tube 41. The method of the present invention is also effective for a cold wall type heating method (high frequency induction heating method, substrate heating method using light, etc.). FIG. 4 shows a case where a hot wall heating device is used, and a heating device 42 is arranged so as to surround the reaction tube 41. A known resistance heating device or radiation heating device may be used as the hot wall heating device. A susceptor 4 3 is installed at a predetermined position of the reaction tube to hold the substrate, and an aluminum nitride crystal substrate 44 having been etched is installed on the susceptor.

本発明は大気圧以下あるいは大気圧以上においても実施可能であるが、通常は大気圧において行われる。窒化アルミニウム結晶基板をサセプタに設置した後、上記の加熱装置により加熱する。一般的には800℃以上の温度領域で行われる。   Although the present invention can be carried out at atmospheric pressure or below atmospheric pressure, it is usually carried out at atmospheric pressure. After the aluminum nitride crystal substrate is placed on the susceptor, it is heated by the above heating device. Generally, it is performed in a temperature range of 800 ° C. or higher.

次いで、アルミニウム系ハロゲン化物ガス、窒素源ガスを供給し、基板上にて混合、反応させてアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長する。アルミニウム系ハロゲン化物ガスはハロゲン化物ガス供給ノズル15から供給される。アルミニウム系ハロゲン化物ガスとしては、目的とするアルミニウム系窒化物結晶の組成に応じて、三塩化アルミニウム等のハロゲン化アルミニウムや、三塩化ガリウム等のハロゲン化ガリウム、三塩化インジウム等のハロゲン化インジウムなどのハロゲン化物ガスを適宜混合しハロゲン化物ガス供給ノズル15に供給する。   Next, an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied, mixed and reacted on the substrate to epitaxially grow an aluminum nitride crystal. The aluminum halide gas is supplied from the halide gas supply nozzle 15. Examples of the aluminum halide gas include aluminum halides such as aluminum trichloride, gallium halides such as gallium trichloride, and indium halides such as indium trichloride, depending on the composition of the target aluminum nitride crystal. Are appropriately mixed and supplied to the halide gas supply nozzle 15.

アルミニウム系ハロゲン化物ガスの発生方法としては特許公報2003−303774号記載の通り、ハロゲン化物ガス供給ノズル15より上流側に別途反応管と加熱装置を設けてアルミニウム、ガリウム、インジウムなどのIII族金属とハロゲン化水素を反応させればよい。   As a method for generating an aluminum halide gas, as described in Japanese Patent Publication No. 2003-303774, a reaction tube and a heating device are separately provided on the upstream side of the halide gas supply nozzle 15, and a group III metal such as aluminum, gallium, or indium is used. What is necessary is just to make hydrogen halide react.

或いは、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化インジウム等のハロゲン化物そのものを加熱、気化し、キャリアガスを用いてハロゲン化物供給ノズル15に導入してもよい。この場合、ハロゲン化物には無水結晶であり、かつ不純物の少ないものが好ましい。不純物が、目的としたアルミニウム系窒化物結晶に混入すると、結晶構造の欠陥、不測の電気伝導等、不確定な物理的化学的特性をもたらすため好ましくない。   Alternatively, the halide itself such as aluminum halide, gallium halide, and indium halide may be heated and vaporized and introduced into the halide supply nozzle 15 using a carrier gas. In this case, the halide is preferably an anhydrous crystal and has few impurities. If impurities are mixed into the intended aluminum-based nitride crystal, it is not preferable because it causes uncertain physical and chemical characteristics such as crystal structure defects and unexpected electrical conduction.

HVPE法によるエピタキシャル成長においては、窒素源ガスを必要とする。窒素源ガスはアルミニウム系ハロゲン化物ガスを窒化してアルミニウム系窒化物結晶を得るための反応性ガスであり、通常キャリアガスに希釈して供給する。当該窒素源ガスとしては、窒素を含有する反応性ガスが採用されるが、コストと取扱易さの点で、アンモニアガスが好ましい。このキャリアガスとアンモニアガスについては、反応管全体を押し流す程度のガスを供給すればよい。   Nitrogen source gas is required for epitaxial growth by the HVPE method. The nitrogen source gas is a reactive gas for nitriding an aluminum halide gas to obtain an aluminum nitride crystal, and is usually diluted with a carrier gas and supplied. Although the reactive gas containing nitrogen is employ | adopted as the said nitrogen source gas, ammonia gas is preferable at the point of cost and the ease of handling. About this carrier gas and ammonia gas, the gas which should just push the whole reaction tube should just be supplied.

また、アルミニウム系ハロゲン化物ガス及び窒素源ガスを供給している間、両反応ガスのノズル先端部における反応を抑制する目的でバリアガスを反応管内に供給してもよい。両反応ガスは各供給ノズル先端部においては空間的に分離されているが、ノズルから反応域を流れて基板に至る間に拡散混合される。そして基板上において反応してアルミニウム系窒化物結晶がエピタキシャル成長する。   Further, while supplying the aluminum halide gas and the nitrogen source gas, a barrier gas may be supplied into the reaction tube for the purpose of suppressing the reaction of both reaction gases at the nozzle tip. Both reaction gases are spatially separated at the tip of each supply nozzle, but are mixed by diffusion while flowing from the nozzle through the reaction zone to the substrate. The aluminum-based nitride crystal grows epitaxially by reacting on the substrate.

アルミニウム系ハロゲン化物ガスの供給量は、一般的に基板上へのアルミニウム系窒化物結晶の成長速度を勘案して決める。基板上に供給される全ガス(キャリアガス、アルミニウム系ハロゲン化物ガス、窒素源ガス、バリアガス)の標準状態における体積の合計に対するアルミニウム系ハロゲン化物ガスの標準状態における体積の割合をアルミニウム系ハロゲン化物ガスの供給分圧として定義すると、1×10−4atm〜5×10−2atmの範囲が通常選択される。窒素源ガスの供給量は、一般的に供給するアルミニウム系ハロゲン化物ガスの1〜200倍の供給量が好適に選択されるがこの限りでない。 The supply amount of the aluminum halide gas is generally determined in consideration of the growth rate of the aluminum nitride crystal on the substrate. The ratio of the volume in the standard state of the aluminum halide gas to the total volume in the standard state of all gases (carrier gas, aluminum halide gas, nitrogen source gas, barrier gas) supplied onto the substrate is the aluminum halide gas. In general, the range of 1 × 10 −4 atm to 5 × 10 −2 atm is selected. The supply amount of the nitrogen source gas is preferably selected as a supply amount of 1 to 200 times that of the generally supplied aluminum halide gas, but is not limited thereto.

一定時間成長した後、アルミニウム系ハロゲン化物ガスの供給を停止して、成長を終了し、加熱装置を降温する。キャリアガスに水素を使う場合、基板上に成長したアルミニウム系窒化物結晶の再分解を防ぐ目的で、基板の温度が下がるまで窒素源ガスを流通することが望ましい。   After growing for a certain time, the supply of aluminum halide gas is stopped, the growth is terminated, and the temperature of the heating device is lowered. When hydrogen is used as the carrier gas, it is desirable to circulate the nitrogen source gas until the temperature of the substrate decreases in order to prevent re-decomposition of the aluminum-based nitride crystals grown on the substrate.

以上の手順により、アルミニウム系窒化物結晶を得ることができる。成長結晶層の膜厚は成長前後の基板の重量変化と、基板の表面積、成長層の密度から計算可能である。膜厚の制御は成長時間はもちろんのこと、供給するアルミニウム系ハロゲン化物ガスの供給量、窒素源ガス供給量などによって変化させることができる。   By the above procedure, an aluminum-based nitride crystal can be obtained. The film thickness of the growth crystal layer can be calculated from the weight change of the substrate before and after the growth, the surface area of the substrate, and the density of the growth layer. The film thickness can be controlled not only by the growth time but also by the supply amount of the aluminum halide gas to be supplied, the supply amount of the nitrogen source gas, and the like.

得られたアルミニウム系窒化物結晶は前述のX線ロッキングカーブ測定により、その結晶品質を評価する。ロッキングカーブとは、試料がブラッグの回折条件を満たす角度の2倍の位置にディテクターを固定して、X線の入射角を変化させて得られる回折のことである。アルミニウム系窒化物結晶のロッキングカーブ測定は、Tilt(チルト)と呼ばれる(002)方向、ならびにTwist(ツイスト)と呼ばれる(100)方向に関して行われる。それらの半値幅の値が小さいほどアルミニウム系窒化物結晶の結晶品質が良好であると言える。欠陥が含まれるとロッキングカーブの半値幅は広くなる。   The obtained aluminum nitride crystal is evaluated for its crystal quality by the above-mentioned X-ray rocking curve measurement. The rocking curve is diffraction obtained by changing the incident angle of the X-ray by fixing the detector at a position twice the angle at which the sample satisfies the Bragg diffraction condition. The rocking curve of the aluminum nitride crystal is measured in the (002) direction called Tilt (tilt) and the (100) direction called Twist. It can be said that the smaller the half width value, the better the crystal quality of the aluminum-based nitride crystal. When the defect is included, the half-width of the rocking curve becomes wide.

以下、実施例により本発明の内容を具体的に説明する。本発明においてはHVPE法により窒化アルミニウム結晶基板上に成長させた窒化アルミニウム結晶をX線ロッキングカーブにおけるTilt成分、Twist成分の半値幅により評価した。   Hereinafter, the contents of the present invention will be specifically described with reference to examples. In the present invention, the aluminum nitride crystal grown on the aluminum nitride crystal substrate by the HVPE method was evaluated by the half-value width of the Tilt component and the Twist component in the X-ray rocking curve.

窒化アルミニウム結晶基板としては、c面サファイア基板上にMOVPE法により予め窒化アルミニウム予備成長結晶膜を成長させたテンプレート基板を用いた。窒化アルミニウム予備成長結晶膜の膜厚は、電界放射型走査型電子顕微鏡による断面観察から0.76μmであった。   As the aluminum nitride crystal substrate, a template substrate in which an aluminum nitride pre-grown crystal film was previously grown on a c-plane sapphire substrate by the MOVPE method was used. The film thickness of the aluminum nitride pre-grown crystal film was 0.76 μm from cross-sectional observation with a field emission scanning electron microscope.

窒化アルミニウム結晶基板の極性判定は、水酸化カリウムによるエッチングにより行った。エッチング後に電界放射型走査型電子顕微鏡により基板断面を観察し、窒化アルミニウム膜の有無を確認し、大幅に窒化アルミニウム膜がエッチングされる場合を窒素極性と判断した。   The polarity of the aluminum nitride crystal substrate was determined by etching with potassium hydroxide. After etching, the cross section of the substrate was observed with a field emission scanning electron microscope, the presence or absence of the aluminum nitride film was confirmed, and the case where the aluminum nitride film was significantly etched was judged as nitrogen polarity.

先ず、窒化アルミニウム結晶基板表面の金属イオンを除去するため、室温の20%高純度塩酸に5分間浸漬した。次いで、ホットプレート上で50℃に加熱した45mass%水酸化カリウム水溶液中に窒化アルミニウム結晶基板を10分浸漬してエッチングした。この際、エッチング前に窒化アルミニウム結晶基板に干渉色が見られたが、水酸化カリウム水溶液に浸漬すると速やかに干渉色が消えた。Al極性を持つ場合は、水酸化カリウム水溶液に対して強い化学的耐久性を持つため、干渉色が失われることはない。この結果、本窒化アルミニウム結晶基板が窒素極性であることが確認された。エッチング終了後、基板表面に残留する水酸化カリウムを除去するため、室温の20%高純度塩酸に10分間浸漬して中和した。次いで、超純水中にて窒化アルミニウム結晶基板を洗浄し、乾燥窒素ブローにより乾燥させた。   First, in order to remove metal ions on the surface of the aluminum nitride crystal substrate, it was immersed in 20% high-purity hydrochloric acid at room temperature for 5 minutes. Next, the aluminum nitride crystal substrate was immersed for 10 minutes in a 45 mass% potassium hydroxide aqueous solution heated to 50 ° C. on a hot plate and etched. At this time, an interference color was observed on the aluminum nitride crystal substrate before etching, but the interference color disappeared quickly when immersed in an aqueous potassium hydroxide solution. In the case of Al polarity, the interference color is not lost because it has strong chemical durability against an aqueous potassium hydroxide solution. As a result, the present aluminum nitride crystal substrate was confirmed to be nitrogen polar. After the etching, in order to remove potassium hydroxide remaining on the substrate surface, the substrate was neutralized by dipping in 20% high-purity hydrochloric acid at room temperature for 10 minutes. Next, the aluminum nitride crystal substrate was washed in ultrapure water and dried by dry nitrogen blowing.

エッチングした基板を電界放射型走査型電子顕微鏡により断面観察した結果、サファイア表面の予備成長させた窒化アルミニウムは殆ど残っておらず、窒化アルミニウム結晶基板は窒素極性を持つものと判定された。   As a result of cross-sectional observation of the etched substrate using a field emission scanning electron microscope, it was determined that almost no pre-grown aluminum nitride on the sapphire surface remained, and the aluminum nitride crystal substrate had nitrogen polarity.

以後、窒化アルミニウム結晶基板上にアンモニア水溶液を用いたエッチングがある場合とない場合、すなわち表面酸化層を除去する場合としない場合について、HVPE法により窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長した結果について記載する。   Hereinafter, the results of epitaxial growth of aluminum nitride crystals by the HVPE method will be described in the case where there is an etching using an aqueous ammonia solution on the aluminum nitride crystal substrate, that is, the case where the surface oxide layer is not removed.

比較例1
窒化アルミニウム結晶基板をエッチングせずに、その上に窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長させた比較例である。
Comparative Example 1
This is a comparative example in which an aluminum nitride crystal is epitaxially grown on an aluminum nitride crystal substrate without etching.

図4に示される横断面の反応管を用いた。三塩化アルミニウムガスの供給方法は、特開2003−303774号に従い、金属アルミニウムと塩化水素ガスを反応させることにより三塩化アルミニウムガスを発生させた。したがって、加熱装置にはホットウォールタイプの抵抗加熱装置を用いており、先の三塩化アルミニウムガスを発生させる温度領域と、発生した三塩化アルミニウムガスと窒素源ガスを反応させる温度領域の2ゾーンの温度制御が可能な加熱装置を用いた。   A reaction tube having a cross section shown in FIG. 4 was used. The aluminum trichloride gas was supplied in accordance with Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-303774 by generating aluminum trichloride gas by reacting metal aluminum with hydrogen chloride gas. Therefore, a hot wall type resistance heating device is used as the heating device, and includes two zones of a temperature region in which the aluminum trichloride gas is generated and a temperature region in which the generated aluminum trichloride gas and the nitrogen source gas are reacted. A heating device capable of temperature control was used.

アルミナ製サセプタに1×1cmに劈開した前出の窒化アルミニウム結晶基板を設置した。昇温開始から反応管内にはエピタキシャル成長層の形成時のキャリアガスを流通した。即ち、ハロゲン化物ガス供給ノズルからは水素ガスを供給し、このときの先端のガスの線速度を290cm/sとした。また、三塩化アルミニウムガス及び窒素源のアンモニアガスのキャリアガスとして水素ガスを合計750SCCM供給した。バリアノズルには三塩化アルミニウムガスの線速度に対して0.6倍になるように窒素ガスを供給した。反応管内は総流量2250SCCMのガスを供給した状態であり、この状態で反応管温度を1100℃に昇温した。   The aforementioned aluminum nitride crystal substrate cleaved to 1 × 1 cm was placed on an alumina susceptor. From the start of temperature increase, a carrier gas for forming the epitaxial growth layer was circulated in the reaction tube. That is, hydrogen gas was supplied from the halide gas supply nozzle, and the linear velocity of the gas at the tip at this time was set to 290 cm / s. Further, a total of 750 SCCM of hydrogen gas was supplied as a carrier gas for aluminum trichloride gas and ammonia gas as a nitrogen source. Nitrogen gas was supplied to the barrier nozzle so as to be 0.6 times the linear velocity of aluminum trichloride gas. The inside of the reaction tube is in a state where a gas having a total flow rate of 2250 SCCM is supplied, and the reaction tube temperature is raised to 1100 ° C. in this state.

続いて、前記の線速度を保つように、三塩化アルミニウムガスをハロゲン化物ガス供給ノズルから、窒素源ガスとしてアンモニアガスをキャリアガスに混合して供給した。三塩化アルミニウムの供給分圧は5×10−4atmとし、アンモニアガスの供給分圧は1×10−3atmとし、窒化アルミニウム結晶の成長を開始した。この状態で60分間保持して窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長させた。 Subsequently, in order to maintain the linear velocity, aluminum trichloride gas was supplied from a halide gas supply nozzle by mixing ammonia gas as a nitrogen source gas with a carrier gas. The supply pressure of aluminum trichloride was 5 × 10 −4 atm, the supply pressure of ammonia gas was 1 × 10 −3 atm, and growth of aluminum nitride crystals was started. The aluminum nitride crystal was epitaxially grown by holding for 60 minutes in this state.

60分間成長を行った後、三塩化アルミニウムの供給を停止し、加熱装置の降温を開始した。基板上に成長した窒化アルミニウムの再分解を防ぐため、加熱装置が550℃に温度が下がるまでアンモニアガスを反応管に流通した。その後、加熱装置が室温付近まで下がったことを確認して、反応管から基板を取り出した。   After growing for 60 minutes, the supply of aluminum trichloride was stopped and the temperature of the heating device was started to drop. In order to prevent re-decomposition of the aluminum nitride grown on the substrate, ammonia gas was passed through the reaction tube until the temperature of the heating device decreased to 550 ° C. Thereafter, it was confirmed that the heating apparatus had dropped to near room temperature, and the substrate was taken out from the reaction tube.

次に基板重量を秤量し、成長前後の重量変化と、基板面積、ならびに窒化アルミニウムの密度から、基板上にエピタキシャル成長した窒化アルミニウム結晶の平均膜厚を計算した。窒化アルミニウムの密度は3.27g/cmとした。基板上に成長した窒化アルミニウムの平均膜厚は1.9μmであった。 Next, the substrate weight was weighed, and the average film thickness of the aluminum nitride crystal epitaxially grown on the substrate was calculated from the weight change before and after growth, the substrate area, and the density of aluminum nitride. The density of aluminum nitride was 3.27 g / cm 3 . The average film thickness of aluminum nitride grown on the substrate was 1.9 μm.

またX線回折装置のロッキングカーブを測定したところ、Tilt成分の半値幅は42.6minであり、Twist成分の半値幅は37.2minであった。   When the rocking curve of the X-ray diffractometer was measured, the half-value width of the Tilt component was 42.6 min and the half-value width of the Twist component was 37.2 min.

実施例1
窒化アルミニウム結晶基板を弱塩基性溶液によりエッチングして、表面酸化層を除去した後、その上に窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長した実施例である。
Example 1
In this embodiment, the aluminum nitride crystal substrate is etched with a weakly basic solution to remove the surface oxide layer, and then an aluminum nitride crystal is epitaxially grown thereon.

窒化アルミニウム結晶基板の弱塩基性溶液エッチングの手順は以下の通り行った。始めに、前出の窒化アルミニウム結晶基板表面をアセトン中で3分間脱脂洗浄した。エッチングには市販の25%アンモニア水溶液を用いた。室温におけるpHは12.8であった。次いで、ホットプレート上で50℃に加熱した25%アンモニア水溶液に窒化アルミニウム結晶基板を10分間浸漬しエッチングを行った。エッチング終了後は、超純水で基板を洗浄し直ちに乾燥窒素ブローにより基板を乾燥させた。この基板をHVPE装置に搬送し、サセプタ上に設置した。以後の基板上への窒化アルミニウム結晶の成長手順は比較例1と同様である。   The procedure for the weak basic solution etching of the aluminum nitride crystal substrate was as follows. First, the above-mentioned aluminum nitride crystal substrate surface was degreased and washed in acetone for 3 minutes. A commercially available 25% aqueous ammonia solution was used for the etching. The pH at room temperature was 12.8. Next, etching was performed by immersing the aluminum nitride crystal substrate in a 25% aqueous ammonia solution heated to 50 ° C. on a hot plate for 10 minutes. After completion of the etching, the substrate was washed with ultrapure water and immediately dried with dry nitrogen blowing. This board | substrate was conveyed to the HVPE apparatus, and was installed on the susceptor. The subsequent growth procedure of the aluminum nitride crystal on the substrate is the same as in Comparative Example 1.

基板上にエピタキシャル成長した窒化アルミニウムの平均膜厚は1.3μmであった。X線ロッキングカーブを測定したところ、Tilt成分の半値幅は27.6minであり、Twist成分の半値幅は30.6minであり、窒化アルミニウム結晶基板をエッチングしない場合に比較すると結晶性が改善されていた。   The average film thickness of aluminum nitride epitaxially grown on the substrate was 1.3 μm. When the X-ray rocking curve was measured, the half width of the Tilt component was 27.6 min, the half width of the Twist component was 30.6 min, and the crystallinity was improved as compared with the case where the aluminum nitride crystal substrate was not etched.

実施例2
窒化アルミニウム結晶基板のアンモニア水溶液エッチングを20分とした以外は、実施例1同様にして、窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長した。その結果、窒化アルミニウム結晶の平均膜厚は1.4μmであった。また、ロッキングカーブを測定したところ、Tilt成分の半値幅は22.2minであり、Twist成分の半値幅は28.8minであり、エッチング時間が10minの場合よりもさらに良好な結晶性を示した。
Example 2
Aluminum nitride crystals were epitaxially grown in the same manner as in Example 1 except that the aluminum nitride crystal substrate was etched with an aqueous ammonia solution for 20 minutes. As a result, the average film thickness of the aluminum nitride crystal was 1.4 μm. When the rocking curve was measured, the half width of the Tilt component was 22.2 min, the half width of the Twist component was 28.8 min, and the crystallinity was even better than when the etching time was 10 min.

別途、同様のアンモニア水溶液エッチングを行った窒化アルミニウム結晶基板を作製し、電界放射型走査型電子顕微鏡により断面観察を行った結果、窒化アルミニウム予備成長層の膜厚は0.66μmであった。元の膜厚は0.76μmであるので20分間のエッチングで0.1μmエッチングされた。これは図1の示す窒化アルミニウム結晶基板の表面酸化層を十分に除去した程度の厚さである。窒化アルミニウム結晶基板上にエピタキシャル成長した窒化アルミニウム結晶の品質が改善した理由は、基板の表面酸化層が除去されたことによると理解できる。   Separately, an aluminum nitride crystal substrate subjected to the same aqueous ammonia etching was prepared, and a cross-sectional observation was performed with a field emission scanning electron microscope. As a result, the thickness of the aluminum nitride pre-grown layer was 0.66 μm. Since the original film thickness was 0.76 μm, it was etched by 0.1 μm after 20 minutes of etching. This thickness is such that the surface oxide layer of the aluminum nitride crystal substrate shown in FIG. 1 is sufficiently removed. It can be understood that the reason why the quality of the aluminum nitride crystal epitaxially grown on the aluminum nitride crystal substrate is improved is that the surface oxide layer of the substrate is removed.

比較例2
窒化アルミニウム結晶基板のアンモニア水溶液エッチングを30分とした以外は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウム結晶をエピタキシャル成長した。その結果、窒化アルミニウム結晶の平均膜厚は1.4μmであった。また、ロッキングカーブを測定したところ、Tilt成分の半値幅は61.2minであり、Twist成分の半値幅は41.4minであり、未処理の場合よりもむしろ結晶品質が低下した。この原因としては、窒素極性窒化アルミニウム結晶を有する窒化アルミニウム結晶基板では弱塩基性水溶液により比較的容易にエッチングが進行するが、この場合は表面酸化層以上にエッチングが進行したため、窒化アルミニウム結晶基板の表面が荒れたためと予想される。
Comparative Example 2
An aluminum nitride crystal was epitaxially grown in the same manner as in Example 1 except that the aluminum aqueous solution etching of the aluminum nitride crystal substrate was performed for 30 minutes. As a result, the average film thickness of the aluminum nitride crystal was 1.4 μm. When the rocking curve was measured, the half width of the Tilt component was 61.2 min, and the half width of the Twist component was 41.4 min. The crystal quality was lowered rather than the untreated case. The cause of this is that etching proceeds relatively easily with a weakly basic aqueous solution in an aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polar aluminum nitride crystals, but in this case, etching proceeds more than the surface oxide layer. It is expected that the surface was rough.

以上の事実を表1、図5にまとめる。   The above facts are summarized in Table 1 and Figure 5.

Figure 2006240895
Figure 2006240895

窒化アルミニウムテンプレート結晶基板の深さ方向元素濃度プロファイルの測定結果を示す図(X線光電子分光法)The figure which shows the measurement result of the element profile in the depth direction of the aluminum nitride template crystal substrate (X-ray photoelectron spectroscopy) テンプレート基板および窒化アルミニウム単結晶基板の模式図Schematic diagram of template substrate and aluminum nitride single crystal substrate 窒化アルミニウムの結晶構造(ウルツ鉱型結晶)と極性に関する模式図Schematic diagram of the crystal structure (wurtzite crystal) and polarity of aluminum nitride 本発明で使用したハライド気相エピタキシャル成長装置のガス合流部および反応域の模式図Schematic diagram of gas confluence and reaction zone of halide vapor phase epitaxial growth apparatus used in the present invention アンモニア水溶液エッチング時間と結晶品質の関係Relationship between aqueous ammonia etching time and crystal quality

符号の説明Explanation of symbols

21 窒化アルミニウム結晶膜(予備成長結晶層)
22 表面酸化層(領域)
23 母材基板
24 アルミニウム系窒化物結晶層(エピタキシャル成長結晶層)
25 窒化アルミニウム結晶基板
41 反応管
42 加熱装置
43 サセプタ
44 基板
45 ハロゲン化物ガス供給ノズル
46 バリアノズル
21 Aluminum nitride crystal film (pre-grown crystal layer)
22 Surface oxide layer (region)
23 Base material substrate 24 Aluminum-based nitride crystal layer (epitaxial growth crystal layer)
25 Aluminum nitride crystal substrate 41 Reaction tube 42 Heating device 43 Susceptor 44 Substrate 45 Halide gas supply nozzle 46 Barrier nozzle

Claims (4)

窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶基板の表面に存在する酸化層を弱塩基性水溶液でエッチング処理して除去し、次いで該基板上にアルミニウム系窒化物結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするアルミニウム系窒化物結晶の製造方法。 An aluminum nitride characterized by removing an oxide layer existing on the surface of an aluminum nitride crystal substrate having nitrogen polarity by etching with a weakly basic aqueous solution and then epitaxially growing an aluminum nitride crystal on the substrate Crystal production method. 窒化アルミニウム結晶基板が、窒化アルミニウム単結晶基板または母材基板上に窒化アルミニウム結晶が被覆されてなるテンプレート基板である請求項1記載のアルミニウム系窒化物結晶の製造方法。 2. The method for producing an aluminum-based nitride crystal according to claim 1, wherein the aluminum nitride crystal substrate is a template substrate in which an aluminum nitride crystal is coated on an aluminum nitride single crystal substrate or a base material substrate. 弱塩基性水溶液が、アンモニア水溶液である請求項1または2記載のアルミニウム系窒化物結晶の製造方法。 The method for producing an aluminum-based nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the weakly basic aqueous solution is an aqueous ammonia solution. 請求項1〜3記載の製造方法によって得られることを特徴とするアルミニウム系窒化物結晶積層基板。
An aluminum-based nitride crystal multilayer substrate obtained by the production method according to claim 1.
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