JP2006316308A - Method of forming group iii nitride semiconductor layer, method of manufacturing group iii nitride semiconductor substrate, and group iii nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体層を形成する技術に関する。 The present invention relates to a technique for forming a group III nitride semiconductor layer.
近年、窒化ガリウム(GaN)結晶を窒化物系光デバイスや電子デバイス作製用基板として用いることが提案されており、この基板を得るためにバルク結晶を作製する試みが、多くの研究機関で行われている。しかしながら、GaN結晶の窒素の解離圧が高いために、GaAsのように溶液から大きなバルク結晶を得ることが難しく、GaN半導体基板として利用できるGaNバルク結晶の作製は非常に困難である。 In recent years, it has been proposed to use a gallium nitride (GaN) crystal as a substrate for producing a nitride-based optical device or electronic device, and many research institutions have attempted to produce a bulk crystal to obtain this substrate. ing. However, since the dissociation pressure of nitrogen in the GaN crystal is high, it is difficult to obtain a large bulk crystal from a solution such as GaAs, and it is very difficult to manufacture a GaN bulk crystal that can be used as a GaN semiconductor substrate.
このため、GaN半導体基板の製造方法としては、特許文献1に記載されるような方法が提案されている。
この製造方法では、サファイア(Al2O3)基板上に、島状の被覆部を有するマスクを形成し、被覆部の周囲の開口部からGaN半導体層を成長させる。このとき、開口部から成長するGaN半導体層は、特許文献1の請求項1等に記載されているように、断面略T字型となる。
そして、マスクの被覆部上面の中央で、GaN半導体層同士を合体させる。マスクの被覆部の上面の中央で、GaN半導体層同士を合体させることで、転位が発生しやすいGaN半導体層同士の合体点の面積を最小限に抑制することができる。
その後、GaN半導体層とサファイア基板とを剥離し、GaN半導体基板を得る。
In this manufacturing method, a mask having an island-shaped cover is formed on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, and a GaN semiconductor layer is grown from an opening around the cover. At this time, the GaN semiconductor layer grown from the opening has a substantially T-shaped cross section as described in
Then, the GaN semiconductor layers are united at the center of the upper surface of the mask covering portion. By combining the GaN semiconductor layers at the center of the upper surface of the mask covering portion, the area of the merging point between the GaN semiconductor layers where dislocation is likely to occur can be minimized.
Thereafter, the GaN semiconductor layer and the sapphire substrate are separated to obtain a GaN semiconductor substrate.
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献1に記載されたようなGaN半導体層の成長方法では、下地基板の成長領域からGaN半導体層を成長させる際に、下地基板から受け継いだ貫通転位が、積層方向上方に向かって成長する。そのため、GaN半導体層には、貫通転位が多く残存し、GaN半導体層の結晶性が悪いという問題がある。
However, the prior art described in the above literature has room for improvement in the following points.
In the GaN semiconductor layer growth method described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、結晶性のよいIII族窒化物半導体層を形成することができるIII族窒化物半導体層の形成方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for forming a group III nitride semiconductor layer capable of forming a group III nitride semiconductor layer having good crystallinity. It is in.
本発明によれば、下地基板上に平面形状が多角形形状の被覆部を有するマスクを形成する工程と、少なくとも、前記マスクの前記被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を成長させる工程と、前記核から、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を成長させ、前記構造体同士を合体して、III族窒化物半導体層を得る工程と、
を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法が提供される。
According to the present invention, a step of forming a mask having a polygonal covering portion on a base substrate, and at least growing a nucleus of a group III nitride semiconductor layer at a corner portion of the covering portion of the mask Growing a structure having a facet surface inclined with respect to the substrate surface of the base substrate from the nucleus, and combining the structures to obtain a group III nitride semiconductor layer;
A method for forming a group III nitride semiconductor layer is provided.
ここで、被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を成長させる工程では、被覆部上のIII族窒化物半導体が角部に集まり、核を形成する。従って、被覆部の角部は、180°よりも小さい必要がある。角部の形成する角度が180°以上となると角部に核を形成することができなくなるからである。
被覆部の角部の角度は、120°以下が好ましい。被覆部の角部の角度を120°以下とすることで、安定的にIII族窒化物半導体層の核を形成することができる。
また、角部はIII族窒化物半導体層の核が形成できればよく、角部が多少丸みを帯びていてもよい。
さらに、マスクの被覆部の形状としては、平面形状が多角形形状であれば任意であるが、平面四角形形状、平面六角形形状であることが好ましい。
Here, in the step of growing the nucleus of the group III nitride semiconductor layer at the corner portion of the covering portion, the group III nitride semiconductor on the covering portion gathers at the corner portion to form the nucleus. Therefore, the corner of the covering portion needs to be smaller than 180 °. This is because if the angle formed by the corner becomes 180 ° or more, it becomes impossible to form a nucleus in the corner.
The angle of the corner of the covering is preferably 120 ° or less. By setting the angle of the corner portion of the covering portion to 120 ° or less, the nucleus of the group III nitride semiconductor layer can be stably formed.
Further, the corners only need to form the nucleus of the group III nitride semiconductor layer, and the corners may be somewhat rounded.
Furthermore, the shape of the mask covering portion is arbitrary as long as the planar shape is a polygonal shape, but is preferably a planar rectangular shape or a planar hexagonal shape.
この発明によれば、被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を成長させ、この核から下地基板に対して傾斜するファセット面を有する構造体を成長させている。下地基板から受け継いだ貫通転位は、前記構造体の下地基板に対して傾斜するファセット面で折れ曲がる。
被覆部の角部の核から成長した各構造体は、マスクの被覆部の中央部に向かって、発達しながら成長する。本発明による方法では、ファセット面を有する構造体は被覆部の角部から成長するために、各構造体の周囲がファセット面に囲まれて発達することになり、下地基板から受け継いだ貫通転位はより曲がりやすくなる。
そして、各構造体は、マスクの被覆部の上面で集まって合体するので、貫通転位も、マスクの被覆部上面に集まることになり、従来のように断面T字型のIII族窒化物半導体層同士を合体させる場合と比較して、貫通転位をより特定の部分に集中させることが可能となる。そのため、異なるバーガースベクトルを有する転位同士の反応を促進することができる。これにより、転位ループを形成してより効果的に、貫通転位を低減することができる。
これに加え、構造体は、マスクの被覆部上で集まって合体するばかりではなく、マスクの開口部でも各構造体同士の同様な合体が生じるために、その効果はより大きくなる。
従って、本発明による方法ではIII族窒化物半導体層中に生じる転位の密度を少なくすることができ、結晶性の良いIII族窒化物半導体層を得ることができる。
According to the present invention, the nucleus of the group III nitride semiconductor layer is grown at the corner of the covering portion, and the structure having the facet plane inclined from the nucleus with respect to the base substrate is grown. The threading dislocation inherited from the base substrate is bent at the facet surface inclined with respect to the base substrate of the structure.
Each structure grown from the core of the corner portion of the covering portion grows while developing toward the central portion of the covering portion of the mask. In the method according to the present invention, since the structure having the facet surface grows from the corner portion of the covering portion, the periphery of each structure is developed surrounded by the facet surface, and the threading dislocation inherited from the base substrate is It becomes easier to bend.
Since each structure is gathered and united on the upper surface of the mask covering portion, the threading dislocations also gather on the upper surface of the mask covering portion, and the group III nitride semiconductor layer having a T-shaped cross section as in the prior art. Compared to the case of combining them, threading dislocations can be more concentrated in a specific part. Therefore, the reaction between dislocations having different Burgers vectors can be promoted. Thereby, a threading dislocation can be reduced more effectively by forming a dislocation loop.
In addition, the structures are not only gathered and united on the covering portion of the mask, but also the similar uniting of the structures occurs at the opening of the mask, so that the effect is further increased.
Therefore, in the method according to the present invention, the density of dislocations generated in the group III nitride semiconductor layer can be reduced, and a group III nitride semiconductor layer having good crystallinity can be obtained.
本発明によれば、結晶性のよいIII族窒化物半導体層を形成することができるIII族窒化物半導体層の形成方法、III族窒化物半導体基板の製造方法、III族窒化物半導体基板が提供される。 According to the present invention, a Group III nitride semiconductor layer forming method, a Group III nitride semiconductor substrate manufacturing method, and a Group III nitride semiconductor substrate capable of forming a Group III nitride semiconductor layer having good crystallinity are provided. Is done.
本発明では、前記III族窒化物半導体層の核を成長させる工程及び前記III族窒化物半導体層を得る工程では、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法を使用してもよい。
HVPE法を用いることで、マスクの被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を確実に成長させ、さらに、核から、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を成長させることができる。
In the present invention, a HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method may be used in the step of growing the nucleus of the group III nitride semiconductor layer and the step of obtaining the group III nitride semiconductor layer.
By using the HVPE method, the nucleus of the group III nitride semiconductor layer is reliably grown at the corner of the mask covering portion, and the structure has a facet surface that is inclined from the nucleus to the substrate surface of the base substrate Can grow.
さらに、本発明では、前記III族窒化物半導体層の核を成長させる工程及び前記III族窒化物半導体層を得る工程では、前記III族窒化物半導体層を構成する窒素の原料ガスの供給量と、前記III族窒化物半導体層を構成するIII族の原料ガスの供給量との比であるV/III比が30以上であることが好ましい。
HVPE法を用い、V/III比を30以上とすることで、マスクの被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核をより確実に成長させ、さらに、核から、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を成長させることができる。
Further, in the present invention, in the step of growing the nucleus of the group III nitride semiconductor layer and the step of obtaining the group III nitride semiconductor layer, the supply amount of the nitrogen source gas constituting the group III nitride semiconductor layer is The V / III ratio, which is a ratio to the supply amount of the group III source gas constituting the group III nitride semiconductor layer, is preferably 30 or more.
By using the HVPE method and setting the V / III ratio to 30 or more, the nucleus of the group III nitride semiconductor layer is more reliably grown at the corner of the mask covering portion, and from the nucleus to the substrate surface of the base substrate It is possible to grow structures having faceted surfaces that are inclined with respect to.
また、本発明では、前記マスクを形成する工程では、ストライプ状に所定の間隔をあけて平行配置される第一の被覆部と、この第一の被覆部間に配置された第二の被覆部とを備え、前記第二の被覆部が、平面形状が多角形形状の前記被覆部であるマスクを形成してもよい。
さらには、前記第一の被覆部は、形成される前記III族窒化物半導体層の<11−20>方向に延在してもよい。
このような本発明では、III族窒化物半導体層の<11−20>方向に延在する第一の被覆部がストライプ状に所定の間隔をあけて平行配置されているので、第一の被覆部間で、ファセット面を有する構造体が形成されることとなる。
従って、多角形形状の第二の被覆部の角部からファセット面を有する構造体が成長するとともに、この角部から成長した構造体同士が合体して、第一の被覆部間で、新たにファセット面を有する構造体を形成することとなる。
これにより、より結晶性の高いIII族窒化物半導体層を得ることができる。
Further, in the present invention, in the step of forming the mask, a first covering portion arranged in parallel at a predetermined interval in a stripe shape and a second covering portion arranged between the first covering portions. And the second covering part may form a mask whose planar shape is the polygonal covering part.
Furthermore, the first covering portion may extend in the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer to be formed.
In the present invention, since the first covering portions extending in the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer are arranged in parallel at predetermined intervals in a stripe shape, A structure having a facet surface is formed between the portions.
Accordingly, a structure having a facet surface grows from the corner of the polygon-shaped second covering portion, and the structures grown from this corner merge together to newly form the first covering portion. A structure having a facet surface will be formed.
Thereby, a group III nitride semiconductor layer with higher crystallinity can be obtained.
また、本発明では、前記マスクを形成する工程では、少なくとも1辺が、形成される前記III族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿った多角形形状の前記被覆部を有するマスクを形成してもよい。
ここで、III族窒化物半導体層の<11−20>方向とは、III族窒化物半導体層の<11−20>方向と完全に等価な方向である必要はなく、III族窒化物半導体層の<11−20>方向と完全に等価な方向とのずれが10°以下のものも含む。
このような本発明によれば、多角形の被覆部の1辺がIII族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿っているので、III族窒化物半導体層の核から、ファセット面を有する構造体を確実に形成することができる。
さらに、本発明では、前記マスクを形成する工程では、平面形状が正六角形形状の被覆部を有し、この被覆部の各辺が前記III族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿ったマスクを形成してもよい。
このような本発明によれば、平面正六角形形状の被覆部の各辺がIII族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿っているので、被覆部の角部を構成する2辺それぞれに直交する前記構造体の断面が、三角形状となる。そのため、より、結晶性のよいIII族窒化物半導体層を形成することができる。
In the present invention, in the step of forming the mask, the mask having the covering portion having a polygonal shape along at least one side along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer to be formed. It may be formed.
Here, the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer does not have to be a completely equivalent direction to the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer, and the group III nitride semiconductor layer The deviation of the <11-20> direction from the completely equivalent direction is 10 ° or less.
According to the present invention as described above, since one side of the polygonal covering portion is along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer, the facet plane is formed from the nucleus of the group III nitride semiconductor layer. The structure which has can be formed reliably.
Furthermore, in the present invention, in the step of forming the mask, the planar shape has a covering portion having a regular hexagonal shape, and each side of the covering portion is along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer. A mask may be formed.
According to the present invention, since each side of the planar regular hexagonal covering portion is along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer, each of the two sides constituting the corner portion of the covering portion. The cross section of the structure perpendicular to the shape is triangular. Therefore, a group III nitride semiconductor layer with better crystallinity can be formed.
本発明では、上述した何れかの方法により、前記下地基板上に前記III族窒化物半導体層を成長させて、III族窒化物半導体層を得る工程と、前記III族窒化物半導体層と下地基板とを分離させる工程とを含み、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法も提供できる。
さらには、本発明では、前記III族窒化物半導体基板の製造方法により製造されたIII族窒化物半導体基板も提供できる。
In the present invention, the group III nitride semiconductor layer is grown on the base substrate by any of the methods described above to obtain a group III nitride semiconductor layer, and the group III nitride semiconductor layer and base substrate A group III nitride semiconductor substrate including the group III nitride semiconductor layer is obtained, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate can be provided.
Furthermore, the present invention can also provide a group III nitride semiconductor substrate manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
本発明の実施形態を図1〜図3の概略図を参照して説明する。
本実施形態のGaN基板の製造方法は、下地基板としてのサファイア(Al2O3)基板10上に平面形状が多角形形状の被覆部122を有するマスク12を形成する工程と、少なくとも、マスク12の被覆部122の角部122AにGaN半導体層14の3次元核140を成長させる工程と、3次元核140から、サファイア基板10の基板面に対して傾斜するファセット面141Aを有する構造体141を成長させ、構造体141同士を合体して、GaN半導体層14を得る工程とを含む。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS.
The method for manufacturing a GaN substrate according to the present embodiment includes a step of forming a
以下に、本実施形態のGaN基板の製造方法について詳細に説明する。
先ず、厚さ2μmのGaN膜11が形成された(1000)面のサファイア基板10に、0.5μmの厚さの酸化珪素(SiO2)膜12を形成する(図1(A))。
次に、リソグラフィ技術を用いて、酸化珪素(SiO2)膜12をエッチングし、マスク12とする。マスク12の開口部121の巾(隣接する被覆部122間の幅)は3μmであり、開口部121は格子状に形成されている(図1(B),(C))。
また、このマスク12は、平面形状が正方形形状の複数の被覆部122を有する。被覆部122の周囲は、前記開口部121に囲まれている。
被覆部122の辺の方向は、サファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層14の<11−20>方向)、及びサファイア基板10の<11−20>方向(GaN半導体層14の<1−100>方向)である。
Below, the manufacturing method of the GaN substrate of this embodiment is demonstrated in detail.
First, a silicon oxide (SiO 2 )
Next, the silicon oxide (SiO 2 )
The
The directions of the sides of the
次に、図4に示すHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)装置3の反応管30内の基板ホルダ31にマスク12が形成されたサファイア基板10をセットする。
そして、ガス導入管33、34より窒素(N2)ガスを供給して反応管30内をパージする。反応管30内に供給したガスは、排出口38より排出される。反応管30内を十分パージした後、水素(H2)ガスに切替えて、ヒータ35により反応管30を昇温する。成長領域36の温度が500℃前後となったら、ガス導入管34よりアンモニア(NH3)ガスを加えて昇温する。さらにGaソース37領域の温度が850℃、成長領域36の温度が1040℃になるまで昇温を続ける。
Gaソース37領域の温度及び成長領域36の温度が安定してからガス導入管33よりHClガスを加えて供給し、ソースボート39内のガリウム(Ga)と反応させて塩化ガリウム(GaCl)を生成し、成長領域36に輸送する。成長領域36では、NH3ガスとGaClが反応する。このとき、マスク12の被覆部122表面は、化学的に活性が低く、これらの原料ガスあるいは反応により生じたGaN分子状ガスは吸着しにくい。このために、マスク12の被覆部122表面に達したこれらのガスは、表面を拡散することによって、あるいは再蒸発によって核発生に好ましい部位に集まることになる。この核発生に好ましい部位がマスク12の被覆部122における角部122A(四隅)である。
Next, the
Then, nitrogen (N 2 ) gas is supplied from the
After the temperature of the
このとき、NH3ガスの供給量と、HClガスの供給量との比であるV/III比は、30以上であることが好ましい。本実施形態では、HClガスの供給量を30cc/min、NH3ガスの供給量を2000cc/minとしている。
被覆部122の角部122AのGaN半導体を、2分間程度成長させると、マスク12の角部122AにGaN半導体層14の3次元核140が形成される(図2(D),(E))。
GaN半導体層14の3次元核140が成長した後、その核を基点としてマスク12の開口部121やマスク12の被覆部122に成長が広がり、サファイア基板10の基板面に対して傾斜したファセット面141Aを有する構造体141が形成される(図2(F),(G))。
At this time, the V / III ratio, which is the ratio between the supply amount of NH 3 gas and the supply amount of HCl gas, is preferably 30 or more. In this embodiment, the supply amount of HCl gas is 30 cc / min, and the supply amount of NH 3 gas is 2000 cc / min.
When the GaN semiconductor at the
After the growth of the three-
さらに、GaN半導体層14の成長を続けると、マスク12の被覆部122の4つの角部122Aから成長した構造体141同士が、マスク12の被覆部122上面のほぼ中央で合体する。また、構造体141同士は、開口部121の4つの被覆部122に囲まれた部分のほぼ中央でも合体する。
構造体141が形成された後、さらに、30分間程度成長を続けると、GaN半導体層14は、マスク12の開口部121や被覆部122を埋め込んでしまう。
その後、さらに、HClガス供給量を200cc/minに増加して成長を続ける。
4時間の成長を続けるとGaN半導体層14は、マスク12を埋め込んでしまい、凹凸の少ない表面が形成できる(図3(H),(I))。この成長で形成したGaN半導体層14の膜厚は、350μm程度であった。
得られたGaN半導体層14の表面のリン酸と硫酸の混合溶液によるエッチピット密度を測定したところ、1cm2当たり7×106個となった。
また、サファイア基板10と、GaN半導体層14とを分離することで、GaN基板(自立基板)を得ることができた。
Further, when the growth of the
If the growth is continued for about 30 minutes after the
Thereafter, the HCl gas supply rate is further increased to 200 cc / min to continue the growth.
If the growth is continued for 4 hours, the
When the etch pit density by the mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid on the surface of the obtained
Further, by separating the
このような本実施形態の作用効果を以下に説明する。
図5及び図6の模式図を参照して説明する。
図5は、特許文献1に記載されたような従来のGaN半導体層における転位の状態を示す断面図である。
図6は、本実施形態のGaN半導体層14における転位の状態を示す断面図である。
Such effects of the present embodiment will be described below.
This will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a dislocation state in a conventional GaN semiconductor layer as described in
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a dislocation state in the
図5に示すように、特許文献1に記載されたような従来のGaN半導体層の形成方法では、マスク100の被覆部101上面でGaN半導体層102同士を合体させて、連続したGaN半導体層102を得る。この方法では、サファイア基板10とGaN半導体層102の界面から発生した貫通転位Y2は、積層方向上方に向かって残ることになる。
これに対し、本実施形態では、マスク12の被覆部122の角部122Aの3次元核140から、サファイア基板10の基板面に対して傾斜したファセット面141Aを有する構造体141を成長させている。図6に示すように、この構造体141においては、サファイア基板10の基板面に対して傾斜したファセット面141Aによって、サファイア基板10とGaN半導体層14の界面から発生した貫通転位Y2が折れ曲がる。本実施形態では、構造体141は被覆部122の角部122Aから成長するために、各構造体141の周囲がファセット面141Aに囲まれて発達することになり、サファイア基板10から受け継いだ貫通転位Y2はより曲がりやすくなる。
そして、各構造体141は、マスク12の被覆部122上面で集まって合体するので、貫通転位Y2も、マスク12の被覆部122上面に集まることになり、従来のように断面T字型のGaN半導体層102同士を合体させる場合と比較して、貫通転位Y2をより特定の部分に集中させることが可能となる。
そのため、異なるバーガースベクトルを有する転位同士の反応を促進することができる。これにより、転位ループを形成してより効果的に、貫通転位Y2を低減することができる。
これに加え、マスク12の被覆部122の上面で合体するばかりではなく、マスク12の開口部121でも各構造体141同士の同様な合体が生じるために、その効果はより大きくなる。
以上により、GaN半導体層14中に生じる転位を大幅に低減することができ、結晶性のよいGaN半導体層14を得ることができる。
なお、ストライプ状に被覆部を配置したマスクを使用し、マスクの角部からではなく、開口部からファセット面を有する構造体を成長させる場合に比べ、本実施形態のように、被覆部の角部からファセット面を有する構造体を形成する方が下地基板から受け継いだ貫通転位はより曲がりやすくなる。
As shown in FIG. 5, in the conventional method of forming a GaN semiconductor layer as described in
On the other hand, in the present embodiment, the
Since each
Therefore, the reaction between dislocations having different Burgers vectors can be promoted. Thereby, a threading dislocation Y2 can be reduced more effectively by forming a dislocation loop.
In addition to this, not only the upper surface of the covering
As described above, dislocations generated in the
Compared with the case where a structure having a facet surface is grown from an opening instead of from a corner of the mask using a mask in which a covering is arranged in a stripe shape, the corner of the covering is as in this embodiment. The threading dislocation inherited from the base substrate is more easily bent when the structure having the facet surface is formed from the portion.
また、本実施形態では、HVPE法を用いているため、マスク12の被覆部122の角部122AにGaN半導体層14の3次元核140を確実に成長させることができ、さらに、3次元核140から、構造体141を成長させることができる。
さらに、GaN半導体層14を成長させる際に、NH3ガスの供給量とHClガスの供給量との比であるV/III比を30以上としているため、マスク12の被覆部122の角部122AにGaN半導体層14の3次元核140を成長させ、3次元核140から、構造体141をより一層確実に成長させることができる。
In the present embodiment, since the HVPE method is used, the three-
Furthermore, when the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、前記実施形態では、マスク12の被覆部122の平面形状を正方形形状とし、被覆部122の辺の方向をサファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層14の<11−20>方向)、及びサファイア基板10の<11−20>方向(GaN半導体層14の<1−100>方向)としたが、被覆部の辺の方向は、これに限られるものではない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
For example, in the embodiment, the planar shape of the covering
さらに、被覆部122の平面形状は正方形形状に限らず、多角形の形状であれば任意である。
例えば、図7(A)に示すマスク21のように、被覆部212の形状を平面三角形形状としてもよい。マスク21は複数の被覆部212を有し、被覆部212は、島状に点在している。被覆部212の周囲は、開口部211により囲まれている。
被覆部212の1辺は、サファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層14の<11−20>方向)に沿っている。
Furthermore, the planar shape of the covering
For example, as in the
One side of the covering
また、図7(B)に示すマスク41のように、被覆部412の形状を平面正六角形形状としてもよい。マスク41は複数の被覆部412を有し、被覆部412は、島状に点在している。被覆部412の周囲は、開口部411により囲まれている。
被覆部412の各辺は、サファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層14の<11−20>方向)に沿っている。
従って、被覆部412の角部から成長する構造体の前記被覆部412の角部を構成する2辺それぞれに直交する断面は、三角形状となる。そのため、より結晶性のよいGaN半導体層を形成することができる
Further, like the
Each side of the covering
Therefore, the cross section orthogonal to each of the two sides constituting the corner portion of the covering
さらに、図8に示すような形状のマスク51を形成してもよい。
このマスク51は、長尺状の複数の第一の被覆部513と、第一の被覆部513間に配置された複数の第二の被覆部512とを備える。
第一の被覆部513は、サファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層の<11−20>方向)に延在している。
第二の被覆部512は、前記実施形態の被覆部122と同様の形状であり、平面正方形形状となっている。第二の被覆部512の周囲は、開口部511に囲まれており、複数の第二の被覆部512は離間配置されている。第二の被覆部512の辺の方向は、サファイア基板10の<1−100>方向(GaN半導体層14の<11−20>方向)、及びサファイア基板10の<11−20>方向(GaN半導体層14の<1−100>方向)である。
このようなマスク51を使用して、GaN半導体層を成長させる際には、まず、第二の被覆部512の角部にGaN半導体層の3次元核を成長させる。そして、この3次元核からファセット面を有する構造体を形成する。構造体は、成長に伴い第二の被覆部512上面のほぼ中央で合体する。
この合体した構造体を成長させると、第一の被覆部513間で大きなファセット面を有する構造体となる。さらに、この第一の被覆部513間の大きな構造体を成長させると、第一の被覆部513を挟んで隣接する構造体が合体し、GaN半導体層が形成されることとなる。
従って、このようなマスク51を使用してGaN半導体層を形成する際には、3次元核からファセット面を有する構造体を成長させた後、さらに、第一の被覆部513間でファセット面を有する構造体を成長させることとなるので、より結晶性の高いGaN半導体層を形成することができる。
Furthermore, you may form the
The
The
The 2nd coating |
When a GaN semiconductor layer is grown using such a
When this combined structure is grown, a structure having a large facet surface between the
Therefore, when forming a GaN semiconductor layer using such a
また、前記実施形態では、GaN半導体層14の膜厚を350μm程度としたが、これに限らず、GaN半導体層をより厚い膜厚に成長させることで、転位密度の低減化が行なえ、1cm2当たり1×106個以下の結晶が形成できる。
Moreover, in the said embodiment, although the film thickness of the
また、前記実施形態では、GaN半導体層14を成長させた直後にサファイア基板10を分離していたが、これに限らず、GaN半導体層14上に発光ダイオード等の発光素子、さらには、トランジスタ等の電子デバイスを作成した後に、サファイア基板10を除去し、発光素子、電子デバイスを得てもよい。これらのデバイスを製造する場合には、サファイア基板を除去して裏面に電極を形成してもよい。
さらに、前記実施形態では、単層のGaN半導体層14を得たが、これに限られるものではない。本発明で製造されるIII族窒化物半導体層は多層構造であってもよい。例えば、下地基板上に第一層としてGaN半導体の層を形成し、この第一層上にさらにIII族窒化物半導体で構成される第二層(例えば、n-AlGaNの層)、第三層(例えば、InGaNの層)等を形成して本発明で得られるIII族窒化物半導体層を半導体レーザとしてもよい。
このような半導体レーザを製造する場合には、下地基板上に第一層目のGaN半導体層を形成し、この第一層上に第二層目、第三層目等のIII族窒化物半導体の層を成長させた後、最後に下地基板を分離させる。
Moreover, in the said embodiment, although the
Furthermore, although the single-layered
When manufacturing such a semiconductor laser, a first-layer GaN semiconductor layer is formed on a base substrate, and a second-layer, third-layer, etc. group III nitride semiconductor is formed on the first layer. After the layer is grown, the base substrate is finally separated.
さらに、前記実施形態では、GaN半導体層14の作製を行なったが、GaN半導体層14に限らず、InXGa1−XN層(0≦X≦1)やAlXGa1−XN層(0≦X≦1)を形成してもよい。
また、前記実施形態では、サファイア基板10上にGaN膜11を形成し、このGaN膜11上にマスク12を形成したが、サファイア基板10上にマスク12を直接、形成してもよい。
Furthermore, in the above embodiment, was used to produce the
In the embodiment, the
さらに、前記実施形態ではHVPE法により、GaN半導体層14を形成する際に、V/III比を30以上としたが、これに限らず、V/III比は、30未満であってもよい。
また、前記実施形態では、HVPE法により、GaN半導体層14を形成したが、GaN半導体層を形成するための方法は、HVPE法に限られるものではない。GaN半導体層の成長条件を適宜設定し、マスクの被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を成長させることができれば、任意の方法でGaN半導体層を形成することができる。
さらに、前記実施形態では、マスク12の被覆部122の角部122Aにのみ3次元核140を成長させたが、これに限らず、角部122Aに加えて、マスク12の開口部121に3次元核を成長させてもよい。
Furthermore, in the embodiment, when the
Moreover, in the said embodiment, although the
Furthermore, in the above-described embodiment, the three-
(実施例1)
前記実施形態で示した成長条件で、GaN半導体基板を製造した。
Example 1
A GaN semiconductor substrate was manufactured under the growth conditions shown in the above embodiment.
(比較例1)
マスクの被覆部をストライプ状に形成し、被覆部の角部にGaN半導体層の核を成長させずに、GaN半導体基板を形成した。マスクの被覆部は、サファイア基板の<1−100>方向(GaN半導体層の<11−20>方向)に延びている。GaN半導体層は、被覆部の長辺の両側にサファイア基板の基板面に対して傾斜したファセット面を有する構造体を成長させ、得たものであり、いわゆるFIELO法(facet-initiated epitaxial lateral overgrowth)により成長したものである。
(Comparative Example 1)
A mask covering portion was formed in a stripe shape, and a GaN semiconductor substrate was formed without growing a nucleus of the GaN semiconductor layer at a corner portion of the covering portion. The mask covering portion extends in the <1-100> direction of the sapphire substrate (<11-20> direction of the GaN semiconductor layer). The GaN semiconductor layer is obtained by growing a structure having facet surfaces that are inclined with respect to the substrate surface of the sapphire substrate on both sides of the long side of the covering portion. The so-called FIELO method (facet-initiated epitaxial lateral overgrowth) It has grown by.
(比較例2)
前記実施形態で使用したマスクを使用し、MOCVD(有機金属化学気相成長)法を用いて、GaN半導体層を成長させた。比較例2においては、GaN半導体層の成長を途中で止め、GaN半導体層の成長の状態を観察した。
GaN半導体層は開口部から成長しており、被覆部の角部にGaN半導体層の核は形成されなかった。
(Comparative Example 2)
A GaN semiconductor layer was grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) using the mask used in the above embodiment. In Comparative Example 2, the growth of the GaN semiconductor layer was stopped halfway, and the growth state of the GaN semiconductor layer was observed.
The GaN semiconductor layer grew from the opening, and no nuclei of the GaN semiconductor layer were formed at the corners of the covering.
(実施例1及び比較例1,2の結果)
図9に、GaN半導体基板の膜厚と、転位密度との関係の結果を示す。
図9の黒丸は、実施例1で製造したGaN半導体基板を示し、図9の黒三角は、比較例1で製造したGaN半導体基板を示す。
実施例1で製造したGaN半導体基板の方が、比較例1で製造したGaN半導体基板よりも転位密度が低くなっている。
以上より、実施例1において、結晶性の高いGaN半導体基板を得ることができることが確認できた。
(Results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2)
FIG. 9 shows the result of the relationship between the film thickness of the GaN semiconductor substrate and the dislocation density.
9 indicates the GaN semiconductor substrate manufactured in Example 1, and the black triangle in FIG. 9 indicates the GaN semiconductor substrate manufactured in Comparative Example 1.
The dislocation density is lower in the GaN semiconductor substrate manufactured in Example 1 than in the GaN semiconductor substrate manufactured in Comparative Example 1.
From the above, in Example 1, it was confirmed that a highly crystalline GaN semiconductor substrate could be obtained.
また、図10に、GaN半導体基板の膜厚と、GaN半導体基板の(0002)反射で得られたX線ロッキングカーブの半値幅との関係の結果を示す。
図10の黒丸は、実施例1で製造したGaN半導体基板を示し、図10の黒三角は、比較例1で製造したGaN半導体基板を示す。
実施例1で製造したGaN半導体基板の方が比較例1で製造したGaN半導体基板よりも半値幅が小さくなっている。
以上より、実施例1において、結晶性の高いGaN半導体基板を得ることができることが確認できた。
また、比較例2で製造したGaN半導体層は、開口部から成長しており、被覆部の角部にGaN半導体層の核は形成されなかったため、単に、平面形状が多角形形状の被覆部を有するマスクを使用しただけでは、被覆部の角部に核を形成することができないことが確認された。
FIG. 10 shows the result of the relationship between the film thickness of the GaN semiconductor substrate and the half width of the X-ray rocking curve obtained by the (0002) reflection of the GaN semiconductor substrate.
10 indicates the GaN semiconductor substrate manufactured in Example 1, and the black triangle in FIG. 10 indicates the GaN semiconductor substrate manufactured in Comparative Example 1.
The FWHM of the GaN semiconductor substrate manufactured in Example 1 is smaller than that of the GaN semiconductor substrate manufactured in Comparative Example 1.
From the above, in Example 1, it was confirmed that a highly crystalline GaN semiconductor substrate could be obtained.
In addition, the GaN semiconductor layer manufactured in Comparative Example 2 grew from the opening, and the core of the GaN semiconductor layer was not formed at the corner of the covering. It was confirmed that nuclei could not be formed at the corners of the covering portion only by using the mask having the same.
3 HVPE装置
10 サファイア基板
11 GaN膜
12 マスク
14 GaN半導体層
21 マスク
30 反応管
31 基板ホルダ
33 ガス導入管
34 ガス導入管
35 ヒータ
36 成長領域
37 ソース
38 排出口
39 ソースボート
41 マスク
51 マスク
100 マスク
101 被覆部
102 GaN半導体層
121 開口部
122 被覆部
122A 角部
140 3次元核
141A ファセット面
141 構造体
211 開口部
212 被覆部
411 開口部
412 被覆部
511 開口部
512 第二の被覆部
513 第一の被覆部
Y2 貫通転位
3
Claims (9)
少なくとも、前記マスクの前記被覆部の角部にIII族窒化物半導体層の核を成長させる工程と、
前記核から、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を成長させ、前記構造体同士を合体して、III族窒化物半導体層を得る工程と、
を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 Forming a mask having a polygonal covering portion on a base substrate;
Growing a nucleus of a group III nitride semiconductor layer at least at a corner of the covering portion of the mask; and
From the nucleus, growing a structure having a facet surface inclined with respect to the substrate surface of the base substrate, and combining the structures to obtain a group III nitride semiconductor layer;
A method for forming a group III nitride semiconductor layer, comprising:
前記III族窒化物半導体層の核を成長させる工程及び前記III族窒化物半導体層を得る工程では、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法を使用することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 The method for forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 1,
In the step of growing the nucleus of the group III nitride semiconductor layer and the step of obtaining the group III nitride semiconductor layer, a HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method is used. Method.
前記III族窒化物半導体層の核を成長させる工程及び前記III族窒化物半導体層を得る工程では、前記III族窒化物半導体層を構成する窒素の原料ガスの供給量と、前記III族窒化物半導体層を構成するIII族の原料ガスの供給量との比であるV/III比が30以上であることを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 The method for forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 2,
In the step of growing the nucleus of the group III nitride semiconductor layer and the step of obtaining the group III nitride semiconductor layer, the supply amount of the nitrogen source gas constituting the group III nitride semiconductor layer, and the group III nitride A method for forming a group III nitride semiconductor layer, wherein a V / III ratio, which is a ratio to a supply amount of a group III source gas constituting the semiconductor layer, is 30 or more.
前記マスクを形成する工程では、ストライプ状に所定の間隔をあけて平行配置される第一の被覆部と、この第一の被覆部間に配置された第二の被覆部とを備え、
前記第二の被覆部が、平面形状が多角形形状の前記被覆部であるマスクを形成することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 In the method for forming a group III nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 3,
The step of forming the mask includes a first covering portion arranged in parallel with a predetermined interval in a stripe shape, and a second covering portion disposed between the first covering portions,
The method of forming a group III nitride semiconductor layer, wherein the second covering portion forms a mask whose planar shape is the polygonal covering portion.
前記第一の被覆部は、形成される前記III族窒化物半導体層の<11−20>方向に延在することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 The method for forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 4,
The method of forming a group III nitride semiconductor layer, wherein the first covering portion extends in a <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer to be formed.
前記マスクを形成する工程では、少なくとも1辺が、形成される前記III族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿った多角形形状の前記被覆部を有するマスクを形成することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 In the method for forming a group III nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 5,
In the step of forming the mask, at least one side forms a mask having the polygonal covering portion along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer to be formed. A method for forming a group III nitride semiconductor layer.
前記マスクを形成する工程では、平面形状が正六角形形状の被覆部を有し、この被覆部の各辺がIII族窒化物半導体層の<11−20>方向に沿ったマスクを形成することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。 The method for forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 6,
In the step of forming the mask, the planar shape has a regular hexagonal covering portion, and each side of the covering portion forms a mask along the <11-20> direction of the group III nitride semiconductor layer. A method for forming a group III nitride semiconductor layer.
請求項1乃至7の何れかに記載の方法により、前記下地基板上に前記III族窒化物半導体層を成長させて、前記III族窒化物半導体層を得る工程と、
前記III族窒化物半導体層と下地基板とを分離させる工程とを含み、
前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate, comprising:
A step of growing the group III nitride semiconductor layer on the base substrate by the method according to claim 1 to obtain the group III nitride semiconductor layer;
Separating the group III nitride semiconductor layer and the base substrate,
A method for producing a group III nitride semiconductor substrate comprising obtaining a group III nitride semiconductor substrate including the group III nitride semiconductor layer.
A group III nitride semiconductor substrate manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to claim 8.
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