JP2007142003A - Manufacturing method of group iii nitride crystal, epitaxial substrate, warpage reduction method therein, and semiconductor element - Google Patents

Manufacturing method of group iii nitride crystal, epitaxial substrate, warpage reduction method therein, and semiconductor element Download PDF

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Yoshitaka Kuraoka
義孝 倉岡
Makoto Miyoshi
実人 三好
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a group III nitride crystal capable of stably ensuring compatibility between high crystal quality and high specific resistance, and of reducing warpages in an epitaxial substrate. <P>SOLUTION: An underlaying substrate obtained by epitaxially forming a growing underlaying layer, consisting of AlN on a sapphire single crystal is placed in a manufacturing apparatus (step S1), then supply of hydrogen gas is started in a state of room temperature (step S2), and further rise in the temperature is started (step S3). Hydrogen gas is supplied and rise in its temperature is continued, until the underlaying substrate reaches a predetermined formation temperature (step S4). Once the temperature of the underlaying substrate reaches the formation one, supply mode of gases is changed over from only hydrogen gas to mixed gas of ammonia, nitrogen, and hydrogen, while keeping the temperature of the underlaying substrate (step S5). After the passage of a predetermined period, further supply of the group III stock gas is started, while continuing the supply of the mixed gas (step S6), to make a group III nitride crystal film grow epitaxially on the underlaying substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、単結晶下地基板上にIII族窒化物結晶を形成する方法、特に温度変化に応じた雰囲気の設定に関する。   The present invention relates to a method for forming a group III nitride crystal on a single crystal base substrate, and more particularly to setting of an atmosphere according to a temperature change.

GaNをはじめとするIII族窒化物結晶は、バンドギャップが大きく、破壊電界強度が高く、かつ高融点であることから、GaAs系材料に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイス材料として期待されており、そうした物性を活かす電子デバイスとして、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などが研究、開発されている。例えば、サファイアやSiC等の基板上にいわゆる半絶縁層(もしくはバッファ層とも称する)としてGaN層などをエピタキシャル成長させ、さらにその上に、いわゆるキャリア供給層としてAlGaN層あるいはAlN層などをエピタキシャル成長させて積層体を形成することで得られるヘテロ構造型のHEMTなどが、研究、開発されている。   Group III nitride crystals such as GaN have high band gaps, high breakdown electric field strengths, and high melting points, so they are expected as high-power, high-frequency, and high-temperature semiconductor device materials that can replace GaAs-based materials. Therefore, HEMT (High Electron Mobility Transistor) has been researched and developed as an electronic device that makes use of such physical properties. For example, a GaN layer or the like is epitaxially grown as a so-called semi-insulating layer (or buffer layer) on a substrate such as sapphire or SiC, and an AlGaN layer or an AlN layer or the like is epitaxially grown as a so-called carrier supply layer thereon. A heterostructure type HEMT obtained by forming a body has been researched and developed.

こうした電子デバイスにおいて良好な特性を得るには、エピタキシャル形成される各層の結晶品質が良好であることが求められる。例えば、単結晶基材の上にAlN膜やAlGaN膜などの下地膜をエピタキシャル形成してなる下地基板を用いる場合に、その上に形成される各層の結晶品質を向上させるべく、該下地膜の表面欠陥を低減する技術が公知である(例えば特許文献1および特許文献2参照)。   In order to obtain good characteristics in such an electronic device, the crystal quality of each layer formed epitaxially is required to be good. For example, in the case of using a base substrate formed by epitaxially forming a base film such as an AlN film or an AlGaN film on a single crystal base material, in order to improve the crystal quality of each layer formed thereon, Techniques for reducing surface defects are known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

また、そうした電子デバイスにおいては、半絶縁層(バッファ層)においてオフ時のリーク電流が少ないことが要求される。そのためには、高い比抵抗を有するようにバッファ層を形成することが求められる。これを実現することを目的とする技術もすでに公知である(例えば特許文献3参照)。   In such an electronic device, it is required that the semi-insulating layer (buffer layer) has a small off-state leakage current. For this purpose, it is required to form a buffer layer so as to have a high specific resistance. A technique for realizing this is already known (see, for example, Patent Document 3).

従って、結局のところ、結晶品質の向上と、高い比抵抗の実現との両立が求められることになる。その実現を目的とする技術もすでに公知である(例えば、特許文献4参照)。   Therefore, after all, it is required to improve both the crystal quality and the realization of a high specific resistance. A technique for achieving this is already known (see, for example, Patent Document 4).

特開2003−048799号公報JP 2003-048799 A 特開2003−197541号公報JP 2003-197541 A 特開2004−289905号公報JP 2004-289905 A 特開2005−035869号公報JP 2005-035869 A

上述のように、基板上にIII族窒化物結晶をエピタキシャル形成した積層体を得ることによって作製される電子デバイスにおいては、形成される各層の高結晶品質化と半絶縁層の高比抵抗化との両立が求められるが、実用化ひいては量産化にあたってはさらに、それらが安定的に、あるいは確実に実現されることが必要である。そのためには、異なる基板に由来する積層体の間の品質のばらつきを出来るだけ小さくすることが必要である。   As described above, in an electronic device manufactured by obtaining a laminate in which a group III nitride crystal is epitaxially formed on a substrate, high crystal quality of each formed layer and high specific resistance of a semi-insulating layer are achieved. However, it is necessary to realize them stably or reliably for practical use and for mass production. For this purpose, it is necessary to minimize the variation in quality between laminates derived from different substrates.

また、これらの電子デバイスは通常、一の積層体を分割することによって多数個取りされるので、それぞれの電子デバイスが一定以上の品質及び特性を安定的に有するには、一の積層体の間のばらつき、いわゆる面内ばらつきを出来るだけ小さくすることが必要である。こうしたばらつきの抑制は、電子デバイスを生産する際の歩留まりを確保するために必須だからである。   In addition, since a large number of these electronic devices are usually obtained by dividing one laminated body, in order to stably have a certain quality and characteristic of each electronic device, a single laminated body is Therefore, it is necessary to reduce the variation of the so-called in-plane variation as much as possible. This is because such a variation is indispensable in order to secure a yield when producing electronic devices.

さらに、III族窒化物エピタキシャル膜は一般に、膜厚を大きくするほど結晶品質は良好となるが、一方で、膜厚が大きいほど、格子定数の異なる異種材料上にエピタキシャル形成を行っていることに起因して積層体に反りが生じやすくなる。係る反りの存在は、成膜以降の工程、例えばステッパによる露光時などに、積層体の吸着固定が困難となる、などの問題を生じさせる。従って、半絶縁層の膜厚が薄い状態で、上述の高結晶品質化や高比抵抗化が実現されることが、反りの抑制という観点からは好ましいといえる。   In addition, the group III nitride epitaxial film generally has better crystal quality as the film thickness is increased. On the other hand, as the film thickness is increased, the epitaxial formation is performed on different materials having different lattice constants. As a result, the laminate tends to warp. The existence of such warp causes problems such as difficulty in adsorbing and fixing the laminate during the steps after film formation, for example, during exposure by a stepper. Therefore, it can be said that it is preferable from the viewpoint of suppressing warpage that the above-described high crystal quality and high specific resistance are realized in a state where the thickness of the semi-insulating layer is thin.

しかしながら、特許文献1ないし特許文献3のいずれにおいても、結晶品質の向上と、半絶縁層に高い比抵抗を実現するための技術とを両立させる技術についての開示はなされていない。さらには、反りの低減に関する技術についての開示もなされていない。   However, none of Patent Documents 1 to 3 discloses a technique for achieving both improvement in crystal quality and a technique for realizing a high specific resistance in the semi-insulating layer. In addition, there is no disclosure of a technique related to warpage reduction.

特許文献4には、積層体を構成する各層の結晶品質の向上と、半絶縁層の高い比抵抗の実現との両立を目的とする技術が開示されてはいるが、そうした品質や特性の実現の安定性や確実性の実現については、何らの開示もなされていない。そして、反りの低減に関する技術についての開示もなされていない。   Patent Document 4 discloses a technique for achieving both improvement in crystal quality of each layer constituting the laminated body and realization of a high specific resistance of the semi-insulating layer. However, realization of such quality and characteristics is disclosed. There is no disclosure about the realization of stability and certainty. Further, there is no disclosure about a technique related to warpage reduction.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高結晶品質と高い比抵抗との両立が安定的に実現されるIII族窒化物結晶の作製方法を提供することを目的とする。そして、該III族窒化物結晶を半絶縁層として用いるエピタキシャル基板における反りが低減されることを第2の目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a group III nitride crystal in which both high crystal quality and high specific resistance are stably realized. A second object is to reduce warpage in an epitaxial substrate using the group III nitride crystal as a semi-insulating layer.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、III族窒化物結晶の作製方法であって、処理容器中で所定の単結晶下地基板を所定の成膜温度にまで昇温する昇温工程と、前記所定の成膜温度に昇温された前記単結晶下地基板の上に少なくともGaを含む第1のIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成膜工程と、を備え、前記昇温工程においては、遅くとも前記単結晶下地基板の温度が前記成膜温度に達するまでには前記処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように水素ガスを供給し、前記単結晶下地基板の温度が前記所定の成膜温度に達した以降に、前記第1のIII族窒化物結晶の形成に必要な所定のガス群の前記処理容器中への供給を開始することによって前記成膜工程を行う、ことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is a method for producing a group III nitride crystal, and a temperature raising step of raising a predetermined single crystal base substrate to a predetermined film formation temperature in a processing vessel. And a film forming step of epitaxially growing a first group III nitride crystal containing at least Ga on the single crystal base substrate heated to the predetermined film forming temperature, and in the temperature increasing step, Then, hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the temperature of the single crystal base substrate reaches the film formation temperature at the latest, and the temperature of the single crystal base substrate is set to the predetermined temperature. The film forming step is performed by starting the supply of the predetermined gas group necessary for forming the first group III nitride crystal into the processing container after the film forming temperature is reached. Features.

また、請求項2の発明は、III族窒化物結晶の作製方法であって、処理容器中で所定の単結晶下地基板を所定の成膜温度にまで昇温する昇温工程と、前記所定の成膜温度に昇温された前記単結晶下地基板の上に少なくともGaを含む第1のIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成膜工程と、を備え、前記昇温工程においては、前記単結晶下地基板の温度が所定の水素ガス供給開始温度以上である場合に前記処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように水素ガスを供給し、前記単結晶下地基板の温度が前記所定の成膜温度に達した以降に、前記第1のIII族窒化物結晶の形成に必要な所定のガス群の前記処理容器中への供給を開始することによって前記成膜工程を行う、ことを特徴とする。   The invention of claim 2 is a method for producing a group III nitride crystal, wherein a temperature raising step of raising a predetermined single crystal base substrate to a predetermined film formation temperature in a processing vessel, A film forming step of epitaxially growing a first group III nitride crystal containing at least Ga on the single crystal base substrate that has been heated to a film forming temperature. When the temperature of the substrate is equal to or higher than a predetermined hydrogen gas supply start temperature, hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container, and the temperature of the single crystal base substrate is the predetermined film formation temperature. After reaching the above, the film forming step is performed by starting supply of a predetermined gas group necessary for forming the first group III nitride crystal into the processing vessel.

また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記昇温工程において前記単結晶下地基板の温度が300℃以上である場合に前記水素ガスを供給する、ことを特徴とする。   The invention of claim 3 is the method for producing a group III nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the temperature of the single crystal base substrate is 300 ° C. or higher in the temperature raising step. The hydrogen gas is supplied to

また、請求項4の発明は、請求項3に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記昇温工程において前記単結晶下地基板の温度が500℃以上である場合に前記水素ガスを供給する、ことを特徴とする。   The invention of claim 4 is the method for producing a group III nitride crystal according to claim 3, wherein the hydrogen gas is used when the temperature of the single crystal base substrate is 500 ° C. or higher in the temperature raising step. It is characterized by supplying.

また、請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物を形成するためのV族原料ガスを含む第1のガス群の供給を先行して開始し、温度変動が収束した後に、前記第1のIII族窒化物を形成するためのIII族元素ガスを含む第2のガス群の供給を開始する、ことを特徴とする。   The invention of claim 5 is the method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the first group III nitride is added in the film forming step. First, supply of the first gas group including the group V source gas for forming is started, and after the temperature fluctuation has converged, the group III element gas for forming the first group III nitride is included. The supply of the second gas group is started.

また、請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物における全III族元素中のGaの含有比率が50%以上となるように、前記所定のガス群の供給を行う、ことを特徴とする。   The invention of claim 6 is the method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein in the film forming step, the first group III nitride is used. The predetermined gas group is supplied so that a Ga content ratio in all group III elements is 50% or more.

また、請求項7の発明は、請求項6に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、 前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物における全III族元素中のGaの含有比率が80%以上となるように、前記所定のガス群の供給を行う、ことを特徴とする。   The invention of claim 7 is a method for producing a group III nitride crystal according to claim 6, wherein in the film formation step, Ga in all group III elements in the first group III nitride is obtained. The predetermined gas group is supplied so that the content ratio of is not less than 80%.

また、請求項8の発明は、請求項7に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、 前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物がGaNとなるように、前記所定のガス群の供給を行う、ことを特徴とする。   The invention of claim 8 is the method for producing a group III nitride crystal according to claim 7, wherein in the film forming step, the first group III nitride is GaN. A predetermined gas group is supplied.

また、請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記単結晶下地基板が、所定の単結晶基材の上にAlN系III族窒化物である第2のIII族窒化物からなる下地層をエピタキシャル形成してなるものであり、前記第1のIII族窒化物におけるAlの含有比率は前記第2のIII族窒化物におけるAlの含有比率よりも小さい、ことを特徴とする。   The invention of claim 9 is the method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein the single crystal base substrate is formed on a predetermined single crystal base material. An underlayer made of a second group III nitride, which is an AlN group III nitride, is formed epitaxially, and the Al content in the first group III nitride is the second group III nitride. It is characterized by being smaller than the Al content ratio in the product.

また、請求項10の発明は、請求項9に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、前記第2のIII族窒化物がAlNである、ことを特徴とする。   The invention of claim 10 is a method for producing a group III nitride crystal according to claim 9, characterized in that the second group III nitride is AlN.

また、請求項11の発明は、エピタキシャル基板における反り低減方法であって、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の作製方法によって所定の単結晶下地基板の上に少なくともGaを含むIII族窒化物結晶からなる結晶層を形成することによりエピタキシャル基板を得るようにしたこと、を特徴とする。   The invention of claim 11 is a method for reducing warpage in an epitaxial substrate, wherein the group III includes at least Ga on a predetermined single crystal base substrate by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 10. An epitaxial substrate is obtained by forming a crystal layer made of a nitride crystal.

また、請求項12の発明は、請求項11に記載のエピタキシャル基板における反り低減方法であって、前記結晶層を2.0μm以下の膜厚を有するように形成する、ことを特徴とする。   A twelfth aspect of the present invention is the method for reducing a warp in an epitaxial substrate according to the eleventh aspect, wherein the crystal layer is formed to have a film thickness of 2.0 μm or less.

また、請求項13の発明は、エピタキシャル基板が、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法によって所定の単結晶下地基板の上に前記第1のIII族窒化物からなる結晶層が形成されてなる、ことを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, an epitaxial substrate is formed on the predetermined single crystal base substrate by the Group III nitride crystal manufacturing method according to any one of the first to tenth aspects. A crystal layer made of nitride is formed.

また、請求項14の発明は、エピタキシャル基板が、請求項10に記載のIII族窒化物結晶の作製方法によって前記下地層が0.5〜1.0μmの膜厚で形成されるとともに前記第1のIII族窒化物からなる結晶層がGaNによって1.0〜2.0μmの膜厚で形成され、前記結晶層の上にAlGaNからなる上部層がさらにエピタキシャル形成されてなる、ことを特徴とする。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the epitaxial substrate, the underlayer is formed with a film thickness of 0.5 to 1.0 μm by the Group III nitride crystal manufacturing method according to the tenth aspect, and the first substrate is formed. A crystal layer made of Group III nitride is formed of GaN with a thickness of 1.0 to 2.0 μm, and an upper layer made of AlGaN is further epitaxially formed on the crystal layer. .

また、請求項15の発明は、請求項13または請求項14に記載のエピタキシャル基板であって、前記結晶層の比抵抗が1×106Ω・cm以上である、ことを特徴とする。 The invention of claim 15 is the epitaxial substrate according to claim 13 or claim 14, wherein the specific resistance of the crystal layer is 1 × 10 6 Ω · cm or more.

また、請求項16の発明は、請求項15に記載のエピタキシャル基板であって、前記結晶層が、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下で、かつ表面欠陥がないように形成されてなる、ことを特徴とする。   The invention according to claim 16 is the epitaxial substrate according to claim 15, wherein the crystal layer has an X-ray rocking curve half-width of (0002) plane of 200 seconds or less and no surface defects. It is formed.

また、請求項17の発明は、半導体素子が、請求項13ないし請求項16のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いて形成されてなる、ことを特徴とする。   The invention according to claim 17 is characterized in that the semiconductor element is formed using the epitaxial substrate according to any one of claims 13 to 16.

請求項1ないし請求項10の発明によれば、下地基板上に対して安定的に、高結晶品質でかつ高比抵抗なIII族窒化物結晶を形成することができる。さらには、該III族窒化物結晶からなる結晶層を半絶縁層として有する半導体素子において、半絶縁層を薄くしても、高結晶品質と高比抵抗が維持されるので、下地基板と半絶縁層との格子定数差に起因して生じる半導体素子における反りの低減が実現される。   According to the inventions of claims 1 to 10, a group III nitride crystal having high crystal quality and high specific resistance can be stably formed on the base substrate. Further, in a semiconductor element having a crystal layer made of the group III nitride crystal as a semi-insulating layer, high crystal quality and high specific resistance are maintained even if the semi-insulating layer is thinned. Reduction of the warpage in the semiconductor element caused by the difference in lattice constant from the layer is realized.

請求項11および請求項12の発明によれば、下地基板上にIII族窒化物結晶からなる結晶層によって半絶縁層を形成してなる半導体素子において、半絶縁層を薄くしても、高結晶品質と高比抵抗が維持されるので、下地基板と半絶縁層との格子定数差に起因して生じる半導体素子における反りの低減が実現される。   According to the eleventh and twelfth aspects of the present invention, in a semiconductor device in which a semi-insulating layer is formed of a crystal layer made of a group III nitride crystal on a base substrate, even if the semi-insulating layer is thinned, a high crystal Since the quality and high specific resistance are maintained, it is possible to reduce the warpage in the semiconductor element caused by the lattice constant difference between the base substrate and the semi-insulating layer.

請求項13ないし請求項17の発明によれば、下地基板上に高結晶品質でかつ高比抵抗なIII族窒化物結晶からなる結晶層を有するエピタキシャル基板を、得ることができる。さらには、このエピタキシャル基板を用いて形成した、該結晶層が半絶縁層として作用する半導体素子においては、半絶縁層を薄くしても高結晶品質と高比抵抗が維持されるので、下地基板と半絶縁層との格子定数差に起因して生じる半導体素子における反りの低減が実現される。   According to the thirteenth to seventeenth aspects of the present invention, an epitaxial substrate having a crystal layer made of a group III nitride crystal having a high crystal quality and a high specific resistance on a base substrate can be obtained. Further, in a semiconductor element formed using this epitaxial substrate and in which the crystal layer functions as a semi-insulating layer, high crystal quality and high resistivity are maintained even if the semi-insulating layer is thinned. Reduction of warpage in the semiconductor element caused by the difference in lattice constant between the insulating layer and the semi-insulating layer is realized.

<第1の実施の形態>
<HEMT素子の構造>
図1は、本実施の形態に係る作製方法によって得られる積層体10の構成を示す概要図である。なお、図示の都合上、図1における各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。
<First Embodiment>
<Structure of HEMT element>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laminate 10 obtained by the manufacturing method according to the present embodiment. For convenience of illustration, the ratio of the thickness of each layer in FIG. 1 does not reflect the actual ratio.

積層体10は、単結晶基材1の上に、成長下地層2と半絶縁層3とがこの順にエピタキシャル形成されてなる、いわゆるエピタキシャル基板である。なお、本明細書中においては、単結晶基材1の上に成長下地層2が形成された状態のものを、下地基板1sと称することがある。すなわち、積層体10は、該下地基板1s上に半絶縁層3がエピタキシャル形成されたものと捉えることも出来る。   The laminated body 10 is a so-called epitaxial substrate in which the growth base layer 2 and the semi-insulating layer 3 are epitaxially formed in this order on the single crystal substrate 1. In the present specification, the substrate in which the growth base layer 2 is formed on the single crystal substrate 1 may be referred to as a base substrate 1s. That is, the laminated body 10 can also be regarded as a semi-insulating layer 3 formed epitaxially on the base substrate 1s.

また、図2は、積層体10を用いて形成されたHEMT素子20の構成を示す概要図である。HEMT素子20は、積層体10の上に、より具体的には半絶縁層3の上に、キャリア供給層4が形成されてなり、さらにその上に、ソース電極5およびドレイン電極6と、ゲート電極7とが形成されてなる。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the HEMT element 20 formed using the laminate 10. The HEMT device 20 has a carrier supply layer 4 formed on the laminate 10, more specifically on the semi-insulating layer 3, and further has a source electrode 5 and a drain electrode 6, a gate, An electrode 7 is formed.

単結晶基材1は、その上に形成する各層の組成や構造、あるいは形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、SiC(炭化ケイ素)やサファイアなどの単結晶を所定の厚みに切り出したものを用いる。あるいは、ZnO,LiAlO2,LiGaO2,MgAl24,(LaSr)(AlTa)O3,NdGaO3,MgOといった各種酸化物材料,Si,Geといった各種IV族単結晶、SiGeといった各種IV−IV族化合物,GaAs,AlN,GaN,AlGaNといった各種III―V族化合物およびZrB2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。こうした単結晶の中では、SiC基板、サファイア基板が望ましい。特に、C面を主面とするIII族窒化物層を成長下地層2として得る場合には、C面SiCあるいはC面サファイアを単結晶基材1として用いるのが望ましい。高品質な成長下地層2の形成を実現できるからである。また、A面を主面とするIII族窒化物層を成長下地層2として得る場合には、A面SiCあるいはR面サファイアを単結晶基材1として用いるのが望ましい。単結晶基材1の厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μm〜数mmの厚みのものが好適である。 The single crystal base material 1 is appropriately selected according to the composition and structure of each layer formed thereon or the forming method. For example, a single crystal such as SiC (silicon carbide) or sapphire cut into a predetermined thickness is used. Alternatively, various oxide materials such as ZnO, LiAlO 2 , LiGaO 2 , MgAl 2 O 4 , (LaSr) (AlTa) O 3 , NdGaO 3 , MgO, various IV group single crystals such as Si and Ge, and various IV-IV such as SiGe. It may be used by appropriately selecting from group III compounds, various III-V compounds such as GaAs, AlN, GaN, AlGaN, and various borides such as ZrB 2 . Among such single crystals, a SiC substrate and a sapphire substrate are desirable. In particular, when a group III nitride layer having a C-plane as a main surface is obtained as the growth underlayer 2, it is desirable to use C-plane SiC or C-plane sapphire as the single crystal substrate 1. This is because the formation of a high quality growth underlayer 2 can be realized. Further, when a group III nitride layer having an A-plane as a main surface is obtained as the growth underlayer 2, it is desirable to use A-plane SiC or R-plane sapphire as the single crystal substrate 1. The thickness of the single crystal substrate 1 is not particularly limited in terms of material, but a thickness of several hundred μm to several mm is suitable for the convenience of handling.

成長下地層2は、少なくともAlを含み、かつ、全III族元素に対するAlのモル分率が半絶縁層3を構成するIII族窒化物(後述)よりも大きいIII族窒化物にて形成される。好ましくは、成長下地層2は全III族元素に対するAlのモル分率が50原子%以上であるIII族窒化物にて形成される。さらに好ましくは、成長下地層2は、全III族元素に対するAlのモル分率が80原子%以上であるIII族窒化物にて形成される。最も好ましくは、AlNにて形成される。成長下地層2をこのような組成のIII族窒化物にて構成するのは、面内における格子定数が半絶縁層3において成長下地層2より大きい場合、半絶縁層3において成長下地層2との界面部近傍に発生する略水平方向の圧縮応力の作用により成長下地層2からの主に刃状転位からなる貫通転位が互いに絡まり合い、その結果として半絶縁層3内の転位が低減する、という効果が得られるからである。ここで、前記格子定数の差は、III族元素であるB、Al、Ga、Inのモル分率あるいはV族元素としてNに添加することができるP、Asの添加量で調整することができる。特に、成長下地層2の結晶品質、熱伝導性等を考慮に入れると、Alのモル分率の差で調整することが望ましく、成長下地層2と半絶縁層3とのAlのモル分率の差が大きいほど、この転位低減効果は大きくなる。よって、成長下地層2がAlNによって形成されてなる場合に、その効果が最大となるが、成長下地層2を全III族元素に対するAlのモル分率が80原子%以上であるIII族窒化物にて形成した場合にもAlNにて形成した場合とほぼ同程度の転位低減効果を持つことが、実験的に確認されている。なお、成長下地層2をAlNとした場合には、組成のばらつきが問題とならないという利点もある。   The growth underlayer 2 is formed of a group III nitride containing at least Al and having a molar fraction of Al with respect to all group III elements larger than the group III nitride (described later) constituting the semi-insulating layer 3. . Preferably, the growth underlayer 2 is formed of a group III nitride having a molar fraction of Al with respect to all group III elements of 50 atomic% or more. More preferably, the growth underlayer 2 is formed of a group III nitride having a molar fraction of Al with respect to all group III elements of 80 atomic% or more. Most preferably, it is made of AlN. The growth underlayer 2 is composed of the group III nitride having such a composition when the in-plane lattice constant is larger than that of the growth underlayer 2 in the semi-insulating layer 3. Threading dislocations mainly composed of edge dislocations from the growth base layer 2 are entangled with each other by the action of a substantially horizontal compressive stress generated in the vicinity of the interface portion of each, and as a result, dislocations in the semi-insulating layer 3 are reduced. This is because the effect is obtained. Here, the difference in the lattice constant can be adjusted by the molar fraction of group III elements B, Al, Ga, In or the addition amount of P and As that can be added to N as group V elements. . In particular, when the crystal quality, thermal conductivity, etc. of the growth base layer 2 are taken into consideration, it is desirable to adjust by the difference in the mole fraction of Al, and the mole fraction of Al between the growth base layer 2 and the semi-insulating layer 3 The greater the difference, the greater the dislocation reduction effect. Therefore, the effect is maximized when the growth underlayer 2 is formed of AlN, but the growth underlayer 2 is a group III nitride in which the molar fraction of Al with respect to all group III elements is 80 atomic% or more. It has been experimentally confirmed that the dislocation reduction effect is almost the same as that of AlN. In addition, when the growth base layer 2 is made of AlN, there is an advantage that variation in composition does not become a problem.

このようにして形成される成長下地層2は通常、六方晶系のウルツ鉱型構造をとる。特に、C面を主面とするIII族窒化物を成長下地層2として用いる場合、該成長下地層2については、X線ロッキングカーブ測定(ωスキャン)による(0002)面の半値幅が200秒以下であることが好ましい。さらには、100秒以下であることがより好ましい。係る半値幅が実現されるということは、成長下地層2の表面において、成長方位に揺らぎが少なく、C面が揃い、らせん成分の転位が少ない状態が実現されているということになり、このことは成長下地層2上に結晶品質の良い半絶縁層3を形成する上でより好適だからである。この結晶性を実現するためには、単結晶基材1上に、いわゆる低温緩衝層を挿入しない方が望ましい。X線ロッキングカーブ測定(ωスキャン)による(0002)面の半値幅の下限値は、特に定めるものではないが、材料及び結晶構造から計算される理論値(〜10秒)を下回るものではない。また、成長下地層2内の刃状転位密度は、5×1010/cm2以下であることが望ましく、単結晶基材1の表面に窒化層を形成しておくことで、この状態は実現可能であり、条件設定によっては、転位密度1×109/cm2の転位密度まで実現可能である。なお、本実施の形態において、転位密度は、平面TEMを用いて評価している。 The growth underlayer 2 thus formed usually has a hexagonal wurtzite structure. In particular, when a group III nitride having a C-plane as a main surface is used as the growth underlayer 2, the growth underlayer 2 has a half-width of (0002) plane of 200 seconds by X-ray rocking curve measurement (ω scan). The following is preferable. Furthermore, it is more preferable that it is 100 seconds or less. The realization of such a half width means that a state in which the growth orientation is less fluctuated, the C-plane is aligned, and the dislocation of the helical component is less is realized on the surface of the growth base layer 2. This is because it is more suitable for forming the semi-insulating layer 3 with good crystal quality on the growth underlayer 2. In order to realize this crystallinity, it is desirable not to insert a so-called low-temperature buffer layer on the single crystal substrate 1. The lower limit of the half-width of the (0002) plane by X-ray rocking curve measurement (ω scan) is not particularly defined, but is not less than the theoretical value (-10 seconds) calculated from the material and crystal structure. Further, the edge dislocation density in the growth base layer 2 is desirably 5 × 10 10 / cm 2 or less, and this state is realized by forming a nitride layer on the surface of the single crystal substrate 1. Depending on the condition setting, it is possible to realize a dislocation density of 1 × 10 9 / cm 2 . In this embodiment, the dislocation density is evaluated using a planar TEM.

また、成長下地層2は、好ましくは10nm〜100μmの厚みに形成される。これよりも厚みが小さいと成長下地層2が十分に結晶成長せず、単結晶基材1と成長下地層2の界面で発生した多量の転位がほとんど成長下地層2の表面まで残存してしまって好ましくない。よって、成長下地層2は、内部の転位を十分に消失させるべく、少なくとも5×1010/cm2以下とする程度の厚みで形成することが望ましい。300nm以上の厚みとすれば、5×1010/cm2以下の転位密度を安定して実現することができる。ただし、厚みが大きすぎると、コスト面でのデメリットが生じることに加え、成長下地層2の内部にクラックが発生する可能性があるため、クラックの発生しない範囲内で適宜厚みを設定する。10μm以下が望ましい厚みである。また、積層体10あるいはHEMT素子20における反りを低減するという観点からは、成長下地層2の厚みは薄いことが望ましく、2μm以下が望ましい厚みである。 The growth foundation layer 2 is preferably formed to a thickness of 10 nm to 100 μm. If the thickness is smaller than this, the growth underlayer 2 does not grow sufficiently, and a large amount of dislocations generated at the interface between the single crystal substrate 1 and the growth underlayer 2 remain up to the surface of the growth underlayer 2. It is not preferable. Therefore, it is desirable to form the growth underlayer 2 with a thickness of at least 5 × 10 10 / cm 2 or less in order to sufficiently eliminate internal dislocations. If the thickness is 300 nm or more, a dislocation density of 5 × 10 10 / cm 2 or less can be stably realized. However, if the thickness is too large, there are disadvantages in terms of cost, and cracks may occur inside the growth base layer 2, so the thickness is appropriately set within the range where cracks do not occur. A desirable thickness is 10 μm or less. Further, from the viewpoint of reducing the warpage in the laminate 10 or the HEMT element 20, the thickness of the growth base layer 2 is preferably thin, and is preferably 2 μm or less.

成長下地層2は、例えば、MOCVD法、あるいやMBE法(分子線エピタキシ法;Molecular Beam Epitaxy)を用いて形成することができる。MOCVD法には、PALE法(パルス原子層エピタキシ法;Pulsed Atomic Layer Epitaxy)、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。MBE法に関しても、同様の技術を併用可能である。MOCVD法あるいはMBE法といった成長方法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適しており、本実施の形態のように、異種基材上にAlNによる高品質な成長下地層2を成長させる場合には、1100℃〜1600℃の加熱温度で、減圧条件の設定が可能なこうした方法を用いることが望ましい。より具体的な作製条件は、それぞれの形成手法に応じて、適切に選択、設定されることになる。こうした方法の中では、より熱平衡状態に近い状態を実現できる、MOCVD法を用いることが特に望ましい。   The growth underlayer 2 can be formed by using, for example, the MOCVD method or the MBE method (molecular beam epitaxy). For the MOCVD method, a PALE method (Pulsed Atomic Layer Epitaxy), a plasma assist method or a laser assist method can be used in combination. The same technique can be used in combination with the MBE method. A growth method such as MOCVD method or MBE method is suitable for growing high-quality crystals because the production conditions can be controlled with high precision. As in this embodiment, AlN is formed on a dissimilar substrate. In the case of growing the high quality growth underlayer 2 by the above method, it is desirable to use such a method in which the decompression condition can be set at a heating temperature of 1100 ° C. to 1600 ° C. More specific manufacturing conditions are appropriately selected and set according to each forming method. Among these methods, it is particularly desirable to use the MOCVD method, which can realize a state closer to a thermal equilibrium state.

また、成長下地層2の最表面は、実質的に原子レベルで平坦となるように形成されていることが望ましい。この場合、成長下地層2の表面は原子ステップが明瞭に観察される程度の平坦性を有しており、AFMによって評価される最表面の表面粗さ(本願においては、5μm×5μmの正方形領域における算術平均粗さRaで評価)が成長下地層2を構成するIII族窒化物材料のc軸の格子定数と略同程度の0.5nm以下、好ましく0.3nm以下となる。Raの値が0.3nm以下となると、表面においてピットはほとんど観察されなくなる。   Moreover, it is desirable that the outermost surface of the growth underlayer 2 be formed so as to be substantially flat at the atomic level. In this case, the surface of the growth underlayer 2 has such flatness that atomic steps can be clearly observed, and the surface roughness of the outermost surface evaluated by AFM (in this application, a square region of 5 μm × 5 μm) (Evaluated by the arithmetic average roughness Ra) of 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less, which is substantially the same as the c-axis lattice constant of the group III nitride material constituting the growth underlayer 2. When the value of Ra is 0.3 nm or less, pits are hardly observed on the surface.

成長下地層2の表面においてこのような原子レベルの平坦性を実現するためには、局所的な凹凸バラツキが生じにくい結晶成長手法を用いることが好ましい。形成速度がせいぜい数μm/hr程度であるMOCVD法は、その手法として好適であるといえる。上記のような成長下地層2を、トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いてMOCVD法によって形成する場合、基板自体の温度を1100℃以上、1250℃以下とし、形成時圧力を6.5mbar以上35mbar以下とし、トリメチルアルミニウムとアンモニアの供給比を1:500以下、より好ましくは1:200以下で、1:1以上とするのが望ましい。ここで、成長下地層2の形成の際の基板自体の温度は、熱電対付基板を用いた形成条件と同一条件下での温度測定実験に基づき規定している。   In order to realize such flatness at the atomic level on the surface of the growth base layer 2, it is preferable to use a crystal growth technique in which local unevenness is less likely to occur. It can be said that the MOCVD method in which the formation rate is at most about several μm / hr is suitable as the method. When the above growth base layer 2 is formed by MOCVD using trimethylaluminum and ammonia, the temperature of the substrate itself is 1100 ° C. or more and 1250 ° C. or less, and the forming pressure is 6.5 mbar or more and 35 mbar or less, The supply ratio of trimethylaluminum to ammonia is 1: 500 or less, more preferably 1: 200 or less, and preferably 1: 1 or more. Here, the temperature of the substrate itself when the growth base layer 2 is formed is defined based on a temperature measurement experiment under the same conditions as the formation conditions using the thermocouple-attached substrate.

半絶縁層3は、好ましくは高抵抗のIII族窒化物にて形成される。例えば、全III族元素中のGaの含有比率が50%以上であるIII族窒化物にて、好ましくは、全III族元素中のGaの含有比率が80%以上であるIII族窒化物にて、より好ましくは、抵抗を低減する要因となる不純物を含まない、GaN(i−GaN)にて形成される。Gaの含有比率を50%以上とすることにより、半絶縁層3の形成時の横方向成長効果が現れ、安定して半絶縁層3の転位低減の効果を安定して得ることができ、Gaの含有比率を80%以上とすることにより、5×109/cm2以下の転位密度を安定して実現できる。 The semi-insulating layer 3 is preferably formed of a high resistance group III nitride. For example, in a group III nitride in which the Ga content ratio in all group III elements is 50% or more, preferably in a group III nitride in which the Ga content ratio in all group III elements is 80% or more More preferably, it is formed of GaN (i-GaN) that does not contain impurities that cause a reduction in resistance. By setting the Ga content ratio to 50% or more, a lateral growth effect during the formation of the semi-insulating layer 3 appears, and the effect of reducing dislocations in the semi-insulating layer 3 can be stably obtained. By making the content ratio of 80% or more, a dislocation density of 5 × 10 9 / cm 2 or less can be stably realized.

半絶縁層3は、一般的には例えばMOCVD法やMBEなどの公知の成膜手法を利用して形成することができるが、本実施の形態に係る半絶縁層3の形成方法については、後で詳述する。上記のような高い結晶性を有する成長下地層2の上に、後述する手法によって形成することから、半絶縁層3も良好な結晶品質を有する。   The semi-insulating layer 3 can be generally formed by using a known film forming method such as MOCVD or MBE, but the method for forming the semi-insulating layer 3 according to the present embodiment will be described later. Will be described in detail. Since it forms by the method mentioned later on the growth base layer 2 which has the above high crystallinity, the semi-insulating layer 3 also has favorable crystal quality.

なお、成長下地層2の表面平坦性が高いほど、半絶縁層3における転位低減効果が最も有効に発揮される。半絶縁層3の内部の転位密度は、少なくとも成長下地層2の表面部の転位密度の1/2以下とすることができ、5×107/cm2まで低減することができる。また、この結晶性を実現するためには、成長下地層2上に、いわゆる低温緩衝層を挿入しない方が望ましい。さらに、表面にピットがほとんど存在しない程度に平坦な成長下地層2の上に半絶縁層3を形成する場合には、半絶縁層3において結晶欠陥がピットから誘発されるといった状況の発生を抑制することが出来るうえ、キャリア供給層4における表面平坦性の向上も実現されることになる。 Note that the higher the surface flatness of the growth underlayer 2 is, the more effective the dislocation reduction effect in the semi-insulating layer 3 is. The dislocation density inside the semi-insulating layer 3 can be at least ½ or less of the dislocation density of the surface portion of the growth underlayer 2 and can be reduced to 5 × 10 7 / cm 2 . In order to realize this crystallinity, it is desirable not to insert a so-called low-temperature buffer layer on the growth base layer 2. Furthermore, when the semi-insulating layer 3 is formed on the growth base layer 2 that is flat enough to have almost no pits on the surface, the occurrence of a situation in which crystal defects are induced from the pits in the semi-insulating layer 3 is suppressed. In addition, the surface flatness of the carrier supply layer 4 can be improved.

また、半絶縁層3の上面近傍には、キャリア供給層4からキャリアとなる電子が供給されることにより、高濃度の2次元電子ガスが生成する2次元電子ガス領域が形成されることになる。そのため、半絶縁層3は、この2次元電子ガス領域を確保するだけの厚みが必要である。一方で、あまりに厚みが大きすぎるとクラックが発生しやすくなるとともに、HEMT素子20全体に反りが生じやすくなるという問題もある。従って、厚みを抑制しつつ、良好な結晶品質および高い比抵抗を有することが求められる。   Further, in the vicinity of the upper surface of the semi-insulating layer 3, a two-dimensional electron gas region in which a high-concentration two-dimensional electron gas is generated is formed by supplying electrons serving as carriers from the carrier supply layer 4. . Therefore, the semi-insulating layer 3 needs to be thick enough to secure this two-dimensional electron gas region. On the other hand, if the thickness is too large, cracks are likely to occur, and the HEMT element 20 as a whole is likely to be warped. Therefore, it is required to have good crystal quality and high specific resistance while suppressing the thickness.

本実施の形態においては、後述する手法によって半絶縁層3を形成することにより、数μm以下の厚みで、好ましくは3μm以下の厚みで、より好ましくは1.5μm程度の厚みで、(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅はせいぜい100秒以下であり表面平坦性も良好という高結晶品質と1×107Ω・cm以上という高い比抵抗とを実現しつつ、積層体あるいはHEMT素子における反りを低減させることができる。また、従来、半絶縁層を3μm以下とすると、上記ピット等の欠陥の増加により、HEMT素子の移動度の低下が観察されていたが、後述する手法によって形成された半絶縁層3の場合、その厚みが2μm程度までHEMT素子の移動度の低下が観察されることはない。さらに、半絶縁層3の厚みが1μm以上2μm未満の領域で、従来の半絶縁層を用いた場合よりも大きく移動度が回復し、デバイスとして要求される移動度を満たすことが確認されている。 In the present embodiment, by forming the semi-insulating layer 3 by the method described later, the thickness is several μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably about 1.5 μm, (0002) The half-width of the X-ray rocking curve on the surface is at most 100 seconds or less, and high crystal quality that the surface flatness is good and high specific resistance of 1 × 10 7 Ω · cm or more are achieved, while in the laminated body or HEMT device Warpage can be reduced. Conventionally, when the semi-insulating layer is 3 μm or less, a decrease in the mobility of the HEMT element has been observed due to an increase in defects such as the pits, but in the case of the semi-insulating layer 3 formed by a method described later, No decrease in the mobility of the HEMT element is observed until the thickness is about 2 μm. Furthermore, it has been confirmed that in the region where the thickness of the semi-insulating layer 3 is 1 μm or more and less than 2 μm, the mobility is recovered more than when the conventional semi-insulating layer is used, and the mobility required for the device is satisfied. .

図3は、本実施の形態における反りの規定方法を説明するための図である。本実施の形態においては、反り量BWを、積層体10(もしくはHEMT素子20)の表面WSの最大浮き上がり量、すなわち、水平位置HRからの表面WSの突出距離で規定するものとする。   FIG. 3 is a diagram for explaining a method for defining warpage in the present embodiment. In the present embodiment, the warpage amount BW is defined by the maximum lift amount of the surface WS of the stacked body 10 (or HEMT element 20), that is, the protruding distance of the surface WS from the horizontal position HR.

キャリア供給層4は、少なくともAlを含むIII族窒化物にて形成されてなる。好ましくは、AlxGa1-xNなる組成を有するIII族窒化物にて形成される。キャリア供給層4は、数十nm程度の厚みに形成されるのが、2次元電子ガス領域の形成の点ならびにデバイス動作の点(すなわちゲート電圧印加に対する主電流の制御性という点)からは好ましい。 The carrier supply layer 4 is formed of a group III nitride containing at least Al. Preferably, it is formed of a group III nitride having a composition of Al x Ga 1-x N. The carrier supply layer 4 is preferably formed to a thickness of about several tens of nm from the viewpoint of forming a two-dimensional electron gas region and device operation (that is, controllability of the main current with respect to gate voltage application). .

キャリア供給層4は、例えばMOCVD法やMBE法などの公知の成膜手法にて形成される。HEMT素子20においては、半絶縁層3とキャリア供給層4の(a軸の)格子定数差に起因して表面から基板へと電界が生ずるピエゾ効果(圧電効果)、ならびに自発分極効果により、半絶縁層3の表面に2次元電子ガスが生成するが、キャリア供給層4をxの値が大きいIII族窒化物、つまりは、AlリッチなIII族窒化物にて形成するほど、ピエゾ効果は増し、2次元電子ガス領域におけるシートキャリア濃度は向上する。好ましくは、キャリア供給層4はx≧0.2をみたす範囲のIII族窒化物にて形成される。ただし、xが大きい場合は、クラックが生じやすくなるため、クラックが生じない成長条件を選択することが必要である。   The carrier supply layer 4 is formed by a known film formation method such as MOCVD method or MBE method. In the HEMT device 20, a semi-insulating layer 3 and a carrier supply layer 4 have a piezoelectric effect (piezoelectric effect) in which an electric field is generated from the surface to the substrate due to a lattice constant difference (a axis), and a spontaneous polarization effect. Two-dimensional electron gas is generated on the surface of the insulating layer 3, but the piezo effect increases as the carrier supply layer 4 is formed of a group III nitride having a large value of x, that is, an Al-rich group III nitride. The sheet carrier concentration in the two-dimensional electron gas region is improved. Preferably, the carrier supply layer 4 is formed of a group III nitride satisfying x ≧ 0.2. However, if x is large, cracks are likely to occur, so it is necessary to select growth conditions that do not cause cracks.

なお、キャリア供給層4には、例えばSiなどのn型のドーパントがドープされてもよい。また、バリア層やキャップ層などとして作用するIII族窒化物層がキャリア供給層4上側や下側に設けられてもよい。   The carrier supply layer 4 may be doped with an n-type dopant such as Si. In addition, a group III nitride layer acting as a barrier layer, a cap layer, or the like may be provided on the upper side or the lower side of the carrier supply layer 4.

キャリア供給層4は、その表面におけるピット密度が5×108/cm2以下であるように形成される。キャリア供給層4が、このような良好な結晶性を有するのは、上述のように高い結晶性を有する半絶縁層3を設けたうえで、用いる成膜手法に応じて半導体層の成長条件を適宜に制御することによるものといえる。 The carrier supply layer 4 is formed so that the pit density on the surface thereof is 5 × 10 8 / cm 2 or less. The carrier supply layer 4 has such a good crystallinity after providing the semi-insulating layer 3 having a high crystallinity as described above, and changing the growth conditions of the semiconductor layer according to the film forming method used. It can be said that it is due to appropriate control.

ソース電極5およびドレイン電極6は、キャリア供給層4の表面に、例えば、Ti/Au/Ti/Auにてオーミック接合により形成される。ソース電極5およびドレイン電極6の形成に際しては、キャリア供給層4の表面の電極形成箇所に、所定のコンタクト処理がなされた上で行われてもよい。また、ゲート電極7は、キャリア供給層4の表面に、例えば、Pt/Auにてショットキー接合により形成される。   The source electrode 5 and the drain electrode 6 are formed on the surface of the carrier supply layer 4 by, for example, ohmic contact with Ti / Au / Ti / Au. The source electrode 5 and the drain electrode 6 may be formed after a predetermined contact process is performed on the electrode forming portion on the surface of the carrier supply layer 4. The gate electrode 7 is formed on the surface of the carrier supply layer 4 by, for example, Pt / Au by Schottky junction.

<製造装置>
次に、本実施の形態に係るIII族窒化物の作製、具体的には半絶縁層3のエピタキシャル形成をMOCVD法を用いて行う場合に用いる装置について説明する。図4は、係る製造装置100の構成の一例を、模式的に示す図である。すなわち、製造装置100はいわゆる「MOCVD装置」である。
<Manufacturing equipment>
Next, an apparatus used when manufacturing the group III nitride according to the present embodiment, specifically, the epitaxial formation of the semi-insulating layer 3 using the MOCVD method will be described. FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of the manufacturing apparatus 100. That is, the manufacturing apparatus 100 is a so-called “MOCVD apparatus”.

製造装置100は、III族窒化物を半絶縁層3として下地基板1s上にエピタキシャル形成するための原料ガスを、下地基板1sの主面上に流すことができるように構成される。なお、半絶縁層3の形成のみならず、成長下地層2およびキャリア供給層4の形成を、製造装置100を用いて行うことも可能である。   The manufacturing apparatus 100 is configured such that a source gas for epitaxially forming a group III nitride as the semi-insulating layer 3 on the base substrate 1s can be flowed over the main surface of the base substrate 1s. In addition to the formation of the semi-insulating layer 3, the growth base layer 2 and the carrier supply layer 4 can be formed using the manufacturing apparatus 100.

製造装置100は、反応性ガスを下地基板1sの主面に導入するための、反応性ガス導入管31を備える。反応性ガス導入管31は、気密の処理容器21内にあり、その2つの外部端は、それぞれ、反応性ガスの導入口22および排気口24となっている。また、反応性ガス導入管31には、下地基板1sの主面上に反応性ガスを接触させるために開口部31hが設けられている。   The manufacturing apparatus 100 includes a reactive gas introduction pipe 31 for introducing a reactive gas into the main surface of the base substrate 1s. The reactive gas introduction pipe 31 is in an airtight processing vessel 21, and two external ends thereof are a reactive gas introduction port 22 and an exhaust port 24, respectively. In addition, the reactive gas introduction pipe 31 is provided with an opening 31h for contacting the reactive gas on the main surface of the base substrate 1s.

処理容器21の外側にある導入口22には、配管系L1およびL2が接続されている。配管系L1は、アンモニアガス(NH3)、窒素ガス(N2)および水素ガス(H2)を供給するための配管系である。一方、配管系L2は、TMA(トリメチルアルミニウム;Al(CH33)、TMG(トリメチルガリウム;Ga(CH33)、TMI(トリメチルインジウム;In(CH33)、CP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム;Mg(C552)、シランガス(SiH4)、窒素ガスおよび水素ガスを供給するための配管系である。さらに、配管系L2には、TMA、TMG、TMIおよびCP2Mgの供給源24d〜24gが接続される。 Piping systems L <b> 1 and L <b> 2 are connected to the introduction port 22 outside the processing container 21. The piping system L1 is a piping system for supplying ammonia gas (NH 3 ), nitrogen gas (N 2 ), and hydrogen gas (H 2 ). On the other hand, the pipeline L2 is, TMA (trimethylaluminum; Al (CH 3) 3) , TMG ( trimethyl gallium; Ga (CH 3) 3) , TMI ( trimethyl indium; In (CH 3) 3) , CP 2 Mg ( It is a piping system for supplying cyclopentadienyl magnesium; Mg (C 5 H 5 ) 2 ), silane gas (SiH 4 ), nitrogen gas and hydrogen gas. Further, TMA, TMG, TMI and CP 2 Mg supply sources 24d to 24g are connected to the piping system L2.

TMA、TMG、TMIおよびCP2Mgの供給源24d〜24gは、バブリングを行うために、窒素ガスの供給源24bに接続されている。同様に、TMA、TMG、TMIおよびCP2Mgの供給源24d〜24gは、水素ガスの供給源24cに接続されている。なお、本実施の形態においては、TMIおよびCP2Mgは使用しないので、供給源24fおよび24gは備わっていなくともよい。 The TMA, TMG, TMI, and CP 2 Mg supply sources 24d to 24g are connected to a nitrogen gas supply source 24b for bubbling. Similarly, TMA, TMG, TMI, and CP2Mg supply sources 24d to 24g are connected to a hydrogen gas supply source 24c. In the present embodiment, since TMI and CP 2 Mg are not used, the supply sources 24f and 24g may not be provided.

製造装置100においては、水素(H2)もしくは窒素(N2)、またはその混合ガスがキャリアガスとして機能する。なお、全てのガス供給系は、流量計を用いて、ガス流量が制御されている。 In the manufacturing apparatus 100, hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), or a mixed gas thereof functions as a carrier gas. In all gas supply systems, the gas flow rate is controlled using a flow meter.

さらに、排気口24には、処理容器21の内部のガスを強制排気する真空ポンプ27が接続される。   Further, a vacuum pump 27 that forcibly exhausts the gas inside the processing container 21 is connected to the exhaust port 24.

また、処理容器21の内部には、下地基板1sを載置する基材台(サセプタ)28と、基材台28を処理容器21の内部に支持する支持脚29とが設けられる。基材台28は、ヒータ30によって温度制御可能である。製造装置100においては、下地基板1sと密着している基材台28の温度を変更することにより、下地基板1sの成長温度を変化させる。換言すれば、ヒータ30を制御することによって下地基板1sの温度は制御可能である。ここで、半絶縁層3を形成する際の下地基板1sの温度は、SiCをコーティングしたカーボンで構成される厚み(5mm)のサセプタ28を、波長0.95μmにて裏面から輻射率(0.5)と設定した放射温度計を用いて測定した温度により規定している。   In addition, a base plate (susceptor) 28 on which the base substrate 1 s is placed and a support leg 29 that supports the base plate 28 inside the processing chamber 21 are provided inside the processing chamber 21. The temperature of the base table 28 can be controlled by a heater 30. In the manufacturing apparatus 100, the growth temperature of the base substrate 1s is changed by changing the temperature of the base 28 that is in close contact with the base substrate 1s. In other words, the temperature of the base substrate 1 s can be controlled by controlling the heater 30. Here, the temperature of the base substrate 1s when forming the semi-insulating layer 3 is such that the susceptor 28 having a thickness (5 mm) made of SiC-coated carbon has a radiation rate (0. It is defined by the temperature measured using the radiation thermometer set as 5).

<半絶縁層の形成方法>
続いて、製造装置100を用いたIII族窒化物の作製方法、具体的にいえば、半絶縁層3の形成方法について説明する。ここでは、あらかじめ所定の方法により、上述のように作成されてなる下地基板1sの上に、半絶縁層3を生成する場合について説明する。なお、後述する実施例では便宜上、成長下地層2を形成することによる下地基板1sの作製と、半絶縁層3の作成とを同一の製造装置100で連続的に行うよう説明しているが、成長下地層2の形成つまりは下地基板1sの作製と、その上への半絶縁層3の形成とは、異なる製造装置によって行うことが望ましい。成長下地層2と半絶縁層3とを形成する際の条件が大きく異なる場合、例えば、それぞれの層を大きく異なる組成の物質で形成するような場合、同一の製造装置を用いてこれらを連続的に形成すると、製造装置のメモリー効果等が要因となって、それぞれの層の品質が大きく劣化することがあるからである。また、両層を異なる装置で形成する場合、下地層の形成後、製造装置より取り出した時点で、該下地層の結晶品質を評価することができるので、不良を取り除くことが可能となるという利点もある。なお、この場合、大気中においては成長下地層2の最表面には酸化層が形成されることになるが、係る酸化層は、後述する処理により効果的に除去される。図5は、本実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。
<Method for forming semi-insulating layer>
Next, a method for producing a group III nitride using the manufacturing apparatus 100, specifically, a method for forming the semi-insulating layer 3 will be described. Here, the case where the semi-insulating layer 3 is generated on the base substrate 1s formed as described above by a predetermined method will be described. In the embodiment described later, for the sake of convenience, it is described that the production of the base substrate 1s by forming the growth base layer 2 and the creation of the semi-insulating layer 3 are performed continuously by the same manufacturing apparatus 100. The formation of the growth foundation layer 2, that is, the production of the foundation substrate 1s and the formation of the semi-insulating layer 3 thereon are preferably performed by different manufacturing apparatuses. When the conditions for forming the growth base layer 2 and the semi-insulating layer 3 are greatly different, for example, when the layers are formed of materials having greatly different compositions, these are continuously formed using the same manufacturing apparatus. This is because the quality of each layer may be greatly deteriorated due to the memory effect of the manufacturing apparatus. In addition, when both layers are formed by different apparatuses, it is possible to evaluate the crystal quality of the underlying layer when it is taken out from the manufacturing apparatus after the formation of the underlying layer, so that it is possible to eliminate defects. There is also. In this case, an oxide layer is formed on the outermost surface of the growth base layer 2 in the atmosphere, but the oxide layer is effectively removed by a process described later. FIG. 5 is a diagram showing a flow of forming the semi-insulating layer 3 according to the present embodiment.

まず、基材台28の上に、下地基板1sを載置する(ステップS1)。その際には、下地基板1sの成長下地層2の表面をアセトンおよびIPA(イソプロピルアルコール)を用いて超音波洗浄し、水洗乾燥させた状態で載置することが好ましい。   First, the base substrate 1s is placed on the base stand 28 (step S1). In that case, it is preferable that the surface of the growth base layer 2 of the base substrate 1s is ultrasonically cleaned using acetone and IPA (isopropyl alcohol), and then placed in a state of being washed with water and dried.

下地基板1sを載置させた後、室温の状態で水素ガスの供給源24cより水素ガスの供給を開始する(ステップS2)。その際には、流速を0.01m/s〜100m/sの範囲の所定の値とするとともに、製造装置100の内部の圧力を50mbar〜300mbarの間の所定の値に設定する。たとえば、流速を4m/s、圧力を200mbarとするのがその好適な一例である。   After placing the base substrate 1s, supply of hydrogen gas is started from the hydrogen gas supply source 24c at room temperature (step S2). At that time, the flow velocity is set to a predetermined value in the range of 0.01 m / s to 100 m / s, and the pressure inside the manufacturing apparatus 100 is set to a predetermined value between 50 mbar and 300 mbar. For example, a preferred example is a flow rate of 4 m / s and a pressure of 200 mbar.

水素ガスの供給を開始後、ヒータ30により昇温を開始する(ステップS3)。その際の昇温レートは、50℃/分〜400℃/分の間の所定の値に設定する。例えば150℃/分がその好適な一例である。   After the supply of hydrogen gas is started, the temperature rise is started by the heater 30 (step S3). The temperature rising rate at that time is set to a predetermined value between 50 ° C./min and 400 ° C./min. For example, 150 ° C./min is a suitable example.

水素ガスの供給と昇温とは、下地基板1sが所定の形成温度(半絶縁層3を構成するIII族窒化物結晶の成膜温度)に達するまで継続される(ステップS4)。ここで、形成温度は、1000℃〜1200℃の温度範囲で適宜に設定される。例えば、1100℃がその好適な一例である。なお、形成温度に達するまでに処理容器中に十分な水素ガス雰囲気が形成されるのであれば、昇温の途中で水素ガスの供給を終了するようにしてもよいが、制御パラメーターを出来る限り少なくする観点から、温度が一定温度に安定した後に供給を終了することが好ましい。ただし、温度安定性の問題から、所定の形成温度からの±10℃程度の温度ずれは、形成温度の範囲内として許容される。   The supply of hydrogen gas and the temperature increase are continued until the base substrate 1s reaches a predetermined formation temperature (the formation temperature of the group III nitride crystal constituting the semi-insulating layer 3) (step S4). Here, the formation temperature is appropriately set within a temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C. For example, 1100 ° C. is a suitable example. If a sufficient hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the formation temperature is reached, the supply of hydrogen gas may be terminated during the temperature increase, but the control parameters are reduced as much as possible. From this viewpoint, it is preferable that the supply is terminated after the temperature is stabilized at a constant temperature. However, due to the problem of temperature stability, a temperature deviation of about ± 10 ° C. from the predetermined formation temperature is allowed within the range of the formation temperature.

すなわち、本実施の形態においては、遅くとも下地基板の温度が形成温度に達するまでに処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように、水素ガスが供給されているといえる。また、水素ガス供給開始温度である室温以上の温度域で、処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように、水素ガスが供給されているともいえる。   That is, in this embodiment, it can be said that the hydrogen gas is supplied so that the hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the temperature of the base substrate reaches the formation temperature at the latest. In addition, it can be said that hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container in a temperature range of room temperature or higher, which is a hydrogen gas supply start temperature.

なお、水素ガス雰囲気とは、水素ガスを主成分とするガス雰囲気をいうが、例えばアンモニアや窒素といった他のガスを、意図的に微量含む場合や、不純物的に含む場合をも指し示しているものとする。水素ガス雰囲気での加熱は、下地基板1sの最表面に形成されている酸化層を除去する作用を有する処理であるが、酸化層を除去することが出来る限り、他のガスが含まれることも許容される。ただし、酸化膜除去の作用を最大限に活用するためには、水素ガスのみで雰囲気が形成されることが望ましい。また、この酸化層除去の効果が顕著となるのは、大気中で保管した場合に酸化されやすいAlN系III族窒化物によって成長下地層2が形成されている場合、特に、中でも特にAlNによって形成されている場合である。ただし、水素ガス雰囲気での加熱を長時間継続すると、下地基板1sの表面に欠陥を誘発し、半絶縁層3の結晶品質が劣化することがあるので、水素ガス雰囲気での加熱は、下地基板1の表面欠陥を誘発しない程度の時間とすることが望ましい。   The hydrogen gas atmosphere refers to a gas atmosphere containing hydrogen gas as a main component, but also indicates a case where a trace amount of other gas such as ammonia or nitrogen is intentionally included or an impurity is included. And The heating in the hydrogen gas atmosphere is a process having an action of removing the oxide layer formed on the outermost surface of the base substrate 1s, but other gases may be included as long as the oxide layer can be removed. Permissible. However, in order to make maximum use of the action of removing the oxide film, it is desirable that the atmosphere be formed only with hydrogen gas. Further, the effect of removing the oxide layer becomes remarkable when the growth underlayer 2 is formed of AlN group III nitride that is easily oxidized when stored in the air, particularly when formed with AlN. This is the case. However, if the heating in the hydrogen gas atmosphere is continued for a long time, defects may be induced on the surface of the base substrate 1s and the crystal quality of the semi-insulating layer 3 may be deteriorated. It is desirable to set the time so as not to induce one surface defect.

下地基板1sの温度が形成温度に達すると、(半絶縁層3の形成が終了するまで)下地基板1sの温度を維持しつつ、ガスの供給態様を、水素ガスのみから、アンモニア、窒素、および水素の混合ガスに切り替える(ステップS5)。係る混合ガスを供給する際の、それぞれの供給源24a〜24cから供給される各ガスの流速は、それぞれ適宜に定められるが、例えば、順に2m/s、1m/s、および1m/sとするのが好適な一例である。   When the temperature of the base substrate 1s reaches the formation temperature (until the formation of the semi-insulating layer 3 is completed), while maintaining the temperature of the base substrate 1s, the gas supply mode is changed from only hydrogen gas to ammonia, nitrogen, and Switching to a mixed gas of hydrogen (step S5). The flow rate of each gas supplied from each of the supply sources 24a to 24c when supplying such a mixed gas is appropriately determined. For example, 2 m / s, 1 m / s, and 1 m / s are sequentially set. Is a suitable example.

このような混合ガスの供給を開始してから所定の時間(例えば30秒程度)が経過した後に、混合ガスの供給を維持しつつ、さらにIII族原料ガスの供給を開始する(ステップS6)。ここで、所定の時間が経過するのを待つのは、供給ガスの切替は温度変動を生じさせる可能性が高いことから、この切替に起因して不具合が生じることを避けるべく、係る変動を収束させ、設定した形成温度に下地基板の温度を安定させるためである。   After a predetermined time (for example, about 30 seconds) has passed since the supply of the mixed gas has started, the supply of the group III source gas is further started while the supply of the mixed gas is maintained (step S6). Here, the reason for waiting for a predetermined time to elapse is that the switching of the supply gas is likely to cause a temperature fluctuation, so that the fluctuation is converged in order to avoid a malfunction due to this switching. This is to stabilize the temperature of the base substrate at the set formation temperature.

なお、供給されるガス種は、半絶縁層3として形成しようとする物質の組成に応じて定められる。GaNにて半絶縁層3を形成する場合にはTMGが、供給源24eから供給される。さらにAlあるいはInを含む組成の半絶縁層3を形成するような場合は、これらの元素の原料となるTMA、TMIについても、それぞれの供給源24dおよび24fよりそれぞれ供給されることになる。   The type of gas to be supplied is determined according to the composition of the substance to be formed as the semi-insulating layer 3. When the semi-insulating layer 3 is formed of GaN, TMG is supplied from the supply source 24e. Further, when the semi-insulating layer 3 having a composition containing Al or In is formed, TMA and TMI as raw materials for these elements are also supplied from the respective supply sources 24d and 24f.

III族原料ガスの供給は、アンモニアガスとの供給比(III族原料ガス:アンモニアガス)が1:500〜1:3000の所定の比率になるように供給される。例えば、1:1 000が好適な一例である。   The group III source gas is supplied so that the supply ratio to the ammonia gas (group III source gas: ammonia gas) is a predetermined ratio of 1: 500 to 1: 3000. For example, 1: 1000 is a suitable example.

係るガス供給によって、下地基板1s上において、具体的には成長下地層2上において、III族窒化物結晶膜がエピタキシャル成長する。すなわち、半絶縁層3が形成される。係るガス供給は、半絶縁層3が所望の厚みに形成されるまで行う。   By such gas supply, the group III nitride crystal film is epitaxially grown on the base substrate 1 s, specifically, on the growth base layer 2. That is, the semi-insulating layer 3 is formed. Such gas supply is performed until the semi-insulating layer 3 is formed to a desired thickness.

本実施の形態においては、このような方法を用いることにより、昇温時に混合ガスを供給する場合よりも安定的に、良好な結晶品質および高い比抵抗を有する半絶縁層3を形成することができる。これにより、こうした半絶縁層3を有するHEMT素子20を安定的に得ることが出来る。   In the present embodiment, by using such a method, the semi-insulating layer 3 having good crystal quality and high specific resistance can be formed more stably than when the mixed gas is supplied at the time of temperature rise. it can. Thereby, the HEMT device 20 having such a semi-insulating layer 3 can be stably obtained.

例えば、後述の実施例に示すように、単結晶基材1としてサファイアを用い、成長下地層2として、高結晶品質のAlN層1μmの厚みに形成してなる下地基板1sを用意し、上述の方法によって半絶縁層3を形成した場合、異なる複数の積層体10のいずれにおいても、(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅はせいぜい110秒以下であること、1×107Ω・cm以上の高い比抵抗が安定的に実現されること、および一の積層体における面内ばらつきも小さいことが確認されている。また、係る場合の積層体10の反りは、厚みが3μmの場合で25〜30μm程度であり、厚みが1.5μmの場合で15μm程度であることも確認されている。 For example, as shown in the examples to be described later, a sapphire is used as the single crystal base material 1, and a base substrate 1s formed to a thickness of 1 μm of a high crystal quality AlN layer as the growth base layer 2 is prepared. When the semi-insulating layer 3 is formed by the method, the half-value width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane is 110 seconds or less at most in any of the plurality of different laminated bodies 10 and 1 × 10 7 Ω · cm. It has been confirmed that the above high specific resistance is stably realized and that in-plane variation in one laminated body is small. In addition, it has been confirmed that the warpage of the laminate 10 in this case is about 25 to 30 μm when the thickness is 3 μm and about 15 μm when the thickness is 1.5 μm.

なお、上述の方法に用いる装置は、製造装置100に限られるものではなく、必要な構成要素を有する限りにおいて、他の装置を使用した半絶縁層の形成はもちろん可能である。   Note that the apparatus used in the above-described method is not limited to the manufacturing apparatus 100, and it is needless to say that a semi-insulating layer can be formed using another apparatus as long as it has necessary components.

以上、説明したように、本実施の形態に係る作製方法を用いることにより、下地基板上に対して安定的に、高結晶品質でかつ高比抵抗な、III族窒化物結晶からなる半絶縁層を形成することができる。さらには、該III族窒化物結晶を半絶縁層として有するHEMT素子において、半絶縁層を薄くしても、高結晶品質と高比抵抗が維持されるので、下地基板と半絶縁層との格子定数差に起因して生じるHEMT素子における反りの低減が実現される。   As described above, by using the manufacturing method according to the present embodiment, a semi-insulating layer made of a group III nitride crystal that is stably high crystal quality and high resistivity with respect to the base substrate. Can be formed. Furthermore, in a HEMT device having the group III nitride crystal as a semi-insulating layer, even if the semi-insulating layer is thin, high crystal quality and high specific resistance are maintained, so that the lattice between the base substrate and the semi-insulating layer can be maintained. Reduction of warpage in the HEMT element caused by the constant difference is realized.

<第2の実施の形態>
次に、第1の実施の形態とは異なる態様により、半絶縁層3を形成する方法について説明する。具体的には、III族窒化物結晶の成膜に先立つ昇温過程における雰囲気を、第1の実施の形態とは違えた態様について説明する。なお、本実施の形態においても、あらかじめ所定の方法により作成されてなる下地基板1sの上に、製造装置100を用いて半絶縁層3を生成するものとする。図6は、本実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。
<Second Embodiment>
Next, a method for forming the semi-insulating layer 3 according to an aspect different from the first embodiment will be described. Specifically, an aspect in which the atmosphere in the temperature raising process prior to the formation of the group III nitride crystal is different from the first embodiment will be described. In the present embodiment, it is also assumed that the semi-insulating layer 3 is generated using the manufacturing apparatus 100 on the base substrate 1s that has been prepared in advance by a predetermined method. FIG. 6 is a diagram showing a flow of forming the semi-insulating layer 3 according to the present embodiment.

まず、第1の実施の形態のステップS1と同様に、基材台28の上に下地基板1sを載置する(ステップS101)。その後、室温の状態でアンモニア、窒素、および水素の混合ガスの供給を開始する(ステップS102)。それぞれの供給源24a〜24cから供給される各ガスの流速は、それぞれ適宜に定められるが、例えば、順に2m/s、1m/s、および1m/sとするのが好適な一例である。その際には、製造装置100の内部の圧力を50mbar〜300mbarの間の所定の値に設定する。たとえば、圧力を200mbarとするのがその好適な一例である。   First, similarly to step S1 of the first embodiment, the base substrate 1s is placed on the base stand 28 (step S101). Thereafter, supply of a mixed gas of ammonia, nitrogen, and hydrogen is started at room temperature (step S102). The flow rates of the respective gases supplied from the respective supply sources 24a to 24c are appropriately determined. For example, 2 m / s, 1 m / s, and 1 m / s are preferable in order. In that case, the pressure inside the manufacturing apparatus 100 is set to a predetermined value between 50 mbar and 300 mbar. For example, a preferable example is a pressure of 200 mbar.

混合ガスの供給を開始後、ヒータ30により昇温を開始する(ステップS103)。その際の昇温レートは、50℃/分〜400℃/分の間の所定の値に設定する。例えば150℃/分がその好適な一例である。   After the supply of the mixed gas is started, the heating is started by the heater 30 (step S103). The temperature increase rate at that time is set to a predetermined value between 50 ° C./min and 400 ° C./min. For example, 150 ° C./min is a suitable example.

昇温開始後、300℃に到達すると(ステップS104)、ガスの供給態様を、混合ガスから、水素ガスのみに切り替える(ステップS105)。その際には、流速を0.01m/s〜100m/sの範囲の所定の値とするとともに、製造装置100の内部の圧力を50mbar〜300mbarの間の所定の値に設定する。たとえば、流速を4m/s、圧力を200mbarとするのがその好適な一例である。   When the temperature reaches 300 ° C. after starting the temperature increase (step S104), the gas supply mode is switched from the mixed gas to only hydrogen gas (step S105). At that time, the flow velocity is set to a predetermined value in the range of 0.01 m / s to 100 m / s, and the pressure inside the manufacturing apparatus 100 is set to a predetermined value between 50 mbar and 300 mbar. For example, a preferred example is a flow rate of 4 m / s and a pressure of 200 mbar.

水素ガスの供給と昇温とは、下地基板1sが所定の形成温度(半絶縁層を構成するIII族窒化物結晶の成膜温度)に達するまで継続される(ステップS106)。ここで、形成温度は、1000℃〜1200℃の温度範囲で適宜に設定される。例えば、1100℃がその好適な一例である。   The supply of hydrogen gas and the temperature increase are continued until the base substrate 1s reaches a predetermined formation temperature (deposition temperature of the group III nitride crystal constituting the semi-insulating layer) (step S106). Here, the formation temperature is appropriately set within a temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C. For example, 1100 ° C. is a suitable example.

このように、本実施の形態における昇温過程における雰囲気の与え方は、第1の実施の形態とは異なっているが、遅くとも下地基板の温度が形成温度に達するまでに処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように、水素ガスが供給されている点では共通しているといえる。また、水素ガス供給開始温度そのものは異なるが、水素ガス供給開始温度以上の温度域で処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように水素ガスが供給されている点においても、共通しているといえる。   As described above, the method of providing the atmosphere in the temperature raising process in the present embodiment is different from that in the first embodiment, but hydrogen gas in the processing container is not reached until the temperature of the base substrate reaches the formation temperature at the latest. It can be said that it is common in that hydrogen gas is supplied as an atmosphere is formed. In addition, although the hydrogen gas supply start temperature itself is different, it is common in that hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container in a temperature range higher than the hydrogen gas supply start temperature. It can be said.

下地基板1sの温度が形成温度に達した以降は、第1の実施の形態と同様の処理を行う。すなわち、下地基板1sの温度を維持しつつ、ガスの供給態様を、水素ガスのみから、アンモニア、窒素、および水素の混合ガスに切り替える(ステップS107)。そして、混合ガスの供給を開始してから所定の時間(例えば30秒程度)が経過した後に、混合ガスの供給を維持しつつ、さらにIII族原料ガスの供給を開始する(ステップS108)。これにより、下地基板1s上において、具体的には成長下地層2上において、III族窒化物結晶の膜がエピタキシャル成長する。すなわち、半絶縁層3が形成される。係るガス供給は、半絶縁層3が所望の厚みに形成されるまで行う。   After the temperature of the base substrate 1s reaches the formation temperature, the same processing as in the first embodiment is performed. That is, while maintaining the temperature of the base substrate 1s, the gas supply mode is switched from only hydrogen gas to a mixed gas of ammonia, nitrogen, and hydrogen (step S107). Then, after a predetermined time (for example, about 30 seconds) has elapsed since the start of the supply of the mixed gas, the supply of the group gas is further started while the supply of the mixed gas is maintained (step S108). Thus, a group III nitride crystal film is epitaxially grown on the base substrate 1 s, specifically, on the growth base layer 2. That is, the semi-insulating layer 3 is formed. Such gas supply is performed until the semi-insulating layer 3 is formed to a desired thickness.

本実施の形態においても、後述の実施例にて例示するように、(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅はせいぜい130秒以下であり表面平坦性も良好という高結晶品質と1×107Ω・cm以上という高い比抵抗の実現を両立させつつ、積層体における反りの低減をさせることができる、半絶縁層3を形成することができる。これにより、こうした半絶縁層3を有するHEMT素子20を安定的に得ることが出来る。また、昇温レートを第1の実施の形態と同じ、もしくはより速くする場合、本実施の形態の方が第1の実施の形態よりも水素雰囲気下での加熱時間は短くなるので、下地基板1sの表面への欠陥の誘発に起因する半絶縁層3の結晶品質の劣化がより生じにくくなるという点でも、本実施の形態における昇温時の雰囲気形成の態様は好適である。なお、本実施の形態においても、用いる装置は製造装置100に限られない。 Also in this embodiment, as illustrated in the examples described later, the half-value width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane is 130 seconds or less and the surface flatness is good, and the crystal quality is 1 × 10. It is possible to form the semi-insulating layer 3 that can reduce the warpage in the laminate while simultaneously achieving a high specific resistance of 7 Ω · cm or more. Thereby, the HEMT device 20 having such a semi-insulating layer 3 can be stably obtained. Further, when the temperature increase rate is the same as or faster than that in the first embodiment, the heating time in the hydrogen atmosphere is shorter in the present embodiment than in the first embodiment. The aspect of the atmosphere formation at the time of temperature increase in the present embodiment is also suitable in that the deterioration of the crystal quality of the semi-insulating layer 3 due to the induction of defects on the surface of 1 s is less likely to occur. Also in this embodiment, the apparatus to be used is not limited to the manufacturing apparatus 100.

以上、説明したように、本実施の形態に係る作製方法を用いることによっても、下地基板上に、高結晶品質でかつ高比抵抗であり、積層体における反りを低減してなる半絶縁層を形成することができる。   As described above, by using the manufacturing method according to this embodiment, a semi-insulating layer having high crystal quality and high specific resistance and reducing warpage in a stacked body can be formed over a base substrate. Can be formed.

<第3の実施の形態>
図7は、第3の実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。図7には、図6のステップ104に代えてステップ204が設けられてなる以外は、図6と同様の処理を行う態様が示されている。すなわち、第3の実施の形態は、昇温時に処理容器に供給するガスを混合ガスから水素ガスへと切り替えるタイミングを500℃とする以外は、第2の実施の形態と同様の処理を行う態様である。
<Third Embodiment>
FIG. 7 is a diagram showing a flow of forming the semi-insulating layer 3 according to the third embodiment. FIG. 7 shows an aspect in which processing similar to that in FIG. 6 is performed except that step 204 is provided instead of step 104 in FIG. That is, the third embodiment is a mode in which the same processing as that of the second embodiment is performed except that the timing of switching the gas supplied to the processing container from the mixed gas to the hydrogen gas at the time of temperature rise is set to 500 ° C. It is.

すなわち、本実施の形態においても、昇温過程において遅くとも下地基板の温度が形成温度に達するまでに処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように、水素ガスが供給されている点では、他の実施の形態と共通しているといえる。また、水素ガス供給開始温度そのものは異なるが、水素ガス供給開始温度以上の温度域で処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように水素ガスが供給されている点においても、他の実施の形態と共通しているといえる。   That is, also in the present embodiment, hydrogen gas is supplied so that the hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the temperature of the base substrate reaches the formation temperature at the latest in the temperature raising process. It can be said that it is common with other embodiments. Further, although the hydrogen gas supply start temperature itself is different, other implementations are also performed in that hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container in a temperature range higher than the hydrogen gas supply start temperature. It can be said that it is common with the form.

本実施の形態においても、後述の実施例にて例示するように、(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅はせいぜい150秒以下であり表面平坦性も良好という高結晶品質と5×106Ω・cm以上という高い比抵抗の実現を両立させつつ、積層体における反りの低減をさせることができる、半絶縁層3を形成することができる。すなわち、本実施の形態に係る作製方法を用いることによっても、下地基板上に、高結晶品質でかつ高比抵抗であり、積層体における反りを低減してなる半絶縁層を形成することができる。また、昇温レートを第1もしくは第2の実施の形態と同じ、もしくはより速くする場合、本実施の形態の方が第1もしくは第2の実施の形態よりも水素雰囲気下での加熱時間が短くなるので、下地基板1sの表面への欠陥の誘発に起因する半絶縁層3の結晶品質の劣化がより生じにくくなるという点でも、本実施の形態における昇温時の雰囲気形成の態様は好適である。 Also in this embodiment, as illustrated in the examples described later, the half-value width of the X-ray rocking curve in the (0002) plane is 150 seconds or less and the surface flatness is good, and the crystal quality is 5 × 10 5. It is possible to form the semi-insulating layer 3 that can reduce the warpage in the laminated body while simultaneously realizing a high specific resistance of 6 Ω · cm or more. That is, by using the manufacturing method according to this embodiment mode, a semi-insulating layer having high crystal quality and high specific resistance and reduced warpage in the stacked body can be formed over the base substrate. . In addition, when the rate of temperature increase is the same as or faster than that in the first or second embodiment, the heating time in the present embodiment is shorter in the hydrogen atmosphere than in the first or second embodiment. The aspect of atmosphere formation at the time of temperature increase in the present embodiment is also preferable in that the crystal quality of the semi-insulating layer 3 is less likely to be deteriorated due to the induction of defects on the surface of the base substrate 1s because it is shorter. It is.

(実施例1)
本実施例においては、第1の実施の形態に係る方法により積層体10を作製した。具体的には、まず、下地基板1sを作製すべく、単結晶基材1として2インチ径の厚さ630μmのC面サファイア基材を用意し、アセトン及びIPAで超音波洗浄し、さらに水洗乾燥した後に、製造装置100の中に設置した。処理容器内の圧力を50mbarに設定し、水素ガスを流速1m/secで流しながら、単結晶基材1を1200℃まで昇温した。その後、アンモニアガスを水素キャリアガスとともに5分間流し、単結晶基材1の主面を窒化させた。なお、XPS(X線光電子分光)による分析の結果、この表面窒化処理によって、基板主面には窒化層が形成されており、主面から深さ1nmにおける窒素含有量が7原子%であることが判明した。
Example 1
In this example, the laminated body 10 was produced by the method according to the first embodiment. Specifically, first, in order to prepare the base substrate 1s, a C-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 630 μm is prepared as the single crystal substrate 1, and ultrasonically cleaned with acetone and IPA, and further washed with water and dried. After that, it was installed in the manufacturing apparatus 100. The pressure in the processing vessel was set to 50 mbar, and the single crystal substrate 1 was heated to 1200 ° C. while flowing hydrogen gas at a flow rate of 1 m / sec. Thereafter, ammonia gas was allowed to flow along with the hydrogen carrier gas for 5 minutes to nitride the main surface of the single crystal substrate 1. As a result of analysis by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), a nitride layer is formed on the main surface of the substrate by this surface nitriding treatment, and the nitrogen content at a depth of 1 nm from the main surface is 7 atomic%. There was found.

次いで、TMA及びアンモニアガスを合計して流速5m/secで流して、成長下地層2としてのAlN層を厚さ1μmまでエピタキシャル成長させた。これにより、下地基板1sが得られた。このAlN層の転位密度は2×1010/cm2であり、(0002)面におけるX線回折ロッキングカーブの半値幅は60秒であった。さらに、AFM(原子間力顕微鏡)によりAlN層の表面平坦性を確認したところ、5μm×5μmの範囲における平均粗さRaは0.15nmであった。 Next, TMA and ammonia gas were combined and flowed at a flow rate of 5 m / sec, and an AlN layer as a growth underlayer 2 was epitaxially grown to a thickness of 1 μm. Thereby, the base substrate 1s was obtained. The dislocation density of this AlN layer was 2 × 10 10 / cm 2 , and the half width of the X-ray diffraction rocking curve on the (0002) plane was 60 seconds. Furthermore, when the surface flatness of the AlN layer was confirmed by AFM (atomic force microscope), the average roughness Ra in the range of 5 μm × 5 μm was 0.15 nm.

次いで、AlN層を速やかにアセトン及びIPAで超音波洗浄した後、水洗乾燥し、再び製造装置100の中に載置した。次いで、製造装置100の内部の圧力を200mbarに設定し、室温にて流速4m/secで水素ガスの供給を開始した後、昇温レート150℃/分にてヒータ30により昇温を開始した。温度が1100℃に達すると、雰囲気ガスを水素ガス、窒素ガス、アンモニアガスの混合ガスに切り替えた。それぞれの流速は、2m/sec、1m/sec、1m/secとした。この状態を30秒間保った後、さらにTMGの供給を開始して、半絶縁層としてのGaN層を3μmの厚みになるまでエピタキシャル成長させた。これにより、積層体10が得られた。   Next, the AlN layer was quickly ultrasonically washed with acetone and IPA, then washed with water and dried, and placed in the manufacturing apparatus 100 again. Subsequently, the internal pressure of the manufacturing apparatus 100 was set to 200 mbar, the supply of hydrogen gas was started at a flow rate of 4 m / sec at room temperature, and then the heating was started by the heater 30 at a heating rate of 150 ° C./min. When the temperature reached 1100 ° C., the atmospheric gas was switched to a mixed gas of hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia gas. Each flow velocity was 2 m / sec, 1 m / sec, and 1 m / sec. After maintaining this state for 30 seconds, TMG supply was further started, and a GaN layer as a semi-insulating layer was epitaxially grown to a thickness of 3 μm. Thereby, the laminated body 10 was obtained.

次いで、比抵抗測定を行うため、キャリア密度が1×1019/cm3となるようにシランガスを添加して、電極とのコンタクト層となるn−GaN層を半絶縁層3の上に10nm成長させた。成長終了後、n−GaN層の表面にTi/Al/Ti/Auからなる四端子測定用の電極を形成し、電極が被覆されていない部分のn−GaNの部分をエッチングにより除去した後、アニール炉に載置した。次いで、アニール炉に窒素ガスを流速0.1m/secで流し、基板温度を500℃以上に設定し、1分間保った後、室温になるまで冷却した。以上の処理の後、半絶縁層3としてのGaN層の比抵抗値を測定したところ、1×108Ω・cmであった。なお、以降においても、比抵抗測定のための処理は同様に行っているが、その説明は省略する。 Next, in order to measure the specific resistance, silane gas is added so that the carrier density becomes 1 × 10 19 / cm 3 , and an n-GaN layer serving as a contact layer with the electrode is grown on the semi-insulating layer 3 by 10 nm. I let you. After completion of the growth, after forming an electrode for four-terminal measurement composed of Ti / Al / Ti / Au on the surface of the n-GaN layer, and removing the n-GaN portion that is not covered with the electrode by etching, Placed in an annealing furnace. Next, nitrogen gas was flowed into the annealing furnace at a flow rate of 0.1 m / sec, the substrate temperature was set to 500 ° C. or higher, maintained for 1 minute, and then cooled to room temperature. After the above treatment, the specific resistance value of the GaN layer as the semi-insulating layer 3 was measured and found to be 1 × 10 8 Ω · cm. In the following, the process for measuring the specific resistance is performed in the same manner, but the description thereof is omitted.

また、基板の反りの量は28μmであった。GaN層の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は70秒であった。   The amount of substrate warpage was 28 μm. The full width at half maximum of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the GaN layer was 70 seconds.

(実施例2)
本実施例においては、第2の実施の形態に係る方法により積層体10を作製した。具体的には、実施例1と同様に作製した下地基板1sを製造装置100の中に載置し、室温にて製造装置100内の圧力を200mbarに設定したうえで、水素ガス、窒素ガス、およびアンモニアガスの混合ガスの供給を開始した。それぞれの流速は、2m/sec、1m/sec、1m/secとした。その後、昇温レート150℃/分にてヒータ30により昇温を開始した。下地基板の温度が300℃に到達した地点で後、供給ガスを水素ガスのみに切り替えた。その際の流速は4m/secとした。その後も昇温を続け、下地基板が1100℃に到達した後は、実施例1と同様に半絶縁層としてのGaN層を3μmの厚さに成長させた。また、比抵抗測定のためのコンタクト層および電極の形成についても、実施例1と同様に行った。このようにして、10個の積層体を作製した。
(Example 2)
In this example, the laminated body 10 was produced by the method according to the second embodiment. Specifically, the base substrate 1s produced in the same manner as in Example 1 is placed in the manufacturing apparatus 100, the pressure in the manufacturing apparatus 100 is set to 200 mbar at room temperature, hydrogen gas, nitrogen gas, And the supply of a mixed gas of ammonia gas was started. Each flow velocity was 2 m / sec, 1 m / sec, and 1 m / sec. Thereafter, the heating was started by the heater 30 at a heating rate of 150 ° C./min. After the point where the temperature of the base substrate reached 300 ° C., the supply gas was switched to hydrogen gas only. The flow rate at that time was 4 m / sec. Thereafter, the temperature was continued to rise, and after the base substrate reached 1100 ° C., a GaN layer as a semi-insulating layer was grown to a thickness of 3 μm as in Example 1. Further, the formation of the contact layer and the electrode for measuring the specific resistance was performed in the same manner as in Example 1. In this way, 10 laminates were produced.

得られた10個の積層体について、GaN層の比抵抗値を評価したところ、1〜5×107Ω・cmであった。また、基板の反りの量は25〜30μmであり、GaN層の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は70〜90秒であった。 About the obtained ten laminated bodies, when the specific resistance value of the GaN layer was evaluated, it was 1 to 5 × 10 7 Ω · cm. Further, the amount of warpage of the substrate was 25 to 30 μm, and the half width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the GaN layer was 70 to 90 seconds.

(実施例3)
本実施例においては、第3の実施の形態に係る方法により積層体10を作製した。具体的には、ガス供給の切替温度を500℃とした以外は、実施例2と同様に、10個の積層体を形成した。
(Example 3)
In this example, the laminated body 10 was produced by the method according to the third embodiment. Specifically, 10 laminates were formed in the same manner as in Example 2 except that the gas supply switching temperature was 500 ° C.

得られた10個の積層体について、GaN層の比抵抗値を評価したところ、5〜10×106Ω・cmであった。また、基板の反りの量は25〜30μmであり、GaN層の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は80〜110秒であった。 When the specific resistance value of the GaN layer was evaluated for the obtained 10 laminates, it was 5 to 10 × 10 6 Ω · cm. The amount of warpage of the substrate was 25 to 30 μm, and the half width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the GaN layer was 80 to 110 seconds.

(実施例1ないし実施例3の比較)
これらの実施例からは、小さくとも5×106Ω・cm以上という高い比抵抗が得られていること、および、良好な結晶品質の半絶縁層が形成されていることが確認される。
(Comparison of Examples 1 to 3)
From these examples, it is confirmed that a high specific resistance of at least 5 × 10 6 Ω · cm is obtained, and that a semi-insulating layer of good crystal quality is formed.

これらの実施例においては、昇温過程における雰囲気の与え方は異なるが、遅くとも下地基板の温度が形成温度に達するまでに処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように、水素ガスを供給する態様、換言すれば、水素ガス供給開始温度以上の温度域で処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように水素ガスを供給する態様である点は共通している。すなわち、係る態様にて半絶縁層の形成温度に至る雰囲気を形成することが、高結晶品質化と、高比抵抗化との両立に有効であるといえる。   In these examples, the method of providing the atmosphere in the temperature raising process is different, but hydrogen gas is supplied so that the hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the temperature of the base substrate reaches the formation temperature at the latest. In other words, in other words, the hydrogen gas is supplied in such a manner that the hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container in a temperature range equal to or higher than the hydrogen gas supply start temperature. That is, it can be said that forming an atmosphere that reaches the formation temperature of the semi-insulating layer in this manner is effective in achieving both high crystal quality and high specific resistance.

また、実施例1ないし実施例3よれば、昇温を開始した後、下地基板1sの温度が遅くとも500℃に至った時点で水素ガスの供給を開始すれば、比抵抗が1×106Ω・cm以上という高比抵抗の半絶縁層3を得ることができるといえる。なお、より高い比抵抗を得るという観点からは、300℃に至るまでに供給を開始することが、さらに好ましくは室温の状態で開始することが有効ということになるが、上述したような、水素雰囲気下での加熱時間が長くなることに伴う結晶品質の劣化が生じないように、昇温レートの設定も含めた条件設定を行うのがよいと考えられる。 Further, according to Examples 1 to 3, if the supply of hydrogen gas is started when the temperature of the base substrate 1s reaches 500 ° C. at the latest after the temperature increase is started, the specific resistance becomes 1 × 10 6 Ω. It can be said that the semi-insulating layer 3 having a high specific resistance of cm or more can be obtained. From the viewpoint of obtaining a higher specific resistance, it is effective to start the supply before reaching 300 ° C., and more preferably to start at room temperature. It is considered that the condition setting including the temperature rising rate should be set so that the crystal quality is not deteriorated due to the long heating time in the atmosphere.

(実施例4)
実施例1と同様の条件で下地基板1s上に半絶縁層3としてのGaN層を成長させるが、その厚みが1.5μmとなるようにした。
Example 4
A GaN layer as the semi-insulating layer 3 was grown on the base substrate 1s under the same conditions as in Example 1, but the thickness was set to 1.5 μm.

得られたGaN層の比抵抗は1×108Ω・cmであった。GaN層の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は70秒であった。微分干渉顕微鏡像によって、GaN層の表面の1μm径以上のピットの密度を評価したところ、0個/mm2であった。また、このときの基板の反りの量は15μmであった。 The specific resistance of the obtained GaN layer was 1 × 10 8 Ω · cm. The full width at half maximum of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the GaN layer was 70 seconds. When the density of pits having a diameter of 1 μm or more on the surface of the GaN layer was evaluated by a differential interference microscope image, it was 0 / mm 2 . Further, the amount of warpage of the substrate at this time was 15 μm.

(比較例1)
実施例1と同様の条件で下地基板1sを用意し、製造装置100の中に載置し、室温にて製造装置100内の圧力を200mbarに設定したうえで、水素ガス、窒素ガス、およびアンモニアガスの混合ガスの供給を開始した。それぞれの流速は、2m/sec、1m/sec、1m/secとした。その後、昇温レート150℃/分にてヒータ30により昇温を開始した。下地基板の温度が1100℃に達した以降は、実施例1と同様の手法により、半絶縁層としてのGaN層を成長するが、その厚みが1.5μmとなるようにした。
(Comparative Example 1)
A base substrate 1s is prepared under the same conditions as in Example 1, placed in the manufacturing apparatus 100, and the pressure in the manufacturing apparatus 100 is set to 200 mbar at room temperature, and then hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia are prepared. Supply of gas mixture started. Each flow velocity was 2 m / sec, 1 m / sec, and 1 m / sec. Thereafter, the heating was started by the heater 30 at a heating rate of 150 ° C./min. After the temperature of the base substrate reached 1100 ° C., a GaN layer as a semi-insulating layer was grown by the same method as in Example 1, but the thickness was set to 1.5 μm.

得られたGaN層の比抵抗は、2×105Ω・cmであった。このときの基板の反りの量は15μmであり、GaN層の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は130秒であった。また、微分干渉顕微鏡像によって実施例4と同様に評価したピットの密度は、1500個/mm2であった。図11は、本比較例についての微分干渉顕微鏡像を例示する図である。図11においては、矢印にて示すように、多数のピットが存在することが確認される。 The specific resistance of the obtained GaN layer was 2 × 10 5 Ω · cm. The amount of warpage of the substrate at this time was 15 μm, and the half width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the GaN layer was 130 seconds. Further, the density of pits evaluated in the same manner as in Example 4 by using a differential interference microscope image was 1500 pieces / mm 2 . FIG. 11 is a diagram illustrating a differential interference microscope image for this comparative example. In FIG. 11, it is confirmed that a large number of pits exist as indicated by arrows.

(実施例4と比較例1との比較)
実施例4においては、実施例1の場合とほぼ同等の比抵抗および結晶品質が実現されている。また、図11にて示したようなピットは、実施例4においては確認されなかった。比較例1においては比抵抗および結晶品質のいずれにおいても実施例4よりも劣っていた。また、反り量に関しては、実施例4では実施例1よりも小さい値が得られており、比較例1においても差異はなかったので、これは、半絶縁層の膜厚が薄いことがそのまま反映されたものと考えられる。しかしながら、結晶品質には実施例4と比較例1とで大きな差異があることから、上述の実施の形態に係る方法による場合は、さらに半絶縁層の厚みがさらに薄い場合でも良好な結晶品質と高比抵抗とが確保できるものと考えられる。結果として、反りがより低減された積層体10およびHEMT素子20の実現が可能になるといえる。
(Comparison between Example 4 and Comparative Example 1)
In Example 4, the specific resistance and crystal quality almost equivalent to those in Example 1 are realized. Also, pits as shown in FIG. 11 were not confirmed in Example 4. In Comparative Example 1, both specific resistance and crystal quality were inferior to Example 4. Further, with respect to the warpage amount, the smaller value was obtained in Example 4 than in Example 1, and there was no difference in Comparative Example 1, and this reflected the fact that the film thickness of the semi-insulating layer was thin. It is thought that it was done. However, since there is a large difference in crystal quality between Example 4 and Comparative Example 1, when the method according to the above-described embodiment, the crystal quality is good even when the semi-insulating layer is thinner. It is considered that a high specific resistance can be secured. As a result, it can be said that it is possible to realize the stacked body 10 and the HEMT element 20 in which warpage is further reduced.

(実施例5)
単結晶基材1として用いるサファイアの厚みと、成長下地層2としてのAlN層の形成(MOCVD法によるエピタキシャル形成)に使用する成長炉の種類を違えた、以下に示す異なる3つの条件で作製された下地基板1sを、それぞれに10個ずつ用意した。なお、AlN層の厚みはいずれも1μmとした。
(Example 5)
It was fabricated under the following three different conditions, with the thickness of sapphire used as the single crystal substrate 1 and the type of growth furnace used for the formation of the AlN layer as the growth base layer 2 (epitaxial formation by MOCVD method) being different. Ten base substrates 1s were prepared for each. The thickness of each AlN layer was 1 μm.

条件1:厚さ430μm、成長炉1;
条件2:厚さ630μm、成長炉1(実施例1で使用した下地基板と同条件);
条件3:厚さ430μm、成長炉2。
Condition 1: 430 μm thickness, growth furnace 1;
Condition 2: 630 μm thick, growth furnace 1 (same conditions as the base substrate used in Example 1);
Condition 3: thickness 430 μm, growth furnace 2.

これらを用いて、実施例1と同様の手法により、半絶縁層3としてのGaN層を3μmの厚みに形成することにより、積層体10を得た。   Using these, a GaN layer as the semi-insulating layer 3 was formed to a thickness of 3 μm by the same method as in Example 1 to obtain a laminate 10.

(比較例2)
実施例5と同様の3つの条件で下地基板1sを用意し、製造装置100の中に載置し、室温にて製造装置100内の圧力を200mbarに設定したうえで、水素ガス、窒素ガス、およびアンモニアガスの混合ガスの供給を開始した。それぞれの流速は、2m/sec、1m/sec、1m/secとした。その後、昇温レート150℃/分にてヒータ30により昇温を開始した。下地基板の温度が1100℃に達した以降は、実施例1と同様の手法により、半絶縁層としてのGaN層を3μmの厚みに形成することにより、積層体を得た。
(Comparative Example 2)
A base substrate 1s is prepared under the same three conditions as in the fifth embodiment, placed in the manufacturing apparatus 100, and after setting the pressure in the manufacturing apparatus 100 to 200 mbar at room temperature, hydrogen gas, nitrogen gas, And the supply of a mixed gas of ammonia gas was started. Each flow velocity was 2 m / sec, 1 m / sec, and 1 m / sec. Thereafter, the heating was started by the heater 30 at a heating rate of 150 ° C./min. After the temperature of the base substrate reached 1100 ° C., a GaN layer as a semi-insulating layer was formed to a thickness of 3 μm by the same method as in Example 1 to obtain a laminate.

(実施例5と比較例2との比較)
図8、図9、および図10は、実施例5および比較例2に係るそれぞれ10個の積層体についてのGaN層の比抵抗を示す図である。各図は順に、条件1、条件2、および条件3の下地基板を用いて作製した場合に対応し、(A)が実施例5の場合を示している。(B)が比較例2の場合を示している。また、各図に示されているエラーバーは、それぞれの積層体における比抵抗の面内ばらつきの程度を示している。
(Comparison between Example 5 and Comparative Example 2)
8, FIG. 9, and FIG. 10 are diagrams showing the specific resistance of the GaN layer for each of the 10 stacked bodies according to Example 5 and Comparative Example 2. FIG. Each figure corresponds to the case where the substrate is manufactured using the base substrates of Condition 1, Condition 2, and Condition 3, and (A) shows the case of Example 5. (B) shows the case of Comparative Example 2. Moreover, the error bar shown in each figure has shown the grade of the in-plane variation of the specific resistance in each laminated body.

図8ないし図10の(A)と(B)とを比較すると、(A)の場合すなわち実施例5の積層体では、下地基板1sの条件(種類)によらず、1×107Ω・cm以上という高い比抵抗が安定して得られ、かつ、個体間ばらつきおよび面内ばらつきとも小さいことがわかる。すなわち、下地基板1sの種類によらず、高い比抵抗が安定的に得られているといえる。実施例5と比較例2との相違は昇温過程における雰囲気の与え方のみであるので、この結果は、水素雰囲気による昇温が、高い比抵抗の安定的な実現に有効であることを示している。 8A to 10B are compared with each other in the case of (A), that is, in the stacked body of Example 5, 1 × 10 7 Ω · It can be seen that a high specific resistance of cm or more can be stably obtained, and that both individual variation and in-plane variation are small. That is, it can be said that a high specific resistance is stably obtained regardless of the type of the base substrate 1s. Since the difference between Example 5 and Comparative Example 2 is only the way of providing the atmosphere in the temperature raising process, this result shows that the temperature rise by the hydrogen atmosphere is effective for the stable realization of a high specific resistance. ing.

(実施例6)
図2に示す構造のHEMT素子20を作製した。具体的には、実施例1と同様の条件で半絶縁層の厚みが1.5μmである積層体を作製し、引き続いて、TMA、TMGを供給して、キャリア供給層4としてのAlGaN層を、30nmの厚さに形成した。その後、AlGaN層の表面に、Ti/Au/Ti/Auからなるソース電極5およびドレイン電極6と、Pt/Auからなるゲート電極7とを形成した。なお、HEMT素子20の反りの量は15μmであった。
(Example 6)
A HEMT device 20 having the structure shown in FIG. 2 was produced. Specifically, a laminate having a semi-insulating layer thickness of 1.5 μm is manufactured under the same conditions as in Example 1, and subsequently, TMA and TMG are supplied to form an AlGaN layer as the carrier supply layer 4. And a thickness of 30 nm. Thereafter, a source electrode 5 and a drain electrode 6 made of Ti / Au / Ti / Au and a gate electrode 7 made of Pt / Au were formed on the surface of the AlGaN layer. The amount of warpage of the HEMT element 20 was 15 μm.

得られたHEMT素子20のドレイン電極6を接地し、ゲート電極7に−5Vを印加してオフ状態とし、ソース電極5に電圧+50Vを印加してソース電極5とドレイン電極6の間に流れるリーク電流を評価したところ、1nA/mmであった。   The drain electrode 6 of the obtained HEMT device 20 is grounded, −5V is applied to the gate electrode 7 to be turned off, and the voltage + 50V is applied to the source electrode 5 to cause leakage between the source electrode 5 and the drain electrode 6. When the electric current was evaluated, it was 1 nA / mm.

(比較例3)
比較例1と同様の条件で、半絶縁層の厚みが1.5μmである積層体を作製し、引き続き、実施例6と同様の処理を行ってHEMT素子を作製した。得られたHEMT素子の反りの量は15μmであり、実施例6と同様に評価したリーク電流は、2mA/mmであった。
(Comparative Example 3)
A laminated body having a semi-insulating layer thickness of 1.5 μm was produced under the same conditions as in Comparative Example 1, and then a HEMT element was produced by performing the same treatment as in Example 6. The amount of warpage of the obtained HEMT device was 15 μm, and the leakage current evaluated in the same manner as in Example 6 was 2 mA / mm.

(実施例6と比較例3との比較)
実施例6では、リーク電流の値がきわめて小さい良好なHEMT素子が得られている。すなわち、上述の実施の形態に係る方法によれば、厚みが薄いにも関わらず、良好な結晶品質と高比抵抗との両立が実現された半絶縁層を含むHEMT素子が実現されている。また、半絶縁層の厚みが薄くなっていることにより、反りがより低減されてなるHEMT素子が実現できている。
(Comparison between Example 6 and Comparative Example 3)
In Example 6, a good HEMT element having a very small leakage current is obtained. That is, according to the method according to the above-described embodiment, a HEMT element including a semi-insulating layer in which both good crystal quality and high specific resistance are realized is realized even though the thickness is small. In addition, since the thickness of the semi-insulating layer is reduced, a HEMT element in which warpage is further reduced can be realized.

積層体10の構成を示す概要図である。1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laminated body 10. 積層体10を用いて形成されたHEMT素子20の構成を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a HEMT element 20 formed using a laminated body 10. FIG. 反りの規定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition method of curvature. 製造装置100の構成の一例を、模式的に示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the manufacturing apparatus 100 typically. 第1の実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of formation of the semi-insulating layer 3 which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of formation of the semi-insulating layer 3 which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係る半絶縁層3の形成の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of formation of the semi-insulating layer 3 which concerns on 3rd Embodiment. 実施例5および比較例2の条件1に係るGaN層の比抵抗を示す図である。6 is a diagram showing specific resistance of a GaN layer according to condition 1 of Example 5 and Comparative Example 2. FIG. 実施例5および比較例2の条件2に係るGaN層の比抵抗を示す図である。6 is a graph showing specific resistance of a GaN layer according to condition 2 of Example 5 and Comparative Example 2. FIG. 実施例5および比較例2の条件3に係るGaN層の比抵抗を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing specific resistance of a GaN layer according to condition 3 of Example 5 and Comparative Example 2. 比較例1についての微分干渉顕微鏡像を例示する図である。10 is a diagram illustrating a differential interference microscope image for Comparative Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 単結晶基材
1s 下地基板
2 成長下地層
3 半絶縁層
4 キャリア供給層
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 ゲート電極
10 積層体
20 HEMT素子
21 処理容器
24a〜〜24g (各種の)ガス供給源
28 基材台
30 ヒータ
100 製造装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal base material 1s Ground substrate 2 Growth base layer 3 Semi-insulating layer 4 Carrier supply layer 5 Source electrode 6 Drain electrode 7 Gate electrode 10 Laminated body 20 HEMT element 21 Processing container 24a-24g (various) gas supply source 28 Base plate 30 Heater 100 Manufacturing equipment

Claims (17)

III族窒化物結晶の作製方法であって、
処理容器中で所定の単結晶下地基板を所定の成膜温度にまで昇温する昇温工程と、
前記所定の成膜温度に昇温された前記単結晶下地基板の上に少なくともGaを含む第1のIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成膜工程と、
を備え、
前記昇温工程においては、遅くとも前記単結晶下地基板の温度が前記成膜温度に達するまでには前記処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されているように水素ガスを供給し、
前記単結晶下地基板の温度が前記所定の成膜温度に達した以降に、前記第1のIII族窒化物結晶の形成に必要な所定のガス群の前記処理容器中への供給を開始することによって前記成膜工程を行う、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal,
A temperature raising step of raising a predetermined single crystal base substrate to a predetermined film formation temperature in a processing container;
A film forming step of epitaxially growing a first group III nitride crystal containing at least Ga on the single crystal base substrate heated to the predetermined film forming temperature;
With
In the temperature raising step, hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container until the temperature of the single crystal base substrate reaches the film formation temperature at the latest,
After the temperature of the single crystal base substrate reaches the predetermined film forming temperature, supply of a predetermined gas group necessary for forming the first group III nitride crystal into the processing container is started. The film forming step is performed by
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
III族窒化物結晶の作製方法であって、
処理容器中で所定の単結晶下地基板を所定の成膜温度にまで昇温する昇温工程と、
前記所定の成膜温度に昇温された前記単結晶下地基板の上に少なくともGaを含む第1のIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成膜工程と、
を備え、
前記昇温工程においては、前記単結晶下地基板の温度が所定の水素ガス供給開始温度以上である場合に前記処理容器中に水素ガス雰囲気が形成されるように水素ガスを供給し、
前記単結晶下地基板の温度が前記所定の成膜温度に達した以降に、前記第1のIII族窒化物結晶の形成に必要な所定のガス群の前記処理容器中への供給を開始することによって前記成膜工程を行う、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal,
A temperature raising step of raising a predetermined single crystal base substrate to a predetermined film formation temperature in a processing container;
A film forming step of epitaxially growing a first group III nitride crystal containing at least Ga on the single crystal base substrate heated to the predetermined film forming temperature;
With
In the temperature raising step, when the temperature of the single crystal base substrate is equal to or higher than a predetermined hydrogen gas supply start temperature, hydrogen gas is supplied so that a hydrogen gas atmosphere is formed in the processing container,
After the temperature of the single crystal base substrate reaches the predetermined film forming temperature, supply of a predetermined gas group necessary for forming the first group III nitride crystal into the processing container is started. The film forming step is performed by
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記昇温工程において前記単結晶下地基板の温度が300℃以上である場合に前記水素ガスを供給する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to claim 1 or claim 2,
Supplying the hydrogen gas when the temperature of the single crystal base substrate is 300 ° C. or higher in the temperature raising step;
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項3に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記昇温工程において前記単結晶下地基板の温度が500℃以上である場合に前記水素ガスを供給する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to claim 3,
Supplying the hydrogen gas when the temperature of the single crystal base substrate is 500 ° C. or higher in the temperature raising step;
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物を形成するためのV族原料ガスを含む第1のガス群の供給を先行して開始し、温度変動が収束した後に、前記第1のIII族窒化物を形成するためのIII族元素ガスを含む第2のガス群の供給を開始する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 4,
In the film forming step, the supply of the first gas group including the group V source gas for forming the first group III nitride is started in advance, and after the temperature fluctuation has converged, Starting to supply a second gas group containing a group III element gas to form a group III nitride of
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物における全III族元素中のGaの含有比率が50%以上となるように、前記所定のガス群の供給を行う、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 5,
In the film forming step, the predetermined gas group is supplied so that a Ga content ratio in all Group III elements in the first Group III nitride is 50% or more.
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項6に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物における全III族元素中のGaの含有比率が80%以上となるように、前記所定のガス群の供給を行う、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to claim 6,
In the film forming step, the predetermined gas group is supplied so that a Ga content ratio in all Group III elements in the first Group III nitride is 80% or more.
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項7に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記成膜工程においては、前記第1のIII族窒化物がGaNとなるように、前記所定のガス群の供給を行う、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to claim 7,
In the film forming step, the predetermined gas group is supplied so that the first group III nitride is GaN.
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記単結晶下地基板が、所定の単結晶基材の上にAlN系III族窒化物である第2のIII族窒化物からなる下地層をエピタキシャル形成してなるものであり、
前記第1のIII族窒化物におけるAlの含有比率は前記第2のIII族窒化物におけるAlの含有比率よりも小さい、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 8,
The single crystal base substrate is formed by epitaxially forming a base layer made of a second group III nitride which is an AlN group III nitride on a predetermined single crystal base material,
The Al content ratio in the first Group III nitride is smaller than the Al content ratio in the second Group III nitride.
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項9に記載のIII族窒化物結晶の作製方法であって、
前記第2のIII族窒化物がAlNである、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
A method for producing a group III nitride crystal according to claim 9,
The second group III nitride is AlN;
A method for producing a group III nitride crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の作製方法によって所定の単結晶下地基板の上に少なくともGaを含むIII族窒化物結晶からなる結晶層を形成することによりエピタキシャル基板を得るようにしたこと、
を特徴とするエピタキシャル基板における反り低減方法。
An epitaxial substrate is obtained by forming a crystal layer made of a group III nitride crystal containing at least Ga on a predetermined single crystal base substrate by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 10. thing,
A method for reducing warpage in an epitaxial substrate, characterized by:
請求項11に記載のエピタキシャル基板における反り低減方法であって、
前記結晶層を2.0μm以下の膜厚を有するように形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板における反り低減方法。
A method for reducing warpage in an epitaxial substrate according to claim 11,
Forming the crystal layer to have a thickness of 2.0 μm or less;
A method for reducing warpage in an epitaxial substrate, characterized in that:
請求項1ないし請求項10のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の作製方法によって所定の単結晶下地基板の上に前記第1のIII族窒化物からなる結晶層を形成してなる、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
A crystal layer made of the first group III nitride is formed on a predetermined single crystal base substrate by the method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 10.
An epitaxial substrate characterized by that.
請求項10に記載のIII族窒化物結晶の作製方法によって前記下地層を0.5〜1.0μmの膜厚で形成するとともに前記第1のIII族窒化物からなる結晶層をGaNによって1.0〜2.0μmの膜厚で形成し、前記結晶層の上にAlGaNからなる上部層をさらにエピタキシャル形成してなる、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
The underlayer is formed with a film thickness of 0.5 to 1.0 μm by the method for producing a group III nitride crystal according to claim 10, and the crystal layer made of the first group III nitride is 1. It is formed with a film thickness of 0 to 2.0 μm, and an upper layer made of AlGaN is further epitaxially formed on the crystal layer.
An epitaxial substrate characterized by that.
請求項13または請求項14に記載のエピタキシャル基板であって、
前記結晶層の比抵抗が1×106Ω・cm以上である、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to claim 13 or 14,
The specific resistance of the crystal layer is 1 × 10 6 Ω · cm or more,
An epitaxial substrate characterized by that.
請求項15に記載のエピタキシャル基板であって、
前記結晶層が、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下で、かつ表面欠陥がないように形成されてなる、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to claim 15, wherein
The crystal layer is formed so that the X-ray rocking curve half-value width of the (0002) plane is 200 seconds or less and there are no surface defects.
An epitaxial substrate characterized by that.
請求項13ないし請求項16のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いて形成されてなる、
ことを特徴とする半導体素子。
It is formed using the epitaxial substrate according to any one of claims 13 to 16.
The semiconductor element characterized by the above-mentioned.
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