JP2007165576A - Base material for semiconductor device, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、AlGaN半導体化合物よりなる半導体装置を得るための半導体装置用基材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device substrate for obtaining a semiconductor device made of an AlGaN semiconductor compound and a method for manufacturing the same.
従来より、窒化ガリウム(GaN)などのIII −V族窒化物は、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)などの発光デバイスの半導体材料として用いられてきた。また近年、高周波デバイスやパワーデバイスなどの電子デバイスの半導体材料としても期待されている。特にAlを含有するIII −V族窒化物であるAlGaN半導体化合物は、その広いバンドギャップから、紫外光発光デバイスヘの応用が期待されている。 Conventionally, group III-V nitrides such as gallium nitride (GaN) have been used as semiconductor materials for light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). In recent years, it is also expected as a semiconductor material for electronic devices such as high-frequency devices and power devices. In particular, an AlGaN semiconductor compound which is a group III-V nitride containing Al is expected to be applied to an ultraviolet light emitting device because of its wide band gap.
しかしながら、AlGaN半導体化合物は、Alの組成比率が大きい結晶ほど、その結晶中に転位などの結晶欠陥を多量に包含してその結晶性が低くなるという性質のものであるため、Alを高い割合で含有しながら高い結晶品質が達成された半導体装置とすることが難しい、という問題がある。 However, since the AlGaN semiconductor compound has such a property that a crystal having a large Al composition ratio includes a large amount of crystal defects such as dislocations in the crystal and its crystallinity is lowered. There is a problem that it is difficult to obtain a semiconductor device in which high crystal quality is achieved while being contained.
このような問題を解決するために、エピタキシャル横方向成長法、いわゆるELO(Epitaxial Lateral overgrowth)と呼ばれる結晶成長方法によるAlGaN半導体化合物を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この結晶成長方法は、基板の表面または基板上に成長させた下地結晶層の表面に凹凸を形成させ、その凹凸を有する表面上に結晶を成長させることにより、転位密度が低減された結晶を得る方法である。
また、転位密度が低減された結晶を得るために、基板上または基板上に成長させた下地結晶層上に適宜の方法で形成させたマスクを介して結晶を成長させる方法も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
In order to solve such a problem, a method of forming an AlGaN semiconductor compound by an epitaxial lateral growth method, a crystal growth method called so-called ELO (Epitaxial Lateral overgrowth) has been proposed (see, for example, Patent Document 1). . In this crystal growth method, a crystal with reduced dislocation density is obtained by forming irregularities on the surface of the substrate or the surface of the underlying crystal layer grown on the substrate and growing the crystals on the surface having the irregularities. Is the method.
In addition, in order to obtain a crystal with reduced dislocation density, a method of growing a crystal through a mask formed by an appropriate method on a substrate or an underlying crystal layer grown on the substrate has been proposed ( For example, see Patent Document 2.)
しかしながら、凹凸を有する表面上に形成された結晶や、マスクを介して形成された結晶は、その表面状態が平坦性の低いものとなったり、基板にクラックが発生したものとなることがあり、発光デバイスや電子デバイスとして好適に用いることができない、という問題がある。 However, a crystal formed on a surface having irregularities or a crystal formed through a mask may have a low surface state or a crack in the substrate. There is a problem that it cannot be suitably used as a light emitting device or an electronic device.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、良好な表面状態を有し、しかも、転位密度が低減されて十分に大きい発光効率が得られる、広い有効発光波長範囲を有する発光デバイスを得ることができる半導体装置用基材およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made on the basis of the circumstances as described above, and the object thereof is a wide effective that has a good surface state, and a sufficiently high luminous efficiency can be obtained by reducing the dislocation density. An object of the present invention is to provide a substrate for a semiconductor device and a method for producing the same, which can obtain a light emitting device having an emission wavelength range.
本発明の半導体装置用基材は、基板と、この基板上に形成された超格子構造層と、この超格子構造層上に形成された、AlGaN半導体化合物よりなる機能素子形成用ベース層とを有し、
前記超格子構造層は、機能素子形成用ベース層よりも低結晶性であるAlGaN半導体化合物よりなる第1の低結晶性層と、Alの組成比率が第1の低結晶性層よりも大きいAlGaN半導体化合物よりなる第2の低結晶性層とからなる積層単位が3以上重ねられた周期構造を有するものであることを特徴とする。
The substrate for a semiconductor device of the present invention includes a substrate, a superlattice structure layer formed on the substrate, and a functional element formation base layer made of an AlGaN semiconductor compound formed on the superlattice structure layer. Have
The superlattice structure layer includes a first low crystalline layer made of an AlGaN semiconductor compound having a lower crystallinity than the base layer for forming a functional element, and an AlGaN having a higher Al composition ratio than the first low crystalline layer. It is characterized in that it has a periodic structure in which three or more stacked units composed of a second low crystalline layer made of a semiconductor compound are stacked.
本発明の半導体装置用基材においては、機能素子形成用ベース層と、超格子構造層との間に、低結晶性AlGaN化合物層が介在されていることが好ましい。
また、基板と、超格子構造層との間に、バッファ層が介在されていることが好ましい。
さらに、基板の表面に溝部が形成されていることが好ましい。
In the base material for a semiconductor device of the present invention, it is preferable that a low crystalline AlGaN compound layer is interposed between the functional element forming base layer and the superlattice structure layer.
In addition, it is preferable that a buffer layer is interposed between the substrate and the superlattice structure layer.
Furthermore, it is preferable that a groove is formed on the surface of the substrate.
本発明の半導体装置用基材においては、高結晶性AlGaN化合物層と、超格子構造層と、低結晶性AlGaN化合物層とよりなる積層単位が複数積層されている構成とすることができる。 The substrate for a semiconductor device according to the present invention may have a configuration in which a plurality of lamination units each composed of a high crystalline AlGaN compound layer, a superlattice structure layer, and a low crystalline AlGaN compound layer are laminated.
本発明の半導体装置用基材の製造方法は、上記の半導体装置用基材の製造方法であって、
基板上に超格子構造層を形成させる超格子構造層形成工程と、超格子構造層上に機能素子形成用ベース層を形成させる工程とを有し、
超格子構造層形成工程は、機能素子形成用ベース層を形成させる温度よりも低温において、第1の低結晶性層および第2の低結晶性層を交互に3積層単位以上成長させる工程よりなることを特徴とする。
A manufacturing method of a substrate for a semiconductor device of the present invention is a manufacturing method of the substrate for a semiconductor device described above,
A superlattice structure layer forming step of forming a superlattice structure layer on the substrate; and a step of forming a functional element forming base layer on the superlattice structure layer,
The superlattice structure layer forming step includes a step of alternately growing three or more stacked units of the first low crystalline layer and the second low crystalline layer at a temperature lower than the temperature at which the functional element forming base layer is formed. It is characterized by that.
本発明の半導体装置用基材の製造方法においては、基板の表面に溝部を形成するエッチング工程を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the base material for semiconductor devices of this invention, it is preferable to have an etching process which forms a groove part in the surface of a board | substrate.
本発明の半導体装置用基材によれば、基本的に発光デバイスをAlGaN半導体化合物により構成することで十分に広い有効発光波長範囲が得られ、しかも、基板上に特定の周期構造を含有する超格子構造層を介して機能素子形成用ベース層が形成されており、この超格子構造層の周期構造により基板を構成する結晶面内の2軸応力が緩和されて当該基板においてクラックの発生が抑止されると共に、基板とAlGaN半導体化合物よりなる層との間の格子定数の差に起因して不可避的に発生した転位が互いに会合して少なくともその一部を消失させることができるために、機能素子形成用ベース層が良好な表面状態を有すると共に転位密度の低減されたものとなり、この機能素子形成用ベース層上に形成されるべきAlGaN半導体化合物よりなる発光デバイスを、良好な表面状態を有すると共に転位密度が低減された十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。 According to the base material for a semiconductor device of the present invention, a sufficiently wide effective light emission wavelength range can be obtained basically by configuring a light emitting device with an AlGaN semiconductor compound, and a superstructure containing a specific periodic structure on the substrate. A functional element forming base layer is formed via the lattice structure layer, and the periodic structure of the superlattice structure layer alleviates the biaxial stress in the crystal plane constituting the substrate, thereby suppressing the generation of cracks in the substrate. In addition, since the dislocations inevitably generated due to the difference in lattice constant between the substrate and the layer made of the AlGaN semiconductor compound can be associated with each other and at least part of them can disappear, the functional element AlGaN semiconductor compound to be formed on this functional element forming base layer having a good surface state and a reduced dislocation density The Li Cheng-emitting device, dislocation density and has a good surface state can be assumed that a sufficiently large luminous efficiency is reduced is obtained.
また、基板の表面に溝部が形成されてなる半導体装置用基材によれば、超格子構造層を構成するAlGaN半導体化合物を成長させる際に、当該溝部を埋めるよう面方向への結晶成長が促進され、これにより、超格子構造層上に形成される機能素子形成用ベース層を転位密度の低減されたものとすることができ、結局、当該機能素子形成用ベース層上に形成される発光デバイスを、転位密度が著しく低減されたものとすることができて十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。 In addition, according to the substrate for a semiconductor device in which a groove is formed on the surface of the substrate, crystal growth in the plane direction is promoted so as to fill the groove when the AlGaN semiconductor compound constituting the superlattice structure layer is grown. Thus, the functional element forming base layer formed on the superlattice structure layer can be reduced in dislocation density, and eventually the light emitting device formed on the functional element forming base layer The dislocation density can be remarkably reduced, and a sufficiently high luminous efficiency can be obtained.
以下、本発明の半導体装置用基材について説明する。 Hereinafter, the base material for a semiconductor device of the present invention will be described.
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の半導体装置用基材の一例における構成を模式的に示す説明用断面図である。
この半導体装置用基材10は、例えばサファイアなどよりなる平坦な基板(以下、「サファイア基板」ともいう。)11の主面上に超格子構造層15を介して、その層上に発光デバイスを成長させるための機能素子形成用ベース層17が形成された構成とされている。
サファイア基板11および超格子構造層15の間には、必要に応じてバッファ層12および高結晶性AlGaN化合物層13が介挿されている。また、超格子構造層15および機能素子形成用ベース層17の間には、低結晶性AlGaN化合物層16が介挿されていてもよい。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a configuration of an example of a substrate for a semiconductor device of the present invention.
The
A
サファイア基板11の主面は、例えば(0001)面とされ、また、基板を構成する材料としては、サファイアに限定されず、Si単結晶、SiC単結晶、GaN単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2 単結晶、LiGaO2 単結晶、MgAl2 O4 単結晶などの公知の単結晶を用いることができる。
The main surface of the
バッファ層12は、サファイア基板11と超格子構造層15との間に介在される緩衝領域層であって、当該超格子構造層15の転位密度を低減させる効果を発揮するものである。
このバッファ層12は、例えば、サファイア基板11の基板温度が400〜800℃、好ましくは500〜550℃の極低温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、形成することができる。
The
The
高結晶性AlGaN化合物層13は、島状に堆積された結晶よりなるバッファ層12上に当該高結晶性AlGaN化合物層13を成長させることによって面方向への結晶成長を促進させ、これによりサファイア基板11とバッファ層12との界面において発生した転位を低減させる目的で形成されたものであって、この高結晶性AlGaN化合物層13を構成するAlGaN半導体化合物の組成比は、例えば機能素子形成用ベース層17の組成比と同じとすることができる。
The highly crystalline AlGaN
低結晶性AlGaN化合物層16は、機能素子形成用ベース層17を構成するAlGaN半導体化合物の面方向への結晶成長を促進させるための層であって、この低結晶性AlGaN化合物層16を構成するAlGaN半導体化合物の組成比は、例えば機能素子形成用ベース層17の組成比と同じとされている。
The low crystalline AlGaN
機能素子形成用ベース層17は、その層上に発光デバイスが形成される、半導体装置用基材10の最上層であって、高結晶性のAlx Ga1-x N半導体化合物からなるものである。
この機能素子形成用ベース層17を構成するAlx Ga1-x N半導体化合物のAlの組成比率xは、この機能素子形成用ベース層17上に形成されるべき発光デバイスのAlGaN半導体化合物の組成比に従って適宜に選択することができる。
The functional element forming
The Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x N semiconductor compound constituting the functional element forming
機能素子形成用ベース層17を構成するAlx Ga1-x N半導体化合物のAlの組成比率xは、機能素子形成用ベース層17上に形成されるべき発光デバイスを構成するAlGaN半導体化合物におけるAlの組成比率よりも大きいものとされることが好ましく、例えば0.01〜0.25とすることができ、好ましくは0.1〜0.2である。このAlの組成比率xが0.01未満であると、紫外光の吸収が大きくなってしまうため、発光デバイスを作成した場合に発光効率が低いものとなってしまうおそれがある。一方、Alの組成比率xが0.25より大きいと、Alの特性が強く顕れて転位が多数発生してしまい、得られる機能素子形成用ベース層17が転位密度の高いものとなり、この機能素子形成用ベース層17上に形成される発光デバイスが、十分に大きな発光効率を得ることができないおそれがある。
The composition ratio x of Al in the Al x Ga 1-x N semiconductor compound constituting the functional element forming the
そして、超格子構造層15は、機能素子形成用ベース層17を構成するAlGaN半導体化合物よりも低結晶性であるAlGaN半導体化合物よりなる第1の低結晶性層と、前記機能素子形成用ベース層17よりも低結晶性であると共にAlの組成比率が第1の低結晶性層よりも大きいAlGaN半導体化合物よりなる第2の低結晶性層とからなる積層単位が3以上重ねられた周期構造を有するものである。第1の低結晶性層を構成するAlGaN半導体化合物は、例えば機能素子形成用ベース層17を構成するAlGaN半導体化合物と同一の組成のものとすることができる。
The
超格子構造層15の第2の低結晶性層を構成するAly Ga1-y N半導体化合物のAlの組成比率yは、第1の低結晶性層を構成するAlGaN半導体化合物のAlの組成比率よりも大きく、例えば、このような第2の低結晶性層は、例えば組成比yが1.0であるAlN半導体化合物よりなるものとすることができる。第1の低結晶性層および第2の低結晶性層の格子定数の差が過小であると、転位密度の低減効果が十分に発揮されず、従って、得られる機能素子形成用ベース層を十分に転位密度の低減されたものとすることができないおそれがある。
The Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N semiconductor compound constituting the second low crystalline layer of the
第1の低結晶性層および第2の低結晶性層の厚みは、それぞれ例えば1〜50nmおよび1〜10nmとすることができる。 The thickness of the first low crystallinity layer and the second low crystallinity layer can be set to, for example, 1 to 50 nm and 1 to 10 nm, respectively.
この周期構造の周期数は例えば3〜20、好ましくは5〜15、特に10であることが好ましい。
この周期構造の周期数が過大である場合は、製造工程が煩雑なものとなって工業的に有利ではない。一方、この周期構造の周期数が過小である場合は、サファイア基板11およびバッファ層12の界面において発生した転位を十分に低減させることができない場合がある。
The number of periods of this periodic structure is, for example, 3 to 20, preferably 5 to 15, and particularly preferably 10.
If the number of periods of this periodic structure is excessive, the manufacturing process becomes complicated, which is not industrially advantageous. On the other hand, when the number of periods of this periodic structure is too small, dislocations generated at the interface between the
超格子構造層15を構成する第1の低結晶性層および第2の低結晶性層の結晶成長に係る基板温度は900〜950℃であることが好ましい。第1の低結晶性層および第2の低結晶性層の結晶成長に係る基板温度がこの範囲にあることにより、面方向への結晶成長が十分に促進されながら、実用に耐えうる良好な品質の結晶を得ることができる。
The substrate temperature relating to crystal growth of the first low crystalline layer and the second low crystalline layer constituting the
本発明において、「高結晶性」および「低結晶性」とは、結晶化度の高低を相対的に表しており、機能素子形成用ベース層17や高結晶性AlGaN化合物層13などの高結晶性の結晶層は、超格子構造層15を構成する第1の低結晶性層や第2の低結晶性層、あるいは低結晶性AlGaN化合物層16などの低結晶性の結晶層に比して高い結晶化度を有している。
In the present invention, “high crystallinity” and “low crystallinity” relatively indicate the degree of crystallinity, and high crystallinity such as the functional element forming
これらの結晶層の結晶化度の高低は、低結晶性の結晶層においては高結晶性の結晶層に比して欠陥などが多く、キャリア密度が低く、高抵抗であることから、結晶の空乏層容量の電圧依存性によって、評価することができる。 The degree of crystallinity of these crystal layers is such that there are more defects in the low crystallinity crystal layer than in the high crystallinity crystal layer, the carrier density is low, and the resistance is high. It can be evaluated by the voltage dependency of the layer capacitance.
この例の半導体装置用基材10においては、高結晶性の結晶層は、サファイア基板11の基板温度が1030〜1100℃の高温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、得ることができる。また、低結晶性の結晶層は、サファイア基板11の基板温度が900〜950℃の低温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、得ることができる。
In the
以上の半導体装置用基材10は、例えば、サファイア基板11は例えば10〜1000μmの厚みのものとされ、バッファ層12は例えば0.1〜50nmの厚みのものとされ、高結晶性AlGaN化合物層13は例えば50〜500nmの厚みのものとされ、超格子構造層15が周期構造の全体として例えば50〜1000nmの厚みのものとされ、低結晶性AlGaN化合物層16が例えば50〜1000nmの厚みのものとされ、機能素子形成用ベース層17が例えば1〜30μmの厚みのものとされる。
In the
この例の半導体装置用基材10の表面における転位密度は、例えば107 〜109 cm-2の範囲とされる。
一般に、発光デバイスの転位密度が1010cm-2以下であることにより、当該発光デバイスを良好な性状の発光デバイスや電子デバイスとして使用することができる。
The dislocation density on the surface of the
In general, when the dislocation density of the light emitting device is 10 10 cm −2 or less, the light emitting device can be used as a light emitting device or an electronic device having good properties.
以上の半導体装置用基材10によれば、基本的に発光デバイスをAlGaN半導体化合物により構成することで十分に広い有効発光波長範囲が得られ、しかも、サファイア基板11上に特定の周期構造を含有する超格子構造層15を介して機能素子形成用ベース層17が形成されており、この超格子構造層15が低結晶性の結晶層よりなるために結晶成長において面方向への成長が積極的に行われ、サファイア基板11とバッファ層12との間の格子定数の差に起因して不可避的に発生した転位が互いに会合して少なくともその一部を消失させることができて転位密度の低減効果を得ることができ、さらに、この超格子構造層15の周期構造によりサファイア基板11を構成する結晶面内の2軸応力が緩和されて、当該サファイア基板11においてクラックの発生が抑止されると共に、前記サファイア基板11上に形成される結晶層について結晶の一部分だけが大きく成長するような異常成長が抑制されて転位の発生が抑制されるために、機能素子形成用ベース層17が良好な表面状態を有すると共に転位密度の低減されたものとなり、この機能素子形成用ベース層17上に形成されるべきAlGaN半導体化合物よりなる発光デバイスを、良好な表面状態を有すると共に転位密度が低減された十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。
According to the
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明の実施の形態は上記の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、この半導体装置用基材10のサファイア基板11の主面には、例えばストライプ状に並んだ多数の溝よりなる溝部(図示せず)が形成されている。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above examples, and various modifications can be made.
For example, on the main surface of the
サファイア基板11に形成された溝部は、例えば個々の溝について、底部の幅が2μm、深さが100nmのものとすることができる。また例えば、底部の幅が5μm、深さが300nmのものや、底部の幅が7μm、深さが500nmのものなどとしてもよい。
個々の溝が形成される周期、すなわち隣接する2つの溝により形成される凸部の幅は、例えば0.1〜1000μmとすることができる。
The groove formed in the
The period in which each groove is formed, that is, the width of the convex portion formed by two adjacent grooves can be set to 0.1 to 1000 μm, for example.
サファイア基板11の溝部は、例えば、当該サファイア基板11の主面上に、フォトリソグラフィ法により、形成すべき溝部の形状に対応する形状のレジストパターンを形成し、当該レジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE)法により、サファイア基板11にエッチングを行なって溝部を形成し、その後、レジストパターンを除去することにより、得ることができる。
The groove portion of the
このような溝部が形成されていることによって、当該溝部の形状に沿って、機能素子形成用ベース層17を構成するAlGaN半導体化合物が面方向への成長が促進されて形成されるため、この機能素子形成用ベース層17における転位が互いに会合して転位密度を低減させることができ、従って、その主面が平坦なサファイア基板上を用いて得た機能素子形成用ベース層に比して、転位密度がより低減された機能素子形成用ベース層を得ることができる。
By forming such a groove portion, the AlGaN semiconductor compound constituting the functional element forming
また例えば、本発明の半導体装置用基材は、高結晶性AlGaN化合物層と、超格子構造層と、低結晶性AlGaN化合物層とよりなる積層単位が複数積層されている構成とすることもできる。
具体的には、例えば積層単位が2つ積層された構成である場合は、サファイア基板の主面上にバッファ層を介して第1の高結晶性AlGaN化合物層、第1の超格子構造層および第1の低結晶性AlGaN化合物層がこの順に積層され、この第1の低結晶性AlGaN化合物層上に第2の高結晶性AlGaN化合物層、第2の超格子構造層および第2の低結晶性AlGaN化合物層がこの順に積層され、この第2の低結晶性AlGaN化合物層上に、機能素子形成用ベース層が形成された構成とされている。
Further, for example, the substrate for a semiconductor device of the present invention may have a configuration in which a plurality of lamination units each composed of a highly crystalline AlGaN compound layer, a superlattice structure layer, and a low crystalline AlGaN compound layer are laminated. .
Specifically, for example, in the case of a configuration in which two stacked units are stacked, a first highly crystalline AlGaN compound layer, a first superlattice structure layer, and a main layer of a sapphire substrate via a buffer layer A first low-crystalline AlGaN compound layer is stacked in this order, and a second high-crystalline AlGaN compound layer, a second superlattice structure layer, and a second low-crystalline layer are formed on the first low-crystalline AlGaN compound layer. The functional AlGaN compound layers are laminated in this order, and the functional element forming base layer is formed on the second low crystalline AlGaN compound layer.
このように複数の結晶層よりなる積層単位を複数積層させた構成の半導体装置用基材によれば、転位密度の低減効果が重ねて発揮されるため、より良好な表面状態が得られると共に、転位密度をより低減させることができる。 In this way, according to the base material for a semiconductor device having a configuration in which a plurality of stack units each composed of a plurality of crystal layers are stacked, since the effect of reducing the dislocation density is exhibited repeatedly, a better surface state can be obtained, The dislocation density can be further reduced.
〔半導体装置〕
以上のような半導体装置用基材の機能素子形成用ベース層上に、例えば量子井戸構造の発光デバイス構造を設けることにより、例えばLEDやLDなどの半導体装置が作製される。
発光デバイス構造は、具体的には、Siがドープされたn型のAlGaN半導体化合物よりなるn型半導体層、AlGaInN半導体化合物よりなる層とAlGaN半導体化合物よりなる層が交互に2層ずつ積層された活性層、および、Mgがドープされたp型のAlGaN半導体化合物よりなるp型半導体層よりなり、n型半導体層およびp型半導体層にそれぞれn電極およびp電極が接続されて構成されている。そして、n型半導体層が機能素子形成用ベース層上に形成されることで、機能素子形成用ベース層と活性層との間に当該n型半導体層が介挿された状態とされている。この発光デバイス構造の上面に波長変換機能を有する蛍光体を積層することにより、白色発光LEDとすることもできる。
[Semiconductor device]
By providing a light emitting device structure having a quantum well structure, for example, on a functional element forming base layer of a substrate for a semiconductor device as described above, a semiconductor device such as an LED or an LD is manufactured.
Specifically, in the light emitting device structure, an n-type semiconductor layer made of an n-type AlGaN semiconductor compound doped with Si, a layer made of an AlGaInN semiconductor compound, and a layer made of an AlGaN semiconductor compound are alternately stacked two by two. The active layer and a p-type semiconductor layer made of a p-type AlGaN semiconductor compound doped with Mg are configured by connecting an n-electrode and a p-electrode to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively. The n-type semiconductor layer is formed on the functional element forming base layer, so that the n-type semiconductor layer is interposed between the functional element forming base layer and the active layer. By stacking a phosphor having a wavelength conversion function on the upper surface of the light emitting device structure, a white light emitting LED can be obtained.
以下に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Examples carried out to confirm the effects of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
<実施例1>
このサファイア基板を、MOCVD装置の中に設置し、キャリアガスとしてH2 を供給した状態でサファイア基板の基板温度を1150℃まで昇温させ、10分間保持した。
まず、平坦に鏡面磨きされた(0001)面を有するサファイア基板を、MOCVD装置の中に設置し、キャリアガスとしてH2 を供給した状態でサファイア基板の基板温度を1150℃まで昇温させ、10分間保持した。次いで、基板温度を500℃まで降温し、TMG(トリメチルガリウム)およびNH3 をそれぞれ10sccmおよび5slmで供給しながらサファイア基板の(0001)面上にGaN化合物よりなるバッファ層を厚さ20nmに成長させた。次いで、基板温度を950℃まで降温し、バッファ層上に、Al0.17Ga0.83N化合物よりなる第1の低結晶性層を30nmに成長させ、続いて、AlN化合物よりなる第2の低結晶性層を2nmに成長させる操作を10回繰り返してAl0.17Ga0.83N化合物/AlN化合物の周期構造を形成し(以下、「超格子構造層の形成工程」という。)、その後、基板温度を再び1050℃まで昇温し、高結晶性のAl0.17Ga0.83N化合物よりなる機能素子形成用ベース層を厚さ4.5μmに成長させ(以下、「機能素子形成用ベース層の形成工程」という。)、これにより、半導体装置用基材(1)を作製した。
<Example 1>
This sapphire substrate was placed in an MOCVD apparatus, and the substrate temperature of the sapphire substrate was raised to 1150 ° C. while H 2 was supplied as a carrier gas, and held for 10 minutes.
First, a flat mirror-polished (0001) plane sapphire substrate is placed in an MOCVD apparatus, and the substrate temperature of the sapphire substrate is raised to 1150 ° C. with H 2 supplied as a carrier gas. Hold for a minute. Next, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., and a buffer layer made of a GaN compound is grown to a thickness of 20 nm on the (0001) surface of the sapphire substrate while supplying TMG (trimethylgallium) and NH 3 at 10 sccm and 5 slm, respectively. It was. Next, the substrate temperature is lowered to 950 ° C., a first low crystalline layer made of Al 0.17 Ga 0.83 N compound is grown to 30 nm on the buffer layer, and then a second low crystalline property made of AlN compound is grown. The operation of growing the layer to 2 nm is repeated 10 times to form a periodic structure of Al 0.17 Ga 0.83 N compound / AlN compound (hereinafter referred to as “superlattice structure layer forming step”), and then the substrate temperature is changed to 1050 again. The functional element forming base layer made of a highly crystalline Al 0.17 Ga 0.83 N compound is grown to a thickness of 4.5 μm (hereinafter referred to as “functional element forming base layer forming step”). Thereby, the base material (1) for semiconductor devices was produced.
この半導体装置用基材(1)における転位密度を透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定したところ、4.0×109 cm-2であった。
また、機能素子形成用ベース層の表面にクラックが観察されることなく、さらに、異常成長が観察されることもなかった。
When the dislocation density in the semiconductor device substrate (1) was measured by a transmission electron microscope (TEM), it was 4.0 × 10 9 cm −2 .
Further, no cracks were observed on the surface of the functional element forming base layer, and no abnormal growth was observed.
<実施例2>
まず、フォトリソグラフィ法により、サファイア基板の(0001)面上に、幅5μmで周期が5μmのストライプ状のレジストパターンを厚さ2μmに形成し、RIE法により、当該レジストパターンをマスクとしてサファイア基板の(0001)面に対してエッチング処理を行ない、個々の溝の底部の幅5μm、深さ300nmであり、溝が形成される周期が5μmである溝部を形成させ、次いで、レジストパターンを除去することにより、ストライプ状の溝部が形成されたサファイア基板を得た。
このサファイア基板を、MOCVD装置の中に設置し、キャリアガスとしてH2 を供給した状態でサファイア基板の基板温度を1150℃まで昇温させ、10分間保持した。次いで、基板温度を500℃まで降温し、TMG(トリメチルガリウム)およびNH3 をそれぞれ10sccmおよび5slmで供給しながらサファイア基板の(0001)面上にGaN化合物よりなるバッファ層を厚さ20nmに成長させた。次いで、基板温度を1050℃まで昇温し、バッファ層上に、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)およびNH3 をそれぞれ20sccm、8sccm、7slmで供給し、高結晶性のAl0.17Ga0.83N化合物よりなる高結晶性AlGaN化合物層を厚さ100nmに成長させ(以下、「高結晶性AlGaN化合物層の形成工程」という。)、次いで、基板温度を950℃まで降温し、高結晶性AlGaN化合物層上に、Alの組成比率xが0.17であるAl0.17Ga0.83N化合物よりなる第1の低結晶性層を30nmに成長させ、続いて、TMA(トリメチルアルミニウム)およびNH3 をそれぞれ8sccm、7slmで供給し、AlN化合物よりなる第2の低結晶性層を2nmに成長させる操作を10回繰り返してAl0.17Ga0.83N化合物/AlN化合物の周期構造よりなる超格子構造層を形成し(以下、「超格子構造層の形成工程」という。)、さらに、超格子構造層上に、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)およびNH3 をそれぞれ20sccm、8sccm、7slmで供給し、低結晶性のAl0.17Ga0.83N化合物よりなる低結晶性AlGaN化合物層を成長させ(以下、「低結晶性AlGaN化合物層の形成工程」という。)、その後、基板温度を再び1050℃まで昇温し、低結晶性AlGaN化合物層上に、高結晶性のAl0.17Ga0.83N化合物よりなる機能素子形成用ベース層を厚さ4.5μmに成長させ(以下、「機能素子形成用ベース層の形成工程」という。)、これにより、半導体装置用基材(2)を作製した。
<Example 2>
First, a striped resist pattern having a width of 5 μm and a period of 5 μm is formed on the (0001) surface of the sapphire substrate by photolithography to a thickness of 2 μm, and the resist pattern is used as a mask by the RIE method. Etching is performed on the (0001) plane to form a groove portion having a width of 5 μm and a depth of 300 nm at the bottom of each groove, and a period in which the groove is formed is 5 μm, and then removing the resist pattern. As a result, a sapphire substrate on which stripe-like grooves were formed was obtained.
This sapphire substrate was placed in an MOCVD apparatus, and the substrate temperature of the sapphire substrate was raised to 1150 ° C. while H 2 was supplied as a carrier gas, and held for 10 minutes. Next, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., and a buffer layer made of a GaN compound is grown to a thickness of 20 nm on the (0001) surface of the sapphire substrate while supplying TMG (trimethylgallium) and NH 3 at 10 sccm and 5 slm, respectively. It was. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMA (trimethylaluminum) and NH 3 are supplied onto the buffer layer at 20 sccm, 8 sccm, and 7 slm, respectively, and are made of a highly crystalline Al 0.17 Ga 0.83 N compound. A highly crystalline AlGaN compound layer is grown to a thickness of 100 nm (hereinafter referred to as “a process for forming a highly crystalline AlGaN compound layer”), and then the substrate temperature is lowered to 950 ° C. to form a layer on the highly crystalline AlGaN compound layer. A first low crystalline layer made of an Al 0.17 Ga 0.83 N compound having an Al composition ratio x of 0.17 is grown to 30 nm, followed by TMA (trimethylaluminum) and NH 3 at 8 sccm and 7 slm, respectively. The operation of supplying and growing the second low crystalline layer made of the AlN compound to 2 nm was repeated 10 times to produce Al 0.17 G a 0.83 A superlattice structure layer having a periodic structure of N compound / AlN compound is formed (hereinafter referred to as “superlattice structure layer forming step”), and TMG, TMA (trimethylaluminum) is formed on the superlattice structure layer. ) And NH 3 are supplied at 20 sccm, 8 sccm, and 7 slm, respectively, to grow a low crystalline AlGaN compound layer made of a low crystalline Al 0.17 Ga 0.83 N compound (hereinafter referred to as “low crystalline AlGaN compound layer forming step”). Then, the substrate temperature is raised again to 1050 ° C., and a functional element forming base layer made of a highly crystalline Al 0.17 Ga 0.83 N compound is formed on the low crystalline AlGaN compound layer to a thickness of 4.5 μm. (Hereinafter, referred to as “functional element-forming base layer forming step”), thereby producing a semiconductor device substrate (2).
この半導体装置用基材(2)における転位密度を透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定したところ、1.9×109 cm-2であった。
また、機能素子形成用ベース層の表面にクラックが観察されることなく、さらに、異常成長が観察されることもなかった。
When the dislocation density in the substrate for semiconductor device (2) was measured by a transmission electron microscope (TEM), it was 1.9 × 10 9 cm −2 .
Further, no cracks were observed on the surface of the functional element forming base layer, and no abnormal growth was observed.
<実施例3>
低結晶性AlGaN化合物層の形成工程を行った後、厚さを1.5μmとしたことの他は実施例2と同じ条件で2回目の高結晶性AlGaN化合物層の形成工程を行って第2の高結晶性AlGaN化合物層を得、さらに、実施例2と同様にして2回目の超格子構造層の形成工程および2回目の低結晶性AlGaN化合物層の形成工程を行って第2の超格子構造層および第2の低結晶性AlGaN化合物層を得、その後、実施例2と同じ条件で機能素子形成用ベース層の形成工程を行ったことの他は実施例2と同様にして、高結晶性AlGaN化合物層、超格子構造層および低結晶性AlGaN化合物層よりなる積層単位を2つ有する半導体装置用基材(3)を作製した。
<Example 3>
After performing the low crystalline AlGaN compound layer forming step, the second high crystalline AlGaN compound layer forming step is performed under the same conditions as in Example 2 except that the thickness is 1.5 μm. And the second superlattice structure layer forming step and the second low crystalline AlGaN compound layer forming step are performed in the same manner as in Example 2 to obtain the second superlattice layer. A high crystallinity was obtained in the same manner as in Example 2 except that the structural layer and the second low crystalline AlGaN compound layer were obtained, and thereafter the functional element forming base layer was formed under the same conditions as in Example 2. A substrate (3) for a semiconductor device having two laminated units composed of a crystalline AlGaN compound layer, a superlattice structure layer, and a low crystalline AlGaN compound layer was produced.
この半導体装置用基材(3)における転位密度を透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定したところ、6.0×108 cm-2であった。
また、機能素子形成用ベース層の表面にクラックが観察されることなく、さらに、異常成長が観察されることもなかった。
When the dislocation density in the substrate for semiconductor device (3) was measured by a transmission electron microscope (TEM), it was 6.0 × 10 8 cm −2 .
Further, no cracks were observed on the surface of the functional element forming base layer, and no abnormal growth was observed.
<比較例1>
超格子構造層の形成工程を基板温度1050℃で行ったことの他は実施例2と同様にして比較用の半導体装置用基材を作製した。
<Comparative Example 1>
A comparative semiconductor device substrate was prepared in the same manner as in Example 2 except that the superlattice structure layer forming step was performed at a substrate temperature of 1050 ° C.
この比較用の半導体装置用基材の転位密度を透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定したところ、1.1×1010cm-2であった。
また、機能素子形成用ベース層の表面にはクラックの発生が観察され、さらに、異常成長が観察された。
When the dislocation density of the substrate for a semiconductor device for comparison was measured with a transmission electron microscope (TEM), it was 1.1 × 10 10 cm −2 .
Moreover, generation | occurrence | production of the crack was observed on the surface of the base layer for functional element formation, and also abnormal growth was observed.
10 半導体装置用基材
11 サファイア基板
12 バッファ層
13 高結晶性AlGaN化合物層
15 超格子構造層
16 低結晶性AlGaN化合物層
17 機能素子形成用ベース層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記超格子構造層は、機能素子形成用ベース層よりも低結晶性であるAlGaN半導体化合物よりなる第1の低結晶性層と、Alの組成比率が第1の低結晶性層よりも大きいAlGaN半導体化合物よりなる第2の低結晶性層とからなる積層単位が3以上重ねられた周期構造を有するものであることを特徴とする半導体装置用基材。 A substrate, a superlattice structure layer formed on the substrate, and a functional element forming base layer made of an AlGaN semiconductor compound formed on the superlattice structure layer,
The superlattice structure layer includes a first low crystalline layer made of an AlGaN semiconductor compound having a lower crystallinity than the base layer for forming a functional element, and an AlGaN having a higher Al composition ratio than the first low crystalline layer. A base material for a semiconductor device, characterized by having a periodic structure in which three or more stacked units composed of a second low crystalline layer made of a semiconductor compound are stacked.
基板上に超格子構造層を形成させる超格子構造層形成工程と、超格子構造層上に機能素子形成用ベース層を形成させる工程とを有し、
超格子構造層形成工程は、機能素子形成用ベース層を形成させる温度よりも低温において、第1の低結晶性層および第2の低結晶性層を交互に3積層単位以上成長させる工程よりなることを特徴とする半導体装置用基材の製造方法。 It is a manufacturing method of the substrate for semiconductor devices in any one of Claims 1-5,
A superlattice structure layer forming step of forming a superlattice structure layer on the substrate; and a step of forming a functional element forming base layer on the superlattice structure layer,
The superlattice structure layer forming step includes a step of alternately growing three or more stacked units of the first low crystalline layer and the second low crystalline layer at a temperature lower than the temperature at which the functional element forming base layer is formed. A method for producing a base material for a semiconductor device.
6. The method of manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 5, further comprising an etching step of forming a groove on the surface of the substrate.
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