JP2007243006A - Vapor deposition method of nitride semiconductor, epitaxial substrate, and semiconductor device using the same - Google Patents

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Michinobu Tsuda
道信 津田
Motoaki Iwatani
素顕 岩谷
Satoshi Kamiyama
智 上山
Hiroshi Amano
浩 天野
Isamu Akasaki
勇 赤崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vapor deposition method of a nitride semiconductor, capable of suppressing a pit to be generated in a growing nitride semiconductor layer concerning the vapor deposition of the nitride semiconductor on a nonpolar surface, and allowing the surface roughness of a root mean square in the nitride semiconductor layer to be not more than 5nm in manufacturing a semiconductor device with high performance. <P>SOLUTION: In the vapor deposition method of the nitride semiconductor with the nonpolar surface as a main surface onto a substrate for vapor deposition of the nitride semiconductor, the pressure of an atmosphere in the vapor deposition is made to be 1-10kPa and the temperature of the substrate for growing the semiconductor is made to be ≥900°C and <1,100°C. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、無極性面を主面とする窒化物系半導体層の気相成方法、及び、それを用いるエピタキシャル基板と半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a method for vapor-phase formation of a nitride-based semiconductor layer whose main surface is a nonpolar surface, and an epitaxial substrate and a semiconductor device using the same.

窒化アルミニウム(以下、AlNという。)、窒化ガリウム(以下、GaNという。)、窒化インジウム(以下、InNという。)、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム(以下、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)という。)などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されている。 Aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN), gallium nitride (hereinafter referred to as GaN), indium nitride (hereinafter referred to as InN), or a mixed crystal of them, aluminum gallium indium nitride (hereinafter referred to as Al x Ga 1−). Since nitride-based semiconductors such as xy In y N (referred to as 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) can be used for light emitting / receiving elements and electron transit elements, A wide range of research has been conducted on crystal growth and application to semiconductor devices, and light-emitting diodes and laser diodes have already been put into practical use.

窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、(0001)サファイア(以下c面サファイアという)、(11−20)サファイア、もしくは、(0001)4H−SiC、(0001)6H−SiCなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。   Since nitride-based semiconductors cannot grow large bulk single crystals, in general, (0001) sapphire (hereinafter referred to as c-plane sapphire), (11-20) sapphire, or (0001) 4H-SiC, (0001 ) Heteroepitaxial growth is performed using a substrate such as 6H-SiC.

エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(MOVPE) 法、分子線エピタキシー(MBE)法、ハライド気相成長(HVPE)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはMOVPE法である。   Epitaxial growth methods include metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), and halide vapor phase epitaxy (HVPE). The most common method for practical use is MOVPE. .

前記のように、既に実用化されている半導体装置に用いられている窒化物系半導体は、結晶構造が、反転対象性を持たない六方晶系のウルツ鉱構造であることに起因し、大きな圧電性を有している。また、図7は、異なる材料からなる2層(第1層71、及び、第272)が積層された窒化物系半導体のヘテロ接合を示しているが、結晶成長方位は全てへテロ接合界面71aがc軸73と直交しており、これをc軸配向と呼ぶ。従って、格子定数の異なる2層を積層してなるヘテロ接合を作製した場合、結晶内に歪によって大きなピエゾ電界を生じる。   As described above, nitride-based semiconductors used in semiconductor devices that have already been put into practical use have large piezoelectric properties due to the fact that the crystal structure is a hexagonal wurtzite structure that does not have reversibility. It has sex. FIG. 7 shows a nitride-based semiconductor heterojunction in which two layers (first layer 71 and 272) made of different materials are stacked, and all crystal growth directions are heterojunction interfaces 71a. Is orthogonal to the c-axis 73, which is called c-axis orientation. Therefore, when a heterojunction formed by laminating two layers having different lattice constants, a large piezoelectric field is generated in the crystal due to strain.

このピエゾ電界は半導体装置の特性に大きな影響を与えている。まず、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光装置ついて述べる。   This piezo electric field has a great influence on the characteristics of the semiconductor device. First, a light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode will be described.

例えば、特許文献1では、図8のようにc面サファイア基板81上にGaN層82を形成し、それを基板に用いて、n型バッファ層83、n型クラッド層84、n型ガイド層85、量子井戸構造活性層86、p型キャップ層87、p型ガイド層88、p型クラッド層89、p側コンタクト層90を順次積層している。さらに、ドライエッチングを用いて、n型クラッド層104、及び、p型クラッド層109をそれぞれ露出させ、絶縁層91、p側電極92、及び、n側電極93を形成してレーザダイオード8を構成している。このように、通常、活性層86には量子井戸構造を用いるが、大きなピエゾ電界によりバンド構造が変化し、それにより特性向上における問題を生じていた。   For example, in Patent Document 1, a GaN layer 82 is formed on a c-plane sapphire substrate 81 as shown in FIG. 8 and is used as a substrate to form an n-type buffer layer 83, an n-type cladding layer 84, and an n-type guide layer 85. The quantum well structure active layer 86, the p-type cap layer 87, the p-type guide layer 88, the p-type cladding layer 89, and the p-side contact layer 90 are sequentially stacked. Further, by using dry etching, the n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 109 are respectively exposed, and the insulating layer 91, the p-side electrode 92, and the n-side electrode 93 are formed to constitute the laser diode 8. is doing. As described above, a quantum well structure is usually used for the active layer 86, but the band structure is changed by a large piezoelectric field, which causes a problem in improving characteristics.

また、砒化アルミニウムガリウムなど、他の化合物を用いたレーザダイオードでは、量子井戸構造に意図的に歪を発生させ、半導体のバンド構造を変化させてレーザの閾値電流を低減するなど、特性を向上させている。しかしながら、現状の窒化物系半導体においては、意図的に歪みを生じさせてもレーザの閾値電流の低減は殆どない。その原因は、窒化物系半導体が成長方向に対して結晶がc軸配向しているため、バンド構造が効果的には変化しないためである。   Laser diodes using other compounds, such as aluminum gallium arsenide, have improved characteristics, such as intentionally generating strain in the quantum well structure and changing the semiconductor band structure to reduce the laser threshold current. ing. However, in the current nitride-based semiconductor, even if distortion is intentionally generated, there is almost no reduction in the laser threshold current. The reason for this is that the band structure does not change effectively because the nitride-based semiconductor has the crystal c-axis oriented with respect to the growth direction.

発光ダイオードの場合も、活性層に生じているピエゾ電界がキャリアの再結合確率を低減し、輝度向上を妨げている。   Also in the case of a light-emitting diode, the piezoelectric field generated in the active layer reduces the recombination probability of carriers and hinders improvement in luminance.

次に、電界効果トランジスタ(以下、FETという)などの電子走行装置に応用する場合について述べる。通常、GaNと窒化アルミニウムガリウム(以下、AlGaNという。)のヘテロ接合を用いることにより、その界面で2次元電子ガスを形成している。   Next, a case where the present invention is applied to an electronic traveling device such as a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) will be described. Usually, by using a heterojunction of GaN and aluminum gallium nitride (hereinafter referred to as AlGaN), a two-dimensional electron gas is formed at the interface.

例えば、特許文献2では、図9のように、FETを形成している。まず、c面サファイア基板81上に、厚みが30nmの低温バッファ層94を介して厚みが2μmのアンドープGaN層95を成長させ、その後、30nmのアンドープAl0.3Ga0.7N層96、10nmのアンドープGaN層97、10nmのアンドープAl0.3Ga0.7Nスペーサ層98、10nmのn型Al0.3Ga0.7N電子供給層99、15nmの傾斜組成アンドープAlGa1−xN障壁層100、6nmのn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層101を順次積層している。さらにソース電極102、ドレイン電極103、ゲート電極104をそれぞれ形成して、FET9が得られている。 For example, in Patent Document 2, an FET is formed as shown in FIG. First, an undoped GaN layer 95 having a thickness of 2 μm is grown on a c-plane sapphire substrate 81 via a low-temperature buffer layer 94 having a thickness of 30 nm, and then an undoped Al 0.3 Ga 0.7 N layer 96 having a thickness of 30 nm. 10 nm undoped GaN layer 97, 10 nm undoped Al 0.3 Ga 0.7 N spacer layer 98, 10 nm n-type Al 0.3 Ga 0.7 N electron supply layer 99, 15 nm graded composition undoped Al x Ga 1 AxN barrier layer 100 and a 6 nm n-type Al 0.06 Ga 0.94 N contact layer 101 are sequentially stacked. Further, the source electrode 102, the drain electrode 103, and the gate electrode 104 are formed, and the FET 9 is obtained.

このように、c面サファイア基板101を用いて窒化物系半導体を成長した場合、c軸配向した窒化物系半導体が成長し、その材料に特有なピエゾ電界の影響を受けてヘテロ接合の界面付近に反転層が形成されるので、不純物を添加しないで作製しても界面には1013cm−2程度の2次元電子ガスが発生する。従って、これを用いて製造したFET9は、ゲートバイアスがゼロの状態で既にドレイン電流が流れ得る、所謂デプレッション型のFETである。 Thus, when a nitride-based semiconductor is grown using the c-plane sapphire substrate 101, a c-axis-oriented nitride-based semiconductor grows and is influenced by the piezoelectric field specific to the material and near the heterojunction interface. Therefore, a two-dimensional electron gas of about 1013 cm −2 is generated at the interface even if the inversion layer is formed without adding impurities. Therefore, the FET 9 manufactured using this is a so-called depletion type FET in which a drain current can already flow with a gate bias being zero.

しかしながら、実際には、前記のデプレッション型FETだけでなく、ゲートバイアスがゼロの状態ではドレイン電流が流れ得ず、ゲートバイアスを印加することでドレイン電流が流れる所謂、エンハンスメント型FETも必要である。特に、ハイパワーのインバーターへの応用を検討する場合は必須である。   However, in reality, not only the depletion type FET but also a so-called enhancement type FET in which the drain current cannot flow when the gate bias is zero and the drain current flows by applying the gate bias is also necessary. This is especially essential when considering application to high-power inverters.

ところが、窒化物系半導体を用いたFETには、現状ではエンハンスメント型がなく、回路設計に制約が多く、その応用が限られていたため、窒化物系半導体を用いたエンハンスメント型のFETが強く望まれていた。   However, FETs using nitride-based semiconductors currently do not have enhancement type, and there are many restrictions on circuit design and their applications are limited. Therefore, enhancement-type FETs using nitride-based semiconductors are strongly desired. It was.

エンハンスメント型のFETを製造するには、半導体積層構造における反転層形成の制御が必要である。   In order to manufacture the enhancement type FET, it is necessary to control the formation of the inversion layer in the semiconductor multilayer structure.

例えば、砒化物系半導体を用いたFETでは、砒化アルミニウムガリウムからなる障壁層の膜厚を数10nm程度の範囲で調節することで反転層の形成を制御することが可能で、デプレッション型とエンハンスメント型を区別して製造することができる。   For example, in an FET using an arsenide-based semiconductor, the formation of the inversion layer can be controlled by adjusting the thickness of the barrier layer made of aluminum gallium arsenide within a range of about several tens of nanometers. The depletion type and the enhancement type Can be manufactured separately.

回路設計上、デプレッション型FETでなければならないこともあるが、その反面、動作させるためにはプラスとマイナスの2種類の電源が必要であり、消費電力が多いことや、それを用いる電子回路の部品点数が多くなる問題があった。   The circuit design may have to be a depletion type FET, but on the other hand, it requires two types of power sources, plus and minus, to operate it, which consumes a lot of power and the electronic circuit that uses it. There was a problem that the number of parts increased.

以上のように、窒化物系半導体におけるピエゾ電界の問題は、半導体装置の特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ電界による問題が存在しない結晶成長方法として、(11−20)配向(以下、a軸配向という。)または、(1−100)配向(以下、m軸配向という。)させることは有効な手段である。   As described above, the problem of the piezoelectric field in the nitride-based semiconductor greatly affects the characteristics of the semiconductor device. However, as a crystal growth method that does not have the problem due to the piezoelectric field, the (11-20) orientation (hereinafter referred to as a) It is an effective means to make it an axial orientation) or (1-100) orientation (hereinafter referred to as m-axis orientation).

無極性面での窒化物系半導体の気相成長において、成長中の窒化物系半導体層に発生するピットを抑制し、かつ、その自乗根平均の表面粗さを5nm以下であることが、c軸配向の場合に比べて困難であり、再現性良く平坦な表面を得ることが課題となっていた。特許文献3では、種々の条件を規定し、表面平坦性に優れた結晶成長が可能であると述べられている。図1を用いて、特許文献3のエピタキシャル成長工程の構成を説明する。まず、r平面基板11をアニールし、その後、窒化物ベースの核生成層12を、該基板上に堆積させ、さらに、無極性のa平面窒化ガリウム薄膜13を、該核形成層上で成長させている。400〜900℃の低温で堆積させる核生成層を用いて成長こと、無極性のa平面窒化ガリウム薄膜13の成長時は0.2atm(約20.3kPa)以下の成長圧力で成長することなどが記述されているものの、その根拠については十分に説明されていない。表面粗さの大きな窒化物系半導体層は、その上に積層する半導体素子構造の特性向上を阻害するので相応しくない。
特開平11−177175号公報 特開平10−335637号公報 特表2005−522889号公報
In vapor phase growth of a nitride-based semiconductor on a nonpolar surface, pits generated in the growing nitride-based semiconductor layer are suppressed, and the root mean square surface roughness is 5 nm or less. Compared to the case of axial orientation, it is difficult to obtain a flat surface with good reproducibility. Patent Document 3 states that various conditions are specified and crystal growth with excellent surface flatness is possible. The configuration of the epitaxial growth process of Patent Document 3 will be described with reference to FIG. First, the r-plane substrate 11 is annealed, and then a nitride-based nucleation layer 12 is deposited on the substrate, and a nonpolar a-plane gallium nitride thin film 13 is grown on the nucleation layer. ing. Growth using a nucleation layer deposited at a low temperature of 400 to 900 ° C., growth of a non-polar a-plane gallium nitride thin film 13 at a growth pressure of 0.2 atm (about 20.3 kPa) or less. Although described, the rationale is not fully explained. A nitride-based semiconductor layer having a large surface roughness is unsuitable because it hinders improvement in characteristics of the semiconductor element structure laminated thereon.
JP-A-11-177175 Japanese Patent Laid-Open No. 10-335637 JP 2005-522889 A

無極性面での窒化物系半導体の気相成長において、成長中の窒化物系半導体層に発生するピットを抑制し、かつ、高性能な半導体装置を作製する上で、窒化物系半導体層の自乗根平均の表面粗さを5nm以下であることが必要であった。   In vapor phase growth of nitride-based semiconductors on nonpolar surfaces, pits generated in a growing nitride-based semiconductor layer are suppressed, and a high-performance semiconductor device is manufactured. The root mean square surface roughness was required to be 5 nm or less.

本発明は、半導体成長用基板上への、無極性面を主面とする窒化物系半導体の気相成長方法であって、成長圧力を1kPa以上10kPa以下とし、かつ、基板温度を900℃より高く、1100℃未満とすることを特徴とする。   The present invention is a vapor phase growth method of a nitride-based semiconductor having a nonpolar surface as a main surface on a semiconductor growth substrate, the growth pressure is set to 1 kPa to 10 kPa, and the substrate temperature is set to 900 ° C. High and less than 1100 ° C.

また、本発明は、窒化物系半導体がGaN、AlN、InN、または、それらの混晶(AlGa1−x−yInN)であることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that the nitride semiconductor is GaN, AlN, InN, or a mixed crystal thereof (Al x Ga 1-xy In y N).

また、本発明は、前記無極性面が、a面、または、m面であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the nonpolar plane is an a plane or an m plane.

また、本発明は、有機金属化合物気相成長法を用いることを特徴とする。   In addition, the present invention is characterized by using an organic metal compound vapor phase growth method.

また、本発明は、前記半導体成長用基板が、r面サファイア基板であることを特徴とする。   In the present invention, the semiconductor growth substrate is an r-plane sapphire substrate.

また、本発明は、前記半導体成長用基板が、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化硼素(BN)、酸化亜鉛(ZnO)、珪素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、アルミン酸リチウム(LiAlO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)のいずれかの単結晶であることを特徴とする。 In the present invention, the semiconductor growth substrate may be formed of silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), zinc oxide (ZnO), silicon (Si), germanium ( It is a single crystal of any one of Ge), lithium aluminate (LiAlO 2 ), and lithium niobate (LiNbO 3 ).

また、本発明は、半導体成長用基板と窒化物系半導体との間に、基板温度900℃以上1200℃以下で成長させた、膜厚が100nm以上2μm以下の緩衝層を挿入することを特徴とする。   In addition, the present invention is characterized in that a buffer layer having a thickness of 100 nm to 2 μm and grown at a substrate temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. is inserted between the substrate for semiconductor growth and the nitride semiconductor. To do.

また、本発明は、前記緩衝層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムのいずれかからなることであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the buffer layer is made of any one of aluminum nitride, gallium nitride, or aluminum gallium nitride.

また、本発明のエピタキシャル基板は、前記のいずれかに記載の気相成長方法を用いて成長させたことを特徴とする。   In addition, the epitaxial substrate of the present invention is characterized by being grown using any one of the vapor phase growth methods described above.

また、本発明のエピタキシャル基板は、自乗根平均のRMS表面粗さが5nm以下であることを特徴とする。   The epitaxial substrate of the present invention is characterized in that the root mean square RMS surface roughness is 5 nm or less.

また、本発明の半導体装置は、前記のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする。   A semiconductor device according to the present invention uses the above epitaxial substrate.

本発明の気相成長方法を用いると、表面平坦性に優れた無極性窒化物系半導体を得ることができる。また、そのエピタキシャル基板を用いることで、ピエゾ電界による悪影響を受けない高性能な半導体装置が製造可能である。特に、窒化物系半導体層の成長圧力を10kPa以下とすることで、RMS表面粗さを5nm以下となる。また、900℃以上の高温で緩衝層を成長させることで、結晶性に優れた窒化物系半導体層を得ることができる。   When the vapor phase growth method of the present invention is used, a nonpolar nitride semiconductor having excellent surface flatness can be obtained. Further, by using the epitaxial substrate, a high-performance semiconductor device that is not adversely affected by the piezoelectric field can be manufactured. In particular, when the growth pressure of the nitride-based semiconductor layer is 10 kPa or less, the RMS surface roughness is 5 nm or less. Further, by growing the buffer layer at a high temperature of 900 ° C. or higher, a nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を用いて作製するエピタキシャル基板1の構造を示す一例である。   FIG. 1 is an example showing the structure of an epitaxial substrate 1 manufactured using the present invention.

半導体成長用基板11上に、緩衝層12を介して窒化物系半導体層13を成長させている。窒化物系半導体層13は、GaN、AlN、InN、及び、それらの混晶(AlGa1−x−yInN)である。基板材料や面方位を検討して、前記窒化物系半導体層13が無極性面となるようにすることが、半導体装置の特性がピエゾ電界による悪影響を受けないために重要である。ここで、無極性面とは、結晶が分極して発生する電界が生じることのない面方位のことを言う。これは、c軸方向にはピエゾ電界が生じ得るものの、c軸に垂直な方向、例えば、a軸方向やm軸の方向には生じないことによる。従って、例えば、a面やm面を主面とするエピタキシャル基板の作製によって、半導体装置におけるピエゾ電界による悪影響が生じなくすることができる。窒化物系半導体層の面方位については、X線回折を用いて確認することができる。 A nitride-based semiconductor layer 13 is grown on the semiconductor growth substrate 11 via the buffer layer 12. The nitride-based semiconductor layer 13 is GaN, AlN, InN, or a mixed crystal thereof (Al x Ga 1-xy In y N). It is important to consider the substrate material and the plane orientation so that the nitride-based semiconductor layer 13 becomes a nonpolar plane because the characteristics of the semiconductor device are not adversely affected by the piezoelectric field. Here, the nonpolar plane means a plane orientation in which an electric field generated by polarization of a crystal does not occur. This is because a piezoelectric field can be generated in the c-axis direction but not in a direction perpendicular to the c-axis, for example, in the a-axis direction or the m-axis direction. Therefore, for example, by producing an epitaxial substrate having an a-plane or m-plane as a main surface, it is possible to prevent adverse effects due to a piezoelectric field in a semiconductor device. The plane orientation of the nitride-based semiconductor layer can be confirmed using X-ray diffraction.

半導体成長用基板としては、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化硼素、酸化亜鉛、珪素、ゲルマニウム、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウムのいずれかの単結晶を用いることができ、それぞれ適切な条件を用いて、窒化物系半導体の成長を行うことができる。   As a substrate for semiconductor growth, a single crystal of silicon carbide, gallium nitride, aluminum nitride, boron nitride, zinc oxide, silicon, germanium, lithium aluminate, or lithium niobate can be used. It is possible to grow a nitride-based semiconductor.

窒化物系半導体層13の面方位は、半導体成長用基板の面方位によって一意的に決まり、例えば、r面サファイア基板を用いると、その上に成長させる窒化物系半導体層13はa面が主面となる。また、SiC基板のa面を用いると、a面の窒化物系半導体層13が得られ、m面を用いるとm面の窒化物系半導体層が得られる。このように、前記半導体成長用基板も、適宜面方位を選べばそれぞれに対応した面方位の窒化物系半導体層13を得ることができる。   The plane orientation of the nitride-based semiconductor layer 13 is uniquely determined by the plane orientation of the semiconductor growth substrate. For example, when an r-plane sapphire substrate is used, the nitride-based semiconductor layer 13 grown on the plane is mainly the a-plane. It becomes a surface. When the a-plane of the SiC substrate is used, an a-plane nitride-based semiconductor layer 13 is obtained, and when the m-plane is used, an m-plane nitride-based semiconductor layer is obtained. As described above, the nitride-based semiconductor layer 13 having a plane orientation corresponding to each of the semiconductor growth substrates can be obtained by appropriately selecting the plane orientation.

本発明の結晶成長の方法としては、MOVPE法を用いるのが良く、下記に示すような条件を用いて表面平坦性に優れた無極性面窒化物系半導体を得ることができる。しかし、本発明はこの方法に限られるものではなく、MBE法、HVPE法など、その他の気相成長法であっても構わない。   As the crystal growth method of the present invention, the MOVPE method is preferably used, and a nonpolar plane nitride semiconductor excellent in surface flatness can be obtained using the conditions shown below. However, the present invention is not limited to this method, and other vapor phase growth methods such as the MBE method and the HVPE method may be used.

GaN層13の成長条件は、エピタキシャル基板表面のピットの抑制において重要であり、本発明によると、成長圧力は1kPa以上、10kPa以下とするのがよい。ピットのサイズや密度は成長圧力と相関があり、100bmarより高い成長圧力下で窒化物系半導体層13の成長を行うと、ピットが完全には抑制できず、そのようなエピタキシャル基板1は半導体装置の製造には適さない。一方、1kPa未満に使用とすると、真空ポンプの容量や排気のコンダクタンスなど、設備的な問題が大きくなるので、適さない。また、基板温度は900℃より高く、1100℃未満とするのがよい。これは、900℃以下でも、1100℃以上でも、窒化物系半導体層13のRMS表面粗さが大きくなり、半導体装置の製造に適さないからである。   The growth condition of the GaN layer 13 is important in suppressing pits on the surface of the epitaxial substrate. According to the present invention, the growth pressure is preferably 1 kPa or more and 10 kPa or less. The size and density of the pits are correlated with the growth pressure. When the nitride-based semiconductor layer 13 is grown under a growth pressure higher than 100 bmar, the pits cannot be completely suppressed, and such an epitaxial substrate 1 is a semiconductor device. Not suitable for manufacturing. On the other hand, if it is used at less than 1 kPa, equipment problems such as the capacity of the vacuum pump and the conductance of the exhaust increase, which is not suitable. The substrate temperature is preferably higher than 900 ° C. and lower than 1100 ° C. This is because the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13 increases at 900 ° C. or lower or 1100 ° C. or higher, and is not suitable for manufacturing a semiconductor device.

また、半導体成長用基板11と窒化物系半導体層13との間に、緩衝層12を挿入することもピットを抑制する有効な手段であり、窒化物系半導体層13の成長条件と同様に最適化する必要がある。緩衝層12の材料としては、AlNを用いることができる。一般的なc軸配向成長の場合は、半導体成長用基板上に400〜600℃程度の低温で数10nm程度の層を堆積するが、a軸配向など、無極性面での成長の場合は必ずしもその限りではない。しかし、III族供給源として用いるトリメチルアルミニウム(TMA)の分解・基板上への堆積を促進するため、基板温度は温度900℃以上1200℃以下の高温にするのが良い。また、900℃未満で緩衝層12を成長した場合、その上に成長させる窒化物系半導体層13の結晶品質が悪化する。1200℃より高い基板温度とすることは、一般的に、ヒーターや電源など、の加熱装置の問題上難しい。また、GaN、やAlGaNを緩衝層12として用いることで、同様の表面平坦性の向上が可能である。緩衝層12の膜厚は、100nm以上2μm以下であるのが良く、この範囲を外れると窒化物系半導体層13のRMS表面粗さが大きくなる弊害がある。   Inserting the buffer layer 12 between the semiconductor growth substrate 11 and the nitride-based semiconductor layer 13 is also an effective means for suppressing pits, and is optimal as well as the growth conditions of the nitride-based semiconductor layer 13. It is necessary to make it. As a material of the buffer layer 12, AlN can be used. In general c-axis oriented growth, a layer of about several tens of nanometers is deposited on a semiconductor growth substrate at a low temperature of about 400 to 600 ° C. However, in the case of growth on a nonpolar surface such as a-axis orientation, it is not always necessary. Not so. However, in order to promote decomposition and deposition on the substrate of trimethylaluminum (TMA) used as a group III supply source, the substrate temperature is preferably set to a high temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. In addition, when the buffer layer 12 is grown at a temperature lower than 900 ° C., the crystal quality of the nitride-based semiconductor layer 13 grown thereon deteriorates. In general, it is difficult to set the substrate temperature higher than 1200 ° C. due to problems of heating devices such as a heater and a power source. Further, by using GaN or AlGaN as the buffer layer 12, the same surface flatness can be improved. The thickness of the buffer layer 12 is preferably 100 nm or more and 2 μm or less, and if it is out of this range, there is a problem that the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13 increases.

また、緩衝層12は、単一の層を積層するだけでなく、AlN、GaN、AlGaNからなる層を組み合わせて順次積層して構成しても良い。   The buffer layer 12 may be configured not only by laminating a single layer, but also by sequentially laminating layers composed of AlN, GaN, and AlGaN.

この気相成長方法を用いて製造した窒化物系半導体のエピタキシャル基板1は、表面平坦性に優れ、原子間力顕微鏡(AFM)で測定したRMS表面粗さは、10nm未満とすることができる。この値は、半導体装置を製造するにあたって十分なRMS表面粗さである。従って、このエピタキシャル基板1を用いた場合、ピエゾ電界に起因する悪影響を受けない、優れた特性を有する半導体装置とすることができる。   The nitride-based semiconductor epitaxial substrate 1 manufactured by using this vapor phase growth method has excellent surface flatness, and the RMS surface roughness measured by an atomic force microscope (AFM) can be less than 10 nm. This value is an RMS surface roughness sufficient for manufacturing a semiconductor device. Therefore, when this epitaxial substrate 1 is used, a semiconductor device having excellent characteristics that is not adversely affected by the piezoelectric field can be obtained.

また、本発明で用いるr面サファイア基板11の主面21のオフ・アングルについては、望ましくは、図2のようにc軸22をR軸23に近づける方向に0.5°程度傾けたものを用いると結晶成長が容易になるので良いが、あらゆる方向のオフ角が5度以下であれば、成長条件を調節することで、本発明の効果を発揮させることが可能であり、本発明においては重要な点とは言えない。   Further, the off-angle of the main surface 21 of the r-plane sapphire substrate 11 used in the present invention is preferably inclined by about 0.5 ° in the direction in which the c-axis 22 approaches the R-axis 23 as shown in FIG. If used, crystal growth is facilitated, but if the off angle in any direction is 5 degrees or less, the effects of the present invention can be exhibited by adjusting the growth conditions. It's not an important point.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

(第1の実施例)
成長方法にはMOVPE法を用い、図1のように、半導体成長用基板11としてr面サファイア基板11を使用した。
(First embodiment)
MOVPE was used as the growth method, and an r-plane sapphire substrate 11 was used as the semiconductor growth substrate 11 as shown in FIG.

まず、基板温度1100℃でAlNからなる緩衝層12を800nm成長させ、その後、GaNからなる窒化物系半導体層13を2μm成長させた。窒化物系半導体層13の成長条件としては、基板温度を1000℃とし、成長圧力を8kPaとした。その結果、基板全面に渡って鏡面のエピタキシャル基板1が得られ、X線回折によりa面の窒化物系半導体層が積層されていることが確認された。また、AFMで評価したRMS表面粗さが1nmであった。   First, a buffer layer 12 made of AlN was grown to 800 nm at a substrate temperature of 1100 ° C., and then a nitride-based semiconductor layer 13 made of GaN was grown to 2 μm. The growth conditions for the nitride-based semiconductor layer 13 were a substrate temperature of 1000 ° C. and a growth pressure of 8 kPa. As a result, a mirror-surface epitaxial substrate 1 was obtained over the entire surface of the substrate, and it was confirmed by X-ray diffraction that the a-plane nitride-based semiconductor layer was laminated. Moreover, the RMS surface roughness evaluated by AFM was 1 nm.

さらに、各成長条件による、窒化物系半導体層13の表面平坦性に対する影響をするため、以下に示す実験を行った。   Furthermore, in order to influence the surface flatness of the nitride-based semiconductor layer 13 by each growth condition, the following experiment was performed.

まず、図3に成長圧力と窒化物系半導体層13のRMS表面粗さの関係を示す。なお、前記と同様の条件を用い、成長圧力のみを変化させた。10kPa以下のときのRMS表面粗さが得られ、表面平坦性が向上していた。特に、8kPa以下では、RMS表面粗さが1nm程度となっており、より好ましい。1kPa未満でも表面平坦性に優れたエピタキシャル基板が得られると推測されるが、装置的な問題により実験を実施できなかった。一方、約10kPaより大きな成長圧力では、ピットが生じたため、10nmを超えるRMS面粗さとなり、半導体装置を製造するには適さなかった。   First, FIG. 3 shows the relationship between the growth pressure and the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13. Note that the same conditions as described above were used, and only the growth pressure was changed. The RMS surface roughness at 10 kPa or less was obtained, and the surface flatness was improved. In particular, at 8 kPa or less, the RMS surface roughness is about 1 nm, which is more preferable. Although it is presumed that an epitaxial substrate excellent in surface flatness can be obtained even at less than 1 kPa, the experiment could not be carried out due to an apparatus problem. On the other hand, at a growth pressure greater than about 10 kPa, pits were generated, resulting in an RMS surface roughness exceeding 10 nm, which was not suitable for manufacturing a semiconductor device.

次に、図4に基板温度と窒化物系半導体層13のRMS表面粗さの関係を示す。900℃より高く、1050℃未満の温度で成長を行ったところ、RMS表面粗さが10nm未満となった。1000℃のときが最も平坦性が良く、RMS表面粗さは1nmであった。900℃以下、1100℃以上の基板温度ではモフォロジーが悪化しRMS表面粗さが増大していた。   Next, FIG. 4 shows the relationship between the substrate temperature and the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13. When grown at a temperature higher than 900 ° C. and lower than 1050 ° C., the RMS surface roughness was less than 10 nm. The flatness was the best at 1000 ° C., and the RMS surface roughness was 1 nm. At substrate temperatures of 900 ° C. or lower and 1100 ° C. or higher, the morphology deteriorated and the RMS surface roughness increased.

(実施例2)
緩衝層12に関する実験を行った。
(Example 2)
Experiments on the buffer layer 12 were performed.

まず、比較例1として、緩衝層12を挿入せず直接r面サファイア基板11上にGaNからなる窒化物系半導体層13を成長させた。そうしたところ、X線回折によりa面の窒化物系半導体層が積層されていることが確認された。そのときの窒化物形半導体層13の成長条件は、8kPa、1000℃で一定にし、2μm成長させた。その結果、表面にピットが発生し、RMS表面粗さが100nmと大きくなったため好ましくない。   First, as Comparative Example 1, a nitride-based semiconductor layer 13 made of GaN was grown directly on the r-plane sapphire substrate 11 without inserting the buffer layer 12. As a result, it was confirmed by X-ray diffraction that an a-plane nitride-based semiconductor layer was laminated. The growth conditions of the nitride semiconductor layer 13 at that time were fixed at 8 kPa and 1000 ° C., and were grown by 2 μm. As a result, pits are generated on the surface and the RMS surface roughness is increased to 100 nm, which is not preferable.

次に、緩衝層12としてAlNを用いて実験した。そのとき緩衝層12の基板温度は1100℃で一定とした。窒化物系半導体層13の成長条件は前記のままとした。図4に緩衝層12の膜厚と窒化物系半導体層13のRMS表面粗さの関係を示す。100nm以上、2μm以下の膜厚では、10nm以下のRMS表面粗さが得られた。2μmより大きな膜厚になるとピットが発生し、また、100nmより薄いと筋状のモフォロジーのため、共にRMS表面粗さが増大していた。   Next, an experiment was performed using AlN as the buffer layer 12. At that time, the substrate temperature of the buffer layer 12 was constant at 1100 ° C. The growth conditions for the nitride-based semiconductor layer 13 were the same as described above. FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the buffer layer 12 and the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13. With a film thickness of 100 nm or more and 2 μm or less, an RMS surface roughness of 10 nm or less was obtained. When the film thickness was larger than 2 μm, pits were generated, and when it was thinner than 100 nm, the RMS surface roughness was increased due to the streak morphology.

次に、緩衝層12成長時の基板温度を変更する実験を行った。緩衝層12の膜厚は800nmで一定とした。その結果、いずれのサンプルにおいても表面平坦性に優れ、10nm未満のRMS表面粗さとなっていた。しかし、窒化物系半導体層13の結晶性には、変化が表れた。図5に緩衝層13成長時の基板温度とX線ロッキングカーブの半値幅の関係を示す。X線ロッキングカーブは、GaNの対称反射(11−20)を用い、サンプルを窒化物系半導体層13のc軸に沿ってロッキングさせた。900℃以上、1200℃以下の時は、850arcsec以下の良好な半値幅を示していたが、900℃未満では、1000℃以上となっており、結晶性の劣化が認められた。また、基板温度を1200℃より高い温度にすることは装置上難しく、実験を行うことができなかった。   Next, an experiment for changing the substrate temperature during the growth of the buffer layer 12 was performed. The film thickness of the buffer layer 12 was constant at 800 nm. As a result, all the samples had excellent surface flatness and RMS surface roughness of less than 10 nm. However, a change appeared in the crystallinity of the nitride-based semiconductor layer 13. FIG. 5 shows the relationship between the substrate temperature during the growth of the buffer layer 13 and the half width of the X-ray rocking curve. As the X-ray rocking curve, GaN symmetrical reflection (11-20) was used, and the sample was rocked along the c-axis of the nitride-based semiconductor layer 13. When the temperature was 900 ° C. or more and 1200 ° C. or less, a good half width of 850 arcsec or less was shown. However, when the temperature was less than 900 ° C., the temperature was 1000 ° C. or more and deterioration of crystallinity was recognized. Moreover, it was difficult on the apparatus to make the substrate temperature higher than 1200 ° C., and the experiment could not be performed.

(実施例3)
緩衝層12の材料について検討を行った。まず、r面サファイア基板上に1100℃でAlN、GaN、AlGaNからなる緩衝層13をそれぞれ800nm成長させた。そして、GaNからなる窒化物系半導体層13を2μm成長させた。窒化物系半導体層13の成長条件としては、基板温度を1000℃とし、成長圧力を8kPaとした。その結果、X線回折によりa面の窒化物系半導体層が積層されていることが確認された。目立った変化は現れず、いずれの材料でも使用可能であることを確認した。RMS表面粗さは10nm未満であり、結晶性も良好であった。
(Example 3)
The material of the buffer layer 12 was examined. First, a buffer layer 13 made of AlN, GaN, and AlGaN was grown on the r-plane sapphire substrate at 1100 ° C. by 800 nm. Then, a nitride semiconductor layer 13 made of GaN was grown by 2 μm. The growth conditions for the nitride-based semiconductor layer 13 were a substrate temperature of 1000 ° C. and a growth pressure of 8 kPa. As a result, it was confirmed by X-ray diffraction that an a-plane nitride-based semiconductor layer was laminated. There was no noticeable change and it was confirmed that any material can be used. The RMS surface roughness was less than 10 nm and the crystallinity was good.

(実施例4)
a面、m面の無極性面を主面とする、多様なSiC基板11を用い、実験を行った。比較として、c面のSiC基板11も用意し、同様の実験を行った。それぞれのSiC基板11上に成長させる緩衝層12、及び、窒化物系半導体層13の成長条件は同一とした。
Example 4
Experiments were conducted using various SiC substrates 11 having a-plane and m-polar non-polar planes as principal planes. For comparison, a c-plane SiC substrate 11 was also prepared and the same experiment was performed. The growth conditions of the buffer layer 12 and the nitride semiconductor layer 13 grown on each SiC substrate 11 were the same.

その結果、SiC基板の主面がc面、a面、m面のとき、それぞれ、c面、a面、m面の窒化物系半導体層13が得られていることが、X線回折により確認した。つまり、SiC基板11の場合、基板の面方位は、窒化物系半導体層13の面方位と一致していた。いずれの場合も、窒化物系半導体層13のRMS表面粗さは10nm未満であり、良好な結晶性を示した。   As a result, when the main surface of the SiC substrate is the c-plane, a-plane, and m-plane, it is confirmed by X-ray diffraction that the c-plane, a-plane, and m-plane nitride semiconductor layers 13 are obtained, respectively. did. That is, in the case of the SiC substrate 11, the plane orientation of the substrate coincided with the plane orientation of the nitride-based semiconductor layer 13. In any case, the RMS surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 13 was less than 10 nm, indicating good crystallinity.

(実施例5)
実施例1〜4において製造したエピタキシャル基板を用い、半導体装置として、発光ダイオード、及び、電界効果トランジスタを作製した。その結果、ピエゾ電界による悪影響を受けない、高性能な半導体装置を製造することができた。
(Example 5)
Using the epitaxial substrate manufactured in Examples 1 to 4, a light emitting diode and a field effect transistor were manufactured as a semiconductor device. As a result, a high-performance semiconductor device that is not adversely affected by the piezoelectric field can be manufactured.

本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the epitaxial substrate of this invention. 本発明で用いるr面サファイア基板の結晶方位について説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the crystal orientation of the r surface sapphire substrate used by this invention. 本発明の実施例において作製したエピタキシャル基板の実験結果を表すグラフである。It is a graph showing the experimental result of the epitaxial substrate produced in the Example of this invention. 本発明の実施例において作製したエピタキシャル基板の実験結果を表すグラフである。It is a graph showing the experimental result of the epitaxial substrate produced in the Example of this invention. 本発明の実施例において作製したエピタキシャル基板の実験結果を表すグラフである。It is a graph showing the experimental result of the epitaxial substrate produced in the Example of this invention. 本発明の実施例において作製したエピタキシャル基板の実験結果を表すグラフである。It is a graph showing the experimental result of the epitaxial substrate produced in the Example of this invention. c軸配向した窒化物系半導体のヘテロ接合を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the heterojunction of nitride-based semiconductor with c-axis orientation. 従来のレーザダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional laser diode. 従来の半導体装置(電界効果トランジスタ)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional semiconductor device (field effect transistor).

符号の説明Explanation of symbols

1 エピタキシャル基板
11 半導体成長用基板
12 緩衝層
13 第1の層
13 窒化物系半導体層
21 サファイアの単位胞
22 r面サファイア基板の主面
23 c軸
24 r軸
71 層
71a ヘテロ接合界面
72 層
73 c軸
8 従来の半導体装置(レーザダイオード)
81 c面サファイア基板
82 GaN層
83 n型バッファ層
84 n型クラッド層
85 n型ガイド層
86 量子井戸構造活性層
87 p型キャップ層
88 p型ガイド層
89 p型クラッド層
90 p側コンタクト層
91 絶縁層
92 p側電極
93 n側電極
9 従来の半導体装置(電界効果トランジスタ)
94 低温バッファ層
95 アンドープGaN層
96 アンドープAl0.3Ga0.7N層
97 アンドープGaN層
98 アンドープAl0.3Ga0.7Nスペーサ層
99 n型Al0.3Ga0.7N電子供給層
100 傾斜組成アンドープAlxGa1-xN障壁層
101 n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層
102 ソース電極
103 ドレイン電極
104 ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Epitaxial substrate 11 Semiconductor growth substrate 12 Buffer layer 13 First layer 13 Nitride-based semiconductor layer 21 Sapphire unit cell 22 Main surface 23 of r-plane sapphire substrate c-axis 24 r-axis 71 Layer 71a Heterojunction interface 72 Layer 73 c-axis 8 Conventional semiconductor device (laser diode)
81 c-plane sapphire substrate 82 GaN layer 83 n-type buffer layer 84 n-type cladding layer 85 n-type guide layer 86 quantum well structure active layer 87 p-type cap layer 88 p-type guide layer 89 p-type cladding layer 90 p-side contact layer 91 Insulating layer 92 p-side electrode 93 n-side electrode 9 Conventional semiconductor device (field effect transistor)
94 Low-temperature buffer layer 95 Undoped GaN layer 96 Undoped Al0.3Ga0.7N layer 97 Undoped GaN layer 98 Undoped Al0.3Ga0.7N spacer layer 99 n-type Al0.3Ga0.7N electron supply layer 100 Graded composition undoped AlxGa1-xN barrier layer 101 n-type Al0.06Ga0.94N contact layer 102 Source electrode 103 Drain electrode 104 Gate electrode

Claims (11)

無極性面を主面とする窒化物系半導体を半導体成長用基板上へ気相成長させる窒化物系半導体の気相成長方法であって、前記気相成長時における雰囲気の圧力を1〜10kPaとし、かつ、前記半導体成長用基板の温度を900℃以上1100℃未満とすることを特徴とする窒化物系半導体の気相成長方法。 A nitride-based semiconductor vapor phase growth method in which a nitride-based semiconductor having a nonpolar surface as a main surface is vapor-grown on a semiconductor growth substrate, wherein the atmospheric pressure during the vapor-phase growth is 1 to 10 kPa. And the temperature of the said substrate for semiconductor growth shall be 900 degreeC or more and less than 1100 degreeC, The vapor phase growth method of the nitride type semiconductor characterized by the above-mentioned. 前記窒化物系半導体がGaN、AlN、InN、または、それらの混晶(AlGa1−x−yInN)であることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 2. The vapor phase of a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is GaN, AlN, InN, or a mixed crystal thereof (Al x Ga 1-xy In y N). Growth method. 前記無極性面がa面またはm面であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 The nitride semiconductor vapor phase growth method according to claim 1, wherein the nonpolar plane is an a plane or an m plane. 有機金属化合物気相成長法を用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 The method for vapor phase growth of a nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein an organic metal compound vapor phase growth method is used. 前記半導体成長用基板がr面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 5. The nitride semiconductor vapor phase growth method according to claim 1, wherein the semiconductor growth substrate is a sapphire substrate having an r-plane as a main surface. 前記半導体成長用基板が炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化硼素、酸化亜鉛、珪素、ゲルマニウム、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウムのいずれかの単結晶であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 5. The semiconductor growth substrate is a single crystal of any one of silicon carbide, gallium nitride, aluminum nitride, boron nitride, zinc oxide, silicon, germanium, lithium aluminate, and lithium niobate. A vapor phase growth method for a nitride semiconductor according to any one of the above. 前記半導体成長用基板上に緩衝層、窒化物系半導体とをこの順に形成する窒化物系半導体の気相成長方法であって、前記緩衝層の形成時の基板温度を900〜1200℃、膜厚を100nm〜2μmに制御することを特徴とする請求項5または6に記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 A method for vapor phase growth of a nitride semiconductor in which a buffer layer and a nitride semiconductor are formed in this order on the semiconductor growth substrate, wherein the substrate temperature during the formation of the buffer layer is 900 to 1200 ° C. The method of vapor phase growth of a nitride semiconductor according to claim 5 or 6, wherein the thickness is controlled to 100 nm to 2 µm. 前記緩衝層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウムのいずれかであることを特徴とする請求項7記載の窒化物系半導体の気相成長方法。 8. The method for vapor phase growth of a nitride-based semiconductor according to claim 7, wherein the buffer layer is any one of aluminum nitride, gallium nitride, and aluminum gallium nitride. 請求項1〜8のいずれかに記載の窒化物系半導体の気相成長方法を用いたことを特徴とするエピタキシャル基板。 An epitaxial substrate using the nitride-based semiconductor vapor phase growth method according to claim 1. 算術平均表面粗さ、または自乗根平均のRMS表面粗さが5nm以下であることを特徴とする請求項9に記載のエピタキシャル基板。 The epitaxial substrate according to claim 9, wherein the arithmetic average surface roughness or the root mean square RMS surface roughness is 5 nm or less. 請求項9または10に記載のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device using the epitaxial substrate according to claim 9.
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