JP2007290924A - Semiconductor substrate for electronic device, its production method, electronic device, and field-effect transistor - Google Patents

Semiconductor substrate for electronic device, its production method, electronic device, and field-effect transistor Download PDF

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克宏 今井
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真 岩井
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勇介 森
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate the improvement of the operation characteristics of an electronic device. <P>SOLUTION: By optimizing crystal growth conditions such as a crystal growth temperature, it is possible to effectively suppress the sublimation of atoms which form the top surface of a semiconductor layer 103 (channel layer A), and in this case, the roughening at the interface between semiconductor layers 103 and 104 can be effectively inhibited. The action of inhibiting the roughening at the interface is ascribable, in addition to the optimization of the crystal growth conditions, to the use of a crystal growth substrate 101 which is constituted from an about 400 μm-thick intrinsic GaN crystal (the semiconductor substrate for an electronic device) produced according the production method. This means that it is very effective and important for making flatter the interface between semiconductor crystal layers build up on the substrate by a crystal growth treatment to use a crystal growth substrate of very high crystal quality. The use of this semiconductor substrate for an electronic device is particularly effective also in this sense. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、 III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を、フラックスを用いて結晶成長させるフラックス法と、それを用いて製造される電子デバイス用半導体基板、電子デバイス、及びトランジスタに関する。
ただし、ここで言う電子デバイスには、半導体結晶層を用いた半導体素子、例えばトランジスタやダイオード等によって構成される増幅器やスイッチング素子や整流素子などを含んでおり、更に、それらの半導体結晶層に対して、抵抗、容量、インダクタの内の少なくとも1つを組み込んだ半導体集積回路などをも含んでいる。
The present invention relates to a flux method in which a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor is grown using a flux, and a semiconductor substrate for electronic devices, an electronic device, and a transistor manufactured using the flux method.
However, the electronic device mentioned here includes a semiconductor element using a semiconductor crystal layer, for example, an amplifier, a switching element, a rectifying element, etc. constituted by a transistor, a diode, etc. And a semiconductor integrated circuit incorporating at least one of a resistor, a capacitor, and an inductor.

また、上記のトランジスタは電界効果を利用したものであっても、バイポーラ型のものであっても良い。また、本発明に基づいて製造することができる電界効果トランジスタには、例えばMISFET,MOSFET,HFET,MODFET,JFET,HJFET,HEMT等の半導体素子が含まれ、更に、パワーMOSFETやIGBT等の電力制御用のパワートランジスタなども含まれる。   In addition, the above-described transistor may use a field effect or may be a bipolar type. The field effect transistors that can be manufactured according to the present invention include semiconductor elements such as MISFET, MOSFET, HFET, MODFET, JFET, HJFET, and HEMT, and further, power control such as power MOSFET and IGBT. Also included are power transistors and the like.

なお、上記の III族窒化物系化合物半導体には、任意の組成比で構成された2元、3元、又は4元のInAlGaNからなる半導体結晶が含まれ、更に、p形またはn形の不純物などが添加された半導体もまた、これらの「 III族窒化物系化合物半導体」の範疇である。   The group III nitride compound semiconductor includes a semiconductor crystal composed of binary, ternary, or quaternary InAlGaN having an arbitrary composition ratio, and further includes p-type or n-type impurities. Semiconductors to which etc. are added are also in the category of these “Group III nitride compound semiconductors”.

ナトリウム(Na)フラックス中で窒化ガリウムを結晶成長させる従来のNaフラックス法によれば、約5MPa程度の圧力下において600℃〜800℃の比較的低い温度で、GaN単結晶を結晶成長させることができる。   According to the conventional Na flux method in which gallium nitride is grown in sodium (Na) flux, a GaN single crystal can be grown at a relatively low temperature of 600 ° C. to 800 ° C. under a pressure of about 5 MPa. it can.

また、下記の特許文献1〜特許文献5に開示されている従来技術などからも分かる様に、 III族窒化物系化合物半導体結晶をフラックス法によって結晶成長させる従来の製造方法では、通常、下地基板(種結晶)として、サファイア基板上にバッファ層などの半導体層を積層したテンプレートや、GaN単結晶自立基板などが専ら用いられている。
特開平11−060394号公報 特開2001−058900号公報 特開2001−064097号公報 特開2004−292286号公報 特開2004−300024号公報
Further, as can be seen from the prior art disclosed in the following Patent Documents 1 to 5, the conventional manufacturing method for growing a group III nitride compound semiconductor crystal by a flux method is usually a base substrate. As the (seed crystal), a template in which a semiconductor layer such as a buffer layer is stacked on a sapphire substrate, a GaN single crystal free-standing substrate, or the like is exclusively used.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-060394 JP 2001-058900 A JP 2001-064097 A JP 2004-292286 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-300024

特に、電界効果トランジスタを製造する場合などには、半導体結晶層の界面付近に形成される2次元電子ガスの生成制御や消滅制御を容易にしたり、そのシート抵抗を低減させたり、素子の駆動電圧やリーク電流などを低減させたり、或いは、素子の静電耐圧性能や寿命や歩留りなどを改善したりする際に、それらの半導体素子基板の結晶品質は非常に重要になる。   In particular, when manufacturing a field effect transistor, the generation control and extinction control of the two-dimensional electron gas formed near the interface of the semiconductor crystal layer can be facilitated, the sheet resistance can be reduced, and the element drive voltage can be reduced. The crystal quality of these semiconductor element substrates is very important when reducing the leakage current and the like, or improving the electrostatic withstand voltage performance, life, and yield of the elements.

しかしながら、従来のNaフラックス法では、転位密度が低く結晶成長面が略平面の高品質な半導体結晶を得ることは困難であった。また、従来のNaフラックス法では、結晶成長速度や収率にも問題があり、このため、電子デバイス用半導体基板などへの実用化は困難であった。これらの問題は、Inx Aly Ga1-x-y N(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)から成るその他の III族窒化物系化合物半導体の結晶成長についても同様である。 However, with the conventional Na flux method, it has been difficult to obtain a high-quality semiconductor crystal having a low dislocation density and a substantially flat crystal growth surface. In addition, the conventional Na flux method has a problem in the crystal growth rate and yield, and it has been difficult to put it into practical use for a semiconductor substrate for electronic devices. These problems also applies to In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) other Group III nitride compound semiconductor crystal growth consisting of It is.

また、前述の様なテンプレートを用いた場合、 III族窒化物系化合物半導体からなる所望の半導体結晶とサファイア基板との間には大きな熱膨張係数差があるため、所望の半導体結晶を厚く積層すると、反応室から半導体結晶を取り出す際にその結晶中にクラックが多数発生してしまう。このため、下地基板として上記の様なテンプレートを用いた場合、例えば膜厚300μm以上の高品質な半導体結晶を得ることは困難となる。   In addition, when a template such as that described above is used, there is a large difference in thermal expansion coefficient between a desired semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor and a sapphire substrate. When a semiconductor crystal is taken out from the reaction chamber, many cracks are generated in the crystal. For this reason, when the above template is used as the base substrate, it is difficult to obtain a high-quality semiconductor crystal having a film thickness of 300 μm or more, for example.

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、フラックス法において、高品質な電子デバイス用半導体基板を低コストで生産することである。
また、本発明の更なる目的は、半導体を用いて構成される前述の任意の電子デバイスの動作特性の改善を容易にすることである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to produce a high-quality semiconductor substrate for electronic devices at a low cost by the flux method.
A further object of the present invention is to facilitate the improvement of the operating characteristics of any of the aforementioned electronic devices configured using semiconductors.

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)の III族元素と窒素(N)とを反応させることによって、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる電子デバイス用半導体基板の製造方法において、混合フラックスと III族元素とを攪拌混合しながら III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させることである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) in a mixed flux having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals. In the method for producing a semiconductor substrate for an electronic device in which a group III nitride compound semiconductor crystal is grown by reacting a group III element) with nitrogen (N), the mixed flux and the group III element are stirred and mixed. However, it is to grow group III nitride compound semiconductor crystals.

ただし、本願発明における攪拌混合処理は、揺動、回動、回転などによって反応容器を物理的に運動させることによって実施しても良いし、攪拌棒や攪拌羽根などを用いてフラックスを攪拌することによって実施しても良いし、或いは、加熱手段などを用いてフラックス中に熱勾配を生じさせ、これによってフラックスを熱対流させることで実施しても良い。即ち、本願発明における攪拌混合の処理方式は任意で良い。また、これらの方式は、適当に任意に組み合わせて実施しても良い。   However, the stirring and mixing process in the present invention may be carried out by physically moving the reaction vessel by swinging, rotating, rotating, or the like, or stirring the flux using a stirring bar or a stirring blade. Alternatively, the heat flux may be generated by using a heating means or the like to generate a thermal gradient in the flux and thereby heat convection the flux. That is, the processing method of stirring and mixing in the present invention may be arbitrary. Also, these methods may be implemented in any appropriate combination.

また、本発明の第2の手段は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)の III族元素と窒素(N)とを反応させることによって、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる電子デバイス用半導体基板の製造方法において、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる下地基板の少なくとも一部に、混合フラックスに溶解する可溶材料を用い、可溶材料を III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程中に、または III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程後にその成長温度付近で、その混合フラックス中に溶解させることである。   The second means of the present invention is a mixed flux having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals, and includes gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In In the method of manufacturing a semiconductor substrate for an electronic device in which a group III nitride compound semiconductor crystal is grown by reacting a group III element) with nitrogen (N), the group III nitride compound semiconductor crystal is grown. A soluble material that dissolves in the mixed flux is used for at least a part of the base substrate to be used, and the soluble material is used during the crystal growth process of the group III nitride compound semiconductor crystal or the crystal of the group III nitride compound semiconductor crystal. It is to dissolve in the mixed flux near the growth temperature after the growth process.

ただし、上記の可溶材料としては、シリコン(Si)などを用いることができるが、必ずしもこれに限定する必要はない。
また、上記の可溶材料の露出面上に保護膜を形成し、その保護膜の厚さ又は成膜パターンによって、上記の可溶材料がフラックスに溶解する時期または溶解速度を任意に制御することも可能である。この様な保護膜の材料としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)やタンタル(Ta)などを用いることができ、これらの保護膜は、結晶成長や真空蒸着やスパッタリングなどの周知の方法によって成膜させることができる。
However, silicon (Si) or the like can be used as the soluble material, but it is not necessarily limited to this.
Further, a protective film is formed on the exposed surface of the soluble material, and the timing or dissolution rate of the soluble material is dissolved in the flux according to the thickness or pattern of the protective film. Is also possible. As a material for such a protective film, for example, aluminum nitride (AlN), tantalum (Ta), or the like can be used. These protective films are formed by a known method such as crystal growth, vacuum deposition, or sputtering. be able to.

また、本発明の第3の手段は、上記の第2の手段において、上記の可溶材料の少なくとも一部に、 III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物を含有させることである。
ただし、必要とされる不純物だけでこの可溶材料の全体を構成しても良い。
According to a third means of the present invention, in the second means, at least a part of the soluble material contains an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal. is there.
However, you may comprise the whole soluble material only with the required impurity.

また、本発明の第4の手段は、上記の第2又は第3の手段において、上記の混合フラックスと III族元素とを攪拌混合しながら III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させることである。
ただし、この場合の攪拌混合処理の実施様態に付いても、前記と同様の任意性が許容され得る。
Further, a fourth means of the present invention is the above-described second or third means, wherein the group III nitride compound semiconductor crystal is grown while stirring and mixing the mixed flux and the group III element. is there.
However, the same optionality as described above can be allowed even in the embodiment of the stirring and mixing process in this case.

また、本発明の第5の手段は、上記の第1乃至第4の何れか1つの手段において、リチウム(Li)又はカルシウム(Ca)、並びにナトリウム(Na)を用いて上記の混合フラックスを構成することである。
即ち、用いる混合フラックスのNaに次ぐ第2の主要成分をリチウム(Li)またはカルシウム(Ca)の少なくとも何れか一方とすることである。
According to a fifth means of the present invention, in any one of the first to fourth means, the mixed flux is configured using lithium (Li) or calcium (Ca) and sodium (Na). It is to be.
That is, the second main component next to Na of the mixed flux to be used is at least one of lithium (Li) and calcium (Ca).

また、本発明の第6の手段は、上記の第1乃至第5の何れか1つの手段において、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、水素(H2 )ガス、窒素(N2 )ガス、アンモニア(NH3 )ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、種結晶または下地基板の結晶成長面をクリーニング処理することである。
ただし、これらのクリーニング処理に掛ける時間は、2分以上10分以下がより望ましい。
A sixth means of the present invention is the method according to any one of the first to fifth means described above, in which a hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen ( N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn) or a mixed gas in which two or more of these gases are mixed at an arbitrary mixing ratio And cleaning the crystal growth surface of the seed crystal or the base substrate at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower and taking a time of 1 minute or longer.
However, the time required for these cleaning processes is more preferably 2 minutes or more and 10 minutes or less.

また、本発明の第7の手段は、上記の第1乃至第6の何れか1つの手段において、所望の III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物として、ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al2 3 )、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si3 4 )、酸化珪素(SiO2 )、酸化インジウム(In2 3 )、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)を上記の混合フラックス中に含有させることである。
これらの不純物は、1種類だけを含有させても良いし、同時に複数種類を含有させても良い。これらの選択や組み合わせは任意で良い。
In addition, according to a seventh means of the present invention, in any one of the first to sixth means, boron (B), an impurity to be added to a desired group III nitride compound semiconductor crystal, Thallium (Tl), calcium (Ca), compounds containing calcium (Ca), silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), oxygen (O), aluminum ( Al), indium (In), alumina (Al 2 O 3 ), indium nitride (InN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc (Zn) ), Iron (Fe), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), or germanium (Ge) is included in the mixed flux.
These impurities may contain only 1 type, and may contain multiple types simultaneously. These selections and combinations may be arbitrary.

また、本発明の第8の手段は、請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法により製造された電子デバイス用半導体基板において、その表面の転位密度を1×105 cm-2以下とし、その最大径を1cm以上とすることである。
ただし、上記の転位密度は、低いほど望ましく、また上記の最大径は大きいほど望ましい。特に、工業的な実用性を考慮すると、所望の半導体基板は、直径約50mm〜150mm程度の円形のものなどが更に望ましい。
According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor substrate for an electronic device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor substrate for an electronic device according to any one of claims 1 to 7, the dislocation density on the surface thereof. Is 1 × 10 5 cm −2 or less, and its maximum diameter is 1 cm or more.
However, the dislocation density is preferably as low as possible and the maximum diameter is as large as possible. In particular, in view of industrial practicality, the desired semiconductor substrate is more preferably a circular one having a diameter of about 50 mm to 150 mm.

また、本発明の第9の手段は、上記の第8の手段において、上記の電子デバイス用半導体基板の厚さを300μm以上にすることである。
ただし、上記の半導体基板の厚さは、400μm以上がより望ましく、更に望ましくは400μm〜600μm程度が良い。
According to a ninth means of the present invention, in the eighth means, the thickness of the semiconductor substrate for electronic devices is 300 μm or more.
However, the thickness of the semiconductor substrate is more preferably 400 μm or more, and more preferably about 400 μm to 600 μm.

また、本発明の第10の手段は、結晶成長基板の上に III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を積層することによって構成される電子デバイスにおいて、その結晶成長基板を請求項8または請求項9に記載の電子デバイス用半導体基板から構成することである。   According to a tenth aspect of the present invention, in the electronic device configured by laminating a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate, the crystal growth substrate is defined in claim 8 or It is comprised from the semiconductor substrate for electronic devices of Claim 9.

ただし、ここで言う電子デバイスには、半導体結晶層を用いた半導体素子、例えばトランジスタやダイオード等によって構成される増幅器やスイッチング素子や整流素子などを含んでおり、更に、それらの半導体結晶層に対して、抵抗、容量、インダクタの内の少なくとも1つを組み込んだ半導体集積回路などをも含んでいる。また、上記のトランジスタは電界効果を利用したものであっても、バイポーラ型のものであっても良い。   However, the electronic device mentioned here includes a semiconductor element using a semiconductor crystal layer, for example, an amplifier, a switching element, a rectifying element, etc. constituted by a transistor, a diode, etc. And a semiconductor integrated circuit incorporating at least one of a resistor, a capacitor, and an inductor. In addition, the above-described transistor may use a field effect or may be a bipolar type.

また、本発明の第11の手段は、 III族窒化物系化合物半導体より成る半導体結晶層を結晶成長させることにより形成される電界効果トランジスタにおいて、請求項8または請求項9に記載の電子デバイス用半導体基板と、この電子デバイス用半導体基板の上に直接または間接的に結晶成長したチャネル層Aと、このチャネル層Aの上に直接結晶成長したキャリヤ供給層Bとを備え、少なくとも上記のチャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面の近傍において、キャリヤ供給層BのバンドギャップエネルギーEB をチャネル層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きくすることである。 The eleventh means of the present invention is a field effect transistor formed by crystal growth of a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor. A semiconductor substrate; a channel layer A crystal-grown directly or indirectly on the semiconductor substrate for electronic devices; and a carrier supply layer B crystal-grown directly on the channel layer A, and at least the channel layer described above In the vicinity of the interface between A and the carrier supply layer B, the band gap energy E B of the carrier supply layer B is made larger than the band gap energy E A of the channel layer A.

ただし、上記の電界効果トランジスタには、例えばMISFET,MOSFET,HFET,MODFET,JFET,HJFET,HEMT等の高周波で使用する半導体素子が含まれ、更に、パワーMOSFETやIGBT等の電力制御用のパワートランジスタなども含まれる。
また、本発明の第12の手段は、上記の第11の手段において、上記のチャネル層Aまたはキャリヤ供給層Bの少なくとも何れか一方を無添加の半導体結晶から形成することである。
However, the field effect transistors include semiconductor elements used at high frequencies such as MISFET, MOSFET, HFET, MODFET, JFET, HJFET, and HEMT, and further, power control transistors such as power MOSFET and IGBT. Etc. are also included.
A twelfth means of the present invention is that, in the eleventh means, at least one of the channel layer A and the carrier supply layer B is formed from an additive-free semiconductor crystal.

また、本発明の第13の手段は、上記の第11または第12の手段において、上記のチャネル層Aを2元または3元のAlx Ga1-x N(0≦x<1)から形成し、上記のキャリヤ供給層Bを3元のAly Ga1-y N(x<y≦1)から形成することである。 According to a thirteenth means of the present invention, in the eleventh or twelfth means, the channel layer A is formed of binary or ternary Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). The carrier supply layer B is formed of ternary Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1).

また、本発明の第14の手段は、上記の第11乃至第13の何れか1つの手段において、上記の界面の近傍を形成しているチャネル層Aの原子の昇華作用を抑制することにより、上記の界面を略平坦に形成することである。   Further, a fourteenth means of the present invention is the method according to any one of the eleventh to thirteenth means, by suppressing the sublimation action of the atoms of the channel layer A forming the vicinity of the interface, The above-mentioned interface is formed substantially flat.

ただし、この場合、上記のチャネル層AはGaN結晶から形成することがより望ましく、また、上記のキャリヤ供給層BはAly Ga1-y N(0.15≦y≦0.30)から形成することがより望ましい。 However, in this case, the channel layer A is more preferably formed of GaN crystal, and the carrier supply layer B is formed of Al y Ga 1-y N (0.15 ≦ y ≦ 0.30). It is more desirable to do.

また、本発明の第15の手段は、上記の第11乃至第14の何れか1つの手段において、上記のキャリヤ供給層BをAly Ga1-y N(0.45>y>0.04)から形成し、そのキャリヤ供給層Bのアルミニウム組成比yを上記の界面からの距離に対して略単調に減少させることである。 According to a fifteenth means of the present invention, in any one of the eleventh to fourteenth means, the carrier supply layer B is made of Al y Ga 1-y N (0.45>y> 0.04). And the aluminum composition ratio y of the carrier supply layer B is substantially monotonously reduced with respect to the distance from the interface.

ただし、この場合、上記の界面におけるキャリヤ供給層Bのアルミニウム組成比yは、0.15以上0.40以下がより望ましく、このキャリヤ供給層Bのもう一方の界面におけるアルミニウム組成比yは、0.05以上0.20以下がより望ましい。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
In this case, however, the aluminum composition ratio y of the carrier supply layer B at the interface is more preferably 0.15 or more and 0.40 or less, and the aluminum composition ratio y at the other interface of the carrier supply layer B is 0. It is more desirable that it is 0.05 to 0.20.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1乃至第7の何れか1つの手段によれば、フラックス法において、高品質な半導体結晶を効率的に低コストで生産するこができ、これによって、請求項8又は請求項9の特徴を有する電子デバイス用半導体基板を、現実的な生産レベルで高品質かつ効率的に製造することができる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to any one of the first to seventh means of the present invention, a high-quality semiconductor crystal can be efficiently produced at a low cost by the flux method. The semiconductor substrate for electronic devices having the feature of item 9 can be manufactured with high quality and efficiency at a realistic production level.

特に、本発明の第1の手段によれば、攪拌混合処理に基づいて、混合フラックス中への窒素の溶解速度が効果的に増大すると共に、当該フラックス中において、結晶材料が均一に分布する。また、この様な理想的なフラックスを常時結晶成長面にムラなく供給することができる。したがって、本発明の第1の手段によれば、転位密度が低く結晶成長面が略平面の高品質な電子デバイス用半導体基板を得ることができる。また、これらの高品質な電子デバイス用半導体基板は、上記の作用による高い結晶成長速度や収率に基づいて、所望のバルク状に大きく結晶成長させることも容易である。   In particular, according to the first means of the present invention, the dissolution rate of nitrogen in the mixed flux effectively increases based on the stirring and mixing treatment, and the crystal material is uniformly distributed in the flux. Further, such an ideal flux can be constantly supplied to the crystal growth surface without unevenness. Therefore, according to the first means of the present invention, a high-quality semiconductor substrate for electronic devices having a low dislocation density and a substantially flat crystal growth surface can be obtained. In addition, these high-quality semiconductor substrates for electronic devices can be easily grown large in a desired bulk shape based on the high crystal growth rate and yield due to the above-described action.

また、本発明の第2の手段によれば、半導体結晶の結晶成長工程中に、又は半導体結晶の結晶成長工程後に半導体結晶の成長温度付近で、上記の可溶材料がフラックス中に溶解するので、所望の半導体結晶を反応室から取り出す際の降温作用などに伴って、下地基板と半導体結晶(電子デバイス用半導体基板)との間に応力が働くことがない。したがって、本発明の第2の手段によれば、所望の電子デバイス用半導体基板のクラックの発生密度を従来よりも大幅に低減させることができる。
また、上記の可溶材料としては、例えばシリコン(Si)などの様な比較的安価な材料を用いることができるため、GaN単結晶自立基板を下地基板として用いる従来の場合よりも、生産コストを安く抑えることができる。
Further, according to the second means of the present invention, the soluble material is dissolved in the flux during the semiconductor crystal growth step or near the semiconductor crystal growth temperature after the semiconductor crystal growth step. The stress does not act between the base substrate and the semiconductor crystal (semiconductor substrate for electronic devices) due to the temperature lowering action when taking out the desired semiconductor crystal from the reaction chamber. Therefore, according to the second means of the present invention, the density of occurrence of cracks in the desired semiconductor substrate for electronic devices can be greatly reduced as compared with the prior art.
In addition, as the above-described soluble material, for example, a relatively inexpensive material such as silicon (Si) can be used, so that the production cost is lower than the conventional case where a GaN single crystal free-standing substrate is used as a base substrate. It can be kept cheap.

また、本発明の第3の手段によって、上記の可溶材料がフラックスに溶け出す現象を不純物の添加処理として利用すれば、所望の電子デバイス用半導体基板に不純物の添加が必要な場合に、その不純物の添加処理を他の方法によって実施する必要がなくなる。また、同時に、必要となる不純物材料を節約することもできる。   Further, if the phenomenon that the soluble material is dissolved in the flux is used as the impurity addition process by the third means of the present invention, it is necessary to add an impurity to the semiconductor substrate for a desired electronic device. It is not necessary to carry out the impurity addition process by another method. At the same time, the necessary impurity material can be saved.

また、本発明の第4の手段によれば、上記の第2又は第3の手段においても、上記の第1の手段における攪拌混合処理の作用・効果と同等の作用・効果を得ることができる。   Further, according to the fourth means of the present invention, also in the second or third means, it is possible to obtain the same action and effect as the action and effect of the stirring and mixing process in the first means. .

また、本発明の第5の手段によれば、リチウム(Li)またはカルシウム(Ca)のフラックス中における混合比に基づいて、半導体結晶の収率や成長速度を好適または最適に調整することができ、これによって、所望の電子デバイス用半導体基板の生産性を好適または最適に調整することができる。   In addition, according to the fifth means of the present invention, the yield and growth rate of the semiconductor crystal can be suitably or optimally adjusted based on the mixing ratio of lithium (Li) or calcium (Ca) in the flux. Thereby, the productivity of a desired semiconductor substrate for an electronic device can be adjusted suitably or optimally.

また、本発明の第6の手段によれば、半導体結晶を結晶成長させるべき結晶成長面上の異物または不純物が当該結晶成長面から良好に排除されるので、所望の電子デバイス用半導体基板をより良質に結晶成長させることができる。   In addition, according to the sixth means of the present invention, foreign substances or impurities on the crystal growth surface on which a semiconductor crystal is to be grown can be favorably excluded from the crystal growth surface. Crystals can be grown with good quality.

また、本発明の第7の手段によれば、所望の電気伝導特性やバンドギャップを有する電子デバイス用半導体基板を任意に結晶成長させることができる。   Further, according to the seventh means of the present invention, a semiconductor substrate for an electronic device having desired electric conduction characteristics and a band gap can be arbitrarily grown.

また、本発明の第8の手段によれば、電子デバイスを構成する基材として有用な電子デバイス用半導体基板を実用レベルで良質かつ低コストで製造することができる。
また、本発明の電子デバイス用半導体基板は、結晶品質が従来のものに比べて非常に優れているため、結晶成長処理に基づいてその上に形成される半導体結晶層の結晶品質も高くなる。このため、前述の所望の電子デバイスの特性(例:シート抵抗など)を従来のものよりも良好に改善することができる。また、基板の結晶品質の向上に伴って、基板の熱伝導率も高くなるため、従来よりも高い放熱効果を得ることもできる。
Further, according to the eighth means of the present invention, a semiconductor substrate for electronic devices useful as a base material constituting the electronic device can be manufactured at a practical level with good quality and low cost.
In addition, since the semiconductor substrate for electronic devices of the present invention has a crystal quality that is very superior to that of the conventional one, the crystal quality of the semiconductor crystal layer formed thereon is also increased based on the crystal growth treatment. For this reason, the characteristics (eg, sheet resistance) of the desired electronic device described above can be improved better than the conventional one. Further, as the crystal quality of the substrate is improved, the thermal conductivity of the substrate is also increased, so that it is possible to obtain a higher heat dissipation effect than before.

また、本発明の第9の手段によれば、それらの電子デバイス用半導体基板が電子デバイスの製造中に割れたり傷ついたりすることによって、電子デバイスの歩留りが下がることを未然に防止することができる。   According to the ninth means of the present invention, it is possible to prevent the yield of the electronic devices from being lowered by cracking or scratching the semiconductor substrate for electronic devices during the production of the electronic devices. .

また、本発明の第10の手段によれば、良質な電子デバイス用半導体基板がその電子デバイスの結晶成長基板として用いられるため、電子デバイスを構成する各半導体結晶層が良質に形成される。
したがって、本発明の第10の手段によれば、例えばシート抵抗やリーク電流などの動作特性に優れた電子デバイスを製造することができる。また、その電子デバイス用半導体基板の厚さを300μm以上とすることによって、所望の電子デバイスの歩留りを高く確保することができる。
According to the tenth means of the present invention, since a semiconductor substrate for electronic devices having a good quality is used as a crystal growth substrate for the electronic device, each semiconductor crystal layer constituting the electronic device is formed with a good quality.
Therefore, according to the tenth means of the present invention, an electronic device having excellent operating characteristics such as sheet resistance and leakage current can be manufactured. Further, by setting the thickness of the semiconductor substrate for electronic devices to 300 μm or more, it is possible to ensure a high yield of desired electronic devices.

また、本発明の第11の手段によれば、チャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面に2次元電子ガスを良好に形成することが可能となるため、それをキャリヤとするチャネルを電界効果トランジスタ中に良好に形成することができる。したがって、本発明の第11の手段によれば、動作特性に優れた電界効果トランジスタを製造することができる。   According to the eleventh means of the present invention, it is possible to satisfactorily form a two-dimensional electron gas at the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B. It can be satisfactorily formed in the transistor. Therefore, according to the eleventh means of the present invention, a field effect transistor excellent in operating characteristics can be manufactured.

また、本発明の第12の手段によれば、チャネル層Aまたはキャリヤ供給層Bを良質の半導体結晶層にすることができるため、上記の界面におけるキャリヤの移動度を大きくすることができる。したがって、本発明の第12の手段によれば、シート抵抗の小さなチャネル層を形成することができる。   According to the twelfth means of the present invention, since the channel layer A or the carrier supply layer B can be a high-quality semiconductor crystal layer, the carrier mobility at the interface can be increased. Therefore, according to the twelfth means of the present invention, a channel layer having a low sheet resistance can be formed.

また、本発明の第13の手段によれば、各半導体結晶層の結晶品質を高くしつつ、チャネル層Aとキャリヤ供給層Bとのバンドギャップの差を適切に確保することができる。したがって、チャネル層AはアンドープのGaN結晶層から形成することがより望ましい。また、ゲート電極へのリーク電流を少なく抑えるために、キャリヤ供給層BもアンドープのAlGaN結晶層から形成することがより望ましい。   According to the thirteenth means of the present invention, the difference in band gap between the channel layer A and the carrier supply layer B can be appropriately ensured while improving the crystal quality of each semiconductor crystal layer. Therefore, the channel layer A is more preferably formed from an undoped GaN crystal layer. In order to reduce the leakage current to the gate electrode, it is more desirable to form the carrier supply layer B from an undoped AlGaN crystal layer.

また、本発明の第14の手段によれば、チャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面を従来よりも平坦に形成することができるため、当該界面におけるキャリヤの散乱が生じにくくなる。したがって、本発明の第14の手段によれば、シート抵抗の小さなチャネル層を形成することができる。   In addition, according to the fourteenth means of the present invention, the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B can be formed flatter than before, so that carrier scattering at the interface is less likely to occur. Therefore, according to the fourteenth means of the present invention, a channel layer having a low sheet resistance can be formed.

また、本発明の第15の手段によれば、キャリヤ供給層Bの結晶品質を高くしつつ、チャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面における双方のバンドギャップの差を適切に確保することができる。したがって、本発明の第15の手段によれば、リーク電流が少ないキャリヤ供給層とシート抵抗の小さなチャネル層を同時に形成することができる。
以上の本発明の手段によって、前記の課題を容易或いは合理的に解決することが可能となる。
Further, according to the fifteenth means of the present invention, it is possible to appropriately ensure a difference in both band gaps at the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B while improving the crystal quality of the carrier supply layer B. it can. Therefore, according to the fifteenth means of the present invention, a carrier supply layer with a small leakage current and a channel layer with a low sheet resistance can be formed simultaneously.
The above-described means of the present invention makes it possible to solve the above problems easily or rationally.

なお、請求項2に記載の可溶材料の露出面に形成することができる上記の成膜パターンは、フォトリソグラフィーやエッチングなどの周知の技法で形成可能である。また、上記の溶解時期は、これらの保護膜の厚さを薄くする程早めることができ、また、上記の溶解速度は、フラックスに対する上記の可溶材料の露出面積を広くするほど高く設定することができる。即ち、これらの設定によれば、上記の可溶材料の露出面が高温のフラックスに接触した時点から上記の可溶材料の溶解が開始され、かつ、その溶解速度はその露出面の面積に略比例するので、これらの設定条件を適当に調整することによって、上記の可溶材料の溶解開始時刻や溶解所要時間や溶解速度などを任意に調整することができる。また、上記の可溶材料の溶解所要時間は、その可溶材料の種類や厚さやフラックスの温度などによっても任意に調整することができる。   The film formation pattern that can be formed on the exposed surface of the soluble material according to claim 2 can be formed by a known technique such as photolithography or etching. In addition, the dissolution time can be advanced as the thickness of these protective films decreases, and the dissolution rate should be set higher as the exposed area of the soluble material with respect to the flux becomes wider. Can do. That is, according to these settings, the dissolution of the soluble material is started from the time when the exposed surface of the soluble material comes into contact with the high-temperature flux, and the dissolution rate is approximately equal to the area of the exposed surface. Therefore, by appropriately adjusting these setting conditions, it is possible to arbitrarily adjust the dissolution start time, the required dissolution time, the dissolution rate, and the like of the above-described soluble material. In addition, the time required for dissolving the above-mentioned soluble material can be arbitrarily adjusted by the type, thickness, flux temperature, etc. of the soluble material.

また、上記のフラックス法による結晶成長に用いる種結晶や下地基板の製造方法は任意で良く、フラックス法、HVPE法、MOVPE法、MBE法などが有効である。また、その大きさや厚さも任意で良いが、工業的な実用性を考慮すると、直径約50mm〜150mm程度の円形のものなどがより望ましい。また、種結晶や下地基板の結晶成長面の曲率半径は大きいほど望ましい。
また、それらの種結晶や下地基板の転位密度は低いほど望ましいが、請求項2乃至請求項4の何れかの方法を用いる場合には必ずしもその限りではない。即ち、この場合、逆に転位密度が低過ぎると上記の可溶材料(下地基板)がフラックス中に溶解し難くなることがあるため注意を要する。
The seed crystal used for crystal growth by the flux method and the method for producing the base substrate may be arbitrary, and the flux method, HVPE method, MOVPE method, MBE method, etc. are effective. The size and thickness may be arbitrary, but considering industrial practicality, a circular one having a diameter of about 50 mm to 150 mm is more desirable. Further, it is desirable that the radius of curvature of the crystal growth surface of the seed crystal or the base substrate is larger.
The lower the dislocation density of the seed crystals and the underlying substrate, the better. However, this is not necessarily the case when the method of any one of claims 2 to 4 is used. That is, in this case, if the dislocation density is too low, the above soluble material (underlying substrate) may be difficult to dissolve in the flux.

また、用いる結晶成長装置としては、フラックス法が実施可能なものであれば任意でよく、例えば、特許文献1〜5に記載されているもの等を適用又は応用することができる。ただし、フラックス法に従って結晶成長を実施する際の結晶成長装置の反応室の温度は、1000℃程度にまで任意に昇降温制御できることが望ましい。また、反応室の気圧は、約100気圧(約1.0×107 Pa)程度にまで任意に昇降圧制御できることが望ましい。また、これらの結晶成長装置の電気炉、ステンレス容器(反応容器)、原料ガスタンク、及び配管などは、例えば、ステンレス系(SUS系)材料やアルミナ系材料や銅等によって形成することが望ましい。 Moreover, as a crystal growth apparatus to be used, any apparatus capable of performing the flux method may be used. For example, the apparatus described in Patent Documents 1 to 5 can be applied or applied. However, it is desirable that the temperature of the reaction chamber of the crystal growth apparatus when performing crystal growth according to the flux method can be arbitrarily controlled to rise and fall to about 1000 ° C. Further, it is desirable that the pressure in the reaction chamber can be arbitrarily controlled to increase or decrease to about 100 atm (about 1.0 × 10 7 Pa). Moreover, it is desirable that the electric furnace, stainless steel container (reaction container), raw material gas tank, and piping of these crystal growth apparatuses are formed of, for example, a stainless steel (SUS) material, an alumina material, copper, or the like.

また、特に、請求項14に記載の電界効果トランジスタを製造する場合に、例えば、チャネル層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を抑制する結晶成長条件を左右する重要なパラメータとしては、例えば結晶成長温度、各種材料ガスの分圧、キャリアガスの種類、キャリアガスの分圧、或いはV/III 比や結晶成長速度などが考えられる。したがって、例えばGaN結晶のGa原子が特に昇華し易い場合などには、ほんの一例として、例えばトリメチルガリウム(TMG)の分圧を相対的若しくは絶対的に高く設定するなどの処置を考えることができる。   In particular, when the field effect transistor according to claim 14 is manufactured, for example, as an important parameter governing the crystal growth condition for suppressing the sublimation action of atoms forming the vicinity of the surface of the channel layer A, For example, the crystal growth temperature, the partial pressure of various material gases, the type of carrier gas, the partial pressure of the carrier gas, the V / III ratio, the crystal growth rate, etc. can be considered. Therefore, for example, when Ga atoms of the GaN crystal are particularly easily sublimated, for example, a measure such as setting the partial pressure of trimethylgallium (TMG) to be relatively high or absolute can be considered.

また、その時の上記のキャリヤ供給層Bの結晶成長温度TB を上記のチャネル層Aの結晶成長温度TA よりも低くすると良い。
また、上記のキャリヤ供給層Bの結晶成長気圧PB をチャネル層Aの結晶成長気圧PA と略一致させることも界面荒れを防止する上で効果的である。
Further, it is preferable crystal growth temperature T B of the carrier supply layer B at that time is lower than the crystal growth temperature T A of the channel layer A described above.
Further, it is effective in preventing the rough surface may be a crystal growth pressure P B of the carrier supply layer B is substantially coincident with the crystal growth pressure P A of the channel layer A.

また、特に、アルミニウム組成比xを略0とし、アルミニウム組成比yを0.15以上、0.30以下とし、各結晶成長気圧PA ,PB を何れも略常圧とし、更に、各結晶成長温度TA ,TB を何れも条件式「950℃≦TB <TA 」が成立する様に設定することが望ましい。
また、上記のチャネル層Aの結晶成長温度TA を1200℃以下にするとより望ましい。また、チャネル層Aの結晶成長温度TA をキャリヤ供給層Bの結晶成長温度TB よりも50℃以上高くすることも重要である。この温度差のより望ましいと思われる適正範囲は、50℃以上150℃以内である。
In particular, the aluminum composition ratio x is substantially 0, the aluminum composition ratio y is 0.15 or more and 0.30 or less, and the crystal growth pressures P A and P B are both substantially normal pressures. It is desirable to set the growth temperatures T A and T B so that the conditional expression “950 ° C. ≦ T B <T A ” is satisfied.
Furthermore, the crystal growth temperature T A of the channel layer A more desirable when the 1200 ° C. or less. It is also important to increase 50 ° C. or higher than the crystal growth temperature T B of the crystal growth temperature T A carrier supply layer B of the channel layer A. An appropriate range that seems to be more desirable for this temperature difference is between 50 ° C. and 150 ° C.

また、より望ましくは、そのキャリヤ供給層Bの結晶成長温度TB を「950℃≦TB <1050℃」となる様に設定することである。また、本発明の第9の手段は、上記の第8の手段において、チャネル層Aの結晶成長温度TA を「1050℃<TA ≦1150℃」となる様に設定すると良い。
また、上記のチャネル層Aのアルミニウム組成比を略0とし、上記のキャリア供給層Bのアルミニウム組成比を0.15以上、0.30以下にすると良い。また、上記のキャリヤ供給層Bの厚さを1nm以上にすることも重要である。キャリヤ供給層Bの更に望ましい厚さは、5nm以上である。
以上の最適化によって、請求項14に記載の電界効果トランジスタにおけるチャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面を効果的に平坦化することができる。
Further, more desirably, it is to set the crystal growth temperature T B of the carrier supply layer B as a "950 ℃ ≦ T B <1050 ℃". In the ninth means of the present invention, the crystal growth temperature T A of the channel layer A is preferably set to satisfy “1050 ° C. <T A ≦ 1150 ° C.” in the eighth means.
In addition, the aluminum composition ratio of the channel layer A is preferably approximately 0, and the aluminum composition ratio of the carrier supply layer B is preferably 0.15 or more and 0.30 or less. It is also important that the thickness of the carrier supply layer B is 1 nm or more. A more desirable thickness of the carrier supply layer B is 5 nm or more.
By the above optimization, the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B in the field effect transistor according to claim 14 can be effectively flattened.

また、特に、請求項15に記載の電界効果トランジスタを製造する場合には、キャリヤ供給層Bの上記の界面におけるアルミニウム組成比x1を0.15以上0.40以下にすると良い。ただし、より望ましくは、上記のアルミニウム組成比x1は、0.19以上0.25以下が良い。
また、その時のキャリヤ供給層Bの上記の界面とは反対側のもう一方の界面におけるアルミニウム組成比x2は0.05以上0.20以下にすると良い。ただし、より望ましくは、上記のアルミニウム組成比x2は、0.13以上0.17以下が良い。
In particular, when the field effect transistor according to claim 15 is manufactured, the aluminum composition ratio x1 at the interface of the carrier supply layer B is preferably 0.15 or more and 0.40 or less. However, more preferably, the aluminum composition ratio x1 is 0.19 or more and 0.25 or less.
The aluminum composition ratio x2 at the other interface opposite to the above-mentioned interface of the carrier supply layer B at that time is preferably 0.05 or more and 0.20 or less. However, more desirably, the aluminum composition ratio x2 is 0.13 or more and 0.17 or less.

また、請求項15に記載の電界効果トランジスタの特に望ましい実施形態としては、キャリヤ供給層Bのアルミニウム組成比xを0.20から0.15に、上記の距離に対して略単調に減少させると良い。   Further, in a particularly desirable embodiment of the field effect transistor according to claim 15, when the aluminum composition ratio x of the carrier supply layer B is decreased from 0.20 to 0.15 substantially monotonously with respect to the above distance. good.

また、本発明の電子デバイス用半導体基板や電子デバイスを形成する各半導体結晶層を構成する上記の III族元素(Al,Ga,In)の内の少なくとも一部をボロン(B)やタリウム(Tl)等で置換したり、或いは、窒素(N)の少なくとも一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換したりしても良い。
また、上記のp形の不純物(アクセプター)としては、例えば、マグネシウム(Mg)や、或いはカルシウム(Ca)等の公知のp形不純物を添加することができる。
In addition, at least a part of the group III elements (Al, Ga, In) constituting the semiconductor crystal layers for forming the semiconductor substrate for electronic devices and the electronic devices of the present invention is boron (B) or thallium (Tl). Or at least part of nitrogen (N) may be substituted with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like.
Moreover, as said p-type impurity (acceptor), well-known p-type impurities, such as magnesium (Mg) or calcium (Ca), can be added, for example.

また、上記のn形の不純物(ドナー)としては、例えば、シリコン(Si)や、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、或いはゲルマニウム(Ge)等の公知のn形不純物を添加することができる。
また、これらの不純物(アクセプター又はドナー)は、同時に2元素以上を添加しても良いし、同時に両形(p形とn形)を添加しても良い。
また、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)などを添加することによって、高抵抗の半導体結晶層や、或いは高抵抗の電子デバイス用半導体基板を製造してもよい。
As the n-type impurity (donor), for example, known n-type impurities such as silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), or germanium (Ge) are used. Can be added.
Moreover, two or more elements may be added simultaneously to these impurities (acceptor or donor), or both types (p-type and n-type) may be added simultaneously.
Also, by adding zinc (Zn), iron (Fe), carbon (C), magnesium (Mg), etc., a high-resistance semiconductor crystal layer or a high-resistance semiconductor substrate for electronic devices can be manufactured. Good.

なお、上記の電子デバイス用半導体基板の上に III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を積層する方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属気相成長法(MOVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、液相成長法等の結晶成長法が有効である。   As a method of laminating a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor on the semiconductor substrate for electronic devices, molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) Crystal growth methods such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and liquid phase epitaxy are effective.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

本実施例1で用いる結晶成長装置の断面図を図1に示す。
1.結晶成長装置
この結晶成長装置は、フラックス法によって、基板8の結晶成長面上に所望の半導体結晶を成長させるためのものであり、耐熱耐圧容器1の内部に配設された加熱容器2には、窒素含有ガス7を導入するためのガス導入パイプ4が連結されている。また、加熱容器2の反対側には、揺動装置5から伸びるシャフト6がガス導入パイプ4と同軸になる様に連結されている。この揺動装置5は、モータ及びモータ制御装置などから構成されている。窒化ホウ素からなる反応容器3には、混合フラックスと上記の基板8を入れる。
A cross-sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 1 is shown in FIG.
1. Crystal Growth Device This crystal growth device is for growing a desired semiconductor crystal on the crystal growth surface of the substrate 8 by the flux method. In the heating vessel 2 disposed inside the heat and pressure resistant vessel 1, The gas introduction pipe 4 for introducing the nitrogen-containing gas 7 is connected. A shaft 6 extending from the rocking device 5 is connected to the opposite side of the heating container 2 so as to be coaxial with the gas introduction pipe 4. The oscillating device 5 includes a motor and a motor control device. In the reaction vessel 3 made of boron nitride, the mixed flux and the substrate 8 are put.

2.フラックス法による結晶成長
図1の結晶成長装置を用いて、窒化ガリウム単結晶を結晶成長させる結晶成長について以下説明する。
(1)まず、MOVPE法によってサファイア基板の結晶成長面上に膜厚3μmのGaN膜を形成し、これによって、図1の基板8を完成させた。
(2)次に、反応容器3の底部にこの基板8を配置し、更にこの反応容器3にナトリウム(Na)とリチウム(Li)を入れた。この時のナトリウム(Na)の量は、約8.8gであり、リチウム(Li)の量は、約0.027gであった。モル比に換算すれば、99:1である。
2. Crystal Growth by Flux Method Crystal growth for crystal growth of a gallium nitride single crystal using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described below.
(1) First, a GaN film having a thickness of 3 μm was formed on the crystal growth surface of the sapphire substrate by the MOVPE method, thereby completing the substrate 8 of FIG.
(2) Next, the substrate 8 was placed at the bottom of the reaction vessel 3, and sodium (Na) and lithium (Li) were further added to the reaction vessel 3. At this time, the amount of sodium (Na) was about 8.8 g, and the amount of lithium (Li) was about 0.027 g. When converted to a molar ratio, it is 99: 1.

(3)次に、この反応容器3を加熱容器2の中にセットし、反応容器3を一定の方向に傾けた。この設定によって、基板8はナトリウム(Na)とリチウム(Li)との混合フラックスに触れない様に設定された。 (3) Next, the reaction vessel 3 was set in the heating vessel 2, and the reaction vessel 3 was tilted in a certain direction. With this setting, the substrate 8 was set so as not to touch the mixed flux of sodium (Na) and lithium (Li).

(4)次に、約1000℃に加熱した窒素ガス(N2 )を約30分間反応室に通して、この基板8の結晶成長面のクリーニングを行った。この時、加熱容器2内のガス圧を0〜10気圧(1〜10×105 Pa)程度の間で周期的に変動させて、加熱容器2内への窒素(N2 )ガスの流し込み(圧縮)及び排気を繰り返すことによって、クリーニングガスの流入/排気処理を行った。 (4) Next, nitrogen gas (N 2 ) heated to about 1000 ° C. was passed through the reaction chamber for about 30 minutes to clean the crystal growth surface of the substrate 8. At this time, the gas pressure in the heating container 2 is periodically changed between about 0 to 10 atm (1 to 10 × 10 5 Pa), and nitrogen (N 2 ) gas is poured into the heating container 2 ( Cleaning gas inflow / exhaust treatment was performed by repeating compression and exhaust.

(5)その後、新たに窒素ガスを導入して、加熱容器2内のガス圧を10気圧(約10×105 Pa)まで昇圧して、その温度を890℃に設定した。
(6)その後、揺動装置5を用いて反応容器3を揺動させることによって、図2−A,−B,−Cに例示する様に、原料液9(混合フラックス)を左右に行き来させて、GaN膜の結晶成長面が常時薄い混合フラックス9で覆われる様にした。また、この揺動を継続しながら、上記の温度と圧力も4時間一定に維持した。この時の揺動周期は、毎分1往復〜数往復程度で良い。
(5) Thereafter, nitrogen gas was newly introduced, the gas pressure in the heating container 2 was increased to 10 atm (about 10 × 10 5 Pa), and the temperature was set to 890 ° C.
(6) Thereafter, the reaction vessel 3 is swung using the rocking device 5 to move the raw material liquid 9 (mixed flux) back and forth as illustrated in FIGS. 2-A, -B, and -C. Thus, the crystal growth surface of the GaN film was always covered with the thin mixed flux 9. In addition, the temperature and pressure were maintained constant for 4 hours while continuing this oscillation. The oscillation cycle at this time may be about 1 to several reciprocations per minute.

(7)その後、基板8にフラックスが触れない様に反応容器3を傾けたまま、略常温常圧にまで降温及び降圧して、基板8を加熱容器2内から取り出し、この基板8の周りに付着したフラックス(Na,Li)をエタノールを用いて除去した。これにより、基板8上に結晶成長した厚さが均一なバルク状のGaN単結晶を得た。
なお、サファイア基板はその後、研磨またはレーザーリフトオフ等により取り除く。
(7) Then, with the reaction vessel 3 tilted so that the flux does not touch the substrate 8, the temperature is lowered and lowered to about room temperature and normal pressure, and the substrate 8 is taken out from the heating vessel 2, and the substrate 8 is placed around the substrate 8. The adhered flux (Na, Li) was removed using ethanol. Thus, a bulk GaN single crystal having a uniform thickness obtained by crystal growth on the substrate 8 was obtained.
The sapphire substrate is then removed by polishing or laser lift-off.

以上の方法で得られたこのGaN単結晶の厚さは約10μmであり最大径は5cm以上であった。
また、このGaN単結晶について、フォトルミネッセンスを常温下で測定したところ、波長325nmの励起光に対して、10mW以上の強度を示した。
また、(100)面で反射されるX線のXRDピーク半値幅を測定したところ、100arc.sec.以下であった。
以上のことから、例えば厚さ400μmの転位密度が低い所望の高品質な電子デバイス用半導体基板は、上記の結晶成長処理を約160時間行えば得られることが分かる。
The thickness of the GaN single crystal obtained by the above method was about 10 μm, and the maximum diameter was 5 cm or more.
Moreover, when photoluminescence was measured about this GaN single crystal under normal temperature, the intensity | strength of 10 mW or more was shown with respect to the excitation light of wavelength 325nm.
Further, when the XRD peak half width of the X-ray reflected from the (100) plane was measured, it was 100 arc.sec or less.
From the above, it can be seen that, for example, a desired high-quality semiconductor substrate for an electronic device having a low dislocation density of 400 μm can be obtained by performing the above-described crystal growth treatment for about 160 hours.

なお、上記の結晶成長では、混合フラックスの第2の主要成分をリチウム(Li)としたが、混合フラックスの第2の主要成分としてリチウム(Li)の代わりにカルシウム(Ca)を用いても良い。また、リチウム(Li)に加えて更にカルシウム(Ca)を用いる様にしても良い。   In the above crystal growth, the second main component of the mixed flux is lithium (Li), but calcium (Ca) may be used instead of lithium (Li) as the second main component of the mixed flux. . Further, in addition to lithium (Li), calcium (Ca) may be used.

また、ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al2 3 )、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si3 4 )、酸化珪素(SiO2 )、酸化インジウム(In2 3 )、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)等の不純物を上記の混合フラックスに入れることによって、これらの不純物を所望のGaN単結晶に添加することが可能であり、この様な方法に従えば、所望の電子デバイス用の半導体基板の伝導特性を導電性に制御したり半絶縁性に制御したりすることができる。 Boron (B), thallium (Tl), calcium (Ca), compounds containing calcium (Ca), silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), Oxygen (O), aluminum (Al), indium (In), alumina (Al 2 O 3 ), indium nitride (InN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc (Zn), iron (Fe), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), germanium (Ge), etc. The impurities can be added to a desired GaN single crystal, and according to such a method, the conduction characteristics of a semiconductor substrate for a desired electronic device can be controlled to be conductive or semi-continuous. Or it can be controlled to sex.

本実施例2におけるフラックス法での結晶成長工程に用いる下地基板(テンプレート10)の作成手順について、以下図3を用いて説明する。
1.下地基板の作成
(1)まず、シリコン基板11(本願の可溶材料)の裏面に保護膜15を成膜する。この保護膜15は、例えばMOVPE法などに従ってAlN層を積層することによって成膜しても良いし、或いはタンタル(Ta)などの適当な金属をスパッタリング装置又は真空蒸着装置を用いて成膜する様にしても良い。
A procedure for creating the base substrate (template 10) used in the crystal growth process by the flux method in the second embodiment will be described below with reference to FIG.
1. Preparation of base substrate (1) First, the protective film 15 is formed on the back surface of the silicon substrate 11 (the soluble material of the present application). The protective film 15 may be formed by laminating an AlN layer according to, for example, the MOVPE method, or an appropriate metal such as tantalum (Ta) may be formed using a sputtering apparatus or a vacuum evaporation apparatus. Anyway.

(2)次に、MOVPE法に従う結晶成長によって、厚さ約400μmのシリコン基板11の上にAlGaNから成るバッファ層12を約4μm積層し、更にその上にGaN層13を積層する。このGaN層13は、所望の半導体結晶のフラックス法による成長が開始されるまでの間に、幾らかはフラックスに溶け出す場合があるので、その際に消失されない厚さに積層しておく。
以上の工程(1)、(2)により、テンプレート10(下地基板)を作製することができる。
(2) Next, by crystal growth according to the MOVPE method, a buffer layer 12 made of AlGaN is laminated on a silicon substrate 11 having a thickness of about 400 μm, and a GaN layer 13 is further laminated thereon. This GaN layer 13 may be partially dissolved in the flux until the growth of the desired semiconductor crystal by the flux method is started. Therefore, the GaN layer 13 is laminated so as not to disappear at that time.
The template 10 (underlying substrate) can be produced by the above steps (1) and (2).

2.結晶成長装置の構成
図4−A,−Bに本実施例1の結晶成長装置の構成図を示す。この結晶成長装置は、窒素ガスを供給するための原料ガスタンク21と、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器22と、リーク用バルブ23と、結晶育成を行うための電気炉25を備えており、原料ガスタンク21と電気炉25とをつなぐ配管等は、ステンレス系(SUS系)またはアルミナ系の材料、或いは銅等により形成されている。
2. Configuration of Crystal Growth Device FIGS. 4A and 4B are configuration diagrams of the crystal growth device according to the first embodiment. This crystal growth apparatus includes a raw material gas tank 21 for supplying nitrogen gas, a pressure regulator 22 for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a leak valve 23, and an electric furnace 25 for performing crystal growth. The piping connecting the raw material gas tank 21 and the electric furnace 25 is made of a stainless steel (SUS) or alumina material, copper, or the like.

そして、上記の電気炉25の内部には、ステンレス容器24(反応室)が配置されており、このステンレス容器24には、坩堝26(反応容器)がセットされている。この坩堝26は、例えば、ボロンナイトライド(BN)やアルミナ(Al2 3 )などから形成することができる。
また、電気炉25内の温度は、1000℃以下の範囲内で任意に昇降温制御することができる。また、ステンレス容器24の中の結晶雰囲気圧力は、圧力調整器22,29やリーク用バルブ23などによって、1.0×107 Pa以下の範囲内で配管28を介して任意に昇降圧制御することができる。
A stainless steel container 24 (reaction chamber) is disposed inside the electric furnace 25, and a crucible 26 (reaction container) is set in the stainless steel container 24. The crucible 26 can be formed of, for example, boron nitride (BN) or alumina (Al 2 O 3 ).
The temperature in the electric furnace 25 can be arbitrarily controlled to rise and fall within a range of 1000 ° C. or less. Further, the pressure in the crystal atmosphere in the stainless steel container 24 is arbitrarily controlled by the pressure regulators 22 and 29, the leak valve 23, etc. within a range of 1.0 × 10 7 Pa or less via the pipe 28. be able to.

図4−Bにステンレス容器24の断面図を示す。反応室の側壁27は円筒形に形成されており、その外側下方の足部には、加熱用のヒータHがリング状に配設されている。このヒータHは、該反応室の底部を介して坩堝26(反応容器)を加熱することによって、坩堝26内の混合フラックス9に熱対流を発生させるためのものである。   FIG. 4-B shows a cross-sectional view of the stainless steel container 24. A side wall 27 of the reaction chamber is formed in a cylindrical shape, and a heater H for heating is disposed in a ring shape on the outer lower portion of the foot. The heater H is for generating thermal convection in the mixed flux 9 in the crucible 26 by heating the crucible 26 (reaction vessel) through the bottom of the reaction chamber.

3.結晶成長工程
以下、図4−A,−Bの結晶成長装置を用いた本実施例の結晶成長工程について、図5−A〜Cを用いて説明する。
(1)まず、反応容器(坩堝26)の中に、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)及び III元素であるGaを入れ、その反応容器(坩堝26)を結晶成長装置の反応室(ステンレス容器24)の中に配置してから、反応室の中のガスを排気する。ただし、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)のモル比は、99:1とした。また、この坩堝中には必要に応じて、例えばアルカリ土類金属等の前述の任意の添加物を予め投入しておいても良い。また、これらの作業を空気中で行うとNaがすぐに酸化してしまうため、基板や原材料を反応容器にセットする作業は、Arガスなどの不活性ガスで満たされたグローブボックス内で実施する。
3. Crystal Growth Process Hereinafter, the crystal growth process of the present example using the crystal growth apparatus of FIGS. 4-A and -B will be described with reference to FIGS.
(1) First, sodium (Na), lithium (Li), and Ga which is an element III are put into a reaction vessel (crucible 26), and the reaction vessel (crucible 26) is used as a reaction chamber (stainless steel vessel) of a crystal growth apparatus. 24), the gas in the reaction chamber is exhausted. However, the molar ratio of sodium (Na) to lithium (Li) was 99: 1. In addition, if necessary, any of the above-mentioned additives such as alkaline earth metals may be introduced into the crucible in advance. In addition, when these operations are performed in the air, Na is immediately oxidized, so the operation of setting the substrate and raw materials in the reaction vessel is performed in a glove box filled with an inert gas such as Ar gas. .

(2)次に、反応室のガス圧を0〜10気圧(1〜10×105 Pa)程度の間で周期的に変動させて、反応室内への窒素(N2 )ガスの流し込み(圧縮)及び排気を繰り返すことによって、基板の結晶成長面のクリーニング処理を行う。この時の処理温度は900℃とし、該クリーニング処理時間は約30分とする。 (2) Next, the gas pressure in the reaction chamber is periodically varied between about 0 to 10 atm (1 to 10 × 10 5 Pa), and nitrogen (N 2 ) gas is poured into the reaction chamber (compression). ) And evacuation are repeated to clean the crystal growth surface of the substrate. The processing temperature at this time is 900 ° C., and the cleaning processing time is about 30 minutes.

(3)次に、この坩堝の温度を850℃以上880℃以下に調整しつつ、この温度調整工程と並行して、結晶成長装置の反応室には、新たに窒素ガス(N2 )を送り込み、この反応室のガス圧を3〜5気圧(3〜5×105 Pa)程度に維持する。この時、上記のテンプレート10の保護膜15は、上記の昇温の結果生成される融液(混合フラックス)に浸し、テンプレート10の結晶成長面、即ち、GaN層13の露出面は、その融液と窒素ガスとの界面付近に配置する。 (3) Next, while adjusting the temperature of the crucible between 850 ° C. and 880 ° C., nitrogen gas (N 2 ) is newly fed into the reaction chamber of the crystal growth apparatus in parallel with this temperature adjustment step. The gas pressure in the reaction chamber is maintained at about 3 to 5 atmospheres (3 to 5 × 10 5 Pa). At this time, the protective film 15 of the template 10 is immersed in the melt (mixed flux) generated as a result of the temperature rise, and the crystal growth surface of the template 10, that is, the exposed surface of the GaN layer 13 is melted. It is arranged near the interface between the liquid and nitrogen gas.

(4)その後、図4−BのヒータHを加熱して、混合フラックス9の熱対流を発生させて、これによって、フラックスを攪拌混合させつつ、上記(3)の結晶成長条件を継続的に維持した。 (4) Thereafter, the heater H in FIG. 4-B is heated to generate thermal convection of the mixed flux 9, thereby continuously agitating and mixing the flux while maintaining the crystal growth conditions of (3) above. Maintained.

以上の様な条件設定により、GaとNaとの融液と窒素ガスとの界面付近が、継続的に III族窒化物系化合物半導体の材料原子の過飽和状態となるので、所望の半導体結晶(n型GaN単結晶20)をテンプレート10(図3)の結晶成長面から順調に成長させることができる(図5−A)。ここで、n型の導電性半導体結晶(n型GaN単結晶20)が得られるのは、フラックス中に融解したシリコン基板11がn型の添加物(Si)として、成長中の結晶中に添加されるためである(図5−B)。   By setting the conditions as described above, the vicinity of the interface between the melt of Ga and Na and the nitrogen gas is continuously supersaturated with the material atoms of the group III nitride compound semiconductor, so that the desired semiconductor crystal (n The type GaN single crystal 20) can be grown smoothly from the crystal growth surface of the template 10 (FIG. 3) (FIG. 5-A). Here, the n-type conductive semiconductor crystal (n-type GaN single crystal 20) is obtained because the silicon substrate 11 melted in the flux is added to the growing crystal as an n-type additive (Si). (FIG. 5-B).

ただし、保護膜15を厚く積層しておくことによって、結晶成長工程の実施中には、シリコン基板11がフラックス中に融解しない様にしても良い。この場合には、シリコン(Si)がドープされていない半絶縁性の電子デバイス用半導体基板を結晶成長させることもできる。   However, the protective film 15 may be thickly stacked so that the silicon substrate 11 does not melt into the flux during the crystal growth process. In this case, a semi-insulating semiconductor substrate for electronic devices that is not doped with silicon (Si) can be crystal-grown.

4.結晶成長基板の溶解
以上の結晶成長工程によって、n型GaN単結晶20が例えば約500μm以上の十分な膜厚にまで成長したら、引き続き坩堝の温度を850℃以上880℃以下に維持して、保護膜15及びシリコン基板11がフラックス中に全て溶解するのを待ち(図5−B〜C)、その後も、窒素ガス(N2 )のガス圧を3〜5気圧(3〜5×105 Pa)程度に維持したまま、反応室の温度を100℃以下にまで降温する。
4). Dissolution of crystal growth substrate When the n-type GaN single crystal 20 is grown to a sufficient film thickness of, for example, about 500 μm or more by the above crystal growth process, the temperature of the crucible is continuously maintained at 850 ° C. or more and 880 ° C. or less for protection. Waiting for all of the film 15 and the silicon substrate 11 to dissolve in the flux (FIGS. 5-B to C), the gas pressure of nitrogen gas (N 2 ) is changed to 3 to 5 atm (3 to 5 × 10 5 Pa). ) The temperature of the reaction chamber is lowered to 100 ° C. or lower while maintaining the degree.

ただし、シリコン基板11をフラックス中に溶解させる工程と上記の降温工程とは、幾らか並行に重ねて実施する様にしても良い。また、保護膜15やシリコン基板11は、例えば上記のようにして、GaN単結晶20の成長工程中に少なくともその一部がフラックス中に溶解する様にしても良い。これらの各工程の並列同時進行の様態は、例えば保護膜15の成膜形態などにより適当に調整することができる。   However, the step of dissolving the silicon substrate 11 in the flux and the above-described temperature lowering step may be performed in some overlap. Further, for example, as described above, at least a part of the protective film 15 and the silicon substrate 11 may be dissolved in the flux during the growth process of the GaN single crystal 20. The mode of parallel and simultaneous progress of these steps can be appropriately adjusted depending on, for example, the form of the protective film 15.

5.フラックスの除去
次に、結晶成長装置の反応室から上記のn型GaN単結晶20(所望の半導体結晶)を取り出して、これを30℃以下にまで降温してからその周辺も30℃以下に維持して、n型GaN単結晶20の周りに付着したフラックス(Na)をエタノールを用いて除去する。
5). Flux removal Next, the n-type GaN single crystal 20 (desired semiconductor crystal) is taken out from the reaction chamber of the crystal growth apparatus, the temperature is lowered to 30 ° C. or lower, and the surroundings are also maintained at 30 ° C. or lower. Then, the flux (Na) attached around the n-type GaN single crystal 20 is removed using ethanol.

以上の各工程を順次実行することによって、従来よりも大幅にクラックが少ない高品質の厚さが400μm以上の導電性の電子デバイス用半導体基板(n型GaN単結晶20)をフラックス法によって低コストで製造することができる。また、Feなどの不純物をフラックス中に入れれば、その添加量に基づいて当該半導体基板の伝導特性を制御することもできるため、これによって、例えば半絶縁性等の電子デバイス用基板を製造することも可能となる。   By sequentially executing the above steps, a low-cost conductive electronic device semiconductor substrate (n-type GaN single crystal 20) having a thickness of 400 μm or more with significantly fewer cracks than conventional ones can be produced at low cost. Can be manufactured. In addition, if impurities such as Fe are included in the flux, the conduction characteristics of the semiconductor substrate can be controlled based on the amount of addition of the impurities, and thus, for example, a semi-insulating electronic device substrate can be manufactured. Is also possible.

図6は、本実施例3の電界効果トランジスタ100の積層構造を示す模式的な断面図である。この電界効果トランジスタ100は、結晶成長によって III族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、その結晶成長基板101は、先の実施例1または実施例2の製造方法に従って製造された、不純物が添加されていない結晶性に優れたバルク状の厚さ約400μmの半絶縁性GaN結晶から成る。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a stacked structure of the field effect transistor 100 of the third embodiment. This field effect transistor 100 is a semiconductor element formed by sequentially laminating group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and the crystal growth substrate 101 is formed according to the manufacturing method of Example 1 or Example 2 above. It is made of a semi-insulating GaN crystal having a bulk thickness of about 400 μm and having excellent crystallinity with no added impurities.

そして、この結晶成長基板101の上には厚さ約2μmのアンドープのGaNから成る半導体層103が形成されている。そして、この半導体層103が請求項11に記載のチャネル層Aに相当する。また、この半導体層103(チャネル層A)の上には請求項11に記載のキャリヤ供給層Bに相当する厚さ約35nmのアンドープのAl0.25Ga0.75Nから成る半導体層104が積層されている。この半導体層104(キャリヤ供給層B)の膜厚は、ゲートON時に両半導体層A,Bの界面近傍に生成される2次元電子ガス層と、下記の個々のオーミック電極(105,107)との間におけるキャリア(電子)のトンネル効果が、それぞれ確実かつ良好に発現する様に設定されている。 A semiconductor layer 103 made of undoped GaN having a thickness of about 2 μm is formed on the crystal growth substrate 101. The semiconductor layer 103 corresponds to the channel layer A described in claim 11. A semiconductor layer 104 made of undoped Al 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of about 35 nm corresponding to the carrier supply layer B according to claim 11 is laminated on the semiconductor layer 103 (channel layer A). . The film thickness of the semiconductor layer 104 (carrier supply layer B) is such that the two-dimensional electron gas layer generated near the interface between the semiconductor layers A and B when the gate is turned on, and the following individual ohmic electrodes (105 and 107) The tunnel effect of carriers (electrons) between the two is set so as to surely and satisfactorily appear.

また、符号105,106,107はそれぞれ、ソース電極(オーミック電極)、ゲート電極(ショットキー電極)、ドレイン電極(オーミック電極)を示している。各オーミック電極(ソース電極105とドレイン電極107)は、何れもチタン(Ti)から成る膜厚約100Åの薄い金属層を蒸着によって積層し、その上にアルミニウム(Al)から成る膜厚約3000Åの金属層を更に蒸着にて積層したものである。これらのオーミック電極は、1秒未満のフラッシュアニール処理による約700℃〜900℃の熱処理によって、良好に密着及び合金化されている。他方、ゲート電極106は、約100Åのニッケル(Ni)から成る金属層を蒸着によって積層し、その上に、金(Au)から成る金属層を更に約3000Å蒸着して形成したショットキー電極である。   Reference numerals 105, 106, and 107 denote a source electrode (ohmic electrode), a gate electrode (Schottky electrode), and a drain electrode (ohmic electrode), respectively. Each ohmic electrode (source electrode 105 and drain electrode 107) is formed by laminating a thin metal layer made of titanium (Ti) with a thickness of about 100 mm and depositing aluminum (Al) thereon with a thickness of about 3000 mm. A metal layer is further laminated by vapor deposition. These ohmic electrodes are well adhered and alloyed by heat treatment at about 700 ° C. to 900 ° C. by flash annealing for less than 1 second. On the other hand, the gate electrode 106 is a Schottky electrode formed by depositing a metal layer made of nickel (Ni) of about 100% by vapor deposition, and further depositing a metal layer made of gold (Au) on the metal layer. .

以下、上記の電界効果トランジスタ100の製造方法を、請求項11に記載の各半導体結晶層A,B(上記の半導体層103,104)を中心に説明する。
上記の電界効果トランジスタ100の各半導体層(半導体層103,104)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2 又はN2 )と、アンモニアガス(NH3 )と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3) と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) などである。
Hereinafter, a method of manufacturing the field effect transistor 100 will be described focusing on the semiconductor crystal layers A and B (the semiconductor layers 103 and 104) according to claim 11.
Each of the semiconductor layers (semiconductor layers 103 and 104) of the field effect transistor 100 is crystal-grown by vapor phase growth by metal organic compound vapor phase epitaxy (MOVPE). The gases used here are carrier gas (H 2 or N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ), etc. It is.

図7に、本実施例3の電界効果トランジスタ100の各半導体層A,Bの結晶成長条件を示す。本図7から判る通り、電界効果トランジスタ100を構成する厚さ約2μmのアンドープのGaN結晶から成る上記の半導体層103(即ち、本発明のチャネル層A)の結晶成長は、次の結晶成長条件にしたがって実施した。
(半導体層Aの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TA : 1100〔℃〕
(2)結晶成長気圧PA : 1013〔hPa〕
FIG. 7 shows the crystal growth conditions of the semiconductor layers A and B of the field effect transistor 100 of the third embodiment. As can be seen from FIG. 7, the crystal growth of the semiconductor layer 103 (that is, the channel layer A of the present invention) made of an undoped GaN crystal having a thickness of about 2 μm constituting the field effect transistor 100 is performed under the following crystal growth conditions. It carried out according to.
(Crystal growth conditions for semiconductor layer A)
(1) Crystal growth temperature T A : 1100 [° C.]
(2) Crystal growth pressure P A : 1013 [hPa]

次に、厚さ約35nmのアンドープのAl0.25Ga0.75N結晶から成る上記の半導体層104(即ち、請求項11に記載のキャリヤ供給層B)の結晶成長は、次の結晶成長条件にしたがって実施した。
(半導体層Bの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TB : 1000〔℃〕
(2)結晶成長気圧PB : 1013〔hPa〕
Next, the crystal growth of the semiconductor layer 104 (that is, the carrier supply layer B according to claim 11) made of an undoped Al 0.25 Ga 0.75 N crystal having a thickness of about 35 nm is performed according to the following crystal growth conditions. did.
(Crystal growth conditions for semiconductor layer B)
(1) Crystal growth temperature T B : 1000 [° C.]
(2) Crystal growth pressure P B : 1013 [hPa]

この構成においては、第1及び第2の各半導体層A,B(半導体層103,104)の各結晶成長温度TA ,TB と、各結晶成長気圧PA ,PB が、それぞれ何れも下記の式(2)を満たしている点に特徴がある。なお、次式(1)は、本実施例3と対照、比較するために、従来のトランジスタ900(図11)の製造工程における結晶成長条件の代表的な設定例について記したものである。 In this configuration, the crystal growth temperatures T A and T B and the crystal growth pressures P A and P B of the first and second semiconductor layers A and B (semiconductor layers 103 and 104) are both the same. It is characterized in that the following formula (2) is satisfied. The following formula (1) describes a typical setting example of crystal growth conditions in the manufacturing process of the conventional transistor 900 (FIG. 11) for comparison and comparison with the third embodiment.

(従来の結晶成長条件)
B >TA
B <PA …(1)
(本実施例3の結晶成長条件)
1000℃=TB <TA =1100℃,
B =PA =(常圧) …(2)
この式(2)の結晶成長条件下では、半導体層103(チャネル層A)を2μm積層した後には、結晶成長炉内の結晶成長温度は降温され、結晶成長気圧はそのまま略常圧に維持される。
(Conventional crystal growth conditions)
T B > T A ,
P B <P A (1)
(Crystal growth conditions of Example 3)
1000 ° C. = T B <T A = 1100 ° C.
P B = P A = (Normal pressure) (2)
Under the crystal growth condition of the formula (2), after the semiconductor layer 103 (channel layer A) is stacked by 2 μm, the crystal growth temperature in the crystal growth furnace is lowered, and the crystal growth pressure is maintained at a substantially normal pressure as it is. The

図11の従来例においては、式(1)の結晶成長条件にしたがって、半導体層103,104を形成していたため、その両者の界面では、望ましくない凹凸が形成されてしまう所謂界面荒れが生じて、2次元電子ガスの移動度を高く確保することができなかった。即ち、この様な界面においては、キャリヤの散乱が非常に生じ易かった。
しかしながら、本実施例3の様な結晶成長の実施条件(上記の式(2))に従えば、半導体層103(チャネル層A)の上面を形成する原子の昇華を効果的に抑制することができるため、半導体層103,104の界面の荒れを効果的に防止することができる。
In the conventional example of FIG. 11, since the semiconductor layers 103 and 104 are formed according to the crystal growth conditions of the formula (1), so-called interface roughness that causes undesirable irregularities is formed at the interface between them. High mobility of the two-dimensional electron gas could not be ensured. That is, carrier scattering is very likely to occur at such an interface.
However, according to the crystal growth conditions (the above formula (2)) as in the third embodiment, the sublimation of atoms forming the upper surface of the semiconductor layer 103 (channel layer A) can be effectively suppressed. Therefore, roughening of the interface between the semiconductor layers 103 and 104 can be effectively prevented.

その結果、本実施例3の電界効果トランジスタ100では、図7の特性の欄にも記載した様に、オン電流Iは0.7〔A/mm〕から1.1〔A/mm〕にまで向上し、シート抵抗ρは650〔Ω/□〕から400〔Ω/□〕にまで低減でき、かつ、チャネルの移動度μは1000〔cm2 /Vsec〕程度だったものが、1600〔cm2 /Vsec〕程度にまで大幅に改善された。 As a result, in the field effect transistor 100 of Example 3, the on-current I is from 0.7 [A / mm] to 1.1 [A / mm] as described in the characteristic column of FIG. improved, the sheet resistance ρ can be reduced from 650 [Omega / □] to 400 [Omega / □], and the mobility μ of the channel what was 1000 [cm 2 / Vsec] extent, 1600 [cm 2 / Vsec].

そして、これらの電気的特性は、チャネル層(二次元電子ガス)のシートキャリア濃度に換算して、およそ1×1013〔cm-2〕程度にも匹敵する程の極めて高性能なものである。即ち、上記の本実施例1の電界効果トランジスタ100の構成及び製法に従えば、上記の様に従来に比べて素子の電気的特性を大幅に改善することができる。 These electrical characteristics are extremely high performance equivalent to about 1 × 10 13 [cm −2 ] in terms of the sheet carrier concentration of the channel layer (two-dimensional electron gas). . That is, according to the configuration and manufacturing method of the field effect transistor 100 of the first embodiment, the electrical characteristics of the device can be greatly improved as compared with the conventional case.

また、上記の界面荒れの抑制作用は、先の実施例1の製造方法に従って製造された、不純物が無添加の結晶性に優れたバルク状の厚さ約400μmの半絶縁性GaN結晶から結晶成長基板101を構成したことにも、基づいている。即ち、結晶成長処理によって基板上に積層される半導体結晶層間の界面をより平坦に形成する上で、結晶品質が極めて高い結晶成長基板を用いることは非常に有効かつ重要であり、この意味においても、本発明の電子デバイス用半導体基板を用いることは、特に有効である。   In addition, the above-described roughening action of the interface is caused by crystal growth from a semi-insulating GaN crystal having a bulk thickness of about 400 μm and excellent in crystallinity without addition of impurities, manufactured according to the manufacturing method of Example 1 above. This is also based on the configuration of the substrate 101. That is, it is very effective and important to use a crystal growth substrate with extremely high crystal quality in forming a flat interface between semiconductor crystal layers stacked on the substrate by crystal growth treatment. The use of the semiconductor substrate for electronic devices of the present invention is particularly effective.

図8は、本実施例4の電界効果トランジスタ200の積層構造を示す模式的な断面図である。この電界効果トランジスタ200は、結晶成長によって III族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、その結晶成長基板201は、先の実施例1または実施例2の製造方法に従って製造された、不純物として鉄(Fe)を添加した結晶性に優れたバルク状の厚さ約400μmの半絶縁性GaN結晶から成る。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the stacked structure of the field effect transistor 200 of the fourth embodiment. The field effect transistor 200 is a semiconductor element formed by sequentially stacking group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and the crystal growth substrate 201 is formed according to the manufacturing method of the first embodiment or the second embodiment. It is made of a semi-insulating GaN crystal having a bulk thickness of about 400 μm and excellent in crystallinity to which iron (Fe) is added as an impurity.

そして、この結晶成長基板201の上には厚さ約2μmのアンドープのGaNから成る半導体結晶層203が形成されている。そして、この半導体結晶層203が、請求項11に記載のチャネル層Aに相当する。また、この半導体結晶層203(チャネル層A)の上には、請求項11に記載したキャリヤ供給層Bに相当する厚さ約400ÅのアンドープのAlx Ga1-x N(0.15≦x≦0.20)から成る半導体結晶層204が積層されている。
このアルミニウム組成比xは、半導体結晶層203との界面からの距離の増大に対して、0.20から0.15まで単調に減少させた。
A semiconductor crystal layer 203 made of undoped GaN having a thickness of about 2 μm is formed on the crystal growth substrate 201. The semiconductor crystal layer 203 corresponds to the channel layer A according to claim 11. Further, on the semiconductor crystal layer 203 (channel layer A), an undoped Al x Ga 1-x N (0.15 ≦ x) having a thickness of about 400 mm corresponding to the carrier supply layer B described in claim 11. A semiconductor crystal layer 204 of ≦ 0.20) is laminated.
The aluminum composition ratio x monotonously decreased from 0.20 to 0.15 with respect to the increase in the distance from the interface with the semiconductor crystal layer 203.

この半導体結晶層204(キャリヤ供給層B)の膜厚(約400Å)は、ゲートON時に両半導体結晶層A,Bの界面近傍に生成される2次元電子ガス層と、下記の個々のオーミック電極(205,207)との間におけるキャリア(電子)のトンネル効果が、それぞれ確実かつ良好に発現する様に設定されている。   The film thickness (about 400 mm) of the semiconductor crystal layer 204 (carrier supply layer B) is such that the two-dimensional electron gas layer generated near the interface between the semiconductor crystal layers A and B when the gate is turned on and the individual ohmic electrodes described below. The tunnel effect of carriers (electrons) between (205, 207) is set so as to surely and satisfactorily appear.

また、符号205,206,207はそれぞれ、ソース電極(オーミック電極)、ゲート電極(ショットキー電極)、ドレイン電極(オーミック電極)を示している。各オーミック電極(ソース電極205とドレイン電極207)は、何れもチタン(Ti)から成る膜厚約100Åの薄い金属層を蒸着によって積層し、その上にアルミニウム(Al)から成る膜厚約3000Åの金属層を更に蒸着にて積層したものである。これらのオーミック電極は、1秒未満のフラッシュアニール処理による約700℃〜900℃の熱処理によって、良好に密着及び合金化されている。他方、ゲート電極206は、約100Åのニッケル(Ni)から成る金属層を蒸着によって積層し、その上に、金(Au)から成る金属層を更に約3000Å蒸着して形成したショットキー電極である。   Reference numerals 205, 206, and 207 denote a source electrode (ohmic electrode), a gate electrode (Schottky electrode), and a drain electrode (ohmic electrode), respectively. Each ohmic electrode (source electrode 205 and drain electrode 207) is formed by laminating a thin metal layer made of titanium (Ti) with a thickness of about 100 mm and depositing thereon with a thickness of about 3000 mm made of aluminum (Al). A metal layer is further laminated by vapor deposition. These ohmic electrodes are well adhered and alloyed by heat treatment at about 700 ° C. to 900 ° C. by flash annealing for less than 1 second. On the other hand, the gate electrode 206 is a Schottky electrode formed by depositing a metal layer made of nickel (Ni) of about 100% by vapor deposition and further depositing a metal layer made of gold (Au) on the metal layer by about 3000%. .

以下、上記の電界効果トランジスタ200の製造方法を、半導体結晶層204(キャリヤ供給層B)を中心に説明する。
上記の電界効果トランジスタ200の各半導体結晶層(半導体結晶層203,204)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2 又はN2 )と、アンモニアガス(NH3 )と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3) と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) などである。
Hereinafter, a method for manufacturing the field effect transistor 200 will be described focusing on the semiconductor crystal layer 204 (carrier supply layer B).
Each of the semiconductor crystal layers (semiconductor crystal layers 203 and 204) of the field effect transistor 200 is crystal-grown by vapor phase growth by metal organic compound vapor phase epitaxy (MOVPE). The gases used here are carrier gas (H 2 or N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ), etc. It is.

より詳細には、各半導体結晶層は以下の結晶成長条件に基づいて結晶成長させた。
1.チャネル層A(半導体結晶層203)
(1)結晶成長温度TA : 1140〔℃〕
(2)積層構成 : 単層(膜厚約2μmの真性GaN結晶)
More specifically, each semiconductor crystal layer was crystal-grown based on the following crystal growth conditions.
1. Channel layer A (semiconductor crystal layer 203)
(1) Crystal growth temperature T A : 1140 [° C.]
(2) Lamination structure: Single layer (intrinsic GaN crystal with a film thickness of about 2 μm)

2.キャリヤ供給層B(半導体結晶層204)
(1)結晶成長温度TB : 1000〔℃〕
(2)積層構成 : 複層(6層)
第1層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.20
第2層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.19
第3層 : 膜厚約60Å,アルミニウム組成比x=0.18
第4層 : 膜厚約60Å,アルミニウム組成比x=0.17
第5層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.16
第6層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.15
2. Carrier supply layer B (semiconductor crystal layer 204)
(1) Crystal growth temperature T B : 1000 [° C.]
(2) Lamination structure: Multi-layer (6 layers)
First layer: film thickness of about 70 mm, aluminum composition ratio x = 0.20
Second layer: film thickness of about 70 mm, aluminum composition ratio x = 0.19
Third layer: film thickness of about 60 mm, aluminum composition ratio x = 0.18
Fourth layer: film thickness of about 60 mm, aluminum composition ratio x = 0.17
Fifth layer: film thickness of about 70 mm, aluminum composition ratio x = 0.16
Sixth layer: film thickness of about 70 mm, aluminum composition ratio x = 0.15

図9にこの電界効果トランジスタ200のゲートリーク電流の特性を示す。この図9では、一番下のグラフi)が、上記の電界効果トランジスタ200のゲートリーク電流の特性を示しており、その上のグラフii)は、キャリヤ供給層Bを単層の膜厚約400ÅのAl0.15Ga0.85Nから成る半導体結晶層から形成した別のサンプルS2の特性を示している。また、グラフ iii)は、キャリヤ供給層Bを単層の膜厚約400ÅのAl0.20Ga0.80Nから成る半導体結晶層から形成した他のサンプルS3の特性を示している。勿論、その他の構成要件については、S2,S3の何れのサンプルにおいても、上記の電界効果トランジスタ200と同等にした。 FIG. 9 shows the characteristics of the gate leakage current of the field effect transistor 200. In FIG. 9, the graph i) at the bottom shows the characteristics of the gate leakage current of the field effect transistor 200, and the graph ii) above shows that the carrier supply layer B has a film thickness of about a single layer. It shows the characteristic of another sample S2, which is formed from a semiconductor crystal layer made of 400Å of Al 0.15 Ga 0.85 N. Graph iii) shows the characteristics of another sample S3 in which the carrier supply layer B is formed of a semiconductor crystal layer made of Al 0.20 Ga 0.80 N having a single layer thickness of about 400 mm. Of course, the other constituent elements are the same as those of the field effect transistor 200 in any of the samples S2 and S3.

このリーク電流の測定結果より、上記の電界効果トランジスタ200では、キャリヤ供給層Bを膜厚約400ÅのAl0.15 Ga0.85 Nから成る単層の半導体結晶層から形成したサンプルS2の場合と比較して、同等以上にリーク電流の抑制効果が得られていることが分かる。また、上記の電界効果トランジスタ200では、キャリヤ供給層Bを膜厚約400ÅのAl0.20 Ga0.80 Nから成る単層の半導体結晶層から形成した上記のサンプルS3の場合と比較して、リーク電流が1/100以下と極めて効果的に抑制されていることが分かる。 From the measurement result of the leakage current, in the field effect transistor 200 described above, the carrier supply layer B is compared with the sample S2 formed from a single semiconductor crystal layer made of Al 0.15 Ga 0.85 N having a thickness of about 400 mm. It can be seen that the leakage current suppressing effect is obtained more than equivalent. Further, in the field effect transistor 200, the leakage current is smaller than that in the case of the sample S3 in which the carrier supply layer B is formed of a single semiconductor crystal layer made of Al 0.20 Ga 0.80 N having a thickness of about 400 mm. It turns out that it is suppressed very effectively with 1/100 or less.

また、上記の電界効果トランジスタ200とサンプルS2,S3について、チャネル層Aとキャリヤ供給層Bの界面におけるシート抵抗を測定したところ、以下の測定結果を得た。
(シート抵抗)
電界効果トランジスタ200 : 約600〔Ω/□〕
サンプルS2 : 約700〔Ω/□〕
サンプルS3 : 約500〔Ω/□〕
Further, when the sheet resistance at the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B was measured for the field effect transistor 200 and the samples S2 and S3, the following measurement results were obtained.
(Sheet resistance)
Field effect transistor 200: about 600 [Ω / □]
Sample S2: about 700 [Ω / □]
Sample S3: about 500 [Ω / □]

以上の実験結果より、電界効果トランジスタ200においては、良好に抑制されたリーク電流値に基づく高い耐圧性と、良好に抑制されたシート抵抗(on抵抗)に基づく高い電気伝導性とが、従来にない非常に良い兼ね合いで、とても合理的に両立されていることが分かる。言い換えれば、図9のグラフi)の様にリーク電流が低く抑制された電界効果トランジスタにおいて、約600〔Ω/□〕程度のシート抵抗を達成することは、従来は必ずしも容易ではなかった。   From the above experimental results, in the field effect transistor 200, a high withstand voltage based on a well-suppressed leakage current value and a high electrical conductivity based on a well-suppressed sheet resistance (on resistance) have been conventionally used. It turns out that there is no very good tradeoff and that it is very reasonably balanced. In other words, it has not been easy in the past to achieve a sheet resistance of about 600 [Ω / □] in a field effect transistor in which the leakage current is suppressed to a low level as shown in graph i) of FIG.

また、上記のキャリヤ供給層Bにおける複層構造は、上記の6層(第1層〜第6層)の結晶成長時におけるアルミニウム供給ガス(トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) )の供給量を僅かに調整するだけで実現することができるものであるから、例えばこの様にして電界効果トランジスタ200を製造する場合には、従来と同等以上の生産性を確保することも容易である。 The multi-layer structure in the carrier supply layer B is that the supply amount of aluminum supply gas (trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 )) during the crystal growth of the six layers (first to sixth layers). Therefore, for example, when the field effect transistor 200 is manufactured in this way, it is easy to ensure productivity equal to or higher than that of the prior art.

また、上記のリーク電流の抑制作用は、不純物として鉄(Fe)を添加して先の実施例1の製造方法に従って製造された結晶性に優れたバルク状の厚さ約400μmの半絶縁性GaN結晶から上記の結晶成長基板201を構成したことにも基づいている。即ち、キャリヤ供給層B(半導体結晶層204)を低転位で良質に形成する上で、結晶品質が極めて高い結晶成長基板を用いることは非常に有効かつ重要であり、この意味においても、本発明の電子デバイス用半導体基板を用いることは、特に有効である。   In addition, the leakage current suppressing action described above is the semi-insulating GaN having a bulk thickness of about 400 μm and excellent in crystallinity produced by adding iron (Fe) as an impurity according to the production method of Example 1 above. This is also based on the fact that the crystal growth substrate 201 is made of crystals. That is, in order to form the carrier supply layer B (semiconductor crystal layer 204) with high quality with low dislocations, it is very effective and important to use a crystal growth substrate with extremely high crystal quality. It is particularly effective to use the semiconductor substrate for electronic devices.

図10−Aに本実施例5の増幅回路300の模式的な斜視図を示し、図10−Bにはこの増幅回路300の回路図を示す。この増幅回路300は、先の実施例3の場合と同様にして結晶成長基板101の上に III族窒化物系化合物半導体を順次積層することによって、電界効果トランジスタ100を2つ並べて形成したものであるが、図10−Aに示すように、結晶成長基板101の上には更に、抵抗Rと容量Cinが形成されており、かつ、これらの各素子は、図10−Bに示す様に電気的に接続されて1つの増幅器を構成している。   FIG. 10A shows a schematic perspective view of the amplifier circuit 300 according to the fifth embodiment, and FIG. 10B shows a circuit diagram of the amplifier circuit 300. In this amplifier circuit 300, two field effect transistors 100 are formed side by side by sequentially stacking a group III nitride compound semiconductor on the crystal growth substrate 101 in the same manner as in the third embodiment. However, as shown in FIG. 10-A, a resistor R and a capacitor Cin are further formed on the crystal growth substrate 101, and these elements are electrically connected as shown in FIG. 10-B. Are connected together to form one amplifier.

そして、この様な構成に従えば、先の実施例でも言及した様に結晶成長基板101の結晶品質が非常に高いので、各素子の品質も向上する。したがって、例えばこの様な集積回路を製造することによっても、本発明の作用・効果に基づいて動作特性の優れた増幅器(半導体集積回路)を得ることができる。   According to such a configuration, since the crystal quality of the crystal growth substrate 101 is very high as mentioned in the previous embodiment, the quality of each element is also improved. Therefore, for example, even by manufacturing such an integrated circuit, an amplifier (semiconductor integrated circuit) having excellent operating characteristics can be obtained based on the operation and effect of the present invention.

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.

(変形例1)
例えば、上記の実施例3(図6)では、本発明の電子デバイス用半導体基板(101)の上に、チャネル層A(103)を結晶成長にて積層しているが、本発明の電子デバイス用半導体基板を用いた場合、基板の結晶品質が特に優れているため、その結晶成長基板(101)自身でチャネル層Aを兼ねることも可能である。その場合には、結晶成長面のクリーニング処理を十分に行った上で、本発明の電子デバイス用半導体基板(101)の上に直接キャリヤ供給層B(104)を積層すれば良い。
また、この場合には、所望の電子デバイスの製造工程を非常に簡潔にすることができるため、生産性の上でも有利である。
(Modification 1)
For example, in Example 3 (FIG. 6), the channel layer A (103) is stacked by crystal growth on the electronic device semiconductor substrate (101) of the present invention. When the semiconductor substrate for use is used, since the crystal quality of the substrate is particularly excellent, the crystal growth substrate (101) itself can also serve as the channel layer A. In that case, the carrier supply layer B (104) may be directly laminated on the electronic device semiconductor substrate (101) of the present invention after sufficiently cleaning the crystal growth surface.
In this case, the manufacturing process of a desired electronic device can be simplified, which is advantageous in terms of productivity.

(変形例2)
また、上記の実施例3や実施例4では、本発明の半絶縁性の電子デバイス用半導体基板の上に横方向(水平方向)に電流を流すタイプのFETの構成例を示したが、本発明は、導電性の結晶成長基板(導電性の電子デバイス用半導体基板)の裏面の少なくとも一部に電極を設けてその結晶成長基板やその上に積層された半導体結晶層に縦方向(垂直方向)に電流を流すタイプのFETなどにも応用することができる。その様な縦方向導通型の電子デバイスとしては、例えば、「特開2004−260140」や「特開2000−349284」や「特開平10−294461」等に記載の電界効果トランジスタなどがある。
(Modification 2)
Also, in the above-described Example 3 and Example 4, the configuration example of the FET of the type in which current flows in the lateral direction (horizontal direction) on the semi-insulating semiconductor substrate for electronic devices of the present invention has been shown. The present invention provides an electrode on at least a part of the back surface of a conductive crystal growth substrate (conductive semiconductor substrate for electronic devices), and a vertical direction (vertical direction) on the crystal growth substrate or a semiconductor crystal layer stacked thereon. It can also be applied to a type of FET that causes a current to flow through. Examples of such vertical conduction type electronic devices include field effect transistors described in “JP 2004-260140”, “JP 2000-349284”, “JP 10-294461”, and the like.

そして、これらの従来構造の電界効果トランジスタの基板に、本発明の導電性の電子デバイス用半導体基板を採用した場合にも、上記の実施例と同様に、リーク電流やシート抵抗を低減させるなど作用効果によって当該電子デバイスの諸特性を効果的に改善することができる。また、これらの電子デバイスでは、上記の各実施例に見られる様な作用を得ることもできるが、特に、上記の従来構造の電界効果トランジスタなどにおいては、更に、結晶成長基板(電子デバイス用半導体基板)自身に電極を形成したり、当該基板自身に電流を流したりするため、本発明の電子デバイス用半導体基板の採用に基づく導電性基板の結晶品質の改善効果はさらに拡張される。   Even in the case where the semiconductor substrate for a conductive electronic device of the present invention is adopted as the substrate of the field effect transistor having the conventional structure, the leakage current and the sheet resistance are reduced as in the above embodiment. Various characteristics of the electronic device can be effectively improved by the effect. In addition, in these electronic devices, it is possible to obtain the action as seen in each of the above embodiments. In particular, in the field effect transistor having the conventional structure described above, a crystal growth substrate (semiconductor for electronic devices) is also provided. Since an electrode is formed on the substrate) itself and a current is passed through the substrate itself, the effect of improving the crystal quality of the conductive substrate based on the use of the semiconductor substrate for electronic devices of the present invention is further expanded.

例えば、本発明の導電性の電子デバイス用半導体基板を用いれば、これらの基板は従来の基板よりも電気伝導率が高いため、従来構造の公知のパワーFETなどにおいて、1mΩcm2 以下のオン抵抗を実現することも十分に可能または容易になる。また、これらの基板は従来の基板よりも熱伝導率も高いため、オン抵抗の低減と共に、放熱効果を得るためにも有効である。 For example, if the semiconductor substrates for conductive electronic devices of the present invention are used, these substrates have higher electrical conductivity than conventional substrates, and therefore, on-resistance of 1 mΩcm 2 or less is known in known power FETs having a conventional structure. It is sufficiently possible or easy to realize. Moreover, since these substrates have higher thermal conductivity than conventional substrates, they are effective in reducing on-resistance and obtaining a heat dissipation effect.

なお、所望の電子デバイスを形成する際に、結晶成長基板(電子デバイス用半導体基板)の上に積層する半導体結晶層に不純物を添加する方法は、必ずしも結晶成長処理に依らなくても良い。例えば、イオン注入や熱拡散などの方法によっても、それらの半導体結晶層中に不純物を添加することができる。   Note that when forming a desired electronic device, the method of adding impurities to the semiconductor crystal layer stacked on the crystal growth substrate (electronic device semiconductor substrate) does not necessarily depend on the crystal growth treatment. For example, impurities can be added to these semiconductor crystal layers also by methods such as ion implantation and thermal diffusion.

本発明は、 III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を用いた半導体デバイスの製造に有用である。これらの半導体デバイスとしては、先に言及した電子デバイスなどの他にも、例えばLEDやLDなどの発光素子や受光素子や、それらを集積した光集積回路(OEIC)等を挙げることができる。
また、本発明のトランジスタは電界効果を利用したものであっても、バイポーラ型のものであっても良い。また、本発明に基づいて製造することができる電界効果トランジスタには、例えばMISFET,MOSFET,HFET,MODFET,JFET,HJFET,HEMT等の半導体素子が含まれ、更に、例えば、パワーMOSFETやIGBT等の電力制御用のパワートランジスタなども含まれる。
The present invention is useful for manufacturing a semiconductor device using a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor. As these semiconductor devices, in addition to the electronic devices mentioned above, for example, light emitting elements and light receiving elements such as LEDs and LDs, and optical integrated circuits (OEIC) in which they are integrated can be cited.
Further, the transistor of the present invention may use a field effect or may be a bipolar type. The field effect transistors that can be manufactured according to the present invention include semiconductor elements such as MISFET, MOSFET, HFET, MODFET, JFET, HJFET, and HEMT, and further include, for example, power MOSFET and IGBT. A power transistor for power control is also included.

実施例1で用いる結晶成長装置の断面図Sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 1 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例2のテンプレート10の作成工程における断面図Sectional drawing in the creation process of the template 10 of Example 2. 実施例2で用いる結晶成長装置の構成図Configuration diagram of crystal growth apparatus used in Example 2 実施例2で用いる結晶成長装置の部分的な断面図Partial sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 2 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例3の電界効果トランジスタ100の積層構造を示す断面図Sectional drawing which shows the laminated structure of the field effect transistor 100 of Example 3 電界効果トランジスタ100の構成条件と諸特性を示す表Table showing configuration conditions and characteristics of field effect transistor 100 実施例4の電界効果トランジスタ200の断面図Sectional drawing of the field effect transistor 200 of Example 4 電界効果トランジスタ200のリーク電流の特性を示すグラフThe graph which shows the characteristic of the leakage current of the field effect transistor 200 実施例5の増幅回路300の模式的な斜視図Schematic perspective view of the amplifier circuit 300 of the fifth embodiment. 実施例5の増幅回路300の回路図Circuit diagram of amplifier circuit 300 of Embodiment 5 従来の電界効果トランジスタ900の積層構造を例示する断面図Sectional drawing which illustrates the laminated structure of the conventional field effect transistor 900

符号の説明Explanation of symbols

2 : 反応室
3 : 反応容器
8 : 種結晶
9 : 混合フラックス
H : ヒータ
10 : テンプレート
20 : 半導体基板
100,200 : 電界効果トランジスタ
103,203 : チャネル層
104,204 : キャリヤ供給層
2: Reaction chamber
3: Reaction vessel
8: Seed crystal
9: Mixed flux
H: Heater
10: Template
20: Semiconductor substrate 100, 200: Field effect transistor 103, 203: Channel layer 104, 204: Carrier supply layer

Claims (15)

アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)の III族元素と窒素(N)とを反応させることによって、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる電子デバイス用半導体基板の製造方法において、
前記混合フラックスと前記 III族元素とを攪拌混合しながら前記 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる
ことを特徴とする電子デバイス用半導体基板の製造方法。
Among mixed fluxes having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals, group III elements of gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) and nitrogen (N) In the method for producing a semiconductor substrate for an electronic device in which a group III nitride compound semiconductor crystal is crystal-grown by reacting
A method for producing a semiconductor substrate for an electronic device, comprising growing the group III nitride compound semiconductor crystal while stirring and mixing the mixed flux and the group III element.
アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)の III族元素と窒素(N)とを反応させることによって、 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる電子デバイス用半導体基板の製造方法において、
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる下地基板の少なくとも一部に、前記混合フラックスに溶解する可溶材料を用い、
前記可溶材料を
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程中に、または、
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程後にその成長温度付近で、
前記混合フラックス中に溶解させる
ことを特徴とする電子デバイス用半導体基板の製造方法。
Among mixed fluxes having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals, group III elements of gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) and nitrogen (N) In the method for producing a semiconductor substrate for an electronic device in which a group III nitride compound semiconductor crystal is crystal-grown by reacting
A soluble material that dissolves in the mixed flux is used for at least a part of the base substrate for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal,
The soluble material is added during the crystal growth process of the group III nitride compound semiconductor crystal, or
In the vicinity of the growth temperature after the crystal growth process of the group III nitride compound semiconductor crystal,
A method for producing a semiconductor substrate for an electronic device, comprising dissolving in the mixed flux.
前記可溶材料は、少なくともその一部に、
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
The soluble material is at least partly,
The method for producing a semiconductor substrate for an electronic device according to claim 2, further comprising an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal.
前記混合フラックスと前記 III族元素とを攪拌混合しながら前記 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
The method for producing a semiconductor substrate for an electronic device according to claim 2 or 3, wherein the group III nitride compound semiconductor crystal is grown while stirring and mixing the mixed flux and the group III element. .
前記混合フラックスは、
リチウム(Li)又はカルシウム(Ca)、並びにナトリウム(Na)を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
The mixed flux is
It has lithium (Li) or calcium (Ca), and sodium (Na), The manufacturing method of the semiconductor substrate for electronic devices of any one of Claim 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned.
種結晶または前記下地基板の結晶成長面を、
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、
水素(H2 )ガス、窒素(N2 )ガス、アンモニア(NH3 )ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、
900℃以上1100℃以下の温度で、
1分以上の時間を掛けて、
クリーニング処理する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
Seed crystal or crystal growth surface of the base substrate,
Before crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal,
Hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn) or two or more kinds of these gases A mixed gas mixed at an arbitrary mixing ratio is used as a cleaning gas.
At a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower,
Take a minute or more
The method for manufacturing a semiconductor substrate for an electronic device according to claim 1, wherein a cleaning process is performed.
前記混合フラックスは、
前記 III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物として、
ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al2 3 )、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si3 4 )、酸化珪素(SiO2 )、酸化インジウム(In2 3 )、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
The mixed flux is
As an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal,
Boron (B), thallium (Tl), calcium (Ca), compounds containing calcium (Ca), silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), oxygen ( O), aluminum (Al), indium (In), alumina (Al 2 O 3 ), indium nitride (InN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3) ), Zinc (Zn), iron (Fe), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), or germanium (Ge). A manufacturing method of a semiconductor substrate for electronic devices given in any 1 paragraph.
請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法により製造された電子デバイス用半導体基板であって、
表面の転位密度が1×105 cm-2以下であり、最大径が1cm以上である
ことを特徴とする電子デバイス用半導体基板。
A semiconductor substrate for electronic devices manufactured by the method for manufacturing a semiconductor substrate for electronic devices according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor substrate for electronic devices, wherein the dislocation density on the surface is 1 × 10 5 cm −2 or less and the maximum diameter is 1 cm or more.
厚さが300μm以上である
ことを特徴とする請求項8に記載の電子デバイス用半導体基板。
The semiconductor substrate for electronic devices according to claim 8, wherein the thickness is 300 μm or more.
結晶成長基板の上に III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を積層することによって構成される電子デバイスにおいて、
前記結晶成長基板は、
請求項8または請求項9に記載の電子デバイス用半導体基板から構成されている
ことを特徴とする電子デバイス。
In an electronic device configured by laminating a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate,
The crystal growth substrate is
An electronic device comprising the semiconductor substrate for an electronic device according to claim 8 or 9.
III族窒化物系化合物半導体より成る半導体結晶層を結晶成長させることにより形成される電界効果トランジスタにおいて、
請求項8または請求項9に記載の電子デバイス用半導体基板と、
前記電子デバイス用半導体基板の上に直接または間接的に結晶成長したチャネル層Aと、
前記チャネル層Aの上に直接結晶成長したキャリヤ供給層Bと
を有し、
少なくとも前記チャネル層Aと前記キャリヤ供給層Bとの界面の近傍において、
前記キャリヤ供給層BのバンドギャップエネルギーEB は、
前記チャネル層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きい
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
In a field effect transistor formed by crystal growth of a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor,
A semiconductor substrate for electronic devices according to claim 8 or 9, and
A channel layer A crystal-grown directly or indirectly on the semiconductor substrate for electronic devices;
A carrier supply layer B crystal-grown directly on the channel layer A;
At least in the vicinity of the interface between the channel layer A and the carrier supply layer B,
The band gap energy E B of the carrier supply layer B is
Field effect transistor being greater than the band gap energy E A of the channel layer A.
前記チャネル層Aまたは前記キャリヤ供給層Bの少なくとも何れか一方は、
無添加の半導体結晶から形成されている
ことを特徴とする請求項11に記載の電界効果トランジスタ。
At least one of the channel layer A and the carrier supply layer B is
12. The field effect transistor according to claim 11, wherein the field effect transistor is formed of an additive-free semiconductor crystal.
前記チャネル層Aは、
2元または3元のAlx Ga1-x N(0≦x<1)から成り、
前記キャリヤ供給層Bは、
3元のAly Ga1-y N(x<y≦1)から成る
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の電界効果トランジスタ。
The channel layer A includes
Consisting of binary or ternary Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The carrier supply layer B is
13. The field effect transistor according to claim 11, wherein the field effect transistor is made of ternary Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1).
前記界面は、
前記界面の近傍を形成している前記チャネル層Aの原子の昇華作用を抑制することにより略平坦に形成されている
ことを特徴とする請求項11乃至請求項13の何れか1項に記載の電界効果トランジスタ。
The interface is
14. The device according to claim 11, wherein the channel layer A is formed to be substantially flat by suppressing sublimation action of atoms of the channel layer A forming the vicinity of the interface. Field effect transistor.
前記キャリヤ供給層Bは、
Aly Ga1-y N(0.45>y>0.04)からなり、
前記キャリヤ供給層Bのアルミニウム組成比yは、
前記界面からの距離に対して略単調に減少している
ことを特徴とする請求項11乃至請求項14の何れか1項に記載の電界効果トランジスタ。
The carrier supply layer B is
Made of Al y Ga 1-y N (0.45>y> 0.04),
The aluminum composition ratio y of the carrier supply layer B is:
15. The field effect transistor according to claim 11, wherein the field effect transistor decreases substantially monotonously with respect to the distance from the interface.
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