JP2007324549A - Dislocation detecting method for semiconductor crystal - Google Patents

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雅人 樹神
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily and safely detect dislocation of GaN in a method of easily detecting a defect owing to dislocation of group III nitride semiconductor crystal for which Ga is essential. <P>SOLUTION: Crystal of GaN is etched for one hour with a TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) of 25% in concentration warmed at 85°C. Then an etch pitch is formed on a crystal surface of GaN. The etch pit is formed at a dislocation part, so the dislocation can be detected through the etch pit. Further, the dislocation density can be measured by counting etch pits through an optical microscope etc., and then the quality of the crystal can be evaluated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、Gaを必須とするIII 族窒化物半導体結晶の転位による欠陥を容易に検出する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for easily detecting defects due to dislocations in a group III nitride semiconductor crystal in which Ga is essential.

近年、III 族窒化物半導体は、非常に活発に研究開発が行われている。LEDやLDなどの発光デバイスの材料として、また、高周波デバイスの材料として、非常に有用、有望であるためで、今後ますますその重要性は増すものと考えられる。   In recent years, Group III nitride semiconductors have been actively researched and developed. This material is very useful and promising as a material for light-emitting devices such as LEDs and LDs, and as a material for high-frequency devices, and its importance is expected to increase in the future.

それらの電子デバイスは、III 族窒化物半導体の結晶で構成されるが、その結晶の転位密度は、電子デバイスの性能に大きな影響を与える。特に、III 族窒化物半導体の結晶は、他の半導体結晶と比べて転位密度が大きいため、転位密度を測定することにより結晶の品質を評価することは、大変重要である。   These electronic devices are composed of Group III nitride semiconductor crystals, and the dislocation density of the crystals greatly affects the performance of the electronic devices. In particular, since a crystal of a group III nitride semiconductor has a dislocation density larger than that of other semiconductor crystals, it is very important to evaluate the quality of the crystal by measuring the dislocation density.

III 族窒化物半導体結晶の転位密度の測定方法としては、エッチングにより転位部分に形成されるエッチピットをカウントすることで、転位密度を測定する方法が知られている。   As a method for measuring the dislocation density of a group III nitride semiconductor crystal, a method is known in which the dislocation density is measured by counting the number of etch pits formed in the dislocation portion by etching.

特許文献1には、エッチング剤として、硫酸とリン酸の混合液、または硫酸系化合物とリン酸系化合物の混合物の融解液を用いることにより形成されたエッチピットにより転位密度を測定する方法が記載されている。硫酸とリン酸の混合液は、180℃〜280℃、硫酸系化合物とリン酸系化合物の混合物の融解液は、200℃〜400℃で用いる旨が記されている。   Patent Document 1 describes a method of measuring dislocation density by etch pits formed by using a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid or a molten solution of a mixture of sulfuric acid compound and phosphoric acid compound as an etching agent. Has been. It is described that the mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid is used at 180 ° C. to 280 ° C., and the melt of the mixture of sulfuric acid compound and phosphoric acid compound is used at 200 ° C. to 400 ° C.

非特許文献1にも同じように、硫酸とリン酸を1:3の割合で混合し、250℃に加熱した溶液でGaNをエッチングすることで生成されるエッチピットにより、転位を検出する方法が記載されている。   Similarly to Non-Patent Document 1, there is a method of detecting dislocations by etch pits generated by mixing sulfuric acid and phosphoric acid in a ratio of 1: 3 and etching GaN with a solution heated to 250 ° C. Are listed.

また、エッチング剤として、KOH融解液を用いる方法も知られている。たとえば、特許文献2には、300℃〜360℃のKOH融解液を用いてエッチングし、形成されるエッチピットにより転位を検出する方法が示されている。また、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液は、下記特許文献3、4に記載されているように、シリコンをエッチングすることは知られている。しかしながら、TMAH溶液により、窒化ガリウム、ガリウムと窒素を必須とするIII 族窒化物半導体がエッチングできることは知られていない。
特許第366374号 特開2001−39799 特開2005−175223 特許第3027030号 Solid-State Electronics 46 (2002) 555-558
A method using a KOH melt as an etching agent is also known. For example, Patent Document 2 discloses a method in which dislocation is detected by etching pits formed by etching using a KOH melt at 300 ° C. to 360 ° C. Further, TMAH (tetramethylammonium hydroxide aqueous solution is known to etch silicon as described in Patent Documents 3 and 4. However, gallium nitride, gallium and nitrogen are removed by the TMAH solution. It is not known that the essential group III nitride semiconductor can be etched.
Patent No. 366374 JP 2001-39799 A JP-A-2005-175223 Patent No. 3027030 Solid-State Electronics 46 (2002) 555-558

しかし、上記いずれのエッチング剤においても、使用温度は高く、危険である。特に、硫酸を高温に加熱したものは大変危険であり、加熱により生じる硫黄酸化物のガスは人体に有毒である。また、高温では水分の蒸発も激しいため、濃度をコントロールすることが難しい。よってこれらのエッチング剤の使用にあっては、安全のために、取り扱いには十分な注意が必要となる。さらに、KOH融解液では、エッチング後にIII 族窒化物半導体結晶に付着したKOHを取り除くのに手間がかかる点も問題となる。   However, any of the above-mentioned etching agents is dangerous because the operating temperature is high. In particular, sulfuric acid heated to a high temperature is very dangerous, and the sulfur oxide gas generated by heating is toxic to the human body. In addition, it is difficult to control the concentration because the evaporation of water is intense at high temperatures. Therefore, when using these etching agents, sufficient care is required for handling for safety. Furthermore, the KOH melt also has a problem in that it takes time to remove KOH adhering to the group III nitride semiconductor crystal after etching.

そこで本発明は、従来とは異なるエッチング剤を用いることにより、安全で簡便に、III 族窒化物半導体結晶の転位を検出する方法を提供する。   Therefore, the present invention provides a method for detecting dislocations in a group III nitride semiconductor crystal in a safe and simple manner by using an etching agent different from the conventional one.

本発明は、Gaを必須成分として含むIII 族窒化物半導体結晶を、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム:(CH3 4NOH)溶液でエッチングし、結晶に形成されるエッチピットにより転位を検出することを特徴とする転位検出方法である。 In the present invention, a group III nitride semiconductor crystal containing Ga as an essential component is etched with a TMAH (tetramethylammonium hydroxide: (CH 3 ) 4 NOH) solution, and dislocations are detected by etch pits formed in the crystal. This is a dislocation detection method characterized by the above.

TMAH溶液の温度は、50℃〜100℃であることが望ましく、80℃〜100℃であるとより望ましい。50℃以下では、エッチング速度が遅く、エッチピットがあまり形成されないため望ましくない。特に、TMAH水溶液の場合にも、上記のように50℃〜100℃であることが望ましく、80℃〜100℃であるとより望ましい。また、100℃以上であると、溶液中に気泡が発生し、結晶に付着するため望ましくない。また、水分や溶媒の蒸発により濃度が変化してしまう点でも望ましくない。   The temperature of the TMAH solution is desirably 50 ° C to 100 ° C, and more desirably 80 ° C to 100 ° C. Below 50 ° C., the etching rate is slow, and etch pits are not formed so much, which is not desirable. In particular, also in the case of a TMAH aqueous solution, the temperature is desirably 50 ° C to 100 ° C as described above, and more desirably 80 ° C to 100 ° C. On the other hand, when the temperature is 100 ° C. or higher, bubbles are generated in the solution and adhere to the crystal, which is undesirable. It is also undesirable in that the concentration changes due to evaporation of moisture or solvent.

TMAH溶液は、最も望ましくは、TMAH水溶液である。
TMAH水溶液の濃度は、5%〜50%であることが望ましく、6%〜25%であるとより望ましい。5%以下では、エッチング速度が遅く、望ましくない。50%以上では、過飽和状態になる可能性があり、沈殿物を生じることがあるため望ましくない。
The TMAH solution is most preferably an aqueous TMAH solution.
The concentration of the TMAH aqueous solution is desirably 5% to 50%, and more desirably 6% to 25%. If it is 5% or less, the etching rate is slow, which is not desirable. If it is 50% or more, it may be supersaturated and may cause precipitation, which is not desirable.

エッチング速度はTMAH溶液の濃度と温度に依存し、エッチピットの直径はエッチング速度とエッチングの時間に依存している。そのため、必要に応じて、TMAH溶液の濃度、温度、エッチング時間を変え、エッチピットの大きさを調整することも可能である。たとえば、転位密度を測定する場合は、エッチピットの数を数えるのにSEMやAFMを用いるよりも、光学顕微鏡を用いるほうが数える時間が短くてすむので、エッチピットの大きさは光学顕微鏡で容易に観測できる程度に大きい方が良い。   The etching rate depends on the concentration and temperature of the TMAH solution, and the diameter of the etch pit depends on the etching rate and the etching time. Therefore, the size of the etch pit can be adjusted by changing the concentration, temperature, and etching time of the TMAH solution as necessary. For example, when measuring the dislocation density, it is easier to count the number of etch pits by using an optical microscope than by using an SEM or AFM. It should be large enough to be observed.

本発明において、エッチングに用いられるTMAH溶液、特に、TMAH水溶液は、人体にとって有害なものではなく、また、50℃〜100℃という低温で使用される。そのため、取り扱いが容易であり、比較的安全である。また、TMAHは不揮発性であるから、TMAH水溶液とした場合には、水溶液の濃度調整もしやすい。さらに、KOHのようにアルカリ金属イオンを含まないため、エッチング後の試料の洗浄も容易である。以上のように、エッチング剤としてTMAH溶液、特に、TMAH水溶液を用いることで、従来よりも簡便にIII 族窒化物半導体結晶の転位を検出することができる。また、本発明による方法により検出されたエッチピットを光学顕微鏡などでカウントすることで、転位密度を測定することができ、結晶の品質を評価することが可能である。   In the present invention, the TMAH solution used for etching, in particular, the TMAH aqueous solution is not harmful to the human body and is used at a low temperature of 50 ° C to 100 ° C. Therefore, handling is easy and it is relatively safe. Further, since TMAH is non-volatile, when the TMAH aqueous solution is used, it is easy to adjust the concentration of the aqueous solution. Furthermore, since alkali metal ions are not included like KOH, the sample after etching can be easily cleaned. As described above, by using a TMAH solution, in particular, a TMAH aqueous solution, as an etching agent, dislocations in the group III nitride semiconductor crystal can be detected more easily than before. Further, by counting the etch pits detected by the method according to the present invention with an optical microscope or the like, the dislocation density can be measured, and the quality of the crystal can be evaluated.

以下、本発明の具体的な実施例を図を用いて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

試料として、サファイアC面基板1上にAlNの低温バッファ層2、その上にGaNの低温バッファ層3、その上にGaN層4を積層させたものを作成した(図1参照)。GaN層4の表面5は、C面である。各層の厚さは、バッファ層2が50nm、バッファ層3が0.3μm、GaN層4が3μmである。この試料を85℃に温めた濃度25%のTMAH水溶液で1時間エッチングした。その結果、多数のエッチピットが形成されていることが確認できた。図2は、GaN層4の表面5に形成されたエッチピットを撮影した光学顕微鏡写真である。直径のほぼ等しい、いくつかのエッチピットを確認できる。図3は、試料を45度傾けてエッチピットを撮影したSEM写真である。エッチピットの直径は、だいたい8μmである。また、エッチピットの縁には、角錐が見えている。図2でエッチピットの周囲が白くなっているのは、この角錐部分である。   A sample was prepared by laminating a low-temperature buffer layer 2 of AlN on a sapphire C-plane substrate 1, a low-temperature buffer layer 3 of GaN thereon, and a GaN layer 4 thereon (see FIG. 1). The surface 5 of the GaN layer 4 is a C plane. The thickness of each layer is 50 nm for the buffer layer 2, 0.3 μm for the buffer layer 3, and 3 μm for the GaN layer 4. This sample was etched for 1 hour with a 25% strength aqueous TMAH solution heated to 85 ° C. As a result, it was confirmed that many etch pits were formed. FIG. 2 is an optical micrograph of an etch pit formed on the surface 5 of the GaN layer 4. Several etch pits with almost the same diameter can be confirmed. FIG. 3 is a SEM photograph in which an etch pit is photographed by tilting the sample by 45 degrees. The diameter of the etch pit is about 8 μm. A pyramid is visible at the edge of the etch pit. In FIG. 2, it is this pyramid portion where the periphery of the etch pit is white.

このことから、エッチピットおよび角錐は、次のようにして形成されたものと考えられる。
TMAH水溶液は、C面であるGaN層4の表面5をエッチングすることはできない。しかし、C面であっても、転位部分6はエッチングすることができる。エッチングが進むとTMAH水溶液はバッファ層3に到達する。そして、バッファ層は転位などによる欠陥が多いためにエッチング速度が速いため、GaN層4のC面以外の面よりも速くバッファ層2、3がエッチングされる(図4参照)。その後、GaN結晶のR面に沿って下から上へエッチングが進行し、エッチピット径が拡大するとともに、異方性エッチングのために、R面を側面とする角錐が生じる(図5参照)。図3の顕微鏡写真の六角錘の側面はGaNのR面である。
From this, it is considered that the etch pits and pyramids are formed as follows.
The TMAH aqueous solution cannot etch the surface 5 of the GaN layer 4 that is the C plane. However, even in the C plane, the dislocation portion 6 can be etched. As the etching proceeds, the TMAH aqueous solution reaches the buffer layer 3. Since the buffer layer has many defects due to dislocations and the like, and the etching rate is high, the buffer layers 2 and 3 are etched faster than the surface other than the C surface of the GaN layer 4 (see FIG. 4). Thereafter, etching proceeds from bottom to top along the R plane of the GaN crystal, the etch pit diameter increases, and a pyramid having the R plane as a side surface is generated due to anisotropic etching (see FIG. 5). The side surface of the hexagonal pyramid in the micrograph in FIG. 3 is the R surface of GaN.

なお、実施例1ではGaNを用いたが、AlGaN、InGaN、InGaAlNなどのIII 族窒化物半導体を用いても、同様にエッチピットにより転位を検出できる。これらのIII 族窒化物半導体のAlの組成比は、30%以下で用いることができる。AlNは、酸でエッチングできるために、特に、TMAH溶液を用いる優位性はない。   Although GaN was used in Example 1, dislocations can be similarly detected by etch pits even when a group III nitride semiconductor such as AlGaN, InGaN, or InGaAlN is used. The Al composition ratio of these group III nitride semiconductors can be 30% or less. Since AlN can be etched with an acid, it is not particularly advantageous to use a TMAH solution.

このように、本発明は、GaとNとを必須元素とするIII 族窒化物半導体における転位密度を測定するのに有益である。特に、そのC面における転位密度を測定するのに有効である。   As described above, the present invention is useful for measuring the dislocation density in a group III nitride semiconductor having Ga and N as essential elements. In particular, it is effective for measuring the dislocation density on the C plane.

本発明は、Gaを含むIII 族窒化物半導体結晶の品質評価などに用いることができる。   The present invention can be used for quality evaluation of a group III nitride semiconductor crystal containing Ga.

試料の模式的な断面図。A typical sectional view of a sample. エッチングにより生成したエッチピットを示した光学顕微鏡写真。An optical micrograph showing etch pits generated by etching. エッチピットを45度の方向から撮影したSEM写真。SEM photo of the etch pit taken from a 45 degree angle. エッチピットの形成過程の模式図。The schematic diagram of the formation process of an etch pit. エッチピットの形成過程の模式図。The schematic diagram of the formation process of an etch pit.

符号の説明Explanation of symbols

1:サファイア基板
2:バッファ層
3:バッファ層
4:GaN層
5:GaN層表面
6:転位部分
1: Sapphire substrate 2: Buffer layer 3: Buffer layer 4: GaN layer 5: GaN layer surface 6: Dislocation portion

Claims (4)

Gaを必須成分として含むIII 族窒化物半導体結晶の転位を検出する方法において、
前記III 族窒化物半導体結晶をTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液でエッチングし、
前記III 族窒化物半導体結晶に形成されるエッチピットにより転位を検出することを特徴とする転位検出方法。
In a method for detecting dislocations in a group III nitride semiconductor crystal containing Ga as an essential component,
Etching the group III nitride semiconductor crystal with a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution,
A dislocation detection method comprising detecting dislocations by etch pits formed in the group III nitride semiconductor crystal.
前記TMAH溶液の温度が50℃〜100℃であることを特徴とする請求項1に記載の転位検出方法。   The dislocation detection method according to claim 1, wherein the temperature of the TMAH solution is 50 ° C. to 100 ° C. 前記TMAH溶液の濃度が5%〜50%であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の転位検出方法。   The dislocation detection method according to claim 1 or 2, wherein the concentration of the TMAH solution is 5% to 50%. 前記TMAH溶液は、TMAH水溶液であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の転位検出方法。
The dislocation detection method according to any one of claims 1 to 3, wherein the TMAH solution is a TMAH aqueous solution.
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US6294475B1 (en) * 1998-06-23 2001-09-25 Trustees Of Boston University Crystallographic wet chemical etching of III-nitride material

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