JP2008053703A - AlN LAYER AND AlGaN LAYER, AND MANUFACTURING METHOD OF THEM - Google Patents

AlN LAYER AND AlGaN LAYER, AND MANUFACTURING METHOD OF THEM Download PDF

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Hiroshi Fujioka
洋 藤岡
Atsushi Kobayashi
篤 小林
Hideyoshi Horie
秀善 堀江
Hidetaka Amauchi
英隆 天内
Satoru Nagao
哲 長尾
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Kanagawa Academy of Science and Technology
Mitsubishi Chemical Corp
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Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high quality AlN crystal layer, and a high quality Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N crystal layer of large composition ratio of Al, both formed on a ZnO substrate. <P>SOLUTION: An Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N layer, where x satisfies 0.6≤x≤1.0, is grown on the ZnO substrate. In the Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N layer, a half-value total width a<SB>1</SB>depending on an angle of X-ray diffraction intensity to a growth surface satisfies 0.001°≤a<SB>1</SB>≤0.5°. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、AlGa1−xN層に関し、詳しくは発光デバイス等に使用できる結晶性のよいAlGa1−xN層に関する。 The present invention relates to Al x Ga 1-x N layer, more particularly of good crystallinity Al x Ga 1-x N layer that can be used for the light emitting device or the like.

近年、InAlGa(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表されるIII−V族窒化物半導体の研究開発が進み、これを用いた発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光デバイスの発光効率が飛躍的に改善されてきている。 In recent years, research and development of group III-V nitride semiconductors represented by In x Al y Ga (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) have advanced. The light emission efficiency of light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes has been dramatically improved.

GaNをはじめとしてInAlGa(1−x−y)Nは六方晶系に属し、主にサファイア等の基板のc面上に、エピタキシャル成長して形成されてきた。GaN層上に活性層としてInGa(1−x)N(0<x≦1)混晶からなる量子井戸層を積層した構造では、青色・緑色LEDまたは次世代DVDレーザ用の層構成として使用または有望視されている。 In x Al y Ga (1-xy) N including GaN belongs to the hexagonal system and has been formed mainly by epitaxial growth on the c-plane of a substrate such as sapphire. In a structure in which a quantum well layer made of a mixed crystal of In x Ga (1-x) N (0 <x ≦ 1) is stacked as an active layer on a GaN layer, a layer structure for a blue / green LED or a next-generation DVD laser is used. Used or promising.

III−V族窒化物半導体InAlGa(1−x−y)Nは、x、yにより格子定数、バンドギャップ等の特性が異なることから、種々のx、yについて良好な結晶性を有する薄膜成長方法が期待されている。例えば、AlNおよびAlGa1−xNでも比較的大きなxを有するAlGaN系化合物半導体層は、そのバンドギャップの大きさから超短波紫外発光素子材料として有用性が期待されており、他の系と同様に良質の結晶薄膜が求められていた。 Group III-V nitride semiconductor In x Al y Ga (1-xy) N has different crystal characteristics such as lattice constant and band gap depending on x and y. A thin film growth method is expected. For example, AlGaN-based compound semiconductor layers having a relatively large x even in AlN and Al x Ga 1-x N are expected to be useful as materials for ultrashort-wave ultraviolet light-emitting devices due to the size of their band gaps. Similarly, a high quality crystal thin film has been demanded.

また、最近、サファイアに代わって、GaN窒化物に格子定数が近く、GaN基板よりも安価で大口径の基板が作製されているZnO基板上へのIII−V族窒化物層の成長が試みられている。ZnO基板は、高温でIII−V族窒化物と容易に反応してしまうために、成長温度を低下できる成長方法としてパルスレーザ堆積法(PLD法:pulsed laser deposition)が提案されている。例えば、特許文献1(国際公開WO2005/006420号公報)には、ZnO基板上に、PLD法によりGaNまたはInGa1−xN(0≦x≦0.4)を成長したことが記載されている。しかし、AlGaN系化合物半導体層の成長に関する記載は全くない。また、非特許文献1(第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集(2005年秋)7a−X−14)には、III族の原料のターゲットとしてAl0.26Ga0.74合金を用いてPLD法によりZnO上にAlGaNを室温エピタキシャル成長させたことが報告されている。しかし、実際に成長される膜では、ターゲットに使用したAl0.26Ga0.74合金中のAl組成比より大きくなることはないので、非特許文献1で成長したAlGaN系薄膜のAl組成は小さいものでしかなかった。 Recently, instead of sapphire, an attempt has been made to grow a group III-V nitride layer on a ZnO substrate on which a GaN nitride has a lattice constant close to that of a GaN substrate and is manufactured at a lower cost and a larger diameter. ing. Since a ZnO substrate easily reacts with a III-V nitride at a high temperature, a pulsed laser deposition (PLD method) has been proposed as a growth method capable of lowering the growth temperature. For example, Patent Document 1 (International Publication WO2005 / 006420) describes that GaN or In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.4) was grown on a ZnO substrate by a PLD method. ing. However, there is no description about the growth of the AlGaN compound semiconductor layer. Non-Patent Document 1 (Proceedings of the 66th JSAP Academic Lecture Meeting (Autumn 2005) 7a-X-14) uses Al 0.26 Ga 0.74 alloy as a group III target. It has been reported that AlGaN is epitaxially grown on ZnO at room temperature by the PLD method. However, since the film actually grown does not become larger than the Al composition ratio in the Al 0.26 Ga 0.74 alloy used for the target, the Al composition of the AlGaN-based thin film grown in Non-Patent Document 1 is It was only a small one.

従来、Al組成比が高くなるほどZnOとの格子定数差が大きくなることに加え、Alは蒸気圧が低く、またマイグレーション性が小さいために、良質のAlN層およびAl組成比の大きな(即ち、大きなxを有する)AlGa1−xN層をZnO基板上に形成することが困難であると考えられていた。
国際公開WO2005/006420号公報 第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集(2005年秋)7a−X−14
Conventionally, the higher the Al composition ratio, the larger the lattice constant difference from ZnO. In addition, Al has a low vapor pressure and a low migration property, so a good quality AlN layer and a large Al composition ratio (that is, a large It was considered difficult to form an Al x Ga 1-x N layer (with x ) on the ZnO substrate.
International Publication WO2005 / 006420 Proceedings of the 66th JSAP Academic Lecture Meeting (Autumn 2005) 7a-X-14

以上のように、従来ZnO基板上に、AlNおよびAl組成比の大きなAlGa1−xNの良質な結晶層が形成された報告はなく、結晶成長のために適した方法も知られていなかった。 As described above, there has been no report that a high-quality crystal layer of Al x Ga 1-x N having a large AlN and Al composition ratio has been formed on a conventional ZnO substrate, and a method suitable for crystal growth is also known. There wasn't.

本発明は、ZnO基板上に形成された、AlNおよびAl組成比の大きなAlGa1−xNの高品質の結晶層を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a high-quality crystal layer of Al x Ga 1-x N having a large Al composition ratio and AlN formed on a ZnO substrate.

さらに本発明は、高品質の結晶性を有するAlNおよびAl組成比の大きなAlGa1−xN層の製造方法を提供することを目的とする。 A further object of the present invention is to provide a method for producing AlN having high quality crystallinity and an Al x Ga 1-x N layer having a large Al composition ratio.

本発明は、以下に事項に関する。   The present invention relates to the following items.

1. ZnO基板上に成長したAlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)であって、
成長面に対する、X線回折強度の角度依存性の半値全幅aが、
0.001°≦a≦0.5°を満足することを特徴とするAlGa1−xN層。
1. An Al x Ga 1-x N layer (where x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0) grown on a ZnO substrate,
The full width at half maximum a 1 of the angle dependency of the X-ray diffraction intensity with respect to the growth surface is
An Al x Ga 1-x N layer satisfying 0.001 ° ≦ a 1 ≦ 0.5 °.

2. 500℃未満の成長温度で形成されたことを特徴とする上記1記載のAlGa1−xN層。 2. 2. The Al x Ga 1-x N layer according to 1 above, which is formed at a growth temperature of less than 500 ° C.

3. 前記ZnO基板の面方位が、低指数面であることを特徴とする上記1または上記2記載のAlGa1−xN層。 3. 3. The Al x Ga 1-x N layer according to 1 or 2 above, wherein the surface orientation of the ZnO substrate is a low index surface.

4. 前記ZnO基板の面方位が、{0001}面、{1−100}面、{11−20}面のいずれかであることを特徴とする上記1または2記載のAlGa1−xN層。 4). 3. The Al x Ga 1-x N layer according to 1 or 2 above, wherein the plane orientation of the ZnO substrate is any one of {0001} plane, {1-100} plane, and {11-20} plane. .

5. 上記1〜4のいずれかに記載のAlGa1−xN層と、この層の上に形成されたその他の層を有することを特徴とする積層構造。 5. 5. A laminated structure comprising the Al x Ga 1-x N layer according to any one of 1 to 4 above and another layer formed on the layer.

6. ZnO基板上に、AlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)を形成する方法であって、
(a)ZnO基板を用意する工程、および
(b)成長面に、Al元素、またはAl元素およびGa元素を間欠的に供給すると共に、N元素を供給し、500℃未満の成長温度で、前記ZnO基板表面にAlGa1−xN結晶を成長させる工程
を有することを特徴とするAlGa1−xN層の製造方法。
6). A method of forming an Al x Ga 1-x N layer (where x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0) on a ZnO substrate,
(A) a step of preparing a ZnO substrate; and (b) an Al element, or an Al element and a Ga element are intermittently supplied to the growth surface, an N element is supplied, and the growth temperature is less than 500 ° C. A method for producing an Al x Ga 1-x N layer, comprising a step of growing an Al x Ga 1-x N crystal on a ZnO substrate surface.

7. 前記工程(b)において、Al元素を含むターゲット(x=1のとき)またはAl元素およびGa元素を含むターゲット(x≠1のとき)を間欠的に励起して成長することを特徴とする上記6記載のAlGa1−xN層の製造方法。 7). In the step (b), growth is performed by intermittently exciting a target containing Al element (when x = 1) or a target containing Al element and Ga element (when x ≠ 1). 6. The method for producing an Al x Ga 1-x N layer according to 6.

8. 前記AlGa1−xN結晶の成長中に前記ターゲットの組成の変化が実質的にないことを特徴とする上記7記載の方法。 8). 8. The method according to claim 7, wherein there is substantially no change in the composition of the target during the growth of the Al x Ga 1-x N crystal.

9. Al組成x=1のとき、前記ターゲットとしてAlNが用いられ、
Al組成x≠1のとき、前記ターゲットとしてAlNとGaNの混合物またはAlNとGaNの混晶物が用いられるか、またはAlNとGaNがそれぞれ別個のターゲットとして用いられることを特徴とする上記7または8記載の方法。
9. When Al composition x = 1, AlN is used as the target,
7 or 8 above, wherein when Al composition x ≠ 1, a mixture of AlN and GaN or a mixed crystal of AlN and GaN is used as the target, or AlN and GaN are used as separate targets, respectively. The method described.

10. 前記ターゲットが焼結体、または混晶結晶の形態で提供されることを特徴とする上記9記載の方法。   10. 10. The method according to 9 above, wherein the target is provided in the form of a sintered body or mixed crystal.

11. Al組成x=1のとき、前記ターゲットとしてAl金属が用いられ、
Al組成x≠1のとき、Al金属とGa金属が、それぞれ別個のターゲットとして用いられることを特徴とする上記7または8記載の方法。
11. When Al composition x = 1, Al metal is used as the target,
9. The method according to 7 or 8 above, wherein when the Al composition x ≠ 1, Al metal and Ga metal are used as separate targets.

12. 前記ターゲットの励起が、間欠的に照射されるレーザ光により行われ、レーザ光の照射休止期間が0.001秒〜10秒の間であることを特徴とする上記7〜11のいずれかに記載の方法。   12 The excitation of the target is performed by laser light irradiated intermittently, and the irradiation stop period of the laser light is between 0.001 second and 10 seconds, the method of.

13. 成長温度が、20℃〜320℃の範囲であることを特徴とする上記6〜12のいずれかに記載の方法。   13. The method according to any one of 6 to 12, wherein the growth temperature is in the range of 20 ° C to 320 ° C.

14. 上記6〜13のいずれかに記載の方法で成長されたことを特徴とする、AlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)。 14 The Al x Ga 1-x N layer (provided that x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0), which is grown by the method described in any one of 6 to 13 above. ).

15. 上記14に記載のAlGa1−xN層と、この層の上に形成されたその他の層を有することを特徴とする積層構造。 15. 15. A laminated structure comprising the Al x Ga 1-x N layer described in 14 above and other layers formed on this layer.

本発明によれば、ZnO基板上に形成された、AlNおよびAl組成比の大きな(xの大きな)AlGa1−xNの高品質の結晶層を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high quality crystal layer of AlxGa1 -xN with a large AlN and Al composition ratio (large x ) formed on the ZnO substrate can be provided.

また、本発明によれば、高品質の結晶性を有するAlN層およびAl組成比の大きな(xの大きな)AlGa1−xN層の製造方法を提供することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing an AlN layer having high quality crystallinity and an Al x Ga 1-x N layer having a large Al composition ratio (large x ).

本発明者の検討では、高品質の結晶層を形成するためには、低温で成長が可能なPLD法を採用することに加えて、成長工程全体において成長層のAl組成が高組成、かつ均一に成長できるターゲットを用いることも重要であり、本発明によれば、所望の組成比を有する混晶層を安定して成長することもできる。   According to the inventor's study, in order to form a high-quality crystal layer, in addition to adopting a PLD method capable of growing at a low temperature, the Al composition of the growth layer is high and uniform throughout the growth process. It is also important to use a target that can be grown rapidly. According to the present invention, a mixed crystal layer having a desired composition ratio can be stably grown.

(面方位等の記号の説明)
まず、本明細書で使用する結晶の面方位および軸方向の表現方法について説明する。結晶の面方位や軸方向はミラー指数により記述される。六方晶系では、3つの指数を用いる表記法もあるが、ここでは一般的に用いられている4つの指数を用いる表記法を採用する。図1を用いて六方晶系のミラー指数について説明する。正六角形の平面内に3つ(a,a,a方向)、c軸とよばれる平面に垂直な方向に1つ(c方向)の指数で表される。a軸、a軸、a軸は互いに120°をなし長さが等しい。これらに直交するc軸はa軸群とは長さが等しくない。a軸、a軸、a軸のうち2つの軸だけで完全に正六角形の平面内の方位は指定できるが、対称性を保つためにもうひとつの軸を導入している。そのためこれらは互いに独立ではない。ひとつの平行面群は(ijkl(エル))と表記され、これは原点から数えて1枚目の面がa軸、a軸、a軸、c軸を切る点の原点からの距離がそれぞれa/i、a/j、a/k、c/l(エル)であることを表す。a、a、a軸は正六角形平面内に含まれる冗長な座標系であるから、i、j、kは互いに独立ではなく常にi+j+k=0が成り立つ。4つの指数のうちi、j、kについては回転対称性があるが、l(エル)は独立である。
(Explanation of symbols such as surface orientation)
First, a method of expressing the crystal plane orientation and the axial direction used in this specification will be described. The crystal plane orientation and axial direction are described by the Miller index. In the hexagonal system, there is a notation method using three exponents, but here, a notation method using four commonly used indexes is adopted. The hexagonal Miller index will be described with reference to FIG. Three (a 1 , a 2 , a 3 directions) in the regular hexagonal plane, and one (c direction) index in a direction perpendicular to the plane called the c-axis. The a 1 axis, the a 2 axis, and the a 3 axis are 120 ° from each other and have the same length. The c-axis orthogonal to these is not equal in length to the a-axis group. The orientation in a completely regular hexagonal plane can be specified by only two of the a 1 axis, the a 2 axis, and the a 3 axis, but another axis is introduced to maintain symmetry. So they are not independent of each other. One parallel plane group is represented as (ijkl (El)), which is the distance from the origin point to cut the first sheet surface counted from the origin a 1 axis, a 2 axis, a 3-axis, the c-axis Are a 1 / i, a 2 / j, a 3 / k, and c / l (el), respectively. Since the a 1 , a 2 , and a 3 axes are redundant coordinate systems included in the regular hexagonal plane, i, j, and k are not independent of each other and i + j + k = 0 always holds. Of the four indices, i, j, and k have rotational symmetry, but l (el) is independent.

本明細書において、面方位および結晶方位は、結晶学における一般的な表記方法に従って次のように表記する。   In this specification, the plane orientation and the crystal orientation are expressed as follows in accordance with a general notation method in crystallography.

個別の面方位は丸い括弧( )で表現し、等価な面方位の集合を表すには波括弧{ }を用いる。等価な面方位というのは、その結晶系が許すすべての対称操作によって到達しうる面方位をいう。たとえば{1−100}は、(1−100)と等価なすべての面を集合的に表す表現であり、(1−100)をc軸を回転軸とした回転操作により到達する(10−10)、(01−10)、(−1100)、(−1010)、(0−110)を含む計6つの面を表現し、{0001}は、(0001)および(000−1)の2つの面を表現する。   Individual plane orientations are represented by round brackets (), and curly brackets {} are used to represent a set of equivalent plane orientations. Equivalent plane orientation refers to the plane orientation that can be reached by all symmetry operations that the crystal system allows. For example, {1-100} is an expression that collectively represents all planes equivalent to (1-100), and (1-100) is reached by a rotation operation with the c-axis as a rotation axis (10-10). ), (01-10), (−1100), (−1010), (0-110), and a total of 6 planes, {0001} is expressed as two (0001) and (000-1) Express the face.

結晶方位(結晶軸)は、それに垂直な面の指数と同じ指数の組により表現される。個別の結晶方位は角括弧[ ]で表され、等価な方位の集合は鍵括弧< >を用いる。   The crystal orientation (crystal axis) is expressed by a set of indices that are the same as the indices of the planes perpendicular to it. Individual crystal orientations are represented by square brackets [], and a set of equivalent orientations uses key brackets <>.

また、一般に使用されるように、{0001}をc面と称することもあり、<0001>をc軸と称することもある。六方晶系の代表的な面方位は、c面(0001)、a面(11−20)、m面(1−100)、r面(10−12)のように表される。   Further, as generally used, {0001} may be referred to as a c-plane, and <0001> may be referred to as a c-axis. Typical plane orientations of the hexagonal system are expressed as c-plane (0001), a-plane (11-20), m-plane (1-100), r-plane (10-12).

(低指数面の説明)
本明細書では特に、面方位を{ijkl(エル)}と表記した場合に、|i|+|j|≦2かつ、|l(エル)|≦2を満たす面方位({0000}は除く)を低指数面と表記する。
(Explanation of low index surface)
In the present specification, in particular, when the plane orientation is expressed as {ijkl}, the plane orientation satisfying | i | + | j | ≦ 2 and | l (el) | ≦ 2 is excluded ({0000}). ) Is expressed as a low index surface.

(X線回折の説明)
格子不整合のあるヘテロエピタキシャル成長により成長した窒化物結晶はモザイク性をもち、互いにわずかに結晶方位の異なるカラム状結晶粒が集合して膜を形成している。このモザイク性は原子レベルで観察される転位や点欠陥などの結晶欠陥の反映である。内部に転位の少ないカラム状結晶粒が、結晶粒界を介して結合しており、粒界には転位が存在する。一方モザイク性を巨視的に評価する手法としてX線回折法が広く使用されている。モザイク性をもつ結晶は、結晶中に少しずつ面方位の異なる領域が存在する。このような結晶は逆格子空間では、逆格子点が原点を中心とした球面方向に広がりをもつことになる。したがってX線回折によりこの球面方向の広がりを測定すれば、面方位の揺らぎの程度を評価することができる。
(Explanation of X-ray diffraction)
Nitride crystals grown by heteroepitaxial growth with lattice mismatch have a mosaic property, and columnar crystal grains having slightly different crystal orientations gather to form a film. This mosaicism is a reflection of crystal defects such as dislocations and point defects observed at the atomic level. Columnar crystal grains with few dislocations are bonded to each other through a grain boundary, and dislocations exist at the grain boundary. On the other hand, the X-ray diffraction method is widely used as a technique for macroscopically evaluating the mosaic property. A crystal having a mosaic property includes regions having slightly different plane orientations in the crystal. In such a reciprocal space, such a crystal has a reciprocal lattice point spreading in a spherical direction centered on the origin. Therefore, if the extent of this spherical direction is measured by X-ray diffraction, the degree of fluctuation of the plane orientation can be evaluated.

そのためには、入射X線と検出器の角度(2θ)を回折ピーク位置に固定して、試料結晶と入射X線の角度(ω)を回折条件付近でスキャンする。こうすることで、図2に示すように、逆格子空間で原点を中心とした球面状の逆格子点の広がりを、回折強度の分布として評価することができる。このような測定は、X線ロッキングカーブ(XRC)あるいは、ωモード(スキャン)測定とよばれ、測定された回折ピークの幅が面方位の揺らぎの程度を反映し、定量的な指標として半値全幅(半値幅)を用いる。こうして測定された半値全幅は、その値が小さい程試料結晶が高品質で結晶学的に優れた結晶であることを示す。   For this purpose, the angle (2θ) between the incident X-ray and the detector is fixed at the diffraction peak position, and the angle (ω) between the sample crystal and the incident X-ray is scanned near the diffraction condition. In this way, as shown in FIG. 2, the spread of spherical reciprocal lattice points centered at the origin in the reciprocal lattice space can be evaluated as the distribution of diffraction intensity. Such measurement is called X-ray rocking curve (XRC) or ω mode (scan) measurement. The width of the measured diffraction peak reflects the degree of fluctuation of the plane orientation, and the full width at half maximum as a quantitative index. (Half width at half maximum) is used. The full width at half maximum measured in this way indicates that the smaller the value, the higher the quality of the sample crystal and the crystallographically superior crystal.

薄膜結晶のモザイク性は、成長方向との関わりで、チルトとよばれる結晶軸の成長方向の揺らぎと、ツイストとよばれる結晶成長方向を軸とした結晶の回転に分けられる。回折面と結晶の回転軸を適切に選ぶことにより、X線ロッキングカーブ測定でチルトとツイストを分離することが可能である。結晶構造または格子定数の異なる基板に窒化物層を形成するとき、必ずしもチルトとツイストの大きさは同程度の大きさとはならない。基板の種類や窒化物層の成長方法や成長条件によっては、チルトの大きさは極めて小さいが、ツイストの大きさは極めて大きい場合もある。このような窒化物層の発光特性や電気的特性は著しく悪く、このような窒化物層を利用して実用的な発光デバイスを作製することは困難である。窒化物層を発光デバイスに利用する場合、チルトとツイストのそれぞれが小さいことが望ましい。   The mosaic property of a thin film crystal is related to the growth direction and can be divided into fluctuation of the crystal axis growth direction called tilt and rotation of the crystal about the crystal growth direction called twist. By appropriately selecting the diffractive surface and the rotation axis of the crystal, it is possible to separate tilt and twist in X-ray rocking curve measurement. When a nitride layer is formed on substrates having different crystal structures or lattice constants, the tilt and the twist are not necessarily the same size. Depending on the type of substrate, the growth method and growth conditions of the nitride layer, the magnitude of the tilt is extremely small, but the magnitude of the twist may be extremely large. Such a nitride layer has remarkably poor light emission characteristics and electrical characteristics, and it is difficult to produce a practical light-emitting device using such a nitride layer. When the nitride layer is used for a light emitting device, it is desirable that each of the tilt and the twist is small.

(本明細書で定義するaおよびbの説明)
は、成長面を回折面としてX線ロッキングカーブ測定をした場合の、成長面に対するX線回折強度の角度依存性の半値全幅を表す。これはチルトを定量的に表現している。
(Explanation of a 1 and b 1 as defined herein)
a 1 represents the full width at half maximum of the angle dependence of the X-ray diffraction intensity with respect to the growth surface when X-ray rocking curve measurement is performed with the growth surface as the diffraction surface. This expresses the tilt quantitatively.

は、成長面方位に対して垂直となる結晶面を回折面とし、かつ成長方向を結晶の回転軸としてX線ロッキングカーブを測定した場合の、成長面に対して垂直となる結晶面におけるX線回折強度の、成長面と平行な方向から入射するX線に対する角度依存性の半値全幅を表す。得られる角度依存性の半値全幅bは、結晶のモザイク性のうち、結晶成長方向を回転軸とするツイストを定量的に表現している。 b 1 is the crystal plane perpendicular to the growth plane when the X-ray rocking curve is measured with the crystal plane perpendicular to the growth plane orientation as the diffraction plane and the growth direction as the rotation axis of the crystal. This represents the full width at half maximum of the angle dependency of X-ray diffraction intensity with respect to X-rays incident from a direction parallel to the growth surface. The obtained full width at half maximum b 1 of the angle dependency quantitatively represents a twist with the crystal growth direction as the rotation axis in the crystal mosaic property.

(本発明の実施形態の説明)
本発明は、前述のとおり、ZnO基板上に成長したAlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)である。
(Description of Embodiment of the Present Invention)
As described above, the present invention is an Al x Ga 1-x N layer grown on a ZnO substrate (where x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0).

ZnO基板上に結晶成長したときには、基板の結晶情報を引き継ぎ、基板と同じ面方位を成長面とする結晶層が容易に形成される。基板の結晶情報をより正確に引き継ぐためには、面内のダングリングボンドが密であること望ましく、ZnO基板は名目上の主面を低指数面とすることが好ましい。またGaN系窒化物はc軸方向に配向し易いため、結晶性の優れた結晶層を成長するためには、c面を名目上の主面とすることがさらに好ましい。   When the crystal is grown on the ZnO substrate, the crystal information of the substrate is inherited, and a crystal layer having the same plane orientation as that of the substrate is easily formed. In order to succeed the crystal information of the substrate more accurately, it is desirable that the in-plane dangling bonds are dense, and it is preferable that the nominal main surface of the ZnO substrate has a low index surface. In addition, since GaN-based nitrides are easily oriented in the c-axis direction, it is more preferable to use the c-plane as a nominal main surface in order to grow a crystal layer having excellent crystallinity.

一方、無極性面、及び半極性面では、極性面で発生する自発分極とInGaN量子井戸の歪電界による発光効率の低下を回避できることが良く知られており、高効率の発光素子を作製するためには、低指数面の内、無極性面及び半極性面をZnO基板の名目上の主面とすることがさらに好ましい。   On the other hand, it is well known that non-polar and semipolar planes can avoid a decrease in light emission efficiency due to the spontaneous polarization occurring in the polar face and the strained electric field of the InGaN quantum well. More preferably, of the low index planes, the nonpolar plane and the semipolar plane are the nominal main plane of the ZnO substrate.

名目上の主面とは、目的とする面方位に対して必ずしも完全に垂直でない場合を含む面であり、主面に対して垂直な軸は、目的とする面方位からのずれがあってもよい。そのずれの範囲は15°までが許容される。   The nominal main surface is a surface including the case where it is not necessarily completely perpendicular to the target surface orientation, and the axis perpendicular to the main surface is not deviated from the target surface orientation. Good. The range of the deviation is allowed up to 15 °.

このZnO基板上に成長したAlGa1−xN層は、成長面に対するX線回折強度の角度依存性の半値全幅aが、
(式1) 0.001°≦a≦0.5°を満足する。
The Al x Ga 1-x N layer grown on this ZnO substrate has a full width at half maximum a 1 of the angle dependence of the X-ray diffraction intensity with respect to the growth surface,
(Formula 1) It satisfies 0.001 ° ≦ a 1 ≦ 0.5 °.

上述のとおり、aは、成長面における結晶のモザイク性のチルト成分を表しており、式1は、結晶のモザイク性が極めて小さく、高品質な結晶であることを示している。 As described above, a 1 represents the tilt component of the mosaic property of the crystal on the growth surface, and Equation 1 indicates that the crystal has a very small mosaic property and is a high-quality crystal.

好ましくは、半値全幅aは、さらに
(式2) 0.001°≦a≦0.2°
さらに好ましくは0.001°≦a≦0.1°
を満足する。
Preferably, the full width at half maximum a 1 is further expressed by (Expression 2) 0.001 ° ≦ a 1 ≦ 0.2 °.
More preferably 0.001 ° ≦ a 1 ≦ 0.1 °
Satisfied.

また、結晶のモザイク性のツイスト成分に関して、好ましくは、
0.01≦b≦3.0
を満たし、より好ましくは
0.01≦b≦2.0 を満たす。
In addition, with respect to the crystal mosaic twist component, preferably,
0.01 ≦ b 1 ≦ 3.0
More preferably 0.01 ≦ b 1 ≦ 2.0.

本発明のAlGa1−xN層のAl組成を示すxは、
0.6≦x≦1.0
を満たし、好ましくは、
0.8≦x≦1.0
を満たす。
X indicating the Al composition of the Al x Ga 1-x N layer of the present invention is:
0.6 ≦ x ≦ 1.0
And preferably
0.8 ≦ x ≦ 1.0
Meet.

好ましい1態様は、x=1.0、即ち、組成がAlNの場合である。   One preferred embodiment is when x = 1.0, that is, when the composition is AlN.

AlGa1−xN層の厚さは、好ましくは5nm以上10000nm以下、より好ましくは5nm以上500nm以下、さらに好ましくは10nm以上300nm以下である。一般に異種基板上の窒化物結晶は、成長膜厚を増加させるほど貫通転位密度が減少し、X線ロッキングカーブの半値全幅が狭い良質な結晶が得られる。この現象のメカニズムは必ずしも明らかではないが、貫通転位の方向が膜厚とともに変化し、転位間の相互作用による消滅や転位ループの形成、転位の一部が結晶の端に到達することによるものと考えられている。しかしながら転位密度を減少させるために成長膜厚を増加させることは、材料コストがかかり製造のスループットも制約を受けるという問題がある。 The thickness of the Al x Ga 1-x N layer is preferably 5 nm to 10,000 nm, more preferably 5 nm to 500 nm, and still more preferably 10 nm to 300 nm. In general, a nitride crystal on a different substrate has a threading dislocation density that decreases as the growth film thickness increases, and a high-quality crystal having a narrow full width at half maximum of an X-ray rocking curve can be obtained. The mechanism of this phenomenon is not necessarily clear, but the direction of threading dislocations changes with the film thickness, which is due to the disappearance of dislocations, the formation of dislocation loops, and the arrival of some of the dislocations at the ends of the crystal. It is considered. However, increasing the growth film thickness in order to reduce the dislocation density has a problem that the material cost increases and the manufacturing throughput is limited.

本発明のAlGa1−xN層は、300nm以下の極めて薄い結晶膜であっても、X線ロッキングカーブの半値全幅の狭い高品質な窒化物結晶となっている。これは成長開始面(基板との界面)から極めて高い結晶性を有していることを意味する。従来の異種基板上に成長した窒化物層では、厚膜の場合では仮に良好な結晶性を示したとしても、成長開始面から例えば50nm(100nmでもよい)までの範囲の結晶性を見たとき、結晶性の良好なものはなかった。これに対して、本発明では、成長開始面から例えば50nm(この基準距離は、30nmまたは100nm等でもよく、基準距離より薄いときはその膜厚まで)の範囲の結晶性をみても、本発明で規定されるaの条件を満たす。 The Al x Ga 1-x N layer of the present invention is a high-quality nitride crystal having a narrow full width at half maximum of the X-ray rocking curve even if it is an extremely thin crystal film of 300 nm or less. This means that it has extremely high crystallinity from the growth start surface (interface with the substrate). When a nitride layer grown on a conventional heterogeneous substrate shows good crystallinity in the case of a thick film, the crystallinity in the range from the growth start surface to, for example, 50 nm (or 100 nm) may be observed. None of them had good crystallinity. On the other hand, in the present invention, even if the crystallinity in the range of, for example, 50 nm from the growth start surface (this reference distance may be 30 nm or 100 nm, etc., and is thinner than the reference distance, the film thickness) is considered. in it defined as satisfying the a 1.

本発明において、AlGa1−xN層は、500℃未満の成長温度で形成され、基板上に直接成長が開始されたのもである。成長温度は、好ましくは450℃以下、より好ましくは320℃以下である。また、実際のプロセスごとに許容される実用的な成長速度を勘案して、成長温度を決めることができるが、例えば0℃以上、好ましくは10℃以上、より好ましくは室温(20℃〜30℃)以上の温度が選ばれる。通常好ましい成長温度は、室温〜320℃の範囲であり、特に室温〜100℃の範囲が好ましい。 In the present invention, the Al x Ga 1-x N layer was formed at a growth temperature of less than 500 ° C., and the growth was started directly on the substrate. The growth temperature is preferably 450 ° C. or lower, more preferably 320 ° C. or lower. The growth temperature can be determined in consideration of the practical growth rate allowed for each actual process. For example, the growth temperature is 0 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher, more preferably room temperature (20 ° C. to 30 ° C. ) The above temperature is selected. Usually, the preferred growth temperature is in the range of room temperature to 320 ° C, and particularly preferably in the range of room temperature to 100 ° C.

また、AlGa1−xN層にさらにその他の層を積層して積層構造とすることができる。この「その他の層」は、基板上に成長させた本発明のAlGa1−xN層と同一の組成の層(以下、第2のAlGa1−xN層という)であってもよく、その場合には、本発明のAlGa1−xN層を比較的薄く形成することも好ましい。例えば、200nm以下とすることができる。第2のAlGa1−xN層は、基板に直接成長された層の成長温度より高温の成長温度で成長されることが好ましく、例えば400℃〜1300℃の成長温度で形成される。 Further, another layer can be further stacked on the Al x Ga 1-x N layer to form a stacked structure. This “other layer” is a layer having the same composition as the Al x Ga 1-x N layer of the present invention grown on the substrate (hereinafter referred to as a second Al x Ga 1-x N layer). In that case, it is also preferable to form the Al x Ga 1-x N layer of the present invention relatively thin. For example, it can be 200 nm or less. The second Al x Ga 1-x N layer is preferably grown at a growth temperature higher than the growth temperature of the layer directly grown on the substrate, and is formed at a growth temperature of 400 ° C. to 1300 ° C., for example.

「その他の層」としては、上記の層に加え、どのようなものであってもよく、材質としては、絶縁物を有しても、半導体部分を有しても、金属部分を有してもよい。形成方法は、ハイドライド気相成長(VPE)法、有機金属気相成長(MOVPE)法、プラズマ化学気相堆積(CVD)法、熱CVD法、分子線エピタキシー(MBE)法、スパッタ法、蒸着法等の広く知られている成膜方法、そしてPLD法のいずれでもよい。形成される構造は、単層でも多層構造でもよく、また、いわゆる電子デバイスや発光デバイス等のデバイス構造となっていてもかまわない。   The “other layer” may be any layer in addition to the above layers, and the material may include an insulator, a semiconductor portion, or a metal portion. Also good. The forming method is hydride vapor phase epitaxy (VPE) method, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, plasma chemical vapor deposition (CVD) method, thermal CVD method, molecular beam epitaxy (MBE) method, sputtering method, vapor deposition method. Any of a widely known film forming method such as PLD method may be used. The formed structure may be a single layer or a multilayer structure, and may be a device structure such as a so-called electronic device or light-emitting device.

しかし、本発明の高品質AlGa1−xN層の機能を十分に発揮させるためには、直接に積層される層としては、本発明の層を下地として使用することで高品質化が可能な層が好ましい。特に、本発明の層に直接接している層の少なくとも一部は、格子整合する層であることが好ましい。例えば、異なる組成の、または異なる成長方法で形成されるIII−V族窒化物層が好ましく、AlN、GaN、AlGaN、AlInGaN等の結晶層が挙げられる。特に好ましくは、AlNおよびAlGaNである。その際、成長方法としては、PLD法、VPE法、CVD法、MBE法、スパッタ法、蒸着法およびこれらの2つ以上の方法の組み合わせからなる群より選ばれる成膜方法で形成されていることが好ましい。 However, in order to fully demonstrate the function of the high quality Al x Ga 1-x N layer of the present invention, the layer to be directly laminated can be improved in quality by using the layer of the present invention as a base. Possible layers are preferred. In particular, at least a part of the layer directly in contact with the layer of the present invention is preferably a lattice-matching layer. For example, a group III-V nitride layer having a different composition or formed by a different growth method is preferable, and examples thereof include crystal layers such as AlN, GaN, AlGaN, and AlInGaN. Particularly preferred are AlN and AlGaN. At this time, the growth method is formed by a film formation method selected from the group consisting of a PLD method, a VPE method, a CVD method, an MBE method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a combination of two or more of these methods. Is preferred.

尚、発明のIII−V族窒化物層と、その上に積層されているその他の層は、主要組成または目的とする組成が同一であっても、製法が異なる場合には通常は膜質が異なる。即ち、2つの層の間で、含有される不純物量が異なっていたり、または2つの層の界面の不純物プロファイルから界面が確認できたりするので、通常は2つの異なる層として区別して認識できる。例えば、発明のAlGa1−xN層がPLD法により成長され、その他の層が、通常のMOVPE法等で成長されるとすると、混入する不純物(例えば水素、炭素、酸素)のレベルが異なるため、本発明の層と「その他の層」との区別が可能である。 It should be noted that the III-V nitride layer of the invention and the other layers laminated thereon are usually different in film quality when the manufacturing method is different even if the main composition or the target composition is the same. . That is, the amount of impurities contained between the two layers is different, or the interface can be confirmed from the impurity profile of the interface between the two layers, so that the two layers can usually be distinguished and recognized. For example, if the Al x Ga 1-x N layer of the invention is grown by the PLD method and the other layers are grown by a normal MOVPE method or the like, the level of impurities (for example, hydrogen, carbon, oxygen) to be mixed is Since they are different, it is possible to distinguish the layer of the present invention from the “other layers”.

以上説明した本発明のAlGa1−xN層および積層構造は、種々の応用が可能であり、その上にデバイス構造を形成するために提供される基板としての形態、その上にデバイス構造が形成されたデバイスの一部としての形態、その層の一部にデバイス構造の少なくとも1部が形成されたデバイスの一部としての形態、およびその他の形態をとることができる。また、層成長の際に使用されたZnO等の基板は、そのまま存在してもよいし、層成長後の適当な段階で除去されていてもよい。即ち、本発明のAlGa1−xN層を備えた最終製品または中間製品が、成長の際に使用した基板を有していても、有していなくてもどちらでもよい。 The Al x Ga 1-x N layer and the laminated structure of the present invention described above can be used in various applications, and are provided as a substrate provided for forming a device structure thereon, and a device structure thereon. As a part of the device in which the device is formed, as a part of the device in which at least a part of the device structure is formed in a part of the layer, and other forms can be taken. Further, the substrate such as ZnO used for the layer growth may exist as it is, or may be removed at an appropriate stage after the layer growth. That is, the final product or intermediate product provided with the Al x Ga 1-x N layer of the present invention may or may not have the substrate used during the growth.

特に、このAlGa1−xN層上に、活性層を備えた発光デバイス構造をエピタキシャル成長させることにより、転位密度が低く高品質の結晶性を備え、高い発光効率を有する発光ダイオードや半導体レーザが実現できる。 In particular, a light emitting diode or semiconductor laser having a high dislocation density, a high quality crystallinity, and a high light emission efficiency by epitaxially growing a light emitting device structure having an active layer on the Al x Ga 1-x N layer. Can be realized.

〔製造方法〕
次に、製造方法を説明する。
〔Production method〕
Next, a manufacturing method will be described.

(基板を用意する工程)
まず、ZnO基板を用意する。基板面方位はすでに説明したとおりである。基板として十分に平坦化された基板を用意するか、製造工程の一部として基板を平坦化することが好ましい。平坦化は、CMP(化学機械研磨)で行われるが、さらに800℃〜1600℃の高温でアニールすることも好ましい。具体的には、研磨されたZnO基板を800℃以上の温度に制御された高温度オーブン内において、ZnOの焼結体で周囲を箱状に囲んで加熱処理する。この場合において、ZnO基板はZnO焼結体により包囲されていればよく、また包囲する焼結体によって、ZnO基板を全て包み込むことは必須ではない。また、例えばZnO焼結体からなる坩堝を作成してそのなかにZnO基板を設置するようにしてもよい。ZnOを包囲する目的は、比較的蒸気圧の高いZnの逃散を抑制することであるため、ZnO焼結体以外に、Znを含む材料で包囲するようにしてもよい。Znを含む材料の例として、例えばZnO単結晶を用いてもよいし、Znの板を用いてもよい。この条件に基づいてZnO基板を加熱処理することにより、原子ステップが形成された原子層レベルで平坦ZnO基板が得られる。
(Process for preparing the substrate)
First, a ZnO substrate is prepared. The substrate surface orientation is as already described. It is preferable to prepare a sufficiently flattened substrate as the substrate or to flatten the substrate as part of the manufacturing process. The planarization is performed by CMP (Chemical Mechanical Polishing), but it is also preferable to anneal at a high temperature of 800 ° C. to 1600 ° C. Specifically, the polished ZnO substrate is heat-treated in a high temperature oven controlled to a temperature of 800 ° C. or higher and surrounded by a ZnO sintered body in a box shape. In this case, the ZnO substrate only needs to be surrounded by the ZnO sintered body, and it is not essential to enclose the entire ZnO substrate by the surrounding sintered body. Further, for example, a crucible made of a ZnO sintered body may be prepared and a ZnO substrate may be installed therein. Since the purpose of surrounding ZnO is to suppress the escape of Zn having a relatively high vapor pressure, it may be surrounded by a material containing Zn in addition to the ZnO sintered body. As an example of a material containing Zn, for example, a ZnO single crystal may be used, or a Zn plate may be used. By heat-treating the ZnO substrate based on this condition, a flat ZnO substrate can be obtained at the atomic layer level where atomic steps are formed.

(AlGa1−xN層の成長工程)
次のAlGa1−xN層の成長工程では、成長面に、III族元素を間欠的に供給し、N元素も供給し、500℃未満の成長温度で、前記ZnO基板表面にAlGa1−xN結晶を成長させる。500℃未満の温度で、基板上に成長することで、基板がZnOであっても、基板とAlGa1−xN層との界面反応が生じないので、界面反応層が形成されない。成長温度を500℃以上とした場合は、良質な結晶が得られない場合が多い。
(Al x Ga 1-x N layer growth process)
In the next growth step of the Al x Ga 1-x N layer, a group III element is intermittently supplied to the growth surface and an N element is also supplied, and the Al x is applied to the surface of the ZnO substrate at a growth temperature of less than 500 ° C. A Ga 1-x N crystal is grown. By growing on the substrate at a temperature of less than 500 ° C., even if the substrate is ZnO, the interface reaction between the substrate and the Al x Ga 1-x N layer does not occur, so the interface reaction layer is not formed. When the growth temperature is 500 ° C. or higher, good quality crystals are often not obtained.

成長温度は、さらに好ましくは450℃以下の温度であり、より好ましくは320℃以下である。また、実際のプロセスごとに許容される実用的な成長速度を勘案して、成長温度を決めることができるが、例えば0℃以上、好ましくは10℃以上、より好ましくは室温(20℃〜30℃)以上の温度が選ばれる。通常好ましい成長温度は、室温〜320℃の範囲であり、特に室温〜100℃の範囲が好ましい。   The growth temperature is more preferably 450 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or lower. The growth temperature can be determined in consideration of the practical growth rate allowed for each actual process. For example, the growth temperature is 0 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher, more preferably room temperature (20 ° C. to 30 ° C. ) The above temperature is selected. Usually, the preferred growth temperature is in the range of room temperature to 320 ° C, and particularly preferably in the range of room temperature to 100 ° C.

本発明では、原料が間欠的に基板へ供給されることにより、成長表面上に到達した原子のマイグレーションが促進され良質の結晶が成長すると推定される。   In the present invention, it is presumed that when the raw material is intermittently supplied to the substrate, the migration of atoms that have reached the growth surface is promoted and a high-quality crystal grows.

成長面において単結晶構造を保ちながら成長することが好ましく、これは、成長面のRHEED像を観察することによりモニターが可能である。従って、単結晶構造を保ちながら成長するように、成長温度、成長速度、ラジカル濃度(例えばrfプラズマを発生させる出力を調整する。)、供給サイクル(供給期間、供給休止期間の調整)等を適宜調整することが好ましい。   It is preferable to grow while maintaining a single crystal structure on the growth surface, and this can be monitored by observing the RHEED image of the growth surface. Accordingly, the growth temperature, growth rate, radical concentration (for example, the output for generating rf plasma is adjusted), supply cycle (adjustment of supply period, supply suspension period), etc. are appropriately selected so that the single crystal structure is maintained. It is preferable to adjust.

成長速度が速すぎる場合には、基板表面に到達した原子が十分にマイグレーションできない。特に低温成長の場合は、基板温度の熱エネルギーによってマイグレーションのための運動エネルギーを補うことができないため結晶品質が低下する。従って、成長速度としては、例えば300nm/時間未満が好ましい。さらに好ましくは、200nm/時間以下であり、最も好ましくは160nm/時間以下である。また、成長速度が遅すぎる場合には、不純物取り込みが多くなり、特に低温成長の場合は高温成長に比べて成長室中の不純物が吸着しやすいため、結晶品質が低下する。従って、成長速度は、例えば10nm/時間より大きいことが好ましく、さらに好ましくは30nm/時間以上である。   If the growth rate is too high, atoms that have reached the substrate surface cannot migrate sufficiently. In particular, in the case of low-temperature growth, the kinetic energy for migration cannot be supplemented by the thermal energy of the substrate temperature, so that the crystal quality is degraded. Accordingly, the growth rate is preferably less than 300 nm / hour, for example. More preferably, it is 200 nm / hour or less, and most preferably 160 nm / hour or less. Further, when the growth rate is too slow, the amount of impurities taken up increases, and particularly in the case of low-temperature growth, impurities in the growth chamber are more easily adsorbed than in high-temperature growth, so that the crystal quality is lowered. Accordingly, the growth rate is preferably greater than 10 nm / hour, for example, and more preferably 30 nm / hour or more.

III族元素を間欠的に供給する際の周期に関する条件としては、供給と供給の間の休止期間が短すぎる場合には、基板表面到達した原子が十分にマイグレーションできないため結晶品質が低下する。また休止期間が長すぎる場合には、成長速度が低下するともに、長時間の成長中断が発生するため、成長膜中の不純物取り込みが多くなり結晶品質が低下する。従って、供給を休止している期間が0.001秒から10秒の範囲が好ましく、さらに0.005秒から1秒の範囲が好ましく、特に0.01秒〜0.5秒の範囲が好ましく、0.02秒〜0.1秒の範囲が最も好ましい。また、供給期間としては、上記の成長速度の範囲内となるように、例えば1×10−13秒〜10秒の範囲から適宜選ばれる。 As a condition regarding the period when the group III element is intermittently supplied, when the rest period between the supply and the supply is too short, atoms reaching the substrate surface cannot sufficiently migrate and the crystal quality is deteriorated. On the other hand, if the pause period is too long, the growth rate is lowered and the growth is interrupted for a long time, so that the amount of impurities incorporated in the growth film increases and the crystal quality is lowered. Accordingly, the period during which the supply is stopped is preferably in the range of 0.001 second to 10 seconds, more preferably in the range of 0.005 seconds to 1 second, and particularly preferably in the range of 0.01 seconds to 0.5 seconds. A range of 0.02 seconds to 0.1 seconds is most preferred. The supply period is appropriately selected from the range of 1 × 10 −13 seconds to 10 seconds, for example, so as to be within the above growth rate range.

III族元素を間欠的に供給するには、代表的にはターゲットに間欠的にエネルギーを与えてプラズマ状態に励起する方法が好ましい。代表的な方法としてPLD法が挙げられる。PLD法は、間欠的なパルスレーザ照射によってエネルギーを与えて、材料原子をプラズマ状態に励起し基板へ供給するため、基板が低温であっても、基板表面でマイグレーションするために必要な運動力学的エネルギーを原子が有しており、低温成長に好適である。   In order to supply the group III element intermittently, typically, a method in which energy is intermittently applied to the target and excited into a plasma state is preferable. A typical method is the PLD method. In the PLD method, energy is given by intermittent pulse laser irradiation to excite material atoms into a plasma state and supply the substrate to the substrate. Therefore, even if the substrate is at a low temperature, the kinematics required for migration on the substrate surface The atom has energy and is suitable for low temperature growth.

本発明では、特に結晶成長中に成長層のAl組成が高組成のまま変動しないようなターゲットを用いる方法が好ましい。具体的には、ターゲットとしては、III族元素の窒化物を用いることが好ましい。Al組成x=1のとき、即ちAlNを成長させるときは、ターゲットとしてAlNを用いることが好ましい。Al組成x≠1のときは、ターゲットとしてAlNとGaNを、別々のターゲットとして(マルチターゲットとして)使用することもできるが、プロセス的には混合物、あるいは混晶物で用いることが好ましい。これら窒化物は、単結晶、多結晶、焼結体等のどのような形態でもよいが、通常は焼結体の形態で使用することが簡単であり、特にAlNとGaNの混合物を用いるときは焼結体を用いるのがプロセス的に簡単で好ましい。窒化物を使用すると、混合物の形態であっても、ターゲット組成が成長の進行により変化せず、従って、成長中の結晶薄膜の組成が一定となる。また、膜中の組成の予測が可能である。   In the present invention, it is particularly preferable to use a target that does not fluctuate while the Al composition of the growth layer remains high during crystal growth. Specifically, a group III element nitride is preferably used as the target. When the Al composition x = 1, that is, when growing AlN, it is preferable to use AlN as a target. When the Al composition x ≠ 1, AlN and GaN can be used as targets (separate targets) (multi-target), but it is preferable to use a mixture or a mixed crystal in terms of process. These nitrides may be in any form such as single crystal, polycrystal, and sintered body, but are usually easy to use in the form of a sintered body, especially when a mixture of AlN and GaN is used. The use of a sintered body is preferable because of its simple process. When nitride is used, the target composition does not change with the progress of growth even in the form of a mixture, and therefore the composition of the growing crystal thin film becomes constant. In addition, the composition in the film can be predicted.

また、ターゲットとして、III族元素の金属を用いることも可能であり、Al組成x=1のとき、即ちAlNを成長させるときは、ターゲットとしてAl金属を用いることができる。Al組成x≠1のときは、Al金属とGa金属が別々のターゲット、即ちマルチターゲットとして提供されることが好ましく、AlおよびGaがそれぞれ所定のプラズマ密度が得られるように、独立して設定される条件で2つのレーザビームにより照射される。Al組成x≠1のときに、もしAl金属とGa金属の合金をターゲットに使用すると、AlとGaの蒸気圧の差により、成長する層中のAl組成は一般的に合金中のAl組成より大きく減少するため、高Al組成層を成長するためには、ターゲットのAl組成を予めかなり大きくしておく必要がある。このようなターゲットを用いた場合、初期的には所望の高組成層が成膜されるものの、ターゲットに少量しか含まれないGaが優先的に減少していくことは変わらず、ターゲットのAl組成は急激に変化することになる。従って成長層のAl組成も成長方向で変動することになり、層中の結晶相が単一にはならないことから結晶性は低下することになる。   Further, a group III element metal can also be used as the target. When the Al composition x = 1, that is, when AlN is grown, Al metal can be used as the target. When Al composition x ≠ 1, it is preferable that Al metal and Ga metal are provided as separate targets, that is, multi-targets, and Al and Ga are set independently so as to obtain a predetermined plasma density. Irradiation is performed with two laser beams under the following conditions. When Al composition x ≠ 1, if an alloy of Al metal and Ga metal is used as a target, the Al composition in the growing layer is generally higher than the Al composition in the alloy due to the difference in vapor pressure between Al and Ga. In order to increase the Al composition layer, it is necessary to make the Al composition of the target considerably large in order to grow a high Al composition layer. When such a target is used, a desired high composition layer is initially formed, but Ga that is contained in a small amount in the target is preferentially reduced, and the target Al composition remains unchanged. Will change rapidly. Therefore, the Al composition of the growth layer also varies in the growth direction, and the crystallinity is lowered because the crystal phase in the layer is not single.

従って、特にAl組成x≠1のときは、ターゲットとして窒化物を用いることが結晶性の優れた高組成AlGaN層を成膜するために好ましい。   Therefore, particularly when the Al composition x ≠ 1, it is preferable to use a nitride as a target in order to form a high composition AlGaN layer having excellent crystallinity.

さらに、間欠的に材料原子を励起するには、パルス状の粒子束であればレーザに置き換えることが可能であり、電子、クラスターイオン、陽子、中性子を用いることが可能である。   Further, in order to intermittently excite the material atoms, a pulsed particle bundle can be replaced with a laser, and electrons, cluster ions, protons, and neutrons can be used.

また、N元素(V族元素)の成長面への供給に関しては、典型的には窒素ガスを励起してイオン状態および/またはラジカル状態として供給するが、ラジカル状態の活性種を含むように、特にその濃度が高くなるようにして、供給することが好ましい。ラジカル状態の活性種は、良質の結晶成長に効果があると推定される。III族元素用のターゲットとして金属ターゲットを用いる場合には、N元素として、窒素ガスを励起したイオン状態および/またはラジカル状態のものを供給する。一方、前述のようにIII族元素用のターゲットとしてAlN等の窒化物を使用するときは、窒化物からN元素が供給されるため、意図して、窒素ガスを別個に励起してイオン状態および/またはラジカル状態で供給することは必須ではない。しかし、成長面に窒素ガスを励起したイオン状態および/またはラジカル状態の活性種を供給することは、不足しがちなN元素を補う意味でも好ましい。また、窒素ガスを別個に励起しない場合でも、少なくともターゲットの励起は窒素ガス中で行うことが好ましい。   As for the supply of the N element (group V element) to the growth surface, typically, nitrogen gas is excited and supplied as an ionic state and / or a radical state. In particular, it is preferable to supply such that the concentration is high. It is presumed that the active species in the radical state are effective for high-quality crystal growth. When a metal target is used as the target for the group III element, an element in an ionic state and / or a radical state in which nitrogen gas is excited is supplied as the N element. On the other hand, when a nitride such as AlN is used as a target for a group III element as described above, the N element is supplied from the nitride. It is not essential to supply in the radical state. However, supplying active species in an ionic state and / or radical state in which nitrogen gas is excited on the growth surface is also preferable in terms of supplementing the N element which tends to be insufficient. Even when the nitrogen gas is not excited separately, at least the target is preferably excited in the nitrogen gas.

原料を間欠的に供給する他の成長方法として、III族原料とV族原料を交互にそれぞれ間欠的に供給するマイグレーションエンハンストエピタキシー(MEE)法やフローレートモジュレーション法を用いることも可能である。   As another growth method for intermittently supplying the raw material, it is also possible to use a migration enhanced epitaxy (MEE) method or a flow rate modulation method in which a group III raw material and a group V raw material are alternately intermittently supplied.

以下にPLD法について詳しく説明する。ここでは、例えば図3に示すようなPLD装置30を用いて、基板としてZnO基板11上に、AlGa(1−x)N層を形成する場合を例にとって説明する。 The PLD method will be described in detail below. Here, for example, a case where an Al x Ga (1-x) N layer is formed on a ZnO substrate 11 as a substrate using a PLD apparatus 30 as shown in FIG. 3 will be described as an example.

PLD装置30は、内部に充満されたガスの圧力、および温度を一定に保つために、密閉空間を形成するチャンバ31を備えている。チャンバ31内には、ZnO基板11とターゲット32が対向して配置されている。ここで、ターゲット32となるのはガリウム金属、アルミ金属、GaN(単)結晶、AlN(単)結晶、AlGaN(単)結晶、GaN焼結体、AlN焼結体、AlGaN焼結体等であり、成長条件に応じて、ターゲット種の選択、およびシングル、あるいはマルチターゲット成膜の選択が適宜可能である。   The PLD device 30 includes a chamber 31 that forms a sealed space in order to keep the pressure and temperature of the gas filled therein constant. In the chamber 31, the ZnO substrate 11 and the target 32 are arranged to face each other. Here, the target 32 is gallium metal, aluminum metal, GaN (single) crystal, AlN (single) crystal, AlGaN (single) crystal, GaN sintered body, AlN sintered body, AlGaN sintered body, or the like. Depending on the growth conditions, it is possible to appropriately select the target species and single or multi-target film formation.

またPLD装置30は、波長が248nmの高出力パルスレーザを出射するKrFエキシマレーザ33を備えている。KrFエキシマレーザ33から出射されたパルスレーザ光は、レンズ34により焦点位置がターゲット32近傍となるように調整され、チャンバ31の側面に設けられて窓31aを介してチャンバ31内に配置されたターゲット32表面に対して約30°の角度で入射する。   The PLD apparatus 30 also includes a KrF excimer laser 33 that emits a high-power pulse laser having a wavelength of 248 nm. The pulse laser beam emitted from the KrF excimer laser 33 is adjusted by the lens 34 so that the focal position is in the vicinity of the target 32, and is provided on the side surface of the chamber 31 and disposed in the chamber 31 through the window 31a. Incident at an angle of about 30 ° to the 32 surface.

また、PLD装置30は、チャンバ31内へ窒素ガスを注入するためのガス供給部35と、その窒素ガスをラジカル化するラジカル源36とを備えている。窒素ラジカル源36は、ガス供給部35から排出された窒素ガスを、高周波を用いて一旦励起することにより窒素ラジカルとし、その窒素ラジカルをチャンバ31内に供給する。なおチャンバ31とガス供給部35との間には、窒素ラジカルガス分子とパルスレーザ光の波長との関係においてZnO基板11への吸着状態を制御するべく、ガスの濃度を制御するための調整弁36aが設けられている。   Further, the PLD apparatus 30 includes a gas supply unit 35 for injecting nitrogen gas into the chamber 31 and a radical source 36 for radicalizing the nitrogen gas. The nitrogen radical source 36 excites the nitrogen gas discharged from the gas supply unit 35 once using high frequency to form nitrogen radicals, and supplies the nitrogen radicals into the chamber 31. In addition, between the chamber 31 and the gas supply part 35, in order to control the adsorption | suction state to the ZnO board | substrate 11 in relation to the wavelength of a nitrogen radical gas molecule and a pulse laser beam, the adjustment valve for controlling the density | concentration of gas 36a is provided.

また、PLD装置30はチャンバ31内の圧力を制御するための圧力弁37とローターリーポンプ38とを備えている。チャンバ31内の圧力は、減圧下で成膜するPLD法のプロセスを考慮しつつ、ローターリーポンプ38により、例えば窒素雰囲気中において所定の圧力となるよう制御される。   Further, the PLD device 30 includes a pressure valve 37 and a rotary pump 38 for controlling the pressure in the chamber 31. The pressure in the chamber 31 is controlled by the rotary pump 38 so as to be a predetermined pressure in, for example, a nitrogen atmosphere, taking into account the PLD process for forming a film under reduced pressure.

また、PLD装置30は、パルスレーザ光が照射されている点を移動するために、ターゲット32を回転させる回転軸39を備えている。   In addition, the PLD device 30 includes a rotating shaft 39 that rotates the target 32 in order to move the point irradiated with the pulse laser beam.

以上のPLD装置30では、チャンバ31内に窒素ガスを充満させた状態で、ターゲット32を回転軸30を介して回転駆動させつつ、パルスレーザ光を断続的に照射する。このことにより、ターゲット32表面の温度を急激に上昇させ、Ga原子およびAl原子が含まれたアブレーションプラズマを発生させることができる。このアブレーションプラズマ中に含まれるGa原子およびAl原子は、窒素ガスとの衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させてZnO基板11へ移動する。そして、ZnO基板11へ到達したGa原子、In原子およびAl原子を含む粒子は、そのままZnO基板11上の成長面に拡散し、格子整合性の最も安定な状態で膜形成することになる。   In the PLD apparatus 30 described above, the pulsed laser light is intermittently irradiated while the target 32 is rotationally driven through the rotating shaft 30 while the chamber 31 is filled with nitrogen gas. As a result, the temperature of the surface of the target 32 can be rapidly increased, and ablation plasma containing Ga atoms and Al atoms can be generated. Ga atoms and Al atoms contained in this ablation plasma move to the ZnO substrate 11 while gradually changing the state while repeating collision reaction with nitrogen gas and the like. Then, the particles containing Ga atoms, In atoms, and Al atoms that have reached the ZnO substrate 11 are diffused as they are on the growth surface on the ZnO substrate 11 to form a film in the most stable state of lattice matching.

本発明では、基板と成長層の界面反応を抑制しつつ、成長初期から単結晶が成長するように、条件が選ばれることが好ましい。   In the present invention, the conditions are preferably selected so that the single crystal grows from the initial growth stage while suppressing the interface reaction between the substrate and the growth layer.

次に、本発明の積層構造、即ち、III−V族窒化物層とこの層の上に形成された「その他の層」を有する積層構造を製造するには、「その他の層」の材質に合わせて公知の方法により、III−V族窒化物層上に適宜形成すればよい。本発明のIII−V族窒化物層がPLD法で形成される場合においても、「その他の層」をPLD法で形成する必要はなく、例えば絶縁物、半導体、金属等の層の材質に合わせて、ハイドライドVPE法、MOVPE法、プラズマCVD法、熱CVD法、MBE法、スパッタ法、蒸着法等の広く知られている成膜方法を用いることができる。本発明の1実施形態では、PLD法、VPE法、CVD法、MBE法、スパッタ法、蒸着法およびこれらの2つ以上の方法の組み合わせからなる群より選ばれる成膜方法が採用される。形成される構造は、単層でも多層構造でもよく、また、いわゆる電子デバイスや発光デバイス等のデバイス構造となっていてもかまわない。「その他の層」がデバイス構造またはデバイス構造の一部である場合にも、公知の方法によりデバイス構造を形成すればよい。   Next, in order to manufacture the laminated structure of the present invention, that is, the laminated structure having the III-V nitride layer and the “other layer” formed on this layer, the material of the “other layer” is used. In addition, it may be appropriately formed on the III-V nitride layer by a known method. Even when the III-V nitride layer of the present invention is formed by the PLD method, it is not necessary to form the “other layers” by the PLD method. For example, according to the material of the layer such as an insulator, a semiconductor, a metal, etc. Well-known film forming methods such as hydride VPE method, MOVPE method, plasma CVD method, thermal CVD method, MBE method, sputtering method, and vapor deposition method can be used. In one embodiment of the present invention, a film forming method selected from the group consisting of a PLD method, a VPE method, a CVD method, an MBE method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a combination of two or more of these methods is employed. The formed structure may be a single layer or a multilayer structure, and may be a device structure such as a so-called electronic device or light-emitting device. Even when the “other layer” is a device structure or a part of the device structure, the device structure may be formed by a known method.

尚、本発明のAlGa1−xN層に直接接する「その他の層」をPLD法で形成する場合には、本発明の層の形成条件より、高温で条件を設定することが好ましい。 In the case where the “other layers” that are in direct contact with the Al x Ga 1-x N layer of the present invention are formed by the PLD method, the conditions are preferably set at a higher temperature than the formation conditions of the layers of the present invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)
(0001)面を主面とするZnO基板を、1250℃で3時間半のアニール処理を行って平坦化した。平坦化後の原子間力顕微鏡像で原子層ステップが観察された。
(Example 1)
A ZnO substrate having a (0001) plane as a main surface was planarized by annealing at 1250 ° C. for 3.5 hours. Atomic layer steps were observed in the atomic force microscope image after planarization.

ついで、平坦化処理したZnO基板をPLD装置内に導入し、AlN層を成膜した。ターゲットは、AlN焼結体で構成した。ターゲット32は、ZnO基板11の成長面に対して平行になるよう配置した(図3参照)。窒素源としてRFラジカル源を400Wで用い、成長圧力は4.5×10−6Torrとした。 Next, the planarized ZnO substrate was introduced into the PLD apparatus, and an AlN layer was formed. The target was composed of an AlN sintered body. The target 32 was disposed so as to be parallel to the growth surface of the ZnO substrate 11 (see FIG. 3). An RF radical source was used as a nitrogen source at 400 W, and the growth pressure was 4.5 × 10 −6 Torr.

KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を10Hz、1パルス当りの照射時間を20ns、ターゲット照射時点のレーザパワーは0.125Wとした。またZnO基板の基板温度を室温に保ち、40nmの厚さまで成長させた。成長速度は、78nm/時間であった。   The pulse frequency of the pulse laser beam emitted from the KrF excimer laser was 10 Hz, the irradiation time per pulse was 20 ns, and the laser power at the time of target irradiation was 0.125 W. Further, the substrate temperature of the ZnO substrate was kept at room temperature and grown to a thickness of 40 nm. The growth rate was 78 nm / hour.

この成長過程で、RHEED像は成長開始から常にストリークパターンを保っており、成長初期段階から高い結晶性を保ちながらエピタキシャル成長していることがわかった。図4に示す成長中のRHEED強度変化からAlNがlayer−by−layerで成長したことが確認される。図5に40nm成長したAlN層表面の原子間力顕微鏡像を示す。AlN表面は、ZnO基板の表面を反映した原子レベルで平坦なステップアンドテラス構造有している。また、ZnOとAlN層の間に界面層は観察されなかった。   In this growth process, it was found that the RHEED image always maintained a streak pattern from the start of growth, and epitaxially grown while maintaining high crystallinity from the initial stage of growth. From the change in RHEED intensity during growth shown in FIG. 4, it is confirmed that AlN has grown by layer-by-layer. FIG. 5 shows an atomic force microscope image of the surface of the AlN layer grown to 40 nm. The AlN surface has a flat step and terrace structure at an atomic level reflecting the surface of the ZnO substrate. In addition, no interface layer was observed between the ZnO and AlN layers.

図6に、X線回折スペクトルを示す。結晶のモザイク性のチルト成分を表すaは、0.02°(72arcsec)であった。また、結晶のモザイク性のツイスト成分を表すbは、1.64°(5915arcsec)であった。 FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum. A 1 representing the mosaic mosaic tilt component of the crystal was 0.02 ° (72 arcsec). Further, b 1 representing a crystal mosaic twist component was 1.64 ° (5915 arcsec).

(実施例2)
実施例1において、基板温度を320℃とした以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。図7に40nm成長したAlN層表面の原子間力顕微鏡像を示す。AlN表面は、ZnO基板の表面を反映した原子レベルで平坦なステップアンドテラス構造有している。また、ZnOとAlN層の間に界面層は観察されなかった。
(Example 2)
In Example 1, except that the substrate temperature was 320 ° C., Example 1 was repeated to grow an AlN layer. FIG. 7 shows an atomic force microscope image of the surface of the AlN layer grown to 40 nm. The AlN surface has a flat step and terrace structure at an atomic level reflecting the surface of the ZnO substrate. In addition, no interface layer was observed between the ZnO and AlN layers.

また、結晶のモザイク性のチルト成分を表すaは、0.08°(273arcsec)、ツイスト成分を表すbは、1.74°(6280arcsec)であった。 Moreover, a 1 representing the mosaic tilt component of the crystal was 0.08 ° (273 arcsec), and b 1 representing the twist component was 1.74 ° (6280 arcsec).

(実施例3)
実施例1において、ターゲットをAl金属とし、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を30Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.495Wとした以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。
(Example 3)
In Example 1, the AlN layer is formed by repeating Example 1 except that the target is Al metal, the pulse frequency of the pulse laser beam emitted from the KrF excimer laser is 30 Hz, and the laser power at the time of target irradiation is 0.495 W. grown.

また、結晶のモザイク性のチルト成分を表すaは、0.02°(78arcsec)、ツイスト成分を表すbは、1.83°(6590arcsec)であった。 Moreover, a 1 representing the mosaic tilt component of the crystal was 0.02 ° (78 arcsec), and b 1 representing the twist component was 1.83 ° (6590 arcsec).

(実施例4)
実施例1において、成長基板を(1−100)面を主面とするZnO基板、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を3Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.058Wとし、RFラジカル源を320Wで用いた以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。成長速度は42nm/時間、成長膜厚は約40nmであった。
Example 4
In Example 1, the growth substrate is a ZnO substrate having a (1-100) plane as a main surface, the pulse frequency of pulsed laser light emitted from a KrF excimer laser is 3 Hz, the laser power at the time of target irradiation is 0.058 W, and RF Example 1 was repeated to grow an AlN layer except that the radical source was used at 320 W. The growth rate was 42 nm / hour, and the growth film thickness was about 40 nm.

図8に成長後のRHEED像を示す。(1−100)面結晶層を示すストリークパターンが明瞭に観察され、高い結晶性を保ちながらエピタキシャル成長していることがわかった。また、図9にX線回折スペクトルを示す。結晶のモザイク性のチルト成分を表すaは、0.11°(396arcsec)であった。 FIG. 8 shows an RHEED image after growth. The streak pattern indicating the (1-100) plane crystal layer was clearly observed, and it was found that the epitaxial growth occurred while maintaining high crystallinity. FIG. 9 shows an X-ray diffraction spectrum. A 1 representing the mosaic tilt component of the crystal was 0.11 ° (396 arcsec).

(実施例5)
実施例1において、成長基板を(1−100)面を主面とするZnO基板、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を10Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.110W、成長圧力を4.5×10−6Torrとした以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。成長速度は100nm/時間、成長膜厚は約50nmであった。
(Example 5)
In Example 1, the growth substrate is a ZnO substrate whose main surface is the (1-100) plane, the pulse frequency of the pulsed laser light emitted from the KrF excimer laser is 10 Hz, the laser power at the time of target irradiation is 0.110 W, the growth pressure Example 1 was repeated to grow an AlN layer except that was set to 4.5 × 10 −6 Torr. The growth rate was 100 nm / hour, and the growth film thickness was about 50 nm.

また、結晶のモザイク性のチルト成分を表すaは、0.16°(576arcsec)であった。 Further, a 1 representing a mosaic mosaic tilt component of the crystal was 0.16 ° (576 arcsec).

(実施例6)
実施例1において、成長基板を(11−20)面を主面とするZnO基板とし、アニール処理を行わずPLD装置内に導入し、基板温度を320℃、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を20Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.190W、RFラジカル源を320Wで用いた以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。
(Example 6)
In Example 1, a growth substrate is a ZnO substrate having a (11-20) plane as a main surface, introduced into a PLD apparatus without annealing, and a substrate temperature of 320 ° C. and a pulsed laser beam emitted from a KrF excimer laser An AlN layer was grown by repeating Example 1 except that the pulse frequency of 20 Hz was used, the laser power at the time of target irradiation was 0.190 W, and the RF radical source was 320 W.

図10に成長後のRHEED像を示す。ストリークパターンが明瞭に観察され、高い結晶性を保ちながらエピタキシャル成長していることがわかった。   FIG. 10 shows an RHEED image after growth. A streak pattern was clearly observed, and it was found that epitaxial growth occurred while maintaining high crystallinity.

(比較例1)
実施例1において、基板温度を500℃とした以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。しかし、半値全幅を求めるにたる明確なAlNの(0001)面ピークは観察されなかった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, except that the substrate temperature was 500 ° C., Example 1 was repeated to grow an AlN layer. However, a clear (0001) plane peak of AlN for obtaining the full width at half maximum was not observed.

(比較例2)
実施例1において、基板温度を1050℃とし、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を30Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.50Wとした以外は、実施例1を繰り返してAlN層を成長した。aは、1.14°(4085arcsec)であった。原子間力顕微鏡像では、ステップアンドテラス構造が観察されず、良好な単結晶ではなかった。
(Comparative Example 2)
In Example 1, the AlN layer was repeated by repeating Example 1 except that the substrate temperature was 1050 ° C., the pulse frequency of the pulsed laser light emitted from the KrF excimer laser was 30 Hz, and the laser power at the time of target irradiation was 0.50 W. Grew up. a 1 was 1.14 ° (4085 arcsec). In the atomic force microscope image, the step-and-terrace structure was not observed, and it was not a good single crystal.

(比較例3)
実施例4において、基板温度を590℃、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を10Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.105Wとした以外は、実施例4を繰り返してAlN層を成長した。図11に成長後のRHEED像を示す。観察されたRHEED像は、図8で観察されたような、良好な(1−100)面単結晶を示すストリークパターンではなく、(0001)面を示すRHEEDパターンであり、かつパターンも不明瞭であることから、結晶性の劣った(0001)面結晶層が成長されていることがわかった。
(Comparative Example 3)
In Example 4, the AlN layer was formed by repeating Example 4 except that the substrate temperature was 590 ° C., the pulse frequency of the pulse laser beam emitted from the KrF excimer laser was 10 Hz, and the laser power at the time of target irradiation was 0.105 W. grown. FIG. 11 shows the RHEED image after growth. The observed RHEED image is not a streak pattern showing a good (1-100) plane single crystal as observed in FIG. 8, but an RHEED pattern showing a (0001) plane, and the pattern is also unclear. From this, it was found that a (0001) plane crystal layer having poor crystallinity was grown.

(比較例4)
実施例4において、基板温度を850℃、KrFエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のパルス周波数を10Hz、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.102Wとした以外は、実施例4を繰り返してAlN層を成長した。図12に成長後のRHEED像を示す。成長中に観察されたRHEEDパターンは、良好な(1−100)面単結晶を示すストリークパターンではなく、(0001)面が混入した多結晶を示すリングパターンであった。
(Comparative Example 4)
In Example 4, the AlN layer was formed by repeating Example 4 except that the substrate temperature was 850 ° C., the pulse frequency of the pulse laser beam emitted from the KrF excimer laser was 10 Hz, and the laser power at the time of target irradiation was 0.102 W. grown. FIG. 12 shows an RHEED image after growth. The RHEED pattern observed during the growth was not a streak pattern showing a good (1-100) plane single crystal but a ring pattern showing a polycrystal mixed with a (0001) plane.

(比較例5)
実施例6において、基板温度を950℃、ターゲット照射時点のレーザパワーを0.202Wとした以外は、実施例6を繰り返してAlN層を成長した。図13に成長後のRHEED像を示す。成長中に観察されたRHEEDパターンは、良好な(11−20)面単結晶を示すストリークパターンではなく、(0001)面が混入した多結晶を示すリングパターンであった。
(Comparative Example 5)
In Example 6, the AlN layer was grown by repeating Example 6 except that the substrate temperature was 950 ° C. and the laser power at the time of target irradiation was 0.202 W. FIG. 13 shows an RHEED image after growth. The RHEED pattern observed during the growth was not a streak pattern showing a good (11-20) plane single crystal but a ring pattern showing a polycrystal mixed with a (0001) plane.

六方晶系のミラー指数を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the hexagonal system Miller index. X線ロッキングカーブ(XRC)の測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of a X-ray rocking curve (XRC). PLD装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a PLD apparatus. 実施例1のAlN成長過程でのRHEED強度プロファイルである。2 is an RHEED intensity profile in an AlN growth process of Example 1. FIG. 実施例1のAlN表面の原子間力顕微鏡像である。2 is an atomic force microscope image of the AlN surface of Example 1. FIG. 実施例1のX線回折スペクトルを示す図である。2 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of Example 1. FIG. 実施例2のAlN表面の原子間力顕微鏡像である。3 is an atomic force microscope image of the AlN surface of Example 2. FIG. 実施例4のAlN成長後のRHEED像である。6 is an RHEED image after AlN growth in Example 4. FIG. 実施例4のX線回折スペクトルを示す図である。6 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of Example 4. FIG. 実施例6のAlN成長後のRHEED像である。7 is an RHEED image after AlN growth in Example 6. FIG. 比較例3のAlN成長後のRHEED像である。7 is an RHEED image after growth of AlN in Comparative Example 3. 比較例4のAlN成長後のRHEED像である。7 is an RHEED image after growth of AlN in Comparative Example 4. 比較例5のAlN成長後のRHEED像である。6 is an RHEED image after growth of AlN in Comparative Example 5.

符号の説明Explanation of symbols

30 PLD装置
31 チャンバ
31a 窓
32 ターゲット
33 KrFエキシマレーザ
34 レンズ
35 ガス供給部
36 窒素ラジカル源
36a 調整弁
37 圧力弁
38 ローターリーポンプ
39 回転軸
30 PLD device 31 Chamber 31a Window 32 Target 33 KrF excimer laser 34 Lens 35 Gas supply unit 36 Nitrogen radical source 36a Adjustment valve 37 Pressure valve 38 Rotary pump 39 Rotating shaft

Claims (15)

ZnO基板上に成長したAlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)であって、
成長面に対する、X線回折強度の角度依存性の半値全幅aが、
0.001°≦a≦0.5°を満足することを特徴とするAlGa1−xN層。
An Al x Ga 1-x N layer (where x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0) grown on a ZnO substrate,
The full width at half maximum a 1 of the angle dependency of the X-ray diffraction intensity with respect to the growth surface is
An Al x Ga 1-x N layer satisfying 0.001 ° ≦ a 1 ≦ 0.5 °.
500℃未満の成長温度で形成されたことを特徴とする請求項1記載のAlGa1−xN層。 The Al x Ga 1-x N layer according to claim 1, wherein the Al x Ga 1-x N layer is formed at a growth temperature of less than 500 ° C. 前記ZnO基板の面方位が、低指数面であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のAlGa1−xN層。 3. The Al x Ga 1-x N layer according to claim 1, wherein a plane orientation of the ZnO substrate is a low index plane. 前記ZnO基板の面方位が、{0001}面、{1−100}面、{11−20}面のいずれかであることを特徴とする請求項1または2記載のAlGa1−xN層。 3. The Al x Ga 1-x N according to claim 1, wherein the plane orientation of the ZnO substrate is any one of {0001} plane, {1-100} plane, and {11-20} plane. layer. 請求項1〜4のいずれかに記載のAlGa1−xN層と、この層の上に形成されたその他の層を有することを特徴とする積層構造。 A laminated structure comprising the Al x Ga 1-x N layer according to any one of claims 1 to 4 and another layer formed on the layer. ZnO基板上に、AlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)を形成する方法であって、
(a)ZnO基板を用意する工程、および
(b)成長面に、Al元素、またはAl元素およびGa元素を間欠的に供給すると共に、N元素を供給し、500℃未満の成長温度で、前記ZnO基板表面にAlGa1−xN結晶を成長させる工程
を有することを特徴とするAlGa1−xN層の製造方法。
A method of forming an Al x Ga 1-x N layer (where x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0) on a ZnO substrate,
(A) a step of preparing a ZnO substrate; and (b) an Al element, or an Al element and a Ga element are intermittently supplied to the growth surface, an N element is supplied, and the growth temperature is less than 500 ° C. A method for producing an Al x Ga 1-x N layer, comprising a step of growing an Al x Ga 1-x N crystal on a ZnO substrate surface.
前記工程(b)において、Al元素を含むターゲット(x=1のとき)またはAl元素およびGa元素を含むターゲット(x≠1のとき)を間欠的に励起して成長することを特徴とする請求項6記載のAlGa1−xN層の製造方法。 In the step (b), growth is performed by intermittently exciting a target containing Al element (when x = 1) or a target containing Al element and Ga element (when x ≠ 1). Item 7. A method for producing an Al x Ga 1-x N layer according to Item 6. 前記AlGa1−xN結晶の成長中に前記ターゲットの組成の変化が実質的にないことを特徴とする請求項7記載の方法。 The Al x Ga 1-x N The method of claim 7, wherein the change in the composition of the target during the growth of the crystal is substantially free. Al組成x=1のとき、前記ターゲットとしてAlNが用いられ、
Al組成x≠1のとき、前記ターゲットとしてAlNとGaNの混合物またはAlNとGaNの混晶物が用いられるか、またはAlNとGaNがそれぞれ別個のターゲットとして用いられることを特徴とする請求項7または8記載の方法。
When Al composition x = 1, AlN is used as the target,
8 or 7, wherein when Al composition x ≠ 1, a mixture of AlN and GaN or a mixed crystal of AlN and GaN is used as the target, or AlN and GaN are used as separate targets, respectively. 8. The method according to 8.
前記ターゲットが焼結体、または混晶結晶の形態で提供されることを特徴とする請求項9記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the target is provided in the form of a sintered body or mixed crystal. Al組成x=1のとき、前記ターゲットとしてAl金属が用いられ、
Al組成x≠1のとき、Al金属とGa金属が、それぞれ別個のターゲットとして用いられることを特徴とする請求項7または8記載の方法。
When Al composition x = 1, Al metal is used as the target,
9. The method according to claim 7, wherein when the Al composition x ≠ 1, Al metal and Ga metal are used as separate targets.
前記ターゲットの励起が、間欠的に照射されるレーザ光により行われ、レーザ光の照射休止期間が0.001秒〜10秒の間であることを特徴とする請求項7〜11のいずれかに記載の方法。   The excitation of the target is performed by laser light irradiated intermittently, and the irradiation pause period of the laser light is between 0.001 second and 10 seconds. The method described. 成長温度が、20℃〜320℃の範囲であることを特徴とする請求項6〜12のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 6 to 12, wherein the growth temperature is in the range of 20C to 320C. 請求項6〜13のいずれかに記載の方法で成長されたことを特徴とする、AlGa1−xN層(但し、xは、0.6≦x≦1.0を満たす数である。)。 An Al x Ga 1-x N layer grown by the method according to claim 6, wherein x is a number satisfying 0.6 ≦ x ≦ 1.0. .) 請求項14に記載のAlGa1−xN層と、この層の上に形成されたその他の層を有することを特徴とする積層構造。 A laminated structure comprising the Al x Ga 1-x N layer according to claim 14 and other layers formed on the layer.
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