JP2008074671A - Manufacturing method of free-standing nitride substrate - Google Patents

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隆文 八百
明煥 ▲チョ▼
Meikan Chiyo
Ame Ri
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a free-standing nitride substrate having little warpage or residual strain. <P>SOLUTION: A nitride buffer layer 130 comprising GaN etc. is grown on a ZnMgO buffer layer 120 (a). Through a HVPE method, a nitride layer 140 comprising GaN etc. is grown on the nitride buffer layer 130 at a low substrate temperature (700-900°C) (b). An ZnO film is lifted off in situ during the growth of the nitride layer 140 (b)-(c). A nitride thick film (100 μm or larger) 150 is formed through nitride growth employing the HVPE method at a high substrate temperature (900-1,500°C) (d). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は ZnO層を利用した自立窒化物基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a self-standing nitride substrate using a ZnO layer.

III族窒化物半導体基板の作製法は
(1)HVPE法
(2)MOCVD法
(3)Na溶媒などを用いた溶液成長法
(4)ソルボサーマル法
などがある。大口径化が困難、成長速度が遅い等の理由で、溶液成長法およびソルボサーマル法は研究段階に止まっている。また、MOCVD法は成長速度が遅い。現在のところIII族窒化物半導体基板の商用化に成功しているのは、HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライド気相成長法)のみである。
There are (1) HVPE method, (2) MOCVD method, (3) solution growth method using Na solvent, etc., and (4) solvothermal method. The solution growth method and the solvothermal method are still in the research stage because it is difficult to increase the diameter and the growth rate is slow. Also, the MOCVD method has a slow growth rate. At present, only the HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy) has succeeded in commercializing a group III nitride semiconductor substrate.

HVPE法による窒化物基板作製は大略以下のようなプロセスによる。
(1)基板としては、サファイヤ基板あるいはGaAs基板、SiC基板、Si基板など単結晶基板を用いる。
(2)基板上にバッファー層を形成する。バッファー層としては、低温GaNバッファー層、AlN層、金属バッファー層(Tiなど)を用いる。これらのバッファー層はHVPE法、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、MBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線成長法)、などにより作製する。
(3)高温窒化物厚膜(400ミクロン厚程度)をHVPE法で成長する。
(4)窒化物厚膜を基板から分離して自立窒化物基板を得る。
分離させる方法としては、レーザ・リフトオフ(LLO)法、化学溶液で基板を溶解させる方法、研磨によって基板を削り取ってしまう方法などがある。
The manufacture of a nitride substrate by the HVPE method is generally performed by the following process.
(1) As a substrate, a sapphire substrate or a single crystal substrate such as a GaAs substrate, a SiC substrate, or a Si substrate is used.
(2) A buffer layer is formed on the substrate. As the buffer layer, a low-temperature GaN buffer layer, an AlN layer, or a metal buffer layer (Ti or the like) is used. These buffer layers are formed by HVPE method, MOCVD method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE method (Molecular Beam Epitaxy).
(3) A high-temperature nitride thick film (about 400 microns thick) is grown by the HVPE method.
(4) The nitride thick film is separated from the substrate to obtain a free-standing nitride substrate.
Examples of the separation method include a laser lift-off (LLO) method, a method of dissolving a substrate with a chemical solution, and a method of scraping off the substrate by polishing.

しかし、基板とその上に成長する窒化物エピタキシ層の格子不整や、熱膨張係数の違いに起因する残留応力が、窒化物層ならびに基板中に生じる。このため窒化物基板中に高密度の転位の発生、残留歪の存在、基板の反り、クラック発生などが、エピタキシ膜成長過程あるいは成長後の降温過程で起きる。また、基板を分離する過程すなわち研磨やLLO過程も残留歪の存在によってクラック発生の要因となる。   However, residual stress is generated in the nitride layer and the substrate due to lattice irregularities between the substrate and the nitride epitaxy layer grown thereon and differences in thermal expansion coefficients. For this reason, the occurrence of high-density dislocations, the presence of residual strain, the warpage of the substrate, the generation of cracks, etc. occur in the nitride film growth process or the temperature-falling process after growth. In addition, the process of separating the substrate, that is, the polishing and the LLO process also causes cracks due to the presence of residual strain.

上述の問題、すなわち、残留応力の低減や基板の損傷を誘起しない分離のために、ZnO層をバッファーとして用いる方法が提案されている。
ZnOバッファー層の利点は
(1)GaNとの格子不整が小さい(2%)
(2)化学溶液によって容易に溶解するために、化学リフトオフ(CLO)法による基板からの分離過程が容易
等がある。これらの技術を記載したものとして、下記の非特許文献1〜4や特許文献1〜6がある。
In order to achieve the above-described problem, that is, separation that does not induce residual stress reduction or substrate damage, a method using a ZnO layer as a buffer has been proposed.
Advantages of ZnO buffer layer are (1) small lattice mismatch with GaN (2%)
(2) Since it is easily dissolved by a chemical solution, a separation process from a substrate by a chemical lift-off (CLO) method is easy. The following non-patent documents 1 to 4 and patent documents 1 to 6 are described as these techniques.

非特許文献2や非特許文献4は、サファイヤ基板上にZnOバッファーを形成して、その上にGaN層をHVPE法により形成したものを記載してあるが、サファイヤ基板をリフトオフすることは開示していない。
非特許文献3では、サファイヤ基板上にZnOバッファーを形成して、その上にGaN層をHVPE成長することが記載されている。ここでは、次いで、降温後に化学溶液(aqua regia)を用いてGaN自立基板を得ている。時に、成長後の降温時にGaN基板が自然剥離することがある。しかし、クラックの発生のために試料サイズは2mmx4mmに制限されている。クラックが発生することは、残留応力の存在を示唆している。
Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 4 describe that a ZnO buffer is formed on a sapphire substrate and a GaN layer is formed thereon by HVPE, but it is disclosed that the sapphire substrate is lifted off. Not.
Non-Patent Document 3 describes that a ZnO buffer is formed on a sapphire substrate and a GaN layer is grown on the HVPE. Here, after the temperature is lowered, a GaN free-standing substrate is obtained using a chemical solution (aqua regia). Sometimes, the GaN substrate may spontaneously peel off when the temperature drops after growth. However, the sample size is limited to 2 mm × 4 mm due to the occurrence of cracks. The occurrence of cracks suggests the presence of residual stress.

特許文献2、特許文献3は、サファイヤ基板上にZnOバッファー層と低温GaInNバッファー層を積層することが記載されており、構造的に類似である。記載されている技術は以下のようである。
(1)ZnOをスパッタ法で積層する。
(2)バッファー層成長工程で、HClガスを用いてZnOをエッチングする工程を有している。
(3)ZnO層の保護層としてはGaInN層を用いており、成長温度は1000Cである(特許文献2)。また、成長直前に水素雰囲気中1050Cでベーキングする(特許文献3)。
しかし、スパッタ法により作製されたZnO膜は一般に結晶性が良くない、極性が制御できておらず極性が異なるドメインが混在している。そのため、ZnO/GaInN界面を通してZnのGaInN層中への拡散、Ga、InのZnO中への拡散が大きく、良質な結晶を得る歩留まりは良くない。
また、ZnO膜はGaInN層の成長温度(1000C)や水素雰囲気中の高温下(1050C)ではGaNを成膜する前にエッチングされてしまうおそれがある。
Patent Documents 2 and 3 describe that a ZnO buffer layer and a low-temperature GaInN buffer layer are stacked on a sapphire substrate, and are structurally similar. The techniques described are as follows.
(1) Laminate ZnO by sputtering.
(2) The buffer layer growth step includes a step of etching ZnO using HCl gas.
(3) A GaInN layer is used as the protective layer of the ZnO layer, and the growth temperature is 1000 OC (Patent Document 2). Further, baking in a hydrogen atmosphere 1050 O C to grow immediately before (Patent Document 3).
However, the ZnO film produced by the sputtering method generally has poor crystallinity, and the polarity is not controlled and domains having different polarities are mixed. Therefore, the diffusion of Zn into the GaInN layer through the ZnO / GaInN interface and the diffusion of Ga and In into ZnO are large, and the yield for obtaining good quality crystals is not good.
Further, ZnO film, there is a possibility that are etched before forming the growth temperature (1000 O C) and high temperature in a hydrogen atmosphere (1050 O C) in GaN of GaInN layer.

特許文献1、4,5は、GaN成膜後にエッチングでZnOバッファー層を除去する技術を記載しており、成長過程でのリフトオフは含んでいない。化学リフトオフ中のクラック発生が起きるために大面積サイズを得ることが困難である。   Patent Documents 1, 4 and 5 describe a technique for removing a ZnO buffer layer by etching after forming a GaN film, and do not include lift-off in the growth process. It is difficult to obtain a large area size because cracks occur during chemical lift-off.

なお、基板と窒化物エピタキシ層の間にZnOバッファー層を用いる代わりにZnO基板を用いる方法も提案されている(特許文献1、8、9参照)。しかし、(1)ZnO基板が高価、(2)大口径ZnO基板が商用でない(現状では10mmx10mm)などのために、実用化されていない。
特に、特許文献1はZnO基板上にGaN厚膜を成長する技術に関するもので、GaNバッファー層形成後にGaN高温層を形成するときにZnO基板を除去するものである。しかし、上述のようにZnO基板を用いることはコスト的に高くなる。またGaNバッファー層形成後にZnOを除去する場合は残留応力の低減が充分でないため最終的に残留歪が存在するため、反りやクラック発生などの問題が生じる。
A method using a ZnO substrate instead of using a ZnO buffer layer between the substrate and the nitride epitaxy layer has also been proposed (see Patent Documents 1, 8, and 9). However, it has not been put into practical use because (1) ZnO substrates are expensive and (2) large-diameter ZnO substrates are not commercial (currently 10 mm × 10 mm).
In particular, Patent Document 1 relates to a technique for growing a GaN thick film on a ZnO substrate, and removes the ZnO substrate when forming a GaN high-temperature layer after forming the GaN buffer layer. However, using a ZnO substrate as described above is costly. Further, when ZnO is removed after the formation of the GaN buffer layer, the residual stress is not sufficiently reduced and finally residual strain exists, which causes problems such as warpage and cracks.

特許文献6,7は、サファイヤ基板上に極性を制御された単結晶ZnOバッファー層を形成する点での技術関連がある。   Patent Documents 6 and 7 are technically related in that a single-crystal ZnO buffer layer with controlled polarity is formed on a sapphire substrate.

Shulin Gu, Rong Zhang, Jingxi Sun, Ling Zhang, and T. F. Kuech : “Role of interfacial compound formation associated with the use of ZnO buffers layers in the hydride vapor phase epitaxy of GaN” Appl. Phys. Lett. 76, 3454 (2000)Shulin Gu, Rong Zhang, Jingxi Sun, Ling Zhang, and TF Kuech: “Role of interfacial compound formation associated with the use of ZnO buffers layers in the hydride vapor phase epitaxy of GaN” Appl. Phys. Lett. 76, 3454 (2000 ) X. W. Sun, R. F. Xiao, H. S. Kwoka: “Epitaxial growth of GaN thin film on sapphire with a thin ZnO buffer layer by liquid target pulsed laser deposition” J. Appl. Phys. 84, 5776 (1998).X. W. Sun, R. F. Xiao, H. S. Kwoka: “Epitaxial growth of GaN thin film on sapphire with a thin ZnO buffer layer by liquid target pulsed laser deposition” J. Appl. Phys. 84, 5776 (1998). T. Detchprohm, K. Hiramatsu, H. Amano and 1. Akasaki: ”Hydride vapor phase epitaxial growth of a high quality GaM film using a ZnO buffer layer” Appl. Phys. Lett. 2688 Appl. Phys. Lett. 61 (22), 30 November 1992T. Detchprohm, K. Hiramatsu, H. Amano and 1. Akasaki: “Hydride vapor phase epitaxial growth of a high quality GaM film using a ZnO buffer layer” Appl. Phys. Lett. 2688 Appl. Phys. Lett. 61 (22 ), 30 November 1992 T. Ueda, T.F. Huang, S. Spruytte, H. Lee, M. Yuri, K. Itoh, T. Baba, J.S. Harris Jr., “Vapor phase epitaxy growth of GaN on pulsed laser deposited ZnO buffer layer” J. Cryst Growth 187, 340 (1998).T. Ueda, TF Huang, S. Spruytte, H. Lee, M. Yuri, K. Itoh, T. Baba, JS Harris Jr., “Vapor phase epitaxy growth of GaN on pulsed laser deposited ZnO buffer layer” J. Cryst Growth 187, 340 (1998).

特開2005−112713号公報(出願人:三星電機(株))JP 2005-127713 A (Applicant: Samsung Electric Co., Ltd.) 特開2003−37069号公報(出願人:豊田合成(株))JP 2003-37069 A (Applicant: Toyoda Gosei Co., Ltd.) 特許3744155号公報(出願人:豊田合成(株))Japanese Patent No. 3744155 (Applicant: Toyoda Gosei Co., Ltd.) 特開2003−31501号公報(出願人:富士写真フィルム(株))JP 2003-31501 A (Applicant: Fuji Photo Film Co., Ltd.) 特開2003−277196号公報(出願人:日立電線)JP 2003-277196 A (Applicant: Hitachi Cable) 特許3700786号公報(出願人:東北大)Japanese Patent No. 3700786 (Applicant: Tohoku University) 特許3595829号公報(出願人:東北大)Japanese Patent No. 3595829 (Applicant: Tohoku University) 特開2005−67988号公報(出願人:物材機構+東京電波(株))Japanese Patent Laying-Open No. 2005-67988 (Applicant: Material Organization + Tokyo Radio Co., Ltd.) 特開2005−174951号公報(出願人:東京電波(株))Japanese Patent Laying-Open No. 2005-174951 (Applicant: Tokyo Radio Co., Ltd.)

III族窒化物系化合物半導体成長の問題点は、
(1)該半導体をその上に成長する基板と該半導体熱膨張率差に起因する残留歪の存在とそれにより誘起される反りとクラックの発生
(2)基板から該半導体を分離するプロセス(リフトオフ・プロセス)
である。前者は、該半導体を用いて半導体デバイスを作製するときに、リソグラフィーなどの微細加工プロセスの障害になる。また、後者については、現在の技術は(A)レーザリフトオフと(B)基板を研磨して消滅する、二つの方法があるが、ともにプロセスコストが高く、時間が掛かり、歩留まりがよくない。
本発明の目的は、上記の二つの問題点を一挙に解決する手法を提供することである。
The problem of group III nitride compound semiconductor growth is
(1) The substrate on which the semiconductor is grown, the presence of residual strain due to the difference in thermal expansion coefficient of the semiconductor, and the generation of warpage and cracks induced thereby (2) The process of separating the semiconductor from the substrate (lift-off ·process)
It is. The former is an obstacle to a microfabrication process such as lithography when a semiconductor device is manufactured using the semiconductor. As for the latter, the current technology has two methods: (A) laser lift-off and (B) polishing and extinguishing the substrate, both of which are high in process cost, take time, and have a poor yield.
An object of the present invention is to provide a method for solving the above two problems at once.

本発明では、自立窒化物基板を以下のプロセスで作製する。
(1)基板上に極性制御されたZn1−xMgO層(0≦x≦0.3)を形成する。
(2)窒化物バッファー層をMBE法などの成長法で作成する。この窒化物バッファー層はZn1−xMgOの保護膜ならびにZn1−xMgO層/窒化物層界面の相互拡散抑制膜として働く。この窒化物バッファー層は、GaN、AlN,AlGa1−xN(0≦x≦1),AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)あるいはこれらの組み合わせとすることができる。この窒化物バッファー層は陽イオン極性(GaNの場合はGa極性)とするとよい。
(3)HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライド気相成長法)で窒化物層(例えば、GaN層)を成長させる。
成長開始前に、基板の温度をHVPE法で成長する所定の温度まで昇温する時に、窒素ガスあるいはアルゴンガス等の不活性ガス中で、所定の窒化物層成長温度まで昇温するとよい。
HClとNHを成長炉に導入することで、HVPE法により窒化物層が成長する。当該窒化物層の成長中に、HClやNHなどのガスとの反応でZnOバッファー層をエッチングして窒化物層をリフトオフさせる。当該窒化物層の温度は、GaNの場合は700〜900℃とするとよい。また、窒化物層の厚さは80ミクロン以上とするとよい。
(4)HVPE法で、前段の過程よりも高温で窒化物厚膜を成長する。(3)のステップで、窒化物層はすでに基板から分離されているために、比較的高温のHVPE法により成長した窒化物厚膜は、窒化物層上にホモエピタキシ成長することになり、残留歪が殆ど無い、従って反りの極めて小さい自立窒化物基板が作製できる。
作製できる自立窒化物基板は、GaN,AlGa1−xN(0≦x≦1),AlN、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦0.3、1≦x+y≦1)のいずれでも可能である。
In the present invention, a free-standing nitride substrate is manufactured by the following process.
(1) A Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) whose polarity is controlled is formed on the substrate.
(2) A nitride buffer layer is formed by a growth method such as the MBE method. The nitride buffer layer acts as Zn 1-x Mg x O protective layer and Zn 1-x Mg x O layer / nitride layer mutual diffusion suppressing film at the interface. The nitride buffer layer, GaN, AlN, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), Al x Ga 1-x-y In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) or a combination thereof. The nitride buffer layer is preferably cation polarity (Ga polarity in the case of GaN).
(3) A nitride layer (for example, a GaN layer) is grown by HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy).
Before starting the growth, when the temperature of the substrate is raised to a predetermined temperature for growth by the HVPE method, the temperature may be raised to a predetermined nitride layer growth temperature in an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.
By introducing HCl and NH 3 into the growth furnace, a nitride layer is grown by the HVPE method. During the growth of the nitride layer, the ZnO buffer layer is etched by a reaction with a gas such as HCl or NH 3 to lift off the nitride layer. The temperature of the nitride layer is preferably 700 to 900 ° C. in the case of GaN. The thickness of the nitride layer is preferably 80 microns or more.
(4) A thick nitride film is grown by HVPE at a higher temperature than in the previous step. In the step (3), since the nitride layer has already been separated from the substrate, the nitride thick film grown by the relatively high temperature HVPE method is homoepitaxially grown on the nitride layer, and the residual A self-supporting nitride substrate with little distortion and therefore very low warpage can be produced.
The free-standing nitride substrate that can be produced is GaN, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), AlN, Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0). .3, 1 ≦ x + y ≦ 1) is possible.

上述した本発明の製造方法によって、
(1)残留歪のほとんど無い、
(2)反りの極めて小さい(例えば、曲率半径10m以上)、
(3)クラックの無い、
(4)基板作製工程(リフトオフプロセスと研磨)を大幅に減らした、
窒化物半導体基板の成長が可能になる。
By the manufacturing method of the present invention described above,
(1) Almost no residual strain,
(2) Very small warpage (for example, a curvature radius of 10 m or more),
(3) No cracks
(4) Substrate manufacturing process (lift-off process and polishing) has been greatly reduced.
A nitride semiconductor substrate can be grown.

本発明は、基板上に成膜したZn1−xMgO層(0≦x≦0.3)上にGaN等の窒化物膜をHVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライド気相成長法)により成長する過程において、ZnO膜をin−situ(成長の場所)による化学エッチングで制御されたリフトオフ技術により、残留歪の無い窒化物厚膜を得る技術を提供する。
この技術によって、熱膨張歪に起因する反りならびにクラックの無い窒化物(例えば、GaN)基板を作製することができ、現在3インチどまりの窒化物基板を、4インチ以上で、反りの無い窒化物基板作製技術を提供する。
In the present invention, a nitride film such as GaN is formed on a Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) formed on a substrate by the HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy). In this process, a technique for obtaining a nitride thick film free from residual strain is provided by a lift-off technique in which a ZnO film is controlled by chemical etching using in-situ (growth place).
With this technique, a nitride (eg, GaN) substrate free from warpage and cracks due to thermal expansion strain can be produced. A nitride substrate that is currently about 3 inches long can be made into nitrides with no warp at 4 inches or more. Provide substrate fabrication technology.

本発明の実施形態の方法を、図1で概略的に説明する。
(1)基板110上に、化学的に除去しやすいZnO層120を形成する(図1(a)参照)。ZnO層120の極性は、Zn極性(陽イオン極性)あるいはO極性(陰イオン極性)のいずれでも良い。極性を制御するためには、例えばMgOバッファー層を、まず、基板上に成長する。これにより、MgO層の厚さが3nm以下では、その上に成長したZnO膜はO極性、3nm以上ではZn極性となることは知られている。ZnO層の膜厚は100nm〜100μmで良い。
これらの層の形成には、極性の制御された高品質のZnO層成長が可能な成長法、例えば、MBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線成長法)を用いることができる。
また、基板110としては、極性制御技術が確立しているサファイヤ基板あるいは既に極性(即ちSi極性面、C極性面)を持ちかつZnOと同じヴルツ構造を持つSiC基板のいずれでもよい。
なお、ZnO層の代わりに、Zn1−xMgO層(0≦x≦0.3)を用いても良い。
ZnOはヴルツ鉱構造であり、MgOは岩塩構造である。結晶構造が異なるために、エピタキシ膜では、サファイヤ基板上にZnOバッファー層を成長させることで、その上のZn1−xMgO層の組成がx=0.5程度まではヴルツ鉱構造を形成することができる。しかし、極性制御した結晶性の良いZn1−xMgO層を作製するためにはx≦0.3に制限される。
The method of an embodiment of the present invention is schematically illustrated in FIG.
(1) A ZnO layer 120 that is easily removed chemically is formed on the substrate 110 (see FIG. 1A). The polarity of the ZnO layer 120 may be either Zn polarity (cation polarity) or O polarity (anion polarity). In order to control the polarity, for example, an MgO buffer layer is first grown on the substrate. As a result, it is known that when the thickness of the MgO layer is 3 nm or less, the ZnO film grown on the MgO layer becomes O-polarity when the thickness is 3 nm or more. The film thickness of the ZnO layer may be 100 nm to 100 μm.
For the formation of these layers, a growth method capable of growing a high-quality ZnO layer with controlled polarity, for example, MBE (Molecular Beam Epitaxy) can be used.
The substrate 110 may be either a sapphire substrate for which polarity control technology has been established, or an SiC substrate that already has polarity (ie, Si polarity plane, C polarity plane) and has the same Wurtz structure as ZnO.
A Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) may be used instead of the ZnO layer.
ZnO has a wurtzite structure, and MgO has a rock salt structure. Because the crystal structure is different, the epitaxial film has a wurtzite structure by growing a ZnO buffer layer on the sapphire substrate until the composition of the Zn 1-x Mg x O layer on it is about x = 0.5. Can be formed. However, in order to produce a Zn 1-x Mg x O layer having good crystallinity with polarity control, x is limited to 0.3.

(2)極性を制御したZnOバッファー層120上に、陽イオン極性となるようにGaN等の窒化物バッファー層130を、低温(例えば、1000℃以下)で成長させる(図1(a)参照)。このGaN等の窒化物バッファー層130は、ZnO層120の保護膜ならびにZnO/窒化物界面の相互拡散抑制膜として働くために作製する。
なお、例えば、GaNの場合には600C〜900Cであり、AlNの場合1000Cである。
陽イオン極性(GaNの場合はGa極性)とするには、たとえばZn極性ZnOバッファー層120に対しては、成長直前からZnを照射して、その後にGa分子線とNプラズマを同時に照射することで、陽イオン極性の窒化物(Ga極性GaN)が成長する。O極性ZnOバッファーの場合は、例えばNプラズマを照射することで反転対称中心を持つZn結晶層が形成され、その上に成長したGaNバッファー層130はGa極性となる。もちろん同様に反転対称中心を持つMgを結晶層を形成してもGa極性となる。つまり、反転対称中心を持つ結晶層をO極性ZnO層120上に成長することで、その上の例えばGaNバッファー層130はGa極性となる。窒化物バッファー層130の厚さは100nm〜10μmとするとよい。
上述では、窒化物バッファー層130として、GaNのバッファー層で例として説明したが、GaNと同様な結晶構造と近い格子定数を持つ窒化物半導体であるAlGa1−xN(0≦x≦1),AlN、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0.7≦x+y≦1)単結晶薄膜あるいはこれらの組み合わせでバッファー層を形成してもよい。
これらの窒化物バッファー層の形成には、例えば、上述のZnO層120と同様に、MBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線気相成長法)を用いるとよい。
ここまでMBE法を用いるのは、ZnO/GaN界面拡散を最小限に抑え、極性の制御された窒化物バッファー層を最終的に得るためには、低温成長と極性制御が必要不可欠であるためである。また、後で説明しているように、窒化物バッファー層形成後にHVPE法を用いて、最初に比較的低い温度で窒化物層を形成しているので、その温度制御を容易に行うためである。
(2) A nitride buffer layer 130 such as GaN is grown at a low temperature (for example, 1000 ° C. or less) on the ZnO buffer layer 120 with controlled polarity so as to have a cation polarity (see FIG. 1A). . The nitride buffer layer 130 of GaN or the like is formed to serve as a protective film for the ZnO layer 120 and an interdiffusion suppression film at the ZnO / nitride interface.
Incidentally, for example, in the case of GaN is 600 O C~900 O C, which is the case of AlN 1000 O C.
In order to obtain a positive polarity (Ga polarity in the case of GaN), for example, the Zn-polar ZnO buffer layer 120 is irradiated with Zn immediately before the growth, and then simultaneously irradiated with Ga molecular beam and N plasma. Thus, a cation-polar nitride (Ga-polar GaN) grows. In the case of an O-polar ZnO buffer, for example, a Zn 3 N 2 crystal layer having an inversion symmetry center is formed by irradiating N plasma, and the GaN buffer layer 130 grown thereon becomes Ga-polar. Of course, Mg 3 N 2 having a reversal symmetry center similarly becomes Ga polarity even if a crystal layer is formed. That is, by growing a crystal layer having an inversion symmetry center on the O-polar ZnO layer 120, the GaN buffer layer 130 thereon becomes Ga-polar. The thickness of the nitride buffer layer 130 is preferably 100 nm to 10 μm.
In the above description, the nitride buffer layer 130 has been described as an example of a GaN buffer layer. However, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦), which is a nitride semiconductor having a lattice constant close to the crystal structure similar to that of GaN. 1) A buffer layer is formed of AlN, Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0.7 ≦ x + y ≦ 1) single crystal thin film or a combination thereof. May be.
For the formation of these nitride buffer layers, for example, the MBE method (Molecular Beam Epitaxy) may be used similarly to the ZnO layer 120 described above.
The reason why the MBE method is used so far is that low temperature growth and polarity control are indispensable to finally obtain a nitride buffer layer with controlled polarity while minimizing ZnO / GaN interface diffusion. is there. In addition, as described later, since the nitride layer is first formed at a relatively low temperature by using the HVPE method after the nitride buffer layer is formed, the temperature control is easily performed. .

(3)HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライド気相成長法)の初期状態で、Nあるいはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で所定の温度まで昇温し、次いでNHとHClを導入して窒化物付バッファー層130上に、通常の結晶成長温度より比較的低い基板温度(例えば、700℃〜900℃)、GaN等の窒化物層140を成長させる(図1(b))。ここで、窒化物層がGaNの場合、900℃以上では、NHが少ない状況では窒化物は熱分解されるためであり、また、700℃以下では窒化物の成長速度は極端に減少するからである。
なお、AlNの場合には、基板表面での素反応過程としてAlClとNHの反応を用いているため、1000℃〜1100℃で窒化物層140を形成することが可能である。なお、GaNの成長での基板における素反応過程にはGaClとNHの反応を用いている。
窒化物層140の厚さは80ミクロン厚〜200ミクロン厚とするとよい。ZnO膜120は窒化物層140の成長中に、NHとHClにより化学エッチされ、その場で(in situ)リフトオフする(図1(b)〜(c))。
ここで、窒化物層140として、GaN以外には、GaNと同様にHClとNHを用いてHVPE法で成長させることができる、AlGa1−xN(0≦x≦1),AlN、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)がある。
なお、当該窒化物層の厚さが80μm以上の厚さであれば、以下に述べる(4)のプロセスで、クラックの無い窒化物厚膜を成長することができる。
(4)次いで、前の段階より高い基板温度(例えば900℃〜1500℃)でのHVPE法による窒化物成長を行うことにより、自立した窒化物厚膜(100μm以上)150が作製できる。HVPE法で、前段より高温で窒化物厚膜を成長する。成長温度はGaNでは1000°〜1100℃、AlNでは1100°〜1500℃である。この窒化物厚膜150は、比較的高い温度で成長するために高品質であり、またin-situリフトオフのために残留歪が殆ど無い。また反りは極めて小さく、クラックは少ない(曲率半径10m以上)(図1(d)参照)。
(3) In the initial state of the HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy), the temperature is raised to a predetermined temperature in an inert gas atmosphere such as N 2 or argon gas, and then NH 3 and HCl are introduced. Then, a nitride layer 140 such as GaN and a substrate temperature relatively lower than the normal crystal growth temperature (eg, 700 ° C. to 900 ° C.) is grown on the nitride-attached buffer layer 130 (FIG. 1B). Here, when the nitride layer is GaN, when the temperature is 900 ° C. or higher, the nitride is thermally decomposed when NH 3 is low, and when the temperature is 700 ° C. or lower, the growth rate of the nitride is extremely reduced. It is.
In the case of AlN, since the reaction of AlCl 3 and NH 3 is used as the elementary reaction process on the substrate surface, the nitride layer 140 can be formed at 1000 ° C. to 1100 ° C. Note that the reaction of GaCl and NH 3 is used for the elementary reaction process in the substrate during the growth of GaN.
The nitride layer 140 is preferably 80 to 200 microns thick. The ZnO film 120 is chemically etched with NH 3 and HCl during the growth of the nitride layer 140 and lifts off in situ (FIGS. 1B to 1C).
Here, as the nitride layer 140, other than GaN, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), AlN, which can be grown by HVPE using HCl and NH 3 like GaN. And Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
If the nitride layer has a thickness of 80 μm or more, a thick nitride film without cracks can be grown by the process (4) described below.
(4) Next, by performing nitride growth by the HVPE method at a higher substrate temperature (for example, 900 ° C. to 1500 ° C.) than in the previous stage, a free-standing nitride thick film (100 μm or more) 150 can be manufactured. A nitride thick film is grown at a higher temperature than the previous stage by the HVPE method. The growth temperature is 1000 ° to 1100 ° C. for GaN and 1100 ° to 1500 ° C. for AlN. This thick nitride film 150 is of high quality because it grows at a relatively high temperature, and has almost no residual strain due to in-situ lift-off. Further, warpage is extremely small and cracks are small (curvature radius of 10 m or more) (see FIG. 1D).

従来技術では、熱膨張係数の差に起因する残留歪、さらには基板の反りを回避することができなかった。それに対して、本発明は、(A)ZnOバッファー層120をリフトオフさせつつ窒化物層140を形成する工程と、(B)リフトオフした後、窒化物層140上に窒化物厚膜層150を厚膜成長させる工程を有している。このため、高温成長した窒化物厚膜層150は、本質的にホモエピ成長となるために、残留歪の原因となる熱膨張係数の違いによる歪と反りは発生しない。クラック発生も無い。すなわち、高温窒化物バッファー層140を成長中に残留歪が生じるが、ZnOバッファー層がエッチングされてその上の窒化物厚膜150の成長はホモエピタキシとなるため、熱膨張係数差に起因するための残留歪は小さく、反りの小さい窒化物層がHVPE高温成長で可能になる。
上述のような反りとクラックが無いために、窒化物厚膜150作製後の工程が殆ど不要となり、基板作製工程の簡便化のために、基板作製の歩留まりが大幅に上昇し、また作製コストも減少するために、安価な窒化物半導体基板の供給が可能になる。
In the prior art, residual strain due to the difference in thermal expansion coefficient, and further, warpage of the substrate could not be avoided. On the other hand, in the present invention, (A) the step of forming the nitride layer 140 while lifting off the ZnO buffer layer 120, and (B) the thickness of the nitride thick film layer 150 on the nitride layer 140 after the lift-off is performed. A step of growing the film. For this reason, the nitride thick film layer 150 grown at a high temperature essentially undergoes homoepi growth, and therefore, distortion and warping due to differences in thermal expansion coefficients that cause residual strain do not occur. There are no cracks. That is, residual strain occurs during the growth of the high temperature nitride buffer layer 140, but the ZnO buffer layer is etched and the growth of the nitride thick film 150 thereon is homoepitaxy, which is caused by a difference in thermal expansion coefficient. Residual strain is small and a nitride layer with low warpage can be formed by high-temperature growth of HVPE.
Since there are no warping and cracks as described above, almost no steps are required after the nitride thick film 150 is manufactured, and the yield of the substrate manufacturing is greatly increased and the manufacturing cost is also increased to simplify the substrate manufacturing process. Therefore, an inexpensive nitride semiconductor substrate can be supplied.

実施例の自立GaN基板の製造方法及び作製された自立GaN基板を、図2〜図9を用いて、詳しく説明する。図2は実施例のプロセスの図、図3はHVPE成長での温度と時間との関係を示すグラフである。図4は、図2の各ステップにおけるGaN膜の表面と断面のSEM写真である。図5は原子間力顕微鏡(AFM)による自立GaN基板の表面モフォロジーを示す写真である。図6はX線回析をした結果を示す。図7はフォトルミネッセンス(PL)スペクトルのグラフである。図8は、自立GaN基板の側面を顕微PLで評価した結果である。図9はin−situリフトオフした自立GaN基板の(002)逆格子空間マッピングを示す図である。   The manufacturing method of the free-standing GaN substrate of the example and the produced free-standing GaN substrate will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram of the process of the embodiment, and FIG. 3 is a graph showing the relationship between temperature and time in HVPE growth. FIG. 4 is an SEM photograph of the surface and cross section of the GaN film in each step of FIG. FIG. 5 is a photograph showing the surface morphology of a free-standing GaN substrate by an atomic force microscope (AFM). FIG. 6 shows the result of X-ray diffraction. FIG. 7 is a graph of a photoluminescence (PL) spectrum. FIG. 8 shows the result of evaluating the side surface of the self-standing GaN substrate with the microscopic PL. FIG. 9 is a diagram showing (002) reciprocal lattice space mapping of an in-situ lift-off free-standing GaN substrate.

図2は自立GaN基板作製のためのプロセスを示す。図1と対応するものには同じ符号を付している。
まず、200nm厚の極性を制御したZnO薄膜120をサファイヤ基板110上に酸素プラズマ援用MBE法で成長した。成長温度は400〜1100Cであった。ここで、MgOバッファーを用いて成長した。MgOバッファー層の厚さを3nm以下にするとO極性ZnOが成長し、3nm以上にするとZn極性ZnOが成長する。
次いでZnO膜120上に1μm厚のGa極性GaNバッファー層130をプラズマ援用MBE法で積層した(図2(a)参照)。成長温度は600〜900Cであった。
FIG. 2 shows a process for making a free-standing GaN substrate. Components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
First, a 200 nm thick ZnO thin film 120 with controlled polarity was grown on a sapphire substrate 110 by an MBE method using oxygen plasma. Growth temperature was 400~1100 O C. Here, it grew using MgO buffer. When the thickness of the MgO buffer layer is 3 nm or less, O-polar ZnO grows, and when it is 3 nm or more, Zn-polar ZnO grows.
Next, a Ga-polar GaN buffer layer 130 having a thickness of 1 μm was stacked on the ZnO film 120 by a plasma-assisted MBE method (see FIG. 2A). Growth temperature was 600~900 O C.

次いで、このGaN/ZnO/サファイヤ・テンプレイト上にGaN層140をHVPE法により700〜900Cで成長させる。このときの温度と時間との関係を図3に示す。図3の例では900Cで成長している。HVPE成長では、HClガスを流して金属ガリウムと反応させてGaClを生成する。このGaClガスが基板まで輸送されてNHと反応してGaNを基板上に成長させる。ZnO層はNHあるいは未反応のHClガスによってエッチングされる(図2(b)参照)。
成長中の流量について、水素は1−10リットル/min、NHは0.3−5リットル/min、HClは10−200cc/minであった。成長速度は10−200μm/hrであった。
望ましくは、成長温度が850〜900Cで水素が2.5−4リットル/min,NHが0.5−2リットル/min,HClが20−100cc/minであった。
Then, by HVPE GaN layers 140 to the GaN / ZnO / sapphire templates on site grown at 700 to 900 O C. The relationship between temperature and time at this time is shown in FIG. In the example of FIG. 3, it grows at 900 OC . In HVPE growth, HCl gas is flowed to react with metal gallium to generate GaCl. This GaCl gas is transported to the substrate and reacts with NH 3 to grow GaN on the substrate. The ZnO layer is etched by NH 3 or unreacted HCl gas (see FIG. 2B).
Regarding the flow rate during growth, hydrogen was 1-10 liter / min, NH 3 was 0.3-5 liter / min, and HCl was 10-200 cc / min. The growth rate was 10-200 μm / hr.
Desirably, hydrogen growth temperature is 850 to 900 O C is 2.5-4 liters / min, NH 3 is 0.5-2 liters / min, HCl was 20-100cc / min.

ここで、HVPE成長の初期温度は700°〜900℃である。900℃以上では、NHが少ない状況ではGaNは熱分解されるためである。また、700℃以下ではGaNの成長速度は極端に減少するからである。N雰囲気下で所定の温度(900℃)まで昇温した。
室温から900℃まで昇温するときの窒素の流量は1−15リットル/minであった。望ましくは2−10リットル/minである。
次いでNHとHClを導入してGaN層を成長させる。
図2(b)に示したin−situエッチング速度は、この第1段階での基板温度、NH流量、HClガス流用で決定される。
上述の望ましい条件では、ZnOのエッチング速度は大よそ1−10μm/秒である。
第1段階で成長したGaN高温バッファー層140は900℃で成長し、100ミクロン以上の厚さであった。この成長過程でサファイヤ基板とGaN層の間にあるZnO層は、図2(c)に模式的に示すように完全にエッチングされた。
In−situリフトオフでは、GaN層成長とZnOエッチングが同時に起きるために、第1段階での成長温度、NHとHClのガス流量が極めて重要である。ZnOバッファーのエッチングは試料の端面から始まるため、GaN層の厚さが充分厚いことが重要である。したがって、第1段階でのGaN高温バッファー層の成長膜厚は80μm以上必要であるが、望ましくは100μm以上あればよい。
Here, the initial temperature of HVPE growth is 700 ° C to 900 ° C. This is because at 900 ° C. or higher, GaN is thermally decomposed in a situation where NH 3 is low. Moreover, it is because the growth rate of GaN extremely decreases below 700 ° C. The temperature was raised to a predetermined temperature (900 ° C.) under an N 2 atmosphere.
The flow rate of nitrogen when raising the temperature from room temperature to 900 ° C. was 1-15 liters / min. 2-10 liter / min is desirable.
Next, NH 3 and HCl are introduced to grow a GaN layer.
The in-situ etching rate shown in FIG. 2B is determined by the substrate temperature, NH 3 flow rate, and HCl gas flow in the first stage.
Under the desirable conditions described above, the etching rate of ZnO is approximately 1-10 μm / sec.
The GaN high temperature buffer layer 140 grown in the first stage was grown at 900 ° C. and had a thickness of 100 microns or more. During this growth process, the ZnO layer between the sapphire substrate and the GaN layer was completely etched as schematically shown in FIG.
In In-situ lift-off, GaN layer growth and ZnO etching occur simultaneously, so the growth temperature in the first stage and the NH 3 and HCl gas flow rates are extremely important. Since the etching of the ZnO buffer starts from the end face of the sample, it is important that the GaN layer is sufficiently thick. Therefore, the growth film thickness of the GaN high-temperature buffer layer in the first stage needs to be 80 μm or more, preferably 100 μm or more.

第2段階のGaN厚膜成長は、上記のin−situリフトオフされたGaN層(900℃で成長した)上に1040℃で成長した(図2(d))。900℃から1040℃へ温度を増加する過程では、HClガスの供給は停止する。この1040℃での成長では高品質GaN厚膜の成長が可能である。
成長中のガスの流量について、水素は1−10リットル/min、NHは0.3−5リットル/min、HClは10−200cc/minであった。成長速度は10−200μm/hrであった。望ましくは水素が2.5−4リットル/min,NH3が0.5−2リットル/min,HClが20−100cc/minであった。
The second stage GaN thick film growth was carried out at 1040 ° C. on the above-mentioned in-situ lift-off GaN layer (grown at 900 ° C.) (FIG. 2D). In the process of increasing the temperature from 900 ° C. to 1040 ° C., the supply of HCl gas is stopped. In this growth at 1040 ° C., a high quality GaN thick film can be grown.
Regarding gas flow rates during growth, hydrogen was 1-10 liter / min, NH 3 was 0.3-5 liter / min, and HCl was 10-200 cc / min. The growth rate was 10-200 μm / hr. Desirably, hydrogen was 2.5-4 liter / min, NH3 was 0.5-2 liter / min, and HCl was 20-100 cc / min.

GaN/ZnOヘテロ構造(図2のGaN層130/ZnO120)は、c面サファイヤ基板110上にプラズマ援用MBE法で成長した。このZnO/GaNテンプレイト上にGaN層140,150をHVPE法で成長する。250ミクロン厚以上のGaNをこのテンプレイト上に2段階成長法で成長させる。   The GaN / ZnO heterostructure (GaN layer 130 / ZnO120 in FIG. 2) was grown on the c-plane sapphire substrate 110 by the plasma-assisted MBE method. GaN layers 140 and 150 are grown on the ZnO / GaN template by the HVPE method. GaN having a thickness of 250 microns or more is grown on this template by a two-step growth method.

図4は成長の各ステップにおけるGaNのSEMの写真である。図4(a)、(b)、(c)はそれぞれ900℃で成長したGaN層140の表面と断面SEM写真である。図4(d)、(e)、(f)は900℃で成長したGaN層上に1040℃で成長した、自立GaN厚膜の表面、断面、裏面のSEM写真である。   FIG. 4 is a SEM photograph of GaN at each growth step. FIGS. 4A, 4B, and 4C are a surface and cross-sectional SEM photographs of the GaN layer 140 grown at 900 ° C., respectively. 4D, 4E, and 4F are SEM photographs of the surface, cross section, and back surface of the free-standing GaN thick film grown at 1040 ° C. on the GaN layer grown at 900 ° C. FIG.

図4(a)は数ミクロンのグレインが現れているが、図4(c)に示すように各グレインには原子層ステップとテラスが観察される。自立GaN基板はクラックを生じることなく成長できる。これは、900℃でGaN層140の成長中にZnOバッファー層120がエッチングされたために、残留歪が極めて減少したためである。   In FIG. 4 (a), grains of several microns appear, but as shown in FIG. 4 (c), atomic layer steps and terraces are observed in each grain. A free-standing GaN substrate can be grown without causing cracks. This is because the residual strain was greatly reduced because the ZnO buffer layer 120 was etched during the growth of the GaN layer 140 at 900 ° C.

2段階成長による250ミクロン厚の自立GaN基板の表面は鏡面である(図4(d))。図4(e)では、900℃成長GaN層140と1040℃成長GaN厚膜150の界面が観察される。図4(f)に示すように、裏面はクラックが散見されるが、表面にはクラックが観察されていない。これは、900℃GaN層140の成長と同時に行なわれるZnO層120のエッチングの進行と共にZnO/GaN界面にクラックが発生するものの、GaN層140の成長と横方向成長によってクラックが埋められるために、裏面に発生したクラックはGaN層140の形成途中で消滅してしまうため、高温成長によるGaN層150の表面側ではクラックが観察されない。   The surface of the 250-micron-thick freestanding GaN substrate formed by the two-step growth is a mirror surface (FIG. 4D). In FIG. 4E, the interface between the 900 ° C. grown GaN layer 140 and the 1040 ° C. grown GaN thick film 150 is observed. As shown in FIG. 4F, cracks are scattered on the back surface, but no cracks are observed on the surface. This is because cracks are generated at the ZnO / GaN interface with the progress of etching of the ZnO layer 120 performed simultaneously with the growth of the 900 ° C. GaN layer 140, but the cracks are filled by the growth and lateral growth of the GaN layer 140. Since cracks generated on the back surface disappear during the formation of the GaN layer 140, no cracks are observed on the front surface side of the GaN layer 150 due to high temperature growth.

ZnOバッファー層120のエッチングは試料の端面から始まる。その結果、裏面の端面付近のクラック密度は中心部分よりも多くなっている。クラックが第1段階の900℃成長で起きるものの、成長の進行と共にクラックが消滅することは上述の断面SEM観察で確認している。すなわち、図4(e)に示すように、自立GaN基板を貫通しているクラックは観察されていない。   Etching of the ZnO buffer layer 120 starts from the end face of the sample. As a result, the crack density in the vicinity of the end face on the back surface is higher than that in the central portion. Although cracks occur in the first stage growth at 900 ° C., it is confirmed by the cross-sectional SEM observation that the cracks disappear as the growth proceeds. That is, as shown in FIG. 4E, no cracks penetrating the self-standing GaN substrate are observed.

図5(a)、(b)は、原子間力顕微鏡(AFM)で観察した自立GaN基板の表面モフォロジーである(a:5μm×5μm;b:0.5μm×0.5 μmサイズ)。表面は、原子レベルで平坦なモフォロジーを示し、rmsラフネスは、図5(a)で0.46nm、図5(b)で0.11nmである。図5(b)では、原子レベルでのステップとテラスが観察されている。900℃成長GaN層140は粗い表面であるが、1040℃成長のGaN厚膜150で表面平坦性が回復することが分かる。   FIGS. 5A and 5B are surface morphologies of a free-standing GaN substrate observed with an atomic force microscope (AFM) (a: 5 μm × 5 μm; b: 0.5 μm × 0.5 μm size). The surface shows a flat morphology at the atomic level, and the rms roughness is 0.46 nm in FIG. 5A and 0.11 nm in FIG. 5B. In FIG. 5B, steps and terraces at the atomic level are observed. Although the 900 ° C. growth GaN layer 140 has a rough surface, it can be seen that the surface flatness is restored by the GaN thick film 150 grown at 1040 ° C.

X線回折を2θ−ωスキャンで測定して、自立GaN基板の格子定数を評価した結果を図6に示す。図6(a)に示している(10−10)回折からa軸格子定数を求め、図6(b)に示す(0002),(0004),(0006)回析からc軸格子定数を求めた。(0002)回折からは、表面近傍10μm程度の厚さの格子定数が求まり、(0004)回折では表面から20μm、(0006)回折では表面から30μmの格子定数が求まる。測定した格子定数は、図6(a)、(b)に示すように、a軸で3.189Å、c軸で5.185Åであった。これらの値は、これまでに報告されている自立GaN基板の値と同じであり、実施例における自立GaN基板が完全に歪緩和されていることを示している。   FIG. 6 shows the result of measuring the X-ray diffraction by 2θ-ω scan and evaluating the lattice constant of the self-standing GaN substrate. The a-axis lattice constant is obtained from (10-10) diffraction shown in FIG. 6 (a), and the c-axis lattice constant is obtained from (0002), (0004), (0006) diffraction shown in FIG. 6 (b). It was. From (0002) diffraction, a lattice constant having a thickness of about 10 μm in the vicinity of the surface is obtained. In (0004) diffraction, a lattice constant of 20 μm from the surface is obtained, and in (0006) diffraction, a lattice constant of 30 μm is obtained from the surface. As shown in FIGS. 6A and 6B, the measured lattice constant was 3.189 mm on the a axis and 5.185 mm on the c axis. These values are the same as the values of the free-standing GaN substrate reported so far, and show that the free-standing GaN substrates in the examples are completely strain-relaxed.

10Kでのフォトルミネッセンス(PL)スペクトルを図7(a)に示す。自立GaN基板の成長面(表面)を測定した。ドナー束縛励起子(DX)が3.472eVが支配的である。3.265eVにドナーアクセプター対(DAP)発光が観測されている。3.172eVの発光はDAP発光の1フォノンサイドバンドである。2.0eV〜3.0eVで深い準位からの発光は観測されていない。図7(b)は、図7(a)のバンド端近辺の発光スペクトルの詳細である。図7(b)に示すように、3.4715eVにDX発光が現われ、3.4791eVに自由励起子発光(FX)が観測される。半値幅はそれぞれ4.8meVと2.5meVと鋭く、残留歪が小さいことを示す。DX発光線の位置はバルクのGaNのDX発光のエネルギー(3.4712eV)、ホモエピタキシGaN層からのDX発光線の位置(3.4709eVと3.4718eV)や自立GaN基板からの発光線(3.4720eV,3.4710eV±2meV)と同位置である。X線回折ならびにPL測定結果は、GaN厚膜層中の残留歪がほとんど無いことを示している。 A photoluminescence (PL) spectrum at 10K is shown in FIG. The growth surface (surface) of the self-standing GaN substrate was measured. The donor-bound exciton (D 0 X) is dominant at 3.472 eV. A donor-acceptor pair (DAP) emission is observed at 3.265 eV. The emission of 3.172 eV is one phonon sideband of DAP emission. Light emission from a deep level is not observed at 2.0 eV to 3.0 eV. FIG. 7B shows details of the emission spectrum in the vicinity of the band edge in FIG. As shown in FIG. 7B, D 0 X emission appears at 3.4715 eV, and free exciton emission (FX A ) is observed at 3.44791 eV. The full width at half maximum is sharp at 4.8 meV and 2.5 meV, respectively, indicating that the residual strain is small. The position of the D 0 X emission line is the energy of D 0 X emission of bulk GaN (3.4712 eV), the position of the D 0 X emission line from the homoepitaxy GaN layer (3.4709 eV and 3.4718 eV), and a self-standing GaN substrate. And the emission line (3.4720 eV, 3.4710 eV ± 2 meV). X-ray diffraction and PL measurement results show that there is almost no residual strain in the GaN thick film layer.

図8は、自立GaN基板の側面を77Kでの顕微PLで評価した結果を示す図である。顕微PLで観察している位置の定義をグラフ内の挿図に示す。その挿図に示すように、MBE成長GaN層130とZnO層120の界面(即ち自立GaN基板の裏面)を原点として、成長方向の厚さを示しており、最表面は250μmとなる。50μmの位置から10μm刻みで170μmまで顕微PL測定を行った。顕微PLの位置分解能は1μm径以下である。900℃GaN層140と1040℃成長GaN厚膜層150の間の界面付近は数ミクロン刻みで測定した。表面あるいは裏面から数十μmの領域は、試料を切断する時の損傷が顕著なために測定していない。1040℃成長GaN厚膜層150の上半分の層のPLスペクトルは、図8に示すように、A自由励起子(FX:3.4763eV)、B自由励起子(FX:3.4815eV)、ドナー束縛励起子(DX:3.4705eV)が支配的である。バルクGaNのA励起子の77Kでの発光エネルギーは3.475eVと報告されている。この値は、測定値とほぼ一致しており、1040℃成長GaN層150の上半分は、ほぼ格子歪が緩和していることがわかる。これに対して下半分は、Znアクセプターの束縛励起子(AX)と思われる3.453eV付近の幅広い発光が支配的である。ZnはZnOからの拡散によるものと考えられるが、このZnアクセプター励起子発光は界面から120ミクロンではほとんど観察されず、裏面(ZnOとの界面)から120ミクロンではZn拡散の影響は無いことがわかる。すなわち、結晶性の悪い900℃GaN層140ではZn拡散の影響が見られるが、結晶性の良い1040℃成長GaN厚膜層150ではZn拡散は抑制されていることを示している。 FIG. 8 is a diagram showing the result of evaluating the side surface of the self-standing GaN substrate by microscopic PL at 77K. The definition of the position observed with the microscopic PL is shown in the inset in the graph. As shown in the drawing, the thickness in the growth direction is shown with the interface between the MBE grown GaN layer 130 and the ZnO layer 120 (that is, the back surface of the freestanding GaN substrate) as the origin, and the outermost surface is 250 μm. Micro PL measurement was performed from the 50 μm position to 170 μm in 10 μm increments. The position resolution of the microscopic PL is 1 μm or less. The vicinity of the interface between the 900 ° C. GaN layer 140 and the 1040 ° C. grown GaN thick film layer 150 was measured in steps of several microns. An area of several tens of μm from the front surface or the back surface is not measured because damage when the sample is cut is significant. As shown in FIG. 8, the PL spectra of the upper half layer of the GaN thick film layer 150 grown at 1040 ° C. are A free excitons (FX A : 3.4863 eV) and B free excitons (FX B : 3.4815 eV). Donor bound excitons (D 0 X: 3.4705 eV) are dominant. The emission energy at 77 K of bulk GaN A excitons is reported to be 3.475 eV. This value almost coincides with the measured value, and it can be seen that the lattice strain is substantially relaxed in the upper half of the GaN layer 150 grown at 1040 ° C. On the other hand, in the lower half, a broad emission around 3.453 eV, which is considered to be a bound exciton (A 0 X) of the Zn acceptor, is dominant. Zn is thought to be due to diffusion from ZnO, but this Zn acceptor exciton emission is hardly observed at 120 microns from the interface, and there is no influence of Zn diffusion at 120 microns from the back surface (interface with ZnO). . That is, the influence of Zn diffusion is observed in the 900 ° C. GaN layer 140 with poor crystallinity, but the Zn diffusion is suppressed in the 1040 ° C. grown GaN thick film layer 150 with good crystallinity.

図9は、in−situリフトオフした自立GaN基板の(0002)逆格子空間マッピングである。図9では、オメガ・スキャンに対して重ピークが観察されるが、これは結晶中にc軸が微小角だけ傾いたドメインが含まれていることを示す。これは、成長初期段階で微小クラックが生じ、そのクラックが横方向成長で埋められる時に微小角だけ傾いたドメインが形成されるためであろう。X線回折半値幅はオメガ・スキャンでは300−450arcsecであり、表面付近での微傾斜ドメインの影響があるが、ω−2θスキャンでは50arcsecであり、格子歪の揺らぎの非常に小さい良質の結晶が成長していることがわかる。
なお、上述の実施例では、自立GaN基板の作製方法を説明したが、この分野の専門家であれば、この作製方法を他の窒化物(AlGa1−xN(0≦x≦1),AlN、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦0.3、0≦x+y≦1)に適用することは容易にできる。
また、上記の例では、極性を制御したZnO層を用いたが、より広くは、ZnO層の代わりに極性を制御したZn1−xMgO層(0≦x≦0.3)を用いても良い。
FIG. 9 is a (0002) reciprocal space mapping of an in-situ lift-off free-standing GaN substrate. In FIG. 9, a heavy peak is observed for the omega scan, which indicates that the crystal includes a domain whose c-axis is inclined by a minute angle. This is because a micro crack is generated in the initial stage of growth, and a domain tilted by a micro angle is formed when the crack is filled by lateral growth. The X-ray diffraction half-width is 300-450 arcsec in the omega scan, and there is an influence of the finely tilted domain near the surface, but it is 50 arcsec in the ω-2θ scan, and a high-quality crystal with very little lattice distortion fluctuation is obtained. You can see that it is growing.
In the above-described embodiment, the method for manufacturing the self-standing GaN substrate has been described. However, if the expert in this field, this method may be used for other nitrides (Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). ), AlN, Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.3, 0 ≦ x + y ≦ 1).
In the above example, a ZnO layer with a controlled polarity is used. More broadly, a Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) with a controlled polarity is used instead of the ZnO layer. May be.

本発明の実施形態の自立GaN基板の製造方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the manufacturing method of the self-supporting GaN substrate of embodiment of this invention. 実施例における自立GaN基板の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the self-supporting GaN substrate in an Example. HVPE法によるGaN層の成長及びリフトオフ過程の温度と時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature and time of the growth of a GaN layer by HVPE method, and a lift-off process. 図2の各ステップにおけるGaN層の表面と断面のSEM写真である。3 is a SEM photograph of the surface and cross section of a GaN layer in each step of FIG. 2. 原子間力顕微鏡(AFM)による自立GaN基板の表面モフォロジーを示す写真である。It is a photograph which shows the surface morphology of the self-standing GaN substrate by an atomic force microscope (AFM). 自立GaN基板のX線回析をした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having carried out the X-ray diffraction of the self-supporting GaN substrate. 自立GaN基板のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルのグラフである。It is a graph of the photoluminescence (PL) spectrum of a self-standing GaN substrate. 自立GaN基板の側面を顕微PLで評価した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having evaluated the side surface of the self-standing GaN substrate by microscopic PL. in−situリフトオフした自立GaN基板の(0002)逆格子空間マッピングを示す図である。It is a figure which shows the (0002) reciprocal lattice space mapping of the self-standing GaN substrate which carried out the in-situ lift-off.

Claims (6)

基板上に極性を制御して、Zn1−xMgO層(0≦x≦0.3)を形成し、
該Zn1−xMgO層(0≦x≦0.3)上に、陽イオン極性となるように窒化物バッファー層を形成し、
次いで、HVPE法で窒化物層を成長するとともに、前記Zn1−xMgO層(0≦x≦0.3)層をガスによる化学反応でエッチングして窒化物層をリフトオフし、
HVPE法成長の該窒化物層上に、HVPE成長該窒化物層の成長時より成長温度を上げて、HVPE法により窒化物厚膜を成長することを特徴とする自立窒化物基板の製造方法。
A Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) is formed on the substrate by controlling the polarity,
A nitride buffer layer is formed on the Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) so as to have a cation polarity,
Next, a nitride layer is grown by the HVPE method, and the Zn 1-x Mg x O layer (0 ≦ x ≦ 0.3) layer is etched by a gas chemical reaction to lift off the nitride layer,
A method for producing a self-supporting nitride substrate, wherein a thick nitride film is grown by an HVPE method on the nitride layer grown by HVPE by raising the growth temperature from the time of growth of the HVPE grown nitride layer.
請求項1に記載の自立窒化物基板の製造方法において、
HVPE法で前記窒化物層を形成する前に、基板温度を室温から所定温度まで昇温するとき、不活性ガス中で昇温することを特徴とする自立窒化物基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting nitride substrate according to claim 1,
A method for producing a self-supporting nitride substrate, wherein the substrate temperature is raised in an inert gas when the substrate temperature is raised from room temperature to a predetermined temperature before forming the nitride layer by HVPE.
請求項1又は2に記載の自立窒化物基板の製造方法において、
前記窒化物バッファー層の窒化物は、GaN,AlN,AlGa1−xN(0≦x≦1)あるいはAlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)あるいはこれらの組み合わせであることを特徴とする自立窒化物基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting nitride substrate according to claim 1 or 2,
Nitrides of the nitride buffer layer, GaN, AlN, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) or Al x Ga 1-x-y In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) or a combination thereof, A method for producing a self-standing nitride substrate.
請求項1〜3のいずれかに記載の自立窒化物基板の製造方法において、
前記窒化物層及び窒化物厚膜は、GaN,AlN、AlGa1−xN(0≦x≦1)、あるいはAlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)であることを特徴とする自立窒化物基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting nitride board | substrate in any one of Claims 1-3,
The nitride layer and nitride thick film, GaN, AlN, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), or Al x Ga 1-x-y In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A method for producing a self-standing nitride substrate, wherein
請求項1〜4記載の自立窒化物基板の製造方法において、前記窒化物層の厚さが80ミクロン以上であることを特徴とする自立窒化物基板の製造方法。 5. The method for manufacturing a self-standing nitride substrate according to claim 1, wherein the nitride layer has a thickness of 80 microns or more. 基板上に、MBE法で極性を制御して、ZnO層を形成し、
該ZnO層上に、MBE法でGa極性となるようにGaNバッファー層を形成し、
HVPE法で、該GaNバッファー層上に、700°から900℃で、GaN層を成長するとともに、前記ZnO層をガスによる化学反応でエッチングして、前記GaN層をリフトオフし、
HVPE法で、前記GaN層上に、前記GaN層の成長時より成長温度を上げてGaN厚膜を成長することを特徴とする自立GaN基板の製造方法。
On the substrate, the polarity is controlled by the MBE method to form a ZnO layer,
On the ZnO layer, a GaN buffer layer is formed so as to be Ga polarity by MBE method,
A GaN layer is grown on the GaN buffer layer at 700 ° C. to 900 ° C. by HVPE, and the ZnO layer is etched by a chemical reaction using a gas to lift off the GaN layer.
A method for producing a self-standing GaN substrate, wherein a GaN thick film is grown on the GaN layer at a growth temperature higher than that during the growth of the GaN layer by HVPE.
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