JP2008303138A - GaN SINGLE-CRYSTAL SUBSTRATE, NITRIDE TYPE SEMICONDUCTOR EPITAXIAL SUBSTRATE AND NITRIDE TYPE SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光デバイス等に利用するためのGaN単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、及び窒化物系半導体素子に関するものである。 The present invention relates to a GaN single crystal substrate, a nitride semiconductor epitaxial substrate, and a nitride semiconductor element for use in a light emitting device or the like.
窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイスは、紫外光から青緑色の領域といった短波長の発光が得られるため、近年注目されている。これら発光ダイオードやレーザダイオードといったデバイスは、照明や表示装置、また次世代DVD用光源として期待されている。これら発光デバイスに用いられる基板としては、主要な窒化物系化合物半導体層であるGaN層と、格子定数の一致するGaN単結晶基板を用いることが好ましい。しかしながら、従来、GaN単結晶基板の製造は困難であると考えられていた。 In recent years, light-emitting devices using nitride-based compound semiconductors have attracted attention because they can emit light with a short wavelength, such as ultraviolet to blue-green. These devices such as light-emitting diodes and laser diodes are expected as illumination, display devices, and light sources for next-generation DVDs. As a substrate used in these light emitting devices, it is preferable to use a GaN single crystal substrate having a lattice constant that is the same as that of the main nitride compound semiconductor layer. However, conventionally, it has been considered difficult to manufacture a GaN single crystal substrate.
したがって、通常、GaNに格子定数が近似し、化学的にも安定なサファイア基板が用いられる。このようなサファイア基板上にGaN層をエピタキシャル成長させる方法としては、通常OMVPE法が用いられる。このOMVPE法では、H2ガス雰囲気中でサファイア基板の基板温度を1050℃程度に保持して表面のクリーニングをした後、基板温度450〜600℃程度でGaNまたはAlNのバッファ層を成長させ、その後1000℃以上の高温でGaN層を成長させる。 Therefore, normally, a sapphire substrate having a lattice constant close to that of GaN and chemically stable is used. As a method for epitaxially growing a GaN layer on such a sapphire substrate, the OMVPE method is usually used. In this OMVPE method, the surface temperature of the sapphire substrate is maintained at about 1050 ° C. in an H 2 gas atmosphere, and then a buffer layer of GaN or AlN is grown at a substrate temperature of about 450 to 600 ° C. The GaN layer is grown at a high temperature of 1000 ° C. or higher.
しかし、サファイア基板を使用することには以下のような問題がある。まず、サファイア基板は、GaN層と格子定数が近似するものの一致してはいないため、サファイア基板とGaN層の界面で格子不整合による転位等の多数の欠陥が導入される。この欠陥は、成長方向に伸びて、エピタキシャル層表面に多数の貫通欠陥として現出すると共に、レーザダイオード等の発光デバイスの特性や寿命を著しく劣化させる。また、サファイア基板の熱膨張係数とGaN層の熱膨張率とは大きく異なるため、エピタキシャル成長後の基板には大きな反りが発生してしまう。さらに、サファイア基板は劈開性がないため、劈開面を反射面とするレーザダイオードの作製が極めて困難である。 However, the use of a sapphire substrate has the following problems. First, since the sapphire substrate has a lattice constant similar to that of the GaN layer but does not match, a large number of defects such as dislocations due to lattice mismatch are introduced at the interface between the sapphire substrate and the GaN layer. This defect extends in the growth direction and appears as a large number of through defects on the surface of the epitaxial layer, and remarkably deteriorates the characteristics and lifetime of a light emitting device such as a laser diode. In addition, since the thermal expansion coefficient of the sapphire substrate and the thermal expansion coefficient of the GaN layer are greatly different, a large warp occurs in the substrate after epitaxial growth. Furthermore, since the sapphire substrate does not have a cleavage property, it is extremely difficult to manufacture a laser diode having a cleavage surface as a reflection surface.
このような状況に鑑み、窒化物系化合物半導体層の形成に適する単結晶GaN基板が実現された(国際公開番号WO99/23693号公報)。この方法によれば、GaAs基板上にストライプや円形の形状をしたマスクを形成し、その上にGaN層を気相成長させた後、GaAs基板を除去することでGaN基板を得ることができる。また、この方法により、GaN基板上にさらにGaN層を成長させてインゴットを作製し、インゴットからGaN基板を切り出すことにより、GaN基板を量産することができる。すなわち、この新しい方法により、GaN単結晶基板の量産化が可能となった。
しかしながら、前述した従来のGaN基板には、次のような課題が存在している。すなわち、作製したGaN単結晶基板上にエピタキシャル層を形成するためには、基板表面を機械的に研磨して平坦にする必要があるが、GaN単結晶基板は化学的に非常に安定なため、他の半導体用基板に使われているような化学的機械研磨法(CMP)で研磨することが難しい。したがって、機械研磨後の基板表面をエピタキシャル成長に適するほど平坦にすることが難しく、典型的な機械研磨後の基板表面のRms(平均二乗平方根粗さ)は1.0nm程度である。このように、表面が粗い基板上にエピタキシャル層を形成した場合には、凹凸部でのランダムな核発生による3次元成長が起きてしまうため、平坦な表面を得ることは難しい。また、このような成長モードでは、生成した成長核同士が合体する際に、核間に存在する微少な結晶の方位ズレに起因して転位等の結晶欠陥が発生してしまい結晶性劣化の原因となる。すなわち、GaN単結晶基板上に、より良質の半導体装置を形成するためには、表面加工に伴う欠陥(例えば、傷、歪等)を除去することが必要となってくる。 However, the conventional GaN substrate described above has the following problems. That is, in order to form an epitaxial layer on the produced GaN single crystal substrate, it is necessary to mechanically polish and flatten the substrate surface, but the GaN single crystal substrate is chemically very stable. It is difficult to polish by chemical mechanical polishing (CMP) used in other semiconductor substrates. Therefore, it is difficult to flatten the substrate surface after mechanical polishing so as to be suitable for epitaxial growth, and Rms (average square root roughness) of a typical substrate surface after mechanical polishing is about 1.0 nm. As described above, when an epitaxial layer is formed on a substrate having a rough surface, three-dimensional growth due to random nucleation in the concavo-convex portion occurs, so that it is difficult to obtain a flat surface. Also, in such a growth mode, when the generated growth nuclei coalesce, crystal defects such as dislocations are generated due to the slight misorientation of crystals existing between the nuclei, which causes deterioration of crystallinity. It becomes. That is, in order to form a higher quality semiconductor device on a GaN single crystal substrate, it is necessary to remove defects (for example, scratches, strains, etc.) associated with surface processing.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、表面が平坦化されたGaN単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a GaN single crystal substrate, a nitride-based semiconductor epitaxial substrate, a nitride-based semiconductor element, and a method for manufacturing the same, having a planarized surface. And
本発明に係るGaN単結晶基板は、研磨された表面が、少なくともNH3ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度1020℃以上で10分以上熱処理されて、表面が平坦化されていることを特徴とする。 The GaN single crystal substrate according to the present invention is characterized in that the polished surface is heat-treated at a substrate temperature of 1020 ° C. or more for 10 minutes or more in a mixed gas atmosphere containing at least NH 3 gas, and the surface is flattened. And
このGaN単結晶基板においては、NH3ガス雰囲気中で、基板温度を1020℃以上にして所定の熱処理が10分以上おこなわれたことにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。 In this GaN single crystal substrate, in a NH 3 gas atmosphere, the substrate temperature is set to 1020 ° C. or higher and a predetermined heat treatment is performed for 10 minutes or more, whereby atoms on the substrate surface on which many fine defects are formed by polishing. Rearrangement is performed and the substrate surface is flattened. Therefore, the surface of the epitaxial layer formed on this substrate can be flattened.
また、熱処理により、表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下となっている。このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。 Moreover, the average square root roughness of the surface is 0.2 nm or less by the heat treatment. Thus, when the mean square root roughness of the substrate surface is 0.2 nm or less, the substrate is sufficiently flat to form a good-quality epitaxial layer.
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板は、上記GaN単結晶基板と、GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層とを備えることを特徴とする。 A nitride semiconductor epitaxial substrate according to the present invention includes the GaN single crystal substrate and a nitride compound semiconductor layer epitaxially grown on the GaN single crystal substrate.
この窒化物系半導体エピタキシャル基板において、NH3ガス雰囲気中で、基板温度を1020℃以上にして所定の熱処理が10分以上おこなわれたGaN単結晶基板上に、窒化物系化合物半導体層が形成されている。すなわち、エピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板上に、窒化物系化合物半導体層がエピタキシャル成長されているため、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、この窒化物系化合物半導体層上に積層される半導体層の表面も、平坦で且つ結晶性が良好となるため、上記窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた発光デバイスやトランジスタ等の半導体素子の高性能化、高歩留まり化を図ることができる。 In this nitride semiconductor epitaxial substrate, a nitride compound semiconductor layer is formed on a GaN single crystal substrate that has been subjected to a predetermined heat treatment for 10 minutes or more in an NH 3 gas atmosphere at a substrate temperature of 1020 ° C. or higher. ing. That is, since the nitride compound semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate that is sufficiently flat to form an epitaxial layer, a nitride compound semiconductor layer having a flat surface and good crystallinity can be obtained. . Further, since the surface of the semiconductor layer laminated on the nitride-based compound semiconductor layer is also flat and has good crystallinity, a light-emitting device or a semiconductor element such as a transistor using the nitride-based semiconductor epitaxial substrate is used. High performance and high yield can be achieved.
また、窒化物系化合物半導体層は、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)であることが好ましい。 Further, the nitride compound semiconductor layer is preferably Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1).
また、窒化物系化合物半導体層は、GaNであることが好ましい。この場合、基板とのミスマッチがないため、基板とエピタキシャル層との界面における欠陥の発生を抑制することができる。 The nitride compound semiconductor layer is preferably GaN. In this case, since there is no mismatch with the substrate, generation of defects at the interface between the substrate and the epitaxial layer can be suppressed.
また、GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層の表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下であることが好ましい。この場合、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、窒化物系化合物半導体層上に、さらに所望の半導体をエピタキシャル成長させる場合に、積層構造の急峻性及び結晶性が良好な状態でエピタキシャル成長をおこなうことができる。それにより、表面が平坦な半導体層を形成することができる。 Further, the mean square root roughness of the surface of the nitride-based compound semiconductor layer epitaxially grown on the GaN single crystal substrate is preferably 0.2 nm or less. In this case, a nitride compound semiconductor layer having a flat surface and good crystallinity can be obtained. Further, when a desired semiconductor is further epitaxially grown on the nitride-based compound semiconductor layer, the epitaxial growth can be performed in a state where the steepness and crystallinity of the stacked structure are good. Thereby, a semiconductor layer having a flat surface can be formed.
また、窒化物系化合物半導体層のX線回折の半値幅が、100秒以下であることが好ましい。すなわち、X線回折の半値幅は、エピタキシャル層の結晶軸のゆらぎ(モザイク性)を示しているが、これが100秒以下であれば、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、そのエピタキシャル層上にさらに積層される半導体層の結晶性が良好となる。 Moreover, it is preferable that the half width of the X-ray diffraction of the nitride-based compound semiconductor layer is 100 seconds or less. That is, the half width of the X-ray diffraction shows the fluctuation (mosaic property) of the crystal axis of the epitaxial layer. If this is 100 seconds or less, the nitride compound semiconductor layer having a flat surface and good crystallinity Can be obtained. Further, the crystallinity of the semiconductor layer further stacked on the epitaxial layer is improved.
また、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が1×106cm−2以下であることが好ましい。すなわち、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が1×106cm−2以下である場合には、この窒化物系化合物半導体層(エピタキシャル層)上にさらに積層される半導体層内の貫通転位密度を抑制することができる。 Further, the threading dislocation density of the nitride-based compound semiconductor layer is preferably 1 × 10 6 cm −2 or less. That is, when the threading dislocation density of the nitride-based compound semiconductor layer is 1 × 10 6 cm −2 or less, the threading dislocation in the semiconductor layer further stacked on the nitride-based compound semiconductor layer (epitaxial layer). Density can be suppressed.
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記GaN単結晶基板がn型の導電性を有しており、この基板上にはAlxGa1−xN(0<x<1)からなるn型クラッド層が積層され、このクラッド層上には活性層が積層され、さらにこの活性層上にはAlxGa1−xN(0<x<1)からなるp型クラッド層が積層され、このp型クラッド層上にはp型GaN層が積層されたことを特徴とする。 In the nitride-based semiconductor device according to the present invention, the GaN single crystal substrate has n-type conductivity, and n is made of Al x Ga 1-x N (0 <x <1) on the substrate. A type cladding layer is laminated, an active layer is laminated on the cladding layer, and a p-type cladding layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x <1) is further laminated on the active layer, A p-type GaN layer is laminated on the p-type cladding layer.
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるGaN単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。 In this nitride-based semiconductor device, the crystallinity is improved by laminating a clad layer and an active layer on a GaN single crystal substrate having a flat surface. Therefore, a laser diode having high luminous efficiency and long life. An element can be obtained.
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記GaN単結晶基板上に、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される窒化物系半導体層が複数積層して形成されたことを特徴とする。 The nitride-based semiconductor device according to the present invention is represented by Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) on the GaN single crystal substrate. And a plurality of nitride-based semiconductor layers.
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるGaN単結晶基板上に、例えば、AlGaInNで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。 In this nitride-based semiconductor element, a collector layer, a base layer, and an emitter layer made of a nitride-based semiconductor layer represented by, for example, AlGaInN are sequentially formed on a GaN single crystal substrate having a flat surface. The crystallinity is improved, so that a transistor with a high current gain can be obtained.
本発明に係るGaN単結晶基板は、表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下であることを特徴とする。 The GaN single crystal substrate according to the present invention is characterized in that the mean square root roughness of the surface is 0.2 nm or less.
このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。 Thus, when the mean square root roughness of the substrate surface is 0.2 nm or less, the substrate is sufficiently flat to form a good-quality epitaxial layer.
本発明に係るGaN単結晶基板の製造方法は、表面が研磨されたGaN単結晶基板を、少なくともNH3ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度1020℃以上で10分以上熱処理することにより、GaN単結晶基板の表面の平均自乗平方根粗さを0.2nm以下にすることを特徴とする。 The method for producing a GaN single crystal substrate according to the present invention includes subjecting a GaN single crystal substrate having a polished surface to heat treatment in a mixed gas atmosphere containing at least NH 3 gas at a substrate temperature of 1020 ° C. or more for 10 minutes or more. The average square root roughness of the surface of the single crystal substrate is 0.2 nm or less.
このGaN単結晶基板の製造方法においては、GaN単結晶基板が、NH3ガス雰囲気中で、基板温度を1020℃以上にして所定の熱処理がおこなわれる。それにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。また、このような平坦なエピタキシャル表面にこれとは異種の単結晶層を成長し、ヘテロ接合を形成すれば、この接合界面は平坦となり、このような接合によって形成した素子は平坦でない界面の接合を有する素子よりその特性が高い。 In this method for manufacturing a GaN single crystal substrate, the GaN single crystal substrate is subjected to a predetermined heat treatment at a substrate temperature of 1020 ° C. or higher in an NH 3 gas atmosphere. Thereby, atomic rearrangement is performed on the substrate surface on which many fine defects are formed by polishing, and the substrate surface is flattened. Therefore, the surface of the epitaxial layer formed on this substrate can be flattened. Further, if a single crystal layer different from this is grown on such a flat epitaxial surface and a heterojunction is formed, this junction interface becomes flat, and the element formed by such a junction becomes a junction with a non-flat interface. Its characteristics are higher than those of the element having
また、混合ガスには、H2ガスが含まれることが好ましい。つまり、NH3ガスの分解によって生じるH2ガスが不足する場合に、不足するH2ガスが補充されることとなる。 The mixed gas preferably contains H 2 gas. That is, when the H 2 gas generated by the decomposition of the NH 3 gas is insufficient, the insufficient H 2 gas is replenished.
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法は、上記GaN単結晶基板の製造方法によって得られたGaN単結晶基板の表面を酸化させることなく、このGaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。 The method for producing a nitride-based semiconductor epitaxial substrate according to the present invention provides a nitride-based compound on the GaN single-crystal substrate without oxidizing the surface of the GaN single-crystal substrate obtained by the method for producing a GaN single-crystal substrate. The semiconductor layer is epitaxially grown.
この窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法において、表面が平坦であるGaN単結晶基板は酸化されないため、基板上にエピタキシャル層を形成するにあたって、熱処理などの再処理をおこなう必要がない。それにより、エピタキシャル基板の製造工程を簡略化することができる。 In this method for manufacturing a nitride-based semiconductor epitaxial substrate, since the GaN single crystal substrate having a flat surface is not oxidized, it is not necessary to perform reprocessing such as heat treatment when forming an epitaxial layer on the substrate. Thereby, the manufacturing process of an epitaxial substrate can be simplified.
また、窒化物系化合物半導体層は、n型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がn型の場合に、基板をn型にすると、n型半導体、活性層、p型半導体の順に積層された発光素子や、npn型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。 The nitride compound semiconductor layer is preferably n-type. In this way, when the epitaxial layer is n-type, if the substrate is n-type, a light-emitting element in which an n-type semiconductor, an active layer, and a p-type semiconductor are stacked in order, an npn-type bipolar transistor element, and the like can be manufactured. .
また、窒化物系化合物半導体層は、p型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がp型の場合に、基板をp型にすると、p型半導体、活性層、n型半導体の順に積層された発光素子や、pnp型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。 The nitride-based compound semiconductor layer is preferably p-type. Thus, when the epitaxial layer is p-type, if the substrate is made p-type, a light-emitting element, a pnp-type bipolar transistor element, or the like in which a p-type semiconductor, an active layer, and an n-type semiconductor are stacked in this order can be manufactured. .
また、エピタキシャル成長は、OMVPE法(有機金属気相成長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシー法)のいずれかを利用することが好ましい。この場合、基板上に良好なエピタキシャル層を形成することができる。 In addition, it is preferable to use one of the OMVPE method (metal organic vapor phase epitaxy), the HVPE method (hydride vapor phase epitaxy), and the MBE method (molecular beam epitaxy method) for the epitaxial growth. In this case, a good epitaxial layer can be formed on the substrate.
また、エピタキシャル成長をおこなう装置内で、GaN単結晶基板の熱処理及びエピタキシャル成長の両方をおこなうことが好ましい。この場合、基板表面を清浄に保った状態で、結晶性の良好なエピタキシャル層を成長させることができる。 Further, it is preferable to perform both the heat treatment and epitaxial growth of the GaN single crystal substrate in an apparatus for performing epitaxial growth. In this case, an epitaxial layer with good crystallinity can be grown with the substrate surface kept clean.
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記GaN単結晶基板の製造方法によって得られたGaN単結晶基板がn型の導電性を有しており、この基板上にAlxGa1−xN(0<x<1)からなるn型クラッド層を積層し、このクラッド層上に活性層を積層し、さらにこの活性層上にAlxGa1−xN(0<x<1)からなるp型クラッド層を積層し、このp型クラッド層上にp型GaN層を積層することを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, the GaN single crystal substrate obtained by the method for manufacturing a GaN single crystal substrate has n-type conductivity, and Al x Ga 1 is formed on the substrate. An n-type cladding layer made of -xN (0 <x <1) is stacked, an active layer is stacked on the cladding layer, and Al x Ga 1-x N (0 <x <1) is further stacked on the active layer. P-type cladding layer is laminated, and a p-type GaN layer is laminated on the p-type cladding layer.
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるGaN単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。 In this method of manufacturing a nitride-based semiconductor device, the crystallinity is improved by laminating a clad layer and an active layer on a GaN single crystal substrate having a flat surface, so that the light emission efficiency is high and the lifetime is long. A certain laser diode element can be obtained.
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記GaN単結晶基板の製造方法によって得られたGaN単結晶基板上に、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される窒化物系半導体層を複数積層して形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride-based semiconductor device according to the present invention includes Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1) on a GaN single crystal substrate obtained by the method for manufacturing a GaN single crystal substrate. , 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), and a plurality of nitride-based semiconductor layers are stacked.
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるGaN単結晶基板上に、例えば、AlGaInNで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、またヘテロ接合界面の平坦性が良くなる。そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。 In this nitride semiconductor device manufacturing method, a collector layer, a base layer, and an emitter layer made of a nitride semiconductor layer represented by, for example, AlGaInN are sequentially formed on a GaN single crystal substrate having a flat surface. This improves the crystallinity and improves the flatness of the heterojunction interface. Therefore, a transistor with a high current gain can be obtained.
本発明によれば、GaN単結晶の表面粗さを低減でき、エピタキシャル成長に適したGaN単結晶基板を提供できる。また、本発明のGaN単結晶基板の上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長することにより、良好な特性を示す窒化物系化合物半導体素子を形成することができる。 According to the present invention, the surface roughness of a GaN single crystal can be reduced, and a GaN single crystal substrate suitable for epitaxial growth can be provided. Further, a nitride compound semiconductor element exhibiting good characteristics can be formed by epitaxially growing a nitride compound semiconductor layer on the GaN single crystal substrate of the present invention.
以下、添付図面を参照して本発明に係るGaN単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a GaN single crystal substrate, a nitride-based semiconductor epitaxial substrate, a nitride-based semiconductor device, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の断面図である。この窒化物系半導体エピタキシャル基板10は、GaN単結晶基板11上に、OMVPE法、HVPE法、MBE法等によってエピタキシャル成長させた窒化物系化合物半導体層12を備えている。この窒化物系半導体エピタキシャル基板10は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの製造中間体であり、この上に適当なpn接合、より好ましくはダブルヘテロ接合、さらにより好ましくは量子井戸構造を形成し、電流を供給するための電極を取り付けることにより発光デバイスが完成する。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride-based semiconductor epitaxial substrate according to this embodiment. This nitride-based
窒化物系化合物半導体層12の材料は、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される2〜4元系の化合物半導体の中から選ばれる。その中でも、GaNは、GaN単結晶基板11に直接ホモエピタキシャル成長できて、GaN単結晶基板11とのミスマッチがないため、基板11と窒化物系化合物半導体層12との界面における欠陥の発生を抑制できる点で最も好ましい。
The material of the nitride-based
次に、GaN単結晶基板及び窒化物系半導体エピタキシャル基板10の製造工程について説明する。
(A)まず、GaN単結晶基板11を製造し、製造されたGaN単結晶基板11を研磨材を用いて表面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する(単結晶基板製造工程)。
(B)次に、GaN単結晶基板11を、NH3ガスを含む所定の混合ガスG1の雰囲気内に配置し、基板温度T1で時間t1の間、加熱する(表面熱処理工程)。
(C)しかる後、基板温度T2の過熱状態で、窒化物系化合物半導体層12の原材料G2を当該表面に供給し、GaN単結晶基板11上に窒化物系化合物半導体層12をエピタキシャル成長させる(エピタキシャル成長工程)。
Next, the manufacturing process of the GaN single crystal substrate and the nitride
(A) First, the GaN
(B) Next, the GaN
(C) Thereafter, the raw material G2 of the nitride
以下、詳説する。 The details will be described below.
製造されたGaN単結晶基板11は、研磨材を用いて表面研磨され、純水等を用いて液体洗浄される。この液体洗浄には、純水の他、有機溶剤、酸、アルカリ溶液を用いてもよい。製造されたGaN単結晶基板11の表面には、機械研磨ダメージによる加工変質層が存在するが、これは好適な表面処理によって除去される。この時点で、GaN単結晶基板11の表面は平坦化され、鏡面状態になっているが、顕微鏡で観察してみると、基板11表面には機械研磨による細かな傷が確認された。代表的な例として、原子間力顕微鏡により観察した、研磨後のGaN単結晶基板11の表面像を図2に示す。図に示すように、基板11表面には、研磨による微細な欠陥が多数観察される。この表面の平均二乗平方根粗さ(Rms)は、1.0nm程度であった。
The manufactured GaN
したがって、この程度の粗さの基板11表面に直接窒化物系化合物半導体層12をエピタキシャル成長させた場合、傷等の段差部でランダムな結晶核が多数発生し、3次元的に結晶成長してしまうため、表面が平坦な窒化物系化合物半導体層12を得ることは困難である。
Therefore, when the nitride-based
次に、表面熱処理工程について説明する。 Next, the surface heat treatment step will be described.
基板11表面において、熱処理による表面粗さの低減は以下のような過程で進むと考えられる。すなわち、図3(a)に模式的に示したように、まず、基板11上にNH3ガスが供給されると、NH3がN2とH2とに分解される。そして、分解したH2がGaNと反応してGa原子が生成される。これらの反応は、下記式(1)、(2)で表される。
On the surface of the
そして、Ga原子は、高温下で基板11表面をマイグレーションし、表面エネルギを下げるように凹部へと集まる。その後、図3(b)に示すように、Ga原子は、NH3と反応してGaNが形成される。このような原子再配列により、基板11表面の凹部が埋まり、平坦な表面が得られる(図3(c)参照)。この反応は、下記式(3)で表される。
Then, Ga atoms migrate on the surface of the
以上のような熱処理によって平坦化されたGaN単結晶基板の代表的な表面観察像を図4に示す。図4に示した基板11は、混合ガスG1雰囲気中において、基板温度(T1)1020℃、時間(t1)10分の条件で熱処理された基板である。この基板表面のRmsは約0.19nmであり、1原子層に対応したステップとテラスが観測された。すなわち、このような熱処理により、GaN単結晶基板11の表面のRmsを0.2nm以下にすることできた。
FIG. 4 shows a typical surface observation image of a GaN single crystal substrate flattened by the heat treatment as described above. The
なお、上述した工程では、(2)式に示したとおり、GaNがH2の存在下で分解して、Ga原子が形成されることが重要である。しかしながら、(1)式の反応速度は非常に遅く、1000℃でも数%のNH3しかH2とN2とに分解されない。この程度の量のH2では、上述の表面熱処理工程を進行させるのに十分ではないため、混合ガスG1にH2ガスを添加して補うことが好適である。したがって、表面熱処理工程は、NH3とH2ガスとの混合ガス雰囲気でおこなうことが好ましい。 In the above-described process, it is important that GaN is decomposed in the presence of H 2 to form Ga atoms as shown in the formula (2). However, the reaction rate of the formula (1) is very slow, and even at 1000 ° C., only a few percent of NH 3 is decomposed into H 2 and N 2 . Since this amount of H 2 is not sufficient to cause the surface heat treatment process to proceed, it is preferable to supplement the mixed gas G1 by adding H 2 gas. Therefore, the surface heat treatment step is preferably performed in a mixed gas atmosphere of NH 3 and H 2 gas.
また、表面熱処理工程の際、熱処理温度は上述の各反応の速度、Ga原子のマイグレーション長さやGa原子の脱離速度等に影響を及ぼす。つまり、基板温度T1が高いほどGa原子のマイグレーション距離は長くなるので、Ga原子が研磨傷部(凹部)に到達しやすくなる。これに対して、基板温度T1が低いと、Ga原子が研磨傷部に到達する前にNH3と反応してGaNが生成され、凹部以外で核発生してしまうので表面は平坦化されない。このような機構で表面が平坦化されると考えた場合、それに適した温度を鋭意検討した結果、基板温度T1は1020℃以上が好ましいことを本発明者らは見出した。したがって、表面熱処理工程において、基板温度T1は1020℃以上であることが好ましい。 In the surface heat treatment step, the heat treatment temperature affects the speed of each reaction described above, the migration length of Ga atoms, the desorption speed of Ga atoms, and the like. That is, since the migration distance of Ga atoms becomes longer as the substrate temperature T1 is higher, Ga atoms easily reach the polishing scratches (recesses). On the other hand, when the substrate temperature T1 is low, GaN is generated by reacting with NH 3 before Ga atoms reach the polishing scratches, and nuclei are generated outside the recesses, so the surface is not flattened. Assuming that the surface is flattened by such a mechanism, the present inventors have intensively studied a temperature suitable for it, and as a result, the present inventors have found that the substrate temperature T1 is preferably 1020 ° C. or higher. Therefore, in the surface heat treatment step, the substrate temperature T1 is preferably 1020 ° C. or higher.
さらに、基板11表面の平坦化に必要な時間は、Ga原子のマイグレーションとGaNの生成によって、研磨傷部が十分に埋まるまでの時間である。これは、基板11の研磨状態に依存するが、一般的に機械研磨によって仕上げられるRmsが1.0nm程度の表面粗さにおいては、10分以上熱処理することにより、基板11表面の平坦化が可能であることを本発明者らは見出した。すなわち、熱処理の時間は10分以上であることが好ましい。
Furthermore, the time required for planarizing the surface of the
次にエピタキシャル成長工程について説明する。 Next, the epitaxial growth process will be described.
上記のような熱処理を施して、表面が平坦になったGaN単結晶基板11は、GaNと同種の材料、すなわち、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される2〜4元系の化合物半導体をその上に直接エピタキシャル成長するのに、非常に適している。これは、図4に示すように、基板11表面では1原子層に対応するテラスとステップが規則正しく配列しており、格子定数の近い窒化物系化合物半導体層12であれば、容易にステップフロー成長することができるためである。
The GaN
また、熱処理後、エピタキシャル成長させる前には、GaN単結晶基板11を大気に暴露しないことが望ましい。すなわち、大気に暴露すると、基板11表面が酸化したり、有機物やその他の汚染物質が吸着してしまったりするため、その後のエピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。この場合、エピタキシャル成長前に再度基板11表面を清浄化するための表面処理をおこなわなければならず、工程が増えてしまう。このことは、熱処理後のGaN単結晶基板11上に窒化物系化合物半導体層12をエピタキシャル成長することにより、高品質なエピタキシャル基板10を製造することができることを意味している。特に、窒化物系化合物半導体層12がGaNである場合には、GaN単結晶基板11と格子定数が一致するため、界面でのミスフィット転位が発生せず、窒化物系化合物半導体層12の結晶性を劣化させるおそれがなく好ましい。
Further, it is desirable not to expose the GaN
以上で説明したように、エピタキシャル層12の高品質性の指標として表面のRmsが0.2nm以下と非常に平坦なエピタキシャル基板11を製造すると、その後の素子構造の成長における表面平坦性の維持に有利であり、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子やバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の歩留まりを向上させるのに有効である。
As described above, when an extremely flat
また、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層12の結晶軸ゆらぎを低減することができる。より具体的には、窒化物系化合物半導体層12のX線回折の半値幅が100秒以下となる。つまり、エピタキシャル基板12表面が平坦となり、結晶性の良好なエピタキシャル基板が得られる。
Moreover, the crystal axis fluctuation of the
さらに、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層12の貫通転位密度を1×106個cm−2以下に抑えることができる。それにより、このエピタキシャル層12上に積層される半導体層内の貫通転位密度が抑制される。
Furthermore, the threading dislocation density of the
このように、エピタキシャル層12の結晶性が向上し、且つ、表面の結晶欠陥が低減するため、このエピタキシャル層12上に積層される半導体層の結晶性は良好となり、且つ、その半導体層内における結晶欠陥の発生を抑制することができる。そのため、このエピタキシャル層12が形成されたエピタキシャル基板10を用いることは、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子や、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の特性や信頼性、歩留まり性を向上させることに有効である。
As described above, the crystallinity of the
なお、エピタキシャル基板10上に形成するエピタキシャル層(図示せず)の導電性は、各種導体素子の構造に合わせて制御することができる。例えば、LEDやLDのような発光素子の場合、n型の単結晶基板11上にn型のGaN層12を成長させたエピタキシャル基板10を製造し、その上にn型クラッド層、活性層、p型クラッド層、p型コンタクト層という基本構造を成長させることによって、製造することができる。その後、電極を形成し、電流端子を接続し、レーザダイオードならば、反射面を形成する等の工程を経て、素子が完成するのはいうまでもない。
The conductivity of an epitaxial layer (not shown) formed on the
また、例えば、npn型のバイポーラトランジスタ素子ならば、n型のGaN基板11にn型のGaN層12の組み合わせが好適であり、電界効果トランジスタの場合には半絶縁性のGaN基板が好適である。
Further, for example, in the case of an npn type bipolar transistor element, a combination of an n
エピタキシャル成長に用いられる成長方法としては、OMVPE法、HVPE法、MBE法等から選択することができる。いずれを選択した場合でも、成長する装置内でGaN単結晶基板11の熱処理をおこない、その後、GaN単結晶基板11を外部に取り出すことなく、そのまま窒化物系化合物半導体層12をエピタキシャル成長することにより基板11表面が汚染されない。したがって、表面が酸化又は汚染された場合に必要な表面処理工程が必要なく、容易に高品質なエピタキシャル基板を製造することができる。
The growth method used for epitaxial growth can be selected from the OMVPE method, HVPE method, MBE method and the like. Regardless of which is selected, the GaN
GaN基板11をOMVPE装置内で各種条件で熱処理した。さらに、同じ装置内でGaN層12をエピタキシャル成長した。使用したOMVPE装置は、図5に示すように、基板面に対して垂直方向から原料ガスを噴射する縦型の成長炉である。この成長炉20は、原料供給口21a及び排気口21bが設けられた水冷外壁21と、この水冷外壁21内に配置され、設置される基板11を回転する試料台22と、下方から試料台を加熱するヒータ23とから構成されている。なお、符号24は、原料ガスが基板11に到達するまでに加熱されて反応してしまうのを防ぐために、原料ガスを冷却するための水冷ジャケットである。
The
基板11は、SiCコートしたカーボン製の試料台23にセットされ、この試料台23を約1000rpmで高速回転させる。熱処理時のNH3は、11slm、H2あるいはN2は5slmとした。GaNの成長時の条件は、基板温度が1000℃、アンモニア11slm、H25slm、トリメチルガリウム180〜400μmol/min、圧力は約27kPa(すなわち、200Torr)とした。比較例として、基板にサファイアを用い、予めGaN層を成長させておいたGaN/サファイア基板を同時に成長させた。
The
熱処理後に基板11表面を原子間力顕微鏡で観察した結果を表1に示し、GaN層12を2μm成長させた試料を原子間力顕微鏡、X線回折により評価した結果を表2に示す。X線回折はc軸のゆらぎを示す(0002)反射と、c軸とa軸の両方のゆらぎを示す(10-11)反射のωスキャンの半値幅で評価した。
The results of observing the surface of the
表1から、基板温度1020℃未満で熱処理しても平坦性及び表面粗さは改善されず、NH3とH2の混合雰囲気中で基板温度を1020℃以上、10分以上の熱処理をすると、平坦で粗さの小さい良好なGaN単結晶基板が作製できることがわかる。また、表2から、サファイア上の比較例は、表面粗さ、X線回折の半値幅の両者とも大きいが、GaN基板を用いると格段に改善されることがわかる。特に、NH3とH2との混合雰囲気中、10分間、基板温度1020℃以上で熱処理することにより、エピタキシャル層の表面粗さ、結晶軸ゆらぎともに大きく改善できた。 From Table 1, even when heat treatment is performed at a substrate temperature of less than 1020 ° C., flatness and surface roughness are not improved, and when heat treatment is performed at a substrate temperature of 1020 ° C. or more and 10 minutes or more in a mixed atmosphere of NH 3 and H 2 , It can be seen that an excellent flat GaN single crystal substrate with low roughness can be produced. Table 2 also shows that the comparative example on sapphire has both a large surface roughness and a half-width of X-ray diffraction, but it is markedly improved when a GaN substrate is used. In particular, the surface roughness and crystal axis fluctuation of the epitaxial layer can be greatly improved by heat treatment in a mixed atmosphere of NH 3 and H 2 for 10 minutes at a substrate temperature of 1020 ° C. or higher.
なお、NH3+N2雰囲気中での熱処理や、NH3+H2の雰囲気中での熱処理でも時間が10分未満であるか、基板温度が1020℃以下の時には表面粗さ(Rms)が0.2nmを超えたり、X線回折の半値幅が100秒を超えたりするので好ましくない。また表2では、熱処理後の表面粗さ(Rms)を測定していないが、エピタキシャル層の表面粗さや結晶軸ゆらぎが十分小さくなる熱処理条件は、熱処理後の表面粗さが0.2nm以下となる条件と一致している。すなわち、良好なエピタキシャル層を得るためには、表面粗さが0.2nm以下であるGaN単結晶基板を使用しなければならない。 Incidentally, NH heat treatment and at 3 + N 2 atmosphere, or NH 3 + the time at the heat treatment in an atmosphere of H 2 is less than 10 minutes, the surface roughness when the substrate temperature is 1020 ° C. or less (Rms) is 0. It is not preferable because it exceeds 2 nm or the half width of X-ray diffraction exceeds 100 seconds. In Table 2, the surface roughness (Rms) after the heat treatment is not measured, but the heat treatment conditions for sufficiently reducing the surface roughness and crystal axis fluctuation of the epitaxial layer are as follows. Is consistent with the condition. That is, in order to obtain a good epitaxial layer, a GaN single crystal substrate having a surface roughness of 0.2 nm or less must be used.
また、実際に、原子間力顕微鏡像で観察される、ピット状欠陥から貫通転位密度を求めると、サファイア基板上に成長したエピタキシャル層では、108〜109個cm−2程度であったが、GaN基板11上に成長したエピタキシャル層12では、多くの試料で106個cm−2以下と良好であった。
Further, when the threading dislocation density was actually determined from the pit-like defects observed with an atomic force microscope image, the epitaxial layer grown on the sapphire substrate was about 10 8 to 10 9 cm −2. The
10…エピタキシャル基板、11…GaN単結晶基板、12…エピタキシャル層、20…OMVPE装置。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記表面の平均自乗平方根粗さが0.2nm以下であり、
前記表面が1原子層に対応したステップとテラスを有する、
GaN単結晶基板。 The polished surface is a GaN single crystal substrate flattened by being heat-treated at a substrate temperature of 1020 ° C. or more for 10 minutes or more in a mixed gas atmosphere containing at least NH 3 gas,
The mean square root roughness of the surface is 0.2 nm or less,
The surface has steps and terraces corresponding to one atomic layer;
GaN single crystal substrate.
前記GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層と、
を備える窒化物系半導体エピタキシャル基板。 GaN single crystal substrate according to claim 1,
A nitride compound semiconductor layer epitaxially grown on the GaN single crystal substrate;
A nitride semiconductor epitaxial substrate comprising:
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