JP2009062226A - ZnO-BASED SUBSTRATE AND PROCESSING METHOD OF ZnO-BASED SUBSTRATE - Google Patents

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Takeshi Nakahara
健 中原
Atsushi Sasaki
敦 佐々木
Hiroyuki Yuji
洋行 湯地
Masashi Kawasaki
雅司 川崎
Akira Otomo
明 大友
Atsushi Tsukasaki
敦 塚崎
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Tohoku University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ZnO-based substrate having a good quality surface suitable for crystal growth and to provide a processing method of a ZnO-based substrate. <P>SOLUTION: In the ZnO-based substrate, a principal plane is formed so that the excitation peak energy of 2p3/2 inner-shell electrons of Zn atom is in the range of 1,021.75 eV-1,022.25 eV when the principal plane of the side of a Mg<SB>X</SB>Zn<SB>1-X</SB>O (0≤X<1) substrate on which the crystal growth is conducted is spectrally diffracted by X-ray photoelectron. As the final processing of the surface of the side of the Mg<SB>X</SB>Zn<SB>1-X</SB>O substrate on which the crystal growth is conducted, an oxidation processing is conducted. In this way, in a ZnO-based substrate a damage-free principal plane can be prepared and a surface suitable for crystal growth is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ZnO系薄膜等の結晶成長に適したZnO系基板及びZnO系基板の処理方法に関する。   The present invention relates to a ZnO-based substrate suitable for crystal growth of a ZnO-based thin film or the like and a method for processing a ZnO-based substrate.

ZnO系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外LED、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ZnO系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、P型ZnOを得ることができなかったことにある。   ZnO-based semiconductors are expected to be applied to ultraviolet LEDs, high-speed electronic devices, surface acoustic wave devices and the like that are used as light sources for illumination, backlights, and the like. Although ZnO-based semiconductors have attracted attention for their multifunctionality, light emission potential, and the like, they have hardly grown as semiconductor device materials. The biggest difficulty is that acceptor doping is difficult and P-type ZnO cannot be obtained.

しかし、近年、非特許文献1や非特許文献2に見られるように、技術の進歩により、P型ZnOを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。ただし、これらの成果は、ZnOの有用性を示した上で貴重であるが、ScAlMgOという特殊な基板であり、かつ絶縁性の基板を使っていること、パルスレーザーデポジションという大面積化に不向きな手法をつかっていること、が産業展開にとっては不利である。 However, as seen in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, in recent years, P-type ZnO can be obtained due to technological advances, and light emission has been confirmed. However, these achievements are valuable after showing the usefulness of ZnO, but it is a special substrate called ScAlMgO 4 and uses an insulating substrate, and the large area called pulse laser deposition. Using unsuitable methods is disadvantageous for industrial development.

これらの問題を解決するのに一番良い方法は、ZnO基板を使うことである。ZnO系デバイスにとっては、ZnO基板がすでに市販されており、この点がGaNに比べて優位な点である。ZnO基板については3インチが既に可能になっている、X線回折ピークの半値幅など、この点だけを見ていると非常に有望に見える。   The best way to solve these problems is to use a ZnO substrate. For ZnO-based devices, ZnO substrates are already commercially available, which is an advantage over GaN. Looking at this point alone, such as the half-width of the X-ray diffraction peak, which is already possible for a ZnO substrate of 3 inches, looks very promising.

しかしながら、多くの化合物半導体のようにドーパントだけでなく、組成の違う膜を積み重ねて新機能を発揮させるようなデバイスを作製する場合、尤も問題になるのは基板の表面である。化合物半導体ではその制御性のよさから、薄膜成長を気相成長法で行うことが多いが、気相から供給される材料原子、分子は着地する基板の表面のみの情報を拾って結晶成長する。そのため、バルクとして高品質でも表面が十分に高品質でなければ全く意味を成さない。   However, in the case of manufacturing a device that exhibits a new function by stacking not only dopants but also films having different compositions as in many compound semiconductors, the problem is the surface of the substrate. In compound semiconductors, thin film growth is often performed by vapor phase growth because of its good controllability, but material atoms and molecules supplied from the vapor phase crystallize by picking up information only on the surface of the landing substrate. Therefore, even if the quality is high as a bulk, it does not make any sense unless the surface is sufficiently high quality.

この表面の品質については通常、平坦性について考察されることが、ほとんどである。基板表面の平坦性が悪いと、積層される薄膜の平坦性も悪くなりキャリアが薄膜中を移動するときの抵抗になったり、積層構造の上層になるほど表面荒れが大きくなり、その表面荒れのためにエッチング深さの均一性が取れなかったり、表面荒れによる異方的な結晶面の成長が起こったり、といった問題が発生しやすく、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。
A.Tsukazaki et al.,JJAP44(2005)L643 A.Tsukazaki et al NtureMaterial4(2005)42
As for the quality of this surface, the flatness is usually considered in most cases. If the flatness of the substrate surface is poor, the flatness of the thin film to be laminated also deteriorates, resulting in resistance when carriers move through the thin film, and the surface roughness increases as the upper layer of the laminated structure increases. In particular, the etching depth is not uniform and anisotropic crystal plane growth occurs due to surface roughness, which makes it difficult to perform a desired function as a semiconductor device. .
A. Tsukazaki et al., JJAP44 (2005) L643 A. Tsukazaki et al NtureMaterial4 (2005) 42

一方、平坦性以外で、基板表面の品質を良くする処理として、清浄面を得るための基板洗浄処理が行われている。この基板洗浄は、基板表面に付着したパーティクル等の付着物や酸化膜を除去するために行われ、ウエットエッチング、スパッタ、サーマルクリーニング等が用いられる。ところが、付着物等を完全に除去するために、洗浄処理を強く行いすぎると、基板表面に損傷を与え、基板を構成する原子の化学結合に影響を及ぼし、逆に基板表面の品質を損なうことになり、上記基板表面の平坦性の不良から発生する問題と同様な問題が発生し、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。   On the other hand, in addition to flatness, a substrate cleaning process for obtaining a clean surface is performed as a process for improving the quality of the substrate surface. This substrate cleaning is performed to remove deposits such as particles attached to the substrate surface and an oxide film, and wet etching, sputtering, thermal cleaning, or the like is used. However, if the cleaning process is excessively performed to completely remove deposits, etc., the substrate surface may be damaged, affecting the chemical bonding of atoms constituting the substrate, and conversely degrading the quality of the substrate surface. Therefore, a problem similar to the problem caused by the poor flatness of the substrate surface occurs, and it is difficult to exert a desired function as a semiconductor device.

したがって、基板表面の品質を向上させるには、基板表面の平坦性を良くすることも必要であるが、基板洗浄処理を適切に行い、ZnO系基板表面の化学結合に影響を与えないようにすることも必要である。   Therefore, in order to improve the quality of the substrate surface, it is necessary to improve the flatness of the substrate surface, but the substrate cleaning process is appropriately performed so as not to affect the chemical bonding of the ZnO-based substrate surface. It is also necessary.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、結晶成長に適した品質の良い表面を有するZnO系基板及びZnO系基板の処理方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a ZnO-based substrate having a high-quality surface suitable for crystal growth and a processing method for the ZnO-based substrate.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、MgZn1−XO基板(0≦X<1)の結晶成長を行う側の主面をX線光電子により分光した場合、Zn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーが、1021.75eV〜1022.25eVの範囲に存在することを特徴とするZnO系基板である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that when the main surface on the side of crystal growth of the Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is analyzed by X-ray photoelectrons, Zn The ZnO-based substrate is characterized in that an excitation peak energy of 2p3 / 2 inner-shell electrons of atoms exists in a range of 1021.75 eV to 1022.25 eV.

また、請求項2記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面は+C面であることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板である。   The invention according to claim 2 is the ZnO-based substrate according to claim 1, characterized in that the main surface on the crystal growth side is a + C plane.

また、請求項3記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面はC面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のm軸c軸平面に投影した投影軸が、m軸方向に3度以内の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板である。   According to a third aspect of the present invention, the principal surface on the crystal growth side has a C plane, and the projection axis obtained by projecting the normal line of the principal surface onto the m-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is m 2. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the substrate is inclined within a range of 3 degrees or less in the axial direction.

また、請求項4記載の発明は、前記主面の法線を基板結晶軸のa軸c軸平面に投影した投影軸がa軸方向にΦ度、前記主面の法線を前記主面におけるm軸c軸平面に投影した投影軸がm軸方向にΦ度傾斜し、前記Φ
70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))≦110
を満たすことを特徴とする請求項1記載のZnO系基板である。
According to a fourth aspect of the present invention, the projection axis obtained by projecting the normal line of the main surface onto the a-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is Φ a degrees in the a-axis direction, and the normal line of the main surface is the main surface. The projection axis projected on the m-axis c-axis plane in FIG. 5 is tilted by Φ m degrees in the m-axis direction, and the Φ a is 70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180)) ≦ 110
The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein:

また、請求項5記載の発明は、MgZn1−XO基板(0≦X<1)の結晶成長を行う側の主面における最終処理は、酸化処理であることを特徴とするZnO系基板の処理方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, the final treatment on the main surface on the side of crystal growth of the Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is an oxidation treatment. A substrate processing method.

また、請求項6記載の発明は、前記酸化処理前に、pH3以下の酸性ウエットエッチング処理を行うことを特徴とする請求項5記載のZnO系基板の処理方法である。   The invention according to claim 6 is the method for treating a ZnO-based substrate according to claim 5, wherein an acidic wet etching treatment having a pH of 3 or less is performed before the oxidation treatment.

本発明のZnO系基板は、結晶成長側の主面をX線光電子分光により励起した場合のZn原子における2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーが1021.75eV〜1022.25eVの範囲に収まるように形成されているので、主面の状態が化学的に変化しておらず、結晶成長に最適な表面となる。また、ZnO系基板の結晶成長を行う側の主面における最終処理を酸化処理としているので、前記同様の効果が得られる。   In the ZnO-based substrate of the present invention, the excitation peak energy of 2p3 / 2 core electrons in Zn atoms when the main surface on the crystal growth side is excited by X-ray photoelectron spectroscopy is in the range of 1021.75 eV to 1022.25 eV. Therefore, the state of the main surface is not chemically changed, and the surface is optimal for crystal growth. Further, since the final treatment on the main surface on the crystal growth side of the ZnO-based substrate is an oxidation treatment, the same effect as described above can be obtained.

本発明では、MgZn1−XO基板(0≦X<1)を用い、この基板の結晶成長側表面を結晶成長に適した表面とするため、Zn原子の電子状態を規定すれば、高品質のZnO系基板が得られることを我々は見出した。上記MgZn1−XO基板(0≦X<1)のうち、X=0のZnO基板を用いて以下のように考察を行った。 In the present invention, an Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is used, and the crystal growth side surface of this substrate is a surface suitable for crystal growth. We have found that a high-quality ZnO-based substrate can be obtained. Of the Mg X Zn 1-X O substrates (0 ≦ X <1), the following consideration was made using a ZnO substrate with X = 0.

まず、ZnO基板表面を洗浄する方法として、Arイオンで表面をスパッタする方法が良く用いられるので、Arイオンによるスパッタにより、ZnO基板表面の状態がどのように変化するのかを示す。図2は、ZnO基板の各結晶面における状態をXPS(X-ray Photoelectorn Spectroscopy:X線光電子分光法)で調べたものであり、Zn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーを測定した。   First, as a method of cleaning the surface of the ZnO substrate, a method of sputtering the surface with Ar ions is often used, so how the state of the ZnO substrate surface changes by sputtering with Ar ions is shown. FIG. 2 shows the state of each crystal plane of the ZnO substrate examined by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), and the excitation peak energy of 2p3 / 2 core electrons of Zn atoms was measured. .

ZnO基板の+C面、−C面、M面を各々切り出して、鏡面研磨工程終了直後に、各面をXPSで測定した。横軸は結合エネルギー又は束縛エネルギー(Binding Energy 単位:eV)を、縦軸は測定された結合エネルギー強度を表わし、縦軸は結合エネルギー強度の最も高い点を基準にして正規化して表わした。図2に示されるように、研磨工程終了直後には、結合エネルギーピークはすべて一致している。   The + C plane, −C plane, and M plane of the ZnO substrate were cut out, and each plane was measured by XPS immediately after the mirror polishing process was completed. The horizontal axis represents the binding energy or binding energy (Binding Energy unit: eV), the vertical axis represents the measured binding energy intensity, and the vertical axis represents the normalized value based on the highest point of the binding energy intensity. As shown in FIG. 2, immediately after the polishing process is completed, the binding energy peaks all coincide.

一方、図3〜図5は、ZnO基板の+C面、M面、−C面の各結晶面において、それぞれ研磨工程終了直後の表面をXPSで測定した曲線を実線で、研磨工程終了後にArイオンで30nmスパッタした後の表面をXPSで測定した曲線を点線で表わしている。いずれも、Zn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーを示し、図3は+C面、図4はM面、図5は−C面おけるデータを示す。また、図3〜5に記載されたAs-receivedとは、各面を鏡面研磨した後、他の処理を行わずにそのままの状態でという意味であり、図2で述べた研磨工程終了直後と同じ意味である。   On the other hand, FIG. 3 to FIG. 5 show the curves obtained by measuring the surfaces immediately after completion of the polishing process with XPS on the crystal planes of the + C plane, M plane, and −C plane of the ZnO substrate with solid lines, and Ar ions after the completion of the polishing process. A curve obtained by measuring the surface after sputtering by 30 nm with XPS is represented by a dotted line. Each shows the excitation peak energy of 2p3 / 2 inner-shell electrons of Zn atoms, FIG. 3 shows data on the + C plane, FIG. 4 shows data on the M plane, and FIG. 5 shows data on the -C plane. In addition, As-received described in FIGS. 3 to 5 means that each surface is mirror-polished and then left as it is without any other processing, and immediately after the polishing process described in FIG. It has the same meaning.

図4のM面、図5の−C面については、スパッタ後の表面の方が、スパッタ前のピークよりも低エネルギー側へシフトしている。Arイオンによるスパッタは物理的な衝撃を表面に与える手法なので、このエネルギーシフトは、ZnとOの化学結合が普通の結合状態ではなくなり、ZnとOの化学結合が切断されたことを表していると考えられる。   Regarding the M plane in FIG. 4 and the −C plane in FIG. 5, the surface after sputtering is shifted to a lower energy side than the peak before sputtering. Since sputtering using Ar ions is a technique that gives a physical impact to the surface, this energy shift indicates that the chemical bond between Zn and O is not in an ordinary bonding state, and the chemical bond between Zn and O is broken. it is conceivable that.

図3〜図5に示されるように、ピークエネルギーシフト量は大きい順に−C面>M面>+C面であり、ほとんど変化がないのが+C面である。シフト量をZnとOの化学結合の切断と考えると、+C面はダメージに最も強く、デバイス作製上有利であることがわかる。   As shown in FIGS. 3 to 5, the peak energy shift amount is −C plane> M plane> + C plane in descending order, and the + C plane has almost no change. If the shift amount is considered to be the breakage of the chemical bond between Zn and O, it can be seen that the + C plane is most resistant to damage and is advantageous for device fabrication.

ところが、図1に示されるように、物理衝撃に強い+C面でも化学エッチングに対しては異なる。図1の実線で表されたS2、A、破線で表わされたT、二点鎖線で表わされたRの各曲線は+C面のデータであり、一点鎖線で表されたSPの曲線は、−C面のデータである。また、いずれもXPSによりZn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーを測定した。SPは、図5の点線の曲線同様、−C面を研磨終了後にArイオンによるスパッタを行ってから、XPS測定を行ったものであり、その結合エネルギーのピークP1は、1021.7eVになる。   However, as shown in FIG. 1, even the + C plane, which is resistant to physical impact, differs from chemical etching. Each curve of S2, A represented by a solid line in FIG. 1, T represented by a broken line, and R represented by a two-dot chain line is data of + C plane, and a curve of SP represented by a one-dot chain line is , -C plane data. In all cases, the excitation peak energy of 2p3 / 2 core electrons of Zn atoms was measured by XPS. SP, as with the dotted curve in FIG. 5, is obtained by performing XPS measurement after performing sputtering with Ar ions after polishing of the −C plane, and the peak P1 of the binding energy is 1021.7 eV.

一方、+C面を研磨後に塩酸エッチングを行った後のデータがS2であるが、S2のピークは、ZnとOの化学結合が最も切れたSP曲線のピーク近くまでシフトしている。S2の状態から酸素プラズマ(ラジカル酸素)の中にZnO基板を曝す(アッシング)等の酸化処理を行ったのが曲線Aであり、ピークを含めて分布曲線全体が高エネルギー側へシフトする(緑色シフト)。   On the other hand, the data after hydrochloric acid etching after polishing the + C surface is S2, and the peak of S2 is shifted to near the peak of the SP curve where the chemical bond between Zn and O is most severed. Curve A is the result of oxidation treatment such as exposing the ZnO substrate to oxygen plasma (radical oxygen) (ashing) from the state of S2, and the entire distribution curve including the peak shifts to the high energy side (green) shift).

上記のように酸化処理を行った後に、S2の状態からピークがシフトして、塩酸エッチングを行う前の初期状態Rに近づいたことから、S2の状態では、ZnとOの化学結合が切れていたことを示唆していると考えられる。   After the oxidation treatment as described above, the peak shifted from the S2 state and approached the initial state R before the hydrochloric acid etching, so that the chemical bond between Zn and O was broken in the S2 state. This is thought to suggest that.

次に、Aの状態から、900℃、30分間1×10−7Paの環境下のアニールを行った後のXPS測定データが曲線Tであるが、ピークのシフトはほとんどない。上記アニールは、酸化物にとっては強い還元作用、すなわち酸素を取り除く作用を与えるものであるが、AとTとではピークのシフトがほとんどないので、ZnO基板上に結晶成長を行う前に、基板の最終処理として酸化処理を行うことは、基板の結晶成長側表面のZnとOの化学結合を修復又は安定化させることになり、高品質の基板表面を得ることができる。また、図1及び以上の説明より、おおよそZn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーEが1022±0.25eV(1021.75eV≦E≦1022.25eV)にあると良いことがわかる。 Next, XPS measurement data after performing annealing in the environment of 1 × 10 −7 Pa at 900 ° C. for 30 minutes from the state of A is curve T, but there is almost no peak shift. The annealing gives a strong reducing action for the oxide, that is, an action of removing oxygen, but there is almost no peak shift between A and T. Therefore, before crystal growth on the ZnO substrate, the annealing of the substrate is performed. Performing the oxidation treatment as the final treatment repairs or stabilizes the chemical bond between Zn and O on the crystal growth side surface of the substrate, and a high-quality substrate surface can be obtained. Further, from FIG. 1 and the above description, it is understood that the excitation peak energy E of 2p3 / 2 inner-shell electrons of Zn atoms is preferably about 1022 ± 0.25 eV (1021.75 eV ≦ E ≦ 1022.25 eV).

ところで、上記塩酸エッチング等による酸性ウエットエッチングの酸性度が強くなる程、ZnO基板表面の清浄面を得るための洗浄に寄与すると考えられるが、特に、シリカやパーティクル等の付着物を基板表面から取り去るためには、エッチング溶液を所定の酸性度にしなければならないことを、我々は見出しており、既出願の特願2007−171132に詳しいのであるが、ここで再度要点を説明しておく。   By the way, it is considered that the acidity of the acidic wet etching by the hydrochloric acid etching or the like increases, which contributes to cleaning for obtaining a clean surface of the ZnO substrate surface. In particular, deposits such as silica and particles are removed from the substrate surface. In order to achieve this, we have found that the etching solution must have a predetermined acidity, which is detailed in Japanese Patent Application No. 2007-171132, which will be described here again.

ZnO基板は、ウエットエッチングによって清浄面を出す等といった通常の研磨だけではエピタキシャル成長に適した平坦で清浄な表面を得ることができない。エピタキシャル成長に適した表面を得るためには、平坦化プロセスで良く知られているCMP(Chemical Mechanical Polishing)が用いられる。   For a ZnO substrate, a flat and clean surface suitable for epitaxial growth cannot be obtained only by ordinary polishing such as a clean surface is obtained by wet etching. In order to obtain a surface suitable for epitaxial growth, CMP (Chemical Mechanical Polishing) well known in the planarization process is used.

CMPによる方法では、例えば、コロイダルシリカを分散したアルカリ性水性研磨スラリーを回転式片面研磨装置などの研磨パッドとZnO基板等の被加工物との間に供給しながら化学機械研磨が行われる。研磨剤として使われるコロイダルシリカ(直径が〜5nm程度の小さなSiOの粒)は、アルカリ性溶液の中でないと凝集してしまうため、上記のようにアルカリ性水性研磨スラリーを用いるが、コロイダルシリカによって研磨されると、研磨剤の成分であるシリカがZnO表面に付着するとともに、スラリー中のアルカリ性水溶液に曝したことによって、ZnO基板表面にZnの水酸化物であるZn(OH)が形成される。 In the CMP method, for example, chemical mechanical polishing is performed while supplying an alkaline aqueous polishing slurry in which colloidal silica is dispersed between a polishing pad such as a rotary single-side polishing apparatus and a workpiece such as a ZnO substrate. Colloidal silica (a small particle of SiO 2 having a diameter of about 5 nm) used as an abrasive aggregates unless it is in an alkaline solution. Therefore, an alkaline aqueous polishing slurry is used as described above. Then, silica that is a component of the abrasive adheres to the surface of ZnO, and Zn (OH) X that is a hydroxide of Zn is formed on the surface of the ZnO substrate by being exposed to the alkaline aqueous solution in the slurry. .

上記のうち、シリカの付着はその後のZnO系薄膜の結晶成長の時、Siの拡散となって現れる。一方、ZnO基板表面の水酸化物の形成は、ZnO基板上に形成した結晶膜に欠陥が発生し、ピット密度増という形で悪影響を及ぼす。したがって、シリカや水酸化物又はパーティクル等を取り除くために、所定の処理が必要となる。   Among the above, silica adhesion appears as Si diffusion during the subsequent crystal growth of the ZnO-based thin film. On the other hand, the formation of hydroxide on the surface of the ZnO substrate has an adverse effect in the form of defects in the crystal film formed on the ZnO substrate and an increase in pit density. Therefore, a predetermined process is required to remove silica, hydroxide, particles, and the like.

溶液中の固体のゼータ電位は、アルカリ性や酸性を表すpH(ペーハー)に依存することが知られている。例えば、大見忠弘著「ウルトラスクリーンULSI技術」培風館からには、ゼータ電位のpH依存性の一例を示されており、物質の種類が異なれば、ゼータ電位のpH依存性も異なる。また、上記参考文献の記載から、パーティクル付着については、付着するパーティクルと固体表面とのゼータ電位が同極性であれば、互いの間に斥力が働き、パーティクル付着は発生しにくいということがわかる。   It is known that the zeta potential of a solid in a solution depends on pH (pH) representing alkalinity or acidity. For example, Tadahiro Omi's “Ultrascreen ULSI Technology” Baifukan shows an example of the pH dependence of the zeta potential, and the pH dependence of the zeta potential varies with the type of substance. In addition, from the description of the above-mentioned reference, it can be seen that, as for particle adhesion, if the zeta potential of the adhering particle and the solid surface is the same polarity, repulsive force acts between each other, and particle adhesion hardly occurs.

次に、ZnO基板の+C面におけるゼータ電位とコロイダルシリカにおけるゼータ電位のpH依存性を図9に示す。Z1(黒四角表示による曲線)はZnO基板の+C面におけるゼータ電位のpH依存性を、Z2(○表示による曲線)はコロイダルシリカおけるゼータ電位のpH依存性を、また、Z3(●表示による曲線)は前述のPSLにおけるゼータ電位のpH依存性を示す。図9の縦軸はゼータ電位(mV)、横軸はpHを示す。ここで、粒径や濁度等の測定に標準物質として用いられているPSL(ポリスチレンラテックス)をパーティクルとして代用した。   Next, FIG. 9 shows the pH dependence of the zeta potential in the + C plane of the ZnO substrate and the zeta potential in colloidal silica. Z1 (curve represented by a black square) represents the pH dependence of the zeta potential on the + C plane of the ZnO substrate, Z2 (curve represented by ◯) represents the pH dependence of the zeta potential in colloidal silica, and Z3 (curve represented by ●). ) Shows the pH dependence of the zeta potential in the aforementioned PSL. In FIG. 9, the vertical axis represents zeta potential (mV), and the horizontal axis represents pH. Here, PSL (polystyrene latex) used as a standard substance for measurement of particle size, turbidity, and the like was substituted as particles.

上述した付着するパーティクルと固体表面とのゼータ電位が同極性であれば、互いの間に斥力が働き、パーティクル付着は発生しにくいという理由から、図9を見ると、pHが5.5よりアルカリ側(5.5以上)ではコロイダルシリカやPSLとZnOはゼータ電位が同極性になり、上述したように、パーティクル付着は起きないはずであるが、ZnOの場合は単純ではなく、付着が起こる。   If the zeta potential of the adhering particle and the solid surface is the same polarity, repulsive force works between each other, and particle adhesion is unlikely to occur. On the side (5.5 or more), colloidal silica, PSL and ZnO have the same zeta potential, and as described above, particle adhesion should not occur, but in the case of ZnO, adhesion is not simple.

この理由を、図8に基づいて説明する。図8の左右の縦軸は酸化還元電位を、横軸はpHを示す。aとbの平行の点線で挟まれた領域が水中における平衡図を示す。また、水中における平衡図の中の斜線の領域がZn(OH)の安定領域を表す。また、図中の数字で表されたラインは、各種の平衡状態を示す。例えば、数字の3はZn2++2HO=HZnO2−+3H、数字の4はHZnO2−=ZnO 2−+Hであり、イオン平衡を示す。また、数字の5はZn(OH)+2H+2e=Zn+2HOと金属/水酸化物の平衡を、6はZn2++2HO=Zn(OH)+2H、7はZn(OH)=HZnO2−+H、8はZn(OH)=ZnO 2−+2Hと水溶液/水酸化物の平衡を表す。10はHZnO2−+3H +2e=Zn+2HO、11はZnO 2−+4H+2e=Zn+2HOで水溶液/金属の平衡を表している。 The reason for this will be described with reference to FIG. The left and right vertical axes in FIG. 8 indicate the redox potential, and the horizontal axis indicates the pH. The area between the parallel dotted lines a and b shows an equilibrium diagram in water. In addition, the hatched region in the equilibrium diagram in water represents the stable region of Zn (OH) 2 . Moreover, the line represented by the number in a figure shows various equilibrium states. For example, the number 3 is Zn 2+ + 2H 2 O = HZnO 2 + + 3H + , and the number 4 is HZnO 2− = ZnO 2 2 + H + , indicating ion equilibrium. Also, numeral 5 is Zn (OH) 2 + 2H + 2e = Zn + 2H 2 O and metal / hydroxide equilibrium, 6 is Zn 2+ + 2H 2 O = Zn (OH) 2 + 2H + , and 7 is Zn (OH) 2. = HZnO 2 + + H + , 8 represents the equilibrium of Zn (OH) 2 = ZnO 2 2 + 2H + and aqueous solution / hydroxide. 10 is HZnO 2 + 3H + + 2e = Zn + 2H 2 O, 11 is ZnO 2 2 + 4H + + 2e = Zn + 2H 2 O, which represents an aqueous solution / metal equilibrium.

図8からわかるように、pHが5.5以上のアルカリ側でZn(OH)の安定領域がある。Znの水酸化物Zn(OH)はゲル状物質であり、いわばZnO基板表面がネバついた状態になっており、粘着剤のような役割を果たしている。したがって、pHを5.5以上にしてZnO基板表面のゼータ電位とコロイダルシリカのゼータ電位とを同極性にしても、pHを5.5以上ではZn(OH)の安定領域があり、Zn(OH)が粘着剤の役目をして容易に反発して分離できないようになっている。 As can be seen from FIG. 8, there is a stable region of Zn (OH) 2 on the alkali side with a pH of 5.5 or higher. Zn hydroxide Zn (OH) 2 is a gel-like substance, so to speak, the surface of the ZnO substrate is in a state of being sticky, and plays a role like an adhesive. Therefore, even when the pH is 5.5 or higher and the zeta potential of the ZnO substrate surface and the zeta potential of colloidal silica are the same polarity, there is a stable region of Zn (OH) 2 at a pH of 5.5 or higher. OH) 2 acts as an adhesive and repels easily and cannot be separated.

この状態の表面をXPS(X線光電子分光法)を用いて測定すると図6、7のデータが得られた。図7は、ZnO基板表面における酸素(O)の内殻電子状態差を表しており、1s内郭電子軌道の結合エネルギーを示す。また、図6は、ZnO基板表面における亜鉛(Zn)の内殻電子状態差を表しており、2p3/2内殻電子軌道の結合エネルギーを示す。なお、図6、7共に、横軸は結合エネルギー(Binding Energy)を、縦軸は強度を表す。   When the surface in this state was measured using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), the data shown in FIGS. 6 and 7 were obtained. FIG. 7 shows the difference in the inner electronic state of oxygen (O) on the surface of the ZnO substrate, and shows the binding energy of the 1s inner electron orbit. FIG. 6 shows the difference in inner electronic state of zinc (Zn) on the surface of the ZnO substrate, and shows the binding energy of the 2p3 / 2 inner shell electron orbit. 6 and 7, the horizontal axis represents binding energy, and the vertical axis represents strength.

図6、7ともに、S1の曲線が基板処理がない場合を示すが、特に図4に表わされた高エネルギー側のピークの膨らみにより、明らかにOH基の存在が確認できる。この状態ではZnO基板上に結晶成長した薄膜の結晶欠陥を示すピット密度が増える。ZnO基板上にMgZnO薄膜を形成してMgZnO薄膜の結晶欠陥密度(ピット密度)を調べたのが図10である。ピット密度は、MgZnO薄膜表面を光学顕微鏡で観察した暗視野像を撮像し、撮像に表れる白く抜けている丸い点をピットとして計数した。この処理をMgZnO薄膜の成長温度を変えて行い、これをプロットしたものが図10である。   6 and 7 show the case where the curve of S1 is not subjected to the substrate treatment, but in particular, the presence of OH groups can be clearly confirmed by the swelling of the peak on the high energy side shown in FIG. In this state, the pit density indicating the crystal defects of the thin film grown on the ZnO substrate increases. FIG. 10 shows the MgZnO thin film formed on the ZnO substrate and the crystal defect density (pit density) of the MgZnO thin film was examined. The pit density was obtained by capturing a dark field image obtained by observing the surface of the MgZnO thin film with an optical microscope, and counting the rounded white dots appearing in the imaging as pits. This process is performed while changing the growth temperature of the MgZnO thin film, and this is plotted in FIG.

従来のCMPによる研磨を行ったZnO基板を用いた場合のデータを逆白三角(▽)で示す。図に示すように、ピット密度を減少させるためには、成長温度を上げる必要がある。また、基板温度750℃〜850℃の範囲では、ピット密度が1×10cm−2より上側に集中している。 Data when a conventional ZnO substrate polished by CMP is used is shown by an inverted white triangle (▽). As shown in the figure, it is necessary to raise the growth temperature in order to reduce the pit density. In the range of the substrate temperature of 750 ° C. to 850 ° C., the pit density is concentrated above 1 × 10 6 cm −2 .

そこで、ZnO基板表面にZn(OH)が安定して存在できないようにし、かつコロイダルシリカの付着を防ぐためには、図9より、ZnO基板表面をpH5.5未満(pH5.5よりも酸性側)の状態にすることが少なくとも必要である。pH5.5未満では、一応、ZnO基板とコロイダルシリカとのゼータ電位極性は同極性の領域が存在しているので、付着が起こりにくいと言えるが、途中で、ZnO基板とコロイダルシリカとのゼータ電位極性が異極性になる領域もあり、また、コロイダルシリカだけでなく、他のPSL等のようなパーティクルの付着を防ぐことも考えると、ZnO基板とコロイダルシリカとPSLの各ゼータ電位がすべて同極性を維持でき、かつ、Zn(OH)が発生しない領域として、図2からpH3以下という数値が導かれる。したがって、ZnO基板表面をpH3又はpH3よりも酸性側の状態にすることが望ましい。 Therefore, in order to prevent Zn (OH) 2 from being stably present on the surface of the ZnO substrate and to prevent the adhesion of colloidal silica, the surface of the ZnO substrate is less than pH 5.5 (on the acidic side from pH 5.5) as shown in FIG. ) At least. If the pH is less than 5.5, the zeta potential polarity of the ZnO substrate and colloidal silica exists in the same polarity region, so it can be said that the adhesion is unlikely to occur, but in the middle, the zeta potential of the ZnO substrate and colloidal silica. Some regions have different polarities, and considering not only colloidal silica but also other particles such as PSL, the zeta potentials of the ZnO substrate, colloidal silica, and PSL are all the same polarity. As a region where Zn (OH) 2 is not generated, a value of pH 3 or less is derived from FIG. Therefore, it is desirable that the surface of the ZnO substrate is in a state of pH 3 or more acidic than pH 3.

一方、ZnO基板表面をpH3以下(pH3又はpH3よりも酸性側)の硝酸溶液等によりウエットエッチング処理を行った後、ZnO基板表面のXPS測定を行った。図6、7のS2の曲線が上記基板処理を行ったZnO基板表面における亜鉛(Zn)の内殻電子状態差、酸素(O)の内殻電子状態差を表す。図6、7を比較すると、特に図7の方がピーク形状が変化しており、OH基由来の信号が弱くなっていることを示しているので、OH基が非常に減少したことがわかる。このように、ZnO基板表面をOH基がほとんどない状態にするためには、基板表面の最終処理をpH3以下の酸性ウエットエッチングで行うのが良い。   On the other hand, after the surface of the ZnO substrate was wet-etched with a nitric acid solution having a pH of 3 or less (pH 3 or more acidic than pH 3), XPS measurement was performed on the surface of the ZnO substrate. The curves of S2 in FIGS. 6 and 7 represent the difference in the inner electronic state of zinc (Zn) and the difference in the inner electronic state of oxygen (O) on the surface of the ZnO substrate subjected to the substrate treatment. 6 and 7 show that the peak shape is particularly changed in FIG. 7 and that the signal derived from the OH group is weak, so that the OH group is greatly reduced. Thus, in order to make the ZnO substrate surface almost free of OH groups, the final treatment of the substrate surface is preferably performed by acidic wet etching at pH 3 or lower.

また、上記のようにpH3以下の酸性ウエットエッチングの基板処理を行ったZnO基板上にMgZnO薄膜を形成し、MgZnO薄膜におけるピット密度を観測した。ピット密度は、MgZnO薄膜の成長温度を変えて算出した。これが、図10に示された黒丸(●)のデータであり、基板処理有りと記載された領域にかなり含まれている。成長温度750℃〜850℃の範囲で比較してみると、基板処理無しの場合と比べて、ピット密度はかなり減少していることがわかる。また、成長温度750℃以上では、基板処理有りのデータ(●)は、すべてピット密度1×10個/cm以下となっており、基板処理無しのデータ(逆白三角:▽)とは明確に差が出ている。 Further, an MgZnO thin film was formed on the ZnO substrate subjected to the acidic wet etching substrate treatment at pH 3 or lower as described above, and the pit density in the MgZnO thin film was observed. The pit density was calculated by changing the growth temperature of the MgZnO thin film. This is the data of the black circles (●) shown in FIG. 10 and is considerably included in the region described as having substrate processing. When compared in the growth temperature range of 750 ° C. to 850 ° C., it can be seen that the pit density is considerably reduced as compared with the case without the substrate treatment. When the growth temperature is 750 ° C. or higher, all the data with substrate processing (●) is 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less, and the data without substrate processing (reverse white triangle: ▽) There is a clear difference.

さらに、点線で表したPのラインは、ZnO基板表面の状態によって変化するピット密度の下限値を示すが、このラインで比較してもわかるように、ピット密度が小さい同一の値で比較した場合、基板処理を行った方が基板上に形成する薄膜の成長温度を低くすることができる。したがって、水酸化物発生を防ぎ、ゼータ電位を同極性にしてパーティクルの付着を防止するためにはpH3以下のエッチング処理が望ましい。   Furthermore, the P line indicated by the dotted line shows the lower limit of the pit density that changes depending on the state of the ZnO substrate surface. As can be seen from the comparison with this line, the comparison is made with the same value with a small pit density. When the substrate treatment is performed, the growth temperature of the thin film formed on the substrate can be lowered. Therefore, an etching treatment with a pH of 3 or less is desirable in order to prevent the generation of hydroxide and to prevent the adhesion of particles with the same zeta potential.

以上のように、pH3以下のエッチング処理が基板表面の問題となる付着物を除去するためには適切ではあるが、pH3以下の酸性溶液であると、非常に酸性度が高くなるので、前述したように基板表面のZnとOの化学結合の切断を起こしやすい。そこで、CMP研磨処理を行った後に、pH3以下の酸性ウエットエッチング処理を行い、その後、図1の説明で述べたアッシング等の酸化処理を行うことで、ZnO基板の表面の化学結合状態を修復し、基板表面のダメージを回復させることができる。以上のように、pH3以下のウエットエッチングと酸化処理を組み合わせることで、高品質のZnO基板表面を得ることができる。   As described above, an etching treatment with a pH of 3 or less is appropriate for removing deposits that cause problems on the substrate surface. However, an acidic solution with a pH of 3 or less has a very high acidity. Thus, the chemical bond between Zn and O on the substrate surface is likely to be broken. Therefore, after performing the CMP polishing process, an acidic wet etching process with a pH of 3 or less is performed, and then an oxidation process such as ashing described in the explanation of FIG. 1 is performed to restore the chemical bonding state on the surface of the ZnO substrate. The damage on the substrate surface can be recovered. As described above, a high-quality ZnO substrate surface can be obtained by combining wet etching with a pH of 3 or less and oxidation treatment.

次に、MgZn1−XO基板(0≦X<1)の結晶成長側表面の品質の条件を結晶構造から考えることとし、シリカやパーティクル等の付着物がなく、基板表面のダメージがなく、かつ、平坦性の良い薄膜を形成することができる高品質な基板表面を得ることを考える。 Next, the quality condition of the surface of the crystal growth side of the Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is considered from the crystal structure, and there is no deposit such as silica or particles, and the substrate surface is damaged. Consider obtaining a high-quality substrate surface that can form a thin film with good flatness.

ZnO系化合物はGaNと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。C面やa軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、C面は(0001)面と表される。ZnO系材料層上にZnO系薄膜を成長させる場合には、通常C面(0001)面が行われるが、C面ジャスト基板を用いた場合、図11(a)のようにウエハ主面の法線方向Zがc軸方向と一致する。しかし、C面ジャストZnO基板上にZnO系薄膜を成長させても、膜の平坦性が良くならないことが知られている。加えて、バルク結晶は、その結晶がもつ劈開面を使用しないかぎり、ウエハ主面の法線方向がc軸方向と一致することがなく、C面ジャスト基板にこだわると生産性も悪くなる。   The ZnO-based compound has a hexagonal crystal structure called wurzeite like GaN. Expressions such as the C plane and the a-axis can be expressed by a so-called Miller index. For example, the C plane is expressed as a (0001) plane. When a ZnO-based thin film is grown on a ZnO-based material layer, a C-plane (0001) plane is usually performed. However, when a C-plane just substrate is used, the method of the wafer main surface as shown in FIG. The line direction Z coincides with the c-axis direction. However, it is known that even when a ZnO-based thin film is grown on a C-plane just ZnO substrate, the flatness of the film is not improved. In addition, unless the cleavage plane of the bulk crystal is used, the normal direction of the main surface of the wafer does not coincide with the c-axis direction, and if the C-plane just substrate is used, the productivity becomes worse.

そこで、ZnO基板1(ウエハ)の主面の法線方向をc軸方向と一致させずに、ウエハ主面のc軸から法線方向Zが傾き、オフ角を有するようにする。図11(b)に示されるように、基板主面の法線Zが、例えばc軸からm軸方向にのみθ度傾斜していると、基板1の表面部分(例えばT1領域)の拡大図である図11(c)に表されるように、平坦な面であるテラス面1aと、傾斜させることにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面1bとが生じる。   Therefore, the normal direction Z of the main surface of the ZnO substrate 1 (wafer) does not coincide with the c-axis direction, and the normal direction Z is inclined from the c-axis of the wafer main surface so as to have an off angle. As shown in FIG. 11B, when the normal line Z of the main surface of the substrate is inclined by θ degrees only in the m-axis direction from the c-axis, for example, an enlarged view of the surface portion (for example, T1 region) of the substrate 1 As shown in FIG. 11C, a terrace surface 1a that is a flat surface and step surfaces 1b that are regular at regular intervals are formed in the stepped portions that are formed by inclining.

ここで、テラス面1aがC面(0001)となり、ステップ面1bはM面(10−10)に相当する。図のように、形成された各ステップ面1bは、m軸方向にテラス面1aの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。図11(c)に示すように、テラス面1aと垂直なc軸は、Z軸からθ度傾斜していることになる。また、ステップ面1bのステップエッジとなるステップライン1eは、m軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面1aの幅を取りながら並行に並ぶようになる。   Here, the terrace surface 1a becomes the C surface (0001), and the step surface 1b corresponds to the M surface (10-10). As shown in the figure, the formed step surfaces 1b are regularly arranged while maintaining the width of the terrace surface 1a in the m-axis direction. As shown in FIG. 11C, the c-axis perpendicular to the terrace surface 1a is inclined by θ degrees from the Z-axis. Further, the step lines 1e serving as the step edges of the step surface 1b are arranged in parallel while taking the width of the terrace surface 1a while maintaining a relationship perpendicular to the m-axis direction.

このように、ステップ面をM面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたZnO系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面1bによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面1aとステップ面1bの2面との結合になるので、テラス面1aに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。   Thus, if the step surface is an M-plane equivalent surface, the ZnO-based semiconductor layer crystal-grown on the main surface can be a flat film. On the main surface, a stepped portion is generated by the step surface 1b. Since the atoms flying to the stepped portion are coupled to the two surfaces of the terrace surface 1a and the step surface 1b, the step surface 1b is more than the case of flying to the terrace surface 1a. However, atoms can bond strongly and trap incoming atoms stably.

表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面の法線が少なくともm軸方向に傾斜した基板上に、ZnO系半導体層を積層させると、ZnO系半導体層はこのステップ面1bを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。   Flying atoms diffuse in the terrace during the surface diffusion process, but stable by creeping growth where crystal growth proceeds by trapping at the stepped portion with strong bonding force and the kink position formed by this stepped portion and incorporating it into the crystal Growth takes place. As described above, when a ZnO-based semiconductor layer is stacked on a substrate whose normal to the main surface of the substrate is inclined at least in the m-axis direction, the ZnO-based semiconductor layer has a crystal growth centered on the step surface 1b and is flat. A film can be formed.

ところで、m軸方向にステップライン1eが規則的に並んでおり、m軸方向とステップライン1eが垂直の関係になっていることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップライン1eの間隔やラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。   By the way, the step lines 1e are regularly arranged in the m-axis direction, and the m-axis direction and the step line 1e are perpendicular to each other, which is necessary for producing a flat film. If the distance between the lines 1e and the line are disturbed, the above-described creeping growth is not performed, and a flat film cannot be produced.

一方、図11(b)で傾斜角度(オフ角)θを大きくしすぎると、ステップ面1bのステップ高さtが大きくなりすぎることがあり、平坦に結晶成長しなくなるので、m軸方向のオフ角を一定の角度に制限する必要がある。図12、13は、m軸方向への傾斜角度によって、成長膜の平坦性が変わることを示すものである。図12は、傾斜角度θを1.5度として、このオフ角を有するMgZn1−XO基板の主面上にZnO系半導体を成長させたものである。一方、図13は、傾斜角度θを3.5度として、このオフ角を有するMgZn1−XO基板の主面上にZnO系半導体を成長させたものである。図12、13ともに、結晶成長後に、AFMを用いて、1μm四方の範囲でスキャンした画像である。図12の方は、ステップの幅が揃った状態で、綺麗な膜が生成されているが、図13の方は、凹凸が散在しており、平坦性が失われている。以上のことより、0度を越える範囲で、かつ3度以下(0<θ≦3)とするのが望ましい。したがって、図16の傾斜角Φについても同様のことが言えるので、0度を越える範囲で、かつ3度以下(0<Φ≦3)が最適である。 On the other hand, if the inclination angle (off angle) θ is too large in FIG. 11B, the step height t of the step surface 1b may become too large, and the crystal does not grow flat. It is necessary to limit the angle to a certain angle. 12 and 13 show that the flatness of the growth film changes depending on the inclination angle in the m-axis direction. FIG. 12 shows an example in which a ZnO-based semiconductor is grown on the main surface of an Mg X Zn 1-X O substrate having an off-angle with an inclination angle θ of 1.5 degrees. On the other hand, FIG. 13 shows a case where a ZnO-based semiconductor is grown on the main surface of a Mg X Zn 1-X O substrate having an off angle of 3.5 degrees with an inclination angle θ. 12 and 13 are images scanned in a 1 μm square range using AFM after crystal growth. In the case of FIG. 12, a beautiful film is generated with the steps having the same width, but in the case of FIG. 13, unevenness is scattered and the flatness is lost. From the above, it is desirable that the angle be in the range exceeding 0 degree and 3 degrees or less (0 <θ ≦ 3). Therefore, since the same is true of the tilt angle [Phi m in FIG. 16, in the range exceeding 0 ° and 3 ° or less (0 <Φ m ≦ 3) it is optimal.

以上のように、基板主面の法線方向Zをc軸からm軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角度を0度を越える範囲で、かつ3度以下とすることが、最も望ましいのであるが、より実際的には、m軸方向のみ傾斜させて切り出す場合に限定することは困難で、生産技術としては、a軸への傾きも許容し、その許容度を設定することが必要となる。例えば、図15に示されるように、基板主面の法線Zが、基板結晶軸のc軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Zを基板結晶軸のc軸m軸a軸の直交座標系におけるc軸m軸平面に投影した投影軸がm軸の方へ角度Φ、c軸a軸平面に投影した投影軸がa軸の方へ角度Φ傾斜している場合を考える。 As described above, it is most desirable that the normal direction Z of the main surface of the substrate is inclined only from the c-axis to the m-axis direction, and the inclination angle is in the range exceeding 0 degree and not more than 3 degrees. More practically, it is difficult to limit to the case of cutting by inclining only in the m-axis direction, and as a production technique, it is necessary to allow inclination to the a-axis and set the tolerance. For example, as shown in FIG. 15, the normal Z of the substrate principal surface is inclined by an angle Φ from the c-axis of the substrate crystal axis, and the normal Z is an orthogonal coordinate system of the c-axis, the m-axis, and the a-axis of the substrate crystal axis. Let us consider a case in which the projection axis projected onto the c-axis m-axis plane is inclined by an angle Φ m toward the m-axis, and the projection axis projected onto the c-axis a-axis plane is inclined by an angle Φ a toward the a-axis.

図15のように、基板主面法線Zが傾斜している状態を、さらにわかりやすく、c軸m軸a軸の直交座標系と法線Zとの関係について表わしたものが、図16(a)である。図15とは基板主面法線Zの傾斜する方向が変わっているだけであり、Φ、Φ、Φの意味するところは図15と同じであり、基板主面法線Zをc軸m軸a軸の直交座標系におけるc軸m軸平面に投影した投影軸A、c軸a軸平面に投影した投影軸Bが表わされている。 As shown in FIG. 15, the state in which the substrate main surface normal Z is inclined is more easily understood, and the relationship between the orthogonal coordinate system of the c-axis, m-axis, and a-axis and the normal Z is shown in FIG. a). 15 differs from FIG. 15 only in the direction in which the substrate principal surface normal Z is inclined. The meanings of Φ, Φ m , and Φ a are the same as those in FIG. The projection axis A projected onto the c-axis m-axis plane and the projection axis B projected onto the c-axis a-axis plane in the m-axis a-axis orthogonal coordinate system are shown.

また、基板結晶軸であるc軸m軸a軸の直交座標系のa軸m軸平面に基板主面法線Zを投影した投影軸の方向をL方向として表す。このとき、図11に示す平坦な面であるテラス面1cと、傾斜させることにより生じる段差部分にステップ面1dが生じる。ここで、テラス面がC面(0001)となるが、図11の場合とは異なり、図16(a)より、法線Zはテラス面と垂直なc軸から角度Φ傾斜していることになる。   In addition, the direction of the projection axis obtained by projecting the substrate principal surface normal Z onto the a-axis m-axis plane of the orthogonal coordinate system of the c-axis m-axis a-axis which is the substrate crystal axis is represented as the L direction. At this time, a step surface 1d is generated on the terrace surface 1c which is a flat surface shown in FIG. Here, the terrace surface is the C plane (0001). Unlike FIG. 11, the normal line Z is inclined at an angle Φ from the c-axis perpendicular to the terrace surface, as shown in FIG. Become.

基板主面の法線方向は、m軸方向だけでなく、a軸方向にも傾斜しているために、ステップ面が斜めに出て、ステップ面は、L方向に並ぶことになる。この状態は、図16(a)及び(b)に示されるようにm軸方向へのステップエッジ配列となって現われるが、M面が熱的、化学的に安定面であるため、a軸方向の傾斜角度Φによっては、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面1dに凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じて、主面上に平坦な膜を形成できなくなる。上記M面が熱的、化学的に安定であるということは、発明者らが見出したものであり、既出願の特願2006−160273に詳しく説明した。 Since the normal direction of the substrate main surface is inclined not only in the m-axis direction but also in the a-axis direction, the step surface comes out obliquely and the step surface is aligned in the L direction. This state appears as a step edge arrangement in the m-axis direction as shown in FIGS. 16 (a) and 16 (b). However, since the M plane is a thermally and chemically stable plane, of the inclination angle [Phi a, oblique step is not maintained in the clean, can uneven step surfaces 1d, it is disturbed to a sequence of step edges, it is no longer possible to create the flat film on the main surface. The inventors have found that the M-plane is thermally and chemically stable and has been described in detail in Japanese Patent Application No. 2006-160273.

図17に、成長面(主面)における法線Zが、m軸方向のオフ角に加えて、a軸方向のオフ角を有する場合に、ステップエッジやステップ幅がどのように変化するかを示す。図16(a)で説明したm軸方向のオフ角Φを0.4度に固定して、a軸方向のオフ角Φを大きくなるように変化させて比較した。これは、MgZn1−XO基板の切り出し面を変えることにより実現させた。 FIG. 17 shows how the step edge and step width change when the normal line Z on the growth surface (main surface) has an off-angle in the a-axis direction in addition to the off-angle in the m-axis direction. Show. Figure 16 m-axis direction of the off angle [Phi m described in (a) was fixed to 0.4 degrees, and compared varied so as to increase the off-angle [Phi a in the a-axis direction. This was realized by changing the cut-out surface of the Mg X Zn 1-X O substrate.

a軸方向のオフ角Φを大きくなるように変化させると、ステップエッジとm軸方向のなす角θも大きくなる方向に変化するので、図17には、θの角度を記載した。図17(a)は、θ=85度の場合であるが、ステップエッジもステップ幅も乱れていない。図17(b)は、θ=78度の場合であるが、やや乱れがあるものの、ステップエッジやステップ幅を確認することができる。図17(c)は、θ=65度の場合であるが、乱れが酷くなっており、ステップエッジやステップ幅を確認することができない。図17(c)の表面状態の上にZnO系半導体層をエピタキシャル成長させれば、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が形成できない。この図17(c)の場合は、a軸方向への傾きΦに換算すると0.15度に相当する。以上のデータにより、70度≦θ≦90度の範囲が望ましいことがわかる。 When the off-angle Φa in the a- axis direction is changed so as to increase, the angle θ S formed between the step edge and the m-axis direction also changes in the increasing direction, and FIG. 17 shows the angle of θ S. FIG. 17A shows the case where θ S = 85 degrees, but the step edge and the step width are not disturbed. FIG. 17B shows the case of θ S = 78 degrees, but the step edge and step width can be confirmed although there is some disturbance. FIG. 17C shows the case of θ S = 65 degrees, but the disturbance is severe and the step edge and step width cannot be confirmed. If the ZnO-based semiconductor layer is epitaxially grown on the surface state of FIG. 17C, the above-mentioned creeping growth is not performed, and thus a flat film cannot be formed. In the case of FIG. 17C, this corresponds to 0.15 degrees when converted to the inclination Φa in the a- axis direction. From the above data, it can be seen that a range of 70 degrees ≦ θ S ≦ 90 degrees is desirable.

このように、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面に凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じる角度としては、θ=70度となり、例えばΦ=0.5度とすれば、これをa軸方向への傾きΦに換算すると0.1度に相当する。 In this way, the oblique step is not kept clean, the step surface is uneven, and the angle at which the step edge arrangement is disturbed is θ S = 70 °, for example, Φ m = 0.5 °. If, which correspond to 0.1 degrees in terms of inclination [Phi a in the a-axis direction.

ところで、θについては、主面法線Zの投影軸Bがa軸方向にΦ度傾斜している場合だけでなく、図16(a)において−a軸方向に傾斜している場合も対称性により等価なので考慮する必要がある。この傾斜角度を−Φとし、ステップ面による段差部分をm軸a軸平面に投影すると、図16(c)のように表される。ここで、m軸とステップエッジとのなす角θの条件についても、上記70度≦θ≦90度が成立する。θ=180度−θの関係が成立するので、θの最大値としては、180度−70度=110度となり、最終的に70度≦θ≦110度の範囲が、平坦な膜を成長させることができる条件となる。 Incidentally, regarding θ S , not only when the projection axis B of the principal surface normal Z is inclined by Φ a degrees in the a-axis direction, but also when it is inclined in the −a-axis direction in FIG. Since it is equivalent due to symmetry, it must be considered. When this inclination angle is set to −Φ a and the stepped portion due to the step surface is projected onto the m-axis a-axis plane, it is expressed as shown in FIG. Here, the condition of the angle θ i formed by the m-axis and the step edge also satisfies the above-mentioned 70 degrees ≦ θ i ≦ 90 degrees. Since the relationship θ S = 180 degrees−θ i is established, the maximum value of θ S is 180 degrees−70 degrees = 110 degrees, and finally the range of 70 degrees ≦ θ S ≦ 110 degrees is flat. This is a condition that allows the film to grow.

次に、角度の単位をラジアン(rad)として、図16に基づき、θをΦ、Φを用いて表すと以下のようになる。図16より、角度αは
α=arctan(tanΦ/tanΦ) と表され、
θ=(π/2)−α=(π/2)−arctan(tanΦ/tanΦ)となる。
ここで、θをラジアンから度(deg)に変換すると
θ=90−(180/π)arctan(tanΦ/tanΦ)となるので、
70≦{90−(180/π)arctan(tanΦ/tanΦ)}≦110 と表せる。ここで、良く知られているように、tanは、正接(tangent)を表し、arctanは逆正接(arctangent)を表す。なお、θ=90度の場合が、a軸方向への傾きがなく、m軸方向にのみ傾いている場合である。また、Φ、Φの角度の単位をラジアンでなく、Φ度、Φ度とした場合には、上記不等式は、次のように表わされる。
Next, assuming that the unit of angle is radians (rad) and θ S is expressed using Φ m and Φ a based on FIG. 16, the following is obtained. From FIG. 16, the angle α is expressed as α = arctan (tanΦ a / tanΦ m ),
θ S = (π / 2) −α = (π / 2) −arctan (tanΦ a / tanΦ m ).
Here, since θ S is converted from radians to degrees (deg), θ S = 90− (180 / π) arctan (tanΦ a / tanΦ m ),
70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tanΦ a / tanΦ m )} ≦ 110 Here, as is well known, tan represents a tangent and arctan represents an arctangent. Note that θ S = 90 degrees is a case where there is no inclination in the a-axis direction and only in the m-axis direction. Further, when the units of the angles of Φ m and Φ a are not radians but Φ m degrees and Φ a degrees, the above inequality is expressed as follows.

70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))≦110
以上のようにして、ZnO系基板の物理衝撃に強い+C面を用いるとともに、この+C面におけるc軸と基板主面法線とのオフ角が上記の関係を有するように、基板主面を形成するようにすれば、平坦な薄膜を積層することができる。また、この基板主面を研磨した後に酸性ウエットエッチングを行う場合は、pH3以下の溶液で行うようにし、エッチングを行った後は、最終処理としてアッシング等の酸化処理を行っておけば、基板主面の付着物を取り除き、表面のダメージをなくすることができ、極めて品質の高い結晶成長主面を有するZnO系基板を形成することができる。
70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180)) ≦ 110
As described above, the substrate main surface is formed so that the + C plane that is strong against physical impact of the ZnO-based substrate is used, and the off angle between the c-axis and the substrate main surface normal in the + C plane has the above relationship. By doing so, a flat thin film can be laminated. In addition, when acid wet etching is performed after polishing the main surface of the substrate, it is performed with a solution having a pH of 3 or less, and after etching, if oxidation treatment such as ashing is performed as a final treatment, Surface deposits can be removed, surface damage can be eliminated, and a ZnO-based substrate having an extremely high quality crystal growth main surface can be formed.

最後に本発明のZnO系基板上にZnO系薄膜を積層したZnO系半導体素子の一例を図14に示す。図14は、p型不純物を含むMgZn1−YO膜(0≦Y<1)を用いた紫外LEDの例を示している。結晶成長面をZnO基板12の+C面を有する主面とし、この主面の法線方向がc軸からm軸方向に少し傾斜するように形成し、主面の清浄面を出すために、CMP研磨処理を行い、その後アッシング処理を行った。このZnO基板12上に、アンドープZnO層13、窒素ドープのp型MgZnO層14を順に結晶成長させた後、p電極15とn電極11とを形成した。p電極15は図示されているように、Au(金)152とNi(ニッケル)151との多層金属膜で構成し、n電極11はIn(インジウム)で構成した。窒素ドープMgZnO層14の成長温度を800℃程度とした。
Finally, FIG. 14 shows an example of a ZnO-based semiconductor element in which a ZnO-based thin film is stacked on the ZnO-based substrate of the present invention. FIG. 14 shows an example of an ultraviolet LED using an Mg Y Zn 1-Y O film (0 ≦ Y <1) containing a p-type impurity. In order to form a crystal growth surface as a main surface having a + C plane of the ZnO substrate 12 and to form a normal surface of this main surface so as to be slightly inclined from the c-axis to the m-axis direction, and to provide a clean surface of the main surface, CMP is performed. Polishing was performed, followed by ashing. On this ZnO substrate 12, an undoped ZnO layer 13 and a nitrogen-doped p-type MgZnO layer 14 were grown in order, and then a p-electrode 15 and an n-electrode 11 were formed. As shown in the figure, the p-electrode 15 is composed of a multilayer metal film of Au (gold) 152 and Ni (nickel) 151, and the n-electrode 11 is composed of In (indium). The growth temperature of the nitrogen-doped MgZnO layer 14 was set to about 800 ° C.

ZnO基板のC面に所定の処理を行った後に、XPS測定を行ったときのZn原子における2p3/2内殻電子の結合エネルギー強度分布を示す図である。It is a figure which shows the binding energy intensity distribution of the 2p3 / 2 inner-shell electron in a Zn atom when performing XPS measurement after performing predetermined processing to the C surface of a ZnO substrate. ZnO基板の+C面、−C面、M面の各面について、研磨処理終了直後にXPS測定を行ったときのZn原子における2p3/2内殻電子の結合エネルギー強度分布を示す図であるIt is a figure which shows the binding energy intensity distribution of the 2p3 / 2 inner-shell electron in a Zn atom when XPS measurement is performed immediately after completion | finish of grinding | polishing processing about each surface of + C surface, -C surface, and M surface of a ZnO substrate. ZnO基板の+C面について、スパッタ前後でXPS測定を行ったときのZn原子における2p3/2内殻電子の結合エネルギー強度分布を示す図である。It is a figure which shows the binding energy intensity distribution of 2p3 / 2 inner-shell electrons in a Zn atom when XPS measurement is performed before and after sputtering on the + C plane of the ZnO substrate. ZnO基板のM面について、スパッタ前後でXPS測定を行ったときのZn原子における2p3/2内殻電子の結合エネルギー強度分布を示す図である。It is a figure which shows the binding energy intensity distribution of 2p3 / 2 inner-shell electrons in a Zn atom when XPS measurement is performed before and after sputtering on the M plane of the ZnO substrate. ZnO基板の−C面について、スパッタ前後でXPS測定を行ったときのZn原子における2p3/2内殻電子の結合エネルギー強度分布を示す図である。It is a figure which shows the binding energy intensity distribution of 2p3 / 2 inner-shell electrons in a Zn atom when XPS measurement is performed before and after sputtering on the -C plane of a ZnO substrate. ZnOの亜鉛の内殻電子状態差を示す図である。It is a figure which shows the inner-shell electronic state difference of zinc of ZnO. ZnOの酸素の内殻電子状態差を示す図である。It is a figure which shows the inner-shell electronic state difference of the oxygen of ZnO. ZnOのpH−電位平衡の関係を示す図である。It is a figure which shows the pH-potential balance relationship of ZnO. ZnO、コロイダルシリカ、PSLのゼータ電位のpH依存性を示す図である。It is a figure which shows the pH dependence of the zeta potential of ZnO, colloidal silica, and PSL. ZnO基板上にMgZnO薄膜を形成した場合のMgZnO薄膜におけるピット密度と成長時基板温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pit density in the MgZnO thin film at the time of forming a MgZnO thin film on a ZnO substrate, and the substrate temperature at the time of growth. 基板主面法線Zがm軸方向にのみオフ角を有する場合のZnO基板表面を示す図である。It is a figure which shows the ZnO board | substrate surface in case the board | substrate principal surface normal line Z has an off angle only in the m-axis direction. 基板主面法線がm軸方向にオフ角を有するMgZn1−XO基板上に成膜した表面を示す図であるIs a diagram showing the Mg X Zn 1-X O deposition surface on a substrate principal surface of the substrate normal line has an off-angle in the m-axis direction 基板主面法線がm軸方向にオフ角を有するMgZn1−XO基板上に成膜した表面を示す図である。Substrate principal surface normal is a diagram showing the Mg X Zn 1-X O deposition surface on a substrate having an off-angle in the m-axis direction. 本発明のZnO系基板を用いて構成したZnO系半導体素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ZnO-type semiconductor element comprised using the ZnO-type board | substrate of this invention. 基板主面法線と基板結晶軸であるc軸、m軸、a軸との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a substrate main surface normal line, and the c-axis, m-axis, and a-axis which are a substrate crystal axis. ZnO基板表面の法線の傾斜状態及びステップエッジとm軸との関係を示す図である。It is a figure which shows the inclination state of the normal line of a ZnO substrate surface, and the relationship between a step edge and an m-axis. 基板主面法線のa軸方向のオフ角が異なるMgZn1−XO基板表面状態を示す図である。Off-angle in the a-axis direction of the substrate main surface normal is a diagram showing a different Mg X Zn 1-X O substrate surface condition.

符号の説明Explanation of symbols

1 ZnO基板 1 ZnO substrate

Claims (6)

MgZn1−XO基板(0≦X<1)の結晶成長を行う側の主面をX線光電子により分光した場合、Zn原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーが、1021.75eV〜1022.25eVの範囲に存在することを特徴とするZnO系基板。 When the main surface on the crystal growth side of the Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is dispersed by X-ray photoelectrons, the excitation peak energy of 2p3 / 2 core electrons of Zn atoms is 1021. A ZnO-based substrate characterized by existing in a range of 75 eV to 1022.25 eV. 前記結晶成長を行う側の主面は+C面であることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板。   2. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the main surface on the crystal growth side is a + C plane. 前記結晶成長を行う側の主面はC面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のm軸c軸平面に投影した投影軸が、m軸方向に3度以内の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板。   The principal surface on the crystal growth side has a C-plane, and the projection axis obtained by projecting the normal of the principal surface onto the m-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is tilted within 3 degrees in the m-axis direction. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the substrate is a ZnO-based substrate. 前記主面の法線を基板結晶軸のa軸c軸平面に投影した投影軸がa軸方向にΦ度、前記主面の法線を前記主面におけるm軸c軸平面に投影した投影軸がm軸方向にΦ度傾斜し、前記Φ
70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))≦110
を満たすことを特徴とする請求項1記載のZnO系基板。
A projection axis obtained by projecting the normal of the main surface onto the a-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is Φ a degrees in the a-axis direction, and a projection of the normal of the main surface projected onto the m-axis c-axis plane of the main surface The axis is inclined by Φ m degrees in the m-axis direction, and the Φ a is 70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180)) ≦ 110
The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein:
MgZn1−XO基板(0≦X<1)の結晶成長を行う側の主面における最終処理は、酸化処理であることを特徴とするZnO系基板の処理方法。 A processing method for a ZnO-based substrate, characterized in that the final treatment on the main surface on the crystal growth side of the Mg X Zn 1-X O substrate (0 ≦ X <1) is an oxidation treatment. 前記酸化処理前に、pH3以下の酸性ウエットエッチング処理を行うことを特徴とする請求項5記載のZnO系基板の処理方法。   6. The method for treating a ZnO-based substrate according to claim 5, wherein an acidic wet etching treatment having a pH of 3 or less is performed before the oxidation treatment.
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