JP2009120425A - METHOD FOR MANUFACTURING GaN SEMICONDUCTOR SUBSTRATE AND GaN SEMICONDUCTOR SUBSTRATE - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING GaN SEMICONDUCTOR SUBSTRATE AND GaN SEMICONDUCTOR SUBSTRATE Download PDF

Info

Publication number
JP2009120425A
JP2009120425A JP2007294577A JP2007294577A JP2009120425A JP 2009120425 A JP2009120425 A JP 2009120425A JP 2007294577 A JP2007294577 A JP 2007294577A JP 2007294577 A JP2007294577 A JP 2007294577A JP 2009120425 A JP2009120425 A JP 2009120425A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gan
carbide
layer
plane
gan crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007294577A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4944738B2 (en
Inventor
Haruo Sunakawa
晴夫 砂川
Yujiro Ishihara
裕次郎 石原
Norihiko Washimi
紀彦 鷲見
Kazutomi Yamamoto
一富 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Furukawa Co Ltd filed Critical Furukawa Co Ltd
Priority to JP2007294577A priority Critical patent/JP4944738B2/en
Publication of JP2009120425A publication Critical patent/JP2009120425A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4944738B2 publication Critical patent/JP4944738B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a GaN semiconductor substrate by which a good quality nonpolar face GaN crystal can be formed. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the GaN semiconductor substrate includes the steps of: forming a layer composed of a carbide selected from the group comprising titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on an underlying substrate 10; nitriding the carbide layer; forming a nonpolar face GaN crystal layer 16 on the nitrided carbide layer 12 by epitaxially growing a GaN crystal by using a nonpolar face as a growth face; and obtaining the GaN semiconductor substrate containing the nonpolar face GaN crystal layer 16 by removing the underlying substrate 10. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、GaN半導体基板の製造方法、およびこの方法により得られるGaN半導体基板に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a GaN semiconductor substrate, and a GaN semiconductor substrate obtained by this method.

近年、窒化ガリウム(GaN)のバルク結晶から作製した基板は、青紫色レーザに必要不可欠とされ、開発と応用がなされてきたが、さらに高輝度白色発光ダイオード用基板や電子デバイス用基板として使用する試みが活発化している。従来の技術では、サファイア基板のc面にGaN結晶を成長させるため、得られるGaN結晶はc面GaN結晶であった(例えば、特許文献1)。しかし、c面GaN結晶は、成長方向にGa原子のみから構成される原子面とN原子のみから構成される原子面が交互に積層し、電気的中性が保たれるように結晶の終端面の一方がGa原子面、もう一方がN原子面となっているためにc軸に沿って自発分極が生じ、電子と正孔が対向する面に分離してしまう性質がある。さらに、サファイアのa軸方向の格子定数とGaNのa軸方向の格子定数に差があることが原因で、GaNのc軸方向にピエゾ電界が生じ、これが原因となり発光層に注入される電子と正孔が離れ、発光に寄与する再結合確率が低下して内部量子効率が低下する。また、このc面GaN結晶を発光デバイスに用いた場合、発光波長が長波長側にずれ、印加する電圧によっても発光波長が変化するなどの不具合が生じる。
この問題を回避するために無極性面のGaN結晶を用いることが有用である。GaNの無極性面にはa面とm面があるが、これら無極性面はGaとNを同数含むことから電気的中性が保たれており、成長方向に沿った分極の発生を抑制できる。
無極性面のa面およびm面を成長面としたGaN結晶とその製造方法は、特許文献2および3に記載されている。
特開2002−284600号公報 特開2005−320237号公報 特開2000−216497号公報
In recent years, substrates made from gallium nitride (GaN) bulk crystals have been indispensable for blue-violet lasers and have been developed and applied, but they are also used as substrates for high-intensity white light-emitting diodes and electronic devices. Attempts are active. In the conventional technique, since a GaN crystal is grown on the c-plane of the sapphire substrate, the obtained GaN crystal is a c-plane GaN crystal (for example, Patent Document 1). However, the c-plane GaN crystal has a crystal termination surface in which the atomic plane composed only of Ga atoms and the atomic plane composed only of N atoms are alternately stacked in the growth direction so that electrical neutrality is maintained. Since one of these is a Ga atom plane and the other is an N atom plane, spontaneous polarization occurs along the c-axis, and electrons and holes are separated into opposing surfaces. Furthermore, due to the difference between the lattice constant in the a-axis direction of sapphire and the lattice constant in the a-axis direction of GaN, a piezoelectric field is generated in the c-axis direction of GaN, which causes the electrons injected into the light emitting layer to Holes leave, the recombination probability contributing to light emission decreases, and the internal quantum efficiency decreases. In addition, when this c-plane GaN crystal is used for a light emitting device, the emission wavelength shifts to the long wavelength side, and problems such as the emission wavelength changing depending on the applied voltage occur.
In order to avoid this problem, it is useful to use a nonpolar plane GaN crystal. There are a-plane and m-plane in the non-polar plane of GaN, but these non-polar planes contain the same number of Ga and N, so that they are kept electrically neutral and can suppress the occurrence of polarization along the growth direction. .
Patent Documents 2 and 3 describe GaN crystals having non-polar a-planes and m-planes as growth planes and their manufacturing methods.
JP 2002-284600 A JP 2005-320237 A JP 2000-216497 A

しかしながら、従来の方法では、無極性面GaN結晶を良好な結晶品質で得ることは困難であった。   However, with the conventional method, it has been difficult to obtain nonpolar plane GaN crystals with good crystal quality.

従来の方法で無極性面GaN結晶が安定的に得られない原因として、下地基板結晶と無極性面GaN結晶との格子不整合が大きいことが考えられる。
そこで、本発明者らは、上記事情を鑑みて鋭意検討した結果、下地基板上に、炭化物層を設けることにより、無極性面GaN結晶が良好に成長することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程と、前記炭化物層を窒化する工程と、窒化された前記炭化物層の上に、GaN結晶を無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面GaN結晶層を形成する工程と、前記下地基板を除去して、前記無極性面GaN結晶層を含むGaN半導体基板を得る工程と、を含むことを特徴とするGaN半導体基板の製造方法を提供するものである。
As a reason why the nonpolar plane GaN crystal cannot be stably obtained by the conventional method, it is considered that the lattice mismatch between the base substrate crystal and the nonpolar plane GaN crystal is large.
Thus, as a result of intensive investigations in view of the above circumstances, the present inventors have found that a nonpolar plane GaN crystal grows satisfactorily by providing a carbide layer on a base substrate, and have reached the present invention.
That is, the present invention includes forming a carbide layer selected from the group consisting of titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide, and tantalum carbide on a base substrate, and nitriding the carbide layer And a step of epitaxially growing a GaN crystal on the nitrided carbide layer using a nonpolar surface as a growth surface to form a nonpolar surface GaN crystal layer; and removing the base substrate to form the nonpolar surface And a step of obtaining a GaN semiconductor substrate including a GaN crystal layer. A method for manufacturing a GaN semiconductor substrate is provided.

下地基板としては、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、シリコン基板、GaAs基板、GaP基板、γ−LiAlO基板等を使用することが可能である。前記下地基板を使用してa面GaN結晶を成長するには、r面サファイア基板、6H−SiC(11−20)基板、4H−SiC(11−20)基板、2H−SiC(11−20)基板、3C−SiC(100)基板、ZnO(11−20) 基板、シリコン(100)基板、GaAs(100)基板、GaP(100)基板、γ−LiAlO(110)基板などが好適である。また、m面GaN結晶を成長するには、m面サファイア基板、6H−SiC(10−10)基板、4H−SiC(10−10)基板、2H−SiC(10−10)基板、3C−SiC(110)基板、ZnO(10−10) 基板、シリコン(110)基板、GaAs(110)基板、GaP(110)基板、γ−LiAlO(101)基板などが好適である。
特に、サファイア基板は大口径の基板が入手可能であり、GaN成長時の原料ガスや雰囲気ガスに対して安定であるため、例えばr面サファイア基板の上に上記の炭化物層を形成することによって、a面GaNを安定的に成長させることができる。また、炭化物層を窒化することにより、GaN結晶からのr面サファイア基板の剥離が容易になる。すなわち本発明において、下地基板の上に炭化物層を形成し、この炭化物層を窒化することにより、下地基板とGaNと間に生じる格子不整合や熱応力歪みが緩和され、結晶性の優れた無極性面GaN結晶が得られるとともに、下地基板の剥離が容易になる。
As the base substrate, a sapphire substrate, SiC substrate, ZnO substrate, silicon substrate, GaAs substrate, GaP substrate, γ-LiAlO 2 substrate, or the like can be used. In order to grow an a-plane GaN crystal using the base substrate, an r-plane sapphire substrate, a 6H—SiC (11-20) substrate, a 4H—SiC (11-20) substrate, and a 2H—SiC (11-20) substrate are used. A substrate, a 3C—SiC (100) substrate, a ZnO (11-20) substrate, a silicon (100) substrate, a GaAs (100) substrate, a GaP (100) substrate, a γ-LiAlO 2 (110) substrate, and the like are preferable. In order to grow an m-plane GaN crystal, an m-plane sapphire substrate, 6H-SiC (10-10) substrate, 4H-SiC (10-10) substrate, 2H-SiC (10-10) substrate, 3C-SiC (110) substrate, ZnO (10-10) substrate, silicon (110) substrate, GaAs (110) substrate, GaP (110) substrate, γ-LiAlO 2 (101) substrate and the like are suitable.
In particular, since a large-diameter substrate is available for the sapphire substrate and is stable against the source gas and the atmospheric gas during GaN growth, for example, by forming the carbide layer on the r-plane sapphire substrate, The a-plane GaN can be stably grown. Further, by nitriding the carbide layer, the r-plane sapphire substrate can be easily separated from the GaN crystal. That is, in the present invention, by forming a carbide layer on the base substrate and nitriding the carbide layer, lattice mismatch and thermal stress distortion generated between the base substrate and GaN are alleviated, and the non-polarity having excellent crystallinity is achieved. As a result, the GaN crystal can be obtained and the base substrate can be easily peeled off.

この際、無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のGaN膜を形成させながら、前記無極性面GaN結晶層を成長させる工程を含むことが好ましい。
ファセット構造のGaN膜を形成させながら無極性面GaN結晶層を成長させることにより、下地基板から成長方向に伸びた転位はファセット構造で横方向に折り曲げられ、上部の無極性面GaN結晶層中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。これにより、結晶品質の良い無極性面GaN結晶層を安定的に得ることができる。
At this time, the step of epitaxially growing the nonpolar plane GaN crystal layer may include a step of growing the nonpolar plane GaN crystal layer while forming a faceted GaN film on the nitrided carbide layer. preferable.
By growing a nonpolar plane GaN crystal layer while forming a facet structure GaN film, dislocations extending in the growth direction from the base substrate are folded laterally by the facet structure, and in the upper nonpolar plane GaN crystal layer Transmission of crystal defects is suppressed. Thereby, a nonpolar plane GaN crystal layer with good crystal quality can be stably obtained.

また、ファセット構造のGaN膜の厚さは、3μm以上、25μm以下に制御することが好ましい。ファセット構造のGaN膜の厚さが、3μmより薄い場合、ファセット構造が明確な結晶面を呈する形態となり難く、結晶品質の向上効果は不安定となる。一方、25μmより厚い場合、下地基板からGaN膜には多数の転位が伸び、GaN膜の表層部に形成されたファセット構造で多数の転位を横方向に折り曲げることが困難となり、結晶品質の向上効果は不安定となる。 The thickness of the faceted GaN film is preferably controlled to 3 μm or more and 25 μm or less. When the thickness of the GaN film having the facet structure is smaller than 3 μm, the facet structure is unlikely to have a clear crystal plane, and the effect of improving the crystal quality becomes unstable. On the other hand, when the thickness is larger than 25 μm, many dislocations extend from the base substrate to the GaN film, and it becomes difficult to bend a large number of dislocations in the lateral direction by the facet structure formed on the surface layer portion of the GaN film. Becomes unstable.

また、GaN半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面GaN結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面GaN結晶層から、前記下地基板を分離除去する工程を含む。
この方法によれば、下地基板の熱膨張係数と無極性GaN結晶層との熱膨張係数との違いにより発生する応力を利用して、下地基板と無極性GaN結晶層とを容易に分離することができる。
The step of obtaining a GaN semiconductor substrate includes cooling the base substrate, the nitrided carbide layer, and the nonpolar plane GaN crystal layer from a growth temperature, and in the cooling process, from the nonpolar plane GaN crystal layer, A step of separating and removing the base substrate.
According to this method, the base substrate and the nonpolar GaN crystal layer can be easily separated using the stress generated by the difference between the thermal expansion coefficient of the base substrate and the thermal expansion coefficient of the nonpolar GaN crystal layer. Can do.

さらに、炭化物層の厚さは、5nm以上200nm以下であることが好ましい。炭化物層の厚さが5nmより薄い場合、炭化物層は殆どが窒化物に変化するとともに、生成したカーボンがメタンとなって消失するため、無極性面GaN結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合し、無極性面GaN結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。一方、200nmより厚い場合、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面GaN結晶層のエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面GaN結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。   Further, the thickness of the carbide layer is preferably 5 nm or more and 200 nm or less. When the thickness of the carbide layer is thinner than 5 nm, the carbide layer is mostly changed to nitride, and the generated carbon disappears as methane. Therefore, the nonpolar plane GaN crystal layer is separated from the base substrate through the nitride. It may be difficult to bond firmly and separate and remove the underlying substrate from the nonpolar plane GaN crystal layer. On the other hand, when it is thicker than 200 nm, the nitridation of the carbide layer becomes insufficient, and the carbide layer remains between the non-polar plane GaN crystal layer and the underlying substrate even after the epitaxial growth of the nonpolar plane GaN crystal layer. In some cases, cracks enter from the interface, and it is difficult to separate and remove the base substrate from the nonpolar plane GaN crystal layer.

さらに、炭化物層を窒化する前記工程は、300℃以上1050℃以下の温度で行われることが好ましい。300℃未満では、炭化物層の窒化速度が遅い。従って、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面GaN結晶層から下地基板を分離除去することが困難となる場合がある。また、1050℃より高温にすると、炭化物層の窒化とともに生成したカーボンのメタン化が促進されるため、下地基板との界面でカーボンの残留量が減り、無極性面GaN結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合するため、無極性面GaN結晶層から下地基板を除去することが困難となる場合がある。炭化物層を窒化する温度を300℃以上1050℃以下とすることで、無極性面GaN結晶層から下地基板をより容易に剥離することができる。   Furthermore, the step of nitriding the carbide layer is preferably performed at a temperature of 300 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. Below 300 ° C., the nitriding rate of the carbide layer is slow. Therefore, nitriding of the carbide layer becomes insufficient, and the carbide layer remains between the non-polar plane GaN crystal layer and the underlying substrate even after epitaxial growth, so that cracks are generated from the interface between the nitrided carbide layer and the remaining carbide. In some cases, it may be difficult to separate and remove the underlying substrate from the nonpolar plane GaN crystal layer. Further, when the temperature is higher than 1050 ° C., the methanation of carbon generated along with the nitridation of the carbide layer is promoted, so that the residual amount of carbon decreases at the interface with the base substrate, and the nonpolar plane GaN crystal layer passes through the nitride. Therefore, it may be difficult to remove the base substrate from the nonpolar plane GaN crystal layer. By setting the temperature for nitriding the carbide layer to 300 ° C. or more and 1050 ° C. or less, the base substrate can be more easily separated from the nonpolar plane GaN crystal layer.

下地基板としてはサファイア基板が、GaN成長雰囲気で化学的に安定であり、大口径基板も入手し易い。r面サファイア基板は炭化物層と格子整合性が良好であり、炭化物層の窒化によって生成する窒化物とa面GaNと格子整合性も良好であるため、良好な結晶品質の無極性GaN結晶層を得ることが可能となる。   As a base substrate, a sapphire substrate is chemically stable in a GaN growth atmosphere, and a large-diameter substrate is easily available. Since the r-plane sapphire substrate has good lattice matching with the carbide layer, and the nitride produced by nitriding the carbide layer and a-plane GaN also have good lattice matching, an apolar GaN crystal layer with good crystal quality can be obtained. Can be obtained.

また、本発明によれば、上述したいずれかの製造方法により製造されたGaN半導体基板も提供される。   Moreover, according to this invention, the GaN semiconductor substrate manufactured by one of the manufacturing methods mentioned above is also provided.

本発明によれば、良好な結晶品質の無極性面GaN結晶を得ることができ、さらにGaN半導体基板の製造方法が提供される。また、本発明のGaN半導体基板の製造方法において、容易に下地基板を剥離することができるため、良好な結晶品質の無極性面GaN結晶が得られる。   According to the present invention, a nonpolar plane GaN crystal having a good crystal quality can be obtained, and a method for manufacturing a GaN semiconductor substrate is provided. Moreover, in the method for manufacturing a GaN semiconductor substrate according to the present invention, the base substrate can be easily peeled off, so that a nonpolar plane GaN crystal with good crystal quality can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

本実施形態に係る自立基板の製造方法の概要について説明する。本実施形態の自立基板の製造方法は、以下の工程を含むものである。
(i)下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程、
(ii)上記炭化物層を窒化する工程、
(iii)窒化された上記炭化物層の上に、GaN結晶を、その無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面GaN結晶層を形成する工程、
(iv)上記下地基板を除去して、上記無極性面GaN結晶層を含むGaN半導体基板を得る工程。
An outline of a method for manufacturing a self-supporting substrate according to the present embodiment will be described. The manufacturing method of the self-supporting substrate of this embodiment includes the following steps.
(I) forming a carbide layer selected from the group consisting of titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on the base substrate;
(Ii) nitriding the carbide layer;
(Iii) forming a nonpolar plane GaN crystal layer by epitaxially growing a GaN crystal on the nitrided carbide layer using the nonpolar plane as a growth plane;
(Iv) removing the base substrate to obtain a GaN semiconductor substrate including the nonpolar plane GaN crystal layer.

以下に、本実施形態に従う方法を、r面サファイア基板上にa面GaN結晶層を成長する場合を例に挙げ詳細に説明する。
(i)炭化物層の形成工程
まず、r面サファイア基板として、例えば、厚さ550μm、3インチφのr面サファイア(Al)基板10を用意する。このr面サファイア基板は、市販のものを使用することができる。次に、このr面サファイア基板10上に、炭化物層11を形成する(図1(A))。
Hereinafter, the method according to the present embodiment will be described in detail by taking as an example the case of growing an a-plane GaN crystal layer on an r-plane sapphire substrate.
(I) Carbide Layer Formation Step First, for example, an r-plane sapphire (Al 2 O 3 ) substrate 10 having a thickness of 550 μm and a 3-inch diameter is prepared as the r-plane sapphire substrate. A commercially available r-plane sapphire substrate can be used. Next, a carbide layer 11 is formed on the r-plane sapphire substrate 10 (FIG. 1A).

炭化物層11の成膜条件は、例えば以下のようにする。   The film forming conditions of the carbide layer 11 are as follows, for example.

成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:600〜1000℃
成膜時間:1〜40分
ターゲット:M(Mは、Ti、Zr、Hf、Nb、V、またはTa)
反応ガス:メタン
膜厚 :5nm〜200nm
Film forming method: reactive sputtering method Film forming temperature: 600 to 1000 ° C.
Deposition time: 1 to 40 minutes Target: M (M is Ti, Zr, Hf, Nb, V, or Ta)
Reaction gas: Methane film thickness: 5 nm to 200 nm

炭化物としては、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかが使用される。これらの炭化物はいずれも面心立方晶の結晶構造を有する。これらの炭化物は、図3に示すように、r面サファイアとa面GaNに対する格子不整合が比較的小さいため、その上に成長するa面GaN結晶の結晶性が良好となる。上記炭化物の中でもr面サファイアおよびa面GaNと格子不整合率が小さい炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブまたは炭化タンタルは好適である。
炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、一般的に不定比組成であることが知られており、C/Mモル比(Mは、Ti、Zr、Hf、Nb、V、またはTa)が3/4あるいは1/1などに限定されるものではない。なお、炭化物層に過剰のカーボンまたはM(Mは、Ti、Zr、Hf、Nb、V、またはTa)が混合していても構わない。炭化物層を窒化する工程で過剰のカーボンの多くはメタン化により消失し、過剰なMは窒化され、炭化物の窒化によって生成するTiN、ZrN、HfN、NbN、VN、TaNと一体になる。
As the carbide, any selected from titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide is used. All of these carbides have a face-centered cubic crystal structure. As shown in FIG. 3, these carbides have a relatively small lattice mismatch with respect to the r-plane sapphire and the a-plane GaN, so that the crystallinity of the a-plane GaN crystal grown thereon is good. Among the above carbides, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, or tantalum carbide having a lattice mismatch rate smaller than that of r-plane sapphire and a-plane GaN is preferable.
Titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide is generally known to have a non-stoichiometric composition, and a C / M molar ratio (M is Ti, Zr, Hf, Nb). , V, or Ta) is not limited to 3/4 or 1/1. Note that excess carbon or M (M is Ti, Zr, Hf, Nb, V, or Ta) may be mixed in the carbide layer. In the process of nitriding the carbide layer, most of the excess carbon is lost by methanation, and excess M is nitrided, and is integrated with TiN, ZrN, HfN, NbN, VN, and TaN formed by nitriding the carbide.

ここで、サファイアのr面とは、(1−102)面であり、GaNのa面とは、(11−20)面である。
r面サファイアと炭化物との格子不整合は、以下のように定義される。
Al〔11−20〕に対する炭化物の格子不整合(%)={[(サファイア単位格子のa軸長)−(炭化物単位格子のa軸長)]/(サファイア単位格子のa軸長)}×100・・・式(1)
Al〔1−101〕に対する炭化物の格子不整合(%)={[(サファイア単位格子の〔1−101〕軸長)−(炭化物単位格子のa軸長)×3]/(サファイア単位格子の〔1−101〕軸長)}×100・・・式(2)
Here, the r-plane of sapphire is the (1-102) plane, and the a-plane of GaN is the (11-20) plane.
The lattice mismatch between r-plane sapphire and carbide is defined as follows.
Carbide lattice mismatch (%) to Al 2 O 3 [11-20] = {[(a-axis length of sapphire unit cell) − (a-axis length of carbide unit cell)] / (a-axis length of sapphire unit cell) )} × 100 Formula (1)
Lattice mismatch of carbide to Al 2 O 3 [1-101] (%) = {[([1-101] axis length of sapphire unit cell) − (a axis length of carbide unit cell) × 3] / (sapphire [1-101] axial length of unit cell)} × 100 (2)

a面GaNと炭化物との格子不整合は以下のように定義される。
GaN〔1−100〕に対する炭化物の格子不整合(%)={[(GaN単位格子の〔1−100〕軸長)−(炭化物単位格子のa軸長)]/(GaN単位格子の〔1−100〕軸長)}×100・・・式(3)
GaN〔0001〕に対する炭化物の格子不整合(%)={[(GaN単位格子のc軸長)−(炭化物単位格子のa軸長)×3]/(GaN単位格子のc軸長)}×100・・・式(4)
式(2)および(4)において炭化物単位格子のa軸長を3倍しているが、炭化物単位格子のa軸方向に3つの炭化物単位格子を重ねるとサファイア単位格子の〔1−101〕軸長と整合性が保たれることを意味する。上記の各軸長を図4に示す。
The lattice mismatch between a-plane GaN and carbide is defined as follows.
Lattice mismatch of carbide to GaN [1-100] (%) = {[[[1-100] axis length of GaN unit cell) − (a axis length of carbide unit cell)] / ([1 of GaN unit cell] −100] axis length)} × 100 (3)
Mismatch of carbide to GaN [0001] (%) = {[(c-axis length of GaN unit cell) − (a-axis length of carbide unit cell) × 3] / (c-axis length of GaN unit cell)} × 100 ... Formula (4)
In formulas (2) and (4), the a-axis length of the carbide unit cell is tripled. When three carbide unit cells are stacked in the a-axis direction of the carbide unit cell, the [1-101] axis of the sapphire unit cell It means that the length and consistency are maintained. Each axial length is shown in FIG.

(ii)炭化物層を窒化する工程
次に、図1(B)に示すように、炭化物層11を300℃〜1050℃の温度で窒化し、窒化した炭化物層12を形成する。
炭化物層11の窒化条件は、例えば以下のようにする。
(Ii) Step of nitriding carbide layer Next, as shown in FIG. 1B, the carbide layer 11 is nitrided at a temperature of 300 ° C. to 1050 ° C. to form a nitrided carbide layer 12.
The nitriding conditions for the carbide layer 11 are, for example, as follows.

窒化ガス:アンモニア(NH)ガス、NHとHの混合ガス、NHとHとNの混合ガス、またはHとNの混合ガス
窒化温度:300℃〜1050℃
窒化時間:3分〜60分
Nitriding gas: ammonia (NH 3) gas, NH 3 and a mixed gas of H 2, NH 3 and H 2 mixed gas of N 2 or H 2 and N 2 in the mixed gas nitriding temperature,: 300 ° C. to 1050 ° C.
Nitriding time: 3-60 minutes

炭化物層11の窒化は、スパッタリング装置内で炭化物層11の形成工程から連続で行うこともできる。また、GaN成長に用いるHVPE(hydride vapor phase epitaxy)装置内で炭化物層11の窒化を行い、連続してa面GaN結晶層をエピタキシャル成長することも可能である。
炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層は、以下の(5)式および(6)式に示すように窒化によってTiN、ZrN、HfN、NbN、VNまたはTaNを生成する。(5)式および(6)式の反応を完全に進めてしまうと下地基板上にはTiN、ZrN、HfN、NbN、VNまたはTaNが形成されるが、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層を適度に窒化するとr面サファイア基板と接する部分にはTiC、ZrC、HfC、NbC、VCまたはTaCが残り、その上にはTiC、ZrC、HfC、NbC、VCまたはTaCの結晶情報を引き継いだTiN、ZrN、HfN、NbN、VNまたはTaNを有する、窒化された炭化物層12が形成される。
2MC+2NH+H→2MN+2CH・・・(5)式
6MC+8NH→6MN+6CH+N・・・(6)式
(5)式および(6)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、Nb、V、またはTaである。
Ti、Zr、Hf、Nb、V、またはTaは、これら炭化物と窒化物の結晶構造が同一であるため、TiCからTiN、ZrCからZrN、HfCからHfN、NbCからNbN、VCからVNまたはTaCからTaNへの結晶情報の引継ぎが良好である。
なお、図1(B)に示す符号122は、窒化していない炭化物層を示し、符号121は、窒化物層を示す。すなわち、r面サファイア基板10と接する部分には窒化していない炭化物が残り、その上にはこの炭化物の結晶情報を引き継いだ窒化物が形成されることを示している。
The nitriding of the carbide layer 11 can also be performed continuously from the step of forming the carbide layer 11 in the sputtering apparatus. It is also possible to nitride the carbide layer 11 in an HVPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus used for GaN growth and to epitaxially grow the a-plane GaN crystal layer continuously.
Titanium carbide layer, zirconium carbide layer, hafnium carbide layer, niobium carbide layer, vanadium carbide or tantalum carbide layer is formed by nitriding by TiN, ZrN, HfN, NbN, VN as shown in the following formulas (5) and (6) Alternatively, TaN is generated. When the reaction of the formulas (5) and (6) is completely advanced, TiN, ZrN, HfN, NbN, VN or TaN is formed on the base substrate. However, the titanium carbide layer, the zirconium carbide layer, and the hafnium carbide are formed. When the layer, niobium carbide layer, vanadium carbide or tantalum carbide layer is appropriately nitrided, TiC, ZrC, HfC, NbC, VC or TaC remains on the portion in contact with the r-plane sapphire substrate, on which TiC, ZrC, HfC, A nitrided carbide layer 12 having TiN, ZrN, HfN, NbN, VN, or TaN that inherits the crystal information of NbC, VC, or TaC is formed.
2MC + 2NH 3 + H 2 → 2MN + 2CH 4 (5) Formula 6MC + 8NH 3 → 6MN + 6CH 4 + N 2 (6) In Formulas (5) and (6), M is Ti, Zr, Hf, Nb, V or Ta.
Since Ti, Zr, Hf, Nb, V, or Ta have the same crystal structure of carbide and nitride, TiC to TiN, ZrC to ZrN, HfC to HfN, NbC to NbN, VC to VN, or TaC The transfer of crystal information to TaN is good.
In addition, the code | symbol 122 shown in FIG. 1 (B) shows the carbide | carbonized_material layer which is not nitrided, and the code | symbol 121 shows a nitride layer. That is, it is shown that a carbide that has not been nitrided remains in a portion in contact with the r-plane sapphire substrate 10, and a nitride that inherits the crystal information of the carbide is formed thereon.

(iii)無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程
(GaNのファセット構造の形成)
次に、図1(C)に示すように、窒化した炭化物層12上にファセット構造のGaN膜14を形成する。ファセット構造を簡便に形成するには、GaN結晶を比較的低い温度で短時間の薄膜成長により形成する方法があり、ファセットを有した島状結晶からなるGaN膜が得られる。
GaN膜14の成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:300℃〜1000℃
成膜時間:0.5分〜5分
膜厚:3μm〜25μm
HVPE装置(図示略)中には、Gaソースが配置され、このGaソースに対し、HClガスを供給する。HClガスと、Gaソースを反応させ、GaClを窒化した炭化物層12を含むサファイア基板10近傍の領域に輸送する。この領域には、NHガスも供給されているので、NHガスと、GaClが反応してファセット構造のGaN膜14が形成されることとなる。
(Iii) Step of epitaxially growing a nonpolar plane GaN crystal layer (formation of GaN facet structure)
Next, as shown in FIG. 1C, a faceted GaN film 14 is formed on the nitrided carbide layer 12. In order to easily form the facet structure, there is a method in which a GaN crystal is formed by a short-time thin film growth at a relatively low temperature, and a GaN film made of island-like crystals having facets can be obtained.
The film formation conditions of the GaN film 14 can be as follows, for example.
Film formation method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film formation temperature: 300 ° C. to 1000 ° C.
Deposition time: 0.5 to 5 minutes Film thickness: 3 to 25 μm
In the HVPE apparatus (not shown), a Ga source is disposed, and HCl gas is supplied to the Ga source. HCl gas and Ga source are reacted and transported to a region in the vicinity of the sapphire substrate 10 including the carbide layer 12 in which GaCl is nitrided. Since NH 3 gas is also supplied to this region, the NH 3 gas and GaCl react to form a faceted GaN film 14.

次いで、図2(A)に示すように、ファセット構造のGaN膜14の上に、GaN結晶をa面を成長面としてエピタキシャル成長させて、a面GaN結晶層16を形成する。
a面GaN結晶層16の成長条件は、例えば、以下のようにすることができる。
Next, as shown in FIG. 2A, an a-plane GaN crystal layer 16 is formed on the faceted GaN film 14 by epitaxially growing a GaN crystal with the a-plane as the growth plane.
The growth conditions of the a-plane GaN crystal layer 16 can be as follows, for example.

成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1080℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:100〜900μm
HVPE装置(図示略)中には、Gaソースが配置され、このGaソースに対し、HClガスを供給する。HClガスと、Gaソースを反応させ、GaClをファセット構造のGaN膜14を含む基板近傍の領域に輸送する。この領域には、NHガスも供給されているので、NHガスと、GaClが反応してa面GaN結晶層16が形成されることとなる。窒化していない炭化物層122は徐々にGaN結晶から供給される窒素原子で窒化され、カーボンを含有する窒化物を生成する。最終的に図2(B)に示すように、カーボンを含有した窒化物と一体化したa面GaN結晶層17が生成する。なお、図2(B)において、符号123は、カーボンを含有する窒化物層を示している。
Film formation method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film formation temperature: 1000 ° C. to 1080 ° C.
Deposition time: 30 minutes to 270 minutes Film thickness: 100 to 900 μm
In the HVPE apparatus (not shown), a Ga source is disposed, and HCl gas is supplied to the Ga source. HCl gas and Ga source are reacted to transport GaCl to a region near the substrate including the faceted GaN film 14. Since NH 3 gas is also supplied to this region, the NH 3 gas and GaCl react to form the a-plane GaN crystal layer 16. The non-nitrided carbide layer 122 is gradually nitrided with nitrogen atoms supplied from the GaN crystal to produce a nitride containing carbon. Finally, as shown in FIG. 2B, the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon is generated. In FIG. 2B, reference numeral 123 denotes a nitride layer containing carbon.

(iv)サファイア基板の剥離工程
次に、図2(C)に示すように、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17から、r面サファイア基板10を剥離して除去する。
具体的には、a面GaN結晶層17を形成したHVPE装置の温度を成長温度から降温し、このa面GaN結晶層17を常温まで冷却する。
この冷却中に、a面GaN結晶層17とr面サファイア基板10の熱膨張係数の違いから、これらの積層体に歪みが生じ、a面GaN結晶層17とr面サファイア基板10とが分離されることとなる。
その後、剥離したa面GaN結晶層17の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるa面GaN基板を作製することができる。
(Iv) Separation Step of Sapphire Substrate Next, as shown in FIG. 2C, the r-plane sapphire substrate 10 is peeled and removed from the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon. .
Specifically, the temperature of the HVPE apparatus in which the a-plane GaN crystal layer 17 is formed is lowered from the growth temperature, and the a-plane GaN crystal layer 17 is cooled to room temperature.
During this cooling, due to the difference in thermal expansion coefficient between the a-plane GaN crystal layer 17 and the r-plane sapphire substrate 10, these laminates are distorted, and the a-plane GaN crystal layer 17 and the r-plane sapphire substrate 10 are separated. The Rukoto.
Thereafter, by polishing the front and back surfaces of the peeled a-plane GaN crystal layer 17, an a-plane GaN substrate that is a flattened free-standing substrate can be produced.

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
r面サファイア基板10の上に、炭化物層11を形成し、この炭化物層11を窒化し、その後この窒化された炭化物層12の上でGaN結晶を成長させることにより、良好な結晶品質のa面GaNを得ることができる。
また、r面サファイア基板10上に炭化物層11を形成し、この炭化物層11を窒化することで、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17から、サファイア基板10を容易に除去することができる。従って、従来技術のように、レーザ光を使用してGaN膜を熱分解したり、金属膜をエッチングしたりする必要がない。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
By forming a carbide layer 11 on the r-plane sapphire substrate 10, nitriding the carbide layer 11, and then growing a GaN crystal on the nitrided carbide layer 12, an a-plane with good crystal quality GaN can be obtained.
Further, by forming a carbide layer 11 on the r-plane sapphire substrate 10 and nitriding the carbide layer 11, the sapphire substrate 10 can be easily formed from the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon. Can be removed. Therefore, unlike the prior art, there is no need to thermally decompose the GaN film or etch the metal film using laser light.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

上記実施形態における、炭化物層11、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN半導体層17等の膜厚、製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体層の組成、構造に応じて適宜変更可能である。
また、窒化した炭化物層12上にファセット構造のGaN膜14を形成する手段として特定のHVPE条件を用いたが、形成手段はこれに限定されない。例えば、前記実施形態と同様の方法で窒化した炭化物層12上にマスクとなるSiO膜を作製し、サファイア基板10上にストライプ状の開口部を設け、開口部内でファセット構造のGaN膜14を形成させ、その後GaN半導体層16を成長させると、最終的に生成するカーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN半導体層17中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。このため、得られるGaN半導体基板の品質を向上させることができる。マスクのピッチ、マスクの幅、マスク間の開口部幅は、結晶欠陥伝達の抑制効果に優れる構成を選択する。例えばマスクのピッチあるいは開口部の幅を一定の規則性を有するように変化させることでファセット構造を大きくすることが可能である。また開口部の形状もストライプに限定せずに、格子状、ドット状なども適用可能である。
The film thickness and manufacturing conditions of the carbide layer 11, the a-plane GaN semiconductor layer 17 integrated with the nitride containing carbon, and the manufacturing conditions in the above embodiment are merely examples, and depend on the composition and structure of the semiconductor layer to be formed. It can be changed as appropriate.
Although specific HVPE conditions are used as means for forming the faceted GaN film 14 on the nitrided carbide layer 12, the forming means is not limited to this. For example, a SiO 2 film serving as a mask is formed on the carbide layer 12 nitrided by the same method as in the above embodiment, a stripe-shaped opening is provided on the sapphire substrate 10, and the facet-structured GaN film 14 is formed in the opening. When the GaN semiconductor layer 16 is formed and then grown, the crystal defects are suppressed from being transmitted into the a-plane GaN semiconductor layer 17 integrated with the nitride containing carbon that is finally generated. For this reason, the quality of the obtained GaN semiconductor substrate can be improved. For the mask pitch, the mask width, and the opening width between the masks, a configuration excellent in the effect of suppressing the transmission of crystal defects is selected. For example, the facet structure can be increased by changing the pitch of the mask or the width of the opening so as to have a certain regularity. Further, the shape of the opening is not limited to the stripe, and a lattice shape, a dot shape, or the like is also applicable.

また、前記実施形態のr面サファイア基板10を剥離する工程では、r面サファイア基板10、およびカーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17を冷却することで、r面サファイア基板10を分離したが、これに限らず、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17にダメージが加わらない程度の力を加えることで、r面サファイア基板10を剥離してもよい。
ただし、前記実施形態のように、冷却することにより、ほとんど外力を加えずに、r面サファイア基板10が分離除去されれば、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17に加わるダメージを確実に抑制することができる。このため、損傷の少ない高品質のa面GaN半導体基板が安定的に得られる。
Further, in the step of peeling off the r-plane sapphire substrate 10 of the embodiment, the r-plane sapphire substrate 10 and the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon are cooled, whereby the r-plane sapphire substrate. 10 is separated, but the present invention is not limited to this. Even if the r-plane sapphire substrate 10 is peeled off by applying a force that does not damage the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon. Good.
However, if the r-plane sapphire substrate 10 is separated and removed with little external force by cooling as in the above embodiment, the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon is formed. It is possible to reliably suppress the damage applied. For this reason, a high-quality a-plane GaN semiconductor substrate with little damage can be stably obtained.

このようなa面GaN半導体基板上にGaN系素子構造を作製すれば、結晶の上下面にアップダウン電極構造を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子を作ることが可能であり、高性能トランジスタ等の電子デバイスへの適用も可能である。好ましくは、a面GaN半導体基板は、鏡面に研摩され、ドライエッチングまたはケミカルメカニカルポリッシング(CMP)を施された後、この上に、発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子、さらにはトランジスタ等の電子デバイスが作製される。また、a面GaN半導体基板を種結晶として、HVPE法、フラックス法、アモノサーマル法などにより高品質GaN結晶を成長させることが可能である。   If a GaN-based device structure is fabricated on such an a-plane GaN semiconductor substrate, a light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode having an up / down electrode structure on the upper and lower surfaces of the crystal can be fabricated. Application to electronic devices such as these is also possible. Preferably, the a-plane GaN semiconductor substrate is polished on a mirror surface, subjected to dry etching or chemical mechanical polishing (CMP), and then a light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode, or an electron such as a transistor. A device is fabricated. Further, it is possible to grow a high-quality GaN crystal by using the a-plane GaN semiconductor substrate as a seed crystal by the HVPE method, the flux method, the ammonothermal method, or the like.

さらに、上記実施形態では、カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17を成長させた直後にr面サファイア基板10を分離していたが、これに限らず、a面GaN結晶層17上に発光ダイオード等の発光素子、さらには、トランジスタ等の電子デバイスを作製した後に、r面サファイア基板10を除去しても良い。   Further, in the above embodiment, the r-plane sapphire substrate 10 is separated immediately after the growth of the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing carbon. The r-plane sapphire substrate 10 may be removed after a light-emitting element such as a light-emitting diode or an electronic device such as a transistor is formed on the layer 17.

また、前記実施形態では、単層のカーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層17を得たが、これに限られるものではない。本発明で製造されるGaN半導体基板は多層構造であっても良い。
なお、上記実施形態ではr面サファイア基板上へのa面GaN結晶層の成長について説明したが、m面GaN結晶層についても上記の好適な下地基板を選択することで成長が可能であり、m面GaN半導体基板を安定的に得ることが可能である。無極性面GaN半導体としては、GaNに限らずAlやInを含む窒化物半導体であっても構わない・
Moreover, in the said embodiment, although the a-plane GaN crystal layer 17 integrated with the nitride containing a single layer carbon was obtained, it is not restricted to this. The GaN semiconductor substrate manufactured by the present invention may have a multilayer structure.
In the above embodiment, the growth of the a-plane GaN crystal layer on the r-plane sapphire substrate has been described. However, the m-plane GaN crystal layer can also be grown by selecting the above-mentioned suitable base substrate. It is possible to stably obtain a planar GaN semiconductor substrate. The nonpolar plane GaN semiconductor is not limited to GaN, and may be a nitride semiconductor containing Al or In.

以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例により制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
本実施例では、上記実施形態(図1および図2)で説明したものと同様の工程を用いた。本実施形態では、炭化物層として、炭化チタン層を形成した。下地基板としては、85mmφr面サファイア基板を使用した。
1.炭化チタン層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:8分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス圧力:メタン 0.1Pa
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
得られた炭化チタン層のX線回折パターンにより、r面サファイア基板上に成膜した炭化チタンは、(111)配向であることが確認された(図5)。
Example 1
In this example, the same steps as those described in the above embodiment (FIGS. 1 and 2) were used. In the present embodiment, a titanium carbide layer is formed as the carbide layer. An 85 mmφr-plane sapphire substrate was used as the base substrate.
1. Formation process of titanium carbide layer Film formation method: Reactive sputtering method Film formation temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 8 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas pressure: Methane 0.1 Pa
Target: Ti
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm
From the X-ray diffraction pattern of the obtained titanium carbide layer, it was confirmed that the titanium carbide formed on the r-plane sapphire substrate had (111) orientation (FIG. 5).

2.炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化チタン層を窒化した。
2. Process for nitriding titanium carbide layer Nitriding apparatus: HVPE apparatus Nitriding temperature: 300 ° C to 900 ° C
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the titanium carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C. to 900 ° C.

3.無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程
(ファセット構造のGaN膜の形成)
成膜方法:HVPE法
ファセット形成温度:900℃
成膜時間:5分
ソース :Gaソース(850℃)
GaN膜形成ガス:HClガス 0.18l/min、NHガス3.3l/min
GaN膜厚さ:25μm
次に、GaN結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚300μmとした。成膜温度の1040℃まで昇温する間もNHガスは供給した。
(GaN結晶層のエピタキシャル成長)
成長方法:HVPE法
成長温度:1040℃
成長ガス:HClガス 0.15l/min、NHガス1.5l/min
ソース :Gaソース(850℃)
成長時間:90分
GaN層厚さ:300 μm
炭化チタン層を窒化する工程と、無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを図6に示す。なお、図6において、GaClの下側の矢印は、50分〜55分、70〜160分の間でGaClが発生していることを示し、NHの下側の矢印は、矢印で示す間中、NHガスを供給していることを示している。
3. Epitaxial growth process of nonpolar plane GaN crystal layer (formation of faceted GaN film)
Film forming method: HVPE facet forming temperature: 900 ° C.
Deposition time: 5 minutes Source: Ga source (850 ° C.)
GaN film forming gas: HCl gas 0.18 l / min, NH 3 gas 3.3 l / min
GaN film thickness: 25 μm
Next, the GaN crystal layer was epitaxially grown to a thickness of 300 μm. The NH 3 gas was also supplied while the film formation temperature was raised to 1040 ° C.
(Epitaxial growth of GaN crystal layer)
Growth method: HVPE growth temperature: 1040 ° C
Growth gas: HCl gas 0.15 l / min, NH 3 gas 1.5 l / min
Source: Ga source (850 ° C.)
Growth time: 90 minutes GaN layer thickness: 300 μm
FIG. 6 shows temperature profiles of the step of nitriding the titanium carbide layer and the step of epitaxially growing the nonpolar plane GaN crystal layer. In FIG. 6, the arrow on the lower side of GaCl indicates that GaCl is generated between 50 minutes to 55 minutes and 70 to 160 minutes, and the arrow on the lower side of NH 3 is indicated with an arrow. In the figure, NH 3 gas is supplied.

4.サファイア基板の剥離工程
GaN結晶層を形成したHVPE装置の反応管の温度を降温し、常温まで冷却した。
GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層のX線回折パターンを図7に、X線ロッキングカーブを図8に示す。これらから、GaNは、a面GaNであり、(11−20)半値幅が800arcsecと良好な結晶品質を有することが確認された。
4). Separation process of sapphire substrate The temperature of the reaction tube of the HVPE apparatus on which the GaN crystal layer was formed was lowered and cooled to room temperature.
The GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. An X-ray diffraction pattern of the obtained GaN crystal layer is shown in FIG. 7, and an X-ray rocking curve is shown in FIG. From these, it was confirmed that GaN is a-plane GaN and has a good crystal quality with a (11-20) half width of 800 arcsec.

図9(A)、(B)に、GaN表面の顕微鏡像(100倍)を示し、図10に、GaN表面の顕微鏡像(200倍)を示す。
図11(A)、(B)は、GaN結晶層の断面の顕微鏡像(100倍)であり、図12は、GaN結晶層の断面の顕微鏡像(1000倍)である。
本実施例で得られたGaN結晶層表面は、平坦でありピットが少ないことが分かる。GaN結晶層の断面像からは、300μmの成長段階で、GaN結晶層が略平坦になっていることが分かる。
以上より、r面サファイア基板上に、炭化物層を成膜し、この炭化物層を窒化した後に、GaN結晶を成長させると、a面GaN結晶層が良好な結晶品質で得られることが分かった。
9A and 9B show a microscopic image (100 times) of the GaN surface, and FIG. 10 shows a microscopic image (200 times) of the GaN surface.
11A and 11B are microscopic images (100 times) of the cross section of the GaN crystal layer, and FIG. 12 is a microscopic image (1000 times) of the cross section of the GaN crystal layer.
It can be seen that the surface of the GaN crystal layer obtained in this example is flat and has few pits. From the cross-sectional image of the GaN crystal layer, it can be seen that the GaN crystal layer is substantially flat at the growth stage of 300 μm.
From the above, it has been found that when a carbide layer is formed on an r-plane sapphire substrate and this carbide layer is nitrided and then a GaN crystal is grown, the a-plane GaN crystal layer can be obtained with good crystal quality.

(実施例2)
本実施例では、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程の中で、ファセット構造のGaN膜の形成を行わなかった以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
3.無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程
(GaN結晶層のエピタキシャル成長)
成長方法:HVPE法
成長温度:1040℃
成長ガス:HClガス 0.15l/min、NHガス1.5l/min
ソース :Gaソース(850℃)
成長時間:90分
GaN層厚さ:300 μm
(Example 2)
In this example, the same process as described in Example 1 was used except that the facet structure GaN film was not formed in the process of epitaxially growing the GaN crystal layer.
3. Epitaxial growth process of nonpolar plane GaN crystal layer (epitaxial growth of GaN crystal layer)
Growth method: HVPE growth temperature: 1040 ° C
Growth gas: HCl gas 0.15 l / min, NH 3 gas 1.5 l / min
Source: Ga source (850 ° C.)
Growth time: 90 minutes GaN layer thickness: 300 μm

GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は900arcsecと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。 The GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-value width of (11-20) was confirmed to have a relatively good crystal quality of 900 arcsec.

(実施例3)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ジルコニウム層の形成工程、および炭化ジルコニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化ジルコニウム層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:7分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:Zr
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
(Example 3)
In this example, the titanium carbide layer forming step and the step of nitriding the titanium carbide layer were changed to the zirconium carbide layer forming step and the step of nitriding the zirconium carbide layer, as described in Example 1. A similar process was used.
1. Formation process of zirconium carbide layer Film formation method: Reactive sputtering method Film formation temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 7 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: Zr
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm

2.炭化ジルコニウム層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化ジルコニウム層を窒化した。
2. Process for nitriding zirconium carbide layer Nitriding apparatus: HVPE apparatus Nitriding temperature: 300 ° C to 900 ° C
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the zirconium carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C to 900 ° C.

引き続き、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は500arcsecと良好な結晶品質を有することが確認された。   Subsequently, when the GaN crystal layer was epitaxially grown and the sapphire substrate was peeled off, the GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width of (11-20) was confirmed to have a favorable crystal quality of 500 arcsec.

(実施例4)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ハフニウム層の形成工程、および炭化ハフニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化ハフニウム層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:7分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:Hf
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
Example 4
In the present embodiment, the titanium carbide layer forming step and the step of nitriding the titanium carbide layer were changed to the step of forming the hafnium carbide layer and the step of nitriding the hafnium carbide layer as described in Example 1. A similar process was used.
1. Formation process of hafnium carbide layer Film forming method: reactive sputtering film forming temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 7 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: Hf
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm

2.炭化ハフニウム層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化ハフニウム層を窒化した。
2. Process for nitriding hafnium carbide layer Nitriding equipment: HVPE equipment Nitriding temperature: 300 ° C. to 900 ° C.
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the hafnium carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C. to 900 ° C.

引き続き、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は600arcsecと良好な結晶品質を有することが確認された。   Subsequently, when the GaN crystal layer was epitaxially grown and the sapphire substrate was peeled off, the GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-value width of (11-20) was confirmed to have a good crystal quality of 600 arcsec.

(実施例5)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ニオブ層の形成工程、および炭化ニオブ層を窒化する工程に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化ニオブ層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:7分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:Nb
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
(Example 5)
In this example, the titanium carbide layer forming step and the step of nitriding the titanium carbide layer were changed to the step of forming the niobium carbide layer and the step of nitriding the niobium carbide layer, as described in Example 1. A similar process was used.
1. Formation process of niobium carbide layer Film forming method: reactive sputtering film forming temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 7 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: Nb
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm

2.炭化ニオブ層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化ニオブ層を窒化した。
2. Nitriding process of niobium carbide layer Nitriding equipment: HVPE equipment Nitriding temperature: 300 ° C to 900 ° C
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the niobium carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C to 900 ° C.

引き続き、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は600arcsecと良好な結晶品質を有することが確認された。   Subsequently, when the GaN crystal layer was epitaxially grown and the sapphire substrate was peeled off, the GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-value width of (11-20) was confirmed to have a good crystal quality of 600 arcsec.

(実施例6)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化バナジウム層の形成工程、および炭化バナジウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化バナジウム層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:7分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:V
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
(Example 6)
In this example, the titanium carbide layer forming step and the step of nitriding the titanium carbide layer were changed to the step of forming the vanadium carbide layer and the step of nitriding the vanadium carbide layer, as described in Example 1. A similar process was used.
1. Formation process of vanadium carbide layer Film forming method: reactive sputtering film forming temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 7 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: V
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm

2.炭化バナジウム層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化バナジウム層を窒化した。
2. Process for nitriding a vanadium carbide layer Nitriding apparatus: HVPE apparatus Nitriding temperature: 300 ° C to 900 ° C
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the vanadium carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C to 900 ° C.

引き続き、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は900arcsecと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。   Subsequently, when the GaN crystal layer was epitaxially grown and the sapphire substrate was peeled off, the GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-value width of (11-20) was confirmed to have a relatively good crystal quality of 900 arcsec.

(実施例7)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化タンタル層の形成工程、および炭化タンタル層を窒化する工程に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化タンタル層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:9分
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:Ta
ターゲット出力:150W
膜厚 :40nm
(Example 7)
In this example, the titanium carbide layer forming step and the step of nitriding the titanium carbide layer were changed to the step of forming the tantalum carbide layer and the step of nitriding the tantalum carbide layer, as described in Example 1. A similar process was used.
1. Formation process of tantalum carbide layer Film forming method: reactive sputtering film forming temperature: 730 to 760 ° C.
Deposition time: 9 minutes Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: Ta
Target output: 150W
Film thickness: 40 nm

2.炭化タンタル層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
この工程では、300℃から900℃に至る昇温過程で炭化タンタル層を窒化した。
2. Process for nitriding a tantalum carbide layer Nitriding apparatus: HVPE apparatus Nitriding temperature: 300 ° C. to 900 ° C.
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min
In this step, the tantalum carbide layer was nitrided in the temperature rising process from 300 ° C. to 900 ° C.

引き続き、GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、GaN結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたGaN結晶層はa面GaNであり、(11−20)のX線ロッキングカーブ半値幅は700arcsecと良好な結晶品質を有することが確認された。   Subsequently, when the GaN crystal layer was epitaxially grown and the sapphire substrate was peeled off, the GaN crystal layer was peeled from the sapphire substrate. The obtained GaN crystal layer was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-value width of (11-20) was confirmed to have a favorable crystal quality of 700 arcsec.

(比較例1)
本比較例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を除いた以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、85mmφr面サファイア基板を使用した。
1. 無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程
(ファセット構造のGaN膜の形成)
成膜方法:HVPE法
ファセット形成温度:900℃
成膜時間:5分
ソース :Gaソース(850℃)
GaN膜形成ガス:HClガス 0.09l/min、NHガス3.3l/min
GaN膜厚さ:25μm
次に、GaN結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚300μmとした。成膜温度の1040℃まで昇温する間もNHガスは供給した。
(GaN結晶層のエピタキシャル成長)
成膜方法:HVPE法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:HClガス 0.15l/min、NHガス1.5l/min
ソース :Gaソース(850℃)
成長時間:90分
膜厚 :60 μm(目標:300μm)
(Comparative Example 1)
In this comparative example, the same steps as those described in Example 1 were used except for the step of forming the titanium carbide layer and the step of nitriding the titanium carbide layer. An 85 mmφr-plane sapphire substrate was used as the base substrate.
1. Epitaxial growth process of nonpolar plane GaN crystal layer (formation of faceted GaN film)
Film forming method: HVPE facet forming temperature: 900 ° C.
Deposition time: 5 minutes Source: Ga source (850 ° C.)
GaN film forming gas: HCl gas 0.09 l / min, NH 3 gas 3.3 l / min
GaN film thickness: 25 μm
Next, the GaN crystal layer was epitaxially grown to a thickness of 300 μm. The NH 3 gas was also supplied while the film formation temperature was raised to 1040 ° C.
(Epitaxial growth of GaN crystal layer)
Deposition method: HVPE Deposition temperature: 1040 ° C
Deposition gas: HCl gas 0.15 l / min, NH 3 gas 1.5 l / min
Source: Ga source (850 ° C.)
Growth time: 90 minutes Film thickness: 60 μm (target: 300 μm)

2.サファイア基板の剥離工程
GaN結晶層を形成したHVPE装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、GaN結晶層はエピタキシャル成長中にサファイア基板に密着したまま無定形の小片に割れたため目標の膜厚300μmに達する前にエピタキシャル成長を中止した。GaN結晶層の膜厚は60μmであった。
2. Separation process of sapphire substrate The temperature of the reaction tube of the HVPE apparatus on which the GaN crystal layer was formed was lowered and cooled to room temperature, but the target was because the GaN crystal layer was broken into amorphous pieces while closely contacting the sapphire substrate during epitaxial growth. The epitaxial growth was stopped before the film thickness of 300 μm was reached. The film thickness of the GaN crystal layer was 60 μm.

(比較例2)
本比較例では、GaN結晶層のエピタキシャル成長時間を10分にした以外は比較例1で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、85mmφr面サファイア基板を使用した。
1.無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程
(ファセット構造のGaN膜の形成)
成膜方法:HVPE法
ファセット形成温度:900℃
成膜時間:5分
ソース :Gaソース(850℃)
GaN膜形成ガス:HClガス 0.09l/min、NHガス3.3l/min
GaN膜厚さ:25μm
次に、GaN結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚300μmとした。成膜温度の1040℃まで昇温する間もNHガスは供給した。
(GaN結晶層のエピタキシャル成長)
成膜方法:HVPE法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:HClガス 0.15l/min、NHガス1.5l/min
ソース :Gaソース(850℃)
成長時間:10分
膜厚 :20 μm
(Comparative Example 2)
In this comparative example, the same process as that described in comparative example 1 was used except that the epitaxial growth time of the GaN crystal layer was 10 minutes. An 85 mmφr-plane sapphire substrate was used as the base substrate.
1. Epitaxial growth process of nonpolar plane GaN crystal layer (formation of faceted GaN film)
Film forming method: HVPE facet forming temperature: 900 ° C.
Deposition time: 5 minutes Source: Ga source (850 ° C.)
GaN film forming gas: HCl gas 0.09 l / min, NH 3 gas 3.3 l / min
GaN film thickness: 25 μm
Next, the GaN crystal layer was epitaxially grown to a thickness of 300 μm. The NH 3 gas was also supplied while the film formation temperature was raised to 1040 ° C.
(Epitaxial growth of GaN crystal layer)
Deposition method: HVPE Deposition temperature: 1040 ° C
Deposition gas: HCl gas 0.15 l / min, NH 3 gas 1.5 l / min
Source: Ga source (850 ° C.)
Growth time: 10 minutes Film thickness: 20 μm

2.サファイア基板の剥離工程
GaN結晶層を形成したHVPE装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、GaN結晶層はサファイア基板に密着したままで、剥離しなかった。得られたサファイア基板上のGaN結晶のX線ロッキングカーブを図13に示す。これらから、GaNは、a面GaNであり、(11−20)半値幅は950arcsecであった。
2. Separation process of sapphire substrate The temperature of the reaction tube of the HVPE apparatus on which the GaN crystal layer was formed was cooled to room temperature, but the GaN crystal layer remained in close contact with the sapphire substrate and did not peel off. The X-ray rocking curve of the GaN crystal on the obtained sapphire substrate is shown in FIG. From these, GaN was a-plane GaN, and the (11-20) half width was 950 arcsec.

(実施例8)
本実施例では、ファセット構造のGaN膜の厚さを変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
(ファセット構造のGaN膜の形成)
成膜方法:HVPE法
ファセット形成温度:900℃
成膜時間:0.5分〜5分
ソース :Gaソース(850℃)
GaN膜形成ガス:HClガス 0.18l/min、NHガス3.3l/min
GaN膜厚さ:3μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μmの各膜厚に制御した。
(Example 8)
In this example, the same process as described in Example 1 was used except that the thickness of the GaN film having the facet structure was changed.
(Formation of faceted GaN film)
Film forming method: HVPE facet forming temperature: 900 ° C.
Deposition time: 0.5 to 5 minutes Source: Ga source (850 ° C.)
GaN film forming gas: HCl gas 0.18 l / min, NH 3 gas 3.3 l / min
GaN film thickness: The film thickness was controlled to 3 μm, 5 μm, 10 μm, 15 μm, 20 μm, and 25 μm.

(比較例3)
比較例3において、GaN膜の膜厚を1μm、35μmに変更した。他の条件は実施例8と同じである。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, the thickness of the GaN film was changed to 1 μm and 35 μm. Other conditions are the same as in Example 8.

(実施例8と比較例3の結果)
a面GaN半導体層の結晶性について(11―20)X線ロッキングカーブ半値幅で評価し、以下の結果が得られた。
1μm GaNはa面GaNであり、X船ロッキングカーブ半値幅は900arcsecであった。
3μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は700arcsecであった。
5μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は600arcsecであった。
10μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は600arcsecであった。
15μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は700arcsecであった。
20μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は700arcsecであった。
25μm GaNはa面GaNであり、X船ロッキングカーブ半値幅は800arcsecであった。
35μm GaNはa面GaNであり、X線ロッキングカーブ半値幅は1000arcsecであった。

以上の実施例8および比較例3の結果より、GaN膜の膜厚は3μmから25μmとすることが好ましい。
(Results of Example 8 and Comparative Example 3)
The (11-20) X-ray rocking curve half-value width was evaluated for the crystallinity of the a-plane GaN semiconductor layer, and the following results were obtained.
1 μm GaN was a-plane GaN, and the half width of the X ship rocking curve was 900 arcsec.
3 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 700 arcsec.
5 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 600 arcsec.
10 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 600 arcsec.
15 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 700 arcsec.
20 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 700 arcsec.
25 μm GaN was a-plane GaN, and the half width of the X ship rocking curve was 800 arcsec.
35 μm GaN was a-plane GaN, and the X-ray rocking curve half-width was 1000 arcsec.

From the results of Example 8 and Comparative Example 3 described above, the thickness of the GaN film is preferably 3 μm to 25 μm.

(実施例9)
本実施例では、炭化チタン層の形成工程において膜厚を5nm、100nm、140nm、200nmに変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
1.炭化チタン層の形成工程
成膜方法:反応性スパッタリング法
成膜温度:730〜760℃
成膜時間:1分、20分、28分および40分にすることで膜厚を制御した。
Ar圧力:0.3Pa
反応ガス:メタン 0.1Pa
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚:5nm、100nm、140nmおよび200nmの各膜厚に制御した。
Example 9
In this example, the same process as that described in Example 1 was used except that the film thickness was changed to 5 nm, 100 nm, 140 nm, and 200 nm in the titanium carbide layer forming process.
1. Formation process of titanium carbide layer Film formation method: Reactive sputtering method Film formation temperature: 730 to 760 ° C.
The film thickness was controlled by setting the film formation time to 1 minute, 20 minutes, 28 minutes, and 40 minutes.
Ar pressure: 0.3 Pa
Reaction gas: Methane 0.1 Pa
Target: Ti
Target output: 150W
Film thickness: Each film thickness was controlled to 5 nm, 100 nm, 140 nm and 200 nm.

(比較例4)
比較例4において、成膜時間を0.5分および48分とすることでGaN結晶膜の膜厚を3nmおよび240nmに変更した。他の条件は実施例9と同じである。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, the film thickness of the GaN crystal film was changed to 3 nm and 240 nm by setting the film formation time to 0.5 minutes and 48 minutes. The other conditions are the same as in Example 9.

(実施例9と比較例4の結果)
a面GaN半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
3nm 作製したGaN結晶7枚中、6枚でクラックが発生し剥離できなかった。
5nm 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
100nm 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
140nm 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
200nm 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
240nm 作製したGaN結晶7枚中、5枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例9および比較例4の結果より、炭化物層の膜厚は10nmから200nmとすることが好ましい。
(Results of Example 9 and Comparative Example 4)
The following results were obtained regarding the peeling state of the a-plane GaN semiconductor layer.
Cracks occurred in 6 out of 7 GaN crystals produced at 3 nm and could not be peeled off.
7 out of 7 GaN crystals produced at 5 nm were cracked without peeling.
Seven out of seven GaN crystals produced with a thickness of 100 nm were peeled off without generating cracks.
Of the 7 GaN crystals produced with 140 nm, 7 were peeled off without generating cracks.
7 out of 7 GaN crystals produced at 200 nm were cracked and peeled off.
Cracks occurred in 5 out of 7 GaN crystals produced at 240 nm and could not be peeled off.
From the results of Example 9 and Comparative Example 4 described above, the thickness of the carbide layer is preferably 10 nm to 200 nm.

(実施例10)
本実施例では、炭化チタン層を窒化する工程において、窒化を300℃保持、600℃保持または1050℃保持に変更した以外は実施例1で説明したものと同様の工程を用いた。
2.炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置:HVPE装置
窒化温度:300℃、600℃および1050℃の各温度に制御した。
窒化時間:35分
窒化ガス:NHガス、3.3l/min
(Example 10)
In this example, in the step of nitriding the titanium carbide layer, the same step as that described in Example 1 was used except that nitriding was changed to 300 ° C. holding, 600 ° C. holding or 1050 ° C. holding.
2. Step of nitriding titanium carbide layer Nitriding apparatus: HVPE apparatus Nitriding temperature: Controlled at 300 ° C, 600 ° C and 1050 ° C.
Nitriding time: 35 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, 3.3 l / min

(比較例5)
比較例5において、窒化温度を250℃および1100℃に変更した。他の条件は実施例10と同じである。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, the nitriding temperature was changed to 250 ° C. and 1100 ° C. Other conditions are the same as in Example 10.

(実施例10と比較例5の結果)
a面GaN半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
250℃ 作製したGaN結晶7枚中、4枚でクラックが発生し剥離できなかった。
300℃ 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
600℃ 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
1050℃ 作製したGaN結晶7枚中、7枚でクラックが発生せず剥離した。
1100℃ 作製したGaN結晶7枚中、6枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例10および比較例5の結果より、炭化物層を窒化する工程は、300℃以上1050℃以下で行うことが好ましい。
(Results of Example 10 and Comparative Example 5)
The following results were obtained regarding the peeling state of the a-plane GaN semiconductor layer.
Cracks occurred in four of the seven GaN crystals produced at 250 ° C. and could not be peeled off.
300 deg. C. Seven out of the seven GaN crystals produced did not crack and were peeled off.
Six out of seven GaN crystals produced at 600 ° C., no cracks were generated and peeling occurred.
At 1050 ° C., 7 out of 7 GaN crystals produced were peeled off without generating cracks.
Cracks occurred in 6 of 7 GaN crystals produced at 1100 ° C. and could not be peeled off.
From the results of Example 10 and Comparative Example 5 described above, the step of nitriding the carbide layer is preferably performed at 300 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.

実施例1において、a面GaN半導体層をr面サファイア基板から剥離して得られたGaN結晶の表面および裏面をダイヤモンドスラリーで研磨することで、平坦化した自立基板である厚さ200μmのa面GaN自立基板を作製した。図14に作製したa面GaN自立基板を示す。   In Example 1, the surface of the GaN crystal obtained by peeling the a-plane GaN semiconductor layer from the r-plane sapphire substrate and the back surface of the GaN crystal are polished with a diamond slurry, which is a planar self-supported substrate having a thickness of 200 μm. A GaN free-standing substrate was produced. FIG. 14 shows the produced a-plane GaN free-standing substrate.

本発明の実施形態にかかるGaN半導体基板の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the GaN semiconductor substrate concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態にかかるGaN半導体基板の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the GaN semiconductor substrate concerning embodiment of this invention. 本発明で使用される炭化物および窒化物の結晶構造と格子不整合率を示す表である。It is a table | surface which shows the crystal structure and lattice mismatch rate of the carbide | carbonized_material and nitride which are used by this invention. 本発明で使用される炭化物、窒化物およびサファイアの格子定数を示す表である。It is a table | surface which shows the lattice constant of the carbide | carbonized_material, nitride, and sapphire which are used by this invention. 実施例1の炭化チタンのX線回折パターンを示す図である。2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of titanium carbide in Example 1. FIG. 実施例1の無極性面GaN結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを示す図である。4 is a diagram showing a temperature profile of a step of epitaxially growing a nonpolar plane GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層のX線回折パターンを示す図である。3 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層のX線ロッキングカーブを示す図である。4 is a diagram showing an X-ray rocking curve of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層の表面の顕微鏡像である。2 is a microscopic image of the surface of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層の表面の顕微鏡像である。2 is a microscopic image of the surface of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層の断面の顕微鏡像である。2 is a microscopic image of a cross section of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 実施例1のGaN結晶層の断面の顕微鏡像である。2 is a microscopic image of a cross section of a GaN crystal layer of Example 1. FIG. 比較例2のGaN結晶層のX線ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing an X-ray rocking curve of a GaN crystal layer of Comparative Example 2. FIG. 本発明の実施例1で剥離したGaN結晶層から作製したa面GaN基板を示す図である。It is a figure which shows the a-plane GaN board | substrate produced from the GaN crystal layer peeled in Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 r面サファイア基板
11 炭化物層
12 一部が窒化された炭化物層
121 窒化物層
122 窒化していない炭化物層
123 カーボンを含有する窒化物層
14 ファセット構造のGaN膜
16 a面GaN結晶層
17 カーボンを含有する窒化物と一体化したa面GaN結晶層
10 r-plane sapphire substrate 11 carbide layer 12 partially nitrided carbide layer 121 nitride layer 122 non-nitrided carbide layer 123 nitride layer 14 containing carbon 14 faceted GaN film 16 a-plane GaN crystal layer 17 carbon A-plane GaN crystal layer integrated with nitride containing

Claims (9)

下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物からなる層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
窒化された前記炭化物層の上に、GaN結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面GaN結晶層を形成する工程と、
前記下地基板を除去して、前記無極性面GaN結晶層を含むGaN半導体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするGaN半導体基板の製造方法。
Forming a layer made of a carbide selected from the group consisting of titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, niobium carbide, vanadium carbide, and tantalum carbide on an underlying substrate;
Nitriding the carbide layer;
Forming a nonpolar plane GaN crystal layer by epitaxially growing the nonpolar plane of the GaN crystal as a growth plane on the nitrided carbide layer;
Removing the base substrate to obtain a GaN semiconductor substrate including the nonpolar plane GaN crystal layer;
A method for producing a GaN semiconductor substrate, comprising:
GaN結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のGaN膜を形成させながら、前記無極性面GaN結晶層を成長させる工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載のGaN半導体基板の製造方法。   The step of epitaxially growing a nonpolar surface of a GaN crystal as a growth surface includes the step of growing the nonpolar surface GaN crystal layer while forming a GaN film having a facet structure on the nitrided carbide layer. The method for producing a GaN semiconductor substrate according to claim 1, wherein the method is characterized in that: 前記ファセット構造のGaN膜の厚さが3μm以上25μm以下であることを特徴とする、請求項2に記載のGaN半導体基板の製造方法。   3. The method of manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 2, wherein a thickness of the GaN film having the facet structure is 3 μm or more and 25 μm or less. GaN半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面GaN結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面GaN結晶層から、前記下地基板が分離除去されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のGaN半導体基板の製造方法。   The step of obtaining a GaN semiconductor substrate includes cooling the base substrate, the nitrided carbide layer, and the nonpolar plane GaN crystal layer from a growth temperature, and in the cooling process, from the nonpolar plane GaN crystal layer, The method for manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 1, wherein the substrate is separated and removed. 前記下地基板がr面サファイア基板であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のGaN半導体基板の製造方法。 The GaN semiconductor substrate manufacturing method according to claim 1, wherein the base substrate is an r-plane sapphire substrate. 前記GaN結晶の無極性面がa面であることを特徴とする請求項5に記載のGaN半導体基板の製造方法   6. The method of manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 5, wherein the nonpolar surface of the GaN crystal is an a-plane. 前記炭化物層の厚さが5nm以上200nm以下であることを特徴とする、請求項6に記載のGaN半導体基板の製造方法。   The method for manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 6, wherein the carbide layer has a thickness of 5 nm to 200 nm. 炭化物層を窒化する前記工程は、300℃以上1050℃以下で行われることを特徴とする、請求項7に記載のGaN半導体基板の製造方法。   The method for manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 7, wherein the step of nitriding the carbide layer is performed at 300 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のGaN半導体基板の製造方法により得られるGaN半導体基板。   A GaN semiconductor substrate obtained by the method for manufacturing a GaN semiconductor substrate according to claim 1.
JP2007294577A 2007-11-13 2007-11-13 Manufacturing method of GaN semiconductor substrate Expired - Fee Related JP4944738B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007294577A JP4944738B2 (en) 2007-11-13 2007-11-13 Manufacturing method of GaN semiconductor substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007294577A JP4944738B2 (en) 2007-11-13 2007-11-13 Manufacturing method of GaN semiconductor substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009120425A true JP2009120425A (en) 2009-06-04
JP4944738B2 JP4944738B2 (en) 2012-06-06

Family

ID=40813008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007294577A Expired - Fee Related JP4944738B2 (en) 2007-11-13 2007-11-13 Manufacturing method of GaN semiconductor substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4944738B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011073894A (en) * 2009-09-29 2011-04-14 Toyoda Gosei Co Ltd Method for producing group iii nitride compound semiconductor
CN102969420A (en) * 2011-08-31 2013-03-13 Lg伊诺特有限公司 Light emitting device
US8928004B2 (en) 2011-08-09 2015-01-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Structure for growth of nitride semiconductor layer, stacked structure, nitride-based semiconductor element, light source, and manufacturing method for same
JP2016008166A (en) * 2014-06-26 2016-01-18 古河機械金属株式会社 Manufacturing method of self-standing substrate

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005320237A (en) * 2004-05-07 2005-11-17 Samsung Corning Co Ltd NON-POLAR SINGLE CRYSTALLINE a-PLANE NITRIDE SEMICONDUCTOR WAFER AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP2006514780A (en) * 2002-12-16 2006-05-11 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Growth of flat nonpolar a-plane gallium nitride by hydride vapor deposition

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006514780A (en) * 2002-12-16 2006-05-11 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Growth of flat nonpolar a-plane gallium nitride by hydride vapor deposition
JP2005320237A (en) * 2004-05-07 2005-11-17 Samsung Corning Co Ltd NON-POLAR SINGLE CRYSTALLINE a-PLANE NITRIDE SEMICONDUCTOR WAFER AND ITS MANUFACTURING METHOD

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011073894A (en) * 2009-09-29 2011-04-14 Toyoda Gosei Co Ltd Method for producing group iii nitride compound semiconductor
US8928004B2 (en) 2011-08-09 2015-01-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Structure for growth of nitride semiconductor layer, stacked structure, nitride-based semiconductor element, light source, and manufacturing method for same
CN102969420A (en) * 2011-08-31 2013-03-13 Lg伊诺特有限公司 Light emitting device
JP2013055319A (en) * 2011-08-31 2013-03-21 Lg Innotek Co Ltd Light emitting device
JP2016008166A (en) * 2014-06-26 2016-01-18 古河機械金属株式会社 Manufacturing method of self-standing substrate

Also Published As

Publication number Publication date
JP4944738B2 (en) 2012-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3631724B2 (en) Group III nitride semiconductor substrate and manufacturing method thereof
US7674699B2 (en) III group nitride semiconductor substrate, substrate for group III nitride semiconductor device, and fabrication methods thereof
JP5461773B2 (en) Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition
JP4783288B2 (en) Realization of III-nitride free-standing substrate by heteroepitaxy on sacrificial layer
KR100838433B1 (en) Process for producing gallium nitride crystal substrate, and gallium nitride crystal substrate
JP5638198B2 (en) Laser diode orientation on miscut substrates
JP5295871B2 (en) Method for manufacturing group III nitride semiconductor substrate
JP4838766B2 (en) Group III nitride semiconductor substrate manufacturing method and group III nitride semiconductor substrate
JP2005320237A (en) NON-POLAR SINGLE CRYSTALLINE a-PLANE NITRIDE SEMICONDUCTOR WAFER AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP2004039810A (en) Group iii nitride semiconductor substrate and its manufacturing method
WO2008047907A1 (en) Sapphire substrate, nitride semiconductor luminescent element using the sapphire substrate, and method for manufacturing the nitride semiconductor luminescent element
JP2004319711A (en) Porous substrate for epitaxial growth and its manufacturing method, and method of manufacturing group iii nitride semiconductor substrate
KR20090023198A (en) Group iii nitride semiconductor and a manufacturing method thereof
JP2011042542A (en) Method for producing group iii nitride substrate, and group iii nitride substrate
JP5297850B2 (en) Method for manufacturing group III nitride semiconductor substrate
JP4825747B2 (en) Method for producing nonpolar plane group III nitride single crystal
JP4944738B2 (en) Manufacturing method of GaN semiconductor substrate
JP6266742B1 (en) Group III nitride semiconductor substrate and method for manufacturing group III nitride semiconductor substrate
JP2011026168A (en) Substrate, laminate, method for producing laminate, and method for producing substrate
WO2011099469A1 (en) Structural body, and method for producing semiconductor substrate
JP2008162887A (en) Group iii nitride semiconductor substrate
JP2023532799A (en) Semiconductor substrate with nitrided interfacial layer
JP4885997B2 (en) Method for manufacturing group III nitride semiconductor substrate
JP5076094B2 (en) Group III nitride single crystal manufacturing method, base crystal substrate having metal nitride layer, and multilayer structure wafer
JP5075692B2 (en) Group III nitride semiconductor substrate forming substrate

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100903

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111025

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111101

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111122

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120228

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120302

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4944738

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150309

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees