JP2009208989A - Compound semiconductor substrate and method for producing the same - Google Patents

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Koji Oishi
浩司 大石
Jun Komiyama
純 小宮山
Yoshihisa Abe
芳久 阿部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor substrate in which dislocations in the whole element layer can be reduced uniformly within the surface and the area of the low dislocation region can be simply enlarged. <P>SOLUTION: The compound semiconductor substrate is prepared by the steps of: forming a SiC layer 2 on a Si substrate 1 by a CVD method; forming an interlayer 3 comprising an In<SB>W</SB>Ga<SB>x</SB>Al<SB>1-w-x</SB>N single crystal (0≤w<1, 0≤x<1, w+x<1) having a plurality of pits 5 of an inverted hexagonal pyramid shape or an inverted hexagonal truncated cone shape having a depth which reaches an interface with the SiC layer 2 by an MOCVD method; and forming a nitride semiconductor single crystal layer 4 composed of an In<SB>y</SB>Ga<SB>z</SB>Al<SB>1-y-z</SB>N single crystal (0≤y<1, 0≤z<1, y+z<1) by an MOCVD method. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、次世代光デバイス、電子デバイス等に好適に用いられる化合物半導体基板およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a compound semiconductor substrate suitably used for next-generation optical devices, electronic devices, and the like, and a method for manufacturing the same.

窒化物系化合物半導体は、広いバンドギャップを有しており、耐圧、オン抵抗、高温動作特性等の面において、シリコン半導体の性能を超えるデバイスの実現が期待されている。
この窒化物系化合物半導体の光デバイスへの応用としては、既に、青色LED(発光ダイオード)、青紫色LD(レーザダイオード)が製品化されている。また、電子デバイスへの応用としては、高速高出力用途のHFET(ヘテロ接合電界効果型トランジスタ:Heterostructure Field-Effect Transistor)等が実用段階に入っている。
Nitride-based compound semiconductors have a wide band gap and are expected to realize devices that exceed the performance of silicon semiconductors in terms of breakdown voltage, on-resistance, high-temperature operating characteristics, and the like.
Blue LED (light-emitting diode) and blue-violet LD (laser diode) have already been commercialized as applications of nitride compound semiconductors to optical devices. As applications to electronic devices, high-speed and high-output HFETs (Heterostructure Field-Effect Transistors) and the like are in the practical stage.

いずれの分野においても、デバイスの性能向上には、結晶品質の向上、すなわち、転位の低減が必要である。特に、LDや、高耐圧が求められるHFETにおいては、転位の低減に対する要求が非常に厳しい。   In any field, improvement in device performance requires improvement of crystal quality, that is, reduction of dislocations. In particular, in LDs and HFETs that require a high breakdown voltage, the demand for reducing dislocations is very strict.

このような要求に対しては、例えば、特許文献1には、基板上に形成した第1のGaN系化合物半導体を島状態にエッチングし、前記基板の露出部が散在するようにした後、第1のGaN系化合物半導体を核として第2のGaN系化合物半導体を成長させ、その上に、GaN系化合物半導体からなる素子層を形成する方法が記載されている。これにより、基板の露出部上の第2のGaN系化合物半導体の縦方向の貫通転位が生じず、結晶性を向上させることができると記載されている。   In response to such a requirement, for example, Patent Document 1 discloses that after etching the first GaN-based compound semiconductor formed on the substrate into an island state so that the exposed portions of the substrate are scattered, A method is described in which a second GaN compound semiconductor is grown using one GaN compound semiconductor as a nucleus, and an element layer made of the GaN compound semiconductor is formed thereon. Accordingly, it is described that the threading dislocation in the vertical direction of the second GaN-based compound semiconductor on the exposed portion of the substrate does not occur, and the crystallinity can be improved.

また、特許文献2には、第1の窒化化合物半導体層と、凹凸表面を有する第2の窒化物化合物半導体層と、第3の窒化物化合物半導体層を備えた化合物半導体基板は、第2の窒化物化合物半導体層の凹部上に位置する第3の窒化物化合物半導体層の部分のクラックの発生が抑制され、かつ、転位密度が低減し、結晶性が改善されることが開示されている。   Patent Document 2 discloses a compound semiconductor substrate including a first nitride compound semiconductor layer, a second nitride compound semiconductor layer having an uneven surface, and a third nitride compound semiconductor layer. It is disclosed that the generation of cracks in the portion of the third nitride compound semiconductor layer located on the concave portion of the nitride compound semiconductor layer is suppressed, the dislocation density is reduced, and the crystallinity is improved.

特開2000−91253号公報JP 2000-91253 A 特開2007−201379号公報JP 2007-201379 A

しかしながら、上記特許文献1,2に記載されている方法では、素子層の一部に低転位(低欠陥)領域を形成することはできるものの、素子層全体を面内均一に低転位化させるものではなく、低転位領域の大面積化には限界がある。また、いずれの方法も、エッチングにより、基板露出部または凹部を形成するため、製造工程が煩雑となる。   However, in the methods described in Patent Documents 1 and 2, a low dislocation (low defect) region can be formed in a part of the element layer, but the entire element layer is uniformly reduced in the plane. However, there is a limit to increasing the area of the low dislocation region. In any method, the substrate exposed portion or the concave portion is formed by etching, so that the manufacturing process becomes complicated.

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、簡便に、低転位領域の大面積化を図ることができる化合物半導体基板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made to solve the above technical problem, and the entire element layer can be uniformly reduced in the plane, and the area of the low dislocation region can be easily increased. An object of the present invention is to provide a compound semiconductor substrate and a manufacturing method thereof.

本発明に係る化合物半導体基板は、Si基板上に形成されたSiC層と、前記SiC層上に形成され、InWGaxAl1-w-xN単結晶(0≦w<1、0≦x<1、w+x<1)からなる中間層と、前記中間層上に形成され、InyGazAl1-y-zN単結晶(0≦y<1、0≦z<1、y+z<1)からなる窒化物半導体単結晶層とを備え、前記中間層には、その表面から前記SiC層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが複数形成されていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、化合物半導体基板において、低転位領域の大面積化を図ることが可能となる。
The compound semiconductor substrate according to the present invention is formed on a SiC layer formed on a Si substrate and the SiC layer, and an In W Ga x Al 1-wx N single crystal (0 ≦ w <1, 0 ≦ x < 1, and w + x <1) consisting of the intermediate layer, formed on the intermediate layer, made of in y Ga z Al 1-yz N single crystal (0 ≦ y <1,0 ≦ z <1, y + z <1) A nitride semiconductor single crystal layer, wherein the intermediate layer has a plurality of inverted hexagonal pyramid-shaped or inverted hexagonal truncated pyramid-shaped pits extending from the surface to the interface with the SiC layer. Features.
By adopting such a configuration, the entire element layer can be uniformly reduced in plane and the area of the low dislocation region can be increased in the compound semiconductor substrate.

前記ピットは、中間層表面における密度が108個/cm2以上であることが好ましい。
上記のようなピット密度とすることにより、前記窒化物半導体単結晶層の成長初期の転位の発生を効果的に低減させることができる。
The pits preferably have a density of 10 8 pieces / cm 2 or more on the surface of the intermediate layer.
By setting the pit density as described above, the occurrence of dislocations at the initial growth stage of the nitride semiconductor single crystal layer can be effectively reduced.

前記化合物半導体の好的態様としては、中間層がAlN層(w=0、x=0)であり、前記窒化物半導体単結晶層がGaN層(y=0、z=1)である。   In a preferred embodiment of the compound semiconductor, the intermediate layer is an AlN layer (w = 0, x = 0), and the nitride semiconductor single crystal layer is a GaN layer (y = 0, z = 1).

また、前記中間層の膜厚は、上記のような低転位効果が得られるピット形成に及ぼす影響を考慮して、10〜50nmであることが好ましい。   Further, the film thickness of the intermediate layer is preferably 10 to 50 nm in consideration of the influence on pit formation from which the low dislocation effect as described above is obtained.

また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、Si基板上にSiC層をCVD法により形成する工程と、前記SiC層上に、前記SiC層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットを複数有するInWGaxAl1-w-xN単結晶(0≦w<1、0≦x<1、w+x<1)からなる中間層をMOCVD法により形成する工程と、前記中間層上に、InyGazAl1-y-zN単結晶(0≦y<1、0≦z<1、y+z<1)からなる窒化物半導体単結晶層をMOCVD法により形成する工程とを備えていることを特徴とする。
このような製造方法によれば、ピット形成のためのエッチング等の工程を要しないため、製造工程を煩雑化させることなく、上記のような本発明に係る化合物半導体基板を得ることができる。
The method for manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present invention includes a step of forming a SiC layer on a Si substrate by a CVD method, and an inverted hexagonal pyramid having a depth reaching the interface with the SiC layer on the SiC layer. Alternatively, a step of forming an intermediate layer made of In W Ga x Al 1 -wx N single crystal (0 ≦ w <1, 0 ≦ x <1, w + x <1) having a plurality of inverted hexagonal truncated pyramid pits by MOCVD. If, on the intermediate layer, formed by in y Ga z Al 1-yz N single crystal (0 ≦ y <1,0 ≦ z <1, y + z <1) MOCVD method nitride semiconductor single crystal layer consisting of And a process.
According to such a manufacturing method, since a process such as etching for forming pits is not required, the above-described compound semiconductor substrate according to the present invention can be obtained without complicating the manufacturing process.

上記製造方法においては、前記中間層をAlN層(w=0、x=0)とし、前記窒化物半導体単結晶層をGaN層(y=0、z=1)とすることが好ましい。
また、前記中間層の膜厚を10〜50nmとすることが好ましい。
In the manufacturing method, the intermediate layer is preferably an AlN layer (w = 0, x = 0), and the nitride semiconductor single crystal layer is preferably a GaN layer (y = 0, z = 1).
Moreover, it is preferable that the film thickness of the said intermediate | middle layer shall be 10-50 nm.

本発明によれば、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、低転位領域の大面積化を図ることができ、簡便に、低転位領域の大面積化を図ることができる化合物半導体基板を提供することが可能となる。
したがって、本発明に係る化合物半導体基板は、発光ダイオード、レーザ素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いることができ、さらに、次世代光デバイス、電子デバイスへの応用も期待され、これらの素子機能の向上に寄与し得る。
According to the present invention, the entire element layer can be uniformly dislocated in the plane, the area of the low dislocation region can be increased, and the area of the low dislocation region can be easily increased. A compound semiconductor substrate can be provided.
Therefore, the compound semiconductor substrate according to the present invention can be suitably used for a light-emitting diode, a laser element, an electronic element capable of high-speed and high-temperature operation, and further expected to be applied to next-generation optical devices and electronic devices. It can contribute to the improvement of the element function.

以下、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に、本発明に係る化合物半導体基板の層構造の概略図を示す。
図1に示す化合物半導体基板は、Si基板1上に、SiC層2、中間層3および窒化物半導体単結晶層4が順次積層されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a layer structure of a compound semiconductor substrate according to the present invention.
In the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1, an SiC layer 2, an intermediate layer 3, and a nitride semiconductor single crystal layer 4 are sequentially stacked on an Si substrate 1.

前記Si基板1には、表面の結晶面方位が{111}であるSi単結晶が好適に用いられる。なお、ここでいう面方位{111}には、結晶面方位{111}の微傾斜(数度〜十数度)および{211}等の高次面指数の結晶面方位を含むものとする。
このようなSi基板を用いることにより、アンチフェーズバンダリー欠陥の発生が低減され、欠陥への電界集中を緩和することができる。
また、前記Si基板1は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー(CZ)法により製造されたものであっても、フローティングゾーン(FZ)法により製造されたものであってもよく、また、これらのSi単結晶基板に気相成長法によりSi単結晶層を成膜させたものであってもよい。
また、前記Si基板1には、例えば、キャリア濃度1016〜1021/cm3(抵抗率:約1〜0.00001ルcm)、伝導型n型のものを用いることができる。
For the Si substrate 1, a Si single crystal whose surface crystal plane orientation is {111} is preferably used. Here, the plane orientation {111} includes a fine inclination (several degrees to several tens of degrees) of the crystal plane orientation {111} and a crystal plane orientation of a higher-order plane index such as {211}.
By using such a Si substrate, generation of anti-phase boundary defects is reduced, and electric field concentration on the defects can be reduced.
Moreover, the manufacturing method of the Si substrate 1 is not particularly limited. Those produced by the Czochralski (CZ) method or those produced by the floating zone (FZ) method may be used. A crystal layer may be formed.
The Si substrate 1 may be, for example, an n-type substrate having a carrier concentration of 10 16 to 10 21 / cm 3 (resistivity: about 1 to 0.00001 le cm).

前記Si基板1上には、SiC層2が形成される。このSiC層2は、周知のCVD法を用いて、エピタキシャル成長により形成することができる。
なお、前記SiC層2は、中間層3形成の下地となることから、SiCバルク基板を用いることもできるが、基板の大口径化等の観点から、Si基板1上にSiC層2を形成することが好ましい。
An SiC layer 2 is formed on the Si substrate 1. This SiC layer 2 can be formed by epitaxial growth using a well-known CVD method.
The SiC layer 2 serves as a base for the formation of the intermediate layer 3, and thus a SiC bulk substrate can be used. However, the SiC layer 2 is formed on the Si substrate 1 from the viewpoint of increasing the diameter of the substrate. It is preferable.

前記SiC層2上に形成される中間層3は、InWGaxAl1-w-xN単結晶(0≦w<1、0≦x<1、w+x<1)からなる。
そして、前記中間層3上には、InyGazAl1-y-zN単結晶(0≦y<1、0≦z<1、y+z<1)からなる窒化物半導体単結晶層4が形成される。
前記中間層3は、下記において詳述するピット5が形成される層であると同時に、前記SiC層2と窒化物半導体単結晶層4との結晶格子不整合を緩和する役割を果たす。
The intermediate layer 3 formed on the SiC layer 2 is made of In W Ga x Al 1-wx N single crystal (0 ≦ w <1, 0 ≦ x <1, w + x <1).
Then, on the intermediate layer 3, In y Ga z Al 1- yz N single crystal (0 ≦ y <1,0 ≦ z <1, y + z <1) nitride semiconductor single crystal layer 4 made of is formed The
The intermediate layer 3 is a layer in which pits 5 to be described in detail below are formed, and at the same time plays a role of relaxing crystal lattice mismatch between the SiC layer 2 and the nitride semiconductor single crystal layer 4.

前記中間層3のInWGaxAl1-w-xN単結晶は、AlN(w=0、x=0)であり、窒化物半導体単結晶層4のInyGazAl1-y-zN単結晶は、GaN(y=0、z=1)であることが好ましい。
AlNは、SiCに対して良好な濡れ性を持つため、中間層3の高品質化に適しており、その上に形成される窒化物半導体単結晶層4の高品質化を図ることができる。
また、GaNは、ドーピングによる電気特性の制御が行いやすく、光デバイスまたは電子デバイスへの応用に好適となる。
In W Ga x Al 1-wx N single crystal of the intermediate layer 3 is AlN (w = 0, x = 0), In y Ga z Al 1-yz N single crystal of a nitride semiconductor single crystal layer 4 Is preferably GaN (y = 0, z = 1).
Since AlN has good wettability with SiC, it is suitable for improving the quality of the intermediate layer 3 and can improve the quality of the nitride semiconductor single crystal layer 4 formed thereon.
In addition, GaN easily controls electrical characteristics by doping, and is suitable for application to optical devices or electronic devices.

前記中間層3および窒化物半導体単結晶層4は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)やPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を始めとしたCVD法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタリング法等により形成することができる。   The intermediate layer 3 and the nitride semiconductor single crystal layer 4 are formed by, for example, a CVD method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), a vapor deposition method using a laser beam, or an atmospheric gas. It can form by the sputtering method etc. which used.

前記中間層3には、その表面(中間層3上に窒化物半導体単結晶層4が形成されている場合は、その界面)3aから前記SiC層2との界面3bまで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピット5が形成されている。
ここでいうピットとは、結晶のあるファセット面を有する極微小の窪み(凹部)であり、中間層3の表面における径が十〜数百nmオーダーのものを指す。
上記のようなピットを形成することにより、中間層3上に形成される素子層となる窒化物半導体単結晶層4全体を均一に低転位化させることができ、低転位領域の大面積化を図ることができる。
The intermediate layer 3 has a reverse depth from the surface (the interface when the nitride semiconductor single crystal layer 4 is formed on the intermediate layer 3) 3 a to the interface 3 b with the SiC layer 2. Pit 5 having a pyramid shape or an inverted hexagonal frustum shape is formed.
The term “pit” as used herein refers to a very small depression (concave part) having a facet surface with a crystal and having a diameter on the surface of the intermediate layer 3 on the order of 10 to several hundred nm.
By forming the pits as described above, the entire nitride semiconductor single crystal layer 4 serving as the element layer formed on the intermediate layer 3 can be uniformly reduced in dislocation, and the area of the low dislocation region can be increased. Can be planned.

通常、表面が平坦な中間層3上に窒化物半導体単結晶層4を成長させる場合、成長初期に導入された転位は、界面3aに垂直な方向、すなわち、窒化物半導体単結晶層4の表面方向に向かって伸びていく。
これに対して、本発明においては、中間層3に上記のようなピット5を複数形成しておくことにより、中間層3の前記ピット5が形成されていない表面上に成長した窒化物半導体単結晶は、前記ピット5を埋めるように、横方向に成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)する。また、窒化物半導体単結晶層4の成長初期に導入された転位は、逆六角錐状または逆六角錐台状のピット5のファセット面により、中間層3の積層方向に対してある角度を持った(傾斜した)方向に伸びる。
これにより、窒化物半導体単結晶層4中の転位密度は大幅に減少すると推測される。
Usually, when the nitride semiconductor single crystal layer 4 is grown on the intermediate layer 3 having a flat surface, dislocations introduced at the initial stage of growth are in a direction perpendicular to the interface 3a, that is, the surface of the nitride semiconductor single crystal layer 4 It grows in the direction.
On the other hand, in the present invention, by forming a plurality of pits 5 as described above in the intermediate layer 3, a nitride semiconductor unit grown on the surface of the intermediate layer 3 where the pits 5 are not formed. The crystal grows laterally (ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth) so as to fill the pit 5. Also, the dislocations introduced at the initial stage of the growth of the nitride semiconductor single crystal layer 4 have an angle with respect to the stacking direction of the intermediate layer 3 due to the facet surface of the inverted hexagonal pyramid or inverted hexagonal pyramidal pits 5. It extends in the direction of (tilted).
Thereby, it is estimated that the dislocation density in the nitride semiconductor single crystal layer 4 is greatly reduced.

前記ピット5の深さが、中間層3の表面3aからSiC層2との界面3bまで達していない場合、上記のような窒化物半導体単結晶層4の成長初期における転位低減効果を十分に得ることができない。   When the depth of the pit 5 does not reach from the surface 3a of the intermediate layer 3 to the interface 3b with the SiC layer 2, the above-described dislocation reduction effect at the initial growth stage of the nitride semiconductor single crystal layer 4 is sufficiently obtained. I can't.

前記中間層3の膜厚は、10〜50nmであることが好ましい。
前記膜厚が50nmを超える場合、中間層3の表面3aからSiC層2との界面3bまで達する深さのピットを形成することは困難となる。
一方、前記膜厚が10nm未満の場合、薄すぎて、中間層としての十分な機能が得られない。
The thickness of the intermediate layer 3 is preferably 10 to 50 nm.
When the film thickness exceeds 50 nm, it becomes difficult to form pits having a depth reaching from the surface 3a of the intermediate layer 3 to the interface 3b with the SiC layer 2.
On the other hand, when the film thickness is less than 10 nm, it is too thin to obtain a sufficient function as an intermediate layer.

また、前記中間層3の表面3aにおけるピット密度は、108個/cm2以上であることが好ましい。このピット密度は、中間層3の断面の電子顕微鏡観察により測定することができる。
前記ピット密度が、108個/cm2未満である場合は、上記のような窒化物半導体単結晶の成長初期における転位低減効果が十分に得られない。
The pit density on the surface 3a of the intermediate layer 3 is preferably 10 8 pieces / cm 2 or more. This pit density can be measured by observing the cross section of the intermediate layer 3 with an electron microscope.
When the pit density is less than 10 8 / cm 2 , the above-described dislocation reduction effect at the initial growth stage of the nitride semiconductor single crystal cannot be obtained sufficiently.

上記のような本発明に係る化合物半導体基板は、例えば、以下のような工程を経て、作製することができる。
まず、CZ法により作製したSi基板1上に、周知のCVD法を用いてエピタキシャル成長によりSiC層2を形成する。
次に、前記SiC層2上に、MOCVD法により、成長時の温度、圧力、キャリア流量、原料供給量等を調整し、核形成密度および積層方向/面方向の成長速度を制御して、その表面3aから前記SiC層との界面3bまで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピット5を有する中間層3をSiC層2上に形成する。
そして、前記ピット5が形成された中間層3上に、MOCVD法により、前記窒化物半導体単結晶層4を形成することにより、本発明に係る化合物半導体基板が得られる。
このような本発明に係る製造方法によれば、前記中間層3のピット5は、エッチングにより形成されるのではなく、成長条件を制御して成膜する際に形成されるため、製造工程が煩雑化することはない。
The compound semiconductor substrate according to the present invention as described above can be manufactured, for example, through the following steps.
First, an SiC layer 2 is formed on a Si substrate 1 produced by the CZ method by epitaxial growth using a well-known CVD method.
Next, the growth temperature, pressure, carrier flow rate, raw material supply amount, etc. are adjusted on the SiC layer 2 by MOCVD, and the nucleation density and the growth rate in the stacking direction / plane direction are controlled. An intermediate layer 3 having an inverted hexagonal pyramid-like or inverted hexagonal pyramid-like pit 5 having a depth reaching from the surface 3 a to the interface 3 b with the SiC layer is formed on the SiC layer 2.
The compound semiconductor substrate according to the present invention is obtained by forming the nitride semiconductor single crystal layer 4 by MOCVD on the intermediate layer 3 in which the pits 5 are formed.
According to the manufacturing method according to the present invention, the pits 5 of the intermediate layer 3 are not formed by etching, but are formed when film formation is performed while controlling growth conditions. There is no complication.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
[実施例1]
直径3インチのSi(111)基板上に、厚さ700nmの立方晶SiC層をエピタキシャル成長させたSiC/Si基板を準備し、窒化物成長用MOCVD装置にセットした。
このSiC/Si基板を、水素雰囲気下、基板温度1000℃でクリーニングした後、基板温度1200℃で、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)およびアンモニアを同時に供給し、成長時間を制御して、厚さ40nmの表面からSiC層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが形成されたAlN中間層を堆積させた。
さらに、基板温度を1000℃に降温し、原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびアンモニアを供給し、厚さ700nmのGaN層をエピタキシャル成長させて、化合半導体基板を得た。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
[Example 1]
A SiC / Si substrate obtained by epitaxially growing a cubic SiC layer having a thickness of 700 nm on a Si (111) substrate having a diameter of 3 inches was prepared and set in a MOCVD apparatus for nitride growth.
After cleaning this SiC / Si substrate at a substrate temperature of 1000 ° C. in a hydrogen atmosphere, trimethylaluminum (TMA) and ammonia are simultaneously supplied as raw materials at a substrate temperature of 1200 ° C., and the growth time is controlled to a thickness of 40 nm. An AlN intermediate layer having an inverted hexagonal pyramid-shaped or inverted hexagonal truncated pyramid-shaped pit formed to reach the interface with the SiC layer was deposited.
Further, the substrate temperature was lowered to 1000 ° C., trimethylgallium (TMG) and ammonia were supplied as raw materials, and a GaN layer having a thickness of 700 nm was epitaxially grown to obtain a compound semiconductor substrate.

前記GaN層をX線回折(XRD)により評価したところ、(0002)または(10−10)に対する半値幅はいずれも400秒であった。
また、得られた化合物半導体基板の断面の電子顕微鏡観察を行ったところ、AlN中間層表面のピット密度は、108個/cm2オーダーであった。
また、これらのピットを観察したところ、径は数十〜数百nmオーダーであり、その深さはSiC層の表面まで達していることが確認された。
When the GaN layer was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the full width at half maximum for (0002) or (10-10) was 400 seconds.
When the cross section of the obtained compound semiconductor substrate was observed with an electron microscope, the pit density on the surface of the AlN intermediate layer was on the order of 10 8 pieces / cm 2 .
Further, when these pits were observed, it was confirmed that the diameter was on the order of several tens to several hundreds nm, and the depth reached the surface of the SiC layer.

[比較例1〜3]
AlN中間層の成長温度および成長時間を調整して、AlN中間層の厚さおよび表面のピット密度を表1の比較例1〜3に示すように変化させ、それ以外については、実施例1と同様にして、SiC/Si基板上に、GaN層を形成した。
なお、比較例1においては、成長温度を高くして、ピット密度を減少させた。また、比較例2においては、成長温度を比較例1よりも低くして、ピット密度を減少させた。また、比較例3においては、成長時間を長くして、ピット密度を減少させた。
各GaN層について、X線回折(XRD)における(0002)または(10−10)に対する半値幅を測定した。なお、X線回折の半値幅は、狭いほど、結晶の転位密度が低く、結晶性に優れていることを意味する。
また、電子顕微鏡によりAlN中間層の膜厚、ピットの密度および深さを観察した。
これらの結果を実施例1と併せて、表1に示す。
[Comparative Examples 1-3]
By adjusting the growth temperature and growth time of the AlN intermediate layer, the thickness of the AlN intermediate layer and the pit density on the surface were changed as shown in Comparative Examples 1 to 3 in Table 1, and otherwise, Example 1 and Similarly, a GaN layer was formed on the SiC / Si substrate.
In Comparative Example 1, the growth temperature was increased and the pit density was decreased. In Comparative Example 2, the growth temperature was set lower than that of Comparative Example 1 to reduce the pit density. In Comparative Example 3, the growth time was lengthened and the pit density was reduced.
About each GaN layer, the half value width with respect to (0002) or (10-10) in X-ray diffraction (XRD) was measured. Note that the narrower the half-value width of X-ray diffraction, the lower the crystal dislocation density and the better the crystallinity.
Further, the film thickness, pit density and depth of the AlN intermediate layer were observed with an electron microscope.
These results are shown in Table 1 together with Example 1.

Figure 2009208989
Figure 2009208989

ピットの観察の結果、ピット密度が低いほど、ピットは小さく(比較例1,2)、また、AlN中間層の膜厚が厚い場合(比較例3)、径の大きいピットは埋められ、その深さはSiC層の表面まで達していないことが確認された。
また、表1に示したように、AlN中間層の厚さが同じ場合(実施例1、比較例1,2)、ピット密度が高いほどGaN層の結晶性が向上することが認められた。
一方、従来のように、AlN中間層の厚さが厚い場合(比較例3)、径の大きいピットが埋められ、ピット密度が小さくなり、GaN層の結晶性が低下した。
As a result of observation of the pits, the lower the pit density, the smaller the pits (Comparative Examples 1 and 2), and the thick AlN intermediate layer (Comparative Example 3). It was confirmed that the thickness did not reach the surface of the SiC layer.
Further, as shown in Table 1, when the thickness of the AlN intermediate layer was the same (Example 1, Comparative Examples 1 and 2), it was recognized that the higher the pit density, the better the crystallinity of the GaN layer.
On the other hand, when the thickness of the AlN intermediate layer is thick as in the prior art (Comparative Example 3), pits having a large diameter were filled, the pit density was reduced, and the crystallinity of the GaN layer was lowered.

本発明の実施形態に係る化合物半導体基板の層構造の概略図である。It is the schematic of the layer structure of the compound semiconductor substrate which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板
2 SiC層
3 中間層
4 窒化物半導体単結晶層
5 ピット
1 Si substrate 2 SiC layer 3 Intermediate layer 4 Nitride semiconductor single crystal layer 5 Pit

Claims (7)

Si基板上に形成されたSiC層と、
前記SiC層上に形成され、InWGaxAl1-w-xN単結晶(0≦w<1、0≦x<1、w+x<1)からなる中間層と、
前記中間層上に形成され、InyGazAl1-y-zN単結晶(0≦y<1、0≦z<1、y+z<1)からなる窒化物半導体単結晶層とを備え、
前記中間層には、その表面から前記SiC層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが複数形成されていることを特徴とする化合物半導体基板。
A SiC layer formed on the Si substrate;
An intermediate layer formed on the SiC layer and made of In W Ga x Al 1-wx N single crystal (0 ≦ w <1, 0 ≦ x <1, w + x <1);
Wherein formed on the intermediate layer, and an In y Ga z Al 1-yz N single crystal (0 ≦ y <1,0 ≦ z <1, y + z <1) formed of a nitride semiconductor single crystal layer,
A compound semiconductor substrate comprising a plurality of inverted hexagonal pyramid-shaped or inverted hexagonal truncated pyramid pits having a depth reaching from the surface thereof to the interface with the SiC layer.
前記ピットは、中間層表面における密度が108個/cm2以上であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体基板。 2. The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein the density of the pits on the surface of the intermediate layer is 10 8 pieces / cm 2 or more. 前記中間層がAlN層(w=0、x=0)であり、前記窒化物半導体単結晶層がGaN層(y=0、z=1)であることを特徴とする請求項1または2記載の化合物半導体基板。   3. The intermediate layer is an AlN layer (w = 0, x = 0), and the nitride semiconductor single crystal layer is a GaN layer (y = 0, z = 1). Compound semiconductor substrate. 前記中間層の膜厚が10〜50nmであることを特徴とする請求項1〜3記載の化合物半導体基板。   The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 10 to 50 nm. Si基板上にSiC層をCVD法により形成する工程と、
前記SiC層上に、前記SiC層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットを複数有するInWGaxAl1-w-xN単結晶(0≦w<1、0≦x<1、w+x<1)からなる中間層をMOCVD法により形成する工程と、
前記中間層上に、InyGazAl1-y-zN単結晶(0≦y<1、0≦z<1、y+z<1)からなる窒化物半導体単結晶層をMOCVD法により形成する工程とを備えていることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
Forming a SiC layer on the Si substrate by a CVD method;
An In W Ga x Al 1-wx N single crystal having a plurality of inverted hexagonal pyramid-shaped or inverted hexagonal pyramid-shaped pits reaching the interface with the SiC layer (0 ≦ w <1, Forming an intermediate layer of 0 ≦ x <1, w + x <1) by MOCVD;
On the intermediate layer, a step of forming the In y Ga z Al 1-yz N single crystal (0 ≦ y <1,0 ≦ z <1, y + z <1) MOCVD method nitride semiconductor single crystal layer consisting of A method for producing a compound semiconductor substrate, comprising:
前記中間層をAlN層(w=0、x=0)とし、前記窒化物半導体単結晶層をGaN層(y=0、z=1)とすることを特徴とする請求項5記載の化合物半導体基板の製造方法。   6. The compound semiconductor according to claim 5, wherein the intermediate layer is an AlN layer (w = 0, x = 0), and the nitride semiconductor single crystal layer is a GaN layer (y = 0, z = 1). A method for manufacturing a substrate. 前記中間層の膜厚を10〜50nmとすることを特徴とする請求項5または6記載の化合物半導体基板の製造方法。   The method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to claim 5 or 6, wherein the thickness of the intermediate layer is 10 to 50 nm.
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