JP2010180111A - Self-support substrate and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-quality GaN-based semiconductor self-support substrate for a substrate giving sufficient electronic device characteristics. <P>SOLUTION: The self-support substrate comprises a GaN-based semiconductor and is characterized by that, when a Schottky diode is formed by directly using Ni as a metal electrode on the surface of the self-support substrate, the ideality factor n-value in the current-voltage characteristics is 1 or more and 1.3 or less. Preferably, when the Schottky diode is formed, a current value under application of -5 V reverse voltage is not more than 50 times as the theoretical current value calculated as a sum of the calculated values by a thermal-field emission model and by a thermoelectronic emission model. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、GaN系半導体からなる自立基板、およびその製造方法に関するものある。さらに詳しくは、良質なGaN系自立基板として有用な、GaN系半導体からなる自立基板、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor that is useful as a high-quality GaN-based free-standing substrate, and a manufacturing method thereof.

近年、自動車搭載用のインバーターなどに使われる大きな耐圧を必要とするパワーデバイスや高周波デバイス、高温動作デバイス用の材料として炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)が注目されている。これらの材料は、すでに可視光を発光するデバイスに応用されているが、大きな禁制帯幅や絶縁耐圧が注目され電子デバイス用途としても期待されている。これら材料が注目される理由のもう一つの側面は、代表的な半導体材料である珪素(Si)と同様にクラーク数が大きく、毒性のない元素で構成されていることにある。   In recent years, silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) have been attracting attention as materials for power devices, high-frequency devices, and high-temperature operation devices that are used in inverters mounted on automobiles and the like that require a large withstand voltage. These materials have already been applied to devices that emit visible light, but their large forbidden band width and withstand voltage are attracting attention and are expected as electronic device applications. Another aspect of the reason that these materials are attracting attention is that they are composed of non-toxic elements having a large Clarke number like silicon (Si), which is a typical semiconductor material.

上記したパワーデバイスの一つとして期待されているものがショットキーダイオードである。ショットキーダイオードは、それ自体、高速スイッチングダイオードとして電源回路などにおける重要部品であるが、材料の電子デバイス用途としてのポテンシャルを評価する上で重要なデバイスである。事実、すでに商品化されているSiCを用いたパワーデバイスはショットキーダイオードである。   A Schottky diode is expected as one of the power devices described above. The Schottky diode itself is an important component in a power supply circuit and the like as a high-speed switching diode, but is an important device for evaluating the potential of a material as an electronic device. In fact, a power device using SiC that has already been commercialized is a Schottky diode.

特にGaNは、SiCと比較しても禁制帯幅が広く、かつ電子移動度も高く、加えてAlやInをGaサイトに置換するバンドエンジニアリング可能など諸物性に優れており、パワーデバイス材料として期待されている。
さて、こうしたGaNを代表とする窒化物半導体ショットキーダイオードでは、リーク電流が多い、電流電圧特性における理想因子n値が悪い、耐圧が低い、オン抵抗が高い、素子寿命が短いなどの問題があり、電子デバイス特性の改善が望まれている。
In particular, GaN has a wider forbidden band than SiC and high electron mobility. In addition, it has excellent physical properties such as band engineering that replaces Al and In with Ga sites, and is expected as a power device material. Has been.
Nitride semiconductor Schottky diodes represented by GaN have problems such as large leakage current, poor ideal factor n value in current-voltage characteristics, low breakdown voltage, high on-resistance, and short device life. Improvement of electronic device characteristics is desired.

特許文献1においてはこの原因に言及し、窒化ガリウム系半導体中の不純物および転位はアクセプタとして働くこと、そして、5×1016cm−3未満の電子濃度の領域では、ドナー濃度に対する不純物および転位の割合が高くなるので、この電子濃度未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体を形成する場合には、不純物および転位に起因するアクセプタ濃度がドナー濃度に対して無視できなくなることを指摘している。すなわち、5×1016cm−3未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体では、不純物濃度および転位の数を制御しなければ、所望のキャリア濃度の窒化ガリウム系半導体を成長することができず良好なショットキーダイオード特性も得られないことを指摘している。 Patent Document 1 refers to this cause. Impurities and dislocations in gallium nitride semiconductors act as acceptors, and in regions with an electron concentration of less than 5 × 10 16 cm −3 , impurities and dislocations with respect to donor concentration Since the ratio increases, it is pointed out that when forming a gallium nitride semiconductor having an electron concentration lower than this electron concentration, the acceptor concentration caused by impurities and dislocations cannot be ignored with respect to the donor concentration. That is, in a gallium nitride semiconductor having an electron concentration of less than 5 × 10 16 cm −3 , a gallium nitride semiconductor having a desired carrier concentration cannot be grown unless the impurity concentration and the number of dislocations are controlled. It is pointed out that no Schottky diode characteristics can be obtained.

この問題を解決するため、特許文献1では、良好な電子デバイス特性を呈する半導体層は、III族窒化物支持基体と、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有してお
り、前記III族窒化物基板上に設けられた第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層とを備
え、前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、前記窒化ガリウム系エピタキシャル層は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有しており、前記第1 の窒化ガリウム系エピタキシャル層は1×5×10cm−2未満の転
位密度を有する窒化物半導体が開示されている。
In order to solve this problem, in Patent Document 1, a semiconductor layer exhibiting good electronic device characteristics has a group III nitride support base and an electron carrier concentration of less than 5 × 10 16 cm −3 , A first gallium nitride-based epitaxial layer provided on a group III nitride substrate, a donor dopant is added to the first gallium nitride-based epitaxial layer, and the gallium nitride-based epitaxial layer is 2 × A nitride semiconductor having a carbon concentration of less than 10 16 cm −3 and a dislocation density of less than 1 × 5 × 10 8 cm −2 in the first gallium nitride based epitaxial layer is disclosed.

特許文献1ではIII族窒化物支持基体としてはサファイア基板上に窒化ガリウム領域が
形成されたテンプレート(貫通転位密度は1×10cm−3)とGaNウエハ(貫通転位密度は1×10cm−3)のものを用い、この上に有機金属気相成長(MOCVD)
法でエピタキシャル層を形成したもので良好な電子デバイス特性が得られることが開示されている。例えば上記、エピタキシャル層上に形成されたショットキーダイオードの電流電圧特性における理想因子、いわゆるn値は1.03〜1.05という良い値が提示されており、GaNが電子デバイス用材料としてもポテンシャルの高いものであることが裏付けられている。
In Patent Document 1, as a group III nitride support substrate, a template in which a gallium nitride region is formed on a sapphire substrate (threading dislocation density is 1 × 10 8 cm −3 ) and a GaN wafer (threading dislocation density is 1 × 10 6 cm). -3 ), metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD)
It is disclosed that good electronic device characteristics can be obtained by forming an epitaxial layer by the method. For example, the ideal factor in the current-voltage characteristics of the Schottky diode formed on the epitaxial layer, the so-called n value, is a good value of 1.03 to 1.05, and GaN is also a potential as an electronic device material. It is confirmed that it is high.

一方、GaN系材料を、ショットキーダイオードの基板や発光ダイオード(LDやLED)の結晶成長基板など、自立基板として製造する場合は、特許文献1のようなGaNウェハにMOCVD法でさらにエピタキシャル層を形成したものを用いることは、工程の煩雑やコストの面で産業上必ずしも有効ではない。そこで、GaN系半導体からなる自立基板での高品質化が望まれる。   On the other hand, when manufacturing a GaN-based material as a free-standing substrate such as a Schottky diode substrate or a light-emitting diode (LD or LED) crystal growth substrate, an epitaxial layer is further formed on the GaN wafer as in Patent Document 1 by MOCVD. Use of the formed one is not always effective in the industry in terms of process complexity and cost. Therefore, it is desired to improve the quality of a free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor.

特許文献2には、熱伝導率が高く高品質な窒化ガリウム系材料とその製造方法が記載されているが、前述のショットキーダイオードの電子デバイス特性や、発光ダイオードのデバイス特性等を向上し、これらの実用化に寄与するためには、さらなるGaN系半導体自立基板の品質向上が求められていた。
非特許文献1では様々なCMP(Chemical Mechanical Polishing)で処理したGaN自立基板に直接ショットキーダイオードに加工した例が示されているが、n値は1.5以上であり、障壁高さも、本来Ni/GaNから期待される値よりもかなり小さく、結果として極めて大きな逆方向リーク電流を招いている。
Patent Document 2 describes a high-quality and high-quality gallium nitride-based material and a method for manufacturing the same, but improves the electronic device characteristics of the aforementioned Schottky diode, the device characteristics of the light-emitting diode, and the like. In order to contribute to the practical use of these, further quality improvement of the GaN-based semiconductor free-standing substrate has been demanded.
Non-Patent Document 1 shows an example in which a GaN free-standing substrate processed by various CMP (Chemical Mechanical Polishing) is directly processed into a Schottky diode, but the n value is 1.5 or more, and the barrier height is originally It is much smaller than expected from Ni / GaN, resulting in a very large reverse leakage current.

これは、従来のGaN系半導体からなる自立基板の結晶性、表面状態などが、エピタキシャル成長用の基板としてはある程度の品質に達している一方で、それ自体を電子デバイスに用いるという観点では、まだ不十分であることを示している。自立基板を直接デバイスに用いる場合は、結晶性や表面状態に求められる要請を明らかにし、それに応えうる結晶成長プロセスや、加工プロセス、表面処理プロセスを確立しなければならず、さらなる研究開発が必要であった。   This is because the crystallinity, surface state, etc. of a conventional free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor have reached a certain level of quality as a substrate for epitaxial growth, but it is still unsatisfactory from the viewpoint of using it as an electronic device. It is enough. When using a self-supporting substrate directly in a device, it is necessary to clarify the requirements for crystallinity and surface condition, and to establish a crystal growth process, processing process, and surface treatment process that can meet these requirements, and further research and development are required. Met.

特開2007−149985号公報JP 2007-149985 A 特開2007−277077号公報JP 2007-277077 A Applied Surface Science 255(2008)3085頁−3089Applied Surface Science 255 (2008), pages 3085-3089.

前述のように、GaN系半導体は、ショットキーダイオード、発光ダイオード等の電子デバイス用材料として優れたポテンシャルを持っている。しかしながら、半導体材料として90%を越える供給が成されているシリコンでは大部分はエピタキシャル層を用いていないように、従来の電子デバイスは自立基板そのものの上にデバイスが形成されてきており、特許文献1のような、GaNウェハにMOCVD法でさらにエピタキシャル層を形成する方法は、工程の煩雑およびコスト面から改善の余地があった。一方、GaN系半導体自立基板そのものも充分な特性が得られないという問題も有していた。     As described above, GaN-based semiconductors have excellent potential as materials for electronic devices such as Schottky diodes and light-emitting diodes. However, in silicon where supply of over 90% is made as a semiconductor material, most of the conventional electronic devices are formed on a self-supporting substrate so that an epitaxial layer is not used. The method of forming an epitaxial layer on the GaN wafer by MOCVD as in No. 1 has room for improvement in terms of process complexity and cost. On the other hand, the GaN-based semiconductor free-standing substrate itself has a problem that sufficient characteristics cannot be obtained.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、充分な電子デバイス特性が得ることのできる高品質な基板用GaN系半導体自立基板を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a high-quality GaN-based semiconductor free-standing substrate for a substrate that can obtain sufficient electronic device characteristics.

本発明者らは鋭意検討の結果、ショットキーダイオードが電子デバイス用途としてのポ
テンシャルを評価する上で重要なデバイスであることに鑑み、ショットキーダイオードの電子デバイス特性をGaN系半導体ウェハーの品質特性の指標とすることに着目した。その上で、前記品質特性が高いGaN系半導体からなる自立基板とその製造方法を見出した。
As a result of intensive studies, the present inventors have considered that the Schottky diode is an important device for evaluating the potential for use as an electronic device. Focused on the index. Then, the present inventors have found a self-standing substrate made of a GaN-based semiconductor having high quality characteristics and a method for manufacturing the same.

即ち、本発明の要旨は、以下の〔1〕〜〔15〕に存する。
〔1〕GaN系半導体からなる自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、電流−電圧特性における理想因子n値が1以上1.3以下となることを特徴とする自立基板。
〔2〕前記〔1〕に記載の自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、逆方向電圧−5V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下となることを特徴とする自立基板。
That is, the gist of the present invention resides in the following [1] to [15].
[1] A free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor, and when a Schottky diode is formed directly on the surface of the free-standing substrate using Ni as a metal electrode, an ideal factor n value in current-voltage characteristics is 1 or more and 1.3 or less A self-supporting board characterized by
[2] The self-standing substrate according to [1], wherein when a Schottky diode is formed using Ni as a metal electrode directly on the surface of the self-standing substrate, a current value when a reverse voltage of −5 V is applied is a thermal electric field. A self-supporting substrate characterized by being 50 times or less of a theoretical current value calculated as a sum of calculated values of an emission model and a thermal electron emission model.

〔3〕GaN系半導体からなる自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、逆方向電圧−5V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下となることを特徴とする自立基板。
〔4〕TEMによる断面格子像観察での格子の乱れを観察することにより測定される表面のダメージ深さが10nm以下である前記〔1〕から〔3〕の自立基板。
[3] A free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor, and when a Schottky diode is formed directly on the surface of the free-standing substrate using Ni as a metal electrode, the current value when a reverse voltage of −5 V is applied is a thermal field emission model And a self-standing substrate characterized in that it is not more than 50 times the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal electron emission model.
[4] The self-supporting substrate according to any one of [1] to [3], wherein the damage depth of the surface measured by observing the lattice disturbance in the cross-sectional lattice image observation by TEM is 10 nm or less.

〔5〕TOF−SIMSにより、一次イオンAu、一次イオン加速電圧25kV、走査領域200μm角、二次イオン積算時間150秒において測定されるSi/Gaのイオン
マススペクトルのピーク強度比が0.01以下である前記〔1〕から〔4〕の自立基板。
〔6〕AFM(Atomic Force Microscopy)により、周辺1mmを除いた領域において測定される、1×1μmにおけるRMS値が1nm以下である前記〔1〕〜〔5〕の自立基板。
[5] The peak intensity ratio of the ion mass spectrum of Si / Ga measured by TOF-SIMS at a primary ion Au, a primary ion acceleration voltage of 25 kV, a scanning area of 200 μm square, and a secondary ion integration time of 150 seconds is 0.01 or less. The self-supporting substrate according to [1] to [4].
[6] The self-supporting substrate according to any one of [1] to [5], wherein an RMS value at 1 × 1 μm 2 is 1 nm or less measured in an area excluding the peripheral 1 mm by AFM (Atomic Force Microscopy).

〔7〕転位密度が5×10cm―2以下である前記〔1〕から〔6〕の自立基板。
〔8〕GaN系半導体がAlInGa(1−x−y)N(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、[x+y]<1)からなる前記〔1〕から〔7〕の自立基板。
〔9〕x+y<0.5である前記〔8〕の自立基板。
〔10〕室温での熱伝導率が250(W/m・K)以上である前記〔1〕から〔9〕の自立基板。
[7] The self-supporting substrate according to [1] to [6], wherein the dislocation density is 5 × 10 6 cm −2 or less.
[8] The above [1] to [7], wherein the GaN-based semiconductor is made of Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, [x + y] <1). ] Free standing substrate.
[9] The self-supporting substrate according to [8], wherein x + y <0.5.
[10] The self-supporting substrate according to [1] to [9], wherein the thermal conductivity at room temperature is 250 (W / m · K) or more.

〔11〕前記〔1〕〜〔10〕の自立基板を製造する方法であって、
(1)GaN系半導体を成長させる成長工程
(2)研磨工程
(3)こすり洗浄工程
を含むことを特徴とする自立基板の製造方法。
[11] A method for manufacturing the self-supporting substrate according to [1] to [10],
(1) A growth process for growing a GaN-based semiconductor, (2) a polishing process, and (3) a rubbing cleaning process.

〔12〕前記〔1〕から〔10〕の自立基板を製造する方法であって、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth)法によってGaN系半導体を成長させる成長工程を含むことを特徴とする自立基板の製造方法。
〔13〕前記成長工程において、
ガスを含むキャリアガスと、GaClガスと、NHガスとを反応室に供給し、成長温度を900℃以上1200℃以下とし、成長圧力を8.08×10Pa以上1.21×10Pa以下とし、GaClガスの分圧を1.0×10Pa以上1.0×10Pa以下とし、NHガスの分圧を9.1×10Pa以上かつ2.0×10Pa以下とする、前記〔11〕または〔12〕の自立基板の製造方法。
[12] A method of manufacturing a self-supporting substrate according to [1] to [10], comprising a growth step of growing a GaN-based semiconductor by an HVPE (Hydride Vapor Phase Growth Growth) method. Production method.
[13] In the growth step,
A carrier gas containing H 2 gas, GaCl gas, and NH 3 gas are supplied to the reaction chamber, the growth temperature is set to 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and the growth pressure is set to 8.08 × 10 4 Pa or higher and 1.21 ×. 10 5 Pa or less, GaCl gas partial pressure of 1.0 × 10 2 Pa to 1.0 × 10 4 Pa and NH 3 gas partial pressure of 9.1 × 10 2 Pa to 2.0 × The method for producing a self-supporting substrate according to [11] or [12], wherein the pressure is 10 4 Pa or less.

〔14〕前記成長工程の後に、研磨レートを1000nm/時間以下とする研磨工程を含む前記〔11〕から〔13〕の自立基板の製造方法。
〔15〕前記成長工程の後に、こすり洗浄工程を含む前記〔12〕から〔14〕に記載の自立基板の製造方法。
[14] The method for manufacturing a self-supporting substrate according to [11] to [13], further including a polishing step of setting a polishing rate to 1000 nm / hour or less after the growth step.
[15] The method for manufacturing a self-supporting substrate according to [12] to [14], including a rubbing cleaning step after the growth step.

本発明によれば、充分な電子デバイス特性が得ることのできる高品質な基板用GaN系半導体自立基板を提供することができる。例えば、GaN系材料によるショットキーダイオードが実用化可能であるのみならず、ショットキー障壁をゲートとするGaN系材料における電界効果トランジスタなどの実用化が可能となる。特にGaN系材料からなる支持基板上にさらにエピタキシャル成長することを要さず、表面に直接ショットキーダイオードを形成しても優れた特性を示すことができる。また、例えば、LEDやLDなどの半導体発光素子の結晶成長用基板として用いることも可能であり、これによりパワーデバイスとしての半導体発光素子の実用化が可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-quality GaN-based semiconductor free-standing substrate for a substrate that can obtain sufficient electronic device characteristics. For example, not only a GaN-based material Schottky diode can be put into practical use, but also a field-effect transistor in a GaN-based material having a Schottky barrier as a gate can be put into practical use. In particular, it is not necessary to perform further epitaxial growth on a support substrate made of a GaN-based material, and excellent characteristics can be exhibited even if a Schottky diode is directly formed on the surface. Further, for example, it can be used as a substrate for crystal growth of a semiconductor light emitting element such as an LED or LD, thereby enabling practical use of the semiconductor light emitting element as a power device.

レーザーフラッシュ法の測定原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement principle of a laser flash method. 本発明においてGaN系厚膜材料よりなる支持基体の製造に用いたHVPE装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the HVPE apparatus used for manufacture of the support base | substrate which consists of a GaN-type thick film material in this invention. AFMによる表面粗さ測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the surface roughness measurement by AFM. 実施例で得られたショットキーダイオードの構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the Schottky diode obtained in the Example. 実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成された本発明のショットキーダイオードの電流−電圧特性(順方向特性)の例である。2本の実線は、n値がそれぞれ、n=1およびn=2の場合の傾きを、参考として示すものである。It is an example of the current-voltage characteristic (forward characteristic) of the Schottky diode of this invention formed on the self-supporting GaN crystal substrate whose effective donor density | concentration is 1 * 10 < 16 > atoms / cm < 3 >. The two solid lines show the slopes when the n value is n = 1 and n = 2, respectively, as a reference. 実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成された本発明のショットキーダイオードの電流−電圧特性(逆方向特性)の例である。太い実線は、理論値、すなわち、熱電界放出電流と影像力による障壁低下を考慮した熱電子放出電流の和を示すものである。点線は実測値が理論値の10倍以下になっていることを分かりやすくするため、理論値を10倍したものである。It is an example of the current-voltage characteristic (reverse direction characteristic) of the Schottky diode of this invention formed on the self-supporting GaN crystal substrate whose effective donor density | concentration is 1 * 10 < 16 > atoms / cm < 3 >. The thick solid line represents the theoretical value, that is, the sum of the thermal field emission current and thermionic emission current considering the barrier drop due to image power. The dotted line is a value obtained by multiplying the theoretical value by 10 to make it easy to understand that the actually measured value is 10 times or less of the theoretical value. 実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成された本発明のショットキーダイオードのn値と障壁高さの例を示す図である。It is a figure which shows the example of n value and barrier height of the Schottky diode of this invention formed on the self-supporting GaN crystal substrate whose effective donor density | concentration is 1 * 10 < 16 > atoms / cm < 3 >. 実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成された本発明のダイオードについて−200Vまでの逆方向特性の評価を行った結果(電流−電圧特性)を示す図である。太い実線は、理論値、すなわち、熱電界放出電流と影像力による障壁低下を考慮した熱電子放出電流の和を示すものであり、点線は実測値が理論値の10倍以下になっていることを分かりやすくするため、理論値を10倍したものである。The figure which shows the result (current-voltage characteristic) which evaluated the reverse direction characteristic to -200V about the diode of this invention formed on the self-supporting GaN crystal substrate whose effective donor density | concentration is 1 * 10 < 16 > atoms / cm < 3 >. It is. The thick solid line indicates the theoretical value, ie, the sum of the thermal field emission current and thermionic emission current considering the barrier drop due to image power, and the dotted line indicates that the measured value is 10 times or less of the theoretical value. To make it easier to understand, the theoretical value is multiplied by 10. 実線は本発明のショットキーダイオードにつき、逆方向電圧−5Vおよび−50Vにおける、熱電界放出電流と影像力による障壁低下を考慮した熱電子放出電流の和を計算し、実効ドナー濃度Nに対してプロットしたものである。白丸と黒丸はそれぞれ逆方向電圧−5Vおよび−50Vにおける電流値の実測値である。The solid line per Schottky diode of the present invention, the reverse voltage -5V and -50 V, the sum of the thermal electron emission current in consideration of the barrier lowering by the thermal-field emission current and imaging force calculates, with respect to the effective donor concentration N d And plotted. White circles and black circles are measured values of current values at reverse voltages of -5 V and -50 V, respectively.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内であれば種々に変更して実施することができる。
[1]GaN系半導体からなる自立基板
本発明を構成するGaN系半導体とは、GaNを主成分とするIII−V族化合物半導体
材料であり、III族元素としては、一般に、Gaを最も多く含み、一部がAlやInによ
って置換されており、V族元素はNである。従って、一般式で表記すれば、AlInGa(1−x−y)N(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、[x+y]<1)となる。なお、当該GaN系材料のIII族元素は過半数がGaであること、すなわち、上記x及びyは
、[x+y]<0.5の不等式を満足することが好ましい。また、このようなGaN系材料には、微量の不純物や導電型の調整用に意図的に添加されたp型又はn型の不純物がドーピングされたGaN系材料が含まれることは、言うまでもない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
[1] A self-supporting substrate made of a GaN-based semiconductor The GaN-based semiconductor constituting the present invention is a III-V group compound semiconductor material containing GaN as a main component, and the group III element generally contains the most Ga. , Part of which is replaced by Al or In, and the group V element is N. Accordingly, when expressed by a general formula, it becomes Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, [x + y] <1). The majority of the group III elements of the GaN-based material is preferably Ga, that is, x and y preferably satisfy the inequality [x + y] <0.5. Further, it goes without saying that such GaN-based materials include GaN-based materials doped with a small amount of impurities or p-type or n-type impurities intentionally added for adjusting the conductivity type.

本発明の自立基板は、GaN系半導体からなるものであり、GaN系半導体を支持基板として、さらにエピタキシャル成長した複数の層からなるGaN系半導体からなるものを含まない。すなわち、自立基板とは、下地基板を剥離した厚膜材料層であるもの、または当該厚膜材料層をワイヤーソー等で切り出したウェハー等をいい、その後にエピタキシャル層を行うものを含まない。なお、下地基板を剥離しない厚膜材料層も本発明の効果を奏することができる。この場合、本発明の効果を呈するに必要な材料特性を得るためには下地基板の上に適当な厚さを有する厚膜材料層を形成する必要がある。下地基板の厚さは、通常10μm以上、好ましくは30μm以上、更に好ましくは50μm以上である。   The self-supporting substrate of the present invention is made of a GaN-based semiconductor, and does not include a substrate made of a GaN-based semiconductor composed of a plurality of epitaxially grown layers using the GaN-based semiconductor as a supporting substrate. That is, the free-standing substrate refers to a thick film material layer from which a base substrate has been peeled, or a wafer obtained by cutting the thick film material layer with a wire saw or the like, and does not include an epitaxial layer formed thereafter. In addition, the thick film material layer which does not peel a base substrate can also show the effect of this invention. In this case, it is necessary to form a thick film material layer having an appropriate thickness on the base substrate in order to obtain material characteristics necessary for exhibiting the effects of the present invention. The thickness of the base substrate is usually 10 μm or more, preferably 30 μm or more, and more preferably 50 μm or more.

[2]ショットキーダイオード特性
ショットキーダイオードのデバイス特性は、言うまでもなく、ショットキー接合が形成される金属と半導体の界面特性に顕著に影響を受ける。そして、デバイス特性が損なされる要因としては、半導体表面の研磨等によるダメージや汚染、或いは凹凸などが考えられる。
[2] Schottky Diode Characteristics Needless to say, the device characteristics of a Schottky diode are significantly affected by the interface characteristics between a metal and a semiconductor where a Schottky junction is formed. As a factor that impairs device characteristics, damage or contamination due to polishing of the semiconductor surface, or unevenness may be considered.

半導体領域にダメージや汚染に起因する不純物準位が多く存在するショットキーダイオードに順方向電圧を印加すると、金属/半導体界面領域でキャリア再結合が生じる結果、ショットキーダイオードの順方向電流における理想因子(n値)は理想値である1から外れて2に近づき、逆方向電流の飽和電流値も増大する。
また、金属/半導体界面の凹凸は局所的電界集中の原因となり、順方向電流のトンネリング電流成分を増加させるが、当該トンネリング電流成分が大きい場合には、n値は2よりもさらに大きな値となる場合がある。また、電界集中の影響は逆方向電流特性において顕著であり、低電圧印加時においてもトンネリングや局所的ななだれ増倍を発生させるため、逆方向電流を増大させる原因となる。
When forward voltage is applied to a Schottky diode that has many impurity levels due to damage or contamination in the semiconductor region, carrier recombination occurs in the metal / semiconductor interface region, resulting in an ideal factor in the forward current of the Schottky diode. The (n value) deviates from the ideal value of 1 and approaches 2, and the saturation current value of the reverse current increases.
In addition, the unevenness of the metal / semiconductor interface causes local electric field concentration, and increases the tunneling current component of the forward current. However, when the tunneling current component is large, the n value is larger than 2. There is a case. In addition, the effect of electric field concentration is significant in the reverse current characteristics, and tunneling and local avalanche multiplication are generated even when a low voltage is applied, which increases the reverse current.

順方向電圧印加時のキャリア再結合やトンネリング電流の発生はダイオード損失の原因となる。また、逆方向電流成分の増大はショットーダイオードの整流特性を損なう原因となる。つまり、良好なデバイス特性のショットキーダイオードを得るためには、半導体表面の高品質化が極めて重要である。
このような原理を応用して、本発明では、GaN系半導体からなる自立基板として、下記の諸特性(表面状態、表面不純物レベル、転位密度、熱伝導率)を有することを特徴とする。
The occurrence of carrier recombination and tunneling current when a forward voltage is applied causes diode loss. In addition, an increase in the reverse current component is a cause of impairing the rectification characteristics of the Schottky diode. That is, in order to obtain a Schottky diode with good device characteristics, it is extremely important to improve the quality of the semiconductor surface.
By applying such a principle, the present invention is characterized in that it has the following characteristics (surface state, surface impurity level, dislocation density, thermal conductivity) as a self-standing substrate made of a GaN-based semiconductor.

すなわち、本発明の自立基板は、表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、優れた電子デバイス特性を有する。以下に各特性について詳述する。
なお、下記の値のうち測定値(例えば、後述するショットキーダイオード形成して測定した場合のn値、および電流値等)および、理論値(例えば、熱電界放出モデルの計算値、熱電子放出モデルの計算値、およびこれらの和として計算した理論電流値等)は、自立基板の温度が16℃を想定した場合の数値とする。
That is, the self-supporting substrate of the present invention has excellent electronic device characteristics when a Schottky diode is formed directly on the surface using Ni as a metal electrode. Each characteristic will be described in detail below.
Of the following values, measured values (for example, n value and current value when measured after forming a Schottky diode described later) and theoretical values (for example, calculated values of thermal field emission model, thermionic emission) The model calculated value and the theoretical current value calculated as the sum of these values are the values when the temperature of the freestanding substrate is assumed to be 16 ° C.

[2−1]電流−電圧特性における理想因子n値
本発明の自立基板は、表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、電流−電圧特性における理想因子n値が、1以上1.3以下となることが特徴である。かかる特性を有することにより、結晶性が優れ、かつ基板用ウェハーとして実用に耐える高品質な自立基板を得ることができる。なお、n値は、1に近い程好ましく、好ましい上限は、1.2以下であり、さらに好ましくは1.1以下である。
[2-1] Ideal Factor n Value in Current-Voltage Characteristics When a Schottky diode is formed directly on the surface of the self-standing substrate of the present invention using Ni as a metal electrode, the ideal factor n value in current-voltage characteristics is 1 or more. It is characterized by being 1.3 or less. By having such characteristics, it is possible to obtain a high-quality free-standing substrate that has excellent crystallinity and can withstand practical use as a substrate wafer. In addition, n value is so preferable that it is close to 1, and a preferable upper limit is 1.2 or less, More preferably, it is 1.1 or less.

なお、ショットキーダイオードは以下のように形成する。まず、本発明の自立基板の洗浄を行う。具体的には、例えばシリコン技術で有効なSPM処理、塩酸処理、王水処理、続いてHF処理を行い、純水で充分に洗浄して窒素ガスを吹き付けて前記ウェハーから純水を取り除き乾燥させる。次に、ショットキー電極を形成するに先立ち、まずオーム性電極を形成する。前記自立基板の裏面に、Tiを20nm、Alを200nm蒸着し、これをN中、750℃で3分間熱処理してオーム性電極を作る。 The Schottky diode is formed as follows. First, the free-standing substrate of the present invention is cleaned. Specifically, for example, SPM treatment effective in silicon technology, hydrochloric acid treatment, aqua regia treatment, and HF treatment are performed, and the wafer is thoroughly washed with pure water and blown with nitrogen gas to remove pure water from the wafer and dry it. . Next, prior to forming the Schottky electrode, an ohmic electrode is first formed. On the back surface of the free-standing substrate, Ti is deposited to 20 nm and Al is deposited to 200 nm, and this is heat-treated in N 2 at 750 ° C. for 3 minutes to form an ohmic electrode.

次にメタノール中で超音波洗浄してショットキー電極を形成する。全面にショットキー障壁用の金属としてNiを蒸着により形成する。次に通常のフォトリソグラフィープロセスを用いて直径100nmΦのショットキー電極パターンを形成する。レジストでマスクされた電極パターン以外の金属は市販のFeCl水溶液(FeCl3・4H2O:H2O =2:3)を超純水で10倍〜14倍程度に希釈した溶液を用いて室温で選択エッチングする。なお、ショットキー電極の直径を100μmφとしているのは、パターン形成が容易であることと、この中には転位が100個から300個程度存在するため支持基体の平均的情報を得ることができるためである。 Next, ultrasonic cleaning is performed in methanol to form a Schottky electrode. Ni is formed on the entire surface by vapor deposition as a Schottky barrier metal. Next, a Schottky electrode pattern having a diameter of 100 nmΦ is formed using a normal photolithography process. Metals other than the electrode pattern masked with resist are selectively etched at room temperature using a solution obtained by diluting a commercially available FeCl 3 aqueous solution (FeCl 3 .4H 2 O: H 2 O = 2: 3) with ultrapure water to about 10 to 14 times. . The reason why the diameter of the Schottky electrode is set to 100 μmφ is that pattern formation is easy, and since there are about 100 to 300 dislocations in this, average information of the support substrate can be obtained. It is.

[2−2]逆方向電圧印加時の電流値
また、本発明の自立基板は、前記特性に加え、または独立して、表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、逆方向電圧−5V印加時の電流値が熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下であり、さらに好ましくは3倍以下であることが特徴である。かかる特性を有することにより、結晶性が優れ、かつ実用に耐える高品質な自立基板を得ることができる。
[2-2] Current value when reverse voltage is applied Further, in addition to the above characteristics, the self-standing substrate of the present invention has a reverse direction when a Schottky diode is formed directly on the surface with Ni as a metal electrode. The current value when a voltage of -5 V is applied is not more than 50 times, preferably not more than 10 times, more preferably not more than 3 times the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermionic emission model. It is a feature. By having such characteristics, it is possible to obtain a high-quality free-standing substrate that has excellent crystallinity and can withstand practical use.

ショットキーダイオードの形成方法は、[2−1]において前述したものと同じである。
また、本発明の自立基板の更に好ましい態様としては、前述のショットキーダイオードを形成し、逆方向電圧−50V印加時の電流値が熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下であり、さらに好ましくは3倍以下であることが特徴である。
The formation method of the Schottky diode is the same as that described above in [2-1].
Further, as a more preferable aspect of the self-supporting substrate of the present invention, the aforementioned Schottky diode is formed, and the current value at the time of applying the reverse voltage of −50 V is calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermoelectron emission model. The theoretical current value is 50 times or less, preferably 10 times or less, and more preferably 3 times or less.

また、本発明の自立基板の特に好ましい態様としては、逆方向電圧−200V印加時の電流値が熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下であり、さらに好ましくは3倍以下であることが特徴である。
かかる特性を有する自立基板がこれまでに存在しなかったことはもとより、かかる評価法をもって自立基板の特性を確認することは、これまで当業者において行われていなかった。本発明において、かかる簡便かつ正確な評価により特性を把握し、これを満たす自立基板を製品化することは、電気的特性に優れる高品質な自立基板を提供する上で、技術的意義が極めて高いものである。
Further, as a particularly preferable aspect of the self-standing substrate of the present invention, the current value at the time of applying a reverse voltage of −200 V is 50 times or less of the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermal electron emission model It is preferably 10 times or less, more preferably 3 times or less.
In addition to the fact that no self-supporting substrate having such characteristics has existed so far, it has not been performed by those skilled in the art to confirm the characteristics of the self-supporting substrate using such an evaluation method. In the present invention, grasping the characteristics by such simple and accurate evaluation and commercializing a self-supporting substrate satisfying the characteristics has a very high technical significance in providing a high-quality self-supporting substrate having excellent electrical characteristics. Is.

[3]その他特性
ショットキーダイオード特性は金属と半導体の界面特性に顕著に影響を受ける。電子
デバイス特性を損なう原因としては、表面の研磨等によるダメージや汚染、凹凸などが考えられる。
半導体領域にダメージや汚染に起因する欠陥準位が多く存在するショットキーダイオードに順方向電圧を印加すると、金属/半導体界面付近で理想状態と異なる電流輸送が生じる結果、ショットキーダイオードの順方向電流における理想因子(n値)は理想値である1から大きく外れ、また、逆方向電流の電流値も増大する。
[3] Other characteristics Schottky diode characteristics are significantly affected by the interface characteristics between metal and semiconductor. Possible causes of damage to electronic device characteristics include damage due to surface polishing, contamination, and unevenness.
When a forward voltage is applied to a Schottky diode that has many defect levels due to damage or contamination in the semiconductor region, current transport that differs from the ideal state occurs near the metal / semiconductor interface, resulting in the forward current of the Schottky diode. The ideal factor (n value) at 1 greatly deviates from the ideal value of 1, and the current value of the reverse current also increases.

また、金属/半導体界面の凹凸は局所的電界集中の原因となり、順方向電流の局所的トンネリング電流成分を増加させるが、当該トンネリング電流成分が大きい場合には、n値は2よりもさらに大きな値となる場合がある。また、電界集中の影響は逆方向電流特性において顕著であり、低電圧印加時においても局所的トンネリングや局所的ななだれ増倍を発生させるため、逆方向電流を増大させる原因となる。
順方向電圧印加時のn値の増大は、オン抵抗の増加につながり、ダイオード損失の原因となる。また、逆方向電流成分の増大はショットーダイオードの整流特性を損ない、これもまた、ダイオードを使用する回路における損失の原因となる。このため、本発明者らは良好なショットキーダイオードの形成には半導体表面の研磨等によるダメージや汚染、あるいは凹凸などの軽減が重要であることを見出した。
In addition, the unevenness of the metal / semiconductor interface causes local electric field concentration and increases the local tunneling current component of the forward current. When the tunneling current component is large, the n value is a value larger than 2. It may become. In addition, the effect of electric field concentration is significant in the reverse current characteristics, and local tunneling and local avalanche multiplication are generated even when a low voltage is applied, causing the reverse current to increase.
An increase in the n value when a forward voltage is applied leads to an increase in on-resistance and causes diode loss. In addition, an increase in the reverse current component impairs the rectification characteristics of the Schottky diode, which also causes a loss in a circuit using the diode. For this reason, the present inventors have found that it is important to reduce damage, contamination, or unevenness due to polishing of the semiconductor surface or the like for the formation of a good Schottky diode.

そこで、本発明の自立基板においては、表面のダメージ深さ、不純物濃度、表面の微視的形状が下記の特性を有するものが好ましい。
[3−1]表面のダメージ深さ
本発明の自立基板は、表面のダメージ深さが通常10nm以下、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下である。ダメージ深さは、TEM(透過型電子顕微鏡、Transmission Electron Microscope)による断面格子像観察での格子の乱れを観察することにより測定できる。断面TEM像により観察される基板表層には、完全結晶部分とは明らかに格子配列の異なる、不完全結晶領域と非晶質層が確認できる。この2つの部分の厚みをダメージ層として測定する。
Therefore, in the self-supporting substrate of the present invention, it is preferable that the surface damage depth, impurity concentration, and surface microscopic shape have the following characteristics.
[3-1] Surface Damage Depth In the self-supporting substrate of the present invention, the surface damage depth is usually 10 nm or less, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. The damage depth can be measured by observing lattice distortion in cross-sectional lattice image observation with a TEM (Transmission Electron Microscope). In the substrate surface layer observed by the cross-sectional TEM image, an incomplete crystal region and an amorphous layer, which are clearly different in lattice arrangement from the complete crystal portion, can be confirmed. The thickness of these two parts is measured as a damage layer.

表面のダメージが深すぎると、デバイスを形成する際、金属と半導体の界面特性が損なわれる。
また、TEMで観察される格子像の乱れた領域にはダメージと共に研磨や洗浄工程において不純物が取り込まれている可能性が高い。
[3−2]不純物濃度
本発明の自立基板はTOF−SIMS(飛行時間形二次イオン質量分析計、Time of Flight−Secondary Ion Mass Spectrometer)により、一次イオンAu、一次イオン加速電圧25kV、走査領域200μm角、二
次イオン積算時間150秒において測定されるSi/Gaのイオンマススペクトルのピーク強度比が、通常0.01以下、更に好ましくは0.005以下である。すなわち、製造工程において付着しやすいSiなどの不純物濃度が極めて低い。前記Si/Gaの強度比が大きすぎると、電子デバイス特性が顕著に低下する場合がある。また、同様の条件においてSiO/Gaの強度比によっても測定することができる場合があり、その場合は、SiO/Gaのイオンマススペクトルのピーク強度比が、通常0.1以下、更に好ましくは0.05以下である。
If the damage on the surface is too deep, the interface characteristics between the metal and the semiconductor are impaired when the device is formed.
In addition, there is a high possibility that impurities in the region where the lattice image observed by the TEM is disturbed are taken in along with the damage in the polishing or cleaning process.
[3-2] Impurity Concentration The self-supporting substrate of the present invention is obtained by TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometer, Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer), primary ion Au, primary ion acceleration voltage 25 kV, scanning region. The peak intensity ratio of the ion mass spectrum of Si / Ga measured at 200 μm square and secondary ion integration time of 150 seconds is usually 0.01 or less, more preferably 0.005 or less. That is, the concentration of impurities such as Si that are easily adhered in the manufacturing process is extremely low. If the Si / Ga intensity ratio is too large, the electronic device characteristics may be significantly reduced. Further, in some cases, it can be measured by the intensity ratio of SiO 2 / Ga under the same conditions. In that case, the peak intensity ratio of the ion mass spectrum of SiO 2 / Ga is usually 0.1 or less, more preferably Is 0.05 or less.

[3−3]表面の微視的形状
本発明の自立基板は、表面が極めて平坦で凹凸が少なく、AFM(原子間力顕微鏡、Atomic Force Microscopy)により、周辺1mmを除いた領域において測定される、1×1μmにおけるおけるRMS値が、通常1nm以下、好ましくは0.5nm以下、さらに好ましくは0.2nm以下である。
[3-3] Microscopic shape of the surface The self-supporting substrate of the present invention has a very flat surface and little unevenness, and is measured by an AFM (Atomic Force Microscopy) in a region excluding the peripheral 1 mm. The RMS value at 1 × 1 μm 2 is usually 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.2 nm or less.

表面の凹凸差が大きすぎると、以後の工程における不純物の付着を助長する場合がある。また、製造時における洗浄工程において、付着した不純物の除去が困難になる場合もある。
なお、本発明の自立基板(ウェハー)の周辺1mmを除いた領域においてRMS値を測定するのは、ウェハー周辺は、その他の加工により表面の凹凸差が大きくなる傾向があるためである。
If the surface unevenness difference is too large, the adhesion of impurities in subsequent processes may be promoted. In addition, it may be difficult to remove adhering impurities in the cleaning process during manufacturing.
The reason why the RMS value is measured in the region excluding the 1 mm periphery of the self-supporting substrate (wafer) of the present invention is that the unevenness of the surface of the wafer periphery tends to increase due to other processing.

[3−4]転位密度
本発明の自立基板は、転位由来の電流漏れ経路や抵抗などを低減し、良好な電気的特性を得る観点から、転位密度が通常1×10cm―2以下、好ましくは5×10cm―2以下、更に好ましくは3×10cm―2以下である。転位密度は、通常CL(カソードルミネッセンス)像で観察されたダークスポットの密度を計算することにより求めることができる。
[3−5]熱伝導率
GaN系の電子デバイスがパワーデバイスとして期待されるものであることは前記したところである。これは禁制帯幅が広く高温での動作が容易なためであるが、デバイスの安定な動作や長寿命化のためには出来る限り、温度上昇なく動作させる必要がある。
[3-4] Dislocation density The self-supporting substrate of the present invention has a dislocation density of usually 1 × 10 7 cm −2 or less from the viewpoint of reducing current leakage paths and resistance derived from dislocations and obtaining good electrical characteristics. Preferably it is 5 × 10 6 cm −2 or less, more preferably 3 × 10 6 cm −2 or less. The dislocation density can be obtained by calculating the density of dark spots usually observed in a CL (cathode luminescence) image.
[3-5] Thermal conductivity As described above, GaN-based electronic devices are expected as power devices. This is because the band gap is wide and the operation at high temperature is easy, but it is necessary to operate without increasing the temperature as much as possible for the stable operation and long life of the device.

このためには、GaN系デバイスにおいても、高いパワーで動作させる場合には効率よく熱放散させる必要がある。たとえば本発明で示したようなパワーデバイスの一要素となるショットキーダイオードにおいて理想的な特性を呈するものが得られたとしても、オーム性電極やGaNバルクそのものの電気抵抗による損失があり、高電流動作では熱が発生する。   For this reason, even in a GaN-based device, it is necessary to efficiently dissipate heat when operating at high power. For example, even if a Schottky diode that is an element of a power device as shown in the present invention has ideal characteristics, there is a loss due to the electrical resistance of the ohmic electrode or the GaN bulk itself, and a high current In operation, heat is generated.

従って、パワーデバイスでは動作領域を極力、ヒートシンク材料に近づける工夫がなされる。動作領域をヒートシンク材料に近づけるためにはデバイス動作領域が形成された半導体基板裏面を削ること、すなわち半導体基板の薄片化が必要になる。この時に10μm厚程度にもなる薄片化はデバイスの製作歩留まりを著しく落とす大きな要因で、パワーデバイスのコスト低減の足枷ともいえるものである。   Therefore, the power device is devised to make the operating region as close to the heat sink material as possible. In order to bring the operation region closer to the heat sink material, it is necessary to cut the back surface of the semiconductor substrate on which the device operation region is formed, that is, to make the semiconductor substrate thinner. At this time, the thinning of the thickness of about 10 μm is a major factor that significantly reduces the device manufacturing yield, and can be said to be a foothold for reducing the cost of the power device.

従って、パワーデバイス用半導体材料において、熱伝導率が高い半導体材料を用いれば薄片化は不要となり、デバイスの歩留まりを向上できる。本発明のGaN系半導体からなる自立基板は、熱伝導率の高いパワーデバイス用途に適した材料であることが好ましい。
かかる観点より、本発明の自立基板は、室温(25℃)における熱伝導率が、通常250W/m・K以上、好ましくは300W/m・K以上、更に好ましくは345W/m・K以上のGaN系半導体であることが好ましい。
Therefore, if a semiconductor material with high thermal conductivity is used in the semiconductor material for power devices, thinning is unnecessary, and the device yield can be improved. The self-supporting substrate made of the GaN-based semiconductor of the present invention is preferably a material suitable for power device applications having high thermal conductivity.
From this point of view, the self-standing substrate of the present invention has a thermal conductivity at room temperature (25 ° C.) of usually 250 W / m · K or more, preferably 300 W / m · K or more, more preferably 345 W / m · K or more. It is preferable that it is a type | system | group semiconductor.

熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により評価することができる。一般に、熱伝導率を直接求めるためには大きな試料を準備して長時間をかけて計測を行う必要がある。これに対して、レーザーフラッシュ法では、小さな試料を用いて短時間に熱伝導率を測定することができる。
図1はレーザーフラッシュ法の測定原理を説明するための図で、この手法では、直径10mm、厚さ1〜5mm程度の円板状試料Sの表面を、パルス幅が数百μsのレーザー光により均一に加熱した後の試料Sの裏面温度変化から、熱拡散率を算出する測定法である。具体的には、熱拡散率αをレーザーフラッシュ法により計測し、他の方法により求めた密度p及び比熱容量Cから、下式(1)式により熱伝導率λを算出する。
The thermal conductivity can be evaluated by a laser flash method. In general, in order to directly determine the thermal conductivity, it is necessary to prepare a large sample and perform measurement for a long time. On the other hand, in the laser flash method, the thermal conductivity can be measured in a short time using a small sample.
FIG. 1 is a diagram for explaining the measurement principle of the laser flash method. In this method, the surface of a disk-shaped sample S having a diameter of about 10 mm and a thickness of about 1 to 5 mm is irradiated with a laser beam having a pulse width of several hundred μs. This is a measurement method for calculating the thermal diffusivity from the change in the temperature of the back surface of the sample S after heating uniformly. Specifically, the thermal diffusivity α is measured by the laser flash method, and the thermal conductivity λ is calculated by the following formula (1) from the density p and the specific heat capacity C p obtained by other methods.

λ=α×ρ×C ・・・(1)
レーザーフラッシュ法は、直径10mm、厚さ1〜5mm程度の円板状試料Sの表面をパルス幅が数百μsのレーザー光により均一に加熱した後の試料Sの裏面温度変化から熱
拡散率を算出する測定法である。断熱条件を仮定した理論解によれば、パルス加熱後の試料Sの裏面温度は上昇し、試料S内の温度分布が均一化されるのに伴って一定値に収束する。レーザーフラッシュ法は、小さい試料を短時間に測定することができ、解析法が簡明であり、室温から200℃以上の高温に至るまでの計測が可能であるため、熱拡散率の標準的かつ実用的計測法として広く用いられる。
λ = α × ρ × C p (1)
In the laser flash method, the thermal diffusivity is calculated from the temperature change of the back surface of the sample S after the surface of the disk-shaped sample S having a diameter of about 10 mm and a thickness of about 1 to 5 mm is uniformly heated by a laser beam having a pulse width of several hundred μs. The measurement method to be calculated. According to the theoretical solution assuming an adiabatic condition, the back surface temperature of the sample S after pulse heating rises and converges to a constant value as the temperature distribution in the sample S becomes uniform. The laser flash method can measure a small sample in a short time, the analysis method is simple, and measurement from room temperature to high temperature of 200 ° C or higher is possible. Widely used as a static measurement method.

ここで、(1)式の適用において、GaNの密度を6.15(g/cm)、比熱を40.8(J/mol・K)とする(Barin, I., O. Knaeke, and
O. Kubasehewski, Thermochemical Propertie
s of Inorganic Substrates, Springer−Verlag, Berlin, 1977)。
Here, in the application of the equation (1), the density of GaN is 6.15 (g / cm 3 ) and the specific heat is 40.8 (J / mol · K) (Barin, I., O. Knaeke, and
O. Kubasehewski, Thermochemical Property
s of Inorganic Substrates, Springer-Verlag, Berlin, 1977).

熱拡散率の計測値は、標準試料を使って更正されうる。例えば、財団法人ファインセラミックセンターから入手可能な多結晶アルミナ(直径10mm、厚さ1mm)を標準試料として用いることができる。
試料Sの裏面温度の変化から熱拡散率αを算出するアルゴリズムとしては、t1/2法を使用した。t1/2法では、試料S裏面の過渡温度上昇の半分まで到達するのに要する時間から(2)式にしたがって熱拡散率αを算出する。ここで、dは試料Sの厚さである。
Thermal diffusivity measurements can be corrected using standard samples. For example, polycrystalline alumina (diameter 10 mm, thickness 1 mm) available from the Fine Ceramic Center Foundation can be used as the standard sample.
As an algorithm for calculating the thermal diffusivity α from the change in the back surface temperature of the sample S, the t1 / 2 method was used. In the t 1/2 method, the thermal diffusivity α is calculated from the time required to reach half of the transient temperature rise on the back surface of the sample S according to the equation (2). Here, d is the thickness of the sample S.

α=0.1388d/t1/2 ・・・(2)
上記の熱伝導率を有する本発明のGaN系半導体は、例えば後述の本発明の自立基板の製造方法によって製造することができる。
本発明で用いたGaN系厚膜材料よりなる支持基体の熱伝導率を測定するに際しては、先ず、支持基体の両面を研磨て成形することにより、10mm×10mm×1mmの板状の評価用試料を作製し、次いで、当該評価用試料の両面に200nm程度の金膜を形成し、レーザー照射面側に更にカーボン膜(厚さ1μm弱)を形成して、これを熱伝導率測定試料とした。
α = 0.1388d 2 / t 1/2 (2)
The GaN-based semiconductor of the present invention having the above-described thermal conductivity can be manufactured, for example, by the method for manufacturing a free-standing substrate of the present invention described later.
When measuring the thermal conductivity of the support substrate made of the GaN-based thick film material used in the present invention, first, a plate-like evaluation sample of 10 mm × 10 mm × 1 mm is obtained by polishing and molding both surfaces of the support substrate. Next, a gold film having a thickness of about 200 nm is formed on both surfaces of the sample for evaluation, and a carbon film (thickness of 1 μm or less) is further formed on the laser irradiation surface side, which is used as a sample for measuring thermal conductivity. .

そして、アルバック理工株式会社製から入手可能な全自動レーザーフラッシュ法熱定数測定装置TC−7000、及び、財団法人ファインセラミックスセンターから入手可能な熱拡散率測定用標準物質TD−ALを使用して、室温における熱伝導率を求めた。
[4]製造方法
本発明の自立基板の製造方法は、
(1)GaN系半導体を成長させる成長工程
を有する。
And, using a fully automatic laser flash method thermal constant measuring device TC-7000 available from ULVAC-RIKO, Inc. and a standard material TD-AL for thermal diffusivity measurement available from the Fine Ceramics Center, The thermal conductivity at room temperature was determined.
[4] Manufacturing method The manufacturing method of the self-supporting substrate of the present invention includes:
(1) It has a growth process for growing a GaN-based semiconductor.

また、好ましくは、前記成長工程の後に
(2)研磨工程
(3)こすり洗浄工程
を有する。
以下、各工程について詳述する。
Preferably, after the growth step, (2) polishing step (3) rubbing cleaning step.
Hereinafter, each process is explained in full detail.

[4−1]成長工程
本発明の自立基板は、HVPE(Hydride Vapor Phase Epita
xial Growth)法、Naフラックス法、ソルボサーマル法などと呼ばれる公知
のGaNバルク成長法により結晶成長を行う成長工程を有する。中でもHVPE法によってGaN系半導体を成長させる成長工程を有するものが好ましい。
[4-1] Growth Process The self-supporting substrate of the present invention is an HVPE (Hydride Vapor Phase Epita).
(xial Growth) method, Na flux method, solvothermal method, etc., and a growth step of performing crystal growth by a known GaN bulk growth method. Among these, those having a growth step of growing a GaN-based semiconductor by the HVPE method are preferable.

HVPE法におけるGaN系半導体の成長方法に特に限定はないが、高品質の結晶を得
るという観点から、前述の特許文献1に記載の成長方法も用いるのが好ましい。以下、特許文献1で開示された成長方法を具体例に挙げてHVPE法による成長工程を説明する。
図2は、本発明のGaN系半導体(以下、適宜「GaN系材料」と称する。)の製造方法に好適なHVPE装置の概略構成を示す図である。HVPE装置100は、例えば、縦型のHVPE装置として構成されうる。縦型HVPE装置は、横型HVPE装置に比べて層流を形成しやすいために、高品質かつ高均一のエピタキシャル成長膜を再現性よく形成でき、バッチ処理(多数枚同時成長)に有利であるという特徴を有する。
Although there is no particular limitation on the growth method of the GaN-based semiconductor in the HVPE method, it is preferable to use the growth method described in Patent Document 1 from the viewpoint of obtaining a high-quality crystal. Hereinafter, the growth process by the HVPE method will be described using the growth method disclosed in Patent Document 1 as a specific example.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an HVPE apparatus suitable for a method for manufacturing a GaN-based semiconductor (hereinafter referred to as “GaN-based material” as appropriate) of the present invention. The HVPE apparatus 100 can be configured as, for example, a vertical HVPE apparatus. The vertical HVPE device is easier to form a laminar flow than the horizontal HVPE device, so it can form a high-quality and highly uniform epitaxially grown film with good reproducibility, and is advantageous for batch processing (simultaneous growth of many sheets). Have

HVPE装置100は、反応室10と、反応室10内に配置された基板支持部30と、ヒータ20とを備えている。反応室10内には、キャリアガス(G1)と、GaClガス(G2)と、NHガス(G3)とが供給できる。キャリアガス(G1)としては、HガスとNガスが供給できるようになっている。また、GaClガス(G2)は、例えば、GaとHClとを反応させて生成される。
GaN系材料を成長させる前記成長工程は、キャリアガスG1と、GaClガスG2と、NHガスG3とを導入室40から反応室10内の下地基板に供給する。
The HVPE apparatus 100 includes a reaction chamber 10, a substrate support unit 30 disposed in the reaction chamber 10, and a heater 20. Carrier gas (G1), GaCl gas (G2), and NH 3 gas (G3) can be supplied into the reaction chamber 10. As the carrier gas (G1), H 2 gas and N 2 gas can be supplied. Moreover, GaCl gas (G2) is produced | generated by making Ga and HCl react, for example.
In the growth process for growing the GaN-based material, a carrier gas G1, a GaCl gas G2, and an NH 3 gas G3 are supplied from the introduction chamber 40 to the base substrate in the reaction chamber 10.

下地基板の温度(成長温度)は、通常900℃以上、好ましくは950℃以上、更に好ましくは1000℃以上であり、通常1200℃以下、好ましくは1150℃以下、更に好ましくは1100℃以下である。
反応室10内の圧力(成長圧力)は、通常8.08×10Pa以上、好ましくは9.09×10Pa以上、更に好ましくは9.60×10Pa以上であり、通常1.21×10Pa以下、好ましくは1.11×10Pa以下、更に好ましくは1.06×10Pa以下である。
The temperature (growth temperature) of the base substrate is usually 900 ° C. or higher, preferably 950 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, and usually 1200 ° C. or lower, preferably 1150 ° C. or lower, more preferably 1100 ° C. or lower.
The pressure (growth pressure) in the reaction chamber 10 is usually 8.08 × 10 4 Pa or higher, preferably 9.09 × 10 4 Pa or higher, more preferably 9.60 × 10 4 Pa or higher. It is 21 × 10 5 Pa or less, preferably 1.11 × 10 5 Pa or less, more preferably 1.06 × 10 5 Pa or less.

このうち、GaClガス(G2)の分圧は、通常1.0×10以上、好ましくは2.0×10以上、更に好ましくは4.0×10以上であり、通常1.0×10Pa以下、好ましくは5.6×10Pa以下、更に好ましくは4.0×10Pa以下である。
また、NHガス(G3)の分圧は、通常9.1×10以上、好ましくは1.5×10以上、更に好ましくは2.0×10Pa以上であり、通常2.0×10Pa以下、好ましくは1.5×10Pa以下、更に好ましくは1.0×10Paである。
Among these, the partial pressure of GaCl gas (G2) is usually 1.0 × 10 2 or more, preferably 2.0 × 10 2 or more, more preferably 4.0 × 10 2 or more, and usually 1.0 × 10 2 or more. It is 10 4 Pa or less, preferably 5.6 × 10 3 Pa or less, more preferably 4.0 × 10 3 Pa or less.
The partial pressure of the NH 3 gas (G3) is usually 9.1 × 10 2 or more, preferably 1.5 × 10 3 or more, more preferably 2.0 × 10 3 Pa or more, and usually 2.0 × 10 4 Pa or less, preferably 1.5 × 10 4 Pa or less, more preferably 1.0 × 10 4 Pa.

さらに、キャリアガス(G1)が、Hガスの他にNガスを更に含む場合において、γ=[Hガスの分圧]/[(Hガスの分圧)+(Nガスの分圧)]と定義すると、例えば、γは、通常0.6以上、好ましくは0.8以上、更に好ましくは0.9以上であり、通常1未満である。
GaN系材料或いは窒化ガリウム材料に導電性を持たせるためには、シリコン(n型の場合)などを意図的にドープすることが好ましい。一方で、高純度材料が必要な場合は、不純物を意図的にドープしない(アンドープ)ことが好ましい。また、不純物を意図的にドープしないサンプルは、意図的に不純物をドープしたサンプルよりも熱伝導率が高い傾向があり好ましい。不純物としては、例えば、酸素、シリコン、炭素、水素等を挙げることができる。意図的にドープしないサンプルの好ましい不純物濃度は、以下の通りである。
Furthermore, the carrier gas (G1) is, in the case where the other of the H 2 gas further comprises a N 2 gas, gamma = [H 2 gas partial pressure] / [(a H 2 gas partial pressure) of + (N 2 gas For example, γ is usually 0.6 or more, preferably 0.8 or more, more preferably 0.9 or more, and usually less than 1.
In order to impart conductivity to the GaN-based material or gallium nitride material, it is preferable to intentionally dope silicon (in the case of n-type). On the other hand, when a high-purity material is required, it is preferable that the impurities are not intentionally doped (undoped). Further, a sample that is not intentionally doped with impurities tends to have a higher thermal conductivity than a sample that is intentionally doped with impurities, which is preferable. Examples of the impurity include oxygen, silicon, carbon, and hydrogen. The preferable impurity concentration of the sample not intentionally doped is as follows.

不純物として酸素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、酸素濃度は、1×1017atoms/cm未満であることが好ましく、5×1016atoms/cm未満であることがより好ましく、2×1016atoms/cm未満があることがさらに好ましい。ただし、酸素のSIMS検出下限は、2×1016atoms/cmである。 In a sample not intentionally doped with oxygen as an impurity, the oxygen concentration is preferably less than 1 × 10 17 atoms / cm 3 , more preferably less than 5 × 10 16 atoms / cm 3. More preferably, it is less than × 10 16 atoms / cm 3 . However, the SIMS detection lower limit of oxygen is 2 × 10 16 atoms / cm 3 .

不純物として炭素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、炭素濃度は、5×1016atoms/cm未満であることが好ましく、3×1016atoms/cm未満であることがより好ましく、1×1016atoms/cm未満であることがさらに好ましい。ただし、炭素のSIMS検出下限は、1×1016atoms/cmである。 In the sample not intentionally doped with carbon as an impurity, the carbon concentration is preferably less than 5 × 10 16 atoms / cm 3 , more preferably less than 3 × 10 16 atoms / cm 3. More preferably, it is less than × 10 16 atoms / cm 3 . However, the SIMS detection lower limit of carbon is 1 × 10 16 atoms / cm 3 .

不純物として水素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、水素濃度は、5×1017atoms/cm以下であることが好ましく、3×1017atoms/cm以下であることがより好ましく、1×1017atoms/cm未満であることがさらに好ましい。ただし、水素のSIMS検出下限は、1×1017atoms/cmである。 In a sample not intentionally doped with hydrogen as an impurity, the hydrogen concentration is preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less. More preferably, it is less than × 10 17 atoms / cm 3 . However, the SIMS detection lower limit of hydrogen is 1 × 10 17 atoms / cm 3 .

不純物としてシリコンを意図的にドープしていないサンプルにおいて、シリコン濃度は、1×1017atoms/cm以下であることが好ましく、5×1016atoms/cm以下であることがより好ましく、5×1015atoms/cm以下であることがさらに好ましく、1×1015(atoms/cm)以下であることが最も好ましい。ただし、シリコンのSIMS検出下限は、1×1015atoms/cmである。 In the sample not intentionally doped with silicon as an impurity, the silicon concentration is preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 16 atoms / cm 3 or less. more preferably × at 10 15 atoms / cm 3 or less, and most preferably 1 × 10 15 (atoms / cm 3) or less. However, the SIMS detection lower limit of silicon is 1 × 10 15 atoms / cm 3 .

このような条件で成長させたGaN系厚膜材料の最大の特徴は、25℃での熱伝導率が250W/m・K以上と極めて高いことである。このような高い熱伝導率という特徴については、既に、特許文献2(の優先権の基礎とされた特願2006−067907号の明細書)においても説明がなされているところである。
また、上述の条件で成長させたGaN系厚膜材料をカソードルミネッセンス(CL)で評価したところ、転位密度は1×10cm−2以下であった。さらに、(002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は300arcsec以下、(102)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は500arcsec以下であり、結晶性は良好であった。
The greatest feature of the GaN-based thick film material grown under such conditions is that the thermal conductivity at 25 ° C. is as extremely high as 250 W / m · K or more. Such a feature of high thermal conductivity has already been described in Patent Document 2 (the specification of Japanese Patent Application No. 2006-0667907, which is the basis of the priority).
Moreover, when the GaN-type thick film material grown on the above-mentioned conditions was evaluated by cathode luminescence (CL), the dislocation density was 1 × 10 7 cm −2 or less. Furthermore, the half width of the X-ray rocking curve in the (002) plane was 300 arcsec or less, and the half width of the X-ray rocking curve in the (102) plane was 500 arcsec or less, and the crystallinity was good.

二次イオン質量分析法(SIMS)により残留不純物濃度を測定したところ、意図的に不純物を添加していない試料について、酸素濃度が5×1017atoms/cm未満、シリコン濃度が5×1017atoms/cm以下、炭素濃度が1×1017atoms/cm未満、水素濃度が1×1018atoms/cm未満であった。なお、このSIMS測定条件における各元素の検出下限は、酸素が2×1016atoms/cm、シリコンが1×1015atoms/cm、炭素が1×1016atoms/cm、水素が1×1017atoms/cmである。 When the residual impurity concentration was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS), the oxygen concentration was less than 5 × 10 17 atoms / cm 3 and the silicon concentration was 5 × 10 17 for a sample to which no impurities were intentionally added. The atoms / cm 3 or less, the carbon concentration was less than 1 × 10 17 atoms / cm 3 , and the hydrogen concentration was less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . The lower limit of detection of each element under the SIMS measurement conditions is as follows: oxygen is 2 × 10 16 atoms / cm 3 , silicon is 1 × 10 15 atoms / cm 3 , carbon is 1 × 10 16 atoms / cm 3 , and hydrogen is 1 × 10 17 atoms / cm 3

成長工程では、前述のようにHVPE法によってGaN系材料を下地基板上に成長させる。下地基板としては、半導体基板及び誘電体基板のいずれの使用も可能であるが、半導体基板を用いることが好ましい。例えば、下地基板は、その上に成長させようとするGaN系材料の結晶層と格子定数が近接したものが好ましく、格子定数がa軸方向に0.30nm〜0.36nmであり、c軸方向に0.48nm〜0.58nmである化合物半導体基板を用いることが特に好ましい。   In the growth step, as described above, a GaN-based material is grown on the base substrate by the HVPE method. As the base substrate, either a semiconductor substrate or a dielectric substrate can be used, but a semiconductor substrate is preferably used. For example, the base substrate preferably has a lattice constant close to the crystal layer of the GaN-based material to be grown thereon, the lattice constant is 0.30 nm to 0.36 nm in the a-axis direction, and the c-axis direction It is particularly preferable to use a compound semiconductor substrate having a thickness of 0.48 nm to 0.58 nm.

また、下地基板は、立方晶系又は六方晶系に属する結晶構造を有する基板が好ましい。立方晶系の基板としては、Si、GaAs、InGaAs、GaP、InP、ZnSe、ZnTe、CdTd等を用いることができ、六方晶系の基板としては、サファイア、SiC、GaN、スピネル、ZnO等を用いることができる。
下地基板としては、オフ基板を使用することもできる。例えば、サファイア基板であれば、その窒化物半導体結晶層を成長させる面が(ABCD)面又は(ABCD)面から微傾斜した面である基板を用いることができる。ここで、A、B、C、Dは自然数を示す。
この微傾斜の角度は、通常0°〜10°、好ましくは0°〜0.5°、より好ましくは0°〜0.2°である。例えば、(0001)面からm軸方向に微傾斜しているサファイア基板を好ましく用いることができる。この他に、例えばa(11−20)面、r(1−102)面、m(1−100)面、これらの面と等価な面及びこれらの面から微傾斜した面も用いることができる。ここで、等価な面とは、立方晶系では90°、六方晶系では60°回転させると結晶学的に原子の配列が同じになる面のことをいう。
The base substrate is preferably a substrate having a crystal structure belonging to a cubic system or a hexagonal system. As a cubic substrate, Si, GaAs, InGaAs, GaP, InP, ZnSe, ZnTe, CdTd, or the like can be used. As a hexagonal substrate, sapphire, SiC, GaN, spinel, ZnO, or the like can be used. be able to.
An off-substrate can also be used as the base substrate. For example, in the case of a sapphire substrate, a substrate on which the nitride semiconductor crystal layer is grown can be an (ABCD) plane or a plane slightly inclined from the (ABCD) plane. Here, A, B, C, and D represent natural numbers.
The angle of this slight inclination is usually 0 ° to 10 °, preferably 0 ° to 0.5 °, more preferably 0 ° to 0.2 °. For example, a sapphire substrate slightly inclined in the m-axis direction from the (0001) plane can be preferably used. In addition, for example, a (11-20) plane, r (1-102) plane, m (1-100) plane, planes equivalent to these planes, and planes slightly inclined from these planes can be used. . Here, the equivalent plane refers to a plane in which the arrangement of atoms is the same crystallographically when rotated by 90 ° in a cubic system and 60 ° in a hexagonal system.

下地基板の上には、直接に本発明にしたがってGaN系材料を成長させてもよいが、下地基板上に下地層を形成した後に、その下地層の上に本発明にしたがってGaN系材料を成長させてもよい。
下地層は、例えば、分子線エピタキシー法(MBE法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)、PLD法(Pulsed Laser Deposition; J. Cryst. Growth, 237/239 (2002) 1153)、HVPE法等によって形成することができる。これらのうち、好ましいのはMBE法、MOCVD法及びPLD法であり、特に好ましいのはMBE法とMOCVD法である。
A GaN-based material may be grown directly on the base substrate according to the present invention. However, after forming the base layer on the base substrate, the GaN-based material is grown on the base layer according to the present invention. You may let them.
The underlayer is formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), PLD (Pulsed Laser Deposition; J. Cryst. Growth, 237/239 (2002) 1153), HVPE. Etc. can be formed. Among these, the MBE method, the MOCVD method, and the PLD method are preferable, and the MBE method and the MOCVD method are particularly preferable.

このような下地層を形成することにより、その上に成長させるGaN系材料からなる層の結晶状態や表面状態を良好なものとすることができる。
以下に、サファイアの下地基板上に下地層を介してGaN系材料層を形成する手順を例示的に説明する。先ず、サファイア基板上に、MBE法、MOCVD法、PLD法、HVPE法等により下地層を形成する。次に、下地層上に上述した手順でHVPE法によりGaN系厚膜材料層を形成する。Gaは、HClと反応させてGaClガスとして反応室10内に供給し、窒素原料はNHガスとして反応室10内に供給する。GaとHClとを反応させてGaClを生成する反応温度は、例えば、約850℃とする。
By forming such an underlayer, it is possible to improve the crystal state and surface state of the layer made of the GaN-based material grown thereon.
Hereinafter, a procedure for forming a GaN-based material layer on a sapphire base substrate through a base layer will be described as an example. First, a base layer is formed on a sapphire substrate by MBE method, MOCVD method, PLD method, HVPE method or the like. Next, a GaN-based thick film material layer is formed on the underlayer by the HVPE method according to the procedure described above. Ga is reacted with HCl and supplied as GaCl gas into the reaction chamber 10, and a nitrogen source is supplied as NH 3 gas into the reaction chamber 10. The reaction temperature for producing GaCl by reacting Ga and HCl is, for example, about 850 ° C.

このようにして得られたGaN系材料層をサファイア下地基板から剥離する場合には、レーザーリフトオフを用いてもよい。具体的には、GaN系材料層の成長後に下地基板とGaN系材料層との界面にレーザーを照射して界面を高温に曝すとV族成分(N成分)が抜けて界面にIII族成分(Ga成分)が残る。このIII族成分(Ga成分)を塩酸等で除去すると、簡単に下地基板を除去することができる。別の手法として、成長装置内で、結晶成長後の降温中にGaN系材料層と下地基板との間に生じる応力を利用して剥離させることも可能である。   When the GaN-based material layer thus obtained is peeled from the sapphire base substrate, laser lift-off may be used. Specifically, after the growth of the GaN-based material layer, when the interface between the base substrate and the GaN-based material layer is irradiated with a laser to expose the interface to a high temperature, the group V component (N component) is lost and the group III component ( Ga component) remains. When this group III component (Ga component) is removed with hydrochloric acid or the like, the base substrate can be easily removed. As another method, peeling can be performed using a stress generated between the GaN-based material layer and the base substrate during the temperature drop after crystal growth in the growth apparatus.

GaN系材料層を成長させた後にこのGaN系材料層をサファイア下地基板から剥離すれば、全体がGaN系材料よりなるバルク基板が得られる。また、例えば数〜十数mm程度の厚みで成長させたGaN系材料層を支持基体から剥離し、これを厚さ0.2〜0.3mm程度の基板として切り出せば自立基板が得られる。
本発明においては、かかる成長工程の後、任意に公知の機械研削、ラッピング加工により表面を適度に平坦化する。
If the GaN-based material layer is peeled from the sapphire base substrate after the GaN-based material layer is grown, a bulk substrate made entirely of the GaN-based material can be obtained. For example, a GaN-based material layer grown to a thickness of about several to several tens of mm is peeled off from the support base and cut into a substrate having a thickness of about 0.2 to 0.3 mm to obtain a self-supporting substrate.
In the present invention, after such a growth step, the surface is appropriately flattened by any known mechanical grinding or lapping process.

[4−2]研磨工程
前述の成長工程の後、表面の凹凸や機械的損傷による結晶性の乱れを低減すべく、研磨処理が行われる。研磨処理は通常、前述の機械研削、ラッピング加工後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により行うのが好適である。
[4-2] Polishing Step After the above-described growth step, a polishing treatment is performed to reduce crystal irregularities due to surface irregularities and mechanical damage. In general, the polishing treatment is preferably performed by the CMP (Chemical Mechanical Polishing) method after the above-described mechanical grinding and lapping.

研磨工程の具体例を以下に示す。まず、表面の平坦な円板状の研磨ブロックに、前記工程で得られたGaN系半導体をワックスで貼付け、研磨液をかけながら、回転する研磨定盤に前記GaN系半導体を押付けて研磨することにより行われる。前記研磨定盤の表面には、研磨布と呼ばれる、不織布や、発泡性樹脂が設置されている。
ここで、本発明において、研磨レートは、通常1000nm/時間以下、好ましくは500nm/時間以下、更に好ましくは100nm/時間以下である。研磨レートが早すぎると、研磨による表面のダメージが大きくなり、表面の凹凸差が大きくなる。この表面の凹凸差は、以後の工程における不純物の付着を助長する場合がある。また、後述のこすり洗浄工程において、付着した不純物の除去が困難になる場合もある。
Specific examples of the polishing step are shown below. First, the GaN-based semiconductor obtained in the above step is affixed to a disk-shaped polishing block having a flat surface with wax, and the GaN-based semiconductor is pressed against a rotating polishing surface plate while being applied with a polishing liquid, and then polished. Is done. On the surface of the polishing surface plate, a non-woven fabric or foamable resin called an abrasive cloth is installed.
Here, in the present invention, the polishing rate is usually 1000 nm / hour or less, preferably 500 nm / hour or less, more preferably 100 nm / hour or less. If the polishing rate is too fast, surface damage due to polishing increases, and the unevenness of the surface increases. This surface unevenness may promote the adhesion of impurities in the subsequent processes. In addition, it may be difficult to remove adhering impurities in the rubbing cleaning process described later.

また、研磨における条件として、好ましい研磨速度を得るため、酸性条件で行うのが好ましく、pHが通常0.5以上好ましくは0.8以上であり、通常2以下、好ましくは1.5以下、更に好ましくは1.2以下である。pHが低すぎても、高すぎても、好ましい研磨速度を得ることができない。また、研磨粒子としては、シリカを用いるのが好ましいが、特に酸性コロイダルシリカを用いるのが好ましい。研磨粒子の粒径は通常10nm以上、好ましくは20nm以上であり、通常200nm以下、好ましくは150nm以下、更に好ましくは100nm以下である。また、前記pHに関する記載と同様に、好ましい研磨速度を得るため、前記研磨粒子のスラリーに酸化剤を含有するのが好ましい。酸化剤としては、過酸化水素水、硝酸、過酢酸などが挙げられるが、実験結果から、経験的に過酸化水素水が好ましい。酸化剤の含有量は、研磨液全体に対して、通常1重量%以上、好ましくは3重量%以上、更に好ましくは5重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは40重量%以下、更に好ましくは30重量%以下である。酸化剤の含有量が多すぎても、少な過ぎても、好ましい研磨速度を得ることができない。   Further, as a condition for polishing, in order to obtain a preferable polishing rate, it is preferably performed under acidic conditions, and the pH is usually 0.5 or more, preferably 0.8 or more, usually 2 or less, preferably 1.5 or less, Preferably it is 1.2 or less. If the pH is too low or too high, a preferable polishing rate cannot be obtained. As the abrasive particles, silica is preferably used, but acidic colloidal silica is particularly preferably used. The particle size of the abrasive particles is usually 10 nm or more, preferably 20 nm or more, usually 200 nm or less, preferably 150 nm or less, more preferably 100 nm or less. Further, similarly to the description regarding the pH, in order to obtain a preferable polishing rate, it is preferable that the slurry of the abrasive particles contains an oxidizing agent. Examples of the oxidizing agent include hydrogen peroxide water, nitric acid, peracetic acid, and the like. From the experimental results, hydrogen peroxide water is empirically preferable. The content of the oxidizing agent is usually 1% by weight or more, preferably 3% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 40% by weight or less, based on the entire polishing liquid. More preferably, it is 30 weight% or less. If the content of the oxidizing agent is too much or too little, a preferable polishing rate cannot be obtained.

[4−3]こすり洗浄工程
本発明の自立基板の製造方法では、前述の成長工程や研磨工程により付着したGaN系半導体ウェハー表面の不純物を除去すべく、洗浄工程を行うのが好ましい。特に、前記研磨工程により付着しやすい研磨粒子がSiを含むものである場合は、電子デバイス特性に影響を与えやすいため、当該Si不純物の濃度を低減するため、こすり洗浄を行うことが好ましい。
[4-3] Rub Cleaning Process In the method for manufacturing a self-supporting substrate of the present invention, it is preferable to perform a cleaning process in order to remove impurities on the surface of the GaN-based semiconductor wafer attached by the above-described growth process and polishing process. In particular, when the abrasive particles that easily adhere to the polishing step contain Si, the electronic device characteristics are easily affected. Therefore, it is preferable to perform scrub cleaning in order to reduce the concentration of the Si impurity.

こすり洗浄は、前記研磨工程に引き続き、研磨液の代わりに、洗浄液を供給し、物理的に付着物をこすり落とす方法である。
洗浄液は、除去対象物や、自立基板の表面の結晶性に応じて最適なものが選択される。
通常、界面活性剤等の付着物の除去効果のある薬液を用いるが、例えば、Siを含む研磨粒子を除去対象とする場合は、アルカリ溶液が好ましく、特にKOH水溶液が好ましい。KOHの濃度は、通常1重量%以上、好ましくは3重量%以上、更に好ましくは5重量%であり、通常50重量%以下、好ましくは40重量%以下、更に好ましくは30重量%以下である。アルカリ濃度が高すぎるとエッチング作用により表面粗度が悪化する可能性があり、低すぎると十分な洗浄効果が得られない。
The rubbing cleaning is a method in which, after the polishing step, a cleaning liquid is supplied instead of the polishing liquid and the deposits are physically scraped off.
As the cleaning liquid, an optimum one is selected according to the object to be removed and the crystallinity of the surface of the free-standing substrate.
Usually, a chemical solution having an effect of removing deposits such as a surfactant is used. For example, when an abrasive particle containing Si is to be removed, an alkaline solution is preferable, and an aqueous KOH solution is particularly preferable. The concentration of KOH is usually 1% by weight or more, preferably 3% by weight or more, more preferably 5% by weight, usually 50% by weight or less, preferably 40% by weight or less, more preferably 30% by weight or less. If the alkali concentration is too high, the surface roughness may be deteriorated by the etching action, and if it is too low, a sufficient cleaning effect cannot be obtained.

また、除去対象物により洗浄液を変え、数段階のコスリ洗浄を行うとさらに不純物の低減が図られるため、好ましい。
こすり洗浄は、通常、前述の研磨工程に引き続き行われるものであるため、研磨布は、不織布や、発泡性樹脂が用いられる。
[4−4]後工程
こすり洗浄工程後、仕上げ工程として、任意にワックス洗浄、純水洗浄、乾燥などの工程を経て製品としての自立基板を得ることができる。
In addition, it is preferable to change the cleaning liquid depending on the object to be removed and to perform several stages of cleaning, since impurities can be further reduced.
Since the rubbing cleaning is usually performed following the above-described polishing step, a nonwoven fabric or a foamable resin is used for the polishing cloth.
[4-4] Post-process After the rubbing cleaning process, as a finishing process, a self-supporting substrate as a product can be obtained through optional processes such as wax cleaning, pure water cleaning, and drying.

ワックス洗浄は、前記研磨工程、こすり洗浄工程において自立基板を装置へ固定するために使用し表面に付着したワックスを除去する工程である。通常、有機溶剤に浸漬することによる洗浄が挙げられる。有機溶剤としては通常アルコールを用いることができ、例えば、ワックスの性状に合わせ、イソプロピルアルコールを使用することができる。
純水洗浄は、不純物を最終的に除去する工程である。通常、純水を用いて流水洗浄する
Wax cleaning is a process used to fix the self-supporting substrate to the apparatus in the polishing process and the rubbing cleaning process, and to remove the wax adhering to the surface. Usually, washing | cleaning by immersing in an organic solvent is mentioned. As the organic solvent, alcohol can usually be used. For example, isopropyl alcohol can be used in accordance with the properties of the wax.
The pure water cleaning is a process for finally removing impurities. Usually, it is washed with running water using pure water.

乾燥は、自立基板に付着した純水などの液体を最終的に除去するものであるが、均一乾燥の観点から、スピン乾燥を行うのが好ましい。   In the drying, liquid such as pure water attached to the self-supporting substrate is finally removed. From the viewpoint of uniform drying, it is preferable to perform spin drying.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、それらは本発明の説明を目的とするものであって、本発明をこれらの態様に限定することを意図したものではない。
[1]参考例1
下地基板として表面が(0001)面からなる厚さ430μm、直径2インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、MOCVD装置により下地基板の上に厚さ2μmの下地GaN層を成長させた。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, they are for the purpose of explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to these embodiments.
[1] Reference example 1
A sapphire substrate having a surface of (0001) face and a thickness of 430 μm and a diameter of 2 inches was prepared as a base substrate, and this was washed with an organic solvent as a pretreatment. Thereafter, a base GaN layer having a thickness of 2 μm was grown on the base substrate by an MOCVD apparatus.

次いで、下地GaN層を成長させた基板をHVPE装置の反応室内に配置して、反応温度を1070℃に昇温した後、GaN層上に、実質的にHのみからなるキャリアガスG1と、GaとHClの反応生成物であるGaClガスG2と、NHガスG3とを供給しながら、下地GaN層上にGaN層を45時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を1.01×10Paとし、GaClガスG2の分圧を7.33×10Paとし、NHガスG3の分圧を4.67×10Paとした。 Next, after the substrate on which the underlying GaN layer has been grown is placed in the reaction chamber of the HVPE apparatus and the reaction temperature is raised to 1070 ° C., a carrier gas G1 consisting essentially of only H 2 on the GaN layer, While supplying GaCl gas G2 which is a reaction product of Ga and HCl and NH 3 gas G3, a GaN layer was grown on the underlying GaN layer for 45 hours. In this growth step, the growth pressure was 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of GaCl gas G2 was 7.33 × 10 2 Pa, and the partial pressure of NH 3 gas G3 was 4.67 × 10 3 Pa. .

次いで、GaN層を成長させた基板からサファイア基板を取り除き、厚さが約1470μmの自立GaN単結晶基板が得られた。
下地基板より分離して得られたGaN結晶の表面をAFMにて観察したところ、100nmを越えるような凹凸のある粗面であった。
前記GaN結晶の表面を、c面に平行な方向に、機械研削、ラッピング加工し、略平板状のGaN基板(ウェハー)を得た。次に、基板のGa面側表面を研磨液により研磨した。研磨液は、平均粒径80nmの酸性シリカスラリーに、10重量%の酸化剤(H)を混合し、研磨速度が50nm/時間となるように調整を行ったものを使用した。
Subsequently, the sapphire substrate was removed from the substrate on which the GaN layer was grown, and a free-standing GaN single crystal substrate having a thickness of about 1470 μm was obtained.
When the surface of the GaN crystal obtained by separation from the base substrate was observed with an AFM, it was a rough surface with irregularities exceeding 100 nm.
The surface of the GaN crystal was mechanically ground and lapped in a direction parallel to the c-plane to obtain a substantially flat GaN substrate (wafer). Next, the Ga side surface of the substrate was polished with a polishing liquid. As the polishing liquid, an acidic silica slurry having an average particle size of 80 nm was mixed with 10% by weight of an oxidizing agent (H 2 O 2 ) and adjusted so that the polishing rate was 50 nm / hour.

研磨により得られた表面のRSM粗さは、1×1μm面積内で、0.1nm未満に低減されていた。また、TEMによる断面格子像観察の結果、加工変質層厚さは3nmであった。
[2]参考例2
実施例1の成長方法と同様の条件で厚さが約1470μmの自立GaN単結晶基板を得た後、上記研磨液の組成を変更し、研磨速度が2000nm/時間となる条件で研磨した。得られた表面のRMS粗さは、1×1μm面積内で0.2nm未満であったが、TEM観察による加工変質層の厚さは、100nmであった。
The RSM roughness of the surface obtained by polishing was reduced to less than 0.1 nm within a 1 × 1 μm 2 area. As a result of observing the cross-sectional lattice image by TEM, the thickness of the work-affected layer was 3 nm.
[2] Reference example 2
After obtaining a free-standing GaN single crystal substrate having a thickness of about 1470 μm under the same conditions as in the growth method of Example 1, the composition of the above polishing liquid was changed, and polishing was performed at a polishing rate of 2000 nm / hour. The RMS roughness of the obtained surface was less than 0.2 nm within a 1 × 1 μm 2 area, but the thickness of the work-affected layer by TEM observation was 100 nm.

参考例1と2の結果より、研磨工程を経ることにより、断面格子像での格子の乱れに起因する加工変質層の厚さを低減できたことが確認された。
[3]実施例1
下地基板として表面が(0001)面からなる厚さ430μm、直径2インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、MOCVD装置により下地基板の上に厚さ2μmの下地GaN層を成長させた。
From the results of Reference Examples 1 and 2, it was confirmed that the thickness of the work-affected layer due to lattice disturbance in the cross-sectional lattice image could be reduced by passing through the polishing step.
[3] Example 1
A sapphire substrate having a surface of (0001) face and a thickness of 430 μm and a diameter of 2 inches was prepared as a base substrate, and this was washed with an organic solvent as a pretreatment. Thereafter, a base GaN layer having a thickness of 2 μm was grown on the base substrate by an MOCVD apparatus.

次いで、下地GaN層を成長させた基板をHVPE装置の反応室内に配置して、反応温度を1070℃に昇温した後、GaN層上に、実質的にHのみからなるキャリアガスG1と、GaとHClの反応生成物であるGaClガスG2と、NHガスG3とを供給しながら、下地GaN層上にGaN層を45時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を1.01×10Paとし、GaClガスG2の分圧を7.06×10
Paとし、NHガスG3の分圧を4.35×10Paとした。
Next, after the substrate on which the underlying GaN layer has been grown is placed in the reaction chamber of the HVPE apparatus and the reaction temperature is raised to 1070 ° C., a carrier gas G1 consisting essentially of only H 2 on the GaN layer, While supplying GaCl gas G2 which is a reaction product of Ga and HCl and NH 3 gas G3, a GaN layer was grown on the underlying GaN layer for 45 hours. In this growth step, the growth pressure is set to 1.01 × 10 5 Pa and the partial pressure of the GaCl gas G2 is set to 7.06 × 10 6.
2 Pa, and the partial pressure of NH 3 gas G3 was 4.35 × 10 3 Pa.

次いで、GaN層を成長させた基板からサファイア基板を取り除き、厚さが約1370μmの自立GaN単結晶基板が得られた。
下地基板より分離して得られた結晶の表面を、c面に平行な方向に、機械研削、ラッピング加工した。次に、基板のGa面側表面を研磨液により研磨した。研磨液は、平均粒径80nmの酸性シリカスラリーに、10重量%の酸化剤(H)を混合し、研磨速度が50nm/時間となるように調整を行ったものを使用した。
Next, the sapphire substrate was removed from the substrate on which the GaN layer was grown, and a free-standing GaN single crystal substrate having a thickness of about 1370 μm was obtained.
The surface of the crystal obtained by separation from the base substrate was mechanically ground and lapped in a direction parallel to the c-plane. Next, the Ga side surface of the substrate was polished with a polishing liquid. As the polishing liquid, an acidic silica slurry having an average particle size of 80 nm was mixed with 10% by weight of an oxidizing agent (H 2 O 2 ) and adjusted so that the polishing rate was 50 nm / hour.

次に、前記GaN基板表面に、洗浄液として、酸、アルカリ、界面活性剤を供給しながら、研磨布を擦り付けるこすり洗浄を行い、研磨剤等の残留物を除去した。表面に残留した不純物は低減し、TOF−SIMS(一次イオンAu、一次イオン加速電圧25kV、走査領域200μm角、二次イオン積算時間150秒)による表面のSi/Gaのイオン
マススペクトルのピーク強度比は、0.001であった。また、同様の条件におけるSiO/Gaのピーク強度比は0.04であった。
Next, the surface of the GaN substrate was scrubbed by rubbing a polishing cloth while supplying acid, alkali, and surfactant as cleaning liquids, and residues such as abrasives were removed. Impurities remaining on the surface are reduced, and the peak intensity ratio of the ion mass spectrum of Si / Ga on the surface by TOF-SIMS (primary ion Au, primary ion acceleration voltage 25 kV, scanning area 200 μm square, secondary ion integration time 150 seconds) Was 0.001. Moreover, the SiO 2 / Ga peak intensity ratio under the same conditions was 0.04.

なお、この自立GaN単結晶基板は、ショットキーダイオードの容量-電圧測定より、
導電型はn型、実効ドナー濃度は1×1016atoms/cmであることが確認された。なお、同様の製造方法により得られた別の自立GaN単結晶基板において同様の測定をした結果、導電型はn型、実効ドナー濃度は8×1016atoms/cmおよび1.5×1017atoms/cmであった。
得られた自立GaN単結晶基板の周辺3mmを除いた場所で、残留不純物濃度評価、転位密度測定、結晶性評価、および、熱伝導率測定を行った。酸素、炭素および水素の不純物濃度は何れもSIMS測定の検出限界以下であった。この自立GaN単結晶基板の実効ドナー濃度は、残留不純物であるSiに由来していることを確認した。また、カソードルミネッセンス(CL)法およびAFMによる評価により、転位面密度は3×10cm−2であることが確認された。
This free-standing GaN single crystal substrate is based on the Schottky diode capacitance-voltage measurement.
It was confirmed that the conductivity type was n-type, and the effective donor concentration was 1 × 10 16 atoms / cm 3 . In addition, as a result of performing the same measurement on another free-standing GaN single crystal substrate obtained by the same manufacturing method, the conductivity type is n-type, and the effective donor concentration is 8 × 10 16 atoms / cm 3 and 1.5 × 10 17. atoms / cm 3 .
Residual impurity concentration evaluation, dislocation density measurement, crystallinity evaluation, and thermal conductivity measurement were performed at a place excluding 3 mm around the obtained self-standing GaN single crystal substrate. The impurity concentrations of oxygen, carbon and hydrogen were all below the detection limit of SIMS measurement. It was confirmed that the effective donor concentration of this free-standing GaN single crystal substrate was derived from Si as a residual impurity. Also, the dislocation surface density was confirmed to be 3 × 10 6 cm −2 by cathodoluminescence (CL) method and evaluation by AFM.

さらに、上述の表面処理後の支持基体の表面品質を評価するため、AFMによる表面粗さ測定と、断面TEM法による格子像観察を行った。
図3はAFMによる表面粗さ測定の結果を示す図で、支持基体表面の凹凸が±1nmの範囲にあることがわかる。
また、断面TEM法により撮影した格子像を解析した結果、少なくとも、支持基体の最表面から2原子層目の結晶格子には乱れ(歪)は認められなかった。
Furthermore, in order to evaluate the surface quality of the support substrate after the above-mentioned surface treatment, surface roughness measurement by AFM and lattice image observation by a cross-sectional TEM method were performed.
FIG. 3 is a diagram showing the results of surface roughness measurement by AFM, and it can be seen that the irregularities on the surface of the support substrate are in the range of ± 1 nm.
Further, as a result of analyzing the lattice image photographed by the cross-sectional TEM method, at least no disorder (strain) was observed in the crystal lattice of the second atomic layer from the outermost surface of the support substrate.

[4]参考例3
実施例1の成長方法と同様の条件で厚さが約1370μmの自立GaN単結晶基板を得た後、、研磨布を擦り付けることなく、洗浄液として、酸、アルカリ、界面活性剤による洗浄を行い、表面に残留した不純物を測定したところ、TOF−SIMS(加速電圧25Kv、150秒積算)による表面のSi/Gaの強度比は、0.02であった。また、同様の条件におけるSiO/Gaのピーク強度比は0.16であった。
[4] Reference example 3
After obtaining a free-standing GaN single crystal substrate having a thickness of about 1370 μm under the same conditions as in the growth method of Example 1, washing with an acid, alkali, or surfactant as a washing solution without rubbing the polishing cloth, When impurities remaining on the surface were measured, the intensity ratio of Si / Ga on the surface by TOF-SIMS (acceleration voltage 25 Kv, integration for 150 seconds) was 0.02. Further, the SiO 2 / Ga peak intensity ratio under the same conditions was 0.16.

実施例1と参考例3の結果より、こすり洗浄工程を経ることにより、製造工程において付着しやすいSiなどの不純物を低減できたことが確認された。
[5]ショットキー電極の形成
実施例1の表面処理を施した自立基板(以下、「支持基体」と称する。)の表面(主面)に、直接、ショットキー電極を形成した。
From the results of Example 1 and Reference Example 3, it was confirmed that impurities such as Si that easily adhere to the manufacturing process could be reduced through the rubbing cleaning process.
[5] Formation of Schottky Electrode A Schottky electrode was formed directly on the surface (main surface) of the self-standing substrate (hereinafter referred to as “support base”) subjected to the surface treatment of Example 1.

まず、支持基体の洗浄を行った。具体的には、硫酸・過酸化水素水混合液(SPM)処理、塩酸処理、王水処理を行い、続いてHF処理を行った。その後、純水で充分に洗浄し
て窒素ガスを吹き付けて支持基体表面の純水を取り除き乾燥させた。なお、洗浄手順は、プロセス前のウエハーの保存環境などを考えて、汚染や表面の変質が心配されない場合には、一部を省略することも可能である。
ショットキー電極を形成するに先立ち、まずオーム性電極を形成する。本実施例の支持基体は自立GaN単結晶基板であるため、裏面にオーム性電極を形成した。当該電極は、Tiを20nm、Alを200nm蒸着したものを、N中で、約750℃で3分間熱処理してオーム性電極とした。なお、下地基板がついたままの支持基体の場合には、上記オーム性電極は、GaN系自立基板よりなる主面の一部に形成すればよい。
First, the support substrate was cleaned. Specifically, sulfuric acid / hydrogen peroxide mixture (SPM) treatment, hydrochloric acid treatment and aqua regia treatment were performed, followed by HF treatment. Thereafter, the substrate was thoroughly washed with pure water and sprayed with nitrogen gas to remove the pure water on the surface of the supporting substrate and dry it. Note that the cleaning procedure may be partially omitted if there is no concern about contamination or surface alteration in consideration of the wafer storage environment before the process.
Prior to forming the Schottky electrode, an ohmic electrode is first formed. Since the support substrate of this example is a self-standing GaN single crystal substrate, an ohmic electrode was formed on the back surface. The electrode was formed by depositing 20 nm of Ti and 200 nm of Al by heat-treating at about 750 ° C. for 3 minutes in N 2 to form an ohmic electrode. In the case of a supporting base with a base substrate attached, the ohmic electrode may be formed on a part of the main surface made of a GaN-based free-standing substrate.

次に、メタノール中で超音波洗浄した後、ショットキー電極を形成した。まず、ショットキー障壁用の金属としてNiを用い、支持基体の全面にメタルマスクを用いて円形状のショットキー電極を蒸着により形成した。
図4は、上述の手順により得られたショットキーダイオードの構造を説明するための断面図で、支持基体であるn−GaN(40)の裏面にTi/Alのオーム性電極(50)が、表面に直径100〜300μmの複数のNiのショットキー電極(60)が、直接形成されている。なお、ショットキー電極の直径は100〜300μmである必要はないが、パターン形成が容易であることと、当該範囲内に存在することとなる転位の数(電極のサイズに応じて100〜2700程度)から、支持基体の平均的情報を得るために直径100〜300μmとした。
Next, after ultrasonic cleaning in methanol, a Schottky electrode was formed. First, Ni was used as the metal for the Schottky barrier, and a circular Schottky electrode was formed on the entire surface of the support base by vapor deposition using a metal mask.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the structure of the Schottky diode obtained by the above-described procedure. A Ti / Al ohmic electrode (50) is provided on the back surface of the support base n-GaN (40). A plurality of Ni Schottky electrodes (60) having a diameter of 100 to 300 μm are directly formed on the surface. Note that the diameter of the Schottky electrode is not necessarily 100 to 300 μm, but it is easy to form a pattern and the number of dislocations existing in the range (about 100 to 2700 depending on the size of the electrode). ) To obtain average information of the support substrate, the diameter was set to 100 to 300 μm.

[5−1]ショットキーダイオードの特性
上述のショットキー電極を備えたショットキーダイオードの特性を評価した。
図5および図6は、実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に作製した多数のショットキーダイオードについて測定した電流−電圧特性を説明するための図で、図5は順方向特性であり、図6は逆方向特性である。なお、作製後、簡易スクリーニング検査を実施し、プロセスの不具合などにより生じた不良ダイオード数個はデータから除外している。
なお、前記不良ダイオードのうち、いくつかのダイオードは逆方向リーク電流が増大し破壊に至る特性を示した。CL像観察により、これらのダイオードすべてにおいて、c面に平行な積層欠陥と考えられる細いダークラインが観察された。このことから、積層欠陥は逆方向リーク電流に寄与するという結果が得られた。
また、前記不良ダイオードのうち、別のいくつかのダイオードは順方向特性においてledge(階段状の電流−電圧特性)が観察され、かつ逆方向においてはリーク電流が著しく大きいという特性を示した。CL像観察によりこれらのダイオードにも細いダークラインが観察された。このことから、積層欠陥が順方向特性においてledgeを生じさせる原因となっている可能性が示唆された。よって、本発明の自立基板としては、前記積層欠陥または前記ダークラインが少ないか、ないことが好ましい。これらのダイオードのデータは以下の議論では除外した。
[5-1] Characteristics of Schottky Diode The characteristics of the Schottky diode including the Schottky electrode described above were evaluated.
5 and 6 are diagrams for explaining current-voltage characteristics measured for a number of Schottky diodes fabricated on a free-standing GaN crystal substrate having an effective donor concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 . 5 is a forward characteristic, and FIG. 6 is a reverse characteristic. After the production, a simple screening test is performed, and several defective diodes caused by process defects are excluded from the data.
Of the defective diodes, some diodes exhibited characteristics that increased reverse leakage current and led to breakdown. By CL image observation, a thin dark line considered to be a stacking fault parallel to the c-plane was observed in all these diodes. From this, it was obtained that the stacking fault contributes to the reverse leakage current.
Among the defective diodes, some of the other diodes showed ledge (step-like current-voltage characteristics) in the forward characteristics, and the leakage current was extremely large in the reverse direction. CL images showed thin dark lines in these diodes. This suggests that stacking faults may cause ledge in forward characteristics. Therefore, it is preferable that the self-standing substrate of the present invention has few or no stacking faults or dark lines. These diode data were excluded from the discussion below.

表1は、実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成されたショットキーダイオードについて実験データから求めた理想因子n値、障壁高さ、および−5V、−50Vにおける逆方向電流の実測値の一例を纏めた結果である。この表1には、後述の、逆方向電流の計算値も記載している。 Table 1 shows an ideal factor n value, a barrier height, and −5V, −5V, − which are obtained from experimental data for a Schottky diode formed on a free-standing GaN crystal substrate having an effective donor concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3. It is the result which put together an example of the actual value of the reverse direction current in 50V. Table 1 also shows calculated values of reverse current, which will be described later.

Figure 2010180111
Figure 2010180111

表1に示すように順方向の電流電圧特性から求められる理想因子(n値)は、1.02〜1.04であり、ショットキーダイオードの全てにおいて、理想値の1に極めて近いn値が得られている。また、順方向電流電圧特性より求めたショットキー障壁高さは、0.92〜0.94eVとパワーデバイス応用に必要な高さが得られた。   As shown in Table 1, the ideal factor (n value) obtained from the forward current-voltage characteristics is 1.02 to 1.04. In all the Schottky diodes, an n value very close to the ideal value 1 is obtained. Has been obtained. The Schottky barrier height obtained from the forward current voltage characteristics was 0.92 to 0.94 eV, which is a height necessary for power device application.

図7は、実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に作製したショットキーダイオードのn値とショットキー障壁高さの分布を示す図である。
逆方向電流電圧特性について述べる。欠陥や遷移層などの存在しない、理想的なショットキーダイオードの逆方向電流の電流輸送機構としては、熱電子放出(TE)、熱電界放出(TFE)の2つの機構が存在する。電流値は、この2つの機構の合計となるが障壁高さや、ドーピング密度、印加電圧などによって、どちらか一方が支配的になる。今回議論する範囲では、熱電界放出(TFE)が支配的となる。
FIG. 7 is a diagram showing a distribution of n value and Schottky barrier height of a Schottky diode fabricated on a free-standing GaN crystal substrate having an effective donor concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 .
The reverse current voltage characteristics will be described. As a current transport mechanism of an ideal Schottky diode reverse current without a defect or a transition layer, there are two mechanisms of thermal electron emission (TE) and thermal field emission (TFE). The current value is the sum of these two mechanisms, but one of them is dominant depending on the barrier height, doping density, applied voltage, and the like. Within the scope of this discussion, thermal field emission (TFE) is dominant.

図6および表1に示したように、作製したダイオードの逆方向漏れ電流は極めて小さい。また、逆方向の漏れ電流値は、順方向の実測値から求めたショットキー障壁高さのみを用いて、その他のフィッティングパラメーターを何ら用いることなく、熱電子放出モデルと熱電界放出モデルの合計として計算した理論電流値とほぼ一致している。すなわち、順方向特性および逆方向特性が、統一的かつ定量的に、理想的モデルに一致する状況が達成された。しかも、このときのショットキー障壁高さは0.93eVと大きな値であり、これは実際のデバイスで使用し得るに十分な値である。   As shown in FIG. 6 and Table 1, the reverse leakage current of the manufactured diode is extremely small. The leakage current value in the reverse direction is the sum of the thermoelectron emission model and the thermal field emission model using only the Schottky barrier height obtained from the actual measurement value in the forward direction and without using any other fitting parameters. It almost agrees with the calculated theoretical current value. That is, a situation was achieved in which the forward characteristics and the backward characteristics were consistently and quantitatively consistent with the ideal model. In addition, the height of the Schottky barrier at this time is a large value of 0.93 eV, which is a value sufficient for use in an actual device.

図6および表1に示した結果から、逆方向電圧は、少なくとも−50Vの条件下においては、熱電界放出電流と影像力による障壁低下を考慮した熱電子放出電流の計算値の和の10倍以下に収まっていることがわかる。
なお、実測の電流値とモデル計算により得られた電流値の差の程度は、ダイオード毎に異なっている。この事実を考慮すると、実測の電流値がモデル計算よりも大きくなる原因としては、まだ完全には除去できていない表面の汚染、欠陥、結晶に含まれる貫通転位などの欠陥などが主な要因であると考えられる。従って、作製プロセスをさらに最適化すれば、少なくともバラツキを抑え、現在得られているもっとも電流値が小さいデバイスに全体を収束させることが可能であると考えられる。しかし、実用上は、理論値の50倍以下、好ましくは10倍以下に収まっていれば十分であり、今回のデバイスで実用上の要求は果たせていると考えられる。
From the results shown in FIG. 6 and Table 1, the reverse voltage is 10 times the sum of the calculated values of the thermionic emission current and the thermal electron emission current considering the barrier reduction due to the image power under the condition of at least −50V. You can see that it is below.
Note that the degree of difference between the measured current value and the current value obtained by the model calculation differs for each diode. Considering this fact, the main factors that cause the measured current value to be larger than model calculations are surface contamination that has not been completely removed, defects, and defects such as threading dislocations contained in the crystal. It is believed that there is. Therefore, it is considered that if the manufacturing process is further optimized, at least variations can be suppressed and the entire device can be converged to the currently obtained device having the smallest current value. However, for practical use, it is sufficient that it is 50 times or less, preferably 10 times or less of the theoretical value, and it is considered that practical demands can be fulfilled with this device.

実測の電流値がモデル計算により得られた電流値を僅かに下回っているダイオードもあるが、これは、計算に用いた式が近似式であり、特に、低電圧では誤差が大きくなりやすいこと、計算に用いた有効質量などの物性値に多少の誤差があること、が理由として考えられる。
次に、ダイオードの順方向電流の理論計算式について述べる。理想的なショットキー接合における順方向の電流−電圧特性は、下式(1)で与えられる。
There are diodes whose measured current value is slightly lower than the current value obtained by model calculation, but this is an approximate expression used for the calculation, especially when the voltage is low, the error tends to be large, The reason may be that there are some errors in the physical properties such as effective mass used in the calculation.
Next, a theoretical calculation formula for the forward current of the diode will be described. The forward current-voltage characteristic in an ideal Schottky junction is given by the following equation (1).

Figure 2010180111
Figure 2010180111

ここで、Jは飽和電流密度であり下式(2)で与えられる。また、Aは下式(3)で定義される有効リチャードソン(Richardson)定数であり、GaNの場合、電子の有効質量(m =0.23mn0)より、A=28.9A・cm−2・K−1で与えられ
る。なお、eは素電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、hはプランク定数である。
Here, J s is the saturation current density and is given by the following equation (2). Also, A * is the effective Richardson (Richardson) constant defined by the following formula (3) in the case of GaN, than the electron effective mass (m n * = 0.23m n0) , A * = 28.9A It is given by cm −2 · K −1 . Note that e is an elementary charge, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and h is a Planck constant.

Figure 2010180111
Figure 2010180111

Figure 2010180111
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理想的なショットキーダイオードの順方向の電流−電圧特性は上式(1)で与えられるが、実際の素子の順方向特性は、実験的には理想因子(n:ideality factor)を用いて
、下式(4)で与えられる。
The forward current-voltage characteristic of an ideal Schottky diode is given by the above equation (1), but the forward characteristic of an actual element is experimentally determined using an ideality factor (n). It is given by the following formula (4).

Figure 2010180111
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理想因子nは、最も理想的な素子では、n=1である。ショットキー障壁をトンネル現象で透過する電子による電流や、表面欠陥を介したトンネル電流などがあると、n値は1よりも大きくなる。   The ideal factor n is n = 1 in the most ideal element. The n value becomes larger than 1 when there is a current caused by electrons passing through the Schottky barrier due to a tunnel phenomenon or a tunnel current via a surface defect.

障壁高さφBは、上式(2)を用いて、下式(5)から求まる。 The barrier height φ B is obtained from the following equation (5) using the above equation (2).

Figure 2010180111
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また、飽和電流密度Jは、実験的には、測定したI-V特性を片対数グラフにおいてV=0まで外挿することで得られる。 The saturation current density J s is experimentally obtained by extrapolating the measured IV characteristics to V = 0 in the semilogarithmic graph.

次に、逆方向電流の理論計算式を以下に説明する。熱電子放出(TE)による逆方向電流は、印加電圧をVとすると、下式(6)で与えられる。これは、熱エネルギーによって障壁を越える電子による電流である。   Next, the theoretical calculation formula of the reverse current will be described below. The reverse current due to thermionic emission (TE) is given by the following equation (6) where the applied voltage is V. This is a current due to electrons that cross the barrier due to thermal energy.

Figure 2010180111
Figure 2010180111

ショットキー界面に於ける半導体の電界が大きい場合には、影像力によるショットキー障壁の低下も考慮しなければならない。これを考慮した熱電子放出(TE)を記述する式が下式(7)である(T. Hatakemaya 他、Materials Science Forum Vols.389-393 (2002) pp.1169-1172.を参照)。   When the electric field of the semiconductor at the Schottky interface is large, the reduction of the Schottky barrier due to the image force must be taken into consideration. The equation describing thermionic emission (TE) taking this into account is the following equation (7) (see T. Hatakemaya et al., Materials Science Forum Vols. 389-393 (2002) pp. 1169-1172).

Figure 2010180111
Figure 2010180111

なお、ショットキー接合界面の電界強度Eは、下式(8)で表される。   The electric field strength E at the Schottky junction interface is expressed by the following formula (8).

Figure 2010180111
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ここで、Ndは実効ドナー濃度、εは真空の誘電率、εは比誘電率、Vdは拡散電位である。
本発明においては、熱電子放出(TE)に関する理論計算は、ショットキーバリア障壁の低下を考慮した上式(7)を用いた。
Here, Nd is an effective donor concentration, ε 0 is a vacuum dielectric constant, ε s is a relative dielectric constant, and Vd is a diffusion potential.
In the present invention, the theoretical calculation related to thermionic emission (TE) uses the above equation (7) considering the reduction of the Schottky barrier barrier.

一方、熱電界放出(TFE)モデルに基づけば、熱エネルギーによりフェルミ準位より高エネルギー側に分布した電子も考慮して、電子が障壁をトンネル効果により通過する電子による電流密度(TEF電流密度:JTEF)の近似式は、印加電圧をV、ショットキー接合界面の電界強度をE、有効リチャードソン定数をAとして、下式(9)で与えられる(T. Hatakemaya 他、Materials Science Forum Vols.389-393 (2002) pp.1169-1172.を参照)。 On the other hand, based on the thermal field emission (TFE) model, considering the electrons distributed to the higher energy side than the Fermi level due to thermal energy, the current density due to electrons passing through the barrier by the tunnel effect (TEF current density: The approximate expression of J TEF ) is given by the following expression (9) where the applied voltage is V, the electric field strength at the Schottky junction interface is E, and the effective Richardson constant is A * (T. Hatakemaya et al., Materials Science Forum Vols .389-393 (2002) pp.1169-1172).

Figure 2010180111
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但し、   However,

Figure 2010180111
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なお、ショットキー接合界面の電界強度Eは、上式(8)で表される。   The electric field intensity E at the Schottky junction interface is expressed by the above equation (8).

ドーピング密度が非常に高い場合は、ショットキー界面に形成されるポテンシャル障壁が非常に薄くなり、ほぼフェルミ準位の電子がトンネルする状況になる。これは電界放出と呼ばれているが、物理現象としては熱電界放出の特殊な状況の一つに過ぎず、熱電界放出に包含される。ただ、この状況では、近似式として上記式の精度は高くなく、むしろ、次の式(10)を使って求めることが望ましい(T. Hatakemaya 他、Materials Science Forum Vols.389-393 (2002) pp.1169-1172.を参照)。   When the doping density is very high, the potential barrier formed at the Schottky interface becomes very thin, and a state in which almost Fermi level electrons tunnel. This is called field emission, but as a physical phenomenon, it is only one of the special situations of thermal field emission, and is included in thermal field emission. However, in this situation, the accuracy of the above expression is not high as an approximate expression, but it is preferable to obtain it using the following expression (10) (T. Hatakemaya et al., Materials Science Forum Vols. 389-393 (2002) pp) .1169-1172).

Figure 2010180111
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熱電界放出電流については、(9)式と(10)式で計算を行い、値の大きい方を採用すればよい。   The thermal field emission current may be calculated using the equations (9) and (10), and the one with the larger value may be adopted.

今回作製したデバイスのドーピング密度およびショットキー障壁高さの場合、電界放出電流は極めて小さく、他の電流成分に対して無視できる程度の電流量である。
また、計算に必要なGaNの物性定数としては、現時点である程度信頼されている値を用いた。具体的には、電子の有効質量として0.23m(ここで、mは電子の質量)、比誘電率として10.4、拡散電位の計算に必要な伝導帯実効状態密度として2.74×1018cm−3を、それぞれ用いた。
In the case of the doping density and the Schottky barrier height of the device fabricated this time, the field emission current is extremely small, and the amount of current is negligible with respect to other current components.
In addition, as a physical property constant of GaN necessary for the calculation, a value that is trusted to some extent at the present time was used. Specifically, the effective mass of electrons is 0.23 m 0 (where m 0 is the mass of electrons), the relative permittivity is 10.4, and the conduction band effective state density necessary for calculating the diffusion potential is 2.74. Each of × 10 18 cm -3 was used.

以下に、計算の手順の詳細を記す。
ショットキーダイオードの電流−電圧特性(順方向特性)の実測例(順方向の電流−電圧特性)を示す図5の片対数プロットにおいて、直列抵抗が無視できる直線領域でフィッティングを行なってn値を求め、また、直線を電流軸に外挿した切片からショットキー障壁高さを求める。今回は、電圧0.15V〜0.45Vの領域がほぼ完全に直線となっているので、この領域を用いた。
Details of the calculation procedure are described below.
In the semi-logarithmic plot of FIG. 5 showing an actual measurement example (forward current-voltage characteristic) of the current-voltage characteristic (forward characteristic) of the Schottky diode, fitting is performed in a linear region where series resistance can be ignored, and n value is obtained. The Schottky barrier height is obtained from the intercept obtained by extrapolating the straight line to the current axis. This time, since the region of the voltage 0.15V to 0.45V is almost completely a straight line, this region was used.

次に、実効ドナー濃度の正確な値を測定するために、このダイオードの容量−電圧特性を測定する。今回用いたGaNは大型結晶から切り出されたものであり、厚さ方向についてのドーピング均一性は極めて優れている。均一なドーピングを反映して、1/C−Vプロットでは、きれいな直線が得られる。この直線の−5V〜0V領域の傾きから実効ドナー濃度Nを算定した。拡散電位Vは、この直線を外挿してグラフから求めることもできるが、外挿による誤差がやや大きいので、実効状態密度を用いて計算により求める。
計算により求めた結果は、もちろん、外挿により得た値とほぼ一致している。
Next, in order to measure an accurate value of the effective donor concentration, the capacitance-voltage characteristic of this diode is measured. The GaN used this time was cut out from a large crystal, and the doping uniformity in the thickness direction is extremely excellent. Reflecting the uniform doping, the 1 / C 2 -V plot gives a clean straight line. It was calculated effective donor density N d from the slope of -5V~0V region of the straight line. Diffusion potential V d, which can also be determined with this linear extrapolation from the graph, since the error due to extrapolation is slightly larger, by calculation using the effective density of states.
Of course, the result obtained by calculation is almost the same as the value obtained by extrapolation.

実測値のショットキー高さと実効ドナー濃度を用いて、上述のGaNの基礎物性定数と共に、影像力による障壁低下を考慮した熱電子放出電流、および、熱電界放出電流を計算し、両者の和を、理想的なショットキーダイオードの逆方向電流値とする。なお、上記熱電子放出電流は、上式(7)から求める。また、上記熱電界放出電流は、上式(9)と上式(10)で求められる値のうちの大きい方を採用する。本実施例においては、逆方向電流の計算値として、式(7)と式(9)による計算値の和を採用した。なお、電流値は温度に大きく依存する。ダイオード測定時のウエハーステージの温度を記録し、計算には当該ウエハーステージの温度を使用した。標準的な測定は室温付近で行っているが、デバイス応用に応じて、−100℃〜600℃などの温度で行ってもよい。本実施例に示す測定結果は、一例として、ウエハーステージ(自立基板)の温度が16℃で行ったものを示す。   Using the measured Schottky height and effective donor concentration, together with the basic physical constants of GaN described above, thermionic emission current and thermal field emission current considering the barrier drop due to image power are calculated, and the sum of both is calculated. The reverse current value of an ideal Schottky diode is used. The thermoelectron emission current is obtained from the above equation (7). Moreover, the larger one of the values calculated | required by the said Formula (9) and the said Formula (10) is employ | adopted for the said thermal field emission current. In the present embodiment, the sum of the calculated values according to the equations (7) and (9) is employed as the calculated value of the reverse current. The current value greatly depends on the temperature. The temperature of the wafer stage at the time of diode measurement was recorded, and the temperature of the wafer stage was used for the calculation. Although standard measurement is performed near room temperature, it may be performed at a temperature such as −100 ° C. to 600 ° C. depending on the device application. As an example, the measurement results shown in this example are those obtained when the temperature of the wafer stage (self-standing substrate) is 16 ° C.

図8は、実効ドナー濃度が1×1016atoms/cmである自立GaN結晶基板上に形成されたいくつかのダイオードについて、−200Vまでの逆方向特性の評価を行った結果(電流−電圧特性)を示す図である。
−50Vまでの低電圧に比べると理論値からの差が若干増大しているものの、−200Vにおいても、TFEモデルで求められた電流値の10倍以内に収まっている。逆方向で徐々に電流値が理論値から離れる理由であるが、いくつか理由が考えられる。第1の理由は、僅かではあるが、衝突電離が生じている可能性である。これは欠陥とは関係のないGaN本来の現象なので、実験結果と比較すべき理論値計算に組み入れるべきであるが、衝突電離係数の電界依存性の正確な値が計算には必要であり、まだ、信頼できる報告は少ない。第2の理由は、上記したデバイス内に含まれる数百個の転位の影響が考えられる。第3の理由は、作製したショットキーダイオードはガードリングを設けていないことから、電極周辺での電界集中による電流の寄与が考えられる。
FIG. 8 shows the results of evaluating reverse characteristics up to −200 V (current-voltage) for several diodes formed on a free-standing GaN crystal substrate having an effective donor concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3. FIG.
Although the difference from the theoretical value is slightly increased as compared with the low voltage up to -50V, the current value obtained by the TFE model is also within 10 times at -200V. This is the reason why the current value gradually deviates from the theoretical value in the reverse direction, but there are several possible reasons. The first reason is the possibility that impact ionization has occurred to a small extent. This is a GaN original phenomenon that has nothing to do with defects, so it should be included in the theoretical calculation to be compared with the experimental results. However, an accurate value of the electric field dependence of the impact ionization coefficient is necessary for the calculation, There are few reliable reports. The second reason is considered to be the influence of several hundreds of dislocations included in the device. The third reason is that the manufactured Schottky diode is not provided with a guard ring, and thus the contribution of current due to electric field concentration around the electrode can be considered.

研究開発や試作において支持基体の品質や作製プロセスの適切さを評価するには、−5Vや−50Vといったような比較的低電圧条件下で、理論値と実測値を比べる方法が簡便かつ実際的である。
なお、本実施例における上述の電気的特性は、キャリア濃度が1×1016atoms/cmの自立GaN単結晶基板に直接形成されたショットキーダイオードで得られたものであるが、同様の結果は、キャリア濃度が8×1016atoms/cmや1.5×1017atoms/cmの自立GaN単結晶基板に直接形成されたショットキーダイオードにおいても得られることを確認している。
To evaluate the quality of the support substrate and the appropriateness of the fabrication process in R & D and trial production, a method that compares the theoretical value with the actual measurement value under a relatively low voltage condition such as -5 V or -50 V is simple and practical. It is.
Note that the above-described electrical characteristics in this example were obtained with a Schottky diode directly formed on a self-standing GaN single crystal substrate having a carrier concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3. Has confirmed that it can also be obtained in a Schottky diode directly formed on a free-standing GaN single crystal substrate having a carrier concentration of 8 × 10 16 atoms / cm 3 or 1.5 × 10 17 atoms / cm 3 .

つまり、本発明の、主面がGaN系自立基板よりなる支持基体の主面に直接形成されたショットキーダイオードにおいては、理想因子n値が1.0以上であり、1.3以下、好ましくは1.2以下、更に好ましくは1.1以下で、逆方向電圧−5V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下、更に好ましくは3倍以下である。   That is, in the Schottky diode in which the main surface of the present invention is directly formed on the main surface of the support base made of a GaN-based freestanding substrate, the ideal factor n value is 1.0 or more, preferably 1.3 or less, preferably 1.2 or less, more preferably 1.1 or less, and a current value when a reverse voltage of −5 V is applied is 50 times or less of the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermionic emission model. , Preferably 10 times or less, more preferably 3 times or less.

好ましくは、逆方向電圧−50V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下、更に好ましくは3倍以下である。
更に好ましくは、逆方向電圧−200V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下、更に好ましくは3倍以下である。
Preferably, the current value when a reverse voltage of −50 V is applied is 50 times or less, preferably 10 times or less, more preferably 3 times the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermal electron emission model. Is less than double.
More preferably, the current value when the reverse voltage -200 V is applied is not more than 50 times, preferably not more than 10 times, more preferably not more than the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermionic emission model. 3 times or less.

図9は、本発明のショットキーダイオードにつき、理論モデルで計算した逆方向電圧−
5Vおよび−50Vにおける電流値を、実効ドナー濃度Nに対してプロットした図で、ショットキー障壁高さが0.93eVの場合の逆方向の、印加電圧−5Vおよび−50Vにおける理論電流値を実線で示している。なお、図中に示した白丸および黒丸は、それぞれの逆方向電圧条件下での実測値である。図9に示した結果から、本発明のショットキーダイオードにおいては、逆方向電圧−5V印加時の電流値がモデルで計算した電流値とほぼ等しく、極めて良好なショットキー障壁が形成されていることが分かる。
FIG. 9 shows the reverse voltage − calculated by the theoretical model for the Schottky diode of the present invention.
The current value in 5V and -50V, a diagram has been plotted against the effective donor concentration N d, Schottky barrier height of the opposite direction when the 0.93EV, the theoretical current value at an applied voltage of -5V and -50V It is shown with a solid line. In addition, the white circle and black circle shown in the figure are measured values under the respective reverse voltage conditions. From the results shown in FIG. 9, in the Schottky diode of the present invention, the current value when the reverse voltage of −5 V is applied is almost equal to the current value calculated by the model, and an extremely good Schottky barrier is formed. I understand.

逆方向の理論電流値は、ショットキー障壁高さおよび実効ドナー濃度に大きく依存する。実効ドナー濃度増大に伴い、熱電界放出成分がより大きくなり、逆方向電流は増加する。特に、逆バイアス電圧が大きいとトンネル確率が大きくなるので、−5Vにくらべ−50Vでは値が急増する。実効ドナー濃度が1015cm−3以下の領域では、熱電子放出が支配的になり、電流値は逆バイアス電圧に対して緩やかな依存性を持つ。 The theoretical current value in the reverse direction largely depends on the Schottky barrier height and the effective donor concentration. As the effective donor concentration increases, the thermal field emission component becomes larger and the reverse current increases. In particular, when the reverse bias voltage is large, the tunnel probability increases, so that the value rapidly increases at -50V compared to -5V. In the region where the effective donor concentration is 10 15 cm −3 or less, thermionic emission becomes dominant, and the current value has a gentle dependence on the reverse bias voltage.

今回作製したダイオードの逆バイアス電圧−5Vおよび−50Vにおける電流実測値(白丸および黒丸)を図9中に示したように、すべての実測値が理論計算値の10倍以内に収まっており、ショットキー障壁は極めて良好であることが分かる。
なお、下地基板の上にMOCVDやMBEでエピタキシャル成長させたたGaN系厚膜の表面に直接ショットキー電極を形成したダイオードにおいても、そのデバイス特性は良好であり、電流−電圧特性における理想因子n値は1.0〜1.1であり、逆方向電圧−5V印加時の電流値は、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下、好ましくは10倍以下、更に好ましくは3倍以下である。
As shown in FIG. 9, current measured values (white circles and black circles) at reverse bias voltages −5 V and −50 V of the diodes fabricated this time are all within 10 times the theoretically calculated values. It can be seen that the key barrier is very good.
In addition, even in a diode in which a Schottky electrode is directly formed on the surface of a GaN-based thick film epitaxially grown by MOCVD or MBE on a base substrate, its device characteristics are good, and an ideal factor n value in current-voltage characteristics 1.0 to 1.1, and the current value when reverse voltage −5 V is applied is not more than 50 times the theoretical current value calculated as the sum of the calculated values of the thermal field emission model and the thermionic emission model, preferably 10 times or less, more preferably 3 times or less.

従来、GaN系半導体からなる自立基板表面(主面)の上に直接デバイス領域を形成した場合には好ましいデバイス特性を得ることができないと考えられてきたが、本発明の自立基板は、表面(主面)の上にエピタキシャル層を形成することなく直接ショットキーダイオードを形成しても、理想因子(n値)が1に近く、高いショットキー障壁高さと低いリーク電流特性を有する品質を有する。従って、高品質なGaN系半導体からなる自立基板を用いる産業分野、例えば、ショットキーダイオード分野のみならず、ショットキー障壁をゲートとするGaN系材料における電界効果トランジスタの分野、LEDやLDなどの半導体発光素子の結晶成長用基板としての分野等において、その利用可能性は極めて高い。   Conventionally, it has been considered that when a device region is formed directly on a free-standing substrate surface (main surface) made of a GaN-based semiconductor, favorable device characteristics cannot be obtained. Even if a Schottky diode is directly formed without forming an epitaxial layer on the main surface), the ideal factor (n value) is close to 1, and a high Schottky barrier height and low leakage current characteristics are obtained. Therefore, industrial fields that use free-standing substrates composed of high-quality GaN-based semiconductors, such as the field of field-effect transistors in GaN-based materials with Schottky barriers as gates, semiconductors such as LEDs and LDs. In the field as a substrate for crystal growth of a light-emitting element, its applicability is extremely high.

100 HVPE装置
10 反応室
20 ヒータ
30 基板支持部
40 n−GaN
50 Ti/Alのオーム性電極
60 Cu/Niのショットキー電極
100 HVPE apparatus 10 Reaction chamber 20 Heater 30 Substrate support 40 n-GaN
50 Ti / Al ohmic electrode 60 Cu / Ni Schottky electrode

Claims (15)

GaN系半導体からなる自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、電流−電圧特性における理想因子n値が1以上1.3以下となることを特徴とする自立基板。   When a Schottky diode is formed by using Ni as a metal electrode directly on the surface of the free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor, the ideal factor n value in current-voltage characteristics is 1 or more and 1.3 or less. A self-supporting board characterized by 請求項1に記載の自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、逆方向電圧−5V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下となることを特徴とする自立基板。   2. The self-standing substrate according to claim 1, wherein when a Schottky diode is directly formed on the surface of the self-standing substrate using Ni as a metal electrode, a current value when a reverse voltage of −5 V is applied is a thermal field emission model and a heat A self-supporting substrate characterized by being 50 times or less of a theoretical current value calculated as a sum of calculated values of an electron emission model. GaN系半導体からなる自立基板であって、前記自立基板の表面に直接Niを金属電極としてショットキーダイオードを形成した場合、逆方向電圧−5V印加時の電流値が、熱電界放出モデルおよび熱電子放出モデルの計算値の和として計算した理論電流値の50倍以下となることを特徴とする自立基板。   When a Schottky diode is formed by using Ni as a metal electrode directly on the surface of the free-standing substrate made of a GaN-based semiconductor, the current value when a reverse voltage of -5 V is applied is a thermal field emission model and a thermoelectron. A self-supporting substrate characterized by being 50 times or less of a theoretical current value calculated as a sum of calculated values of an emission model. TEMによる断面格子像観察での格子の乱れを観察することにより測定される表面のダメージ深さが10nm以下である請求項1から3のいずれか1項に記載の自立基板。   The self-standing substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the damage depth of the surface measured by observing the disorder of the lattice in the cross-sectional lattice image observation by TEM is 10 nm or less. TOF−SIMSにより、一次イオンAu、一次イオン加速電圧25kV、走査領域200μm角、二次イオン積算時間150秒において測定されるSi/Gaのイオンマスス
ペクトルのピーク強度比が0.01以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の自立基板。
The peak intensity ratio of the ion mass spectrum of Si / Ga measured by TOF-SIMS at a primary ion Au, a primary ion acceleration voltage of 25 kV, a scanning region of 200 μm square, and a secondary ion integration time of 150 seconds is 0.01 or less. Item 5. The self-supporting substrate according to any one of Items 1 to 4.
AFM(Atomic Force Microscopy)により、周辺1mmを除いた領域において測定される、1×1μmにおけるRMS値が1nm以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の自立基板。 6. The self-supporting substrate according to claim 1, wherein an RMS value at 1 × 1 μm 2 measured by an AFM (Atomic Force Microscopy) in a region excluding a peripheral area of 1 mm is 1 nm or less. 転位密度が1×10cm―2以下である請求項1から6のいずれか1項に記載の自立基板。 The self-supporting substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the dislocation density is 1 x 10 7 cm -2 or less. GaN系半導体がAlInGa(1−x−y)N(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、[x+y]<1)からなる請求項1から7のいずれか1項に記載の自立基板。 The GaN-based semiconductor is made of Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, [x + y] <1). A self-supporting substrate as described in 1. x+y<0.5である請求項8の自立基板。   9. The self-supporting substrate according to claim 8, wherein x + y <0.5. 室温での熱伝導率が250(W/m・K)以上である請求項1から9のいずれか1項に記載の自立基板。   The self-standing substrate according to any one of claims 1 to 9, wherein the thermal conductivity at room temperature is 250 (W / m · K) or more. 請求項1から10のいずれか1項に記載の自立基板を製造する方法であって、
(1)GaN系半導体を成長させる成長工程
(2)研磨工程
(3)こすり洗浄工程
を含むことを特徴とする自立基板の製造方法。
A method for manufacturing a self-supporting substrate according to any one of claims 1 to 10,
(1) A growth process for growing a GaN-based semiconductor, (2) a polishing process, and (3) a rubbing cleaning process.
請求項1から10のいずれか1項に記載の自立基板を製造する方法であって、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth)法によってGaN系半導体を成長させる成長工程を含むことを特徴とする自立基板の製造方法。   A method for manufacturing a self-supporting substrate according to any one of claims 1 to 10, comprising a growth step of growing a GaN-based semiconductor by an HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy Growth) method. Manufacturing method. 前記成長工程において、
ガスを含むキャリアガスと、GaClガスと、NHガスとを反応室に供給し、成長温度を900℃以上1200℃以下とし、
成長圧力を8.08×10Pa以上1.21×10Pa以下とし、
GaClガスの分圧を1.0×10Pa以上1.0×10Pa以下とし、
NHガスの分圧を9.1×10Pa以上かつ2.0×10Pa以下とする、
請求項11または12に記載の自立基板の製造方法。
In the growth process,
A carrier gas containing H 2 gas, GaCl gas, and NH 3 gas are supplied to the reaction chamber, the growth temperature is set to 900 ° C. or more and 1200 ° C. or less,
The growth pressure is set to 8.08 × 10 4 Pa or more and 1.21 × 10 5 Pa or less,
The partial pressure of GaCl gas is set to 1.0 × 10 2 Pa or more and 1.0 × 10 4 Pa or less,
The partial pressure of NH 3 gas is set to 9.1 × 10 2 Pa or more and 2.0 × 10 4 Pa or less,
The manufacturing method of the self-supporting substrate according to claim 11 or 12.
前記成長工程の後に、研磨レートを1000nm/時間以下とする研磨工程を含む請求項11から13のいずれか1項に記載の自立基板の製造方法。   The method for manufacturing a self-supporting substrate according to any one of claims 11 to 13, further comprising a polishing step of setting a polishing rate to 1000 nm / hour or less after the growth step. 前記成長工程の後に、こすり洗浄工程を含む請求項12から14のいずれか1項に記載の自立基板の製造方法。   The method for manufacturing a self-supporting substrate according to any one of claims 12 to 14, further comprising a rubbing cleaning step after the growth step.
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