JP2010251743A - Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor device, free-standing substrate for group-iii nitride semiconductor, and method for manufacturing the same - Google Patents

Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor device, free-standing substrate for group-iii nitride semiconductor, and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group-III nitride semiconductor device, and a free-standing substrate for group-III nitride semiconductors and an epitaxial substrate for group-III nitride semiconductors, having good crystallinity for materials having growth temperatures at or below 1,050°C, such as AlGaN, GaN, and GaInN, and also for Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N of high Al compositions having high growth temperatures; and to provide a method for efficiently manufacturing the same. <P>SOLUTION: These are provided with a crystal growth substrate, at least the surface region of which includes an Al-containing group-III nitride semiconductor, and a scandium nitride film formed by nitrogen treatment of Sc (scandium) formed on top of the surface region. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体成長用基板、III族窒化物半導体自立基板、III族窒化物半導体素子、ならびに、これらの製造方法に関する。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor growth substrate, a group III nitride semiconductor free-standing substrate, a group III nitride semiconductor element, and a method for manufacturing these.

一般に、Al、Ga、InなどとNとの化合物からなるIII族窒化物半導体で構成される例えばIII族窒化物半導体素子は、発光素子または電子デバイス用素子として広く用いられている。このようなIII族窒化物半導体は、現在、例えばサファイアからなる結晶成長基板上に、MOCVD法により形成されるのが一般的である。   In general, for example, a group III nitride semiconductor element composed of a group III nitride semiconductor composed of a compound of N, Al, Ga, In or the like and N is widely used as a light emitting element or an electronic device element. Such a group III nitride semiconductor is currently generally formed by MOCVD on a crystal growth substrate made of, for example, sapphire.

しかしながら、III族窒化物半導体と結晶成長基板(一般にはサファイア)とは、格子定数が大きく異なるため、この格子定数の差に起因する転位が生じ、結晶成長基板上に成長させたIII族窒化物半導体層の結晶品質が低下してしまうという問題がある。   However, since the lattice constants of Group III nitride semiconductors and crystal growth substrates (generally sapphire) are greatly different, dislocations are generated due to the difference in lattice constants, and Group III nitrides grown on the crystal growth substrate. There exists a problem that the crystal quality of a semiconductor layer will fall.

この問題を解決するため、従来技術としては、例えばサファイア基板上に、低温多結晶または非晶質状態のバッファ層を介してGaN層を成長させる方法があり、広く用いられている。しかし、サファイア基板の熱伝導率が小さいこと、絶縁性で電流を流せないため、サファイア基板の片面にn電極とp電極とを形成させ、電流を流す構成を取るため、この構成では、大電流を流しにくく、また放熱性が悪いため高出力の発光ダイオード(LED)の作成には不適である。
このため、縦方向に電流を流すために導電性で熱伝導率が大きい別の支持基板に貼り替えて、GaNのエネルギーギャップよりも大きな量子エネルギーを持つレーザー光を、サファイア基板上に形成されているGaN層に照射してGaと窒素に熱分解させ、サファイア基板とIII族窒化物半導体層とを剥がすレーザーリフトオフ法などの方法が採られている。
In order to solve this problem, as a conventional technique, for example, there is a method of growing a GaN layer on a sapphire substrate through a low-temperature polycrystalline or amorphous buffer layer, which is widely used. However, since the thermal conductivity of the sapphire substrate is small and current cannot flow due to insulation, an n-electrode and a p-electrode are formed on one side of the sapphire substrate and current is passed. It is unsuitable for making high-power light-emitting diodes (LEDs) because of its poor heat dissipation and poor heat dissipation.
For this reason, a laser beam having a quantum energy larger than the energy gap of GaN is formed on the sapphire substrate by switching to another support substrate that is conductive and has high thermal conductivity in order to pass current in the vertical direction. A method such as a laser lift-off method is employed in which the GaN layer is irradiated with thermal decomposition into Ga and nitrogen to peel off the sapphire substrate and the group III nitride semiconductor layer.

また、他の従来技術としては、特許文献1〜3に、サファイア基板上に、金属窒化物層を介してGaN層を成長させる技術が開示されている。この方法によれば、GaN層の転位密度を上記技術と比較して低減することができ、高品質のGaN層を成長させることが可能である。これは、金属窒化物層であるCrN層等とGaN層との格子定数および熱膨張係数の差が比較的小さいためである。また、このCrN層は、化学エッチング液で選択的にエッチングす
ることができ、ケミカルリフトオフ法を用いるプロセスにおいて有用である。
As other conventional techniques, Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for growing a GaN layer on a sapphire substrate via a metal nitride layer. According to this method, the dislocation density of the GaN layer can be reduced as compared with the above technique, and a high-quality GaN layer can be grown. This is because the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the GaN layer and the CrN layer, which is a metal nitride layer, is relatively small. Further, this CrN layer can be selectively etched with a chemical etching solution, and is useful in a process using a chemical lift-off method.

いずれの場合も、デバイス製造のエピタキシャル成長用にIII族窒化物の自立基板が無い或いは非常に高価であるため、サファイア基板を使わざるを得ないことによる。現状、GaNの自立基板は青紫LD(レーザーダイオード)用途、或いは縦型構造のショットキーバリアダイオードなどの特殊用途の使用に限定されている。LEDの高出力化に対しても自立基板が低価格化が図れるならば、縦型構造化が図れることのメリットは大きい。
例えば、従来のIII族窒化物の自立基板の製造方法としては、特許文献4および非特許文献1に開示されるように、GaN自立基板の場合、
1)サファイア基板上にMOCVD法で数μm程度のGaN層を形成したのち、HVPE法で厚膜を成長し、レーザーリフトによって剥離させる方式
2)GaAs(111)基板を成長用の基板として用いてHVPE法で厚膜GaNを成長し、成長後GaAs基板自身をエッチング除去してGaN自立基板を得る方式
3)サファイア基板上にMOCVD法で数μm程度のGaN層を形成したのち、Tiをその上に成膜して加熱窒化処理・GaN分解処理を行い、TiNの網目状マスクとボイドを形成し、網目の開口部の下地のGaNを種としてGaNをHVPE法で厚膜成長し、冷却過程で成長界面にあるボイドが剥離を促進させる方式
などがある。
上記1)の方式の場合、レーザー照射で剥離した部分と、密着部間で応力が加わり、クラック等が入りやすく、大面積で歩留まり良くGaN厚膜を分離することが困難であるという問題がある。また、上記2)の方式の場合、結晶中に有害物質であるAsが混入するという問題がある。また、上記3)の場合、界面で剥離を行うために結晶成長開始部分をある意味で不完全な状態としているため、得られるGaN厚膜の結晶欠陥密度が高くなるという問題がある。
そのため、いずれの方式においても品質・製造コスト面の課題をかかえている。
In either case, the sapphire substrate must be used because there is no III nitride free-standing substrate for epitaxial growth in device manufacturing or it is very expensive. Currently, GaN free-standing substrates are limited to blue-violet LD (laser diode) applications or special applications such as vertical Schottky barrier diodes. If a self-supporting substrate can be reduced in price even for higher output of LEDs, the advantage of having a vertical structure is great.
For example, as a conventional method for manufacturing a group III nitride free-standing substrate, as disclosed in Patent Document 4 and Non-Patent Document 1, in the case of a GaN free-standing substrate,
1) A method in which a GaN layer of about several μm is formed on a sapphire substrate by MOCVD, and then a thick film is grown by HVPE and peeled off by laser lift. 2) A GaAs (111) substrate is used as a growth substrate. Thick GaN film is grown by HVPE method, and the GaAs substrate itself is removed by etching after growth. 3) A GaN layer of about several μm is formed on the sapphire substrate by MOCVD method, and then Ti is deposited on it. A film is formed on the substrate, heat-nitrided and GaN-decomposed, and a TiN network mask and void are formed. Using the underlying GaN at the opening of the network as a seed, GaN is grown to a thick film by the HVPE method. There is a method in which voids at the growth interface promote peeling.
In the case of the above method 1), there is a problem that stress is applied between the part peeled off by laser irradiation and the close contact part, cracks are easily generated, and it is difficult to separate the GaN thick film with a large area and a high yield. . In the case of the method 2), there is a problem that As which is a harmful substance is mixed in the crystal. In the case of the above 3), since the crystal growth start portion is in an imperfect state in order to perform peeling at the interface, there is a problem that the crystal defect density of the obtained GaN thick film becomes high.
Therefore, both methods have problems in terms of quality and manufacturing cost.

WO2006/126330号公報WO2006 / 126330 特開2008−91728号公報JP 2008-91728 A 特開2008−91729号公報JP 2008-91729 A 特開2003−178984号公報JP 2003-178984 A

K.Motoki他、“Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate”、Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) pp. L140-L143K. Motoki et al., “Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate”, Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) pp. L140-L143

本発明に従う窒化物半導体用基板の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the board | substrate for nitride semiconductors according to this invention. 本発明に従う窒化物半導体素子構造体の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor element structure according to this invention. 本発明に従う試料の窒化・成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the nitridation and growth sequence of the sample according to this invention. 本発明に従う試料の窒化・成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the nitridation and growth sequence of the sample according to this invention. 窒化処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between nitriding temperature and sheet resistance.

本発明の目的は、上述した問題を解決し、レーザーリフトオフ、ケミカルリフトオフを必要とせず、III族窒化物半導体層と結晶成長基板とを分離することが可能である結晶性の良いIII族窒化物半導体自立基板、III族窒化物半導体素子、およびこれらを製造するためのIII族窒化物半導体成長用基板、ならびに、これらを効率よく製造する方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, and does not require laser lift-off or chemical lift-off, and allows a group III nitride semiconductor layer and a crystal growth substrate to be separated from a group III nitride having good crystallinity. It is an object to provide a semiconductor free-standing substrate, a group III nitride semiconductor device, a group III nitride semiconductor growth substrate for manufacturing them, and a method for efficiently manufacturing them.

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。
In order to achieve the above object, the gist of the present invention is as follows.
(1) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface part of Al, and heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas And a step of forming a scandium nitride film by performing nitriding under a condition in which nitridation is restricted, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor growth substrate.

(2)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程とを具え、前記窒化処理の最高温度は、500℃以上で、かつ1000℃未満の範囲であることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   (2) A step of forming a metal layer made of Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas And a step of forming a scandium nitride film by performing nitriding treatment, wherein the maximum temperature of the nitriding treatment is in a range of 500 ° C. or more and less than 1000 ° C. A method for manufacturing a growth substrate.

(3)前記アンモニアガスを含む雰囲気ガスが、不活性ガスおよび水素ガスから選ばれる1種以上を更に含む混合ガスである上記(1)または(2)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   (3) The group III nitride semiconductor growth substrate according to (1) or (2), wherein the atmospheric gas containing ammonia gas is a mixed gas further containing at least one selected from an inert gas and a hydrogen gas. Manufacturing method.

(4)前記金属層の加熱は、500℃以上での加熱時間が0.1〜120分である上記(1)、(2)または(3)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   (4) The method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate according to the above (1), (2) or (3), wherein the heating of the metal layer is performed at a temperature of 500 ° C. or higher for 0.1 to 120 minutes. .

(5)前記窒化処理を施す工程の後、前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層を形成する工程をさらに具える上記(1)〜(4)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。 (5) After the step of performing the nitriding treatment, a step of forming an initial growth layer made of at least one buffer layer made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film. The method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (4), further comprising:

(6)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製し、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と、前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離してIII族窒化物半導体素子を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。   (6) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas A step of forming a scandium nitride film by performing nitriding under a condition in which nitridation is restricted, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate, and at least above the group III nitride semiconductor growth substrate, One group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown to produce a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or less, and the group III nitride semiconductor layer and the crystal are grown. Separating the substrate, and separating the at least one group III nitride semiconductor layer into elements to obtain a group III nitride semiconductor element. Method of manufacturing a body element.

(7)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、最高温度が、500℃以上で、かつ1000℃未満の条件で窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製し、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と、前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離してIII族窒化物半導体素子を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。   (7) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface part of Al, and heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas A step of forming a scandium nitride film by nitriding under a condition where the maximum temperature is 500 ° C. or more and less than 1000 ° C. to produce a group III nitride semiconductor growth substrate, and said group III nitride semiconductor Above the growth substrate, at least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown to produce a group III nitride semiconductor epitaxial substrate. The group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or less, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is formed. Separating the nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate, and separating the at least one group III nitride semiconductor layer into a device to obtain a group III nitride semiconductor device. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor device.

(8)前記窒化処理を施した後、前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層を形成する工程をさらに具える上記(6)または(7)に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 (8) A step of forming an initial growth layer made of at least one buffer layer made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film after the nitriding treatment. The method for producing a group III nitride semiconductor device according to (6) or (7), further comprising:

(9)前記初期成長層が、第1バッファ層および該第1バッファ層上に成長された第2バッファ層からなり、前記第1バッファ層の成長温度が900〜1260℃の範囲で、前記第2バッファ層の成長温度が1030〜1300℃の範囲で、かつ前記第1バッファ層の成長温度が前記第2バッファ層の成長温度と等しいか低い上記(8)に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。   (9) The initial growth layer includes a first buffer layer and a second buffer layer grown on the first buffer layer, and a growth temperature of the first buffer layer is in a range of 900 to 1260 ° C. The group III nitride semiconductor device according to (8), wherein the growth temperature of the two buffer layers is in the range of 1030 to 1300 ° C., and the growth temperature of the first buffer layer is equal to or lower than the growth temperature of the second buffer layer Manufacturing method.

(10)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。   (10) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface part of Al, and heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas A step of forming a scandium nitride film by performing nitriding under a condition in which nitridation is restricted, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate, and at least above the group III nitride semiconductor growth substrate, One group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown to obtain a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or less, and the group III nitride semiconductor layer, the crystal growth substrate, A method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate.

(11)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、最高温度が、500℃以上で、かつ1000℃未満の条件で窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。   (11) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas A step of forming a scandium nitride film by nitriding under a condition where the maximum temperature is 500 ° C. or more and less than 1000 ° C. to produce a group III nitride semiconductor growth substrate, and said group III nitride semiconductor At least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown above the growth substrate to obtain a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or less, and the group III nitride is obtained. A method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate comprising the step of separating a semiconductor layer and the crystal growth substrate.

(12)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、前記表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜とを具え、該スカンジウム窒化物膜はシート抵抗が1×104Ω/□より大きいIII族窒化物半導体成長用基板。 (12) A crystal growth substrate including a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and a scandium nitride film formed on the surface portion, wherein the scandium nitride film has a sheet resistance of 1 × 10 Group III nitride semiconductor growth substrate larger than 4 Ω / □.

(13)前記スカンジウム窒化物膜は、一部に金属スカンジウムを含有する上記(12)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (13) The group III nitride semiconductor growth substrate according to (12), wherein the scandium nitride film partially contains metal scandium.

(14)前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層をさらに具える上記(12)または(13)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。 (14) In the above (12) or (13), further comprising an initial growth layer comprising at least one buffer layer comprising Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film. The substrate for group III nitride semiconductor growth as described.

(15)前記スカンジウム窒化物膜の厚さは、3〜100nmである上記(12)、(13)または(14)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (15) The group III nitride semiconductor growth substrate according to (12), (13) or (14), wherein the scandium nitride film has a thickness of 3 to 100 nm.

(16)前記結晶成長基板のベース基板が、サファイア、Si、SiC、GaNのいずれかであることを特徴とする上記(12)〜(15)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (16) The group III nitride semiconductor growth according to any one of (12) to (15) above, wherein a base substrate of the crystal growth substrate is any one of sapphire, Si, SiC, and GaN. Substrate.

(17)前記少なくとも表面部分が、AlNからなる上記(12)〜(16)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (17) The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (12) to (16), wherein the at least surface portion is made of AlN.

(18)上記(12)〜(17)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板。   (18) A Group III nitride semiconductor self-supporting substrate produced using the Group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (12) to (17).

(19)上記(12)〜(17)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体素子。   (19) A group III nitride semiconductor device manufactured using the group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (12) to (17).

(20)結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、前記金属層に窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程と、前記スカンジウム窒化物膜上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後、50℃以下の温度まで降温する工程とを具えることを特徴とする結晶成長基板からのIII族窒化物半導体層の剥離方法。   (20) a step of forming a metal layer made of Sc material on the crystal growth substrate, a step of nitriding the metal layer to form a scandium nitride film, and at least one layer on the scandium nitride film And a step of lowering the temperature of the group III nitride semiconductor layer to 50 ° C. or lower after epitaxial growth of the group III nitride semiconductor layer.

(21)前記降温する工程の後、前記結晶成長基板から前記III族窒化物半導体層をスライドさせる上記(20)に記載のIII族窒化物半導体層の剥離方法。   (21) The method for peeling a group III nitride semiconductor layer according to (20), wherein the group III nitride semiconductor layer is slid from the crystal growth substrate after the temperature lowering step.

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板は、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、前記表面部分上に形成されたSc層を窒化して得られるスカンジウム窒化物膜とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層を前記III族窒化物半導体層の成長温度から50℃以下に降温することにより容易に剥離することができる。
さらに、前記スカンジウム窒化物膜を形成する際に使用するガスは、アンモニアガスと不活性ガスまたは水素ガスのいずれかであり、色々な成長法でIII族窒化物半導体層の成長用ガスとして一般的に用いられるものであり、特別な設備を必要とせず、工程も簡略である。
A substrate for group III nitride semiconductor growth according to the present invention includes a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and scandium nitridation obtained by nitriding an Sc layer formed on the surface portion. by comprising the object film, then formed by group III nitride semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N of (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The group III nitride semiconductor layer can be easily peeled off from the crystal growth substrate by lowering the temperature from the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer to 50 ° C. or less without greatly impairing the crystallinity.
Furthermore, the gas used for forming the scandium nitride film is either ammonia gas, inert gas, or hydrogen gas, and is generally used as a growth gas for the group III nitride semiconductor layer by various growth methods. Therefore, no special equipment is required and the process is simple.

また、本発明によれば、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いることにより、ケミカルリフトオフやレーザーリフトオフを必要とせずに基板除去が可能であり、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、言い換えれば、1200℃以上の高温での成長されるAlNから500℃前後で成長されるInNまでを含むAlxGayIn1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の全組成域の成長温度帯をカバーできる、結晶性が良好なIII族窒化物半導体自立基板、III族窒化物半導体素子を提供することができる。 Further, according to the present invention, by using the group III nitride semiconductor growth substrate, the substrate can be removed without the need for chemical lift-off or laser lift-off, and a wavelength band that can be covered with a group III nitride semiconductor material. covering the full (200nm~1.5μm), in other words, Al x Ga y in 1- xy N (0 ≦ x comprising of AlN is grown at a high temperature of above 1200 ° C. until InN grown at 500 ° C. before and after Provided a Group III nitride semiconductor free-standing substrate and a group III nitride semiconductor device with good crystallinity that can cover the growth temperature range of the entire composition range of ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) can do.

さらに、本発明によれば、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、前記金属層に対して窒化処理を施す工程とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層をケミカルリフトオフやレーザーリフトオフを必要とせずに容易に剥離することができるIII族窒化物半導体成長用基板を製造することができる。 Furthermore, according to the present invention, a step of forming a metal layer made of Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor containing at least Al on the surface portion, and nitriding treatment is performed on the metal layer by comprising the step, crystals then formed III-nitride semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) A group III nitride semiconductor growth substrate capable of easily peeling the group III nitride semiconductor layer from the crystal growth substrate without requiring chemical lift-off or laser lift-off without significantly degrading the properties. it can.

加えて、本発明は、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いて、ケミカルリフトオフやレーザーリフトオフを必要とせず、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体自立基板、III族窒化物半導体素子を効率よく製造することができる。   In addition, the present invention covers the entire wavelength band (200 nm to 1.5 μm) that can be covered with a group III nitride semiconductor material without using chemical lift-off or laser lift-off, using the group III nitride semiconductor growth substrate. Thus, a group III nitride semiconductor free-standing substrate and a group III nitride semiconductor element with good crystallinity can be efficiently manufactured.

次に、本発明のIII族窒化物半導体成長用基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。ここで、本発明におけるIII族窒化物半導体自立基板とは、50μm以上の厚さのIII族窒化物半導体層を上記III族窒化物半導体成長用基板上に成長させた後、このIII族窒化物半導体成長用基板を剥がして得られたものをいう。図1は、この発明に従うIII族窒化物半導体成長用基板の断面構造を模式的に示したものである。   Next, an embodiment of a group III nitride semiconductor growth substrate of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the group III nitride semiconductor free-standing substrate in the present invention is a group III nitride semiconductor layer having a thickness of 50 μm or more grown on the group III nitride semiconductor growth substrate. This is obtained by peeling off the semiconductor growth substrate. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a group III nitride semiconductor growth substrate according to the present invention.

図1に示すIII族窒化物半導体成長用基板1は、少なくとも表面部分、図1では表面部分2が少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板3と、表面部分2上に窒化が制限された条件で形成されたスカンジウム窒化物からなる窒化物膜4とを具え、かかる構成を採用することにより、スカンジウム窒化物膜4の上方に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を大きく損なわず、かつ、III族窒化物半導体層から結晶成長基板3を前記III族窒化物半導体層の成長温度から50℃以下に冷却することにより剥離することを可能にしたものである。なお、図中のハッチングは、説明のため、便宜上施したものである。   A group III nitride semiconductor growth substrate 1 shown in FIG. 1 has a crystal growth substrate 3 made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion, and in FIG. And a nitride film 4 made of scandium nitride formed under limited conditions. By adopting such a configuration, the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer formed above the scandium nitride film 4 can be improved. The crystal growth substrate 3 can be peeled off from the group III nitride semiconductor layer by cooling it to 50 ° C. or less from the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer without significant damage. In addition, the hatching in a figure is given for convenience for description.

III族窒化物半導体成長用基板1は、前記窒化物膜4上に形成された、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層、図1では2層のバッファ層5a,5bからなる初期成長層5をさらに具えるのが好ましい。その上に成長させる窒化物半導体層結晶性を向上させるためである。これらバッファ層のAl組成は、その上に形成される材料に応じて適宜選択することができる。 The group III nitride semiconductor growth substrate 1 is formed of at least one layer of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) formed on the nitride film 4, and two buffer layers 5a in FIG. , 5b is preferably further included. This is to improve the crystallinity of the nitride semiconductor layer grown thereon. The Al composition of these buffer layers can be appropriately selected according to the material formed thereon.

結晶成長基板3は、例えば、サファイア、Si、SiC若しくはGaNのようなベース基板6上に少なくともAlを含むIII族窒化物半導体2を有するテンプレート基板、AlN単結晶基板、または、サファイアの表面を窒化して形成される表面窒化サファイア基板とすることができる。図1は、結晶成長基板3が、サファイア基板6上にAlN単結晶層2を有するAlNテンプレート基板である場合を示したものである。この少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる表面部分2は、この上方に成長させるAlGaN層の結晶欠陥を低減させる効果を有する。   The crystal growth substrate 3 is, for example, a template substrate having a group III nitride semiconductor 2 containing at least Al on a base substrate 6 such as sapphire, Si, SiC or GaN, an AlN single crystal substrate, or nitriding the surface of sapphire. Thus, a surface sapphire nitride substrate can be formed. FIG. 1 shows a case where the crystal growth substrate 3 is an AlN template substrate having an AlN single crystal layer 2 on a sapphire substrate 6. The surface portion 2 made of a group III nitride semiconductor containing at least Al has an effect of reducing crystal defects in the AlGaN layer grown thereabove.

結晶成長基板3は、少なくとも表面部分2が、Al組成が50原子%以上のAlxGa1-xN(0.5≦x≦1)からなるのが好ましく、80原子%以上のAlxGa1-xN(0.8≦x≦1)からなるのがより好ましい。上方に成長させるIII族窒化物半導体層のAl組成と同等程度の場合、ホモエピタキシャル成長となり、転位欠陥密度の少ない良好な結晶性を持つ層を成長させることができるためである。また、上方に成長させるIII族窒化物半導体層のAl組成よりも高くすると、圧縮応力によりさらに転位低減の効果を期待できること、および、III族窒化物半導体材料の中で成長温度が最も高く、その上に成長させるIII族窒化物半導体層の成長時に劣化しないことから、少なくとも表面部分2はAlNからなるのが好ましい。 In the crystal growth substrate 3, at least the surface portion 2 is preferably made of Al x Ga 1-x N (0.5 ≦ x ≦ 1) having an Al composition of 50 atomic% or more, and Al x Ga 1− of 80 atomic% or more. x N and more preferably composed of (0.8 ≦ x ≦ 1). This is because homoepitaxial growth occurs when the Al composition of the group III nitride semiconductor layer grown upward is equivalent, and a layer having good crystallinity with low dislocation defect density can be grown. Further, when the Al composition of the group III nitride semiconductor layer grown upward is higher than that of the group III nitride semiconductor layer, the effect of further reducing dislocation can be expected by compressive stress, and the growth temperature is the highest among group III nitride semiconductor materials. It is preferable that at least the surface portion 2 is made of AlN because it does not deteriorate during the growth of the group III nitride semiconductor layer grown thereon.

スカンジウム窒化物膜4は、金属Sc膜を窒化処理して、ScN膜を得ることができる。前記窒化処理は、窒化を制限した条件でおこなうことが肝要である。前記の窒化を制限する方法としては、(1)窒化処理温度を調整する、(2)窒化処理雰囲気中のアンモニア濃度を調整する、(3)窒化処理雰囲気の圧力、ガス流量を調整する、(4)窒化処理時間を調整する、が挙げられる。   The scandium nitride film 4 can be obtained by nitriding a metal Sc film to obtain a ScN film. It is important that the nitriding treatment be performed under conditions that limit nitriding. As a method for limiting the nitriding, (1) adjusting the nitriding temperature, (2) adjusting the ammonia concentration in the nitriding atmosphere, (3) adjusting the pressure and gas flow rate in the nitriding atmosphere, 4) Adjusting the nitriding time.

上記のスカンジウム(Sc)層の窒化を制限する条件で窒化処理することで、成長用基板の結晶方位に合う形でスカンジウム窒化物が形成されるものの、剥離の状態から考察するに、金属層表面は十分に窒化されるが、少なくとも成長用基板と金属層との界面付近には、窒化が不十分な金属スカンジウムが残存すると考えられる。
金属Scの線膨張係数は、10.2×10-6という値であり、窒化物半導体のGaN、AlNやサファイア基板、ScNの膨張係数の2倍程度の値であるため、残存Sc金属とその上のScNとの界面、あるいは下地であるIII族窒化物半導体層との界面で、降温過程で応力が発生し、炉から取り出したときには、成長用基板から剥離あるいはスライドさせる程度で簡単に剥離されたIII族窒化物半導体層が得られるものと予想される。
By nitriding under the conditions that limit the nitridation of the scandium (Sc) layer, scandium nitride is formed in a form that matches the crystal orientation of the growth substrate. Is sufficiently nitrided, but it is thought that metal scandium with insufficient nitridation remains at least near the interface between the growth substrate and the metal layer.
The coefficient of linear expansion of the metal Sc is 10.2 × 10 −6 , which is about twice the expansion coefficient of the nitride semiconductor GaN, AlN or sapphire substrate, ScN. At the interface with the ScN or the interface with the III-nitride semiconductor layer, which is the underlying layer, stress is generated during the cooling process, and when taken out from the furnace, the III is easily peeled off by peeling or sliding from the growth substrate. A group nitride semiconductor layer is expected to be obtained.

スカンジウム窒化物膜4の厚さは、3〜100nmとするのが好ましい。3nm未満であると、スカンジウム窒化物膜4が薄すぎて、金属Sc層の厚さが窒化処理によって不連続状態となり、下地基板である結晶成長基板表面が露出して、結晶成長基板上にIII族窒化物半導体層が直接成長したりして、剥離が困難となる場合がある。一方、100nmを超えると、スカンジウム窒化物膜自体の固相エピによる高結晶化が望めず、その上のIII族窒化物半導体層の結晶性が悪化し、欠陥が増加する可能性があるためである。また、このスカンジウム窒化物膜4は、スパッタ法や真空蒸着法などの方法を用いて結晶成長基板3上に金属Sc層を形成し、窒化処理することにより形成させることができる。   The thickness of the scandium nitride film 4 is preferably 3 to 100 nm. If the thickness is less than 3 nm, the scandium nitride film 4 is too thin, the thickness of the metal Sc layer becomes discontinuous by nitriding, and the surface of the crystal growth substrate, which is the base substrate, is exposed. In some cases, the group nitride semiconductor layer grows directly, making it difficult to peel off. On the other hand, if it exceeds 100 nm, high crystallization due to solid phase epitaxy of the scandium nitride film itself cannot be expected, and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer thereon may deteriorate and defects may increase. is there. The scandium nitride film 4 can be formed by forming a metal Sc layer on the crystal growth substrate 3 using a method such as a sputtering method or a vacuum deposition method, and performing nitriding treatment.

図1には示されないが、上述した構成を有するIII族窒化物半導体成長用基板1上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を具えることにより、本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル成長基板を得ることができる。   Although not shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor epitaxial growth substrate according to the present invention is provided by providing at least one group III nitride semiconductor layer on a group III nitride semiconductor growth substrate 1 having the above-described configuration. Can be obtained.

同様に、図1には示されないが、上述した構成を有するIII族窒化物半導体成長用基板1を用いて、本発明に従うIII族窒化物半導体自立基板およびIII族窒化物半導体素子を得ることができる。   Similarly, although not shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor free-standing substrate and a group III nitride semiconductor device according to the present invention can be obtained using the group III nitride semiconductor growth substrate 1 having the above-described configuration. it can.

次に、本発明のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。   Next, an embodiment of a method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板1は、図1に示すように、少なくとも表面部分2がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板3上にSc材料からなる単一金属層を形成する工程と、前記金属層の窒化を制限した条件で窒化処理することにより、スカンジウム窒化物膜4を形成する工程とを具え、かかる構成を採用することにより、その上方に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を大きく損なうことなくかつ、III族窒化物半導体層から結晶成長基板3を、前記III族窒化物半導体層の成長温度から50℃以下に降温することにより剥離することを可能にしたものである。前記窒化処理は、窒化を制限した条件でおこなうことが肝要である。前記の窒化を制限する方法としては、(1)窒化処理温度を調整する、(2)窒化処理雰囲気中のアンモニア濃度を調整する、(3)窒化処理雰囲気の圧力、ガス流量を調整する、(4)窒化処理時間を調整する、が挙げられる。   As shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor growth substrate 1 of the present invention has a single metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate 3 made of a group III nitride semiconductor having at least a surface portion 2 containing Al. And forming a scandium nitride film 4 by nitriding under a condition in which nitridation of the metal layer is limited. By adopting such a configuration, III formed above The crystal growth substrate 3 is peeled off from the group III nitride semiconductor layer by lowering the crystal growth substrate 3 to 50 ° C. or less from the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer without significantly impairing the crystallinity of the group nitride semiconductor layer. Is made possible. It is important that the nitriding treatment be performed under conditions that limit nitriding. As a method for limiting the nitriding, (1) adjusting the nitriding temperature, (2) adjusting the ammonia concentration in the nitriding atmosphere, (3) adjusting the pressure and gas flow rate in the nitriding atmosphere, 4) Adjusting the nitriding time.

ベース基板6は、サファイア、Si、SiC、GaN等を使用することができる。基板調達コストの観点から、特にサファイアが好適に使用できる。
Sc材料からなる金属層は、スパッタ法で形成することができる。
Sc材料の窒化処理は、アンモニアガス、あるいは、アンモニアガスと水素ガスおよび/または1種以上の不活性ガスとの混合ガス中で加熱することにより行うことが出来る。ここで、不活性ガスとしては、例えばN2、Ar、He、Ne等の希ガスが挙げられる。Sc材料は昇華性をもつため、昇温過程において、昇華温度よりも低い温度から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めることが好ましい。これによりScが窒化されてScNとなることにより高温でも安定した材料となる。また、室温から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めても良いが、アンモニアの分解温度である500℃付近から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めると、アンモニアガスの浪費を防ぐことができてコスト低下に繋がり好ましい。加熱温度(ベース基板表面温度)は、最高温度が500〜1300℃とすることが好ましい。500℃未満の場合、アンモニアの分解が不十分であり、窒化ができない場合があり、1300℃超の場合には、高温とすることにより、設備寿命が短くなる場合がある。ただし、1000℃以上の場合には、窒化を制限するために、窒化処理雰囲気のアンモニア分圧を小さくする、または窒化処理時間を短くすることが必要となり、窒化処理の最高温度は、500℃以上、1000℃未満とすることが更に好ましい。前記加熱は、500℃以上である時間が、0.1〜120分の範囲であることが好ましい。0.1分未満では、窒化が十分にできない場合があり、120分超としても特に効果はなく、生産性の点で不利になる。不活性ガスの種類は特に限定なく、N2、Ar等を使用することができる。アンモニアガスの濃度は、0.01〜100容量%の範囲とすることができる。前記下限値未満では、窒化が十分にできない場合がある。アンモニアガスの高すぎる場合、窒化処理後の表面の表面粗さが大きくなる場合があり、アンモニアガスの濃度は、0.01〜90容量%が更に好ましい。また、前記混合ガスには、水素を20容量%以下含んでもよい。
As the base substrate 6, sapphire, Si, SiC, GaN, or the like can be used. In particular, sapphire can be suitably used from the viewpoint of substrate procurement cost.
The metal layer made of Sc material can be formed by sputtering.
The nitriding treatment of the Sc material can be carried out by heating in ammonia gas or a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas and / or one or more inert gases. Here, examples of the inert gas include rare gases such as N 2 , Ar, He, and Ne. Since the Sc material has sublimability, it is preferable to start flowing the mixed gas or ammonia gas from a temperature lower than the sublimation temperature in the temperature raising process. As a result, Sc is nitrided to become ScN, which becomes a stable material even at high temperatures. The mixed gas or ammonia gas may start to flow from room temperature, but if the mixed gas or ammonia gas starts to flow from around 500 ° C., which is the decomposition temperature of ammonia, waste of ammonia gas can be prevented, resulting in cost reduction. This is preferable. The maximum temperature of the heating temperature (base substrate surface temperature) is preferably 500 to 1300 ° C. When the temperature is lower than 500 ° C, the decomposition of ammonia is insufficient and nitriding may not be possible. When the temperature is higher than 1300 ° C, the equipment life may be shortened by increasing the temperature. However, in the case of 1000 ° C or higher, in order to limit nitriding, it is necessary to reduce the ammonia partial pressure in the nitriding atmosphere or shorten the nitriding time, and the maximum temperature of nitriding is 500 ° C or higher More preferably, the temperature is less than 1000 ° C. The heating is preferably performed at a temperature of 500 ° C. or higher in the range of 0.1 to 120 minutes. If it is less than 0.1 minutes, nitriding may not be sufficiently performed, and if it exceeds 120 minutes, there is no particular effect, which is disadvantageous in terms of productivity. The type of the inert gas is not particularly limited, and N 2 , Ar, etc. can be used. The concentration of ammonia gas can be in the range of 0.01 to 100% by volume. If the amount is less than the lower limit, nitriding may not be sufficient. If the ammonia gas is too high, the surface roughness after nitriding may increase, and the ammonia gas concentration is more preferably 0.01 to 90% by volume. Further, the mixed gas may contain 20% by volume or less of hydrogen.

図5は、(0001)面方位のAlNテンプレート上にSc膜厚が100Å(10nm)、200Å(20nm)となるようスパッタ成膜を施した後、窒化処理温度を変えた場合のシート抵抗値の測定結果を示すものである。なお、窒化処理時間はそれぞれの温度で10分とした。この時のアンモニアガス:窒化ガスの流量比は3:7とし、圧力は200Torrとした。膜の色に関しては、初期はメタリックな色(銀白色)であるが、500℃からは若干灰色みがかってはいるが透明性を有するようになり、1000℃からはオレンジないし黄色となることが分かった。これとほぼ連動した形で、シート抵抗値は、図5に示すように、500℃で初期の抵抗値よりも高くなり始め、900℃までの間はシート抵抗が大幅に増加し、1×104Ω/□より大きくなり、更に5×105Ω/□以上と成る。さらに窒化処理温度を高くすると、1000℃から再びシート抵抗値は低下に転じ、ほぼ所定の値に漸近した。 FIG. 5 shows the sheet resistance value when the nitriding temperature is changed after the sputter film is formed on the (0001) plane AlN template so that the Sc film thickness is 100 mm (10 nm) and 200 mm (20 nm). The measurement results are shown. The nitriding time was 10 minutes at each temperature. At this time, the flow rate ratio of ammonia gas: nitriding gas was 3: 7, and the pressure was 200 Torr. Regarding the color of the film, it is initially a metallic color (silver white), but from 500 ° C it is slightly grayish but has transparency, and from 1000 ° C it may be orange to yellow. I understood. As shown in FIG. 5, the sheet resistance value starts to become higher than the initial resistance value at 500 ° C., and the sheet resistance greatly increases up to 900 ° C., as shown in FIG. It becomes larger than 4 Ω / □, and more than 5 × 10 5 Ω / □. When the nitriding temperature was further increased, the sheet resistance value again decreased from 1000 ° C., and gradually approached a predetermined value.

図5における500℃以上1000℃未満の窒化処理温度帯では、窒化を制限した条件での窒化処理とすることができたため、窒素欠乏したScNが形成されこれが絶縁性と可視光透過性を有する。灰色みがかったのは一部に残存した金属Scが離散して混在するためと考えられる。このような窒化を制限した条件で窒化されたScNの上にエピタキシャル成長をすることにより、成長温度から降温した後に、エッチングに因らずにリフトオフすることができる。
さらに温度を上げて窒化処理を行うと、黄色ないしオレンジ色を呈するとともに抵抗値が下がるのは、完全にScNに転化されるため(ScNは導電性を持つ窒化物とされている)と解釈された。このように完全なScNとなる条件では、自然には剥離せず、エッチングによるケミカルリフトオフが必要となる。
なお、上記は代表的な例を示したものである。Sc厚みや窒化処理時間、雰囲気など他の条件によって、状態は変化する場合がある。
In the nitriding temperature range of 500 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. in FIG. 5, the nitriding treatment can be performed under a condition that restricts nitriding, so that nitrogen-deficient ScN is formed and has insulating properties and visible light transmittance. The grayishness is thought to be due to the discrete and mixed metal Sc remaining in part. By epitaxially growing on the nitrided ScN under such nitridation-limited conditions, it is possible to lift off regardless of etching after the temperature is lowered from the growth temperature.
When the nitriding treatment is further performed at a higher temperature, the yellowish or orange color and the decrease in resistance value are interpreted as being completely converted to ScN (ScN is considered to be a conductive nitride). It was. In such a condition that becomes a complete ScN, it does not peel off naturally, and chemical lift-off by etching is required.
The above is a representative example. The state may change depending on other conditions such as Sc thickness, nitriding time, and atmosphere.

スカンジウム窒化物膜4上に、AlxGa1-xN材料(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層5を形成する工程をさらに具えるのが好ましい。その後形成されるIII族窒化物半導体厚膜層7の結晶性向上のためであって、その成長温度は、900〜1300℃の範囲とするのが好ましい。尚、前記初期成長層は、MOCVD法、HVPE法(ハイドライドベーパーフェーズエピタキシー法)、PLD法(パルス レーザー ディポジション法)等の公知の成長法で成長することができる。 It is preferable to further include a step of forming an initial growth layer 5 made of at least one buffer layer made of an Al x Ga 1-x N material (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film 4. In order to improve the crystallinity of the Group III nitride semiconductor thick film layer 7 formed thereafter, the growth temperature is preferably in the range of 900 to 1300 ° C. The initial growth layer can be grown by a known growth method such as MOCVD method, HVPE method (hydride vapor phase epitaxy method), PLD method (pulse laser deposition method).

本発明に従うIII窒化物半導体成長用基板1は、上述した方法を用いて製造することができる。   The substrate for growing III nitride semiconductor 1 according to the present invention can be manufactured using the method described above.

次に、図2(a)に示すように、本発明のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法は、上述した方法で作製されたIII族窒化物半導体成長用基板1の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体厚膜層7をエピタキシャル成長させる工程を具える。   Next, as shown in FIG. 2 (a), the Group III nitride semiconductor free-standing substrate manufacturing method of the present invention is at least one layer above the Group III nitride semiconductor growth substrate 1 manufactured by the method described above. The step of epitaxially growing the group III nitride semiconductor thick film layer 7 is provided.

III族窒化物半導体厚膜層7は、最高温度900〜1300℃の範囲で、MOCVD法、HVPE法、PLD法、MBE法等を用いて成長させることを含むのが好ましい。   It is preferable that the group III nitride semiconductor thick film layer 7 includes growth using a MOCVD method, an HVPE method, a PLD method, an MBE method or the like at a maximum temperature in the range of 900 to 1300 ° C.

スカンジウム窒化物膜4上に、AlxGa1-xN材料(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層5を形成する工程をさらに具えるのが好ましい。その後形成されるIII族窒化物半導体厚膜層7の結晶性向上のためであって、その成長温度は、900〜1300℃の範囲とするのが好ましい。 It is preferable to further include a step of forming an initial growth layer 5 made of at least one buffer layer made of an Al x Ga 1-x N material (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film 4. In order to improve the crystallinity of the Group III nitride semiconductor thick film layer 7 formed thereafter, the growth temperature is preferably in the range of 900 to 1300 ° C.

初期成長層5は、一層とすることもできるが、二層以上とすることがその後形成されるIII族窒化物半導体厚膜層7の結晶性向上の観点からは好ましい。初期成長層5を二層とする場合、第1バッファ層5aおよびこの第1バッファ層5a上に成長された第2バッファ層5bからなり、第1バッファ層5aの成長温度が900〜1260℃の範囲で、第2バッファ層5bの成長温度が1000〜1300℃の範囲で、かつ第1バッファ層5aの成長温度が第2バッファ層5bの成長温度よりも小さいのが好ましい。第1のバッファ層5aを成長させる成長初期の段階において、比較的低い温度で成長させることにより多数の成長初期核の形成を促して結晶性の向上を図り、その後の第2のバッファ層5bを成長させる際に成長温度を高くすることにより多数の初期核の間にできた溝・窪みを埋めることにより、結晶性の向上とともに平坦性を向上させるためである。また、バッファ層は3層以上としてもよく、その場合は、成長温度を順次高くしていくのが好ましい。初期成長層5を一層とする場合には、成長温度を1000〜1300℃の範囲とすることが好ましい。   Although the initial growth layer 5 may be a single layer, it is preferable to use two or more layers from the viewpoint of improving the crystallinity of the Group III nitride semiconductor thick film layer 7 formed thereafter. When the initial growth layer 5 has two layers, the first growth layer 5 includes a first buffer layer 5a and a second buffer layer 5b grown on the first buffer layer 5a. The growth temperature of the first buffer layer 5a is 900 to 1260 ° C. Preferably, the growth temperature of the second buffer layer 5b is in the range of 1000 to 1300 ° C., and the growth temperature of the first buffer layer 5a is lower than the growth temperature of the second buffer layer 5b. In the initial stage of growth for growing the first buffer layer 5a, growth is promoted at a relatively low temperature to promote the formation of a large number of initial growth nuclei to improve the crystallinity, and then the second buffer layer 5b is formed. This is because when the growth is performed, the crystallinity is improved and the flatness is improved by filling the grooves / dents formed between a large number of initial nuclei by increasing the growth temperature. Further, the buffer layer may have three or more layers. In that case, it is preferable to increase the growth temperature sequentially. When the initial growth layer 5 is a single layer, the growth temperature is preferably in the range of 1000 to 1300 ° C.

また、本発明のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法は、上述した方法で作製されたIII族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記III族窒化物半導体層の成長温度から50℃以下に冷却することにより、III族窒化物半導体層と結晶成長基板とを分離して、III族窒化物半導体自立基板を得る工程とを具え、かかる構成を採用することにより、結晶成長用基板3をケミカルリフトオフにより除去するためにCrN材料を用いた場合の温度制限(波長制限)を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体自立基板を効率よく製造することができる。   Further, the method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate of the present invention comprises a step of epitaxially growing at least one group III nitride semiconductor layer above the group III nitride semiconductor growth substrate produced by the above-described method. Cooling the group III nitride semiconductor layer to a temperature not higher than 50 ° C. to separate the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate to obtain a group III nitride semiconductor free-standing substrate. By adopting such a configuration, the temperature limitation (wavelength limitation) in the case where the CrN material is used to remove the crystal growth substrate 3 by chemical lift-off exceeds the temperature limit (wavelength limitation) of the group III nitride semiconductor material in the entire composition range. A group III nitride semiconductor free-standing substrate with good crystallinity that covers the growth temperature zone can be efficiently manufactured.

III族窒化物半導体層の厚さは、50μm以上とする。ハンドリング性確保のためである。   The thickness of the group III nitride semiconductor layer is 50 μm or more. This is to ensure handling.

本発明に従うIII族窒化物半導体自立基板は、上述した方法を用いて製造することができる。   The group III nitride semiconductor free-standing substrate according to the present invention can be manufactured using the method described above.

なお、上述したところは、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。   The above description shows an example of a typical embodiment, and the present invention is not limited to this embodiment.

(実施例1)
サファイア上に、MOCVD法を用いてAlN単結晶層(厚さ:1μm)を成長させて、窒化物半導体成長用基板としてAlN(0001)テンプレート基板を作製した。
Example 1
An AlN single crystal layer (thickness: 1 μm) was grown on sapphire by MOCVD to produce an AlN (0001) template substrate as a nitride semiconductor growth substrate.

前述のようにして得られたAlNテンプレート基板を用いて、表1に示す条件により試料1−1を作製した。以下に手順を説明する。
AlNテンプレート基板上に、スパッタ法を用いて、Scを20nmの厚さで成膜し、その後、MOCVD装置内に設置して、窒素パージし、200Torrに減圧後に50℃/分のレートで昇温を開始した。図3(a)は昇温・成長における窒化・成長シーケンスを示す。横軸は経過時間、縦軸はプロセス温度(基板表面温度)である。図3(a)に示すように、温度500℃までは、窒素ガスを3.5SLMの流量で流し、昇温途中の500℃からアンモニアガスを流し始めてSc膜の窒化を行った。この時の窒素ガス:アンモニアガスの流量比は表1の値に設定した。引き続き昇温し、900℃に到達した時点でアンモニアガスの供給を停止し、アンモニアガスの流量と同流量の窒素ガスに置き換えて全流量を一定とした。引き続き1140℃まで昇温し、1140℃へ到達後に圧力を200Torrから10Torrへ減圧し、雰囲気を窒素ガスから水素ガスへ置換し、ガス流量をAlNの成長に適する条件へ変更した後、TMAlとアンモニアガスを供給してAlNエピ成長を開始した。自立基板を得るために厚膜とするために成長時間を24時間とした。成長終了後、30℃/分のレートで降温し、室温まで低下し、試料1−1を得た。
MOCVD装置から試料1−1を取り出した所、スカンジウム窒化物膜と下地基板として用いたAlNテンプレートとの界面で自然に剥離が起きており、厚さ約50μmのAlN(0001)自立基板を得ることができた。
Using the AlN template substrate obtained as described above, Sample 1-1 was produced under the conditions shown in Table 1. The procedure is described below.
Sc is deposited on an AlN template substrate by sputtering to a thickness of 20 nm, then placed in a MOCVD system, purged with nitrogen, and reduced in pressure to 200 Torr at a rate of 50 ° C / min. Started. FIG. 3A shows a nitriding / growth sequence in the temperature rise / growth. The horizontal axis represents elapsed time, and the vertical axis represents process temperature (substrate surface temperature). As shown in FIG. 3 (a), up to a temperature of 500 ° C., nitrogen gas was flowed at a flow rate of 3.5 SLM, and ammonia gas was started to flow from 500 ° C. in the middle of the temperature increase, thereby nitriding the Sc film. The flow rate ratio of nitrogen gas: ammonia gas at this time was set to the values shown in Table 1. The temperature was continuously raised, and when the temperature reached 900 ° C., the supply of ammonia gas was stopped, and the total flow rate was kept constant by replacing it with nitrogen gas at the same flow rate as the ammonia gas flow rate. The temperature was continuously raised to 1140 ° C, and after reaching 1140 ° C, the pressure was reduced from 200 Torr to 10 Torr, the atmosphere was changed from nitrogen gas to hydrogen gas, and the gas flow rate was changed to conditions suitable for AlN growth, then TMAl and ammonia Gas was supplied to start AlN epi growth. In order to obtain a thick film to obtain a free-standing substrate, the growth time was set to 24 hours. After completion of the growth, the temperature was lowered at a rate of 30 ° C./min, and the temperature was lowered to room temperature. Thus, Sample 1-1 was obtained.
When sample 1-1 was taken out from the MOCVD apparatus, peeling naturally occurred at the interface between the scandium nitride film and the AlN template used as the base substrate, and an AlN (0001) free-standing substrate having a thickness of about 50 μm was obtained. I was able to.

Figure 2010251743
Figure 2010251743

(比較例1)
実施例1と同様にAlN(0001)テンプレート基板を用いて、表1に示す条件により、図3(b)に示す窒化・成長シーケンスにより試料1−2を作製した。以下に手順を説明する。
AlNテンプレート基板上に、スパッタ法を用いて、Scを10nmの厚さで成膜し、その後、MOCVD装置内に設置して、窒素パージし、200Torrに減圧後に50℃/分のレートで昇温を開始した。温度500℃までは、窒素ガスを3.5SLMの流量で流し、昇温途中の500℃からアンモニアガスを流し始めてSc膜の窒化を行った。この時の窒素ガス:アンモニアガスの流量比は試料1−1と同じであるが、図3(b)のように引き続き、アンモニアと窒素の混合ガスを流した状態で、1200℃まで昇温し、1200℃にて10分間保持してさらに窒化処理を行った。その後、1140℃へ2分間で降温し、圧力を200Torrから10Torrへ減圧し、雰囲気を窒素とアンモニアの混合ガスから水素とアンモニアの混合ガスへ置換し、ガス流量をAlNの成長に適する条件へ変更した後、更にTMAlを供給してAlNエピ成長を開始した。試料1−1と同様に成長時間を24時間とした。成長終了後、30℃/分のレートで降温し、室温まで低下し、試料1−2を得た。
MOCVD装置から試料1−2を取り出した所、AlNテンプレート基板上にスカンジウム窒化物膜とAlN厚膜が形成された一体物が得られ、自然に剥離したAlN自立基板を得ることはできず、剥離には塩酸等を用いたスカンジウム窒化物膜のエッチングが必要であった。
(Comparative Example 1)
A sample 1-2 was produced by the nitridation / growth sequence shown in FIG. 3B under the conditions shown in Table 1 using an AlN (0001) template substrate in the same manner as in Example 1. The procedure is described below.
Sc is deposited on an AlN template substrate by sputtering to a thickness of 10 nm, then placed in a MOCVD apparatus, purged with nitrogen, and reduced in pressure to 200 Torr at a rate of 50 ° C / min. Started. Nitrogen gas was flowed at a flow rate of 3.5 SLM up to a temperature of 500 ° C., and ammonia gas was started to flow from 500 ° C. during the temperature rising to nitrify the Sc film. At this time, the flow rate ratio of nitrogen gas: ammonia gas is the same as that of sample 1-1, but the temperature is raised to 1200 ° C. in a state where a mixed gas of ammonia and nitrogen is continuously flowed as shown in FIG. 3 (b). Further, nitriding was performed by holding at 1200 ° C. for 10 minutes. Then, the temperature is lowered to 1140 ° C in 2 minutes, the pressure is reduced from 200 Torr to 10 Torr, the atmosphere is changed from a mixed gas of nitrogen and ammonia to a mixed gas of hydrogen and ammonia, and the gas flow rate is changed to a condition suitable for the growth of AlN. Thereafter, TMAl was further supplied to start AlN epi growth. Similar to Sample 1-1, the growth time was 24 hours. After completion of the growth, the temperature was lowered at a rate of 30 ° C./min, and the temperature was lowered to room temperature. Thus, Sample 1-2 was obtained.
When sample 1-2 was taken out from the MOCVD apparatus, an integrated body in which a scandium nitride film and an AlN thick film were formed on an AlN template substrate was obtained, and a naturally exfoliated AlN self-supporting substrate could not be obtained. However, it was necessary to etch the scandium nitride film using hydrochloric acid or the like.

(実施例2)
2インチ口径のサファイア基板上に面方位(0001)の厚み1μmのAlN単結晶層をMOCVD法で作製した(AlNテンプレート)。次いで、表2(試料2−1)に示すように、AlNテンプレート表面上にスパッタ法により20nmのSc金属膜を成膜した。Sc金属膜を成膜した試料をHVPE(ハイドライド ベーパー フェーズ エピタキシー)装置にセットした。図4(a)に示すシーケンスならびに表2の成長条件レシピにより、窒化・成長をおこなった。Sc金属膜を成膜した試料を窒素雰囲気中(流量は300sccmで昇温開始から冷却終了まで流し続ける)で22℃/分のレートで900℃まで昇温した。基板温度が500℃となった時点で、アンモニアガスを1000sccmの流量で流し始め、900℃で10分間保持して、Scを窒化してScNに転化させた。この間、基板加熱と並行してGaソース部の温度を850℃まで加熱しておく。なお、Gaソース部は100sccmの流量で水素ガスで昇温開始から冷却終了までパージしている。
900℃で10分間保持した後、Gaソース部に80sccmの流量でHClガスを流し始め、生成されたGaClを基板表面に供給することで、GaN初期成長層の成長を開始した。初期成長層の成長時間は10分間とした。一旦HClガスの供給を停止し、アンモニアと窒素の混合ガス雰囲気中で基板温度を1040℃まで22℃/分のレートで再昇温を行った。温度安定を待ち、再びGaソース部に40sccmの流量でHClガスを流し、GaN成長を開始し2時間の厚膜成長を行った。
その後、30℃/分の冷却速度で冷却を行い、600℃まで基板温度が下がった時点でアンモニアガスの供給を停止し、窒素雰囲気中で室温まで冷却し、試料2−1を得た。
試料2−1の窒化・成長シーケンスを図4(a)に示す。
HVPE炉から試料2-1を取り出した際に、試料2−1を傾けただけでは、成長用基板とGaN厚膜層は分離しなかったが、軽微な力でGaN厚膜層をスライドさせただけでクラック等の発生も無い状態で、成長用基板から剥離することができた。剥離した界面の状態を観察したところ、AlNテンプレートとScN間で剥離しておりScN層はGaN厚膜側に付着した状態であった。
ScNは各種酸性溶液に溶解するので、ここでは塩酸(36wt%)に試料2−1のGaN厚膜側を5分間浸漬して、ScN層を完全に除去し、GaN自立基板を得た。GaN自立基板の中心部の厚みを測定した結果、157μmであった。
(Example 2)
An AlN single crystal layer having a surface orientation (0001) and a thickness of 1 μm was formed on a sapphire substrate having a 2 inch diameter by an MOCVD method (AlN template). Next, as shown in Table 2 (Sample 2-1), a 20 nm Sc metal film was formed on the surface of the AlN template by sputtering. The sample on which the Sc metal film was formed was set in an HVPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus. Nitridation / growth was performed according to the sequence shown in FIG. The sample on which the Sc metal film was formed was heated to 900 ° C. at a rate of 22 ° C./min in a nitrogen atmosphere (the flow rate was 300 sccm and continued to flow from the start to the end of cooling). When the substrate temperature reached 500 ° C., ammonia gas was started to flow at a flow rate of 1000 sccm, and held at 900 ° C. for 10 minutes to nitride the Sc and convert it to ScN. During this time, the temperature of the Ga source part is heated to 850 ° C. in parallel with the substrate heating. The Ga source part is purged with hydrogen gas at a flow rate of 100 sccm from the start of temperature rise to the end of cooling.
After maintaining at 900 ° C. for 10 minutes, HCl gas was started to flow into the Ga source at a flow rate of 80 sccm, and the generated GaCl was supplied to the substrate surface to start growth of the GaN initial growth layer. The growth time of the initial growth layer was 10 minutes. The supply of HCl gas was once stopped, and the temperature of the substrate was increased again at a rate of 22 ° C./minute up to 1040 ° C. in a mixed gas atmosphere of ammonia and nitrogen. After waiting for the temperature to stabilize, HCl gas was again flowed into the Ga source at a flow rate of 40 sccm, GaN growth was started, and a thick film was grown for 2 hours.
Thereafter, cooling was performed at a cooling rate of 30 ° C./min. When the substrate temperature decreased to 600 ° C., the supply of ammonia gas was stopped, and the sample was cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere to obtain Sample 2-1.
The nitridation / growth sequence of Sample 2-1 is shown in FIG.
When the sample 2-1 was taken out of the HVPE furnace, the growth substrate and the GaN thick film layer were not separated only by tilting the sample 2-1, but the GaN thick film layer was slid with a slight force. It was possible to peel from the growth substrate with no cracks and the like. When the state of the peeled interface was observed, peeling was observed between the AlN template and ScN, and the ScN layer was attached to the GaN thick film side.
Since ScN dissolves in various acidic solutions, the GaN thick film side of Sample 2-1 was immersed in hydrochloric acid (36 wt%) for 5 minutes to completely remove the ScN layer and obtain a GaN free-standing substrate. As a result of measuring the thickness of the central portion of the GaN free-standing substrate, it was 157 μm.

Figure 2010251743
Figure 2010251743

(比較例2)
2インチ口径のサファイア基板上に面方位(0001)の厚み1μmのAlN単結晶層をMOCVD法で作製した(AlNテンプレート)。次いで、表2(試料2−2)に示すように、AlNテンプレート表面上にスパッタ法により20nmのSc金属膜を成膜した。Sc金属膜を成膜した試料を実施例2と同様に準備し、HVPE装置にセットした。図4(b)に示すシーケンスならびに表2の成長装条件レシピにより、窒化・成長をおこなった。
窒素雰囲気中(流量は300sccmで昇温開始から冷却終了まで流し続ける)で22℃/分のレートで1200℃まで昇温した。基板温度が500℃となった時点で、アンモニアガスを1000sccmの流量で流し始め、1200℃で10分間保持して、Scを窒化してScNに転化させた。この間、基板加熱と並行してGaソース部の温度を850℃まで加熱しておく。なお、Gaソース部は100sccmの流量で水素ガスで昇温開始から冷却終了までパージしている。
1200℃で10分間保持した後、900℃まで降温した後、5分間程度温度の安定するのを待ち、Gaソース部に80sccmの流量でHClガスを流し始め、生成されたGaClを基板表面に供給することで、GaN初期成長層の成長を開始した。初期成長層の成長時間は10分間とした。一旦HClガスの供給を停止し、アンモニアと窒素の混合ガス雰囲気中で基板温度を1040℃まで22℃/分のレートで再昇温を行った。温度安定を待ち、再びGaソース部に40sccmの流量でHClガスを流し、GaN成長を開始し2時間の厚膜成長を行った。
その後、30℃/分の冷却速度で冷却を行い、600℃まで基板温度が下がった時点でアンモニアガスの供給を停止し、窒素雰囲気中で室温まで冷却し、試料2−2を得た。
HVPE装置から試料2−2を取り出したところ、GaN厚膜は試料基板と完全密着状態であり剥離はできず、剥離には塩酸等を用いたスカンジウム窒化物膜のエッチングが必要であった。
なお、試料2−2の厚さを測定し、サファイア基板の厚みを差し引きGaN厚膜部の厚みを算出したところ、153μmであった。
(Comparative Example 2)
A 1 μm thick AlN single crystal layer with a plane orientation (0001) was fabricated by MOCVD on a 2-inch sapphire substrate (AlN template). Next, as shown in Table 2 (Sample 2-2), a 20 nm Sc metal film was formed on the surface of the AlN template by sputtering. A sample on which a Sc metal film was formed was prepared in the same manner as in Example 2 and set in an HVPE apparatus. Nitriding / growth was performed according to the sequence shown in FIG. 4B and the growth condition recipe shown in Table 2.
The temperature was raised to 1200 ° C. at a rate of 22 ° C./min in a nitrogen atmosphere (flow rate was 300 sccm and continued to flow from the start of temperature rise to the end of cooling). When the substrate temperature reached 500 ° C., ammonia gas was started to flow at a flow rate of 1000 sccm and held at 1200 ° C. for 10 minutes to nitride the Sc and convert it to ScN. During this time, the temperature of the Ga source part is heated to 850 ° C. in parallel with the substrate heating. The Ga source part is purged with hydrogen gas at a flow rate of 100 sccm from the start of temperature rise to the end of cooling.
Hold at 1200 ° C for 10 minutes, then cool down to 900 ° C, wait for the temperature to stabilize for about 5 minutes, start to flow HCl gas at a flow rate of 80 sccm to the Ga source, and supply the generated GaCl to the substrate surface By doing so, the growth of the GaN initial growth layer was started. The growth time of the initial growth layer was 10 minutes. The supply of HCl gas was once stopped, and the temperature of the substrate was increased again at a rate of 22 ° C./minute up to 1040 ° C. in a mixed gas atmosphere of ammonia and nitrogen. After waiting for the temperature to stabilize, HCl gas was again flowed into the Ga source at a flow rate of 40 sccm, GaN growth was started, and a thick film was grown for 2 hours.
Thereafter, cooling was performed at a cooling rate of 30 ° C./min. When the substrate temperature dropped to 600 ° C., the supply of ammonia gas was stopped, and the sample was cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere to obtain Sample 2-2.
When the sample 2-2 was taken out from the HVPE apparatus, the GaN thick film was in full contact with the sample substrate and could not be peeled off. For peeling, it was necessary to etch the scandium nitride film using hydrochloric acid or the like.
In addition, when the thickness of the sample 2-2 was measured and the thickness of the GaN thick film part was calculated by subtracting the thickness of the sapphire substrate, it was 153 μm.

(比較例3)
AlNテンプレート上の金属種がCrであること、ならびにHVPE炉でのアンモニアガス供給開始温度が600℃である事以外は、実施例2と同様の条件にてGaNの厚膜を成長して、試料2−3を得た。試料2−3の窒化・成長条件を表2に、シーケンスを図4(a)に示す。
冷却後にHVPE装置から取り出した試料2−3のGaN厚膜は試料基板と密着状態で、エッチングに因らずには剥離はできなかった。
これは、従来の報告例(特開2008−110912)とも一致する。
(Comparative Example 3)
A GaN thick film is grown under the same conditions as in Example 2 except that the metal species on the AlN template is Cr and the ammonia gas supply start temperature in the HVPE furnace is 600 ° C. 2-3 was obtained. The nitridation / growth conditions for Sample 2-3 are shown in Table 2, and the sequence is shown in FIG.
The GaN thick film of Sample 2-3 taken out from the HVPE apparatus after cooling was in close contact with the sample substrate and could not be peeled off regardless of etching.
This is consistent with a conventional report example (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-110912).

(比較例4)
AlNテンプレート上の金属種がCrであること、ならびにHVPE炉でのアンモニアガス供給開始温度が600℃である事、窒化処理の最高温度が1080℃であること以外は比較例2と同様の条件にてGaNの厚膜を成長して、試料2−4を得た。試料2−4の窒化・成長条件を表2に、シーケンスを図4(b)に示す。
冷却後にHVPE装置から取り出した試料2−4のGaN厚膜は試料基板と密着状態で、エッチングに因らずには剥離はできなかった。
これは硝酸二セリウムアンモニウム系エッチング液を用いたケミカルリフトオフでのみ剥離が可能であるという前記報告例とも一致する。
以上、本発明は、高速で化合物半導体層の成長が可能なHVPE法でのGaNの厚膜成長にも適用することができ、実施例2ならびに比較例2〜比較例4より本発明による自立基板製造技術はコスト的にも優れた技術であるといえる。
(Comparative Example 4)
The same conditions as in Comparative Example 2 except that the metal species on the AlN template is Cr, the ammonia gas supply start temperature in the HVPE furnace is 600 ° C, and the maximum temperature of the nitriding treatment is 1080 ° C. Then, a thick GaN film was grown to obtain Sample 2-4. The nitriding / growth conditions for Sample 2-4 are shown in Table 2, and the sequence is shown in FIG.
The GaN thick film of Sample 2-4 taken out from the HVPE apparatus after cooling was in close contact with the sample substrate, and could not be peeled off regardless of etching.
This coincides with the above reported example that peeling is possible only by chemical lift-off using a dicerium ammonium nitrate etching solution.
As described above, the present invention can also be applied to the thick film growth of GaN by the HVPE method capable of growing the compound semiconductor layer at a high speed, and the self-standing substrate according to the present invention from Example 2 and Comparative Examples 2 to 4. It can be said that the manufacturing technique is an excellent technique in terms of cost.

以上、実施の形態および実施例において具体例を示しながら本発明を詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。   While the present invention has been described in detail with specific examples in the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples and does not depart from the scope of the present invention. All changes and modifications are possible within the scope.

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板は、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、前記表面部分上に形成されたSc(スカンジウム)を窒化処理したスカンジウム窒化物膜その上方に形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を向上させ、かつ、III族窒化物半導体層成長後に、基板温度をIII族窒化物半導体層成長温度から50℃以下にすることにより、III族窒化物半導体層から結晶成長基板を容易に剥離することができる。 A substrate for growing a group III nitride semiconductor of the present invention is a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and scandium nitride obtained by nitriding Sc (scandium) formed on the surface portion. Monomaku improve the crystallinity of the group III nitride upward is formed on the semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) In addition, after the growth of the group III nitride semiconductor layer, the crystal growth substrate can be easily separated from the group III nitride semiconductor layer by setting the substrate temperature to 50 ° C. or less from the group III nitride semiconductor layer growth temperature. .

また、本発明によれば、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いることにより、CrN材料を用いた場合の温度制限を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板をレーザーリフトオフおよびケミカルリフトオフを必要としない製法により提供することができる。   Further, according to the present invention, by using the above-mentioned group III nitride semiconductor growth substrate, the growth temperature range of the group III nitride semiconductor material in the entire composition range is exceeded beyond the temperature limit when using the CrN material. A group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor element, and a group III nitride semiconductor free-standing substrate that cover good crystallinity can be provided by a manufacturing method that does not require laser lift-off and chemical lift-off.

さらに、本発明によれば、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に形成されたSc(スカンジウム)を窒化処理したスカンジウム窒化物膜を具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を向上させ、かつ、III族窒化物半導体層から結晶成長基板をIII族窒化物半導体層成長後に、基板温度をIII族窒化物半導体層成長温度から50℃以下に
することにより、容易に剥離することができるIII族窒化物半導体成長用基板を製造することができる。
Furthermore, according to the present invention, by forming a scandium nitride film obtained by nitriding Sc (scandium) formed on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, a subsequent formation is performed. to improve the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) which is, and, a group III nitride After the growth of the crystal growth substrate from the nitride semiconductor layer to the group III nitride semiconductor layer, the growth of the group III nitride semiconductor can be easily separated by setting the substrate temperature to 50 ° C. or less from the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer. Substrates can be manufactured.

加えて、本発明は、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いて、CrN材料を用いた場合の温度制限を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板を効率よく製造することができる。   In addition, the present invention covers the growth temperature zone of the group III nitride semiconductor material in the entire composition range, exceeding the temperature limit when using the CrN material, using the group III nitride semiconductor growth substrate. Thus, it is possible to efficiently produce a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor element, and a group III nitride semiconductor free-standing substrate having good crystallinity.

1 III族窒化物半導体成長用基板
2 表面部分
3 結晶成長基板
4 スカンジウム窒化物膜
5 初期成長層
5a 第1バッファ層
5b 第2バッファ層
6 ベース基板
7 III族窒化物半導体厚膜層
1 Group III nitride semiconductor growth substrate 2 Surface portion 3 Crystal growth substrate 4 Scandium nitride film 5 Initial growth layer 5a First buffer layer 5b Second buffer layer 6 Base substrate 7 Group III nitride semiconductor thick film layer

Claims (21)

少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
And a step of forming a scandium nitride film by heating the metal layer in an atmosphere gas containing ammonia gas and subjecting the metal layer to nitridation under a condition in which nitridation is limited. For manufacturing a substrate for growth of semiconductors.
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程と
を具え、前記窒化処理の最高温度は、500℃以上で、かつ1000℃未満の範囲であることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
A step of heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas and performing a nitriding treatment to form a scandium nitride film, the maximum temperature of the nitriding treatment being 500 ° C. or more and 1000 ° C. A method for producing a substrate for growing a group III nitride semiconductor, characterized in that the range is less than the range.
前記アンモニアガスを含む雰囲気ガスが、不活性ガスおよび水素ガスから選ばれる1種以上を更に含む混合ガスである請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   3. The method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein the atmospheric gas containing the ammonia gas is a mixed gas further containing at least one selected from an inert gas and a hydrogen gas. 前記金属層の加熱は、500℃以上での加熱時間が0.1〜120分である請求項1、2または3に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   The method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, 2 or 3, wherein the metal layer is heated at a temperature of 500 ° C or higher for 0.1 to 120 minutes. 前記窒化処理を施す工程の後、前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層を形成する工程をさらに具える請求項1〜4のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。 After the nitriding step, the method further includes forming an initial growth layer made of at least one buffer layer made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film. The manufacturing method of the board | substrate for group III nitride semiconductor growth as described in any one of Claims 1-4. 少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製し、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と、
前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離してIII族窒化物半導体素子を得る工程と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
Forming a scandium nitride film by heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas and subjecting the metal layer to nitridation to form a scandium nitride film, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate; ,
At least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown above the group III nitride semiconductor growth substrate to produce a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is heated to 50 ° C. or less. Separating the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate as a temperature;
And a step of separating the at least one group III nitride semiconductor layer to obtain a group III nitride semiconductor device.
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、最高温度が、500℃以上で、かつ1000℃未満の条件で窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製し、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と、
前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離してIII族窒化物半導体素子を得る工程と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
A III-nitride semiconductor is formed by heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas and performing a nitriding treatment under conditions where the maximum temperature is 500 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. Producing a growth substrate;
At least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown above the group III nitride semiconductor growth substrate to produce a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is heated to 50 ° C. or less. Separating the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate as a temperature;
And a step of separating the at least one group III nitride semiconductor layer to obtain a group III nitride semiconductor device.
前記窒化処理を施した後、前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層を形成する工程をさらに具える請求項6または7に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 After the nitriding treatment, the method further includes forming an initial growth layer made of at least one buffer layer made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film. A method for producing a group III nitride semiconductor device according to claim 6 or 7. 前記初期成長層が、第1バッファ層および該第1バッファ層上に成長された第2バッファ層からなり、前記第1バッファ層の成長温度が900〜1260℃の範囲で、前記第2バッファ層の成長温度が1030〜1300℃の範囲で、かつ前記第1バッファ層の成長温度が前記第2バッファ層の成長温度と等しいか低い請求項8に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。   The initial growth layer includes a first buffer layer and a second buffer layer grown on the first buffer layer, and the growth temperature of the first buffer layer is in a range of 900 to 1260 ° C. The method of manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 8, wherein the growth temperature of the first buffer layer is in the range of 1030 to 1300 ° C., and the growth temperature of the first buffer layer is equal to or lower than the growth temperature of the second buffer layer. 少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、窒化を制限した条件下で、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
Forming a scandium nitride film by heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas and subjecting the metal layer to nitridation to form a scandium nitride film, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate; ,
At least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown above the group III nitride semiconductor growth substrate to obtain a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or lower. And a step of separating the group III nitride semiconductor layer from the crystal growth substrate. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor free-standing substrate, comprising:
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気中で、前記金属層を加熱して、最高温度が、500℃以上で、かつ1000℃未満の条件で窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得、前記III族窒化物半導体エピタキシャル基板を50℃以下の温度として、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とを分離する工程と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
A III-nitride semiconductor is formed by heating the metal layer in an atmosphere containing ammonia gas and performing a nitriding treatment under conditions where the maximum temperature is 500 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. Producing a growth substrate;
At least one group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown above the group III nitride semiconductor growth substrate to obtain a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, and the group III nitride semiconductor epitaxial substrate is set to a temperature of 50 ° C. or lower. And a step of separating the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate. A method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate, comprising:
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、
前記表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜と
を具え、該スカンジウム窒化物膜はシート抵抗が1×104Ω/□より大きいIII族窒化物半導体成長用基板。
A crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and
A scandium nitride film formed on the surface portion, the scandium nitride film being a group III nitride semiconductor growth substrate having a sheet resistance greater than 1 × 10 4 Ω / □.
前記スカンジウム窒化物膜は、一部に金属スカンジウムを含有する請求項12に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 12, wherein the scandium nitride film partially contains metal scandium. 前記スカンジウム窒化物膜上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層をさらに具える請求項12または13に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。 The group III nitride according to claim 12 or 13, further comprising an initial growth layer formed of at least one buffer layer formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film. Semiconductor growth substrate. 前記スカンジウム窒化物膜の厚さは、3〜100nmである請求項12、13または14に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 12, 13 or 14, wherein the scandium nitride film has a thickness of 3 to 100 nm. 前記結晶成長基板のベース基板が、サファイア、Si、SiC、GaNのいずれかであることを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   16. The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 12, wherein a base substrate of the crystal growth substrate is any one of sapphire, Si, SiC, and GaN. 前記少なくとも表面部分が、AlNからなる請求項12〜16のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 12 to 16, wherein the at least surface portion is made of AlN. 請求項12〜17のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板。   A group III nitride semiconductor free-standing substrate produced using the group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 12 to 17. 請求項12〜17のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体素子。   A group III nitride semiconductor device manufactured using the group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 12 to 17. 結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層に窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程と、
前記スカンジウム窒化物膜上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後、50℃以下まで降温する工程と
を具えることを特徴とする結晶成長基板からのIII族窒化物半導体層の剥離方法。
Forming a metal layer made of Sc material on the crystal growth substrate;
Nitriding the metal layer to form a scandium nitride film;
A group III nitride semiconductor layer from a crystal growth substrate comprising the step of epitaxially growing at least one group III nitride semiconductor layer on the scandium nitride film and then lowering the temperature to 50 ° C. or lower. Peeling method.
前記降温する工程の後、前記結晶成長基板から前記III族窒化物半導体層をスライドさせる請求項20に記載のIII族窒化物半導体層の剥離方法。   21. The method for peeling a group III nitride semiconductor layer according to claim 20, wherein the group III nitride semiconductor layer is slid from the crystal growth substrate after the temperature lowering step.
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