JP2011026168A - Substrate, laminate, method for producing laminate, and method for producing substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板、積層体、積層体の製造方法、基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate, a laminate, a method for producing a laminate, and a method for producing a substrate.
近年、窒化ガリウム(GaN)基板を用いた高輝度発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)の実用化に伴い、良好な結晶品質を持つ窒化ガリウム基板の開発が望まれている。GaN基板は、たとえばサファイア基板を下地基板として使用し、有機金属気相成長(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法によりこのサファイア基板上にGaN結晶をヘテロエピタキシャル成長させることで作製される。最終的に、サファイア基板をGaN結晶から剥離することでGaN基板が形成される。ただし、サファイアとGaNとの間には格子不整合や熱膨張係数差が存在するので、サファイア基板上に直接GaN結晶を成長させることは難しい。そこで、サファイア基板のc面上に、比較的低温で窒化アルミニウム(AlN)やGaNからなるバッファ層を堆積し、その後、このバッファ層上にGaN結晶を高温で成長させる技術が開発された。この種のGaN基板の製造方法は、たとえば、特許文献1(特開2002−284600号公報)に開示されている。 In recent years, with the practical application of high-intensity light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) using gallium nitride (GaN) substrates, development of gallium nitride substrates with good crystal quality is desired. The GaN substrate is produced, for example, by using a sapphire substrate as a base substrate and heteroepitaxially growing a GaN crystal on the sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Finally, a GaN substrate is formed by peeling the sapphire substrate from the GaN crystal. However, since there is a lattice mismatch and a difference in thermal expansion coefficient between sapphire and GaN, it is difficult to grow a GaN crystal directly on the sapphire substrate. Therefore, a technique has been developed in which a buffer layer made of aluminum nitride (AlN) or GaN is deposited on the c-plane of the sapphire substrate at a relatively low temperature, and then a GaN crystal is grown on the buffer layer at a high temperature. A method for manufacturing this type of GaN substrate is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-284600.
六方晶系のIII−V族窒化物半導体はそのc軸を分極軸とする分極物質であるため、c軸に沿った自発分極が発生し、この自発分極により電子と正孔が分離してしまう性質がある。また、異種のIII−V族窒化物半導体からなる積層構造を作製すると、格子定数の差に起因した結晶構造の歪みによる圧電分極が生じ、この圧電分極によりGaNのc軸方向にピエゾ電界が生ずる。このピエゾ電界は、発光デバイスの発光層に注入される電子と正孔の再結合確率を低下させ、ひいては内部量子効率を低下させる。また、発光素子がc軸配向した歪み量子井戸構造を有する場合、前記自発分極と圧電分極による強い内部電場が誘起され、電子と正孔が1つの量子井戸層内で空間的に分離されることがある。これは、発光に寄与する電子と正孔の再結合確率を低下させ、内部量子効率を低下させてしまう。更に、発光波長が圧電分極によって長波長側に遷移し、発光波長の短波長化が困難になるという問題もある。 Since the hexagonal III-V nitride semiconductor is a polarization substance having the c-axis as a polarization axis, spontaneous polarization occurs along the c-axis, and electrons and holes are separated by this spontaneous polarization. There is a nature. In addition, when a laminated structure composed of different types of III-V nitride semiconductors is produced, piezoelectric polarization is generated due to distortion of the crystal structure due to a difference in lattice constant, and this piezoelectric polarization generates a piezoelectric field in the c-axis direction of GaN. . This piezo electric field lowers the probability of recombination of electrons and holes injected into the light emitting layer of the light emitting device, thereby reducing the internal quantum efficiency. In addition, when the light emitting device has a c-axis oriented strained quantum well structure, a strong internal electric field is induced by the spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and electrons and holes are spatially separated in one quantum well layer. There is. This reduces the recombination probability of electrons and holes that contribute to light emission, and lowers the internal quantum efficiency. Further, there is a problem that the emission wavelength is shifted to the longer wavelength side due to piezoelectric polarization, and it becomes difficult to shorten the emission wavelength.
六方晶のa面やm面は無極性面であるため、この無極性面上にGaNを形成できれば、前述の自発分極や圧電分極に起因する問題を回避することができる。無極性面上にGaNを形成する技術は、たとえば、特許文献2(特開2005−320237号公報)、特許文献3(特開2000−216497号公報)あるいは特許文献4(特開2008−053640号公報)に開示されている。 Since the a-plane and m-plane of the hexagonal crystal are nonpolar planes, if GaN can be formed on the nonpolar plane, problems due to the above-described spontaneous polarization and piezoelectric polarization can be avoided. As a technique for forming GaN on a nonpolar surface, for example, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-320237), Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-216497) or Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-053640). Gazette).
しかしながら、結晶性が良好な無極性面成長GaN結晶を得ることは難しい。 However, it is difficult to obtain a nonpolar plane-grown GaN crystal with good crystallinity.
本発明は、結晶性が良好な無極性面成長のIII族窒化物半導体層を得ることができる基板を提供するものである。 The present invention provides a substrate capable of obtaining a nonpolar plane-grown Group III nitride semiconductor layer having good crystallinity.
本発明によれば、下地基板と、この下地基板上に形成された炭化アルミニウム層とを備える基板であって、炭化アルミニウム層のm軸は、前記下地基板の主面に対して傾斜している基板が提供される。 According to the present invention, the substrate includes a base substrate and an aluminum carbide layer formed on the base substrate, and the m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface of the base substrate. A substrate is provided.
この発明によれば、炭化アルミニウム層のm軸は、下地基板の主面に対して傾斜している。このような炭化アルミニウム層上に、III族窒化物半導体層をm面成長させた場合には、結晶性が良好なIII族窒化物半導体層を得ることができる。 According to the present invention, the m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface of the base substrate. When a group III nitride semiconductor layer is grown on an m-plane on such an aluminum carbide layer, a group III nitride semiconductor layer with good crystallinity can be obtained.
ここで、下地基板の主面とは、下地基板表面に対する法線ベクトルに対し垂直な平坦面である。換言すると、下地基板に対する法線ベクトルとは、基板の各層の積層方向に沿ったベクトルである。
また、本発明によれば、上述した基板と、前記基板の炭化アルミニウム層上に形成されたIII族窒化物半導体層とを備える積層体も提供できる。
また、下地基板上に、有機金属気相成長法により、炭化アルミニウム層を形成する工程を備え、前記炭化アルミニウム層を形成する前記工程では、炭化アルミニウム層のm軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜するように、炭化アルミニウム層を形成する基板の製造方法も提供できる。
さらに、上述した基板の製造方法により基板を得る工程と、前記基板の前記炭化アルミニウム層上部に、ハイドライド気相成長法により、III族窒化物半導体層を形成する工程とを含む積層体の製造方法も提供できる。
Here, the main surface of the base substrate is a flat surface perpendicular to the normal vector to the surface of the base substrate. In other words, the normal vector with respect to the base substrate is a vector along the stacking direction of each layer of the substrate.
Moreover, according to this invention, the laminated body provided with the board | substrate mentioned above and the group III nitride semiconductor layer formed on the aluminum carbide layer of the said board | substrate can also be provided.
In addition, the method includes a step of forming an aluminum carbide layer on the base substrate by metal organic vapor phase epitaxy, and in the step of forming the aluminum carbide layer, the m-axis of the aluminum carbide layer is a main surface of the base substrate. A method of manufacturing a substrate on which an aluminum carbide layer is formed so as to be inclined with respect to the substrate can be provided.
Furthermore, the manufacturing method of a laminated body including the process of obtaining a board | substrate with the manufacturing method of the board | substrate mentioned above, and the process of forming a group III nitride semiconductor layer by the hydride vapor phase growth method on the said aluminum carbide layer of the said board | substrate. Can also be provided.
本発明によれば、結晶性が良好な無極性面成長のIII族窒化物半導体層を得ることができる基板が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate which can obtain the nonpolar surface growth group III nitride semiconductor layer with favorable crystallinity is provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1、2を参照して、本実施形態の基板1の概要について説明する。
図1(A)は、基板1を微視的に見た図であり、図1(B)は、基板1を巨視的に見た図である。
基板1は、下地基板11と、この下地基板11上に形成された炭化アルミニウム層12とを備える。炭化アルミニウム層12の下地基板11と反対側の面には、炭化アルミニウム層12の{1−100}面121が露出している。
炭化アルミニウム層のm軸は、下地基板11の主面110に対して傾斜している。すなわち、炭化アルミニウム層の{1−100}面121は、下地基板11の主面110に対して傾斜している。
主面110は、基板1を巨視的にみた場合の下地基板11表面および裏面に該当し、下地基板11に対する法線ベクトルAに対し垂直な平坦面である。下地基板11に対する法線ベクトルAとは、基板1の各層の積層方向に沿ったベクトルAである。
基板1は、炭化アルミニウム層12上にIII族窒化物半導体層を形成するためのIII族窒化物半導体層形成用基板である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
An outline of the substrate 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
1A is a view of the substrate 1 viewed microscopically, and FIG. 1B is a view of the substrate 1 viewed macroscopically.
The substrate 1 includes a
The m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the
The
The substrate 1 is a group III nitride semiconductor layer forming substrate for forming a group III nitride semiconductor layer on the
下地基板11としては、六方晶系の結晶構造を有する基板、たとえば、サファイア基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板が好ましい。
巨視的に見た場合、下地基板11の一対の表面(巨視的表面)は平坦であり、互いに平行である。巨視的表面とは肉眼で直接見た場合に把握できる面である。
微視的に見た場合、下地基板11の炭化アルミニウム層12側の面(微視的表面)は、階段状に形成されている。ここで微視的表面とは、原子間力顕微鏡(AFM)等を使用して、検出される面のことを意味する。階段のテラス部分111は、下地基板11のm面({1−100}面)となっている。テラス部分111は、主面110に対して、傾斜しており、傾斜角度θ1は、1°以上、20°以下であることが好ましい。なかでも、傾斜角度θ1は、5°以上、15°以下であることがより好ましい。傾斜角度θ1を1°以上、とくに5°以上とすることで、後述する炭化アルミニウム層12のテラス部分121の傾斜角度θ2を1°以上、とすることができ、これにより、炭化アルミニウム層12上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。
また、傾斜角度θ1を20°以下、とくに15°以下とすることで、後述する炭化アルミニウム層12のテラス部分121の傾斜角度θ2を20°以下とすることができ、これにより、結晶配向の乱れが生じる危険を回避できるという効果がある。
As the
When viewed macroscopically, the pair of surfaces (macroscopic surfaces) of the
When viewed microscopically, the surface (microscopic surface) of the
Further, by setting the inclination angle θ1 to 20 ° or less, particularly 15 ° or less, the inclination angle θ2 of the
テラス部分111は、図2、図3に示すように、以下の(i)〜(iii)のいずれかのように傾斜させることができる。なお、テラス部分111の傾斜を理解しやすくするために、テラス部分(m面)が主面110に平行な場合を面Lとして記載している。
(i)テラス部分111であるm面が、主面110に対して下地基板11のc軸に沿った方向(<0001>方向)に傾斜する(図2(A)参照)。
(ii)また、テラス部分111であるm面が主面110に対して下地基板11のa軸に沿った方向(<11−20>方向)に傾斜する(図2(B)参照)。
(iii)テラス部分111であるm面が、下地基板11のc軸と、下地基板11のa軸との間であり、下地基板11のa軸を下地基板のm軸を回転軸としてc軸側に所定角度回転させた軸kに沿って傾斜する(図3参照)。
図3において、テラス部分111は、主面110に対し、軸kの方向に傾斜していることを示している。軸kはa軸−c軸平面上の軸である。
(iii)の場合には、テラス部分111であるm面が、主面110に対して下地基板11のc軸と、下地基板11のa軸との間であり、下地基板11のa軸を下地基板のm軸を回転軸としてc軸側に30°以上、60°以下回転させた軸kに沿った方向(図3のθ3が30°以上、60°以下)に傾斜していることが好ましい。
このようにすることで、後述するIII族窒化物半導体層のc面同士の結合により発生する欠陥、a面同士の結合により発生する欠陥それぞれをある程度低減することができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
(I) The m-plane that is the
(Ii) Further, the m-plane which is the
(Iii) The m-plane that is the
In FIG. 3, the
In the case of (iii), the m-plane that is the
By doing in this way, the defect which generate | occur | produces by the coupling | bonding of c surface of the group III nitride semiconductor layer mentioned later, and the defect which generate | occur | produces by the coupling | bonding of a surface can be reduced to some extent.
ここで、各テラス部分111の大きさおよび形状、ステップ部分の大きさおよび形状は、略等しく、テラス部分およびステップ部分で構成される階段部分が規則的に連接された構造が好ましい。
Here, the size and shape of each
テラス部分111の幅W1は、窒化物結晶成長に十分な広さを確保する観点から、3nm以上が好ましく、同一テラス上に多数の結晶核が混在するのを抑制する観点から63nm以下であることが好ましい。また、ステップ部分の高さH1は、数原子層程度であり、結晶性の向上に有効な十分な段差を確保する観点から、1nm以上が好ましく、テラス幅が上限を越えないようにする観点から20nm以下であることが好ましい。
このような下地基板11は、たとえば、傾斜基板表面をエッチングする方法により得ることができる。
The width W1 of the
Such a
炭化アルミニウム層12は、図1に示すように、下地基板11上に形成されている。この炭化アルミニウム層12は、下地基板11と反対側の面が階段状に形成されている。この階段形状は、下地基板11の炭化アルミニウム層12側の面の階段形状に従って形成されるものである。
The
階段のテラス部分121が炭化アルミニウム層12のm面({1−100}面)となっている。テラス部分121は、主面110に対して、傾斜しており、傾斜角度θ2は、1°以上、20°以下であることが好ましい。なかでも、傾斜角度θ2は、5°以上、15°以下であることがより好ましい。炭化アルミニウム層12のテラス部分121の傾斜角度θ2を1°以上、特に5°以上とすることにより、炭化アルミニウム層12上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。
また、傾斜角度θ2を20°以下、とくに15°以下とすることで、結晶配向の乱れが生じる危険を回避できるという効果がある。
The
Further, by setting the inclination angle θ2 to 20 ° or less, particularly 15 ° or less, there is an effect that it is possible to avoid a risk of disorder of crystal orientation.
テラス部分121は、図4,5に示すように、以下の(i)〜(iii)のいずれかのように傾斜させることができる。
(i)テラス部分121であるm面が、主面110に対して炭化アルミニウム層12のa軸に沿った方向(<11−20>方向)に傾斜する(図4(B)参照)。
(ii)また、テラス部分121であるm面が主面110に対して炭化アルミニウム層12のc軸に沿った方向(<0001>方向)に傾斜する(図4(A)参照)。
(iii)テラス部分121であるm面が、炭化アルミニウム層12のc軸と、炭化アルミニウム層12のa軸との間であり、炭化アルミニウム層12のc軸を炭化アルミニウム層12のm軸を回転軸としてa軸側に所定角度回転させた軸kに沿って傾斜する(図5参照)。
図5では、テラス部分121であるm面は、主面110に対し、軸kの方向に傾斜していることを示している。軸kはa軸−c軸平面上の軸である。
(iii)の場合には、テラス部分111であるm面が、主面110に対して炭化アルミニウム層12のc軸と、炭化アルミニウム層12のa軸との間であり、炭化アルミニウム層12のc軸を炭化アルミニウム層12のm軸を回転軸としてa軸側に30°以上、60°以下回転させた軸kに沿った方向(図5のθ4が30°以上、60°以下となる)に傾斜していることが好ましい。
θ4を30°以上、60°以下とすることで、結晶性の良好なIII族窒化物半導体層を確実に得ることができる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
(I) The m-plane which is the
(Ii) Further, the m-plane that is the
(Iii) The m-plane which is the
FIG. 5 shows that the m-plane that is the
In the case of (iii), the m-plane that is the
By setting θ4 to 30 ° or more and 60 ° or less, a group III nitride semiconductor layer having good crystallinity can be obtained with certainty.
III族窒化物半導体層の結晶性は、テラス部分が主面に対して傾斜した方向で良好となる。従って、(i)〜(iii)のどれを選択するかは、GaN層の用途等に応じて適宜選択すればよい。
各テラス部分121の傾斜角度、大きさおよび形状、ステップ部分の大きさおよび形状は、略等しく、テラス部分およびステップ部分で構成される階段部分が規則的に連接された構造が好ましい。
テラス部分121の幅W3は、窒化物結晶成長に十分な広さを確保する観点から、3nm以上が好ましく、同一テラス上に多数の結晶核が混在するのを抑制する観点から63nm以下であることが好ましい。また、ステップ部分の高さH2は、結晶性の向上に有効な十分な段差を確保する観点から、1nm以上、テラス幅が上限を越えないようにする観点から20nm以下の範囲内であることが好ましい。
さらに、炭化アルミニウム層12の厚みを40nm以上とすることで、後述する炭化アルミニウム層12の窒化工程で、炭化アルミニウム層12のほとんどが窒化し、下地基板の剥離が難しくなることを防止できる。一方、炭化アルミニウム層12の厚みを120nm以下とすることで、炭化アルミニウム層が下地基板11の上面と強固な結合を維持することを防止でき、下地基板11の剥離を容易に行うことができる。
The crystallinity of the group III nitride semiconductor layer is good in the direction in which the terrace portion is inclined with respect to the main surface. Therefore, which of (i) to (iii) is selected may be appropriately selected according to the use of the GaN layer.
The inclination angle, size and shape of each
The width W3 of the
Furthermore, by setting the thickness of the
このような炭化アルミニウム層12は、下地基板11をサーマルクリーニングした後、トリメチルアルミニウム(TMA:Tri-Methyl-Aluminum)などの有機アルミニウムガスを含む原料ガスを用いた有機金属気相成長法(MOVPE法)により形成することができる。有機アルミニウムガスの中でも特にTMAは、加熱された下地基板11上で容易に分解して炭化アルミニウム層を形成するので好適である。
また、炭化アルミニウム層を気相成長法で作成することで結晶品質を高いものとすることができる。
炭化アルミニウム層12の成膜温度は、TMA分解反応の促進の観点から、300℃以上であることが好ましく、アルミニウム単体の生成防止の観点から、1000℃以下であればよいが、400℃以上であることが好ましく、800℃以下であることが好ましい。
800℃以下とすることで、m面を確実に配向させることができる。800℃以下では、原料原子が基板面上を自由に動き回って相互に凝集することが難しく、下地基板のm面結晶配列に束縛されやすくなるため、m面を確実に配向させることができると考えられる。
なお、基板の炭化アルミニウム層12の酸化を防止するために、炭化アルミニウム層12の表面を窒化し、窒化アルミニウム層(保護膜)を形成してもよい。この場合には、炭化アルミニウム層上に窒化アルミニウム層が設けられた基板となる。
また、炭化アルミニウム層12の酸化を防止するために非常に薄いIII族窒化物半導体層(保護膜)、たとえば、GaN層を形成してもよい。これらの保護膜は、炭化アルミニウム層12の酸化を確実に防止するために、10nm以上であることが好ましく、また、工程時間短縮の観点から、200nm以下であることが好ましい。
また、炭化アルミニウム層12の酸化を防止するための保護膜としては、窒化アルミ(AlN)、AlNとGaNとの混晶(AlxGa1-xN(0<x<1)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ガリウム(Ga2O3)、リチウムアルミネート(LiAlO2)、炭化珪素(SiC)のいずれかの膜を使用してもよい。
これらは、いずれもIII族窒化物半導体に結晶構造が近く、化学的に安定な膜であるため、保護膜として好ましい。
Such an
Moreover, crystal quality can be made high by producing an aluminum carbide layer by a vapor phase growth method.
The film forming temperature of the
By setting the temperature to 800 ° C. or lower, the m-plane can be reliably oriented. Below 800 ° C., it is difficult for source atoms to move freely on the substrate surface and aggregate each other, and it becomes easy to be bound by the m-plane crystal arrangement of the base substrate, so that the m-plane can be surely oriented. It is done.
In order to prevent oxidation of the
Further, in order to prevent the
As a protective film for preventing oxidation of the
Since these are chemically stable films having a crystal structure close to that of a group III nitride semiconductor, they are preferable as protective films.
(III族窒化物半導体層の製造方法)
次に、以上のような基板1を使用して、III族窒化物半導体層を有する積層体を形成し、その後、III族窒化物半導体の自立基板を得る方法について説明する。
(炭化アルミニウム層12を窒化する工程)
まず、図6(A)に示す基板1を窒化する。具体的には、図6(B)に示すように、基板1の炭化アルミニウム層12を300℃〜900℃の雰囲気下で窒化し、窒化した炭化アルミニウム層13を形成する。
炭化アルミニウム層12の窒化条件は、例えば以下のようにする。
(Group III nitride semiconductor layer manufacturing method)
Next, a method of forming a laminated body having a group III nitride semiconductor layer using the substrate 1 as described above, and then obtaining a self-standing substrate of the group III nitride semiconductor will be described.
(Step of nitriding aluminum carbide layer 12)
First, the substrate 1 shown in FIG. 6A is nitrided. Specifically, as shown in FIG. 6B, the
The nitriding conditions of the
窒化ガス:アンモニア(NH3)ガス、H2ガス、N2ガス
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:5分〜60分
なお、窒化温度は500℃以上700℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは550℃以下である。550℃より高温にすると、(1)式に示すとおりCH4が分解してCが析出し、CがAlNに混入することでIII族窒化物半導体層の結晶性が低下する場合がある。Cの析出を抑制するには、水素の導入やアンモニア分圧を高めるのが有効である。
CH4→C+2H2・・・・・・・・・・・・・・・・(1)式
また、窒化時間は、30分以下であることがより好ましい。窒化時間を30分程度とすることで、炭化アルミニウム層12を適度に窒化することができる。
Nitriding gas: ammonia (NH 3 ) gas, H 2 gas, N 2 gas Nitriding temperature: 300 ° C. to 900 ° C.
Nitriding time: 5 minutes to 60 minutes The nitriding temperature is more preferably 500 ° C. or more and 700 ° C. or less, and particularly preferably 550 ° C. or less. When the temperature is higher than 550 ° C., CH 4 is decomposed and C is precipitated as shown in the formula (1), and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer may be deteriorated by mixing C with AlN. In order to suppress the precipitation of C, it is effective to increase the introduction of hydrogen and the partial pressure of ammonia.
CH 4 → C + 2H 2 (1) Further, the nitriding time is more preferably 30 minutes or less. By setting the nitriding time to about 30 minutes, the
なお、炭化アルミニウム層12を窒化する際の反応ガスとしては、アンモニアが好ましい。反応ガスとしてアンモニア以外に窒素を使用してもAlNを形成できるが、(2)式で示すようにAlNとCが生成し、AlNにCが混入した場合にはIII族窒化物半導体層の結晶品質に影響を与える可能性がある。
Al4C3+2N2→4AlN+3C・・・・・・・・・・・(2)式
炭化アルミニウム層12の窒化は、MOVPE装置内で炭化アルミニウム層の形成工程から連続で行うことができる。
なお、図6(B)に示す符号12Aは、炭化アルミニウムを示し、符号12Bは、窒化アルミニウムを示している。すなわち、サファイア基板(下地基板)11と接する部分にはAl4C3が残り、その上にはAl4C3の結晶情報を引き継いだAlN層が形成されていることを示している。
As a reaction gas when nitriding the
Al 4 C 3 + 2N 2 → 4AlN + 3C (2) Formula The nitriding of the
Note that
(III族窒化物半導体層の形成工程)
この工程では、III族窒化物半導体層17を形成する。具体的には、第一III族窒化物半導体層としてバッファ層14を形成し、このバッファ層14上に第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。
まず、図7(A)、(B)に示すように、窒化した炭化アルミニウム層13上にバッファ層14(第一III族窒化物半導体層)を形成する(図12参照)。
バッファ層14の成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
(Group III nitride semiconductor layer formation process)
In this step, the group III
First, as shown in FIGS. 7A and 7B, a buffer layer 14 (first group III nitride semiconductor layer) is formed on the nitrided aluminum carbide layer 13 (see FIG. 12).
The film forming conditions of the
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:300℃〜1000℃
成膜ガス:トリメチルガリウム(TMG)ガス、H2ガス、N2ガス、NH3ガス
膜厚:20nm〜140nm
なお、バッファ層14の形成は、MOVPE装置内で炭化アルミニウム層を窒化する工程から連続で行うことができる。
バッファ層14がGaN層である場合、このエピタキシャル成長の過程を通じて、当該エピタキシャル成長されたIII族窒化物半導体から窒素原子が窒化した炭化アルミニウム層13を介して窒化した炭化アルミニウム層13に拡散する。よって、窒化した炭化アルミニウム層13においては、次式(3)による窒化反応が進行すると考えられる。
Film forming method: MOVPE film forming temperature: 300 ° C. to 1000 ° C.
Deposition gas: Trimethylgallium (TMG) gas, H 2 gas, N 2 gas, NH 3 gas Film thickness: 20 nm to 140 nm
The
When the
Al4C3+4N→4AlN+3C ・・・(3) Al 4 C 3 + 4N → 4AlN + 3C (3)
この結果、バッファ層14をエピタキシャル成長する間に、AlNがGaNと混晶を形成し、最終的に下地基板11と窒化した炭化アルミニウム層との境界面付近に比較的高い濃度で炭素が分布した層12Cが形成される(図7(B)参照)。炭素は、III族窒化物半導体や下地基板11に対して不活性であるため、下地基板11と窒化した炭化アルミニウム層との間の結合強度が低下し、比較的小さな応力で下地基板11を剥離することができると考えられる。
As a result, during epitaxial growth of the
ここで、バッファ層14を、500℃以上1000℃以下の範囲内、特に600℃以上1000℃以下の範囲内の温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。この範囲内の温度でバッファ層14を成長させることで、次の工程でバッファ層14上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の結晶性の向上が可能となる。特に600℃以上の温度でバッファ層14を成長させることで、III族窒化物半導体層のm面配向性を顕著に向上させることが可能である。
Here, the
(第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程)
次に、バッファ層14上に、第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。第二III族窒化物半導体層は、ハイドライド気相成長法で成長させることができる。本実施形態では、第二III族窒化物半導体層は、GaN半導体層である。これにより、バッファ層14と、第二III族窒化物半導体層とを含んだIII族窒化物半導体層17が形成されることとなる(図7(B)参照)。
GaN半導体層の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
(Step of epitaxially growing the second group III nitride semiconductor layer)
Next, a second group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown on the
The growth conditions of the GaN semiconductor layer can be as follows, for example.
成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
Film forming method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film forming temperature: 1000 ° C. to 1050 ° C.
Deposition time: 30 minutes to 270 minutes
ここで、バッファ層14を形成する際、図7(A)に示すように、III族窒化物半導体の結晶核が窒化した炭化アルミニウム層のテラス部分上に点在することとなる。そして、点在する結晶核が成長し、隣り合う結晶同士が合体することとなる。このとき、炭化アルミニウム層のm軸は主面に対し傾斜しているため、図7、図12に示すように、m軸が傾斜したIII族窒化物半導体の結晶が形成され、さらに、成長した結晶同士が結合する際に、歪みが発生することを抑制できる。
Here, when the
より詳細に説明すると、炭化アルミニウム層の表面であるm面が傾斜していない場合(炭化アルミニウム層のm軸が基板11の主面に対して垂直である場合)、図8(A)に示すように、III族窒化物半導体の結晶核が点在することとなる。なお、図8において、符号910は下地基板を示し、符号930は窒化された炭化アルミニウム層を示す。また、符号912Aは、炭化アルミニウム層、符号912Bは窒化アルミニウム層を示す。
そして、たとえば、III族窒化物半導体層の成長速度の異なる+c面と、−c面とが対向融合することで歪みが発生し、欠陥が発生しやすくなる(図8(B)参照)。
More specifically, when the m-plane which is the surface of the aluminum carbide layer is not inclined (when the m-axis of the aluminum carbide layer is perpendicular to the main surface of the substrate 11), it is shown in FIG. As described above, crystal nuclei of the group III nitride semiconductor are scattered. In FIG. 8,
For example, the + c plane and the −c plane, which have different growth rates of the group III nitride semiconductor layer, face each other to be distorted, and defects are likely to occur (see FIG. 8B).
これに対し、炭化アルミニウム層のm面が主面に対し炭化アルミニウム層のc軸方向に傾斜している場合には、成長したIII族窒化物半導体層のm面も主面に対し傾斜し(図12参照)、結晶同士が結合する際に、+c面と−c面とが対向して結合することを低減でき、歪みが発生することを抑制できる。 On the other hand, when the m-plane of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface in the c-axis direction of the aluminum carbide layer, the m-plane of the grown group III nitride semiconductor layer is also inclined with respect to the main surface ( 12), when the crystals are bonded to each other, the bonding between the + c plane and the −c plane facing each other can be reduced, and the occurrence of distortion can be suppressed.
また、炭化アルミニウム層のm面が主面に対し炭化アルミニウム層のa軸方向に傾斜している場合には、III族窒化物半導体層の結晶同士が成長し、結合する際に、a面同士が対向して結合することを低減でき、歪みが発生することを抑制できる。さらに、炭化アルミニウム層のm面が主面に対し炭化アルミニウム層のa軸方向に傾斜している場合には、炭化アルミニウム層上部にIII族窒化物半導体層17を形成すると、図9に示すように、m面のファセット面が形成されることとなる。そのため、III族窒化物半導体層17と、窒化した炭化アルミニウム層との界面で発生した転移がファセット面で屈曲され、転位が低減されることとなる。なお、図9では、基板11の形状は簡略化して示している。
Further, when the m-plane of the aluminum carbide layer is inclined in the a-axis direction of the aluminum carbide layer with respect to the main surface, the crystals of the group III nitride semiconductor layer grow and bond with each other. Can be reduced by being opposed to each other, and distortion can be suppressed. Furthermore, when the m-plane of the aluminum carbide layer is inclined in the a-axis direction of the aluminum carbide layer with respect to the main surface, when the group III
なお、テラス部分121が炭化アルミニウム層12のc軸と、炭化アルミニウム層12のa軸との間の方向に向かって傾斜する場合には、特に、θ4が30°以上、60°以下の場合には、c面同士の結合により発生する欠陥、a面同士の結合により発生する欠陥それぞれをある程度低減することができる。
In the case where the
(サファイア基板の剥離工程)
次に、サファイア基板11を剥離して除去する。
具体的には、GaN半導体層17を形成したHVPE装置の温度を降温し、前記GaN半導体層17を常温まで、冷却する。
この冷却中に、前記GaN半導体層17とサファイア基板11の熱膨張係数の違いからこれらの積層体に歪みが生じ、前記GaN半導体層17とサファイア基板11とが分離されることとなる。
その後、剥離したGaN半導体層17の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるGaN基板を作製することができる。
(Sapphire substrate peeling process)
Next, the
Specifically, the temperature of the HVPE apparatus in which the
During this cooling, the stacked body is distorted due to the difference in thermal expansion coefficient between the
Thereafter, by polishing the front surface and the back surface of the peeled
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、III族窒化物半導体層17をGaN層としたが、これに限らず、InN、AlNであってもよい。また、GaN、InN,AlNのなかから選択される2以上の混晶であってもよい。
また、前記実施形態では、炭化アルミニウム層12のテラス部分がm面であるとしたが、一部のテラス部分にm面以外の面、たとえば、(10−12)面が露出してもよい。ただし、III族窒化物半導体層17をm面成長させる観点からは、炭化アルミニウム層12のテラス部分にm面以外の面は露出しないことが好ましい。
前記実施形態では、下地基板の炭化アルミニウム層側や、炭化アルミニウム層の下地基板と反対側の面は、テラス部分の傾斜角度や、ステップ部分の高さが等しい規則的な階段状であるとしたが、図10に示すように、テラス部分の傾斜角度や、ステップ部分の高さが異なる階段で構成されていてもよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the embodiment, the group III
Moreover, in the said embodiment, although the terrace part of the
In the embodiment, the surface of the base substrate on the side of the aluminum carbide layer or the surface of the aluminum carbide layer opposite to the base substrate has a regular stepped shape in which the inclination angle of the terrace portion and the height of the step portion are equal. However, as shown in FIG. 10, the terrace portion may be configured with stairs having different inclination angles and step portions having different heights.
さらに、前記実施形態では、下地基板の炭化アルミニウム層側や、炭化アルミニウム層の下地基板と反対側の面は、階段状に形成されているとしたが、階段状に形成されていなくてもよい。炭化アルミニウム層のm軸が、下地基板の主面に対して傾斜していればよい。
炭化アルミニウム層のm軸が下地基板の主面に対して傾斜していれば、III族窒化物半導体層を形成する際、III族窒化物半導体層のm軸が前記主面に対して傾斜し、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を形成することができる。
たとえば、図11(A)や、図11(B)に示すように、炭化アルミニウム層13のm軸が、下地基板11の主面に対して傾斜している場合、隣接するIII族窒化物半導体層14のc面同士が衝突する領域を比較的少なくすることができ、歪みが発生することを抑制できる。
なお、炭化アルミニウム層のm面は、表面に必ずしも露出している必要はなく、表面に露出していなくてもよい。炭化アルミニウム層のm軸が、下地基板11の主面に対して傾斜していればよい。
Furthermore, in the said embodiment, although the surface of the aluminum carbide layer side of a base substrate and the surface on the opposite side to the base substrate of an aluminum carbide layer was formed in step shape, it does not need to be formed in step shape. . The m-axis of the aluminum carbide layer only needs to be inclined with respect to the main surface of the base substrate.
If the m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface of the base substrate, when forming the group III nitride semiconductor layer, the m-axis of the group III nitride semiconductor layer is inclined with respect to the main surface. A group III nitride semiconductor layer with high crystallinity can be formed.
For example, when the m-axis of the
Note that the m-plane of the aluminum carbide layer does not necessarily have to be exposed at the surface, and may not be exposed at the surface. The m-axis of the aluminum carbide layer only needs to be inclined with respect to the main surface of the
さらに、前記実施形態では、サファイア基板11を剥離して除去したが、サファイア基板11を除去しなくてもよい。この場合においても、III族窒化物半導体層の結晶性を高めるために、炭化アルミニウム層12は窒化することが好ましい。
Furthermore, in the said embodiment, although the
次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
前記実施形態で説明したのと同様のプロセスを行い、膜厚約250μmのGaN結晶を得た。各工程で採用した条件は以下のとおりである。はじめに、サファイア基板をMOVPE装置の反応炉内に配置し、炉内温度を約1050℃に設定してサファイア基板のサーマルクリーニングを約10分間行った。
なお、サファイア基板は、前記実施形態と同様の基板であり、巨視的には、表裏面が平坦面で平行であるが、微視的には、後段で炭化アルミニウム層が形成される側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっている。このm面は、主面に対してサファイア基板のc軸に沿った方向に傾斜しており、傾斜角度θ1は、1°である。
次に、以下の各工程を実施した。
(炭化アルミニウム層の形成工程)
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:600℃
成膜時間:5分
成膜ガス:TMA10μmol/min、H2ガス10L/min、N2ガス5L/min
膜厚 :70nm
形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のa軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、1°であった。
Next, examples of the present invention will be described.
Example 1
A process similar to that described in the previous embodiment was performed to obtain a GaN crystal having a thickness of about 250 μm. The conditions adopted in each process are as follows. First, the sapphire substrate was placed in the reactor of the MOVPE apparatus, the furnace temperature was set to about 1050 ° C., and the sapphire substrate was thermally cleaned for about 10 minutes.
Note that the sapphire substrate is the same substrate as in the above embodiment, and macroscopically, the front and back surfaces are flat and parallel, but microscopically, the surface on the side where the aluminum carbide layer is formed later. Is formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase is m-plane. The m plane is inclined with respect to the main surface in a direction along the c-axis of the sapphire substrate, and the inclination angle θ1 is 1 °.
Next, the following steps were performed.
(Formation process of aluminum carbide layer)
Film forming method: MOVPE film forming temperature: 600 ° C.
Deposition time: 5 minutes Deposition gas: TMA 10 μmol / min, H 2 gas 10 L / min, N 2 gas 5 L / min
Film thickness: 70nm
In the formed aluminum carbide layer, the surface opposite to the sapphire substrate was formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined with respect to the main surface in a direction along the a-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 1 °.
(炭化アルミニウム層を窒化する工程)
窒化温度:500℃
窒化時間:30分
窒化ガス:NH3ガス5L/min、H2ガス5L/min、N2ガス5L/min
(Step of nitriding the aluminum carbide layer)
Nitriding temperature: 500 ° C
Nitriding time: 30 minutes Nitriding gas: NH 3 gas 5 L / min, H 2 gas 5 L / min, N 2 gas 5 L / min
(バッファ層の形成工程)
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:600℃
成膜ガス:TMG 10μmol/min、NH3ガス5L/min、H2ガス7L/min、N2ガス3L/min
膜厚 : 70nm
(Buffer layer formation process)
Film forming method: MOVPE film forming temperature: 600 ° C.
Deposition gas: TMG 10 μmol / min, NH 3 gas 5 L / min, H 2 gas 7 L / min, N 2 gas 3 L / min
Film thickness: 70nm
(GaN半導体層をエピタキシャル成長させる工程)
成膜方法:HVPE法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:HClガス 80cc/min、NH3ガス1.5L/min
ソース :Gaソース(850℃)
膜厚 :100μm
(Process for epitaxial growth of GaN semiconductor layer)
Deposition method: HVPE Deposition temperature: 1040 ° C
Deposition gas: HCl gas 80cc / min, NH 3 gas 1.5 L / min
Source: Ga source (850 ° C.)
Film thickness: 100 μm
(サファイア基板の剥離工程)
GaN半導体層を形成したHVPE装置中の温度を降温し、常温まで、冷却した。
(Sapphire substrate peeling process)
The temperature in the HVPE apparatus on which the GaN semiconductor layer was formed was lowered and cooled to room temperature.
(実施例2)
実施例1と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ1が10°であるものを使用した。その他は、実施例1と同様の方法で、GaN半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のa軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、10°であった。
(Example 2)
A sapphire substrate similar to that in Example 1, but a sapphire substrate having an inclination angle θ1 of 10 ° was used. Otherwise, a GaN semiconductor layer was obtained in the same manner as in Example 1. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined with respect to the main surface in a direction along the a-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 10 °.
(実施例3)
実施例1と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ1が20°であるものを使用した。その他は、実施例1と同様の方法で、GaN半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のa軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、20°であった。
(Example 3)
A sapphire substrate similar to that in Example 1, but a sapphire substrate having an inclination angle θ1 of 20 ° was used. Otherwise, a GaN semiconductor layer was obtained in the same manner as in Example 1. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined in the direction along the a-axis of the aluminum carbide layer with respect to the main surface, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 20 °.
(実施例4)
実施例1と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ1が30°であるものを使用した。その他は、実施例1と同様の方法で、GaN半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のa軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、30°であった。
(Example 4)
A sapphire substrate similar to that in Example 1, but a sapphire substrate having an inclination angle θ1 of 30 ° was used. Otherwise, a GaN semiconductor layer was obtained in the same manner as in Example 1. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined with respect to the main surface in the direction along the a-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 30 °.
(比較例1)
サファイア基板として、θ1が0°であるもの、すなわち、サファイア基板のm面が主面と平行であるものを使用した。
他の点は、実施例1と同じである。このようなサファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層のm面は、主面と平行であった。
(Comparative Example 1)
As the sapphire substrate, one having θ1 of 0 °, that is, a substrate in which the m-plane of the sapphire substrate is parallel to the main surface was used.
The other points are the same as those in the first embodiment. The m-plane of the aluminum carbide layer formed on such a sapphire substrate was parallel to the main surface.
実施例1〜4と、比較例1において、得られたGaN半導体層のX線解析によるX線ロッキングカーブ(XRD)の半値幅を表1に示す。表1の「GaN−a軸入射」は、GaN半導体層のa軸方向からx線を入射させたことを意味し、「GaN−c軸入射」はGaN半導体層のc軸方向からx線を入射させたことを意味する。 Table 1 shows the full width at half maximum of the X-ray rocking curve (XRD) by X-ray analysis of the obtained GaN semiconductor layer in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. “GaN-a-axis incidence” in Table 1 means that x-rays are incident from the a-axis direction of the GaN semiconductor layer, and “GaN-c-axis incidence” is x-rays from the c-axis direction of the GaN semiconductor layers. It means that it was incident.
実施例1〜3では、比較例1に比べてGaNのa軸方向の結晶性が改善されていることがわかる。また、実施例4では、比較例1に比べGaNのc軸方向の結晶性がよいことがわかる。これに対し、比較例1では、実施例1〜3に比べてGaNのa軸方向の結晶性が悪いことがわかる。 In Examples 1 to 3, it can be seen that the crystallinity of GaN in the a-axis direction is improved as compared with Comparative Example 1. Moreover, in Example 4, it can be seen that the crystallinity of GaN in the c-axis direction is better than that of Comparative Example 1. On the other hand, in Comparative Example 1, it can be seen that the crystallinity of GaN in the a-axis direction is worse than in Examples 1 to 3.
(実施例5)
サファイア基板として、前記実施形態と同様の基板、すなわち、炭化アルミニウム層を積層する側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっているものを使用した。このm面は、主面に対し、サファイア基板のa軸に沿った方向に傾斜しており、傾斜角度θ1は、1°である。
。他の製造条件は実施例1と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、主面に対し炭化アルミニウム層のc軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、1°であった。
(Example 5)
As the sapphire substrate, a substrate similar to the above-described embodiment, that is, a substrate in which the surface on which the aluminum carbide layer is laminated is formed in a staircase shape and the terrace portion of the staircase is an m-plane is used. The m plane is inclined with respect to the main surface in a direction along the a-axis of the sapphire substrate, and the inclination angle θ1 is 1 °.
. Other manufacturing conditions are the same as those in Example 1. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m plane was inclined with respect to the main surface in a direction along the c-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface was 1 °.
(実施例6)
実施例5と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ1が10°であるものを使用した。また、実施例5と同様の方法で、GaN半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、炭化アルミニウム層のc軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、10°であった。
(Example 6)
A sapphire substrate similar to that in Example 5, but a sapphire substrate having an inclination angle θ1 of 10 ° was used. A GaN semiconductor layer was obtained in the same manner as in Example 5. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined in the direction along the c-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 10 °.
(実施例7)
実施例5と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ1が20°であるものを使用した。その他は、実施例5と同様の方法で、GaN半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。このm面は、炭化アルミニウム層のc軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ2は、20°であった。
(Example 7)
A sapphire substrate similar to that in Example 5, but a sapphire substrate having an inclination angle θ1 of 20 ° was used. Otherwise, a GaN semiconductor layer was obtained in the same manner as in Example 5. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane is inclined in the direction along the c-axis of the aluminum carbide layer, and the inclination angle θ2 with respect to the main surface is 20 °.
表2に実施例5〜7において、剥離されたGaN半導体層のX線回折結果を示す。 Table 2 shows the X-ray diffraction results of the peeled GaN semiconductor layers in Examples 5 to 7.
(実施例8)
サファイア基板として、炭化アルミニウム層を積層する側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっているものを使用した。このm面は、図3に示すように、サファイア基板のa軸と、c軸との間の方向(図3に示す軸kの側に傾斜)に傾斜しており、傾斜角度θ1は、1°である。また、軸kと、a軸とがなす角度θ3は、30°であった。
他の製造条件は実施例1と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。この炭化アルミニウム層のm面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のa軸と、c軸との間の方向(図5に示す軸kの方向)に傾斜しており、傾斜角度θ2は、1°である。また、軸kと、炭化アルミニウム層のc軸とがなす角度θ4は、30°であった。
(Example 8)
As the sapphire substrate, a surface on which the aluminum carbide layer is laminated is formed in a stepped shape, and the stepped terrace portion is an m-plane. As shown in FIG. 3, the m-plane is inclined in the direction between the a-axis and the c-axis of the sapphire substrate (inclined toward the axis k shown in FIG. 3), and the inclination angle θ1 is 1 °. The angle θ3 formed by the axis k and the a axis was 30 °.
Other manufacturing conditions are the same as those in Example 1. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane of this aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface in the direction between the a-axis and c-axis of the aluminum carbide layer (the direction of the axis k shown in FIG. 5), and the inclination angle θ2 is 1 °. The angle θ4 formed by the axis k and the c-axis of the aluminum carbide layer was 30 °.
(実施例9)
実施例8と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板のθ3を45°とした。
他の点は、実施例8と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。この炭化アルミニウム層のm面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のa軸と、c軸との間の方向(図5に示す軸kの方向)に傾斜しており、傾斜角度θ2は、1°である。また軸kと、c軸とがなす角度θ4は、45°であった。
Example 9
Although it is the same sapphire substrate as Example 8, (theta) 3 of the sapphire substrate was 45 degrees.
The other points are the same as in the eighth embodiment. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane of this aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface in the direction between the a-axis and c-axis of the aluminum carbide layer (the direction of the axis k shown in FIG. 5), and the inclination angle θ2 is 1 °. The angle θ4 formed by the axis k and the c-axis was 45 °.
(実施例10)
実施例8と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板のθ3を60°とした。
他の点は、実施例8と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がm面となっていた。この炭化アルミニウム層のm面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のa軸と、c軸との間の方向(図5に示す軸kの方向)に傾斜しており、傾斜角度θ2は、1°である。また軸kと、c軸とがなす角度θ4は、60°であった。
(Example 10)
Although it is the same sapphire substrate as Example 8, (theta) 3 of the sapphire substrate was 60 degrees.
The other points are the same as in the eighth embodiment. In addition, the aluminum carbide layer formed on the sapphire substrate had a surface on the side opposite to the sapphire substrate formed in a staircase shape, and the terrace portion of the staircase was an m-plane. The m-plane of this aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface in the direction between the a-axis and c-axis of the aluminum carbide layer (the direction of the axis k shown in FIG. 5), and the inclination angle θ2 is 1 °. The angle θ4 formed by the axis k and the c axis was 60 °.
表3に実施例9〜10において、剥離されたGaN半導体層のX線回折結果を示す。 Table 3 shows the X-ray diffraction results of the peeled GaN semiconductor layers in Examples 9 to 10.
なお、いずれの実施例においても、GaN半導体層はm面配向しており、m面成長したものであることが確認できた。また、いずれの実施例においても、GaN半導体層がサファイア基板から容易に剥離することができ、割れも生じなかった。 In any of the examples, it was confirmed that the GaN semiconductor layer was m-plane oriented and grown on the m-plane. In any of the examples, the GaN semiconductor layer could be easily peeled from the sapphire substrate, and no cracks occurred.
1 基板
11 サファイア基板(下地基板)
12 炭化アルミニウム層
12A 炭化アルミニウム
12B 窒化アルミニウム
13 窒化した炭化アルミニウム層
14 バッファ層
17 III族窒化物半導体層
110 主面
111 テラス部分
121 テラス部分
910 下地基板
912A 炭化アルミニウム層
912B 窒化アルミニウム層
930 窒化された炭化アルミニウム層
A 法線ベクトル
1
12
Claims (15)
前記炭化アルミニウム層のm軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜している基板。 A substrate comprising a base substrate and an aluminum carbide layer formed on the base substrate,
A substrate in which an m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to a main surface of the base substrate.
前記炭化アルミニウム層の前記下地基板と反対側の面は階段状に形成され、
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面は、前記階段のテラス部分である基板。 The substrate according to claim 1, wherein
The surface of the aluminum carbide layer opposite to the base substrate is formed in a step shape,
The {1-100} plane of the aluminum carbide layer is a substrate that is a terrace portion of the staircase.
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面が前記主面に対して、1度以上、20度以下傾斜している基板。 The substrate according to claim 1 or 2,
The substrate in which the {1-100} plane of the aluminum carbide layer is inclined by 1 degree or more and 20 degrees or less with respect to the main surface.
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面が前記主面に対して、5度以上、15度以下傾斜している基板。 The substrate according to claim 3, wherein
The substrate in which the {1-100} plane of the aluminum carbide layer is inclined at 5 degrees or more and 15 degrees or less with respect to the main surface.
炭化アルミニウム層の{1−100}面が前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層の<0001>方向に傾斜している基板。 The substrate according to any one of claims 1 to 4,
The substrate in which the {1-100} plane of the aluminum carbide layer is inclined in the <0001> direction of the aluminum carbide layer with respect to the main surface.
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面が前記主面に対して、前記炭化アルミニウム結晶層の<11−20>方向に傾斜している基板。 The substrate according to any one of claims 1 to 4,
The substrate in which the {1-100} plane of the aluminum carbide layer is inclined with respect to the main surface in the <11-20> direction of the aluminum carbide crystal layer.
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面が、前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層のa軸と、前記炭化アルミニウム層のc軸との間であり、前記炭化アルミニウム層のm軸を回転軸として、炭化アルミニウム層のc軸をa軸側に所定角度回転させた軸に沿って傾斜している基板。 The substrate according to any one of claims 1 to 4,
The {1-100} plane of the aluminum carbide layer is between the a-axis of the aluminum carbide layer and the c-axis of the aluminum carbide layer with respect to the main surface, and the m-axis of the aluminum carbide layer is A substrate inclined as an axis of rotation along an axis obtained by rotating the c-axis of the aluminum carbide layer by a predetermined angle toward the a-axis.
前記炭化アルミニウム層の{1−100}面が、前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層のa軸と、前記炭化アルミニウム層のc軸との間であり、前記炭化アルミニウム層のm軸を回転軸として、炭化アルミニウム層のc軸をa軸側に30度以上、60度以下回転させた軸に沿って傾斜している基板。 The substrate according to claim 7, wherein
The {1-100} plane of the aluminum carbide layer is between the a-axis of the aluminum carbide layer and the c-axis of the aluminum carbide layer with respect to the main surface, and the m-axis of the aluminum carbide layer is A substrate tilted along an axis obtained by rotating the c-axis of the aluminum carbide layer 30 degrees or more and 60 degrees or less to the a-axis side as a rotation axis.
当該基板は、前記炭化アルミニウム層上にIII族窒化物半導体層を形成するためのIII族窒化物半導体層形成用である基板。 The substrate according to any one of claims 1 to 8,
The substrate is a substrate for forming a group III nitride semiconductor layer for forming a group III nitride semiconductor layer on the aluminum carbide layer.
前記下地基板が、サファイア基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板のいずれかである基板。 The substrate according to any one of claims 1 to 9,
The substrate, wherein the base substrate is any one of a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a gallium nitride substrate, and an aluminum nitride substrate.
前記基板の炭化アルミニウム結晶層上に形成されたIII族窒化物半導体層とを備える積層体。 A substrate according to any one of claims 1 to 10,
A laminate comprising a group III nitride semiconductor layer formed on the aluminum carbide crystal layer of the substrate.
前記III族窒化物半導体層は、InN、GaN、AlNまたは、これらの混晶である積層体。 The laminate according to claim 11, wherein
The group III nitride semiconductor layer is a stacked body made of InN, GaN, AlN, or a mixed crystal thereof.
前記炭化アルミニウム層を形成する前記工程では、
前記炭化アルミニウム層のm軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜するように、炭化アルミニウム層を形成する基板の製造方法。 A step of forming an aluminum carbide layer on a base substrate by metal organic vapor phase epitaxy;
In the step of forming the aluminum carbide layer,
A method for manufacturing a substrate, wherein the aluminum carbide layer is formed so that an m-axis of the aluminum carbide layer is inclined with respect to a main surface of the base substrate.
前記基板の前記炭化アルミニウム層上に、ハイドライド気相成長法により、III族窒化物半導体層を形成する工程とを含む積層体の製造方法。 A step of obtaining a substrate by the method for producing a substrate according to claim 14;
Forming a group III nitride semiconductor layer by hydride vapor phase epitaxy on the aluminum carbide layer of the substrate.
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