JP2012218952A - Substrate for nitride semiconductor, and method for producing substrate for nitride semiconductor - Google Patents

Substrate for nitride semiconductor, and method for producing substrate for nitride semiconductor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a nitride semiconductor, which is comparatively easily enlarged and which is comparatively low-cost.SOLUTION: The substrate 100 for a nitride semiconductor includes: a base material 120; a buffer layer 160 set on the upper side of the base material 120; and a nitride semiconductor layer 180 set on the upper side of the buffer layer 160; wherein the base material 120 is composed of quartz, the buffer layer 160 includes a nitride of gallium (Ga) and/or aluminum (Al), the nitride semiconductor layer 180 comprises a nitride semiconductor including gallium (Ga) and/or aluminum (Al), a stress relaxation layer 125 is set between the base material 120 and the buffer layer 160, the stress relaxation layer 125 includes an amorphous layer 130 on the side near the base material 120 and a crystallization layer 150 on the side far from the base material 120, or includes an amorphous layer including a crystalline component on the side far from the base material 120, and the stress relaxation layer 125 includes silicon nitride or silicon oxynitride.

Description

本発明は、窒化ガリウム(GaN)のような窒化物半導体用基板、および窒化ガリウム(GaN)のような窒化物半導体用基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor substrate such as gallium nitride (GaN) and a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate such as gallium nitride (GaN).

周期律表の13族(旧III族)の元素を含む窒化物半導体、特にアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、および/またはインジウム(In)を含む(Al,Ga,In)N系の窒化物半導体(以下、これらをまとめて「GaN等の窒化物半導体」と称する)は、その組成に応じてバンドギャップを連続的に調整することができるとともに、発光波長を紫外線から赤色まで幅広く変化させることができるという特徴を有する。このため、GaN等の窒化物半導体は、紫外から可視光領域までの領域における発光/受光デバイス用材料として開発が進められている。   Nitride semiconductors containing group 13 (former group III) elements of the periodic table, in particular, (Al, Ga, In) N-based nitridation containing aluminum (Al), gallium (Ga), and / or indium (In) The semiconductors (hereinafter collectively referred to as “nitride semiconductors such as GaN”) can continuously adjust the band gap according to the composition, and can change the emission wavelength widely from ultraviolet to red. It has the feature that it can be. For this reason, nitride semiconductors such as GaN are being developed as materials for light emitting / receiving devices in the region from the ultraviolet to the visible light region.

例えば、可視光領域では、この材料系を用いた青色〜緑色の発光ダイオード(LED)は、信号機または大型ディスプレイ用の光源として利用されている。また、近紫外の領域で発光するGaN等の窒化物半導体のLEDと、蛍光体とを組み合わせた白色LEDは、年々効率が向上しており、2009年には実験室レベルではあるものの、249lm(ルーメン)/Wの高い効率での発光が可能であることが報告されている。また、GaN等の窒化物半導体を使用した、青色で発光するレーザダイオード(LD)は、高記録密度ディスクに欠くことのできない光源になりつつある。さらに、GaN等の窒化物半導体は、500℃以上の高温でも劣化しにくく安定なため、GaN等の窒化物半導体は、高温環境で使用可能な、または冷却不要のデバイス用材料としても注目されている。   For example, in the visible light region, blue to green light emitting diodes (LEDs) using this material system are used as light sources for traffic lights or large displays. Further, white LEDs combining a nitride semiconductor LED, such as GaN, which emits light in the near-ultraviolet region, and phosphors are improving in efficiency year by year. Lumen) / W is reported to be capable of emitting light with high efficiency. Further, a laser diode (LD) emitting blue light using a nitride semiconductor such as GaN is becoming an indispensable light source for a high recording density disk. Furthermore, since nitride semiconductors such as GaN are not easily deteriorated even at high temperatures of 500 ° C. or higher and are stable, nitride semiconductors such as GaN are attracting attention as device materials that can be used in high-temperature environments or do not require cooling. Yes.

このようなGaN等の窒化物半導体を含むデバイスは、通常、基板(以下、「窒化物半導体用基板」と称する)上に形成される。「窒化物半導体用基板」は、単結晶基材の上にバッファ層を形成した後、該バッファ層の上に、窒化物半導体層(エピタキシャル層)をエピタキシャル成長させることにより構成される。バッファ層は、単結晶基材とエピタキシャル層の間の格子定数のミスマッチを緩和するために設置される。   Such a device including a nitride semiconductor such as GaN is usually formed on a substrate (hereinafter referred to as “nitride semiconductor substrate”). The “nitride semiconductor substrate” is formed by forming a buffer layer on a single crystal base material and then epitaxially growing a nitride semiconductor layer (epitaxial layer) on the buffer layer. The buffer layer is provided to alleviate the lattice constant mismatch between the single crystal substrate and the epitaxial layer.

従来より、前記単結晶基材としては、サファイア(Al)単結晶を用いた製品が最も高い市場占有率を占めているものの、研究開発品および一部の製品には、窒化ガリウム(GaN)単結晶、炭化珪素(SiC)単結晶、珪素(Si)単結晶が使用されている。特に、窒化ガリウム(GaN)単結晶基材を使用した場合、該基材とエピタキシャル層との間の格子整合性を高めることが可能となる。 Conventionally, as the single crystal base material, products using sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal occupy the highest market share, but R & D products and some products include gallium nitride ( GaN) single crystals, silicon carbide (SiC) single crystals, and silicon (Si) single crystals are used. In particular, when a gallium nitride (GaN) single crystal substrate is used, the lattice matching between the substrate and the epitaxial layer can be improved.

特開2000−133841号公報JP 2000-133841 A

Naoya Murata,Hikari Tochishita, Yuui Shimizu,Tsutomu Araki,and Yasushi Nanishi:Jpn. J. Appl. Phys.,vol37, pp.L1214−L1216,(1998)Naoya Murata, Hikari Tochishita, Yui Shimizu, Tsutomu Araki, and Yasushi Nanishi: Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol37, pp. L1214-L1216, (1998)

前述のように、現在、GaN等の窒化物半導体を含むデバイス用の単結晶基材としては、サファイア(Al)単結晶、炭化珪素(SiC)単結晶、または珪素(Si)が使用されている。 As described above, sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal, silicon carbide (SiC) single crystal, or silicon (Si) is currently used as a single crystal substrate for devices including nitride semiconductors such as GaN. Has been.

しかしながら、このような単結晶基材は、大型化が難しいという問題がある。例えば、現在、最も主流となっている基材であるサファイア(Al)単結晶の直径は、今のところ、最大でも6インチ〜8インチ程度が限界である。また、窒化ガリウム単結晶の直径は、最大でも4インチ程度しかない。また、炭化珪素(SiC)単結晶も最大4インチ程度である。このため、当然、このような基材上に形成されるGaN等の窒化物半導体についても、大型化を図ることが難しく、これがGaN等の窒化物半導体の用途拡大を阻害する要因の一つとなっている。また、仮に、将来、単結晶基材の大型化が可能になったとしても、そのような単結晶基材は、極めて高額なものになってしまう可能性が高い。従って、この場合、GaN等の窒化物半導体を有する各種デバイスも、結果的に高コスト化してしまう。 However, such a single crystal base material has a problem that it is difficult to increase the size. For example, the diameter of a sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal, which is the most main substrate at present, is limited to about 6 inches to 8 inches at the maximum. The diameter of the gallium nitride single crystal is only about 4 inches at the maximum. In addition, the silicon carbide (SiC) single crystal is also about 4 inches at the maximum. For this reason, naturally, it is difficult to increase the size of nitride semiconductors such as GaN formed on such a base material, and this is one of the factors that hinder the expansion of the use of nitride semiconductors such as GaN. ing. Moreover, even if it becomes possible to increase the size of the single crystal base material in the future, such a single crystal base material is likely to be extremely expensive. Therefore, in this case, various devices having a nitride semiconductor such as GaN also increase in cost as a result.

一方、シリコン(Si)単結晶基材は、他の単結晶基材に比べて比較的大きな、最大12インチ程度のものが得られるが、シリコン(Si)単結晶基材は、ごく一部の製品にしか使われていない。これは、シリコン基材特有の問題点、すなわちGaNとの格子不整合が17%と大きく、結晶欠陥を低減することが難しいことに起因している。また、Siのバンドギャップは、1.12eVと他の基材に比べて小さいため、LEDに適用した場合には、シリコンが可視光を吸収してしまうという問題もある。このため、シリコン(Si)単結晶基材を使用したLEDは、効率が低く、シリコン(Si)単結晶基材は、LED用途としての主要な基材になっていない。   On the other hand, the silicon (Si) single crystal base material is relatively large compared to other single crystal base materials, and a maximum of about 12 inches can be obtained. Used only in products. This is due to a problem peculiar to a silicon substrate, that is, a lattice mismatch with GaN is as large as 17%, and it is difficult to reduce crystal defects. Moreover, since the band gap of Si is 1.12 eV, which is smaller than that of other base materials, there is a problem that silicon absorbs visible light when applied to LEDs. For this reason, LED using a silicon (Si) single crystal base material has low efficiency, and the silicon (Si) single crystal base material is not a main base material for LED applications.

そこで、このような問題に対処するため、GaN等の窒化物半導体用の基材として、単結晶の代わりに、石英ガラスを使用することが提案されている(非特許文献1、特許文献1)。   In order to deal with such problems, it has been proposed to use quartz glass instead of a single crystal as a base material for a nitride semiconductor such as GaN (Non-patent Document 1, Patent Document 1). .

しかしながら、通常の場合、石英ガラス基材上にGaN層を成長させると、得られるGaN層は、多配向の多結晶質層となる。このような多配向の多結晶質層は、エピタキシャル成長層に比べて、特性が劣ることが知られている。例えば、石英ガラス基材上に形成された多結晶質GaN層を含む発光ダイオード(LED)の輝度は、サファイア単結晶基材上にGaNの単結晶(エピタキシャル)層を成長させることにより構成されたLEDに比べて、輝度が1/100程度まで低下してしまう(特許文献1)。   However, in a normal case, when a GaN layer is grown on a quartz glass substrate, the resulting GaN layer becomes a multi-oriented polycrystalline layer. Such a multi-oriented polycrystalline layer is known to have inferior characteristics as compared with an epitaxially grown layer. For example, the brightness of a light emitting diode (LED) comprising a polycrystalline GaN layer formed on a quartz glass substrate was constructed by growing a single crystal (epitaxial) layer of GaN on a sapphire single crystal substrate. As compared with the LED, the luminance is reduced to about 1/100 (Patent Document 1).

一方、多配向ではなく、石英ガラス基材上にエピタキシャル層により近い形態として単一配向したGaN膜の作製についても報告されている(非特許文献1)。しかし、この単一配向したGaN膜についても、LEDが発光したとの報告はなく、また製品化もされていない。   On the other hand, the production of a unidirectionally oriented GaN film on a quartz glass substrate as a form closer to the epitaxial layer is reported (Non-Patent Document 1). However, there is no report that the LED emits light with respect to this unidirectionally oriented GaN film, and it has not been commercialized.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本発明では、大型化が比較的容易で、比較的安価な窒化物半導体用基板を提供することを目的とする。また、そのような窒化物半導体用基板を製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor substrate that is relatively easy to increase in size and is relatively inexpensive. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing such a nitride semiconductor substrate.

本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板であって、
前記基材は、石英で構成され、
前記バッファ層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含み、
前記窒化物半導体層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体で構成され、
前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、または前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、
前記応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含むことを特徴とする窒化物半導体用基板が提供される。
In the present invention,
A nitride semiconductor substrate having a base material, a buffer layer placed on top of the base material, and a nitride semiconductor layer placed on top of the buffer layer,
The substrate is made of quartz,
The buffer layer includes a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
The nitride semiconductor layer is composed of a nitride semiconductor containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
Between the base material and the buffer layer, a stress relaxation layer is installed,
The stress relaxation layer has an amorphous layer on the side close to the substrate and a crystallized layer on the side far from the substrate, or an amorphous layer containing a crystal component on the side far from the substrate,
A nitride semiconductor substrate is provided in which the stress relaxation layer includes silicon nitride or silicon oxynitride.

本発明による窒化物半導体用基板において、前記応力緩和層は、一つまたは複数の貫通溝を有し、該貫通溝により、前記応力緩和層は、複数の島状に分離されていても良い。   In the nitride semiconductor substrate according to the present invention, the stress relaxation layer may have one or a plurality of through grooves, and the stress relaxation layer may be separated into a plurality of islands by the through grooves.

また、本発明による窒化物半導体用基板において、前記貫通溝は、略ストライプ状の溝または略格子状の溝であっても良い。   In the nitride semiconductor substrate according to the present invention, the through groove may be a substantially striped groove or a substantially lattice-shaped groove.

また、本発明による窒化物半導体用基板において、前記基材は、前記応力緩和層の貫通溝に対応する凹部を有しても良い。   In the nitride semiconductor substrate according to the present invention, the base material may have a recess corresponding to the through groove of the stress relaxation layer.

さらに、本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板の製造方法であって、
(a)石英製の基材を準備するステップと、
(b)前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップと、
(c)前記アモルファス層の表面を結晶化させ、表面の一部または全部を結晶化させた層(以降、結晶化層と称する)を形成するステップと、
(d)前記結晶化層の上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含むバッファ層を設置するステップと、
(e)前記バッファ層上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体層を成長させるステップと、
を有することを特徴とする窒化物半導体用基板の製造方法が提供される。
Furthermore, in the present invention,
A method for producing a nitride semiconductor substrate, comprising: a base material; a buffer layer disposed on the base material; and a nitride semiconductor layer disposed on the buffer layer,
(A) preparing a quartz substrate;
(B) installing an amorphous layer containing silicon nitride or silicon oxynitride on the substrate;
(C) crystallizing the surface of the amorphous layer to form a layer (hereinafter referred to as a crystallized layer) in which part or all of the surface is crystallized;
(D) installing a buffer layer containing a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the crystallized layer;
(E) growing a nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the buffer layer;
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate is provided.

本発明による製造方法において、前記(b)のステップは、前記基材を室温〜400℃の範囲の温度に保持した状態での、窒化珪素または酸窒化珪素のスパッタ法により行われても良い。   In the manufacturing method according to the present invention, the step (b) may be performed by a sputtering method of silicon nitride or silicon oxynitride in a state where the substrate is kept at a temperature in the range of room temperature to 400 ° C.

また、本発明による製造方法において、前記(c)のステップは、前記アモルファス層を、プラズマ窒化処理、マイクロ波照射処理、またはレーザアニール処理することにより行われても良い。   In the manufacturing method according to the present invention, the step (c) may be performed by subjecting the amorphous layer to plasma nitriding treatment, microwave irradiation treatment, or laser annealing treatment.

また、本発明による製造方法において、前記(c)のステップと(d)のステップの間に、
(c')前記アモルファス層および前記結晶化層に、一つまたは複数の貫通溝を形成するステップを有しても良い。
In the manufacturing method according to the present invention, between the step (c) and the step (d),
(C ′) A step of forming one or a plurality of through grooves in the amorphous layer and the crystallized layer may be included.

また、本発明による製造方法において、前記(c')のステップにおいて形成される貫通溝の少なくとも一つは、前記基材の内部にまで到達しても良い。   In the manufacturing method according to the present invention, at least one of the through grooves formed in the step (c ′) may reach the inside of the base material.

本発明では、大型化が比較的容易で、比較的安価な窒化物半導体用基板を提供することが可能となる。また、そのような窒化物半導体用基板を製造する方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor substrate that is relatively easy to increase in size and relatively inexpensive. In addition, a method for manufacturing such a nitride semiconductor substrate can be provided.

従来の窒化物半導体用基板の構成を概略的に示した図である。It is the figure which showed schematically the structure of the conventional board | substrate for nitride semiconductors. 本発明による窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the example of 1 structure of the board | substrate for nitride semiconductors by this invention. 本発明による別の窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the example of 1 structure of the board | substrate for another nitride semiconductor by this invention. 本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板の一構成例を概略的に示した図である。It is the figure which showed schematically the example of 1 structure of the another board | substrate for nitride semiconductors by this invention. 本発明による半導体用基板の製造方法のフローを概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the flow of the manufacturing method of the board | substrate for semiconductors by this invention. 実施例1に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 1. 比較例1に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Comparative Example 1. 比較例2に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Comparative Example 2. 実施例1に係るサンプルにおいて得られた紫外線照射時の発光スペクトルを示したグラフ(実線)、および比較例1に係るサンプルにおいて得られた紫外線照射時の発光スペクトルを示したグラフ(点線)である。4 is a graph (solid line) showing an emission spectrum at the time of ultraviolet irradiation obtained in the sample according to Example 1, and a graph (dotted line) showing an emission spectrum at the time of ultraviolet irradiation obtained in a sample according to Comparative Example 1. .

以下、図面を参照して、本発明について説明する。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の構成および特徴をより良く理解するため、まず、従来のGaN半導体用基板について簡単に説明する。   To better understand the configuration and features of the present invention, a conventional GaN semiconductor substrate will be briefly described first.

図1には、従来のGaN半導体用基板の構成を概略的に示す。   FIG. 1 schematically shows a configuration of a conventional GaN semiconductor substrate.

図1に示すように、従来のGaN半導体用基板10は、単結晶基材20、バッファ層60、およびGaNエピタキシャル層80を、この順に積層することにより構成される。   As shown in FIG. 1, a conventional GaN semiconductor substrate 10 is configured by laminating a single crystal base material 20, a buffer layer 60, and a GaN epitaxial layer 80 in this order.

単結晶基材20は、上部に各層を積層支持するために使用される部材である。単結晶基材20は、例えばサファイア単結晶、GaN単結晶、炭化珪素(SiC)単結晶、または珪素(Si)単結晶で構成されている。   The single crystal substrate 20 is a member used for stacking and supporting each layer on the top. The single crystal substrate 20 is made of, for example, a sapphire single crystal, a GaN single crystal, a silicon carbide (SiC) single crystal, or a silicon (Si) single crystal.

バッファ層60は、通常、GaAlNのような、ガリウム(Ga)およびアルミニウム(Al)を含む窒化物で構成される。   The buffer layer 60 is typically made of a nitride containing gallium (Ga) and aluminum (Al), such as GaAlN.

バッファ層60は、上部に形成されるGaNエピタキシャル層80と単結晶基材20との間の格子定数のミスマッチを緩和する役割を有する。すなわち、バッファ層60を設けず、単結晶基材20上に直接GaNエピタキシャル層80を成長させた場合、GaNエピタキシャル層80は、単結晶基材20との格子定数のミスマッチのため、転位やクラックのような結晶欠陥を多数含むようになり、実際にデバイスとして動作させた場合、注入キャリヤが失活してしまう。これに対して、単結晶基材20とGaNエピタキシャル層80との間にバッファ層60を設置した場合、GaNエピタキシャル層80内での結晶欠陥の発生が有意に抑制される。   The buffer layer 60 has a role of relaxing a lattice constant mismatch between the GaN epitaxial layer 80 formed on the upper portion and the single crystal substrate 20. That is, when the GaN epitaxial layer 80 is grown directly on the single crystal substrate 20 without providing the buffer layer 60, the GaN epitaxial layer 80 has a lattice constant mismatch with the single crystal substrate 20, so When the device is actually operated as a device, the injected carriers are deactivated. On the other hand, when the buffer layer 60 is installed between the single crystal substrate 20 and the GaN epitaxial layer 80, the occurrence of crystal defects in the GaN epitaxial layer 80 is significantly suppressed.

GaNエピタキシャル層80は、バッファ層60の上部に、GaNをエピタキシャル成長させることにより構成される。   The GaN epitaxial layer 80 is configured by epitaxially growing GaN on the buffer layer 60.

このようなGaN半導体用基板10の上部に、さらに各種半導体素子等を形成することにより、LEDなどのデバイスを製造することができる。   Devices such as LEDs can be manufactured by forming various semiconductor elements and the like on the GaN semiconductor substrate 10.

しかしながら、このようなGaN半導体用基板10の構成では、単結晶基材20を使用するため、大型化が難しいという問題がある。例えば、現在のサファイア(Al)単結晶基材の直径は、今のところ、最大でも6インチ〜8インチ程度が限界である。また、炭化珪素(SiC)単結晶基材も最大4インチ程度である。また、現在使用されているGaN単結晶基材の直径は、最大でも4インチ程度しかない。 However, such a configuration of the substrate 10 for GaN semiconductor has a problem that it is difficult to increase the size because the single crystal base material 20 is used. For example, the maximum diameter of the current sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate is currently limited to about 6 inches to 8 inches at the maximum. The silicon carbide (SiC) single crystal substrate is also about 4 inches at the maximum. Moreover, the diameter of the GaN single crystal base material currently used is only about 4 inches at maximum.

また、このようなGaN半導体用基板10は、高価な単結晶基材20を有するため、材料コストおよび製造コストを抑制することが難しいという問題がある。このため、このGaN半導体用基板10をベースとして製造される各種デバイスも、結果的に高コストなものになってしまう。   Moreover, since such a GaN semiconductor substrate 10 has an expensive single crystal base material 20, there is a problem that it is difficult to suppress material costs and manufacturing costs. For this reason, various devices manufactured on the basis of this GaN semiconductor substrate 10 also become expensive as a result.

そこで、このような問題に対処するため、単結晶基材20の代わりに、石英ガラス製の基材を使用することが考えられる。   Therefore, in order to deal with such problems, it is conceivable to use a quartz glass substrate instead of the single crystal substrate 20.

しかしながら、通常の場合、石英ガラス基材上にGaN層を成長させると、得られるGaN層は、多配向の多結晶質層になってしまうという問題がある。このような多配向の多結晶質層は、エピタキシャル成長された層に比べて、特性が劣ることが知られている。例えば、石英ガラス基材上に形成された多結晶質GaN層を含む発光ダイオード(LED)の輝度は、サファイア単結晶基材上にGaNエピタキシャル層を成長させることにより構成されたLEDに比べて、輝度が1/100程度まで低下してしまう(特許文献1)。   However, usually, when a GaN layer is grown on a quartz glass substrate, there is a problem that the obtained GaN layer becomes a multi-oriented polycrystalline layer. Such a multi-oriented polycrystalline layer is known to have inferior characteristics as compared to an epitaxially grown layer. For example, the brightness of a light emitting diode (LED) including a polycrystalline GaN layer formed on a quartz glass substrate is higher than that of an LED configured by growing a GaN epitaxial layer on a sapphire single crystal substrate. The luminance is reduced to about 1/100 (Patent Document 1).

なお、GaN半導体基板の基材として、石英ガラス基材を使用した場合、最終的に得られるGaN半導体デバイスの特性が劣化してしまう原因としては、以下の要素が考えられる。
(i)多配向の多結晶膜のため、結晶表面の凹凸が大きく、金属電極のコンタクトが単結晶基材の場合に比べて不十分になるため、いわゆる接触抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなってしまう。
(ii)多配向の多結晶膜のため、金属電極から注入されたキャリヤが発光領域(pn接合部)にたどり着くまでに、複雑なパスを通って、様々の結晶方位を向いた多配向の結晶粒子の境界(粒界)を通過せざるをえない。このため、キャリヤが発光領域にたどり着く前に、粒界に存在する結晶欠陥が非発光中心に捕えられてしまい、失活してしまう。
In addition, when a quartz glass base material is used as the base material of the GaN semiconductor substrate, the following factors can be considered as causes of the deterioration of the characteristics of the finally obtained GaN semiconductor device.
(I) Since the multi-oriented polycrystalline film has large crystal surface irregularities and the metal electrode contacts are insufficient compared to a single crystal base material, so-called contact resistance increases and current does not flow easily. turn into.
(Ii) Because of the multi-oriented polycrystalline film, the multi-oriented crystal is directed to various crystal orientations through a complicated path until the carriers injected from the metal electrode reach the light emitting region (pn junction). It must pass through grain boundaries (grain boundaries). For this reason, before the carriers reach the light emitting region, crystal defects existing at the grain boundaries are trapped by the non-light emitting centers and deactivated.

そこで、多配向の膜からエピタキシャル膜と同様に、ある特定の結晶方位に揃った単一配向の膜に変えることにより、多配向の膜に比べて粒界の数を減少させ、輝度を向上させることができると考えられる。しかしながら、この単一配向膜によるLEDも、多配向のLEDと同様、未だ実用化されるに至っていない。   Therefore, by changing from a multi-oriented film to a single-oriented film aligned with a specific crystal orientation in the same way as an epitaxial film, the number of grain boundaries is reduced and the luminance is improved as compared to a multi-oriented film. It is considered possible. However, the LED with this single alignment film has not yet been put into practical use, like the multi-alignment LED.

このように石英ガラス基材を使ったLEDが実用化に至っていない要因として、例えば、石英ガラス基材と、バッファ層およびその上部のGaN層との間の熱膨張係数のミスマッチが特性劣化の一因として考えられる。例えば、石英ガラスの熱膨張係数は、おおよそ0.54×10−6/Kであるのに対して、GaNの熱膨張係数は、おおよそ4.6〜5.1×10−6/Kであり、AlNの熱膨張係数は、おおよそ4.3×10−6/Kである。従って、石英ガラス基材とバッファ層およびGaN層との間で、熱膨張係数は、大きく異なっていることが予想される。また、GaN層の成長の際には、石英ガラス基材は、800℃〜1000℃もの高温に保持される。このため、GaN層の冷却過程などにおいて、石英ガラス基材と、バッファ層およびGaN層との間には、大きな歪みが発生してしまう。このような歪みは、クラックおよび/または転位のような、GaN層中の欠陥の発生原因になると予想される。 As a factor in which an LED using a quartz glass substrate has not yet been put into practical use, for example, a mismatch in thermal expansion coefficient between the quartz glass substrate and the buffer layer and the GaN layer on the buffer layer is one of the characteristics deterioration. It is considered as a cause. For example, the thermal expansion coefficient of quartz glass is approximately 0.54 × 10 −6 / K, whereas the thermal expansion coefficient of GaN is approximately 4.6 to 5.1 × 10 −6 / K. The thermal expansion coefficient of AlN is approximately 4.3 × 10 −6 / K. Therefore, it is expected that the thermal expansion coefficient is greatly different between the quartz glass substrate and the buffer layer and the GaN layer. Further, during the growth of the GaN layer, the quartz glass substrate is maintained at a high temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. For this reason, a large strain is generated between the quartz glass substrate, the buffer layer, and the GaN layer in the cooling process of the GaN layer. Such strain is expected to cause defects in the GaN layer, such as cracks and / or dislocations.

これに対して、本発明では、
基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板において、
前記基材は、石英で構成され、
前記バッファ層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含み、
前記窒化物半導体層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体で構成され、
前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、または前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、
前記応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含むと言う特徴を有する。
In contrast, in the present invention,
In a nitride semiconductor substrate having a base material, a buffer layer placed on top of the base material, and a nitride semiconductor layer placed on top of the buffer layer,
The substrate is made of quartz,
The buffer layer includes a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
The nitride semiconductor layer is composed of a nitride semiconductor containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
Between the base material and the buffer layer, a stress relaxation layer is installed,
The stress relaxation layer has an amorphous layer on the side close to the substrate and a crystallized layer on the side far from the substrate, or an amorphous layer containing a crystal component on the side far from the substrate,
The stress relaxation layer is characterized by containing silicon nitride or silicon oxynitride.

本発明では、従来の単結晶基材20の代わりに、比較的安価で、大面積のものも比較的容易に利用することできる石英製の基材を使用する。このため、本発明による窒化物半導体用基板は、比較的安価に製造することが可能となる。また、本発明による窒化物半導体用基板では、大型化にも比較的容易に対応することができる。   In the present invention, instead of the conventional single crystal substrate 20, a quartz substrate that is relatively inexpensive and that can be used in a relatively large area is also used. Therefore, the nitride semiconductor substrate according to the present invention can be manufactured at a relatively low cost. Further, the nitride semiconductor substrate according to the present invention can relatively easily cope with an increase in size.

また、本発明では、石英基材とバッファ層との間に、応力緩和層が設けられる。この応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含む。窒化珪素および酸窒化珪素は、石英基材(熱膨張係数:約0.54×10−6/K)とバッファ層(GaNの熱膨張係数:約4.6〜5.1×10−6/K)の中間程度の熱膨張係数を有する。例えば、窒化珪素(Si)の熱膨張係数は、約3.3×10−6/Kである。従って、本発明では、窒化物半導体層を成長時から室温に冷却させる過程において、石英基板と窒化物半導体層およびバッファ層との間に発生し得る応力歪みを有意に抑制することができる。このため、本発明による窒化物半導体用基板では、窒化物半導体層中に、クラックおよび/または転位のような結晶欠陥が発生することが有意に抑制される。また、これにより、本発明による窒化物半導体用基板を用いて、所望の特性(例えば発光特性、輝度特性)を有するデバイスを構成することが可能になる。 In the present invention, a stress relaxation layer is provided between the quartz substrate and the buffer layer. This stress relaxation layer contains silicon nitride or silicon oxynitride. Silicon nitride and silicon oxynitride include a quartz substrate (thermal expansion coefficient: about 0.54 × 10 −6 / K) and a buffer layer (thermal expansion coefficient of GaN: about 4.6 to 5.1 × 10 −6 / K). K) has an intermediate thermal expansion coefficient. For example, the thermal expansion coefficient of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is about 3.3 × 10 −6 / K. Therefore, in the present invention, stress strain that can occur between the quartz substrate, the nitride semiconductor layer, and the buffer layer in the process of cooling the nitride semiconductor layer to room temperature from the time of growth can be significantly suppressed. Therefore, in the nitride semiconductor substrate according to the present invention, the occurrence of crystal defects such as cracks and / or dislocations in the nitride semiconductor layer is significantly suppressed. This also makes it possible to configure a device having desired characteristics (for example, light emission characteristics and luminance characteristics) using the nitride semiconductor substrate according to the present invention.

(本発明による窒化物半導体用基板の構成)
次に、図2を参照して、本発明による窒化物半導体用基板の構成について詳しく説明する。
(Configuration of substrate for nitride semiconductor according to the present invention)
Next, the configuration of the nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.

図2には、本発明による窒化物半導体用基板の構成の一例を概略的に示す。   FIG. 2 schematically shows an example of the structure of a nitride semiconductor substrate according to the present invention.

図2に示すように、本発明による窒化物半導体用基板100は、石英基材120、応力緩和層125、バッファ層160、および窒化物半導体層180を、この順に設置することにより構成される。   As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor substrate 100 according to the present invention is configured by installing a quartz base 120, a stress relaxation layer 125, a buffer layer 160, and a nitride semiconductor layer 180 in this order.

石英基材120は、上部に積層される各部材を支持する役割を有する。なお、本発明では、比較的容易かつ安価に、大きな面積を有する石英基材120を準備することができることに留意する必要がある。   The quartz substrate 120 has a role of supporting each member laminated on the upper part. It should be noted that in the present invention, the quartz substrate 120 having a large area can be prepared relatively easily and inexpensively.

応力緩和層125は、アモルファス層130および結晶化層150を有する。   The stress relaxation layer 125 includes an amorphous layer 130 and a crystallized layer 150.

アモルファス層130は、アモルファス相を有する。結晶化層150は、アモルファス層130の上部に設置され、アモルファス層130の結晶化相を有する。また、アモルファス層130および結晶化層150は、石英の熱膨張係数と、窒化ガリウムおよび窒化アルミニウムのような窒化物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する。例えば、アモルファス層130および結晶化層150は、窒化珪素(熱膨張係数約3.3×10−6/K)および/または酸窒化珪素を含む。 The amorphous layer 130 has an amorphous phase. The crystallized layer 150 is disposed on the amorphous layer 130 and has a crystallized phase of the amorphous layer 130. In addition, the amorphous layer 130 and the crystallized layer 150 have a thermal expansion coefficient between that of quartz and that of nitrides such as gallium nitride and aluminum nitride. For example, the amorphous layer 130 and the crystallized layer 150 include silicon nitride (a coefficient of thermal expansion of about 3.3 × 10 −6 / K) and / or silicon oxynitride.

窒化珪素は、例えばSiのような、Siの組成であっても良い。ここで、0<x≦1、0<y≦1である。また、酸窒化珪素は、Siの組成であっても良い。ここで、0<x≦1、0<y≦1、0<z≦1である。なお、実際の成膜プロセスでは、純粋な窒化珪素の層を形成することは難しく、窒化珪素の成膜を実施した場合であっても、得られる層は、多少の酸素を含み、Siの組成となる傾向にあることに留意する必要がある。 The silicon nitride may have a composition of Si x N y such as Si 3 N 4 , for example. Here, 0 <x ≦ 1 and 0 <y ≦ 1. Further, the silicon oxynitride may have a composition of Si x O y N z . Here, 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, and 0 <z ≦ 1. In an actual film formation process, it is difficult to form a pure silicon nitride layer, and even when silicon nitride film formation is performed, the obtained layer contains some oxygen and Si x O it should be noted that there is a tendency that a composition of y N z.

応力緩和層125のアモルファス層130は、石英基材120とバッファ層160および窒化物半導体層180との間の熱膨張係数のミスマッチによって、窒化物半導体層180に生じ得る応力歪みを緩和する役割を有する。すなわち、石英基材120とバッファ層160との間に、両者の中間程度の熱膨張係数を有するアモルファス層130を設置することにより、窒化物半導体層180を成長させる際およびその後の冷却過程などにおいて、窒化物半導体層180に生じ得る応力歪みにより、窒化物半導体層180内に多数の欠陥が形成されてしまうという問題、さらにはこれにより窒化物半導体層180の特性(例えば輝度)が劣化してしまうという問題を回避することが可能となる。   The amorphous layer 130 of the stress relaxation layer 125 serves to relieve stress strain that may occur in the nitride semiconductor layer 180 due to a mismatch of thermal expansion coefficients between the quartz substrate 120, the buffer layer 160, and the nitride semiconductor layer 180. Have. That is, by placing an amorphous layer 130 having a thermal expansion coefficient intermediate between the quartz substrate 120 and the buffer layer 160, the nitride semiconductor layer 180 is grown and in the subsequent cooling process, etc. The problem that a large number of defects are formed in the nitride semiconductor layer 180 due to stress strain that may occur in the nitride semiconductor layer 180, and further, the characteristics (for example, luminance) of the nitride semiconductor layer 180 deteriorates. It becomes possible to avoid the problem of end.

応力緩和層125の結晶化層150は、アモルファス層130の上部に、バッファ層160を介して、多配向でなく単一配向した窒化物半導体層180を結晶成長させる役割を有する。すなわち、結晶化層150が存在しない場合、アモルファス層130上に、バッファ層160を介した場合は多配向になってしまい、単一配向した窒化物半導体層180を形成させることは、極めて難しい。しかしながら、本発明では、応力緩和層125は、表面に結晶化された結晶化層150を有するため、応力緩和層125の上部に、バッファ層160を介して単一配向した窒化物半導体層180を適正に形成させることができるようになる。   The crystallized layer 150 of the stress relaxation layer 125 has a role of crystal-growing a single-orientated nitride semiconductor layer 180 on the amorphous layer 130 via the buffer layer 160 via a buffer layer 160. That is, when the crystallized layer 150 does not exist, the multi-orientation occurs when the buffer layer 160 is interposed on the amorphous layer 130, and it is extremely difficult to form the single-orientated nitride semiconductor layer 180. However, in the present invention, since the stress relaxation layer 125 has the crystallized layer 150 crystallized on the surface, the nitride semiconductor layer 180 that is mono-oriented via the buffer layer 160 is formed on the stress relaxation layer 125. It can be formed properly.

応力緩和層125(アモルファス層130および結晶化層150)は、窒化珪素および/または酸窒化珪素の他、各種金属化合物を含有しても良い。そのような金属化合物には、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、および/またはイリジウム(Ir)が含まれる。   The stress relaxation layer 125 (the amorphous layer 130 and the crystallized layer 150) may contain various metal compounds in addition to silicon nitride and / or silicon oxynitride. Such metal compounds include tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and / or iridium (Ir).

応力緩和層125は、後述するように、例えば、スパッタリング法などの成膜法により、石英基材120上に窒化珪素および/または酸窒化珪素のアモルファス層130を形成した後、得られたアモルファス層130の表面に対して、プラズマ窒化処理を行うことにより形成される。プラズマ窒化処理により、アモルファス層130の表面が結晶化され、アモルファス層130の上部に、窒化珪素および/または酸窒化珪素の結晶化層150を形成することができる。   As will be described later, the stress relaxation layer 125 is obtained by, for example, forming an amorphous layer 130 of silicon nitride and / or silicon oxynitride on the quartz substrate 120 by a film forming method such as sputtering, and then obtaining the amorphous layer. The surface 130 is formed by performing plasma nitriding treatment. By the plasma nitriding treatment, the surface of the amorphous layer 130 is crystallized, and a crystallized layer 150 of silicon nitride and / or silicon oxynitride can be formed on the amorphous layer 130.

バッファ層160は、従来のGaN半導体用基板10のバッファ層60と同様、GaAlNのような、ガリウム(Ga)およびアルミニウム(Al)を含む窒化物で構成される。バッファ層160は、上部に形成される窒化物半導体層180と結晶化層150との間の格子定数のミスマッチを緩和する役割を有する。   The buffer layer 160 is made of a nitride containing gallium (Ga) and aluminum (Al), such as GaAlN, like the buffer layer 60 of the conventional GaN semiconductor substrate 10. The buffer layer 160 has a role of relaxing a lattice constant mismatch between the nitride semiconductor layer 180 and the crystallized layer 150 formed thereon.

窒化物半導体層180は、従来のGaN半導体用基板10のGaNをはじめとする、Gaを含んだ窒化物層である。具体的には、Gaと同族元素を含む窒化物であって、例えばガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、およびインジウム(In)を含む窒化物半導体である。これらは、化学式では、GaAl1-XN(0≦X≦1)、GaIn1−XN(0≦X≦1)等で一般的に表すことが可能な窒化物である。ここで、また、それらの混晶系であるGaAlIn(1−X−Y)N(0≦X≦1、0≦Y≦1)であっても良い。ここで、窒化物半導体層180がAlを含む場合、Gaに比べて半導体のバンドギャップがワイドギャップ化するため、発光は、紫外光領域へシフトする。また、窒化物半導体層180がInを含む場合、逆にバンドギャップがナローギャップ化するため、そのような窒化物半導体層180を含む半導体用基板は、青色や緑色の可視光領域で発光する発光デバイスとして利用できる。 The nitride semiconductor layer 180 is a nitride layer containing Ga, such as GaN of the conventional GaN semiconductor substrate 10. Specifically, it is a nitride containing an element similar to Ga, for example, a nitride semiconductor containing gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In). These are nitrides that can be generally represented by Ga X Al 1-X N (0 ≦ X ≦ 1), Ga X In 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) or the like in the chemical formula. Here, Ga X Al Y In (1-XY) N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1), which is a mixed crystal system thereof, may also be used. Here, when the nitride semiconductor layer 180 includes Al, the band gap of the semiconductor becomes wider than that of Ga, and thus light emission is shifted to the ultraviolet region. In addition, when the nitride semiconductor layer 180 contains In, the band gap becomes narrower, so that the semiconductor substrate including such a nitride semiconductor layer 180 emits light in the blue or green visible light region. Can be used as a device.

前述のように、本発明による窒化物半導体用基板100では、石英基材120とバッファ層160の間に、応力緩和層125が設置されている。このため、本発明では、窒化物半導体層180を成長させたり、成長過程から室温に冷却する過程において、石英基材120と窒化物半導体層180およびバッファ層160との間に発生し得る応力歪みを有意に抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層180中に、クラックおよび/または転位のような結晶欠陥が発生することが有意に抑制される。   As described above, in the nitride semiconductor substrate 100 according to the present invention, the stress relaxation layer 125 is provided between the quartz substrate 120 and the buffer layer 160. For this reason, in the present invention, stress strain that may occur between the quartz substrate 120 and the nitride semiconductor layer 180 and the buffer layer 160 in the process of growing the nitride semiconductor layer 180 or cooling from the growth process to room temperature. Can be significantly suppressed. Thereby, the occurrence of crystal defects such as cracks and / or dislocations in the nitride semiconductor layer 180 is significantly suppressed.

(本発明による別の窒化物半導体用基板)
次に、図3を参照して、本発明による別の窒化物半導体用基板について説明する。
(Another nitride semiconductor substrate according to the present invention)
Next, another nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIG.

図3には、本発明による別の窒化物半導体用基板200の構成の一例を概略的に示す。   FIG. 3 schematically shows an example of the configuration of another nitride semiconductor substrate 200 according to the present invention.

図3に示すように、この窒化物半導体用基板200は、基本的に、図2に示した窒化物半導体用基板100と同様の構成を有する。従って、図3において、図2と対応する部材には、図2の部材の参照符号に、100を加えた参照符号が付されている。   As shown in FIG. 3, the nitride semiconductor substrate 200 basically has the same configuration as the nitride semiconductor substrate 100 shown in FIG. Therefore, in FIG. 3, members corresponding to those in FIG. 2 are given reference numerals obtained by adding 100 to the reference numerals of the members in FIG. 2.

ただし、この窒化物半導体用基板200は、図2に示した窒化物半導体用基板100とは異なり、応力緩和層225、すなわちアモルファス層230および結晶化層250は、応力緩和層225を貫通する少なくとも一つの貫通溝255を有する。   However, the nitride semiconductor substrate 200 is different from the nitride semiconductor substrate 100 shown in FIG. 2 in that the stress relaxation layer 225, that is, the amorphous layer 230 and the crystallization layer 250 are at least penetrating the stress relaxation layer 225. One through groove 255 is provided.

このような貫通溝255は、例えばGaN層280が形成された後、窒化物半導体用基板200が室温まで冷却される際など、窒化物半導体用基板200が応力を受けたときに、該応力を膜の成長方向に対して垂直な方向、すなわち図の左右方向に緩和する機能を有する。従って、図3に示した窒化物半導体用基板200は、図2に示した窒化物半導体用基板100に比べて、よりいっそう効果的に内部に生じる応力歪みを抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層280内に欠陥が導入されることを抑制することができる。   Such through-grooves 255 are formed when the nitride semiconductor substrate 200 is subjected to stress, such as when the nitride semiconductor substrate 200 is cooled to room temperature after the GaN layer 280 is formed. It has a function of relaxing in the direction perpendicular to the growth direction of the film, that is, in the left-right direction in the figure. Therefore, the nitride semiconductor substrate 200 shown in FIG. 3 can suppress the stress strain generated inside more effectively than the nitride semiconductor substrate 100 shown in FIG. Also, this can suppress the introduction of defects into the nitride semiconductor layer 280.

なお、貫通溝255のパターン形態は、特に限られない。貫通溝255は、例えば、第1の方向に延在するストライプ状の溝であっても良く、あるいは第1および第2の2つの方向に延在する格子状(正方形状、長方形状、菱形状等)のパターンを有しても良い。また、貫通溝255は、その他の形態であっても良い。   The pattern form of the through groove 255 is not particularly limited. The through groove 255 may be, for example, a stripe-shaped groove extending in the first direction, or a lattice shape (square shape, rectangular shape, rhombus shape) extending in the first and second directions. Etc.). Further, the through groove 255 may have other forms.

貫通溝255の幅は、特に限られないが、幅は、例えば4μm〜200μmの範囲であっても良い。また、貫通溝255によって分断された応力緩和層225は、例えば、縦および横幅が、4μm〜5mmの範囲の寸法を有しても良い。   The width of the through groove 255 is not particularly limited, but the width may be, for example, in the range of 4 μm to 200 μm. Further, the stress relaxation layer 225 divided by the through groove 255 may have a dimension in the range of 4 μm to 5 mm in length and width, for example.

(本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板)
次に、図4を参照して、本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板について説明する。
(Still another nitride semiconductor substrate according to the present invention)
Next, still another nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIG.

図4には、本発明による別の窒化物半導体用基板300の構成の一例を概略的に示す。   FIG. 4 schematically shows an example of the configuration of another nitride semiconductor substrate 300 according to the present invention.

図4に示すように、この窒化物半導体用基板300は、基本的に、図2に示した窒化物半導体用基板100と同様の構成を有する。従って、図4において、図2と対応する部材には、図2の部材の参照符号に、200を加えた参照符号が付されている。   As shown in FIG. 4, this nitride semiconductor substrate 300 basically has the same configuration as nitride semiconductor substrate 100 shown in FIG. 2. Therefore, in FIG. 4, members corresponding to those in FIG. 2 are given reference numerals obtained by adding 200 to the reference numerals of the members in FIG. 2.

ただし、この窒化物半導体用基板300は、図2に示した窒化物半導体用基板100とは異なり、応力緩和層325の上面から石英基材320の内部にまで至る、少なくとも一つの溝356を有する。   However, unlike the nitride semiconductor substrate 100 shown in FIG. 2, the nitride semiconductor substrate 300 has at least one groove 356 extending from the upper surface of the stress relaxation layer 325 to the inside of the quartz base material 320. .

このような溝356は、前述の窒化物半導体用基板200に設けられた貫通溝255と同様に、窒化物半導体用基板300が応力歪みを受けたときに、該応力を膜の成長方向に対して垂直な方向、すなわち図の左右方向に緩和する機能を有する。従って、図4に示した窒化物半導体用基板300においても、図3に示した窒化物半導体用基板200と同様、窒化物半導体用基板300の内部に生じる応力歪みを抑制することができる。また、これにより、窒化物半導体層380内に欠陥が導入されることを抑制することができる。   Similar to the through-groove 255 provided in the nitride semiconductor substrate 200 described above, the groove 356 causes the stress to be applied to the growth direction of the film when the nitride semiconductor substrate 300 is subjected to stress strain. And has a function of relaxing in the vertical direction, that is, in the horizontal direction of the figure. Therefore, in the nitride semiconductor substrate 300 shown in FIG. 4 as well, similar to the nitride semiconductor substrate 200 shown in FIG. 3, the stress strain generated inside the nitride semiconductor substrate 300 can be suppressed. Further, this can suppress the introduction of defects into the nitride semiconductor layer 380.

なお、図4の例では、溝356の幅は、応力緩和層325と石英基材320との間で、異なっている。しかしながら、これは単なる一例であって、応力緩和層325と石英基材320との間で、溝356の幅は、等しくなっていても良い。ただし、溝356を応力緩和層325および石英基材320のエッチング処理により形成した場合、両者のエッチング速度の違いにより、図4のような、応力緩和層325と石英基材320の間で、幅が異なる形態の溝356が生じる傾向にある。   In the example of FIG. 4, the width of the groove 356 is different between the stress relaxation layer 325 and the quartz substrate 320. However, this is merely an example, and the width of the groove 356 may be equal between the stress relaxation layer 325 and the quartz substrate 320. However, when the groove 356 is formed by etching the stress relaxation layer 325 and the quartz substrate 320, the width between the stress relaxation layer 325 and the quartz substrate 320 as shown in FIG. Tend to produce differently shaped grooves 356.

(本発明による窒化物半導体用基板の製造方法)
次に、前述のような構成を有する本発明による窒化物半導体用基板100の製造方法の一例について説明する。なお、以下の説明は、窒化物半導体用基板100の製造方法の一例に過ぎず、本発明による窒化物半導体用基板100は、別の製造方法で製作されても良いことは、当業者には明らかである。
(Manufacturing method of a nitride semiconductor substrate according to the present invention)
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate 100 according to the present invention having the above-described configuration will be described. The following description is merely an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate 100, and it is understood by those skilled in the art that the nitride semiconductor substrate 100 according to the present invention may be manufactured by another manufacturing method. it is obvious.

図5には、本発明による窒化物半導体用基板の製造方法のフローを概略的に示す。図5に示すように、本発明による窒化物半導体用基板の製造方法は、
(a)石英製の基材を準備するステップ(ステップS110)と、
(b)前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップ(ステップS120)と、
(c)前記アモルファス層の表面を結晶化させ、結晶化層を形成するステップ(ステップS130)と、
(d)前記結晶化層の上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含むバッファ層を設置するステップ(ステップS140)と、
(e)前記バッファ層上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体層を成長させるステップ(ステップS150)と、
を有する。以下、各ステップについて、詳しく説明する。
FIG. 5 schematically shows a flow of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention. As shown in FIG. 5, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention includes:
(A) preparing a quartz substrate (step S110);
(B) installing an amorphous layer containing silicon nitride or silicon oxynitride on the substrate (step S120);
(C) crystallizing the surface of the amorphous layer to form a crystallized layer (step S130);
(D) installing a buffer layer containing a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the crystallized layer (step S140);
(E) growing a nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the buffer layer (step S150);
Have Hereinafter, each step will be described in detail.

(ステップS110)
まず、石英基材が準備される。石英基材の厚さは、特に限られず、例えば0.1mm〜10mmの範囲であっても良い。なお、本発明では、比較的容易かつ安価に、大きな面積を有する石英基材を準備することができることに留意する必要がある。
(Step S110)
First, a quartz substrate is prepared. The thickness of the quartz substrate is not particularly limited, and may be, for example, in the range of 0.1 mm to 10 mm. In the present invention, it should be noted that a quartz substrate having a large area can be prepared relatively easily and inexpensively.

(ステップS120)
次に、石英基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層が設置される。アモルファス層の設置方法は、特に限られない。例えば、アモルファス層は、スパッタリング法、化学気相成膜(CVD)法のような、通常の成膜法を適用して、設置されても良い。特に、スパッタリング法では、室温〜100℃のような比較的低い温度範囲で、アモルファス状の窒化珪素または酸窒化珪素を形成することができる。
(Step S120)
Next, an amorphous layer containing silicon nitride or silicon oxynitride is placed on the quartz substrate. The installation method of the amorphous layer is not particularly limited. For example, the amorphous layer may be installed by applying a normal film formation method such as a sputtering method or a chemical vapor deposition (CVD) method. In particular, in the sputtering method, amorphous silicon nitride or silicon oxynitride can be formed in a relatively low temperature range such as room temperature to 100 ° C.

なお、前述のように、実際の成膜プロセスでは、純粋な窒化珪素の層を形成することは難しく、窒化珪素の成膜を実施した場合であっても、得られる層は、多少の酸素を含み、Siの組成となる傾向にあることに留意する必要がある。 As described above, it is difficult to form a pure silicon nitride layer in an actual film formation process, and even when silicon nitride film formation is performed, the obtained layer has a certain amount of oxygen. It should be noted that the composition tends to include Si x O y N z .

アモルファス層の厚さは、特に限られないが、例えば、0.1μm〜10μmの範囲であっても良い。   Although the thickness of an amorphous layer is not specifically limited, For example, the range of 0.1 micrometer-10 micrometers may be sufficient.

(ステップS130)
次に、前述のステップS120において形成されたアモルファス層の表面に対して、結晶化処理が行われ、結晶化層が形成される。この結晶化層は、完全に結晶になっていなくても構わず、一部はアモルファス層もしくは、アモルファス層の中に1nm〜10nm程度の微結晶を含有していても良い。
(Step S130)
Next, a crystallization process is performed on the surface of the amorphous layer formed in step S120 described above to form a crystallized layer. This crystallized layer may not be completely crystallized, and part of the crystallized layer may contain an amorphous layer or fine crystals of about 1 nm to 10 nm in the amorphous layer.

結晶化処理は、例えば、アモルファス層の表面に対して、プラズマ窒化処理を行うことにより形成されても良い。プラズマ窒化処理により、アモルファス層の上部表面が結晶化され、窒化珪素および/または酸窒化珪素の結晶化層を形成することができる。同様に、電子サイクロトロン共鳴(ECR)装置によって、マイクロ波をアモルファス層の表面に対して照射処理することにより形成しても良い。あるいは、結晶化処理は、アモルファス層の表面に対して、レーザアニール処理を行うことにより形成されても良い。   The crystallization process may be formed, for example, by performing a plasma nitriding process on the surface of the amorphous layer. By the plasma nitriding treatment, the upper surface of the amorphous layer is crystallized, and a crystallized layer of silicon nitride and / or silicon oxynitride can be formed. Similarly, the surface of the amorphous layer may be irradiated by an electron cyclotron resonance (ECR) apparatus. Alternatively, the crystallization process may be formed by performing a laser annealing process on the surface of the amorphous layer.

結晶化層の厚さは、特に限られないが、例えば、1nm〜500nmの範囲であっても良い。   The thickness of the crystallized layer is not particularly limited, but may be in the range of 1 nm to 500 nm, for example.

なお、応力緩和層(および石英基材)に、前述の図3のような貫通溝255または図4のような溝356を形成する場合、この段階で、応力緩和層がパターン処理されても良い。パターン処理方法は、特に限られず、貫通溝255または溝356は、従来のようなマスクを用いたエッチング処理等を用いて形成しても良い。   When the through groove 255 as shown in FIG. 3 or the groove 356 as shown in FIG. 4 is formed in the stress relaxation layer (and the quartz substrate), the stress relaxation layer may be patterned at this stage. . The pattern processing method is not particularly limited, and the through groove 255 or the groove 356 may be formed by using a conventional etching process using a mask or the like.

(ステップS140)
次に、結晶化層の上部に、GaNおよび/またはAlNを含むバッファ層が設置される。
(Step S140)
Next, a buffer layer containing GaN and / or AlN is provided on the crystallization layer.

バッファ層は、CVD法など、一般的な成膜法により形成される。成膜の際の温度は、例えば400℃〜500℃程度である。   The buffer layer is formed by a general film formation method such as a CVD method. The temperature at the time of film formation is, for example, about 400 ° C to 500 ° C.

バッファ層の厚さは、特に限られないが、例えば、0.1μm〜10μmの範囲であっても良い。   The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but may be in the range of 0.1 μm to 10 μm, for example.

(ステップS150)
次に、バッファ層の上部に、GaNおよび/またはAlNを含む窒化物半導体層が形成される。
(Step S150)
Next, a nitride semiconductor layer containing GaN and / or AlN is formed on the buffer layer.

窒化物半導体層は、分子線エピタキシー(MBE)法、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法、およびハライド気相エピタキシー(HVPE)法など、一般的な成膜法により形成される。成膜の際の温度は、例えば800℃〜1000℃程度である。   The nitride semiconductor layer is formed by a general film forming method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, or a halide vapor phase epitaxy (HVPE) method. The temperature at the time of film formation is, for example, about 800 ° C. to 1000 ° C.

前述のように、本発明では、石英基材とバッファ層との間に、両者の中間程度の熱膨張係数を有する応力緩和層が設けられている。従って、窒化物半導体層の成膜処理の際に、基材の温度を800℃〜1000℃まで加熱したり、その後冷却したりしても、バッファ層および窒化物半導体層中に大きな応力歪みが発生することが有意に抑制される。従って、本発明では、微細クラックなどの欠陥が少なく、有意な特性を有する窒化物半導体層を形成することができる。   As described above, in the present invention, a stress relaxation layer having a thermal expansion coefficient intermediate between the quartz base material and the buffer layer is provided. Therefore, even when the temperature of the base material is heated to 800 ° C. to 1000 ° C. during the nitride semiconductor layer film forming process, and then cooled, large stress strain is generated in the buffer layer and the nitride semiconductor layer. Occurrence is significantly suppressed. Therefore, in the present invention, a nitride semiconductor layer having few characteristics such as fine cracks and significant characteristics can be formed.

窒化物半導体層の厚さは、特に限られないが、例えば、0.5μm〜10μmの範囲であっても良い。   The thickness of the nitride semiconductor layer is not particularly limited, but may be in the range of 0.5 μm to 10 μm, for example.

以上の工程により、本発明による窒化物半導体用基板を製造することができる。   Through the above steps, the nitride semiconductor substrate according to the present invention can be manufactured.

次に、本発明の実施例について説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

(実施例1)
以下の方法で、実施例1に係る窒化物半導体用基板を製作した。
Example 1
A nitride semiconductor substrate according to Example 1 was manufactured by the following method.

まず、石英製の基材(直径3インチφ、厚さ0.7mm)を準備した。   First, a quartz substrate (diameter 3 inches φ, thickness 0.7 mm) was prepared.

次に、この石英基材の一方の表面上に、窒化珪素層を形成した。窒化珪素層の形成には、スパッタリング装置(CFS−4EP、芝浦エレテック社製)を使用し、室温でのスパッタリング処理により窒化珪素層を形成した。窒化珪素層の厚さは、約1μmである。なお、成膜後に、X線回折装置(SmartLab、Rigaku社製)により、窒化珪素層の層状態を分析したところ、この層は、アモルファス状態であることが確認された。   Next, a silicon nitride layer was formed on one surface of the quartz substrate. For the formation of the silicon nitride layer, a silicon nitride layer was formed by sputtering at room temperature using a sputtering apparatus (CFS-4EP, manufactured by Shibaura Eletech Corporation). The thickness of the silicon nitride layer is about 1 μm. In addition, when the layer state of the silicon nitride layer was analyzed by an X-ray diffractometer (SmartLab, manufactured by Rigaku) after film formation, it was confirmed that this layer was in an amorphous state.

次に、アモルファス窒化珪素層に対して、窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Veeco社製の装置EPI−RFS−450により、900℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。   Next, a nitriding plasma treatment was performed on the amorphous silicon nitride layer. The nitriding plasma treatment was performed at 900 ° C. using an apparatus EPI-RFS-450 manufactured by Veeco. During processing, the inside of the chamber was kept in a vacuum state.

これにより、アモルファス窒化珪素層の上部に、約250nm(TEMによる観測値)の窒化珪素の結晶化層が形成された。   As a result, a crystallized layer of silicon nitride having a thickness of about 250 nm (observed by TEM) was formed on the amorphous silicon nitride layer.

次に、窒化珪素の結晶化層の上に、GaAlNのバッファ層を設置した。バッファ層は、
分子線エピタキシー(MBE)法(RC3100SRAN、エピクエスト社製)より形成した。厚さは、約80nmであった。
Next, a GaAlN buffer layer was placed on the silicon nitride crystallized layer. The buffer layer
It was formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method (RC3100SRAN, manufactured by EpiQuest). The thickness was about 80 nm.

次に、バッファ層の上部に、窒化ガリウム層を成長させた。窒化ガリウム層の成長には、分子線エピタキシー(MBE)法(RC3100SRAN、エピクエスト社製)を使用した。これにより、厚さが約0.9μmの窒化ガリウム層が形成された。   Next, a gallium nitride layer was grown on the buffer layer. For the growth of the gallium nitride layer, a molecular beam epitaxy (MBE) method (RC3100SRAN, manufactured by EpiQuest) was used. Thereby, a gallium nitride layer having a thickness of about 0.9 μm was formed.

以上の工程により、実施例1に係る窒化物半導体用基板(以下、「実施例1に係るサンプル」と称する)を得た。   Through the above steps, a nitride semiconductor substrate according to Example 1 (hereinafter referred to as “sample according to Example 1”) was obtained.

(比較例1)
まず、実施例1と同様に、石英製の基材(直径3インチφ、厚さ0.7mm)を準備した。
(Comparative Example 1)
First, as in Example 1, a quartz substrate (diameter 3 inches φ, thickness 0.7 mm) was prepared.

次に、実施例1のような窒化珪素層は形成させずに、石英製の基材の上から直接、窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Veeco社製の装置EPI−RFS−450を用いて、900℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。この窒化プラズマ処理の条件は、実施例1と同じである。   Next, without forming a silicon nitride layer as in Example 1, a nitriding plasma treatment was performed directly on the quartz substrate. The nitriding plasma treatment was performed at 900 ° C. using an apparatus EPI-RFS-450 manufactured by Veeco. During processing, the inside of the chamber was kept in a vacuum state. The conditions for this nitriding plasma treatment are the same as in the first embodiment.

これにより、石英製の基材上部に、約1nm〜5nmの極めて薄い窒化珪素の結晶化層が形成された。   As a result, an extremely thin silicon nitride crystallized layer of about 1 nm to 5 nm was formed on the quartz substrate.

次に、窒化珪素の結晶化層の上に、GaAlNのバッファ層を設置した。バッファ層は、分子線エピタキシー(MBE)法(RC3100SRAN、エピクエスト社製)により形成した。厚さは、約80nmであった。このバッファ層の作製条件も、実施例1と同じである。   Next, a GaAlN buffer layer was placed on the silicon nitride crystallized layer. The buffer layer was formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method (RC3100SRAN, manufactured by Epiquest Corporation). The thickness was about 80 nm. The production conditions for this buffer layer are also the same as those in Example 1.

次に、バッファ層の上部に、窒化ガリウム層を成長させた。窒化ガリウム層の成長には、分子線エピタキシー(MBE)法(RC3100SRAN、エピクエスト社製)を使用した。これにより、厚さが約0.9μmの窒化ガリウム層が形成された。この窒化ガリウム層の作製条件は、実施例1と同じである。   Next, a gallium nitride layer was grown on the buffer layer. For the growth of the gallium nitride layer, a molecular beam epitaxy (MBE) method (RC3100SRAN, manufactured by EpiQuest) was used. Thereby, a gallium nitride layer having a thickness of about 0.9 μm was formed. The conditions for producing this gallium nitride layer are the same as in Example 1.

以上の工程により、比較例1に係る窒化物半導体用基板(以下、「比較例1に係るサンプル」と称する)を得た。   Through the above steps, a nitride semiconductor substrate according to Comparative Example 1 (hereinafter referred to as “sample according to Comparative Example 1”) was obtained.

(比較例2)
以下の方法で、比較例2に係る窒化物半導体用基板を製作した。
(Comparative Example 2)
A nitride semiconductor substrate according to Comparative Example 2 was manufactured by the following method.

まず、サファイアの単結晶基材(直径10mmφ、厚さ0.5mm)を準備した。   First, a sapphire single crystal substrate (diameter 10 mmφ, thickness 0.5 mm) was prepared.

次に、比較例1の場合と同様に、サファイアの基材の上から窒化プラズマ処理を実施した。窒化プラズマ処理は、Veeco社製の装置EPI−RFS−450を用いて、900℃で行った。処理の際には、チャンバ内を真空状態に維持した。この窒化プラズマ処理の条件は、比較例1と同じである。   Next, as in the case of Comparative Example 1, a nitriding plasma treatment was performed on the sapphire substrate. The nitriding plasma treatment was performed at 900 ° C. using an apparatus EPI-RFS-450 manufactured by Veeco. During processing, the inside of the chamber was kept in a vacuum state. The conditions for this nitriding plasma treatment are the same as in Comparative Example 1.

次に、この単結晶基材の一方の表面上に、実施例1と同様の方法により、GaAlNのバッファ層を設置した。バッファ層は、厚さが約80nmであった。   Next, a buffer layer of GaAlN was installed on one surface of the single crystal substrate by the same method as in Example 1. The buffer layer was about 80 nm thick.

次に、バッファ層の上部に、前述の実施例と同様の方法により、窒化ガリウムのエピタキシャル層を成長させた。エピタキシャル層の厚さは、約1.1μmであった。   Next, an epitaxial layer of gallium nitride was grown on the buffer layer by the same method as in the previous embodiment. The thickness of the epitaxial layer was about 1.1 μm.

以上の工程により、比較例2に係る窒化物半導体用基板(以下、「比較例2に係るサンプル」と称する)を得た。   The nitride semiconductor substrate according to Comparative Example 2 (hereinafter referred to as “sample according to Comparative Example 2”) was obtained through the above steps.

(評価)
実施例1、比較例1、および比較例2に係るサンプルを用いて、表面のX線回折分析を行った。
(Evaluation)
Using the samples according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, surface X-ray diffraction analysis was performed.

図6(a)、図6(b)、および図6(c)には、それぞれ、実施例1、比較例1、および比較例2に係るサンプルのX線回折パターンを示す。図6(a)に示すように、実施例1に係るサンプルでは、2θが34゜付近の位置に、窒化ガリウムの(0002)を主配向とする鋭いピークが観測されている。また、2θが73゜付近の位置に、窒化ガリウムの(0004)を主配向とする微小ピークが観測されている。(0002)と(0004)は、同一方位であることから、実施例1に係るサンプルは、単一配向性を有すると言える。   FIGS. 6A, 6B, and 6C show the X-ray diffraction patterns of the samples according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively. As shown in FIG. 6A, in the sample according to Example 1, a sharp peak having a main orientation of (0002) of gallium nitride is observed at a position where 2θ is around 34 °. Further, a minute peak having a main orientation of (0004) of gallium nitride is observed at a position where 2θ is around 73 °. Since (0002) and (0004) have the same orientation, it can be said that the sample according to Example 1 has a single orientation.

また、図6(b)からわかるように、比較例1に係るサンプルにおいても、同様に、2θが34゜付近の位置に、窒化ガリウムの(0002)を主配向とする鋭いピークが認められ、2θが73゜付近の位置に、窒化ガリウムの(0004)を主配向とする微小ピークが認められる。また、比較例2においても、同様の位置にピークが観測されている。(0002)と(0004)は、同一方位であることから、比較例1および比較例2においても、サンプルは、単一配向性を有する。   Further, as can be seen from FIG. 6 (b), in the sample according to Comparative Example 1 as well, a sharp peak having (0002) as the main orientation of gallium nitride is recognized at a position where 2θ is around 34 °, A minute peak having a main orientation of (0004) of gallium nitride is observed at a position where 2θ is around 73 °. Also in Comparative Example 2, a peak is observed at the same position. Since (0002) and (0004) have the same orientation, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the sample has a single orientation.

このように、石英基材を使用した実施例1に係るサンプルにおいても、(0002)と(0004)は同一方位であることから、従来の単結晶基材を使用して構成した比較例2に係るサンプルと同様、単一配向性を有する窒化ガリウム層が形成されていることが確認された。また、実施例1に係るサンプルにおける(0002)を主配向とするピークの半値幅は、比較例2に係るサンプルのものとほぼ等しくなっていることから、窒化ガリウム層は、転位やクラックなどの結晶欠陥の極めて少ない状態になっていることが予想される。   Thus, even in the sample according to Example 1 using the quartz base material, (0002) and (0004) are in the same orientation, so in Comparative Example 2 configured using a conventional single crystal base material. As with the sample, it was confirmed that a gallium nitride layer having a single orientation was formed. In addition, since the half width of the peak having (0002) as the main orientation in the sample according to Example 1 is substantially equal to that of the sample according to Comparative Example 2, the gallium nitride layer has dislocations, cracks, and the like. It is expected that the crystal defects are extremely small.

図7には、実施例1に係るサンプルにおいて得られた発光スペクトル(実線)を示す。この図は、室温において実施例1に係るサンプルに、紫外線を照射した際に得られた発光スペクトルにおいて、光子エネルギー(横軸)と発光強度(縦軸)の関係を示している。   In FIG. 7, the emission spectrum (solid line) obtained in the sample which concerns on Example 1 is shown. This figure shows the relationship between photon energy (horizontal axis) and emission intensity (vertical axis) in the emission spectrum obtained when the sample according to Example 1 was irradiated with ultraviolet rays at room temperature.

一方、この図7には、室温において、比較例1に係るサンプルに紫外線を照射した場合の発光スペクトル(点線)も同時に示されている。   On the other hand, FIG. 7 also shows an emission spectrum (dotted line) when the sample according to Comparative Example 1 is irradiated with ultraviolet rays at room temperature.

図7の実線から明らかなように、得られた発光のピークは、約3.40eVの位置にあり、この値は、従来のサファイア単結晶基材を有する窒化物半導体用基板の値である、約3.426eVに近い。また、実施例1に係るサンプルにおいて、スペクトルの半値幅は、約108meVとなった。この値は、サファイアの単結晶基材を有する窒化物半導体用基板において報告されている半値幅(75meV)に近い。   As is clear from the solid line in FIG. 7, the obtained emission peak is at a position of about 3.40 eV, and this value is a value of a nitride semiconductor substrate having a conventional sapphire single crystal substrate. It is close to about 3.426 eV. Further, in the sample according to Example 1, the half width of the spectrum was about 108 meV. This value is close to the half width (75 meV) reported for a nitride semiconductor substrate having a sapphire single crystal substrate.

一方、図6(b)に示すように、比較例1においても、石英基材の表面を直接、窒素プラズマ処理を施したことに起因して、(0002)を主配向とする単一配向からなる窒化ガリウム層が得られている。しかしながら、図7の点線から明らかなように、その発光のピークは、3.38eVの位置にあり、実施例1のピークの位置に比べて低エネルギー側に位置している。また、その発光ピークの半値幅も、130meVとなった。この半値幅は、実施例1の半値幅に比べて大きい。この結果は、石英基材の表面を直接プラズマ処理しただけでは、単一配向した窒化ガリウム薄膜の成長は可能であるものの、石英基材の極表面(2〜5nm)しか窒化させることができないため、成長層が応力緩和層として機能していないことを示している。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, also in Comparative Example 1, the surface of the quartz substrate was directly subjected to the nitrogen plasma treatment, and therefore, from a single orientation having (0002) as the main orientation. A gallium nitride layer is obtained. However, as is apparent from the dotted line in FIG. 7, the emission peak is at a position of 3.38 eV, which is located on the lower energy side as compared with the peak position of Example 1. Moreover, the half width of the emission peak was also 130 meV. This half-value width is larger than the half-value width of the first embodiment. As a result, it is possible to grow a single-oriented gallium nitride thin film only by directly plasma-treating the surface of the quartz substrate, but only the extreme surface (2 to 5 nm) of the quartz substrate can be nitrided. This indicates that the growth layer does not function as a stress relaxation layer.

このように、本発明による窒化物半導体用基板(実施例1に係るサンプル)は、従来の単結晶基材を有する窒化物半導体用基板(比較例2に係るサンプル)に比べて、遜色ない良好な発光特性を示すことが確認された。   Thus, the nitride semiconductor substrate according to the present invention (sample according to Example 1) is inferior to the conventional nitride semiconductor substrate having a single crystal base material (sample according to Comparative Example 2). It was confirmed that the light emission characteristic was exhibited.

本発明は、例えば、発光ダイオード(LED)用の基板、半導体レーザ素子用の基板、およびその他の各種発光素子用の基板として使用することができる。   The present invention can be used, for example, as a substrate for a light emitting diode (LED), a substrate for a semiconductor laser element, and a substrate for various other light emitting elements.

10 従来のGaN半導体用基板
20 単結晶基材
60 バッファ層
80 GaNエピタキシャル層
100 本発明による窒化物半導体用基板
120 石英基材
125 応力緩和層
130 アモルファス層
150 結晶化層
160 バッファ層
180 窒化物半導体層
200 本発明による別の窒化物半導体用基板
220 石英基材
225 応力緩和層
230 アモルファス層
250 結晶化層
255 貫通溝
260 バッファ層
280 窒化物半導体層
300 本発明によるさらに別の窒化物半導体用基板
320 石英基材
325 応力緩和層
330 アモルファス層
350 結晶化層
356 溝
360 バッファ層
380 窒化物半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Conventional substrate for GaN semiconductor 20 Single crystal substrate 60 Buffer layer 80 GaN epitaxial layer 100 Substrate for nitride semiconductor according to the present invention 120 Quartz substrate 125 Stress relaxation layer 130 Amorphous layer 150 Crystallized layer 160 Buffer layer 180 Nitride semiconductor Layer 200 Another nitride semiconductor substrate according to the present invention 220 Quartz substrate 225 Stress relaxation layer 230 Amorphous layer 250 Crystallized layer 255 Through groove 260 Buffer layer 280 Nitride semiconductor layer 300 Still another nitride semiconductor substrate according to the present invention 320 Quartz substrate 325 Stress relaxation layer 330 Amorphous layer 350 Crystallized layer 356 Groove 360 Buffer layer 380 Nitride semiconductor layer

Claims (9)

基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板であって、
前記基材は、石英で構成され、
前記バッファ層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含み、
前記窒化物半導体層は、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体で構成され、
前記基材と前記バッファ層の間には、応力緩和層が設置され、
該応力緩和層は、前記基材に近い側のアモルファス層および前記基材に遠い側の結晶化層を有し、または前記基材に遠い側に結晶成分を含むアモルファス層を有し、
前記応力緩和層は、窒化珪素または酸窒化珪素を含むことを特徴とする窒化物半導体用基板。
A nitride semiconductor substrate having a base material, a buffer layer placed on top of the base material, and a nitride semiconductor layer placed on top of the buffer layer,
The substrate is made of quartz,
The buffer layer includes a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
The nitride semiconductor layer is composed of a nitride semiconductor containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al),
Between the base material and the buffer layer, a stress relaxation layer is installed,
The stress relaxation layer has an amorphous layer on the side close to the substrate and a crystallized layer on the side far from the substrate, or an amorphous layer containing a crystal component on the side far from the substrate,
The substrate for a nitride semiconductor, wherein the stress relaxation layer contains silicon nitride or silicon oxynitride.
前記応力緩和層は、一つまたは複数の貫通溝を有し、該貫通溝により、前記応力緩和層は、複数の島に分離されていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体用基板。   2. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the stress relaxation layer includes one or a plurality of through grooves, and the stress relaxation layer is separated into a plurality of islands by the through grooves. Substrate. 前記貫通溝は、略ストライプ状の溝または略格子状の溝であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体用基板。   The nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the through groove is a substantially striped groove or a substantially lattice-shaped groove. 前記基材は、前記応力緩和層の貫通溝に対応する凹部を有することを特徴とする請求項2または3に記載の窒化物半導体用基板。   4. The nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the base has a recess corresponding to a through groove of the stress relaxation layer. 5. 基材と、該基材の上部に設置されたバッファ層と、該バッファ層の上部に設置された窒化物半導体層とを有する窒化物半導体用基板の製造方法であって、
(a)石英製の基材を準備するステップと、
(b)前記基材上に、窒化珪素または酸窒化珪素を含むアモルファス層を設置するステップと、
(c)前記アモルファス層の表面を結晶化させ、結晶化層を形成するステップと、
(d)前記結晶化層の上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)の窒化物を含むバッファ層を設置するステップと、
(e)前記バッファ層上に、ガリウム(Ga)および/またはアルミニウム(Al)を含む窒化物半導体層を成長させるステップと、
を有することを特徴とする窒化物半導体用基板の製造方法。
A method for producing a nitride semiconductor substrate, comprising: a base material; a buffer layer disposed on the base material; and a nitride semiconductor layer disposed on the buffer layer,
(A) preparing a quartz substrate;
(B) installing an amorphous layer containing silicon nitride or silicon oxynitride on the substrate;
(C) crystallizing the surface of the amorphous layer to form a crystallized layer;
(D) installing a buffer layer containing a nitride of gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the crystallized layer;
(E) growing a nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) and / or aluminum (Al) on the buffer layer;
A method for producing a nitride semiconductor substrate, comprising:
前記(b)のステップは、前記基材を室温〜400℃の範囲の温度に保持した状態での、窒化珪素または酸窒化珪素のスパッタ法により行われることを特徴とする請求項5に記載の製造方法。   The step (b) is performed by a sputtering method of silicon nitride or silicon oxynitride in a state where the base material is maintained at a temperature in a range of room temperature to 400 ° C. Production method. 前記(c)のステップは、前記アモルファス層を、プラズマ窒化処理、マイクロ波照射処理、またはレーザアニール処理することにより行われることを特徴とする請求項5または6に記載の製造方法。   The method according to claim 5, wherein the step (c) is performed by subjecting the amorphous layer to a plasma nitriding treatment, a microwave irradiation treatment, or a laser annealing treatment. 前記(c)のステップと(d)のステップの間に、
(c')前記アモルファス層および前記結晶化層に、一つまたは複数の貫通溝を形成するステップを有することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一つに記載の製造方法。
Between the step (c) and the step (d),
(C ') The manufacturing method according to any one of claims 5 to 7, further comprising a step of forming one or a plurality of through grooves in the amorphous layer and the crystallized layer.
前記(c')のステップにおいて形成される貫通溝の少なくとも一つは、前記基材の内部にまで到達することを特徴とする請求項8に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 8, wherein at least one of the through grooves formed in the step (c ′) reaches the inside of the base material.
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