JP2015151291A - Nitride semiconductor free-standing substrate, method for manufacturing the same and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a nitride semiconductor free-standing substrate capable of preventing cracks from occurring while achieving high resistivity by adding an impurity; a method for manufacturing the same; and a semiconductor device.SOLUTION: A nitride semiconductor free-standing substrate comprises: a first area 104 formed in the lower layer of a nitride semiconductor layer 102 close to a heterogeneous substrate 101; and a second area 105 formed in the upper layer of the nitride semiconductor layer 102 distant from the heterogeneous substrate 101. The diameter is 40 mm or more; the total thickness of the first area 104 and the second area 105 is 200 μm or more; an average dislocation density in the in-plane of the surface of the second area 105 is 1×10cmor more and 1×10cmor less; the electrical resistivity of the second area 105 is 0.02 Ωcm or more; and the electrical resistivity of the first area 104 is lower than that of the second area 105.

Description

本発明は、窒化物半導体自立基板及びその製造方法並びに半導体デバイスに関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor free-standing substrate, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device.

窒化ガリウム[GaN]、窒化インジウムガリウム[InGaN]、及び窒化ガリウムアルミニウム[GaAlN]に代表される窒化物半導体は、バンドギャップが大きく、バンド間遷移が直接遷移型の半導体であるため、光デバイスへの応用に適しており、窒化物半導体を使用した発光素子の短波長化の研究が進められている。   Nitride semiconductors typified by gallium nitride [GaN], indium gallium nitride [InGaN], and gallium aluminum nitride [GaAlN] have a large band gap and are direct transition type semiconductors. Research on shortening the wavelength of light-emitting elements using nitride semiconductors is underway.

更に、窒化物半導体は、電子の飽和ドリフト速度が高く、またヘテロ接合による高移動度の二次元電子ガスを利用することができるため、電子デバイスへの応用も期待されている。   Furthermore, since the nitride semiconductor has a high electron saturation drift velocity and can use a high mobility two-dimensional electron gas due to a heterojunction, it is expected to be applied to an electronic device.

ところが、窒化物半導体は、窒素[N2]の蒸気圧が非常に高圧であることに起因して、成長炉の炉内圧力を高圧に維持することにより、V族元素の乖離を抑制する原理を利用したボート法や引上法を使用して、原料融液からバルク結晶状に大きく成長させることが極めて困難である。 However, in the nitride semiconductor, the vapor pressure of nitrogen [N 2 ] is very high, and thus the principle of suppressing the dissociation of group V elements by maintaining the pressure inside the growth furnace at a high pressure. It is extremely difficult to grow from a raw material melt into a bulk crystal using a boat method or a pulling method utilizing the above.

そのため、窒化物半導体を製造する際には、主に気相成長法を使用して、サファイア基板、珪素[Si]基板、又は砒化ガリウム[GaAs]基板等の窒化物半導体とは異なる材料からなる異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させてエピタキシャルウェハを製造した後、エピタキシャルウェハに対して、研磨処理、エッチング処理、又は剥離処理等を施すことにより異種基板を除去し、窒化物半導体層のみを残存させることで、窒化物半導体の所謂「自立基板」(以下、窒化物半導体自立基板という)を取得している(例えば、特許文献1から4参照)。   Therefore, when a nitride semiconductor is manufactured, a vapor phase growth method is mainly used, and a nitride semiconductor such as a sapphire substrate, a silicon [Si] substrate, or a gallium arsenide [GaAs] substrate is used. An epitaxial wafer is manufactured by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of a heterogeneous substrate, and then the heterogeneous substrate is removed by subjecting the epitaxial wafer to a polishing process, an etching process, or a peeling process. By leaving only the layer, a so-called “self-standing substrate” (hereinafter referred to as a nitride semiconductor free-standing substrate) of a nitride semiconductor is obtained (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

また、エピタキシャルウェハから異種基板を除去した後、残存した窒化物半導体層から1枚の窒化物半導体自立基板のみを取得する場合や、窒化物半導体層を厚くヘテロエピタキシャル成長させておき、後に窒化物半導体層をスライスすることにより複数枚の窒化物半導体自立基板を取得する場合がある(例えば、特許文献5参照)。   In addition, after removing the heterogeneous substrate from the epitaxial wafer, when obtaining only one nitride semiconductor free-standing substrate from the remaining nitride semiconductor layer, or by thickly epitaxially growing the nitride semiconductor layer later, the nitride semiconductor A plurality of nitride semiconductor free-standing substrates may be obtained by slicing the layer (see, for example, Patent Document 5).

その他にも、取得した窒化物半導体自立基板を種結晶として、その表面に窒化物半導体層を厚くホモエピタキシャル成長させておき、後に窒化物半導体層をスライスすることにより複数枚の窒化物半導体自立基板を取得する場合がある。   In addition, the obtained nitride semiconductor free-standing substrate is used as a seed crystal, and a nitride semiconductor layer is thickly epitaxially grown on the surface thereof, and a plurality of nitride semiconductor free-standing substrates are formed by slicing the nitride semiconductor layer later. May get.

特開2002−057119号公報JP 2002-057119 A 特許第3631724号公報Japanese Patent No. 3631724 特許第3744155号公報Japanese Patent No. 3744155 特許第3788041号公報Japanese Patent No. 3788041 特開2002−029897号公報JP 2002-029897 A 特開2011−162407号公報JP 2011-162407 A 特開2009−149483号公報JP 2009-149483 A

窒化物半導体自立基板は、珪素自立基板や砒化ガリウム自立基板とは異なり、エピタキシャル成長させる層とは格子定数が異なる異種基板を使用して製造されることが一般的であり、ヘテロエピタキシャル成長の過程で窒化物半導体層が反る等の応力が働いて、その結晶中に残留応力が発生することから、非常に脆弱であるという課題を抱えている。   Unlike a silicon free-standing substrate or a gallium arsenide free-standing substrate, a nitride semiconductor free-standing substrate is generally manufactured using a heterogeneous substrate having a lattice constant different from that of an epitaxially grown layer, and nitrided in the process of heteroepitaxial growth. Since stress such as warpage of the physical semiconductor layer works and residual stress is generated in the crystal, it has a problem that it is very fragile.

更に、窒化物半導体層に高抵抗化のための不純物が添加される場合には、窒化物半導体層を構成する原子とは異なる種類の原子が添加されることになるため、格子定数が不一致となり、不純物の周囲に歪み場が発生して結晶が硬化し、窒化物半導体自立基板にクラックが発生し易くなる。特に、窒化物半導体層に添加される不純物の濃度が高いほど、また不純物の濃度が高い部分が厚いほど、クラックが発生する可能性が上昇してしまう。   Furthermore, when impurities for increasing the resistance are added to the nitride semiconductor layer, different types of atoms from the atoms constituting the nitride semiconductor layer are added, resulting in mismatch of lattice constants. Then, a strain field is generated around the impurities, the crystal is cured, and cracks are likely to occur in the nitride semiconductor free-standing substrate. In particular, the higher the concentration of the impurity added to the nitride semiconductor layer and the thicker the portion with the higher impurity concentration, the higher the possibility of cracking.

これらの特性は、異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させることにより、結晶中に大きい残留応力が発生する窒化物半導体自立基板に特有のものである。   These characteristics are peculiar to a nitride semiconductor free-standing substrate in which a large residual stress is generated in a crystal by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of a different substrate.

そこで、本発明の目的は、不純物の添加による高抵抗化を実現しつつクラックが発生し難い窒化物半導体自立基板及びその製造方法並びに半導体デバイスを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor free-standing substrate, a method for manufacturing the same, and a semiconductor device that are less likely to generate cracks while achieving high resistance by addition of impurities.

この目的を達成するために創案された本発明は、異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハから前記異種基板を除去して製造される窒化物半導体自立基板において、前記異種基板から近い前記窒化物半導体層の下層に形成される第1の領域と、前記異種基板から遠い前記窒化物半導体層の上層に形成される第2の領域と、を備え、直径が40mm以上、前記第1の領域と前記第2の領域の合計厚さが200μm以上、前記第2の領域の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上1×108cm-2以下、前記第2の領域の電気抵抗率が0.02Ωcm以上であり、且つ前記第1の領域の電気抵抗率が前記第2の領域の電気抵抗率よりも低い窒化物半導体自立基板である。 The present invention created to achieve this object is a nitride semiconductor free-standing substrate manufactured by removing the heterogeneous substrate from an epitaxial wafer formed by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of the heterogeneous substrate. A first region formed in a lower layer of the nitride semiconductor layer close to the dissimilar substrate, and a second region formed in an upper layer of the nitride semiconductor layer far from the dissimilar substrate, and having a diameter of 40 mm or more The total thickness of the first region and the second region is 200 μm or more, and the average dislocation density in the plane of the surface of the second region is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2. Hereinafter, the nitride semiconductor self-supporting substrate has an electric resistivity of the second region of 0.02 Ωcm or more and an electric resistivity of the first region lower than an electric resistivity of the second region.

前記第2の領域は、濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下の1種以上の遷移金属原子を含む不純物が添加された窒化物半導体層からなると良い。 The second region may be formed of a nitride semiconductor layer to which an impurity including one or more transition metal atoms having a concentration of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less is added.

前記第1の領域は、濃度が1×1015cm-3未満の1種以上の前記遷移金属原子を含む前記不純物が添加された窒化物半導体層からなると良い。 The first region may be formed of a nitride semiconductor layer to which the impurity containing one or more transition metal atoms having a concentration of less than 1 × 10 15 cm −3 is added.

前記第2の領域は、厚さが50μm以上であると良い。   The second region may have a thickness of 50 μm or more.

また、本発明は、異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハから前記異種基板を除去して窒化物半導体自立基板を製造する窒化物半導体自立基板の製造方法において、前記異種基板から近い前記窒化物半導体層の下層を第1の領域とし、前記異種基板から遠い前記窒化物半導体層の上層を第2の領域としたとき、直径が40mm以上、前記第1の領域と前記第2の領域の合計厚さが200μm以上、前記第2の領域の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上1×108cm-2以下、前記第2の領域の電気抵抗率が0.02Ωcm以上となり、且つ前記第1の領域の電気抵抗率が前記第2の領域の電気抵抗率よりも低くなるように、成長速度を200μm/h以上、成長温度を900℃以上1100℃以下、III族原料に対するV族原料のモル比を6以下として前記第2の領域をエピタキシャル成長させる窒化物半導体自立基板の製造方法である。 The present invention also provides a nitride semiconductor free-standing substrate manufacturing method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate by removing the dissimilar substrate from an epitaxial wafer obtained by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of the dissimilar substrate. When the lower layer of the nitride semiconductor layer close to the dissimilar substrate is the first region and the upper layer of the nitride semiconductor layer far from the dissimilar substrate is the second region, the diameter is 40 mm or more, and the first region The total thickness of the second region is 200 μm or more, the average dislocation density in the plane of the surface of the second region is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2 or less, the second region The growth rate is 200 μm / h or more and the growth temperature is 900 so that the electrical resistivity of the first region is 0.02 Ωcm or more and the electrical resistivity of the first region is lower than the electrical resistivity of the second region. This is a method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate in which the second region is epitaxially grown at a temperature of from 1 ° C. to 1100 ° C. and a molar ratio of the Group V material to the Group III material being 6 or less.

前記窒化物半導体層をハイドライド気相成長法を使用してヘテロエピタキシャル成長させると良い。   The nitride semiconductor layer may be heteroepitaxially grown using a hydride vapor phase growth method.

また、本発明は、前記窒化物半導体自立基板を使用して製造される半導体デバイスである。   In addition, the present invention is a semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor free-standing substrate.

本発明によれば、不純物の添加による高抵抗化を実現しつつクラックが発生し難い窒化物半導体自立基板及びその製造方法並びに半導体デバイスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nitride semiconductor self-supporting board | substrate which is hard to generate | occur | produce a crack, implement | achieving high resistance by addition of an impurity, its manufacturing method, and a semiconductor device can be provided.

本発明の実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the nitride semiconductor self-supporting substrate concerning an embodiment of the invention.

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体自立基板100は、異種基板101の表面に窒化物半導体層102をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハ103から異種基板101を除去して製造されるものであり、異種基板101から近い窒化物半導体層102の下層に形成される第1の領域104と、異種基板101から遠い窒化物半導体層102の上層に形成される第2の領域105と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor free-standing substrate 100 according to the present embodiment is manufactured by removing the heterogeneous substrate 101 from the epitaxial wafer 103 formed by heteroepitaxially growing the nitride semiconductor layer 102 on the surface of the heterogeneous substrate 101. The first region 104 formed in the lower layer of the nitride semiconductor layer 102 close to the dissimilar substrate 101 and the second region 105 formed in the upper layer of the nitride semiconductor layer 102 far from the dissimilar substrate 101. And.

ここでは、ボート法や引上法と比較して窒化物半導体を大きく成長させることを目的としているため、窒化物半導体自立基板100の直径が40mm以上、第1の領域104と第2の領域105の合計厚さが200μm以上であることを前提とし、窒化物半導体が窒化ガリウムである場合について説明するが、窒化物半導体の種類については特に限定されるものではない。   Here, since the purpose is to grow a nitride semiconductor larger than the boat method or the pulling method, the nitride semiconductor free-standing substrate 100 has a diameter of 40 mm or more, and the first region 104 and the second region 105. Although the case where the nitride semiconductor is gallium nitride will be described on the premise that the total thickness is 200 μm or more, the type of the nitride semiconductor is not particularly limited.

この窒化物半導体自立基板100を取得する方法として、最も代表的なボイド形成剥離法による窒化物半導体自立基板の製造方法を説明する。ボイド形成剥離法とは、異種基板101の表面に窒化物半導体層102をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハ103から異種基板101を除去して窒化物半導体自立基板100を取得する方法である。   As a method for obtaining the nitride semiconductor self-supporting substrate 100, a most typical method for manufacturing a nitride semiconductor self-supporting substrate by the void formation peeling method will be described. The void formation peeling method is a method for obtaining the nitride semiconductor free-standing substrate 100 by removing the heterogeneous substrate 101 from the epitaxial wafer 103 formed by heteroepitaxially growing the nitride semiconductor layer 102 on the surface of the heterogeneous substrate 101.

具体的には、先ず、サファイア基板からなる異種基板101を使用し、サファイア基板のC面を異種基板101の表面として、有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOVPE)炉の内部に配置し、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム[(CH33Ga]とアンモニア[NH3]とを原料として不純物が添加されていない、所謂「アンドープ」の窒化ガリウム層106をエピタキシャル成長させる(図1(a)参照)。 Specifically, first, a dissimilar substrate 101 made of a sapphire substrate is used, and the C surface of the sapphire substrate is used as the surface of the dissimilar substrate 101 and placed inside a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) furnace. Then, the so-called “undoped” gallium nitride layer 106 to which impurities are not added using trimethylgallium [(CH 3 ) 3 Ga] and ammonia [NH 3 ] as raw materials is grown epitaxially by metal organic vapor phase epitaxy ( FIG. 1 (a)).

そして、窒化ガリウム層106の表面にチタン[Ti]薄膜107を蒸着させた後、電気炉によりアンモニアガスと水素[H2]ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理を施す(図1(b)参照)。 Then, after depositing a titanium [Ti] thin film 107 on the surface of the gallium nitride layer 106, heat treatment is performed in an atmosphere of a mixed gas of ammonia gas and hydrogen [H 2 ] gas by an electric furnace (see FIG. 1B). ).

その結果、窒化ガリウム層106の一部がエッチングされてボイド108が高密度に形成されることにより、窒化ガリウム層106がボイド形成窒化ガリウム層109に変化すると共に、チタン薄膜107が窒化されてサブミクロンの微細な穴110が高密度に形成されることにより、チタン薄膜107が穴形成窒化チタン[TiN]層111に変化する(図1(c)参照)。   As a result, a part of the gallium nitride layer 106 is etched and voids 108 are formed at a high density, whereby the gallium nitride layer 106 is changed to the void-formed gallium nitride layer 109 and the titanium thin film 107 is nitrided to form a sub-layer. By forming the micron minute holes 110 at a high density, the titanium thin film 107 is changed to the hole-formed titanium nitride [TiN] layer 111 (see FIG. 1C).

これを下地基板112として、ハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE)炉の内部に配置し、ハイドライド気相成長法により、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスをキャリアガスとして、加熱したガリウム[Ga]メタルボートに塩化水素[HCl]ガスを供給し、これらを反応させて原料ガスとしての塩化ガリウム[GaCl]ガスを生成し、同時にアンモニアガスを供給し、III族原料に対するV族原料のモル比(V/III比)を調整しつつ、窒化ガリウムからなる窒化物半導体層102を堆積させる。   This is placed inside a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) furnace as a base substrate 112, and heated by using a hydride vapor phase growth method using a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas as a carrier gas. Hydrogen gas [HCl] gas is supplied to a [Ga] metal boat, and these are reacted to generate gallium chloride [GaCl] gas as a raw material gas. At the same time, ammonia gas is supplied, and the group V raw material of the group III raw material is supplied. The nitride semiconductor layer 102 made of gallium nitride is deposited while adjusting the molar ratio (V / III ratio).

この過程において、窒化ガリウムの結晶核が穴形成窒化チタン層111の表面で三次元の島状に成長し、次いで、その島状の結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していき、異種基板101から近い窒化物半導体層102の下層に第1の領域104が形成されると共に、異種基板101から遠い窒化物半導体層102の上層に第2の領域105が形成されてエピタキシャルウェハ103となる(図1(d)参照)。   In this process, the crystal nuclei of gallium nitride grow in a three-dimensional island shape on the surface of the hole-formed titanium nitride layer 111, and then the island-like crystals grow laterally and bond to each other to form a flat surface. As a result, the first region 104 is formed in the lower layer of the nitride semiconductor layer 102 close to the dissimilar substrate 101, and the second region 105 is formed in the upper layer of the nitride semiconductor layer 102 far from the dissimilar substrate 101. Thus, the epitaxial wafer 103 is formed (see FIG. 1D).

ここでは、成長速度を200μm/h以上、成長温度を900℃以上1100℃以下、III族原料に対するV族原料のモル比を6以下として第2の領域105をエピタキシャル成長させる。この理由については後述する。   Here, the second region 105 is epitaxially grown at a growth rate of 200 μm / h or more, a growth temperature of 900 ° C. or more and 1100 ° C. or less, and a molar ratio of the group V material to the group III material of 6 or less. The reason for this will be described later.

窒化物半導体層102は、ハイドライド気相成長炉を冷却する過程で、ボイド形成窒化ガリウム層109を境に異種基板101から自然に剥離し、窒化ガリウム自立基板113となる(図1(e)参照)。   In the process of cooling the hydride vapor phase growth furnace, the nitride semiconductor layer 102 is naturally separated from the heterogeneous substrate 101 with the void-formed gallium nitride layer 109 as a boundary to become a gallium nitride free-standing substrate 113 (see FIG. 1E). ).

その後、窒化ガリウム自立基板113をハイドライド気相成長炉から取り出すと共に研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を使用して窒化ガリウム自立基板113の表裏面を研磨する(図1(f)参照)。   Thereafter, the gallium nitride free-standing substrate 113 is taken out from the hydride vapor phase growth furnace and transferred to a polishing apparatus, and the front and back surfaces of the gallium nitride free-standing substrate 113 are polished using a diamond abrasive (see FIG. 1F).

このようにして取得された窒化物半導体自立基板100では、第2の領域105の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上1×108cm-2以下となっている。 In the nitride semiconductor free-standing substrate 100 obtained in this way, the average dislocation density in the plane of the surface of the second region 105 is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2 or less. .

第2の領域105の表面の面内の平均転位密度を1×103cm-2以上1×108cm-2以下とする理由は、第2の領域105の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2未満である場合には、第2の領域105の表面における転位の量が少なく、結晶中に発生した残留応力を転位の交差滑り等により十分に緩和することができず、脆性破壊が急激に進展してクラックが発生し易くなるからである。 The reason why the average dislocation density in the surface of the second region 105 is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2 or less is that the average dislocation density in the surface of the second region 105 is in the plane. Is less than 1 × 10 3 cm −2 , the amount of dislocations on the surface of the second region 105 is small, and the residual stress generated in the crystal can be sufficiently relaxed by cross-slip of dislocations or the like. This is because brittle fracture progresses rapidly and cracks are likely to occur.

また、第2の領域105の表面の面内の平均転位密度が1×108cm-2を超える場合には、第2の領域105の表面における転位の量が多く、窒化物半導体自立基板100の表面に他の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する際の格子不整合が大きくなり、窒化物半導体自立基板100を使用して製造される半導体デバイスの特性が劣化するからである。 When the average dislocation density in the surface of the second region 105 exceeds 1 × 10 8 cm −2 , the amount of dislocations on the surface of the second region 105 is large, and the nitride semiconductor free-standing substrate 100 This is because the lattice mismatch at the time of manufacturing a semiconductor device by forming another semiconductor layer on the surface increases, and the characteristics of the semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor free-standing substrate 100 deteriorate.

更に、窒化物半導体自立基板100では、第2の領域105の電気抵抗率が0.02Ωcm以上となっている。第2の領域105の電気抵抗率を0.02Ωcm以上とする理由は、第2の領域105の電気抵抗率が0.02Ωcm未満である場合には、高抵抗基板として要求される電気抵抗率を満足することができないからである。   Further, in the nitride semiconductor free-standing substrate 100, the electric resistivity of the second region 105 is 0.02 Ωcm or more. The reason why the electric resistivity of the second region 105 is 0.02 Ωcm or more is that when the electric resistivity of the second region 105 is less than 0.02 Ωcm, the electric resistivity required for the high resistance substrate is Because we cannot be satisfied.

この第2の領域105の電気抵抗率は、第2の領域105に添加される不純物の濃度、具体的には、不純物に含まれる遷移金属原子の濃度を調整することにより制御することができる。   The electrical resistivity of the second region 105 can be controlled by adjusting the concentration of impurities added to the second region 105, specifically, the concentration of transition metal atoms contained in the impurities.

そのため、窒化物半導体自立基板100では、第2の領域105は、濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下の1種以上の遷移金属原子を含む不純物が添加された窒化物半導体層からなっている。 Therefore, in the nitride semiconductor free-standing substrate 100, the second region 105 is doped with an impurity containing one or more transition metal atoms having a concentration of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less. It consists of a nitride semiconductor layer.

窒化物半導体の製造装置としては、前述の通り、ハイドライド気相成長炉が知られているが、このハイドライド気相成長炉を構成する材料として石英等が使用されているため、エピタキシャル成長中に珪素[Si]や酸素[O2]等の不純物が混入して窒化物半導体がn型になり易い。 As described above, a hydride vapor phase growth furnace is known as a nitride semiconductor manufacturing apparatus. However, since quartz or the like is used as a material constituting the hydride vapor phase growth furnace, silicon [ Impurities such as Si] and oxygen [O 2 ] are mixed and the nitride semiconductor is likely to be n-type.

不純物の濃度のみを低減して高抵抗基板が取得できるのであれば良いが、未だ実現できていない。故に、本実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法では、第2の領域105への珪素や酸素等の不純物の混入を抑制することができる成長条件にて窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを最大の特徴としている。   Although it is sufficient if a high-resistance substrate can be obtained by reducing only the impurity concentration, it has not been realized yet. Therefore, in the method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate according to the present embodiment, the nitride semiconductor layer is epitaxially grown under growth conditions that can suppress the entry of impurities such as silicon and oxygen into second region 105. This is the biggest feature.

本発明者による鋭意検討の結果、単に不純物を添加しないというだけでは不十分であり、成長速度を速くし、成長温度を下げ、III族原料に対するV族原料のモル比を下げることにより、第2の領域105に混入する不純物を少なくすることができることを見出した。   As a result of intensive studies by the present inventor, it is not sufficient to simply add no impurities. By increasing the growth rate, lowering the growth temperature, and lowering the molar ratio of the group V material to the group III material, It has been found that impurities mixed in the region 105 can be reduced.

そのため、本実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法では、成長速度を200μm/h以上、成長温度を900℃以上1100℃以下、III族原料に対するV族原料のモル比を6以下として第2の領域105をエピタキシャル成長させると共に、最低限の濃度の遷移金属原子を含む不純物を第2の領域105に添加することにより、高抵抗基板の取得を実現している。   Therefore, in the method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate according to the present embodiment, the growth rate is 200 μm / h or more, the growth temperature is 900 ° C. or more and 1100 ° C. or less, and the molar ratio of the group V material to the group III material is 6 or less. The second region 105 is epitaxially grown, and an impurity containing a transition metal atom having a minimum concentration is added to the second region 105, thereby obtaining a high-resistance substrate.

このとき、第2の領域105は、その表面に形成される他の半導体層に悪影響を与えない範囲で、即ち半導体デバイスの特性に悪影響を与えない範囲で薄くすることにより、クラックが発生することを抑制することができる。   At this time, cracks are generated by thinning the second region 105 in a range that does not adversely affect other semiconductor layers formed on the surface thereof, that is, in a range that does not adversely affect the characteristics of the semiconductor device. Can be suppressed.

また、窒化物半導体自立基板100では、第1の領域104の電気抵抗率が第2の領域105の電気抵抗率よりも低くなっている。高抵抗基板を使用して製造される電子デバイスは、表面側に位置する第2の領域105の電気抵抗率が高ければ良く、裏面側に位置する第1の領域104は最終的にバックラップ(除去)されることから、第1の領域104には高抵抗化のための不純物が余計に添加されていない方が望ましいからである。   In the nitride semiconductor free-standing substrate 100, the electrical resistivity of the first region 104 is lower than the electrical resistivity of the second region 105. In an electronic device manufactured using a high-resistance substrate, the second region 105 located on the front side only needs to have a high electrical resistivity, and the first region 104 located on the back side is finally back-wrapped ( This is because it is preferable that the first region 104 is not added with an impurity for increasing the resistance.

そのため、第1の領域104は、濃度が1×1015cm-3未満の1種以上の遷移金属原子を含む不純物が添加された窒化物半導体層からなることが好ましい。 Therefore, the first region 104 is preferably formed of a nitride semiconductor layer to which an impurity including one or more transition metal atoms having a concentration of less than 1 × 10 15 cm −3 is added.

また、電子デバイスの特性を考慮すると、電気抵抗率が高い第2の領域105は、厚さが50μm以上であることが好ましい。   In consideration of the characteristics of the electronic device, it is preferable that the second region 105 having a high electrical resistivity has a thickness of 50 μm or more.

また、裏面側に位置する第1の領域104は、クラックが発生することを抑制するために意図的な不純物の導入を避けることが望ましいが、特に第1の領域104を高抵抗化する必要は無いため、結晶の成長方向に対して傾斜するファセット面を面出ししながらエピタキシャル成長させても構わない。   In addition, it is desirable that the first region 104 located on the rear surface side avoid intentional introduction of impurities in order to suppress the occurrence of cracks, but it is particularly necessary to increase the resistance of the first region 104. Therefore, the epitaxial growth may be performed while exposing the facet surface inclined with respect to the crystal growth direction.

その結果、クラックの発生頻度を飛躍的に低減させた窒化物半導体自立基板100を取得することができるため、その製造歩留を向上させて結果的に安価な窒化物半導体自立基板100を提供することが可能となる。   As a result, it is possible to obtain the nitride semiconductor free-standing substrate 100 in which the occurrence frequency of cracks is drastically reduced, so that the manufacturing yield is improved and the inexpensive nitride semiconductor free-standing substrate 100 is provided as a result. It becomes possible.

これらの理由により、窒化物半導体自立基板100を使用して製造される半導体デバイスは、非常に特性の優れたものとなる。   For these reasons, a semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor free-standing substrate 100 has very excellent characteristics.

以上の通り、本発明によれば、不純物の添加による高抵抗化を実現しつつクラックが発生し難い窒化物半導体自立基板及びその製造方法並びに半導体デバイスを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor free-standing substrate, a method for manufacturing the same, and a semiconductor device that are less likely to generate cracks while achieving high resistance by addition of impurities.

次に、本発明の数値限定の根拠について説明する。   Next, the grounds for limiting the numerical values of the present invention will be described.

(実験1)
ボイド形成剥離法によりサファイア基板の表面に窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させた後、サファイア基板を除去することにより、窒化ガリウム自立基板を製造した。
(Experiment 1)
After the gallium nitride layer was epitaxially grown on the surface of the sapphire substrate by void formation peeling method, the sapphire substrate was removed to manufacture a gallium nitride free-standing substrate.

具体的には、先ず、直径が50.8mmの2インチのサファイア基板のC面に、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウムとアンモニアとを原料として不純物が添加されていないアンドープの窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させた。   Specifically, first, an undoped gallium nitride layer in which impurities are not added using trimethylgallium and ammonia as raw materials on the C-plane of a 2 inch sapphire substrate having a diameter of 50.8 mm by metalorganic vapor phase epitaxy. Was epitaxially grown.

そして、窒化ガリウム層の表面に厚さが20nmのチタン薄膜を蒸着させた後、電気炉により20%のアンモニアガスと80%の水素ガスとの混合ガス雰囲気中で、温度を1050℃として20分間の熱処理を施した。   Then, after depositing a titanium thin film having a thickness of 20 nm on the surface of the gallium nitride layer, the temperature is set to 1050 ° C. for 20 minutes in a mixed gas atmosphere of 20% ammonia gas and 80% hydrogen gas by an electric furnace. The heat treatment was performed.

その結果、窒化ガリウム層の一部がエッチングされてボイドが高密度に形成されることにより、窒化ガリウム層がボイド形成窒化ガリウム層に変化すると共に、チタン薄膜が窒化されてサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されることにより、チタン薄膜が穴形成窒化チタン層に変化した。   As a result, a part of the gallium nitride layer is etched to form voids at a high density, so that the gallium nitride layer changes to a void-formed gallium nitride layer and the titanium thin film is nitrided to form submicron fine holes. As a result, the titanium thin film changed to a hole-formed titanium nitride layer.

これを下地基板として、1000℃に加熱すると共に、ハイドライド気相成長法により、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスをキャリアガスとして、900℃に加熱したガリウムメタルボートに塩化水素ガスを供給し、これらを反応させて原料ガスとしての塩化ガリウムガスを生成し、同時にアンモニアガスを供給し、III族原料に対するV族原料のモル比を調整しつつ、第1の領域となる窒化ガリウム層と第2の領域となる窒化ガリウム層を連続してエピタキシャル成長させた。   Using this as a base substrate, heating to 1000 ° C. and supplying a hydrogen chloride gas to a gallium metal boat heated to 900 ° C. using a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas as a carrier gas by a hydride vapor phase growth method, These are reacted to generate gallium chloride gas as a source gas, and at the same time, ammonia gas is supplied to adjust the molar ratio of the group V source to the group III source, while the gallium nitride layer serving as the first region and the second region The gallium nitride layer, which becomes the region of, was continuously epitaxially grown.

このとき、表1に示すように、第2の領域となる窒化ガリウム層の成長条件を変化させて、電気抵抗率を制御するための不純物を添加しながらエピタキシャル成長させた。   At this time, as shown in Table 1, the growth conditions of the gallium nitride layer serving as the second region were changed, and the epitaxial growth was performed while adding impurities for controlling the electrical resistivity.

また、第2の領域への不純物の添加は、鉄[Fe]については有機金属であるビスシクロペンタジエニル鉄[Cp2Fe]を使用して添加し、その他の遷移金属原子についてはガリウムメタルボートに遷移金属を浮かべると共に塩化水素ガスを流してガリウムと同時に供給して添加した。 In addition, impurities are added to the second region by using biscyclopentadienyl iron [Cp 2 Fe], which is an organic metal for iron [Fe], and gallium metal for other transition metal atoms. A transition metal was floated on the boat, and hydrogen chloride gas was supplied and supplied at the same time as gallium.

窒化ガリウム層は、冷却過程でボイド形成窒化ガリウム層を境にサファイア基板から自然に剥離し、窒化ガリウム自立基板を取得することができた。   The gallium nitride layer was peeled off naturally from the sapphire substrate with the void-formed gallium nitride layer as a boundary during the cooling process, and a gallium nitride free-standing substrate could be obtained.

その後、同様に製造された19枚の窒化ガリウム自立基板について、厚さが450μmとなるまで表裏面を研磨して平坦にし、更にポリッシュにて鏡面化することにより、最終的に厚さが400μmである平坦な窒化ガリウム自立基板を取得した。   Thereafter, the 19 self-supporting gallium nitride substrates manufactured in the same manner are polished and flattened until the thickness reaches 450 μm, and further polished to a mirror surface, so that the final thickness is 400 μm. A flat gallium nitride free-standing substrate was obtained.

これらの19枚の窒化ガリウム自立基板について、二次イオン質量(Secondary Ion Mass Spectrometry;SIMS)分析を実施し、表面側に位置する第2の領域における不純物の濃度を測定し、更に外観を観察し、第2の領域の電気抵抗率を測定した。   These 19 gallium nitride free-standing substrates were subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the impurity concentration in the second region located on the surface side was measured, and the appearance was further observed. The electrical resistivity of the second region was measured.

(実験2)
下地基板の製造までは実験1と同様に実施し、表2に示すように、第1の領域を変化させると共に、第2の領域を表1における10番目の成長条件にてエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長後の研磨処理についても実験1と同様に実施した。
(Experiment 2)
The process up to the manufacture of the base substrate was carried out in the same manner as in Experiment 1. As shown in Table 2, the first region was changed and the second region was epitaxially grown under the tenth growth condition in Table 1. The polishing treatment after the epitaxial growth was performed in the same manner as in Experiment 1.

これらの窒化ガリウム自立基板について、外観を観察し、第2の領域の電気抵抗率と第2の領域の表面の面内の平均転位密度とを測定した。ここでは、カソードルミネッセンス測定により、ダークスポットの数を計数し、測定領域の面積で除して平均転位密度を求めた。   The appearance of these gallium nitride free-standing substrates was observed, and the electrical resistivity of the second region and the average dislocation density in the plane of the surface of the second region were measured. Here, the number of dark spots was counted by cathodoluminescence measurement, and the average dislocation density was determined by dividing by the area of the measurement region.

表2を参照すると、第2の領域の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上である窒化ガリウム自立基板では、クラックが発生しておらず、十分な高抵抗化が実現できていることが分かる。 Referring to Table 2, in the gallium nitride free-standing substrate having an in-plane average dislocation density of 1 × 10 3 cm −2 or more in the surface of the second region, cracks are not generated and sufficient resistance is increased. It can be seen that it has been realized.

(結果)
実験1と実験2より、不純物が添加された第2の領域が厚くなるほど、また不純物の濃度が高くなるほど、クラックが発生し易いことが分かった。ただし、アンドープの第1の領域が厚くなる分には、クラックは発生せず、厚くエピタキシャル成長させた分だけ、第2の領域の表面の面内の平均転位密度を低減させることができた。
(result)
From Experiment 1 and Experiment 2, it was found that cracks are more likely to occur as the second region to which impurities are added becomes thicker and the concentration of impurities increases. However, as the undoped first region becomes thicker, cracks did not occur, and the average dislocation density in the surface of the second region could be reduced by the thicker epitaxial growth.

また、第2の領域の不純物の濃度が低くなるほど、クラックが発生し難くなるが、半導体デバイスとして必要な電気特性を得るために、最低限の不純物を半導体デバイスに応じた厚さ分だけ添加することが望ましいことが分かった。   In addition, cracks are less likely to occur as the concentration of impurities in the second region is lower. However, in order to obtain electrical characteristics necessary for a semiconductor device, a minimum amount of impurities corresponding to the thickness of the semiconductor device is added. I found it desirable.

以上の通り、本発明の数値限定の根拠が導かれた。   As described above, the basis for the numerical limitation of the present invention was derived.

なお、本実施例では、ボイド形成剥離法によりサファイア基板を使用したが、窒化物半導体層の全体に不純物が添加されているよりも、少しでも不純物の濃度が低い方がクラックの発生を抑制することができるため、珪素基板、砒化ガリウム基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板等を使用しても構わず、成長法もハイドライド気相成長法に限定されない。   In this example, the sapphire substrate was used by the void formation exfoliation method. However, the generation of cracks is suppressed when the impurity concentration is as low as possible rather than the impurity being added to the entire nitride semiconductor layer. Therefore, a silicon substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon carbide substrate, a gallium nitride substrate, or the like may be used, and the growth method is not limited to the hydride vapor phase growth method.

また、半導体デバイスにしたときに、表面側から一定以上の厚さの高抵抗層が形成されていれば十分であるが、実施例では、ハンドリングのし易さのため必要以上に厚くしている。つまり、裏面側の電気特性は考慮する必要が無く、エピタキシャル成長時に割れにくいように不純物の濃度を調整すれば良い。   In addition, when a semiconductor device is formed, it is sufficient that a high resistance layer having a certain thickness or more is formed from the surface side. However, in the embodiment, it is made thicker than necessary for ease of handling. . That is, it is not necessary to consider the electrical characteristics on the back side, and the impurity concentration may be adjusted so that it is difficult to break during epitaxial growth.

100 窒化物半導体自立基板
101 異種基板
102 窒化物半導体層
103 エピタキシャルウェハ
104 第1の領域
105 第2の領域
106 窒化ガリウム層
107 チタン薄膜
108 ボイド
109 ボイド形成窒化ガリウム層
110 穴
111 穴形成窒化チタン層
112 下地基板
113 窒化ガリウム自立基板
100 nitride semiconductor free-standing substrate 101 heterogeneous substrate 102 nitride semiconductor layer 103 epitaxial wafer 104 first region 105 second region 106 gallium nitride layer 107 titanium thin film 108 void 109 void formed gallium nitride layer 110 hole 111 hole formed titanium nitride layer 112 Base substrate 113 Gallium nitride free-standing substrate

Claims (7)

異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハから前記異種基板を除去して製造される窒化物半導体自立基板において、
前記異種基板から近い前記窒化物半導体層の下層に形成される第1の領域と、
前記異種基板から遠い前記窒化物半導体層の上層に形成される第2の領域と、
を備え、
直径が40mm以上、前記第1の領域と前記第2の領域の合計厚さが200μm以上、前記第2の領域の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上1×108cm-2以下、前記第2の領域の電気抵抗率が0.02Ωcm以上であり、且つ前記第1の領域の電気抵抗率が前記第2の領域の電気抵抗率よりも低いことを特徴とする窒化物半導体自立基板。
In a nitride semiconductor free-standing substrate manufactured by removing the heterogeneous substrate from an epitaxial wafer formed by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of the heterogeneous substrate,
A first region formed in a lower layer of the nitride semiconductor layer near the heterogeneous substrate;
A second region formed in an upper layer of the nitride semiconductor layer far from the dissimilar substrate;
With
The diameter is 40 mm or more, the total thickness of the first region and the second region is 200 μm or more, and the average dislocation density in the plane of the surface of the second region is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2 or less, the electrical resistivity of the second region is 0.02 Ωcm or more, and the electrical resistivity of the first region is lower than the electrical resistivity of the second region, Nitride semiconductor free-standing substrate.
前記第2の領域は、濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下の1種以上の遷移金属原子を含む不純物が添加された窒化物半導体層からなる請求項1に記載の窒化物半導体自立基板。 2. The second region is formed of a nitride semiconductor layer to which an impurity including one or more transition metal atoms having a concentration of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less is added. The nitride semiconductor free-standing substrate as described. 前記第1の領域は、濃度が1×1015cm-3未満の1種以上の前記遷移金属原子を含む前記不純物が添加された窒化物半導体層からなる請求項2に記載の窒化物半導体自立基板。 3. The nitride semiconductor self-supporting according to claim 2, wherein the first region includes a nitride semiconductor layer to which the impurity containing one or more transition metal atoms having a concentration of less than 1 × 10 15 cm −3 is added. substrate. 前記第2の領域は、厚さが50μm以上である請求項1から3の何れか一項に記載の窒化物半導体自立基板。   4. The nitride semiconductor free-standing substrate according to claim 1, wherein the second region has a thickness of 50 μm or more. 5. 異種基板の表面に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させてなるエピタキシャルウェハから前記異種基板を除去して窒化物半導体自立基板を製造する窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記異種基板から近い前記窒化物半導体層の下層を第1の領域とし、前記異種基板から遠い前記窒化物半導体層の上層を第2の領域としたとき、直径が40mm以上、前記第1の領域と前記第2の領域の合計厚さが200μm以上、前記第2の領域の表面の面内の平均転位密度が1×103cm-2以上1×108cm-2以下、前記第2の領域の電気抵抗率が0.02Ωcm以上となり、且つ前記第1の領域の電気抵抗率が前記第2の領域の電気抵抗率よりも低くなるように、成長速度を200μm/h以上、成長温度を900℃以上1100℃以下、III族原料に対するV族原料のモル比を6以下として前記第2の領域を成長させることを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法。
In a method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate, a nitride semiconductor free-standing substrate is manufactured by removing the dissimilar substrate from an epitaxial wafer obtained by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on the surface of the different-type substrate.
When the lower layer of the nitride semiconductor layer close to the dissimilar substrate is a first region and the upper layer of the nitride semiconductor layer far from the dissimilar substrate is a second region, the diameter of the first region is 40 mm or more. And the total thickness of the second region is 200 μm or more, the average dislocation density in the plane of the surface of the second region is 1 × 10 3 cm −2 or more and 1 × 10 8 cm −2 or less, The growth rate is set to 200 μm / h or more, and the growth temperature is set so that the electric resistivity of the region is 0.02 Ωcm or more and the electric resistivity of the first region is lower than the electric resistivity of the second region. A method for producing a nitride semiconductor self-supporting substrate, wherein the second region is grown at 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower and a molar ratio of a group V raw material to a group III raw material is 6 or less.
前記窒化物半導体層をハイドライド気相成長法を使用してヘテロエピタキシャル成長させる請求項5に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。   The method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate according to claim 5, wherein the nitride semiconductor layer is heteroepitaxially grown using a hydride vapor phase growth method. 請求項1から4の何れか一項に記載の窒化物半導体自立基板を使用して製造されることを特徴とする半導体デバイス。   A semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor free-standing substrate according to any one of claims 1 to 4.
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