JP2018107220A - Inspection method for semiconductor substrate, quality discrimination method for semiconductor substrate, and semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve accuracy of an inspection and a quality discrimination relating to crystallinity or current collapse by acquiring information that is derived from each of laminated crystal layers in PL measurement.SOLUTION: The present invention relates to an inspection method for a semiconductor substrate in which a second crystal layer 114 is lattice-matched or pseudo-lattice-matched to a first crystal layer 112 and bandwidth energy of the second crystal layer 114 is higher than that of the first crystal layer 112. The inspection method for the semiconductor substrate includes: radiating a first excitation light of a first wavelength from the side of the second crystal layer 114; measuring photo luminescence caused by the first excitation light as a first observation light; calculating a ratio I/Iof a peak strength Iof band end emission BE included in the first observation light and a peak strength Iof emission YL that appears at a longer wavelength side than a peak wavelength λof BE; and inspecting the ratio I/I. A ratio α/αof a light absorption coefficient αof the first crystal layer 112 in the first wavelength and a light absorption coefficient αof the second crystal layer 114 in the first wavelength ranges from 0.5 to 1.0.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体基板の検査方法、半導体基板の品質判定方法および半導体基板に関する。   The present invention relates to a semiconductor substrate inspection method, a semiconductor substrate quality determination method, and a semiconductor substrate.

たとえば、非特許文献1には、Si基板上にエピタキシャル成長したGaNを活性層とするHEMT(High Electron Mobility Transistor)における電流コラプスの抑制技術が開示されている。当該文献において、GaN−HEMTをパワーエレクトロニクスに応用するには電流コラプスを撲滅することが必要であり、そのためには、電界集中を緩和するためのフィールドプレート構造の最適化、および、エピタキシャル層内の欠陥または界面準位の低減、が必要であるとの記載がある。また、当該文献は、エピタキシャル層内の欠陥等の低減に関し、PL測定(Photo Luminescence)と、電流コラプスの評価指標の一つであるオン抵抗増加率との関係について言及しており、PL測定におけるイエロールミネッセンス強度(YL)のバンド端発光強度(BE)に対する比(YL/BE)と、オン抵抗増加率とが、ウェハ内分布において一致するとの記載がある。すなわち、YL/BEを低く抑えることで、オン抵抗増加率(電流コラプス)が改善されるとの開示がある。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a technique for suppressing current collapse in a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using GaN epitaxially grown on a Si substrate as an active layer. In this document, to apply GaN-HEMT to power electronics, it is necessary to eradicate current collapse. For this purpose, optimization of the field plate structure to alleviate electric field concentration, and in the epitaxial layer There is a description that it is necessary to reduce defects or interface states. In addition, this document refers to the relationship between PL measurement (Photo Luminescence) and the on-resistance increase rate, which is one of the evaluation indicators of current collapse, with respect to the reduction of defects in the epitaxial layer. There is a description that the ratio (YL / BE) of the yellow luminescence intensity (YL) to the band edge emission intensity (BE) matches the on-resistance increase rate in the distribution within the wafer. That is, it is disclosed that the ON resistance increase rate (current collapse) is improved by keeping YL / BE low.

齋藤渉、「Si基板上GaN-HEMTのコラプス抑制」、(財)科学技術交流財団、第8回窒化物半導体応用研究会、平成22年6月24日、http://www.astf.or.jp/cluster/event/semicon/20100624/Mr_saito.pdfWataru Saito, “Suppression of Collapse of GaN-HEMT on Si Substrate”, Science and Technology Exchange Foundation, 8th Nitride Semiconductor Application Study Group, June 24, 2010, http: //www.astf.or .jp / cluster / event / semicon / 20100624 / Mr_saito.pdf

非特許文献1によれば、PL測定を行い、バンド端発光強度(BE)に対するイエロールミネッセンス強度(YL)の比(YL/BE)を算出すれば、オン抵抗増加率が推定でき、電流コラプスについての評価が可能になる。   According to Non-Patent Document 1, if the PL measurement is performed and the ratio (YL / BE) of the yellow luminescence intensity (YL) to the band edge emission intensity (BE) is calculated, the on-resistance increase rate can be estimated, and the current collapse can be estimated. Can be evaluated.

しかし、非特許文献1におけるPL測定では、励起光として波長325nmのHe−Cdレーザ光を用いる。波長が325nmの光は、GaN結晶には吸収されるものの、アルミニウム組成が0.15以下のAlGaN結晶にはほとんど吸収されず、その結果、GaN層上にAlGaN層が形成されたようなGaN/AlGaN積層結晶層を対象としたPL測定では、その測定結果にAlGaN層からの情報が含まれず、GaN層からの情報に限られてしまう問題がある。   However, in the PL measurement in Non-Patent Document 1, He—Cd laser light having a wavelength of 325 nm is used as excitation light. Although light having a wavelength of 325 nm is absorbed by the GaN crystal, it is hardly absorbed by the AlGaN crystal having an aluminum composition of 0.15 or less, and as a result, a GaN / GaN having an AlGaN layer formed on the GaN layer. In the PL measurement for the AlGaN laminated crystal layer, there is a problem that the measurement result does not include information from the AlGaN layer and is limited to information from the GaN layer.

本発明の目的は、AlGaN層を含む積層結晶層を対象とするPL測定において積層結晶層の各層に由来するフォトルミネッセンス情報を取得し、半導体基板の結晶性または電流コラプスに関する検査および品質判定の精度を高める技術を提供することにある。   The object of the present invention is to obtain photoluminescence information derived from each layer of the stacked crystal layer in the PL measurement for the stacked crystal layer including the AlGaN layer, and to inspect the crystallinity or current collapse of the semiconductor substrate and the accuracy of the quality determination. It is to provide a technology that enhances.

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きい、半導体基板の検査方法であって、前記第2結晶層の側から第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定する段階と、前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算する段階と、前記比率IYL1/IBE1を検査値とする段階と、を有し、前記第1結晶層の前記第1波長における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲である半導体基板の検査方法を提供する。 In order to solve the above problems, in a first aspect of the present invention, a base substrate, a first crystal layer, and a second crystal layer are provided, and the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer include The base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are positioned in this order, and the second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer. A method for inspecting a semiconductor substrate, wherein a bandwidth energy E g2 of a crystal constituting the second crystal layer is larger than a bandwidth energy E g1 of a crystal constituting the first crystal layer, wherein the second crystal layer Irradiating the first excitation light of the first wavelength from the side of the first and measuring the photoluminescence by the first excitation light as the first observation light, and the peak intensity I of the band edge emission BE included in the first observation light and BE1, said van Calculating a ratio I YL1 / I BE1 between the peak intensity I YL1 emitting YL appearing from the peak wavelength lambda BE edge emitting BE to the long wavelength side, the steps of the test values of the ratio I YL1 / I BE1 has the light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystal layer, the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer, 0 Provided is a method for inspecting a semiconductor substrate in the range of .5 to 1.0.

本発明の第2の態様においては、ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きい、半導体基板の検査方法であって、前記第2結晶層の側から第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定する段階と、前記第2結晶層の側から前記第1波長より波長が長い第2波長の第2励起光を照射し、前記第2励起光によるフォトルミネッセンスを第2観測光として測定する段階と、前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算する段階と、前記第2観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE2と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL2との比率IYL2/IBE2を計算する段階と、前記比率IYL1/IBE1および前記比率IYL2/IBE2から選択された1以上の値または当該1以上の値から計算された値を検査値とする段階と、を有し、前記第1結晶層の前記第1波長における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、前記第1結晶層の前記第2波長における光吸収係数βと、前記第2結晶層の前記第2波長における光吸収係数βとの比β/βより大きい半導体基板の検査方法を提供する。 In a second aspect of the present invention, a base substrate, a first crystal layer, and a second crystal layer are included, and the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are the base substrate, the first crystal layer, and the first crystal layer. The second crystal layer is positioned in the order of the crystal layer and the second crystal layer, and the second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the first crystal layer to constitute the second crystal layer A method for inspecting a semiconductor substrate, wherein a bandwidth energy E g2 of a crystal to be produced is greater than a bandwidth energy E g1 of a crystal constituting the first crystal layer, wherein the first wavelength of the first wavelength is from the second crystal layer side. A step of irradiating one excitation light and measuring photoluminescence by the first excitation light as a first observation light, and a second excitation light having a second wavelength longer than the first wavelength from the second crystal layer side Is irradiated with the second excitation light. Measuring a O preparative luminescence as a second observation light, and the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE contained in the first observation light emerges from the peak wavelength lambda BE of the band edge emission BE to the long wavelength side The step of calculating the ratio I YL1 / I BE1 with the peak intensity I YL1 of the emitted light YL, the peak intensity I BE2 of the band edge emitted BE included in the second observation light, and the peak wavelength λ BE of the band edge emitted BE Calculating a ratio I YL2 / I BE2 with a peak intensity I YL2 of the emitted light YL appearing on a longer wavelength side, and at least one selected from the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 / I BE2 has the steps of the calculated value from the value or the one or more values and test values, the, the light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystalline layer, the second The ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the crystal layer is, the light absorption coefficient beta 1 in the second wavelength of the first crystalline layer, said second crystalline layer second Provided is a method for inspecting a semiconductor substrate having a ratio β 2 / β 1 greater than a light absorption coefficient β 2 at a wavelength.

前記第1結晶層として、AlGa1−xN(0≦x<1)層を、より具体的にGaN層を挙げることができ、前記第2結晶層として、AlGa1−yN(0<y≦1、x<y)層を、より具体的にAlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層を挙げることができる。前記第1波長が、180〜300nmの範囲内にあってもよい。 The first crystal layer may be an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) layer, more specifically a GaN layer, and the second crystal layer may be Al y Ga 1-y N. More specifically, an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer may be mentioned as the (0 <y ≦ 1, x <y) layer. The first wavelength may be in a range of 180 to 300 nm.

本発明の第3の態様においては、上記した第1形態の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、前記比率IYL1/IBE1が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、を有する半導体基板の品質判定方法を提供する。ここで、前記第1結晶層として、GaN層が例示でき、前記第2結晶層として、AlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層が例示でき、前記第1波長の範囲として、180〜300nmの範囲が例示でき、所定の値として0.1が例示できる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for determining a quality of a semiconductor substrate using the inspection method according to the first aspect, wherein the semiconductor substrate is inspected using the inspection method, and the ratio I YL1 A method for determining the quality of a semiconductor substrate, comprising: determining that the semiconductor substrate to be inspected is a defective product when / I BE1 exceeds a predetermined value. Here, as the first crystal layer, a GaN layer can be exemplified, and as the second crystal layer, an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer can be exemplified, and the first wavelength. The range of 180 to 300 nm can be exemplified as the range of 0.1, and 0.1 can be exemplified as the predetermined value.

本発明の第4の態様においては、上記した第2形態の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、前記比率IYL1/IBE1および前記比率IYL2/IBE2から選択された1以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、を有する半導体基板の品質判定方法を提供する。ここで、前記第1結晶層として、GaN層が例示でき、前記第2結晶層として、AlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層が例示でき、前記第1波長の範囲として、180〜300nmの範囲が例示でき、前記第2波長の範囲として、300nmを超える範囲が例示でき、所定の値として0.1が例示できる。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate quality determination method using the above-described inspection method of the second embodiment, the step of inspecting the semiconductor substrate using the inspection method, and the ratio I YL1 / I BE1 and a ratio of one or more selected from the ratios I YL2 / I BE2 and a step of determining the semiconductor substrate to be inspected as a defective product when the ratio exceeds a predetermined value. A determination method is provided. Here, as the first crystal layer, a GaN layer can be exemplified, and as the second crystal layer, an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer can be exemplified, and the first wavelength. As the range, a range of 180 to 300 nm can be exemplified, and as the range of the second wavelength, a range exceeding 300 nm can be exemplified, and a predetermined value can be exemplified as 0.1.

本発明の第5の態様においては、ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きく、前記第1結晶層の第1波長(但し、第1波長は180〜300nmの範囲内にある。)における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲である、半導体基板であって、前記半導体基板に、前記第2結晶層の側から前記第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定し、前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算した場合に、前記比率IYL1/IBE1が0.1となる半導体基板を提供する。 In a fifth aspect of the present invention, a base substrate, a first crystal layer, and a second crystal layer are provided, and the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are the base substrate, the first crystal layer, and the first crystal layer. The second crystal layer is positioned in the order of the crystal layer and the second crystal layer, and the second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the first crystal layer to constitute the second crystal layer The bandwidth energy E g2 of the crystal to be produced is larger than the bandwidth energy E g1 of the crystal constituting the first crystal layer, and the first wavelength of the first crystal layer (however, the first wavelength is in the range of 180 to 300 nm). the light absorption coefficient alpha 1 at a.), the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer is in the range of 0.5 to 1.0, A semiconductor substrate, wherein the second crystal layer is formed on the semiconductor substrate. Irradiating the first excitation light of the first wavelength from the side, to measure the photoluminescence by the first excitation light as the observation light, and the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE contained in the first observation light , when calculating the ratio I YL1 / I BE1 between the peak intensity I YL1 emitting YL appearing from the peak wavelength lambda bE of the band edge emission bE to the long wavelength side, the ratio I YL1 / I BE1 0.1 A semiconductor substrate is provided.

半導体基板100の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate 100. FIG. 第1結晶層112をGaN層とし、第2結晶層114をAlGaN層とした場合の半導体基板100のPL発光スペクトルの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of PL emission spectrum of the semiconductor substrate 100 when the 1st crystal layer 112 is made into a GaN layer and the 2nd crystal layer 114 is made into an AlGaN layer. 波長が相違する2種類の光源を励起光に用いてAlGaN層をPL測定した場合の検出深さをAl組成の関数として示したグラフである。It is the graph which showed the detection depth at the time of carrying out PL measurement of the AlGaN layer using two types of light sources with which wavelengths differ as excitation light as a function of Al composition. PL測定における観測光(フォトルミネッセンス)の発生位置を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the generation | occurrence | production position of the observation light (photoluminescence) in PL measurement. 実験例1〜3についてのSIMS測定結果であり、炭素原子の深さプロファイルを示す。It is a SIMS measurement result about Experimental Examples 1-3, and shows the depth profile of a carbon atom. SIMS測定で得られた第2結晶層114の炭素濃度とYL/BEの関係をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the carbon concentration of the 2nd crystal layer 114 obtained by SIMS measurement, and the relationship of YL / BE. 実験例1〜3および比較例1、2についてのホール移動度をYL/BEに対しプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the hole mobility about Experimental Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2 with respect to YL / BE. 実施例1のYL/BE比およびPL発光スペクトルを示す図である。2 is a diagram showing a YL / BE ratio and a PL emission spectrum of Example 1. FIG. 実施例2のYL/BE比およびPL発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows YL / BE ratio of Example 2, and PL emission spectrum. 比較例1のYL/BE比およびPL発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows YL / BE ratio of Comparative Example 1, and PL emission spectrum.

図1は、本実施の形態の検査方法で用いる半導体基板100の断面図である。半導体基板100は、ベース基板102、反応抑制層104、バッファ層106およびデバイス形成層108を有する。バッファ層106は、第1層106aおよび第2層106bからなる二層積層106cを有する。デバイス形成層108は、第1結晶層112および第2結晶層114を有する。ベース基板102、第1結晶層112および第2結晶層114は、ベース基板102、第1結晶層112、第2結晶層114の順に位置する。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate 100 used in the inspection method of the present embodiment. The semiconductor substrate 100 includes a base substrate 102, a reaction suppression layer 104, a buffer layer 106, and a device formation layer 108. The buffer layer 106 includes a two-layer stack 106c including a first layer 106a and a second layer 106b. The device formation layer 108 includes a first crystal layer 112 and a second crystal layer 114. The base substrate 102, the first crystal layer 112, and the second crystal layer 114 are located in the order of the base substrate 102, the first crystal layer 112, and the second crystal layer 114.

ベース基板102は、反応抑制層104、バッファ層106およびデバイス形成層108の各層を支持する支持基板である。ベース基板102はシリコン基板とすることが好ましい。ベース基板102としてシリコン基板を用いることにより、材料価格を下げることができ、従来のシリコンプロセスで用いられている半導体製造装置を利用することができる。これにより、コスト競争力を高めることができる。さらに、ベース基板102としてシリコン基板を用いることにより、直径150mm以上の大型の基板を安価にかつ工業的に利用することができるようになる。   The base substrate 102 is a support substrate that supports the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the device formation layer 108. The base substrate 102 is preferably a silicon substrate. By using a silicon substrate as the base substrate 102, the material price can be reduced and a semiconductor manufacturing apparatus used in a conventional silicon process can be used. Thereby, cost competitiveness can be improved. Furthermore, by using a silicon substrate as the base substrate 102, a large substrate having a diameter of 150 mm or more can be used inexpensively and industrially.

反応抑制層104は、ベース基板102がシリコン基板である場合、当該シリコン基板に含まれるシリコン原子とバッファ層106等に含まれるIII族原子との反応を抑制する。反応抑制層104の上層にある窒化物結晶層が、AlGaN、GaN等のGaN系半導体層である場合、当該GaN系半導体層に含まれるGa原子とシリコン原子との合金化を防止することができる。反応抑制層104として、AlGa1−zN(0.9≦z≦1)を挙げることができ、代表的にはAlN層を挙げることができる。反応抑制層104により、ベース基板102の表面を保護し、上層の支持を確実にすることができる。また、反応抑制層104は、ベース基板102上に形成される結晶層の初期核を形成することができる。反応抑制層104の厚さは、30nm以上300nm以下とすることができる。 When the base substrate 102 is a silicon substrate, the reaction suppression layer 104 suppresses the reaction between silicon atoms contained in the silicon substrate and group III atoms contained in the buffer layer 106 and the like. When the nitride crystal layer on the reaction suppression layer 104 is a GaN-based semiconductor layer such as AlGaN or GaN, alloying of Ga atoms and silicon atoms contained in the GaN-based semiconductor layer can be prevented. . As a reaction inhibiting layer 104, Al z Ga 1-z N (0.9 ≦ z ≦ 1) can be mentioned, typically mention may be made of AlN layer. The reaction suppression layer 104 can protect the surface of the base substrate 102 and ensure the support of the upper layer. In addition, the reaction suppression layer 104 can form an initial nucleus of a crystal layer formed on the base substrate 102. The thickness of the reaction suppression layer 104 can be greater than or equal to 30 nm and less than or equal to 300 nm.

バッファ層106は、ベース基板102とデバイス形成層108の間に位置する。バッファ層106は、第1層106aおよび第2層106bからなる二層積層106cが繰り返し積層された多層積層構造を有する。このような多層積層構造により圧縮応力を発生し、その結果バッファ層106は、半導体基板100全体の反りを低減する応力発生層として機能する。バッファ層106は、また、ベース基板102とデバイス形成層108の間を電気的に絶縁する絶縁層としても機能する。   The buffer layer 106 is located between the base substrate 102 and the device formation layer 108. The buffer layer 106 has a multilayer stacked structure in which a two-layer stack 106c including a first layer 106a and a second layer 106b is repeatedly stacked. A compressive stress is generated by such a multilayer stacked structure, and as a result, the buffer layer 106 functions as a stress generating layer that reduces the warpage of the entire semiconductor substrate 100. The buffer layer 106 also functions as an insulating layer that electrically insulates between the base substrate 102 and the device formation layer 108.

第1層106aは、バルク結晶における格子定数がa1である3族窒化物結晶からなり、第2層106bは、バルク結晶における格子定数がa2(a1<a2)である3族窒化物結晶からなる。二層積層106cの繰り返し数は、たとえば2〜500とすることができる。二層積層106cを多数積層することにより、バッファ層106が発生する圧縮応力を大きくすることができる。また、二層積層106cの積層数によりバッファ層106が発生する圧縮応力の大きさを容易に制御することができる。さらに、二層積層106cを多数積層することで、第1層106aによる耐電圧の向上をより高めることができる。   The first layer 106a is made of a group III nitride crystal having a lattice constant a1 in the bulk crystal, and the second layer 106b is made of a group III nitride crystal having a lattice constant a2 (a1 <a2) in the bulk crystal. . The number of repetitions of the two-layer stack 106c can be set to 2 to 500, for example. By stacking a large number of the two-layer stack 106c, the compressive stress generated by the buffer layer 106 can be increased. Further, the magnitude of the compressive stress generated by the buffer layer 106 can be easily controlled by the number of stacked layers 106c. Furthermore, by increasing the number of the two-layer stack 106c, the withstand voltage can be further improved by the first layer 106a.

本実施の形態では、二層積層106cが複数繰り返して積層された構成のバッファ層106を例示しているが、二層積層106cは複数繰り返して積層されなくてもよく、この場合、単一の二層積層106cがバッファ層106を構成する。バッファ層106は、第1層106aおよび第2層106bに加え、バルク結晶における格子定数がa3(a2<a3)である第3結晶層を含む三層積層からなる構造としてもよい。あるいは、バルク結晶における格子定数が、ベース基板102の近くから遠ざかるに従い連続的またはステップ状に大きくなるグレーディッド結晶層としてもよい。さらに、三層積層またはグレーディッド結晶層が複数繰り返して積層された多層積層構造としてもよい。   In this embodiment, the buffer layer 106 having a configuration in which a plurality of two-layer stacks 106c are repeatedly stacked is illustrated, but the two-layer stack 106c may not be stacked repeatedly, and in this case, a single layer The two-layer stack 106 c constitutes the buffer layer 106. The buffer layer 106 may have a three-layer structure including a first crystal layer 106a and a second layer 106b and a third crystal layer having a lattice constant a3 (a2 <a3) in the bulk crystal. Alternatively, a graded crystal layer in which the lattice constant of the bulk crystal increases continuously or stepwise as it moves away from the vicinity of the base substrate 102 may be used. Furthermore, it is good also as a multilayer laminated structure in which the three-layer lamination | stacking or the graded crystal layer was laminated | stacked repeatedly.

第1層106aとしてAlGa1−qN(0.9≦q≦1)が例示でき、第2層106bとしてAlGa1−pN(0≦p≦0.3)が例示できる。第1層106aの厚さは、1nm以上20nm以下、好ましくは5.0nmを超え20nm未満とすることができる。第2層106bの厚さは、5nm以上300nm以下、好ましくは10nm以上300nm以下とすることができる。 Examples of the first layer 106a include Al q Ga 1-q N (0.9 ≦ q ≦ 1), and examples of the second layer 106b include Al p Ga 1-p N (0 ≦ p ≦ 0.3). The thickness of the first layer 106a can be 1 nm or more and 20 nm or less, preferably more than 5.0 nm and less than 20 nm. The thickness of the second layer 106b can be 5 nm to 300 nm, preferably 10 nm to 300 nm.

デバイス形成層108は、第1結晶層112および第2結晶層114を有し、トランジスタやLED(light emitting diode)等任意のデバイスが形成できる結晶層である。たとえば第1結晶層112および第2結晶層114のヘテロ界面に形成される二次元電子ガス(2DEG)をチャネルとするHEMT(High Electron Mobility Transistor)が形成できる。第2結晶層114は、第1結晶層112に接するとともに第1結晶層112に対し格子整合または擬格子整合し、第2結晶層114を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2は、第1結晶層112を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きい。 The device formation layer 108 includes a first crystal layer 112 and a second crystal layer 114, and is a crystal layer on which an arbitrary device such as a transistor or an LED (light emitting diode) can be formed. For example, a high electron mobility transistor (HEMT) using a two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the heterointerface between the first crystal layer 112 and the second crystal layer 114 as a channel can be formed. The second crystal layer 114 is in contact with the first crystal layer 112 and lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer 112, and the bandwidth energy E g2 of the crystal constituting the second crystal layer 114 is the first crystal layer It is larger than the bandwidth energy E g1 of the crystal constituting the layer 112.

第1結晶層112は、たとえばAlGa1−xN(0≦x<1)層であり、具体的にはGaN層が例示できる。第1結晶層112の厚さは、200〜2000nmの範囲で選択することができ、たとえば800nmとすることができる。 The first crystal layer 112 is, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) layer, and can be specifically exemplified by a GaN layer. The thickness of the first crystal layer 112 can be selected within a range of 200 to 2000 nm, and can be set to 800 nm, for example.

第2結晶層114は、たとえばAlGa1−yN(0<y≦1、x<y)層であり、具体的にはAlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層、たとえばAl0.25Ga0.75Nが例示できる。第2結晶層114の厚さは、10〜100nmの範囲で選択することができ、たとえば25nmとすることができる。 The second crystal layer 114 is, for example, an Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1, x <y) layer, specifically, Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0. 3) A layer, for example, Al 0.25 Ga 0.75 N can be exemplified. The thickness of the second crystal layer 114 can be selected in the range of 10 to 100 nm, and can be, for example, 25 nm.

反応抑制層104、バッファ層106およびデバイス形成層108は、一般的なMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成できる。たとえば、MOCVD法により形成する層がAlN層、AlGaN層およびGaN層である場合、III族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH)およびトリメチルガリウム(Ga(CH)を用いることができ、窒素原料ガスとしてアンモニア(NH)を用いることができる。成長温度は1100〜1260℃の範囲で選択可能であり、III族原料ガスに対するV族原料ガスの流量比V/III比は、160〜5000の範囲で選択可能である。形成する層の厚さは、たとえば予備実験で得た成長速度から設計厚さに対応する成長時間を算出し、成長時間により厚さを制御できる。 The reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the device formation layer 108 can be formed using a general MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. For example, when the layers formed by the MOCVD method are an AlN layer, an AlGaN layer, and a GaN layer, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) are used as the group III source gas. Ammonia (NH 3 ) can be used as the nitrogen source gas. The growth temperature can be selected in the range of 1100 to 1260 ° C., and the flow rate ratio V / III ratio of the group V source gas to the group III source gas can be selected in the range of 160 to 5000. The thickness of the layer to be formed can be controlled by, for example, calculating the growth time corresponding to the design thickness from the growth rate obtained in the preliminary experiment and by controlling the growth time.

上記した半導体基板100の検査方法として、二通りの検査方法を説明する。一つ目の検査方法は以下の通りである。まず、第2結晶層114の側から第1波長の第1励起光を照射し、第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定する。次に、第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算し、これを検査値とする。ここで、第1結晶層112の第1波長における光吸収係数αと、第2結晶層114の第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲となるよう第1波長を選択する。 As an inspection method of the semiconductor substrate 100 described above, two inspection methods will be described. The first inspection method is as follows. First, the first excitation light having the first wavelength is irradiated from the second crystal layer 114 side, and photoluminescence by the first excitation light is measured as the first observation light. Next, the ratio of the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE included in the first observation light to the peak intensity I YL1 of the emission YL appearing on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE I YL1 / I BE1 is calculated and used as an inspection value. Here, the light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystal layer 112, the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer 114, 0.5 to 1 The first wavelength is selected to be in the range of .0.

二つ目の検査方法は以下の通りである。まず、第2結晶層114の側から第1波長の第1励起光を照射し、第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定し、第2結晶層114の側から第1波長より波長が長い第2波長の第2励起光を照射し、第2励起光によるフォトルミネッセンスを第2観測光として測定する。次に、第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算し、第2観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE2と、バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL2との比率IYL2/IBE2を計算し、比率IYL1/IBE1および比率IYL2/IBE2から選択された1以上の値または当該1以上の値から計算された値を検査値とする。ここで、第1結晶層112の第1波長における光吸収係数αと、第2結晶層114の第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、第1結晶層112の第2波長における光吸収係数βと、第2結晶層114の第2波長における光吸収係数βとの比β/βより大きくなるよう第1波長および第2波長を選択する。 The second inspection method is as follows. First, the first excitation light having the first wavelength is irradiated from the second crystal layer 114 side, the photoluminescence due to the first excitation light is measured as the first observation light, and from the first wavelength from the second crystal layer 114 side. The second excitation light having the second wavelength having a long wavelength is irradiated, and photoluminescence by the second excitation light is measured as the second observation light. Next, the ratio of the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE included in the first observation light to the peak intensity I YL1 of the emission YL appearing on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE I YL1 / I BE1 is calculated, and the ratio between the peak intensity I BE2 of the band edge emission BE included in the second observation light and the peak intensity I YL2 of the emission YL that appears on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE I YL2 / I BE2 is calculated, and one or more values selected from the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 / I BE2 or a value calculated from the one or more values is used as the inspection value. Here, the light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystal layer 112, the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer 114, the first crystal layer 112 the light absorption coefficient beta 1 at two wavelengths, selects the first wavelength and the second wavelength to be greater than the ratio beta 2 / beta 1 of the light absorption coefficient beta 2 at the second wavelength of the second crystal layer 114.

上記した二通りの検査方法をより詳細に説明する。図2は、第1結晶層112をGaN層とし、第2結晶層114をAlGaN層とする半導体基板100のPL発光スペクトルの一例を示した図である。ピークAにGaNのバンド端発光(BE)が現れ、ピークAより長波長側(低光子エネルギー側)のピークBにイエロールミネッセンス(YL)が出現する。ピークBのイエロールミネッセンス(YL)は結晶欠陥または不純物に起因すると考えられ、バンド端発光強度で規格化したイエロールミネッセンス強度(YL/BE)の値は、デバイス形成層108の結晶性(結晶欠陥または不純物等)についての評価指標とすることができる。   The above two inspection methods will be described in more detail. FIG. 2 is a diagram showing an example of a PL emission spectrum of the semiconductor substrate 100 in which the first crystal layer 112 is a GaN layer and the second crystal layer 114 is an AlGaN layer. GaN band edge emission (BE) appears at peak A, and yellow luminescence (YL) appears at peak B on the longer wavelength side (low photon energy side) than peak A. The yellow luminescence (YL) of peak B is considered to be caused by crystal defects or impurities, and the value of the yellow luminescence intensity (YL / BE) normalized by the band edge emission intensity is the crystallinity (crystal defect or It can be used as an evaluation index for impurities and the like.

図3は、波長が相違する2種類の光源を励起光に用いてAlGaN層をPL測定した場合の検出深さをAl組成の関数として示したグラフである。従来技術(非特許文献1)で用いていたHe−Cdレーザ光(発光波長325nm)では、Al組成が0.15を超えた辺りから急激に検出深さが深くなっている。これは、Al組成が0.15を超えるAlGaN層ではHe−Cdレーザ光の吸収が小さく、十分な励起が行われないため、PL測定が困難であることを示している。一方、YAGレーザの4倍波光(発光波長266nm)を用いた場合、Al組成が0.15を超えても検出深さは約200nmで一定であり、これは、He−Cdレーザ光では測定困難なAlGaN層(Al組成が0.15以上)のPL測定が、YAGレーザ4倍波光を用いることで可能になることを示している。   FIG. 3 is a graph showing the detection depth as a function of the Al composition when the AlGaN layer is subjected to PL measurement using two types of light sources having different wavelengths as excitation light. In the He—Cd laser beam (emission wavelength: 325 nm) used in the prior art (Non-patent Document 1), the detection depth suddenly increases from the vicinity where the Al composition exceeds 0.15. This indicates that the AlGaN layer having an Al composition of more than 0.15 has little absorption of He—Cd laser light and does not perform sufficient excitation, so that PL measurement is difficult. On the other hand, when the fourth harmonic light of YAG laser (emission wavelength 266 nm) is used, the detection depth is constant at about 200 nm even when the Al composition exceeds 0.15, which is difficult to measure with He-Cd laser light. This shows that PL measurement of a simple AlGaN layer (Al composition is 0.15 or more) can be performed by using a YAG laser quadruple wave light.

図4は、PL測定における観測光(フォトルミネッセンス)の発生位置を模式的に示した図であり、図中左側にHe−Cdレーザ光を励起光に用いた場合、図中右側にYAGレーザ4倍波光を励起光に用いた場合を示す。He−Cdレーザ光を励起光に用いた場合、He−Cdレーザ励起光E1は、第2結晶層114に対しほぼ透明なため、第2結晶層114を吸収なく透過し、第1結晶層112に至って吸収され始める。よって、He−Cdレーザ励起光E1による観測光O1は、第1結晶層112で主に発生する。一方、YAGレーザ4倍波光を励起光に用いた場合、YAGレーザ4倍波励起光E2は、第2結晶層114および第2結晶層114で吸収され、YAGレーザ4倍波励起光E2による観測光O2は、第2結晶層114および第1結晶層112の両方で発生する。   FIG. 4 is a diagram schematically showing the generation position of observation light (photoluminescence) in PL measurement. When He—Cd laser light is used as excitation light on the left side in the figure, YAG laser 4 is shown on the right side in the figure. A case where double wave light is used as excitation light is shown. When the He—Cd laser light is used as the excitation light, the He—Cd laser excitation light E1 is almost transparent to the second crystal layer 114, and thus passes through the second crystal layer 114 without absorption, and the first crystal layer 112. To be absorbed. Therefore, the observation light O1 by the He—Cd laser excitation light E1 is mainly generated in the first crystal layer 112. On the other hand, when YAG laser quadruple wave light is used as excitation light, YAG laser quadruple wave excitation light E2 is absorbed by second crystal layer 114 and second crystal layer 114, and is observed by YAG laser quadruple wave excitation light E2. The light O 2 is generated in both the second crystal layer 114 and the first crystal layer 112.

YAGレーザ4倍波光のように第2結晶層114でも吸収される励起光(第1励起光)を用いてPL測定し、バンド端発光BEのピーク強度IBE1に対するイエロールミネッセンス光YLのピーク強度IYL1の比IYL1/IBE1を計算し、これを検査値とすることで、AlGaN層を含めたデバイス形成層108の結晶性評価を実施することができる。これにより半導体基板100の電流コラプスに対する検査・判定の精度を高めることができる。この場合、YAGレーザ4倍波光の波長(第1波長)における第1結晶層112に対する光吸収係数をα、同波長における第2結晶層114に対する光吸収係数をαとした場合、α/αは、0.5〜1.0の範囲であるものとする。これは、YAGレーザ4倍波光を励起光(第1励起光)とした場合、励起光波長(第1波長)における第1結晶層112(GaN層)の吸収係数αと第1結晶層112(AlGaN層)の吸収係数αは、図3から明らかにほぼ同等であり、αの方が若干大きな値になっていると思われる。よって、α/αは1に近い値であり、0.5〜1.0の範囲、好ましくは0.7〜0.95の範囲、さらに好ましくは0.8〜0.9の範囲が適当であると考えられる。 PL measurement is performed using excitation light (first excitation light) absorbed by the second crystal layer 114 such as YAG laser quadruple wave light, and the peak intensity I of the yellow luminescence light YL with respect to the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE. the ratio I YL1 / I BE1 of YL1 calculates, by the inspection value this can be carried crystallinity evaluation of the device formation layer 108 including the AlGaN layer. As a result, the accuracy of the inspection / determination for the current collapse of the semiconductor substrate 100 can be increased. In this case, when one of the light absorption coefficient alpha for the first crystal layer 112 at the wavelength (first wavelength) of the YAG laser fourth harmonic light, the light absorption coefficient for the second crystal layer 114 at the same wavelength is alpha 2, alpha 2 / Α 1 is in the range of 0.5 to 1.0. This is because the absorption coefficient α 1 of the first crystal layer 112 (GaN layer) at the excitation light wavelength (first wavelength) and the first crystal layer 112 when the YAG laser quadruple wave light is excitation light (first excitation light). absorption coefficient alpha 2 of (AlGaN layer) is clearly substantially equal 3, seems to be towards the alpha 1 is slightly large value. Therefore, α 2 / α 1 is a value close to 1, and is in the range of 0.5 to 1.0, preferably in the range of 0.7 to 0.95, and more preferably in the range of 0.8 to 0.9. It is considered appropriate.

また、第2結晶層114でも吸収される第1励起光を用いたPL測定に加え、He−Cdレーザ光のような第1励起光より長波長の第2励起光も用いてPL測定を行い、第1励起光による比率IYL1/IBE1の計算、および第1励起光と同様に、第2励起光による比率IYL2/IBE2の計算を行い、比率IYL1/IBE1および比率IYL2/IBE2から選択された1以上の値または当該1以上の値から計算された値を検査値とすることができる。これにより、AlGaN層を含めたデバイス形成層108の結晶性評価を実施することができ、半導体基板100の電流コラプスに対する検査・判定の精度を高めることができる。この場合、α/αと同様に、第2波長における第1結晶層112の光吸収係数βと第2結晶層114の光吸収係数βとの比β/βが定義でき、α/αがβ/βより大きい値であるものとすることができる。第2波長をHe−Cdレーザ光の波長とすると、図3から明らかに、第1結晶層112に対する光吸収係数βに比べて第2結晶層114に対する光吸収係数βは極めて小さく、α/αはβ/βより大きな値になっているものと考えられる。α/αの値は、β/βより大きく、好ましくはα/αはβ/βの2倍以上、さらに好ましくは3倍以上とすることができる。 In addition to the PL measurement using the first excitation light that is also absorbed by the second crystal layer 114, the PL measurement is also performed using the second excitation light having a wavelength longer than that of the first excitation light such as He-Cd laser light. The ratio I YL1 / I BE1 by the first excitation light and the ratio I YL2 / I BE2 by the second excitation light are calculated in the same manner as the first excitation light, and the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 are calculated. One or more values selected from / I BE2 or a value calculated from the one or more values can be used as the inspection value. Thereby, the crystallinity evaluation of the device forming layer 108 including the AlGaN layer can be performed, and the accuracy of inspection / determination for the current collapse of the semiconductor substrate 100 can be improved. In this case, alpha 2 / alpha 1 and similarly, can the ratio beta 2 / beta 1 is defined between the light absorption coefficient beta 2 of the light absorption coefficient beta 1 of the first crystal layer 112 in the second wavelength the second crystal layer 114 , Α 2 / α 1 can be greater than β 2 / β 1 . Assuming that the second wavelength is the wavelength of the He—Cd laser beam, the light absorption coefficient β 2 for the second crystal layer 114 is very small as compared with the light absorption coefficient β 1 for the first crystal layer 112, as is apparent from FIG. 2 / α 1 is considered to be larger than β 2 / β 1 . The value of alpha 2 / alpha 1 is larger than beta 2 / beta 1, preferably alpha 2 / alpha 1 is beta 2 / beta 1 of 2 times or more, more preferably to more than three times.

なお、第1波長は、180〜300nmの範囲内とすることができ、第2波長は、300nmを超える波長範囲とすることができる。   The first wavelength can be in the range of 180 to 300 nm, and the second wavelength can be in the wavelength range exceeding 300 nm.

(実施例)
ベース基板102として(111)面を主面とするSiウェハを用い、反応抑制層104、バッファ層106およびデバイス形成層108を形成した。反応抑制層104として、設計厚さ150〜160nmのAlN層を形成した。バッファ層106として、設計厚さ5nmのAlN層(第1層106a)および設計厚さ28nmのAlGaN層(第2層106b)からなるAlN/AlGaN積層構造(二層積層106c)を繰り返し積層して形成した。デバイス形成層108として、設計厚さ800nmのGaN層(第1結晶層112)および設計厚さ25nmのAlGaN層(第2結晶層114)を形成した。AlGaN層(第2結晶層114)のAl組成は0.25とした。
(Example)
A Si wafer having a (111) plane as a main surface was used as the base substrate 102, and the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the device formation layer 108 were formed. As the reaction suppression layer 104, an AlN layer having a designed thickness of 150 to 160 nm was formed. As the buffer layer 106, an AlN / AlGaN stacked structure (two-layer stack 106c) composed of an AlN layer (first layer 106a) having a design thickness of 5 nm and an AlGaN layer (second layer 106b) having a design thickness of 28 nm is repeatedly stacked. Formed. As the device formation layer 108, a GaN layer (first crystal layer 112) having a design thickness of 800 nm and an AlGaN layer (second crystal layer 114) having a design thickness of 25 nm were formed. The Al composition of the AlGaN layer (second crystal layer 114) was 0.25.

反応抑制層104、バッファ層106およびデバイス形成層108(AlN層、AlGaN層およびGaN層)の形成にはMOCVD法を用い、III族原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびトリメチルガリウムを用い、窒素原料ガスとしてアンモニアを用いた。成長温度は1100〜1260℃の範囲で選択し、III族原料ガスに対するV族原料ガスの流量比V/III比は、160〜3700の範囲で選択した。予備実験で得た成長速度から算出した成長時間により各層の厚さを制御したため、各層の実際の厚さと設計厚さとは異なる。   The MOCVD method is used to form the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the device forming layer 108 (AlN layer, AlGaN layer, and GaN layer), trimethylaluminum and trimethylgallium are used as the group III source gas, and ammonia is used as the nitrogen source gas. Was used. The growth temperature was selected in the range of 1100 to 1260 ° C., and the flow rate ratio V / III ratio of the group V source gas to the group III source gas was selected in the range of 160 to 3700. Since the thickness of each layer is controlled by the growth time calculated from the growth rate obtained in the preliminary experiment, the actual thickness and the design thickness of each layer are different.

第2結晶層114であるAl0.25Ga0.75N層の成長時のV/III比を変えて実験例1〜3および比較例1,2を作成した。実験例1におけるV/III比は3700、実験例2におけるV/III比は2500、実験例3におけるV/III比は620、比較例1におけるV/III比は600、比較例2におけるV/III比は588、とした。 Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared by changing the V / III ratio during the growth of the Al 0.25 Ga 0.75 N layer as the second crystal layer 114. The V / III ratio in Experimental Example 1 is 3700, the V / III ratio in Experimental Example 2 is 2500, the V / III ratio in Experimental Example 3 is 620, the V / III ratio in Comparative Example 1 is 600, and the V / III ratio in Comparative Example 2 is V / III The III ratio was 588.

実験例1〜3および比較例1、2のそれぞれについて、YAGレーザ4倍波光を励起光とするPL測定を行い、バンド端発光BEのピーク強度IBE1と、バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光(イエロールミネッセンス)YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1(YL/BE)を計算した。また、実験例1〜3および比較例1、2のそれぞれについて、ホール移動度を測定した。さらに、実験例1〜3について第2結晶層114および第1結晶層112の一部に渡るSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)深さ測定を行った。YL/BEの値およびホール移動度の測定結果を表1に示す。
For each of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, PL measurement using YAG laser quadruple wave light as excitation light was performed, and peak intensity I BE1 of band edge emission BE and peak wavelength λ BE of band edge emission BE were measured. The ratio I YL1 / I BE1 (YL / BE) with the peak intensity I YL1 of the luminescence (yellow luminescence) YL appearing on the longer wavelength side was calculated. In addition, the hole mobility was measured for each of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. Furthermore, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) depth measurement over a part of the second crystal layer 114 and the first crystal layer 112 was performed for Experimental Examples 1 to 3. Table 1 shows the measurement results of the YL / BE value and the hole mobility.

図5は、実験例1〜3についてのSIMS測定結果であり、炭素原子の深さプロファイルを示す。図6は、SIMS測定で得られた第2結晶層114の炭素濃度とYL/BEの関係をプロットしたグラフである。図7は、実験例1〜3および比較例1、2についてのホール移動度をYL/BEに対しプロットしたグラフである。   FIG. 5 shows SIMS measurement results for Experimental Examples 1 to 3, and shows the depth profile of carbon atoms. FIG. 6 is a graph plotting the relationship between the carbon concentration of the second crystal layer 114 and YL / BE obtained by SIMS measurement. FIG. 7 is a graph in which the hole mobility for Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 is plotted against YL / BE.

表1および図5〜7に示す結果から、V/III比が小さくなるほどAlGaN層(第2結晶層114)内の炭素濃度が増加し、YL/BE比が大きくなることがわかる。また、YL/BE比が0.1に至るまではホール移動度が徐々に低下し、0.1を超えると急激にホール移動度が小さくなることがわかる。つまり、YL/BE比が0.1を境にホール移動度が臨界的に変化し、YL/BE比が0.1以上でホール移動度が急激に悪化する。   From the results shown in Table 1 and FIGS. 5 to 7, it can be seen that as the V / III ratio decreases, the carbon concentration in the AlGaN layer (second crystal layer 114) increases and the YL / BE ratio increases. It can also be seen that the hole mobility gradually decreases until the YL / BE ratio reaches 0.1, and when it exceeds 0.1, the hole mobility decreases rapidly. That is, the hole mobility changes critically when the YL / BE ratio is 0.1, and the hole mobility rapidly deteriorates when the YL / BE ratio is 0.1 or more.

以上の結果から、上記検査方法を用いて半導体基板を検査し、比率IYL1/IBE1(YL/BE比)が所定の値(たとえば0.1)を超えたことを以て検査対象の半導体基板を不良品と判定することができる。 From the above results, the semiconductor substrate is inspected by using the above inspection method, and the inspection target semiconductor substrate is determined as the ratio I YL1 / I BE1 (YL / BE ratio) exceeds a predetermined value (for example, 0.1). It can be determined as a defective product.

なお、上記した二通りの検査方法のうち、実施例では一つ目の検査方法の実施例と不良品判定方法を説明したが、二つ目の検査方法を用いて不用品判定を行うことも可能である。たとえば、二つ目の検査方法を用いて半導体基板を検査し、比率IYL1/IBE1および比率IYL2/IBE2から選択された1以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の半導体基板を不良品と判定することができる。 Of the two inspection methods described above, the embodiment has described the embodiment of the first inspection method and the defective product determination method. However, the second inspection method may also be used to determine the defective product. Is possible. For example, when a semiconductor substrate is inspected using the second inspection method and one or more ratios selected from the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 / I BE2 exceed a predetermined value, the inspection target This semiconductor substrate can be determined as a defective product.

図8〜図10は、それぞれ、実施例1、実施例2および比較例1のYL/BE比およびPL発光スペクトルを示す図である。図8〜10の各図において、上部には、基板中心から外周方向に測定位置を変えた場合の各測定位置におけるYL/BE比、すなわちYL/BE比の面内分布を示す。「△」印のプロットはHe−Cdレーザ光(波長325nm)を励起光に用いた場合、「◆」印のプロットはYAGレーザ4倍波光(波長266nm)を励起光に用いた場合である。図8〜10の各図下部に示すPL発光スペクトルにおいては、He−Cdレーザ光(波長325nm)による発光スペクトルとYAGレーザ4倍波光(波長266nm)による発光スペクトルを同時に示す。   8 to 10 are diagrams showing YL / BE ratios and PL emission spectra of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, respectively. 8 to 10, the upper portion shows the YL / BE ratio at each measurement position when the measurement position is changed from the substrate center to the outer peripheral direction, that is, the in-plane distribution of the YL / BE ratio. The plots marked with “Δ” are when He—Cd laser light (wavelength 325 nm) is used as excitation light, and the plots with “♦” are those when YAG laser quadruple wave light (wavelength 266 nm) is used as excitation light. In the PL emission spectrum shown in the lower part of each of FIGS. 8 to 10, an emission spectrum by He—Cd laser light (wavelength 325 nm) and an emission spectrum by YAG laser quadruple wave light (wavelength 266 nm) are shown simultaneously.

実施例1および実施例2においては、YL/BE比が低く、面内分布もほぼ均一であることがわかる。一方比較例1においては、He−Cdレーザ光を励起光とする場合のYL/BE比は低く、面内分布もほぼ均一であるものの、YAGレーザ4倍波光を励起光とする場合のYL/BE比は値が大きく、面内分布は不均一である。He−Cdレーザ光を励起光とする従来技術においては、比較例1は良品として判定されてしまうものの、本実施例ではYAGレーザ4倍波光を励起光とするので、比較例1は不良品として判定され、検査判定の精度が高くなっていることがわかる。なお、図10の比較例1におけるPL発光スペクトルでは、YAGレーザ4倍波光を励起光とする場合のイエロールミネッセンスのが高エネルギー側にシフトしている(図中C部)。これは、YAGレーザ4倍波光がAlGaN層(第2結晶層114)に吸収され、AlGaN層に由来するイエロールミネッセンスが観測されていることによると推察される。   In Examples 1 and 2, it can be seen that the YL / BE ratio is low and the in-plane distribution is almost uniform. On the other hand, in Comparative Example 1, the YL / BE ratio when the He—Cd laser beam is used as the excitation light is low and the in-plane distribution is substantially uniform, but the YL / BE ratio when the YAG laser quadruple wave light is used as the excitation light. The BE ratio has a large value and the in-plane distribution is not uniform. In the prior art using He—Cd laser light as excitation light, Comparative Example 1 is determined as a non-defective product, but in this example, YAG laser quadruple wave light is used as excitation light, so Comparative Example 1 is considered as a defective product. It is determined that the accuracy of the inspection determination is high. In the PL emission spectrum in Comparative Example 1 of FIG. 10, the yellow luminescence when the YAG laser quadruple wave light is used as the excitation light is shifted to the high energy side (C portion in the figure). This is presumably because the YAG laser quadruple wave light is absorbed by the AlGaN layer (second crystal layer 114), and yellow luminescence derived from the AlGaN layer is observed.

以上説明の通り、本実施の形態の検査方法および品質判定方法によれば、AlGaN層(第2結晶層114)に由来するイエロールミネッセンスが観測され、精度よく検査および品質判定を行うことが可能になる。   As described above, according to the inspection method and quality determination method of the present embodiment, yellow luminescence derived from the AlGaN layer (second crystal layer 114) is observed, and it is possible to perform inspection and quality determination with high accuracy. Become.

以上、発明を半導体基板の検査方法あるいは品質判定方法として説明したが、発明は、半導体基板として把握することも可能である。すなわち、本件発明を、ベース基板102、第1結晶層112および第2結晶層114を有し、ベース基板102、第1結晶層112および第2結晶層114が、ベース基板102、第1結晶層112、第2結晶層114の順に位置し、第2結晶層114が、第1結晶層112に接するとともに第1結晶層112に対し格子整合または擬格子整合し、第2結晶層114を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、第1結晶層112を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きく、第1結晶層112の第1波長(但し、第1波長は180nm〜300nmの範囲内にある。)における光吸収係数αと、第2結晶層114の第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲である、半導体基板であって、半導体基板に、第2結晶層114の側から第1波長の第1励起光を照射し、第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定し、第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算した場合に、比率IYL1/IBE1が0.1となる半導体基板として把握することが可能である。 Although the invention has been described as a semiconductor substrate inspection method or quality determination method, the invention can also be grasped as a semiconductor substrate. That is, the present invention includes the base substrate 102, the first crystal layer 112, and the second crystal layer 114, and the base substrate 102, the first crystal layer 112, and the second crystal layer 114 are formed of the base substrate 102, the first crystal layer 114, and the first crystal layer. 112 and the second crystal layer 114 are arranged in this order, and the second crystal layer 114 is in contact with the first crystal layer 112 and lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the first crystal layer 112 to form the second crystal layer 114. The bandwidth energy E g2 of the crystal is larger than the bandwidth energy E g1 of the crystal constituting the first crystal layer 112, and the first wavelength of the first crystal layer 112 (however, the first wavelength is in the range of 180 nm to 300 nm). The ratio α 2 / α 1 of the light absorption coefficient α 1 of the second crystal layer 114 and the light absorption coefficient α 2 of the second crystal layer 114 at the first wavelength is in the range of 0.5 to 1.0. So The semiconductor substrate is irradiated with the first excitation light having the first wavelength from the second crystal layer 114 side, the photoluminescence due to the first excitation light is measured as the first observation light, and the band edge included in the first observation light is measured. when the peak intensity I BE1 emitting bE, and calculating the ratio I YL1 / I BE1 between the peak intensity I YL1 emitting YL appearing from the peak wavelength lambda bE band edge emission bE to the long wavelength side, the ratio I YL1 / It can be grasped as a semiconductor substrate in which I BE1 is 0.1.

100…半導体基板、102…ベース基板、104…反応抑制層、106…バッファ層、106a…第1層、106b…第2層、106c…二層積層、108…デバイス形成層、112…第1結晶層、114…第2結晶層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Semiconductor substrate, 102 ... Base substrate, 104 ... Reaction suppression layer, 106 ... Buffer layer, 106a ... First layer, 106b ... Second layer, 106c ... Two-layer lamination, 108 ... Device formation layer, 112 ... First crystal Layer, 114 ... second crystal layer.

Claims (10)

ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、
前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、
前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きい、半導体基板の検査方法であって、
前記第2結晶層の側から第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定する段階と、
前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算する段階と、
前記比率IYL1/IBE1を検査値とする段階と、を有し、
前記第1結晶層の前記第1波長における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲である
半導体基板の検査方法。
A base substrate, a first crystal layer and a second crystal layer;
The base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are positioned in the order of the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer,
The second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer;
A method for inspecting a semiconductor substrate, wherein a bandwidth energy E g2 of a crystal constituting the second crystal layer is larger than a bandwidth energy E g1 of a crystal constituting the first crystal layer,
Irradiating a first excitation light having a first wavelength from the second crystal layer side, and measuring photoluminescence by the first excitation light as a first observation light;
The ratio I YL1 / I between the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE included in the first observation light and the peak intensity I YL1 of the emission YL that appears on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE. Calculating BE1 ;
And using the ratio I YL1 / I BE1 as an inspection value,
Wherein the light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystal layer, the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer is 0.5 to 1. A method for inspecting a semiconductor substrate that is in a range of 0.
ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、
前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、
前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きい、半導体基板の検査方法であって、
前記第2結晶層の側から第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定する段階と、
前記第2結晶層の側から前記第1波長より波長が長い第2波長の第2励起光を照射し、前記第2励起光によるフォトルミネッセンスを第2観測光として測定する段階と、
前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算する段階と、
前記第2観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE2と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL2との比率IYL2/IBE2を計算する段階と、
前記比率IYL1/IBE1および前記比率IYL2/IBE2から選択された1以上の値または当該1以上の値から計算された値を検査値とする段階と、を有し、
前記第1結晶層の前記第1波長における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、前記第1結晶層の前記第2波長における光吸収係数βと、前記第2結晶層の前記第2波長における光吸収係数βとの比β/βより大きい
半導体基板の検査方法。
A base substrate, a first crystal layer and a second crystal layer;
The base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are positioned in the order of the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer,
The second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer;
A method for inspecting a semiconductor substrate, wherein a bandwidth energy E g2 of a crystal constituting the second crystal layer is larger than a bandwidth energy E g1 of a crystal constituting the first crystal layer,
Irradiating a first excitation light having a first wavelength from the second crystal layer side, and measuring photoluminescence by the first excitation light as a first observation light;
Irradiating a second excitation light having a second wavelength longer than the first wavelength from the second crystal layer side, and measuring photoluminescence by the second excitation light as a second observation light;
The ratio I YL1 / I between the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE included in the first observation light and the peak intensity I YL1 of the emission YL that appears on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE. Calculating BE1 ;
The ratio I YL2 / I between the peak intensity I BE2 of the band edge emission BE included in the second observation light and the peak intensity I YL2 of the emission YL that appears on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE. Calculating BE2 ;
Using one or more values selected from the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 / I BE2 or a value calculated from the one or more values as a test value,
The light absorption coefficient alpha 1 in the first wavelength of the first crystal layer, the ratio alpha 2 / alpha 1 of the light absorption coefficient alpha 2 in the first wavelength of the second crystal layer, of the first crystalline layer A method for inspecting a semiconductor substrate, wherein the ratio of the light absorption coefficient β 1 at the second wavelength and the light absorption coefficient β 2 at the second wavelength of the second crystal layer is greater than β 2 / β 1 .
前記第1結晶層が、AlGa1−xN(0≦x<1)層であり、
前記第2結晶層が、AlGa1−yN(0<y≦1、x<y)層である
請求項1または請求項2に記載の半導体基板の検査方法。
The first crystal layer is an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) layer;
The method for inspecting a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second crystal layer is an Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1, x <y) layer.
前記第1結晶層が、GaN層であり、
前記第2結晶層が、AlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層である
請求項3に記載の半導体基板の検査方法。
The first crystal layer is a GaN layer;
The semiconductor substrate inspection method according to claim 3, wherein the second crystal layer is an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer.
前記第1波長が、180〜300nmの範囲内にある
請求項4に記載の半導体基板の検査方法。
The semiconductor substrate inspection method according to claim 4, wherein the first wavelength is in a range of 180 to 300 nm.
請求項1〜請求項5に記載の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、
前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、
前記比率IYL1/IBE1が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、
を有する半導体基板の品質判定方法。
A method for determining the quality of a semiconductor substrate using the inspection method according to claim 1,
Inspecting the semiconductor substrate using the inspection method;
When the ratio I YL1 / I BE1 exceeds a predetermined value, determining the semiconductor substrate to be inspected as a defective product;
A method for determining the quality of a semiconductor substrate comprising:
前記第1結晶層が、GaN層であり、
前記第2結晶層が、AlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層であり
前記第1波長が、180〜300nmの範囲内にあり、
所定の値が0.1である
請求項6に記載の半導体基板の品質判定方法。
The first crystal layer is a GaN layer;
The second crystal layer is an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer, and the first wavelength is in a range of 180 to 300 nm,
The semiconductor substrate quality determination method according to claim 6, wherein the predetermined value is 0.1.
請求項2〜請求項5に記載の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、
前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、
前記比率IYL1/IBE1および前記比率IYL2/IBE2から選択された1以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、
を有する半導体基板の品質判定方法。
A method for determining the quality of a semiconductor substrate using the inspection method according to claim 2,
Inspecting the semiconductor substrate using the inspection method;
Determining the semiconductor substrate to be inspected as a defective product when one or more ratios selected from the ratio I YL1 / I BE1 and the ratio I YL2 / I BE2 exceed a predetermined value;
A method for determining the quality of a semiconductor substrate comprising:
前記第1結晶層が、GaN層であり、
前記第2結晶層が、AlGa1−yN(0.1<y≦0.3)層であり
前記第1波長が、180〜300nmの範囲内にあり、
前記第2波長が、300nmを超え、
所定の値が0.1である
請求項8に記載の半導体基板の品質判定方法。
The first crystal layer is a GaN layer;
The second crystal layer is an Al y Ga 1-y N (0.1 <y ≦ 0.3) layer, and the first wavelength is in a range of 180 to 300 nm,
The second wavelength exceeds 300 nm;
The semiconductor substrate quality determination method according to claim 8, wherein the predetermined value is 0.1.
ベース基板、第1結晶層および第2結晶層を有し、
前記ベース基板、前記第1結晶層および前記第2結晶層が、前記ベース基板、前記第1結晶層、前記第2結晶層の順に位置し、
前記第2結晶層が、前記第1結晶層に接するとともに前記第1結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
前記第2結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg2が、前記第1結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーEg1より大きく、
前記第1結晶層の第1波長(但し、第1波長は180〜300nmの範囲内にある。)における光吸収係数αと、前記第2結晶層の前記第1波長における光吸収係数αとの比α/αが、0.5〜1.0の範囲である、半導体基板であって、
前記半導体基板に、前記第2結晶層の側から前記第1波長の第1励起光を照射し、前記第1励起光によるフォトルミネッセンスを第1観測光として測定し、
前記第1観測光に含まれるバンド端発光BEのピーク強度IBE1と、前記バンド端発光BEのピーク波長λBEより長波長側に出現する発光YLのピーク強度IYL1との比率IYL1/IBE1を計算した場合に、
前記比率IYL1/IBE1が0.1となる
半導体基板。
A base substrate, a first crystal layer and a second crystal layer;
The base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer are positioned in the order of the base substrate, the first crystal layer, and the second crystal layer,
The second crystal layer is in contact with the first crystal layer and lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer;
The bandwidth energy E g2 of the crystal constituting the second crystal layer is larger than the bandwidth energy E g1 of the crystal constituting the first crystal layer,
Wherein the first wavelength of the first crystal layer (where the first wavelength is in the range of 180 to 300 nm.) And the light absorption coefficient alpha 1 in the optical absorption coefficient at the first wavelength of the second crystal layer alpha 2 The ratio α 2 / α 1 to the semiconductor substrate is in the range of 0.5 to 1.0,
Irradiating the semiconductor substrate with first excitation light of the first wavelength from the second crystal layer side, and measuring photoluminescence by the first excitation light as first observation light;
The ratio I YL1 / I between the peak intensity I BE1 of the band edge emission BE included in the first observation light and the peak intensity I YL1 of the emission YL that appears on the longer wavelength side than the peak wavelength λ BE of the band edge emission BE. When BE1 is calculated,
A semiconductor substrate in which the ratio I YL1 / I BE1 is 0.1.
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