JP2020070196A - Method for growing nitride semiconductor layer - Google Patents

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Masanobu Hiroki
正伸 廣木
熊倉 一英
Kazuhide Kumakura
一英 熊倉
牧本 俊樹
Toshiki Makimoto
俊樹 牧本
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Abstract

To grow a nitride semiconductor layer having higher crystal quality on a heterogeneous substrate.SOLUTION: A method for growing a nitride semiconductor layer comprises: the first step S101 of crystal-growing a buffer layer consisting of a nitride semiconductor on a substrate (a heterogeneous substrate) formed of a crystal different from the nitride semiconductor; and a second step S102 of epitaxially growing a semiconductor layer consisting of a nitride semiconductor on the buffer layer. In the first step S101, the buffer layer is crystal-grown in a thickness without depositing the group III element of the nitride semiconductor constituting the buffer layer on the growth surface of the buffer layer in the temperature conditions of decomposing the nitride semiconductor constituting the buffer layer. In the second step, the semiconductor layer is epitaxially grown in the temperature conditions of decomposing the nitride semiconductor constituting the semiconductor layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、サファイアなどの窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなる半導体層を成長する窒化物半導体層の成長方法に関する。   The present invention relates to a method for growing a nitride semiconductor layer, in which a semiconductor layer made of a nitride semiconductor is grown on a substrate made of a crystal different from a nitride semiconductor such as sapphire.

従来では、InNなどの窒化物半導体は、青色や短波長領域の発光ダイオードなどの半導体材料として幅広く使われている。窒化物半導体は、有機金属気相成長(MOVPE)法や分子線エピタキシ(MBE)法などを用いて成長されているが、成長基板として、窒化物半導体ではないサファイア基板、Si基板、SiC基板などの異種基板が用いられることが多い。   Conventionally, nitride semiconductors such as InN have been widely used as semiconductor materials for light emitting diodes in the blue and short wavelength regions. Nitride semiconductors are grown using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, molecular beam epitaxy (MBE) method, etc., but sapphire substrate, Si substrate, SiC substrate, etc. which are not nitride semiconductors are used as growth substrates. Different types of substrates are often used.

ここで、これらの異種基板上へ、InNなどの窒化物半導体を直接成長させると、良好な窒化物半導体層が得られないことが知られている。このため、結晶品質の高い窒化物半導体層を成長するために、様々な技術が開発されている。例えば、厚さ30nm程度のInNバッファー層を、成長温度300℃の低温で成長し、この低温成長InN層の上に、金属Inが析出しない範囲の成長温度550℃程度の高温でInN層を成長する方法(二段階成長法)がある(非特許文献1参照)。この2段階成長法により、図9に示すように、c面サファイア基板201の上に、低温で成長したInNバッファー層202を介して高温で成長したInN層203が形成される。   Here, it is known that if a nitride semiconductor such as InN is directly grown on these different substrates, a good nitride semiconductor layer cannot be obtained. Therefore, various techniques have been developed to grow a nitride semiconductor layer having high crystal quality. For example, an InN buffer layer having a thickness of about 30 nm is grown at a low growth temperature of 300 ° C., and an InN layer is grown on the low-temperature grown InN layer at a high growth temperature of about 550 ° C. in a range where metal In is not deposited. There is a method (two-step growth method) (see Non-Patent Document 1). By this two-step growth method, as shown in FIG. 9, the InN layer 203 grown at high temperature is formed on the c-plane sapphire substrate 201 via the InN buffer layer 202 grown at low temperature.

ただし、サファイア基板201上に300℃で成長したInNバッファー層202は、平坦であるが、成長温度が低いので、十分な結晶品質を得ることができないと報告されている。一方で、InNは、成長温度条件が550℃以上で分解するので、550℃以上の成長温度でInN薄膜を成長した場合には、成長表面に金属Inが析出する。従って、層厚の厚いInN層を得るためには、金属Inが析出しない温度範囲で、できるだけ高温でInN層を成長することが望ましいとされている(非特許文献1参照)。   However, it is reported that the InN buffer layer 202 grown on the sapphire substrate 201 at 300 ° C. is flat, but the growth temperature is low, so that sufficient crystal quality cannot be obtained. On the other hand, InN decomposes at a growth temperature condition of 550 ° C. or higher. Therefore, when an InN thin film is grown at a growth temperature of 550 ° C. or higher, metal In is deposited on the growth surface. Therefore, in order to obtain a thick InN layer, it is desirable to grow the InN layer at a temperature as high as possible within a temperature range where metal In is not precipitated (see Non-Patent Document 1).

また、上述した技術では、低温バッファー層は平坦であるが、結晶性が十分でないので、比較的高い温度で成長したInN層をバッファー層として用いる報告例もある(非特許文献2参照)。この報告によれば、図10に示すように、c面サファイア基板301の上に、成長温度520℃という比較的高温でInNバッファー層302を成長し、この後、前述した二段階成長法を用い、比較的低温で成長したInNバッファー層303を形成し、この上に、約400nmのInN層304を成長している。   Further, in the above-mentioned technique, although the low-temperature buffer layer is flat, the crystallinity is not sufficient, and there is a report example in which the InN layer grown at a relatively high temperature is used as the buffer layer (see Non-Patent Document 2). According to this report, as shown in FIG. 10, an InN buffer layer 302 is grown on a c-plane sapphire substrate 301 at a relatively high growth temperature of 520 ° C., and then the two-step growth method described above is used. An InN buffer layer 303 grown at a relatively low temperature is formed, and an InN layer 304 having a thickness of about 400 nm is grown on the InN buffer layer 303.

520℃という比較的高温で成長したInNバッファー層302の厚さは、約10nmである。また、約400nmの厚さの厚いInN層304の成長温度は550℃であるので、c面サファイア基板301の上に成長したInNバッファー層302の成長温度よりも高い。なお、c面サファイア基板301上に成長したInNバッファー層302の成長温度は、InNが分解する温度より低く、成長表面に金属Inが析出しない成長温度の範囲内である。   The InN buffer layer 302 grown at a relatively high temperature of 520 ° C. has a thickness of about 10 nm. The growth temperature of the thick InN layer 304 having a thickness of about 400 nm is 550 ° C., which is higher than the growth temperature of the InN buffer layer 302 grown on the c-plane sapphire substrate 301. The growth temperature of the InN buffer layer 302 grown on the c-plane sapphire substrate 301 is lower than the temperature at which InN decomposes, and is within the growth temperature at which metal In does not precipitate on the growth surface.

名西 他、「InNおよびInGaNの結晶成長と構造および特性の評価」、応用物理、第72巻、第5号、565−571頁、2003年。Meisai et al., “InN and InGaN crystal growth and evaluation of structure and properties”, Applied Physics, Vol. 72, No. 5, pp. 565-571, 2003. 山口 智広 他、「高温InNバッファ層導入による高品質InN膜の実現」、日本結晶成長学会誌、30巻、3号、95頁、2003年。Tomohiro Yamaguchi et al., “Realization of High Quality InN Film by Introducing High Temperature InN Buffer Layer”, Journal of Japan Society for Crystal Growth, Volume 30, No. 3, p. 95, 2003.

前述したように、従来の技術では、非特許文献2の方法であっても、バッファー層の成長温度が、高い結晶性が得られる温度より低い。このため、従来の技術では、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層を成長することができないという問題があった。   As described above, in the conventional technique, the growth temperature of the buffer layer is lower than the temperature at which high crystallinity is obtained even by the method of Non-Patent Document 2. Therefore, the conventional technique has a problem that a nitride semiconductor layer having higher crystal quality cannot be grown on a heterogeneous substrate.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to allow a nitride semiconductor layer having higher crystal quality to grow on a heterogeneous substrate.

本発明に係る窒化物半導体層の成長方法は、窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する第1工程と、バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する第2工程とを備え、第1工程では、バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、バッファー層を構成する窒化物半導体のIII族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長し、第2工程では、半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で半導体層をエピタキシャル成長する。   The method for growing a nitride semiconductor layer according to the present invention comprises a first step of crystal-growing a buffer layer made of a nitride semiconductor on a substrate made of a crystal different from that of the nitride semiconductor, and a nitriding step on the buffer layer. A second step of epitaxially growing a semiconductor layer made of a physical semiconductor, and in the first step, the buffer layer is formed on the growth surface of the buffer layer under temperature conditions in which the nitride semiconductor forming the buffer layer is decomposed. The buffer layer is crystal-grown to a thickness within a range in which the group III element of the nitride semiconductor does not precipitate, and in the second step, the semiconductor layer is epitaxially grown under a temperature condition within a range in which the nitride semiconductor constituting the semiconductor layer is not decomposed.

上記窒化物半導体層の成長方法において、バッファー層は、InNから構成し、第1工程では、温度条件を550℃以上とすればよい。この場合、第1工程では、バッファー層を厚さ30nm以下に成長すればよい。   In the above-described method for growing a nitride semiconductor layer, the buffer layer may be made of InN, and the temperature condition in the first step may be 550 ° C. or higher. In this case, in the first step, the buffer layer may be grown to a thickness of 30 nm or less.

上記窒化物半導体層の成長方法において、基板は、六方晶系の結晶から構成され、基板の表面は、c面とされているとよい。   In the above-described method for growing a nitride semiconductor layer, the substrate may be made of hexagonal crystal, and the surface of the substrate may be c-plane.

上記窒化物半導体層の成長方法において、基板は、サファイア基板であればよい。   In the nitride semiconductor layer growth method, the substrate may be a sapphire substrate.

上記窒化物半導体層の成長方法において、半導体層は、InNから構成されていればよい。   In the method of growing a nitride semiconductor layer, the semiconductor layer may be made of InN.

以上説明したように、本発明によれば、異種基板の上に、窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、窒化物半導体のIII族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長するようにしたので、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the thickness of the group III element of the nitride semiconductor is not deposited on the growth surface of the buffer layer on the heterogeneous substrate under the temperature condition of the range where the nitride semiconductor is decomposed. Since the buffer layer is crystal-grown, the excellent effect that the nitride semiconductor layer having higher crystal quality can be grown on the heterogeneous substrate is obtained.

図1は、本発明の実施の形態おける窒化物半導体層の成長方法について説明するフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施の形態における窒化物半導体層の成長方法により形成された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a layer structure of a nitride semiconductor layer formed by the method for growing a nitride semiconductor layer according to the embodiment. 図3は、実施例で作製した厚さ200nmのInN層の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。FIG. 3 is a photograph showing a result of observing the surface of the InN layer having a thickness of 200 nm manufactured in the example with a scanning electron microscope. 図4は、実施例で作製した各条件のInN層に対して、X線回折のωスキャンスペクトルを測定した。これらのωスキャンスペクトルにおけるInN層のピークの半値幅と成長温度との関係を示す特性図である。In FIG. 4, the ω scan spectrum of X-ray diffraction was measured for the InN layer under each condition manufactured in the example. It is a characteristic view which shows the relationship between the half value width of the peak of InN layer in these (omega) scan spectra, and growth temperature. 図5は、実施例で作製した本発明における半導体層と、成長温度600℃で、c面サファイア基板の上に直接成長したInN層(比較例)との、X線回折スペクトル(2θ−ωスキャン)の比較を示す特性図である。FIG. 5 shows an X-ray diffraction spectrum (2θ-ω scan) of the semiconductor layer of the present invention manufactured in the example and the InN layer (comparative example) directly grown on the c-plane sapphire substrate at the growth temperature of 600 ° C. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a comparison of FIG. 図6は、600℃の高温で成長したInNバッファー層の厚さと、InNによる半導体層の電子濃度との関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the InN buffer layer grown at a high temperature of 600 ° C. and the electron concentration of the semiconductor layer made of InN. 図7は、600℃の高温で成長したInNバッファー層の厚さと、InNによる半導体層における電子の移動度との関係を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the InN buffer layer grown at a high temperature of 600 ° C. and the mobility of electrons in the semiconductor layer made of InN. 図8は、高温InNバッファー層の成長温度と、この上に成長したInN層における電子の移動度との関係を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the growth temperature of the high-temperature InN buffer layer and the mobility of electrons in the InN layer grown thereon. 図9は、2段階成長法により形成された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the layer structure of the nitride semiconductor layer formed by the two-step growth method. 図10は、非特許文献2に報告された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the layer structure of the nitride semiconductor layer reported in Non-Patent Document 2.

以下、本発明の実施の形態おける窒化物半導体層の成長方法について図1を参照して説明する。   Hereinafter, a method for growing a nitride semiconductor layer according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、第1工程S101で、窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板(異種基板)の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する。基板は、例えば、サファイア基板など六方晶系の結晶から構成され、表面(成長面)がc面とされていればよい。第1工程S101では、バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、バッファー層を構成する窒化物半導体のIII族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長する。例えば、バッファー層は、InNから構成し、第1工程では、温度条件を550℃以上とすればよい。また、バッファー層は、厚さ30nm以下に成長すればよい。   First, in a first step S101, a buffer layer made of a nitride semiconductor is crystal-grown on a substrate (heterogeneous substrate) made of a crystal different from the nitride semiconductor. The substrate may be made of, for example, a hexagonal crystal such as a sapphire substrate, and the surface (growth surface) may be the c-plane. In the first step S101, under a temperature condition in a range in which the nitride semiconductor forming the buffer layer is decomposed, a thickness within a range in which the group III element of the nitride semiconductor forming the buffer layer is not deposited on the growth surface of the buffer layer. Crystal growth of the buffer layer. For example, the buffer layer may be made of InN, and the temperature condition may be 550 ° C. or higher in the first step. The buffer layer may be grown to a thickness of 30 nm or less.

次に、第2工程S102で、バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する。第2工程では、半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で半導体層をエピタキシャル成長する。例えば、半導体層をInNから構成する場合、第2工程では、550℃未満の成長温度条件とすることができる。実施の形態における窒化物半導体層の成長方法によれば、異種基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を、より高い結晶品質で成長できる高温で形成して高い結晶品質が得られているので、あまり高い成長温度とすることなく、高い結晶品質が維持された状態で、半導体層をエピタキシャル成長することができる。   Next, in a second step S102, a semiconductor layer made of a nitride semiconductor is epitaxially grown on the buffer layer. In the second step, the semiconductor layer is epitaxially grown under a temperature condition in which the nitride semiconductor forming the semiconductor layer is not decomposed. For example, when the semiconductor layer is composed of InN, the growth temperature condition of less than 550 ° C. can be used in the second step. According to the method for growing a nitride semiconductor layer in the embodiment, a high crystal quality is obtained by forming a buffer layer made of a nitride semiconductor on a heterogeneous substrate at a high temperature capable of growing with a higher crystal quality. The semiconductor layer can be epitaxially grown in a state in which high crystal quality is maintained without using a too high growth temperature.

以上に説明した実施の形態における窒化物半導体層の成長方法により、図2に示すように、サファイアなどによる異種基板101の上に、窒化物半導体からなるバッファー層102が結晶成長され、バッファー層102の上に、窒化物半導体からなる半導体層103がエピタキシャル成長した状態が得られる。   By the method for growing a nitride semiconductor layer in the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the buffer layer 102 made of a nitride semiconductor is crystal-grown on the heterogeneous substrate 101 made of sapphire or the like, and the buffer layer 102 is formed. A state in which the semiconductor layer 103 made of a nitride semiconductor is epitaxially grown thereon is obtained.

従来の二段階成長法では、低温において成長した薄い窒化物半導体のバッファー層の上に、より高温で窒化物半導体層を成長することで、バッファー層に高温の熱処理が加わる状態とし、引き続き成長する窒化物半導体薄膜のための高い結晶品質の成長表面を形成する。このように、高温で窒化物半導体層を成長することによって得られる高い結晶品質の成長表面をもとにして窒化物半導体層成長することで、窒化物半導体層の結晶性を向上させている。   In the conventional two-step growth method, a nitride semiconductor layer is grown at a higher temperature on a thin nitride semiconductor buffer layer grown at a low temperature, so that a high-temperature heat treatment is applied to the buffer layer and the growth is continued. Forming a high crystalline quality growth surface for nitride semiconductor thin films. Thus, the crystallinity of the nitride semiconductor layer is improved by growing the nitride semiconductor layer on the basis of the growth surface of high crystal quality obtained by growing the nitride semiconductor layer at a high temperature.

これに対して、本発明では、高温で薄く窒化物半導体を結晶成長させてバッファー層を形成することで、バッファー層の表面(成長表面)を高い結晶品質に形成する。   On the other hand, in the present invention, the surface of the buffer layer (growth surface) is formed with high crystal quality by thinly crystallizing the nitride semiconductor at high temperature to form the buffer layer.

ここで、例えば、InNは550℃以上で分解するので、InNをバッファー層として高温で厚く形成すると、成長表面に金属Inが析出するとともに、島状成長が起こるので、表面の平坦性は劣化する。このため、従来の技術では、InNが分解しない550℃未満の温度でInNによるバッファー層の成長が行われてきた。   Here, for example, InN decomposes at 550 ° C. or higher, and therefore when InN is formed to be thick as a buffer layer at a high temperature, metal In is precipitated on the growth surface and island-like growth occurs, so that the flatness of the surface deteriorates. .. Therefore, in the conventional technique, the buffer layer was grown with InN at a temperature below 550 ° C. at which InN was not decomposed.

しかしながら、異種基板の上であっても、550℃以上で成長したInN層(バッファー層)においては、後述するように、X線回折のωスキャンスペクトルの半値幅は極めて狭くなる。このことは、分解が始まる550℃以上の高温で成長したInN層自体の結晶配向性が大幅に向上することを示している。   However, even on a heterogeneous substrate, in the InN layer (buffer layer) grown at 550 ° C. or higher, the full width at half maximum of the ω scan spectrum of X-ray diffraction becomes extremely narrow, as described later. This indicates that the crystal orientation of the InN layer itself grown at a high temperature of 550 ° C. or higher at which decomposition starts is significantly improved.

また、本発明では、高温で成長するInN層(バッファー層)の厚さを30nm以下と薄くするこことで、成長表面における金属Inの析出を抑制している。   Further, in the present invention, the thickness of the InN layer (buffer layer) grown at a high temperature is reduced to 30 nm or less to suppress the precipitation of metal In on the growth surface.

これらの結果、本発明によれば、異種基板の上に形成したバッファー層の上に、窒化物半導体による厚い半導体層を、高い結晶品質でエピタキシャル成長することができる。   As a result, according to the present invention, a thick semiconductor layer made of a nitride semiconductor can be epitaxially grown with high crystal quality on the buffer layer formed on the different type substrate.

[実施例]
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。まず、プラズマMBE法を用い、c面サファイア基板上にInN層を直接成長した。InN層の成長においては、InセルからInの分子線を加熱した基板表面に照射するとともに、プラズマで活性化した窒素ガスを基板表面に供給した。窒素ガスの流量は2sccmとし、プラズマパワーは500Wとした。また、InN層の厚さを200nmと固定して、成長温度を、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃変化させ、これらの成長温度毎にInN層を直接成長した。なお、sccmは流量の単位であり、0℃・1013hPaの流体が1分間に1cm3流れることを示す。
[Example]
Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example. First, an InN layer was directly grown on a c-plane sapphire substrate using the plasma MBE method. In the growth of the InN layer, a heated In substrate was irradiated with an In molecular beam from the In cell, and nitrogen gas activated by plasma was supplied to the substrate surface. The flow rate of nitrogen gas was 2 sccm and the plasma power was 500 W. Further, the thickness of the InN layer was fixed to 200 nm, the growth temperature was changed to 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., 600 ° C., and the InN layer was directly grown at each of these growth temperatures. Note that sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows by 1 cm 3 per minute.

これらのInN層の表面の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を図3に示す。成長した層の厚さを200nmと厚く形成しているため、温度条件によっては、InN層の成長表面は、平坦性が悪化して凹凸が形成されている。成長温度が高くなるとともに、凹凸が大きくなり、表面の平坦性が劣化する。   Scanning electron microscope images (SEM images) of the surfaces of these InN layers are shown in FIG. Since the thickness of the grown layer is as thick as 200 nm, the flatness is deteriorated and unevenness is formed on the growth surface of the InN layer depending on the temperature conditions. As the growth temperature increases, the unevenness increases and the surface flatness deteriorates.

また、各条件のInN層に対して、X線回折のωスキャンスペクトルを測定した。これらのωスキャンスペクトルにおけるInN層のピークの半値幅と成長温度との関係を図4に示す。成長温度が高くなるとともに、半値幅が急激に減少する。特に、成長温度600℃の条件では、半値幅が極めて狭い。また、成長温度600℃の条件では、結晶の径が大きいので、この上に形成する窒化物半導体の層の結晶核として利用できると考えられる。   Further, the ω scan spectrum of X-ray diffraction was measured for the InN layer under each condition. FIG. 4 shows the relationship between the half-value width of the peak of the InN layer in these ω scan spectra and the growth temperature. The half-width decreases sharply as the growth temperature rises. In particular, under the condition of the growth temperature of 600 ° C., the full width at half maximum is extremely narrow. Further, under the condition of the growth temperature of 600 ° C., since the diameter of the crystal is large, it is considered that it can be used as the crystal nucleus of the layer of the nitride semiconductor formed thereon.

以上のことを踏まえて、600℃の高温で成長した厚さの薄いInNによるバッファー層を用い、この上に、成長温度300℃でInNからなる半導体層を、厚さ200nmにエピタキシャル成長した。このようにして形成(エピタキシャル成長)したInNからなる半導体層と、成長温度600℃で、c面サファイア基板の上に直接成長したInN層(比較例)との、X線回折スペクトル(2θ−ωスキャン)の比較を図5示す。なお、バッファー層は、厚さ30nmとした。   Based on the above, a thin buffer layer made of InN grown at a high temperature of 600 ° C. was used, and a semiconductor layer made of InN was epitaxially grown thereon at a growth temperature of 300 ° C. to a thickness of 200 nm. An X-ray diffraction spectrum (2θ−ω scan) of the semiconductor layer made of InN thus formed (epitaxial growth) and the InN layer (comparative example) directly grown on the c-plane sapphire substrate at a growth temperature of 600 ° C. 5) is shown in FIG. The buffer layer had a thickness of 30 nm.

前述したように、InNの分解温度を超える600℃でInNを厚く成長すると、成長したInNの表面の平坦性が劣化する。このため、600℃と高温で成長したInNバッファー層の厚さ30nmとは、InNバッファー層の表面の平坦性が劣化しない成長温度で成長した場合の範囲の厚さを示している。   As described above, when InN is grown thick at 600 ° C. which exceeds the decomposition temperature of InN, the flatness of the surface of the grown InN deteriorates. Therefore, the thickness 30 nm of the InN buffer layer grown at 600 ° C. and high temperature indicates the thickness in the range when grown at the growth temperature at which the flatness of the surface of the InN buffer layer is not deteriorated.

従来の報告例と同様に、成長温度600℃でc面サファイア基板の上に直接成長した比較例のInN層では、図5の(b)に示すように、金属Inの析出によるピークが観測された。これに対し、本発明によるInNからなる半導体層は、図5の(a)に示すように、金属Inの析出は観測されなかった。この理由としては、600℃で成長するInNバッファー層の厚さを30nmまで薄くしていることが考えられる。このため、本発明において、高温で成長するInNからなるバッファー層の厚さは、30nm以下であることが望ましい。   Similar to the conventional report example, in the InN layer of the comparative example directly grown on the c-plane sapphire substrate at the growth temperature of 600 ° C., a peak due to the precipitation of metal In was observed as shown in FIG. 5B. It was On the other hand, in the semiconductor layer made of InN according to the present invention, precipitation of metal In was not observed, as shown in FIG. The reason may be that the thickness of the InN buffer layer grown at 600 ° C. is reduced to 30 nm. Therefore, in the present invention, the thickness of the buffer layer made of InN that grows at a high temperature is preferably 30 nm or less.

次に、実施の形態におけるInNからなる半導体層、および比較例のInN層の各々に、蒸着法などによりAl/Au電極を形成し、この電極を用いてvan der Pauw法を用いたホール効果測定を行った。実施の形態におけるInNからなる半導体層においては、この下に形成しているバッファー層の層厚が異なる複数のサンプルについて、測定を実施している。なお、実施の形態におけるInNからなる半導体層および、比較例のInN層のいずれも、n型伝導を示した。   Next, an Al / Au electrode is formed on each of the InN semiconductor layer of the embodiment and the InN layer of the comparative example by a vapor deposition method or the like, and the Hall effect measurement is performed by using the van der Pauw method. I went. In the semiconductor layer made of InN according to the embodiment, the measurement is performed on a plurality of samples having different buffer layer thicknesses formed thereunder. Note that both the semiconductor layer made of InN in the embodiment and the InN layer in the comparative example exhibited n-type conduction.

図6に、600℃の高温で成長したInNバッファー層の厚さと、InNによる半導体層の電子濃度との関係を示す。高温バッファー層を用いずに、c面サファイア基板上にInN層を直接成長した比較例の電子濃度は、バッファー層の厚さを0nmとしてプロットしている。図6に示すように、バッファー層の有無にかかわらず、電子濃度はほぼ一定である。   FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the InN buffer layer grown at a high temperature of 600 ° C. and the electron concentration of the semiconductor layer of InN. The electron concentration of the comparative example in which the InN layer was directly grown on the c-plane sapphire substrate without using the high temperature buffer layer is plotted with the thickness of the buffer layer being 0 nm. As shown in FIG. 6, the electron concentration is almost constant regardless of the presence or absence of the buffer layer.

図7に、600℃の高温で成長したInNバッファー層の厚さと、InNによる半導体層における電子の移動度との関係を示す。高温バッファー層を用いずに、c面サファイア基板上にInN層を直接成長した比較例における電子の移動度は、バッファー層の厚さを0nmとしてプロットしている。本発明の特徴である高温で成長したInNバッファー層を用いることにより、電子の移動度が10倍も増加している。このように、本発明により、InN層の結晶品質を飛躍的に向上させることができる。   FIG. 7 shows the relationship between the thickness of the InN buffer layer grown at a high temperature of 600 ° C. and the electron mobility in the semiconductor layer of InN. The electron mobility in the comparative example in which the InN layer was directly grown on the c-plane sapphire substrate without using the high temperature buffer layer is plotted with the thickness of the buffer layer being 0 nm. By using the InN buffer layer grown at high temperature, which is a feature of the present invention, the electron mobility is increased 10 times. As described above, according to the present invention, the crystal quality of the InN layer can be dramatically improved.

図8に、高温InNバッファー層の成長温度と、この上に成長したInN層における電子の移動度との関係を示す。バッファー層の厚さを30nmとし、InN層の厚さを200nmとし、バッファー層の成長温度を変化させて移動度を測定した。InNからなるバッファー層の成長温度を550℃以上とすることで、この上に形成したInN層においては、高い電子の移動度が得られることがわかる。従って、InNからなるバッファー層の成長温度は、550℃以上であることが望ましい。   FIG. 8 shows the relationship between the growth temperature of the high temperature InN buffer layer and the mobility of electrons in the InN layer grown thereon. The buffer layer had a thickness of 30 nm, the InN layer had a thickness of 200 nm, and the mobility was measured by changing the growth temperature of the buffer layer. By setting the growth temperature of the buffer layer made of InN to 550 ° C. or higher, it can be seen that the InN layer formed thereon has a high electron mobility. Therefore, the growth temperature of the InN buffer layer is preferably 550 ° C. or higher.

なお、上述では、窒化物半導体としてInNを例に説明したが、これに限るものではなく、窒化物半導体は、GaN、AlGaN、InGaNであっても同様の効果が期待できる。ただし、GaN、AlGaN、InGaNを、InNバッファー層に引き続いて成長する場合、各窒化物半導体の成長に適した温度条件とすればよく、半導体層のエピタキシャル成長において、バッファー層の成長温度以上であってもよい。   Although InN has been described as an example of the nitride semiconductor in the above description, the present invention is not limited to this, and similar effects can be expected even if the nitride semiconductor is GaN, AlGaN, or InGaN. However, when GaN, AlGaN, and InGaN are grown subsequently to the InN buffer layer, the temperature condition may be suitable for the growth of each nitride semiconductor, and the growth temperature of the buffer layer is not lower than the growth temperature of the buffer layer in the epitaxial growth of the semiconductor layer. Good.

また、上述した実施例では、窒化物半導体とは異なる異種基板としてc面サファイア基板の例を示したが、a面やm面などのサファイア基板、さらには、Si基板やSiC基板を用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、上述した実施例では、InNからなる半導体層の厚さを200nmとしたが、これに限るものではなく、バッファー層の上に形成する半導体層の層厚は、例えば、200nm以上としてもよいことは言うまでもない。   Further, in the above-described embodiments, the example of the c-plane sapphire substrate is shown as a different type of substrate different from the nitride semiconductor, but when a sapphire substrate such as a-plane or m-plane, or a Si substrate or a SiC substrate is used. However, the same effect can be expected. Further, in the above-described embodiments, the thickness of the semiconductor layer made of InN is set to 200 nm, but the thickness is not limited to this, and the layer thickness of the semiconductor layer formed on the buffer layer may be, for example, 200 nm or more. Needless to say.

以上に説明したように、本発明によれば、異種基板の上に、窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、窒化物半導体のIII族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長するようにしたので、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるようになる。このように、高い結晶品質の窒化物半導体の層が得られるので、この層を利用して作製するデバイスの特性を改善することが期待できる。   As described above, according to the present invention, on a heterogeneous substrate, under a temperature condition of a range in which a nitride semiconductor decomposes, a group III element of the nitride semiconductor is not deposited on the growth surface of the buffer layer. Since the buffer layer is crystal-grown to have a thickness, the nitride semiconductor layer having higher crystal quality can be grown on the heterogeneous substrate. In this way, a nitride semiconductor layer of high crystal quality can be obtained, and it can be expected to improve the characteristics of a device manufactured using this layer.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be implemented by a person having ordinary knowledge in the field within the technical idea of the present invention. That is clear.

101…異種基板、102…バッファー層、103…半導体層。   101 ... Heterogeneous substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... Semiconductor layer.

Claims (6)

窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する第1工程と、
前記バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する第2工程と
を備え、
前記第1工程では、前記バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、前記バッファー層の成長表面に、前記バッファー層を構成する窒化物半導体のIII族元素が析出しない範囲の厚さに前記バッファー層を結晶成長し、
前記第2工程では、前記半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で前記半導体層をエピタキシャル成長する
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
A first step of crystal-growing a buffer layer made of a nitride semiconductor on a substrate made of a crystal different from that of the nitride semiconductor;
A second step of epitaxially growing a semiconductor layer made of a nitride semiconductor on the buffer layer,
In the first step, under a temperature condition in which the nitride semiconductor forming the buffer layer is decomposed, a group III element of the nitride semiconductor forming the buffer layer is not deposited on the growth surface of the buffer layer. Crystal growth of the buffer layer to a thickness,
In the second step, the nitride semiconductor layer growth method is characterized in that the semiconductor layer is epitaxially grown under a temperature condition in a range in which the nitride semiconductor forming the semiconductor layer is not decomposed.
請求項1記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記バッファー層は、InNから構成し、
前記第1工程では、温度条件を550℃以上とする
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
The method for growing a nitride semiconductor layer according to claim 1,
The buffer layer is composed of InN,
In the first step, the method for growing a nitride semiconductor layer is characterized in that the temperature condition is 550 ° C. or higher.
請求項2記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記第1工程では、前記バッファー層を厚さ30nm以下に成長する
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
The method for growing a nitride semiconductor layer according to claim 2,
In the first step, the buffer layer is grown to a thickness of 30 nm or less. A method for growing a nitride semiconductor layer, comprising:
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記基板は、六方晶系の結晶から構成され、前記基板の表面は、c面とされていることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
The method for growing a nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 3,
The method for growing a nitride semiconductor layer, wherein the substrate is composed of hexagonal crystals, and the surface of the substrate is a c-plane.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
The method for growing a nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 4,
The method for growing a nitride semiconductor layer, wherein the substrate is a sapphire substrate.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記半導体層は、InNから構成することを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
The method for growing a nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 5,
The method for growing a nitride semiconductor layer, wherein the semiconductor layer is composed of InN.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
今井尚弘: "高温InNバッファーを用いたInNの二段階成長", 第79回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集, JPN6022013628, 5 September 2018 (2018-09-05), JP, pages 4 - 26, ISSN: 0004753003 *

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