JP2023096845A - Template for producing nitride semiconductor film and method for manufacturing the same - Google Patents

Template for producing nitride semiconductor film and method for manufacturing the same Download PDF

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真一郎 毛利
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Abstract

To provide a template for growing a nitride semiconductor film that grows a six-fold symmetric covalent semiconductor film while maintaining a crystal structure of a substrate.SOLUTION: A template for growing a nitride semiconductor film includes a crystal structure conversion film including (A) Ga1-xInxN (0.15≤x≤0.25) composition at c plane of a ScAlMgO4 (SAM) single crystal substrate, where the crystal structure conversion film (A) is disposed at the plane of the substrate directly or via one or more other layers and mismatch in crystal growth directions at the plane of the substrate is relaxed by the crystal structure conversion film (A).SELECTED DRAWING: None

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (その1) ウェブサイトの掲載日 2021年7月7日 ウェブサイトのアドレス (プログラム) https://t.co/etZkGLFyiO https://t.co/6wXy6ckJHt (講演の概要) https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/subject/13a-N101-2/advanced https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/subject/23p-P07-3/advanced https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/subject/13a-N101-1/advanced (その2) ウェブサイトの掲載日 2021年8月26日 ウェブサイトのアドレス https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/top https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/static/extendedabstracts (その3) 発行日 2021年8月26日 刊行物 第82回応用物理学会秋季学術講演会予稿DVD (その4) 開催日 2021年9月10日から2021年9月23日 集会名、開催場所 第82回応用物理学会秋季学術講演会(オンライン開催)Applied for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act (No. 1) Posting date of website July 7, 2021 Website address (program) https://t. co/etZkGLFyiOh https://t. co/6wXy6ckJHt (Summary of lecture) https://confit. atlas. jp/guide/event/jsap2021a/subject/13a-N101-2/advanced https://conf. atlas. jp/guide/event/jsap2021a/subject/23p-P07-3/advanced https://conf. atlas. jp/guide/event/jsap2021a/subject/13a-N101-1/advanced (Part 2) Website publication date August 26, 2021 Website address https://confit. atlas. jp/guide/event/jsap2021a/tophttps://conf. atlas. jp/guide/event/jsap2021a/static/extendedabstracts (Part 3) Publication date: August 26, 2021 Publications The 82nd JSAP Autumn Meeting Proceedings DVD (Part 4) Date: From September 10, 2021 September 23, 2021 Meeting name and venue The 82nd JSAP Autumn Meeting (online)

本開示は、窒化物半導体膜を作製するためのテンプレート及びその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a template for fabricating a nitride semiconductor film and a manufacturing method thereof.

窒化物半導体は、直接遷移型ワイドギャップ半導体として発光デバイスや電子デバイス用材料として利用され、かつ新たな用途の研究・開発が進められている。これらのデバイスへの応用には、単結晶基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた膜が用いられている。 Nitride semiconductors are used as materials for light-emitting devices and electronic devices as direct transition type wide-gap semiconductors, and are being researched and developed for new applications. A film obtained by epitaxially growing a nitride semiconductor on a single crystal substrate is used for application to these devices.

基板結晶上に成長させる単結晶膜において、その単結晶膜をデバイスに適用する場合に問題になるのは、膜中の結晶欠陥である転位の存在である。転位の存在は、デバイスの特性の悪化や寿命の劣化等のデバイス性能に大きな影響を与えることが知られている。 In a single crystal film grown on a substrate crystal, the presence of dislocations, which are crystal defects in the film, poses a problem when the single crystal film is applied to a device. The presence of dislocations is known to have a significant effect on device performance, such as deterioration of device characteristics and deterioration of device life.

結晶学において単結晶膜中に転位を生成させないための必要条件として、下記の3点;
(1) 基板結晶と成長する膜の結晶構造が一致し、格子不整合が小さいこと
(2) 基板結晶と成長する膜の線膨張係数差が小さいこと
(3) 基板中に転位が存在しなこと
が必須である。
In crystallography, the following three points are required to prevent the generation of dislocations in a single crystal film:
(1) The crystal structure of the substrate crystal and the growing film should match, and the lattice mismatch should be small.
(2) The linear expansion coefficient difference between the substrate crystal and the growing film is small.
(3) It is essential that there be no dislocations in the substrate.

従来の窒化ガリウム (GaN) 半導体膜には、格子不整合が大きく線膨張係数差の大きいサファイアや炭化ケイ素 (SiC) 基板が主に用いられている。また、近年、格子不整合がなく線膨張係数が同じGaN単結晶基板が製造されているが、この基板には転位が多数存在している。 For conventional gallium nitride (GaN) semiconductor films, sapphire and silicon carbide (SiC) substrates, which have a large lattice mismatch and a large difference in linear expansion coefficient, are mainly used. In recent years, GaN single crystal substrates having no lattice mismatch and the same coefficient of linear expansion have been manufactured, but this substrate has a large number of dislocations.

一方、ScAlMgO4(SAM)結晶基板は無転位結晶であり、GaN単結晶膜成長に対して転位を生成しないための上記の3つの条件をすべてにわたって満足する基板である。 On the other hand, the ScAlMgO 4 (SAM) crystal substrate is a dislocation-free crystal, and is a substrate that satisfies all of the above three conditions for not generating dislocations for GaN single crystal film growth.

SAM基板上のエピタキシャル成長では、基板面内に平行な格子整合性が重要であると考えられている。SAMは、例えばInGaNとはIn組成17%で格子整合することが知られており(非特許文献1)、このため、SAM基板は窒化物半導体の成長用基板として注目を集めている。 In epitaxial growth on SAM substrates, lattice matching parallel to the substrate plane is considered to be important. SAM is known to be lattice-matched with, for example, InGaN at an In composition of 17% (Non-Patent Document 1), and for this reason, SAM substrates are attracting attention as substrates for growth of nitride semiconductors.

しかしながら、本発明者らは、SAM基板上に直接成長したGaNにおいて、SAM基板の結晶成長方向の結晶表面段差が原因で結晶膜に異形状の結晶が成長することを見出した。 However, the present inventors have found that in GaN grown directly on a SAM substrate, irregularly shaped crystals grow on the crystal film due to the crystal surface steps in the crystal growth direction of the SAM substrate.

特開2010-267888号公報JP 2010-267888 A

E. S. Hellman, C. D. Brandle, E. H. Hartford Jr., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 395, 51 (1995)E. S. Hellman, C. D. Brandle, E. H. Hartford Jr., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 395, 51 (1995)

本発明は、基板の結晶構造を維持した状態で六回対称共有結合性半導体膜を成長させるための窒化物半導体膜育成用テンプレート及びそれらの製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a template for growing a nitride semiconductor film for growing a six-fold symmetrical covalent semiconductor film while maintaining the crystal structure of the substrate, and a method for producing the same.

本発明者らは、SAM基板上に直接成長したGaN膜において立方晶相が混在していることを見出し、SAM基板上にこのような異形状の結晶が成長する現象が、SAM基板の結晶成長方向の結晶表面段差に起因することを明らかにした。そして、本発明者らは、結晶成長方向の格子整合性を高めることにより、結晶表面段差が緩和され、エピタキシャル成長における転位を削減できることを見出した。さらに、本発明者らは、鋭意検討を重ね、基板としてSAM単結晶基板を用い、この基板上に特定の組成を有するGaInNからなる結晶成長方向の格子不整合を緩和する結晶構造変換膜を設けることによって上記課題を解決できることを見出した。本発明はかかる知見に基づきさらなる検討を重ねて完成に至ったものであり、以下の態様を含む。
項1.
ScAlMgO4(SAM)単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜
を含有する窒化物半導体膜育成用テンプレートであって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項2.
さらに、
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有し、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されている、項1に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項3.
前記結晶構造変換膜(A)の厚さが10 nm~100 nmである、項1又は2に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項4.
前記結晶構造変換膜(A)により結晶成長方向の不整合が緩和されている前記基板の前記面の、c軸からのa軸方向へのオフ角及びc軸からのm軸方向へのオフ角が0.2°以下である、項1~3のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項5.
前記結晶構造変換膜(A)が分子線エピタキシー法(MBE法)により堆積され、かつ
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が存在する場合は、さらに前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が分子線エピタキシー法(MBE法)により堆積された、項1~4のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項6.
成長温度が450℃~900℃である、項5に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
項7.
項2~6のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレートの、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)が配置されている、窒化物半導体。
項8.
SAM単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜;及び
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有する窒化物半導体であって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体。
項9.
項8に記載の窒化物半導体の、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)が配置されている、窒化物半導体。
項10.
SAM単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜
を含有する窒化物半導体膜育成用テンプレートの分子線エピタキシー法(MBE法)を用いた製造方法であって、
(1)前記結晶構造変換膜(A)を、SAM単結晶基板のc面に直接又は一以上の他の層を介して成長させる工程
を含む、製造方法。
項11.
前記窒化物半導体膜育成用テンプレートが、
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
をさらに含有し、
前記製造方法が、
(2)前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)を、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して成長させる工程
をさらに含む、項10に記載の製造方法。
The inventors of the present invention found that a GaN film grown directly on a SAM substrate contains a cubic crystal phase, and the phenomenon of the growth of such irregularly shaped crystals on the SAM substrate is due to the crystal growth of the SAM substrate. It is clarified that it is caused by the crystal surface step in the direction. The inventors of the present invention have found that by increasing the lattice matching in the crystal growth direction, the crystal surface step can be reduced and dislocations in epitaxial growth can be reduced. Furthermore, the present inventors have made extensive studies, and have used a SAM single crystal substrate as a substrate, and provided on this substrate a crystal structure conversion film that relaxes the lattice mismatch in the crystal growth direction and is made of GaInN having a specific composition. It has been found that the above problems can be solved by The present invention has been completed through further studies based on these findings, and includes the following aspects.
Item 1.
On the c-plane of the ScAlMgO 4 (SAM) single crystal substrate:
(A) A template for growing a nitride semiconductor film containing a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25),
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
A template for growing a nitride semiconductor film, wherein the crystal structure conversion film (A) alleviates mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate.
Item 2.
moreover,
(B) contains a nitride epitaxial thin film having a composition of Al x Ga y In z N (0≤x, y, z≤1, x+y+z=1);
Item 2. Nitriding according to item 1, wherein the nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. A template for growing semiconductor films.
Item 3.
Item 3. The template for growing a nitride semiconductor film according to Item 1 or 2, wherein the crystal structure conversion film (A) has a thickness of 10 nm to 100 nm.
Item 4.
The off-angle from the c-axis to the a-axis direction and the off-angle from the c-axis to the m-axis direction of the surface of the substrate in which the mismatch in the crystal growth direction is alleviated by the crystal structure conversion film (A) 4. The template for growing a nitride semiconductor film according to any one of Items 1 to 3, wherein the temperature is 0.2° or less.
Item 5.
When the crystal structure conversion film (A) is deposited by the molecular beam epitaxy method (MBE method) and the nitride epitaxial thin film (B) is present, the nitride epitaxial thin film (B) is further deposited by the molecular beam epitaxy method. Item 5. The template for growing a nitride semiconductor film according to any one of Items 1 to 4, deposited by (MBE method).
Item 6.
Item 6. The template for growing a nitride semiconductor film according to Item 5, wherein the growth temperature is 450°C to 900°C.
Item 7.
In the template for growing a nitride semiconductor film according to any one of Items 2 to 6, the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the substrate is directly or through one or more other layers. and a nitride semiconductor, wherein an epitaxial thin film (C) having a composition different from that of the nitride epitaxial thin film (B) is arranged.
Item 8.
On the c-plane of the SAM single crystal substrate:
(A) a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25); and (B) Al x Ga y In z N (0≦x, y, z≦1, x+y +z=1) A nitride semiconductor containing a nitride epitaxial thin film having a composition of
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
The nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate,
A nitride semiconductor in which the mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate is alleviated by the crystal structure conversion film (A).
Item 9.
The nitride epitaxial thin film (B) and the nitride epitaxial thin film (B) of the nitride semiconductor according to Item 8 are combined directly or via one or more other layers on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the substrate. a nitride semiconductor in which an epitaxial thin film (C) different in
Item 10.
On the c-plane of the SAM single crystal substrate:
(A) A method for manufacturing a template for growing a nitride semiconductor film containing a crystal structure conversion film having a Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25) composition using a molecular beam epitaxy method (MBE method). hand,
(1) A manufacturing method including a step of growing the crystal structure conversion film (A) directly or via one or more other layers on the c-plane of a SAM single crystal substrate.
Item 11.
The template for growing a nitride semiconductor film is
(B) further containing a nitride epitaxial thin film having a composition of Al x Ga y In z N (0≤x, y, z≤1, x+y+z=1);
The manufacturing method is
(2) further comprising the step of growing the nitride epitaxial thin film (B) directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate; 10. The production method according to 10.

本発明により、基板の結晶構造と品質を維持した状態で六回対称共有結合性半導体膜を成長させるための窒化物半導体膜育成用テンプレートを提供できる。 The present invention can provide a template for growing a nitride semiconductor film for growing a six-fold symmetrical covalent semiconductor film while maintaining the crystal structure and quality of the substrate.

SAM単結晶基板のc面上に、結晶構造変換膜(A)が配置されている、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a template for growing a nitride semiconductor film of the present invention, in which a crystal structure conversion film (A) is arranged on the c-plane of a SAM single crystal substrate; FIG. SAM単結晶基板のc面上に、結晶構造変換膜(A)及び窒化物エピタキシャル薄膜(B)がこの順で、互いに全層が隣接して配置されている、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの一例を示す断面図である。The nitride semiconductor film growth of the present invention, wherein the crystal structure conversion film (A) and the nitride epitaxial thin film (B) are arranged in this order on the c-plane of the SAM single crystal substrate so that all layers are adjacent to each other. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a template. 本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートに用いられるSAM基板の単位格子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a unit lattice of a SAM substrate used for a template for growing a nitride semiconductor film of the present invention; 前記結晶構造変換膜により緩和されたSAM基板のc面の傾き、すなわち、c軸からのa軸方向へのオフ角(θ)及びc軸からのm軸方向へのオフ角(θ’)を示す図である。The tilt of the c-plane of the SAM substrate relaxed by the crystal structure conversion film, that is, the off-angle (θ) from the c-axis to the a-axis direction and the off-angle (θ′) from the c-axis to the m-axis direction is FIG. 4 is a diagram showing; SAM単結晶基板のc面上に、結晶構造変換膜(A)及び窒化物エピタキシャル薄膜(B)がこの順で、互いに全層が隣接して配置されている、本発明の窒化物半導体の一例を示す断面図である。An example of the nitride semiconductor of the present invention, in which a crystal structure conversion film (A) and a nitride epitaxial thin film (B) are arranged in this order on the c-plane of a SAM single crystal substrate so that all layers are adjacent to each other. It is a cross-sectional view showing the. SAM単結晶基板のc面上に、結晶構造変換膜(A)、窒化物エピタキシャル薄膜(B)、及び前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)がこの順で、互いに全層が隣接して配置されている、本発明の窒化物半導体の一例を示す断面図である。A crystal structure conversion film (A), a nitride epitaxial thin film (B), and an epitaxial thin film (C) having a different composition from the nitride epitaxial thin film (B) are arranged in this order on the c-plane of the SAM single crystal substrate. 1 is a cross-sectional view showing an example of a nitride semiconductor of the present invention, in which all layers are arranged adjacent to each other; FIG. SAM単結晶基板のc面上にGaNを成長させた場合の、SAM基板の結晶成長方向の不整合を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the mismatch of the crystal growth direction of the SAM substrate when GaN is grown on the c-plane of the SAM single crystal substrate. 窒化物半導体(GaN、AlN、及びInN)におけるバンドギャップエネルギー(eV)とc軸の格子定数(nm)の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between bandgap energy (eV) and c-axis lattice constant (nm) in nitride semiconductors (GaN, AlN, and InN). SAM単結晶基板のc面上にGa1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜(A)を成長させた場合の、SAM基板の結晶成長方向の不整合を示す断面図である。When a crystal structure conversion film (A) having a Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25) composition is grown on the c-plane of a SAM single crystal substrate, the mismatch in the crystal growth direction of the SAM substrate is It is a sectional view showing. 窒化物半導体(GaN、AlN、及びInN)におけるバンドギャップエネルギー(eV)とa軸の格子定数(nm)の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between bandgap energy (eV) and a-axis lattice constant (nm) in nitride semiconductors (GaN, AlN, and InN). SAM単結晶基板のc面上にGa1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜(A)を成長させ、結晶構造変換膜(A)上にさらにGaNを成長させた場合の、SAM基板の結晶成長方向の不整合を示す断面図である。A crystal structure conversion film (A) having a Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25) composition is grown on the c-plane of a SAM single crystal substrate, and GaN is further grown on the crystal structure conversion film (A). FIG. 10 is a cross-sectional view showing misalignment of the crystal growth direction of the SAM substrate when the SAM substrate is aligned;

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の説明においては、窒化ガリウムをGaN、窒化インジウムをInN、窒化アルミニウムをAlN、窒化アルミニウムガリウムをAlGaN、窒化アルミニウムガリウムインジウムをAlGaInNと示すこともある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, gallium nitride may be abbreviated as GaN, indium nitride as InN, aluminum nitride as AlN, aluminum gallium nitride as AlGaN, and aluminum gallium indium nitride as AlGaInN.

なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅の関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。 Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each portion, the size ratio between portions, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Also, even when the same parts are shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawing.

1. 窒化物半導体膜育成用テンプレート
本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、
ScAlMgO4(SAM)単結晶c面基板のc面少なくとも一方の面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜
を含有する窒化物半導体膜育成用テンプレートであって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体膜育成用テンプレートである。
1. Template for growth of nitride semiconductor film
The template for growing a nitride semiconductor film of the present invention comprises:
On at least one c-plane of a ScAlMgO 4 (SAM) single crystal c-plane substrate:
(A) A template for growing a nitride semiconductor film containing a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25),
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
In the template for growing a nitride semiconductor film, the crystal structure conversion film (A) alleviates mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate.

本発明において、各層の厚さは、透過電子顕微鏡を用いて求める。 In the present invention, the thickness of each layer is determined using a transmission electron microscope.

本明細書において、基板の一方の面に配置される複数の層のうち二つの層の相対的な位置関係について言及する場合、基板を基準にして、基板からの距離が大きい一方の層を「上の」層等ということがある。 In this specification, when referring to a relative positional relationship between two layers among a plurality of layers arranged on one surface of a substrate, one layer farther from the substrate than the substrate is referred to as " It is sometimes called the "upper" layer.

図1に、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの一態様を示す。この態様では、基板のc面上に結晶構造変換膜(A)が直接配置されている。 FIG. 1 shows one aspect of the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention. In this embodiment, the crystal structure conversion film (A) is arranged directly on the c-plane of the substrate.

また、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、
さらに(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有し、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されている、窒化物半導体膜育成用テンプレートであってもよい。
Further, the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention is
Further (B) contains a nitride epitaxial thin film having a composition of Al x Ga y In z N (0 ≤ x, y, z ≤ 1, x + y + z = 1),
For growing a nitride semiconductor film, wherein the nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. It can be a template.

図2に、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの一態様を示す。この態様では、基板のc面上に結晶構造変換膜(A)が直接配置されており、窒化物エピタキシャル薄膜(B)が結晶構造変換膜(A)の基板とは反対側の面に直接配置されている。 FIG. 2 shows one aspect of the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention. In this embodiment, the crystal structure conversion film (A) is directly arranged on the c-plane of the substrate, and the nitride epitaxial thin film (B) is directly arranged on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. It is

1.1 ScAlMgO 4 (SAM)基板
本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、基板としてScAlMgO4(SAM)基板を備える。
1.1 ScAlMgO4 (SAM) substrate
A template for growing a nitride semiconductor film of the present invention comprises an ScAlMgO 4 (SAM) substrate as a substrate.

SAMの結晶構造は三方晶であり、結晶成長に用いるc面は、窒化物半導体と同様に六回対称性を有する(図3)。 The crystal structure of SAM is trigonal, and the c-plane used for crystal growth has six-fold symmetry like nitride semiconductors (FIG. 3).

1.2 結晶構造変換膜(A)
本発明において、結晶構造変換膜とは、基板の結晶成長方向であるc軸方向の結晶成長方向の不整合 (ステップ高さ) を緩和する膜をいう。結晶構造変換膜に起因して、エピタキシャル成長における立方晶窒化物の削減効果が発揮され、その結果エピタキシャル薄膜の転位発生を抑制する。
1.2 Crystal structure conversion film (A)
In the present invention, the crystal structure conversion film refers to a film that relaxes the mismatch (step height) in the crystal growth direction of the c-axis, which is the crystal growth direction of the substrate. Due to the crystal structure conversion film, the effect of reducing cubic nitrides in epitaxial growth is exhibited, and as a result, the generation of dislocations in the epitaxial thin film is suppressed.

図4に、前記結晶構造変換膜により緩和されたSAM基板のc面の傾き、すなわち、c軸からのa軸方向へのオフ角(θ)及びc軸からのm軸方向へのオフ角(θ’)を示す。したがって、オフ角の値が小さいほど、SAM基板のc面の結晶成長方向の不整合が結晶構造変換膜により緩和され、結晶表面が平坦であることを示す。 FIG. 4 shows the inclination of the c-plane of the SAM substrate relaxed by the crystal structure conversion film, that is, the off angle (θ) from the c-axis to the a-axis direction and the off angle (θ) from the c-axis to the m-axis direction. θ′). Therefore, the smaller the value of the off-angle, the more the mismatch of the crystal growth direction of the c-plane of the SAM substrate is relaxed by the crystal structure conversion film, indicating that the crystal surface is flat.

本発明において、前記結晶構造変換膜により緩和されたSAM基板のc面のc軸からのa軸方向へのオフ角(θ)及びc軸からのm軸方向へのオフ角(θ’)は、0.2°以下である。エピタキシャル成長におけるより優れた転位削減効果を発揮するという点で、好ましくは0.15°以下、より好ましくは0.1°以下、さらに好ましくは0.05°以下である。 In the present invention, the off angle (θ) of the c-plane of the SAM substrate relaxed by the crystal structure conversion film in the a-axis direction from the c-axis and the off-angle (θ′) in the m-axis direction from the c-axis are , less than or equal to 0.2°. The angle is preferably 0.15° or less, more preferably 0.1° or less, and even more preferably 0.05° or less in terms of exhibiting a superior effect of reducing dislocations in epitaxial growth.

本発明において、前記オフ角は、X線回折法により測定することができる。 In the present invention, the off-angle can be measured by an X-ray diffraction method.

本発明において、結晶構造変換膜(A)は、Ga1-xInxNで表される組成を有するものであって、0.15≦x≦0.25の範囲であれば特に制限されないが、好ましくは0.17≦x≦0.24、より好ましくは0.19≦x≦0.23、さらに好ましくは0.20≦x≦0.22である。 In the present invention, the crystal structure conversion film (A) has a composition represented by Ga 1-x In x N, and is not particularly limited as long as it is in the range of 0.15≦x≦0.25, but preferably 0.17. ≦x≦0.24, more preferably 0.19≦x≦0.23, still more preferably 0.20≦x≦0.22.

本発明において、結晶構造変換膜(A)は、転位密度が106個/cm2以下である。エピタキシャル成長におけるより優れた転位削減効果を発揮するという点で、好ましくは105個/cm2以下、より好ましくは104個/cm2以下、さらに好ましくは103個/cm2以下である。 In the present invention, the crystal structure conversion film (A) has a dislocation density of 10 6 /cm 2 or less. It is preferably 10 5 /cm 2 or less, more preferably 10 4 /cm 2 or less, still more preferably 10 3 /cm 2 or less, from the viewpoint of exhibiting a superior effect of reducing dislocations in epitaxial growth.

本発明において、結晶構造変換膜(A)の転位密度は、X線を使用してトポグラフ法により測定する。 In the present invention, the dislocation density of the crystal structure conversion film (A) is measured by the topography method using X-rays.

本発明において、結晶構造変換膜(A)の厚さは、特に制限されないが、例えば、10 nm~100 nmの範囲が挙げられる。 In the present invention, the thickness of the crystal structure conversion film (A) is not particularly limited, but may be, for example, in the range of 10 nm to 100 nm.

本発明において、前記結晶構造変換膜(A)は、MBE法(特許文献1)を用いて成長させることができる。MBE法としては、例えば、RF-MBE法及びECR-MBE法等が挙げられる。中でもRF-MBE法が好ましい。 In the present invention, the crystal structure conversion film (A) can be grown using the MBE method (Patent Document 1). The MBE method includes, for example, the RF-MBE method and the ECR-MBE method. Among them, the RF-MBE method is preferred.

1.3 窒化物エピタキシャル薄膜(B)
本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜(B)は、前記結晶構造変換膜(A)の上部に堆積されたものである。
1.3 Nitride epitaxial thin film (B)
In the present invention, the nitride epitaxial thin film (B) is deposited on top of the crystal structure conversion film (A).

本発明において、エピタキシャル薄膜を面に堆積させる方法には、エピタキシャル薄膜を面上で成長させる方法が含まれる。 In the present invention, methods for depositing an epitaxial thin film on a surface include methods for growing an epitaxial thin film on a surface.

本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜(B)の素材は、特に制限されないが、例えば、GaN、InN、AlN、及びこれらの固溶体等が挙げられる。 In the present invention, the material for the nitride epitaxial thin film (B) is not particularly limited, but examples thereof include GaN, InN, AlN, and solid solutions thereof.

本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜は、転位密度が108個/cm2以下、エピタキシャル成長におけるより優れた転位削減効果を発揮するという点で、好ましくは107個/cm2以下、より好ましくは106個/cm2以下、さらに好ましくは105個/cm2以下である。 In the present invention, the nitride epitaxial thin film has a dislocation density of 10 8 /cm 2 or less, and is preferably 10 7 /cm 2 or less, more preferably 10 6 /cm 2 or less, more preferably 10 5 /cm 2 or less.

本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜の転位密度は、X線を使用してトポグラフ法により測定する。 In the present invention, the dislocation density of the nitride epitaxial thin film is measured by topography using X-rays.

本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜(B)の厚さは、特に制限されないが、例えば、100 nm~10 nmの範囲が挙げられる。 In the present invention, the thickness of the nitride epitaxial thin film (B) is not particularly limited, but may be in the range of 100 nm to 10 nm, for example.

本発明において、窒化物エピタキシャル薄膜(B)は、MBE法を用いて堆積させる。MBE法としては、例えば、RF-MBE法及びECR-MBE法等が挙げられる。中でもRF-MBE法が好ましい。 In the present invention, the nitride epitaxial thin film (B) is deposited using the MBE method. The MBE method includes, for example, the RF-MBE method and the ECR-MBE method. Among them, the RF-MBE method is preferred.

1.4 その他の層
本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、一以上の他の層を介して配置されていてもよいし、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に一以上の他の層を介して配置されていてもよい。
1.4 Other layers
In the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention, the crystal structure conversion film (A) may be arranged on the surface of the substrate via one or more other layers, or the nitride epitaxial A thin film (B) may be disposed on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate with one or more other layers interposed therebetween.

他の層としては、特に限定されないが、例えば、接着層等が挙げられる。 Examples of other layers include, but are not limited to, adhesive layers.

接着層とは、二層の間に当該二層と互いに隣接して配置され、当該二層間を互いに接着するために配置される層である。接着層としては、特に制限されないが、例えば、窒化物半導体において接着層として通常用いられるものを用いることができる。接着層は、これらのうちいずれか単独からなるものであってもよいし、複数種からなるものであってもよい。 An adhesive layer is a layer that is placed between two layers adjacent to each other and that is placed between the two layers to adhere them to each other. Although the adhesive layer is not particularly limited, for example, one commonly used as an adhesive layer in nitride semiconductors can be used. The adhesive layer may consist of any one of these alone, or may consist of a plurality of types.

1.5 本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの用途
本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、窒化物半導体及び窒化物半導体を用いた発光デバイスや電子デバイスの製造のために好ましく用いられる。
1.5 Use of template for growing nitride semiconductor film of the present invention
The template for growing a nitride semiconductor film of the present invention is preferably used for manufacturing nitride semiconductors and light-emitting devices and electronic devices using nitride semiconductors.

具体的には、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの窒化物エピタキシャル薄膜(B)膜の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して窒化物半導体膜を成長させることにより、窒化物半導体を得ることができる。 Specifically, a nitride semiconductor film is formed directly or via one or more other layers on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) film of the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention, which is opposite to the substrate. A nitride semiconductor can be obtained by growing it.

本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの窒化物エピタキシャル薄膜(B)膜の上に成長させる窒化物半導体膜の組成は、特に制限されない。また、前記窒化物半導体膜は、一種の組成を有する単独の層からなるものであってもよいし、組成の異なる複数種の層からなるものであってもよい。 The composition of the nitride semiconductor film grown on the nitride epitaxial thin film (B) film of the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention is not particularly limited. Moreover, the nitride semiconductor film may be composed of a single layer having one composition, or may be composed of a plurality of layers having different compositions.

本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートは、無転位あるいは転位密度が低減されており、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートをこれと格子不整合の小さい窒化物半導体膜の成長用基板として使用することで無転位あるいは低転位の窒化物半導体膜を得ることができ、この膜を用いて高性能かつ高寿命な発光デバイスや電子デバイス等を製造することができる。 The template for growing a nitride semiconductor film of the present invention is dislocation-free or has a reduced dislocation density, and the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention is used as a substrate for growing a nitride semiconductor film having a small lattice mismatch. By using it, a dislocation-free or low-dislocation nitride semiconductor film can be obtained, and this film can be used to manufacture high-performance and long-life light-emitting devices, electronic devices, and the like.

2. 本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの製造方法
本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートの製造方法は、SAM単結晶基板のc面に、結晶構造変換膜(A)及び窒化物エピタキシャル薄膜(B)に加えて、それらと異なる少なくとも一種のその他の層をそれぞれ配置する工程をそれぞれ含んでいてもよい。
2. Method for producing a template for growing a nitride semiconductor film of the present invention
In the method for producing a template for growing a nitride semiconductor film of the present invention, in addition to the crystal structure conversion film (A) and the nitride epitaxial thin film (B), at least one other film different from them is formed on the c-plane of the SAM single crystal substrate. may include the step of respectively arranging the layers of

本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートにおいて、結晶構造変換膜(A)は、SAM単結晶基板のc面に直接又は一以上の他の層を介して配置される。また、本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートにおいて、窒化物エピタキシャル薄膜(B)は、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置される。 In the nitride semiconductor film-growing template of the present invention, the crystal structure conversion film (A) is arranged on the c-plane of the SAM single crystal substrate directly or via one or more other layers. Further, in the template for growing a nitride semiconductor film of the present invention, the nitride epitaxial thin film (B) is formed directly on the surface opposite to the substrate of the crystal structure conversion film (A) or by forming one or more other layers thereon. placed through

本発明の窒化物半導体膜育成用テンプレートが備える結晶構造変換膜(A)及び窒化物エピタキシャル薄膜(B)は、MBE法を用いて、高真空下かつ1000℃未満の温度条件下でそれぞれ成長させる。前記温度条件は、基板成長表面の損傷を防ぐ観点から、好ましくは450℃~900℃であり、より好ましくは450℃~750℃である。 The crystal structure conversion film (A) and the nitride epitaxial thin film (B) provided in the nitride semiconductor film growth template of the present invention are each grown under high vacuum and at a temperature of less than 1000° C. using the MBE method. . The temperature conditions are preferably 450° C. to 900° C., more preferably 450° C. to 750° C., from the viewpoint of preventing damage to the growth surface of the substrate.

3. 本発明の半導体
本発明の半導体は、
ScAlMgO4(SAM)単結晶c面基板のc面少なくとも一方の面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜;及び
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有する窒化物半導体であって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体である。
3. Semiconductor of the present invention
The semiconductor of the present invention is
On at least one c-plane of a ScAlMgO 4 (SAM) single crystal c-plane substrate:
(A) a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25); and (B) Al x Ga y In z N (0≦x, y, z≦1, x+y +z=1) A nitride semiconductor containing a nitride epitaxial thin film having a composition of
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
The nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate,
In the nitride semiconductor, the crystal structure conversion film (A) alleviates the mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate.

図5に、本発明の窒化物半導体の一態様を示す。この態様では、基板のc面上に結晶構造変換膜(A)が直接配置されており、窒化物エピタキシャル薄膜(B)が結晶構造変換膜(A)の基板とは反対側の面に直接配置されている。 FIG. 5 shows one mode of the nitride semiconductor of the present invention. In this embodiment, the crystal structure conversion film (A) is directly arranged on the c-plane of the substrate, and the nitride epitaxial thin film (B) is directly arranged on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. It is

また、本発明の半導体は、さらに前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)を含有していてもよい。 The semiconductor of the present invention may further contain an epitaxial thin film (C) having a composition different from that of the nitride epitaxial thin film (B).

図6に、本発明の窒化物半導体の一態様を示す。この態様では、基板のc面上に結晶構造変換膜(A)が直接配置されており、窒化物エピタキシャル薄膜(B)が結晶構造変換膜(A)の基板とは反対側の面に直接配置されており、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)が窒化物エピタキシャル薄膜(B)の結晶構造変換膜(A)とは反対側の面に直接配置されている。 FIG. 6 shows one mode of the nitride semiconductor of the present invention. In this embodiment, the crystal structure conversion film (A) is directly arranged on the c-plane of the substrate, and the nitride epitaxial thin film (B) is directly arranged on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. An epitaxial thin film (C) having a composition different from that of the nitride epitaxial thin film (B) is directly disposed on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the crystal structure conversion film (A).

3.1 組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)
本発明において、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)は、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の上部に成長させたものである。
3.1 Epitaxial thin films with different compositions (C)
In the present invention, the epitaxial thin film (C) having a composition different from that of the nitride epitaxial thin film (B) is grown on the nitride epitaxial thin film (B).

本発明において、前記エピタキシャル薄膜(C)の素材は、特に制限されないが、例えば、GaN、InN、AlN、及びこれらの固溶体等が挙げられる。 In the present invention, the material for the epitaxial thin film (C) is not particularly limited, but examples thereof include GaN, InN, AlN, and solid solutions thereof.

本発明において、前記エピタキシャル薄膜(C)の厚さは、特に制限されないが、例えば、100 nm~10 nmの範囲が挙げられる。 In the present invention, the thickness of the epitaxial thin film (C) is not particularly limited, but may be in the range of 100 nm to 10 nm, for example.

3.2 その他の層
本発明の窒化物半導体は、前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、一以上の他の層を介して配置されていてもよいし、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に一以上の他の層を介して配置されていてもよい。また、前記エピタキシャル薄膜(C)が、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の前記結晶構造変換膜(A)とは反対側の面に一以上の他の層を介して配置されていてもよい。
3.2 Other layers
In the nitride semiconductor of the present invention, the crystal structure conversion film (A) may be arranged on the surface of the substrate via one or more other layers, or the nitride epitaxial thin film (B) may be arranged on the surface of the substrate. may be arranged via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. Further, the epitaxial thin film (C) may be arranged on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the crystal structure conversion film (A) via one or more other layers.

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
<窒化物半導体膜育成用テンプレートの製造>
1. SAM基板のc面における結晶構造変換膜の成長
1.1 SAM基板上RF-MBE成長GaNの構造特性評価
SAMはGaNとの格子ミスマッチ、熱膨張係数差がそれぞれ1.8%、9.8%と、サファイア基板と比べて小さい。また、近年、無転位SAM単結晶の作製も報告されている。しかし、SAM基板は、900℃以上の高温において水素やアンモニアなどの還元性ガスによりMgが反応して基板成長表面が損傷を受けるため、SAM基板上に無転位あるいは低転位の窒化物半導体膜を成長させるには、窒化物半導体の製造に一般的に用いられる有機金属気相成長法(MOCVD法)やハイドライド気相成長法(HVPE法)は適さない。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples below, but the present invention is not limited to these Examples.
<Manufacturing template for growing nitride semiconductor film>
1. Growth of modified crystal structure films on the c-plane of SAM substrates
1.1 Structural characterization of RF-MBE grown GaN on SAM substrate
SAM has a lattice mismatch with GaN and a thermal expansion coefficient difference of 1.8% and 9.8%, respectively, which are smaller than those of a sapphire substrate. In recent years, production of dislocation-free SAM single crystals has also been reported. However, the growth surface of the SAM substrate is damaged by Mg reacting with reducing gases such as hydrogen and ammonia at temperatures above 900°C. Metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) and hydride vapor phase epitaxy (HVPE), which are generally used for manufacturing nitride semiconductors, are not suitable for growth.

SAM基板の上記問題点から、本発明者らは、高真空環境下かつ比較的低温(450℃~900℃)で窒化物エピタキシャル薄膜の成長が可能である分子線エピタキシー法(MBE法)を用いて、SAM基板上に直接GaN膜を成長させ、原子レベルでSAMとGaNが結合したエピタキシャル薄膜を得た。具体的には、オフ角又はステップ間隔(テラス幅)の異なるSAM基板を用いて、SAM基板上RF-MBE成長GaNにおけるオフ角及びステップ間隔の与える影響をそれぞれ調べた。 In view of the above-mentioned problems of SAM substrates, the present inventors used the molecular beam epitaxy (MBE) method, which enables the growth of nitride epitaxial thin films in a high-vacuum environment at relatively low temperatures (450°C to 900°C). GaN film was directly grown on the SAM substrate, and an epitaxial thin film in which SAM and GaN were bonded at the atomic level was obtained. Specifically, using SAM substrates with different off-angles or step spacings (terrace widths), the effects of off-angles and step spacings on RF-MBE grown GaN on SAM substrates were investigated.

オフ角が0.18°又は0.24°の10 mm角c面SAM基板上に、RF-MBE法によりGaとNを同時供給してGaNを直接成長させた。成長条件は、成長温度:700℃、Gaフラックス量:6.33×10-7Torr、窒素プラズマパワー:110 W、窒素流量:2.0 sccm、成長時間:1時間である。次に、得られたサンプルから集束イオンビーム(FIB)を用いて、透過電子顕微鏡(TEM)観察時の電子線入射方位がGaNの[1-100]及び[11-20]と並行になるように薄片を作製し、JEM-2100Plus(加速電圧:200kV)により断片TEM観察を行った。 GaN was directly grown on a 10 mm square c-plane SAM substrate with an off-angle of 0.18° or 0.24° by supplying Ga and N simultaneously by the RF-MBE method. The growth conditions are growth temperature: 700° C., Ga flux: 6.33×10 −7 Torr, nitrogen plasma power: 110 W, nitrogen flow rate: 2.0 sccm, growth time: 1 hour. Next, using a focused ion beam (FIB) from the obtained sample, the electron beam incident direction during transmission electron microscope (TEM) observation was parallel to [1-100] and [11-20] of GaN. Sectional TEM observation was performed using JEM-2100Plus (accelerating voltage: 200 kV).

オフ角0.18°のSAM基板上に直接成長したGaNの断片TEM像から、平坦でつながりのよいGaN膜が成長していることを確認した。また、膜中にはおよそ109個/cm2台後半の転位が存在していた。さらに、制限視野回析像から、六方晶GaNがSAM基板上にエピタキシャル成長していることが分かった。これらの結果から、GaNがSAM基板と急峻な界面を保ちながらコヒーレント成長しており、RF-MBE法がSAM基板上GaN直接成長に有効であることが示された。 Fragmentary TEM images of GaN grown directly on a SAM substrate with an off-angle of 0.18° confirmed that a flat and well-connected GaN film was grown. In addition, dislocations in the upper half of about 10 9 /cm 2 were present in the film. Furthermore, the selected area diffraction image revealed that hexagonal GaN was epitaxially grown on the SAM substrate. These results indicate that GaN grows coherently with a sharp interface with the SAM substrate, and that the RF-MBE method is effective for direct GaN growth on the SAM substrate.

一方で、オフ角0.24°のSAM基板上に直接成長したGaNにおいては、SAM/GaN界面では転位の発生は認められなかった一方で、成長に従って膜の厚みが増大していく途中で、立方晶GaNと六方晶GaNの混在や転位の発生が観測された。 On the other hand, in GaN grown directly on a SAM substrate with an off-angle of 0.24°, no dislocations were observed at the SAM/GaN interface. Mixture of GaN and hexagonal GaN and generation of dislocations were observed.

ステップ間隔が約780 nm、190 nm、又は115 nmのc面SAM基板上に、RF-MBE法によりGaNを直接成長させた。成長条件は、上記実験と同様である。 GaN was directly grown by RF-MBE on c-plane SAM substrates with step spacings of about 780 nm, 190 nm, or 115 nm. The growth conditions are the same as in the above experiments.

SAM基板上に成長したGaNの走査電子顕微鏡(SEM)画像から、ステップ間隔が約780 nmのSAM基板上に直接成長したGaNにおいて最も平坦な膜が得られたことを確認した。一方、ステップ間隔が約190 nm又は115 nmのSAM基板上に直接成長したGaNにおいては、膜のつながりが悪い様子、及びドロップレットの存在が確認された。また、X線回析(XRD)2θ-ω測定により、膜中の立方晶GaNの有無を確認したところ、ステップ間隔が約190 nm又は115 nmのSAM基板上に直接成長したGaNにおいては立方晶GaNのピークが確認された一方で、ステップ間隔が約780 nmのSAM基板上に直接成長したGaNにおいては立方晶GaNのピークは確認されなかった。さらに、六方晶GaNピークに対する立方晶GaNピークの強度比から、ステップ間隔が約190 nmのSAM基板上に直接成長したGaNよりもステップ間隔が約115 nmのSAM基板上に直接成長したGaNの方が、より多くの立方晶GaNが混在していることが分かった。 Scanning electron microscope (SEM) images of GaN grown on SAM substrates confirmed that GaN grown directly on SAM substrates with a step spacing of ~780 nm yielded the flattest films. On the other hand, in GaN grown directly on a SAM substrate with a step spacing of about 190 nm or 115 nm, it was confirmed that the film connection was poor and the presence of droplets. In addition, when the presence or absence of cubic GaN in the film was confirmed by X-ray diffraction (XRD) 2θ-ω measurement, cubic crystal A GaN peak was observed, while a cubic GaN peak was not observed for GaN grown directly on a SAM substrate with a step spacing of about 780 nm. Furthermore, the intensity ratio of the cubic GaN peak to the hexagonal GaN peak indicates that GaN grown directly on a SAM substrate with a step spacing of ~115 nm is superior to GaN grown directly on a SAM substrate with a step spacing of ~190 nm. However, it was found that more cubic GaN was mixed.

1.2 SAM基板上RF-MBE成長GaInN
本発明者らは、1.1で示されたSAM基板上RF-MBE成長GaNにおける立方晶GaNと六方晶GaNの混在や転位の発生が、結晶成長方向であるc軸方向の結晶成長方向の不整合(ステップ高さ)がGaN単位胞では約0.5 nmであるのに対してSAMでは約0.8 nmであるため、成長面での結晶の原子配置にずれが生じることに起因することを明らかにした(図7)。
1.2 RF-MBE grown GaInN on SAM substrate
The present inventors have found that the mixture of cubic GaN and hexagonal GaN and the occurrence of dislocations in the RF-MBE grown GaN on the SAM substrate shown in 1.1 are caused by the crystal growth direction of the c-axis direction, which is the crystal growth direction. The mismatch (step height) is about 0.5 nm for the GaN unit cell and about 0.8 nm for the SAM. (Fig. 7).

このことから、SAM基板上に転位の少ないGaN膜を成長させるためには、平面内での格子整合性だけでなく、高さ方向の格子整合性も重要であることが分かった。 From this, we found that not only in-plane lattice matching but also heightwise lattice matching is important for growing GaN films with few dislocations on SAM substrates.

そこで、本発明者らは結晶成長初期段階を精密に観測し、Ga1-xInxN固溶体においてステップ高さ方向の格子が整合するIn組成を調べた。図8に窒化物半導体のc軸の格子定数(nm)とバンドギャップエネルギー(eV)との関係を示す。GaN、AlN及びInNのc軸の格子定数は、それぞれ0.519 nm、0.498 nm、及び0.570 nmである。このことから、GaInN固溶体においてIn組成21%でGaInNの3/2cとSAM基板のステップ高さが一致することが分かった(図9)。 Therefore, the present inventors precisely observed the initial stage of crystal growth and investigated the In composition at which the lattice in the step height direction matches in the Ga 1-x In x N solid solution. FIG. 8 shows the relationship between the c-axis lattice constant (nm) and the bandgap energy (eV) of the nitride semiconductor. The c-axis lattice constants of GaN, AlN and InN are 0.519 nm, 0.498 nm and 0.570 nm, respectively. From this, it was found that in the GaInN solid solution, the step height of 3/2c of GaInN coincides with the step height of the SAM substrate at an In composition of 21% (Fig. 9).

これは、以下に説明する平面内での格子整合条件にも近い。図10に窒化物半導体のa軸の格子定数(nm)とバンドギャップエネルギー(eV)との関係を示す。GaN、AlN及びInNのa軸の格子定数は、それぞれ0.319 nm、0.311 nm、及び0.355 nmである。また、SAM基板のa軸の格子定数は0.325 nmである。このため、GaInN固溶体においてIn組成17%でGaInNとSAM基板との平面内での格子が整合する。 This is also close to the in-plane lattice matching condition described below. FIG. 10 shows the relationship between the a-axis lattice constant (nm) and the bandgap energy (eV) of the nitride semiconductor. The a-axis lattice constants of GaN, AlN and InN are 0.319 nm, 0.311 nm and 0.355 nm, respectively. Also, the lattice constant of the a-axis of the SAM substrate is 0.325 nm. Therefore, in the GaInN solid solution, the in-plane lattices of GaInN and the SAM substrate match at an In composition of 17%.

したがって、SAM単結晶基板のc面上に、ステップ高さ方向の格子が整合したGaInN固溶体を結晶構造変換膜として成長させることで、SAM基板上に転位の少ないGaN膜を成長させることができる(図11)。 Therefore, it is possible to grow a GaN film with few dislocations on a SAM substrate by growing a GaInN solid solution with lattice matching in the step height direction as a crystal structure conversion film on the c-plane of the SAM single crystal substrate ( Figure 11).

Claims (11)

ScAlMgO4(SAM)単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜
を含有する窒化物半導体膜育成用テンプレートであって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体膜育成用テンプレート。
On the c-plane of the ScAlMgO 4 (SAM) single crystal substrate:
(A) A template for growing a nitride semiconductor film containing a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25),
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
A template for growing a nitride semiconductor film, wherein the crystal structure conversion film (A) alleviates mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate.
さらに、
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有し、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されている、請求項1に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
moreover,
(B) contains a nitride epitaxial thin film having a composition of Al x Ga y In z N (0≤x, y, z≤1, x+y+z=1);
2. The method according to claim 1, wherein the nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate. A template for growing a nitride semiconductor film.
前記結晶構造変換膜(A)の厚さが10 nm~100 nmである、請求項1又は2に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。 3. The template for growing a nitride semiconductor film according to claim 1, wherein the crystal structure conversion film (A) has a thickness of 10 nm to 100 nm. 前記結晶構造変換膜(A)により結晶成長方向の不整合が緩和されている前記基板の前記面の、c軸からのa軸方向へのオフ角及びc軸からのm軸方向へのオフ角が0.2°以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。 The off-angle from the c-axis to the a-axis direction and the off-angle from the c-axis to the m-axis direction of the surface of the substrate in which the mismatch in the crystal growth direction is alleviated by the crystal structure conversion film (A) 4. The template for growing a nitride semiconductor film according to claim 1, wherein is 0.2° or less. 前記結晶構造変換膜(A)が分子線エピタキシー法(MBE法)により堆積され、かつ
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が存在する場合は、さらに前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が分子線エピタキシー法(MBE法)により堆積された、請求項1~4のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。
When the crystal structure conversion film (A) is deposited by molecular beam epitaxy (MBE) and the nitride epitaxial thin film (B) is present, the nitride epitaxial thin film (B) is deposited by molecular beam epitaxy. 5. The template for growing a nitride semiconductor film according to claim 1, deposited by (MBE method).
成長温度が450℃~900℃である、請求項5に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレート。 6. The template for growing a nitride semiconductor film according to claim 5, wherein the growth temperature is 450.degree. C. to 900.degree. 請求項2~6のいずれか一項に記載の窒化物半導体膜育成用テンプレートの、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)が配置されている、窒化物半導体。 7. Directly or through one or more other layers on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the substrate of the template for growing a nitride semiconductor film according to any one of claims 2 to 6 and an epitaxial thin film (C) having a composition different from that of the nitride epitaxial thin film (B). SAM単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜;及び
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
を含有する窒化物半導体であって、
前記結晶構造変換膜(A)が、前記基板の前記面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)が、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して配置されており、
前記結晶構造変換膜(A)により、前記基板の前記面の結晶成長方向の不整合が緩和されている、窒化物半導体。
On the c-plane of the SAM single crystal substrate:
(A) a crystal structure conversion film having a composition of Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25); and (B) Al x Ga y In z N (0≦x, y, z≦1, x+y +z=1) A nitride semiconductor containing a nitride epitaxial thin film having a composition of
the crystal structure conversion film (A) is disposed on the surface of the substrate directly or via one or more other layers;
The nitride epitaxial thin film (B) is arranged directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate,
A nitride semiconductor in which the mismatch in the crystal growth direction of the surface of the substrate is alleviated by the crystal structure conversion film (A).
請求項8に記載の窒化物半導体の、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して、前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)と組成の異なるエピタキシャル薄膜(C)が配置されている、窒化物半導体。 9. The nitride epitaxial thin film (B) of the nitride semiconductor according to claim 8 is directly or via one or more other layers on the surface of the nitride epitaxial thin film (B) opposite to the substrate, and A nitride semiconductor in which an epitaxial thin film (C) having a different composition is arranged. SAM単結晶基板のc面に:
(A)Ga1-xInxN(0.15≦x≦0.25)組成を有する結晶構造変換膜
を含有する窒化物半導体膜育成用テンプレートの分子線エピタキシー法(MBE法)を用いた製造方法であって、
(1)前記結晶構造変換膜(A)を、SAM単結晶基板のc面に直接又は一以上の他の層を介して成長させる工程
を含む、製造方法。
On the c-plane of the SAM single crystal substrate:
(A) A method for manufacturing a template for growing a nitride semiconductor film containing a crystal structure conversion film having a Ga 1-x In x N (0.15≦x≦0.25) composition using a molecular beam epitaxy method (MBE method). hand,
(1) A manufacturing method comprising the step of growing the crystal structure conversion film (A) directly or via one or more other layers on the c-plane of the SAM single crystal substrate.
前記窒化物半導体膜育成用テンプレートが、
(B)AlxGayInzN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)組成を有する窒化物エピタキシャル薄膜
をさらに含有し、
前記製造方法が、
(2)前記窒化物エピタキシャル薄膜(B)を、前記結晶構造変換膜(A)の前記基板とは反対側の面に直接又は一以上の他の層を介して成長させる工程
をさらに含む、請求項10に記載の製造方法。
The template for growing a nitride semiconductor film is
(B) further containing a nitride epitaxial thin film having a composition of Al x Ga y In z N (0≤x, y, z≤1, x+y+z=1);
The manufacturing method is
(2) growing the nitride epitaxial thin film (B) directly or via one or more other layers on the surface of the crystal structure conversion film (A) opposite to the substrate; 11. The production method according to Item 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023214590A1 (en) * 2022-05-06 2023-11-09 株式会社福田結晶技術研究所 Method for manufacturing high-quality, low-cost, free-standing gan substrate

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