JP4545389B2 - Dislocation reduction method for epitaxial substrate and group III nitride layer group - Google Patents

Dislocation reduction method for epitaxial substrate and group III nitride layer group Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル基板、及びIII族窒化物層群の転位低減方法に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及び前記素子を作製する際のIII族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にAlを含むIII族窒化物膜は、紫外領域での受発光素子やフィールドエミッタへの応用材料としても注目されている。
【0003】
上記のようなIII族窒化物膜は、通常MOCVD法によって形成される。具体的には、前記III族窒化物膜を形成すべき基板を、所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置させるとともに、このサセプタ内あるいはサセプタ外に設置された加熱機構に埋め込まれたヒータによって1000℃以上にまで加熱する。そして、前記反応管内に所定の原料ガスをキャリアガスとともに導入し、前記基板上に供給する。
【0004】
すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料ガスは構成元素に分解されるとともに、これら構成元素同士が互いに反応し、目的とするIII族窒化物膜が前記基板上に堆積されて製造されるものである。そして、これらのIII族窒化物膜は、半導体素子を構成した場合において設計値どおりの特性を得るべく、転位密度の低いことが要求される。
【0005】
ところで、III族窒化物材料の融点は相対的に高いために、前記III族窒化物材料からバルク単結晶基板を作製することは困難であった。したがって、III族窒化物膜は、例えば、サファイア単結晶基板のような異なる材料系のバルク単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、作製せざるを得ない。この場合、前記バルク単結晶基板と前記III族窒化物膜との格子定数差に起因して、これら界面に比較的多量のミスフィット転位が生成され、このミスフィット転位に起因して前記III族窒化物膜中に多量の転位が導入されてしまい、その結晶品質が著しく劣化してしまっていた。
【0006】
かかる観点より、前記基板と前記III族窒化物膜との間に低温で成膜したバッファ層を挿入したり、ストライプ状のSiO2マスクなどを用いたELO技術などが開発されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したバッファ層を用いた場合などにおいては、バッファ層自体の低結晶性に基づいた転位が前記III族窒化物膜中に生成されてしまい、前記III族窒化物膜中の転位密度を十分に低減させることができないでいた。また、従来のELO技術は材料選択性が大きく、特にAlを多量に含むIII族窒化物膜をエピタキシャル成長させることは困難であった。
【0008】
本発明は、低転位で結晶性に優れたIII族窒化物層群、特にはAlを含有する窒化物層群を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板、及び形成すべきIII族窒化物層群の転位低減方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、所定の基材と、前記基材上にMOCVD法によって形成された、転位密度が1×1011/cm2以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下である、AlNからなるIII族窒化物下地層と、前記III族窒化物下地層上にMOCVD法によって形成された、融点1300℃以上の遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方のみからなる中間層と、前記融点1300℃以上の遷移金属を含む中間層上にMOCVD法によって形成された、少なくともAlを含み、転位密度が1×1010/cm2以下であるIII族窒化物層群を具えることを特徴とするエピタキシャル基板に関する。
【0010】
また、本発明は、所定の基材上に、転位密度が1×1011/cm2以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下である、AlNからなるIII族窒化物下地層、融点1300℃以上の遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方のみからなる中間層をMOCVD法によって順次に形成し、さらに前記中間層上に少なくともAlを含むIII族窒化物層群をMOCVD法によって形成することにより、前記III族窒化物層群中の転位密度を低減させることを特徴とする、III族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【0011】
本発明者らは、サファイア単結晶などからなる基材上に、低転位密度かつ高結晶性の、Alを含有するIII族窒化物膜を形成すべく、長年研究を行なっている。従来においては、エピタキシャル基板を構成するバッファ層などの下地層は、基材と前記エピタキシャル基板上に形成すべきIII族窒化物膜などのIII族窒化物層群との格子定数差を補完してミスフィット転位の発生を抑制すべく、比較的低温で形成した低結晶品質のIII族窒化物から構成するのが常識であると考えられていた。
【0012】
このような低結晶品質の下地層を用いた場合、ミスフィット転位の低減に起因して、前記III族窒化物層群中の転位密度はある程度の割合で低減することができる。しかしながら、前記下地層自身の低結晶品質に起因して、前記III族窒化物層群中の転位密度を十分に低減することができないでいた。
【0013】
これに対して、本発明者らは、前記下地層をAlを比較的多量に含むIII族窒化物から構成した場合は、前記下地層の転位密度を低減させて結晶品質を向上させた場合においても、前記基材と前記III族窒化物層群との格子定数差が補完され、III族窒化物内のミスフィット転位の発生が抑制されることを見出した。そして、前記下地層の高結晶品質に起因して、前記III族窒化物層群の結晶品質をも向上させることができ、転位密度のさらなる低減を実現できるとともに、結晶性の向上をも実現できることを見出したものである。
【0014】
ただし、上述した転位密度低減の効果は、前記下地層のAl含有量に対して前記III族窒化物層群のAl含有量が少なく、かつ、Al含有量差が大きいほど顕著であるが、特に、Alを含有するIII族窒化物層群を上記下地層上に成長する場合には、III族窒化物層群のAl含有量が増加するほどAl含有量差
が小さくなるため、上述した高結晶品質のAl含有III族窒化物下地層を設けたのみでは、目的とするIII族窒化物層群中の転位密度を十分に低減させることができず、その結晶品質を十分に向上させることができないでいた。かかる状況に鑑み、本発明者らは、上述したAl含有の高結晶品質の下地層を含むエピタキシャル基板に対してELO技術を適用し、形成すべきIII族窒化物層群中の転位密度をさらに低減させるようにした。
【0015】
しかしながら、前述したエピタキシャル基板上に、SiO2などからなるマスクを形成して、III族窒化物層群を形成する場合には、マスク形成のためのフォトリソ工程が必要となり、工程が煩雑になるという問題があった。また、マスクのパターンに従って、転位密度の濃淡が顕著に現れ、デバイス形成の場合の歩留まり低下の一因ともなっていた。さらに、特にAlを含有するIII族窒化物層群を成長する場合には、マスク上にもIII族窒化物層が堆積してしまい、ELO成長による転位低減が有効に行うことができなかった。
【0016】
これに変わる技術として、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)pp.L1〜L3において大島らが網目状でかつ多結晶のTiN膜を中間層として挿入し、この膜をマスクとして利用することにより転位密度が低減できることを報告している。しかしながら、本技術をAlを含むIII族窒化物層群の形成に応用したところ、TiNを用いた場合にもマスクとしての効果は得られず、表面凹凸の激しい膜が形成されてしまい、良質なAlを含むIII族窒化物層群を形成することができなかった。
【非特許文献】
大島他 Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)pp.L1〜L3
【0017】
このような状況に鑑みて、本発明者らはさらなる検討を実施し、上述したAl含有の高結晶品質の下地層を有するエピタキシャル基板上に、融点1300℃以上の遷移金属を含む均一な単結晶膜を中間層として挿入することを検討した。この場合、融点1300℃以上の遷移金属を含む中間層はマスクとしての効果は全くなく、この中間層上へ直接Alを含むIII族窒化物層群を形成することを意味する。
【0018】
このような中間層は一般の薄膜形成法やMOCVD装置内での成長により容易に形成できる。前記下地層から伝搬してきた転位は、融点1300℃以上の遷移金属を含む単結晶膜からなる中間層内に発生する応力やこの中間層とIII族窒化物膜の界面での格子ミスマッチにより、転位の伝搬方向の変化を引き起こし、転位の結合による転位の消失を引き起こす。
【0019】
結果として、MOCVD法によって、Al含有の高結晶品質の下地層と、融点1300℃以上の遷移金属または遷移金属を含む化合物の少なくとも一方のみからなる中間層、さらに少なくともAlを含むIII族窒化物層群とからエピタキシャル基板を構成した場合には、III族窒化物層群の転位密度を著しく低減することができ、結晶品質を向上させることができる。さらに、Al含有の高結晶品質の下地層を用いることにより、Al含有のIII族窒化物層群を、クラックを発生させることなく容易に形成させることができる。
【0020】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記中間層として融点1300℃以上の遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方を含む単層膜、あるいはこのような遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方を含む少なくとも一種の単結晶膜を多層化して形成したものを用いる。
【0021】
また、「III族窒化物層群」とは単独のIII族窒化物層又は複数のIII族窒化物層が複数積層されてなる多層膜構造などを総称したものであり、作製すべき半導体素子の種類などに応じて適当な構成を採る。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明のエピタキシャル基板の構成を示す図である。図1に示すエピタキシャル基板10は、基材1、この基材1上に形成されたIII族窒化物下地層2及び融点1300℃以上の遷移金属を含む中間層3、およびこの中間層上に形成されたIII族窒化物層群4とを含んでいる。
【0023】
下地層2はAlを含んでいることが必要であり、その含有量は全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、さらには80原子%以上、さらには好ましくは、下地層2をAlN(全III族元素に対して100原子%)から構成することが好ましい。これによって、下地層2の結晶品質を以下に示すように向上させた場合においても、基材1との格子定数差を補完することができ、中間層3さらにはその上に形成すべきIII族窒化物層群4を、その結晶品質を高度に維持しながらエピタキシャル成長させることができる。
【0024】
なお、下地層2におけるAlは、膜厚全体を通じて均一に含有させても良いが、膜厚方向において組成勾配を有するように含有させても良い。後者の場合、例えばAl組成を基材1側から中間層3側に減少するようにすることによって、成長中に発生する引っ張り応力を格子定数差により緩和することができ、特に中間層上に膜厚の大きいIII族窒化物層群4を形成したときの問題であるクラックの発生を抑制することができる。
【0025】
なお、下地層2は、Alの他に、Ga及びInなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0026】
下地層2中の転位密度は1×1011/cm2以下であることが好ましく、さらには5×1010/cm2以下、特には1×1010/cm2以下であることが好ましい。また、下地層2の(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は200秒以下であることが好ましく、さらには150秒以下、特には100秒以下であることが好ましい。上述したように、下地層2がこのように高い結晶品質を有することによって、下地層2の上方に形成するIII族窒化物層群4の結晶品質を向上させることができる。したがって、最終的に得た半導体素子、例えば、半導体発光素子などの発光効率などのデバイス特性を向上させることができる。
【0027】
また、下地層2の表面粗さRaは2Å以下であることが好ましい。本測定は、AFMを用いて5μm角の範囲で測定する。
【0028】
なお、下地層2の膜厚は大きい方が好ましく、具体的には0.1μm以上、さらには0.5μm以上の厚さに形成することが好ましい。下地層2の厚さの上限値は特に限定されるものではなく、クラックの発生や用途などを考慮して適宜選択し、設定する。
【0029】
下地層2は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。しかしながら、MOCVD法を用い、その成膜温度を1100℃以上に設定することによって簡易に得ることができる。なお、本特許の成膜温度は、基材1自身の設定温度を意味する。なお、下地層2の表面の粗れなどを抑制する観点より、前記成膜温度は1250℃以下であることが好ましい。
【0030】
なお、下地層の上方に形成されるIII族窒化物層群4の成膜温度を1250℃として成膜する可能性もあることから、中間層に用いる遷移金属の融点は余裕を考慮して1300℃以上であることが望ましい。III族窒化物層群4の成膜中に中間層3が融解し、表面張力等の影響により、中間層3が島状の構造になることを防ぐ必要があるからである。また融点の上限については、特に制限されるものではなく、目的とする用途、プロセスとの整合性等を考慮に入れ、適宜選択する。
【0031】
但し、中間層3は、融点1300℃以上の遷移金属を含み、たとえばTi、TiNx、Ni、NiNx、Cr、CrNxなどのうちいずれか一つ、あるいはこれらのうち少なくとも一種の多層膜からなる単結晶膜から構成されることが好ましい。また、Alを含有するIII族窒化物膜層群4を成長させる場合、横方向成長による穴埋め効果は期待できないため、サイズの大きいボイドは存在しない均一膜であることが好ましい。
【0032】
また、III族窒化物層群4のエピタキシャル成長を良好な状態で行なうべく、中間層3の厚さは0.5nm以上であることが好ましく、さらには1nm以上であることが好ましい。なお、中間層3の厚さの上限は形成すべきIII族窒化物層群の厚さなどに依存するが、約100nm程度である。中間層3の厚さが100nmを超えてもエピタキシャル成長の度合いに変化は見られない。
【0033】
中間層3は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。例えば、MOCVD法を用い、下地層2と同一バッチあるいは別バッチで形成することができる。あるいは、スパッタリング、真空蒸着などのPVD法、各種CVD法を用いることもできる。また、プラズマ・光などの各種アシスト方法も併用可能である。また、中間層の組成あるいは結晶系を変化させるため、適当なガス雰囲気下での熱処理を加えることも可能である。この場合、単結晶化を促進させるため、基板温度1000℃以上での水素、窒素、およびアンモニアのうちいずれか一つを含む雰囲気下での熱処理を加えることが好ましい。
【0034】
なお、中間層3は、実質的に、融点1300℃以上の遷移金属、あるいはその遷移金属の化合物からなり、下地層2あるいはIII族窒化物層群4に含まれる元素、たとえばAl、Ga、In、BなどのIII族元素あるいはSi、Ge、Zn、Be及びMgなども含むこともできる。さらに成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0035】
また、基材1は、サファイア単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgAl24単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶、及びAlGaN単結晶などのIII−V族単結晶、ZrB2などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【0036】
特に基材1をサファイア単結晶から構成する場合においては、基材1の主面1Aに対して窒化処理を行ない、主面1Aにおいて表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、下地層2、中間層3、及び窒化物層群4の結晶品質をより向上させることができる。前記窒化処理は、基材1をアンモニアなどの窒素を含有する雰囲気中に配置し、所定温度に加熱することによって実施することができる。
【0037】
なお、基材1・下地層2・中間層3の上記組み合わせを用いることにより、上記中間層3上には、少なくともAlを含有するIII族窒化物層群4として、1×1010/cm2以下、さらには5×109/cm2以下の転位密度のIII族窒化物膜を実現することができる。
【0038】
なお、好ましいIII族窒化物層群4の平均組成としては、Alの組成が下地層2のAlの組成以下であることが望ましい。この場合、中間層3の効果に加え、組成差による面内への圧縮応力の効果が転位低減を促進し、より低転位なIII 属窒化物層群4を実現することができる。
【0039】
もちろんのことであるが、下地層2と窒化物層群4のAlの組成を等しくした場合でも、十分な転位低減の効果が期待できる。下地層2の全てのIII 族元素に対するAl組成が、50%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは100%(すなわち下地層がAlN)であることから、従来低転位化が困難であった窒化物層群4の全てのIII族元素に対するAl組成が50%以上の領域、さらには下地層がAlNである場合においても、低転位化を実現することができる。
【0040】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例1)
2インチ径の厚さ430μmのサファイア基板をH2SO4+H22で前処理した後、MOCVD装置の中に設置した。キャリアガスとして、H2を流速1m/secで流しながら、基板を1200℃まで昇温した後、トリメチルアルメニウム(TMA)及びNH3を平均流速1m/secで流して、前記サファイア基板上に下地層としてのAlN層を厚さ1μmまで成長させた。前記AlN層の(002)面におけるX線回析ロッキングカーブの半値幅は90秒であり、転位密度は2×1010/cm2であり、結晶品質に優れることが判明した。また、表面粗さRaは2Åであった。
【0041】
次いで、上記AlN層上にTiを20nmの厚さに真空蒸着し、再度MOCVD装置の中に設置した。基板温度を1200℃とし、NH3を平均流速1m/secで1分流して、熱処理を加え、Ti膜を単結晶TiNx膜とした。
【0042】
次いで、基板温度を1200℃とし、TMA、及びNH3を平均流速1m/secで流して、前記AlN層上に前記単結晶TiNxからなる中間層を介して、III族窒化物層群としてのAlN膜を厚さ3μmに形成した。このAlN膜中の転位密度をTEM観察によって測定したところ1×109/cm2であることが判明した。また表面粗さRaは2.5Åという平坦な膜が形成できた。
【0043】
図2、図3、および図4に断面のTEM観察結果を示す。図2において、Tiを含有する中間層の上層である、III族窒化物層群としてのAlN層において転位密度が著しく低減できていることが確認できる。また、図3にTiを含有する中間層を拡大したものを示すが、Tiを含有する膜が20nm程度の厚みで均一に形成されていることが確認できる。さらに、図4にTiを含有する膜の格子像を示すが、単結晶膜が形成されていることが確認できる。
(実施例2)
【0044】
サファイア基板上に下地層としてのAlN層を、実施例1と同様に、厚さ1μmまで成長させた。
【0045】
次いで、上記AlN層上にNiを5nmの厚さに真空蒸着し、再度MOCVD装置の中に設置した。基板温度を1200℃とし、NH3を平均流速1m/secで15秒流して、熱処理を加え、NiNx膜とした。
【0046】
次いで、基板温度を1200℃とし、TMA、及びNH3を平均流速1m/secで流して、前記AlN層上に前記単結晶NiNxからなる中間層を介して、III族窒化物層群としてのAlN膜を厚さ3μmに形成した。このAlN膜中の転位密度をTEM観察によって測定したところ5×108/cm2であることが判明した。また表面粗さRaは2.0Åという平坦な膜が形成できた。
【0047】
(比較例1)
上記実施例において、下地層を低温緩衝層であるGaN膜とし、その上にIII族窒化物層群としてのAlN膜を試みたが、クラックが多量に発生し、実用に供するAlN膜のエピタキシャル成長を実現させることができなかった。なお、本GaN下地層の(002)ロッキングカーブの半値幅は300秒であった。
【0048】
(比較例2)
下地層を600℃の低温で形成したAlNから構成した以外は、実施例と同様にしてIII族窒化物層群としてのAlN膜を形成した。このAlN膜中の転位密度をTEM観察によって測定したところ3×1011/cm2であることが判明した。
【0049】
実施例及び比較例1から明らかなように、中間層を設けない場合においてはAlN膜のエピタキシャル成長ができないことが分かる。また、実施例及び比較例2から明らかなように、高結晶品質のAlN下地膜に代えて、低温成膜の低結晶品質のAlN下地膜を用いた場合においては、最終的に得たIII族窒化物層群としてのAlN膜の転位密度を低減できず、その結晶品質を向上できないことが分かる。
【0050】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。たとえば、本例では中間層の全体を窒化膜としたが、表層のみを窒化して組成に分布をつけることも可能である。
【0051】
さらには、中間層とIII族窒化物層群との間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記III族窒化物層群の結晶品質をさらに向上させることもできる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低転位で結晶性に優れたIII族窒化物層群、特にはAlを含有する窒化物層群を形成することができ、新規なエピタキシャル基板を提供することができる。さらには、前記III族窒化物層群の転位低減方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。
【図2】本発明のエピタキシャル基板の断面の状態を示すTEM像である。
【図3】本発明のエピタキシャル基板の断面の状態を示すTEM像である。
【図4】本発明のエピタキシャル基板の断面の状態を示すTEM像である。
【符号の説明】
1 基材、2 下地層、3 中間層、4 III族窒化物層群、10 エピタキシャル基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an epitaxial substrate and a method for reducing dislocations in a group III nitride layer group, and in particular, can be suitably used as a substrate constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices, and elements such as field emitters. The present invention relates to an epitaxial substrate that can be formed, and a method for reducing dislocations in a group III nitride layer group in manufacturing the device.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride films are used as semiconductor films constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices. In recent years, group III nitride films are also attracting attention as semiconductor films constituting high-speed IC chips used for mobile phones and the like. Have been bathed. In particular, a group III nitride film containing Al is attracting attention as a material applied to a light emitting / receiving element or a field emitter in the ultraviolet region.
[0003]
The group III nitride film as described above is usually formed by MOCVD. Specifically, the substrate on which the group III nitride film is to be formed is placed on a susceptor provided in a predetermined reaction tube, and a heater embedded in a heating mechanism installed in or outside the susceptor To 1000 ° C. or higher. Then, a predetermined source gas is introduced into the reaction tube together with a carrier gas and supplied onto the substrate.
[0004]
Then, a thermochemical reaction occurs on the substrate, the source gases are decomposed into constituent elements, and the constituent elements react with each other, and a target group III nitride film is deposited on the substrate. Are manufactured. These group III nitride films are required to have a low dislocation density in order to obtain characteristics as designed when semiconductor elements are formed.
[0005]
By the way, since the melting point of the group III nitride material is relatively high, it is difficult to produce a bulk single crystal substrate from the group III nitride material. Therefore, the group III nitride film must be produced by heteroepitaxial growth on a bulk single crystal substrate of a different material system such as a sapphire single crystal substrate. In this case, due to the lattice constant difference between the bulk single crystal substrate and the group III nitride film, a relatively large amount of misfit dislocations are generated at these interfaces, and the group III due to the misfit dislocations. A large amount of dislocations was introduced into the nitride film, and the crystal quality was significantly deteriorated.
[0006]
From this point of view, an ELO technique has been developed in which a buffer layer formed at a low temperature is inserted between the substrate and the group III nitride film, or a striped SiO 2 mask is used.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of using the buffer layer described above, dislocations based on the low crystallinity of the buffer layer itself are generated in the group III nitride film, and the dislocation density in the group III nitride film is increased. It could not be reduced sufficiently. In addition, the conventional ELO technique has high material selectivity, and it has been particularly difficult to epitaxially grow a group III nitride film containing a large amount of Al.
[0008]
The present invention relates to a group III nitride layer group having low dislocations and excellent crystallinity, in particular, a novel epitaxial substrate capable of forming a group of nitride layers containing Al, and a group III nitride layer to be formed. It is an object of the present invention to provide a group dislocation reduction method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a predetermined base material, a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less formed on the base material by MOCVD , and an X-ray on the (002) plane. A group III nitride underlayer made of AlN having a rocking curve half-width of 200 seconds or less, and a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, formed on the group III nitride underlayer by MOCVD , or the transition metal an intermediate layer composed of at least one only of compounds containing, formed by the MOCVD method on the intermediate layer containing the melting point 1300 ° C. or more transition metals includes at least Al, the dislocation density of 1 × 10 10 / cm 2 or less The present invention relates to an epitaxial substrate comprising a group III nitride layer group.
[0010]
Further, the present invention has, on a given substrate, the dislocation density is at 1 × 10 11 / cm 2 or less, X-rays rocking curve in the (002) plane is less than 200 seconds, III group consisting of AlN A nitride underlayer, an intermediate layer composed of at least one of a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher or a compound containing the transition metal is sequentially formed by MOCVD , and a group III nitride containing at least Al on the intermediate layer The present invention relates to a method for reducing dislocations in a group III nitride layer, characterized in that the dislocation density in the group III nitride layer is reduced by forming the layer group by MOCVD .
[0011]
The present inventors have conducted research for many years in order to form a group III nitride film containing Al having a low dislocation density and high crystallinity on a substrate made of sapphire single crystal or the like. Conventionally, an underlayer such as a buffer layer constituting an epitaxial substrate compensates for a difference in lattice constant between a base material and a group III nitride layer group such as a group III nitride film to be formed on the epitaxial substrate. In order to suppress the occurrence of misfit dislocations, it was considered common knowledge to be composed of a low crystal quality group III nitride formed at a relatively low temperature.
[0012]
When such a low crystal quality underlayer is used, the dislocation density in the group III nitride layer group can be reduced at a certain rate due to the reduction of misfit dislocations. However, the dislocation density in the group III nitride layer group could not be sufficiently reduced due to the low crystal quality of the underlayer itself.
[0013]
On the other hand, when the underlayer is made of a group III nitride containing a relatively large amount of Al, the dislocation density of the underlayer is reduced to improve the crystal quality. It was also found that the lattice constant difference between the base material and the group III nitride layer group is complemented, and the occurrence of misfit dislocations in the group III nitride is suppressed. And, due to the high crystal quality of the underlayer, the crystal quality of the group III nitride layer group can be improved, the dislocation density can be further reduced, and the crystallinity can be improved. Is found.
[0014]
However, the above-described effect of reducing the dislocation density is more remarkable as the Al content of the group III nitride layer group is smaller than the Al content of the underlayer, and the difference in Al content is larger. When the group III nitride layer group containing Al is grown on the base layer, the difference in Al content decreases as the Al content of the group III nitride layer group increases. Only by providing a quality Al-containing group III nitride underlayer, the dislocation density in the target group III nitride layer group cannot be sufficiently reduced, and the crystal quality cannot be sufficiently improved. It was out. In view of this situation, the present inventors applied ELO technology to the above-described epitaxial substrate including an Al-containing high crystal quality underlayer, and further increased the dislocation density in the group III nitride layer group to be formed. Reduced.
[0015]
However, when forming a group III nitride layer group by forming a mask made of SiO 2 or the like on the above-described epitaxial substrate, a photolithographic process for mask formation is required, and the process becomes complicated. There was a problem. In addition, the density of dislocation density remarkably appears in accordance with the mask pattern, which is a cause of a decrease in yield in device formation. Further, particularly when a group III nitride layer containing Al is grown, the group III nitride layer is deposited on the mask, and dislocation reduction by ELO growth cannot be effectively performed.
[0016]
As an alternative technology, Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p. In L1 to L3, Oshima et al. Reported that the dislocation density can be reduced by inserting a network-like and polycrystalline TiN film as an intermediate layer and using this film as a mask. However, when this technology is applied to the formation of a group III nitride layer containing Al, even when TiN is used, the effect as a mask is not obtained, and a film with severe surface irregularities is formed, which is of good quality. A group III nitride layer group containing Al could not be formed.
[Non-patent literature]
Oshima et al. Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p. L1-L3
[0017]
In view of such a situation, the present inventors conducted further studies, and a uniform single crystal containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher on the above-described epitaxial substrate having an Al-containing high crystal quality underlayer. It was investigated to insert the membrane as an intermediate layer. In this case, the intermediate layer containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher has no effect as a mask, meaning that a group III nitride layer group containing Al is directly formed on the intermediate layer.
[0018]
Such an intermediate layer can be easily formed by a general thin film formation method or growth in an MOCVD apparatus. The dislocation propagated from the underlayer is caused by the stress generated in the intermediate layer made of a single crystal film containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, and the lattice mismatch at the interface between the intermediate layer and the group III nitride film. This causes a change in the propagation direction of the dislocations and causes the disappearance of dislocations due to dislocation coupling.
[0019]
As a result, by MOCVD, an Al-containing underlayer of high crystal quality, an intermediate layer composed of at least one of a transition metal or a compound containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, and a group III nitride layer containing at least Al When the epitaxial substrate is composed of the group, the dislocation density of the group III nitride layer group can be remarkably reduced, and the crystal quality can be improved. Furthermore, by using an Al-containing underlayer of high crystal quality, an Al-containing group III nitride layer group can be easily formed without generating cracks.
[0020]
In a preferred embodiment of the present invention, the intermediate layer includes a single layer film containing at least one of a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher or a compound containing the transition metal, or such a transition metal or a compound containing the transition metal. A film formed by multilayering at least one single crystal film including at least one of the above is used.
[0021]
The “Group III nitride layer group” is a collective term for a single group III nitride layer or a multilayer film structure in which a plurality of group III nitride layers are laminated, and the like. Adopt an appropriate configuration according to the type.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the invention.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an epitaxial substrate of the present invention. An epitaxial substrate 10 shown in FIG. 1 is formed on a base material 1, a group III nitride underlayer 2 formed on the base material 1, an intermediate layer 3 containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, and the intermediate layer. Group III nitride layer group 4.
[0023]
The underlayer 2 needs to contain Al, and the content thereof is preferably 50 atomic% or more, more preferably 80 atomic% or more, and further preferably, the underlayer. 2 is preferably composed of AlN (100 atomic% with respect to all group III elements). Thereby, even when the crystal quality of the underlayer 2 is improved as shown below, the difference in lattice constant from the base material 1 can be complemented, and the intermediate layer 3 and further the group III to be formed thereon The nitride layer group 4 can be epitaxially grown while maintaining its crystal quality at a high level.
[0024]
The Al in the underlayer 2 may be contained uniformly throughout the film thickness, but may be contained so as to have a composition gradient in the film thickness direction. In the latter case, for example, by reducing the Al composition from the substrate 1 side to the intermediate layer 3 side, the tensile stress generated during the growth can be relaxed by the difference in lattice constant. The generation of cracks, which is a problem when the group III nitride layer group 4 having a large thickness is formed, can be suppressed.
[0025]
In addition to Al, the underlayer 2 can also contain group III elements such as Ga and In, and additive elements such as B, Si, Ge, Zn, Be, and Mg. Furthermore, it is possible to include not only elements added intentionally but also trace elements that are inevitably taken in depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in the raw materials and reaction tube materials.
[0026]
The dislocation density in the underlayer 2 is preferably 1 × 10 11 / cm 2 or less, more preferably 5 × 10 10 / cm 2 or less, and particularly preferably 1 × 10 10 / cm 2 or less. Further, the half width of the X-ray rocking curve on the (002) plane of the underlayer 2 is preferably 200 seconds or less, more preferably 150 seconds or less, and particularly preferably 100 seconds or less. As described above, since the base layer 2 has such a high crystal quality, the crystal quality of the group III nitride layer group 4 formed above the base layer 2 can be improved. Therefore, device characteristics such as light emission efficiency of the finally obtained semiconductor element, for example, a semiconductor light emitting element can be improved.
[0027]
Further, the surface roughness Ra of the underlayer 2 is preferably 2 mm or less. This measurement is performed in the range of 5 μm square using AFM.
[0028]
In addition, it is preferable that the film thickness of the underlayer 2 is large, and specifically, it is preferable to form the film with a thickness of 0.1 μm or more, and more preferably 0.5 μm or more. The upper limit value of the thickness of the underlayer 2 is not particularly limited, and is appropriately selected and set in consideration of the occurrence of cracks, usage, and the like.
[0029]
The underlayer 2 can be formed using a known film forming means as long as the above requirements are satisfied. However, it can be easily obtained by using the MOCVD method and setting the film forming temperature to 1100 ° C. or higher. In addition, the film-forming temperature of this patent means the preset temperature of the base material 1 itself. In addition, from the viewpoint of suppressing surface roughness of the underlayer 2, the film forming temperature is preferably 1250 ° C. or lower.
[0030]
In addition, since there is a possibility that the film formation temperature of the group III nitride layer group 4 formed above the underlayer is 1250 ° C., the melting point of the transition metal used for the intermediate layer is 1300 in consideration of a margin. It is desirable that the temperature is not lower than ° C. This is because it is necessary to prevent the intermediate layer 3 from being melted during the formation of the group III nitride layer group 4 and having the island-like structure due to the influence of the surface tension or the like. The upper limit of the melting point is not particularly limited, and is appropriately selected in consideration of the intended use, consistency with the process, and the like.
[0031]
However, the intermediate layer 3 includes a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, and is a single crystal made of, for example, any one of Ti, TiNx, Ni, NiNx, Cr, CrNx, or at least one of these multilayer films. It is preferable to be comprised from a film | membrane. Further, when the group III nitride film layer group 4 containing Al is grown, since a hole filling effect due to lateral growth cannot be expected, a uniform film having no large voids is preferable.
[0032]
Further, in order to perform epitaxial growth of the group III nitride layer group 4 in a good state, the thickness of the intermediate layer 3 is preferably 0.5 nm or more, and more preferably 1 nm or more. The upper limit of the thickness of the intermediate layer 3 depends on the thickness of the group III nitride layer to be formed, but is about 100 nm. Even if the thickness of the intermediate layer 3 exceeds 100 nm, there is no change in the degree of epitaxial growth.
[0033]
The intermediate layer 3 can be formed using a known film forming means as long as the above requirements are satisfied. For example, the MOCVD method can be used to form the same layer as the underlayer 2 or a different batch. Or PVD methods, such as sputtering and vacuum evaporation, and various CVD methods can also be used. Various assist methods such as plasma and light can be used in combination. Further, in order to change the composition or crystal system of the intermediate layer, it is possible to add a heat treatment in an appropriate gas atmosphere. In this case, in order to promote single crystallization, it is preferable to add a heat treatment in an atmosphere containing any one of hydrogen, nitrogen, and ammonia at a substrate temperature of 1000 ° C. or higher.
[0034]
The intermediate layer 3 is substantially made of a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher, or a compound of the transition metal, and includes an element contained in the underlayer 2 or the group III nitride layer group 4, such as Al, Ga, In , B or other group III elements or Si, Ge, Zn, Be, Mg, and the like can also be included. Furthermore, trace elements that are inevitably taken in depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in the raw material and the reaction tube material can be included.
[0035]
Further, the substrate 1 is composed of a single crystal of sapphire, a single crystal of ZnO, a single crystal of LiAlO 2, a single crystal of LiGaO 2, a single crystal of MgAl 2 O 4, a single crystal of MgO, a single crystal of Si, a single crystal of SiC, or the like. Group IV or IV-IV single crystals, GaAs single crystals, AlN single crystals, GaN single crystals, III-V single crystals such as AlGaN single crystals, and boride single crystals such as ZrB 2 are known substrates. It can consist of materials.
[0036]
In particular, when the base material 1 is composed of a sapphire single crystal, it is preferable to perform nitriding treatment on the main surface 1A of the base material 1 to form a surface nitrided layer on the main surface 1A. Thereby, the crystal quality of the underlayer 2, the intermediate layer 3, and the nitride layer group 4 can be further improved. The nitriding treatment can be performed by placing the substrate 1 in an atmosphere containing nitrogen such as ammonia and heating it to a predetermined temperature.
[0037]
Note that, by using the combination of the substrate 1, underlying layer 2, intermediate layer 3, on the intermediate layer 3, as a group III nitride layer group 4 containing at least Al, 1 × 10 10 / cm 2 Hereinafter, a group III nitride film having a dislocation density of 5 × 10 9 / cm 2 or less can be realized.
[0038]
As a preferable average composition of group III nitride layer group 4, it is desirable that the Al composition is equal to or less than the Al composition of underlying layer 2. In this case, in addition to the effect of the intermediate layer 3, the effect of in-plane compression stress due to the composition difference promotes the reduction of dislocations, and the group III nitride layer group 4 with lower dislocations can be realized.
[0039]
Of course, even when the Al composition of the underlayer 2 and the nitride layer group 4 are equal, a sufficient dislocation reduction effect can be expected. Since the Al composition with respect to all group III elements of the underlayer 2 is 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 100% (that is, the underlayer is AlN), it has been difficult to achieve low dislocation conventionally. Even in a region where the Al composition with respect to all group III elements in the nitride layer group 4 is 50% or more, and even when the underlayer is AlN, a low dislocation can be realized.
[0040]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
Example 1
A sapphire substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 430 μm was pretreated with H 2 SO 4 + H 2 O 2 and then placed in an MOCVD apparatus. As the carrier gas, H 2 was flowed at a flow rate of 1 m / sec, the substrate was heated to 1200 ° C., and trimethylalmenium (TMA) and NH 3 were flowed at an average flow rate of 1 m / sec. An AlN layer as a base layer was grown to a thickness of 1 μm. The full width at half maximum of the X-ray diffraction rocking curve on the (002) plane of the AlN layer was 90 seconds, the dislocation density was 2 × 10 10 / cm 2 , and it was found that the crystal quality was excellent. Further, the surface roughness Ra was 2%.
[0041]
Next, Ti was vacuum-deposited to a thickness of 20 nm on the AlN layer, and placed in the MOCVD apparatus again. The substrate temperature was set to 1200 ° C., NH 3 was allowed to flow for 1 minute at an average flow rate of 1 m / sec, and heat treatment was applied to form a Ti film as a single crystal TiN x film.
[0042]
Next, the substrate temperature is set to 1200 ° C., TMA and NH 3 are allowed to flow at an average flow rate of 1 m / sec, and an AlN layer as a group III nitride layer group is interposed on the AlN layer via the intermediate layer made of the single crystal TiNx. A film was formed to a thickness of 3 μm. When the dislocation density in the AlN film was measured by TEM observation, it was found to be 1 × 10 9 / cm 2 . Further, a flat film having a surface roughness Ra of 2.5 mm could be formed.
[0043]
The cross-sectional TEM observation results are shown in FIGS. In FIG. 2, it can be confirmed that the dislocation density is remarkably reduced in the AlN layer as the group III nitride layer group, which is the upper layer of the intermediate layer containing Ti. FIG. 3 shows an enlarged view of the intermediate layer containing Ti, and it can be confirmed that the film containing Ti is uniformly formed with a thickness of about 20 nm. Further, FIG. 4 shows a lattice image of a film containing Ti, and it can be confirmed that a single crystal film is formed.
(Example 2)
[0044]
An AlN layer as a base layer was grown on the sapphire substrate to a thickness of 1 μm, as in Example 1.
[0045]
Next, Ni was vacuum-deposited on the AlN layer to a thickness of 5 nm and placed in the MOCVD apparatus again. The substrate temperature was 1200 ° C., NH 3 was flowed at an average flow rate of 1 m / sec for 15 seconds, and heat treatment was applied to form a NiN x film.
[0046]
Next, the substrate temperature is set to 1200 ° C., TMA and NH 3 are allowed to flow at an average flow rate of 1 m / sec, and AlN as a group III nitride layer group is passed over the AlN layer through the intermediate layer made of the single crystal NiNx. A film was formed to a thickness of 3 μm. It dislocation density of the AlN film is 5 × 10 8 / cm 2 as measured by TEM observation was found. Further, a flat film having a surface roughness Ra of 2.0 mm could be formed.
[0047]
(Comparative Example 1)
In the above embodiment, a GaN film as a low-temperature buffer layer was used as the underlayer, and an AlN film as a group III nitride layer group was tried on it. It could not be realized. The half width of the (002) rocking curve of the present GaN underlayer was 300 seconds.
[0048]
(Comparative Example 2)
An AlN film as a group III nitride layer group was formed in the same manner as in the example except that the underlayer was composed of AlN formed at a low temperature of 600 ° C. When the dislocation density in the AlN film was measured by TEM observation, it was found to be 3 × 10 11 / cm 2 .
[0049]
As is apparent from the examples and comparative example 1, it can be seen that the epitaxial growth of the AlN film cannot be performed when the intermediate layer is not provided. In addition, as apparent from the examples and comparative example 2, when a low crystal quality AlN undercoating film formed at a low temperature is used instead of the high crystal quality AlN undercoating film, the finally obtained group III It can be seen that the dislocation density of the AlN film as the nitride layer group cannot be reduced, and the crystal quality cannot be improved.
[0050]
While the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples, the present invention is not limited to the above embodiments of the invention and does not depart from the scope of the present invention. All changes and modifications are possible. For example, in this example, the entire intermediate layer is a nitride film, but it is also possible to nitride only the surface layer to give a distribution to the composition.
[0051]
Further, a multilayer laminated film such as a buffer layer or a strained superlattice may be inserted between the intermediate layer and the group III nitride layer group to further improve the crystal quality of the group III nitride layer group.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a group III nitride layer group having low dislocations and excellent crystallinity, particularly a nitride layer group containing Al, can be formed, and a novel epitaxial substrate is provided. can do. Furthermore, a method for reducing dislocations in the group III nitride layer group can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an epitaxial substrate of the present invention.
FIG. 2 is a TEM image showing a cross-sectional state of the epitaxial substrate of the present invention.
FIG. 3 is a TEM image showing a cross-sectional state of the epitaxial substrate of the present invention.
FIG. 4 is a TEM image showing a cross-sectional state of the epitaxial substrate of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 base material, 2 ground layer, 3 intermediate layer, 4 group III nitride layer group, 10 epitaxial substrate

Claims (6)

所定の基材と、
前記基材上にMOCVD法によって形成された、転位密度が1×1011/cm2以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下である、AlNからなるIII族窒化物下地層と、
前記III族窒化物下地層上にMOCVD法によって形成された、融点1300℃以上の遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方のみからなる中間層と、
前記融点1300℃以上の遷移金属を含む中間層上にMOCVD法によって形成された、少なくともAlを含み、転位密度が1×1010/cm2以下であるIII族窒化物層群を具えることを特徴とするエピタキシャル基板。
A predetermined substrate;
A group III nitride formed of AlN , formed by MOCVD on the substrate, having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less and an X-ray rocking curve half-width of (002) plane of 200 seconds or less. A material underlayer,
An intermediate layer made of at least one of a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher or a compound containing the transition metal, formed by MOCVD on the group III nitride underlayer;
A group III nitride layer group including at least Al and having a dislocation density of 1 × 10 10 / cm 2 or less formed by MOCVD on the intermediate layer containing a transition metal having a melting point of 1300 ° C. or higher is provided. A featured epitaxial substrate.
前記中間層の厚さが、0.5nm〜100nmであることを特徴とする、請求項1に記載のエピタキシャル基板。  The epitaxial substrate according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 0.5 nm to 100 nm. 前記中間層がTi、TiNx、Ni、NiNx、Cr、CrNxのうちいずれか一からなることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル基板。  The epitaxial substrate according to claim 1, wherein the intermediate layer is made of any one of Ti, TiNx, Ni, NiNx, Cr, and CrNx. 所定の基材上に、転位密度が1×1011/cm2以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下である、AlNからなるIII族窒化物下地層、融点1300℃以上の遷移金属または前記遷移金属を含む化合物の少なくとも一方のみからなる中間層をMOCVD法によって順次に形成し、さらに前記中間層上に少なくともAlを含むIII族窒化物層群をMOCVD法によって形成することにより、前記III族窒化物層群中の転位密度を低減させることを特徴とする、III族窒化物層群の転位低減方法。A group III nitride underlayer made of AlN having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less on a predetermined substrate and an X-ray rocking curve half-width of (002) plane of 200 seconds or less, melting point an intermediate layer composed of at least one only of compounds containing 1300 ° C. or more transition metals or the transition metal sequentially formed by the MOCVD method, by further MOCVD method III nitride layer group containing at least Al on the intermediate layer A dislocation reduction method for a group III nitride layer group, wherein the dislocation density in the group III nitride layer group is reduced by forming the group. 前記中間層の厚さが、0.5nm〜100nmであることを特徴とする、請求項4に記載のIII族窒化物層群の転位低減方法。  5. The method for reducing dislocations in a group III nitride layer according to claim 4, wherein the thickness of the intermediate layer is 0.5 nm to 100 nm. 前記中間層がTi、TiNx、Ni、NiNx、Cr、CrNxのうちいずれか一からなることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載のIII族窒化物層群の転位低減方法。  6. The method for reducing dislocations in a group III nitride layer according to claim 4, wherein the intermediate layer is made of any one of Ti, TiNx, Ni, NiNx, Cr, and CrNx.
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