JP4588340B2 - Method for manufacturing group III nitride substrate - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物基板(III族窒化物半導体結晶を備える基板)の製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride substrate (a substrate including a group III nitride semiconductor crystal) and a semiconductor device.
窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物化合物半導体(以下、III族窒化物半導体またはGaN系半導体という場合がある)は、青色光や紫外光を発する半導体素子の材料として注目されている。青色光を発するレーザダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイに応用され、また青色光を発する発光ダイオード(LED)はディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDはバイオテクノロジなどへの応用が期待され、紫外線LEDは蛍光灯の紫外線源として期待されている。 Group III nitride compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) (hereinafter sometimes referred to as group III nitride semiconductors or GaN-based semiconductors) are attracting attention as materials for semiconductor elements that emit blue light or ultraviolet light. Laser diodes (LD) that emit blue light are applied to high-density optical discs and displays, and light-emitting diodes (LEDs) that emit blue light are applied to displays and illumination. Further, ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and ultraviolet LED is expected to be an ultraviolet source of fluorescent lamps.
LD用やLED用のIII族窒化物半導体(例えばGaN)の基板は、通常、気相エピタキシャル成長によって形成されており、例えば、サファイア基板上にIII族窒化物結晶をヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されている。しかしながら、サファイア基板とGaN結晶とは、格子定数に13.8%の差があり、線膨張係数にも25.8%の差がある。このため、気相エピタキシャル成長によって得られるGaN薄膜では結晶性が十分ではない。この方法で得られる結晶の転位密度は、通常、108cm-2〜109cm-2であり、転位密度の減少が重要な課題となっている。この課題を解決するために、転位密度を低減する取り組みが行われており、例えばELOG(Epitaxial lateral overgrowth)法が開発されている。この方法によれば、転位密度を105cm-2〜106cm-2程度まで下げることができるが、作製工程が複雑である。 A substrate of a group III nitride semiconductor (for example, GaN) for LD or LED is usually formed by vapor phase epitaxial growth, for example, formed by heteroepitaxial growth of a group III nitride crystal on a sapphire substrate. Yes. However, the sapphire substrate and the GaN crystal have a difference of 13.8% in the lattice constant and a difference of 25.8% in the linear expansion coefficient. For this reason, the GaN thin film obtained by vapor phase epitaxial growth has insufficient crystallinity. The dislocation density of the crystal obtained by this method is usually 10 8 cm −2 to 10 9 cm −2 , and reduction of the dislocation density is an important issue. In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the dislocation density. For example, an ELOG (Epitaxial lateral overgrowth) method has been developed. According to this method, the dislocation density can be lowered to about 10 5 cm −2 to 10 6 cm −2, but the manufacturing process is complicated.
一方、気相エピタキシャル成長ではなく、液相で結晶成長を行う方法も検討されてきた。しかしながら、GaNやAlNなどのIII族窒化物単結晶の融点における窒素の平衡蒸気圧は10,000atm(10,000×1.013×105Pa)以上であるため、従来、GaNを液相で成長させるためには1200℃で8000atm(8000×1.013×105Pa)の条件が必要とされてきた。これに対し、近年、Naフラックスを用いることで、750℃、50atm(50×1.013×105Pa)という比較的低温低圧でGaNを合成できることが明らかにされた。 On the other hand, a method of performing crystal growth in a liquid phase instead of vapor phase epitaxial growth has been studied. However, since the equilibrium vapor pressure of nitrogen at the melting point of a group III nitride single crystal such as GaN or AlN is 10,000 atm (10,000 × 1.013 × 10 5 Pa) or more, GaN has conventionally been in the liquid phase. In order to grow, a condition of 8000 atm (8000 × 1.013 × 10 5 Pa) at 1200 ° C. has been required. On the other hand, it has recently been clarified that GaN can be synthesized at a relatively low temperature and low pressure of 750 ° C. and 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa) by using Na flux.
最近では、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気下においてGaとNaとの混合物を800℃、50atm(50×1.013×105Pa)で溶融させ、この融液を用いて96時間の育成時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(例えば、特許文献1参照)。 Recently, a mixture of Ga and Na was melted at 800 ° C. and 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa) in a nitrogen gas atmosphere containing ammonia, and this melt was used for a growth time of 96 hours. A single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm is obtained (see, for example, Patent Document 1).
また、サファイア基板上に有機金属気相成長法(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)によってGaN結晶層を成膜したのち、液相成長法(LPE:Liquid Phase Epitaxy)によって単結晶を成長させる方法も報告されている。
III族窒化物基板の製造には、通常、サファイア基板などが用いられている。しかしながら、これらの基板とIII族窒化物結晶とは、格子定数や熱膨張係数が異なるため、これらの基板を用いてIII族窒化物結晶を成長させると、基板に歪みや反りが生じる場合があった。 A sapphire substrate or the like is usually used for manufacturing a group III nitride substrate. However, since these substrates and group III nitride crystals have different lattice constants and thermal expansion coefficients, when the group III nitride crystals are grown using these substrates, the substrates may be distorted or warped. It was.
表面の平坦性が低い半導体基板を用いてデバイスを製造する場合、製造が難しくなる場合がある。例えば、デバイス製造工程で用いられるステッパーなどでは、マスクの位置あわせが困難となる場合がある。 When a device is manufactured using a semiconductor substrate having a low surface flatness, the manufacture may be difficult. For example, in a stepper used in a device manufacturing process, mask alignment may be difficult.
このような状況に鑑み、本発明は、転位密度が小さく且つ表面の平坦性が高いIII族窒化物基板を製造することが可能な製造方法およびそれを用いて製造される半導体装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention provides a manufacturing method capable of manufacturing a group III nitride substrate having a low dislocation density and high surface flatness, and a semiconductor device manufactured using the same. With the goal.
上記目的を達成するために、本発明は、窒素を含む雰囲気下において、III族元素と前記窒素とをアルカリ金属融液中で反応させてIII族窒化物結晶を生成させ成長させるIII族窒化物基板の製造方法であって、予め準備されたIII族窒化物半導体層の複数の部分を、III族窒化物結晶の生成および成長の少なくとも1つのための種結晶として選択し、前記融液に前記種結晶の表面を接触させる製造方法である。 To achieve the above object, the present invention provides a group III nitride in which a group III element and nitrogen are reacted in an alkali metal melt to form and grow a group III nitride crystal in an atmosphere containing nitrogen. A method for manufacturing a substrate, wherein a plurality of portions of a group III nitride semiconductor layer prepared in advance are selected as seed crystals for generation and growth of a group III nitride crystal, and It is a manufacturing method which makes the surface of a seed crystal contact.
本発明の製造方法では、III族窒化物を種結晶とし、その部分からIII族窒化物結晶を選択的に成長させるため、低転位領域が大きいIII族窒化物基板を容易に製造することができる。 In the manufacturing method of the present invention, since a group III nitride is used as a seed crystal and a group III nitride crystal is selectively grown from the seed crystal, a group III nitride substrate having a large low dislocation region can be easily manufactured. .
以下、本発明の製造方法について、第1〜第4の製造方法を例にあげて、それらを用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらに限定されない。 Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be specifically described using the first to fourth manufacturing methods as examples. The present invention is not limited to these.
本発明の第1の製造方法は、(i)組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を準備する工程と、(ii)前記半導体層の上部に、パターニングされたマスク膜を形成する工程と、(iii)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記マスク膜から露出する前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むことが好ましい。なお、この明細書において、III族窒化物結晶とは、組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される結晶を意味する。 The first production method of the present invention is represented by (i) a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1). Preparing a semiconductor layer; (ii) forming a patterned mask film on the semiconductor layer; and (iii) at least one selected from gallium, aluminum, and indium in an atmosphere containing nitrogen. By bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing a group III element, an alkali metal, and the nitrogen, the semiconductor layer exposed from the mask film is used as a seed crystal, and a group III nitride crystal is formed on the semiconductor layer. It is preferable to include the process of growing. In this specification, the group III nitride crystal is a crystal represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1). means.
また、本発明の第2の製造方法は、(I)原基板上に、パターニングされたマスク膜を形成する工程と、(II)前記マスク膜から露出する前記原基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を形成する工程と、(III)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むことが好ましい。 The second manufacturing method of the present invention includes (I) a step of forming a patterned mask film on the original substrate, and (II) a composition formula Al u on the original substrate exposed from the mask film. A step of forming a semiconductor layer represented by Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1), and (III) under an atmosphere containing nitrogen The semiconductor layer is used as a seed crystal by bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, and the nitrogen. And a step of growing a group III nitride crystal.
また、本発明の第3の製造方法は、(A)組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を準備する工程と、(B)前記半導体層の表面の一部を酸化して酸化領域を形成する工程と、(C)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記酸化領域以外の前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むことが好ましい。 The third production method of the present invention is represented by (A) composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1). A step of preparing a semiconductor layer to be formed; (B) a step of oxidizing part of the surface of the semiconductor layer to form an oxidized region; and (C) an atmosphere containing nitrogen, selected from gallium, aluminum, and indium. The semiconductor layer other than the oxidized region is used as a seed crystal by bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element, an alkali metal, and the nitrogen, and the group III is formed on the semiconductor layer. A step of growing a nitride crystal.
さらに、本発明の第4の製造方法は、(a)原基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を形成する工程と、(b)前記半導体層上にパターニングされたマスク膜を形成し、前記マスク膜から露出する領域の半導体層を、前記原基板まで除去することにより、前記マスク膜で覆われている凸状のシード半導体層を形成する工程と、(c)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記シード半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むことが好ましい。 Furthermore, the fourth manufacturing method of the present invention is as follows: (a) On the original substrate, the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) And (b) forming a patterned mask film on the semiconductor layer, and removing the semiconductor layer in a region exposed from the mask film up to the original substrate. A step of forming a convex seed semiconductor layer covered with the mask film, and (c) at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen It is preferable to include a step of growing a group III nitride crystal on the semiconductor layer using the seed semiconductor layer as a seed crystal by bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing nitrogen and nitrogen.
上記第1の製造方法において、前記マスク膜として、例えば、ダイヤモンドライクカーボン、アルミナ(Al2O3)、組成式AluGa1-uN(ただし、0<u≦1である。)で表される材料等を使用することができる。 In the first manufacturing method, the mask film is represented by, for example, diamond-like carbon, alumina (Al 2 O 3 ), composition formula Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1). Can be used.
上記第1の製造方法において、前記マスク膜として組成式AluGa1-uN(ただし、0<u≦1である。)で表される材料を使用した場合、前記マスク膜中のAlの組成比が、前記半導体層のAlの組成比よりも大きいことが好ましい。また、前記マスク膜の表面若しくは全体が酸化されていることが好ましい。前記マスク膜が酸化されているとは、マスク膜に、例えば、GaOx、AlOx、AlGaOxが形成されている状態を意味する。また、前記マスク膜の表面が酸化されているとは、例えば、マスク膜の厚みの半分以下が酸化されている状態を意味する。なお、前記マスク膜の酸化領域には、一部未酸化部分を含んでいてもよく、例えば、AluGa1-uN(ただし、0<u≦1である。)で表される部分が含まれていてもよい。 In the first manufacturing method, when a material represented by the composition formula Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1) is used as the mask film, the Al film in the mask film The composition ratio is preferably larger than the Al composition ratio of the semiconductor layer. Moreover, it is preferable that the surface or the whole of the mask film is oxidized. The mask film being oxidized means a state in which, for example, GaO x , AlO x , or AlGaO x is formed on the mask film. Moreover, that the surface of the mask film is oxidized means, for example, a state where half or less of the thickness of the mask film is oxidized. The oxidized region of the mask film may partially include an unoxidized portion, for example, a portion represented by Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1). It may be included.
マスク膜の表面を酸化する方法としては、特に制限されないが、例えば、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う熱酸化法や、酸素イオンを注入する方法や、酸素プラズマで処理する方法等がある。マスク膜の表面が酸化された領域の厚みは、例えば、0.01μm〜1.0μmの範囲であり、好ましくは0.05μm〜0.5μmである。前記酸化された領域の厚みは、例えば、断面走査型電子顕微鏡(SEM)、断面透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定することができる。 A method for oxidizing the surface of the mask film is not particularly limited, and examples thereof include a thermal oxidation method in which heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen, a method of injecting oxygen ions, and a method of processing with oxygen plasma. The thickness of the region where the surface of the mask film is oxidized is, for example, in the range of 0.01 μm to 1.0 μm, preferably 0.05 μm to 0.5 μm. The thickness of the oxidized region can be measured by, for example, a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) or a cross-sectional transmission electron microscope (TEM).
上記第1の製造方法において、前記(i)の工程が、原基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を形成する工程であることが好ましい。 In the first manufacturing method, the step (i) includes a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) on the original substrate. It is preferable to be a step of forming a semiconductor layer represented by:
上記第1の製造方法において、前記半導体層がGaNを用いて形成され、前記マスク膜が組成式AluGa1-uN(ただし、0.05≦u≦1である。)で表されるものであることが好ましい。 In the first manufacturing method, the semiconductor layer is formed using GaN, and the mask film is represented by a composition formula Al u Ga 1-u N (where 0.05 ≦ u ≦ 1). It is preferable.
上記第1から第4の製造方法において、前記マスク膜には複数の貫通孔が形成されていることが好ましく、前記貫通孔とは、例えば、マスク膜に貫通孔を形成した場合、前記貫通孔の部分で前記半導体層がマスク膜から露出することを意味する。前記貫通孔の上面からみた形状は、例えば、ドット状、ストライプ状等があげられる。 In the first to fourth manufacturing methods, it is preferable that a plurality of through holes are formed in the mask film, and the through holes are, for example, the through holes when the through holes are formed in the mask film. This means that the semiconductor layer is exposed from the mask film. Examples of the shape viewed from the upper surface of the through hole include a dot shape and a stripe shape.
上記第1から第4の製造方法において、前記マスク膜がストライプ状にパターニングされていることが好ましく、その結果、前記半導体層がストライプ状に露出していてもよい。 In the first to fourth manufacturing methods, the mask film is preferably patterned in a stripe shape, and as a result, the semiconductor layer may be exposed in a stripe shape.
前記貫通孔の大きさとしては、例えば、その上面からみた形状がドット状の円形である場合、直径が、例えば、1μm〜1000μmの範囲であり、好ましくは10μm〜500μmである。一方、その上面からみた形状がストライプ状である場合、その長さは特に制限されず、幅は、例えば、1μm〜100μmであり、好ましくは5μm〜30μmである。 As the size of the through hole, for example, when the shape seen from the upper surface is a dot-like circle, the diameter is, for example, in the range of 1 μm to 1000 μm, preferably 10 μm to 500 μm. On the other hand, when the shape seen from the upper surface is a stripe shape, the length is not particularly limited, and the width is, for example, 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 30 μm.
本発明の製造方法において、前記原基板を前記融液中で揺動させながら前記III族窒化物結晶を成長させることが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the group III nitride crystal is grown while the original substrate is swung in the melt.
上記第1の製造方法において、前記マスク膜がAlを用いて形成され、前記マスク膜の表面若しくは全体が酸化されていることが好ましい。マスク膜の酸化方法は、前述のとおりである。 In the first manufacturing method, it is preferable that the mask film is formed using Al, and the surface or the whole of the mask film is oxidized. The method for oxidizing the mask film is as described above.
上記第2の製造方法において、前記マスク膜が、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウムおよび窒化酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも1つを含むものであることが好ましい。 In the second manufacturing method, it is preferable that the mask film includes at least one selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, and aluminum nitride oxide.
上記第2の製造方法において、前記マスク膜が、高融点金属または高融点金属化物の少なくとも一方を含むものであることが好ましい。 In the second manufacturing method, the mask film preferably contains at least one of a refractory metal or a refractory metalized product.
上記第2の製造方法において、前記マスク膜が、チタン、タングステン、モリブデン、ニオブ、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドおよびニオブシリサイドからなる群から選択される少なくとも1つを含むものであることが好ましい。 In the second manufacturing method, it is preferable that the mask film includes at least one selected from the group consisting of titanium, tungsten, molybdenum, niobium, tungsten silicide, molybdenum silicide, and niobium silicide.
上記第3の製造方法において、前記(A)の工程が、原基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を形成する工程であることが好ましい。 In the third manufacturing method, the step (A) includes a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) on the original substrate. It is preferable to be a step of forming a semiconductor layer represented by:
上記第3の製造方法において、前記(B)の工程が、(B−1)前記半導体層の表面にパターニングされたマスク膜を形成する工程と、(B−2)前記マスク膜から露出する前記半導体層の表面を酸化することによって前記酸化領域を形成する工程を含むことが好ましい。なお、前記酸化領域は、前記酸化方法と同様にして形成でき、その厚みは、例えば、0.01μm〜1.0μmであって、好ましくは0.05μm〜0.5μmである。 In the third manufacturing method, the step (B) includes (B-1) forming a patterned mask film on the surface of the semiconductor layer, and (B-2) exposing the mask film. It is preferable to include a step of forming the oxidized region by oxidizing the surface of the semiconductor layer. In addition, the said oxidation area | region can be formed similarly to the said oxidation method, The thickness is 0.01 micrometer-1.0 micrometer, for example, Preferably it is 0.05 micrometer-0.5 micrometer.
さらに、上記第3の製造方法における(B−2)の工程において、酸化領域を形成する方法としては特に制限されないが、例えば、酸素イオンを注入する方法、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う熱酸化法、酸素プラズマで処理する方法等があげられる。 Further, in the step (B-2) in the third manufacturing method, the method for forming the oxidized region is not particularly limited. For example, a method for implanting oxygen ions, a heat for performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen. Examples thereof include an oxidation method and a method of treating with oxygen plasma.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、さらに、マスク膜を除去する工程を含むことが好ましい。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, it is preferable to further include a step of removing the mask film.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、前記原基板が、表面が(0001)面であるサファイア基板であることが好ましい。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, the original substrate is preferably a sapphire substrate whose surface is a (0001) plane.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、前記III族元素がガリウムであり、前記III族窒化物結晶が窒化ガリウムの結晶であることが好ましい。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, the group III element is preferably gallium, and the group III nitride crystal is preferably a gallium nitride crystal.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、前記雰囲気が加圧雰囲気であることが好ましい。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, the atmosphere is preferably a pressurized atmosphere.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、前記融液がアルカリ土類金属をさらに含んでもよい。前記アルカリ土類金属としては、例えば、Ca、Mg、Sr、Baがあげられる。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, the melt may further contain an alkaline earth metal. Examples of the alkaline earth metal include Ca, Mg, Sr, and Ba.
上記第1、第2、第3および第4の製造方法において、前記種結晶として選択したIII族窒化物半導体層の周期は、30μm以上が好ましく、より好ましくは、50μm以上であり、さらに好ましく、100μm以上であり、特に好ましくは1000μm以上である。前記種結晶として選択したIII族窒化物半導体層の周期とは、隣接する前記種結晶として選択したIII族窒化物半導体層面の中心(中線)間の距離の平均値である。その測定方法としては、例えば、断面走査型電子顕微鏡(SEM)、断面透過型電子顕微鏡(TEM)等があげられる。 In the first, second, third and fourth manufacturing methods, the period of the group III nitride semiconductor layer selected as the seed crystal is preferably 30 μm or more, more preferably 50 μm or more, and still more preferably. It is 100 μm or more, and particularly preferably 1000 μm or more. The period of the group III nitride semiconductor layer selected as the seed crystal is an average value of the distances between the centers (center lines) of the group III nitride semiconductor layer surfaces selected as the adjacent seed crystals. Examples of the measuring method include a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) and a cross-sectional transmission electron microscope (TEM).
つぎに、本発明のIII族窒化物基板は、本発明の製造方法により製造されたIII族窒化物基板である。 Next, the group III nitride substrate of the present invention is a group III nitride substrate manufactured by the manufacturing method of the present invention.
本発明の基板において、転位密集領域の周期は、30μm以上が好ましく、より好ましくは、50μm以上であり、さらに好ましく、100μm以上であり、特に好ましくは1000μm以上である。前記転位密集領域とは、刃状転位やらせん転位の数が、107〜108/cm2以上ある領域である。前記転位密集領域の周期とは、最も転位密度が大きい部分間の距離の平均値である。その測定方法としては、例えば、電子線照射によるカソードルミネッセンス(CL)を観察することで暗点の数より求める方法や、ピロリン酸などの酸(200℃)でエッチングした後、AFMなどで凹凸を観測する方法等があげられる。なお、前記転位密度が大きい部分とは、例えば、CL像で暗転が最も密集する部分のことを意味する。 In the substrate of the present invention, the period of the dislocation dense region is preferably 30 μm or more, more preferably 50 μm or more, still more preferably 100 μm or more, and particularly preferably 1000 μm or more. The dislocation dense region is a region where the number of edge dislocations and screw dislocations is 10 7 to 10 8 / cm 2 or more. The period of the dislocation dense region is an average value of the distance between the portions having the highest dislocation density. As the measuring method, for example, by observing cathodoluminescence (CL) by electron beam irradiation, it is obtained from the number of dark spots, or after etching with an acid (200 ° C.) such as pyrophosphoric acid, unevenness is formed with AFM or the like. The observation method etc. can be given. The portion having a high dislocation density means, for example, a portion where dark transitions are most concentrated in a CL image.
本発明のIII族窒化物基板は、一部に酸化領域を有するIII族窒化物半導体層と、前記半導体層上に液相成長により形成されたIII族窒化物結晶とを含むIII族窒化物基板であって、前記酸化領域が、第3の製造方法における(B)工程により形成された一部酸化領域であることが好ましい。 The group III nitride substrate of the present invention includes a group III nitride semiconductor layer having a partially oxidized region, and a group III nitride substrate formed by liquid phase growth on the semiconductor layer And it is preferable that the said oxidation area | region is the partial oxidation area | region formed by the (B) process in a 3rd manufacturing method.
また、本発明のIII族窒化物基板は、一部にAlGaNまたはAlNの少なくとも一方の領域を含むIII族窒化物半導体層と、前記半導体層上に液相成長により形成されたIII窒化物結晶とを含むIII族窒化物基板であることが好ましい。 Further, the group III nitride substrate of the present invention includes a group III nitride semiconductor layer partially including at least one region of AlGaN or AlN, and a group III nitride crystal formed by liquid phase growth on the semiconductor layer. A group III nitride substrate containing is preferable.
また、本発明のIII族窒化物基板は、一部にダイヤモンドカーボンを含むIII族窒化物半導体層と、前記半導体層上に液相成長により形成されたIII窒化物結晶とを含むIII族窒化物基板であることが好ましい。 The group III nitride substrate of the present invention is a group III nitride including a group III nitride semiconductor layer partially containing diamond carbon and a group III nitride crystal formed by liquid phase growth on the semiconductor layer. A substrate is preferred.
本発明において、GaN基板を製造する場合、マスク膜と種結晶となる半導体層との組み合わせは、マスク膜としてAl2O3を使用し、半導体層はGaNまたはAlGaNの少なくとも1つから形成されていることが好ましい。このようにすれば、マスク膜(Al2O3)から露出している前記半導体層表面から選択的にGaN結晶が成長するからである。 In the present invention, when a GaN substrate is manufactured, a combination of a mask film and a semiconductor layer to be a seed crystal uses Al 2 O 3 as a mask film, and the semiconductor layer is formed of at least one of GaN or AlGaN. Preferably it is. This is because a GaN crystal grows selectively from the surface of the semiconductor layer exposed from the mask film (Al 2 O 3 ).
また、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板上に形成された半導体素子とを備える半導体装置であって、前記基板は、上記本発明の製造方法によって製造されたIII族窒化物基板である。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device comprising a substrate and a semiconductor element formed on the substrate, and the substrate is a group III nitride substrate manufactured by the manufacturing method of the present invention. is there.
上記半導体装置は、前記半導体素子が、例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードであってもよい。 In the semiconductor device, the semiconductor element may be, for example, a laser diode or a light emitting diode.
以下、本発明の実施の形態について例をあげて説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples. In the following description, the same parts may be denoted by the same reference numerals and redundant description may be omitted.
(実施形態1)
まず、III族窒化物基板を製造するための本発明の第1の製造方法の一例について、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
First, an example of the first manufacturing method of the present invention for manufacturing a group III nitride substrate will be described with reference to FIG.
図1は、本発明の第1の製造方法の工程の一例を示す工程断面図である。まず、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表される半導体層を準備する(工程(i))。この工程において、図1(a)に示すように、原基板11上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表される半導体層12を形成してもよい。半導体層12は、例えば、有機金属気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法や、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)、ハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)で形成できる。原基板11には、例えば、サファイア基板やGaAs基板、Si基板、SiC基板、AlN基板などを用いることができる。前記サファイア基板としては、例えば、表面が(0001)面であるサファイア基板を用いることが好ましい。 FIG. 1 is a process sectional view showing an example of the process of the first manufacturing method of the present invention. First, a semiconductor layer represented by a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) is prepared (step (i)). In this step, as shown in FIG. 1A, a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) is formed on the original substrate 11. You may form the semiconductor layer 12 represented by these. The semiconductor layer 12 is formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). it can. As the original substrate 11, for example, a sapphire substrate, a GaAs substrate, a Si substrate, a SiC substrate, an AlN substrate, or the like can be used. As the sapphire substrate, for example, a sapphire substrate whose surface is a (0001) plane is preferably used.
なお、例えば、HVPE法などを用いて、サファイア等の原基板上に数100μm以上の厚みのGaN結晶を成長させた後、前記原基板を分離することで、GaN結晶のみの種結晶を得ることができる。以下に、HVPE法を用いたGaN結晶の育成方法の一例について説明する。まず、サファイア基板上に、MOCVD法によりGaN層を形成する。つぎに、前記GaN層上に金属Tiを成膜して、そのTi膜をNH3により熱処理することでボイドのあるTiN膜を形成する。そして、前記TiN膜上に、HVPE法を用いて例えば、厚み600μmのGaN結晶を成長させる。HVPE法では、GaポートにGa融液を入れ、そして、前記Gaポートに水素ガスと塩化水素ガスとを吹き付けることでGaClを生成させる。そして、サファイア基板が置かれたサセプタ近くに、水素ガスとNH3ガスとを吹き付けることで、前記サファイア基板上にGaN結晶を成長させる。その後、GaN結晶を前記サファイア基板から剥離させ、GaN基板(結晶)を得ることができる。このGaN基板を、例えば、前記半導体層(種結晶)として使用することができる。なお、液相成長で形成させたGaN結晶等も半導体層(種結晶)として使用することができる。 For example, after growing a GaN crystal having a thickness of several hundreds μm or more on an original substrate such as sapphire by using the HVPE method or the like, a seed crystal of only the GaN crystal is obtained by separating the original substrate. Can do. Below, an example of the growth method of the GaN crystal using HVPE method is demonstrated. First, a GaN layer is formed on a sapphire substrate by MOCVD. Next, a metal Ti film is formed on the GaN layer, and the Ti film is heat-treated with NH 3 to form a void TiN film. Then, for example, a GaN crystal having a thickness of 600 μm is grown on the TiN film by using the HVPE method. In the HVPE method, GaCl is put into a Ga port, and hydrogen gas and hydrogen chloride gas are blown into the Ga port to generate GaCl. A GaN crystal is grown on the sapphire substrate by blowing hydrogen gas and NH 3 gas near the susceptor on which the sapphire substrate is placed. Thereafter, the GaN crystal is peeled off from the sapphire substrate to obtain a GaN substrate (crystal). This GaN substrate can be used as the semiconductor layer (seed crystal), for example. A GaN crystal or the like formed by liquid phase growth can also be used as the semiconductor layer (seed crystal).
次に、図1(b)に示すように、前記半導体層12の上部に、パターニングされたマスク膜13を形成する(工程(ii))。前記マスク膜13は、GaNの融液に融けにくい材料で形成され、例えば、ダイヤモンドライクカーボンや組成式AluGa1-uN(ただし、0<u≦1である。)で表される材料、例えば、AlN、AlGaN、Al2O3などが使用できる。前記半導体層12がGaNを用いて形成される場合、前記マスク膜13は、組成式AluGa1-uN(ただし、0.05≦u≦1である。)で表される材料であることが好ましい。組成式AluGa1-uN(ただし、0<u≦1である。)で表されるマスク膜を用いる場合、そのAl含有率(組成比)が、前記半導体層12のAl含有率(組成比)よりも大きいことが好ましい。前記マスク膜の形成方法は、例えば、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等があげられる。 Next, as shown in FIG. 1B, a patterned mask film 13 is formed on the semiconductor layer 12 (step (ii)). The mask film 13 is formed of a material that is not easily melted into the GaN melt, and is represented by, for example, diamond-like carbon or a composition formula Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1). For example, AlN, AlGaN, Al 2 O 3 and the like can be used. When the semiconductor layer 12 is formed using GaN, the mask film 13 is a material represented by the composition formula Al u Ga 1-u N (where 0.05 ≦ u ≦ 1). It is preferable. In the case of using a mask film represented by the composition formula Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1), the Al content (composition ratio) is the Al content of the semiconductor layer 12 ( It is preferable that it is larger than the composition ratio. Examples of the method for forming the mask film include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method.
前記マスク膜の厚みは、例えば、0.05μm〜10μmであって、好ましくは0.1μm〜3μmである。また、マスク膜の表面が酸化されていることが好ましい。 The thickness of the mask film is, for example, 0.05 μm to 10 μm, preferably 0.1 μm to 3 μm. The surface of the mask film is preferably oxidized.
また、前記マスク膜13には複数の貫通孔が形成されてもよい。前記貫通孔を形成した場合、前記貫通孔の部分で前記半導体層12がマスク膜から露出し、その露出した部分を種結晶として選択的にIII族窒化物結晶を成長させることができるからである。前記貫通孔の形状は、マスク膜を上面から見た場合、例えば、ドット状、ストライプ状等があげられる。この場合のマスク膜13の上面図の一例を図2(a)および(b)に示す。図2(a)に示すように前記貫通孔をドット状にパターニングした場合、半導体層12は、マスク膜13の貫通孔13hにおいてドット状に露出し、また、図2(b)に示すように前記貫通孔をストライプ状にパターニングした場合、半導体層12は、マスク膜13の貫通孔13gにおいてストライプ状に露出する。前記貫通孔は、例えば、マスク膜13がダイヤモンドライクカーボンを含む場合、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、酸素ガスを用いてドライエッチングによって形成することができる。また、マスク膜13がAlNやAlGaNを含む場合、例えば、フォトリソグラフィーによるレジストパターンの形成とエッチングによって形成することができる。また、前記半導体層上にAl層を形成し、この上にさらに第2のマスク膜を形成する。つぎに、前記第2のマスク膜をパターニングして貫通孔を形成し、第2のマスク膜から露出したAl層に対し、前記貫通孔を通して酸化処理(例えば、酸素雰囲気での加熱処理)することにより、その露出部分を酸化してAl2O3を形成して、そのAl2O3の部分をマスク膜として使用することもできる。なお、前記Al層上のマスク膜は、Al層と共に、公知の方法により除去することができる。 Further, a plurality of through holes may be formed in the mask film 13. This is because when the through hole is formed, the semiconductor layer 12 is exposed from the mask film at the portion of the through hole, and a group III nitride crystal can be selectively grown using the exposed portion as a seed crystal. . The shape of the through hole is, for example, a dot shape or a stripe shape when the mask film is viewed from above. An example of a top view of the mask film 13 in this case is shown in FIGS. When the through hole is patterned in a dot shape as shown in FIG. 2A, the semiconductor layer 12 is exposed in a dot shape in the through hole 13h of the mask film 13, and as shown in FIG. When the through hole is patterned in a stripe shape, the semiconductor layer 12 is exposed in a stripe shape in the through hole 13 g of the mask film 13. For example, when the mask film 13 contains diamond-like carbon, the through-hole can be formed by forming a resist pattern by photolithography and performing dry etching using oxygen gas. Further, when the mask film 13 contains AlN or AlGaN, it can be formed, for example, by forming a resist pattern by photolithography and etching. Further, an Al layer is formed on the semiconductor layer, and a second mask film is further formed thereon. Next, the second mask film is patterned to form a through hole, and the Al layer exposed from the second mask film is oxidized through the through hole (for example, heat treatment in an oxygen atmosphere). Thus, the exposed portion can be oxidized to form Al 2 O 3 , and the Al 2 O 3 portion can be used as a mask film. The mask film on the Al layer can be removed together with the Al layer by a known method.
次に、図1(c)に示すように、マスク膜13から露出する半導体層12を種結晶として、半導体層12上にIII族窒化物結晶14を成長させる(工程(iii))。前記III族窒化物結晶は、窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に半導体層12の表面を接触させ、上記少なくとも1つのIII族元素と前記融液に溶解した窒素とを反応させることによって成長させることができる。前記融液は、例えば、材料を坩堝に投入して加熱することによって調製することができる。そして、種結晶と前記融液とを接触させた後、前記融液中のIII族窒化物が過飽和となって前記半導体層上にIII族窒化物半導体の結晶が成長するように、融液の温度および雰囲気の圧力を調節する。 Next, as shown in FIG. 1C, a group III nitride crystal 14 is grown on the semiconductor layer 12 using the semiconductor layer 12 exposed from the mask film 13 as a seed crystal (step (iii)). The group III nitride crystal is made to contact the surface of the semiconductor layer 12 with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium, an alkali metal and the nitrogen in an atmosphere containing nitrogen, It can be grown by reacting the at least one group III element with nitrogen dissolved in the melt. The melt can be prepared, for example, by putting a material into a crucible and heating. Then, after bringing the seed crystal and the melt into contact with each other, the group III nitride in the melt is supersaturated so that a group III nitride semiconductor crystal grows on the semiconductor layer. Adjust temperature and atmospheric pressure.
融液に溶解されるIII族元素は、結晶成長させるIII族窒化物に応じて選択され、ガリウム、アルミニウム、インジウムまたはこれらのいくつかが用いられる。窒化ガリウムの結晶を形成する場合には、ガリウムのみが用いられる。アルカリ金属には、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)から選ばれる少なくとも1つ、すなわち、それらの1つまたはそれらの混合物が用いられ、これらは通常、フラックスとして機能する(以下の実施形態でも同様である)。これらの中でも、NaとLiとの混合物を用いることがより好ましい。NaとLiとの混合フラックスを用いた液相成長では、(0001)方向よりも、それに対して垂直な方向、すなわち、原基板(種結晶)に対して横方向への成長速度が速く、そのように成長した部分は、低転位であることから、本発明のような選択的な成長には望ましい。 The group III element dissolved in the melt is selected according to the group III nitride for crystal growth, and gallium, aluminum, indium, or some of them are used. In the case of forming a gallium nitride crystal, only gallium is used. As the alkali metal, at least one selected from sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K) is used, that is, one of them or a mixture thereof, and these usually function as a flux (hereinafter referred to as “flux”). This is the same in the embodiment of FIG. Among these, it is more preferable to use a mixture of Na and Li. In liquid phase growth using a mixed flux of Na and Li, the growth rate in the direction perpendicular to the (0001) direction, that is, in the lateral direction with respect to the original substrate (seed crystal) is faster. The portion thus grown is desirable for selective growth as in the present invention because it has low dislocations.
上記工程(iii)によって、半導体層12およびマスク膜13上にIII族窒化物結晶14が成長する。この結晶成長によって、組成式が組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物結晶(例えば、GaN単結晶)を形成することができる。 Through the step (iii), the group III nitride crystal 14 is grown on the semiconductor layer 12 and the mask film 13. By this crystal growth, a group III nitride crystal (for example, a GaN single crystal) whose composition formula is expressed by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is obtained. Can be formed.
上記工程(iii)において、窒素を含む雰囲気としては、例えば、窒素ガス(N2)雰囲気や、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気を使用することができる。この雰囲気は、加圧雰囲気であることが好ましく、1atm(1×1.013×105Pa)よりも大きく100atm(100×1.013×105Pa)よりも小さい加圧雰囲気であることが好ましい。材料の溶融および結晶成長の条件は、フラックスの成分や雰囲気ガス成分およびその圧力によって変化するが、例えば、融液の温度が700℃〜1100℃程度で、圧力が1atm(1×1.013×105Pa)〜100atm(100×1.013×105Pa)程度で行われる。 In the step (iii), as the atmosphere containing nitrogen, for example, a nitrogen gas (N 2 ) atmosphere or a nitrogen gas atmosphere containing ammonia can be used. This atmosphere is preferably a pressurized atmosphere, preferably a pressurized atmosphere that is larger than 1 atm (1 × 1.013 × 10 5 Pa) and smaller than 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa). preferable. The material melting and crystal growth conditions vary depending on the flux components, the atmospheric gas components, and the pressure thereof. For example, the melt temperature is about 700 ° C. to 1100 ° C., and the pressure is 1 atm (1 × 1.013 ×). 10 5 Pa) to 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa).
なお、上記融液は、アルカリ土類金属をさらに含んでもよい。アルカリ土類金属としては、例えばCa、Mg、Sr、Baなどを用いることができる。 The melt may further contain an alkaline earth metal. As the alkaline earth metal, for example, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used.
実施形態1の方法によれば、従来の気相成長法に比べて、種結晶から選択的に結晶成長させているため、転位密度が低いIII族窒化物結晶が得られる。また、実施形態1の方法によれば、表面の平坦性が高いIII族窒化物結晶が得られる。なお、III族窒化物結晶を成長させたのちに、III族窒化物結晶以外の部分(サファイア基板)を研磨などによって除去することによって、III族窒化物結晶のみで形成された基板が得られる。 According to the method of Embodiment 1, a group III nitride crystal having a low dislocation density is obtained because the crystal is selectively grown from the seed crystal as compared with the conventional vapor phase growth method. Further, according to the method of Embodiment 1, a group III nitride crystal having high surface flatness can be obtained. In addition, after growing the group III nitride crystal, a portion other than the group III nitride crystal (sapphire substrate) is removed by polishing or the like to obtain a substrate formed only of the group III nitride crystal.
(実施形態2)
つぎに、III族窒化物基板を製造するための本発明の第2の製造方法の一例について、図3を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Next, an example of the second manufacturing method of the present invention for manufacturing a group III nitride substrate will be described with reference to FIG.
図3は、本発明の第2の製造方法の工程の一例を示す工程断面図である。図3(a)に示すように、原基板11上に、パターニングされたマスク膜32を形成する(工程(I))。前記マスク膜32は、例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムで形成できる。また、マスク膜は、融点が高い(融点が1000℃以上)高融点金属または高融点金属化物で形成してもよく、例えば、チタン,タングステン、モリブデン、ニオブ、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドまたはニオブシリサイドを使用することができる。前記マスク膜32の厚みは、例えば、0.005μm〜1μmであって、好ましくは0.05μm〜0.5μmである。なお、マスク膜の形成方法およびマスク膜のパターニング方法、形状は、前記実施形態1と同様である。 FIG. 3 is a process sectional view showing an example of the process of the second manufacturing method of the present invention. As shown in FIG. 3A, a patterned mask film 32 is formed on the original substrate 11 (step (I)). The mask film 32 can be formed of, for example, silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or aluminum nitride oxide. The mask film may be formed of a refractory metal or a refractory metallized metal having a high melting point (melting point of 1000 ° C. or higher). For example, titanium, tungsten, molybdenum, niobium, tungsten silicide, molybdenum silicide, or niobium silicide Can be used. The thickness of the mask film 32 is, for example, 0.005 μm to 1 μm, and preferably 0.05 μm to 0.5 μm. The mask film forming method, the mask film patterning method, and the shape are the same as those in the first embodiment.
次に、図3(b)に示すように、マスク膜32から露出する原基板11上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される結晶からなる半導体層33を形成する(工程(II))。前記半導体層33は、例えば、有機金属気相成長(MOCVD)法やハイドライド気相成長(HVPE法)で形成できる。前記半導体層33の形状は、成長温度を変えることにより変化させることができる。図4(a)〜(c)に、様々な形状に成長させた半導体層33の断面図の一例を示す。例えば、MOCVD法を用いた結晶成長において、1010℃の温度で結晶成長させると、半導体層33aは円錐状に成長する(図4(a))。また、1040℃の温度で結晶成長させると、半導体層33bは台形状に成長する(図4(b))。また、1070℃の温度で結晶成長させると、半導体層33cは円柱状または直方体状に成長する(図4(c))。 Next, as shown in FIG. 3B, the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) is formed on the original substrate 11 exposed from the mask film 32. , U + v ≦ 1) is formed (step (II)). The semiconductor layer 33 can be formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or hydride vapor deposition (HVPE). The shape of the semiconductor layer 33 can be changed by changing the growth temperature. 4A to 4C show examples of cross-sectional views of the semiconductor layer 33 grown in various shapes. For example, in the crystal growth using the MOCVD method, when the crystal is grown at a temperature of 1010 ° C., the semiconductor layer 33a grows in a conical shape (FIG. 4A). When the crystal is grown at a temperature of 1040 ° C., the semiconductor layer 33b grows in a trapezoidal shape (FIG. 4B). When the crystal is grown at a temperature of 1070 ° C., the semiconductor layer 33c grows in a columnar shape or a rectangular parallelepiped shape (FIG. 4C).
次に、窒素を含む雰囲気下(好ましくは100atm(100×1.013×105Pa)以下の加圧雰囲気)において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に半導体層33の表面を接触させることによって、半導体層33を種結晶として、半導体層33上にIII族窒化物結晶を成長させる(工程(III))。工程(III)は、実施形態1で説明した工程(iii)と同様の方法で行うことができるため説明は省略する。この工程によって、図3(c)に示すように、半導体層33上にIII族窒化物結晶34が成長する。なお、III族窒化物結晶34を形成する前に、マスク膜32を除去してもよい。 Next, in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) or less), at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, By bringing the surface of the semiconductor layer 33 into contact with a melt containing nitrogen, a group III nitride crystal is grown on the semiconductor layer 33 using the semiconductor layer 33 as a seed crystal (step (III)). Since step (III) can be performed by the same method as step (iii) described in the first embodiment, description thereof is omitted. Through this step, a group III nitride crystal 34 grows on the semiconductor layer 33 as shown in FIG. Note that the mask film 32 may be removed before the group III nitride crystal 34 is formed.
なお、前記融液は、アルカリ土類金属をさらに含んでもよい。アルカリ土類金属としては、例えば、Ca、Mg、Sr、Baなどを用いることができる。この方法によれば、III族元素と前記融液に溶解した窒素とが反応して組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表されるIII族窒化物結晶が得られ、例えば、GaN結晶や、組成式AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)で表される結晶が得られる。 The melt may further contain an alkaline earth metal. As the alkaline earth metal, for example, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used. According to this method, the group III element and nitrogen dissolved in the melt react to react with the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ A group III nitride crystal represented by 1) is obtained. For example, a GaN crystal or a crystal represented by the composition formula Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) is obtained.
このようにして、III族窒化物結晶を備える基板を得ることができる。従来の液相成長法では、GaN結晶が成長する初期段階に、GaN種結晶基板が融液中で融解し、その際に種結晶表面の凹凸が発生し、その表面から結晶成長が始まることで、得られたGaN結晶基板の表面の平坦性が劣化する場合や、結晶の一部からランダムに転位が発生する場合があった。これに対して、実施形態2の方法(本発明の第2の製造方法)では、種結晶から選択的に結晶成長させているため、得られる基板の平坦性が向上し、かつ転位密度の低減が図れるという特徴がある。このように、実施形態2の方法によれば、平坦性が高く低転位なIII族窒化物結晶を、低コストで製造できる。 In this way, a substrate including a group III nitride crystal can be obtained. In the conventional liquid phase growth method, at the initial stage of GaN crystal growth, the GaN seed crystal substrate melts in the melt, and at this time, irregularities of the seed crystal surface occur, and crystal growth starts from that surface. In some cases, the surface flatness of the obtained GaN crystal substrate deteriorates, or dislocations occur randomly from a part of the crystal. On the other hand, in the method of the second embodiment (second manufacturing method of the present invention), since the crystal is selectively grown from the seed crystal, the flatness of the obtained substrate is improved and the dislocation density is reduced. There is a feature that can be planned. Thus, according to the method of Embodiment 2, a group III nitride crystal having high flatness and low dislocation can be produced at low cost.
本実施形態の製造方法において、前記マスク膜から露出した原基板の周期が、例えば、30μm以上であって、好ましくは50μm以上であり、より好ましくは100μm以上であり、さらに好ましくは1000μm以上である。 In the manufacturing method of this embodiment, the period of the original substrate exposed from the mask film is, for example, 30 μm or more, preferably 50 μm or more, more preferably 100 μm or more, and further preferably 1000 μm or more. .
(実施形態3)
つぎに、III族窒化物基板を製造するための本発明の第3の製造方法について説明する。
(Embodiment 3)
Next, a third manufacturing method of the present invention for manufacturing a group III nitride substrate will be described.
実施形態3の製造方法では、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表される半導体層を準備する(工程(A))。この工程は、実施形態1で説明した工程(i)と同様である。なお、前記半導体層は、前述のように、例えば、原基板上に形成してもよい。 In the manufacturing method of the third embodiment, a semiconductor layer represented by the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) is prepared. (Step (A)). This step is the same as step (i) described in the first embodiment. The semiconductor layer may be formed on the original substrate, for example, as described above.
次に、形成した半導体層の表面の一部を酸化して酸化領域を形成する(工程(B))。酸化領域を形成することで、酸化部分からの結晶成長を抑制することができる。工程(B)は、例えば、以下の(B−1)〜(B−3)の工程で行うことができる。 Next, a part of the surface of the formed semiconductor layer is oxidized to form an oxidized region (step (B)). By forming the oxidized region, crystal growth from the oxidized portion can be suppressed. Step (B) can be performed, for example, by the following steps (B-1) to (B-3).
まず、半導体層の表面にパターニングされたマスク膜を形成する(工程(B−1))。パターニングされたマスク膜は、半導体プロセスにおいて一般的な、公知の材料および方法で形成できる。 First, a patterned mask film is formed on the surface of the semiconductor layer (step (B-1)). The patterned mask film can be formed by a known material and method common in a semiconductor process.
次に、マスク膜から露出する半導体層の表面を酸化することによって、半導体層の表面の一部に酸化領域を形成する(工程(B−2))。半導体層の酸化の方法は特に限定はないが、例えば、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う熱酸化法や、酸素イオンを注入する方法や、酸素プラズマで処理する方法などを適用できる。酸化領域の厚みは、0.01μm以上であることが好ましい。 Next, an oxidized region is formed in a part of the surface of the semiconductor layer by oxidizing the surface of the semiconductor layer exposed from the mask film (step (B-2)). A method for oxidizing the semiconductor layer is not particularly limited. For example, a thermal oxidation method in which heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen, a method of injecting oxygen ions, a method of processing with oxygen plasma, or the like can be applied. The thickness of the oxidized region is preferably 0.01 μm or more.
次に、マスク膜を除去する。マスク膜を除去する方法は、マスク膜の種類に応じて選択され、一般的な方法を適用できる。 Next, the mask film is removed. The method for removing the mask film is selected according to the type of the mask film, and a general method can be applied.
工程(B)の次に、窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記酸化領域以外の前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる(工程(C))。工程(C)の結晶成長工程は、実施形態1で説明した工程(iii)と同様であるため、重複する説明は省略する。 Next to step (B), in an atmosphere containing nitrogen, the surface of the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, and the nitrogen. By using the semiconductor layer other than the oxidized region as a seed crystal, a group III nitride crystal is grown on the semiconductor layer (step (C)). Since the crystal growth step of the step (C) is the same as the step (iii) described in the first embodiment, a duplicate description is omitted.
このようにして、組成式が組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物結晶(例えばGaN単結晶)を形成することができる。実施形態3の製造方法(本発明の第3の製造方法)によれば、実施形態1および2の製造方法と同様の効果が得られる。 Thus, a group III nitride crystal (for example, a GaN single crystal) whose composition formula is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is formed. can do. According to the manufacturing method of the third embodiment (the third manufacturing method of the present invention), the same effects as the manufacturing methods of the first and second embodiments can be obtained.
(実施形態4)
以下の方法においても、選択的にIII族窒化物結晶を成長することができる。
(Embodiment 4)
Also in the following method, a group III nitride crystal can be selectively grown.
まず、原基板上に組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1である。)で表される半導体層を形成する(工程(a))。前記半導体層は、例えば、MOCVD法やMBE法で形成できる。 First, a semiconductor layer represented by the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) is formed on the original substrate (step (a)). . The semiconductor layer can be formed by, for example, the MOCVD method or the MBE method.
つぎに、前記半導体層上にパターニングされたマスク膜を形成し、前記マスク膜から露出する領域の半導体層を、前記原基板まで除去することにより、前記マスク膜で覆われている凸状のシード半導体層を形成し、前記マスク膜を除去する(工程(b))。凸部は、フォトソリグラフィーとエッチングとを組み合わせた公知の方法で形成できる。凸部の上面は、通常、C面となる。凸部の形状は、以下の工程で原基板の分離を行いやすい形状が選択され、例えば、ストライプ状やドット状に形成することができる。 Next, a patterned mask film is formed on the semiconductor layer, and the semiconductor layer in a region exposed from the mask film is removed to the original substrate, thereby forming a convex seed covered with the mask film. A semiconductor layer is formed, and the mask film is removed (step (b)). The convex portion can be formed by a known method in which photolithography and etching are combined. The upper surface of the convex portion is usually a C surface. As the shape of the convex portion, a shape that facilitates separation of the original substrate in the following steps is selected. For example, it can be formed in a stripe shape or a dot shape.
さらに、前記の半導体層の凸部上面に、窒素を含む雰囲気下(好ましくは100atm(100×1.013×105Pa)以下の加圧雰囲気)において、ガリウム、アルミニウムおよびインジニウムから選ばれる少なくとも1つのIII元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記少なくとも1つのIII族元素と前記融液に溶解した窒素とを反応させてIII族窒化物結晶を成長させる(工程(c))。 Furthermore, at least one selected from gallium, aluminum, and indinium is formed on the upper surface of the convex portion of the semiconductor layer in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) or less). By bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing three elements III, an alkali metal, and the nitrogen, the at least one group III element and nitrogen dissolved in the melt are reacted to form a group III nitride Crystals are grown (step (c)).
これにより、前記原基板と前記III族窒化物結晶との間に空隙が形成される。本実施形態では、III族窒化物結晶を、窒素を溶解させたIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液中で、液相成長させるため、従来のMOCVD法やHVPE法などの気相成長と比較して、横方向の成長速度を早くすることができる。そのため、凸部の面積は、例えば、全体の面積の10%以下であっても、凸部から成長した結晶が相互に合体することができる。例えば、ストライプ状の凸部を形成する場合、凸部の幅は、例えば、1μm〜5μmであり、隣接する凸部間の幅は、例えば、20μm〜500μmである。また、凸部の周期は、例えば、30μm以上が好ましく、より好ましくは50μm以上であり、さらに好ましくは100μm以上であり、特に好ましくは1000μm以上である。 As a result, a gap is formed between the original substrate and the group III nitride crystal. In this embodiment, since a group III nitride crystal is grown in a liquid phase in a melt containing a group III element in which nitrogen is dissolved, an alkali metal, and the nitrogen, a conventional MOCVD method, HVPE method, or the like is used. Compared with phase growth, the lateral growth rate can be increased. Therefore, even if the area of the convex portion is, for example, 10% or less of the entire area, crystals grown from the convex portion can be combined with each other. For example, when forming a stripe-shaped convex part, the width of a convex part is 1 micrometer-5 micrometers, for example, and the width between adjacent convex parts is 20 micrometers-500 micrometers, for example. Moreover, the period of a convex part is 30 micrometers or more, for example, More preferably, it is 50 micrometers or more, More preferably, it is 100 micrometers or more, Most preferably, it is 1000 micrometers or more.
特に高出力レーザに必要とされる活性層のストライプ幅の広い半導体レーザでは、広い領域で低転位を必要とする。また、半導体素子を基板上に作成する際、低転位領域とマスク合わせをする必要があり、広い低転位領域があるほうがプロセス上好ましい。よって、広い低転位領域を有する基板は、その実用的効果が大きい。 In particular, a semiconductor laser having a wide stripe width of an active layer required for a high-power laser requires low dislocations over a wide region. Further, when a semiconductor element is formed on a substrate, it is necessary to align a mask with a low dislocation region, and a wide low dislocation region is preferable in terms of process. Therefore, a substrate having a wide low dislocation region has a large practical effect.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例では、GaN結晶を成長させる場合について説明するが、AlxGa1-xNやAlNといった組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表されるIII族窒化物結晶も同様の手法によって形成できる。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In the following examples, a case where a GaN crystal is grown will be described. However, a composition formula Al x Ga y In 1-xy N such as Al x Ga 1-x N or AlN (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 A group III nitride crystal represented by ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) can also be formed by a similar method.
本実施例では、サファイア基板上に、MOCVD法によってGaN半導体層を形成し、液相エピタキシャル成長法によってGaN単結晶層を形成する方法の一例について図面を用いて説明する。 In this embodiment, an example of a method of forming a GaN semiconductor layer on a sapphire substrate by MOCVD and forming a GaN single crystal layer by liquid phase epitaxy will be described with reference to the drawings.
種結晶基板の作製方法の一例を示す工程断面図を図6(a)〜(d)に示す。まず、種結晶基板を形成した。具体的には、図6(a)に示すように、サファイア基板61上に、MOCVD法でGaNからなるIII族窒化物半導体層(GaN半導体層)62を成長させた。具体的には、基板温度が約1020℃〜1100℃になるようにサファイア基板61を加熱し、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを原基板上に供給することによって、GaN層を成長させた。この時、GaN半導体層62の表面は、Ga面であることが望ましい。なお、III族窒化物半導体を形成することができる他の方法を用いてもよく、例えば、HVPE(ハイドライド気相成長)法やMBE法といった方法を用いてもよい。また、HVPE法などによりサファイア基板上に形成した厚膜のGaN結晶を、前記サファイア基板上から分離して、前記半導体層として使用してもよい。この場合も、GaN半導体層表面がIII族面であることが望ましい。 Process sectional views showing an example of a method for manufacturing a seed crystal substrate are shown in FIGS. First, a seed crystal substrate was formed. Specifically, as shown in FIG. 6A, a group III nitride semiconductor layer (GaN semiconductor layer) 62 made of GaN was grown on the sapphire substrate 61 by MOCVD. Specifically, the sapphire substrate 61 is heated so that the substrate temperature is about 1020 ° C. to 1100 ° C., and trimethyl gallium (TMG) and NH 3 are supplied onto the original substrate to grow the GaN layer. . At this time, the surface of the GaN semiconductor layer 62 is preferably a Ga plane. Note that other methods capable of forming a group III nitride semiconductor may be used. For example, a method such as HVPE (hydride vapor phase epitaxy) or MBE may be used. Further, a thick GaN crystal formed on a sapphire substrate by HVPE or the like may be separated from the sapphire substrate and used as the semiconductor layer. Also in this case, it is desirable that the surface of the GaN semiconductor layer is a group III surface.
前記GaN半導体層62は、III族元素として、ガリウムの他に、アルミニウムまたはインジウムを含んでいてもよく、GaN半導体層62は、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である)で表されるIII族窒化物で形成することができる。 The GaN semiconductor layer 62 may contain aluminum or indium as a group III element in addition to gallium. The GaN semiconductor layer 62 has a composition formula of Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, and u + v ≦ 1).
次に、GaN半導体層62上にマスク膜を形成した。具体的には、図6(b)に示すように、GaN半導体層62上にマスク膜63を形成した。マスク膜は、GaN融液に融解しにくい材質がよく、例えば、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)やAlGaN、AlNなどが使用できる。マスク膜にAlGaNを用いる場合には、マスク膜のAlの含有率が高いと結晶成長の濡れ性が低く、且つGaN融液に対して溶融しにくくなるため、III族窒化物半導体層よりもAlの含有率が高いことが重要である。具体的には、マスク膜に占めるAlの組成比は、3原子%以上(Al0.03Ga0.97N)が望ましく、5原子%以上(Al0.05Ga0.95N)がさらに望ましい。また、III族窒化物半導体層としてAlGaNを用いる場合には、その表面が酸化されていることが望ましい(以下の実施例でも同様である)。なお、本実施例ではAl0.07Ga0.93Nからなるマスク膜63をMOCVD法で形成した。具体的には、有機金属(トリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムなど)とNH3とを、26,600Pa(200Torr)で基板(基板温度:1050℃)に供給することによって、AlGaNからなるマスク膜63を成長させた。 Next, a mask film was formed on the GaN semiconductor layer 62. Specifically, as shown in FIG. 6B, a mask film 63 was formed on the GaN semiconductor layer 62. The mask film is preferably made of a material that is difficult to melt into the GaN melt. For example, diamond-like carbon (DLC), AlGaN, AlN, or the like can be used. When AlGaN is used for the mask film, if the Al content of the mask film is high, the wettability of crystal growth is low and it is difficult to melt into the GaN melt. It is important that the content of is high. Specifically, the composition ratio of Al in the mask film is preferably 3 atomic% or more (Al 0.03 Ga 0.97 N), more preferably 5 atomic% or more (Al 0.05 Ga 0.95 N). Further, when AlGaN is used as the group III nitride semiconductor layer, the surface is desirably oxidized (the same applies to the following examples). In this embodiment, the mask film 63 made of Al 0.07 Ga 0.93 N is formed by the MOCVD method. Specifically, an organic metal (such as trimethylgallium and trimethylaluminum) and NH 3 are supplied to a substrate (substrate temperature: 1050 ° C.) at 26,600 Pa (200 Torr) to grow a mask film 63 made of AlGaN. I let you.
ここで、組成によってGa融液に対する溶解性が異なることを調べるために、種結晶基板を、NaとCaとをフラックスとして混入したGaNの融液(800℃、10atm(10×1.013×105Pa))中に浸漬した。種結晶基板には、サファイア基板上に、GaN層(厚み:4μm)とAl0.07Ga0.93N層(厚み:1.4μm)とを積層した基板を用いた。浸漬後の断面の写真を図5に示し、図中のAがサファイア基板を、Bが(GaN+AlGaN)層を、Cがマスク膜を示す。GaN層の部分の側面は融解しているが、AlGaN層はほとんど融解せず、浸漬後の(GaN+AlGaN)層(図中B)の膜厚は5μmであった。また、Al0.07Ga0.93N層上への結晶成長も見られなかった。なお、フラックス成分によりGaN融液に対する耐性に違いがある。 Here, in order to examine the difference in solubility in Ga melt depending on the composition, a seed crystal substrate was mixed with GaN melt (800 ° C., 10 atm (10 × 1.013 × 10) mixed with Na and Ca as flux. 5 Pa)). As the seed crystal substrate, a substrate in which a GaN layer (thickness: 4 μm) and an Al 0.07 Ga 0.93 N layer (thickness: 1.4 μm) were stacked on a sapphire substrate was used. A photograph of the cross section after immersion is shown in FIG. 5, in which A represents a sapphire substrate, B represents a (GaN + AlGaN) layer, and C represents a mask film. The side surface of the GaN layer portion was melted, but the AlGaN layer was hardly melted, and the thickness of the (GaN + AlGaN) layer (B in the figure) after immersion was 5 μm. Further, no crystal growth was observed on the Al 0.07 Ga 0.93 N layer. Note that there is a difference in resistance to the GaN melt depending on the flux component.
つぎに、マスク膜としてのAlNの有用性を評価するために、Gaを含む融液に対するAlN膜とGaN膜との溶解特性の比較検討を行った。まず、AlN層(厚み:3μm)を積層したサファイア基板と、GaN層(厚み:3μm)を積層したサファイア基板とをそれぞれ準備した。ついで、Ga5グラムとNa4.4グラムと前記それぞれの積層基板とをアルミナ坩堝に投入した後、前記坩堝をステンレス容器内に配置した。前記ステンレス容器内を窒素雰囲気(圧力10atm(10×1.013×105Pa))として、前記ステンレス容器を電気炉で加熱し、800℃で10時間保持した。その後、前記積層基板を取り出し、評価したところ、GaN層を積層した基板では、積層したGaNがほとんど溶解していた。一方、AlN層を積層した基板では、厚みの変化はほとんど観測されなかった。 Next, in order to evaluate the usefulness of AlN as a mask film, a comparative study was conducted on the dissolution characteristics of an AlN film and a GaN film with respect to a Ga-containing melt. First, a sapphire substrate laminated with an AlN layer (thickness: 3 μm) and a sapphire substrate laminated with a GaN layer (thickness: 3 μm) were prepared. Next, 5 grams of Ga, 4.4 grams of Na and the respective laminated substrates were put into an alumina crucible, and then the crucible was placed in a stainless steel container. The stainless steel container was heated in an electric furnace under a nitrogen atmosphere (pressure 10 atm (10 × 1.013 × 10 5 Pa)) and held at 800 ° C. for 10 hours. Thereafter, when the laminated substrate was taken out and evaluated, the laminated GaN was almost dissolved in the substrate on which the GaN layer was laminated. On the other hand, almost no change in thickness was observed on the substrate on which the AlN layer was laminated.
また、DLCは、天然ダイヤモンドと同じ炭素のsp3結合と、グラファイトと同じ炭素のsp2結合と、それに水素との結合とを含むアモルファス構造となっている。DLCは、高い硬度を有し、さまざまな融液に対する耐性も高い。DLCの膜は、真空容器中で高周波電力等を用いて発生させたプラズマのエネルギーを利用するプラズマCVD法や、スパッタ法によって成膜できる。 The DLC has an amorphous structure including the same sp 3 bond of carbon as that of natural diamond, the same sp 2 bond of carbon as that of graphite, and a bond with hydrogen. DLC has high hardness and high resistance to various melts. The DLC film can be formed by a plasma CVD method using the energy of plasma generated using high-frequency power or the like in a vacuum vessel, or a sputtering method.
マスク膜としてDLC膜を用いることができることを検証するため、フラックスが混入したGaN融液に対するダイヤモンドの耐性について検討した。Ga1グラムとNa0.88グラムとダイヤモンド単結晶(0.038グラム)とをBN製の坩堝に投入し、2.5atm(2.5×1.013×105Pa)雰囲気中で800℃、24時間放置する溶融実験を行った。実験後のダイヤモンドの表面は、実験前と同じであり、取り出したダイヤモンド結晶の質量を測定したところ、0.038グラムであり実験前と同じであった。このことから、ダイヤモンドが、フラックスを混入したGaN融液に対して耐性があることが分かった。 In order to verify that a DLC film can be used as a mask film, the resistance of diamond to a GaN melt mixed with flux was examined. Ga 1 gram, Na 0.88 gram, and diamond single crystal (0.038 gram) were put into a BN crucible, and 800 ° C., 24 ° C. in a 2.5 atm (2.5 × 1.013 × 10 5 Pa) atmosphere. A melting experiment was conducted for a period of time. The surface of the diamond after the experiment was the same as before the experiment, and when the mass of the diamond crystal taken out was measured, it was 0.038 gram, which was the same as before the experiment. From this, it was found that diamond is resistant to GaN melt mixed with flux.
次に、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、マスク膜63の一部をドライエッチングによって除去し、図6(c)に示すように、GaN半導体層62を露出させた。具体的には、図6(c)に示すように、マスク膜63からドット状にGaN半導体層62が露出するようにフォトリソグラフィーおよびエッチングを行った。 Next, a resist pattern was formed by photolithography, a part of the mask film 63 was removed by dry etching, and the GaN semiconductor layer 62 was exposed as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 6C, photolithography and etching were performed so that the GaN semiconductor layer 62 was exposed from the mask film 63 in the form of dots.
一方、DLCを含むマスク膜を形成する場合の一例について説明する。まず、GaN半導体層上に、プラズマCVD法によってDLC膜を形成した。例えば、炭化水素(CxHy)系ガスを原料ガスとし、サファイア基板温度を100℃とし、常圧でプラズマ放電させるることによってDLC膜を成膜した。次に、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、DLC膜の一部をO2を用いたドライエッチングによって除去し、GaN半導体層を露出させた。このようにして、DLCを含むマスク膜を形成できる。 On the other hand, an example of forming a mask film containing DLC will be described. First, a DLC film was formed on the GaN semiconductor layer by plasma CVD. For example, a DLC film was formed by using a hydrocarbon (C x H y ) -based gas as a source gas, a sapphire substrate temperature of 100 ° C., and performing plasma discharge at normal pressure. Next, a resist pattern was formed by photolithography, and a part of the DLC film was removed by dry etching using O 2 to expose the GaN semiconductor layer. In this way, a mask film containing DLC can be formed.
このようにして得られた種結晶を用いて、図6(d)に示すように、GaN半導体層62からGaN結晶64をLPE法によって成長させた。以下、GaN結晶の成長方法について説明する。 Using the seed crystal thus obtained, as shown in FIG. 6D, a GaN crystal 64 was grown from the GaN semiconductor layer 62 by the LPE method. Hereinafter, a method for growing a GaN crystal will be described.
図7(a)および(b)は、本発明の製造方法に用いられるLPE装置の構成一例を示す模式図である。図7(a)のLPE装置は、原料ガスである窒素ガス、またはアンモニアガス(NH3ガス)と窒素ガスとの混合ガスを供給するための原料ガスタンク71と、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器72と、リーク用バルブ73と、結晶育成を行うためのステンレス容器74と、電気炉75とを備える。図7(b)は、ステンレス容器74を拡大したものであって、ステンレス容器74の内部には、坩堝76がセットされている。坩堝76は、ボロンナイトライド(BN)やアルミナ(Al2O3)などからなる。坩堝76は、温度を600℃〜1000℃に制御できる。原料ガスタンク71から供給された雰囲気圧力(100atm(100×1.013×105Pa)〜150atm(150×1.013×105Pa))は、圧力調整器72によって100atm(100×1.013×105Pa)以下の範囲に制御できる。 FIGS. 7A and 7B are schematic views showing an example of the configuration of an LPE apparatus used in the manufacturing method of the present invention. The LPE apparatus of FIG. 7A is for adjusting the pressure of the growth atmosphere, and the source gas tank 71 for supplying the source gas such as nitrogen gas or the mixed gas of ammonia gas (NH 3 gas) and nitrogen gas. Pressure regulator 72, leak valve 73, stainless steel container 74 for crystal growth, and electric furnace 75. FIG. 7B is an enlarged view of the stainless steel container 74, and a crucible 76 is set inside the stainless steel container 74. The crucible 76 is made of boron nitride (BN), alumina (Al 2 O 3 ), or the like. The crucible 76 can control the temperature to 600 ° C. to 1000 ° C. The atmospheric pressure (100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) to 150 atm (150 × 1.013 × 10 5 Pa)) supplied from the source gas tank 71 is adjusted to 100 atm (100 × 1.013) by the pressure regulator 72. X10 5 Pa) or less can be controlled.
以下、GaN結晶の成長方法について説明する。まず、GaとフラックスであるNaとを規定量秤量して、種結晶基板とともに坩堝76内にセットした。本実施例では、GaとNaとのモル比を2.7:7.3とした。次に、坩堝76を800℃に保持し、5atm(5×1.013×105Pa)の圧力でアンモニア(40%)が混合された窒素ガスを供給した。 Hereinafter, a method for growing a GaN crystal will be described. First, a specified amount of Ga and Na as a flux were weighed and set in the crucible 76 together with the seed crystal substrate. In this example, the molar ratio of Ga and Na was 2.7: 7.3. Next, the crucible 76 was held at 800 ° C., and nitrogen gas mixed with ammonia (40%) was supplied at a pressure of 5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa).
アンモニアを混合することによって、育成時の雰囲気圧力を低減できるが、必ずしもアンモニアを混入する必要はない。アンモニアを混入しない窒素ガス雰囲気でも、50atm(50×1.013×105Pa)の圧力下で結晶を育成することができる。この状態で温度と圧力とを一定に保持し、96時間LPE成長を行い、GaN単結晶を備えた基板を得ることができた。 By mixing ammonia, the atmospheric pressure during growth can be reduced, but it is not always necessary to mix ammonia. Even in a nitrogen gas atmosphere in which ammonia is not mixed, crystals can be grown under a pressure of 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa). In this state, the temperature and pressure were kept constant, and LPE growth was performed for 96 hours to obtain a substrate provided with a GaN single crystal.
また、本発明の方法で用いられる大型のLPE装置(電気炉)の一例を図8に示す。図8のLPE装置は、ステンレス製のチャンバー81と炉蓋82とを有する電気炉80を備え、10atm(10×1.013×105Pa)の気圧に耐えられるようになっている。チャンバー81内には、加熱用のヒータ83が配置されている。チャンバー81は、ゾーン800a、800b、800cからなる3つのゾーンから構成されており、それぞれには熱電対84a〜84cが取り付けられている。3つのゾーンは、温度範囲が±0.1℃に収まるように制御されており、炉内の温度は均一に制御される。炉心管85は、炉内の温度の均一性を向上させるとともに、ヒータ83から不純物が混入することを防止するために配置される。 Moreover, an example of the large sized LPE apparatus (electric furnace) used with the method of this invention is shown in FIG. The LPE apparatus shown in FIG. 8 includes an electric furnace 80 having a stainless steel chamber 81 and a furnace lid 82 and can withstand an atmospheric pressure of 10 atm (10 × 1.013 × 10 5 Pa). A heater 83 for heating is arranged in the chamber 81. The chamber 81 includes three zones including zones 800a, 800b, and 800c, and thermocouples 84a to 84c are attached to each of the zones. The three zones are controlled so that the temperature range is within ± 0.1 ° C., and the temperature in the furnace is uniformly controlled. The core tube 85 is arranged to improve the uniformity of the temperature in the furnace and prevent impurities from entering from the heater 83.
炉心管85の内部には、窒化ホウ素(BN)からなる坩堝86が配置されている。坩堝86に材料を投入し、坩堝の温度を上昇させることによって融液87が調製される。種結晶となる基板10は基板固定部88に取り付けられる。図8の装置では、複数枚の基板10を基板固定部88に固定できる。この基板10は、回転モータ89aによって回転される。融液87には、撹拌用のプロペラ801が浸漬できるようになっている。プロペラ801は、回転モータ89bによって回転される。本実施例では、雰囲気圧力が10atm(10×1.013×105Pa)以下であるため通常の回転モータを使用できるが、10atm(10×1.013×105Pa)以上の雰囲気圧力下では、電磁誘導型の回転機構が使用される。雰囲気ガス(原料ガス)は、ガス源802から供給される。雰囲気ガスの圧力は、圧力調整器803によって調整される。雰囲気ガスはガス精製部804によって不純物が除去されたのちに、炉内に送られる。 A crucible 86 made of boron nitride (BN) is disposed inside the furnace core tube 85. The melt 87 is prepared by putting the material into the crucible 86 and raising the temperature of the crucible. The substrate 10 serving as a seed crystal is attached to the substrate fixing portion 88. In the apparatus of FIG. 8, a plurality of substrates 10 can be fixed to the substrate fixing unit 88. The substrate 10 is rotated by a rotary motor 89a. A propeller 801 for stirring can be immersed in the melt 87. The propeller 801 is rotated by the rotary motor 89b. In this example, since the atmospheric pressure is 10 atm (10 × 1.013 × 10 5 Pa) or less, a normal rotary motor can be used, but under an atmospheric pressure of 10 atm (10 × 1.013 × 10 5 Pa) or more. Then, an electromagnetic induction type rotation mechanism is used. The atmospheric gas (source gas) is supplied from a gas source 802. The pressure of the atmospheric gas is adjusted by the pressure regulator 803. The atmospheric gas is sent into the furnace after impurities are removed by the gas purification unit 804.
以下、結晶成長の方法について説明する。 Hereinafter, a method of crystal growth will be described.
(1)まず、GaとフラックスであるNaとを、所定の量だけ秤量し、坩堝86内にセットした。Gaには、純度が99.9999%(シックスナイン)のものが用いた。またNaは、精製したNaが用いた。He置換したグローブボックス内でNaを加熱して融解し、表面層に現れる酸化物などを除去することによってNaの精製を行うことができた。ゾーンリファイニング法によってNaを精製してもよい。ゾーンリファイニング法では、チューブ内でNaの融解と固化とを繰り返すことによって、不純物を析出させ、それを除去することによってNaの純度を上げることができる。 (1) First, Ga and flux Na were weighed by a predetermined amount and set in the crucible 86. Ga having a purity of 99.9999% (six nines) was used. As Na, purified Na was used. It was possible to purify Na by heating and melting Na in a He-substituted glove box to remove oxides and the like appearing on the surface layer. Na may be purified by a zone refining method. In the zone refining method, impurities are precipitated by repeating melting and solidification of Na in a tube, and the purity of Na can be increased by removing it.
(2)次に、坩堝内の原材料を融解するため、電気炉内の温度を900℃まで上昇させた。この段階では、まだ種結晶基板を坩堝に投入しなかった。Ga、Naをかき混ぜるため、プロペラを融液中に入れ、数時間、融液を撹拌した。GaとNaとは比重差が大きいため、融液の撹拌を続けないとGaが融液の底部にたまることから、融液中におけるGaが不均一になり、成長速度にも大きく影響する。本実施例では、電気炉(坩堝)内の温度が900℃の状態で融液の撹拌を行ったが、Na−Ga融液の場合、電気炉(坩堝)内の温度が556℃以上であれば、Na−Ga合金が液相となり、より安定して撹拌することができた。撹拌方法としては、例えば、プロペラを使用する方法、温度分布を与え調整的に熱対流を起こす方法等があげられる。また、GaNの酸化を防止するため、雰囲気ガスとしては窒素ガスを使用することが好ましい。 (2) Next, in order to melt the raw materials in the crucible, the temperature in the electric furnace was raised to 900 ° C. At this stage, the seed crystal substrate was not yet put into the crucible. In order to stir Ga and Na, a propeller was placed in the melt and the melt was stirred for several hours. Since Ga and Na have a large difference in specific gravity, Ga accumulates at the bottom of the melt unless the stirring of the melt is continued. Therefore, Ga in the melt becomes non-uniform and greatly affects the growth rate. In this example, the melt was stirred while the temperature in the electric furnace (crucible) was 900 ° C. However, in the case of a Na—Ga melt, the temperature in the electric furnace (crucible) should be 556 ° C. or higher. In this case, the Na—Ga alloy became a liquid phase and could be stirred more stably. Examples of the stirring method include a method using a propeller, a method in which a temperature distribution is given and heat convection is caused in an adjusted manner. In order to prevent GaN from being oxidized, nitrogen gas is preferably used as the atmospheric gas.
(3)次に、坩堝の温度を800℃に設定し、融液を過飽和状態とした。種結晶基板を融液の真上まで降下し、基板の温度を融液の温度に近づけた。数分後、種結晶基板を融液中に入れ、結晶育成を開始した。 (3) Next, the temperature of the crucible was set to 800 ° C., and the melt was brought into a supersaturated state. The seed crystal substrate was lowered to just above the melt, and the temperature of the substrate was brought close to the temperature of the melt. Several minutes later, the seed crystal substrate was put into the melt and crystal growth was started.
(4)結晶育成中は10rpm〜200rpmの範囲の回転速度で基板を回転させた。望ましくは、100rpm前後で回転させる。24時間結晶を育成したのち、基板を上昇させて融液から取り出した。基板を上昇させたのち、基板表面に残っている融液を除去するため、300rpm〜1500rpmの間で基板を回転させた。望ましくは、1000rpm前後で回転させる。その後、基板をチャンバーから取り出した。なお、結晶育成中は、坩堝の温度(融液の温度)を一定に保持してもよいが、融液の過飽和度を一定にするため、融液の温度を一定の割合で降下させてもよい。 (4) During crystal growth, the substrate was rotated at a rotation speed in the range of 10 rpm to 200 rpm. Preferably, it is rotated at around 100 rpm. After growing the crystals for 24 hours, the substrate was raised and removed from the melt. After raising the substrate, the substrate was rotated between 300 rpm and 1500 rpm in order to remove the melt remaining on the substrate surface. Desirably, it is rotated at around 1000 rpm. Thereafter, the substrate was taken out of the chamber. During crystal growth, the temperature of the crucible (melt temperature) may be kept constant, but the melt temperature may be lowered at a constant rate in order to keep the melt supersaturation constant. Good.
本実施例では、Naのみのフラックスを用いたが、Li、Na、KのフラックスやCaなどのアルカリ土類金属との混合フラックスを用いても、同様の効果が得られた。例えば、NaとCaとの混合フラックスでは、Caを10%程度混入することで、より低圧での結晶育成が可能となる。 In this example, a flux containing only Na was used, but the same effect was obtained even when a flux of Li, Na, K, or a mixed flux with an alkaline earth metal such as Ca was used. For example, in a mixed flux of Na and Ca, it is possible to grow crystals at a lower pressure by mixing about 10% of Ca.
以上のように、本発明によれば、平坦性が高く、結晶性もよく、転位密度が低いGaN単結晶基板を、量産性よく製造できる。つまり、高い信頼性を有するデバイスを供給可能とする基板を低コストで供給できる。本発明によれば、平坦性が高い基板が得られるため、半導体レーザなどのデバイスプロセスを簡素化でき、また高い歩留まりでデバイスを製造できる。 As described above, according to the present invention, a GaN single crystal substrate having high flatness, good crystallinity, and low dislocation density can be manufactured with high productivity. In other words, a substrate that can supply a highly reliable device can be supplied at low cost. According to the present invention, since a substrate with high flatness can be obtained, a device process such as a semiconductor laser can be simplified, and a device can be manufactured with a high yield.
なお、本実施例では、ガリウムを用いたGaN単結晶基板の製造について説明したが、原基板上に作製する光デバイスの使用波長に対して吸収の少ない基板を製造することが望ましい。そのため、紫外線領域の半導体レーザや発光ダイオード用基板としては、Alが多く含まれ短波長域の光吸収が少ないAlxGa1-xN(0≦x≦1)単結晶を形成することが好ましい。本発明によれば、Gaの一部を他のIII族元素に置き換えることによって、このようなIII族窒化物半導体単結晶を形成することも可能である。 In this embodiment, the manufacture of a GaN single crystal substrate using gallium has been described. However, it is desirable to manufacture a substrate that absorbs less light with respect to the wavelength used for the optical device manufactured on the original substrate. Therefore, it is preferable to form an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) single crystal containing a large amount of Al and having little light absorption in the short wavelength region as a semiconductor laser or light emitting diode substrate in the ultraviolet region. . According to the present invention, such a group III nitride semiconductor single crystal can be formed by replacing a part of Ga with another group III element.
本実施例では、サファイア基板上に、MOCVD法によってGaN半導体層とストライプ状のマスク膜とを形成し、液相エピタキシャル成長法によって単結晶層を形成する方法の一例について説明する。 In this embodiment, an example of a method of forming a GaN semiconductor layer and a striped mask film on a sapphire substrate by MOCVD and forming a single crystal layer by liquid phase epitaxial growth will be described.
基板にサファイア(結晶性Al2O3)基板を用いて、そのサファイア基板上にMOCVD法によって、GaNを含むIII族窒化物半導体層を形成し、さらに、そのIII族窒化物半導体層上にストライプ状にパターニングしたマスク膜を形成した。マスク膜は、実施例1と同様に、GaN融液に融解しくにい材質を使用することが好ましい。前記マスク膜としては、例えば、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)やAlGaN、AlNなどがあげられ、その中でも、AlNを使用することが好ましい。AlGaNが用いられる場合には、III族窒化物半導体層よりもAlの含有率が高いことが重要である。Alの含有率が高いと結晶成長の濡れ性が低く、且つGaN融液に対して溶融しにくくなるためマスク膜として適している。III族元素に占めるAlの組成比は、3原子%以上(Al0.03Ga0.97N)が望ましく、5原子%以上(Al0.05Ga0.95N)がさらに望ましい。本実施例ではAl0.07Ga0.93Nを用いた。MOCVD法で、有機金属(トリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムなど)とNH3とを原基板上に供給することによって、AlGaNマスク膜を成長させた。そして、ストライプ状にAl0.07Ga0.93Nマスク膜をパターニングし、GaN半導体層をストライプ状に露出させた。 Using a sapphire (crystalline Al 2 O 3 ) substrate as the substrate, a group III nitride semiconductor layer containing GaN is formed on the sapphire substrate by MOCVD, and a stripe is formed on the group III nitride semiconductor layer. A mask film patterned in a shape was formed. As in the first embodiment, the mask film is preferably made of a material that does not melt in the GaN melt. Examples of the mask film include diamond-like carbon (DLC), AlGaN, and AlN. Among them, it is preferable to use AlN. When AlGaN is used, it is important that the Al content is higher than that of the group III nitride semiconductor layer. When the Al content is high, the wettability of crystal growth is low, and it is difficult to melt into the GaN melt, so that it is suitable as a mask film. The composition ratio of Al in the group III element is preferably 3 atomic% or more (Al 0.03 Ga 0.97 N), more preferably 5 atomic% or more (Al 0.05 Ga 0.95 N). In this example, Al 0.07 Ga 0.93 N was used. An AlGaN mask film was grown by supplying an organic metal (such as trimethylgallium and trimethylaluminum) and NH 3 onto the original substrate by MOCVD. Then, an Al 0.07 Ga 0.93 N mask film was patterned in a stripe shape to expose the GaN semiconductor layer in a stripe shape.
次に、本発明の方法で用いられる揺動型LPE装置の一例を図9に示す。この揺動型LPE装置90は、ステンレス製の育成炉91と流量調節器98とを備え、育成炉91と流量調節器98とは管99で連結されている。育成炉91は、加熱用のヒータ92および熱電対93が配置され、50atm(50×1.013×105Pa)の気圧に耐えられるようになっている。さらに育成炉91内には、坩堝固定台94があり、回転軸902を中心に図中の矢印901の方向に回転する機構が取り付けられている。坩堝固定台94内に窒化ホウ素(BN)からなる坩堝95を固定し、坩堝95内に融液96および種結晶97を配置する。坩堝固定台が回転することにより、坩堝95内の融液が左右に移動し、これにより、種結晶上の成長方向が一定方向に制御される。本実施例では、融液の揺動方向が、種結晶97上のストライプ状のマスク膜に対して平行方向になるように、GaN種結晶基板97が固定されることが望ましい。雰囲気圧力は、流量調整器98によって調整される。原料ガスである窒素ガス、またはアンモニアガス(NH3ガス)と窒素ガスとの混合ガスを供給するための原料ガスタンクから図中の矢印900方向に供給される雰囲気ガスは、ガス精製部によって不純物が除去されたのちに、育成炉91内に送られる。 Next, an example of an oscillating LPE apparatus used in the method of the present invention is shown in FIG. This oscillating LPE apparatus 90 includes a growth furnace 91 and a flow rate regulator 98 made of stainless steel, and the growth furnace 91 and the flow rate regulator 98 are connected by a pipe 99. The growth furnace 91 is provided with a heater 92 and a thermocouple 93 for heating, and can withstand an atmospheric pressure of 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa). Further, in the growth furnace 91, there is a crucible fixing base 94, and a mechanism that rotates around the rotation shaft 902 in the direction of the arrow 901 in the figure is attached. A crucible 95 made of boron nitride (BN) is fixed in the crucible fixing base 94, and a melt 96 and a seed crystal 97 are placed in the crucible 95. As the crucible fixing base rotates, the melt in the crucible 95 moves to the left and right, and thereby the growth direction on the seed crystal is controlled in a fixed direction. In the present embodiment, it is desirable that the GaN seed crystal substrate 97 is fixed so that the swinging direction of the melt is parallel to the stripe-shaped mask film on the seed crystal 97. The atmospheric pressure is adjusted by the flow rate adjuster 98. The atmosphere gas supplied in the direction of the arrow 900 in the drawing from the source gas tank for supplying the source gas nitrogen gas or the mixed gas of ammonia gas (NH 3 gas) and nitrogen gas has impurities introduced by the gas purification unit. After being removed, it is sent into the growth furnace 91.
以下、結晶成長の方法について説明する。 Hereinafter, a method of crystal growth will be described.
実施例1と同様の方法によって、GaとNaとを含む材料を調合した。次に、坩堝95内の原材料を融解するため、育成炉91内の温度を800℃まで上昇させた。GaNの酸化を防止するため、雰囲気ガスとしては窒素ガスが用いた。結晶育成中は、1分間に1周期で坩堝固定台94を左右に揺動させた。24時間結晶を育成したのち、基板を融液から取り出した。 A material containing Ga and Na was prepared by the same method as in Example 1. Next, in order to melt the raw material in the crucible 95, the temperature in the growth furnace 91 was raised to 800 ° C. In order to prevent GaN oxidation, nitrogen gas was used as the atmospheric gas. During crystal growth, the crucible fixing base 94 was swung to the left and right at one cycle per minute. After growing the crystals for 24 hours, the substrate was removed from the melt.
この方法では、1分間に1周期で坩堝固定台94を揺動させ、揺動毎に種結晶基板97がGaN融液から外に出るようにして結晶成長させた。ただし、揺動中、常に種結晶基板97が融液中に存在するようにして結晶成長させてもよい。 In this method, the crucible fixing base 94 was swung in one cycle per minute, and the crystal was grown so that the seed crystal substrate 97 came out of the GaN melt every time it was swung. However, the crystal may be grown while the seed crystal substrate 97 is always present in the melt during oscillation.
本実施例において、融液の揺動させることにより結晶成長方向を制御できた。すなわち、ストライプ状のマスク膜に対して平行方向に結晶成長するように制御することによって、ストライプ状に露出しているIII族窒化物半導体層から結晶成長が始まり、その部分だけに転位を集結させることができた。その結果、マスク膜から露出しているIII族窒化物半導体層以外の部分では、特に低転位のGaN単結晶を育成することができた。 In this example, the crystal growth direction could be controlled by rocking the melt. That is, by controlling the crystal growth in a direction parallel to the stripe-shaped mask film, crystal growth starts from the group III nitride semiconductor layer exposed in the stripe shape, and dislocations are concentrated only in that portion. I was able to. As a result, it was possible to grow a GaN single crystal with particularly low dislocations in a portion other than the group III nitride semiconductor layer exposed from the mask film.
従来の方法では、転位の制御が困難であり、得られたIII族窒化物基板の転位が、その基板の部分によって104〜106cm-2の範囲でバラツキがあったが、本発明の製造方法のようにIII族窒化物結晶を選択的に成長させることで、III族窒化物結晶が横方向に成長した部分(マスク膜から露出する半導体層(種結晶)に接しない部分)では、転位を104cm-2以下に安定して制御することができた。 In the conventional method, it is difficult to control the dislocation, and the dislocation of the obtained group III nitride substrate varies in the range of 10 4 to 10 6 cm −2 depending on the portion of the substrate. By selectively growing the group III nitride crystal as in the manufacturing method, the portion where the group III nitride crystal has grown in the lateral direction (the portion not in contact with the semiconductor layer (seed crystal) exposed from the mask film) Dislocations could be stably controlled to 10 4 cm -2 or less.
本実施例では、Naのみのフラックスを用いたが、Li、Na、KのフラックスやCaなどのアルカリ土類金属との混合フラックスを用いても、同様の効果が得られた。例えば、NaとCaの混合フラックスでは、Caを10%程度混入することで、より低圧での結晶育成が可能となった。 In this example, the flux of only Na was used, but the same effect was obtained even when a flux of Li, Na, K, or a mixed flux with an alkaline earth metal such as Ca was used. For example, in the mixed flux of Na and Ca, about 10% of Ca can be mixed to grow crystals at a lower pressure.
本実施例では、サファイア基板上にマスク膜とIII族窒化物半導体層とを形成したのち、液相エピタキシャル成長法によって単結晶層を形成する方法の一例について説明する。 In this embodiment, an example of a method of forming a single crystal layer by liquid phase epitaxial growth after forming a mask film and a group III nitride semiconductor layer on a sapphire substrate will be described.
原基板にサファイア(結晶性Al2O3)基板を用い、マスク膜に、SiNxを用いた。マスク膜には、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化ニオブを使用することができる。その中でも、窒化シリコンは、GaNの成長抑制作用があり、窒化シリコン上にはGaNは堆積しないため特に好ましい。 A sapphire (crystalline Al 2 O 3 ) substrate was used as the original substrate, and SiN x was used as the mask film. As the mask film, silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride oxide, titanium oxide, zirconium oxide, or niobium oxide can be used. Among these, silicon nitride is particularly preferable because it has a GaN growth suppressing action and GaN is not deposited on the silicon nitride.
まず、サファイア基板上に、大気圧でのCVD法によって、マスク膜となるSiNxを100nm成長させた。次に、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、マスク膜にドット状の窓(サファイア基板露出部)を開けた。窓は、ストライプ状であってもよい。 First, on a sapphire substrate, SiN x serving as a mask film was grown to 100 nm by a CVD method at atmospheric pressure. Next, a dot-shaped window (sapphire substrate exposed portion) was opened in the mask film by photolithography and etching. The window may be striped.
次に、マスク膜から露出するサファイア基板上に、MOCVD法によって、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である)で表される種結晶を成膜した。本実施例では、基板温度が約1020℃〜1100℃になるようにサファイア基板を加熱し、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを原基板上に供給することによって、GaN層を成長させた。成長するGaN層の形状は、成長温度を変えることにより変化させることができた。図4(a)〜(c)に、種々の温度に成長させたGaN層の形状を示す。図4(a)〜(c)に示すように、1010℃の温度で結晶成長させるとGaN層は円錐状に成長し(図4(a))、1040℃の温度で結晶成長させると、GaN層は台形状に成長し(図4(b))、1070℃の温度で結晶成長させると、GaN層は円柱状または直方体状に成長した(図4(c))。本実施例では、1070℃で成長させ、円柱状の種結晶を形成させた。 Next, on the sapphire substrate exposed from the mask film, the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) is applied by MOCVD. The seed crystal represented was deposited. In this example, the sapphire substrate was heated so that the substrate temperature was about 1020 ° C. to 1100 ° C., and trimethylgallium (TMG) and NH 3 were supplied onto the original substrate to grow the GaN layer. The shape of the growing GaN layer could be changed by changing the growth temperature. 4A to 4C show the shapes of GaN layers grown at various temperatures. As shown in FIGS. 4A to 4C, when the crystal is grown at a temperature of 1010 ° C., the GaN layer grows in a conical shape (FIG. 4A), and when the crystal is grown at a temperature of 1040 ° C., GaN The layer grew in a trapezoidal shape (FIG. 4B), and when the crystal was grown at a temperature of 1070 ° C., the GaN layer grew in a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape (FIG. 4C). In this example, growth was performed at 1070 ° C. to form a cylindrical seed crystal.
得られたGaN種結晶を用いて、実施例1と同様の方法により、LPE法によってGaN単結晶を育成させた。SiNxマスク膜は、結晶育成上、問題とならない分は残しておいてもよいが、Siがn形のドーパントとなるため、フッ酸によるウェットエッチングや、ドライエッチングによって除去されることが望ましい。 A GaN single crystal was grown by the LPE method using the obtained GaN seed crystal in the same manner as in Example 1. The SiN x mask film may be left as long as there is no problem in crystal growth, but since Si becomes an n-type dopant, it is preferably removed by wet etching with hydrofluoric acid or dry etching.
サファイア基板は、フラックス成分を有するGaN融液中で融解することはないため、GaN結晶は、種結晶から選択的に成長した。原基板として、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)を用いると、原基板がGaN融液中に融解することが実験的にわかった。よって、選択的に成長させることができる原基板としては、サファイア基板が望ましい。サファイア基板のようにGaN融液に溶融しない原基板上に選択的にIII族窒化物半導体層を形成した種結晶基板を用いることによって、選択的なGaN結晶成長が可能となり、より低転位で良好なGaN単結晶基板が得られた。 Since the sapphire substrate does not melt in the GaN melt having a flux component, the GaN crystal was selectively grown from the seed crystal. It has been experimentally found that when silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) is used as the original substrate, the original substrate is melted in the GaN melt. Therefore, a sapphire substrate is desirable as an original substrate that can be selectively grown. By using a seed crystal substrate in which a group III nitride semiconductor layer is selectively formed on an original substrate that does not melt into a GaN melt, such as a sapphire substrate, selective GaN crystal growth becomes possible, and lower dislocations are better. A GaN single crystal substrate was obtained.
実施例4では、上記実施例で得られる原基板を用いて半導体レーザを作製する一例について説明する。半導体レーザ100の構造を図10に示す。 In Example 4, an example in which a semiconductor laser is manufactured using the original substrate obtained in the above example will be described. The structure of the semiconductor laser 100 is shown in FIG.
まず、上記実施例で得られるGaN結晶からなる原基板101上に、キャリア密度が5×1018cm-3以下になるようにSiをドープしたn形GaNからなるコンタクト層102を形成した。原基板101は、サファイア上にIII族窒化物結晶が形成された基板またはIII族窒化物結晶からなる基板である。GaN系の結晶(GaとNとを含む結晶)では、不純物としてSiを添加するとGaの空孔が増加した。このGaの空孔は容易に拡散するため、この上にデバイスを作製すると寿命などの点で悪影響を与える。そのため、キャリア密度が5×1018cm-3以下になるようにドーピング量を制御した。 First, a contact layer 102 made of n-type GaN doped with Si so as to have a carrier density of 5 × 10 18 cm −3 or less was formed on the original substrate 101 made of the GaN crystal obtained in the above example. The original substrate 101 is a substrate in which a group III nitride crystal is formed on sapphire or a substrate made of a group III nitride crystal. In GaN-based crystals (crystals containing Ga and N), Ga vacancies increased when Si was added as an impurity. Since these Ga vacancies diffuse easily, if a device is fabricated on this Ga, it has an adverse effect on the life and the like. Therefore, the doping amount was controlled so that the carrier density was 5 × 10 18 cm −3 or less.
次に、コンタクト層102上に、n形Al0.07Ga0.93Nからなるクラッド層103とn形GaNからなる光ガイド層104とを形成した。次に、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層(厚み約3nm)とGaNからなるバリア層(厚み6nm)とによって構成された多重量子井戸(MQW)を活性層105として形成した。次に、p形GaNからなる光ガイド層106とp形Al0.07Ga0.93Nからなるクラッド層107と、p形GaNからなるコンタクト層108とを形成した。これらの層は公知の方法で形成できる。半導体レーザ100はダブルへテロ接合型の半導体レーザであり、MQW活性層におけるインジウムを含む井戸層のエネルギーギャップが、アルミニウムを含むn形およびp形クラッド層のエネルギーギャップよりも小さい。一方、光の屈折率は、活性層105の井戸層が最も大きく、以下、光ガイド層、クラッド層の順に小さくなる。 Next, a cladding layer 103 made of n-type Al 0.07 Ga 0.93 N and a light guide layer 104 made of n-type GaN were formed on the contact layer 102. Next, a multiple quantum well (MQW) composed of a well layer (thickness of about 3 nm) made of Ga 0.8 In 0.2 N and a barrier layer (thickness 6 nm) made of GaN was formed as the active layer 105. Next, a light guide layer 106 made of p-type GaN, a clad layer 107 made of p-type Al 0.07 Ga 0.93 N, and a contact layer 108 made of p-type GaN were formed. These layers can be formed by a known method. The semiconductor laser 100 is a double heterojunction type semiconductor laser, and the energy gap of the well layer containing indium in the MQW active layer is smaller than the energy gap of the n-type and p-type cladding layers containing aluminum. On the other hand, the refractive index of light is the highest in the well layer of the active layer 105, and the light guide layer and the cladding layer are reduced in this order.
コンタクト層108の上部には、幅が2μm程度の電流注入領域を構成する絶縁膜109が形成されている。p形のクラッド層107の上部およびp形のコンタクト層108には、電流狭窄部となるリッジ部が形成されている。 An insulating film 109 constituting a current injection region having a width of about 2 μm is formed on the contact layer 108. On the p-type cladding layer 107 and the p-type contact layer 108, a ridge portion serving as a current confinement portion is formed.
p形のコンタクト層108の上側には、コンタクト層108とオーミック接触するp側電極110が形成されている。n形のコンタクト層102の上側には、コンタクト層102とオーミック接触するn側電極111が形成されている。 A p-side electrode 110 that is in ohmic contact with the contact layer 108 is formed on the p-type contact layer 108. An n-side electrode 111 that is in ohmic contact with the contact layer 102 is formed on the upper side of the n-type contact layer 102.
上記方法で製造された半導体レーザのデバイス評価を行った。得られた半導体レーザに対して、p側電極とn側電極との間に順方向の所定の電圧を印加すると、MQW活性層にp側電極から正孔、n側電極から電子が注入され、MQW活性層において再結合し光学利得を生じて、発振波長404nmでレーザ発振を起こした。 The device evaluation of the semiconductor laser manufactured by the above method was performed. When a predetermined voltage in the forward direction is applied between the p-side electrode and the n-side electrode to the obtained semiconductor laser, holes are injected from the p-side electrode into the MQW active layer, and electrons are injected from the n-side electrode, Recombination occurred in the MQW active layer to generate an optical gain, and laser oscillation occurred at an oscillation wavelength of 404 nm.
本実施例の半導体レーザは、基板として、転位密度が1×102cm-2以下と低い基板を用いているため、高転位密度のGaN基板上に作製した半導体レーザと比較して、しきい値電流の低下、発光効率の向上、信頼性の向上が見られた。 Since the semiconductor laser of this example uses a substrate having a low dislocation density of 1 × 10 2 cm −2 or less as a substrate, the threshold is higher than that of a semiconductor laser manufactured on a GaN substrate having a high dislocation density. A decrease in value current, an improvement in luminous efficiency, and an improvement in reliability were observed.
なお、GaN結晶以外のサファイア部分を研磨などにより除去し、GaN基板を作製し、その上にデバイスを作製することも可能である。 It is also possible to remove a sapphire portion other than the GaN crystal by polishing or the like to produce a GaN substrate and to produce a device thereon.
なお、上記実施例の方法では、c面AlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)基板を種結晶として用いることができるが、他の面方位のAlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)基板を種結晶基板として用いても、組成式AlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)で表される単結晶基板が得られる。例えば、A面GaN基板を種結晶として用いた場合、得られた単結晶基板を用いて発光ダイオードを形成すると、ピエゾ効果がないので、正孔と電子とを効率よく再結合させることができ、発光効率の向上が可能である。 In the method of the above embodiment, a c-plane Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) substrate can be used as a seed crystal, but Al x Ga 1-x N ( However, even when a substrate of 0 ≦ x ≦ 1) is used as a seed crystal substrate, a single crystal substrate represented by the composition formula Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) is obtained. For example, when an A-plane GaN substrate is used as a seed crystal, if a light emitting diode is formed using the obtained single crystal substrate, there is no piezo effect, so holes and electrons can be efficiently recombined, Luminous efficiency can be improved.
本発明の製造方法によって得られる基板を用い、この基板上にIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させることによって、LDやLEDなどの半導体素子を備える半導体装置が得られる。本発明の基板を用いてLDやLEDを作製する効果として、以下のことが挙げられる。基板全域で転位密度が小さいため、ワイドストライプ型LDや面発光型LDにおいて、より高い信頼性を実現できる。 By using a substrate obtained by the manufacturing method of the present invention and epitaxially growing a group III nitride crystal on this substrate, a semiconductor device including a semiconductor element such as an LD or LED can be obtained. The following can be cited as an effect of manufacturing an LD or LED using the substrate of the present invention. Since the dislocation density is small throughout the substrate, higher reliability can be realized in wide stripe LDs and surface emitting LDs.
本実施例では、GaNの半導体層表面に酸化層を形成し、選択的に成長させる方法について説明する。 In this embodiment, a method of forming an oxide layer on the surface of a GaN semiconductor layer and selectively growing it will be described.
図11(a)〜(e)は、本発明の第3の製造方法の工程の一例を示す工程断面図である。まず、図11(a)に示すように、まず、例えば、有機金属気相成長(MOCVD)法により、サファイア(単結晶Al2O3)からなる原基板1100の一主面上に、III族元素源としてトリメチルガリウム(TMG)を用い、窒素源としてアンモニア(NH3)を用いて、厚みが約5μmの窒化ガリウム(GaN)からなる半導体層1101を成長させた。なお、本実施例では原基板1100上に半導体層1101を成長させたが、HVPE法などによりサファイア基板上に形成した厚膜のGaN結晶を、前記サファイア基板上から分離して、前記半導体層1101として使用してもよい。 11A to 11E are process cross-sectional views illustrating an example of the process of the third manufacturing method of the present invention. First, as shown in FIG. 11A, first, a group III is formed on one main surface of an original substrate 1100 made of sapphire (single crystal Al 2 O 3 ) by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A semiconductor layer 1101 made of gallium nitride (GaN) having a thickness of about 5 μm was grown using trimethyl gallium (TMG) as an element source and ammonia (NH 3 ) as a nitrogen source. In this embodiment, the semiconductor layer 1101 is grown on the original substrate 1100. However, a thick GaN crystal formed on the sapphire substrate by HVPE or the like is separated from the sapphire substrate to obtain the semiconductor layer 1101. May be used as
続いて、図11(b)に示すように、半導体層1101上に、ストライプ状にパターニングしたマスク膜1102を形成した。マスク膜1102は、例えば以下のように形成した。まず、モノシラン(SiH4)を用いた化学気相成長(CVD)法によって、半導体層1101の上に、厚みが約100nmのシリコン(Si)からなるマスク形成膜を堆積させた。その後、フォトリソグラフィー法によって、マスク形成膜の上に、ストライプ状のレジストパターンを形成したのち、形成したレジストパターンをマスクとして、マスク形成膜をドライエッチングした。エッチングは、例えば、反応性ガスとして臭化水素(HBr)または塩素ガス(Cl2)を含む反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)で行うことができる。その後、アッシング等によってレジストパターンを除去した。なお、マスク膜の平面形状をストライプ状としたが、ストライプ状に限らずドット状としてもよい。 Subsequently, as shown in FIG. 11B, a mask film 1102 patterned in a stripe shape was formed on the semiconductor layer 1101. The mask film 1102 was formed as follows, for example. First, a mask formation film made of silicon (Si) having a thickness of about 100 nm was deposited on the semiconductor layer 1101 by a chemical vapor deposition (CVD) method using monosilane (SiH 4 ). Then, after forming a striped resist pattern on the mask forming film by photolithography, the mask forming film was dry-etched using the formed resist pattern as a mask. Etching can be performed by, for example, reactive ion etching (RIE) containing hydrogen bromide (HBr) or chlorine gas (Cl 2 ) as a reactive gas. Thereafter, the resist pattern was removed by ashing or the like. Although the planar shape of the mask film is a stripe shape, it is not limited to the stripe shape and may be a dot shape.
次に、酸化性雰囲気、例えば、酸素ガス(O2)または水蒸気(H2O)を含む雰囲気中で、半導体層およびマスク膜が形成された原基板に対して、900℃の温度で約4時間の熱処理を行った。酸素ガス雰囲気では、約300nm程度、水蒸気雰囲気では約40nmの酸化ガリウムを前記原基板上に形成できた。この熱処理によって、図11(c)に示すように、マスク膜1102によって覆われていない半導体層1101表面に、酸化ガリウムからなる酸化領域1103が形成された。この酸化工程において、酸化性雰囲気として酸素ガスまたは水蒸気を含む雰囲気を用いることによって、迅速で且つ均一な酸化処理を再現性良く実現することができた。 Next, in an oxidizing atmosphere, for example, an atmosphere containing oxygen gas (O 2 ) or water vapor (H 2 O), about 4 at a temperature of 900 ° C. with respect to the original substrate on which the semiconductor layer and the mask film are formed. Heat treatment for hours was performed. Gallium oxide of about 300 nm in an oxygen gas atmosphere and about 40 nm in a water vapor atmosphere could be formed on the original substrate. By this heat treatment, an oxide region 1103 made of gallium oxide was formed on the surface of the semiconductor layer 1101 not covered with the mask film 1102 as shown in FIG. In this oxidation step, by using an atmosphere containing oxygen gas or water vapor as the oxidizing atmosphere, a rapid and uniform oxidation treatment could be realized with good reproducibility.
次に、図11(d)に示すように、例えば、フッ硝酸またはRIE法によりマスク膜を除去した。 Next, as shown in FIG. 11D, the mask film was removed by, for example, hydrofluoric acid or RIE.
このようにして得られた種結晶基板を用いて、図11(e)に示すように、フラックスを用いたGaN融液中でLPE法によって、前記半導体層1101の露出した表面にGaN結晶1104を成長させた。GaN結晶1104は、上記実施例と同様にLPE装置を用いて育成できた。 Using the seed crystal substrate thus obtained, as shown in FIG. 11E, the GaN crystal 1104 is formed on the exposed surface of the semiconductor layer 1101 by the LPE method in a GaN melt using a flux. Grown up. The GaN crystal 1104 could be grown using the LPE apparatus as in the above example.
本実施例のように、GaN半導体層表面を酸化させることにより、酸化部分からの結晶成長を抑制することができる。すなわち、図11(e)に示すように、半導体層1101から選択的に結晶成長させ、酸化領域1103上を横方向に結晶成長させることによって、転位が少ない結晶を成長させることができる。酸化領域1103の上方では横方向の結晶成長が支配的となる。従って、この酸化領域1103の上方では、種結晶である半導体層1101の表面の転位の影響を受けなくなるので、LPE法によって成長したGaN結晶の結晶欠陥密度をより低減することができる。 As in this embodiment, crystal growth from the oxidized portion can be suppressed by oxidizing the surface of the GaN semiconductor layer. That is, as shown in FIG. 11E, crystals with few dislocations can be grown by selectively growing crystals from the semiconductor layer 1101 and growing the crystals on the oxide region 1103 in the lateral direction. Above the oxidized region 1103, lateral crystal growth is dominant. Therefore, the oxide region 1103 is not affected by dislocations on the surface of the semiconductor layer 1101 which is a seed crystal, so that the crystal defect density of the GaN crystal grown by the LPE method can be further reduced.
従来の方法では、転位の制御が困難であり、得られたIII族窒化物基板の転位が、その基板の部分によって104〜106cm-2の範囲でバラツキがあったが、本発明の製造方法のようにIII族窒化物結晶を選択的に成長させることで、III族窒化物結晶が横方向に成長した部分(マスク膜から露出する半導体層(種結晶)に接しない部分)では、転位を104cm-2以下に安定して制御することができる。また、LPE法により得られたGaN結晶は、横方向成長が早いので、酸化領域の周期を大きくでき、広い面積で低転位領域を形成することができる。なお、酸化領域の周期とは隣接する酸化領域の中心(中線)間の距離の平均値である。その測定方法としては、例えば、断面走査型電子顕微鏡(SEM)、断面透過型電子顕微鏡(TEM)等があげられる。 In the conventional method, it is difficult to control the dislocation, and the dislocation of the obtained group III nitride substrate varies in the range of 10 4 to 10 6 cm −2 depending on the portion of the substrate. By selectively growing the group III nitride crystal as in the manufacturing method, the portion where the group III nitride crystal has grown in the lateral direction (the portion not in contact with the semiconductor layer (seed crystal) exposed from the mask film) Dislocations can be stably controlled to 10 4 cm -2 or less. In addition, since the GaN crystal obtained by the LPE method grows quickly in the lateral direction, the period of the oxidized region can be increased and a low dislocation region can be formed over a wide area. Note that the period of the oxidized region is an average value of the distance between the centers (center lines) of adjacent oxidized regions. Examples of the measuring method include a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) and a cross-sectional transmission electron microscope (TEM).
なお、本実施例ではGaN半導体層表面の酸化について説明したが、これよりもAlGaNやAlNの方が酸化しやすく、結晶を選択的に成長させるには有利である。また、本実施例では、熱酸化による酸化膜形成方法を説明したが、イオン注入により酸化膜を形成しても、同様の効果が得られる。マスク材料としては、フォトレジスト材料を用いることができる。前記酸化膜は、例えば、加速電圧150kVeで、単位面積あたり5×1014(atoms/cm2)の酸素イオンを、前記マスク膜から露出した半導体層の表面から200nm程度のところを中心に注入することで、前記マスク膜から露出した半導体層に、選択的に酸化領域を形成することができる。なお、前記ピークの酸素イオン濃度としては、例えば、3×1019(atoms/cm3)を注入することができる。なお、前記ピークの酸素イオン濃度とは、マスク膜に注入できる酸素イオン濃度の最大値のことを意味する。 In this embodiment, the oxidation of the surface of the GaN semiconductor layer has been described. However, AlGaN and AlN are easier to oxidize than this, and are advantageous for selectively growing crystals. In this embodiment, the method for forming an oxide film by thermal oxidation has been described. However, the same effect can be obtained by forming an oxide film by ion implantation. A photoresist material can be used as the mask material. In the oxide film, for example, oxygen ions of 5 × 10 14 (atoms / cm 2 ) per unit area are implanted at about 200 nm from the surface of the semiconductor layer exposed from the mask film at an acceleration voltage of 150 kVe. Thus, an oxide region can be selectively formed in the semiconductor layer exposed from the mask film. As the peak oxygen ion concentration, for example, 3 × 10 19 (atoms / cm 3 ) can be implanted. The peak oxygen ion concentration means the maximum value of oxygen ion concentration that can be implanted into the mask film.
図12(a)〜(d)は、本発明の第3の製造方法の工程の一例を示す工程断面図である。図12(a)に示すように、サファイア(結晶性Al2O3)からなるサファイア基板1201上に、MOCVD法によってGaNからなる半導体層1202を形成した。具体的には、基板温度が約1020℃〜1100℃となるように前記サファイア基板1201を加熱したのち、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを原基板上に供給することによって、GaNからなる半導体層1202を成膜した。なお、半導体層1202のIII族元素は、ガリウムに限られず、アルミニウムまたはインジニウムを含んでいてもよい。すなわち、半導体層1202は、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1である)で表される半導体結晶であればよい。 FIGS. 12A to 12D are process cross-sectional views illustrating an example of the process of the third manufacturing method of the present invention. As shown in FIG. 12A, a semiconductor layer 1202 made of GaN was formed on a sapphire substrate 1201 made of sapphire (crystalline Al 2 O 3 ) by MOCVD. Specifically, after the sapphire substrate 1201 is heated so that the substrate temperature is about 1020 ° C. to 1100 ° C., trimethyl gallium (TMG) and NH 3 are supplied onto the original substrate, whereby a semiconductor made of GaN. Layer 1202 was deposited. Note that the group III element of the semiconductor layer 1202 is not limited to gallium, and may contain aluminum or indinium. That is, the semiconductor layer 1202 may be a semiconductor crystal represented by the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1 and 0 ≦ v ≦ 1).
つぎに、図12(c)に示すように、半導体層1202をサファイア基板までエッチングすることによって、ストライプ状の凸部を形成した。具体的には、まず、前記半導体層1202の上面にレジスト膜(マスク膜)を塗布したのち、塗布したレジスト膜1203をフォトリソグラフィー法によってストライプ状にパターニングすることによってレジストパターンを形成した。続いて、レジストパターンをマスクとして、半導体層1202に対してドライエッチングを行うことによって、図12(c)に示すように、幅が約5μmの凸部を周期約300μmで形成した。なお、本実施例では、凸部をストライプ構造としたが、それ以外の構造であっても問題はなく、例えば、ドット状の構造を面内に配置してもよい。 Next, as shown in FIG. 12C, the semiconductor layer 1202 was etched to the sapphire substrate to form stripe-shaped convex portions. Specifically, first, a resist film (mask film) was applied to the upper surface of the semiconductor layer 1202, and then the applied resist film 1203 was patterned in a stripe shape by a photolithography method to form a resist pattern. Subsequently, by performing dry etching on the semiconductor layer 1202 using the resist pattern as a mask, convex portions having a width of about 5 μm were formed with a period of about 300 μm as shown in FIG. In the present embodiment, the convex portion has a stripe structure, but there is no problem even if it has another structure. For example, a dot-like structure may be arranged in the plane.
つぎに、図12(d)に示すように、凸部の上面をシード結晶として、液相成長によりGaN結晶からなるLPE−GaN結晶1204を成長させた。液晶成長は、図8に示すLPE装置を用いて行った。坩堝内にナトリウムとガリウムとを秤量し、その中に図12(c)のテンプレートを挿入して、50atm(50×1.013×105Pa)の窒素加圧雰囲気、800℃で、100時間成長させ、図12(d)のLPE−GaN結晶を成長した。液相成長では、横方向の成長速度が速いので、図12(d)に示すように、凸部同士から成長したLPE−GaN結晶を合体させることができた。 Next, as shown in FIG. 12D, an LPE-GaN crystal 1204 made of GaN crystal was grown by liquid phase growth using the upper surface of the convex portion as a seed crystal. Liquid crystal growth was performed using the LPE apparatus shown in FIG. Sodium and gallium are weighed in a crucible, and the template shown in FIG. 12 (c) is inserted into the crucible. A nitrogen pressure atmosphere of 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa), 800 ° C., 100 hours. The LPE-GaN crystal shown in FIG. 12 (d) was grown. In the liquid phase growth, since the lateral growth rate is fast, as shown in FIG. 12 (d), LPE-GaN crystals grown from the convex portions could be combined.
本実施例で得られたLPE−GaN結晶は、凸部上と合体部とには転位が多く観測されたが、それ以外の部分では低転位であった。本発明では、凸部の周期が300μmであったので、100μm以上の広い領域において低転位の領域を実現できる。そのため、例えば、半導体レーザなどを作製する際、導波路を形成するためのマスク合わせの精度を緩和でき、また、高出力半導体レーザに必要なワイドストライプの導波路を形成できるので、実用的な効果は大きい。 In the LPE-GaN crystal obtained in this example, many dislocations were observed on the convex portion and the merged portion, but low dislocations were observed in other portions. In the present invention, since the period of the convex portion is 300 μm, a low dislocation region can be realized in a wide region of 100 μm or more. Therefore, for example, when fabricating a semiconductor laser or the like, the accuracy of mask alignment for forming a waveguide can be relaxed, and a wide stripe waveguide necessary for a high-power semiconductor laser can be formed. Is big.
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above by way of examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.
以上説明したように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、特性が高いIII族窒化物結晶を備える基板を容易に製造できる。また、この半導体基板を用いることによって、特性が高い半導体装置が得られる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, a substrate including a group III nitride crystal having high characteristics can be easily manufactured. Further, by using this semiconductor substrate, a semiconductor device having high characteristics can be obtained.
11、1100 基板
12、33、33a、33b、33c、1101 半導体層
13、32、63、1102 マスク膜
14、34 III族窒化物結晶
13g、13h 貫通孔
61、1201 サファイア基板
62、1202 半導体層
64、1104 GaN結晶
1103 酸化領域
1203 レジスト膜
1204 LPE−GaN結晶
A サファイア基板
B 半導体層
C マスク膜
71 ガスタンク
72、802 圧力調整器
73 バルブ
74 容器
75、80 電気炉
76、95 坩堝
81 チャンバー
82 炉蓋
83、92 ヒータ
84a、84b、84c、93 熱電対
85 炉心管
86 坩堝
87 融液
88 基板固定部
89a、89b モータ
800a、800b、800c ゾーン
800 プロペラ
801 ガス源
803 ガス精製部
91 育成炉
94 固定台
95 坩堝
96 融液
97 種結晶
98 流量調節器
99 管
900、901 矢印
902 回転軸
100 半導体レーザ
101 基板
102、108 コンタクト層
103、107 クラッド層
104、106 光ガイド層
105 活性層
109 絶縁膜
101、110 電極
11, 1100 substrate 12, 33, 33a, 33b, 33c, 1101 semiconductor layer 13, 32, 63, 1102 mask film 14, 34 group III nitride crystal 13g, 13h through-hole 61, 1201 sapphire substrate 62, 1202 semiconductor layer 64 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1104 GaN crystal 1103 Oxidized region 1203 Resist film 1204 LPE-GaN crystal A Sapphire substrate B Semiconductor layer C Mask film 71 Gas tank 72, 802 Pressure regulator 73 Valve 74 Container 75, 80 Electric furnace 76, 95 Crucible 81 Chamber 82 Furnace 83, 92 Heater 84a, 84b, 84c, 93 Thermocouple 85 Core tube 86 Crucible 87 Melt 88 Substrate fixing part 89a, 89b Motor 800a, 800b, 800c Zone 800 Propeller 801 Gas source 803 Gas purification part 91 Growth furnace 4 Fixing table 95 Crucible 96 Melt 97 Seed crystal 98 Flow controller 99 Tube 900, 901 Arrow 902 Rotating shaft 100 Semiconductor laser 101 Substrate 102, 108 Contact layer 103, 107 Clad layer 104, 106 Light guide layer 105 Active layer 109 Insulation Membrane 101, 110 electrode
Claims (22)
予め準備されたIII族窒化物半導体層の複数の部分を、III族窒化物結晶の生成および成長の少なくとも1つのための種結晶として選択し、前記融液に前記種結晶の表面を接触させる製造工程を含み、前記製造工程は、
(i)組成式Al u Ga v In 1-u-v N(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表されるIII族窒化物半導体層を準備する工程と、
(ii)前記半導体層の上部に、パターニングされたマスク膜を形成する工程と、
(iii)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記マスク膜から露出する前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む、III族窒化物基板の製造方法。 A method for producing a Group III nitride substrate in which a Group III element and nitrogen are reacted in an alkali metal melt to form and grow a Group III nitride crystal in an atmosphere containing nitrogen,
Manufacturing a plurality of portions of a group III nitride semiconductor layer prepared in advance as a seed crystal for at least one of generation and growth of a group III nitride crystal and bringing the surface of the seed crystal into contact with the melt Including the process, the manufacturing process,
(I) A step of preparing a group III nitride semiconductor layer represented by a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1). When,
(Ii) forming a patterned mask film on the semiconductor layer;
(Iii) by bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, and the nitrogen in an atmosphere containing nitrogen. And a step of growing a group III nitride crystal on the semiconductor layer using the semiconductor layer exposed from the mask film as a seed crystal .
予め準備されたIII族窒化物半導体層の複数の部分を、III族窒化物結晶の生成および成長の少なくとも1つのための種結晶として選択し、前記融液に前記種結晶の表面を接触させる製造工程を含み、前記製造工程は、
(A)組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1である。)で表されるIII族窒化物半導体層を準備する工程と、
(B)前記半導体層の表面の一部を酸化して酸化領域を形成する工程と、
(C)窒素を含む雰囲気下において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と前記窒素とを含む融液に前記半導体層の表面を接触させることによって、前記酸化領域以外の前記半導体層を種結晶として、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む、III族窒化物基板の製造方法。 A method for producing a Group III nitride substrate in which a Group III element and nitrogen are reacted in an alkali metal melt to form and grow a Group III nitride crystal in an atmosphere containing nitrogen,
Manufacturing a plurality of portions of a group III nitride semiconductor layer prepared in advance as a seed crystal for at least one of generation and growth of a group III nitride crystal and bringing the surface of the seed crystal into contact with the melt Including the process, the manufacturing process,
(A) A step of preparing a group III nitride semiconductor layer represented by a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1). When,
(B) oxidizing a part of the surface of the semiconductor layer to form an oxidized region;
(C) by bringing the surface of the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, and the nitrogen in an atmosphere containing nitrogen. , the semiconductor layer other than the oxidized region as a seed crystal, the semiconductor layer on the III-nitride crystal process and the including growing, III-nitride substrate manufacturing method.
(B−1)前記半導体層の表面にパターニングされたマスク膜を形成する工程と、
(B−2)前記マスク膜から露出する前記半導体層の表面を酸化することによって前記酸化領域を形成する工程とを含む請求項9に記載のIII族窒化物基板の製造方法。 The step (B)
(B-1) forming a patterned mask film on the surface of the semiconductor layer;
(B-2) The method for producing a group III nitride substrate according to claim 9 , further comprising: oxidizing the surface of the semiconductor layer exposed from the mask film to form the oxidized region.
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