JP4671580B2 - Epitaxial substrate and semiconductor device - Google Patents

Epitaxial substrate and semiconductor device Download PDF

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JP4671580B2 JP2002370127A JP2002370127A JP4671580B2 JP 4671580 B2 JP4671580 B2 JP 4671580B2 JP 2002370127 A JP2002370127 A JP 2002370127A JP 2002370127 A JP2002370127 A JP 2002370127A JP 4671580 B2 JP4671580 B2 JP 4671580B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル基板に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板に関する
【0002】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にAlを含むIII族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【0003】
このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆるエピタキシャル基板がある。前記基材としては安価であり入手が容易であることから、サファイア単結晶が用いられている。
【0004】
前記エピタキシャル基板は所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱し、III族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給することによって、CVD法に従い目的とするIII族窒化物膜を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したサファイア単結晶基材としては、従来C軸(<0001>方向)配向した、いわゆるC面サファイア単結晶基材が用いられてきた。しかしながら、C面サファイア単結晶基材はC面の切り出しなどが困難であること、基板成長速度が遅いことなどの理由から、他の結晶軸方向に配向した主面を有する、例えばA面サファイア単結晶基材などと比較して高価であるとともに、大口径のものを得るのが困難であった。
【0006】
かかる観点より、C面サファイア単結晶基材に代わる、他の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材を用いることが試みられている。しかしながら、このようなサファイア単結晶基材上に特にAlを含むIII族窒化物からなる下地膜を形成した場合、前記下地膜上に多数の表面欠陥が発生したり、表面平坦性が著しく劣化してしまうという問題があった。さらには、結晶性の劣化も著しく、このようなエピタキシャル基板上にIII族窒化物膜を形成して目的とする半導体素子を作製した場合において、その特性が著しく劣化してしまっていた。
【0007】
したがって、現状においては、C軸以外の結晶軸方向に配向したサファイア単結晶基材と、この単結晶基材上に形成したAl含有下地膜とを具えたエピタキシャル基板において、実用に足るものを得ることができないのが現状である。
【0008】
本発明は、C軸以外の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材と、少なくともAlを含むIII族窒化物下地膜とを含み、実用に足るエピタキシャル基板を提供するとともに、このエピタキシャル基板を構成する前記サファイア単結晶基材を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、<11−20>方向より<1−100>方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有するサファイア単結晶基材と、このサファイア単結晶基板の前記主面上に形成された、少なくともAlを含むIII族窒化物下地膜とを具え、前記傾斜角度は0.05度〜0.2度であり、前記III族窒化物下地膜の表面粗さが5Å以下であり、前記III族窒化物下地膜はAlNからなり、前記サファイア単結晶基材の、前記III族窒化物下地膜と対向する表層部分において表面窒化層を具え、前記表面窒化層の窒素含有量が、前記サファイア単結晶基材の前記主面から1nmの深さにおいて10原子%以下であり、前記III族窒化物下地膜の(0002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が350秒以下であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が2000秒以下であることを特徴とする、エピタキシャル基板に係るものである。
【0010】
また本発明は、上記又は下記のエピタキシャル基板を含む半導体素子に係るものである。
【0011】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。そして、上述したC面サファイア単結晶基材と比較して廉価であるとともに、大口径の加工が容易であることなどの理由から、a軸(<11−20>方向)に配向した主面を有する、いわゆるA面サファイア単結晶基材に着目した。そして、このA面サファイア単結晶基材を実用に供するべくさらなる鋭意検討を実施した。
【0012】
その結果、前記サファイア単結晶基材の主面が前記a軸からm軸(<1−100>方向)へ向けて所定の角度傾斜するようにして、バルク状のサファイア単結晶部材から切り出し、得られたサファイア単結晶基材の傾斜した主面上にAl含有III族窒化物下地膜を形成することにより、この下地膜における表面欠陥や表面の粗れなどを防止し、実用に供することのできるエピタキシャル基板を提供できることを見出したものである。
【0013】
したがって、前記エピタキシャル基板上にIII族窒化物膜を形成した目的の半導体素子を作製した場合において、その諸特性の劣化を抑制することができ、C軸サファイア単結晶基材を含むエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子と同等の特性を得ることができるようになる。
【0014】
なお、本発明においては、前記サファイア単結晶基材の、前記III族窒化物下地膜と対向する表層部分において表面窒化層を形成する。この場合、前記III族窒化物下地膜は、前記サファイア単結晶基材の前記主面上に、前記表面窒化層を介して形成させることになり、前記III族窒化物下地膜の結晶性をさらに向上させることができる。したがって、このようにして得たエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子の諸特性をさらに向上させることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【0016】
図1はサファイア単結晶の結晶構造を示す図であり、図1から明らかなように、サファイア単結晶は六方晶系の結晶構造を呈し、C軸、a軸及びm軸は互いに直交して存在する。
【0017】
本発明においては、エピタキシャル基板を構成するサファイア単結晶基材における主面の配向方向Xがa軸からm軸へ向けて所定の角度傾斜していることが必要である。具体的は、図1に示す結晶構造において、a軸及びm軸を含む平面内でC軸を中心に回転するようにして、角度θだけ傾斜していることが必要である。本発明の目的を達成することができれば角度θの値は特には限定されないが、0.05度〜0.2度に設定する。
【0018】
この場合、前記サファイア単結晶基材上に形成されたAl含有III族窒化物下地膜の表面欠陥などをより効果的に抑制することができるとともに、その表面平坦性を向上させることができる。具体的には前記下地膜の表面粗さRaを5Å以下、さらには3Å以下にまですることができる。
【0019】
図2は、本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。図2に示すエピタキシャル基板10は、サファイア単結晶基材1と、このサファイア単結晶基材1の主面1A上に形成された少なくともAlを含むIII族窒化物下地膜3とを具える。また、サファイア単結晶基材1の表層部分には表面窒化層2が形成されている。
【0020】
図2に示すエピタキシャル基板10において、サファイア単結晶基材1の主面1Aは図1に示すX方向に配向していることが必要である。そして、主面1Aの傾斜角度を上述した好ましい範囲に設定することにより、下地膜3の主面3Aの表面粗さRaを5Å以下とすることができる。したがって、エピタキシャル基板10上に所定のIII族窒化物膜を形成した場合においてその結晶品質の劣化を抑制することができ、良好な特性を呈する半導体素子を得ることができる。
【0021】
また、図2に示すエピタキシャル基板10においては、サファイア単結晶基材1の表層部分に表面窒化層2を形成しているが、これによって下地膜3の結晶性を向上させることができる。表面窒化層2は、サファイア単結晶基材1の主面1Aから1nmにおける深さにおける窒素含有量が好ましくは10原子%以下となるように形成する。この場合、下地膜3の(0002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が350秒以下であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が2000秒以下、さらには1500秒以下となり、良好な結晶性を呈するようになる。
【0022】
なお、表面窒化層2の窒素含有量及び厚さは、Arイオンを用いてサファイア単結晶基材1を厚さ方向にエッチングすると同時に、ESCAによる組成分析を行って得た、厚さ方向の組成分析より求めたものである。
【0023】
詳細なESCA測定条件は以下に示す通りである。X線源として、Mgターゲットを用いたエネルギー1253.6eVのX線を用いた。分析は、測定領域1.1mmφ、検出角45度、及びパスエネルギー35.75eVで行ない、窒素原子の同定には、N1sスペクトルを用いた。測定の際の真空度は3×10−9Torrであった。エッチングには加速電圧3.0kVのArイオンを用い、その際、ラスター領域は3mm×3mmである。
【0024】
本条件でのエッチング速度は、SiOで40Å/分であり、Alのスパッタ速度はSiOの場合の1/3であることが確認された。そこで、窒化表面のスパッタ速度を便宜上Al換算エッチングレートから計算し、1nmエッチングするための時間を逆算して、そのエッチング時点の窒素濃度を上記窒素含有量としたものである。
【0025】
表面窒化層2は、サファイア単結晶基材1をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって行なう。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって形成する。
【0026】
なお、表面窒化層2は必ずしも要求されるものではなく、表面窒化層2を有しないサファイア単結晶基材1の主面1A上に直接的に下地膜3を形成した場合においても、本発明の目的を十分に達成することができる。
【0027】
本発明の作用効果は、下地膜3中のAl含有量が増大するにつれて顕著になる。したがって、下地膜3中のAl含有量が全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、特に100原子%以上、すなわち下地膜3がAlNから構成される
【0028】
なお、下地膜3は、Alの他にGa及びInなどのIII族元素を含有することができ、必要に応じてMg、Si、又はBなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むことができる。
【0029】
また、下地膜3はCVD法などの公知の成膜手法を用いて作製することができる。
【0030】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例1)
サファイア単結晶基材としてa軸方向からm軸方向に角度0.12度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定し、1200℃まで加熱した。
【0031】
そして、アンモニアガス(NH)を水素キャリアガスとともに5分間流し、前記基材の主面を窒化させた。なお、ESCAによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ1nmにおける窒素含有量が5原子%であることが判明した。
【0032】
次いで、Al供給原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)を用い、窒素供給原料としてアンモニアガス(NH)を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、NH/TMAモル比=500の流量で、前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給してAlN下地膜を厚さ3μmに形成し、エピタキシャル基板を作製した。なお、NH及びTMAの流量は、前記モル比を満足するように成膜速度に応じて適宜に選択する。
【0033】
このようにして得たAlN下地膜の結晶性をX線回折によって調べたところ、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅は約250秒であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は約1100秒であり、表面粗さRaは2.5Åであった。したがって、前記AlN下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【0034】
(実施例2)
サファイア単結晶基材としてa軸方向からm軸方向に角度0.18度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用いた以外は、実施例1と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。AlN下地膜の結晶性をX線回折によって調べたところ、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅は約300秒であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は約900秒であり、表面粗さRaは3.0Åであった。したがって、前記AlN下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【0035】
(実施例3)
サファイア単結晶基材としてa軸方向からm軸方向に角度0.08度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用いた以外は、実施例1と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。AlN下地膜の結晶性をX線回折によって調べたところ、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅は約250秒であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は約1400秒であり、表面粗さRaは2.0Åであった。したがって、前記AlN下地膜は良好な結晶性を示すとともに、良好な表面平坦性を有することが判明した。
【0036】
(参考例4)
サファイア単結晶基材として実施例1と同様にa軸方向からm軸方向に角度0.12度傾斜した主面を有するサファイア単結晶を用い、前記基材の主面に対して窒化処理を施さなかった以外は、実施例1と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。AlN下地膜の結晶性をX線回折によって調べたところ、(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅は約320秒であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は約1900秒であり、表面粗さRaは3.5Åであった。したがって、前記AlN下地膜は、ほぼ良好な結晶性及び表面平坦性を有することが判明した。
【0037】
(比較例)
サファイア単結晶基材としてA面サファイア単結晶を用いた以外は、実施例同様にしてエピタキシャル基板を作製した。AlN下地膜の(0002)面におけるX線ロッキングカーブの半値幅は500秒であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は約2500秒であり、表面粗さRaは6Åであって、結晶性及び表面平坦性共に十分でないことが判明した。
【0038】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、図2に示すエピタキシャル基板10において、サファイア単結晶基材1と下地膜3との間に、バッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、下地膜3の結晶性をさらに向上させることもできる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、C軸以外の結晶軸方向に配向した主面を有するサファイア単結晶基材と、少なくともAlを含むIII族窒化物下地膜とを含み、実用に足るエピタキシャル基板を提供するとともに、このエピタキシャル基板を構成する前記サファイア単結晶基材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】サファイア単結晶の結晶構造を示す図である。
【図2】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
1 サファイア単結晶基材、2 表面窒化層、3 Al含有III族窒化物下地膜、10 エピタキシャル基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an epitaxial substrate , and more particularly to an epitaxial substrate that can be suitably used as a substrate constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices, and elements such as field emitters.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride films are used as semiconductor films constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices. In recent years, group III nitride films are also attracting attention as semiconductor films constituting high-speed IC chips used for mobile phones and the like. Have been bathed. In particular, a group III nitride film containing Al is attracting attention as an application material for field emitters.
[0003]
As a substrate on which such a group III nitride film is formed, there is a so-called epitaxial substrate including a base film formed by epitaxial growth on a predetermined base material. A sapphire single crystal is used as the base material because it is inexpensive and easily available.
[0004]
After the epitaxial substrate is placed on a susceptor provided in a predetermined reaction tube, it is heated to a predetermined temperature by a heating mechanism inside and outside the susceptor, and a Group III metal feedstock and a nitrogen feedstock, and other materials as required. An element feedstock is introduced into the reaction tube together with a carrier gas and supplied onto the epitaxial substrate, thereby forming a target group III nitride film according to the CVD method.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As the sapphire single crystal substrate described above, a so-called C-plane sapphire single crystal substrate that has been conventionally oriented in the C axis (<0001> direction) has been used. However, the C-plane sapphire single crystal base material has a principal plane oriented in another crystal axis direction, for example, because the C-plane sapphire is difficult to cut out and the substrate growth rate is low. It is expensive compared with a crystal base material etc., and it is difficult to obtain a large-diameter one.
[0006]
From this point of view, an attempt has been made to use a sapphire single crystal base material having a principal surface oriented in the direction of the other crystal axis in place of the C-plane sapphire single crystal base material. However, when a base film made of a group III nitride containing Al in particular is formed on such a sapphire single crystal substrate, a large number of surface defects are generated on the base film, and the surface flatness is remarkably deteriorated. There was a problem that. Furthermore, the deterioration of crystallinity is remarkable, and when a target semiconductor device is manufactured by forming a group III nitride film on such an epitaxial substrate, the characteristics are remarkably deteriorated.
[0007]
Therefore, at present, an epitaxial substrate comprising a sapphire single crystal base material oriented in the direction of the crystal axis other than the C axis and an Al-containing base film formed on the single crystal base material can be used practically. The current situation is that it is not possible.
[0008]
The present invention includes a sapphire single crystal base material having a principal surface oriented in the direction of the crystal axis other than the C axis, and a group III nitride underlayer containing at least Al, and provides an epitaxial substrate that is sufficient for practical use. It aims at providing the said sapphire single-crystal base material which comprises an epitaxial substrate.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a sapphire single crystal substrate having a principal surface inclined at a predetermined angle from the <11-20> direction toward the <1-100> direction, and the sapphire single crystal substrate. A group III nitride underlayer containing at least Al formed on the main surface, the inclination angle is 0.05 degrees to 0.2 degrees, and the surface roughness of the group III nitride underlayer Is not more than 5 mm, the group III nitride underlayer is made of AlN, and includes a surface nitride layer in a surface layer portion of the sapphire single crystal substrate facing the group III nitride underlayer , the surface nitride layer The nitrogen content is 10 atomic% or less at a depth of 1 nm from the main surface of the sapphire single crystal substrate, and the half width of the X-ray rocking curve at the (0002) plane of the group III nitride underlayer is 350 seconds. Less than There, wherein the X-ray rocking curve is not more than 2000 seconds in (10-12) plane, those of the epitaxial substrate.
[0010]
The present invention also relates to a semiconductor device including the epitaxial substrate described above or below .
[0011]
The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. And since it is cheap compared with the above-mentioned C-plane sapphire single crystal base material and large diameter processing is easy, the main surface oriented in the a-axis (<11-20> direction) is used. The so-called A-plane sapphire single crystal substrate was noted. And the earnest examination was implemented in order to use this A surface sapphire single crystal base material for practical use.
[0012]
As a result, the main surface of the sapphire single crystal base material is cut out from the bulk sapphire single crystal member so as to be inclined at a predetermined angle from the a axis toward the m axis (<1-100> direction). By forming an Al-containing group III nitride underlayer on the inclined main surface of the obtained sapphire single crystal substrate, surface defects and surface roughness in the underlayer can be prevented and put to practical use. It has been found that an epitaxial substrate can be provided.
[0013]
Therefore, when a target semiconductor element in which a group III nitride film is formed on the epitaxial substrate is fabricated, deterioration of various characteristics can be suppressed, and an epitaxial substrate including a C-axis sapphire single crystal substrate is used. Thus, it becomes possible to obtain the same characteristics as those of the semiconductor element manufactured.
[0014]
In the present invention, a surface nitride layer is formed on the surface layer portion of the sapphire single crystal substrate facing the group III nitride underlayer. In this case, the group III nitride underlayer is formed on the main surface of the sapphire single crystal substrate via the surface nitride layer, and the crystallinity of the group III nitride underlayer is further increased. Can be improved. Therefore, various characteristics of a semiconductor device manufactured using the epitaxial substrate thus obtained can be further improved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the invention.
[0016]
FIG. 1 is a diagram showing the crystal structure of a sapphire single crystal. As is clear from FIG. 1, the sapphire single crystal has a hexagonal crystal structure, and the C, a, and m axes are perpendicular to each other. To do.
[0017]
In the present invention, the orientation direction X of the main surface in the sapphire single crystal base material constituting the epitaxial substrate needs to be inclined at a predetermined angle from the a-axis to the m-axis. Specifically, the crystal structure shown in FIG. 1 needs to be inclined by an angle θ so as to rotate around the C axis in a plane including the a axis and the m axis. If the object of the present invention can be achieved, the value of the angle θ is not particularly limited, but is set to 0.05 degrees to 0.2 degrees.
[0018]
In this case, the surface defects of the Al-containing group III nitride underlayer formed on the sapphire single crystal substrate can be more effectively suppressed, and the surface flatness can be improved. Specifically, the surface roughness Ra of the base film can be reduced to 5 mm or less, and further to 3 mm or less.
[0019]
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of the epitaxial substrate of the present invention. An epitaxial substrate 10 shown in FIG. 2 includes a sapphire single crystal substrate 1 and a group III nitride base film 3 containing at least Al formed on the main surface 1A of the sapphire single crystal substrate 1. A surface nitride layer 2 is formed on the surface layer portion of the sapphire single crystal substrate 1.
[0020]
In the epitaxial substrate 10 shown in FIG. 2, the main surface 1A of the sapphire single crystal substrate 1 needs to be oriented in the X direction shown in FIG. Then, by setting the inclination angle of the main surface 1A within the preferable range described above, the surface roughness Ra of the main surface 3A of the base film 3 can be set to 5 mm or less. Therefore, when a predetermined group III nitride film is formed on the epitaxial substrate 10, the deterioration of the crystal quality can be suppressed, and a semiconductor element exhibiting good characteristics can be obtained.
[0021]
Moreover, in the epitaxial substrate 10 shown in FIG. 2, the surface nitride layer 2 is formed in the surface layer part of the sapphire single-crystal base material 1, By this, the crystallinity of the base film 3 can be improved. Surface nitrided layer 2 is formed such that the nitrogen content at a depth of 1 nm from main surface 1A of sapphire single crystal substrate 1 is preferably 10 atomic% or less. In this case, the X-ray rocking curve half-value width in the (0002) plane of the base film 3 is 350 seconds or less, the X-ray rocking curve half-value width in the (10-12) plane is 2000 seconds or less, and further 1500 seconds or less. Good crystallinity is exhibited.
[0022]
The nitrogen content and thickness of the surface nitrided layer 2 are the compositions in the thickness direction obtained by performing composition analysis by ESCA at the same time as etching the sapphire single crystal substrate 1 in the thickness direction using Ar ions. It is obtained from analysis.
[0023]
Detailed ESCA measurement conditions are as shown below. As an X-ray source, an X-ray with an energy of 1253.6 eV using an Mg target was used. The analysis was performed with a measurement area of 1.1 mmφ, a detection angle of 45 degrees, and a path energy of 35.75 eV, and an N1s spectrum was used to identify nitrogen atoms. The degree of vacuum at the time of measurement was 3 × 10 −9 Torr. The etching uses Ar + ions with an acceleration voltage of 3.0 kV, and the raster area is 3 mm × 3 mm.
[0024]
The etching rate under these conditions was 40 Å / min for SiO 2 , and the sputtering rate for Al 2 O 3 was confirmed to be 1/3 that for SiO 2 . Therefore, for convenience, the sputtering rate of the nitrided surface is calculated from the Al 2 O 3 conversion etching rate, the time for 1 nm etching is calculated backward, and the nitrogen concentration at the time of etching is set as the nitrogen content.
[0025]
The surface nitride layer 2 is performed by placing the sapphire single crystal substrate 1 in a nitrogen-containing atmosphere such as ammonia and heating it for a predetermined time. And it forms by controlling nitrogen concentration, nitriding temperature, and nitriding time suitably.
[0026]
The surface nitrided layer 2 is not necessarily required, and even when the base film 3 is formed directly on the main surface 1A of the sapphire single crystal substrate 1 that does not have the surface nitrided layer 2, The objective can be fully achieved.
[0027]
The effect of the present invention becomes more prominent as the Al content in the underlying film 3 increases. Therefore, the Al content in the base film 3 is preferably 50 atomic% or more with respect to all group III elements, and particularly 100 atomic% or more, that is, the base film 3 is made of AlN .
[0028]
The base film 3 can contain a group III element such as Ga and In in addition to Al, and can also contain an element such as Mg, Si, or B as required. Furthermore, it is possible to include not only elements added intentionally but also impurities inevitably included depending on film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in raw materials and reaction tube materials.
[0029]
The underlayer 3 can be produced using a known film formation method such as a CVD method.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
Example 1
After using a sapphire single crystal having a main surface inclined at an angle of 0.12 degrees from the a-axis direction to the m-axis direction as a sapphire single crystal substrate, and placing this on a susceptor installed in a quartz reaction tube, The sample was suction fixed and heated to 1200 ° C.
[0031]
Then, ammonia gas (NH 3 ) was allowed to flow along with the hydrogen carrier gas for 5 minutes to nitride the main surface of the substrate. As a result of analysis by ESCA, it was found that a nitride layer was formed on the main surface by this surface nitriding treatment, and the nitrogen content at a depth of 1 nm from the main surface was 5 atomic%.
[0032]
Next, trimethylaluminum (TMA) is used as the Al feedstock, ammonia gas (NH 3 ) is used as the nitrogen feedstock, and the reaction gas is mixed with hydrogen carrier gas at a flow rate of NH 3 / TMA molar ratio = 500. While being introduced into the tube, it was supplied onto the base material to form an AlN base film with a thickness of 3 μm, thereby producing an epitaxial substrate. The flow rates of NH 3 and TMA are appropriately selected according to the film formation rate so as to satisfy the molar ratio.
[0033]
When the crystallinity of the AlN base film thus obtained was examined by X-ray diffraction, the X-ray rocking curve half-width of the (0002) plane was about 250 seconds, and the X-ray rocking curve of the (10-12) plane was The full width at half maximum was about 1100 seconds, and the surface roughness Ra was 2.5 mm. Therefore, it has been found that the AlN underlayer shows good crystallinity and good surface flatness.
[0034]
(Example 2)
An epitaxial substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that a sapphire single crystal having a main surface inclined at an angle of 0.18 degrees from the a-axis direction to the m-axis direction was used as the sapphire single crystal substrate. When the crystallinity of the AlN underlayer was examined by X-ray diffraction, the X-ray rocking curve half-width of the (0002) plane was about 300 seconds, and the X-ray rocking curve half-width of the (10-12) plane was about 900 seconds. And the surface roughness Ra was 3.0 mm. Therefore, it has been found that the AlN underlayer shows good crystallinity and good surface flatness.
[0035]
(Example 3)
An epitaxial substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that a sapphire single crystal having a main surface inclined at an angle of 0.08 degrees from the a-axis direction to the m-axis direction was used as the sapphire single crystal base material. When the crystallinity of the AlN underlayer was examined by X-ray diffraction, the X-ray rocking curve half-width of the (0002) plane was about 250 seconds, and the X-ray rocking curve half-width of the (10-12) plane was about 1400 seconds. And the surface roughness Ra was 2.0 mm. Therefore, it has been found that the AlN underlayer shows good crystallinity and good surface flatness.
[0036]
(Reference Example 4)
A sapphire single crystal having a main surface inclined at an angle of 0.12 degrees in the m-axis direction from the a-axis direction is used as the sapphire single crystal base material, and the main surface of the base material is subjected to nitriding treatment. An epitaxial substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that there was no. When the crystallinity of the AlN underlayer was examined by X-ray diffraction, the X-ray rocking curve half-width of the (0002) plane was about 320 seconds and the X-ray rocking curve half-width of the (10-12) plane was about 1900 seconds. The surface roughness Ra was 3.5 mm. Therefore, it was found that the AlN underlayer has substantially good crystallinity and surface flatness.
[0037]
(Comparative example)
An epitaxial substrate was produced in the same manner as in the example except that an A-plane sapphire single crystal was used as the sapphire single crystal substrate. The half width of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the AlN underlayer is 500 seconds, the half width of the X-ray rocking curve on the (10-12) plane is about 2500 seconds, and the surface roughness Ra is 6 mm. Thus, it has been found that both crystallinity and surface flatness are not sufficient.
[0038]
The present invention has been described in detail based on the embodiments of the invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the embodiments of the invention, and does not depart from the scope of the invention. All changes and modifications are possible. For example, in the epitaxial substrate 10 shown in FIG. 2, a multilayer laminated film such as a buffer layer or a strained superlattice is inserted between the sapphire single crystal substrate 1 and the base film 3 to further improve the crystallinity of the base film 3. It can also be made.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the sapphire single crystal substrate having a main surface oriented in the crystal axis direction other than the C axis and the group III nitride underlayer containing at least Al is sufficient for practical use. While providing an epitaxial substrate, the sapphire single-crystal base material which comprises this epitaxial substrate can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a crystal structure of a sapphire single crystal.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of an epitaxial substrate of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sapphire single crystal substrate, 2 surface nitrided layer, 3 Al-containing group III nitride underlayer, 10 epitaxial substrate

Claims (2)

<11−20>方向より<1−100>方向へ向けて所定の角度傾斜させた主面を有するサファイア単結晶基材と、このサファイア単結晶基板の前記主面上に形成された、少なくともAlを含むIII族窒化物下地膜とを具え、前記傾斜角度は0.05度〜0.2度であり、前記III族窒化物下地膜の表面粗さが5Å以下であり、前記III族窒化物下地膜はAlNからなり、前記サファイア単結晶基材の、前記III族窒化物下地膜と対向する表層部分において表面窒化層を具え、前記表面窒化層の窒素含有量が、前記サファイア単結晶基材の前記主面から1nmの深さにおいて10原子%以下であり、前記III族窒化物下地膜の(0002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が350秒以下であり、(10−12)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が2000秒以下であることを特徴とする、エピタキシャル基板。  A sapphire single crystal base material having a main surface inclined at a predetermined angle from the <11-20> direction toward the <1-100> direction, and at least Al formed on the main surface of the sapphire single crystal substrate. A group III nitride undercoat film containing, wherein the tilt angle is 0.05 degree to 0.2 degree, and the surface roughness of the group III nitride base film is 5 mm or less, the group III nitride The underlayer is made of AlN, and has a surface nitride layer in a surface layer portion of the sapphire single crystal substrate facing the group III nitride underlayer, and the nitrogen content of the surface nitride layer is the sapphire single crystal substrate 10 nm or less at a depth of 1 nm from the main surface, and the half width of the X-ray rocking curve in the (0002) plane of the group III nitride underlayer is 350 seconds or less, in the (10-12) plane Wherein the linear rocking curve half width is less than 2000 seconds, the epitaxial substrate. 請求項1記載のエピタキシャル基板を含むことを特徴とする、半導体素子 A semiconductor device comprising the epitaxial substrate according to claim 1 .
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