JP5162895B2 - Aluminum nitride crystal manufacturing method, aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal substrate, and semiconductor device - Google Patents

Aluminum nitride crystal manufacturing method, aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal substrate, and semiconductor device Download PDF

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Description

本発明は、窒化アルミニウム(AlN)結晶の製造方法、AlN結晶、AlN結晶基板および半導体デバイスに関し、特に、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるAlN結晶の製造方法、AlN結晶およびAlN結晶基板とそのAlN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスに関する。   The present invention relates to an aluminum nitride (AlN) crystal manufacturing method, an AlN crystal, an AlN crystal substrate, and a semiconductor device, and more particularly to an AlN crystal manufacturing method, an AlN crystal, and an AlN crystal capable of obtaining a semiconductor device having good characteristics. The present invention relates to a semiconductor device manufactured using a substrate and its AlN crystal substrate.

AlN結晶基板は、6.2eVのエネルギバンドギャップ、約3.3WK-1cm-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有しているため、光デバイスや電子デバイス等の半導体デバイスの基板として注目されている。 Since the AlN crystal substrate has an energy band gap of 6.2 eV, a thermal conductivity of about 3.3 WK −1 cm −1 and a high electric resistance, it is attracting attention as a substrate for semiconductor devices such as optical devices and electronic devices. Has been.

AlN結晶基板は、昇華法やHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等により、Si(シリコン)結晶基板やSiC(炭化シリコン)結晶基板等の種結晶基板の表面上に成長させたAlN結晶により作製することができる。
B.Raghothamachar, M.Dudley, J.C.Rojo, K.Morgan and L.J.Schowalter, “X-ray characterization of bulk AIN single crystals grown by the sublimation technique”, Journal of Crystal Growth, vol.250, March 2003, p.244 X.Hu et al, “AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors on single-crystal bulk AlN”, Applied physics letters, vol.82, No.8, 2003, pp.1299-1301
The AlN crystal substrate is manufactured by an AlN crystal grown on the surface of a seed crystal substrate such as a Si (silicon) crystal substrate or a SiC (silicon carbide) crystal substrate by a sublimation method, HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, or the like. be able to.
B. Raghothamachar, M. Dudley, JCRojo, K. Morgan and LJ Schowalter, “X-ray characterization of bulk AIN single crystals grown by the sublimation technique”, Journal of Crystal Growth, vol.250, March 2003, p.244 X.Hu et al, “AlGaN / GaN heterostructure field-effect transistors on single-crystal bulk AlN”, Applied physics letters, vol.82, No.8, 2003, pp.1299-1301

半導体デバイスの製造コストを低減するためには、なるべく大きな表面を有するAlN結晶基板上に窒化物半導体単結晶層を気相成長させ、1枚のAlN結晶基板からなるべく多くの半導体デバイスを得ることが有効である。   In order to reduce the manufacturing cost of a semiconductor device, it is possible to vapor-phase grow a nitride semiconductor single crystal layer on an AlN crystal substrate having as large a surface as possible to obtain as many semiconductor devices as possible from one AlN crystal substrate. It is valid.

しかしながら、このようなAlN結晶基板を用いて製造された半導体デバイスの特性が悪化することがあり、良好な特性を有する半導体デバイスを得るためのAlN結晶基板の開発が望まれている。   However, characteristics of a semiconductor device manufactured using such an AlN crystal substrate may deteriorate, and development of an AlN crystal substrate for obtaining a semiconductor device having good characteristics is desired.

そこで、本発明の目的は、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるAlN結晶の製造方法、AlN結晶およびAlN結晶基板とそのAlN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an AlN crystal manufacturing method capable of obtaining a semiconductor device having good characteristics, an AlN crystal, an AlN crystal substrate, and a semiconductor device manufactured using the AlN crystal substrate. is there.

本発明は、SiC種結晶基板の表面上にAlN結晶を成長させ、SiC種結晶基板の表面からAlN結晶側に2mm以上60mm以下の範囲の少なくとも一部から取り出されたAlN結晶であって、面積が10cm2以上の表面を有し、転位密度が2×10 4 個/cm 2 以上5×10 5 個/cm 2 以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が0.2以下であって、らせん転位の転位密度が1×10 4 個/cm 2 以下であって、SiC種結晶基板の厚さが150μm以上400μm以下であるAlN結晶である。 The present invention is an AlN crystal grown from an at least part of a range of 2 mm or more and 60 mm or less from the surface of the SiC seed crystal substrate to the AlN crystal side by growing an AlN crystal on the surface of the SiC seed crystal substrate. Has a surface of 10 cm 2 or more and a dislocation density of 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less, and is selected from the group consisting of screw dislocations, edge dislocations, and mixed dislocations. The ratio of the dislocation density of the screw dislocation to the dislocation density is 0.2 or less, the dislocation density of the screw dislocation is 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less, and the SiC seed crystal The AlN crystal has a substrate thickness of 150 μm or more and 400 μm or less.

また、本発明は、厚さが150μm以上400μm以下であるSiC種結晶基板の表面上にAlN結晶を成長させる工程と、SiC種結晶基板の表面からAlN結晶側に2mm以上60mm以下の範囲にある少なくとも一部のAlN結晶を取り出す工程と、取り出したAlN結晶の面積が10cm2以上であって、転位密度が2×10 4 個/cm 2 以上5×10 5 個/cm 2 以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が0.2以下であって、らせん転位の転位密度が1×10 4 個/cm 2 以下である表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、を含む、AlN結晶の製造方法である The present invention also includes a step of growing an AlN crystal on the surface of an SiC seed crystal substrate having a thickness of 150 μm or more and 400 μm or less, and a range of 2 mm or more and 60 mm or less from the surface of the SiC seed crystal substrate to the AlN crystal side. A step of taking out at least a part of the AlN crystal, an area of the taken-out AlN crystal is 10 cm 2 or more, and a dislocation density is 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less, It includes at least one dislocation selected from the group consisting of screw dislocations, edge dislocations, and mixed dislocations, the ratio of dislocation density of screw dislocations to dislocation density is 0.2 or less, and the dislocation density of screw dislocations is 1 And a step of growing an aluminum nitride crystal on a surface of 10 4 pieces / cm 2 or less .

また、本発明のAlN結晶の製造方法においては、SiC種結晶基板の表面上にAlN結晶を成長させるときのSiC種結晶基板の温度が1650℃以上であることが好ましい。 In the method of manufacturing the AlN crystal of the present invention, it is preferred that the temperature of the SiC seed crystal substrate when growing the AlN crystal on the surface of the SiC seed crystal substrate is 1650 ° C. or higher.

また、本発明のAlN結晶の製造方法においては、SiC種結晶基板の表面上へのAlN結晶の成長を昇華法によって行なうことが好ましい。 In the method of manufacturing the AlN crystal of the present invention, it is preferable to carry out the growth of the AlN crystal onto the surface of the SiC seed crystal substrate by sublimation method.

また、本発明は、上記のいずれかのAlN結晶からなる、若しくは上記のいずれかのAlN結晶の製造方法によって製造されたAlN結晶AlN結晶基板である。
さらに、本発明は、上記のAlN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスである。
Further, the present invention is an AlN crystal AlN crystal substrate made of any one of the above AlN crystals or manufactured by any one of the above AlN crystal manufacturing methods .
Furthermore, the present invention is a semiconductor device manufactured using the above AlN crystal substrate.

本発明によれば、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるAlN結晶の製造方法、AlN結晶およびAlN結晶基板とそのAlN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the AlN crystal which can obtain the semiconductor device which has a favorable characteristic, the semiconductor device produced using the AlN crystal and the AlN crystal substrate, and the AlN crystal substrate can be provided.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

従来においては、半導体デバイスの特性を良好にするためには、AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度は低ければ低いほど良いと考えられていたが、本発明者らは、AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度が低すぎても半導体デバイスの特性が悪化することを見い出した。そして、本発明者らは、面積が10cm2以上の表面を有する大型のAlN結晶からなるAlN結晶基板において、そのAlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度を1×103個/cm2以上1×106個/cm2以下とすることにより、半導体デバイスの特性が良好になることを見い出し、本発明を完成するに至った。 Conventionally, in order to improve the characteristics of a semiconductor device, it has been considered that the lower the dislocation density of the AlN crystal that constitutes the AlN crystal substrate, the better. It has been found that the characteristics of a semiconductor device are deteriorated even if the dislocation density of the constituent AlN crystal is too low. Then, the inventors of the present invention, in an AlN crystal substrate made of a large AlN crystal having a surface with an area of 10 cm 2 or more, have a dislocation density of the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate of 1 × 10 3 pieces / cm 2 or more. It has been found that the characteristics of the semiconductor device are improved by setting it to 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less, and the present invention has been completed.

すなわち、面積が10cm2以上の表面を有し、転位密度が1×103個/cm2未満であるAlN結晶からなるAlN結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が悪化する。また、面積が10cm2以上の表面を有し、転位密度が1×106個/cm2よりも高いAlN結晶からなるAlN結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合にも半導体デバイスの特性が悪化する。 That is, a semiconductor device was fabricated by sequentially depositing a semiconductor film on an AlN crystal substrate made of AlN crystal having a surface with an area of 10 cm 2 or more and a dislocation density of less than 1 × 10 3 pieces / cm 2 . In this case, the characteristics of the semiconductor device are deteriorated. Further, a semiconductor device was fabricated by sequentially depositing a semiconductor film on an AlN crystal substrate made of AlN crystal having an area of 10 cm 2 or more and a dislocation density higher than 1 × 10 6 pieces / cm 2 . Even in this case, the characteristics of the semiconductor device deteriorate.

また、本発明者らは、面積が10cm2以上の表面を有し、転位密度が2×104個/cm2以上5×105個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が特に良好となることも見い出した。 The present inventors also have an AlN crystal substrate comprising an AlN crystal having a surface with an area of 10 cm 2 or more and a dislocation density of 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less. It has also been found that the characteristics of the semiconductor device are particularly good when a semiconductor device is fabricated by sequentially depositing semiconductor films on the substrate.

AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度が1×103個/cm2未満と低すぎる場合に半導体デバイスの特性が悪化する理由は明らかとなっていないが、以下のように推定される。すなわち、AlN結晶基板中の転位は、AlN結晶基板中の不純物やAlN結晶基板の組成ズレに起因する析出物にゲッター(吸い込み口)として機能するため、AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度が低すぎるとそのゲッターとしての機能が十分に発揮されなくなる。そのため、AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位が少ない部分については上記の不純物や析出物が残ってしまい、その転位が少ない部分の結晶性が低下し、その転位が存在しない部分上に成長させた半導体膜の結晶性も低下すると考えられる。これにより、AlN結晶基板を構成するAlN結晶の転位密度が1×103個/cm2未満と低すぎる場合には、半導体デバイスの特性が悪化するものと考えられる。 The reason why the characteristics of the semiconductor device deteriorate when the dislocation density of the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate is too low, less than 1 × 10 3 pieces / cm 2, is not clear, but is estimated as follows. That is, the dislocations in the AlN crystal substrate function as getters (suction ports) for the precipitates caused by impurities in the AlN crystal substrate and the composition deviation of the AlN crystal substrate. Therefore, the dislocation density of the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate If it is too low, the function as a getter will not be sufficiently exhibited. For this reason, the above-mentioned impurities and precipitates remain in the portion of the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate where there are few dislocations, the crystallinity of the portion where the dislocation is small is lowered, and the portion is grown on the portion where the dislocation does not exist. It is considered that the crystallinity of the semiconductor film is also lowered. Thereby, when the dislocation density of the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate is too low as less than 1 × 10 3 pieces / cm 2, it is considered that the characteristics of the semiconductor device are deteriorated.

また、AlN結晶基板を構成するAlN結晶には、らせん転位、刃状転位、およびらせん転位と刃状転位とが混合した混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位が含まれ得る。ここで、AlN結晶の転位全体の密度(すなわち、上記でいうAlN結晶の転位密度)に対するらせん転位の転位密度の比は0.2以下であることが好ましい。転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が0.2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、その半導体デバイスの特性が良好となる傾向にある。   In addition, the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate may include at least one dislocation selected from the group consisting of screw dislocations, edge dislocations, and mixed dislocations in which screw dislocations and edge dislocations are mixed. Here, the ratio of the dislocation density of screw dislocations to the density of all dislocations of the AlN crystal (that is, the dislocation density of the AlN crystal referred to above) is preferably 0.2 or less. When a semiconductor device is fabricated by sequentially depositing a semiconductor film on the surface of an AlN crystal substrate made of an AlN crystal having a ratio of dislocation density of screw dislocations to a density of the entire dislocation of 0.2 or less, the semiconductor Device characteristics tend to be good.

また、本発明者らは、らせん転位の転位密度が1×104個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には半導体デバイスの特性がさらに良好となる傾向にあり、また、AlN結晶基板を構成するAlN結晶にらせん転位が存在しない場合にもこのような傾向を有することを見い出した。 In addition, the present inventors manufactured a semiconductor device by sequentially depositing a semiconductor film on the surface of an AlN crystal substrate made of an AlN crystal having a screw dislocation density of 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less. In some cases, the characteristics of the semiconductor device tend to be further improved, and it has been found that such a tendency is also present when there is no screw dislocation in the AlN crystal constituting the AlN crystal substrate.

なお、本発明において、AlN結晶の転位密度は、250℃のKOHとNaOHとの混合融液(KOHの質量:NaOHの質量=1:1)を用いて、30分間、AlN結晶の表面のエッチングを行ない、その表面に現われたエッチピットの密度を測定する方法により求められる。   In the present invention, the dislocation density of the AlN crystal is determined by etching the surface of the AlN crystal for 30 minutes using a mixed melt of KOH and NaOH at 250 ° C. (KOH mass: NaOH mass = 1: 1). And the density of etch pits appearing on the surface is measured.

また、本発明において、AlN結晶における転位が、刃状転位、らせん転位またはこれらが混合した混合転位のいずれに該当するかは上記の方法によりAlN結晶基板の表面に現われたエッチピットの大きさで判別することができる。らせん転位に対応するエッチピットはその最大径が10μm以上15μm以下であり、刃状転位に対応するエッチピットはその最大径が1μm以上5μm以下である。なお、本発明において、「最大径」とは、エッチピットの周縁上に存在する2点を結ぶ線分のうち最も長い線分の長さのことをいう。   In the present invention, whether the dislocation in the AlN crystal corresponds to an edge dislocation, a screw dislocation, or a mixed dislocation in which these dislocations are mixed depends on the size of the etch pits appearing on the surface of the AlN crystal substrate by the above method. Can be determined. Etch pits corresponding to screw dislocations have a maximum diameter of 10 μm to 15 μm, and etch pits corresponding to edge dislocations have a maximum diameter of 1 μm to 5 μm. In the present invention, the “maximum diameter” means the length of the longest line segment connecting two points existing on the periphery of the etch pit.

本発明のAlN結晶は、たとえば、昇華法により、Si結晶基板やSiC結晶基板等の種結晶基板上にAlN結晶を成長させ、AlN結晶の成長によるAlN結晶の長尺化過程においてAlN結晶中の転位の大部分がc軸以外の方向に伝播し、種結晶基板から離れるほどAlN結晶の転位密度が小さくなると考えられ、そのことを利用して作製することができる。   The AlN crystal of the present invention is obtained by, for example, growing an AlN crystal on a seed crystal substrate such as a Si crystal substrate or a SiC crystal substrate by a sublimation method, and in the process of lengthening the AlN crystal by the growth of the AlN crystal. Most of the dislocations are propagated in directions other than the c-axis, and the dislocation density of the AlN crystal is considered to decrease as the distance from the seed crystal substrate increases, and this can be used for manufacturing.

たとえば、まず、図1の模式的断面図に示すように、種結晶基板として10cm2以上の面積の表面を有するSiC種結晶基板3を用意し、SiC種結晶基板3のその表面上にAlN結晶8を昇華法により成長させる。 For example, first, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, an SiC seed crystal substrate 3 having a surface with an area of 10 cm 2 or more is prepared as a seed crystal substrate, and an AlN crystal is formed on the surface of the SiC seed crystal substrate 3. 8 is grown by sublimation.

次に、図2の模式的断面図に示すように、SiC種結晶基板3の表面から窒化AlN結晶8側に2mm以上60mm以下、好ましくは3mm以上20mm以下の範囲8a(図2の斜線部)にある少なくとも一部のAlN結晶8b(ここでは、図2の破線部を切断することによって得られる部分)を取り出す。   Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, a range 8a from the surface of the SiC seed crystal substrate 3 to the nitrided AlN crystal 8 side of 2 mm to 60 mm, preferably 3 mm to 20 mm (shaded portion in FIG. 2). At least a part of the AlN crystal 8b (here, a part obtained by cutting the broken line part in FIG. 2) is taken out.

このようにして作製されたAlN結晶8bは、10cm2以上の面積の表面を有し、転位密度が1×103個/cm2以上1×106個/cm2以下、好ましくは転位密度が2×104個/cm2以上5×105個/cm2以下のAlN結晶となる。 The AlN crystal 8b thus produced has a surface with an area of 10 cm 2 or more and a dislocation density of 1 × 10 3 / cm 2 or more and 1 × 10 6 / cm 2 or less, preferably a dislocation density. The AlN crystal is 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less.

また、上述のようにして作製されたAlN結晶8bからなるAlN結晶基板を種結晶基板として、種結晶基板となるAlN結晶基板の表面上に昇華法によりAlN結晶を成長させる。そして、成長したAlN結晶の少なくとも一部を取り出すことによっても、10cm2以上の面積の表面を有し、転位密度が1×103個/cm2以上1×106個/cm2以下、好ましくは転位密度が2×104個/cm2以上5×105個/cm2以下のAlN結晶を作製することができる。 Also, an AlN crystal substrate made of the AlN crystal 8b produced as described above is used as a seed crystal substrate, and an AlN crystal is grown on the surface of the AlN crystal substrate to be a seed crystal substrate by a sublimation method. And also by taking out at least a part of the grown AlN crystal, it has a surface with an area of 10 cm 2 or more, and the dislocation density is 1 × 10 3 pieces / cm 2 or more and 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less, preferably Can produce an AlN crystal having a dislocation density of 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less.

また、上記において、種結晶基板となるSiC種結晶基板3の厚さは150μm以上400μm以下であることが好ましく、150μm以上350μm以下であることがより好ましく、150μm以上300μm以下であることが最も好ましい。SiC種結晶基板3の厚さを上記の厚さとすることによって上記に示した転位密度のAlN結晶が得られやすくなる。   In the above, the thickness of the SiC seed crystal substrate 3 serving as the seed crystal substrate is preferably 150 μm or more and 400 μm or less, more preferably 150 μm or more and 350 μm or less, and most preferably 150 μm or more and 300 μm or less. . By setting the thickness of the SiC seed crystal substrate 3 to the above thickness, an AlN crystal having the dislocation density shown above can be easily obtained.

また、上記において、SiC種結晶基板3の表面上に窒化アルミニウム結晶8を成長させるときのSiC種結晶基板3の温度は1650℃以上であることが好ましい。AlN結晶8と格子定数が1%程度の差を有するSiC種結晶基板3を用いることで、SiC種結晶基板3から数μmのところで格子緩和が起こり、大部分のらせん転位がループして消滅することを利用してらせん転位を低減することが考えられる。また、AlN結晶8の成長初期は空孔や結晶粒の合体による引張応力を発生させないようにステップフロー成長となるような条件で成長させることで転位密度を低減することができる。そして、このような転位の挙動は、SiC種結晶基板3の表面上に窒化アルミニウム結晶8を成長させるときのSiC種結晶基板3の温度が1650℃以上である場合に顕著に見ることができる。   In the above description, the temperature of SiC seed crystal substrate 3 when aluminum nitride crystal 8 is grown on the surface of SiC seed crystal substrate 3 is preferably 1650 ° C. or higher. By using the SiC seed crystal substrate 3 having a lattice constant of about 1% different from that of the AlN crystal 8, lattice relaxation occurs at a few μm from the SiC seed crystal substrate 3, and most of the screw dislocations loop and disappear. It is conceivable to reduce the screw dislocation by utilizing this fact. Further, at the initial growth stage of the AlN crystal 8, the dislocation density can be reduced by growing the AlN crystal 8 under the condition that the step flow growth is performed so as not to generate the tensile stress due to the combination of vacancies and crystal grains. Such a dislocation behavior can be clearly observed when the temperature of the SiC seed crystal substrate 3 when the aluminum nitride crystal 8 is grown on the surface of the SiC seed crystal substrate 3 is 1650 ° C. or higher.

(AlN結晶基板の作製)
直径が2インチで厚さが250μmのSiC種結晶基板の表面上に、昇華法により以下のようにしてAlN結晶を成長させる。
(Preparation of AlN crystal substrate)
An AlN crystal is grown on the surface of an SiC seed crystal substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 250 μm by the sublimation method as follows.

図3に、本実施例で用いられるAlN結晶の成長装置の模式的な断面図を示す。まず、グラファイト製の坩堝1の下部にAlN粉末等のAlN原料2を収容し、坩堝1の上部に表面が平坦に加工されたSiC種結晶基板3を設置する。ここで、SiC種結晶基板3の裏面には、SiC種結晶基板3の裏面からのSiCの昇華を防止する目的で、グラファイト製の種結晶基板保護材4を密着するように設置する。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an AlN crystal growth apparatus used in this example. First, an AlN raw material 2 such as AlN powder is accommodated in the lower portion of the graphite crucible 1, and an SiC seed crystal substrate 3 whose surface is processed flat is placed on the upper portion of the crucible 1. Here, for the purpose of preventing sublimation of SiC from the back surface of the SiC seed crystal substrate 3, the graphite seed crystal substrate protective material 4 is installed in close contact with the back surface of the SiC seed crystal substrate 3.

次に、反応容器5内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル6を用いて加熱体7を加熱することにより、坩堝1内の温度を上昇させる。ここで、坩堝1内のSiC種結晶基板3側の温度を2000℃、AlN原料2側の温度を2200℃に保持し、AlN原料2からAlNを昇華させて、坩堝1の上部に設置されたSiC種結晶基板3の表面上に厚さ30μm程度のAlN結晶膜を成長させ、その後、AlN原料2側の温度のみを2400℃まで上昇させ、AlN結晶8を100時間成長させる。   Next, the temperature in the crucible 1 is raised by heating the heating body 7 using the high frequency heating coil 6 while flowing nitrogen gas into the reaction vessel 5. Here, the temperature on the side of the SiC seed crystal substrate 3 in the crucible 1 was kept at 2000 ° C., the temperature on the side of the AlN raw material 2 was kept at 2200 ° C., and AlN was sublimated from the AlN raw material 2 and installed on the upper part of the crucible 1. An AlN crystal film having a thickness of about 30 μm is grown on the surface of the SiC seed crystal substrate 3, and then only the temperature on the AlN raw material 2 side is increased to 2400 ° C., and the AlN crystal 8 is grown for 100 hours.

その後、AlN結晶8を室温(25℃)まで冷却して、装置から取り出す。すると、直径が2インチのSiC種結晶基板3上に厚さ10mmのAlN結晶8が成長する。   Thereafter, the AlN crystal 8 is cooled to room temperature (25 ° C.) and taken out from the apparatus. Then, an AlN crystal 8 having a thickness of 10 mm grows on the SiC seed crystal substrate 3 having a diameter of 2 inches.

そして、図4の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたAlN結晶8のSiC種結晶基板3の表面から2mm以上離れた位置からスライスを開始し、(0002)面を表面として有する直径が2インチのAlN結晶基板9を10枚作製する。そして、これら10枚のAlN結晶基板9のAl面を鏡面研磨する。   Then, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 4, slicing is started from a position 2 mm or more away from the surface of the SiC seed crystal substrate 3 of the AlN crystal 8 obtained as described above, and the (0002) plane is Ten AlN crystal substrates 9 having a diameter of 2 inches as the surface are produced. Then, the Al surfaces of these ten AlN crystal substrates 9 are mirror-polished.

さらに、上記の図1に示す成長装置を用いた昇華法によって、図5の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたAlN結晶基板9の表面上にAlN結晶10を成長させる。   Further, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 5, an AlN crystal 10 is grown on the surface of the AlN crystal substrate 9 obtained as described above by a sublimation method using the growth apparatus shown in FIG. Let

ここで、AlN結晶10は、AlN結晶基板9側の温度を2000℃に保持しながら、AlN原料2側の温度を室温から2400℃まで一定の勾配で上昇させ、AlN原料2からAlNを昇華させることによって、100時間成長させられる。   Here, while maintaining the temperature on the AlN crystal substrate 9 side at 2000 ° C., the AlN crystal 10 raises the temperature on the AlN raw material 2 side with a constant gradient from room temperature to 2400 ° C., and sublimates AlN from the AlN raw material 2. By this, it can be grown for 100 hours.

その後、成長したAlN結晶10を室温(25℃)まで冷却して、成長装置から取り出される。これにより、直径が2インチ弱のAlN結晶10が得られる。 そして、図6の模式的断面図に示すように、AlN結晶10をスライスすることによってAlN結晶基板11が取り出される。   Thereafter, the grown AlN crystal 10 is cooled to room temperature (25 ° C.) and taken out from the growth apparatus. Thereby, the AlN crystal 10 having a diameter of slightly less than 2 inches is obtained. Then, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 6, the AlN crystal substrate 11 is taken out by slicing the AlN crystal 10.

(転位密度の測定)
上記のAlN結晶8から取り出された10枚のAlN結晶基板9および上記のAlN結晶10から取り出された任意の1枚のAlN結晶基板11の表面のそれぞれを250℃のKOHとNaOHとの混合融液(KOHの質量:NaOHの質量=1:1)を用いて30分間エッチングし、転位に対応するエッチピットを出現させる。このエッチピットの密度を算出することによって、それぞれのAlN結晶基板の転位密度および分布を求める。このとき転位はAlN結晶基板の表面内で集中することなく、全体に均一に存在している。
(Measurement of dislocation density)
The surface of each of the 10 AlN crystal substrates 9 taken out from the AlN crystal 8 and the arbitrary one AlN crystal substrate 11 taken out from the AlN crystal 10 is mixed with KOH and NaOH at 250 ° C. Etching is performed for 30 minutes using a liquid (KOH mass: NaOH mass = 1: 1), and etch pits corresponding to dislocations appear. By calculating the density of the etch pits, the dislocation density and distribution of each AlN crystal substrate are obtained. At this time, dislocations do not concentrate on the surface of the AlN crystal substrate, but exist uniformly throughout.

なお、AlN結晶基板9の転位密度は、SiC種結晶基板3から離れた位置にあるAlN結晶基板9ほど低くなる傾向にある。   Note that the dislocation density of the AlN crystal substrate 9 tends to be lower as the AlN crystal substrate 9 is located farther from the SiC seed crystal substrate 3.

また、AlN結晶10から取り出されたAlN結晶基板11の転位は種結晶基板となったAlN結晶基板9の転位密度および分布とほぼ同一になる。そのため、所望の転位密度と分布を有するAlN結晶基板11は再現性良く得られる。   Further, the dislocations of the AlN crystal substrate 11 taken out from the AlN crystal 10 are substantially the same as the dislocation density and distribution of the AlN crystal substrate 9 that has become the seed crystal substrate. Therefore, the AlN crystal substrate 11 having a desired dislocation density and distribution can be obtained with good reproducibility.

(半導体デバイスの作製)
AlN結晶8またはAlN結晶10から切り出した転位密度がそれぞれ異なる10枚のAlN結晶基板22のそれぞれのAl面上に半導体膜および金属膜を順次堆積して、図7の模式的断面図に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。
(Production of semiconductor devices)
A semiconductor film and a metal film are sequentially deposited on each Al surface of ten AlN crystal substrates 22 each having a different dislocation density cut out from the AlN crystal 8 or the AlN crystal 10, and the structure shown in the schematic cross-sectional view of FIG. The field effect transistor is manufactured.

詳細には、まず、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相成長)法により、AlN結晶基板22のAl面上に0.5μmの厚さのAlN膜12、100nmの厚さのGaN膜13および30nmの厚さのAlGaN膜14をこの順序でエピタキシャル成長させることにより堆積する。このとき、上記のAlN膜12およびGaN膜13はそれぞれノンドープである。   More specifically, first, an AlN film 12 having a thickness of 0.5 μm and a GaN having a thickness of 100 nm are formed on the Al surface of the AlN crystal substrate 22 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). A film 13 and a 30 nm thick AlGaN film 14 are deposited by epitaxial growth in this order. At this time, the AlN film 12 and the GaN film 13 are each non-doped.

次に、AlGaN膜14の表面上に、Ti膜15、Al膜16、Ti膜17およびAu膜18をこの順序で堆積することによって、ソース電極19およびドレイン電極20をそれぞれ形成する。   Next, a Ti film 15, an Al film 16, a Ti film 17, and an Au film 18 are deposited in this order on the surface of the AlGaN film 14, thereby forming a source electrode 19 and a drain electrode 20, respectively.

次いで、AlGaN膜14の表面上のソース電極19とドレイン電極20との間にAu膜からなるゲート電極21を形成する。このときゲート長は2μmであり、ゲート電極21とソース電極19との間の距離およびゲート電極21とドレイン電極20との間の距離はそれぞれ10μmである。   Next, a gate electrode 21 made of an Au film is formed between the source electrode 19 and the drain electrode 20 on the surface of the AlGaN film 14. At this time, the gate length is 2 μm, and the distance between the gate electrode 21 and the source electrode 19 and the distance between the gate electrode 21 and the drain electrode 20 are 10 μm, respectively.

そして、ゲート電極21の形成後のウエハをチップ状に分割して、図7に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。   Then, the wafer after the formation of the gate electrode 21 is divided into chips to produce a field effect transistor having the structure shown in FIG.

(半導体デバイスの評価)
上記のようにして作製した電界効果トランジスタのゲート電極21とドレイン電極20との間の破壊電圧を測定すると、転位密度が1×103個/cm2以上1×106個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの破壊電圧は高くなっており、特に、転位密度が2×104個/cm2以上1×105個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタについては、1200〜1250Vというさらに高い破壊電圧で安定する。
(Semiconductor device evaluation)
When the breakdown voltage between the gate electrode 21 and the drain electrode 20 of the field effect transistor fabricated as described above is measured, the dislocation density is 1 × 10 3 / cm 2 or more and 1 × 10 6 / cm 2 or less. The breakdown voltage of a field effect transistor manufactured using an AlN crystal substrate made of a certain AlN crystal is high, and particularly when the dislocation density is 2 × 10 4 / cm 2 or more and 1 × 10 5 / cm 2 or less. A field effect transistor manufactured using an AlN crystal substrate made of an AlN crystal is stabilized at a higher breakdown voltage of 1200 to 1250V.

しかしながら、転位密度が1×102個/cm2であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタおよび転位密度が5×106個/cm2であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタのゲート電極21とドレイン電極20との間の破壊電圧は、転位密度が2×104個/cm2以上1×105個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの約1/2倍(500〜600V)という低い破壊電圧となる。 However, a field effect transistor manufactured using an AlN crystal substrate made of AlN crystal having a dislocation density of 1 × 10 2 pieces / cm 2 and an AlN made of AlN crystal having a dislocation density of 5 × 10 6 pieces / cm 2. The breakdown voltage between the gate electrode 21 and the drain electrode 20 of the field effect transistor manufactured using the crystal substrate has a dislocation density of 2 × 10 4 / cm 2 or more and 1 × 10 5 / cm 2 or less. The breakdown voltage is as low as about 1/2 times (500 to 600 V) of a field effect transistor manufactured using an AlN crystal substrate made of AlN crystal.

また、転位密度が2×104個/cm2以上1×105個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いた場合であっても、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、AlN結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が0.2よりも高い場合には、電界効果トランジスタのゲート電極21とドレイン電極20との間の破壊電圧は1050〜1100Vとなり、上記のらせん転位の転位密度の比が0.2以下の場合(1200〜1250V)と比べて破壊電圧が低下する。 Even when an AlN crystal substrate made of AlN crystal having a dislocation density of 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 1 × 10 5 pieces / cm 2 or less is used, screw dislocations, edge dislocations, and mixed dislocations are used. When the ratio of the screw dislocation density of the screw dislocations to the total dislocation density of the AlN crystal is higher than 0.2, including at least one dislocation selected from the group consisting of: The breakdown voltage between the electrodes 20 is 1050 to 1100 V, and the breakdown voltage is lower than that in the case where the ratio of the dislocation density of the screw dislocation is 0.2 or less (1200 to 1250 V).

また、転位密度が2×104個/cm2以上1×105個/cm2以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、AlN結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が0.2以下であり、さらにはらせん転位の転位密度が1×104個/cm2以下であるAlN結晶からなるAlN結晶基板を用いた場合には、電界効果トランジスタの上記破壊電圧はさらに高まり、1300V付近で安定する。したがって、AlN結晶基板のらせん転位の転位密度は1×104個/cm2以下であることが好ましい。 The dislocation density is 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 1 × 10 5 pieces / cm 2 or less, and includes at least one kind of dislocation selected from the group consisting of screw dislocations, edge dislocations, and mixed dislocations. The ratio of the dislocation density of screw dislocations to the density of all dislocations of the AlN crystal is 0.2 or less, and the dislocation density of the screw dislocations is 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less. Is used, the breakdown voltage of the field effect transistor is further increased and stabilized at around 1300V. Therefore, the dislocation density of screw dislocations in the AlN crystal substrate is preferably 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less.

なお、本実施例においては、半導体デバイスの評価を電界効果トランジスタのゲート電極とドレイン電極との間の破壊電圧により評価したが、半導体膜の結晶性が特性に影響する他の半導体デバイスについても上記と同様の評価が得られるものと考えられる。   In this example, the evaluation of the semiconductor device was evaluated by the breakdown voltage between the gate electrode and the drain electrode of the field effect transistor. However, the other semiconductor devices in which the crystallinity of the semiconductor film affects the characteristics are also described above. It is considered that the same evaluation can be obtained.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明のAlN結晶基板を用いて、発光素子(発光ダイオード、レーザダイオードなど)、電子デバイス(整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはHEMTなど)、半導体センサ(温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など)、SAWデバイス(Surface Acoustic Wave Device)、加速度センサ、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどの半導体デバイスを作製することができる。   Using the AlN crystal substrate of the present invention, light emitting elements (light emitting diodes, laser diodes, etc.), electronic devices (rectifiers, bipolar transistors, field effect transistors, HEMTs, etc.), semiconductor sensors (temperature sensors, pressure sensors, radiation sensors, or visible) A semiconductor device such as an ultraviolet light detector, a SAW device (Surface Acoustic Wave Device), an acceleration sensor, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) component, a piezoelectric vibrator, a resonator, or a piezoelectric actuator can be manufactured.

本発明のAlN結晶の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the AlN crystal | crystallization of this invention. 本発明のAlN結晶の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating other one part of the manufacturing process of an example of the manufacturing method of the AlN crystal | crystallization of this invention. 本発明の実施例で用いられるAlN結晶の成長装置の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the growth apparatus of the AlN crystal | crystallization used in the Example of this invention. 本発明の実施例においてAlN結晶からAlN結晶基板を得る方法の一例を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating an example of the method of obtaining an AlN crystal substrate from an AlN crystal in the Example of this invention. 本発明の実施例においてAlN結晶基板の表面上にAlN結晶を成長させる方法の一例を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating an example of the method of growing an AlN crystal | crystallization on the surface of an AlN crystal substrate in the Example of this invention. 本発明の実施例においてAlN結晶からAlN結晶基板を得る方法の他の一例を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating another example of the method of obtaining an AlN crystal substrate from an AlN crystal in the Example of this invention. 本発明の実施例で作製される電界効果トランジスタの構造を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the field effect transistor produced in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 坩堝、2 AlN原料、3 SiC種結晶基板、4 種結晶基板保護材、5 反応容器、6 高周波加熱コイル、7 加熱体、8,8b,10 AlN結晶、8a 範囲、9,11,22 AlN結晶基板、12 AlN膜、13 GaN膜、14 AlGaN膜、15,17 Ti膜、16 Al膜、18 Au膜、19 ソース電極、20 ドレイン電極、21 ゲート電極。   1 crucible, 2 AlN raw material, 3 SiC seed crystal substrate, 4 seed crystal substrate protective material, 5 reaction vessel, 6 high frequency heating coil, 7 heating element, 8, 8b, 10 AlN crystal, 8a range, 9, 11, 22 AlN Crystal substrate, 12 AlN film, 13 GaN film, 14 AlGaN film, 15, 17 Ti film, 16 Al film, 18 Au film, 19 source electrode, 20 drain electrode, 21 gate electrode.

Claims (6)

SiC種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させ、前記SiC種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に2mm以上60mm以下の範囲の少なくとも一部から取り出された窒化アルミニウム結晶であって、面積が10cm2以上の表面を有し、転位密度が2×10 4 個/cm 2 以上5×10 5 個/cm 2 以下であって、
らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、前記転位密度に対する前記らせん転位の転位密度の比が0.2以下であって、
前記らせん転位の転位密度が1×10 4 個/cm 2 以下であって、
前記SiC種結晶基板の厚さが150μm以上400μm以下である、窒化アルミニウム結晶。
An aluminum nitride crystal grown on the surface of the SiC seed crystal substrate and extracted from at least part of the range of 2 mm to 60 mm from the surface of the SiC seed crystal substrate toward the aluminum nitride crystal; It has a surface with an area of 10 cm 2 or more and a dislocation density of 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less,
Including at least one dislocation selected from the group consisting of a screw dislocation, an edge dislocation, and a mixed dislocation, and a ratio of the dislocation density of the screw dislocation to the dislocation density is 0.2 or less,
The dislocation density of the screw dislocations is 1 × 10 4 pieces / cm 2 or less,
An aluminum nitride crystal , wherein the SiC seed crystal substrate has a thickness of 150 μm or more and 400 μm or less .
厚さが150μm以上400μm以下であるSiC種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、前記SiC種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に2mm以上60mm以下の範囲にある少なくとも一部の窒化アルミニウム結晶を取り出す工程と、前記取り出した窒化アルミニウム結晶の面積が10cm2以上であって、転位密度が2×10 4 個/cm 2 以上5×10 5 個/cm 2 以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも1種の転位を含み、前記転位密度に対する前記らせん転位の転位密度の比が0.2以下であって、前記らせん転位の転位密度が1×10 4 個/cm 2 以下である表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、を含む、窒化アルミニウム結晶の製造方法。 A step of growing an aluminum nitride crystal on the surface of the SiC seed crystal substrate having a thickness of 150 μm or more and 400 μm or less, and at least one in the range of 2 mm or more and 60 mm or less from the surface of the SiC seed crystal substrate to the aluminum nitride crystal side The step of taking out the aluminum nitride crystal of the portion, the area of the taken out aluminum nitride crystal is 10 cm 2 or more, and the dislocation density is 2 × 10 4 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 5 pieces / cm 2 or less, Including at least one dislocation selected from the group consisting of a screw dislocation, an edge dislocation, and a mixed dislocation, and a ratio of the dislocation density of the screw dislocation to the dislocation density is 0.2 or less, dislocation density and a step of growing aluminum nitride crystal on the surface is 1 × 10 4 / cm 2 or less, the aluminum nitride crystal Manufacturing method. 前記SiC種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させるときの前記SiC種結晶基板の温度が1650℃以上であることを特徴とする、請求項に記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。 The method for producing an aluminum nitride crystal according to claim 2 , wherein the temperature of the SiC seed crystal substrate when the aluminum nitride crystal is grown on the surface of the SiC seed crystal substrate is 1650 ° C or higher. 前記SiC種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法によって行なうことを特徴とする、請求項2または3に記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。 4. The method for producing an aluminum nitride crystal according to claim 2 , wherein the growth of the aluminum nitride crystal on the surface of the SiC seed crystal substrate is performed by a sublimation method. 請求項に記載の窒化アルミニウム結晶からなる、若しくは請求項からのいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法によって製造された窒化アルミニウム結晶からなる、窒化アルミニウム結晶基板。 Made of aluminum nitride crystal according to claim 1 or claim 2 consisting of aluminum nitride crystal produced by the method for producing the aluminum nitride crystal according to any one of 4, an aluminum nitride crystal substrate. 請求項に記載の窒化アルミニウム結晶基板を用いて作製された、半導体デバイス。 A semiconductor device manufactured using the aluminum nitride crystal substrate according to claim 5 .
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