JP5838943B2 - Method for producing group III nitride semiconductor - Google Patents

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本発明は、凹凸加工が施されたサファイア基板上に、スパッタによってAlNからなるバッファ層を形成した後、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を形成するIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。   The present invention relates to a Group III nitride semiconductor manufacturing method in which a buffer layer made of AlN is formed by sputtering on a sapphire substrate that has been subjected to uneven processing, and then a Group III nitride semiconductor is formed by MOCVD.

サファイア基板上にMOCVD法によってIII 族窒化物半導体を形成するのに際し、サファイアとIII 族窒化物半導体では格子定数が大きく異なるため、サファイア基板とIII 族窒化物半導体との間にバッファ層を形成して格子不整合を緩和し、III 族窒化物半導体の結晶性を高めている。一般に、バッファ層には低温でMOCVD法によって成長させたAlNやGaNが用いられているが、スパッタによって形成する技術も知られている。   When a group III nitride semiconductor is formed on a sapphire substrate by MOCVD, the lattice constants of sapphire and group III nitride semiconductor are greatly different. Therefore, a buffer layer is formed between the sapphire substrate and group III nitride semiconductor. This relaxes the lattice mismatch and enhances the crystallinity of the group III nitride semiconductor. In general, AlN or GaN grown by MOCVD at a low temperature is used for the buffer layer, but a technique of forming by sputtering is also known.

また、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法では、凹凸加工が施されたサファイア基板上にバッファ層を介してIII 族窒化物半導体層を形成することにより、光取り出し効率を高めることが行われている。   Further, in the method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, the light extraction efficiency is increased by forming a group III nitride semiconductor layer through a buffer layer on a sapphire substrate that has been subjected to uneven processing. ing.

特許文献1には、ドライエッチングによる凹凸加工が施されたa面サファイア基板を用い、水素雰囲気下、1000〜1500℃で熱処理を行った後に、a面サファイア基板にスパッタによりAlNからなるバッファ層を形成し、バッファ層上にMOCVD法によってIII 族窒化物半導体を成長させることが記載されている。このような条件で熱処理を行うことで、ドライエッチングによるダメージを受けたa面サファイア基板を用いた場合であっても、結晶性のよいIII 族窒化物半導体を得られることが記載されている。   In Patent Document 1, an a-plane sapphire substrate that has been subjected to uneven processing by dry etching is used, and after heat treatment at 1000 to 1500 ° C. in a hydrogen atmosphere, a buffer layer made of AlN is sputtered on the a-plane sapphire substrate. It is described that a group III nitride semiconductor is formed and grown on the buffer layer by MOCVD. It is described that by performing heat treatment under such conditions, a group III nitride semiconductor with good crystallinity can be obtained even when an a-plane sapphire substrate damaged by dry etching is used.

特開2010−10363JP 2010-10363

しかし、特許文献1の方法では、高い温度での熱処理工程が必要であり、製造コストの点で問題があった。また、サファイアのa面とc面では表面の原子配列が異なるので、平坦性、結晶性のよいIII 族窒化物半導体が得られる熱処理条件も異なるはずであるが、特許文献1には、a面サファイア基板を用いる場合について記載されているのみで、c面サファイア基板を用いる場合については熱処理条件の記載がない。   However, the method of Patent Document 1 requires a heat treatment step at a high temperature, and has a problem in terms of manufacturing cost. Further, since the atomic arrangement of the surface is different between the a-plane and the c-plane of sapphire, the heat treatment conditions for obtaining a group III nitride semiconductor with good flatness and crystallinity should be different. Only the case where a sapphire substrate is used is described, and the case where a c-plane sapphire substrate is used is not described.

そこで本発明は、c面サファイア基板上にスパッタでAlNからなるバッファ層を形成し、バッファ層上にIII 族窒化物半導体を形成する場合に、III 族窒化物半導体の平坦性、結晶性を向上させることを目的とする。   Therefore, the present invention improves the flatness and crystallinity of a group III nitride semiconductor when a buffer layer made of AlN is formed by sputtering on a c-plane sapphire substrate and a group III nitride semiconductor is formed on the buffer layer. The purpose is to let you.

本発明の1つは、サファイア基板にスパッタによってAlNからなるバッファ層を形成した後、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、サファイア基板として、表面にドライエッチングによって凹凸加工が施されたc面サファイア基板を用い、サファイア基板を窒素または水素雰囲気下、700℃未満で熱処理をした後に、バッファ層を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。   One aspect of the present invention is a method of manufacturing a group III nitride semiconductor in which a buffer layer made of AlN is formed on a sapphire substrate by sputtering and then a group III nitride semiconductor is grown by MOCVD. A III-nitride semiconductor, comprising: a c-plane sapphire substrate that has been processed by etching, and heat-treating the sapphire substrate at less than 700 ° C. in a nitrogen or hydrogen atmosphere, and then forming a buffer layer. It is a manufacturing method.

バッファ層形成前の熱処理における、より望ましい熱処理温度は500℃以上700℃未満である。III 族窒化物半導体の表面平坦性、結晶性をより向上させることができる。さらに望ましくは500℃以上600℃以下である。   A more desirable heat treatment temperature in the heat treatment before forming the buffer layer is 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. The surface flatness and crystallinity of the group III nitride semiconductor can be further improved. More desirably, the temperature is 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.

また、バッファ層形成前の熱処理は、窒素雰囲気下で行うことがより望ましい。水素雰囲気下で行うよりもIII 族窒化物半導体の表面平坦性がより良好となるためである。   Further, it is more desirable to perform the heat treatment before forming the buffer layer in a nitrogen atmosphere. This is because the surface flatness of the group III nitride semiconductor becomes better than that in a hydrogen atmosphere.

また、本発明において、バッファ層は、サファイア基板を200℃以上700以下に加熱してスパッタにより形成するのがよい。   In the present invention, the buffer layer is preferably formed by sputtering with a sapphire substrate heated to 200 ° C. or higher and 700 or lower.

明細書に記載の他の技術は、サファイア基板にスパッタによってAlNからなるバッファ層を形成した後、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、サファイア基板として、表面にドライエッチングによって凹凸加工が施されたc面サファイア基板を用い、バッファ層は、サファイア基板を200℃以上700℃未満に加熱してスパッタにより形成し、バッファ層の形成後、III 族窒化物半導体の形成前までの間、サファイア基板の温度を常温とする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。 In another method described in the specification, a buffer layer made of AlN is formed on a sapphire substrate by sputtering, and then a group III nitride semiconductor is grown by MOCVD. A c-plane sapphire substrate whose surface is roughened by dry etching is used, and the buffer layer is formed by sputtering by heating the sapphire substrate to 200 ° C. or higher and lower than 700 ° C. After forming the buffer layer, a group III nitride is formed. This is a method for producing a group III nitride semiconductor, characterized in that the temperature of the sapphire substrate is set to room temperature until the semiconductor is formed.

上記において、常温とは、熱したり冷やしたりしていない通常の温度であり、たとえば0〜40℃の範囲である。   In the above, normal temperature is normal temperature which is not heated or cooled, for example, is 0-40 degreeC.

また、本発明において、バッファ層を形成するスパッタ法は、マグネトロンスパッタなどの方法を用いることができる。   In the present invention, the sputtering method for forming the buffer layer may be a method such as magnetron sputtering.

また、本発明は、ドライエッチングによってエッチングされる面積が、エッチングされない面積(マスクにより保護される面積)よりも大きい場合に特に有効である。   The present invention is particularly effective when the area etched by dry etching is larger than the area not etched (area protected by the mask).

本発明によると、凹凸加工が施されたc面サファイア基板上に、スパッタで形成されたAlNからなるバッファ層を介して、表面平坦性、結晶性の良好なIII 族窒化物半導体を形成することができる。また、本発明の製造方法では高温の熱処理を必要としないため、製造コストの低減を図ることができる。   According to the present invention, a group III nitride semiconductor having good surface flatness and crystallinity is formed on a c-plane sapphire substrate subjected to uneven processing through a buffer layer made of AlN formed by sputtering. Can do. In addition, since the manufacturing method of the present invention does not require high-temperature heat treatment, the manufacturing cost can be reduced.

実施例1のIII 族窒化物半導体の製造工程について示した図。The figure shown about the manufacturing process of the group III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 熱処理温度と結晶性の関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between heat processing temperature and crystallinity. 熱処理温度と結晶性の関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between heat processing temperature and crystallinity. GaNの表面を撮影した写真。A photograph of the surface of GaN. サファイア基板のRHEEDパターンの写真。Photograph of RHEED pattern of sapphire substrate.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

まず、c面を主面とするサファイア基板10を用意し、一方の表面をICPドライエッチングして凹凸加工を施した(図1(a))。凹凸形状のパターンは、たとえばドット状の凹部ないし凸部が周期的に配列されたパターンや、ストライプ状などのパターンである。ドット状とする場合、六角形、四角形、三角形、円などの平面パターンであり、立体的形状としては、それら平面パターンを上面とした角錐、円錐、角柱、円柱、角錐台、円錐台などである。   First, a sapphire substrate 10 having a c-plane as a main surface was prepared, and one surface was subjected to uneven processing by ICP dry etching (FIG. 1A). The uneven pattern is, for example, a pattern in which dot-like concave portions or convex portions are periodically arranged, or a stripe-like pattern. In the case of a dot shape, it is a flat pattern such as a hexagon, a quadrangle, a triangle, a circle, etc., and the three-dimensional shape is a pyramid, cone, prism, cylinder, pyramid, frustum, etc. with the plane pattern as the top surface .

凹凸加工の深さ(ドット状の凸部の高さ、ドット状の凹部の深さ、あるいはストライプの溝の深さ)は、0.1〜10μmとすることが望ましい。0.1μm未満では、本発明を用いて発光素子を作成した場合に凹凸形状による光取り出し効率の向上が十分ではない。また、10μmを越えると、サファイア基板10上に形成されるIII 族窒化物半導体の凹凸埋め込みがうまくできず、平坦なIII 族窒化物半導体が得られないため望ましくない。   The depth of the unevenness processing (the height of the dot-like convex part, the depth of the dot-like concave part, or the depth of the stripe groove) is preferably 0.1 to 10 μm. When the thickness is less than 0.1 μm, the light extraction efficiency is not sufficiently improved due to the uneven shape when a light emitting device is produced using the present invention. On the other hand, if the thickness exceeds 10 μm, the group III nitride semiconductor formed on the sapphire substrate 10 cannot be embedded in the recesses and projections, and a flat group III nitride semiconductor cannot be obtained.

次に、凹凸加工が施されたサファイア基板10を、水素または窒素雰囲気下で、700℃未満で熱処理を行った。圧力は常圧とした。この熱処理では、所定温度まで加熱した直後、加熱を停止して常温まで低下させた。なお、この熱処理は、次工程で用いるマグネトロンスパッタ装置を用いて行ってもよいし、別の装置を用いてもよい。また、熱処理温度の下限は常温である。   Next, the sapphire substrate 10 subjected to the uneven processing was heat-treated at less than 700 ° C. in a hydrogen or nitrogen atmosphere. The pressure was normal pressure. In this heat treatment, immediately after heating to a predetermined temperature, heating was stopped and the temperature was lowered to room temperature. This heat treatment may be performed using a magnetron sputtering apparatus used in the next step, or another apparatus may be used. Moreover, the minimum of heat processing temperature is normal temperature.

次に、凹凸加工が施されたサファイア基板10をマグネトロンスパッタ装置にセットした。そして、サファイア基板10を200℃以上700℃未満に加熱した状態で、サファイア基板10の凹凸加工が施された側の表面上に、マグネトロンスパッタによってAlNからなるバッファ層20を形成した(図1(b))。マグネトロンスパッタでは、高純度の金属アルミニウムをターゲットとし、窒素ガスを導入することでAlNを堆積させた。   Next, the sapphire substrate 10 subjected to the uneven processing was set in a magnetron sputtering apparatus. Then, with the sapphire substrate 10 heated to 200 ° C. or higher and lower than 700 ° C., a buffer layer 20 made of AlN was formed by magnetron sputtering on the surface of the sapphire substrate 10 on which the concavo-convex processing was performed (FIG. 1 ( b)). In magnetron sputtering, high-purity metallic aluminum was used as a target, and AlN was deposited by introducing nitrogen gas.

バッファ層20を形成するスパッタ法として、マグネトロンスパッタ以外にも、DCスパッタ、RFスパッタ、イオンビームスパッタ、ECRスパッタなどのスパッタ法を用いることができる。   As a sputtering method for forming the buffer layer 20, sputtering methods such as DC sputtering, RF sputtering, ion beam sputtering, and ECR sputtering can be used in addition to magnetron sputtering.

次に、サファイア基板10をスパッタ装置から取り出してMOCVD装置にセットし、バッファ層20上にMOCVD法によってc面を主面とするIII 族窒化物半導体層30を1〜10μm成長させた(図1(c))。MOCVD法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア(NH3 )、Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 3 )、In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 3 )、Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 3 )、Siドーパントガスとして、シラン(SiH4 )、Mgドーパントガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 5 2 )、キャリアガスとしてH2 、N2 である。III 族窒化物半導体層30は、本発明を発光素子の製造方法に適用する場合には、n型層、発光層、p型層の順に積層された層である。 Next, the sapphire substrate 10 was taken out of the sputtering apparatus and set in the MOCVD apparatus, and a group III nitride semiconductor layer 30 having a c-plane as a main surface was grown on the buffer layer 20 by MOCVD (FIG. 1). (C)). Raw material gas used in the MOCVD method, as the nitrogen source, ammonia (NH 3), as a Ga source, trimethyl gallium (Ga (CH 3) 3) , as an In source, trimethylindium (In (CH 3) 3) , Al source As trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ), Si dopant gas as silane (SiH 4 ), Mg dopant gas as biscyclopentadienylmagnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ), and carrier gas as H 2 , N 2 . The group III nitride semiconductor layer 30 is a layer in which an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer are stacked in this order when the present invention is applied to a method for manufacturing a light-emitting element.

以上が実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法である。この製造方法では、サファイア基板10の凹凸加工後、バッファ層20の形成前に、上記温度条件で熱処理を行っている。そのため、凹凸加工が施されたc面サファイア基板10を用いた場合であっても、サファイア基板10上にバッファ層20を介して、表面平坦性および結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層30を形成することができる。また、実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法では、熱処理は700℃未満という比較的低温で行い、高温の熱処理を必要としないため、製造コストを低減することができる。   The above is the method for producing a group III nitride semiconductor of Example 1. In this manufacturing method, after the sapphire substrate 10 is processed to be uneven and before the buffer layer 20 is formed, heat treatment is performed under the above temperature conditions. Therefore, even when the c-plane sapphire substrate 10 subjected to the uneven processing is used, the group III nitride semiconductor layer 30 having excellent surface flatness and crystallinity via the buffer layer 20 on the sapphire substrate 10. Can be formed. Moreover, in the manufacturing method of the group III nitride semiconductor of Example 1, the heat treatment is performed at a relatively low temperature of less than 700 ° C., and the high-temperature heat treatment is not required, so that the manufacturing cost can be reduced.

この実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法は、サファイア基板10の凹凸加工において、ドライエッチングによりエッチングされるサファイア基板10表面の面積が、マスクによって保護されてエッチングされない面積よりも大きい凹凸パターンとする場合に特に有効である。そのような凹凸パターンでは、ドライエッチングにより荒れた領域上に成長するIII 族窒化物半導体の割合が大きく、従来は良好な結晶性のIII 族窒化物半導体層30を得ることができなかったが、本発明を用いることでそのような凹凸パターンの場合であっても良好な結晶性のIII 族窒化物半導体層30を得ることができる。   In the manufacturing method of the group III nitride semiconductor of Example 1, the unevenness pattern of the sapphire substrate 10 is such that the surface area of the sapphire substrate 10 etched by dry etching is larger than the area protected by the mask and not etched. This is particularly effective when In such a concavo-convex pattern, the proportion of the group III nitride semiconductor growing on the roughened region by dry etching is large, and the conventional group III nitride semiconductor layer 30 having good crystallinity could not be obtained. By using the present invention, it is possible to obtain a group III nitride semiconductor layer 30 having good crystallinity even in the case of such an uneven pattern.

なお、バッファ層20形成前の熱処理では、熱処理温度は500℃以上700℃未満とすることがより望ましい。III 族窒化物半導体層30の表面平坦性、結晶性をより向上させることができるためである。さらに望ましくは500℃以上600℃以下である。また、水素雰囲気よりも窒素雰囲気で熱処理することが望ましい。III 族窒化物半導体層30の表面平坦性がより良好となるためである。 In the heat treatment before the formation of the buffer layer 20, the heat treatment temperature is more preferably 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. This is because the surface flatness and crystallinity of the group III nitride semiconductor layer 30 can be further improved. More desirably, the temperature is 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Further, it is desirable to perform heat treatment in a nitrogen atmosphere rather than a hydrogen atmosphere. This is because the surface flatness of the group III nitride semiconductor layer 30 becomes better .

[比較例]
比較例のIII 族窒化物半導体の製造方法は、実施例1におけるバッファ層20形成前の熱処理を行わない以外は同様である。つまり、サファイア基板10に凹凸加工が施した後、熱処理を行わずに常温としたまま、マグネトロンスパッタ法によってAlNからなるバッファ層20を形成するものである。
[Comparative example]
The manufacturing method of the Group III nitride semiconductor of the comparative example is the same except that the heat treatment before forming the buffer layer 20 in Example 1 is not performed. In other words, after the sapphire substrate 10 is processed to be uneven, the buffer layer 20 made of AlN is formed by magnetron sputtering while keeping the room temperature without performing heat treatment.

この比較例のIII 族窒化物半導体の製造方法もまた、実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法と同様に、表面平坦性、結晶性の良好なIII 族窒化物半導体層30を形成することができる。また、熱処理を行わないため、製造工程の簡略化や製造コストの低減を図ることができる。これは、マグネトロンスパッタ法におけるサファイア基板10の加熱が、バッファ層20形成前の熱処理を代替しているためと考えられる。そのため、マグネトロンスパッタ法によるバッファ層20形成時のサファイア基板10の温度は、500℃以上700℃未満とすることがより望ましく、500℃以上600℃以下とすることがさらに望ましい。 The Group III nitride semiconductor manufacturing method of this comparative example also forms the Group III nitride semiconductor layer 30 with good surface flatness and crystallinity, similar to the method of manufacturing the Group III nitride semiconductor of Example 1. be able to. Further, since heat treatment is not performed, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. This is presumably because the heating of the sapphire substrate 10 in the magnetron sputtering method replaces the heat treatment before the buffer layer 20 is formed. Therefore, the temperature of the sapphire substrate 10 when the buffer layer 20 is formed by magnetron sputtering is more preferably 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C., and further preferably 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.

なお、実施例1、比較例において、スパッタ装置からサファイア基板10を取り出してMOCVD装置にセットするまでの間に、バッファ層20の除電処理(バッファ層20を電気的に中性とする処理)を行うことが望ましい。スパッタ法により形成したバッファ層20は帯電しており、スパッタ装置からMOCVD装置にサファイア基板10を移すときに大気に晒されるため、バッファ層20に微細な粉塵が吸着してIII 族窒化物半導体層30の結晶性等に影響を与えてしまう。そこで、バッファ層20を除電処理すれば、微細な粉塵の吸着を防止することができ、III 族窒化物半導体層30の結晶性をより良好とすることができる。除電処理は、たとえばバッファ層20の表面にイオナイザーによってイオン化した空気を供給することにより行う。 In Example 1 and the comparative example , the process of removing the charge of the buffer layer 20 (the process of making the buffer layer 20 electrically neutral) is performed before the sapphire substrate 10 is taken out from the sputtering apparatus and set in the MOCVD apparatus. It is desirable to do. The buffer layer 20 formed by sputtering is charged and exposed to the atmosphere when the sapphire substrate 10 is transferred from the sputtering apparatus to the MOCVD apparatus. Therefore, fine dust is adsorbed on the buffer layer 20 and the group III nitride semiconductor layer is exposed. 30 crystallinity etc. will be affected. Therefore, if the buffer layer 20 is subjected to charge removal, adsorption of fine dust can be prevented, and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer 30 can be improved. The neutralization process is performed, for example, by supplying air ionized by an ionizer to the surface of the buffer layer 20.

[実験例]
以下、実施例1、比較例を支持する各種実験例について説明する。
[Experimental example]
Hereinafter, various experimental examples supporting Example 1 and Comparative Examples will be described.

図2、3は、バッファ層20形成前に行う熱処理の温度と、III 族窒化物半導体層30の結晶性の関係について示したグラフである。結晶性はX線ロッキングカーブ(XRC)測定で評価した。図2は(10−10)面(3つの指数では(100)面)のXRC半値幅を示し、図3は(0002)面(3つの指数では(002)面)のXRC半値幅を示している。熱処理を水素雰囲気下で行う場合と、窒素雰囲気下で行う場合についてそれぞれXRC半値幅を測定している。III 族窒化物半導体層30は3μmのノンドープGaN層とした。サファイア基板10には全面をICPドライエッチングしたものを用いた。バッファ層20形成時のサファイア基板10の加熱温度は450℃とした。また、比較のため、バッファ層20形成前に熱処理を行わない場合(実施例2に対応するもの)と、サファイア基板10表面にドライエッチングを施さず、熱処理も行わない場合についてもXRC半値幅を測定した。このドライエッチングも熱処理も行わない場合の結晶性が目標となるものであり、これに近いほど結晶性がよいと評価できる。   2 and 3 are graphs showing the relationship between the temperature of the heat treatment performed before the formation of the buffer layer 20 and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer 30. FIG. Crystallinity was evaluated by X-ray rocking curve (XRC) measurement. 2 shows the XRC half width of the (10-10) plane (the (100) plane for the three indices), and FIG. 3 shows the XRC half width of the (0002) plane (the (002) plane for the three indices). Yes. The XRC half-value width is measured for each of the case where the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere and the case where the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. The group III nitride semiconductor layer 30 was a 3 μm non-doped GaN layer. The sapphire substrate 10 used was an ICP dry-etched whole surface. The heating temperature of the sapphire substrate 10 during the formation of the buffer layer 20 was 450 ° C. For comparison, the XRC half-value width is also obtained when the heat treatment is not performed before the buffer layer 20 is formed (corresponding to Example 2) and when the surface of the sapphire substrate 10 is not subjected to dry etching and heat treatment is not performed. It was measured. The crystallinity in the case where neither dry etching nor heat treatment is performed is a target, and it can be evaluated that the closer to this, the better the crystallinity.

図2のように、GaNの(10−10)面の結晶性は、熱処理温度500℃〜1100℃の範囲では、水素雰囲気下でも窒素雰囲気下でもXRC半値幅が狭く、良好な結晶性であった。これは、サファイア基板10の熱処理を行わない場合とほぼ同程度、ドライエッチングも熱処理も行わない場合よりも若干悪い程度の結晶性である。しかし、700℃以上800℃以下の温度では、GaNにピットが発生していた。また、1100℃より高い温度では、窒素雰囲気下ではXRC半値幅が増加しており、結晶性が悪化していることがわかった。また、水素雰囲気下では、1100℃より高い温度で若干XRC半値幅の増加がみられた。   As shown in FIG. 2, the crystallinity of the (10-10) plane of GaN is good crystallinity with a narrow XRC half-value width in both a hydrogen atmosphere and a nitrogen atmosphere in the heat treatment temperature range of 500 ° C. to 1100 ° C. It was. This is approximately the same degree of crystallinity as when sapphire substrate 10 is not heat-treated, and slightly worse than when neither dry etching nor heat treatment is performed. However, at temperatures between 700 ° C. and 800 ° C., pits were generated in GaN. It was also found that at temperatures higher than 1100 ° C., the XRC half-width increased in a nitrogen atmosphere and the crystallinity deteriorated. Further, in the hydrogen atmosphere, the XRC half-width was slightly increased at a temperature higher than 1100 ° C.

また、図3のように、水素雰囲気下で熱処理を行った場合のGaNの(0002)面のXRC半値幅は、500〜700℃の範囲ではXRC半値幅が次第に増加していき、800℃以上でXRC半値幅が減少していく特性であった。700℃以上800℃以下の温度では、XRC半値幅が広く、GaNの(0002)面の結晶性は悪い。一方、窒素雰囲気下で熱処理を行った場合は、700℃まではほぼ一定で、700℃を越えるとXRC半値幅が増加し、800℃以上でXRC半値幅が減少していく特性であった。水素雰囲気下の場合と同様、700℃より高く800℃より低い温度では、XRC半値幅が広く、結晶性が悪かった。500〜900℃の範囲では水素雰囲気下よりも窒素雰囲気下の方がXRC半値幅が狭く、900℃以上では水素雰囲気下の方がXRC半値幅が狭かった。また、熱処理を行わない場合は、窒素雰囲気下、500〜700℃で熱処理を行った場合と同程度のXRC半値幅であった。また、サファイア基板10のドライエッチングも熱処理も行わない場合は、窒素雰囲気下、500〜700℃で熱処理を行った場合よりもXRC半値幅が200arcsec低い値であった。   Further, as shown in FIG. 3, the XRC half-value width of the (0002) plane of GaN when heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere is gradually increased in the range of 500 to 700 ° C., and is 800 ° C. or more. Thus, the XRC half-value width was reduced. At temperatures of 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, the XRC half width is wide, and the crystallinity of the (0002) plane of GaN is poor. On the other hand, when the heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere, the XRC half-value width was almost constant up to 700 ° C., and the XRC half-value width was increased above 700 ° C., and the XRC half-value width was decreased above 800 ° C. As in the case of the hydrogen atmosphere, at temperatures higher than 700 ° C. and lower than 800 ° C., the XRC half-value width was wide and the crystallinity was poor. In the range of 500 to 900 ° C., the XRC half-width was narrower in the nitrogen atmosphere than in the hydrogen atmosphere, and the XRC half-width was narrower in the hydrogen atmosphere above 900 ° C. Moreover, when not heat-processing, it was a XRC half value width comparable as the case where it heat-processed at 500-700 degreeC by nitrogen atmosphere. Further, when neither dry etching nor heat treatment of the sapphire substrate 10 was performed, the XRC half-value width was 200 arcsec lower than when heat treatment was performed at 500 to 700 ° C. in a nitrogen atmosphere.

図4は、図2、3の実験で形成したGaNの表面を撮影した写真である。図4(a)が熱処理を行わない場合で、図4(b)〜(e)は水素雰囲気下でそれぞれ800℃、700℃、600℃、500℃の熱処理温度とした場合である。図4(f)〜(i)は窒素雰囲気下でそれぞれ800℃、700℃、600℃、500℃の熱処理温度とした場合である。図4のように、水素雰囲気下であっても窒素雰囲気下であっても、熱処理温度を500℃、600℃とした場合は、熱処理温度を700℃、800℃とした場合よりもGaN表面の平坦性が高いことがわかる。また、熱処理温度を700℃、800℃とした場合にはピットが発生していることが確認できた。また、熱処理を行わない場合にも、熱処理を500℃、600℃とした場合と同様にGaN表面が平坦であった。   FIG. 4 is a photograph of the surface of GaN formed in the experiments of FIGS. FIG. 4A shows a case where heat treatment is not performed, and FIGS. 4B to 4E show cases where heat treatment temperatures of 800 ° C., 700 ° C., 600 ° C., and 500 ° C. are set in a hydrogen atmosphere, respectively. FIGS. 4F to 4I show cases where the heat treatment temperatures are 800 ° C., 700 ° C., 600 ° C., and 500 ° C., respectively, in a nitrogen atmosphere. As shown in FIG. 4, in a hydrogen atmosphere or a nitrogen atmosphere, when the heat treatment temperature is set to 500 ° C. and 600 ° C., the surface of the GaN surface is more than when the heat treatment temperature is set to 700 ° C. and 800 ° C. It can be seen that the flatness is high. Further, it was confirmed that pits were generated when the heat treatment temperature was 700 ° C. and 800 ° C. Even when the heat treatment was not performed, the GaN surface was flat as in the case where the heat treatment was performed at 500 ° C. and 600 ° C.

図2〜4から、水素雰囲気下または窒素雰囲気下で、温度700℃未満で熱処理を行えば、表面平坦性、結晶性のよいGaNが得られることがわかった。また、熱処理を行わない場合にも、同様に表面平坦性、結晶性のよいGaNが得られることがわかった。   2 to 4, it was found that GaN having good surface flatness and crystallinity can be obtained by performing heat treatment at a temperature below 700 ° C. in a hydrogen atmosphere or a nitrogen atmosphere. It was also found that GaN having good surface flatness and crystallinity can be obtained even when heat treatment is not performed.

図5は、熱処理後のサファイア基板10のRHEED(反射高速電子回折)パターンの写真である。サファイア基板10は、c面を主面とし、図2〜4の場合と同様に全面をICPドライエッチングしたものである。比較のため、ドライエッチングも熱処理もしていない場合と、ドライエッチングのみで熱処理を行わない場合についてもRHEEDパターンを撮影した。熱処理は水素雰囲気下とし、熱処理温度については500℃、700℃、800℃、1160℃とした。また、電子線の入射方向はc面サファイア基板10の[11−20]方向、[10−10]方向の2通りとした。   FIG. 5 is a photograph of the RHEED (reflection high energy electron diffraction) pattern of the sapphire substrate 10 after the heat treatment. The sapphire substrate 10 has a c-plane as a main surface, and is subjected to ICP dry etching on the entire surface as in the case of FIGS. For comparison, the RHEED pattern was photographed in the case where neither dry etching nor heat treatment was performed and in the case where heat treatment was performed only with dry etching. The heat treatment was performed in a hydrogen atmosphere, and the heat treatment temperatures were 500 ° C., 700 ° C., 800 ° C., and 1160 ° C. In addition, the incident direction of the electron beam was set to two types, [11-20] direction and [10-10] direction of the c-plane sapphire substrate 10.

図5(a)のように、ドライエッチングも熱処理もしていない場合、サファイア基板10表面はドライエッチングによる荒れがないため、鮮明なパターンが得られている。一方、図5(b)のように、ドライエッチング後に熱処理を行わない場合はパターンがぼやけており、表面に荒れが生じていることがわかる。また、図5(c)〜(f)のように、熱処理温度が高いほどパターンがよりはっきりとしていき、表面の荒れが次第に回復していることがわかる。   As shown in FIG. 5A, when neither dry etching nor heat treatment is performed, the surface of the sapphire substrate 10 is not roughened by dry etching, and thus a clear pattern is obtained. On the other hand, as shown in FIG. 5B, it can be seen that when the heat treatment is not performed after the dry etching, the pattern is blurred and the surface is roughened. Further, as shown in FIGS. 5C to 5F, it can be seen that the pattern becomes clearer as the heat treatment temperature is higher, and the surface roughness gradually recovers.

700℃〜800℃の熱処理でGaNの表面平坦性、結晶性がよくない理由は、図2〜5の実験結果から、次のように推察できる。熱処理温度が700℃未満では、サファイア基板10表面の荒れがおよそ一様となり、GaNも荒れたサファイア基板10表面上から一様に成長し、その結果GaNの表面平坦性、結晶性もよい。また、熱処理温度が800℃よりも高いと、サファイア基板10表面の荒れが十分に回復し、回復した表面上にGaNが一様に成長するため、表面平坦性、結晶性がよい。しかし、熱処理温度が700〜800℃では、サファイア基板10表面の荒れは多少回復するが、一様に回復するわけではなく、荒れの回復した領域と荒れた領域とが混在した状態となる。そのため、荒れの回復した領域と荒れた領域上にGaNが成長し、それらが混在した結晶となるため、GaNの表面平坦性や結晶性が悪化してしまうのであると考えられる。   The reason why the surface flatness and crystallinity of GaN are not good by heat treatment at 700 ° C. to 800 ° C. can be inferred from the experimental results of FIGS. When the heat treatment temperature is less than 700 ° C., the roughness of the surface of the sapphire substrate 10 becomes approximately uniform, and GaN grows uniformly from the rough surface of the sapphire substrate 10. As a result, the surface flatness and crystallinity of GaN are good. Further, when the heat treatment temperature is higher than 800 ° C., the surface roughness of the sapphire substrate 10 is sufficiently recovered and GaN grows uniformly on the recovered surface, so that the surface flatness and crystallinity are good. However, when the heat treatment temperature is 700 to 800 ° C., the roughness of the surface of the sapphire substrate 10 recovers to some extent, but it does not recover uniformly, and the area where the roughness is recovered and the rough area are mixed. For this reason, GaN grows on the roughened region and the roughened region and becomes a mixed crystal, which is thought to deteriorate the surface flatness and crystallinity of GaN.

本発明のIII 族窒化物半導体の製造方法は、III 族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法などに利用することができる。   The method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention can be used for a method for producing a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor.

10:サファイア基板
20:バッファ層
30:III 族窒化物半導体層
10: Sapphire substrate 20: Buffer layer 30: Group III nitride semiconductor layer

Claims (4)

サファイア基板にスパッタによってAlNからなるバッファ層を形成した後、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記サファイア基板として、表面にドライエッチングによって凹凸加工が施されたc面サファイア基板を用い、
前記サファイア基板を窒素または水素雰囲気下、700℃未満で熱処理をした後に、前記バッファ層を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
In a method of manufacturing a group III nitride semiconductor, a buffer layer made of AlN is formed on a sapphire substrate by sputtering, and then a group III nitride semiconductor is grown by MOCVD.
As the sapphire substrate, a c-plane sapphire substrate whose surface has been processed by dry etching is used.
Forming the buffer layer after heat-treating the sapphire substrate at less than 700 ° C. in a nitrogen or hydrogen atmosphere;
A method for producing a group III nitride semiconductor.
前記熱処理は、500℃以上700℃未満で行うことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method for producing a group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C or higher and lower than 700 ° C. 前記熱処理は、窒素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method of manufacturing a group III nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. 前記バッファ層は、前記サファイア基板を200℃以上700℃未満に加熱してスパッタにより形成する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   4. The group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the buffer layer is formed by sputtering the sapphire substrate by heating to 200 ° C. or more and less than 700 ° C. 5. Production method.
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