JP6579951B2 - Aluminum nitride single crystal laminate, method for producing the laminate, and method for producing a semiconductor device using the laminate - Google Patents

Aluminum nitride single crystal laminate, method for producing the laminate, and method for producing a semiconductor device using the laminate Download PDF

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本発明は、新規な窒化アルミニウム単結晶積層体、該積層体の製造方法、及び積層体を利用した新規な半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a novel aluminum nitride single crystal laminate, a method for producing the laminate, and a novel method for producing a semiconductor element using the laminate.

窒化アルミニウム(AlN)は、その禁制帯幅が6.2eVと大きく、かつ直接遷移型の半導体であることから、AlNと同じIII族窒化物である窒化ガリウム(GaN)や窒化インジウム(InN)との混晶を含めて紫外発光素子材料として期待されている。   Aluminum nitride (AlN) has a large forbidden band of 6.2 eV and is a direct transition type semiconductor. Therefore, the same group III nitride as gallium nitride (GaN) and indium nitride (InN) is used. It is expected as an ultraviolet light-emitting device material including mixed crystals of

紫外発光素子などの半導体素子を形成するためには、n型電極に電気的に接合したn型半導体層、p型電極に電気的に接合したp型半導体層との間に、活性層等を含む積層構造を形成する必要があり、発光効率の点から何れの層においても高い結晶性、すなわち、結晶の転位や点欠陥が少ないことが重要である。このような理由から、一般に上記構造は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する、結晶性の高い単結晶基板(単結晶自立基板)上に形成される。   In order to form a semiconductor element such as an ultraviolet light emitting element, an active layer or the like is provided between an n-type semiconductor layer electrically bonded to an n-type electrode and a p-type semiconductor layer electrically bonded to a p-type electrode. It is necessary to form a laminated structure including it, and from the viewpoint of light emission efficiency, it is important that any layer has high crystallinity, that is, few crystal dislocations and point defects. For these reasons, the above structure is generally formed on a single crystal substrate with high crystallinity (single crystal free-standing substrate) having sufficient mechanical strength to exist independently.

上記単結晶基板としては、その上に形成する窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)などのIII族窒化物単結晶との格子定数差や熱膨張係数差が小さいこと、さらには、素子の劣化を防ぐ観点から熱伝導率が高いことが要求される。そのため、窒化アルミニウムを含有する半導体素子を作製するためには、Al系III族窒化物単結晶基板上に上記層構造を形成することが有利である。中でも、該基板としては、該基板上に成長させる素子層の転位密度や欠陥、およびクラックを低減し、発光効率を向上させるためには、結晶性が高く、不純物が少なく、かつ光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶よりなる基板が好ましいと考えられている。   The single crystal substrate has a small difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from a group III nitride single crystal such as aluminum gallium indium nitride (AlGaInN) formed on the single crystal substrate, and a viewpoint of preventing deterioration of the device. Therefore, high thermal conductivity is required. Therefore, in order to manufacture a semiconductor element containing aluminum nitride, it is advantageous to form the above layer structure on an Al-based group III nitride single crystal substrate. Among them, as the substrate, in order to reduce the dislocation density, defects, and cracks of the element layer grown on the substrate and improve the light emission efficiency, the crystallinity is high, the impurities are small, and the optical characteristics are excellent. A substrate made of a single crystal of aluminum nitride is considered preferable.

一般的に、c軸配向の窒化アルミニウム単結晶は、アルミニウム極性と窒素極性の2種類を有する。窒化アルミニウム単結晶における極性とは、原子配列の方向性を示すものである(例えば、特許文献1参照)。窒化アルミニウム単結晶は、六方晶系のウルツ鉱型構造をとる。ウルツ鉱型構造ではc軸方向に関して対称面がなく、結晶には表裏の関係が生じる。アルミニウム原子から垂直上側に窒素原子を配置する結晶をアルミニウム極性といい、反対に窒素原子から垂直上側にアルミニウム原子を配置する結晶を窒素極性という。そのため、通常は、窒化アルミニウム単結晶の膜において、窒素極性を有する面(窒素極性面)の反対側の面はアルミニウム極性を有する面(アルミニウム極性面)となる。   In general, a c-axis oriented aluminum nitride single crystal has two types of polarity: aluminum polarity and nitrogen polarity. The polarity in the aluminum nitride single crystal indicates the direction of atomic arrangement (see, for example, Patent Document 1). The aluminum nitride single crystal has a hexagonal wurtzite structure. In the wurtzite structure, there is no symmetry plane with respect to the c-axis direction, and the crystal has a front-back relationship. A crystal in which a nitrogen atom is arranged vertically upward from an aluminum atom is called aluminum polarity, and a crystal in which an aluminum atom is arranged vertically upward from a nitrogen atom is called nitrogen polarity. Therefore, normally, in the aluminum nitride single crystal film, the surface opposite to the surface having nitrogen polarity (nitrogen polarity surface) is a surface having aluminum polarity (aluminum polarity surface).

窒化アルミニウム単結晶のアルミニウム極性面においては、表面に現れる1つの窒素原子が1つのアルミニウム原子と結合しており、窒素極性面においては、表面に現れる1つの窒素原子が3つのアルミニウム原子と結合している。窒素極性面上にIII族窒化物半導体を成長する場合、成長中に飛来するIII族原子に対して窒素原子の結合手が1本しかないため結合力が弱くなることから成長速度が遅い。また、同様の理由からIII族空孔などを形成しやすく、アルミニウム極性面上にIII族窒化物半導体層を成長する場合に比べて結晶品質が劣る場合がある。   In the aluminum polar plane of the aluminum nitride single crystal, one nitrogen atom appearing on the surface is bonded to one aluminum atom, and in the nitrogen polar plane, one nitrogen atom appearing on the surface is bonded to three aluminum atoms. ing. When a group III nitride semiconductor is grown on a nitrogen polar surface, the growth rate is slow because there is only one bond of a nitrogen atom to a group III atom flying during the growth, and the bonding force becomes weak. In addition, for the same reason, group III vacancies are easily formed, and the crystal quality may be inferior compared to the case where a group III nitride semiconductor layer is grown on the aluminum polar surface.

以上のことから、窒素極性面を半導体素子層の成長面として用いることは不適となる場合があり、高品質の窒化物半導体素子の製造のためには、一般的には、アルミニウム極性面への半導体素子層の成長が必要である。そのため、窒化アルミニウム単結晶基板を、半導体素子製造用基板として用いる場合には、アルミニウム極性面上へ半導体素子層を形成し、裏面である窒素極性面は露出する構造となることが一般的である。   From the above, it may be inappropriate to use the nitrogen polar surface as the growth surface of the semiconductor element layer. Growth of the semiconductor element layer is necessary. Therefore, when an aluminum nitride single crystal substrate is used as a substrate for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor device layer is generally formed on the aluminum polar surface, and the nitrogen polar surface, which is the back surface, is exposed. .

本発明者らは、第一の窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面上に第二の窒化アルミニウム単結晶を成長することで、酸素濃度の低い窒化アルミニウム単結晶基板を製造できることを提案している(特許文献2参照)。このような基板は、具体的には、以下のように製造されている。先ず、異種基板(例えばシリコン単結晶基板)上に第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させる。そして、該異種基板を分離して第一の窒化アルミニウム単結晶基板を得る。得られた第一の窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面上に、さらに第二の窒化アルミニウム単結晶層を積層する。このとき、第二の窒化アルミニウム単結晶層の表面(最表面)はアルミニウム極性面となる。最後に、第一の窒化アルミニウム単結晶基板を除去することにより、第二の窒化アルミニウム単結晶層からなる、酸素濃度が低い高品質な窒化アルミニウム単結晶基板を得る方法である。この最終的に得られた基板は、一方の面がアルミニウム極性面であり、他方の面が窒素極性面となる。   The present inventors have proposed that an aluminum nitride single crystal substrate having a low oxygen concentration can be manufactured by growing a second aluminum nitride single crystal on the nitrogen polar face of the first aluminum nitride single crystal substrate. (See Patent Document 2). Specifically, such a substrate is manufactured as follows. First, a first aluminum nitride single crystal layer is grown on a different substrate (for example, a silicon single crystal substrate). Then, the heterogeneous substrate is separated to obtain a first aluminum nitride single crystal substrate. A second aluminum nitride single crystal layer is further laminated on the nitrogen polar face of the obtained first aluminum nitride single crystal substrate. At this time, the surface (outermost surface) of the second aluminum nitride single crystal layer is an aluminum polar surface. Finally, the first aluminum nitride single crystal substrate is removed to obtain a high-quality aluminum nitride single crystal substrate having a low oxygen concentration and comprising a second aluminum nitride single crystal layer. In the finally obtained substrate, one surface is an aluminum polar surface and the other surface is a nitrogen polar surface.

特許文献2に記載の方法では、不純物、特にベース基板由来の不純物の低減に成功した。しかし、第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長するためのベース基板が窒化アルミニウムとは異なる基板(異種基板)であったため、最終的に得られた基板は、格子定数差と熱膨張係数差によりクラックや反り、転位が発生しやすく、より高出力で、より耐久性の高い半導体素子層を形成するための基板として、より一層結晶性を高くすることが望まれていた。   The method described in Patent Document 2 succeeded in reducing impurities, particularly impurities derived from the base substrate. However, since the base substrate for growing the first aluminum nitride single crystal layer was a substrate different from aluminum nitride (a heterogeneous substrate), the finally obtained substrate was due to a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient. It has been desired to further increase the crystallinity as a substrate for forming a semiconductor element layer that easily generates cracks, warpage, and dislocations, and has higher output and higher durability.

また、本発明者らは、窒化アルミニウム基板の反りの低減を提案している。具体的には、以下の方法を提案している。先ず、シリコン単結晶基板などの異種基板をベース基板とし、該ベース基板上に、膜厚が10nm〜1.5μmである窒化アルミニウム単結晶層を積層し、該単結晶層上に該単結晶層の膜厚の100倍以上の膜厚である窒化アルミニウム非単結晶層を積層する。その後、ベース基板を除去することで、得られた窒化アルミニウム基板(単結晶と非単結晶の積層体)の反りを低減する方法である(特許文献3参照)。特許文献3の方法では、曲率半径から反りを評価した。該窒化アルミニウム基板の単結晶面が下に凸となる状態の曲率半径をプラスの曲率半径、上に凸となる状態の曲率半径をマイナスの曲率半径として評価した。そして、例えば、上記膜厚を満たさない場合に曲率半径が−0.1mだったものが、上記膜厚を満たすことで−1.8m以上になり、基板の反りの低減に成功した。   In addition, the present inventors have proposed to reduce the warpage of the aluminum nitride substrate. Specifically, the following method is proposed. First, a heterogeneous substrate such as a silicon single crystal substrate is used as a base substrate, an aluminum nitride single crystal layer having a thickness of 10 nm to 1.5 μm is stacked on the base substrate, and the single crystal layer is formed on the single crystal layer. An aluminum nitride non-single-crystal layer having a thickness of 100 times or more of the thickness is stacked. Thereafter, the base substrate is removed to reduce the warpage of the obtained aluminum nitride substrate (single crystal and non-single crystal laminate) (see Patent Document 3). In the method of Patent Document 3, warpage was evaluated from the radius of curvature. The curvature radius of the aluminum nitride substrate with the single crystal surface convex downward was evaluated as a positive curvature radius, and the curvature radius of the aluminum nitride substrate as convex upward was evaluated as a negative curvature radius. For example, when the film thickness is not satisfied, the radius of curvature of −0.1 m becomes −1.8 m or more when the film thickness is satisfied, thereby successfully reducing the warpage of the substrate.

しかし、近年の半導体素子製造用の基板には、より高度な特性が求められており、特許文献3で得られる基板よりもさらに高品質である基板が求められている。具体的には、より結晶性が高く、曲率半径もより大きくなる基板が望まれている。特許文献3に記載の方法では、異種基板を使用しているため、どうしても得られる基板(単結晶層)の結晶性が低下し、また、反りの改善が十分ではなかった。そのため、該基板上に窒化アルミニウム単結晶層を形成したとしても、該窒化アルミニウム単結晶層からなる基板も、精々、反りが|4|m程度であり、転位密度も10cm−3以上であった。以上の通り、半導体素子を製造するための従来の基板については、改善の余地があった。 However, more advanced characteristics are required for a substrate for manufacturing a semiconductor element in recent years, and a substrate having higher quality than that obtained in Patent Document 3 is required. Specifically, a substrate having higher crystallinity and a larger radius of curvature is desired. In the method described in Patent Document 3, since a heterogeneous substrate is used, the crystallinity of the substrate (single crystal layer) obtained by any means is lowered, and the improvement of the warp is not sufficient. Therefore, even if an aluminum nitride single crystal layer is formed on the substrate, the substrate made of the aluminum nitride single crystal layer has a warp of about | 4 | m and a dislocation density of 10 7 cm −3 or more. there were. As described above, there is room for improvement in the conventional substrate for manufacturing the semiconductor element.

転位密度の低い窒化アルミニウム単結晶自立基板、例えば昇華法によって製造された窒化アルミニウム単結晶基板のアルミニウム極性面上にHVPE法で窒化アルミニウム単結晶層を積層する方法も知られている(非特許文献1)。該方法によれば、結晶性の低下を抑制することができ、高品質の半導体素子製造用基板を製造することができる。該方法は、ベース基板として窒化アルミニウム単結晶基板(同種基板)を用いている。そのため、異種基板を用いる場合と比べてベース基板由来の不純物の導入が少なく、特許文献2のように不純物濃度低減のために、窒素極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を積層する必要がない。この場合、アルミニウム極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を積層することが一般的であった。   A method of laminating an aluminum nitride single crystal layer by an HVPE method on an aluminum polar surface of an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a low dislocation density, for example, an aluminum nitride single crystal substrate manufactured by a sublimation method is also known (non-patent document). 1). According to this method, a decrease in crystallinity can be suppressed, and a high-quality substrate for manufacturing a semiconductor element can be manufactured. This method uses an aluminum nitride single crystal substrate (same substrate) as a base substrate. Therefore, the introduction of impurities derived from the base substrate is less than in the case of using a different substrate, and it is not necessary to stack an aluminum nitride single crystal layer on the nitrogen polar surface as in Patent Document 2 in order to reduce the impurity concentration. In this case, an aluminum nitride single crystal layer is generally laminated on the aluminum polar surface.

これらの方法で製造された窒化アルミニウム単結晶基板は何れも、一方の主面がアルミニウム極性面であり、他方の面が窒素極性面である。該窒化アルミニウム単結晶基板を半導体素子の製造に用いる場合には、アルミニウム極性面に半導体素子層を成長させ、裏面である窒素極性面は、露出した状態になる。   In any of the aluminum nitride single crystal substrates manufactured by these methods, one main surface is an aluminum polar surface and the other surface is a nitrogen polar surface. When the aluminum nitride single crystal substrate is used for manufacturing a semiconductor element, a semiconductor element layer is grown on the aluminum polar face, and the nitrogen polar face as the back face is exposed.

半導体素子の製造工程において、素子表面を水酸化カリウム(KOH)水溶液などのアルカリ溶液と接触させて表面のダメージ層を除去する工程を実施することで電極特性が向上することが知られている。例えば、特許文献6には、サファイア単結晶基板を有する半導体素子を製造するにあたって、以下の方法が提案されている。まず、サファイア単結晶基板上にn型半導体層を積層し、該n型半導体層上にp型半導体層を積層する。そして、該p型半導体層をドライエッチングしてn型半導体層を露出させる。このとき、ドライエッチングによって、n型半導体層にダメージ層が形成される。そして、該ダメージ層をKOH水溶液と接触させることで除去すると、n型半導体層表面上に良好な接触抵抗値を有するn型コンタクト電極を形成することができる。   In the manufacturing process of a semiconductor element, it is known that the electrode characteristics are improved by performing a process of removing a damaged layer on the surface by bringing the element surface into contact with an alkaline solution such as an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution. For example, Patent Document 6 proposes the following method in manufacturing a semiconductor element having a sapphire single crystal substrate. First, an n-type semiconductor layer is stacked on a sapphire single crystal substrate, and a p-type semiconductor layer is stacked on the n-type semiconductor layer. Then, the p-type semiconductor layer is dry etched to expose the n-type semiconductor layer. At this time, a damage layer is formed in the n-type semiconductor layer by dry etching. Then, when the damaged layer is removed by bringing it into contact with a KOH aqueous solution, an n-type contact electrode having a good contact resistance value can be formed on the surface of the n-type semiconductor layer.

このような特許文献6の方法を、窒化アルミニウム単結晶基板を有する半導体素子に適用した場合、以下のような問題があった。例えば、特許文献2、3、非特許文献1の方法により得られた窒化アルミニウム単結晶基板を使用した場合には、前記の通り、高品質な半導体素子を製造するために、アルミニウム極性面上に半導体素子層を形成する。この場合、ダメージ層とKOH水溶液とを接触させる際、半導体素子全体をKOH水溶液に接触させると、露出した窒化アルミニウム単結晶基板の裏面(窒素極性面)がKOH溶液に溶解するという問題があった。窒素極性面は、耐薬品性が低く、特にKOH水溶液などのアルカリ溶液に溶解しやすいことが知られている。この問題を解決するためには、半導体素子をアルカリ溶液と接触させる前に、基板裏面(窒素極性面)をアルカリ耐性のある金属等により被覆保護することが必要であった。しかしながら、窒素極性面に付着した微粒子などの影響で被覆が不十分であると、窒素極性面が溶解し、半導体素子の歩留まりが低下することがあった。   When such a method of Patent Document 6 is applied to a semiconductor element having an aluminum nitride single crystal substrate, there are the following problems. For example, when an aluminum nitride single crystal substrate obtained by the methods of Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Document 1 is used, as described above, in order to manufacture a high-quality semiconductor element, on the aluminum polar surface A semiconductor element layer is formed. In this case, when the damaged layer is brought into contact with the KOH aqueous solution, if the entire semiconductor element is brought into contact with the KOH aqueous solution, the exposed back surface (nitrogen polar surface) of the aluminum nitride single crystal substrate is dissolved in the KOH solution. . It is known that the nitrogen polar surface has low chemical resistance and is particularly easily dissolved in an alkaline solution such as an aqueous KOH solution. In order to solve this problem, it is necessary to cover and protect the back surface of the substrate (nitrogen polar surface) with an alkali-resistant metal or the like before bringing the semiconductor element into contact with the alkaline solution. However, if the coating is insufficient due to the influence of fine particles adhering to the nitrogen polar surface, the nitrogen polar surface is dissolved, and the yield of the semiconductor element may be reduced.

また、転位密度が高い基板においては、KOH水溶液に接触させる面がアルミニウム極性面であっても、KOH水溶液に接触させることで転位部分がエッチングされてピットが形成され、半導体素子の品質に悪影響を及ぼすことがあった。   Further, in a substrate having a high dislocation density, even if the surface to be contacted with the KOH aqueous solution is an aluminum polar surface, the contact portion is etched by the contact with the KOH aqueous solution to form pits, which adversely affects the quality of the semiconductor element. There was an effect.

以上のような問題点を解決するためには、表裏の両面ともに、転位密度の低いIII族極性面(例えば、アルミニウム極性面)であるIII族窒化物単結晶基板(例えば、窒化アルミニウム単結晶基板)を使用すれば解決できるものと考えられる。このような両面III族極性面であるIII族窒化物単結晶基板を使用して半導体素子を製造する方法も知られている。特許文献4では、III族窒化物基板の両面をIII族極性面とすることで、該基板の両面への半導体素子層の形成が可能となることを提案している。   In order to solve the above problems, a group III nitride single crystal substrate (for example, an aluminum nitride single crystal substrate) that is a group III polar surface (for example, an aluminum polar surface) having a low dislocation density on both the front and back sides. ) Can be solved. A method of manufacturing a semiconductor device using a group III nitride single crystal substrate having such a double-sided group III polar surface is also known. Patent Document 4 proposes that the semiconductor element layer can be formed on both surfaces of the group III nitride substrate by setting both surfaces of the group III nitride substrate to group III polar surfaces.

特開2006−253462号公報JP 2006-253462 A 特開2010−89971号公報JP 2010-89971 A WO2009/090821号パンフレットWO2009 / 090821 pamphlet 特開2009−267088号公報JP 2009-267088 A 特開2010−56459号公報JP 2010-56459 A WO2011/078252号パンフレットWO2011 / 078252 pamphlet 特開2015−017030号公報JP, 2015-017030, A 特開2015−156483号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-156383

Applied Physics Express 5(2012)055504Applied Physics Express 5 (2012) 0555504

特許文献4に記載の方法では、III族極性を示す第1の主面と、窒素極性を示す第2の主面と、前記第2の主面上に設けられる極性反転層とを具備する発光素子製造用基板が提案されている。そして、極性反転層には多結晶やアモルファスが含まれても良いと記載されている。一般的に、基板上に形成する窒化物半導体の結晶性は下地基板の結晶性に大きく依存するため、極性反転層が多結晶やアモルファスである場合、該極性反転層上に形成した半導体の結晶性が悪化することが容易に想像できる。さらに、本発明者らの検討によると、極性反転層が単結晶であったとしても、窒素極性面上にIII族窒化物半導体を成長させる場合、基板面内で極性が反転する領域と反転しない領域が混在しやすいことが分かった。該極性反転層表面を発光素子製造用基板として用いるには結晶性の改善および極性の面内均一化の余地があった。   In the method described in Patent Document 4, light emission including a first main surface showing group III polarity, a second main surface showing nitrogen polarity, and a polarity inversion layer provided on the second main surface. An element manufacturing substrate has been proposed. It is described that the polarity inversion layer may contain polycrystal or amorphous. In general, since the crystallinity of a nitride semiconductor formed on a substrate greatly depends on the crystallinity of the base substrate, when the polarity inversion layer is polycrystalline or amorphous, the crystal of the semiconductor formed on the polarity inversion layer It can be easily imagined that sex will deteriorate. Further, according to the study by the present inventors, even when the polarity inversion layer is a single crystal, when a group III nitride semiconductor is grown on the nitrogen polarity surface, the polarity inversion region does not invert in the substrate surface. It turned out that the area is easy to mix. In order to use the surface of the polarity inversion layer as a substrate for manufacturing a light emitting device, there is room for improvement of crystallinity and in-plane uniformity of polarity.

また、特許文献5に記載の方法おいても、極性反転層の形成が記載されているが、半導体素子の製造後に極性反転層を形成するため、半導体素子製造時のアルカリとの接触工程の際には裏面が窒素極性面であり、裏面の溶解に関する課題は解決されていない。   Also, in the method described in Patent Document 5, the formation of the polarity inversion layer is described. However, since the polarity inversion layer is formed after the manufacture of the semiconductor element, the contact process with an alkali during the manufacture of the semiconductor element is performed. The back surface is a nitrogen polar surface, and the problems related to the dissolution of the back surface are not solved.

したがって、本発明の目的は、高品質な窒化アルミニウム単結晶積層体(基板)を提供することにある。より詳細には、転位密度が低く、反りが小さく、耐薬品性が高く、半導体素子を製造するに際して、裏面を被覆保護することなく高品質の半導体素子を製造できる窒化アルミニウム単結晶積層体(基板)を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-quality aluminum nitride single crystal laminate (substrate). More specifically, an aluminum nitride single crystal laminate (substrate) having a low dislocation density, low warpage, high chemical resistance, and capable of manufacturing a high-quality semiconductor element without covering and protecting the back surface when the semiconductor element is manufactured. ) To provide.

本発明者等は、上記課題を解決するため、まず、窒化アルミニウム単結晶からなる極性反転層の検討を行った。窒化アルミニウム単結晶基板とその窒素極性面上に形成した窒化アルミニウム単結晶層の積層体の断面を透過型電子顕微鏡(TEM;Transmission Electron Microscope)で観察しところ、基板面内において、極性反転が完了してアルミニウム極性となるタイミングが異なることが分かった。全面で極性反転が完了しなければ、面内に窒素極性とアルミニウム極性が混在することになる。その状態で、該窒化アルミニウム単結晶層上に半導体素子層(例えばn型AlGaN層)を成長すると、基板面内で極性が不均一なまま成長したり、転位密度が増加したりする傾向があった。それにより、素子全面において耐薬品性を向上させることができなかった。   In order to solve the above problems, the present inventors first examined a polarity inversion layer made of an aluminum nitride single crystal. When a cross section of the laminate of the aluminum nitride single crystal substrate and the aluminum nitride single crystal layer formed on the nitrogen polar surface is observed with a transmission electron microscope (TEM), the polarity inversion is completed within the substrate surface. It was found that the timing of the aluminum polarity was different. If polarity reversal is not completed on the entire surface, nitrogen polarity and aluminum polarity are mixed in the surface. In this state, when a semiconductor element layer (for example, an n-type AlGaN layer) is grown on the aluminum nitride single crystal layer, it tends to grow with non-uniform polarity within the substrate surface or to increase the dislocation density. It was. As a result, chemical resistance could not be improved over the entire surface of the device.

以上のような検討をもとに、窒化アルミニウム単結晶積層体(基板)であって、該基板の表面および裏面の全面がともにアルミニウム極性面であり、さらに転位密度が低ければ、該基板上に形成した半導体素子は耐薬品性が高くなるものと考えた。つまり、該積層体は、成長面(半導体素子層を形成する面)、及び裏面においても転位密度の低いアルミニウム極性面であるため、アルカリ溶液に対して溶解し難く、半導体素子の製造過程において、裏面に金属などを被覆する工程を経ることなくアルカリ溶液を使用することが可能となる。そして、窒素極性面上窒化アルミニウム単結晶層の成長条件等を種々検討して該積層体を製造すると共に、該積層体を用いて得られる半導体素子は耐薬品性の高いものであることを見出し、本発明を完成するに至った。   Based on the above examination, if the aluminum nitride single crystal laminate (substrate) has both the front surface and the back surface are both aluminum polar surfaces and the dislocation density is low, The formed semiconductor element was considered to have high chemical resistance. In other words, the laminate is an aluminum polar surface having a low dislocation density on the growth surface (surface on which the semiconductor element layer is formed) and on the back surface, so that it is difficult to dissolve in an alkaline solution. An alkaline solution can be used without going through a step of coating the back surface with a metal or the like. And while variously examining the growth conditions etc. of the aluminum nitride single crystal layer on the nitrogen polar face, the laminate is manufactured, and the semiconductor element obtained using the laminate is found to have high chemical resistance. The present invention has been completed.

すなわち、第一の本発明は、 窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面上に、窒化アルミニウム単結晶層が直接積層した積層構造を有する窒化アルミニウム単結晶積層体であって、
該積層体の表面および裏面の全面が共にアルミニウム極性面であり、表面および裏面の転位密度が共に10cm−2以下であり、前記窒化アルミニウム単結晶積層体の表面形状の曲率半径が|5|m以上(5m以上または−5m以下)であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶積層体である。

That is, the first aspect of the present invention is an aluminum nitride single crystal laminate having a laminated structure in which an aluminum nitride single crystal layer is directly laminated on a nitrogen polar face of an aluminum nitride single crystal substrate,
Front and back surfaces of the entire surface of the laminate are both aluminum polar plane, front and back surfaces of the dislocation density Ri der both 10 6 cm -2 or less, the radius of curvature of the surface shape of the aluminum nitride single crystal laminate | 5 | m or more (5m more or -5m less) aluminum nitride single crystal laminate, characterized in der Rukoto.

第二の本発明は、アルミニウム極性面の転位密度が10cm−2以下である窒化アルミニウム単結晶基板からなるベース基板を使用し、1400℃以上1900℃以下の温度とした該ベース基板の窒素極性面上に、アルミニウム原料ガスと窒素源ガスとを供給して反応させることにより、該窒素極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を成長することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶積層体の製造方法である。 The second aspect of the present invention uses a base substrate made of an aluminum nitride single crystal substrate having an aluminum polar face dislocation density of 10 6 cm −2 or less, and has a nitrogen temperature of 1400 ° C. to 1900 ° C. A method for producing an aluminum nitride single crystal laminate, comprising growing an aluminum nitride single crystal layer on the nitrogen polar surface by supplying an aluminum source gas and a nitrogen source gas to react on the polar surface. It is.

第三の本発明は、前記窒化アルミニウム単結晶積層体の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、少なくともn型半導体層を有する半導体素子層を製造し、該半導体素子層をアルカリ溶液と接触させる工程を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法である。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a step of manufacturing a semiconductor element layer having at least an n-type semiconductor layer on at least one aluminum polar surface of the aluminum nitride single crystal laminate, and bringing the semiconductor element layer into contact with an alkaline solution. It is a manufacturing method of a semiconductor element characterized by including.

本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体によれば、表面および裏面の全面がともに転位密度の低いアルミニウム極性面であるため、表面および/または裏面上に形成する半導体素子層の品質が向上し、半導体素子を製造する際にアルカリ溶液と接触する工程を含む場合においても裏面を保護する工程を省略することが可能となる。   According to the aluminum nitride single crystal laminate of the present invention, since both the front surface and the back surface are both aluminum polar surfaces having a low dislocation density, the quality of the semiconductor element layer formed on the front surface and / or the back surface is improved. Even in the case where a step of contacting an alkaline solution is included in manufacturing the device, the step of protecting the back surface can be omitted.

本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体の概略図である。It is the schematic of the aluminum nitride single crystal laminated body of this invention. 本発明の代表的な窒化アルミニウム単結晶積層体の断面TEM(透過顕微鏡観察)の写真(40000倍の写真)である。It is the photograph (40000 times the photograph) of the cross-section TEM (transmission microscope observation) of the typical aluminum nitride single crystal laminated body of this invention. 本発明の積層体部分を含む代表的な半導体素子の概略図である。It is the schematic of the typical semiconductor element containing the laminated body part of this invention. 本発明の積層体を製造する装置の代表例である。It is a typical example of the apparatus which manufactures the laminated body of this invention.

(窒化アルミニウム単結晶積層体)
第一の本発明は、窒化アルミニウム単結晶基板と、該窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面上に積層された、窒化アルミニウム単結晶層とを少なくとも有する窒化アルミニウム単結晶積層体であって、該積層体の表面および裏面の全面がともにアルミニウム極性面であり、表面および裏面の転位密度がともに10cm−2以下であることを特徴とする、窒化アルミニウム単結晶積層体である。図1に本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体の代表的な断面図の概略図を示し、図2に該積層体のTEM写真を示した。以下、図面を参照しながら説明する。
(Aluminum nitride single crystal laminate)
A first aspect of the present invention is an aluminum nitride single crystal laminate having at least an aluminum nitride single crystal substrate and an aluminum nitride single crystal layer laminated on a nitrogen polar surface of the aluminum nitride single crystal substrate, The aluminum nitride single crystal laminate is characterized in that the entire front and back surfaces of the laminate are both aluminum polar surfaces, and the dislocation density on the front and back surfaces is both 10 6 cm −2 or less. FIG. 1 shows a schematic diagram of a typical sectional view of an aluminum nitride single crystal laminate of the present invention, and FIG. 2 shows a TEM photograph of the laminate. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.

本発明において、転位密度とは、目的とする面(露出した面であり、表面または裏面)に到達している、該面の単位面積当たりの転位線の数を指すものとする。転位線は、TEMで測定することにより検出できる。また、測定面がアルミニウム極性面であれば、エッチピット(EPD;Etch Pit Density)法により検出することができる。具体的には、加熱した水酸化カリウム(KOH)と水酸化ナトリウム(NaOH)の混合液に測定面を浸漬することで、転位に対応するエッチピットを生じさせて検出することができる。本発明においては、KOHとNaOHを重量比1:1で混合し、450℃に加熱した溶融液に5分間浸漬させた際のエッチピットの値を転位密度とした。   In the present invention, the dislocation density refers to the number of dislocation lines per unit area of the surface reaching the target surface (exposed surface, front surface or back surface). Dislocation lines can be detected by measuring with TEM. In addition, if the measurement surface is an aluminum polar surface, it can be detected by an etch pit (EPD; Etch Pit Density) method. Specifically, by immersing the measurement surface in a mixed solution of heated potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH), an etch pit corresponding to dislocation can be generated and detected. In the present invention, KOH and NaOH are mixed at a weight ratio of 1: 1, and the value of etch pits when immersed in a melt heated to 450 ° C. for 5 minutes is defined as the dislocation density.

本発明において、窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7とは、窒化アルミニウム単結晶層3側の露出したc面を指し、裏面5とは表面の反対側の露出したc面(窒化アルミニウム単結晶基板側の露出したc面)を指す。   In the present invention, the surface 7 of the aluminum nitride single crystal laminate 1 refers to the exposed c-plane on the aluminum nitride single crystal layer 3 side, and the exposed c-plane (aluminum nitride single crystal on the opposite side of the surface from the back surface 5). Exposed c-plane on the substrate side).

本発明において、窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7の極性の判定は、該表面をKOH水溶液に浸漬させたときのエッチングの有無により確認した。具体的には、ホットプレート上で50℃ に加熱した45質量%KOH水溶液中に窒化アルミニウム単結晶積層体を10分浸漬した。浸漬終了後、基板を電界放射型走査型電子顕微鏡(FE−SEM;Field Emission Scanning Electron Microscope)により表面観察し、溶解痕(膜厚が薄くなっている領域)の有無を確認した。表面に溶解痕があれば窒素極性面であり、溶解痕がなければアルミニウム極性面である。なお、収束電子回折(CBED;Convergent Beam Electron Diffraction)法や環状明視野走査透過型電子顕微鏡(ABF−STEM;Annular Bright Field Scanning Transmission Electron Microscopy)法で断面を観察することでアルミニウム極性か、窒素極性かを判別することもできる。   In the present invention, the determination of the polarity of the surface 7 of the aluminum nitride single crystal laminate 1 was confirmed by the presence or absence of etching when the surface was immersed in a KOH aqueous solution. Specifically, the aluminum nitride single crystal laminate was immersed for 10 minutes in a 45 mass% KOH aqueous solution heated to 50 ° C. on a hot plate. After the immersion, the surface of the substrate was observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM; Field Emission Scanning Electron Microscope), and the presence or absence of dissolution marks (area where the film thickness was reduced) was confirmed. If there is a dissolution trace on the surface, it is a nitrogen polar plane, and if there is no dissolution trace, it is an aluminum polar plane. In addition, a focused electron diffraction (CBED) method or an annular bright field scanning transmission electron microscope (ABF-STEM; an annular bright field scanning electron microscopic polarity microscopic cross-section microscopic aluminum microscopic method or an aluminum cross-sectional microscopic microscopical aluminum microscopic method is used. Can also be determined.

また、窒化アルミニウム単結晶層3が窒化アルミニウム単結晶であることは、窒化アルミニウム単結晶層3のX線回折測定により確認できる。窒化アルミニウム単結晶層の表面をθ−2θモードで測定し、(002)面およびそれと等価の面の回折角のみにピークが出現すれば、窒化アルミニウム単結晶層3はベース基板の方位を引き継いだ、c面を成長面とした単結晶であることが確認できる。   Further, it can be confirmed by X-ray diffraction measurement of the aluminum nitride single crystal layer 3 that the aluminum nitride single crystal layer 3 is an aluminum nitride single crystal. When the surface of the aluminum nitride single crystal layer is measured in the θ-2θ mode, and a peak appears only in the diffraction angle of the (002) plane and the equivalent surface, the aluminum nitride single crystal layer 3 has inherited the orientation of the base substrate. , C can be confirmed as a single crystal having a growth surface.

該窒化アルミニウム単結晶積層体1は、該積層体の表面7および/または裏面5上に半導体素子層11を形成する、半導体素子製造用基板として好適に用いられる。図3に該積層体の表面7上に半導体素子層11を積層して製造した半導体素子10の概念図を示す。   The aluminum nitride single crystal laminate 1 is suitably used as a semiconductor element manufacturing substrate in which a semiconductor element layer 11 is formed on the front surface 7 and / or the back surface 5 of the laminate. FIG. 3 shows a conceptual diagram of a semiconductor element 10 manufactured by laminating a semiconductor element layer 11 on the surface 7 of the laminate.

半導体素子層11を形成するに際して、反りが大きいと、半導体素子層11の形成時または昇降温時の応力により欠陥が生じることがある。また、素子層形成用装置(例えばMOCVD装置)内に該積層体を設置した後に、圧力の変動やガスの流れ、積層体設置台の回転により、該積層体が設置位置より動かないようにするためにも、該積層体の反りが小さいほうがよい。   When the semiconductor element layer 11 is formed, if the warp is large, defects may occur due to stress at the time of forming the semiconductor element layer 11 or at the time of raising and lowering the temperature. In addition, after the laminate is installed in an element layer forming apparatus (for example, an MOCVD apparatus), the laminate is prevented from moving from the installation position due to pressure fluctuation, gas flow, and rotation of the laminate installation table. Therefore, it is better that the warpage of the laminate is smaller.

本発明において、該窒化アルミニウム単結晶積層体の表面形状の曲率半径から反りを評価した。具体的には、該基板の表面側から青紫色レーザー顕微鏡を用い、50倍の倍率で該基板の高さ情報を取得し、面内の高さ分布より、球形近似の仮定のもとで該基板の曲率半径を算出した。該基板が下に凸となる状態をプラスの曲率半径、上に凸となる状態をマイナスの曲率半径とした。曲率半径が、正の値であっても、負の値であっても、値が大きいほうが反りが小さいと判断できる。該窒化アルミニウム単結晶積層体の表面形状の曲率半径は、好ましくは|5|m以上(5m以上、−5m以下)、さらに好ましくは|10|m以上(10m以上、−10m以下)である。   In the present invention, the warpage was evaluated from the radius of curvature of the surface shape of the aluminum nitride single crystal laminate. Specifically, using a blue-violet laser microscope from the surface side of the substrate, the height information of the substrate is obtained at a magnification of 50 times, and based on the assumption of a spherical approximation from the in-plane height distribution, The curvature radius of the substrate was calculated. The state where the substrate is convex downward is defined as a positive curvature radius, and the state where the substrate is convex upward is defined as a negative curvature radius. Whether the radius of curvature is a positive value or a negative value, it can be determined that the larger the value, the smaller the curvature. The radius of curvature of the surface shape of the aluminum nitride single crystal laminate is preferably | 5 | m or more (5 m or more and −5 m or less), more preferably | 10 | m or more (10 m or more and −10 m or less).

(窒化アルミニウム単結晶基板(ベース基板))
本発明に用いる窒化アルミニウム単結晶基板2は、アルミニウム極性面(窒化アルミニウム単結晶基板の裏面5)の転位密度が10cm−2以下である。該アルミニウム極性面の転位密度を10cm−2以下とすることにより、得られる窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7および裏面5の転位密度を10cm−2以下とすることができる。該基板上のアルミニウム極性面(窒化アルミニウム単結晶基板の裏面5)に製造する半導体素子層11の転位密度の低減、および/または、窒素極性面6に製造する窒化アルミニウム単結晶層3の転位密度の低減のためには、好ましくは10cm−2以下であり、さらに好ましくは10cm−2以下である。基板2の厚みは、操作性を低下させない範囲で決定すればよく、具体的には50〜1000μmであることが好ましい。
(Aluminum nitride single crystal substrate (base substrate))
The aluminum nitride single crystal substrate 2 used in the present invention has a dislocation density of 10 6 cm −2 or less on the aluminum polar surface (the back surface 5 of the aluminum nitride single crystal substrate). By setting the dislocation density of the aluminum polar face to 10 6 cm −2 or less, the dislocation density of the front surface 7 and the back surface 5 of the obtained aluminum nitride single crystal laminate 1 can be set to 10 6 cm −2 or less. Reduction of the dislocation density of the semiconductor element layer 11 manufactured on the aluminum polar surface (back surface 5 of the aluminum nitride single crystal substrate) on the substrate and / or dislocation density of the aluminum nitride single crystal layer 3 manufactured on the nitrogen polar surface 6 Is preferably 10 5 cm -2 or less, and more preferably 10 4 cm -2 or less. What is necessary is just to determine the thickness of the board | substrate 2 in the range which does not reduce operativity, and it is preferable that it is specifically 50-1000 micrometers.

(窒化アルミニウム単結晶層)
本発明において、窒化アルミニウム単結晶層3は、前記窒化アルミニウム単結晶基板2の窒素極性面6上にあり、表面(窒化アルミニウム単結晶積層体の表面7)の全面がアルミニウム極性面である。そして、該窒化アルミニウム単結晶層3は、極性反転部8を含む。本発明において、極性反転部8とは、極性が反転する部分であり、窒素極性とアルミニウム極性とが混在している部分である。そして、図2のTEM像における、黒い点(線)で示された部分である。これは、TEM像と前記に記載した極性の判別を行う方法を比較して確認できる。そして、図2のTEM像において、該極性反転部の上であって、窒化アルミニウム単結晶基板2と同様の色合いの部分が、アルミニウム極性の窒化アルミニウム単結晶であるアルミニウム極性部9である。なお、該TEM像は、奥行き約100nmの情報を含んでいる。
(Aluminum nitride single crystal layer)
In the present invention, the aluminum nitride single crystal layer 3 is on the nitrogen polar surface 6 of the aluminum nitride single crystal substrate 2, and the entire surface (surface 7 of the aluminum nitride single crystal laminate) is an aluminum polar surface. The aluminum nitride single crystal layer 3 includes a polarity inversion portion 8. In the present invention, the polarity inversion portion 8 is a portion where the polarity is inverted, and is a portion where the nitrogen polarity and the aluminum polarity are mixed. And it is the part shown by the black dot (line | wire) in the TEM image of FIG. This can be confirmed by comparing the TEM image and the method for determining the polarity described above. In the TEM image of FIG. 2, the portion of the same color as the aluminum nitride single crystal substrate 2 on the polarity inversion portion is an aluminum polar portion 9 that is an aluminum nitride single crystal of aluminum polarity. The TEM image includes information with a depth of about 100 nm.

本発明者らの検討によれば、窒化アルミニウム単結晶層3の成長中に極性反転が起こるタイミングは面内で同時ではないことが分かった。ある点において極性反転が起こるタイミングは、該点の周囲において極性反転が起こるタイミング、基板サイズ、及び成長条件等に影響されると考えられる。そして、極性反転が起こるタイミングが異なることに起因して、窒化アルミニウム単結晶基板2の窒素極性面6から極性反転が完了する点(極性反転部の上端であり、アルミニウム極性となる点)までの厚みが、位置により異なる(すなわち、極性反転部8は、その表面が凹凸構造を有するものとなる。)。そのため、該窒化アルミニウム単結晶層3の表面7の全面がアルミニウム極性となるためには、該窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚は、極性反転部8の最大の厚みと同じとするか、より厚い膜厚とする必要がある。   According to the study by the present inventors, it has been found that the timing of polarity reversal during the growth of the aluminum nitride single crystal layer 3 is not simultaneous in the plane. The timing at which polarity inversion occurs at a certain point is considered to be affected by the timing at which polarity inversion occurs around the point, the substrate size, the growth conditions, and the like. Then, due to the timing at which the polarity reversal occurs, from the nitrogen polarity surface 6 of the aluminum nitride single crystal substrate 2 to the point where the polarity reversal is completed (the point at the upper end of the polarity reversal part and the aluminum polarity) The thickness varies depending on the position (that is, the surface of the polarity reversing portion 8 has an uneven structure). Therefore, in order for the entire surface 7 of the aluminum nitride single crystal layer 3 to have aluminum polarity, the film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 should be the same as the maximum thickness of the polarity inversion portion 8 or more. It is necessary to make it thick.

該窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚は、2μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがさらに好ましく、10μm以上であることがさらに好ましい。また、窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚は、全面がアルミニウム極性となれば、それ以上の膜厚を必要としない。以下に詳述する窒化アルミニウム単結晶層3の製造方法によれば、極性反転部8の最大の厚みを2μm未満にすることができる(極性反転部8の厚みは、特に制限されるものではないが、高品質な積層体1を製造するためには、0.1μm以上2μm未満であることが好ましい。)。そのため、窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚を2μm以上とすることで、窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7の全面を安定してアルミニウム極性とすることができる。なお、該窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚の上限値は、表面の全面がアルミニウム極性面となっていれば特に制限されるものではないが、工業的な生産を考慮すると、1000μmである。   The film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 is preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, and further preferably 10 μm or more. Further, the film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 does not need to be larger if the entire surface has aluminum polarity. According to the manufacturing method of the aluminum nitride single crystal layer 3 described in detail below, the maximum thickness of the polarity reversing portion 8 can be less than 2 μm (the thickness of the polarity reversing portion 8 is not particularly limited). However, in order to produce a high-quality laminate 1, it is preferably 0.1 μm or more and less than 2 μm.) Therefore, by setting the thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 to 2 μm or more, the entire surface 7 of the aluminum nitride single crystal laminate 1 can be stably made to have an aluminum polarity. The upper limit of the film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 is not particularly limited as long as the entire surface is an aluminum polar surface, but is 1000 μm in view of industrial production.

本発明において、極性反転部8の厚みはTEMにより確認できる。具体的には、図2に示すように、窒化アルミニウム単結晶積層体1の、窒化アルミニウム単結晶基板2と窒化アルミニウム単結晶層3との界面の断面をTEMによって観察すればよい。図2のTEM像に示す、黒い点(線)の厚みが、極性反転部8の厚みである。そして、極性反転部8の最大の厚みとは、観察する基板サイズにもよるが、倍率10000〜50000倍程度で基板の任意の個所を観察した中で、極性反転部の厚みが最大である位置の厚みである。   In the present invention, the thickness of the polarity reversal part 8 can be confirmed by TEM. Specifically, as shown in FIG. 2, the cross section of the interface between the aluminum nitride single crystal substrate 2 and the aluminum nitride single crystal layer 3 of the aluminum nitride single crystal laminate 1 may be observed by TEM. The thickness of the black dot (line) shown in the TEM image of FIG. The maximum thickness of the polarity reversal portion 8 depends on the size of the substrate to be observed, but the position where the thickness of the polarity reversal portion is the maximum while observing any part of the substrate at a magnification of about 10,000 to 50,000 times. Of the thickness.

窒化アルミニウム単結晶層3の表面7の全面がアルミニウム極性であり、転位密度が10cm−2以下であることにより、該面上に窒化アルミニウム単結晶層または半導体素子層11を形成する際に、高品質のものを製造することができる。特に、低転位密度の半導体素子層11を形成するためには、転位密度は10cm−2以下であることが好ましい。 When the entire surface 7 of the aluminum nitride single crystal layer 3 is aluminum polar and the dislocation density is 10 6 cm −2 or less, the aluminum nitride single crystal layer or the semiconductor element layer 11 is formed on the surface. High quality can be manufactured. In particular, in order to form the semiconductor element layer 11 having a low dislocation density, the dislocation density is preferably 10 5 cm −2 or less.

本発明の窒化アルミニウム積層体1を確実に安定して製造するためには、該窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚を極性反転部8の最大の厚みよりも厚くすることが好ましい。つまり、該窒化アルミニウム単結晶層3を、極性反転部8を有し、かつ該極性反転部8上にアルミニウム極性部9を有する構造とする。そして、該窒化アルミニウム単結晶層3は、前記窒化アルミニウム単結晶基板2の窒素極性面6と平行な面において、その全面がアルミニウム極性部9のみで構成されるアルミニウム極性層4を有することが好ましい。該アルミニウム極性層4の厚みは、0.1μm以上であることが好ましく、さらに1μm以上であることが好ましい。なお、半導体の工業的生産を考慮すると、アルミニウム極性層4の厚みの上限は、窒化アルミニウム単結晶層3の最大厚みから極性反転部8の最大厚みを引いた値であり、おおよそ1000μmである。極性反転部8の最大厚みが2μm未満であることが好ましいため、アルミニウム極性層4の最大厚みは9998μmを超え1000μm未満であることが好ましい(極性反転部8の最大厚みが0.1μm以上2μm未満の場合には、アルミニウム極性層4の最大厚みは9998μmを超え9999.9μm以下であることが好ましい)。   In order to reliably and stably manufacture the aluminum nitride laminate 1 of the present invention, it is preferable to make the film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 larger than the maximum thickness of the polarity reversal part 8. That is, the aluminum nitride single crystal layer 3 has a structure having the polarity reversing portion 8 and the aluminum polarity portion 9 on the polarity reversing portion 8. The aluminum nitride single crystal layer 3 preferably has an aluminum polar layer 4 whose entire surface is composed only of the aluminum polar portion 9 in a plane parallel to the nitrogen polar plane 6 of the aluminum nitride single crystal substrate 2. . The thickness of the aluminum polar layer 4 is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 1 μm or more. In consideration of industrial production of semiconductors, the upper limit of the thickness of the aluminum polar layer 4 is a value obtained by subtracting the maximum thickness of the polarity reversal portion 8 from the maximum thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 and is approximately 1000 μm. Since the maximum thickness of the polarity reversing portion 8 is preferably less than 2 μm, the maximum thickness of the aluminum polar layer 4 is preferably more than 9998 μm and less than 1000 μm (the maximum thickness of the polarity reversing portion 8 is 0.1 μm or more and less than 2 μm). In this case, the maximum thickness of the aluminum polar layer 4 is preferably more than 9998 μm and 9999.9 μm or less).

該アルミニウム極性層4の厚みを0.1μm以上とすることにより、以下の効果も発揮することができる。例えば、HVPE法やMOCVD法において、ベース基板上に半導体を積層する場合、ベース基板表面の酸化膜や研磨傷の除去のためにサーマルクリーニングを実施する場合がある。また、水素ガスを含む雰囲気下で成長温度まで加熱し、成長温度に到達してから原料ガスを流して半導体の成長を開始する場合がある。窒化アルミニウムは、高温化、特に、高温において水素ガスと接触すると表面がエッチングされることが知られている。該窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚が極性反転部8の最大の厚みと等しい場合(アルミニウム極性層4が存在しない場合)、又はアルミニウム極性層4が薄すぎる場合、該積層体1を高温で水素ガスに曝すと、表面がエッチングされ、成長前に窒素極性面が露出する可能性がある。このことを防止し、昇温中に表面がエッチングされても窒素極性面が露出することなく、全面がアルミニウム極性面のまま、半導体の成長を開始することが望ましい。そのためには、該アルミニウム極性層4の厚みを0.1μm以上とすることが好ましい。   By setting the thickness of the aluminum polar layer 4 to 0.1 μm or more, the following effects can also be exhibited. For example, when a semiconductor is stacked on a base substrate in the HVPE method or the MOCVD method, thermal cleaning may be performed to remove an oxide film or polishing scratches on the surface of the base substrate. In some cases, the semiconductor is grown by heating to a growth temperature in an atmosphere containing hydrogen gas and then flowing the source gas after reaching the growth temperature. It is known that the surface of aluminum nitride is etched when it comes into contact with hydrogen gas at high temperatures, particularly at high temperatures. When the thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 is equal to the maximum thickness of the polarity reversal part 8 (when the aluminum polar layer 4 is not present), or when the aluminum polar layer 4 is too thin, the laminate 1 is heated at a high temperature. When exposed to hydrogen gas, the surface is etched, and the nitrogen polar surface may be exposed before growth. In order to prevent this, it is desirable to start the growth of the semiconductor without exposing the nitrogen polar surface even if the surface is etched during the temperature rise and leaving the entire surface as the aluminum polar surface. For this purpose, the thickness of the aluminum polar layer 4 is preferably 0.1 μm or more.

また、本発明の積層体1の表面7(アルミニウム極性層4)上に半導体素子層11を積層させ、最後に窒化アルミニウム単結晶基板2を除去する場合、該窒化アルミニウム単結晶基板2のない状態で自立する半導体素子とすることが望ましい。例えば、紫外透過性の低い窒化アルミニウム単結晶基板2を用いた積層体1の表面上に半導体素子層11を積層させ、紫外発光ダイオード(半導体素子)を製造する場合、光取り出し効率を向上させるために、紫外透過性の低い窒化アルミニウム単結晶基板2を除去することが好ましい。   Further, when the semiconductor element layer 11 is laminated on the surface 7 (aluminum polar layer 4) of the laminate 1 of the present invention and finally the aluminum nitride single crystal substrate 2 is removed, the aluminum nitride single crystal substrate 2 is not present. It is desirable to make the semiconductor device self-supporting. For example, in the case of manufacturing an ultraviolet light emitting diode (semiconductor element) by laminating the semiconductor element layer 11 on the surface of the laminate 1 using the aluminum nitride single crystal substrate 2 having low ultraviolet transmittance, in order to improve the light extraction efficiency. In addition, it is preferable to remove the aluminum nitride single crystal substrate 2 having low ultraviolet transmittance.

次に、本発明の窒化アルミニウム積層体、及び該積層体上に半導体素子層(多層半導体)を形成する方法について説明する。   Next, an aluminum nitride laminate of the present invention and a method for forming a semiconductor element layer (multilayer semiconductor) on the laminate will be described.

(窒化アルミニウム単結晶積層体の製造)
本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体1は、転位密度が10cm−2以下の窒化アルミニウム単結晶基板2をベース基板として用い、該ベース基板の窒素極性面6上に、アルミニウム原料ガスと窒素源ガスとを供給して反応させることにより、該窒素極性面6上に窒化アルミニウム単結晶層3を成長させればよい。この際、該窒素極性面6上の温度を1400℃以上1900℃以下とすることが好ましい。
(Production of aluminum nitride single crystal laminate)
The aluminum nitride single crystal laminate 1 of the present invention uses an aluminum nitride single crystal substrate 2 having a dislocation density of 10 6 cm −2 or less as a base substrate, and an aluminum source gas and nitrogen are formed on the nitrogen polar face 6 of the base substrate. The aluminum nitride single crystal layer 3 may be grown on the nitrogen polar face 6 by supplying and reacting with the source gas. At this time, the temperature on the nitrogen polar face 6 is preferably set to 1400 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower.

(窒化アルミニウム単結晶基板(ベース基板)の準備)
ベース基板の製造方法には、昇華法やHVPE(Hydride Vapor PhaseEpitaxy)法など、公知の方法を使用することができる。昇華法で製造した窒化アルミニウム単結晶基板(昇華法基板)のアルミニウム極性面上にHVPE法で窒化アルミニウム単結晶(HVPE層)を積層させて製造した窒化アルミニウム単結晶積層体をベース基板とすることもできる。
(Preparation of aluminum nitride single crystal substrate (base substrate))
A known method such as a sublimation method or a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method can be used as a method for manufacturing the base substrate. An aluminum nitride single crystal laminate produced by laminating an aluminum nitride single crystal (HVPE layer) by an HVPE method on an aluminum polar surface of an aluminum nitride single crystal substrate (sublimation method substrate) produced by a sublimation method is used as a base substrate. You can also.

ベース基板の製造においては、成長面は特に制限されるものではなく、c面(アルミニウム極性面あるいは窒素極性面)、あるいはm面、a面、r面等が使用できる。ただし、本発明においては、窒化アルミニウム単結晶層3を成長させる面はベース基板の窒素極性面であり、裏面はアルミニウム極性面であるため、ベース基板の製造においてはアルミニウム極性面または窒素極性面を成長面として製造することが好ましい。ベース基板の製造において、成長面が窒素極性面であれば、該窒素極性面上に窒化アルミニウム単結晶層3を成長することが可能である。また、ベース基板の製造において、成長面がアルミニウム極性面であれば、窒化アルミニウム単結晶層3を成長する際に、ベース基板の窒素極性面を表面にして成長を開始すればよい。ベース基板をc面以外の面で製造した場合においては、該基板の製造後に、切断加工等によって、表面にアルミニウム極性面および窒素極性面を露出させ、露出させた窒素極性面上に極性反転層を成長させればよい。   In the production of the base substrate, the growth surface is not particularly limited, and c-plane (aluminum polar surface or nitrogen polar surface), m-plane, a-plane, r-plane or the like can be used. However, in the present invention, the surface on which the aluminum nitride single crystal layer 3 is grown is the nitrogen polar surface of the base substrate, and the back surface is the aluminum polar surface. Therefore, in manufacturing the base substrate, the aluminum polar surface or the nitrogen polar surface is used. It is preferable to manufacture as a growth surface. In the production of the base substrate, if the growth surface is a nitrogen polar surface, the aluminum nitride single crystal layer 3 can be grown on the nitrogen polar surface. In the production of the base substrate, if the growth surface is an aluminum polar surface, the growth may be started with the nitrogen polar surface of the base substrate as the surface when the aluminum nitride single crystal layer 3 is grown. When the base substrate is manufactured on a surface other than the c-plane, the aluminum polarity surface and the nitrogen polarity surface are exposed on the surface by cutting or the like after the substrate is manufactured, and the polarity inversion layer is formed on the exposed nitrogen polarity surface. Can be grown.

何れの場合においても、窒化アルミニウム単結晶層のクラックや欠陥、応力等を低減させるため、窒化アルミニウム単結晶層を成長させる面(窒素極性面6)の表面粗さは、好ましくは5nm以下、より好ましくは2nm以下、さらに好ましくは1nm以下である。そして、表面の曲率半径においては、|5|m以上、さらに好ましくは|10|m以上とすることが好ましい。表面粗さや曲率半径は、表面をCMPする際に用いる研磨剤の影響を受けることがある。具体的には、アルカリ性、中性、または酸性の研磨剤を用いて研磨することができるが、本発明においては、該表面は、窒素極性面であり、耐アルカリ性が低いため、弱アルカリ性、中性または酸性の研磨剤、具体的には、pH8以下の研磨剤を用いることが好ましい。   In any case, in order to reduce cracks, defects, stress and the like of the aluminum nitride single crystal layer, the surface roughness (nitrogen polar surface 6) on which the aluminum nitride single crystal layer is grown is preferably 5 nm or less. Preferably it is 2 nm or less, More preferably, it is 1 nm or less. The surface curvature radius is preferably | 5 | m or more, more preferably | 10 | m or more. The surface roughness and the radius of curvature may be affected by the abrasive used when CMP is performed on the surface. Specifically, polishing can be performed using an alkaline, neutral, or acidic abrasive, but in the present invention, the surface is a nitrogen polar surface and has low alkali resistance, so that it is weakly alkaline. Or acidic abrasive, specifically, an abrasive having a pH of 8 or less is preferably used.

(窒化アルミニウム単結晶層の形成)
窒化アルミニウム単結晶層3の形成方法としては、HVPE法やMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法など公知の方法を用いることができる。中でも、特許文献2に記載のように、HVPE法において成長温度1400℃以上1900℃以下で窒素極性面上に窒化アルミニウムを成長させると、極性が反転することが分かっている。そして、本発明者等の検討によると、生産性の観点からは、成長温度1400℃以上1700℃以下がより好ましい。
(Formation of aluminum nitride single crystal layer)
As a method for forming the aluminum nitride single crystal layer 3, a known method such as an HVPE method or a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method can be used. In particular, as described in Patent Document 2, it is known that when aluminum nitride is grown on a nitrogen polar surface at a growth temperature of 1400 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower in the HVPE method, the polarity is reversed. According to the study by the present inventors, a growth temperature of 1400 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower is more preferable from the viewpoint of productivity.

窒化アルミニウム単結晶層3の形成に適している、HVPE法について説明する。HVPE法は、昇華法と比べると成長速度が遅く、バルク単結晶を製造するには適していないが、深紫外光透過率に悪影響を及ぼす不純物濃度が低いため、発光ダイオード用窒化アルミニウム単結晶基板の製造に好適に用いられる。また、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法やMOCVD法と比較すると膜厚を精密に制御することには適していない一方で、結晶性の良好な単結晶を速い成膜速度で成長させることが可能であるため、単結晶基板の量産に適しているといえる。   An HVPE method suitable for forming the aluminum nitride single crystal layer 3 will be described. The HVPE method has a slower growth rate than the sublimation method and is not suitable for manufacturing a bulk single crystal, but has a low impurity concentration that adversely affects the deep ultraviolet light transmittance. It is used suitably for manufacture of. In addition, compared with MBE (Molecular Beam Epitaxy) method and MOCVD method, it is not suitable for precise film thickness control, but it is possible to grow a single crystal with good crystallinity at a high film formation rate. Therefore, it can be said that it is suitable for mass production of single crystal substrates.

HVPE法に用いる気相成長装置(HVPE装置)の代表例の概念図を図4に示す。HVPE法による窒化アルミニウム単結晶層3の成長は、III族原料ガス(アルミニウム源ガス)と、V族原料ガス(窒素源ガス)とを反応器中に供給し、両者のガスを加熱された基板上で反応させることにより行われる。III族原料ガスには、塩化アルミニウムガス等の、ハロゲン化アルミニウムガスが、V族原料ガスには、アンモニアガスが好適に使用される。   FIG. 4 shows a conceptual diagram of a typical example of a vapor phase growth apparatus (HVPE apparatus) used for the HVPE method. The growth of the aluminum nitride single crystal layer 3 by the HVPE method is performed by supplying a group III source gas (aluminum source gas) and a group V source gas (nitrogen source gas) into the reactor, and both gases are heated. This is done by reacting above. Aluminum halide gas such as aluminum chloride gas is suitably used for the group III source gas, and ammonia gas is suitably used for the group V source gas.

HVPE法では、結晶性が良好な単結晶を得るために、様々な検討が行われている。本発明においては、それら公知の方法が特に制限なく使用できる。中でも、本発明においては、一ハロゲン化アルミニウムガスが低減されたハロゲン化アルミニウムガス(主成分は、三ハロゲン化アルミニウムガス)を原料ガスとすることが好ましい。三ハロゲン化アルミニウムガス中に一ハロゲン化アルミニウムガスが多く含まれると、結晶品質が低下する場合がある。   In the HVPE method, various studies have been conducted in order to obtain a single crystal with good crystallinity. In the present invention, these known methods can be used without any particular limitation. Among these, in the present invention, it is preferable to use an aluminum halide gas (a main component is an aluminum trihalide gas) in which an aluminum monohalide gas is reduced as a raw material gas. If the aluminum trihalide gas contains a large amount of aluminum monohalide gas, the crystal quality may deteriorate.

以上のような理由から、窒化アルミニウム単結晶層3をHVPE法で成長させる場合には、窒素極性面上の反応域において、原料ガスであるハロゲン化アルミニウムガス(主成分は、三ハロゲン化アルミニウムガス)を供給する前に、ハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを供給することが好ましい。このようにハロゲン系ガスを先行供給することにより、一ハロゲン化アルミニウムガスの平衡分圧を確実に下げることができ、一ハロゲン化アルミニウムガスの発生を抑制できるからである。また、この方法に限定されず、一ハロゲン化アルミニウムガスの生成を抑制する方法は、公知の方法を採用することができる。その他の条件は、特に制限されるものではなく、例えば、特許文献7の方法を採用することができる。   For the above reasons, when the aluminum nitride single crystal layer 3 is grown by the HVPE method, in the reaction zone on the nitrogen polar surface, the source gas is an aluminum halide gas (the main component is an aluminum trihalide gas). ) Is preferably supplied at least one halogen-based gas selected from a hydrogen halide gas and a halogen gas. This is because by supplying the halogen-based gas in advance, the equilibrium partial pressure of the aluminum monohalide gas can be reliably lowered, and generation of the aluminum monohalide gas can be suppressed. Moreover, it is not limited to this method, The method of suppressing the production | generation of aluminum monohalide gas can employ | adopt a well-known method. Other conditions are not particularly limited, and for example, the method of Patent Document 7 can be adopted.

窒化アルミニウム単結晶層3において、全面がアルミニウム極性となった後(極性反転部の最大の厚み以上の膜厚を形成した後)、アルミニウム極性層4を形成する方法は、極性反転部を含む窒化アルミニウム単結晶層と同じであってもよいし、異なってもよい。具体的には、HVPE法で1400℃以下の温度で形成することもできる。また、該アルミニウム極性層4は、窒化アルミニウム単結晶基板2に極性反転部8を含む窒化アルミニウム単結晶層を積層した基板を成膜装置から取り出すことなく、連続して該極性反転層部8上に成長することもできるし、一度装置から取り出してから改めて装置へ導入し成長することもできる。表面の安定性のためには、連続して成長することが好ましい。   In the aluminum nitride single crystal layer 3, after the entire surface becomes aluminum polarity (after forming a film thickness equal to or larger than the maximum thickness of the polarity reversal part), the method of forming the aluminum polar layer 4 is a nitridation including a polarity reversal part It may be the same as or different from the aluminum single crystal layer. Specifically, it can be formed at a temperature of 1400 ° C. or less by the HVPE method. The aluminum polar layer 4 is continuously formed on the polarity inversion layer portion 8 without taking out the substrate in which the aluminum nitride single crystal layer including the polarity inversion portion 8 is laminated on the aluminum nitride single crystal substrate 2 from the film forming apparatus. It can also be grown to once, or it can be taken out from the apparatus once and then introduced again into the apparatus to grow. For surface stability, continuous growth is preferred.

窒化アルミニウム単結晶層3をHVPE法で製造することにより、紫外光透過率の高い層を形成することができる。ベース基板である窒化アルミニウム単結晶基板2が昇華法により製造された紫外光透過率の低い基板である場合には、最終的に、昇華法により製造された基板を除去できるように、HVPE法で製造された該窒化アルミニウム単結晶層3上に、半導体素子層(多層半導体)を形成することが好ましい。   By manufacturing the aluminum nitride single crystal layer 3 by the HVPE method, a layer having a high ultraviolet light transmittance can be formed. When the aluminum nitride single crystal substrate 2 which is the base substrate is a substrate having a low ultraviolet light transmittance manufactured by the sublimation method, the substrate manufactured by the sublimation method can be finally removed by the HVPE method. A semiconductor element layer (multilayer semiconductor) is preferably formed on the produced aluminum nitride single crystal layer 3.

以上のような方法により、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体1を製造することができる。次に、本発明の積層体1の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、半導体素子層11(多層半導体)を成長し、半導体素子10を製造する方法について説明する。   By the method as described above, the aluminum nitride single crystal laminate 1 of the present invention can be manufactured. Next, a method for manufacturing the semiconductor element 10 by growing the semiconductor element layer 11 (multilayer semiconductor) on at least one aluminum polar surface of the laminate 1 of the present invention will be described.

(半導体素子の製造方法)
本発明は、前記窒化アルミニウム単結晶積層体1の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、少なくともn型半導体層12を有する半導体素子層11を製造し、該半導体素子層11をアルカリ溶液と接触させる場合に、特に優れた効果を発揮する。また、前記半導体素子層11は、n型半導体層12、活性層13、及びp型半導体層14を少なくとも有する多層半導体であってもよい。多層半導体を形成する場合、p型半導体層14、及び該活性層13の一部を除去してn型半導体層12を露出させた後、該n型半導体層12が露出した多層半導体をアルカリ溶液と接触させる場合に、本発明は、特に優れた効果を発揮する。
(Semiconductor element manufacturing method)
In the present invention, a semiconductor element layer 11 having at least an n-type semiconductor layer 12 is manufactured on at least one aluminum polar surface of the aluminum nitride single crystal laminate 1, and the semiconductor element layer 11 is brought into contact with an alkaline solution. In particular, it exhibits an excellent effect. The semiconductor element layer 11 may be a multilayer semiconductor having at least an n-type semiconductor layer 12, an active layer 13, and a p-type semiconductor layer 14. When forming a multilayer semiconductor, the p-type semiconductor layer 14 and a part of the active layer 13 are removed to expose the n-type semiconductor layer 12, and then the multilayer semiconductor from which the n-type semiconductor layer 12 is exposed is converted to an alkaline solution. The present invention exhibits particularly excellent effects when it is brought into contact with.

前記n型半導体層12、活性層13、及びp型半導体層14は、AlGaInN(但し、X、Y、Zは、0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦Z≦1.0、X+Y+Z=1.0を満足する有理数である。)で表されるIII族窒化物半導体からなることが好ましい。該組成の半導体素子層11は、第一の本発明である窒化アルミニウム単結晶積層体1上に形成することにより、クラックや歪み、転位密度が小さく、高品質な半導体素子層11とすることができる。 The n-type semiconductor layer 12, active layer 13 and p-type semiconductor layer 14, is, Al X Ga Y In Z N ( where, X, Y, Z is, 0 ≦ X ≦ 1.0,0 ≦ Y ≦ 1. 0, 0 ≦ Z ≦ 1.0, and a rational number satisfying X + Y + Z = 1.0). By forming the semiconductor element layer 11 having the composition on the aluminum nitride single crystal laminate 1 according to the first aspect of the present invention, a high-quality semiconductor element layer 11 having small cracks, strains, and dislocation density can be obtained. it can.

上記半導体素子層11(多層半導体)の形成方法は、特に制限されるものではなく、例えば、特許文献8の方法により実施できる。   The method for forming the semiconductor element layer 11 (multilayer semiconductor) is not particularly limited, and can be implemented by, for example, the method of Patent Document 8.

(半導体素子層(多層半導体)の形成)
前記n型半導体層12、活性層13、およびp型半導体層14は、MOCVD法、MBE法など公知の方法で形成することができる。具体的には、例えば、特許文献8に記載のMOCVD法を用いて形成することができる。
(Formation of semiconductor element layer (multilayer semiconductor))
The n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 can be formed by a known method such as MOCVD or MBE. Specifically, it can be formed using, for example, the MOCVD method described in Patent Document 8.

n型半導体層12は、ドーパント原料を含有させることによりn型の導電性を付与した導電層である。AlGaN単結晶からなることが好ましく、ドーパント原料としては、Si、O、Geなどの公知のn型ドーパント材料をドーピングできるが、原料濃度の制御性やn型層中のイオン化エネルギーなどを考慮すると、Siであることが好ましい。n型半導体層の転位密度は、好ましくは10cm−2以下であり、より好ましくは10cm−2以下であり、最も好ましくは10cm−2以下である。該転位密度は、本発明の窒化アルミニウム単結晶積層体1を用いることで達成が容易となる。また、n型半導体層12の厚みは、特に制限されるものではなく、500〜5000nmであることが好ましい。 The n-type semiconductor layer 12 is a conductive layer imparted with n-type conductivity by containing a dopant raw material. It is preferably made of an AlGaN single crystal, and as a dopant raw material, a known n-type dopant material such as Si, O, Ge, etc. can be doped, but considering the controllability of the raw material concentration, ionization energy in the n-type layer, etc. Si is preferred. The dislocation density of the n-type semiconductor layer is preferably 10 8 cm −2 or less, more preferably 10 6 cm −2 or less, and most preferably 10 4 cm −2 or less. The dislocation density can be easily achieved by using the aluminum nitride single crystal laminate 1 of the present invention. Further, the thickness of the n-type semiconductor layer 12 is not particularly limited, and is preferably 500 to 5000 nm.

活性層13は、n型半導体層12上に形成され、量子井戸層と障壁層とが組み合わされた量子井戸構造を有することが好ましい。該量子井戸構造は単一の量子井戸層を有する構造であってもよく、複数の量子井戸層を有する多重量子井戸構造であってもよい。量子井戸層の厚みは特に限定されるものではないが、出力密度の向上および信頼性の観点から、2〜10nmであることが好ましく、4〜8nmであることがより好ましい。また、より高い出力密度を安定して得るためには、活性層13は3層以上の量子井戸層を有することが好ましい。活性層が厚さ2〜10nmの量子井戸層を3層以上そなえる多重量子井戸構造を有することにより、量子井戸層の実効的な体積を大きくできるため、半導体素子駆動時の急激な出力特性の劣化を抑制することが可能となる。障壁層の厚みも、特に限定されるものではないが、一般的には5〜30nmの範囲内である。   The active layer 13 is preferably formed on the n-type semiconductor layer 12 and has a quantum well structure in which a quantum well layer and a barrier layer are combined. The quantum well structure may be a structure having a single quantum well layer or a multiple quantum well structure having a plurality of quantum well layers. The thickness of the quantum well layer is not particularly limited, but is preferably 2 to 10 nm, and more preferably 4 to 8 nm, from the viewpoint of improvement in output density and reliability. In order to stably obtain a higher power density, the active layer 13 preferably has three or more quantum well layers. Since the active layer has a multiple quantum well structure having three or more quantum well layers having a thickness of 2 to 10 nm, the effective volume of the quantum well layer can be increased, so that the output characteristics are rapidly deteriorated when the semiconductor element is driven. Can be suppressed. The thickness of the barrier layer is not particularly limited, but is generally in the range of 5 to 30 nm.

p型半導体層14は、公知のp型ドーパント原料を含有させることによりp型の導電性を付与した導電層である。公知のp型ドーパント材料の中でも、Mgをドーパントとすることが好ましい。p型半導体層は、単一の組成を有する単層構造であっても、組成の異なる複数の層を積層した多層構造でもよい。活性層への電子の閉じ込め効果、p型電極との接触抵抗の低減効果を持たせるためには、多層構造であることが好ましい。例えば、組成の異なるAlGaN層を2層積層し、さらにInGaN層を積層することができる。AlGaN層の膜厚は特に限定されるものではないが、それぞれ5〜50nmの範囲内であることが好ましい。また、InGaN層の膜厚も特に限定されるものではないが、5〜200nmであることが好ましい。また、p型半導体層14の各層に含まれるドーパントの量は、導電性の観点から、1×1019〜1×1020cm−3の範囲内であることが好ましい。 The p-type semiconductor layer 14 is a conductive layer imparted with p-type conductivity by containing a known p-type dopant raw material. Among known p-type dopant materials, Mg is preferably used as a dopant. The p-type semiconductor layer may have a single layer structure having a single composition or a multilayer structure in which a plurality of layers having different compositions are stacked. In order to have the effect of confining electrons in the active layer and the effect of reducing the contact resistance with the p-type electrode, a multilayer structure is preferable. For example, two AlGaN layers having different compositions can be stacked, and further an InGaN layer can be stacked. The thickness of the AlGaN layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 50 nm. The thickness of the InGaN layer is not particularly limited, but is preferably 5 to 200 nm. Moreover, it is preferable that the quantity of the dopant contained in each layer of the p-type semiconductor layer 14 exists in the range of 1 * 10 < 19 > -1 * 10 < 20 > cm < -3 > from an electroconductive viewpoint.

この他、具体的に記載はしなかったが、電子ブロック層等をもける設けることもできる。   In addition, although not specifically described, an electron blocking layer or the like can be provided.

(電極形成)
n型電極16は、n型半導体層12(n型層12)の上に形成される。通常、以下の方法によりn型半導体層12上にn型電極16が形成される。先ず、例えば上記半導体素子層11(多層半導体)の形成方法により、窒化アルミニウム単結晶積層体1、n型半導体層12、活性層13、およびp型半導体層14(p型層14)がこの順で積層された積層体を製造する。次に、p型半導体層14の側から積層体の一部をエッチング等で除去することによりn型半導体層12の表面を露出させる。エッチング方法としては公知の方法、例えば、誘導結合プラズマ(ICP;Inductively Coupled Plasma)エッチング等の方法を特に制限なく採用できる。
(Electrode formation)
The n-type electrode 16 is formed on the n-type semiconductor layer 12 (n-type layer 12). Usually, the n-type electrode 16 is formed on the n-type semiconductor layer 12 by the following method. First, for example, by the method of forming the semiconductor element layer 11 (multilayer semiconductor), the aluminum nitride single crystal stacked body 1, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 (p-type layer 14) are arranged in this order. The laminated body laminated | stacked by is manufactured. Next, the surface of the n-type semiconductor layer 12 is exposed by removing a part of the stacked body from the p-type semiconductor layer 14 side by etching or the like. As the etching method, a known method such as an inductively coupled plasma (ICP) etching method can be used without particular limitation.

ICPエッチングを採用した場合、特許文献6に記載のように、ICPエッチングにより露出し、またダメージが生じたn型半導体層12に、アルカリ溶液、具体的にはKOH水溶液を接触させることで、ダメージ層を除去することが好ましい。本発明では、裏面が転位密度の低いアルミニウム極性面であるために、裏面に該溶液が接触しても裏面が溶解することがない。そのため、窒素極性面が露出していた従来の窒化アルミニウム単結晶基板を用いる際に必要だった窒素極性面を保護する工程を省いてアルカリ溶液と接触させることができる。   When ICP etching is employed, as described in Patent Document 6, damage is caused by contacting an alkali solution, specifically, an aqueous KOH solution, with the n-type semiconductor layer 12 exposed and damaged by ICP etching. It is preferred to remove the layer. In the present invention, since the back surface is an aluminum polar surface having a low dislocation density, the back surface does not dissolve even if the solution contacts the back surface. Therefore, the step of protecting the nitrogen polar surface, which was necessary when using the conventional aluminum nitride single crystal substrate in which the nitrogen polar surface is exposed, can be omitted and brought into contact with the alkaline solution.

続いて、n型半導体層12上にn型電極16を形成する。n型電極16は、公知のn型オーミック電極材料および形成方法を用いて形成することができる。n型オーミック電極材料は、n型半導体層12との接触抵抗値を低減可能な材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、Ti、Alを含む材料が使用できる。n型電極16を構成する各層は、真空蒸着法、スパッタリング法などによって形成できる。また、n型電極16とn型半導体層12との接触抵抗値を低減させるため、n型電極16を形成したあとに、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気中でアニールすることが好ましい。n型電極16の厚みは、特に限定されるものではなく、接触抵抗値の低減が可能な範囲でn型電極16(層)を構成する各層の膜厚を適宜決定すればよいが、n型電極16(層)の生産性などを考慮すると、総厚を50〜500nmにすることが好ましい。   Subsequently, an n-type electrode 16 is formed on the n-type semiconductor layer 12. The n-type electrode 16 can be formed using a known n-type ohmic electrode material and formation method. The n-type ohmic electrode material is not particularly limited as long as it can reduce the contact resistance value with the n-type semiconductor layer 12. For example, a material containing Ti and Al can be used. Each layer constituting the n-type electrode 16 can be formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like. In order to reduce the contact resistance value between the n-type electrode 16 and the n-type semiconductor layer 12, it is preferable to anneal in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen after the n-type electrode 16 is formed. The thickness of the n-type electrode 16 is not particularly limited, and the thickness of each layer constituting the n-type electrode 16 (layer) may be appropriately determined within a range in which the contact resistance value can be reduced. Considering the productivity of the electrode 16 (layer), the total thickness is preferably 50 to 500 nm.

p型電極15は、p型層(図3上では、p型半導体層14)上に形成される。p型電極15には、公知のp型オーミック電極材料を使用することができる。具体的には、p型層との接触抵抗値を低減可能な材料であれば、特に限定されるものではないが、例えば、NiおよびAuを含む電極材料を好ましく採用することができる。これらの電極材料の層は、真空蒸着法、スパッタリング法などによって形成できる。また、p型電極15を形成した後には、接触抵抗値を低減させるために、窒素、酸素などの雰囲気中でアニール処理を行うことが好ましい。p型電極15(層)の厚みは、特に制限されるものではないが、5〜300nmであることが好ましい。   The p-type electrode 15 is formed on the p-type layer (p-type semiconductor layer 14 in FIG. 3). A known p-type ohmic electrode material can be used for the p-type electrode 15. Specifically, the material is not particularly limited as long as the material can reduce the contact resistance value with the p-type layer. For example, an electrode material containing Ni and Au can be preferably used. These electrode material layers can be formed by vacuum deposition, sputtering, or the like. In addition, after the p-type electrode 15 is formed, it is preferable to perform an annealing process in an atmosphere of nitrogen, oxygen or the like in order to reduce the contact resistance value. The thickness of the p-type electrode 15 (layer) is not particularly limited, but is preferably 5 to 300 nm.

n型電極16およびp型電極15の配置は特に限定されるものではないが、n型電極16とp型電極15との間の距離は0.5〜10μmであることが好ましく、さらに、半導体素子の駆動時における電流経路の均一性が高められるように、p型電極15の周囲をn型電極16が略均等に囲う形状であることが好ましい。   The arrangement of the n-type electrode 16 and the p-type electrode 15 is not particularly limited, but the distance between the n-type electrode 16 and the p-type electrode 15 is preferably 0.5 to 10 μm, and the semiconductor It is preferable that the n-type electrode 16 surround the p-type electrode 15 substantially uniformly so as to improve the uniformity of the current path when the element is driven.

(窒化アルミニウム単結晶積層体の両面を用いた半導体素子の製造)
上記方法にて、窒化アルミニウム積層体の一方のアルミニウム極性面上に半導体素子層を形成し、さらに、該半導体素子層の形成と同じ方法または異なる方法にて、該積層体の他方のアルミニウム極性面上に半導体素子層を形成することもできる。
(Manufacture of semiconductor elements using both surfaces of aluminum nitride single crystal laminate)
In the above method, a semiconductor element layer is formed on one aluminum polar face of the aluminum nitride laminate, and the other aluminum polar face of the laminate is formed by the same method or a different method as the formation of the semiconductor element layer. A semiconductor element layer can also be formed thereon.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

<実施例1>
昇華法により製造された窒化アルミニウム単結晶基板2の窒素極性面6上に、HVPE法で窒化アルミニウム単結晶層3を形成して製造した窒化アルミニウム単結晶積層体1の裏面5(窒化アルミニウム単結晶基板のアルミニウム極性面)上に半導体素子層11を積層して製造した深紫外発光ダイオードの実施例である。
<Example 1>
Back surface 5 (aluminum nitride single crystal) of aluminum nitride single crystal laminate 1 manufactured by forming aluminum nitride single crystal layer 3 by HVPE method on nitrogen polar surface 6 of aluminum nitride single crystal substrate 2 manufactured by sublimation method This is an example of a deep ultraviolet light emitting diode manufactured by laminating the semiconductor element layer 11 on the aluminum polar surface of the substrate.

(窒化アルミニウム単結晶基板の準備)
昇華法により製造された、φ1inchの市販の窒化アルミニウム単結晶基板を準備した。該基板の窒素極性面6を、中性の研磨剤を用いてCMPした。研磨後の板厚は450μm、窒素極性面6のRMSは0.9nm、窒素極性面の曲率半径は12mであった。
(Preparation of aluminum nitride single crystal substrate)
A commercially available aluminum nitride single crystal substrate of φ1 inch manufactured by the sublimation method was prepared. The nitrogen polar surface 6 of the substrate was subjected to CMP using a neutral abrasive. The plate thickness after polishing was 450 μm, the RMS of the nitrogen polar face 6 was 0.9 nm, and the radius of curvature of the nitrogen polar face was 12 m.

次に、該窒化アルミニウム単結晶基板を、7mm角程度の正方形形状4つに切断した。1つは該窒化アルミニウム単結晶基板分析用基板、2つは窒化アルミニウム単結晶積層体製造・分析用基板、1つは半導体素子(深紫外発光ダイオード)製造・分析用基板とした。   Next, the aluminum nitride single crystal substrate was cut into four square shapes of about 7 mm square. One was an aluminum nitride single crystal substrate analysis substrate, two was an aluminum nitride single crystal laminate production / analysis substrate, and one was a semiconductor element (deep ultraviolet light emitting diode) production / analysis substrate.

該窒化アルミニウム単結晶基板分析用基板のアルミニウム極性面5および窒素極性面6の転位密度を、断面TEMで測定した。倍率10000倍でおよそ150μmの領域を観察ところ、両面ともに転位は一つも観察されなかったことから、両面ともに転位密度は7×10cm−2以下であることが分かった。アルミニウム極性面5の転位密度は、EPD法によっても転位密度を測定した。具体的には、KOHとNaOHを重量比1:1で混合し、450℃に加熱した溶融液に5分間浸漬させた際のエッチピットの値を転位密度としたところ、6×10cm−2であった。 The dislocation density of the aluminum polar face 5 and the nitrogen polar face 6 of the aluminum nitride single crystal substrate analysis substrate was measured by a cross-sectional TEM. When an area of about 150 μm 2 was observed at a magnification of 10,000, no dislocation was observed on both surfaces, and it was found that the dislocation density was 7 × 10 5 cm −2 or less on both surfaces. The dislocation density of the aluminum polar face 5 was also measured by the EPD method. Specifically, when KOH and NaOH were mixed at a weight ratio of 1: 1 and immersed in a melt heated to 450 ° C. for 5 minutes, the value of etch pits was defined as a dislocation density of 6 × 10 4 cm −. 2 .

(窒化アルミニウム単結晶層の積層)
窒化アルミニウム単結晶層の成長には、図4の態様の気相成長装置(HVPE装置)を用いた。
(Lamination of aluminum nitride single crystal layer)
For the growth of the aluminum nitride single crystal layer, the vapor phase growth apparatus (HVPE apparatus) of the embodiment shown in FIG. 4 was used.

前記窒化アルミニウム単結晶積層体の製造・分析用基板の1つを、ベース基板22として、窒素極性面6が成長面となるように、サセプタ23上に設置した。   One of the substrates for manufacturing and analyzing the aluminum nitride single crystal laminate was placed on the susceptor 23 as the base substrate 22 so that the nitrogen polar face 6 became the growth face.

押し出しガス導入口24から、反応管内部雰囲気の全体を押し流すためのガスとして、水素と窒素を7:3の割合で混合した水素窒素混合キャリアガス6500sccmを流した。また、成長中の反応器21の圧力は0.99atmに保持した。   A hydrogen / nitrogen mixed carrier gas 6500 sccm in which hydrogen and nitrogen were mixed at a ratio of 7: 3 was allowed to flow from the extruded gas inlet 24 as a gas for sweeping the entire atmosphere inside the reaction tube. Further, the pressure in the reactor 21 during the growth was maintained at 0.99 atm.

窒素源ガス導入口41からアンモニアガス20sccm、水素キャリアガス160sccmを、V族追加ハロゲン系ガス供給ノズル44から塩化水素ガス20sccmを供給し、窒素源ガス供給ノズル42からベース基板22上へ計200sccmの混合ガスを供給した。この際、窒素源ガス供給ノズル42の温度は400℃とし、アンモニアガスと塩化水素ガスとが反応しないように調整した。また、バリアガスノズル(窒素源ガス供給ノズル42、及びハロゲン化アルミニウムガス供給ノズル34との間からバリアガスを供給できるように配置されたノズル。ただし、図示していない。)から窒素ガス1500sccmを供給した。   An ammonia gas of 20 sccm and a hydrogen carrier gas of 160 sccm are supplied from the nitrogen source gas inlet 41, and a hydrogen chloride gas of 20 sccm is supplied from the group V additional halogen-based gas supply nozzle 44. A mixed gas was supplied. At this time, the temperature of the nitrogen source gas supply nozzle 42 was adjusted to 400 ° C. so that ammonia gas and hydrogen chloride gas did not react. Further, 1500 sccm of nitrogen gas was supplied from a barrier gas nozzle (a nozzle arranged so as to be able to supply barrier gas from between the nitrogen source gas supply nozzle 42 and the aluminum halide gas supply nozzle 34 (not shown)). .

上記ガス供給条件で、ベース基板22を1450℃に加熱した。   The base substrate 22 was heated to 1450 ° C. under the above gas supply conditions.

ベース基板22を1450℃に加熱した後、III族追加ハロゲン系ガス供給ノズル36から塩化水素ガス7sccmを供給し、原料ハロゲン系ガス導入ノズル33から水素窒素混合キャリアガス1793sccmを供給することにより、ハロゲン化アルミニウムガス供給ノズル34から合計1800sccmのガスを供給した。   After heating the base substrate 22 to 1450 ° C., hydrogen chloride gas 7 sccm is supplied from the group III additional halogen-based gas supply nozzle 36, and hydrogen nitrogen mixed carrier gas 1793 sccm is supplied from the raw material halogen-based gas introduction nozzle 33, A total of 1800 sccm of gas was supplied from the aluminum fluoride gas supply nozzle 34.

III族追加ハロゲン系ガス供給ノズル36から塩化水素ガスの供給を開始して25秒後に、原料ハロゲン系ガス導入ノズル33より塩化水素ガスを9sccm導入し、原料部反応器31においてあらかじめ400℃に加熱されているアルミニウム32と反応させ塩化アルミニウムガスを発生させた。同時に水素窒素混合キャリアガスを9sccm減らし、1784sccmとした。塩化アルミニウムガスはハロゲン化アルミニウムガス供給ノズル34からベース基板22上に供給され、結晶成長を開始した。   25 seconds after the supply of hydrogen chloride gas from the group III additional halogen gas supply nozzle 36 is started, 9 sccm of hydrogen chloride gas is introduced from the raw material halogen gas introduction nozzle 33 and heated to 400 ° C. in the raw material reactor 31 in advance. The aluminum chloride gas was generated by reacting with aluminum 32. At the same time, the hydrogen-nitrogen mixed carrier gas was reduced by 9 sccm to 1784 sccm. The aluminum chloride gas was supplied onto the base substrate 22 from the aluminum halide gas supply nozzle 34, and crystal growth was started.

上記条件のガス流量とベース基板温度でベース基板22上に窒化アルミニウム単結晶層3を12μm成長した。ここで、窒化アルミニウム単結晶層の成長膜厚は、事前実験により求めた同条件における成長速度から、成長膜厚が12μmとなるような成長時間で成長することにより得られた膜厚である。窒化アルミニウム単結晶層3の成長後、塩化アルミニウムガス、アンモニアガス、塩化水素ガスの供給を停止して室温まで冷却した。   The aluminum nitride single crystal layer 3 was grown to 12 μm on the base substrate 22 with the gas flow rate and base substrate temperature under the above conditions. Here, the growth film thickness of the aluminum nitride single crystal layer is a film thickness obtained by growing in a growth time such that the growth film thickness becomes 12 μm, based on the growth rate obtained under the same conditions obtained by a preliminary experiment. After the growth of the aluminum nitride single crystal layer 3, the supply of aluminum chloride gas, ammonia gas, and hydrogen chloride gas was stopped and cooled to room temperature.

以上の方法で、表面7および裏面5の全面がアルミニウム極性面である窒化アルミニウム単結晶積層体1が完成した。   By the above method, the aluminum nitride single crystal laminate 1 in which the entire surface 7 and the back surface 5 are aluminum polar surfaces was completed.

残りの前記窒化アルミニウム単結晶積層体製造・分析用基板および半導体素子(深紫外発光ダイオード)製造・分析用基板の窒素極性面6上にも、上記方法と全く同じ条件で、窒化アルミニウム単結晶層3を積層し、窒化アルミニウム単結晶積層体1を合計で3つ製造した。   An aluminum nitride single crystal layer is formed on the remaining nitrogen nitride plane 6 of the aluminum nitride single crystal laminate manufacturing / analysis substrate and semiconductor element (deep ultraviolet light emitting diode) manufacturing / analysis substrate under exactly the same conditions as described above. 3 were laminated to produce a total of three aluminum nitride single crystal laminates 1.

(窒化アルミニウム単結晶積層体の研磨および分析)
得られた3つの窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7を、アルカリ性の研磨剤を用いてCMPした。研磨後の、1つの窒化アルミニウム単結晶積層体の表面および裏面をEPD法で転位密度を測定したところ、それぞれ7×10cm−2、6×10cm−2であった。また別の1つの窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7の曲率半径を測定したところ、10mであった。さらに、該窒化アルミニウム単結晶積層体の表面をXRDでθ−2θ測定したところ、窒化アルミニウム(002)面およびそれと等価な面の回折角のみにピークが現れたことから該窒化アルミニウム単結晶層が単結晶であることが確認できた。さらに、該窒化アルミニウム単結晶積層体1の断面の3個所をTEMで倍率12500倍で観察したところ、窒化アルミニウム単結晶層3は5.0μmであり、極性反転部8の最大の厚みは1.3μmであり、アルミニウム極性層4は3.7μmであった。
(Polishing and analysis of aluminum nitride single crystal laminate)
The surface 7 of the obtained three aluminum nitride single crystal laminates 1 was subjected to CMP using an alkaline abrasive. When the dislocation density was measured on the front and back surfaces of one aluminum nitride single crystal laminate after polishing by the EPD method, they were 7 × 10 4 cm −2 and 6 × 10 4 cm −2 , respectively. Further, when the radius of curvature of the surface 7 of another single aluminum nitride single crystal laminate 1 was measured, it was 10 m. Further, when the surface of the aluminum nitride single crystal laminate was measured by XRD θ-2θ, a peak appeared only in the diffraction angle of the aluminum nitride (002) plane and its equivalent surface. It was confirmed to be a single crystal. Further, when the three portions of the cross section of the aluminum nitride single crystal laminate 1 were observed with a TEM at a magnification of 12500 times, the aluminum nitride single crystal layer 3 was 5.0 μm, and the maximum thickness of the polarity reversal portion 8 was 1. 3 μm, and the aluminum polar layer 4 was 3.7 μm.

(半導体素子層の形成)
前記研磨後の窒化アルミニウム単結晶積層体1のうち、窒化アルミニウム単結晶層3の分析に使わなかった1つ(半導体素子製造・分析用基板を用いて製造した窒化アルミニウム単結晶積層体)を、該窒化アルミニウム単結晶積層体1の裏面5が成長面となるように、MOCVD装置内のサセプタ上に設置した。
(Formation of semiconductor element layer)
Of the aluminum nitride single crystal laminate 1 after polishing, one that was not used for analysis of the aluminum nitride single crystal layer 3 (aluminum nitride single crystal laminate produced using a substrate for semiconductor element production / analysis), The aluminum nitride single crystal laminate 1 was placed on the susceptor in the MOCVD apparatus so that the back surface 5 of the aluminum nitride single crystal laminate 1 became a growth surface.

1080℃で、n型Al0.65Ga0.35N層(厚さ1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.40Ga0.6N(厚さ4nm:量子井戸層)/Al0.55Ga0.45N層(厚さ10nm:障壁層):活性層)、p型AlN層(厚さ50nm:p型層)、p型Al0.75Ga0.25N(厚さ50nm:p型層)、p型GaN層(厚さ20nm:p型層)を順次積層し、多層半導体素子層11を形成した。不純物のドーピングは、n型層中のSi濃度が2×1019cm−3、p型層中のMg濃度が3×1019cm−3となるように、ドーパントとして用いたテトラエチルシランおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウム流量を制御した。 At 1080 ° C., an n-type Al 0.65 Ga 0.35 N layer (thickness 1 μm: n-type layer), triplet well layer (Al 0.40 Ga 0.6 N (thickness 4 nm: quantum well layer)) / Al 0.55 Ga 0.45 N layer (thickness 10 nm: barrier layer): active layer), p-type AlN layer (thickness 50 nm: p-type layer), p-type Al 0.75 Ga 0.25 N ( A multilayer semiconductor element layer 11 was formed by sequentially stacking a thickness of 50 nm: p-type layer) and a p-type GaN layer (thickness 20 nm: p-type layer). Impurity doping is performed using tetraethylsilane and biscyclohexane used as dopants so that the Si concentration in the n-type layer is 2 × 10 19 cm −3 and the Mg concentration in the p-type layer is 3 × 10 19 cm −3. The pentadienyl magnesium flow rate was controlled.

次いで、ICPエッチング装置により、紫外発光用積層体の一部(p型層側からの一部)をn型Al0.65Ga0.35N層(n型層)が露出するまでエッチングした。その後、該積層体を10wt%のKOH水溶液に100℃の温度で15分間浸漬させ、n型Al0.65Ga0.35N層(n型層)の表面処理を行った。 Next, a part of the ultraviolet light emitting laminate (part from the p-type layer side) was etched by an ICP etching apparatus until the n-type Al 0.65 Ga 0.35 N layer (n-type layer) was exposed. Thereafter, the laminate was immersed in a 10 wt% KOH aqueous solution at a temperature of 100 ° C. for 15 minutes to perform a surface treatment of the n-type Al 0.65 Ga 0.35 N layer (n-type layer).

表面処理を行ったn型層に、真空蒸着法によりTi層(厚さ20nm)/Al層(厚さ100nm)/Ti層(厚さ20nm)/Au層(厚さ50nm)かならなるn型電極を形成した。その後、窒素雰囲気中、1分間、950℃の条件で熱処理を行った。   An n-type layer in which a surface-treated n-type layer is made of Ti layer (thickness 20 nm) / Al layer (thickness 100 nm) / Ti layer (thickness 20 nm) / Au layer (thickness 50 nm) by vacuum deposition. An electrode was formed. Thereafter, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 950 ° C. for 1 minute.

次いで、p型GaN層上に、真空蒸着法によりNi層(厚さ20nm)/Au層(厚さ50nm)からなるp型電極を形成した後、酸素雰囲気中、5分間、500℃の条件で熱処理を行った。   Next, a p-type electrode composed of a Ni layer (thickness 20 nm) / Au layer (thickness 50 nm) is formed on the p-type GaN layer by vacuum deposition, and then in an oxygen atmosphere at 500 ° C. for 5 minutes. Heat treatment was performed.

最後に、窒化アルミニウム単結晶層3および窒化アルミニウム単結晶基板2を機械研磨により除去することで、紫外発光ダイオードウェハを完成させた。   Finally, the aluminum nitride single crystal layer 3 and the aluminum nitride single crystal substrate 2 were removed by mechanical polishing to complete an ultraviolet light emitting diode wafer.

(紫外発光ダイオード、およびその分析)
紫外発光ダイオードウェハを0.8mm角程度の正方形形状に切断することにより紫外発光ダイオードチップを作製し、該紫外発光ダイオードチップを多結晶AlNキャリアにマウントし、紫外発光ダイオードを完成させた。作製した紫外発光ダイオードの発光ピーク波長および発光出力(全光束)は、2インチ積分球(スフィアオプティクス社製ゼニスコーティング)、およびマルチチャンネル分光器(オーシャンフォトニクス社製USB4000)を用いて測定した。紫外発光ダイオードの発光ピーク波長は280nmであった。駆動電流値100mA、25℃で測定した発光出力密度(紫外発光ダイオードの、上述の発光スペクトルの全光束測定によって求められる発光出力(W)を、紫外発光ダイオードの活性層13の面積(cm)で除した値)は19W/cmであった。
(Ultraviolet light emitting diode and its analysis)
An ultraviolet light emitting diode chip was produced by cutting the ultraviolet light emitting diode wafer into a square shape of about 0.8 mm square, and the ultraviolet light emitting diode chip was mounted on a polycrystalline AlN carrier to complete the ultraviolet light emitting diode. The emission peak wavelength and emission output (total luminous flux) of the produced ultraviolet light emitting diode were measured using a 2-inch integrating sphere (Zenith coating manufactured by Sphere Optics) and a multichannel spectrometer (USB 4000 manufactured by Ocean Photonics). The emission peak wavelength of the ultraviolet light emitting diode was 280 nm. Luminous output density measured at a driving current value of 100 mA and 25 ° C. (the luminous output (W) of the ultraviolet light-emitting diode determined by the total luminous flux measurement of the above-mentioned emission spectrum is the area (cm 2 ) of the active layer 13 of the ultraviolet light-emitting diode) The value divided by the value was 19 W / cm 2 .

<実施例2>
昇華法により製造された窒化アルミニウム単結晶基板2の窒素極性面6上に、HVPE法で窒化アルミニウム単結晶層3を形成して製造した窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7(窒化アルミニウム単結晶層のアルミニウム極性面)上に半導体素子層11を積層して製造した深紫外発光ダイオードの実施例である。
<Example 2>
Surface 7 (aluminum nitride single crystal) of aluminum nitride single crystal laminate 1 manufactured by forming aluminum nitride single crystal layer 3 by HVPE method on nitrogen polar surface 6 of aluminum nitride single crystal substrate 2 manufactured by sublimation method This is an example of a deep ultraviolet light emitting diode manufactured by laminating the semiconductor element layer 11 on the aluminum polar surface of the layer.

窒化アルミニウム単結晶層3の成長膜厚を300μmとしたこと以外は実施例1と同様の方法で窒化アルミニウム単結晶層3を成長し、窒化アルミニウム単結晶積層体1を3つ製造した。   The aluminum nitride single crystal layer 3 was grown in the same manner as in Example 1 except that the growth film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 was set to 300 μm, and three aluminum nitride single crystal laminates 1 were manufactured.

得られた3つの窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7を、アルカリ性の研磨剤を用いてCMPした。研磨後の、該積層体1の表面7および裏面3の転位密度はそれぞれ6×10cm−2、9×10cm−2であった。また、該積層体1の表面7の曲率半径は12mであった。また、窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚は282.7μm、極性反転部8の最大の厚みは1.6μm、アルミニウム極性層4の膜厚は281.1μmであった。 The surface 7 of the obtained three aluminum nitride single crystal laminates 1 was subjected to CMP using an alkaline abrasive. The dislocation densities of the front surface 7 and the back surface 3 of the laminate 1 after polishing were 6 × 10 4 cm −2 and 9 × 10 4 cm −2 , respectively. Further, the radius of curvature of the surface 7 of the laminate 1 was 12 m. The thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 was 282.7 μm, the maximum thickness of the polarity reversing portion 8 was 1.6 μm, and the thickness of the aluminum polar layer 4 was 281.1 μm.

そして、得られた窒化アルミニウム単結晶積層体のうち、窒化アルミニウム単結晶層の分析に用いなかった1つの窒化アルミニウム単結晶積層体の表面7上に、実施例1と同様の方法で、半導体素子層11を形成した。最後に窒化アルミニウム単結晶基板2を機械研磨により除去することで発光ダイオードウェハを完成させた。   Then, of the obtained aluminum nitride single crystal laminate, a semiconductor element is formed on the surface 7 of one aluminum nitride single crystal laminate that was not used for the analysis of the aluminum nitride single crystal layer in the same manner as in Example 1. Layer 11 was formed. Finally, the light emitting diode wafer was completed by removing the aluminum nitride single crystal substrate 2 by mechanical polishing.

その後、実施例1と同様の方法で、紫外発光ダイオードを完成させた。作製した紫外発光ダイオードの発光ピーク波長は、281nmであった。駆動電流値100mA、25℃で測定した発光出力密度は18W/cmであり、実施例1と等価な紫外発光ダイオードであることを確認した。 Thereafter, an ultraviolet light emitting diode was completed in the same manner as in Example 1. The emission peak wavelength of the produced ultraviolet light emitting diode was 281 nm. The light emission output density measured at a drive current value of 100 mA and 25 ° C. was 18 W / cm 2 , and it was confirmed to be an ultraviolet light emitting diode equivalent to Example 1.

<実施例3>
窒化アルミニウム単結晶層3の成長膜厚を5μmとしたこと以外は実施例1と同様の方法で窒化アルミニウム単結晶層3を成長し、窒化アルミニウム単結晶積層体1を3つ製造した。
<Example 3>
The aluminum nitride single crystal layer 3 was grown in the same manner as in Example 1 except that the growth film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 was 5 μm, and three aluminum nitride single crystal laminates 1 were produced.

得られた3つの窒化アルミニウム単結晶積層体1の表面7を、アルカリ性の研磨剤を用いてCMPした。研磨後の、該積層体1の表面7および裏面3の転位密度はそれぞれ9×10cm−2、7×10cm−2であった。また、該積層体1の表面7の曲率半径は9mであった。また、窒化アルミニウム単結晶層3の膜厚は1.3μm、極性反転部8の最大の厚みは1.2μm、アルミニウム極性層4の膜厚は0.1μmであった。 The surface 7 of the obtained three aluminum nitride single crystal laminates 1 was subjected to CMP using an alkaline abrasive. The dislocation densities of the front surface 7 and the back surface 3 of the laminate 1 after polishing were 9 × 10 4 cm −2 and 7 × 10 4 cm −2 , respectively. Further, the radius of curvature of the surface 7 of the laminate 1 was 9 m. The film thickness of the aluminum nitride single crystal layer 3 was 1.3 μm, the maximum thickness of the polarity inversion portion 8 was 1.2 μm, and the film thickness of the aluminum polar layer 4 was 0.1 μm.

そして、得られた窒化アルミニウム単結晶積層体のうち、窒化アルミニウム単結晶層の分析に用いなかった1つの窒化アルミニウム単結晶積層体の表面7上に、実施例1と同様の方法で、半導体素子層11を形成し、発光ダイオードウェハを完成させた。   Then, of the obtained aluminum nitride single crystal laminate, a semiconductor element is formed on the surface 7 of one aluminum nitride single crystal laminate that was not used for the analysis of the aluminum nitride single crystal layer in the same manner as in Example 1. Layer 11 was formed to complete the light emitting diode wafer.

作製した紫外発光ダイオードの発光ピーク波長は281nmであり、駆動電流値100mA、25℃で測定した発光出力密度は16W/cmであった。 The produced ultraviolet light emitting diode had a light emission peak wavelength of 281 nm, a light emission output density of 16 W / cm 2 measured at a drive current value of 100 mA and 25 ° C.

<比較例1>
シリコン単結晶基板上にHVPE法で、窒化アルミニウム単結晶を0.3μm成長した後、窒化アルミニウム多結晶を230μm成長し、窒化アルミニウム多結晶/窒化アルミニウム単結晶/シリコン単結晶の積層体を製造した。該積層体を、フッ化水素酸:硝酸:酢酸:超純水を1:2:1:4の体積比で混合した水溶液に12時間浸漬し、ベース基板であるシリコンを溶解除去した。次いで、超純水で洗浄し、窒化アルミニウム多結晶/窒化アルミニウム単結晶の積層体を製造した。さらに、該積層体の窒化アルミニウム単結晶上に、HVPE法で、窒化アルミニウム単結晶を300μm成長した。そして、窒化アルミニウム多結晶側から350μmを機械研磨により除去した。最後に、窒化アルミニウム単結晶のアルミニウム極性面をアルカリ性の研磨剤を用いてCMPすることで、窒化アルミニウム単結晶基板を製造した。該窒化アルミニウム単結晶基板のアルミニウム極性面の転位密度は4×10cm−2、該アルミニウム極性面の曲率半径は−2.0mであった。
<Comparative Example 1>
An aluminum nitride single crystal was grown by 0.3 μm on a silicon single crystal substrate by HVPE, and then an aluminum nitride polycrystal was grown by 230 μm to produce an aluminum nitride polycrystal / aluminum nitride single crystal / silicon single crystal laminate. . The laminate was immersed in an aqueous solution in which hydrofluoric acid: nitric acid: acetic acid: ultra pure water was mixed at a volume ratio of 1: 2: 1: 4 for 12 hours to dissolve and remove silicon as a base substrate. Subsequently, it was washed with ultrapure water to produce an aluminum nitride polycrystal / aluminum nitride single crystal laminate. Furthermore, an aluminum nitride single crystal was grown to 300 μm on the aluminum nitride single crystal of the laminate by HVPE. Then, 350 μm from the aluminum nitride polycrystal side was removed by mechanical polishing. Finally, an aluminum nitride single crystal substrate was manufactured by CMP of the aluminum polar surface of the aluminum nitride single crystal using an alkaline abrasive. The dislocation density of the aluminum polar face of the aluminum nitride single crystal substrate was 4 × 10 8 cm −2 , and the radius of curvature of the aluminum polar face was −2.0 m.

該窒化アルミニウム基板を、実施例1で使用した窒化アルミニウム単結晶積層体の代替として用い、該窒化アルミニウム基板のアルミニウム極性面上に半導体素子層を積層させたことと、半導体作製工程において、ICPエッチングの前に、基板の裏面(窒素極性面)上にNiを蒸着することで裏面を被覆保護すること以外は、実施例1と同様の方法で紫外発光ダイオードを完成させた。   The aluminum nitride substrate was used as an alternative to the aluminum nitride single crystal laminate used in Example 1, and a semiconductor element layer was laminated on the aluminum polar surface of the aluminum nitride substrate. Prior to, an ultraviolet light emitting diode was completed in the same manner as in Example 1 except that the back surface was covered and protected by vapor deposition of Ni on the back surface (nitrogen polar surface) of the substrate.

作製した紫外発光ダイオードの発光ピーク波長は281nmであり、駆動電流値100mA、25℃で測定した発光出力密度は1W/cmであった。
参考例1
実施例1の窒化アルミニウム単結晶層3を成長させる条件と同じ方法で、昇華法基板のアルミニウム極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を積層させ、該窒化アルミニウム単結晶層上に実施例1と同様の方法で半導体層を形成した。半導体作製工程において、ICPエッチングの前に、基板の裏面(窒素極性面)上にNiを蒸着することで裏面を被覆保護すること以外は実施例1と同様の方法で電極を形成し、紫外発光ダイオードを完成させた。
The produced ultraviolet light emitting diode had a light emission peak wavelength of 281 nm, a light emission output density measured at a drive current value of 100 mA and 25 ° C. was 1 W / cm 2 .
Reference example 1
In the same manner as the conditions for growing the aluminum nitride single crystal layer 3 in Example 1, an aluminum nitride single crystal layer is laminated on the aluminum polar surface of the sublimation substrate, and the same as in Example 1 is applied on the aluminum nitride single crystal layer. The semiconductor layer was formed by the method. In the semiconductor manufacturing process, before ICP etching, electrodes are formed in the same manner as in Example 1 except that the back surface is covered and protected by vapor deposition of Ni on the back surface (nitrogen polar surface) of the substrate, and ultraviolet light emission is performed. The diode was completed.

作製した紫外発光ダイオードの発光ピーク波長は279nmであり、駆動電流値100mA、25℃で測定した発光出力密度は19W/cmであった。 The produced ultraviolet light emitting diode had a light emission peak wavelength of 279 nm, and a light emission output density measured at a drive current value of 100 mA and 25 ° C. was 19 W / cm 2 .

1 窒化アルミニウム単結晶積層体
2 窒化アルミニウム単結晶基板(窒素極性)
3 窒化アルミニウム単結晶層
4 アルミニウム極性層
5 裏面(窒化アルミニウ結晶基板のアルミニウム極性面)
6 窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面
7 表面(アルミニウム極性面)
8 極性反転部
9 アルミニウム極性部
10 半導体素子
11 半導体素子層
12 n型半導体層
13 活性層
14 p型半導体層
15 p型電極
16 n型電極
20 気相成長装置(HVPE装置)
21 反応器
22 ベース基板
23 サセプタ
24 押し出しガス導入口
25 排気口
26 原料部外部加熱装置
27 成長部外部加熱装置
31 原料部反応器
32 アルミニウム
33 原料ハロゲン系ガス導入ノズル
34 ハロゲン化アルミニウムガス供給ノズル
36 III族追加ハロゲン系ガス供給ノズル
41 窒素源ガス導入口
42 窒素源ガス供給ノズル
44 V族追加ハロゲン系ガス供給ノズル
1 Aluminum nitride single crystal laminate 2 Aluminum nitride single crystal substrate (nitrogen polarity)
3 Aluminum nitride single crystal layer 4 Aluminum polar layer 5 Back surface (aluminum polar surface of aluminum nitride crystal substrate)
6 Nitrogen polar surface of aluminum nitride single crystal substrate 7 Surface (aluminum polar surface)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Polarity inversion part 9 Aluminum polar part 10 Semiconductor element 11 Semiconductor element layer 12 N type semiconductor layer 13 Active layer 14 P type semiconductor layer 15 P type electrode 16 N type electrode 20 Vapor phase growth apparatus (HVPE apparatus)
21 Reactor 22 Base substrate 23 Susceptor
24 Extrusion gas introduction port 25 Exhaust port 26 Raw material part external heating device 27 Growth part external heating device 31 Raw material part reactor 32 Aluminum
33 Raw material halogen-based gas introduction nozzle 34 Aluminum halide gas supply nozzle
36 Group III additional halogen gas supply nozzle
41 Nitrogen source gas inlet 42 Nitrogen source gas supply nozzle
44 Group V additional halogen gas supply nozzle

Claims (9)

窒化アルミニウム単結晶基板の窒素極性面上に、窒化アルミニウム単結晶層が直接積層した積層構造を有する窒化アルミニウム単結晶積層体であって、
該積層体の表面および裏面の全面が共にアルミニウム極性面であり、表面および裏面の転位密度が共に10cm−2以下であり、前記窒化アルミニウム単結晶積層体の表面形状の曲率半径が|5|m以上(5m以上または−5m以下)であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶積層体。
An aluminum nitride single crystal laminate having a laminated structure in which an aluminum nitride single crystal layer is directly laminated on a nitrogen polar face of an aluminum nitride single crystal substrate,
Front and back surfaces of the entire surface of the laminate are both aluminum polar plane, front and back surfaces of the dislocation density Ri der both 10 6 cm -2 or less, the radius of curvature of the surface shape of the aluminum nitride single crystal laminate | 5 | m or more (5m more or -5m less) aluminum nitride, characterized in der Rukoto single crystal laminate.
前記窒化アルミニウム単結晶層の膜厚が2μm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化アルミニウム単結晶積層体。 2. The aluminum nitride single crystal laminate according to claim 1, wherein the aluminum nitride single crystal layer has a thickness of 2 μm or more. 前記窒化アルミニウム単結晶層が、極性が反転する極性反転部を有し、かつ該極性反転部上にアルミニウム極性であるアルミニウム極性部を有する構造からなり、
該窒化アルミニウム単結晶層が、前記窒化アルミニウム単結晶基板の該窒素極性面と平行な面において、その全面がアルミニウム極性部のみで構成されるアルミニウム極性層を有し、
該アルミニウム極性層の厚みが0.1μm以上である請求項1又は2に記載の窒化アルミニウム単結晶積層体。
The aluminum nitride single crystal layer has a structure having a polarity reversal portion whose polarity is reversed and an aluminum polarity portion which is an aluminum polarity on the polarity reversal portion,
The aluminum nitride single crystal layer has an aluminum polar layer whose entire surface is composed only of an aluminum polar part in a plane parallel to the nitrogen polar plane of the aluminum nitride single crystal substrate,
The aluminum nitride single crystal laminate according to claim 1 or 2 , wherein the aluminum polar layer has a thickness of 0.1 µm or more.
請求項1〜の何れかに記載の窒化アルミニウム単結晶積層体の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、少なくともn型半導体層を有する半導体素子層を備えた半導体素子。 On at least one aluminum-polar surface of the aluminum nitride single crystal laminate according to any one of claims 1 to 3, a semiconductor device including a semiconductor element layer having at least n-type semiconductor layer. 前記半導体素子層が、n型半導体層、活性層、及びp型半導体層を少なくとも有する多層半導体である請求項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 4 , wherein the semiconductor element layer is a multilayer semiconductor having at least an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer. 請求項1〜の何れかに記載の窒化アルミニウム単結晶積層体の製造方法であって、
アルミニウム極性面の転位密度が10cm−2以下である窒化アルミニウム単結晶基板からなるベース基板を使用し、1400℃以上1900℃以下の温度とした該ベース基板の窒素極性面上に、アルミニウム原料ガスと窒素源ガスとを供給して反応させることにより、該窒素極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を成長することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶積層体の製造方法。
It is a manufacturing method of the aluminum nitride single-crystal laminated body in any one of Claims 1-3 ,
Using a base substrate made of an aluminum nitride single crystal substrate having a dislocation density of 10 6 cm −2 or less on the aluminum polar surface, an aluminum raw material is formed on the nitrogen polar surface of the base substrate at a temperature of 1400 ° C. to 1900 ° C. A method of producing an aluminum nitride single crystal laminate, comprising growing an aluminum nitride single crystal layer on the nitrogen polar face by supplying a gas and a nitrogen source gas to cause a reaction.
前記窒素極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を成長するに際し、前記アルミニウム原料ガスを供給する前に、ハロゲン化水素ガス、及びハロゲンガスから選ばれる少なくとも1種のハロゲン系ガスを該窒素極性面上に供給することを特徴とする請求項に記載の窒化アルミニウム単結晶積層体の製造方法。 When the aluminum nitride single crystal layer is grown on the nitrogen polar surface, before supplying the aluminum source gas, at least one halogen-based gas selected from a hydrogen halide gas and a halogen gas is added to the nitrogen polar surface. The method for producing an aluminum nitride single crystal laminate according to claim 6 , wherein: 請求項1〜の何れかに記載の窒化アルミニウム単結晶積層体の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、少なくともn型半導体層を有する半導体素子層を製造し、該半導体素子層をアルカリ溶液と接触させる工程を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法。 A semiconductor element layer having at least an n-type semiconductor layer is manufactured on at least one aluminum polar surface of the aluminum nitride single crystal laminate according to any one of claims 1 to 3 , and the semiconductor element layer is brought into contact with an alkaline solution. The manufacturing method of the semiconductor element characterized by including the process to make. 請求項1〜の何れかに記載の窒化アルミニウム単結晶積層体の少なくとも一方のアルミニウム極性面上に、n型半導体層、活性層、及びp型半導体層を少なくとも有する多層半導体素子層を製造し、次いで、該p型半導体層、及び該活性層の一部を除去してn型半導体層を露出させた後、該n型半導体層が露出した多層半導体をアルカリ溶液と接触させる工程を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法。 A multilayer semiconductor element layer having at least an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer on at least one aluminum polar surface of the aluminum nitride single crystal laminate according to any one of claims 1 to 3 is manufactured. Then, after removing a part of the p-type semiconductor layer and the active layer to expose the n-type semiconductor layer, the step of bringing the multilayer semiconductor from which the n-type semiconductor layer is exposed into contact with an alkaline solution is included. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that:
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