JP6704387B2 - Substrate for growing nitride semiconductor, method of manufacturing the same, semiconductor device, and method of manufacturing the same - Google Patents

Substrate for growing nitride semiconductor, method of manufacturing the same, semiconductor device, and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びに半導体デバイス及びその製造方法に関する。The present invention relates to a nitride semiconductor growth substrate, a method for manufacturing the same, a semiconductor device, and a method for manufacturing the same.

GaNに代表されるIII族窒化物半導体の結晶は、発光ダイオードやレーザーなどの光デバイス、或いは、ダイオードやトランジスタなどの高周波デバイスに広く応用されており、今後パワーデバイスへの展開も期待されている。Crystals of group III nitride semiconductors typified by GaN are widely applied to optical devices such as light emitting diodes and lasers, or high frequency devices such as diodes and transistors, and are expected to be applied to power devices in the future. ..

これらのデバイスの多くは、GaNのc面成長基板上に作製されているが、デバイス特性の向上を狙って、GaNのc面成長基板の一部に故意にc面では無い面を形成し、これを利用してデバイスを作製する試みがなされている。Most of these devices are manufactured on a GaN c-plane growth substrate, but a surface not intentionally formed on the c-plane is intentionally formed on a part of the GaN c-plane growth substrate in order to improve device characteristics. Attempts have been made to make devices by utilizing this.

例えば、下記の特許文献1には、GaNのc面成長基板の傾斜面(非極性面)を利用して形成された、ピエゾ電界による悪影響を排除することのできる電界効果トランジスタが開示されている。For example, the following Patent Document 1 discloses a field effect transistor formed by utilizing an inclined surface (non-polar surface) of a GaN c-plane growth substrate and capable of eliminating an adverse effect due to a piezoelectric field. ..

また、下記の非特許文献1には、GaNのc面成長基板上に形成した傾斜面(非c面)
を利用して高効率で多色に発光させることのできる発光ダイオードを開発した例が報告されている。
Further, in Non-Patent Document 1 below, an inclined surface (non-c-plane) formed on a c-plane growth substrate of GaN
There has been reported an example of developing a light emitting diode capable of emitting multicolor light with high efficiency by utilizing.

さらに、下記の非特許文献2には、マスクを用いた選択成長で、基板上に傾斜面を持ったGaN結晶を成長させ、その上に積層成長したInGaNからの発光を調べた研究結果が報告されている。Further, the following Non-Patent Document 2 reports the results of a study in which a GaN crystal having an inclined surface is grown on a substrate by selective growth using a mask, and light emission from InGaN grown on the substrate is investigated. Has been done.

特開2011−82218号公報JP, 2011-82218, A

K.Nishizuka et.al., Efficient radiative recombination from <11-22>-oriented InxGa1-xN multiple quantum wells fabricated by the regrowth technique, APPLIED PHYSICS LETTERS (2004), 85(15): 3122-3124K.Nishizuka et.al., Efficient radiative recombination from <11-22>-oriented InxGa1-xN multiple quantum wells fabricated by the regrowth technique, APPLIED PHYSICS LETTERS (2004), 85(15): 3122-3124 H.Miyake et.al., Blue emission from InGaN/GaN hexagonal pyramid structures, Superlattices and Microstructures (2007), Vol.41 issues 5-6, 341-346H. Miyake et.al., Blue emission from InGaN/GaN hexagonal pyramid structures, Superlattices and Microstructures (2007), Vol.41 issues 5-6, 341-346

デバイス作製に用いられるGaNエピタキシャルウエハは、その多くが、サファイアやシリコンなどの異種基板上に、GaN単結晶層をヘテロエピタキシャル成長させたテンプレートを下地にしている。また、一部では、GaNエピタキシャルウエハの下地として、GaNの自立単結晶基板も用いられている。Many GaN epitaxial wafers used for device fabrication have a template on which a GaN single crystal layer is heteroepitaxially grown on a heterogeneous substrate such as sapphire or silicon as a base. Further, in some cases, a GaN self-standing single crystal substrate is also used as a base of a GaN epitaxial wafer.

通常のGaNテンプレートやGaNの自立単結晶基板は、平坦な研磨面か、その上に成長された平坦なエピ成長面を有しているため、上記の特許文献1や非特許文献1に開示されるような傾斜面を利用したデバイスを作製するためには、下地となるGaNテンプレートやGaNの自立単結晶基板の表面に、フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いて、GaN結晶の3次元加工を行わねばならない。Since a normal GaN template or a GaN self-standing single crystal substrate has a flat polished surface or a flat epi-grown surface grown on it, it is disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 described above. In order to fabricate a device using such a tilted surface, three-dimensional processing of a GaN crystal is performed on the surface of an underlying GaN template or GaN free-standing single crystal substrate by using a fine processing technique such as photolithography. Must be done.

これらの微細加工では、通常、GaN結晶の表面にマスクとなるSiO2膜などをCVD法等により堆積させ、フォトリソグラフィ技術を用いて所望のマスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチング等によりGaN結晶をエッチングし、最後にマスクを除去するという工程が採られている。In these microfabrications, a SiO2 film or the like serving as a mask is usually deposited on the surface of a GaN crystal by a CVD method or the like, a desired mask pattern is formed by using a photolithography technique, and then a GaN crystal is formed by reactive ion etching or the like. Is removed, and finally the mask is removed.

しかし、これらの工程は非常に煩雑で手間と時間を要するばかりでなく、エッチングされたGaNの表面に往々にしてエッチングダメージが残ってしまい、期待したデバイス特性が再現良く得られないという問題がある。However, these steps are not only very complicated and time-consuming, but also often have etching damage on the surface of the etched GaN, which makes it impossible to obtain the expected device characteristics with good reproducibility. ..

また、非特許文献2に開示されるような、マスクを用いた選択成長においても、やはり煩雑なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がある。また、基板表面にマスクの材質面が現われているため、その後のエピ成長時やプロセス時に、マスクとの線膨張係数差による割れが起こりやすい。さらに、マスク上で異常成長が起きないように結晶成長条件を配慮する必要がある。Further, in the selective growth using a mask as disclosed in Non-Patent Document 2, it is still necessary to use a complicated photolithography technique. Further, since the material surface of the mask appears on the surface of the substrate, cracks are likely to occur due to a difference in linear expansion coefficient with the mask during subsequent epitaxial growth or processing. Furthermore, it is necessary to consider the crystal growth conditions so that abnormal growth does not occur on the mask.

本発明の目的は、特性の良いデバイスを歩留り良く作製するのに好適な、表面に3次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びにその窒化物半導体成長用基板を用いて製造される半導体デバイス及びその製造方法を提供することにある。An object of the present invention is to use a substrate for growing a nitride semiconductor having a three-dimensional periodic array structure on the surface, a method for manufacturing the same, and a substrate for growing a nitride semiconductor, which are suitable for producing devices with good characteristics at a high yield. The present invention provides a semiconductor device manufactured by the method and a manufacturing method thereof.

本発明の一実施形態に従い、[1]〜[13]に記載の窒化物半導体成長用基板が提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、[14]〜[21]に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法が提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、[22]に記載の半導体デバイスが提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、[23]に記載の半導体デバイスの製造方法が提供される。 According to one embodiment of the present invention, there is provided the nitride semiconductor growth substrate according to [1] to [ 13 ]. Further, according to another embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing a substrate for growing a nitride semiconductor according to [ 14 ] to [ 21 ]. According to another embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device as described in [ 22 ]. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device as described in [23 ].

[1]連続膜と、前記連続膜上の、周期的に配列した、角錐台状又は角錐状の複数の凸部分とを含む、HVPE法により成長した窒化物半導体層を表面に有し、少なくとも、前記複数の凸部分及び前記連続膜の前記複数の凸部分下の領域が連続した窒化物半導体単結晶からなり、前記複数の凸部分は、結晶方位が揃っており、各々の底面がa軸に平行な辺で構成される形状を有する(0001)面を含む、窒化物半導体成長用基板。
[2]前記窒化物半導体層が、異種基板上にMOCVD又はHVPE法により成長した窒化物半導体単結晶からなる層の上に成長した層である、前記[1]に記載の窒化物半導体成長用基板。
[1] A nitride semiconductor layer grown by the HVPE method, which includes a continuous film and a plurality of convex portions having a truncated pyramid shape or a pyramid shape, which are periodically arranged on the continuous film, is formed on a surface, and at least , The plurality of convex portions and a region under the plurality of convex portions of the continuous film are made of a continuous nitride semiconductor single crystal, the plurality of convex portions have a uniform crystal orientation, and each bottom surface has an a-axis. A substrate for growing a nitride semiconductor, including a (0001) plane having a shape composed of sides parallel to.
[2] The nitride semiconductor growth according to the above [1], wherein the nitride semiconductor layer is a layer grown on a layer made of a nitride semiconductor single crystal grown by MOCVD or HVPE on a heterogeneous substrate. substrate.

]前記複数の凸部分が角錐台状であり、その頂面は、a軸に平行な辺で構成される形状を有する(0001)面を含む、前記[1]又は[2]に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 3 ] The above- mentioned [1] or [2] , wherein the plurality of convex portions have a truncated pyramid shape, and a top surface thereof includes a (0001) plane having a shape constituted by sides parallel to the a-axis. Substrate for nitride semiconductor growth.

]前記複数の凸部分の傾斜面は、面方位、大きさ、形状が均一であり、加工ダメージを有さない、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 4 ] The nitride semiconductor according to any one of [1] to [3], wherein the inclined surfaces of the plurality of convex portions have uniform plane orientation, size, and shape and have no processing damage. Substrate for growth.

]前記傾斜面は、(10−1n)面(nは任意の整数)を含む、[]に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 5 ] The nitride semiconductor growth substrate according to [ 4 ], wherein the inclined surface includes a (10-1n) plane (n is an arbitrary integer).

]前記傾斜面は、アズグロウンのファセット成長面を含む、[]に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 6 ] The nitride semiconductor growth substrate according to [ 5 ], wherein the inclined surface includes an as-grown facet growth surface.

]前記複数の凸部分の高さが均一である、[1]〜[]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 7 ] The substrate for growing a nitride semiconductor according to any one of [1] to [ 6 ], wherein the heights of the plurality of convex portions are uniform.

]前記複数の凸部分の高さが周期的に変化しており、かつ、前記複数の凸部分の頂点又は頂面が2つの仮想平面のいずれかの面上にある、[1]〜[]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 8 ] The heights of the plurality of convex portions are periodically changed, and the vertices or the top surfaces of the plurality of convex portions are on one of two virtual planes [1] to The substrate for growing a nitride semiconductor according to any one of [ 6 ].

]前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の中心間の距離が、100μm以上10mm以下である、[1]〜[]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 9 ] The nitride semiconductor according to any one of [1] to [ 8 ], wherein the distance between the centers of any adjacent convex portions of the plurality of convex portions is 100 μm or more and 10 mm or less. Substrate for growth.

10]前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の底面間の距離が、1mm以下である、[1]〜[]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 10 ] For growing a nitride semiconductor according to any one of [1] to [ 9 ], wherein a distance between bottom surfaces of arbitrary adjacent convex portions of the plurality of convex portions is 1 mm or less. substrate.

11]前記複数の凸部分の高さが50μm以上5mm以下である、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 11 ] The nitride semiconductor growth substrate according to any one of [1] to [ 10 ], wherein the height of the plurality of convex portions is 50 μm or more and 5 mm or less.

12]前記複数の凸部分のうちの、隣り合う凸部分の底面間の領域の転位密度が、前記凸部分の内部の転位密度よりも高い、[1]〜[11]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 12 ] Any one of [1] to [ 11 ], wherein a dislocation density in a region between bottom surfaces of adjacent convex portions of the plurality of convex portions is higher than a dislocation density inside the convex portions. The substrate for growing a nitride semiconductor according to 1.

13]前記複数の凸部分の底面の形状が、三角形、四角形、又は六角形である、[1]〜[12]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 [ 13 ] The nitride semiconductor growth substrate according to any one of [1] to [ 12 ], wherein the shape of the bottom surface of the plurality of convex portions is a triangle, a quadrangle, or a hexagon.

14]表面が窒化物半導体単結晶からなる平坦な基板上に、周期的パターンを形成するように、前記窒化物半導体単結晶のa軸に平行な複数の直線状の溝を形成する工程と、前記複数の直線状の溝が形成された前記基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンに対応するパターンで周期的に配列した角錐台状又は角錐状の窒化物半導体単結晶からなる複数の凸部分を表面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 14 ] A step of forming a plurality of linear grooves parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal so as to form a periodic pattern on a flat substrate whose surface is made of the nitride semiconductor single crystal. , A truncated pyramid shape in which a nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the substrate in which the plurality of linear grooves are formed and which is periodically arranged in a pattern corresponding to the periodic pattern formed by the plurality of linear grooves. Or a step of forming a nitride semiconductor layer having a plurality of convex portions made of a pyramid-shaped nitride semiconductor single crystal on the surface thereof, the method for manufacturing a substrate for growing a nitride semiconductor.

15]前記基板の表面がc面を含む、[14]に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 15 ] The method for manufacturing a substrate for growing a nitride semiconductor according to [ 14 ], wherein the surface of the substrate includes a c-plane.

16]前記複数の直線状の溝の幅が、10μm以上100μm以下である、[14]又は[15]に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 16 ] The method for producing a substrate for growing a nitride semiconductor according to [ 14 ] or [ 15 ], wherein the width of the plurality of linear grooves is 10 μm or more and 100 μm or less.

17]前記複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離が、100μm以上10mm以下である、[14]〜[16]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 17 ] The nitride semiconductor growth according to any one of [ 14 ] to [ 16 ], wherein a distance between centers of grooves having the same direction among the plurality of linear grooves is 100 μm or more and 10 mm or less. Substrate manufacturing method.

18]前記窒化物半導体層が、成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むHVPE法により形成される、[14]〜[17]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 18 ] The method for producing a substrate for growing a nitride semiconductor according to any one of [ 14 ] to [ 17 ], wherein the nitride semiconductor layer is formed by an HVPE method in which a growth atmosphere gas contains hydrogen gas. ..

19]前記窒化物半導体層が連続膜を含む、[14]〜[18]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 19 ] The method for producing a nitride semiconductor growth substrate according to any one of [ 14 ] to [ 18 ], wherein the nitride semiconductor layer includes a continuous film.

20]前記窒化物半導体層を成長させた後に、前記凸部分の傾斜面上に堆積した不要な窒化物半導体結晶をエッチング除去する、[14]〜[19]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 20 ] The growth of the nitride semiconductor layer, followed by etching away unnecessary nitride semiconductor crystals deposited on the inclined surface of the convex portion, according to any one of [ 14 ] to [ 19 ]. A method for manufacturing a substrate for growing a nitride semiconductor.

21]前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンが、三角形、四角形、又は六角形の格子を含むパターンを含む、[14]〜[20]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 [ 21 ] The nitride according to any one of [ 14 ] to [ 20 ], wherein the periodic pattern formed by the plurality of linear grooves includes a pattern including a triangular, quadrangular, or hexagonal lattice. Manufacturing method of semiconductor growth substrate.

22][1]〜[13]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分のうちの1つを含む、半導体デバイス。 [ 22 ] A semiconductor device including one of the plurality of convex portions of the nitride semiconductor growth substrate according to any one of [1] to [ 13 ].

23][1]〜[13]のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分上に、複数の窒化物半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させて、多層エピタキシャル成長層を形成する工程と、前記多層エピタキシャル成長層を形成した後、前記窒化物半導体成長用基板を分割して、各々が前記複数の凸部分のうちの1つを含む複数の半導体デバイスを形成する工程と、を含む、半導体デバイスの製造方法。
[ 23 ] A multi-layer epitaxial growth layer is obtained by epitaxially growing a plurality of single crystal films of a nitride semiconductor on the plurality of convex portions of the substrate for growing a nitride semiconductor according to any one of [1] to [ 13 ]. Forming the multilayer epitaxial growth layer, and dividing the nitride semiconductor growth substrate to form a plurality of semiconductor devices each including one of the plurality of convex portions. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

本発明の一実施形態によれば、特性の良いデバイスを歩留り良く作製するのに好適な、表面に3次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びにその窒化物半導体成長用基板を用いて製造される半導体デバイス及びその製造方法を提供することができる。According to one embodiment of the present invention, a substrate for growing a nitride semiconductor having a three-dimensional periodic array structure on the surface, a method for manufacturing the same, and a nitride semiconductor growth suitable for manufacturing a device having good characteristics with a high yield are provided. It is possible to provide a semiconductor device manufactured using the substrate for manufacturing and a manufacturing method thereof.

図1Aは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 1A is a vertical cross-sectional view schematically showing the manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the first embodiment. 図1Bは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 1B is a vertical sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate in the first embodiment. 図1Cは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 1C is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the first embodiment. 図1Dは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 1D is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the first embodiment. 図1Eは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 1E is a vertical sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate in the first embodiment. 図2Aは、テンプレートの一部を示す上面図である。FIG. 2A is a top view showing a part of the template. 図2Bは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。FIG. 2B is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer. 図2Cは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。FIG. 2C is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer. 図3Aは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 3A is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the second embodiment. 図3Bは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 3B is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the second embodiment. 図3Cは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 3C is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the second embodiment. 図3Dは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 3D is a vertical cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate in the second embodiment. 図3Eは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 3E is a vertical cross-sectional view schematically showing the manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate in the second embodiment. 図4Aは、テンプレートの一部を示す上面図である。FIG. 4A is a top view showing a part of the template. 図4Bは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。FIG. 4B is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer. 図4Cは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。FIG. 4C is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer. 図5Aは、第3の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 5A is a vertical cross-sectional view schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. 図5Bは、第3の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 5B is a vertical sectional view schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. 図5Cは、第3の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 5C is a vertical cross-sectional view schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. 図5Dは、第3の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。FIG. 5D is a vertical sectional view schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. 図6Aは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEM(Scanning Electron Microscope)による上面写真である。FIG. 6A is an SEM (Scanning Electron Microscope) top view photograph showing the nitride semiconductor growth substrate according to the example. 図6Bは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEM(Scanning Electron Microscope)による断面写真である。FIG. 6B is a cross-sectional photograph by an SEM (Scanning Electron Microscope) showing the nitride semiconductor growth substrate according to the example. 図6Cは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEM(Scanning Electron Microscope)による断面の鳥瞰写真である。FIG. 6C is a bird's-eye view photograph of a cross section of the substrate for growing a nitride semiconductor according to the example, taken by an SEM (Scanning Electron Microscope). 図7Aは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEMによる上面写真である。FIG. 7A is a top view photograph by SEM showing a nitride semiconductor growth substrate according to another embodiment. 図7Bは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEMによる断面写真である。FIG. 7B is a SEM cross-sectional photograph showing a substrate for growing a nitride semiconductor according to another example. 図7Cは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEMによる断面の鳥瞰写真である。FIG. 7C is a bird's-eye view photograph of a cross section of the nitride semiconductor growth substrate according to another example, taken by SEM.

〔第1の実施形態〕
本実施形態では、特性の良い半導体デバイスを作製するのに好適な、基板表面に加工ダメージの無い傾斜面を有する3次元周期配列構造が形成された窒化物半導体成長用基板を提供する。
[First Embodiment]
The present embodiment provides a substrate for growing a nitride semiconductor, which is suitable for manufacturing a semiconductor device having good characteristics and in which a three-dimensional periodic array structure having an inclined surface with no processing damage is formed on the surface of the substrate.

図1A〜1Eは、第1の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。1A to 1E are vertical cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of a nitride semiconductor growth substrate according to the first embodiment.

まず、図1Aに示されるように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板11上に第一の窒化物半導体単結晶層12をヘテロエピタキシャル成長させ、テンプレート10を得る。次に、図1Bに示されるように、テンプレート10の表面に溝13を形成する。次に、図1C、1Dに示されるように、溝13が形成されたテンプレート10上に、第二の窒化物半導体単結晶層14をエピタキシャル成長させる。次に、必要に応じて、図1Eに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層14から窒化物半導体成長用基板16を切り出す。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。First, as shown in FIG. 1A, a first nitride semiconductor single crystal layer 12 is heteroepitaxially grown on a heterogeneous substrate 11 made of a material different from a nitride semiconductor to obtain a template 10. Next, as shown in FIG. 1B, grooves 13 are formed on the surface of the template 10. Next, as shown in FIGS. 1C and 1D, the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is epitaxially grown on the template 10 in which the groove 13 is formed. Next, as shown in FIG. 1E, the nitride semiconductor growth substrate 16 is cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 14 as needed. Hereinafter, each of these steps will be described in detail.

図1Aに示される異種基板11の上面は平坦であり、その上に成長する第一の窒化物半導体単結晶層12の上面も平坦である。The top surface of the heterogeneous substrate 11 shown in FIG. 1A is flat, and the top surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 grown thereon is also flat.

異種基板11は、例えば、サファイア、Si、GaAs、ZnO、又はGa2O3からなる基板である。特に、結晶成長時の安定性(反応性)や、入手の容易さなどの観点から、サファイア基板を異種基板11として用いることが好ましい。具体的には、例えば、GaNエピタキシャル結晶成長用に市販されている、直径65mm、厚さ400μmのc面サファイア基板を用いることができる。The heterogeneous substrate 11 is a substrate made of, for example, sapphire, Si, GaAs, ZnO, or Ga2O3. Particularly, it is preferable to use the sapphire substrate as the heterogeneous substrate 11 from the viewpoints of stability (reactivity) during crystal growth and easy availability. Specifically, for example, a c-plane sapphire substrate having a diameter of 65 mm and a thickness of 400 μm, which is commercially available for GaN epitaxial crystal growth, can be used.

第一の窒化物半導体単結晶層12は、窒化物半導体単結晶からなる。ここで、窒化物半導体単結晶とは、組成式InxAlyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される単結晶をいう。第一の窒化物半導体単結晶層12は、例えば、厚さ2μmのアンドープGaN薄膜である。The first nitride semiconductor single crystal layer 12 is made of a nitride semiconductor single crystal. Here, the nitride semiconductor single crystal refers to a single crystal represented by a composition formula InxAlyGazN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, x+y+z=1). The first nitride semiconductor single crystal layer 12 is, for example, an undoped GaN thin film having a thickness of 2 μm.

また、第一の窒化物半導体単結晶層12の結晶性を高め、表面の平坦性を確保するために、GaNのヘテロエピタキシャル成長に広く用いられている、低温バッファ層挿入技術を適用することが望ましい。低温バッファ層を用いてサファイア基板上にGaN結晶をヘテロエピタキシャル成長させる技術は、例えば、特許第3026087号公報に開示されている。Further, in order to enhance the crystallinity of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 and ensure the flatness of the surface, it is desirable to apply a low temperature buffer layer insertion technique widely used for heteroepitaxial growth of GaN. .. A technique for heteroepitaxially growing a GaN crystal on a sapphire substrate using a low temperature buffer layer is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3026087.

なお、テンプレート10の代わりに、単結晶GaNの自立基板を用いてもよい。この場合、単結晶GaNの自立基板上に溝13が形成され、第二の窒化物半導体単結晶層14のエピタキシャル成長の下地として用いられる。Instead of the template 10, a single crystal GaN free-standing substrate may be used. In this case, the groove 13 is formed on the free-standing substrate of single crystal GaN and is used as a base for epitaxial growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 14.

図1Bに示される工程においてテンプレート10の表面に形成される溝13は、六方晶である窒化物半導体単結晶のa軸に平行な直線状の溝の組み合わせにより構成され、a軸に平行な辺で構成された三角形を並べた格子状の周期的なパターンを有する。この場合、テンプレート10上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層14の角錐台状又は角錐状の凸部分15の傾斜面15bをファセット成長面で構成することができる(傾斜面15b及びファセット成長面については後述する)。例えば、溝13を構成する直線状の溝の幅は40μm、深さは60μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、1mmである。The groove 13 formed on the surface of the template 10 in the step shown in FIG. 1B is composed of a combination of linear grooves parallel to the a-axis of a nitride semiconductor single crystal that is a hexagonal crystal, and a side parallel to the a-axis. It has a grid-like periodic pattern in which triangles are arranged. In this case, the inclined surface 15b of the truncated pyramid-shaped or pyramidal-shaped convex portion 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 grown on the template 10 can be formed by a facet growth surface (the inclined surface 15b and the facet). The growth surface will be described later). For example, the width of the linear groove forming the groove 13 is 40 μm, the depth is 60 μm, and the pitch of the grooves (distance between the centers of adjacent grooves) is 1 mm.

図2Aは、テンプレート10の一部を示す上面図であり、溝13のパターンの一例を示す。図2Aに示される第一の窒化物半導体単結晶層12の上面は、第一の窒化物半導体単結晶層12を構成する窒化物半導体単結晶のc面、すなわち(0001)面であり、第一の窒化物半導体単結晶層12を構成する窒化物半導体単結晶のc軸が紙面に垂直に向いている。図1Bに示されるテンプレート10の断面は、図2Aの切断線A−Aによる断面に対応する。FIG. 2A is a top view showing a part of the template 10, and shows an example of the pattern of the groove 13. The upper surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 shown in FIG. 2A is the c-plane of the nitride semiconductor single crystal forming the first nitride semiconductor single crystal layer 12, that is, the (0001) plane, The c-axis of the nitride semiconductor single crystal that constitutes one nitride semiconductor single crystal layer 12 is oriented perpendicular to the paper surface. The cross section of the template 10 shown in FIG. 1B corresponds to the cross section along the section line AA of FIG. 2A.

図2Aに示される溝13は、回転操作の中心軸の設定位置によって、最大6回の回転対称性を有する。例えば、格子状パターンの三角形の頂点上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝13のパターンは6回対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝13のパターンは3回対称性を有する。The groove 13 shown in FIG. 2A has a rotational symmetry of up to 6 times depending on the set position of the central axis of the rotating operation. For example, when the central axis of the rotating operation is set on the vertices of the triangle of the grid pattern, the pattern of the groove 13 has 6-fold symmetry. Further, when the central axis of the rotating operation is set on the center of the triangle of the lattice pattern, the pattern of the groove 13 has three-fold symmetry.

格子状パターンの三角形の中心がテンプレート10の中心軸上に位置する場合は、図2Aに示される溝13のパターンは、テンプレート10の中心軸に対して3回の回転対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の頂点がテンプレート10の中心軸上に位置する場合は、図2Aに示される溝13のパターンは、テンプレート10の中心軸に対して6回の回転対称性を有する。When the center of the triangle of the grid pattern is located on the central axis of the template 10, the pattern of the grooves 13 shown in FIG. 2A has three-fold rotational symmetry with respect to the central axis of the template 10. Further, when the vertices of the triangles of the grid pattern are located on the central axis of the template 10, the pattern of the grooves 13 shown in FIG. 2A has 6-fold rotational symmetry with respect to the central axis of the template 10.

溝13の形成には、市販のレーザー加工機や、ダイサー、放電加工機などを用いることができるが、細い溝を高い位置精度で加工することができ、加工後のGaN結晶へのダメージが少ないレーザー加工機を用いることが好ましい。例えば、市販のNd:YAGレーザーの高調波を用いた波長532nm、355nm、266nm、213nm等のレーザー加工機を用いることができる。A commercially available laser processing machine, a dicer, an electric discharge machine, or the like can be used to form the groove 13, but a fine groove can be processed with high positional accuracy and damage to the GaN crystal after processing is small. It is preferable to use a laser processing machine. For example, a laser processing machine using wavelengths of 532 nm, 355 nm, 266 nm, 213 nm, etc. using a harmonic wave of a commercially available Nd:YAG laser can be used.

レーザー加工機で溝加工を施す場合、溝13の内部や周囲に第一の窒化物半導体単結晶層12や異種基板11の加工屑(例えば、GaNやサファイアの加工屑)が付着する。これを除去するために、溝加工を施したテンプレート10に純水や有機溶剤を用いた超音波洗浄や、酸を用いたバブリング洗浄(例えば、塩酸と過酸化水素水の混合液による洗浄)を行い、その後、純水でよく洗浄することが好ましい。When the groove processing is performed by the laser processing machine, processing waste of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 or the heterogeneous substrate 11 (for example, processing waste of GaN or sapphire) adheres inside or around the groove 13. In order to remove this, ultrasonic cleaning using pure water or an organic solvent or bubbling cleaning using acid (for example, cleaning with a mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution) is performed on the grooved template 10. It is preferable that the cleaning is performed and then thoroughly washed with pure water.

溝13を構成する直線状の溝の第一の窒化物半導体単結晶層12の上面における幅Wは、10μm以上かつ100μm以下であることが好ましい。幅Wが10μmよりも狭いと、テンプレート10上に第二の窒化物半導体単結晶層14を成長させる際に溝13が第二の窒化物半導体単結晶層14で早期に埋まるため、溝13を挟んで隣接する第二の窒化物半導体単結晶層14の三角錐台状又は三角錐状の凸部分15同士が連結してしまい、3次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう(第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15については後述する)。一方、幅Wが100μmよりも広いと、溝13の内部で発生した窒化物半導体の多結晶核が大きく成長するため、この場合も、第二の窒化物半導体単結晶層14の3次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう。The width W of the linear groove forming the groove 13 on the upper surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. If the width W is narrower than 10 μm, the groove 13 is filled with the second nitride semiconductor single crystal layer 14 at an early stage when the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is grown on the template 10. The triangular frustum-shaped or triangular-pyramidal convex portions 15 of the second nitride semiconductor single crystal layers 14 adjacent to each other are connected to each other, which makes it difficult to maintain the three-dimensional periodic array structure (first The convex portion 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 will be described later). On the other hand, when the width W is larger than 100 μm, the polycrystalline nuclei of the nitride semiconductor generated inside the groove 13 grow large, and in this case also, the three-dimensional periodic array of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is formed. It becomes difficult to maintain the structure.

また、溝13を構成する複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離(ピッチ)D1は、100μm以上かつ10mm以下であることが好ましい。ピッチD1が100μmよりも狭いと、第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15を、半導体デバイスを作製するのに十分な大きさまで成長させることが困難になる。一方、ピッチD1が10mmよりも広いと、溝13により区画される1つの領域上に複数の第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15が発生し、これらがきれいに連結しないまま成長する場合がある。この場合、第二の窒化物半導体単結晶層14の3次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう。Further, among the plurality of linear grooves forming the groove 13, the distance (pitch) D1 between the centers of the grooves in the same direction is preferably 100 μm or more and 10 mm or less. If the pitch D1 is narrower than 100 μm, it becomes difficult to grow the convex portion 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 to a size large enough to manufacture a semiconductor device. On the other hand, when the pitch D1 is wider than 10 mm, a plurality of convex portions 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 are generated on one region defined by the groove 13, and these convex portions 15 grow without being connected properly. There are cases. In this case, it becomes difficult to maintain the three-dimensional periodic array structure of the second nitride semiconductor single crystal layer 14.

溝13は、図2Aに示されるように、等しい形状及び面積の領域を区画するようなパターンを有することが好ましい。この場合、区画された複数の領域上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15の形状及び大きさを均一にすることができる。The grooves 13 preferably have a pattern that defines regions of equal shape and area, as shown in FIG. 2A. In this case, the shape and size of the convex portion 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 grown on the plurality of partitioned regions can be made uniform.

図1C、1Dに示される工程において形成される第二の窒化物半導体単結晶層14は、窒化物半導体結晶からなり、特に、GaN結晶からなることが好ましい。第二の窒化物半導体単結晶層14は、例えば、厚さ2mmのSiドープGaN結晶層である。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 formed in the steps shown in FIGS. 1C and 1D is made of a nitride semiconductor crystal, and particularly preferably made of a GaN crystal. The second nitride semiconductor single crystal layer 14 is, for example, a Si-doped GaN crystal layer having a thickness of 2 mm.

第二の窒化物半導体単結晶層14は、i型(半絶縁性)n型又はp型のいずれであってもよい。導電性を制御するためにドープされる不純物元素として、Si、S、Se、Ge、O、C、Fe、Mg、Zn等が用いられる。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 may be either i-type (semi-insulating) n-type or p-type. Si, S, Se, Ge, O, C, Fe, Mg, Zn, or the like is used as an impurity element that is doped to control conductivity.

第二の窒化物半導体単結晶層14は、凸部分15から構成される3次元周期配列構造を有する。凸部分15の底面(図1Cに示される状態においてテンプレート10と接する面)は、テンプレート10の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の(0001)面である。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 has a three-dimensional periodic array structure composed of the convex portions 15. The bottom surface of the convex portion 15 (the surface in contact with the template 10 in the state shown in FIG. 1C) is the (0001) plane of the nitride semiconductor single crystal, like the upper surface of the template 10.

図1Cは、テンプレート10上の溝13により区画された各々の領域上に第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15が成長し、隣り合う凸部分15が接触する前の状態を示している。FIG. 1C shows a state before the convex portion 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 grows on each region defined by the groove 13 on the template 10 and the adjacent convex portions 15 contact each other. ing.

凸部分15は、テンプレート10の溝13により区画された三角形の領域状に成長する三角錐台状又は三角錐状の部分である。凸部分15の底面の縁と溝13の縁は一致しているため、凸部分15の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のa軸に平行な辺で構成される三角形である。The convex portion 15 is a truncated pyramidal or triangular pyramid-shaped portion that grows in a triangular region defined by the groove 13 of the template 10. Since the edge of the bottom surface of the convex portion 15 and the edge of the groove 13 are coincident with each other, the shape of the bottom surface of the convex portion 15 is a triangle formed by the sides parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal.

六方晶である窒化物半導体単結晶のファセット成長面は、(10−1n)面(nは任意の整数)であり、a軸と平行である。このため、テンプレート10上の溝13を構成するa軸に平行な直線状の溝に沿ってファセット成長面が現れ、凸部分15の傾斜面15bを形成する。The facet growth plane of the hexagonal nitride semiconductor single crystal is the (10-1n) plane (n is an arbitrary integer) and is parallel to the a-axis. Therefore, the facet growth surface appears along the linear groove parallel to the a-axis that forms the groove 13 on the template 10, and forms the inclined surface 15b of the convex portion 15.

また、凸部分15は、結晶成長条件によって三角錐台状又は三角錐状の形状を有する。ただし、第二の窒化物半導体単結晶層14上にエピタキシャル結晶成長を行う際の成長結晶の品質や、半導体デバイスの電極を形成する領域の確保を考慮すれば、凸部分15は三角錐台状であることが好ましい。なお、三角錐台状又は三角錐状の凸部分15の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った三角錐台状の凸部分15を形成してもよい。The convex portion 15 has a truncated pyramid shape or a truncated pyramid shape depending on the crystal growth conditions. However, in consideration of the quality of the grown crystal when the epitaxial crystal growth is performed on the second nitride semiconductor single crystal layer 14 and the securing of the region for forming the electrode of the semiconductor device, the convex portion 15 has a truncated pyramid shape. Is preferred. The triangular pyramid-shaped or triangular pyramid-shaped convex portion 15 may be subjected to polishing to form the triangular-frustum-shaped convex portion 15 having a desired height.

また、第二の窒化物半導体単結晶層14が三角錐台状の凸部分15を含む場合は、その頂面15aは、テンプレート10の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の(0001)面である。なお、頂面15aは、(0001)面であることが好ましいが、5°以内であれば、(0001)面からのオフセット角を有してもよい。オフセット角が5°を超えると、凸部分15が傾くことにより、傾斜面15bの面積のばらつきが大きくなるため、第二の窒化物半導体単結晶層14を用いて特性の優れた半導体デバイスを作製することが困難になる。When the second nitride semiconductor single crystal layer 14 includes the triangular pyramid-shaped convex portion 15, the top surface 15 a thereof is the same as the upper surface of the template 10 and is the (0001) plane of the nitride semiconductor single crystal. is there. The top surface 15a is preferably a (0001) surface, but may have an offset angle from the (0001) surface as long as it is within 5°. When the offset angle exceeds 5°, the convex portion 15 is tilted to increase the variation in the area of the inclined surface 15b. Therefore, a semiconductor device having excellent characteristics is manufactured using the second nitride semiconductor single crystal layer 14. Difficult to do.

全ての凸部分15の頂面15aの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。テンプレート10上の溝13により区画される領域の形状及び大きさがほぼ均一であれば、頂面15aの大きさ、形状、高さをほぼ均一にすることができる。頂面15aの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面15bの大きさ、形状もほぼ均一になる。頂面15aの大きさ、形状、高さの均一性、及び傾斜面15bの大きさ、形状の均一性を高くすることにより、第二の窒化物半導体単結晶層14を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させることができる。It is preferable that the size, shape, and height of the top surfaces 15a of all the convex portions 15 are substantially uniform. If the shape and size of the region defined by the groove 13 on the template 10 are substantially uniform, the size, shape, and height of the top surface 15a can be made substantially uniform. When the size, shape and height of the top surface 15a are substantially uniform, the size and shape of the inclined surface 15b are also substantially uniform. A semiconductor manufactured by using the second nitride semiconductor single crystal layer 14 by increasing the uniformity of the size, shape and height of the top surface 15a and the uniformity of the size and shape of the inclined surface 15b. The manufacturing yield of the device can be improved.

また、第二の窒化物半導体単結晶層14を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させるためには、凸部分15の傾斜面15bが加工ダメージを有さないことが求められる。傾斜面15bは窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成されるアズグロウンの面であり、エッチング等による加工を施していないため、加工ダメージを有さない。傾斜面15bの加工ダメージの有無は、その断面をTEM(透過電子顕微鏡)で観察し、窒化物半導体単結晶の原子配列に乱れの有無を調べることにより判別することができる。なお、傾斜面15bを窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成することにより、傾斜面15bの大きさ、形状の均一性を向上させることもできる。Further, in order to improve the manufacturing yield of the semiconductor device manufactured by using the second nitride semiconductor single crystal layer 14, the inclined surface 15b of the convex portion 15 is required to have no processing damage. The inclined surface 15b is an as-grown surface composed of a facet growth surface of a nitride semiconductor single crystal and has no processing damage because it is not processed by etching or the like. The presence or absence of processing damage on the inclined surface 15b can be determined by observing the cross section with a TEM (transmission electron microscope) and examining the presence or absence of disorder in the atomic arrangement of the nitride semiconductor single crystal. By forming the inclined surface 15b by a facet growth surface of a nitride semiconductor single crystal, it is possible to improve the uniformity of the size and shape of the inclined surface 15b.

また、傾斜面15bをファセット成長面で構成することにより、全ての傾斜面15bの面方位が等価になるため、第二の窒化物半導体単結晶層14を用いて作製される半導体デバイスの特性のばらつきを抑えることができる。Further, by forming the inclined surface 15b by the facet growth surface, the surface orientations of all the inclined surfaces 15b become equivalent, so that the characteristics of the semiconductor device manufactured using the second nitride semiconductor single crystal layer 14 can be improved. Variation can be suppressed.

第二の窒化物半導体単結晶層14は、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等の気相成長法や、ナトリウムフラックス法、アモノサーマル法等の液相成長法で成長させることができる。この中でも、結晶成長速度が速く、原料コストの安いHVPE法を用いることが好ましい。第二の窒化物半導体単結晶層14をHVPE法で成長させる際には、成長雰囲気ガス中に水素ガスが含まれていることが好ましい。こうすることで、凸部分15の形状を維持しやすくなり、第二の窒化物半導体単結晶層14の3次元周期配列構造を形成することが容易になる。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 is formed by a vapor phase growth method such as HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, or a liquid phase such as sodium flux method or ammonothermal method. It can be grown by the growth method. Among these, it is preferable to use the HVPE method, which has a high crystal growth rate and a low raw material cost. When the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is grown by the HVPE method, it is preferable that the growth atmosphere gas contains hydrogen gas. This makes it easier to maintain the shape of the convex portion 15 and facilitates formation of the three-dimensional periodic array structure of the second nitride semiconductor single crystal layer 14.

GaNのHVPE法による成長技術の詳細は、例えば、特許第3553583号公報に開示されている。HVPE法でGaNを成長する際にSiをドーピングする技術の詳細は、例えば、特許第3279528号公報に開示されている。Details of the growth technique of GaN by the HVPE method are disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3535583. The details of the technique of doping Si when growing GaN by the HVPE method are disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3279528.

図2Bは、図1Cに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層14の一部を示す上面図であり、第二の窒化物半導体単結晶層14のパターンの一例を示す。図1Cに示されるテンプレート10及び第二の窒化物半導体単結晶層14の断面は、図2Bの切断線B−Bによる断面に対応する。FIG. 2B is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 corresponding to FIG. 1C, and shows an example of a pattern of the second nitride semiconductor single crystal layer 14. The cross section of the template 10 and the second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 1C corresponds to the cross section taken along the line BB in FIG. 2B.

図2Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層14は、図2Aに示されるテンプレート10上に成長したものであり、複数の凸部分15が効率的に配列している。図2Bに示される凸部分15の形状及び大きさは均一である。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 2B is grown on the template 10 shown in FIG. 2A, and a plurality of convex portions 15 are efficiently arranged. The shape and size of the convex portion 15 shown in FIG. 2B are uniform.

図1Dは、第二の窒化物半導体単結晶層14の成長が進行し、第二の窒化物半導体単結晶層14がテンプレート10上の窒化物半導体単結晶の連続膜17とその上の複数の凸部分15から構成される状態を示している。この窒化物半導体単結晶の連続膜17の部分と複数の凸部分15の結晶方位は揃っている。In FIG. 1D, as the growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 progresses, the second nitride semiconductor single crystal layer 14 forms a continuous film 17 of nitride semiconductor single crystal on the template 10 and a plurality of continuous films 17 on the template 10. It shows a state in which the convex portion 15 is formed. The crystal orientations of the continuous film 17 of the nitride semiconductor single crystal and the plurality of convex portions 15 are aligned.

凸部分15の傾斜面15bのファセット成長面を維持できる結晶成長条件を選択することにより、第二の窒化物半導体単結晶層14の成長が進行しても隣り合う凸部分15同士が水平方向に成長して結合して平坦化することがなく、個々の三角錐台状又は三角錐状の形状を維持することができる。すなわち、図1Dに示される状態における凸部分15の形状が、図1Cに示される状態における凸部分15の形状から、ほとんど変化しない。このため、凸部分15から構成される第二の窒化物半導体単結晶層14の3次元周期配列構造を、半導体デバイスの作製に効率的に用いることができる。By selecting the crystal growth conditions that can maintain the facet growth surface of the inclined surface 15b of the convex portion 15, even if the growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 proceeds, the adjacent convex portions 15 are horizontally aligned. Individual triangular truncated pyramids or triangular pyramidal shapes can be maintained without growing and joining to flatten. That is, the shape of the convex portion 15 in the state shown in FIG. 1D hardly changes from the shape of the convex portion 15 in the state shown in FIG. 1C. Therefore, the three-dimensional periodic array structure of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 composed of the convex portions 15 can be efficiently used for manufacturing a semiconductor device.

図1Dに示される状態の第二の窒化物半導体単結晶層14とテンプレート10の積層体を、窒化物半導体成長用基板として、エピタキシャル結晶成長の下地基板等の用途に用いてもよい。The laminated body of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 and the template 10 in the state shown in FIG. 1D may be used as a nitride semiconductor growth substrate for applications such as a base substrate for epitaxial crystal growth.

成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むHVPE法で第二の窒化物半導体単結晶層14を成長させることにより、図1Dに示されるような窒化物半導体単結晶の連続膜17を含む状態の第二の窒化物半導体単結晶層14を容易に形成することができる。By growing the second nitride semiconductor single crystal layer 14 by the HVPE method containing hydrogen gas in the growth atmosphere gas, the second nitride semiconductor single crystal continuous film 17 as shown in FIG. 1D is formed. The nitride semiconductor single crystal layer 14 can be easily formed.

また、第二の窒化物半導体単結晶層14は、窒化物半導体成長用基板16を切り出すために十分な厚さを有する必要があるため、結晶成長速度の速いHVPE法で成長させることが好ましい。Further, since the second nitride semiconductor single crystal layer 14 needs to have a sufficient thickness for cutting out the substrate 16 for growing a nitride semiconductor, it is preferable to grow the second nitride semiconductor single crystal layer 14 by the HVPE method having a high crystal growth rate.

なお、第二の窒化物半導体単結晶層14の成長を終えた後、凸部分15の傾斜面15b上に、結晶方位の異なる窒化物半導体の結晶が付着している場合がある。この場合、加熱した燐酸と硫酸の混酸等を用いたウェットエッチングにより、付着した窒化物半導体の結晶を除去することが好ましい。In addition, after the growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 14, the crystals of the nitride semiconductor having different crystal orientations may be attached on the inclined surface 15b of the convex portion 15. In this case, it is preferable to remove the attached crystal of the nitride semiconductor by wet etching using heated mixed acid of phosphoric acid and sulfuric acid or the like.

また、凸部分15の高さHは50μm以上5mm以下であることが好ましい。高さHは、傾斜面15bの面積に比例しており、隣り合う凸部分15の中心間の距離と同じ理由により、低すぎても高すぎても実用的ではない。すなわち、高さHが5mmよりも高いと、凸部分15の均質なエピタキシャル成長が困難になり、50μmよりも低いと、半導体デバイスを製造するのに十分な大きさが得にくくなる。The height H of the convex portion 15 is preferably 50 μm or more and 5 mm or less. The height H is proportional to the area of the inclined surface 15b, and for the same reason as the distance between the centers of the adjacent convex portions 15, neither too low nor too high is practical. That is, when the height H is higher than 5 mm, it becomes difficult to perform the homogeneous epitaxial growth of the convex portion 15, and when it is lower than 50 μm, it becomes difficult to obtain a sufficient size for manufacturing a semiconductor device.

第二の窒化物半導体単結晶層14の隣り合う凸部分15の間の領域、すなわちテンプレート10の溝13の真上の領域は、凸部分15内の領域に比べて転位密度が高くなっていることが好ましい。半導体デバイスを構成する窒化物半導体単結晶中の結晶欠陥である転位は、デバイス特性や寿命を劣化させる原因となることが知られており、転位密度はなるべく低いことが望ましい。本実施形態によれば、窒化物半導体結晶が成長して凸部分15が形成される際に、結晶中をgrown−inで伝搬する転位は、成長界面の傾斜方向に曲がって進行し、隣り合う凸部分15の間の領域に集まる性質がある。この性質を利用し、隣り合う凸部分15の間の領域に転位を集中させ、凸部分15内の転位密度を低減することができる。The dislocation density in the region between the adjacent convex portions 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14, that is, the region directly above the groove 13 of the template 10 is higher than the region in the convex portion 15. Preferably. It is known that dislocations, which are crystal defects in a nitride semiconductor single crystal forming a semiconductor device, cause deterioration of device characteristics and life, and it is desirable that the dislocation density be as low as possible. According to the present embodiment, when the nitride semiconductor crystal grows to form the convex portion 15, the dislocations propagated in the crystal in the grown-in are bent in the inclination direction of the growth interface and are adjacent to each other. It has the property of gathering in the region between the convex portions 15. By utilizing this property, dislocations can be concentrated in the region between the adjacent convex portions 15 and the dislocation density in the convex portions 15 can be reduced.

なお、上述の非特許文献2に開示された方法のように、テンプレート10に溝13を形成する代わりに、テンプレート10上にマスクパターンを形成し、第二の窒化物半導体単結晶層14を選択成長させる方法も考えられるが、マスクパターンの形成に煩雑なフォトリソグラフィプロセスが必要であり、また、第二の窒化物半導体単結晶層14の底部に残留するマスクパターンと第二の窒化物半導体単結晶層14との線膨張係数差に起因してエピ工程やプロセス工程で第二の窒化物半導体単結晶層14に割れが生じる危険が高まるため、工業的に好ましくない。As in the method disclosed in Non-Patent Document 2 described above, instead of forming the groove 13 in the template 10, a mask pattern is formed on the template 10 and the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is selected. Although a growing method is also conceivable, a complicated photolithography process is required for forming the mask pattern, and the mask pattern and the second nitride semiconductor single film remaining on the bottom of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 are required. This is industrially unfavorable because the risk of cracking in the second nitride semiconductor single crystal layer 14 in the epi step and the process step due to the difference in linear expansion coefficient from the crystal layer 14 increases.

図2Cは、図1Dに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層14の一部を示す上面図であり、凸部分15のパターンの一例を表す。図1Dに示されるテンプレート10及び第二の窒化物半導体単結晶層14の断面は、図2Cの切断線C−Cによる断面に対応する。FIG. 2C is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 corresponding to FIG. 1D and shows an example of a pattern of the convex portion 15. The cross section of the template 10 and the second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 1D corresponds to the cross section taken along the line CC of FIG. 2C.

図2Cに示される第二の窒化物半導体単結晶層14は、図2Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層14が成長したものであり、図2Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層14とほぼ同じ形状、大きさの凸部分15を有する。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 2C is a growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 2B, and the second nitride semiconductor single crystal layer 14 shown in FIG. 2B. The single crystal layer 14 has a convex portion 15 having substantially the same shape and size.

第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分15は、図2Cに示されるように、ほぼ隙間無く配列していることが好ましい。この場合、凸部分15を利用した半導体デバイスを効率的に形成することができる。As shown in FIG. 2C, it is preferable that the convex portions 15 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 are arranged with almost no space. In this case, a semiconductor device using the convex portion 15 can be efficiently formed.

平面視での隣り合う凸部分15の中心間の距離D2は、100μm以上10mm以下であることが好ましい。距離D2が大きいほど、凸部分15の底面が大きくなる。距離D2が100μmよりも小さい場合、凸部分15の大きさが半導体デバイスの作製にはやや小さく、扱いづらい場合がある。The distance D2 between the centers of the adjacent convex portions 15 in a plan view is preferably 100 μm or more and 10 mm or less. The larger the distance D2, the larger the bottom surface of the convex portion 15. If the distance D2 is smaller than 100 μm, the size of the convex portion 15 may be slightly small for manufacturing a semiconductor device and may be difficult to handle.

一方、距離D2が大きすぎると、テンプレート10の溝13の幅が極端に大きくない限りは、凸部分15の底面が大きくなり、それに伴って凸部分15の高さも大きくなるため、窒化物半導体単結晶を均一にエピタキシャル成長させることが難しくなる。逆に、凸部分15の均質性を確保するために、その高さを低く抑えると、凸部分15の底面の大きさに対する傾斜面15bの大きさの割合が小さくなるため、半導体デバイスの特性や取得効率が下がってしまう。このため、現行の半導体デバイスのチップサイズから見て、距離D2は10mm以下であることが好ましい。On the other hand, if the distance D2 is too large, the bottom surface of the convex portion 15 becomes large unless the width of the groove 13 of the template 10 is extremely large, and accordingly the height of the convex portion 15 also becomes large. It becomes difficult to uniformly grow the crystal epitaxially. On the contrary, if the height of the convex portion 15 is kept low in order to ensure homogeneity, the ratio of the size of the inclined surface 15b to the size of the bottom surface of the convex portion 15 becomes small, so that the characteristics of the semiconductor device and Acquisition efficiency will decrease. Therefore, the distance D2 is preferably 10 mm or less in view of the chip size of the current semiconductor device.

なお、隣り合う凸部分15の底面の間の距離D3は、1mm以下であることが望ましい。距離D3が1mmを超えると、第二の窒化物半導体単結晶層14上に結晶をエピタキシャル成長させたときに、隣り合う凸部分15の底面と底面の隙間に新たな3次元の結晶核が発生し、第二の窒化物半導体単結晶層14の表面の周期配列構造を乱す原因となるからである。The distance D3 between the bottom surfaces of the adjacent convex portions 15 is preferably 1 mm or less. When the distance D3 exceeds 1 mm, when a crystal is epitaxially grown on the second nitride semiconductor single crystal layer 14, new three-dimensional crystal nuclei are generated in the gap between the bottom surfaces of the adjacent convex portions 15 and the bottom surface. This is a cause of disturbing the periodic array structure on the surface of the second nitride semiconductor single crystal layer 14.

図1Eは、テンプレート10上の第二の窒化物半導体単結晶層14から窒化物半導体成長用基板16を切り出す様子を示したものである。図1Eに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層14を十分な厚さまで成長させた後、テンプレート10の表面と平行、すなわちc面と平行に切断することにより、出発基板に窒化物半導体単結晶の自立基板を用いなくても、自立基板である窒化物半導体成長用基板16を得ることができる。FIG. 1E shows a state in which the nitride semiconductor growth substrate 16 is cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 14 on the template 10. As shown in FIG. 1E, after the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is grown to a sufficient thickness, the starting substrate is nitrided by cutting in parallel with the surface of the template 10, that is, in parallel with the c-plane. The substrate 16 for growing a nitride semiconductor, which is a free-standing substrate, can be obtained without using a free-standing substrate of a single semiconductor single crystal.

第二の窒化物半導体単結晶層14の切断には、Si結晶やGaAs結晶の切断に一般的に使用されているワイヤーソー等を用いることができる。For cutting the second nitride semiconductor single crystal layer 14, a wire saw or the like which is generally used for cutting Si crystal or GaAs crystal can be used.

上記のように、本実施形態によれば、凸部分15により構成される3次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。具体的には、図1Dに示されるような、連続膜17とその上の複数の凸部分15から構成される第二の窒化物半導体単結晶層14とテンプレート10からなる、テンプレート基板としての窒化物半導体成長用基板、及び図1Eに示されるような、第二の窒化物半導体単結晶層14から切り出される、自立基板としての窒化物半導体成長用基板16を得ることができる。As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a substrate for growing a nitride semiconductor having a three-dimensional periodic array structure composed of the convex portions 15. Specifically, as shown in FIG. 1D, nitriding as a template substrate, which is composed of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 composed of the continuous film 17 and the plurality of convex portions 15 on the continuous film 17, and the template 10. It is possible to obtain a substrate for growing a semiconductor layer and a substrate 16 for growing a nitride semiconductor as a free-standing substrate that is cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 14 as shown in FIG. 1E.

本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板における第二の窒化物半導体単結晶層14は、その大部分が窒化物半導体単結晶からなり、好ましくは、全体が窒化物半導体単結晶からなる。隣り合う凸部分15の間の領域が多結晶や非晶質となる場合はあるが、少なくとも、複数の凸部分15及び連続膜17の複数の凸部分15下の領域は、連続した窒化物半導体単結晶からなる。The second nitride semiconductor single crystal layer 14 in the nitride semiconductor growth substrate according to the present embodiment is mostly made of a nitride semiconductor single crystal, and preferably the whole is made of a nitride semiconductor single crystal. The region between the adjacent convex portions 15 may be polycrystalline or amorphous, but at least the plural convex portions 15 and the region under the plural convex portions 15 of the continuous film 17 are continuous nitride semiconductors. It consists of a single crystal.

本実施形態において得られる窒化物半導体成長用基板は、直径が50mm以上の略円形であることが好ましい。本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板は、3次元周期配列構造の形成にフォトリソグラフィ等の微細加工プロセスを必要とせず、結晶成長工程を利用することができるため、大型の基板全面に均一な3次元周期配列構造を形成することができる。この特性を活かすには、窒化物半導体成長用基板の直径が50mm以上であることが望ましく、100mm以上であることがより望ましい。尚、略円形と言うのは、円形の基板にオリエンテーションフラット(OF)やインデックスフラット(IF)などの目印となる加工を施した状態を含むという意味である。The nitride semiconductor growth substrate obtained in the present embodiment preferably has a substantially circular shape with a diameter of 50 mm or more. The substrate for growing a nitride semiconductor according to the present embodiment does not require a microfabrication process such as photolithography to form a three-dimensional periodic array structure and can utilize a crystal growth process, so that it is uniform over the entire surface of a large substrate. It is possible to form a three-dimensional periodic array structure. In order to make full use of this characteristic, the nitride semiconductor growth substrate preferably has a diameter of 50 mm or more, and more preferably 100 mm or more. The term “substantially circular” is meant to include a state in which a circular substrate has been processed such as an orientation flat (OF) or an index flat (IF) as a mark.

また、図1Cに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層14の形成は、テンプレート10の溝13により区画された各々の領域上に結晶核を発生させて成長させることにより行われるため、第二の窒化物半導体単結晶層14から得られる窒化物半導体成長用基板の内部には歪が残留しにくく、結晶方位の分布のばらつきや、基板の反り等の不具合が生じにくい。そのため、本実施形態の窒化物半導体成長用基板を用いてエピタキシャル結晶成長を行ったり、その後のプロセスを行ったりする場合にも、工程の途中で基板が割れるなどの不具合が生じにくい。Further, as shown in FIG. 1C, the formation of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is performed by generating and growing crystal nuclei on each region defined by the groove 13 of the template 10. Therefore, strain does not easily remain inside the nitride semiconductor growth substrate obtained from the second nitride semiconductor single crystal layer 14, and defects such as variations in crystal orientation distribution and substrate warpage are unlikely to occur. Therefore, even when epitaxial crystal growth is performed using the nitride semiconductor growth substrate of the present embodiment or a subsequent process is performed, problems such as cracking of the substrate during the process are less likely to occur.

〔第2の実施形態〕
第2の実施形態は、第二の窒化物半導体単結晶層の凸部分により構成される3次元周期配列構造のパターンにおいて第1の実施形態と異なる。その他の第1の実施形態と共通する構成については、説明を省略又は簡略化する。
[Second Embodiment]
The second embodiment differs from the first embodiment in the pattern of the three-dimensional periodic array structure formed by the convex portions of the second nitride semiconductor single crystal layer. Descriptions of the configurations common to the other first embodiments will be omitted or simplified.

図3A〜3Eは、第2の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。3A to 3E are vertical cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the nitride semiconductor growth substrate according to the second embodiment.

まず、図3Aに示されるように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板21上に第一の窒化物半導体単結晶層22をヘテロエピタキシャル成長させ、テンプレート20を得る。次に、図3Bに示されるように、テンプレート20の表面に溝23を形成する。次に、図3C、3Dに示されるように、溝23が形成されたテンプレート20上に、第二の窒化物半導体単結晶層24をエピタキシャル成長させる。次に、必要に応じて、図3Eに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層24から窒化物半導体成長用基板27を切り出す。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。First, as shown in FIG. 3A, a template 20 is obtained by heteroepitaxially growing a first nitride semiconductor single crystal layer 22 on a heterogeneous substrate 21 made of a material different from a nitride semiconductor. Next, as shown in FIG. 3B, a groove 23 is formed on the surface of the template 20. Next, as shown in FIGS. 3C and 3D, the second nitride semiconductor single crystal layer 24 is epitaxially grown on the template 20 in which the groove 23 is formed. Next, as shown in FIG. 3E, a substrate 27 for growing a nitride semiconductor is cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 24, if necessary. Hereinafter, each of these steps will be described in detail.

図3Aに示される異種基板21、第一の窒化物半導体単結晶層22は、それぞれ第1の実施形態の異種基板11、第一の窒化物半導体単結晶層12と同様の部材である。The heterogeneous substrate 21 and the first nitride semiconductor single crystal layer 22 shown in FIG. 3A are the same members as the heterogeneous substrate 11 and the first nitride semiconductor single crystal layer 12 of the first embodiment, respectively.

図3Bに示される工程においてテンプレート20の表面に形成される溝23は、六方晶である窒化物半導体単結晶のa軸に平行な直線状の溝の組み合わせにより構成され、a軸に平行な辺で構成された六角形と三角形を並べた格子状のパターンを有する。この場合、テンプレート20上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層24の凸部分25、26の傾斜面25b、26bをファセット成長面で構成することができる(傾斜面25b、26b及びファセット成長面については後述する)。例えば、溝23を構成する直線状の溝の幅は40μm、深さは60μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、1mmである。The groove 23 formed on the surface of the template 20 in the step shown in FIG. 3B is constituted by a combination of linear grooves parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal which is a hexagonal crystal, and sides parallel to the a-axis. It has a grid-like pattern in which hexagons and triangles are arranged. In this case, the inclined surfaces 25b and 26b of the convex portions 25 and 26 of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 grown on the template 20 can be constituted by facet growth surfaces (the inclined surfaces 25b and 26b and facet growth). The surface will be described later). For example, the width of the linear groove forming the groove 23 is 40 μm, the depth is 60 μm, and the pitch of the grooves (distance between the centers of adjacent grooves) is 1 mm.

図4Aは、テンプレート20の一部を示す上面図であり、溝23のパターンの一例を示す。図4Aに示される第一の窒化物半導体単結晶層22の上面は、第一の窒化物半導体単結晶層22を構成する窒化物半導体単結晶のc面、すなわち(0001)面であり、第一の窒化物半導体単結晶層22を構成する窒化物半導体単結晶のc軸が紙面に垂直に向いている。図3Bに示されるテンプレート10の断面は、図4Aの切断線D−Dによる断面に対応する。FIG. 4A is a top view showing a part of the template 20, and shows an example of the pattern of the groove 23. The upper surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 22 shown in FIG. 4A is the c-plane of the nitride semiconductor single crystal forming the first nitride semiconductor single crystal layer 22, that is, the (0001) plane, The c-axis of the nitride semiconductor single crystal that constitutes one nitride semiconductor single crystal layer 22 is perpendicular to the paper surface. The cross section of the template 10 shown in FIG. 3B corresponds to the cross section along the section line DD of FIG. 4A.

図4Aに示される溝23は、回転操作の中心軸の設定位置によって、最大6回の回転対称性を有する。例えば、格子状パターンの六角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝23のパターンは6回対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝23のパターンは3回対称性を有する。The groove 23 shown in FIG. 4A has a rotational symmetry of up to 6 times depending on the set position of the central axis of the rotating operation. For example, when the central axis of the rotating operation is set on the center of the hexagon of the lattice pattern, the pattern of the groove 23 has 6-fold symmetry. Further, when the center axis of the rotating operation is set on the center of the triangle of the lattice pattern, the pattern of the groove 23 has three-fold symmetry.

格子状パターンの六角形の中心がテンプレート10の中心軸上に位置する場合は、図4Aに示される溝23のパターンは、テンプレート10の中心軸に対して6回の回転対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の頂点がテンプレート10の中心軸上に位置する場合は、図4Aに示される溝13のパターンは、テンプレート10の中心軸に対して3回の回転対称性を有する。When the center of the hexagon of the grid pattern is located on the central axis of the template 10, the pattern of the grooves 23 shown in FIG. 4A has 6-fold rotational symmetry with respect to the central axis of the template 10. Further, when the vertices of the triangles of the grid pattern are located on the central axis of the template 10, the pattern of the grooves 13 shown in FIG. 4A has three-fold rotational symmetry with respect to the central axis of the template 10.

溝23は、第1の実施形態の溝13と同様の方法により形成され、溝13と同様の直線状の溝により構成される。The groove 23 is formed by a method similar to that of the groove 13 of the first embodiment, and is configured by a linear groove similar to the groove 13.

図3C、3Dに示される第二の窒化物半導体単結晶層24は、第1の実施形態の第二の窒化物半導体単結晶層14と同じ窒化物半導体結晶からなり、同様の成長方法により形成される。The second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIGS. 3C and 3D is made of the same nitride semiconductor crystal as the second nitride semiconductor single crystal layer 14 of the first embodiment, and is formed by the same growth method. To be done.

第二の窒化物半導体単結晶層24は、凸部分25、26から構成される3次元周期配列構造を有する。凸部分25、26の底面(図3Cに示される状態においてテンプレート20と接する面)は、テンプレート20の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の(0001)面である。The second nitride semiconductor single crystal layer 24 has a three-dimensional periodic array structure composed of convex portions 25 and 26. The bottom surfaces of the convex portions 25 and 26 (the surfaces that contact the template 20 in the state shown in FIG. 3C) are the (0001) planes of the nitride semiconductor single crystal, like the upper surface of the template 20.

凸部分25は、テンプレート20の溝23により区画された六角形の領域状に成長する六角錐台状又は六角錐状の部分であり、凸部分26は、テンプレート20の溝23により区画された三角形の領域状に成長する三角錐台状又は三角錐状の部分である。凸部分25、26の底面の縁と溝23の縁は一致しているため、凸部分25の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のa軸に平行な辺で構成される六角形であり、凸部分26の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のa軸に平行な辺で構成される三角形である。The convex portion 25 is a hexagonal truncated pyramid shape or a hexagonal pyramid-shaped portion that grows in a hexagonal region divided by the groove 23 of the template 20, and the convex portion 26 is a triangle divided by the groove 23 of the template 20. Is a truncated pyramid shape or a triangular pyramid-shaped portion. Since the edges of the bottom surfaces of the convex portions 25 and 26 and the edges of the groove 23 coincide with each other, the shape of the bottom surface of the convex portion 25 is a hexagon formed by the sides parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal. The shape of the bottom surface of the convex portion 26 is a triangle formed by sides parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal.

六方晶である窒化物半導体単結晶のファセット成長面は、(10−1n)面(nは任意の整数)であり、a軸と平行である。このため、テンプレート10上の溝13を構成するa軸に平行な直線状の溝に沿ってファセット成長面が現れ、凸部分25、26の傾斜面25b、26bを形成する。The facet growth plane of the hexagonal nitride semiconductor single crystal is the (10-1n) plane (n is an arbitrary integer) and is parallel to the a-axis. For this reason, the facet growth surface appears along the linear groove parallel to the a-axis forming the groove 13 on the template 10, and the inclined surfaces 25b and 26b of the convex portions 25 and 26 are formed.

テンプレート10上の面積の大きい領域上に成長する凸部分25の高さは、面積の小さい領域上に成長する凸部分26の高さよりも高くなる傾向がある。このため、第二の窒化物半導体単結晶層24の凸部分の高さは周期的に変化し、かつ、凸部分25の頂面25a又は頂点と、凸部分26の頂面26a又は頂点とは、それぞれ異なる高さの2つの仮想平面上に位置する。The height of the convex portion 25 growing on the region having a large area on the template 10 tends to be higher than the height of the convex portion 26 growing on the region having a small area. Therefore, the height of the convex portion of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 changes periodically, and the top surface 25a or the apex of the convex portion 25 and the top surface 26a or the apex of the convex portion 26 are different from each other. , Located on two virtual planes of different heights.

図3Cは、テンプレート20上の溝23により区画された各々の領域上に第二の窒化物半導体単結晶層14の凸部分25、26が成長し、隣り合う凸部分25、26が接触する前の状態を示している。In FIG. 3C, before the convex portions 25 and 26 of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 grow on each region defined by the groove 23 on the template 20 and the adjacent convex portions 25 and 26 contact each other. Shows the state of.

また、凸部分25は、結晶成長条件によって六角錐台状又は六角錐状の形状を有する。同様に、凸部分26は、結晶成長条件によって三角錐台状又は三角錐状の形状を有する。ただし、第二の窒化物半導体単結晶層24上にエピタキシャル結晶成長を行う際の成長結晶の品質や、半導体デバイスの電極を形成する領域の確保を考慮すれば、凸部分25、26は、それぞれ三角錐台状、六角錐台状であることが好ましい。なお、三角錐台状又は三角錐状の凸部分25の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った三角錐台状の凸部分25を形成してもよい。同様に、六角錐台状又は六角錐状の凸部分26の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った六角錐台状の凸部分26を形成してもよい。The convex portion 25 has a hexagonal truncated pyramid shape or a hexagonal pyramid shape depending on crystal growth conditions. Similarly, the convex portion 26 has a truncated pyramid shape or a truncated pyramid shape depending on crystal growth conditions. However, in consideration of the quality of the grown crystal at the time of performing the epitaxial crystal growth on the second nitride semiconductor single crystal layer 24 and the securing of the region for forming the electrode of the semiconductor device, the convex portions 25 and 26 are respectively formed. It is preferably a truncated pyramid shape or a truncated pyramid shape. The top of the triangular pyramid-shaped or triangular pyramid-shaped convex portion 25 may be subjected to polishing to form the triangular-pyramidal convex portion 25 having a desired height. Similarly, the top of the hexagonal pyramid-shaped or hexagonal pyramid-shaped convex portion 26 may be subjected to polishing to form the hexagonal-pyramidal-shaped convex portion 26 having a desired height.

また、第二の窒化物半導体単結晶層24が三角錐台状の凸部分25及び六角錐台状の凸部分26を含む場合は、その頂面25a、26aは、テンプレート20の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の(0001)面である。なお、頂面25a、26aは、(0001)面であることが好ましいが、5°以内であれば、(0001)面からのオフセット角を有してもよい。オフセット角が5°を超えると、凸部分25、26が傾くことにより、傾斜面25b、26bの面積のばらつきが大きくなるため、第二の窒化物半導体単結晶層24を用いて特性の優れた半導体デバイスを作製することが困難になる。When the second nitride semiconductor single crystal layer 24 includes the triangular pyramid-shaped convex portion 25 and the hexagonal pyramid-shaped convex portion 26, the top surfaces 25 a and 26 a thereof are the same as the upper surface of the template 20. It is a (0001) plane of a nitride semiconductor single crystal. The top surfaces 25a and 26a are preferably (0001) planes, but may have an offset angle from the (0001) plane within 5°. When the offset angle exceeds 5°, the convex portions 25 and 26 are tilted to increase the variation in the area of the inclined surfaces 25b and 26b. Therefore, the second nitride semiconductor single crystal layer 24 is used to provide excellent characteristics. It becomes difficult to manufacture a semiconductor device.

全ての凸部分25の頂面25aの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。頂面25aの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面25bの大きさ、形状もほぼ均一になる。同様に、全ての凸部分26の頂面26aの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。頂面26aの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面26bの大きさ、形状もほぼ均一になる。頂面25a、26aの大きさ、形状、高さの均一性、及び傾斜面25b、26bの大きさ、形状の均一性を高くすることにより、第二の窒化物半導体単結晶層24を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させることができる。It is preferable that the size, shape, and height of the top surfaces 25a of all the convex portions 25 be substantially uniform. When the size, shape and height of the top surface 25a are substantially uniform, the size and shape of the inclined surface 25b are also substantially uniform. Similarly, it is preferable that the size, shape, and height of the top surfaces 26a of all the convex portions 26 be substantially uniform. When the size, shape and height of the top surface 26a are substantially uniform, the size and shape of the inclined surface 26b are also substantially uniform. By using the second nitride semiconductor single crystal layer 24 by increasing the size, shape and height uniformity of the top surfaces 25a and 26a and the size and shape uniformity of the inclined surfaces 25b and 26b. The manufacturing yield of manufactured semiconductor devices can be improved.

また、第二の窒化物半導体単結晶層24を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させるためには、凸部分25の傾斜面25b及び凸部分26の傾斜面26bが加工ダメージを有さないことが求められる。傾斜面25b、26bは窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成されるアズグロウンの面であり、エッチング等による加工を施していないため、加工ダメージを有さない。傾斜面25b、26bの加工ダメージの有無は、その断面をTEM(透過電子顕微鏡)で観察し、窒化物半導体単結晶の原子配列の乱れの有無を調べることにより判別することができる。なお、傾斜面25b、26bを窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成することにより、傾斜面25b、26bの大きさ、形状の均一性を向上させることもできる。Further, in order to improve the manufacturing yield of the semiconductor device manufactured by using the second nitride semiconductor single crystal layer 24, the sloped surface 25b of the convex portion 25 and the sloped surface 26b of the convex portion 26 have processing damage. Not required. The inclined surfaces 25b and 26b are as-grown surfaces composed of facet growth surfaces of the nitride semiconductor single crystal and have no processing damage because they are not processed by etching or the like. The presence or absence of processing damage on the inclined surfaces 25b and 26b can be determined by observing the cross section with a TEM (transmission electron microscope) and examining the presence or absence of disorder of the atomic arrangement of the nitride semiconductor single crystal. By forming the inclined surfaces 25b and 26b by facet growth surfaces of a nitride semiconductor single crystal, it is possible to improve the uniformity of size and shape of the inclined surfaces 25b and 26b.

また、傾斜面25b、26bをファセット成長面で構成することにより、全ての傾斜面25b、26bの面方位が等価になるため、第二の窒化物半導体単結晶層24を用いて作製される半導体デバイスの特性のばらつきを抑えることができる。Further, by forming the inclined surfaces 25b and 26b by facet growth surfaces, the surface orientations of all the inclined surfaces 25b and 26b become equivalent, so that a semiconductor manufactured using the second nitride semiconductor single crystal layer 24. It is possible to suppress variations in device characteristics.

図4Bは、図3Cに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層24の一部を示す上面図であり、第二の窒化物半導体単結晶層24のパターンの一例を示す。図3Cに示されるテンプレート20及び第二の窒化物半導体単結晶層24の断面は、図4Bの切断線E−Eによる断面に対応する。FIG. 4B is a top view corresponding to FIG. 3C and showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer 24, and shows an example of a pattern of the second nitride semiconductor single crystal layer 24. The cross section of the template 20 and the second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 3C corresponds to the cross section taken along the line EE of FIG. 4B.

図4Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層24は、図4Aに示されるテンプレート20上に成長したものであり、複数の凸部分25、26が効率的に配列している。図4Bに示される凸部分25の形状及び大きさ、並びに凸部分26の形状及び大きさは、それぞれ均一である。このため、凸部分25の頂面25aの高さ、及び凸部分26の頂面26aの高さも、それぞれ均一である。The second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 4B is grown on the template 20 shown in FIG. 4A, and the plurality of convex portions 25 and 26 are efficiently arranged. The shape and size of the convex portion 25 and the shape and size of the convex portion 26 shown in FIG. 4B are uniform. Therefore, the height of the top surface 25a of the convex portion 25 and the height of the top surface 26a of the convex portion 26 are also uniform.

図3Dは、第二の窒化物半導体単結晶層24の成長が進行し、第二の窒化物半導体単結晶層24がテンプレート20上の窒化物半導体単結晶の連続膜28とその上の複数の凸部分25、26から構成される状態を示している。この窒化物半導体単結晶の連続膜28の部分と複数の凸部分25、26の結晶方位は揃っている。In FIG. 3D, as the growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 progresses, the second nitride semiconductor single crystal layer 24 has a continuous film 28 of the nitride semiconductor single crystal on the template 20 and a plurality of continuous films 28 thereon. It shows a state where the convex portions 25 and 26 are formed. The crystal orientations of the continuous film 28 of the nitride semiconductor single crystal and the plurality of convex portions 25 and 26 are aligned.

凸部分25の傾斜面25b及び凸部分26の傾斜面26bがファセット成長面であるため、第二の窒化物半導体単結晶層24の成長が進行しても隣り合う凸部分25、26同士が水平方向に成長して結合して平坦化することがなく、個々の形状を維持することができる。すなわち、図3Dに示される状態における凸部分25、26の形状が、図3Cに示される状態における凸部分25、26の形状から、ほとんど変化しない。このため、凸部分25、26から構成される第二の窒化物半導体単結晶層24の3次元周期配列構造を、半導体デバイスの作製に効率的に用いることができる。Since the inclined surface 25b of the convex portion 25 and the inclined surface 26b of the convex portion 26 are facet growth surfaces, even if the growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 progresses, the adjacent convex portions 25, 26 are horizontal to each other. Individual shapes can be maintained without directional growth and bonding to planarize. That is, the shapes of the convex portions 25 and 26 in the state shown in FIG. 3D hardly change from the shapes of the convex portions 25 and 26 in the state shown in FIG. 3C. Therefore, the three-dimensional periodic array structure of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 composed of the convex portions 25 and 26 can be efficiently used for manufacturing a semiconductor device.

なお、第二の窒化物半導体単結晶層24を半導体デバイスの作製に用いる場合、傾斜面の面積の小さい凸部分26を用いずに、傾斜面の面積の大きい凸部分25のみを用いてもよい。When the second nitride semiconductor single crystal layer 24 is used for manufacturing a semiconductor device, only the convex portion 25 having a large inclined surface area may be used without using the convex portion 26 having a small inclined surface area. ..

図3Dに示される状態の第二の窒化物半導体単結晶層24とテンプレート20の積層体を、窒化物半導体成長用基板として、エピタキシャル結晶成長の下地基板等の用途に用いてもよい。The laminated body of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 and the template 20 in the state shown in FIG. 3D may be used as a nitride semiconductor growth substrate, such as an underlying substrate for epitaxial crystal growth.

隣り合う凸部分25、26の底面の間の距離は、1mm以下であることが望ましい。この距離が1mmを超えると、第二の窒化物半導体単結晶層24上に結晶をエピタキシャル成長させたときに、隣り合う凸部分25、26の底面と底面の隙間に新たな3次元の結晶核が発生し、第二の窒化物半導体単結晶層24の表面の周期配列構造を乱す原因となるからである。The distance between the bottom surfaces of the adjacent convex portions 25, 26 is preferably 1 mm or less. If this distance exceeds 1 mm, when a crystal is epitaxially grown on the second nitride semiconductor single crystal layer 24, new three-dimensional crystal nuclei form in the gap between the bottom surfaces of the adjacent convex portions 25 and 26. This is because it is generated and disturbs the periodic array structure on the surface of the second nitride semiconductor single crystal layer 24.

第二の窒化物半導体単結晶層24の隣り合う凸部分25、26の間の領域、すなわちテンプレート20の溝23の真上の領域は、凸部分25、26内の領域に比べて転位密度が高くなっていることが好ましい。半導体デバイスを構成する窒化物半導体単結晶中の結晶欠陥である転位は、デバイス特性や寿命を劣化させる原因となることが知られており、転位密度はなるべく低いことが望ましい。本実施形態によれば、窒化物半導体結晶が成長して凸部分25、26が形成される際に、結晶中をgrown−inで伝搬する転位は、成長界面の傾斜方向に曲がって進行し、隣り合う凸部分25、26の間の領域に集まる性質がある。この性質を利用し、隣り合う凸部分25、26の間の領域に転位を集中させ、凸部分25、26内の転位密度を低減することができる。The region between the adjacent convex portions 25 and 26 of the second nitride semiconductor single crystal layer 24, that is, the region immediately above the groove 23 of the template 20 has a dislocation density higher than that of the regions inside the convex portions 25 and 26. It is preferably high. It is known that dislocations, which are crystal defects in a nitride semiconductor single crystal forming a semiconductor device, cause deterioration of device characteristics and life, and it is desirable that the dislocation density be as low as possible. According to the present embodiment, when the nitride semiconductor crystal grows to form the convex portions 25 and 26, the dislocations propagated in the crystal in the grown-in bend in the tilt direction of the growth interface and proceed. It has a property of gathering in a region between the adjacent convex portions 25 and 26. By utilizing this property, dislocations can be concentrated in the region between the adjacent convex portions 25 and 26, and the dislocation density in the convex portions 25 and 26 can be reduced.

図4Cは、図3Dに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層24の一部を示す上面図であり、凸部分25、26のパターンの一例を表す。図3Dに示されるテンプレート20及び第二の窒化物半導体単結晶層24の断面は、図4Cの切断線F−Fによる断面に対応する。FIG. 4C is a top view showing a part of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 corresponding to FIG. 3D and shows an example of the pattern of the convex portions 25 and 26. The cross section of the template 20 and the second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 3D corresponds to the cross section taken along the line FF of FIG. 4C.

図4Cに示される第二の窒化物半導体単結晶層24は、図4Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層24が成長したものであり、図4Bに示される第二の窒化物半導体単結晶層24とほぼ同じ形状、大きさの凸部分25、26を有する。The second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 4C is a growth of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 4B, and the second nitride semiconductor single crystal layer 24 shown in FIG. 4B. It has convex portions 25 and 26 having substantially the same shape and size as the single crystal layer 24.

第二の窒化物半導体単結晶層24の凸部分25、26は、図4Cに示されるように、ほぼ隙間無く配列していることが好ましい。この場合、凸部分25、26を利用した半導体デバイスを効率的に形成することができる。As shown in FIG. 4C, the convex portions 25 and 26 of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 are preferably arranged with almost no space. In this case, a semiconductor device using the convex portions 25 and 26 can be efficiently formed.

図3Eは、テンプレート20上の第二の窒化物半導体単結晶層24から窒化物半導体成長用基板27を切り出す様子を示したものである。図3(e)に示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層24を十分な厚さまで成長させた後、テンプレート20の表面と平行、すなわちc面と平行に切断することにより、出発基板に窒化物半導体単結晶の自立基板を用いなくても、自立基板である窒化物半導体成長用基板27を得ることができる。FIG. 3E shows a state in which the nitride semiconductor growth substrate 27 is cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 24 on the template 20. As shown in FIG. 3E, after the second nitride semiconductor single crystal layer 24 is grown to a sufficient thickness, the template 20 is cut in parallel with the surface, that is, in parallel with the c-plane. Even if a nitride semiconductor single crystal freestanding substrate is not used as the substrate, the nitride semiconductor growth substrate 27 that is a freestanding substrate can be obtained.

第二の窒化物半導体単結晶層24の切断には、Si結晶やGaAs結晶の切断に一般的に使用されているワイヤーソー等を用いることができる。For cutting the second nitride semiconductor single crystal layer 24, a wire saw or the like generally used for cutting Si crystal or GaAs crystal can be used.

上記のように、本実施形態によれば、凸部分25、26により構成される3次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。具体的には、図3Dに示されるような、連続膜28とその上の複数の凸部分25、26から構成される第二の窒化物半導体単結晶層24とテンプレート20からなる、テンプレート基板としての窒化物半導体成長用基板、及び図3Eに示されるような、第二の窒化物半導体単結晶層24から切り出される、自立基板としての窒化物半導体成長用基板27を得ることができる。As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain the substrate for growing a nitride semiconductor having the three-dimensional periodic array structure composed of the convex portions 25 and 26. Specifically, as shown in FIG. 3D, as a template substrate including a continuous film 28 and a second nitride semiconductor single crystal layer 24 composed of a plurality of convex portions 25 and 26 thereon and a template 20, It is possible to obtain the substrate for growing a nitride semiconductor of 1), and the substrate for growing a nitride semiconductor 27 as a free-standing substrate cut out from the second nitride semiconductor single crystal layer 24 as shown in FIG. 3E.

本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板における第二の窒化物半導体単結晶層24は、その大部分が窒化物半導体単結晶からなり、好ましくは、全体が窒化物半導体単結晶からなる。隣り合う凸部分25、26の間の領域が多結晶や非晶質となる場合はあるが、少なくとも、複数の凸部分25、26及び連続膜28の複数の凸部分25、26下の領域は、連続した窒化物半導体単結晶からなる。The second nitride semiconductor single crystal layer 24 in the substrate for growing a nitride semiconductor according to the present embodiment is mostly made of a nitride semiconductor single crystal, and preferably entirely made of a nitride semiconductor single crystal. The region between the adjacent convex portions 25 and 26 may be polycrystalline or amorphous, but at least the region under the convex portions 25 and 26 of the continuous film 28 and the plural convex portions 25 and 26 should be at least , A continuous nitride semiconductor single crystal.

本実施形態において得られる窒化物半導体成長用基板は、第1の実施形態の窒化物半導体成長用基板と同様に、直径が50mm以上であることが望ましく、100mm以上であることがより望ましい。The nitride semiconductor growth substrate obtained in the present embodiment preferably has a diameter of 50 mm or more, and more preferably 100 mm or more, similarly to the nitride semiconductor growth substrate of the first embodiment.

〔第3の実施形態〕
第3の実施形態では、窒化物半導体成長用基板を用いて半導体デバイスを製造する。窒化物半導体成長用基板を形成するまでの工程は第1の実施形態及び第2の実施形態とほぼ同じであるため、共通する部分については説明を省略又は簡略化する。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, a semiconductor device is manufactured using the nitride semiconductor growth substrate. Since the steps up to the formation of the nitride semiconductor growth substrate are almost the same as those in the first and second embodiments, description of common parts will be omitted or simplified.

図5A〜5Dは、第3の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。5A to 5D are vertical cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment.

まず、図5Aに示されるように、溝が形成された窒化物半導体の自立基板30上に、窒化物半導体成長用基板としての窒化物半導体単結晶層31をヘテロエピタキシャル成長させる。次に、図5Bに示されるように、窒化物半導体単結晶層31上に多層エピタキシャル成長層32を形成する。次に、図5Cに示されるように、多層エピタキシャル成長層32の上面に電極33を形成し、さらに、自立基板30を除去した後に、窒化物半導体単結晶層31の下面に電極34を形成する。次に、図5Dに示されるように、窒化物半導体単結晶層31、多層エピタキシャル成長層32、及び電極34を分割し、複数の半導体デバイス35を得る。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。First, as shown in FIG. 5A, a nitride semiconductor single crystal layer 31 as a substrate for growing a nitride semiconductor is heteroepitaxially grown on a free-standing substrate 30 of a nitride semiconductor in which a groove is formed. Next, as shown in FIG. 5B, a multilayer epitaxial growth layer 32 is formed on the nitride semiconductor single crystal layer 31. Next, as shown in FIG. 5C, an electrode 33 is formed on the upper surface of the multilayer epitaxial growth layer 32, and after removing the free-standing substrate 30, an electrode 34 is formed on the lower surface of the nitride semiconductor single crystal layer 31. Next, as shown in FIG. 5D, the nitride semiconductor single crystal layer 31, the multilayer epitaxial growth layer 32, and the electrode 34 are divided to obtain a plurality of semiconductor devices 35. Hereinafter, each of these steps will be described in detail.

図5Aに示される窒化物半導体の自立基板30は、c面である表面に第1の実施形態のテンプレート10の溝13と同様の溝を有し、テンプレート10と同様に窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長の下地基板として用いられる。窒化物半導体の自立基板30は、例えば、GaN自立基板である。窒化物半導体の自立基板30の代わりにテンプレート10を用いてもよい。The nitride semiconductor free-standing substrate 30 shown in FIG. 5A has a groove similar to the groove 13 of the template 10 of the first embodiment on the surface which is the c-plane, and the nitride semiconductor single crystal of the template 10 is similar to the template 10. Used as a base substrate for epitaxial growth. The nitride semiconductor free-standing substrate 30 is, for example, a GaN free-standing substrate. The template 10 may be used instead of the nitride semiconductor free-standing substrate 30.

図5Aに示される窒化物半導体単結晶層31は、第1の実施形態の第二の窒化物半導体単結晶層24と同じ窒化物半導体単結晶からなり、同様の成長方法により形成される。また、第二の窒化物半導体単結晶層14と同様の凸部分から構成される3次元周期配列構造を有する。The nitride semiconductor single crystal layer 31 shown in FIG. 5A is made of the same nitride semiconductor single crystal as the second nitride semiconductor single crystal layer 24 of the first embodiment, and is formed by the same growth method. Further, it has a three-dimensional periodic array structure composed of convex portions similar to the second nitride semiconductor single crystal layer 14.

なお、自立基板30が第2の実施形態のテンプレート20の溝23と同様の溝を有し、窒化物半導体単結晶層31が第二の窒化物半導体単結晶層24と同様の3次元周期配列構造を有してもよい。The free-standing substrate 30 has grooves similar to the grooves 23 of the template 20 of the second embodiment, and the nitride semiconductor single crystal layer 31 has the same three-dimensional periodic array as the second nitride semiconductor single crystal layer 24. It may have a structure.

図5Bに示される多層エピタキシャル成長層32は、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)用の発光層を含む層であり、MOCVD法等により形成される。多層エピタキシャル成長層32の各層は、窒化物半導体の単結晶膜からなる。窒化物半導体単結晶層31の表面の3次元周期配列構造がエッチング等による加工ダメージを有さないため、結晶品質のよい多層エピタキシャル成長層32を成長させることができる。The multilayer epitaxial growth layer 32 shown in FIG. 5B is a layer including a light emitting layer for a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), and is formed by the MOCVD method or the like. Each layer of the multilayer epitaxial growth layer 32 is made of a nitride semiconductor single crystal film. Since the three-dimensional periodic array structure on the surface of the nitride semiconductor single crystal layer 31 has no processing damage due to etching or the like, the multilayer epitaxial growth layer 32 with good crystal quality can be grown.

図5Cに示される電極33は、窒化物半導体単結晶層31の複数の凸部分の各々の頂面の上に、フォトリソグラフィ技術等を用いて形成される。自立基板30は、バックラップや研削等の手段により除去される。このとき、窒化物半導体単結晶層31の厚さを、製造する半導体デバイス35の高さに合うように調整することができる。なお、自立基板30を除去せずに残してもよい。ただし、自立基板30の代わりにテンプレート10を用いる場合は、異種基板11は除去する必要がある。電極34は、窒化物半導体単結晶層31の下面の全面に形成される。The electrode 33 shown in FIG. 5C is formed on the top surface of each of the plurality of convex portions of the nitride semiconductor single crystal layer 31 by using a photolithography technique or the like. The free-standing substrate 30 is removed by means such as back lap or grinding. At this time, the thickness of the nitride semiconductor single crystal layer 31 can be adjusted to match the height of the semiconductor device 35 to be manufactured. The self-standing substrate 30 may be left without being removed. However, when the template 10 is used instead of the free-standing substrate 30, the different type substrate 11 needs to be removed. The electrode 34 is formed on the entire lower surface of the nitride semiconductor single crystal layer 31.

図5Dに示される工程においては、窒化物半導体単結晶層31、多層エピタキシャル成長層32、及び電極34は、窒化物半導体単結晶層31の凸部分の間の部分で分割される。この分割のために、例えば、ダイサー等による切断を行ってもよいし、また、窒化物半導体単結晶層31の上面及び下面にスクライバーやダイサーで溝加工を施した後、割断を行ってもよい。In the step shown in FIG. 5D, the nitride semiconductor single crystal layer 31, the multilayer epitaxial growth layer 32, and the electrode 34 are divided at the portions between the convex portions of the nitride semiconductor single crystal layer 31. For this division, for example, cutting with a dicer or the like may be performed, or after cutting the upper surface and the lower surface of the nitride semiconductor single crystal layer 31 with a scriber or a dicer, cutting may be performed. ..

本実施形態によれば、窒化物半導体単結晶層31の1つの凸部分を半導体デバイスの構成ユニットとするため、分割のための精確な位置合わせなどが不要であり、簡単に半導体チップを作製することができる。According to the present embodiment, since one convex portion of the nitride semiconductor single crystal layer 31 is used as a constituent unit of a semiconductor device, accurate alignment for division is unnecessary, and a semiconductor chip is easily manufactured. be able to.

なお、分割される窒化物半導体単結晶層31の凸部分の間の部分は、単結晶の窒化物半導体である必要はなく、多結晶や非晶質の窒化物半導体であってもよい。ただし、窒化物半導体単結晶層31上に成長させる多層エピタキシャル成長層32の結晶品質や、多層エピタキシャル成長層32の形成後のプロセス加工における利便性を考えると、窒化物半導体単結晶層31の表面に単結晶の窒化物半導体以外の材料が出現していることは望ましくなく、窒化物半導体単結晶層31の凸部分の間の部分も凸部分と結晶方位の揃った窒化物半導体の連続した単結晶であることが望ましい。The portion between the convex portions of the divided nitride semiconductor single crystal layer 31 does not need to be a single crystal nitride semiconductor, and may be a polycrystalline or amorphous nitride semiconductor. However, considering the crystal quality of the multi-layer epitaxial growth layer 32 grown on the nitride semiconductor single crystal layer 31 and the convenience in the process processing after the formation of the multi-layer epitaxial growth layer 32, the single layer on the surface of the nitride semiconductor single crystal layer 31 is considered. It is not desirable that a material other than a crystalline nitride semiconductor appears, and the portion between the convex portions of the nitride semiconductor single crystal layer 31 is also a continuous single crystal of a nitride semiconductor in which the convex portion and the crystal orientation are aligned. Is desirable.

窒化物半導体単結晶層31の利用効率を高めるためには、凸部分は、図2Cや図4Cに示されるように、なるべく全面的に高密度に配列していることが望ましいが、一方で、分割等のデバイス作製のプロセスを容易にするために、凸部分の間隔を故意に開けて配列することも可能である。この場合、隣接する凸部分の底面と底面の間に幅広の溝を形成することもできるし、二重線状の溝を形成することにより、二重線を構成する溝と溝の間に(0001)面からなる平面や、(0001)面を頂面とする細長い四角錐台を形成することもできる。また、デバイスの電極を形成する目的で、隣接する凸部分の底面と底面の間に故意にスペースを形成することもできる。In order to improve the utilization efficiency of the nitride semiconductor single crystal layer 31, it is desirable that the convex portions are arranged as densely as possible over the entire surface as shown in FIGS. 2C and 4C. In order to facilitate a device manufacturing process such as division, it is possible to intentionally arrange the convex portions at intervals. In this case, it is possible to form a wide groove between the bottom surfaces of the adjacent convex portions, or by forming a double-line-shaped groove, between the grooves forming the double wire ( It is also possible to form a flat surface including a (0001) plane or a slender quadrangular pyramid having a (0001) plane as a top surface. Further, for the purpose of forming an electrode of the device, a space can be intentionally formed between the bottom surfaces of the adjacent convex portions.

また、本実施形態においては、1つの凸部を用いて1つの半導体デバイスを製造しているが、1つの凸部を分割して複数の半導体デバイスを製造してもよく、また、複数の凸部を用いて1つの半導体デバイスを製造してもよい。In addition, in the present embodiment, one semiconductor device is manufactured by using one convex portion, but one convex portion may be divided to manufacture a plurality of semiconductor devices. Parts may be used to manufacture one semiconductor device.

本実施形態では、凸部分の傾斜面に現われる非c面の特性をデバイスに利用することを目的としているが、多層エピタキシャル成長層32の表面を平坦面では無く故意に凹凸を付けた面とすることで、発光デバイスの光取り出し効率を高める技術にも応用が可能である。In the present embodiment, the purpose is to utilize the characteristics of the non-c-plane that appears on the inclined surface of the convex portion in the device. However, the surface of the multilayer epitaxial growth layer 32 is not a flat surface but is a surface with intentionally unevenness. Thus, it can be applied to a technique for improving the light extraction efficiency of a light emitting device.

(実施形態の効果)
上記第1の実施形態及び第2の実施形態によれば、窒化物半導体成長用基板の表面の3次元周期配列構造を窒化物半導体単結晶のファセット成長を利用して形成することにより、エッチング等の加工を施すことなく3次元周期配列構造の傾斜面を得ることができる。これにより、傾斜面に加工ダメージを与えず、かつ、歩留まりよく、低コストで3次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。
(Effects of the embodiment)
According to the first embodiment and the second embodiment, etching or the like is performed by forming the three-dimensional periodic array structure on the surface of the substrate for growing a nitride semiconductor by using facet growth of the nitride semiconductor single crystal. It is possible to obtain a slanted surface having a three-dimensional periodic array structure without performing the above processing. As a result, it is possible to obtain a nitride semiconductor growth substrate having a three-dimensional periodic array structure at a low cost, without damaging the inclined surface by processing, with good yield.

また、上記第3の実施形態によれば、表面に加工ダメージの無い傾斜面を有する窒化物半導体成長用基板を用いて、特性及び信頼性に優れた半導体デバイスを高い歩留まりで
製造することができる。
Further, according to the third embodiment, it is possible to manufacture a semiconductor device having excellent characteristics and reliability with a high yield by using a substrate for growing a nitride semiconductor having a sloped surface with no processing damage on the surface. ..

また、上記の各実施形態は、従来の結晶成長技術や加工技術等を利用して実施することが可能であるため、得られる効果に対するコスト負担が非常に少なくて済む。Further, each of the above-described embodiments can be carried out by utilizing the conventional crystal growth technique, processing technique, etc., and thus the cost burden for the obtained effect can be very small.

以下に、窒化物半導体成長用基板及び半導体デバイスを上記実施形態に基づいて製造し、評価した結果について述べる。The results of manufacturing and evaluating the nitride semiconductor growth substrate and the semiconductor device based on the above embodiment will be described below.

(実施例1)
まず、異種基板11としての、市販の直径50mm、厚さ360μmの単結晶サファイ
アc面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層12としてのアンドープGaN層をMOCVD法により成長させ、テンプレート10を形成した。
(Example 1)
First, an undoped GaN layer as the first nitride semiconductor single crystal layer 12 is grown by the MOCVD method on a commercially available single crystal sapphire c-plane substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 360 μm as the different substrate 11, and the template 10 is formed. Formed.

このアンドープGaN層の形成には、TMG(トリメチルガリウム)とNH3を原料ガスとして用いた。成長圧力は常圧とし、サファイア基板を水素ガス雰囲気中で、1200℃、10分間のサーマルクリーニングを行って、表面を清浄化した後、基板温度を620℃に下げて低温アンドープGaNバッファ層を20nm成長させ、次に、基板温度を1050℃まで上げて、ピットなどの無い平坦なアンドープGaN連続膜を2μmの厚さに成長させた。To form this undoped GaN layer, TMG (trimethylgallium) and NH 3 were used as source gases. The growth pressure is normal pressure, the sapphire substrate is subjected to thermal cleaning in a hydrogen gas atmosphere at 1200° C. for 10 minutes to clean the surface, and then the substrate temperature is lowered to 620° C. to set the low temperature undoped GaN buffer layer to 20 nm. Then, the substrate temperature was raised to 1050° C., and a flat undoped GaN continuous film without pits was grown to a thickness of 2 μm.

次に、得られたテンプレート10の表面に、溝13を加工した。溝加工には、市販の波長532nm、定格出力5WのYVO4パルスレーザー加工機を用いた。溝13のパターンは、図2Aに示すような、a軸に平行な直線状の溝から構成される三角格子状のパターンである。溝13の幅は30μm、深さは20μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、1.2mmとした。Next, grooves 13 were formed on the surface of the obtained template 10. A commercially available YVO4 pulse laser processing machine having a wavelength of 532 nm and a rated output of 5 W was used for the groove processing. The pattern of the grooves 13 is a triangular lattice pattern composed of linear grooves parallel to the a-axis as shown in FIG. 2A. The width of the groove 13 was 30 μm, the depth was 20 μm, and the pitch of the grooves (distance between the centers of adjacent grooves) was 1.2 mm.

次に、溝13の内部や周囲にレーザー加工機で溝加工を施した際に付着した、GaN及びサファイアの粉状の加工屑を除去する目的で、テンプレート10をメチルアルコール中で超音波洗浄した後、乾燥させた。Next, the template 10 was ultrasonically cleaned in methyl alcohol for the purpose of removing powdery processing wastes of GaN and sapphire that were adhered when the groove processing was performed inside or around the groove 13 by a laser processing machine. After that, it was dried.

次に、溝加工を施したテンプレート10上に、HVPE法により、第二の窒化物半導体単結晶層14としてのSiドープGaN層をエピタキシャル成長させた。Next, the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was epitaxially grown on the grooved template 10 by the HVPE method.

このSiドープGaN層は、780℃に加熱された金属GaにHClガスを接触させることで生成したGaClと、NH3を原料ガスとし、また、水素希釈したSiH2Cl2ガスをドーパントガスとして、これらのガスを1050℃に加熱したテンプレート10上に供給して成長させた。成長時の炉内圧力は常圧、キャリアガスの組成は窒素50%、水素50%とし、原料ガスのV/III比は4とした。成長中、テンプレート10を5rpmで自転させ、結晶の成長速度は、〜300μm/h、結晶の平均膜厚の目標は1mmとした。成長結晶の目標キャリア濃度は1×1018cm-3とした。This Si-doped GaN layer uses GaCl generated by contacting HCl gas with metallic Ga heated to 780° C., NH 3 as a source gas, and SiH 2 Cl 2 gas diluted with hydrogen as a dopant gas. These gases were supplied and grown on the template 10 heated to 1050°C. The pressure in the furnace during the growth was atmospheric pressure, the composition of the carrier gas was 50% nitrogen and 50% hydrogen, and the V/III ratio of the source gas was 4. During the growth, the template 10 was rotated at 5 rpm, the crystal growth rate was ˜300 μm/h, and the target of the average crystal film thickness was 1 mm. The target carrier concentration of the grown crystal was 1×10 18 cm −3 .

こうして第二の窒化物半導体単結晶層14としてのSiドープGaN層を成長させたテンプレート10を、冷却後に炉内から取り出したところ、凸部分15としての三角錐台状のGaN単結晶が、テンプレート10上の溝13のパターンに対応して、図2Cに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。各々の凸部分15の頂面15aは、一辺の長さが約500μmのほぼ正三角形の平面であり、三角形の各辺がGaNのa軸に平行であった。このことから、全ての凸部分15は結晶方位の揃った単結晶であり、頂面15aはc面であると判断された。When the template 10 on which the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was grown in this manner was taken out from the furnace after cooling, the truncated pyramidal GaN single crystal as the convex portion 15 was formed into the template. It was observed that the patterns were formed in a periodic array as shown in FIG. The top surface 15a of each convex portion 15 was a plane of a substantially equilateral triangle having a side length of about 500 μm, and each side of the triangle was parallel to the a-axis of GaN. From this, it was determined that all the convex portions 15 were single crystals having uniform crystal orientations and the top surface 15a was the c-plane.

また、第二の窒化物半導体単結晶層14の外観からは、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層14を割って断面を観察したところ、テンプレート10の上面から凸部分15の頂面15aまでの高さは約1.2mm、凸部分15の高さは約180μmであった。各凸部分15の底部は、GaNの連続膜17とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層14の全体が凸部分15の周期配列構造を有するGaNの連続膜であることが確認された。また、凸部分15の傾斜面15bとGaN結晶のc面とのなす角度を測定したところ、ほぼ32°であったことから、傾斜面15bは(10−13)面であることが推察された。From the appearance of the second nitride semiconductor single crystal layer 14, no cracks or abnormal growth were observed, and no ungrown regions or pits were observed. When the cross section of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was observed, the height from the upper surface of the template 10 to the top surface 15a of the convex portion 15 was about 1.2 mm, and the height of the convex portion 15 was about. It was 180 μm. The bottom of each convex portion 15 is connected to the continuous film 17 of GaN, and it was confirmed that the entire second nitride semiconductor single crystal layer 14 is a continuous film of GaN having the periodic array structure of the convex portions 15. It was Further, the angle formed by the inclined surface 15b of the convex portion 15 and the c-plane of the GaN crystal was measured to be approximately 32°, so that the inclined surface 15b was inferred to be the (10-13) plane. ..

ここで、サファイア基板である異種基板11を裏面側から観察すると、表面に形成された溝13のピッチとほぼ同じ位のピッチで生じた細かいクラックが見られたが、これらのクラックが第二の窒化物半導体単結晶層14側に進展していることは無かった。これらの異種基板11内のクラックは、結晶冷却時に異種基板11と第二の窒化物半導体単結晶層14との線膨張係数差に起因して発生したものと推定される。Here, when the heterogeneous substrate 11, which is a sapphire substrate, is observed from the back surface side, fine cracks generated at a pitch substantially the same as the pitch of the grooves 13 formed on the front surface are observed. It did not extend to the nitride semiconductor single crystal layer 14 side. It is presumed that these cracks in the heterogeneous substrate 11 were generated due to the difference in linear expansion coefficient between the heterogeneous substrate 11 and the second nitride semiconductor single crystal layer 14 during crystal cooling.

こうして、第二の窒化物半導体単結晶層14とテンプレート10からなるテンプレート基板である、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。図6A、6Bおよび6Cはそれぞれ、この本実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEM(Scanning Electron Microscope)による上面写真、断面写真、断面の鳥瞰写真である。Thus, a nitride semiconductor growth substrate having a triangular pyramid periodic array structure on the surface, which is a template substrate composed of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 and the template 10, was obtained. 6A, 6B, and 6C are a top view photograph, a cross-section photograph, and a bird's-eye view photograph of the cross section, respectively, showing a nitride semiconductor growth substrate according to the present example by an SEM (Scanning Electron Microscope).

(実施例2)
上記の実施例1と同じ方法で、直径50mmのテンプレート10上に、約1mmの厚さのGaNの連続膜17とその上の三角錐台状の凸部分15からなる、第二の窒化物半導体単結晶層14としてのSiドープGaN層を形成した。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1 above, the second nitride semiconductor was formed on the template 10 having a diameter of 50 mm, which was composed of the continuous film 17 of GaN having a thickness of about 1 mm and the triangular frustum-shaped convex portion 15 thereon. A Si-doped GaN layer as the single crystal layer 14 was formed.

次に、第二の窒化物半導体単結晶層14を結晶成長方向に垂直に切断して、異種基板11としてのサファイア基板から分離させた。第二の窒化物半導体単結晶層14の切断は、第二の窒化物半導体単結晶層14をスライス加工用の台座に貼付け、ワイヤー放電加工機を用いて行った。この切断の工程よって、第二の窒化物半導体単結晶層14にクラックが発生することは無かった。これにより、表面に三角錐台状の凸部分15の周期配列構造を有する厚さ約600μmのSiドープGaN単結晶の自立基板16を得た。Next, the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was cut perpendicularly to the crystal growth direction and separated from the sapphire substrate as the heterogeneous substrate 11. The cutting of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was performed using a wire electric discharge machine by attaching the second nitride semiconductor single crystal layer 14 to a pedestal for slicing. No crack was generated in the second nitride semiconductor single crystal layer 14 due to this cutting step. As a result, a self-standing substrate 16 of Si-doped GaN single crystal having a thickness of about 600 μm and having a periodic array structure of convex portions 15 in the shape of a truncated pyramid on the surface was obtained.

得られた自立基板16の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、凸部分15の頂面15a及び傾斜面15bでは4×107〜8×107cm -2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分15の間の溝部の転位密度は2×108〜8×108cm-2であり、凸部分15内部よりもほぼ1桁転位密度が高いことが確認された。When the dislocation density of the obtained free-standing substrate 16 was evaluated by the dark spot density observed by cathodoluminescence, it was 4×10 4 on the top surface 15a and the inclined surface 15b of the convex portion 15.7~8×107cm -2It was confirmed that it was within the range of. On the other hand, the dislocation density of the groove portion between the adjacent convex portions 15 is 2×10.8~8×108cm-2It was confirmed that the dislocation density was higher by almost one digit than that inside the convex portion 15.

(実施例3)
初めに、特許第3631724号公報に開示されている結晶成長技術(VAS法)を用いて作製した、直径50mm、厚さ400μmのc面GaN自立基板を用意した。
(Example 3)
First, a c-plane GaN self-standing substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 400 μm, which was produced by using the crystal growth technique (VAS method) disclosed in Japanese Patent No. 3631724, was prepared.

次に、このGaN自立基板の表面に、上記の実施例1と同じレーザー加工機を用いて溝23を加工した。この溝23は、図4Aに示すような、a軸に平行な直線状の溝から構成される、三角格子と六角格子を有するパターンに形成した。溝23の幅は50μm、深さは60μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、1mmとした。Next, the groove 23 was formed on the surface of this GaN free-standing substrate by using the same laser processing machine as in the above-mentioned Example 1. The groove 23 was formed in a pattern having a triangular lattice and a hexagonal lattice, which is composed of linear grooves parallel to the a-axis as shown in FIG. 4A. The groove 23 had a width of 50 μm, a depth of 60 μm, and a groove pitch (distance between centers of adjacent grooves) of 1 mm.

次に、溝加工を施したGaN自立基板上に、HVPE法により、第二の窒化物半導体単結晶層24としてのSiドープGaN層をエピタキシャル成長させた。HVPE成長条件は、成長中の原料キャリアガスの組成が窒素90%、水素10%であること以外は、実施例1と同じである。この第二の窒化物半導体単結晶層24とGaN自立基板は、窒化物半導体成長用基板を構成する。Then, a Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was epitaxially grown on the grooved GaN free-standing substrate by the HVPE method. The HVPE growth conditions are the same as in Example 1 except that the composition of the raw material carrier gas during growth is 90% nitrogen and 10% hydrogen. The second nitride semiconductor single crystal layer 24 and the GaN free-standing substrate constitute a nitride semiconductor growth substrate.

こうして第二の窒化物半導体単結晶層24としてのSiドープGaN層を成長させたGaN自立基板を、冷却後に炉内から取り出したところ、背の高い凸部分25としての六角錐台状のGaN単結晶と、背の低い凸部分26としての三角錐台状のGaN単結晶が、GaN自立基板上の溝23のパターンに対応して、図4Cに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。When the GaN free-standing substrate on which the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was grown in this manner was taken out of the furnace after cooling, a hexagonal truncated pyramid-shaped GaN single crystal as the tall convex portion 25 was obtained. The crystals and the truncated pyramidal GaN single crystals as the short convex portions 26 are formed in a periodic array as shown in FIG. 4C corresponding to the pattern of the grooves 23 on the GaN free-standing substrate. It was observed that

第二の窒化物半導体単結晶層24の外観からはクラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層24を割って断面を観察したところ、GaN自立基板の上面から凸部分25の頂面25aまでの高さは約1280μm、GaN自立基板の上面から凸部分26の頂面26aまでの高さは約970μmであった。各凸部分25の頂面25aは、ほぼ正六角形であり、その各辺はGaNのa軸に平行であった。また、各凸部分26の頂面26aは、ほぼ正三角形であり、その各辺はGaNのa軸に平行であった。各凸部分25、26の底部は、厚さ約880μmのGaNの連続膜28とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層24の全体が凸部分25、26の周期配列構造を有するGaNの連続膜であることが確認された。また、凸部分25の傾斜面25bとGaN結晶のc面とのなす角度を測定したところ、ほぼ43.2°であったことから、傾斜面25bは(10−12)面であることが推察された。From the appearance of the second nitride semiconductor single crystal layer 24, no crack or abnormal growth was observed, and no ungrown region or pit was observed. When the cross section of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 is broken and observed, the height from the upper surface of the GaN free-standing substrate to the top surface 25a of the convex portion 25 is about 1280 μm, and the convex portion 26 from the upper surface of the GaN free-standing substrate. The height to the top surface 26a was about 970 μm. The top surface 25a of each convex portion 25 was a substantially regular hexagon, and each side thereof was parallel to the a-axis of GaN. Further, the top surface 26a of each convex portion 26 was a substantially equilateral triangle, and each side thereof was parallel to the a-axis of GaN. The bottoms of the convex portions 25 and 26 are connected to a continuous film 28 of GaN having a thickness of about 880 μm, and the entire second nitride semiconductor single crystal layer 24 has a periodic array structure of the convex portions 25 and 26. It was confirmed to be a continuous film of. The angle between the inclined surface 25b of the convex portion 25 and the c-plane of the GaN crystal was measured and found to be approximately 43.2°. Therefore, it is surmised that the inclined surface 25b is the (10-12) plane. Was done.

第二の窒化物半導体単結晶層24の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、六角錐台状の凸部分25の頂面25a及び傾斜面25bでは2×106〜5×106cm-2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分25、26の間の溝部の転位密度は5×106〜9×106cm-2であり、凸部分25内部よりも全体的に転位密度が高いことが確認された。When the dislocation density of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was evaluated by the dark spot density observed by cathodoluminescence, it was 2×10 6 on the top surface 25a and the inclined surface 25b of the hexagonal truncated pyramid-shaped convex portion 25. It was confirmed to be within the range of up to 5×10 6 cm -2 . On the other hand, the dislocation density of the groove portion between the adjacent convex portions 25 and 26 was 5×10 6 to 9×10 6 cm −2 , and it was confirmed that the dislocation density was higher than that of the inside of the convex portion 25. ..

こうして、第二の窒化物半導体単結晶層24とGaN自立基板からなる、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。In this way, a nitride semiconductor growth substrate having a triangular pyramid periodic array structure on the surface, which was composed of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 and the GaN free-standing substrate, could be obtained.

(実施例4)
まず、異種基板21としての、市販の直径50mm、厚さ360μmの単結晶サファイアc面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層22としてのアンドープGaN層をMOCVD法により成長させ、テンプレート20を形成した。このアンドープGaN層の成長条件は、実施例1と同じである。
(Example 4)
First, an undoped GaN layer as the first nitride semiconductor single crystal layer 22 is grown by the MOCVD method on a commercially available single crystal sapphire c-plane substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 360 μm as the different substrate 21, and the template 20 is used. Formed. The growth conditions for this undoped GaN layer are the same as in Example 1.

次に、このテンプレート20の表面に、上記の実施例1と同じレーザー加工機を用いて溝23を加工した。この溝23は、図4Aに示すような、a軸に平行な直線状の溝から構成される、三角格子と六角格子を有するパターンに形成した。溝23の幅は50μm、深さは60μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、1mmとした。Next, the groove 23 was formed on the surface of the template 20 by using the same laser processing machine as that of the above-described first embodiment. The groove 23 was formed in a pattern having a triangular lattice and a hexagonal lattice, which is composed of linear grooves parallel to the a-axis as shown in FIG. 4A. The groove 23 had a width of 50 μm, a depth of 60 μm, and a groove pitch (distance between centers of adjacent grooves) of 1 mm.

次に、溝加工を施したテンプレート20上に、HVPE法により、第二の窒化物半導体単結晶層24としてのSiドープGaN層をエピタキシャル成長させた。HVPE成長条件は、実施例1と同じである。Next, the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was epitaxially grown on the grooved template 20 by the HVPE method. The HVPE growth conditions are the same as in Example 1.

こうして第二の窒化物半導体単結晶層24としてのSiドープGaN層を成長させたテンプレート20を、冷却後に炉内から取り出したところ、背の高い凸部分25としての六角錐台状のGaN単結晶と、背の低い凸部分26としての三角錐台状のGaN単結晶が、テンプレート20上の溝23のパターンに対応して、図4Cに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。When the template 20 on which the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was grown in this manner was taken out from the furnace after cooling, a hexagonal truncated pyramid-shaped GaN single crystal as the tall convex portion 25 was obtained. And the truncated pyramid-shaped GaN single crystal as the short convex portion 26 is formed in a periodic array as shown in FIG. 4C corresponding to the pattern of the grooves 23 on the template 20. Was observed.

第二の窒化物半導体単結晶層24の外観からはクラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層24を割って断面を観察したところ、テンプレート20の上面から凸部分25の頂面25aまでの高さは約1400μm、テンプレート20の上面から凸部分26の頂面26aまでの高さは約1180μmであった。各凸部分25の頂面25aは、ほぼ正六角形であり、その各辺はGaNのa軸に平行であった。また、各凸部分26の頂面26aは、ほぼ正三角形であり、その各辺はGaNのa軸に平行であった。各凸部分25、26の底部は、厚さ約1060μmのGaNの連続膜28とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層24の全体が凸部分25、26の周期配列構造を有するGaNの連続膜であることが確認された。また、凸部分25の傾斜面25bとGaN結晶のc面とのなす角度を測定したところ、ほぼ43.2°であったことから、傾斜面25bは(10−12)面であることが推察された。From the appearance of the second nitride semiconductor single crystal layer 24, no crack or abnormal growth was observed, and no ungrown region or pit was observed. When the cross section of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was observed, the height from the upper surface of the template 20 to the top surface 25a of the convex portion 25 was about 1400 μm, and the height from the upper surface of the template 20 to the top of the convex portion 26. The height to the surface 26a was about 1180 μm. The top surface 25a of each convex portion 25 was a substantially regular hexagon, and each side thereof was parallel to the a-axis of GaN. Further, the top surface 26a of each convex portion 26 was a substantially equilateral triangle, and each side thereof was parallel to the a-axis of GaN. The bottoms of the convex portions 25 and 26 are connected to a continuous film 28 of GaN having a thickness of about 1060 μm, and the entire second nitride semiconductor single crystal layer 24 has a periodic array structure of the convex portions 25 and 26. It was confirmed to be a continuous film of. The angle between the inclined surface 25b of the convex portion 25 and the c-plane of the GaN crystal was measured and found to be approximately 43.2°. Therefore, it is surmised that the inclined surface 25b is the (10-12) plane. Was done.

第二の窒化物半導体単結晶層24の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、六角錐台状の凸部分25の頂面25a及び傾斜面25bでは3×107〜6×107cm-2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分25、26の間の溝部の転位密度は5×106〜9×106cm-2であり、凸部分25内部よりも全体的に転位密度が高いことが確認された。When the dislocation density of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 was evaluated by the dark spot density observed by cathodoluminescence, it was 3×10 7 on the top surface 25a and the inclined surface 25b of the hexagonal pyramid-shaped convex portion 25. It was confirmed that it was within the range of up to 6×10 7 cm -2 . On the other hand, the dislocation density of the groove portion between the adjacent convex portions 25 and 26 was 5×10 6 to 9×10 6 cm −2 , and it was confirmed that the dislocation density was higher than that of the inside of the convex portion 25. ..

こうして、第二の窒化物半導体単結晶層24とテンプレート20からなる、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。図7A、7Bおよび7Cはそれぞれ、この本実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すSEMによる上面写真、断面写真、断面の鳥瞰写真である。In this way, a nitride semiconductor growth substrate having the surface of the second nitride semiconductor single crystal layer 24 and the template 20 having a triangular pyramid periodic array structure could be obtained. 7A, 7B and 7C are a top view photograph by SEM, a cross-section photograph and a bird's-eye view photograph of the cross-section showing the nitride semiconductor growth substrate according to the present example, respectively.

(実施例5)
まず、異種基板11としての、市販の直径100mm、厚さ600μmの単結晶サファイアc面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層12としてのアンドープGaN層をMOCVD法により成長させ、テンプレート10を形成した。
(Example 5)
First, an undoped GaN layer as the first nitride semiconductor single crystal layer 12 is grown by the MOCVD method on a commercially available single crystal sapphire c-plane substrate having a diameter of 100 mm and a thickness of 600 μm as the different substrate 11, and the template 10 is formed. Formed.

このアンドープGaN層の形成には、TMG(トリメチルガリウム)とNH3を原料ガスとして用いた。成長圧力は常圧とし、サファイア基板を水素ガス雰囲気中で、1200℃、10分間のサーマルクリーニングを行って、表面を清浄化した後、基板温度を600℃に下げて低温アンドープGaNバッファ層を20nm成長させ、次に、基板温度を1050℃まで上げて、アンドープGaN連続膜を1.5μmの厚さに成長させた。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用いた。結晶の成長速度は約3μm/hであった。成長後に炉から取り出した第一の窒化物半導体単結晶層12の表面を光学顕微鏡で観察したところ、基板全面でピットなどの無い平坦な連続膜が得られていることが確認できた。To form this undoped GaN layer, TMG (trimethylgallium) and NH 3 were used as source gases. The growth pressure is normal pressure, the sapphire substrate is subjected to thermal cleaning in a hydrogen gas atmosphere at 1200° C. for 10 minutes to clean the surface, and then the substrate temperature is lowered to 600° C. to set the low-temperature undoped GaN buffer layer to 20 nm. Then, the substrate temperature was raised to 1050° C. to grow an undoped GaN continuous film to a thickness of 1.5 μm. A mixed gas of hydrogen and nitrogen was used as the carrier gas. The crystal growth rate was about 3 μm/h. When the surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 taken out from the furnace after the growth was observed with an optical microscope, it was confirmed that a flat continuous film without pits was obtained on the entire surface of the substrate.

次に、得られたテンプレート10の表面に、市販のレーザー加工機を用いて溝13を加工した。溝13のパターンは、図2Aに示すような、a軸に平行な直線状の溝から構成される三角格子状のパターンである。溝13の幅は60μm、深さは900μm、溝のピッチ(隣接する溝の中央間の距離)は、2mmとした。Next, grooves 13 were formed on the surface of the obtained template 10 using a commercially available laser processing machine. The pattern of the grooves 13 is a triangular lattice pattern composed of linear grooves parallel to the a-axis as shown in FIG. 2A. The groove 13 had a width of 60 μm, a depth of 900 μm, and a groove pitch (distance between centers of adjacent grooves) of 2 mm.

次に、溝13の内部や周囲にレーザー加工機で溝加工を施した際に付着した、GaN及びサファイアの粉状の加工屑を除去する目的で、テンプレート10を純水及びメチルアルコール中で超音波洗浄した後、乾燥させた。Next, for the purpose of removing the powdery processing wastes of GaN and sapphire that were adhered to the inside and the periphery of the groove 13 when the groove processing was performed by the laser processing machine, the template 10 was superposed in pure water and methyl alcohol. After sonication, it was dried.

次に、溝加工を施したテンプレート10上に、HVPE法により、第二の窒化物半導体単結晶層14としてのGeドープGaN層をエピタキシャル成長させた。Then, a Ge-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was epitaxially grown on the grooved template 10 by the HVPE method.

このGeドープGaN層は、800℃に加熱された金属GaにHClガスを接触させることで生成したGaClと、NH3を原料ガスとし、また、水素希釈したGeCl4ガスをドーパントガスとして、これらのガスを1100℃に加熱したテンプレート10上に供給して成長させた。成長時の炉内圧力は常圧、キャリアガスの組成は窒素90%、水素10%とし、原料ガスのV/III比は3とした。成長中、テンプレート10を4rpmで自転させ、結晶の成長速度は、〜250μm/h、結晶の平均膜厚の目標は1100μmとした。成長結晶の目標キャリア濃度は8×1018cm-3とした。This Ge-doped GaN layer uses GaCl generated by bringing HCl gas into contact with metallic Ga heated to 800° C., NH 3 as a source gas, and GeCl 4 gas diluted with hydrogen as a dopant gas. The gas was supplied onto the template 10 heated to 1100° C. to grow it. The pressure in the furnace during growth was atmospheric pressure, the composition of the carrier gas was 90% nitrogen and 10% hydrogen, and the V/III ratio of the source gas was 3. During the growth, the template 10 was rotated at 4 rpm, the crystal growth rate was ˜250 μm/h, and the target of the average crystal film thickness was 1100 μm. The target carrier concentration of the grown crystal was 8×10 18 cm -3 .

こうして第二の窒化物半導体単結晶層14としてのSiドープGaN層を成長させたテンプレート10を、冷却後に炉内から取り出したところ、凸部分15としての三角錐台状のGaN単結晶が、テンプレート10上の溝13のパターンに対応して、図2Cに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。When the template 10 on which the Si-doped GaN layer as the second nitride semiconductor single crystal layer 14 was grown in this manner was taken out from the furnace after cooling, the truncated pyramidal GaN single crystal as the convex portion 15 was formed into the template. It was observed that the patterns were formed in a periodic array as shown in FIG.

また、第二の窒化物半導体単結晶層14の外観からは、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層14を割って断面を観察したところ、テンプレート10の上面から凸部分15の頂面15aまでの高さは約1.3mm、凸部分15の高さは約200μmであった。各々の凸部分15の頂面15aは、ほぼ正三角形であり、その各辺がGaNのa軸に平行であった。各凸部分15の底部は、GaNの連続膜17とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層14の全体が凸部分15の周期配列構造を有するGaNの連続膜であることが確認された。また、凸部分15の傾斜面15bとGaN結晶のc面とのなす角度を測定したところ、ほぼ32°であったことから、傾斜面15bは(10−13)面であることが推察された。From the appearance of the second nitride semiconductor single crystal layer 14, no cracks or abnormal growth were observed, and no ungrown regions or pits were observed. When the cross section of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 is broken and observed, the height from the upper surface of the template 10 to the top surface 15a of the convex portion 15 is about 1.3 mm, and the height of the convex portion 15 is about 1.3 mm. It was 200 μm. The top surface 15a of each convex portion 15 was a substantially equilateral triangle, and each side thereof was parallel to the a-axis of GaN. The bottom of each convex portion 15 is connected to the continuous film 17 of GaN, and it was confirmed that the entire second nitride semiconductor single crystal layer 14 is a continuous film of GaN having the periodic array structure of the convex portions 15. It was Further, the angle formed by the inclined surface 15b of the convex portion 15 and the c-plane of the GaN crystal was measured to be approximately 32°, so that the inclined surface 15b was inferred to be the (10-13) plane. ..

こうして、第二の窒化物半導体単結晶層14とテンプレート10からなるテンプレート基板である、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。Thus, a nitride semiconductor growth substrate having a triangular pyramid periodic array structure on the surface, which is a template substrate composed of the second nitride semiconductor single crystal layer 14 and the template 10, was obtained.

(実施例6)
上記の実施例2で得られた、表面に三角錐台の周期配列構造を有する直径50mmのSiドープGaN単結晶の自立基板16を用意し、その上にLED構造の多層エピタキシャル層32をMOCVD法により形成した。
(Example 6)
A free-standing substrate 16 of Si-doped GaN single crystal having a diameter of 50 mm and having a triangular pyramid periodic array structure obtained on the surface of Example 2 is prepared, and a multilayer epitaxial layer 32 having an LED structure is formed thereon by the MOCVD method. Formed by.

この多層エピタキシャル層32の形成には、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)及びNH3を原料ガスとして用いた。まず、自立基板16をNH3とH2との混合気流(NH3:H2=1:2)中で1150℃まで昇温し、その温度に5分間保持した後、第一層の成長に必要なIII族原料ガスから順に流し、各エピタキシャル層を成長させた。成長させた多層エピタキシャル層32の構造は、自立基板16側から順に、厚さ1μmのn−GaN層、In0.2Ga0.8N/GaN−3−MQW(Well層の厚さ3nm、障壁層の厚さ10nm)、厚さ40nmのp−Al0.1Ga0.9N層、及び厚さ500nmのp−GaN層からなる多層構造である。ここで、MQW層は温度を800℃まで下げて成長させた。それ以外の層の成長温度は1150℃であった。成長圧力はすべて常圧とした。ただし、ここで挙げたエピタキシャル層の厚さや混晶組成は、c面GaN基板上で条件出しを行った際のデータに基づいて算定したものであり、自立基板16の凸部分15の傾斜面15b上のエピタキシャル層においては、膜厚は薄い方向に、In組成は低い方向に微妙にずれることが判っている。To form the multilayer epitaxial layer 32, TMG, TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium) and NH 3 were used as source gases. First, the self-standing substrate 16 was heated to 1150° C. in a mixed air flow of NH 3 and H 2 (NH 3 :H 2 =1:2) and kept at that temperature for 5 minutes, and then the first layer was grown. The necessary group III source gases were sequentially flowed to grow each epitaxial layer. The structure of the grown multilayer epitaxial layer 32 includes an n-GaN layer having a thickness of 1 μm, In 0.2 Ga 0.8 N/GaN-3-MQW (Well layer having a thickness of 3 nm, and barrier layer having a thickness of 1 μm in this order from the free-standing substrate 16 side. 10 nm), a p-Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 40 nm, and a p-GaN layer having a thickness of 500 nm. Here, the MQW layer was grown by lowering the temperature to 800°C. The growth temperature of the other layers was 1150°C. The growth pressure was all normal pressure. However, the thickness and mixed crystal composition of the epitaxial layer mentioned here are calculated based on the data obtained when the condition is set on the c-plane GaN substrate, and the inclined surface 15b of the convex portion 15 of the self-standing substrate 16 is used. It has been found that in the upper epitaxial layer, there is a slight shift in the direction of decreasing the film thickness and in the direction of decreasing the In composition.

次に、凸部分15の頂面15a上の多層エピタキシャル層32上に、フォトリソグラフィ技術を用いて直径150μmの円形のNi/Au構造のp型電極を形成し、自立基板16の裏面側をバックラップで600μm除去した後、裏面全面にTi/Al/Ti/Au構造のn型電極を形成した。これにより、自立基板16の裏面から凸部分15の頂面15aまでの高さは約970μmとなった。Next, a p-type electrode having a circular Ni/Au structure with a diameter of 150 μm is formed on the multilayer epitaxial layer 32 on the top surface 15a of the convex portion 15 using a photolithography technique, and the back surface side of the self-standing substrate 16 is backed. After removing 600 μm by lapping, an n-type electrode having a Ti/Al/Ti/Au structure was formed on the entire back surface. As a result, the height from the back surface of the free-standing substrate 16 to the top surface 15a of the convex portion 15 was about 970 μm.

次に、この自立基板16を粘着シートにマウントし、ウェハ劈開装置を用いて凸部分15間の溝部で劈開して、複数の半導体デバイスとしてのLEDチップに分割した。こうして、底面の一辺が約1000μmの三角柱上に三角錐台を積み重ねたような形状のLEDチップが得られた。Next, this self-supporting substrate 16 was mounted on an adhesive sheet and cleaved at the groove between the convex portions 15 using a wafer cleaving device to divide into a plurality of LED chips as semiconductor devices. In this way, an LED chip having a shape in which triangular pyramids were stacked on a triangular prism having a bottom side of about 1000 μm was obtained.

作製したLEDチップに通電し、分光器を用いて発光波長を測定したところ、三角錐台状の凸部分15の頂面15aからはピーク波長470nmの青色発光が観測されたのに対し、凸部分15の傾斜面15bからはピーク波長430nmの紫色発光が観測され、1チップで2波長の光を発するLEDチップを作製できることが確認された。When the produced LED chip was energized and the emission wavelength was measured using a spectroscope, blue emission with a peak wavelength of 470 nm was observed from the top surface 15a of the triangular pyramid-shaped convex portion 15, while the convex portion was observed. Purple light emission with a peak wavelength of 430 nm was observed from the inclined surface 15b of No. 15, and it was confirmed that an LED chip that emits light of two wavelengths could be manufactured with one chip.

以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention.

例えば、テンプレート10や自立基板30上に形成する溝のパターンは、図2Aに示される溝13のパターンや、図4Aに示される溝23のパターンに限定されない。この溝のパターンは、a軸に平行な直線で構成されるパターンであればよく、例えば、六角格子を組み合わせた亀甲紋(ハニカム模様)型のパターンや、菱型格子パターンであってもよい。例えば、溝のパターンが亀甲紋型である場合、第二の窒化物半導体単結晶層の凸部分は全て六角錐台状又は六角錐状になり、溝のパターンが菱型格子パターンである場合、第二の窒化物半導体単結晶層の凸部分は全て四角錐台状又は四角錐状になる。また、凸部分の傾斜面をファセット成長面で形成することができれば、溝13は不連続な溝、例えば多数の孔から構成されてもよい。For example, the pattern of the groove formed on the template 10 or the free-standing substrate 30 is not limited to the pattern of the groove 13 shown in FIG. 2A or the pattern of the groove 23 shown in FIG. 4A. The groove pattern may be a pattern formed by a straight line parallel to the a-axis, and may be, for example, a hexagonal pattern (honeycomb pattern) type in which hexagonal lattices are combined or a rhombic lattice pattern. For example, when the groove pattern is a hexagonal pattern, the convex portions of the second nitride semiconductor single crystal layer are all hexagonal truncated pyramids or hexagonal pyramids, and when the groove pattern is a rhombic lattice pattern, All the convex portions of the second nitride semiconductor single crystal layer have a truncated pyramid shape or a pyramidal shape. Further, if the inclined surface of the convex portion can be formed by the facet growth surface, the groove 13 may be composed of discontinuous grooves, for example, a large number of holes.

更に、異種基板11、21の裏面側に、破壊誘導部としての溝を加工する変形例が考えられる。この場合、異種基板11、21と第二の窒化物半導体単結晶層14、24との線膨張係数差に起因して第二の窒化物半導体単結晶層14、24に応力が生じたときに、異種基板11、21に優先的にクラックが生じるため、第二の窒化物半導体単結晶層14、24におけるクラックの発生を抑えることができる。また、異種基板11、21の裏面の溝が溝13、23に対向する位置に形成される場合は、素子形成後の素子分離を容易にする事もできる。Further, a modified example in which a groove as a destruction guide portion is processed on the back surface side of the different type substrates 11 and 21 is conceivable. In this case, when stress is generated in the second nitride semiconductor single crystal layers 14 and 24 due to the difference in linear expansion coefficient between the different substrates 11 and 21 and the second nitride semiconductor single crystal layers 14 and 24. Since cracks preferentially occur in the heterogeneous substrates 11 and 21, the occurrence of cracks in the second nitride semiconductor single crystal layers 14 and 24 can be suppressed. Further, when the grooves on the back surface of the different type substrates 11 and 21 are formed at the positions facing the grooves 13 and 23, it is possible to facilitate the element separation after the element formation.

また、上記実施形態においては、テンプレート10の第一の窒化物半導体単結晶層12や、自立基板30の表面が窒化物半導体単結晶のc面であるが、m面やa面などのc面以外の面であってもよい。この場合、回転対称性を有するパターンの凸部分を形成することは難しいが、傾斜面を有する凸部分を形成することは可能である。Further, in the above-described embodiment, the surface of the first nitride semiconductor single crystal layer 12 of the template 10 or the surface of the free-standing substrate 30 is the c-plane of the nitride semiconductor single crystal, but the c-plane such as the m-plane or the a-plane. It may be a surface other than the above. In this case, it is difficult to form the convex portion of the pattern having rotational symmetry, but it is possible to form the convex portion having the inclined surface.

また、上記に記載した実施形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。Further, the embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. It should be noted that not all of the combinations of features described in the embodiments and examples are essential to the means for solving the problems of the invention.

本発明は、発光ダイオードやレーザーなどの光デバイス、または、ダイオードやトランジスタなどの高周波デバイス等の窒化物半導体デバイスを製造するために用いられる窒化物半導体成長用基板に適用できる。INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a nitride semiconductor growth substrate used for manufacturing an optical device such as a light emitting diode or a laser, or a nitride semiconductor device such as a high frequency device such as a diode or a transistor.

10,20 テンプレート
11,21 異種基板
12,22 第一の窒化物半導体単結晶層
13,23 溝
14,24 第二の窒化物半導体単結晶層
15,25,26 凸部分
15a,25a,26a 頂面
15b,25b,26b 傾斜面
16,27 窒化物半導体成長用基板
17,28 連続膜
30 自立基板
31 窒化物半導体単結晶層
32 多層エピタキシャル成長層
35 半導体デバイス
10, 20 Templates 11, 21 Different substrates 12, 22 First nitride semiconductor single crystal layer 13, 23 Groove 14, 24 Second nitride semiconductor single crystal layer 15, 25, 26 Convex portion 15a, 25a, 26a Top Surfaces 15b, 25b, 26b Sloped surfaces 16, 27 Nitride semiconductor growth substrate 17, 28 Continuous film 30 Freestanding substrate 31 Nitride semiconductor single crystal layer 32 Multilayer epitaxial growth layer 35 Semiconductor device

Claims (23)

連続膜と、前記連続膜上の、周期的に配列した、角錐台状又は角錐状の複数の凸部分とを含む、HVPE法により成長した窒化物半導体層を表面に有し、
少なくとも、前記複数の凸部分及び前記連続膜の前記複数の凸部分下の領域が連続した窒化物半導体単結晶からなり、
前記複数の凸部分は、結晶方位が揃っており、各々の底面がa軸に平行な辺で構成される形状を有する(0001)面を含む窒化物半導体成長用基板。
A nitride semiconductor layer grown by the HVPE method, which includes a continuous film and a plurality of convex portions having a truncated pyramid shape or a pyramid shape, which are periodically arranged on the continuous film, is provided on the surface,
At least, the plurality of convex portions and the region under the plurality of convex portions of the continuous film is made of a continuous nitride semiconductor single crystal,
The nitride semiconductor growth substrate including the (0001) plane in which the plurality of convex portions have uniform crystal orientations and each bottom surface has a shape configured by sides parallel to the a-axis.
前記窒化物半導体層が、異種基板上にMOCVD又はHVPE法により成長した窒化物半導体単結晶からなる層の上に成長した層である、請求項1に記載の窒化物半導体成長用基板。The nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer is a layer grown on a layer made of a nitride semiconductor single crystal grown by MOCVD or HVPE method on a heterogeneous substrate. 前記複数の凸部分が角錐台状であり、その頂面は、a軸に平行な辺で構成される形状を有する(0001)面を含む、請求項1又は2に記載の窒化物半導体成長用基板。 The nitride semiconductor growth according to claim 1 or 2 , wherein the plurality of convex portions have a truncated pyramid shape, and a top surface thereof includes a (0001) plane having a shape constituted by sides parallel to the a-axis. substrate. 前記複数の凸部分の傾斜面は、面方位、大きさ、形状が均一であり、加工ダメージを有さない、請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 The nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein the inclined surfaces of the plurality of convex portions have a uniform plane orientation, size, and shape, and have no processing damage. 前記傾斜面は、(10−1n)面(nは任意の整数)を含む、請求項に記載の窒化物半導体成長用基板。 The nitride semiconductor growth substrate according to claim 4 , wherein the inclined surface includes a (10-1n) surface (n is an arbitrary integer). 前記傾斜面は、アズグロウンのファセット成長面を含む、請求項に記載の窒化物半導体成長用基板。 The nitride semiconductor growth substrate according to claim 5 , wherein the inclined surface includes an as-grown facet growth surface. 前記複数の凸部分の高さが均一である、請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 Wherein it is uniform heights of the plurality of convex portions, nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1-6. 前記複数の凸部分の高さが周期的に変化しており、かつ、前記複数の凸部分の頂点又は頂面が2つの仮想平面のいずれかの面上にある、請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 The heights of the plurality of convex portions are changed periodically, and vertex or top surfaces of the plurality of convex portions are on either side of the two virtual planes, one of the claims 1-6 The substrate for growing a nitride semiconductor according to item 1. 前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の中心間の距離が、100μm以上10mm以下である、請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 Wherein among the plurality of convex portions, the distance between the centers of the convex portions adjacent the arbitrarily is 100μm or more 10mm or less, the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1-8. 前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の底面間の距離が、1mm以下である、請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 Wherein among the plurality of convex portions, the distance between the bottom surface of the convex portion adjacent any, is 1mm or less, the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1-9. 前記複数の凸部分の高さが50μm以上5mm以下である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 The heights of the plurality of convex portions is 50μm or more 5mm or less, the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1-10. 前記複数の凸部分のうちの、隣り合う凸部分の底面間の領域の転位密度が、前記凸部分の内部の転位密度よりも高い、請求項1〜11のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 Of the plurality of convex portions, dislocation density of the region between the bottom surface of the convex portion adjacent, higher than said internal dislocation density of the convex portion, nitride according to any one of claims 1 to 11 Substrate for semiconductor growth. 前記複数の凸部分の底面の形状が、三角形、四角形、又は六角形である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板。 Wherein the shape of the bottom surface of the plurality of convex portions, triangular, square, or hexagonal, nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1 to 12. 表面が窒化物半導体単結晶からなる平坦な基板上に、周期的パターンを形成するように、前記窒化物半導体単結晶のa軸に平行な複数の直線状の溝を形成する工程と、
前記複数の直線状の溝が形成された前記基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンに対応するパターンで周期的に配列した角錐台状又は角錐状の窒化物半導体単結晶からなる複数の凸部分を表面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、を含む窒化物半導体成長用基板の製造方法。
Forming a plurality of linear grooves parallel to the a-axis of the nitride semiconductor single crystal so as to form a periodic pattern on a flat substrate whose surface is made of the nitride semiconductor single crystal;
A nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the substrate in which the plurality of linear grooves are formed, and the truncated pyramidal shape is periodically arranged in a pattern corresponding to the periodic pattern formed by the plurality of linear grooves. And a step of forming a nitride semiconductor layer having a plurality of convex portions made of a pyramid-shaped nitride semiconductor single crystal on a surface thereof.
前記基板の表面がc面を含む、請求項14に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 15. The method for manufacturing a nitride semiconductor growth substrate according to claim 14 , wherein the surface of the substrate includes a c-plane. 前記複数の直線状の溝の幅が、10μm以上100μm以下である、請求項14又は15に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 The method for manufacturing a substrate for growing a nitride semiconductor according to claim 14 or 15 , wherein a width of each of the plurality of linear grooves is 10 μm or more and 100 μm or less. 前記複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離が、100μm以上10mm以下である、請求項1416のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 Among the plurality of linear grooves, the distance between the center of the same groove in the direction is 100μm or more 10mm or less, the method of manufacturing the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 14-16 .. 前記窒化物半導体層が、成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むHVPE法により形成される、請求項1417のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 The nitride semiconductor layer is formed by the HVPE method comprising hydrogen gas into the growth atmosphere gas, the method of manufacturing the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 14-17. 前記窒化物半導体層が連続膜を含む、請求項1418のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 The nitride semiconductor layer comprises a continuous film, according to claim 14-18 nitride semiconductor growth method for manufacturing a substrate according to any one of. 前記窒化物半導体層を成長させた後に、前記凸部分の傾斜面上に堆積した不要な窒化物半導体結晶をエッチング除去する、請求項1419のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 The nitride semiconductor growth according to any one of claims 14 to 19 , wherein after growing the nitride semiconductor layer, unnecessary nitride semiconductor crystals deposited on the inclined surface of the convex portion are removed by etching. Substrate manufacturing method. 前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンが、三角形、四角形、又は六角形の格子を含むパターンを含む、請求項1420のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。 Periodic pattern in which the plurality of linear grooves are formed, triangular, square, or a pattern including a hexagonal lattice, the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 14-20 Production method. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分のうちの1つを含む、半導体デバイス。 To any one of claims 1 to 13 comprising one of the plurality of convex portions of the nitride semiconductor growth substrate according, semiconductor devices. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分上に、複数の窒化物半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させて、多層エピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記多層エピタキシャル成長層を形成した後、前記窒化物半導体成長用基板を分割して、各々が前記複数の凸部分のうちの1つを含む複数の半導体デバイスを形成する工程と、を含む半導体デバイスの製造方法。
On the plurality of convex portions of the nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1 to 13 and a plurality of nitride semiconductor single-crystal film is epitaxially grown, forming a multilayer epitaxial layer ,
Forming the multilayer epitaxial growth layer, dividing the nitride semiconductor growth substrate, and forming a plurality of semiconductor devices each including one of the plurality of convex portions. Production method.
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