JP7100309B2 - Nitride semiconductor substrate, method for manufacturing nitride semiconductor substrate, equipment for manufacturing nitride semiconductor substrate and nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 平成29年7月13日に「第9回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」にて発表 平成29年7月13日に「第9回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」冊子にて公開 平成29年8月25日に「第78回応用物理学会秋季学術講演会」の講演予稿集掲載ウェブサイト(https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2017a/subject/7p-A301-5/advanced)にて公開 平成29年8月25日に「2017年第78回応用物理学会秋季学術講演会[講演予稿集]」(DVD)にて公開 平成29年8月25日に「第78回応用物理学会秋季学術講演会」スマートフォンアプリにて公開 平成29年9月7日に「第78回応用物理学会秋季学術講演会」にて発表 平成29年9月26日に「The 8th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors」にて発表Application of
本発明は、窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板の製造装置及び窒化物半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor substrate, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, a device for manufacturing a nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor device.
窒化物半導体を利用したLEDやレーザダイオード(LD)は幅広い用途で使用されている。特にInGaN(窒化インジウムガリウム)を発光材料として利用した青色光源(波長450nm付近)は、室内照明や車載ヘッドランプで広く利用されている。 LEDs and laser diodes (LDs) using nitride semiconductors are used in a wide range of applications. In particular, a blue light source (wavelength around 450 nm) using InGaN (indium gallium nitride) as a light emitting material is widely used in indoor lighting and in-vehicle headlamps.
近年では、AlN(窒化アルミニウム)、GaN(窒化ガリウム)、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)等を発光材料として利用した紫外光源(波長200nm~400nm)の研究開発が盛んである(例えば、特許文献1、2参照)。紫外光源の応用先としては、タンパク質分析やDNA分析、殺菌、浄水、材料加工、視力矯正用の角膜除去といったものが挙げられる。既にYAGレーザの4倍高調波(波長266nm)や5倍高調波(波長213nm)、あるいはKrFエキシマレーザやArFエキシマレーザといった紫外光源が実用化されており、上述の需要を満たすため利用されている。
In recent years, research and development of an ultraviolet light source (
ただし、これらの光源は極端に電力効率が悪いか、非常に大型で研究室の外に持ち運ぶことが難しいため、研究室のような特殊な環境下でしか利用できないのが現状である。AlGaNを用いた半導体ベースの紫外光源も期待はされているが、良質な結晶を得ることが現段階では難しく、InGaN系青色光源のように優れた特性を得るにはさらに数年、長くて10年程度の時間を要するものと考えられる。 However, these light sources are extremely inefficient or very large and difficult to carry outside the laboratory, so they can only be used in special environments such as laboratories. Semiconductor-based ultraviolet light sources using AlGaN are also expected, but it is difficult to obtain high-quality crystals at this stage, and it will take several years at the longest to obtain excellent characteristics like the InGaN-based blue light source. It is thought that it will take about a year.
本発明は、上述した課題を解決しようとするものであり、極性反転構造を有し、表面が平坦でかつ高品質の結晶層が形成された窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体デバイスを提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and is a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure, a flat surface, and a high-quality crystal layer formed, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, and a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device.
上記目的を達成するために、既存のInGaN青色レーザを光源とし、AlNを非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるような光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。 In order to achieve the above purpose, if an optical system that uses an existing InGaN blue laser as a light source and AlN as a nonlinear optical crystal to generate a second harmonic is constructed, it is possible to generate ultraviolet light with high coherency. can.
そのため、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有し、前記III族窒化物半導体結晶層内に、III族極性と窒素極性との極性反転層構造を前記基板の表面と平行方向に有する。 Therefore, in the nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention, Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦) is formed on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. It has a group III nitride semiconductor crystal layer composed of an aggregate of crystal grains of a group III nitride semiconductor represented by x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1), and the group III nitride semiconductor crystal. In the layer, a polarity reversal layer structure having a group III polarity and a nitrogen polarity is provided in a direction parallel to the surface of the substrate.
本態様によれば、結晶層内に、III族極性、窒素極性の極性反転層構造を有するため、この結晶層を適切なサイズに加工することで、非線形光学結晶を有する部材を実現することができる。 According to this aspect, since the crystal layer has a group III polar and nitrogen polar polar inversion layer structure, it is possible to realize a member having a nonlinear optical crystal by processing this crystal layer to an appropriate size. can.
また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を、2枚一組として第1の半導体基板組とし、前記第1の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて配置し加熱炉内に設置する第1の設置工程と、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下に制御しながら前記第1の半導体基板組を加熱する加熱工程と、接合された2枚の前記III族窒化物半導体基板の少なくとも一方の前記基板を剥離する基板剥離工程とを含む。 Further, in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention, Al x Gay In (1-xy) N is applied to the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. Group III nitride represented by (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1) Group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of group III nitride semiconductor is formed. A set of two semiconductor substrates is used as the first semiconductor substrate set, and the group III nitride semiconductor crystal layers of each of the group III nitride semiconductor substrates of the first semiconductor substrate set are arranged facing each other in a heating furnace. The first installation step to be installed inside, the heating step to heat the first semiconductor substrate set while controlling the temperature of the heating furnace to 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, and the two bonded group III. It includes a substrate peeling step of peeling at least one of the nitride semiconductor substrates.
本態様によれば、非線形光学結晶を有する部材用の窒化物半導体基板を、非常に簡単な製造方法により得ることができる。 According to this aspect, a nitride semiconductor substrate for a member having a nonlinear optical crystal can be obtained by a very simple manufacturing method.
また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造装置は、加熱炉と、前記加熱炉を加熱するヒータと、少なくとも前記ヒータを制御することにより、前記加熱炉内の温度を制御する制御装置と、前記加熱炉内に配置され、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を2枚一組とした半導体基板組を複数組収納する開口部を有し、前記開口部に収納された前記半導体基板組の動きを規制するホルダと、前記加熱炉内に配置され、前記ホルダの前記開口部を覆うように配置された蓋とを有する。 Further, the device for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention controls the heating furnace, the heater for heating the heating furnace, and at least the heater to control the temperature in the heating furnace. Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, A set of two group III nitride semiconductor substrates on which a group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of a group III nitride semiconductor represented by 0 ≦ y ≦ 1 and (x + y) ≦ 1) is formed. A holder that has an opening for accommodating a plurality of semiconductor substrate sets, and that regulates the movement of the semiconductor substrate set housed in the opening, and a holder that is arranged in the heating furnace and has the opening of the holder. It has a lid arranged to cover it.
本態様によれば、非線形光学結晶を有する部材用の窒化物半導体基板を、上述した簡単な製造方法により得ることができる。 According to this aspect, a nitride semiconductor substrate for a member having a nonlinear optical crystal can be obtained by the above-mentioned simple manufacturing method.
また、上記特徴を有する窒化物半導体基板を用いて、前記III族窒化物半導体結晶層を幅w、厚さh、長さlとなる形状の導波路に形成し、前記幅w、前記厚さh、前記長さlは、前記長さlの方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。 Further, using the nitride semiconductor substrate having the above characteristics, the group III nitride semiconductor crystal layer is formed in a waveguide having a width w, a thickness h, and a length l, and the width w and the thickness are formed. h, the length l is calculated based on the incident wavelength of the laser beam incident in the direction of the length l.
本態様によれば、非線形光学結晶を有する窒化物半導体デバイスとして、例えば光学的第二次高調波発生素子(SHG素子)を実現し、入射したレーザ光波長の1/2波長の出力光を効率よく得ることができる。 According to this aspect, as a nitride semiconductor device having a nonlinear optical crystal, for example, an optical second harmonic generation element (SHG element) is realized, and output light having a wavelength of 1/2 of the incident laser light wavelength is efficiently used. You can get it well.
本発明によれば、極性反転層構造を有し、表面が平坦でかつ高品質の結晶層が形成された窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板の製造装置および窒化物半導体デバイスを提供することができる。 According to the present invention, a nitride semiconductor substrate having a polar inversion layer structure, a flat surface and a high-quality crystal layer formed therein, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, an apparatus for manufacturing a nitride semiconductor substrate, and nitride It is possible to provide a physical semiconductor device.
さらに、上記基板を用いて高効率のSHG素子を提供することが可能になる。 Further, it becomes possible to provide a highly efficient SHG element by using the above-mentioned substrate.
具体的な実施態様の説明の前に、本発明の主要な技術を説明する。 Prior to the description of specific embodiments, the main techniques of the present invention will be described.
既に説明したように、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有し、前記III族窒化物半導体結晶層内に、III族極性と窒素極性との極性反転層構造を前記基板の表面と平行方向に有する。 As described above, the nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention has an Al x Gay In (1-xy) on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. It has a group III nitride semiconductor crystal layer composed of an aggregate of crystal grains of a group III nitride semiconductor represented by N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1), and has the group III nitride. In the nitride semiconductor crystal layer, a polarity inversion layer structure having a group III polarity and a nitrogen polarity is provided in a direction parallel to the surface of the substrate.
ここで、前記III族窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、前記III族窒化物半導体結晶層の厚さは、20nm以上2000nm以下であり、前記極性反転層構造は、原子レベルで接合されている接合構造であってもよい。 Here, the group III nitride semiconductor is aluminum nitride, gallium nitride, aluminum gallium nitride, or aluminum gallium nitride indium, and the thickness of the group III nitride semiconductor crystal layer is 20 nm or more and 2000 nm or less. The polar reversal layer structure may be a bonded structure bonded at the atomic level.
また、前記極性反転層構造は、2枚の前記III族窒化物半導体結晶層を接合したものであってもよい。 Further, the polarity inversion layer structure may be formed by joining two group III nitride semiconductor crystal layers.
また、前記III族窒化物半導体結晶層の(10-12)面におけるX線回折ロッキングカーブの半値幅は、1000arcsec以下であってもよい。 Further, the half width of the X-ray diffraction locking curve on the (10-12) plane of the group III nitride semiconductor crystal layer may be 1000 arcsec or less.
また、前記III族窒化物半導体結晶層内に、前記極性反転層構造を2以上有してもよい。 Further, the group III nitride semiconductor crystal layer may have two or more polar inversion layer structures.
また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を、2枚一組として第1の半導体基板組とし、前記第1の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて配置し加熱炉内に設置する第1の設置工程と、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下に制御しながら前記第1の半導体基板組を加熱する加熱工程と、接合された2枚の前記III族窒化物半導体基板の少なくとも一方の前記基板を剥離する基板剥離工程とを含む。 Further, in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention, Al x Gay In (1-xy) N is applied to the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. Group III nitride represented by (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1) Group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of group III nitride semiconductor is formed. A set of two semiconductor substrates is used as the first semiconductor substrate set, and the group III nitride semiconductor crystal layers of each of the group III nitride semiconductor substrates of the first semiconductor substrate set are arranged facing each other in a heating furnace. The first installation step to be installed inside, the heating step to heat the first semiconductor substrate set while controlling the temperature of the heating furnace to 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, and the two bonded group III. It includes a substrate peeling step of peeling at least one of the nitride semiconductor substrates.
ここで、前記第1の設置工程において、前記第1の半導体基板組を、前記第1の半導体基板組の動きを規制するためのホルダに収納し、前記ホルダの開口を閉じるカバー部材により前記ホルダの開口を閉じ、前記カバー部材と対向する基板との隙間を0.5mm以下とし、前記加熱中の加熱炉内に不活性ガスを供給してもよい。 Here, in the first installation step, the first semiconductor substrate set is housed in a holder for restricting the movement of the first semiconductor substrate set, and the holder is provided with a cover member that closes the opening of the holder. The opening of the cover member may be closed, the gap between the cover member and the substrate facing the cover member may be set to 0.5 mm or less, and the inert gas may be supplied into the heating furnace during heating.
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層の上に、更にIII族窒化物半導体緩衝層を成長させる成膜工程を有し、前記III族窒化物半導体緩衝層の厚さは、10nm以上1000nm以下であり、前記半導体基板の反り量は、30μm以下であり、前記第1の設置工程において、前記ホルダ内で前記第1の半導体基板組を、前記III族窒化物半導体基板のDカット面を揃える配置、または、Dカット面を揃えた位置から±60°、±120°あるいは180°対向する配置で設置してもよい。 Further, the group III has a film forming step of further growing a group III nitride semiconductor buffer layer on the group III nitride semiconductor crystal layer of the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step. The thickness of the nitride semiconductor buffer layer is 10 nm or more and 1000 nm or less, the amount of warpage of the semiconductor substrate is 30 μm or less, and in the first installation step, the first semiconductor substrate set is placed in the holder. , The D-cut surfaces of the group III nitride semiconductor substrate may be aligned, or may be installed so as to face each other by ± 60 °, ± 120 °, or 180 ° from the positions where the D-cut surfaces are aligned.
また、前記第1の設置工程において、前記ホルダに複数の前記第1の半導体基板組を設置してもよい。 Further, in the first installation step, a plurality of the first semiconductor substrate sets may be installed in the holder.
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士、または前記基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体結晶層が接合した前記III族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層が形成された前記III族窒化物半導体基板とを、第2の半導体基板組とし、前記第2の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置する第2の設置工程を含んでもよい。 Further, the group III nitride obtained by joining the group III nitride semiconductor crystal layers of the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step or the group III nitride semiconductor crystal layers obtained in the substrate peeling step. The group III nitride semiconductor substrate on which the physical semiconductor substrate and the group III nitride semiconductor buffer layer are formed is used as a second semiconductor substrate set, and each of the group III nitride semiconductor substrates of the second semiconductor substrate set is used. The second installation step of installing the group III nitride semiconductor crystal layers facing each other in close contact with each other in the heating furnace may be included.
また、前記第2の設置工程と、前記加熱工程と前記基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。 Further, the second installation step, the heating step, and the substrate peeling step may be repeated a plurality of times in this order.
また、前記基板剥離工程で得られた前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体結晶層上に、III族窒化物半導体薄膜の結晶成長を行う結晶成長工程を有し、前記結晶成長工程で得られた2枚の前記III族窒化物半導体基板同士または前記結晶成長工程で得られた前記III族窒化物半導体基板と前記III族窒化物半導体緩衝層とが形成された前記III族窒化物半導体基板を、第3の半導体基板組とし、前記第3の半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体薄膜同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置する第3の設置工程を含んでもよい。 Further, the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step has a crystal growth step of growing a crystal of the group III nitride semiconductor thin film on the group III nitride semiconductor crystal layer, and the crystal growth is performed. The group III nitride obtained by forming the two group III nitride semiconductor substrates obtained in the step or the group III nitride semiconductor substrate obtained in the crystal growth step and the group III nitride semiconductor buffer layer. The physical semiconductor substrate is used as a third semiconductor substrate group, and the group III nitride semiconductor thin films of each of the group III nitride semiconductor substrates of the third semiconductor substrate group are brought into close contact with each other and installed in a heating furnace. A third installation step may be included.
また、前記第3の設置工程と、前記加熱工程と、前記基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。 Further, the third installation step, the heating step, and the substrate peeling step may be repeated a plurality of times in this order.
また、前記III族窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、前記ホルダの材質は、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムおよびこれらの合金)、ジルコニア、炭化タンタルの少なくとも一つから構成されてもよい。 The group III nitride semiconductor is aluminum nitride, gallium nitride, aluminum gallium nitride, or aluminum gallium nitride indium, and the material of the holder is a group III nitride semiconductor, carbon, boron nitride, or aluminum oxide (sapphire). ), Ceramic, silicon carbide, refractory metal (molybdenum, tungsten, iridium and alloys thereof), gallium, and tantalum carbide.
また、前記加熱工程において、1回の加熱中に複数回、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下の異なる2点間の温度に複数回制御するか、または、異なる複数の温度に制御してもよい。 Further, in the heating step, the temperature of the heating furnace is controlled multiple times during one heating to a temperature between two different points of 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, or controlled to a plurality of different temperatures. You may.
また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造装置は、加熱炉と、前記加熱炉を加熱するヒータと、少なくとも前記ヒータを制御することにより、前記加熱炉内の温度を制御する制御装置と、前記加熱炉内に配置され、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を2枚一組とした半導体基板組を複数組収納する開口部を有し、前記開口部に収納された前記半導体基板組の動きを規制するホルダと、前記加熱炉内に配置され、前記ホルダの前記開口部を覆うように配置された蓋とを有する。 Further, the device for manufacturing the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment is a control device for controlling the temperature in the heating furnace by controlling the heating furnace, the heater for heating the heating furnace, and at least the heater. Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0) on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon, which is arranged in the heating furnace. A set of two group III nitride semiconductor substrates on which a group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of a group III nitride semiconductor represented by ≦ y ≦ 1 and (x + y) ≦ 1) is formed. A holder that has an opening for accommodating a plurality of semiconductor substrate sets and regulates the movement of the semiconductor substrate set housed in the opening, and a holder that is arranged in the heating furnace and covers the opening of the holder. It has a lid arranged so as to.
また、前記半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着し、前記開口部および前記ホルダは、前記半導体基板組を複数組収納する深さを有し、前記複数組の半導体基板組の上には、前記半導体基板組に荷重を掛ける加重部材を設置し、前記温度制御装置は、前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下の異なる2点間の温度に複数回制御するか、または異なる複数の温度に制御してもよい。 Further, the group III nitride semiconductor crystal layers of each group III nitride semiconductor substrate of the semiconductor substrate set are brought into close contact with each other facing each other, and the opening and the holder have a depth for accommodating a plurality of sets of the semiconductor substrate sets. On the plurality of sets of semiconductor substrates, a weighting member for applying a load to the semiconductor substrate sets is installed, and the temperature control device changes the temperature of the heating furnace to 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower. The temperature between two points may be controlled a plurality of times, or may be controlled to a plurality of different temperatures.
さらに、他の実施の態様である窒化物半導体デバイスは、上記した特徴を有する窒化物半導体基板を用いて、前記III族窒化物半導体結晶層を幅w、厚さh、長さlとなる形状の導波路に形成し、前記幅w、前記厚さh、前記長さlは、前記長さlの方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。 Further, in the nitride semiconductor device according to another embodiment, the nitride semiconductor substrate having the above-mentioned characteristics is used, and the group III nitride semiconductor crystal layer has a shape having a width w, a thickness h, and a length l. The width w, the thickness h, and the length l are calculated based on the incident wavelength of the laser beam incident on the direction of the length l.
また、前記入射波長をλ1とし、前記窒化物半導体デバイスの出力光の波長をλ2とした場合の前記III族窒化物半導体結晶層の入射波長における屈折率をn1、出射波長における屈折率をn2として、前記幅wまたは前記厚さhの値の一つを固定した後、前記幅wまたは前記厚さhの固定していない値を変化させたときに、n1=n2となるときのwまたはhの値が算出されてもよい。 Further, when the incident wavelength is λ 1 and the wavelength of the output light of the nitride semiconductor device is λ 2 , the refractive index at the incident wavelength of the Group III nitride semiconductor crystal layer is n 1 and the refractive index at the emission wavelength. 1 = n 2 when one of the values of the width w or the thickness h is fixed and then the unfixed value of the width w or the thickness h is changed. The value of w or h at the time of becoming may be calculated.
ここで、前記長さlの方向の入射面、出射面以外の前記III族窒化物半導体結晶層は、保護層で覆われていてもよい。 Here, the group III nitride semiconductor crystal layer other than the incident surface and the exit surface in the direction of the length l may be covered with a protective layer.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明においては、窒化アルミニウムをAlN、窒化アルミニウムガリウムをAlGaN、窒化アルミニウムガリウムインジウムをAlGaInN、サファイアをAl2O3、炭化ケイ素をSiCと示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, aluminum nitride is referred to as AlN, aluminum gallium nitride is referred to as AlGaN, aluminum gallium nitride is referred to as AlGaInN, sapphire is referred to as Al2O3 , and silicon carbide is referred to as SiC.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 In addition, all of the embodiments described below show a preferable specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components, steps, the order of steps, etc. shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. The present invention is specified by the scope of claims. Therefore, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims are described as arbitrary components.
(実施の形態1)
[1.窒化物半導体基板の構成]
図1および図2を参照して本実施の形態に係る窒化物半導体基板1について説明する。図1は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の概略図である。図2は、図1に示す窒化物半導体基板1のc軸結晶方位(III族極性および窒素極性)が結晶層内で反転している状態を示す電子顕微鏡写真である。
(Embodiment 1)
[1. Nitride semiconductor substrate configuration]
The
本実施の形態に係る窒化物半導体基板1は、例えば極性反転型SHG素子等に用いる窒化物半導体基板である。窒化物半導体基板1は、基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有している。また、窒化物半導体基板1は、III族窒化物半導体結晶層内に、III族極性であるAl極性と窒素極性との極性反転層構造を有している。
The
具体的には、図1に示すように、窒化物半導体基板1は、基板の一例であるサファイア基板2と、III族窒化物半導体の一例である窒化アルミニウム(AlN)結晶層3と、窒化アルミニウム結晶層4を有している。
Specifically, as shown in FIG. 1, the
サファイア基板2の上に形成された窒化アルミニウム結晶層3と窒化アルミニウム結晶層4とは、サファイア基板2のc軸方向に沿って互いに反平行な自発分極ないしピエゾ分極を有している。ここで、ウルツ鉱型結晶中のAl-N結合のうちc軸に平行な結合に着目し、サファイア基板側にAlが位置する場合をAl極性、Nが位置する場合を窒素極性の結晶方位と定義するのが一般的である。よって、窒化アルミニウム結晶層3と窒化アルミニウム結晶層4はそれぞれ、Al極性、窒素極性である。以下では、サファイア基板2の上に配置された窒化アルミニウム結晶層について、Al極性を有する窒化アルミニウム結晶層を、+cAlN結晶層と呼ぶ。また、窒素極性を有する窒化アルミニウム結晶層を、-cAlN結晶層と呼ぶ。本実施の形態では、窒化アルミニウム結晶層3は、+cAlN結晶層であり、第1のIII族窒化物半導体結晶層である。窒化アルミニウム結晶層4は、-cAlN結晶層であり、第2のIII族窒化物半導体結晶層である。
The aluminum
ここで、Al極性と窒素極性が反転している窒化アルミニウム結晶層3および4が積層された構造を極性反転構造という。つまり、+cAlN結晶層上に-cAlN結晶層が積層された構造を極性反転構造という。また、窒化アルミニウム結晶層3および4との極性反転構造において、Al極性と窒素極性が反転している層を、極性反転層と定義する。極性反転層は、1乃至2原子の厚さの中での構造であり、かつ、窒化アルミニウム結晶層3と4との界面という側面を持つものである。また、窒化物半導体基板1において、+cAlN結晶層上に-cAlN結晶層が積層された構造を極性反転構造は、サファイア基板2の表面と平行方向に、+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との界面が配置される構成となっている。つまり、窒化物半導体基板1において、極性反転層は、図1にも示すようにサファイア基板2の表面と平行方向に存在する。
Here, the structure in which the aluminum
なお、図1では窒化物半導体基板1を模式的に表現しているため、サファイア基板と窒化アルミニウム結晶層3および4とが同等の厚さにみえるが、実際にはサファイア基板2は、200μm以上1000μm以下程度であり、窒化アルミニウム結晶層3および4は、それぞれ10nm以上1000nm以下程度である。そのため、窒化アルミニウム結晶層3および4の厚さを合計した厚さは、20nm以上2000nm以下程度の範囲で作製される。図1に示す窒化物半導体基板1では、窒化アルミニウム結晶層3および4の界面である厚みの中央付近に極性反転層を有する。しかし、窒化アルミニウム結晶層3と4は同じ厚さでなくてもよい。そのため、極性反転層は、必ずしも結晶層3および4の合計厚さの中央付近にできるものではなく、窒化物半導体基板1を加工して得られるデバイスの特性要求に応じて、極性反転層の位置を自由に設定できるものである。
Since the
図2の(a)および(b)は、窒化物半導体基板1のIII族極性と窒素極性とがIII族結晶層内で反転している状態を示す電子顕微鏡写真である。より詳細には、図2の(a)および(b)に示す電子顕微鏡写真は、HAADF-STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡)による窒化物半導体基板の観測像(STEM像)である。図2の(a)および(b)では、窒化物半導体基板が有するサファイア基板と、サファイア基板のc軸方向の一方向を正としたときの正の極性を示す+cAlN結晶層と、c軸方向の正の方向と反対方向を負としたときの負の極性を示す-cAlN結晶層とが観測されている。極性が反転している部分、すなわち+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との界面は、後述する方法でAlN基板を貼り合わせた場合の界面である。なお、図2の(b)は、図2の(a)に示した半導体基板における+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との界面近傍の一部を1500万倍の高倍率で測定した結果を示している。
FIGS. 2A and 2B are electron micrographs showing a state in which the group III polarity and the nitrogen polarity of the
STEM像では、重い原子ほど明るく見える。このことより、図2の(b)において、白いドットはN原子よりも重いAl原子を示しており、そこから彗星の尾のように伸びている部分にN原子が存在していることがわかる。+cAlN結晶層と-cAlN結晶層とは、もともと2枚の独立したAlN基板であったが、界面にはくっきりとした原子像が見られており、非常に高い結晶性を示していることが分かる。+cAlN結晶層から-cAlN結晶層への極性反転は、単原子層で生じており、これまでの結晶成長法では難しかった急峻な極性反転を実現している。ここで、原子構造の乱れが1nm以下であること、+cAlN結晶層と-cAlN結晶層とが1乃至2原子レベルで完全に接合していること、および、+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との界面にアモルファス層が存在していないことを、STEM像から読み取ることができる。 In the STEM image, the heavier the atom, the brighter it looks. From this, it can be seen that in (b) of FIG. 2, the white dot indicates an Al atom heavier than the N atom, and the N atom exists in the portion extending like the tail of the comet. .. The + cAlN crystal layer and the -cAlN crystal layer were originally two independent AlN substrates, but a clear atomic image was seen at the interface, indicating that they show extremely high crystallinity. .. The polarity reversal from the + cAlN crystal layer to the −cAlN crystal layer occurs in the monatomic layer, and realizes a steep polarity reversal that was difficult with the conventional crystal growth method. Here, the disorder of the atomic structure is 1 nm or less, the + cAlN crystal layer and the -cAlN crystal layer are completely bonded at the level of 1 to 2 atoms, and the + cAlN crystal layer and the -cAlN crystal layer It can be read from the STEM image that the amorphous layer does not exist at the interface.
また、STEM像からAl原子の原子間距離を抽出すると、貼り合わせ界面では2.8Åであり、貼り合わせ界面から離れた箇所では2.5Åであった。貼り合わせ界面では原子間距離が1割ほど大きくなっていることから、貼り合わせ界面には酸素や炭素などの不純物が含まれており、これらを介した原子結合になっていることが考えられる。また、図3には上記で説明した電子顕微鏡写真の倍率を250万倍とした写真を示す。図3に示す矢印の長さは10nmであり、界面がまっすぐに数十nm延びていて、結晶状態及び極性反転構造が良好な界面が続いていることが観察できる。 Further, when the interatomic distance of the Al atom was extracted from the STEM image, it was 2.8 Å at the bonded interface and 2.5 Å at the location away from the bonded interface. Since the interatomic distance is about 10% larger at the bonding interface, it is considered that impurities such as oxygen and carbon are contained in the bonding interface, and the atomic bond is formed through these. Further, FIG. 3 shows a photograph in which the magnification of the electron micrograph described above is 2.5 million times. It can be observed that the length of the arrow shown in FIG. 3 is 10 nm, the interface extends straight to several tens of nm, and the interface having a good crystal state and polar inversion structure continues.
ここで、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の展開例(変形例)を図4に示す。窒化物半導体基板1は、以下のように、サファイア基板2の上に窒化アルミニウム結晶層3および4だけでなく、複数の窒化アルミニウム結晶層を備えてもよい。図4は、極性反転層を複数層持つ結晶構造の概略図である。
Here, FIG. 4 shows a development example (modification example) of the
図4の(a)は、図1の窒化アルミニウム結晶層3と4に窒化アルミニウム結晶層5を加えて、極性反転層を2層持つ結晶構造を示している。図4の(b)は、さらに窒化アルミニウム結晶層6を加えて、極性反転層を3層持つ結晶構造を示している。上記したように極性反転層の位置に関する設計の自由度を明示するために、図4の(a)および(b)では窒化アルミニウム結晶層3および4と窒化アルミニウム結晶層5および6との厚さを変えて示している。
FIG. 4A shows a crystal structure having two polar inversion layers by adding the aluminum
なお、基板は、サファイア基板2だけに限られず、サファイア、炭化ケイ素(SiC)および窒化アルミニウム(AlN)、シリコン(Si)の少なくとも一つからなる基板であればよい。また、第1のIII族窒化物半導体および第2のIII族窒化物半導体を構成する窒化アルミニウム結晶層は、窒化アルミニウム(AlN)だけに限られず、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされる窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、または、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlNGaIn)であってもよい。第1のIII族窒化物半導体、第2のIII族窒化物半導体は、異なるIII族窒化物材質であっても接合できるが、熱膨張係数差による応力と界面に生じるダングリングボンドを抑制する観点から、同じ材質であることが好ましい。
The substrate is not limited to the
[2.窒化物半導体基板の作製方法]
次に、上記した極性反転型SHG素子等に用いる窒化物半導体基板1の作製方法を、図5および図6を用いて説明する。図5は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の作製方法を示す断面図である。図6は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の作製方法を示すフローチャートである。図7は、図5の(a)~(e)の各ステップを立体的に描き、より理解を促進するための図である。図7に示す工程は図5と同じであるため、説明は省略する。
[2. Nitride semiconductor substrate manufacturing method]
Next, a method for manufacturing the
なお、以下において、AlN緩衝層3aおよび3bを熱処理したものを、それぞれAlN結晶層3aおよび3bと呼ぶ。また、Al極性を有するAlN緩衝層3aおよび3b並びにAlN結晶層3aおよび3bを、それぞれ+cAlN緩衝層3aおよび3b並びに+cAlN結晶層3aおよび3bと呼ぶ。同様に、窒素極性を有するAlN緩衝層3bおよびAlN結晶層3bを、それぞれ-cAlN緩衝層3bおよび-cAlN結晶層3bと呼ぶ。
In the following, the heat-treated AlN buffer layers 3a and 3b are referred to as AlN crystal layers 3a and 3b, respectively. Further, the AlN buffer layers 3a and 3b having Al polarity and the AlN crystal layers 3a and 3b are referred to as + cAlN buffer layers 3a and 3b and + cAlN crystal layers 3a and 3b, respectively. Similarly, the
図5および図6に示すように、窒化物半導体基板1の作製方法は大きく分けて次の6つのステップからなる。
As shown in FIGS. 5 and 6, the method for manufacturing the
はじめに、図5の(a)に示されるように、サファイア基板2aの上にAlN緩衝層3aを成膜する工程が行われる(ステップS11)。AlN緩衝層3aは、窒化アルミニウム結晶層3の前駆体であり、後の構成において熱処理されることにより、窒化アルミニウム結晶層3となる層である。AlN緩衝層3aは、例えば、700W、600℃の条件でスパッタ法を用いて成膜される。このとき生成されるAlN緩衝層3aは、例えば200nmの厚さである。なお、サファイア基板2a上にAlN緩衝層3aが成膜された基板を、III族窒化物半導体基板(以下、単に「半導体基板」)と呼ぶ。
First, as shown in FIG. 5A, a step of forming an
なお、AlN緩衝層3aの製膜は、スパッタ法に限らず、MOVPE法、ハイドライド気相成長(Hydride vapor phase epitaxy:HVPE)法、分子線エピタキシャル(Molecular beam epitaxy:MBE)法などであってもよい。また、AlN緩衝層が成膜されるサファイア基板2の面方位は、サファイアc面に限られず、a面、r面、n面、m面およびそれらの面から±4°以内のオフ角の誤差を含むものであってもよい。さらに、基板の材料は、上述したように、サファイアに限られず、SiC、AlN、シリコンなどであってもよい。また、基板は、特許文献1の手法により一度アニールされ、結晶状態を改善した基板を使っても良い。
The formation of the
さらに、サファイア基板2aおよびAlN緩衝層3aにより形成されたIII族窒化物半導体基板と同様、サファイア基板2bおよびAlN緩衝層3bにより形成されたIII族窒化物半導体基板を用意する。
Further, a group III nitride semiconductor substrate formed of the
次に、図5の(b)に示すように、サファイア基板2a上にAlN緩衝層3aが成膜された半導体基板とサファイア基板2b上にAlN緩衝層3bが成膜された半導体基板とを2枚一組として半導体基板組とし、各半導体基板におけるAlN緩衝層3aと3bが配置された面(AlN面)を対向して密着させる(ステップS12)。なお、このときの半導体基板組は、第1の半導体基板組である。ここで、2枚の半導体基板のAlN緩衝層3aおよび3bの対向するAlN面同士の結晶方位はc軸周りの回転の自由度があるが、この面内の結晶方位(例えばa軸方位)のズレは、±1°以内、または、±60±1°、±120±1°、180±1°以内が望ましい。また、2枚の半導体基板を固定するために、2枚の半導体基板をサファイア基板2aおよび2bと同形状の底面形状を持つ円筒形のホルダに入れ、更に実質的に不活性ガスの滞留状態とするためにカバー部材でホルダに蓋をすることが望ましい。カバー部材と対向するサファイア基板2bとの距離は、0.5mm以下、好ましくは0.1mm以下とする。なお、ホルダおよび蓋については後に詳述する。
Next, as shown in FIG. 5B, a semiconductor substrate having an
次に、図5の(c)に示すように、AlN面を対向して密着させた半導体基板組の熱処理を行う。熱処理は、電気炉などを用いた熱処理工程である。例えば、1700℃の温度で3時間熱処理を行う。熱処理の条件はIII族半導体、基板材料および基板の反り量等によって選択される。例えば、温度に関しては1300℃以上1750℃以下、時間に関しては10分以上5時間以下が許容範囲であり、時間に関しては好ましくは30分以上3時間以下程度である。熱処理中は炉の内部を不活性ガスの窒素等により、0.3気圧以上3気圧以下程度で保ちつつ、不純物を排出するために、窒素ガスなどの不活性ガスを常時、供給し排出する制御を行っている。しかし、半導体基板組の主面対向面や周囲では、ガスが実質的に流れない滞留状態としており、熱処理時にAlNの成分が解離して抜け出すのが抑制され、表面が平坦でかつ高品質のAlN結晶層が形成された窒化物半導体基板1が作製される。
Next, as shown in FIG. 5 (c), heat treatment is performed on the semiconductor substrate assembly in which the AlN surfaces are opposed to each other and brought into close contact with each other. The heat treatment is a heat treatment step using an electric furnace or the like. For example, heat treatment is performed at a temperature of 1700 ° C. for 3 hours. The heat treatment conditions are selected according to the group III semiconductor, the substrate material, the amount of warpage of the substrate, and the like. For example, the allowable range is 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower for the temperature, 10 minutes or more and 5 hours or less for the time, and preferably 30 minutes or more and 3 hours or less for the time. Control to constantly supply and discharge an inert gas such as nitrogen gas in order to discharge impurities while keeping the inside of the furnace at about 0.3 atm or more and 3 atm or less with an inert gas such as nitrogen during the heat treatment. It is carried out. However, the gas does not substantially flow on the surface facing the main surface of the semiconductor substrate group and its surroundings, and the AlN component is suppressed from being dissociated and escaped during the heat treatment, and the surface is flat and high quality AlN. The
ステップS11~S13に示した処理は、特許文献1に記載された内容と類似している。しかし、特許文献1の記載技術は、半導体基板単体のAlN結晶層の結晶品質を格段に向上させる技術であるのに対し、本発明に係る技術は、AlN結晶層の結晶品質を格段に向上させる技術を利用した上で、2枚の半導体基板を原子レベルの精度で接合させるものである。
The processing shown in steps S11 to S13 is similar to the content described in
次に、図5の(d)に示すように、2枚の半導体基板のうちの一方について、サファイア基板2bを剥離する処理を行う(ステップS14)。サファイア基板2bを剥離した窒化物半導体基板1は、サファイア基板2a上にAl極性のAlN結晶層3aが配置され、AlN結晶層3aの上に窒素極性のAlN結晶層3bが配置された構成となっている。このような製法で極性反転されたAlN結晶層の評価結果を以下に説明する。
Next, as shown in FIG. 5D, a process of peeling off the
本実施の形態では、スパッタ法で成膜した厚さ200nmのAlN結晶層3aおよび3bの2枚を使用している。図8に例示するように、スパッタ法で製膜したAlN結晶層3aの極性はAl極性であり、+cAlNと表現される。逆に、窒素(N)極性のAlN結晶層3bは-cAlNと表現される。上記した様に、ウェハを重ねる際に、2枚のAlN結晶層の面内の結晶方位(例えばa軸方位)が一致するようにオリエンテーションフラット(以下オリフラと記す)と呼ばれる切れ込みの角度を一致させている。また、熱処理(またはアニールと記す)温度を1700℃、熱処理時間を3時間として熱処理を行った。サファイア基板2の剥離は、ブレードB(図7の(d)参照)を挿入することにより行っており、貼り合わせ界面にブレードBを挿入し、てこの原理で機械的に剥離しているが、精密切削などの他の方法であっても良い。
In this embodiment, two AlN crystal layers 3a and 3b having a thickness of 200 nm formed by a sputtering method are used. As illustrated in FIG. 8, the polarity of the
次に、図5の(e)及び(f)、図6のステップS15及びステップS16は、上記した様に得られた半導体基板を、デバイスとして加工する工程である。本実施の形態では、SHG素子を例に取り簡単に説明する。なお、SHG素子の詳細については、後に詳述する。 Next, (e) and (f) of FIG. 5, steps S15 and S16 of FIG. 6 are steps of processing the semiconductor substrate obtained as described above as a device. In this embodiment, the SHG element will be briefly described as an example. The details of the SHG element will be described in detail later.
まず、図5の(e)に示すように、サファイア基板2aの上に積層された+cAlN結晶層3aと-cAlN結晶層3bとを、リソグラフィー、ドライエッチングといった半導体加工プロセスで一般的な手法を用いて導波路コア層のパターンに形成する(ステップS15)。その後、図5の(f)に示すように、導波路コア層内に光を閉じ込めるための保護層として、クラッド層7を形成する。クラッド層7は、酸化アルミニウム(Al2O3)をスパッタ法によりサファイア基板2aおよび導波路コア層を構成する+cAlN結晶層3aと-cAlN結晶層3bのy軸方向(図20の(a)参照)の入射面および出射面以外を覆うように成膜することで形成する(ステップS16)。また、SHG素子において基本波およびSH波が導波路を伝搬する際に、エバネッセント波がクラッド層だけでなくその上の空気中に漏れ出すことを防ぐために、AlOxの膜厚を1μmに設定している。
First, as shown in FIG. 5 (e), the +
なお、図5の(d)の段階で、必要に応じて他の一方のサファイア基板2aも剥離して、極性反転構造を有する+cAlN結晶層3aと-cAlN結晶層3bのみを残すことも可能であるが、加工の都合上、図5の(e)の工程を終えた後に、極性反転構造を有する+cAlN結晶層3aと-cAlN結晶層3bをサファイア基板2aから外してもよい。これにより、+cAlN結晶層3aと-cAlN結晶層3bをクラッド層として、導波路コア層の全周を同じ材料にすることができる。クラッド層7の材料は、SHG素子の場合には酸化ケイ素(SiO)などがあげられる。
At the stage (d) of FIG. 5, it is also possible to peel off the
ここで、図5の(b)の工程において、窒化物半導体基板1の接合に用いられる各半導体基板は、各半導体基板の反り量、初期の結晶品質を接合が起こりやすい範囲に選ぶことが重要な条件となる。そこで、以下、接合に用いられる半導体基板の反り量および初期の結晶品質について説明する。
Here, in the step (b) of FIG. 5, it is important for each semiconductor substrate used for bonding the
図8は、接合に用いられる半導体基板の反り量を説明する為の模式図である。図8では、理解を容易にするため半導体基板の反り量を実際の反り量より大きく描いている。図8において、Pは曲率半径の中心点、Rは曲率半径、r1は基板の反り量を示している。 FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the amount of warpage of the semiconductor substrate used for joining. In FIG. 8, the amount of warpage of the semiconductor substrate is drawn larger than the actual amount of warpage for easy understanding. In FIG. 8, P is the center point of the radius of curvature, R is the radius of curvature, and r1 is the amount of warpage of the substrate.
例えば、2インチ径、厚さ400μmの円形のサファイア基板2aの上に、図8に示すようにAlN緩衝層3aが形成されている。例えば、AlN緩衝層3aの膜厚は200nmとしている。また、サファイア基板2aは、ウェハの中央がほぼ球形に反っている凹型の反りを有しており、反りの曲率半径Rは約89mである。曲率半径が凹型約89mの場合のおおよその基板中心付近の反り量(基板周縁からの深さ)は、5μm程度になる。また、AlN緩衝層3aの表面粗さは、0.2nm以上0.3nm以下程度である。このような半導体基板を用い、2枚の半導体基板のAlN面を向かい合わせて密着すると、2枚の半導体基板は原子間結合によりAlN緩衝層3a同士が接合する。
For example, as shown in FIG. 8, an
一方、AlN緩衝層3aの膜厚が200nmで、曲率半径Rが約11m、表面粗さが0.4nm以上0.6nm以下程度の半導体基板を用いた場合には、2枚の半導体基板は原子間結合をするには至らなかった。曲率半径が約11mの場合の、おおよその基板中心付近の反り量は、45μm程度になる。
On the other hand, when a semiconductor substrate having a film thickness of the
上記した様に、ほぼ同じ条件で熱処理しても、AlN緩衝層3aの接合体ができるものとできないものがあるが、それは半導体基板の反り量、表面荒さなどが影響している。しかしながら、接合体ができた半導体基板組のサファイア基板2aを剥離して観察すると、表面から干渉縞が見えないことから、空気層の入り込んでいる形跡はなく、完全に全面にわたって接合しているため、全てのウェハ面をデバイス用に活用できる。また、接合しなかった半導体基板は、AlN単層の優れた結晶層を持つ基板として活用できることはいうまでもない。
As described above, even if the heat treatment is performed under substantially the same conditions, there are some that can form a bonded body of the
また、後述するように、2枚の半導体基板を接合する際、ホルダ内において、複数組の窒化物半導体基板のそれぞれにおいて、2枚の半導体基板を向かい合わせて密着させ、この半導体基板組を積み上げているため、最下段の半導体基板組には上段の2枚分の半導体基板の重さ6.8g、または、4枚分の半導体基板の重さ13.6gの加重を与えていることになる。ここで、半導体基板組の上に、基板と同形状で反りのなるべく少ない、曲率半径Rが約30m以上の加重部材182(図17参照)を載せることは有効である。 Further, as will be described later, when joining two semiconductor substrates, the two semiconductor substrates are brought into close contact with each other of a plurality of sets of nitride semiconductor substrates in the holder, and the semiconductor substrate sets are stacked. Therefore, the semiconductor substrate set at the bottom is weighted with a weight of 6.8 g for the two upper semiconductor substrates or a weight of 13.6 g for the four semiconductor substrates. .. Here, it is effective to mount a weighting member 182 (see FIG. 17) having the same shape as the substrate and having as little warpage as possible and having a radius of curvature R of about 30 m or more on the semiconductor substrate assembly.
加重部材182に使う材質としては、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
Materials used for the
さらに、接合をより確実に実現するため、反り量を改善する目的で熱処理の前に2枚の基板を貼り合わせた状態で、1時間以上20時間以下程度、25kPa以上500kPa以下程度の荷重をかけて反り量を改善した半導体基板組を使用することも、本発明の範囲に含まれる。 Furthermore, in order to realize joining more reliably, a load of about 1 hour or more and 20 hours or less and 25 kPa or more and 500 kPa or less is applied in a state where the two substrates are bonded together before the heat treatment for the purpose of improving the amount of warpage. It is also included in the scope of the present invention to use a semiconductor substrate set having an improved amount of warpage.
半導体基板における反りの中央付近最大値r1と曲率半径Rの関係は、2インチウェハによる場合、R(m)=5、10、20、40、60、80、100に対応する反り量r1(μm)=84、42、21、10、7、5、4程度となる。曲率半径20m程度になると反り量は20μm程度に収まり、接合し易くなると考えられる。また、基板の反りの量r1は上記した様に小さい方が接合のためには好ましい。 The relationship between the maximum value r1 near the center of the warp and the radius of curvature R in the semiconductor substrate is the warp amount r1 (μm) corresponding to R (m) = 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 in the case of a 2-inch wafer. ) = 84, 42, 21, 10, 7, 5, 4 or so. When the radius of curvature is about 20 m, the amount of warpage is within about 20 μm, and it is considered that joining is easy. Further, it is preferable that the amount r1 of the warp of the substrate is small as described above for bonding.
図9は、凹型の反りを持つ半導体基板同士を対向させた模式図である。図9では、図8で説明した凹型の半導体基板を、2枚向かい合わせに密着させて載置している。図9の(a)に示すサファイア基板2aおよび2bは、同じ厚さで示しているが、異なる厚さであってもよい。また、図9に示すAlN緩衝層3aおよび3bは、例えば厚さが10nm以上1000nm以下程度である。AlN緩衝層3aおよび3bは、同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。特に、AlN緩衝層3aおよび3bは、接合後の光特性等のデバイス設計上、厚さを異ならせたものであってもよい。
FIG. 9 is a schematic view of semiconductor substrates having a concave warp facing each other. In FIG. 9, the concave semiconductor substrates described in FIG. 8 are placed in close contact with each other facing each other. The
ここで、図9の(a)のr0は、半導体基板中央付近にできる最大間隙を示している。上述したように、2枚の半導体基板の反り量が20μmであれば、最大隙間r0は約40μmになる。ウェハの直径は、2インチで約50.8mmであるため、図9では最大隙間r0を大きく描いているが、実際には僅かな隙間が残ることになる。この隙間が少ない方が、接合体を作る上でより好ましい。 Here, r0 in FIG. 9A indicates the maximum gap formed near the center of the semiconductor substrate. As described above, if the amount of warpage of the two semiconductor substrates is 20 μm, the maximum gap r0 is about 40 μm. Since the diameter of the wafer is about 50.8 mm at 2 inches, the maximum gap r0 is drawn large in FIG. 9, but a slight gap actually remains. It is more preferable that the gap is small in order to form a bonded body.
また、図示はしないが、2枚の半導体基板は、後述するように、半導体基板の半径方向の動きを規制するホルダ内に収められ、カバー部材で蓋をした状態で、加熱処理のため温度を上げる前に加熱炉の中で一旦真空にする工程を経る。加熱炉の中を真空にするのは、不純物を排出するためである。そのため、ホルダまたはカバー部材には、直径1mmの空気抜きの穴が1つまたは複数設けられている。ここで、徐々に温度を上げながら真空にする過程で、温度を1300℃以上1750℃以下程度に上げることで、膨張の関係、硬度軟化の関係で、最大隙間r0が小さくなる方向に力が働く。これにより、図9の(b)に示すように、完全に平坦な状態を経由することと、初期の表面粗さの良好なことに加えて、アニール効果により結晶品質が非常に良好な状態になっていることから、AlN緩衝層3aおよび3bとの表面では原子間結合が起こっていると考えられる。そのため、2枚の半導体基板の反りの形状や量は、ほぼ同じであることが望ましい。これは、窒化物半導体層の厚さを揃えるよりは、厚さは異なっても反り量を測定してペアを決めることが考えられる。一方、サファイア基板2aおよび2bのうちの一方は剥離して不要となるものであるので、剥離する方を、サファイア基板として残るものの厚さに合わせることは、反りの量を揃える上で有効である。
Although not shown, the two semiconductor substrates are housed in a holder that regulates the radial movement of the semiconductor substrate, and are covered with a cover member to control the temperature for heat treatment, as will be described later. Before raising it, it goes through the process of evacuating once in the heating furnace. The reason why the inside of the heating furnace is evacuated is to discharge impurities. Therefore, the holder or the cover member is provided with one or a plurality of air vent holes having a diameter of 1 mm. Here, in the process of creating a vacuum while gradually increasing the temperature, by raising the temperature to about 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, a force acts in the direction in which the maximum gap r0 becomes smaller due to the relationship of expansion and hardness softening. .. As a result, as shown in FIG. 9 (b), in addition to passing through a completely flat state and having a good initial surface roughness, the crystal quality becomes very good due to the annealing effect. Therefore, it is considered that an interatomic bond has occurred on the surface of the AlN buffer layers 3a and 3b. Therefore, it is desirable that the shape and amount of warpage of the two semiconductor substrates are almost the same. Rather than making the thicknesses of the nitride semiconductor layers uniform, it is conceivable that the pair is determined by measuring the amount of warpage even if the thicknesses are different. On the other hand, since one of the
ここで、図5の(d)でのサファイア基板2bの剥離を容易にする方法について説明する。実験では完全に隔離できた基板と、一部隔離側の基板にAlNの極性反転構造を持つ結晶層が残ったケースがあった。サファイア基板2aおよび2bのうちのどちらの基板もデバイスを作る上で利用することができるが、完全に一方または両方の基板が剥離できる方が好ましい。そこで、図8に示すサファイア基板2a上にAlN緩衝層3aを成膜する前に、剥離層として、10nm以上50nm以下程度のBN(窒化ホウ素)膜やBGaN(窒化ガリウムホウ素)膜を設けることで、基板の剥離を容易に行える様になり生産性の向上を図ることができる。この剥離層は、III族窒化物半導体基板組を構成する2枚のIII族窒化物半導体基板の両方に生成してもよいが、一方の基板が剥がれやすければよいため、剥離層を有するIII族窒化物半導体基板と剥離層を有しないIII族窒化物半導体基板とで半導体基板組を作ることができる。また、剥離面のクリーニングは必要に応じて実施する事ができる。剥離層の有無に関わらず、1000℃以上1250℃以下程度の温度範囲で、水素ガスを供給しながら5分以上30分以下の間クリーニングを行うことが有効である。
Here, a method for facilitating the peeling of the
また、図10に示すような基本形の基板を組み合わせ半導体基板組とすることが有効である。図10の(a)は、サファイア基板2aの上にAlN緩衝層3aを成膜した基板である。図10の(b)は、サファイア基板2の上に+cAlN極性のAlN結晶層3と-cAlN極性のAlN結晶層4が接合した基板であり、図1で説明した形態である。なお、図10の(a)のサファイア基板2a、AlN緩衝層3aは、熱処理前を示しており、AlN結晶層と区別するためにAlN層はAlN緩衝層としているが、AlN膜として記載することもある。図10(c)は、サファイア基板2の上に+cAlN極性のAlN結晶層3と-cAlN極性のAlN結晶層4が接合した基板であり、さらにその上にAlN緩衝層5aを成膜した状態の基板であり、最上層のAlN緩衝層5aは熱処理を経ていない状態のものである。ここで、半導体基板組の組合せとして(a)-(a)、(a)-(b)、(a)-(c)、(b)-(c)が考えられる。接合した形の半導体基板としては(b)、(c)が単体でデバイス用として用いることができる状態であり、さらに(a)-(b)、(a)-(c)、(b)-(c)を繰り返して、何層もの極性反転層を有する窒化物半導体基板を手に入れることができる。
Further, it is effective to combine basic substrates as shown in FIG. 10 to form a semiconductor substrate set. FIG. 10A shows a substrate in which an
ここで、熱処理前のAlN緩衝層では熱処理後のAlN結晶層に比べAlNの結晶粒が小さいとされている。特許文献1では、基板温度を1700℃まで上昇すると、AlN緩衝層において隣接するグレイン同士が合体され、AlN緩衝層の表面が平坦化される。また、グレイン同士の境界には、転位が存在するが、グレイン同士が合体して大きなグレインが形成されることにより、単位面積当たりに占めるグレインの数は熱処理する基板温度の上昇と共に減少する。よって、単位面積当たりに占める転位の数も減少する。したがって、熱処理後のAlN結晶層では、貫通転位密度が低減され、表面の平坦性がよく高品質なAlN結晶層を得ることができると説明されている。そのため、上記で説明した熱処理前の+cAlN極性は接合後の説明のためであり、熱処理を施している間に+cAlN極性になるものも含んでいる。
Here, it is said that the AlN buffer layer before the heat treatment has smaller AlN crystal grains than the AlN crystal layer after the heat treatment. In
[3.窒化物半導体基板の特性]
以下、上述した方法で作製された窒化物半導体基板1の特性について説明する。
[3. Characteristics of Nitride Semiconductor Substrate]
Hereinafter, the characteristics of the
はじめに、図11を用いて、図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側のAlN結晶層の剥離表面近傍の構造特性について、HAADF-STEM(High-angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy)像を用いて説明する。図11は、窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層の(11-20)面をHAADF-STEMで観察した結果である。
First, using FIG. 11, HAADF-STEM (High-angle Annular Dark) was used to describe the structural characteristics of the AlN crystal layer on the side where one of the sapphire substrates was peeled off near the peeled surface, which was obtained in step (d) of FIG. Field Scanning Transmission Electron Microscopy) This will be explained using an image. FIG. 11 shows the results of observing the (11-20) plane of the AlN crystal layer in the
HAADF-STEMは、透過電子を利用した材料観察方法である。細く絞った電子線を試料に走査させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより像が得られる。一般的なTEM像では、結晶格子のひずみや欠陥といった情報を得られるが、HAADF-STEMでは、結晶の組成についての情報が得られる。本観察でHAADF-STEMを利用した目的は、高倍率の原子像でAl原子とN原子を判別し、極性反転の様子を観察するためである。 HAADF-STEM is a material observation method using transmitted electrons. An image can be obtained by applying a finely squeezed electron beam to the sample while scanning it, and detecting the transmitted electrons scattered at a high angle with an annular detector. In a general TEM image, information such as strain and defects of a crystal lattice can be obtained, but in HAADF-STEM, information on a crystal composition can be obtained. The purpose of using HAADF-STEM in this observation is to discriminate between Al atoms and N atoms with a high-magnification atomic image and to observe the state of polarity inversion.
図11の(a)では、窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層の(11-20)面をHAADF-STEMで観察した結果を示している。また、図11の(b)は、図11の(a)の一部を拡大した像である。窒化物半導体基板1における+cAlN結晶層の膜厚は194nmで、スパッタ法で成膜時に想定していた値と一致したが、-cAlN結晶層の膜厚は178nmとなっており、+c側と比較して15nmほど薄くなっていることがわかった。
FIG. 11A shows the results of observing the (11-20) plane of the AlN crystal layer in the
この理由として、一方の窒化物半導体基板1におけるサファイア基板を剥離する際に、厚さ15nmのAlN膜が、剥離したサファイア基板側に持っていかれたことが考えられる(図11の(b)参照)。これまでの実験結果から、サファイア基板と+cAlN結晶層との界面には-cAlN結晶層が20nmほど形成されることがわかっており、-cAlN結晶層の領域は機械的強度が弱く、剥離の起点となったことが考えられる。
The reason for this is considered to be that when the sapphire substrate in one of the
上述した方法でサファイア基板を機械的に剥離したAlN結晶層の表面は、機械的剥離という行為に反して比較的平坦であった。図12により、原子間力顕微鏡(AFM)のダイナミックモードにより表面状態を観察した像を示す。図12は、窒化物半導体基板1を原子間力顕微鏡のダイナミックモードにより表面状態を観察した像である。図12の(a)に示す5×5μm範囲での表面粗さは、RMS値で0.90nm、図12の(b)に示す1×1μm範囲での表面粗さは、RMS値で0.82nmであった。
The surface of the AlN crystal layer from which the sapphire substrate was mechanically peeled by the above-mentioned method was relatively flat, contrary to the act of mechanical peeling. FIG. 12 shows an image of the surface state observed by the dynamic mode of an atomic force microscope (AFM). FIG. 12 is an image of the
一般的に、表面粗さが1nm以下であれば接合は可能であるとされており、図4で説明したように、本プロセスを繰り返すことで4層以上の多層極性反転構造の実現も可能である。または、2層の極性反転構造上に+cAlN結晶層をスパッタ法により成膜することで3層の極性反転構造も作製可能である。上述した剥離された15nm程度の+cAlN膜を追加して成膜することで、サファイア基板側から見て-cAlN結晶層(約20nm)、+cAlN結晶層(約170nm)、-cAlN結晶層(約170nm)、+cAlN結晶層(約20nm)というバランスを整えることも可能である。 Generally, it is said that bonding is possible if the surface roughness is 1 nm or less, and as described in FIG. 4, it is possible to realize a multi-layered polarity inversion structure with four or more layers by repeating this process. be. Alternatively, a three-layer polarity inversion structure can be produced by forming a + cAlN crystal layer on the two-layer polarity inversion structure by a sputtering method. By adding the above-mentioned peeled + cAlN film of about 15 nm to form a film, the -cAlN crystal layer (about 20 nm), the + cAlN crystal layer (about 170 nm), and the -cAlN crystal layer (about 170 nm) are formed when viewed from the sapphire substrate side. ), + CAlN crystal layer (about 20 nm) can be balanced.
次に、図13を用いて、図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側の結晶について、X線回折装置(XRD)で(0002)面におけるX線回折と(10-12)面におけるX線回折のロッキングカーブ測定(XRC)を行った結果を示す。図13は、窒化物半導体基板1のX線回折ロッキングカーブ測定(XRC)結果であり、(a)は(0002)面の測定結果、(b)は(10-12)面の測定結果である。図13の(a)および(b)に示す破線は、本実施の形態の方法により作製された極性反転構造を有するAlN結晶層の結果(実施例)であり、実線はスパッタ成膜した直後のAlN膜(AlN単膜)の結果(比較例1)を参考値として示している。図13の(a)は(0002)面におけるX線回折結果を、図13の(b)は(10-12)面におけるX線回折結果を示している。
Next, using FIG. 13, the crystal on the side from which one of the sapphire substrates was peeled off, which was obtained in the step (d) of FIG. 5, was subjected to X-ray diffraction on the (0002) plane by an X-ray diffractometer (XRD). The results of rocking curve measurement (XRC) of X-ray diffraction on the (10-12) plane are shown. FIG. 13 shows the X-ray diffraction locking curve measurement (XRC) result of the
AlN緩衝層3aと3bとを向かい合わせて密着させて熱処理することにより得られたAlN結晶層では、(10-12)面におけるX線回折の結果が大幅に改善される傾向は、AlN単膜が形成された基板を向かい合わせて密着させて熱処理した時と同様であり、FWHMは302arcsecと非常に良好である。AlN結晶層の(0002)面についてはFWHMがやや悪化しているものの、大きな悪影響は確認されなかった。したがって、接合による極性反転を導入した場合も、熱処理による結晶性向上の効果は十分維持していることを確認した。 In the AlN crystal layer obtained by heat-treating the AlN buffer layers 3a and 3b so as to face each other, the result of X-ray diffraction on the (10-12) plane tends to be significantly improved. The FWHM is very good at 302 arcsec, which is the same as when the substrates on which the is formed are brought into close contact with each other and heat-treated. Although the FWHM of the (0002) plane of the AlN crystal layer was slightly deteriorated, no significant adverse effect was confirmed. Therefore, it was confirmed that the effect of improving the crystallinity by the heat treatment was sufficiently maintained even when the polarity reversal by joining was introduced.
また、2θ-ω測定から見積もられた、AlN結晶層のc軸およびa軸の格子定数(c軸は4.990Åで引張1.16%、a軸は3.098Åで圧縮0.45%)およびそこから導出される2軸性応力(2軸性応力σxx=2.11GPa)は、AlN単膜基板のアニール時の結果とほぼ一致する結果である。したがって、上述した方法により作製された窒化物半導体基板1におけるAlN結晶層は、SHG素子等のデバイス用として好適な特性を有している。
In addition, the lattice constants of the c-axis and a-axis of the AlN crystal layer estimated from the 2θ-ω measurement (c-axis is 4.990 Å and tension 1.16%, a-axis is 3.098 Å and compression 0.45%). ) And the biaxial stress derived from it (biaxial stress σ xx = 2.11 GPa) are the results that are almost the same as the results at the time of annealing the AlN single film substrate. Therefore, the AlN crystal layer in the
また、図14の(a)を用いてラマン分光測定結果について説明する。図14は、窒化物半導体基板1のラマン分光測定結果である。
Moreover, the Raman spectroscopic measurement result will be described with reference to FIG. 14 (a). FIG. 14 is a Raman spectroscopic measurement result of the
ラマン分光法とは、試料に光を照射したときに生じるラマン散乱光から結晶構造や構造品質を評価する測定手法である。ラマン散乱光の波長は試料の結晶構造を反映して、格子振動の固有モードに対応したフォノンエネルギー分だけ入射光より長波側にシフトすることが知られており、この変化量をラマンシフトと呼んでいる。ラマンシフト量とラマンスペクトルの半値幅から、本実施の形態の方法により作製された極性反転構造を有するAlN結晶層の結晶性を評価した。 Raman spectroscopy is a measurement method that evaluates the crystal structure and structural quality from Raman scattered light generated when a sample is irradiated with light. It is known that the wavelength of Raman scattered light reflects the crystal structure of the sample and shifts to the longer wave side than the incident light by the phonon energy corresponding to the intrinsic mode of lattice vibration, and this amount of change is called Raman shift. I'm out. The crystallinity of the AlN crystal layer having a polar inversion structure produced by the method of the present embodiment was evaluated from the Raman shift amount and the half width at half maximum of the Raman spectrum.
AlN膜のラマンスペクトル中のピークはいくつか存在するが、このうち代表的なE2(high)ピークは、結晶中の歪量に比例してラマンシフト量が変化し、構造の不完全性を反映してその線幅(FWHM)が広がることが知られる。単層膜AlN基板であれば、図14の(a)に破線で示すように658cm-1に存在する。図5の(d)の段階で得た、一方のサファイア基板を剥離した側の極性反転構造の結晶については、図14の(a)に示す実線のAlN E2(high)に示すように、ラマンシフト量は663.6cm-1であり、単層膜AlN基板のアニール後の値とほぼ一致するものである。また、ピークのFWHMは5.8cm-1であり良好な結晶性を示している。 There are several peaks in the Raman spectrum of the AlN film, but the typical E 2 (high) peak changes the Raman shift amount in proportion to the amount of strain in the crystal, resulting in structural imperfections. It is known that the line width (FWHM) is reflected and widened. If it is a single-layer film AlN substrate, it exists at 658 cm -1 as shown by a broken line in FIG. 14 (a). The crystals having the polarity reversal structure on the side where one of the sapphire substrates was peeled off, which was obtained in the step (d) of FIG. 5, are shown in the solid line AlNE 2 (high) shown in FIG. 14 (a). The Raman shift amount is 663.6 cm -1 , which is almost the same as the value after annealing of the single-layer film AlN substrate. The peak FWHM was 5.8 cm -1 , showing good crystallinity.
また、図14の(b)に、経験的に得られたラマンシフト量とσxxの関係を示す。ラマンシフト量からは、結晶の面内に生じる2軸性応力を導出することができる。両者の比例関係は経験的に求められており、比例係数は-4.04cm-1/GPaであるとされる。ここから2軸性応力を求めると、1.47GPaの圧縮応力が生じていることになる。この値は、XRDの2θ-ω測定から求められた2軸性応力σxxの値2.11GPaと比較して30%低い値であるが、それでも大きな圧縮応力が生じていることがラマン分光測定からも明らかにされた。 Further, FIG. 14 (b) shows the relationship between the empirically obtained Raman shift amount and σ xx . From the Raman shift amount, the biaxial stress generated in the plane of the crystal can be derived. The proportional relationship between the two is empirically determined, and the proportionality coefficient is said to be -4.04 cm -1 / GPa. When the biaxial stress is obtained from this, it means that a compressive stress of 1.47 GPa is generated. This value is 30% lower than the biaxial stress σ xx value 2.11 GPa obtained from the 2θ-ω measurement of XRD, but it is still found that a large compressive stress is generated by Raman spectroscopy. It was also revealed from.
また、ウェハの置き方と、+cAlN結晶層および-cAlN結晶層の面内結晶方位の角度ズレについて説明する。図15は、窒化物半導体基板1の(10-12)のX線回折極点図である。
In addition, how to place the wafer and the angular deviation of the in-plane crystal orientation of the + cAlN crystal layer and the −cAlN crystal layer will be described. FIG. 15 is an X-ray diffraction pole figure of (10-12) of the
ウェハの置き方によって+cAlN結晶層と-cAlN結晶層の間で面内結晶方位の角度ズレが予想されたため、(10-12)の極点図を測定したものを図15に示す。極点図とは、円の半径方向に煽り角χ、円周方向に回転角φとしてX線回折測定結果をマッピングしたものである。一般には、異種基板上に結晶成長した際に、結晶の配向性を評価するために利用されるが、本実施の形態では+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との面内結晶方位の角度ズレを評価するために利用している。図15の各グラフは、煽り角χを測定用の回折量が最大になる点を選び、煽り角χを固定して窒化物半導体基板1を回転し測定した結果である。
Since an angular deviation in the in-plane crystal orientation was expected between the + cAlN crystal layer and the -cAlN crystal layer depending on how the wafer was placed, the pole figure of (10-12) was measured and shown in FIG. The pole diagram is a mapping of the X-ray diffraction measurement results with the fanning angle χ in the radial direction of the circle and the rotation angle φ in the circumferential direction. Generally, it is used to evaluate the crystal orientation when the crystal grows on a dissimilar substrate, but in the present embodiment, the angle deviation of the in-plane crystal orientation between the + cAlN crystal layer and the −cAlN crystal layer is set. It is used for evaluation. Each graph of FIG. 15 is a result of selecting a point where the diffraction amount for measurement is maximum for the fanning angle χ, fixing the fanning angle χ, and rotating the
AlN結晶層は六方晶系の結晶構造を有しており、六方晶系の結晶構造は6回回転対称であるため、極点図の6つの方向から観測したときのピークもその特性を反映している。極点図を見る限り、各ピーク位置にはずれが見られないが、より詳細に評価するため、それぞれのピークを細かくφスキャンした結果も示している。一部の観測結果では、ダブルピークの波形が見られるが、ピークの間隔は最大で0.87度であり、+cAlN結晶層と-cAlN結晶層との角度ズレは1度以下に抑えられているといえる。1度という角度は原理的に要求されるような根拠ある数字ではないが、結晶の対称性を考えると角度ずれは可能な限り小さいほうがよいと考えられる。 Since the AlN crystal layer has a hexagonal crystal structure and the hexagonal crystal structure is rotationally symmetric six times, the peaks when observed from the six directions in the polar diagram also reflect the characteristics. There is. As far as the pole figure is seen, there is no deviation in each peak position, but in order to evaluate in more detail, the result of fine φ scan of each peak is also shown. In some observation results, a double peak waveform is seen, but the peak interval is 0.87 degrees at the maximum, and the angular deviation between the + cAlN crystal layer and the -cAlN crystal layer is suppressed to 1 degree or less. It can be said that. The angle of 1 degree is not a valid number that is required in principle, but considering the symmetry of the crystal, it is better that the angle deviation is as small as possible.
以上のように、本実施の形態に係る極性反転層構造を有する窒化物半導体基板1は、極性反転構造を有し、表面が平坦でかつ高品質の結晶層が形成された半導体基板である。これにより、窒化物半導体基板1は、結晶の光学特性として非常に良好な特性を示すので、紫外光発光素子等の光源に適した窒化物半導体基板を提供することができる。
As described above, the
[4.効果等]
以上、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1によると、サファイア等の基板上にAlN等のIII族窒化物半導体緩衝層が形成された半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体緩衝層同士を向かい合わせて密着して熱処理することにより、原子層オーダで急峻な極性反転層を持つ半導体基板を、ウェハスケールで実現することができる。また、このときの熱処理により、結晶性の向上も同時に図ることができる。また本発明により、従来用いられてきた親水化接合において必須となる「ボールねじや空圧シリンダとベローズ型直線導入機構を組み合わせた特殊な接合圧力印加機構」や、表面活性化接合のような「高真空環境」を不要とする事ができるという大きな効果を実現するものである。
[4. Effect, etc.]
As described above, according to the
図2で説明したように、極性反転層にアモルファス層が存在しないことは、SHG素子等への応用上において重要である。SHG素子において、基本波の最大振幅は、極性の異なるAlN結晶層の貼り合わせ界面(極性反転層)に一致しており、アモルファス層との重なりにより光の吸収が生じることが予想されるためである。さらに詳しく説明すれば、アモルファス層は構造が無秩序であることから屈折率や吸収係数が緩やかに変化するバンドテイリングが生じ、高い光強度を必要とするSHG素子ではこのテイル準位に共鳴した2光子吸収が生じやすく、これが大きな光吸収につながる可能性がある。 As described with reference to FIG. 2, the absence of the amorphous layer in the polarity inversion layer is important for application to SHG devices and the like. In the SHG element, the maximum amplitude of the fundamental wave matches the bonding interface (polarity inversion layer) of AlN crystal layers with different polarities, and it is expected that light absorption will occur due to the overlap with the amorphous layer. be. More specifically, since the structure of the amorphous layer is disordered, band tailing occurs in which the refractive index and absorption coefficient change slowly, and in the SHG element that requires high light intensity, two photons that resonate with this tail level occur. Absorption is likely to occur, which can lead to large light absorption.
このことより、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1は、後述するように、疑似位相整合型SHGデバイスを作製する基板として適している。
From this, the
(実施の形態2)
次に、上記したIII族窒化物半導体基板組の製造装置60について説明する。
(Embodiment 2)
Next, the
図16は、本実施の形態に係る製造装置60の概略構成図である。理解を容易にするため、図16では製造装置60を簡略化し、正面からみた断面図と主要な構成だけを記載している。
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the
図16には、製造装置60の全体の構成を示している。製造装置60は、加熱炉61と、容器62と、容器蓋63と、穴64と、基板組ホルダ65と、温度センサ66と、指令装置67と、比較装置68と、制御装置69と、流入ガス配管70と、流入ガス制御弁71と、排出ガス配管72と、排出ガス制御弁73と、加熱ヒータ74a、74b、74cおよび74dとを備えている。
FIG. 16 shows the overall configuration of the
加熱炉61は製造装置60内の炉空間である。加熱炉61の前方または後方には窒化物半導体基板を出し入れする開閉用の扉(図示せず)が設けられている。
The
製造装置60である加熱炉61の全体的な形状は、略直方体または略円柱状である。加熱炉61の材質は、炭素または窒化ホウ素などの高耐熱性素材である。
The overall shape of the
容器62は、高純度カーボン製の容器である。容器62は、加熱炉61における加熱方式が誘導加熱の場合は発熱部材としての機能も果たす。高純度カーボンは、本来、高温に対して安定な物質であり、かつ、加工がしやすく安価であるという特徴を有している。
The
容器蓋63は容器62の蓋であり、容器62と一体になって熱処理するAlN緩衝層を有する半導体基板組をほぼ気密状態にする為の容器である。
The
穴64は、加熱炉61内に充填された不活性ガスのガス抜き用穴である。穴64は、半導体基板組の加熱を開始する前に、加熱炉61の内部を真空置換する際に、容器62中のガスを排除するための穴である。本実施の形態では、穴64は、容器蓋63に直径1mm程度で2箇所設けられている。なお、この穴64は、容器蓋63に限らず、容器62の容器62に設けられても良い。
The
基板組ホルダ65は、加熱炉61内に配置され、上述した半導体基板組を加熱するときに半導体基板組の動きを規制するためのホルダである。基板組ホルダ65の中には、半導体基板組81が2組設置されている。基板組ホルダ65は、高純度カーボンを使用しているが、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
The
温度センサ66は、図示では一つであるが、加熱炉61内の内部温度の分布を見る為に、加熱炉61内に複数配置されている。この実施の形態では容器蓋63は、基板組ホルダ65の蓋も兼ねているが、基板組ホルダ65に独立した蓋を設けてもよい。なお、基板組ホルダ65の構成については、後に詳述する。
Although one
加熱ヒータ74a~74dは、加熱炉61の外側に配置され、加熱炉61の内部に配置された基板組ホルダ65を加熱する機能を有している。加熱ヒータ74a~74dは、例えば誘導加熱式の加熱ヒータである。
The
指令装置67は、操作者の指示に従って、起動、停止、加熱制御、真空化、不活性ガスなどの流入排出制御等の指令を出す装置である。指令装置67は、より具体的には、プログラムで制御されたコンピュータが使用されている。先に記載したように加熱炉61の内部を真空に置換した後に窒素ガスを流入しながら高速度で昇温し、900℃~1300℃以降は昇温速度を1/2程度に下げるプログラムも、この指令装置67内に組み込まれている。
The
比較装置68は、加熱炉61内の圧力を検出する気圧センサ(図示せず)で検出された測定値を数値化し、指令装置67からの指示と比較する。比較装置68の出力は、制御装置69に伝えられ、流入ガス制御弁71、排出ガス制御弁73および加熱ヒータ74a~74dを制御する信号を出力する。なお、流入ガス配管70、排出ガス配管72は、それぞれ一つには限定されない。また、流入ガスは高温にしておいた方が昇温の際に有利である為、流入ガスの加熱装置(図示せず)を備えていてもよい。
The
本実施の形態に係る窒化物半導体基板1用の製造装置60は、加熱ヒータ74a~74dによって加熱制御される加熱炉61の内部に、厚さ10nm以上1000nm以下のIII族窒化物半導体からなる緩衝層の前駆体を有し、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる1組以上の半導体基板を保持する基板組ホルダ65を、半導体基板の加熱時に有する。加熱ヒータは、例えば制御装置69等に制御され、均一に加熱炉61の内部を過熱する方式であれば、誘導加熱、電波加熱、抵抗加熱、ガス・石油等の燃焼加熱であっても構わない。
The
加熱処理時の加熱炉61は、加熱炉61内の不純物を排出するため常温において一旦真空置換される。その後、加熱ヒータ74a~74dにより温度を上昇させながら、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、または、不活性ガスにアンモニアを添加したガスが、流入ガス制御弁71を通して加熱炉61の内部に充填される。また、不活性ガスを主成分として、アンモニア、酸素、シラン(SiH4)、モノメチルシラン(SiH3CH3)やゲルマン(GeH4)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)などの有機金属ガスも混入させてもよい。混合比は不活性ガスに対して20%以下が好ましい。排出ガス制御弁73を通して上記窒素ガス等が一定の気圧になるように制御すると共に、炉空間内で発生する不純物が一定量以下になるように常時排出されている。
The
ここで、使用できるガスは、塩素などの腐食性ガスを除き、上記以外の種類のガスであっても混合ガスとして用いられても良い。実施の形態1で説明した極性反転層構造を有する窒化物半導体基板1を作製するには、上記したような加熱炉を用いて、温度に関しては1300℃以上1750℃以下、時間に関しては10分以上5時間以下が許容範囲であり、好ましくは30分以上3時間以下程度である。また、温度は1300℃以上1750℃以下の異なる2点間(例えば1400℃と1700℃)の温度に10分~20分毎に複数回制御するか、または異なる複数の温度になるように(例えば1400℃10分、1500℃30分、1700℃60分)に温度制御装置によって制御されても良い。これらの温度や時間は基板やIII族半導体層の材料によって選ばれる。
Here, the gas that can be used may be a gas of a type other than the above, except for a corrosive gas such as chlorine, or may be used as a mixed gas. In order to produce the
次に、図17を用いて基板組ホルダ165の説明をする。図17は、本実施の形態に係る基板組ホルダ165の概略構成図であり、(a)は上面断面図、(b)は側面断面図を示している。図17に示す基板組ホルダ165は、図16における基板組ホルダ65に相当するものであり、内部に3組の半導体基板組181が設置される。
Next, the
図17に示すように、基板組ホルダ165は、内部に半導体基板組181を収容するための空間である開口部を有している。また、基板組ホルダ165の上方には、開口部を覆うように蓋163が配置される。
As shown in FIG. 17, the
また、基板組ホルダ165の内部には、ガス置換用の穴164が設けられている。穴164は、基板組ホルダ165の側壁を貫通する直径1mm程度の穴であり、基板組ホルダ165において2または数カ所設けられている。真空化処理等の際に必要となるが、ホルダ内部での不活性ガスの移動が極力少なくなるように、穴径は細くして、基板組ホルダ165の内部ではガスが実質的に流れない滞留状態としている。
Further, a
また、基板組ホルダ165の内部には、半導体基板組181を上部から押さえる加重部材182が配置されている。加重部材182は、半導体基板組181と蓋との隙間を調整し、0.5mm以下、好ましくは0.1mm以下になるように調整する機能も果たしている。加重部材182の重量は、例えば半導体基板4枚程度に対して13g以上14g以下程度である。加重部材の材質は、基板組ホルダ165、蓋163と同様にIII族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムなどの融点の高い材料およびこれらの合金など)、ジルコニア、炭化タンタルの中から選ぶことができる。
Further, a
また、図17の(a)に示すように、基板組ホルダ165を上方から見たときに、基板組ホルダ165の側壁の一部には、オリフラ規制部材183が設けられている。オリフラ規制部材183は、図15で説明したように、基板組ホルダ165内に収納された半導体基板組181の結晶軸のズレの影響を少なくするため、半導体基板のオリフラ部分を押さえることにより複数の半導体基板の面内の配置位置(向き)を統一する部材である。オリフラ規制部材183の形状は、オリフラのカット部分と同形状が好ましいが、図17のように楕円断面を持つ円柱形状や長方体の様なものでもよい。オリフラ規制部材183の材質は、基板組ホルダ165の部材により、適宜変更してもよい。
Further, as shown in FIG. 17A, when the
(実施の形態3)
以下に、本発明の窒化物半導体を用いた極性反転層を有する窒化物半導体基板1を用いたSHGデバイス(第二次高調波発生素子)について図を使って説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, an SHG device (second harmonic generation element) using a
SHGデバイスの説明の前に、特許文献1の技術で熱処理をした単層AlN結晶層を有する半導体基板の性能について説明する。後述する極性反転型のSHGデバイスを作製するにあたり、特許文献1による熱処理後の単層AlN結晶層を有する基板を測定した。図18は、X線回折ロッキングカーブ測定(XRC)を行った結果であり、(a)は単層AlN結晶層の(0002)面の測定結果、(b)は単層AlN結晶層の(10-12)面の測定結果を示す。
Prior to the description of the SHG device, the performance of the semiconductor substrate having the single-layer AlN crystal layer heat-treated by the technique of
図18の(a)に示すように、単層AlN結晶層の(0002)面については、X線回折ロッキングカーブの半値幅は、熱処理前には532arcsecであったが、熱処理後には49arcsecとなっている。また、図18の(b)に示すように、単層AlN結晶層の(10-12)面については、熱処理前に6031arcsecであった値が熱処理後には287arcsecとなり、結晶性が大幅に改善している。 As shown in FIG. 18A, for the (0002) plane of the single-layer AlN crystal layer, the half width of the X-ray diffraction locking curve was 532 arcsec before the heat treatment, but became 49 arcsec after the heat treatment. ing. Further, as shown in FIG. 18B, for the (10-12) plane of the single-layer AlN crystal layer, the value of 6031 arcsec before the heat treatment becomes 287 arcsec after the heat treatment, and the crystallinity is greatly improved. ing.
図19は、窒化物半導体基板1の分光エリプソメトリの測定結果である。分光エリプソメトリの測定結果から常屈折率noと異常屈折率neの波長分散を測定した。
FIG. 19 shows the measurement results of the spectral ellipsometry of the
図19の測定結果より、窒化物屈折率の波長分散を研究した論文である” R. Goldhahn, “Dielectric Function of Nitride Semiconductors: Recent Experimental Results”, ACTA PHYSICA POLONICA A, Vol 104 (2003)”と一致する傾向が見られた。なお、図19において、no(FFA AlN)は窒化物半導体基板1の常屈折率、ne(FFA AlN)は窒化物半導体基板1の異常屈折率、no(ref.[6])は上述した論文における常屈折率、ne(ref.[6])は上述した論文における異常屈折率である。なお、異常屈折率とは異常光線についての屈折率であり、後述する図20の(a)の座標ではz軸方向に偏光した電磁波に対する屈折率となる。同様に、常屈折率は常光線についての屈折率であり、図20の(a)の座標ではx-y面内の任意の方位に偏光した電磁波に対する屈折率である。
The measurement results in FIG. 19 are consistent with the paper "R. Goldhahn," Dielectric Function of Nitride Semiconductors: Recent Experimental Results ", ACTA PHYSICA POLONICA A, Vol 104 (2003)", which studied the wavelength dispersion of the refractive index of nitrides. There was a tendency to do. In FIG. 19, no ( FFA AlN) is the normal refractive index of the
図19の測定結果より、窒化物半導体基板1の結晶性が良好であり、窒化物半導体基板1は、光学素子として利用できることを実験的に確認することができた。
From the measurement results of FIG. 19, it was possible to experimentally confirm that the
ここで、既存のInGaN青色レーザを光源とし、AlN結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるような光学部材を用いて光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。そこで、以下、上述した方法により作製された窒化物半導体基板1のAlN結晶層を光学部材として利用したSHGデバイスについて説明する。
Here, if an optical system is assembled using an existing InGaN blue laser as a light source and an optical member that generates a second harmonic with an AlN crystal layer as a nonlinear optical crystal, ultraviolet light with high coherency is generated. be able to. Therefore, the SHG device using the AlN crystal layer of the
図20は、図5の(e)、(f)に示した工程によって、SHGデバイスの構成を示す概略図である。図20の(a)は、SHGデバイス300の断面模式図である。また、図20の(b)は、SHGデバイス300の斜視図である。
FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of the SHG device by the steps shown in FIGS. 5 (e) and 5 (f). FIG. 20A is a schematic cross-sectional view of the
本実施の形態に係るSHGデバイス300は、導波路301と、サファイアで構成されるクラッド層302とを有している。導波路301は、+cAlN結晶層303と、-cAlN結晶層304とを有している。+cAlN結晶層303と-cAlN結晶層304とは、上述した方法で作製された極性反転構造となっている。
The
ここで、導波路301は、窒化物半導体基板1を用いて、極性反転構造を有するAlN結晶層を導波路幅w、導波路厚さh、導波路長lとなる形状の導波路に形成したものである。このときの導波路幅w、導波路厚さh、導波路長lは、後述するように、導波路長lの方向つまり図20の(a)に示すy軸方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。
Here, in the
ここで、図20の(a)を用いて極性反転層を中心とした、第二次高調波発生の仕組みを説明する。 Here, the mechanism of the second harmonic generation centering on the polarity inversion layer will be described with reference to FIG. 20A.
+cAlN結晶層303と-cAlN結晶層304とで構成された導波路301は、光学非線形性を有している。光学非線形性を有する導波路301により第二次高調波(SH波)を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。すなわち、導波路301に入力された光(基本波)と発生する光(SH波)とは結晶中で進む速さが異なるため、光の位相がπ異なる場合には両者が打ち消しあってしまう。そこで、導波路301では、異方性結晶の複屈折を利用して位相整合させることが一般的である。すなわち、異方性結晶への入射角度をうまく調整することで基本波とSH波の屈折率を一致させる。これにより、導波路301において位相整合条件が満たされるので、効率よくSH波を発生させることが可能となる。なお、複屈折位相整合については、「非線形光学結晶による高調波変換の基礎」(Journal of Plasma and Fusion Research Vol.85, No.5 May 2009 P239-242)に詳細が記されている。
The
ここで、AlN結晶層は、自立基板の作製に大きなコストがかかることから、数mm角のAlN結晶を要する従来の複屈折位相整合方法は実用的ではない。かつ、複屈折性が弱いことから、深紫外波長域では複屈折を用いた位相整合はそもそも不可能である。そこで、極性反転させたAlN結晶層(薄膜)を利用した疑似位相整合を用いている。このSHGデバイス300からの出力は、下記の(式1)で示されるように、y軸方向(伝搬方向)とz軸方向(垂直方向)の位相整合を満たす必要がある。このとき、y軸方向の位相整合は導波路中のモード分散を利用し、z軸方向の位相整合はAlNの極性反転を利用する。なお、(式1)において、lはy軸方向に延びる導波路の導波路長、kは光の波数、d33は非線形光学係数である。
Here, since the AlN crystal layer requires a large cost for producing a self-supporting substrate, the conventional birefringence phase matching method that requires an AlN crystal of several mm square is not practical. Moreover, since birefringence is weak, phase matching using birefringence is impossible in the deep ultraviolet wavelength region. Therefore, pseudo-phase matching using an AlN crystal layer (thin film) whose polarity has been inverted is used. The output from the
まず、y軸に関する項については、(式2)のように表せる。 First, the term related to the y-axis can be expressed as (Equation 2).
(式2)において、λωは基本波の波長、nωは基本波における実効屈折率、n2ωはSH波における実効屈折率を示す。基本波とSH波の実効屈折率が一致するとΔkは0になり、第1項はsinc関数として1を示すため、高いSHG効率を得ることができる。ここでは、一般的な複屈折は利用せず、上述したようにモード分散を利用して位相整合条件を満たしている。つまり、SH波には導波路の層の中央に電界分布の節が存在する高次モードを用いることで、基底次モード間では一致することのない実効屈折率の一致を実現している。
In (Equation 2), λ ω indicates the wavelength of the fundamental wave, n ω indicates the effective refractive index of the fundamental wave, and
図20の(a)は導波路301を側面から見た図、図20の(b)は導波路301の斜視図になる。図20の(a)では、AlN結晶層により形成された導波路301を伝搬する基本波の電界分布(TM00 Ez
ω)とSH波の電界分布(TM01 Ez
2ω)とを実線で示している。また、図21の(a)に示された電界分布図は、TM00 Ez
ωを、図21の(b)にTM01 Ez
2ωの電界分布をxz平面上にプロットしたものである。図21の(a)および(b)において、フィールド中にBlで指示している分布が正の値、Rdで指示している分布が負の値を示している。
20 (a) is a side view of the
ここで、TMとは、Transverse magnetic modeを意味しており、図20の(a)では、x軸方向にのみ磁界成分が存在するような電磁波を指す。さらに、TMijの添字i、jはx軸方向とz軸方向のそれぞれの電界分布の節の数を表している。図20の(a)では、TM00 Ez
ωには節がないが、TM01 Ez
2ωには節が中央に1つ見られる。AlNは屈折率が高く、サファイア(Al2O3)は屈折率が低いことを利用して、それぞれの材料における電界分布を調整することで、両者の実効屈折率を調整することができる。なお、図20の(a)において、TM00 Ez
ωおよびTM01 Ez
2ωのカーブを示した近傍に記載されている破線は、電界0の位置を示している。
Here, TM means a Transverse magnetic mode, and in FIG. 20A, it refers to an electromagnetic wave in which a magnetic field component exists only in the x-axis direction. Further, the subscripts i and j of TM ij represent the number of nodes of the electric field distribution in the x-axis direction and the z-axis direction, respectively. In FIG. 20 (a), TM 00 E z ω has no node, but TM 01 E z 2 ω has one node in the center. Taking advantage of the fact that AlN has a high refractive index and sapphire (Al 2 O 3 ) has a low refractive index, the effective refractive index of both can be adjusted by adjusting the electric field distribution in each material. In addition, in (a) of FIG. 20, the broken line described in the vicinity showing the curve of TM 00 E z ω and TM 01 E z 2 ω indicates the position of the
例えば、厚さhと導波路幅wを適宜調整することにより電界分布を調整することができる。図20の(b)ではサファイア基板302を残しているが、図5の(d)の段階でも記載したように、基板を全て剥離して、別のクラッド層を周囲全周施すことができる。SHG素子の場合には酸化ケイ素(SiO2)にすると、より光の閉じ込め効果を向上させ、波長変換効率を向上させることができる。
For example, the electric field distribution can be adjusted by appropriately adjusting the thickness h and the waveguide width w. Although the
ただし、TM01 Ez 2ωは電界に正負があるため通常の単一の極性を有するAlN膜だと位相整合項の重なり積分が0になってしまうことが問題となる。そのため、上記した極性反転を行い、非線形光学係数d33(z)の符号をSH波電界分布の節にあたる膜厚において反転させる必要がある。これにより(式1)の積分項は非0の値になり、SHG光が出力される。これらの取り組みにより、最終的にy軸方向とz軸方向の位相整合条件が満たされ、高効率なSHG出力を実現することができる。 However, since TM 01 Ez 2ω has positive and negative electric fields, there is a problem that the overlap integral of the phase matching term becomes 0 in the case of an AlN film having a normal single polarity. Therefore, it is necessary to perform the above-mentioned polarity inversion and invert the code of the nonlinear optical coefficient d 33 (z) at the film thickness corresponding to the node of the SH wave electric field distribution. As a result, the integral term of (Equation 1) becomes a non-zero value, and SHG light is output. Through these efforts, the phase matching conditions in the y-axis direction and the z-axis direction are finally satisfied, and highly efficient SHG output can be realized.
なお、モード分散位相整合と分極反転による疑似位相整合型SHGについては論文” Polymer waveguides with optimized overlap integral for modal dispersion phasematching”に詳細な説明が記されている。 A detailed explanation of the pseudo-phase matching type SHG by mode dispersion phase matching and polarization inversion is described in the paper "Polymer waveguides with optimized overlap integral for modal dispersion phase matching".
このように、既存のInGaN青色レーザを光源とし、窒化物半導体基板1のAlN結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるようなSHGデバイスを用いて光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。
In this way, if an optical system is assembled using an existing InGaN blue laser as a light source and an SHG device that generates a second harmonic using the AlN crystal layer of the
なお、AlN結晶層を非線形光学結晶として用いる利点として、次の3点が挙げられる。
(1)AlN結晶層の吸収端波長は210nmであるから、紫外の広い領域で透明である。
(2)既存の非線形光学結晶であるBBO(ホウ酸バリウム)やCLBO(ホウ酸セシウムリチウム)よりも高い非線形光学係数d33を有する。
(3)AlN結晶層は、化学的および機械的に安定な材料であり、BBOやCLBOのような潮解性および有毒性がない。
The advantages of using the AlN crystal layer as a nonlinear optical crystal include the following three points.
(1) Since the absorption edge wavelength of the AlN crystal layer is 210 nm, it is transparent in a wide ultraviolet region.
(2) It has a nonlinear optical coefficient d 33 higher than that of the existing nonlinear optical crystals BBO (barium borate) and CLBO (cesium cesium lithium borate).
(3) The AlN crystal layer is a chemically and mechanically stable material, and is not deliquescent and toxic like BBO and CLBO.
次に、図22に、本実施の形態に係る導波路301の設計の一例を示す。以下では、導波路301において、導波路幅wの設計の一例を示している。なお、図22に示すグラフの横軸は導波路幅、縦軸は基本波(入射波長λ1=532nm)とSH波(出射波長λ2=266nm)の実効屈折率を示している。導波路301を構成するAlN結晶層の膜厚はh=110nm、導波路長はl=1mmとした。
Next, FIG. 22 shows an example of the design of the
図22には、TM00 EzωおよびTM01 Ez2ωの実効屈折率neff,1とneff,2が導波路301の導波路幅wによって変化する曲線を示している。導波路301の導波路幅wを、2つの曲線の交点である導波路幅w=1.94μmにすると、実効屈折率の差がゼロとなり、波長変換効率は最大となる。本設計では、基本波にλ1=532nmの波長を用いたが、これは測定系の都合でYAGレーザのSH波を使用するためである。より短波長での波長変換を行う場合、λ1=450nm付近の波長で設計を行えば、λ2=225nmのSH波との間で位相整合を満たすことができる。
FIG. 22 shows a curve in which the effective refractive indexes n eff, 1 and n eff, 2 of TM 00 Ez ω and TM 01 Ez 2 ω change depending on the waveguide width w of the
ここで、上述した設計例は、入射波長をλ1とし、SHGデバイスから出力される出力光の波長をλ2=λ1/2とした場合の結晶層の入射波長における屈折率をn1、出射波長における屈折率をn2として、AlN結晶層の膜厚(導波路厚さ)hをh=110nmに固定して導波路幅wの値を変化させたときに、n1=n2となる導波路幅wの値を求めたものである。n1とn2の許容差は(n1-n2)/n1で計算した場合好ましくは0.1%以下、より好ましくは±0.005%である。導波路301の設計はこれに限らず、例えば導波路幅wの値を固定してAlN結晶層の膜厚hを変化させるグラフを用いることもできる。
Here, in the above-mentioned design example, the refractive index at the incident wavelength of the crystal layer is n 1 when the incident wavelength is λ 1 and the wavelength of the output light output from the SHG device is λ 2 = λ 1/2 . When the refractive index at the emission wavelength is n 2 , the film thickness (wavelength of the waveguide) h of the AlN crystal layer is fixed at h = 110 nm, and the value of the waveguide width w is changed, n 1 = n 2 . The value of the waveguide width w is obtained. The tolerance of n 1 and n 2 is preferably 0.1% or less, more preferably ± 0.005% when calculated by (n 1 − n 2 ) / n 1 . The design of the
以上、上記した様に、AlN等のIII族窒化物半導体緩衝層が形成された窒化物半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して熱処理することにより、原子層オーダで急峻な極性反転層を持つ半導体基板を、ウェハスケールで実現することができる。また、この熱処理により、結晶性の向上も同時に図ることができる。したがって、上述した極性反転層を持つ窒化物半導体基板1を導波路状に加工することで、疑似位相整合型SHGデバイスの作製ができるものである。これにより、波長400nm台の半導体レーザと上述したSHGデバイスの組合せにより、波長200nm台の発光素子を実現することができる。
As described above, as described above, the nitride semiconductor substrate on which the group III nitride semiconductor buffer layer such as AlN is formed is formed into a semiconductor substrate set as a set of two wafers, and the group III nitride semiconductor crystal layers are brought into close contact with each other facing each other. By performing the heat treatment, a semiconductor substrate having a steep polarity inversion layer on the order of atomic layers can be realized on a wafer scale. In addition, this heat treatment can also improve the crystallinity at the same time. Therefore, by processing the
(その他の実施の形態)
以上、本発明に係る窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。
(Other embodiments)
Although the nitride semiconductor substrate, the method for manufacturing the nitride semiconductor substrate, and the nitride semiconductor device according to the present invention have been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments. The present invention also includes a form obtained by subjecting an embodiment to a modification that a person skilled in the art can think of, and another form realized by arbitrarily combining components in a plurality of embodiments.
例えば、上述した実施の形態では、III族窒化物半導体緩衝層が形成された窒化物半導体基板を、2枚一組として半導体基板組とし、III族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して熱処理したが、基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体結晶層が接合したIII族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板とを、第2の半導体基板組とし、第2の半導体基板組の各III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置し(第2の設置工程)、熱処理してもよい。また、第2の設置工程と、加熱工程と基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。 For example, in the above-described embodiment, the nitride semiconductor substrate on which the group III nitride semiconductor buffer layer is formed is formed into a semiconductor substrate set as a set of two, and the group III nitride semiconductor crystal layers are brought into close contact with each other facing each other. The group III nitride semiconductor substrate to which the group III nitride semiconductor crystal layer obtained in the substrate peeling step was bonded and the group III nitride semiconductor substrate to which the group III nitride semiconductor buffer layer was formed were subjected to the heat treatment. The second semiconductor substrate set is set, and the group III nitride semiconductor crystal layers of each group III nitride semiconductor substrate of the second semiconductor substrate set are placed in close contact with each other facing each other in the heating furnace (second installation step). , May be heat-treated. Further, the second installation step, the heating step, and the substrate peeling step may be repeated a plurality of times in this order.
また、基板剥離工程で得られたIII族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層上に、III族窒化物半導体薄膜の結晶成長を行う結晶成長工程を有し、結晶成長工程で得られた2枚のIII族窒化物半導体基板同士または結晶成長工程で得られたIII族窒化物半導体基板とIII族窒化物半導体緩衝層とが形成されたIII族窒化物半導体基板を、第3の半導体基板組とし、第3の半導体基板組の各III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体薄膜同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置し(第3の設置工程)、熱処理してもよい。また、第3の設置工程と、加熱工程と基板剥離工程とをこの順に複数回繰り返してもよい。 Further, the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step has a crystal growth step of growing a crystal of the group III nitride semiconductor thin film on the group III nitride semiconductor crystal layer, which is obtained in the crystal growth step. The third semiconductor is a group III nitride semiconductor substrate formed by two group III nitride semiconductor substrates or a group III nitride semiconductor substrate obtained in the crystal growth step and a group III nitride semiconductor buffer layer. As a substrate set, the group III nitride semiconductor thin films of each group III nitride semiconductor substrate of the third semiconductor substrate set are placed in close contact with each other facing each other in a heating furnace (third installation step) and heat-treated. May be good. Further, the third installation step, the heating step, and the substrate peeling step may be repeated a plurality of times in this order.
また、製造装置の構成、ホルダの形状等については、上述した構成および形状に限定されず、適宜変更してもよい。 Further, the configuration of the manufacturing apparatus, the shape of the holder, and the like are not limited to the above-mentioned configuration and shape, and may be appropriately changed.
本発明は、照明、殺菌、フォトリソグラフィ、レーザ加工機、医療機器、DNA分析器、蛍光体用光源、分光分布分析、紫外線硬化などの光源として使用される紫外光発光素子に利用することができる。また、光デバイス以外にも各種の電子部品への応用が期待できるものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an ultraviolet light emitting element used as a light source for lighting, sterilization, photolithography, laser processing machine, medical equipment, DNA analyzer, light source for phosphor, spectral distribution analysis, ultraviolet curing and the like. .. In addition to optical devices, it can be expected to be applied to various electronic components.
1 窒化物半導体基板
2、2a、2b サファイア基板
3、3a、3b、5、5a 窒化アルミニウム結晶層(第1のIII族窒化物半導体結晶層)
4、6 窒化アルミニウム結晶層(第2のIII族窒化物半導体結晶層)
7、302 クラッド層
61 加熱炉
62 容器
63 容器蓋
64 穴
65、165 基板組ホルダ
66 温度センサ
67 指令装置
68 比較装置
69 制御装置
70 流入ガス配管
71 流入ガス制御弁
72 排出ガス配管
73 排出ガス制御弁
74a、74b、74c、74d 加熱ヒータ
163 蓋
164 穴
181 半導体基板組
182 加重部材
183 オリフラ規制部材
300 SHGデバイス(窒化物半導体デバイス)
301 導波路
303 +cAlN結晶層
304 -cAlN結晶層
1
4, 6 Aluminum Nitride Crystal Layer (Second Group III Nitride Semiconductor Crystal Layer)
7, 302
Claims (16)
前記III族窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または、窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、
前記III族窒化物半導体結晶層の厚さは、20nm以上2000nm以下であり、
前記極性反転層構造は、原子レベルで接合されている接合構造であり、
前記III族窒化物半導体結晶層内は、SHG(Second Harmonic Generation)素子を構成する
窒化物半導体基板。 Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1 on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. ), A group III nitride semiconductor crystal layer composed of an aggregate of crystal grains of a group III nitride semiconductor, and a polarity inversion layer having a group III polarity and a nitrogen polarity in the group III nitride semiconductor crystal layer. The structure is parallel to the surface of the substrate and has a structure.
The group III nitride semiconductor is aluminum nitride, gallium nitride, aluminum gallium nitride, or aluminum gallium nitride indium.
The thickness of the group III nitride semiconductor crystal layer is 20 nm or more and 2000 nm or less.
The polarity inversion layer structure is a bonding structure bonded at the atomic level .
The inside of the group III nitride semiconductor crystal layer constitutes an SHG (Second Harmonic Generation) element.
Nitride semiconductor substrate.
請求項1に記載の窒化物半導体基板。 The nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the polarity inversion layer structure is formed by joining two group III nitride semiconductor crystal layers.
請求項1または2に記載の窒化物半導体基板。 The nitride semiconductor substrate according to claim 1 or 2, wherein the half width of the X-ray diffraction locking curve on the (10-12) plane of the group III nitride semiconductor crystal layer is 1000 arcsec or less.
請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。 The nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 3, which has two or more polar inversion layer structures in the group III nitride semiconductor crystal layer.
前記加熱炉の温度を1300℃以上1750℃以下に制御しながら前記第1の半導体基板組を加熱する加熱工程と、
接合された2枚の前記III族窒化物半導体基板の少なくとも一方の前記基板を剥離する基板剥離工程とを含み、
前記第1の設置工程において、前記第1の半導体基板組を、前記第1の半導体基板組の動きを規制するためのホルダに収納し、前記ホルダの開口を閉じるカバー部材により前記ホルダの開口を閉じ、前記カバー部材と対向する基板との隙間を0.5mm以下とし、
前記加熱中の加熱炉内に不活性ガスを供給する
窒化物半導体基板の製造方法。 Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1 on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon. ), A group III nitride semiconductor substrate on which a group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of the group III nitride semiconductor is formed is used as a set of two to form a first semiconductor substrate set. The first installation step of arranging the group III nitride semiconductor crystal layers of each group III nitride semiconductor substrate of the first semiconductor substrate group facing each other and installing them in the heating furnace,
A heating step of heating the first semiconductor substrate set while controlling the temperature of the heating furnace to 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower.
A substrate peeling step of peeling at least one of the two bonded group III nitride semiconductor substrates is included.
In the first installation step, the first semiconductor substrate set is housed in a holder for restricting the movement of the first semiconductor substrate set, and the opening of the holder is opened by a cover member that closes the opening of the holder. Closed, the gap between the cover member and the facing substrate is set to 0.5 mm or less.
Supplying the inert gas into the heating furnace during heating
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
前記III族窒化物半導体緩衝層の厚さは、10nm以上1000nm以下であり、
前記半導体基板の反り量は、30μm以下であり、
前記第1の設置工程において、前記ホルダ内で前記第1の半導体基板組を、前記III族窒化物半導体基板のDカット面を揃える配置、または、前記III族窒化物半導体基板のDカット面を揃えた位置から±60°、±120°あるいは180°対向する配置で設置する
請求項5に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 It has a film forming step of growing a group III nitride semiconductor buffer layer on the group III nitride semiconductor crystal layer of the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step.
The thickness of the group III nitride semiconductor buffer layer is 10 nm or more and 1000 nm or less.
The amount of warpage of the semiconductor substrate is 30 μm or less, and the amount of warpage is 30 μm or less.
In the first installation step, the first semiconductor substrate set is arranged in the holder so that the D-cut surfaces of the group III nitride semiconductor substrate are aligned, or the D-cut surface of the group III nitride semiconductor substrate is arranged. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 5 , wherein the nitride semiconductor substrate is installed in an arrangement facing ± 60 °, ± 120 °, or 180 ° from the aligned positions.
請求項5または6に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 5 or 6 , wherein a plurality of the first semiconductor substrate sets are installed in the holder in the first installation step.
請求項5から7のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The group III nitride semiconductor in which the group III nitride semiconductor crystal layers of the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step are bonded to each other or the group III nitride semiconductor crystal layers obtained in the substrate peeling step are bonded to each other. The substrate and the group III nitride semiconductor substrate on which the group III nitride semiconductor buffer layer is formed are used as a second semiconductor substrate group, and the III of each of the group III nitride semiconductor substrates of the second semiconductor substrate group is used. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 5 to 7 , further comprising a second installation step of placing the group nitride semiconductor crystal layers facing each other in close contact with each other in a heating furnace.
請求項8に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 8 , wherein the second installation step, the heating step, and the substrate peeling step are repeated a plurality of times in this order.
前記結晶成長工程で得られた2枚の前記III族窒化物半導体基板同士または前記結晶成長工程で得られた前記III族窒化物半導体基板と前記III族窒化物半導体緩衝層とが形成された前記III族窒化物半導体基板を、第3の半導体基板組とし、前記第3の半導体基板組
の各前記III族窒化物半導体基板の前記III族窒化物半導体薄膜同士を向かい合わせて密着して加熱炉内に設置する第3の設置工程を含む
請求項5から7のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 It has a crystal growth step of growing a crystal of a group III nitride semiconductor thin film on the group III nitride semiconductor crystal layer of the group III nitride semiconductor substrate obtained in the substrate peeling step.
The two group III nitride semiconductor substrates obtained in the crystal growth step or the group III nitride semiconductor substrate obtained in the crystal growth step and the group III nitride semiconductor buffer layer are formed. The group III nitride semiconductor substrate is used as a third semiconductor substrate group, and the group III nitride semiconductor thin films of each of the group III nitride semiconductor substrates of the third semiconductor substrate group are brought into close contact with each other in a heating furnace. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 5 to 7 , which comprises a third installation step of installing the nitride semiconductor substrate.
請求項10に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 10 , wherein the third installation step, the heating step, and the substrate peeling step are repeated a plurality of times in this order.
前記ホルダの材質は、III族窒化物半導体、炭素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(サファイア)、セラミック、炭化ケイ素、高融点金属(モリブデン、タングステン、イリジウムおよびこれらの合金)、ジルコニア、炭化タンタルの少なくとも一つから構成される
請求項5から11のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The group III nitride semiconductor is aluminum nitride, gallium nitride, aluminum gallium nitride, or aluminum gallium nitride indium.
The material of the holder is at least one of group III nitride semiconductor, carbon, boron nitride, aluminum oxide (sapphire), ceramic, silicon carbide, refractory metal (molybdenum, tungsten, iridium and alloys thereof), zirconia, and tantalum carbide. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 5 to 11 .
請求項5から12のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 In the heating step, the temperature of the heating furnace is controlled multiple times during one heating to a temperature between two different points of 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, or controlled to a plurality of different temperatures. Item 6. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Items 5 to 12 .
前記加熱炉を加熱するヒータと、
少なくとも前記ヒータを制御することにより、前記加熱炉内の温度を制御する制御装置と、
前記加熱炉内に配置され、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウム、シリコンの一つからなる基板の表面に、AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体緩衝層が形成されたIII族窒化物半導体基板を2枚一組とした半導体基板組を複数組収納する開口部を有し、前記開口部に収納された前記半導体基板組の動きを規制するホルダと、
前記加熱炉内に配置され、前記ホルダの前記開口部を覆うように配置された蓋とを有し、
前記半導体基板組の各前記III族窒化物半導体基板のIII族窒化物半導体結晶層同士を向かい合わせて密着し、
前記開口部およびホルダは、前記半導体基板組を複数組収納する深さを有し、
前記複数組の半導体基板組の上には、前記半導体基板組に荷重を掛ける加重部材を設置する
窒化物半導体基板の製造装置。 With a heating furnace,
A heater that heats the heating furnace and
A control device that controls the temperature inside the heating furnace by controlling at least the heater, and
Al x Gay In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y) is placed on the surface of a substrate composed of sapphire, silicon carbide, aluminum nitride, and silicon, which is arranged in the heating furnace. A semiconductor consisting of a set of two group III nitride semiconductor substrates on which a group III nitride semiconductor buffer layer composed of aggregates of crystal grains of a group III nitride semiconductor represented by ≤1 and (x + y) ≤1) is formed. A holder that has an opening for accommodating a plurality of substrate sets and regulates the movement of the semiconductor substrate set housed in the opening.
It has a lid arranged in the heating furnace and arranged so as to cover the opening of the holder.
The group III nitride semiconductor crystal layers of each of the group III nitride semiconductor substrates of the semiconductor substrate set face each other and adhere to each other.
The opening and the holder have a depth for accommodating a plurality of the semiconductor substrate sets.
A nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus in which a weighting member that applies a load to the semiconductor substrate set is installed on the plurality of semiconductor substrate sets.
請求項14に記載の窒化物半導体基板の製造装置。 The nitride semiconductor substrate according to claim 14 , wherein the control device controls the temperature of the heating furnace to a temperature between two different points of 1300 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower a plurality of times, or controls the temperature to a plurality of different temperatures. manufacturing device.
請求項1から4のいずれかに記載の窒化物半導体基板を用いて、前記III族窒化物半導体結晶層を幅w、厚さh、長さlとなる形状の導波路に形成し、
前記幅w、前記厚さh、前記長さlは、前記長さlの方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出され、
前記入射波長をλ1とし、前記窒化物半導体デバイスの出力光の波長をλ2とした場合の前記III族窒化物半導体結晶層の入射波長における屈折率をn 1 、出射波長における屈折率をn 2 として、前記幅wまたは前記厚さhの値の一つを固定した後、前記幅wまたは前記厚さhの固定していない値を変化させたときに、n 1 =n 2 となるときのwまたはhの値が算出され、
前記長さlの方向の入射面、出射面以外の前記III族窒化物半導体結晶層は、保護層で覆われている
窒化物半導体デバイス。 Nitride semiconductor device
Using the nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 4, the group III nitride semiconductor crystal layer is formed in a waveguide having a width w, a thickness h, and a length l.
The width w, the thickness h, and the length l are calculated based on the incident wavelength of the laser beam incident in the direction of the length l .
When the incident wavelength is λ1 and the wavelength of the output light of the nitride semiconductor device is λ2, the refractive index at the incident wavelength of the group III nitride semiconductor crystal layer is n1 and the refractive index at the emission wavelength is n2 . , W when n 1 = n 2 when the unfixed value of the width w or the thickness h is changed after fixing one of the values of the width w or the thickness h. Or the value of h is calculated,
The group III nitride semiconductor crystal layer other than the entrance surface and the exit surface in the length l direction is covered with a protective layer.
Nitride semiconductor device.
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