JP7104408B2 - Nitride semiconductor substrate manufacturing method and nitride semiconductor substrate - Google Patents

Nitride semiconductor substrate manufacturing method and nitride semiconductor substrate Download PDF

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Description

本発明は、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure and a nitride semiconductor substrate.

近年、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)。 In recent years, research and development of an ultraviolet light source (wavelength 200 nm to 400 nm) using AlN (aluminum nitride), GaN (gallium nitride), AlGaN (aluminum gallium nitride), etc. as a light emitting material has been active (for example, Patent Documents 1 and 2). reference).

また、極性反転層を有する窒化物半導体基板は、SHG素子(Second Harmonic Generation)に利用可能である。すなわち、極性反転層を有する窒化物半導体基板上にInGaN青色レーザ素子を形成し、極性反転層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させる光学系として構成すれば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させるSHG素子として利用可能である。 Further, the nitride semiconductor substrate having the polarity inversion layer can be used for the SHG element (Second Harmonic Generation). That is, if an InGaN blue laser device is formed on a nitride semiconductor substrate having a polarity inversion layer and the polarity inversion layer is configured as an optical system that generates a second harmonic as a nonlinear optical crystal, ultraviolet light having high coherency is obtained. It can be used as an SHG element for generating.

極性反転層に関して次のような先行技術がある。非特許文献1は、ウルツ鉱型GaNの分子線エピタキシ成長中のマグネシウムの混入はGa極性(0001)面をN極性に反転させることを開示している。非特許文献2は、プラズマ分子線エピタキシにより成長させたGaNの極性を、窒化アルミニウム/酸化アルミニウムを混合した中間層を挿入することにより、N極性からGa極性に反転させることを開示している。 There are the following prior arts regarding the polarity reversal layer. Non-Patent Document 1 discloses that the mixing of magnesium during the molecular beam epitaxy growth of wurtzite-type GaN reverses the Ga polar (0001) plane to N polarity. Non-Patent Document 2 discloses that the polarity of GaN grown by plasma molecular beam epitaxy is reversed from N polarity to Ga polarity by inserting an intermediate layer in which aluminum nitride / aluminum oxide is mixed.

特開2017-055116号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-055116 特開2008-303137号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-30137

V. Ramachandran et al.,"Inversion of wurtzite GaN(0001) by exposure to magnesium" Published in Appl. Phys. Lett. 75, 808 (1999)V. Ramachandran et al., "Inversion of wurtzite GaN (0001) by exposure to magnesium" Published in Appl. Phys. Lett. 75, 808 (1999) Man Hoi Wong et al., "Polarity inversion of N-face GaN using an aluminum oxide interlayer" Journal of Applied Physics 108, 123710 (2010), Published Online: 28 December 2010Man Hoi Wong et al., "Polarity inversion of N-face GaN using an aluminum oxide obtained" Journal of Applied Physics 108, 123710 (2010), Published Online: 28 December 2010

しかしながら、従来技術によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることが困難であるという問題がある。 However, according to the prior art, there is a problem that it is difficult to improve the crystallinity of the nitride semiconductor substrate having the polarity reversal structure.

例えば、非特許文献1に開示された手法により極性反転したGaN層に作成する場合、窒化マグネシウムからなる中間層を含むため、結晶性が悪化するという問題がある。また、非特許文献2に開示された手法により極性反転したGaN層に作成する場合、酸化アルミニウムからなる中間層を含むため、結晶性が悪化するという問題がある。 For example, when the GaN layer is formed with the polarity reversed by the method disclosed in Non-Patent Document 1, there is a problem that the crystallinity deteriorates because it contains an intermediate layer made of magnesium nitride. Further, when the GaN layer having the polarity reversed by the method disclosed in Non-Patent Document 2 is formed, there is a problem that the crystallinity deteriorates because it contains an intermediate layer made of aluminum oxide.

本発明は、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させた窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having improved crystallinity of a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure, and to provide a nitride semiconductor substrate.

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、サファイアの基板上に第1窒化アルミニウム層を形成する第1工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第1窒化アルミニウム層上に第2窒化アルミニウム層を形成する第2工程と、を有し、前記第1窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、前記第2窒化アルミニウム層は、アルミニウム極性を有し、前記第1工程および第2工程における前記スパッタリングでは、前記基板の温度は約500~650℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されているIn order to solve the above problems, in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention, a first aluminum nitride layer is formed on a sapphire substrate by sputtering aluminum as a target in an atmosphere containing nitrogen gas. The first aluminum nitride layer comprises a first step of forming and a second step of forming a second aluminum nitride layer on the first aluminum nitride layer by sputtering with aluminum nitride as a target . The second aluminum nitride layer has a nitrogen polarity, and in the sputtering in the first step and the second step, the temperature of the substrate is about 500 to 650 ° C., and in the apparatus by sputtering. Is supplied with a gas containing nitrogen .

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、窒化物半導体基板であって、基板と、前記基板上に形成された第1窒化物層と、前記第1窒化物層上に形成された第2窒化物層と、を備え、前記第1窒化物層は窒素極性を有し、前記第2窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、前記第1窒化物層の膜厚は50nm以上であり、前記窒化物半導体基板は、SHG(Second Harmonic Generation)素子を構成するThe nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention is a nitride semiconductor substrate, which is formed on the substrate, the first nitride layer formed on the substrate, and the first nitride layer. The first nitride layer has a nitrogen polarity, and the second nitride layer has a polarity obtained by reversing the nitrogen polarity of the first nitride layer. The film thickness is 50 nm or more, and the nitride semiconductor substrate constitutes an SHG (Second Harmonic Generation) element .

本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることができ、製造コストを大幅に低減することができる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, the crystallinity of a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure can be improved, and the manufacturing cost can be significantly reduced.

また、本発明の窒化物半導体基板によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることができる。 Further, according to the nitride semiconductor substrate of the present invention, the crystallinity of the nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure can be improved.

図1Aは、実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成例を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration example of a nitride semiconductor substrate according to the embodiment. 図1Bは、実施の形態に係る窒化物半導体基板のより具体的な例を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing a more specific example of the nitride semiconductor substrate according to the embodiment. 図2は、実施の形態に係るスパッタ装置の構成例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing a configuration example of the sputtering apparatus according to the embodiment. 図3は、実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the embodiment. 図4Aは、アルミニウムをターゲットとして成膜した窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。FIG. 4A is a diagram showing a micrograph of an aluminum nitride layer formed by targeting aluminum and examining the polarity. 図4Bは、アルミニウムをターゲットとして成膜した1つ目の窒化アルミニウム層の上に、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した2つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。FIG. 4B is a diagram showing a micrograph of the polarity of the second aluminum nitride layer formed on the first aluminum nitride layer formed on the aluminum nitride as a target and examined on the polarity of the second aluminum nitride layer formed on the aluminum nitride as a target. 図5は、図4Aおよび図4Bに示した試料の特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the samples shown in FIGS. 4A and 4B. 図6は、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した1つ目の窒化アルミニウム層の上に、アルミニウムをターゲットとして成膜した2つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a micrograph of the polarity of the second aluminum nitride layer formed by targeting aluminum on the first aluminum nitride layer formed by targeting aluminum nitride. 図7は、図6に示した試料の特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of the sample shown in FIG. 図8Aは、窒化物半導体基板1に形成されたSHG素子の構成例を示す図である。FIG. 8A is a diagram showing a configuration example of an SHG element formed on the nitride semiconductor substrate 1. 図8Bは、窒化物半導体基板1を用いたSHG素子の導波路幅と実効屈折率との関係を示す図である。FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the waveguide width and the effective refractive index of the SHG element using the nitride semiconductor substrate 1. 図9は、窒化物半導体基板1に形成されたSHG素子の電界分布を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the electric field distribution of the SHG element formed on the nitride semiconductor substrate 1. 図10Aは、窒化物半導体基板1の電子顕微鏡写真を示す図である。FIG. 10A is a diagram showing an electron micrograph of the nitride semiconductor substrate 1. 図10Bは、図10A中の部分画像P1を拡大した図である。FIG. 10B is an enlarged view of the partial image P1 in FIG. 10A. 図10Cは、図10A中の部分画像P2を拡大した図である。FIG. 10C is an enlarged view of the partial image P2 in FIG. 10A. 図10Cは、図10A中の部分画像P3を拡大した図である。FIG. 10C is an enlarged view of the partial image P3 in FIG. 10A. 図11は、窒化物半導体基板の二次イオン質量分析法による計測結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing measurement results of a nitride semiconductor substrate by secondary ion mass spectrometry. 図12は、比較例に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to a comparative example. 図13は、窒化物半導体基板内でIII族極性、窒素極性が反転している状態示す電子顕微鏡写真を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an electron micrograph showing a state in which the Group III polarity and the nitrogen polarity are reversed in the nitride semiconductor substrate. 図14は、サファイア基板の上に形成された窒化アルミニウム層の極性の定義を示す説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram showing the definition of the polarity of the aluminum nitride layer formed on the sapphire substrate.

(本発明の基礎となった知見)
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した、極性反転構造を有する窒化物半導体基板に関し、結晶性の問題および製造コストの問題が生じることを見出した。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
The present inventors have found that the nitride semiconductor substrate having the polarity reversal structure described in the "Background Techniques" column has problems of crystallinity and manufacturing cost.

結晶性の問題については非特許文献1および2を引用して既に説明したので、ここでは主に製造コストの問題について説明する。 Since the problem of crystallinity has already been described with reference to Non-Patent Documents 1 and 2, the problem of manufacturing cost will be mainly described here.

まず、比較例として、本発明者らの知見に係る窒化物半導体基板の製造方法をについて説明する。 First, as a comparative example, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the findings of the present inventors will be described.

図12は、比較例に係る極性反転構造を有する窒化物半導体基板の製造方法を示す説明図である。 FIG. 12 is an explanatory diagram showing a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure according to a comparative example.

はじめに、図12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。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2b上にAlN緩衝層3bが成膜された基板も同様に製造される。例えばサファイア基板2aとサファイア基板2bとは、同時に同じプロセスで処理される異なるウェハーである。 First, as shown in FIG. 12A, a step of forming an AlN buffer layer 3a on the sapphire substrate 2a is performed. The AlN buffer layer 3a is a precursor of the aluminum nitride crystal layer 3, and is a layer that becomes the aluminum nitride crystal layer 3 by being heat-treated in a later configuration. The AlN buffer layer 3a is formed into a film by a sputtering method under the conditions of, for example, 700 W and 600 ° C. The AlN buffer layer 3a generated at this time has a thickness of, for example, 200 nm. A substrate on which the AlN buffer layer 3b is formed on the sapphire substrate 2b is also manufactured in the same manner. For example, the sapphire substrate 2a and the sapphire substrate 2b are different wafers that are processed in the same process at the same time.

次に、図12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。 Next, as shown in FIG. 12B, a semiconductor substrate having an AlN buffer layer 3a formed on the sapphire substrate 2a and a semiconductor substrate having an AlN buffer layer 3b formed on the sapphire substrate 2b are divided into two. A semiconductor substrate set is formed as a set of sheets, and the surfaces (AlN surfaces) on which the AlN buffer layers 3a and 3b are arranged in each semiconductor substrate are brought into close contact with each other.

次に、図12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。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. 12 (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 gas does not flow substantially 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 the AlN crystal layer is of high quality. The nitride semiconductor substrate 1 in which the above is formed is manufactured.

次に、図12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。サファイア基板2bを剥離した窒化物半導体基板は、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。このようにして極性反転された2つのAlN結晶層を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 12D, a process of peeling off the sapphire substrate 2b is performed on one of the two semiconductor substrates. The nitride semiconductor substrate from which the sapphire substrate 2b has been peeled off has a configuration in which an Al-polar AlN crystal layer 3a is arranged on the sapphire substrate 2a and a nitrogen-polar AlN crystal layer 3b is arranged on the AlN crystal layer 3a. There is. In this way, two AlN crystal layers whose polarities are inverted can be formed.

次に、図12の(e)及び(f)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。SHG素子を例に取り簡単に説明する。 Next, FIGS. 12 (e) and 12 (f) are steps of processing the semiconductor substrate obtained as described above as a device. A brief description will be given using the SHG element as an example.

まず、図12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。その後、図12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。 First, as shown in FIG. 12 (e), the + cAlN crystal layer 3a and the −cAlN crystal layer 3b laminated on the sapphire substrate 2a are subjected to a general method in a semiconductor processing process such as lithography and dry etching. It is formed in the pattern of the waveguide core layer. After that, as shown in FIG. 12 (f), the clad layer 7 is formed as a protective layer for confining light in the waveguide core layer.

図12の比較例で示した窒化物半導体基板の製造方法によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板を良好な結晶品質で製造することができる。しかしながら、SHG素子を作成するためにサファイア基板2bを剥離しなければならず(図12の(d))、煩雑な工程が必要となる。また、半導体基板組における2枚の基板の位置ずれおよび角度ずれを考慮しなければならず、精密は位置整合には装置的コストおよび時間的コストを要するという問題がある。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate shown in the comparative example of FIG. 12, a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure can be manufactured with good crystal quality. However, in order to produce the SHG element, the sapphire substrate 2b must be peeled off ((d) in FIG. 12), which requires a complicated process. Further, it is necessary to consider the positional deviation and the angular deviation of the two substrates in the semiconductor substrate assembly, and there is a problem that precision requires equipment cost and time cost for positional alignment.

そこで、本発明は、第1に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させた窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板を提供することを目的とする。第2に、製造コストを低減させる窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is firstly to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having improved crystallinity of a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure and a nitride semiconductor substrate. Secondly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate and a nitride semiconductor substrate that reduce the manufacturing cost.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、基板上に第1窒化アルミニウム層を形成する第1工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第1窒化アルミニウム層上に第2窒化アルミニウム層を形成する第2工程とを有する。 In order to achieve the above object, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention forms a first aluminum nitride layer on a substrate by sputtering aluminum as a target in an atmosphere containing nitrogen gas. It has a first step and a second step of forming a second aluminum nitride layer on the first aluminum nitride layer by sputtering with aluminum nitride as a target.

これによれば、第1窒化物層と第2窒化物層との間に中間層を介在させることなく極性反転構造を形成するので結晶性を向上させることができる。また、第1工程および第2工程のスパッタリングを連続的に行うことができるので、窒化物半導体基板同士を張り合わせたり剥離したりする工程を要しないので複雑な製造装置を必要とせず、製造装置の低コスト化と、製造時間の短縮とによって、製造コストを大幅に低減することができる。 According to this, since the polarity reversal structure is formed without interposing an intermediate layer between the first nitride layer and the second nitride layer, the crystallinity can be improved. Further, since the sputtering of the first step and the second step can be continuously performed, the steps of laminating and peeling the nitride semiconductor substrates are not required, so that a complicated manufacturing apparatus is not required, and the manufacturing apparatus can be used. By reducing the cost and shortening the manufacturing time, the manufacturing cost can be significantly reduced.

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上に形成された第1窒化物層と、前記第1窒化物層上に形成された第2窒化物層と、を備え、前記第1窒化物層は窒素極性を有し、前記第2窒化物層は窒素極性を反転した極性を有し、前記第1窒化物層の膜厚は50nm以上である。 Further, the nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention includes a substrate, a first nitride layer formed on the substrate, and a second nitride layer formed on the first nitride layer. The first nitride layer has a nitrogen polarity, the second nitride layer has a polarity obtained by reversing the nitrogen polarity, and the thickness of the first nitride layer is 50 nm or more.

これによれば、中間層を介在させない極性反転構造により結晶性を向上させることができる。 According to this, the crystallinity can be improved by the polarity reversal structure without interposing the intermediate layer.

補足すると、本件発明者らは、上記課題について、窒化物半導体のスパッタリング条件を制御することで極性反転する手法を見出した。すなわち、ターゲットにアルミニウム固体を使用するとN極性の窒化アルミニウム層が成膜され、ターゲットに窒化アルミニウムの焼結体を使用するとAl極性の窒化アルミニウム層が成膜されることを明らかにした。これにより、スパッタリングのターゲットを切り替えることでN極性からAl極性に極性を反転させることが可能となる。したがって、中間層を有しないことから結晶性を向上させ、また、サファイア基板の剥離という煩雑な工程をなくして製造コストを大幅に低減することができる。 Supplementally, the present inventors have found a method for reversing the polarity by controlling the sputtering conditions of the nitride semiconductor for the above problem. That is, it was clarified that when an aluminum solid is used as the target, an N-polar aluminum nitride layer is formed, and when an aluminum nitride sintered body is used as the target, an Al-polar aluminum nitride layer is formed. This makes it possible to invert the polarity from N polarity to Al polarity by switching the target of sputtering. Therefore, since it does not have an intermediate layer, the crystallinity can be improved, and the complicated process of peeling the sapphire substrate can be eliminated, and the manufacturing cost can be significantly reduced.

具体的な実施態様の説明の前に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板1の構成例について説明する。 Prior to the description of the specific embodiment, a configuration example of the nitride semiconductor substrate 1 having a polarity reversal structure will be described.

図13は、窒化物半導体基板内でIII族極性、窒素極性が反転している状態示す電子顕微鏡写真を示す図である。図13の(a)および(b)は、窒化物半導体基板のIII族極性(同図ではAl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13の(a)および(b)に示す電子顕微鏡写真は、HAADF-STEM(High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy、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13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、比較例では図12の(b)に示したように基板組を貼り合わせた場合の界面である。なお、図13の(b)は、図13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。 FIG. 13 is a diagram showing an electron micrograph showing a state in which the Group III polarity and the nitrogen polarity are reversed in the nitride semiconductor substrate. 13 (a) and 13 (b) are electron micrographs showing a state in which the Group III polarity (Al polarity in the figure) and the nitrogen polarity of the nitride semiconductor substrate are inverted in the Group III crystal layer. .. More specifically, the electron micrographs shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b) are nitrides obtained by HAADF-STEM (High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy). It is an observation image (STEM image) of a semiconductor substrate. In FIGS. 13A and 13B, the sapphire substrate of the nitride semiconductor substrate, the + cAlN crystal layer showing positive polarity when one direction of the sapphire substrate in the c-axis direction is positive, and the c-axis direction. A -cAlN crystal layer showing a negative polarity when the direction opposite to the positive direction of is negative has been observed. The portion where the polarity is reversed, that is, the interface between the + cAlN crystal layer and the −cAlN crystal layer is the interface when the substrate sets are bonded together as shown in FIG. 12 (b) in the comparative example. Note that FIG. 13B shows the result of measuring a part of the vicinity of the interface between the + cAlN crystal layer and the −cAlN crystal layer in the semiconductor substrate shown in FIG. 13A at a high magnification of 15 million times. ing.

STEM像では、重い原子ほど明るく見える。このことより、図13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, heavier atoms appear brighter. From this, it can be seen that in (b) of FIG. 13, 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。 Further, when the interatomic distance of Al atoms was extracted from the STEM image, it was 2.8 Å at the bonding interface and 2.5 Å at a location away from the bonding interface. Since the interatomic distance is about 10% larger at the bonding interface, it is considered that the bonding interface contains impurities such as oxygen and carbon, and the atoms are bonded through these impurities.

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。
It should be noted that all of the embodiments described below show a preferred specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, 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1Aおよび図1B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1Aは、実施の形態に係る窒化物半導体基板1の構成例を示す断面図である。図1Bは、実施の形態に係る窒化物半導体基板1のより具体的な例を示す断面図である。
(Embodiment 1)
[1. Nitride semiconductor substrate configuration]
The nitride semiconductor substrate 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration example of the nitride semiconductor substrate 1 according to the embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view showing a more specific example of the nitride semiconductor substrate 1 according to the embodiment.

図1Aに示すように、窒化物半導体基板1は、基板2と、基板2側に窒素極性を有する第1窒化物層3と、基板2側にIII族極性を有する第2窒化物層4とを有する。この窒化物半導体基板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。 As shown in FIG. 1A, the nitride semiconductor substrate 1 includes a substrate 2, a first nitride layer 3 having a nitrogen polarity on the substrate 2 side, and a second nitride layer 4 having a group III polarity on the substrate 2 side. Has. The nitride semiconductor substrate 1 is, for example, a nitride semiconductor substrate used for a polarity reversal type SHG element or the like.

基板2は、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基板である。 The substrate 2 is a substrate made of at least one of sapphire, silicon carbide and aluminum nitride.

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。窒化物半導体基板1は、III族窒化物半導体結晶層として、基板2側に窒素極性を有する第1窒化物層3と、基板2側にIII族極性である第2窒化物層4とを有し、III族極性と窒素極性との極性反転層構造を有している。 The nitride semiconductor substrate 1 is a crystal of a group III nitride semiconductor represented by AlxGayIn (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1) on the surface of the substrate. It has a group III nitride semiconductor crystal layer composed of aggregates of grains. The nitride semiconductor substrate 1 has a first nitride layer 3 having a nitrogen polarity on the substrate 2 side and a second nitride layer 4 having a group III polarity on the substrate 2 side as a group III nitride semiconductor crystal layer. However, it has a polarity reversal layer structure with Group III polarity and nitrogen polarity.

具体例としては、図1B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、基板2側に窒素極性を有する窒化アルミニウム層(つまり第1窒化物層3)と、基板2側にAl極性を有する窒化アルミニウム層(つまり第2窒化物層4)を有している。以下、基板2、第1窒化物層3、第2窒化物層4を、具体例を示すときはサファイア基板2、第1窒化アルミニウム層3、第2窒化アルミニウム層4とそれぞれ呼ぶことがある。 As a specific example, as shown in FIG. 1B, the nitride semiconductor substrate 1 includes a sapphire substrate 2 which is an example of the substrate and an aluminum nitride layer (that is, the first nitride layer 3) having a nitrogen polarity on the substrate 2 side. , An aluminum nitride layer having Al polarity (that is, a second nitride layer 4) is provided on the substrate 2 side. Hereinafter, the substrate 2, the first nitride layer 3, and the second nitride layer 4 may be referred to as a sapphire substrate 2, a first aluminum nitride layer 3, and a second aluminum nitride layer 4, respectively, when a specific example is shown.

サファイア基板2の上に形成された第1窒化アルミニウム層3と第2窒化アルミニウム層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。図14は、サファイア基板の上に形成された窒化アルミニウム層の極性の定義を示す説明図である。同図の(a)はアルミニウム極性(Al極性)を、(b)は窒素極性(N極性)を模式的に示している。図14の(a)中の破線枠は図13中の部分画像P131に対応する。また、図14の(b)中の破線枠は図13中の部分画像P132に対応する。 The first aluminum nitride layer 3 and the second aluminum nitride layer 4 formed on the sapphire substrate 2 have spontaneous polarization or piezo polarization which are antiparallel to each other along the c-axis direction of the sapphire substrate 2. Here, paying attention to the bond parallel to the c-axis among the Al—N bonds in the wurtzite type crystal, the case where Al is located on the sapphire substrate side is the Al polarity, and the case where N is located is the nitrogen polarity crystal orientation. It is common to define. FIG. 14 is an explanatory diagram showing the definition of the polarity of the aluminum nitride layer formed on the sapphire substrate. In the figure, (a) schematically shows aluminum polarity (Al polarity), and (b) shows nitrogen polarity (N polarity). The broken line frame in FIG. 14A corresponds to the partial image P131 in FIG. The broken line frame in FIG. 14B corresponds to the partial image P132 in FIG.

図1Bでは、第1窒化アルミニウム層3は窒素極性である。第2窒化アルミニウム層4はAl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層について、Al極性を有する窒化アルミニウム層を、+cAlN結晶層とも呼ぶ。また、窒素極性を有する窒化アルミニウム層を、-cAlN結晶層とも呼ぶ。本実施の形態では、第1窒化アルミニウム層3は、-cAlN結晶層であり、第1窒化物層3である。第2窒化アルミニウム層4は、+cAlN結晶層であり、第2窒化物層4である。 In FIG. 1B, the first aluminum nitride layer 3 is nitrogen polar. The second aluminum nitride layer 4 is Al-polar. In the following, with respect to the aluminum nitride layer arranged on the sapphire substrate 2, the aluminum nitride layer having Al polarity is also referred to as a + cAlN crystal layer. Further, the aluminum nitride layer having nitrogen polarity is also referred to as a -cAlN crystal layer. In the present embodiment, the first aluminum nitride layer 3 is a −cAlN crystal layer and is the first nitride layer 3. The second aluminum nitride layer 4 is a + cAlN crystal layer and is a second nitride layer 4.

ここで、Al極性と窒素極性が反転している第1窒化物層3および第2窒化物層4が積層された構造を極性反転構造という。つまり、-cAlN結晶層と+cAlN結晶層とが積層された構造を極性反転構造という。また、第1窒化物層3および第2窒化物層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、第1窒化物層3と第2窒化物層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1Aおよび図1Bにも示すようにサファイア基板2の表面と平行である。 Here, a structure in which the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 in which the Al polarity and the nitrogen polarity are reversed are laminated is referred to as a polarity inversion structure. That is, the structure in which the −cAlN crystal layer and the + cAlN crystal layer are laminated is called a polarity inversion structure. Further, in the polarity inversion structure of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4, the layer in which the Al polarity and the nitrogen polarity are inverted is defined as the polarity inversion layer. The polarity inversion layer has a structure within a thickness of 1 to 2 atoms, and has an aspect of an interface between the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4. Further, in the nitride semiconductor substrate 1, the structure in which the + cAlN crystal layer is laminated on the −cAlN crystal layer is defined as the polarity reversal structure in which the interface between the −cAlN crystal layer and the + cAlN crystal layer is parallel to the surface of the sapphire substrate 2. It is configured to be placed. That is, in the nitride semiconductor substrate 1, the polarity inversion layer is parallel to the surface of the sapphire substrate 2 as shown in FIGS. 1A and 1B.

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、サファイア基板と第1窒化物層3および第2窒化物層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、第1窒化物層3は、50nm以上200nm以下程度である。第1窒化物層3と第2窒化物層4の膜厚の合計は1000nm以下である。図1Aに示す窒化物半導体基板1では、第1窒化物層3および第2窒化物層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、第1窒化物層3と第2窒化物層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および第2窒化物層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 nitride semiconductor substrate 1 is schematically represented in FIG. 1, the sapphire substrate and the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 appear to have the same thickness, but in reality, sapphire The substrate 2 is about 200 μm or more and 1000 μm or less, and the first nitride layer 3 is about 50 nm or more and about 200 nm or less. The total film thickness of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 is 1000 nm or less. The nitride semiconductor substrate 1 shown in FIG. 1A has a polarity inversion layer near the center of the thickness, which is the interface between the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4. However, the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 do not have to have the same thickness. Therefore, the polarity inversion layer is not necessarily formed near the center of the total thickness of the crystal layer 3 and the second nitride layer 4, and can be formed according to the characteristic requirements of the device obtained by processing the nitride semiconductor substrate 1. The position of the polarity reversal layer can be freely set.

[2.窒化物半導体基板の製造装置]
次に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板1の製造装置としてスパッタ装置の構成について説明する。
[2. Nitride semiconductor substrate manufacturing equipment]
Next, the configuration of a sputtering device as a manufacturing device for the nitride semiconductor substrate 1 having a polarity reversal structure will be described.

図2は、実施の形態に係るスパッタ装置10の構成例を示す模式図である。同図のようにスパッタ装置10は、チェンバー100、吸気管101、排気管102、バルブ103、排気ポンプ104、基板ホルダ105、永久磁石108、高圧電源109を備える。 FIG. 2 is a schematic view showing a configuration example of the sputtering apparatus 10 according to the embodiment. As shown in the figure, the sputtering apparatus 10 includes a chamber 100, an intake pipe 101, an exhaust pipe 102, a valve 103, an exhaust pump 104, a substrate holder 105, a permanent magnet 108, and a high-voltage power supply 109.

チェンバー100は、基板2と、第1窒化物層3の原料となるターゲット107とを対向させて保持し、内圧および温度を任意に設定可能なほぼ密閉された部屋である。 The chamber 100 is a substantially closed room in which the substrate 2 and the target 107, which is the raw material of the first nitride layer 3, are held so as to face each other, and the internal pressure and the temperature can be arbitrarily set.

吸気管101は、外部から供給される不活性ガスをチェンバー100内部に導入するための吸気管である。不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガスなどである。 The intake pipe 101 is an intake pipe for introducing the inert gas supplied from the outside into the chamber 100. The inert gas is nitrogen gas, argon gas or the like.

排気管102は、チェンバー100内部のガスを外部に排気するための排気管である。 The exhaust pipe 102 is an exhaust pipe for exhausting the gas inside the chamber 100 to the outside.

バルブ103は、排気管102の排気流量を調整する。 The valve 103 adjusts the exhaust flow rate of the exhaust pipe 102.

排気ポンプ104は、排気管102およびバルブ103を介してチェンバー100内部のガスを外部に排気するためのポンプである。 The exhaust pump 104 is a pump for exhausting the gas inside the chamber 100 to the outside through the exhaust pipe 102 and the valve 103.

基板ホルダ105は、ウェハー基板の状態の基板2を保持する。なお、基板ホルダ105は、同時に成膜される複数枚の基板2を保持してもよい。 The substrate holder 105 holds the substrate 2 in the state of a wafer substrate. The substrate holder 105 may hold a plurality of substrates 2 that are simultaneously formed into a film.

ターゲット107は、ターゲットホルダに保持される。なお、ターゲットホルダは、複数種類のターゲットを保持し、スパッタリングの対象となる1つのターゲットを切り替え可能な構成でもよい。本実施形態では、ターゲットホルダは、少なくとも2つのターゲット、つまりアルミニウム固体と窒化アルミニウムの焼結体とを保持し、チェンバー100内で保持したまま、スパッタリングターゲットとして択一的に切り替え可能であるものとする。 The target 107 is held in the target holder. The target holder may have a configuration in which a plurality of types of targets are held and one target to be sputtered can be switched. In the present embodiment, the target holder holds at least two targets, that is, a solid aluminum and a sintered body of aluminum nitride, and can be selectively switched as a sputtering target while being held in the chamber 100. do.

永久磁石108は、スパッタリングによりイオン化したターゲット107の原子を基板2に導くための磁界を形成する。 The permanent magnet 108 forms a magnetic field for guiding the atoms of the target 107 ionized by sputtering to the substrate 2.

高圧電源109は、基板2とターゲット107との間に高周波電圧を印加する。高周波電圧は、例えば、DC(Direct Current)電圧によりバイアスされたRF(Radio Frequency)電圧である。高周波電圧のRF電圧成分は、基板2とターゲット107の間で不活性ガスをプラズマ化する。プラズマ化した不活性ガスは、DC電圧成分による電界によってターゲット107に衝突し、ターゲット107表面の原子を弾き出す(スパッタリングする)。弾き出された原子は、DC電圧成分の電界に従って、基板2に向かって飛び、付着する。その結果、基板2上にターゲット107を原料とする膜を形成する。高周波電圧の電圧は、例えば、数百V、高周波電圧の周波数は数十MHzでよい。 The high voltage power supply 109 applies a high frequency voltage between the substrate 2 and the target 107. The high frequency voltage is, for example, an RF (Radio Frequency) voltage biased by a DC (Direct Current) voltage. The RF voltage component of the high frequency voltage plasmas the inert gas between the substrate 2 and the target 107. The plasma-ized inert gas collides with the target 107 due to the electric field generated by the DC voltage component, and ejects (sputters) the atoms on the surface of the target 107. The ejected atoms fly toward the substrate 2 and adhere to the substrate 2 according to the electric field of the DC voltage component. As a result, a film made of the target 107 as a raw material is formed on the substrate 2. The high frequency voltage may be, for example, several hundred volts, and the high frequency voltage frequency may be several tens of MHz.

なお、図2のスパッタ装置10では、高周波電圧を用いるいわゆるRFスパッタの例を示したが、数百Vの直流電圧を用いるDCスパッタでもよい。 Although the sputtering apparatus 10 of FIG. 2 shows an example of so-called RF sputtering using a high frequency voltage, DC sputtering using a DC voltage of several hundred volts may be used.

また、図2のスパッタ装置10では、基板2がターゲット107よりも上側に対向して配置されるスパッタアップ型(またはフェイスダウン型)の構成例を説明したが、基板2がターゲット107よりも下に対向して配置されるスパッタダウン型(ファイスアップ型)でもよいし、基板2がターゲット107の側方に対向して配置されサイドスパッタ型(サイドファイス型)でもよい。 Further, in the sputtering apparatus 10 of FIG. 2, a configuration example of a sputtering-up type (or face-down type) in which the substrate 2 is arranged facing above the target 107 has been described, but the substrate 2 is below the target 107. It may be a spatter-down type (face-up type) arranged so as to face the target 107, or a side sputter type (side face type) in which the substrate 2 is arranged so as to face the side of the target 107.

[3.窒化物半導体基板の製造方法]
次に、図3のフローチャートを用いて、窒化物半導体基板1の製造方法について説明する。
[3. Nitride semiconductor substrate manufacturing method]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.

図3に示すように、窒化物半導体基板1の製造方法は、大きく分けて、ステップS21~ステップS27を有する。 As shown in FIG. 3, the method for manufacturing the nitride semiconductor substrate 1 is roughly divided into steps S21 to S27.

ステップS21では、スパッタ装置10内の基板ホルダ105に基板2を準備する。この基板2は、ウェハー基板の状態でよく、例えば、サファイア製のウェハーである。基板ホルダ105は、例えば、2インチのウェハー基板を4枚保持可能な構成でもよい。 In step S21, the substrate 2 is prepared in the substrate holder 105 in the sputtering apparatus 10. The substrate 2 may be in the state of a wafer substrate, for example, a wafer made of sapphire. The substrate holder 105 may have a configuration capable of holding four 2-inch wafer substrates, for example.

ステップS22では、成膜材料であるターゲット107としてアルミニウムの固体を準備する。具体的には、まず、ターゲットホルダにアルミニウムの固体と窒化アルミニウムの焼結体とを保持させる。次に、スパッタリングの対象としてアルミニウムの固体をプラズマ放電に曝される位置に配置する。このとき、スパッタリングの対象でない窒化アルミニウムの焼結体はプラズマ放電に曝されない位置に配置しシャッターなどにより影響を受けない状態にする。 In step S22, a solid aluminum is prepared as the target 107, which is a film forming material. Specifically, first, the target holder is made to hold a solid aluminum and a sintered aluminum nitride. Next, a solid aluminum object is placed at a position exposed to plasma discharge as a target for sputtering. At this time, the sintered body of aluminum nitride that is not the target of sputtering is arranged at a position where it is not exposed to plasma discharge so that it is not affected by the shutter or the like.

ステップS23では、ターゲット107であるアルミニウム固体をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含む第1窒化物層3(ここではAlN層)を基板2上に成膜する。これにより、サファイア基板2側に窒素極性を有する窒化アルミニウム層が成膜される。このとき、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体がスパッタリングされ、ターゲットホルダに保持された窒化アルミニウムの焼結体はスパッタリングされない。 In step S23, the first nitride layer 3 (here, the AlN layer) containing the composition of the target material is formed on the substrate 2 by sputtering the aluminum solid which is the target 107. As a result, an aluminum nitride layer having nitrogen polarity is formed on the sapphire substrate 2 side. At this time, the solid aluminum held in the target holder is sputtered, and the sintered aluminum nitride held in the target holder is not sputtered.

より具体的に説明すると、チェンバー100の内圧は、0.5Pa以下になるように排気ポンプ104およびバルブ103により調整される。チェンバー100のサファイア基板2付近には図示はしていないがヒータが設置され、サファイア基板2の温度は約500~650℃の範囲内の温度で、例えば約600℃に保たれる。また、ターゲット107、永久磁石108の付近には配管によって冷却水が引かれており、ターゲット107付近の温度は100~200℃の範囲に押さえられている。吸気管101からは不活性ガスとして窒素(N2)ガスのみが供給される。窒素ガスの流量は、例えば、数10sccm(standard Cubic Centimeter per Minute)である。単位sccmは、0℃、1気圧で標準化された単位である。高圧電源109の高周波電圧は 数百Vであり、高周波電圧の周波数は13.56MHzである。スパッタリングする時間は、成膜すべき第1窒化物層3の所望する膜厚に応じて定めればよい。 More specifically, the internal pressure of the chamber 100 is adjusted by the exhaust pump 104 and the valve 103 so as to be 0.5 Pa or less. A heater (not shown) is installed in the vicinity of the sapphire substrate 2 of the chamber 100, and the temperature of the sapphire substrate 2 is maintained in the range of about 500 to 650 ° C, for example, about 600 ° C. Further, cooling water is drawn in the vicinity of the target 107 and the permanent magnet 108 by a pipe, and the temperature in the vicinity of the target 107 is suppressed in the range of 100 to 200 ° C. Only nitrogen (N2) gas is supplied from the intake pipe 101 as an inert gas. The flow rate of nitrogen gas is, for example, several tens of sccm (standard Cubic Centimeter per Minute). The unit sccm is a standardized unit at 0 ° C. and 1 atm. The high frequency voltage of the high voltage power supply 109 is several hundred volts, and the frequency of the high frequency voltage is 13.56 MHz. The sputtering time may be determined according to the desired film thickness of the first nitride layer 3 to be formed.

第1窒化物層3の膜厚は、極性反転構造を形成する観点からは50nm以上200nm以下であればよい。また、第1窒化物層3の膜厚が大きいほどチェンバー100の内圧を小さくしてもよい。 The film thickness of the first nitride layer 3 may be 50 nm or more and 200 nm or less from the viewpoint of forming a polarity reversal structure. Further, the larger the film thickness of the first nitride layer 3, the smaller the internal pressure of the chamber 100 may be.

第1窒化物層3の所望する膜厚に対応するスパッタリング時間の経過後に、スパッタリングを停止する。つまり、高圧電源109による高周波電圧の発生を停止する。このとき、高周波電圧以外のチェンバー100の状態(温度、不活性ガスの供給、スパッタ圧力等)は維持しておいてよい。 Sputtering is stopped after the sputtering time corresponding to the desired film thickness of the first nitride layer 3 has elapsed. That is, the generation of the high frequency voltage by the high voltage power supply 109 is stopped. At this time, the state of the chamber 100 (temperature, supply of inert gas, sputtering pressure, etc.) other than the high frequency voltage may be maintained.

ステップS24では、成膜材料であるターゲット107として窒化アルミニウムの焼結体を準備する。具体的には、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体と窒化アルミニウムの焼結体のうち、スパッタリングの対象として窒化アルミニウムの焼結体をプラズマ放電に曝される位置に配置する。このとき、スパッタリングの対象でないアルミニウムの固体はプラズマ放電に曝されない位置に配置しシャッターなどにより影響を受けない状態にする。 In step S24, a sintered body of aluminum nitride is prepared as the target 107, which is a film forming material. Specifically, among the solid aluminum and aluminum nitride sintered bodies held in the target holder, the aluminum nitride sintered body is placed at a position exposed to plasma discharge as a target for sputtering. At this time, the aluminum solid that is not the target of sputtering is arranged at a position where it is not exposed to plasma discharge so that it is not affected by the shutter or the like.

ステップS25では、ターゲット107である窒化アルミニウムの焼結体をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含む第2窒化物層4(ここではAlN層)を第1窒化物層3上に成膜する。これにより、サファイア基板2側にAl極性を有する窒化アルミニウム層が成膜される。このとき、ターゲットホルダに保持された窒化アルミニウムの焼結体がスパッタリングされ、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体はスパッタリングされない。 In step S25, the second nitride layer 4 (here, the AlN layer) containing the composition of the target material is formed on the first nitride layer 3 by sputtering the sintered body of aluminum nitride which is the target 107. .. As a result, an aluminum nitride layer having Al polarity is formed on the sapphire substrate 2 side. At this time, the sintered body of aluminum nitride held in the target holder is sputtered, and the solid aluminum held in the target holder is not sputtered.

スパッタリングの設定条件は、ステップS23と同様でよい。ただし、スパッタリングする時間は、成膜すべき第2窒化物層4の所望する膜厚に応じて定めればよい。第2窒化物層4の膜厚は、極性反転構造を形成する観点からは、第1窒化物層3の膜厚と合わせて1000nm以下にしてもよい。なお、第2窒化物層4の膜厚は、クラックの発生を抑制する観点からは、640nm以下にしてもよいし、第2窒化物層4の膜厚が大きいほどチェンバー100の内圧を小さくしてもよい。ここで内圧は0.5Pa、好ましくは0.2Paである。 The sputtering setting conditions may be the same as in step S23. However, the sputtering time may be determined according to the desired film thickness of the second nitride layer 4 to be formed. The film thickness of the second nitride layer 4 may be 1000 nm or less in combination with the film thickness of the first nitride layer 3 from the viewpoint of forming the polarity reversal structure. The film thickness of the second nitride layer 4 may be 640 nm or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks, and the larger the film thickness of the second nitride layer 4, the smaller the internal pressure of the chamber 100. You may. Here, the internal pressure is 0.5 Pa, preferably 0.2 Pa.

ステップS26では、第1窒化物層3および第2窒化物層4が成膜されたサファイア基板2を、1400℃以上、好ましくは1650℃以上1750℃以下でアニールする。 In step S26, the sapphire substrate 2 on which the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 are formed is annealed at 1400 ° C. or higher, preferably 1650 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower.

より具体的に説明すると、まず、ステップS25によって第1窒化物層3および第2窒化物層4が成膜された基板2を、アニール装置の内部に配置する。アニール装置は、アニール処理が可能な装置であればよく、スパッタ装置10とは別の装置であってもよいし、スパッタ装置10であってもよい。アニール装置内部での基板2の配置は次のように行う。すなわち、成膜された第2窒化物層4の主面から窒化物半導体の成分が解離するのを抑制するためのカバー部材で第2窒化物層4の主面を覆った気密状態にする。ここで、「解離」とは、第2窒化物層4の種面からその成分(窒素、アルミニウム、ガリウム、インジウム等)が離脱して抜け出すことをいい、昇華、蒸発および拡散が含まれる。また、半導体(または基板)の「主面」とは、その上に他の材料が積層(または形成)される場合における積層(形成)される側の表面をいう。 More specifically, first, the substrate 2 on which the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 are formed by step S25 is arranged inside the annealing device. The annealing device may be any device capable of annealing, and may be a device different from the sputtering device 10 or a sputtering device 10. The substrate 2 is arranged inside the annealing device as follows. That is, an airtight state is provided in which the main surface of the second nitride layer 4 is covered with a cover member for suppressing the dissociation of the nitride semiconductor component from the main surface of the formed second nitride layer 4. Here, "dissociation" means that the components (nitrogen, aluminum, gallium, indium, etc.) are separated from the seed plane of the second nitride layer 4 and escape, and includes sublimation, evaporation, and diffusion. Further, the "main surface" of a semiconductor (or substrate) refers to the surface on the side to be laminated (formed) when another material is laminated (or formed) on the semiconductor (or substrate).

次に、アニール装置内を排気して真空にした後に不活性ガスまたは混合ガスを流入することでガス置換を行う。その後に、気密状態に配置された第1窒化物層3、第2窒化物層4をアニールする。このとき、第1窒化物層3が成膜された基板2の温度は1650℃以上1750℃以下で、かつ、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ガスを添加した混合ガスの雰囲気で、アニールする。 Next, gas replacement is performed by exhausting the inside of the annealing device to create a vacuum and then inflowing an inert gas or a mixed gas. After that, the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 arranged in an airtight state are annealed. At this time, the temperature of the substrate 2 on which the first nitride layer 3 is formed is 1650 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower, and an inert gas such as nitrogen, argon, or helium or an inert gas is mixed with ammonia gas. Anneal in a gas atmosphere.

また、アニール装置内の不活性ガスまたは混合ガスの圧力は、0.1~10気圧(76~7600Torr)の範囲がアニール効果を期待できる範囲であるが、高温時の防爆強度等の関係から0.5~2気圧程度に設定される。原理的には、これらのガスの圧力が高い方がAlN緩衝層3の結晶性および表面荒れの改善が期待できるが、ガスの圧力は1気圧前後に設定してもよい。ここで圧力単位の関係は1気圧=101,325Pa(パスカル)=760Torrである。 The pressure of the inert gas or mixed gas in the annealing device is in the range of 0.1 to 10 atm (76 to 7600 Torr) where the annealing effect can be expected, but it is 0 due to the explosion-proof strength at high temperature. It is set to about 5 to 2 atmospheres. In principle, the higher the pressure of these gases, the better the crystallinity and surface roughness of the AlN buffer layer 3 can be expected, but the pressure of the gases may be set to around 1 atm. Here, the relationship of the pressure unit is 1 atm = 101,325 Pa (Pascal) = 760 Torr.

このようなアニールによって、第1窒化物層3、第2窒化物層4の貫通転位密度を低下させて結晶性を向上させることができる。 By such annealing, the penetrating dislocation density of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 can be reduced to improve the crystallinity.

ステップS27では、アニール後の窒化物半導体基板1が常温になるまで放置することにより冷却する。 In step S27, the nitride semiconductor substrate 1 after annealing is cooled by leaving it until it reaches room temperature.

なお、アニール装置は、一定の体積を持った加熱容器であって、基板温度を500℃~1800℃で制御できる機能、および、装置内に導入して置換するための不活性ガスおよび混合ガスの圧力と流量とを制御できる機能を有するものであればよい。 次に、ステップS26における気密状態について説明する。 The annealing device is a heating container having a constant volume, and has a function of controlling the substrate temperature at 500 ° C. to 1800 ° C., and an inert gas and a mixed gas for introducing and replacing the substrate in the device. Anything that has a function of controlling pressure and flow rate may be used. Next, the airtight state in step S26 will be described.

気密状態とは、アニール装置内で実現される状態であり、第2窒化物層4の主面からその成分が解離するのを抑制するためのカバー部材で第2窒化物層4の主面を覆った状態である。つまり、気密状態は、物理的な手法で、第2窒化物層4の主面からその成分が解離するのを抑制している。この状態では、カバー部材と第1窒化物層3の主面との間におけるガスが実質的に流れない滞留状態となる。このような気密状態で、窒化物半導体基板をアニールすることで、第2窒化物層4の主面からその成分が解離することによって主面が荒れてしまうことが抑制される。また、より高温でのアニールが可能となり、表面が平坦でかつ高品質の第2窒化物層4が形成された窒化物半導体基板1が実現される。 The airtight state is a state realized in the annealing device, and is a cover member for suppressing the dissociation of the component from the main surface of the second nitride layer 4, and the main surface of the second nitride layer 4 is covered. It is in a covered state. That is, the airtight state suppresses the dissociation of the component from the main surface of the second nitride layer 4 by a physical method. In this state, the gas stays between the cover member and the main surface of the first nitride layer 3 so that the gas does not substantially flow. By annealing the nitride semiconductor substrate in such an airtight state, it is possible to prevent the main surface from becoming rough due to the dissociation of its components from the main surface of the second nitride layer 4. Further, annealing at a higher temperature becomes possible, and a nitride semiconductor substrate 1 having a flat surface and a high-quality second nitride layer 4 formed is realized.

なお、ステップS21で準備される基板2は、サファイアに限定されず、サファイア、炭化ケイ素(SiC)および窒化アルミニウム(AlN)の少なくとも一つからなる基板であってもよい。 The substrate 2 prepared in step S21 is not limited to sapphire, and may be a substrate composed of at least one of sapphire, silicon carbide (SiC), and aluminum nitride (AlN).

なお、ステップS25のスパッタリングにおける不活性ガスは、窒素ガスに限らず、窒素ガスとアルゴンガスとの混合気体でもよい。 The inert gas in the sputtering of step S25 is not limited to nitrogen gas, but may be a mixed gas of nitrogen gas and argon gas.

なお、ステップS24のS25の間にS26とS27を実施してもよい。すなわち、第1窒化物層3を成膜してからアニールによって結晶性を向上させ、その上に第2窒化物層4を成膜してからアニールによって結晶性を向上させてもよい。 In addition, S26 and S27 may be carried out during S25 of step S24. That is, the crystallinity may be improved by annealing after the first nitride layer 3 is formed into a film, and the crystallinity may be improved by annealing after forming the second nitride layer 4 on the film.

図3に示した窒化物半導体基板1の製造方法によれば、ターゲットにアルミニウム固体を使用するとN極性の窒化アルミニウム層が成膜され、ターゲットに窒化アルミニウムの焼結体を使用するとAl極性の窒化アルミニウム層が成膜される。これにより、スパッタリングのターゲットを切り替えることでN極性からAl極性に極性を反転させることが可能となる。したがって、中間層を有しないことから結晶性を向上させ、また、サファイア基板の剥離という煩雑な工程をなくして製造コストを大幅に低減することができる。 According to the method for manufacturing the nitride semiconductor substrate 1 shown in FIG. 3, when an aluminum solid is used as the target, an N-polar aluminum nitride layer is formed, and when an aluminum nitride sintered body is used as the target, Al-polar nitride is used. An aluminum layer is formed. This makes it possible to invert the polarity from N polarity to Al polarity by switching the target of sputtering. Therefore, since it does not have an intermediate layer, the crystallinity can be improved, and the complicated process of peeling the sapphire substrate can be eliminated, and the manufacturing cost can be significantly reduced.

さらに、アニール処理によって、第1窒化物層3および第2窒化物層4の貫通転位密度を低下させて結晶性を向上させることができる。また、スパッタ圧力を0.5Pa以下にすることによって、第1窒化物層3および第2窒化物層4の膜厚が大きいとでも、アニール処理に起因するクラックの発生を抑制することができる。 Further, the annealing treatment can reduce the through-dislocation density of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 to improve the crystallinity. Further, by setting the sputtering pressure to 0.5 Pa or less, even if the film thicknesses of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 are large, the generation of cracks due to the annealing treatment can be suppressed.

続いて、実施の形態に係る窒化物半導体基板1の製造方法により作製した試料を評価した結果について説明する。 Subsequently, the result of evaluating the sample produced by the method for producing the nitride semiconductor substrate 1 according to the embodiment will be described.

図4Aは、アルミニウムをターゲットとして成膜した窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料4Aは、図3のステップS23で第1窒化物層3を200nm成膜した直後に、評価のためにスパッタ装置10から取り出したものである。 FIG. 4A is a diagram showing a micrograph of an aluminum nitride layer formed by targeting aluminum and examining the polarity. Sample 4A in the figure was taken out from the sputtering apparatus 10 for evaluation immediately after the first nitride layer 3 was formed into a film of 200 nm in step S23 of FIG.

図4Aの上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料4Aの表面状態を観察した像であり、画像縦方向がAlNの[1-100]方向、画像横方向がAlNの[11-20]方向となるように測定を行っている。2×2μm範囲では、表面の二乗平均平方根粗さを示すRq値は0.41nmであった。一般的に、表面粗さが1nm以下であれば接合は可能とされており、接合には十分に平坦である。 The upper image of FIG. 4A is an image obtained by observing the surface state of sample 4A with an atomic force microscope. The vertical direction of the image is the [1-100] direction of AlN, and the horizontal direction of the image is the [11-20] direction of AlN. The measurement is performed so as to be. In the 2 × 2 μm range, the Rq value indicating the root mean square roughness of the surface was 0.41 nm. Generally, if the surface roughness is 1 nm or less, joining is possible, and the joining is sufficiently flat.

図4Aの下段の画像は、試料4Aの極性を確認するために、試料4Aを水酸化カリウム(KOH)水溶液によって室温下で10秒間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すRq値は29.1nmであった。図4Aの下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がかなり大きく、画像が黒っぽくなっているのは、表面にN原子よりも十分に大きいAl原子が見えている状態である。つまり、KOH水溶液は窒素極性のAlNのみを溶解する性質を持っているため、表面側にAl極性(基板2側にN極性)になっていることが分かる。 The lower image of FIG. 4A is an image of observing the surface state of sample 4A after etching it with an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) for 10 seconds at room temperature in order to confirm the polarity of sample 4A. The Rq value indicating the average roughness of the surface after etching was 29.1 nm. The lower image of FIG. 4A has considerably larger irregularities than the upper image, and the blackish image is a state in which Al atoms sufficiently larger than N atoms are visible on the surface. That is, since the KOH aqueous solution has a property of dissolving only nitrogen-polar AlN, it can be seen that the surface side has Al polarity (the substrate 2 side has N polarity).

図4Bは、アルミニウムをターゲットとして成膜した1つ目の窒化アルミニウム層の上に、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した2つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料4Bは、図3のステップS23で第1窒化物層3を20nm成膜し、ステップS25で第2窒化物層4を180nm成膜した直後に、評価のためにスパッタ装置10から取り出したものである。 FIG. 4B is a diagram showing a micrograph of the polarity of the second aluminum nitride layer formed on the first aluminum nitride layer formed on the aluminum nitride as a target and examined on the polarity of the second aluminum nitride layer formed on the aluminum nitride as a target. In the sample 4B of the figure, immediately after the first nitride layer 3 was formed by 20 nm in step S23 of FIG. 3 and the second nitride layer 4 was formed by 180 nm in step S25, the sample 4B was evaluated from the sputtering apparatus 10 for evaluation. It was taken out.

図4Bの上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料4Bの表面状態を観察した像であり、2×2μm範囲では、表面の平均粗さを示すRq値は1.59nmであった。 The upper image of FIG. 4B is an image obtained by observing the surface state of the sample 4B with an atomic force microscope, and the Rq value indicating the average roughness of the surface was 1.59 nm in the range of 2 × 2 μm.

図4Bの下段の画像は、試料4Bの極性を確認するために、試料4Bを水酸化カリウム水溶液によって室温下で30秒間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すRq値は1.26nmであった。図4Bの下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がやや小さく、画像が黒っぽくなっていないのは、表面にN原子が見えている状態である。つまり、表面側にN極性(基板2側にAl極性)になっていることが分かる。 The lower image of FIG. 4B is an image of observing the surface state of sample 4B after etching it with an aqueous solution of potassium hydroxide for 30 seconds at room temperature in order to confirm the polarity of sample 4B. The Rq value indicating the average roughness of the surface after etching was 1.26 nm. The lower image of FIG. 4B has slightly smaller irregularities than the upper image, and the image is not blackish because N atoms are visible on the surface. That is, it can be seen that the surface side has N polarity (the substrate 2 side has Al polarity).

図5は、図4Aおよび図4Bに示した試料4Aおよび4Bの特性を示す図である。図5では、エッチングの結果から判別された極性と、(0002)面におけるXRC(X線ロッキングカーブ)測定で得られる回折ピークの半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum、以下単に半値幅と呼ぶ)と、(10-12)面における同じく半値幅と、c軸方向の格子定数とを示している。XRCの半値幅は小さいほど、つまり、得られる回折ピークがシャープなほど結晶性が良好であることを示す。なお、XRCの半値幅の単位は、角度を表わすarcsec(”)である。 FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the samples 4A and 4B shown in FIGS. 4A and 4B. In FIG. 5, the polarity determined from the etching result and the full width at half maximum of the diffraction peak obtained by the XRC (X-ray locking curve) measurement on the (0002) plane (FWHM: Full Width at Half Maximum, hereinafter simply referred to as the full width at half maximum). ), The full width at half maximum on the (10-12) plane, and the lattice constant in the c-axis direction. The smaller the full width at half maximum of XRC, that is, the sharper the obtained diffraction peak, the better the crystallinity. The unit of the half width of XRC is arcsec ("), which represents an angle.

図5に示すように、試料4Aについては、基板2側にN極性を有し、(0002)面のXRC半値幅は11arcsec、(10-12)面のXRC半値幅は319arcsec、c軸格子定数は4.989Å、a軸格子定数は3.098Åである。 As shown in FIG. 5, sample 4A has N polarity on the substrate 2 side, the XRC half width of the (0002) plane is 11 arcsec, the XRC half width of the (10-12) plane is 319 arcsec, and the c-axis lattice constant. Is 4.989 Å and the a-axis lattice constant is 3.098 Å.

試料4Bについては、基板2側にAl極性を有し、(0002)面のXRC半値幅は13arcsec、(10-12)面のXRC半値幅は255arcsec、c軸格子定数は4.988Å、a軸格子定数は3.099Åである。 Sample 4B has Al polarity on the substrate 2 side, the XRC half width of the (0002) plane is 13 arcsec, the XRC half width of the (10-12) plane is 255 arcsec, the c-axis lattice constant is 4.988 Å, and the a-axis. The lattice constant is 3.099 Å.

図5から、アルミニウムをターゲットとして成膜した1つ目の窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した2つ目の窒化アルミニウム層とでは極性が反転しており、極性反転構造をターゲットの切り替えで形成できることが確認できた。また、図5の半値幅および格子定数から高品質な結晶性を有し、例えば、1つ目のN極性の窒化アルミニウム層は高品質テンプレートとして利用可能である。 From FIG. 5, the polarities of the first aluminum nitride layer formed by targeting aluminum and the second aluminum nitride layer formed by targeting aluminum nitride are reversed, and the polarity inversion structure is targeted. It was confirmed that it can be formed by switching. Further, it has high quality crystallinity from the full width at half maximum and the lattice constant of FIG. 5, and for example, the first N-polar aluminum nitride layer can be used as a high quality template.

次に、実施の形態に係る窒化物半導体基板1の製造方法とは異なる手順により作製した試料を評価した結果について説明する。 Next, the result of evaluating the sample produced by a procedure different from the method for producing the nitride semiconductor substrate 1 according to the embodiment will be described.

図6は、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した1つ目の窒化アルミニウム層の上に、アルミニウムをターゲットとして成膜した2つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料6は、図3のステップS23とステップS25の順番を入れ替えて作成したものである。 FIG. 6 is a diagram showing a micrograph of the polarity of the second aluminum nitride layer formed by targeting aluminum on the first aluminum nitride layer formed by targeting aluminum nitride. Sample 6 in the figure is prepared by exchanging the order of steps S23 and S25 in FIG.

図6の上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料6の表面状態を観察した像であり、2×2μm範囲では、表面の平均粗さを示すRq値は1.64nmであった。 The upper image of FIG. 6 is an image obtained by observing the surface state of the sample 6 with an atomic force microscope, and the Rq value indicating the average roughness of the surface was 1.64 nm in the range of 2 × 2 μm.

図6の下段の画像は、試料6の極性を確認するために、試料6を水酸化カリウム水溶液によって80℃加熱下で2.5分間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すRq値は0.85nmであった。図6の下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がやや小さく、画像が黒っぽくなっていないのは、表面にN原子が見えている状態である。つまり、表面側にN極性(基板2側にAl極性)になっていることが分かる。 The lower image of FIG. 6 is an image of observing the surface state of the sample 6 after etching it with an aqueous solution of potassium hydroxide for 2.5 minutes under heating at 80 ° C. in order to confirm the polarity of the sample 6. The Rq value indicating the average roughness of the surface after etching was 0.85 nm. The lower image of FIG. 6 has slightly smaller irregularities than the upper image, and the image is not blackish because N atoms are visible on the surface. That is, it can be seen that the surface side has N polarity (the substrate 2 side has Al polarity).

図7は、図6に示した試料6の特性を示す図である。同図は、図5と同じ項目を示す。 FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of the sample 6 shown in FIG. The figure shows the same items as in FIG.

試料6については、基板2側にAl極性を有し、(0002)面のXRC半値幅は20arcsec、(10-12)面のXRC半値幅は325arcsec、c軸格子定数は4.990Å、a軸格子定数は3.099Åである。 Sample 6 has Al polarity on the substrate 2 side, the XRC half width of the (0002) plane is 20 arcsec, the XRC half width of the (10-12) plane is 325 arcsec, the c-axis lattice constant is 4.990 Å, and the a-axis. The lattice constant is 3.099 Å.

図6および図7から、試料6の1層目の20nmの窒化アルミニウム層も、2層目の180nmの窒化アルミニウム層も共に表面側にN極性(基板2側にAl極性)になり、極性反転構造を形成できないことが分かった。言い換えれば、図3のステップS23とステップS25の順番を入れ替えた場合、極性反転構造を有する窒化物半導体基板を製造できないことが分かった。 From FIGS. 6 and 7, both the 20 nm aluminum nitride layer of the first layer and the 180 nm aluminum nitride layer of the second layer of the sample 6 have N polarity on the surface side (Al polarity on the substrate 2 side), and the polarity is reversed. It turned out that the structure could not be formed. In other words, it was found that when the order of step S23 and step S25 in FIG. 3 was changed, a nitride semiconductor substrate having a polarity reversal structure could not be manufactured.

次に、窒化物半導体基板1を用いたSHG素子の構成例について説明する。 Next, a configuration example of the SHG element using the nitride semiconductor substrate 1 will be described.

図8Aは、窒化物半導体基板1を用いたSHG素子の構成例を示す概略図である。図8Aの(a)は、SHGデバイス300の断面模式図である。また、図8Aの(b)は、SHG素子300の斜視図である。 FIG. 8A is a schematic view showing a configuration example of an SHG element using the nitride semiconductor substrate 1. FIG. 8A (a) is a schematic cross-sectional view of the SHG device 300. Further, FIG. 8A (b) is a perspective view of the SHG element 300.

SHG素子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、上述した図3の製造方法で作製された極性反転構造となっている。-cAlN結晶層303、+cAlN結晶層304は、第1窒化物層3、第2窒化物層4に対応する。 The SHG element 300 has a waveguide 301 and a clad layer 302 made of sapphire. The waveguide 301 has a −cAlN crystal layer 303 and a + cAlN crystal layer 304. The -cAlN crystal layer 303 and the + cAlN crystal layer 304 have a polarity reversal structure produced by the above-mentioned production method of FIG. The −cAlN crystal layer 303 and the + cAlN crystal layer 304 correspond to the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4.

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AlN結晶層は、第1窒化物層3および第2窒化物層4からなる結晶層である。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8A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 waveguide 301, the nitride semiconductor substrate 1 is used to form an AlN crystal layer having a polarity reversal structure into a waveguide having a waveguide width w, a waveguide thickness h, and a waveguide length l. It is a thing. This AlN crystal layer is a crystal layer composed of a first nitride layer 3 and a second nitride layer 4. At this time, the waveguide width w, the waveguide thickness h, and the waveguide length l are the incident of the laser beam incident on the direction of the waveguide length l, that is, the y-axis direction shown in FIG. 8A (a), as described later. Calculated based on the wavelength.

ここで、図8A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. 8A (a).

-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。 The waveguide 301 composed of the −cAlN crystal layer 303 and the + cAlN crystal layer 304 has optical non-linearity. In order to obtain a second harmonic (SH wave) by the waveguide 301 having optical non-linearity, it is necessary to satisfy the phase matching condition. That is, since the light (fundamental wave) input to the waveguide 301 and the generated light (SH wave) travel at different speeds in the crystal, they cancel each other out when the phases of the light are different by π. Therefore, in the waveguide 301, it is common to perform phase matching by utilizing the birefringence of the anisotropic crystal. That is, the refractive indexes of the fundamental wave and the SH wave are matched by adjusting the angle of incidence on the anisotropic crystal. As a result, the phase matching condition is satisfied in the waveguide 301, so that the SH wave can be efficiently generated.

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素子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 the 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 SHG element 300 needs to satisfy the phase matching in the y-axis direction (propagation direction) and the z-axis direction (vertical direction) as shown by the following (Equation 1). At this time, the phase matching in the y-axis direction utilizes the mode dispersion in the waveguide, and the phase matching in the z-axis direction utilizes the polarity inversion of AlN. In (Equation 1), l is the waveguide length of the waveguide extending in the y-axis direction, k is the wave number of light, and d33 is the nonlinear optical coefficient.

Figure 0007104408000001
Figure 0007104408000001

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).

Figure 0007104408000002
Figure 0007104408000002

(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), λω indicates the wavelength of the fundamental wave, nω indicates the effective refractive index of the fundamental wave, and n2ω indicates the effective refractive index of the SH wave. When the effective refractive indexes of the fundamental wave and the SH wave match, Δk becomes 0, and the first term shows 1 as a sinc function, so that high SHG efficiency can be obtained. Here, the general birefringence is not used, and the phase matching condition is satisfied by using the mode dispersion as described above. That is, by using the higher-order mode in which the node of the electric field distribution exists in the center of the layer of the waveguide for the SH wave, the matching of the effective refractive index that does not match between the base-order modes is realized.

図8Aの(a)は導波路301を側面から見た図、図8Aの(b)は導波路301の斜視図になる。図8A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 Ezω)とSH波の電界分布(TM01 Ez2ω)とを実線で示している。また、図9の(a)に示された電界分布図は、TM00 Ezωを、図9の(b)にTM01 Ez2ωの電界分布をxz平面上にプロットしたものである。図9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。 FIG. 8A (a) is a side view of the waveguide 301, and FIG. 8A (b) is a perspective view of the waveguide 301. In FIG. 8A (a), the electric field distribution (TM00 Ezω) of the fundamental wave propagating in the waveguide 301 formed by the AlN crystal layer and the electric field distribution (TM01 Ez2ω) of the SH wave are shown by solid lines. The electric field distribution diagram shown in FIG. 9A is a plot of the electric field distribution of TM00 Ezω and the electric field distribution of TM01 Ez2ω in FIG. 9B on the xz plane. In FIGS. 9A and 9B, the distribution indicated by Bl in the field shows a positive value, and the distribution indicated by Rd shows a negative value.

ここで、TMとは、Transverse magnetic modeを意味しており、図8A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8Aの(a)では、TM00 Ezωには節がないが、TM01 Ez2ω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8Aの(a)において、TM00 EzωおよびTM01 Ez2ω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 Transfer magic mode, and in FIG. 8A (a), it means an electromagnetic wave in which a magnetic field component exists only in the x-axis direction. Further, the subscripts i and j of TMij represent the number of nodes of the electric field distribution in the x-axis direction and the z-axis direction, respectively. In FIG. 8A (a), TM00 Ezω has no knots, but TM01 Ez2ω has one knot in the center. Taking advantage of the fact that AlN has a high refractive index and sapphire (Al2O3) has a low refractive index, the effective refractive indexes of both can be adjusted by adjusting the electric field distribution in each material. In addition, in FIG. 8A (a), the broken line described in the vicinity showing the curve of TM00 Ezω and TM01 Ez2ω indicates the position of the electric field 0.

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8A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 sapphire substrate 302 is left in FIG. 8A (b), as described in the stage of FIG. 5 (d), the substrate can be completely peeled off and another clad layer can be applied all around the circumference. In the case of an SHG element, if silicon oxide (SiO2) is used, the light confinement effect can be further improved and the wavelength conversion efficiency can be improved.

ただし、TM01 Ez2ω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 TM01 Ez2ω 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 d33 (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.

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素子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 element that generates a second harmonic by using the AlN crystal layer of the nitride semiconductor substrate 1 as a nonlinear optical crystal, coherency is achieved. Can generate high ultraviolet light.

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 d33 higher than that of the existing nonlinear optical crystals BBO (barium borate) and CLBO (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8Bを用いて、本実施の形態に係る導波路301の設計例について説明する。以下では、
図8Bは、窒化物半導体基板1を用いたSHG素子の設計例に係る導波路幅wと実効屈折率との関係を示す図である。同図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, a design example of the waveguide 301 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 8B. Below,
FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the waveguide width w and the effective refractive index according to the design example of the SHG element using the nitride semiconductor substrate 1. The horizontal axis of the graph shown in the figure shows the width of the waveguide, and the vertical axis shows the effective refractive index of the fundamental wave (incident wavelength λ1 = 532 nm) and the SH wave (emission wavelength λ2 = 266 nm). The film thickness of the AlN crystal layer constituting the waveguide 301 was h = 110 nm, and the waveguide length was l = 1 mm.

図8B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. 8B shows a curve in which the effective refractive indexes neff, 1 and neff, 2 of TM00 Ezω and TM01 Ez2ω change depending on the waveguide width w of the waveguide 301. When the waveguide width w of the waveguide 301 is set to the waveguide width w = 1.94 μm, which is the intersection of the two curves, the difference in the effective refractive index becomes zero, and the wavelength conversion efficiency becomes maximum. In this design, a wavelength of λ1 = 532 nm was used as the fundamental wave, because the SH wave of the YAG laser is used for the convenience of the measurement system. When performing wavelength conversion at a shorter wavelength, if the design is performed at a wavelength near λ1 = 450 nm, phase matching can be satisfied with the SH wave of λ2 = 225 nm.

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, when the incident wavelength is λ1 and the wavelength of the output light output from the SHG device is λ2 = λ1 / 2, the refractive index at the incident wavelength of the crystal layer is n1 and the refraction at the emission wavelength. When the ratio is n2 and the film thickness (wavelength path thickness) h of the AlN crystal layer is fixed at h = 110 nm and the value of the waveguide width w is changed, the value of the waveguide width w such that n1 = n2. Is sought. The tolerance between n1 and n2 is preferably 0.1% or less, more preferably ± 0.005% when calculated by (n1-n2) / n1. The design of the waveguide 301 is not limited to this, and for example, a graph in which the value of the waveguide width w is fixed and the film thickness h of the AlN crystal layer is changed can be used.

このように、入射波長をλ1とし、窒化物半導体基板1の出力光の波長をλ2とした場合のAlN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の値が算出される。 As described above, when the incident wavelength is λ1 and the wavelength of the output light of the nitride semiconductor substrate 1 is λ2, the refractive index at the incident wavelength of the AlN crystal layer is n1 and the refractive index at the emission wavelength is n2. Alternatively, when one of the values of the thickness h is fixed and then the width w or the unfixed value of the thickness h is changed, the value of w or h when n1 = n2 is calculated. Will be done.

なお、図1Aの第1窒化物層3および第2窒化物層4の少なくとも一方のX線回折(10-12)のロッキングカーブ半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)は1000arcsec以下であることが望ましい。 The full width at half maximum (FWHM) of the locking curve of at least one of the X-ray diffraction (10-12) of the first nitride layer 3 and the second nitride layer 4 in FIG. 1A shall be 1000 arcsec or less. Is desirable.

続いて、図10A~図10Dを用いて、本実施の形態に係る窒化物半導体基板1の製造方法により作製した窒化物半導体基板1の電子顕微鏡写真の例を示す。 Subsequently, using FIGS. 10A to 10D, an example of an electron micrograph of the nitride semiconductor substrate 1 produced by the method for producing the nitride semiconductor substrate 1 according to the present embodiment is shown.

図10Aは、化物半導体基板1の電子顕微鏡写真を示す図であり、HAADF-STEMによる窒化物半導体基板1の観測像(STEM像)の一例を示す図である。図10Bは、図10A中の部分画像P1の拡大画像を示す図である。図10Cは、図10A中の部分画像P2の拡大画像を示す図である。また、図10Dは、図10A中の部分画像P3の拡大画像を示す図である。 FIG. 10A is a diagram showing an electron micrograph of the compound semiconductor substrate 1, and is a diagram showing an example of an observation image (STEM image) of the nitride semiconductor substrate 1 by HAADF-STEM. FIG. 10B is a diagram showing an enlarged image of the partial image P1 in FIG. 10A. FIG. 10C is a diagram showing an enlarged image of the partial image P2 in FIG. 10A. Further, FIG. 10D is a diagram showing an enlarged image of the partial image P3 in FIG. 10A.

図10Aに示す窒化物半導体基板1は、基板2(サファイア基板)の上にアルミニウムをターゲットとするスパッタリングにより成膜した約100nmのAlターゲット層と、窒化アルミニウムをターゲットとするスパッタリングにより成膜した約100nmのAlNターゲット層とを含む。Alターゲット層は、概ね図1Bの第1窒化物層3に対応する。AlNターゲット層は、概ね図1Bの第2窒化物層4に対応する。 The nitride semiconductor substrate 1 shown in FIG. 10A has an Al target layer of about 100 nm formed on the substrate 2 (sapphire substrate) by sputtering targeting aluminum, and a film formed by sputtering targeting aluminum nitride. Includes a 100 nm AlN target layer. The Al target layer generally corresponds to the first nitride layer 3 in FIG. 1B. The AlN target layer generally corresponds to the second nitride layer 4 in FIG. 1B.

図10Aでは、AlNターゲット層の成膜開始直後の基板2側の部分は、アルミニウム極性ではなく窒素極性(-cAlN極性)になっており、その後反転してアルミニウム極性(+cAlN極性)になっている。これは、ターゲットをAl固体からAlN焼結体への切り替えた直後の過渡期に窒素極性(-cAlN極性)のなっているものと考えられる。 In FIG. 10A, the portion of the AlN target layer on the substrate 2 side immediately after the start of film formation has a nitrogen polarity (−cAlN polarity) instead of an aluminum polarity, and then reverses to an aluminum polarity (+ cAlN polarity). .. It is considered that this is because the nitrogen polarity (-cAlN polarity) is obtained in the transitional period immediately after the target is switched from the Al solid to the AlN sintered body.

図10Bでは、図10A中の部分画像P1の下部は基板2側に窒素極性(-cAlN極性)になっている。また、部分画像P1の上部は基板2側にAl極性(+cAlN極性)になっている。つまり、極性反転構造が形成されていることが確認できた。 In FIG. 10B, the lower portion of the partial image P1 in FIG. 10A has a nitrogen polarity (−cAlN polarity) on the substrate 2 side. Further, the upper part of the partial image P1 has Al polarity (+ cAlN polarity) on the substrate 2 side. That is, it was confirmed that the polarity reversal structure was formed.

図10Cでは、図10A中の部分画像P2中の濃淡が現れている部分を更に拡大した部分を部分画像P21として示している。部分画像P21は、画像に濃淡が現れているものの、第1窒化物層3内ではいずれも窒素極性(-cAlN極性)になっていることが確認できた。 In FIG. 10C, a portion of the partial image P2 in FIG. 10A in which the shade appears is further enlarged and is shown as the partial image P21. In the partial image P21, although shades appeared in the image, it was confirmed that all of them had nitrogen polarity (−cAlN polarity) in the first nitride layer 3.

図10Dでは、図10A中の部分画像P3中の一部を更に拡大した部分画像P31と部分画像P33とを支援している。また、図10D中の部分画像P32は、特に積層欠陥が生じている部分を示している。積層欠陥のある部分画像P33の下側にある部分画像P33は、基板2側にAl極性(+cAlN極性)になっている。また、積層欠陥のある部分画像P33の上側にある部分画像P31は、画像上で極性を明確には判別困難である。 In FIG. 10D, a partial image P31 and a partial image P33, which are a partially enlarged part of the partial image P3 in FIG. 10A, are supported. Further, the partial image P32 in FIG. 10D shows a portion in which a stacking defect is particularly generated. The partial image P33 below the partial image P33 having a stacking defect has Al polarity (+ cAlN polarity) on the substrate 2 side. Further, it is difficult to clearly determine the polarity of the partial image P31 on the upper side of the partial image P33 having a stacking defect.

図10A~図10Dに示すように、電子顕微鏡写真では極性不明な部分や積層欠陥が存在するけれども、図1Bのような、窒化物半導体基板1が極性反転構造を有することが確認できた。 As shown in FIGS. 10A to 10D, it was confirmed that the nitride semiconductor substrate 1 as shown in FIG. 1B has a polarity reversal structure, although there are portions of unknown polarity and stacking defects in the electron micrographs.

次に図11を用いて本発明の窒化物半導体基板1が極性反転構造を含むことを確認するために行った二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry、略称:SIMS)の結果について説明する。SIMSとは、質量分析法におけるイオン化方法の種類の一つである。 Next, the results of secondary ion mass spectrometry (abbreviation: SIMS) performed to confirm that the nitride semiconductor substrate 1 of the present invention contains a polarity reversal structure will be described with reference to FIG. .. SIMS is one of the types of ionization methods in mass spectrometry.

図11は、窒化物半導体基板の二次イオン質量分析法による計測結果を示す、すなわち不純物濃度の深さ方向分布を示している図である。図11において横軸左側が窒化物半導体基板1の第2窒化物層4の表面側であり、横軸右端側がサファイア基板側である。表面側の不純物密度は、酸素(O)が7×1020cm-3、炭素(C)が2×1019cm-3、珪素(Si)は5×1018cm-3である。これに対し、膜深さ0.5μm(500nm)付近では酸素(O)が4×1019cm-3、炭素(C)が1×1019cm-3、珪素(Si)は4×1016cm-3である。これは膜中の酸素濃度が高いと-cAlN極性が+cAlN極性に反転することを示唆していると考えられる。言い換えれば、第2窒化物層4である窒化アルミニウム層の酸素濃度が第1窒化物層3である窒化アルミニウム層の酸素濃度より10倍以上多くなっていることから、窒化物半導体基板1に極性反転構造ができていると考えられる。 FIG. 11 is a diagram showing the measurement results of the nitride semiconductor substrate by the secondary ion mass spectrometry method, that is, the distribution of the impurity concentration in the depth direction. In FIG. 11, the left side of the horizontal axis is the surface side of the second nitride layer 4 of the nitride semiconductor substrate 1, and the right end side of the horizontal axis is the sapphire substrate side. The density of impurities on the surface side is 7 × 10 20 cm -3 for oxygen (O), 2 × 10 19 cm -3 for carbon (C), and 5 × 10 18 cm -3 for silicon (Si). On the other hand, in the vicinity of the film depth of 0.5 μm (500 nm), oxygen (O) is 4 × 10 19 cm -3 , carbon (C) is 1 × 10 19 cm -3 , and silicon (Si) is 4 × 10 16 . cm -3 . This is considered to suggest that the −cAlN polarity is reversed to the + cAlN polarity when the oxygen concentration in the membrane is high. In other words, since the oxygen concentration of the aluminum nitride layer, which is the second nitride layer 4, is 10 times or more higher than the oxygen concentration of the aluminum nitride layer, which is the first nitride layer 3, it is polar to the nitride semiconductor substrate 1. It is considered that an inverted structure is formed.

以上説明してきたように本実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、基板上に第1窒化アルミニウム層を形成する第1工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第1窒化アルミニウム層上に第2窒化アルミニウム層を形成する第2工程と、を有する。 As described above, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment is a first step of forming a first aluminum nitride layer on a substrate by sputtering aluminum as a target in an atmosphere containing nitrogen gas. A second step of forming a second aluminum nitride layer on the first aluminum nitride layer by sputtering the aluminum nitride as a target.

これによれば、第1窒化アルミニウム層と第2窒化アルミニウム層との間に中間層を介在させることなく極性反転層を形成するので結晶性を向上させることができる。また、第1工程および第2工程のスパッタリングを連続的に行うことができるので、窒化物半導体基板同士を張り合わせる工程を要しないので複雑な製造装置を必要とせず、製造装置の低コスト化と、製造時間の短縮とによって、製造コストを大幅に低減することができる。 According to this, since the polarity inversion layer is formed without interposing an intermediate layer between the first aluminum nitride layer and the second aluminum nitride layer, the crystallinity can be improved. Further, since the sputtering of the first step and the second step can be continuously performed, the step of laminating the nitride semiconductor substrates is not required, so that a complicated manufacturing device is not required, and the cost of the manufacturing device can be reduced. By shortening the manufacturing time, the manufacturing cost can be significantly reduced.

ここで、(前記第1窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、前記第2窒化アルミニウム層は、窒素極性からアルミニウム極性へと極性転換を有してもよい。 Here, (the first aluminum nitride layer may have a nitrogen polarity, and the second aluminum nitride layer may have a polarity conversion from a nitrogen polarity to an aluminum polarity.

これによれば、窒素極性の第1窒化アルミニウム層とアルミニウム極性の第2窒化アルミニウム層を順次形成することにより極性反転層を低製造コストで容易に形成し、結晶性向上させることができる。 According to this, by sequentially forming the nitrogen-polarity first aluminum nitride layer and the aluminum-polarity second aluminum nitride layer, the polarity reversal layer can be easily formed at low manufacturing cost and the crystallinity can be improved.

ここで、前記第1窒化アルミニウム層の膜厚は50nm以上であり、前記第1窒化アルミニウム層の膜厚は200nm以下であり、前記第1および第2窒化アルミニウム層の膜厚の合計は1000nm以下であってもよい。 Here, the film thickness of the first aluminum nitride layer is 50 nm or more, the film thickness of the first aluminum nitride layer is 200 nm or less, and the total film thickness of the first and second aluminum nitride layers is 1000 nm or less. It may be.

これによれば、極性反転層を、第二次高調波を発生させる非線形光学系として利用可能な膜厚を確保することができる。 According to this, it is possible to secure a film thickness that can be used for the polarity inversion layer as a nonlinear optical system that generates a second harmonic.

ここで、前記第1工程および第2工程における前記スパッタリングでは、前記基板の温度は約500~650℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されていてもよい。 Here, in the sputtering in the first step and the second step, the temperature of the substrate is about 500 to 650 ° C., and a gas containing nitrogen may be supplied into the apparatus by sputtering.

これによれば、基板を加熱することにより基板表面での原子のマイグレーションが促進され、良質な成膜が可能となる。さらに、窒素を含むガスを流入することでAlNを構成するN原子を供給することができる。 According to this, by heating the substrate, the migration of atoms on the surface of the substrate is promoted, and high-quality film formation becomes possible. Further, by inflowing a gas containing nitrogen, N atoms constituting AlN can be supplied.

ここで、前記第2工程の後に、前記第1および第2窒化アルミニウム層が形成された前記基板を1400度以上1750度以下の温度でアニールする第3工程を有してもよい。 Here, after the second step, there may be a third step of annealing the substrate on which the first and second aluminum nitride layers are formed at a temperature of 1400 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower.

これによれば、比較的高温でアニールするので第1および第2窒化アルミニウム層の結晶性を向上させ、ひいては極性反転層の結晶性を向上させることができる。 According to this, since it is annealed at a relatively high temperature, the crystallinity of the first and second aluminum nitride layers can be improved, and thus the crystallinity of the polarity inversion layer can be improved.

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上に形成された第1窒化物層と、前記第1窒化物層上に形成された第2窒化物層と、を備え、前記第1窒化物層は前記窒素極性を有し、前記第2窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、前記第1窒化物層の膜厚は50nm以上である。 Further, the nitride semiconductor substrate according to one aspect of the present invention includes a substrate, a first nitride layer formed on the substrate, and a second nitride layer formed on the first nitride layer. The first nitride layer has the nitrogen polarity, the second nitride layer has a polarity obtained by reversing the nitrogen polarity, and the thickness of the first nitride layer is 50 nm or more.

これによれば、中間層を介在させない極性反転層を有し、その結晶性を向上させることができる。 According to this, it is possible to have a polarity inversion layer without an intermediate layer and improve its crystallinity.

ここで、前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる構成としてもよい。 Here, the substrate may be composed of at least one of sapphire, silicon carbide, silicon, and aluminum nitride.

これによれば、サファイアまたは炭化ケイ素からなる基板は比較的安価なので、コストを低減することができる。 According to this, the substrate made of sapphire or silicon carbide is relatively inexpensive, so that the cost can be reduced.

ここで、前記第1窒化物層は窒素極性を含む窒化アルミニウム層であり、前記第2窒化物層はアルミ極性を含む窒化アルミニウム層であり、前記第2窒化物層である窒化アルミニウム層の酸素濃度が前記第1窒化物層である窒化アルミニウム層の酸素濃度より10倍以上多くてもよい。 Here, the first nitride layer is an aluminum nitride layer containing a nitrogen polarity, the second nitride layer is an aluminum nitride layer containing an aluminum polarity, and oxygen in the aluminum nitride layer which is the second nitride layer. The concentration may be 10 times or more higher than the oxygen concentration of the aluminum nitride layer which is the first nitride layer.

これによれば、膜中の酸素濃度を適切に調整することで窒化アルミニウム層の極性を任意に制御することができる。 According to this, the polarity of the aluminum nitride layer can be arbitrarily controlled by appropriately adjusting the oxygen concentration in the film.

ここで、前記第1窒化物層および第2窒化物層の少なくとも一方のX線回折(10-12)のロッキングカーブ半値全幅(FWHM)は1000arcsec以下であってもよい。 Here, the full width at half maximum (FWHM) of the locking curve of at least one of the first nitride layer and the second nitride layer of X-ray diffraction (10-12) may be 1000 arcsec or less.

これによれば、極性反転層を、第二次高調波を発生させる非線形光学系として利用可能な膜厚を確保することができる。 According to this, it is possible to secure a film thickness that can be used for the polarity inversion layer as a nonlinear optical system that generates a second harmonic.

ここで、前記第1窒化物層の膜厚は200nm以下であり、前記第1窒化物層および第2窒化物層の膜厚の合計は1000nm以下であってもよい。 Here, the film thickness of the first nitride layer may be 200 nm or less, and the total film thickness of the first nitride layer and the second nitride layer may be 1000 nm or less.

これによれば、結晶性を向上させたSHG素子の製造コストを低減することができる
ここで、前記窒化物半導体基板は、SHG(Second Harmonic Generation)素子を構成してもよい。
According to this, the manufacturing cost of the SHG element having improved crystallinity can be reduced. Here, the nitride semiconductor substrate may constitute an SHG (Second Harmonic Generation) element.

これによれば、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, 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 generated. Obtainable.

ここで、前記第1窒化物層および第2窒化物層からなる窒化物層を厚さh、を幅w、長さlとなる形状の導波路に形成し、前記厚さh、幅w、長さlは、l方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出されてもよい。 Here, the nitride layer composed of the first nitride layer and the second nitride layer is formed in a waveguide having a thickness h, a width w, and a length l, and the thickness h, width w, The length l may be calculated based on the incident wavelength of the laser beam incident in the l direction.

ここで、前記入射波長をλ1とし、前記窒化物半導体基板の出力光の波長をλ2とした場合の前記窒化物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。 Here, when the incident wavelength is λ1 and the wavelength of the output light of the nitride semiconductor substrate is λ2, the refractive index at the incident wavelength of the nitride layer is n1 and the refractive index at the emission wavelength is n2. After fixing w or one of the values of the thickness h, when the unfixed value of the width w or the thickness h is changed, the value of w or h when n1 = n2 becomes It may be calculated.

本発明は、基板上極性反転層を有する窒化物半導体基板として、例えば、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。 The present invention includes nitride semiconductor substrates having a polar inversion layer on the substrate, such as lighting, sterilization, photolithography, laser processing machines, medical equipment, DNA analyzers, phosphor light sources, spectral distribution analysis, ultraviolet curing, and the like. It can be used for an ultraviolet light emitting element used as a light source. 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 基板
3 第1窒化物層
4 第2窒化物層
10 スパッタ装置
100 チェンバー
101 吸気管
102 排気管
103 バルブ
104 排気ポンプ
105 基板ホルダ
107 ターゲット
108 永久磁石
109 高圧電源
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 Nitride semiconductor substrate 2 Substrate 3 First nitride layer 4 Second nitride layer 10 Sputtering device 100 Chamber 101 Intake pipe 102 Exhaust pipe 103 Valve 104 Exhaust pump 105 Board holder 107 Target 108 Permanent magnet 109 High-pressure power supply 300 SHG device ( Nitride semiconductor device)
301 Waveguide 303-cAlN crystal layer 304 + cAlN crystal layer

Claims (10)

窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、サファイアの基板上に第1窒化アルミニウム層を形成する第1工程と、
窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第1窒化アルミニウム層上に第2窒化アルミニウム層を形成する第2工程と、を有し、
前記第1窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、
前記第2窒化アルミニウム層は、アルミニウム極性を有し、
前記第1工程および第2工程における前記スパッタリングでは、
前記基板の温度は約500~650℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されている
窒化物半導体基板の製造方法。
The first step of forming the first aluminum nitride layer on the sapphire substrate by sputtering the aluminum as a target in an atmosphere containing nitrogen gas, and
It has a second step of forming a second aluminum nitride layer on the first aluminum nitride layer by sputtering with aluminum nitride as a target.
The first aluminum nitride layer has nitrogen polarity and has a nitrogen polarity.
The second aluminum nitride layer has aluminum polarity and has aluminum polarity.
In the sputtering in the first step and the second step,
The temperature of the substrate is about 500 to 650 ° C., and a gas containing nitrogen is supplied into the apparatus by sputtering.
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
前記第1窒化アルミニウム層の膜厚は50nm以上であり、
前記第1窒化アルミニウム層の膜厚は200nm以下であり、
前記第1および第2窒化アルミニウム層の膜厚の合計は1000nm以下である
請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
The film thickness of the first aluminum nitride layer is 50 nm or more, and the film thickness is 50 nm or more.
The film thickness of the first aluminum nitride layer is 200 nm or less, and the film thickness is 200 nm or less.
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the total film thickness of the first and second aluminum nitride layers is 1000 nm or less.
前記第2工程の後に、前記第1および第2窒化アルミニウム層が形成された前記基板を1400度以上1750度以下の温度でアニールする第3工程を有する
請求項1または2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
The nitride semiconductor according to claim 1 or 2 , further comprising a third step of annealing the substrate on which the first and second aluminum nitride layers are formed at a temperature of 1400 ° C. or higher and 1750 ° C. or lower after the second step. Substrate manufacturing method.
窒化物半導体基板であって、
基板と、
前記基板上に形成された第1窒化物層と、
前記第1窒化物層上に形成された第2窒化物層と、を備え、
前記第1窒化物層は窒素極性を有し、
前記第2窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、
前記第1窒化物層の膜厚は50nm以上であり、
前記窒化物半導体基板は、SHG(Second Harmonic Generation)素子を構成する
窒化物半導体基板。
Nitride semiconductor substrate
With the board
The first nitride layer formed on the substrate and
A second nitride layer formed on the first nitride layer is provided.
The first nitride layer has nitrogen polarity and has a nitrogen polarity.
The second nitride layer has a polarity that is the reverse of the nitrogen polarity.
The film thickness of the first nitride layer is 50 nm or more, and the film thickness is 50 nm or more.
The nitride semiconductor substrate constitutes an SHG (Second Harmonic Generation) element.
Nitride semiconductor substrate.
前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる
請求項に記載の窒化物半導体基板。
The nitride semiconductor substrate according to claim 4 , wherein the substrate is made of at least one of sapphire, silicon carbide, silicon, and aluminum nitride.
前記第1窒化物層は窒素極性を含む窒化アルミニウム層であり、
前記第2窒化物層はアルミ極性を含む窒化アルミニウム層であり、
求項5に記載の窒化物半導体基板。
The first nitride layer is an aluminum nitride layer containing nitrogen polarity, and is
The second nitride layer is an aluminum nitride layer containing aluminum polarity, and is
The nitride semiconductor substrate according to claim 5.
前記第1窒化物層および第2窒化物層の少なくとも一方のX線回折(10-12)のロッキングカーブ半値全幅(FWHM)は1000arcsec以下である
請求項に記載の窒化物半導体基板。
The nitride semiconductor substrate according to claim 6 , wherein the rocking curve full width at half maximum (FWHM) of at least one of the first nitride layer and the second nitride layer of X-ray diffraction (10-12) is 1000 arcsec or less.
前記第1窒化物層の膜厚は200nm以下であり、
前記第1窒化物層および第2窒化物層の膜厚の合計は1000nm以下である
請求項に記載の窒化物半導体基板。
The film thickness of the first nitride layer is 200 nm or less, and the film thickness is 200 nm or less.
The nitride semiconductor substrate according to claim 7 , wherein the total film thickness of the first nitride layer and the second nitride layer is 1000 nm or less.
前記第1窒化物層および第2窒化物層からなる窒化物層を厚さh、を幅w、長さlとなる形状の導波路に形成し、
前記厚さh、幅w、長さlは、l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
請求項記載の窒化物半導体基板。
The nitride layer composed of the first nitride layer and the second nitride layer is formed in a waveguide having a thickness h, a width w, and a length l.
The nitride semiconductor substrate according to claim 4 , wherein the thickness h, the width w, and the length l are calculated based on the incident wavelength of the laser beam incident in the l direction.
前記入射波長をλ1とし、前記窒化物半導体基板の出力光の波長をλ2とした場合の前記窒化物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の値が算出される
請求項に記載の窒化物半導体基板。
When the incident wavelength is λ1 and the wavelength of the output light of the nitride semiconductor substrate is λ2, the refractive index at the incident wavelength of the nitride layer is n1, the refractive index at the emission wavelength is n2, and the width w or the above. After fixing one of the values of the thickness h, when the width w or the unfixed value of the thickness h is changed, the value of w or h when n1 = n2 is calculated. The nitride semiconductor substrate according to claim 9 .
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