JP7290217B2 - Thin films, substrates with thin films and semiconductor devices - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 発行者名:International Workshop on Nitride Semiconductors 2018、刊行物名:International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 予稿集 GR11-5頁、発行日:平成30年11月11日 ウェブサイトのアドレス:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5053147、掲載日:平成30年11月13日 集会名:International Workshop on Nitride Semiconductors 2018、開催日:平成30年11月15日、開催場所:ANAクラウンプラザホテル金沢Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies Publisher name: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018, Publication name: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 Proceedings pp. GR11-5, Publication date: Nov. 2018 11th of the month website Address: https://aip. sitation. org/doi/10.1063/1.5053147 Posted: November 13, 2018 Assembly name: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 Date: November 15, 2018 Venue: ANA Crowne Plaza Hotel Kanazawa

本発明は、薄膜、薄膜付き基板および半導体装置に関する。 The present invention relates to a thin film, a substrate with a thin film, and a semiconductor device.

200nmから300nmの深紫外波長域の光は、殺菌、水や空気の浄化用途に利用される。現在、これらの目的で利用されている光源は水銀UVランプ、メタル・ハライド・UVランプなどで、石英管に封入されたガスの輝線(波長254nm等)を用いている。これらは消費電力が大きく、寿命が短く、さらに光源自体が大きいという問題を抱えている。そこで、この深紫外発光を、消費電力が小さく、寿命が長くさらに光源自体を非常に小さくできるLED(Light Emitting Diode)で実現しようという研究が盛んになっている。 Light in the deep ultraviolet wavelength region from 200 nm to 300 nm is used for sterilization, water and air purification applications. Light sources currently used for these purposes are mercury UV lamps, metal halide UV lamps, etc., and use emission lines (wavelength of 254 nm, etc.) of a gas enclosed in a quartz tube. These have the problems of high power consumption, short life, and large light sources. Therefore, researches are actively conducted to realize deep ultraviolet light emission by LEDs (Light Emitting Diodes) that consume less power, have a longer life, and can be made into a very small light source.

近紫外や青色などの波長のLEDはIII族窒化物であるGaNやInGaN等で実用化され、白色ランプの光源(蛍光体の励起用光源)や装飾、紫外線硬化樹脂の硬化用光源、検査用光源その他に利用されている。しかし、GaN、InGaNでは殺菌などに有効な深紫外発光は得られないため、深紫外波長域のLEDを実現するためには、同じIII族窒化物半導体であればAlN或いはAlNのモル濃度の高いAlGaNが必要となる。 LEDs with wavelengths such as near-ultraviolet and blue have been put into practical use with III-nitrides such as GaN and InGaN, and are used as light sources for white lamps (light sources for excitation of phosphors), decorations, light sources for curing ultraviolet curing resins, and for inspection. Used as a light source. However, since GaN and InGaN cannot provide deep ultraviolet light emission effective for sterilization, etc., in order to realize LEDs in the deep ultraviolet wavelength range, it is necessary to use AlN or AlN with a high molar concentration in the same Group III nitride semiconductor. AlGaN is required.

AlN、GaN、InNとこれらの混晶であるIII族窒化物は結晶構造として、ウルツ鉱型結晶構造をとる。このウルツ鉱型結晶構造をとるIII族窒化物の薄膜を作製する場合、薄膜の膜厚方向がc軸方向、即ち、優先配向軸がc軸となるように成長し易い。ウルツ鉱型結晶構造をとるIII族窒化物は、III族元素と窒素との間の大きな電気陰性度の差とIII族元素および窒素のc軸方向に沿った配列構造とに起因して、c軸方向に電気的極性が生じる。このため、ウルツ鉱型結晶構造をとるIII族窒化物の薄膜を複数層積層すると、その薄膜の積層方向に沿って分極が発生し、積層方向で隣り合う薄膜の間のヘテロ界面で内部電界が生じてしまう。この問題は、すでに実現されているGaNをベースとしたLEDにおいても効率向上阻害要因となっているが、より電気陰性度差の大きいAlNをベースとした半導体では、より大きな問題となると考えられている。 AlN, GaN, InN, and group III nitrides, which are mixed crystals thereof, have a wurtzite crystal structure. When a group III nitride thin film having this wurtzite crystal structure is produced, the thin film tends to grow so that the film thickness direction of the thin film is the c-axis direction, ie, the preferential orientation axis is the c-axis. Group III nitrides with a wurtzite crystal structure have c Electrical polarity occurs in the axial direction. Therefore, when a plurality of group III nitride thin films having a wurtzite crystal structure are stacked, polarization occurs along the stacking direction of the thin films, and an internal electric field is generated at the hetero interface between the thin films adjacent in the stacking direction. occur. This problem is a hindrance to improving the efficiency of GaN-based LEDs that have already been realized, but it is thought to become a more serious problem for AlN-based semiconductors, which have a larger electronegativity difference. there is

そして、前述のLEDの発光層が、c軸と一致する方向に積層された複数のウルツ鉱型結晶構造をとるIII族窒化物の薄膜から構成される場合、隣接する薄膜の間のヘテロ界面に比較的大きな内部電界が生じている。これにより、発光層内に存在する電子と正孔とが空間的に分離されてしまい、電子と正孔との再結合効率が低下してしまう。また、c軸方向への光の取り出し効率は低く、このため、LEDの発光層におけるc軸に直交する面(c面)からの光の取り出し効率が低下してしまう。 In the case where the light-emitting layer of the aforementioned LED is composed of a plurality of group III nitride thin films having a wurtzite crystal structure stacked in a direction coinciding with the c-axis, the hetero interface between adjacent thin films A relatively large internal electric field is generated. As a result, the electrons and holes present in the light-emitting layer are spatially separated, and the recombination efficiency of the electrons and holes is reduced. In addition, the light extraction efficiency in the c-axis direction is low, and therefore the light extraction efficiency from the plane (c-plane) perpendicular to the c-axis in the light-emitting layer of the LED is lowered.

また、この電気的極性の問題は、おなじくIII族窒化物で構成されるトランジスタにおいても性能実現阻害要因となっている。たとえば、ノーマリーオフのトランジスタを作製するのが非常に難しいということなどである。 Also, this electrical polarity problem is also a factor impeding the realization of performance in transistors made of group III nitrides. For example, it is very difficult to fabricate a normally-off transistor.

これに対して、優先配向軸が電気的に無極性であるa軸またはm軸である薄膜が成長する結晶面が露出した基板を用いて、LED、トランジスタを作製する技術が提供されている(例えば特許文献1乃至4参照)。 On the other hand, a technique has been provided for fabricating LEDs and transistors using a substrate on which a crystal plane on which a thin film is grown whose preferential orientation axis is electrically non-polar a-axis or m-axis is exposed ( For example, see Patent Documents 1 to 4).

特開2008-091598号公報JP-A-2008-091598 特開2009-099774号公報JP 2009-099774 A 特開2010-232425号公報JP 2010-232425 A 特開2010-251660号公報JP 2010-251660 A

a軸またはm軸の無極性ウルツ鉱型結晶構造をとるIII族窒化物の薄膜をエピタキシャル成長させる方法としては、III族窒化物自体の単結晶インゴットを作製しこれをa面またはm面で切り出してから、その上にホモエピタキシャル成長させるという手法が考えられる。しかし、他のIII-V族半導体、例えばGaAsのように比較的容易に大きな単結晶インゴットが作製できる半導体とは異なり、III族窒化物は大きな単結晶インゴットを合成することは極めて難しい。これは、GaAs等が高温で容易に溶融でき、その凝固過程で単結晶化できるのに対し、GaN等では、高温で溶融せずに窒素が分離してしまうためである。よって、III族窒化物の単結晶インゴットができたとしてもその作製方法は極めて特殊なものになるため、結果として単結晶インゴットが高価なものになってしまう。そこで、ヘテロエピタキシャル成長用にr面サファイア基板、a面SiC基板、m面SiC基板等が検討されている。但し、この場合、サファイア、SiC等の単結晶インゴットからr面、a面、m面が露出するように切り出すと欠陥が多くなるという問題がある。 As a method of epitaxially growing a group III nitride thin film having a non-polar wurtzite crystal structure of a-axis or m-axis, a single crystal ingot of the group III nitride itself is prepared and cut on the a-plane or the m-plane. Therefore, a method of homoepitaxially growing thereon can be considered. However, unlike other III-V semiconductors, such as GaAs, for which large single crystal ingots can be produced relatively easily, it is extremely difficult to synthesize large single crystal ingots of Group III nitrides. This is because GaAs or the like can be easily melted at a high temperature and can be single-crystallized during its solidification process, whereas GaN or the like does not melt at a high temperature and nitrogen is separated. Therefore, even if a single crystal ingot of group III nitride is produced, the manufacturing method thereof is extremely special, and as a result, the single crystal ingot becomes expensive. Therefore, r-plane sapphire substrates, a-plane SiC substrates, m-plane SiC substrates, etc. are being studied for heteroepitaxial growth. However, in this case, there is a problem that many defects are generated when a single crystal ingot of sapphire, SiC, or the like is cut so that the r-plane, a-plane, and m-plane are exposed.

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、基板の種類または基板の結晶状態に依存せずに無極性のウルツ鉱型結晶構造をとる薄膜、薄膜付き基板および半導体装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thin film, a substrate with a thin film, and a semiconductor device having a non-polar wurtzite crystal structure independent of the type of substrate or the crystal state of the substrate. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明に係る薄膜は、
3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成された薄膜であって、
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
In order to achieve the above object, the thin film according to the present invention is
A thin film formed of a nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is a 3d transition metal. hand,
The nitride has a wurtzite crystal structure and a preferred orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the nitride is expressed as (Al1 -yGay ) 1 - xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0 and x is 0.081<x≤0.261 . Within range .

他の観点から見た本発明に係る薄膜付き基板は、
基板と、
3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成され、前記基板上に設けられた薄膜と、を備え、
前記基板は、結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成され、
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
A substrate with a thin film according to the present invention viewed from another point of view is
a substrate;
It is formed from a nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is a 3d transition metal, and is formed on the substrate a thin film provided in
The substrate is formed of a crystalline or amorphous metal, semimetal, semiconductor or insulator,
The nitride has a wurtzite crystal structure and a preferred orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the nitride is expressed as (Al1 -yGay ) 1 - xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0 and x is 0.081<x≤0.261 . Within range .

他の観点から見た本発明に係る半導体装置は、
基板と、
前記基板上に、3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される第1窒化物から形成された薄膜と、
前記薄膜の上方に、In(Al1-yGa1-zN(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される第2窒化物から形成された多重量子井戸構造を有する発光層と、を備え、
前記第1窒化物および前記第2窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記第1窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
A semiconductor device according to the present invention viewed from another point of view includes:
a substrate;
On the substrate, a first nitride represented by (Al1 - yGay ) 1-xTxN ( 0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is the 3d transition metal a thin film formed from
a multiple quantum well structure formed from a second nitride represented by In z (Al 1-y Ga y ) 1-z N (0≦y≦1, 0≦z≦1) above the thin film; and a light-emitting layer having
The first nitride and the second nitride have a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the first nitride is expressed as (Al1 -yGay)1-xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0, and x is 0.081<x≤0. 261 range .

本発明によれば、3d遷移金属TをTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成され、窒化物が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である。これにより、基板上に薄膜を成長させる場合において、基板における薄膜を成長させる面の種類に関わらず、基板上に、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である薄膜を成長させることができる。つまり、基板の種類または基板の結晶状態に依存せずに無極性のウルツ鉱型結晶構造をとる薄膜を実現できる。 According to the present invention, a nitride represented by (Al 1-y Gay ) 1-x T x N (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), where T is the 3d transition metal T The nitride has a wurtzite crystal structure and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis. As a result, when a thin film is grown on a substrate, regardless of the type of surface on which the thin film is grown on the substrate, the substrate has a wurtzite crystal structure and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis. Alternatively, a thin film can be grown that is m-axis. In other words, a thin film having a nonpolar wurtzite crystal structure can be realized without depending on the type of substrate or the crystal state of the substrate.

(A)は、本発明の実施の形態に係る基板の一例を示す図であり、(B)はウルツ鉱型結晶構造を説明するための図である。(A) is a diagram showing an example of a substrate according to an embodiment of the present invention, and (B) is a diagram for explaining a wurtzite crystal structure. 実施の形態1に係る薄膜の作製に用いる高周波スパッタリング装置の一例を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing an example of a high-frequency sputtering apparatus used for producing a thin film according to Embodiment 1; FIG. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 実施例および比較例に係る薄膜のX線回折プロファイルのFe濃度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing Fe concentration dependence of X-ray diffraction profiles of thin films according to Examples and Comparative Examples. 実施例および比較例に係る薄膜の配向度合を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the degree of orientation of thin films according to Examples and Comparative Examples; (A)は実施例および比較例に係る薄膜のc面に対応する格子定数と回折ピークの半値全幅を示す図であり、(B)は実施例および比較例に係る薄膜のa面に対応する格子定数と回折ピークの半値全幅を示す図である。(A) is a diagram showing lattice constants and full widths at half maximum of diffraction peaks corresponding to c-planes of thin films according to Examples and Comparative Examples, and (B) corresponds to a-planes of thin films according to Examples and Comparative Examples. FIG. 4 is a graph showing lattice constants and full widths at half maximum of diffraction peaks; 実施例に係る薄膜のX線回折プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction profile of the thin film which concerns on an Example.

以下、本発明の実施の形態に係る薄膜について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, thin films according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本実施の形態に係る薄膜付き基板1は、図1(A)に示すように、基板11と、基板11上に成長した薄膜12と、を備える。基板11としては、石英ガラス基板、金属板、サファイア基板、Si基板から選択される基板を採用することができる。なお、基板11としては、他の結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成されていてもよい。
(Embodiment 1)
A substrate 1 with a thin film according to the present embodiment includes a substrate 11 and a thin film 12 grown on the substrate 11, as shown in FIG. 1(A). As the substrate 11, a substrate selected from a quartz glass substrate, a metal plate, a sapphire substrate, and a Si substrate can be adopted. The substrate 11 may be made of other crystalline or amorphous metals, semimetals, semiconductors, or insulators.

薄膜12は、3d遷移金属TをTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成されている。言い換えると、薄膜12は、Al1-yGaN(0≦y≦1)で表される窒化物のAlとGaとの少なくとも一方の一部が、3d遷移金属で置換された窒化物から形成されている。そして、窒化物は、図1(B)に示すようなウルツ鉱型結晶構造を有する。ここで、図1(B)中の丸で表された原子のうち、例えば大きい方が、Al、Gaまたは3d遷移金属であり、小さい方が窒素である。また、薄膜12は、図1(A)の矢印AR1で示す膜厚方向への優先配向軸が、図1(B)に示すa軸またはm軸となっている。 The thin film 12 is formed from a nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is the 3d transition metal T. It is In other words, the thin film 12 is a nitride represented by Al 1-y Ga y N (0 ≤ y ≤ 1) in which at least one of Al and Ga of the nitride is partially substituted with a 3d transition metal. formed. The nitride has a wurtzite crystal structure as shown in FIG. 1(B). Here, among the atoms represented by circles in FIG. 1B, for example, the larger one is Al, Ga or 3d transition metal, and the smaller one is nitrogen. In the thin film 12, the preferential orientation axis in the film thickness direction indicated by the arrow AR1 in FIG. 1A is the a-axis or the m-axis shown in FIG. 1B.

3d遷移金属としては、Fe、Co、NiおよびCuから選択される1種以上の金属を採用することが好ましい。これらと同じ3d遷移金属であるTi、V、Cr、Mnでは、13%程度までの濃度領域でc軸配向性のウルツ鉱型結晶構造をとり易いことがわかっている(非特許文献:N. Tatemizo, S. Imada, Y. Miura, K. Nishio, and T. Isshiki, “Chemical trend in band structure of 3d-transition-metal-doped AlN films” Materials Science Forum, 924, 322 (2018).、または、非特許文献:N. Tatemizo, Y. Miura, K. Nishio, S. Hirata, F. Sawa, K. Fukui, T. Isshiki and S. Imada, “Band structure and photoconductivity of blue-green light absorbing AlTiN films”, Journal of Material Chemistry A, 5, 20824 (2017).参照)。しかし、濃度がこれ以上になると、薄膜12を構成する結晶がウルツ鉱型結晶構造を保つことは難しい。ほとんどの成膜条件において、より高濃度領域で多結晶非配向微結晶となり、更に高濃度になるとウルツ鉱型結晶構造ではない構造をとる。これは、Ti、V、CrおよびMnの窒化物であるTiN、VN、CrN、MnNがいわゆる岩塩型結晶構造をとりやすいことに由来する可能性がある。ウルツ鉱型結晶構造は3d遷移金属の元素が4つの窒素に配位された構造を有するのに対し、岩塩型結晶構造は、3d遷移金属の元素が6つの窒素に配位された構造を有する。よって、Ti、V、Cr、Mnの窒化物の場合、Ti、V、Cr、Mnの濃度が高くなると、これらの窒化物の安定な構造である6配位をとろうとする。このため、例えばTiN-AlN混晶の場合全体で同一の結晶構造を保てなくなると予測される。更に、高濃度のTi、Crの場合、TiAlN、CrAlN等におけるTi、Crの組成がAlの組成よりも大きい領域で岩塩構造をとることが知られている。 As the 3d transition metal, one or more metals selected from Fe, Co, Ni and Cu are preferably employed. Ti, V, Cr, and Mn, which are the same 3d-transition metals as these, are known to easily take a c-axis-oriented wurtzite crystal structure in a concentration range of up to about 13% (Non-Patent Document: N. Tatemizo, S. Imada, Y. Miura, K. Nishio, and T. Isshiki, “Chemical trend in band structure of 3d-transition-metal-doped AlN films” Materials Science Forum, 924, 322 (2018). Non-patent literature: N. Tatemizo, Y. Miura, K. Nishio, S. Hirata, F. Sawa, K. Fukui, T. Isshiki and S. Imada, “Band structure and photoconductivity of blue-green light absorbing AlTiN films” , Journal of Material Chemistry A, 5, 20824 (2017).). However, when the concentration is higher than this, it is difficult for the crystals forming the thin film 12 to maintain the wurtzite crystal structure. Under most of the film forming conditions, polycrystalline non-oriented microcrystals are formed in a higher concentration region, and when the concentration is further increased, a structure other than the wurtzite crystal structure is formed. This may be because TiN, VN, CrN, and MnN, which are nitrides of Ti, V, Cr, and Mn, tend to have a so-called rock salt crystal structure. The wurtzite crystal structure has a 3d transition metal element coordinated to four nitrogens, whereas the rocksalt crystal structure has a 3d transition metal element coordinated to six nitrogens. . Therefore, in the case of nitrides of Ti, V, Cr, and Mn, when the concentrations of Ti, V, Cr, and Mn become high, they try to adopt the stable 6-coordinate structure of these nitrides. For this reason, it is predicted that, for example, the same crystal structure cannot be maintained in the entire TiN--AlN mixed crystal. Furthermore, in the case of high concentrations of Ti and Cr, it is known that a rock salt structure is formed in a region where the composition of Ti and Cr in TiAlN, CrAlN, etc. is larger than the composition of Al.

一方、Fe、Coの窒化物FeN、CoNは、閃亜鉛鉱型結晶構造が安定であることが知られている。NiN、CuNは実験的な報告はほとんどないが、理論的には閃亜鉛鉱型結晶構造も安定に存在しうると報告されている。閃亜鉛鉱型結晶構造はウルツ鉱型結晶構造と同じく窒素で4配位された構造が基本であり、たとえば高濃度のFeを含む場合でも、FeN-AlN混晶において4配位された構造の形成可能であり、結果として広い濃度範囲でウルツ鉱型結晶構造をとることができたと予測される。 On the other hand, nitrides FeN and CoN of Fe and Co are known to have a stable sphalerite crystal structure. NiN and CuN have almost no experimental reports, but it is reported that the zinc-blende crystal structure can theoretically exist stably. The zincblende crystal structure is basically a four-fold nitrogen structure similar to the wurtzite crystal structure. As a result, it is predicted that a wurtzite crystal structure could be formed in a wide concentration range.

また、窒化物を(Al1-yGa1-xFeNと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.05<x≦0.261の範囲内であることが好ましい。また、前述の窒化物について、yが0であり、xが0.11≦x≦0.218の範囲内であることがより好ましい。 Further, when the nitride is expressed as (Al 1-y Gay ) 1-x Fe x N, y is within the range of 0 ≤ y ≤ 1.0, and x is 0.05 < x ≤ 0.261. is preferably within the range of Further, it is more preferable that y is 0 and x is in the range of 0.11≦x≦0.218 for the above-mentioned nitrides.

本実施の形態に係る窒化物は、例えば図2に示すような高周波スパッタリング装置900を使用したスパッタリング法により作製することができる。高周波スパッタリング装置900は、チャンバ901と、高周波電源RFと、マッチング部902と、基板Wを保持するホルダ904と、ターゲット材TGを保持するホルダ905と、基板Wを加熱するためのヒータ903と、を備える。チャンバ901には、材料ガスをチャンバ901内へ供給するための供給ポート911が設けられており、例えばArと窒素との混合ガスが矢印AR91に示すように供給ポート911を通じてチャンバ901内へ供給される。また、チャンバ901には、チャンバ901内の気体を排出するための排気ポート912が設けられており、排気ポート912に接続された真空ポンプ(図示せず)により予め設定された排気レートで矢印AR92に示すように排気が実行されることによりチャンバ901内の圧力が設定値に維持されている。ホルダ904、905の間には、シャッタ906が配置されている。また、ホルダ904の鉛直上方には、冷媒が流れる流路941aを有した冷却機構941が配設されている。そして、矢印AR93に示すように流路941aに流入し矢印AR94に示すように流路941aから流出する冷媒とホルダ904の基板W側でない部分との間で熱交換されることによりホルダ904の基板W側でない部分が冷却される。また、ホルダ905の鉛直下方にも、冷媒が流れる流路951aを有しターゲット材TGを冷却するための冷却機構951が配設されている。そして、矢印AR95に示すように流路951aに流入し矢印AR96に示すように流路951aから流出する冷媒とターゲット材TGとの間で熱交換されることによりターゲット材TGが冷却される。 The nitride according to this embodiment can be produced, for example, by a sputtering method using a high-frequency sputtering apparatus 900 as shown in FIG. A high-frequency sputtering apparatus 900 includes a chamber 901, a high-frequency power supply RF, a matching unit 902, a holder 904 holding a substrate W, a holder 905 holding a target material TG, a heater 903 for heating the substrate W, Prepare. The chamber 901 is provided with a supply port 911 for supplying material gas into the chamber 901. For example, a mixed gas of Ar and nitrogen is supplied into the chamber 901 through the supply port 911 as indicated by an arrow AR91. be. Further, the chamber 901 is provided with an exhaust port 912 for exhausting the gas inside the chamber 901, and an exhaust rate set in advance by a vacuum pump (not shown) connected to the exhaust port 912 is set by an arrow AR92. The pressure in the chamber 901 is maintained at the set value by exhausting as shown in . A shutter 906 is arranged between the holders 904 and 905 . A cooling mechanism 941 having a flow path 941a through which a coolant flows is arranged vertically above the holder 904 . Then, heat is exchanged between the coolant that flows into the flow path 941a as indicated by an arrow AR93 and flows out from the flow path 941a as indicated by an arrow AR94 and the portion of the holder 904 that is not on the substrate W side. The portion not on the W side is cooled. Further, vertically below the holder 905, a cooling mechanism 951 having a flow path 951a through which a coolant flows and for cooling the target material TG is arranged. The target material TG is cooled by heat exchange between the target material TG and the coolant flowing into the flow path 951a as indicated by an arrow AR95 and flowing out from the flow path 951a as indicated by an arrow AR96.

この高周波スパッタリング装置900を使用して、前述の窒化物の薄膜を作製する方法について説明する。まず、チャンバ901内において、基板Wを、その薄膜を成長させる面が鉛直下方を向く姿勢でホルダ904に保持させる。また、チャンバ901内における基板Wの鉛直下方においてターゲット材TGをホルダ905に保持させる。ターゲット材TGとしては、例えば前述の窒化物の焼結体が採用される。また、ターゲット材TGの上に、AlまたはGaと置換する少なくとも1つの3d遷移金属の個片CPを載置する。ここで、ターゲット材TG上に載置する個片CPの面積、個数または配置を変化させることにより、作製する薄膜に取り込まれる3d遷移金属の添加量を調整することができる。 A method for fabricating the aforementioned nitride thin film using this high-frequency sputtering apparatus 900 will now be described. First, in the chamber 901, the substrate W is held by the holder 904 so that the surface on which the thin film is to be grown faces vertically downward. Also, the target material TG is held by the holder 905 vertically below the substrate W in the chamber 901 . As the target material TG, for example, the sintered body of the aforementioned nitride is adopted. Also, on the target material TG, at least one piece CP of 3d transition metal to replace Al or Ga is placed. Here, by changing the area, number, or arrangement of the individual pieces CP placed on the target material TG, it is possible to adjust the amount of the 3d transition metal to be incorporated into the thin film to be produced.

次に、シャッタ906を閉じた状態で、チャンバ901内に残留した気体をチャンバ901外へ排出し、その後、Ar(アルゴン)と窒素との混合ガスを、供給ポート911を介してチャンバ901内へ導入する。ここで、混合ガスにおけるArに対する窒素の分圧比は、0.25乃至1.0の範囲であればよい。続いて、混合ガス雰囲気下で、ヒータ903により基板Wを予め設定された成膜温度まで加熱する。ここで、成膜温度は、200℃以上400℃以下の範囲内の温度である。なお、混合ガスをチャンバ901内へ導入するタイミングは、ヒータ903による基板Wの加熱を開始する前であってもよいし後であってもよい。 Next, with the shutter 906 closed, the gas remaining in the chamber 901 is discharged out of the chamber 901, and then a mixed gas of Ar (argon) and nitrogen is introduced into the chamber 901 through the supply port 911. Introduce. Here, the partial pressure ratio of nitrogen to Ar in the mixed gas may be in the range of 0.25 to 1.0. Subsequently, in a mixed gas atmosphere, the heater 903 heats the substrate W to a preset film formation temperature. Here, the film formation temperature is a temperature within the range of 200° C. or higher and 400° C. or lower. The timing of introducing the mixed gas into the chamber 901 may be before or after the heating of the substrate W by the heater 903 is started.

その後、高周波電源RFからマッチング部902を介してチャンバ901内へ高周波電力を供給することにより、ターゲット材TG近傍にプラズマを誘起して、ターゲット材TGをスパッタリングする。ここで、シャッタ906を開状態にしておくと、ターゲット材TGがスパッタリングされることにより叩き出された原子が基板Wに到達し基板W上に窒化物の結晶が成長する。このとき、Feの個片CPは、ターゲット材TGと同時にスパッタリングされ、チャンバ901内に導入された混合ガス中に含まれる窒素と反応して、基板W上に形成される薄膜中に取り込まれる。なお、基板W上に薄膜を成膜する前に、基板Wの表面およびターゲット材TGの表面をプラズマに暴露することにより、基板Wの表面およびターゲット材TGの表面を清浄化してもよい。このスパッタリング法を利用すれば、個片CPの面積、個数または配置を変化させることにより、基板W上に成長させる薄膜の組成を変更することができる。 Thereafter, by supplying high-frequency power from the high-frequency power supply RF into the chamber 901 through the matching unit 902, plasma is induced in the vicinity of the target material TG to sputter the target material TG. Here, if the shutter 906 is kept open, the atoms ejected by the sputtering of the target material TG reach the substrate W, and nitride crystals grow on the substrate W. As shown in FIG. At this time, the Fe pieces CP are sputtered at the same time as the target material TG, react with nitrogen contained in the mixed gas introduced into the chamber 901, and are incorporated into the thin film formed on the substrate W. FIG. Before forming a thin film on the substrate W, the surface of the substrate W and the surface of the target material TG may be cleaned by exposing the surface of the substrate W and the surface of the target material TG to plasma. By using this sputtering method, the composition of the thin film grown on the substrate W can be changed by changing the area, number, or arrangement of the individual CPs.

なお、本実施の形態では、高周波スパッタリング装置900を使用してスパッタリング法を行う例について説明したが、スパッタリング法を実施する手段はこれに限定されるものではない。例えば、マグネトロンスパッタリング装置、ECR(electron cyclotron resonance)スパッタリング装置或いはイオンビームスパッタリング装置を使用してもよい。 In this embodiment, an example of performing the sputtering method using the high-frequency sputtering apparatus 900 has been described, but means for performing the sputtering method is not limited to this. For example, a magnetron sputtering device, an ECR (electron cyclotron resonance) sputtering device, or an ion beam sputtering device may be used.

以上説明したように、本実施の形態に係る薄膜は、3d遷移金属TをTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成されている。そして、窒化物が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である。これにより、基板11上に薄膜12を成長させる場合において、基板11の種類に関わらず、基板11上に、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である薄膜を成長させることができる。つまり、基板11の種類または基板11の結晶状態に依存せずに無極性のウルツ鉱型結晶構造をとる薄膜12を実現できる。 As described above, the thin film according to the present embodiment has (Al 1-y Gay ) 1-x T x N (0≦x≦1, 0≦y It is made of a nitride represented by ≦1). The nitride has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis. As a result, when the thin film 12 is grown on the substrate 11, regardless of the type of the substrate 11, the substrate 11 has a wurtzite crystal structure and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis. Thin films that are axial can be grown. In other words, the thin film 12 having a nonpolar wurtzite crystal structure can be realized without depending on the type of the substrate 11 or the crystal state of the substrate 11 .

また、本実施の形態に係る基板11は、石英ガラス基板、金属板、サファイア基板、Si基板を含む、結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成された基板の中から選択される。これにより、薄膜付き基板1の作製に使用できる基板11の選択の余地が大きくなるので、その分、薄膜付き基板1の適用範囲が広がるという利点がある。 Further, the substrate 11 according to the present embodiment is selected from among substrates formed from crystalline or amorphous metals, semimetals, semiconductors or insulators, including quartz glass substrates, metal plates, sapphire substrates, and Si substrates. selected. As a result, there is more room for selection of the substrate 11 that can be used to fabricate the substrate 1 with the thin film, so there is an advantage that the range of application of the substrate 1 with the thin film is expanded accordingly.

(実施の形態2)
本実施の形態に係る半導体装置は、いわゆるLED(Light Emitting Diode)素子である。例えば図3に示すように、本実施の形態に係る半導体装置100は、基板11と、基板11上に成長した薄膜12と、クラッド層21、23と、発光層22と、電極31、32と、を備える。基板11としては、石英ガラス基板、多結晶金属板、サファイア基板、Si基板の中から選択される基板を採用することができる。なお、基板11としては、他の結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成されていてもよい。
(Embodiment 2)
The semiconductor device according to this embodiment is a so-called LED (Light Emitting Diode) element. For example, as shown in FIG. 3, a semiconductor device 100 according to this embodiment includes a substrate 11, a thin film 12 grown on the substrate 11, clad layers 21 and 23, a light emitting layer 22, and electrodes 31 and 32. , provided. As the substrate 11, a substrate selected from a quartz glass substrate, a polycrystalline metal plate, a sapphire substrate, and a Si substrate can be adopted. The substrate 11 may be made of other crystalline or amorphous metals, semimetals, semiconductors, or insulators.

薄膜12は、3d遷移金属TをTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される第1窒化物から形成されている。また、薄膜12は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、図3の矢印AR1で示す膜厚方向への優先配向軸が、実施の形態1で説明したa軸またはm軸となっている。即ち、薄膜12の厚さ方向における両側の結晶面が、ウルツ鉱型結晶構造におけるa面またはm面となっている。ここで、3d遷移金属としては、Fe、Co、Ni、Cuから選択される少なくとも1つであることが好ましく、特に、Feであることがより好ましい。また、3d遷移金属がFeである場合、前述の第1窒化物を(Al1-yGa1-xFeNと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.05<x≦0.261の範囲内である。 The thin film 12 is a first nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is the 3d transition metal T is formed from The thin film 12 has a wurtzite crystal structure, and the preferred orientation axis in the film thickness direction indicated by the arrow AR1 in FIG. 3 is the a-axis or the m-axis described in the first embodiment. That is, the crystal planes on both sides in the thickness direction of the thin film 12 are a-planes or m-planes in the wurtzite crystal structure. Here, the 3d transition metal is preferably at least one selected from Fe, Co, Ni, and Cu, and more preferably Fe. Further, when the 3d transition metal is Fe, when the above-mentioned first nitride is expressed as (Al1 - yGay ) 1-xFexN , y is within the range of 0 ≤ y ≤ 1.0 and x is in the range of 0.05<x≦0.261.

クラッド層21は、導電型がn型の窒化物から形成される。このn型の窒化物としては、例えばドナー不純物が添加されたIn(Al1-yGa1-zN(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物が採用される。ドナー不純物は、例えばSi、O、およびHから選択されてもよい。また、クラッド層21も、ウルツ鉱型結晶構造を有し、図3の矢印AR1で示す膜厚方向への優先配向軸が、実施の形態1で説明したa軸またはm軸となっている。クラッド層21には、電極31が配設されている。 Cladding layer 21 is made of a nitride of n-type conductivity. As the n-type nitride, for example, a nitride represented by In z (Al 1-y Ga y ) 1-z N (0≦y≦1, 0≦z≦1) doped with a donor impurity is used. Adopted. Donor impurities may be selected from Si, O, and H, for example. The clad layer 21 also has a wurtzite crystal structure, and the preferred orientation axis in the film thickness direction indicated by the arrow AR1 in FIG. 3 is the a-axis or the m-axis described in the first embodiment. An electrode 31 is provided on the clad layer 21 .

発光層22は、薄膜12の上方における、クラッド層21上に形成されている。発光層22は、例えばIn(Al1-yGa1-zN(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される複数の第2窒化物から形成された半導体層が積層されてなる多重量子井戸構造を有する。発光層22を構成する各半導体層も、ウルツ鉱型結晶構造を有し、図3の矢印AR1で示す各半導体層の膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸となっている。 A light-emitting layer 22 is formed on the clad layer 21 above the thin film 12 . The light emitting layer 22 is a semiconductor layer formed of a plurality of second nitrides represented by, for example, In z (Al 1-y Ga y ) 1-z N (0≦y≦1, 0≦z≦1). It has a stacked multiple quantum well structure. Each semiconductor layer forming the light-emitting layer 22 also has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction of each semiconductor layer indicated by the arrow AR1 in FIG. 3 is the a-axis or the m-axis.

クラッド層23は、導電型がp型の窒化物から形成される。このn型の窒化物としては、例えばアクセプタ不純物が添加されたIn(Al1-yGa1-zN(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物が採用される。アクセプタ不純物は、例えばMg、Ca、およびCから選択されてもよい。また、クラッド層23も、ウルツ鉱型結晶構造を有し、図3の矢印AR1で示す膜厚方向への優先配向軸が、実施の形態1で説明したa軸またはm軸となっている。クラッド層23には、電極32が配設されている。なお、本実施の形態では、クラッド層21の導電型がn型であり、クラッド層23の導電型がp型である場合について説明したが、これに限らず、例えばクラッド層21の導電型がp型であり、クラッド層23の導電型がn型であってもよい。 The cladding layer 23 is made of a p-type nitride. As the n-type nitride, for example, a nitride represented by In z (Al 1-y Ga y ) 1-z N (0≦y≦1, 0≦z≦1) doped with an acceptor impurity is used. Adopted. Acceptor impurities may be selected from Mg, Ca, and C, for example. The clad layer 23 also has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction indicated by the arrow AR1 in FIG. 3 is the a-axis or m-axis described in the first embodiment. An electrode 32 is provided on the clad layer 23 . In this embodiment, the case where the conductivity type of the cladding layer 21 is the n-type and the conductivity type of the cladding layer 23 is the p-type has been described. It may be p-type and the conductivity type of the cladding layer 23 may be n-type.

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置100では、薄膜12が、3d遷移金属TをTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成されている。そして、窒化物が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である。これにより、薄膜12上に、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸である半導体層を成長させることができる。従って、膜厚方向への優先配向軸が電気的に無極性であるa軸またはm軸の複数の半導体層を積層することにより発光層22を形成することができるので、発光層22に生じる内部電界の大きさが低減される。これにより、発光層22内に存在する電子と正孔との再結合効率を向上させることができる。また、LEDの発光層22における、c面に比べて光の取り出し効率が高いm面またはa面になるため、その分、発光層22からの光の取り出し効率を高まるという利点もある。 As described above, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, the thin film 12 has (Al 1-y Gay ) 1-x T x N (0≦x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1). The nitride has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis. As a result, a semiconductor layer having a wurtzite crystal structure and a preferential orientation axis in the film thickness direction being the a-axis or the m-axis can be grown on the thin film 12 . Therefore, the light-emitting layer 22 can be formed by laminating a plurality of semiconductor layers having electrically non-polar a-axis or m-axis preferential orientation axes in the film thickness direction. The electric field magnitude is reduced. Thereby, the recombination efficiency of electrons and holes present in the light-emitting layer 22 can be improved. In addition, since the m-plane or a-plane in the light-emitting layer 22 of the LED has higher light extraction efficiency than the c-plane, there is an advantage that the efficiency of light extraction from the light-emitting layer 22 is increased accordingly.

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の各実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、実施の形態1において、薄膜12が、分子線エピタキシ法(MBE法)により作製されてもよい。この場合、含窒素原子ガスを真空雰囲気のチャンバ内へ導入し、含窒素原子ガスをチャンバ内に配置された基板表面或いはその近傍で光分解または熱分解させながら、基板表面に、Gaの分子線と3d遷移金属の分子線とを照射することにより、薄膜12を成長させる。ここで、含窒素原子ガスとしては、窒素分子(N2)、アンモニア(NH3)等が採用される。また、含窒素原子ガスを分解して窒素原子を得る方法は特に限定されない。例えば、プラズマ銃を利用して窒素分子へ高周波エネルギを与えることにより窒素分子を分解する方法を採用してもよい。このとき、Al、Gaおよび3d遷移金属の分子線セルのセル温度を上下させて基板表面への3d遷移金属の供給量を変化させることにより、前述の窒化物の組成を変更することができる。 Although each embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the configuration of each of the above-described embodiments. For example, in Embodiment 1, the thin film 12 may be produced by a molecular beam epitaxy method (MBE method). In this case, a nitrogen-containing atomic gas is introduced into a chamber in a vacuum atmosphere, and while the nitrogen-containing atomic gas is photolyzed or thermally decomposed on or near the surface of a substrate placed in the chamber, molecular beams of Ga are emitted onto the substrate surface. and the molecular beam of the 3d transition metal, the thin film 12 is grown. Here, nitrogen molecules (N2), ammonia (NH3), etc. are employed as the nitrogen-containing atomic gas. Also, the method of decomposing the nitrogen-containing atomic gas to obtain nitrogen atoms is not particularly limited. For example, a method of decomposing nitrogen molecules by applying high-frequency energy to the nitrogen molecules using a plasma gun may be employed. At this time, the composition of the nitride can be changed by changing the supply amount of the 3d transition metal to the substrate surface by increasing or decreasing the cell temperature of the Al, Ga and 3d transition metal molecular beam cell.

以上、本発明の各実施の形態および変形例(なお書きに記載したものを含む。以下、同
様。)について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施
の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
Although the embodiments and modifications of the present invention (including those described in the notes, the same applies hereinafter) have been described above, the present invention is not limited to these. The present invention includes appropriate combinations of the embodiments and modifications, and appropriate modifications thereof.

本発明に係る薄膜および薄膜の製造方法について、実施例に基づいて説明する。 A thin film and a method for manufacturing a thin film according to the present invention will be described based on examples.

図2に示す高周波スパッタリング装置900を使用して、実施例および比較例に係るAl1-xFeN(0≦x≦1)の薄膜を作製し、作製した薄膜について特性を評価した。薄膜の成膜時において、Arと窒素との混合ガスをチャンバ901内へ導入した。ターゲット材TGとしては、AlNの焼結体(純度99%:フルウチ化学株式会社製)を採用した。そして、ターゲット材TGの上に、Feから形成された個片CP(純度99.9%:フルウチ化学株式会社製)を載置した。基板Wとしては、石英ガラス基板とサファイア基板とを採用した。まず、シャッタ906を閉じた状態でチャンバ901内に残留する空気を排出してから、ヒータ903により基板Wの温度を300℃まで上昇させた。次に、Arと窒素との混合ガスをチャンバ901内へ導入した。混合ガスにおけるArに対する窒素の分圧比を、0.5とし、チャンバ901の内圧を0.65Paとした。続いて、高周波電源RFからチャンバ901内へ高周波電力を供給することにより、チャンバ901内にプラズマを発生させた。このときの高周波電力は、200Wに設定した。その後、シャッタ906を開状態にして基板W上に薄膜を成長させた。薄膜の成長速度は、0.5μm/hrであった。 A high-frequency sputtering apparatus 900 shown in FIG. 2 was used to fabricate Al 1-x Fe x N (0≦x≦1) thin films according to Examples and Comparative Examples, and the properties of the fabricated thin films were evaluated. A mixed gas of Ar and nitrogen was introduced into the chamber 901 when the thin film was formed. As the target material TG, a sintered body of AlN (99% purity: manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) was used. Then, individual pieces CP made of Fe (99.9% purity: manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) were placed on the target material TG. As the substrate W, a quartz glass substrate and a sapphire substrate were used. First, the air remaining in the chamber 901 was discharged with the shutter 906 closed, and then the temperature of the substrate W was raised to 300° C. by the heater 903 . Next, a mixed gas of Ar and nitrogen was introduced into the chamber 901 . The partial pressure ratio of nitrogen to Ar in the mixed gas was set to 0.5, and the internal pressure of the chamber 901 was set to 0.65Pa. Subsequently, plasma was generated in the chamber 901 by supplying high frequency power from the high frequency power supply RF into the chamber 901 . The high frequency power at this time was set to 200W. After that, the thin film was grown on the substrate W with the shutter 906 opened. The thin film growth rate was 0.5 μm/hr.

前述の薄膜の製造方法において、基板Wを石英ガラス基板としてターゲット材TG上に載置するFeから形成された個片CPの量を変更しながら薄膜を作製することにより、実施例1乃至10、比較例1乃至7に係る17種類の薄膜を作製した。実施例1乃至10、比較例1乃至7に係る薄膜は、薄膜中のFeの濃度が互いに異なっている。実施例1乃至10、比較例1乃至7に係る薄膜それぞれにおけるFeの濃度は、表1に示す通りである。なお、比較例1に係る薄膜は、ターゲット材TG上にFeから形成された個片CPを載置しない状態で前述の薄膜の製造方法を実施することにより作製されたものである。 In the method for producing a thin film described above, the substrate W is a quartz glass substrate and the thin film is produced while changing the amount of the individual pieces CP formed of Fe placed on the target material TG. Seventeen kinds of thin films according to Comparative Examples 1 to 7 were produced. The thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7 have different Fe concentrations in the thin films. Table 1 shows the concentration of Fe in each of the thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7. The thin film according to Comparative Example 1 was produced by carrying out the above-described method for producing a thin film without placing individual pieces CP made of Fe on the target material TG.

Figure 0007290217000001
Figure 0007290217000001

次に、実施例1乃至10並びに比較例1乃至7に係る薄膜それぞれについて、X線回折法(XRD法)により測定されたプロファイルを図4に示す。図4に示すように、比較例1乃至5、即ち、Feの濃度が5%未満の薄膜の場合、(0002)面、即ち、ウルツ鉱型結晶構造のc面に対応する回折角度(36°近傍)に鋭いピークが観測された。このことから、Feの濃度が5%未満の薄膜は、その膜厚方向の優先配向軸がc軸であることが判った。一方、実施例1乃至10、即ち、Feの濃度が8.1%以上26.1%以下の薄膜の場合、(11-20)面、即ち、ウルツ鉱型結晶構造のa面に対応する回折角度(58°近傍)に鋭いピークが観測された。このことから、Feの濃度が8.1%以上26.1%以下の薄膜は、その膜厚方向の優先配向軸がa軸であることが判った。特に、実施例3乃至9に係る薄膜の場合、即ち、薄膜中のFeの濃度が10.2%超24.8%以下の場合、(11-20)面に対応する回折角度のピーク値が大きくなった。そして、実施例7、即ち、薄膜中のFeの濃度が19.4%の場合、(11-20)面に対応する回折角度のピーク値が最も大きくなった。なお、比較例6、即ち、Feの濃度が7%近である薄膜の場合、(0002)面および(11-20)面に対応する回折角度のピークが弱くなりほとんど観測されなくなった。また、比較例7、即ち、Feの濃度が30.7%の薄膜の場合、(0002)面および(11-20)面に対応する回折角度のピークが観測されなかった。 Next, FIG. 4 shows profiles measured by an X-ray diffraction method (XRD method) for each of the thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7. FIG. As shown in FIG. 4, in the case of Comparative Examples 1 to 5, that is, in the case of thin films with a Fe concentration of less than 5%, the (0002) plane, that is, the diffraction angle (36° A sharp peak was observed in the vicinity). From this, it was found that the preferential orientation axis in the thickness direction of the thin film with an Fe concentration of less than 5% is the c-axis. On the other hand, in the case of Examples 1 to 10, that is, the thin films having an Fe concentration of 8.1% or more and 26.1% or less, the (11-20) plane, that is, the diffraction corresponding to the a-plane of the wurtzite crystal structure A sharp peak was observed at an angle (near 58°). From this, it was found that the preferential orientation axis in the thickness direction of the thin film with the Fe concentration of 8.1% or more and 26.1% or less was the a-axis. In particular, in the case of the thin films according to Examples 3 to 9, that is, when the Fe concentration in the thin film is more than 10.2% and 24.8% or less, the peak value of the diffraction angle corresponding to the (11-20) plane is got bigger. In Example 7, that is, when the Fe concentration in the thin film was 19.4%, the peak value of the diffraction angle corresponding to the (11-20) plane was the largest. In Comparative Example 6, that is, in the case of a thin film having an Fe concentration of about 7%, the diffraction angle peaks corresponding to the (0002) plane and the (11-20) plane were weak and hardly observed. In Comparative Example 7, that is, in the case of the thin film having an Fe concentration of 30.7%, no diffraction angle peaks corresponding to the (0002) plane and the (11-20) plane were observed.

次に、実施例1乃至10並びに比較例1乃至7に係る薄膜それぞれについて、結晶の配向度合いを示す指標値を算出した結果を図5に示す。配向度合いを示す指標値は、図4に示すプロファイルから、下記式(1)の関係式を用いて算出した。

Figure 0007290217000002
ここで、Iexp.(hkil)は、図4に示すプロファイルから得られる(hkil)面に対応するピークの強度を示し、IPDF(hkil)は、特定の配向を持たないAlN結晶の試料(たとえば多結晶非配向膜)についてXRD法により測定を行った場合の(hkil)面に対応するピークの強度、或いは、AlNの多結晶非配向膜を想定したときの理論ピーク強度を示す。 Next, FIG. 5 shows the results of calculating index values indicating the degree of crystal orientation for the thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7, respectively. The index value indicating the degree of orientation was calculated from the profile shown in FIG. 4 using the following relational expression (1).
Figure 0007290217000002
Here, I exp. (hkil) indicates the intensity of the peak corresponding to the (hkil) plane obtained from the profile shown in FIG . ) is measured by the XRD method, or the peak intensity corresponding to the (hkil) plane, or the theoretical peak intensity assuming a polycrystalline non-oriented film of AlN.

図5に示すように、薄膜中のFeの濃度が5%未満の場合、[0001]方向、即ち、c軸方向への配向度合いを示す指標値が「1」となっている。このことからも、Feの濃度が5%未満の薄膜は、その膜厚方向への優先配向軸がc軸であることが判った。また、図5の[0001]方向および[11-20]方向それぞれに対応する指標値の大きさのFe濃度依存性から、薄膜中のFeの濃度が5%乃至10%の範囲内において、薄膜の膜厚方向への優先配向軸がc軸からa軸へ切り替わることも判った。更に、薄膜中のFeの濃度が8.1%の場合、[10-10]方向、[10-11]方向、[10-12]方向それぞれに対応する指標値が「0.15」以下で同レベルであるのに対して、[11-20]方向、即ち、a軸方向に対応する指標値が「0.6」を超えている。そして、薄膜中のFeの濃度が19.6%の場合、[10-10]方向、[10-11]方向、[10-12]方向それぞれに対応する指標値が「0.1」未満であるのに対して、[11-20]方向、即ち、a軸方向に対応する指標値が1に極めて近くなっている。即ち、薄膜中のFeの濃度が19.6%の場合、最もa軸方向への配向度合いが高いことが判った。 As shown in FIG. 5, when the Fe concentration in the thin film is less than 5%, the index value indicating the degree of orientation in the [0001] direction, that is, in the c-axis direction is "1". From this, it was found that the preferential orientation axis in the thickness direction of the thin film with the Fe concentration of less than 5% was the c-axis. In addition, from the Fe concentration dependence of the magnitude of the index value corresponding to each of the [0001] direction and the [11-20] direction in FIG. It was also found that the preferential orientation axis in the film thickness direction of was switched from the c-axis to the a-axis. Furthermore, when the Fe concentration in the thin film is 8.1%, the index value corresponding to each of the [10-10] direction, [10-11] direction, and [10-12] direction is "0.15" or less. While the levels are the same, the index value corresponding to the [11-20] direction, that is, the a-axis direction exceeds "0.6". When the Fe concentration in the thin film is 19.6%, the index values corresponding to each of the [10-10] direction, [10-11] direction, and [10-12] direction are less than "0.1". On the other hand, the index value corresponding to the [11-20] direction, that is, the a-axis direction, is extremely close to 1. That is, when the concentration of Fe in the thin film was 19.6%, it was found that the degree of orientation in the a-axis direction was the highest.

次に、実施例1乃至10並びに比較例1乃至7に係る薄膜それぞれについて、(0002)面における薄膜の格子定数と(0002)面に対応するピークの半値全幅とを算出した結果を図6(A)に示す。図6(A)に示すように、Feの濃度が高くなるほど、(0002)面における薄膜の格子定数と(0002)面に対応するピークの半値全幅とが共に大きくなることが判った。また、実施例1乃至10並びに比較例1乃至7に係る薄膜それぞれについて、(11-20)面における薄膜の格子定数と(11-20)面に対応するピークの半値全幅とを算出した結果を図6(B)に示す。図6(A)に示すように、Feの濃度が高くなるほど、(11-20)面における薄膜の格子定数が大きくなるのに対し、(11-20)面に対応するピークの半値全幅が減少することが判った。この結果は、Feイオンのイオン半径は、Alイオンのイオン半径よりも大きいため、Feの濃度が増加し、AlからFeへの置換量が増加するにつれて格子定数が増加していることを示していると考察される。また、図6(A)に示す半値全幅の変化は、Feの濃度が増加するにつれて薄膜中のc軸に配向した単結晶のグレインのサイズが減少していることを示し、図6(B)に示す半値全幅の変化は、Feの濃度が増加するにつれて薄膜中のa軸に配向した単結晶のグレインのサイズが増大していることを示していると考察できる。 Next, for each of the thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7, the results of calculating the lattice constant of the thin film in the (0002) plane and the full width at half maximum of the peak corresponding to the (0002) plane are shown in FIG. A). As shown in FIG. 6A, as the Fe concentration increases, both the lattice constant of the thin film in the (0002) plane and the full width at half maximum of the peak corresponding to the (0002) plane increase. Further, for each of the thin films according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7, the results of calculating the lattice constant of the thin film in the (11-20) plane and the full width at half maximum of the peak corresponding to the (11-20) plane are shown. It is shown in FIG. As shown in FIG. 6A, as the Fe concentration increases, the lattice constant of the thin film in the (11-20) plane increases, while the full width at half maximum of the peak corresponding to the (11-20) plane decreases. found to do. This result indicates that the ionic radius of Fe ions is larger than the ionic radius of Al ions, so the lattice constant increases as the concentration of Fe increases and the amount of substitution from Al to Fe increases. It is considered that there are The change in the full width at half maximum shown in FIG. 6A indicates that the grain size of the c-axis oriented single crystal in the thin film decreases as the Fe concentration increases, and FIG. It can be considered that the change in the full width at half maximum shown in (1) indicates that the grain size of the a-axis oriented single crystal in the thin film increases as the Fe concentration increases.

また、石英ガラス基板上に形成した実施例11に係る薄膜と、サファイア基板の(0001)面に形成した実施例12に係る薄膜について、X線回折法(XRD法)により測定されたプロファイルを図7に示す。ここで、実施例11、実施例12に係る薄膜のFeの濃度は、いずれも14.5%とした。その他の成膜条件は、実施例1乃至10の場合と同様である。 In addition, the thin film according to Example 11 formed on the quartz glass substrate and the thin film according to Example 12 formed on the (0001) plane of the sapphire substrate are shown in FIG. 7. Here, the Fe concentrations of the thin films according to Examples 11 and 12 were both set to 14.5%. Other film forming conditions are the same as in Examples 1-10.

図7に示すように、実施例11、12のいずれにおいても回折角度58°付近に、a面に対応するピークが観測された。なお、実施例12に係る薄膜の場合、サファイア基板の(0002)面に対応するピークが回折角度40°近傍に観察されている。このことから、薄膜は、その土台となる基板における薄膜を成長させる面が、(0001)面、即ち、c面或いはアモルファス構造を有する面であっても、膜厚方向への優先配向軸がa軸となることが判った。 As shown in FIG. 7, in both Examples 11 and 12, a peak corresponding to the a-plane was observed near the diffraction angle of 58°. In the case of the thin film according to Example 12, a peak corresponding to the (0002) plane of the sapphire substrate is observed near the diffraction angle of 40°. From this fact, even if the surface of the substrate on which the thin film is grown is the (0001) plane, that is, the c-plane or a plane having an amorphous structure, the thin film has a preferential orientation axis in the film thickness direction of a turned out to be the axis

本発明の薄膜は、LED発光素子、トランジスタ或いは表面弾性波フィルタに用いられる材料として好適である。 The thin film of the present invention is suitable as a material for use in LED light emitting devices, transistors, or surface acoustic wave filters.

1:薄膜付き基板、11:基板、12:薄膜、21、23:クラッド層、22:発光層、31,32:電極、100:半導体装置、900:高周波スパッタリング装置、901:チャンバ、902:マッチング部、903:ヒータ、904、905:ホルダ、906:シャッタ、911:供給ポート、912:排気ポート、941、951:冷却機構、941a,951a:流路、CP:個片、TG:ターゲット材、W:基板 1: Substrate with thin film, 11: Substrate, 12: Thin film, 21, 23: Cladding layer, 22: Light emitting layer, 31, 32: Electrode, 100: Semiconductor device, 900: High frequency sputtering device, 901: Chamber, 902: Matching Part 903: Heater 904, 905: Holder 906: Shutter 911: Supply port 912: Exhaust port 941, 951: Cooling mechanism 941a, 951a: Flow path CP: Individual piece TG: Target material W: Substrate

Claims (9)

3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成された薄膜であって、
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
薄膜。
A thin film formed of a nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is a 3d transition metal. hand,
The nitride has a wurtzite crystal structure and a preferred orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the nitride is expressed as (Al1 -yGay ) 1 - xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0 and x is 0.081<x≤0.261 . is in range ,
Thin film.
3d遷移金属をTとしたときに、(Al When the 3d transition metal is T, (Al 1-y1-y GaGa y ) 1-x1-x T. x N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成された薄膜であって、A thin film formed of a nitride represented by N (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1),
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸である、 The nitride has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis.
薄膜。 Thin film.
前記3d遷移金属は、Fe、Co、Ni、Cuから選択される少なくとも1つである、
請求項記載の薄膜。
The 3d transition metal is at least one selected from Fe, Co, Ni, and Cu.
The thin film of claim 2 .
基板と、
3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成され、前記基板上に設けられた薄膜と、を備え、
前記基板は、結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成され、
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
薄膜付き基板。
a substrate;
It is formed from a nitride represented by (Al1 - yGay ) 1- xTxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is a 3d transition metal, and is formed on the substrate a thin film provided in
The substrate is formed of a crystalline or amorphous metal, semimetal, semiconductor or insulator,
The nitride has a wurtzite crystal structure and a preferred orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the nitride is expressed as (Al1 -yGay ) 1 - xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0 and x is 0.081<x≤0.261 . is in range ,
Substrate with thin film.
基板と、 a substrate;
3d遷移金属をTとしたときに、(Al When the 3d transition metal is T, (Al 1-y1-y GaGa y ) 1-x1-x T. x N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化物から形成され、前記基板上に設けられた薄膜と、を備え、a thin film formed of a nitride represented by N (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) and provided on the substrate;
前記基板は、結晶状またはアモルファス状の金属、半金属、半導体または絶縁体から形成され、 The substrate is formed of a crystalline or amorphous metal, semimetal, semiconductor or insulator,
前記窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸である、 The nitride has a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis.
薄膜付き基板。 Substrate with thin film.
前記3d遷移金属は、Fe、Co、Ni、Cuから選択される少なくとも1つである、 The 3d transition metal is at least one selected from Fe, Co, Ni, and Cu.
請求項5記載の薄膜付き基板。 A substrate with a thin film according to claim 5.
基板と、
前記基板上に、3d遷移金属をTとしたときに、(Al1-yGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される第1窒化物から形成された薄膜と、
前記薄膜の上方に、In(Al1-yGa1-zN(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される第2窒化物から形成された多重量子井戸構造を有する発光層と、を備え、
前記第1窒化物および前記第2窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸またはm軸であり、
前記3d遷移金属は、Feであり、
前記第1窒化物を(Al 1-y Ga 1-x Fe Nと表したとき、yが0≦y≦1.0の範囲内であり、xが0.081<x≦0.261の範囲内である
半導体装置。
a substrate;
On the substrate, a first nitride represented by (Al1 - yGay ) 1-xTxN ( 0≤x≤1, 0≤y≤1) where T is the 3d transition metal a thin film formed from
a multiple quantum well structure formed from a second nitride represented by In z (Al 1-y Ga y ) 1-z N (0≦y≦1, 0≦z≦1) above the thin film; and a light-emitting layer having
The first nitride and the second nitride have a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis or the m-axis,
the 3d transition metal is Fe,
When the first nitride is expressed as (Al1 -yGay)1-xFexN , y is within the range of 0≤y≤1.0, and x is 0.081<x≤0. 261 within the range of
semiconductor device.
基板と、 a substrate;
前記基板上に、3d遷移金属をTとしたときに、(Al On the substrate, when the 3d transition metal is T, (Al 1-y1-y GaGa y ) 1-x1-x T. x N(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される第1窒化物から形成された薄膜と、a thin film formed of a first nitride represented by N (0≤x≤1, 0≤y≤1);
前記薄膜の上方に、In Above the thin film, In z (Al(Al 1-y1-y GaGa y ) 1-z1-z N(0≦y≦1、0≦z≦1)で表される第2窒化物から形成された多重量子井戸構造を有する発光層と、を備え、a light-emitting layer having a multiple quantum well structure formed from a second nitride represented by N (0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1);
前記第1窒化物および前記第2窒化物は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、膜厚方向への優先配向軸がa軸である、 The first nitride and the second nitride have a wurtzite crystal structure, and the preferential orientation axis in the film thickness direction is the a-axis.
半導体装置。 semiconductor device.
前記3d遷移金属は、Fe、Co、Ni、Cuから選択される少なくとも1つである、
請求項記載の半導体装置。
The 3d transition metal is at least one selected from Fe, Co, Ni, and Cu.
9. The semiconductor device according to claim 8 .
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