JPH10125608A - Compound-semiconductor epitaxial wafer - Google Patents

Compound-semiconductor epitaxial wafer

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JPH10125608A
JPH10125608A JP28252496A JP28252496A JPH10125608A JP H10125608 A JPH10125608 A JP H10125608A JP 28252496 A JP28252496 A JP 28252496A JP 28252496 A JP28252496 A JP 28252496A JP H10125608 A JPH10125608 A JP H10125608A
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buffer layer
layer
single crystal
growth
temperature
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a III group nitride growing layer which exhibits a good crystallizability and good surface conditions which lead to the uniformity of device properties in a compound-semiconductor epitaxial wafer, comprised of the III group nitride layer which is grown on a buffer layer. SOLUTION: A compound-semiconductor epitaxial wafer is comprises of a buffer layer 102, made of III group nitride semiconductor laminated ion the surface of a crystal substrate and an epitaxial layer made of III group nitride semiconductor which is laminated on the buffer layer 102. In this case, the buffer layer 102 is made of a group 113 of single crystal particles which are in the state of as-grown, adhered to each other on their winding sides, and whose tops 115 are approximately flay or curved. The single crystal particles also adhere to reach other with an angle made by laminating directions of the single crystal surface (orientation), equal to or less than 30 deg..

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、III 族窒化物半導
体からなるエピタキシャル層を有する化合物半導体エピ
タキシャルウエハに係わり、特に、III 族窒化物半導体
の単結晶粒の集合体からなるバッファ層を具備する化合
物半導体エピタキシャルウエハに関する。
The present invention relates to a compound semiconductor epitaxial wafer having an epitaxial layer made of a group III nitride semiconductor, and more particularly to a compound semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer made of an aggregate of single crystal grains of a group III nitride semiconductor. The present invention relates to a compound semiconductor epitaxial wafer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、青色LEDに用いられるIII 族窒
化物半導体のエピタキシャル層を有する化合物半導体エ
ピタキシャルウエハにおいては、サファイア(α−Al
23単結晶)基板上にAlX GaY In1-X-Y N(但
し、0≦X+Y≦1、0≦X≦1、0≦Y≦l)からな
るエピタキシャル層を形成するに際し、サファイア基板
上にAla Ga1-a N(0≦a≦1)からなるバッファ
層(緩衝層)を設けるのが一般的であった(特開平2−
229476号公報参照)。基板とするサファイアとII
I 族窒化物半導体のエピタキシャル層とは格子不整合の
関係にあるため(「日本結晶成長学会誌」、Vol.1
(1988)、334頁参照)、該バッファ層は、基
板とエピタキシャル層との格子不整合を緩和することを
主たる目的として設けられるものである。換言すれば、
該バッファ層は、サファイア基板上に格子不整合系のII
I 族窒化物半導体エピタキシャル層を形成するにあたっ
て、格子不整合に起因するエピタキシャル層の表面状態
或いは結晶品質の劣化を低減する等、結晶学的に重要な
役目を担うものとなっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a compound semiconductor epitaxial wafer having an epitaxial layer of a group III nitride semiconductor used for a blue LED, sapphire (α-Al
2 O 3 single crystal) Al on the substrate X Ga Y In 1-XY N ( provided that when forming an epitaxial layer consisting of 0 ≦ X + Y ≦ 1,0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ l), a sapphire substrate In general, a buffer layer (buffer layer) made of Al a Ga 1-a N (0 ≦ a ≦ 1) is provided thereon (Japanese Unexamined Patent Publication No.
229476). Sapphire as substrate and II
Since there is a lattice mismatch with the epitaxial layer of the group I nitride semiconductor (“Journal of the Japan Society for Crystal Growth”, Vol. 1).
5 (1988), p. 334), the buffer layer is provided mainly for the purpose of reducing lattice mismatch between the substrate and the epitaxial layer. In other words,
The buffer layer is formed on a sapphire substrate by a lattice-mismatch type II.
In forming a Group I nitride semiconductor epitaxial layer, it plays an important role crystallographically, such as reducing deterioration of the surface state or crystal quality of the epitaxial layer due to lattice mismatch.

【0003】従来から、バッファ層が具備すべき結晶形
態に関しては「非晶質」である必要性が提示されてきた
(「日本結晶成長学会誌」、Vol.15、No.3&
4、74〜82頁)。さらに「非晶質」膜と云えども、
その内部に例えば単結晶粒が混在している膜が好ましい
バッファ層であるとされてきた(特開平2−22947
6号公報参照)。図1は従来より好ましいとされてきた
構成を有するバッファ層の断面模式図の一例である。従
来のバッファ層(102)の構成主体は、あくまでも非
晶質体(104)であり、単結晶粒(105)はその中
に疎らに散在しているものである。従来の非晶質からな
るバッファ層は、基板表面が単結晶粒で充分に被覆され
る程、多量の単結晶粒が非晶質膜内に混在しているもの
ではなかった。
Hitherto, it has been proposed that the crystal form to be provided in the buffer layer must be “amorphous” (“Journal of the Japan Society for Crystal Growth”, Vol. 15 , No. 3 & No. 3) .
4, 74-82). Furthermore, even though it is an "amorphous" film,
For example, a film in which single crystal grains are mixed therein has been regarded as a preferable buffer layer (Japanese Patent Laid-Open No. 22947/1990).
No. 6). FIG. 1 is an example of a schematic cross-sectional view of a buffer layer having a configuration that has been considered preferable in the related art. The main constituent of the conventional buffer layer (102) is an amorphous body (104), and single crystal grains (105) are sparsely scattered therein. The conventional amorphous buffer layer does not have a large amount of single crystal grains mixed in the amorphous film so that the substrate surface is sufficiently covered with the single crystal grains.

【0004】非晶質バッファ層は、AlX GaY In
1-X-Y N(0≦X+Y≦1、0≦X≦1、0≦Y≦l)
からなる活性層等の素子特性の顕現を担う機能層の形成
が概ね1000℃程度或いはそれ以上の高温で行われる
のに対し、それよりも低温で成膜されている。例えば、
非晶質からなるバッファ層を成長させるための温度とし
て、従来から200℃若しくは400℃から900℃
(特開平4−297023号、特開平2−229476
号及び特開平7−3121350号公報参照)或いは4
00℃から800℃(特開平6−151962号公報参
照)の範囲が開示されている。最近では、もっぱら50
0℃前後という従来から開示されている温度範囲に於い
て比較的低い温度がバッファ層の成長温度として採用さ
れている(アプライド フィジクス レターズ(App
l.Phys.Lett.,68、No.20(199
6)、2867〜2869頁)。また、従来の非晶質バ
ッファ層の層厚は概ね、10nm〜50nmと薄く設定
されている(特開平2−229476号公報参照)。
[0004] The amorphous buffer layer is made of Al x Ga Y In.
1-XY N (0 ≦ X + Y ≦ 1, 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ l)
The formation of a functional layer, such as an active layer, which contributes to the manifestation of device characteristics is performed at a high temperature of about 1000 ° C. or higher, whereas the film is formed at a lower temperature. For example,
Conventionally, a temperature for growing a buffer layer made of amorphous is 200 ° C. or 400 ° C. to 900 ° C.
(Japanese Unexamined Patent Publication Nos.
Or JP-A-7-3121350) or 4
A range from 00 ° C to 800 ° C (see JP-A-6-151962) is disclosed. These days, only 50
A relatively low temperature in the conventionally disclosed temperature range of around 0 ° C. is adopted as the growth temperature of the buffer layer (Applied Physics Letters (App)
l. Phys. Lett. , 68 , no. 20 (199
6), pages 2867-2869). Further, the thickness of the conventional amorphous buffer layer is set to be as thin as about 10 nm to 50 nm (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-229476).

【0005】上記の如く構成される従来の非晶質のバッ
ファ層とサファイア等の結晶基板との界面に於ける接合
状況を見ると、結晶基板(図1の(101)参照)の表
面(図1の(103)参照)は、大部分が非晶質体(図
1の(104)参照)で被覆されているものである。こ
の様に基板表面が非晶質体被膜により理想的に充分に被
覆されていればこそ、その被膜(バッファ層)が下地層
となり、高温で成長される成長層の2次元的な(平面的
な)成長が促進されると考えられてきた。低温バッファ
層上に高温でIII 族窒化物半導体層を成膜する場合に従
来より想像されている成長の模様を図2に模式的に示
す。非晶質膜内に散在する単結晶粒(105)を成長核
として発生した成長島(106)は、基板(101)を
覆う非晶質被膜を下地として2次元的(平面的に)に成
長する。成長が進行するに従い、上部がほぼ平坦な成長
島(106)は隣接する成長島(106)と相互に接合
して、やがて層状となる。図3は基板(101)を被覆
する非晶質膜が高温での成膜時に於いてもくまなく残存
し、下地層として作用することにより成長島相互の接合
が進行して、表面が平坦な層となる理想的な過程を模式
的に示したものである。
Looking at the bonding condition at the interface between the conventional amorphous buffer layer configured as described above and a crystal substrate such as sapphire, the surface of the crystal substrate (see (101) in FIG. 1) can be seen. 1 (103)) is mostly covered with an amorphous body (see (104) in FIG. 1). Only when the substrate surface is ideally and sufficiently covered with the amorphous film as described above, the film (buffer layer) becomes the underlayer, and the two-dimensional (planar) surface of the growth layer grown at a high temperature is formed. Na) Growth has been thought to be promoted. FIG. 2 schematically shows a growth pattern conventionally imagined when a group III nitride semiconductor layer is formed at a high temperature on a low temperature buffer layer. The growth island (106) generated by using the single crystal grains (105) scattered in the amorphous film as growth nuclei grows two-dimensionally (in a planar manner) using the amorphous film covering the substrate (101) as a base. I do. As the growth progresses, the growth island (106) having a substantially flat upper portion is mutually connected to the adjacent growth island (106), and eventually becomes a layer. FIG. 3 shows that the amorphous film covering the substrate (101) remains throughout even at the time of film formation at a high temperature and acts as an underlayer, whereby the bonding between the growing islands progresses and the surface becomes flat. FIG. 3 schematically shows an ideal process for forming a layer.

【0006】ところが実際は、非晶質のバッファ層上へ
高温でIII 族窒化物半導体層を成膜するために、非晶質
バッファ層を高温の成膜環境下に曝した場合に、バッフ
ァ層を構成する非晶質体は昇華等により消失してしま
う。高温成膜環境への移行する際のバッファ層の状態の
変化を図4に模式的に示す。非晶質体が昇華等により消
失した領域(108)では結晶基板(101)の表面が
露呈する。僅かに残存した非晶質体(104)の一部は
結晶化した粒体(109)となる場合もある。単結晶粒
(105)の多くはそのまま残存して成長核を提供す
る。非晶質からなるバッファ層の消失により基板表面が
露呈した領域が存在する場合の、高温での成膜時に於け
る成長島の発生、成長の模様を図5を基に説明する。単
結晶粒(105)を核として成長する成長島(106)
は、結晶基板が露呈している領域(108)では、単結
晶粒が存在せず、成長核がないため成長島の発達度合い
がそもそも小さい。この領域(108)ではまた、非晶
質体が存在しないため、成長島の横方向への2次元的な
成長が起こり難く、成長島は相互に接続して連続膜をも
たらすに充分な程、横方向には拡張しない。むしろ、成
長島(106)は縦(鉛直)方向に柱状に成長する傾向
を示す。即ち、縦方向の成長速度が横方向に比べて速く
なり、柱状結晶の成長が促進される。縦方向とは、サフ
ァイアC面上のGaNからなる成長島の場合、GaNの
結晶格子のc軸方向であり、横方向とはその結晶格子の
a軸方向である。一方、たまたま都合良く下地層が残存
した領域では、単結晶粒(105)を核として発生した
成長島(106)は2次元的な成長の様態を示して横方
向に成長する。即ち、横方向の成長速度が縦方向に比べ
て大きくなる。横方向の成長速度が大であると成長島の
底面(基板との接触面)は拡張され、相互に接合する機
会が増すため、都合良くバッファ層が残存した領域で
は、表面が平坦で連続性のある層が形成され易い。
However, in practice, in order to form a group III nitride semiconductor layer on an amorphous buffer layer at a high temperature, the buffer layer is exposed when the amorphous buffer layer is exposed to a high temperature film formation environment. The constituent amorphous body disappears due to sublimation or the like. FIG. 4 schematically shows a change in the state of the buffer layer when shifting to a high-temperature film formation environment. In the region (108) where the amorphous body has disappeared by sublimation or the like, the surface of the crystal substrate (101) is exposed. Some of the slightly remaining amorphous body (104) may become crystallized grains (109). Many of the single crystal grains (105) remain as they are to provide growth nuclei. The generation and growth pattern of a growth island at the time of film formation at a high temperature in the case where a region where the substrate surface is exposed due to the disappearance of the amorphous buffer layer will be described with reference to FIG. Growth island (106) growing with single crystal grain (105) as nucleus
In the region (108) where the crystal substrate is exposed, single crystal grains do not exist and there is no growth nucleus, so the degree of growth of the growth island is small in the first place. Also, in this region (108), the absence of the amorphous body makes it difficult for the growth islands to grow two-dimensionally in the lateral direction, and the growth islands are interconnected enough to provide a continuous film. Does not expand laterally. Rather, the growing islands (106) tend to grow columnar in the vertical (vertical) direction. That is, the growth rate in the vertical direction is higher than that in the horizontal direction, and the growth of columnar crystals is promoted. The vertical direction is the c-axis direction of the GaN crystal lattice in the case of a growth island made of GaN on the sapphire C plane, and the horizontal direction is the a-axis direction of the crystal lattice. On the other hand, in the region where the underlayer is conveniently left, the growth island (106) generated with the single crystal grain (105) as a nucleus grows in the lateral direction in a manner of two-dimensional growth. That is, the growth rate in the horizontal direction is higher than that in the vertical direction. If the growth rate in the lateral direction is high, the bottom surface of the growth island (the contact surface with the substrate) is expanded and the chance of bonding to each other is increased. Therefore, in the region where the buffer layer remains, the surface is flat and continuous. A layer having a texture is easily formed.

【0007】上記の様に非晶質バッファ層による結晶基
板表面の被覆の有無は、バッファ層上に成長させるIII
族窒化物半導体層の成長様式の不均等化をもたらす。こ
の不均等な成長様式はIII 族窒化物半導体層の表面状態
の悪化を帰結するのみでなく、所望する電気的特性の獲
得をも阻害する。図6は非晶質からなるバッファ層上に
高温で成長したIII 族窒化物半導体層からなるエピタキ
シャル層の断面であって、特にエピタキシャル層の表面
にピット(細孔)の存在が認められる領域の断面模式図
である。このエピタキシャル層(110)はn形のバッ
ファ層(102)とp形の第一のエピタキシャル層(1
11)とn形の第二のエピタキシャル層(112)から
構成され、第一と第二のエピタキシャル層により構成さ
れるpn接合を含むものである。ピット(107)は、
結晶基板(101)上に堆積したバッファ層(102)
を構成する非晶質体が消失した領域(108)にほぼ対
応して発生する。同領域(108)では、横方向成長が
緩慢となり上記の様に柱状の結晶からなる成長島が発生
する。柱状結晶は互いに孤立して散在するため相互に合
着する機会が小さく、柱状結晶間は空隙(間隙)として
残存する。この空隙が成長層表面にピットを発生させる
原因と考えられる。このようなエピタキシャルウエハに
おいては、ピット(107)部で、バッファ層(10
2)と第二のエピタキシャル層(112)とが構造的に
も電気的にも接合される不具合な事態を招く。第二のエ
ピタキシャル層(112)とバッファ層(102)は同
一の伝導形を有する層であるため、両層間で電気的な導
通が発生する。非晶質被膜の消失が都合良く免れた領域
にあっては、第一及び第二のエピタキシャル層とで所望
するpn接合が形成され得る。しかし、基板の大部分の
面積を占める非晶質被膜が消失した領域では、電気的な
短絡により正常なpn接合がもたらされない。即ち、不
均一な接合特性がもたらされる。図7はピットを多く含
むエピタキシャル層から作製されたpn接合型III 族窒
化物半導体発光ダイオード(LED)の電流−電圧特性
の一例である。ピットが密集した領域で上記の様な電気
的な短絡をもたらす構成が形成されているため、整流性
を示す正常な電流−電圧特性が得られていない。この様
に、非晶質体を主体として構成される従来のバッファ層
にあっては、非晶質バッファ層の消失により結晶学的に
も電気的にも悪影響を及ぼすことが問題となっていた。
As described above, whether or not the crystal substrate surface is covered with the amorphous buffer layer is determined by determining whether the crystal substrate is grown on the buffer layer.
This leads to uneven growth of the group III nitride semiconductor layer. This uneven growth mode not only results in deterioration of the surface state of the group III nitride semiconductor layer, but also hinders acquisition of desired electrical characteristics. FIG. 6 is a cross-sectional view of an epitaxial layer formed of a group III nitride semiconductor layer grown at a high temperature on a buffer layer made of an amorphous material. In particular, FIG. It is a cross section schematic diagram. This epitaxial layer (110) comprises an n-type buffer layer (102) and a p-type first epitaxial layer (1).
11) and an n-type second epitaxial layer (112), and includes a pn junction constituted by the first and second epitaxial layers. Pit (107)
Buffer layer (102) deposited on crystalline substrate (101)
Occur almost corresponding to the region (108) in which the amorphous body constituting the element has disappeared. In the region (108), the lateral growth slows down, and the growth islands composed of columnar crystals are generated as described above. The columnar crystals are isolated and scattered from each other, and therefore have a small chance of coalescing each other, and remain as voids (gap) between the columnar crystals. This void is considered to be the cause of generating pits on the growth layer surface. In such an epitaxial wafer, the buffer layer (10) is formed at the pit (107).
2) and the second epitaxial layer (112) may be joined structurally and electrically. Since the second epitaxial layer (112) and the buffer layer (102) are layers having the same conductivity type, electrical conduction occurs between both layers. In a region where the disappearance of the amorphous film is conveniently avoided, a desired pn junction can be formed with the first and second epitaxial layers. However, in a region where the amorphous film occupying most of the area of the substrate has disappeared, a normal pn junction cannot be provided due to an electric short circuit. That is, non-uniform bonding characteristics are provided. FIG. 7 is an example of a current-voltage characteristic of a pn junction type group III nitride semiconductor light emitting diode (LED) manufactured from an epitaxial layer containing many pits. Since the above-described configuration that causes an electrical short circuit in a region where pits are dense is formed, normal current-voltage characteristics showing rectification cannot be obtained. As described above, in the conventional buffer layer mainly composed of an amorphous body, there is a problem that disappearance of the amorphous buffer layer adversely affects both crystallographically and electrically. .

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来の非晶質からなる
バッファ層を備えた化合物半導体エピタキシャルウエハ
に付随する問題点は、高温環境下に於けるバッファ層の
構成主体である非晶質体の消失に起因する、被堆積層
(基板)の表面の露呈にあった。従って、高温での成膜
環境下に於いても容易には消失しない構成要素を主体と
し、被堆積層の表面を充分に被覆できるバッファ層を形
成することにより、従来の非晶質バッファ層に関する問
題点を解決できると考慮される。非晶質体が容易に消失
するのはそれを構成する原子間の結合が軟弱であるから
である。従ってバッファ層は、高温環境下で受容する熱
エネルギーを勘案しても尚且、結合の切断が容易には生
じない強い結合力を保有する構成形態を具備することが
要求される。非晶質に比べ、より大きな構成原子間の結
合力を内包する結晶形態の一つには単結晶があることは
周知である。しかし、単結晶からなるIII族窒化物半導
体バッファ層は成長温度を900℃を越える温度とする
ことにより初めて得られることが知られてはいるもの
の、単結晶からなるバッファ(緩衝)層は、従来から良
好な表面モフォロジーを与えない等の理由からバッファ
層として不適であるとされてきた(特開平4−2970
23号及び特開平7−312350号公報参照)。
A problem associated with the conventional compound semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer made of amorphous is that the amorphous body, which is the main constituent of the buffer layer in a high-temperature environment, has a problem. The surface of the layer to be deposited (substrate) was exposed due to the disappearance. Therefore, by forming a buffer layer that can sufficiently cover the surface of the layer to be deposited by mainly forming components that do not easily disappear even in a high-temperature film-forming environment, the conventional amorphous buffer layer It is considered that the problem can be solved. The amorphous body easily disappears because the bonds between the atoms constituting the amorphous body are weak. Therefore, the buffer layer is required to have a configuration that has a strong bonding force that does not easily cause a bond break even in consideration of thermal energy received under a high-temperature environment. It is well known that a single crystal is one of the crystal forms including a larger bonding force between constituent atoms than an amorphous structure. However, although it is known that a group III nitride semiconductor buffer layer made of a single crystal can be obtained only when the growth temperature is set to a temperature exceeding 900 ° C., a buffer (buffer) layer made of a single crystal is conventionally used. For example, it has been considered that such a material is not suitable as a buffer layer because it does not provide good surface morphology (Japanese Patent Laid-Open No. 4-2970).
No. 23 and JP-A-7-312350).

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、基板表面を
被覆するバッファ層の材料として、単結晶の熱的耐性の
優位性に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、従来単結晶が得
られないとされた成長温度条件下でも、他の成長条件を
精密に調整さえすれば単結晶粒が容易に形成でき、且つ
その単結晶粒の形状並びに集合形態を規定すれば、従来
の非晶質からなるバッファ層に付随する欠点を払拭でき
る効用に優れた単結晶粒の集合体からなるバッファ層を
形成することができることを見出し本発明に至ったもの
である。即ち本発明は、結晶基板表面上に積層したIII
族窒化物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上
に積層したIII 族窒化物半導体からなるエピタキシャル
層とから構成される化合物半導体エピタキシャルウエハ
に於いて、該バッファ層が単結晶粒の集合体からなり、
前記バッファ層を構成する単結晶粒は、as−grow
n状態で相互に接合する側面を迂曲として合着し、かつ
頂部の天板部を略平担若しくは曲面状としてなることを
特徴とするものである。また、本発明は特に、上記のバ
ッファ層を構成する単結晶粒が、as−grown状態
で相互の積層方位の角度差を30度以内とすることを特
徴とするものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have made intensive studies as a material for a buffer layer covering the substrate surface in view of the superior thermal resistance of a single crystal, and as a result, a conventional single crystal has been obtained. Even under the conditions of the growth temperature, which are not considered, single crystal grains can be easily formed by precisely adjusting the other growth conditions, and if the shape and aggregation form of the single crystal grains are defined, the conventional amorphous state can be obtained. The present inventors have found that a buffer layer composed of an aggregate of single crystal grains excellent in the effect of eliminating the disadvantages associated with the buffer layer composed of a single crystal grain can be formed, and the present invention has been accomplished. That is, the present invention relates to
In a compound semiconductor epitaxial wafer composed of a buffer layer composed of a group III nitride semiconductor and an epitaxial layer composed of a group III nitride semiconductor laminated on the buffer layer, the buffer layer is formed from an aggregate of single crystal grains. Become
The single crystal grains constituting the buffer layer are as-grown.
In the n-state, the side surfaces joined to each other are joined as a detour, and the top plate at the top is formed substantially flat or curved. The present invention is particularly characterized in that the single crystal grains constituting the buffer layer have an as-grown state in which the angle difference between the lamination directions is within 30 degrees.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】まず、本発明に係わるバッファ層
を構成する材料を説明する。バッファ層は例えば、アル
ミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(I
n)若しくはホウ素(B)等の少なくとも一つのIII 族
元素と窒素とを含むIII 族窒化物半導体から構成する。
このIII 族窒化物半導体の例には、窒化ガリウム(Ga
N)、窒化アルミニウム(AlN)や窒化インジウム
(InN)等の2元化合物がある。また、窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶(Alx Ga1-x N:0<x<1
(以下、同じ))、窒化ガリウム・インジウム混晶(G
x In1- x N)、窒化アルミニウム・インジウム混晶
(Alx In1-x N)等の3元混晶や窒化アルミニウム
・ガリウム・インジウム(Ala Gab Inc N:0≦
a、b、c≦1、a+b+c=1)等の4元混晶などの
多元混晶がある。ホウ素を含むBd Ale Gaf Ing
N(0<d≦1、0≦e、f、g≦1、d+e+f+g
=1)からもバッファ層を構成できる。更に、窒素元素
以外のヒ素(元素記号:As)やリン(元素記号:P)
等の第V族元素を含むIII 族窒化物半導体からも本発明
に係わる低温バッファ層を構成することができる。この
複数の第V族元素を含むIII 族窒化物半導体には、化学
式GaNAs、GaNP、AlNAs、AlNP、In
NAs、InNP等の(III )・Nm ・V1-m ((III
)は第III 族元素を表す。Vは窒素以外の第V族元素
を表し、0<m<1である。)で総括される一つの第II
I 族元素と二つの第V族元素を含む3元系結晶がある。
また、AlGaNAs、AlGaNP、GaInNA
s、GaInNP、BGaNAs、BGaNP、BAl
NAs、BAlNP、BInNAs、BInNP、Al
InNAs、AlInNP、AlGaInNAs、Al
GaInNP、GaNPAs、AlNPAs、BGaN
AsP、InNPAs、AlGaInNPAs等の複数
の第III 族元素と窒素とヒ素とリン等の複数の第V族元
素からなる4元或いは多元結晶からもバッファ層を構成
できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a material constituting a buffer layer according to the present invention will be described. The buffer layer is made of, for example, aluminum (Al), gallium (Ga), indium (I
n) or a group III nitride semiconductor containing nitrogen and at least one group III element such as boron (B).
Examples of the group III nitride semiconductor include gallium nitride (Ga
N), binary compounds such as aluminum nitride (AlN) and indium nitride (InN). In addition, aluminum nitride / gallium mixed crystal (Al x Ga 1 -x N: 0 <x <1
(Hereinafter the same)), gallium nitride-indium mixed crystal (G
a x In 1- x N), aluminum nitride indium mixed crystal (Al x In 1-x N ) 3 -element mixed crystal or aluminum nitride gallium indium such as (Al a Ga b In c N : 0 ≦
a, b, c ≦ 1, a + b + c = 1) and the like. B d Al e Ga f In g containing boron
N (0 <d ≦ 1, 0 ≦ e, f, g ≦ 1, d + e + f + g
= 1), the buffer layer can be formed. Furthermore, arsenic (element symbol: As) and phosphorus (element symbol: P) other than nitrogen element
The low-temperature buffer layer according to the present invention can also be composed of a group III nitride semiconductor containing a group V element such as. The group III nitride semiconductors containing a plurality of group V elements include the chemical formulas GaNAs, GaNP, AlNAs, AlNP, In
(III) · N m · V 1-m ((III
) Represents a Group III element. V represents a Group V element other than nitrogen, and 0 <m <1. ), One of the second
There are ternary crystals containing a Group I element and two Group V elements.
Also, AlGaNAs, AlGaNP, GaInNA
s, GaInNP, BGaNAs, BGaNP, BAl
NAs, BAlNP, BInNAs, BInNP, Al
InNAs, AlInNP, AlGaInNAs, Al
GaInNP, GaNPAs, AlNPAs, BGaN
The buffer layer can also be composed of a quaternary or multi-elemental crystal composed of a plurality of Group III elements such as AsP, InNPAs, and AlGaInNPAs and a plurality of Group V elements such as nitrogen, arsenic, and phosphorus.

【0011】本発明では、上記のIII 族窒化物半導体材
料からなる単結晶粒の集合体をもってバッファ層を構成
する。単結晶粒からバッファ層を構成する理由は、結晶
を構成する原子間相互の結合力が非晶質のそれに比較し
て強力であることによる。この結合力の強さにより前記
の如く高温でのバッファ層の消失が防止できる。即ち、
本発明では、バッファ層の構成要素を従来の非晶質とは
異にする単結晶粒とすることをもってバッファ層の消失
による基板表面の露呈を防止するものである。
In the present invention, the buffer layer is formed by an aggregate of single crystal grains made of the above-described group III nitride semiconductor material. The reason why the buffer layer is formed from single crystal grains is that the bonding force between atoms forming the crystal is stronger than that of the amorphous. The loss of the buffer layer at a high temperature as described above can be prevented by the strength of the bonding force. That is,
In the present invention, the exposure of the substrate surface due to the disappearance of the buffer layer is prevented by making the components of the buffer layer single crystal grains different from the conventional amorphous.

【0012】本発明では、バッファ層の構成要素である
単結晶粒を、従来バッファ層の成長に供される温度範囲
の中から特に限定された温度範囲である約600℃から
約750℃に於いて、成長条件の精密な制御によりas
−grown状態で得るものである。その様にして形成
された単結晶粒の集合体から構成されるバッファ層は高
温下でも殆ど消失せず、従来の非晶質バッファ層に対し
て優位性がある。これに加え、バッファ層上に堆積する
III 族窒化物半導体層の表面モフォロジーの観点から優
劣を判断すれば、従来の高温で得られる単結晶バッファ
層上にエピタキシャル層を形成した場合と比較して良好
な表面モフォロジーが与えられる。この表面モフォロジ
ー上の差異を与える原因については断定は出来ないが、
単結晶粒を構成している単結晶格子の配列の相違にある
ものと推定される。例えば、サファイア基板上に基板と
は格子不整合の窒化ガリウム(GaN)からなるバッフ
ァ層を形成する場合を例にする。比較的低温でのバッフ
ァ層の形成では、pseudophorhismの概念
から発達したFrank−van derMerveの
理論(橋口 隆吉、近角 聡信著、「薄膜・表面現象」
(朝倉書店、昭和47年12月15日4版発行)、13
頁)に教示される様に、単結晶格子間の間隔が基板とバ
ッファ層との界面ではサファイアとGaNの中間的な値
となり、より上方ではGaNの格子間隔に向けて緩やか
に変化してバッファ層の表面側ではGaNの格子間隔に
復している可能性がある。一方、比較的高温での成膜で
は、例え基板との格子不整合性が存在してもガリウム
(Ga)原子或いは窒素(N)原子が受容する熱エネル
ギーが大きいため結晶基板との界面に於いても、成膜の
初期段階からGaN本来の格子間隔をもって成膜される
可能性がある。この様なGaN本来の格子間隔に近い単
結晶バッファ層はその上に例えばGaN層を設ける場合
に格子間隔がほぼ一致することから一見、下地層として
優位と思量されるが、格子間隔が基板との界面で急激に
変化するため内部に多量のミスフィット転位等を含むも
のとなっている。この多量の結晶欠陥の存在とその伝搬
により、高温で成膜した単結晶のバッファ層上に形成さ
れる成長層は表面モフォロジーに劣るものになるものと
推定される。
According to the present invention, the single crystal grains constituting the buffer layer are subjected to a temperature range from about 600 ° C. to about 750 ° C., which is a particularly limited temperature range from the temperature range conventionally used for growing the buffer layer. And as a result of precise control of growth conditions
-Obtained in a grown state. The buffer layer composed of the aggregate of single crystal grains thus formed hardly disappears even at a high temperature, and is superior to a conventional amorphous buffer layer. In addition, it deposits on the buffer layer
When judging the superiority or inferiority from the viewpoint of the surface morphology of the group III nitride semiconductor layer, a better surface morphology is provided as compared with a conventional case where an epitaxial layer is formed on a single crystal buffer layer obtained at a high temperature. The cause of this difference in surface morphology cannot be determined,
It is presumed that there is a difference in the arrangement of the single crystal lattices constituting the single crystal grains. For example, a case where a buffer layer made of gallium nitride (GaN) that is lattice-mismatched with a substrate is formed on a sapphire substrate is taken as an example. In forming a buffer layer at a relatively low temperature, the theory of Frank-van der Merve developed from the concept of pseudophorhism (Takayoshi Hashiguchi and Toshinobu Chikaku, "Thin Film and Surface Phenomena"
(Asakura Shoten, 4th edition published on December 15, 1972), 13
As taught in (1), the spacing between the single crystal lattices is an intermediate value between sapphire and GaN at the interface between the substrate and the buffer layer, and the spacing between the single crystal lattices gradually changes toward the lattice spacing of GaN above the buffer. On the surface side of the layer, the lattice spacing may be restored to that of GaN. On the other hand, in film formation at a relatively high temperature, gallium (Ga) atoms or nitrogen (N) atoms receive a large amount of thermal energy even if lattice mismatch with the substrate exists, so that the film cannot be formed at the interface with the crystal substrate. However, there is a possibility that a film is formed with an original lattice spacing of GaN from the initial stage of film formation. Such a single-crystal buffer layer having a lattice spacing close to the original lattice spacing of GaN is considered to be superior as an underlayer at first glance because the lattice spacing substantially coincides when, for example, a GaN layer is provided thereon. , Abruptly changes at the interface, and contains a large amount of misfit dislocations and the like inside. It is presumed that the growth layer formed on the single crystal buffer layer formed at a high temperature becomes inferior in surface morphology due to the existence and propagation of the large number of crystal defects.

【0013】上記の如く、バッファ層を構成する単結晶
粒の形成条件によって、表面状態が影響を被る原因につ
いて、単結晶粒の形状や合着形態の微視的観点から検討
を加える。図8は本発明に係わる成長温度を620℃と
して(0001)サファイア面上に成長させた、as−
grown状態で既に単結晶となっている単結晶粒の集
合体から構成される窒化ガリウムバッファ層(102)
上に、温度1100℃でアンドープ窒化ガリウム層(1
17)を成長させてなるエピタキシャル層の断面TEM
像の模式図である。バッファ層(102)を構成する各
単結晶粒(113)の多くは水平幅が基板表面の鉛直方
向に変化する柱状の形態を採っている。単結晶粒(11
3)の側面(114)が曲面状に変化しているため、単
結晶粒(113)の合着接合面(114)は曲面状とな
っている場合が多い。各単結晶粒(113)の頂部の天
板部(115)の断面稜線は角錘状とはなっておらず、
むしろ緩やかに変化する曲面すなわち略平担若しくは曲
面状となっている。この様な構成からなるバッファ層上
に設けられた窒化ガリウム成長層の表面には、開口部を
略六角形状とし表面より深さ方向に断面積を減ずるピッ
ト(細孔)やピットとは逆に略六角形状の薄板が積み重
なり表面より突出している突起は殆ど観察されない。一
方、窒化ガリウムバッファ層を構成するために成長温度
を約800℃以上として形成した、従来の技術に係わる
単結晶粒の形状とそれらの合着状況は上記の場合とは顕
著に異なるものとなる。図9は成長温度を920℃とし
て成長させた、as−grown状態で既に単結晶とな
っている窒化ガリウムバッファ層(102)上に、11
00℃でアンドープ窒化ガリウム層(117)を成長さ
せてなるエピタキシャル層の断面TEM像の模式図であ
る。同図には、断面TEM像に黒色の線像として現れる
転位像も併せて掲示してある。同図においてバッファ層
(102)はやはり単結晶粒(113)から構成されて
いることに変わりはない。しかし、単結晶粒(113)
の断面形状は上記の場合と異なり、基板表面からの高さ
方向に断面積が殆ど変化せず、また、横幅も或る程度揃
った角柱である。しかも、外周囲側面(114)は基板
表面に対してほぼ垂直の鉛直上方に直線的に延在してい
る。このバッファ層から得られるRHEED像はスポッ
トパターンであって単結晶層であることを示した。即
ち、従来技術に於いてバッファ層としての作用を果たさ
ない単結晶のバッファ層が形成される900℃を越える
成長温度(特開平7−312350号公報参照)で得ら
れるバッファ層は、確かに単結晶層となっているが、そ
の層を構成する単結晶粒の形状は、600℃前後のより
低温で成長させたバッファ層のそれとは明らかに相違し
た。また、各単結晶粒(113)の頂部は角錘状とな
り、頂部上の表面の稜線も直線で構成されるものとなっ
た。この角錘状の突起の発生に対応するかの様に、バッ
ファ層上の成長層表面には六角形の板状結晶の重層から
なる突起が出現していた。更に、注目すべきは、単結晶
粒(113)の合着界面近傍から発生した転位(11
6)がほぼ直線状に発達してバッファ層(102)上の
窒化ガリウム成長層(117)の表面に至る迄、貫通し
ていることである。また、転位(116)が成長層(1
17)の表面に到達した領域にはピット(細孔)が形成
されているのが確認された。即ち、従来、単結晶からな
るバッファ層は表面状態に関して好ましい結果をもたら
さないとされるのは、この様に単結晶層を構成する各単
結晶柱が直線状の明瞭な外郭を有する角錘状の柱状結晶
である形状上の問題と、これらの単結晶柱の相互に合着
して出来る接合面を起源として鉛直上方方向に延びる転
位が多量に発生することに因るものである。従って本発
明では、例え単結晶粒からバッファ層を構成すると云え
ども、それを外郭が明瞭な角柱状(オベリスク状)の単
結晶粒の集合体から構成するのではなく、単結晶粒が相
互に側面を迂曲として合着し、上方へ直線的に伝搬する
転位の密度の低下を帰結する構成からなる単結晶粒から
バッファ層を構成するものである。
As described above, the reason why the surface condition is affected by the conditions for forming the single crystal grains constituting the buffer layer will be examined from a microscopic viewpoint of the shape of the single crystal grains and the coalesced form. FIG. 8 shows an as-grown on (0001) sapphire surface at a growth temperature of 620 ° C. according to the present invention.
A gallium nitride buffer layer (102) composed of an aggregate of single crystal grains that are already single crystals in a grown state
An undoped gallium nitride layer (1
17) Cross section TEM of epitaxial layer grown
It is a schematic diagram of an image. Many of the single crystal grains (113) constituting the buffer layer (102) have a columnar shape in which the horizontal width changes in the vertical direction on the substrate surface. Single crystal grains (11
Since the side surface (114) of (3) changes to a curved surface, the joint bonding surface (114) of the single crystal grains (113) is often curved. The cross-sectional ridge of the top plate (115) at the top of each single crystal grain (113) is not pyramidal,
Rather, it has a gradually changing curved surface, that is, a substantially flat or curved surface. On the surface of the gallium nitride growth layer provided on the buffer layer having such a configuration, pits (pores) whose openings are substantially hexagonal and whose cross-sectional area decreases in the depth direction from the surface are opposite to pits. Substantially no hexagonal thin plates are stacked and projecting from the surface. On the other hand, the shapes of single crystal grains according to the prior art, which are formed at a growth temperature of about 800 ° C. or higher to form a gallium nitride buffer layer, and the state of their bonding are significantly different from the above case. . FIG. 9 shows an example in which an as-grown gallium nitride buffer layer (102) grown at a growth temperature of 920 ° C. is a single crystal.
It is a schematic diagram of the cross-sectional TEM image of the epitaxial layer which grows the undoped gallium nitride layer (117) at 00 degreeC. In the same figure, a dislocation image appearing as a black line image on the cross-sectional TEM image is also shown. In the figure, the buffer layer (102) is still composed of single crystal grains (113). However, single crystal grains (113)
Is different from the above case in that the cross-sectional area hardly changes in the height direction from the substrate surface, and the cross-section is a prism having a uniform width to some extent. Moreover, the outer peripheral side surface (114) linearly extends vertically upward substantially perpendicular to the substrate surface. The RHEED image obtained from this buffer layer was a spot pattern, indicating that it was a single crystal layer. That is, a buffer layer obtained at a growth temperature exceeding 900 ° C. (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-312350) in which a single-crystal buffer layer that does not function as a buffer layer in the prior art is formed is certainly a single layer. Although it was a crystal layer, the shape of the single crystal grains constituting the layer was clearly different from that of the buffer layer grown at a lower temperature of around 600 ° C. Further, the top of each single crystal grain (113) was pyramidal, and the ridge line of the surface on the top was also formed of a straight line. As if corresponding to the occurrence of the pyramidal projections, projections composed of an overlayer of hexagonal plate-like crystals appeared on the surface of the growth layer on the buffer layer. Furthermore, it should be noted that dislocations (11) generated near the coalescence interface of the single crystal grains (113)
6) develops substantially linearly and penetrates to the surface of the gallium nitride growth layer (117) on the buffer layer (102). In addition, dislocations (116) are formed in the growth layer (1).
It was confirmed that pits (pores) were formed in the region reaching the surface of 17). That is, conventionally, the buffer layer made of a single crystal is not considered to provide a favorable result with respect to the surface state because the single crystal columns constituting the single crystal layer have a pyramidal shape having a straight and clear outline. This is due to the problem of the shape of the columnar crystal and the large number of dislocations extending vertically upward originating from the bonding surface formed by bonding these single crystal columns to each other. Therefore, in the present invention, even though the buffer layer is composed of single crystal grains, the buffer layer is not composed of an aggregate of prismatic (obelisk-like) single crystal grains having a clear outline, but the single crystal grains are mutually formed. The buffer layer is composed of single crystal grains having a configuration in which the side surfaces are joined as a detour and the density of dislocations propagating linearly in the upward direction is reduced.

【0014】さらに本発明に係わる単結晶粒の集合体か
らなるバッファ層は、集合体を構成する各単結晶粒の相
互の配向性を規定している点に特徴がある。配向性とは
此処では、相互に合体して集合体を形成する各単結晶粒
の結晶の方位を云う。例えば、結晶基板表面上方への各
単結晶粒の配向性は単結晶粒を構成する単結晶の格子面
(結晶層)の配列方向から知ることができる。結晶層の
配列方位は、一例を挙げれば透過電子顕微鏡を利用する
結晶解析手法の一種である断面TEM(ransmi
ssion lectron icroscop
e)法による格子(面)像の観察から容易に計測するこ
とができる。図10は、アンモニア(NH3 )を窒素
(N)源とし、トリメチルガリウム((CH33
a)をガリウム(Ga)源として成長温度を600℃と
して成膜された膜厚を約5nmとする窒化ガリウム(G
aN)バッファ層の断面TEM像の模式図である。バッ
ファ層は垂直断面を紡錘状とする単結晶粒(113)を
主体として構成されるものとなっている。各紡錘状単結
晶粒(113)内部の格子像を観察すると結晶面(格子
面)が重層される方向(119)、所謂、結晶面の積層
方位がサファイア基板(101)の表面に対して必ずし
も統一されてないのが判る。即ち、格子面が重層してい
る方向(119)が本発明の云う配向方位を示すもので
あって、その配向方位の相違は格子面が重層している方
向(119)を示す格子面(格子像)の垂線が交差する
際の角度((121);以下、交差角度と称す)をもっ
て定量的に示される。この角度が0度であれば単結晶粒
間の配向方位は同一であるとする、即ち、一致するもの
と判断する。本発明の交差角度は、測定される交差角度
の平均値で表すものとする。図10に掲示される単結晶
粒の形状は、あくまでも一例であって、単結晶粒の形状
や密度などは、特に成長温度、原料の供給比並びにキャ
リア(搬送)ガスの流量によって変化するものである。
Further, the buffer layer comprising an aggregate of single crystal grains according to the present invention is characterized in that the mutual orientation of each single crystal grain constituting the aggregate is defined. Here, the orientation refers to the orientation of the crystal of each single crystal grain that combines with each other to form an aggregate. For example, the orientation of each single crystal grain above the crystal substrate surface can be known from the arrangement direction of the lattice plane (crystal layer) of the single crystal constituting the single crystal grain. The orientation of the crystal layer is determined by, for example, a cross-sectional TEM ( T transmi) which is a kind of crystal analysis method using a transmission electron microscope.
ssion E lectron M icroscop
It can be easily measured by observing the lattice (plane) image by the method e). FIG. 10 shows a case where ammonia (NH 3 ) is used as a nitrogen (N) source and trimethylgallium ((CH 3 ) 3 G
a) is used as a gallium (Ga) source, the growth temperature is set to 600 ° C., and the film thickness is about 5 nm.
aN) A schematic view of a cross-sectional TEM image of the buffer layer. The buffer layer is mainly composed of single crystal grains (113) whose vertical cross section has a spindle shape. When observing the lattice image inside each spindle-shaped single crystal grain (113), the direction in which the crystal planes (lattice planes) are overlaid (119), the so-called lamination orientation of the crystal planes, is not necessarily relative to the surface of the sapphire substrate (101). You can see that they are not unified. That is, the direction (119) in which the lattice planes overlap indicates the orientation orientation according to the present invention, and the difference in the orientation indicates the lattice plane (grid) indicating the direction (119) in which the lattice planes overlap. The angle at which the perpendiculars of the image intersect ((121); hereinafter, referred to as the intersection angle) is quantitatively indicated. If this angle is 0 degree, it is determined that the orientation directions between the single crystal grains are the same, that is, they are coincident. The intersection angle in the present invention is represented by an average value of the measured intersection angles. The shape of the single crystal grains shown in FIG. 10 is merely an example, and the shape, density, and the like of the single crystal grains vary depending on the growth temperature, the supply ratio of the raw materials, and the flow rate of the carrier (carrier) gas. is there.

【0015】本発明では、上記の交差角度に規定を加え
この交差角度を30度以内とする。交差角度を30度以
内の狭い範囲に規定するのは、バッファ層上に成膜する
III 族窒化物半導体層の単結晶化を促進するためであ
る。単結晶化の程度は、例えば二結晶X線回折法(所
謂、略称XRC法)で測定される回折パターンの半値幅
の大小から知れる。図17に低温バッファ層を構成する
窒化ガリウム単結晶粒の交差角度と、同低温バッファ層
上に1100℃の高温で成長した窒化ガリウム成長層の
回折パターンの半値幅との関係を示す。回折パターンの
半値幅が大である程、バッファ層上に成膜するIII 族窒
化物半導体層の単結晶化の程度が低いことを表してい
る。図17に示す如く、低温バッファ層を構成する単結
晶粒間に特に大きな交差角度がなく、平均的な交差角度
がas−grown状態で30度以内であれば、高温で
成膜される成長層についてのXRC法で測定される回折
パターンの半値幅は小さく抑制される。すなわちこの場
合には一般に、III 族窒化物半導体層はその融点近傍の
高温で成膜されるため、多少の配向性の相違によって発
生する結晶粒界がバッファ層と高温成長層との極く界面
近傍の領域に残存する場合はあるものの、成長層の層厚
の増大と共に配向性の相違は全んど消滅して配向性は略
一様となると考慮される。これより、容易に単結晶の高
温成長層が得られるのである。一方、30度を境界とし
て、平均的な交差角度がそれ以上となると、X線回折パ
ターンの半値幅は急激に増大する。これは、低温バッフ
ァ層を構成する単結晶粒相互の交差角度が大であり、単
結晶粒を核として成長する成長層の配向が部分的に相互
に顕著に異なるため、例え高温での成膜に於いても粒界
の融合による配向性の画一化が成長層全般に及ぶに至ら
ないためと解釈される。交差角度が30度以内である領
域に交差角度が30度を越える領域が概ね、全領域の約
20〜約30%以上となると成長層全般を単結晶層とす
るのは難しい。
In the present invention, the above-mentioned intersection angle is defined and the intersection angle is set to 30 degrees or less. The reason for defining the crossing angle in a narrow range within 30 degrees is that the film is formed on the buffer layer.
This is for promoting single crystallization of the group III nitride semiconductor layer. The degree of single crystallization is known from the magnitude of the half width of the diffraction pattern measured by, for example, a two-crystal X-ray diffraction method (so-called XRC method). FIG. 17 shows the relationship between the crossing angle of gallium nitride single crystal grains constituting the low-temperature buffer layer and the half-width of the diffraction pattern of the gallium nitride growth layer grown at a high temperature of 1100 ° C. on the low-temperature buffer layer. The larger the half width of the diffraction pattern, the lower the degree of single crystallization of the group III nitride semiconductor layer formed on the buffer layer. As shown in FIG. 17, if there is no particularly large crossing angle between the single crystal grains constituting the low-temperature buffer layer and the average crossing angle is within 30 degrees in the as-grown state, the growth layer formed at a high temperature The half-width of the diffraction pattern measured by the XRC method for is small. In other words, in this case, since the group III nitride semiconductor layer is generally formed at a high temperature near its melting point, a crystal grain boundary generated by a slight difference in orientation has an extremely small interface between the buffer layer and the high temperature growth layer. Although it may remain in a nearby region, it is considered that the difference in orientation completely disappears as the layer thickness of the growth layer increases, and the orientation becomes substantially uniform. Thus, a single-crystal high-temperature growth layer can be easily obtained. On the other hand, when the average crossing angle becomes larger than 30 degrees as a boundary, the half width of the X-ray diffraction pattern sharply increases. This is because the crossing angle between the single crystal grains constituting the low-temperature buffer layer is large, and the orientation of the growth layers that grow with the single crystal grains as nuclei is partially remarkably different from each other. It is also interpreted that the uniformity of orientation due to the fusion of grain boundaries does not reach the entire growth layer. Generally, a region where the crossing angle exceeds 30 degrees is in a region where the crossing angle is within 30 degrees, and when the crossing angle exceeds approximately 20% to approximately 30% of the entire region, it is difficult to form the entire growth layer as a single crystal layer.

【0016】上記のIII 族窒化物半導体からなるバッフ
ァ層を、結晶基板上に直接堆積する際の成長方法に特に
制限はない。常圧或いは減圧方式のMOCVD成長法や
VPE成長法が利用できる。また、分子線エピタキシャ
ル(MBE)法や化学ビームエピタキシャル(CBE)
法等の成長方法も利用できる。MBE法には使用する原
料の形態に依って、ガスソース(略称:GS)MBEや
有機金属(MO)MBE等の方式が有るがいずれでも支
障はない。これらの成長方法に依りIII 族窒化物半導体
層を成長させるに当たって、例えばガリウム、アルミニ
ウム、インジウム或いは窒素原料についても制限はな
い。
There is no particular limitation on the growth method for directly depositing the buffer layer made of a group III nitride semiconductor on a crystal substrate. A normal pressure or reduced pressure MOCVD growth method or a VPE growth method can be used. In addition, molecular beam epitaxy (MBE) and chemical beam epitaxy (CBE)
A growth method such as a method can also be used. The MBE method includes a gas source (abbreviation: GS) MBE and an organic metal (MO) MBE, depending on the form of the raw material to be used. In growing a group III nitride semiconductor layer by these growth methods, for example, there is no limitation on a gallium, aluminum, indium or nitrogen raw material.

【0017】本発明では、上記のIII 族窒化物半導体か
らなる単結晶粒を基板表面を被覆するが如く配置した単
結晶粒の集合体からバッファ層を構成する。上記した何
れの成長方式を利用するにしても、窒化ガリウム(Ga
N)を例にすれば、基板表面を被覆する単結晶粒からバ
ッファ層を構成するには、先ず成長温度を、概ね400
℃以上とする必要がある。得られる単結晶粒の形状は成
長温度にも依存して変化する。約400℃から約500
℃弱の比較的低い温度範囲では、単結晶粒の形状は、原
料の供給比(後述する所謂V/ III比)に依っても変化
するが、概して略球形或いは紡錘状などの外周が丸みを
帯びたものである。500℃を越えおおよそ600〜7
50℃の範囲では、単結晶粒は水平断面を六角形等の多
角形とし頂部の天板部を略平坦とする角柱状となる。更
に、高い成長温度である750℃を越えると角柱状の単
結晶粒はその天板部に角錘状の突起を冠したものとな
る。この角錘状の突起はバッファ層上に堆積する成長層
上に突起を発生する原因となるため、表面の平坦性に優
れる成長層を得るには好ましくはない。成長層の表面モ
フォロジーの良好さから判断すれば、単結晶粒の形状と
しては略球形、紡錘状若しくは天板部を平坦とする柱状
であることが望ましい。特に、頂部の天板部を略平坦と
する角柱状の単結晶粒は表面状態に優れる平滑な平坦な
成長層を与えるために好ましいものである。このことか
ら、窒化ガリウムバッファ層の成長温度としては約60
0℃〜750℃が好ましい。
In the present invention, the buffer layer is composed of an aggregate of single crystal grains in which single crystal grains made of the above-described group III nitride semiconductor are arranged so as to cover the substrate surface. In any of the above-mentioned growth methods, gallium nitride (Ga)
Taking N) as an example, in order to form a buffer layer from single crystal grains covering the substrate surface, first, the growth temperature is set to about 400
It is necessary to be higher than ° C. The shape of the obtained single crystal grain changes depending on the growth temperature. About 400 ° C to about 500
In a relatively low temperature range of slightly lower than ℃, the shape of the single crystal grains varies depending on the supply ratio of the raw material (the so-called V / III ratio described later). It is tinged. Over 500 ° C and approx. 600-7
In the range of 50 ° C., the single crystal grains have a prismatic shape in which the horizontal cross section is a polygon such as a hexagon and the top plate at the top is substantially flat. Furthermore, when the growth temperature exceeds 750 ° C., which is a high growth temperature, the prismatic single crystal grains have a top plate portion covered with pyramidal projections. The pyramid-shaped projections cause projections to be formed on the growth layer deposited on the buffer layer, and thus are not preferable for obtaining a growth layer having excellent surface flatness. Judging from the good surface morphology of the growth layer, the shape of the single crystal grain is desirably substantially spherical, spindle-shaped, or columnar with a flat top plate. In particular, a prismatic single crystal grain whose top plate is made substantially flat is preferable because it provides a smooth and flat growth layer having an excellent surface condition. Thus, the growth temperature of the gallium nitride buffer layer is about 60
0 ° C to 750 ° C is preferred.

【0018】上記の様に窒化ガリウムの場合、低温の約
400℃〜500℃弱の温度範囲に於いても単結晶粒は
形成される。比較的低温の範囲に於いて、V/ III比を
概ね103 以下に設定すれば略球状の、またおおよそ
1.5×104 以上とすれば紡錘状の単結晶粒が得られ
る。しかしながら、この様な比較的低温で得られるバッ
ファ層は被堆積物表面を被覆する単結晶層内に単結晶粒
が埋没した様な単結晶層と単結晶粒とが混在したものと
なる。一方、約600℃〜約750℃の好ましい成長温
度の範囲内では、結晶基板等の被堆積物の表面を形状の
揃った単結晶粒で均等に被覆できる。即ち、単一の構成
からなる単結晶粒の集合体からバッファ層を構成でき
る。単結晶粒は従来から成膜を促進する成長核として作
用することが知られている(「日本結晶成長学会誌」、
Vol.15(1988)、334頁)。従って、単一
の形態からなる単結晶粒からバッファ層を構成すること
は成長核の均質化がもたらされることを意味し、成長の
均質化が達成され得る。成長核の均質化は成長温度をこ
の範囲とすることでもたらされる一つの利点である。図
11は成長温度650℃でC面サファイア基板(10
1)上に成膜した本発明に係わる窒化ガリウムバッファ
層の断面TEM像の模式図である。同図に示される如
く、バッファ層(102)は頂部の天板部を略平坦と
し、水平断面形状を略六角形とする角柱状の単結晶粒
(113)の集合体から構成されている。角柱状単結晶
粒(113)の横幅はこの成長温度ではおおよそ、15
ナノメータ(nm)±5nmの範囲内にある。この横幅
は成長温度に主に依存して変化し、成長温度を高くする
程、拡大する傾向にある。横幅と共に角柱状単結晶粒の
高さも成長温度を高くするに伴い増す傾向にあるが、何
れにしても基板(被堆積物)の表面の全面は角柱状単結
晶粒で被覆されることに替わりはない。即ち、基板表面
は成長核となる単結晶粒の集合体で被覆された状態が創
出されている。
As described above, in the case of gallium nitride, single crystal grains are formed even at a low temperature range of about 400 ° C. to less than 500 ° C. In a relatively low temperature range, a V / III ratio of approximately 10 3 or less can provide substantially spherical particles, and a V / III ratio of approximately 1.5 × 10 4 or more can provide spindle-shaped single crystal particles. However, such a buffer layer obtained at a relatively low temperature has a single crystal layer in which single crystal grains are buried in a single crystal layer covering the surface of the deposit and a mixture of single crystal grains. On the other hand, within a preferable growth temperature range of about 600 ° C. to about 750 ° C., the surface of a deposit such as a crystal substrate can be uniformly covered with single crystal grains having a uniform shape. That is, the buffer layer can be formed from an aggregate of single crystal grains having a single structure. Single crystal grains have been known to function as growth nuclei to promote film formation ("Journal of the Japan Society for Crystal Growth",
Vol. 15 (1988), 334). Therefore, configuring the buffer layer from single crystal grains having a single morphology means that the growth nuclei are homogenized, and the homogenization of the growth can be achieved. Homogenization of the growth nuclei is one of the advantages brought by keeping the growth temperature in this range. FIG. 11 shows a C-plane sapphire substrate (10
1) A schematic diagram of a cross-sectional TEM image of a gallium nitride buffer layer according to the present invention formed thereon. As shown in the figure, the buffer layer (102) is made up of an aggregate of prismatic single crystal grains (113) having a top plate having a substantially flat top and a substantially hexagonal horizontal cross section. At this growth temperature, the lateral width of the prismatic single crystal grains (113) is approximately 15
It is in the range of nanometer (nm) ± 5 nm. The width changes mainly depending on the growth temperature, and tends to increase as the growth temperature is increased. The height of the prismatic single crystal grains as well as the width tends to increase as the growth temperature is increased, but in any case, the entire surface of the substrate (deposit) is replaced with the prismatic single crystal grains. There is no. In other words, a state is created in which the substrate surface is covered with an aggregate of single crystal grains serving as growth nuclei.

【0019】上記の好ましい成長温度範囲は窒化ガリウ
ムについてのものである。バッファ層を例えば、窒化ア
ルミニウム(AlN)から構成する場合、好ましい成長
温度は若干、高温側に移行し約650℃〜約800℃と
なる。アルミニウム(Al)とガリウムを構成要素とし
て含むIII 族窒化物混晶半導体からなるバッファ層を形
成する場合には、好ましい成長温度はアルミニウムの組
成比の増大とともに高温度側に移行する傾向がある。逆
にインジウム(In)を含有する、例えばインジウムが
添加(ドーピング)された窒化ガリウムをバッファ層と
する場合にあっては、インジウムのドーピング濃度が高
くなるに対応して最適な成長温度は低温側にずれる。一
例を挙げればインジウムのドーピング濃度が約1020
-3であれば、好ましい成長温度は概ね、500℃〜6
00℃である。
The above preferred growth temperature range is for gallium nitride. When the buffer layer is made of, for example, aluminum nitride (AlN), a preferable growth temperature slightly shifts to a higher temperature side and becomes about 650 ° C. to about 800 ° C. In the case of forming a buffer layer made of a group III nitride mixed crystal semiconductor containing aluminum (Al) and gallium as constituent elements, a preferable growth temperature tends to shift to a higher temperature side as the composition ratio of aluminum increases. Conversely, in the case where the buffer layer contains indium (In), for example, gallium nitride doped (doped) with indium, the optimum growth temperature is on the low temperature side in accordance with the increase of the indium doping concentration. Deviate. For example, if the doping concentration of indium is about 10 20 c
If m −3 , a preferable growth temperature is approximately 500 ° C. to 6 ° C.
00 ° C.

【0020】更に単結晶粒の配向性を一様とするには、
V/ III比を精密に制御して限定された条件に収納させ
る必要がある。V/ III比とは、成膜環境下(成長系)
に供給される第 III族元素原料に対する第V族元素の原
料の供給比である。窒化ガリウム(GaN)層の成長に
於いて、両構成元素の原料として一般的なアンモニア
(NH3 )とトリメチルガリウム(TMG:(CH3
3 Ga)等の有機ガリウム化合物などを例にすれば、V
/ III比は成長系に供給されるトリメチルガリウムの量
に対するアンモニアの量の比率で表される。例えば、C
面((0001)面)サファイアを基板として窒化ガリ
ウムからなるバッファ層を得る場合、V/ III比(アン
モニア/TMG供給比)を概ね、1.5×104 とすれ
ば各単結晶粒の配向性を画一とする効果がある。V/ I
II比を大とする、即ち、成長系内に於ける窒素原料の濃
度を第III 族元素の濃度に比し過多とすることによっ
て、配向性の画一化が達成される原因については未だ、
充分に解明は成されていない。しかし、窒素原料が過多
の条件下では、単結晶粒を成長核とした窒化ガリウムの
横(水平)方向への2次元的な成長が優勢となるのは事
実であって、この横方向の成長によって結局は等しい配
列方位をもった結晶面の占有する領域が拡張されると推
量される。即ち、横方向の成長が優勢となることによっ
て、同様の配向性を有する原子配列の様式が2次元的に
波及し拡張され、よって同一の配向性をもった格子面が
形成され易い成長環境が創出されるためと推定される。
Further, in order to make the orientation of the single crystal grains uniform,
It is necessary to precisely control the V / III ratio and store it under limited conditions. What is V / III ratio?
Is the supply ratio of the group V element raw material to the group III element raw material supplied. In growing a gallium nitride (GaN) layer, general ammonia (NH 3 ) and trimethylgallium (TMG: (CH 3 )) are used as raw materials for both constituent elements.
Taking an organic gallium compound such as 3 Ga) as an example, V
The / III ratio is expressed as the ratio of the amount of ammonia to the amount of trimethylgallium supplied to the growth system. For example, C
When a buffer layer made of gallium nitride is obtained by using plane ((0001) plane) sapphire as a substrate, if the V / III ratio (ammonia / TMG supply ratio) is approximately 1.5 × 10 4 , the orientation of each single crystal grain is This has the effect of making the sex uniform. V / I
The cause of achieving uniform orientation by increasing the II ratio, that is, by increasing the concentration of the nitrogen source in the growth system relative to the concentration of the group III element, is still unknown.
It has not been fully elucidated. However, it is a fact that under the condition of an excessive amount of nitrogen material, two-dimensional growth in the horizontal (horizontal) direction of gallium nitride with single crystal grains as growth nuclei prevails. It is presumed that the area occupied by crystal planes having the same arrangement orientation is eventually expanded. That is, by the lateral growth becoming dominant, the mode of the atomic arrangement having the same orientation spreads and expands two-dimensionally, so that a growth environment in which a lattice plane having the same orientation is easily formed is formed. It is presumed to be created.

【0021】上記の配向性は基板或いはエピタキシャル
成長層等の被堆積物表面に対して鉛直上方方向の配向性
についての規定であるが、本発明に係わるバッファ層を
構成する単結晶粒の集合体は、平面に於いても六角柱状
の単結晶粒が一様の方向性をもって配列されているのが
望ましい。端的に表現すれば、水平断面を六角形状とす
る六角柱状単結晶粒にあっては、該単結晶粒が六角柱の
一側面を互いに平行とする様に配列していれば平面的に
も配向が揃ったものとなる。単に一側面を平行として配
列しているのみではなく、加えて平行側面間の間隙を消
失させる如く側面が相互に密接に合着している状態とす
れば、この間隙の存在に起因する高温成長層表面のピッ
ト(細孔)の発生が抑制される。上記の好ましい成長条
件下では、形成される頂部の天板部を略平坦とする六角
柱状の単結晶粒は、六角形状単結晶柱の側面を平行か少
なくとも側面相互のなす角度を5度以内とする略平行に
配置され、且つ側面間の間隙が殆ど無く単結晶粒が相互
に密接に集合してなるバッファ層が得られる。
The above-mentioned orientation is a definition of the orientation in the vertical upward direction with respect to the surface of a substrate or an object to be deposited such as an epitaxial growth layer. The aggregate of single crystal grains constituting the buffer layer according to the present invention is It is desirable that hexagonal columnar single crystal grains are arranged in a uniform direction even on a plane. In short, in the case of hexagonal columnar single crystal grains having a hexagonal horizontal cross section, if the single crystal grains are arranged so that one side surface of the hexagonal column is parallel to each other, they are also oriented in a plane. Will be complete. In addition to simply arranging one side surface in parallel, if the side surfaces are closely bonded to each other so as to eliminate the gap between the parallel side surfaces, high-temperature growth caused by the presence of this space will occur. The generation of pits (pores) on the layer surface is suppressed. Under the above preferable growth conditions, the hexagonal columnar single crystal grains that make the top plate portion of the top formed substantially flat are parallel to the side surfaces of the hexagonal single crystal columns or at least an angle between the side surfaces within 5 degrees. As a result, a buffer layer is obtained in which the single crystal grains are arranged almost in parallel, and there is almost no gap between the side faces, and the single crystal grains are closely assembled with each other.

【0022】[0022]

【作用】結晶基板表面上に積層したIII 族窒化物半導体
からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層したIII
族窒化物半導体からなるエピタキシャル層とから構成さ
れる化合物半導体エピタキシャルウエハに於いて、該バ
ッファ層が単結晶粒の集合体からなり、前記バッファ層
を構成する単結晶粒は、as−grown状態で相互に
接合する側面を迂曲として合着し、かつ頂部の天板部を
略平担若しくは曲面状としてなること、また特に、上記
のバッファ層を構成する単結晶粒が、as−grown
状態で相互の積層方位の角度差を30度以内とすること
により、バッファ層上に堆積される成長層の表面状態の
向上、結晶品質の劣化の低減がもたらされる。
A buffer layer made of a group III nitride semiconductor laminated on the surface of a crystal substrate, and a buffer layer laminated on the buffer layer
In a compound semiconductor epitaxial wafer composed of an epitaxial layer composed of a group III nitride semiconductor, the buffer layer is composed of an aggregate of single crystal grains, and the single crystal grains constituting the buffer layer are in an as-grown state. The side surfaces joined to each other are joined as a detour, and the top plate at the top is formed substantially flat or curved, and in particular, the single crystal grains constituting the buffer layer are as-grown.
By setting the angle difference between the lamination directions within 30 degrees in the state, the surface state of the growth layer deposited on the buffer layer is improved, and the deterioration of the crystal quality is reduced.

【0023】[0023]

【実施例】【Example】

(実施例1)常圧MOCVD成長方法により、窒化ガリ
ウム(GaN)バッファ層を形成する場合を例にして、
先ず本発明に係わるバッファ層を説明する。基板には、
面方位を(0001)とするC面サファイアを使用し
た。基板は直径を50mmとする円形であって、厚さは
約330μmであった。この基板はCZ法で育成された
インゴットからスライスされ、ラッピング及び鏡面研磨
を経た後、水素気流中でアニール(焼き鈍し熱処理)さ
れたものである。同基板の表面を水酸化アンモニウム/
過酸化水素水/超純水からなる混合溶液で室温で約2分
間、撹拌しながら処理した。処理後、払水して更に基板
表面を赤外線ランプで加熱し乾燥させた。
(Example 1) An example in which a gallium nitride (GaN) buffer layer is formed by a normal pressure MOCVD growth method will be described.
First, the buffer layer according to the present invention will be described. The board has
C-plane sapphire with a plane orientation of (0001) was used. The substrate had a circular shape with a diameter of 50 mm and a thickness of about 330 μm. This substrate was sliced from an ingot grown by the CZ method, subjected to lapping and mirror polishing, and then annealed (annealed and heat-treated) in a hydrogen stream. Ammonium hydroxide /
The mixture was treated with a mixed solution of aqueous hydrogen peroxide / ultrapure water at room temperature for about 2 minutes with stirring. After the treatment, water was removed, and the substrate surface was further heated and dried with an infrared lamp.

【0024】然る後、該基板をステンレス鋼製の成長炉
内に配置されたセラミック加熱体を内蔵する抵抗加熱方
式の円形のヒータのほぼ中心部に載置した。載置後、反
応炉内を、吸着方式により精製された、露点を約マイナ
ス(−)90℃、ゲージ圧力を約1kg/cm2 とする
アルゴンガスにより、毎分約5リットルの流量をもって
約10分間換気(パージ:purge)した。その後、
反応炉へのアルゴンガスの供給を停止し、反応炉内を商
品名フォンブリンオイルを使用する一般の油回転式ベー
ン真空ポンプで排気した。真空度が約3×10-3Tor
r迄排気し、その真空度に約10分間保持した。然る
後、反応炉内にパラジウム−銀合金薄膜透過方式で精製
した後、更に深冷吸着方式で精製された露点を約マイナ
ス(−)95℃とする高純度水素ガスを流通して、反応
炉内の圧力を大気圧に復帰させた。大気圧に復帰させた
後、なお約10分間、毎分約3リットルの流量をもって
反応炉への水素の供給を継続した。
Thereafter, the substrate was placed almost at the center of a resistance heating type circular heater having a built-in ceramic heater placed in a stainless steel growth furnace. After the mounting, the inside of the reaction furnace was purified by an adsorption method using argon gas having a dew point of about minus (−) 90 ° C. and a gauge pressure of about 1 kg / cm 2 at a flow rate of about 5 liters per minute. It was ventilated (purge: minute). afterwards,
The supply of argon gas to the reaction furnace was stopped, and the inside of the reaction furnace was evacuated by a general oil rotary vane vacuum pump using Fomblin oil. The degree of vacuum is about 3 × 10 -3 Torr
The air was evacuated to about r and kept at that vacuum for about 10 minutes. Then, after purifying in a reaction furnace using a palladium-silver alloy thin film transmission method, high-purity hydrogen gas having a dew point of about minus (−) 95 ° C., which was further purified by a cryogenic adsorption method, was passed through the reaction furnace. The pressure in the furnace was returned to the atmospheric pressure. After returning to atmospheric pressure, the supply of hydrogen to the reactor was continued for about 10 minutes at a flow rate of about 3 liters per minute.

【0025】然る後、反応炉へ供給する水素の流量を毎
分3リットルから毎分9リットルに増量するに併せて、
上記のセラミック加熱体に通電してヒータ上の基板の温
度を室温近傍より先ず、第一段階として450℃に昇温
させ、基板を予備加熱した。450℃に約20分間保持
した後、第二段階として水素気流中で600℃の成長温
度に昇温した。同成長温度に到達する際の温度の過渡
(オーバーシュート)が納まってから20分間、基板を
同温度に保持しバッファ層の成長に備えた。
Thereafter, as the flow rate of hydrogen supplied to the reactor was increased from 3 liters per minute to 9 liters per minute,
The ceramic heating element was energized to raise the temperature of the substrate on the heater from around room temperature to 450 ° C. as a first step to preheat the substrate. After maintaining the temperature at 450 ° C. for about 20 minutes, the temperature was raised to 600 ° C. in a hydrogen stream as a second step. The substrate was kept at the same temperature for 20 minutes after the temperature transient (overshoot) when the temperature reached the growth temperature was settled, to prepare for the growth of the buffer layer.

【0026】20分間経過後、内容積を約10リットル
とするアルミニウム合金製のボンベ内に収納された液化
アンモニアを気化させたアンモニア(NH3 )ガスを電
子式質量流量計(マスフローコントロラー:MFC)で
毎分1.00リットルの流量に精密に制御して反応炉に
供給した。窒素(N)供給原料としてのアンモニアガス
の反応炉への供給を開始してから1分間経過後、ガリウ
ム(Ga)供給原料としたトリメチルガリウム((CH
33 Ga)を反応炉に供給して、窒化ガリウム(Ga
N)バッファ層の成長を開始した。トリメチルガリウム
の反応炉への供給はステンレス鋼製バブラー(発泡)容
器に収納した同物質の前記の高純度水素ガスによるバブ
リング操作を介して実施した。このバブラー容器は電子
制御式の恒温槽によってマイナス(−)10℃±0.5
℃に保持した。同温度に維持された液状トリメチルガリ
ウムへの水素バブリングガスの流量はMFCにより毎分
3ミリリットル(ml)に精密に制御した。上記のアン
モニア流量並びにトリメチルガリウムのバブリング条件
からV/ III比を計算すると2×104 となる。この成
長温度並びにV/ III比下で20分間、原料ガスの供給
を継続して膜厚を約68nmとする窒化ガリウムバッフ
ァ層を形成した。
After a lapse of 20 minutes, ammonia (NH 3 ) gas obtained by vaporizing liquefied ammonia contained in an aluminum alloy cylinder having an internal volume of about 10 liters is supplied to an electronic mass flow meter (MFC: MFC). ) And precisely supplied to the reactor at a flow rate of 1.00 liter per minute. One minute after the supply of ammonia gas as a nitrogen (N) supply material to the reaction furnace was started, trimethylgallium ((CH
3 ) 3 Ga) is supplied to the reactor, and gallium nitride (Ga)
N) The growth of the buffer layer was started. Trimethylgallium was supplied to the reaction furnace through the above-described high-purity hydrogen gas bubbling operation of the same substance contained in a stainless steel bubbler (foaming) vessel. This bubbler container is minus (-) 10 ° C ± 0.5 by an electronically controlled thermostat.
C. was maintained. The flow rate of the hydrogen bubbling gas to the liquid trimethylgallium maintained at the same temperature was precisely controlled to 3 milliliters per minute (ml) by MFC. The V / III ratio calculated from the above ammonia flow rate and the bubbling conditions of trimethylgallium is 2 × 10 4 . The supply of the source gas was continued at the growth temperature and the V / III ratio for 20 minutes to form a gallium nitride buffer layer having a thickness of about 68 nm.

【0027】サファイア基板上の上記の条件をもって成
長させた窒化ガリウムバッファ層の断面構造を調査する
ために、同ウエハの細片をアルゴンイオンを利用した一
般的なイオンシニイング(ion−thinning)
法により薄層化した。薄層後、一般的な透過型電子顕微
鏡を用い電子ビーム加速電圧を200キロボルト(K
V)として、透過明視野法でバッファ層断面の微細構造
を観察した。この電子顕微鏡による観察は、本実施例1
に係わるバッファ層が垂直方向に横幅を変化させる単結
晶粒から構成されていることを示した。これらの単結晶
粒は間隙を発生させずに密集して相互に堅固に接合して
いると共に、サファイア基板の表面をほぼ全面に亘り被
覆する様に配置されていた。単結晶粒間の高さの差異は
単結晶粒の高さ、即ち、バッファ層の層厚(約68n
m)に対して大凡、3nm以下であった。また更に、電
子顕微鏡による微細構造観察時の倍率を上げ、単結晶粒
の格子像を撮像した。その結果、各単結晶粒の内部に観
察される格子像は基板表面の鉛直方向にほぼ平行に配列
されていた。また、隣接する単結晶粒は各単結晶粒を構
成する格子面がほぼ平行となる様に接合しているのが認
められた。ウエハの極く周縁部では隣接して接合する単
結晶粒間で格子像が完全に平行とはならず、交差角度に
して約1度から約2度の角度をもっているのが判別され
た。しかし、格子面の交差角度を約1度から約2度とし
て接合した単結晶粒の数量は概ね、5%にも満たないも
のであった。すなわち本実施例1に記載の条件下に依れ
ば、格子面がほぼ平行となる様に接合した単結晶粒の集
合体からなる、画一的な配向性を有する本発明に係わる
単結晶粒からなるバッファ層がas−grown状態で
提供できることが如実に提示された。
In order to investigate the cross-sectional structure of the gallium nitride buffer layer grown under the above conditions on a sapphire substrate, a strip of the wafer was subjected to general ion-thinning using argon ions.
It was thinned by the method. After the thin layer, the electron beam acceleration voltage was set to 200 kV (K) using a general transmission electron microscope.
As V), the fine structure of the cross section of the buffer layer was observed by a transmission bright field method. Observation with this electron microscope is shown in Example 1
It was shown that the buffer layer according to the above was composed of single crystal grains whose lateral width was changed in the vertical direction. These single crystal grains were densely bonded to each other firmly without generating a gap, and were arranged so as to cover almost the entire surface of the sapphire substrate. The difference in height between the single crystal grains is the height of the single crystal grains, that is, the thickness of the buffer layer (about 68 n).
m) was about 3 nm or less. Further, the magnification at the time of microstructure observation with an electron microscope was increased, and a lattice image of a single crystal grain was taken. As a result, the lattice images observed inside each single crystal grain were arranged almost parallel to the vertical direction of the substrate surface. Further, it was recognized that adjacent single crystal grains were joined so that the lattice planes constituting each single crystal grain were substantially parallel. At the very edge of the wafer, it was determined that the lattice images were not completely parallel between adjacent single crystal grains and had an intersection angle of about 1 to about 2 degrees. However, the number of single crystal grains joined at an intersection angle of the lattice plane of about 1 degree to about 2 degrees was less than about 5%. That is, according to the conditions described in Example 1, a single crystal grain according to the present invention, which has a uniform orientation and is composed of an aggregate of single crystal grains joined so that lattice planes are substantially parallel to each other. It has been shown that a buffer layer consisting of can be provided in an as-grown state.

【0028】(実施例2)大気圧より約1000〜15
00ミリメートル水柱(mm H2 O)と僅かに減圧さ
れた成長環境を利用する減圧MOCVD成長方法によ
り、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)混晶か
らなるバッファ層を形成した。基板には、面方位(00
01)のC面サファイアを使用した。基板はリボン結晶
成長法で育成された長さ約25mm、幅約10mmの長
方形のもので、厚さは約350μmであった。この基板
はリボン状引き上げ結晶から切断され、ラッピング、端
面加工及び鏡面研磨を経た後、1000℃を越える温度
で水素気流中でアニール(焼き鈍し熱処理)されたもの
である。同基板の表面を約100℃でリン酸系溶液で約
2分間、撹拌しながら処理した。基板表面処理後、比抵
抗を約18メガオーム(MΩ)とする超純水で充分に水
洗した。払水した後、基板表面に赤外線を照射して加熱
して乾燥させた。
(Embodiment 2) About 1000 to 15 from atmospheric pressure
A buffer layer made of a mixed crystal of aluminum and gallium nitride (AlGaN) was formed by a reduced pressure MOCVD growth method using a water column of 00 mm (mm H 2 O) and a slightly reduced growth environment. The substrate has a plane orientation (00
01) C-plane sapphire was used. The substrate was a rectangular substrate having a length of about 25 mm and a width of about 10 mm grown by a ribbon crystal growth method, and a thickness of about 350 μm. This substrate was cut from a ribbon-shaped pulled crystal, subjected to lapping, end face processing and mirror polishing, and then annealed (annealed heat treatment) in a hydrogen stream at a temperature exceeding 1000 ° C. The surface of the substrate was treated with a phosphoric acid solution at about 100 ° C. for about 2 minutes while stirring. After the substrate surface treatment, the substrate was sufficiently washed with ultrapure water having a specific resistance of about 18 megaohm (MΩ). After the water was removed, the substrate surface was irradiated with infrared rays, heated and dried.

【0029】然る後、上記の手順に従い表面処理された
サファイア基板を半導体工業用の高純度石英製の角型成
長炉内に水平に配置された基板載置台(サセプター)の
ほぼ中心部に載置した。載置後、反応炉内を吸着方式に
より精製された露点を約マイナス(−)85℃とする窒
素(N2 )ガスにより換気(パージ:purge)し
た。すなわち、内面の接ガス部に鏡面研磨を施した清浄
な減圧弁を介してゲージ圧力が約0.7kg/cm2
調整された窒素ガスを毎分約3リットルの流量をもって
約5分間パージした。その後、反応炉への窒素パージガ
スの供給を停止し、反応炉内を一般のベーン式ロータリ
真空ポンプで排気した。真空度が約5×10-3トール
(Torr)に到達する迄排気し、その真空度に約15
分間保持した。然る後、反応炉を真空に排気するための
真空排気系への導通を遮断し、反応炉内に上記の窒素ガ
スを流入させ、反応炉を大気圧に復帰させた。暫時、窒
素ガスを反応炉内に流通させた後、反応炉内に流通する
ガスを窒素からパラジウム−銀合金薄膜透過方式で精製
した後、更に深冷吸着方式で精製された露点を約マイナ
ス(−)98℃とする高純度水素ガスに切り換えた。ガ
スを切り換えた後、更に約20分間、毎分約3リットル
の流量をもって反応炉への水素の供給を継続した。
Thereafter, the sapphire substrate surface-treated in accordance with the above-described procedure is placed substantially at the center of a substrate mounting table (susceptor) horizontally disposed in a square growth furnace made of high-purity quartz for use in the semiconductor industry. Was placed. After the mounting, the inside of the reactor was ventilated (purged) with nitrogen (N 2 ) gas having a dew point of about minus (−) 85 ° C. purified by an adsorption method. That is, a nitrogen gas whose gauge pressure was adjusted to about 0.7 kg / cm 2 was purged at a flow rate of about 3 liters per minute for about 5 minutes through a clean pressure reducing valve in which a gas contact portion on the inner surface was mirror-polished. . Thereafter, the supply of the nitrogen purge gas to the reaction furnace was stopped, and the inside of the reaction furnace was evacuated by a general vane type rotary vacuum pump. Evacuate until the degree of vacuum reaches about 5 × 10 -3 Torr (Torr).
Hold for minutes. Thereafter, conduction to a vacuum evacuation system for evacuating the reactor to vacuum was cut off, the nitrogen gas was introduced into the reactor, and the reactor was returned to atmospheric pressure. For a while, after flowing nitrogen gas into the reaction furnace, the gas flowing through the reaction furnace is purified from nitrogen by a palladium-silver alloy thin film transmission method, and then the dew point purified by the cryogenic adsorption method is reduced to about minus ( −) Switching to high-purity hydrogen gas at 98 ° C. After the gas was switched, the supply of hydrogen to the reactor was continued at a flow rate of about 3 liters per minute for about another 20 minutes.

【0030】然る後、反応炉へ供給する水素の流量を毎
分3リットルから毎分9リットルに増量するに併せて、
反応炉内の圧力を大気圧より約1000ミリメートル水
柱(mm H2 O)程、低い圧力とした。反応炉の減圧
度の調整は反応炉からブロワーによる反応炉内のガスを
吸引する機構を備えたアンモニア除害装置に通ずる配管
の中途に設けた開度調節弁(バタフライ弁)の開閉度を
調節することにより行った。この圧力調整は圧電(ピエ
ゾ)方式の精密圧力計から出力される感知圧力に応じた
電気信号を開度調節弁の開度を調節する弁体回転機構部
に入力することをもって自動的に制御した。次に、石英
反応管の周囲に配置した無酸素銅から構成した水冷式高
周波誘導コイルに高周波(最大周波数=13.56メガ
ヘルツ(MHz))電力を印加した。これより、載置台
上の基板の温度を室温近傍より先ず、第一段階として4
50℃に昇温させ、基板を予備加熱した。450℃に約
20分間保持した後、第二段階として水素気流中で68
0℃の成長温度に昇温した。450℃の基板予備加熱温
度から680℃に到達するには約5分を要した。同成長
温度に20分間、基板を保持しバッファ層の成長に備え
た。
Thereafter, as the flow rate of hydrogen supplied to the reactor was increased from 3 liters per minute to 9 liters per minute,
The pressure in the reactor was set to be about 1000 millimeters water column (mm H 2 O) lower than atmospheric pressure. The degree of pressure reduction in the reactor is adjusted by opening and closing the opening control valve (butterfly valve) provided in the middle of the piping leading to the ammonia abatement system equipped with a mechanism for sucking the gas inside the reactor by a blower from the reactor. It was done by doing. This pressure adjustment was automatically controlled by inputting an electrical signal corresponding to the sensed pressure output from a piezoelectric (piezo) type precision pressure gauge to a valve body rotation mechanism for adjusting the opening of the opening adjustment valve. . Next, high-frequency power (maximum frequency = 13.56 MHz) was applied to a water-cooled high-frequency induction coil composed of oxygen-free copper disposed around the quartz reaction tube. Accordingly, the temperature of the substrate on the mounting table is set to be about 4 degrees as the first step from near room temperature.
The temperature was raised to 50 ° C., and the substrate was preheated. After holding at 450 ° C. for about 20 minutes, the second step is to run 68
The temperature was raised to a growth temperature of 0 ° C. It took about 5 minutes to reach 680 ° C. from the substrate preheating temperature of 450 ° C. The substrate was held at the same growth temperature for 20 minutes to prepare for growth of the buffer layer.

【0031】20分間経過後、内容積を約10リットル
とするアルミニウム合金製のボンベ内に収納された液化
アンモニアを気化させたアンモニア(NH3 )ガスを電
子式質量流量計(マスフローコントロラー:MFC)で
毎分3.00リットルの流量に精密に制御して反応炉に
供給した。窒素(N)供給原料としてのアンモニアガス
の反応炉への供給を開始してから1分間経過後、ガリウ
ム(Ga)供給原料としたトリメチルガリウム((CH
33 Ga)及びアルミニウム(Al)供給原料とした
トリメチルアルミニウム((CH33 Al)を反応炉
に供給して、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGa
N)混晶からなるバッファ層の成長を開始した。トリメ
チルガリウムの反応炉への供給はステンレス鋼製バブラ
ー(発泡)容器に収納した同物質の前記の高純度水素ガ
スによるバブリング操作を介して実施した。このバブラ
ー容器は電子制御式の恒温槽によって0℃±0.2℃に
保持した。同温度に維持された液状トリメチルガリウム
への水素バブリングガスの流量はMFCにより毎分8ミ
リリットル(ml)に精密に制御した。トリメチルガリ
ウムと同様にトリメチルアルミニウムもステンレス鋼製
バブラー容器に収納しておき、その容器は電子制御式恒
温槽により17℃の恒温に保持した。トリメチルアルミ
ニウムも高純度水素ガスによるバブリング操作を介して
成長系に添加した。水素バブリングガスの流量は毎分
3.6ミリリットルとした。このガリウム並びにアルミ
ニウム原料の供給比を一定に保持しながら、20分間に
亘り原料ガス等の成長系への供給を継続して、アルミニ
ウム組成比を6%とし、層厚を72ナノメータ(nm)
とするAl0.06Ga0.94N混晶からなるバッファ層を得
た。
After a lapse of 20 minutes, ammonia (NH 3 ) gas obtained by vaporizing liquefied ammonia contained in an aluminum alloy cylinder having an internal volume of about 10 liters is supplied to an electronic mass flow meter (MFC: MFC). ), And precisely controlled to a flow rate of 3.00 liters per minute to feed the reactor. One minute after the supply of ammonia gas as a nitrogen (N) supply material to the reaction furnace was started, trimethylgallium ((CH
3) 3 Ga) and aluminum (Al) trimethylaluminum was feedstock ((CH 3) 3 Al) was supplied to the reaction furnace, aluminum gallium nitride (AlGa
N) The growth of the mixed crystal buffer layer was started. Trimethylgallium was supplied to the reaction furnace through the above-described high-purity hydrogen gas bubbling operation of the same substance contained in a stainless steel bubbler (foaming) vessel. This bubbler container was kept at 0 ° C. ± 0.2 ° C. by an electronically controlled thermostat. The flow rate of the hydrogen bubbling gas to the liquid trimethylgallium maintained at the same temperature was precisely controlled to 8 milliliters per minute (ml) by MFC. Like trimethylgallium, trimethylaluminum was stored in a stainless steel bubbler container, and the container was kept at a constant temperature of 17 ° C. by an electronically controlled constant temperature bath. Trimethylaluminum was also added to the growth system via bubbling operation with high purity hydrogen gas. The flow rate of the hydrogen bubbling gas was 3.6 ml / min. While keeping the supply ratios of the gallium and aluminum raw materials constant, the supply of the raw material gases and the like to the growth system is continued for 20 minutes, the aluminum composition ratio is made 6%, and the layer thickness is 72 nanometers (nm).
To obtain a buffer layer composed of an Al 0.06 Ga 0.94 N mixed crystal.

【0032】同ウエハの細片をアルゴンイオンを利用し
た一般的なイオンシニイング(ion−thinnin
g)法により薄層化した後、一般的な透過型電子顕微鏡
により電子ビーム加速電圧を200キロボルト(KV)
として、透過明視野法でバッファ層断面の微細構造を観
察した。図12に断面の透過電子顕微鏡像を模式的に示
す。このバッファ層(102)は断面の横幅(122)
が基板表面からの上方の方向に変化する単結晶粒(11
3)から構成されていた。単結晶粒(113)の頂部の
天板部(115)は角錘状とはなっておらず、むしろな
だらかな曲面であって、このため、単結晶粒が密接に集
合してなるバッファ層の表面には角錘状の突起がなく、
滑らかな曲面状となっていた。また、各単結晶粒の側面
の外郭(稜線)は明瞭な直線ではなく曲面となっている
ため、単結晶粒の接合側面の輪郭は曲面状となった。更
に、単結晶粒(113)を構成する格子面の配向性を示
す格子面像(120)から各単結晶粒(113)の結晶
格子面は基板との界面(103)に互いにほぼ平行に配
列されていた。隣接する単結晶粒(113)の相互間に
於いても格子面像(120)はほぼ平行に配列している
のが認められた。単結晶粒相互間に於いて交差角度が約
1度を越えるのは希有であった。すなわち、本実施例2
に記載の条件下に依れば、格子面がほぼ平行となる様に
接合した単結晶粒の集合体からなる、画一的な配向性を
有する本発明に係わる窒化アルミニウム・ガリウム混晶
からなる単結晶粒からなるバッファ層がas−grow
n状態で提供できた。
The wafer strip was subjected to general ion-shinning using argon ions.
g) After thinning by the method, the electron beam accelerating voltage is set to 200 kilovolts (KV) by a general transmission electron microscope.
The fine structure of the cross section of the buffer layer was observed by a transmission bright field method. FIG. 12 schematically shows a transmission electron microscope image of the cross section. This buffer layer (102) has a cross-sectional width (122).
Is changed in the upward direction from the substrate surface (11)
3). The top plate portion (115) at the top of the single crystal grain (113) is not in the shape of a pyramid, but rather is a gentle curved surface. There are no pyramidal projections on the surface,
It had a smooth curved surface. In addition, since the outline (ridge line) of the side surface of each single crystal grain is not a clear straight line but a curved surface, the contour of the bonding side surface of the single crystal grain is curved. Further, from the lattice plane image (120) showing the orientation of the lattice planes constituting the single crystal grains (113), the crystal lattice planes of the single crystal grains (113) are arranged almost parallel to the interface (103) with the substrate. It had been. It was recognized that lattice plane images (120) were arranged almost in parallel between adjacent single crystal grains (113). It is rare that the crossing angle between single crystal grains exceeds about 1 degree. That is, the second embodiment
According to the conditions described in (1), it is composed of an aluminum nitride-gallium mixed crystal according to the present invention having a uniform orientation, comprising an aggregate of single crystal grains joined so that lattice planes are substantially parallel to each other. Buffer layer made of single crystal grains is as-grown
n states could be provided.

【0033】(実施例3)常圧MOCVD成長方法によ
りインジウム(In)をドーピングした窒化ガリウム
(GaN)単結晶粒から構成されるバッファ層を形成し
た。基板として実施例1記載と同一の形状、面方位、厚
さ並びに熱処理を施したサファイアを使用した。同じく
実施例1に記載と同一の手順をもってインジウムドープ
窒化ガリウム単結晶粒からなるバッファ層を形成する準
備を施した。
Example 3 A buffer layer composed of single crystal grains of gallium nitride (GaN) doped with indium (In) was formed by a normal pressure MOCVD growth method. As the substrate, sapphire subjected to the same shape, plane orientation, thickness and heat treatment as described in Example 1 was used. Preparation for forming a buffer layer composed of indium-doped gallium nitride single crystal grains was also performed in the same procedure as described in Example 1.

【0034】その後、実施例1記載の窒化ガリウムバッ
ファ層の成長手順に準じて、窒化ガリウムバッファ層を
形成した。その際、実施例1記載の条件に変更を加えた
事項は(1)成長温度及び(2)インジウムのドーピン
グの追加操作の2点である。成長温度はインジウムを含
有するバッファ層を形成することを勘案して、実施例1
に比し50℃低い550℃とした。また、インジウムの
ドーピングは、トリメチルガリウムを搬送する水素バブ
リングガスを成長系に供給すると同時にインジウムのド
ーピング原料ガスを成長系内に添加することをもって実
施した。インジウムのドーピング源としては結合価を一
価とするシクロペンタジエニルインジウム(C55
n)を使用した。このインジウムドーピング源もガリウ
ム及びアルミニウム原料供給源と同じくステンレス鋼製
の小型蒸発容器内に収納し、同蒸発用容器は電子式恒温
槽により60±1℃に保持した。この蒸発用容器内に
は、昇華したインジウム源を搬送するための高純度水素
ガスを毎分120ミリリットルの流量で流通させた。こ
の流通量が変動すれば成長系内に搬送されるインジウム
の量に変動を来すため、MFCによりその流通量を精密
に制御した。アンモニアの流量は実施例1と同じく毎分
3.00リットルにMFCにより精密に制御した。よっ
て、V/III 比は約1.9×104 であった。これらの
流量条件を20分間維持して、約60nmの厚さのバッ
ファ層を得た。
Thereafter, a gallium nitride buffer layer was formed in accordance with the procedure for growing a gallium nitride buffer layer described in Example 1. At that time, the conditions described in Example 1 were changed in two points: (1) growth temperature and (2) additional operation of indium doping. The growth temperature was determined in Example 1 in consideration of the formation of a buffer layer containing indium.
550 ° C. lower by 50 ° C. than that of The indium doping was performed by supplying a hydrogen bubbling gas carrying trimethylgallium to the growth system and simultaneously adding an indium doping source gas into the growth system. As a doping source of indium, cyclopentadienylindium (C 5 H 5 I
n) was used. This indium doping source was also housed in a small stainless steel evaporation container like the gallium and aluminum raw material supply source, and the evaporation container was kept at 60 ± 1 ° C. by an electronic thermostat. High-purity hydrogen gas for transporting the sublimated indium source was circulated at a flow rate of 120 ml / min in the evaporation container. If the flow rate fluctuates, the amount of indium conveyed into the growth system fluctuates, so the flow rate was precisely controlled by MFC. The flow rate of ammonia was precisely controlled to 3.00 liters per minute by MFC as in Example 1. Therefore, the V / III ratio was about 1.9 × 10 4 . By maintaining these flow conditions for 20 minutes, a buffer layer having a thickness of about 60 nm was obtained.

【0035】成長系へのガリウム供給原料とインジウム
ドーピング原料の供給を停止してインジウムがドープさ
れた窒化ガリウムバッファ層の成長を終了させた後、更
に約1分経過後、サファイア基板を冷却するために抵抗
加熱体への電力の供給を停止した。降温を開始して、ヒ
ータの中央部で基板が載置される直下に配置されたクロ
メル・アルメル合金系熱電対(通称JIS−K熱電対)
の温度指示値が約500℃となった時点でアンモニアガ
スの成長系への供給を停止した。サファイア基板の温度
が室温近傍となった時点で、反応炉内への供給するガス
種を水素よりアルゴンガスに代替した。然る後、反応炉
内を排気操作及び大気圧へ復帰させるためのアルゴンガ
スによるパージ操作を交互に数回、反復して、最終的に
はアルゴンガスが流通する状態とした。この状態で基板
載置台を水冷方式の防塵型角型ゲート弁を通過させて反
応炉に付帯するインターロック室に搬送した。インター
ロック室と反応炉とを隔離する角型ゲート弁を閉とした
後、インターロック室内の真空排気並びにアルゴンガス
パージを数回繰り返し、最終的にアルゴンガスが室内に
充満している状態とした。この状態でインターロック室
内の基板載置台上からサファイア基板とインジウムドー
プ窒化ガリウムバッファ層とからなるエピタキシャルウ
エハを室外へと取り出した。
After stopping the supply of the gallium supply material and the indium doping material to the growth system and terminating the growth of the indium-doped gallium nitride buffer layer, approximately one minute later, the sapphire substrate is cooled. Then, the supply of power to the resistance heater was stopped. After the temperature is reduced, a chromel / alumel alloy thermocouple (commonly known as JIS-K thermocouple) is disposed just below the center of the heater where the substrate is placed.
When the temperature indicated by the above became approximately 500 ° C., the supply of ammonia gas to the growth system was stopped. When the temperature of the sapphire substrate became close to room temperature, the gas supplied to the reaction furnace was replaced with argon gas instead of hydrogen. Thereafter, the inside of the reaction furnace was alternately evacuated and purged with argon gas for returning to atmospheric pressure several times alternately, and finally, argon gas was circulated. In this state, the substrate mounting table was transported through a water-cooled dustproof square gate valve to an interlock chamber attached to the reaction furnace. After closing the square gate valve for isolating the interlock chamber and the reaction furnace, the evacuation of the interlock chamber and the purging of argon gas were repeated several times, and finally the chamber was filled with argon gas. In this state, an epitaxial wafer composed of a sapphire substrate and an indium-doped gallium nitride buffer layer was taken out of the room from the substrate mounting table in the interlock chamber.

【0036】上記の成長により形成されたインジウムド
ープ窒化ガリウムバッファ層内のインジウムの原子濃度
はSIMS(2次イオン質量分析法)により約6×10
18cm-3と定量された。室温(291K(ケルビン)近
傍)、液体窒素温度(77K)及びより低温の10Kで
測定したフォトルミネッセンス(PL)スペクトル上に
は、窒化ガリウム・インジウム混晶のバンド端発光を示
す発光ピークの出現は認められなかった。前記したと同
様の透過型電子顕微鏡法による観察により、インジウム
がドーピングされた窒化ガリウムバッファ層は単結晶粒
が相互に間隙なく密集してなる集合体であることが示さ
れた。この集合体を構成する各単結晶粒間の格子配列も
ほぼ平行に揃っていた。すなわち、実施例1及び2に記
載の窒化ガリウム及び窒化アルミニウム・ガリウム混晶
からなるバッファ層の場合と格子配列の平行性について
は格別な差異は認められなかった。単結晶粒の頂部の天
板部から構成されるバッファ層の表面は窒化アルミニウ
ム・ガリウムバッファ層の場合と同様になだらかな曲面
状であった。しかしながら、倍率20×104 倍のより
高倍率下で基板/バッファ層間の界面近傍領域の断面明
視野像を観察した結果では、界面近傍の領域で横幅を大
とし、基板表面から鉛直上方に向けて幅を縮小する傾向
にある単結晶粒の存在が認められた。界面近傍に存在す
る単結晶粒の様呈は実施例1記載のアンドープ窒化ガリ
ウムバッファ層とは多少、異なるものとなった。
The atomic concentration of indium in the indium-doped gallium nitride buffer layer formed by the above growth is about 6 × 10 by SIMS (secondary ion mass spectrometry).
It was determined to be 18 cm -3 . On the photoluminescence (PL) spectrum measured at room temperature (near 291 K (Kelvin), liquid nitrogen temperature (77 K), and lower temperature of 10 K, the appearance of the emission peak showing the band edge emission of the gallium-indium mixed crystal is as follows. I was not able to admit. Observation by transmission electron microscopy similar to that described above showed that the indium-doped gallium nitride buffer layer was an aggregate in which single crystal grains were densely packed without gaps. The lattice arrangement between the single crystal grains constituting the aggregate was also substantially parallel. That is, no particular difference was observed in the parallelism of the lattice arrangement from the buffer layers made of gallium nitride and the mixed crystal of aluminum nitride and gallium described in Examples 1 and 2. The surface of the buffer layer composed of the top plate portion at the top of the single crystal grain had a gentle curved surface as in the case of the aluminum / gallium nitride buffer layer. However, as a result of observing a cross-sectional bright-field image of a region near the interface between the substrate and the buffer layer under a higher magnification of 20 × 10 4 times, the lateral width was increased in the region near the interface, and the width was increased vertically from the substrate surface. The presence of single crystal grains which tended to reduce the width was observed. The appearance of single crystal grains existing near the interface was slightly different from the undoped gallium nitride buffer layer described in Example 1.

【0037】(比較例1)本比較例1では、単結晶から
なるバッファ層が成長層の表面状態の向上にもたらす効
用を、単結晶とはなっていないバッファ層の場合と対比
させて述べる。基板温度を380℃とし、それ以外は上
記の実施例1と全く同一の成長条件並びに成長操作によ
り窒化ガリウムからなるバッファ層を形成した。成長温
度が低下したため、成長時間は実施例1と同一としても
得られる層厚は2.5nmに減少した。RHEED法並
びに断面TEM法によりこのバッファ層の結晶性を評価
した。断面TEM法に依るバッファ層を構成する微細構
造の透過電子線回折像の観察から、本比較例1に係わる
バッファ層の構成要素は3種に大別された。一つは点状
の回折パターンを与えるものであり、他の一種は回折ス
ポットと回折環とが共存するパターンを与えるものであ
り、残りは回折環のみからなるパターンを与える構成要
素である。即ち、回折パターンから、一つの構成要素は
単結晶粒であり、他は多結晶体であり、三番目は非晶質
体であると常識的に解析される。一方、バッファ層の表
面から得られるRHEEDパターンに出現するのは、全
んど回折環のみであった。従って、このバッファ層は構
成要素として単結晶粒或いは多結晶体を含んではいるも
のの、全体として見れば非晶質体を主体として構成され
ているものであった。各単結晶粒或いは多結晶体は云わ
ば非晶質体の中に散在しており、相互に密接に合着して
密集している状態には程遠いものであった。また、単結
晶粒相互の格子配列を透過型電子顕微鏡の高分解能モー
ド下で観察したところ、不統一であった。例えば、或る
単結晶粒を構成する格子は基板表面にほぼ平行に配列し
ており、他の単結晶粒では、基板表面(水平面)に対
し、格子面は反時計方向に約30度の角度を保持しなが
ら互いに平行に配列していた。これより、このバッファ
層は主たる構成要素並びに結晶形態から判断しても従来
のバッファ層と同様であると見なされた(特開平2−2
29476号、特開平4−297023号、特開平6−
151962号及び特開平7−3121350号公報参
照)。更に、非晶質体を主たる構成要素としながらも、
(0001)−サファイア基板の一部領域では表面が非
晶質体にも被覆されずに露呈しており、基板表面のほぼ
全域が一律に単結晶粒で緻密に被覆されてはいなかっ
た。
(Comparative Example 1) In Comparative Example 1, the effect of the buffer layer made of a single crystal to improve the surface condition of the growth layer will be described in comparison with the case of a buffer layer that is not a single crystal. A buffer layer made of gallium nitride was formed under the same growth conditions and growth operation as in Example 1 except that the substrate temperature was 380 ° C. Since the growth temperature was lowered, the obtained layer thickness was reduced to 2.5 nm even if the growth time was the same as in Example 1. The crystallinity of this buffer layer was evaluated by the RHEED method and the cross-sectional TEM method. From observation of a transmission electron beam diffraction image of a fine structure constituting the buffer layer by a cross-sectional TEM method, the components of the buffer layer according to Comparative Example 1 were roughly classified into three types. One is to provide a point-like diffraction pattern, the other is to provide a pattern in which a diffraction spot and a diffraction ring coexist, and the other is a component to provide a pattern consisting of only a diffraction ring. That is, from the diffraction pattern, one component is a single crystal grain, the other is a polycrystal, and the third component is an amorphous body. On the other hand, only the diffraction ring appeared in the RHEED pattern obtained from the surface of the buffer layer. Therefore, although this buffer layer contains a single crystal grain or a polycrystal as a constituent element, it is mainly composed of an amorphous body as a whole. The single crystal grains or polycrystals were scattered in the so-called amorphous material, and were far from being closely bonded to each other and densely packed. Observation of the lattice arrangement between single crystal grains under a high-resolution mode of a transmission electron microscope revealed that the lattice arrangement was not uniform. For example, the lattices constituting a single crystal grain are arranged almost in parallel to the substrate surface, and in other single crystal grains, the lattice plane has an angle of about 30 degrees counterclockwise with respect to the substrate surface (horizontal plane). Were held in parallel with each other. From this, it was considered that this buffer layer was the same as the conventional buffer layer, judging from the main constituent elements and the crystal form (Japanese Patent Laid-Open No. 2-2 / 1990).
No. 29476, JP-A-4-297023, JP-A-6-297
No. 151962 and JP-A-7-3121350). Furthermore, while using an amorphous body as a main component,
In a partial region of the (0001) -sapphire substrate, the surface was exposed without being covered with the amorphous body, and almost the entire surface of the substrate was not uniformly and densely covered with single crystal grains.

【0038】付記するに本比較例1より更に低温の20
0℃から300℃強の間の温度では、本発明者が試行し
た限りでは多結晶からなるバッファ層すら形成されず、
単に液状の物質が付着するに過ぎなかった。この物質は
ガリウムの液滴であるのか或いは金属ガリウムとアンモ
ニアとの反応により約100℃以上の温度で生成すると
されるメタルガリウムアミド(Ga(NH23
(I.A.SHEKA、I.S.CHAUS and
T.T.MITYUREVA、”THE CHEMIS
TRY OF GALLIUM”、Chapter
6、133頁(ELSEVIER PUNBLISHI
NGCOMPANY,1966))の様な、或いはまた
トリメチルガリウムとアンモニアとの反応によって生成
する炭素(C)と水素(H)とガリウム(Ga)と窒素
(N)とを含む[C−H−Ga−N]ポリマー(J.E
lectrochem.Soc.,Vol.118、N
o.11(1971)、1864.)の様な化合物類で
あるのかは断定するに至らなかった。この様な低温で生
成する物質が何れであれ、300℃以下の低温では多結
晶のIII 族窒化物半導体層さえ形成するのが困難であっ
た。
It should be additionally noted that the temperature was lower than that of Comparative Example 1 by 20.
At a temperature between 0 ° C. and a little over 300 ° C., even a buffer layer made of polycrystal is not formed as far as the inventor has tried,
Only liquid material was deposited. This substance is a gallium droplet or metal gallium amide (Ga (NH 2 ) 3 ) which is supposed to be formed at a temperature of about 100 ° C. or more by the reaction of metal gallium and ammonia.
(IA.SHEKA, IS.CHAUS and
T. T. MITYUREVA, "THE CHEMIS
TRY OF GALLIUM ", Chapter
6, 133 pages (ELSEVIER PUNBLISHI
NGCOMPANY, 1966), or alternatively containing carbon (C), hydrogen (H), gallium (Ga) and nitrogen (N) formed by the reaction of trimethylgallium with ammonia. N] polymer (JE
electrochem. Soc. , Vol. 118 , N
o. 11 (1971), 1864. ) Could not be determined. Regardless of the substance generated at such a low temperature, it has been difficult to form even a polycrystalline group III nitride semiconductor layer at a low temperature of 300 ° C. or lower.

【0039】380℃で成長させた上記のバッファ層上
に、1100℃でアンドープ窒化ガリウム成長層を以下
に述べる実施例4と全く同一の成長条件並びに操作をも
って形成した。しかし、成長層の表面は実施例4により
得られたように平滑とはならず、多数の間隙や突起が出
現した。図13はピットや突起の発生と、高温の成膜環
境下に曝した際の従来の非晶質バッファ層の変質との因
果関係を如実に示す断面TEM像である。バッファ層の
主たる構成要素である非晶質体のほとんどは窒化ガリウ
ム成長層の成長のための高温への昇温時に消失したが、
極く一部は(0001)−サファイア基板表面上にas
−grown時の結晶形態を変えることなく残存した。
残存する非晶質体(104)が基板温度の上昇により単
結晶化している傾向は明瞭には認められなかった。微小
な単結晶或いは幾つかの単結晶粒が集合した多結晶の粒
体(123)はそのまま乱雑に残存した。バッファ層
(102)の構成要素は僅かに残存した非晶質体(10
4)と多結晶の粒体(123)であった。as−gro
wn状態では非晶質体が存在したものの、成長温度への
昇温時に非晶質体が消失したために基板の表面が露呈し
た領域(108)では、C面サファイア基板に垂直なc
結晶軸方向への成長が優勢となり、高温(1100℃)
で成長させた窒化ガリウム成長層(117)内に角錘状
の単結晶柱(118)が乱立していた。単結晶柱(11
8)は相互に密接に合着せず、孤立して乱立しており、
単結晶柱(118)の側壁(129)間には空隙(ピッ
ト)(107)が存在していた。この空隙(107)が
存在する位置に対応して成長層(117)にピット(1
07)が発生していた。また、単結晶柱(118)の天
板部(130)を構成する角錘の頂部(131)が突出
して露呈して、成長層(117)には、突起(125)
が発生することとなった。この様に、間隙或いは突起の
発生を誘引する要素から構成されるバッファ層を下地層
とした場合、表面状態に優れる高温成長層を得るには至
らなかった。要約するに、従来の構成からなるバッファ
層を下地層とする限り、上記の実施例1の場合に比較し
て表面状態に優れる成長層を具備したエピタキシャル層
の形成は困難であった。
On the buffer layer grown at 380 ° C., an undoped gallium nitride growth layer was formed at 1100 ° C. under exactly the same growth conditions and operation as in Example 4 described below. However, the surface of the growth layer was not smooth as obtained in Example 4, and many gaps and projections appeared. FIG. 13 is a cross-sectional TEM image that clearly shows the causal relationship between the generation of pits and protrusions and the deterioration of the conventional amorphous buffer layer when exposed to a high-temperature film-forming environment. Most of the amorphous body, which is the main component of the buffer layer, disappeared when the temperature was raised to a high temperature for growing the gallium nitride growth layer.
A very small portion is as as on the (0001) -sapphire substrate surface.
-It remained without changing the crystal form at the time of the growth.
The tendency that the remaining amorphous body (104) was single-crystallized due to an increase in the substrate temperature was not clearly recognized. A fine single crystal or a polycrystalline particle (123) in which several single crystal grains were aggregated remained randomly. The constituents of the buffer layer (102) are slightly remaining amorphous material (10
4) and polycrystalline particles (123). as-gro
Although the amorphous body was present in the wn state, the region (108) where the surface of the substrate was exposed because the amorphous body disappeared when the temperature was raised to the growth temperature was c perpendicular to the C-plane sapphire substrate.
High temperature (1100 ° C) with growth in the crystal axis direction predominant
In the gallium nitride growth layer (117) grown in step (1), pyramid-shaped single crystal columns (118) were erected. Single crystal pillar (11
8) are not closely united with each other, are isolated and scattered,
Voids (pits) (107) existed between the side walls (129) of the single crystal columns (118). The pit (1) is formed in the growth layer (117) corresponding to the position where the void (107) exists.
07) had occurred. In addition, the top portion (131) of the pyramid constituting the top plate portion (130) of the single crystal column (118) protrudes and is exposed, and the growth layer (117) has protrusions (125).
Will occur. As described above, when the buffer layer composed of the elements that induce the generation of gaps or protrusions is used as the underlayer, it has not been possible to obtain a high-temperature growth layer having an excellent surface condition. In summary, as long as the buffer layer having the conventional structure is used as the underlayer, it is difficult to form an epitaxial layer having a growth layer having a superior surface state as compared with the case of the above-described Example 1.

【0040】(実施例4)本実施例4では、本発明に係
わるバッファ層を備えたIII 族窒化物半導体のエピタキ
シャルウエハから青色発光ダイオード(LED)を形成
した。先ず、LED用途のエピタキシャルウエハの形成
について記述する。基板としては、スライス及び研磨工
程で発生する破砕層に多く含まれる酸素等の不純物を除
去するための水素気流中でのアニール処理が施された表
裏両面を鏡面研磨したサファイア結晶を用いた。基板厚
は表裏両面に鏡面研磨を施した時点で約85μmであっ
た。両面が研磨された基板を使用する主たる理由は、表
面の面粗度精度の向上によってヒータ等の加熱体表面と
の接触が均一化が果たされるからである。基板表面は面
方位を(0001)とするC面である。同基板はフッ化
アンモニウム水溶液に室温で約1分間、浸せきした後、
イオン交換樹脂透過法を利用して純化された超純水で水
洗した。水洗後、通常のスピンナーで遠心力を利用して
払水した後、更に表面に赤外線を照射して乾燥させた。
Example 4 In Example 4, a blue light emitting diode (LED) was formed from a group III nitride semiconductor epitaxial wafer provided with a buffer layer according to the present invention. First, formation of an epitaxial wafer for LED use will be described. As the substrate, a sapphire crystal having both front and rear surfaces mirror-polished and subjected to an annealing treatment in a hydrogen stream for removing impurities such as oxygen contained in a crushed layer generated in the slicing and polishing steps, was used. The substrate thickness was about 85 μm when mirror polishing was performed on both front and back surfaces. The main reason for using a substrate polished on both sides is that uniform contact with the surface of a heating element such as a heater is achieved by improving the surface roughness accuracy of the surface. The substrate surface is a C-plane having a plane orientation of (0001). After immersing the substrate in an aqueous solution of ammonium fluoride at room temperature for about 1 minute,
It was washed with ultrapure water purified using an ion exchange resin permeation method. After washing with water, water was removed by centrifugal force using an ordinary spinner, and the surface was dried by irradiating infrared rays.

【0041】乾燥を終えたサファイア基板を半導体工業
用の純度グレードの石英材料を加工し作製したガスノズ
ルを備えた材料品番304のスレンレス鋼反応容器内に
収納された基板載置台(サセプター)上の中央部に載置
した。然る後、液化アルゴンから気化した後に分子篩
(モルキュラーシーブ)吸着方式により精製されたアル
ゴンガスを毎分5リットルの流量をもってガスノズル内
を通過させて反応炉内に供給した。これにより、基板表
面に優先的にアルゴンガスを供給すると共に反応炉内を
パージした。約20分間、アルゴンガスの反応炉への供
給を継続した。サファイア基板を載置したサセプター
は、外気(大気)の反応炉内への混入を防止するための
排気/パージ機能を備えたインターロック方式の予備室
(チャンバー)で、予め真空排気/パージを反復して実
施した後に反応炉内へ導入した。このため、反応炉内へ
の混入する外気の量は極めて微量であるとの判断から、
20分間のアルゴンガスによる反応炉内のパージ操作終
了後は、アルゴンガスを水素ガスに交換して直ちにサフ
ァイア基板の温度を上昇させた。
The center of the dried sapphire substrate on a substrate mounting table (susceptor) housed in a stainless steel reaction vessel of material number 304 equipped with a gas nozzle made by processing a purity grade quartz material for semiconductor industry and having a gas nozzle. Part. Thereafter, argon gas, which was vaporized from liquefied argon and purified by molecular sieve (molecular sieve) adsorption, was passed through the gas nozzle at a flow rate of 5 liters per minute and supplied into the reaction furnace. Thereby, the argon gas was preferentially supplied to the substrate surface and the inside of the reaction furnace was purged. The supply of argon gas to the reactor was continued for about 20 minutes. The susceptor on which the sapphire substrate is mounted is an interlock type spare chamber (chamber) equipped with an exhaust / purge function for preventing outside air (atmosphere) from entering the reactor, and repeatedly evacuating / purging in advance. And then introduced into the reactor. For this reason, from the determination that the amount of outside air mixed into the reactor is extremely small,
After the purge operation in the reaction furnace with argon gas for 20 minutes was completed, the temperature of the sapphire substrate was immediately increased by replacing the argon gas with hydrogen gas.

【0042】ガスノズルを介して反応炉内に流通する水
素ガスの流量をメタルシール方式のMFCにより毎分1
0.0リットルに精密に制御しながら、サファイア基板
を高純度のグラファイトからなるサセプターを介して、
円形の抵抗加熱型ヒータにより主に伝熱により加熱し
た。サファイア基板を一挙に成長温度の650℃に昇温
することはせず、先ず、450℃に予備加熱した。45
0℃で15分間維持した後、650℃に昇温した。65
0℃に到達した直後の温度過渡が収拾してから約18分
後、水素ガスを反応炉に導入するための外径1/4イン
チの材料品番316Lステンレス鋼チューブ配管内にア
ンモニアガスを導入した。このアンモニアの水素ガスの
添加を開始してから正確に2分後、今度はガリウム供給
原料としたトリメチルガリウムをアンモニアと同じく水
素ガスに添加した。アンモニア及びトリメチルガリウム
の使用形態並びに供給形態は実施例1に記載の通りであ
る。アンモニアの流量は最大流量を10リットル/分と
し、制御可能な最小流量を最大流量の2%とするMFC
により毎分2.80リットルに精密に制御した。一方の
トリメチルガリウムは最大流量を10ミリリットル/分
とし、同様の制御性能を有するMFCにより流量を毎分
3.00ミリリットルに制御された水素ガスでバブリン
グすることをもって供給した。V/III 比は1.2×1
4 となった。この原料ガス並びにキャリアガスとして
の水素ガスの流量を20分間継続して維持し、層厚を6
4nmとするアンドープの窒化ガリウムバッファ層を得
た。
The flow rate of hydrogen gas flowing into the reaction furnace through the gas nozzle was reduced to 1 / min by a metal seal type MFC.
While precisely controlling to 0.0 liter, the sapphire substrate is passed through a susceptor made of high-purity graphite,
It was heated mainly by heat transfer by a circular resistance heating type heater. The sapphire substrate was not preliminarily heated to 450 ° C. without raising the temperature to the growth temperature of 650 ° C. all at once. 45
After maintaining at 0 ° C. for 15 minutes, the temperature was raised to 650 ° C. 65
About 18 minutes after the temperature transient immediately after the temperature reached 0 ° C. was recovered, ammonia gas was introduced into a 316L stainless steel tube having a material diameter of の inch to introduce hydrogen gas into the reactor. . Exactly two minutes after the start of the addition of the ammonia hydrogen gas, trimethylgallium as a gallium supply material was added to the hydrogen gas in the same manner as the ammonia. The use form and supply form of ammonia and trimethylgallium are as described in Example 1. MFC with a maximum flow rate of 10 liters / minute and a minimum controllable flow rate of 2% of the maximum flow rate of ammonia
Precisely controlled to 2.80 liters per minute. On the other hand, trimethylgallium was supplied at a maximum flow rate of 10 ml / min by bubbling hydrogen gas at a flow rate of 3.00 ml / min by an MFC having the same control performance. V / III ratio is 1.2 × 1
0 4 after. The flow rates of the source gas and the hydrogen gas as the carrier gas are continuously maintained for 20 minutes, and
An undoped gallium nitride buffer layer having a thickness of 4 nm was obtained.

【0043】同一条件下で得たアンドープ窒化ガリウム
バッファ層の断面TEM法に依る観察からは、このバッ
ファ層が横幅を概ね50nmとし、天板部を角錘ではな
く平面或いは曲面状に緩やかに変化する平滑面とする単
結晶粒の集合体から構成されているのが示された。これ
らの単結晶粒は相互に間隙なく緻密に密集しており、単
結晶粒相互の合着面(接合界面)は(0001)−サフ
ァイア基板表面に対して鉛直上方に直線的に延在するの
ではなく、曲線状であった。また、高分解能モード下で
径が絞り込まれた電子ビームをバッファ層を構成してい
る各単結晶粒に照射して撮像された各単結晶粒の透過回
折像はいずれもスポット(点)パターンであり、これよ
り各単結晶粒が窒化ガリウム単結晶であるのが明確とな
った。また、直径2インチのサファイア基板の中央部に
相当するバッファ層中央部の表面のRHEED像は円形
のスポットパターンから構成されていた。基板の周縁領
域に当たるバッファ層の周縁部からのRHEED像で
は、特に低ミラー指数面の回折スポットに円形からずれ
て多少楕円形となったスポットが認められたが、バッフ
ァ層全体としては単結晶であることが実証された。即
ち、本実施例の窒化ガリウムバッファ層はas−gro
wn状態で既に、窒化ガリウムの単結晶粒が相互に密に
集合してなる単結晶層となっていた。更に、高倍率での
格子像観察により、各単結晶粒は格子面を互いにほぼ平
行にして合着していることが判明した。格子面間の交差
角度(本文参照)は最大でも0.5度(°)に満たない
ものであった。
Observation of the undoped gallium nitride buffer layer obtained under the same conditions by a cross-sectional TEM method shows that the buffer layer has a width of about 50 nm and the top plate gradually changes not into a pyramid but into a flat or curved shape. It is shown that it is composed of an aggregate of single crystal grains as a smooth surface. These single crystal grains are densely densely packed with no gap therebetween, and the bonding surface (bonding interface) between the single crystal grains extends linearly vertically above the (0001) -sapphire substrate surface. Instead, it was curved. The transmission diffraction image of each single crystal grain obtained by irradiating each single crystal grain constituting the buffer layer with an electron beam whose diameter is narrowed down in the high resolution mode is a spot (point) pattern. From this, it became clear that each single crystal grain was a gallium nitride single crystal. The RHEED image of the surface of the buffer layer at the center corresponding to the center of the sapphire substrate having a diameter of 2 inches was composed of a circular spot pattern. In the RHEED image from the peripheral portion of the buffer layer corresponding to the peripheral region of the substrate, a spot slightly shifted from a circle and somewhat elliptical was observed in the diffraction spot of the low Miller index surface, but the entire buffer layer was a single crystal. It has been proven. That is, the gallium nitride buffer layer of the present embodiment is an as-gro
In the wn state, a gallium nitride single crystal grain has already been formed into a single crystal layer densely assembled with each other. Further, observation of the lattice image at high magnification revealed that the single crystal grains were coalesced with the lattice planes substantially parallel to each other. The intersection angle between the lattice planes (see the text) was less than 0.5 degree (°) at the maximum.

【0044】窒化ガリウム単結晶粒から構成するバッフ
ァ層の成長は水素キャリアガスへのトリメチルガリウム
を含む水素バブリングガスの供給を停止することをもっ
て終了させた。ガリウム原料供給源の成長系内への添加
を一旦停止した後、水素キャリアガスの流量を毎分1
0.0リットルから半分の毎分5.00リットルに減少
させた。これに併せて、アルゴンガスを成長系内に毎分
5.00リットルの流量をもって添加し、キャリアガス
の総量を毎分10.0リットルに保持した。併せて、ト
リメチルガリウムを収納するステンレス鋼製バブラー容
器の温度を電子式恒温槽により0℃から13℃へ変更し
た。
The growth of the buffer layer composed of gallium nitride single crystal grains was terminated by stopping the supply of the hydrogen bubbling gas containing trimethylgallium to the hydrogen carrier gas. After temporarily stopping the addition of the gallium raw material supply source into the growth system, the flow rate of the hydrogen carrier gas was reduced to 1 / min.
It was reduced from 0.0 liters to half of 5.00 liters per minute. At the same time, argon gas was added into the growth system at a flow rate of 5.00 liters per minute, and the total amount of carrier gas was maintained at 10.0 liters per minute. At the same time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was changed from 0 ° C. to 13 ° C. by an electronic thermostat.

【0045】双方のキャリアガスの流量変更操作に伴う
流量変動が収拾するまで暫時待機した後、ヒータに印加
する電力を増加させて基板の温度を1100℃に昇温し
た。基板温度の指標となるサセプターと接触するヒータ
表面の直下に配置した白金−白金・ロジウム熱電対(J
IS規格R熱電対)の熱起電力値を基にした温度指示値
が1100℃を示すに至った時点で、アンモニアガスの
流量を毎分2.80リットルから毎分4.00リットル
に増量した。基板温度の指示値並びに流量の増量に伴う
アンモニア流量が安定してから正確に5分後にトリメチ
ルガリウムをバブリングした水素ガスを再び成長系内に
添加し始めた。これにより、アンドープ窒化ガリウム成
長層の形成を開始した。アンドープ窒化ガリウム成長層
は、1000℃を越える高温で成長させる層であること
から、上記の比較的低温で成長させるバッファ層に対比
させて高温バッファ層、或いは発光機構に及ぼす作用か
らクラッド層とも称される。アンドープ窒化ガリウム成
長層の形成にあたっては、トリメチルガリウムを供給す
る配管系統(ライン)を変更した。このトリメチルガリ
ウム供給ラインは最大流量を毎分30ミリリットルとす
るMFCを備えたものである。上記のバッファ層の形成
に利用したトリメチルガリウム供給ラインとは、備えら
れたMFCの制御可能な最大流量が相違する。この供給
ラインのMFCをもってバブリング用水素ガスの流量を
毎分20ミリリットルに制御し、トリメチルガリウムを
随伴する水素バブリングガスを水素・アルゴンキャリア
ガスに混合させ成長系に添加した。上記のアンモニア流
量、トリメチルガリウムのバブリング流量及びキャリア
ガスの流量を維持して、90分間に亘り原料ガスの供給
を継続して層厚を約3.5μmとするアンドープ窒化ガ
リウム成長層を形成した。この様な条件下で形成される
アンドープ窒化ガリウム成長層は、上記の単結晶粒から
なるバッファ層を下地として形成されているため、RH
EEDパターン上にディフーズでハローな楕円状の回折
スポットを生じない配向性の揃った単結晶層であった。
また、同層はn形の伝導形を呈し、ステップ(段階)エ
ッチング法を併用したHall効果測定に依れば、キャ
リア濃度はバッファ層との界面側から成長層の表面の方
向に漸次、減少していた。アンドープ窒化ガリウム成長
層表面でのキャリア濃度は約1.1×1017cm-3と測
定された。成長層表面は平面形状を略六角形とする突起
やピット(細孔)が殆ど認められない表面状態に優れる
ものとなった。
After waiting for a while until the flow rate fluctuation accompanying the operation of changing the flow rate of both carrier gases was recovered, the electric power applied to the heater was increased to raise the temperature of the substrate to 1100 ° C. A platinum-platinum-rhodium thermocouple (J) placed immediately below the heater surface in contact with a susceptor, which is an indicator of the substrate temperature
When the temperature reading based on the thermoelectromotive force of the IS standard R thermocouple reached 1100 ° C., the flow rate of ammonia gas was increased from 2.80 liters per minute to 4.00 liters per minute. . Exactly 5 minutes after the indicated value of the substrate temperature and the ammonia flow rate with the increase in the flow rate were stabilized, hydrogen gas bubbled with trimethylgallium was added again into the growth system. Thus, the formation of the undoped gallium nitride growth layer was started. Since the undoped gallium nitride growth layer is a layer grown at a high temperature exceeding 1000 ° C., it is also referred to as a high-temperature buffer layer or a clad layer in view of its effect on the light emission mechanism, in contrast to the buffer layer grown at a relatively low temperature. Is done. In forming the undoped gallium nitride growth layer, the piping system (line) for supplying trimethylgallium was changed. This trimethylgallium supply line is equipped with an MFC with a maximum flow rate of 30 ml / min. The controllable maximum flow rate of the provided MFC is different from the trimethylgallium supply line used for forming the buffer layer. The flow rate of the bubbling hydrogen gas was controlled to 20 ml / min by the MFC in this supply line, and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium was mixed with a hydrogen / argon carrier gas and added to the growth system. By maintaining the above-described ammonia flow rate, bubbling flow rate of trimethylgallium, and flow rate of the carrier gas, the supply of the raw material gas was continued for 90 minutes to form an undoped gallium nitride growth layer having a layer thickness of about 3.5 μm. Since the undoped gallium nitride growth layer formed under such conditions is formed using the buffer layer composed of the single crystal grains as a base, the RH
It was a single crystal layer having uniform orientation without generating a diffused halo elliptical diffraction spot on the EED pattern.
Further, the layer has an n-type conductivity type, and according to the Hall effect measurement using the step (step) etching method, the carrier concentration gradually decreases from the interface side with the buffer layer toward the surface of the growth layer. Was. The carrier concentration on the surface of the undoped gallium nitride growth layer was measured to be about 1.1 × 10 17 cm −3 . The surface of the growth layer was excellent in surface state in which projections and pits (pores) having a substantially hexagonal planar shape were hardly observed.

【0046】トリメチルガリウムを随伴する水素バブリ
ングガスの成長系への添加を停止することをもってアン
ドープ窒化ガリウム成長層の形成を終了させた後、アン
モニア及びキャリアガスの構成並びに流量をそのまま維
持して基板の温度を760℃に低下させた。760℃に
到達してから10分後、成長系内へトリメチルガリウム
を随伴する水素ガスの添加を開始した。トリメチルガリ
ウムの成長系への添加には、前記の窒化ガリウムバッフ
ァ層の成長時に使用したトリメチルガリウム用配管系を
使用した。トリメチルガリウムを収納するステンレス鋼
製容器は電子式恒温槽により0℃に保持し、バブリング
用水素の流量は毎分2.00ミリリットルとした。トリ
メチルガリウムの成長系への添加と同時に、昇華したシ
クロペンタジエニルインジウム(cyclopenta
dienyl indium)を含む水素ガスの成長系
へ添加した。結合価を1価とするシクロペンタジエニル
インジウム(C 55 In)を内壁面にも付着させたス
テンレ鋼製シリンダー容器は電子式恒温槽により65℃
に保持した。このシリンダー内に導入する昇華したイン
ジウム源を随伴する水素ガスの流量はMFCにより毎分
120ミリリットルとした。各々のIII 族原料の保持温
度に於ける蒸気圧或いは昇華圧値を基にして計算する
と、成長系内へ供給される原料ガスの濃度比、所謂この
分野の当事者が呼称する気相組成比は約0.20であっ
た。III 族原料の成長系への添加に時期を併せて、体積
濃度にして約100ppm(体積百万分率)のジエチル
亜鉛((C252Zn)を含む高純度水素ガスを同
希釈ガスを収納するマンガン鋼製高圧ボンベより毎分3
0ミリリットルの流量をもって供給した。アンモニアの
流量を毎分4.00リットルとし、各々、毎分5.00
リットルの流量の水素とアルゴンとから構成される成長
雰囲気内で、上記流量条件でIII 族原料を随伴する水素
ガスの成長系への添加を15分間継続した。ジエチル亜
鉛((C252 Zn)を含む水素ガスの流量は15
分間に亘り一定となる様にMFCで精密に制御、調整し
た。これにより、層厚を約50nmとする、インジウム
の原子濃度を約6.4%とし且つ亜鉛(Zn)がドーピ
ングされたインジウム含有窒化ガリウム層を得た。
Hydrogen bubble with trimethylgallium
By stopping the addition of
After completing the formation of the doped gallium nitride growth layer,
Maintain the composition and flow rate of monia and carrier gas
To lower the temperature of the substrate to 760 ° C. 760 ° C
Ten minutes after reaching, trimethylgallium is introduced into the growth system.
Was started to be added. Trimethyl gully
The gallium nitride buffer was added to the growth system.
The piping system for trimethylgallium used during the growth of the
used. Stainless steel containing trimethylgallium
The container is kept at 0 ° C by an electronic thermostat and bubbling
The flow rate of hydrogen for use was 2.00 ml per minute. bird
Simultaneously with the addition of methylgallium to the growth system,
Clopentadienyl indium (cyclopenta)
hydrogen gas-containing growth system (dienyl indium)
Was added. Cyclopentadienyl having monovalent valence
Indium (C Five HFive In) adhered to the inner wall
Tenle steel cylinder container is 65 ° C in an electronic thermostat
Held. Sublimated ins introduced into this cylinder
The flow rate of hydrogen gas accompanying the source of dimium is per minute by MFC
It was 120 ml. Retention temperature of each group III raw material
Calculate based on vapor pressure or sublimation pressure value in degrees
And the concentration ratio of the source gas supplied into the growth system,
The gas phase composition ratio called by those in the field is about 0.20.
Was. At the same time as adding the Group III raw material to the growth system,
Concentration of about 100 ppm (parts per million by volume) of diethyl
Zinc ((CTwo HFive )TwoHigh purity hydrogen gas containing Zn)
3 min / min from manganese steel high-pressure cylinder containing diluent gas
It was supplied at a flow rate of 0 ml. Ammonia
The flow rate was 4.00 liters per minute, each at 5.00 liters per minute.
Growth composed of liter flow of hydrogen and argon
Hydrogen accompanying group III raw material under the above flow conditions in the atmosphere
The addition of gas to the growth system was continued for 15 minutes. Diethyl
Lead ((CTwo HFive )Two The flow rate of hydrogen gas containing Zn) is 15
Precisely controlled and adjusted by MFC so that it is constant over a minute
Was. Thus, indium having a layer thickness of about 50 nm is obtained.
Is about 6.4% and zinc (Zn) is
To obtain an indium-containing gallium nitride layer.

【0047】この様な条件下で得られるインジウム含有
窒化ガリウム層は、アクセプターとして作用すると云わ
れる第II族の亜鉛をドーイングしてあってもn形を呈し
た。SIMS分析に依れば、亜鉛はインジウム含有窒化
ガリウム層内にほぼ一様に分布しているのが認められ
た。このインジウム含有窒化ガリウム層は発光機能を発
揮する活性層、即ち発光層として活用するため光学的な
評価を実施した。上記の層厚のインジウム含有窒化ガリ
ウム層に波長325nmのヘリウム−カドミウム(He
−Cd)レーザ光を照射した際には、室温に於いてピー
ク波長を約445nmとする青色のフォトルミネッセン
ス(PL)発光が出現した。一方、インジウムの添加に
よる混晶化により窒化ガリウム・インジウム混晶が形成
されていれば出現するはずの同混晶のバンド端発光の出
現は認められなかった。上記と同一の流量条件で、III
族元素の成長系への供給時間を延長して得た層厚をより
大とするインジウム含有窒化ガリウム層では、上記の青
色の発光スペクトルの波長は層厚が小さい(薄い)場合
に比較し、より短波長側に移行した。層厚が約200n
m程度と厚くなると、得られるPLスペクトルには波長
を約360nm近傍とする窒化ガリウムのバンド端発光
と共に、中心波長を約420〜430nmとする青色発
光スペクトルが出現した。窒化ガリウム・インジウム混
晶が形成されていれば出現するはずの同混晶のバンド端
発光は確認出来なかった。バンド端発光の確認の有無に
拘らず、同一成長条件下に於いても得られるPL発光波
長はインジウム含有窒化ガリウム層の層厚に強く依存す
る。層厚を逆に薄くするとPLスペクトルに出現する主
ピークは更に長波長側へと移行するものと推定された
が、薄層化によってより顕著となるのは表面のモフォロ
ジー上の差異である。層厚を小さくするに伴い、層表面
には半球状の突起(ヒロック)が発生し易くなる。この
球状の突起が上記の窒化ガリウム成長層とインジウム添
加窒化ガリウム層との界面で発生するIII 族元素の液滴
(droplet)に起因して発生するのか、他の原因
に因るのかは不明である。原因は何れにあるにせよ、表
面に半球状のヒッロクが少なく且つ視感度に優れる45
0nm近傍の青色発光を呈する発光層の形成を意図した
本実施例に於いては、取敢ず同層の層厚を上記の如く5
0nmとした。
The indium-containing gallium nitride layer obtained under such conditions exhibited an n-type even when doped with Group II zinc which is supposed to act as an acceptor. According to SIMS analysis, zinc was found to be distributed almost uniformly in the indium-containing gallium nitride layer. This indium-containing gallium nitride layer was subjected to optical evaluation to be used as an active layer exhibiting a light emitting function, that is, a light emitting layer. Helium-cadmium (He) having a wavelength of 325 nm is applied to the indium-containing gallium nitride layer having the above thickness.
-Cd) Upon irradiation with laser light, blue photoluminescence (PL) emission with a peak wavelength of about 445 nm appeared at room temperature. On the other hand, no band edge emission of the mixed crystal, which should have appeared if a gallium nitride-indium mixed crystal was formed by the mixed crystal formation by addition of indium, was not recognized. Under the same flow conditions as above, III
In the indium-containing gallium nitride layer in which the layer thickness obtained by extending the supply time of the group element to the growth system is larger, the wavelength of the blue emission spectrum is smaller than that in the case where the layer thickness is small (thin), It shifted to the shorter wavelength side. Layer thickness is about 200n
When the thickness was increased to about m, the resulting PL spectrum showed a blue emission spectrum having a center wavelength of about 420 to 430 nm together with a band edge emission of gallium nitride having a wavelength of about 360 nm. No band edge emission of the gallium nitride / indium mixed crystal, which would appear if the mixed crystal was formed, could be confirmed. Regardless of whether or not band-edge emission is confirmed, the PL emission wavelength obtained under the same growth conditions strongly depends on the thickness of the indium-containing gallium nitride layer. Conversely, when the layer thickness was reduced, the main peak appearing in the PL spectrum was presumed to shift to the longer wavelength side, but what became more prominent due to the thinning was the difference in surface morphology. As the layer thickness is reduced, hemispheric projections (hillocks) are more likely to be generated on the layer surface. It is unclear whether this spherical protrusion is caused by a droplet of a group III element generated at the interface between the gallium nitride growth layer and the indium-doped gallium nitride layer or other causes. is there. Regardless of the cause, the surface has few hemispherical hillocks and excellent visibility.
In the present embodiment, which is intended to form a light emitting layer that emits blue light near 0 nm, the thickness of the layer is set to 5 as described above.
It was set to 0 nm.

【0048】インジウム添加窒化ガリウム層の成長は、
成長系内へのシクロペンタジエニルインジウムの添加を
停止することをもって終了した。このインジウムドーピ
ング源の供給を停止した後、尚も基板温度を760℃に
保持し、また、アンモニアガスの流量を不変として、正
確に1分間、ガリウム供給原料の成長系への添加を継続
した。その後、ガリウム原料供給源の成長系への添加を
も停止した状態でアンモニア流量に変更を加えずに基板
温度を再び1100℃に上昇させた。760℃から11
00℃へは、基板加熱用のヒータを構成する抵抗を6オ
ーム(Ω)前後とするセラミック製ヒータエレメントに
印加する電圧を瞬時に増加させて10分以内に昇温させ
た。1100℃に到達した直後に窒化ガリウム成長層の
形成に利用したトリメチルガリウムの供給配管系によ
り、トリメチルガリウムを随伴する水素ガスを成長系に
添加した。同時にトリメチルアルミニウムを随伴する水
素ガスを成長系に添加して窒化アルミニウム・ガリウム
混晶層の成長を開始した。同混晶層の成長の初期にあっ
ては、トリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムの
成長系への供給比率をアルミニウム組成比を0.20と
する窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.20Ga
0.80N)が形成できる様に調整した。この調整はトリメ
チルアルミニウムを収納するステンレス鋼製バブラー容
器の電子式恒温層による温度調整と同バブラー容器内に
流通するバブリング用水素の流量をMFCで精密に制御
することをもって実施した。層厚が80nmとなる迄、
アルミニウムの組成比を0.20とする窒化アルミニウ
ム・ガリウム混晶層を与えるガリウム及びアルミニウム
原料を随伴するバブリング用水素ガスの流量条件を維持
した。その後、成長系へ添加するガリウム原料を随伴す
る水素ガスの流量を一定に維持する一方で、成長系内へ
の添加するアルミニウム原料を随伴するバブリング用水
素ガスの流量をMFCで漸次、減少させ最終的には成長
系への添加を停止した。アルミニウム原料供給用の水素
バブリングガスの流量を減少し始めてから成長系への添
加を中止するに至る迄に正確に3分を消費した。この3
分間に形成された云わばアルミニウム組成が漸次、減少
し、最終的に表面を窒化ガリウムとするアルミニウム組
成についての遷移領域層の層厚は50nmであった。即
ち、アルミニウム組成の遷移領域層を含めての窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶層の合計の層厚は130nmで
あった。
The growth of the indium-doped gallium nitride layer is as follows:
The process was terminated by stopping the addition of cyclopentadienylindium into the growth system. After the supply of the indium doping source was stopped, the addition of the gallium supply material to the growth system was continued for exactly 1 minute while the substrate temperature was kept at 760 ° C. and the flow rate of the ammonia gas was unchanged. Thereafter, with the addition of the gallium raw material supply source to the growth system stopped, the substrate temperature was raised again to 1100 ° C. without changing the ammonia flow rate. 760 ° C to 11
To the temperature of 00 ° C., the voltage applied to the ceramic heater element whose resistance constituting the heater for heating the substrate was about 6 ohms (Ω) was instantaneously increased and the temperature was raised within 10 minutes. Immediately after the temperature reached 1100 ° C., hydrogen gas accompanying trimethylgallium was added to the growth system by the supply pipe system of trimethylgallium used for forming the gallium nitride growth layer. At the same time, hydrogen gas accompanying trimethylaluminum was added to the growth system to start growth of an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer. In the initial stage of the growth of the mixed crystal layer, a mixed ratio of aluminum nitride and gallium (Al 0.20 Ga
0.80 N). This adjustment was carried out by adjusting the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum by an electronic thermostat and by precisely controlling the flow rate of bubbling hydrogen flowing in the bubbler container by MFC. Until the layer thickness is 80nm
The flow rate condition of gallium for providing an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer with an aluminum composition ratio of 0.20 and bubbling hydrogen gas accompanying the aluminum raw material was maintained. Thereafter, while maintaining a constant flow rate of the hydrogen gas accompanying the gallium raw material added to the growth system, the flow rate of the bubbling hydrogen gas accompanying the aluminum raw material added to the growth system is gradually reduced by the MFC, and the final flow rate is reduced. Specifically, the addition to the growth system was stopped. Exactly 3 minutes were consumed from the time when the flow rate of the hydrogen bubbling gas for supplying the aluminum raw material was started to be reduced until the time when the addition to the growth system was stopped. This 3
In a minute, the aluminum composition gradually decreased, and finally the thickness of the transition region layer for the aluminum composition having a surface of gallium nitride was 50 nm. That is, the total thickness of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer including the transition region layer having the aluminum composition was 130 nm.

【0049】上記の窒化アルミニウム・ガリウム混晶層
の形成をガリウム及びアルミニウム原料の成長系への添
加の停止をもって終了させて1分経過後、ヒータに供給
する電力を遮断して基板の冷却を開始した。冷却時には
ステンレス鋼製反応炉の周囲を構成する2重管の中空部
に流入させる冷却水の水量を故意に増加させ、且つ反応
管の外壁を小型の送風機で送風して強制的に冷却した。
基板の温度が600℃に強制的に冷却された時点で、成
長系へのアンモニアガスの添加を停止して、反応炉には
成長雰囲気を構成した水素とアルゴンのみが供給される
状態とした。更に、強制冷却が進行して基板温度が室温
近傍となった時点で反応炉内への水素ガスの供給を停止
し、反応炉内へはアルゴンのみが供給される状態とし
た。然る後、反応炉内の真空排気並びにアルゴンガスに
よるパージ操作を交互に各々、2回反復した。最後は反
応炉内を真空状態とし、前記の予備室でのアルゴンガス
による大気圧への復帰操作を経た後、基板を反応炉外へ
取り出した。
The formation of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer is terminated by stopping the addition of the gallium and aluminum raw materials to the growth system, and after a lapse of one minute, the power supplied to the heater is cut off to start cooling the substrate. did. During cooling, the amount of cooling water flowing into the hollow portion of the double tube constituting the periphery of the stainless steel reactor was intentionally increased, and the outer wall of the reaction tube was blown with a small blower to forcibly cool.
When the temperature of the substrate was forcibly cooled to 600 ° C., the addition of ammonia gas to the growth system was stopped, and only hydrogen and argon constituting the growth atmosphere were supplied to the reactor. Further, the supply of hydrogen gas into the reaction furnace was stopped when the substrate temperature became close to room temperature due to the progress of forced cooling, so that only argon was supplied into the reaction furnace. Thereafter, the evacuation of the reactor and the purging operation with argon gas were alternately repeated twice each. Finally, the inside of the reaction furnace was evacuated, and after the operation of returning to the atmospheric pressure with the argon gas in the preliminary chamber, the substrate was taken out of the reaction furnace.

【0050】このエピタキシャル層の最表面には突起或
いはピット等の特異なモフォロジーは認められず、表面
は平滑性に優れたものとなった。これは、発光層の表面
に多少とも半球状の突起が存在したものの、同層上への
積層に伴い徐々に平坦化が進行したものと推量された。
また、最表層の窒化アルミニウム・ガリウム混晶層のR
HEED(反射電子線回折)パターンから、同層は単結
晶であることは勿論、積層欠陥の密度が小さい結晶性に
優れる単結晶層であると解析された。図14は、上記の
工程により形成されたエピタキシャル層の断面TEM
(透過電子顕微鏡)明視野像の模式図である。同図に示
す様に、窒化ガリウムバッファ層(102)に相当する
部分は暗像となって撮像されていた。これは、サファイ
ア基板(101)との格子不整合性に主に起因して発生
すると推定される転位や積層欠陥を主とする結晶欠陥
(126)のほとんどが窒化ガリウムバッファ層(10
2)内に吸収されていることを示すものである。また、
バッファ層に吸収されずに上部の窒化ガリウム成長層
(117)に伝搬する転位も認められるものの、その大
多数の転位は窒化ガリウム成長層(117)の中途でル
ープ(loop)を形成して水平方向に走行し逃避する
ものとなった。更に、積層欠陥に主に起因すると推定さ
れる線像も窒化ガリウム成長層(117)内の中途でそ
の殆どが消滅していた。このため、上記の工程により形
成されたエピタキシャル層は窒化ガリウム成長層上に堆
積したインジウム添加窒化ガリウム発光層並びに窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層に迄貫通する転位が低減さ
れた結晶性に優れたものとなった。エピタキシャル層の
最表層表面に到達する貫通転位は表面にピットを発生さ
せる原因となる。従って、上記の窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶層の様にピットの少ない表面状態に優れる成
長層が得られるのは、高温環境下に於いても非晶質体の
如く容易に消失せず、基板表面を万遍なく被覆でき、尚
且、画一的な配向性の格子配列によってもたらされる強
力な結合力をもって相互に合着してなる単結晶粒から構
成されるバッファ層が、転位を吸収し貫通転位を低減す
る働きを備えているためであると解釈された。
No peculiar morphology such as protrusions or pits was observed on the outermost surface of the epitaxial layer, and the surface was excellent in smoothness. This was presumed to be because although some hemispherical projections were present on the surface of the light-emitting layer, flattening gradually progressed with the lamination on the same layer.
In addition, the R of the outermost aluminum nitride-gallium mixed crystal layer
From the HEED (reflected electron beam diffraction) pattern, it was analyzed that the layer was a single crystal and, of course, a single crystal layer having a small stacking fault density and excellent crystallinity. FIG. 14 is a cross-sectional TEM image of the epitaxial layer formed by the above process.
(Transmission electron microscope) It is a schematic diagram of a bright field image. As shown in the figure, the portion corresponding to the gallium nitride buffer layer (102) was imaged as a dark image. This is because most of the crystal defects (126) mainly caused by dislocations and stacking faults, which are presumed to occur mainly due to lattice mismatch with the sapphire substrate (101),
2) shows that it is absorbed in. Also,
Although some dislocations that are not absorbed by the buffer layer and propagate to the upper gallium nitride growth layer (117) are also observed, the majority of the dislocations form a loop in the middle of the gallium nitride growth layer (117) and become horizontal. It was to run in the direction and escape. Further, most of the line images presumed to be mainly caused by stacking faults disappeared in the middle of the gallium nitride growth layer (117). For this reason, the epitaxial layer formed by the above-mentioned process has excellent crystallinity with reduced dislocations penetrating to the indium-doped gallium nitride light-emitting layer and the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer deposited on the gallium nitride growth layer. It became. Threading dislocations that reach the outermost surface of the epitaxial layer cause pits to be generated on the surface. Therefore, a growth layer excellent in the surface state with few pits like the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer can be obtained because it does not easily disappear like an amorphous body even in a high temperature environment, And a buffer layer composed of single crystal grains bonded to each other with a strong cohesive force provided by a uniform lattice arrangement, absorbs dislocations, and leads to threading dislocations. Was interpreted as having a function of reducing

【0051】次にサファイア基板上に堆積された成長層
の表面に向けてマグネシウム(Mg)イオンを多段に注
入した。より詳細に記述すれば、このマグネシウムの多
段イオン注入は最大加速電圧を200キロボルトとする
イオン注入装置を用いて、高純度マグネシウムをマグネ
シウムイオン源とする固体ソース(source)法で
実施した。イオン注入時に基板を適度に加熱しても差し
支えはないが、ここでは敢えて基板を加熱せず注入を実
施した。窒化アルミニウム・ガリウム混晶層表面より最
も深部にマグネシウムイオンを注入するための第1段目
は加速電圧を160キロボルト(KV)とし、ドーズ
(dose)量を4.0×1013cm-2として実施し
た。続けてより表面側に第2段目のマグネシウムが注入
された領域を形成した。第2段目の注入は加速電圧を1
30キロボルトとしドーズ量を2.0×1013cm-2
して行った。窒化アルミニウム・ガリウム混晶層の表面
近傍のアルミニウム組成比が同表面側に向けて漸次、低
下する領域には加速電圧100キロボルト及びドーズ量
2.0×1013cm-2の条件下で第3段目のイオン注入
を施した。加速電圧を変化させて注入するのはマグネシ
ウム原子濃度が最大となる表面からの深さ、即ち投影飛
程(projection range)を制御するた
めである。ドーズ量に変更を加えるのは各投影飛程に於
ける最大到達濃度(ピーク濃度)を調節して、深さ方向
にほぼ平坦なマグネシウム原子の濃度分布を得るためで
ある。
Next, magnesium (Mg) ions were implanted in multiple stages toward the surface of the growth layer deposited on the sapphire substrate. More specifically, the multi-stage ion implantation of magnesium was performed by a solid source method using high-purity magnesium as a magnesium ion source using an ion implantation apparatus having a maximum acceleration voltage of 200 kV. There is no problem if the substrate is appropriately heated at the time of ion implantation, but here, the implantation was performed without intentionally heating the substrate. The first step for implanting magnesium ions deepest from the surface of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer is to set the acceleration voltage to 160 kilovolts (KV) and the dose to 4.0 × 10 13 cm −2. Carried out. Subsequently, a second-stage region into which magnesium was implanted was formed on the surface side. In the second injection, the acceleration voltage is set to 1
The test was performed at a pressure of 30 kV and a dose of 2.0 × 10 13 cm −2 . In a region where the aluminum composition ratio in the vicinity of the surface of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer gradually decreases toward the surface side, the third region is formed under the conditions of an acceleration voltage of 100 kV and a dose of 2.0 × 10 13 cm −2 . The second stage ion implantation was performed. The reason why the implantation is performed by changing the acceleration voltage is to control the depth from the surface at which the concentration of magnesium atoms is maximized, that is, the projection range. The dose is changed in order to obtain a concentration distribution of magnesium atoms that is almost flat in the depth direction by adjusting the maximum attained concentration (peak concentration) in each projection range.

【0052】イオン注入後、イオン注入処理した窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層の表面に窒化チタン(Ti
N)薄膜を形成した。窒化チタン薄膜は通常のCVD
法、MOCVD法、高周波或いは電子サイクトロン励起
プラズマCVD法や高周波(マイクロ波)スパッタリン
グ法などにより形成できるが、本実施例では簡便な窒化
チタンターゲットを利用する窒素雰囲気内での反応性イ
オンスパッタリング法により形成した。膜厚は約100
nmで、比抵抗はおおよそ、10ミリオーム(mΩ)程
度であった。この窒化チタン薄膜はイオン注入された原
子を活性化するための高温でのアニール(熱処理)時に
於ける窒化アルミニウム・ガリウム混晶層の表面保護膜
として、また併せて後述するLEDの電極として用いる
ためのものである。
After the ion implantation, titanium nitride (Ti)
N) A thin film was formed. Titanium nitride thin film is normal CVD
, MOCVD, high frequency or electron cyclotron excited plasma CVD, high frequency (microwave) sputtering, etc., but in this embodiment, a reactive ion sputtering method in a nitrogen atmosphere using a simple titanium nitride target is used. Formed. The film thickness is about 100
In nm, the resistivity was on the order of 10 milliohms (mΩ). This titanium nitride thin film is used as a surface protective film of an aluminum nitride / gallium mixed crystal layer during annealing (heat treatment) at a high temperature to activate the ion-implanted atoms, and also as an electrode of an LED described later. belongs to.

【0053】窒化チタン薄膜により窒化アルミニウム・
ガリウム混晶層の表面を保護膜した後、エピタキシャル
層を横型熱処理炉内で窒素雰囲気中で温度1080℃に
於いて30分間に亘り、アニール処理を施した。これに
より、as−grown状態でn形であった窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層をキャリア濃度を平均して約2
×1017cm-3とするp形層に変換した。キャリア濃度
はアルミニウム組成を小さくした表面側のアルミニウム
組成の遷移領域では、アルミニウムの組成比0.20と
一定とする領域に比べて高くなっていた。
The titanium nitride thin film is used to form aluminum nitride.
After the surface of the gallium mixed crystal layer was protected, the epitaxial layer was annealed in a horizontal heat treatment furnace at a temperature of 1080 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. As a result, the carrier concentration of the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer, which was n-type in the as-grown state, was about 2
It was converted to a p-type layer of × 10 17 cm -3 . The carrier concentration was higher in the transition region of the aluminum composition on the surface side where the aluminum composition was reduced, as compared with the region where the aluminum composition ratio was constant at 0.20.

【0054】n形インジウム含有窒化ガリウム発光層と
イオン注入原子を活性化することによってp形化した窒
化アルミニウム・ガリウム混晶層とからなるpn接合を
備えた上記のエピタキシャルウエハに公知のパターニン
グ技術、アルゴン/メタン(CH4 )/水素混合ガスを
使用するプラズマエッチング等の加工技術を施して、L
EDを作製した。p形の電極(陽極)は上記の如くイオ
ン注入用保護膜を兼ねる窒化チタン薄膜とした。窒化チ
タン薄膜電極の一部領域にはチタン(Ti)を厚さ約8
00nmに被着して方形のボンディング用パッド部を構
成した。一方のn形電極(陰極)は、エッチング加工に
より一部を露呈させた上記のn形窒化ガリウム成長層上
にアルミニウムを真空蒸着することをもって形成した。
A known patterning technique for the above-mentioned epitaxial wafer having a pn junction comprising an n-type indium-containing gallium nitride light-emitting layer and an aluminum-gallium nitride mixed crystal layer formed into a p-type by activating ion-implanted atoms, Processing technology such as plasma etching using an argon / methane (CH 4 ) / hydrogen mixed gas is applied to
An ED was prepared. The p-type electrode (anode) was a titanium nitride thin film also serving as a protective film for ion implantation as described above. A titanium (Ti) layer having a thickness of about 8
A rectangular bonding pad portion was formed by attaching the film to a thickness of 00 nm. One n-type electrode (cathode) was formed by vacuum-depositing aluminum on the n-type gallium nitride growth layer partially exposed by etching.

【0055】直径2インチの基板のほぼ全面に形成され
た約12000個の約350μm角のLEDチップにつ
き、電気的素子特性、特にpn接合特性を通常のプロー
ビング法により検査した。図15は抜き取り検査で得ら
れた本実施例に記載のLEDの代表的な電流−電圧(I
−V)特性であって、正常な整流性が得られている。順
方向電流の急激な増加を来す「しきい値」電圧、即ち、
順方向電圧(一般に記号Vf で表される)は検査(検
体)全数の90%を越える素子について3.70ボルト
から3.95ボルトの電圧値間に分布していた。抜き取
り検査対象とした約3000個のLEDの平均の順方向
電圧値は3.8ボルトとなった。順方向電圧が4ボルト
を上回るLEDはエピタキシャル層の極く周縁部(基板
の周縁部)に多く存在したが、エピタキシャル層の中央
部(基板の中央領域)に在るLEDの順方向電圧はほぼ
全数が上記の電圧の範囲内となった。また、許容電流を
10マイクロアンペア(μA)とした場合の逆方向の耐
圧(逆方向電圧)は5Vを越えていた。例えば、逆方向
電圧(記号Vで表されることが多い)が3〜4ボルトと
低い低耐圧のLEDも存在したが、それはエピタキシャ
ル層の周縁部(基板の周縁部に相当)に限られていた。
エピタキシャル層の中央部領域でのこの様な低いVr の
低耐圧のLEDの存在は希有であった。即ち、周縁部を
除くエピタキシャル層のほぼ全域に亘り正常なpn接合
特性を有するLEDが作製された。エピタキシャル層を
構成するエピタキシャル層構成層、特にpn接合を構成
する構成層が多数の間隙やピットを内在する様な表面状
態が劣悪なものであると、ピットを介した素子動作電流
の短絡のために正常な整流性を呈する良好なpn接合特
性が得難いのは周知の事実である。上記の検査結果によ
り、本発明によれば結晶性と表面状態の共々に優れるII
I 族窒化物半導体層からLED用途のエピタキシャル層
を形成することができることが明白に示された。
About 12,000 LED chips of about 350 μm square formed on almost the entire surface of a substrate having a diameter of 2 inches, electrical element characteristics, particularly pn junction characteristics, were inspected by a usual probing method. FIG. 15 shows a typical current-voltage (I) of the LED according to the present embodiment obtained by the sampling inspection.
-V) The characteristic is that normal rectification is obtained. A "threshold" voltage that causes a sharp increase in forward current, i.e.,
The forward voltage (generally represented by the symbol Vf) was distributed between 3.70 volts and 3.95 volts for more than 90% of the devices tested. The average forward voltage value of about 3000 LEDs subjected to the sampling inspection was 3.8 volts. LEDs having a forward voltage of more than 4 volts were mostly present at the very periphery of the epitaxial layer (the periphery of the substrate), but the forward voltage of the LED located at the center of the epitaxial layer (the central region of the substrate) was almost zero. All were within the above voltage range. When the allowable current was 10 microamps (μA), the reverse breakdown voltage (reverse voltage) exceeded 5V. For example, some LEDs have a low withstand voltage as low as 3 to 4 volts in the reverse voltage (often represented by the symbol V), but are limited to the periphery of the epitaxial layer (corresponding to the periphery of the substrate). Was.
The presence of such a low Vr, low breakdown voltage LED in the central region of the epitaxial layer was rare. That is, an LED having normal pn junction characteristics over almost the entire area of the epitaxial layer except for the peripheral portion was manufactured. If the surface state of the epitaxial layer constituting the epitaxial layer, especially the constituting layer constituting the pn junction, has a large number of gaps and pits, the element operating current may be short-circuited through the pits. It is a well-known fact that it is difficult to obtain good pn junction characteristics that exhibit normal rectification. According to the above inspection results, according to the present invention, both crystallinity and surface state are excellent II
It has clearly been shown that a Group I nitride semiconductor layer can be used to form an epitaxial layer for LED applications.

【0056】次に上記LEDに順方向電流を流通し発光
特性を評価した。順方向電流を20mAとした際の発光
中心波長は約445nmであり、発光色は青色であるこ
とが観察された。この発光中心波長は順方向電流値が5
mAでは約443nmであり、50mAでは440nm
と順方向電流値の増大により僅かに短波長側に移行する
ものの、順方向電流値に依る特に顕著な発光中心波長の
移動は認められなかった。発光波長の面内分布は小さ
く、例えば室温に於いて順方向電流を20mAとした場
合、445±2nmの範囲に検査対象としたLEDのほ
ぼ全数(>90%)が収納される程、均一であった。ま
たこの中心波長の青色発光に加え、波長を約380〜3
90nmとする近紫外領域の発光も観測された。順方向
電流が50mA以下ではこの近紫外領域の発光スペクト
ルの強度は上記の青色発光スペクトルの強度を上回るこ
とはなかった。また、発光中心波長は測定温度(LED
の温度)に依存して極端に変化することはなく、測定温
度を室温から液体ヘリウム(He)温度の4.2K(ケ
ルビン)に低下させても発光中心波長の移動量は僅か±
2nm程度であった。本発明に係わるバッファ層を具備
したIII 族窒化物半導体エピタキシャルウエハから得ら
れるLEDの特徴は、発光中心波長の均一性に加え、例
えば、順方向電圧を20mAとして室温で測定される波
長約445nmとする主発光スペクトルの半値幅(所
謂、略称FWHM値)等の発光特性の均一性にある。
Next, a forward current was passed through the LED to evaluate the light emission characteristics. When the forward current was 20 mA, the emission center wavelength was about 445 nm, and the emission color was observed to be blue. This emission center wavelength has a forward current value of 5
It is about 443 nm at mA and 440 nm at 50 mA.
Although the wavelength slightly shifts to the shorter wavelength side due to the increase in the forward current value, no particularly remarkable shift of the emission center wavelength due to the forward current value was observed. The in-plane distribution of the emission wavelength is small. For example, when the forward current is 20 mA at room temperature, the uniformity is such that almost all (> 90%) of the LEDs to be inspected are accommodated in the range of 445 ± 2 nm. there were. Further, in addition to the blue light emission of this center wavelength, the wavelength is set to about
Emission in the near ultraviolet region of 90 nm was also observed. When the forward current was 50 mA or less, the intensity of the emission spectrum in the near ultraviolet region did not exceed the intensity of the blue emission spectrum. The emission center wavelength is the measurement temperature (LED
), And the amount of shift of the emission center wavelength is only ± even if the measurement temperature is lowered from room temperature to the liquid helium (He) temperature of 4.2 K (Kelvin).
It was about 2 nm. The characteristics of the LED obtained from the group III nitride semiconductor epitaxial wafer provided with the buffer layer according to the present invention include, in addition to the uniformity of the emission center wavelength, for example, a wavelength of about 445 nm measured at room temperature with a forward voltage of 20 mA. Uniformity of the emission characteristics such as the half-value width (so-called abbreviated FWHM value) of the main emission spectrum.

【0057】(比較例2)電気的特性及び発光特性を比
較するため、実施例4とは形態を異にするバッファ層を
備えたIII 族窒化物半導体エピタキシャルウエハからL
EDを作製した。バッファ層以外のエピタキシャル層の
成長条件並びにそれらのエピタキシャル層を形成するた
めの成長手順及び操作は、p形化の手法以外は実施例4
記載の内容と全く同一とした。
(Comparative Example 2) In order to compare the electrical characteristics and the light emitting characteristics, a group III nitride semiconductor epitaxial wafer provided with a buffer layer having a different form from that of Example 4
An ED was prepared. The growth conditions of the epitaxial layers other than the buffer layer and the growth procedure and operation for forming those epitaxial layers were the same as those in Example 4 except for the p-type method.
The content was exactly the same as described.

【0058】比較例2に於けるバッファ層は実施例4と
同じくサファイアC面基板上に温度750℃で成長させ
た。成長時には電子式恒温槽により13℃に保持された
トリメチルガリウムを毎分5ミリリットルのバブリング
用水素ガスにより成長反応系に供給した。アンモニア
(濃度100%)ガスの成長反応系への供給量は毎分
0.7リットルとした。V/III 比は従って、2.3×
103 と実施例4に比較すれば約1/4となった。搬送
(キャリア)ガスとしては水素のみ使用し、その流量は
毎分8リットルとした。成長雰囲気は水素のみから構成
された。トリメチルガリウムを随伴する水素バブリング
ガスの成長反応系への添加を40分間継続して、層厚を
110nmとする窒化ガリウムバッファ層を得た。
The buffer layer in Comparative Example 2 was grown at a temperature of 750 ° C. on a sapphire C-plane substrate in the same manner as in Example 4. During growth, trimethylgallium kept at 13 ° C. by an electronic thermostat was supplied to the growth reaction system by bubbling hydrogen gas at 5 ml / min. The supply amount of the ammonia (concentration 100%) gas to the growth reaction system was 0.7 liter per minute. The V / III ratio is therefore 2.3 ×
When compared with 10 3 and Example 4, it was about 1/4. Only hydrogen was used as a carrier gas, and the flow rate was 8 liters per minute. The growth atmosphere consisted only of hydrogen. The addition of hydrogen bubbling gas accompanying trimethylgallium to the growth reaction system was continued for 40 minutes to obtain a gallium nitride buffer layer having a layer thickness of 110 nm.

【0059】同一条件下で得たアンドープ窒化ガリウム
バッファ層の断面TEM法に依る観察からは、このバッ
ファ層はas−grown状態で既に、天板部が角錘と
なった単結晶粒の集合体から構成されているのが示され
た。これらの単結晶粒は相互に間隙なく緻密に密集して
おり、結晶体相互の合着面(接合界面)は(0001)
−サファイア基板表面に対して鉛直上方に直線的に延在
していた。即ち、単結晶粒の合着による粒界面は基板表
面の鉛直上方にほぼ垂直に発達していた。更に、高倍率
での格子像観察により、各単結晶粒は格子面を互いにほ
ぼ平行にして合着していることが判明した。格子面間の
交差角度は不均一で、最大では25度(°)に達するの
も見受けられた。この様にバッファ層の成長温度の上昇
に伴って交差角度が大とする合着様式が出現する傾向が
ある原因は不明である。また、格子面の配列方向を他と
は異にする単結晶粒が混在する原因については、例えば
そもそも格子不整合の関係にあるサファイア結晶基板と
窒化ガリウムバッファ層との間に発生する格子歪がバッ
ファ層の成長温度の上昇に伴い増大する、或いは両者間
の熱膨張率の差異により導入される機械的な歪が成長温
度の上昇に伴い増大するため等が推量されるが、断定す
るに至ってはいない。本比較例に於けるバッファ層は実
施例4と同じく単結晶粒の集合体であることに替わりは
ないが、その集合体を構成する各単結晶粒の断面形状、
格子面の交差角度及び単結晶粒の合着面(粒界)の発達
の様態に於いて、実施例4に記載のバッファ層のそれら
とは明らかに相違するものであった。
Observation of the undoped gallium nitride buffer layer obtained under the same conditions by a cross-sectional TEM method reveals that this buffer layer is already in an as-grown state and is an aggregate of single crystal grains whose top plate has become a pyramid. It was shown to be composed of These single crystal grains are densely and densely packed without gaps, and the bonding surface (joining interface) between the crystals is (0001)
-Extending linearly vertically above the sapphire substrate surface; That is, the grain interface due to the coalescence of the single crystal grains was developed almost vertically above the substrate surface. Further, observation of the lattice image at high magnification revealed that the single crystal grains were coalesced with the lattice planes substantially parallel to each other. The angle of intersection between the lattice planes was not uniform, and was found to reach a maximum of 25 degrees (°). It is not clear why such a coalescing mode in which the crossing angle increases with an increase in the growth temperature of the buffer layer tends to appear. In addition, the cause of the presence of single crystal grains having different lattice plane arrangement directions from the others is, for example, the lattice strain generated between the sapphire crystal substrate and the gallium nitride buffer layer, which has a lattice mismatch relationship in the first place. It is guessed that it increases as the growth temperature of the buffer layer increases, or that the mechanical strain introduced due to the difference in thermal expansion coefficient between the two increases with the increase in the growth temperature. Not. The buffer layer in this comparative example is still the same as the aggregate of single crystal grains as in Example 4, but the cross-sectional shape of each single crystal grain constituting the aggregate is
The mode of development of the intersection angles of the lattice planes and the coalesced planes (grain boundaries) of the single crystal grains were clearly different from those of the buffer layer described in Example 4.

【0060】このバッファ層上に実施例4記載の成長方
法に従いアンドープn形窒化ガリウム層、n形インジウ
ム含有窒化ガリウム発光層及びp形窒化アルミニウム・
ガリウム混晶層を順次、成膜した。p形窒化アルミニウ
ム・ガリウム混晶は、その成長時にビスシクロペンタジ
エニルマグネシウム(bis−cyclopentad
ienylmagnesium:((CH3 )C5
42 Mg)をマグネシウムのドーピング源として添加
した後、アルゴンガス雰囲気内で800℃で20分間ア
ニールする従来方法によって得た。得られたp形キャリ
ア濃度はドーピングされたマグネシウムの原子濃度3×
1020cm-3に対して、僅か5×1016cm-3程度であ
った。実施例4に記載の注入されたマグネシウムイオン
のp形キャリアとしての活性化率と比較すれば約1/4
の効率の低さであった。ちなみに、本比較例のバッファ
層上に同様の積層構成をもって形成されたアンドープ窒
化アルミニウム・ガリウム混晶層に実施例4と同じくマ
グネシウムをイオン注入したところで、注入したマグネ
シウム原子の濃度が1020cm-3を越えるにも拘らず、
p形キャリアとして電気的に活性化されるのは、やはり
4×1016cm-3程度と少量であった。
On this buffer layer, an undoped n-type gallium nitride layer, an n-type indium-containing gallium nitride light emitting layer and a p-type aluminum nitride
Gallium mixed crystal layers were sequentially formed. A p-type aluminum-gallium nitride mixed crystal is formed at the time of its growth by bis-cyclopentadienyl magnesium (bis-cyclopentadad).
eneylmagnesium: ((CH 3 ) C 5 H
4 ) 2 Mg) was obtained by a conventional method of adding magnesium as a doping source and then annealing at 800 ° C. for 20 minutes in an argon gas atmosphere. The obtained p-type carrier concentration is 3 × the atomic concentration of the doped magnesium.
Against 10 20 cm -3, was only about 5 × 10 16 cm -3. Compared to the activation rate of the implanted magnesium ions described in Example 4 as a p-type carrier, about 1/4
Efficiency was low. Incidentally, when magnesium was ion-implanted into the undoped aluminum-gallium nitride mixed crystal layer formed with the same lamination structure on the buffer layer of this comparative example as in Example 4, the concentration of the implanted magnesium atoms was 10 20 cm Despite exceeding 3 ,
The electrically activated p-type carrier was also as small as about 4 × 10 16 cm −3 .

【0061】このエピタキシャル層の最表面は角錘状の
突起が多量に存在した。これらの角錘は底面を六角状と
するものであり、上記の単結晶粒の頂部を構成する角錘
とほぼ相似する形状を有していた。角錘状突起物の側壁
間は当然の事ながら窒化アルミニウム・ガリウムが存在
しないため、底面部が互いに密着していない突起が在る
領域では、窒化アルミニウム・ガリウム層の下地となっ
ているn形のインジウム含有窒化ガリウム発光層の表面
が露呈していた。また、角錘状の突起が存在しない表面
領域には、ピットが平面密度にして104 cm-2を越え
る程、多量に発生しているのが認められた。図16は本
比較例に係わるエピタキシャル層の断面TEM(透過電
子顕微鏡)明視野像の模式図である。同図に示す様に、
窒化ガリウムバッファ層(102)を構成する各単結晶
粒(113)は高温の成長温度に曝された後にあっても
その結晶形態を殆ど変えることなく密に集合して基板表
面を被覆していた。また、単結晶粒(113)が相互に
合着した境界側面(114)は基板(101)表面から
垂直方向に直線的に発達していた。その境界側面(11
4)を起源として転位(116)が発生し、これが基板
(101)表面に対して上方に延在しているのが認めら
れた。この転位(116)はバッファ層(102)上に
堆積されたアンドープ窒化ガリウム成長層(117)の
内部に浸透し、更に、同層上のインジウム含有窒化ガリ
ウム発光層(127)及びエピタキシャル層の最表層で
ある窒化アルミニウム・ガリウム混晶層(128)の表
面に迄、到達していた。ピットはこれらのエピタキシャ
ル層構成層を貫通して来た転位(116)が窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層(128)表面の到達した領域
に対応して存在していた。これより、ピットがバッファ
層からエピタキシャル層構成層を貫通して伝搬してくる
転位に起因して発生するものであることが判明した。従
って、バッファ層を例え単結晶粒から構成するにして
も、上部のエピタキシャル層構成層への容易な転位の伝
搬をもたらす合着形態をもって集合した単結晶粒からな
るバッファ層は、それが表面状態の粗悪さを帰結するこ
とから好ましいものではなかった。
A large number of pyramidal projections were present on the outermost surface of this epitaxial layer. These pyramids had a hexagonal bottom surface, and had a shape substantially similar to the pyramids forming the tops of the single crystal grains. Since aluminum nitride / gallium does not exist between the side walls of the pyramidal projections, the n-type underlying aluminum nitride / gallium layer is formed in the region where there are projections whose bottom surfaces do not adhere to each other. The surface of the indium-containing gallium nitride light-emitting layer was exposed. In the surface region where no pyramidal projections existed, it was recognized that pits were generated in a large amount as the planar density exceeded 10 4 cm −2 . FIG. 16 is a schematic view of a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) bright-field image of the epitaxial layer according to this comparative example. As shown in the figure,
The single crystal grains (113) constituting the gallium nitride buffer layer (102) were densely assembled without substantially changing the crystal morphology even after being exposed to a high growth temperature, and covered the substrate surface. . Further, the boundary side surface (114) where the single crystal grains (113) were united with each other had developed linearly in the vertical direction from the surface of the substrate (101). The boundary side (11
Dislocations (116) were generated originating from 4), and were observed to extend upward with respect to the surface of the substrate (101). This dislocation (116) penetrates into the undoped gallium nitride growth layer (117) deposited on the buffer layer (102), and furthermore, the indium-containing gallium nitride light emitting layer (127) and the uppermost layer of the epitaxial layer on the same layer. It reached the surface of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer (128) as the surface layer. The pits were present corresponding to the regions where the dislocations (116) penetrating these epitaxial layer constituent layers reached the surface of the aluminum nitride / gallium mixed crystal layer (128). From this, it was found that pits were generated due to dislocations propagating from the buffer layer through the epitaxial layer constituting layer. Therefore, even if the buffer layer is composed of single crystal grains, the buffer layer composed of single crystal grains assembled in a coalesced form that facilitates the propagation of dislocations to the upper epitaxial layer constituent layer has a surface state. It was not preferable because it resulted in poor quality.

【0062】電極を実施例4記載の材料並びに方法で形
成し、一辺を約350μとする正方形のLEDチップを
構成した。通常の自動プローバーを使用したプロービン
グ(探針法)により約3000個のLEDチップについ
て接合特性の抜き取り検査を実施した。測定されたI−
V特性の大部分は図7に掲示した如くの印加電圧の極性
に無関係に電圧にほぼ比例して正・負両電極間に電流が
流通する整流性の無いないものとなった。即ち、電流の
流通する経路内には整流性をもたらす正常なpn接合が
形成されていないことを示した。このI−V特性はむし
ろ同一の伝導形の半導体層の接合によるオーミック(o
hmic)接触の形成を示唆した。上記の如く、本比較
例で得られるエピタキシャル層構成層の表面状態は粗悪
であって、最表層のp形の窒化アルミニウム・ガリウム
混晶層は突起やピットが発生するために連続性に欠ける
ものとなった。この様な領域では、p形の窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶層より下層の発光層などのn形半導
体層が露呈していた。これにより、最表層の表面上に配
置される電極材料がn形の発光層等に直接、接触する事
態を招く。従って、図7に示す様な異常な電流−電圧特
性は、最表層表面上にp形層用として敷設したはずの電
極がn形層に接触するため正・負両電極間にはn形の半
導体層のみが介在する状態となることに起因すると説明
できた。一方、正常な接合特性を呈する数少ないLED
からは、中心波長を約445nmとする青色光が発光さ
れた。順方向電圧も約3.8から4.0ボルト(V)で
あった。しかし、良好なpn接合特性を呈するチップが
数少ないため、正常な発光特性を呈するLEDは抜き取
り検査対象とした検体総数の10%程度であった。要約
すれば、同じ単結晶粒の集合体からバッファ層を構成す
ると云えども、本発明に係わる形状或いは格子面の平行
性を持ち合わせない単結晶粒の集合体からなるバッファ
層は、成長層の良好な表面状態も、また、正常な接合特
性を有する素子も提供できない。
The electrodes were formed using the materials and methods described in Example 4 to form a square LED chip having a side of about 350 μm. A sampling inspection of the bonding characteristics was performed on about 3000 LED chips by probing (probe method) using a normal automatic prober. Measured I-
Most of the V characteristics have no rectifying property in which a current flows between the positive and negative electrodes almost in proportion to the voltage regardless of the polarity of the applied voltage as shown in FIG. That is, it was shown that a normal pn junction providing rectification was not formed in the path through which current flowed. Rather, the IV characteristic is due to the ohmic (o
hmic) suggested the formation of contacts. As described above, the surface state of the epitaxial layer constituting layer obtained in this comparative example is poor, and the p-type aluminum nitride-gallium mixed crystal layer of the outermost layer lacks continuity due to the occurrence of projections and pits. It became. In such a region, an n-type semiconductor layer such as a light-emitting layer below the p-type aluminum nitride-gallium mixed crystal layer was exposed. This causes a situation in which the electrode material disposed on the surface of the outermost layer directly contacts the n-type light emitting layer or the like. Therefore, the abnormal current-voltage characteristic as shown in FIG. 7 is caused by the fact that the electrode laid for the p-type layer on the surface of the outermost layer comes into contact with the n-type layer, so that the n-type This has been explained as being caused by the state where only the semiconductor layer is interposed. On the other hand, a few LEDs exhibiting normal bonding characteristics
Emitted blue light having a center wavelength of about 445 nm. The forward voltage was also about 3.8 to 4.0 volts (V). However, since there are few chips exhibiting good pn junction characteristics, LEDs exhibiting normal light emission characteristics accounted for about 10% of the total number of samples subjected to the sampling inspection. In summary, although the buffer layer is composed of the same aggregate of single crystal grains, the buffer layer composed of the aggregate of single crystal grains having no parallelism in shape or lattice plane according to the present invention has a good growth layer. It cannot provide an element having a proper surface condition or a normal bonding characteristic.

【0063】[0063]

【発明の効果】本発明によれば、表面状態及び結晶性に
優れるIII 族窒化物半導体エピタキシャル層の形成が達
成される。その結果、表面状態及び結晶性に優れるIII
族窒化物半導体エピタキシャル層から構成される例えば
発光素子用途のエピタキシャルウエハから、均一な特性
の素子を得ることができる。
According to the present invention, formation of a group III nitride semiconductor epitaxial layer having excellent surface condition and crystallinity is achieved. As a result, excellent surface state and crystallinity III
For example, an element having uniform characteristics can be obtained from an epitaxial wafer for use in a light emitting element, which is composed of a group III nitride semiconductor epitaxial layer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の非晶質から構成されるバッファ層の構成
要素を示す断面模式図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing components of a conventional buffer layer made of amorphous.

【図2】バッファ層内に散在する単結晶粒を核として成
長島が発生し、発達する模様を示す想像図である。
FIG. 2 is an imaginary view showing a pattern in which growth islands are generated and developed with single crystal grains scattered in a buffer layer as nuclei.

【図3】バッファ層上に発生した成長島が相互に合着し
て層となる模様を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a pattern in which growing islands generated on a buffer layer are united with each other to form a layer.

【図4】従来の技術に係わるバッファ層を高温の成長環
境下に曝した場合に非晶質体が消失して基板の表面が露
呈する模様を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a pattern in which when a buffer layer according to a conventional technique is exposed to a high-temperature growth environment, an amorphous body disappears and a surface of a substrate is exposed.

【図5】バッファ層を構成する非晶質体の消失により基
板表面が露呈した場合の、高温成膜時に於ける成長島の
実際の発生、成長の模様を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic view showing a pattern of actual occurrence and growth of a growth island at the time of high-temperature film formation when a substrate surface is exposed due to disappearance of an amorphous body constituting a buffer layer.

【図6】表面にピットが密集して発生する領域に於ける
化合物半導体エピタキシャルウエハのエピタキシャル層
の断面模式図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an epitaxial layer of a compound semiconductor epitaxial wafer in a region where pits are densely formed on the surface.

【図7】ピット(間隙)を多く含むエピタキシャル層か
ら作製されたpn接合型III 族窒化物半導体発光素子の
電流−電圧特性の一例である。
FIG. 7 is an example of a current-voltage characteristic of a pn junction type group III nitride semiconductor light emitting device manufactured from an epitaxial layer including many pits (gaps).

【図8】成長温度を620℃として成長させた単結晶粒
から構成される本発明に係わる窒化ガリウムバッファ層
の断面TEM(透過電子顕微鏡)像を示す模式図であ
る。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) image of the gallium nitride buffer layer according to the present invention, which is composed of single crystal grains grown at a growth temperature of 620 ° C.

【図9】従来から単結晶層が形成されるといわれる温度
(920℃)で成長させた窒化ガリウムバッファ層の断
面TEM像を示す模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a cross-sectional TEM image of a gallium nitride buffer layer grown at a temperature (920 ° C.) at which a single crystal layer is conventionally formed.

【図10】アンモニア/トリメチルガリウム反応系によ
り600℃で成長した窒化ガリウムバッファ層の断面T
EM像の模式図である。
FIG. 10 is a cross section T of a gallium nitride buffer layer grown at 600 ° C. by an ammonia / trimethylgallium reaction system.
It is a schematic diagram of an EM image.

【図11】サファイアC面基板上に650℃で成長させ
た窒化ガリウムバッファ層の断面TEM像の模式図であ
る。
FIG. 11 is a schematic diagram of a cross-sectional TEM image of a gallium nitride buffer layer grown at 650 ° C. on a sapphire C-plane substrate.

【図12】実施例2に係わる窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶バッファ層の断面TEM像の模式図である。
FIG. 12 is a schematic view of a cross-sectional TEM image of an aluminum nitride-gallium mixed crystal buffer layer according to Example 2.

【図13】高温の成膜環境下に曝した際の従来の技術に
係わる非晶質バッファ層の変化とピットや突起の発生と
の因果関係を示すためのエピタキシャル層の断面TEM
像の模式図である。
FIG. 13 is a cross-sectional TEM image of an epitaxial layer showing a causal relationship between a change in an amorphous buffer layer and the occurrence of pits and protrusions according to the conventional technique when exposed to a high-temperature film-forming environment.
It is a schematic diagram of an image.

【図14】実施例4に記載の本発明に係わる単結晶粒か
らなるバッファ層を具備したIII族窒化物半導体エピタ
キシャル層の明視野断面TEM像を示す模式図である。
FIG. 14 is a schematic view showing a bright-field cross-sectional TEM image of a group III nitride semiconductor epitaxial layer including a buffer layer made of a single crystal grain according to the present invention described in Example 4;

【図15】実施例4に記載の本発明に係わる単結晶粒か
らなるバッファ層を具備したIII族窒化物半導体エピタ
キシャル層から構成された発光素子(LED)の代表的
な電流−電圧特性(I−V)特性を示す図である。
FIG. 15 shows a typical current-voltage characteristic (I) of a light emitting device (LED) composed of a group III nitride semiconductor epitaxial layer provided with a buffer layer made of a single crystal grain according to the present invention and described in Example 4; -V) is a diagram showing characteristics.

【図16】比較例2に係わるバッファ層を具備するエピ
タキシャル層の断面TEM像を示す模式図である。
FIG. 16 is a schematic diagram showing a cross-sectional TEM image of an epitaxial layer including a buffer layer according to Comparative Example 2.

【図17】バッファ層を構成する窒化ガリウム単結晶粒
の交差角度とバッファ層上に成長した窒化ガリウム成長
層の回折パターンの半値幅の関係を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the intersection angle of gallium nitride single crystal grains constituting the buffer layer and the half-value width of the diffraction pattern of the gallium nitride growth layer grown on the buffer layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(101) 基板 (102) バッファ層 (103) 基板/バッファ層界面 (104) 非晶質体 (105) 単結晶粒 (106) 成長島 (107) 空隙(ピット、細孔) (108) 非晶質体が消失し、基板表面が露呈した領
域 (109) 非晶質体を高温環境下に曝した際に結晶化
を起こした領域 (110) III 族窒化物半導体層の重層からなるエピ
タキシャル層 (111) 伝導形をp形とする第一のエピタキシャル
層構成層 (112) 伝導形をn形とする第二のエピタキシャル
層構成層 (113) バッファ層を構成する単結晶粒 (114) バッファ層を構成する単結晶粒の外周囲側
面 (115) バッファ層を構成する単結晶粒の頂部の天
板部 (116) 転位 (117) 高温で成膜された窒化ガリウム成長層 (118) 単結晶柱 (119) 格子面が重層される方向(格子面像に垂直
な方向) (120) 断面TEM法により撮像される格子面像 (121) 格子面像に対する垂線が互いに交差する角
度(交差角度) (122) バッファ層を構成する単結晶粒の横幅 (123) 従来のバッファ層の一構成要素である多結
晶体 (125) 窒化ガリウム系成長層表面上に出現する突
起 (126) 積層欠陥を主とする結晶欠陥 (127) インジウム(In)を含有する窒化ガリウ
ム高温成長層 (128) 窒化アルミニウム・ガリウム混晶高温成長
層 (129) 単結晶柱の側壁 (130) 単結晶柱の天板部 (131) 角錐の頂部
(101) Substrate (102) Buffer layer (103) Substrate / buffer layer interface (104) Amorphous substance (105) Single crystal grain (106) Growth island (107) Void (pit, pore) (108) Amorphous (109) A region where the amorphous body is crystallized when the amorphous body is exposed to a high-temperature environment. (110) An epitaxial layer composed of a multi-layered group III nitride semiconductor layer. 111) First epitaxial layer constituting layer having p-type conductivity (112) Second epitaxial layer constituting layer having n-type conductivity (113) Single crystal grains constituting buffer layer (114) Buffer layer Outer peripheral side surface of the single crystal grain constituting (115) Top plate part on top of single crystal grain constituting buffer layer (116) Dislocation (117) Gallium nitride growth layer formed at high temperature (118) Single crystal (119) Direction in which lattice planes are layered (direction perpendicular to lattice plane image) (120) Grid plane image captured by cross-sectional TEM method (121) Angle at which perpendiculars to lattice plane image intersect each other (intersection angle) ( 122) Width of single crystal grains constituting buffer layer (123) Polycrystal which is one component of conventional buffer layer (125) Projection appearing on gallium nitride based growth layer surface (126) Mainly stacking fault (127) Gallium nitride high-temperature growth layer containing indium (In) (128) Aluminum nitride-gallium mixed crystal high-temperature growth layer (129) Side wall of single crystal column (130) Top plate portion of single crystal column (131) The top of the pyramid

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結晶基板表面上に積層したIII 族窒化物
半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層し
たIII 族窒化物半導体からなるエピタキシャル層とから
構成される化合物半導体エピタキシャルウエハに於い
て、 該バッファ層が単結晶粒の集合体からなり、前記バッフ
ァ層を構成する単結晶粒は、as−grown状態で相
互に接合する側面を迂曲として合着し、かつ頂部の天板
部を略平担若しくは曲面状としてなることを特徴とする
化合物半導体エピタキシャルウエハ。
1. A compound semiconductor epitaxial wafer comprising: a buffer layer composed of a group III nitride semiconductor laminated on a surface of a crystal substrate; and an epitaxial layer composed of a group III nitride semiconductor laminated on the buffer layer. The buffer layer is composed of an aggregate of single crystal grains, and the single crystal grains forming the buffer layer are bonded together in a detour shape at a side surface that is joined to each other in an as-grown state, and a top plate portion at the top is formed. A compound semiconductor epitaxial wafer having a substantially flat or curved surface.
【請求項2】 上記のバッファ層を構成する単結晶粒
が、as−grown状態で相互の積層方位の角度差を
30度以内とすることを特徴とする請求項1記載の化合
物半導体エピタキシャルウエハ。
2. The compound semiconductor epitaxial wafer according to claim 1, wherein the single crystal grains constituting the buffer layer have an angle difference of a stacking direction of each other within 30 degrees in an as-grown state.
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