JP2002145700A - Sapphire substrate, semiconductor device, electronic component and crystal growth method - Google Patents
Sapphire substrate, semiconductor device, electronic component and crystal growth methodInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化物半導体などの窒化物材料を用い、例え
ば、InGaAlNを構成要素とし、電気的・光学的特
性に優れ、寿命の長い窒化物半導体装置など、より特性
の良い素子を得ることができるようにする。
【解決手段】 サファイアM面オフ基板の表面(ヘテロ
エピタキシャル成長面)が、サファイア基板のc軸を回
転軸として8°から20°回転された傾斜(傾斜角すな
わちオフ角度は回転角に等しい)を有する場合、基板の
傾斜した方向に基板上に結晶のステップが形成されてい
る。このステップがM面ジャスト面上に発生する双晶の
発生を抑制する。PROBLEM TO BE SOLVED: To use a nitride material such as a nitride semiconductor, for example, using InGaAlN as a constituent element, and to have better characteristics such as a nitride semiconductor device having excellent electrical and optical characteristics and a long life. The device can be obtained. SOLUTION: The surface of the sapphire M-plane off-substrate (heteroepitaxial growth surface) has an inclination rotated by 8 ° to 20 ° around the c-axis of the sapphire substrate (the inclination angle, ie, the off-angle is equal to the rotation angle). In this case, crystal steps are formed on the substrate in the direction in which the substrate is inclined. This step suppresses the generation of twins generated on the M-plane just surface.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロエピタキシ
ャル成長面を有するサファイア基板および基板上に成長
させたIII族窒化物単結晶層を有する半導体素子、な
らびに、菱面体晶系結晶構造の結晶基板上に窒化物材料
の結晶層を備えた電子部品および結晶成長方法に関す
る。The present invention relates to a sapphire substrate having a heteroepitaxial growth surface, a semiconductor device having a group III nitride single crystal layer grown on the substrate, and a crystal substrate having a rhombohedral crystal structure. The present invention relates to an electronic component having a crystal layer of a nitride material and a crystal growth method.
【0002】[0002]
【従来の技術】バンドギャップエネルギーが高く融点が
高い半導体材料として、窒化ガリウム系の材料が注目さ
れている。例えば、結晶InGaAlNを用いた素子の
作製が行われている。この素子の作製に当たっては、結
晶の膜を基板上にヘテロエピタキシャル成長する必要が
ある。これは、窒化ガリウム系の結晶からなる結晶基板
がないためである。従来、結晶膜をヘテロエピタキシャ
ル成長させる基板としては、主にコランダム(サファイ
ア)が用いられ、この(0001)面(C面)が、異種
材料である窒化物材料の結晶を成長させるヘテロエピタ
キシャル成長面として利用されている。2. Description of the Related Art As a semiconductor material having a high band gap energy and a high melting point, a gallium nitride-based material has attracted attention. For example, devices using crystalline InGaAlN have been manufactured. In manufacturing this element, it is necessary to heteroepitaxially grow a crystal film on a substrate. This is because there is no crystal substrate made of gallium nitride-based crystals. Conventionally, corundum (sapphire) is mainly used as a substrate on which a crystal film is heteroepitaxially grown, and this (0001) plane (C plane) is used as a heteroepitaxial growth plane for growing a crystal of a nitride material as a dissimilar material. Have been.
【0003】通常、サファイア基板上には、まずはじめ
に、本結晶の中で最も成長しやすいGaNを成長する。
この理由は、(1)混晶の成長は組織制御が難しいこ
と、(2)AlN成長には1300℃以上の高温が必要
であること、(3)InNの成長には高いNの平衡蒸気
圧を実現するために、窒素原料とIn原料の供給比N/
Inを1,000,000程度と極めて大きくする必要
があり、成長速度が100nm/h以下になり工業的で
ない、などである。[0003] Usually, first, GaN which is most likely to grow in the present crystal is grown on a sapphire substrate.
This is because (1) it is difficult to control the structure of mixed crystal growth, (2) AlN growth requires a high temperature of 1300 ° C. or higher, and (3) high N equilibrium vapor pressure for growth of InN. In order to realize the above, the supply ratio of the nitrogen raw material and the In raw material N /
In needs to be extremely large, about 1,000,000, and the growth rate becomes 100 nm / h or less, which is not industrial.
【0004】GaNの成長に当たっても、基板上に直接
単結晶を成長しようとすると、凹凸の激しい表面を有す
る結晶しか得られなかった。このような表面の上に結晶
を積層することは困難であり、積層したとしても、積層
された層の厚さが不均一となり、層厚を制御した成長が
できない。また、直接単結晶を成長しようとすると、結
晶粒界が生じ、ここが欠陥となり、結晶の光学的・電気
的特性を大きく損なう。これらのことにより、直接成長
した結晶を素子作製に用いることができなかった。[0004] Even when growing GaN, if a single crystal is to be grown directly on a substrate, only a crystal having a highly uneven surface can be obtained. It is difficult to stack crystals on such a surface, and even if they are stacked, the thickness of the stacked layers becomes nonuniform, and growth with controlled layer thickness cannot be performed. In addition, if a single crystal is to be grown directly, a crystal grain boundary is generated, which becomes a defect, and greatly impairs the optical and electrical characteristics of the crystal. For these reasons, crystals grown directly cannot be used for device fabrication.
【0005】そこで、この難点を解消するために、二段
階成長法が登場してきた。この二段階成長法について簡
単に説明すると、基板上に厚さ20〜50nmの多結
晶、非晶質、または両状態が混在したGaNあるいはA
lNを低温で成長させ(低温バッファ層成長)、この
後、高温で単結晶化を図り(アニール)、この上に良質
の単結晶GaNを成長する(本成長)。この場合、基板
とGaN間に存在する格子不整合率13.8%のため
に、密度108〜1010/cm2の貫通転位が、膜中に存
在している。この転位が、GaNの電気的・光学的特性
を劣化させている。[0005] In order to solve this difficulty, a two-stage growth method has appeared. The two-step growth method will be briefly described below. Polycrystalline, amorphous, or GaN or A2 having a mixture of both states having a thickness of 20 to 50 nm is formed on a substrate.
InN is grown at a low temperature (low-temperature buffer layer growth), and thereafter, single crystallization is performed at a high temperature (annealing), on which high-quality single-crystal GaN is grown (main growth). In this case, threading dislocations having a density of 10 8 to 10 10 / cm 2 exist in the film due to a lattice mismatch rate of 13.8% existing between the substrate and GaN. These dislocations degrade the electrical and optical characteristics of GaN.
【0006】この転位密度を低下させるために、選択成
長と横方向成長を巧みに利用した方法が提案された。す
なわち、前述した方法で、サブミクロン厚のGaNを成
長する。つぎに、この上に選択成長マスクとして、Si
O2の帯状パタンを多数平行に形成する。この帯と帯と
の間の膜厚方向に垂直な方向に(横方向)成長しやすい
条件を用いて、GaNを成長する。この結果、一本の帯
状SiO2の上で、この帯の両端からのびてきたGaN
が合体し、基板表面の全面がGaNで覆われることにな
る。In order to reduce the dislocation density, a method has been proposed which utilizes selective growth and lateral growth. That is, GaN having a submicron thickness is grown by the method described above. Next, as a selective growth mask,
A number of O 2 strip patterns are formed in parallel. GaN is grown under conditions that allow easy growth in the direction (lateral direction) perpendicular to the film thickness direction between the bands. As a result, GaN extending from both ends of this band on one band of SiO 2
Are combined, and the entire surface of the substrate surface is covered with GaN.
【0007】良質な結晶を得るためには、GaNの膜厚
を100〜200μmと厚くする必要がある。しかし、
窓部上の結晶には、下地のGaNに含まれる転位が残
る。また、GaNの上記合体部では、基板とエピタキシ
ャル成長膜であるGaNとの格子定数が合わないため
に、無数の欠陥が含まれることになる。良質な結晶の存
在するところは、合体部とSiO2窓部との間だけであ
る。しかし、この部分にも、密度104〜106/cm2
程度の転位が存在する。また、良質結晶部の形状は、幅
5μm程度の帯状でしかない。この幅を広くできない理
由は、横方向成長技術の制限によるIn order to obtain high quality crystals, it is necessary to increase the thickness of GaN to 100 to 200 μm. But,
Dislocations contained in the underlying GaN remain in the crystal on the window. Further, in the above-mentioned united portion of GaN, since the lattice constant of the substrate does not match the lattice constant of GaN as the epitaxial growth film, a number of defects are included. High quality crystals are present only between the united portion and the SiO 2 window. However, this part also has a density of 10 4 to 10 6 / cm 2
There is a degree of dislocation. Further, the shape of the high-quality crystal part is only a belt-like shape having a width of about 5 μm. The reason this width cannot be increased is due to the limitations of lateral growth technology.
【0008】以上述べてきた方法によって形成されたG
aNを堆積した基板上に、半導体レーザ構造が作製され
ている。しかし、本素子の最も重要な用途と目されてい
るDVD装置への適用では動作温度50℃での光出力3
0mWという条件下での素子寿命10万時間が要求され
ているが、現状での最長の素子寿命は数百時間と二桁以
上短い。この原因は、良質結晶部内に存在する歪みと、
これの両側に存在する転位の伸展によっていると考えら
れている。従って、上述してきた方法は、未だ結晶性の
面では、不十分であるという問題があった。The G formed by the method described above
A semiconductor laser structure has been fabricated on a substrate on which aN has been deposited. However, in the case of application to a DVD device, which is regarded as the most important use of this element, the light output at an operating temperature of 50 ° C.
Although the device life of 100,000 hours under the condition of 0 mW is required, the longest device life at present is as short as several hundred hours or two digits or more. This is due to the strain existing in the high quality crystal part,
It is thought to be due to the dislocation extension present on both sides of this. Therefore, there is a problem that the above-described method is still insufficient in terms of crystallinity.
【0009】さらに、上述した結晶成長法では、(1)低
温バッファ層成長、アニールおよび本成長からなる二段
階成長、(2)選択成長用膜形成とこのパタン形成、
(3)横方向成長の3工程を必要とし、工程が複雑で、
成長にコストがかかるという問題があった。Further, in the above-described crystal growth method, (1) two-step growth including low-temperature buffer layer growth, annealing and main growth, (2) formation of a film for selective growth and formation of this pattern,
(3) Three processes of lateral growth are required, and the process is complicated.
There was a problem that the growth would be costly.
【0010】格子整合基板の存在を調査すると、同じサ
ファイアの中で、(01−10)面(以下M面と記す)
がある。このM面は、従来から発明者らがヘテロエピタ
キシャル成長面として提案している(特許270418
1号公報)。提案をした時点(出願日平成1年2月13
日)では、二段階成長ではなく、低温成長GaN層を介
さずに直接基板上に高温でGaNを成長する直接成長が
行われていた時代であった。この時代には、サファイア
(0001)面(以下C面と記す)上よりも、表面の平
坦性、低残留キャリア濃度、高移動度、高強度フォトル
ミネッセンスなどの点で良好な特性を示すGaN結晶が
M面上で得られていた。Examination of the existence of a lattice-matched substrate reveals that, in the same sapphire, the (01-10) plane (hereinafter referred to as the M plane)
There is. The M plane has been conventionally proposed as a heteroepitaxial growth plane by the inventors (Japanese Patent No. 270418).
No. 1). At the time of proposal (application date: February 13, 2001)
On the other hand, there was an era in which GaN was directly grown on a substrate at a high temperature without using a low-temperature-grown GaN layer, instead of a two-stage growth. In this era, GaN crystals have better properties than sapphire (0001) plane (hereinafter referred to as C plane) in terms of surface flatness, low residual carrier concentration, high mobility, and high intensity photoluminescence. Was obtained on the M surface.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】サファイアM面上に成
長したGaNの結晶性をさらに向上すべく、サファイア
M面を用いて、二段階成長を行った。このとき用いた基
板面のM面からの傾きは各方位において0.3°以下で
あり、通常(01−10)ジャスト面と呼ぶことのでき
る面を本基板は有していた。しかし、得られたGaN結
晶の表面は、サファイアC面上に二段階成長して得られ
るGaN結晶よりも、荒れた表面を有していた。In order to further improve the crystallinity of GaN grown on the sapphire M plane, two-step growth was performed using the sapphire M plane. The inclination of the substrate surface used at this time from the M plane was 0.3 ° or less in each direction, and the present substrate had a surface that could be usually called a (01-10) just surface. However, the surface of the obtained GaN crystal had a rougher surface than the GaN crystal obtained by two-step growth on the sapphire C plane.
【0012】これは、図8に示すように、サファイア
(01−10)ジャスト面を有する基板上では、双晶が
発生し易いという問題を内在していたためである。双晶
が発生する理由は、(01−10)ジャスト面基板で
は、GaNのc軸が、基板面の法線方向から、サファイ
ア基板の[2−1−10]と[−2110]との2方向
にそれぞれ32°傾くことにある。すなわち、c軸の方
位が二通りにとれることが、双晶を発生させている。こ
の結果、サファイア(01−10)ジャスト面を有する
基板上にGaNバッファ層を形成し、この上に窒化ガリ
ウムを結晶成長させると、図8のように二方向に結晶が
成長して双晶が形成される。This is because, as shown in FIG. 8, on a substrate having a sapphire (01-10) just face, there is an inherent problem that twins are easily generated. The reason why twins are generated is that, in the (01-10) just-plane substrate, the c-axis of GaN is determined by the two directions of [2-1-10] and [-2110] of the sapphire substrate from the normal direction of the substrate surface. In each of the directions. In other words, the fact that the c-axis orientation can be taken in two ways generates twins. As a result, when a GaN buffer layer is formed on a substrate having a sapphire (01-10) just face, and gallium nitride is grown thereon, crystals grow in two directions as shown in FIG. It is formed.
【0013】一般に、エピタキシャル成長において、結
晶性の改善のためには、ジャスト面に対して適当な角度
(オフ角と呼ばれている)だけ傾斜したオフ基板が用い
られている。この場合のオフ角は、通常1〜5°程度と
大きくない。実際にこの程度のオフ角度を有するサファ
イアM基板上にGaNをエピタキシャル成長してみた結
果、双晶発生の抑制には何ら効果がないことが判った。
このことは、実際に結晶成長して初めて明らかとなった
ことである。In general, in epitaxial growth, an off-substrate inclined at an appropriate angle (called an off-angle) with respect to a just surface is used to improve crystallinity. The off-angle in this case is usually not as large as about 1 to 5 °. Actually, when GaN was epitaxially grown on a sapphire M substrate having such an off angle, it was found that there was no effect in suppressing twinning.
This is evident only after actual crystal growth.
【0014】以上説明したように、従来では、結晶性の
良い窒化物半導体を得ることが困難なため、広いバンド
ギャップエネルギーをもつワイドギャップ半導体などの
特徴を有した窒化物材料を用いた特性の良い素子を得る
ことが困難であった。本発明は、以上のような問題点を
解消するためになされたものであり、窒化物半導体など
の窒化物材料を用い、例えば、InGaAlNを構成要
素とし、電気的・光学的特性に優れ、寿命の長い窒化物
半導体装置など、より特性の良い素子を得ることができ
るようにすることを目的とする。As described above, since it is conventionally difficult to obtain a nitride semiconductor having good crystallinity, characteristics using a nitride material having characteristics such as a wide gap semiconductor having a wide band gap energy are obtained. It was difficult to obtain a good device. The present invention has been made in order to solve the above problems, and uses a nitride material such as a nitride semiconductor, for example, has InGaAlN as a constituent element, has excellent electrical and optical characteristics, and has a long life. It is an object of the present invention to obtain an element having better characteristics, such as a nitride semiconductor device having a longer length.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明の一形態における
サファイア基板は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サ
ファイア基板の(01−10)面を、サファイア基板の
結晶格子内において、サファイア基板のc軸を回転軸と
して、8°から20°回転させてなる面に平行な状態と
したものである。このサファイア基板では、ヘテロエピ
タキシャル成長面における双晶の成長が抑制される。According to one aspect of the present invention, a sapphire substrate has a heteroepitaxial growth surface rotated on the (01-10) plane of the sapphire substrate and a c-axis of the sapphire substrate rotated in a crystal lattice of the sapphire substrate. The axis is parallel to a plane rotated by 8 ° to 20 °. In this sapphire substrate, twin growth on the heteroepitaxial growth surface is suppressed.
【0016】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
(01−10)面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のc軸を回転軸として、13°か
ら18°回転させてなる面に平行な状態としたものであ
る。このサファイア基板では、ヘテロエピタキシャル成
長面における双晶の成長が抑制される。In a sapphire substrate according to another embodiment of the present invention, the heteroepitaxially grown surface has a (01-10) plane of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate and a rotation angle of 13 ° with respect to the c-axis of the sapphire substrate. It is in a state parallel to the plane rotated by 18 ° from. In this sapphire substrate, twin growth on the heteroepitaxial growth surface is suppressed.
【0017】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
(01−10)面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のc軸を回転軸として、8°から
20°回転させ、さらに、c軸周りの回転を伴わずに、
c軸に対して0.1°から20°傾斜させてなる面に平
行な状態としたものである。このサファイア基板では、
ヘテロエピタキシャル成長面における双晶の成長が抑制
され、かつ、結晶成長した結晶面における基板のc軸に
平行な方位にのびる縞状パタン(縞状の模様)の発生が
抑制される。In a sapphire substrate according to another embodiment of the present invention, the heteroepitaxially grown surface has a (01-10) plane of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate, and has a c-axis of the sapphire substrate of 8 ° as a rotation axis. , And without any rotation around the c axis,
This is a state parallel to a plane inclined at 0.1 ° to 20 ° with respect to the c-axis. In this sapphire substrate,
The twin growth on the heteroepitaxial growth surface is suppressed, and the generation of a stripe pattern (striped pattern) extending in the direction parallel to the c-axis of the substrate on the crystal growth surface is suppressed.
【0018】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
(01−10)面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のc軸を回転軸として、8°から
20°回転させ、さらに、c軸周りの回転を伴わずに、
c軸に対して0.1°から2°傾斜させてなる面に平行
な状態としたものである。このサファイア基板では、ヘ
テロエピタキシャル成長面における双晶の成長が抑制さ
れ、かつ、結晶成長した結晶面における基板のc軸に平
行な方位にのびる縞状パタンの発生が抑制される。In a sapphire substrate according to another embodiment of the present invention, the heteroepitaxially grown surface has a (01-10) plane of the sapphire substrate in the crystal lattice of the sapphire substrate, and has a c-axis of the sapphire substrate of 8 ° as a rotation axis. , And without any rotation around the c axis,
This is in a state parallel to a plane inclined from 0.1 ° to 2 ° with respect to the c-axis. In this sapphire substrate, twin growth on the heteroepitaxial growth surface is suppressed, and the occurrence of a striped pattern extending in the direction parallel to the c-axis of the substrate on the crystal growth surface is suppressed.
【0019】本発明の一形態における半導体素子は、上
述したサファイア基板上に成長させたIII族窒化物I
nN、GaN、AlN単結晶層またはその混晶In
1-X-YGaXAlYN単結晶(ここに、0≦X<1、0≦
Y<1、0<X+Y≦1とする)を少なくとも1層有す
るものである。A semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a group III nitride I grown on the sapphire substrate described above.
nN, GaN, AlN single crystal layer or its mixed crystal In
1-XY Ga X Al Y N single crystal (where 0 ≦ X <1, 0 ≦
Y <1, 0 <X + Y ≦ 1).
【0020】本発明の一形態における電子部品は、{0
1−10}面よりc軸を回転軸として8°から20°回
転させた面を主表面とした菱面体晶系結晶構造の結晶基
板と、この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材
料の結晶層とを少なくとも備えたものである。この電子
部品によれば、結晶基板の主表面上に結晶成長した結晶
層においては、双晶の発生が抑制されている。An electronic component according to an embodiment of the present invention has a size of $ 0.
A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure having a main surface rotated from 8 ° to 20 ° about the c-axis as a rotation axis from a 1-10 ° plane, and a nitride crystal grown on the main surface of the crystal substrate And a crystal layer of a material. According to this electronic component, generation of twins is suppressed in the crystal layer grown on the main surface of the crystal substrate.
【0021】本発明の他の形態における電子部品は、
{01−10}面よりc軸を回転軸として、13°から
18°回転させた面を主表面とした菱面体晶系結晶構造
の結晶基板と、この結晶基板の主表面上に結晶成長した
窒化物材料の結晶層とを少なくとも備えたものである。
この電子部品によれば、結晶基板の主表面上に結晶成長
した結晶層においては、双晶の発生が抑制されている。An electronic component according to another aspect of the present invention includes:
A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure whose main surface is a plane rotated from 13 ° to 18 ° with the c-axis as a rotation axis from the {01-10} plane, and crystals grown on the main surface of this crystal substrate And a crystal layer of a nitride material.
According to this electronic component, generation of twins is suppressed in the crystal layer grown on the main surface of the crystal substrate.
【0022】上記電子部品において、結晶基板の主表面
を、例えば、c軸に対して0.1°から20°、より好
ましくは0.1°から2°傾斜した面とすることで、結
晶層の表面における結晶基板のc軸に平行な方位にのび
る縞状パタンの発生が抑制される。また、上記電子部品
において、結晶基板としては、例えばコランダム基板が
適用できる。また、窒化物材料としては、例えば、窒素
とガリウムとを含む半導体材料が適用でき、窒素とガリ
ウムに加え、インジウムとアルミニウムとを含む半導体
材料を適用することもできる。In the above electronic component, the main surface of the crystal substrate is, for example, a surface inclined at 0.1 ° to 20 °, more preferably 0.1 ° to 2 ° with respect to the c-axis, so that the crystal layer is formed. The generation of a striped pattern extending in the direction parallel to the c-axis of the crystal substrate on the surface of is suppressed. In the electronic component, for example, a corundum substrate can be used as the crystal substrate. Further, as the nitride material, for example, a semiconductor material containing nitrogen and gallium can be used, and a semiconductor material containing indium and aluminum in addition to nitrogen and gallium can be used.
【0023】本発明の一形態における結晶成長方法は、
主表面が{01−10}面よりc軸を回転軸として8°
から20°回転させた面となっている菱面体晶系結晶構
造の結晶基板を用意し、結晶基板の主表面に、気相成長
法により窒化物材料を結晶成長し、結晶基板上に窒化物
材料の結晶層を形成するようにしたものである。この結
晶成長方法によれば、結晶基板の主表面上に、双晶の発
生を抑制した状態で、窒化物材料が結晶成長する。According to one embodiment of the present invention, there is provided a crystal growth method comprising:
The main surface is 8 ° from the {01-10} plane with the c-axis as the rotation axis
A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure having a plane rotated by 20 ° is prepared, and a nitride material is crystal-grown on the main surface of the crystal substrate by a vapor phase epitaxy method. A crystal layer of a material is formed. According to this crystal growth method, the nitride material grows on the main surface of the crystal substrate in a state where twinning is suppressed.
【0024】本発明の他の形態における結晶成長方法
は、主表面が{01−10}面よりc軸を回転軸として
13°から18°回転させた面となっている菱面体晶系
結晶構造の結晶基板を用意し、結晶基板の主表面に、気
相成長法により窒化物材料を結晶成長し、結晶基板上に
窒化物材料の層を形成するようにしたものである。この
結晶成長方法によれば、結晶基板の主表面上に、双晶の
発生を抑制した状態で、窒化物材料が結晶成長する。According to another embodiment of the present invention, there is provided a crystal growth method in which a main surface is a plane rotated from 13 ° to 18 ° with respect to a c-axis as a rotation axis from a {01-10} plane. Is prepared, a nitride material is crystal-grown on the main surface of the crystal substrate by a vapor phase growth method, and a layer of the nitride material is formed on the crystal substrate. According to this crystal growth method, the nitride material grows on the main surface of the crystal substrate in a state where twinning is suppressed.
【0025】上記結晶成長方法において、結晶基板の主
表面を、c軸に対して0.1°から20°、より好まし
くは0.1°から2°傾斜した面とすることで、結晶成
長する窒化物材料の層の表面における結晶基板のc軸に
平行な方位にのびる縞状パタンの発生を抑制できる。ま
た、結晶基板としては、例えば、コランダム基板を用い
るようにすればいい。また、窒化物材料は、例えば、窒
素とガリウムとを含む半導体材料であり、また、窒素と
ガリウムに加え、インジウムとアルミニウムとを含む半
導体材料である。In the above-mentioned crystal growth method, the crystal is grown by setting the main surface of the crystal substrate to a plane inclined from 0.1 ° to 20 °, more preferably from 0.1 ° to 2 ° with respect to the c-axis. The generation of a stripe pattern extending in the direction parallel to the c-axis of the crystal substrate on the surface of the nitride material layer can be suppressed. In addition, as the crystal substrate, for example, a corundum substrate may be used. The nitride material is, for example, a semiconductor material containing nitrogen and gallium, and is a semiconductor material containing indium and aluminum in addition to nitrogen and gallium.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。以下、InGaAlNなどの
窒化ガリウム系の結晶膜を、例えばサファイア(コラン
ダム)などの結晶基板上に成長する場合を例にして説明
する。まず、本実施の形態の特徴を簡単に説明する。本
実施の形態では、サファイアのM面を特定の方向の回転
軸周りに回転させてなる面をヘテロエピタキシャル成長
面とし、窒化ガリウム系の結晶膜の結晶成長において、
双晶の発生を抑制した。双晶の発生を抑制することで、
表面が平坦で結晶性も良好な窒化ガリウム系の結晶を成
長させることが可能となり、特性の良い電子部品を得る
ことができる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Hereinafter, a case where a gallium nitride-based crystal film such as InGaAlN is grown on a crystal substrate such as sapphire (corundum) will be described as an example. First, the features of the present embodiment will be briefly described. In the present embodiment, a surface formed by rotating the M-plane of sapphire around a rotation axis in a specific direction is referred to as a heteroepitaxial growth surface, and in the crystal growth of a gallium nitride-based crystal film,
The generation of twins was suppressed. By suppressing the generation of twins,
A gallium nitride-based crystal having a flat surface and good crystallinity can be grown, and an electronic component having good characteristics can be obtained.
【0027】本実施の形態におけるサファイア基板は、
従来のInGaAlNを少なくとも一層含む半導体素子
用基板とは、以下の点で異なる。従来では、サファイア
のM面ジャスト面をヘテロエピタキシャル成長面として
いた。これに対し、本実施の形態では、サファイアのM
面に対して通常のオフ角度よりも大きな角度で傾斜した
表面をヘテロエピタキシャル成長面とし、例えばGaN
などの窒化物材料の結晶膜を形成するようにした。The sapphire substrate in this embodiment is
It differs from the conventional semiconductor device substrate containing at least one layer of InGaAlN in the following points. Conventionally, the sapphire M-plane just surface has been a heteroepitaxial growth surface. In contrast, in the present embodiment, the sapphire M
A surface inclined at an angle larger than the normal off angle with respect to the surface is defined as a heteroepitaxial growth surface, for example, GaN
A crystal film of a nitride material such as the above is formed.
【0028】従って、本実施の形態における特徴的なサ
ファイア基板を、サファイアM面オフ基板と呼び、この
ヘテロエピタキシャル成長面をM面オフ面と呼ぶ。な
お、以下の説明においては、基板の表面(裏面、側面と
区別しての表面)がヘテロエピタキシャル成長面となっ
ている。ここで、M面について説明すると、コランダム
(サファイア)などの菱面体構造を有する六法晶系は、
六角柱型構造となっている。M面は、この六角柱の矩形
状を呈する6枚の側壁に当たる。結晶中のc軸は六角形
からなる上面と底面を垂直に貫く方向に平行であるの
で、もちろん、M面はc軸に平行である。このM面の面
方位は、「Miller−Bravais」指数を用い
て表現すると、(1 −1 0 0),(−1 1 0
0),(0 1 −1 0),(0 −1 1 0),(1
0 −1 0),(−1 0 1 0)となる。これをまと
めて、{0 1 −1 0}と書くこともできる。Therefore, the characteristic sapphire substrate in this embodiment is called a sapphire M-plane off-substrate, and this heteroepitaxially grown surface is called an M-plane off-plane. In the following description, the front surface of the substrate (the surface distinguished from the back surface and the side surface) is a heteroepitaxial growth surface. Here, the M plane will be described. A hexagonal system having a rhombohedral structure such as corundum (sapphire)
It has a hexagonal prism type structure. The M surface corresponds to the six rectangular side walls of the hexagonal column. Since the c-axis in the crystal is parallel to the direction perpendicular to the hexagonal top and bottom surfaces, the M-plane is, of course, parallel to the c-axis. When the plane orientation of the M plane is expressed using a “Miller-Bravais” index, (1−100), (−1110)
0), (01-1-10), (0-1110), (1
0-10) and (-1 0 10). This can be collectively written as {01-1-10}.
【0029】また、本実施の形態におけるサファイアM
面オフ基板上に作製された半導体素子は、従来のInG
aAlNを少なくとも一層含む半導体素子とは、以下の
点で異なる。本実施の形態における半導体素子は、サフ
ァイアM面オフ基板上に形成されているため、素子を構
成する半導体層中の結晶欠陥が少ない。このため、良好
な特性が得られ、素子寿命も長い。また、従来技術にお
いては、横方向成長によって結晶成長した場合、良質の
結晶は帯状にしか得られないが、サファイアM面オフ基
板を用いた場合には、基板全面において、良好な特性を
示す結果が得られるため、素子の配列や大きさに制限が
ない。The sapphire M according to the present embodiment
A semiconductor device fabricated on a plane-off substrate uses a conventional InG
It differs from a semiconductor element containing at least one layer of aAlN in the following points. Since the semiconductor element in this embodiment is formed on a sapphire M-plane off-substrate, there are few crystal defects in a semiconductor layer forming the element. Therefore, good characteristics can be obtained and the element life is long. In the prior art, when crystals are grown by lateral growth, high-quality crystals can only be obtained in the form of strips. However, when a sapphire M-plane off-substrate is used, good characteristics are obtained over the entire surface of the substrate. Therefore, there is no limitation on the arrangement and size of the elements.
【0030】サファイアM面オフ基板の表面(ヘテロエ
ピタキシャル成長面)が、サファイア基板のc軸を回転
軸として8°から20°回転された傾斜(傾斜角すなわ
ちオフ角度は回転角に等しい)を有する場合、基板の傾
斜した方向に基板上に結晶のステップが形成されてい
る。このステップがM面ジャスト面上に発生する双晶の
発生を抑制する。When the surface (heteroepitaxial growth surface) of the sapphire M-plane off-substrate has an inclination rotated by 8 ° to 20 ° about the c-axis of the sapphire substrate (the inclination angle, ie, the off-angle is equal to the rotation angle). A crystal step is formed on the substrate in the direction in which the substrate is inclined. This step suppresses the generation of twins generated on the M-plane just surface.
【0031】この作用について図1を用いて説明する。
図1は、サファイアのc軸に垂直な断面図である。点線
はサファイア基板上に形成したGaNバッファ層の表面
を示す。点線と実線とのなす角θが、基板のM面からの
傾斜角である。サファイアM面は安定面であるから、基
板の表面には傾斜角によらずM面が出現する。また、ス
テップの高さDSは結晶構造から一定であり、図1のよ
うに考えるのが妥当である。従って、DSは、 DS=a×sin60°(1) となる。ここで、aはサファイア結晶のa軸の長さであ
る。これから、ステップの幅WSは、 WS=DS/tanθ (2) と見積もられる。基板の傾斜角とステップ幅との関係を
表1に示す。This operation will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of sapphire perpendicular to the c-axis. The dotted line indicates the surface of the GaN buffer layer formed on the sapphire substrate. The angle θ between the dotted line and the solid line is the inclination angle from the M plane of the substrate. Since the sapphire M plane is a stable plane, the M plane appears on the surface of the substrate regardless of the tilt angle. Further, the step height DS is constant from the crystal structure, and it is appropriate to consider it as shown in FIG. Therefore, D S becomes D S = a × sin60 ° ( 1). Here, a is the length of the a-axis of the sapphire crystal. Now, the width W S of the step is estimated to W S = D S / tanθ ( 2). Table 1 shows the relationship between the inclination angle of the substrate and the step width.
【0032】[0032]
【表1】 [Table 1]
【0033】この表から、傾斜角が小さいときには、ス
テップ幅が大きいことが判る。すなわち、ステップの平
坦な部分(テラス部)が広くなる。このため、同一ステ
ップの上に任意の方位、すなわち、図8の双晶を形成す
る方向にそれぞれc軸を配する核が発生できる。従っ
て、双晶が発生しやすい。また、基板の傾斜角が大きい
と、ステップ幅が狭くなることが、表1から判る。この
場合には、ステップの中央(テラス部)が狭いため、核
が発生しにくく、ステップでの二次元結晶成長は起きに
くい。一方、上下に隣り合って存在するステップで構成
される場所であるキンク部に、成長原料から供給される
原子は付着しやすいので、キンク部からの成長が支配的
となる。From this table, it can be seen that when the inclination angle is small, the step width is large. That is, the flat portion (terrace portion) of the step becomes wider. Therefore, nuclei having c-axes in arbitrary directions, that is, directions in which twins are formed in FIG. 8 can be generated on the same step. Therefore, twins are easily generated. Table 1 shows that when the inclination angle of the substrate is large, the step width becomes narrow. In this case, since the center (terrace portion) of the step is narrow, nuclei are hardly generated, and two-dimensional crystal growth in the step is hard to occur. On the other hand, the atoms supplied from the growth material tend to adhere to the kink portion, which is a place formed by vertically adjacent steps, so that growth from the kink portion becomes dominant.
【0034】一般に、平坦な成長面を得るには、付着原
子の横方向拡散距離が大きい方が好ましい。ところが、
大きく傾斜したM面では、上述したようにステップの多
い面に核が発生して結晶が成長することになるので、隣
のステップまでの距離が短く、付着原子の横方向拡散距
離が短くてすむ。従って、本実施の形態によれば、成長
条件のマージンが広くなり、より容易に平坦な成長面を
得るという点で大きな利点となる。Generally, to obtain a flat growth surface, it is preferable that the lateral diffusion distance of the attached atoms is large. However,
As described above, since the nucleus is generated on the surface with many steps and the crystal grows on the M surface which is greatly inclined, the distance to the next step is short, and the lateral diffusion distance of the attached atoms is short. . Therefore, according to the present embodiment, there is a great advantage in that the margin of the growth condition is widened and a flat growth surface can be more easily obtained.
【0035】基板の傾斜が[2−1−10]方向である
とすれば、ステップの法線方向から[−2110]方向
32°傾いたc軸を有する結晶が成長できるか考えてみ
る。ステップの法線方向とこの上のステップとの間に存
在するサファイアM面とのなす角は、30°である。こ
の角は、上述した32°より狭いので、窒化ガリウム系
材料の結晶は成長しにくいことになる。従って、キンク
部から[2−1−10]方向にc軸の傾いた結晶が成長
し始め、ステップ上を[2−1−10]方向にのびて成
長することになる。結果として、この成長形態が、大き
な結晶核を有する傾斜面上での成長を支配することにな
る。以上の説明では、サファイアM面オフ基板の傾斜が
[2−1−10]として説明したが、反対の方位である
[−2110]の方向に傾斜しても同様のことが言え
る。Assuming that the inclination of the substrate is in the [2-1-10] direction, it is considered whether a crystal having a c-axis inclined by 32 ° in the [-2110] direction from the normal direction of the step can be grown. The angle between the sapphire M plane existing between the normal direction of the step and the step above it is 30 °. Since this angle is narrower than the above-mentioned angle of 32 °, the crystal of the gallium nitride-based material is difficult to grow. Therefore, a crystal whose c-axis is inclined in the [2-1-10] direction starts to grow from the kink portion, and grows on the step in the [2-1-10] direction. As a result, this growth form governs the growth on the inclined plane having large crystal nuclei. In the above description, the inclination of the sapphire M-plane off-substrate is described as [2-1-10], but the same can be said for the inclination in the opposite direction of [-2110].
【0036】さらに、結晶成長を付着分子の運動の観点
からも考えてみる。実際の結晶成長では、通常、三次元
成長形態ではなく、ステップがのびやすい二次元成長形
態が用いられる。この条件下では、ステップは、図1の
左側(ダウンステップ)にのびることになる。図1の右
側にのびるためには、上のステップ(アップステップ)
に付着分子が進行しなければならないためである。アッ
プステップに付着分子がマイグレーションするために
は、ダウンステップへ付着するより、大きな運動エネル
ギーを必要とする。ダウンステップ側にのびやすい成長
核は、c軸方位の傾き方向がダウンステップ側を向いて
いる成長核でなければならない。この結果、双晶の発生
が抑制され、単一ドメインの単結晶が成長することにな
る。Further, the crystal growth will be considered from the viewpoint of the movement of the attached molecules. In actual crystal growth, usually, a two-dimensional growth mode, in which steps are easily extended, is used instead of a three-dimensional growth mode. Under this condition, the steps extend to the left side (down step) in FIG. In order to reach the right side of FIG. 1, the above steps (up steps)
This is because the attached molecule must advance. In order for the attached molecules to migrate in the up step, larger kinetic energy is required than in the down step. The growth nucleus that easily extends to the down step side must be a growth nucleus in which the inclination direction of the c-axis direction is directed to the down step side. As a result, generation of twins is suppressed, and a single crystal of a single domain grows.
【0037】[0037]
【実施例】つぎに、本発明の実施例について説明する。
なお、実施例は1つの例示であって、本発明の精神を逸
脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得るこ
とは言うまでもない。Next, an embodiment of the present invention will be described.
The embodiment is merely an example, and it goes without saying that various changes or improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0038】<実施例1>つぎに、実際のGaN成長方
法を以下に述べる。 (1)用いた基板 用いたサファイア基板は、サファイアM面ジャスト基板
とサファイアM面オフ基板の2種類である。サファイア
M面オフ基板は、サファイアのa軸を回転軸として15
°回転した面を表面としたものである。また、各々の基
板の大きさは1インチ角であり、板厚は400μmであ
った。また、基板の裏面はラッピング仕上げであり、成
長用面(基板表面)は鏡面仕上げである。この面は、c
軸を回転軸としての傾斜は0.3°以内であり、意図し
て傾斜させていない。<Example 1> Next, an actual GaN growth method will be described below. (1) Substrates Used Two types of sapphire substrates were used: sapphire M-plane just substrates and sapphire M-plane off substrates. The sapphire M-plane off substrate has 15
° The surface rotated is the surface. The size of each substrate was 1 inch square and the thickness was 400 μm. The back surface of the substrate is lapping-finished, and the growth surface (substrate surface) is mirror-finished. This face is c
The inclination about the axis as the rotation axis is within 0.3 °, and the inclination is not intentionally performed.
【0039】(2)基板クリーニング 各々の基板を、アセトン中で5分間超音波洗浄した後、
水洗し、窒素ガスを吹き付けて、乾燥した。 (3)基板の成長炉への搬送 有機金属気相成長装置のロードロック室に基板を入れ、
1.3×10-4Pa(10-6Torr)台まで真空引き
した後、成長炉に基板を搬送した。(2) Substrate cleaning After each substrate was ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes,
It was washed with water, blown with nitrogen gas, and dried. (3) Transferring the substrate to the growth furnace Place the substrate in the load lock chamber of the metal organic chemical vapor deposition apparatus,
After evacuation to a level of 1.3 × 10 −4 Pa (10 −6 Torr), the substrate was transferred to a growth furnace.
【0040】(4)基板の水素クリーニング 基板を水素雰囲気で5分間1050℃に加熱すること
で、クリーニングした。このときの炉内の圧力は、8.
6×104Pa(650Torr)である。以下の工程
での炉内の圧力を全て8.6×104Pa(650To
rr)一定とした。(4) Hydrogen Cleaning of Substrate The substrate was cleaned by heating it to 1050 ° C. for 5 minutes in a hydrogen atmosphere. At this time, the pressure in the furnace is 8.
It is 6 × 10 4 Pa (650 Torr). The pressure in the furnace in the following steps was 8.6 × 10 4 Pa (650 To
rr) It was constant.
【0041】(5)GaNバッファ層成長 550℃に温度を下げ、非晶質と多結晶質の混在したG
aNを膜厚25nm成長した(気相成長法)。原料ガス
としては、窒素源にはアンモニアを、ガリウム源にはト
リエチルガリウム(以下、TEGaと略記する)を用い
た。TEGaのキャリアおよびバブリングガスは水素で
ある。このときのアンモニアとTEGaとの原料の供給
比V/IIIは61200である。成長圧力は8.6×
104Pa(650Torr)である。 (6)バッファ層の単結晶化 1050℃に加熱温度を上昇させ、窒素とアンモニア混
合ガス中で、20分間保持し、バッファ層の単結晶化を
図った。(5) GaN buffer layer growth The temperature was lowered to 550 ° C., and a mixture of amorphous and polycrystalline G
aN was grown to a thickness of 25 nm (vapor phase growth method). As a source gas, ammonia was used as a nitrogen source, and triethylgallium (hereinafter abbreviated as TEGa) was used as a gallium source. The carrier and the bubbling gas of TEGa are hydrogen. At this time, the supply ratio V / III of the raw materials of ammonia and TEGa is 61200. Growth pressure is 8.6 ×
10 4 Pa (650 Torr). (6) Single crystallization of buffer layer The heating temperature was increased to 1050 ° C., and the mixture was kept in a mixed gas of nitrogen and ammonia for 20 minutes to achieve single crystallization of the buffer layer.
【0042】(7)GaN高温成長 1010℃で、GaNを1時間成長した。形成した膜厚
は、0.95μmであった。なお、用いた原料ガスは、
窒素源としてアンモニア、ガリウム源としてトリメチル
ガリウム(以下、TMGaと略記する)である。TMG
aのキャリアおよびバブリングガスは水素である。この
ときの原料の供給比V/IIIは、2800である。 (8)基板取り出し 成長後、毎分40℃の速度で降温し、取り出した。降温
速度を40℃/分としている理由は、毎分100℃程度
以上の降温速度での降温では、熱歪みにより、基板が割
れることがあるためである。(7) GaN High Temperature Growth GaN was grown at 1010 ° C. for 1 hour. The formed film thickness was 0.95 μm. The source gas used was
The nitrogen source is ammonia, and the gallium source is trimethylgallium (hereinafter abbreviated as TMGa). TMG
The carrier and the bubbling gas of a are hydrogen. The supply ratio V / III of the raw material at this time is 2800. (8) Removal of Substrate After growth, the temperature was lowered at a rate of 40 ° C. per minute and the substrate was removed. The reason why the cooling rate is 40 ° C./min is that if the cooling rate is about 100 ° C./min or more, the substrate may be broken due to thermal strain.
【0043】続いて、得られた結晶の特性を以下に示
す。成長したGaN結晶の微分干渉光学顕微鏡表面写真
を図2に示す。図2(a)はM面ジャスト基板上にGa
Nバッファ層を介して結晶成長させた窒化ガリウム結晶
膜の表面状態を示す。また、図2(b)は、サファイア
のc軸を回転軸として15°回転した面(M面オフ面)
上にGaNバッファ層を介して結晶成長させた窒化ガリ
ウム結晶膜の表面状態を示す。Subsequently, the characteristics of the obtained crystal are shown below. FIG. 2 shows a differential interference optical microscope surface photograph of the grown GaN crystal. FIG. 2A shows Ga on a M-plane just substrate.
The surface state of a gallium nitride crystal film grown through an N buffer layer is shown. FIG. 2B shows a surface rotated by 15 ° about the c-axis of sapphire (M-off surface).
The surface state of a gallium nitride crystal film grown above via a GaN buffer layer is shown.
【0044】サファイアM面ジャスト基板およびサファ
イアM面オフ基板の両基板とも、[2−1−10]軸
(a軸)を回転軸とする回転による傾斜角は、0.3°
以内であり、前述したように意図して傾斜させていな
い。図2(b)において、縞状のパタンが観察される。
この方位は、サファイアc軸に平行である。GaNの六
角柱の側壁を斜め上から観察したことによって見られた
GaN六角柱から生じていると思われる。この縞状のパ
タンは、微分干渉顕微鏡で段差を強調して観察している
ため、写真上に現れている。しかし、実際の凹凸を原子
間力顕微鏡で測定したところ、1nm以下であり、極め
て平坦であった。Both the sapphire M-plane just substrate and the sapphire M-plane off substrate have a tilt angle of 0.3 ° due to rotation about the [2-1-10] axis (a-axis).
And is not intentionally tilted as described above. In FIG. 2B, a striped pattern is observed.
This orientation is parallel to the sapphire c-axis. It is considered to be generated from the GaN hexagonal prism observed by obliquely observing the side wall of the hexagonal prism of GaN. This striped pattern appears on the photograph because the step is emphasized and observed with a differential interference microscope. However, when the actual unevenness was measured by an atomic force microscope, it was 1 nm or less and was extremely flat.
【0045】表面の写真を示す図2(a)と(b)と同
一サンプルについて、双晶か単結晶かどうかを判定する
ために、4結晶X線回折装置を用いて極点図の測定を行
った(図3(a),図3(b))。極点図測定とは、X
線検出器の位置をGaNの(0002)面からの反射を
検出できる位置に設定しておき、試料を面内回転と煽り
の両方について回転してX線回折強度を測定する方法で
ある。これにより、GaN(0002)がどの方位を向
いていても、結晶中に存在する全てのGaN(000
2)を検出することができる。For the same sample as FIGS. 2A and 2B showing photographs of the surface, a pole figure was measured using a four-crystal X-ray diffractometer to determine whether the sample was twin or single crystal. (FIGS. 3A and 3B). The pole figure measurement is X
In this method, the X-ray diffraction intensity is measured by setting the position of a line detector at a position where reflection from the (0002) plane of GaN can be detected, and rotating the sample for both in-plane rotation and tilting. Thus, regardless of the orientation of GaN (0002), all GaN (000)
2) can be detected.
【0046】極点図を示す図3(a),図3(b)にお
いて、リング状に示されている方位が、試料の面内回転
に対応している。また、0゜,30゜,60゜,および
90゜と表記してある方位が、煽りの回転方位に対応し
ている。図2(a)に対応する図3(a)では、2つの
ピークを観測されている。このことは、GaN(000
2)が異なった2方向に配向して結晶中に含まれている
ことを意味している。従って、図3(a)の場合には、
双晶が発生していることが明らかである。In FIGS. 3A and 3B showing the pole figures, the orientation shown in a ring shape corresponds to the in-plane rotation of the sample. Further, the directions described as 0 °, 30 °, 60 °, and 90 ° correspond to the tilting rotation directions. In FIG. 3A corresponding to FIG. 2A, two peaks are observed. This means that GaN (000
2) is included in the crystal while being oriented in two different directions. Therefore, in the case of FIG.
It is clear that twinning has occurred.
【0047】これに対して、図2(b)に対応する図3
(b)では、単峰性となっている。つまり、結晶中に
は、一方向に揃ってGaN(0002)が配向している
ことになる。従って、図3(b)の場合には、単結晶成
長していると言える。以上の実験結果から、M面ジャス
ト基板では明らかに双晶が発生するのに対して、M面か
ら15゜傾斜した基板では、単結晶成長が実現できるこ
とが明確となった。なお、図3(c),図3(d)は、
各々図3(a),図3(b)対応した結晶の配向の様子
を示す模式図である。On the other hand, FIG. 3 corresponding to FIG.
In (b), it is unimodal. That is, GaN (0002) is oriented in one direction in the crystal. Therefore, in the case of FIG. 3B, it can be said that a single crystal is grown. From the above experimental results, it is clear that twin crystals are clearly generated on the M-plane just substrate, while single-crystal growth can be realized on the substrate inclined by 15 ° from the M-plane. 3 (c) and FIG. 3 (d)
3A and 3B are schematic views showing the state of crystal orientation corresponding to FIGS. 3A and 3B, respectively.
【0048】図4に基板の傾斜角と室温で測定したフォ
トルミネッセンス特性との関係を示す。傾斜角が大きい
ほど、深い準位(deep)からの発光である波長50
0nm近傍での黄色発光が弱くなっている。一方、波長
360nm近傍のバンド端発光(edge)が支配的と
なっている。深い準位発光とバンド端発光との強度比
(deep/edge)を見ると、傾斜角の効果が良く
見て取れる。FIG. 4 shows the relationship between the tilt angle of the substrate and the photoluminescence characteristics measured at room temperature. As the inclination angle is larger, the wavelength 50, which is light emission from a deep level (deep), is larger.
Yellow light emission near 0 nm is weak. On the other hand, band edge emission (edge) near a wavelength of 360 nm is dominant. Looking at the intensity ratio (deep / edge) between the deep level emission and the band edge emission, the effect of the tilt angle can be clearly seen.
【0049】以上述べてきたように、基板を15°前後
に傾斜することにより、良好なGaN結晶を得ることが
できた。図4に示されているように、傾斜なしの場合よ
りも良好な特性は、傾斜角8°から20°において現
れ、特に良好な特性は、傾斜角13°から18°におい
て現れるものと予想される。As described above, a good GaN crystal could be obtained by tilting the substrate about 15 °. As shown in FIG. 4, better characteristics are expected at tilt angles of 8 ° to 20 ° than with no tilt, and particularly good characteristics are expected to appear at tilt angles of 13 ° to 18 °. You.
【0050】なお、ここでは、最も効果の大きいc軸を
回転軸として基板を傾斜させた場合について述べた。こ
のようなサファイアM面オフ基板を用いることで、双晶
は完全に消失したが、基板のc軸に平行な方位に縞状パ
タンが、GaNに発生した。これを消してさらに平坦と
するため、基板の表面(ヘテロエピタキシャル成長面)
をc軸に対して、c軸周りの回転を伴わずに、1°傾斜
された基板を用い、この上にGaNバッファ層を形成し
た後、GaNを結晶成長した。この結果、GaNの結晶
成長時にステップが流れ、鏡面が得られた。Here, the case where the substrate is inclined using the c-axis, which has the greatest effect, as the rotation axis has been described. By using such a sapphire M-plane off-substrate, twins completely disappeared, but a striped pattern was generated in GaN in an orientation parallel to the c-axis of the substrate. In order to eliminate this and make it even more flat, the surface of the substrate (heteroepitaxial growth surface)
Using a substrate inclined by 1 ° with respect to the c-axis without rotation about the c-axis, a GaN buffer layer was formed thereon, and then GaN was crystal-grown. As a result, steps flowed during the crystal growth of GaN, and a mirror surface was obtained.
【0051】形成した窒化ガリウム結晶膜の平坦度は、
微分干渉光学顕微鏡を持ってしても、如何なる模様も観
察できないほどであった。なお、この場合の面の傾斜
は、この面に平行でc軸に垂直な方向を回転軸とする回
転によって行うものとする。このようにすれば、面はc
軸周りの回転を伴わずに傾斜し、傾斜角は回転角に等し
くなる。ここで、傾斜角を1゜としたが、この角度につ
いては、厳密に限定するものではない。ステップの流れ
る速度と膜厚方向との成長速度の比によって、必要とす
る傾斜角が決められ、傾斜角は、成長条件に依存するも
のである。The flatness of the formed gallium nitride crystal film is as follows:
Even with a differential interference optical microscope, no pattern could be observed. In this case, the inclination of the surface is performed by rotation about a direction parallel to the surface and perpendicular to the c-axis as a rotation axis. In this case, the surface is c
It tilts without rotation around the axis, and the tilt angle is equal to the rotation angle. Here, the inclination angle is set to 1 °, but this angle is not strictly limited. The required tilt angle is determined by the ratio of the step flow speed to the growth speed in the film thickness direction, and the tilt angle depends on the growth conditions.
【0052】c軸に対してc軸周りの回転を伴わずに傾
斜する角度は、0.1°から20°が好ましく、さらに
0.1°から2°がより好ましい。また、上述では、バ
ッファ層としてGaNを用いたが、AlNでも同様に基
板の傾斜角の効果を認めることができる。ただし、Al
Nバッファ層の成長温度は、600℃であり、アニール
温度は、1250℃とGaNバッファ層より高温であ
る。The angle of inclination relative to the c-axis without rotation about the c-axis is preferably 0.1 ° to 20 °, more preferably 0.1 ° to 2 °. In the above description, GaN was used as the buffer layer, but the effect of the tilt angle of the substrate can be similarly observed with AlN. Where Al
The growth temperature of the N buffer layer is 600 ° C., and the annealing temperature is 1250 ° C., which is higher than that of the GaN buffer layer.
【0053】また、上述では、GaNを結晶成長させる
例を示したが、これに限るものではなく、以降に説明す
るように、InGaN,AlGaNであっても、同様に
結晶成長できる。はじめに、InGaNの結晶成長につ
いて説明する。まず、前述したのと同様にサファイアM
面オフ基板を用意し、この上にGaNバッファ層を形成
する。バッファ層の形成は、つぎに示すようにした。In the above description, an example of crystal growth of GaN has been described. However, the present invention is not limited to this example, and crystal growth of InGaN and AlGaN can be similarly performed as described below. First, the crystal growth of InGaN will be described. First, sapphire M
A surface-off substrate is prepared, and a GaN buffer layer is formed thereon. The formation of the buffer layer was performed as follows.
【0054】GaのソースガスとしてTEGa(トリメ
チルガリウム)を用い、TEGaが収容された原料ボン
ベを温度11℃程度とし、この原料ボンベ内に収容され
たTEGaに流量25sccmで水素をバブリングしてTE
Gaガスを発生させ、このガスを供給量3.85μmo
l/分程度で、キャリアガス(水素ガス:流量1.5sl
m)とともに結晶成長装置の成長室内に供給する。一
方、窒素のソースガスとしてアンモニアガスを、流量5
slmで上記成長室内に供給する。原料供給比として、V
族/III族が57960となる。Using TEGa (trimethylgallium) as a source gas for Ga, the temperature of the raw material cylinder containing TEGa is set to about 11 ° C., and hydrogen is bubbled at a flow rate of 25 sccm into the TEGa stored in the raw material cylinder.
A Ga gas is generated, and the supply amount of the gas is 3.85 μmo.
1 / min, carrier gas (hydrogen gas: flow rate 1.5 sl)
m) and supplied into the growth chamber of the crystal growth apparatus. On the other hand, ammonia gas was used as a nitrogen source gas at a flow rate of 5%.
Supply to the above growth chamber by slm. As the raw material supply ratio, V
Group / III becomes 57960.
【0055】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を650Torrとした状態
で、成長室内に載置したサファイアM面オフ基板を55
0℃程度に加熱することで、サファイアM面オフ基板上
に非晶質状態の窒化ガリウムバッファ層を形成する。次
いで、形成したバッファ層を、アンモニア(流量0.1
slmで供給)と窒素(流量15slmで供給)との雰囲気
(圧力650Torr)中で、20分間1010℃に加
熱し、単結晶化する。Under the above conditions, each source gas is supplied into the growth chamber, and the sapphire M-plane off-substrate placed in the growth chamber is set to 55 with the pressure in the growth chamber at 650 Torr.
By heating to about 0 ° C., an amorphous gallium nitride buffer layer is formed on the sapphire M-plane off substrate. Next, the formed buffer layer was treated with ammonia (flow rate 0.1
In an atmosphere (pressure 650 Torr) of nitrogen (supplied at a flow rate of 15 slm) and nitrogen (supplied at a flow rate of 15 slm), the mixture is heated to 1010 ° C. for 20 minutes to perform single crystallization.
【0056】つぎに、GaNバッファ層上に、以下に示
すようにしてInGaNを結晶成長する。まず、Gaの
ソースガスとしてTEGaを用い、TEGaが収容され
た原料ボンベを温度11℃程度とし、この原料ボンベ内
に収容されたTEGaに流量50sccmで窒素をバブリン
グしてTEGaガスを発生させ、このガスを供給量7.
7μmol/分程度で、キャリアガス(窒素ガス流量
1.5slm)とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。Next, InGaN is grown on the GaN buffer layer as follows. First, TEGa was used as a source gas of Ga, the temperature of the raw material cylinder containing TEGa was set to about 11 ° C., and nitrogen was bubbled into the TEGa stored in the raw material cylinder at a flow rate of 50 sccm to generate TEGa gas. Gas supply 7.
At about 7 μmol / min, it is supplied into a growth chamber of a crystal growth apparatus together with a carrier gas (nitrogen gas flow rate: 1.5 slm).
【0057】また、インジウムのソースガスとしてはT
MIn(トリメチルインジウム)を用い、TMInが収
容された原料ボンベを温度20°程度とし、この原料ボ
ンベ内に収容されたTMInに流量600sccmで窒素ガ
スをバブリングしてTMInガスを発生させ、このガス
を供給量60.3μmol/分程度で、キャリアガス
(窒素ガス)とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。加えて、窒素のソースガスとしてアンモニアガス
を、流量15slmで上記成長室内に供給する。原料供給
比として、V族/III族が9715となる。The source gas of indium is T
Using MIn (trimethylindium), the temperature of the raw material cylinder containing TMIn was set to about 20 °, and nitrogen gas was bubbled into the TMIn stored in the raw material cylinder at a flow rate of 600 sccm to generate TMIn gas. A supply amount of about 60.3 μmol / min is supplied together with a carrier gas (nitrogen gas) into a growth chamber of a crystal growth apparatus. In addition, ammonia gas is supplied into the growth chamber at a flow rate of 15 slm as a nitrogen source gas. The raw material supply ratio is 9715 for Group V / Group III.
【0058】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を650Torrとした状態
で、成長室内に載置したサファイアM面オフ基板を80
0℃程度に加熱することで、GaNバッファ層上にIn
0.114Ga0.886Nの膜を結晶成長する。以上説明したよ
うにしてInGaNを結晶成長させても、前述したGa
Nと同様に、極めて平坦な結晶膜が得られる。なお、結
晶成長したInGaNの結晶膜は、室温での発光波長が
400nmであった。Under the above conditions, each source gas was supplied into the growth chamber, and the sapphire M-plane off-substrate placed in the growth chamber was placed under the pressure of 650 Torr.
By heating to about 0 ° C., In is deposited on the GaN buffer layer.
A crystal of 0.114 Ga 0.886 N is grown. Even if InGaN is grown as described above,
As with N, an extremely flat crystal film can be obtained. The InGaN crystal film having a crystal growth had an emission wavelength at room temperature of 400 nm.
【0059】ところで、より低い500℃程度の温度で
もInGaNを結晶成長させることができる。ただし、
温度が低いときにはアンモニアの活性化率が低下するた
め、高いV/III比を用いる必要があり、例えば成長
温度を500℃とした場合は、V/III比を1600
00とすればよい。Incidentally, InGaN can be grown at a lower temperature of about 500 ° C. However,
When the temperature is low, the activation rate of ammonia decreases, so it is necessary to use a high V / III ratio. For example, when the growth temperature is 500 ° C., the V / III ratio is 1600.
00 may be set.
【0060】つぎに、AlGaNの結晶成長について説
明する。まず、前述したのと同様にサファイアM面オフ
基板を用意し、この上に、やはり前述したのと同様にし
てGaNバッファ層を形成する。つぎに、GaNバッフ
ァ層上に、以下に示すようにしてAlGaNを結晶成長
する。まず、GaのソースガスとしてTEGaを用い、
TEGaが収容された原料ボンベを温度11℃程度と
し、この原料ボンベ内に収容されたTEGaに流量84
sccmで窒素をバブリングしてTEGaガスを発生させ、
このガスを供給量12.9μmol/分程度で、キャリ
アガス(水素ガス流量1.5slm)とともに結晶成長装
置の成長室内に供給する。Next, the crystal growth of AlGaN will be described. First, a sapphire M-plane off-substrate is prepared in the same manner as described above, and a GaN buffer layer is formed thereon in the same manner as described above. Next, AlGaN is crystal-grown on the GaN buffer layer as described below. First, using TEGa as a source gas of Ga,
The temperature of the raw material cylinder containing TEGa was set to about 11 ° C., and the flow rate of TEGa stored in the raw material cylinder was 84%.
bubbling nitrogen with sccm to generate TEGa gas,
This gas is supplied at a supply rate of about 12.9 μmol / min together with a carrier gas (hydrogen gas flow rate 1.5 slm) into the growth chamber of the crystal growth apparatus.
【0061】また、アルミニウムのソースガスとしては
TMAl(トリメチルアルミニウム)を用い、TMIn
が収容された原料ボンベを温度17.2℃程度とし、こ
の原料ボンベ内に収容されたTMAlに流量4sccmで水
素をバブリングしてTMAlガスを発生させ、このガス
を供給量1.87μmol/分程度で、キャリアガス
(水素ガス)とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。なお、TMAガス供給量/(TMAガス供給量+T
EGaガス供給量)=0.13となるようにした。加え
て、窒素のソースガスとしてアンモニアガスを、流量1
5slmで上記成長室内に供給する。原料供給比として、
V族/III族が15117となる。Further, TMAl (trimethylaluminum) is used as an aluminum source gas, and TMIn
At a temperature of about 17.2 ° C., and bubbling hydrogen at a flow rate of 4 sccm into TMAl contained in the raw material cylinder to generate a TMAl gas, and supply the gas at a rate of about 1.87 μmol / min. And supply it into the growth chamber of the crystal growth apparatus together with the carrier gas (hydrogen gas). The TMA gas supply amount / (TMA gas supply amount + T
(EGa gas supply amount) = 0.13. In addition, ammonia gas was used as a nitrogen source gas at a flow rate of 1
Supply into the above growth chamber at 5 slm. As the raw material supply ratio,
Group V / III becomes 15117.
【0062】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を650Torrとした状態
で、成長室内に載置したサファイアM面オフ基板を10
10℃程度に加熱することで、GaNバッファ層上にA
l0.15Ga0.85Nの膜を結晶成長する。以上説明したよ
うにしてAlGaNを結晶成長させても、前述したGa
Nと同様に、極めて平坦な結晶膜が得られる。Under the above conditions, each source gas is supplied into the growth chamber, and the sapphire M-plane off-substrate placed in the growth chamber is placed in the growth chamber at a pressure of 650 Torr.
By heating to about 10 ° C., A
A crystal of l 0.15 Ga 0.85 N is grown. Even if AlGaN is grown as described above,
As with N, an extremely flat crystal film can be obtained.
【0063】また、InGaAlNも上述したことと同
様にして、サファイアM面オフ基板上に結晶性の良い状
態で、平坦な結晶膜を径することができる。なお、上述
では、サファイアM面オフ基板上にGaNバッファ層を
設けてから結晶成長を行うようにしたが、サファイアM
面オフ基板上に直接結晶成長させるようにしても良い。In the same manner as described above, InGaAlN can form a flat crystal film with good crystallinity on a sapphire M-plane off substrate. In the above description, the GaN buffer layer is provided on the sapphire M-plane off-substrate before crystal growth is performed.
Crystal growth may be performed directly on the off-plane substrate.
【0064】ところで、例えばInGaAlNをサファ
イアM面オフ基板上に結晶成長させる場合、各組成比を
適宜設定することで、互いの格子定数を合わせることが
できる。In1-X-YGaXAlYNの格子定数は、「格子
定数=InNの格子定数×(1−X−Y)+GaNの格
子定数×X+AlNの格子定数×Y」となる。When InGaAlN is grown on a sapphire M-plane off-substrate, for example, the lattice constants can be matched by appropriately setting the composition ratios. The lattice constant of the In 1-XY Ga X Al Y N is "lattice constant = InN lattice constant × (1-XY) + lattice constant × Y of GaN lattice constant × X + AlN".
【0065】<実施例2>図5、図6および図7は本発
明の第二の実施例を説明する図である。図5は、本実施
の形態における素子の概略を説明する斜視図である。本
発光素子は、c軸を回転軸としてM面が15゜回転され
たサファイア基板上に、GaN層やInGaAlN層な
どの結晶層を複数積層して構成されている。1はc軸を
回転軸としてM面が15゜回転されたサファイア基板で
ある。2は、複数の半導体層からなる層である。3は電
流狭窄のためのSiO2絶縁層である。また、4は、半
導体層上にNiとAuを順に積層した金属電極層であ
る。また、5は、半導体層上にTiとAlを順に積層し
た金属電極層である。<Embodiment 2> FIGS. 5, 6 and 7 are views for explaining a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a perspective view for explaining an outline of the element in the present embodiment. This light-emitting element is configured by stacking a plurality of crystal layers such as a GaN layer and an InGaAlN layer on a sapphire substrate whose M plane is rotated by 15 ° about the c-axis as a rotation axis. Reference numeral 1 denotes a sapphire substrate whose M plane is rotated by 15 ° about the c axis as a rotation axis. Reference numeral 2 denotes a layer including a plurality of semiconductor layers. Reference numeral 3 denotes an SiO 2 insulating layer for current confinement. Reference numeral 4 denotes a metal electrode layer in which Ni and Au are sequentially stacked on a semiconductor layer. Reference numeral 5 denotes a metal electrode layer in which Ti and Al are sequentially stacked on a semiconductor layer.
【0066】ここで、半導体層2の部分の詳細を図6の
模式的な断面図を用いて説明する。図6において、6は
GaNバッファ層、7はシリコンドープn型GaN層、
8はシリコンドープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、
9はシリコンドープn型GaN導波路層、10はIn
0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N量子井戸構造からな
る活性層、11はマグネシウムドープp型Al0.2Ga
0.8Nバリア層、12はマグネシウムドープp型GaN
導波路層、13はマグネシウムドープp型Al0.15Ga
0.85Nクラッド層、14はマグネシウムドープp型Ga
Nコンタクト層である。Here, the details of the semiconductor layer 2 will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. In FIG. 6, 6 is a GaN buffer layer, 7 is a silicon-doped n-type GaN layer,
8 is a silicon-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer,
9 is a silicon-doped n-type GaN waveguide layer, 10 is In
An active layer having a quantum well structure of 0.2 Ga 0.8 N / In 0.05 Ga 0.95 N, 11 is a magnesium-doped p-type Al 0.2 Ga
0.8 N barrier layer, 12 is magnesium-doped p-type GaN
Waveguide layer 13 is magnesium-doped p-type Al 0.15 Ga
0.85 N cladding layer, 14 is magnesium-doped p-type Ga
This is an N contact layer.
【0067】以下に、具体的な本素子の作製法を記す。
基板1として、厚さ400μmのc軸を回転軸としてM
面が15゜回転されたサファイア基板(サファイアM面
オフ基板)を用いる。Hereinafter, a specific method for manufacturing the present element will be described.
The substrate 1 has a thickness of 400 μm with a c-axis serving as a rotation axis.
A sapphire substrate whose surface is rotated by 15 ° (sapphire M-plane off substrate) is used.
【0068】InGaAlNなどの半導体層の成長に
は、有機金属気相成長装置を用いる。金属原料としては
有機金属原料を用い、低温成長GaNバッファ層6およ
び高温成長GaN用ガリウムにはそれぞれTEGaおよ
びTMGaを用い、インジウム原料としてはTMInを
用い、アルミニウム原料としてはTMAlを用いる。有
機金属のキャリアガスは、インジウムを含む系には窒
素、インジウムを含まない系には水素であり、窒素原料
はアンモニアである。For growing a semiconductor layer such as InGaAlN, a metal organic chemical vapor deposition apparatus is used. An organic metal material is used as the metal material, TEGa and TMGa are used for the low-temperature-grown GaN buffer layer 6 and gallium for high-temperature-grown GaN, respectively, TMIn is used as the indium material, and TMAl is used as the aluminum material. The organic metal carrier gas is nitrogen for a system containing indium, hydrogen for a system not containing indium, and ammonia as a nitrogen source.
【0069】まずはじめに、低温成長GaNバッファ層
6を、550℃で成長する。成長させた膜の厚さは20
nmである。この層は、基板とGaNとの間の格子不整
合±2%弱の緩衝層として働く。つぎに、このGaNバ
ッファ層6を、窒素とアンモニアの混合雰囲気中で10
50℃で20分間アニールする。First, a low-temperature grown GaN buffer layer 6 is grown at 550 ° C. The thickness of the grown film is 20
nm. This layer acts as a buffer layer with less than ± 2% lattice mismatch between the substrate and GaN. Next, the GaN buffer layer 6 is placed in a mixed atmosphere of nitrogen and ammonia for 10 minutes.
Anneal at 50 ° C. for 20 minutes.
【0070】つぎに、n型電極引き出し用にシリコンド
ープn型GaN層7を1010℃で厚さ3μm成長す
る。キャリア濃度は3×1018/cm3である。この上
に厚さ0.5μmのシリコンドープn型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層8、厚さ0.1μmのシリコンドープn型
GaN導波路層9、活性層としてノンドープIn0.2G
a0.8N(厚さ3nm)/In0.05Ga0.95N(厚さ6
nm)3対からなる量子井戸構造10、厚さ20nmの
マグネシウムドープp型Al0.2Ga0.8Nバリア層1
1、厚さ0.1μmのマグネシウムドープp型GaN導
波路層12、厚さ0.5μmのマグネシウムドープp型
Al0.15Ga0.85Nクラッド層13、厚さ0.1μmの
マグネシウムドープp型GaNコンタクト層14を連続
して成長する。Next, a silicon-doped n-type GaN layer 7 is grown at 1010 ° C. to a thickness of 3 μm for drawing out an n-type electrode. The carrier concentration is 3 × 10 18 / cm 3 . On this, a silicon-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 having a thickness of 0.5 μm is formed.
N clad layer 8, 0.1 μm thick silicon-doped n-type GaN waveguide layer 9, non-doped In 0.2 G as active layer
a 0.8 N (thickness 3 nm) / In 0.05 Ga 0.95 N (thickness 6
nm) quantum well structure 10 composed of three pairs, magnesium-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 1 having a thickness of 20 nm
1. Magnesium-doped p-type GaN waveguide layer 12 having a thickness of 0.1 μm, magnesium-doped p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 13 having a thickness of 0.5 μm, and magnesium-doped p-type GaN contact layer having a thickness of 0.1 μm 14 grow continuously.
【0071】p型電極の形成の前に、注入電流の集中を
図るために、図5に示すように電流狭窄層として絶縁膜
3を形成する。絶縁膜3の形状はp型GaN層の露出部
の幅(共振器の軸方向に垂直な方向)3μmとする。つ
ぎに、p型GaN上に金属電極としてニッケル/金(図
5における層4)を蒸着する。つぎに、フォトリソグラ
フィ技術を用いて、金属層4、半導体層8〜14を部分
的にエッチングして除去し、電極引き出し用n型GaN
層7を露出させる。このとき層7の一部もエッチングさ
れてもよい。この後、図5に示すように、n型金属電極
層5を、電極引き出し用n型GaN層7の上にチタン/
アルミニウムを蒸着し、パタニングして形成する。Before the formation of the p-type electrode, an insulating film 3 is formed as a current confinement layer as shown in FIG. 5 in order to concentrate the injected current. The width of the exposed portion of the p-type GaN layer (the direction perpendicular to the axial direction of the resonator) is 3 μm. Next, nickel / gold (layer 4 in FIG. 5) is deposited on p-type GaN as a metal electrode. Next, using a photolithography technique, the metal layer 4 and the semiconductor layers 8 to 14 are partially etched and removed, and the n-type GaN
The layer 7 is exposed. At this time, a part of the layer 7 may be etched. Thereafter, as shown in FIG. 5, an n-type metal electrode layer 5 is formed on the electrode-drawing n-type GaN layer 7 by titanium / metal.
Aluminum is deposited and patterned.
【0072】つぎに、レーザの共振器の形成方法につい
て説明する。共振器の軸方向(光が往復する方向)をサ
ファイアc軸と平行に配置するように形成する。この理
由は、サファイア基板の劈開時には、劈開容易面である
R面が出るためである。共振器端面の形成に当たって
は、ドライエッチング技術を用いて、積層した半導体層
をエッチングした。また、チップ化に当たっては、基板
を劈開した。以上説明したことにより得たレーザダイオ
ードの光−電流特性を図7(a)に示す。室温で連続発
振し、レーザ発振の閾値電流は68mAであった。Next, a method of forming a laser resonator will be described. The resonator is formed so that the axial direction (the direction in which light reciprocates) is arranged parallel to the sapphire c-axis. The reason for this is that when the sapphire substrate is cleaved, an R-plane, which is an easy cleavage plane, appears. In forming the cavity end face, the stacked semiconductor layers were etched using a dry etching technique. In chip formation, the substrate was cleaved. FIG. 7A shows the light-current characteristics of the laser diode obtained as described above. It oscillated continuously at room temperature, and the threshold current of laser oscillation was 68 mA.
【0073】比較のために、図7(b)にサファイアC
面基板上に作製した同一構造のレーザの光−電流特性を
示す。明らかに本実施の形態におけるサファイアM面オ
フ基板上に形成した半導体レーザ素子の方の閾値電流
が、サファイアC面基板上レーザよりも低い。また、外
部微分量子効率もサファイアM面オフ基板上レーザの方
が高い。このことは、サファイアM面オフ基板を用いた
ことにより、サファイアC面基板に比較して格子不整合
率が約一桁小く、結晶性が向上したためである。For comparison, FIG. 7B shows sapphire C
4 shows light-current characteristics of a laser having the same structure manufactured on a surface substrate. Obviously, the threshold current of the semiconductor laser device formed on the sapphire M-plane off-substrate in this embodiment is lower than that of the laser on the sapphire C-plane substrate. Also, the external differential quantum efficiency of the laser on the sapphire M-plane off-substrate is higher. This is because the use of the sapphire M-plane off-substrate reduces the lattice mismatch by about one digit compared to the sapphire C-plane substrate and improves the crystallinity.
【0074】以上説明したように、サファイアM面オフ
基板上にInGaAlNを成長した場合、M面ジャスト
基板上ではInGaAlNに双晶が発生するのに対し
て、双晶を発生させることなく、再現性よく、簡単な工
程で成長できる。このため、平坦で、良好な結晶性を示
すInGaAlNを得ることができ、このInGaAl
Nを用いて電気的・光学的特性に優れ、素子寿命の長い
半導体素子を作製することができる。また、InGaA
lNのc軸の方位が基板表面の法線方向から傾くため、
サファイアC面基板を用いた場合に比べて、発光効率低
下の原因となるピエゾ効果を抑制することができる。As described above, when InGaAlN is grown on a sapphire M-plane off-substrate, twins are generated in InGaAlN on an M-plane just substrate, while twins are not generated and the reproducibility is reduced. Can grow in a good and simple process. Therefore, it is possible to obtain flat InGaAlN exhibiting good crystallinity, and this InGaAlN can be obtained.
By using N, a semiconductor element having excellent electric and optical characteristics and a long element life can be manufactured. Also, InGaAs
Since the direction of the c axis of 1N is inclined from the normal direction of the substrate surface,
As compared with the case where a sapphire C-plane substrate is used, it is possible to suppress the piezo effect which causes a reduction in luminous efficiency.
【0075】なお、上記実施の形態では、サファイアM
面に対して通常のオフ角度よりも大きな角度で傾斜した
表面を備えたサファイアM面オフ基板と、窒化ガリウム
系の半導体材料との組み合わせについて説明したが、こ
れに限るものではない。他の菱面体晶系結晶構造の結晶
の、{01−10}面よりc軸を回転軸として8°から
20°、より好ましくは13°から18°回転させた面
を主表面とし、また、加えてc軸に対して0.1°から
20°より好ましくは0.1°から2°傾斜した面を主
表面とした結晶基板他の窒化物材料との組み合わせにも
本発明を適用できることは言うまでもない。In the above embodiment, sapphire M
Although a combination of a sapphire M-plane off-substrate having a surface inclined at an angle larger than a normal off-angle with respect to the plane and a gallium nitride-based semiconductor material has been described, the present invention is not limited to this. Another crystal having a rhombohedral crystal structure, a plane rotated from 8 ° to 20 °, more preferably 13 ° to 18 ° about the c-axis as a rotation axis from the {01-10} plane as a main surface, In addition, the present invention can be applied to a combination of a crystal substrate having a main surface inclined at 0.1 ° to 20 °, more preferably 0.1 ° to 2 ° with respect to the c-axis, or another nitride material. Needless to say.
【0076】c軸を回転軸として{0 1 −1 0}面
(M面)から8°〜20°の範囲で回転した面の例とし
て、{1 2 −3 0},{1 3 −4 0},
{23 −5 0},{1 4 −5 0},{3 4
−7 0},{4 5 −9 0},{2 5 −7
0},{2 7 −9 0},{3 5 −8
0},{3 7 −10 0},{3 8 −11
0},{3 10 −130},{3 13 −16
0},{4 7 −11 0},{4 9 −13
0},{4 11 −15 0},{4 13 −17
0},{4 15−19 0},{4 17 −21
0}がある。またこの中で、{1 3 −4 0},
{2 5 −7 0},{2 7 −9 0},{3
7 −10 0},{3 8 −11 0},{3 1
0 −13 0},{4 11 −15 0},{4
13 −17 0}は、c軸を回転軸として{01−1
0}面から13°〜18°の範囲で回転した面である。As an example of a plane rotated in the range of 8 ° to 20 ° from the {01-10} plane (M plane) with the c axis as a rotation axis, {12-30}, {13-4} 0},
{23-50}, {14-50}, {34
−70 °, {45−90}, {25−7}
0}, {27-9] 0}, {35-8
0}, {37-10}, {38-11}
0}, {3 10 −130}, {3 13 -16}
0}, {47 1111 0}, {499-13
0}, {4 11 -15 0}, {4 13-17
0}, {4 15-19 0}, {4 17-21
There is 0}. Also in this, {13-40},
{25−70}, {27−90}, {3
7−100}, {38−110}, {31}
0−130 °, {4 11−150}, {4
13-170} is {01-1} with the c-axis as the rotation axis.
This is a plane rotated in the range of 13 ° to 18 ° from the 0 ° plane.
【0077】なお、{h k l 0}の示す内容にお
いて、まず、l=−(h+k)である。また、{}の中
のh,k,およびlの順番を変えた面、(h k l
0),(h l k 0),(k h l 0),(k
l h 0),(l hk 0),(l k h
0)を含む。また、これら各面において、全ての指数の
符号を変えた面、(−h −k −l −0),(−h
−l −k −0),(−k −h −l −0),
(−k −l −h −0),(−l −h−k −
0),(−l −k −h −0)も含む。Note that, in the content indicated by {h k l 0}, first, l =-(h + k). Also, a surface in which the order of h, k, and l in 変 え is changed, (h k l
0), (hlk 0), (khl0), (k
l h 0), (l hk 0), (l k h
0). In each of these planes, the planes in which the signs of all exponents are changed, (−h−k−1−0), (−h
−l −k −0), (−k −h −l −0),
(−k −l −h −0), (−l −h−k −
0) and (-l-k-h-0).
【0078】ところで、前述した菱面体晶系結晶構造の
結晶としては、例えば、α−Fe2O3,Ga2O3,Rh
2O3,Ti2O3がある。以下に、主な菱面体晶系結晶構
造の結晶格子定数と、窒化ガリウムとの格子不整合につ
いて示す。 ・コランダム(Al2O3) 格子定数a:0.476nm,b:1.294nm、格
子不整合GaN[03−32]:2.64%,GaN
[2−1−10]:−1.41% ・α−Fe2O3 格子定数a:0.504nm,b:1.372nm、格
子不整合GaN[03−32]:−2.98%,GaN
[2−1−10]:−7.52% ・Ga2O3 格子定数a:0.498nm,b:1.343nm、格
子不整合GaN[03−32]:−1.84%,GaN
[2−1−10]:−5.24% ・Rh2O3 格子定数a:0.511nm,b:1.382nm、格
子不整合GaN[03−32]:−4.51%,GaN
[2−1−10]:−8.31% ・Ti2O3 格子定数a:0.515nm,b:1.364nm、格
子不整合GaN[03−32]:−5.29%,GaN
[2−1−10]:−6.87%The crystals having the rhombohedral crystal structure described above include, for example, α-Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Rh
There are 2 O 3 and Ti 2 O 3 . The crystal lattice constants of the main rhombohedral crystal structure and the lattice mismatch with gallium nitride are shown below. Corundum (Al 2 O 3 ) lattice constant a: 0.476 nm, b: 1.294 nm, lattice mismatch GaN [03-32]: 2.64%, GaN
[2-1-10]: -1.41% α-Fe 2 O 3 lattice constant a: 0.504 nm, b: 1.372 nm, lattice mismatch GaN [03-32]: -2.98%, GaN
[2-1-10]: - 7.52% · Ga 2 O 3 lattice constant a: 0.498nm, b: 1.343nm, lattice mismatch GaN [03-32]: - 1.84% , GaN
[2-1-10]: - 5.24% · Rh 2 O 3 lattice constant a: 0.511nm, b: 1.382nm, lattice mismatch GaN [03-32]: - 4.51% , GaN
[2-1-10]: - 8.31% · Ti 2 O 3 lattice constant a: 0.515nm, b: 1.364nm, lattice mismatch GaN [03-32]: - 5.29% , GaN
[2-1-10]: -6.87%
【0079】なお、上述では、有機金属気相成長法によ
り結晶を成長させるようにしたが、これに限るものでは
ない。例えば、分子線エピタキシャル成長法(MBE)
により結晶を成長させるようにしても良い。この場合、
金属In、金属Ga、金属AlをIII族原料とし、窒
素原料としては、窒素またはアンモニアを用いる。MB
E法では、これらのガスをECRプラズマセルやrfプ
ラズマセルに導入し、これらの原料をセル中の放電によ
り分解し、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカルなどと
して、成長炉に導入する。In the above description, the crystal is grown by the metalorganic vapor phase epitaxy, but the present invention is not limited to this. For example, molecular beam epitaxy (MBE)
May be used to grow the crystal. in this case,
Metal In, metal Ga, and metal Al are used as group III raw materials, and nitrogen or ammonia is used as the nitrogen raw material. MB
In the E method, these gases are introduced into an ECR plasma cell or an rf plasma cell, and these materials are decomposed by discharge in the cells and introduced into a growth furnace as nitrogen atom radicals, nitrogen molecule radicals, and the like.
【0080】また、MBE法による結晶成長では、成長
炉中の圧力としては、原料がビームとして成長基板に到
達するために、平均自由行程が原料を供給するセルから
基板までの距離以上となる圧力を用いる。一般には、こ
の圧力は10-6Torrより高い真空度である。なお、
MBE法において、V族原料にガスを用いる場合にガス
ソースMBEと称して区別する場合もある。In the crystal growth by the MBE method, the pressure in the growth furnace is such that the mean free path is longer than the distance from the cell supplying the raw material to the substrate because the raw material reaches the growth substrate as a beam. Is used. Generally, this pressure is a vacuum greater than 10 -6 Torr. In addition,
In the MBE method, when a gas is used as a group V raw material, it may be distinguished by using a gas source MBE.
【0081】また、結晶を成長させる手法として、ケミ
カルビームエピタキシャル成長法(CBE)を用いるよ
うにしても良い。この場合、III族原料としては、前
述した有機金属気相成長法と同じ有機原料を用い、窒素
原料には、MBE法と同じ窒素やアンモニアを用いるよ
うにすればよい。このように、本実施の形態における窒
化物材料の結晶層の形成には、種々の気相成長法を用い
ることができる。As a technique for growing a crystal, a chemical beam epitaxial growth method (CBE) may be used. In this case, the same organic raw material as in the above-described metal organic chemical vapor deposition method may be used as the group III raw material, and the same nitrogen or ammonia as in the MBE method may be used as the nitrogen raw material. As described above, various vapor deposition methods can be used for forming the crystal layer of the nitride material in this embodiment.
【0082】[0082]
【発明の効果】本発明の実施によって、III族窒化物
半導体InGaAlNの再現性よく、簡単な工程で成長
できるエピタキシャル成長用基板を提供するとともに、
InGaAlNを構成要素とし、安価、高歩留りで作製
可能であり、しかも電気的・光学的特性に優れ、素子寿
命の長い半導体装置を提供することが可能となる。According to the present invention, it is possible to provide a substrate for epitaxial growth in which a group III nitride semiconductor InGaAlN can be grown with a high reproducibility and a simple process.
By using InGaAlN as a constituent element, it is possible to provide a semiconductor device which can be manufactured at low cost and with high yield, has excellent electric and optical characteristics, and has a long element life.
【0083】一般に、半導体材料としては、バンドギャ
ップエネルギーが大きく、融点が高いことが求められて
いる。大きなバンドギャップエネルギーの半導体材料
は、耐圧が高く高電界を印加できるので、高速動作が可
能なトランジスタを実現できる。また、融点が高い半導
体材料を用いれば、高温での動作が可能となり、加えて
大電力動作も可能となる。このような特性が半導体材料
に対して要求されているなかで、窒化ガリウム系などの
窒化物半導体材料が注目されている。In general, semiconductor materials are required to have a large band gap energy and a high melting point. Since a semiconductor material having a large band gap energy has a high withstand voltage and can apply a high electric field, a transistor which can operate at high speed can be realized. In addition, when a semiconductor material having a high melting point is used, operation at a high temperature becomes possible, and in addition, high-power operation becomes possible. Among such properties required for semiconductor materials, gallium nitride-based nitride semiconductor materials and the like have attracted attention.
【0084】従来から、結晶InGaAlNを用いて素
子の作製が行われている。このような窒化物半導体は、
緑色より波長の短い発光素子に用いられている。窒化物
半導体を用いた発光素子としては、LEDが実用化され
ており、光メモリ,フルカラー表示装置,交通信号機な
どに用いられている。また、紫外光照射によって化学物
質を分解する方法を用いた除臭機器などにも用いられて
いる。しかしながら、窒化ガリウム系の半導体を用いた
半導体レーザは、実用とはなっていない。これは、結晶
中に含まれる多数の結晶欠陥のため、素子の寿命が短い
ためである。Conventionally, devices have been manufactured using crystalline InGaAlN. Such a nitride semiconductor is
It is used for light emitting elements having a shorter wavelength than green. As a light emitting element using a nitride semiconductor, an LED has been put to practical use, and is used for an optical memory, a full color display device, a traffic signal, and the like. It is also used in deodorizing equipment using a method of decomposing chemical substances by irradiation with ultraviolet light. However, a semiconductor laser using a gallium nitride based semiconductor has not been put to practical use. This is because the lifetime of the device is short due to a large number of crystal defects contained in the crystal.
【0085】一方、従来からAlGaAsやシリコンに
おいて実用化されているトランジスタより、高速,高出
力,および高温動作が可能であるという点においてより
優れた特性を実現できる半導体材料として、窒化物半導
体は期待されている。窒化物半導体は、ワイドギャップ
半導体であるため、絶縁破壊電圧が高く、また融点が高
いため、上述した特性が得られる。On the other hand, a nitride semiconductor is expected to be a semiconductor material that can realize higher characteristics in terms of high speed, high output, and high-temperature operation than transistors conventionally used in AlGaAs or silicon. Have been. Since the nitride semiconductor is a wide gap semiconductor, it has a high dielectric breakdown voltage and a high melting point, so that the above-described characteristics can be obtained.
【0086】さらには、HEMT(高電子移動度トラン
ジスタ)を考えた場合、結晶構造の違いのため、GaA
s系の半導体やシリコンにはない効果であるところの結
晶上下層での格子不整による歪みのもたらす圧電効果
と、ウルツ鉱型結晶構造が生む自然分極とにより、二次
元電子ガス層の電子密度が高くなり、結果として、大電
流動作を期待できる。例えば、窒化物半導体を用いて実
験的に作製された素子が、最大140GHzで動作した
報告がされている。しかしながら、やはり素子の寿命が
短いため、実用的な段階には至っていない。さらには、
バンドギャップの広さから期待されるほど、大きな電界
を印加できない状態にある。Further, when a HEMT (High Electron Mobility Transistor) is considered, GaAs is used due to a difference in crystal structure.
The electron density of the two-dimensional electron gas layer is increased by the piezoelectric effect caused by distortion due to lattice mismatch in the upper and lower layers of the crystal, which is an effect not found in s-based semiconductors and silicon, and the natural polarization generated by the wurtzite crystal structure. As a result, high current operation can be expected. For example, it has been reported that an element manufactured experimentally using a nitride semiconductor operates at a maximum of 140 GHz. However, since the life of the element is short, it has not reached a practical stage. Moreover,
It is in a state where a large electric field cannot be applied as expected from the width of the band gap.
【0087】また、窒化物半導体は、特殊な受光素子へ
の応用も期待されている。窒化物半導体は広いバンドギ
ャップを持っているため、太陽光に反応しない受光素子
を作製することができる。この受光素子の大きな用途
は、燃焼装置に用いられている炎の監視装置(フレアデ
ィテクタ)である。しかしながら、材料中に含まれてい
る結晶欠陥が多いため、素子の暗電流が大きくなり、実
用には至っていない。The nitride semiconductor is also expected to be applied to a special light receiving element. Since a nitride semiconductor has a wide band gap, a light-receiving element which does not react to sunlight can be manufactured. A major application of this light receiving element is a flame monitoring device (flare detector) used in a combustion device. However, since there are many crystal defects contained in the material, the dark current of the device becomes large, and the device has not been put to practical use.
【0088】また、窒化物半導体は、電子放射用の陰極
材料への応用も期待されている。AlNの電子親和力が
負であるという予想があり、実際に陰極を作製して特性
が調査されており、低電圧で大電流を引き出すことが示
されている。この陰極は、工業的にはプラズマディスプ
レイや電子顕微鏡などの電子放出源への応用が期待され
ている。しかしながら、やはり、作製された素子の材料
中に結晶欠陥が多いため、物性から期待されるほど低電
圧・大電流動作が得られていない。The nitride semiconductor is also expected to be applied to a cathode material for electron emission. There is an expectation that the electron affinity of AlN is negative, and the characteristics are investigated by actually fabricating a cathode, and it is shown that a large current is drawn at a low voltage. This cathode is industrially expected to be applied to an electron emission source such as a plasma display and an electron microscope. However, again, since there are many crystal defects in the material of the manufactured device, low voltage and large current operation as expected from the physical properties has not been obtained.
【0089】以上に示した窒化物半導体を用いた素子の
作製に当たっては、窒化物半導体の結晶を基板上にヘテ
ロエピタキシャル成長する必要がある。これは、これら
の結晶基板(バルク材料)が得られていないためであ
る。固相上での窒素の蒸気圧が高いため、通常の方法で
は窒化物半導体の結晶を成長させることが容易ではない
からである。15000気圧もの高圧をかけることで、
窒化物半導体の結晶を成長させる方法もあるが、この場
合、数mm角程度の小さな結晶しか得られておらず、素
子を形成するためには実用にならない。In manufacturing an element using the nitride semiconductor described above, it is necessary to heteroepitaxially grow a crystal of the nitride semiconductor on the substrate. This is because these crystal substrates (bulk materials) have not been obtained. This is because the vapor pressure of nitrogen on the solid phase is high, so that it is not easy to grow a nitride semiconductor crystal by an ordinary method. By applying a high pressure of 15000 atmospheres,
There is also a method of growing a crystal of a nitride semiconductor, but in this case, only a small crystal of about several mm square is obtained, which is not practical for forming an element.
【0090】以上に説明した従来の技術に比較し、本発
明の一形態においては、例えばサファイアM面オフ基板
上に窒化物半導体を結晶成長させるようにした。この結
果、まず、格子不整合があまりない状態で、窒化物半導
体の結晶層を得ることができる。また、面積の大きなサ
ファイアM面オフ基板を用いることで、大面積の結晶層
を得ることが容易となる。また、本発明の一形態によれ
ば、表面が平坦な状態で、窒化物半導体の結晶層表面を
得ることができる。従って、本発明によれば、上述した
多くの素子を、実用になる状態で得ることができるよう
になる。In one embodiment of the present invention, compared with the above-described conventional technique, for example, a nitride semiconductor crystal is grown on a sapphire M-plane off-substrate. As a result, first, a crystal layer of a nitride semiconductor can be obtained with little lattice mismatch. Further, by using a sapphire M-plane off-substrate having a large area, it is easy to obtain a crystal layer having a large area. Further, according to one embodiment of the present invention, a surface of a nitride semiconductor crystal layer can be obtained with a flat surface. Therefore, according to the present invention, many of the above-described elements can be obtained in a practical state.
【図1】 サファイアM面基板のc軸に垂直な断面図で
ある。FIG. 1 is a cross-sectional view of a sapphire M-plane substrate that is perpendicular to the c-axis.
【図2】 サファイアM面ジャスト基板(a)とサファ
イアM面オフ基板(b)上に、GaNバッファ層を介し
て結晶成長したGaN結晶層の表面を顕微鏡で観察した
写真である。FIG. 2 is a photograph of the surface of a GaN crystal layer grown on a sapphire M-plane just substrate (a) and a sapphire M-plane off substrate (b) via a GaN buffer layer, observed with a microscope.
【図3】 結晶を4結晶X線回折装置を用いて極点図の
測定を行った結果を示す特性図である。用いた反射面
は、(0002)面である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a result of a pole figure measurement of a crystal using a four-crystal X-ray diffractometer. The reflecting surface used is the (0002) plane.
【図4】 サファイアM面基板の傾斜角と、この上に結
晶成長したGaN結晶層の室温で測定したフォトルミネ
ッセンス特性との関係を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a tilt angle of a sapphire M-plane substrate and a photoluminescence characteristic of a GaN crystal layer grown thereon on the GaN crystal layer measured at room temperature.
【図5】 本発明の実施の形態における半導体素子の構
成例を概略的に示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
【図6】 図5に示した半導体素子の部分詳細を示す断
面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a detail of a portion of the semiconductor device shown in FIG. 5;
【図7】 サファイアM面オフ基板上に形成した半導体
素子の光−電流特性(a)と、サファイアC面基板上に
形成した半導体素子の光−電流特性(b)とを示す特性
図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing light-current characteristics (a) of a semiconductor device formed on a sapphire M-plane off-substrate and light-current characteristics (b) of a semiconductor device formed on a sapphire C-plane substrate. .
【図8】 サファイアM面ジャスト基板上に、GaNバ
ッファ層を介してGaNの結晶を成長させた状態を概略
的に示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view schematically showing a state in which a GaN crystal is grown on a sapphire M-plane just substrate via a GaN buffer layer.
1…サファイアM面15°オフ基板、2…InGaAl
Nからなる層の積層領域、3…電気的絶縁層、4…p型
半導体用金属電極、5…n型半導体用金属電極、6…G
aNバッファ層、7…シリコンドープn型GaN層、8
…シリコンドープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、9
…シリコンドープn型GaN導波路層、10…ノンドー
プIn0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N量子井戸層、
11…マグネシウムドープp型Al0.2Ga0.8Nバリア
層、12…マグネシウムドープp型GaN導波路層、1
3…マグネシウムドープp型Al0.15Ga0.85Nクラッ
ド層、14…マグネシウムドープp型GaNコンタクト
層。1: Sapphire M-plane 15 ° off substrate, 2: InGaAl
Stacked region of N layers, 3 ... electric insulating layer, 4 ... metal electrode for p-type semiconductor, 5 ... metal electrode for n-type semiconductor, 6 ... G
aN buffer layer, 7... silicon-doped n-type GaN layer, 8
... silicon-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 9
... silicon-doped n-type GaN waveguide layer, 10 ... undoped In 0.2 Ga 0.8 N / In 0.05 Ga 0.95 N quantum well layer,
11 ... magnesium-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer, 12 ... magnesium-doped p-type GaN waveguide layer, 1
3 ... magnesium-doped p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 14 ... magnesium-doped p-type GaN contact layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA02 AA03 BB01 BE11 BE13 BE15 DB08 ED06 HA02 5F045 AB09 AB14 AB18 AC08 AC09 AC12 AD09 AD10 AD14 AE25 AF09 AF13 BB12 CA07 CA12 DA53 HA06 5F073 AA04 AA45 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA35 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4G077 AA02 AA03 BB01 BE11 BE13 BE15 DB08 ED06 HA02 5F045 AB09 AB14 AB18 AC08 AC09 AC12 AD09 AD10 AD14 AE25 AF09 AF13 BB12 CA07 CA12 DA53 HA06 5F073 AA04 AA45 AA74 CA07 CB05 DA07 CB05 DA07
Claims (19)
ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
面が、前記サファイア基板の(01−10)面を、前記
サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
基板のc軸を回転軸として、8°から20°回転させて
なる面に平行であることを特徴とするサファイア基板。1. A sapphire substrate having a heteroepitaxial growth surface, wherein the heteroepitaxial growth surface rotates the (01-10) plane of the sapphire substrate and the c-axis of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate. A sapphire substrate characterized by being parallel to a plane rotated by 8 to 20 degrees as an axis.
ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
面が、前記サファイア基板の(01−10)面を、前記
サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
基板のc軸を回転軸として、13°から18°回転させ
てなる面に平行であることを特徴とするサファイア基
板。2. A sapphire substrate having a heteroepitaxial growth surface, wherein the heteroepitaxial growth surface rotates a (01-10) plane of the sapphire substrate and a c-axis of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate. A sapphire substrate parallel to a plane rotated by 13 to 18 degrees as an axis.
ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
面が、前記サファイア基板の(01−10)面を、前記
サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
基板のc軸を回転軸として、8°から20°回転させ、
さらに、前記c軸周りの回転を伴わずに、前記c軸に対
して0.1°から20°傾斜させてなる面に平行である
ことを特徴とするサファイア基板。3. A sapphire substrate having a heteroepitaxial growth surface, wherein the heteroepitaxial growth surface rotates a (01-10) plane of the sapphire substrate and a c-axis of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate. Rotate from 8 ° to 20 ° as axis,
Further, the sapphire substrate is parallel to a plane inclined by 0.1 ° to 20 ° with respect to the c-axis without rotating around the c-axis.
ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
面が、前記サファイア基板の(01−10)面を、前記
サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
基板のc軸を回転軸として、8°から20°回転させ、
さらに、前記c軸周りの回転を伴わずに、前記c軸に対
して0.1°から2°傾斜させてなる面に平行であるこ
とを特徴とするサファイア基板。4. A sapphire substrate having a heteroepitaxial growth surface, wherein the heteroepitaxial growth surface rotates a (01-10) plane of the sapphire substrate and a c-axis of the sapphire substrate in a crystal lattice of the sapphire substrate. Rotate from 8 ° to 20 ° as axis,
Further, the sapphire substrate is parallel to a plane inclined at 0.1 ° to 2 ° with respect to the c-axis without rotation around the c-axis.
ァイア基板上に成長させたIII族窒化物InN、Ga
N、AlN単結晶層またはその混晶In1-X- YGaXAl
YN単結晶(ここに、0≦X<1、0≦Y<1、0<X
+Y≦1とする)を少なくとも1層有することを特徴と
する半導体素子。5. A group III nitride InN, Ga grown on the sapphire substrate according to claim 1.
N, AlN single crystal layer or its mixed crystal In 1-X- Y Ga X Al
YN single crystal (where 0 ≦ X <1, 0 ≦ Y <1, 0 <X
+ Y ≦ 1) at least one layer.
て8°から20°回転させた面を主表面とした菱面体晶
系結晶構造の結晶基板と、 この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材料の結
晶層とを少なくとも備えたことを特徴とする電子部品。6. A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure having a main surface rotated from 8 ° to 20 ° with the c-axis as a rotation axis from the {01-10} plane; An electronic component comprising at least a crystal layer of a nitride material grown on a crystal.
て、13°から18°回転させた面を主表面とした菱面
体晶系結晶構造の結晶基板と、 この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材料の結
晶層とを少なくとも備えたことを特徴とする電子部品。7. A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure having a main surface rotated from 13 ° to 18 ° with the c-axis as a rotation axis from the {01-10} plane, and a main surface of the crystal substrate. An electronic component comprising at least a crystal layer of a nitride material crystal-grown thereon.
いて、 前記結晶基板の前記主表面は、c軸に対して0.1°か
ら20°傾斜した面であることを特徴とする電子部品。8. The electronic component according to claim 6, wherein the main surface of the crystal substrate is a surface inclined from 0.1 ° to 20 ° with respect to a c-axis.
いて、 前記結晶基板の前記主表面は、c軸に対して0.1°か
ら2°傾斜した面であることを特徴とする電子部品。9. The electronic component according to claim 6, wherein the main surface of the crystal substrate is a surface inclined from 0.1 ° to 2 ° with respect to a c-axis.
子部品において、 前記結晶基板は、コランダム基板であることを特徴とす
る電子部品。10. The electronic component according to claim 6, wherein the crystal substrate is a corundum substrate.
電子部品において、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムとを含む半導体材料
であることを特徴とする電子部品。11. The electronic component according to claim 6, wherein the nitride material is a semiconductor material containing nitrogen and gallium.
て、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムに加え、インジウム
とアルミニウムとを含む半導体材料であることを特徴と
する電子部品。12. The electronic component according to claim 11, wherein the nitride material is a semiconductor material containing indium and aluminum in addition to nitrogen and gallium.
回転軸として8°から20°回転させた面となっている
菱面体晶系結晶構造の結晶基板を用意し、 前記結晶基板の主表面に、気相成長法により窒化物材料
を結晶成長し、前記結晶基板上に前記窒化物材料の結晶
層を形成することを特徴とする結晶成長方法。13. A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure in which a main surface is a surface rotated from 8 ° to 20 ° about a c-axis as a rotation axis from a {01-10} plane is provided. Crystal growth of a nitride material on a main surface of the substrate by a vapor phase growth method, and forming a crystal layer of the nitride material on the crystal substrate.
回転軸として13°から18°回転させた面となってい
る菱面体晶系結晶構造の結晶基板を用意し、 前記結晶基板の主表面に、気相成長法により窒化物材料
を結晶成長し、前記結晶基板上に前記窒化物材料の層を
形成することを特徴とする結晶成長方法。14. A crystal substrate having a rhombohedral crystal structure whose main surface is a surface rotated from 13 ° to 18 ° with the c-axis as a rotation axis from the {01-10} plane is provided. Crystal growth of a nitride material on a main surface of the substrate by a vapor phase growth method, and forming a layer of the nitride material on the crystal substrate.
方法において、 前記結晶基板の前記主表面は、c軸に対して0.1°か
ら20°傾斜した面であることを特徴とする結晶成長方
法。15. The crystal growth method according to claim 13, wherein the main surface of the crystal substrate is a surface inclined from 0.1 ° to 20 ° with respect to a c-axis. Method.
方法において、 前記結晶基板の前記主表面は、c軸に対して0.1°か
ら2°傾斜した面であることを特徴とする結晶成長方
法。16. The crystal growth method according to claim 13, wherein the main surface of the crystal substrate is a surface inclined from 0.1 ° to 2 ° with respect to a c-axis. Method.
の結晶成長方法において、 前記結晶基板は、コランダム基板であることを特徴とす
る結晶成長方法。17. The crystal growth method according to claim 13, wherein the crystal substrate is a corundum substrate.
の結晶成長方法において、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムとを含む半導体材料
であることを特徴とする結晶成長方法。18. The crystal growth method according to claim 13, wherein the nitride material is a semiconductor material containing nitrogen and gallium.
いて、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムに加え、インジウム
とアルミニウムとを含む半導体材料であることを特徴と
する結晶成長方法。19. The crystal growth method according to claim 18, wherein the nitride material is a semiconductor material containing indium and aluminum in addition to nitrogen and gallium.
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