JP2005183524A - Epitaxial substrate and its manufacturing method, and method of reducing dislocation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材の上にIII族窒化物をエピタキシャル形成したエピタキシャル基板、当該エピタキシャル基板の製造方法および転位低減方法に関する。 The present invention relates to an epitaxial substrate obtained by epitaxially forming a group III nitride on a base material, a method for manufacturing the epitaxial substrate, and a dislocation reduction method.
III族窒化物半導体は、バンドギャップが大きい、絶縁破壊電界が大きいおよび飽和電子移動度が高い等の、他の半導体とは異なる特徴を有する。このため、III族窒化物半導体は、紫外〜緑色領域のLED(発光ダイオード;Light Emitting Diode),LD(レーザーダイオード;Laser Diode)および受光素子等の光デバイスや、高周波特性に優れたHEMT(高電子移動度トランジスタ;High Electron Mobility Transistor)およびHBT(ヘテロバイポーラトランジスタ;Hetero Bipolar Transistor)等の電子デバイスの材料およびフィールドエミッタの材料として研究対象となっている。 Group III nitride semiconductors have different characteristics from other semiconductors, such as a large band gap, a large dielectric breakdown electric field, and a high saturation electron mobility. For this reason, group III nitride semiconductors are optical devices such as LEDs (light emitting diodes), LDs (laser diodes) and light receiving elements in the ultraviolet to green region, and HEMTs (high frequency characteristics) that have excellent high frequency characteristics. It has been studied as a material for electronic devices such as electron mobility transistors (High Electron Mobility Transistors) and HBTs (Hetero Bipolar Transistors) and materials for field emitters.
しかし、III族窒化物半導体の大サイズのバルク単結晶を作成することが現状では困難であるため、上記の光デバイスや電子デバイスに使用される基板は、例えば、MOCVD法(有機金属化学気相成長法;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いてIII族窒化物半導体をサファイアやSiC等の単結晶基材上にヘテロエピタキシャル成長させることにより得られている。 However, since it is currently difficult to produce a large-sized bulk single crystal of a group III nitride semiconductor, substrates used in the above optical devices and electronic devices are, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor phase). It is obtained by heteroepitaxially growing a group III nitride semiconductor on a single crystal substrate such as sapphire or SiC using a growth method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
しかし、ヘテロエピタキシャル成長においては基材との格子不整合等に起因する転位が生じるため、転位低減のために様々な試みが行われている。 However, in heteroepitaxial growth, dislocations are caused by lattice mismatch with the substrate, and various attempts have been made to reduce dislocations.
例えば、特許文献1では、基板とGaN系半導体からなる半導体層群との間に下地層およびバッファ層を設ける技術が開示されている。
For example,
しかし、特許文献1の技術は、転位低減に効果はあるものの、製造条件や製造装置の影響が大きく、十分な転位低減効果が得られないことも多かった。
However, although the technique of
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object thereof is to provide a group III nitride epitaxial substrate having a low dislocation density.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、エピタキシャル基板の製造方法であって、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第1形成工程と、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層を前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第2形成工程と、前記第2形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、前記アニール工程の後に、前記第2のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第3のIII族窒化物層を前記第2のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第3形成工程とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール処理の温度が前記第3形成工程のエピタキシャル形成温度以上であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the epitaxial substrate manufacturing method according to the first aspect, the temperature of the annealing treatment is equal to or higher than the epitaxial formation temperature of the third formation step.
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第1のIII族窒化物層が含有する全III族元素に対するAlのモル分率が80%以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the method for producing an epitaxial substrate according to
また、請求項4の発明は、請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第1のIII族窒化物層に係るIII族窒化物がAlNであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an epitaxial substrate according to the first or second aspect, the group III nitride related to the first group III nitride layer is AlN. .
また、請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール工程が、不活性ガスおよび窒素元素含有ガスのうちの少なくともひとつを含む雰囲気ガス中で行われることを特徴とする。
The invention of
また、請求項6の発明は、請求項5に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記雰囲気ガスの圧力が前記第3形成工程のエピタキシャル形成圧力以上であることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第1ないし第3のIII族窒化物層がC面のIII族窒化物層であることを特徴とする。
The invention of claim 7 is the method of manufacturing an epitaxial substrate according to any one of
また、請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第1のIII族窒化物層のエピタキシャル成長面のX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an epitaxial substrate according to any one of the first to seventh aspects, an X-ray rocking curve half-value width of an epitaxial growth surface of the first group III nitride layer is 200. It is less than second.
また、請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール処理の温度が1100℃以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the method of manufacturing an epitaxial substrate according to any one of
また、請求項10の発明は、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第3形成工程のエピタキシャル形成温度より前記アニール処理の温度が50℃以上高温であることを特徴とする。
The invention of claim 10 is the method of manufacturing an epitaxial substrate according to any one of
また、請求項11の発明は、エピタキシャル基板上にエピタキシャル形成される、目的とするIII族窒化物層の転位低減方法であって、前記目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第1形成工程と、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層を前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第2形成工程と、前記第2形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程とを実行することを特徴とする。
Further, the invention of
また、請求項12の発明は、エピタキシャル基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、全III族元素に対して50%以上のAlを含有する第1のIII族窒化物層と、前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層と、前記第2のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第2のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第3のIII族窒化物層とを備え、前記第2のIII族窒化物層が、前記第3のIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。
The invention of
また、請求項13の発明は、目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成用に供されるエピタキシャル基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層と、前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層とを備え、前記第2のIII族窒化物層が、アニール処理されることを特徴とする。
Further, the invention of
請求項1ないし請求項13の発明によれば、低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。 According to the first to thirteenth inventions, a low dislocation density group III nitride epitaxial substrate can be obtained.
請求項3〜請求項4の発明によれば、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。 According to the third to fourth aspects of the present invention, a higher quality group III nitride epitaxial substrate can be obtained.
請求項6および請求項9〜請求項10の発明によれば、アニール処理の効果を向上できるので、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。 According to the sixth and ninth to tenth aspects of the present invention, since the effect of the annealing treatment can be improved, a higher-quality group III nitride epitaxial substrate can be obtained.
請求項8の発明によれば、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。 According to the invention of claim 8, a higher quality group III nitride epitaxial substrate can be obtained.
<エピタキシャル基板の積層構造>
図1は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板1の積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板1は、下地層12、バッファ層13および目的とするIII族窒化物層14を基材11の上に各種薄膜形成法を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。たとえば、MOCVD法、HVPE法(ハイドライド気相エピタキシャル成長法;Hydride Vapor Phase Epitaxy)、などのCVD法(化学気相成長法;Chemical Vapor Deposition)、MBE法(分子線エピタキシ法;Molecular Beam Epitaxy)を用いることができる。CVD法としては、PALE法(パルス原子層エピタキシ法;Pulsed Atomic Layer Epitaxy)、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などを適用することもできるし、MBE法に関しても、同様な技術を併用することが可能である。エピタキシャル基板1では、III族窒化物層14のエピタキシャル成長に先立ってアニール処理を行うことにより、III族窒化物層14の転位密度をアニール処理を行わなかった場合の半分以下に低下させている。
<Laminated structure of epitaxial substrate>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of
基材11の材質は、例えば、サファイア,ZnO,LiAlO2,LiGaO2,MgAl2O4,(LaSr)(AlTa)O3,NdGaO3,MgOといった各種酸化物材料,Si,Geといった各種IV族単結晶、SiC、SiGeといった各種IV−IV族化合物,GaAs,AlN,GaN,AlGaNといった各種III―V族化合物およびZrB2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択される。基材11のエピタキシャル成長面15は、エピタキシャル成長させる層の表面平坦性を確保するために、C面のIII族窒化物層をエピタキシャル成長可能な面であることが望ましい。特に、エピタキシャル成長面15および基材11の材質は、エピタキシャル成長させる層の結晶品質を向上するため、A面・C面サファイア単結晶、C面4H―SiC・6H−SiC単結晶およびC面III族窒化物単結晶から選択されることが望ましい。ここでいうA面およびC面は、それぞれ、結晶面の(11−20)面および(0001)面を意味する。基材11の厚みは制限されないが、100μm〜3000μmの範囲が好適である。
Examples of the material of the
下地層12は、一般式がBwAlxGayInzN(w+x+y+z=1)で表現されるIII族窒化物よりなる。下地層12は、全III族元素に対するAl元素のモル分率が50%以上(x≧0.5)、好ましくは80%以上(x≧0.8)であることが望ましい。より好ましくは、下地層12はAlNよりなる(x=1)。ただし、下地層12が、製造工程において不可避的に混入するコンタミネーションを含有することは妨げられない。下地層12の結晶品質が低下するとIII族窒化物層14の結晶品質へも悪影響を与えるので、下地層12の結晶品質は良好であることが望まれる。具体的には、下地層12エピタキシャル成長面は、結晶の配向性のゆらぎの指標となる(002)面のX線ロッキングカーブ測定におけるX線ロッキングカーブ半値幅(以下では、単に「ロッキングカーブ半値幅」とも称する)が200秒以下、好ましくは100秒以下であることが望まれる。また、下地層12は、表面荒さが3Å以下となるような原子レベルの平坦性を有することが望まれる。ここで、表面粗さは、AFM(原子間力顕微鏡)により測定した、5μm×5μmの正方形領域における算術平均粗さである(以下も同様)。また、下地層12の厚みは、0.3μm以上、好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。下地層12の厚みの上限は、特に制限されないが、クラックや剥離の発生防止を考慮して適宜決定する。
The
バッファ層13は、一般式がBwAlxGayInzN(w+x+y+z=1)で表現されるIII族窒化物よりなる。バッファ層13の具体的組成は、バッファ層13の面内格子定数が、下地層12の面内格子定数より大きくなるように選択される。また、クラック抑制の観点から、III族窒化物層14の面内格子定数以下となるように選択することがさらに望ましい。これにより、下地層12とバッファ層13との界面16およびバッファ層13とIII族窒化物層14との界面17には格子不整合による圧縮応力が生ずる。この圧縮応力が転位低減効果を促進するため、より圧縮応力が大きく働く下地層12とIII族窒化物層14の組み合わせとしては、より面内格子定数差が大きいことが望ましく、従って、下地層12の全III族元素に対するAl元素のモル分率が大きいことが望ましい。なお、バッファ層13の厚みは、100nmを超えるとアニールによるIII族窒化物層14の転位低減効果が低下するので、100nm以下であることが望ましい。
バッファ層13に対して行われるアニール処理は、III族窒化物層14のエピタキシャル成長温度以上の温度で行われる。好ましくは、アニール処理は、1100℃以上またはIII族窒化物層14のエピタキシャル成長温度より50℃以上高い温度で行われる。特に、バッファ層13のAlの組成が高い場合は、転位の運動エネルギーが高くなるため、より高い温度でアニールすることが望ましい。なお、III族窒化物層14のエピタキシャル成長温度より低い温度でアニール処理を行った場合でも、アニール処理時間を延長することにより転位低減効果を得ることができる。アニール処理は、バッファ層13の喪失を防止するために不活性ガスまたは窒素元素含有ガスを添加した状態で行われる。上記不活性ガスまたは窒素元素含有ガスの添加量は高いほどバッファ層13の喪失の防止効果が高く、雰囲気ガスにおける上記不活性ガスまたは窒素元素含有ガスの総量は、モル分率が50%以上が望ましく、さらには、100%とすることによりその効果を最大とすることができる。窒素元素含有ガスの典型例としては、窒素(N2)ガスやアンモニア(NH3)ガスがあげられる。雰囲気ガスの圧力を、III族窒化物層14のエピタキシャル形成時以上に上昇させることもアニール効果を高めるために有効である。さらにこの効果は、雰囲気ガスの圧力を1気圧以上とすることによりさらに高めることができる。
The annealing process performed on the
III族窒化物層14は、一般式がBwAlxGayInzN(w+x+y+z=1)で表現されるIII族窒化物よりなる。当該III族窒化物には、必要に応じて、Mg,Be,Zn,Si,GeおよびP等のドナーまたはアクセプタがドープされる。また、図1では、III族窒化物層14は、単一の層として表現されているが、III族窒化物層14が複数の層から構成されてもよい。
The group
エピタキシャル基板1では、上述の応力を転位の低減に利用するとともに、アニール処理により転位の移動を容易ならしめて転位の低減を促進している。このため、下地層12の平坦性が損なわれた場合、界面形状の荒れによる応力緩和が起こり、アニール処理による転位低減効果が低下してしまう。また、バッファ層13の厚みが上述の限界を超えて厚くなった場合も、転位の移動が妨げられてアニール処理による転位低減効果が低下してしまう。
In the
<製造装置>
図2は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板1の製造装置2の断面模式図である。製造装置2は、III族有機金属ガスを原料ガスとして用い、化学気相成長法によってIII族窒化物膜を形成する、いわゆる「MOCVD装置」である。製造装置2は、エピタキシャル基板1を作成するための原料ガスを、基材11の主面上に流すことができるように構成されている。
<Manufacturing equipment>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of
製造装置2は、反応性ガスを基材11の主面に導入するための反応性ガス導入管31を備える。反応性ガス導入管31は、気密の反応容器21の内部に設置され、その2つの外部端は、それぞれ、反応性ガスの導入口22および排気口24となっている。また、反応性ガス導入管31には、基材11の主面上に反応性ガスを接触させるための開口部31hが設けられている。
The
導入口22には、配管系L1およびL2が接続される。
配管系L1は、アンモニアガス(NH3)、窒素ガス(N2)および水素ガス(H2)を供給するための配管系である。 The piping system L1 is a piping system for supplying ammonia gas (NH 3 ), nitrogen gas (N 2 ), and hydrogen gas (H 2 ).
一方、配管系L2は、TEB(トリエチルボロン;B(C2H5)3)、(←図面の対処をお願いします。)TMA(トリメチルアルミニウム;Al(CH3)3)、TMG(トリメチルガリウム;Ga(CH3)3)、TMI(トリメチルインジウム;In(CH3)3)、CP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム;Mg(C5H5)2)、シランガス(SiH4)、窒素ガスおよび水素ガスを供給するための配管系である。CP2Mgおよびシランガスは、それぞれ、III族窒化物においてアクセプタおよびドナーとなるMgおよびSiの原料であるので、使用するアクセプタおよびドナーに応じて適宜変更しうる。 On the other hand, the piping system L2 is TEB (triethylboron; B (C 2 H 5 ) 3 ), (← Please deal with the drawing.) TMA (trimethylaluminum; Al (CH 3 ) 3 ), TMG (trimethylgallium Ga (CH 3 ) 3 ), TMI (trimethylindium; In (CH 3 ) 3 ), CP 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium; Mg (C 5 H 5 ) 2 ), silane gas (SiH 4 ), nitrogen gas And a piping system for supplying hydrogen gas. Since CP 2 Mg and silane gas are raw materials of Mg and Si, respectively, which will be an acceptor and a donor in the group III nitride, they can be appropriately changed depending on the acceptor and donor to be used.
なお、TEB、TMA、TMG、TMIおよびCP2Mgの供給源24d〜24hは、バブリングを行うために、窒素ガスの供給源24bに接続されている。同様に、TEB,TMA、TMG、TMIおよびCP2Mgの供給源24d〜24hは、水素ガスの供給源24cに接続される。
The TEB, TMA, TMG, TMI, and CP 2
製造装置2では、水素ガスもしくは窒素ガス又はこれらの混合ガスがキャリアガスとなる。また、全てのガス供給系は、流量計によりガス流量を制御可能となっている。製造装置2では、各ガスの流量を適宜に制御することにより、単相も含めた様々な混晶組成を有するIII族窒化物をエピタキシャル成長させることが可能になる。
In the
また、排気口24には、反応性ガス導入管31の内部のガスを強制排気する真空ポンプ27が接続されている。
The
反応容器21の内部には、基材11を載置する基材台(サセプタ)28と、基材台28を反応容器21の内部に支持する支持脚29とが設けられる。基材台28の温度は、その直下に設けられたヒータ30を用いて制御可能である。ヒータ30は、例えば、抵抗加熱式のヒータである。製造装置2では、基材11と密着している基材台28の温度を変更することにより、エピタキシャル層の成長温度を変化させることが可能である。換言すれば、MOCVD法におけるエピタキシャル成長温度は、ヒータ30によって可変とされている。
Inside the reaction vessel 21, a substrate stand (susceptor) 28 on which the
本実施の形態に係るエピタキシャル基板1の製造方法と、当該製造方法により作製されたエピタキシャル基板1の品質評価結果とを以下の実施例1〜3に示す。また、本願発明の範囲外となるエピタキシャル基板の製造方法と、当該製造方法により作製されたエピタキシャル基板の品質評価結果とを以下の比較例1〜3に示す。
Examples 1 to 3 below show a method for manufacturing
<実施例1>
図3は、実施例1に係るエピタキシャル基板100の製造方法の工程フローを示す図である。また、図4は、当該製造方法により得られたエピタキシャル基板100の積層構造を示す断面模式図である。
<Example 1>
FIG. 3 is a diagram illustrating a process flow of the method for manufacturing the
実施例1では、直径が2インチ、厚さが430μmの略円形状のC面サファイア単結晶を基材101として使用した。エピタキシャル成長面は、C面サファイア単結晶の(001)面である(実施例2〜3、比較例1〜3も同様)。
In Example 1, a substantially circular C-plane sapphire single crystal having a diameter of 2 inches and a thickness of 430 μm was used as the
また、実施例1では、下地層、バッファ層およびIII族窒化物層の組成は、それぞれ、AlN、GaNおよびGaNである。バッファ層の組成は、面内格子定数が下地層より大きく、バッファ層より小さくなるように選択されている。 In Example 1, the composition of the foundation layer, the buffer layer, and the group III nitride layer is AlN, GaN, and GaN, respectively. The composition of the buffer layer is selected so that the in-plane lattice constant is larger than that of the underlayer and smaller than that of the buffer layer.
最初に、エピタキシャル成長面となる基材101の表面を洗浄した(ステップS1)。洗浄には、有機溶剤および硫酸(H2SO4)と過酸化水素水(H2O2)との混合液を用いた。
First, the surface of the
次に、基材台28に基材101を載置し(ステップS2)、基材101の表面のサーマルクリーニングを行った(ステップS3)。サーマルクリーニングは、反応性ガス導入管31の内圧を10Torrに保持した状態で水素ガスを基材101の主面上に流速2m/secで流し、基材101を1200℃で10分間保持することにより行った。なお、以後の処理においては、2m/secの総ガス流速を維持するように水素ガス流量を調整した。サーマルクリーニングにより、基材101表面が洗浄されるとともに、再結晶化(水素アニール)も進行させることができる。
Next, the
サーマルクリーニング終了後、基材温度を1200℃に変更し、AlN層102のエピタキシャル形成を行った(ステップS4)。AlN層102の形成は、NH3とTMAとのモル分率がNH3:TMA=10〜1000:1の反応性ガスを反応性ガス導入管31に導入することにより行った。これにより、0.7μm厚のAlN層102が基材101の上に形成された。当該工程により得られたAlN層102の表面荒さおよびロッキングカーブ半値幅を測定したところ、それぞれ、1.5Åおよび60secであった。
After completion of the thermal cleaning, the substrate temperature was changed to 1200 ° C., and the
続いて、基板温度を1050℃に変更して、GaN層103のエピタキシャル形成を行った(ステップS5)。GaN層103の形成は、NH3とTMGとのモル分率がNH3:TMG=500〜5000:1:の反応性ガスを反応性ガス導入管31に導入することにより行った。これにより、50nm厚のGaN層103が形成された。
Subsequently, the substrate temperature was changed to 1050 ° C., and the
次に、GaN層103のアニール処理を行う(ステップS6)。アニール処理に先立って、反応性ガス導入管31の内部の雰囲気を窒素ガスで置換した。しかる後に、圧力を1気圧とし、基板温度を1150℃に上昇し、当該基板温度を10分間保持した。
Next, the
アニール処理終了後、GaN層104をエピタキシャル形成した。GaN層104の形成は、基材温度を1050℃まで低下させて、NH3とTMGとのモル分率がNH3:TMG=500〜5000:1の反応性ガスを反応性ガス導入管31に導入することにより行った。これにより、3μm厚のGaN層104が形成された。カソードルミネッセンス像でのダークスポットを数えることによりGaN層104の転位密度を測定したところ、2×107/cm2であり、低転位密度の高品質GaN層104が得られていることが確認できた。
After the annealing process, the
<実施例2>
実施例2では、図3に示す工程フロー中のアニール処理(ステップS6)の具体的処理方法のみが実施例1と異なり、残余の工程は実施例1と同等である。具体的には、GaN層102のエピタキシャル形成終了後、エピタキシャル基板100は、製造装置2とは異なる雰囲気加熱装置へ移動される。エピタキシャル基板100は、2気圧に加圧したアルゴン雰囲気で置換された当該雰囲気加熱装置の内部で、1150℃まで加熱され、10分間保持される。しかる後に、エピタキシャル基板100は自然放冷され、再び製造装置2の基材台28上へ戻される。そして、実施例1と同様にGaN層104が形成される(ステップS7)。実施例2に係るエピタキシャル基板100について、GaN層104の転位密度を測定したところ、2×107/cm2であり、低転位密度の高品質GaN層104が得られることが確認できた。
<Example 2>
In the second embodiment, only the specific processing method of the annealing process (step S6) in the process flow shown in FIG. 3 is different from the first embodiment, and the remaining processes are the same as the first embodiment. Specifically, after the epitaxial formation of the
<実施例3>
実施例3では、バッファ層およびIII族窒化物層の組成が、それぞれ、Al0.4Ga0.6NおよびAl0.4Ga0.6Nであるところが実施例1と異なり(図4()内参照)、工程フローは実施例1と同様である(図3()内参照)。
<Example 3>
In Example 3, the composition of the buffer layer and the group III nitride layer is Al 0.4 Ga 0.6 N and Al 0.4 Ga 0.6 N, respectively, which is different from Example 1 (see the inside of FIG. 4), and the process flow is It is the same as that of Example 1 (refer in FIG.3 ()).
AlN下地層を形成した後、基板温度を1150℃に変更して、Al0.4Ga0.6N層103のエピタキシャル形成を行った(ステップS5)。Al0.4Ga0.6N層103の形成は、NH3とTMAとTMGとのモル分率がNH3:TMA:TMG=50〜5000:0.5:1の反応性ガスを反応性ガス導入管31に導入することにより行った。これにより、15nm厚のAl0.4Ga0.6N層103が形成された。 After forming the AlN underlayer, the substrate temperature was changed to 1150 ° C., and the Al 0.4 Ga 0.6 N layer 103 was formed epitaxially (step S5). The Al 0.4 Ga 0.6 N layer 103 is formed by reacting a reactive gas having a NH 3 : TMA: TMG = 50 to 5000: 0.5: 1 molar ratio of NH 3 , TMA and TMG with a reactive gas introduction pipe 31. It was done by introducing it. As a result, an Al 0.4 Ga 0.6 N layer 103 having a thickness of 15 nm was formed.
次に、Al0.4Ga0.6N層103のアニール処理を行う(ステップS6)。アニール処理に先立って、反応性ガス導入管31の内部の雰囲気を窒素ガスで置換した。しかる後に、圧力を1気圧とし、基板温度を1350℃に上昇し、当該基板温度を10分間保持した。 Next, annealing treatment of the Al 0.4 Ga 0.6 N layer 103 is performed (step S6). Prior to the annealing treatment, the atmosphere inside the reactive gas introduction pipe 31 was replaced with nitrogen gas. Thereafter, the pressure was set to 1 atm, the substrate temperature was raised to 1350 ° C., and the substrate temperature was maintained for 10 minutes.
アニール処理終了後、Al0.4Ga0.6N層104をエピタキシャル形成した。Al0.4Ga0.6N層104の形成は、基材温度を1150℃まで低下させて、NH3とTMGとのモル分率がNH3:TMA:TMG=50〜5000:0.5:1の反応性ガスを反応性ガス導入管31に導入することにより行った。これにより、2μm厚のAl0.4Ga0.6N層104が形成された。カソードルミネッセンス像でのダークスポットを数えることによりAl0.4Ga0.6N層104の転位密度を測定したところ、5×108/cm2であり、低転位密度の高品質Al0.4Ga0.6N層104が得られていることが確認できた。 After the annealing treatment, an Al 0.4 Ga 0.6 N layer 104 was formed epitaxially. Formation of the Al 0.4 Ga 0.6 N layer 104 is a reaction in which the substrate temperature is lowered to 1150 ° C., and the molar fraction of NH 3 and TMG is NH 3 : TMA: TMG = 50 to 5000: 0.5: 1. This was performed by introducing a reactive gas into the reactive gas introduction pipe 31. As a result, an Al 0.4 Ga 0.6 N layer 104 having a thickness of 2 μm was formed. When the dislocation density of the Al 0.4 Ga 0.6 N layer 104 was measured by counting the dark spots in the cathodoluminescence image, it was 5 × 10 8 / cm 2 , and a high quality Al 0.4 Ga 0.6 N layer 104 with a low dislocation density was obtained. It was confirmed that it was obtained.
<比較例1>
図5は、比較例1に係るエピタキシャル基板100の製造方法の工程フローを示す図である。図5に示す工程フローにおけるステップS11〜S16は、それぞれ、図3に示す工程フローのステップS1〜S5およびS7に相当している。すなわち、比較例1に係る工程フローは、実施例1の工程フローからアニール工程(ステップS6)を省略したものに相当する。比較例1に係るエピタキシャル基板100について、GaN層104の転位密度を測定したところ、7×107/cm2であった。
<Comparative Example 1>
FIG. 5 is a diagram showing a process flow of the method for manufacturing
<比較例2>
比較例2では、実施例1におけるバッファ層であるGaN層103の厚みを200nmまで増加させた点以外は実施例1と同等の条件でエピタキシャル基板を作製した。比較例2に係るエピタキシャル基板100のGaN層104の転位密度を測定したところ、7×107/cm2であった。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, an epitaxial substrate was fabricated under the same conditions as in Example 1 except that the thickness of the
実施例1〜2と比較例1〜2とを比較すれば明らかなように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、目的とするIII族窒化物層の転位密度が小さい高品質の基板となっている。すなわち、バッファ層13を導入して、不活性雰囲気または窒素元素含有ガス雰囲気下で目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度より高温でアニール処理を行うことにより、目的とするIII族窒化物層の転位密度を低減できている。
As is clear from comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the epitaxial substrate according to the present embodiment is a high-quality substrate in which the target group III nitride layer has a low dislocation density. ing. That is, by introducing the
<比較例3>
比較例3に係る工程フローは、実施例3の工程フローからアニール工程(ステップS6)を省略したものに相当する(図5()内参照)。比較例3に係るエピタキシャル基板100について、Al0.6Ga0.4N層104の転位密度を測定したところ、3×109/cm2であった。
<Comparative Example 3>
The process flow according to Comparative Example 3 corresponds to a process flow obtained by omitting the annealing process (Step S6) from the process flow of Example 3 (see FIG. 5). With respect to the
実施例3と比較例3とを比較すれば明らかなように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、目的とするIII族窒化物層の転位密度が小さい高品質の基板となっている。すなわち、バッファ層13を導入して、不活性雰囲気または窒素元素含有ガス雰囲気下で目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度より高温でアニール処理を行うことにより、目的とするIII族窒化物層の転位密度を低減できている。すなわち、実施例1〜2においては、III族窒化物層14の組成はGaNであったが、組成が一般式AlxGayN(x+y=1)で表現される組成であっても同様の転位低減効果が得られる。
As is clear from comparison between Example 3 and Comparative Example 3, the epitaxial substrate according to the present embodiment is a high-quality substrate in which the target group III nitride layer has a low dislocation density. That is, by introducing the
<変形例>
実施例1〜3においては、III族窒化物層14の組成はAlxGayN(x+y=1)であったが、組成が一般式BwAlxGayInzN(w+x+y+z=1)で表現される組成であっても同様の転位低減効果が得られる。また、BwAlxGayInzN(w+x+y+z=1)で表現される組成を有するIII族窒化物に、Mg,Be,Zn,Si,GeおよびP等のドナーおよびアクセプタを含有させた場合も同等の転位低減効果が得られる。
<Modification>
In Examples 1 to 3, the composition of the group
また、実施例1〜2では、アニール処理時の雰囲気ガスが窒素ガスまたはアルゴンガスであったが、雰囲気ガスをネオン等の不活性ガスやアンモニアガスに変更しても同等の転位低減効果が得られる。 In Examples 1 and 2, the atmospheric gas during the annealing treatment was nitrogen gas or argon gas. However, even if the atmospheric gas is changed to an inert gas such as neon or ammonia gas, an equivalent dislocation reduction effect is obtained. It is done.
1,100 エピタキシャル基板
11 基材
15 エピタキシャル成長面
16,17 界面
27 真空ポンプ
28 基材台
29 支持脚
30 ヒータ
31 反応性ガス導入管
1,100
Claims (13)
a) 転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第1形成工程と、
b) 前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層を前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第2形成工程と、
c) 前記第2形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、
d) 前記アニール工程の後に、前記第2のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第3のIII族窒化物層を前記第2のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第3形成工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 An epitaxial substrate manufacturing method comprising:
a) Base material is a first group III nitride layer having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less and a surface roughness of 3 mm or less, and a molar fraction of Al with respect to all group III elements contained is 50% or more. A first forming step of epitaxially forming on,
b) Epitaxially forming a second group III nitride layer having an in-plane lattice constant larger than that of the first group III nitride layer and having a thickness of 100 nm or less on the first group III nitride layer. 2 forming process;
c) An annealing step for performing an annealing process after the second forming step;
d) After the annealing step, a third group III nitride layer having an in-plane lattice constant larger than that of the second group III nitride layer is epitaxially formed on the second group III nitride layer. Forming process;
An epitaxial substrate manufacturing method comprising:
前記第1のIII族窒化物層が含有する全III族元素に対するAlのモル分率が80%以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate of Claim 1 or Claim 2,
A method for producing an epitaxial substrate, wherein the molar fraction of Al with respect to all group III elements contained in the first group III nitride layer is 80% or more.
前記第1のIII族窒化物層に係るIII族窒化物がAlNであることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate of Claim 1 or Claim 2,
A method for producing an epitaxial substrate, wherein the group III nitride related to the first group III nitride layer is AlN.
前記アニール工程が、不活性ガスおよび窒素元素含有ガスのうちの少なくともひとつを含む雰囲気ガス中で行われることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate in any one of Claims 1 thru | or 4,
The method of manufacturing an epitaxial substrate, wherein the annealing step is performed in an atmosphere gas containing at least one of an inert gas and a nitrogen element-containing gas.
前記雰囲気ガスの圧力が前記第3形成工程のエピタキシャル形成圧力以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate according to claim 5,
The method for manufacturing an epitaxial substrate, wherein the pressure of the atmospheric gas is equal to or higher than the epitaxial formation pressure in the third formation step.
前記第1ないし第3のIII族窒化物層がC面のIII族窒化物層であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate in any one of Claims 1 thru | or 6,
The method of manufacturing an epitaxial substrate, wherein the first to third group III nitride layers are C-plane group III nitride layers.
前記第1のIII族窒化物層のエピタキシャル成長面のX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate in any one of Claims 1 thru | or 7,
An epitaxial substrate manufacturing method, wherein an X-ray rocking curve half-value width of an epitaxial growth surface of the first group III nitride layer is 200 seconds or less.
前記アニール処理の温度が1100℃以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate in any one of Claims 1 thru | or 8,
The method of manufacturing an epitaxial substrate, wherein the annealing temperature is 1100 ° C. or higher.
前記第3形成工程のエピタキシャル形成温度より前記アニール処理の温度が50℃以上高温であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 In the manufacturing method of the epitaxial substrate in any one of Claims 1 thru | or 9,
The method for manufacturing an epitaxial substrate, wherein the annealing temperature is 50 ° C. or more higher than the epitaxial formation temperature in the third formation step.
前記目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、
a) 転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第1形成工程と、
b) 前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層を前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第2形成工程と、
c) 前記第2形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、
を実行することを特徴とする転位低減方法。 A method for reducing dislocations in a target group III nitride layer epitaxially formed on an epitaxial substrate,
Prior to the epitaxial formation of the desired group III nitride layer,
a) Base material is a first group III nitride layer having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less and a surface roughness of 3 mm or less, and a molar fraction of Al with respect to all group III elements contained is 50% or more. A first forming step of epitaxially forming on,
b) A second group III nitride having a larger in-plane lattice constant than the first group III nitride layer, a smaller in-plane lattice constant than the target group III nitride layer, and a layer thickness of 100 nm or less. A second forming step of epitaxially forming a material layer on the first group III nitride layer;
c) An annealing step for performing an annealing process after the second forming step;
The dislocation reduction method characterized by performing.
基材と、
前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、全III族元素に対して50%以上のAlを含有する第1のIII族窒化物層と、
前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層と、
前記第2のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第2のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第3のIII族窒化物層と、
を備え、
前記第2のIII族窒化物層が、前記第3のIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。 An epitaxial substrate,
A substrate;
A first group III, which is epitaxially formed on the substrate and contains 50% or more of Al with respect to all group III elements having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less and a surface roughness of 3 mm or less. A nitride layer;
A second group III nitride layer epitaxially formed on the first group III nitride layer, having a larger in-plane lattice constant than the first group III nitride layer and having a layer thickness of 100 nm or less;
A third group III nitride layer epitaxially formed on the second group III nitride layer and having a larger in-plane lattice constant than the second group III nitride layer;
With
An epitaxial substrate, wherein the second group III nitride layer is annealed prior to epitaxial formation of the third group III nitride layer.
基材と、
前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が1×1011/cm2以下かつ表面粗さが3Å以下の、含有する全III族元素に対するAlのモル分率が50%以上の第1のIII族窒化物層と、
前記第1のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第1のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が100nm以下の第2のIII族窒化物層と、
を備え、
前記第2のIII族窒化物層が、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。 An epitaxial substrate provided for epitaxial formation of a target group III nitride layer,
A substrate;
A first epitaxial layer formed on the base material, having a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less and a surface roughness of 3 μm or less, and a molar fraction of Al with respect to all group III elements contained is 50% or more. A group III nitride layer;
The in-plane lattice constant is larger than that of the first group III nitride layer epitaxially formed on the first group III nitride layer, and the in-plane lattice constant is larger than that of the target group III nitride layer. A second Group III nitride layer having a small layer thickness of 100 nm or less;
With
An epitaxial substrate, wherein the second group III nitride layer is annealed.
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