JP2008294370A - Method for growing gallium nitride compound semiconductor and surface treatment method for substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】 全体が直線状の原子ステップ及び表面に凹凸のない平坦なテラス部を表面に有する二硼化物単結晶から成る基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法、及び二硼化物単結晶から成る基板の表面処理方法を提供すること。
【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、成膜装置内において、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことによって、自然酸化膜を除去するとともに基板の表面に原子ステップ構造を表出させる工程と、引続き成膜装置内において、基板の表面が大気に触れない状態で基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程とを具備する。
【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To grow a gallium nitride-based compound semiconductor using a substrate composed of a diboride single crystal having a linear step on the whole and a flat terrace portion having no irregularities on the surface, and a diboride single crystal A substrate surface treatment method comprising:
A method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor comprises a diboride single crystal represented by a chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr) in a film forming apparatus. In addition, the substrate with the natural oxide film formed on the surface is subjected to heat treatment in vacuum to remove the natural oxide film and expose the atomic step structure on the surface of the substrate. And a step of growing a gallium nitride-based compound semiconductor on the surface of the substrate in a state where the surface of the substrate is not exposed to the atmosphere.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を形成するための二硼化物単結晶から成る基板を用いて窒化ガリウム系化合物半導体を成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の成長方法、及び二硼化物単結晶から成る基板の表面処理方法に関するものである。 The present invention relates to a growth method of a gallium nitride compound semiconductor layer for growing a gallium nitride compound semiconductor using a substrate composed of a diboride single crystal for forming a gallium nitride compound semiconductor, and from the diboride single crystal. The present invention relates to a surface treatment method for a substrate.
化学式InxAlyGa1-x-yN(ただし、0≦x+y≦1,0≦x≦1,0≦y≦1)で表される窒化ガリウム系化合物半導体は、AlN,InN,GaN等の組み合わせにより、AlGaN,InGaN,InGaAlN等の混晶を形成できる。このような混晶は、その構成元素や組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができ、バンドギャップに応じて可視光領域から紫外光領域までの発光が可能である。従って、このような窒化ガリウム系化合物半導体は、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)等の発光素子の構成材料となり、特に最近では青色発光ダイオードや青色(青紫色)レーザが製品化されるようになってきた。また、青色発光ダイオードと蛍光体を組み合わせることにより、白色照明用ランプとしての応用も進んでいる。 Formula In x Al y Ga 1-xy N ( However, 0 ≦ x + y ≦ 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) The gallium nitride-based compound semiconductor represented by the, AlN, InN, combinations such as GaN Thus, a mixed crystal of AlGaN, InGaN, InGaAlN or the like can be formed. Such a mixed crystal can change the band gap by selecting its constituent elements and composition, and can emit light from the visible light region to the ultraviolet light region according to the band gap. Accordingly, such a gallium nitride compound semiconductor becomes a constituent material of a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD), and in particular, a blue light emitting diode or a blue (blue-violet) laser has recently been commercialized. It has become like this. In addition, by combining a blue light emitting diode and a phosphor, application as a white illumination lamp is also progressing.
このような窒化ガリウム系化合物半導体は、単結晶から成る基板上に形成される。窒化ガリウム系化合物半導体の成長用の基板としては、従来、サファイア(Al2O3)から成る基板が主に用いられており、他にシリコンカーバイド(SiC),酸化亜鉛(ZnO),シリコン(Si)等から成る基板も使用されているが、いずれもヘテロエピタキシャル成長となり、窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数差が比較的大きい。 Such a gallium nitride compound semiconductor is formed on a substrate made of a single crystal. Conventionally, a substrate made of sapphire (Al 2 O 3 ) has been mainly used as a substrate for growing a gallium nitride compound semiconductor, and in addition, silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), silicon (Si ) And the like are also used, but all of them are heteroepitaxially grown and have a relatively large lattice constant difference from the gallium nitride compound semiconductor.
また、最近では、ホモエピタキシャル成長用の基板となる窒化ガリウム(GaN)から成る基板が、気相法や高圧法、フラックス法等により作製が可能となってきており、その利用が拡大している。 Recently, a substrate made of gallium nitride (GaN), which is a substrate for homoepitaxial growth, can be produced by a vapor phase method, a high pressure method, a flux method, or the like, and its use is expanding.
また、ヘテロエピタキシャル成長用の基板ではあるが、比較的格子定数差の小さい二硼化物単結晶から成る基板も注目されている。この基板は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数が近いために、結晶性等の点で優れた特性を有する窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。 In addition, although it is a substrate for heteroepitaxial growth, a substrate made of a diboride single crystal having a relatively small lattice constant difference is also attracting attention. Since this substrate has a lattice constant close to that of the gallium nitride compound semiconductor, a gallium nitride compound semiconductor having excellent characteristics such as crystallinity can be obtained.
通常、このような窒化ガリウム系化合物半導体成長用の基板は、単結晶のインゴットをスライス加工することによってウェハ形状とし、さらにその切断面を平坦化するために、機械的研磨や化学的研磨を施して、窒化ガリウム系化合物半導体成長用の基板としている。 Usually, such a substrate for growing a gallium nitride compound semiconductor is formed into a wafer shape by slicing a single crystal ingot, and further subjected to mechanical polishing or chemical polishing in order to flatten the cut surface. Thus, the substrate is used for growing a gallium nitride compound semiconductor.
以上のようにして研磨した基板の表面は一見して平坦であるが、原子レベルでは依然として平坦ではなく、その表面には研磨痕が多数残留している。また、基板における窒化ガリウム系化合物半導体の成長面は、本来の成長面からずれて傾いている場合が多く、その傾き角をオフ角と称しているが、オフ角に起因した原子ステップが不明瞭である場合がある。 The surface of the substrate polished as described above is flat at first glance, but is still not flat at the atomic level, and many polishing marks remain on the surface. In addition, the growth surface of the gallium nitride compound semiconductor on the substrate is often inclined with a deviation from the original growth surface, and the inclination angle is referred to as the off-angle, but the atomic step due to the off-angle is unclear. It may be.
一般には、基板上に薄膜成長を行う場合、基板の表面に原子ステップが形成されていることが好ましく、その場合窒化ガリウム系化合物半導体結晶の3次元成長が抑制される。従って、高品質でかつ平坦な薄膜を形成するためには、基板の表面は1原子レベルの高さの原子ステップと、原子ステップ間に形成された平坦で清浄なテラス部を有することが必要である。 Generally, when thin film growth is performed on a substrate, it is preferable that an atomic step is formed on the surface of the substrate, and in this case, three-dimensional growth of a gallium nitride-based compound semiconductor crystal is suppressed. Therefore, in order to form a high quality and flat thin film, the surface of the substrate needs to have an atomic step having a height of one atomic level and a flat and clean terrace portion formed between the atomic steps. is there.
実際、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体等の薄膜を成長する際には、成長前に基板の表面に処理を施し、基板の表面状態を制御することが行われている。例えば、酸化物超電導体の薄膜の成長用の基板として使用されている、ペロブスカイト構造を有するSrTiO3(チタン酸ストロンチウム)単結晶から成る基板においては、溶液処理と加熱工程を繰り返し行うことによって、基板の表面を平坦化する方法が開示されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
Actually, when a thin film such as a gallium nitride-based compound semiconductor is grown on a substrate, the surface of the substrate is treated before the growth to control the surface state of the substrate. For example, in a substrate made of SrTiO 3 (strontium titanate) single crystal having a perovskite structure, which is used as a substrate for the growth of an oxide superconductor thin film, the substrate is obtained by repeatedly performing a solution treatment and a heating step. Has been disclosed (for example, see
また、同様に、基板をph4.8のBHF溶液による処理後、さらに900℃の酸素ガス中で1時間以上熱処理を行い、平坦性を有するテラス部、単位結晶格子長の階段(原子ステップ)を形成する方法が開示されている(例えば、下記の特許文献2参照)。
Similarly, after the substrate is treated with a ph 4.8 BHF solution, it is further heat-treated in oxygen gas at 900 ° C. for 1 hour or more to form a flat terrace portion and a unit crystal lattice length step (atomic step). A forming method is disclosed (for example, see
さらに、半導体基板の構成原子とは異なる異種原子を含む処理用ガスが存在する雰囲気中において、半導体基板に対し電子ビームを照射して表面励起反応を起こし、異種原子部形成工程と、原子ステップを移動させる原子ステップ移動工程とを有し、原子ステップ移動工程の際に、原子ステップの動きを異種原子により制御することによって、原子ステップを所定の形状に形成する表面処理方法が開示されている(例えば、下記の特許文献3参照)。
しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数が近く、また熱膨張係数が近い二硼化物単結晶からなる基板においては、表面状態の制御方法が確立されておらず、表面の平坦性に問題があった。 However, for a substrate made of a diboride single crystal having a lattice constant close to that of a gallium nitride compound semiconductor and a thermal expansion coefficient, a method for controlling the surface state has not been established, and there has been a problem in surface flatness. It was.
また、二硼化物単結晶からなる基板は、大気中に短時間放置しただけで、基板の表面に強固に結合した自然酸化膜が形成される。その自然酸化膜は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に格子整合性を阻害し、二硼化物単結晶の本来の特性を生かすことができず、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性向上が図れない点で問題があった。 A substrate made of a single diboride single crystal forms a natural oxide film that is firmly bonded to the surface of the substrate simply by being left in the atmosphere for a short time. The natural oxide film inhibits lattice matching when growing the gallium nitride compound semiconductor layer on the substrate, and cannot take advantage of the original characteristics of the diboride single crystal, and the gallium nitride compound semiconductor crystal. There was a problem in that it was not possible to improve the performance.
また、基板の表面には研磨痕が残留していたり、また、表面に研磨痕がなく原子ステップ及びテラス部が確認できる基板であっても、原子ステップの形状は直線状ではなく湾曲していたり、テラス部に凹凸が確認できるなどの変形がみられ、明瞭な原子ステップ及びテラス部を有する表面状態の基板を得ることはできなかった。 Also, polishing marks remain on the surface of the substrate, and even if the substrate has no polishing marks on the surface and atomic steps and terraces can be confirmed, the shape of the atomic steps is not linear but curved. In addition, deformations such as irregularities in the terrace portion were observed, and it was not possible to obtain a surface state substrate having clear atomic steps and terrace portions.
従って、上記の問題点が、基板上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体の特性を向上させることの阻害要因となっていた。 Therefore, the above problem has been an impediment to improving the characteristics of the gallium nitride compound semiconductor grown on the substrate.
また、従来、窒化ガリウム系化合物半導体の成長前に、基板の表面の自然酸化膜を除去するために、1000℃程度でのサーマルクリーニングを基板に施していた。二硼化物単結晶は融点が約3200℃と高いことから、結晶を構成する原子間の結合力が強く、このような熱アニールの温度では硼素の蒸気圧は低いと思われていた。しかしながら、本発明者の研究によると、融点より十分に低い温度においても、原子ステップ及びテラス部が不完全な表面状態である二硼化物単結晶から成る基板の表面からは硼素が離脱し、表面の平坦性が悪くなることがわかった。 Conventionally, the substrate is subjected to thermal cleaning at about 1000 ° C. before the growth of the gallium nitride compound semiconductor in order to remove the natural oxide film on the surface of the substrate. Since the diboride single crystal has a high melting point of about 3200 ° C., the bonding force between atoms constituting the crystal is strong, and it has been considered that the vapor pressure of boron is low at the temperature of such thermal annealing. However, according to the inventor's research, even at a temperature sufficiently lower than the melting point, boron is detached from the surface of the substrate composed of a diboride single crystal in which the atomic steps and terraces are in an incomplete surface state, and the surface It turned out that the flatness of becomes worse.
以上のような二硼化物単結晶から成る基板の表面の問題により、本来の良好な格子整合性が生かされておらず、その基板上に成長した窒化ガリウム系化合物半導体の特性は期待されたものが得られていなかった。 Due to the problems of the surface of the substrate composed of the diboride single crystal as described above, the original good lattice matching is not utilized, and the characteristics of the gallium nitride compound semiconductor grown on the substrate are expected. Was not obtained.
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、全体が直線状の原子ステップ及び表面に凹凸のない平坦なテラス部を表面に有する二硼化物単結晶から成る基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法、及び二硼化物単結晶から成る基板の表面処理方法を提供することである。 Accordingly, the present invention has been completed in view of the above-mentioned problems in the prior art, and its object is to provide a diboride having a linear step on the whole and a flat terrace portion having no irregularities on the surface. It is an object of the present invention to provide a method for growing a gallium nitride compound semiconductor using a substrate made of a single crystal and a surface treatment method for a substrate made of a diboride single crystal.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、成膜装置内において、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことによって、前記自然酸化膜を除去するとともに前記基板の表面に原子ステップ構造を表出させる工程と、引続き前記成膜装置内において、前記基板の表面が大気に触れない状態で前記基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程とを具備していることを特徴とするものである。 The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention comprises a diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr) in a film forming apparatus. A process of removing the natural oxide film and exposing an atomic step structure on the surface of the substrate by subjecting the substrate having a natural oxide film formed thereon to heat treatment in a vacuum, and subsequently forming the film And a step of growing a gallium nitride-based compound semiconductor on the surface of the substrate in a state where the surface of the substrate is not exposed to the atmosphere in the apparatus.
また、本発明の基板の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、前記基板の周囲を化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物の焼結体で覆った状態で前記加熱処理を行うことを特徴とするものである。 In the method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor on a substrate of the present invention, the periphery of the substrate is preferably a diboride represented by the chemical formula XB 2 (where X includes at least one of Ti and Zr). The heat treatment is performed in a state covered with the sintered body.
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、前記加熱処理は1500℃以上の温度で30分以上行うことを特徴とするものである。 In the method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention, preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 1500 ° C. or higher for 30 minutes or longer.
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、前記加熱処理は100Pa以下の真空度で行うことを特徴とするものである。 In the gallium nitride compound semiconductor growth method of the present invention, preferably, the heat treatment is performed at a vacuum degree of 100 Pa or less.
本発明の基板の表面処理方法は、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことによって、前記自然酸化膜を除去するとともに前記基板の表面に原子ステップ構造を表出させることを特徴とするものである。 The substrate surface treatment method of the present invention comprises a diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr), and a natural oxide film is formed on the surface. The substrate is subjected to heat treatment in a vacuum to remove the natural oxide film and expose an atomic step structure on the surface of the substrate.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、成膜装置内において、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことによって、自然酸化膜を除去するとともに基板の表面に原子ステップ構造を表出させる工程と、引続き成膜装置内において、基板の表面が大気に触れない状態で基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程とを具備することにより、明瞭な原子ステップ及び平坦性に優れたテラス部を表面に有する基板を得ることができるとともに、基板が加熱処理後に大気雰囲気に暴露されないことから、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間の界面に自然酸化膜がないものとなる。その結果、窒化ガリウム系化合物半導体との整合性に優れた、二硼化物単結晶がもつ本来の格子定数、熱膨張係数を反映させて、窒化ガリウム系化合物半導体を成長できる。従って、転位密度が小さく結晶性の高い窒化ガリウム系化合物半導体を得ることが可能となる。 The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention comprises a diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr) in a film forming apparatus. In the process of removing the natural oxide film and exposing the atomic step structure on the surface of the substrate by subjecting the substrate with the natural oxide film formed thereon to heat treatment in vacuum, And a step of growing a gallium nitride compound semiconductor on the surface of the substrate in a state where the surface of the substrate is not exposed to the atmosphere, thereby obtaining a substrate having a terrace portion having a clear atomic step and excellent flatness on the surface. And there is no natural oxide film at the interface between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor because the substrate is not exposed to the air atmosphere after heat treatment. It made. As a result, the gallium nitride compound semiconductor can be grown by reflecting the original lattice constant and thermal expansion coefficient of the diboride single crystal, which has excellent compatibility with the gallium nitride compound semiconductor. Therefore, it is possible to obtain a gallium nitride compound semiconductor having a low dislocation density and high crystallinity.
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、基板の周囲を化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物の焼結体で覆った状態で加熱処理を行うことにより、より明瞭な原子ステップ及びより平坦なテラス部を表出させる加熱処理温度を低温化することが可能となる。さらに、基板の周囲を焼結体で覆うことにより、原子ステップの結合現象(バンチング現象)が生じ、加熱処理温度や加熱処理時間を制御することにより、原子ステップの高さやテラス部の幅を制御することが可能となる。 In the method for growing a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, preferably, the periphery of the substrate is sintered with diboride represented by the chemical formula XB 2 (where X includes at least one of Ti and Zr). By performing the heat treatment in a state of being covered with a body, it is possible to lower the heat treatment temperature at which a clearer atomic step and a flatter terrace portion are exposed. Furthermore, by covering the substrate with a sintered body, a phenomenon of bonding of atomic steps (bunching phenomenon) occurs, and by controlling the heat treatment temperature and heat treatment time, the height of the atomic step and the width of the terrace are controlled. It becomes possible to do.
なお、バンチング現象を生じさせることが可能となるのは、加熱処理により基板の表面から自然酸化膜が除去されるとともにホウ素,ジルコニウムが抜けて、明瞭な原子ステップが形成されるのに加えて、基板の表面が高温になるために、周囲の焼結体から抜けたホウ素,ジルコニウムが基板の表面に供給されて付着し、基板の表面のマイグレーションにより原子ステップ同士が結合するためと考えられる。 The bunching phenomenon can be caused by removing the natural oxide film from the surface of the substrate by heat treatment and removing boron and zirconium to form a clear atomic step. It is considered that since the surface of the substrate becomes high temperature, boron and zirconium released from the surrounding sintered body are supplied and adhered to the surface of the substrate, and atomic steps are bonded to each other by migration of the surface of the substrate.
ZrB2とGaNのc軸方向の格子定数は、それぞれ0.353nm、0.519nmであり、約1.5倍程度GaNの方が大きい。このようにc軸方向の格子定数が異なると、極性反転領域の形成や積層欠陥等の欠陥が生じる。しかし、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法によって原子ステップの高さが制御できると、例えばZrB2の原子ステップの高さを3原子の高さに制御することによって1.059nmのステップとなり、これはGaNの2原子の高さの原子ステップの高さである1.038nmとほぼ一致することになり、0.353nmと0.519nmと比較して見かけ上c軸長の相違を小さくすることができる。従って、窒化ガリウム系化合物半導体の転位密度を低減でき、結晶性を高めることが可能となる。 The lattice constants of ZrB 2 and GaN in the c-axis direction are 0.353 nm and 0.519 nm, respectively, and GaN is about 1.5 times larger. Thus, if the lattice constants in the c-axis direction are different, defects such as formation of polarity inversion regions and stacking faults occur. However, if the height of the atomic step can be controlled by the growth method of the gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, for example, the height of the atomic step of ZrB 2 is controlled to a height of 3 atoms, so that the step becomes 1.059 nm. This is almost the same as 1.038 nm, which is the height of the atomic step of 2 atoms of GaN, and apparently reduces the difference in c-axis length compared to 0.353 nm and 0.519 nm. be able to. Therefore, the dislocation density of the gallium nitride compound semiconductor can be reduced and the crystallinity can be increased.
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、加熱処理は1500℃以上の温度で30分以上行うことにより、基板の表面に存在している自然酸化膜の除去、研磨によるダメージ層の除去が十分となり、また、焼結体からのホウ素,ジルコニウムの供給による基板の表面の再構成が十分に生じる。その結果、基板の表面により明瞭な原子ステップ及びより平坦なテラス部を表出させることが可能となる。1500℃未満では、加熱処理前よりは原子ステップは明瞭になるが、原子ステップの形状に湾曲する部分が見られたり、テラス部に凹凸が残っていたりして、不十分である。また、1500℃で30分未満の処理時間においても同様に原子ステップ及びテラス部の形成が不十分である。 In the method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention, preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 1500 ° C. or higher for 30 minutes or longer to remove a natural oxide film existing on the surface of the substrate and damage due to polishing. The removal of the layer is sufficient, and the surface of the substrate is sufficiently reconstructed by supplying boron and zirconium from the sintered body. As a result, a clear atomic step and a flatter terrace portion can be exposed on the surface of the substrate. Below 1500 ° C., the atomic step becomes clearer than before the heat treatment, but it is not sufficient because a curved portion is seen in the shape of the atomic step or unevenness remains in the terrace portion. Similarly, the formation of atomic steps and terraces is insufficient even at a processing time of less than 30 minutes at 1500 ° C.
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、加熱処理は100Pa以下の真空度で行うことにより、このような高い真空度では基板の表面のダメージ層からのホウ素,ジルコニウムの離脱や自然酸化膜の除去が十分となり、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を表出させることが可能となる。100Paより大きい真空度では、基板の表面から十分にホウ素やジルコニウムが離脱することができず、基板の表面でジルコニウムが凝集したり、基板の表面に荒れが生じることとなる。 In the method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention, the heat treatment is preferably performed at a vacuum degree of 100 Pa or less, and at such a high vacuum degree, boron and zirconium are detached from the damaged layer on the surface of the substrate. Further, the removal of the natural oxide film is sufficient, and a clear atomic step and a flat terrace portion can be exposed. When the degree of vacuum is higher than 100 Pa, boron and zirconium cannot be sufficiently separated from the surface of the substrate, and zirconium is aggregated on the surface of the substrate or the surface of the substrate is roughened.
本発明の基板の表面処理方法は、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことにより、前記自然酸化膜を除去するとともに前記基板の表面に原子ステップ構造を表出させることにより、表面に自然酸化膜が存在しておらず、原子ステップ構造が表出している二硼化物単結晶から成る基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を形成すると、窒化ガリウム系化合物半導体結晶に近似した、二硼化物単結晶本来の格子定数や熱膨張係数がエピタキシャル成長に反映し、転位密度が低く、残留歪の小さい窒化ガリウム系化合物半導体を形成することが可能となる。 The substrate surface treatment method of the present invention comprises a diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr), and a natural oxide film is formed on the surface. By subjecting the substrate to heat treatment in a vacuum, the natural oxide film is removed and an atomic step structure is exposed on the surface of the substrate. When a gallium nitride compound semiconductor is formed on a substrate made of a diboride single crystal whose step structure is exposed, the original lattice constant and thermal expansion coefficient of the diboride single crystal approximate to that of a gallium nitride compound semiconductor crystal are obtained. Reflecting the epitaxial growth, it becomes possible to form a gallium nitride compound semiconductor having a low dislocation density and a small residual strain.
また、真空中での加熱処理を基板に施すことにより、基板の表面に存在する自然酸化膜を除去することができるとともに、基板の表面に存在する、研磨によるダメージ層と思われる組成が化学量論組成からずれた層を除去することができる。従って、基板の表面に、本来のオフ角に起因する明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を表出させることが可能となる。 In addition, by subjecting the substrate to heat treatment in vacuum, the natural oxide film present on the surface of the substrate can be removed, and the composition that appears to be a damaged layer due to polishing present on the surface of the substrate has a chemical amount. A layer deviating from the theoretical composition can be removed. Accordingly, it is possible to expose a clear atomic step and a flat terrace portion due to the original off angle on the surface of the substrate.
以上のような基板の表面処理を行うことによって、明瞭な原子ステップ及び平坦性に優れたテラス部を表面に有するとともに、残留酸化物のない基板を得ることができる。このような基板の表面は非常に化学的な安定性が高いために、表面の再酸化が生じにくく、また、窒化ガリウム系化合物半導体の成長のために基板を加熱しても表面荒れが生じにくい。従って、本発明の表面処理が施された基板に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることにより、良好な結晶性及び特性を有する窒化ガリウム系化合物半導体を得ることが可能となる。 By performing the surface treatment of the substrate as described above, it is possible to obtain a substrate having a terrace portion having a clear atomic step and excellent flatness and having no residual oxide. Since the surface of such a substrate has very high chemical stability, it is difficult for surface re-oxidation to occur, and even when the substrate is heated for the growth of a gallium nitride-based compound semiconductor, surface roughness is unlikely to occur. . Therefore, by growing a gallium nitride compound semiconductor on a substrate that has been subjected to the surface treatment of the present invention, a gallium nitride compound semiconductor having good crystallinity and characteristics can be obtained.
以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法及び基板の表面処理方法について実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。 Embodiments of a method for growing a gallium nitride compound semiconductor and a surface treatment method for a substrate according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明の基板の表面処理方法は、化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶から成るとともに表面に自然酸化膜が形成された基板に、真空中での加熱処理を施すことにより、自然酸化膜を除去するとともに基板の表面に原子ステップ構造を表出させる構成である。 The substrate surface treatment method of the present invention comprises a diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (wherein X includes at least one of Ti and Zr), and a natural oxide film is formed on the surface. The substrate is heat-treated in a vacuum to remove the natural oxide film and expose the atomic step structure on the surface of the substrate.
化学式XB2(ただし、XはTi及びZrの少なくとも1種を含む。)で表される二硼化物単結晶は、ZrB2単結晶,TiB2単結晶等からなるが、窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ZrB2単結晶からなるものが好ましい。また、ZrB2単結晶において、Zrの一部がTiやHfに置換されているものであってもよい。また、ZrB2単結晶において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてTi,Hf,Mg,Al等を含んでいても構わない。 The diboride single crystal represented by the chemical formula XB 2 (where X includes at least one of Ti and Zr) is composed of a ZrB 2 single crystal, a TiB 2 single crystal, etc. In view of excellent lattice matching and thermal expansion coefficient matching, those made of a ZrB 2 single crystal are preferable. In the ZrB 2 single crystal, a part of Zr may be substituted with Ti or Hf. Further, the ZrB 2 single crystal may contain Ti, Hf, Mg, Al, etc. as impurities to such an extent that the crystallinity and lattice constant do not change greatly.
例えばZrB2単結晶はフローティングゾーン法等の結晶成長法により単結晶のインゴットを作製し、その後ワイヤー切断機等により所望の形状、厚みのウェハ状に加工し、さらにその表面をダイヤモンド研磨剤、コロイダルシリカ等により機械的に研磨することにより、表面が鏡面とされた基板が得られる。 For example, for ZrB 2 single crystal, a single crystal ingot is prepared by a crystal growth method such as a floating zone method, and then processed into a wafer having a desired shape and thickness by a wire cutting machine, and the surface is further processed with a diamond abrasive or colloidal. A substrate having a mirror surface is obtained by mechanical polishing with silica or the like.
本発明の表面処理方法を施していない、ZrB2単結晶から成る基板の表面を、例えば原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)により観察した図を図1に示す。図1中には、表面のオフ角((0001)面等の所定の結晶面からのずれ角)に対応した原子ステップと思われる段差部が観察できる。図1では縦方向に延びる段差部が複数形成されているのが分かる。図1の原子ステップは、平面視において湾曲している部分が多数あり、全体的に乱れた形状である。さらに、テラス部にも凹凸が観察でき、平坦性が悪い。また、他の分析方法(X線光電子分光法(XPS)等)によって、基板の表面には例えばZrO2からなる自然酸化膜が形成されていることが確認できる。 FIG. 1 shows a view of the surface of a substrate made of a ZrB 2 single crystal that has not been subjected to the surface treatment method of the present invention, for example, observed with an atomic force microscope (AFM). In FIG. 1, a stepped portion considered to be an atomic step corresponding to the off-angle of the surface (shift angle from a predetermined crystal plane such as the (0001) plane) can be observed. In FIG. 1, it can be seen that a plurality of step portions extending in the vertical direction are formed. The atomic step in FIG. 1 has many portions that are curved in a plan view, and has an overall disordered shape. Furthermore, unevenness can be observed on the terrace, and the flatness is poor. Further, it can be confirmed that a natural oxide film made of, for example, ZrO 2 is formed on the surface of the substrate by another analysis method (X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or the like).
従って、例えばZrB2単結晶からなる基板に対して、窒化ガリウム系化合物半導体の形成前に以下の表面処理を行う。 Therefore, for example, the following surface treatment is performed on a substrate made of a ZrB 2 single crystal before the gallium nitride compound semiconductor is formed.
まず、ZrB2粉末からなる焼結体を準備する。焼結体はZrB2粉末を樹脂バインダー等とともに金型に充填し、プレス装置により圧力をかけ成型体(生成型体)を作製する。成型体はそのまま焼結しても十分であるが、密度向上のために、成型体に対してCIP(Cold Iso-static Press:冷間等方プレス)等を施しても良い。また、ZrB2粉末に加えて、ホウ素を過剰に添加するとよく、基板の加熱処理時に焼結体から基板にホウ素を十分に供給することが可能となる。 First, a sintered body made of ZrB 2 powder is prepared. The sintered body is filled with a ZrB 2 powder together with a resin binder and the like, and is subjected to pressure by a pressing device to produce a molded body (generated mold body). The molded body may be sintered as it is, but CIP (Cold Iso-static Press) or the like may be applied to the molded body in order to improve the density. Further, in addition to the ZrB 2 powder, boron may be added excessively, and it becomes possible to sufficiently supply boron from the sintered body to the substrate during the heat treatment of the substrate.
焼結は、成型体を円筒形のカーボン治具中にセットし、高周波誘導加熱により温度を上昇させて行う。この際の温度は1900℃程度、時間は10時間程度であればよく、相対密度90%以上の十分な密度を有する焼結体を得ることができる。 Sintering is performed by setting the molded body in a cylindrical carbon jig and raising the temperature by high-frequency induction heating. The temperature at this time may be about 1900 ° C. and the time may be about 10 hours, and a sintered body having a sufficient density of 90% or more can be obtained.
また、焼結法は特に限定されず、ホットプレス法やHIP(Hot Iso-static Press)法等の公知の方法により行うことが可能である。 The sintering method is not particularly limited, and can be performed by a known method such as a hot press method or a HIP (Hot Iso-static Press) method.
続いてZrB2単結晶から成る基板の周囲をZrB2焼結体で覆った状態で熱処理炉内のカーボン治具中に設置する。その後、高周波誘導により加熱する。この際、熱処理炉内はロータリーポンプやターボ分子ポンプ等により真空状態とする。真空度が高ければ基板の表面からのホウ素,ジルコニウムの離脱、また焼結体からのホウ素,ジルコニウムの供給も容易になることから、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を得るまでの時間の短縮、加熱処理温度の低減が可能となる。従って、真空度は100Pa以下で加熱処理することが好ましい。より好ましくは10Pa以下、さらに好ましくは10-3Pa以下であることがよい。100Paより大きい真空度においても原子ステップを形成することは可能性であるが、上記の理由により処理時間の長時間化、より高温での処理が必要となるため、好ましくない。真空度の測定はピラニ真空計等を用いて行うことができる。 Subsequently, the substrate made of a ZrB 2 single crystal is placed in a carbon jig in a heat treatment furnace in a state where the periphery of the substrate is covered with a ZrB 2 sintered body. Then, it heats by high frequency induction. At this time, the heat treatment furnace is evacuated by a rotary pump, a turbo molecular pump, or the like. The higher the degree of vacuum, the easier it will be to remove boron and zirconium from the surface of the substrate and to supply boron and zirconium from the sintered body, so the time required to obtain a clear atomic step and a flat terrace will be shortened. The heat treatment temperature can be reduced. Therefore, it is preferable to heat-process with a vacuum degree of 100 Pa or less. More preferably, it is 10 Pa or less, and more preferably 10 −3 Pa or less. Although it is possible to form atomic steps even at a degree of vacuum higher than 100 Pa, it is not preferable because a longer processing time and higher temperature processing are required for the above reasons. The degree of vacuum can be measured using a Pirani gauge or the like.
加熱処理は十分な真空度に達した後に行う。加熱処理は1500℃以上で行うが、好ましくは1700℃程度がよく、高温であるほど処理に要する時間を短時間化することが可能となる。加熱方法は特に限定されるものではなく、高周波誘導加熱、赤外線加熱、抵抗加熱、マイクロ波加熱等を挙げることができる。また、1500℃より低い温度においても、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を有する表面状態を得ることができる可能性があるが、処理時間が長時間となる。 The heat treatment is performed after reaching a sufficient degree of vacuum. The heat treatment is performed at 1500 ° C. or higher, preferably about 1700 ° C. The higher the temperature, the shorter the time required for the treatment. The heating method is not particularly limited, and examples thereof include high frequency induction heating, infrared heating, resistance heating, and microwave heating. Even at a temperature lower than 1500 ° C., there is a possibility that a surface state having a clear atomic step and a flat terrace portion can be obtained, but the processing time becomes long.
加熱時の温度は熱電対によって測温可能であるが、熱電対によって得られた温度は実際の基板表面の温度とは異なり、また、熱電対の設置位置によっても異なる。従って、加熱処理を行う炉によって明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部が得られる温度は異なる。本発明において、基板の表面温度は、基板の近傍に配置したカーボン治具に接するように設置した熱電対によって測定した温度を表している。 The temperature at the time of heating can be measured by a thermocouple, but the temperature obtained by the thermocouple is different from the actual temperature of the substrate surface, and also differs depending on the installation position of the thermocouple. Therefore, the temperature at which a clear atomic step and a flat terrace portion are obtained varies depending on the furnace in which the heat treatment is performed. In the present invention, the surface temperature of the substrate represents a temperature measured by a thermocouple placed in contact with a carbon jig disposed in the vicinity of the substrate.
加熱処理時間は、1500℃以上の温度である場合、30分以上であれば、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を基板の表面に表出させることが可能である。30分未満では、加熱処理において十分に基板の表面からのホウ素,ジルコニウムの離脱が進行せず、また、基板の表面でマイグレーションが生じるのみで、基板の表面の元素の再構成が十分に行われないため、凹凸の激しい表面荒れが生じる。 When the heat treatment time is 1500 ° C. or higher and the temperature is 30 minutes or longer, a clear atomic step and a flat terrace portion can be exposed on the surface of the substrate. If it is less than 30 minutes, boron and zirconium are not sufficiently detached from the surface of the substrate in the heat treatment, and only the migration occurs on the surface of the substrate, and the elements on the surface of the substrate are sufficiently reconstructed. As a result, the surface becomes extremely rough.
また、これらの加熱処理を行う前にフッ酸水溶液処理を行うことも可能である。これにより、基板の表面に強固に結合している自然酸化膜、例えばZrO2膜をほぼ除去できる。この際、フッ酸水溶液のフッ酸濃度は0.1体積%以上50体積%未満であることが好ましい。0.1体積%未満の濃度では、自然酸化膜を除去することができず、また50体積%以上の濃度では、基板自体のエッチングが進行し、表面荒れを生じる。より好ましくは0.5体積%以上5体積%以下がよく、1体積%程度であれば表面荒れを起こすことなく、基板の表面の自然酸化膜を除去できる。 In addition, a hydrofluoric acid aqueous solution treatment can be performed before the heat treatment. As a result, a natural oxide film, for example, a ZrO 2 film that is firmly bonded to the surface of the substrate can be substantially removed. At this time, the hydrofluoric acid concentration of the hydrofluoric acid aqueous solution is preferably 0.1% by volume or more and less than 50% by volume. If the concentration is less than 0.1% by volume, the natural oxide film cannot be removed. If the concentration is more than 50% by volume, the etching of the substrate itself proceeds to cause surface roughness. More preferably, it is 0.5 volume% or more and 5 volume% or less, and if it is about 1 volume%, the natural oxide film on the surface of the substrate can be removed without causing surface roughness.
さらに、エッチング時間はフッ酸水溶液の濃度により異なるが、1体積%程度の濃度でのエッチングであれば1分間程度で十分自然酸化膜の除去が可能である。 Furthermore, although the etching time varies depending on the concentration of the hydrofluoric acid aqueous solution, if the etching is performed at a concentration of about 1% by volume, the natural oxide film can be sufficiently removed in about 1 minute.
以上のような真空中での加熱処理において真空度、温度および時間を適宜調整することによって、自然酸化膜が除去され、かつ明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を表出させることが可能であり、また、原子ステップ同士のバンチング現象により原子ステップの高さやテラス部の幅を制御することが可能となる。 By appropriately adjusting the degree of vacuum, temperature, and time in the heat treatment as described above, the natural oxide film can be removed and a clear atomic step and a flat terrace portion can be exposed. In addition, the height of the atomic step and the width of the terrace portion can be controlled by the bunching phenomenon between the atomic steps.
その後、窒化ガリウム系化合物半導体の成長を行う。窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては、有機金属気相成長(MOVPE)法が用いられるが、その他に分子線エピタキシー(MBE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、パルスレーザデポジション(PLD)法等が挙げられる。 Thereafter, a gallium nitride compound semiconductor is grown. As a method for growing a gallium nitride compound semiconductor, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is used. In addition, molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), and pulsed laser deposition (PLD). ) Law.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体は、化学式InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)で表されるものであるが、具体的には、窒化ガリウム(GaN),窒化インジウムガリウム(InGaN),窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)等の組成のものをあげることができる。 The gallium nitride-based compound semiconductor of the present invention is represented by the chemical formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Examples include gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), and the like.
また、窒化ガリウム系化合物半導体は、p型、n型または半絶縁性として、導電型や導電性の制御を行っても良い。その場合、例えばp型ドーパントとしてはマグネシウム(Mg),亜鉛(Zn),硼素(B)、n型ドーパントとしてはシリコン(Si),ゲルマニウム(Ge)を挙げることができる。 Further, the gallium nitride compound semiconductor may be p-type, n-type, or semi-insulating, and the conductivity type or conductivity may be controlled. In this case, for example, magnesium (Mg), zinc (Zn), boron (B) can be used as the p-type dopant, and silicon (Si) or germanium (Ge) can be used as the n-type dopant.
基板の加熱処理と窒化ガリウム系化合物半導体の成長は同一の成膜装置内で行うことが好ましい。同一の成膜装置内で行うことによって、基板の表面と窒化ガリウム系化合物半導体との間の界面に自然酸化膜がなく、また、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を表面に有する基板を得ることができる。従って、二硼化物単結晶がもつ本来の格子定数、熱膨張係数を反映させて、窒化ガリウム系化合物半導体を成長でき、転位密度が小さく結晶性の高い窒化ガリウム系化合物半導体を得ることが可能となる。 The heat treatment of the substrate and the growth of the gallium nitride compound semiconductor are preferably performed in the same film formation apparatus. By performing in the same film formation apparatus, a substrate having no natural oxide film at the interface between the surface of the substrate and the gallium nitride compound semiconductor and having a clear atomic step and a flat terrace portion on the surface is obtained. be able to. Therefore, it is possible to grow a gallium nitride compound semiconductor reflecting the original lattice constant and thermal expansion coefficient of the diboride single crystal, and to obtain a gallium nitride compound semiconductor having a low dislocation density and high crystallinity. Become.
以上のような基板の真空中での加熱処理と、その後の窒化ガリウム系化合物半導体の成長は、連続的に同一チャンバー内で行われることが基板の表面の再酸化を防ぐ点で好ましいが、真空加熱処理と窒化ガリウム系化合物半導体の成長用チャンバーが別々でもロードロック等により連結されていればよい。また、真空加熱処理と成長用チャンバーは全く別であっても、加熱処理炉は例えばN2雰囲気ガスのグローブボックス内に設置されていればよく、加熱炉から取り出したとしてもN2雰囲気であり大気に暴露されることなく、グローブボックスを介して成長用チャンバーに加熱処理後の基板を設置できる。 The above-described heat treatment of the substrate in vacuum and subsequent growth of the gallium nitride compound semiconductor are preferably performed continuously in the same chamber from the viewpoint of preventing reoxidation of the substrate surface. It is only necessary that the heat treatment and the growth chamber for the gallium nitride compound semiconductor are connected separately by a load lock or the like. Also, the growth chamber and the vacuum heat treatment is a completely different heat treatment furnace need only be placed in a glove box, for example, N 2 atmosphere gas, also be a N 2 atmosphere as taken out of the furnace The substrate after the heat treatment can be placed in the growth chamber through the glove box without being exposed to the atmosphere.
以上のように、成膜装置内において二硼化物単結晶から成る基板に真空中での加熱処理を施すことによって、自然酸化膜を除去するとともに基板の表面に原子ステップ構造を表出させる工程と、引続き成膜装置内において、基板の表面が大気に触れない状態で窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程を具備することによって、二硼化物単結晶が有する、窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数差及び熱膨張差が小さいという特性を十分に反映させて、窒化ガリウム系化合物半導体を形成できる。その結果、転位密度が低く、残留応力の小さい、特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。 As described above, the process of removing the natural oxide film and exposing the atomic step structure on the surface of the substrate by subjecting the substrate made of the diboride single crystal to the heat treatment in vacuum in the film forming apparatus. Then, in the film-forming apparatus, a step of growing a gallium nitride compound semiconductor in a state where the surface of the substrate is not exposed to the atmosphere, thereby having a lattice constant with the gallium nitride compound semiconductor that the diboride single crystal has A gallium nitride compound semiconductor can be formed by sufficiently reflecting the characteristic that the difference and the difference in thermal expansion are small. As a result, a gallium nitride compound semiconductor having a low dislocation density, a small residual stress, and excellent characteristics can be obtained.
また、真空加熱処理と成長装置が別々に設置されており、基板の加熱処理後に一旦大気に暴露し、成長装置に基板を設置する場合においても、基板の表面には明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部が表出しており、また、基板の表面の組成は化学量論組成となっており、化学的に安定である。そのため、加熱処理を施していない基板の表面と比較して酸化が進行しにくい。従って、加熱処理を行った基板の方が基板の表面の自然酸化膜の影響を受けにくい状態で窒化ガリウム系化合物半導体を成長することができる。 Also, the vacuum heat treatment and the growth apparatus are installed separately. Even when the substrate is exposed to the atmosphere after the heat treatment of the substrate and the substrate is installed in the growth apparatus, a clear atomic step and a flat surface are formed on the surface of the substrate. A terrace portion is exposed, and the composition of the surface of the substrate is a stoichiometric composition, which is chemically stable. Therefore, the oxidation does not easily proceed as compared with the surface of the substrate that has not been subjected to the heat treatment. Therefore, the gallium nitride compound semiconductor can be grown in a state where the heat-treated substrate is less affected by the natural oxide film on the surface of the substrate.
さらに、窒化ガリウム系化合物半導体上に発光層や2次元電子ガス層を形成する構成とし、発光素子や電子素子とすることができる。 Further, a light emitting layer or a two-dimensional electron gas layer is formed on the gallium nitride-based compound semiconductor, whereby a light emitting element or an electronic element can be obtained.
窒化ガリウム系化合物半導体が発光素子を構成するものである場合、図4に示すように、その窒化ガリウム系化合物半導体3の構成は以下のようになる。
When the gallium nitride compound semiconductor constitutes a light emitting element, as shown in FIG. 4, the gallium
即ち、二硼化物単結晶から成る基板1上にGaN等から成るバッファ層2を介して窒化ガリウム系化合物半導体層3が形成されている。なお、バッファ層2は省くことができる。例えば窒化ガリウム系化合物半導体3は、化学式Ga1-x1-y1Iny1Alx1N(ただし、0≦x1+y1≦1、x1≧0、y1≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3aと、化学式Ga1-x2-y2Iny2Alx2N(ただし、0≦x2+y2≦1、x2≧0、y2≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3cとの間に、化学式Ga1-x3-y3Iny3Alx3N(ただし、0≦x3+y3≦1、x3≧0、y3≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層3bが挟まれて接合されている構成(ただし、(x3,y1,y2)<(x1,x2),(x3,y1,y2)≦y3とする。)である。
That is, a gallium nitride
また、例えば第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3cは、それぞれp型窒化ガリウム系化合物半導体層及びn型窒化ガリウム系化合物半導体層である。窒化ガリウム系化合物半導体をp型半導体とするには、元素周期律表において2族の元素であるマグネシウム(Mg)等をドーパントとして、窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、窒化ガリウム系化合物半導体をn型半導体とするには、元素周期律表において4族の元素であるシリコン(Si)等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
For example, the first conductive gallium nitride
また、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3cは、両方ともアルミニウム(Al)を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとし、いずれも発光層3bに含まれるアルミニウムよりもその含有量を多くすることがよい。このようにすると、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a,3cの禁制帯幅が両方とも発光層3bの禁制帯幅よりも大きくなるので、発光層3bに電子と正孔とを閉じ込めて、これら電子と正孔を効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。また、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a,3cは、アルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体からなることにより、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a,3cにおける禁制帯幅が比較的大きくなり、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a,3cにおける紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。なお、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a,3cは、いずれか一方がアルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体からなっていてもよい。
The first conductivity type gallium nitride
なお、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3bはそれぞれn型窒化ガリウム系化合物半導体層及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層としても構わない。
The first conductive gallium nitride
また、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3a及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層3cにはそれぞれ、発光層3bに電流を注入するための導電層(電極)4,5を形成する。これにより、LEDや半導体レーザ(LD)等の発光素子が形成される。
Conductive layers (electrodes) 4 and 5 for injecting current into the
また、発光層3bを成す窒化ガリウム系化合物半導体の組成は、所望の発光波長が得られる適当なものに設定すればよい。例えば、発光層3bを、アルミニウムもインジウムも含まないGaNからなるものとすれば、禁制帯幅は約3.4エレクトロンボルト(eV)となり、約365ナノメートル(nm)の発光波長である紫外光によって発光層3bを発光させることができる。また、これよりも発光波長を短波長とする場合、発光層3bは、禁制帯幅を大きくする元素であるアルミニウムを発光波長に応じて設定される量だけ含ませた窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとすればよい。
Further, the composition of the gallium nitride compound semiconductor forming the
また、発光層3bに禁制帯幅を小さくする元素であるインジウム(In)を含有させてもよく、所望の発光波長となるようにアルミニウムをより多く含有させる等して、アルミニウム,インジウム及びガリウムの組成比を適宜設定すればよい。また、発光層3bは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造(MQW:Multi Quantum Well)としてもよい。
In addition, the
このような発光素子は次のように動作する。即ち、発光層3bを含む窒化ガリウム系化合物半導体3にバイアス電流を流して、発光層3bで波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光を取り出すように動作する。
Such a light emitting device operates as follows. That is, by applying a bias current to the gallium
発光素子は、CD,DVD等の光記録媒体の光ピックアップ用の光源としての半導体レーザに適用できるものであり、波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光や紫光を用いることにより、高記録密度で長時間の記録・再生が可能な光記録媒体を製造、使用することができる。このような光ピックアップは、周知の構成のものでよく、例えば、発光素子と、発光素子から発光した光の光軸上に設置されたビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ,プリズム,反射鏡,回折格子,スリット,集光レンズ等とを組み合わせることにより、容易に構成することができる。 The light-emitting element can be applied to a semiconductor laser as a light source for an optical pickup of an optical recording medium such as a CD and a DVD, and high recording is achieved by using ultraviolet light to near ultraviolet light having a wavelength of about 350 to 400 nm or purple light. An optical recording medium capable of recording / reproducing for a long time with a density can be manufactured and used. Such an optical pickup may have a well-known configuration, for example, a light emitting element and a beam splitter, a polarizing beam splitter, a prism, a reflecting mirror, a diffraction grating, and the like installed on the optical axis of light emitted from the light emitting element It can be easily configured by combining a slit, a condensing lens, and the like.
また、発光素子は照明装置に利用できるものであり、その照明装置は、発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。 The light-emitting element can be used for a lighting device, and the lighting device includes a light-emitting element and at least one of a phosphor and a phosphor that emit light by receiving light emitted from the light-emitting element. is there. With this configuration, a lighting device with high luminance and illuminance can be obtained. The lighting device may be configured so that the light emitting element is covered or encapsulated with a transparent resin or the like, and a phosphor or phosphor is mixed in the transparent resin or the like. ~ Near ultraviolet light can be converted into white light or the like. In addition, a light reflecting member such as a concave mirror can be provided in a transparent resin or the like in order to improve the light collecting property. Such an illuminating device consumes less power than a conventional fluorescent lamp or the like, and is small in size. Therefore, the illuminating device is effective as a small and high-luminance lighting device.
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の基板の表面処理方法の実施例について以下に説明する。 Examples of the substrate surface treatment method of the present invention will be described below.
本実施例1では、二硼化物単結晶から成る基板として、結晶のC面が表面に露出している(0001)面を窒化ガリウム系化合物半導体の成長面とするZrB2基板を用いた。このZrB2基板上にはZrO2からなる自然酸化膜が形成されていることがX線光電子分光法(XPS)により確認できた。 In Example 1, a ZrB 2 substrate having a (0001) plane with the C-plane of the crystal exposed on the surface as a growth surface of the gallium nitride compound semiconductor was used as the substrate made of a diboride single crystal. It was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) that a natural oxide film made of ZrO 2 was formed on the ZrB 2 substrate.
また、原子間力顕微鏡(AFM)によって基板の表面を観察したところ、図1と同様に原子ステップは確認できるが原子ステップの形状が平面視で湾曲しており、全体的に乱れた原子ステップとなっていた。また、テラス部に凹凸が見られた。 Further, when the surface of the substrate was observed with an atomic force microscope (AFM), the atomic step can be confirmed as in FIG. 1, but the shape of the atomic step is curved in plan view, It was. In addition, irregularities were seen on the terrace.
この基板をカーボンの台上に載せ、円筒形のカーボン治具中に設置した。その際、熱電対はカーボン治具に接するように配置した。これらは、石英からなるチャンバー内に設置されており、外部からの高周波誘導により加熱される。 This substrate was placed on a carbon table and placed in a cylindrical carbon jig. At that time, the thermocouple was placed in contact with the carbon jig. These are installed in a chamber made of quartz and heated by high frequency induction from the outside.
チャンバーを収めた加熱炉は、ロータリーポンプとターボ分子ポンプにより7×10-4Paの真空度に保ち加熱した。1700℃で3時間加熱した後、炉冷した。 The heating furnace containing the chamber was heated with a rotary pump and a turbo molecular pump at a vacuum of 7 × 10 −4 Pa. After heating at 1700 ° C. for 3 hours, the furnace was cooled.
加熱処理後の基板について、加熱炉内より取り出した後に、AFMにより表面観察を行った。図2は観察した基板の表面状態を示すものであるが、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を呈することが分かる。原子ステップの形状は直線状であり、全体的に乱れておらず、テラス部も凹凸がなく平坦である。また、原子ステップの高さは1原子の高さに対応していた。 About the board | substrate after heat processing, after taking out from the inside of a heating furnace, surface observation was performed by AFM. FIG. 2 shows the observed surface state of the substrate, and it can be seen that it exhibits clear atomic steps and a flat terrace. The shape of the atomic step is a straight line and is not disturbed as a whole, and the terrace portion is flat with no irregularities. The height of the atomic step corresponds to the height of one atom.
以上より、基板に真空中での加熱処理を施すことにより、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を表出させることが確認できた。 From the above, it was confirmed that a clear atomic step and a flat terrace portion were exposed by performing a heat treatment in a vacuum on the substrate.
本実施例2においても、二硼化物単結晶から成る基板として、結晶のC面が表面に露出している(0001)面を窒化ガリウム系化合物半導体の成長面とするZrB2基板を用いた。このZrB2基板上にはZrO2からなる自然酸化膜が形成されていることがX線光電子分光法(XPS)により確認できた。 Also in Example 2, a ZrB 2 substrate having a (0001) plane with the C-plane of the crystal exposed on the surface as the growth surface of the gallium nitride compound semiconductor was used as the substrate made of a diboride single crystal. It was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) that a natural oxide film made of ZrO 2 was formed on the ZrB 2 substrate.
この基板の周囲をまずZrB2焼結体で覆い、基板と焼結体をカーボン治具中に配置し、真空中での加熱処理を行った以外は実施例1と同様の条件で加熱処理を行った。 The substrate was first covered with a ZrB 2 sintered body, the substrate and the sintered body were placed in a carbon jig, and heat treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that heat treatment was performed in a vacuum. went.
加熱処理後の基板について、炉内より取り出した後に、AFMにより表面観察を行った。図3は、1700℃で3時間加熱処理した基板の表面を観察したものであるが、基板の表面には明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部が形成されていた。図3は図2とは異なり、10μm四方の領域の表面状態を示す。実施例1と異なりテラス部の幅が広がり、原子ステップの高さが4原子の高さに相当し、原子ステップがバンチングしていた。焼結体によって基板の周囲を覆い真空中で加熱処理を行うことにより、焼結体からのホウ素,ジルコニウムの供給があり、基板の表面の再構成が促進され、バンチングが生じたものと思われる。 About the board | substrate after heat processing, after taking out from the inside of a furnace, surface observation was performed by AFM. FIG. 3 shows an observation of the surface of a substrate heated at 1700 ° C. for 3 hours. A clear atomic step and a flat terrace portion were formed on the surface of the substrate. FIG. 3 is different from FIG. 2 and shows the surface state of a 10 μm square region. Unlike Example 1, the width of the terrace portion was widened, the height of the atomic step was equivalent to the height of 4 atoms, and the atomic step was bunched. By covering the periphery of the substrate with the sintered body and performing heat treatment in a vacuum, there is a supply of boron and zirconium from the sintered body, which promotes the reconstruction of the surface of the substrate and seems to have caused bunching. .
実施例1,2のような実験を、加熱温度、時間、真空度を種々変化させて行ったところ、1500℃以上の加熱温度、30分以上の加熱時間、100Pa以下の真空度の条件の範囲で、図2,図3に示すような、明瞭な原子ステップ及び平坦なテラス部を有する表面状態を得ることが可能であった。上記以外の条件では、原子ステップ構造が見られず、表面荒れが生じたり、原子ステップが観察できても原子ステップの直線性が劣り、蛇行部分が見られたりと不完全な表面状態であった。 Experiments as in Examples 1 and 2 were conducted with various changes in heating temperature, time, and degree of vacuum. When the heating temperature was 1500 ° C. or higher, the heating time was 30 minutes or longer, and the vacuum range was 100 Pa or lower. Thus, it was possible to obtain a surface state having a clear atomic step and a flat terrace as shown in FIGS. Under the conditions other than the above, the atomic step structure was not observed, the surface was roughened, the atomic step was inferior in linearity even if the atomic step could be observed, and the meandering portion was observed, and the surface state was incomplete. .
1:基板
2:バッファ層
3:窒化ガリウム系化合物半導体
3a:第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
3b:発光層
3c:第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
4:導電層
5:導電層
1: Substrate 2: Buffer layer 3: Gallium
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