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JP2022132823A - Semiconductor substrate, and method for producing semiconductor substrate - Google Patents

Semiconductor substrate, and method for producing semiconductor substrate Download PDF

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JP2022132823A
JP2022132823A JP2021031504A JP2021031504A JP2022132823A JP 2022132823 A JP2022132823 A JP 2022132823A JP 2021031504 A JP2021031504 A JP 2021031504A JP 2021031504 A JP2021031504 A JP 2021031504A JP 2022132823 A JP2022132823 A JP 2022132823A
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gallium nitride
nitride single
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buffer layer
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和弘 八木橋
Kazuhiro Yagihashi
晋也 秋山
Shinya Akiyama
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Dexerials Corp
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Dexerials Corp
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Abstract

To improve the crystallinity of a gallium nitride single crystal.SOLUTION: A semiconductor substrate 100 has a sapphire substrate 110 composed of a sapphire single crystal, a buffer layer 120 provided on the sapphire substrate 110, and a gallium nitride single crystal layer 130 that is provided on the buffer layer 120 and is composed of a gallium nitride single crystal. The buffer layer 120 is an alterated layer formed on the surface of the sapphire substrate 110 on the gallium nitride single crystal layer 130 side, the crystal structure of the sapphire single crystal has been turned into a spinel-type crystal structure of a specific metal oxide. The buffer layer 120 has a thickness of 10 nm or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体基板、および、半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate and a method for manufacturing a semiconductor substrate.

窒化ガリウム(GaN)は、発光ダイオード、半導体レーザ、または、高耐圧・高周波電源用トランジスタ等を構成する半導体材料として注目されている。 Gallium nitride (GaN) is attracting attention as a semiconductor material that constitutes light-emitting diodes, semiconductor lasers, high-voltage, high-frequency power supply transistors, and the like.

窒化ガリウムをサファイア基板等の上に単結晶薄膜として成膜させる場合、一般的には、ハイドライド気相エピタキシャル成長法、および、有機金属気相成長法等の気相成長法が用いられる。ハイドライド気相エピタキシャル成長法では、アンモニアガスおよび塩化ガリウム蒸気を基板上において反応させる。 When gallium nitride is deposited as a single crystal thin film on a sapphire substrate or the like, vapor phase growth methods such as hydride vapor phase epitaxial growth method and metalorganic vapor phase growth method are generally used. In the hydride vapor phase epitaxial growth method, ammonia gas and gallium chloride vapor are reacted on the substrate.

このような気相成長法では、サファイア等の異種材料で形成された基板上に窒化ガリウム結晶を成長させる。このため、基板と窒化ガリウムとの熱膨張係数の差、または、格子不整合を緩和するために、基板と窒化ガリウム結晶との間にバッファ層を設ける技術が知られている(例えば、特許文献1、2)。 In such a vapor deposition method, a gallium nitride crystal is grown on a substrate made of a different material such as sapphire. For this reason, there is known a technique of providing a buffer layer between the substrate and the gallium nitride crystal in order to alleviate the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the gallium nitride or the lattice mismatch (see, for example, Patent Documents 1, 2).

しかし、上記特許文献1、2に開示される技術を採用した場合でも、気相成長によって合成された窒化ガリウム結晶には、結晶欠陥が多数存在するため、デバイスに組み込んだ際に目的の特性を得ることが難しかった。また、気相成長法では、窒素源として高い反応性を有するアンモニアガスを用いるため、有害ガスの除去設備が必要となり、かつ製造工程及び製造装置が複雑化しやすく、製造コストが高くなってしまう。 However, even when the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 are adopted, the gallium nitride crystal synthesized by vapor growth has many crystal defects, so that the desired characteristics cannot be achieved when incorporated into a device. was difficult to obtain. In addition, since the vapor phase growth method uses highly reactive ammonia gas as a nitrogen source, equipment for removing harmful gases is required, and the manufacturing process and manufacturing equipment are likely to be complicated, resulting in high manufacturing costs.

そこで、結晶欠陥が発生しにくい窒化ガリウム結晶の製造方法として、液相成長を用いて窒化ガリウム結晶を製造する方法が検討されている(例えば、特許文献3)。このような方法では、液相からの結晶析出によって窒化ガリウム結晶を階段状に層状成長させることができるため、格子不整合が発生しにくく、窒化ガリウム結晶における結晶欠陥の発生を抑制することができると言われている。 Therefore, as a method for producing a gallium nitride crystal in which crystal defects are less likely to occur, a method for producing a gallium nitride crystal using liquid phase epitaxy has been studied (for example, Patent Document 3). In such a method, the gallium nitride crystal can be grown stepwise in layers by crystal precipitation from the liquid phase, so lattice mismatch is less likely to occur, and the occurrence of crystal defects in the gallium nitride crystal can be suppressed. It is said.

特開平8-310900号公報JP-A-8-310900 特開2000-269605号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-269605 特開2019-151542号公報JP 2019-151542 A

しかし、特許文献3に開示される技術を採用した場合でも、結晶性が十分に改善された窒化ガリウム単結晶を形成することは依然として困難であった。 However, even when the technique disclosed in Patent Document 3 is employed, it is still difficult to form a gallium nitride single crystal with sufficiently improved crystallinity.

本発明は、このような課題に鑑み、窒化ガリウム単結晶の結晶性をより改善することを目的とする。 In view of such problems, an object of the present invention is to further improve the crystallinity of gallium nitride single crystals.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、サファイア単結晶で構成されるサファイア基板と、サファイア基板の上に設けられる緩衝層と、緩衝層の上に設けられ、窒化ガリウム単結晶で構成される窒化ガリウム単結晶層と、を備え、緩衝層は、サファイア基板のうち窒化ガリウム単結晶層側の表面に形成された変質層であり、サファイア単結晶の結晶構造が特定の金属酸化物のスピネル型結晶構造に変換されたものであり、緩衝層の厚さは、10nm以上である、半導体基板が提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a sapphire substrate composed of a sapphire single crystal, a buffer layer provided on the sapphire substrate, a gallium nitride single layer provided on the buffer layer, a gallium nitride single crystal layer composed of crystals, wherein the buffer layer is an altered layer formed on the surface of the sapphire substrate on the gallium nitride single crystal layer side, and the crystal structure of the sapphire single crystal is a specific metal Provided is a semiconductor substrate converted to an oxide spinel crystal structure, wherein the thickness of the buffer layer is greater than or equal to 10 nm.

また、サファイア基板を構成するサファイア単結晶の(0001)面と、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の(111)面と、窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面とが略平行であってもよい。 In addition, the (0001) plane of the sapphire single crystal constituting the sapphire substrate, the (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure constituting the buffer layer, and the gallium nitride single crystal layer The (0001) plane of the gallium nitride single crystal may be substantially parallel.

また、サファイア基板を構成するサファイア単結晶の(0001)面における[1-100]軸と、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の(111)面における[1-10]軸と、窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[11-20]軸とが略平行であってもよい。 In addition, the [1-100] axis on the (0001) plane of the sapphire single crystal constituting the sapphire substrate and the [1 −10] axis and the [11-20] axis of the (0001) plane of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer may be substantially parallel.

また、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiの1/(2√2)倍は、サファイア基板を構成するサファイア単結晶の格子定数asapの1/√3倍と、窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶の格子定数aganとの間の値であってもよい。 In addition, 1/(2√2) times the lattice constant a spi of the crystal layer of the specific metal oxide with the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer is the lattice constant a sap of the sapphire single crystal that constitutes the sapphire substrate. It may be a value between 1/√3 and the lattice constant a gan of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer.

また、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiは、8.050~8.338Åであってもよい。 Further, the lattice constant a spi of the crystal layer of the specific metal oxide having a spinel crystal structure that constitutes the buffer layer may be 8.050 to 8.338 Å.

また、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸の方位バラツキは、6°未満であってもよい。 In addition, the orientation variation of the [111] axis normal to the (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure forming the buffer layer may be less than 6°.

また、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層と、窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶との間の格子不整合量の絶対値は、10.8%未満であってもよい。 Further, the absolute value of the lattice mismatch amount between the crystal layer of the specific metal oxide having the spinel crystal structure forming the buffer layer and the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer is 10.8. may be less than %.

また、特定の金属酸化物は、化学式ABで表される複酸化物であり、Aは、Mg、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、および、Znからなる群から選択される+2価の金属原子であり、Bは、AlおよびGaのいずれか一方または両方の+3価の金属原子であってもよい。 Also, the specific metal oxide is a composite oxide represented by the chemical formula AB 2 O 4 , where A is +2 selected from the group consisting of Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, and Zn. is a valent metal atom, and B may be a +3 valent metal atom of either or both of Al and Ga.

また、特定の金属酸化物は、MgAl、MgGa、MnAlおよびMnGaからなる群から選択される1種または2種以上の複酸化物を含んでもよい。 Also, the specific metal oxide may contain one or more complex oxides selected from the group consisting of MgAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , MnAl 2 O 4 and MnGa 2 O 4 .

また、緩衝層は、特定の金属酸化物に含まれる、Al以外の特定の金属原子を、合計1at%以上含んでもよい。 Also, the buffer layer may contain a total of 1 at % or more of specific metal atoms other than Al contained in the specific metal oxide.

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料を含む反応材料を、窒素雰囲気下で溶融して融液を得る工程と、融液にサファイア基板を浸漬する工程と、融液にサファイア基板を浸漬した状態で、700℃~1000℃に20時間以上保持する工程と、を含み、特定の金属材料は、スピネル型結晶構造を採る特定の金属自体、または、特定の金属の化合物である、半導体基板の製造方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, a step of melting a reaction material containing metallic gallium, iron nitride, and a specific metallic material in a nitrogen atmosphere to obtain a melt; immersing the sapphire substrate in the melt; and holding the sapphire substrate immersed in the melt at 700° C. to 1000° C. for 20 hours or more. A method for manufacturing a semiconductor substrate is provided, which may be a specific metal itself or a compound of a specific metal.

また、特定の金属の酸化物の膜をサファイア基板の表面に成膜する工程をさらに含み、浸漬する工程では、特定の金属の酸化物の膜が成膜されたサファイア基板を融液に浸漬してもよい。 The method further includes the step of forming a film of the oxide of the specific metal on the surface of the sapphire substrate, and the step of immersing the sapphire substrate on which the film of the oxide of the specific metal is formed is immersed in the melt. may

本発明によれば、窒化ガリウム単結晶の結晶性をより改善することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to further improve the crystallinity of gallium nitride single crystals.

本発明の一実施形態に係る半導体基板を厚み方向に切断した断面構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a semiconductor substrate cut in a thickness direction according to an embodiment of the present invention; FIG. 同実施形態に係る窒化ガリウム単結晶膜のチルトを評価するためのX線回折の測定方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction measurement method for evaluating the tilt of the gallium nitride single crystal film according to the same embodiment. 同実施形態に係る窒化ガリウム単結晶膜のツイストを評価するためのX線回折の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of the X-ray diffraction for evaluating the twist of the gallium nitride single crystal film which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るサファイア基板を構成するサファイア単結晶および窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶の結晶軸の方位について説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the crystal axis orientation of a sapphire single crystal forming a sapphire substrate and a gallium nitride single crystal forming a gallium nitride single crystal layer according to the same embodiment. 同実施形態に係る緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の結晶軸の方位について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the orientation of the crystal axis of a crystal layer of a metal oxide having a spinel crystal structure that constitutes the buffer layer according to the same embodiment. 同実施形態に係るサファイア基板を構成するサファイア単結晶、緩衝層を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶層を構成する窒化ガリウム単結晶の結晶軸の方位について説明する図である。The sapphire single crystal constituting the sapphire substrate according to the embodiment, the metal oxide crystal layer having a spinel crystal structure constituting the buffer layer, and the crystal axis orientation of the gallium nitride single crystal constituting the gallium nitride single crystal layer It is a figure explaining about. 同実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造に用いる反応装置の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a reactor used for producing gallium nitride single crystals according to the same embodiment. 同実施形態に係る半導体基板の製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining the flow of processing of a manufacturing method of a semiconductor substrate concerning the embodiment. 実施例1に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板の断面TEM観察における明視野像である。1 is a bright-field image of a cross-sectional TEM observation of a sapphire substrate on which a buffer layer and a gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 1. FIG. 実施例1に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板について、入射角0.25°の場合と、入射角0.8°の場合とのインプレーンの広角2θχ-φ測定結果を示す図である。Results of in-plane wide-angle 2θχ-φ measurement at an incident angle of 0.25° and an incident angle of 0.8° for the sapphire substrate on which the buffer layer and the gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 1. It is a figure which shows. 実施例1に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板について、アウトオブプレーンの広角の2θ-ω測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing out-of-plane wide-angle 2θ-ω measurement results for a sapphire substrate having a buffer layer and a gallium nitride single crystal layer stacked thereon according to Example 1; 実施例1に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板に対し、窒素、酸素、マグネシウム、アルミニウム、および、ガリウムの各元素についてライン分析した結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the results of line analysis of each element of nitrogen, oxygen, magnesium, aluminum, and gallium on the sapphire substrate on which the buffer layer and the gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 1; 実施例2に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板の断面TEM観察における明視野像である。FIG. 10 is a bright-field image of a cross-sectional TEM observation of a sapphire substrate on which a buffer layer and a gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 2. FIG. 実施例3に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板の断面TEM観察における明視野像である。10 is a bright-field image of a cross-sectional TEM observation of a sapphire substrate on which a buffer layer and a gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 3. FIG. 実施例4に係る、緩衝層および窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板の逆格子マップ測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing reciprocal lattice map measurement results of a sapphire substrate on which a buffer layer and a gallium nitride single crystal layer are laminated according to Example 4;

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in these embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are given the same reference numerals to omit redundant description, and elements that are not directly related to the present invention are omitted from the drawings. do.

なお、以下の説明において参照する各図面では、説明の便宜上、一部の構成部材の大きさを誇張して表現している場合がある。したがって、各図面において図示される構成部材同士の相対的な大きさは、必ずしも実際の構成部材同士の大小関係を正確に表現するものではない。 In addition, in each drawing referred to in the following description, for convenience of description, the size of some of the constituent members may be exaggerated. Therefore, the relative sizes of the constituent members illustrated in each drawing do not necessarily accurately represent the actual size relationship between the constituent members.

[半導体基板100]
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体基板100を厚み方向に切断した断面構成を示す断面図である。図1に示すように、半導体基板100は、サファイア基板110と、緩衝層120と、窒化ガリウム単結晶層130とを備える。
[Semiconductor substrate 100]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a semiconductor substrate 100 cut in the thickness direction according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 100 includes a sapphire substrate 110, a buffer layer 120, and a gallium nitride single crystal layer .

サファイア基板110は、例えば、サファイア単結晶(単結晶サファイア)で構成される板状の支持体である。サファイア単結晶は、α-アルミナ(α-Al)で構成されるコランダム構造の結晶体である。サファイア単結晶は、優れた機械的特性および熱的特性、化学的安定性、ならびに、光透過性を有する。このため、サファイア基板110は、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ、または、高耐圧・高周波電源用トランジスタ等を製造するための基板として用いられる。サファイア基板110の厚みは、例えば、0.4mm程度である。 The sapphire substrate 110 is, for example, a plate-like support made of single crystal sapphire (single crystal sapphire). A sapphire single crystal is a crystal with a corundum structure composed of α-alumina (α-Al 2 O 3 ). Sapphire single crystals have excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and optical transparency. Therefore, the sapphire substrate 110 is used as a substrate for manufacturing, for example, a light-emitting diode, a semiconductor laser, or a transistor for high-voltage/high-frequency power supply. The thickness of the sapphire substrate 110 is, for example, approximately 0.4 mm.

緩衝層120は、サファイア基板110の上に直接設けられる。緩衝層120は、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の表面(c面)に形成された変質層である。緩衝層120は、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の結晶構造が、特定の金属酸化物のスピネル型結晶構造に変換されたものである。緩衝層120は、スピネル型結晶構造の金属酸化物の微結晶で構成される結晶層であり、それぞれの微結晶の方位が[111]に略配向している。微結晶には[111]に略配向を維持しつつ、緩衝層120の面内で30°回転した双晶が存在してもよい。 A buffer layer 120 is provided directly on the sapphire substrate 110 . The buffer layer 120 is an altered layer formed on the surface (c-plane) of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 . The buffer layer 120 is obtained by converting the crystal structure of the sapphire single crystal that constitutes the sapphire substrate 110 into the spinel crystal structure of a specific metal oxide. The buffer layer 120 is a crystal layer composed of metal oxide microcrystals having a spinel crystal structure, and the orientation of each microcrystal is substantially oriented in [111]. The microcrystals may have twin crystals rotated by 30° in the plane of the buffer layer 120 while maintaining the substantially [111] orientation.

特定の金属酸化物は、化学式ABで表される複酸化物であることが好ましい。上記Aは、Mg、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、および、Znからなる群から選択される+2価の金属原子である。また、上記Bは、AlおよびGaのいずれか一方または両方の+3価の金属原子である。特定の金属酸化物は、例えば、MgAl、MgGa、MnAlおよびMnGaからなる群から選択される1種または2種以上の複酸化物を含むことが好ましい。これにより、緩衝層120に適したスピネル型結晶構造を実現でき、緩衝層120による緩衝機能を好適に発揮できる。 The specific metal oxide is preferably a multiple oxide represented by the chemical formula AB 2 O 4 . A is a +2 valent metal atom selected from the group consisting of Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, and Zn. In addition, the above B is a +3 valent metal atom of either one or both of Al and Ga. The specific metal oxide preferably contains, for example, one or more complex oxides selected from the group consisting of MgAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , MnAl 2 O 4 and MnGa 2 O 4 . Thereby, a spinel-type crystal structure suitable for the buffer layer 120 can be realized, and the buffer function of the buffer layer 120 can be preferably exhibited.

窒化ガリウム単結晶層130は、緩衝層120の上に設けられる。本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶層130は、鉄(Fe)原子と、マグネシウム(Mg)原子またはマンガン原子(Mn)とがドープされた窒化ガリウム単結晶で構成される。つまり、窒化ガリウム単結晶層130は、鉄原子と、マグネシウム原子またはマンガン原子とがドープされた窒化ガリウムの単結晶膜として緩衝層120の上に積層される。例えば、緩衝層120が設けられたサファイア基板110上に窒化ガリウム単結晶をエピタキシャル成長させることにより、窒化ガリウム単結晶からなる窒化ガリウム単結晶層130が、緩衝層120を介してサファイア基板110上に設けられる。窒化ガリウム単結晶層130の厚みは、例えば、数μm程度である。ここで、窒化ガリウム単結晶層130は、初期成長層として、結晶方位のズレや不純物粒界がある微結晶層があってもよい。層内の一部でも一様な単結晶層が確認できれば単結晶層と表現している。 A gallium nitride single crystal layer 130 is provided on the buffer layer 120 . The gallium nitride single crystal layer 130 according to this embodiment is composed of a gallium nitride single crystal doped with iron (Fe) atoms and magnesium (Mg) atoms or manganese atoms (Mn). That is, the gallium nitride single crystal layer 130 is stacked on the buffer layer 120 as a single crystal film of gallium nitride doped with iron atoms and magnesium atoms or manganese atoms. For example, by epitaxially growing a gallium nitride single crystal on the sapphire substrate 110 provided with the buffer layer 120, a gallium nitride single crystal layer 130 made of gallium nitride single crystal is provided on the sapphire substrate 110 with the buffer layer 120 interposed therebetween. be done. The thickness of the gallium nitride single crystal layer 130 is, for example, about several μm. Here, the gallium nitride single crystal layer 130 may have a microcrystalline layer with crystal orientation deviation or impurity grain boundaries as an initial growth layer. If a uniform single crystal layer can be confirmed even in part of the layer, it is expressed as a single crystal layer.

なお、窒化ガリウム単結晶層130は、緩衝層120の上に複数層設けられていてもよい。すなわち、窒化ガリウム単結晶層130は、緩衝層120の上に2層以上積層されていてもよい。窒化ガリウム単結晶層130の積層数の上限に限定はないが、窒化ガリウム単結晶層130の積層数が多すぎると、半導体基板100が窒化ガリウム単結晶層130の積層方向に反るおそれがある。このため、窒化ガリウム単結晶層130の積層数の上限は、例えば、10層である。 A plurality of gallium nitride single crystal layers 130 may be provided on the buffer layer 120 . In other words, the gallium nitride single crystal layer 130 may be laminated in two or more layers on the buffer layer 120 . Although there is no upper limit to the number of gallium nitride single crystal layers 130 to be stacked, if the number of gallium nitride single crystal layers 130 to be stacked is too large, the semiconductor substrate 100 may warp in the stacking direction of the gallium nitride single crystal layers 130 . . Therefore, the upper limit of the number of gallium nitride single crystal layers 130 to be stacked is, for example, 10 layers.

[サファイア基板110、緩衝層120、および、窒化ガリウム単結晶層130の特性]
続いて、本実施形態に係る半導体基板100を構成するサファイア基板110、緩衝層120、および、窒化ガリウム単結晶層130の特性について説明する。
[Characteristics of sapphire substrate 110, buffer layer 120, and gallium nitride single crystal layer 130]
Next, the characteristics of the sapphire substrate 110, the buffer layer 120, and the gallium nitride single crystal layer 130 that constitute the semiconductor substrate 100 according to this embodiment will be described.

[窒化ガリウム単結晶層130の結晶性]
上記したように、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶層130は、鉄原子と、マグネシウム原子またはマンガン原子とがドープされた窒化ガリウム単結晶によって構成される。このような単結晶膜の結晶性は、例えば、X線回折によって評価することができる。なお、X線回折の測定は、例えば、株式会社リガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」によって行うことができる。
[Crystallinity of Gallium Nitride Single Crystal Layer 130]
As described above, the gallium nitride single crystal layer 130 according to this embodiment is composed of a gallium nitride single crystal doped with iron atoms and magnesium atoms or manganese atoms. The crystallinity of such a single crystal film can be evaluated, for example, by X-ray diffraction. The X-ray diffraction measurement can be performed by, for example, a fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" manufactured by Rigaku Corporation.

図2は、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶膜のチルトを評価するためのX線回折の測定方法を示す図である。結晶の積層方向(成長方向)の結晶性、すなわち、結晶の積層方向における結晶方位の揃い具合(結晶方位の傾き)を示す指標は、一般的にチルトと称される。チルトは、図2に示すX線解析装置10によって測定したX線回折によって評価することができる。 FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction measurement method for evaluating the tilt of the gallium nitride single crystal film according to this embodiment. The crystallinity in the crystal stacking direction (growth direction), that is, the index indicating the alignment of the crystal orientations in the crystal stacking direction (tilt of the crystal orientation) is generally referred to as tilt. Tilt can be evaluated by X-ray diffraction measured by the X-ray analyzer 10 shown in FIG.

図2に示すように、X線解析装置10は、X線源XGおよび検出器SCを備える。なお、図2中、白抜き矢印は、X線源XGおよび検出器SCの走査方向を示す。 As shown in FIG. 2, the X-ray analysis apparatus 10 has an X-ray source XG and a detector SC. In FIG. 2, the white arrow indicates the scanning direction of the X-ray source XG and the detector SC.

X線源XGは、試料SPの表面HにX線を入射する。検出器SCは、試料SPの表面Hから出射された回折X線を検出する。 The X-ray source XG makes X-rays incident on the surface H of the sample SP. The detector SC detects diffracted X-rays emitted from the surface H of the sample SP.

図2に示すように、チルトを評価する場合、試料SPの表面Hに対して垂直な面内でX線の入射および回折の検出が行われるアウトオブプレーン(Out-of-Plane)測定が行われる。アウトオブプレーン測定は、試料SPの表面Hに対するX線の入射角および出射角が等しくなるため、対称反射測定とも称される。アウトオブプレーン測定は、試料SPの表面Hに対して平行な格子面を測定する。具体的に説明すると、図2に示すように、検出器SCと入射X線との為す角2θを回折ピーク位置に固定し、試料SPの表面Hと入射X線との為す角ωを変化させて、回折強度を測定する(ωスキャン)。測定された回折強度の変動から、試料SPである結晶の積層方向における結晶方位の傾き(チルト)を評価することができる。 As shown in FIG. 2, when evaluating the tilt, an out-of-plane measurement is performed in which X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane perpendicular to the surface H of the sample SP. will be The out-of-plane measurement is also called symmetric reflection measurement because the X-ray incidence and exit angles with respect to the surface H of the sample SP are equal. The out-of-plane measurement measures lattice planes parallel to the surface H of the sample SP. Specifically, as shown in FIG. 2, the angle 2θ between the detector SC and the incident X-ray is fixed at the diffraction peak position, and the angle ω between the surface H of the sample SP and the incident X-ray is changed. and measure the diffraction intensity (ω scan). The inclination (tilt) of the crystal orientation in the stacking direction of the crystal, which is the sample SP, can be evaluated from the measured diffraction intensity variation.

なお、アウトオブプレーン測定において、試料SPに対するX線の侵入深さは、数十μm程度である。したがって、アウトオブプレーン測定におけるピーク強度の値は、例えば、X線照射領域に存在する窒化ガリウム単結晶層130(すなわち、窒化ガリウム単結晶)の体積(平均厚さ)に依存すると推察される。 In the out-of-plane measurement, the penetration depth of X-rays into the sample SP is about several tens of μm. Therefore, it is inferred that the peak intensity value in the out-of-plane measurement depends on, for example, the volume (average thickness) of the gallium nitride single crystal layer 130 (that is, gallium nitride single crystal) present in the X-ray irradiation region.

図3は、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶膜のツイストを評価するためのX線回折の測定方法を示す図である。結晶の面内方向の結晶性、すなわち、結晶の面内方向における結晶方位の揃い具合を示す指標は、一般的にツイストと称される。ツイストは、図3に示すX線解析装置20によって評価することができる。 FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction measurement method for evaluating the twist of the gallium nitride single crystal film according to this embodiment. The crystallinity in the in-plane direction of a crystal, that is, an index indicating the alignment of crystal orientations in the in-plane direction of a crystal is generally called twist. Twist can be evaluated by the X-ray analysis device 20 shown in FIG.

図3に示すように、ツイストを評価する場合、試料SPの表面Hに対して平行な面内でX線の入射および回折の検出が行われるインプレーン(In-Plane)測定が行われる。インプレーン測定は、X線の入射角を全反射臨界角度付近に固定して測定する。インプレーン測定は、試料SPの表面Hに直交する格子面を測定する。具体的に説明すると、図3に示すように、測定対象である試料SPの格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される2θχの値に検出器SCを固定し、試料SPを面内回転角φ軸周りに揺動させて回折強度を測定する(C軸周りのスキャン(面内φスキャン))。測定された回折強度の変動から、試料SPである結晶の面内方向における結晶方位のバラツキ(ツイスト)を評価することができる。 As shown in FIG. 3, when evaluating twist, in-plane measurement is performed in which X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane parallel to the surface H of the sample SP. In-plane measurement is performed by fixing the incident angle of X-rays near the critical angle of total reflection. The in-plane measurement measures lattice planes orthogonal to the surface H of the sample SP. Specifically, as shown in FIG. 3, the detector SC is fixed at a value of 2θχ calculated from the lattice spacing of the sample SP to be measured using Bragg's formula, and the sample SP is rotated in-plane. The diffraction intensity is measured by swinging around the angle φ axis (scan around the C axis (in-plane φ scan)). From the variation in the measured diffraction intensity, the variation (twist) of the crystal orientation in the in-plane direction of the crystal, which is the sample SP, can be evaluated.

なお、インプレーン測定において、入射角度、入射スリット幅および長手制限スリット幅等の測定光学系の条件を統一し、X線の照射領域を合わせることで、ピーク強度の値を相対比較することができる。この場合、ピーク強度の値は、例えば、X線照射領域に存在する窒化ガリウム単結晶層130(すなわち、窒化ガリウム単結晶)の体積(平均厚さ)に依存すると推察される。 In the in-plane measurement, the peak intensity values can be relatively compared by unifying the conditions of the measurement optical system such as the incident angle, the entrance slit width, and the length limiting slit width, and matching the X-ray irradiation area. . In this case, the peak intensity value is presumed to depend, for example, on the volume (average thickness) of the gallium nitride single crystal layer 130 (that is, gallium nitride single crystal) present in the X-ray irradiation region.

窒化ガリウム単結晶膜では、積層方向および面内方向で成長異方性が大きく異なる。したがって、窒化ガリウム単結晶で構成された窒化ガリウム単結晶層130の結晶性を評価する場合、結晶の積層方向(チルト)および面内方向(ツイスト)を切り分けて精密な解析を行うことが重要である。窒化ガリウム単結晶膜(窒化ガリウム単結晶層130)のチルトのピークの半値全幅(full width at half maximum:FWHM、以下、単に「チルト幅」とも称する)は、0.05°以上1.1°以下であり、好ましくは、0.05°以上0.94°以下であり、より好ましくは、0.05°以上0.22以下である。 In the gallium nitride single crystal film, the growth anisotropy greatly differs between the lamination direction and the in-plane direction. Therefore, when evaluating the crystallinity of the gallium nitride single crystal layer 130 composed of a gallium nitride single crystal, it is important to separate the stacking direction (tilt) and the in-plane direction (twist) of the crystal for precise analysis. be. The full width at half maximum (FWHM) of the tilt peak of the gallium nitride single crystal film (gallium nitride single crystal layer 130) is 0.05° or more and 1.1°. or less, preferably 0.05° or more and 0.94° or less, more preferably 0.05° or more and 0.22° or less.

また、窒化ガリウム単結晶膜(窒化ガリウム単結晶層130)のツイストのピークの半値全幅(以下、単に「ツイスト幅」とも称する)は、0.1°以上0.78°以下であり、好ましくは、0.1°以上0.42°以下であり、より好ましくは、0.1°以上0.3°以下である。 Further, the full width at half maximum of the twist peak of the gallium nitride single crystal film (gallium nitride single crystal layer 130) (hereinafter also simply referred to as “twist width”) is 0.1° or more and 0.78° or less, preferably , 0.1° or more and 0.42° or less, more preferably 0.1° or more and 0.3° or less.

このように、本実施形態に係る半導体基板100は、窒化ガリウム単結晶層130のチルト幅およびツイスト幅が低いことから、結晶性が高いことが理解できる。 Thus, it can be understood that the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment has high crystallinity because the tilt width and twist width of the gallium nitride single crystal layer 130 are small.

[サファイア基板110、緩衝層120、および、窒化ガリウム単結晶層130の特性]
上記したように、サファイア基板110は、サファイア単結晶で構成され、緩衝層120は、スピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層によって構成され、窒化ガリウム単結晶層130は、窒化ガリウム単結晶によって構成される。以下、半導体基板100におけるサファイア単結晶、スピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶における結晶軸の方位について説明する。
[Characteristics of sapphire substrate 110, buffer layer 120, and gallium nitride single crystal layer 130]
As described above, the sapphire substrate 110 is made of sapphire single crystal, the buffer layer 120 is made of a metal oxide crystal layer with a spinel crystal structure, and the gallium nitride single crystal layer 130 is made of gallium nitride single crystal. Configured. The crystal axis orientations of the sapphire single crystal, the metal oxide crystal layer having the spinel crystal structure, and the gallium nitride single crystal in the semiconductor substrate 100 will be described below.

サファイア基板110を構成するサファイア単結晶、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の結晶軸の方位は、例えば、上記X線解析装置20によるインプレーン測定(2θχ-φ測定、および、φスキャン(ツイスト測定))と、上記X線解析装置10によるアウトオブプレーン測定の結果から求めることができる。 The orientation of the crystal axis of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110, the metal oxide crystal layer having a spinel crystal structure forming the buffer layer 120, and the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 is For example, it can be obtained from the results of in-plane measurement (2θχ-φ measurement and φ scan (twist measurement)) by the X-ray analysis device 20 and out-of-plane measurement by the X-ray analysis device 10 .

具体的に説明すると、図3に示すX線解析装置20によるインプレーンの広角2θχ-φ測定によって、試料SPの表面に直交する格子面からの回折を測定する。試料SPの表面に対するX線の入射角を大きくすることでX線の侵入深さを深くし、より深い層からの信号が得ることができる。このため、X線解析装置20において、試料SPの表面に対するX線の入射角を大きく変えて測定を行う。なお、X線の侵入深さは、X線の入射角と試料SPのX線の線吸収係数により決定される。 More specifically, diffraction from a lattice plane orthogonal to the surface of the sample SP is measured by in-plane wide-angle 2θχ-φ measurement by the X-ray analyzer 20 shown in FIG. By increasing the incident angle of the X-rays with respect to the surface of the sample SP, the penetration depth of the X-rays is increased, and signals from deeper layers can be obtained. For this reason, in the X-ray analysis apparatus 20, measurements are performed by greatly changing the incident angle of X-rays with respect to the surface of the sample SP. The X-ray penetration depth is determined by the X-ray incident angle and the X-ray linear absorption coefficient of the sample SP.

X線解析装置20は、平行ビーム法光学系を使用し、試料SP(半導体基板100)面内にX線の入射、および、回折が含まれるインプレーンの配置で測定を行う。また、上記の図3に示すツイストの測定と異なり、ブラッグの回折式を満たすように、面内回折角(2θχ)および面内回転軸(φ)を連動させて測定を行う。なお、試料SPの表面に対するX線の入射角を変更して、複数回2θχ-φ測定を行う。このときの回折強度の変動から、試料SPの表面に直交する格子面からの回折を検出し、面内回折角(2θχ)から格子間隔を決定する。 The X-ray analysis apparatus 20 uses a parallel beam optical system, and performs measurement in an in-plane arrangement that includes X-ray incidence and diffraction in the plane of the sample SP (semiconductor substrate 100). In addition, unlike the twist measurement shown in FIG. 3, the in-plane diffraction angle (2θχ) and the in-plane rotation axis (φ) are interlocked so as to satisfy Bragg's diffraction formula. Note that the 2θχ-φ measurement is performed multiple times while changing the incident angle of the X-rays with respect to the surface of the sample SP. From the variation in the diffraction intensity at this time, the diffraction from the lattice plane orthogonal to the surface of the sample SP is detected, and the lattice spacing is determined from the in-plane diffraction angle (2θχ).

そして、得られた格子面からの回折ピーク(2θχ)の値に検出器SCを固定して、試料SPを面内回転角φ軸周りに揺動させて回折強度を測定(ツイスト測定(面内φスキャン))する。得られた回折強度のピークの位置に基づき、単結晶の格子面の対称性を確認する。 Then, the detector SC is fixed at the value of the obtained diffraction peak (2θχ) from the lattice plane, and the sample SP is oscillated around the in-plane rotation angle φ axis to measure the diffraction intensity (twist measurement (in-plane φ scan)). Based on the position of the obtained diffraction intensity peak, the symmetry of the lattice plane of the single crystal is confirmed.

このようなX線解析装置20によるインプレーン測定(2θχ-φ測定、および、φスキャン(ツイスト測定))により、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の(10-10)面に対し、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(110)面と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(11-20)面とが略平行であることを確認できる。ここで、略平行とは、2つの面の法線方向が一致する場合だけでなく、2つの面の法線方向が所定角度範囲内でずれている場合も含む。ここで、所定角度範囲とは、インプレーンの2θχ-φ測定およびφスキャンにおいて、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(110)面と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(11-20)面の回折ピークが検出される、測定系の角度誤差も含めた角度バラツキの範囲である。以下の説明における「略平行」も同様である。 By in-plane measurement (2θχ-φ measurement and φ scan (twist measurement)) by such an X-ray analysis device 20, the buffer layer The (110) plane of the spinel crystal structure metal oxide crystal layer forming 120 and the (11-20) plane of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 are substantially parallel. I can confirm. Here, "substantially parallel" includes not only the case where the normal directions of the two surfaces are the same, but also the case where the normal directions of the two surfaces are deviated within a predetermined angle range. Here, the predetermined angle range refers to the (110) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer in the in-plane 2θχ-φ measurement and φ scan. It is the range of angular variation including the angular error of the measurement system in which the diffraction peak of the (11-20) plane of the gallium nitride single crystal forming 130 is detected. The same applies to "substantially parallel" in the following description.

また、図2に示すX線解析装置10によるアウトオブプレーンの配置で広角の2θ-ω測定によって、積層方向の試料SPの表面に平行な格子面を検出する。図2に示したように、X線解析装置10は、平行ビーム光学系を使用し、試料SPの表面に垂直な面内でX線の入射、および、回折の検出が行われるアウトオブプレーンの配置で測定を行う。また、上記図2に示すチルト測定とは異なり、ブラッグの回折式を満たすように、検出器SCと入射X線との為す角(回折角、2θ)、および、試料SPの表面Hと入射X線との為す角ωを連動させて測定を行う。なお、アウトオブプレーン測定において、試料SPに対するX線の侵入深さは、数十μm程度である。そして、このときの回折強度の変動から、試料SPの表面に平行な格子面からの回折を検出し、回折角(2θ)から格子間隔を決定する。 In addition, lattice planes parallel to the surface of the sample SP in the stacking direction are detected by wide-angle 2θ-ω measurement in an out-of-plane arrangement using the X-ray analysis apparatus 10 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the X-ray analysis apparatus 10 uses a parallel beam optical system, and an out-of-plane system in which X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane perpendicular to the surface of the sample SP. Measurements are taken at placement. In addition, unlike the tilt measurement shown in FIG. 2, the angle (diffraction angle, 2θ) formed by the detector SC and the incident X-ray, the surface H of the sample SP and the incident X-ray are measured so as to satisfy Bragg's diffraction formula. Measurement is performed by interlocking the angle ω with the line. In the out-of-plane measurement, the penetration depth of X-rays into the sample SP is about several tens of μm. Then, the diffraction from the grating plane parallel to the surface of the sample SP is detected from the fluctuation of the diffraction intensity at this time, and the grating interval is determined from the diffraction angle (2θ).

このようなX線解析装置10によるアウトオブプレーン測定(2θ-ω測定)により、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面と、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の(0001)面とが略平行であることを確認できる。ここで、略平行とは、3つの面の法線方向が一致する場合だけでなく、3つの面の法線方向が所定角度範囲内でずれている場合も含む。ここで、所定角度範囲とは、アウトオブプレーンの2θ-ω測定において、同一測定で緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面と、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の(0001)面の回折ピークが検出される、測定系の角度誤差も含めた角度バラツキの範囲である。以下の説明における「略平行」も同様である。 By out-of-plane measurement (2θ-ω measurement) by such an X-ray analysis apparatus 10, the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel-type crystal structure constituting the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer It can be confirmed that the (0001) plane of the gallium nitride single crystal forming the 130 and the (0001) plane of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 are substantially parallel. Here, "substantially parallel" includes not only the case where the normal directions of the three surfaces are the same, but also the case where the normal directions of the three surfaces are deviated within a predetermined angle range. Here, in the out-of-plane 2θ-ω measurement, the predetermined angle range is the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 in the same measurement, and the gallium nitride single crystal. The range of angular variation including the angular error of the measurement system in which the diffraction peaks of the (0001) plane of the gallium nitride single crystal forming the layer 130 and the (0001) plane of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 are detected. is. The same applies to "substantially parallel" in the following description.

続いて、半導体基板100におけるサファイア単結晶、スピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶における結晶軸の方位について具体的に説明する。 Next, the orientation of crystal axes in the sapphire single crystal, the metal oxide crystal layer having the spinel crystal structure, and the gallium nitride single crystal in the semiconductor substrate 100 will be specifically described.

図4は、本実施形態に係るサファイア基板110を構成するサファイア単結晶および窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の結晶軸の方位について説明する図である。なお、図4中、実線はサファイア単結晶を示し、破線は窒化ガリウム単結晶を示す。 FIG. 4 is a diagram for explaining the crystal axis orientation of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 and the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 according to the present embodiment. In FIG. 4, the solid line indicates the sapphire single crystal, and the dashed line indicates the gallium nitride single crystal.

図4に示すように、サファイア単結晶および窒化ガリウム単結晶は、六方晶である。また、図4に示すように、半導体基板100において、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面(c面、図4中、(0001)sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面(c面、図4中、(0001)GaN)とは、略平行である。 As shown in FIG. 4, sapphire single crystals and gallium nitride single crystals are hexagonal crystals. 4, in the semiconductor substrate 100, the (0001) plane (c-plane, (0001) sap in FIG. 4) of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the gallium nitride single crystal layer 130 of the gallium nitride single crystal layer 130 The (0001) plane (c-plane, (0001) GaN in FIG. 4) of the single crystal is substantially parallel.

また、半導体基板100において、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[1-100]軸(図4中、[1-100]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[11-20]軸(図4中、[11-20]GaN)とは、略平行である。 In the semiconductor substrate 100, the [1-100] axis ([1-100] sap in FIG. 4) of the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 The [11-20] axis ([11-20] GaN in FIG. 4) on the (0001) plane of the crystal is substantially parallel.

同様に、半導体基板100において、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[01-10]軸(図4中、[01-10]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[1-210]軸(図4中、[1-210]GaN)とは、略平行である。 Similarly, in the semiconductor substrate 100, the [01-10] axis ([01-10] sap in FIG. 4) of the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the gallium nitride of the gallium nitride single crystal layer 130 The [1-210] axis ([1-210] GaN in FIG. 4) on the (0001) plane of the single crystal is substantially parallel.

また、半導体基板100において、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[-1010]軸(図4中、[-1010]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[-2110]軸(図4中、[-2110]GaN)とは、略平行である。 In the semiconductor substrate 100, the [−1010] axis ([−1010] sap in FIG. 4 ) in the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 The [−2110] axis ([−2110] GaN in FIG. 4) in the (0001) plane is substantially parallel.

図5は、本実施形態に係る緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の結晶軸の方位について説明する図である。図5に示すように、スピネル型結晶構造の単結晶は、立方晶である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the orientation of the crystal axis of the crystal layer of the metal oxide having the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, a single crystal with a spinel crystal structure is a cubic crystal.

このため、図5に示すように、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面(図5中、(111)spi、ハッチングで示す)は、正三角形で示される。また、(111)面内で[1-10]spi、[-101]spi、[01-1]spiの各方向は120°を成す、3回対称の関係がある。 Therefore, as shown in FIG. 5, in the semiconductor substrate 100, the (111) plane ((111) spi in FIG. ) are indicated by equilateral triangles. Moreover, each direction of [1-10] spi, [-101] spi, and [01-1] spi forms 120° in the (111) plane, and there is a 3-fold symmetry relationship.

半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面および窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面と略平行である。 In the semiconductor substrate 100, the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure forming the buffer layer 120 is the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the nitride of the gallium nitride single crystal layer 130. It is substantially parallel to the (0001) plane of the gallium single crystal.

図6は、本実施形態に係るサファイア基板110を構成するサファイア単結晶、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の結晶軸の方位について説明する図である。 FIG. 6 shows a sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 according to the present embodiment, a metal oxide crystal layer having a spinel crystal structure forming the buffer layer 120, and a gallium nitride forming the gallium nitride single crystal layer 130. It is a figure explaining the direction of the crystal axis of a single crystal.

上記したように、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面および窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面と略平行である。このため、図6に示すように、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸(図6中、[111]spi)は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面の法線方向の[0001]軸(図6中、[0001]sap)、および、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面の法線方向の[0001]軸(図6中、[0001]GaN)と略平行である。 As described above, in the semiconductor substrate 100, the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure forming the buffer layer 120 is the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and the gallium nitride single crystal layer. It is substantially parallel to the (0001) plane of the gallium nitride single crystal of the crystal layer 130 . Therefore, as shown in FIG. 6, in the semiconductor substrate 100, the [111] axis ( , [111] spi) is the [0001] axis normal to the (0001) plane of the sapphire substrate 110 ([0001] sap in FIG. 6), and the nitridation of the gallium nitride single crystal layer 130 It is substantially parallel to the [0001] axis ([0001] GaN in FIG. 6) normal to the (0001) plane of the gallium single crystal.

つまり、本実施形態に係る半導体基板100は、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の(0001)面と、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の(111)面と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面とが略平行である。上記したように、略平行は、アウトオブプレーンの2θ-ω測定において回折ピークが検出される、角度バラツキの範囲である。 That is, the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment has the (0001) plane of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 and the (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure forming the buffer layer 120 . ) plane and the (0001) plane of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 are substantially parallel to each other. As noted above, near-parallel is the range of angular variation over which diffraction peaks are detected in out-of-plane 2θ-ω measurements.

また、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面における[1-10]軸(図6中、[1-10]spi)は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[1-100]軸(図6中、[1-100]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[11-20]軸(図6中、[11-20]GaN)と略平行である。上記したように、略平行は、インプレーンの2θχ-φ測定およびφスキャンにおいて回折ピークが検出される、角度バラツキの範囲である。 Further, in the semiconductor substrate 100, the [1-10] axis ([1-10] spi in FIG. [1-100] axis ([1-100] sap in FIG. 6) on the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 and on the (0001) plane of the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 It is substantially parallel to the [11-20] axis ([11-20] GaN in FIG. 6). As noted above, near-parallel is the range of angular variation over which diffraction peaks are detected in in-plane 2θχ-φ measurements and φ scans.

同様に、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面における[01-1]軸(図6中、[01-1]spi)は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[01-10]軸(図6中、[01-10]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[1-210]軸(図6中、[1-210]GaN)と略平行である。 Similarly, in the semiconductor substrate 100, the [01-1] axis ([01-1] spi in FIG. , the [01-10] axis ([01-10] sap in FIG. 6) on the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110, and the (0001) plane of the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 is substantially parallel to the [1-210] axis ([1-210] GaN in FIG. 6) in .

また、半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面における[-101]軸(図6中、[-101]spi)は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面における[-1010]軸(図6中、[-1010]sap)と、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[-2110]軸(図6中、[-2110]GaN)と略平行である。 In the semiconductor substrate 100, the [−101] axis ([−101] spi in FIG. 6) in the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 is the sapphire substrate. [−1010] axis ([−1010] sap in FIG. 6) on the (0001) plane of the sapphire single crystal of 110 and [−2110] on the (0001) plane of the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 It is substantially parallel to the axis ([−2110] GaN in FIG. 6).

また、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸の、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面に対する方位バラツキは、0°以上6°未満である。これにより、緩衝層120の形成による格子不整合の緩和効果に加えて、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の微結晶が角度バラツキをもつことで、配向性を継承しつつ、緩衝効果を高めることができる。 In addition, the [111] axis in the normal direction of the (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120, relative to the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 The azimuth variation is 0° or more and less than 6°. As a result, in addition to the effect of alleviating lattice mismatch due to the formation of the buffer layer 120, the microcrystals of the metal oxide with the spinel crystal structure that constitute the buffer layer 120 have angular variations, so that the orientation is inherited. , can enhance the buffer effect.

また、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(0002)面の法線方向の[0002]軸の、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面に対する方位バラツキは、0°以上1.2°未満である。これは、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の微結晶の角度バラツキに沿って配向性を継承しつつ、窒化ガリウムの初期成長層が形成されると考えられ、これにより、緩衝効果を高めることができる。 In addition, the orientation variation of the [0002] axis normal to the (0002) plane of the gallium nitride single crystal layer 130 with respect to the (0001) plane of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 is 0°. more than or equal to less than 1.2°. It is believed that the initial growth layer of gallium nitride is formed while inheriting the orientation along the angular variation of the metal oxide microcrystals of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120. It can enhance the buffer effect.

このように、本実施形態に係る半導体基板100において、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸は、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面の法線方向の[0001]軸と略平行である。このため、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層を起点として成長した窒化ガリウム単結晶(窒化ガリウム単結晶層130)の(0001)面の法線方向の[0001]軸は、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸に対して略平行になる。したがって、緩衝層120上に成長した窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の(0001)面の法線方向の[0001]軸は、結果として、サファイア基板110のサファイア単結晶の(0001)面の法線方向の[0001]軸と略平行となる。つまり、緩衝層120は、サファイア基板110のサファイア単結晶の配向(面内の3回対称性)を、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶に継承させることができる。 Thus, in the semiconductor substrate 100 according to this embodiment, the [111] is substantially parallel to the [0001] axis normal to the (0001) plane of the sapphire single crystal. Therefore, the [0001] direction normal to the (0001) plane of the gallium nitride single crystal (gallium nitride single crystal layer 130) grown starting from the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 The axis is substantially parallel to the [111] axis normal to the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure forming the buffer layer 120 . Therefore, the [0001] axis normal to the (0001) plane of the gallium nitride single crystal layer 130 grown on the buffer layer 120 is the ( 0001) plane is substantially parallel to the [0001] axis in the normal direction of the plane. That is, the buffer layer 120 can inherit the orientation (3-fold in-plane symmetry) of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 to the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 .

[緩衝層120の厚み]
本実施形態に係る半導体基板100において、緩衝層120の厚みは、例えば、10nm以上250nm以下である。緩衝層120の厚みが、10nm未満であると、緩衝層120として十分な効果が発現しないと考えられ、サファイア基板110のサファイア単結晶の配向(面内の3回対称性)を、サファイア基板110の全面積で一様に、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶に継承させることが困難である。一方、緩衝層120の厚みが、250nmを上回ると、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の微結晶層が厚く発達して結晶層界面の段差や角度バラツキが大きくなるため、サファイア基板110のサファイア単結晶の配向の、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶への継承性が低下してしまう。
[Thickness of buffer layer 120]
In the semiconductor substrate 100 according to this embodiment, the thickness of the buffer layer 120 is, for example, 10 nm or more and 250 nm or less. If the thickness of the buffer layer 120 is less than 10 nm, it is considered that the sufficient effect of the buffer layer 120 is not exhibited. It is difficult to uniformly inherit the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 over the entire area of . On the other hand, when the thickness of the buffer layer 120 exceeds 250 nm, the microcrystalline layer of the metal oxide having a spinel-type crystal structure that constitutes the buffer layer 120 grows thick, resulting in large steps and angle variations at the interface of the crystal layers. The inheritance of the orientation of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110 to the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 is deteriorated.

したがって、緩衝層120の厚みを10nm以上250nm以下とすることにより、緩衝層120は、サファイア基板110のサファイア単結晶の配向を、窒化ガリウム単結晶層130の窒化ガリウム単結晶に確実に継承させることが可能となる。 Therefore, by setting the thickness of the buffer layer 120 to 10 nm or more and 250 nm or less, the buffer layer 120 ensures that the gallium nitride single crystal of the gallium nitride single crystal layer 130 inherits the orientation of the sapphire single crystal of the sapphire substrate 110. becomes possible.

[緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の格子定数]
上記したように、緩衝層120は、スピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層によって構成され、窒化ガリウム単結晶層130は、窒化ガリウム単結晶によって構成される。このような単結晶の格子定数は、例えば、上記X線解析装置10によるX線回折によって算出することができる。なお、X線回折の測定は、例えば、上記株式会社リガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」によって行うことができる。
[Lattice Constant of Crystal Layer of Metal Oxide with Spinel Crystal Structure Constituting Buffer Layer 120]
As described above, the buffer layer 120 is composed of a metal oxide crystal layer having a spinel crystal structure, and the gallium nitride single crystal layer 130 is composed of a gallium nitride single crystal. The lattice constant of such a single crystal can be calculated, for example, by X-ray diffraction using the X-ray analysis apparatus 10 described above. The X-ray diffraction measurement can be performed, for example, by the fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" manufactured by Rigaku Corporation.

具体的には、株式会社リガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」の2D広域逆格子Mapの解析パッケージを用い、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の[0001]軸を(11-20)面オリフラの側に半導体基板100を傾け(χ方向スキャン)、2θ/ωを18°~80°の範囲とし、χを-7.5°~67.5°の範囲として、逆格子点の分布を測定する。そして、検出器SCによって取得された画像データを逆格子マップ作成用データへ変換し、逆格子空間の直行座標系(Qx、Qz)へ座標変換して、逆格子マップを得る。続いて、サファイア基板110におけるサファイア単結晶、緩衝層120におけるスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層、および、窒化ガリウム単結晶層130における窒化ガリウム単結晶の積層軸の対応関係と、X線の入出射方法とを加味して逆格子シミュレーションを行い、逆格子マップと重ねて表示させる。逆格子マップで得られた逆格子点を逆格子シミュレーション結果から割り付けて、緩衝層120におけるスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の(111)面の逆格子点(Qx、Qz)座標から、スピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiを算出する。 Specifically, using the 2D wide area reciprocal lattice map analysis package of the fully automatic horizontal multipurpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" manufactured by Rigaku Corporation, [0001] of the sapphire single crystal constituting the sapphire substrate 110 The semiconductor substrate 100 is tilted with the axis toward the (11-20) plane orientation flat (χ direction scanning), 2θ/ω is in the range of 18° to 80°, and χ is in the range of -7.5° to 67.5°. , to measure the distribution of reciprocal lattice points. Then, the image data obtained by the detector SC is converted into data for creating a reciprocal lattice map, and the coordinates are transformed into the orthogonal coordinate system (Qx, Qz) of the reciprocal lattice space to obtain the reciprocal lattice map. Next, the correspondence between the sapphire single crystal in the sapphire substrate 110, the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure in the buffer layer 120, and the stacking axis of the gallium nitride single crystal in the gallium nitride single crystal layer 130, and the X-ray A reciprocal lattice simulation is performed taking into consideration the incident and outgoing methods of , and is displayed superimposed on the reciprocal lattice map. The reciprocal lattice points obtained from the reciprocal lattice map are allocated from the reciprocal lattice simulation results, and the reciprocal lattice points (Qx, Qz) coordinates of the (111) plane of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure in the buffer layer 120 are , the lattice constant a spi of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure is calculated.

こうしてX線回折によって算出された、緩衝層120におけるスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiは、8.050~8.338Åである。具体的には、スピネル型結晶構造のMgAlの格子定数aspiは、8.094Åである。スピネル型結晶構造の(MgMn)Alの格子定数aspiは、8.141Åである。スピネル型結晶構造のMnAlの格子定数aspiは、8.170~8.338Åである。 The lattice constant a spi of the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure in the buffer layer 120 calculated by X-ray diffraction is 8.050 to 8.338 Å. Specifically, the lattice constant a spi of MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure is 8.094 Å. The lattice constant a spi of (MgMn)Al 2 O 4 with a spinel crystal structure is 8.141 Å. The lattice constant a spi of MnAl 2 O 4 with spinel crystal structure is 8.170-8.338 Å.

また、スピネル型結晶構造のNiAlの格子定数aspiは、8.050Åである。スピネル型結晶構造のZnAlの格子定数aspiは、8.062Åである。スピネル型結晶構造のCuAlの格子定数aspiは、8.064Åである。スピネル型結晶構造のFeAlの格子定数aspiは、8.119Åである。スピネル型結晶構造のCoAlの格子定数aspiは、8.080Åである。 Further, the lattice constant a spi of NiAl 2 O 4 having a spinel crystal structure is 8.050 Å. The lattice constant a spi of ZnAl 2 O 4 with spinel crystal structure is 8.062 Å. The lattice constant a spi of CuAl 2 O 4 with spinel crystal structure is 8.064 Å. The lattice constant a spi of FeAl 2 O 4 with spinel crystal structure is 8.119 Å. The lattice constant a spi of CoAl 2 O 4 with a spinel crystal structure is 8.080 Å.

また、スピネル型結晶構造のMgGaの格子定数aspiは、8.280Åである。スピネル型結晶構造のZnGaの格子定数aspiは、8.330Åである。 Also, the lattice constant a spi of MgGa 2 O 4 with a spinel crystal structure is 8.280 Å. The lattice constant a spi of ZnGa 2 O 4 with spinel crystal structure is 8.330 Å.

なお、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の格子定数aspaは、4.758Åである。また、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の格子定数aganは、3.189Åである。 The lattice constant a spa of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110 is 4.758 Å. The lattice constant a gan of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 is 3.189 Å.

つまり、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiの1/(2√2)倍は、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の格子定数asapの1/√3倍と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の格子定数aganとの間の値である。 That is, 1/(2√2) times the lattice constant a spi of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 is the lattice constant a of the sapphire single crystal that constitutes the sapphire substrate 110. It is a value between 1/√3 times sap and the lattice constant a gan of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 .

換言すれば、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspi、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶の格子定数asap、および窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の格子定数aganは、以下の式(1)を満たす、請求項2または3に記載の半導体基板。
(1/√3)×asap < (1/(2√2))×aspi < agan ・・・(式1)
In other words, the lattice constant a spi of the crystal layer of the specific metal oxide with the spinel crystal structure forming the buffer layer 120, the lattice constant a sap of the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110, and the gallium nitride single crystal layer 4. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the gallium nitride single crystal forming 130 has a lattice constant a gan that satisfies the following formula (1).
(1/√3)×a sap <(1/(2√2))×a spi <a gan (Formula 1)

このように算出された格子定数から、下記(式2)を用いて、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶との格子不整合(ミスマッチ)量が算出される。
格子不整合量 = [(格子定数aspi)/(2√2)-(格子定数agan)]/(格子定数agan) ・・・(式2)
From the lattice constant calculated in this way, using the following (Equation 2), the crystal layer of a specific metal oxide with a spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 and the nitride that constitutes the gallium nitride single crystal layer 130 The amount of lattice mismatch (mismatch) with the gallium single crystal is calculated.
Lattice mismatch amount = [(lattice constant a spi )/(2√2)-(lattice constant a gan )]/(lattice constant a gan ) (Formula 2)

例えば、特定の金属酸化物がMgAlである場合、格子不整合量は-10.30%となる。また、特定の金属酸化物が(MgMn)Alである場合、格子不整合量は-10.3%~-8.30%となる。特定の金属酸化物がMnAlである場合、格子不整合量は-8.30%となる。 For example, if the specific metal oxide is MgAl 2 O 4 , the lattice mismatch amount will be −10.30%. Also, when the specific metal oxide is (MgMn)Al 2 O 4 , the amount of lattice mismatch is −10.3% to −8.30%. If the specific metal oxide is MnAl 2 O 4 , the amount of lattice mismatch is −8.30%.

つまり、緩衝層120におけるスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiは、8.050~8.338Åであるため、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の特定の金属酸化物の結晶層と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶との格子不整合量の絶対値は、10.8%未満となる。一方、サファイア単結晶と窒化ガリウム単結晶との格子不整合量は、約-13.8%である。 That is, since the lattice constant a spi of the crystal layer of the metal oxide with the spinel crystal structure in the buffer layer 120 is 8.050 to 8.338 Å, the specific metal oxide with the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer 120 The absolute value of the amount of lattice mismatch between the crystal layer of the material and the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 is less than 10.8%. On the other hand, the amount of lattice mismatch between the sapphire single crystal and the gallium nitride single crystal is about -13.8%.

このように、本実施形態に係る半導体基板100において、窒化ガリウム単結晶の成長の起点となる緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶との格子不整合量は、サファイア単結晶と窒化ガリウム単結晶との格子不整合量よりも小さい。したがって、本実施形態のようにサファイア基板110上に緩衝層120を介して窒化ガリウム単結晶層130を間接的に成長させる場合は、サファイア基板110上に窒化ガリウム単結晶層130を直接成長させる場合と比較して、窒化ガリウム単結晶層130の結晶性を向上させることが可能となる。 As described above, in the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment, the gallium nitride single crystal layer 130 and the spinel-type crystal structure metal oxide crystal layer forming the buffer layer 120 serving as the starting point for the growth of the gallium nitride single crystal are formed. The amount of lattice mismatch with the constituting gallium nitride single crystal is smaller than the amount of lattice mismatch between the sapphire single crystal and the gallium nitride single crystal. Therefore, when the gallium nitride single crystal layer 130 is indirectly grown on the sapphire substrate 110 through the buffer layer 120 as in the present embodiment, the gallium nitride single crystal layer 130 is directly grown on the sapphire substrate 110. , the crystallinity of the gallium nitride single crystal layer 130 can be improved.

[緩衝層120におけるAl以外の特定の金属原子の濃度]
本実施形態に係る緩衝層120は、スピネル型結晶構造の金属酸化物に含まれる、Al以外の特定の金属原子を、合計1at%(原子%)含む。
[Concentration of Specific Metal Atoms Other than Al in Buffer Layer 120]
The buffer layer 120 according to the present embodiment contains a total of 1 at % (atomic %) of specific metal atoms other than Al contained in metal oxides with a spinel crystal structure.

これにより、イオン交換を促してスピネル型構造の発達を促進することができる。 This promotes ion exchange and promotes the development of a spinel structure.

[窒化ガリウム単結晶層130の貫通転位密度]
続いて、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の貫通転位密度について説明する。このような単結晶の貫通転位密度は、透過電子顕微鏡(TEM)によって得られる像から算出することができる。なお、貫通転位密度は、例えば、日本電子株式会社製の透過電子顕微鏡「JEM-ARM200」によって得られる像から算出することができる。
[Threading dislocation density of gallium nitride single crystal layer 130]
Next, the threading dislocation density of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 according to this embodiment will be described. The threading dislocation density of such a single crystal can be calculated from an image obtained by a transmission electron microscope (TEM). The threading dislocation density can be calculated from an image obtained by a transmission electron microscope "JEM-ARM200" manufactured by JEOL Ltd., for example.

具体的には、まず、集束イオンビーム装置(FIB)を用いて、半導体基板100から、窒化ガリウム単結晶層130の断面観察用の試料を切り出す。なお、試料の厚み方向が、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の[1-100]軸方位となるように、切り出し方位、および、観察方位を揃える。また、試料の成長方向が、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の[0001]軸方位、長手(幅)方向が[11-20]軸方位に対応する。 Specifically, first, a sample for cross-sectional observation of the gallium nitride single crystal layer 130 is cut out from the semiconductor substrate 100 using a focused ion beam apparatus (FIB). Note that the cutting orientation and observation orientation are aligned so that the thickness direction of the sample coincides with the [1-100] axis orientation of the gallium nitride single crystal composing the gallium nitride single crystal layer 130 . The growth direction of the sample corresponds to the [0001] axis orientation of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130, and the longitudinal (width) direction corresponds to the [11-20] axis orientation.

こうして、切り出した試料をTEMによって観察し、明視野像から転位の本数を割り出す。貫通転位密度は、成長方向の上下に貫通する転位を、試料断面積で除算し、単位面積(cm)当たりの転位の本数で評価する。例えば、試料の厚みが100nmであり、10μm幅の貫通転位が1本確認される場合、貫通転位密度は、1×10[cm-2]と算出される。 Thus, the cut sample is observed by TEM, and the number of dislocations is determined from the bright-field image. The threading dislocation density is evaluated by the number of dislocations per unit area (cm 2 ) obtained by dividing the number of threading dislocations vertically in the growth direction by the cross-sectional area of the sample. For example, if the thickness of the sample is 100 nm and one threading dislocation with a width of 10 μm is confirmed, the threading dislocation density is calculated as 1×10 8 [cm −2 ].

本実施形態に係る半導体基板100における窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の貫通転位密度は、5.7×10[cm-2]以下、例えば、8.4×10[cm-2]以上5.7×10[cm-2]以下である。 The threading dislocation density of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer 130 in the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment is 5.7×10 9 [cm −2 ] or less, for example, 8.4×10 7 [cm −2 ] or less. cm −2 ] or more and 5.7×10 9 [cm −2 ] or less.

このように、本実施形態に係る半導体基板100は、窒化ガリウム単結晶層130の貫通転位密度が低いことから、結晶性が高いことが理解できる。 Thus, it can be understood that the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment has high crystallinity because the threading dislocation density of the gallium nitride single crystal layer 130 is low.

[半導体基板100の製造方法]
続いて、本実施形態に係る半導体基板100の製造方法について説明する。
[Manufacturing method of semiconductor substrate 100]
Next, a method for manufacturing the semiconductor substrate 100 according to this embodiment will be described.

本実施形態に係る半導体基板100の製造方法は、金属ガリウム、窒化鉄、特定の金属材料を加熱溶融し、窒化鉄の窒化作用を用いることで、結晶成長基板としてのサファイア基板110の上に、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を製造する方法である。上記の方法によれば、従来の液相成長と比較して、低圧(例えば、常圧)環境下にて、緩衝層120をサファイア基板110の上に成膜するとともに、窒化ガリウム単結晶(窒化ガリウム単結晶層130)を緩衝層120の上に液相エピタキシャル成長させることができる。 In the method for manufacturing the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment, metal gallium, iron nitride, and a specific metal material are heated and melted, and the nitriding action of the iron nitride is used to obtain, on the sapphire substrate 110 as a crystal growth substrate, A method for manufacturing a buffer layer 120 and a gallium nitride single crystal layer 130. FIG. According to the above method, the buffer layer 120 is formed on the sapphire substrate 110 under a lower pressure (for example, normal pressure) environment compared to the conventional liquid phase growth, and the gallium nitride single crystal (nitride A gallium single crystal layer 130) can be liquid phase epitaxially grown on the buffer layer 120. FIG.

[反応材料]
まず、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法にて用いられる反応材料について説明する。反応材料として、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料が用いられる。
[Reaction material]
First, reaction materials used in the method for producing a gallium nitride single crystal according to this embodiment will be described. Metallic gallium, iron nitride, and certain metallic materials are used as reactive materials.

金属ガリウムは、高純度のものを使用することが好ましく、例えば、市販の純度99.99%以上のものを使用することができる。 It is preferable to use metal gallium of high purity. For example, commercially available metal gallium with a purity of 99.99% or more can be used.

窒化鉄は、具体的には一窒化四鉄(FeN)、一窒化三鉄(FeN)、一窒化二鉄(FeN)またはこれらの2種以上の混合物を使用することができる。窒化鉄は、高純度のものを使用することが好ましく、例えば、市販の純度99.9%以上のものを使用することができる。 Iron nitride can be specifically tetrairon mononitride (Fe 4 N), triiron mononitride (Fe 3 N), diiron mononitride (Fe 2 N), or a mixture of two or more thereof. can. It is preferable to use high-purity iron nitride, and for example, commercially available iron nitride with a purity of 99.9% or more can be used.

窒化鉄中の鉄原子は、金属ガリウムと混合されて加熱されることにより、触媒として機能し、窒化鉄中の窒素原子または融液中の窒素分子から活性窒素を発生させる。発生した活性窒素は、金属ガリウムと反応することで、窒化ガリウム単結晶を生成する。 The iron atoms in the iron nitride are mixed with metallic gallium and heated to function as a catalyst to generate active nitrogen from nitrogen atoms in the iron nitride or nitrogen molecules in the melt. The generated active nitrogen reacts with metal gallium to form a gallium nitride single crystal.

具体的には、窒化鉄として一窒化四鉄が使用される場合、窒化鉄および金属ガリウムは、一窒化四鉄の窒化作用によって反応し、窒化ガリウムを生成する(反応式1)。
FeN+13Ga→GaN+4FeGa ・・・反応式1
Specifically, when tetrairon mononitride is used as the iron nitride, iron nitride and metal gallium react with the nitriding action of tetrairon mononitride to form gallium nitride (reaction formula 1).
Fe 4 N+13Ga→GaN+4FeGa 3 Reaction Formula 1

また、窒素雰囲気中または窒化鉄から融液中に溶解した窒素および金属ガリウムは、鉄原子が触媒として機能することで反応し、窒化ガリウムを生成する(反応式2)。
2Ga+N+Fe→2GaN+Fe ・・・反応式2
Nitrogen and metallic gallium dissolved in a nitrogen atmosphere or in a melt from iron nitride react with each other as iron atoms function as catalysts to form gallium nitride (reaction formula 2).
2Ga+N 2 +Fe→2GaN+Fe Reaction formula 2

なお、反応材料における窒化鉄の割合は、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料の合計モル数に対して、2モル%以下であることが好ましい。窒化鉄の割合が2モル%を超える場合、窒化鉄中の鉄原子と、金属ガリウムとの合金形成量が増大し、反応材料を溶融した融液の粘度が増加する。これにより、窒化ガリウム単結晶の成長速度が低下するため、窒化鉄の割合が2モル%を超えることは、好ましくない。 The proportion of iron nitride in the reaction material is preferably 2 mol % or less with respect to the total number of moles of metallic gallium, iron nitride, and the specific metal material. If the proportion of iron nitride exceeds 2 mol %, the amount of alloying between the iron atoms in the iron nitride and metallic gallium increases, and the viscosity of the melt obtained by melting the reaction material increases. As a result, the growth rate of the gallium nitride single crystal decreases, so it is not preferable for the proportion of iron nitride to exceed 2 mol %.

特定の金属材料は、スピネル型結晶構造を採る特定の金属自体、または、特定の金属の化合物である。特定の金属は、例えば、Mg、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、および、Znからなる群から選択される1または複数である。 The specific metal material is a specific metal itself or a compound of a specific metal that has a spinel crystal structure. Specific metals are, for example, one or more selected from the group consisting of Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, and Zn.

特定の金属材料として、特定の金属自体を用いる場合、特定の金属材料は、高純度のものを使用することが好ましく、例えば、市販の純度99.9%以上のものを使用することができる。 When the specific metal itself is used as the specific metal material, it is preferable to use a specific metal material of high purity, for example, a commercially available product with a purity of 99.9% or more can be used.

特定の金属材料として、特定の金属の化合物を用いる場合、特定の金属材料は、特定の金属の窒化物、酸化物、または、塩化物である。特定の金属がマグネシウムである場合、マグネシウム化合物は、例えば、窒化マグネシウム(Mg)、酸化マグネシウム、塩化マグネシウムである。特定の金属がマンガンである場合、マンガン化合物は、例えば、窒化マンガン、酸化マンガン(MnO、MnO、Mn、Mn)、塩化マンガンである。 When using a specific metal compound as the specific metal material, the specific metal material is a nitride, oxide, or chloride of the specific metal. When the specific metal is magnesium, magnesium compounds are, for example, magnesium nitride ( Mg3N2 ), magnesium oxide, magnesium chloride. When the specific metal is manganese, manganese compounds are, for example, manganese nitride, manganese oxide (MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 ), manganese chloride.

反応材料における、特定の金属材料は、好ましくは、特定の金属および特定の金属の窒化物のうち、いずれか一方または両方である。反応材料として、特定の金属および特定の金属の窒化物のうち、いずれか一方または両方を用いることで、窒化ガリウム単結晶層130に含まれる不純物を低減することが可能となる。 The specific metal material in the reaction material is preferably one or both of a specific metal and a specific metal nitride. By using one or both of the specific metal and the nitride of the specific metal as the reaction material, impurities contained in the gallium nitride single crystal layer 130 can be reduced.

なお、反応材料における特定の金属材料の割合は、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料の合計モル数に対して、0.5モル%未満であることが好ましい。特定の金属材料の割合が0.5モル%以上である場合、窒化ガリウム単結晶の結晶性が低下するため好ましくない。 The proportion of the specific metal material in the reaction material is preferably less than 0.5 mol % with respect to the total number of moles of metallic gallium, iron nitride and the specific metal material. If the ratio of the specific metal material is 0.5 mol % or more, the crystallinity of the gallium nitride single crystal is lowered, which is not preferable.

[反応装置]
続いて、図7を参照して、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法において用いられる反応装置について説明する。図7は、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造に用いる反応装置200の構成を示す模式図である。
[Reactor]
Next, with reference to FIG. 7, the reactor used in the method for producing a gallium nitride single crystal according to this embodiment will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a reactor 200 used for producing gallium nitride single crystals according to this embodiment.

図7に示すように、反応装置200は、電気炉210と、電気炉210の側面に設けられたヒータ212と、ガス導入口220と、ガス排気口222と、回転軸230とを含む。また、電気炉210の内部には、反応材料の原料融液Mを収容する反応容器240を載置する架台242が設けられる。回転軸230の下端には、窒化ガリウム単結晶を成長させるサファイア基板110が水平に取り付けられる。すなわち、反応装置200は、反応材料を溶融した原料融液Mに浸漬されたサファイア基板110上に窒化ガリウム単結晶層130(窒化ガリウムの単結晶膜)をエピタキシャル成長させる装置である。 As shown in FIG. 7 , the reactor 200 includes an electric furnace 210 , a heater 212 provided on the side of the electric furnace 210 , a gas introduction port 220 , a gas exhaust port 222 and a rotating shaft 230 . Further, inside the electric furnace 210, a frame 242 is provided for mounting a reaction vessel 240 containing the raw material melt M of the reaction material. A sapphire substrate 110 on which a gallium nitride single crystal is grown is horizontally attached to the lower end of the rotating shaft 230 . That is, the reaction apparatus 200 is an apparatus for epitaxially growing a gallium nitride single crystal layer 130 (gallium nitride single crystal film) on a sapphire substrate 110 immersed in a raw material melt M obtained by melting a reaction material.

電気炉210は、密閉された構造を有し、内部に反応容器240を収容する。電気炉210は、例えば、内径(直径)が約200mmであり、高さが約800mmである筒状構造である。 The electric furnace 210 has a closed structure and accommodates a reaction vessel 240 inside. The electric furnace 210 is, for example, a tubular structure with an inner diameter (diameter) of about 200 mm and a height of about 800 mm.

ヒータ212は、電気炉210の長手方向の側面に配置され、電気炉210内部を加熱する。 The heater 212 is arranged on the longitudinal side of the electric furnace 210 and heats the inside of the electric furnace 210 .

ガス導入口220は、電気炉210の上部に設けられる。ガス導入口220は、電気炉210内に雰囲気ガスを導入する。雰囲気ガスは、例えば、窒素(N)ガス、アルゴン(Ar)である。ガス排気口222は、電気炉210の下部に設けられる。ガス排気口222は、電気炉210内から雰囲気ガスを排出する。ガス導入口220およびガス排気口222により、電気炉210の内部の圧力は、ほぼ常圧(すなわち、大気圧)に保たれる。 A gas introduction port 220 is provided in the upper portion of the electric furnace 210 . The gas inlet 220 introduces atmospheric gas into the electric furnace 210 . The atmosphere gas is, for example, nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar). A gas exhaust port 222 is provided in the lower portion of the electric furnace 210 . The gas exhaust port 222 exhausts the ambient gas from inside the electric furnace 210 . Gas introduction port 220 and gas exhaust port 222 keep the pressure inside electric furnace 210 at substantially normal pressure (that is, atmospheric pressure).

架台242は、反応容器240を支持する部材である。具体的に説明すると、架台242は、反応容器240がヒータ212によって均等に加熱されるように反応容器240を支持する。例えば、架台242の高さは、反応容器240がヒータ212の中央部に位置するような高さである。 The pedestal 242 is a member that supports the reaction vessel 240 . Specifically, the pedestal 242 supports the reaction vessel 240 so that the reaction vessel 240 is evenly heated by the heater 212 . For example, the height of the pedestal 242 is such that the reaction vessel 240 is positioned at the center of the heater 212 .

反応容器240は、反応材料が溶融した原料融液Mを保持する容器である。反応容器240は、例えば、外径(直径)が約100mmであり、高さが約90mmであり、厚みが約5mmである円筒形状の容器である。反応容器240は、例えば、カーボンで構成される。反応容器240をカーボンで構成することにより、酸素等の不純物が反応材料に混入してしまう事態を回避することができる。なお、反応容器240は、カーボンに限らず、1000℃付近の高温で金属ガリウムと反応しない材質、例えば、酸化アルミニウム等の他の材料で構成されてもよい。 The reaction vessel 240 is a vessel that holds the raw material melt M in which the reaction material is melted. The reaction container 240 is, for example, a cylindrical container with an outer diameter (diameter) of about 100 mm, a height of about 90 mm, and a thickness of about 5 mm. The reaction vessel 240 is made of carbon, for example. By forming the reaction vessel 240 from carbon, it is possible to avoid a situation in which impurities such as oxygen are mixed into the reaction material. Note that the reaction vessel 240 is not limited to carbon, and may be made of a material that does not react with metal gallium at a high temperature of about 1000° C., such as aluminum oxide.

原料融液Mは、反応材料が溶融した液体である。具体的に説明すると、原料融液Mは、反応材料である金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料をヒータ212によって加熱溶融した液体である。なお、反応材料である金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料の混合割合は、上述したように、金属ガリウムおよび窒化鉄の総モル数に対して、窒化鉄のモル数が2%以下、特定の金属材料のモル数が0.5%未満であることが好ましい。 The raw material melt M is a liquid obtained by melting the reaction material. Specifically, the raw material melt M is a liquid obtained by heating and melting reaction materials such as metal gallium, iron nitride, and a specific metal material by the heater 212 . In addition, as described above, the mixing ratio of metal gallium, iron nitride, and the specific metal material as reaction materials is such that the number of moles of iron nitride is 2% or less with respect to the total number of moles of metal gallium and iron nitride. , the number of moles of the specific metal material is preferably less than 0.5%.

サファイア基板110は、表面に窒化ガリウムの単結晶膜を積層可能な基板である。サファイア基板110は、例えば、円板、矩形板等の平板形状であってもよい。ただし、サファイア基板110の形状は、係る例に限定されない。 The sapphire substrate 110 is a substrate on which a gallium nitride single crystal film can be laminated. The sapphire substrate 110 may be, for example, a flat plate shape such as a disk or rectangular plate. However, the shape of the sapphire substrate 110 is not limited to this example.

回転軸230は、電気炉210の上部に設けられる。回転軸230は、例えば、下端にサファイア基板110を挟持するための複数の鉤を備え、サファイア基板110を水平に保持する。本実施形態では、回転軸230を上下させることで、回転軸230に取り付けられたサファイア基板110を原料融液Mに浸漬したり、原料融液Mから引き上げたりする。 A rotating shaft 230 is provided on the upper portion of the electric furnace 210 . The rotating shaft 230 has, for example, a plurality of hooks for holding the sapphire substrate 110 at its lower end, and holds the sapphire substrate 110 horizontally. In this embodiment, the sapphire substrate 110 attached to the rotating shaft 230 is immersed in the raw material melt M or pulled up from the raw material melt M by vertically moving the rotating shaft 230 .

なお、回転軸230は、軸を中心に回転可能に設けられてもよい。回転軸230を回転させることにより、サファイア基板110を回転させ、原料融液Mを撹拌することができる。これにより、原料融液M中の窒素濃度分布をより均一にすることができ、サファイア基板110により均一な窒化ガリウムの単結晶膜を成長させることが可能となる。 Note that the rotating shaft 230 may be provided rotatably around the axis. By rotating the rotating shaft 230, the sapphire substrate 110 can be rotated and the raw material melt M can be stirred. Thereby, the nitrogen concentration distribution in the raw material melt M can be made more uniform, and a more uniform gallium nitride single crystal film can be grown on the sapphire substrate 110 .

また、上記したように、本実施形態に係る回転軸230は、サファイア基板110を、原料融液Mの液面に対して水平に保持する。これにより、サファイア基板110に対する、原料融液Mの深さ方向の窒素濃度分布の影響を小さくすることができる。したがって、反応装置200は、サファイア基板110に、より均一に窒化ガリウム単結晶膜を成長させることが可能となる。 Further, as described above, the rotating shaft 230 according to the present embodiment holds the sapphire substrate 110 horizontally with respect to the liquid surface of the raw material melt M. As shown in FIG. Thereby, the influence of the nitrogen concentration distribution in the depth direction of the raw material melt M on the sapphire substrate 110 can be reduced. Therefore, the reactor 200 can grow a gallium nitride single crystal film on the sapphire substrate 110 more uniformly.

回転軸230は、反応容器240と同様に、例えば、カーボンで構成される。回転軸230をカーボンで構成することにより、酸素等の不純物が反応材料に混入してしまう事態を回避することができる。なお、回転軸230は、カーボンに限らず、1000℃付近の高温で金属ガリウムと反応しない材質、例えば、酸化アルミニウム等の他の材料で構成されてもよい。 The rotating shaft 230 is made of carbon, for example, like the reaction vessel 240 . By forming the rotating shaft 230 from carbon, it is possible to avoid a situation in which impurities such as oxygen are mixed into the reaction material. The rotary shaft 230 is not limited to carbon, and may be made of other materials such as aluminum oxide that do not react with metallic gallium at high temperatures around 1000°C.

以上説明したように、反応装置200は、回転軸230を上下させることによってサファイア基板110を原料融液Mに浸漬させ、サファイア基板110上に窒化ガリウムの単結晶膜(窒化ガリウム単結晶層130)を成長させることができる。 As described above, the reactor 200 moves the rotating shaft 230 up and down to immerse the sapphire substrate 110 in the raw material melt M, thereby forming a gallium nitride single crystal film (gallium nitride single crystal layer 130) on the sapphire substrate 110. can grow.

これにより、反応装置200は、サファイア基板110と結晶方位が揃った(すなわち、エピタキシャル成長した)窒化ガリウムの単結晶膜(窒化ガリウム単結晶層130)をサファイア基板110の上に積層することが可能となる。 As a result, the reaction apparatus 200 can stack a gallium nitride single-crystal film (gallium nitride single-crystal layer 130) having the same crystal orientation as the sapphire substrate 110 (that is, epitaxially grown) on the sapphire substrate 110. Become.

[製造方法]
続いて、本実施形態に係る半導体基板100の製造方法の流れについて説明する。図8は、本実施形態に係る半導体基板100の製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。本実施形態に係る半導体基板100の製造方法は、融液生成工程S110、浸漬工程S120、保持工程S130、精製工程S140を含む。以下、各工程について説明する。
[Production method]
Next, the flow of the method for manufacturing the semiconductor substrate 100 according to this embodiment will be described. FIG. 8 is a flow chart for explaining the flow of processing in the method for manufacturing the semiconductor substrate 100 according to this embodiment. The manufacturing method of the semiconductor substrate 100 according to this embodiment includes a melt generation step S110, an immersion step S120, a holding step S130, and a purification step S140. Each step will be described below.

[融液生成工程S110]
まず、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料の粉末を混合して上述の反応容器240に充填し、反応容器240を電気炉210内に載置する。
[Melt generation step S110]
First, metal gallium, iron nitride, and powders of a specific metal material are mixed and filled in the reaction vessel 240 described above, and the reaction vessel 240 is placed in the electric furnace 210 .

続いて、電気炉210内にガス導入口220から雰囲気ガスを導入し、電気炉210内を窒素雰囲気とした上で、ヒータ212によって反応容器240内の反応材料を加熱する。なお、ガス導入口220から電気炉210内に導入された雰囲気ガスは、ガス排気口222から排出されるため、電気炉210内は、ほぼ常圧に保たれる。 Subsequently, the atmosphere gas is introduced into the electric furnace 210 through the gas inlet 220 to create a nitrogen atmosphere in the electric furnace 210 , and the reaction material in the reaction vessel 240 is heated by the heater 212 . Since the atmosphere gas introduced into the electric furnace 210 through the gas inlet 220 is discharged through the gas exhaust port 222, the pressure inside the electric furnace 210 is maintained at substantially normal pressure.

ここで、反応容器240内の反応材料は、金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料が反応する反応温度まで少なくとも加熱される。このような反応温度は、具体的には、300℃以上、1000℃以下であり、好ましくは、700℃以上、1000℃以下である。 Here, the reaction materials in reaction vessel 240 are heated to at least the reaction temperature at which metallic gallium, iron nitride, and certain metal materials react. Specifically, such a reaction temperature is 300° C. or higher and 1000° C. or lower, preferably 700° C. or higher and 1000° C. or lower.

こうして、窒素雰囲気下において、反応容器240内の反応材料が溶融し、原料融液Mが生成される。 Thus, under the nitrogen atmosphere, the reaction material in the reaction vessel 240 is melted, and the raw material melt M is produced.

[浸漬工程S120]
回転軸230を操作して、回転軸230に保持されたサファイア基板110を原料融液M中に浸漬する。
[Immersion step S120]
The sapphire substrate 110 held by the rotating shaft 230 is immersed in the raw material melt M by operating the rotating shaft 230 .

[保持工程S130]
回転軸230に保持されたサファイア基板110を原料融液M中に浸漬した状態で、反応容器240内の原料融液Mを、上記反応温度の範囲内に、20時間以上100時間以下保持する。これにより、原料融液M中に浸漬されたサファイア基板110上に緩衝層120および窒化ガリウムの均一な単結晶膜を成長させることができる。
[Holding step S130]
With the sapphire substrate 110 held by the rotary shaft 230 immersed in the raw material melt M, the raw material melt M in the reaction vessel 240 is held within the reaction temperature range for 20 hours or more and 100 hours or less. As a result, the buffer layer 120 and a uniform single crystal film of gallium nitride can be grown on the sapphire substrate 110 immersed in the raw material melt M.

なお、保持工程S130において、原料融液M(反応材料)の温度は、反応温度の範囲内(例えば、300℃以上、1000℃以下)に収まっていれば、一定である必要はなく、変動していてもよい。 In the holding step S130, the temperature of the raw material melt M (reaction material) does not need to be constant as long as it is within the reaction temperature range (for example, 300° C. or higher and 1000° C. or lower). may be

[精製工程S140]
ただし、上記の融液生成工程S110~保持工程S130を実行することで得られた反応生成物には、鉄およびガリウムの金属間化合物、および、特定の金属およびガリウムの金属間化合物等の副生成物が含まれていることがある。そこで、窒化ガリウム単結晶を析出させたサファイア基板110は、精製工程S140を経ることで副生成物が除去される。
[Purification step S140]
However, the reaction products obtained by executing the melt generation step S110 to the holding step S130 include by-products such as intermetallic compounds of iron and gallium, and intermetallic compounds of specific metals and gallium. It may contain objects. Therefore, the sapphire substrate 110 on which the gallium nitride single crystal is deposited is subjected to the refining step S140 to remove the by-products.

精製工程S140は、例えば、王水等の酸を用いた酸洗浄を用いることができる。これにより、鉄とガリウムとの金属間化合物、および、特定の金属とガリウムとの金属間化合物等を酸に溶解させ、窒化ガリウム単結晶(窒化ガリウム単結晶層130)を精製することができる。 For the purification step S140, for example, acid washing using an acid such as aqua regia can be used. As a result, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of a specific metal and gallium, and the like can be dissolved in acid to refine the gallium nitride single crystal (gallium nitride single crystal layer 130).

以上説明したように、本実施形態に係る半導体基板100の製造方法は、常圧等の低圧の窒素雰囲気下にて、液相成長により効率的に窒化ガリウム単結晶を製造することができる。 As described above, the method for manufacturing the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment can efficiently manufacture a gallium nitride single crystal by liquid phase epitaxy in a low-pressure nitrogen atmosphere such as normal pressure.

また、本実施形態に係る半導体基板100の製造方法は、浸漬工程S120を実行する前に、特定の金属の酸化物の膜をサファイア基板110の表面に成膜する工程を実行してもよい。この場合、浸漬工程S120では、特定の金属の酸化物の膜が成膜されたサファイア基板110を融液に浸漬する。なお、成膜する工程は、スパッタリング等によって実行される。 In addition, the method of manufacturing the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment may perform a step of forming a specific metal oxide film on the surface of the sapphire substrate 110 before performing the immersion step S120. In this case, in the immersion step S120, the sapphire substrate 110 on which the specific metal oxide film is formed is immersed in the melt. In addition, the process of forming a film is performed by sputtering or the like.

以下では、本発明の実施例および比較例について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本発明に係る半導体基板、および、半導体基板の製造方法が下記の例に限定されるものではない。 Examples and comparative examples of the present invention will be specifically described below. It should be noted that the embodiments shown below are merely examples, and the semiconductor substrate and the method for manufacturing the semiconductor substrate according to the present invention are not limited to the following examples.

また、以下の実施例および比較例では、共通して、純度7Nの金属ガリウム(DOWAエレクトロニクス株式会社製)、純度99%以上の一窒化三鉄(株式会社高純度化学研究所製)、純度99%以上の窒化マグネシウム(株式会社高純度化学研究所製)、純度99%以上の窒化マンガン(株式会社高純度化学研究所製)を用いた。また、サファイア基板110として、直径が約2インチ、かつ厚みが0.4mm厚であり、窒化ガリウムの単結晶膜を積層させる面が(0001)面(c面)であるサファイア基板(信光社製)を用いた。 Further, in the following examples and comparative examples, in common, metallic gallium with a purity of 7N (manufactured by DOWA Electronics Co., Ltd.), triiron mononitride with a purity of 99% or more (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), purity 99 % or higher magnesium nitride (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) and manganese nitride with a purity of 99% or higher (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.). As the sapphire substrate 110, a sapphire substrate (manufactured by Shinko Co., Ltd.) has a diameter of about 2 inches and a thickness of 0.4 mm, and has a (0001) plane (c-plane) on which a single crystal film of gallium nitride is laminated. ) was used.

[実施例1]
まず、反応装置200の内部に設置した反応容器240に、金属ガリウム(Ga)、一窒化三鉄(FeN)、および、窒化マグネシウム(Mg)の各原料をGa:FeN:Mg=99.75mol%:0.2mol%:0.05mol%の割合にて混合し、投入した。また、回転軸230には、窒化ガリウム単結晶層130を形成する面が(0001)面のサファイア基板110を載置した。
[Example 1]
First, in a reaction vessel 240 installed inside the reaction device 200 , each raw material of metallic gallium (Ga), triiron mononitride ( Fe3N ), and magnesium nitride ( Mg3N2 ) was charged into Ga: Fe3N . :Mg 3 N 2 =99.75 mol %:0.2 mol %:0.05 mol % were mixed and charged. Also, the sapphire substrate 110 having the (0001) plane for forming the gallium nitride single crystal layer 130 was placed on the rotating shaft 230 .

続いて、以下の温度プロファイルによって、反応装置200の内部温度を制御することで、金属ガリウム、一窒化三鉄、および、窒化マグネシウムを反応させ、窒化ガリウム単結晶を製造した。 Subsequently, by controlling the internal temperature of the reactor 200 according to the following temperature profile, metal gallium, triiron mononitride, and magnesium nitride were reacted to produce a gallium nitride single crystal.

具体的に説明すると、まず、毎分3000mLの流量で反応装置200の内部に窒素ガス(純度99.99%)を導入し、反応装置200の内部雰囲気を窒素略100%の1気圧とした。そして、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を700℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を10時間、700℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を毎時5℃の割合で880℃まで上昇させ、880℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、または、マグネシウムとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically, first, nitrogen gas (99.99% purity) was introduced into the reaction device 200 at a flow rate of 3000 mL/min, and the internal atmosphere of the reaction device 200 was set to approximately 100% nitrogen and 1 atmosphere. After manually raising the internal temperature of the reactor 200 to 200° C., the internal temperature was raised to 700° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was kept at 700° C. for 10 hours. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was raised to 880° C. at a rate of 5° C./hour and held at 880° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metallic gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of magnesium and gallium, and the like.

続いて、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、上記のチルト測定およびツイスト測定を行った。チルト測定(ωスキャン)は、結晶の積層方向における結晶方位の変化またはバラツキを測定するものであり、ピークの幅が狭いほど結晶方位のバラツキが小さく、結晶性がよいことを示す。 Subsequently, the above tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 laminated according to Example 1. FIG. Tilt measurement (ω scan) measures the change or dispersion of crystal orientation in the stacking direction of crystals, and the narrower the width of the peak, the smaller the dispersion of crystal orientation and the better the crystallinity.

上記したリガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」を用いて、X線の入射および回折検出が試料の表面に垂直な面で行われる配置において、2θ=34.6°(窒化ガリウムの(0002)面の格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される値)に検出器を配置してωスキャンによる測定を行った。なお、このときの試料に対するX線の侵入深さは、数十μm程度である。 Using the Rigaku fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" described above, X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane perpendicular to the surface of the sample, 2θ = 34.6 (a value calculated from the lattice spacing of the (0002) plane of gallium nitride using Bragg's equation), and the measurement was performed by ω scanning. The penetration depth of X-rays into the sample at this time is about several tens of μm.

また、ツイスト測定(φスキャン)は、結晶の面内方向における結晶方位の変化またはバラツキを測定するものであり、ピークの幅が狭いほど結晶方位のバラツキが小さく、結晶性がよいことを示す。 The twist measurement (φ scan) measures the change or dispersion of the crystal orientation in the in-plane direction of the crystal, and the narrower the peak width, the smaller the dispersion of the crystal orientation and the better the crystallinity.

上記したリガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」を用いて、X線の入射および回折検出が試料の表面に対して平行な面内で行われる配置において、試料表面に対してごく浅い角度でX線を入射した。なお、このときの試料に対するX線の侵入深さは、数μm程度である。ツイスト測定では、測定光学系の条件として、入射角度0.25°、入射スリット幅0.1mm、および長手制限スリット幅5mmを用い、2θχ=57.91°(窒化ガリウム(11-20)面の格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される値)に検出器を配置してφスキャンによる測定を行った。 Using the fully automatic horizontal multipurpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" manufactured by Rigaku Co., Ltd., in an arrangement in which X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane parallel to the sample surface, X-rays were incident at a very shallow angle with respect to . The penetration depth of the X-rays into the sample at this time is about several μm. In the twist measurement, an incident angle of 0.25°, an incident slit width of 0.1 mm, and a longitudinal limiting slit width of 5 mm were used as the conditions of the measurement optical system, and 2θχ = 57.91° (gallium nitride (11-20) plane A value calculated from the lattice spacing using Bragg's equation) was placed in the detector and measurement was performed by φ scanning.

その結果、実施例1の半導体基板100のチルト幅は、0.218°であり、ツイスト幅は、0.296°であった。 As a result, the semiconductor substrate 100 of Example 1 had a tilt width of 0.218° and a twist width of 0.296°.

また、6回対称となる位置(面内回転で60°置き)に強度ピークが観測された。 In addition, intensity peaks were observed at six-fold symmetrical positions (every 60° in-plane rotation).

続いて、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、上記インプレーンの2θχ-φ測定、および、φスキャンと、アウトオブプレーンの2θ-ω測定を行い、結晶性解析を行った。なお、測定には、上記したリガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG 9MTP」を用いた。 Subsequently, for the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated, according to Example 1, the in-plane 2θχ-φ measurement, φ scan, and out-of-plane 2θ-ω measurement and crystallinity analysis was performed. For the measurement, the fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer "SmartLab 3XG 9MTP" manufactured by Rigaku was used.

図10は、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、入射角0.25°の場合と、入射角0.8°の場合とのインプレーンの広角2θχ-φ測定結果を示す図である。図10中、横軸は、面内回折角2θχを示し、縦軸は、X線強度値を示す。なお、縦軸は、対数表示である。また、比較を容易にするために、入射角0.25°のデータと、入射角0.8°のデータとを縦軸方向にずらして表示している。 FIG. 10 shows in-plane sapphire substrate 110 having buffer layer 120 and gallium nitride single crystal layer 130 stacked thereon according to Example 1 at an incident angle of 0.25° and at an incident angle of 0.8°. is a diagram showing wide-angle 2θχ-φ measurement results. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the in-plane diffraction angle 2θχ, and the vertical axis indicates the X-ray intensity value. Note that the vertical axis is logarithmic. Also, for ease of comparison, the data for the incident angle of 0.25° and the data for the incident angle of 0.8° are shown shifted in the vertical axis direction.

まず、入射角(2θ=ω=)0.25°と入射角(2θ=ω=)0.8°とで共通したピーク(回折A)が2θχ=57.9°付近に確認できる。これは窒化ガリウムの(11-20)回折に対応する。一方、入射角0.8°では、2θχ=31.3°付近のピーク(回折B)と、2θχ=65.7°付近のピーク(回折C)が顕著に確認できた。 First, a peak (diffraction A) common to the incident angle (2θ=ω=) of 0.25° and the incident angle (2θ=ω=) of 0.8° can be confirmed near 2θχ=57.9°. This corresponds to the (11-20) diffraction of gallium nitride. On the other hand, at an incident angle of 0.8°, a peak near 2θχ=31.3° (diffraction B) and a peak near 2θχ=65.7° (diffraction C) were remarkably confirmed.

2θχ=31.3°付近(回折B)と2θχ=65.7°付近(回折C)に関する回折条件を、構成元素候補であるGa、N、Al、O、MgとしてICDDカードデータから検索を行った。その結果、回折Bとして、スピネル型結晶構造のMgAlの(220)面、2θ=31.25°、回折Cとしてスピネル型結晶構造のMgAlの(440)面、2θ=65.70°が候補として挙げられることが分かった。 Diffraction conditions near 2θχ = 31.3° (diffraction B) and near 2θχ = 65.7° (diffraction C) were searched from the ICDD card data as constituent element candidates Ga, N, Al, O, and Mg. rice field. As a result, diffraction B is the (220) plane of MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure, 2θ=31.25°, and diffraction C is the (440) plane of MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure, 2θ=65. .70° was found to be a candidate.

次に、入射角0.8°で顕著に見られた2θχ=65.7°付近のピーク(回折C)に着目して、入射角0.8°にて2θχ=65.7°に検出器SCを配置してツイスト測定(φスキャン)を行ったところ、6回対称となる位置(面内回転で60°置き)に強度ピークが観測された。さらに、ツイスト測定から求められた格子面は、スピネル型結晶構造のMgAlの(110)面(正確には((1-10)面)と推定され、窒化ガリウムの(11-20)面、サファイアの(10-10)面とも平行な関係にあることを確認した。 Next, focusing on the peak (diffraction C) near 2θχ = 65.7° that was conspicuous at an incident angle of 0.8°, the detector was placed at 2θχ = 65.7° at an incident angle of 0.8°. When a twist measurement (φ scan) was performed with the SC arranged, intensity peaks were observed at six-fold symmetrical positions (in-plane rotation at 60° intervals). Furthermore, the lattice plane obtained from the twist measurement is estimated to be the (110) plane (more precisely, the (1-10) plane) of MgAl 2 O 4 of the spinel crystal structure, and the (11-20) plane of gallium nitride. It was confirmed that the plane was parallel to the (10-10) plane of sapphire.

続いて、積層方向の試料の表面に平行な格子面を検出するため、アウトオブプレーンの配置で広角の2θ-ω測定を行った。図11は、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130(窒化ガリウム単結晶)を積層したサファイア基板110について、アウトオブプレーンの広角の2θ-ω測定結果を示す図である。図11中、横軸は、回折角2θを示し、縦軸は、X線強度値を示す。なお、縦軸は、対数表示である。また、比較を容易にするために、実施例1のデータと、後述する比較例のデータとを縦軸方向にずらして表示している。 Subsequently, wide-angle 2θ-ω measurements were performed in an out-of-plane configuration to detect lattice planes parallel to the surface of the sample in the stacking direction. FIG. 11 is a diagram showing out-of-plane wide-angle 2θ-ω measurement results for the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 (gallium nitride single crystal) stacked thereon according to Example 1. . In FIG. 11, the horizontal axis indicates the diffraction angle 2θ, and the vertical axis indicates the X-ray intensity value. Note that the vertical axis is logarithmic. In order to facilitate comparison, the data of Example 1 and the data of a comparative example, which will be described later, are shown shifted in the direction of the vertical axis.

図11に示す、2θ=34.6°付近に見られるピーク(回折E)が窒化ガリウムの(0002)面の回折に、2θ=41.7°付近に見られるピーク(回折F)がサファイアの(0006)面の回折に、それぞれ対応する。回折E、回折Fと比較して強度は3桁小さいながら、2θ=19.2°付近に回折ピーク(回折D)が検出できた。回折Dのピーク検索の結果、回折Dとして、スピネル型結晶構造のMgAlの(111)面、2θ=19.20°が候補として挙げられることが分かった。 In FIG. 11, the peak (diffraction E) seen near 2θ = 34.6° is the diffraction of the (0002) plane of gallium nitride, and the peak (diffraction F) seen near 2θ = 41.7° is the diffraction of sapphire. They correspond to the diffraction of the (0006) plane, respectively. A diffraction peak (diffraction D) could be detected near 2θ=19.2° although the intensity was three orders of magnitude lower than that of diffraction E and diffraction F. As a result of peak search of diffraction D, it was found that the (111) plane of MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure, 2θ=19.20°, is a candidate for diffraction D.

回折Dの格子面は、スピネル型結晶構造のMgAlの(111)面と推定され、図11の測定結果がアウトオブプレーンの対称反射測定であることから、窒化ガリウムの(0001)面(c面)、および、サファイアの(0001)面(c面)に平行な関係にあることが分かる。 The lattice plane of diffraction D is presumed to be the (111) plane of MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure, and since the measurement results in FIG. 11 are out-of-plane symmetric reflection measurements, the (0001) plane of gallium nitride (c-plane) and the (0001) plane (c-plane) of sapphire.

以上の結果から、実施例1に係る、サファイア基板110を構成するサファイア単結晶、緩衝層120を構成するスピネル型結晶構造のMgAl、および、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶の軸の対応関係を整理すると以下の式(3)ようになる。
[11-20](0001)GaN//[1-10](111)MgAl//[1-100](0001)Al ・・・式(3)
上記式(3)において、[11-20](0001)GaNは、窒化ガリウム単結晶の(0001)面の[11-20]軸を示す。[1-10](111)MgAlは、スピネル型結晶構造のMgAlの(111)面の[1-10]軸を示す。[1-100](0001)Alは、サファイア単結晶の(0001)面の[1-100]軸を示す。また、「//」は平行な関係であることを示す。
From the above results, according to Example 1, the sapphire single crystal forming the sapphire substrate 110, the MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure forming the buffer layer 120, and the gallium nitride forming the gallium nitride single crystal layer 130 The correspondence relationship between the axes of the single crystal is arranged as shown in the following formula (3).
[11-20] (0001) GaN // [1-10] (111) MgAl 2 O 4 // [1-100] (0001) Al 2 O 3 Formula (3)
In the above formula (3), [11-20](0001)GaN represents the [11-20] axis of the (0001) plane of the gallium nitride single crystal. [1-10](111)MgAl 2 O 4 indicates the [1-10] axis of the (111) plane of MgAl 2 O 4 in the spinel crystal structure. [1-100](0001)Al 2 O 3 indicates the [1-100] axis of the (0001) plane of the sapphire single crystal. Also, "//" indicates a parallel relationship.

続いて、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130(窒化ガリウム単結晶)を積層したサファイア基板110について、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。なお、断面TEM観察には、上記日本電子株式会社製の透過電子顕微鏡「JEM-ARM200」を用いた。 Subsequently, the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 (gallium nitride single crystal) stacked thereon according to Example 1 was subjected to cross-sectional TEM observation to measure the threading dislocation density. For cross-sectional TEM observation, a transmission electron microscope "JEM-ARM200" manufactured by JEOL Ltd. was used.

図9は、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110の断面TEM観察における明視野像である。図9に示すように、窒化ガリウム単結晶層130は、厚み1.9μm程度であり、また、サファイア基板110の表面に変色部が見られた。なお、変色部は、下記に示す結晶性解析の結果から、スピネル型結晶構造のMgAlであることが確認された。つまり、変色部が、緩衝層120であることが確認された。緩衝層120の厚みは、30nm~65nmであった。また、実施例1の貫通転位密度は、5.7×10[cm-2]であった。 FIG. 9 is a bright-field image of a cross-sectional TEM observation of the sapphire substrate 110 on which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated according to Example 1. FIG. As shown in FIG. 9, the gallium nitride single crystal layer 130 had a thickness of about 1.9 μm, and a discolored portion was observed on the surface of the sapphire substrate 110 . The discolored portion was confirmed to be MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure from the crystallinity analysis results shown below. That is, it was confirmed that the discolored portion was the buffer layer 120 . The thickness of the buffer layer 120 was 30 nm to 65 nm. Further, the threading dislocation density of Example 1 was 5.7×10 9 [cm −2 ].

続いて、サファイア基板110から窒化ガリウム単結晶層130を跨ぐ約200nm領域について、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130(窒化ガリウム単結晶)を積層したサファイア基板110について、EDS(エネルギー分散型X線分光器)でライン分析を行った。 Subsequently, about a 200 nm region spanning from the sapphire substrate 110 to the gallium nitride single crystal layer 130, the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 (gallium nitride single crystal) are laminated according to Example 1, Line analysis was performed with an EDS (energy dispersive X-ray spectrometer).

図12は、実施例1に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130(窒化ガリウム単結晶)を積層したサファイア基板110に対し、窒素、酸素、マグネシウム、アルミニウム、および、ガリウムの各元素についてライン分析した結果を示す図である。 FIG. 12 shows each element of nitrogen, oxygen, magnesium, aluminum, and gallium for the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 (gallium nitride single crystal) are stacked according to Example 1. It is a figure which shows the result of having carried out the line analysis.

図12に示すように、酸素(O)は、サファイア基板110側の距離の0点(0nm位置)から100nm位置までは、約63at%で推移するが、110nm位置にかけて約4at%まで急激に減少する。これに対応するように、窒素(N)は、100nm位置から110nm位置にかけて、約1at%以下から約28at%まで、ガリウム(Ga)は、約1at%以下から約65at%に急激に存在量が増加する。また、アルミニウム(Al)は、0点からおよそ90nm位置までは約35at%で推移するが、110nm位置にかけて約1at%まで徐々に存在量が低下する。また、マグネシウム(Mg)は、90nm位置から110nm位置にかけて、最大で約16at%存在している。AlとMgの存在量を足し合わせると約35at%で推移している。また、酸素の低下とAlの低下の置にはズレがあるがそのズレ量に対応するように、Mgが存在していることからサファイア表面のAlの一部がMgで置換していることが示唆される。 As shown in FIG. 12, oxygen (O) changes at about 63 at % from the 0 point (0 nm position) of the distance on the sapphire substrate 110 side to the 100 nm position, but decreases sharply to about 4 at % toward the 110 nm position. do. Correspondingly, nitrogen (N) and gallium (Ga) rapidly increase from about 1 at% to about 65 at% from 100 nm to 110 nm. To increase. Also, aluminum (Al) changes at about 35 at % from the 0 point to about 90 nm, but its abundance gradually decreases to about 1 at % toward 110 nm. Magnesium (Mg) is present at a maximum of about 16 at % from the 90 nm position to the 110 nm position. The sum of the existing amounts of Al and Mg changes at about 35 atomic %. In addition, there is a gap between the decrease of oxygen and the decrease of Al, but since Mg is present so as to correspond to the amount of deviation, it can be said that part of Al on the sapphire surface is replaced with Mg. It is suggested.

[実施例2]
温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板110の上に緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。
[Example 2]
A buffer layer 120 and a gallium nitride single crystal layer 130 were grown on a sapphire substrate 110 in the same manner as in Example 1, except that the temperature profile was set under the following conditions.

具体的に説明すると、まず、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を950℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を1時間、950℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を950℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、または、マグネシウムとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor 200 was manually raised to 200° C., and then the internal temperature was raised to 950° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was held at 950° C. for 1 hour. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was kept at 950° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metallic gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of magnesium and gallium, and the like.

実施例2に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、チルト測定およびツイスト測定を行った。その結果、実施例2の半導体基板100のチルト幅は、1.1°であり、ツイスト幅は0.42°であった。なお、実施例2においても、6回対称となる位置(面内回転で60°おき)に強度ピークが観測された。 Similar to Example 1, tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 stacked thereon according to Example 2. FIG. As a result, the semiconductor substrate 100 of Example 2 had a tilt width of 1.1° and a twist width of 0.42°. Also in Example 2, intensity peaks were observed at six-fold symmetrical positions (every 60° in-plane rotation).

また、実施例2に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。 Further, the sapphire substrate 110 laminated with the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 according to Example 2 was subjected to cross-sectional TEM observation in the same manner as in Example 1, and the threading dislocation density was measured.

図13は、実施例2に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110の断面TEM観察における明視野像である。なお、図3中、矢印は、貫通転位を示す。図13に示すように、窒化ガリウム単結晶層130は、平均厚み0.3μm程度であった。また、サファイア基板110のほぼ全面に窒化ガリウム単結晶層130が形成されていることが確認された。緩衝層120の平均厚みは、80nmであった。また、実施例2の貫通転位密度は、5.4×10[cm-2]であった。なお、緩衝層120の厚みが薄い箇所に貫通転位が多く形成される傾向も確認できた。 FIG. 13 is a bright-field image of cross-sectional TEM observation of the sapphire substrate 110 on which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated according to Example 2. FIG. In FIG. 3, arrows indicate threading dislocations. As shown in FIG. 13, the gallium nitride single crystal layer 130 had an average thickness of about 0.3 μm. Moreover, it was confirmed that the gallium nitride single crystal layer 130 was formed on almost the entire surface of the sapphire substrate 110 . The average thickness of buffer layer 120 was 80 nm. The threading dislocation density of Example 2 was 5.4×10 9 [cm −2 ]. It was also confirmed that many threading dislocations tended to be formed at locations where the thickness of the buffer layer 120 was thin.

また、実施例2に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、上記逆格子マップ測定を行った。まず、逆格子シミュレーション結果に対応して、スピネル型結晶構造のMgAlの(111)面の逆格子点(以下、「スピネル111(逆格子点)」という)を抽出した。抽出した逆格子点に基づいて算出されたスピネル型結晶構造のMgAlの格子定数は、8.094Åであった。この場合の窒化ガリウム単結晶に対する格子不整合量は、-10.3%であった。 Further, the reciprocal lattice map measurement was performed for the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 laminated according to Example 2. FIG. First, reciprocal lattice points (hereinafter referred to as “spinel 111 (reciprocal lattice points)”) of the (111) plane of MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure were extracted in accordance with the reciprocal lattice simulation results. The lattice constant of MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure calculated based on the extracted reciprocal lattice points was 8.094 Å. The amount of lattice mismatch with respect to the gallium nitride single crystal in this case was −10.3%.

[実施例3]
サファイア基板110の前処理を実行した点および温度プロファイルを以下の条件とした点以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板110の上に緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。
[Example 3]
A buffer layer 120 and a gallium nitride single crystal layer 130 were grown on a sapphire substrate 110 in the same manner as in Example 1, except that the sapphire substrate 110 was pretreated and the temperature profile was set under the following conditions. let me

具体的に説明すると、スパッタリング装置を用い、サファイア基板110に予め酸化マグネシウム(MgO)膜を20nm成膜する前処理を行った。そして、酸化マグネシウム膜が成膜されたサファイア基板110の上に、下記温度プロファイルで、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。 Specifically, a sputtering apparatus was used to pre-process a magnesium oxide (MgO) film of 20 nm on the sapphire substrate 110 in advance. Then, on the sapphire substrate 110 on which the magnesium oxide film was formed, the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 were grown with the following temperature profile.

温度プロファイルを具体的に説明すると、まず、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を975℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を1時間、975℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を975℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、または、マグネシウムとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically describing the temperature profile, first, the internal temperature of the reactor 200 was manually raised to 200°C, and then the internal temperature was raised to 975°C at a rate of 100°C per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was held at 975° C. for 1 hour. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was kept at 975° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metallic gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of magnesium and gallium, and the like.

実施例3に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、チルト測定およびツイスト測定を行った。その結果、実施例3の半導体基板100のチルト幅は、0.94°であり、ツイスト幅は0.78°であった。なお、実施例3においても、6回対称となる位置(面内回転で60°おき)に強度ピークが観測された。 Similar to Example 1, tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 stacked thereon according to Example 3. FIG. As a result, the semiconductor substrate 100 of Example 3 had a tilt width of 0.94° and a twist width of 0.78°. Also in Example 3, intensity peaks were observed at six-fold symmetrical positions (every 60° in-plane rotation).

また、実施例3に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。 Further, the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are stacked according to Example 3 was subjected to cross-sectional TEM observation in the same manner as in Example 1, and the threading dislocation density was measured.

図14は、実施例3に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110の断面TEM観察における明視野像である。なお、図14中、矢印は、貫通転位を示す。図14に示すように、窒化ガリウム単結晶層130は、平均厚み1.7μm程度であった。また、サファイア基板110のほぼ全面に窒化ガリウム単結晶層130が形成されていることが確認された。緩衝層120の厚みは、150nm~250nmであった。また、実施例3の貫通転位密度は、1.4×10[cm-2]であった。なお、緩衝層120の厚みが薄い箇所に貫通転位が多く形成される傾向も確認できた。 FIG. 14 is a bright-field image of cross-sectional TEM observation of the sapphire substrate 110 on which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated according to Example 3. FIG. In FIG. 14, arrows indicate threading dislocations. As shown in FIG. 14, the gallium nitride single crystal layer 130 had an average thickness of about 1.7 μm. Moreover, it was confirmed that the gallium nitride single crystal layer 130 was formed on almost the entire surface of the sapphire substrate 110 . The thickness of the buffer layer 120 was 150 nm to 250 nm. Further, the threading dislocation density of Example 3 was 1.4×10 8 [cm −2 ]. It was also confirmed that many threading dislocations tended to be formed at locations where the thickness of the buffer layer 120 was thin.

また、実施例3に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、上記逆格子マップ測定を行った。まず、逆格子シミュレーション結果に対応して、スピネル型結晶構造のMgAlのスピネル111(逆格子点)を抽出した。抽出した逆格子点に基づいて算出されたスピネル型結晶構造のMgAlの格子定数は、8.094Åであった。この場合の窒化ガリウム単結晶に対する格子不整合量は、-10.3%であった。 Further, the reciprocal lattice map measurement was performed on the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 laminated according to Example 3. First, the spinel 111 (reciprocal lattice point) of MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure was extracted in accordance with the results of the reciprocal lattice simulation. The lattice constant of MgAl 2 O 4 with a spinel crystal structure calculated based on the extracted reciprocal lattice points was 8.094 Å. The amount of lattice mismatch with respect to the gallium nitride single crystal in this case was −10.3%.

[実施例4]
まず、スパッタリング装置を用い、サファイア基板110に予め酸化マンガン(Mn)膜を5nm成膜した後、空気雰囲気中で975℃、1時間熱処理を行った。そして、反応装置200によって、酸化マンガン膜が成膜されたサファイア基板110の上に、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。
[Example 4]
First, a manganese oxide (Mn 3 O 4 ) film of 5 nm was formed in advance on the sapphire substrate 110 using a sputtering apparatus, and heat treatment was performed at 975° C. for 1 hour in an air atmosphere. Then, the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 were grown on the sapphire substrate 110 on which the manganese oxide film was formed by the reactor 200 .

具体的に説明すると、反応装置200の内部に設置した反応容器240に、金属ガリウム(Ga)、一窒化三鉄(FeN)、および、窒化マグネシウム(Mg)の各原料をGa:FeN:Mg=99.85mol%:0.1mol%:0.05mol%の割合にて混合し、投入した。また、回転軸230には、窒化ガリウム単結晶層130を形成する面が(0001)面のサファイア基板110を載置した。 Specifically, in a reaction vessel 240 installed inside the reaction device 200, each raw material of metallic gallium (Ga), triiron mononitride (Fe 3 N), and magnesium nitride (Mg 3 N 2 ) is added to Ga. :Fe 3 N:Mg 3 N 2 =99.85 mol %:0.1 mol %:0.05 mol %. Also, the sapphire substrate 110 having the (0001) plane for forming the gallium nitride single crystal layer 130 was placed on the rotating shaft 230 .

続いて、以下の温度プロファイルによって、反応装置200の内部温度を制御することで、金属ガリウム、一窒化三鉄、および、窒化マグネシウムを反応させ、窒化ガリウム単結晶を製造した。 Subsequently, by controlling the internal temperature of the reactor 200 according to the following temperature profile, metal gallium, triiron mononitride, and magnesium nitride were reacted to produce a gallium nitride single crystal.

具体的に説明すると、まず、毎分3000mLの流量で反応装置200の内部に窒素ガス(純度99.99%)を導入し、反応装置200の内部雰囲気を窒素略100%の1気圧とした。そして、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を975℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を1時間、975℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を975℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、マグネシウムとガリウム、または、マンガンとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically, first, nitrogen gas (99.99% purity) was introduced into the reaction device 200 at a flow rate of 3000 mL/min, and the internal atmosphere of the reaction device 200 was set to approximately 100% nitrogen and 1 atmosphere. After manually raising the internal temperature of the reactor 200 to 200° C., the internal temperature was raised to 975° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was held at 975° C. for 1 hour. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was kept at 975° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metal gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of magnesium and gallium, or an intermetallic compound of manganese and gallium.

実施例4に係る緩衝層120について、実施例1と同様に、上記インプレーンの2θχ-φ測定を行った。2θχ-φ測定でX線入射角(2θ=ω)を0.4°より大きくすると2θχ=65.8°に、スピネル型結晶構造のMnAlの(440)面の回折を捉えることができた。また、スピネル型結晶構造のMnAlの(440)面は面内φ回転で6回対称性を示すことを確認できた。なお、本来、単一のスピネル型結晶構造の単結晶であれば、[111]軸を回転中心に(440)面は120°おきに3回確認される(3回対称性を示す)はずであるが、実施例4では6回対称性が確認されることから、面内で30°ずれた双晶の存在を示唆する結果と考えられる。 For the buffer layer 120 according to Example 4, the in-plane 2θχ-φ measurement was performed in the same manner as in Example 1. FIG. In the 2θχ-φ measurement, when the X-ray incident angle (2θ=ω) is larger than 0.4°, the diffraction of the (440) plane of MnAl 2 O 4 with a spinel crystal structure can be captured at 2θχ=65.8°. did it. It was also confirmed that the (440) plane of MnAl 2 O 4 with a spinel-type crystal structure exhibits 6-fold symmetry with in-plane φ rotation. In the case of a single crystal with a single spinel crystal structure, the (440) plane should be confirmed three times at intervals of 120° around the [111] axis (three-fold symmetry). However, since six-fold symmetry is confirmed in Example 4, this is considered to be a result suggesting the existence of twin crystals shifted by 30° in the plane.

また、実施例4に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。 Further, the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are stacked according to Example 4 was subjected to cross-sectional TEM observation in the same manner as in Example 1, and the threading dislocation density was measured.

その結果、窒化ガリウム単結晶層130は、平均厚み0.28μm程度であった。また、サファイア基板110のほぼ全面に窒化ガリウム単結晶層130が形成されていることが確認された。緩衝層120の平均厚みは、70nmであった。また、実施例4の貫通転位密度は、2.2×10[cm-2]であった。 As a result, the gallium nitride single crystal layer 130 had an average thickness of about 0.28 μm. Moreover, it was confirmed that the gallium nitride single crystal layer 130 was formed on almost the entire surface of the sapphire substrate 110 . The average thickness of buffer layer 120 was 70 nm. The threading dislocation density of Example 4 was 2.2×10 9 [cm −2 ].

続いて、実施例4に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、上記逆格子マップ測定を行った。図15は、実施例4に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110の逆格子マップ測定結果を示す図である。 Subsequently, the reciprocal lattice map measurement was performed on the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 were laminated according to Example 4. FIG. FIG. 15 is a diagram showing reciprocal lattice map measurement results of the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 stacked thereon according to Example 4. FIG.

逆格子シミュレーションは、窒化ガリウム単結晶、スピネル型結晶構造のMnAl、サファイア単結晶の積層軸対応関係とX線入出射方向を以下の式(4)に示す関係にて行った。
[-1100](0001)GaN//[010](111)MnAl//[11-20](0001)Al ・・・式(4)
上記式(4)において、[-1100](0001)GaNは、窒化ガリウム単結晶の(0001)面の[-1100]軸を示す。[010](111)MnAlは、スピネル型結晶構造のMnAlの(111)面の[010]軸を示す。[11-200](0001)Alは、サファイア単結晶の(0001)面の[11-20]軸を示す。また、「//」は平行な関係であることを示す。この場合のX線入射方向にも平行であることを示す。
The reciprocal lattice simulation was performed with the lamination axis correspondence relationship and the X-ray incident and outgoing direction of the gallium nitride single crystal, MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure, and the sapphire single crystal in the relationship shown in the following formula (4).
[−1100] (0001) GaN // [010] (111) MnAl 2 O 4 // [11-20] (0001) Al 2 O 3 Formula (4)
In the above formula (4), [−1100](0001)GaN represents the [−1100] axis of the (0001) plane of the gallium nitride single crystal. [010] (111) MnAl 2 O 4 indicates the [010] axis of the (111) plane of MnAl 2 O 4 in the spinel crystal structure. [11-200](0001)Al 2 O 3 indicates the [11-20] axis of the (0001) plane of the sapphire single crystal. Also, "//" indicates a parallel relationship. It shows that the X-ray incident direction in this case is also parallel.

逆格子マップ測定の各逆格子点に逆格子シミュレーション結果から割り付けを行った。まず、逆格子シミュレーション結果に対応して、Qx=0のライン上に、スピネル型結晶構造のMnAlのスピネル111(逆格子点)、窒化ガリウムの(0002)面の逆格子点(窒化ガリウム0002(逆格子点))、サファイアの(0006)面の逆格子点(サファイア0006(逆格子点))が確認でき、基板の積層方向と平行に存在することが確認できた。スピネル型結晶構造のMnAlのスピネル111(逆格子点)を抽出した結果、2θ=18.88°に対応するQz=0.2127の位置に回折ピークが検出された。d=1/Qzの関係式からスピネル型結晶構造のMnAlの格子定数は8.141Åと算出できた。この場合の窒化ガリウムに対する格子不整合量は-9.7%であった。 Each reciprocal lattice point of the reciprocal map measurement was assigned from the reciprocal lattice simulation results. First, corresponding to the reciprocal lattice simulation results, the spinel 111 (reciprocal lattice point) of MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure and the reciprocal lattice point (nitriding point) of the (0002) plane of gallium nitride on the line of Qx=0 Gallium 0002 (reciprocal lattice point)) and the reciprocal lattice point of the (0006) plane of sapphire (sapphire 0006 (reciprocal lattice point)) were confirmed, and they were confirmed to exist parallel to the stacking direction of the substrate. As a result of extracting the spinel 111 (reciprocal lattice point) of MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure, a diffraction peak was detected at the position of Qz=0.2127 corresponding to 2θ=18.88°. The lattice constant of MnAl 2 O 4 with a spinel crystal structure was calculated to be 8.141 Å from the relational expression of d=1/Qz. The amount of lattice mismatch with respect to gallium nitride in this case was -9.7%.

また、図15に示すように、逆格子シミュレーション結果との対比からスピネル型結晶構造ではその他にスピネル型結晶構造のMnAlの(131)面の逆格子点(スピネル131(逆格子点))とスピネル型結晶構造のMnAlの(040)面の逆格子点(スピネル040(逆格子点))が確認された。 In addition, as shown in FIG. 15, in comparison with the reciprocal lattice simulation results, in the spinel crystal structure, the reciprocal lattice point of the (131) plane of MnAl 2 O 4 of the spinel crystal structure (spinel 131 (reciprocal lattice point) ) and a reciprocal lattice point (spinel 040 (reciprocal lattice point)) of the (040) plane of MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure.

このように逆格子シミュレーション結果に対応して、サファイア、スピネル型結晶構造のMnAl、窒化ガリウムの逆格子点が確認されることから、設定した積層軸対応関係とX線入出射関係を有していて、配向関係の継承は良好な状態といえる。一方で、逆格子シミュレーション結果では存在しない、スピネル型結晶構造のMnAlの(202)面の逆格子点(スピネル202(逆格子点))とスピネル型結晶構造のMnAlの(404)面の逆格子点(スピネル404(逆格子点))も確認できた。この逆格子点はスピネル型結晶構造のMnAl[0-10]軸に平行にX線入射方向をとった場合に現れるもので、緩衝層120の面内で30°回転した双晶が存在することを示すものである。 Since the reciprocal lattice points of sapphire, MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure, and gallium nitride are confirmed in accordance with the results of the reciprocal lattice simulation, the set stack axis correspondence relationship and the X-ray incident/exit relationship can be calculated. It can be said that the inheritance of the orientation relationship is in a good state. On the other hand, the reciprocal lattice point (spinel 202 (reciprocal lattice point)) of the (202) plane of MnAl 2 O 4 with the spinel crystal structure and the (reciprocal lattice point) of MnAl 2 O 4 with the spinel crystal structure, which do not exist in the reciprocal lattice simulation results, 404) plane reciprocal lattice points (spinel 404 (reciprocal lattice points)) were also confirmed. This reciprocal lattice point appears when the X-ray incident direction is parallel to the MnAl 2 O 4 [0-10] axis of the spinel crystal structure. It shows that it exists.

[実施例5]
原料の混合割合および温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例4と同様の方法で、サファイア基板110の上に緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。
[Example 5]
A buffer layer 120 and a gallium nitride single crystal layer 130 were grown on a sapphire substrate 110 in the same manner as in Example 4, except that the mixing ratio of raw materials and the temperature profile were set as follows.

反応装置200の内部に設置した反応容器240に、金属ガリウム(Ga)、一窒化三鉄(FeN)、および、金属マンガン(Mn)の各原料をGa:FeN:Mn=97.9mol%:0.1mol%:2mol%の割合にて混合し、投入した。 Raw materials of metallic gallium (Ga), triiron mononitride (Fe 3 N), and metallic manganese (Mn) were placed in a reaction vessel 240 installed inside the reactor 200 in a ratio of Ga:Fe 3 N:Mn=97. They were mixed at a ratio of 9 mol %:0.1 mol %:2 mol % and charged.

温度プロファイルを具体的に説明すると、まず、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を880℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を1時間、880℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を880℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、または、マンガンとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically describing the temperature profile, first, the internal temperature of the reactor 200 was manually raised to 200° C., and then the internal temperature was raised to 880° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was held at 880° C. for 1 hour. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was maintained at 880° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metallic gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of manganese and gallium, and the like.

また、実施例5に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。 Further, the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated according to Example 5 was subjected to cross-sectional TEM observation in the same manner as in Example 1, and the threading dislocation density was measured.

その結果、窒化ガリウム単結晶層130は、平均厚み1.1μm程度であった。また、緩衝層120の平均厚みは、50nmであった。また、実施例5の貫通転位密度は、8.4×10[cm-2]であった。 As a result, the gallium nitride single crystal layer 130 had an average thickness of about 1.1 μm. Moreover, the average thickness of the buffer layer 120 was 50 nm. The threading dislocation density of Example 5 was 8.4×10 7 [cm −2 ].

続いて、実施例5に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例4と同様に、上記逆格子マップ測定を行った。まず、逆格子シミュレーション結果に対応して、スピネル型結晶構造のMnAlのスピネル111(逆格子点)を抽出した。抽出した逆格子点に基づいて算出されたスピネル型結晶構造のMnAlの格子定数は、8.170Åであった。この場合の窒化ガリウム単結晶に対する格子不整合量は、-9.4%であった。 Subsequently, the above reciprocal lattice map measurement was performed in the same manner as in Example 4 for the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 laminated according to Example 5. First, the spinel 111 (reciprocal lattice point) of MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure was extracted in accordance with the results of the reciprocal lattice simulation. The lattice constant of MnAl 2 O 4 with a spinel crystal structure calculated based on the extracted reciprocal lattice points was 8.170 Å. The amount of lattice mismatch with respect to the gallium nitride single crystal in this case was −9.4%.

[実施例6]
温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例5と同様の方法で、サファイア基板110の上に緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を成長させた。
[Example 6]
A buffer layer 120 and a gallium nitride single crystal layer 130 were grown on a sapphire substrate 110 in the same manner as in Example 5, except that the temperature profile was set under the following conditions.

具体的に説明すると、まず、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を700℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を1時間、700℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を毎時100℃の割合で880℃まで上昇させ、880℃で20時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、鉄とガリウムとの金属間化合物、または、マンガンとガリウムの金属間化合物等を除去した。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor 200 was manually raised to 200° C., and then the internal temperature was raised to 700° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was held at 700° C. for 1 hour. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was raised to 880° C. at a rate of 100° C./hour and held at 880° C. for 20 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction container 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metallic gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, an intermetallic compound of manganese and gallium, and the like.

また、実施例6に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例1と同様に、断面TEM観察を行い、上記貫通転位密度を測定した。 Further, the sapphire substrate 110 in which the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 are laminated according to Example 6 was subjected to cross-sectional TEM observation in the same manner as in Example 1, and the threading dislocation density was measured.

その結果、窒化ガリウム単結晶層130は、平均厚み1.3μm程度であった。また、緩衝層120の平均厚みは、40nmであった。また、実施例5の貫通転位密度は、1.3×10[cm-2]であった。 As a result, the gallium nitride single crystal layer 130 had an average thickness of about 1.3 μm. Moreover, the average thickness of the buffer layer 120 was 40 nm. Further, the threading dislocation density of Example 5 was 1.3×10 8 [cm −2 ].

続いて、実施例6に係る、緩衝層120および窒化ガリウム単結晶層130を積層したサファイア基板110について、実施例5と同様に、上記逆格子マップ測定を行った。まず、逆格子シミュレーション結果に対応して、スピネル型結晶構造のMnAlのスピネル111(逆格子点)を抽出した。抽出した逆格子点に基づいて算出されたスピネル型結晶構造のMnAlの格子定数は、8.454Åであった。この場合の窒化ガリウム単結晶に対する格子不整合量は、-6.3%であった。 Subsequently, the above-described reciprocal lattice map measurement was performed in the same manner as in Example 5 for the sapphire substrate 110 having the buffer layer 120 and the gallium nitride single crystal layer 130 laminated according to Example 6. First, the spinel 111 (reciprocal lattice point) of MnAl 2 O 4 having a spinel crystal structure was extracted in accordance with the results of the reciprocal lattice simulation. The lattice constant of MnAl 2 O 4 with a spinel crystal structure calculated based on the extracted reciprocal lattice points was 8.454 Å. The amount of lattice mismatch with respect to the gallium nitride single crystal in this case was -6.3%.

[比較例]
反応装置200の内部に設置した反応容器240に、金属ガリウム(Ga)および一窒化三鉄(FeNの各原料をGa:FeN=99.95mol%:0.05mol%の割合にて混合し、投入した。また、回転軸230には、窒化ガリウム単結晶層130を形成する面が(0001)面のサファイア基板110を載置した。
[Comparative example]
Metallic gallium (Ga) and triiron mononitride (Fe 3 N) were added to a reaction vessel 240 installed inside the reactor 200 at a ratio of Ga:Fe 3 N = 99.95 mol%: 0.05 mol%. The sapphire substrate 110 having the (0001) plane for forming the gallium nitride single crystal layer 130 was placed on the rotating shaft 230 .

続いて、以下の温度プロファイルによって、反応装置200の内部温度を制御することで、金属ガリウム、および、一窒化三鉄を反応させ、窒化ガリウム単結晶を製造した。 Subsequently, by controlling the internal temperature of the reactor 200 according to the following temperature profile, metallic gallium and triiron mononitride were reacted to produce a gallium nitride single crystal.

具体的に説明すると、まず、毎分3000mLの流量で反応装置200の内部に窒素ガス(純度99.99%)を導入し、反応装置200の内部雰囲気を窒素略100%の1気圧とした。そして、反応装置200の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を700℃まで上昇させた。その後、反応装置200の内部温度を20時間、700℃で保持した。この間、サファイア基板110を原料融液Mの上方に保持した。その後、サファイア基板110を原料融液Mに浸漬し、反応装置200の内部温度を毎時100℃の割合で900℃まで上昇させ、900℃で40時間保持した。このとき、回転軸230を軸中心にして、サファイア基板110を毎分10回転の速度で回転させることで原料融液Mを撹拌した。その後、自然放熱によって反応容器240の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出した半導体基板100を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、または、鉄とガリウムとの金属間化合物等を除去した。 Specifically, first, nitrogen gas (99.99% purity) was introduced into the reaction device 200 at a flow rate of 3000 mL/min, and the internal atmosphere of the reaction device 200 was set to approximately 100% nitrogen and 1 atmosphere. After manually raising the internal temperature of the reactor 200 to 200° C., the internal temperature was raised to 700° C. at a rate of 100° C. per hour. After that, the internal temperature of the reactor 200 was kept at 700° C. for 20 hours. During this time, the sapphire substrate 110 was held above the raw material melt M. After that, the sapphire substrate 110 was immersed in the raw material melt M, and the internal temperature of the reactor 200 was raised to 900° C. at a rate of 100° C./hour and held at 900° C. for 40 hours. At this time, the raw material melt M was stirred by rotating the sapphire substrate 110 at a speed of 10 revolutions per minute about the rotating shaft 230 . After that, the inside of the reaction vessel 240 was allowed to cool down to room temperature by natural heat release. The removed semiconductor substrate 100 was washed with aqua regia to remove remaining metal gallium, an intermetallic compound of iron and gallium, and the like.

比較例に係る、窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定およびツイスト測定を行った。その結果、比較例の半導体基板のチルト幅は、0.13°であり、ツイスト幅は0.42°であった。 A tilt measurement and a twist measurement were performed in the same manner as in Example 1 for a sapphire substrate having a gallium nitride single crystal layer laminated thereon according to a comparative example. As a result, the semiconductor substrate of the comparative example had a tilt width of 0.13° and a twist width of 0.42°.

また、比較例に係る窒化ガリウム単結晶層を積層したサファイア基板について、実施例1と同様に、上記アウトオブプレーンの配置で広角の2θ-ω測定を行った。図11に示す、2θ=34.6°付近に見られるピーク(回折E)が窒化ガリウムの(0002)面の回折に、2θ=41.7°付近に見られるピーク(回折F)がサファイアの(0006)面の回折に、それぞれ対応する。 In addition, wide-angle 2θ-ω measurement was performed in the same out-of-plane arrangement as in Example 1 for the sapphire substrate on which the gallium nitride single crystal layer according to the comparative example was laminated. In FIG. 11, the peak (diffraction E) seen near 2θ = 34.6° is the diffraction of the (0002) plane of gallium nitride, and the peak (diffraction F) seen near 2θ = 41.7° is the diffraction of sapphire. They correspond to the diffraction of the (0006) plane, respectively.

しかし、比較例では、実施例1とは異なり、2θ=19.2°付近に回折ピーク(回折D)を確認できなかった。なお、図11の測定結果がアウトオブプレーンの対称反射測定であることから、窒化ガリウムの(0001)面(c面)、および、サファイアの(0001)面(c面)に平行な関係にあることは分かる。 However, unlike Example 1, in the comparative example, no diffraction peak (diffraction D) was observed near 2θ=19.2°. In addition, since the measurement result of FIG. 11 is an out-of-plane symmetrical reflection measurement, the (0001) plane (c-plane) of gallium nitride and the (0001) plane (c-plane) of sapphire are parallel to each other. I understand.

以上の実施例1~6および比較例で測定された結果をまとめて下記の表1に示す。

Figure 2022132823000002
The results measured in Examples 1 to 6 and Comparative Example are summarized in Table 1 below.
Figure 2022132823000002

表1の結果を参照すると、実施例1~6は、いずれも緩衝層120が形成されていることが分かる。また、実施例2~6における緩衝層120におけるスピネル型結晶構造の金属酸化物の結晶層と、窒化ガリウム単結晶層130を構成する窒化ガリウム単結晶との格子不整合量は、比較例における窒化ガリウム単結晶とサファイア単結晶との格子不整合量よりも小さいことが確認された。つまり、本実施形態に係る半導体基板100は、緩衝層120を備えるため、緩衝層120を備えない比較例と比較して、窒化ガリウム単結晶層130の結晶性を向上できることが分かった。 Referring to the results in Table 1, it can be seen that the buffer layer 120 is formed in each of Examples 1 to 6. In addition, the amount of lattice mismatch between the metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure in the buffer layer 120 in Examples 2 to 6 and the gallium nitride single crystal constituting the gallium nitride single crystal layer 130 was the same as the nitride in the comparative example. It was confirmed to be smaller than the amount of lattice mismatch between the gallium single crystal and the sapphire single crystal. In other words, it was found that the semiconductor substrate 100 according to the present embodiment provided with the buffer layer 120 improved the crystallinity of the gallium nitride single crystal layer 130 as compared with the comparative example without the buffer layer 120 .

また、実施例1~6は、貫通転位密度が低いため、実施例1~6の窒化ガリウム単結晶(窒化ガリウム単結晶層130)でデバイスを作成した際に、歩留まりを向上させることができる。また、実施例1~6は、貫通転位密度が低いため、実施例1~6の窒化ガリウム単結晶(窒化ガリウム単結晶層130)でLEDを作成した際には、発光効率を向上させることが可能となる。 In addition, since Examples 1 to 6 have low threading dislocation densities, the yield can be improved when a device is produced from the gallium nitride single crystal (gallium nitride single crystal layer 130) of Examples 1 to 6. In addition, since Examples 1 to 6 have low threading dislocation densities, the luminous efficiency can be improved when LEDs are produced from the gallium nitride single crystals (gallium nitride single crystal layer 130) of Examples 1 to 6. It becomes possible.

以上説明したように、本実施形態によれば、液相法を用いてサファイア基板110の上に形成した窒化ガリウムについて、より結晶性に優れた面内均一性の高い窒化ガリウム単結晶を得ることが可能である。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a gallium nitride single crystal with excellent crystallinity and high in-plane uniformity for gallium nitride formed on the sapphire substrate 110 using the liquid phase method. is possible.

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such embodiments. It is obvious that a person skilled in the art can conceive of various modifications or modifications within the scope of the claims, and it should be understood that these also belong to the technical scope of the present invention. be done.

なお、上記実施形態において、緩衝層120の上に窒化ガリウム単結晶層130が直接設けられる構成を例に挙げた。しかし、緩衝層120と窒化ガリウム単結晶層130との間に中間層が設けられてもよい。中間層は、例えば、窒化ガリウム単結晶に対して(0001)面の法線方向の[0001]軸が所定の方位バラツキ範囲を有し、[0001]軸の方位がランダムな窒化ガリウムで構成される。 In the above embodiment, the configuration in which the gallium nitride single crystal layer 130 is directly provided on the buffer layer 120 is taken as an example. However, an intermediate layer may be provided between buffer layer 120 and gallium nitride single crystal layer 130 . The intermediate layer is made of gallium nitride, for example, in which the [0001] axis in the direction normal to the (0001) plane of the gallium nitride single crystal has a predetermined orientation variation range and the orientation of the [0001] axis is random. be.

100 半導体基板
110 サファイア基板
120 緩衝層
130 窒化ガリウム単結晶層
REFERENCE SIGNS LIST 100 semiconductor substrate 110 sapphire substrate 120 buffer layer 130 gallium nitride single crystal layer

Claims (12)

サファイア単結晶で構成されるサファイア基板と、
前記サファイア基板の上に設けられる緩衝層と、
前記緩衝層の上に設けられ、窒化ガリウム単結晶で構成される窒化ガリウム単結晶層と、
を備え、
前記緩衝層は、前記サファイア基板のうち前記窒化ガリウム単結晶層側の表面に形成された変質層であり、前記サファイア単結晶の結晶構造が特定の金属酸化物のスピネル型結晶構造に変換されたものであり、
前記緩衝層の厚さは、10nm以上である、半導体基板。
a sapphire substrate composed of a sapphire single crystal;
a buffer layer provided on the sapphire substrate;
A gallium nitride single crystal layer provided on the buffer layer and made of gallium nitride single crystal;
with
The buffer layer is an altered layer formed on the surface of the sapphire substrate on the gallium nitride single crystal layer side, and the crystal structure of the sapphire single crystal is converted to a spinel crystal structure of a specific metal oxide. is a
The semiconductor substrate, wherein the buffer layer has a thickness of 10 nm or more.
前記サファイア基板を構成する前記サファイア単結晶の(0001)面と、前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層の(111)面と、前記窒化ガリウム単結晶層を構成する前記窒化ガリウム単結晶の(0001)面とが略平行である、請求項1に記載の半導体基板。 (0001) plane of the sapphire single crystal constituting the sapphire substrate, (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure constituting the buffer layer, and the gallium nitride single crystal 2. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the (0001) plane of the gallium nitride single crystal forming the layer is substantially parallel. 前記サファイア基板を構成する前記サファイア単結晶の(0001)面における[1-100]軸と、前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層の(111)面における[1-10]軸と、前記窒化ガリウム単結晶層を構成する前記窒化ガリウム単結晶の(0001)面における[11-20]軸とが略平行である、請求項2に記載の半導体基板。 [1-100] axis on the (0001) plane of the sapphire single crystal constituting the sapphire substrate, and (111) plane of the crystal layer of the specific metal oxide of the spinel crystal structure constituting the buffer layer 3. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the [1-10] axis of and the [11-20] axis of the (0001) plane of the gallium nitride single crystal constituting the gallium nitride single crystal layer are substantially parallel to each other. . 前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiの1/(2√2)倍は、前記サファイア基板を構成する前記サファイア単結晶の格子定数asapの1/√3倍と、前記窒化ガリウム単結晶層を構成する前記窒化ガリウム単結晶の格子定数aganとの間の値である、請求項2または3に記載の半導体基板。 1/(2√2) times the lattice constant a spi of the crystal layer of the specific metal oxide having the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer is the lattice constant of the sapphire single crystal that constitutes the sapphire substrate. 4. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the value is between 1/√3 times a sap and the lattice constant a gan of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride single crystal layer. 前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層の格子定数aspiは、8.050~8.338Åである、請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体基板。 5. The crystal layer of the specific metal oxide having the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer has a lattice constant a spi of 8.050 to 8.338 Å according to any one of claims 1 to 4. semiconductor substrate. 前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層の(111)面の法線方向の[111]軸の方位バラツキは、6°未満である、請求項1~5のいずれか一項に記載の半導体基板。 Claims 1 to 1, wherein the orientation variation of the [111] axis in the direction normal to the (111) plane of the specific metal oxide crystal layer of the spinel crystal structure constituting the buffer layer is less than 6°. 6. The semiconductor substrate according to any one of 5. 前記緩衝層を構成する前記スピネル型結晶構造の前記特定の金属酸化物の結晶層と、前記窒化ガリウム単結晶層を構成する前記窒化ガリウム単結晶との間の格子不整合量の絶対値は、10.8%未満である、請求項1~6のいずれか一項に記載の半導体基板。 The absolute value of the amount of lattice mismatch between the crystal layer of the specific metal oxide having the spinel crystal structure that constitutes the buffer layer and the gallium nitride single crystal that constitutes the gallium nitride single crystal layer is The semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 6, which is less than 10.8%. 前記特定の金属酸化物は、化学式ABで表される複酸化物であり、
前記Aは、Mg、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、および、Znからなる群から選択される+2価の金属原子であり、
前記Bは、AlおよびGaのいずれか一方または両方の+3価の金属原子である、請求項1~7のいずれか一項に記載の半導体基板。
The specific metal oxide is a composite oxide represented by the chemical formula AB 2 O 4 ,
A is a +2 valent metal atom selected from the group consisting of Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, and Zn;
8. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein said B is a +3 valent metal atom of either one or both of Al and Ga.
前記特定の金属酸化物は、MgAl、MgGa、MnAlおよびMnGaからなる群から選択される1種または2種以上の複酸化物を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の半導体基板。 2. The specific metal oxide comprises one or more complex oxides selected from the group consisting of MgAl2O4 , MgGa2O4 , MnAl2O4 and MnGa2O4 . 8. The semiconductor substrate according to any one of items 1 to 7. 前記緩衝層は、前記特定の金属酸化物に含まれる、Al以外の特定の金属原子を、合計1at%以上含む、請求項1~9のいずれか一項に記載の半導体基板。 10. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein said buffer layer contains a total of 1 at % or more of specific metal atoms other than Al contained in said specific metal oxide. 金属ガリウム、窒化鉄、および、特定の金属材料を含む反応材料を、窒素雰囲気下で溶融して融液を得る工程と、
前記融液にサファイア基板を浸漬する工程と、
前記融液に前記サファイア基板を浸漬した状態で、700℃~1000℃に20時間以上保持する工程と、
を含み、
前記特定の金属材料は、スピネル型結晶構造を採る特定の金属自体、または、前記特定の金属の化合物である、半導体基板の製造方法。
a step of melting a reaction material containing metallic gallium, iron nitride, and a specific metallic material in a nitrogen atmosphere to obtain a melt;
a step of immersing a sapphire substrate in the melt;
a step of holding the sapphire substrate immersed in the melt at 700° C. to 1000° C. for 20 hours or more;
including
The method of manufacturing a semiconductor substrate, wherein the specific metal material is a specific metal itself having a spinel crystal structure or a compound of the specific metal.
前記特定の金属の酸化物の膜を前記サファイア基板の表面に成膜する工程をさらに含み、
前記浸漬する工程では、前記特定の金属の酸化物の膜が成膜された前記サファイア基板を前記融液に浸漬する、請求項11に記載の半導体基板の製造方法。
further comprising the step of forming an oxide film of the specific metal on the surface of the sapphire substrate;
12. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 11, wherein in said immersing step, said sapphire substrate on which said specific metal oxide film is formed is immersed in said melt.
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