JP2022132823A - Semiconductor substrate, and method for producing semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
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,
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
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.
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
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AB2O4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、MgAl2O4、MgGa2O4、MnAl2O4およびMnGa2O4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.
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
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-Al2O3)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
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
特定の金属酸化物は、化学式AB2O4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、MgAl2O4、MgGa2O4、MnAl2O4およびMnGa2O4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
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
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
[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
Next, the characteristics of the
[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
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
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
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
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
[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
As described above, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
[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
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
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MgAl2O4の格子定数aspiは、8.094Åである。スピネル型結晶構造の(MgMn)Al2O4の格子定数aspiは、8.141Åである。スピネル型結晶構造のMnAl2O4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
また、スピネル型結晶構造のNiAl2O4の格子定数aspiは、8.050Åである。スピネル型結晶構造のZnAl2O4の格子定数aspiは、8.062Åである。スピネル型結晶構造のCuAl2O4の格子定数aspiは、8.064Åである。スピネル型結晶構造のFeAl2O4の格子定数aspiは、8.119Åである。スピネル型結晶構造のCoAl2O4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MgGa2O4の格子定数aspiは、8.280Åである。スピネル型結晶構造のZnGa2O4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
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
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
(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
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MgAl2O4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)Al2O4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MnAl2O4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
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
[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
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
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
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(cm2)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、1×108[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、5.7×109[cm-2]以下、例えば、8.4×107[cm-2]以上5.7×109[cm-2]以下である。
The threading dislocation density of the gallium nitride single crystal forming the gallium nitride
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
[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
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
[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(Fe4N)、一窒化三鉄(Fe3N)、一窒化二鉄(Fe2N)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)。
Fe4N+13Ga→GaN+4FeGa3 ・・・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+N2+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(Mg3N2)、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、MnO2、Mn2O3、Mn3O4)、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
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
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
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
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
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(N2)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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
[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
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
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
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
[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
[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
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
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
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
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
[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(Fe3N)、および、窒化マグネシウム(Mg3N2)の各原料をGa:Fe3N:Mg3N2=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
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
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
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
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
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
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-
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MgAl2O4の(220)面、2θ=31.25°、回折Cとしてスピネル型結晶構造のMgAl2O4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MgAl2O4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
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MgAl2O4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MgAl2O4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MgAl2O4、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)MgAl2O4//[1-100](0001)Al2O3 ・・・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)MgAl2O4は、スピネル型結晶構造のMgAl2O4の(111)面の[1-10]軸を示す。[1-100](0001)Al2O3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
[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
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MgAl2O4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、5.7×109[cm-2]であった。
FIG. 9 is a bright-field image of a cross-sectional TEM observation of the
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
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
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
[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
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
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
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
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、5.4×109[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
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MgAl2O4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MgAl2O4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
[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
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
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
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
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
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、1.4×108[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
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MgAl2O4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MgAl2O4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
[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(Mn3O4)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
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(Fe3N)、および、窒化マグネシウム(Mg3N2)の各原料をGa:Fe3N:Mg3N2=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
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
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
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MnAl2O4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MnAl2O4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
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
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、2.2×109[cm-2]であった。
As a result, the gallium nitride
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
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MnAl2O4、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)MnAl2O4//[11-20](0001)Al2O3 ・・・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)MnAl2O4は、スピネル型結晶構造のMnAl2O4の(111)面の[010]軸を示す。[11-200](0001)Al2O3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MnAl2O4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MnAl2O4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MnAl2O4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MnAl2O4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MnAl2O4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MnAl2O4、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MnAl2O4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MnAl2O4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MnAl2O4[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
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(Fe3N)、および、金属マンガン(Mn)の各原料をGa:Fe3N: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
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
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
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、8.4×107[cm-2]であった。
As a result, the gallium nitride
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MnAl2O4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MnAl2O4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
[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
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
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
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、1.3×108[cm-2]であった。
As a result, the gallium nitride
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MnAl2O4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MnAl2O4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
[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(Fe3Nの各原料をGa:Fe3N=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
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
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
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。
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
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
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
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
Claims (12)
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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