JP4597534B2 - Method for manufacturing group III nitride substrate - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物基板(III族窒化物半導体結晶を備える基板)の製造方法およびそれにより得られるIII族窒化物基板ならびに、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride substrate (a substrate including a group III nitride semiconductor crystal), a group III nitride substrate obtained thereby, a semiconductor device, and a method for manufacturing the same.
窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物化合物半導体(以下、III族窒化物半導体またはGaN系半導体という場合がある)は、青色や紫外光を発光する半導体素子の材料として注目されている。青色レーザダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイに応用され、また青色発光ダイオード(LED)はディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDはバイオテクノロジなどへの応用が期待され、紫外線LEDは蛍光灯の紫外線源として期待されている。 Group III nitride compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) (hereinafter sometimes referred to as group III nitride semiconductors or GaN-based semiconductors) are attracting attention as materials for semiconductor elements that emit blue or ultraviolet light. Blue laser diodes (LD) are applied to high-density optical discs and displays, and blue light-emitting diodes (LEDs) are applied to displays and lighting. Further, ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and ultraviolet LED is expected to be an ultraviolet source of fluorescent lamps.
LDやLED用のIII族窒化物半導体(たとえばGaN)の基板は、通常、気相エピタキシャル成長によって形成されている。たとえば、サファイア基板上にIII族窒化物結晶をヘテロエピタキシャル成長させた基板などが用いられている。しかしながら、サファイア基板とGaN結晶とは、格子定数に13.8%の差があり、線膨張係数にも25.8%の差がある。このため、気相エピタキシャル成長によって得られるGaN薄膜では結晶性が十分ではない。この方法で得られる結晶の転位密度は、通常、108cm-2〜109cm-2であり、転位密度の減少が重要な課題となっている。この課題を解決するために、転位密度を低減する取り組みが行われており、たとえば、ELOG(Epitaxial lateral overgrowth)法が開発されている。この方法によれば、転位密度を105cm-2〜106cm-2程度まで下げることができるが、作製工程が複雑である。 A group III nitride semiconductor (for example, GaN) substrate for an LD or LED is usually formed by vapor phase epitaxial growth. For example, a substrate obtained by heteroepitaxially growing a group III nitride crystal on a sapphire substrate is used. However, the sapphire substrate and the GaN crystal have a difference of 13.8% in the lattice constant and a difference of 25.8% in the linear expansion coefficient. For this reason, the GaN thin film obtained by vapor phase epitaxial growth has insufficient crystallinity. The dislocation density of the crystal obtained by this method is usually 10 8 cm −2 to 10 9 cm −2 , and reduction of the dislocation density is an important issue. In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the dislocation density. For example, an ELOG (Epitaxial lateral overgrowth) method has been developed. According to this method, the dislocation density can be lowered to about 10 5 cm −2 to 10 6 cm −2, but the manufacturing process is complicated.
一方、気相エピタキシャル成長ではなく、液相で結晶成長を行う方法も検討されてきた。しかしながら、GaNやAlNなどのIII族窒化物単結晶の融点における窒素の平衡蒸気圧は1万気圧以上であるため、従来、GaNを液相で成長させるためには1200℃で8000気圧の条件が必要とされてきた。これに対し、近年、Naフラックスを用いることで、750℃、50気圧という比較的低温低圧でGaNを合成できることが明らかにされた。 On the other hand, a method of performing crystal growth in a liquid phase instead of vapor phase epitaxial growth has been studied. However, since the equilibrium vapor pressure of nitrogen at the melting point of a group III nitride single crystal such as GaN or AlN is 10,000 atmospheres or more, conventionally, a condition of 8000 atmospheres at 1200 ° C. is required for growing GaN in a liquid phase. It has been needed. On the other hand, it has recently been clarified that GaN can be synthesized at a relatively low temperature and low pressure of 750 ° C. and 50 atm by using Na flux.
最近では、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気下においてGaとNaとの混合物を800℃、50気圧で溶融させ、この融液を用いて96時間の育成時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(たとえば、特許文献1参照)。 Recently, a mixture of Ga and Na was melted at 800 ° C. and 50 atm in a nitrogen gas atmosphere containing ammonia, and a single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm was grown using this melt for 96 hours. A crystal has been obtained (see, for example, Patent Document 1).
また、サファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりGaN結晶層を成膜したのち、液相成長(LPE:Liquid phase epitaxy)法によって単結晶を成長させる方法も報告されている。
しかしながら、特性が高い半導体装置を低コストで製造するために、従来よりも転位密度が低いIII族窒化物基板を製造する方法や、III族窒化物基板をより低コストで製造する方法が求められている。このような状況に鑑み、本発明は、III族窒化物基板を得るための新規な製造方法、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 However, in order to manufacture a semiconductor device having high characteristics at a low cost, a method for manufacturing a group III nitride substrate having a lower dislocation density than the conventional method and a method for manufacturing a group III nitride substrate at a lower cost are required. ing. In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a novel manufacturing method for obtaining a group III nitride substrate and a manufacturing method of a semiconductor device.
上記目的を達成するために、本発明の第1の製造方法は、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と液体の窒素化合物とを含む混合物を加熱して溶融させることによって、前記少なくとも1つのIII族元素と前記窒素化合物とを反応させてIII族窒化物結晶を成長させる工程を含む。なお、この明細書において、III族窒化物とは、特に限定がない限り、組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1)で表される半導体を意味する。なお、組成比が負の値になることはないため、0≦1−x−y≦1を満たすことはいうまでもない(他の組成式においても同様である)。 In order to achieve the above object, the first production method of the present invention heats and melts a mixture containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium, an alkali metal, and a liquid nitrogen compound. A step of reacting the at least one group III element with the nitrogen compound to grow a group III nitride crystal. In this specification, the group III nitride is a semiconductor represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) unless otherwise specified. Means. Note that since the composition ratio never becomes a negative value, it goes without saying that 0 ≦ 1-xy ≦ 1 is satisfied (the same applies to other composition formulas).
また、本発明の他の製造方法は、(i)基板上に、2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅が0.1度以上である組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する工程と、(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む。また、前記2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅は、例えば、0.1度以上であって、好ましくは0.3度以上、より好ましくは1度以上である。なお、2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅は、X線源から入射したX線を第1結晶により高度に単色化し、第2結晶である前記半導体層に照射し、前記半導体層から回折されるX線のピークを中心とするFWHM(Full width at half maximum)を求めることで測定できる。なお、前記X線源は、特に制限されないが、例えば、CuKα線等が使用できる。また、前記第1結晶も特に制限されないが、例えば、InP結晶やGe結晶等が使用できる。 In addition, another manufacturing method of the present invention includes (i) a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 (Ii) at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium in an atmosphere containing nitrogen, and (ii) forming a semiconductor layer made of a semiconductor represented by ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) And a step of growing a group III nitride crystal on the semiconductor layer by bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing an alkali metal. The full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve is, for example, 0.1 degree or more, preferably 0.3 degree or more, more preferably 1 degree or more. The full width at half maximum of the X-ray rocking curve of the two-crystal method is that the X-ray incident from the X-ray source is made highly monochromatic by the first crystal, irradiated to the semiconductor layer as the second crystal, and diffracted from the semiconductor layer. It can be measured by obtaining FWHM (Full width at half maximum) centered on the peak of X-ray. The X-ray source is not particularly limited, but for example, CuKα rays can be used. Also, the first crystal is not particularly limited, but for example, an InP crystal or a Ge crystal can be used.
なお、前記基板の半導体層において、2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅は、大きいほうが好ましい。窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族元素窒化物結晶を成長させる場合、半導体層の結晶性が悪いほうが、III族元素窒化物結晶の成長再現性がよい傾向が得られるからである。その理由としては、前記半導体層の結晶性が悪いと、前記半導体層が前記融液に溶解し、その溶解した半導体面からのほうが、III族元素窒化物結晶が成長しやすい傾向にあるためと考えられる。したがって、前記半導体層の2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅は、例えば、0.1度以上であって、好ましくは0.3度以上、より好ましくは1度以上である。 In the semiconductor layer of the substrate, the full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve is preferably large. By bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen, a group III element nitride crystal is formed on the semiconductor layer. This is because the growth reproducibility of the group III element nitride crystal tends to be better when the crystallinity of the semiconductor layer is poor. The reason is that when the crystallinity of the semiconductor layer is poor, the semiconductor layer is dissolved in the melt, and the group III element nitride crystal tends to grow from the dissolved semiconductor surface. Conceivable. Accordingly, the full width at half maximum of the two-crystal X-ray rocking curve of the semiconductor layer is, for example, 0.1 degrees or more, preferably 0.3 degrees or more, more preferably 1 degree or more.
前記基板上に半導体層を形成する方法としては、例えば、以下に示すT±10℃(ただし、500≦T≦1100)の一定の温度範囲下で形成する方法、スパッタリング法によって形成する方法、高圧下でGaNを昇華させる方法等があげられる。 As a method for forming a semiconductor layer on the substrate, for example, a method of forming under a certain temperature range of T ± 10 ° C. (500 ≦ T ≦ 1100) shown below, a method of forming by a sputtering method, a high pressure Below is a method of sublimating GaN.
また、本発明の他の製造方法は、(i)基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を、T±10℃(ただし、500≦T≦1100)の一定の温度範囲下で形成する工程と、(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含む。 In another manufacturing method of the present invention, (i) a substrate is made of a semiconductor represented by a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1). Forming the semiconductor layer under a constant temperature range of T ± 10 ° C. (where 500 ≦ T ≦ 1100), and (ii) at least one selected from gallium, aluminum, and indium in an atmosphere containing nitrogen A step of growing a group III nitride crystal on the semiconductor layer by bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing a group III element and an alkali metal.
また、本発明の他の製造方法は、(I)基板上に、スパッタリング法によってAlN層を形成する工程と、(II)窒素を含む雰囲気中において、ガリウムおよびアルミニウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、組成式AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)で表されるIII族窒化物結晶を前記AlN層上に成長させる工程とを含む。 In addition, another production method of the present invention includes (I) a step of forming an AlN layer on a substrate by sputtering, and (II) at least one group III selected from gallium and aluminum in an atmosphere containing nitrogen. By bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing an element and an alkali metal, a group III nitride crystal represented by a composition formula Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) is converted into the AlN layer. And growing it on.
また、本発明の他の製造方法は、(i)基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する工程と、(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させるとともに前記基板を前記融液に溶融させる工程とを含む。 In another manufacturing method of the present invention, (i) a substrate is made of a semiconductor represented by a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1). A step of forming a semiconductor layer, and (ii) contacting the semiconductor layer with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen. And growing a group III nitride crystal on the semiconductor layer and melting the substrate in the melt.
また、本発明の他の製造方法は、(i)基板上に、前記基板側から順に積層された第1の半導体層と第2の半導体層とを含む多層膜を積層する工程と、(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記多層膜を接触させることによって、前記第2の半導体層の少なくとも一部を前記融液に溶融させたのち、前記第1の半導体層または前記第2の半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含み、前記第1の半導体層が組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0<s≦1、0≦t<1)で表され、前記第2の半導体層が組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表され、前記uと前記sとがu<sを満たす。第1の半導体層上に第2の半導体層を形成することで、シード層である式AlsGatIn1-s-tN結晶が、未飽和溶液中ですべて溶解することをよりよく防止するとともに、III族窒化物結晶が、第1の半導体層上に成長する場合は、酸化などの表面保護の効果もある。 According to another manufacturing method of the present invention, (i) a step of laminating a multilayer film including a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, which are sequentially laminated from the substrate side, on a substrate; ) At least part of the second semiconductor layer by bringing the multilayer film into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen A group III nitride crystal is grown on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer, and the first semiconductor layer has a composition formula Al s Ga. t In 1-st N (where 0 <s ≦ 1, 0 ≦ t <1), and the second semiconductor layer has a composition formula of Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1), and u and s satisfy u <s . By forming the second semiconductor layer on the first semiconductor layer, with the formula Al s Ga t In 1-st N crystal is a seed layer is prevented better that all dissolved in a non-saturated solution When the group III nitride crystal is grown on the first semiconductor layer, there is an effect of surface protection such as oxidation.
本発明のIII族窒化物基板は、前記本発明のいずれかの製造方法により製造されたものである。なお、前記基板を前記融液に溶解させる工程を含む製造方法により製造される本発明のIII族窒化物基板において、前記半導体層および前記III族窒化物結晶中の少なくとも一方に、不純物として、SiおよびAsの少なくとも一方が含まれる。 The group III nitride substrate of the present invention is produced by any one of the production methods of the present invention. In addition, in the group III nitride substrate of the present invention manufactured by a manufacturing method including the step of dissolving the substrate in the melt, at least one of the semiconductor layer and the group III nitride crystal has Si as an impurity. And at least one of As.
また、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板上に形成された半導体素子とを備える半導体装置であって、前記基板は、上記本発明のいずれかのIII族窒化物基板である。この半導体素子は、レーザダイオードまたは発光ダイオードであってもよい。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device comprising a substrate and a semiconductor element formed on the substrate, and the substrate is any one of the group III nitride substrates of the present invention. The semiconductor element may be a laser diode or a light emitting diode.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、(i)基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する工程と、(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上に厚さが1μm以上50μm以下のIII族窒化物結晶を成長させる工程と、(iii)前記III族窒化物結晶上に半導体素子を形成する工程とを含む。 In addition, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: (i) a semiconductor having a composition formula of Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) on a substrate. And (ii) contacting the semiconductor layer with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen. And a step of growing a group III nitride crystal having a thickness of 1 μm or more and 50 μm or less on the semiconductor layer, and (iii) a step of forming a semiconductor element on the group III nitride crystal.
本発明の半導体基板の製造方法によれば、特性が高いIII族窒化物結晶を備える基板を容易に製造できる。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、特性が高い半導体装置を容易に製造できる。 According to the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, a substrate including a group III nitride crystal having high characteristics can be easily manufactured. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having high characteristics can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(実施形態1)
実施形態1では、本発明のIII族窒化物基板の製造方法の一例である。
(Embodiment 1)
実施形態1の方法では、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属と液体の窒素化合物とを含む混合物を加熱して溶融させることによって、前記少なくとも1つのIII族元素と前記窒素化合物とを反応させてIII族窒化物結晶を成長させる工程を含む。以下、代表的な一例の方法について説明する。
In the method of
まず、III族元素とアルカリ金属と液体の窒素化合物とを坩堝に投入し、この坩堝を加圧下で加熱することによって溶融させ、これらの融液を形成する。投入されるIII族元素は、結晶成長させる半導体に応じて選択され、ガリウム、アルミニウム、インジウムまたはこれらのいくつかが用いられる。窒化ガリウムの結晶を形成する場合には、ガリウムのみが用いられる。アルカリ金属には、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)から選ばれる少なくとも1つ、すなわち、それらの1つまたはそれらの混合物が用いられ、これらは通常、フラックスとして機能する(以下の実施形態でも同様である)。これらの中でも、Naを用いることが多い。液体の窒素化合物には、ヒドラジン(H2NNH2)を用いることができる。 First, a Group III element, an alkali metal, and a liquid nitrogen compound are put into a crucible, and the crucible is melted by heating under pressure to form a melt thereof. The group III element to be input is selected according to the semiconductor to be crystal-grown, and gallium, aluminum, indium or some of these are used. In the case of forming a gallium nitride crystal, only gallium is used. As the alkali metal, at least one selected from sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K) is used, that is, one of them or a mixture thereof, and these usually function as a flux (hereinafter referred to as a flux). This is the same in the embodiment of FIG. Of these, Na is often used. Hydrazine (H 2 NNH 2 ) can be used as the liquid nitrogen compound.
その後、種結晶を上記融液と接触させたのち、過飽和となってIII族窒化物半導体の結晶が成長するように、温度および圧力を調節する。種結晶には、たとえば、基板上に形成されたIII族窒化物結晶などを用いることができる。基板には、サファイア基板やGaAs基板、Si基板、SiC基板、AlN基板などを用いることができる。なお、基板には、ELOG構造などの構造を有する基板を用いてもよい(以下の実施形態においても同様である)。 Thereafter, after bringing the seed crystal into contact with the melt, the temperature and pressure are adjusted so that the group III nitride semiconductor crystal grows by being supersaturated. As the seed crystal, for example, a group III nitride crystal formed on a substrate can be used. As the substrate, a sapphire substrate, a GaAs substrate, a Si substrate, a SiC substrate, an AlN substrate, or the like can be used. Note that a substrate having a structure such as an ELOG structure may be used as the substrate (the same applies to the following embodiments).
種結晶であるIII族窒化物結晶は、たとえば、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)や分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy : MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)で形成できる。 Group III nitride crystals, which are seed crystals, can be produced, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Can be formed.
上記工程によってIII族元素と窒素とが反応して、種結晶上にIII族窒化物結晶が成長する。この結晶成長によって、組成式が組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物結晶(たとえばGaN単結晶)を形成することができる。 Through the above process, the group III element and nitrogen react to grow a group III nitride crystal on the seed crystal. By this crystal growth, a group III nitride crystal (for example, GaN single crystal) whose composition formula is expressed by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is formed. can do.
上記工程では、窒素を含む加圧雰囲気下でIII族窒化物結晶を成長させることが好ましい。窒素を含む雰囲気としては、窒素ガス雰囲気や、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気が用いられる。これによって、結晶から窒素が離脱することを防止できる。材料の溶融および結晶成長の条件は、フラックスの成分や雰囲気ガス成分およびその圧力によって変化するが、例えば、温度が700℃〜1100℃程度で、圧力が1気圧〜100気圧程度で行われる。 In the above step, the group III nitride crystal is preferably grown under a pressurized atmosphere containing nitrogen. As the atmosphere containing nitrogen, a nitrogen gas atmosphere or a nitrogen gas atmosphere containing ammonia is used. This can prevent nitrogen from leaving the crystal. The material melting and crystal growth conditions vary depending on the flux component, the atmospheric gas component, and the pressure thereof. For example, the temperature is about 700 ° C. to 1100 ° C. and the pressure is about 1 to 100 atm.
なお、上記混合物は、アルカリ土類金属をさらに含んでもよい。アルカリ土類金属としては、例えばCa、Mg、Sr、Baなどを用いることができる。 The mixture may further contain an alkaline earth metal. As the alkaline earth metal, for example, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used.
実施形態1の方法によれば、転位密度が低いIII族窒化物結晶が得られる。なお、III族窒化物結晶を成長させたのちに、III族窒化物結晶以外の部分(サファイア基板)を研磨などによって除去することによって、III族窒化物結晶のみからなる基板が得られる(実施形態3を除く以下の実施形態においても同様である)。
According to the method of
(実施形態2)
実施形態2は、本発明のIII族窒化物基板の製造方法のその他の例である。
(Embodiment 2)
The second embodiment is another example of the method for producing a group III nitride substrate of the present invention.
まず基板上に、2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅が1度以上である組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する。なお、前記2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅の測定方法は、上述のとおりである。 First, on a substrate, a semiconductor made of a semiconductor represented by a composition formula AluGavIn1-u-vN (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) in which the full width at half maximum of a two-crystal X-ray rocking curve is 1 degree or more. Form a layer. The method for measuring the full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve is as described above.
次に、窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長する。 Next, the group III nitride is formed on the semiconductor layer by bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen. Growing physical crystals.
以下、X線ロッキングカーブの半値幅が1度以上である半導体層を形成する具体的方法を説明する。 Hereinafter, a specific method for forming a semiconductor layer in which the half width of the X-ray rocking curve is 1 degree or more will be described.
実施形態2の方法では、まず、基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を、T±10℃(ただし、500≦T≦1100)の一定の温度範囲下で形成する(工程(i))。基板には、たとえば、表面が(111)面であるGaAs基板、表面が(111)面であるSi基板、表面が(0001)面であるサファイア基板(Al2O3基板)、または表面が(0001)面であるSiC基板を用いることができる。半導体層は、種結晶となる結晶層であり、MOCVD法やMBE法、HVPE法などの公知の方法によって形成できる。
In the method of
次に、窒素を含む雰囲気中(好ましくは100気圧以下の加圧雰囲気)において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる(工程(ii))。窒素を含む雰囲気下としては、たとえば、窒素ガスや、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気を適用できる。アルカリ金属には、ナトリウム、リチウムおよびカリウムから選ばれる少なくとも1つ、すなわち、それらの1つまたはそれらの混合物が用いられる。融液は、たとえば、材料を坩堝に投入して加熱することによって調製される。融液を作製したのち、融液を過飽和の状態とすることによって半導体結晶が成長する。材料の溶融および結晶成長は、たとえば、温度が700℃〜1100℃程度で、圧力が1気圧〜100気圧程度で行われる。なお、融液は、アルカリ土類金属をさらに含んでもよい。アルカリ土類金属としては、例えば、Ca、Mg,Sr、Baなどを用いることができる。この方法によれば、組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物結晶が得られ、たとえば、GaN結晶や、組成式AlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)で表される結晶が得られる。 Next, the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm or less). Thus, a group III nitride crystal is grown on the semiconductor layer (step (ii)). As the atmosphere containing nitrogen, for example, a nitrogen gas atmosphere containing nitrogen gas or ammonia can be applied. As the alkali metal, at least one selected from sodium, lithium and potassium, that is, one of them or a mixture thereof is used. The melt is prepared, for example, by putting a material into a crucible and heating. After producing the melt, the semiconductor crystal grows by bringing the melt into a supersaturated state. The melting and crystal growth of the material are performed, for example, at a temperature of about 700 ° C. to 1100 ° C. and a pressure of about 1 to 100 atm. The melt may further contain an alkaline earth metal. As the alkaline earth metal, for example, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used. According to this method, a group III nitride crystal represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is obtained. For example, a GaN crystal, A crystal represented by the composition formula Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) is obtained.
実施形態2の他の方法の一例を以下に、具体的に説明する。この方法では、まず、基板上に、AlN層を形成する(工程(I))。AlN層は、たとえばスパッタリング法で容易に形成できる。基板には、上述した基板を用いることができる。 An example of another method according to the second embodiment will be specifically described below. In this method, first, an AlN layer is formed on a substrate (step (I)). The AlN layer can be easily formed by sputtering, for example. The substrate described above can be used as the substrate.
次に、窒素を含む加圧雰囲気中において、ガリウムおよびアルミニウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、組成式AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)で表されるIII族窒化物結晶を前記AlN層上に成長させる(工程(II))。この工程は、インジウムを用いないことを除いて上述した工程(ii)と同様であるため、重複する説明は省略する。 Next, in a pressurized atmosphere containing nitrogen, the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium and aluminum and an alkali metal, whereby the composition formula Al x Ga 1-x A group III nitride crystal represented by N (where 0 ≦ x ≦ 1) is grown on the AlN layer (step (II)). Since this step is the same as the above-described step (ii) except that indium is not used, a duplicate description is omitted.
さらに、X線ロッキングカーブの半値幅が0.1度以上である半導体層を形成する具体的方法を説明する。例えば、昇華法などにより形成したGaNシード層を利用することもできる。高圧のチャンバー中にGaN粉末を原料とし、原料を加熱し、キャリアガスによるサファイア基板上で供給し、サファイア基板上でアンモニアガスと反応させ、再結晶化させて成長させる。これにより、サファイア基板上にシード層としてのGaN層を高速で形成できる。この基板を、窒素を含む加圧雰囲気中において、ガリウムおよびアルミニウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、組成式AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)で表されるIII族窒化物結晶を前記GaN層上に成長させる。 Further, a specific method for forming a semiconductor layer in which the half width of the X-ray rocking curve is 0.1 degrees or more will be described. For example, a GaN seed layer formed by a sublimation method or the like can be used. A GaN powder is used as a raw material in a high-pressure chamber, the raw material is heated, supplied on a sapphire substrate with a carrier gas, reacted with ammonia gas on the sapphire substrate, recrystallized and grown. Thereby, a GaN layer as a seed layer can be formed on the sapphire substrate at high speed. The substrate is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium and aluminum and an alkali metal in a pressurized atmosphere containing nitrogen, whereby the composition formula Al x Ga 1− A group III nitride crystal represented by xN (where 0 ≦ x ≦ 1) is grown on the GaN layer.
このようにして、III族窒化物結晶を備える基板を得ることができる。従来の結晶成長法では、成長する結晶の結晶性が種結晶の結晶性に大きく影響される。このため、従来の方法では、種結晶の結晶性をよくするために、低温でバッファ層を形成した上に種結晶を成長させたり、ELOG法を用いて種結晶を形成したりするなどの複雑な工程で種結晶を形成する必要があった。これに対して、実施形態2の方法は、工程(ii)または工程(II)の液相成長法によってIII族窒化物結晶を成長させている。この方法は、下地の結晶性が悪くても転位密度が低い結晶が得られやすいという特徴がある。このため、簡単な方法で形成された種結晶を用いても、転位密度が低い結晶を得ることができる。このように、実施形態2の方法によれば、特性が高いIII族窒化物結晶を、低コストで製造できる。
In this way, a substrate including a group III nitride crystal can be obtained. In the conventional crystal growth method, the crystallinity of the growing crystal is greatly influenced by the crystallinity of the seed crystal. Therefore, in the conventional method, in order to improve the crystallinity of the seed crystal, the seed crystal is grown on the buffer layer formed at a low temperature, or the seed crystal is formed using the ELOG method. It was necessary to form a seed crystal by a simple process. On the other hand, in the method of
(実施形態3)
実施形態3は、本発明のIII族窒化物基板の製造方法のさらにその他の例である。
(Embodiment 3)
実施形態3の方法では、まず、基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する(工程(i))。基板には、以下の工程(ii)で融液に溶融する基板が用いられる。たとえば、表面が(111)面のGaAs基板、または表面が(111)面のSi基板を用いることができる。半導体層は、種結晶となる結晶層であり、MOCVD法やMBE法、HVPE法などの公知の方法で形成できる。
In the method of
次に、窒素を含む雰囲気中(好ましくは100気圧以下の加圧雰囲気)において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させるとともに、前記基板を前記融液に溶融させる(工程(ii))。この工程(ii)は、基板を溶融させることを除いて、実施形態2で説明した方法と同様であるため、重複する説明は省略する。実施形態3の工程(ii)では、上記融液に溶解する基板を用いているため、結晶成長が進む一方で基板が溶解する。その結果、III族窒化物単結晶のみからなる基板を製造することが可能である。 Next, the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm or less). Thus, a group III nitride crystal is grown on the semiconductor layer, and the substrate is melted in the melt (step (ii)). Since this step (ii) is the same as the method described in the second embodiment except that the substrate is melted, a duplicate description is omitted. In step (ii) of the third embodiment, since the substrate that dissolves in the melt is used, the substrate is dissolved while the crystal growth proceeds. As a result, it is possible to manufacture a substrate made of only a group III nitride single crystal.
実施形態3で作製されたIII族窒化物単結晶は、前記半導体層または前記III族窒化物結晶中に不純物として、SiまたはAsが混入している。Siは、N型のドーパントとして働くので、問題とはならない。しかし、絶縁基板を作製する際には、問題となるので、以下に示す別のSiやAsが不純物として混入しない方法を用いる。
In the group III nitride single crystal produced in
サファイアなどの基板上のAluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体層面を前記融液に接触させ、半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させた後、基板も含めたすべてを前記融液に浸漬させ、基板を溶解する。これにより、III族窒化物単結晶のみからなる基板を製造することが可能である。 A semiconductor layer surface represented by Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) on a substrate such as sapphire is brought into contact with the melt, and a group III nitride is formed on the semiconductor layer. After growing the physical crystal, everything including the substrate is immersed in the melt to dissolve the substrate. Thereby, it is possible to manufacture a substrate made of only a group III nitride single crystal.
(実施形態4)
実施形態4は、本発明のIII族窒化物基板の製造方法のさらにその他の例である。具体的には、基板上に、前記基板側から順に第1の半導体層(組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0<s≦1、0≦t<1))と第2の半導体層(組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1))とを含む多層膜構造(ただし、前記uと前記sとがu<sを満たす)を形成し、融液中で前記第2の半導体層の少なくとも一部を前記融液に溶融され、前記第1の半導体層または前記第2の半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させたIII族窒化物結晶基板と、その製造方法について説明する。
(Embodiment 4)
実施形態4の製造方法では、まず、基板上に、前記基板側から順に積層された第1の半導体層と第2の半導体層とを含む多層膜を積層する(工程(i))。基板には、サファイア基板やGaAs基板、SiC基板、Si基板、AlN基板などを用いることができる。この基板上に、組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0<s≦1、0≦t<1)で表される第1の半導体層と、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される第2の半導体層とを順に積層する。多層膜の最表面が第2の半導体層であり、それに隣接して第1の半導体層が配置されている。このとき、uとsとがu<sを満たす。すなわち、第1の半導体層は、第2の半導体層よりもAlの組成比が高い半導体(たとえばGaN)からなる。具体的には、uとsとは、それぞれ、0≦u≦0.05、0.05≦s≦1を満たすことが好ましい。たとえば、組成式Al0.07Ga0.93Nで表される第1の半導体層と、GaNからなる第2の半導体層を用いることができる。
In the manufacturing method of
これらの半導体層は、種結晶となる結晶層であり、たとえば、MOCVD法やMBE法、HVPE法などの公知の方法で形成できる。以下の工程(ii)において、第1の半導体層がすべて溶融することを防止するため、第1の半導体層の厚さは、1μm以上であることが好ましい。また、第2の半導体層をすべて溶融させるため、第2の半導体層の厚さは10μm以下であることが好ましい。 These semiconductor layers are crystal layers that become seed crystals, and can be formed by a known method such as MOCVD, MBE, or HVPE. In the following step (ii), the thickness of the first semiconductor layer is preferably 1 μm or more in order to prevent the entire first semiconductor layer from melting. In order to melt the entire second semiconductor layer, the thickness of the second semiconductor layer is preferably 10 μm or less.
次に、窒素を含む雰囲気中(好ましくは100気圧以下の加圧雰囲気)において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記多層膜を接触させることによって、前記第2の半導体層の少なくとも一部(好ましくは全部)を前記融液に溶融させたのち、前記第1の半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる(工程(ii))。この工程(ii)は、第2の半導体層を溶融させることを除いて、実施形態2で説明した方法と同様であるため、重複する説明は省略する。 Next, the multilayer film is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm or less). Thus, at least a part (preferably all) of the second semiconductor layer is melted in the melt, and then a group III nitride crystal is grown on the first semiconductor layer (step (ii)). . Since this step (ii) is the same as the method described in the second embodiment except that the second semiconductor layer is melted, a duplicate description is omitted.
III族窒化物半導体を結晶成長させる際には、半導体層表面には、酸化膜などが形成されやすく、また加工した面では加工ひずみなどが残存しているため、種結晶の表面を融液中に溶解させてから、結晶成長を開始することが好ましい。このとき、種結晶の表面が不均一に溶解することおよび種結晶がすべて溶解することを防止する必要がある。III族窒化物半導体は、Alの組成比が大きいほど、上記融液への溶解速度が遅くなる。この性質を利用して、実施形態4の方法では、Alの組成比が高い第2の半導体層をエッチバックストッパー層として用いている。すなわち、比較的溶解速度が速い第1の半導体層を溶解させると、溶解速度が遅い第2の半導体層が現れる。この第2の半導体層から結晶成長を開始させることによって、比較的平坦な表面から結晶成長を開始させることができる。なお、必ずしも第2の半導体層のすべてを溶解させる必要はなく、第2の半導体層上に結晶成長させても問題はない。
When growing a group III nitride semiconductor crystal, an oxide film or the like is easily formed on the surface of the semiconductor layer, and processing strain remains on the processed surface, so the surface of the seed crystal is in the melt. It is preferable to start crystal growth after dissolving in the solution. At this time, it is necessary to prevent the surface of the seed crystal from dissolving unevenly and from dissolving all the seed crystals. The group III nitride semiconductor has a slower dissolution rate in the melt as the Al composition ratio increases. Utilizing this property, in the method of
(実施形態5)
実施形態5は、本発明の半導体装置の製造方法の一例である。
(Embodiment 5)
The fifth embodiment is an example of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
実施形態5の方法では、まず、基板上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体からなる半導体層を形成する(工程(i))。基板には、サファイア基板やGaAs基板、Si基板、SiC基板、AlN基板を用いることができる。半導体層は、種結晶となる結晶層であり、MOCVD法やMBE法やHVPE法で形成できる。
In the method of
次に、窒素を含む加圧雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上に厚さが1μm以上50μm以下のIII族窒化物結晶を成長させる(工程(ii))。この工程は、実施形態2で説明した工程(ii)と同様であるため重複する説明を省略する。ただし、実施形態5の方法では、結晶の厚さが1μm以上50μm以下の範囲となるように結晶を成長させる。
Next, in a pressurized atmosphere containing nitrogen, the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal to thereby form a thickness on the semiconductor layer. A group III nitride crystal having a thickness of 1 μm or more and 50 μm or less is grown (step (ii)). Since this step is the same as the step (ii) described in the second embodiment, a duplicate description is omitted. However, in the method of
次に、前記III族窒化物結晶上に半導体素子を形成する(工程(iii))。半導体素子は、たとえば、レーザダイオードや発光ダイオードといった発光素子、受光素子などである。これらの素子は、公知の方法で形成できる。 Next, a semiconductor element is formed on the group III nitride crystal (step (iii)). The semiconductor element is, for example, a light emitting element such as a laser diode or a light emitting diode, a light receiving element, or the like. These elements can be formed by a known method.
III族窒化物結晶上に半導体素子を形成する場合、下地となる結晶の結晶性が高いことが要求される。このため、気相エピタキシャル成長法(HVPE法)を用いる従来の方法では、通常、200μm以上の厚さの結晶層を形成していた。しかしながら、このように厚い結晶層を形成すると、基板が反ってしまいレーザダイオードなどのデバイス作成プロセスが困難となる。具体的には、フォトリソグラフィー工程のマスク合わせ時に、デフォーカスが生じるなどの問題がある。これに対して、実施形態5の製造方法では、工程(ii)の液相エピタキシャル成長法でIII族窒化物結晶を成長させる。この方法では、エピタキシャル層が非常に薄くても、結晶性が高い結晶が得られる。そのため、この方法によれば、基板の反りを防止するとともに特性が高い半導体素子を形成できる。
When a semiconductor element is formed on a group III nitride crystal, it is required that the crystal serving as a base is high in crystallinity. For this reason, in the conventional method using the vapor phase epitaxial growth method (HVPE method), a crystal layer having a thickness of 200 μm or more is usually formed. However, when a thick crystal layer is formed in this way, the substrate is warped, making it difficult to produce a device such as a laser diode. Specifically, there is a problem that defocus occurs during mask alignment in the photolithography process. On the other hand, in the manufacturing method of
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例では、GaN結晶を成長させる場合を例に用いて説明するが、AlxGa1-xNやAlNといった組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物結晶も同様の手法によって形成できる。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In the following examples, a case where a GaN crystal is grown will be described as an example. However, a compositional formula Al x Ga y In 1-xy N such as Al x Ga 1-x N or AlN (where 0 ≦ x Group III nitride crystals represented by ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) can also be formed by the same method.
本実施例では、サファイア基板上に、MOCVD法によってGaN結晶を成膜し、液相エピタキシャル成長法によって単結晶層を形成する方法の一例について説明する。 In this embodiment, an example of a method for forming a GaN crystal on a sapphire substrate by MOCVD and forming a single crystal layer by liquid phase epitaxial growth will be described.
まず、種結晶基板を形成する。この基板10を図1に示す。基板10は、サファイア(結晶性Al2O3)からなるサファイア基板11と、GaNからなるシード層12とを備える。ここで、シード層12は、III族元素として、ガリウムの他に、アルミニウムまたはインジウムを含んでいてもよい。すなわち、シード層12は、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1である)を満たすIII族窒化物で形成すればよい。
First, a seed crystal substrate is formed. This
以下、基板10の製造方法について説明する。まず、サファイア基板11上に、MOCVD法でGaNからなるシード層12を成長させる。具体的には、基板温度が約1020℃〜1100℃になるようにサファイア基板を加熱し、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを基板上に供給することによって、GaN層を成長させる。なお、III族窒化物半導体を形成することができる他の方法を用いてもよく、たとえば、HVPE(ハイドライド気相成長)法やMBE法といった方法を用いてもよい。
Hereinafter, a method for manufacturing the
このようにして得られた種結晶基板を用いて、LPE法によってGaN単結晶を成長させる。以下に、その方法について説明する。 A GaN single crystal is grown by the LPE method using the seed crystal substrate thus obtained. The method will be described below.
本発明の方法で用いられるLPE装置(電気炉)の一例を図2に示す。このLPE装置は、ステンレス製のチャンバー21と炉蓋22とを備え、50atmの気圧に耐えられるようになっている。チャンバー21内には、加熱用のヒータ23が配置されている。チャンバー21は、3つのゾーンから構成されており、それぞれには熱電対24a〜24cが取り付けられている。3つのゾーンは、温度範囲が±0.1℃に収まるように制御されており、炉内の温度は均一に制御される。炉心管25は、炉内の温度の均一性を向上させるとともに、ヒータ23から不純物が混入することを防止するために配置される。
An example of an LPE apparatus (electric furnace) used in the method of the present invention is shown in FIG. The LPE apparatus includes a
炉心管25の内部には、窒化ホウ素(BN)からなる坩堝26が配置されている。坩堝26に材料を投入し、坩堝の温度を上昇させることによって融液27が調製される。種結晶となる基板10は基板固定部28に取り付けられる。図3の装置では、複数枚の基板10を基板固定部28に固定できる。この基板10は、回転モータ29aによって回転される。融液27には、撹拌用のプロペラ30が浸漬できるようになっている。プロペラ30は、回転モータ29bによって回転される。本実施例では、雰囲気圧力が10atm以下であるため通常の回転モータを使用できるが、10atm以上の雰囲気圧力下では、電磁誘導型の回転機構が使用される。雰囲気ガスは、ガス源31から供給される。雰囲気圧力は、圧力調整器32によって調整される。雰囲気ガスはガス精製部33によって不純物が除去されたのちに、炉内に送られる。
A
以下、結晶成長の方法について説明する。 Hereinafter, a method of crystal growth will be described.
(1)まず、GaとフラックスであるNaとを、所定の量だけ秤量し、坩堝26内にセットする。Gaには、純度が99.9999%(シックスナイン)のものが用いられる。またNaは、精製したNaが用いられる。He置換したグローブボックス内でNaを加熱して融解し、表面層に現れる酸化物などを除去することによってNaの精製を行うことができる。ゾーンリファイニング法によってNaを精製してもよい。ゾーンリファイニング法では、チューブ内でNaの融解と固化とを繰り返すことによって、不純物を析出させ、それを除去することによってNaの純度を上げることができる。本発明では、窒素源として液体のヒドラジン(H2NNH2)を坩堝中に混入する。
(1) First, Ga and flux Na are weighed by a predetermined amount and set in the
(2)次に、坩堝内の原材料を融解するため、電気炉内の温度を900℃まで上昇させる。この段階では、まだ種結晶基板を坩堝に投入しない。Ga、Naおよびヒドラジンをかき混ぜるため、プロペラを融液中に入れ、数時間、融液を撹拌する。GaNの酸化を防止するため、雰囲気ガスとしては窒素ガスが用いられる。本発明の特徴は、窒素源として坩堝中に液体のヒドラジン(H2NNH2)を混入していることであり、これによって、結晶育成中の窒素の脱離を防止できる。そのため、得られたGaN単結晶の窒素欠陥を低減することができる。 (2) Next, in order to melt the raw materials in the crucible, the temperature in the electric furnace is raised to 900 ° C. At this stage, the seed crystal substrate is not yet put into the crucible. In order to stir Ga, Na and hydrazine, a propeller is put into the melt and the melt is stirred for several hours. In order to prevent the oxidation of GaN, nitrogen gas is used as the atmospheric gas. A feature of the present invention is that liquid hydrazine (H 2 NNH 2 ) is mixed in the crucible as a nitrogen source, thereby preventing desorption of nitrogen during crystal growth. Therefore, nitrogen defects in the obtained GaN single crystal can be reduced.
(3)次に、坩堝の温度を800℃に設定し、融液を過飽和状態とする。種結晶基板を融液の真上まで降下し、基板の温度を融液の温度に近づける。数分後、種結晶基板を融液中に入れ、結晶育成を開始する。 (3) Next, the temperature of the crucible is set to 800 ° C., and the melt is brought into a supersaturated state. The seed crystal substrate is lowered to just above the melt, and the temperature of the substrate is brought close to the temperature of the melt. After a few minutes, the seed crystal substrate is put into the melt and crystal growth is started.
(4)結晶育成中は10rpm〜200rpmの範囲の回転速度で基板を回転させる。望ましくは、100rpm前後で回転させる。24時間結晶を育成したのち、基板を上昇させて融液から取り出す。基板を上昇させたのち、基板表面に残っている融液を除去するため、300rpm〜1500rpmの間で基板を回転させる。望ましくは、1000rpm前後で回転させる。その後、基板をチャンバーから取り出す。なお、結晶育成中は、坩堝の温度(融液の温度)を一定に保持してもよいが、融液の過飽和度を一定にするため、融液の温度を一定の割合で降下させてもよい。 (4) During crystal growth, the substrate is rotated at a rotation speed in the range of 10 rpm to 200 rpm. Preferably, it is rotated at around 100 rpm. After growing the crystals for 24 hours, the substrate is raised and removed from the melt. After raising the substrate, the substrate is rotated between 300 rpm and 1500 rpm in order to remove the melt remaining on the substrate surface. Desirably, it is rotated at around 1000 rpm. Thereafter, the substrate is removed from the chamber. During crystal growth, the temperature of the crucible (melt temperature) may be kept constant. However, in order to keep the melt supersaturation constant, the temperature of the melt may be lowered at a constant rate. Good.
上記の方法によってGaN結晶を製造し、その転位密度およびPL強度を測定した。転位密度は1×102cm-2以下であった。PL強度のスペクトルを図3(b)に示す。図3(b)のスペクトルの360nm付近のピークの強度は、22(V)であった。比較のため、通常のMOCVD法で作製したGaN薄膜のPL強度を図3(a)に示す。なお、図3(a)と図3(b)とは、スリット幅が異なる条件で測定されたスペクトルである。図3(a)のスペクトルの360nm付近のピーク強度は、0.48(V)であった。本発明の方法によって得られる結晶は、従来の方法で作製した結晶に比べて50倍程度のPL強度が得られた。 A GaN crystal was produced by the above method, and its dislocation density and PL intensity were measured. The dislocation density was 1 × 10 2 cm −2 or less. The PL intensity spectrum is shown in FIG. The intensity of the peak near 360 nm in the spectrum of FIG. 3B was 22 (V). For comparison, FIG. 3A shows the PL intensity of a GaN thin film produced by a normal MOCVD method. Note that FIG. 3A and FIG. 3B are spectra measured under different slit width conditions. The peak intensity around 360 nm in the spectrum of FIG. 3A was 0.48 (V). The crystal obtained by the method of the present invention has a PL strength about 50 times that of the crystal produced by the conventional method.
本発明では、窒素源として坩堝中に液体のヒドラジン(H2NNH2)を混入しているため、結晶育成中の窒素の脱離を防止でき、得られたGaN単結晶の窒素欠陥を低減することができる。また、基板全域において低い転位密度、高いPL強度を実現することができる。 In the present invention, since liquid hydrazine (H 2 NNH 2 ) is mixed in the crucible as a nitrogen source, it is possible to prevent detachment of nitrogen during crystal growth and to reduce nitrogen defects in the obtained GaN single crystal. be able to. Further, a low dislocation density and a high PL intensity can be realized over the entire substrate.
一般のHVPE法によるGaN厚膜成長は1050℃の高温で行う。本発明では、800℃の低温で結晶成長を行うことができるので、サファイア基板との線膨張係数の違いに起因するウエハーのそりも低減することができる。 The GaN thick film growth by the general HVPE method is performed at a high temperature of 1050 ° C. In the present invention, since crystal growth can be performed at a low temperature of 800 ° C., wafer warpage caused by a difference in linear expansion coefficient from the sapphire substrate can also be reduced.
本実施例では、Naのみのフラックスを用いたが、Li、Na、KのフラックスやCaなどのアルカリ土類金属との混合フラックスを用いても、同様の効果が得られる。たとえば、NaとCaの混合フラックスでは、Caを10%程度混入することで、より低圧での結晶育成が可能となる。 In this embodiment, a flux containing only Na is used, but the same effect can be obtained by using a flux of Li, Na, K, or a mixed flux with an alkaline earth metal such as Ca. For example, in the mixed flux of Na and Ca, it is possible to grow crystals at a lower pressure by mixing about 10% of Ca.
なお、育成したGaN結晶層が厚くなると、サファイア基板とGaN結晶との線膨張係数の差が原因となって、基板に大きな歪みを与える。その結果、基板に反りが発生する。そのため、育成したGaN結晶は、ある程度薄い方が望ましい。厚さを1μm以上50μm以下とすることによって、基板の反りをプロセス上問題ない範囲に低減できるが、さらに反りのない基板を得るためには、厚さを1μm以上20μm以下とすることが好ましい。 When the grown GaN crystal layer is thick, a large strain is applied to the substrate due to a difference in linear expansion coefficient between the sapphire substrate and the GaN crystal. As a result, the substrate is warped. Therefore, it is desirable that the grown GaN crystal is thin to some extent. By setting the thickness to 1 μm or more and 50 μm or less, the warpage of the substrate can be reduced to a range where there is no problem in the process. However, in order to obtain a substrate without warping, the thickness is preferably set to 1 μm or more and 20 μm or less.
以上のように、本発明によれば、窒素欠陥が少なく且つ転位密度が低いGaN単結晶基板を、量産性よく製造できる。つまり、高い信頼性を有するデバイスを供給可能とする基板を低コストで供給できる。特に、窒素欠陥や転位密度が基板全域において小さい基板が得られるため、従来の構成のようにELOGのような複雑な構造を必要とせず、ホモエピタキシャル成長でデバイスを実現できるため、半導体レーザなどのデバイスプロセスを簡素化でき、また高い歩留まりでデバイスを製造できる。 As described above, according to the present invention, a GaN single crystal substrate with few nitrogen defects and low dislocation density can be manufactured with high productivity. In other words, a substrate that can supply a highly reliable device can be supplied at low cost. In particular, since a substrate having a small number of nitrogen defects and dislocation density can be obtained in the entire region of the substrate, a device such as a semiconductor laser can be realized by homoepitaxial growth without requiring a complicated structure like ELOG as in the conventional configuration. The process can be simplified and devices can be manufactured with high yield.
なお、本実施例では、ガリウムを用いたGaN単結晶基板の製造について説明したが、基板上に作製する光デバイスの使用波長に対して吸収の少ない基板を製造することが望ましい。そのため、紫外線領域の半導体レーザや発光ダイオード用基板としては、Alが多く含まれ短波長域の光吸収が少ないAlxGa1-xN(0≦x≦1)単結晶を形成することが好ましい。本発明によれば、Gaの一部を他のIII族元素に置き換えることによって、このようなIII族窒化物半導体単結晶を形成することも可能である。 In the present embodiment, the manufacture of a GaN single crystal substrate using gallium has been described. However, it is desirable to manufacture a substrate that absorbs less light with respect to the operating wavelength of an optical device manufactured on the substrate. Therefore, it is preferable to form an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) single crystal containing a large amount of Al and having little light absorption in the short wavelength region as a semiconductor laser or light emitting diode substrate in the ultraviolet region. . According to the present invention, such a group III nitride semiconductor single crystal can be formed by replacing a part of Ga with another group III element.
本実施例では、各種の基板を種結晶として用いてGaN単結晶を成長させる一例について説明する。 In this embodiment, an example of growing a GaN single crystal using various substrates as seed crystals will be described.
最初に、安価で量産性の高い基板を実現するため、GaNを用いた種結晶基板を作製する方法の一例について説明する。サファイア基板C面の上にMOCVD法を用いてGaNを堆積させる。具体的には、サファイア基板上に、Ga源であるトリメチルガリウム(TMG)と、窒素源であるアンモニア(NH3)とを供給して、GaNからなる種結晶層を堆積する。GaN層の厚さは、たとえば1μm程度である。なお、基板の設定温度(T)は、700〜1100℃の範囲であればよく、温度制御としてはT±10℃でよい。形成される基板40を図4(a)に示す。基板40は、サファイア基板41と、サファイア基板41上に形成されたGaN層42とを備える。GaN層42は種結晶となる層であり、以降の工程では、図4(b)に示すように、GaN層42上にIII族窒化物結晶43を成長させる。GaN層42は多数の転位(1×109cm-2)が存在する。
First, an example of a method for manufacturing a seed crystal substrate using GaN in order to realize an inexpensive and highly productive substrate will be described. GaN is deposited on the surface of the sapphire substrate C using the MOCVD method. Specifically, on a sapphire substrate, a trimethyl gallium is Ga source (TMG), a nitrogen source ammonia (NH 3) and by supplying, to deposit a seed crystal layer made of GaN. The thickness of the GaN layer is, for example, about 1 μm. The set temperature (T) of the substrate may be in the range of 700 to 1100 ° C., and may be T ± 10 ° C. for temperature control. The
作製したGaN層の2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、2度であった。なお、前記2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅の測定方法は、上述のとおりである。 When the full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve of the produced GaN layer was measured, it was 2 degrees. The method for measuring the full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve is as described above.
本発明の特徴は、一定の温度範囲に基板温度を保持しながら、種結晶を育成することである。これによって、容易に種結晶層を形成できる。種結晶には多数の転位が存在するが、本発明では、この基板上に、以下で説明するLPE法によって単結晶を育成するため、種結晶の結晶性に影響を受けにくく、転位密度が低い結晶を成長させることができる。 The feature of the present invention is to grow the seed crystal while maintaining the substrate temperature within a certain temperature range. Thereby, the seed crystal layer can be easily formed. Although many dislocations exist in the seed crystal, in the present invention, since a single crystal is grown on this substrate by the LPE method described below, the crystallinity of the seed crystal is hardly affected and the dislocation density is low. Crystals can be grown.
次に、AlN層を備える種結晶基板を作製する方法の一例について説明する。この場合、ECR(電子サイクロトロン共鳴)スパッタリング装置を用いて、GaAs基板の(111)面上にAlN層を成膜する。基板温度は、たとえば300℃である。この条件下では、C軸への配向性が高くなる。作製される基板50を図5に示す。基板50は、GaAs基板51と、GaAs基板51上に形成されたAlN層52とを備える。GaAs基板の代わりに、表面が(111)面であるSi基板、表面が(0001)面であるサファイア基板(Al2O3基板)、表面が(0001)面であるSiCなどを用いることもできる。形成したAlN層の2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、3度であった。なお、前記2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅の測定方法は、上述のとおりである。
Next, an example of a method for producing a seed crystal substrate having an AlN layer will be described. In this case, an AlN layer is formed on the (111) plane of the GaAs substrate using an ECR (electron cyclotron resonance) sputtering apparatus. The substrate temperature is 300 ° C., for example. Under this condition, the orientation to the C axis becomes high. The produced
次に、上述した種結晶基板を用いてGaN単結晶を形成する方法について説明する。GaN単結晶は、実施例1と類似のLPE法によって育成される。ただし、以下の方法では、窒素源として窒素ガスを用いる。 Next, a method for forming a GaN single crystal using the seed crystal substrate described above will be described. The GaN single crystal is grown by the LPE method similar to that in Example 1. However, in the following method, nitrogen gas is used as a nitrogen source.
まず、GaとフラックスであるNaとを規定量秤量して坩堝内にセットする。坩堝内の原材料を融解するため、電気炉内の温度を900℃まで上昇させる。この段階では、種結晶基板は坩堝に投入しない。材料の融液中にプロペラを入れて数時間、融液を撹拌する。電気炉内は窒素ガス雰囲気とするが、この段階でGaやNaと窒素ガスとが反応することを避けるため、この段階でのN2の圧力は1atm程度にする。次に、坩堝の温度を800℃に設定し、融液を過飽和状態とする。また、雰囲気圧力を上昇させる。たとえば、窒素ガスのみを雰囲気ガスとして、50atmまで圧力を上昇させる。 First, a prescribed amount of Ga and flux Na is weighed and set in a crucible. In order to melt the raw material in the crucible, the temperature in the electric furnace is raised to 900 ° C. At this stage, the seed crystal substrate is not put into the crucible. A propeller is placed in the melt of the material and the melt is stirred for several hours. The electric furnace has a nitrogen gas atmosphere. In order to avoid the reaction of Ga or Na with nitrogen gas at this stage, the N2 pressure at this stage is set to about 1 atm. Next, the temperature of the crucible is set to 800 ° C. to bring the melt into a supersaturated state. Also, the atmospheric pressure is increased. For example, the pressure is increased to 50 atm using only nitrogen gas as the atmospheric gas.
次に、種結晶基板を融液の真上まで降下させ、基板の温度を融液の温度に近づける。数分後、種結晶基板を融液中に入れて、結晶育成を開始する。結晶育成中は10rpm〜200rpmの範囲の回転速度で基板を回転させる。望ましくは、100rpm前後で回転させる。24時間結晶を育成したのち、基板を上昇させて融液から取り出す。基板を上昇させたのち、基板表面に残っている融液を除去するため、300rpm〜1500rpmの範囲の回転速度で基板を回転させる。望ましくは、1000rpm前後で回転させる。その後、GaN単結晶が形成された基板をチャンバーから取り出す。坩堝の温度は一定に保持してもよいし、融液の過飽和度を一定にするため、融液温度を一定の割合で降下させてもよい。 Next, the seed crystal substrate is lowered to just above the melt, and the temperature of the substrate is brought close to the temperature of the melt. After a few minutes, the seed crystal substrate is placed in the melt and crystal growth is started. During crystal growth, the substrate is rotated at a rotation speed in the range of 10 rpm to 200 rpm. Preferably, it is rotated at around 100 rpm. After growing the crystals for 24 hours, the substrate is raised and removed from the melt. After raising the substrate, the substrate is rotated at a rotation speed in the range of 300 rpm to 1500 rpm in order to remove the melt remaining on the substrate surface. Desirably, it is rotated at around 1000 rpm. Thereafter, the substrate on which the GaN single crystal is formed is taken out of the chamber. The temperature of the crucible may be kept constant, or the melt temperature may be lowered at a constant rate in order to make the supersaturation degree of the melt constant.
また、別の方法として、昇華法によりサファイア基板上にGaN種結晶基板を作製する方法の一例について説明する。耐圧チャンバーの中に、坩堝を配置し、この中にGaN原料を充填する。GaN原料にはGaN粉末などが用いられる。坩堝の上方の結晶生成領域には、サファイア基板を配置する。坩堝内のGaN粉末は、原料ヒータにより加熱され、キャリアガスである窒素ガスを用いて、結晶生成領域に供給する。結晶生成領域にある基板の表面には、反応ガスであるアンモニアがフローされ、基板上で反応ガスと原料であるGaが反応して、基板上にGaN結晶が成長する。耐圧チャンバー内にはNH3とN2の混合ガスを導入し、5気圧(5×1.013×105Pa)の加圧状態として、GaNシード層を育成する。原料温度1150℃、基板温度を1000℃で形成した。成長レートは、100μm/hで高速成長であった。30minの成長時間に対して、50μmの厚膜をサファイア上に短時間で形成することができる。得られたGaN半導体層の結晶性を評価したところ、X線解析装置を用いたωスキャン測定によって得られたロッキングカーブ半値全幅が、0.2度であった。
As another method, an example of a method for producing a GaN seed crystal substrate on a sapphire substrate by a sublimation method will be described. A crucible is placed in a pressure-resistant chamber, and GaN raw material is filled therein. As the GaN raw material, GaN powder or the like is used. A sapphire substrate is disposed in the crystal generation region above the crucible. The GaN powder in the crucible is heated by a raw material heater and supplied to the crystal generation region using nitrogen gas as a carrier gas. Ammonia, which is a reaction gas, flows on the surface of the substrate in the crystal generation region, and the reaction gas and Ga, which is a raw material, react on the substrate to grow a GaN crystal on the substrate. A mixed gas of NH 3 and N 2 is introduced into the pressure resistant chamber, and a GaN seed layer is grown in a pressurized state of 5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa). The raw material temperature was 1150 ° C and the substrate temperature was 1000 ° C. The growth rate was 100 μm / h, which was high-speed growth. A 50 μm thick film can be formed on sapphire in a short time for a growth time of 30 min. When the crystallinity of the obtained GaN semiconductor layer was evaluated, the full width at half maximum of the rocking curve obtained by ω scan measurement using an X-ray analyzer was 0.2 degree.
この種結晶を用いて、実施例1と類似のLPE法によってGaN単結晶を昇華法により形成した半導体層上に成長することができる。 Using this seed crystal, a GaN single crystal can be grown on the semiconductor layer formed by the sublimation method by the LPE method similar to that of the first embodiment.
本発明の特徴は、簡単に形成できる種結晶基板を用いてGaN結晶を成長させている点である。この方法では、低温でバッファ層を形成する方法や選択成長層を形成する方法と比較して、簡単なプロセスでIII族窒化物基板を形成できる。また、MOCVD法などによりバッファ層を介して形成されたGaN、AlGaN、AlNなどの高品質の半導体層(例えば、2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅が0.1度未満の半導体層)を、窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる場合、前記半導体層の結晶性がよいため、前記融液に対して前記半導体層が溶解しにくく、前記半導体層上に形成されるIII族元素窒化物結晶の成長特性にばらつきが大きかった。 A feature of the present invention is that a GaN crystal is grown using a seed crystal substrate that can be easily formed. In this method, the group III nitride substrate can be formed by a simple process as compared with the method of forming the buffer layer at a low temperature and the method of forming the selective growth layer. In addition, high-quality semiconductor layers such as GaN, AlGaN, and AlN (for example, a semiconductor layer having a full width at half maximum of a two-crystal X-ray rocking curve of less than 0.1 degrees) formed through a buffer layer by MOCVD or the like are added to nitrogen. In the case where a group III nitride crystal is grown on the semiconductor layer by contacting with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium and an alkali metal in an atmosphere containing Since the semiconductor layer had good crystallinity, the semiconductor layer was difficult to dissolve in the melt, and the growth characteristics of group III element nitride crystals formed on the semiconductor layer were highly variable.
前述のように、半導体層をT±10℃(ただし、500≦T≦1100)の一定の温度範囲下で形成する方法、スパッタリング法、高圧昇華法等によって基板上に形成した場合、その半導体層の結晶性は、バッファ層を介した膜より悪いため、前記半導体層が前記融液に溶解しやすい。その溶解した半導体層から、III族元素窒化物結晶が成長しやすい傾向があるため、再現性のよい結晶成長を得られる。2結晶法X線ロッキングカーブの半値全幅が、例えば、0.1度以上の半導体層であれば、融液中での結晶成長の再現性がよりよく、また、このようにして形成する半導体層は、高速で成長できるという特徴も有する。なお、前記半導体層の半値全幅は、0.3度以上であることが好ましく、1度以上であることがより好ましい。しかしながら、液相成長でGaN結晶を成長させる場合、種結晶をシードとして単結晶が成長するため、良好な結晶が得られる。このため、本発明によれば、高速成長で安価な種結晶を用いても良質の単結晶を形成でき、安価に半導体装置を形成することが可能となる。なお、SiC基板を用いても、サファイア基板と同様にGaN単結晶を成長させることができる。 As described above, when a semiconductor layer is formed on a substrate by a method of forming T ± 10 ° C. (where 500 ≦ T ≦ 1100), a sputtering method, a high-pressure sublimation method, or the like, the semiconductor layer Since the crystallinity of the semiconductor layer is worse than that of the film through the buffer layer, the semiconductor layer is easily dissolved in the melt. Since the group III element nitride crystal tends to grow from the dissolved semiconductor layer, crystal growth with good reproducibility can be obtained. If the full width at half maximum of the two-crystal method X-ray rocking curve is, for example, a semiconductor layer of 0.1 degree or more, the reproducibility of crystal growth in the melt is better, and the semiconductor layer thus formed is It also has the feature that it can grow at high speed. The full width at half maximum of the semiconductor layer is preferably 0.3 degrees or more, and more preferably 1 degree or more. However, when a GaN crystal is grown by liquid phase growth, a single crystal grows using the seed crystal as a seed, so that a good crystal can be obtained. For this reason, according to the present invention, a high-quality single crystal can be formed even by using an inexpensive seed crystal grown at high speed, and a semiconductor device can be formed at low cost. In addition, even if it uses a SiC substrate, a GaN single crystal can be grown similarly to a sapphire substrate.
本実施例では、Naのみのフラックスを用いたが、Li、Na、KフラックスやCaなどのアルカリ土類金属との混合フラックスを用いても、同様の効果が得られる。たとえば、NaとCaとの混合フラックスでは、Caを10%程度混入することで、より低圧での結晶育成が可能となる。 In this embodiment, a flux containing only Na is used, but the same effect can be obtained by using a mixed flux with an alkaline earth metal such as Li, Na, K flux or Ca. For example, in a mixed flux of Na and Ca, it is possible to grow crystals at a lower pressure by mixing about 10% of Ca.
なお、本実施例では、ガリウムを用いたGaN単結晶基板について説明したが、基板上に作製する光デバイスの使用波長に対して吸収の少ない基板を供給することが望ましい。そのため、紫外線領域の半導体レーザや発光ダイオード用基板としては、Alが多く含まれ短波長域の光吸収が少ないAlxGa1-xN(0≦x≦1)単結晶を形成することが好ましい。本発明では、Gaの一部を他のIII族元素に置き換えることによって、このようなIII族窒化物半導体単結晶を形成することも可能である。 In this embodiment, a GaN single crystal substrate using gallium has been described. However, it is desirable to supply a substrate that absorbs less light with respect to the wavelength used for an optical device manufactured on the substrate. Therefore, as the semiconductor laser or a light emitting diode substrate in the ultraviolet range, it is preferable to form the Al a number included light absorption in the short wavelength region is small Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) single crystal . In the present invention, such a group III nitride semiconductor single crystal can be formed by replacing a part of Ga with another group III element.
実施例3では、GaAs基板やSi基板を用いてGaN単結晶を作製する方法について説明する。 In Example 3, a method for producing a GaN single crystal using a GaAs substrate or a Si substrate will be described.
作製方法について、図6(a)を参照しながら説明する。まず、表面が(111)面であるGaAs基板61を用意し、この基板を、基板温度が約1020℃〜1100℃になるように加熱する。このGaAs基板61上に、MOCVD法でシード層62を形成する。具体的には、TMGとNH3とを基板上に供給することによって、GaNからなるシード層62を成膜する。なお、VPE法やMBE法,HVPE法を用いて成膜を行ってもよい。
A manufacturing method will be described with reference to FIG. First, a
次に、ストライプ状にパターニングされたSiO2層63を、公知の方法によってシード層62上に形成する。得られた基板上に再びGaNを成長させ、GaN結晶からなる選択成長層64を形成する。選択成長層64は、マスクであるSiO2層63が存在しないシード層62から選択的に成長する。選択成長層64は、低圧のMOCVD法(26600Pa(200Torr)、1050℃)で形成する。このようにして得られた種結晶基板を用いて、以下の方法でGaN単結晶を育成する。
Next, an SiO 2 layer 63 patterned in a stripe shape is formed on the
得られた種結晶基板と、ガリウムとナトリウムとを坩堝の中に入れ、この坩堝を800℃まで加熱する。雰囲気ガスは、たとえば、一部がアンモニアガス(NH3ガス)で置換された窒素ガスの加圧雰囲気(5atm)とする。この状態でGaと窒化物とが反応することによって、図6(b)に示すように、選択成長層64(GaN種結晶)上にGaN単結晶65が形成される。一方、GaAs基板61は融液に溶解する。
The obtained seed crystal substrate, gallium and sodium are put in a crucible, and the crucible is heated to 800 ° C. The atmosphere gas is, for example, a pressurized atmosphere (5 atm) of nitrogen gas partially substituted with ammonia gas (NH 3 gas). By reacting Ga and nitride in this state, a GaN
本発明の特徴は、種結晶基板であるGaAs基板が、結晶育成中に溶融することである。これによって、歪みおよび反りが少ないGaN単結晶基板が得られる。反りがなく、基板全域において転位密度が小さい基板を用いることによって、特性が高い半導体素子を生産性よく製造できる。なお、GaAs基板の代わりにSi基板を用いることもできる。 A feature of the present invention is that a GaAs substrate, which is a seed crystal substrate, melts during crystal growth. Thereby, a GaN single crystal substrate with less distortion and warpage can be obtained. By using a substrate having no warpage and having a low dislocation density over the entire substrate, a semiconductor element having high characteristics can be manufactured with high productivity. An Si substrate can be used instead of the GaAs substrate.
得られた結晶の不純物をSIMS(Secondary ion mass spectroscope)で評価したところ、SiやAsが混入していることが分かった。しかし、絶縁基板を作製する際には、問題となるので、以下に別のSiやAsが不純物として混入しない方法を用いる。 When the impurities of the obtained crystal were evaluated by SIMS (Secondary ion mass spectroscope), it was found that Si and As were mixed. However, since it becomes a problem when an insulating substrate is manufactured, a method in which another Si or As is not mixed as an impurity is used below.
前記方法について、図10を用いて説明する。サファイアなどの基板101上に、AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される半導体層102を形成した種結晶を用いて、窒素を含む加圧雰囲気中で、アルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した融液103中でIII族窒化物結晶105を育成する。融液103の入った坩堝104は、850℃、50atmの窒素雰囲気中に保持される。基板101は保持部材106により保持され、半導体層102のみを融液103に接触させる。半導体層102上にIII族窒化物結晶105を成長させた後、保持部材を矢印の方向に移動させ、基板101をも融液103に浸漬させ、基板101を溶解する。これにより、III族窒化物単結晶105のみからなる基板を製造することが可能である。
The said method is demonstrated using FIG. Using a seed crystal in which a
実施例4では、III族窒化物基板を得るための他の一例について説明する。 In Example 4, another example for obtaining a group III nitride substrate will be described.
Naフラックスが混入されたGa融液は、加圧窒素ガス雰囲気中において、サファイア基板上に形成したGaN種結晶の表面近傍を溶融する(メルトバック)。このため、初期の結晶育成条件を設定することが困難である。一方で、種結晶をメルトバックすることによって、種結晶の基板表面の凹凸を少なくすることができ、育成した結晶の均一性や品質向上を実現できる。本実施例では、種結晶のメルトバックを安定に行うため、層状構造の種結晶を用いて結晶成長を行う。 The Ga melt mixed with Na flux melts in the vicinity of the surface of the GaN seed crystal formed on the sapphire substrate in a pressurized nitrogen gas atmosphere (melt back). For this reason, it is difficult to set initial crystal growth conditions. On the other hand, by melting back the seed crystal, irregularities on the substrate surface of the seed crystal can be reduced, and the uniformity and quality improvement of the grown crystal can be realized. In this embodiment, crystal growth is performed using a seed crystal having a layered structure in order to stably melt back the seed crystal.
本実施例に用いられる種結晶について、図7(a)を用いて説明する。サファイア(結晶性Al2O3)からなるサファイア基板71上には、GaNからなるシード層72が形成されている。シード層72の上部には、組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0<s≦1、0≦t<1)で表される第1の半導体層73が形成されている。第1の半導体層73の上には、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1)で表される第2の半導体層74が形成されている。ここで、第1の半導体層73のAlの組成比は、第2の半導体層74のAlの組成比よりも高い。AlNはGaNよりも硬く、AlNの方がGaとNaフラックスからなる融液に溶融しにくい。そのため、たとえばAl1Ga1-xNからなる第1の半導体層73とGaNからなる第2の半導体層74を用いた場合、第1の半導体層73が、結晶育成初期において、メルトバックのストッパー層として作用する。具体的には、結晶育成前に第2の半導体層74の一部分、または全てを溶融させたのち、図7(b)に示すように、第1の半導体層73上にIII族窒化物結晶75を成長させる。以下、具体的な製造方法の一例について説明する。
The seed crystal used in this example will be described with reference to FIG. A
まず、表面がC面(すなわち(0001)面)であるサファイア基板を用意する。 First, a sapphire substrate whose surface is a C plane (that is, a (0001) plane) is prepared.
基板温度を約1020℃〜1100℃にまで昇温した後、TMGとアンモニアとを基板上に供給することにより、GaNからなるシード層を形成する。次に、シード層上にストッパー層として、上記第2の半導体層を形成する。次に、第2の半導体層として、再びGaN層を形成する。GaN層は、低圧のMOCVD法(26600Pa(200Torr)、1050℃)によって形成する。 After raising the substrate temperature to about 1020 ° C. to 1100 ° C., TMG and ammonia are supplied onto the substrate to form a seed layer made of GaN. Next, the second semiconductor layer is formed as a stopper layer on the seed layer. Next, a GaN layer is formed again as a second semiconductor layer. The GaN layer is formed by a low pressure MOCVD method (26600 Pa (200 Torr), 1050 ° C.).
GaN単結晶層の形成は、図2のLPE装置を用いて行うことができる。ただし、本実施例では種結晶基板がストッパー層を有するため、育成初期の段階でメルトバックを行い、種結晶層を少し溶融し、その後結晶育成を行う。 The GaN single crystal layer can be formed using the LPE apparatus shown in FIG. However, since the seed crystal substrate has a stopper layer in this embodiment, meltback is performed at an early stage of growth, the seed crystal layer is slightly melted, and then crystal growth is performed.
具体的には、GaとフラックスであるNaとを規定量秤量して、坩堝内にセットする。坩堝内の原材料を融解させるため、電気炉内の温度を900℃まで上昇させて原材料の融液を調製する。この段階では、種結晶基板は坩堝に投入しない。GaとNaとを撹拌するため、プロペラを融液中に入れて数時間、融液を撹拌する。次に、坩堝の温度を830℃に設定する。種結晶基板を融液の真上まで降下して基板の温度を融液の温度に近づける。数分後、種結晶基板を融液中に入れる。この状態では、融液は過飽和状態でないため、基板の種結晶層が少し溶融する。その後、雰囲気圧力を上昇させるとともに、溶液の温度を800℃に設定する。本実施例では、雰囲気は窒素ガスのみで50atmとする。 Specifically, a prescribed amount of Ga and Na, which is a flux, are weighed and set in a crucible. In order to melt the raw material in the crucible, the temperature in the electric furnace is raised to 900 ° C. to prepare a raw material melt. At this stage, the seed crystal substrate is not put into the crucible. In order to stir Ga and Na, a propeller is put in the melt and the melt is stirred for several hours. Next, the temperature of the crucible is set to 830 ° C. The seed crystal substrate is lowered to just above the melt to bring the temperature of the substrate closer to the temperature of the melt. After a few minutes, the seed crystal substrate is placed in the melt. In this state, since the melt is not supersaturated, the seed crystal layer of the substrate is slightly melted. Then, while raising atmospheric pressure, the temperature of a solution is set to 800 degreeC. In this embodiment, the atmosphere is 50 atm with only nitrogen gas.
結晶育成中は10rpm〜200rpmの範囲の回転速度で基板を回転させる。望ましくは、100rpm前後で回転させる。24時間育成後、基板を上昇させて融液から取り出す。上昇後、基板表面に残っている融液を除去するため、300rpm〜1500rpmの範囲の回転速度で基板を回転させる。望ましくは、1000rpm前後で回転させる。その後、育成したGaN単結晶基板をチャンバーから取り出す。本実施例では、坩堝の温度(融液の温度)を一定に保持したが、融液の過飽和度を一定にするために融液温度を一定の割合で降下させてもよい。 During crystal growth, the substrate is rotated at a rotation speed in the range of 10 rpm to 200 rpm. Preferably, it is rotated at around 100 rpm. After growing for 24 hours, the substrate is raised and removed from the melt. After the rise, the substrate is rotated at a rotation speed in the range of 300 rpm to 1500 rpm in order to remove the melt remaining on the substrate surface. Desirably, it is rotated at around 1000 rpm. Thereafter, the grown GaN single crystal substrate is taken out of the chamber. In this embodiment, the temperature of the crucible (melt temperature) is kept constant, but the melt temperature may be lowered at a constant rate in order to keep the degree of supersaturation of the melt constant.
本発明によれば、層状構造となっている種結晶がAlの組成比が高いストッパー層を備えるため、種結晶を安定にメルトバックさせることができ、平坦な表面から結晶育成を開始することができる。そのため、表面が平坦で均質なGaN単結晶を育成できる。また、過飽和状態でない融液中でメルトバックする際に、サファイア基板上の種結晶がなくなることを防止できる。 According to the present invention, since the seed crystal having a layered structure includes a stopper layer having a high Al composition ratio, the seed crystal can be stably melted back, and crystal growth can be started from a flat surface. it can. Therefore, a GaN single crystal having a flat and uniform surface can be grown. In addition, it is possible to prevent the seed crystal on the sapphire substrate from being lost when meltback is performed in a melt that is not supersaturated.
なお、本発明の製造方法では、昇華法で結晶を成長させてもよい。すなわち、III族元素またはその化合物と、窒素またはその化合物とを反応させてIII族窒化物を形成し、それを基板上に堆積させてIII族窒化物半導体層を形成してもよい。この場合の結晶成長装置の一例として、結晶成長装置80を図8に示す。結晶成長装置80は、電気炉81を備える。電気炉81の内部には石英管82が設置され、その中にGaNパウダー83が入ったボロンナイトライド(BN)製の坩堝84が置かれている。電気炉81内は、10体積%程度のNH3ガスを含む窒素ガス雰囲気となっている。坩堝84の温度を上昇させるとGaNパウダー83が窒素ガス(NH3ガス)と反応して分解し、上方に飛び出し、基板ヒータ85によって加熱された基板86上に付着する。基板ヒータ上に取り付けられる基板には、たとえば、表面が多結晶GaNである種結晶基板や、表面がAlNである種結晶基板を用いることができる。GaN種結晶基板上に、GaN単結晶を育成した後、電気炉内の温度を降下させ、基板ヒータの温度も降下させると、サファイア基板の線膨張係数と育成したGaN結晶の線膨張係数との差によって、育成したGaN単結晶がサファイア基板から剥離することも可能である。なお、図8において、87は、流量調整器を示し、88は、熱電対を示す。
In the production method of the present invention, crystals may be grown by a sublimation method. That is, a Group III element or a compound thereof and nitrogen or a compound thereof are reacted to form a Group III nitride, which is deposited on a substrate to form a Group III nitride semiconductor layer. As an example of the crystal growth apparatus in this case, a crystal growth apparatus 80 is shown in FIG. The crystal growth apparatus 80 includes an
実施例5では、上記実施例で得られる基板を用いて半導体レーザを作製する一例について説明する。半導体レーザ90の構造を図9に示す。 In Example 5, an example in which a semiconductor laser is manufactured using the substrate obtained in the above example will be described. The structure of the semiconductor laser 90 is shown in FIG.
まず、上記実施例で得られるGaN結晶を含む基板91上に、キャリア密度が5×1018以下になるようにSiをドープしたn形GaNからなるコンタクト層92を形成する。基板91は、サファイア上にIII族窒化物結晶が形成された基板またはIII族窒化物結晶からなる基板である。GaN系の結晶(GaとNとを含む結晶)では、不純物としてSiを添加するとGaの空孔が増加する。このGaの空孔は容易に拡散するため、この上にデバイスを作製すると寿命などの点で悪影響を与える。そのため、キャリア密度が3×1018以下になるようにドーピング量を制御する。
First, a
次に、コンタクト層92上に、n形Al0.07Ga0.93Nからなるクラッド層93とn形GaNからなる光ガイド層94とを形成する。次に、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層(厚さ約3nm)とGaNからなるバリア層(厚さ6nm)とによって構成された多重量子井戸(MQW)を活性層95として形成する。次に、p形GaNからなる光ガイド層96とp形Al0.07Ga0.93Nからなるクラッド層97と、p形GaNからなるコンタクト層98とを形成する。これらの層は公知の方法で形成できる。半導体レーザ90はダブルへテロ接合型の半導体レーザであり、MQW活性層におけるインジウムを含む井戸層のエネルギーギャップが、アルミニウムを含むn形およびp形クラッド層のエネルギーギャップよりも小さい。一方、光の屈折率は、活性層95の井戸層が最も大きく、以下、光ガイド層、クラッド層の順に小さくなる。
Then, on the
コンタクト層98の上部には、幅が2μm程度の電流注入領域を構成する絶縁膜99が形成されている。p形のクラッド層97の上部およびp形のコンタクト層98には、電流狭窄部となるリッジ部が形成されている。
Over the
p形のコンタクト層98の上側には、コンタクト層98とオーミック接触するp側電極100が形成されている。p側電極100は、ニッケル(Ni)と金(Au)との積層体からなる。
A p-
n形のコンタクト層92の上側には、コンタクト層92とオーミック接触するn側電極101が形成されている。n側電極101は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層体からなる。
An n-
上記方法で製造された半導体レーザのデバイス評価を行った。得られた半導体レーザに対して、p側電極とn形電極との間に順方向の所定の電圧を印加すると、MQW活性層にp側電極から正孔、n側電極から電子が注入され、MQW活性層において再結合し光学利得を生じて、発振波長404nmでレーザ発振を起こした。 The device evaluation of the semiconductor laser manufactured by the above method was performed. When a predetermined voltage in the forward direction is applied between the p-side electrode and the n-type electrode for the obtained semiconductor laser, holes are injected from the p-side electrode into the MQW active layer, and electrons are injected from the n-side electrode, Recombination occurred in the MQW active layer to generate an optical gain, and laser oscillation occurred at an oscillation wavelength of 404 nm.
本実施例の半導体レーザは、基板として、転位密度が1×102cm-2以下と低い基板を用いているため、高転位密度のGaN基板上に作製した半導体レーザと比較して、しきい値電流の低下、発光効率の向上、信頼性の向上が見られた。 Since the semiconductor laser of this example uses a substrate having a low dislocation density of 1 × 10 2 cm −2 or less as a substrate, the threshold is higher than that of a semiconductor laser manufactured on a GaN substrate having a high dislocation density. A decrease in value current, an improvement in luminous efficiency, and an improvement in reliability were observed.
なお、GaN結晶以外のサファイア部分を研磨などにより除去し、GaN基板を作製し、その上にデバイスを作製することも可能である。 It is also possible to remove a sapphire portion other than the GaN crystal by polishing or the like to produce a GaN substrate and to produce a device thereon.
なお、上記実施例の方法では、C面AlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)基板を種結晶として用いることができるが、他の面方位のAlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)基板を種結晶基板として用いても、組成式AlxGa1-xN(ただし0≦x≦1)で表される単結晶基板が得られる。例えば、A面GaN基板を種結晶として用いた場合、得られた単結晶基板を用いて発光ダイオードを形成すると、ピエゾ効果がないので、正孔と電子とを効率よく再結合させることができ、発光効率の向上が可能である。 In the method of the above embodiment, a C-plane Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) substrate can be used as a seed crystal, but Al x Ga 1-x N ( However, even when a substrate of 0 ≦ x ≦ 1) is used as a seed crystal substrate, a single crystal substrate represented by the composition formula Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1) is obtained. For example, when an A-plane GaN substrate is used as a seed crystal, if a light emitting diode is formed using the obtained single crystal substrate, there is no piezo effect, so holes and electrons can be efficiently recombined, Luminous efficiency can be improved.
本発明の製造方法によって得られる基板を用い、この基板上にIII族窒化物結晶をエピタキシャル成長させることによって、LDやLEDなどの半導体素子を備える半導体装置が得られる。本発明の基板を用いてLDやLEDを作製する効果として、以下のことが挙げられる。基板全域で転位密度が小さいため、ワイドストライプ型LDや面発光型LDにおいて、高い信頼性を実現できる。また、従来の構成のようにELOGのような複雑な構造を必要としない構成でデバイスを実現できるため、製造工程を簡素化でき、低コストでデバイスを製造できる。 By using a substrate obtained by the manufacturing method of the present invention and epitaxially growing a group III nitride crystal on this substrate, a semiconductor device including a semiconductor element such as an LD or LED can be obtained. The following can be cited as an effect of manufacturing an LD or LED using the substrate of the present invention. Since the dislocation density is small over the entire area of the substrate, high reliability can be realized in wide stripe LDs and surface emitting LDs. In addition, since the device can be realized with a configuration that does not require a complicated structure like ELOG as in the conventional configuration, the manufacturing process can be simplified and the device can be manufactured at low cost.
以上説明したように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、特性が高いIII族窒化物結晶を備える基板を容易に製造できる。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、特性が高い半導体装置を容易に製造できる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, a substrate including a group III nitride crystal having high characteristics can be easily manufactured. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having high characteristics can be easily manufactured.
10、40、50 基板
11、41、71 サファイア基板
12、62、72 シード層
63 SiO2層
64 選択成長層
42 GaN層
43、75 III族窒化物結晶
51 GaAs基板
52 AlN層
61 GaAs基板
65 GaN単結晶
73 第1の半導体層
74 第2の半導体層
90 半導体レーザ
101 基板
102 半導体層
103 融液
104 坩堝
105 III族窒化物結晶
106 保持部材
10, 40, 50
Claims (9)
(ii)窒素を含む雰囲気中において、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、前記半導体層上にIII族窒化物結晶を成長させる工程とを含むIII族窒化物基板の製造方法。 (I) A composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) in which the full width at half maximum of a two-crystal method X-ray rocking curve is 0.1 degree or more on a substrate Forming a semiconductor layer made of a semiconductor represented by:
(Ii) Group III nitridation on the semiconductor layer by bringing the semiconductor layer into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium, aluminum and indium and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen. And III-nitride substrate manufacturing method including a step of growing a physical crystal.
前記工程(ii)が、窒素を含む雰囲気中において、ガリウムおよびアルミニウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に前記半導体層を接触させることによって、組成式AlxGa1-xN(ただし、0≦x≦1)で表されるIII族窒化物結晶を前記AlN層上に成長させる工程である請求項1から3のいずれか一項に記載のIII族窒化物基板の製造方法。 The step (i) is a step of forming an AlN layer having a full width at half maximum of a two-crystal X-ray rocking curve of 0.1 degrees or more on a substrate by a sputtering method ,
In the step (ii), the semiconductor layer is brought into contact with a melt containing at least one group III element selected from gallium and aluminum and an alkali metal in an atmosphere containing nitrogen, whereby a composition formula Al x Ga 1 The group III nitride substrate according to any one of claims 1 to 3, which is a step of growing a group III nitride crystal represented by -xN (where 0≤x≤1) on the AlN layer. Manufacturing method.
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