JP4781599B2 - Epitaxial substrate and multilayer structure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子などの半導体発光素子又は高速ICチップなどの半導体素子を構成する下地膜として好適に用いることのできる、III族窒化物膜、並びにこれを用いたエピタキシャル基板及び多層膜構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にAlを含むIII族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【0003】
このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、サファイア単結晶などからなる所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地層を具える、いわゆるエピタキシャル基板がある。前記下地層は、特にAlを含有したIII族窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Alを含有したIII族窒化物から構成することが好ましい。さらに、Al含有窒化物は大きなバンドギャップを有するとともに、大きな熱伝導率を有するため、このような材料からなる下地層をIII族窒化物膜と基材との間に挿入することにより、光吸収抑制あるいは熱拡散の観点から半導体素子などの効率を向上させることもできる。
【0004】
そして、上記エピタキシャル基板を反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱する。次いで、III族元素供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給し、MOCVD法にしたがってIII族窒化物膜を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したエピタキシャル基板においては、基材と下地層との格子定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、このミスフィット転位が貫通転位として前記下地層中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャル基板の表面に到達してしまう。このため、前記下地層上、すなわち前記エピタキシャル基板上に形成されるIII族窒化物膜にも、前記ミスフィット転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
【0006】
同様の現象は、基材上にAl含有III族窒化物からなる下地層を形成する場合のみならず、Ga含有及びその他のIII族窒化物からなる下地層を形成する場合においても観察された。この結果、これらのIII族窒化物膜から、例えば半導体発光素子などを構成した場合においては、その発光効率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【0007】
本発明は、低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはAl含有窒化物膜を形成することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、所定の基材と、この基材の主面上に形成された、少なくともAlを含むIII族窒化物膜と、前記基材と前記III族窒化物膜との間に設けたIII族窒化物下地膜とを具え、前記III族窒化物膜におけるAl含有量が、全III族元素に対して50原子%以上であるとともに、前記III族窒化物膜の内部において、刃状転位が前記基材の前記主面から立ち上がった後、前記主面と略平行となるように屈曲し、伝播していることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【0009】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、上述したような基材と下地層との間に発生するミスフィット転位は刃状転位及び/又はらせん転位として前記下地層中を伝搬し、特に刃状転位が前記下地層中を貫通してその表面に到達する傾向が強いことを見出した。そして、このような貫通刃状転位が上方に形成された種々のIII族窒化物膜の転位密度増大の原因になっていることを見出した。したがって、本発明者らは、刃状転位が膜中を貫通しないようにすべく鋭意検討し、上述した本発明のIII族窒化物膜を発明するに至ったものである。
【0010】
本発明のIII族窒化物膜は、CVD法における相異なる第1の成膜条件と第2の成膜条件とを順次に設定し、これら2つの成膜条件下において連続的に形成することによって得ることができる。
【0011】
具体的には、前記第1の成膜条件における窒素原料ガス量を、前記第2の成膜条件における窒素原料ガス流量よりも大きくしたり、前記第1の成膜条件における前記基材の加熱温度を、前記第2の成膜条件における前記基材の加熱温度よりも小さくしたりすることによって形成することができる。さらには、前記第1の成膜条件における雰囲気圧力を、前記第2の成膜条件における雰囲気圧力よりも大きくしたりすることによっても形成することができる。
【0012】
本発明のIII族窒化物膜における刃状転位の伝播の挙動は以下のように考えることができる。図1は、従来のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程を説明するための図であり、図2は、本発明のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程を説明するための図である。
【0013】
図1に示すように、従来のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程においては、図1(a)に示す基材10上の主面10A上に対してMOCVD法などによって成膜処理を施すと、図1(b)に示すように基材10の主面10A上には、III族窒化物膜の初期核12が生成される。さらに、前記成膜処理を行なうことにより初期核12から核成長が生じ、図1(c)に示すような島状構造13が形成される。さらに、前記成膜処理を継続して行なうと、島状構造13を中心としてエピタキシャル成長が促進され、図1(d)に示すような一様なIII族窒化物膜20が形成される。
【0014】
図1に示すエピタキシャル成長過程においては、全工程を通じて同一の成膜条件下の成膜処理が施される。この場合においては、
基材10の主面から立ち上がったらせん転位のほとんどは島状結晶13の拡大及び合体に伴って消失するものの、刃状転位の大部分は島状構造13の上面13Aを貫通し、図中Aで示すように上方に伝播する。したがって、従来のIII族窒化物膜においては貫通刃状転位の割合が増大してしまっていた。
【0015】
これに対し、本発明のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程においては、図2(a)に示す基材10の主面10Aに対して、種々の条件が設定された第1の成膜条件下でMOCVD法などによる成膜処理を施す。すると、従来のエピタキシャル成長過程と異なり、図2(b)に示すような先端が針形状の初期核12が形成され、さらに図2(c)に示すように、初期核12を中心として確率的にその一部が大きく成長し、さらに成長が進行することにより、図2(d)に示すような針状構造15が形成される。この際、針形状の先端が結合することにより、台形状の島状構造が形成される場合もある。
【0016】
次いで、MOCVD法下における成膜条件を前記第1の成膜条件から第2の成膜条件へ変更する。すると、針状構造15を中心として横方向にエピタキシャル成長が促進され、最終的に図2(e)に示すような一様なIII族窒化物膜20が形成される。なお、第1の成膜条件から第2の成膜条件への変更のタイミングは、針状構造15の高さが0.05μm以上、さらには0.1μm以上となった段階で行なうことが好ましい。
【0017】
この場合、基材10の主面10Aから立ち上がった刃状転位は図中Bで示すように、そのほとんどが針状構造15の側面15Bで横方向に屈曲し、主面10Aと略平行に伝播する。したがって、上方へ伝播する刃状転位の割合が著しく減少し、貫通刃状転位の割合が著しく低減される。
【0018】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記基材の前記主面において表面窒化層を形成する。この場合においては、上記ミスフィット転位に起因したらせん転位の、前記III族窒化物膜中への伝播をも抑制することができる。したがって、貫通らせん転位の割合をも減少させることができ、上方に形成した種々のIII族窒化物膜中の転位密度をさらに低減することができる。
【0019】
同様に、前記基材の前記主面に対して成膜処理を施し、前記表面窒化層に代えて所定のIII族窒化物下地膜を形成することもできる。この場合においても上記同様の作用効果を得ることができる。
【0020】
上述した本発明のIII族窒化物膜は、好ましくはエピタキシャル基板を構成する下地層として用いることができる。この場合、前記下地層、すなわち前記エピタキシャル基板上に、III族窒化物層群を形成した場合において、前記下地層の貫通刃状転位及び/又は貫通らせん転位の割合が減少しているため、前記III族窒化物層群中に伝播する前記刃状転位及び/又はらせん転位を減少させることができ、結果として、前記III族窒化物層群中の転位密度が減少して、結晶品質が向上する。
【0021】
なお、上記「III族窒化物層群」は、作製すべき半導体素子の種類などに応じて、単層のIII族窒化物層から構成することもできるし、複数のIII族窒化物層が積層されてなる多層膜構造として構成することもできる。さらには、複数のIII族窒化物層が交互に周期的に積層されてなる周期的多層膜構造として構成することもできる。
【0022】
本発明のその他の特徴及び詳細については、以下の発明の実施の形態において説明する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【0024】
上述したように、本発明のIII族窒化物膜は、CVD法における相異なる第1の成膜条件と第2の成膜条件とを順次に設定し、これら2つの成膜条件下において連続的に形成することによって得ることができる。具体的には、以下の3つの態様を挙げることができる。
【0025】
第1には、前記第2の成膜条件及び前記第1の成膜条件における窒素原料ガス流量を変化させる。具体的には、上述したように、前記第1の成膜条件における窒素原料ガス流量を前記第2の成膜条件における窒素原料ガスの流量よりも大きくする。例えば、前記窒素原料ガスとしてアンモニアガス(NH3)を用いた場合は、前記第1の成膜条件におけるアンモニアガス流量とIII族原料ガス流量との比(V/III比)を1000〜10000に設定し、前記第2の成膜条件におけるV/III比を50〜1000に設定する。
【0026】
第2には、前記第2の成膜条件及び前記第1の成膜条件における基材の加熱温度を変化させる。具体的には、上述したように、前記第1の成膜条件における基材の加熱温度を前記第2の成膜条件における基材の加熱温度よりも小さくする。例えば、前記第1の成膜条件における基材の加熱温度を800℃〜1100℃に設定し、前記第2の成膜条件における基材の加熱温度を1100℃〜1500℃に設定する。
【0027】
第3には、前記第2の成膜条件及び前記第1の成膜条件における雰囲気圧力を変化させる。具体的には、上述したように、前記第1の成膜条件における雰囲気圧力を前記第2の成膜条件における雰囲気圧力よりも大きくする。例えば、前記第1の成膜条件における雰囲気圧力を1Torr〜30Torrに設定し、前記第2の成膜条件における雰囲気圧力を30Torr〜200Torrに設定する。
【0028】
これら3つの態様は、それぞれ単独で用いることもできるし、これらの2以上を組み合わせて用いることもできる。
【0029】
なお、上述した具体的な数値はあくまで一例として示すものであり、使用するCVD装置の形態や大きさなどによっては、上記数値と異なる数値を適宜選択して設定する必要が生じる場合がある。
【0030】
本発明のIII族窒化物膜は少なくともAlを含むことが必要である。これによって、相異なる第1の成膜条件及び第2の成膜条件を採用したCVD法を用いるのみで、図2に示すようなメカニズムに従い、刃状転位が基材の主面と略平行に伝播するようになる。このような傾向は、III族窒化物膜におけるAl含有量が増大するに従って顕著になり、前記Al含有量は全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、さらには前記III族窒化物膜がAlNから構成されていることが好ましい。
【0031】
また、本発明のIII族窒化物膜は、Alの他に、Ga及びInなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0032】
また、上述したように、本発明においては、前記III族窒化物膜を形成すべき、前記基材を所定の単結晶基板から構成する場合においては、前記基材の前記主面において表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、前記基材からのらせん転位の上方への伝播を効果的に抑制することができる。したがって、貫通刃状転位のみならず、貫通らせん転位の割合も著しく減少することができる。
【0033】
表面窒化層は以下のようにして形成することができる。III族窒化物膜を形成すべき基材を、アンモニア(NH3)ガス、ヒドラジン(N2H4)ガス、及びメチルヒドラジン(N2H3CH3)ガスなどの窒化処理ガスが充填された容器内に容れ、500〜1200℃に加熱する。前記窒化処理ガスは、加熱された前記基材の前記主面と接触することによって、還元性の窒素ガスを生成する。この還元性の窒素ガスは極めて反応性に富むため、加熱された前記基材の前記主面と還元反応を生ぜしめて前記主面を窒化し、その結果、前述したような表面窒化層が形成される。
【0034】
表面窒化層は、好ましくは0.2nm〜10nmの厚さに形成する。なお、この厚さはESCAによる厚さ方向のエッチングプロファイルの窒素濃度分布より概算して求めたものである。
【0035】
また、上述したように、前記基材の前記主面に対して表面窒化処理を施す代わりに、前記主面上にIII族窒化物下地膜を形成することもできる。この場合においても、前記同様の作用効果を実現することができる。前記下地膜は貫通らせん転位密度が少なく、少なくともAlを含んでいることが好ましい。また、Al含有量は全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、さらにはIII族元素の総てがAlであって、AlNから構成されていることが好ましい。
【0036】
図3は、本発明のIII族窒化物膜を下地層として用いたエピタキシャル基板上に、III族窒化物層群を形成した多層膜構造を概略的に示したものである。図3から明らかなように、基材10上に本発明のIII族窒化物膜からなる下地層20が形成されて、エピタキシャル基板40を構成している。そして、エピタキシャル基板40上に所定のIII族窒化物層群30が形成されて、多層膜構造50を構成している。
【0037】
多層膜構造50から半導体発光素子などを構成する場合は、III族窒化物層群30をn型導電層、発光層、p型導電層、及び必要に応じてクラッド層などから構成する。多層膜構造50からショットキーデバイスなどを構成する場合は、III族窒化物層群30を導電層などから構成する。
【0038】
なお、基材10は、サファイア単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgAl2O4単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶、及びAlGaN単結晶などのIII−V族単結晶、ZrB2などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。特にサファイア単結晶から基材10を構成した場合においては、本発明の効果をより効果的に発揮することができるようになる。
【0039】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例1)
C面サファイア単結晶から基材を構成し、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定した。次いで、前記サセプタ内のヒータにより、前記基材をその表面温度が1200℃になるまで加熱した。次いで、反応管内にアンモニアガス(NH3)を導入し、5分保持し、前記基材の主面上に表面窒化層を厚さ1nmに形成した。
【0040】
次いで、Al供給原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、窒素供給原料ガスとしてNH3を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、NH3/TMA=500sccm/1sccmとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給して、60分間エピタキシャル成長を実施して、表面が一様なAlN膜を形成した。このAlN膜の5μm角の表面粗さRaは1.5Åであり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は60秒であった。
【0041】
さらに、前記AlN膜を下地膜として用い、成膜処理を継続させた。最初に、NH3/TMA=5000sccm/1sccmに設定(第1の成膜条件)して20分間エピタキシャル処理を実施し、針の高さが0.1μmであるAlN針状構造を形成した。次いで、NH3/TMA=500sccm/1sccmに設定(第2の成膜条件)して120分間エピタキシャル成長を実施し、一様なAlN膜を形成した。なお、上記エピタキシャル成長過程において、反応管内の圧力は20Torrで一定とした。
【0042】
前記AlN膜における転位の伝播状態をTEM観察によって調べた。その結果、前記基材から立ち上がった転位の大部分が前記AlN膜内部で屈曲し、前記基材の主面と略平行に伝播していることが観察された。
【0043】
次いで、前記AlN膜上に、TMA、並びにGa供給原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)及びNH3を供給して、Al0.5Ga0.5N膜を厚さ2μmに形成した。このAl0.5Ga0.5N膜中の転位密度を測定したところ5×108/cm2であった。
【0044】
(実施例2)
C面サファイア単結晶から基材を構成し、実施例1と同様にして一様な表面を有するAlN膜を形成した。次いで、TMA及びNH3をNH3/TMA=500sccm/1sccmとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、基材温度を900℃とし(第1の成膜条件)、20分間エピタキシャル成長を実施して、針の高さが0.1μmであるAlN針状構造を形成し、次いで基材温度を1150℃とし(第2の成膜条件)、120分間エピタキシャル成長を行なうことにより、一様なAlN膜を形成した。なお、上記エピタキシャル成長過程において、反応管内の圧力は20Torrで一定とした。
【0045】
前記AlN膜における転位の伝播状態をTEM観察によって調べた。その結果、前記基材から立ち上がった転位の大部分が前記AlN膜内部で屈曲し、前記基材の主面と略平行に伝播していることが観察された。
【0046】
次いで、前記AlN膜上に、実施例1同様にAl0.5Ga0.5N膜を厚さ2μmに形成した。このAl0.5Ga0.5N膜中の転位密度を測定したところ5×108/cm2であった。
【0047】
(実施例3)
C面サファイア単結晶から基材を構成し、実施例1と同様にして表面が一様なAlN膜を形成した。次いで、基材温度を1150℃に設定するとともに、TMA及びNH3を、NH3/TMA=500sccm/1sccmとなるようにして前記反応管内に導入し、雰囲気圧力を80Torr(第1の成膜条件)としてエピタキシャル成長を20分間行ない、高さ0.2μmに針状構造を形成した。次いで、雰囲気圧力を20Torr(第2の成膜条件)に変更し、120分間エピタキシャル成長を実施することにより、一様なAlN膜を形成した。
【0048】
前記AlN膜における転位の伝播状態をTEM観察によって調べた。その結果、前記基材から立ち上がった転位の大部分が前記AlN膜内部で屈曲し、前記基材の主面と略平行に伝播していることが観察された。
【0049】
次いで、前記AlN膜上に、実施例1同様にAl0.5Ga0.5N膜を厚さ2μmに形成した。このAl0.5Ga0.5N膜中の転位密度を測定したところ5×108/cm2であった。
【0050】
(比較例)
実施例と同様に、C面サファイア単結晶から基材を構成するとともに、前記基材上に一様な表面を有するAlN膜を形成した。次いで、基材温度を1200℃に設定し、TMA及びNH3を、NH3/TMA=500sccm/1sccmとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給して、120分間エピタキシャル成長を実施して、一様なAlN膜を形成した。なお、上記エピタキシャル成長過程において、反応管内の圧力は20Torrで一定とした。
【0051】
前記AlN膜における転位の伝播状態をTEM観察によって調べた。その結果、前記基材から立ち上がった転位の相当部分が前記AlN膜内部を上方に伝播し、貫通転位となっていることが判明した。
【0052】
次いで、前記AlN膜上に、実施例1同様にAl0.5Ga0.5N膜を厚さ2μmに形成した。このAl0.5Ga0.5N膜中の転位密度を測定したところ1×1010/cm2であった。
【0053】
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明に従ったAlN膜においては、基材からの転位の大部分が膜内で横方向に屈曲し、上方へ伝播しないことが分かる。したがって、貫通転位の割合が減少し、前記AlN膜上に形成したGaN膜中の転位密度も低減されて要ることが分かる。
【0054】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、エピタキシャル基板とIII族窒化物層群との間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記III族窒化物層群の結晶品質をさらに向上させることもできる。
【0055】
また、III族窒化物下地膜の形成から、針状構造の形成及びIII族窒化物膜の形成までの処理は、同一のMOCVD装置を用いて行なうこともできるし、異なるMOCVD装置を用いて実行することができる。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、貫通転位の減少したIII族窒化物膜を得ることができる。したがって、前記III族窒化物膜を下地層として用いたエピタキシャル基板を作製することにより、このエピタキシャル基板上に形成する、単独のIII族窒化物膜又はIII族窒化物膜の多層構造からなるIII族窒化物層群中の転位密度を十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程を説明するための図である。
【図2】本発明のIII族窒化物膜のエピタキシャル成長過程を説明するための図である。
【図3】本発明の多層膜構造を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
10 基材、12 初期核、13 島状構造、15 針状構造、20 III族窒化物膜、30 III族窒化物層群、40 エピタキシャル基板、50 多層膜構造[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a group III nitride film that can be suitably used as a base film constituting a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode element or a semiconductor element such as a high-speed IC chip, and an epitaxial substrate and multilayer structure using the same. About.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride films are used as semiconductor films constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices. In recent years, group III nitride films are also attracting attention as semiconductor films constituting high-speed IC chips used for mobile phones and the like. Have been bathed. In particular, a group III nitride film containing Al is attracting attention as an application material for field emitters.
[0003]
As a substrate on which such a group III nitride film is formed, there is a so-called epitaxial substrate including an underlayer formed by epitaxial growth on a predetermined base material made of sapphire single crystal or the like. In particular, the underlayer is preferably composed of a group III nitride containing Al in order to facilitate the epitaxial growth of a group III nitride film containing Al. Furthermore, since Al-containing nitrides have a large band gap and a large thermal conductivity, light absorption can be achieved by inserting a base layer made of such a material between the group III nitride film and the substrate. From the viewpoint of suppression or thermal diffusion, the efficiency of the semiconductor element can be improved.
[0004]
After the epitaxial substrate is placed on a susceptor provided in the reaction tube, the epitaxial substrate is heated to a predetermined temperature by a heating mechanism inside and outside the susceptor. Next, a group III element feedstock and a nitrogen feedstock, and, if necessary, a feedstock of other elements are introduced into the reaction tube together with a carrier gas and supplied onto the epitaxial substrate, and a group III nitridation is performed according to the MOCVD method. A material film is formed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described epitaxial substrate, misfit dislocations occur due to a difference in lattice constant between the base material and the underlayer, and the misfit dislocations penetrate through the underlayer as threading dislocations, and the surface thereof. That is, it reaches the surface of the epitaxial substrate. For this reason, a large amount of dislocations due to the misfit dislocations are also generated on the group III nitride film formed on the underlayer, that is, on the epitaxial substrate.
[0006]
The same phenomenon was observed not only when forming an underlayer made of Al-containing group III nitride on the substrate, but also when forming an underlayer made of Ga-containing and other group III nitrides. As a result, when a semiconductor light emitting device or the like is formed from these group III nitride films, for example, the light emission efficiency does not deteriorate, and a semiconductor light emitting device having desired characteristics cannot be obtained.
[0007]
An object of the present invention is to form a nitride film with low dislocations and excellent crystallinity, particularly an Al-containing nitride film.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a predetermined base material, a group III nitride film containing at least Al formed on the main surface of the base material, the base material, and the group III nitride film. A group III nitride base film provided between the Al group and the group III nitride film, wherein the Al content in the group III nitride film is 50 atomic% or more with respect to all group III elements, The present invention relates to an epitaxial substrate in which edge dislocations are bent and propagated so as to be substantially parallel to the main surface after rising from the main surface of the base material .
[0009]
The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, misfit dislocations generated between the base material and the underlayer as described above propagate in the underlayer as edge dislocations and / or screw dislocations, and in particular, the edge dislocation penetrates the underlayer. And found that there is a strong tendency to reach the surface. It has been found that such threading edge dislocations cause an increase in dislocation density in various group III nitride films formed above. Therefore, the present inventors have intensively studied to prevent edge dislocations from penetrating through the film, and have come to invent the above-described group III nitride film of the present invention.
[0010]
The group III nitride film of the present invention is formed by sequentially setting different first film formation conditions and second film formation conditions in the CVD method, and continuously forming these two film formation conditions. Obtainable.
[0011]
Specifically, the amount of nitrogen source gas in the first film formation condition is made larger than the nitrogen source gas flow rate in the second film formation condition, or the base material is heated in the first film formation condition. It can be formed by making the temperature lower than the heating temperature of the base material in the second film formation condition. Furthermore, it can also be formed by making the atmospheric pressure under the first film forming condition larger than the atmospheric pressure under the second film forming condition.
[0012]
The propagation behavior of edge dislocations in the group III nitride film of the present invention can be considered as follows. FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional epitaxial growth process of a group III nitride film, and FIG. 2 is a diagram for explaining an epitaxial growth process of a group III nitride film of the present invention.
[0013]
As shown in FIG. 1, in the conventional epitaxial growth process of a group III nitride film, when a film forming process is performed on the
[0014]
In the epitaxial growth process shown in FIG. 1, a film forming process under the same film forming conditions is performed throughout the entire process. In this case,
Most of the screw dislocations rising from the main surface of the
[0015]
On the other hand, in the epitaxial growth process of the group III nitride film of the present invention, the first film formation conditions in which various conditions are set on the
[0016]
Next, the film formation condition under the MOCVD method is changed from the first film formation condition to the second film formation condition. Then, the epitaxial growth is promoted in the lateral direction with the needle-
[0017]
In this case, as shown by B in the drawing, most of the edge dislocations rising from the
[0018]
In a preferred embodiment of the present invention, a surface nitrided layer is formed on the main surface of the substrate. In this case, it is possible to suppress the propagation of the screw dislocation caused by the misfit dislocation into the group III nitride film. Therefore, the ratio of threading screw dislocations can be reduced, and the dislocation density in various group III nitride films formed above can be further reduced.
[0019]
Similarly, a film formation process may be performed on the main surface of the base material to form a predetermined group III nitride underlayer instead of the surface nitride layer. Even in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0020]
The group III nitride film of the present invention described above can be preferably used as an underlayer constituting an epitaxial substrate. In this case, when a group III nitride layer group is formed on the underlayer, that is, the epitaxial substrate, the ratio of threading edge dislocations and / or threading screw dislocations in the underlayer is reduced. The edge dislocations and / or screw dislocations propagating in the group III nitride layer group can be reduced. As a result, the dislocation density in the group III nitride layer group is decreased, and the crystal quality is improved. .
[0021]
The “Group III nitride layer group” may be composed of a single Group III nitride layer or a plurality of Group III nitride layers stacked depending on the type of semiconductor element to be manufactured. It can also be configured as a multilayer film structure. Furthermore, it can be configured as a periodic multilayer film structure in which a plurality of group III nitride layers are alternately and periodically stacked.
[0022]
Other features and details of the present invention will be described in the following embodiments of the present invention.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the invention.
[0024]
As described above, in the group III nitride film of the present invention, different first film formation conditions and second film formation conditions in the CVD method are sequentially set, and the two film formation conditions are continuous. Can be obtained. Specifically, the following three aspects can be mentioned.
[0025]
First, the nitrogen source gas flow rate in the second film forming condition and the first film forming condition is changed. Specifically, as described above, the nitrogen source gas flow rate under the first film formation condition is set larger than the nitrogen source gas flow rate under the second film formation condition. For example, when ammonia gas (NH 3 ) is used as the nitrogen source gas, the ratio (V / III ratio) between the ammonia gas flow rate and the group III source gas flow rate in the first film formation condition is 1000 to 10,000. The V / III ratio in the second film formation condition is set to 50 to 1000.
[0026]
Second, the heating temperature of the base material under the second film forming condition and the first film forming condition is changed. Specifically, as described above, the heating temperature of the base material under the first film forming condition is set lower than the heating temperature of the base material under the second film forming condition. For example, the heating temperature of the base material in the first film forming condition is set to 800 ° C. to 1100 ° C., and the heating temperature of the base material in the second film forming condition is set to 1100 ° C. to 1500 ° C.
[0027]
Third, the atmospheric pressure in the second film formation condition and the first film formation condition is changed. Specifically, as described above, the atmospheric pressure under the first film formation condition is set larger than the atmospheric pressure under the second film formation condition. For example, the atmospheric pressure in the first film forming condition is set to 1 Torr to 30 Torr, and the atmospheric pressure in the second film forming condition is set to 30 Torr to 200 Torr.
[0028]
These three modes can be used alone or in combination of two or more thereof.
[0029]
It should be noted that the specific numerical values described above are only given as an example, and depending on the form and size of the CVD apparatus used, it may be necessary to select and set a numerical value different from the above numerical values.
[0030]
The group III nitride film of the present invention needs to contain at least Al. Accordingly, the edge dislocations are substantially parallel to the main surface of the substrate according to the mechanism shown in FIG. 2 only by using a CVD method employing different first film formation conditions and second film formation conditions. Propagates. Such a tendency becomes more prominent as the Al content in the group III nitride film increases, and the Al content is preferably 50 atomic% or more with respect to all group III elements, and more preferably the group III The nitride film is preferably made of AlN.
[0031]
In addition to Al, the group III nitride film of the present invention can also contain group III elements such as Ga and In, and additive elements such as B, Si, Ge, Zn, Be, and Mg. Furthermore, it is possible to include not only elements added intentionally but also trace elements that are inevitably taken in depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in the raw materials and reaction tube materials.
[0032]
Further, as described above, in the present invention, in the case where the group III nitride film is to be formed and the base material is composed of a predetermined single crystal substrate, a surface nitride layer is formed on the main surface of the base material. Is preferably formed. Thereby, the upward propagation of the screw dislocation from the base material can be effectively suppressed. Therefore, not only the threading edge dislocation but also the ratio of threading screw dislocation can be significantly reduced.
[0033]
The surface nitrided layer can be formed as follows. The base material on which the group III nitride film is to be formed was filled with a nitriding gas such as ammonia (NH 3 ) gas, hydrazine (N 2 H 4 ) gas, and methyl hydrazine (N 2 H 3 CH 3 ) gas. Place in a container and heat to 500-1200 ° C. The nitriding gas generates reducing nitrogen gas by contacting the main surface of the heated base material. Since this reducing nitrogen gas is extremely reactive, it causes a reduction reaction with the main surface of the heated base material to nitride the main surface, and as a result, a surface nitride layer as described above is formed. The
[0034]
The surface nitride layer is preferably formed to a thickness of 0.2 nm to 10 nm. This thickness is obtained by rough estimation from the nitrogen concentration distribution of the etching profile in the thickness direction by ESCA.
[0035]
Further, as described above, instead of subjecting the main surface of the base material to surface nitriding treatment, a group III nitride base film can be formed on the main surface. Even in this case, the same effect as described above can be realized. The base film preferably has a low threading screw dislocation density and contains at least Al. Further, the Al content is preferably 50 atomic% or more with respect to all group III elements, more preferably all the group III elements are Al and are composed of AlN.
[0036]
FIG. 3 schematically shows a multilayer film structure in which a group III nitride layer group is formed on an epitaxial substrate using the group III nitride film of the present invention as an underlayer. As is apparent from FIG. 3, the
[0037]
When a semiconductor light emitting device or the like is configured from the
[0038]
In addition, the
[0039]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
Example 1
A base material was formed from a C-plane sapphire single crystal, and this was placed on a susceptor installed in a quartz reaction tube, and then fixed by suction. Next, the substrate was heated with a heater in the susceptor until the surface temperature reached 1200 ° C. Next, ammonia gas (NH 3 ) was introduced into the reaction tube and held for 5 minutes to form a surface nitride layer with a thickness of 1 nm on the main surface of the substrate.
[0040]
Next, trimethylaluminum (TMA) is used as the Al feed gas, NH 3 is used as the nitrogen feed gas, and these feed gases are introduced into the reaction tube together with the hydrogen carrier gas so that NH 3 / TMA = 500 sccm / 1 sccm. At the same time, the substrate was supplied onto the substrate and epitaxial growth was performed for 60 minutes to form an AlN film having a uniform surface. The surface roughness Ra of 5 μm square of this AlN film was 1.5 mm, and the half width of the X-ray rocking curve on the (002) plane was 60 seconds.
[0041]
Further, using the AlN film as a base film, the film forming process was continued. Initially, NH 3 / TMA = 5000 sccm / 1 sccm was set (first film formation conditions), and an epitaxial process was performed for 20 minutes to form an AlN needle-like structure with a needle height of 0.1 μm. Next, NH 3 / TMA = 500 sccm / 1 sccm was set (second film formation condition), and epitaxial growth was performed for 120 minutes to form a uniform AlN film. In the epitaxial growth process, the pressure in the reaction tube was kept constant at 20 Torr.
[0042]
The state of dislocation propagation in the AlN film was examined by TEM observation. As a result, it was observed that most of the dislocations rising from the base material were bent inside the AlN film and propagated substantially parallel to the main surface of the base material.
[0043]
Next, TMA and trimethylgallium (TMG) and NH 3 were supplied as a Ga supply source gas on the AlN film to form an Al 0.5 Ga 0.5 N film having a thickness of 2 μm. When the dislocation density in this Al 0.5 Ga 0.5 N film was measured, it was 5 × 10 8 / cm 2 .
[0044]
(Example 2)
A base material was formed from a C-plane sapphire single crystal, and an AlN film having a uniform surface was formed in the same manner as in Example 1. Next, TMA and NH 3 are introduced into the reaction tube so that NH 3 / TMA = 500 sccm / 1 sccm, and the substrate temperature is set to 900 ° C. (first film formation condition), and epitaxial growth is performed for 20 minutes. Then, an AlN needle-like structure having a needle height of 0.1 μm is formed, and then the substrate temperature is set to 1150 ° C. (second film formation condition), and epitaxial growth is performed for 120 minutes to obtain a uniform AlN film. Formed. In the epitaxial growth process, the pressure in the reaction tube was kept constant at 20 Torr.
[0045]
The state of dislocation propagation in the AlN film was examined by TEM observation. As a result, it was observed that most of the dislocations rising from the base material were bent inside the AlN film and propagated substantially parallel to the main surface of the base material.
[0046]
Next, an Al 0.5 Ga 0.5 N film having a thickness of 2 μm was formed on the AlN film in the same manner as in Example 1. When the dislocation density in this Al 0.5 Ga 0.5 N film was measured, it was 5 × 10 8 / cm 2 .
[0047]
(Example 3)
A base material was formed from a C-plane sapphire single crystal, and an AlN film having a uniform surface was formed in the same manner as in Example 1. Next, the substrate temperature was set to 1150 ° C., and TMA and NH 3 were introduced into the reaction tube so that NH 3 / TMA = 500 sccm / 1 sccm, and the atmospheric pressure was set to 80 Torr (first film formation condition) ) Was grown for 20 minutes to form a needle-like structure with a height of 0.2 μm. Next, the atmospheric pressure was changed to 20 Torr (second film formation condition), and epitaxial growth was performed for 120 minutes to form a uniform AlN film.
[0048]
The state of dislocation propagation in the AlN film was examined by TEM observation. As a result, it was observed that most of the dislocations rising from the base material were bent inside the AlN film and propagated substantially parallel to the main surface of the base material.
[0049]
Next, an Al 0.5 Ga 0.5 N film having a thickness of 2 μm was formed on the AlN film in the same manner as in Example 1. When the dislocation density in this Al 0.5 Ga 0.5 N film was measured, it was 5 × 10 8 / cm 2 .
[0050]
(Comparative example)
In the same manner as in the example, while forming a base material from a C-plane sapphire single crystal, an AlN film having a uniform surface was formed on the base material. Next, the substrate temperature was set to 1200 ° C., and TMA and NH 3 were introduced into the reaction tube so that NH 3 / TMA = 500 sccm / 1 sccm, and supplied onto the substrate for 120 minutes. Epitaxial growth was performed to form a uniform AlN film. In the epitaxial growth process, the pressure in the reaction tube was kept constant at 20 Torr.
[0051]
The state of dislocation propagation in the AlN film was examined by TEM observation. As a result, it was found that a considerable portion of dislocations rising from the base material propagated upward in the AlN film to form threading dislocations.
[0052]
Next, an Al 0.5 Ga 0.5 N film having a thickness of 2 μm was formed on the AlN film in the same manner as in Example 1. When the dislocation density in this Al 0.5 Ga 0.5 N film was measured, it was 1 × 10 10 / cm 2 .
[0053]
As can be seen from the examples and comparative examples, in the AlN film according to the present invention, it can be seen that most of the dislocations from the substrate are bent in the lateral direction in the film and do not propagate upward. Therefore, it can be seen that the threading dislocation ratio decreases and the dislocation density in the GaN film formed on the AlN film is also reduced.
[0054]
The present invention has been described in detail based on the embodiments of the invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the embodiments of the invention, and does not depart from the scope of the invention. All changes and modifications are possible. For example, a multilayer laminated film such as a buffer layer or a strained superlattice can be inserted between the epitaxial substrate and the group III nitride layer group to further improve the crystal quality of the group III nitride layer group.
[0055]
The processing from the formation of the group III nitride underlayer to the formation of the needle-like structure and the formation of the group III nitride film can be performed using the same MOCVD apparatus or performed using different MOCVD apparatuses. can do.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a group III nitride film with reduced threading dislocations can be obtained. Therefore, by producing an epitaxial substrate using the group III nitride film as an underlayer, a group III nitride formed on the epitaxial substrate is formed of a single group III nitride film or a multilayer structure of group III nitride films. The dislocation density in the nitride layer group can be sufficiently reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a conventional epitaxial growth process of a group III nitride film.
FIG. 2 is a diagram for explaining an epitaxial growth process of a group III nitride film of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing a multilayer film structure of the present invention.
[Explanation of symbols]
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