JP5749758B2 - Crystal laminated structure, manufacturing method thereof, and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、結晶積層構造体及びその製造方法、並びに半導体素子に関する。 The present invention relates to a crystal multilayer structure, a manufacturing method thereof, and a semiconductor element.
従来、Ga2O3基板上にバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる発光素子の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a method for manufacturing a light-emitting element in which a nitride semiconductor crystal is grown on a Ga 2 O 3 substrate via a buffer layer is known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1の発光素子の製造方法によれば、窒化物半導体結晶を2段階に分けて成長させており、初めに窒素ガスをキャリアガスとして用いて700℃から1035℃の温度で成長させた後、続けて水素ガスをキャリアガスとして用いて1050℃以上の温度で成長させる。 According to the method for manufacturing a light emitting device of Patent Document 1, a nitride semiconductor crystal is grown in two stages. After first growing nitrogen gas as a carrier gas at a temperature of 700 ° C. to 1035 ° C. Subsequently, growth is performed at a temperature of 1050 ° C. or higher using hydrogen gas as a carrier gas.
本発明の目的の1つは、窒化物半導体層がGa2O3基板から剥離し難い結晶積層構造体及びその製造方法、並びにその結晶積層構造体を含む半導体素子を提供することにある。 One of the objects of the present invention is to provide a crystal multilayer structure in which a nitride semiconductor layer is hardly peeled off from a Ga 2 O 3 substrate, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device including the crystal multilayer structure.
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の[1]〜[5]の結晶積層構造体の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides a method for producing a crystal laminated structure according to the following [1] to [5].
[1]Ga2O3基板上に、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される組成を有する第1の結晶からなり、前記Ga2O3基板の上面を部分的に覆うバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される組成を有する第2の結晶からなる窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、前記窒化物半導体層を形成する工程は、成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下の成長条件で前記第2の結晶を成長させる第1の成長工程と、前記第1の成長工程後の、1050℃以上の温度で前記第2の結晶を成長させる第2の成長工程を含む、結晶積層構造体の製造方法。 [1] First having a composition represented by Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) on a Ga 2 O 3 substrate. And forming a buffer layer partially covering the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate, and Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) on the buffer layer. Forming a nitride semiconductor layer made of a second crystal having a composition represented by 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1), and the step of forming the nitride semiconductor layer includes a growth pressure. A first growth step of growing the second crystal under growth conditions of 100 mbar or less and a growth temperature of 1020 ° C. or less, or a growth pressure of greater than 100 mbar and 400 mbar or less and a growth temperature of 900 ° C. or less; Temperature of 1050 ° C or higher after the growth process In comprising a second growth step of growing the second crystal, manufacturing method of a crystalline layered structure.
[2]前記第1の成長工程において、H2ガスをキャリアガスとして用いる、前記[1]に記載の結晶積層構造体の製造方法。 [2] The method for manufacturing a crystal stacked structure according to [1], wherein H 2 gas is used as a carrier gas in the first growth step.
[3]前記Ga2O3基板の主面は、(−201)面、(−201)面から[−10−2]方向に−0.5〜1.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面、(101)面、又は(101)面から[10−1]方向に0.5〜2.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面である、前記[1]又は[2]に記載の結晶積層構造体の製造方法。 [3] The main surface of the Ga 2 O 3 substrate is (−201) plane, −0.5 to 1.5 ° in the [−10-2] direction from the (−201) plane, and − in the [010] direction. A plane tilted from 1.0 to 1.0 °, a (101) plane, or a (101) plane from 0.5 to 2.5 ° in the [10-1] direction, and from −1.0 to 1 in the [010] direction The method for producing a crystal laminated structure according to [1] or [2], which is a plane inclined by 0 °.
[4]前記第1の結晶の組成はAlNである、前記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の結晶積層構造体の製造方法。 [4] The method for producing a crystal multilayer structure according to any one of [1] to [3], wherein the composition of the first crystal is AlN.
[5]前記第2の結晶の組成はGaN結晶である、前記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の結晶積層構造体の製造方法。 [5] The method for producing a crystal multilayer structure according to any one of [1] to [4], wherein the composition of the second crystal is a GaN crystal.
本発明によれば、窒化物半導体層がGa2O3基板から剥離し難い結晶積層構造体及びその製造方法、並びにその結晶積層構造体を含む半導体素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide the nitride semiconductor layer is Ga 2 O 3 peeled hard crystalline layered structure and a method of manufacturing the same from the substrate, and a semiconductor device including the crystalline layered structure.
Ga2O3基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる場合には、キャリアガスや結晶の原料ガスによるGa2O3基板の表面のエッチングを抑えることが重要である。Ga2O3基板の表面がキャリアガスや結晶の原料ガスによりエッチングされると、Ga2O3基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生するおそれがある。例えば、キャリアガスとして用いられるH2やNの原料として用いられるNH3ガスが、Ga2O3基板に対する反応性が高く、Ga2O3基板をエッチングしやすい。 When growing a nitride semiconductor crystal on a Ga 2 O 3 substrate through a buffer layer made of a nitride semiconductor, it is important to suppress etching of the surface of the Ga 2 O 3 substrate by a carrier gas or a crystal source gas. It is. If the surface of the Ga 2 O 3 substrate is etched with a carrier gas or a crystal source gas, voids may be generated at the interface between the Ga 2 O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal. For example, NH 3 gas used as a H 2 or N of the material used as the carrier gas, Ga 2 O 3 has high reactivity to the substrate, it is easy to etch the Ga 2 O 3 substrate.
Ga2O3基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生した場合、窒化物半導体層が成長時に発生する応力等により割れたり、Ga2O3基板から剥がれたりするおそれがある。また、窒化物半導体結晶を形成したGa2O3基板からなる結晶積層構造体を超音波洗浄やダイシングする際に、窒化物半導体結晶がGa2O3基板から剥離するおそれがある。このため、この結晶積層構造体を用いて発光素子やトランジスタ等のデバイスを製造する場合の歩留まりが著しく低下する。 When voids are generated at the interface between the Ga 2 O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal, the nitride semiconductor layer may be cracked due to stress or the like generated during growth, or may be peeled off from the Ga 2 O 3 substrate. In addition, when ultrasonic cleaning or dicing is performed on a crystal stacked structure including a Ga 2 O 3 substrate on which a nitride semiconductor crystal is formed, the nitride semiconductor crystal may be separated from the Ga 2 O 3 substrate. For this reason, the yield in the case of manufacturing a device such as a light emitting element or a transistor using this crystal laminated structure is remarkably lowered.
そこで、Ga2O3基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための方法の1つとして、H2ガス等のGa2O3基板に対する反応性が高いガス以外のガスをキャリアガスとして用いて、キャリアガスによる窒化物半導体結晶のGa2O3基板のエッチングを抑える方法がある。 Therefore, as one method for suppressing the generation of voids at the interface between the Ga 2 O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal, a carrier other than the gas having high reactivity with respect to the Ga 2 O 3 substrate such as H 2 gas is used as a carrier. There is a method of suppressing etching of a Ga 2 O 3 substrate of a nitride semiconductor crystal by using a carrier gas as a gas.
また、Ga2O3基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための他の方法として、バッファ層をGa2O3基板の上面の全域を覆うように厚く形成し、Ga2O3基板と窒化物半導体結晶とが直接接触しないようにし、Ga2O3基板と窒化物半導体結晶との界面を形成しない方法がある。 As another method for suppressing the generation of voids at the interface between the Ga 2 O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal, the buffer layer is formed thick so as to cover the entire upper surface of the Ga 2 O 3 substrate, and Ga 2 There is a method in which the O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal are not in direct contact with each other, and an interface between the Ga 2 O 3 substrate and the nitride semiconductor crystal is not formed.
しかしながら、Ga2O3基板に対する反応性が低いガス、例えばN2ガスをキャリアガスとして用いる場合には、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなり、電気抵抗が大きくなるという問題がある。また、バッファ層を厚く形成する場合は、結晶積層構造体の縦方向の電気抵抗が高くなり、また、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなる。 However, when a gas having low reactivity with respect to the Ga 2 O 3 substrate, for example, N 2 gas is used as the carrier gas, there is a problem that the crystal quality of the nitride semiconductor crystal is lowered and the electric resistance is increased. Further, when the buffer layer is formed thick, the electrical resistance in the vertical direction of the crystal multilayer structure is increased, and the crystal quality of the nitride semiconductor crystal is decreased.
そこで、この様な問題を回避するため、本発明者等は、鋭意研究の結果、窒化物半導体結晶の成長条件を制御することにより、上記の方法を用いずにキャリアガスによるGa2O3基板のエッチングを抑えることができ、かつ高品質の結晶積層構造体が得られることを見出した。その一例を、実施の形態として以下に説明する。 Therefore, in order to avoid such a problem, the inventors of the present invention, as a result of intensive research, have controlled the growth conditions of the nitride semiconductor crystal, so that the Ga 2 O 3 substrate by the carrier gas can be used without using the above method. It has been found that a high-quality crystal multilayer structure can be obtained. One example thereof will be described below as an embodiment.
〔第1の実施の形態〕
(結晶積層構造体の構造)
図1は、第1の実施の形態に係る結晶積層構造体10の垂直断面図である。結晶積層構造体10は、Ga2O3基板11と、Ga2O3基板11上のバッファ層12と、バッファ層12上の窒化物半導体層13を含む。
[First Embodiment]
(Structure of crystal laminated structure)
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a crystal laminated structure 10 according to the first embodiment. The crystal stacked structure 10 includes a Ga 2 O 3 substrate 11, a buffer layer 12 on the Ga 2 O 3 substrate 11, and a nitride semiconductor layer 13 on the buffer layer 12.
Ga2O3基板11は、β−Ga2O3単結晶からなる。Ga2O3基板11の上面は、品質の高い窒化物半導体結晶の成長の下地となることのできる、(−201)、(101)等の面方位を有する面である。また、Ga2O3基板11の上面は、(−201)面から[−10−2]方向に−0.5〜1.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面であってもよく、(101)面から[10−1]方向に0.5〜2.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面であってもよい。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is made of a β-Ga 2 O 3 single crystal. The upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is a surface having a plane orientation such as (−201) or (101) that can serve as a base for the growth of a high-quality nitride semiconductor crystal. Further, the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is −0.5 to 1.5 ° in the [−10-2] direction and −1.0 to 1.0 ° in the [010] direction from the (−201) plane. It may be an inclined surface, and is a surface inclined by 0.5 to 2.5 ° in the [10-1] direction and −1.0 to 1.0 ° in the [010] direction from the (101) surface. Also good.
バッファ層12は、窒化物半導体結晶、すなわちAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される組成を有する結晶である第1の結晶からなる。この第1の結晶の典型的な組成はAlN(x=1、y=z=0)である。バッファ層12は、Ga2O3基板11の上面を部分的に覆う。 The buffer layer 12 is a nitride semiconductor crystal, that is, a crystal having a composition represented by Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). It consists of a certain first crystal. The typical composition of this first crystal is AlN (x = 1, y = z = 0). The buffer layer 12 partially covers the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11.
窒化物半導体層13は、窒化物半導体結晶、すなわちAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される組成を有する結晶である第2の結晶からなる。この第2の結晶の典型的な組成はGaN(y=1、x=z=0)である。 The nitride semiconductor layer 13 has a composition represented by a nitride semiconductor crystal, that is, Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). It consists of a second crystal that is a crystal. The typical composition of this second crystal is GaN (y = 1, x = z = 0).
窒化物半導体層13は、第1の層13aと、第1の層13a上の第2の層13bを含む。第1の層13aは、成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下の成長条件で第2の結晶を成長させることにより形成される層である。また、第2の層13bは、1050℃以上の温度で第2の結晶を成長させることにより形成される層である。 The nitride semiconductor layer 13 includes a first layer 13a and a second layer 13b on the first layer 13a. The first layer 13a is formed by growing the second crystal under growth conditions where the growth pressure is 100 mbar or less and the growth temperature is 1020 ° C. or less, or the growth pressure is greater than 100 mbar and 400 mbar or less and the growth temperature is 900 ° C. or less. Is the layer to be played. The second layer 13b is a layer formed by growing the second crystal at a temperature of 1050 ° C. or higher.
窒化物半導体層13は、Ga2O3基板11の上面のバッファ層12に覆われていない部分に接触する。 The nitride semiconductor layer 13 contacts a portion of the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 that is not covered with the buffer layer 12.
Ga2O3基板11と窒化物半導体層13との界面には、第2の結晶の成長時や、結晶積層構造体10の超音波洗浄やダイシング時に窒化物半導体層13のGa2O3基板11からの剥離を引き起こすような大きさのボイドが含まれない。具体的には、Ga2O3基板11と窒化物半導体層13との界面に含まれるボイドのGa2O3基板11の上面に垂直な方向の大きさは100nm以下である。 The interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13, the growth time and the second crystal, Ga 2 O 3 substrate of the nitride semiconductor layer 13 during ultrasonic cleaning and dicing of crystal laminated structure 10 Voids that are large enough to cause peeling from 11 are not included. Specifically, the size in the direction perpendicular to the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 of voids included in the interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13 is 100 nm or less.
なお、Ga2O3基板11及び窒化物半導体層13(第2の結晶)は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。 The Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13 (second crystal) may contain a conductivity type impurity such as Si.
(結晶積層構造体の製造方法)
以下に、本実施の形態の結晶積層構造体の製造工程の一例について説明する。
(Method for producing crystal laminated structure)
Below, an example of the manufacturing process of the crystal laminated structure of this Embodiment is demonstrated.
図2(a)〜(c)は、第1の実施の形態に係る結晶積層構造体10の製造工程を表す垂直断面図である。 FIGS. 2A to 2C are vertical sectional views showing manufacturing steps of the crystal multilayer structure 10 according to the first embodiment.
まず、CMP(Chemical Mechanical Polishing)処理されたGa2O3基板11に有機洗浄、SPM(Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture)洗浄、及びHF液による洗浄を施す。 First, organic cleaning, SPM (Sulfuric acid / hydrogen peroxide mixture) cleaning, and cleaning with an HF solution are performed on the Ga 2 O 3 substrate 11 that has been subjected to CMP (Chemical Mechanical Polishing).
次に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置のチャンバー内にGa2O3基板11を搬送する。 Next, the Ga 2 O 3 substrate 11 is transferred into a chamber of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus.
次に、図2(a)に示されるように、Ga2O3基板11上に膜状のバッファ層12を形成する。この膜状のバッファ層12は、チャンバー内の温度を400〜600℃に保持した状態で、第1の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのN2ガスをチャンバー内に供給して、第1の結晶をGa2O3基板11上に成長させることにより形成される。 Next, as shown in FIG. 2A, a film-like buffer layer 12 is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11. The film-like buffer layer 12 supplies the first crystal source gas and N 2 gas as a carrier gas into the chamber while maintaining the temperature in the chamber at 400 to 600 ° C. It is formed by growing a crystal on the Ga 2 O 3 substrate 11.
第1の結晶の原料ガスとしては、例えば、Alの原料としてのトリメチルアルミニウム(TMA)ガス、Gaの原料としてのトリメチルガリウム(TMG)ガス、Inの原料としてのトリメチルインジウム(TMI)ガス、及びNの原料としてのNH3ガスが用いられる。 Examples of the source gas for the first crystal include trimethylaluminum (TMA) gas as an Al source material, trimethylgallium (TMG) gas as a Ga source material, trimethylindium (TMI) gas as an In source material, and N NH 3 gas is used as a raw material.
この段階では、バッファ層12はほぼ均一の厚さを有する膜であり、Ga2O3基板11の上面の全域を覆っている。 At this stage, the buffer layer 12 is a film having a substantially uniform thickness and covers the entire upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11.
次に、図2(b)に示されるように、バッファ層12上に第2の結晶を成長させ、窒化物半導体層13の第1の層13aを形成する。この工程を第2の結晶の第1の成長工程とする。 Next, as shown in FIG. 2B, a second crystal is grown on the buffer layer 12 to form a first layer 13 a of the nitride semiconductor layer 13. This step is the first growth step of the second crystal.
第1の成長工程では、チャンバー内の圧力と温度を、圧力が100mbar以下かつ温度が1020℃以下、又は圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ温度が900℃以下の条件を満たす大きさに保持した状態で、第2の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのH2ガスをチャンバー内に供給して、第2の結晶をバッファ層12上に成長させる。 In the first growth step, the pressure and temperature in the chamber are maintained in such a condition that the pressure is 100 mbar or less and the temperature is 1020 ° C. or less, or the pressure is greater than 100 mbar and 400 mbar or less and the temperature is 900 ° C. or less. Then, the source gas of the second crystal and H 2 gas as the carrier gas are supplied into the chamber to grow the second crystal on the buffer layer 12.
第2の結晶の原料ガスとしては、例えば、Alの原料としてのトリメチルアルミニウム(TMA)ガス、Gaの原料としてのトリメチルガリウム(TMG)ガス、Inの原料としてのトリメチルインジウム(TMI)ガス、及びNの原料としてのNH3ガスが用いられる。 Examples of the source gas for the second crystal include trimethylaluminum (TMA) gas as an Al source material, trimethylgallium (TMG) gas as a Ga source material, trimethylindium (TMI) gas as an In source material, and N NH 3 gas is used as a raw material.
ここで、第2の結晶を成長させるためにチャンバー内の圧力及び温度を上昇させることにより、膜状のバッファ層12から複数の第1の結晶の核がアイランド状に生成される。これにより、バッファ層12がアイランド状の複数の結晶核から構成される層に変化し、Ga2O3基板11の上面を部分的に覆うことになる。 Here, by increasing the pressure and temperature in the chamber in order to grow the second crystal, a plurality of first crystal nuclei are generated in an island shape from the film-like buffer layer 12. As a result, the buffer layer 12 changes to a layer composed of a plurality of island-shaped crystal nuclei, and partially covers the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11.
そのため、第2の結晶は、バッファ層12の表面からだけでなく、Ga2O3基板11の上面のバッファ層12に覆われていない領域からも成長する。これにより、窒化物半導体層13の結晶品質を向上させることができる。 Therefore, the second crystal grows not only from the surface of the buffer layer 12 but also from a region not covered by the buffer layer 12 on the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. Thereby, the crystal quality of the nitride semiconductor layer 13 can be improved.
なお、膜状のバッファ層12が厚すぎるとアイランド状の結晶核が生成されないため、図2(a)に示される膜状のバッファ層12はおよそ1〜5nmの厚さに形成されることが好ましい。 If the film-like buffer layer 12 is too thick, island-like crystal nuclei are not generated. Therefore, the film-like buffer layer 12 shown in FIG. 2A may be formed to a thickness of about 1 to 5 nm. preferable.
成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下の成長条件で第2の結晶を成長させることにより、Ga2O3基板11と窒化物半導体層13との界面に、Ga2O3基板11の上面に垂直な方向の大きさが100nmよりも大きいボイドを発生させることなく、窒化物半導体層13を形成することができる。 By growing the second crystal under growth conditions where the growth pressure is 100 mbar or less and the growth temperature is 1020 ° C. or less, or the growth pressure is greater than 100 mbar and 400 mbar or less and the growth temperature is 900 ° C. or less, the Ga 2 O 3 substrate 11 and The nitride semiconductor layer 13 can be formed at the interface with the nitride semiconductor layer 13 without generating a void whose size in the direction perpendicular to the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is greater than 100 nm.
この理由として、第2の結晶の成長圧力及び成長温度が上記の条件を満たすことにより、Ga2O3基板11のバッファ層12に覆われていない露出部分がNH3ガス等によりエッチングされる速度に対して、露出部分を第2の結晶が覆う速度が大きくなることや、圧力及び温度がGa2O3基板11のエッチングが進行しにくくなる条件を満たしていること等が考えられる。 This is because the growth pressure and growth temperature of the second crystal satisfy the above conditions, and the exposed portion of the Ga 2 O 3 substrate 11 that is not covered with the buffer layer 12 is etched by NH 3 gas or the like. On the other hand, it is conceivable that the speed at which the second crystal covers the exposed portion is increased, and that the pressure and temperature satisfy the conditions under which the etching of the Ga 2 O 3 substrate 11 does not proceed easily.
次に、図2(c)に示されるように、第1の層13a上に第2の結晶を成長させ、第2の層13bを形成する。この工程を第2の結晶の第2の成長工程とする。 Next, as shown in FIG. 2C, a second crystal is grown on the first layer 13a to form a second layer 13b. This step is referred to as a second growth step of the second crystal.
第2の成長工程では、チャンバー内の温度を1050℃以上に保持した状態で、第2の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのH2ガスをチャンバー内に供給して、第2の結晶の成長を継続する。 In the second growth step, with the temperature in the chamber maintained at 1050 ° C. or higher, the source gas of the second crystal and H 2 gas as the carrier gas are supplied into the chamber to grow the second crystal. Continue.
ここで、第2の成長工程における第2の結晶の成長温度を1050℃より低い温度に設定した場合には、第2の結晶の成長温度が低すぎるため、第2の層13bの上面の平坦性が悪くなり、また、白濁が生じる。 Here, when the growth temperature of the second crystal in the second growth step is set to a temperature lower than 1050 ° C., the growth temperature of the second crystal is too low, so that the upper surface of the second layer 13b is flat. The property becomes worse and cloudiness occurs.
なお、当然ながら、第2の結晶の第1の成長工程のみで窒化物半導体層13を形成しようとする場合(第1の層13aのみで窒化物半導体層13を構成する場合)は、最後まで1020℃以下の温度で第2の結晶を成長させることになるため、窒化物半導体層13の上面の平坦性が悪くなり、また、白濁が生じる。 Needless to say, when the nitride semiconductor layer 13 is to be formed only by the first growth step of the second crystal (when the nitride semiconductor layer 13 is configured only by the first layer 13a), the process ends. Since the second crystal is grown at a temperature of 1020 ° C. or lower, the flatness of the upper surface of the nitride semiconductor layer 13 is deteriorated and white turbidity occurs.
上記のように、第1の成長工程により窒化物半導体層13のGa2O3基板11からの剥がれを防ぐことができ、第2の成長工程により窒化物半導体層13の上面を平坦化し、白濁をふせぐことができる。 As described above, peeling of the nitride semiconductor layer 13 from the Ga 2 O 3 substrate 11 can be prevented by the first growth step, and the upper surface of the nitride semiconductor layer 13 is flattened by the second growth step, thereby causing cloudiness. Can be blocked.
〔第2の実施の形態〕
(半導体素子の構造)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態の結晶積層構造体10を含む半導体素子についての形態である。以下に、その半導体素子の一例として、LED素子について説明する。
[Second Embodiment]
(Structure of semiconductor element)
The second embodiment is a form of a semiconductor element including the crystal laminated structure 10 of the first embodiment. Hereinafter, an LED element will be described as an example of the semiconductor element.
図3は、第2の実施の形態に係るLED素子20の垂直断面図である。LED素子20は、Ga2O3基板21と、Ga2O3基板21上のバッファ層22と、バッファ層22上のn型クラッド層23と、n型クラッド層23上の発光層24と、発光層24上のp型クラッド層25と、p型クラッド層25上のコンタクト層26と、コンタクト層26上のp側電極27と、Ga2O3基板21のバッファ層22と反対側の面上のn側電極28とを有する。 FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the LED element 20 according to the second embodiment. The LED element 20 includes a Ga 2 O 3 substrate 21, a buffer layer 22 on the Ga 2 O 3 substrate 21, an n-type cladding layer 23 on the buffer layer 22, a light emitting layer 24 on the n-type cladding layer 23, The p-type cladding layer 25 on the light emitting layer 24, the contact layer 26 on the p-type cladding layer 25, the p-side electrode 27 on the contact layer 26, and the surface of the Ga 2 O 3 substrate 21 opposite to the buffer layer 22 And the upper n-side electrode 28.
また、バッファ層22、n型クラッド層23、発光層24、p型クラッド層25、及びコンタクト層26から構成される積層体の側面は、絶縁膜29に覆われる。 In addition, the side surface of the multilayer structure including the buffer layer 22, the n-type cladding layer 23, the light emitting layer 24, the p-type cladding layer 25, and the contact layer 26 is covered with an insulating film 29.
ここで、Ga2O3基板21、バッファ層22、及びn型クラッド層23は、第1の実施の形態の結晶積層構造体10を構成するGa2O3基板11、バッファ層12、及び窒化物半導体層13にそれぞれ相当する。バッファ層22及びn型クラッド層23の厚さは、例えば、それぞれ5nm、4μmである。 Here, the Ga 2 O 3 substrate 21, the buffer layer 22, and the n-type cladding layer 23 are formed of the Ga 2 O 3 substrate 11, the buffer layer 12, and the nitridation that constitute the crystal multilayer structure 10 of the first embodiment. Each corresponds to the physical semiconductor layer 13. The thicknesses of the buffer layer 22 and the n-type cladding layer 23 are, for example, 5 nm and 4 μm, respectively.
発光層24は、例えば、3層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ10nmのGaN結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ8nmのGaN結晶膜と厚さ2nmのInGaN結晶膜からなる。 The light emitting layer 24 is composed of, for example, a three-layer multiple quantum well structure and a GaN crystal film having a thickness of 10 nm thereon. Each multiple quantum well structure includes a GaN crystal film having a thickness of 8 nm and an InGaN crystal film having a thickness of 2 nm.
p型クラッド層25は、例えば、厚さ150nmの、濃度5.0×1019/cm3のMgを含むGaN結晶膜である。 The p-type cladding layer 25 is, for example, a GaN crystal film having a thickness of 150 nm and containing Mg having a concentration of 5.0 × 10 19 / cm 3 .
コンタクト層26は、例えば、厚さ10nmの、濃度1.5×1020/cm3のMgを含むGaN結晶膜である。 The contact layer 26 is, for example, a GaN crystal film having a thickness of 10 nm and containing Mg having a concentration of 1.5 × 10 20 / cm 3 .
絶縁膜29は、SiO2等の絶縁材料からなる。 The insulating film 29 is made of an insulating material such as SiO 2 .
p側電極27及びn側電極28は、それぞれコンタクト層26及びGa2O3基板21にオーミック接合する電極である。 The p-side electrode 27 and the n-side electrode 28 are electrodes that are in ohmic contact with the contact layer 26 and the Ga 2 O 3 substrate 21, respectively.
LED素子20は、例えば、Ga2O3基板21側から光を取り出すLEDチップであり、キャンタイプのステムにAgペーストを用いて実装される。 The LED element 20 is, for example, an LED chip that extracts light from the Ga 2 O 3 substrate 21 side, and is mounted on a can-type stem using Ag paste.
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、第1の成長工程における第2の結晶の成長圧力及び成長温度を制御することにより、窒化物半導体層13のGa2O3基板11からの剥離を引き起こすような大きさのボイドがGa2O3基板11と窒化物半導体層13との界面に発生することを防止できる。また、第1の成長工程においてH2ガスをキャリアガスとして用いても、窒化物半導体層13のGa2O3基板11からの剥離を引き起こすような大きさのボイドがGa2O3基板11と窒化物半導体層13との界面に発生することを防止できるため、より結晶品質の高い窒化物半導体層13を形成することができる。
(Effect of embodiment)
According to the above embodiment, the nitride semiconductor layer 13 is separated from the Ga 2 O 3 substrate 11 by controlling the growth pressure and growth temperature of the second crystal in the first growth step. This void can be prevented from occurring at the interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13. Further, even if H 2 gas is used as the carrier gas in the first growth step, voids having such a size as to cause separation of the nitride semiconductor layer 13 from the Ga 2 O 3 substrate 11 are formed with the Ga 2 O 3 substrate 11. Since it can be prevented from occurring at the interface with the nitride semiconductor layer 13, the nitride semiconductor layer 13 with higher crystal quality can be formed.
そして、このようなGa2O3基板11と窒化物半導体層13を含む結晶積層構造体10を用いてLED素子20等の発光素子やトランジスタ等のデバイスを製造する場合には、窒化物半導体層のGa2O3基板からの剥離を防止し、歩留まりを向上させることができる。 When manufacturing a light emitting element such as the LED element 20 or a device such as a transistor using the crystal laminated structure 10 including the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13, the nitride semiconductor layer Peeling from the Ga 2 O 3 substrate can be prevented and the yield can be improved.
第1の成長工程における第2の結晶の成長条件がGa2O3基板11と窒化物半導体層13との界面に含まれるボイドの大きさに与える影響を評価した。 The influence of the growth conditions of the second crystal in the first growth step on the size of voids included in the interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13 was evaluated.
まず、MOCVD装置を用いて、(−201)面から[−10−2]方向に0.7°傾いた面を主面とする3枚のGa2O3基板11上に成長温度490℃でAlN結晶である第1の結晶を成長させて厚さ5nmの膜状のバッファ層12をそれぞれ形成し、続いて、H2/NH3混合雰囲気下で3枚のGa2O3基板11上に、成長速度2000nm/hでそれぞれSiが添加されたGaN結晶である第2の結晶を成長させて、厚さ1000nmの第1の層13aを形成した(第1の成長工程)。 First, using a MOCVD apparatus, a growth temperature of 490 ° C. is formed on three Ga 2 O 3 substrates 11 whose main surface is a surface inclined by 0.7 ° in the [−10-2] direction from the (−201) plane. A first crystal, which is an AlN crystal, is grown to form a film-like buffer layer 12 having a thickness of 5 nm. Subsequently, on the three Ga 2 O 3 substrates 11 in an H 2 / NH 3 mixed atmosphere. Then, a second crystal, which is a GaN crystal to which Si was added, was grown at a growth rate of 2000 nm / h to form a first layer 13a having a thickness of 1000 nm (first growth step).
さらに、3枚のGa2O3基板11の第1の層13a上に、成長温度1100℃、成長圧力250mbar、成長速度2000nm/hで第2の結晶の成長を続けて、厚さ1000nmの第2の層13bを形成した(第2の成長工程)。そして、各々のGa2O3基板11上の窒化物半導体層13の状態を光学顕微鏡により上方から観察した。 Further, the second crystal is grown on the first layer 13a of the three Ga 2 O 3 substrates 11 at a growth temperature of 1100 ° C., a growth pressure of 250 mbar, and a growth rate of 2000 nm / h. A second layer 13b was formed (second growth step). Then, the state of the nitride semiconductor layer 13 on each Ga 2 O 3 substrate 11 was observed from above with an optical microscope.
ここで、第1の成長工程における第2の結晶の成長条件は、3枚のGa2O3基板11でそれぞれ異なる。1枚目のGa2O3基板11(基板Aとする)上には、第1の成長工程において、成長圧力400mbar、成長温度1020℃で第2の結晶を成長させた。2枚目のGa2O3基板11(基板Bとする)上には、第1の成長工程において、成長圧力400mbar、成長温度860℃で第2の結晶を成長させた。3枚目のGa2O3基板11(基板Cとする)上には、第1の成長工程において、成長圧力100mbar、成長温度1020℃で第2の結晶を成長させた。 Here, the growth conditions of the second crystal in the first growth step are different for the three Ga 2 O 3 substrates 11. On the first Ga 2 O 3 substrate 11 (referred to as substrate A), a second crystal was grown at a growth pressure of 400 mbar and a growth temperature of 1020 ° C. in the first growth step. On the second Ga 2 O 3 substrate 11 (referred to as substrate B), a second crystal was grown at a growth pressure of 400 mbar and a growth temperature of 860 ° C. in the first growth step. On the third Ga 2 O 3 substrate 11 (referred to as substrate C), a second crystal was grown at a growth pressure of 100 mbar and a growth temperature of 1020 ° C. in the first growth step.
基板B、Cの第1の成長工程における第2の結晶の成長条件は、第1の実施の形態に係る成長条件、成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下、を満たす。一方、基板Aの第1の成長工程における第2の結晶の成長条件は、第1の実施の形態に係る成長条件を満たさない。 The growth conditions of the second crystal in the first growth step of the substrates B and C are the growth conditions according to the first embodiment, the growth pressure is 100 mbar or less and the growth temperature is 1020 ° C. or less, or the growth pressure is 100 mbar. It satisfies a large value of 400 mbar or less and a growth temperature of 900 ° C. or less. On the other hand, the growth condition of the second crystal in the first growth step of the substrate A does not satisfy the growth condition according to the first embodiment.
図4(a)、(b)、(c)は、それぞれ基板A、B、C上の窒化物半導体層13の観察画像である。図4(a)中の矢印により示される位置には、基板Aと窒化物半導体層13との界面に存在するボイドが観察される。一方、図4(b)、(c)に示されるように、基板B、C上には目立ったボイドが観察されない。これは、基板Bと窒化物半導体層13との界面、及び基板Cと窒化物半導体層13との界面には、光学顕微鏡で簡単に観察できるほどの大きさのボイドが存在しないことを表している。 4A, 4B, and 4C are observation images of the nitride semiconductor layer 13 on the substrates A, B, and C, respectively. A void present at the interface between the substrate A and the nitride semiconductor layer 13 is observed at a position indicated by an arrow in FIG. On the other hand, as shown in FIGS. 4B and 4C, no conspicuous voids are observed on the substrates B and C. This indicates that there are no voids of a size that can be easily observed with an optical microscope at the interface between the substrate B and the nitride semiconductor layer 13 and at the interface between the substrate C and the nitride semiconductor layer 13. Yes.
図5(a)、(b)は、それぞれGa2O3基板11と窒化物半導体層13との界面にボイドを含む結晶積層構造体10の断面のSEM(Scanning Electron Microscope)観察画像、及びTEM(Transmission Electron Microscope)観察画像である。 FIGS. 5A and 5B are SEM (Scanning Electron Microscope) observation images of the cross section of the crystal multilayer structure 10 including voids at the interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13, respectively, and TEM. (Transmission Electron Microscope) Observation image.
図5(a)の円で囲まれた部分、及び図5(b)の下側に並んだ矢印により示される部分にそれぞれボイドが観察される。なお、図5(b)の上側の長い矢印は、Ga2O3基板11の上面に垂直な方向を表す。この方向の大きさが100nmよりも大きいボイドがGa2O3基板11と窒化物半導体層13に存在する場合、窒化物半導体層13のGa2O3基板11からの剥離が発生しやすい。 Voids are observed in a portion surrounded by a circle in FIG. 5A and a portion indicated by an arrow arranged on the lower side of FIG. The long arrow on the upper side of FIG. 5B represents a direction perpendicular to the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. When a void having a size in this direction larger than 100 nm is present in the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13, the nitride semiconductor layer 13 is easily peeled off from the Ga 2 O 3 substrate 11.
次の表1は、第1の成長工程における第2の結晶の成長圧力及び成長温度、窒化物半導体層13のX線ロッキングカーブの半値幅、及びGa2O3基板11と窒化物半導体層13の界面におけるGa2O3基板11の上面に垂直な方向の大きさが100nmより大きいボイドの有無の関係を表す表である。 The following Table 1 shows the growth pressure and growth temperature of the second crystal in the first growth step, the half width of the X-ray rocking curve of the nitride semiconductor layer 13, and the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13. 5 is a table showing the presence or absence of voids having a size in the direction perpendicular to the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 at the interface of 100 nm.
表1の「半値幅」は、窒化物半導体層13の第2の結晶の(002)面及び(101)面のX線ロッキングカーブの半値幅の測定値を表す。(002)面と(101)面は直交するため、これらの面のX線ロッキングカーブの半値幅を測定することにより、窒化物半導体層13の結晶品質を三次元的に評価することができる。 “Half width” in Table 1 represents a measured value of the half width of the X-ray rocking curve of the (002) plane and the (101) plane of the second crystal of the nitride semiconductor layer 13. Since the (002) plane and the (101) plane are orthogonal, the crystal quality of the nitride semiconductor layer 13 can be evaluated three-dimensionally by measuring the half width of the X-ray rocking curve of these planes.
表1の「ボイド」は、Ga2O3基板11と窒化物半導体層13の界面における、Ga2O3基板11の上面に垂直な方向の大きさが100nmより大きいボイドの有無を表し、「○」が無し、「×」が有りを意味する。 “Void” in Table 1 indicates the presence or absence of a void having a size in the direction perpendicular to the top surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 at the interface between the Ga 2 O 3 substrate 11 and the nitride semiconductor layer 13 greater than 100 nm. “O” means no, “x” means yes.
表1は、第1の成長工程における成長圧力が低いほど大きなボイドが発生し難く、また、成長温度が低いほど大きなボイドが発生し難いことを示している。なお、第1の成長工程における成長温度が1020℃を超えると、第2の結晶にクラックが発生する可能性が高くなるため、好ましくない。 Table 1 shows that a larger void is less likely to occur as the growth pressure in the first growth process is lower, and a larger void is less likely to occur as the growth temperature is lower. Note that it is not preferable that the growth temperature in the first growth step exceeds 1020 ° C. because the possibility of cracks occurring in the second crystal increases.
そして、表1に示される結果から、成長圧力が100mbar以下のときには成長温度が1020℃以下、成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下のときには成長温度が900℃以下であれば、Ga2O3基板11と窒化物半導体層13の界面において、Ga2O3基板11の上面に垂直な方向の大きさが100nmより大きいボイドが発生しないことがわかる。 Then, from the results shown in Table 1, the growth pressure is 100 mbar or less of the growth temperature of 1020 ° C. or less when, if and when the growth pressure of from greater 400mbar than 100 mbar 900 ° C. or less growth temperature, Ga 2 O 3 substrate 11 It can be seen that voids having a size in the direction perpendicular to the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 of more than 100 nm do not occur at the interface between the silicon nitride layer 13 and the nitride semiconductor layer 13.
また、表1の「半値幅」の数値は、第1の成長工程における成長圧力が高いほど窒化物半導体層13の結晶品質が高くなり、また、成長温度が高いほど窒化物半導体層13の結晶品質が高くなることを示している。 The numerical value of “half width” in Table 1 indicates that the higher the growth pressure in the first growth step, the higher the crystal quality of the nitride semiconductor layer 13 and the higher the growth temperature, the higher the crystal of the nitride semiconductor layer 13. It shows that the quality is high.
なお、本実施例においては、第1の結晶、第2の結晶にそれぞれAlN結晶、GaN結晶を用いた場合の評価結果を示したが、第1の結晶がAlN結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第2の結晶がGaN結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の結果が得られる。また、Ga2O3基板11の主面の面方位が上記の面方位と異なる場合であっても、少なくとも、(−201)面、(−201)面から[−10−2]方向に−0.5〜1.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面、(101)面、又は(101)面から[10−1]方向に0.5〜2.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面であれば同様の結果が得られる。 In this example, the evaluation results are shown in the case where an AlN crystal and a GaN crystal are used for the first crystal and the second crystal, respectively, but the first crystal is a nitride semiconductor crystal other than the AlN crystal. In some cases, even when the second crystal is a nitride semiconductor crystal other than the GaN crystal, similar results can be obtained. Further, even when the surface orientation of the main surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is different from the above surface orientation, at least from the (−201) plane and the (−201) plane to the [−10-2] direction − 0.5 to 1.5 °, a plane inclined by −1.0 to 1.0 ° in the [010] direction, (101) plane, or 0.5 to 2 in the [10-1] direction from the (101) plane A similar result can be obtained if the surface is inclined by -1.0 to 1.0 ° in the [010] direction at 0.5 °.
複数の第2の実施の形態に係るLED素子20を製造し、n型クラッド層23のGa2O3基板21からの剥離の有無を判定し、歩留まりを求めた。また、比較例として、第1の成長工程における第2の結晶の成長温度が実施例と異なる製造方法によってLED素子を製造し、歩留まりを求めた。 A plurality of LED elements 20 according to the second embodiment were manufactured, whether or not the n-type cladding layer 23 was peeled off from the Ga 2 O 3 substrate 21 was determined, and the yield was obtained. As a comparative example, an LED element was manufactured by a manufacturing method in which the growth temperature of the second crystal in the first growth step was different from that of the example, and the yield was obtained.
まず、MOCVD装置を用いて、(−201)面から[−10−2]方向に0.7°傾いた面を主面とする、厚さ400μmのSnを添加したGa2O3基板21上に、成長温度490℃でAlN結晶である第1の結晶を成長させて厚さ5nmの膜状のバッファ層22を形成した。 First, using a MOCVD apparatus, on a Ga 2 O 3 substrate 21 doped with Sn having a thickness of 400 μm and having a main surface inclined by 0.7 ° in the [−10-2] direction from the (−201) plane. Then, a first crystal which is an AlN crystal was grown at a growth temperature of 490 ° C. to form a film-like buffer layer 22 having a thickness of 5 nm.
次に、H2/NH3混合雰囲気下でGa2O3基板21上に、成長圧力400μm、成長温度860℃、成長速度2000nm/hで濃度4×1018/cm3のSiが添加されたGaN結晶である第2の結晶を成長させて、厚さ2000nmの第1の層を形成した(第1の成長工程)。 Next, Si having a concentration of 4 × 10 18 / cm 3 was added onto the Ga 2 O 3 substrate 21 in a H 2 / NH 3 mixed atmosphere at a growth pressure of 400 μm, a growth temperature of 860 ° C., and a growth rate of 2000 nm / h. A second crystal, which is a GaN crystal, was grown to form a first layer having a thickness of 2000 nm (first growth step).
続けて、第1の層上に、成長温度1100℃、成長圧力250mbar、成長速度2000nm/hで第2の結晶の成長を続けて、厚さ2000nmの第2の層を形成した(第2の成長工程)。第1の層及び第2の層を形成することにより、n型クラッド層23を得た。 Subsequently, the second crystal was grown on the first layer at a growth temperature of 1100 ° C., a growth pressure of 250 mbar, and a growth rate of 2000 nm / h to form a second layer having a thickness of 2000 nm (the second layer). Growth process). By forming the first layer and the second layer, an n-type cladding layer 23 was obtained.
次に、各層が厚さ8nmのGaN結晶膜と厚さ2nmのInGaN結晶膜からなる3層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ10nmのGaN結晶膜を、それぞれ成長温度750℃で形成し、発光層24を得た。 Next, a three-layer multiple quantum well structure in which each layer is composed of a GaN crystal film having a thickness of 8 nm and an InGaN crystal film having a thickness of 2 nm, and a GaN crystal film having a thickness of 10 nm thereon are formed at a growth temperature of 750 ° C. As a result, a light emitting layer 24 was obtained.
次に、成長温度1000℃で濃度5.0×1019/cm3のMgを含むGaN結晶を発光層24上に成長させ、厚さ150nmのp型クラッド層25を形成した。 Next, a GaN crystal containing Mg having a concentration of 5.0 × 10 19 / cm 3 at a growth temperature of 1000 ° C. was grown on the light emitting layer 24 to form a p-type cladding layer 25 having a thickness of 150 nm.
次に、成長温度1000℃で濃度1.5×1020/cm3のMgを含むGaN結晶をp型クラッド層25上に成長させ、厚さ10nmのコンタクト層26を形成した。 Next, a GaN crystal containing Mg having a concentration of 1.5 × 10 20 / cm 3 at a growth temperature of 1000 ° C. was grown on the p-type cladding layer 25 to form a contact layer 26 having a thickness of 10 nm.
ここで、バッファ層22、n型クラッド層23、発光層24、p型クラッド層25、及びコンタクト層26の形成においては、Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)ガス、In原料としてTMI(トリメチルインジウム)ガス、Si原料として(C2H5)2SiH2(ジエチルシラン)ガス、Mg原料としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガス、N原料としてNH3(アンモニア)ガスを用いた。 Here, in the formation of the buffer layer 22, the n-type cladding layer 23, the light emitting layer 24, the p-type cladding layer 25, and the contact layer 26, TMG (trimethylgallium) gas as the Ga material and TMI (trimethylindium) as the In material. Gas, (C 2 H 5 ) 2 SiH 2 (diethylsilane) gas was used as the Si source, Cp 2 Mg (biscyclopentadienylmagnesium) gas was used as the Mg source, and NH 3 (ammonia) gas was used as the N source.
次に、ICP−RIE装置を用いて、コンタクト層26、p型クラッド層25、発光層24、n型クラッド層23、及びバッファ層22に上方からエッチングを施し、メサ形状に加工した。 Next, the contact layer 26, the p-type cladding layer 25, the light emitting layer 24, the n-type cladding layer 23, and the buffer layer 22 were etched from above using an ICP-RIE apparatus, and processed into a mesa shape.
次に、メサ形状に加工されたコンタクト層26、p型クラッド層25、発光層24、n型クラッド層23、及びバッファ層22の側面に、スパッタリングによりSiO2からなる絶縁膜29を形成した。 Next, an insulating film 29 made of SiO 2 was formed by sputtering on the side surfaces of the contact layer 26, the p-type cladding layer 25, the light emitting layer 24, the n-type cladding layer 23, and the buffer layer 22 processed into a mesa shape.
次に、蒸着装置を用いて、p側電極27及びn側電極28を、それぞれコンタクト層26及びGa2O3基板21にオーミック接合するように形成した。 Next, the p-side electrode 27 and the n-side electrode 28 were formed to be in ohmic contact with the contact layer 26 and the Ga 2 O 3 substrate 21, respectively, using a vapor deposition apparatus.
次に、ダイシングにより、Ga2O3基板21を複数の300μm角のチップに分離し、複数の実施例に係るLED素子20を得た。そして、得られたLED素子20をキャンタイプのステムにAgペーストを用いて実装した。 Next, the Ga 2 O 3 substrate 21 was separated into a plurality of 300 μm square chips by dicing to obtain LED elements 20 according to a plurality of examples. Then, the obtained LED element 20 was mounted on a can-type stem using Ag paste.
その後、同様の工程により、比較例に係るLED素子を製造し、キャンタイプのステムに実装した。比較例に係るLED素子の製造工程は、第1の成長工程における第2の結晶の成長温度が1000℃であり、この点のみが実施例に係るLED素子20の製造工程と異なる。 Then, the LED element which concerns on a comparative example was manufactured according to the same process, and it mounted in the can type | system | group stem. In the LED element manufacturing process according to the comparative example, the growth temperature of the second crystal in the first growth process is 1000 ° C., and only this point is different from the manufacturing process of the LED element 20 according to the example.
実施例に係るLED素子20の第1の成長工程における第2の結晶の成長圧力及び成長温度は、それぞれ400μm、860℃であり、第1の実施の形態に係る成長条件、成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下、を満たす。一方、比較例に係るLED素子の第1の成長工程における第2の結晶の成長圧力及び成長温度は、それぞれ400μm、1000℃であり、第1の実施の形態に係る成長条件を満たさない。 The growth pressure and the growth temperature of the second crystal in the first growth step of the LED element 20 according to the example are 400 μm and 860 ° C., respectively, and the growth condition and the growth pressure according to the first embodiment are 100 mbar or less. The growth temperature is 1020 ° C. or lower, or the growth pressure is higher than 100 mbar and 400 mbar or lower and the growth temperature is 900 ° C. or lower. On the other hand, the growth pressure and the growth temperature of the second crystal in the first growth step of the LED element according to the comparative example are 400 μm and 1000 ° C., respectively, and do not satisfy the growth conditions according to the first embodiment.
実施例に係るLED素子20には、n型クラッド層23のGa2O3基板21からの剥離が見られず、歩留まりは99.8%であった。一方、比較例に係るLED素子には、ダイシングの工程においてn型クラッド層23のGa2O3基板21からの剥離が発生し、歩留まりは60.4%であった。 In the LED element 20 according to the example, the n-type cladding layer 23 was not peeled off from the Ga 2 O 3 substrate 21, and the yield was 99.8%. On the other hand, in the LED element according to the comparative example, the n-type cladding layer 23 was peeled off from the Ga 2 O 3 substrate 21 in the dicing step, and the yield was 60.4%.
なお、本実施例においては、第1の結晶、第2の結晶にそれぞれAlN結晶、GaN結晶を用いた場合の評価結果を示したが、第1の結晶がAlN結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第2の結晶がGaN結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の結果が得られる。また、Ga2O3基板11の主面の面方位が上記の面方位と異なる場合であっても、少なくとも、(−201)面、(−201)面から[−10−2]方向に−0.5〜1.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面、(101)面、又は(101)面から[10−1]方向に0.5〜2.5°、[010]方向に−1.0〜1.0°傾いた面であれば同様の結果が得られる。 In this example, the evaluation results are shown in the case where an AlN crystal and a GaN crystal are used for the first crystal and the second crystal, respectively, but the first crystal is a nitride semiconductor crystal other than the AlN crystal. In some cases, even when the second crystal is a nitride semiconductor crystal other than the GaN crystal, similar results can be obtained. Further, even when the surface orientation of the main surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is different from the above surface orientation, at least from the (−201) plane and the (−201) plane to the [−10-2] direction − 0.5 to 1.5 °, a plane inclined by −1.0 to 1.0 ° in the [010] direction, (101) plane, or 0.5 to 2 in the [10-1] direction from the (101) plane A similar result can be obtained if the surface is inclined by -1.0 to 1.0 ° in the [010] direction at 0.5 °.
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 The embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. It should be noted that not all combinations of features described in the embodiments and examples are necessarily essential to the means for solving the problems of the invention.
10…結晶積層構造体、 11…Ga2O3基板、 12…バッファ層、 13…窒化物半導体層、 13a…第1の層、 13b…第2の層、 20…LED素子、 21…Ga2O3基板、 22…バッファ層、 23…n型クラッド層 10 ... crystal multilayer structure, 11 ... Ga 2 O 3 substrate, 12 ... buffer layer, 13 ... nitride semiconductor layer, 13a ... first layer, 13b ... second layer, 20 ... LED element, 21 ... Ga 2 O 3 substrate, 22 ... buffer layer, 23 ... n-type cladding layer
Claims (5)
前記バッファ層上にAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される組成を有する第2の結晶からなる窒化物半導体層を形成する工程と、
を含み、
前記窒化物半導体層を形成する工程は、成長圧力が100mbar以下かつ成長温度が1020℃以下、又は成長圧力が100mbarより大きく400mbar以下かつ成長温度が900℃以下の成長条件で前記第2の結晶を成長させる第1の成長工程と、前記第1の成長工程後の、1050℃以上の温度で前記第2の結晶を成長させる第2の成長工程を含む、結晶積層構造体の製造方法。 From a first crystal having a composition represented by Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) on a Ga 2 O 3 substrate. Forming a buffer layer partially covering the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate;
A nitride composed of a second crystal having a composition represented by Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) on the buffer layer. Forming a semiconductor layer;
Including
The step of forming the nitride semiconductor layer includes the step of forming the second crystal under a growth condition of a growth pressure of 100 mbar or less and a growth temperature of 1020 ° C. or less, or a growth pressure of greater than 100 mbar and 400 mbar or less and a growth temperature of 900 ° C. or less. A method for manufacturing a crystal stacked structure, comprising: a first growth step for growth; and a second growth step for growing the second crystal at a temperature of 1050 ° C. or higher after the first growth step.
請求項1に記載の結晶積層構造体の製造方法。 In the first growth step, H 2 gas is used as a carrier gas.
The manufacturing method of the crystal | crystallization laminated structure of Claim 1.
請求項1又は2に記載の結晶積層構造体の製造方法。 The main surface of the Ga 2 O 3 substrate is (−201) plane, −0.5 to 1.5 ° in the [−10-2] direction from the (−201) plane, and −1.0 in the [010] direction. -1.0 [deg.] In the [10-1] direction from the (101) plane or the (101) plane inclined at -1.0 [deg.], And -1.0-1.0 [deg.] In the [010] direction A slanted surface,
The manufacturing method of the crystal laminated structure of Claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の結晶積層構造体の製造方法。 The composition of the first crystal is AlN.
The manufacturing method of the crystal laminated structure of any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の結晶積層構造体の製造方法。 The composition of the second crystal is a GaN crystal.
The manufacturing method of the crystal laminated structure of any one of Claims 1-4.
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