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JP5961633B2 - III-V semiconductor structure with reduced pit defects and method for forming the same - Google Patents

III-V semiconductor structure with reduced pit defects and method for forming the same Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、一般的に、III−V族半導体構造体、およびIII−V族半導体構造体を形成する方法に関する。   Embodiments of the present invention generally relate to III-V semiconductor structures and methods of forming III-V semiconductor structures.

III−V族半導体材料、例えばIII族−ヒ化物(例えばインジウムガリウムヒ化物(InGaAs))、III族−リン化物(例えばインジウムガリウムリン化物(InGaP))、およびIII族−窒化物(例えばインジウムガリウム窒化物(InGaN))などは、複数の電子デバイス構造体において使用され得る。電子デバイスのいくつかの例としては、スイッチング構造体(例えばトランジスタ等)、発光構造体(例えばレーザダイオード、発光ダイオード等)、受光構造体(例えば導波管、スプリッタ、ミキサ、フォトダイオード、太陽電池、太陽電池サブセル等)、および/または微小電気機械システム構造体(例えば加速度計、圧力センサ等)がある。III−V族半導体材料を含むかかる電子デバイス構造体は、多様な用途において使用され得る。例えば、かかるデバイス構造体は、様々な波長の中の1つまたは複数にて放射線(例えば可視光)を生成するためにしばしば使用される。かかる構造体により発せられる光は、照明用途で使用され得るのみならず、例えばメディアの記憶用途および検索用途、通信用途、プリント用途、分光用途、生物学的作用物質検出用途、ならびに画像投影用途などにおいても使用され得る。   Group III-V semiconductor materials such as group III-arsenides (eg indium gallium arsenide (InGaAs)), group III-phosphides (eg indium gallium phosphide (InGaP)), and group III-nitrides (eg indium gallium arsenide) Nitride (InGaN)) and the like may be used in multiple electronic device structures. Some examples of electronic devices include switching structures (eg, transistors), light emitting structures (eg, laser diodes, light emitting diodes, etc.), light receiving structures (eg, waveguides, splitters, mixers, photodiodes, solar cells). , Solar cell subcells, etc.), and / or microelectromechanical system structures (eg accelerometers, pressure sensors, etc.) Such electronic device structures comprising III-V semiconductor materials can be used in a variety of applications. For example, such device structures are often used to generate radiation (eg, visible light) at one or more of various wavelengths. The light emitted by such structures can be used not only in lighting applications, but also in media storage and retrieval applications, communication applications, printing applications, spectroscopic applications, biological agent detection applications, and image projection applications, etc. Can also be used.

さらに詳細には、InGaN層は、初めは下層基板に対して「仮像的に(pseudomorphically)」成長し得るものであり、InGaN層の格子パラメータは、その成長土台となる下層基板の格子パラメータに対して実質的に整合される(例えば原子間力により)。InGaN層と下層基板(例えばGaN)との間の格子の不整合により、InGaN層の結晶格子に歪みが誘発される場合があり、この誘発された歪みにより、InGaN層の厚さの増大と共に上昇し得る歪みエネルギーが誘発され得る。InGaN層の厚さが、その成長が続くと共に増大するにつれて、InGaN層における歪みエネルギーは、InGaN層が「臨界厚さ」と通常呼ばれる厚さにおいて仮像的にもはや成長せず、歪み緩和を被り得るようになるまで、上昇し得る。InGaN層における歪み緩和により、InGaN層の品質の低下が生じ得る。例えば、InGaN層における結晶品質のかかる低下は、結晶欠陥(例えば転位)の形成、InGaN層表面の粗面化、および/または不均質な材料組成の領域の形成を含み得る。   More specifically, the InGaN layer can initially grow “pseudomorphically” with respect to the underlying substrate, and the lattice parameter of the InGaN layer is the lattice parameter of the underlying substrate that serves as the growth base. Are substantially aligned with each other (eg, by interatomic forces). Mismatching of the lattice between the InGaN layer and the underlying substrate (eg GaN) may induce strain in the crystal lattice of the InGaN layer, and this induced strain increases with increasing InGaN layer thickness. Possible strain energy can be induced. As the thickness of the InGaN layer increases as it continues to grow, the strain energy in the InGaN layer undergoes strain relaxation as the InGaN layer no longer grows pseudomorphically at what is commonly referred to as the “critical thickness”. You can rise until you get. Due to strain relaxation in the InGaN layer, the quality of the InGaN layer can be degraded. For example, such a decrease in crystal quality in the InGaN layer can include the formation of crystal defects (eg, dislocations), roughening of the surface of the InGaN layer, and / or formation of regions of inhomogeneous material composition.

いくつかの例においては、これらの欠陥は、デバイスを無効にし得る。例えば、欠陥が、発光ダイオード(LED)またはレーザダイオードのP−N接合間の短絡を引き起こして、発光デバイスによる所望の電磁エネルギーの発生を不可能にする程の著しい欠陥である場合がある。   In some examples, these defects can invalidate the device. For example, the defect may be a significant defect that causes a short circuit between the PN junctions of a light emitting diode (LED) or laser diode, making it impossible for the light emitting device to generate the desired electromagnetic energy.

低い欠陥密度を有することにより、それを用いて形成されるデバイスの品質を向上させる、III−V族半導体構造体、およびかかるIII−V族半導体構造体を形成するための方法が必要である。特に、インジウムが他の材料と合金化されることにより、比較的厚い、比較的高いインジウム濃度を有する、またはそれらの組合せである、欠陥密度が低下したインジウム含有層が形成された、III−V族半導体構造体、およびかかるIII−V族半導体構造体を形成するための方法が必要である。   There is a need for group III-V semiconductor structures and methods for forming such group III-V semiconductor structures that have a low defect density to improve the quality of the devices formed therewith. In particular, indium is alloyed with other materials to form an indium-containing layer with a reduced defect density, which is relatively thick, has a relatively high indium concentration, or a combination thereof, III-V There is a need for group semiconductor structures and methods for forming such III-V semiconductor structures.

M. Shiojiri, C.C. Chuo, J.T. Hsu, J.R. Yang, H. Saijo, J. Appl. Phys. 99、073505 (2006)M. Shiojiri, C.C.Chuo, J.T.Hsu, J.R.Yang, H. Saijo, J. Appl.Phys. 99, 073505 (2006) J.E. Northrup, L.T. Romano, J. Neugebauer、Appl. Phys. Lett. 74(6)、2319 (1999)J.E.Northrup, L.T.Romano, J. Neugebauer, Appl.Phys. Lett. 74 (6), 2319 (1999)

本発明の様々な実施形態は、一般的には、III−V族半導体構造体と、かかるIII−V族半導体構造体を形成するための方法とに関する。例えば、いくつかの実施形態においては、本発明は、インジウムガリウム窒化物(InGaN)構造体と、InGaN構造体を形成する方法とを含む。   Various embodiments of the present invention generally relate to III-V semiconductor structures and methods for forming such III-V semiconductor structures. For example, in some embodiments, the present invention includes an indium gallium nitride (InGaN) structure and a method of forming an InGaN structure.

この概要は、以下の本発明のいくつかの実施形態の例の詳細な説明においてさらに説明され、コンセプトの選択を簡単に紹介するために提供される。この概要は、特許請求の対象の重要な特徴または必須の特徴を特定するようには意図されず、また特許請求の対象の範囲を限定するために使用されるようにも意図されない。   This summary is further described in the following detailed description of some example embodiments of the invention and is provided to briefly introduce the selection of concepts. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to limit the scope of the claimed subject matter.

いくつかの実施形態においては、本発明は、基板上にIII−V族半導体層を形成するステップと、III−V族半導体層の成長表面上に軽減されたVピット密度を有するインジウム−III−V族半導体層を形成するステップとを含む、半導体構造体を形成する方法を含む。インジウム−III−V族半導体層は、インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を有するインジウム過飽和状況を有するように構成された処理チャンバ内において、少なくともインジウム前駆体、インジウム前駆体とは異なるIII族元素前駆体、およびV族元素前駆体を組み合わせることにより、インジウム飽和状況を上回るインジウム固相濃度を有して形成される。   In some embodiments, the present invention includes forming a group III-V semiconductor layer on a substrate and an indium-III- having a reduced V pit density on the growth surface of the group III-V semiconductor layer. Forming a group V semiconductor layer, and a method of forming a semiconductor structure. The indium-III-V semiconductor layer is at least different from the indium precursor, the indium precursor, in a processing chamber configured to have an indium supersaturation situation having a chamber temperature less than the chamber temperature corresponding to the indium saturation situation. By combining a group III element precursor and a group V element precursor, an indium solid phase concentration exceeding the indium saturation state is formed.

さらなる実施形態においては、本発明は、インジウムガリウム窒化物(InGaN)層を成長させる方法を含む。III族分圧のIII族元素前駆体が、III−V族半導体層がその上に形成された基板を含む処理チャンバに導入される。V族分圧のV族元素前駆体が、この処理チャンバに導入され、インジウム分圧のインジウム前駆体が、この処理チャンバに導入される。インジウム−III−V族半導体層は、インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を有する処理チャンバ内においてインジウム過飽和状況を展開させることにより、軽減されたVピット密度および臨界厚さを上回る厚さで形成される。   In a further embodiment, the present invention includes a method of growing an indium gallium nitride (InGaN) layer. A group III element precursor of group III partial pressure is introduced into a processing chamber that includes a substrate on which a group III-V semiconductor layer is formed. A V group partial pressure group V element precursor is introduced into the process chamber and an indium partial pressure indium precursor is introduced into the process chamber. The indium-III-V semiconductor layer has a thickness that exceeds the reduced V pit density and critical thickness by developing an indium supersaturation situation in a processing chamber having a chamber temperature that is less than the chamber temperature corresponding to the indium saturation situation. Is formed.

さらなる実施形態においては、本発明は、InGaN層に対する処理パラメータを決定する方法を含む。インジウム飽和状況は、組み合わされたIII族元素圧力および実質的に一定の温度および処理チャンバの圧力に対して、ある範囲のインジウム分圧にわたるInGaN層について決定される。インジウム飽和状況の成長表面温度未満の成長温度を有するインジウム過飽和状況が、決定され、インジウム過飽和状況は、より高いインジウム固相濃度において軽減されたVピット密度を展開するのに十分なものである。   In a further embodiment, the present invention includes a method for determining processing parameters for an InGaN layer. Indium saturation conditions are determined for InGaN layers over a range of indium partial pressures for combined Group III element pressure and a substantially constant temperature and process chamber pressure. An indium supersaturation situation having a growth temperature below the growth surface temperature of the indium saturation situation is determined, and the indium supersaturation situation is sufficient to develop a reduced V pit density at higher indium solid phase concentrations.

さらなる実施形態においては、本発明は、基板および基板上に形成されたIII−V族半導体層を備える半導体構造体を含む。また、この半導体構造体は、低いVピット密度と、インジウム飽和状況によるインジウム固相濃度を上回るインジウム固相濃度とを有する、InGaN層を備え、このInGaN層は、インジウム飽和状況のチャンバ温度未満のチャンバ温度を有するインジウム過飽和状況において形成される。   In a further embodiment, the present invention includes a semiconductor structure comprising a substrate and a III-V semiconductor layer formed on the substrate. The semiconductor structure also includes an InGaN layer having a low V pit density and an indium solid phase concentration that is greater than the indium solid state concentration due to the indium saturation condition, the InGaN layer being less than the chamber temperature of the indium saturation condition. Formed in an indium supersaturated situation with chamber temperature.

本発明の実施形態の要素のさらなる態様、詳細、および代替的組合せが、以下の詳細な説明から明らかになろう。   Further aspects, details, and alternative combinations of elements of embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description.

本発明は、添付の図面に示される本発明の実施形態の例の以下の詳細な説明を参照することにより、より十分に理解されよう。
基板、III−V族半導体層、およびその上に形成されたIn−III−V族半導体層を有し、それらの中に形成された転位およびVピットが示される、半導体構造体の概略断面図である。 In−III−V族半導体層中のVピットを示す概略等角図である。 III−V族半導体層およびその上に形成されたIn−III−V族半導体層を有し、本発明のもう1つの実施形態によるそれらの中に形成された軽減された密度のVピットが示される、基板の概略断面図である。 ある気相インジウム濃度に対するインジウム飽和状況を示すための、インジウム固相濃度対インジウム気相濃度のグラフである。 図4の飽和状況および本発明の1つまたは複数の実施形態による過飽和状況を示す、インジウム固相濃度対インジウム分圧のグラフである。 本発明の1つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、インジウム固相濃度を示すグラフである。 本発明の1つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、Vピット密度を示すグラフである。 本発明の1つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、Vピット幅を示すグラフである。
The invention will be more fully understood by reference to the following detailed description of example embodiments of the invention illustrated in the accompanying drawings.
Schematic cross-sectional view of a semiconductor structure having a substrate, a III-V semiconductor layer, and an In-III-V semiconductor layer formed thereon, showing dislocations and V pits formed therein It is. It is a schematic isometric view showing a V pit in an In-III-V group semiconductor layer. A reduced density V pit is shown having a III-V semiconductor layer and an In-III-V semiconductor layer formed thereon, and formed therein according to another embodiment of the present invention. 1 is a schematic cross-sectional view of a substrate. 6 is a graph of indium solid phase concentration versus indium vapor phase concentration to show indium saturation for a given vapor phase indium concentration. 5 is a graph of indium solid phase concentration versus indium partial pressure showing the saturation situation of FIG. 4 and the supersaturation situation according to one or more embodiments of the present invention. 4 is a graph showing indium solid phase concentration versus indium partial pressure according to one or more embodiments of the present invention. 4 is a graph showing V pit density versus indium partial pressure according to one or more embodiments of the present invention. 4 is a graph showing V pit width versus indium partial pressure according to one or more embodiments of the present invention.

本明細書において提示される図は、いかなる特定の材料、デバイス、または方法の実際図となるべきものでもなく、本発明の実施形態を説明するために使用される単なる理想的表象に過ぎない。   The figures presented herein are not to be actual illustrations of any particular materials, devices, or methods, but are merely ideal representations used to describe embodiments of the present invention.

「第1の」、「第2の」等の指示語を使用した本明細書におけるいかなる要素の参照も、限定が明示されない限り、それらの要素の量または順列を限定するものではない点を理解されたい。むしろ、これらの指示語は、本明細書においては、2つ以上の要素または要素例を区別する便宜的な方法として使用され得る。したがって、第1の要素および第2の要素に対する参照は、2つの要素のみがそこで使用され得ることも、または第1の要素が何らかの態様で第2の要素に先行しなければならないことも、意味しない。また、別様のことが述べられない限り、要素のセットが、1つまたは複数の要素を含んでもよい。   It is understood that references to any elements herein using "first", "second", etc. designations do not limit the quantity or permutation of those elements, unless a limitation is explicitly stated. I want to be. Rather, these directives may be used herein as a convenient way of distinguishing between two or more elements or example elements. Thus, a reference to a first element and a second element means that only two elements can be used there, or that the first element must precede the second element in some way. do not do. Also, unless stated otherwise, a set of elements may include one or more elements.

本明細書において説明される要素は、同一要素の複数の例を含み得る。これらの要素は、一般的には数字指示子(例えば110)によって示され得るものであり、具体的にはアルファベット指示子が後に続く数字指示子(例えば110A)または「ダッシュ」の前に来る数字指示子(例えば110−1)によって示され得る。本説明を辿るのを容易にするために、殆どの部分において、要素の番号指示子は、それらの要素が紹介されるかまたはほぼ完全に論じられる図面番号で始まる。したがって、例えば、図1の要素指示子は、殆どの場合は1xxという数字形態となり、図4の要素は、殆どの場合は4xxという数字形態なる。   Elements described herein may include multiple examples of the same element. These elements can generally be indicated by a numeric indicator (eg, 110), specifically a numeric indicator followed by an alphabetic indicator (eg, 110A) or a number that precedes a “dash”. It may be indicated by an indicator (eg 110-1). To facilitate following this description, for the most part, element number indicators begin with a drawing number in which the elements are introduced or nearly fully discussed. Thus, for example, the element designator of FIG. 1 will most likely be in the numerical form 1xx, and the element in FIG. 4 will most likely be in the numerical form 4xx.

以下の説明は、本開示の実施形態およびその実装を完全に説明するために、材料タイプおよび処理条件などの具体的詳細を提示する。しかし、本開示の実施形態は、これらの特定の詳細を使用せずに、および従来的な組立技術と組み合わせて、実施し得る点が、当業者には理解されよう。さらに、本明細書において示される説明は、半導体デバイスまたは半導体システムを製造するための完全なプロセスフローを形成しない。本明細書においては、本発明の実施形態を理解するために必要なプロセス行為および構造体が、詳細に説明されるに過ぎない。本明細書において説明される材料は、化学気相成長法(「CVD」)、プラズマ化学気相成長法(「PECVD」)、原子層堆積法(「ALD」)、プラズマALD、または物理気相成長法(「PVD」)を含むがそれらに限定されない任意の適切な技術により形成(例えば堆積または成長)され得る。本明細書において説明および示される材料は、層として形成され得るが、これらの材料は、層に限定されず、他の3次元構成で形成されてもよい。   The following description presents specific details, such as material types and processing conditions, in order to fully describe the embodiments of the present disclosure and their implementation. However, one of ordinary skill in the art will appreciate that embodiments of the present disclosure may be practiced without using these specific details and in combination with conventional assembly techniques. Further, the description presented herein does not form a complete process flow for manufacturing a semiconductor device or system. In this specification, only the process actions and structures necessary to understand the embodiments of the present invention are described in detail. The materials described herein can be chemical vapor deposition (“CVD”), plasma enhanced chemical vapor deposition (“PECVD”), atomic layer deposition (“ALD”), plasma ALD, or physical vapor It can be formed (eg, deposited or grown) by any suitable technique, including but not limited to growth methods (“PVD”). Although the materials described and shown herein may be formed as layers, these materials are not limited to layers and may be formed in other three-dimensional configurations.

本明細書における「水平な」および「垂直な」という用語は、半導体構造体(例えばウェーハ、ダイ、基板等)の配向にかかわらず、半導体構造体の主要平面または主要表面に対する要素または構造体の相対位置を規定するものであり、説明されている構造体の配向に対して解釈される直交次元である。本明細書においては、「垂直な」という用語は、半導体構造体の主要表面に対して実質的に垂直な次元を意味および包含し、「水平な」という用語は、半導体構造体の主要表面に対して実質的に水平な次元を意味する。   As used herein, the terms “horizontal” and “vertical” refer to an element or structure relative to a major plane or surface of a semiconductor structure, regardless of the orientation of the semiconductor structure (eg, wafer, die, substrate, etc.) It defines the relative position and is an orthogonal dimension that is interpreted relative to the orientation of the structure being described. As used herein, the term “vertical” means and encompasses a dimension that is substantially perpendicular to the major surface of the semiconductor structure, and the term “horizontal” refers to the major surface of the semiconductor structure. On the other hand, it means a substantially horizontal dimension.

本明細書においては、「半導体構造体」という用語は、半導体デバイスの形成において使用される任意の構造体を意味および包含する。半導体構造体には、例えば、ダイおよびウェーハ(例えばキャリア基板およびデバイス基板)、ならびに、相互に3次元積層された2つ以上のダイおよび/またはウェーハを有するアセンブリあるいは複合構造体が含まれる。また、半導体構造体には、完全に製造された半導体デバイスと、半導体デバイスの製造中に形成される中間構造体とが含まれる。半導体構造体は、導体材料、半導体材料、非導体材料(例えば電気絶縁体)、およびそれらの組合せを含み得る。   As used herein, the term “semiconductor structure” means and encompasses any structure used in the formation of semiconductor devices. Semiconductor structures include, for example, dies and wafers (eg, carrier substrates and device substrates), and assemblies or composite structures having two or more dies and / or wafers that are three-dimensionally stacked together. The semiconductor structure also includes a fully manufactured semiconductor device and an intermediate structure formed during the manufacture of the semiconductor device. The semiconductor structure can include conductive materials, semiconductor materials, non-conductive materials (eg, electrical insulators), and combinations thereof.

本明細書においては、「処理済み半導体構造体」という用語は、1つまたは複数の少なくとも部分的に形成されたデバイス構造体を備える任意の半導体構造体を意味および包含する。処理済み半導体構造体は、半導体構造体のサブセットであり、あらゆる処理済み半導体構造体が、半導体構造体である。   As used herein, the term “processed semiconductor structure” means and encompasses any semiconductor structure comprising one or more at least partially formed device structures. A processed semiconductor structure is a subset of a semiconductor structure, and every processed semiconductor structure is a semiconductor structure.

本明細書においては、「III−V族半導体」という用語は、周期表のIIIA族からの1つまたは複数の元素(例えばB、Al、Ga、In、およびTi)、ならびに周期表のVA族からの1つまたは複数の元素(例えばN、P、As、Sb、およびBi)とから少なくとも主に構成される任意の半導体材料を意味および包含する。   As used herein, the term “III-V semiconductor” refers to one or more elements from group IIIA of the periodic table (eg, B, Al, Ga, In, and Ti), and group VA of the periodic table. Means and encompasses any semiconductor material composed at least primarily of one or more elements from (eg, N, P, As, Sb, and Bi).

本明細書においては、「インジウムガリウム窒化物」および「InGaN」という用語は、InxGa1−xNという組成を有するインジウム窒化物(InN)およびガリウム窒化物(GaN)の合金を意味する。ここでは、0<x≦1である。   As used herein, the terms “indium gallium nitride” and “InGaN” refer to alloys of indium nitride (InN) and gallium nitride (GaN) having the composition InxGa1-xN. Here, 0 <x ≦ 1.

本明細書においては、「臨界厚さ」という用語は、仮像成長が継続せず、層が歪み緩和を被る時点以降の、半導体材料層の平均総厚さを意味する。   In this specification, the term “critical thickness” means the average total thickness of a semiconductor material layer after the point in time when pseudomorphic growth does not continue and the layer undergoes strain relaxation.

本明細書においては、「成長表面」という用語は、半導体基板または半導体層のさらなる成長が実施され得る半導体基板または半導体層の任意の表面を意味する。   As used herein, the term “growth surface” means any surface of a semiconductor substrate or semiconductor layer on which further growth of the semiconductor substrate or semiconductor layer can be performed.

本明細書においては、「転位」という用語は、例えば結晶構造内における要素の欠損および結晶構造体における結合の破壊などの特性により特徴づけられ得る、半導体材料の結晶構造の不完全性が存在する半導体材料の領域を意味する。   As used herein, the term “dislocation” has imperfections in the crystal structure of a semiconductor material that can be characterized by characteristics such as, for example, elemental deficiencies in the crystal structure and bond breaks in the crystal structure. It means a region of semiconductor material.

本明細書においては、「実質的に」という用語は、当技術において通常予想される任意の不足を除いては完全である結果を指すために使用される。   As used herein, the term “substantially” is used to refer to a result that is complete except for any deficiencies normally expected in the art.

本発明の実施形態は、多様なIII−V族半導体材料に対する用途を有し得る。例えば、本発明の実施形態の方法および構造体は、2成分形態、3成分形態、4成分形態、および5成分形態の、III族−窒化物、III族−ヒ化物、III族−リン化物、およびIII族−アンチモン化物に適用し得る。特定の用途は、インジウムガリウム窒化物(InGaN)などの、インジウムを含有するIII族−窒化物半導体の成長に関する。したがって、単に簡略化および便宜上の理由により、限定化を目的とせずに、以下の説明および図面は、III族−窒化物の一般的特徴を反映し、特にInGaNに焦点を置く場合がある。   Embodiments of the present invention may have application to a variety of III-V semiconductor materials. For example, the methods and structures of the embodiments of the present invention include group III-nitrides, group III-arsenides, group III-phosphides in two-component, three-component, four-component, and five-component forms, And Group III-antimonides. A particular application relates to the growth of group III-nitride semiconductors containing indium, such as indium gallium nitride (InGaN). Thus, for reasons of simplicity and convenience only, and not for purposes of limitation, the following description and drawings reflect the general characteristics of Group III-nitrides and may focus specifically on InGaN.

III族−窒化物材料システムの実験により、臨界厚さを越える厚さにまで仮像的に成長したInGaN層は、歪み緩和を被り、格子の不整合から生じる結晶格子の歪みを緩和させ得ることが実証されている。InGaN層における歪み緩和の開始時には、多量のインジウムが取り込まれる場合があり、これにより、InGaN層の厚さにわたってインジウムの不均一な濃度プロファイルが得られる場合がある。例えば、InGaN層は、層の成長表面の近位に高い割合のインジウムを含む場合がある。InGaN層におけるかかる不均一なインジウム組成は、少なくともいくつかの用途にとっては望ましくない場合がある。   Experiments with III-nitride material systems have shown that InGaN layers that are pseudomorphically grown to a thickness exceeding the critical thickness can undergo strain relaxation and can relax crystal lattice distortion resulting from lattice mismatch. Has been demonstrated. At the beginning of strain relaxation in the InGaN layer, a large amount of indium may be taken in, which may result in a non-uniform concentration profile of indium across the thickness of the InGaN layer. For example, an InGaN layer may contain a high proportion of indium proximal to the growth surface of the layer. Such a non-uniform indium composition in the InGaN layer may not be desirable for at least some applications.

また、実験により、InGaN層の歪み緩和によってInGaN層の成長表面の粗面化が生じる場合もあることが実証されている。かかる表面の粗面化は、このInGaN層を使用した半導体デバイスの作製にとって好ましくない場合がある。さらに、実験により、InGaN層の歪み緩和によって結晶材料中の欠陥密度が上昇する場合があることが実証されている。かかる欠陥には、例えば、転位、および不均質組成領域(すなわち相分離領域)などが含まれ得る。   In addition, experiments have demonstrated that the growth surface of the InGaN layer may be roughened due to strain relaxation of the InGaN layer. Such roughening of the surface may not be preferable for the production of a semiconductor device using this InGaN layer. Furthermore, experiments have demonstrated that the defect density in the crystalline material may increase due to strain relaxation of the InGaN layer. Such defects can include, for example, dislocations and heterogeneous composition regions (ie, phase separation regions).

非限定的な例としては、InGaN(III族−窒化物材料)の場合に、InGaN層は、重畳されるInGaN層の結晶格子と整合しない結晶格子を有し得る下層基板の上にヘテロエピタキシャルに堆積され得る。例えば、InGaN層は、ガリウム窒化物(GaN)を含む半導体基板上に堆積され得る。GaNは、約3.189Åの緩和された(すなわち実質的に歪みのない)面内格子パラメータを有し、InGaN層は、対応するインジウム含有量の割合に応じて、約3.21Å(7%インジウムの場合、すなわちIn0.07Ga0.93N)、約3.24Å(15%インジウムの場合、すなわちIn0.15Ga0.85N)、および約3.26Å(25%インジウムの場合、すなわちIn0.25Ga0.75N)の緩和された面内格子パラメータを有し得る。   As a non-limiting example, in the case of InGaN (Group III-Nitride material), the InGaN layer is heteroepitaxially deposited on an underlying substrate that may have a crystal lattice that does not match the crystal lattice of the superimposed InGaN layer. Can be deposited. For example, the InGaN layer can be deposited on a semiconductor substrate comprising gallium nitride (GaN). GaN has a relaxed (ie, substantially unstrained) in-plane lattice parameter of about 3.189 In, and the InGaN layer is about 3.21 Å (7%), depending on the corresponding percentage of indium content. Indium, i.e. In0.07Ga0.93N), about 3.24? (15% indium, i.e. In0.15Ga0.85N), and about 3.26? (25% indium, i.e. In0.25Ga0.75N) May have a relaxed in-plane lattice parameter.

図1は、半導体材料層130およびその上に形成されたインジウム−III−V族半導体層140を有し、それらの中に形成された転位(132および142)およびVピット150を示す、半導体構造体100の概略断面図である。半導体構造体100は、基板110を備えるように製造されるか、または別様に準備されてもよい。基板110は、以下においてさらに詳細に説明するように、半導体材料層130およびインジウム−III−V族半導体層140の組立の一部として1つまたは複数の追加の半導体材料層をその上に形成する際に使用するためのシード層として使用され得る半導体材料を含んでもよい。   FIG. 1 shows a semiconductor structure having a semiconductor material layer 130 and an indium-III-V semiconductor layer 140 formed thereon, showing dislocations (132 and 142) and V pits 150 formed therein. 1 is a schematic sectional view of a body 100. FIG. The semiconductor structure 100 may be manufactured with a substrate 110 or may be otherwise prepared. Substrate 110 forms one or more additional semiconductor material layers thereon as part of the assembly of semiconductor material layer 130 and indium-III-V semiconductor layer 140, as will be described in more detail below. It may include a semiconductor material that can be used as a seed layer for use.

半導体材料層130は、基板110に装着され、基板110により担持されてもよい。しかし、いくつかの実施形態においては、半導体材料層130は、基板または任意の他の材料の上に配設されないまたは担持されない、独立した半導体材料バルク層を備えてもよい。   The semiconductor material layer 130 may be attached to the substrate 110 and carried by the substrate 110. However, in some embodiments, the semiconductor material layer 130 may comprise a separate semiconductor material bulk layer that is not disposed or supported on the substrate or any other material.

いくつかの実施形態においては、半導体材料層130は、半導体材料エピタキシャル層を備えてもよい。非限定的な例としては、半導体材料層130は、III−V族半導体材料エピタキシャル層を備えてもよい。非限定的な例としては、III−V族半導体層130は、GaNエピタキシャル層であってもよい。   In some embodiments, the semiconductor material layer 130 may comprise a semiconductor material epitaxial layer. As a non-limiting example, the semiconductor material layer 130 may comprise a III-V semiconductor material epitaxial layer. As a non-limiting example, the III-V semiconductor layer 130 may be a GaN epitaxial layer.

基板110は、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)(例えばサファイア)、酸化亜鉛(ZnO)、ケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、ガリウムヒ素(GaAs)、リチウム没食子酸塩(LiGaO2)、リチウムアルミ酸塩(LiAlO2)、イットリウム酸化アルミニウム(Y3Al5O12)、または酸化マグネシウム(MgO)などの材料であってもよい。   The substrate 110 is made of, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3) (for example, sapphire), zinc oxide (ZnO), silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), lithium gallate (LiGaO 2), or lithium aluminate. It may be a material such as (LiAlO2), yttrium aluminum oxide (Y3Al5O12), or magnesium oxide (MgO).

任意には、別の半導体材料層などの1つまたは複数の中間材料層(図示せず)か、あるいは1つまたは複数の誘電体材料層が、半導体材料層130と基板110との間に配設されてもよい。かかる中間材料層は、例えば、半導体材料層130をその上に形成するためのシード層として、あるいは、基板110の上に半導体材料層130を直接的に形成することが困難または不可能である場合に実施され得るような、基板110に対して半導体材料層130を結合するための結合層として使用されてもよい。さらに、基板110に対して半導体材料層130を結合することは、半導体材料層130が極性結晶配向を有する場合には、望ましいものとなり得る。かかる実施形態においては、結合プロセスは、有極半導体材料の極性を変更するために使用され得る。   Optionally, one or more intermediate material layers (not shown), such as another semiconductor material layer, or one or more dielectric material layers are disposed between the semiconductor material layer 130 and the substrate 110. May be provided. Such an intermediate material layer is, for example, as a seed layer for forming the semiconductor material layer 130 thereon, or when it is difficult or impossible to form the semiconductor material layer 130 directly on the substrate 110. It may be used as a bonding layer for bonding the semiconductor material layer 130 to the substrate 110 as can be implemented in FIG. Further, bonding the semiconductor material layer 130 to the substrate 110 may be desirable when the semiconductor material layer 130 has a polar crystal orientation. In such embodiments, the bonding process can be used to change the polarity of the polar semiconductor material.

本明細書においては、図面は、縮尺どおりには描かれておらず、実際には、III−V族半導体層130は、基板110よりも比較的薄くてもよい。   In the present specification, the drawings are not drawn to scale, and in fact, the group III-V semiconductor layer 130 may be relatively thinner than the substrate 110.

転位(132Bおよび132D)は、III−V族半導体層130が形成されつつある際に形成され得る。図1に示すように、これらの転位は、層が大きな厚さで形成されるにつれて継続する貫通転位となり得る。換言すれば、転位が生ずると、これは、層が形成されるにつれて伝播する傾向があり、したがって層形成の完了後にIII−V族半導体層130の最終表面上に出現することとなる。   Dislocations (132B and 132D) may be formed when the III-V semiconductor layer 130 is being formed. As shown in FIG. 1, these dislocations can be threading dislocations that continue as the layer is formed with a greater thickness. In other words, when dislocations occur, they tend to propagate as the layers are formed and thus appear on the final surface of the III-V semiconductor layer 130 after layer formation is complete.

当技術において公知の様々な方法の任意のものが、III−V族半導体層130における転位密度を低下させるために使用されてもよい。かかる方法には、例えば、エピタキシャル横方向成長(ELO)、ペンデオエピタキシー、in−situマスキング技術等が含まれ得る。半導体材料層130は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー法(MBE)、またはハイドライド気相成長法(HVPE:hydride vapor phase epitaxy)などのプロセスを利用して堆積されてもよい。   Any of a variety of methods known in the art may be used to reduce the dislocation density in the III-V semiconductor layer 130. Such methods can include, for example, epitaxial lateral growth (ELO), pendeo epitaxy, in-situ masking techniques, and the like. The semiconductor material layer 130 is deposited using a process such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Also good.

また、図1は、III−V族半導体層130上の追加のIII−V族半導体材料140を示す。非限定的な例としては、この追加のIII−V族半導体材料140は、InGaN層140か、またはガリウムリン(GaP)およびガリウムヒ素(GaAs)などの別のタイプのIII−V族半導体材料と組み合わされたインジウムを備えてもよい。III−V族半導体材料と組み合わされたインジウム半導体層は、本明細書においては、インジウム−III−V族半導体材料またはインジウム−III−V族半導体層140と呼ばれる場合がある。   FIG. 1 also shows additional group III-V semiconductor material 140 on group III-V semiconductor layer 130. By way of non-limiting example, this additional III-V semiconductor material 140 may be an InGaN layer 140 or another type of III-V semiconductor material such as gallium phosphide (GaP) and gallium arsenide (GaAs). Combined indium may be provided. An indium semiconductor layer combined with a III-V semiconductor material may be referred to herein as an indium-III-V semiconductor material or an indium-III-V semiconductor layer 140.

InGaN合金層が、GaNテンプレート(例えばサファイア110上のGaN130)の上に不整合の格子を成長させる。InGaN層140中のインジウムがより多くなるにつれ、InGaN層140とGaNテンプレートとの間の格子不整合がより大きくなる。一般的には、構成不整合成長(すなわちInGaN層140とGaNテンプレートとの間の不整合)は、InGaN層140中に蓄積された歪みエネルギーが転位同士を凝集させる歪みエネルギーよりも大きな場合に、歪み緩和を伴う。この格子不整合成長は、立方晶系に配列された格子に対して生じるが、GaNまたはInGaNまたはAlGaNなどの六方晶系格子構造を有する材料に対してはより複雑なものとなる。   An InGaN alloy layer grows a mismatched lattice on a GaN template (eg, GaN 130 on sapphire 110). As more indium is present in the InGaN layer 140, the lattice mismatch between the InGaN layer 140 and the GaN template becomes greater. In general, configuration mismatch growth (ie, mismatch between the InGaN layer 140 and the GaN template) is when the strain energy accumulated in the InGaN layer 140 is greater than the strain energy that agglomerates dislocations, Accompanies strain relaxation. This lattice mismatch growth occurs for a lattice arranged in a cubic system, but is more complicated for a material having a hexagonal lattice structure such as GaN, InGaN, or AlGaN.

六方晶系層においては、転位の容易なすべり面は存在しない場合があり、したがって、はるかに高い歪みエネルギーが、転位の凝集までにInGaN層140中に蓄積され得る。緩和に達すると、塑性緩和が、成長表面の修飾により引き起こされる。成長表面が、(0001)六方晶系である場合には、ピット欠陥150が、発生し得る。これらのピット欠陥は、GaN基板の転位(しばしば貫通転位)付近に頂点を有する逆ピラミッドとして出現し、Vピット150としばしば呼ばれる。InGaN層140が、成長するにつれて、この逆ピラミッドもまた成長する。厚いInGaN層の場合には、Vピット150は、非常に大きくなり得る。   In a hexagonal layer, there may be no slip planes that are easy to dislocation, and thus much higher strain energy can be accumulated in the InGaN layer 140 by dislocation aggregation. When relaxation is reached, plastic relaxation is caused by modification of the growth surface. If the growth surface is a (0001) hexagonal system, pit defects 150 may occur. These pit defects appear as inverted pyramids having apexes near dislocations (often threading dislocations) in the GaN substrate, and are often referred to as V pits 150. As the InGaN layer 140 grows, this inverted pyramid also grows. In the case of a thick InGaN layer, the V pit 150 can be very large.

一般的には、より薄いInGaN層140は、Vピット150を殆どまたは全く伴わずに成長し得る。InGaN層140中の歪みエネルギーは、層厚さと共に上昇するため、薄層は、歪み緩和が生じる厚さ(すなわち臨界厚さ)に達しない場合がある。しかし、いくつかの用途においては、厚いInGaN層が望ましい場合がある。その結果、従来的な処理により、Vピット150は、より厚いInGaN層140中に存在し、Vピット150は、InGaN層140がより厚くなるにつれて、より深くより幅広になる。   In general, a thinner InGaN layer 140 can be grown with little or no V pit 150. Since the strain energy in the InGaN layer 140 increases with the layer thickness, the thin layer may not reach the thickness at which strain relaxation occurs (ie, the critical thickness). However, in some applications, a thick InGaN layer may be desirable. As a result, with conventional processing, the V pit 150 exists in the thicker InGaN layer 140, and the V pit 150 becomes deeper and wider as the InGaN layer 140 becomes thicker.

より薄いInGaN層に加えて、インジウム濃度がガリウム濃度に対して比較的低く維持される場合にも、比較的Vピットが存在しないInGaN層を形成することが一般的には可能となり得る。しかし、多くの用途は、厚いInGaN層、InGaN層中の高いインジウム濃度、またはそれらの組合せを必要とし、これらはいずれも、深く幅広のVピットをもたらし得る。   In addition to the thinner InGaN layer, it may generally be possible to form an InGaN layer that is relatively free of V pits when the indium concentration is kept relatively low relative to the gallium concentration. However, many applications require thick InGaN layers, high indium concentrations in InGaN layers, or a combination thereof, any of which can result in deep and wide V pits.

既述のように、Vピットは、しばしば、III−V族半導体層130中の132Bおよび132Dならびにインジウム−III−V族半導体層140中の142Aおよび142Eとして示される貫通転位などの転位から始まる。これらの転位132から、Vピット(150A、150B、150D、および150E)は、インジウム−III−V族半導体層140が成長するにつれて、より大きく形成され成長し得る。また、Vピットは、Vピット150Cにより示すような原転位としても始まり得る。   As already mentioned, V pits often begin with dislocations such as 132B and 132D in III-V semiconductor layer 130 and threading dislocations shown as 142A and 142E in indium-III-V semiconductor layer 140. From these dislocations 132, V pits (150A, 150B, 150D, and 150E) can be formed and grow larger as the indium-III-V semiconductor layer 140 grows. The V pit can also begin as an original dislocation as indicated by V pit 150C.

これらの深いVピット150は、層転写のためのさらなる処理の後に、すなわちスマートカットプロセスおよび結合プロセスにより、穴となり得る。また、Vピット150は、イオン注入深さを局所的に変化させる場合があり、結果としてスプリッティング欠陥をもたらし得る。さらに、ピットが形成されたInGaN層の上への層転写後のさらなる再成長により、LEDデバイスにとって好ましくない非常に深いピットが生じる。例えば、Vピット150が、InGaN層140全体にわたって生じる場合には、このVピット150は、LEDデバイスのダイオード部分に短絡を引き起こし、それにより、デバイスは、意図した機能を果たすことができなくなる場合がある。   These deep V-pits 150 can become holes after further processing for layer transfer, i.e. by smart cut and bonding processes. Also, the V pit 150 may locally change the ion implantation depth, resulting in splitting defects. Furthermore, further regrowth after layer transfer onto the pit-formed InGaN layer results in very deep pits that are undesirable for LED devices. For example, if the V pit 150 occurs throughout the InGaN layer 140, the V pit 150 may cause a short circuit in the diode portion of the LED device, thereby preventing the device from performing its intended function. is there.

図2は、非限定的な例のIn−III−V族半導体層140中のVピット150の非限定的な例を示す概略等角図である。成長表面148上の開口の六角形状は、InGaNの結晶構造成長によるものである。さらに、Vピット側壁部152は、結晶構造成長によりVピット150が形成を始める場所である頂点155から上方に続き、これによってVピット150は、深さ154に対して一定の比率の幅156を一般的に有する。したがって、Vピット150の深さ154は、Vピットの幅156に基づき正確に推定することが可能である。   FIG. 2 is a schematic isometric view illustrating a non-limiting example of a V pit 150 in a non-limiting example In-III-V group semiconductor layer 140. The hexagonal shape of the opening on the growth surface 148 is due to the crystal structure growth of InGaN. Further, the V pit side wall 152 continues upward from the apex 155 where the V pit 150 begins to be formed by crystal structure growth, so that the V pit 150 has a certain width 156 with respect to the depth 154. Generally have. Therefore, the depth 154 of the V pit 150 can be accurately estimated based on the width 156 of the V pit.

本発明の実施形態は、インジウム−III−V族半導体層140がIII−V族半導体層130の上に形成される場合に形成されるVピット150の個数、サイズ、またはそれらの組合せを低減させることができる。また、Vピット150のこの低減は、本明細書においては「軽減されたVピット密度」および「軽減されたVピットの密度」とも呼ばれる。したがって、Vピット密度の軽減は、所与の表面積におけるVピットの少数化、所与の表面積におけるVピットの縮小化、または所与の表面積におけるVピットの少数化および縮小化の組合せを指し得る。   Embodiments of the present invention reduce the number, size, or combination of V pits 150 formed when the indium-III-V semiconductor layer 140 is formed on the III-V semiconductor layer 130. be able to. This reduction in V pit 150 is also referred to herein as “reduced V pit density” and “reduced V pit density”. Thus, a reduction in V pit density may refer to a reduction of V pits at a given surface area, a reduction of V pits at a given surface area, or a combination of V pit reduction and reduction at a given surface area. .

Vピットの形成に関していかなる特定の理論にも縛られるものではないが、Shiojiri(非特許文献1参照)は、成長速度が、成長表面148の{0001}基面に比べて、Vピット側壁部152である{10−11}面においては異なる点を示唆している。さらに、Vピット側壁部152の{10−11}面は、成長表面148の{0001}基面よりもインジウムに対する高い付着係数を有し得る。その結果、本発明の実施形態は、処理中の気相のインジウムの割合を上昇させることにより、形成される固体材料の成長表面148の{0001}基面上のインジウム濃度が飽和し得ると共に、Vピット側壁部152の{10−11}面上のインジウムのより高い濃度によってVピット側壁部上のInGaNの成長を促進させることが可能となることによって、Vピット密度を低下させ得る。   Although not bound by any particular theory regarding the formation of V pits, Shiojiri (see Non-Patent Document 1) has a growth rate higher than that of the {0001} base surface of the growth surface 148. This suggests a different point in the {10-11} plane. Further, the {10-11} plane of the V pit sidewall 152 may have a higher adhesion coefficient to indium than the {0001} base plane of the growth surface 148. As a result, embodiments of the present invention can saturate the indium concentration on the {0001} base of the growth surface 148 of the solid material that is formed by increasing the proportion of indium in the gas phase during processing, and The higher concentration of indium on the {10-11} plane of the V pit sidewall 152 can promote the growth of InGaN on the V pit sidewall, thereby reducing the V pit density.

図3は、半導体材料層130およびその上に形成されるインジウム−III−V族半導体層140を有し、本発明の1つまたは複数の実施形態によるそれらの中に形成されたVピットの軽減された密度が示される、半導体基板110の概略断面図である。図1と同様に、半導体構造体100は、基板110を備えるように製造されるかまたは別様に準備され得る。基板110、半導体材料層130、およびインジウム−III−V族半導体層140は、図1において説明されるものと同様である。   FIG. 3 includes a semiconductor material layer 130 and an indium-III-V semiconductor layer 140 formed thereon and mitigation of V pits formed therein according to one or more embodiments of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor substrate 110 where the density is shown. Similar to FIG. 1, the semiconductor structure 100 may be manufactured or otherwise prepared with a substrate 110. The substrate 110, the semiconductor material layer 130, and the indium-III-V semiconductor layer 140 are similar to those described in FIG.

しかし、図3は、従来的なVピット152A、152B、および152C(すなわち従来的な処理が利用される場合に形成され得るVピット)を示す。また、図3は、より小さなVピット(158A、158B、および158C)も示し、これらは、本発明の1つまたは複数の実施形態によるVピット密度の軽減をもたらす。軽減されたVピット158Aおよび158Cは、貫通転位132Bおよび132Cからそれぞれ端を発するVピットが、従来的な処理を利用して形成されたVピット152Aおよび152Cに比べてより低速で成長した(すなわち同様の大きさを有していない)ことを示す。軽減されたVピット158Bは、従来的な処理を利用することにより転位から直接的に形成され得るVピット152Bに比べてより小さなVピットを示す。   However, FIG. 3 shows conventional V pits 152A, 152B, and 152C (ie, V pits that can be formed when conventional processing is utilized). FIG. 3 also shows smaller V pits (158A, 158B, and 158C), which provide a reduction in V pit density according to one or more embodiments of the present invention. Reduced V pits 158A and 158C have V pits originating from threading dislocations 132B and 132C, respectively, grown slower than V pits 152A and 152C formed using conventional processing (ie, Does not have the same size). Mitigated V pits 158B exhibit smaller V pits than V pits 152B that can be formed directly from dislocations using conventional processing.

図4は、ある気相インジウム濃度に対するインジウム飽和状況を示すための、インジウム固相濃度対インジウム気相濃度のグラフである。図4は、比較的一定の温度、比較的一定の圧力、比較的一定の合計ガス流、および比較的一定のウェーハ回転速度を用いた処理チャンバにおける実験から展開され得る。ある特定のガリウム流量を伴う場合に、インジウム流量を変化させて、x軸により示すように気相のインジウムの割合を変化させることができる。InGaN層において展開される固相のインジウムの割合は、気相のインジウムの割合の関数としてy軸上に示される。   FIG. 4 is a graph of indium solid phase concentration versus indium vapor phase concentration to show indium saturation for a given vapor phase indium concentration. FIG. 4 can be developed from experiments in a processing chamber using a relatively constant temperature, a relatively constant pressure, a relatively constant total gas flow, and a relatively constant wafer rotation speed. With a specific gallium flow rate, the indium flow rate can be varied to change the proportion of indium in the gas phase as shown by the x-axis. The proportion of solid phase indium developed in the InGaN layer is shown on the y-axis as a function of the proportion of vapor phase indium.

いくつかの実施形態においては、InGaN層を形成するためのインジウム前駆体は、例えばトリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム(TEI)、またはそれらの組合せなどを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、InGaN層を形成するためのガリウム前駆体は、例えばトリエチルガリウム(TEG)または他の適切な材料などを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、InGaN層を形成するための窒素前駆体は、例えばアンモニア(NH3)または他の適切な材料などを含んでもよい。   In some embodiments, the indium precursor for forming the InGaN layer may include, for example, trimethylindium (TMI), triethylindium (TEI), or combinations thereof. In some embodiments, the gallium precursor for forming the InGaN layer may include, for example, triethylgallium (TEG) or other suitable material. In some embodiments, the nitrogen precursor for forming the InGaN layer may include, for example, ammonia (NH 3) or other suitable material.

したがって、一実施形態については、
気相の%インジウム=100*(TMI流/(TMI流+TEG流)) (1)
となる。
Thus, for one embodiment,
% Indium in gas phase = 100 * (TMI flow / (TMI flow + TEG flow)) (1)
It becomes.

初めに、気相のインジウムの割合が上昇するにつれて、固相のインジウムの割合は、セグメント410Aにより示されるように比例して上昇する。しかし、変曲点410Bに達すると、気相のインジウムの割合がさらに上昇しても、セグメント410Cにより示されるように固相のインジウムの割合の上昇にはつながらない。固相のインジウム濃度の比例上昇が起きない気相のインジウム濃度のこの範囲は、本明細書においてはインジウム飽和状況(saturation regime)と呼ばれる。   Initially, as the proportion of vapor phase indium increases, the proportion of solid phase indium increases proportionally as shown by segment 410A. However, when the inflection point 410B is reached, further increase in the vapor phase indium ratio does not lead to an increase in the solid phase indium ratio as indicated by the segment 410C. This range of vapor phase indium concentration where no proportional increase in solid phase indium concentration occurs is referred to herein as the indium saturation regime.

図5は、図4の飽和状況と、本発明の1つまたは複数の実施形態による過飽和状況とを示す、インジウム固相濃度対インジウム分圧のグラフである。   FIG. 5 is a graph of indium solid phase concentration versus indium partial pressure showing the saturation situation of FIG. 4 and the supersaturation situation according to one or more embodiments of the present invention.

当業者には理解されるように、処理チャンバ内のガス流量は、処理チャンバ内のそれぞれ異なるガスによる分圧に相関する。その結果、気相のインジウム濃度は、
気相の%インジウム=100*(PTMI/(PTMI+PTEG)) (2)
として表すことも可能である。
As will be appreciated by those skilled in the art, the gas flow rate in the processing chamber correlates with the partial pressure of each different gas in the processing chamber. As a result, the indium concentration in the gas phase is
% Indium in gas phase = 100 * (P TMI / (P TMI + P TEG )) (2)
It can also be expressed as

換言すれば、インジウム分圧(PTMI)およびガリウム分圧の組合せであるIII族の分圧合計(PTMI+PTEG)に対するインジウム分圧の関係を容易に判定することが可能となる。説明を簡略化するために、本明細書においては、説明の殆どが、分圧に関するものであるが、これらの説明は、相関する流量に対しても該当し得ることが当業者には理解されよう。 In other words, it is possible to easily determine the relationship of the indium partial pressure to the group III partial pressure total (P TMI + P TEG ), which is a combination of the indium partial pressure (P TMI ) and the gallium partial pressure. To simplify the description, most of the description herein relates to partial pressure, but those skilled in the art will understand that these descriptions may also apply to correlated flow rates. Like.

当然ながら、他の不活性ガス(例えば窒素)および例えばドーパントなどの他の反応物が、反応チャンバ内に存在してもよい。非限定的な例としては、Nドーパントが、例えばシラン(SiH)などのケイ素含有蒸気を含んでもよく、Pドーパントが、例えばビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)などの蒸気を含むマグネシウムを含んでもよい。 Of course, other inert gases (eg, nitrogen) and other reactants such as dopants may be present in the reaction chamber. As a non-limiting example, the N dopant may include a silicon-containing vapor such as silane (SiH 4 ), and the P dopant includes a vapor such as bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp 2 Mg). May be included.

図5においては、y軸は、インジウム分圧(本明細書においては気相のインジウム濃度とも呼ばれる)を示すx軸に対する固相のインジウムの割合(本明細書においては固相のインジウム濃度とも呼ばれる)を示す。   In FIG. 5, the y-axis is the ratio of solid-phase indium to the x-axis (also referred to herein as solid-phase indium concentration) indicating the partial pressure of indium (also referred to herein as vapor-phase indium concentration). ).

セグメント510Aおよび510Cは、気相のインジウム濃度に対する固相のインジウム濃度の比例上昇(510A)と、その後の、インジウム濃度が気相のインジウム濃度の上昇に対して比較的一定に留まる(510C)飽和状況とを示す。   Segments 510A and 510C have a proportional increase in the solid phase indium concentration relative to the vapor phase indium concentration (510A) and the subsequent saturation of the indium concentration remains relatively constant with the increase in the vapor phase indium concentration (510C). Indicates the situation.

線520は、飽和状況よりもより高い固相のインジウム濃度が得られ得るインジウム過飽和状況を示す。したがって、本明細書においては、インジウム過飽和状況という用語は、上記において論じた飽和状況を利用して固相半導体層中に形成されるインジウム濃度に比べて、形成された固相半導体層中のインジウム濃度がより高くなるように設定された処理チャンバ内の状況を意味する。   Line 520 shows an indium supersaturation situation where a higher solid phase indium concentration can be obtained than a saturation situation. Therefore, in this specification, the term indium supersaturation situation refers to the indium in the solid phase semiconductor layer formed compared to the indium concentration formed in the solid phase semiconductor layer utilizing the saturation situation discussed above. It means the situation in the processing chamber set to be higher in concentration.

非限定的な例としては、飽和状況は、所与のチャンバ圧力、成長表面温度、III族元素前駆体分圧、V族元素前駆体分圧、およびインジウム前駆体分圧として定義され得る。飽和状況よりもインジウム前駆体の濃度または分圧がより高いことにより、形成された半導体層中においてより高いインジウム濃度を形成する過飽和状況が展開され得る。   As a non-limiting example, saturation conditions can be defined as a given chamber pressure, growth surface temperature, group III element precursor partial pressure, group V element precursor partial pressure, and indium precursor partial pressure. A higher concentration or partial pressure of the indium precursor than a saturation situation can develop a supersaturation situation that creates a higher indium concentration in the formed semiconductor layer.

別の非限定的な例としては、所与の成長表面温度、所与のチャンバ圧力、所与のウェーハスピン速度、ならびにインジウム前駆体、III族元素前駆体、およびV族元素前駆体の所与の分圧の組合せにより定義される飽和状況においては、成長表面温度の低下により、過飽和状況がもたらされ、この過飽和状況により、飽和状況に対して得られるインジウムの割合に比べて、形成された半導体層中のインジウムの割合がより高くなる固相成長条件がもたらされる。同様に、この飽和状況温度に温度が維持された状態でのチャンバ圧力の上昇またはウェーハ回転速度の変化により、インジウム過飽和状況が展開され得る。   Another non-limiting example is a given growth surface temperature, a given chamber pressure, a given wafer spin rate, and a given indium precursor, group III element precursor, and group V element precursor. In the saturation situation defined by the combination of the partial pressures of the growth, a decrease in the growth surface temperature results in a supersaturation situation, which is formed compared to the proportion of indium obtained for the saturation situation. A solid phase growth condition is provided in which the proportion of indium in the semiconductor layer is higher. Similarly, an indium supersaturation situation can be developed by an increase in chamber pressure or a change in wafer rotation speed while the temperature is maintained at this saturation situation temperature.

線520においては、例えばチャンバ圧力およびウェーハ回転速度などのチャンバパラメータは、比較的一定に維持され得るが、温度は、低下して、インジウム過飽和状況を展開する。温度は、チャンバ温度または成長表面温度として決定され得る。非限定的な例としては、セグメント510Aおよび510Cのチャンバ温度は、約839℃であり、線520のチャンバ温度は、約811℃である。さらに、III族前駆体(例えばガリウム前駆体と組み合わされたインジウム前駆体)とV族前駆体との相対濃度が、V/III比=3560で比較的一定に維持される。換言すれば、一実施形態においては、線520が左から右へと移動するにつれて、TEGの分圧は、比較的一定に留まり得るが、TMIの分圧が上昇するにつれて、アンモニアの分圧は、比例的に上昇して、約3560のV/III族比を維持する。   In line 520, chamber parameters such as chamber pressure and wafer rotation speed, for example, can be kept relatively constant, but the temperature drops and develops an indium supersaturation situation. The temperature can be determined as the chamber temperature or the growth surface temperature. As a non-limiting example, the chamber temperature of segments 510A and 510C is about 839 ° C. and the chamber temperature of line 520 is about 811 ° C. Furthermore, the relative concentration of the group III precursor (eg, an indium precursor combined with a gallium precursor) and the group V precursor is kept relatively constant at a V / III ratio of 3560. In other words, in one embodiment, as the line 520 moves from left to right, the TEG partial pressure may remain relatively constant, but as the TMI partial pressure increases, the ammonia partial pressure increases. Rising proportionally to maintain a V / III ratio of about 3560.

非限定的な例としては、線530は、約811℃のチャンバ温度で展開され得るものであり、V族分圧(例えばアンモニアの分圧)は、III族分圧および変動インジウム分圧に対して実質的に一定に維持される。換言すれば、一実施形態においては、線530が左から右へと移動するにつれて、TEGおよびアンモニアの分圧は、比較的一定に留まり得るが、TMIの分圧は、上昇する。   As a non-limiting example, line 530 can be developed at a chamber temperature of about 811 ° C., and group V partial pressure (eg, partial pressure of ammonia) is relative to group III partial pressure and variable indium partial pressure. Is maintained substantially constant. In other words, in one embodiment, as line 530 moves from left to right, the TEG and ammonia partial pressures may remain relatively constant while the TMI partial pressure increases.

さらに詳細には、ならびに図3および図5を参照すると、InGaN層140へのインジウム前駆体の流れは、成長表面148およびVピット側壁部152の上における相互作用に使用可能なインジウム種の入着流動(incoming flux)に影響を及ぼし得る。インジウムは、高揮発性になり得る。表面において、TMIは、破壊され、金属(例えばインジウム)を放出するが、このインジウムは、固体層中に取り込まれ得るか、または蒸気として消散する。温度がより高い場合には、金属が取り込まれるよりも消散する可能性がより高くなる。   In more detail and with reference to FIGS. 3 and 5, the flow of indium precursor to the InGaN layer 140 causes the indium species to be used for interaction on the growth surface 148 and V pit sidewalls 152. It can affect the incoming flux. Indium can be highly volatile. At the surface, the TMI is destroyed and releases a metal (eg, indium), which can be incorporated into the solid layer or dissipate as a vapor. The higher the temperature, the more likely it will dissipate than the metal is taken up.

その結果、InGaN層140中ヘのインジウムの取り込みと、InGaN層140からのインジウムの脱着(本明細書においては脱着流動(desorption flux)とも呼ばれる)との間にトレードオフが生ずる。温度を下降させるかまたは圧力を上昇させることにより、取り込みは、InGaN層140中の固相インジウム濃度を上昇させるのに好ましいものとなり得る。さらに、成長表面148については、飽和状況に達する場合がある一方で、異なる成長面を有するVピット側壁部152は、成長表面148に比べてより高い成長速度へとより一層なりやすく、これにより、Vピット密度の軽減がもたらされ得る。   As a result, there is a trade-off between indium incorporation into the InGaN layer 140 and indium desorption from the InGaN layer 140 (also referred to herein as desorption flux). By decreasing the temperature or increasing the pressure, the uptake can be favorable to increase the solid phase indium concentration in the InGaN layer 140. Furthermore, while the growth surface 148 may reach a saturation situation, the V pit sidewall 152 having a different growth surface is more likely to have a higher growth rate than the growth surface 148, thereby A reduction in V-pit density can be provided.

図6A〜図6Cは、本発明の1つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、インジウム固相濃度、Vピット密度、およびVピット幅のそれぞれを示すグラフである。   FIGS. 6A-6C are graphs illustrating indium solid phase concentration, V pit density, and V pit width, respectively, with respect to indium partial pressure according to one or more embodiments of the present invention.

図6Aの線610により示すように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、固相のインジウム濃度もまた最高で約94%のインジウム濃度まで上昇する。この時点では、気相濃度の上昇は、固相濃度の低下につながる。   As indicated by line 610 in FIG. 6A, as the vapor phase indium concentration increases, the solid phase indium concentration also increases to an indium concentration of up to about 94%. At this point, an increase in the gas phase concentration leads to a decrease in the solid phase concentration.

図6Bの線620により示すように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、Vピット密度もまた最高で約94%のインジウム濃度まで上昇する。この時点では、気相濃度の上昇は、固相濃度の低下につながる。   As shown by line 620 in FIG. 6B, as the vapor phase indium concentration increases, the V pit density also increases to an indium concentration of up to about 94%. At this point, an increase in the gas phase concentration leads to a decrease in the solid phase concentration.

しかし、図6Cの線630により示されるように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、Vピット幅は縮小される。図6Cの破線は、平均Vピット幅を示し、上方バー632および下方バー634は、Vピット幅に対する3シグマ分布点を示す。その結果、インジウム分圧が上昇するにつれて、所与の面積に対してVピットがより少数であるもの、Vピットがより小さいもの、または所与の面積に対するVピット個数およびそれらのVピットサイズの組合せの中のいずれかによるVピット密度の軽減が、観測され得る。   However, as indicated by line 630 in FIG. 6C, the V pit width decreases as the vapor phase indium concentration increases. The dashed line in FIG. 6C indicates the average V pit width, and the upper bar 632 and the lower bar 634 indicate 3 sigma distribution points for the V pit width. As a result, as the indium partial pressure increases, there are fewer V pits for a given area, smaller V pits, or the number of V pits and their V pit size for a given area. A reduction in V pit density due to any of the combinations can be observed.

ピット幅は、原子間力顕微鏡法(AFM)によりVピットを測定するための好ましい一方式である。なぜならば、AFMチップは、Vピットの総深さを正確に測定するためにこの深さにわたって貫通するのに十分な鋭さを有さない場合があるからである。結晶学的(例えば(10−11)面と(0001)面との間の角度の)考察から、ピット深さは、ピット幅から算出することが可能である(非特許文献2参照)。   The pit width is a preferred method for measuring V pits by atomic force microscopy (AFM). This is because the AFM tip may not have enough sharpness to penetrate through this depth to accurately measure the total depth of the V pit. From crystallographic consideration (for example, the angle between the (10-11) plane and the (0001) plane), the pit depth can be calculated from the pit width (see Non-Patent Document 2).

また、非常に薄いInGaN層の場合には、Vピットは、存在しても、それらの幅がAFM分解能未満となり得ることにより検出不能となり得る点に留意されたい。   It should also be noted that in the case of very thin InGaN layers, V-pits, even if present, can become undetectable because their width can be below the AFM resolution.

先述のように、多数の用途は、厚いInGaN層、InGaN層中の高いインジウム濃度、またはそれらの組合せを必要とするが、これらはいずれも、深く幅広のVピットをもたらし得る。本発明のいくつかの実施形態により、約6%から9%の範囲の固相インジウム濃度についてVピット密度の軽減をもたらすことができる。さらに、いくつかの実施形態においては、Vピット密度の軽減は、約150ナノメートルおよび場合よっては最大で約200ナノメートルまでの比較的厚いInGaN層に対して実現し得る。   As previously noted, many applications require thick InGaN layers, high indium concentrations in InGaN layers, or combinations thereof, all of which can result in deep and wide V-pits. Some embodiments of the present invention can provide a reduction in V pit density for solid phase indium concentrations in the range of about 6% to 9%. Further, in some embodiments, the reduction in V pit density may be achieved for relatively thick InGaN layers of about 150 nanometers and possibly up to about 200 nanometers.

Claims (10)

基板上にIII−V族半導体層を形成するステップと、
インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を含むインジウム過飽和状況を有するように構成された処理チャンバ内において、少なくともインジウム前駆体、前記インジウム前駆体とは異なるIII族元素前駆体、およびV族元素前駆体を組み合わせることにより、前記III−V族半導体層の成長表面上に前記インジウム飽和状況を上回るインジウム固相濃度を有するインジウム−III−V族半導体層を形成するステップと
を含み、
前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップは、前記インジウム−III−V族半導体層の前記成長表面中へのインジウムの取り込みに比べて、Vピット側壁部におけるインジウムの取り込みを上昇させるステップをさらに含み、
前記成長表面は{0001}面であり、前記Vピット側壁部の成長面は、{10−11}面であることを特徴とする半導体構造体を形成する方法。
Forming a group III-V semiconductor layer on the substrate;
In a processing chamber configured to have an indium supersaturation situation that includes a chamber temperature that is less than the chamber temperature corresponding to the indium saturation situation, at least an indium precursor, a group III element precursor different from the indium precursor, and a group V by combining element precursor, seen including a step of forming said group III-V indium -III-V group semiconductor layer having indium solid concentrations above the indium saturation conditions on the growth surface of the semiconductor layer,
The step of forming the indium-III-V semiconductor layer includes a step of increasing the indium incorporation in the V pit side wall as compared with the indium incorporation into the growth surface of the indium-III-V semiconductor layer. Further including
A method of forming a semiconductor structure, wherein the growth surface is a {0001} plane, and the growth surface of the V pit sidewall is a {10-11} plane .
臨界厚さを上回る厚さを有する前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising forming the indium-III-V semiconductor layer having a thickness greater than a critical thickness. 前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップは、前記インジウム−III−V族半導体層の前記成長表面からのインジウムの脱着流動に比べて、前記インジウム−III−V族半導体層のVピット側壁部からのインジウムの脱着流動を低下させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The step of forming the indium-III-V semiconductor layer includes a step of forming a V pit of the indium-III-V semiconductor layer as compared to a desorption flow of indium from the growth surface of the indium-III-V semiconductor layer. The method of claim 1, further comprising reducing the desorption flow of indium from the sidewall. 前記Vピット側壁部におけるインジウムの前記取り込みを上昇させるステップは、前記チャンバ温度を低下させるステップ、チャンバ圧力を上昇させるステップ、およびインジウム分圧を上昇させるステップの中の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項に記載の方法。 Increasing the indium uptake in the V pit sidewall includes at least one of lowering the chamber temperature, increasing the chamber pressure, and increasing the indium partial pressure. The method according to claim 1 . 前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップは、III族分圧の合計に比べて、前記処理チャンバ内のインジウム分圧を上昇させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the indium-III-V semiconductor layer further comprises increasing an indium partial pressure in the processing chamber as compared to a total group III partial pressure. the method of. 前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップは、インジウムガリウム窒化物(InGaN)層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the indium-III-V semiconductor layer comprises forming an indium gallium nitride (InGaN) layer. アンモニアを含むように前記V族元素前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising selecting the group V element precursor to include ammonia. トリメチルインジウムを含むように前記インジウム前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising selecting the indium precursor to include trimethylindium. トリエチルガリウムを含むように前記III族元素前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1, further comprising selecting the group III element precursor to include triethylgallium. 前記インジウム−III−V族半導体層を形成するステップは、III族分圧の合計に比べて、前記処理チャンバ内のインジウム分圧を上昇させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the indium-III-V semiconductor layer further comprises increasing an indium partial pressure in the processing chamber as compared to a total group III partial pressure. the method of.
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