JP2007246289A - Method for manufacturing gallium nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化ガリウム系半導体基板の作製方法に関する。特には、Si(111)面上に気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成することで、窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate by forming a thick gallium nitride based semiconductor layer on a Si (111) surface by vapor phase growth.
窒化ガリウムに代表されるIII族窒化物半導体は、高効率の青紫色発光が可能であり、青紫色領域の発光ダイオード(light emitting diode,LED)やレーザーダイオード(laser diode,LD)用材料として、注目を浴びてきた。なかでも、青紫色領域のLDは、大容量光ディスク装置の光源として期待され、近年、書き込み光源用の高出力窒化ガリウム系半導体LDの開発が勢力的に進められている。加えて、窒化ガリウム系半導体の示す、優れた電子伝導特性を生かし、動作層に窒化ガリウム系半導体を利用する高周波トランジスタの開発も、同時に進められている。 Group III nitride semiconductors typified by gallium nitride are capable of high-efficiency blue-violet light emission, and as materials for light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (laser diodes, LDs) in the blue-violet region, Has attracted attention. Among these, LDs in the blue-violet region are expected as light sources for large-capacity optical disk devices, and in recent years, development of high-power gallium nitride semiconductor LDs for writing light sources has been actively promoted. In addition, the development of a high-frequency transistor using a gallium nitride-based semiconductor as an operating layer is being promoted at the same time, taking advantage of the excellent electron conduction characteristics exhibited by a gallium nitride-based semiconductor.
これら窒化ガリウム系半導体デバイスは、従来、主に、サファイアまたはSiCを下地基板とし、その上にヘテロ成長させたIII族窒化物半導体層を利用して作製されている。その理由は、良質なGaN単結晶基板の入手が困難であったためである。従って、サファイア基板やSiC基板上に2段階成長法を用いてウルツ鉱型GaN(0001)層を成長させ、得られるGaN(0001)層を基板として、III族窒化物半導体層のエピタキシャル成長によって、素子構造が作製されてきた。これらサファイア基板やSiC基板を下地基板に用いる場合、下地基板とGaNの格子定数が大きく異なるため、ヘテロ成長させたGaN層に高密度の転位が導入され、良質な結晶を得る上での障害となっていた。加えて、サファイア基板の熱伝導度が低いため、その上に作製されている素子の放熱特性が悪いこと、劈開(ヘキカイ)面の配向がGaN層とサファイア基板とで異なり、LD作製時、劈開(ヘキカイ)を利用するミラー端面形成が困難であること、更には、サファイア自体、絶縁体であるため、裏面電極型素子の作製が不可能であることも、サファイア基板の利用に伴う本質的な問題であった。 Conventionally, these gallium nitride based semiconductor devices are mainly manufactured by using a group III nitride semiconductor layer hetero-growth on sapphire or SiC as a base substrate. The reason is that it was difficult to obtain a good quality GaN single crystal substrate. Accordingly, a wurtzite GaN (0001) layer is grown on a sapphire substrate or SiC substrate using a two-step growth method, and the resulting GaN (0001) layer is used as a substrate to epitaxially grow a group III nitride semiconductor layer, thereby producing a device. A structure has been created. When these sapphire substrates and SiC substrates are used as the base substrate, the lattice constant of GaN is greatly different from that of the base substrate. Therefore, high-density dislocations are introduced into the hetero-grown GaN layer, which is an obstacle to obtaining good quality crystals. It was. In addition, since the thermal conductivity of the sapphire substrate is low, the heat dissipation characteristics of the device fabricated thereon are poor, and the orientation of the cleavage plane is different between the GaN layer and the sapphire substrate. It is essential to use a sapphire substrate because it is difficult to form a mirror end face using (hekikai), and furthermore, since sapphire itself is an insulator, it is impossible to fabricate a back electrode type element. It was a problem.
一方、近年、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)を用いるGaN厚膜成長技術によって、良質な低転位GaN基板の作製が可能であることも報告されている(例えば、特許文献1を参照)。サファイア基板に代えて、熱伝導特性、電気伝導特性の良好なGaN基板を用いることにより、放熱特性の改善、裏面電極型LDの実現等が期待される。従って、将来的には、厚膜成長技術により作製されるGaN基板を利用した、III族窒化物半導体素子が主流になると考えられる。 On the other hand, in recent years, it has also been reported that a high-quality low-dislocation GaN substrate can be produced by a GaN thick film growth technique using HVPE (hydride vapor phase epitaxy) (see, for example, Patent Document 1). By using a GaN substrate having good heat conduction characteristics and electric conduction characteristics in place of the sapphire substrate, improvement of heat dissipation characteristics, realization of a back electrode type LD, and the like are expected. Therefore, in the future, it is considered that group III nitride semiconductor devices using GaN substrates produced by thick film growth technology will become mainstream.
現在、主流となっているGaN基板作製技術は、下地基板のサファイア、GaAsなどの単結晶基板上にHVPE法により300μm以上の厚膜GaN層を堆積させ、その後、下地基板を除去することにより自立GaN基板を得るものである。HVPEによるGaN基板作製においては、(1)単結晶基板と厚膜GaN層の剥離、(2)HVPE成長時における、単結晶基板の熱的および化学的安定性、の二点の課題をいかに解決するかが鍵となる。GaN成長用下地基板として一般的に利用されているサファイア基板、SiC基板は、化学的に安定であり、かつ硬いために、化学エッチングや研磨によって、GaN/サファイア、あるいは、GaN/SiC構造から下地基板の剥離を容易に達成できないという問題があった。サファイア基板の場合には、レーザーを用いた剥離法も提案されているが、大面積にわたり、厚膜GaN層の割れなしに剥離することは困難であった。また、GaAsを下地基板とする場合、厚膜GaN層との剥離は、容易に行うこうが可能である。しかしながら、典型的なHVPE法によるGaNの成長温度(〜1000℃)では、GaAsの熱分解が生じるため、成長面以外の裏面、側端面を保護する必要がある。さらに、GaAs材料自体、毒性の高いAsを主な成分として含むため、対環境性の点で、必ずしも好ましい下地基板ではない。 Currently, the mainstream GaN substrate fabrication technology is self-supporting by depositing a thick GaN layer of 300 μm or more on a single crystal substrate such as sapphire or GaAs as a base substrate by HVPE method and then removing the base substrate. A GaN substrate is obtained. In GaN substrate fabrication by HVPE, how to solve the two problems of (1) separation of single crystal substrate and thick GaN layer and (2) thermal and chemical stability of single crystal substrate during HVPE growth. Doing is the key. The sapphire substrate and the SiC substrate that are generally used as a base substrate for GaN growth are chemically stable and hard, so that the base substrate is formed from a GaN / sapphire or GaN / SiC structure by chemical etching or polishing. There was a problem that peeling of the substrate could not be easily achieved. In the case of a sapphire substrate, a peeling method using a laser has also been proposed, but it has been difficult to peel off a large area without cracking the thick GaN layer. In addition, when GaAs is used as a base substrate, peeling from the thick GaN layer can be easily performed. However, at the growth temperature (˜1000 ° C.) of GaN by a typical HVPE method, thermal decomposition of GaAs occurs, so it is necessary to protect the back surface and side end surfaces other than the growth surface. Further, since the GaAs material itself contains highly toxic As as a main component, it is not necessarily a preferable base substrate in terms of environmental resistance.
素子作製工程において、窒化ガリウム系半導体層のヘテロ成長用の下地基板として、Si(111)を用いる事例も提案されている(特許文献2、特許文献3を参照)。その際、Si下地基板とGaNの格子定数差に起因する結晶成長上の問題を克服する手段として、AlN緩衝層を用いることが有用であることも例示されている(特許文献3を参照)。また、Si基板は、GaN成長温度において熱的に安定であり、更には、入手コストが低いこと、材料自体毒性が低いこと、結晶性のよい大口径ウエハが入手可能であることなど、多くの利点を有す。加えて、研磨や化学エッチングにより、容易にSiを選択的に除去することが可能であるため、自立GaN基板作製のための下地基板材料として有望である。
窒化ガリウム系半導体を成長する場合、Siを基板として用いる際には、GaとSiに因る反応に起因する結晶劣化、GaNとSiの熱膨張係数差に起因するクラッキング発生が問題となる。これらの問題を解決する技術として、GaとSiに因る反応を抑制する目的で、Si基板表面を炭化して、SiC組成の緩衝層を設ける手法(特開平8−56015号公報)、クラッキング発生を回避する目的で、AlGaInN超格子を緩衝層として用いる手法(特開平11−40850号公報)などが提案されている。しかし、これらの手法は、いずれも、Si基板上に成長される窒化ガリウム系半導体層の膜厚が数μmと薄い場合に、有効に適用可能な技術として提案されたものである。一方、膜厚は数百μmを超える、厚膜の窒化ガリウム系半導体層をSi基板上に堆積する場合には、次のような問題が生じる。例えば、上記SiC組成の緩衝層形成時、表面欠陥や表面に付着した異物に起因して、緩衝層にピンホールが生じやすい。この緩衝層内のピンホールを介して、GaとSi基板表面との直接的な接触が生じると、GaとSiの反応が起こるが、成長される窒化ガリウム系半導体層の膜厚が数μm程度と薄い場合には、成長中に進行する反応領域は、ピンホール近傍の局所的なものであり、基板全面に波及することはない。一方、厚膜GaNを堆積する場合、当初、ピンホール近傍における局所的な反応に伴って生じたGa/Si融液により、周囲の基板Siおよび堆積したGaN層がさらにメルトバックする結果、反応領域の拡大が加速度的に進行する。そのため、メルトバックに伴った、Ga/Si反応は、基板全面に影響を及ぼすことになり、成長される膜厚が増すとともに、より大きな問題となる。表面欠陥や表面に付着した異物に起因する、緩衝層内のピンホール発生を完全に抑制することは困難であるため、仮に、ピンホール発生が生じた際、その後に引き起こされる、メルトバック反応の拡大を抑制する手段は、前記結晶劣化の問題に対する、有効な解決手段となる。 When a gallium nitride based semiconductor is grown, when Si is used as a substrate, crystal degradation due to a reaction due to Ga and Si and cracking due to a difference in thermal expansion coefficient between GaN and Si become problems. As a technique for solving these problems, a method of carbonizing the surface of the Si substrate and providing a buffer layer having a SiC composition for the purpose of suppressing the reaction caused by Ga and Si (JP-A-8-56015), cracking occurs. In order to avoid this, a method using an AlGaInN superlattice as a buffer layer (Japanese Patent Laid-Open No. 11-40850) has been proposed. However, both of these techniques have been proposed as techniques that can be effectively applied when the film thickness of the gallium nitride based semiconductor layer grown on the Si substrate is as thin as several μm. On the other hand, when a thick gallium nitride based semiconductor layer having a film thickness exceeding several hundred μm is deposited on a Si substrate, the following problems arise. For example, when the buffer layer having the SiC composition is formed, pinholes are likely to be generated in the buffer layer due to surface defects or foreign matters attached to the surface. When direct contact between Ga and the Si substrate surface occurs through the pinhole in the buffer layer, the reaction between Ga and Si occurs, but the film thickness of the gallium nitride based semiconductor layer to be grown is about several μm. In the case of a thin film, the reaction region that progresses during the growth is local in the vicinity of the pinhole and does not spread over the entire surface of the substrate. On the other hand, when depositing a thick GaN film, the surrounding substrate Si and the deposited GaN layer are further melted back by the Ga / Si melt generated by a local reaction in the vicinity of the pinhole. The expansion of the process proceeds at an accelerated rate. For this reason, the Ga / Si reaction accompanying the meltback affects the entire surface of the substrate, resulting in a larger problem as the film thickness to be grown increases. Since it is difficult to completely suppress pinhole generation in the buffer layer due to surface defects or foreign matter adhering to the surface, if pinhole generation occurs, The means for suppressing the expansion is an effective solution to the problem of crystal degradation.
本発明は前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、Si基板を下地基板として用い、Si(111)面上に気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成する際、上記結晶劣化の拡大を有効に回避でき、良質な結晶性を示す窒化ガリウム系半導体基板の作製を可能とする方法を提供することにある。 The present invention solves the above-described problems. The object of the present invention is to use a Si substrate as a base substrate and form a thick gallium nitride based semiconductor layer by vapor deposition on a Si (111) surface. An object of the present invention is to provide a method capable of effectively avoiding the expansion of the above-mentioned crystal deterioration and making it possible to produce a gallium nitride based semiconductor substrate exhibiting good crystallinity.
本発明者は、Si(111)面上に気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成する際、従来用いていたSi(111)バルク基板に代えて、担体基板上に、SiO2膜などの誘電体層と、この誘電体層上にSi(111)層が積層された、SOI(silicon on insulator)基板を利用し、加えて、Si(111)層表面上に緩衝層を設け、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成することにより、Ga/Siメルトバック反応に起因する結晶劣化の拡大、ならびにピット上の表面欠陥の生成を有効に回避できることを見出した。本発明は、この知見に基づき、完成に至ったものである。 When forming a thick gallium nitride based semiconductor layer by vapor phase growth on the Si (111) surface, the present inventor replaced SiO 2 on the carrier substrate instead of the conventionally used Si (111) bulk substrate. A dielectric layer such as a film and an SOI (silicon on insulator) substrate in which a Si (111) layer is laminated on the dielectric layer are used, and a buffer layer is provided on the surface of the Si (111) layer. The inventors have found that the formation of a thick gallium nitride based semiconductor layer can effectively avoid the expansion of crystal degradation caused by the Ga / Si meltback reaction and the generation of surface defects on the pits. The present invention has been completed based on this finding.
すなわち、本発明の第一の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法は、
窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法であって、
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法である。
That is, the method for producing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the first aspect of the present invention includes:
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
And after depositing the buffer layer, depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer,
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, comprising manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
また、本発明の第二の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法は、
窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法であって、
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、前記緩衝層の表面を部分的に被覆する第二の誘電体層を形成する工程と、
前記第二の誘電体層による部分的被覆後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法である。
In addition, a method for producing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the second aspect of the present invention includes:
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
After depositing the buffer layer, forming a second dielectric layer partially covering the surface of the buffer layer;
Depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer after partial coating with the second dielectric layer,
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, comprising manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
さらに、本発明の第三の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法は、
窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法であって、
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、前記第一の誘電体層上の前記Si(111)層と緩衝層との積層構造を部分的に残し、他の領域では、前記Si(111)層と緩衝層との積層構造を除去し、第一の誘電体層表面を露出させる工程と、
前記Si(111)層と緩衝層との積層構造の部分的除去後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法である。
Furthermore, the method for producing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the third aspect of the present invention includes:
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
After the buffer layer is deposited, the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer on the first dielectric layer is partially left, and in other regions, the Si (111) layer and the buffer layer are Removing the laminated structure and exposing the surface of the first dielectric layer;
And at least a step of depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer after partial removal of the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer,
A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, comprising manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
上記の三種の形態を有する本発明の窒化ガリウム系半導体基板の作製方法において、
前記Si(111)層の厚さを、1μm以下の範囲に選択することが好ましい。また、前記緩衝層は、少なくともAlを含む窒化ガリウム系半導体層であることが好ましい。一方、前記第一の誘電体層の誘電体材料は、SiOxNyで示される誘電体材料の群から選択することが望ましい。同様に、前記第二の誘電体層の誘電体材料も、SiOxNyで示される誘電体材料の群から選択することが望ましい。
In the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate of the present invention having the above three types,
The thickness of the Si (111) layer is preferably selected within a range of 1 μm or less. The buffer layer is preferably a gallium nitride based semiconductor layer containing at least Al. On the other hand, the dielectric material of the first dielectric layer is preferably selected from the group of dielectric materials represented by SiO x N y . Similarly, the dielectric material of the second dielectric layer is preferably selected from the group of dielectric materials represented by SiO x N y .
なお、本発明の窒化ガリウム系半導体基板の作製方法において、
前記担体基板として、Si(111)基板とは異なる熱膨張係数の面内異方性を有する基板を用いることができる。例えば、前記担体基板として、Si(100)基板を用いることができる。
In the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate of the present invention,
As the carrier substrate, a substrate having in-plane anisotropy having a thermal expansion coefficient different from that of the Si (111) substrate can be used. For example, a Si (100) substrate can be used as the carrier substrate.
本発明により、研磨や化学エッチングによって、窒化ガリウム系半導体層から容易に除去することができ、また、安価に入手可能なSi基板を下地基板として利用し、Si(111)面上に気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成する際、GaとSiに因る反応に起因する結晶劣化の影響を局所的な範囲に抑制することが可能となる。結果として、本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法を利用することで、安価で、大面積のSi基板を下地基板として利用し、例えば、良質なGaN自立基板を簡便、かつ高い生産性で作製することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily remove from a gallium nitride based semiconductor layer by polishing or chemical etching, and use a Si substrate that is available at low cost as a base substrate, and vapor phase growth on the Si (111) surface. Thus, when forming a thick gallium nitride based semiconductor layer, it is possible to suppress the influence of crystal deterioration caused by the reaction due to Ga and Si within a local range. As a result, by using the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention, an inexpensive, large-area Si substrate is used as a base substrate, for example, a high-quality GaN free-standing substrate is simple and high in productivity. Can be produced.
本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法について、以下に詳しく説明する。 A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention will be described in detail below.
本発明にかかる作製方法の第一の特徴は、Si(111)面上に気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成する際、従来用いていたSi(111)バルク基板に代えて、担体基板上に、SiO2膜などの第一の誘電体層と、この第一の誘電体層上に薄膜のSi(111)層が積層された、SOI基板を利用する点にある。また、前記薄膜のSi(111)層の表面に緩衝層を形成した上で、気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成している。 The first feature of the manufacturing method according to the present invention is that, when a thick gallium nitride based semiconductor layer is formed on the Si (111) surface by vapor phase growth, it replaces the conventionally used Si (111) bulk substrate. An SOI substrate in which a first dielectric layer such as a SiO 2 film and a thin Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer is used on the carrier substrate. Further, a buffer layer is formed on the surface of the thin Si (111) layer, and then a thick gallium nitride based semiconductor layer is formed by vapor phase growth.
SOI基板ではなく、Siバルク基板を用いる場合には、緩衝層中に存在するピンホールを介した、Ga/Siメルトバック反応が起こった際、Siが基板側から継続的に供給される。そのため、Ga/Siメルトバック反応が加速度的に進行することにある。 In the case where a Si bulk substrate is used instead of the SOI substrate, Si is continuously supplied from the substrate side when a Ga / Si meltback reaction occurs through pinholes existing in the buffer layer. For this reason, the Ga / Si meltback reaction is accelerated.
一方、前記SOI基板においては、薄膜のSi(111)層と下の担体基板との間にSiO2膜などの第一の誘電体層を設けることで、両者間の物理的な分離を図り、Ga/Siメルトバック反応に関与するSi量を制限している。そのため、気相成長によって厚膜の窒化ガリウム系半導体層を形成する際、SOI基板も、その成長温度まで加熱された状態となるが、この加熱状態においても、第一の誘電体層は、両者間での物質移動を妨げる、物理的な分離層として機能する必要がある。従って、第一の誘電体層の膜厚は、例えば、担体基板として、Si(111)バルク基板やSi(100)バルク基板を用いる際にも、該Si基板から、上層のSi(111)層へのSiの供給を防止できるに十分な膜厚範囲に選択する。 On the other hand, in the SOI substrate, by providing a first dielectric layer such as a SiO 2 film between the thin Si (111) layer and the lower carrier substrate, physical separation between the two is achieved, The amount of Si involved in the Ga / Si meltback reaction is limited. Therefore, when a thick gallium nitride based semiconductor layer is formed by vapor phase growth, the SOI substrate is also heated to its growth temperature. Even in this heated state, the first dielectric layer is It must function as a physical separation layer that prevents mass transfer between the two. Therefore, the film thickness of the first dielectric layer is such that, for example, when an Si (111) bulk substrate or Si (100) bulk substrate is used as the carrier substrate, an upper Si (111) layer is formed from the Si substrate. A film thickness range sufficient to prevent the supply of Si to the substrate is selected.
また、該第一の誘電体層を介して、薄膜のSi(111)層が担体基板上に積層する構造とするので、該第一の誘電体層として、薄膜のSi(111)に対する密着性に富む、SiO2を始めとする、SiOxNyで示される誘電体材料を用いることが好ましい。その際、第一の誘電体層の膜厚は、少なくとも、100nm程度であっても、所望とする物理的な分離層としての機能は十分に発揮される。 In addition, since the thin Si (111) layer is laminated on the carrier substrate via the first dielectric layer, the thin dielectric layer adheres to Si (111) as the first dielectric layer. It is preferable to use a dielectric material represented by SiO x N y , which is rich in SiO 2 and the like. At that time, even if the thickness of the first dielectric layer is at least about 100 nm, the desired function as a physical separation layer is sufficiently exhibited.
加えて、本発明においては、前記第一の誘電体層上に積層されている、薄膜のSi(111)層自体の膜厚も薄くすることで、Ga/Siメルトバック反応に関与するSiの総量を制限している。従って、薄膜のSi(111)層自体の膜厚は、1μm以下の範囲、好ましくは、0.2μm以下の範囲に選択することが望ましい。Si(111)層の膜厚が0.2μm以下と薄くなると、例えば、300μm以上の厚膜GaNを成長する過程において、緩衝層中にピンホールが存在しても、このピンホールを介して、Si(111)層からGaN層へと供給されるSi量は少なく、Ga/Siメルトバック反応を引き起こすに至らないことが多いことが、本発明者の検討により解明された。Si(111)層の膜厚が増すとともに、このピンホールを介して、Si(111)層からGaN層へと供給されるSi量は増し、次第に、Ga/Siメルトバック反応の抑制効果は低減する。その際に、Si(111)層の膜厚が1μm以下の範囲であれば、Si(111)バルク基板を用いた場合と比較し、なお、有意な抑制効果を有している。一方、SOI基板を用いる際、薄膜のSi(111)層は、下地基板としの機能を有する上では、その膜厚が0.1μmもあれば、十分であることも判明した。 In addition, in the present invention, the thickness of the Si (111) layer itself, which is laminated on the first dielectric layer, is also reduced, thereby reducing the Si content involved in the Ga / Si meltback reaction. The total amount is limited. Therefore, it is desirable to select the film thickness of the thin Si (111) layer itself within a range of 1 μm or less, preferably within a range of 0.2 μm or less. When the film thickness of the Si (111) layer is reduced to 0.2 μm or less, for example, in the process of growing a thick film GaN of 300 μm or more, even if a pinhole exists in the buffer layer, It has been clarified by the inventor's examination that the amount of Si supplied from the Si (111) layer to the GaN layer is small and does not often cause a Ga / Si meltback reaction. As the film thickness of the Si (111) layer increases, the amount of Si supplied from the Si (111) layer to the GaN layer through this pinhole increases, and the effect of suppressing the Ga / Si meltback reaction gradually decreases. To do. At that time, if the thickness of the Si (111) layer is in the range of 1 μm or less, it has a significant suppression effect as compared with the case of using the Si (111) bulk substrate. On the other hand, when using an SOI substrate, it has been found that a thin Si (111) layer having a thickness of 0.1 μm is sufficient in order to function as a base substrate.
SOI基板自体の作製方法は、担体基板上に第一の誘電体層を介して、薄膜のSi(111)層が積層された構造が達成される限り、特に制限はない。例えば、担体基板上に第一の誘電体層を介して、Si(111)バルク基板を張り合せ法により接合した上で、上層のSi(111)バルク基板を研磨して、所望のSi(111)面を有し、少なくとも膜厚が1μm以下のSi(111)層とする手法が利用できる。あるいは、担体基板として、Si(111)バルク基板を選択する際には、このSi(111)バルク基板表面から酸素イオンを深くイオン注入し、その後、アニール処理を施しことで、基板表面下にSiO2層領域を形成し、最表面に薄いSi(111)層が残される構造を利用することもできる。 The manufacturing method of the SOI substrate itself is not particularly limited as long as a structure in which a thin Si (111) layer is laminated on the carrier substrate via the first dielectric layer is achieved. For example, after a Si (111) bulk substrate is bonded to a carrier substrate via a first dielectric layer by a bonding method, the upper Si (111) bulk substrate is polished to obtain a desired Si (111) ) Surface and at least a film thickness of 1 μm or less can be used. Alternatively, when a Si (111) bulk substrate is selected as the carrier substrate, oxygen ions are deeply implanted from the surface of the Si (111) bulk substrate, and then annealed to form SiO under the substrate surface. A structure in which a two- layer region is formed and a thin Si (111) layer is left on the outermost surface can also be used.
特に、前記担体基板上に第一の誘電体層を介して、Si(111)バルク基板を張り合せ法により接合する手法を用いる場合、張り合せ接合が可能である限り、種々の担体基板を利用することが可能である。例えば、担体基板として、Si(100)バルク基板を用い、第一の誘電体層を介して、Si(111)バルク基板を張り合せ接合し、研磨によって、Si(100)バルク基板上に第一の誘電体層を介して、薄膜のSi(111)層が積層された構造したSOI基板を利用することもできる。このように、本発明においては、SOI基板を作製する際に用いる担体基板として、種々の基板が利用可能であるが、安価であり、また、張り合せ接合に適しており、かつ大面積の基板が容易に入手可能なSiバルク基板を担体基板に利用することが望ましい。 In particular, when using a technique in which a Si (111) bulk substrate is bonded to the carrier substrate via a first dielectric layer by a bonding method, various carrier substrates are used as long as the bonding can be performed. Is possible. For example, a Si (100) bulk substrate is used as a carrier substrate, and a Si (111) bulk substrate is bonded and bonded via a first dielectric layer, and then polished onto the Si (100) bulk substrate by polishing. It is also possible to use an SOI substrate having a structure in which a thin Si (111) layer is laminated via a dielectric layer. As described above, in the present invention, various substrates can be used as the carrier substrate used in manufacturing the SOI substrate, but the substrate is inexpensive, suitable for bonding and having a large area. However, it is desirable to use a Si bulk substrate that is easily available for the carrier substrate.
次いで、薄膜のSi(111)層を下地基板として、緩衝層を形成する。この緩衝層は、その上に成長する窒化ガリウム系半導体と、下地基板のSi(111)との格子定数差に起因する界面での応力歪み、この応力歪みによるミス・フィット転位などの欠陥導入を回避する機能を有する。従って、緩衝層には、目的とする窒化ガリウム系半導体と格子定数の整合性が高く、同時に、目的の窒化ガリウム系半導体よりも剪断応力に優れるIII族窒化物半導体を選択する。さらには、この緩衝層として利用するIII族窒化物半導体自体が、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程中、その加熱条件下、下地基板のSi(111)との界面において、メルトバック反応を引き起こし難いことも必要である。具体的には、III族(13族)金属のうち、Al、Inは、Gaよりも有意に高い融点を有し、高温下において、Siと接触した際、メルトバック反応をより引き起こし難い。従って、III族窒化物半導体のうち、Al、Inの含有比率が高く、Gaの含有比率は低く、かつ、その格子定数は、目的とする窒化ガリウム系半導体の格子定数と整合性が高い範囲に選択することが好ましい。 Next, a buffer layer is formed using the thin Si (111) layer as a base substrate. This buffer layer introduces defects such as stress-fitting dislocations due to stress strain at the interface caused by the difference in lattice constant between the gallium nitride semiconductor grown on the buffer layer and Si (111) of the underlying substrate. Has a function to avoid. Therefore, a III-nitride semiconductor having a high lattice constant matching with the target gallium nitride semiconductor and having a higher shear stress than the target gallium nitride semiconductor is selected for the buffer layer. Further, the group III nitride semiconductor itself used as the buffer layer is melt-backed at the interface with Si (111) of the base substrate under the heating condition during the process of depositing the thick gallium nitride semiconductor layer. It must also be difficult to cause a reaction. Specifically, among Group III (Group 13) metals, Al and In have melting points significantly higher than Ga, and are less likely to cause a meltback reaction when in contact with Si at high temperatures. Therefore, among group III nitride semiconductors, the content ratio of Al and In is high, the content ratio of Ga is low, and the lattice constant thereof is in a range in which the lattice constant of the target gallium nitride semiconductor is high. It is preferable to select.
前記要件を満足する緩衝層用のIII族窒化物半導体としては、AlN、このAlNを構成するAlに代えて、部分的にGaやInを含むAlxGayIn1-x-yN混晶、もしくは超格子を挙げることができる。その際、緩衝層として利用する、AlxGayIn1-x-yN混晶中のGa、Inの含有比率y、1−x−yを、SiとGaNの格子定数差に起因する歪み応力の緩和作用が、AlNよりも大きく劣らない範囲に選択する。あるいは、AlxGayIn1-x-yN超格子において、その平均された格子定数を、前記緩衝層として好適に利用可能な組成のAlxGayIn1-x-yN混晶が示す格子定数と同程度に選択する。また、Si(111)層と接するAlxGayIn1-x-yN混晶中に含まれるGaにより、その界面でGa/Siメルトバック反応が顕著に進行しない範囲に、Gaの含有比率yを選択する。 As the group III nitride semiconductor for the buffer layer satisfying the above requirements, AlN, Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal partially containing Ga or In, instead of Al constituting this AlN, or A superlattice can be mentioned. At that time, the content ratios y and 1- xy of Ga and In in the Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal used as the buffer layer are set as the strain stress due to the lattice constant difference between Si and GaN. The range is selected so that the relaxation effect is not inferior to that of AlN. Alternatively, in the Al x Ga y In 1 -xy N superlattice, the average lattice constant is expressed by the lattice constant indicated by the Al x Ga y In 1 -xy N mixed crystal having a composition that can be suitably used as the buffer layer. Select to the same extent. In addition, the Ga content ratio y is set so that the Ga / Si meltback reaction does not proceed remarkably at the interface due to Ga contained in the Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal in contact with the Si (111) layer. select.
さらに、緩衝層は、格子定数差に起因する界面での応力歪みを緩和する機能を発揮する上では、それ自体の膜厚は、0.02μm以上、2μm以下の範囲、例えば、0.2μm程度の薄さに選択することが望ましい。なお、この緩衝層自体、その上に成長する窒化ガリウム系半導体と、下地基板のSi(111)とを分離する役割を有するので、過度に薄い膜厚に選択することは望ましく無く、少なくとも、0.02μm以上を選択することが好ましい。 Furthermore, the buffer layer itself has a film thickness in the range of 0.02 μm to 2 μm, for example, about 0.2 μm, in order to exhibit the function of relieving stress strain at the interface caused by the difference in lattice constant. It is desirable to select a thin thickness. Since the buffer layer itself has a role of separating the gallium nitride semiconductor grown on the buffer layer and Si (111) of the base substrate, it is not desirable to select an excessively thin film thickness. It is preferable to select 0.02 μm or more.
本発明の第一の形態では、担体基板上に第一の誘電体層を介して、薄膜のSi(111)層が積層されてなる基板を利用し、Si(111)層上に緩衝層を介して、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程を選択している。この緩衝層の膜厚は薄いため、Si(111)層表面の付着物などの外的な要因により、緩衝層中に微細なピンホールなどを含むことがある。その際、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する間に、緩衝層中のピンホールを介し、Ga/Siのメルトバック反応が局所的に生じても、薄膜のSi(111)層を採用することで、Siの供給量を制限し、反応が加速度的に進行することを抑制する効果が得られる。 In the first embodiment of the present invention, a buffer layer is formed on a Si (111) layer using a substrate in which a thin Si (111) layer is laminated on a carrier substrate via a first dielectric layer. Thus, a step of depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer is selected. Since the buffer layer is thin, the buffer layer may contain fine pinholes due to external factors such as deposits on the surface of the Si (111) layer. At that time, even when a Ga / Si meltback reaction occurs locally through a pinhole in the buffer layer during the deposition of the thick gallium nitride semiconductor layer, a thin Si (111) layer is adopted. By doing this, the effect of restricting the supply amount of Si and suppressing the reaction from accelerating can be obtained.
本発明の第二の形態においては、薄膜のSi(111)層上に緩衝層を介して、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する際、緩衝層の表面を部分的に被覆する第二の誘電体層を形成している。その際、窒化ガリウム系半導体層の成長は、前記第二の誘電体層による被覆がなされていない緩衝層の表面から開始し、この緩衝層に用いるAlNなどのIII族窒化物半導体と同一の面方位に結晶成長が進行する形態とする。従って、第二の誘電体層としては、その表面においては、窒化ガリウム系半導体の成長核の形成が生じることのない誘電体材料を用いる。加えて、この第二の誘電体層は、HVPE成長条件下で安定であり、緩衝層の表面を被覆する機能を示すこと、また、緩衝層に用いる、第一のIII族窒化物半導体膜との間で化学反応を生じないことも必要である。この三つの要件を満足する第二の誘電体層用の誘電体材料としては、例えば、SiO2、SiNx、アルミニウム酸化物(Al2O3)、または、SiOxNy、あるいは、それらを組み合わせた積層膜が例示できる。なかでも、第二の誘電体層に対しても、SiO2を始めとする、SiOxNyで示される誘電体材料を用いることが好ましい。 In the second embodiment of the present invention, when the thick gallium nitride based semiconductor layer is deposited on the thin Si (111) layer via the buffer layer, the surface of the buffer layer is partially covered. The dielectric layer is formed. In this case, the growth of the gallium nitride based semiconductor layer starts from the surface of the buffer layer not covered with the second dielectric layer, and is the same surface as the group III nitride semiconductor such as AlN used for the buffer layer. The crystal growth proceeds in the orientation. Therefore, as the second dielectric layer, a dielectric material that does not cause formation of a growth nucleus of a gallium nitride semiconductor on the surface thereof is used. In addition, the second dielectric layer is stable under HVPE growth conditions, exhibits a function of covering the surface of the buffer layer, and includes a first group III nitride semiconductor film used for the buffer layer and It is also necessary that no chemical reaction occurs between the two. As the dielectric material for the second dielectric layer satisfying these three requirements, for example, SiO 2 , SiN x , aluminum oxide (Al 2 O 3 ), SiO x N y , or those are used. The laminated film combined can be illustrated. In particular, it is preferable to use a dielectric material represented by SiO x N y including SiO 2 for the second dielectric layer.
厚膜の窒化ガリウム系半導体層成長においては、成長初期には、第二の誘電体層による被覆領域上への堆積は生じないが、被覆されていない緩衝層の表面から結晶成長が進行し、その後、横方向への成長が生じる。この横方向成長を利用することで、成長膜厚が増すととともに、第二の誘電体層による被覆領域上面も埋め込まれ、最終的には、基板面全体に窒化ガリウム系半導体層の成長が進む(例えば、C. Sasaoka他、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース、189/190巻、1998年、61〜66ページ)。その結果として、一定の膜厚以上の厚膜成長を行う際、基板全体に平坦な表面を有する、厚膜の窒化ガリウム系半導体層が得られる。 In the growth of a thick gallium nitride-based semiconductor layer, deposition does not occur on the covering region by the second dielectric layer in the initial stage of growth, but crystal growth proceeds from the surface of the uncovered buffer layer, Thereafter, lateral growth occurs. By utilizing this lateral growth, the growth film thickness is increased, and the upper surface of the covering region by the second dielectric layer is also buried, and eventually the growth of the gallium nitride based semiconductor layer proceeds over the entire substrate surface. (For example, C. Sasaoka et al., Journal of Crystal Growth, 189/190, 1998, pages 61-66). As a result, a thick gallium nitride semiconductor layer having a flat surface over the entire substrate is obtained when a thick film having a certain thickness or more is grown.
なお、横方向成長を利用する、第二の誘電体層による被覆領域上面の埋め込みを効果的に行うためには、緩衝層を被覆する第二の誘電体層に設ける開口部を、密な面密度で設ける必要がある。すなわち、成長初期において、第二の誘電体層表面に降り注ぐ、III族元素原料ならびに窒素原料は、第二の誘電体層表面を表面拡散し、開口部の緩衝層表面での窒化ガリウム系半導体成長面に達する必要がある。成長温度にも依存するが、第二の誘電体層表面において、III族元素原料ならびに窒素原料の表面拡散が可能な平均的距離と比較し、開口部間の平均間隔は、同程度または、より短く選択することが好ましい。加えて、第二の誘電体層に設ける開口部は、基板面全体にわたり、規則的に配置することがより望ましい。少なくとも、基板面の各部分領域において、個々の小領域内で平均した、開口部/(開口部と被覆領域)の面積比率(平均的開口比率)は、一定となるように、開口部を緻密な面密度で設けることが必要である。例えば、パターン・エッチングによって、所望の幅を有する開口部を挟んで、ストライプ状の第二の誘電体層を、一定のピッチで配置する手法が利用できる。その際、前記ピッチ間隔を10μm以下の範囲に選択し、ストライプ状第二の誘電体層の幅は、開口部/(開口部と被覆領域)の面積比率(平均的開口比率)が、1/10以上、4/10以下の範囲となるように選択することが望ましい。加えて、前記窒化ガリウム系半導体における横方向成長は、結晶方位異方性を示すため、窒化ガリウム系半導体層の成長面方位が(0001)の場合、前記ストライプ状開口部のストライプの方向(長手方向)は、<11−20>もしくは<1−100>軸方向に選択することが好ましい。 In order to effectively fill the upper surface of the covering region with the second dielectric layer using lateral growth, an opening provided in the second dielectric layer covering the buffer layer is formed on a dense surface. It is necessary to provide with density. That is, in the initial stage of growth, the group III element material and the nitrogen material that pour onto the surface of the second dielectric layer diffuse the surface of the second dielectric layer and grow the gallium nitride semiconductor on the buffer layer surface of the opening. Need to reach the face. Although it depends on the growth temperature, the average distance between the openings on the second dielectric layer surface is the same or higher than the average distance that allows surface diffusion of the group III element source and the nitrogen source. A short selection is preferred. In addition, it is more desirable that the openings provided in the second dielectric layer are regularly arranged over the entire substrate surface. At least in each partial region of the substrate surface, the apertures are dense so that the area ratio (average aperture ratio) of the apertures / (openings and covering regions) averaged within each small region is constant. It is necessary to provide with a high surface density. For example, it is possible to use a technique in which stripe-shaped second dielectric layers are arranged at a constant pitch across an opening having a desired width by pattern etching. At this time, the pitch interval is selected within a range of 10 μm or less, and the width of the stripe-shaped second dielectric layer is such that the area ratio (average opening ratio) of opening / (opening and covering region) is 1 / It is desirable to select so that it is in the range of 10 or more and 4/10 or less. In addition, since lateral growth in the gallium nitride based semiconductor exhibits crystal orientation anisotropy, when the growth plane orientation of the gallium nitride based semiconductor layer is (0001), the stripe direction (longitudinal direction) of the striped opening Direction) is preferably selected in the <11-20> or <1-100> axial direction.
加えて、上記の横方向成長機構を利用する際、ストライプ状開口部の幅に対して、第二の誘電体層の膜厚が相対的に増し、かかる溝構造の深さ/幅比が1を超えると、ストライプ状開口部内の緩衝層表面からファセット状に成長した窒化ガリウム系半導体を起点とする横方向成長が場合によっては困難とする。従って、ストライプ状開口部の幅に対する、第二の誘電体層膜厚の比率(溝構造の深さ/幅比)は、1/1以下、好ましくは0.2/10〜2/10の範囲に選択することが望ましい。 In addition, when the above lateral growth mechanism is used, the thickness of the second dielectric layer is relatively increased with respect to the width of the stripe-shaped opening, and the depth / width ratio of the groove structure is 1 Exceeding this makes lateral growth starting from a gallium nitride-based semiconductor grown facet-like from the buffer layer surface in the stripe-shaped opening becomes difficult in some cases. Accordingly, the ratio of the thickness of the second dielectric layer to the width of the stripe-shaped opening (depth / width ratio of the groove structure) is 1/1 or less, preferably in the range of 0.2 / 10 to 2/10. It is desirable to choose.
上記本発明の第二の形態においては、厚膜成長される窒化ガリウム系半導体層と直接接する緩衝層表面は、前記開口部に露呈する部分のみとなる。従って、緩衝層中に微細なピンホールなどを含む際、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する間に、緩衝層中のピンホールを介し、Ga/Siのメルトバック反応が局所的に生じるのは、この開口部表面に限定される。従って、開口部/(開口部と被覆領域)の面積比率(平均的開口比率)の減少に応じて、Ga/Siのメルトバック反応が局所的に生じる箇所の総数も減少する効果が得られる。同時に、薄膜のSi(111)層を採用することで、Siの供給量を制限し、反応が加速度的に進行することを抑制する効果と相俟って、Ga/Siメルトバックに起因する結晶劣化、その結果生じる表面のピット状欠陥に対して、一層の低減効果が得られる。 In the second embodiment of the present invention, the surface of the buffer layer that is in direct contact with the gallium nitride based semiconductor layer that is grown thick is only the portion exposed to the opening. Therefore, when a fine pinhole or the like is included in the buffer layer, a Ga / Si meltback reaction occurs locally through the pinhole in the buffer layer while the thick gallium nitride semiconductor layer is deposited. Is limited to the surface of the opening. Therefore, the effect of reducing the total number of locations where the Ga / Si meltback reaction occurs locally as the area ratio (average opening ratio) of the opening / (opening and covering region) decreases is obtained. At the same time, by adopting a thin Si (111) layer, it is possible to limit the amount of Si supplied, and in combination with the effect of suppressing the reaction from proceeding at an accelerated rate, crystals caused by Ga / Si meltback A further reduction effect is obtained with respect to the deterioration and the resulting surface pit-like defects.
前記第二の形態では、第二の誘電体層を利用して、部分的な被覆を施し、厚膜成長される窒化ガリウム系半導体層と直接接する緩衝層表面は、前記開口部に露呈する部分のみ限定している。それに対して、本発明にかかる第三の形態では、第一の誘電体層上のSi(111)層と緩衝層との積層構造を部分的に残し、他の領域では、Si(111)層と緩衝層との積層構造を除去し、第一の誘電体層表面を露出させることで、厚膜成長される窒化ガリウム系半導体層と直接接する緩衝層表面を限定している。 In the second embodiment, the second dielectric layer is used to provide a partial coating, and the buffer layer surface that is in direct contact with the gallium nitride-based semiconductor layer grown thickly is exposed to the opening. Only limited. On the other hand, in the third embodiment according to the present invention, the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer on the first dielectric layer is partially left, and in other regions, the Si (111) layer is left. The surface of the buffer layer that is in direct contact with the gallium nitride-based semiconductor layer grown in a thick film is limited by removing the laminated structure of the first and second dielectric layers and exposing the surface of the first dielectric layer.
その際、露呈される第一の誘電体層は、その表面においては、窒化ガリウム系半導体の成長核の形成が生じることのない誘電体材料を用いる。加えて、この第一の誘電体層は、HVPE成長条件下で安定であり、また、緩衝層に用いる、第一のIII族窒化物半導体膜との間で化学反応を生じないことも必要である。この三つの要件を満足する第一の誘電体層用の誘電体材料としては、例えば、SiO2、SiNx、アルミニウム酸化物(Al2O3)、または、SiOxNy、あるいは、それらを組み合わせた積層膜が例示できる。なかでも、第一の誘電体層に対して、SiO2を始めとする、SiOxNyで示される誘電体材料を用いることが好ましい。 At this time, the exposed first dielectric layer is made of a dielectric material that does not cause formation of a growth nucleus of a gallium nitride semiconductor on the surface thereof. In addition, the first dielectric layer must be stable under HVPE growth conditions and should not cause chemical reaction with the first group III nitride semiconductor film used for the buffer layer. is there. Examples of the dielectric material for the first dielectric layer satisfying these three requirements include, for example, SiO 2 , SiN x , aluminum oxide (Al 2 O 3 ), SiO x N y , or them. The laminated film combined can be illustrated. Among these, it is preferable to use a dielectric material represented by SiO x N y including SiO 2 for the first dielectric layer.
厚膜の窒化ガリウム系半導体層成長においては、成長初期には、第一の誘電体層が露呈されている領域上への堆積は生じないが、部分的に残されている緩衝層の表面から結晶成長が進行し、その後、横方向への成長が生じる。この横方向成長を利用することで、成長膜厚が増すととともに、第一の誘電体層の露呈領域上面を横方向成長層が覆い、最終的には、基板面全体に窒化ガリウム系半導体層の成長が進む。その結果として、一定の膜厚以上の厚膜成長を行う際、基板全体に平坦な表面を有する、厚膜の窒化ガリウム系半導体層が得られる。 In the growth of a thick gallium nitride-based semiconductor layer, deposition does not occur on the exposed region of the first dielectric layer in the initial stage of growth, but from the surface of the buffer layer that remains partially. Crystal growth proceeds, and then lateral growth occurs. By utilizing this lateral growth, the growth film thickness is increased, the lateral growth layer covers the upper surface of the exposed area of the first dielectric layer, and finally the gallium nitride based semiconductor layer over the entire substrate surface. Progress. As a result, a thick gallium nitride semiconductor layer having a flat surface over the entire substrate is obtained when a thick film having a certain thickness or more is grown.
なお、横方向成長を利用する、第一の誘電体層露呈領域上面の埋め込みを効果的に行うためには、緩衝層が残留する部分小領域を、密な面密度で設ける必要がある。すなわち、成長初期において、第一の誘電体層表面に降り注ぐ、III族元素原料ならびに窒素原料は、第一の誘電体層表面を表面拡散し、残留部の緩衝層表面での窒化ガリウム系半導体成長面に達する必要がある。成長温度にも依存するが、第一の誘電体層表面において、III族元素原料ならびに窒素原料の表面拡散が可能な平均的距離と比較し、緩衝層の残留する小領域(残留部)間の平均間隔は、同程度または、より短く選択することが好ましい。加えて、この緩衝層残留部は、基板面全体にわたり、規則的に配置することがより望ましい。少なくとも、基板面の各部分領域において、個々の小領域内で平均した、残留部/(残留部と露呈領域)の面積比率(平均的残留比率)は、一定となるように、緩衝層の残留部を緻密な面密度で設けることが必要である。例えば、マスク・エッチングによって、所望の幅を有する露呈部を挟んで、ストライプ形状にエッチング加工されたSi(111)層と緩衝層との積層構造を、一定のピッチで残す手法が利用できる。その際、前記ピッチ間隔を10μm以下の範囲に選択し、ストライプ形状のSi(111)層と緩衝層との積層構造残留部の幅は、残留部/(残留部と露呈領域)の面積比率(平均的残留比率)が、1/10以上、4/10以下の範囲となるように選択することが望ましい。加えて、前記窒化ガリウム系半導体における横方向成長は、結晶方位異方性を示すため、窒化ガリウム系半導体層の成長面方位が(0001)の場合、前記ストライプ状残留部のストライプの方向(長手方向)は、<11−20>もしくは<1−100>軸方向に選択することが好ましい。 In order to effectively fill the upper surface of the first dielectric layer exposed region using lateral growth, it is necessary to provide a partial small region where the buffer layer remains with a dense surface density. That is, in the initial stage of growth, the Group III element material and the nitrogen material that pour onto the surface of the first dielectric layer diffuse the surface of the first dielectric layer and grow the gallium nitride semiconductor on the buffer layer surface of the remaining portion. Need to reach the face. Although it depends on the growth temperature, compared with the average distance that the surface diffusion of the group III element material and the nitrogen material is possible on the surface of the first dielectric layer, it is between the small regions (residual parts) where the buffer layer remains. The average interval is preferably selected to be the same or shorter. In addition, it is more desirable to arrange the buffer layer residual portions regularly over the entire substrate surface. At least in each partial region of the substrate surface, the residual ratio of the buffer layer so that the area ratio (average residual ratio) of the residual portion / (residual portion and exposed region) averaged within each small region is constant. It is necessary to provide the portion with a dense surface density. For example, a method of leaving a laminated structure of a Si (111) layer etched in a stripe shape and a buffer layer at a constant pitch by sandwiching an exposed portion having a desired width by mask etching can be used. At this time, the pitch interval is selected within a range of 10 μm or less, and the width of the remaining portion of the stacked structure of the stripe-shaped Si (111) layer and the buffer layer is the ratio of the remaining portion / (residual portion and exposed region) area ratio ( The average residual ratio is preferably selected to be in the range of 1/10 or more and 4/10 or less. In addition, since lateral growth in the gallium nitride based semiconductor exhibits crystal orientation anisotropy, when the growth plane orientation of the gallium nitride based semiconductor layer is (0001), the stripe direction (longitudinal direction) of the striped residual portion Direction) is preferably selected in the <11-20> or <1-100> axial direction.
なお、上記の横方向成長機構を利用する際、ストライプ状露呈領域の幅に対して、Si(111)層と緩衝層との積層構造膜厚、特には、Si(111)層の膜厚が相対的に増し、かかる溝構造の深さ/幅比が1を超えると、その溝側面に露出するSi(111)層からのSiの供給が相対的に顕著となる。従って、この副次的影響を抑制するため、ストライプ状露呈領域部の幅に対する、Si(111)層と緩衝層との積層構造膜厚の比率(溝構造の深さ/幅比)は、1/1以下、好ましくは0.2/10〜2/10の範囲に選択することが望ましい。換言すると、薄膜のSi(111)層と緩衝層との積層構造膜厚、特に、薄膜のSi(111)層の膜厚は、1μm以下、好ましくは、0.2μm以下の範囲に選択する際、ストライプ状露呈領域の幅は、1μm〜10μmの範囲に選択することが可能となる。 When using the above lateral growth mechanism, the thickness of the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer, particularly the thickness of the Si (111) layer, is larger than the width of the striped exposed region. When the depth / width ratio of the groove structure is relatively greater than 1, the supply of Si from the Si (111) layer exposed on the side surface of the groove becomes relatively significant. Therefore, in order to suppress this secondary influence, the ratio of the thickness of the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer to the width of the stripe-shaped exposed region portion (depth / width ratio of the groove structure) is 1 / 1 or less, preferably 0.2 / 10 to 2/10. In other words, the thickness of the laminated structure of the thin Si (111) layer and the buffer layer, in particular, the thickness of the thin Si (111) layer is selected within a range of 1 μm or less, preferably 0.2 μm or less. The width of the stripe-shaped exposed region can be selected in the range of 1 μm to 10 μm.
加えて、Si(111)層と緩衝層との積層構造残留部において、下層のSi(111)層表面を緩衝層が被覆する形態とする。すなわち、気相成長により、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する際、堆積される窒化ガリウム系半導体が下層のSi(111)層表面と直接接触を生じない形態とする。その際、露呈される溝部の幅も微細であり、また、エッチングするSi(111)層と緩衝層とは異種材料であるので、両者を同時にマスク・エッチング除去でき、一方、第一の誘電体層はエッチングされない選択性を有する手段として、塩素系ドライエッチング法の利用が適している。 In addition, the buffer layer covers the surface of the lower Si (111) layer in the layered structure remaining portion of the Si (111) layer and the buffer layer. That is, when depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer by vapor phase growth, the deposited gallium nitride based semiconductor does not directly contact the surface of the underlying Si (111) layer. At this time, the width of the exposed groove is also fine, and the Si (111) layer to be etched and the buffer layer are made of different materials, so that both of them can be simultaneously masked and etched away. The use of a chlorine-based dry etching method is suitable as a means having the selectivity that the layer is not etched.
本発明にかかる第三の形態では、厚膜成長される窒化ガリウム系半導体層と直接接する緩衝層表面は、エッチング加工されたSi(111)層と緩衝層との積層構造の残留部分に限定している。また、Ga/Siのメルトバック反応に関与する、薄膜のSi(111)層も、この残留部分に限定されている。すなわち、緩衝層中に微細なピンホールなどを含む際、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する間に、緩衝層中のピンホールを介し、Ga/Siのメルトバック反応が局所的に生じるのは、この残留部表面に限定される。従って、残留部/(残留部と露呈領域)の面積比率(平均的残留比率)の減少に応じて、Ga/Siのメルトバック反応が局所的に生じる箇所の総数も減少する効果が得られる。同時に、薄膜のSi(111)層を採用し、かつ、残留しているSi(111)層の領域自体も限定されているため、一層Siの供給量が制限され、反応が加速度的に進行することをなお一層抑制する効果と相俟って、Ga/Siメルトバックに起因する結晶劣化、その結果生じる表面のピット状欠陥に対して、格段の低減効果が得られる。 In the third embodiment of the present invention, the buffer layer surface that is in direct contact with the gallium nitride based semiconductor layer that is grown thick is limited to the remaining portion of the stacked structure of the etched Si (111) layer and the buffer layer. ing. The thin Si (111) layer involved in the Ga / Si meltback reaction is also limited to this remaining portion. That is, when a fine pinhole or the like is included in the buffer layer, a Ga / Si meltback reaction occurs locally through the pinhole in the buffer layer while the thick gallium nitride semiconductor layer is deposited. This is limited to the surface of the remaining portion. Therefore, the effect of reducing the total number of locations where the Ga / Si meltback reaction occurs locally is obtained as the area ratio (average residual ratio) of the residual part / (residual part and exposed region) decreases. At the same time, since a thin Si (111) layer is employed and the region of the remaining Si (111) layer itself is limited, the supply amount of Si is further limited, and the reaction proceeds at an accelerated rate. Combined with the effect of further suppressing this, a remarkable reduction effect can be obtained with respect to crystal deterioration due to Ga / Si meltback and the resulting surface pit-like defects.
本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法では、SOI基板を利用し、基板面全体に平坦な表面を有する、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積した後、通常、SOI基板と厚膜の窒化ガリウム系半導体層とを分離し、窒化ガリウム系半導体自立基板の形態とする。その際、厚膜の窒化ガリウム系半導体層とSOI基板との界面領域には、第一の誘電体層と薄膜のSi(111)層が存在しており、これらを選択的に溶解可能なエッチング液を利用して、エッチング処理することで、分離を行うことが可能である。この選択的エッチング処理に利用可能なエッチング液の例として、フッ硝酸溶液を挙げることができる。 In the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention, an SOI substrate is used, and after depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer having a flat surface over the entire substrate surface, the SOI substrate and the thick film are usually formed. The gallium nitride based semiconductor layer is separated to form a gallium nitride based semiconductor free-standing substrate. At this time, the first dielectric layer and the thin Si (111) layer exist in the interface region between the thick gallium nitride semiconductor layer and the SOI substrate, and these can be selectively dissolved. Separation can be performed by etching using a liquid. An example of an etchant that can be used for the selective etching process is a hydrofluoric acid solution.
換言するならば、仮に、SOI基板を構成する担体基板は、前記選択的エッチング処理によって溶解されなくとも、界面領域を構成する第一の誘電体層と薄膜のSi(111)層を溶解除去できれば、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を分離することが可能である。 In other words, if the carrier substrate constituting the SOI substrate is not dissolved by the selective etching process, the first dielectric layer constituting the interface region and the thin Si (111) layer can be dissolved and removed. It is possible to separate the thick gallium nitride based semiconductor layer.
本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法では、先に説明したように、利用するSOI基板を構成する担体基板として、薄膜のSi(111)層と異なる材料からなる基板、あるいは、Si(111)層と異なる面方位を有するSiバルク基板を用いることができる。 In the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention, as described above, the carrier substrate constituting the SOI substrate to be used is a substrate made of a material different from the thin Si (111) layer, or Si ( A Si bulk substrate having a plane orientation different from that of the (111) layer can be used.
また、SOI基板を構成する担体基板として、薄膜のSi(111)層と比較して、熱膨張係数の面内異方性が異なる基板を利用することもできる。例えば、薄膜のSi(111)層と異なる面方位を有するSiバルク基板、例えば、Si(100)基板では、その面内に含まれる結晶方位が異なっており、熱熱膨張係数の面内異方性が相違している。 Further, as the carrier substrate constituting the SOI substrate, a substrate having a different in-plane anisotropy of thermal expansion coefficient as compared with a thin Si (111) layer can be used. For example, in a Si bulk substrate having a different plane orientation from that of a thin Si (111) layer, for example, a Si (100) substrate, the crystal orientation contained in the plane is different and the thermal thermal expansion coefficient is in-plane anisotropic. The gender is different.
薄膜のSi(111)層上に厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する際、Si(111)層と窒化ガリウム系半導体層とで熱膨張係数に差違があり、堆積後、冷却する間に、この熱膨張係数の差違に起因する歪み応力が生じる。この歪み応力は、Si(111)層と窒化ガリウム系半導体層との界面領域に集中する。加えて、担体基板として、Si(100)基板を選択すると、熱熱膨張係数の面内異方性が相違する結果、冷却する間に、Si(100)基板と薄膜のSi(111)層との間にも、面内の歪み応力が生じる。従って、この二つの要因を有する歪み応力は、厚膜の窒化ガリウム系半導体層とSOI基板との境界領域に集中している。 When a thick gallium nitride based semiconductor layer is deposited on a thin Si (111) layer, there is a difference in thermal expansion coefficient between the Si (111) layer and the gallium nitride based semiconductor layer. Strain stress resulting from this difference in thermal expansion coefficient occurs. This strain stress is concentrated in the interface region between the Si (111) layer and the gallium nitride based semiconductor layer. In addition, when a Si (100) substrate is selected as the carrier substrate, the in-plane anisotropy of the thermal thermal expansion coefficient is different. As a result, during cooling, the Si (100) substrate and the thin Si (111) layer An in-plane strain stress is also generated between them. Therefore, the strain stress having these two factors is concentrated in the boundary region between the thick gallium nitride semiconductor layer and the SOI substrate.
例えば、本発明の第三の形態では、Si(111)層と緩衝層との積層構造はエッチング加工されており、厚膜の窒化ガリウム系半導体層とSOI基板との境界領域の一部を占めているのみである。この場合には、境界領域に集中している面内方向の歪み応力により、エッチング加工されたSi(111)層と緩衝層との積層構造部分、Si(111)層と緩衝層との界面、あるいは、第一の誘電体膜と薄膜のSi(111)層との界面における剥離が引き起こされることもある。すなわち、面内方向の歪み応力が境界領域に集中する際、エッチング加工に伴い、残留部/(残留部と露呈領域)の面積比率(平均的残留比率)が一定比率以下となると、異種材料間の界面における剪断が優先して進行する。 For example, in the third embodiment of the present invention, the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer is etched, and occupies a part of the boundary region between the thick gallium nitride semiconductor layer and the SOI substrate. Only. In this case, due to the strain stress in the in-plane direction concentrated on the boundary region, the laminated structure portion of the etched Si (111) layer and the buffer layer, the interface between the Si (111) layer and the buffer layer, Alternatively, peeling at the interface between the first dielectric film and the thin Si (111) layer may be caused. That is, when the strain stress in the in-plane direction is concentrated on the boundary region, if the area ratio (average residual ratio) of the residual portion / (residual portion and exposed region) becomes a certain ratio or less due to the etching process, The shearing at the interface proceeds with priority.
このSi(111)層と窒化ガリウム系半導体層間における熱膨張係数の差異、ならびに薄膜のSi(111)層と担体基板の熱膨張係数面内異方性の相違を利用することで、厚膜の窒化ガリウム系半導体層の堆積後、冷却する間に、自発的に分離する効果が得られる。この現象は、担体基板サイズが大きくなるとともに、より顕著なものとなり、成長後に、担体基板を除去するための研磨や化学エッチング処理を行うことなく、窒化ガリウム系半導体基板を得ることができ、工程上大きな利点となる。なお、冷却する間に、自発的に分離する厚膜の窒化ガリウム系半導体層の裏面には、Si(111)層と緩衝層との積層構造の一部が残余することがある。従って、一般に、かかる残渣を除去する目的で、裏面研磨や化学エッチング処理を施し、目的の窒化ガリウム系半導体自立基板とする。 By utilizing this difference in thermal expansion coefficient between the Si (111) layer and the gallium nitride based semiconductor layer, and the difference in in-plane anisotropy between the thermal expansion coefficient of the thin Si (111) layer and the carrier substrate, After the gallium nitride based semiconductor layer is deposited, an effect of spontaneous separation can be obtained during cooling. This phenomenon becomes more prominent as the carrier substrate size increases, and after the growth, a gallium nitride based semiconductor substrate can be obtained without performing polishing or chemical etching treatment for removing the carrier substrate. This is a great advantage. Note that a part of the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer may remain on the back surface of the thick gallium nitride semiconductor layer that spontaneously separates during cooling. Therefore, in general, for the purpose of removing such residue, backside polishing or chemical etching is performed to obtain a target gallium nitride based semiconductor free-standing substrate.
また、本発明の第一の形態、あるいは、第二の形態においては、薄膜のSi(111)層と担体基板の熱膨張係数面内異方性の相違があっても、冷却する間に、自発的な分離に至らないことが少なくない。しかし、その場合にも、担体基板と厚膜の窒化ガリウム系半導体層の境界領域には、面内に歪み応力が蓄積されており、例えば、第一の誘電体膜、ならびに、薄膜のSi(111)層に対して、面内方向に歪み応力が加わっている。第一の誘電体膜、ならびに、薄膜のSi(111)層に対する選択的なエッチングを施す際、その内部歪み応力に起因し、これら層状部分の横方向のエッチングが促進される効果が発揮されることもある。 In the first embodiment or the second embodiment of the present invention, even if there is a difference in in-plane anisotropy of the thermal expansion coefficient between the thin Si (111) layer and the carrier substrate, In many cases, spontaneous separation does not occur. In this case, however, strain stress is accumulated in the plane in the boundary region between the carrier substrate and the thick gallium nitride semiconductor layer. For example, the first dielectric film and the thin Si ( The strain stress is applied in the in-plane direction to the (111) layer. When selective etching is performed on the first dielectric film and the thin Si (111) layer, the effect of promoting the lateral etching of these layered portions due to the internal strain stress is exhibited. Sometimes.
以下に、実施例を示して、本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法を具体的に説明する。なお、下記する実施例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明は、これら実施例に示す実施形態に限定されるものではない。 The method for producing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention will be specifically described below with reference to examples. In addition, although the Example described below is an example of the best embodiment according to the present invention, the present invention is not limited to the embodiment shown in these Examples.
(実施例1)
図1に、本発明の第一の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法による本実施例1の作製工程を、また、図2に、従来の手法を利用する窒化ガリウム系半導体基板の作製工程を示す。
Example 1
FIG. 1 shows a manufacturing process of Example 1 by the method for manufacturing a gallium nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a manufacturing process of a gallium nitride semiconductor substrate using a conventional method. A process is shown.
図1に示す、本実施例1の作製工程においては、基板として、貼り合せ法により作製された、2インチSi(111)SOI基板を利用している。すなわち、該Si(111)SOI基板は、300μm厚の2インチSi(111)バルク基板101上に、100nm厚のSiO2膜102を介して、Si(111)層103が張り合わせられたSOI(silicon on insulator)構造である。表面側のSi(111)層103は、張り合わせ後、研磨によって厚さ0.1μmまで薄層化し、その表面は鏡面研磨により、Si(111)面とされている。一方、図2に示す、従来の手法による作製工程においては、基板として、2インチSi(111)バルク基板201を利用している。
In the manufacturing process of Example 1 shown in FIG. 1, a 2-inch Si (111) SOI substrate manufactured by a bonding method is used as the substrate. That is, the Si (111) SOI substrate is an SOI (silicon) in which a Si (111)
Si(111)SOI基板表面のSi(111)層103上に、次の手順・条件で0.2μm厚のAlN膜104を堆積し、試料Aを作製する。SOI基板をRCA洗浄後、MOCVD成長装置に導入し、水素と窒素の混合雰囲気中で1050℃まで昇温する。昇温後、NH3を導入し、Si(111)表面に10分間のアニール処理を施す。その後、NH3の導入を継続し、基板温度を1050℃に保持したまま、トリメチルアルミニウム(TMA)を供給して、Si(111)表面上にAlN膜を堆積する。所望の膜厚0.2μmに達する堆積時間、TMAの供給を行い、AlN膜の堆積を継続する。次いで、NH3の導入を継続した状態で、TMAの供給を停止し、AlN膜堆積を終了する。その後、室温まで冷却して、MOCVD装置から、Si(111)表面上に緩衝層用のAlN膜が形成された試料Aを取り出した。
On the Si (111)
また、Si(111)バルク基板201のSi(111)表面上にも、同様の手順・条件で0.2μm厚のAlN膜202を堆積し、試料Bを作製する。
In addition, an
Si(111)表面に緩衝層として、0.2μm厚のAlN膜を形成した、上記試料A、BをHVPE装置に導入し、GaClとNH3を原料ガスとする、HVPE成長法により、基板温度1020℃で300μmのアンドープGaN厚膜105、203をAlN膜104、202上にそれぞれ堆積した。GaN厚膜の堆積後、室温まで冷却し、HVPE装置から取り出す。その後、フッ硝酸溶液に浸して、基板Siを溶解させ、300μmのアンドープGaN厚膜を分離した。
The sample A and B having a 0.2 μm thick AlN film formed as a buffer layer on the Si (111) surface were introduced into an HVPE apparatus, and the substrate temperature was measured by HVPE growth using GaCl and NH 3 as source gases. 300 μm thick
試料B上に作製したGaN厚膜203では、GaとSiのメルトバック反応により、GaN膜は多結晶化しており、Si基板の溶解後、細かい破片となった。一方、試料A上に作製したGaN厚膜105は、Si基板の溶解後、細かい破片とはならず、自立GaN基板が得られた。ただし、得られた自立GaN基板において、2インチ面内、40〜50箇所にGaとSi反応が局所的に生じており、表面にピット状の欠陥として観察された。両者の結果を対比させると、試料Aにおいても、緩衝層のAlN膜に存在するピンホールにおいて、GaとSi反応が生じるものの、SOI基板のSiO2膜102によって、GaとSiのメルトバック反応の更なる進行は停止されている。その結果、GaとSiに因る反応に起因する結晶劣化は、局所的な領域に限定され、GaN膜全体に及ぶ多結晶化は回避されている。以上の結果より、担体基板上に、第一の誘電体層、本例においては、シリコン酸化膜を介して形成されているSi(111)薄層を基板として利用することに伴う、本発明の効果が検証される。
In the GaN
(実施例2)
図3に、本発明の第二の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法による本実施例2の作製工程を示す。図3に示す、本実施例2の作製工程においても、基板として、貼り合せ法により作製された、2インチSi(111)SOI基板を利用している。また、本実施例2において利用するSOI基板も、300μm厚の2インチSi(111)バルク基板301上に、100nm厚のSiO2膜302を介して、Si(111)層303が張り合わせられたSOI(silicon on insulator)構造である。表面側のSi(111)層303は、張り合わせ後、研磨によって厚さ0.1μmまで薄層化し、その表面は鏡面研磨により、Si(111)面とされている。
(Example 2)
FIG. 3 shows a manufacturing process of Example 2 by the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the second aspect of the present invention. Also in the manufacturing process of Example 2 shown in FIG. 3, a 2-inch Si (111) SOI substrate manufactured by a bonding method is used as the substrate. The SOI substrate used in the second embodiment is also an SOI substrate in which a Si (111)
このSi(111)SOI基板表面のSi(111)層303上に、緩衝層として、実施例1に記載する手順・条件で0.2μm厚のAlN膜304を堆積する。次いで、緩衝層用のAlN膜304表面に、300nm厚のSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィーによりパターニングして、基板表面全面に、ストライプ間に幅2μm開口部を設ける、SiO2ストライプ305を10μmピッチで作製した。
On the Si (111)
この緩衝層用のAlN膜304表面に、周期的なSiO2ストライプ・マスクパターン305を形成した試料CをHVPE装置に導入し、実施例1に記載するGaN厚膜形成工程と同様の工程・条件で、300μmのアンドープGaN厚膜306を堆積した。その後、フッ硝酸溶液に浸して、基板Siを溶解させて、300μmのアンドープGaN厚膜を分離し、自立GaN基板を得た。
A sample C in which a periodic SiO 2
上記試料C上に作製したGaN厚膜306からなる自立GaN基板では、2インチ面内、3箇所で表面にピット状の欠陥が観察された。本実施例2では、緩衝層用のAlN膜304表面に、周期的なSiO2ストライプ・マスクパターン305を形成し、その開口部のAlN膜表面からGaN成長を行っている。従って、露出しているAlN膜表面積は、基板全表面の2/10と小さくなっており、その領域に形成されるAlN膜中のピンホール数もその比率で減少する。結果として、前記開口部に存在するAlN膜中のピンホールに起因している、GaとSi反応の生じる確率も小さくなり、対応して、ピット状の欠陥数の減少が達成されていると理解される。
In the self-standing GaN substrate made of the GaN
(実施例3)
図4に、本発明の第三の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法による本実施例3の作製工程を示す。図4に示す、本実施例3の作製工程においても、基板として、貼り合せ法により作製された、2インチSi(111)SOI基板を利用している。このSOI基板は、実施例1に記載される作製方法により作製され、300μm厚2インチSi(111)バルク基板401/0.1μm厚SiO2膜402/0.1μm厚Si(111)層403の構造を有している。
(Example 3)
FIG. 4 shows a manufacturing process of Example 3 by the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the third aspect of the present invention. Also in the manufacturing process of Example 3 shown in FIG. 4, a 2-inch Si (111) SOI substrate manufactured by a bonding method is used as the substrate. This SOI substrate is manufactured by the manufacturing method described in Example 1, and is a 300 μm-thick 2 inch Si (111)
このSi(111)SOI基板表面のSi(111)層403上に、緩衝層として、実施例1に記載する手順・条件で0.2μm厚のAlN膜404を堆積する。次に、AlN膜404表面に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングして、基板表面全面に、ストライプ間に幅8μm開口部を設ける、レジストストライプを10μmピッチで作製した。引続き、レジストストライプをエッチング・マスクとして、塩素系ドライエッチングを用い、SOI基板中のSiO2層402が露出するまで開口部のAlN膜404/Si層403を選択的に除去し、ストライプ状のAlN/Si(111)405を形成した。
An
レジスト除去・表面洗浄後、前記周期的なAlN/Si(111)ストライプ・パターン405が形成された試料をHVPE装置に導入し、実施例1に記載するGaN厚膜形成工程と同様の工程・条件で、300μmのアンドープGaN厚膜406を堆積した。その後、フッ硝酸溶液に浸して、基板Siを溶解させて、300μmのアンドープGaN厚膜を分離し、自立GaN基板を得た。
After resist removal and surface cleaning, the sample on which the periodic AlN / Si (111)
上記試料上に作製したGaN厚膜406からなる自立GaN基板では、2インチ面内、その表面にピット状の欠陥は観察されなかった。本実施例3では、周期的なストライプ・パターン形状にエッチング加工されている、緩衝層用のAlN膜404からGaN成長が開始している。一方、得られた自立GaN基板の裏面を詳細に観察すると、前記周期的なAlN/Si(111)ストライプ・パターン405に相当する部位の数箇所で、GaとSiの反応痕跡が見いだされた。
In the self-standing GaN substrate formed of the GaN
周期的なストライプ・パターン形状にエッチング加工する結果、残余しているAlN膜表面積は、基板全表面の2/10と小さくなっており、その領域に形成されるAlN膜中のピンホール数もその比率で減少している。同じく、表面に残余するSi層403の総量も、2/10と少なくなっている。そのため、前記ストライプ・パターン部に存在するAlN膜中のピンホールに起因している、GaとSiの反応の生じる確率も小さくなり、同時に、GaとSiの反応も、早い段階で自己停止する。結果として、GaN厚膜406の成長過程初期に、局所的なGaとSiの反応は生じるものの、早い段階で自己停止し、表面にピット状の欠陥を生じさせるに到らなかったと理解される。
As a result of etching into a periodic stripe pattern shape, the remaining surface area of the AlN film is as small as 2/10 of the entire surface of the substrate, and the number of pinholes in the AlN film formed in that region is also the same. The ratio is decreasing. Similarly, the total amount of the
(実施例4)
図5に、本発明の第三の形態にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法を応用している、本実施例4の作製工程を示す。図5に示す、本実施例4の作製工程においても、基板として、貼り合せ法により作製された、2インチSi(111)SOI基板を利用している。なお、本実施例4において利用するSOI基板も、300μm厚の2インチSi(100)バルク基板501上に、100nm厚のSiO2膜502を介して、Si(111)層503が張り合わせられたSOI(silicon on insulator)構造である。表面側のSi(111)層503は、張り合わせ後、研磨によって厚さ0.1μmまで薄層化し、その表面は鏡面研磨により、Si(111)面とされている。
Example 4
FIG. 5 shows a manufacturing process of Example 4 in which the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate according to the third aspect of the present invention is applied. Also in the manufacturing process of Example 4 shown in FIG. 5, a 2-inch Si (111) SOI substrate manufactured by a bonding method is used as the substrate. The SOI substrate used in the fourth embodiment is also an SOI substrate in which a Si (111)
このSi(111)SOI基板表面のSi(111)層503上に、緩衝層として、実施例1に記載する手順・条件で0.2μm厚のAlN膜504を堆積する。次に、実施例3と同様に、AlN膜504表面に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングして、基板表面全面に、ストライプ間に幅8μm開口部を設ける、レジストストライプを10μmピッチで作製した。引続き、レジストストライプをエッチング・マスクとして、塩素系ドライエッチングを用い、SOI基板中のSiO2層502が露出するまで開口部のAlN膜504/Si層503を選択的に除去し、ストライプ状のAlN/Si(111)505を形成した。
On the Si (111)
実施例3の工程と同様に、レジスト除去・表面洗浄後、前記周期的なAlN/Si(111)ストライプ・パターン505が形成された試料をHVPE装置に導入し、実施例1に記載するGaN厚膜形成工程と同様の工程・条件で、300μmのアンドープGaN厚膜506を堆積した。GaN厚膜の堆積後、室温まで冷却し、HVPE装置から取り出すと、実施例3とは異なり、冷却過程において、GaN厚膜506とSi(100)バルク基板501との層間で自発的な剥離が生じていた。結果的に、フッ硝酸溶液に浸して、基板Siを溶解させる操作なしで、自立GaN基板が得られた。
Similar to the process of Example 3, after removing the resist and cleaning the surface, the sample on which the periodic AlN / Si (111)
なお、上記実施例3で作製された自立GaN基板と同様に、本実施例4において作製したGaN厚膜506からなる自立GaN基板でも、2インチ面内、その表面にピット状の欠陥は観察されなかった。本実施例4でも、周期的なストライプ・パターン形状にエッチング加工されている、緩衝層用のAlN膜504からGaN成長が開始している。また、得られた自立GaN基板の裏面を詳細に観察すると、前記周期的なAlN/Si(111)ストライプ・パターン505に相当する部位の数箇所で、GaとSiの反応痕跡が見いだされた。
Similar to the self-standing GaN substrate manufactured in Example 3, the self-standing GaN substrate made of the GaN
一方、本実施例4において、GaN厚膜成長後、その冷却過程で生じた、GaN厚膜506とSi(100)バルク基板501との間の剥離は、GaNとSiの熱膨張係数差に起因する歪み応力に起因していると理解される。実施例3で利用しているSi(111)バルク基板と本実施例4で利用しているSi(100)バルク基板とでは、その結晶方位が異なるが、一方、Si(111)層表面に形成された緩衝層のAlN膜から成長が進行するGaN厚膜の結晶方位は、実施例3と実施例4では同じものとなっている。すなわち、実施例3と実施例4においては、用いているSiバルク結晶の結晶方位の違いに伴い、GaNとSiの熱膨張係数差に起因する歪み応力に差違がある。従って、実施例3においては、GaNとSiの熱膨張係数差に起因する歪み応力は、両者の境界領域を形成する、周期的なエッチング加工されている、AlN/Si(111)ストライプ・パターン部における剥離を引き起こす閾値には至らないが、実施例4においては、歪み応力が、このAlN/Si(111)ストライプ・パターン部における剥離を引き起こす閾値を超えた結果と理解される。
On the other hand, in Example 4, the separation between the GaN
(その他の実施態様)
上記実施例1〜4においては、SiとGaNの格子定数差に起因する結晶成長上の問題を緩和する目的で、AlN膜を緩衝層として用いている。この目的における緩衝層としての効果を損なわない範囲で、Alに代えて、GaやInを含むAlxGayIn1-x-yN混晶、もしくは超格子を緩衝層に用いる場合にも、同様に本発明の効果が発揮される。その際、緩衝層として利用する、AlxGayIn1-x-yN混晶中のGa、Inの含有比率y、1−x−yを、SiとGaNの格子定数差に起因する歪み応力の緩和作用が、AlNよりも大きく劣らない範囲に選択する。あるいは、AlxGayIn1-x-yN超格子において、その平均された格子定数を、前記緩衝層として好適に利用可能な組成のAlxGayIn1-x-yN混晶が示す格子定数と同程度に選択する。また、Si(111)層と接するAlxGayIn1-x-yN混晶中に含まれるGaにより、その界面でGa/Siメルトバック反応が顕著に進行しない範囲に、Gaの含有比率yを選択する。
(Other embodiments)
In Examples 1 to 4, an AlN film is used as a buffer layer for the purpose of alleviating the problem of crystal growth caused by the difference in lattice constant between Si and GaN. The same applies to the case where an Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal containing Ga or In or a superlattice is used for the buffer layer instead of Al as long as the effect as the buffer layer for this purpose is not impaired. The effect of the present invention is exhibited. At that time, the content ratios y and 1- xy of Ga and In in the Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal used as the buffer layer are set as the strain stress due to the lattice constant difference between Si and GaN. The range is selected so that the relaxation effect is not inferior to that of AlN. Alternatively, in the Al x Ga y In 1 -xy N superlattice, the average lattice constant is expressed by the lattice constant indicated by the Al x Ga y In 1 -xy N mixed crystal having a composition that can be suitably used as the buffer layer. Select to the same extent. In addition, the Ga content ratio y is set so that the Ga / Si meltback reaction does not proceed remarkably at the interface due to Ga contained in the Al x Ga y In 1-xy N mixed crystal in contact with the Si (111) layer. select.
上記実施例1〜4においては、作製される厚膜のIII族窒化物半導体層がGaNの例を示した。本発明において解決すべき課題の第一は、Ga/Siメルトバック反応の抑制であるが、AlおよびInは、Gaと比較して、Siと接した際、メルトバックを引き起こす反応性が極めて低い。一方、作製される厚膜のIII族窒化物半導体層は、GaNに代えて、AlxInyGa1-x-yN混晶とする際、Gaの含有比率は若干低下するが、依然として、Ga/Siメルトバックに起因する結晶劣化、その結果生じる表面のピット状欠陥の課題は存在している。従って、作製される厚膜のIII族窒化物半導体層がAlxInyGa1-x-yN混晶である際にも、本発明が有効性を有することは明らかである。 In Examples 1 to 4 described above, the thick group III nitride semiconductor layer to be fabricated is GaN. The first of the problems to be solved in the present invention is suppression of Ga / Si meltback reaction, but Al and In have extremely low reactivity that causes meltback when in contact with Si, as compared with Ga. . On the other hand, when the thick group III nitride semiconductor layer is made of Al x In y Ga 1-xy N mixed crystal instead of GaN, the Ga content ratio is slightly reduced, but Ga / There is a problem of crystal degradation resulting from Si meltback and the resulting surface pit-like defects. Therefore, it is clear that the present invention is effective even when the thick group III nitride semiconductor layer to be produced is an Al x In y Ga 1 -xy N mixed crystal.
さらに、実施例1〜4においては、作製される厚膜のIII族窒化物半導体層がアンドープGaNの例を示した。例えば、上記のLED、LDの作製に利用される導電性基板、あるいは、高周波トランジスタの作製に利用される半絶縁性基板を作製する際には、伝導型を制御するために、シリコン、マグネシウム、酸素などの不純物をドーピングする。これら不純物を高濃度ドーピングする際にも、やはり、厚膜のIII族窒化物半導体層を作製する過程で、緩衝層中のピンホールなどの介した、Si(111)層に由来するSiとGaによるGa/Siメルトバック反応の影響が存在する。一般に、高濃度にドーピングされる不純物自体は、成長初期に生じる界面でのGa/Siメルトバック反応自体の頻度を有意に低下する効果・作用を示さない。従って、不純物を高濃度ドーピングする際にも、本発明が有効性を有することは明らかである。 Further, in Examples 1 to 4, an example is shown in which the thick group III nitride semiconductor layer to be fabricated is undoped GaN. For example, when manufacturing a conductive substrate used for manufacturing the above-described LED or LD, or a semi-insulating substrate used for manufacturing a high-frequency transistor, silicon, magnesium, Doping with impurities such as oxygen. Even when doping these impurities at a high concentration, Si and Ga derived from the Si (111) layer via pinholes in the buffer layer are also produced in the process of producing a thick group III nitride semiconductor layer. There is an effect of the Ga / Si meltback reaction. In general, impurities doped at a high concentration do not exhibit the effect / action of significantly reducing the frequency of the Ga / Si meltback reaction itself at the interface occurring at the initial stage of growth. Therefore, it is clear that the present invention is effective when doping impurities at a high concentration.
その他、例えば、Si不純物を高濃度ドーピングする際に、厚膜のIII族窒化物半導体層を作製する過程で、Ga/Siメルトバック反応に至らないが、緩衝層中のピンホールなどの介して、界面よりIII族窒化物半導体層中へSiが局所的に拡散する場合もある。その際、局所的にSi濃度が極度に高くなり、III族窒化物半導体層内で、クラスター化したSiが微細な析出物を形成する場合もある。この種の析出物の形成に対しても、本発明は、その抑制を行う効果を有する。 In addition, for example, in the process of producing a thick group III nitride semiconductor layer when doping Si impurity at a high concentration, the Ga / Si meltback reaction does not occur, but via a pinhole or the like in the buffer layer In some cases, Si diffuses locally from the interface into the group III nitride semiconductor layer. At that time, the Si concentration locally becomes extremely high, and the clustered Si may form fine precipitates in the group III nitride semiconductor layer. The present invention has an effect of suppressing the formation of this kind of precipitate.
一方、上記実施例1〜3においては、張り合わせにより作製される、Si(111)バルク基板/SiO2膜/Si(111)層の構造を有するSOI基板を用いる例を示した。例えば、表面からSi(111)基板に酸素イオンを打ち込み、その後、アニールを施して、Si(111)バルク基板/SiO2膜/Si(111)層の構造を形成したSOI基板を用いても、同様の効果が得られる。 On the other hand, in the above-described Examples 1 to 3, an example in which an SOI substrate having a structure of Si (111) bulk substrate / SiO 2 film / Si (111) layer manufactured by bonding is shown. For example, using an SOI substrate in which oxygen ions are implanted from the surface into a Si (111) substrate and then annealed to form a structure of Si (111) bulk substrate / SiO 2 film / Si (111) layer, Similar effects can be obtained.
一方、上記実施例2においては、緩衝層として用いる、第一のIII族窒化物半導体膜、ここでは、AlN膜の表面を部分的に被覆する第二の誘電体層として、SiO2膜を用いる例を示した。この第二の誘電体層は、HVPE成長条件下で安定であり、緩衝層の表面を被覆する機能を示すこと、また、緩衝層に用いる、第一のIII族窒化物半導体膜との間で化学反応を生じないことも必要である。SiO2膜以外に、この二つの要件を満足する誘電体材料、例えば、SiNx、アルミニウム酸化物(Al2O3)、または、SiOxNy、あるいは、それらを組み合わせた積層膜を用いても、同様の効果が得られる。 On the other hand, in Example 2 above, a SiO 2 film is used as the first group III nitride semiconductor film used as the buffer layer, here, as the second dielectric layer partially covering the surface of the AlN film. An example is shown. This second dielectric layer is stable under HVPE growth conditions, exhibits a function of covering the surface of the buffer layer, and between the first group III nitride semiconductor film used for the buffer layer It is also necessary that no chemical reaction occurs. In addition to the SiO 2 film, a dielectric material satisfying these two requirements, for example, SiN x , aluminum oxide (Al 2 O 3 ), SiO x N y , or a laminated film combining them is used. The same effect can be obtained.
加えて、周期的なストライプ状開口部内の第一のIII族窒化物半導体膜表面から、選択的に厚膜のIII族窒化物半導体層の成長が開始する形態とする際には、この第二の誘電体層として、その表面において、III族窒化物半導体の結晶核生成が生じ難い材料を選択することがより好ましい。 In addition, when the growth of the thick group III nitride semiconductor layer is selectively started from the surface of the first group III nitride semiconductor film in the periodic stripe-shaped openings, the second group As the dielectric layer, it is more preferable to select a material that hardly causes crystal nucleation of a group III nitride semiconductor on the surface thereof.
一方、上記実施例3、4においては、緩衝層として用いる、第一のIII族窒化物半導体膜を周期的なストライプ状パターンにエッチング加工し、このストライプ状の第一のIII族窒化物半導体膜から選択的に厚膜のIII族窒化物半導体層の成長が開始する形態を利用している。このように、ストライプ状の第一のIII族窒化物半導体膜から選択的に厚膜のIII族窒化物半導体層の成長が開始する形態とする際には、表面に露出している第一の誘電体層として、その表面において、III族窒化物半導体の結晶核生成が生じ難い材料を選択することがより好ましい。 On the other hand, in Examples 3 and 4, the first group III nitride semiconductor film used as the buffer layer is etched into a periodic stripe pattern, and the first group III nitride semiconductor film in the stripe shape A mode in which the growth of a thick group III nitride semiconductor layer starts selectively is used. As described above, when the growth of the thick group III nitride semiconductor layer starts selectively from the first group III nitride semiconductor film in the stripe shape, the first layer exposed on the surface is formed. It is more preferable to select a material that hardly causes crystal nucleation of a group III nitride semiconductor on the surface of the dielectric layer.
本発明にかかる窒化ガリウム系半導体基板の作製方法により、安価で、大面積のSi基板を下地基板として利用し、良質な窒化ガリウム系半導体自立基板を簡便、かつ高い生産性で作製することが可能となる。 By the method for producing a gallium nitride semiconductor substrate according to the present invention, it is possible to produce a high-quality gallium nitride semiconductor free-standing substrate simply and with high productivity by using an inexpensive, large-area Si substrate as a base substrate. It becomes.
101 Si(111)バルク基板
102 SiO2膜
103 Si(111)層
104 AlN膜
105 HVPE成長GaN厚膜
201 Si(111)バルク基板
202 AlN膜
203 HVPE成長GaN厚膜
301 Si(111)バルク基板
302 SiO2膜
303 Si(111)層
304 AlN膜
305 SiO2ストライプ・マスクパターン
306 HVPE成長GaN厚膜
401 Si(111)バルク基板
402 SiO2膜
403 Si(111)層
404 AlN膜
405 AlN/Si(111)ストライプ・パターン
406 HVPE成長GaN厚膜
501 Si(100)バルク基板
502 SiO2膜
503 Si(111)層
503 AlN膜
505 AlN/Si(111)ストライプ・パターン
506 HVPE成長GaN厚膜
101 Si (111)
Claims (9)
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法。 A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
And after depositing the buffer layer, depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer,
A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, wherein a gallium nitride based semiconductor substrate is manufactured using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、前記緩衝層の表面を部分的に被覆する第二の誘電体層を形成する工程と、
前記第二の誘電体層による部分的被覆後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法。 A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
After depositing the buffer layer, forming a second dielectric layer partially covering the surface of the buffer layer;
Depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer after partial coating with the second dielectric layer,
A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, wherein a gallium nitride based semiconductor substrate is manufactured using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
担体基板上に、第一の誘電体層と、該第一の誘電体層上にSi(111)層が積層されてなる基板を用い、
前記基板表面のSi(111)層上に緩衝層を堆積する工程と、
緩衝層の堆積後、前記第一の誘電体層上の前記Si(111)層と緩衝層との積層構造を部分的に残し、他の領域では、前記Si(111)層と緩衝層との積層構造を除去し、第一の誘電体層表面を露出させる工程と、
前記Si(111)層と緩衝層との積層構造の部分的除去後、厚膜の窒化ガリウム系半導体層を堆積する工程とを
少なくとも有し、
前記厚膜の窒化ガリウム系半導体層を用いて、窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の作製方法。 A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate,
Using a substrate in which a first dielectric layer and a Si (111) layer are laminated on the first dielectric layer on a carrier substrate,
Depositing a buffer layer on the Si (111) layer on the substrate surface;
After the buffer layer is deposited, the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer on the first dielectric layer is partially left, and in other regions, the Si (111) layer and the buffer layer are Removing the laminated structure and exposing the surface of the first dielectric layer;
And at least a step of depositing a thick gallium nitride based semiconductor layer after partial removal of the stacked structure of the Si (111) layer and the buffer layer,
A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor substrate, wherein a gallium nitride based semiconductor substrate is manufactured using the thick gallium nitride based semiconductor layer.
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