JP4985579B2 - Group III nitride compound semiconductor and gallium nitride free-standing substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、AlxGayIn1-x-yN(x、y、x+yはいずれも0以上1以下)で示される半導体、及び、n型化/p型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びV族元素の組成の一部を、B又はTl、或いは、P、As、Sb又はBiで置換したものをも含むものとする。 The present invention relates to a method for producing a group III nitride compound semiconductor. In the present application, the group III nitride compound semiconductor is a semiconductor represented by Al x Ga y In 1-xy N (where x, y, and x + y are all 0 or more and 1 or less), n-type / p-type, etc. For which any element is added. Furthermore, it is intended to include those in which a part of the composition of the group III element and the group V element is substituted with B or Tl, or P, As, Sb or Bi.
緑色、青色、或いは紫外線発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子が広く使用されている。また、III族窒化物系化合物半導体を用いたHEMT等も多数提案されている。これらは、通常、サファイア、シリコン、又は炭化ケイ素のような異種基板上に、III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて形成されたものである。III族窒化物系化合物半導体は、c軸方向に積層するエピタキシャル成長が結晶性が良く、また最も速い成長が得られる。
特許文献1は、III族窒化物系化合物半導体の主面としてc面とは異なる面を形成するための技術についての、本出願人による先行出願の公開公報である。
しかし、III族窒化物系化合物半導体は、c軸方向にピエゾ電界が生じることが指摘されている。これにより、例えば多重量子井戸構造の発光層において、電子とホールの高濃度部分が異なる結果を生じ、発光効率の低下が生じるとされている。
本発明者らは、III族窒化物系化合物半導体の主面としてc面とは異なる面を形成するための技術として新たな着想から本発明を完成させた。
However, it has been pointed out that a group III nitride compound semiconductor generates a piezoelectric field in the c-axis direction. As a result, for example, in a light emitting layer having a multiple quantum well structure, the result is that the high-concentration portions of electrons and holes are different, and the light emission efficiency is reduced.
The present inventors have completed the present invention from a new idea as a technique for forming a surface different from the c-plane as the main surface of a group III nitride compound semiconductor.
請求項1に係る発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
サファイア基板の主面の法線ベクトルが、a軸からc軸方向に0.2度以上5度以下回転させた方向であり、
サファイア基板にc面又はc面と成す角が20度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、法線ベクトルの向きが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のa軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他のサファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
マスク材料により覆われていない、サファイア基板の露出したc面又はc面と成す角が20度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、m面と0.2度以上5度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法である。
The invention according to
The normal vector of the main surface of the sapphire substrate is a direction rotated from 0.2 degrees to 5 degrees in the c-axis direction from the a-axis,
Forming concavo-convex having a side surface with an angle of 20 degrees or less formed on the sapphire substrate with c-plane or c-plane
The surface of the other sapphire substrate is group III-nitrided so that only the side with the larger normal angle between the normal vector and the a-axis of the sapphire substrate is exposed. Cover with a mask material that does not grow epitaxially compound semiconductors,
By epitaxially growing a group III nitride compound semiconductor from an exposed c-plane of the sapphire substrate or an angle formed with the c-plane that is not covered by the mask material and having an angle of 20 degrees or less, the main surface becomes the m-plane and 0. A method for producing a group III nitride compound semiconductor comprising obtaining a group III nitride compound semiconductor crystal having an angle of 2 degrees or more and 5 degrees or less.
ここにおいて、c面又はc面と成す角が20度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみが露出するとは、次のことを意味する。
例えばサファイア基板に凹凸を設けて凹凸の側面としてc面を形成する場合に、表裏の関係にあるc面からは、III族窒化物系化合物半導体が成長するが、サファイア基板の凹凸の表側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体とは、成長方向が180度異なる。すると、例えば凹凸を覆うようにまで成長させても、それらサファイア基板の凹凸の表側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体とは、結晶成長しても界面に極性の異なる不連続面が残ってしまう。
そこで、サファイア基板の凹凸の表側の側面と裏側の側面のうち一方のみを露出させる。これをサファイア基板の凹凸全てで行うものである。こうすることで、凹凸を覆うようにまで成長させたのち、異なる側面から成長した結晶の接合面は極性が同じとなるので、不連続面とならない。
また、凹凸の側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のa軸との成す角の大きい方の側面とは、次のことを意味する。図1に示す通り、主面の法線ベクトルがa軸からδ(deg)>0だけc軸側に反時計回りに傾いているとする。角度表示を反時計回りを正とし、凹凸の2つの側面の法線ベクトルが主面の方線ベクトルに対して対称に、90−θ(deg)と−90+θ(deg)であるとする。a軸と成す角は各々90−θ+δ(deg)と−90+θ+δ(deg)である。これらのうち、絶対値が大きい方は、90−θ+δ(deg)である。これはθの符号が正負いずれであっても成立する。
Here, the fact that only the surface having the same direction of the normal vector in the c-plane or the side surface having an angle of 20 degrees or less formed with the c-plane is exposed means the following.
For example, when a c-plane is formed on the sapphire substrate and the c-plane is formed as the side surface of the concavo-convex surface, the group III nitride compound semiconductor grows from the c-plane having the front and back relationship. The group III nitride compound semiconductor that grows from the surface of the sapphire substrate and the group III nitride compound semiconductor that grows from the side surface on the back side of the unevenness of the sapphire substrate have a growth direction different by 180 degrees. Then, even if grown to cover the unevenness, for example, the group III nitride compound semiconductor grown from the front side surface of the sapphire substrate and the group III nitride grown from the back surface side of the sapphire substrate With a compound compound semiconductor, even if crystals grow, discontinuous surfaces with different polarities remain at the interface.
Therefore, only one of the front side surface and the back side surface of the sapphire substrate is exposed. This is performed with all the irregularities of the sapphire substrate. In this way, after growing so as to cover the unevenness, the crystal bonding surfaces grown from different side surfaces have the same polarity, and thus do not become discontinuous surfaces.
Further, among the side surfaces of the unevenness, the side surface having the same normal vector and the larger angle formed by the normal vector and the a-axis of the sapphire substrate means the following. As shown in FIG. 1, it is assumed that the normal vector of the main surface is tilted counterclockwise from the a-axis to the c-axis side by δ (deg)> 0. Assume that the angle display is positive in the counterclockwise direction, and the normal vectors of the two side surfaces of the unevenness are 90−θ (deg) and −90 + θ (deg) symmetrically with respect to the normal vector of the main surface. The angles formed with the a-axis are 90−θ + δ (deg) and −90 + θ + δ (deg), respectively. Of these, the one with the larger absolute value is 90−θ + δ (deg). This is true regardless of whether the sign of θ is positive or negative.
請求項2に係る発明は、マスク材料により覆われていない、サファイア基板の凹凸の露出した側面は、c面と成す角が0.5度以下であることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、 III族窒化物系化合物半導体の形成においては、800度未満の温度でバッファ層を形成したのち、1000度以上の温度で単結晶層を形成することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、バッファ層はマスク材料を形成する前に形成されることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウム(GaN)であることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、エピタキシャル成長は、トリメチルガリウムとアンモニアを用いた有機金属気相成長法(MOVPE)により行うものであり、アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するV/III比について、凹凸の凹部を埋めるまではV/III比を高く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまではV/III比を低く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降はV/III比を高くすることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法によるエピタキシャル成長の後、更にハライド気相成長法により厚さ200μm以上に窒化ガリウム単結晶を成長させ、その後冷却する際に劈開を生じさせてサファイア基板と分離することを特徴とする窒化ガリウム自立基板の製造方法である。
The invention according to
The invention according to
The invention according to claim 4 is characterized in that the buffer layer is formed before the mask material is formed.
The invention according to claim 5 is characterized in that the group III nitride compound semiconductor is gallium nitride (GaN).
In the invention according to claim 6, the epitaxial growth is performed by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) using trimethylgallium and ammonia, and the V / III ratio of the ammonia supply amount to the trimethylgallium supply amount is uneven. The V / III ratio is high until the recesses are filled, the V / III ratio is low until the epitaxial growth film covers the uneven projections, and the V / III ratio is increased after the epitaxial growth film covers the projections. It is characterized by being raised.
The invention according to claim 7 is a method in which after the epitaxial growth by the method for producing a group III nitride compound semiconductor according to claim 6, a gallium nitride single crystal is further grown to a thickness of 200 μm or more by a halide vapor phase growth method, and thereafter A method of manufacturing a gallium nitride free-standing substrate, wherein cleavage is caused to separate from a sapphire substrate when cooling.
サファイア基板に凹凸を設けて、c面又はc面と成す角が20度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみを露出させる。この際、当該側面はサファイア基板の低指数面ではないので、結局サファイア基板のc面が微細な段差を伴って露出するステップ状の面となる。すると、そこにエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体は、当該ステップ毎に、サファイア基板のc面に形成した形になる。即ち、階段状に露出したサファイア基板のc面に平行となるように、III族窒化物系化合物半導体のc面が形成される。
ここで用いるサファイア基板は、主面がa面からわずかにオフしているので、形成されるIII族窒化物系化合物半導体のm面が、サファイア基板のa面に平行に形成されることになる。
こうして、用いるサファイア基板の主面と平行なIII族窒化物系化合物半導体の表面は、+c面がステップの側面となる方向へオフしたm面となる。この方向にオフが形成されると、主面にほぼ平行な横方向の成長が大幅に促進され、平坦性の極めて優れたm面のエピタキシャル成長層を形成することができる。
An uneven surface is provided on the sapphire substrate, and only the surface having the same direction of the normal vector among the side surfaces having an angle of 20 degrees or less formed with the c surface or the c surface is exposed. At this time, since the side surface is not a low index surface of the sapphire substrate, the c-plane of the sapphire substrate eventually becomes a stepped surface that is exposed with a fine step. Then, the group III nitride compound semiconductor epitaxially grown thereon is formed on the c-plane of the sapphire substrate at each step. That is, the c-plane of the group III nitride compound semiconductor is formed so as to be parallel to the c-plane of the sapphire substrate exposed stepwise.
Since the main surface of the sapphire substrate used here is slightly off from the a-plane, the m-plane of the group III nitride compound semiconductor to be formed is formed parallel to the a-plane of the sapphire substrate. .
Thus, the surface of the group III nitride compound semiconductor parallel to the main surface of the sapphire substrate to be used is an m-plane that is turned off in the direction in which the + c plane becomes the side surface of the step. When OFF is formed in this direction, lateral growth substantially parallel to the main surface is greatly promoted, and an m-plane epitaxial growth layer with extremely excellent flatness can be formed.
例えば本発明により、III族窒化物系化合物半導体を厚膜結晶として得て、サファイア基板から分離すれば、厚さ方向がc軸方向とほぼ直角の、ほとんど無極性のGaN基板が得られる。III族窒化物系化合物半導体はm面で劈開し易いので、例えば厚膜結晶を形成後、室温まで冷やす際にサファイア基板との界面近傍に劈開が生じ、厚膜の自立基板を得ることができる(請求項7)。
また、m面からわずかにオフした主面を有するIII族窒化物系化合物半導体膜又はIII族窒化物系化合物半導体基板が得られるので、この上に、更にIII族窒化物系化合物半導体層を積層することで、積層方向(膜厚方向)に歪の生じない半導体素子等を容易に形成することが可能となる。
更には、公知の方法により、より厚膜にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させることにより、m面からわずかにオフした主面を有する、III族窒化物系化合物半導体の厚膜基板(自立基板)を得ることも可能となる。
For example, according to the present invention, when a group III nitride compound semiconductor is obtained as a thick film crystal and separated from the sapphire substrate, an almost nonpolar GaN substrate having a thickness direction substantially perpendicular to the c-axis direction can be obtained. Since group III nitride compound semiconductors are easy to cleave in the m-plane, for example, when a thick film crystal is formed and then cooled to room temperature, cleavage occurs in the vicinity of the interface with the sapphire substrate, and a thick self-supporting substrate can be obtained. (Claim 7).
Further, a group III nitride compound semiconductor film or a group III nitride compound semiconductor substrate having a main surface slightly off from the m-plane can be obtained, and a group III nitride compound semiconductor layer is further laminated thereon. By doing so, it is possible to easily form a semiconductor element or the like that does not cause distortion in the stacking direction (film thickness direction).
Further, a group III nitride compound semiconductor thick film substrate having a main surface slightly off from the m-plane by crystal growth of a group III nitride compound semiconductor in a thicker film by a known method ( It is also possible to obtain a self-supporting substrate).
オフ角が0.2度未満であると、横方向の成長が促進されず、平坦性が悪化したり、隣あうエピタキシャル成長部分が完全に合体せずに隙間(ボイド)が残ってしまう。一方、オフ角が5度を越えると、主面がm面から大きく異なる面となる。例えばこのような半導体膜に更にエピタキシャル成長を繰り返して半導体素子を形成すると、積層した各層の厚さ方向にc軸方向のピエゾ電界の影響が大きくなる。 If the off-angle is less than 0.2 degrees, lateral growth is not promoted, flatness is deteriorated, and adjacent epitaxial growth portions are not completely merged and voids remain. On the other hand, when the off-angle exceeds 5 degrees, the main surface becomes a surface that differs greatly from the m-plane. For example, when a semiconductor element is formed by repeating epitaxial growth on such a semiconductor film, the influence of the piezoelectric field in the c-axis direction increases in the thickness direction of each stacked layer.
用いるサファイア基板について、主面のオフ方向は、m軸を中心とした回転により得られるものである。c軸を中心とした回転は0.5度未満で良い。これにより、サファイア基板のm軸が主面と略平行となるので、その上に本発明により形成されるIII族窒化物系化合物半導体については、そのa軸が略主面と平行となる。 For the sapphire substrate to be used, the off direction of the main surface is obtained by rotation around the m-axis. The rotation around the c-axis may be less than 0.5 degrees. Thereby, since the m-axis of the sapphire substrate is substantially parallel to the main surface, the a-axis of the group III nitride compound semiconductor formed thereon according to the present invention is substantially parallel to the main surface.
サファイア基板面に、凹凸を形成する方法は、任意の加工方法を用いることができる。例えばエッチングマスクを用いたエッチングにより凹凸を形成すると良い。サファイア基板に形成する凹凸は、欲しいc面又はc面と20度以下の角度を成す面以外の面を形成しないことが望ましいので、例えばサファイア基板のm軸に平行な多数のストライプ状に溝を形成すると良い。
この場合、エッチングにより形成される凹部の幅が1〜10μm、エッチングされずに残る凸部の幅が1〜10μm、凹部と凸部の高低差が1〜10μm程度とすると好適である。溝部が狭すぎると、結晶原料が到達しにくくなり、また、狭い領域でのエピタキシャル成長では良質な結晶が望めない。一方、凸部の幅が広すぎると、凸部を覆うまでに時間がかかり、完全に平坦化するのが困難となる。
エピタキシャル成長の際に形成する、c面又はc面と20度以下の角度を成す面以外の面を覆うマスク材料は、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない任意の材料を用いることができる。例えばSiO2が簡易に用いることができる。形成方法も任意であるが、SiO2を用いる場合、電子線蒸着又はプラズマCVDにより精度良くマスクを形成できる。
An arbitrary processing method can be used as a method of forming irregularities on the sapphire substrate surface. For example, the unevenness may be formed by etching using an etching mask. It is desirable that the irregularities formed on the sapphire substrate do not form a desired c-plane or a plane other than a plane that forms an angle of 20 degrees or less with the c-plane. For example, grooves are formed in a number of stripes parallel to the m-axis of the sapphire substrate. It is good to form.
In this case, it is preferable that the width of the concave portion formed by etching is 1 to 10 μm, the width of the convex portion remaining without being etched is 1 to 10 μm, and the height difference between the concave portion and the convex portion is about 1 to 10 μm. If the groove is too narrow, the crystal raw material is difficult to reach, and high-quality crystals cannot be expected by epitaxial growth in a narrow region. On the other hand, if the width of the convex portion is too wide, it takes time to cover the convex portion, and it becomes difficult to completely flatten the convex portion.
As the mask material that covers the surface other than the c-plane or a plane that forms an angle of 20 degrees or less with the c-plane formed during the epitaxial growth, any material that does not allow the group III nitride compound semiconductor to grow epitaxially can be used. For example, SiO 2 can be easily used. Although the formation method is also arbitrary, when SiO 2 is used, the mask can be formed with high accuracy by electron beam evaporation or plasma CVD.
V/III比を高くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を800以上、より好ましくは1000以上とすると良い。
V/III比を低くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を600以下、より好ましくは300以下とすると良い。
To increase the V / III ratio, for example, the molar ratio of ammonia and trimethylgallium is 800 or more, more preferably 1000 or more.
To lower the V / III ratio, for example, the molar ratio of ammonia to trimethylgallium is 600 or less, more preferably 300 or less.
以下、図を用いて本発明の具体的な一実施例について説明する。
主面が、a面と1度のオフ角を成すサファイア基板10を用意し、その長手方向がm軸方向に平行なストライプ状の凹凸を形成した。図2.Aに示すように、サファイア基板10に垂直なエッチングにより、溝部の底10vが形成され、エッチングされなかった凸部の表面10tと、表裏の関係にある、法線ベクトルの向きが180度異なる2つの側面10c−1及び10c−2が形成された。ここで、紙面に垂直な方向がm軸である。
このうち、側面10c−1及び10c−2からは、サファイアのc軸方向に、III族窒化物系化合物半導体の+c軸が一致するように、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しうるものである。側面10c−1及び10c−2からのエピタキシャル成長を共存させると、c軸方向に極性を有するIII族窒化物系化合物半導体が異なる方向から成長するため、接合面が不連続面となり、好ましくない。
ここで、側面10c−1の法線ベクトルが、図1で示したa軸と90−θ+δ(deg)の角度を成し、側面10c−2の法線ベクトルが、図1で示したa軸と−90+θ+δ(deg)の角度を成すことに着目すると、a軸と法線ベクトルの成す角の絶対値の大きい側面10c−1を用いる方が好適である。これは形成されるIII族窒化物系化合物半導体の+c軸方向が、サファイア基板10の主面に対して、サファイア基板10内部から外部への向きであるのに対し、側面10c−2は、形成されるIII族窒化物系化合物半導体の+c軸方向が、サファイア基板10の主面に対して、サファイア基板10外部から内部への向きである。ここにおいて、側面10c−2からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいc面は、ストライプ状の凹部にもぐり込む形となり、凸部より高い位置に形成される可能性がない。一方、側面10c−1からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいc面は、少なくともその一部がストライプ状の凸部より高い位置に到達し、その後、言わば横方向である+c軸方向の成長により凸部を迅速に覆うことが可能となる。
このように、III族窒化物系化合物半導体の+c軸方向の成長を期待するため、側面10c−1は露出させ、側面10c−2はマスクで覆うことが好ましい。
図2.Aで、ストライプ状の凸部の幅、凹部の幅を共に2μmとした。即ち、4μm周期のストライプとなる。凸部上面と凹部底面の高低差は2μmとした。
溝の角度、即ち表裏の関係にある2つの側面10c−1及び10c−2は、a面と1度のオフ角を成すサファイア基板10の主面に対し垂直に形成した。この角度は、正確な90度(即ちc面と1度のオフ角を成す面)でなくて良く、70度以上110度以下であれば良い。即ちサファイア基板のa面に対し、2つの側面10c−1及び10c−2は、69度以上111度以下(m軸の回りの回転角でもある)でよい。
エッチングの際にマスクとしてSiO2を用いる場合は、80〜90度に制御可能である。
Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
A
Among these, from the side surfaces 10c-1 and 10c-2, the group III nitride compound semiconductor can be epitaxially grown so that the + c axis of the group III nitride compound semiconductor coincides with the c-axis direction of sapphire. is there. If the epitaxial growth from the side surfaces 10c-1 and 10c-2 coexists, the group III nitride compound semiconductor having polarity in the c-axis direction grows from different directions, so that the bonding surface becomes a discontinuous surface, which is not preferable.
Here, the normal vector of the
Thus, in order to expect the growth of the group III nitride compound semiconductor in the + c-axis direction, it is preferable that the
FIG. In A, the width of the stripe-shaped convex part and the width of the concave part were both 2 μm. That is, the stripe has a period of 4 μm. The height difference between the top surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion was 2 μm.
The two
When SiO 2 is used as a mask during etching, it can be controlled to 80 to 90 degrees.
次に、SiO2から成るエピ成長マスク20を電子線(EB)蒸着により形成した。この際、図2.Bの太い矢印に示す通り、SiO2の蒸着方向が、サファイア基板10の主面に垂直な方向から、側面10c−2に当たる方向まで、掃引されるようにサファイア基板10の向きを回転させると良い。この際、側面10c−1にはSiO2から成るエピ成長マスク20が形成されないようにした。こうして凹凸加工を施したサファイア基板10の、面10t、10v及び10c−2に厚さ500nmのSiO2から成るエピ成長マスク20が蒸着された(図2.B)。
次に、露出すべき側面10c−1に一部付着する異物を、フッ酸を添加した希硝酸溶液で処理した。例えば、市販のフッ酸、濃硫酸及び水を3:2:200の比率で混合すると良い。こうして、サファイア基板10のc面と成す角が20度以下の凹凸の側面10c−1以外がSiO2から成るエピ成長マスク20で覆われたエピタキシャル成長基板が得られた(図2.C)。
Next, an
Next, the foreign matter partially adhering to the
サファイア基板10のc面と成す角(m軸の回りの回転角)が20度以下の凹凸の側面10c−1以外がSiO2から成るエピ成長マスク20で覆われたエピタキシャル成長基板をMOCVD装置に装着した(図3.A、図2.Cの再掲)。
エピタキシャル成長は、基本的には次の通りに実行した。まず、サファイア基板10の表面を1100℃でベークした。次に基板温度を600℃として、GaNから成る低温バッファ層を形成した。この後、1100℃でGaN層30を形成した。
An epitaxial growth substrate in which an angle formed with the c-plane of the sapphire substrate 10 (rotational angle about the m-axis) is 20 degrees or less, except for the
Epitaxial growth was basically performed as follows. First, the surface of the
GaN層30の形成は次のようにした。まず、サファイア基板10のc面と成す角が20度以下の凹凸の側面10c−1からGaN層30が成長を開始してから(図3.B)、溝部を埋める迄(図3.C)は、常圧で、V/III比を高く保った。即ち、アンモニアを7.5L/分(336mmol/分)、トリメチルガリウムを285μmol/分、V/III比を1180とした。
溝部が埋まり、凸部の上面がほぼ覆われて平坦化する(図3.D)までは、減圧で、V/III比を低く(アンモニアの供給量を1/5と)した。即ち、アンモニアを1.5L/分(67mmol/分)、トリメチルガリウムを285μmol/分、V/III比を236とした。
凸部の上面がほぼ覆われて平坦化した後(図3.E)は、常圧で、V/III比を高くした(アンモニアの供給量を元に戻した)。即ち、アンモニアを7.5L/分(336mmol/分)、トリメチルガリウムを285μmol/分、V/III比を1180とした。
こうして得られた結晶はストライプ状の凹凸が完全に覆われ、主面が、m面と1度のオフ角を成す平坦な面であるGaN膜が形成できた。得られた結晶表面の平坦性をAFMで促成したところ、RMSが1.0nmであった。
尚、図3.D及び図3.Eでは、GaN層30の成長面である表面に大きなステップがある記載をしているが、これは、GaN層30の成長面の微細構造が、ステップ状であることを示しているものである。即ち、サファイア基板10に設けた凹凸と、GaN層30のステップとは、その大きさの関係が図3.D及び図3.Eに示されたものではない。
あくまでも、GaN層30の成長面がm面から1度のオフ角を成すため、その微細構造はm面と、幅の狭い+c面の段差の繰り返しであることを示しているに過ぎない。図3.D及び図3.Eは、言わばデフォルメした図である。
The
The V / III ratio was lowered (ammonia supply amount was 1/5) under reduced pressure until the groove portion was filled and the upper surface of the convex portion was almost covered and flattened (FIG. 3.D). That is, ammonia was 1.5 L / min (67 mmol / min), trimethylgallium was 285 μmol / min, and the V / III ratio was 236.
After the upper surface of the convex portion was almost covered and flattened (FIG. 3.E), the V / III ratio was increased at normal pressure (the supply amount of ammonia was restored). That is, ammonia was 7.5 L / min (336 mmol / min), trimethylgallium was 285 μmol / min, and the V / III ratio was 1180.
The crystal thus obtained was completely covered with stripe-shaped irregularities, and a GaN film in which the main surface was a flat surface having an off angle of 1 degree with the m-plane could be formed. When the flatness of the obtained crystal surface was promoted by AFM, the RMS was 1.0 nm.
FIG. D and FIG. E describes that there is a large step on the growth surface of the
To the last, the growth surface of the
上記実施例によれば、4μm間隔に形成された側面10c−1を核(成長開始領域)として横方向成長によりエピ成長マスク20上部をも覆うようにエピタキシャル成長される。エピ成長マスク20上部で、隣り合う2つの側面10c−1からのエピタキシャル結晶が合体する周期も4μm間隔となる。
即ち、本発明によれば側面10c−1のみをエピタキシャル成長の核とするので、基板面全体として極性の揃った、高品質の結晶が得られる。
According to the above embodiment, the epitaxial growth is performed so as to cover the upper part of the epi-
That is, according to the present invention, since only the
主面が、a軸からc軸方向へ3度回転させた方向の法線ベクトルであるサファイア基板10を用い、凹凸を形成した際、一方の側面10c−1がほぼ正確なc面となるように加工した。即ち、当該側面10c−1とサファイア基板の主面の成す角度は87度とした。この他は実施例1と同様に600℃でGaNから成る低温バッファ層を形成し、1100℃でGaN層30を形成した。
GaN層30の表面は完全に平坦化した。表面の高低をAFM画像で評価したところ、RMSは0.8nmと算出された。
When the
The surface of the
〔比較例〕
比較のため、a面から0度以上0.5度以下c軸方向に回転させた方向を主面の法線ベクトルとするサファイア基板を用い、実施例1と同様にストライプ状の凹凸を形成して、図2.Aの側面10c−2、即ちc面からの法線ベクトルの方向がサファイア基板10の主面に対して外部から内部への方向である側面を露出させるようにしてマスクを形成した。この他は実施例1と同様にGaNをエピタキシャル成長させたところ、ストライプ状の凹凸を完全に覆うことはできなかった。また、その表面の高低をAFM画像で評価したところ、RMSは5nm以上であった。
[Comparative Example]
For comparison, a sapphire substrate having a normal vector of the main surface that is rotated in the c-axis direction from 0 degrees to 0.5 degrees from the a plane is used to form striped irregularities as in Example 1. FIG. The mask was formed such that the
実施例1で得られた、サファイア基板10上に形成したGaN層30の上に、更にHVPE法により厚膜GaNを形成した。即ち、V族原料にはアンモニア(NH3)を、III族原料にはGaとHClとを反応させて得られたGaClを用い、基板温度1100℃でGaNを250μm成長させた。供給量は、HClを50sccm(標準立方センチメートル)、NH3を2000sccmとし、キャリアガス(N2)を5000sccmとした。
結晶成長後、200分かけて室温まで冷却したところ、厚膜GaN層とサファイア基板10とが分離し、m面からわずかにオフした面を主面とする厚膜のGaN基板が得られた。これは、冷却中に、厚膜GaN層とサファイア基板10との界面がストライプ状の凹凸であるために熱膨張係数差に基づく応力が集中し、その付近でGaN層のm面を劈開面として分離したものである。得られたGaN基板は割れや細かいクラックが生ぜず、高品位の結晶であった。
On the
After crystal growth, when cooled to room temperature over 200 minutes, the thick GaN layer and the
本発明により、III族窒化物系化合物半導体素子を形成するための、主面がc面でないIII族窒化物系化合物半導体膜が提供される。 According to the present invention, there is provided a group III nitride compound semiconductor film whose main surface is not c-plane for forming a group III nitride compound semiconductor element.
10:主面がa面とオフ角を成すサファイア基板
10t:サファイア基板10に形成された凹凸の上面
10v:サファイア基板10に形成された凹凸の底面
10c−1:エピタキシャル成長に用いる、サファイア基板10に形成された凹凸の側面
10c−2:エピタキシャル成長に用いない、サファイア基板10に形成された凹凸の側面
20:SiO2から成るエピ成長マスク
30:GaN層
10: Sapphire substrate whose main surface forms an off-angle with the a-plane 10t: Top surface of unevenness formed on the
Claims (7)
前記サファイア基板の主面の法線ベクトルが、a軸からc軸方向に0.2度以上5度以下回転させた方向であり、
前記サファイア基板にc面又はc面と成す角が20度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルと前記サファイア基板のa軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他の前記サファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
前記マスク材料により覆われていない、前記サファイア基板の露出したc面又はc面と成す角が20度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、m面と0.2度以上5度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。 In a method for producing a group III nitride compound semiconductor, wherein a group III nitride compound semiconductor is epitaxially grown on a sapphire substrate,
The normal vector of the principal surface of the sapphire substrate is a direction rotated from 0.2 degrees to 5 degrees in the c-axis direction from the a-axis,
Forming concavo-convex having a c-plane or a side with an angle of 20 degrees or less formed on the sapphire substrate;
Among the side surfaces, the surface of the other sapphire substrate is group III so that the normal vector is the same and only the side surface with the larger angle formed by the normal vector and the a-axis of the sapphire substrate is exposed. Cover with a mask material that nitride compound semiconductor does not grow epitaxially,
By epitaxially growing a group III nitride compound semiconductor from an exposed c-plane of the sapphire substrate or an angle formed with the c-plane that is not covered by the mask material and having an angle of 20 degrees or less, the main surface is the m-plane. A method for producing a Group III nitride compound semiconductor, comprising obtaining a Group III nitride compound semiconductor crystal having an angle of 0.2 degrees to 5 degrees.
アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するV/III比について、
前記凹凸の凹部を埋めるまでは前記V/III比を高く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまでは前記V/III比を低く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降は前記V/III比を高くすることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。 The epitaxial growth is performed by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) using trimethylgallium and ammonia,
Regarding the V / III ratio of ammonia supply to trimethylgallium supply,
The V / III ratio is increased until the concave and convex portions are filled,
The V / III ratio is low until the epitaxially grown film covers the uneven portions.
6. The method for producing a group III nitride compound semiconductor according to claim 5, wherein the V / III ratio is increased after the convex and concave portions are covered with the epitaxial growth film.
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