JP2001294500A - Method of growing gallium nitride-based compound semiconductor crystal - Google Patents

Method of growing gallium nitride-based compound semiconductor crystal

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JP2001294500A
JP2001294500A JP2000090656A JP2000090656A JP2001294500A JP 2001294500 A JP2001294500 A JP 2001294500A JP 2000090656 A JP2000090656 A JP 2000090656A JP 2000090656 A JP2000090656 A JP 2000090656A JP 2001294500 A JP2001294500 A JP 2001294500A
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gallium nitride
compound semiconductor
based compound
substrate
growing
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Seiji Yaegashi
誠司 八重樫
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of growing a high quality gallium nitride-based compound semiconductor crystal suitable as a blue light-emitting material. SOLUTION: In the method of growing the gallium nitride-based compound semiconductor crystal on a single crystal substrate, M1(1-x)M2xY (M1 and M2 are each a different metal element; Y is one or more selected from carbon, nitrogen, boron or oxygen; and x is >0 and <1), having a rock salt structure, preferably having (111) face, especially preferably having lattice spacings of (111) faces of M1Y and M2Y such that the lattice spacing of one of the (111) faces of M1Y and M2Y is larger than the lattice spacing of (0001) face of the gallium nitride-based compound semiconductor and the other lattice spacing is smaller than that of the gallium nitride-based compound semiconductor, that is to say, they show reverse signs to each other in lattice mismatching ratio, is used as the single crystal substrate mentioned above.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光デバイス、電子
デバイスなどの半導体デバイスに用いられる窒化ガリウ
ム系化合物半導体結晶の成長方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal used for a semiconductor device such as an optical device and an electronic device.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体(In
Al1−x−yN、但し、0≦x、0<y、x+y
≦1)は禁制帯幅が広く、短波長の発光及び受光素子、
耐環境素子として期待され、広く研究されてきた(以
下、窒化ガリウム系化合物半導体結晶として、主とし
て、GaNを代表例に取り説明するが、本発明はこれに
より何ら制限されるものではない)。しかしながら、こ
の系にはまだ大型バルク結晶が無いため、サファイアを
代表とする異種結晶基板上へのヘテロエピタキシーによ
る薄膜単結晶が用いられてきた。しかし、多くの場合、
基板に用いられる異種結晶基板とその上に成長する窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜との格子不整合性が大きい
という問題があった。
2. Description of the Related Art Gallium nitride-based compound semiconductors (In xG
a y Al 1-xy N, where 0 ≦ x, 0 <y, x + y
≦ 1) is a wide band gap, short wavelength light emitting and receiving element,
The gallium nitride-based compound semiconductor crystal is expected to be an environment-resistant element and has been widely studied (hereinafter, GaN will be mainly described as a typical example, but the present invention is not limited thereto). However, since there is no large bulk crystal in this system yet, a thin film single crystal by heteroepitaxy on a heterogeneous crystal substrate represented by sapphire has been used. But often,
There is a problem that the lattice mismatch between the heterocrystalline substrate used as the substrate and the gallium nitride-based compound semiconductor thin film grown thereon is large.

【0003】そこで、すでに窒化ガリウム系化合物半導
体のヘテロエピタキシー用の優れた異種結晶基板の一つ
として、希土類Gaペロブスカイトに代表される希土類
13(3B)族ペロブスカイトが提案されている(特願
平7−526233)。この系の結晶を基板に用いる
と、例えばNdGaOとGaNの場合、格子不整合が
−1.2%程度であり、サファイア等に比べてはるかに
小さく、又、サファイアの代替として使われているSi
CやAlNと比べても小さく、ヘテロエピタキシーに適
している。そして、GaNの厚膜を形成する方法とし
て、ハイドライドVPE(HVPE)法が広く用いられ
ており、反応ガスとしてGaCl、アンモニアガス等
が使用されている。しかし、GaNを形成する温度、雰
囲気において、アンモニアガスと基板が反応して表面が
荒れたり、反応生成物の形成により、清浄な単結晶基板
表面が失われることが問題であった。
Therefore, as one of excellent heterocrystalline substrates for heteroepitaxy of gallium nitride based compound semiconductors, a rare earth 13 (3B) group perovskite represented by a rare earth Ga perovskite has already been proposed (Japanese Patent Application No. Hei 7 (1999) -197). -526233). When a crystal of this type is used for a substrate, for example, in the case of NdGaO 3 and GaN, the lattice mismatch is about −1.2%, which is much smaller than sapphire or the like, and is used as a substitute for sapphire. Si
It is smaller than C and AlN, and is suitable for heteroepitaxy. As a method of forming a GaN thick film, a hydride VPE (HVPE) method is widely used, and GaCl 3 , ammonia gas, or the like is used as a reaction gas. However, at a temperature and an atmosphere for forming GaN, there has been a problem that the surface of the single crystal substrate is lost due to the reaction between the ammonia gas and the substrate and the formation of a reaction product.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解決するためになされたものであり、本発明の目
的は、青色発光材料として好適な良質の窒化ガリウム系
化合物半導体結晶の成長方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to grow a high-quality gallium nitride-based compound semiconductor crystal suitable as a blue light emitting material. Is to provide a way.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶の成長に適した基板用結晶を広
く検討した結果、窒化ガリウム系化合物半導体と格子不
整合が小さくかつ高温でアンモニアに対して安定である
基板として、それぞれ岩塩構造を持つ、MYとM
の複合化合物であるM (1−x) Y(但し、M
、M:互いに異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼
素又は酸素の1種又は2種以上、0<x<1)、好まし
くは、前記複合化合物において、MYとMYの(1
11)面の格子間隔が窒化ガリウム系化合物半導体の
(0001)面の格子間隔に対して、一方が大きく、他
方が小さい、即ち格子不整合率において、逆符号を示す
複合化合物に着目した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have extensively studied a crystal for a substrate suitable for growing a gallium nitride compound semiconductor crystal, and have found that a lattice mismatch with a gallium nitride compound semiconductor is small and ammonia at a high temperature. M 1 Y and M 2 Y each having a rock salt structure as a substrate stable against
M 1 (1-x) M 2 x Y (where M
1 , M 2 : different metal elements, Y: one or more of carbon, nitrogen, boron or oxygen, 0 <x <1), preferably in the composite compound, M 1 Y and M 2 Y (1
11) Attention was paid to a compound compound in which one is larger and the other is smaller than the lattice spacing of the (0001) plane of the gallium nitride-based compound semiconductor, that is, the compound has an opposite sign in the lattice mismatch ratio.

【0006】すなわち、このような複合化合物において
は、xの値を適当に選定することにより、理論的には格
子不整合を無くすることが可能であるとの知見を得て、
本発明を想到した。より具体的に説明すると、例えば、
MgOとCaOの複合酸化物であるMg1−XCa
単結晶に着目した場合、このMgOとCaOの複合酸化
物は、1:1のモル比組成付近では2相が共存して存在
するが、双方とも同じ結晶構造を持っているため、拡散
係数の小さい低温において、原子レベルで混合された状
態では、固溶体の様にふるまうため、この単結晶、特に
好ましくは、その(111)面は、窒化ガリウム系化合
物半導体、例えば、GaNとの格子不整合率をxの値を
変化させることにより、MgOの−6.6%からCaO
の6.7%まで連続的に変化させことができることか
ら、理論的には格子不整合を無くすることが可能であ
る。
That is, in such a composite compound, it was found that by appropriately selecting the value of x, it is theoretically possible to eliminate lattice mismatch.
The present invention has been made. More specifically, for example,
Mg 1-X Ca X O which is a composite oxide of MgO and CaO
When attention is paid to a single crystal, this composite oxide of MgO and CaO has two phases coexisting near a molar ratio composition of 1: 1. However, since both have the same crystal structure, a diffusion coefficient of At a low temperature, when mixed at the atomic level, it behaves like a solid solution, so that this single crystal, particularly preferably, its (111) plane has a lattice mismatch with a gallium nitride-based compound semiconductor, for example, GaN Is changed from -6.6% of MgO to CaO by changing the value of x.
Can be changed continuously up to 6.7%, theoretically, it is possible to eliminate lattice mismatch.

【0007】この知見に基づいて、本発明は、(1)単
結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長さ
せる方法において、前記単結晶基板として、岩塩構造を
持つM (1−x) Y(但し、M 、M:互い
に異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1
種又は2種以上、0<x<1)を用いることを特徴とす
る窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法、(2)
前記単結晶基板が、基板上に岩塩構造を持つM
(1−x) Y(但し、M、M:互いに異なる
金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は2
種以上、0<x<1)から成るバッファ層を形成したも
のであることを特徴とする前記(1)記載の窒化ガリウ
ム系化合物半導体結晶の成長方法、(3)前記M
(1−x) Y(但し、M、M:互いに異なる
金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は2
種以上、0<x<1)において、MYとMYの(1
11)面の格子間隔が窒化ガリウム系化合物半導体の
(0001)面の格子間隔に対して、一方が大きく、他
方が小さい、即ち格子不整合率において、逆符号を示す
ことを特徴とする前記(1)〜前記(2)記載の窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶の成長方法、(4)前記単結
晶基板又はバッファ層の結晶面が、岩塩構造を持つM
(1−x Y(但し、M、M:互いに異なる
金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は2
種以上、0<x<1)の(111) 面であることを特
徴とする前記(1)〜前記(3)記載の窒化ガリウム系
化合物半導体結晶の成長方法、(5)単結晶基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させる方法におい
て、前記単結晶基板として、岩塩構造を持つMX(但
し、M:金属元素、X:炭素、窒素、酸素、硼素又は弗
素)を用いることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半
導体結晶の成長方法、(6)前記単結晶基板が、基板上
に岩塩構造を持つMX(但し、M:金属元素、X:炭
素、窒素、酸素、硼素又は弗素)から成るバッファ層を
形成したものであることを特徴とする前記(5)記載の
窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法、(8)前
記単結晶基板又はバッファ層の結晶面が、岩塩構造を持
つMX(但し、M:金属元素、Y:炭素、窒素、酸素、
硼素又は弗素)の(111) 面であることを特徴とす
る前記(5)〜前記(6)記載の窒化ガリウム系化合物
半導体結晶の成長方法、を提供する。
[0007] Based on this finding, the present invention provides (1)
Gallium nitride based compound semiconductor crystal is grown on a crystal substrate
In the method, a rock salt structure is used as the single crystal substrate.
Holding M1 (1-x)M2 xY (however, M 1, M2: Each other
A different metal element, Y: one of carbon, nitrogen, boron or oxygen
Species or two or more kinds, 0 <x <1).
Gallium nitride compound semiconductor crystal growth method, (2)
The single crystal substrate has a rock salt structure on the substrate.1
(1-x)M2 xY (however, M1, M2: Different from each other
Metal element, Y: one or two of carbon, nitrogen, boron or oxygen
A buffer layer comprising 0 <x <1) is formed.
The gallium nitride according to the above (1), wherein
A method of growing a compound semiconductor crystal,1
(1-x)M2 xY (however, M1, M2: Different from each other
Metal element, Y: one or two of carbon, nitrogen, boron or oxygen
Or more, at 0 <x <1), M1Y and M2Y's (1
11) The lattice spacing of the plane is gallium nitride based compound semiconductor
One is larger than the lattice spacing of the (0001) plane and the other is
Is smaller, that is, shows the opposite sign at the lattice mismatch rate
The nitride gas according to (1) or (2),
A method of growing a lithium-based compound semiconductor crystal, (4) the single bonding
Crystal substrate or buffer layer has a rock salt structure1
(1-x )M2 xY (however, M1, M2: Different from each other
Metal element, Y: one or two of carbon, nitrogen, boron or oxygen
More than one species, the (111) plane is 0 <x <1).
The gallium nitride-based material according to any one of the above (1) to (3)
(5) Nitrogen on a single crystal substrate
How to grow gallium arsenide compound semiconductor crystals
As the single crystal substrate, MX having a rock salt structure (however,
M: metal element, X: carbon, nitrogen, oxygen, boron or fluorine
Gallium nitride-based compound characterized by using
A method for growing a conductor crystal, (6) the method wherein the single crystal substrate is provided on a substrate.
MX with rock salt structure (where M: metal element, X: charcoal
Buffer layer consisting of silicon, nitrogen, oxygen, boron or fluorine)
(5).
Gallium nitride based compound semiconductor crystal growth method, (8)
The crystal plane of the single crystal substrate or buffer layer has a rock salt structure.
MX (where M: metal element, Y: carbon, nitrogen, oxygen,
(111) plane of (boron or fluorine)
Gallium nitride-based compound according to the above (5) to (6)
A method for growing a semiconductor crystal is provided.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、詳細に説明する。本発明の最大の特徴は、単結晶基
板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させる方
法において、前記単結晶基板として、岩塩構造を持つM
(1−x) Y(但し、M、M:互いに異な
る金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は
2種以上、0<x<1)、好ましくは、MYとM
の(111)面の格子間隔が窒化ガリウム系化合物半導
体の(0001)面の格子間隔に対して、一方が大き
く、他方が小さい、即ち格子不整合率において、逆符号
を示すもの、特に好ましくは、その(111)面を用い
ることにある。まず、本発明において、M、Mは互
いに異なる金属元素であり、Ti、Ta、Hf、Nb、
Zr、Sc、Lu、Yb、Tm、Mg、Co、Cd、C
a等が例示されるが、MY及びMYが岩塩構造であ
るものであれば、特に限定されるものではない。なお、
岩塩構造を持つM (1−x) Yにおいて、xの
値を適当に選定することにより、窒化ガリウム系化合物
半導体の(0001)面との格子不整合を無くすことが
理論的に可能なことから、MYとMYの(111)
面の格子間隔が窒化ガリウム系化合物半導体の(000
1)面の格子間隔に対して、一方が大きく、他方が小さ
い、即ち格子不整合率において、逆符号を示すものが好
ましい。次に、岩塩構造を持つMYとMYの(11
1)面と窒化ガリウム系化合物半導体の(0001)面
との格子不整合率には、特に限定されないが、格子常数
の差が大きくなると平衡状態での固溶相、あるいは、非
平衡状態での強制固溶相が生成しにくくなるという理由
から、好ましくは、±15%以下、特に好ましくは、±
7%以下のものである。表1に岩塩構造を持ち、その
(111)面の格子不整合率が、GaNの(0001)
面に対して、±7%以下である物質とその格子常数(n
m)を示す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
And will be described in detail. The greatest feature of the present invention is the single crystal base
For growing gallium nitride-based compound semiconductor crystals on a plate
In the method, as the single crystal substrate, M having a rock salt structure may be used.
1 (1-x)M 2 xY (however, M1, M2: Different from each other
Metal element, Y: one of carbon, nitrogen, boron or oxygen or
2 or more, 0 <x <1), preferably M1Y and M2Y
Gallium nitride based compound semiconductor with lattice spacing of (111) plane
One is larger than the lattice spacing of the (0001) plane of the body
And the other is small, that is,
And particularly preferably using the (111) plane.
It is to be. First, in the present invention, M1, M2Are
Ti, Ta, Hf, Nb,
Zr, Sc, Lu, Yb, Tm, Mg, Co, Cd, C
a and the like are exemplified.1Y and M2Y is rock salt structure
It is not particularly limited as long as it is one. In addition,
M with rock salt structure1 (1-x)M2 xIn Y, x
By properly selecting the values, gallium nitride compounds
Eliminating lattice mismatch with the (0001) plane of the semiconductor
From what is theoretically possible, M1Y and M2Y's (111)
The lattice spacing of the plane is (000) of the gallium nitride-based compound semiconductor.
1) One is larger and the other is smaller than the lattice spacing of the plane
In other words, the one that shows the opposite sign in the lattice mismatch rate is preferable.
Good. Next, M with rock salt structure1Y and M2Y's (11
1) plane and (0001) plane of gallium nitride based compound semiconductor
Is not particularly limited, but the lattice constant
When the difference is large, the solid solution phase in the equilibrium state
Reasons why it is difficult to generate a forced solid solution phase in the equilibrium state
From ± 15% or less, particularly preferably ± 15%
It is less than 7%. Table 1 shows the rock salt structure.
The lattice mismatch rate of the (111) plane is GaN (0001)
Substance and its lattice constant (n
m).

【0009】[0009]

【表1】 [Table 1]

【0010】なお、これらの化合物は、単独でも、単結
晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させ
る方法において、前記単結晶基板として用いることが出
来、これらを基板上にバッファ層として形成したもので
も良いことはいうまでもない。好ましくは、これらの
(111)面である。一方、岩塩構造を持つM
(1−x) Yのxの値は、0<x<1であるが、
岩塩構造を持つMYとMYの(111)面と窒化ガ
リウム系化合物半導体の(0001)面との格子不整合
率を考慮に入れ、窒化ガリウム系化合物半導体との格子
不整合が小さくなるこよう、適宜選定する必要がある。
ところで、岩塩構造を持つM (1−x) YのY
としては、炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は2種以
上である。通常は、これらの1種からなる複合酸化物が
代表例であるが、例えば、MとM(例え
ば、ZrBとHfC、ZrBとTaC、ZrNとHf
C、ZrNとTaC等)からなるM (1−x
(1−z) (0<z<1)等であっても良い
ことは言うまでもない。
These compounds can be used alone or as a single crystal substrate in a method of growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal on a single crystal substrate, and these compounds are formed as a buffer layer on the substrate. It goes without saying that things can be used. Preferably, these (111) planes are used. On the other hand, M 1 with a rock salt structure
(1-x) The value of x in M 2 x Y is 0 <x <1, but
Taking into account the lattice mismatch between the (111) plane of M 1 Y and M 2 Y having a rock salt structure and the (0001) plane of the gallium nitride compound semiconductor, the lattice mismatch with the gallium nitride compound semiconductor is small. It is necessary to make appropriate selections.
By the way, Y of M 1 (1-x) M 2 x Y having a rock salt structure
Is one or more of carbon, nitrogen, boron and oxygen. Usually, a complex oxide composed of one of these is a typical example. For example, M 1 Y 1 and M 2 Y 2 (for example, ZrB and HfC, ZrB and TaC, ZrN and Hf
M 1 (1-x ) M 2 x composed of C, ZrN, TaC, etc.
It goes without saying that Y 1 (1-z) Y 2 Z (0 <z <1) or the like may be used.

【0011】以下、窒化ガリウム系化合物半導体(In
GaAl1−x−yN、但し、0≦x、0<y、x
+y≦1)の代表例としてGaN、岩塩構造を持つM
(1− x) Y(但し、M、M:互いに異なる
金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種又は2
種以上、0<x<1)の代表例としてMg1−XCa
Oを例に説明するが、本発明はこれにより何ら制限され
るものではない。まず、図1にはMgO-CaO系の状
態図を示す。これから判るように、Mg −XCa
は幅広い組成領域で高温まで相変態がなく、2相が共存
して安定に存在する。そして、Mg1−XCaOにお
ける液相線は、x=0.06〜0.78の範囲の組成に
おいて2370℃であり、窒化ガリウム系半導体結晶成
長の温度である1000℃程度に対して熱的に安定であ
り、しかもアンモニア等の還元ガスによっても侵食され
ることがなく、化学的にも安定である。
Hereinafter, gallium nitride based compound semiconductors (In
x Ga y Al 1-x- y N, where, 0 ≦ x, 0 <y , x
+ Y ≦ 1) GaN, M 1 having a rock salt structure as a typical example
(1- x) M 2 x Y (where M 1 and M 2 are different metal elements, Y is one or two of carbon, nitrogen, boron or oxygen)
Or more, and as a representative example of 0 <x <1), Mg 1-X Ca X
O will be described as an example, but the present invention is not limited thereto. First, FIG. 1 shows a phase diagram of the MgO—CaO system. As can be seen, Mg 1 -X Ca X O
Has no phase transformation up to a high temperature in a wide composition range, and two phases coexist stably. The liquidus line of Mg 1-X Ca X O is 2370 ° C. in a composition in the range of x = 0.06 to 0.78, which is about 1000 ° C. which is the temperature of gallium nitride based semiconductor crystal growth. It is thermally stable, is not eroded by a reducing gas such as ammonia, and is chemically stable.

【0012】図2にはMgO、CaO及びMg0.52
Ca0.48Oの(111)面における、GaNとの格
子不整合の温度依存性を示す。これより、Mg0.52
Ca0.48O、特にその(111)面においては、室
温から1000℃程度の高温の範囲において格子不整合
を±0.1%以下にすることが可能であることがわか
る。従来、GaNとの格子不整合が小さい単結晶基板と
してNdGaOが知られているが、それでも−1.2
〜−1.7%であり、それよりも優れている。
FIG. 2 shows MgO, CaO and Mg 0.52.
3 shows the temperature dependence of lattice mismatch with GaN on the (111) plane of Ca 0.48 O. From this, Mg 0.52
It is understood that lattice mismatch can be reduced to ± 0.1% or less in the range of room temperature to a high temperature of about 1000 ° C. in Ca 0.48 O, particularly in the (111) plane. Conventionally, NdGaO 3 has been known as a single crystal substrate having a small lattice mismatch with GaN, but still −1.2
~ -1.7%, which is better.

【0013】さらにNdGaOとGaNは、格子間隔
がGa面では√3倍、Nd-O面では(√3)/2倍の
関係になっている。また、NdGaOの双方の面の原
子配列が正三角形を形成し、GaNの原子が正六角形を
形成する。従って、NdGaOのGa面では原子1個
に対してGaNの原子2個、NdGaOのNd-O面
では原子2個に対してGaNの原子1個が界面において
存在することになる。
Further, NdGaO 3 and GaN have a lattice spacing of √3 times on the Ga plane and (√3) / 2 times on the Nd—O plane. Further, the atomic arrangement of both surfaces of NdGaO 3 forms a regular triangle, and the atoms of GaN form a regular hexagon. Thus, two GaN atoms for one atom is Ga face of NdGaO 3, one of GaN atoms will be present at the interface for two atoms in Nd-O plane of NdGaO 3.

【0014】ところで、界面のエネルギーは基板と膜の
それぞれの表面エネルギーの差と格子不整合によって決
まるが、たとえ格子不整合が小さい場合でも基板と膜で
お互いに正対しない原子が存在すると界面エネルギーの
増加を招くことになる。NdGaO基板を使用した場
合では、Ga面、Nd-O面ともにGaNに対するGa
Nの正対率が50%と低い。それに対してMg1−X
O系、特に好ましくは、その(111)面では、正
対率は基板、膜のどちらを基準にしても100%、即ち
GaNの原子配列が基板に完全に整合していることか
ら、格子不整合による界面エネルギーは理想的にはゼロ
にすることが可能である。
The energy at the interface is determined by the difference between the surface energies of the substrate and the film and the lattice mismatch. However, even if the lattice mismatch is small, if there is an atom that does not directly face the substrate and the film, the interface energy is reduced. Will increase. In the case where the NdGaO 3 substrate is used, both the Ga plane and the Nd—O plane
The direct ratio of N is as low as 50%. On the other hand, Mg 1-X C
a X O system, particularly preferably, the (111) plane, the Tadashitairitsu substrate 100 percent based on either film, i.e., from the GaN of the atomic arrangement is completely matched to the substrate, The interface energy due to lattice mismatch can ideally be reduced to zero.

【0015】なお、単結晶基板として、Mg1−XCa
O(0<x<1)、特に好ましくは、その(111)
面を用いることが出来るが、サファイア、SiC、Nd
GaO 等の基板上に、例えば、スパッタリング法等に
より、Mg1−XCaO(0<x<1)、特に好まし
くは、その(111)面からなるバッファ層を形成した
ものでも良いことは、自明のことである。又、Mg
1−XCaOのxの値は、0<x<1であるが、Ga
Nとの格子不整合が小さくなることから、好ましくは、
0.3≦x≦0.7、特に好ましくは、0.4≦x≦
0.6である。
Note that, as a single crystal substrate, Mg1-XCa
XO (0 <x <1), particularly preferably (111)
Surface can be used, but sapphire, SiC, Nd
GaO 3On a substrate such as, for example, a sputtering method
Than Mg1-XCaXO (0 <x <1), especially preferred
Alternatively, a buffer layer composed of the (111) plane was formed.
It is self-evident that things can be good. Also, Mg
1-XCaXThe value of x of O is 0 <x <1;
Since lattice mismatch with N becomes small, preferably,
0.3 ≦ x ≦ 0.7, particularly preferably 0.4 ≦ x ≦
0.6.

【0016】なお、GaN以外の窒化ガリウム系化合物
半導体(InGaAl1−x−yN、ただし、0≦
x、0<y、x+y≦1)、Mg1−XCaO以外の
岩塩構造を持つM (1−x) Y(但し、M
:互いに異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又
は酸素の1種又は2種以上、0<x<1)については、
これらの組み合わせに応じ、格子不整合率、正対率等を
考慮に入れ、最適な面方位及び組成(それぞれのxの値
の範囲)等を決めることが出来る。
[0016] Incidentally, a gallium nitride-based compound other than GaN semiconductor (In x Ga y Al 1- x-y N, however, 0 ≦
x, 0 <y, x + y ≦ 1), M 1 (1-x) M 2 x Y having a rock salt structure other than Mg 1-X Ca X O (where M 1 ,
M 2 : different metal elements, Y: one or more of carbon, nitrogen, boron and oxygen, 0 <x <1)
According to these combinations, the optimum plane orientation and composition (the range of each x value) can be determined in consideration of the lattice mismatch ratio, the direct ratio, and the like.

【0017】一方、窒化ガリウム系化合物半導体(In
GaAl1−x−yN、ただし、0≦x、0<y、
x+y≦1)結晶の成長方法としては、気相成長方法で
あれば、特に限定されるものではないが、ハイドライド
VPE(Vapor Phase Epitaxy)法
が成長速度が早いという特徴を持ち合わせているので、
特に好ましい。
On the other hand, a gallium nitride-based compound semiconductor (In
x Ga y Al 1-x- y N, however, 0 ≦ x, 0 <y ,
x + y ≦ 1) The crystal growth method is not particularly limited as long as it is a vapor phase growth method, but a hydride VPE (Vapor Phase Epitaxy) method has a feature that the growth rate is high.
Particularly preferred.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、具体的な実施例によって本発明の詳
細を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples.

【0019】[0019]

【実施例1】Mg1−XCaO(111)単結晶基板
上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶の代表例であるG
aNを成長させた実施例について説明する。厚さ500
μmのMg0.5Ca0.5O(111)単結晶基板を
アセトン、メタノールによる有機洗浄を行ったあと、ハ
イドライドVPE装置内の石英製ウェハー保持具にセッ
トした。窒素ガスを流しながら、基板部の温度を600
℃に、Ga原料の温度を850℃に昇温、保持した。G
a原料の上流側から窒素ガスで希釈されたHClガスを
流し、基板部近傍にNHガスを流し、基板上にGaN
の第1層を10分間成長させた。続いて、基板部の温度
を1000℃に昇温した後保持し、第2層を120分間
成長した。冷却後、ウェハーを取り出した。第1層は第
2層成長のための基板のバッファ膜であり、厚さが数n
m程度の極めて薄いものである。第2層の厚さは100
μmであった。全体としては表面に異常成長が見られな
い平坦な鏡面のエピタキシャル膜であった。X線回折の
測定を行った結果、GaN(0001)面に平行なピー
クのみが観測され、さらにφスキャンの測定によって
(0001)面がMg0.5Ca0.5O(111)基
板に平行な単結晶であることが確認できた。
Embodiment 1 G, which is a typical example of a gallium nitride-based compound semiconductor crystal, is formed on a Mg 1-X Ca X O (111) single crystal substrate.
An example in which aN is grown will be described. Thickness 500
The μm Mg 0.5 Ca 0.5 O (111) single crystal substrate was subjected to organic washing with acetone and methanol, and then set on a quartz wafer holder in a hydride VPE device. While flowing nitrogen gas, raise the temperature of the substrate to 600
° C, and the temperature of the Ga raw material was raised to 850 ° C and held. G
aHCl gas diluted with nitrogen gas is flowed from the upstream side of the raw material, NH 3 gas is flown near the substrate portion, and GaN is
Was grown for 10 minutes. Subsequently, the temperature of the substrate was raised to 1000 ° C. and maintained, and the second layer was grown for 120 minutes. After cooling, the wafer was taken out. The first layer is a buffer film of a substrate for growing the second layer and has a thickness of several n.
m, which is extremely thin. The thickness of the second layer is 100
μm. As a whole, the epitaxial film had a flat mirror surface and no abnormal growth was observed on the surface. As a result of X-ray diffraction measurement, only a peak parallel to the GaN (0001) plane was observed, and the (0001) plane was parallel to the Mg 0.5 Ca 0.5 O (111) substrate by φ scan measurement. It was confirmed that this was a single crystal.

【0020】図3(a)には、GaN(2−1−11)
のX線回折φスキャンの測定結果を示す。これより、6
回対称のピークだけが観測され単結晶であることがわか
る。図3(b)には、Ge四結晶で単色化したX線を用
いた(0002)ピークのロッキングカーブの測定結果
を示す。半値幅が60秒程度で結晶性に優れていること
が確認された。
FIG. 3A shows GaN (2-1-11)
2 shows the measurement results of the X-ray diffraction φ scan of FIG. From this, 6
Only a symmetrical peak is observed, indicating that the crystal is a single crystal. FIG. 3 (b) shows the measurement result of the rocking curve of the (0002) peak using X-ray monochromated with Ge tetracrystal. It was confirmed that the crystallinity was excellent when the half width was about 60 seconds.

【0021】[0021]

【比較例1】比較のため、サファイア単結晶基板の(0
001)面に実施例1と同様にして、GaN膜の成長を
行った。X線回折によって、(0001)面が基板面と
平行な単結晶膜であることが確かめられた。図4(a)
には、サファイア基板上GaN(2−1−11)のX線
回折φスキャンの測定結果を示す。6回対称のピークだ
けが観測され単結晶であることが確認されたが、180
度ずれた2つのピークがブロードになっていることがわ
かる。これは、格子不整合が大きいことから、試料に一
軸性の応力が加わり、GaNの一定方向に歪がはいって
いることを示している。図4(b)には、サファイア基
板上GaN膜を(0002)ピークのロッキングカーブ
の測定結果を示す。半値幅は1500秒程度であった。
これらの結果から、Mg0.5Ca0.5O基板上に作
製したGaN膜よりもサファイア基板上に作製したGa
N膜は、結晶性が大幅に劣ることが明らかになった。
Comparative Example 1 For comparison, a (0)
On the (001) plane, a GaN film was grown in the same manner as in Example 1. X-ray diffraction confirmed that the (0001) plane was a single crystal film parallel to the substrate plane. FIG. 4 (a)
Shows the measurement results of X-ray diffraction φ scan of GaN (2-1-11) on a sapphire substrate. Only a six-fold symmetrical peak was observed, confirming that it was a single crystal.
It can be seen that the two peaks shifted from each other are broad. This indicates that since the lattice mismatch is large, a uniaxial stress is applied to the sample, and the GaN is strained in a certain direction. FIG. 4B shows the measurement result of the rocking curve of the (0002) peak of the GaN film on the sapphire substrate. The half width was about 1500 seconds.
From these results, it was found that the Ga film formed on the sapphire substrate was more than the GaN film formed on the Mg 0.5 Ca 0.5 O substrate.
It was found that the N film had much lower crystallinity.

【0022】[0022]

【実施例2】次にバッファ層としてMg1−XCa
(111)膜を用いた例に関して述べる。基板としてサ
ファイア(0001)単結晶を用いてMg1−XCa
O(111)膜を堆積し、さらに窒化ガリウム系化合物
半導体結晶を成長させた。まず、厚さ500μmのサフ
ァイア単結晶基板をアセトン、メタノールによる有機洗
浄の後、スパッタ装置内にセットして、装置内を1×1
−6Toor程度まで排気を行った。基板を600℃
に加熱してMg0.5Ca0.5O焼結ターゲットを用
いてAr−Oガス中でスパッタを行った。膜厚100
nmのMg0.5Ca0.5O膜を堆積した試料のX線
回折パターン(CuKα線を使用)を図5に示す。基板
の(0006)ピークとMg0.5Ca0.5O膜の
(111)ピークだけが検出されており、膜が(11
1)配向していることを示している。
Embodiment 2 Next, Mg 1-X Ca X O was used as a buffer layer.
An example using a (111) film will be described. Using sapphire (0001) single crystal as the substrate Mg 1-X Ca X
An O (111) film was deposited, and a gallium nitride-based compound semiconductor crystal was further grown. First, a sapphire single crystal substrate having a thickness of 500 μm was washed with acetone and methanol organically, and then set in a sputtering apparatus.
Until 0 -6 Toor about was evacuated. 600 ° C substrate
And sputtered in Ar-O 2 gas using a Mg 0.5 Ca 0.5 O sintered target. Thickness 100
FIG. 5 shows an X-ray diffraction pattern (using CuKα rays) of the sample on which the Mg 0.5 Ca 0.5 O film was deposited. Only the (0006) peak of the substrate and the (111) peak of the Mg 0.5 Ca 0.5 O film were detected.
1) It indicates that they are oriented.

【0023】引き続き、Mg0.5Ca0.5O膜を堆
積したサファイア(0001)基板をハイドライドVP
E装置内の石英製ウェハー保持具にセットした。窒素ガ
スを流しながら、基板部の温度を600℃に、Ga原料
の温度を850℃に昇温、保持した。Ga原料の上流側
から窒素ガスで希釈されたHClガスを流し、基板部近
傍にNHガスを流し、基板上にGaNの第1層を10
分間を成長させた。続いて、基板部の温度を1000℃
に昇温した後保持し、第2層を120分間成長した。冷
却後、ウェハーを取り出した。
Subsequently, the sapphire (0001) substrate on which the Mg 0.5 Ca 0.5 O film is deposited is
It was set on a quartz wafer holder in the E apparatus. While flowing the nitrogen gas, the temperature of the substrate was raised to 600 ° C. and the temperature of the Ga raw material was raised to 850 ° C. and maintained. HCl gas diluted with nitrogen gas is flowed from the upstream side of the Ga raw material, NH 3 gas is flowed near the substrate portion, and the first GaN layer is
Grow for minutes. Subsequently, the temperature of the substrate was set to 1000 ° C.
After that, the temperature was maintained and the second layer was grown for 120 minutes. After cooling, the wafer was taken out.

【0024】図5(b)にはMg0.5Ca0.5O膜
を堆積したサファイア基板上GaN膜を(0002)ピ
ークのロッキングカーブの測定結果を示す。半値幅は7
0秒程度であった。これらの結果から、サファイア基板
上にバッファ層としてMg0. Ca0.5O(11
1)膜を形成することにより、直接サファイア基板上に
作製したGaN膜よりも、結晶性が大幅に改善されるこ
とが明らかになった。
FIG. 5 (b) shows the rocking curve of the (0002) peak of the GaN film on the sapphire substrate on which the Mg 0.5 Ca 0.5 O film is deposited. Half width is 7
It was about 0 seconds. From these results, it was found that Mg 0. 5 Ca 0.5 O (11
1) It has been clarified that the formation of the film significantly improves the crystallinity as compared with a GaN film directly formed on a sapphire substrate.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒化ガリウム系化合物半導体結晶、特にはGaNとの格
子整合に優れ、熱的にも化学的にも安定な岩塩構造を持
つM 1−x) Y(但し、M、M:互いに
異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1種
又は2種以上、0<x<1)、特に好ましくは、その
(111)面、あるいは、これらをバッファ層として堆
積した基板を窒化ガリウム系化合物半導体ヘテロエピタ
キシー用の基板として用いることにより、結晶性に優れ
た窒化ガリウム系化合物半導体結晶の(0001)面を
成長させることができる。この方法により作製した窒化
ガリウム系化合物半導体結晶は、結晶性に優れ転位が少
なく、青色の発光ダイオード(LED)や半導体レーザ
・ダイオード(LD)等の発光材料に好適な良質の窒化
ガリウム系化合物半導体装置を得ることが出来る。
As described above, according to the present invention,
M 1 ( 1-x) M 2 x Y (where M 1 , M 2 ) having a rock salt structure that is excellent in lattice matching with gallium nitride-based compound semiconductor crystals, particularly GaN, and that is thermally and chemically stable : One or more of carbon, nitrogen, boron or oxygen, 0 <x <1), particularly preferably (111) plane, or a substrate on which these are deposited as a buffer layer Is used as a substrate for heteroepitaxy of a gallium nitride-based compound semiconductor, the (0001) plane of a gallium nitride-based compound semiconductor crystal having excellent crystallinity can be grown. The gallium nitride-based compound semiconductor crystal produced by this method is excellent in crystallinity and has few dislocations, and is a high-quality gallium nitride-based compound semiconductor suitable for a light-emitting material such as a blue light-emitting diode (LED) and a semiconductor laser diode (LD). Equipment can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 MgO-CaOの状態図である。FIG. 1 is a phase diagram of MgO—CaO.

【図2】 MgO、CaO、及びMg0.52Ca
0.48Oの(111)面のGaNに対する格子不整合
の温度依存性を示した図である。
FIG. 2. MgO, CaO, and Mg 0.52 Ca
FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of lattice mismatch of (111) plane of 0.48 O to GaN.

【図3】 (a)Mg0.5Ca0.5O(111)基
板上に堆積したGaN膜のX線回折((2−1−11)
φスキャン)パターンを示した図である。(b)Mg
0.5Ca0.5O(111)基板上に堆積したGaN
(0002)のロッキングカーブ測定結果を示した図で
ある。
FIG. 3 (a) X-ray diffraction ((2-1-11) of a GaN film deposited on a Mg 0.5 Ca 0.5 O (111) substrate
FIG. 4 is a diagram showing a (φ scan) pattern. (B) Mg
GaN deposited on 0.5 Ca 0.5 O (111) substrate
It is the figure which showed the rocking curve measurement result of (0002).

【図4】 (a)サファイア(0001)基板上に堆積
したGaN膜のX線回折((2−1−11)φスキャ
ン)パターンを示した図である。(b)サファイア(0
001)基板上に堆積したGaN(0002)のロッキ
ングカーブ測定結果を示した図である。
FIG. 4A is a diagram showing an X-ray diffraction ((2-1-11) φ scan) pattern of a GaN film deposited on a sapphire (0001) substrate. (B) Sapphire (0
001) It is a figure showing a rocking curve measurement result of GaN (0002) deposited on a substrate.

【図5】 (a)サファイア(0001)基板上に堆積
したMg0.5Ca0. O膜のX線回折パターンを示
した図である。(b)Mg0.5Ca0.5O(11
1)/サファイア(0001)基板上に堆積したGaN
(0002)のロッキングカーブ測定結果を示した図で
ある。
FIG. 5 (a) Mg 0.5 Ca 0.10 deposited on a sapphire (0001) substrate . 5 is a diagram showing the X-ray diffraction pattern of the O film. (B) Mg 0.5 Ca 0.5 O (11
1) / GaN deposited on sapphire (0001) substrate
It is the figure which showed the rocking curve measurement result of (0002).

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半
導体結晶を成長させる方法において、前記単結晶基板と
して、岩塩構造を持つM (1−x) Y(但し、
、M:互いに異なる金属元素、Y:炭素、窒素、
硼素又は酸素の1種又は2種以上、0<x<1)を用い
ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体結晶の
成長方法。
1. A method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal on a single crystal substrate, wherein the single crystal substrate has a rock salt structure of M 1 (1-x) M 2 x Y (where,
M 1 and M 2 : different metal elements, Y: carbon, nitrogen,
A method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal, wherein one or two or more of boron and oxygen are used, 0 <x <1).
【請求項2】 前記単結晶基板が、基板上に岩塩構造を
持つM (1−x) Y(但し、M、M:互い
に異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼素又は酸素の1
種又は2種以上、0<x<1)から成るバッファ層を形
成したものであることを特徴とする請求項1記載の窒化
ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法。
2. The single crystal substrate has a rock salt structure on the substrate.
Holding M1 (1-x)M2 xY (however, M1, M2: Each other
A different metal element, Y: one of carbon, nitrogen, boron or oxygen
Form a buffer layer consisting of one or more species, 0 <x <1)
2. The nitriding method according to claim 1, wherein the nitriding is performed.
A method for growing a gallium-based compound semiconductor crystal.
【請求項3】 前記M (1−x) Y(但し、M
、M:互いに異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼
素又は酸素の1種又は2種以上、0<x<1)におい
て、MYとMYの(111)面の格子間隔が窒化ガ
リウム系化合物半導体の(0001)面の格子間隔に対
して、一方が大きく、他方が小さい、即ち格子不整合率
において、逆符号を示すことを特徴とする請求項1〜請
求項2記載の窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方
法。
3. The method according to claim 1, wherein the M 1 (1-x) M 2 x Y (where M
1 , M 2 : different metal elements, Y: one or more of carbon, nitrogen, boron or oxygen, 0 <x <1), and lattice spacing between (111) planes of M 1 Y and M 2 Y in 0 <x <1) 3 shows an opposite sign with respect to the lattice spacing of the (0001) plane of the gallium nitride-based compound semiconductor, one being larger and the other being smaller, that is, the lattice mismatch ratio. Of growing gallium nitride based compound semiconductor crystal.
【請求項4】 前記単結晶基板又はバッファ層の結晶面
が、岩塩構造を持つM (1−x) Y(但し、M
、M:互いに異なる金属元素、Y:炭素、窒素、硼
素又は酸素の1種又は2種以上、0<x<1)の(11
1) 面であることを特徴とする請求項1〜請求項3記
載の窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法。
4. The crystal plane of the single crystal substrate or the buffer layer
But M with rock salt structure1 (1-x)M2 xY (however, M
1, M2: Different metal elements, Y: carbon, nitrogen, boron
One or more of oxygen or oxygen, 0 <x <1 (11)
1) The surface is a surface.
The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal described above.
【請求項5】 単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半
導体結晶を成長させる方法において、前記単結晶基板と
して、岩塩構造を持つMX(但し、M:金属元素、X:
炭素、窒素、酸素、硼素又は弗素)を用いることを特徴
とする窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法。
5. A method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal on a single crystal substrate, wherein the single crystal substrate has an MX having a rock salt structure (where M: metal element, X:
A method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal, characterized by using carbon, nitrogen, oxygen, boron or fluorine).
【請求項6】 前記単結晶基板が、基板上に岩塩構造を
持つMX(但し、M:金属元素、X:炭素、窒素、酸
素、硼素又は弗素)から成るバッファ層を形成したもの
であることを特徴とする請求項5記載の窒化ガリウム系
化合物半導体結晶の成長方法。
6. The single crystal substrate wherein a buffer layer made of MX having a rock salt structure (where M: metal element, X: carbon, nitrogen, oxygen, boron or fluorine) is formed on the substrate. 6. The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal according to claim 5, wherein
【請求項7】 前記単結晶基板又はバッファ層の結晶面
が、岩塩構造を持つMX(但し、M:金属元素、X:炭
素、窒素、酸素、硼素又は弗素)の(111)面である
ことを特徴とする請求項5〜請求項6記載の窒化ガリウ
ム系化合物半導体結晶の成長方法。
7. The crystal plane of the single crystal substrate or the buffer layer is a (111) plane of MX having a rock salt structure (where M: metal element, X: carbon, nitrogen, oxygen, boron or fluorine). The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal according to claim 5, wherein:
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