JP2011108963A

JP2011108963A - Semiconductor substrate and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP2011108963A
Application number: JP2009264505A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nagao; 宣明長尾; Takahiro Hamada; 貴裕濱田; Teruhiro Ito; 彰宏伊藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-06-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single crystal GaN thin film reduced in defective in a crystal by using a graphite substrate having a non-single crystal as a substrate for forming a nitride semiconductor thin film such as GaN. <P>SOLUTION: This method includes step for: forming an amorphous carbon layer 102 on a graphite substrate 101; growing a c-axis orientation film 103 of AlN by a MOCVD method on the amorphous carbon layer; forming a low-temperature growing buffer layer 104 formed of GaN on the c-axis orientation AlN; and forming a GaN layer 105 on the low-temperature growing GaN buffer layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような半導体材料を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、半導体レーザー素子、太陽電池および電子デバイスを形成するための半導体基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate for forming a light emitting diode (LED) element, a semiconductor laser element, a solar cell, and an electronic device using a semiconductor material such as gallium nitride (GaN) or zinc oxide (ZnO).

近年、ＧａＮに代表される窒化物半導体により構成される半導体素子の集中的な研究開発がなされている。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮ、窒化インジウム（ＩｎＮ）およびそれらの混晶体からなる窒化物半導体により構成される半導体発光素子は、その膜組成を制御することによって、紫外あるいは青色から赤外線領域までの幅広い波長領域において発光する。その応用例として窒化物半導体を用いた可視域発光ダイオードが既に商業的に入手可能である。発光ダイオードを得るためには、格子欠陥または貫通欠陥に起因する非発光遷移によるキャリアの再結合を抑制する為に、結晶中の欠陥が非常に少ない窒化物半導体薄膜が形成されなければならない。 In recent years, intensive research and development have been conducted on semiconductor elements composed of nitride semiconductors typified by GaN. A semiconductor light-emitting device composed of a nitride semiconductor composed of aluminum nitride (AlN), GaN, indium nitride (InN) and mixed crystals thereof has a wide range from ultraviolet or blue to infrared region by controlling the film composition. Emits light in the wavelength region. As an application example thereof, a visible light emitting diode using a nitride semiconductor is already commercially available. In order to obtain a light emitting diode, a nitride semiconductor thin film with very few defects in the crystal must be formed in order to suppress carrier recombination due to non-emissive transition caused by lattice defects or through defects.

図６は、サファイア基板を使用した従来の窒化物半導体基板の断面構成図を示す。１は、サファイア単結晶基板を指し示す。２は、サファイア単結晶基板１の（０００１）面上に形成したＧａＮ低温バッファ層を指し示す。３は、ＧａＮ低温バッファ層２上に形成したＧａＮ層３を指し示す。ＧａＮ層３を形成する際に、ＳｉまたはＭｇをドーピングすることでｎ型ＧａＮ層あるいはｐ型ＧａＮ層が作製され得る。 FIG. 6 is a sectional configuration diagram of a conventional nitride semiconductor substrate using a sapphire substrate. 1 indicates a sapphire single crystal substrate. 2 indicates a GaN low-temperature buffer layer formed on the (0001) plane of the sapphire single crystal substrate 1. 3 indicates the GaN layer 3 formed on the GaN low-temperature buffer layer 2. When forming the GaN layer 3, an n-type GaN layer or a p-type GaN layer can be produced by doping Si or Mg.

この従来例によれば、サファイア基板のような単結晶基板を使用していたため高コストが必要とされる。 According to this conventional example, since a single crystal substrate such as a sapphire substrate is used, high cost is required.

当該高コストの課題を解決するため、特許文献１は、サファイヤ基板と比べて安価であるグラファイト基板上にパルススパッタ法によって多結晶の窒化物半導体薄膜を形成する方法を開示している。 In order to solve the high-cost problem, Patent Document 1 discloses a method of forming a polycrystalline nitride semiconductor thin film on a graphite substrate, which is cheaper than a sapphire substrate, by a pulse sputtering method.

特開２００９−２００２０７号公報JP 2009-200207 A

しかし、パルススパッタ法によってグラファイト上に作製したＧａＮ薄膜は多結晶体であるため、当該薄膜は多くの欠陥を有する。当該欠陥のため、当該ＧａＮ薄膜は、太陽電池および発光ダイオードには適していない。さらに、スパッタリング法によって形成した窒化物半導体薄膜は、成膜時の放電プラズマによって大きなダメージを受けているため、当該薄膜の結晶は非常に多くの欠陥を有することが良く知られている。このため、特許文献１に開示されているパルススパッタ法による窒化物半導体の作製方法によって、ＬＥＤを作製する際に必要不可欠となる欠陥が少ないＧａＮ層を作製することは非常に困難である。 However, since the GaN thin film produced on the graphite by the pulse sputtering method is a polycrystalline body, the thin film has many defects. Due to the defects, the GaN thin film is not suitable for solar cells and light emitting diodes. Furthermore, since the nitride semiconductor thin film formed by the sputtering method is greatly damaged by the discharge plasma during film formation, it is well known that the crystal of the thin film has a large number of defects. For this reason, it is very difficult to produce a GaN layer with few defects which is indispensable when producing an LED by the method for producing a nitride semiconductor by the pulse sputtering method disclosed in Patent Document 1.

本発明の目的は、非単結晶基板であるグラファイト基板を用い、半導体素子の製造に最も適した有機金属化学気相成長（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法によって、低コストかつ欠陥が少ない窒化物半導体基板を提供することである。 An object of the present invention is to use a graphite substrate which is a non-single-crystal substrate and perform nitriding at low cost and with few defects by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method which is most suitable for manufacturing a semiconductor device. It is to provide a physical semiconductor substrate.

本発明の窒化物半導体基板は、グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設け、前記アモルファスカーボン層上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなるｃ軸配向膜を成長させ、前記ＡｌＮ層上にＧａＮからなる低温成長バッファ層を形成し、前記低温成長バッファ層上にＧａＮ層を形成し、前記ＡｌＮ層に対してその上に形成した前記低温成長バッファ層およびＧａＮ層がエピタキシャル成長した構成を有する。 In the nitride semiconductor substrate of the present invention, an amorphous carbon layer is provided on a graphite substrate, a c-axis alignment film made of AlN is grown on the amorphous carbon layer by MOCVD, and a low temperature growth buffer made of GaN is formed on the AlN layer. Forming a layer, forming a GaN layer on the low-temperature growth buffer layer, and epitaxially growing the low-temperature growth buffer layer and the GaN layer formed on the AlN layer.

本構成によって、グラファイト基板上に、ＭＯＣＶＤによってＡｌＮとＧａＮがｃ軸配向した欠陥が少ない高品位な窒化物半導体薄膜が形成される。 With this configuration, a high-quality nitride semiconductor thin film with few defects in which AlN and GaN are c-axis oriented by MOCVD is formed on a graphite substrate.

グラファイト基板上に設けられたアモルファスカーボン層上にＭＯＣＶＤによってＡｌＮからなるｃ軸配向膜が形成されているので、本発明の窒化物半導体基板は、低コストかつ欠陥が少ないという優れた特性を有する。 Since the c-axis alignment film made of AlN is formed on the amorphous carbon layer provided on the graphite substrate by MOCVD, the nitride semiconductor substrate of the present invention has excellent characteristics of low cost and few defects.

以下の「図面の簡単な説明」の項目において、用語「写真」は「像(image)」を意味する。 In the following section “Brief description of the drawings”, the term “photo” means “image”.

実施の形態１における窒化物半導体基板の断面構成図Cross-sectional configuration diagram of nitride semiconductor substrate in the first embodiment 実施の形態１における窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成図Cross-sectional configuration diagram in order of steps of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate in the first embodiment （ａ）実施の形態１における表面処理を行っていないグラファイト基板上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮを堆積した際の表面ＳＥＭ観察写真（ｂ）実施の形態１におけるアモルファスカーボン層を設けたグラファイト基板上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮを堆積した際の表面ＳＥＭ観察写真(A) Surface SEM observation photograph when AlN is deposited on the graphite substrate not subjected to the surface treatment in the first embodiment by the MOCVD method. (B) MOCVD on the graphite substrate provided with the amorphous carbon layer in the first embodiment. SEM observation photograph when depositing AlN by the method （ａ）実施の形態１におけるグラファイト基板とＡｌＮ層界面付近の断面ＴＥＭ観察写真（ｂ）実施の形態１におけるグラファイト基板とＡｌＮ層界面付近の高分解能ＴＥＭによる格子写真(A) Cross-sectional TEM observation photograph near the interface between the graphite substrate and the AlN layer in the first embodiment (b) Lattice photograph by high-resolution TEM near the interface between the graphite substrate and the AlN layer in the first embodiment 実施の形態１におけるグラファイト基板上に作製したＧａＮ薄膜のフォトルミネッセンス測定結果を示すグラフA graph showing a photoluminescence measurement result of a GaN thin film formed on a graphite substrate in the first embodiment 従来の窒化物半導体基板の断面構成図Cross-sectional configuration diagram of a conventional nitride semiconductor substrate

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体基板の断面構成図を示す。図１において、１０１はグラファイト基板を指し示す。１０２はグラファイト基板１０１表面を酸素アッシング処理によってアモルファス化して形成されたアモルファスカーボン層を指し示す。１０３は、アモルファスカーボン層１０２上にＭＯＣＶＤ法によって形成されたＡｌＮ層を指し示す。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration diagram of a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 101 indicates a graphite substrate. Reference numeral 102 denotes an amorphous carbon layer formed by amorphizing the surface of the graphite substrate 101 by oxygen ashing. Reference numeral 103 denotes an AlN layer formed on the amorphous carbon layer 102 by MOCVD.

１０４は、ＡｌＮ層１０３上にＭＯＣＶＤによって形成されたＧａＮの低温成長バッファ層を指し示す。１０５は、低温成長バッファ層上１０４に形成されたＧａＮ層を指し示す。 Reference numeral 104 denotes a low-temperature growth buffer layer of GaN formed on the AlN layer 103 by MOCVD. Reference numeral 105 denotes a GaN layer formed on the low temperature growth buffer layer 104.

以下、図面を参照しながら上記の窒化物半導体基板を製造する方法を説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate will be described with reference to the drawings.

図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体基板を製造する方法における各工程の断面図を示す。 FIG. 2A to FIG. 2D are cross-sectional views showing respective steps in the method for manufacturing the nitride semiconductor substrate according to the first embodiment.

第１の実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶成長法としてＭＯＣＶＤ法が用いられる。ガリウム源としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）が挙げられる。アルミニウム源としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が挙げられる。インジウム源としては、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）が挙げられる。Ｖ族源（窒素源）としては、例えば、アンモニア（ＮＨ₃）が挙げられる。ｎ型ドーパントの原
料としては、シリコン（Ｓｉ）を含むシラン（ＳｉＨ₄）が挙げられる。ｐ型ドーパント
の原料としては、マグネシウム（Ｍｇ）を含むシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）が挙げられる。 In the first embodiment, the MOCVD method is used as the crystal growth method of the group III nitride semiconductor. Examples of the gallium source include trimethyl gallium (TMG). Examples of the aluminum source include trimethylaluminum (TMA). An example of the indium source is trimethylindium (TMI). Examples of the group V source (nitrogen source) include ammonia (NH ₃ ). Examples of the raw material for the n-type dopant include silane (SiH ₄ ) containing silicon (Si). Examples of the raw material for the p-type dopant include cyclopentadienyl magnesium (CP ₂ Mg) containing magnesium (Mg).

まず、図２（ａ）に示すように、グラファイト基板１０１の表面を酸化することによってアモルファス化する。このようにして、アモルファスカーボン層１０２を形成する。次に図２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、アモルファスカーボン層１０２上に、約９６０℃の温度でＡｌＮ層１０３を成長させる。さらに、図２（ｃ）に示すように、約５００℃の温度でＧａＮからなる低温成長バッファ層１０４を成長させる。最後に、図２（ｄ）に示すように、約９００℃の温度でＧａＮ層１０５を成長させる。ＧａＮ層１０５を形成する際に、原料ガスにＳｉＨ₄が添加され得てｎ型ＧａＮ層が形成される。原料ガスにＣＰ₂Ｍｇが添加され得てｐ型ＧａＮ層が形成される。 First, as shown in FIG. 2A, the surface of the graphite substrate 101 is made amorphous by being oxidized. In this way, the amorphous carbon layer 102 is formed. Next, as shown in FIG. 2B, an AlN layer 103 is grown on the amorphous carbon layer 102 at a temperature of about 960 ° C. using the MOCVD method. Further, as shown in FIG. 2C, a low temperature growth buffer layer 104 made of GaN is grown at a temperature of about 500.degree. Finally, as shown in FIG. 2D, the GaN layer 105 is grown at a temperature of about 900.degree. When forming the GaN layer 105, SiH ₄ can be added to the source gas to form an n-type GaN layer. CP ₂ Mg can be added to the source gas to form a p-type GaN layer.

実施の形態１においては、グラファイト基板１０１の表面を酸化することによってアモルファスカーボン層１０２を設け、その上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮ層１０３を形成することにより、非常に緻密でｃ軸配向したＡｌＮ層１０３が形成され得る。単結晶基板ではないグラファイト基板が用いられているにもかかわらず、貫通欠陥が少ない高品位なＧａＮ薄膜が作製され得る。これによって、グラファイト基板上に、直接、ＧａＮ窒化物半導体を形成し得る。 In the first embodiment, an amorphous carbon layer 102 is provided by oxidizing the surface of the graphite substrate 101, and an AlN layer 103 is formed on the amorphous carbon layer 102 by MOCVD, thereby forming a very dense and c-axis oriented AlN layer 103. Can be formed. Despite the use of a graphite substrate that is not a single crystal substrate, a high-quality GaN thin film with few through defects can be produced. Thereby, a GaN nitride semiconductor can be formed directly on the graphite substrate.

（実施例１）
以下の実施例により、本発明をより詳細に説明する。 Example 1
The following examples illustrate the invention in more detail.

図３（ａ）は、酸化処理を行っていないグラファイト基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法によって堆積されたＡｌＮの表面のＳＥＭ観察像を示す。図３（ｂ）は、グラファイト基板１０１上に酸素アッシング法によって形成された２０ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層１０２上に、ＭＯＣＶＤ法によって形成された２０ｎｍの厚みを有するＡｌＮ層の表面の表面ＳＥＭ観察像を示す。 FIG. 3A shows an SEM observation image of the surface of AlN deposited by MOCVD on the graphite substrate 101 that has not been oxidized. FIG. 3B shows a surface SEM observation of the surface of an AlN layer having a thickness of 20 nm formed by MOCVD on an amorphous carbon layer 102 having a thickness of 20 nm formed on the graphite substrate 101 by an oxygen ashing method. Show the image.

図３（ａ）から明らかなように、酸素アッシングされていないグラファイト基板１０１上には、樹状結晶の様な微結晶のみが堆積した。ＡｌＮ薄膜はグラファイト基板１０１上には形成されなかった。 As is clear from FIG. 3A, only microcrystals such as dendritic crystals were deposited on the graphite substrate 101 not subjected to oxygen ashing. The AlN thin film was not formed on the graphite substrate 101.

図４（ａ）は、グラファイト基板上１０１上に形成されたアモルファスカーボン層１０２（図４（ａ）における「表面改質領域」に対応）、ＭＯＣＶＤ法により形成された２０ｎｍの厚みを有するＡｌＮ層１０３、および１μｍのＧａＮ低温成長バッファ層１０４から構成される積層体の断面ＴＥＭ観察写真を示す。図４（ｂ）は、アモルファスカーボン層１０２とＡｌＮ層１０３との間の界面付近の格子写真を示す。 4A shows an amorphous carbon layer 102 (corresponding to the “surface modification region” in FIG. 4A) formed on the graphite substrate 101, and an AlN layer having a thickness of 20 nm formed by MOCVD. The cross-sectional TEM observation photograph of the laminated body comprised from the GaN low-temperature growth buffer layer 104 of 103 and 1 micrometer is shown. FIG. 4B shows a lattice photograph near the interface between the amorphous carbon layer 102 and the AlN layer 103.

図４（ａ）および図４（ｂ）から明らかなように、アモルファスカーボン層１０２の上に緻密な結晶性を有するＡｌＮ層１０３が形成されている。ＡｌＮ層１０３上に良好な結晶性を有するＧａＮからなる低温バッファ層１０４が成長されている。断面ＴＥＭ観察写真から求められた転位密度は低く、具体的には２×１０⁹ｃｍ^-2であった。低温バッファ層１０４は、サファイア基板上にＧａＮ低温成長バッファ層を介して成長させたＧａＮ薄膜と実質的に同一の転位密度を有する。 As is apparent from FIGS. 4A and 4B, an AlN layer 103 having a dense crystallinity is formed on the amorphous carbon layer 102. A low-temperature buffer layer 104 made of GaN having good crystallinity is grown on the AlN layer 103. The dislocation density determined from the cross-sectional TEM observation photograph was low, specifically 2 × 10 ⁹ cm ⁻² . The low temperature buffer layer 104 has substantially the same dislocation density as the GaN thin film grown on the sapphire substrate via the GaN low temperature growth buffer layer.

非単結晶基板であるグラファイトの表面に、アモルファスカーボン層１０２を設けることによって、非常に高い結晶性を有する窒化物薄膜が形成され得ることが見いだされた。 It has been found that a nitride thin film having very high crystallinity can be formed by providing the amorphous carbon layer 102 on the surface of graphite which is a non-single crystal substrate.

図５は、グラファイト基板上１０１上に形成されたアモルファスカーボン層１０２、ＭＯＣＶＤ法により形成された２０ｎｍの厚みを有するＡｌＮ層１０３、ＭＯＣＶＤ法により形成された１μｍのＧａＮ低温成長バッファ層１０４、およびＭＯＣＶＤ法により形成された２００ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１０５から構成される積層体のフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定結果を示す。ＰＬ測定の際の励起光源として、Ｈｅ−Ｃｄレーザーが用いられた。図５から明らかなように、３．４ｅＶ付近にｎ型ＧａＮ層１０５からの発光ピークが示されている。発光ピークの半値幅は４２ｍｅＶであり、非常に急峻であった。 FIG. 5 shows an amorphous carbon layer 102 formed on a graphite substrate 101, an AlN layer 103 having a thickness of 20 nm formed by MOCVD, a 1 μm GaN low-temperature growth buffer layer 104 formed by MOCVD, and MOCVD. The photoluminescence (PL) measurement result of the laminated body comprised from the n-type GaN layer 105 which has a thickness of 200 nm formed by the method is shown. A He—Cd laser was used as an excitation light source for PL measurement. As is clear from FIG. 5, the emission peak from the n-type GaN layer 105 is shown in the vicinity of 3.4 eV. The half-value width of the emission peak was 42 meV, which was very steep.

表１は、２０ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層１０２を設けたグラファイト基板１０１およびアモルファスカーボン層を有さないグラファイト基板の上に、２０ｎｍの厚みを有するＡｌＮ層１０３、１μｍの厚みを有するＧａＮ低温成長バッファ層１０４、および２００ｎｍの厚さを有するｎ型ＧａＮ層１０５をそれぞれ成長させて得られた積層体が有するＰＬ発光ピークの半値幅を示す。 Table 1 shows a low temperature growth of GaN having a thickness of 1 μm and an AlN layer 103 having a thickness of 20 nm on a graphite substrate 101 having an amorphous carbon layer 102 having a thickness of 20 nm and a graphite substrate having no amorphous carbon layer. The half-value width of the PL emission peak of the stack obtained by growing the buffer layer 104 and the n-type GaN layer 105 having a thickness of 200 nm is shown.

表１から明らかなように、アモルファスカーボン層１０２を有さない積層体は、６２ｍｅｖのＰＬ発光ピークの半値幅を有するが、アモルファスカーボン層を有する積層体は４２ｍｅｖのＰＬ発光ピークの半値幅を有する。このことから、グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設けることによって、ＡｌＮ層およびその上のＧａＮ層の結晶性が向上し、そして格子欠陥等に起因する非発光遷移が減少したことが考えられる。 As is clear from Table 1, the laminate having no amorphous carbon layer 102 has a half-value width of the PL emission peak of 62 mev, whereas the laminate having the amorphous carbon layer has a half-value width of the PL emission peak of 42 mev. . From this, it is considered that by providing the amorphous carbon layer on the graphite substrate, the crystallinity of the AlN layer and the GaN layer thereon is improved, and non-luminescence transition caused by lattice defects and the like is reduced.

酸素アッシングによってグラファイト基板１０１の表面にアモルファスカーボン層１０２を形成することによって緻密なＡｌＮ薄膜が成長する原因は、以下の通りであると考えられる。通常のグラファイト表面では、グラフェンのｓｐ²混成軌道からなるπ結合によって電子が非局在されている。一方、酸素アッシングによってアモルファス化されたアモルファスカーボン層１０２の表面では、いたるところで寸断されたπ結合のため、ｓｐ²軌道のみならずｓｐ³軌道が存在していると考えられる。 The reason why the dense AlN thin film grows by forming the amorphous carbon layer 102 on the surface of the graphite substrate 101 by oxygen ashing is considered as follows. On the normal graphite surface, electrons are delocalized by π bonds consisting of sp ² hybrid orbitals of graphene. On the other hand, on the surface of the amorphous carbon layer 102 made amorphous by oxygen ashing, it is considered that not only sp ² orbits but also sp ³ orbitals exist because of π bonds broken everywhere.

表２は、第一原理計算によって求められた、カーボンのｓｐ²軌道およびｓｐ³軌道に対するＡｌ原子およびＮ原子の吸着エネルギーを示す。 Table 2 shows the adsorption energies of Al atoms and N atoms with respect to the sp ² orbits and sp ³ orbits of carbon determined by the first principle calculation.

表２から明らかなように、ｓｐ²軌道に対するＡｌ原子およびＮ原子の吸着エネルギーはいずれも正の値である。一方、ｓｐ³軌道に対するそれらはいずれも負の値である。このことは、ｓｐ³軌道に対して自発的にＡｌおよびＮが吸着しやすいことを意味する。このことから、グラファイト基板の表面に酸素アッシングによってアモルファスカーボン層を形成することによってカーボンのｓｐ³軌道が多数形成され、そしてＡｌＮが成長する初期の段階における核生成が促進される。このようにして、良好な薄膜結晶が成長したと考えられる。 As is apparent from Table 2, the adsorption energies of Al atoms and N atoms with respect to the sp ² orbital are both positive values. On the other hand, those for the sp ³ orbit are all negative values. This means that Al and N are easily adsorbed spontaneously with respect to the sp ³ orbit. From this, by forming an amorphous carbon layer on the surface of the graphite substrate by oxygen ashing, a large number of carbon sp ³ orbitals are formed, and nucleation is promoted in the initial stage of AlN growth. Thus, it is considered that a good thin film crystal has grown.

表３は、０、２０、４０、６０、および８０ｎｍの厚みを有するアモルファスカーボン層を形成した際のＧａＮのＸＲＤのロッキングカーブによって得られた（０００２）ピークの半値幅を示す。 Table 3 shows the half-width of the (0002) peak obtained by the XRD rocking curve of GaN when amorphous carbon layers having thicknesses of 0, 20, 40, 60, and 80 nm were formed.

アモルファスカーボン層１０２が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みを有する場合、ＧａＮ薄膜はｃ軸配向し、かつ良好な半値幅を有する。アモルファスカーボン層が８０ｎｍの厚みを有する場合、酸素アッシングの際にグラファイト薄膜中に取り込まれる酸素の量が増加する。そのため、その後にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮおよびＧａＮを成長させる際、グラファイト基板中に取り込まれた酸素がＡｌまたはＧａと反応する。これが、急峻な界面の形成を阻害したと考えられる。したがって、アモルファスカーボン層１０２は、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。 When the amorphous carbon layer 102 has a thickness of 20 nm or more and 60 nm or less, the GaN thin film is c-axis oriented and has a good half width. When the amorphous carbon layer has a thickness of 80 nm, the amount of oxygen taken into the graphite thin film during oxygen ashing increases. Therefore, when AlN and GaN are subsequently grown by MOCVD, oxygen taken into the graphite substrate reacts with Al or Ga. This is thought to have hindered the formation of a steep interface. Therefore, the amorphous carbon layer 102 desirably has a thickness of 20 nm to 60 nm.

上記のように、グラファイト基板の表面を酸素アッシングすることによってアモルファスカーボン層を形成し、次いでＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮ層を形成することで、サファイア基板上と同様に良好な結晶性を有するＧａＮ薄膜が形成され得る。このようにして、本発明は、低コストかつ高性能な窒化物半導体基板を実現する。 As described above, an amorphous carbon layer is formed by oxygen ashing the surface of the graphite substrate, and then an AlN layer is formed by MOCVD, thereby forming a GaN thin film having good crystallinity as on the sapphire substrate. Can be done. Thus, the present invention realizes a low-cost and high-performance nitride semiconductor substrate.

本発明にかかる窒化物半導体基板は、発光ダイオード、高周波用ＦＥＴ、およびパワーデバイス用ＦＥＴのような電子デバイスにも応用できる。

上記の開示内容から導出される本発明に係る技術的思想は以下の通りである。

１．
グラファイト基板（１０１）、
前記グラファイト基板（１０１）上に形成されたアモルファスカーボン層（１０２）、および
前記アモルファスカーボン層（１０２）上に形成されたＡｌＮ層（１０３）、
を具備する半導体基板を製造する方法であって、
前記方法は、
前記グラファイト基板（１０１）の表面を酸素アッシングすることによって、アモルファスカーボン層（１０２）を前記グラファイト基板（１０１）の表面に形成する工程、および
前記アモルファスカーボン層（１０２）上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によってＡｌＮ層（１０３）を形成する工程、
を順に有する。

２．
前記アモルファスカーボン層（１０２）が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みを有する、前記項１に記載の方法。

３．
グラファイト基板（１０１）、
前記グラファイト基板（１０１）上に形成されたアモルファスカーボン層（１０２）、および
前記アモルファスカーボン層（１０２）上に形成されたＡｌＮ層（１０３）、
を具備する半導体基板。

４．
前記アモルファスカーボン層（１０２）が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みを有する、前記項３に記載の半導体基板。
The nitride semiconductor substrate according to the present invention can also be applied to electronic devices such as light emitting diodes, high frequency FETs, and power device FETs.

The technical idea according to the present invention derived from the above disclosure is as follows.

1.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
A method of manufacturing a semiconductor substrate comprising:
The method
Forming an amorphous carbon layer (102) on the surface of the graphite substrate (101) by performing oxygen ashing on the surface of the graphite substrate (101); and MOCVD (organometallic gas) on the amorphous carbon layer (102). Forming an AlN layer (103) by a phase growth method),
In order.

2.
Item 2. The method according to Item 1, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

3.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
A semiconductor substrate comprising:

4).
Item 4. The semiconductor substrate according to Item 3, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

１サファイア基板
２低温成長バッファ層
３ＧａＮ層
１０１グラファイト基板
１０２アモルファスカーボン層
１０３ＡｌＮ層
１０４低温成長バッファ層
１０５ＧａＮ層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 Low temperature growth buffer layer 3 GaN layer 101 Graphite substrate 102 Amorphous carbon layer 103 AlN layer 104 Low temperature growth buffer layer 105 GaN layer

Claims

グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設け、前記アモルファスカーボン層上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮのｃ軸配向膜を成長させた後、前記ＡｌＮ層上にＧａＮの低温成長バッファ層を形成し、前記低温成長バッファ層上にＧａＮ層を形成し、前記ＡｌＮ層に対してその上に形成した前記低温成長バッファ層、前記ＧａＮ層がエピタキシャル成長した構成を有することを特徴とする窒化物半導体基板。 An amorphous carbon layer is provided on a graphite substrate, an AlN c-axis alignment film is grown on the amorphous carbon layer by MOCVD, and then a low-temperature growth buffer layer of GaN is formed on the AlN layer. A nitride semiconductor substrate having a structure in which a GaN layer is formed on a layer, and the low-temperature growth buffer layer and the GaN layer are epitaxially grown on the AlN layer.

グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設け、前記アモルファスカーボン層上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮのｃ軸配向膜を成長させた後、前記ＡｌＮ層上にＧａＮの低温成長バッファ層を形成し、前記低温成長バッファ層上にＧａＮ層を形成し、前記ＡｌＮ層に対してその上に形成した前記ＧａＮ層がエピタキシャル成長した構成を有する窒化物半導体基板において、前記アモルファスカーボン層を、酸化処理により形成したことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 An amorphous carbon layer is provided on a graphite substrate, an AlN c-axis alignment film is grown on the amorphous carbon layer by MOCVD, and then a low-temperature growth buffer layer of GaN is formed on the AlN layer. A nitride semiconductor substrate having a configuration in which a GaN layer is formed on a layer and the GaN layer formed thereon is epitaxially grown with respect to the AlN layer, and the amorphous carbon layer is formed by an oxidation process. A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.