JP6271390B2 - Nitride semiconductor crystal growth method - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体であるAlNの結晶層を分子線エピタキシー法で形成する窒化物半導体結晶成長方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor crystal growth method for forming a crystal layer of AlN, which is a nitride semiconductor, by a molecular beam epitaxy method.
GaNを代表とする窒化物半導体は、短波長領域の発光ダイオードや高出力トランジスタなどの材料として幅広く使われている。これらの窒化物半導体の層は、有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法や分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法などの気相成長法により、サファイア基板、Si基板、SiC基板上に成長させて形成している。一般に、上記の異種基板上で1000℃程度の高温でGaN層を直接成長させると、GaN層の結晶欠陥密度が低くならないことが知られている。このため、通常は、結晶欠陥密度の低いGaN層を得るために、次に示すような様々な方法がとられている。 Nitride semiconductors typified by GaN are widely used as materials for light-emitting diodes and high-power transistors in the short wavelength region. These nitride semiconductor layers are formed by vapor phase growth methods such as metal organic vapor phase (MOVPE) and molecular beam epitaxy (MBE), to form sapphire substrates, Si substrates, It is grown on a SiC substrate. In general, it is known that when a GaN layer is directly grown at a high temperature of about 1000 ° C. on the heterogeneous substrate, the crystal defect density of the GaN layer does not decrease. For this reason, in order to obtain a GaN layer having a low crystal defect density, various methods as described below are usually employed.
第1に、500℃程度の低温でGaN層またはAlN層を成長させ、この後に1000℃程度の高温でGaN層を成長させる方法がある(2段階成長法)。 First, there is a method in which a GaN layer or an AlN layer is grown at a low temperature of about 500 ° C., and then a GaN layer is grown at a high temperature of about 1000 ° C. (two-stage growth method).
第2に、高温でAlN層を成長させてからGaN層を成長させる方法がある。 Second, there is a method of growing a GaN layer after growing an AlN layer at a high temperature.
また、第3に、酸素元素(O)と窒素元素(N)の組成を変化させたAlONバッファー層を基板の表面に堆積した後、このバッファー層の上にGaN層を成長させる方法がある(特許文献1参照)。 Third, there is a method of depositing an AlON buffer layer in which the composition of oxygen element (O) and nitrogen element (N) is changed on the surface of the substrate, and then growing a GaN layer on the buffer layer ( Patent Document 1).
サファイア基板、Si基板、またはSiC基板などの異種基板上にMOVPE法やMBE法でGaN層を成長させる場合、主に、第1および第2の方法が採用されている。しかし、一般的には、MBE法により第1の方法および第2の方法でサファイア基板上に成長したGaN層やAlNなどの窒化物半導体の結晶欠陥密度は、MOVPE法で成長した窒化物半導体の結晶欠陥密度よりも劣る。 When a GaN layer is grown on a dissimilar substrate such as a sapphire substrate, Si substrate, or SiC substrate by the MOVPE method or the MBE method, the first and second methods are mainly employed. However, in general, the crystal defect density of a nitride semiconductor such as a GaN layer or AlN grown on a sapphire substrate by the MBE method using the first method and the second method is the same as that of the nitride semiconductor grown by the MOVPE method. It is inferior to the crystal defect density.
一方、MOVPE法に比較して、MBE法の方が、残留不純物濃度が低いという利点がある。このため、MBE法においても、サファイア基板上などに結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を成長させることが望まれている。ここで、上述した第3の方法による窒化物半導体層の成長を、MBE法で実施した報告もなされている(非特許文献1参照)。第3の方法によれば、AlONバッファー層を利用することで、MBE法でも結晶性のよい窒化物半導体層が得られるものとされている。 On the other hand, the MBE method has an advantage that the residual impurity concentration is lower than the MOVPE method. For this reason, also in the MBE method, it is desired to grow a nitride semiconductor having a low crystal defect density on a sapphire substrate or the like. Here, there is a report that the growth of the nitride semiconductor layer by the third method described above is performed by the MBE method (see Non-Patent Document 1). According to the third method, a nitride semiconductor layer having good crystallinity can be obtained even by the MBE method by using an AlON buffer layer.
以下、上記AlONバッファー層を用いたMOVPEによる結晶成長技術について説明する。まず、図4Aに示すように、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance;ECR)スパッタ法を用い、サファイア基板201上に、酸素元素(O)と窒素元素(N)の組成を変化させたAlON層202、およびAlN層203を、室温の条件で堆積させる。AlON層202とAlN層203とを合わせてAlONバッファー層と呼ばれている。このAlONバッファー層の厚さは20nm程度である。
Hereinafter, a crystal growth technique by MOVPE using the AlON buffer layer will be described. First, as shown in FIG. 4A, an
次に、上述したように、AlON層202およびAlN層203を形成したサファイア基板201をECRスパッタ装置から搬出し、新たに、MOVPE成長装置に搬送する。次いで、MOVPE法により、AlN層203の層上に、1000℃という高温でGaN層204を成長する。この方法によれば、高品質なGaN層204を得ることができる。
Next, as described above, the
しかしながら、上述したAlONバッファー層を用いる方法をMBE法に適用しても、窒化物半導体の一つであるAlN層を成長した場合、結晶性を向上させることができず、必ずしも高品質なAlNの結晶層を形成できないという問題があった。 However, even if the above-described method using the AlON buffer layer is applied to the MBE method, when an AlN layer, which is one of nitride semiconductors, is grown, the crystallinity cannot be improved. There was a problem that a crystal layer could not be formed.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、分子線エピタキシー法により、AlONバッファー層を用いてより結晶性のよいAlNの結晶層が形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is intended to form an AlN crystal layer having better crystallinity using an AlON buffer layer by a molecular beam epitaxy method. Objective.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長方法は、分子線エピタキシー法以外の堆積方法で、基板の上にAlONからなる第1バッファー層を形成する第1工程と、分子線エピタキシー法以外の堆積方法で、第1バッファー層の上に接してAlNからなる第2バッファー層を形成する第2工程と、分子線エピタキシー法により第2バッファー層の上にGaまたはInを供給し、第2バッファー層の表面に形成された自然酸化層の酸素をもとに、GaOまたはInOを形成する第3工程と、加熱することで第2バッファー層の上に形成されたGaOまたはInOを気化させる第4工程と、GaOまたはInOを気化させたあとで、分子線エピタキシー法により、第2バッファー層の上にAlNからなる結晶層を形成する第5工程とを備え、第3工程、第4工程、第5工程は、同一の装置内で実施する。例えば、第1工程および第2工程では、スパッタ法により第1バッファー層および第2バッファー層を形成すればよい。
The nitride semiconductor crystal growth method according to the present invention is a deposition method other than the molecular beam epitaxy method, and includes a first step of forming a first buffer layer made of AlON on a substrate and a deposition method other than the molecular beam epitaxy method. A second step of forming a second buffer layer made of AlN in contact with the first buffer layer, and supplying Ga or In onto the second buffer layer by a molecular beam epitaxy method, and the surface of the second buffer layer A third step of forming GaO or InO based on oxygen in the natural oxide layer formed in
以上説明したことにより、本発明によれば、分子線エピタキシー法により、AlONバッファー層を用いてより結晶性のよいAlNの結晶層が形成できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an AlN crystal layer having better crystallinity can be formed using an AlON buffer layer by a molecular beam epitaxy method.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における窒化物半導体結晶成長方法を説明するための説明図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a nitride semiconductor crystal growth method according to an embodiment of the present invention.
まず、第1工程S101で、基板101の上にAlONからなる第1バッファー層102を形成する。例えば、基板101は、主表面をc面(0001)としたサファイア基板である。また、第1バッファー層102は、層厚方向に酸素と窒素の組成を変化させており、基板101から離れるほど窒素の方が酸素より大きい組成となっている。次に、第2工程S102で、第1バッファー層102の上に接してAlNからなる第2バッファー層103を形成する。
First, in the first step S101, the
ここで、第1バッファー層102および第2バッファー層103の堆積(形成)は、分子線エピタキシー法以外の堆積方法で実施する。例えば、スパッタ法により第1バッファー層102および第2バッファー層103を形成すればよい。また、第1バッファー層および第2バッファー層103の合計層厚は、20nmとすればよい。
Here, the deposition (formation) of the
次に、第3工程S103で、分子線エピタキシー法により、第2バッファー層103の上にGaまたはInの分子線104を照射してGaまたはInを供給し、第2バッファー層103の表面に形成された自然酸化層の酸素をもとに、GaOまたはInOからなる酸化層105を形成する。酸化層105は、例えば、層厚10nm程度得形成すればよい。
Next, in the third step S103, the molecular beam epitaxy method is used to irradiate the Ga or In
引き続き、第4工程S104で、加熱することで第2バッファー層103の上に形成されたGaOまたはInOを気化させ、少なくとも一部の酸化層105を除去し、第2バッファー層103の少なくとも一部の表面を露出させる。
Subsequently, in the fourth step S104, GaO or InO formed on the
次に、第5工程S105で、分子線エピタキシー法により、第2バッファー層103の少なくとも一部の表面に、AlN結晶107aを成長させる。このとき、残存している酸化層105の上には、結晶性の悪いAlN層106が形成される。引き続き、分子線エピタキシー法による、AlN結晶107aの成長を継続させ、第6工程S106で、第2バッファー層103の上にAlNからなる結晶層107を形成する。
Next, in a fifth step S105, an
ここで、第2バッファー層103の少なくとも一部の表面から始まったAlN結晶107aの結晶性は良好であり、残存している酸化層105上に成長した結晶性の悪いAlN層106よりも成長速度が速い。このため、部分的に始まった結晶性の良いAlN結晶107aの成長進行に伴い、残存している酸化層105上に成長したAlN層106は、結晶性の良い結晶層107で覆われることになる。以上のことから、最終的には、結晶性のよい結晶層107が得られる。
Here, the crystallinity of the
ここで、第3工程S103、第4工程S104、第5工程S105、第6工程S106は、同一の装置内で実施する。 Here, the third step S103, the fourth step S104, the fifth step S105, and the sixth step S106 are performed in the same apparatus.
上述した成長方法により、結晶層107の成長が、自然酸化層がない第2バッファー層103の上で実施されるので、結晶性のよい状態で結晶層107が得られるようになる。また、分子線エピタキシー法により成長しているので、残留不純物濃度が低い状態が得られる。
By the growth method described above, the
上述した実施の形態では、分子線エピタキシー法により供給したGaまたはInから自然酸化層の酸素をもとに形成したGaOまたはInOを、加熱により蒸発させることで、第2バッファー層103の表面に形成されていた自然酸化層(AlO)の少なくとも一部を除去したところに特徴がある。
In the above-described embodiment, GaO or InO formed on the basis of oxygen in the natural oxide layer from Ga or In supplied by the molecular beam epitaxy method is evaporated on the surface to form the
ここで、スパッタ法により形成した第2バッファー層103は、必ずしもAlNの結晶とはなっていない。結晶状態のAlNは安定な物質であるため、酸化されにくいものと考えられる。これに対し、結晶とはなっていない第2バッファー層103は安定ではなく、酸化されやすいものと考えられる。このため、第2バッファー層103を形成した後、異なる装置(分子線エピタキシー装置)に移動する過程で、第2バッファー層103の表面には、自然酸化によるAlOの層が形成されるものと考えられる。
Here, the
ここで、Al元素とO元素が完全に結びついたAl―Oは、強い結合を持っていることが知られている。しかしながら、空気中でAlNが酸化してできた自然酸化によるAlO層は、アモルファス状態であり、すべての結合が完全なAl―O結合になっていない。また、Al元素とN元素が結びついたAlNも、強い結合を持っている。このようなAlNが酸化した場合には、N−Al−Oという形になることが考えられる。また、この化合物中のAl−O結合は、単なるAl−O結合よりも弱い結合であると考えられる。 Here, it is known that Al—O in which the Al element and the O element are completely combined has a strong bond. However, the naturally oxidized AlO layer formed by oxidizing AlN in the air is in an amorphous state, and not all bonds are completely Al—O bonds. Further, AlN in which Al element and N element are combined also has a strong bond. When such AlN is oxidized, it may be in the form of N—Al—O. In addition, the Al—O bond in this compound is considered to be a weaker bond than a simple Al—O bond.
これらのことに加え、反応性の強い金属Inや金属Gaを供給すれば、Al−O結合の一部をIn−OやGa−Oに変換することが可能になるものと考えられる。また、高温にすることにより、これらのInOやGaOを蒸発することが期待できる。このように、第2バッファー層103に形成した酸化膜105の少なくとも一部を取り除くことができれば、この取り除いた部分にAlNの原料を供給することにより、結晶性の良いAlNの結晶核を形成することができる。この状態よりさらにAlNの原料を供給すれば、各々の結晶核が結合し、最終的には、表面が平坦なAlNの結晶層106を成長させることが可能となる。
In addition to these, it is considered that if a highly reactive metal In or metal Ga is supplied, a part of the Al—O bond can be converted into In—O or Ga—O. Moreover, it can be expected that these InO and GaO are evaporated by increasing the temperature. Thus, if at least a part of the
なお、InOやGaOを蒸発させる温度は高ければ高いほど望ましいが、実際には、一般的にMBE法でAlNを成長する温度である700℃から800℃程度が望ましい。 Note that the higher the temperature at which InO and GaO are evaporated, the better. However, in practice, the temperature at which AlN is grown by the MBE method is generally about 700 ° C. to 800 ° C.
発明者らの鋭意の検討により、第2バッファー層103の表面に形成されるAlOによりこの上に形成されるAlNの結晶性の低下を招いていることが見いだされ、この知見をもとに、上記AlOを除去することで、以下に詳述するように、より結晶性のよい窒化物半導体の結晶層が得られるという本発明に至った。
Based on the knowledge of the inventors, it has been found that AlO formed on the surface of the
まず、前述したように、MOVPE法では、AlONバッファー層を利用することで、より結晶性のよい高品質な窒化物半導体の結晶層が形成できる。これに対し、分子線エピタキシー法では、AlONバッファー層を利用しても、必ずしも高品質の窒化物半導体を得ることができない。これは、AlONバッファー層を形成した後、ECRスパッタ装置から分子線エピタキシー法による成長装置に搬入するまでの間に、AlONバッファー層の表面のAlN層が空気中で酸化され、自然酸化層が形成されるためであると考えられる。 First, as described above, in the MOVPE method, a high-quality nitride semiconductor crystal layer with better crystallinity can be formed by using an AlON buffer layer. On the other hand, in the molecular beam epitaxy method, even if an AlON buffer layer is used, a high-quality nitride semiconductor cannot always be obtained. This is because, after the AlON buffer layer is formed, the AlN layer on the surface of the AlON buffer layer is oxidized in the air from the ECR sputtering device to the growth device by the molecular beam epitaxy method, and a natural oxide layer is formed. It is thought that it is to be done.
この自然酸化層は、MOVPE法で使用するアンモニアガスあるいは水素ガスによって、比較的簡単に還元されて取り除くことができると考えられる。このことからも、自然酸化により形成されたAl−O結合は、Al−O結晶の結合よりも弱いものと考えられる。このため、MOVPE法では、空気中で酸化されて形成された酸化層による酸素原子を含まないAlN層に変化するので、高品質の窒化物半導体を成長させることができると考えられる。これに対し、アンモニアガスや水素ガスを使わずに窒化物半導体を成長するMBE法では、AlN層の表面に空気中で酸化されて酸化層が形成されると、これを簡単に取り除くことができない。この結果、この酸化層が表面に存在するAlONバッファー層上に成長した窒化物半導体の特性は劣化するものと考えられる。 It is considered that this natural oxide layer can be reduced and removed relatively easily by ammonia gas or hydrogen gas used in the MOVPE method. From this, it is considered that the Al—O bond formed by natural oxidation is weaker than the bond of the Al—O crystal. For this reason, in the MOVPE method, the oxide layer formed by being oxidized in the air is changed to an AlN layer that does not contain oxygen atoms, so that a high-quality nitride semiconductor can be grown. On the other hand, in the MBE method in which a nitride semiconductor is grown without using ammonia gas or hydrogen gas, if an oxide layer is formed on the surface of the AlN layer by being oxidized in the air, it cannot be easily removed. . As a result, it is considered that the characteristics of the nitride semiconductor grown on the AlON buffer layer having this oxide layer on the surface deteriorate.
ここで、非特許文献1では、AlONバッファー層上に、480℃の低温で10nmの厚さのAlN層を成長し、この上に、800℃の高温で900nmのAlN結晶層を成長している。この技術では、AlONバッファー層上に直接AlN層を成長した場合よりも、AlN結晶層の結晶性を改善させている。この技術においては、AlONバッファー層の表面に形成された自然酸化層の上に、低温で形成したAlNの層が存在しているため、AlN結晶層の結晶性が改善しているものと考えられる。ただし、MOVPE法で成長したAlN結晶層の特性に比べると、非特許文献1のAlN結晶層の特性は劣っている。 In Non-Patent Document 1, an AlN layer having a thickness of 10 nm is grown on an AlON buffer layer at a low temperature of 480 ° C., and an AlN crystal layer having a thickness of 900 nm is grown on the AlN buffer layer at a high temperature of 800 ° C. . In this technique, the crystallinity of the AlN crystal layer is improved as compared with the case where the AlN layer is grown directly on the AlON buffer layer. In this technique, since the AlN layer formed at a low temperature exists on the natural oxide layer formed on the surface of the AlON buffer layer, it is considered that the crystallinity of the AlN crystal layer is improved. . However, the characteristics of the AlN crystal layer of Non-Patent Document 1 are inferior to those of the AlN crystal layer grown by the MOVPE method.
上述した様々な検討の結果、発明者らは、分子線エピタキシー法により、AlONバッファー層(第2バッファー層103)の表面に形成された自然酸化層(AlO)を除去してから、AlNを結晶成長させることで、AlONバッファー層を用いてより結晶性のよいAlNの結晶層が形成できるものと考えた。 As a result of the various studies described above, the inventors removed the natural oxide layer (AlO) formed on the surface of the AlON buffer layer (second buffer layer 103) by molecular beam epitaxy, and then crystallized AlN. It was considered that an AlN crystal layer having better crystallinity can be formed by using the AlON buffer layer by growing the crystal.
ところで、AlOは、分子線エピタキシー法を実施する装置において昇温可能な800℃程度の温度では、気化させることができない。これに対し、GaOまたはInOであれば、800℃程度の温度で気化させることが可能である。このため、本発明では、分子線エピタキシー法により、活性な金属Gaまたは金属Inを第2バッファー層103の上に供給し、AlOと反応させ、GaOまたはInOとし、これらを気化させることで、第2バッファー層103の上に形成されていたAlOを除去するようにした。
By the way, AlO cannot be vaporized at a temperature of about 800 ° C. at which the temperature can be increased in an apparatus for performing the molecular beam epitaxy method. On the other hand, if it is GaO or InO, it can be vaporized at a temperature of about 800 ° C. For this reason, in the present invention, the active metal Ga or metal In is supplied onto the
以下、AlOの有無による、AlNバッファー上に形成されるAlN結晶の結晶性の違いについて、実際に作製した試料の測定結果をもとに説明する。 Hereinafter, the difference in crystallinity of the AlN crystal formed on the AlN buffer depending on the presence or absence of AlO will be described based on the measurement result of the actually produced sample.
[試料作製]
はじめに、試料の作成について説明する。まず、ECRスパッタ法を用い、主表面をc面(0001)としたサファイア基板上に、AlONバッファー層を室温で堆積させる。ECRスパッタ法では、金属アルミのターゲットを用い、アルゴンでECRプラズマを生成した。また、成膜室内に酸素ガスおよび窒素ガスを供給し、サファイア基板の上にAlONバッファー層を形成した。このAlONバッファー層は、サファイア基板の側から、OとNの組成を変化させたAlON層、AlN層の順に積層した積層構造としている。なお、AlON層は、サファイア基板の側より、Oの組成比を100%から徐々に低下させた組成傾斜層としている。また、AlON層およびAlN層の合計の層厚は、約20nmとした。室温条件で各層を形成しているので、これらは必ずしも結晶化している訳ではない。
[Sample preparation]
First, preparation of a sample will be described. First, using an ECR sputtering method, an AlON buffer layer is deposited at room temperature on a sapphire substrate whose main surface is c-plane (0001). In the ECR sputtering method, a metal aluminum target was used, and ECR plasma was generated with argon. In addition, oxygen gas and nitrogen gas were supplied into the deposition chamber, and an AlON buffer layer was formed on the sapphire substrate. This AlON buffer layer has a laminated structure in which an AlON layer in which the composition of O and N is changed and an AlN layer are laminated in this order from the sapphire substrate side. The AlON layer is a composition gradient layer in which the O composition ratio is gradually reduced from 100% from the sapphire substrate side. The total thickness of the AlON layer and the AlN layer was about 20 nm. Since each layer is formed under room temperature conditions, they are not necessarily crystallized.
また、AlONバッファー層の上に、さらにAlO層を追加して形成した試料を作製した。AlONバッファー層の上にさらにAlO層を形成した試料を第1試料とする。また、AlO層を形成していない試料を第2試料とした。 In addition, a sample was formed by further adding an AlO layer on the AlON buffer layer. A sample in which an AlO layer is further formed on the AlON buffer layer is taken as a first sample. A sample in which no AlO layer was formed was used as the second sample.
次に、上述したように第1試料および第2試料の各々について、スパッタ装置より搬出し、次いで、プラズマ分子線エピタキシー装置に搬入し、AlNを結晶成長する。プラズマ分子線エピタキシー装置を用いた結晶成長法では、AlセルによるAl分子を加熱した基板表面に照射し、プラズマで活性化した窒素ガスを基板表面に供給することにより、AlN層を成長する。なお、窒素ガス流量は毎分2mlとし、また、プラズマを生成するための高周波のパワーは500Wとした。 Next, as described above, each of the first sample and the second sample is unloaded from the sputtering apparatus, and then loaded into the plasma molecular beam epitaxy apparatus, and AlN is crystal-grown. In a crystal growth method using a plasma molecular beam epitaxy apparatus, an AlN layer is grown by irradiating a heated substrate surface with Al molecules by an Al cell and supplying nitrogen gas activated by plasma to the substrate surface. The nitrogen gas flow rate was 2 ml per minute, and the high frequency power for generating plasma was 500 W.
以上のことにより、AlONバッファー層の上にAlO層を介してAlN結晶成長層を形成した第1試料と、AlONバッファー層の上に直接AlN結晶成長層を形成した第2試料とを作製した。なお、第1試料のAlN結晶成長層の厚さは、900nmであり、第2試料のAlN結晶成長層の厚さは、2000nmである。 By the above, the 1st sample which formed the AlN crystal growth layer on the AlON buffer layer via the AlO layer, and the 2nd sample which formed the AlN crystal growth layer directly on the AlON buffer layer were produced. The thickness of the AlN crystal growth layer of the first sample is 900 nm, and the thickness of the AlN crystal growth layer of the second sample is 2000 nm.
[特性評価]
次に、第1試料と第2試料の各々について、特定の比較をした。図2は、第1試料および第2試料について、AlN(0002)面に対するX線ロッキングカーブを示す特性図である。図2の(a)が、第1試料のロッキングカーブを示し、図2の(b)が、第2試料のロッキングカーブを示している。図2に示すように、第2試料(b)の方が、第1試料(a)に比較してX線ロッキングカーブの半値幅が激減していることが分かる。
[Characteristic evaluation]
Next, specific comparison was made for each of the first sample and the second sample. FIG. 2 is a characteristic diagram showing an X-ray rocking curve with respect to the AlN (0002) plane for the first sample and the second sample. 2A shows the rocking curve of the first sample, and FIG. 2B shows the rocking curve of the second sample. As shown in FIG. 2, it can be seen that the half width of the X-ray rocking curve is drastically reduced in the second sample (b) compared to the first sample (a).
次に、AlNの(1−102)面に対するX線ロッキングカーブについて図3に示す。図3は、第2試料および第1試料について、AlN(1−102)面に対するX線ロッキングカーブを示す特性図である。図3の(a)が、第1試料のロッキングカーブを示し、図3の(b)が、第2試料のロッキングカーブを示している。図3に示すように、第2試料(b)の方が、第1試料(a)に比較してX線ロッキングカーブの半値幅が激減している。 Next, FIG. 3 shows an X-ray rocking curve with respect to the (1-102) plane of AlN. FIG. 3 is a characteristic diagram showing an X-ray rocking curve with respect to the AlN (1-102) plane for the second sample and the first sample. FIG. 3 (a) shows the rocking curve of the first sample, and FIG. 3 (b) shows the rocking curve of the second sample. As shown in FIG. 3, the half width of the X-ray rocking curve is drastically reduced in the second sample (b) compared to the first sample (a).
このように、AlN(0002)面とAlN(1−102)面に対するX線ロッキングカーブの半値幅を測定することにより、らせん転位密度(NS)と刃状転位密度(NE)を計算することができる(非特許文献2参照)。この計算結果を表1に示す。 Thus, the screw dislocation density (NS) and the edge dislocation density (NE) can be calculated by measuring the half width of the X-ray rocking curve with respect to the AlN (0002) plane and the AlN (1-102) plane. Yes (see Non-Patent Document 2). The calculation results are shown in Table 1.
第1試料におけるAlN結晶成長層のX線ロッキングカーブは、結晶性が悪いため、ノイズが多い。これに対し、第2試料では、らせん転位密度は1/10以下に、刃状転位密度は1/50以下まで減少していることが分かる。ここで、第2試料では、800℃の条件で成長したAlN結晶成長層の厚さが厚い(2000nm)ので、転位密度が減少する可能性がある。しかしながら、この膜厚の範囲内(900nm〜2000nm)では、このAlN層の膜厚による転位密度の減少は高々1/5程度である。表1では、これ以上の転位密度の減少が確認されているので、AlONバッファー層上の酸化層(AlN層)を削除することが、高品質のAlN層を成長する上で有効であることが、初めて実験的に明らかにされた。 The X-ray rocking curve of the AlN crystal growth layer in the first sample has a lot of noise because of poor crystallinity. On the other hand, in the second sample, the screw dislocation density is reduced to 1/10 or less and the edge dislocation density is reduced to 1/50 or less. Here, in the second sample, since the thickness of the AlN crystal growth layer grown at 800 ° C. is thick (2000 nm), the dislocation density may be reduced. However, within this film thickness range (900 nm to 2000 nm), the decrease in dislocation density due to the film thickness of the AlN layer is at most about 1/5. In Table 1, since it is confirmed that the dislocation density is further reduced, it is effective to remove the oxide layer (AlN layer) on the AlON buffer layer to grow a high-quality AlN layer. It was revealed experimentally for the first time.
上述した実験の結果より、AlONバッファー層の上のAlOを取り除くことにより、高品質のAlN層を、分子線エピタキシー法により結晶成長できることが、明らかになった。 From the results of the above-described experiment, it has been clarified that a high-quality AlN layer can be crystal-grown by molecular beam epitaxy by removing AlO on the AlON buffer layer.
以上の説明したように、本発明では、分子線エピタキシー法により、第2バッファー層の上にGaまたはInの分子線を照射してGaまたはInを供給し、第2バッファー層の表面に形成された自然酸化層の酸素をもとに、GaOまたはInOを形成し、これを加熱することでGaOまたはInOを気化させるようにしたので、自然酸化層を取り除いた状態でAlNの結晶層が結晶成長できる。この結果、本発明によれば、分子線エピタキシー法により、AlONバッファー層を用いてより結晶性のよいAlNの結晶層が形成できるようになる。 As described above, in the present invention, the second buffer layer is formed on the surface of the second buffer layer by supplying Ga or In by irradiating the second buffer layer with Ga or In molecular beam by the molecular beam epitaxy method. Based on the oxygen in the natural oxide layer, GaO or InO is formed and heated to vaporize GaO or InO, so the crystal layer of AlN grows with the natural oxide layer removed. it can. As a result, according to the present invention, an AlN crystal layer with better crystallinity can be formed using the AlON buffer layer by molecular beam epitaxy.
AlONバッファー層の上層を構成しているAlN層の表面に、分子線エピタキシー装置へ搬送する間に空気中にさらされることで形成される自然酸化層を除去する方法としては、アンモニアを用いる方法、水素ガスを用いる方法が考えられる。これらの方法では、アンモニアガスや水素ガスを使用し、さらに、廃ガス処理を行う必要があり、大きな製造コストがかかる。 As a method for removing a natural oxide layer formed by being exposed to the air while being transported to the molecular beam epitaxy apparatus on the surface of the AlN layer constituting the upper layer of the AlON buffer layer, a method using ammonia, A method using hydrogen gas is conceivable. In these methods, it is necessary to use ammonia gas or hydrogen gas, and to perform waste gas treatment, which requires a large production cost.
これに対して、本発明によれば、III−V族化合物半導体の分子線エピタキシー装置で一般に用いられているGaやInの分子線を使うので、きわめて容易に実施可能であり、製造コストの上昇を招くことがない。 On the other hand, according to the present invention, since a molecular beam of Ga or In, which is generally used in a molecular beam epitaxy apparatus of a III-V compound semiconductor, is used, it can be implemented very easily and the manufacturing cost increases. Is not invited.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、サファイア基板に限らず、Si基板、SiC基板などの異種基板を用いるようにしてもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, not only a sapphire substrate but also a different substrate such as a Si substrate or a SiC substrate may be used.
101…基板、102…第1バッファー層、103…第2バッファー層、104…分子線、105…酸化層、106…AlN層、107…結晶層、107a…AlN結晶。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
分子線エピタキシー法以外の堆積方法で、前記第1バッファ層の上に接してAlNからなる第2バッファ層を形成する第2工程と、
分子線エピタキシー法により前記第2バッファ層の上にGaまたはInを供給し、前記第2バッファ層の表面に形成された自然酸化層の酸素をもとに、GaOまたはInOを形成する第3工程と、
加熱することで前記第2バッファ層の上に形成された前記GaOまたは前記InOを気化させる第4工程と、
前記GaOまたは前記InOを気化させたあとで、分子線エピタキシー法により、前記第2バッファ層の上にAlNからなる結晶層を形成する第5工程と
を備え、
前記第3工程、前記第4工程、前記第5工程は、同一の装置内で実施する
ことを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。 A first step of forming a first buffer layer made of AlON on a substrate by a deposition method other than molecular beam epitaxy;
A second step of forming a second buffer layer made of AlN in contact with the first buffer layer by a deposition method other than molecular beam epitaxy;
Third step of supplying Ga or In onto the second buffer layer by molecular beam epitaxy and forming GaO or InO based on the oxygen in the natural oxide layer formed on the surface of the second buffer layer When,
A fourth step of evaporating the GaO or the InO formed on the second buffer layer by heating;
And after vaporizing the GaO or InO, a fifth step of forming a crystal layer made of AlN on the second buffer layer by molecular beam epitaxy,
The third step, the fourth step, and the fifth step are performed in the same apparatus. A nitride semiconductor crystal growth method, wherein:
前記第1工程および前記第2工程では、スパッタ法により前記第1バッファ層および前記第2バッファ層を形成することを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。 The nitride semiconductor crystal growth method according to claim 1,
In the first step and the second step, the first buffer layer and the second buffer layer are formed by a sputtering method.
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