Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP2005057064A - Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof - Google Patents

Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2005057064A
JP2005057064A JP2003286546A JP2003286546A JP2005057064A JP 2005057064 A JP2005057064 A JP 2005057064A JP 2003286546 A JP2003286546 A JP 2003286546A JP 2003286546 A JP2003286546 A JP 2003286546A JP 2005057064 A JP2005057064 A JP 2005057064A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group iii
iii nitride
nitride semiconductor
semiconductor layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003286546A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Kojima
彰 小島
Seiji Nagai
誠二 永井
Kazuyoshi Tomita
一義 冨田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyoda Gosei Co Ltd
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyoda Gosei Co Ltd
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyoda Gosei Co Ltd, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyoda Gosei Co Ltd
Priority to JP2003286546A priority Critical patent/JP2005057064A/en
Publication of JP2005057064A publication Critical patent/JP2005057064A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor layer capable of effectively preventing through dislocation from occurring in a GaN growth layer and obtaining a high-quality GaN crystal without increasing the number of processes, and to provide a method for growing the group III nitride semiconductor layer. <P>SOLUTION: A thin film 5D containing Si is formed on the irregular surface of a first GaN layer 5C. The thin film 5D containing Si simultaneously supplies NH<SB>3</SB>and SiH<SB>4</SB>to a reactor, which grows on the irregular surface of the first GaN layer 5C at a growth temperature of 1,050°C to a thickness of approximately one to several atom layers. In this manner, the thin film 5D that is formed on the irregular surface of the first GaN layer 5C and contains Si suppresses the propagation of the through dislocation as a minute mask. More specifically, the thin film 5D containing Si has a number of penetrated voids. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はIII族窒化物半導体層およびその成長方法に関し、特に、転位を低減させることのできるIII族窒化物半導体層およびその成長方法に関する。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor layer and a growth method thereof, and more particularly to a group III nitride semiconductor layer capable of reducing dislocations and a growth method thereof.

従来、青色や短波長領域の発光素子の材料としてGaN系の化合物半導体(以下、「III族窒化物半導体」という。)を用いたものが知られている。III属窒化物半導体は、直接遷移型であることから発光効率が高いこと、また、光の3原色の1つである青色を発光色とすること等から注目されている。   Conventionally, GaN-based compound semiconductors (hereinafter referred to as “Group III nitride semiconductors”) are known as materials for light-emitting elements in the blue and short wavelength regions. Group III nitride semiconductors are attracting attention because of their direct transition type, high luminous efficiency, and the fact that one of the three primary colors of light is blue.

GaNは融点が極めて高く、また窒素の平衡蒸気圧が極めて高いことにより、高品質、大面積でバルク状のGaN単結晶基板を製造することが難しいという問題がある。このため、GaN半導体はサファイアや炭化ケイ素(SiC)を基板上として用いてヘテロエピタキシャル成長によって形成されているが、この場合、格子・熱的不整合を起因としてエピタキシャル薄膜中に貫通転位が多数発生することが知られている。この貫通転位は、光・電子デバイス特性に影響を及ぼすことから、低転位化を実現する種々の試みがなされている。   Since GaN has a very high melting point and an extremely high equilibrium vapor pressure of nitrogen, there is a problem that it is difficult to produce a high-quality, large-area bulk GaN single crystal substrate. For this reason, GaN semiconductors are formed by heteroepitaxial growth using sapphire or silicon carbide (SiC) as a substrate, but in this case, many threading dislocations are generated in the epitaxial thin film due to lattice / thermal mismatch. It is known. Since this threading dislocation affects optical / electronic device characteristics, various attempts have been made to realize low dislocation.

低転位のGaN基板を作製するものとして、例えば、サファイア等の基板上に窓を有するマスクを設け、この窓を通してGaNを気相成長させるようにしたものがある(例えば、特許文献1参照。)。   For producing a low dislocation GaN substrate, for example, a mask having a window is provided on a substrate such as sapphire, and GaN is vapor-phase grown through this window (see, for example, Patent Document 1). .

図4は、特許文献1に記載された単結晶GaN基板の製造方法を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a method for manufacturing a single crystal GaN substrate described in Patent Document 1. In FIG.

この製造方法によると、図4(a)に示すようにサファイア等からなる基板10の表面に窓11Aを有するマスク11を付け、窓11Aを通してGaN12を気相成長させることにより、図4(b)に示すように多数のファセット面12Aが現れた凹凸状の表面を有するGaN12が気相成長する。このようにして得られたGaN12の凹凸表面を研削加工および研磨加工することにより、図4(c)に示すように平坦平滑な表面とすることにより、貫通転位の少ないGaN12/基板10の2重構造の基板が得られる。
特開2001−102307号公報(第18図)
According to this manufacturing method, as shown in FIG. 4A, a mask 11 having a window 11A is attached to the surface of a substrate 10 made of sapphire or the like, and GaN 12 is vapor-phase grown through the window 11A. As shown in FIG. 4, the GaN 12 having a concavo-convex surface on which a large number of facet surfaces 12A appear is vapor-phase grown. By grinding and polishing the concavo-convex surface of the GaN 12 obtained in this way, a flat and smooth surface as shown in FIG. 4C is obtained, so that the double layer of the GaN 12 / substrate 10 with few threading dislocations. A structure substrate is obtained.
JP 2001-102307 A (FIG. 18)

しかし、特許文献1に記載された半導体基板製造方法によると、窓を通過する貫通転位の伝搬を抑えて結晶品質を向上させるにはマスクを幾層にも設ける必要があるため、GaN単結晶を形成する工程数が大になって基板製造コストが大になるという問題がある。更に、窓を有するマスクを設けるため、窓を形成するエッチング工程が必要になる。   However, according to the semiconductor substrate manufacturing method described in Patent Document 1, it is necessary to provide a plurality of masks in order to improve the crystal quality by suppressing the propagation of threading dislocations passing through the window. There is a problem that the number of steps to be formed is increased and the substrate manufacturing cost is increased. Further, since a mask having a window is provided, an etching process for forming the window is required.

従って、本発明の目的は、GaN成長層に貫通転位が生じることを効果的に防ぐことができ、工程数を大にすることなく高品質のGaN結晶を得ることのできるIII族窒化物半導体層およびその成長方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to effectively prevent the occurrence of threading dislocations in the GaN growth layer, and to obtain a high-quality GaN crystal without increasing the number of steps, a group III nitride semiconductor layer And providing a method for its growth.

本発明は、上記目的を達成するため、所定の転位密度を有する第1のIII族窒化物半導体層と、前記第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成された複数の空隙を有するSiを含む薄膜と、前記Siを含む薄膜の前記複数の空隙を介して前記第1のIII族窒化物半導体層から成長し、前記所定の転位密度より小なる転位密度を有する第2のIII族窒化物半導体層を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a first group III nitride semiconductor layer having a predetermined dislocation density and a plurality of voids formed on the surface of the first group III nitride semiconductor layer. And a second group III nitride having a dislocation density smaller than the predetermined dislocation density, grown from the first group III nitride semiconductor layer through the plurality of voids of the thin film containing Si. There is provided a group III nitride semiconductor layer characterized by including a nitride semiconductor layer.

前記第1のIII族窒化物半導体層は、表面が複数の凹部を有していても良い。   The first group III nitride semiconductor layer may have a plurality of recesses on the surface.

前記第1のIII族窒化物半導体層は、基板上に形成されたバッファ層、あるいは前記バッファ層上に形成されたIII族窒化物半導体層であっても良い。   The first group III nitride semiconductor layer may be a buffer layer formed on a substrate or a group III nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.

前記第1のIII族窒化物半導体層は、GaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNのひとつであっても良い。   The first group III nitride semiconductor layer may be one of GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN.

前記第2のIII族窒化物半導体層は、GaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNのひとつであっても良い。   The second group III nitride semiconductor layer may be one of GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN.

前記第2のIII族窒化物半導体層は、発光素子形成用半導体基板、あるいは発光素子用半導体層であっても良い。   The second group III nitride semiconductor layer may be a light emitting element forming semiconductor substrate or a light emitting element semiconductor layer.

また、本発明は、上記目的を達成するため、所定の転位密度を有する第1のIII族窒化物半導体層を形成する第1のステップと、前記第1のIII族窒化物半導体層の表面に複数の空隙を有するSiを含む薄膜を形成する第2のステップと、前記Siを含む薄膜の表面に前記複数の空隙を介して前記第1のIII族窒化物半導体層から成長し、前記所定の転位密度より小なる転位密度を有する第2のIII族窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a first step of forming a first group III nitride semiconductor layer having a predetermined dislocation density, and a surface of the first group III nitride semiconductor layer. A second step of forming a thin film containing Si having a plurality of voids, and growing from the first group III nitride semiconductor layer on the surface of the thin film containing Si via the plurality of voids, And a third step of forming a second group III nitride semiconductor layer having a dislocation density lower than the dislocation density. A method for forming a group III nitride semiconductor layer is provided.

前記第1および第3のステップは、MOVPEあるいはHVPEによって実行することができる。   The first and third steps can be performed by MOVPE or HVPE.

前記第1のステップは、前記第1のIII族窒化物半導体層の成長速度と成長温度を制御してその表面に複数の凹部を形成するようにしても良い。   In the first step, a plurality of recesses may be formed on a surface of the first group III nitride semiconductor layer by controlling a growth rate and a growth temperature.

前記第1のステップは、エッチングによって下地層に溝部を形成することによりその表面に複数の凹部を形成するようにしても良い。   In the first step, a plurality of recesses may be formed on the surface of the base layer by etching to form a groove.

前記第1のステップは、前記第1のIII族窒化物半導体層として基板上にバッファ層を形成し、あるいは、前記バッファ層上にIII族窒化物半導体層を形成することもできる。   In the first step, a buffer layer may be formed on the substrate as the first group III nitride semiconductor layer, or a group III nitride semiconductor layer may be formed on the buffer layer.

前記第1および第3のステップは、前記第1および第2のIII族窒化物半導体層としてGaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNを形成することもできる。   In the first and third steps, GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN can be formed as the first and second group III nitride semiconductor layers.

本発明のIII族窒化物半導体層およびその成長方法によれば、基礎となるIII族窒化物半導体層の表面に複数の空隙を有したSiを含む薄膜を形成し、その複数の空隙を介してIII族窒化物半導体層から目的物としてのIII族窒化物半導体層を成長させたため、転位密度の少ない高品質のIII族窒化物半導体層を得ることができる。このIII族窒化物半導体層は発光素子形成用基板、あるいは発光素子用半導体層として利用される。   According to the group III nitride semiconductor layer and the growth method thereof of the present invention, a thin film containing Si having a plurality of voids is formed on the surface of the base group III nitride semiconductor layer, and the plurality of voids are interposed therebetween. Since the target group III nitride semiconductor layer is grown from the group III nitride semiconductor layer, a high-quality group III nitride semiconductor layer with a low dislocation density can be obtained. This group III nitride semiconductor layer is used as a light emitting element forming substrate or a light emitting element semiconductor layer.

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体層の製造装置の概略構成図である。この製造装置1は、ハイドライド気相成長法(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)に基づいてGaNを気相成長させるものであり、リアクタ2と、リアクタ2内に設けられるサセプタ3と、リアクタ2内に配管4A〜4Eを介して原料ガスおよびキャリアガスを供給する構成を有する。なお、以下の実施例では、MOVPE装置も使用されるが、図示は省略している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a group III nitride semiconductor layer manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. The manufacturing apparatus 1 is for vapor phase growth of GaN based on a hydride vapor phase epitaxy (HVPE), a reactor 2, a susceptor 3 provided in the reactor 2, and a reactor 2. It has the structure which supplies raw material gas and carrier gas via piping 4A-4E. In the following embodiment, a MOVPE apparatus is also used, but the illustration is omitted.

リアクタ2は、サセプタ3上に配置されるSi基板5に対してキャリアガスによって供給される原料ガスに基づく気相成長を行う。   The reactor 2 performs vapor phase growth based on a source gas supplied by a carrier gas to a Si substrate 5 disposed on the susceptor 3.

図1のHVPE装置において、配管4A、4BはキャリアガスとしてのH2あるいはN2を供給するものであり、H2あるいはN2は何れか一方又は同時に選択的に使用される。配管4C、4Dは、N源としてのアンモニアとSi源としてのシランを供給するものである。配管4Eは、ハライド材料としてのHClを供給するものであり、金属Ga部4F上にHClを供給して反応させてリアクタ2にGaClを供給する。 In the HVPE apparatus of FIG. 1, the pipes 4A and 4B supply H 2 or N 2 as a carrier gas, and either H 2 or N 2 is selectively used at the same time. The pipes 4C and 4D supply ammonia as the N source and silane as the Si source. The pipe 4E supplies HCl as a halide material, and supplies HCl to the metal Ga portion 4F to cause reaction to supply GaCl.

なお、本発明において、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNを成長させるときは、Al源として金属Al、In源として金属Inが使用されることになるが、ここでは説明を省略する。   In the present invention, when AlGaN, GaInN, or AlGaInN is grown, metal Al is used as the Al source, and metal In is used as the In source, but description thereof is omitted here.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

図2(a)から(g)は、実施例1に係るIII族窒化物半導体層の製造工程を示す。   FIGS. 2A to 2G show the manufacturing process of the group III nitride semiconductor layer according to the first embodiment.

実施例1によるIII族窒化物半導体層の製造は、AlGaN下地層成長工程と、GaNバッファ層成長工程と、第1のGaN層成長工程と、エッチング工程と、Siを含む薄膜成長工程と、第2のGaN層成長工程とに基づいて行われる。なお、以下の説明におけるSiを含む薄膜とは、Siを高濃度で含む層でSiや、Siの窒化物や、SiとGaNとの化合物からなる層をいう。   The manufacture of the group III nitride semiconductor layer according to Example 1 includes an AlGaN underlayer growth step, a GaN buffer layer growth step, a first GaN layer growth step, an etching step, a Si-containing thin film growth step, 2 based on the GaN layer growth step. In the following description, a thin film containing Si is a layer containing Si at a high concentration and means a layer made of Si, a nitride of Si, or a compound of Si and GaN.

図2(a):AlGaN下地層成長工程
まず、図示しないMOVPE装置のサセプタに表面洗浄されたSi基板5を搭載する。次に、図示しないMOVPE装置に基づいてSi基板5上にAlGaN下地層5Aを形成する。AlGaN下地層5Aは、リアクタにNH3を供給しながらTMAおよびTMGを供給し、下地Si基板5上にAl組成20%、厚さ0.3μmとなるように成長させる。
FIG. 2A: AlGaN underlayer growth step First, the surface-cleaned Si substrate 5 is mounted on a susceptor of a MOVPE apparatus (not shown). Next, an AlGaN foundation layer 5A is formed on the Si substrate 5 based on a MOVPE apparatus (not shown). The AlGaN underlayer 5A is supplied with TMA and TMG while supplying NH 3 to the reactor, and is grown on the underlayer Si substrate 5 to have an Al composition of 20% and a thickness of 0.3 μm.

図2(b):GaN下地層成長工程
次に、図示しないMOVPE装置に基づいてGaN下地層5Bを形成する。GaN下地層5Bは、図示しないMOVPE装置にNH3を供給しながらTMGを供給し、AlGaN下地層5A上に厚さ0.5μmとなるように成長させる。この成長品は図1のHVPE装置へ移送される。
FIG. 2B: GaN Underlayer Growth Step Next, a GaN underlayer 5B is formed based on a MOVPE apparatus (not shown). The GaN foundation layer 5B is grown to a thickness of 0.5 μm on the AlGaN foundation layer 5A by supplying TMG while supplying NH 3 to a MOVPE apparatus (not shown). This growth is transferred to the HVPE apparatus of FIG.

図2(c):第1のGaN層成長工程
次に、図1に示したHVPE装置に基づいて第1のGaN層5Cを形成する。第1のGaN層5Cは、リアクタ2にNH3を供給しながら配管4Eの途中に設けられた金属Ga部4FのGaと配管4EのHClの反応によって形成されたGaClを供給することにより、900℃の成長温度でGaN下地層5B上に厚さ200μmとなるように成長させる。この第1のGaN層5Cは、表面に凸凹を有するように成長する。この凸凹は、900℃の成長温度と原料のV族/III族比を50にするなどして成長速度を制御することによって形成される。
FIG. 2C: first GaN layer growth step Next, the first GaN layer 5C is formed based on the HVPE apparatus shown in FIG. The first GaN layer 5C is supplied with NH 3 to the reactor 2 by supplying GaCl formed by the reaction of Ga in the metal Ga portion 4F provided in the middle of the pipe 4E and HCl in the pipe 4E. The GaN base layer 5B is grown to a thickness of 200 μm at a growth temperature of 0 ° C. The first GaN layer 5C is grown so as to have irregularities on the surface. This unevenness is formed by controlling the growth rate by setting the growth temperature to 900 ° C. and the V group / III ratio of the raw material to 50, for example.

図2(d):エッチング工程
次に、サセプタ3に搭載されたSi基板5に対して図示しないエッチング機構に基づいてエッチングガスを供給し、第1のGaN層5Cを残してSi基板5、AlGaN下地層5A、およびGaN下地層5Bをエッチングにより除去する。
FIG. 2D: Etching Step Next, an etching gas is supplied to the Si substrate 5 mounted on the susceptor 3 based on an etching mechanism (not shown) to leave the first GaN layer 5C, and the Si substrate 5 and AlGaN. The underlayer 5A and the GaN underlayer 5B are removed by etching.

図2(e):Siを含む薄膜成長工程
次に、第1のGaN層5Cの凸凹表面に、Siを含む薄膜5Dを設ける。Siを含む薄膜5Dは、リアクタ2にNH3を供給しながらSiH4を供給し、1050℃の成長温度で第1のGaN層5Cの凸凹表面に1原子層〜数原子層程度の厚さとなるように成長させる。このように第1のGaN層5Cの凸凹表面に形成されたSiを含む薄膜5Dが、微小マスクとして貫通転位の伝搬を抑える。即ち、Siを含む薄膜5Dは貫通した多数の空隙を有する。
FIG. 2E: Thin Film Growth Step Containing Si Next, a thin film 5D containing Si is provided on the uneven surface of the first GaN layer 5C. The thin film 5D containing Si is supplied with SiH 4 while supplying NH 3 to the reactor 2, and has a thickness of about one atomic layer to several atomic layers on the uneven surface of the first GaN layer 5C at a growth temperature of 1050 ° C. To grow. Thus, the thin film 5D containing Si formed on the uneven surface of the first GaN layer 5C suppresses the propagation of threading dislocations as a micro mask. That is, the thin film 5D containing Si has a large number of through holes.

図2(f):第2のGaN層成長工程
次に、HVPE装置に基づいて第2のGaN層5Eを形成する。第2のGaN層5Eは、リアクタ2にNH3を供給しながら第1のGaN層5Cと同じようにGaClを供給し、1075℃の成長温度でSiを含む薄膜5D上に厚さ50μmとなるように成長させる。このようにして低転位のGaN結晶部からなるIII族窒化物半導体層が形成される。
FIG. 2F: Second GaN layer growth step Next, the second GaN layer 5E is formed based on the HVPE apparatus. The second GaN layer 5E is supplied with GaCl in the same manner as the first GaN layer 5C while supplying NH 3 to the reactor 2, and has a thickness of 50 μm on the thin film 5D containing Si at a growth temperature of 1075 ° C. To grow. In this way, a group III nitride semiconductor layer composed of a low dislocation GaN crystal part is formed.

上記した実施例1のGaN結晶について、Siを含む薄膜5D上に形成された第2のGaN層5Eを観測したところ、転位密度は1×106cm-2であった。また、実施例1においてSiを含む薄膜5Dを形成しなかったものについては転位密度が3×107cm-2であり、Siを含む薄膜5Dが貫通転位の伝搬を抑えることに有効であることが確認された。 When the second GaN layer 5E formed on the Si-containing thin film 5D was observed for the GaN crystal of Example 1 described above, the dislocation density was 1 × 10 6 cm −2 . Further, in Example 1 in which the Si-containing thin film 5D was not formed, the dislocation density was 3 × 10 7 cm −2 , and the Si-containing thin film 5D was effective in suppressing the propagation of threading dislocations. Was confirmed.

なお、実施例1では、第1のGaN層5Cの凸凹表面にSiを含む薄膜5Dを設ける構成としたが、例えば、図2(g)に示すようにGaN下地層5Bの表面にSiを含む薄膜5Dを設け、その上に第1のGaN層5Cを気相成長させるようにしても良い。   In Embodiment 1, the thin film 5D containing Si is provided on the uneven surface of the first GaN layer 5C. For example, as shown in FIG. 2G, the surface of the GaN foundation layer 5B contains Si. A thin film 5D may be provided, and the first GaN layer 5C may be vapor-phase grown thereon.

また、実施例1では、エッチングによってAlGaN下地層5A、およびGaN下地層5Bを除去するようにしたが、AlGaN下地層5A、およびGaN下地層5Bを除去しないものとしても良い。また、表面エネルギーの関係でSiは凹部に集まり易い傾向があり、貫通した空隙は、貫通転位の比較的少ない凸部にでき易い、このため、より効率良く貫通転位を低減することができる。   In Example 1, the AlGaN foundation layer 5A and the GaN foundation layer 5B are removed by etching, but the AlGaN foundation layer 5A and the GaN foundation layer 5B may not be removed. In addition, Si tends to collect in the recesses due to the surface energy, and the penetrated voids can be easily formed into protrusions with relatively few threading dislocations. Therefore, threading dislocations can be more efficiently reduced.

実施例1において、図2(e)に示す第1のGaN層5Cの凹部Aに転位が集中する傾向がある。従って、その上にSiを含む薄膜5Dを形成すると、Siを含む薄膜5Dの空隙から縦方向に第2のGaN層5Eが成長する。第1のGaN層5Cの凹部A以外に位置するSiを含む薄膜5Dの空隙から縦方向に成長する第2のGaN層5Eは、転位密度が減少する。このため、第2のGaN層5Eの縦方向成長部から横方向に成長する部分は転位密度が減少する。   In Example 1, dislocations tend to concentrate in the recesses A of the first GaN layer 5C shown in FIG. Accordingly, when the thin film 5D containing Si is formed thereon, the second GaN layer 5E grows in the vertical direction from the gap of the thin film 5D containing Si. The dislocation density of the second GaN layer 5E grown in the vertical direction from the voids of the Si-containing thin film 5D located other than the recess A of the first GaN layer 5C decreases. For this reason, the dislocation density of the portion of the second GaN layer 5E that grows in the horizontal direction from the vertical growth portion decreases.

図3(a)から(g)は、実施例2に係るIII族窒化物半導体層の製造工程を示す。   FIGS. 3A to 3G show the manufacturing process of the group III nitride semiconductor layer according to the second embodiment.

実施例2によるIII族窒化物半導体層の製造は、AlNバッファ層成長工程と、第1のGaN層成長工程と、基板加工工程と、第2のGaN層成長工程と、Siを含む薄膜成長工程と、第3のGaN層成長工程と、GaN層分離工程に基づいて行われる。   The manufacture of the group III nitride semiconductor layer according to Example 2 includes an AlN buffer layer growth step, a first GaN layer growth step, a substrate processing step, a second GaN layer growth step, and a Si-containing thin film growth step. And a third GaN layer growth step and a GaN layer separation step.

図3(a):AlNバッファ層成長工程
まず、図示しないMOVPE装置のサセプタに表面洗浄されたサファイア基板6を搭載する。次に、図示しないMOVPE装置に基づいてAlNバッファ層6Aを形成する。AlNバッファ層6Aは、図示しないMOVPE装置のリアクタにNH3を供給しながらTMAを供給し、400℃の成長温度でサファイア基板6上に厚さ0.02μmとなるように成長させる。
FIG. 3A: AlN buffer layer growth step First, the surface-cleaned sapphire substrate 6 is mounted on a susceptor of a MOVPE apparatus (not shown). Next, an AlN buffer layer 6A is formed based on a MOVPE apparatus (not shown). The AlN buffer layer 6A is grown to a thickness of 0.02 μm on the sapphire substrate 6 by supplying TMA while supplying NH 3 to a reactor of a MOVPE apparatus (not shown) at a growth temperature of 400 ° C.

図3(b):第1のGaN層成長工程
次に、図示しないMOVPE装置に基づいて第1のGaN層6Bを形成する。第1のGaN層6Bは、図示しないMOVPE装置のリアクタにNH3を供給しながらTMGを供給し、1000℃の成長温度でAlNバッファ層6A上に厚さ1.5μmとなるように成長させる。
FIG. 3B: First GaN layer growth step Next, a first GaN layer 6B is formed based on a MOVPE apparatus (not shown). The first GaN layer 6B is supplied with TMG while supplying NH 3 to a reactor of a MOVPE apparatus (not shown), and is grown on the AlN buffer layer 6A to a thickness of 1.5 μm at a growth temperature of 1000 ° C.

図3(c):基板加工工程
次に、AlNバッファ層6Aおよび第1のGaN層6Bを設けられたサファイア基板6に対し、エッチング加工によりAlNバッファ層6Aおよび第1のGaN層6Bをストライプ状に加工する。なお、エッチング加工はドライエッチングで行うことが好ましい。この基板加工は、シードとなる第1のGaN層6Bの幅が5μm、隣接するシードとの間に形成される溝部6aが15μm、サファイア基板6のエッチング深さが0.1μmとなるように加工される。
FIG. 3C: Substrate Processing Step Next, the AlN buffer layer 6A and the first GaN layer 6B are striped by etching on the sapphire substrate 6 provided with the AlN buffer layer 6A and the first GaN layer 6B. To process. Note that the etching process is preferably performed by dry etching. This substrate processing is performed so that the width of the first GaN layer 6B serving as a seed is 5 μm, the groove 6a formed between adjacent seeds is 15 μm, and the etching depth of the sapphire substrate 6 is 0.1 μm. Is done.

図3(d):第2のGaN層成長工程
次に、図1のHVPE装置に基づいて第2のGaN層6Cを形成する。第2のGaN層6Cは、リアクタ2にNH3を供給しながら、実施例1と同じようにGaClを供給し、900℃の成長温度で第1のGaN層6B上に厚さ100μmとなるように成長させる。この第2のGaN層6Cは横方向成長に基づいて成長し、そのことによって溝部6aの部分に対応する位置に凹部6bが形成される。また、溝部6aのサファイアが露出している部分についてはGaNが成長せずに空洞となる。
FIG. 3D: Second GaN Layer Growth Step Next, the second GaN layer 6C is formed based on the HVPE apparatus of FIG. The second GaN layer 6C is supplied with GaCl in the same manner as in Example 1 while supplying NH 3 to the reactor 2 so as to have a thickness of 100 μm on the first GaN layer 6B at a growth temperature of 900 ° C. To grow. The second GaN layer 6C grows based on the lateral growth, thereby forming a recess 6b at a position corresponding to the groove 6a. Further, the portion of the groove 6a where the sapphire is exposed becomes a cavity without growing GaN.

図3(e):Siを含む薄膜成長工程
次に、第2のGaN層6Cの表面に、図1のHVPE装置に基づいてSiを含む薄膜6Dを設ける。Si堆積層6Dは、リアクタ2にNH3を供給しながらSiH4を供給し、
1050℃の成長温度で第2のGaN層6Cの表面に1原子層〜数原子層程度の厚さとなるように設けられる。このようなSiを含む薄膜が第2のGaN層6Cの凸凹表面において貫通する多数の微小な空隙を有するSiのマスクとして作用することにより貫通転位の伝搬を抑える。
FIG. 3E: Thin Film Growth Process Containing Si Next, a thin film 6D containing Si is provided on the surface of the second GaN layer 6C based on the HVPE apparatus shown in FIG. The Si deposition layer 6D supplies SiH 4 while supplying NH 3 to the reactor 2,
It is provided on the surface of the second GaN layer 6C at a growth temperature of 1050 ° C. so as to have a thickness of about one atomic layer to several atomic layers. Propagation of threading dislocations is suppressed by acting as a Si mask having a large number of minute voids penetrating such a thin film containing Si on the uneven surface of the second GaN layer 6C.

図3(f):第3のGaN層成長工程
次に、図1のHVPE装置に基づいて第3のGaN層6Eを形成する。第3のGaN層6Eは、リアクタ2にNH3を供給しながら第2のGaN層と同じようにGaClを供給し、1050℃の成長温度でSiを含む薄膜6D上に厚さ300μmとなるように成長させる。
FIG. 3F: Third GaN layer growth step Next, a third GaN layer 6E is formed based on the HVPE apparatus of FIG. The third GaN layer 6E is supplied with GaCl in the same manner as the second GaN layer while supplying NH 3 to the reactor 2, and has a thickness of 300 μm on the thin film 6D containing Si at a growth temperature of 1050 ° C. To grow.

図3(g):GaN層分離工程
上記した手順によるGaNの気相成長後、降温時にGaNとサファイアとの熱膨張係数の違いによって生じる歪に基づいてサファイア基板6とGaN結晶部とを分離する。この分離は、溝部6aの存在により、応力がそれ以外の部分に集中するために実現する。このようにして低転位のGaN結晶からなるIII族窒化物半導体層が形成される。
FIG. 3G: GaN layer separation step After the vapor phase growth of GaN by the above-described procedure, the sapphire substrate 6 and the GaN crystal part are separated based on the strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between GaN and sapphire when the temperature is lowered. . This separation is realized because the stress is concentrated on other portions due to the presence of the groove 6a. In this way, a group III nitride semiconductor layer made of a low dislocation GaN crystal is formed.

上記した実施例2のIII族窒化物半導体層では、サファイア基板6にAlNバッファ層6Aおよび第1のGaN層6Bを成長させた後、GaNを成長させることにより、表面に凹部6bが形成される。この凹部6bに転位が減少することから、凹部6b以外の部分に局所的にSiを堆積することによって貫通転位の伝搬をより効果的に抑制することができる。この実施例2における第3のGaN層6Eの転位密度は1×106cm-2と実施例1と同等であることが確認された。 In the group III nitride semiconductor layer of Example 2 described above, the recess 6b is formed on the surface by growing the AlN buffer layer 6A and the first GaN layer 6B on the sapphire substrate 6 and then growing GaN. . Since dislocations are reduced in the recesses 6b, the propagation of threading dislocations can be more effectively suppressed by locally depositing Si in portions other than the recesses 6b. It was confirmed that the dislocation density of the third GaN layer 6E in Example 2 was 1 × 10 6 cm −2 , which was equivalent to that in Example 1.

実施例2において、溝部6a上の第2のGaN層6Cは、横方向成長によって形成されるので、転位密度は減少する。従って、凹部6bに局所的にSiを含む薄膜6Dがされると、それ以外の空隙部から第3のGaN層6Eが成長し、その縦方向成長部から更に横方向成長が行われる。このため、横方向成長によって転位は凹部6bに集中し、第3のGaN層6Eの横方向成長部の転位密度は更に減少する。   In Example 2, since the second GaN layer 6C on the groove 6a is formed by lateral growth, the dislocation density decreases. Accordingly, when the thin film 6D containing Si is locally formed in the concave portion 6b, the third GaN layer 6E grows from the other gap portion, and further lateral growth is performed from the vertical growth portion. For this reason, dislocations are concentrated in the recesses 6b due to the lateral growth, and the dislocation density in the lateral growth portion of the third GaN layer 6E is further reduced.

本発明者は、上記したような貫通転位を低減する層を設けたLEDを作製したところ、貫通転位を低減する層を設けないLEDと比較して光出力が向上したことを確認している。また、Siを含む薄膜6Dは、第1のGaN層6Bの途中に10〜100μmの間隔で複数層形成することにより、更に転位密度を低減することができる。   The present inventor has produced an LED provided with a layer for reducing threading dislocation as described above, and has confirmed that the light output is improved as compared with an LED not provided with a layer for reducing threading dislocation. Moreover, the dislocation density can be further reduced by forming a plurality of Si-containing thin films 6D at intervals of 10 to 100 μm in the middle of the first GaN layer 6B.

本発明のIII族窒化物半導体層は、半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子および半導体受光素子にも適用できる。   The group III nitride semiconductor layer of the present invention can also be applied to semiconductor light emitting devices such as semiconductor lasers and light emitting diodes, and semiconductor light receiving devices.

本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体層の製造に用いられるHVPE製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the HVPE manufacturing apparatus used for manufacture of the group III nitride semiconductor layer which concerns on embodiment of this invention. 実施例1に係るIII族窒化物半導体層の製造工程を示し、(a)はAlGaN下地層成長工程を示す図、(b)はGaN下地層成長工程を示す図、(c)は第1のGaN層成長工程を示す図、(d)はエッチング工程を示す図、(e)はSiを含む薄膜成長工程を示す図、(f)は第2のGaN層成長工程を示す図、(g)はSiを含む薄膜成長領域の他の形成方法である。The manufacturing process of the group III nitride semiconductor layer which concerns on Example 1 is shown, (a) is a figure which shows an AlGaN foundation layer growth process, (b) is a figure which shows a GaN foundation layer growth process, (c) is 1st The figure which shows a GaN layer growth process, (d) is a figure which shows an etching process, (e) is a figure which shows the thin film growth process containing Si, (f) is a figure which shows the 2nd GaN layer growth process, (g) Is another method for forming a thin film growth region containing Si. 実施例2に係るIII族窒化物半導体層の製造工程を示し、(a)はAlNバッファ層成長工程を示す図、(b)は第1のGaN層成長工程を示す図、(c)は基板加工工程を示す図、(d)は第2のGaN層成長工程を示す図、(e)はSiを含む薄膜成長工程を示す図、(f)は第3のGaN層成長工程を示す図、(g)はGaN層分離工程を示す図である。The manufacturing process of the group III nitride semiconductor layer which concerns on Example 2 is shown, (a) is a figure which shows an AlN buffer layer growth process, (b) is a figure which shows a 1st GaN layer growth process, (c) is a board | substrate. The figure which shows a process process, (d) is a figure which shows the 2nd GaN layer growth process, (e) is a figure which shows the thin film growth process containing Si, (f) is a figure which shows the 3rd GaN layer growth process, (G) is a diagram showing a GaN layer separation step. 特許文献1に記載された単結晶GaN基板の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the single crystal GaN substrate described in patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、半導体製造装置
2、リアクタ
3、サセプタ
4A、水素供給管
4B、窒素供給管
4C、アンモニア供給管
4D、シランガス供給管
4E、HCl供給部
4F、金属Ga部
5、Si基板
5A、AlGaN下地層
5B、GaN下地層
5C、第1のGaN層
5D、Siを含む薄膜
5E、第2のGaN層
6、サファイア基板
6A、AlNバッファ層
6B、第1のGaN層
6C、第2のGaN層
6D、Siを含む薄膜
6E、第3のGaN層
6a、溝部
6b、凹部
10、基板
11、マスク
11A、窓
12、GaN
12A、ファセット面
1. Semiconductor manufacturing apparatus 2, reactor 3, susceptor 4A, hydrogen supply pipe 4B, nitrogen supply pipe 4C, ammonia supply pipe 4D, silane gas supply pipe 4E, HCl supply part 4F, metal Ga part 5, Si substrate 5A, AlGaN underlayer 5B, a GaN foundation layer 5C, a first GaN layer 5D, a thin film 5E containing Si, a second GaN layer 6, a sapphire substrate 6A, an AlN buffer layer 6B, a first GaN layer 6C, a second GaN layer 6D, Thin film 6E containing Si, third GaN layer 6a, groove 6b, recess 10, substrate 11, mask 11A, window 12, GaN
12A, faceted surface

Claims (12)

所定の転位密度を有する第1のIII族窒化物半導体層と、
前記第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成された複数の空隙を有するSiを含む薄膜と、
前記Siを含む薄膜の前記複数の空隙を介して前記第1のIII族窒化物半導体層から成長し、前記所定の転位密度より小なる転位密度を有する第2のIII族窒化物半導体層を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層。
A first group III nitride semiconductor layer having a predetermined dislocation density;
A thin film containing Si having a plurality of voids formed on the surface of the first group III nitride semiconductor layer;
A second group III nitride semiconductor layer grown from the first group III nitride semiconductor layer through the plurality of voids of the Si-containing thin film and having a dislocation density lower than the predetermined dislocation density; A group III nitride semiconductor layer characterized by the above.
前記第1のIII族窒化物半導体層は、表面が複数の凹部を有することを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体層。   The group III nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer has a plurality of recesses on a surface thereof. 前記第1のIII族窒化物半導体層は、基板上に形成されたバッファ層あるいは下地層、あるいは前記バッファ層上あるいは前記下地層上に形成されたIII族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体層。   The first group III nitride semiconductor layer is a buffer layer or a base layer formed on a substrate, or a group III nitride semiconductor layer formed on the buffer layer or the base layer. The group III nitride semiconductor layer according to claim 1. 前記第1のIII族窒化物半導体層は、GaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNのひとつであることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体層。   2. The group III nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer is one of GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN. 前記第2のIII族窒化物半導体層は、GaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNのひとつであることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体層。   2. The group III nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the second group III nitride semiconductor layer is one of GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN. 前記第2のIII族窒化物半導体層は、発光素子形成用半導体基板、あるいは発光素子用半導体層であることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体層。   2. The group III nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the second group III nitride semiconductor layer is a light emitting element forming semiconductor substrate or a light emitting element semiconductor layer. 所定の転位密度を有する第1のIII族窒化物半導体層を形成する第1のステップと、
前記第1のIII族窒化物半導体層の表面に複数の空隙を有するSiを含む薄膜を形成する第2のステップと、
前記Siを含む薄膜の表面に前記複数の空隙を介して前記第1のIII族窒化物半導体層から成長し、前記所定の転位密度より小なる転位密度を有する第2のIII族窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有することを特徴とするIII族窒化物半導体層の形成方法。
A first step of forming a first group III nitride semiconductor layer having a predetermined dislocation density;
A second step of forming a thin film containing Si having a plurality of voids on the surface of the first group III nitride semiconductor layer;
A second group III nitride semiconductor layer grown from the first group III nitride semiconductor layer through the plurality of voids on the surface of the Si-containing thin film and having a dislocation density smaller than the predetermined dislocation density And a third step of forming a group III nitride semiconductor layer.
前記第1および第3のステップは、MOVPEあるいはHVPEによって実行されることを特徴とする請求項7記載のIII族窒化物半導体層の形成方法。   8. The method of forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 7, wherein the first and third steps are performed by MOVPE or HVPE. 前記第1のステップは、前記第1のIII族窒化物半導体層の成長速度と成長温度を制御してその表面に複数の凹部を形成することを特徴とする請求項7記載のIII族窒化物半導体層の形成方法。   8. The group III nitride according to claim 7, wherein the first step forms a plurality of recesses on a surface of the first group III nitride semiconductor layer by controlling a growth rate and a growth temperature of the first group III nitride semiconductor layer. A method for forming a semiconductor layer. 前記第1のステップは、エッチングによって前記第1のIII族窒化物半導体層の表面に複数の凹部を形成することを特徴とする請求項7記載のIII族窒化物半導体層の形成方法。   8. The method of forming a group III nitride semiconductor layer according to claim 7, wherein in the first step, a plurality of recesses are formed on the surface of the first group III nitride semiconductor layer by etching. 前記第1のステップは、前記第1のIII族窒化物半導体層として基板上にバッファ層を形成し、あるいは、前記バッファ層上にIII族窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項7記載のIII族窒化物半導体層の形成方法。   The first step includes forming a buffer layer on the substrate as the first group III nitride semiconductor layer, or forming a group III nitride semiconductor layer on the buffer layer. 8. A method for forming a group III nitride semiconductor layer according to 7. 前記第1および第3のステップは、前記第1および第2のIII族窒化物半導体層としてGaN、AlGaN、GaInN、あるいはAlGaInNを形成することを特徴とする請求項7記載のIII族窒化物半導体層の形成方法。

8. The group III nitride semiconductor according to claim 7, wherein the first and third steps form GaN, AlGaN, GaInN, or AlGaInN as the first and second group III nitride semiconductor layers. Layer formation method.

JP2003286546A 2003-08-05 2003-08-05 Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof Pending JP2005057064A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003286546A JP2005057064A (en) 2003-08-05 2003-08-05 Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003286546A JP2005057064A (en) 2003-08-05 2003-08-05 Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005057064A true JP2005057064A (en) 2005-03-03

Family

ID=34365806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003286546A Pending JP2005057064A (en) 2003-08-05 2003-08-05 Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005057064A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007220927A (en) * 2006-02-17 2007-08-30 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology Manufacturing method of algan ternary mixed crystal, and vapor phase epitaxy apparatus
JP2009295685A (en) * 2008-06-03 2009-12-17 Sumitomo Electric Ind Ltd Film deposition device
KR101178505B1 (en) 2009-11-03 2012-09-07 주식회사루미지엔테크 Substrate for semiconductor device and method for manufacturing the same
US9299561B2 (en) 2013-06-14 2016-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Method for fabricating nitride semiconductor thin film and method for fabricating nitride semiconductor device using the same
JP2018088528A (en) * 2013-06-27 2018-06-07 株式会社東芝 Nitride semiconductor element, nitride semiconductor wafer, and forming method for nitride semiconductor layer

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007220927A (en) * 2006-02-17 2007-08-30 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology Manufacturing method of algan ternary mixed crystal, and vapor phase epitaxy apparatus
JP2009295685A (en) * 2008-06-03 2009-12-17 Sumitomo Electric Ind Ltd Film deposition device
KR101178505B1 (en) 2009-11-03 2012-09-07 주식회사루미지엔테크 Substrate for semiconductor device and method for manufacturing the same
US9299561B2 (en) 2013-06-14 2016-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Method for fabricating nitride semiconductor thin film and method for fabricating nitride semiconductor device using the same
JP2018088528A (en) * 2013-06-27 2018-06-07 株式会社東芝 Nitride semiconductor element, nitride semiconductor wafer, and forming method for nitride semiconductor layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5371430B2 (en) Semiconductor substrate, method for manufacturing a self-supporting semiconductor substrate by hydride vapor phase epitaxy, and mask layer used therefor
JP5328931B2 (en) Low defect density free-standing gallium nitride substrate manufacturing method and device manufactured thereby
JP4529846B2 (en) III-V nitride semiconductor substrate and method for manufacturing the same
JP3620269B2 (en) GaN-based semiconductor device manufacturing method
JP3550070B2 (en) GaN-based compound semiconductor crystal, growth method thereof and semiconductor substrate
JP4622447B2 (en) Method for manufacturing group III nitride crystal substrate
JP2009184899A (en) Group iii nitride semiconductor epitaxial substrate and its manufacturing method
KR20080075914A (en) Process for growth of low dislocation density gan
JP2011084469A (en) METHOD AND INGOT FOR MANUFACTURING GaN SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE
JPH11145516A (en) Manufacture of gallium nitride compound semiconductor
JP2009071279A (en) Substrate for growing gallium nitride and method for preparing substrate for growing gallium nitride
JP2000091253A (en) Method of producing gallium nitride based compound semiconductor
JP4996448B2 (en) Method for creating a semiconductor substrate
JP5051455B2 (en) Method of manufacturing nitride semiconductor substrate for epitaxial growth
JP2006324622A (en) Manufacturing method for nitride semiconductor device and light emitting device
JP5065625B2 (en) Manufacturing method of GaN single crystal substrate
JP3795771B2 (en) Group III nitride semiconductor substrate for ELO
JP2009238772A (en) Epitaxial substrate, and manufacturing method of epitaxial substrate
JP4952616B2 (en) Manufacturing method of nitride semiconductor substrate
US7491645B2 (en) Method for manufacturing a semiconductor device
JP2006060164A (en) Nitride semiconductor device and method of growing nitride semiconductor crystal
JP2011216549A (en) METHOD OF MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR EPITAXIAL SUBSTRATE
JP2011037704A (en) Method for manufacturing group iii nitride crystal substrate
JP2005057064A (en) Group iii nitride semiconductor layer and growth method thereof
JP3946976B2 (en) Semiconductor device, epitaxial substrate, semiconductor device manufacturing method, and epitaxial substrate manufacturing method