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JP4794799B2 - Epitaxial substrate and semiconductor multilayer structure - Google Patents

Epitaxial substrate and semiconductor multilayer structure Download PDF

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JP4794799B2
JP4794799B2 JP2002249059A JP2002249059A JP4794799B2 JP 4794799 B2 JP4794799 B2 JP 4794799B2 JP 2002249059 A JP2002249059 A JP 2002249059A JP 2002249059 A JP2002249059 A JP 2002249059A JP 4794799 B2 JP4794799 B2 JP 4794799B2
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Japan
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layer
group iii
underlayer
iii nitride
epitaxial substrate
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智彦 柴田
正宏 坂井
光浩 田中
修 小田
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル基板及び半導体積層構造にに関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及び半導体積層構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にAlを含むIII族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【0003】
このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、サファイア単結晶などからなる所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地層を具える、いわゆるエピタキシャル基板がある。前記下地層は、特にAlを含有したIII族窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Alを含有したIII族窒化物から構成することが好ましい。さらに、Al含有窒化物は大きなバンドギャップを有するため、このようなバンドギャップの大きな材料からなる下地層をIII族窒化物膜と基材との間に挿入することにより、半導体素子などの効率を向上させることもできる。
【0004】
そして、上記エピタキシャル基板を反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱する。次いで、III族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給し、MOCVD法にしたがってIII族窒化物膜を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したエピタキシャル基板においては、基材と下地層との格子定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、このミスフィット転位が貫通転位として前記下地層中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャル基板の表面に到達してしまう。このため、前記下地層上、すなわち前記エピタキシャル基板上に形成されるIII族窒化物膜にも、前記ミスフィット転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
【0006】
同様の現象は、基材上にAl含有III族窒化物からなる下地層を形成する場合のみならず、Ga含有及びその他のIII族窒化物からなる下地層を形成する場合においても観察された。この結果、これらのIII族窒化物膜から、例えば半導体発光素子などを構成した場合においては、その発光効率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【0007】
本発明は、低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはAl含有窒化物膜を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、厚さが600μm以上のサファイア単結晶からなる基材と、この基材上において形成された、厚さが0.1μm以上であり、表面粗さRaが2Å以下であり、転位密度が1×1011/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であAlN層とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【0009】
また、本発明は、厚さが600μm以上のサファイア単結晶からなる基材と、この基材上において形成された、厚さが0.1μm以上であり、表面粗さRaが2Å以下であり、転位密度が1×1011/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であAlN下地層と、このAlN下地層上に形成された、III族窒化物層群とを具えることを特徴とする、半導体積層構造に関する。
【0010】
本発明者らは、サファイア単結晶などからなる基材上に、低転位密度かつ高結晶性の、Al含有III族窒化物膜を形成すべく、長年研究を行なっている。従来においては、エピタキシャル基板を構成する下地層は、基材と前記エピタキシャル基板上に形成すべきIII族窒化物膜などのIII族窒化物層群との格子定数差を補完してミスフィット転位の発生を抑制すべき、低結晶性かつ多量の転位を含有する低結晶品質のIII族窒化物から構成するのが常識であると考えられていた。この結果、目的とするIII族窒化物層群の、前記ミスフィット転位に起因した転位密度を低減することはできるものの、前記下地層の低結晶品質に起因して、前記III族窒化物層群中の転位密度を十分に低減することができないとともに、結晶性も劣化してしまっていた。
【0011】
これに対して、本発明者らは、前記下地層をAlを比較的多量に含むIII族窒化物から構成した場合は、前記下地層の結晶性を向上させ、転位密度を低減させて結晶品質を向上させた場合においても、前記基材と前記III族窒化物層群との格子定数差が補完され、ミスフィット転位の発生が抑制されることを見出した。そして、前記下地層の高結晶品質に起因して、前記III族窒化物層群の結晶品質をも向上させることができ、転位密度のさらなる低減を実現できるとともに、結晶性の向上をも実現できることを見出したものである。
【0012】
一方、上述した高結晶品質のAl含有III族窒化物下地層を用いた場合においても、使用する基材の種類によっては前記下地層上、すなわちエピタキシャル基板上に形成するIII族窒化物膜などのIII族窒化物層群の結晶品質を十分に向上させることができない場合があった。そこで、本発明者らはさらなる鋭意検討を実施したところ、前記エピタキシャル基板を構成する前記基材の厚さが、前記III族窒化物層群の結晶品質に影響を及ぼしていることを見出し、前記基材の厚さを所定の値以上に設定することによって、前記III族窒化物層群の結晶品質を向上できることを見出したものである。
【0013】
エピタキシャル基板を構成する基材の厚さがIII族窒化物層群の結晶品質に影響を及ぼす原因は明確ではないが、前記基材の厚さに依存した応力変化に起因するものと推察される。
【0014】
したがって、本発明によれば、エピタキシャル基板を構成する基材の種類によらず、前記エピタキシャル基板上に形成するIII族窒化物層群の結晶品質を向上させることができる。そして、このようなIII族窒化物層群を含む半導体素子及びデバイスの特性を向上させることができる。
【0015】
なお、本発明の半導体積層構造における「III族窒化物層群」は、作製すべき半導体素子の種類などに応じて、単層のIII族窒化物層から構成することもできるし、複数のIII族窒化物層が積層されてなる多層膜構造として構成することもできる。さらには、複数のIII族窒化物層が交互に周期的に積層されてなる周期的多層膜構造として構成することもできる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明のエピタキシャル基板を用いて形成した半導体発光素子の一例を示す構成図である。図1に示す半導体発光素子30は、基材1と、この基材1上に順次に形成された、下地層2と、n型導電層3と、発光層4と、p型クラッド層5と、p型導電層6とを具えている。そして、n型導電層3の一部はは露出しており、この露出したn型導電層3上には、例えばAl/Tiからなるn型電極8が形成され、p型導電層6上には例えばAu/Niからなるp型電極9が形成されて、いわゆるPIN型の半導体発光素子を構成している。なお、p型クラッド層5は必要に応じて省略することもできる。
【0017】
図1において、基材1及び下地層2がエピタキシャル基板10を構成し、n型導電層3からp型導電層6までがIII族窒化物層群20を構成する。
【0018】
基材1の厚さは本発明に従って600μm以上の厚さであることが必要であり、さらには800μm、特には1000μmであることが好ましい。これによって、エピタキシャル基板10を構成する基材1の種類に依存することなく、III族窒化物層群20の結晶品質を向上させることができる。
【0019】
なお、基材1の厚さの上限は特には限定されないが、現状では3000μm程度である。基材1の厚さを前記値を超えて大きくした場合においても、本発明の効果を得ることができない。さらに、このような厚さの基材1の入手が困難になるとともに費用がかさむため、エピタキシャル基板10、しいては半導体発光素子30全体の製造コストが増大してしまう。
【0020】
基材1は、サファイア単結晶、ZnO単結晶、LiAlO単結晶、LiGaO単結晶、MgAl単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶、及びAlGaN単結晶などのIII−V族単結晶、ZrBなどのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。特にサファイア単結晶から基材1を構成した場合において、本発明の効果をより効果的に発揮することができるようになる。
【0021】
下地層2中の転位密度は1×1011/cm以下であることが必要であり、さらには5×1011/cm以下、特には1×1010/cm以下であることが好ましい。また、下地層2の(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は200秒以下であることが必要であり、さらには150秒以下、特には100秒以下であることが好ましい。上述したように、下地層2が高い結晶品質を有することによって、下地層2上、すなわちエピタキシャル基板10上に形成するn型導電層3からp型導電層6までの結晶品質を向上させることができる。そして、例えば、半導体発光素子30の発光効率などのデバイス特性を向上させることができる。さらに、副次的な効果として、基板の反りを低減することができ、デバイス歩留まりの向上も期待することができる。
【0022】
また、上述したように、下地層2はAl含有III族窒化物から構成することが必要である。また、前記窒化物中におけるAl含有量は全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、さらには下地層2をAlN(全III族元素に対して100原子%)から構成することが好ましい。これによって、基材1の格子定数差を補完しながら、下地層2の結晶品質を向上させることができ、この結果、n型導電層3〜p型送電層6までのIII族窒化物層群20の結晶品質を向上させることができる。
【0023】
また、下地層2の表面粗さRaは2Å以下であることが好ましい。本測定は、AFMを用いて5μm角の範囲で測定する。
【0024】
なお、下地層2の膜厚は大きい方が好ましく、具体的には0.1μm以上、さらには0.5μm以上の厚さに形成することが好ましい。下地層13の厚さの上限値は特に限定されるものではなく、クラックの発生や用途などを考慮して適宜選択し、設定する。
【0025】
下地層2は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。しかしながら、MOCVD法を用い、その成膜温度を1100℃以上に設定することによって簡易に得ることができる。なお、本特許の成膜温度は、基材1の設定温度を意味する。なお、下地層2の表面の粗れなどを抑制する観点より、前記成膜温度は1250℃以下であることが好ましい。
【0026】
下地層2は、Alの他に、Ga及びInなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0027】
n型導電層3からp型導電層6についても、Al、Ga及びInなどのIII族元素を含む窒化物から構成することができる。なお、各層の組成は、各層の機能や特性、並びに作製すべき半導体発光素子30の特性などに応じて適宜設計することができる。さらに、前記同様、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素、並びに意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0028】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例1)
本実施例においては、図1に示すような半導体発光素子を作製した。4インチ径の厚さ1000μmのサファイア基板をH2SO4+H22で前処理した後、MOCVD装置の中に設置した。キャリアガスとして、H2を流速1m/secで流しながら、基板を1200℃まで昇温した後、トリメチルアルミニウム(TMA)とNH3を平均流速1m/secで流して、前記サファイア基板上に下地層としてのAlN層を厚さ1μmまで成長させ、エピタキシャル基板を作製した。前記AlN層の(002)面におけるX線回折ロッキングカーブの半値幅は90秒であり、転位密度は2×1010/cmであり、結晶品質に優れることが判明した。また、表面粗さRaは2Åであった。
【0029】
次いで、基板温度を1080℃とし、n型導電層としてのSiをドープn−GaN層を厚さ1μm成長させた。次いで、このn−GaN層上に、発光層としてのi−Ga0.9In0.1N層を厚さ200Åに成長させた。次いで、i−Ga0.9In0.1N層からなる発光層上に、p型クラッド層としてのMgドープp−Al0.1Ga0.9N層及びp型導電層としてのMgドープp−GaN層を、それぞれ厚さ100Å及び0.3μm成長させた。
【0030】
成長終了後、n型導電層を構成するn−GaN層が露出するまで除去し、この露出した部分の表面上にAl/Tiからなるn−電極を形成した。また、p型導電層としてのp−GaN層上にAu/Niからなるp−電極を形成した。
【0031】
なお、n型導電層であるn−GaN層からp型導電層であるp−GaN層までの各層中の転位密度は1×10/cm以下であった。また、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は100秒以下であった。
【0032】
(比較例1)
上記実施例において、下地層を高結晶品質のAlNに代えて、600℃の低温で形成したGaNから構成した以外は同様にしてエピタキシャル基板を作製し、半導体発光素子を作製した。n型導電層であるn−GaN層からp型導電層であるp−GaN層までの各層中の転位密度は1×10/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は300秒以下であった。
【0033】
(比較例2)
上記実施例において、基材を上記1000μmの厚さのサファイア単結晶に代えて、430μmの厚さのサファイア単結晶から構成した以外は同様にしてエピタキシャル基板を作製し、半導体発光素子を作製した。n型導電層であるn−GaN層からp型導電層であるp−GaN層までの各層中の転位密度は5×10/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅は100秒以下であった。
【0034】
以上、実施例1と比較例1及び2との対比から明らかなように、本発明に従って、サファイア単結晶基材の厚さを600μm以上とし、下地層を転位密度が高結晶品質のAlN層から構成したことによって、エピタキシャル基板上に形成された、III族窒化物層群の結晶品質が向上することが分かる。したがって、発光効率などのデバイス特性を向上させることができる。
【0035】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、エピタキシャル基板とIII族窒化物層群との間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記III族窒化物層群の結晶品質をさらに向上させることもできる。さらに、同様の目的でエピタキシャル基板を構成する基材の表面を窒化処理することもできる。
【0036】
また、エピタキシャル基板を構成する基材を凹面状のサファイア単結晶などから構成することによって、III族窒化物層群を積層してなる半導体積層構造の反りを低減することもできる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはAl含有窒化物膜を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエピタキシャル基板を含む半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
1 基材、2 下地層、3 n型導電層、4 発光層、5 p型クラッド層、6 p型導電層、8 n型電極、9 p型電極、10 エピタキシャル基板、20 III族窒化物層群、30 半導体発光素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an epitaxial substrate and a semiconductor multilayer structure, and more specifically, an epitaxial substrate that can be suitably used as a substrate constituting a semiconductor element such as a photonic device and an electronic device, and an element such as a field emitter, and a semiconductor multilayer Concerning structure.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride films are used as semiconductor films constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices. In recent years, group III nitride films are also attracting attention as semiconductor films constituting high-speed IC chips used for mobile phones and the like. Have been bathed. In particular, a group III nitride film containing Al is attracting attention as an application material for field emitters.
[0003]
As a substrate on which such a group III nitride film is formed, there is a so-called epitaxial substrate including an underlayer formed by epitaxial growth on a predetermined base material made of sapphire single crystal or the like. In particular, the underlayer is preferably composed of a group III nitride containing Al in order to facilitate the epitaxial growth of a group III nitride film containing Al. Furthermore, since Al-containing nitride has a large band gap, inserting an underlayer made of such a material with a large band gap between the group III nitride film and the base material can improve the efficiency of a semiconductor device or the like. It can also be improved.
[0004]
After the epitaxial substrate is placed on a susceptor provided in the reaction tube, the epitaxial substrate is heated to a predetermined temperature by a heating mechanism inside and outside the susceptor. Next, a group III metal feedstock and a nitrogen feedstock, and a feedstock of other elements as required are introduced into the reaction tube together with a carrier gas, and are supplied onto the epitaxial substrate, and a group III nitridation is performed according to the MOCVD method. A material film is formed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described epitaxial substrate, misfit dislocations occur due to a difference in lattice constant between the base material and the underlayer, and the misfit dislocations penetrate through the underlayer as threading dislocations, and the surface thereof. That is, it reaches the surface of the epitaxial substrate. For this reason, a large amount of dislocations due to the misfit dislocations are also generated on the group III nitride film formed on the underlayer, that is, on the epitaxial substrate.
[0006]
The same phenomenon was observed not only when forming an underlayer made of Al-containing group III nitride on the substrate, but also when forming an underlayer made of Ga-containing and other group III nitrides. As a result, when a semiconductor light emitting device or the like is formed from these group III nitride films, for example, the light emission efficiency does not deteriorate, and a semiconductor light emitting device having desired characteristics cannot be obtained.
[0007]
An object of the present invention is to provide a novel epitaxial substrate capable of forming a nitride film having low dislocations and excellent crystallinity, particularly an Al-containing nitride film, and a semiconductor multilayer structure using the same. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a base material composed of a sapphire single crystal having a thickness of 600 μm or more, a thickness of 0.1 μm or more formed on the base material, and a surface roughness Ra. and at 2Å less, the dislocation density is at 1 × 10 11 / cm 2 or less, characterized in that it comprises an X-ray rocking curve FWHM Ru der than 200 seconds, AlN layer in (002) plane, The present invention relates to an epitaxial substrate.
[0009]
Further, the present invention is a substrate composed of a sapphire single crystal having a thickness of 600 μm or more, a thickness formed on the substrate of 0.1 μm or more, and a surface roughness Ra of 2 mm or less, dislocation density is at 1 × 10 11 / cm 2 or less, (002) plane X-ray rocking curve FWHM Ru der than 200 seconds in a AlN underlayer, formed on the AlN underlayer, III group The present invention relates to a semiconductor multilayer structure comprising a nitride layer group.
[0010]
The present inventors have conducted research for many years in order to form an Al-containing group III nitride film having a low dislocation density and a high crystallinity on a substrate made of a sapphire single crystal or the like. Conventionally, the underlayer constituting the epitaxial substrate has compensated for the lattice constant difference between the base material and the group III nitride layer group such as a group III nitride film to be formed on the epitaxial substrate, and misfit dislocations. It was considered common knowledge to be composed of a low crystallinity group III nitride containing low dislocations and a large amount of dislocations that should be suppressed. As a result, although it is possible to reduce the dislocation density due to the misfit dislocation of the target group III nitride layer group, the group III nitride layer group due to the low crystal quality of the underlayer The dislocation density therein could not be reduced sufficiently, and the crystallinity was deteriorated.
[0011]
In contrast, when the underlayer is made of a group III nitride containing a relatively large amount of Al, the inventors improve the crystallinity of the underlayer, reduce the dislocation density, and reduce the crystal quality. It has been found that even when this is improved, the lattice constant difference between the base material and the group III nitride layer group is complemented, and the occurrence of misfit dislocations is suppressed. And, due to the high crystal quality of the underlayer, the crystal quality of the group III nitride layer group can be improved, the dislocation density can be further reduced, and the crystallinity can be improved. Is found.
[0012]
On the other hand, even when the above-described high crystal quality Al-containing group III nitride underlayer is used, depending on the type of base material used, such as a group III nitride film formed on the underlayer, that is, on the epitaxial substrate, etc. In some cases, the crystal quality of the group III nitride layer group could not be sufficiently improved. Therefore, the present inventors conducted further intensive studies, found that the thickness of the base material constituting the epitaxial substrate has an influence on the crystal quality of the group III nitride layer group, It has been found that the crystal quality of the group III nitride layer group can be improved by setting the thickness of the substrate to a predetermined value or more.
[0013]
The reason why the thickness of the base material constituting the epitaxial substrate affects the crystal quality of the group III nitride layer group is not clear, but it is presumed to be due to the stress change depending on the thickness of the base material. .
[0014]
Therefore, according to the present invention, the crystal quality of the group III nitride layer group formed on the epitaxial substrate can be improved regardless of the type of base material constituting the epitaxial substrate. And the characteristic of the semiconductor element and device containing such a group III nitride layer group can be improved.
[0015]
The “Group III nitride layer group” in the semiconductor multilayer structure of the present invention can be composed of a single Group III nitride layer or a plurality of Group III nitride layers depending on the type of semiconductor element to be manufactured. It can also be configured as a multilayer film structure in which group nitride layers are laminated. Furthermore, it can be configured as a periodic multilayer film structure in which a plurality of group III nitride layers are alternately and periodically stacked.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the invention.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a semiconductor light emitting device formed using the epitaxial substrate of the present invention. A semiconductor light emitting device 30 shown in FIG. 1 includes a base material 1, an underlayer 2, an n-type conductive layer 3, a light emitting layer 4, and a p-type cladding layer 5 that are sequentially formed on the base material 1. , P-type conductive layer 6. A part of the n-type conductive layer 3 is exposed, and an n-type electrode 8 made of, for example, Al / Ti is formed on the exposed n-type conductive layer 3, and on the p-type conductive layer 6. A p-type electrode 9 made of, for example, Au / Ni is formed to constitute a so-called PIN type semiconductor light emitting device. The p-type cladding layer 5 can be omitted if necessary.
[0017]
In FIG. 1, a base material 1 and an underlayer 2 constitute an epitaxial substrate 10, and an n-type conductive layer 3 to a p-type conductive layer 6 constitute a group III nitride layer group 20.
[0018]
The thickness of the substrate 1 needs to be 600 μm or more according to the present invention, more preferably 800 μm, and particularly preferably 1000 μm. Thereby, the crystal quality of the group III nitride layer group 20 can be improved without depending on the type of the base material 1 constituting the epitaxial substrate 10.
[0019]
In addition, although the upper limit of the thickness of the base material 1 is not specifically limited, It is about 3000 micrometers at present. Even when the thickness of the substrate 1 is increased beyond the above value, the effect of the present invention cannot be obtained. Further, since it becomes difficult to obtain the base material 1 having such a thickness and the cost is increased, the manufacturing cost of the epitaxial substrate 10, and thus the semiconductor light emitting element 30 as a whole, increases.
[0020]
The substrate 1 is made of an sapphire single crystal, ZnO single crystal, LiAlO 2 single crystal, LiGaO 2 single crystal, MgAl 2 O 4 single crystal, MgO single crystal or other oxide single crystal, Si single crystal, SiC single crystal, or the like IV. Known substrate materials such as III-V group single crystals such as Group IV or IV-IV single crystals, GaAs single crystals, AlN single crystals, GaN single crystals, and AlGaN single crystals, and boride single crystals such as Zr 2 B It can consist of In particular, when the substrate 1 is composed of a sapphire single crystal, the effects of the present invention can be exhibited more effectively.
[0021]
The dislocation density in the underlayer 2 needs to be 1 × 10 11 / cm 2 or less, more preferably 5 × 10 11 / cm 2 or less, and particularly preferably 1 × 10 10 / cm 2 or less. . Further, the half width of the X-ray rocking curve on the (002) plane of the underlayer 2 is required to be 200 seconds or less, more preferably 150 seconds or less, and particularly preferably 100 seconds or less. As described above, when the underlayer 2 has high crystal quality, the crystal quality from the n-type conductive layer 3 to the p-type conductive layer 6 formed on the underlayer 2, that is, on the epitaxial substrate 10, can be improved. it can. For example, device characteristics such as the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element 30 can be improved. Further, as a secondary effect, the warpage of the substrate can be reduced, and an improvement in device yield can be expected.
[0022]
Further, as described above, the underlayer 2 needs to be composed of Al-containing group III nitride. The Al content in the nitride is preferably 50 atomic% or more with respect to all group III elements, and the underlayer 2 is made of AlN (100 atomic% with respect to all group III elements). It is preferable. Thereby, the crystal quality of the foundation layer 2 can be improved while complementing the lattice constant difference of the base material 1, and as a result, the group III nitride layer group from the n-type conductive layer 3 to the p-type power transmission layer 6. The crystal quality of 20 can be improved.
[0023]
Further, the surface roughness Ra of the underlayer 2 is preferably 2 mm or less. This measurement is performed in the range of 5 μm square using AFM.
[0024]
In addition, it is preferable that the film thickness of the underlayer 2 is large, and specifically, it is preferable to form the film with a thickness of 0.1 μm or more, and more preferably 0.5 μm or more. The upper limit value of the thickness of the underlayer 13 is not particularly limited, and is appropriately selected and set in consideration of the occurrence of cracks and usage.
[0025]
The underlayer 2 can be formed using a known film forming means as long as the above requirements are satisfied. However, it can be easily obtained by using the MOCVD method and setting the film forming temperature to 1100 ° C. or higher. The film forming temperature in this patent means a set temperature of the substrate 1. In addition, from the viewpoint of suppressing surface roughness of the underlayer 2, the film forming temperature is preferably 1250 ° C. or lower.
[0026]
In addition to Al, the underlayer 2 can also contain group III elements such as Ga and In, and additive elements such as B, Si, Ge, Zn, Be, and Mg. Furthermore, it is possible to include not only elements added intentionally but also trace elements that are inevitably taken in depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in the raw materials and reaction tube materials.
[0027]
The n-type conductive layer 3 to the p-type conductive layer 6 can also be made of a nitride containing a group III element such as Al, Ga and In. The composition of each layer can be designed as appropriate according to the function and characteristics of each layer, the characteristics of the semiconductor light emitting element 30 to be manufactured, and the like. Further, as described above, not only the additive elements such as B, Si, Ge, Zn, Be and Mg, and the elements added intentionally, but also trace elements, raw materials, which are inevitably incorporated depending on the film forming conditions, etc. Trace impurities contained in the reaction tube material can also be included.
[0028]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
Example 1
In this example, a semiconductor light emitting device as shown in FIG. 1 was produced. A 4-inch diameter 1000 μm thick sapphire substrate was pretreated with H 2 SO 4 + H 2 O 2 and then placed in an MOCVD apparatus. As the carrier gas, while flowing of H 2 at a flow rate of 1 m / sec, after raising the substrate to 1200 ° C., by flowing trimethyl aluminum (TMA) and NH 3 at an average flow rate of 1 m / sec, the underlying layer on the sapphire substrate The AlN layer was grown to a thickness of 1 μm to produce an epitaxial substrate. The half width of the X-ray diffraction rocking curve on the (002) plane of the AlN layer was 90 seconds, the dislocation density was 2 × 10 10 / cm 2 , and it was found that the crystal quality was excellent. Further, the surface roughness Ra was 2%.
[0029]
Next, the substrate temperature was set to 1080 ° C., and an n-GaN layer doped with Si as an n-type conductive layer was grown to a thickness of 1 μm. Next, an i-Ga 0.9 In 0.1 N layer as a light emitting layer was grown on the n-GaN layer to a thickness of 200 mm. Then, i-Ga 0.9 In 0.1 the light emitting layer consisting of N layers, Mg-doped p-Al 0.1 Ga 0.9 N layer and Mg-doped as p-type conductive layer serving as a p-type cladding layer A p-GaN layer was grown to a thickness of 100 mm and 0.3 μm, respectively.
[0030]
After the growth was completed, the n-GaN layer constituting the n-type conductive layer was removed until it was exposed, and an n-electrode made of Al / Ti was formed on the surface of the exposed portion. A p-electrode made of Au / Ni was formed on the p-GaN layer as the p-type conductive layer.
[0031]
In addition, the dislocation density in each layer from the n-GaN layer which is an n-type conductive layer to the p-GaN layer which is a p-type conductive layer was 1 × 10 8 / cm 2 or less. Further, the half width of the X-ray rocking curve on the (002) plane was 100 seconds or less.
[0032]
(Comparative Example 1)
In the above example, an epitaxial substrate was prepared in the same manner except that the underlying layer was made of GaN formed at a low temperature of 600 ° C. instead of high crystal quality AlN, and a semiconductor light emitting device was manufactured. The dislocation density in each layer from the n-GaN layer which is an n-type conductive layer to the p-GaN layer which is a p-type conductive layer is 1 × 10 9 / cm 2 or less, and the X-ray rocking curve half of the (002) plane The value range was 300 seconds or less.
[0033]
(Comparative Example 2)
In the above examples, an epitaxial substrate was prepared in the same manner except that the base material was composed of a sapphire single crystal having a thickness of 430 μm instead of the sapphire single crystal having a thickness of 1000 μm, and a semiconductor light emitting device was manufactured. The dislocation density in each layer from the n-GaN layer which is the n-type conductive layer to the p-GaN layer which is the p-type conductive layer is 5 × 10 8 / cm 2 or less, and the X-ray rocking curve half of the (002) plane The value range was 100 seconds or less.
[0034]
As apparent from the comparison between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, according to the present invention, the thickness of the sapphire single crystal substrate is 600 μm or more, and the underlayer is made of an AlN layer having a high dislocation density and a crystal quality. It can be seen that the configuration improves the crystal quality of the group III nitride layer group formed on the epitaxial substrate. Therefore, device characteristics such as luminous efficiency can be improved.
[0035]
The present invention has been described in detail based on the embodiments of the invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the embodiments of the invention, and does not depart from the scope of the invention. All changes and modifications are possible. For example, a multilayer laminated film such as a buffer layer or a strained superlattice can be inserted between the epitaxial substrate and the group III nitride layer group to further improve the crystal quality of the group III nitride layer group. Furthermore, the surface of the base material constituting the epitaxial substrate can be nitrided for the same purpose.
[0036]
Further, by forming the base material constituting the epitaxial substrate from a concave sapphire single crystal or the like, it is possible to reduce the warpage of the semiconductor laminated structure formed by laminating group III nitride layers.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a novel epitaxial substrate capable of forming a nitride film having low dislocations and excellent crystallinity, particularly an Al-containing nitride film, and a semiconductor multilayer structure using the same Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a semiconductor light emitting device including an epitaxial substrate of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material, 2 Underlayer, 3 n-type conductive layer, 4 Light emitting layer, 5 p-type clad layer, 6 p-type conductive layer, 8 n-type electrode, 9 p-type electrode, 10 Epitaxial substrate, 20 III nitride layer Group, 30 Semiconductor light emitting devices

Claims (3)

厚さが600μm以上のサファイア単結晶からなる基材と、この基材上において形成された、厚さが0.1μm以上であり、表面粗さRaが2Å以下であり、転位密度が1×1011/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であAlN層とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板。A base material composed of a sapphire single crystal having a thickness of 600 μm or more, a thickness of 0.1 μm or more formed on the base material, a surface roughness Ra of 2 mm or less, and a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less, characterized in that it comprises an X-ray rocking curve FWHM Ru der than 200 seconds, AlN layer in (002) plane, the epitaxial substrate. 厚さが600μm以上のサファイア単結晶からなる基材と、この基材上において形成された、厚さが0.1μm以上であり、表面粗さRaが2Å以下であり、転位密度が1×1011/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であAlN下地層と、このAlN下地層上に形成された、III族窒化物層群とを具えることを特徴とする、半導体積層構造。A base material composed of a sapphire single crystal having a thickness of 600 μm or more, a thickness of 0.1 μm or more formed on the base material, a surface roughness Ra of 2 mm or less, and a dislocation density of 1 × 10 11 / cm 2 or less, (002) Ru der X-ray rocking curve half width of less than 200 seconds in surface, and the AlN underlayer, this was formed on the AlN underlayer, and a group III nitride layer group A semiconductor laminated structure characterized by comprising. 前記III族窒化物層群の転位密度が1×10/cm以下であり、(002)面におけるX線ロッキングカーブ半値幅が200秒以下であることを特徴とする、請求項記載の半導体積層構造。The III dislocation density of the nitride layer group is at 1 × 10 9 / cm 2 or less, and wherein the X-ray rocking curve is not more than 200 seconds in (002) plane, according to claim 2, wherein Semiconductor stacked structure.
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