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JP4907476B2 - Nitride semiconductor single crystal - Google Patents

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JP4907476B2
JP4907476B2 JP2007239008A JP2007239008A JP4907476B2 JP 4907476 B2 JP4907476 B2 JP 4907476B2 JP 2007239008 A JP2007239008 A JP 2007239008A JP 2007239008 A JP2007239008 A JP 2007239008A JP 4907476 B2 JP4907476 B2 JP 4907476B2
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Description

本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いられる窒化ガリウム(GaN)および窒化アルミニウム(AlN)等からなる窒化物半導体単結晶に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor single crystal made of gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), or the like suitably used for a light emitting diode, a laser light emitting element, an electronic element capable of high-speed and high-temperature operation, and the like.

GaNやAlNに代表される窒化物半導体は、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。   Nitride semiconductors typified by GaN and AlN have a wide band gap, and are compound semiconductors having excellent characteristics such as high electron mobility and high heat resistance. It is a material that is expected to be applied to high temperature operable electronic devices.

前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易でない。このため、単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
従来、GaN(0001)またはAlN(0001)単結晶膜は、サファイア(0001)、6H−SiC(0001)、Si(111)等の基板上に、バッファー層を介して形成されていた。
Since the nitride semiconductor has a high melting point and a very high equilibrium vapor pressure of nitrogen, bulk crystal growth from the melt is not easy. For this reason, a single crystal is produced by heteroepitaxial growth on a heterogeneous substrate.
Conventionally, a GaN (0001) or AlN (0001) single crystal film has been formed on a substrate of sapphire (0001), 6H—SiC (0001), Si (111) or the like via a buffer layer.

これらの基板の中でも、Si基板は、他の基板に比べて、結晶性に優れ、広面積で得られ、低価格であることから、窒化物半導体の製造コストを低減することができ、好適であるとされていた。
また、Si基板上への窒化物半導体膜の形成は、現在のシリコンテクノロジーを継承することができるため、産業技術の開発コストにおける優位性からも、実用化が求められている。
Among these substrates, the Si substrate is excellent in crystallinity, obtained in a large area, and low in price as compared with other substrates. It was supposed to be.
Moreover, since the formation of the nitride semiconductor film on the Si substrate can inherit the current silicon technology, it is required to be put into practical use also from the advantage in the development cost of industrial technology.

しかしながら、Si基板上への窒化物半導体単結晶の成膜に際しては、Siと窒化物半導体との熱膨張係数の相違により、窒化物半導体単結晶膜に割れが生じ、また、Siと窒化物半導体との結晶格子定数の差に起因して、多数の結晶欠陥が生じるため、厚さ1μm以上の単結晶膜を形成することは困難であった。   However, when the nitride semiconductor single crystal is formed on the Si substrate, the nitride semiconductor single crystal film is cracked due to the difference in thermal expansion coefficient between Si and the nitride semiconductor. Due to the difference in the crystal lattice constant, a large number of crystal defects occur, and it was difficult to form a single crystal film having a thickness of 1 μm or more.

このため、Si基板上に窒化物半導体単結晶を成膜する場合、適当なバッファー層を介して形成する必要がある。
このようなバッファー層としては、例えば、Si(110)基板上に3C−SiC(111)を成膜した場合、Si(111)基板を用いた場合よりも、Siと3C−SiCとの格子不整合が緩和され、3C−SiC(111)の結晶性が向上することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、AlNおよびGaNの超格子構造や3C−SiC(111)層を採用することも提案されている。
For this reason, when forming a nitride semiconductor single crystal on a Si substrate, it is necessary to form it through an appropriate buffer layer.
As such a buffer layer, for example, when 3C-SiC (111) is formed on a Si (110) substrate, the lattice defect between Si and 3C-SiC is less than when the Si (111) substrate is used. It is known that the matching is relaxed and the crystallinity of 3C—SiC (111) is improved (see, for example, Patent Document 1).
It has also been proposed to employ a superlattice structure of AlN and GaN or a 3C—SiC (111) layer.

また、非特許文献1には、Si(001)基板上に、GaN(10-12)を形成する際、Si基板のオフカット角度を2〜6°とすることにより、配向性を示すことが開示されている。
特開2005−223206号公報 Applied Physics Letters, vol.84, No.23, 2004年7月7日,p.4747〜4749
Non-Patent Document 1 shows that when GaN (10-12) is formed on a Si (001) substrate, the orientation is exhibited by setting the off-cut angle of the Si substrate to 2 to 6 °. It is disclosed.
JP 2005-223206 A Applied Physics Letters, vol.84, No.23, July 7, 2004, p. 4747-4749

しかしながら、窒化物半導体を発光デバイスに利用する際においては、上記のような基板やバッファー層を採用した場合であっても、上記(0001)面の窒化物半導体単結晶では、電子の正孔の再結合が結晶の自発分極により阻害され、発光効率が低下するという課題を有していた。   However, when a nitride semiconductor is used for a light-emitting device, even if the above-described substrate or buffer layer is adopted, the (0001) -plane nitride semiconductor single crystal has a hole hole of electrons. The recombination is hindered by the spontaneous polarization of the crystal, resulting in a problem that the luminous efficiency is lowered.

また、上記非特許文献1記載のGaN(10-12)は、バッファー層を介しておらず、配向性は良好とは言えないものであった。   In addition, GaN (10-12) described in Non-Patent Document 1 does not pass through a buffer layer, and the orientation is not good.

このため、発光効率の向上の観点から、発光デバイスに適した窒化物半導体単結晶としては、無極性の結晶面である(10-10)や(11-20)面、あるいはまた、半極性面である(10-1m)や(11-2n)(ここで、m:自然数、n:2以上の自然数;以下、同様)等を用いることが求められている。   For this reason, from the viewpoint of improving the light emission efficiency, the nitride semiconductor single crystal suitable for the light-emitting device is a (10-10) or (11-20) plane that is a nonpolar crystal plane, or a semipolar plane. (10-1m) or (11-2n) (where m is a natural number, n is a natural number of 2 or more; the same shall apply hereinafter) or the like.

これに対して、本発明者らは、GaN(10-1m)、AlN(10-1m)等の窒化物半導体膜を形成するにあたり、上述したSi(100)にオフカットを施した基板上に形成した3C−SiCまたはBPバッファー層を利用することに着目し、前記窒化物半導体膜を厚さ1μm以上で形成することができることを見出した。   On the other hand, when forming nitride semiconductor films such as GaN (10-1 m) and AlN (10-1 m), the present inventors have formed a substrate on which the above-described Si (100) is cut off. Focusing on the use of the formed 3C—SiC or BP buffer layer, the inventors have found that the nitride semiconductor film can be formed with a thickness of 1 μm or more.

すなわち、本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、Si基板上に、半極性面である(10-1m)面の窒化物半導体膜が厚さ1μm以上で形成され、発光デバイスにも好適に用いることができる窒化物半導体単結晶を提供することを目的とするものである。   That is, the present invention has been made to solve the above technical problem, and a (10-1 m) -plane nitride semiconductor film having a thickness of 1 μm or more is formed on a Si substrate. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor single crystal that can be suitably used for a light emitting device.

本発明に係る窒化物半導体単結晶は、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が1〜35°であるSi基板上に、SiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層およびAlNバッファー層を介して形成され、GaN(10-1m)、AlN(10-1m)またはInN(10-1m)(m:自然数)からなることを特徴とする。
上記のような構成によれば、Si基板上に、厚さ1μm以上で、結晶性に優れた(10-1m)面の窒化物半導体単結晶を形成することができる。
The nitride semiconductor single crystal according to the present invention is either SiC or BP on a Si substrate having an off-cut angle from <100> to <110> direction of 1 to 35 ° with respect to Si (100). It is formed through one or more buffer layers and an AlN buffer layer, and is characterized by being made of GaN (10-1 m), AlN (10-1 m) or InN (10-1 m) (m: natural number).
According to the above configuration, a nitride semiconductor single crystal having a thickness of 1 μm or more and excellent in crystallinity (10-1 m) can be formed on a Si substrate.

また、本発明に係る他の態様の窒化物半導体単結晶は、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が1〜35°であるSi基板上に、SiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層およびAlNバッファー層を介して形成され、GaNおよびAlNの超格子構造からなることを特徴とする。
このように、GaNおよびAlNの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
好ましくは、前記Si基板のオフカット角度は、7〜9°である。
Moreover, the nitride semiconductor single crystal according to another aspect of the present invention is formed on a Si substrate having an off-cut angle from <100> to the <110> direction of 1 to 35 ° with respect to Si (100). It is formed through a buffer layer composed of at least one of SiC and BP and an AlN buffer layer, and has a superlattice structure of GaN and AlN.
Thus, the crystallinity of the nitride semiconductor single crystal can be further improved by forming a superlattice structure of GaN and AlN.
Preferably, the Si substrate has an off-cut angle of 7 to 9 °.

上述したとおり、本発明によれば、Si基板上に、半極性の結晶面である(10-1m)面の結晶性に優れたGaN、AlNまたはInN単結晶膜を厚さ1μm以上で得ることができる。
さらに、GaNおよびAlNの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
したがって、本発明に係る窒化物半導体単結晶は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いることができ、特に、発光デバイスに好適であり、これらの素子機能の向上を図ることができる。
As described above, according to the present invention, a GaN, AlN, or InN single crystal film excellent in crystallinity of a (10-1 m) plane which is a semipolar crystal plane can be obtained on a Si substrate with a thickness of 1 μm or more. Can do.
Furthermore, the crystallinity of the nitride semiconductor single crystal can be further improved by forming a superlattice structure of GaN and AlN.
Therefore, the nitride semiconductor single crystal according to the present invention can be suitably used for a light-emitting diode, a laser light-emitting element, an electronic element capable of high-speed and high-temperature operation, and is particularly suitable for a light-emitting device. Can be achieved.

以下、本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。
図1〜3に、本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の一例の概略を示す。
図1に示す窒化物半導体単結晶は、Si単結晶基板1上に、SiCバッファー層2aと、AlNバッファー層3を介して形成されたGaN、AlNまたはInN単結晶4である。
また、図2に示す窒化物半導体単結晶は、前記SiCバッファー層2aに代えて、BPバッファー層2bが形成されている以外は、図1と同様の構成からなる。
さらに、図3に示す窒化物半導体単結晶は、SiCバッファー層2aおよびBPバッファー層2bが形成されており、それ以外は、図1と同様の構成からなる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
1 to 3 show an outline of an example of a layer structure when forming a nitride semiconductor single crystal according to the present invention.
The nitride semiconductor single crystal shown in FIG. 1 is a GaN, AlN or InN single crystal 4 formed on a Si single crystal substrate 1 via a SiC buffer layer 2a and an AlN buffer layer 3.
The nitride semiconductor single crystal shown in FIG. 2 has the same configuration as that of FIG. 1 except that a BP buffer layer 2b is formed instead of the SiC buffer layer 2a.
Further, the nitride semiconductor single crystal shown in FIG. 3 has a SiC buffer layer 2a and a BP buffer layer 2b, and the other configuration is the same as that of FIG.

これらの窒化物半導体単結晶は、Si単結晶基板として、Si(100)に対して、その法線<100>から<110>方向に1〜35°オフカットを施した基板を用い、その上に3C−SiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層を形成することにより、結晶性に優れた(10-1m)面の単結晶として得られるものである。
また、この(10-1m)面の窒化物半導体単結晶は、Si基板上に形成されることにより、従来のSi半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストで得ることができるという利点も有している。
These nitride semiconductor single crystals use, as a Si single crystal substrate, a substrate that is cut from 1 to 35 ° in the normal <100> to <110> directions with respect to Si (100). In addition, a (10-1 m) -plane single crystal having excellent crystallinity can be obtained by forming a buffer layer made of at least one of 3C—SiC and BP.
Further, this (10-1 m) -plane nitride semiconductor single crystal is formed on a Si substrate, so that it can utilize the apparatus and technology used in the conventional Si semiconductor manufacturing process, and has a large diameter. In addition, it has an advantage that it can be obtained at low cost.

本発明において用いられるSi単結晶基板は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー(CZ)法により製造されたものであっても、フローティングゾーン(FZ)法により製造されたものであってもよく、また、これらのSi単結晶基板に気相成長法によりSi単結晶層をエピタキシャル成長させたもの(Siエピ基板)であってもよい。   The manufacturing method of the Si single crystal substrate used in the present invention is not particularly limited. Those produced by the Czochralski (CZ) method or those produced by the floating zone (FZ) method may be used. An epitaxially grown crystal layer (Si epi substrate) may be used.

前記Si基板のオフカット角度は、<100>から<110>方向に1〜35°であることが好ましい。
前記オフカット角度が1°未満である場合、SiCまたはBPのバッファー層を介して成長する窒化物は非極性面に配向せず、(0001)配向してしまう。
一方、前記オフカット角度が、35°を超える場合、ほぼSi(111)であり、SiCまたはBPのバッファー層を介して成長する窒化物は(0001)配向してしまう。
The off-cut angle of the Si substrate is preferably 1 to 35 ° in the <100> to <110> direction.
When the off-cut angle is less than 1 °, the nitride grown via the SiC or BP buffer layer is not oriented in the nonpolar plane, but is (0001) oriented.
On the other hand, when the off-cut angle exceeds 35 °, it is substantially Si (111), and the nitride grown through the buffer layer of SiC or BP is oriented to (0001).

前記オフカット角度は、好ましくは、8°±1.0°、すなわち、7〜9°である。
より好ましくは、8°であるが、加工精度を考慮して、±1.0°を許容範囲としたものである。
このようなSi基板を用いることにより、全面における窒化物半導体単結晶膜の割れおよび結晶欠陥を抑制することができ、結晶性に優れた(10-1m)面の窒化物半導体単結晶を厚さ1μm以上で得ることができる。
なお、このオフカット角度のときは、m=2である。
The off-cut angle is preferably 8 ° ± 1.0 °, that is, 7-9 °.
More preferably, it is 8 °, but in consideration of machining accuracy, ± 1.0 ° is an allowable range.
By using such a Si substrate, cracks and crystal defects of the nitride semiconductor single crystal film on the entire surface can be suppressed, and the thickness of the (10-1 m) plane nitride semiconductor single crystal having excellent crystallinity can be reduced. It can be obtained at 1 μm or more.
Note that m = 2 at this off-cut angle.

前記Si(100)オフカット基板は、その上にSiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層を形成する前に、水素ガス等によるクリーニングにより、表面の自然酸化膜を除去し、清浄な状態にしておくことが好ましい。   The Si (100) off-cut substrate is cleaned by removing a natural oxide film on the surface by cleaning with hydrogen gas or the like before forming a buffer layer made of at least one of SiC and BP on the Si (100) off-cut substrate. It is preferable to keep it in a state.

さらに、前記Si基板は、1000〜1350℃で、プロパン等の炭化水素系ガスを用いて熱処理することにより、表面を炭化しておくことが好ましい。
このような炭化処理を予め施しておくことにより、SiCバッファー層形成時に、Si基板表面からのSiの脱離を防止することができる。
Furthermore, it is preferable that the surface of the Si substrate is carbonized by heat treatment at 1000 to 1350 ° C. using a hydrocarbon-based gas such as propane.
By performing such carbonization in advance, it is possible to prevent Si from being detached from the surface of the Si substrate when forming the SiC buffer layer.

また、Si(100)オフカット基板上に形成されるSiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層は、図1に示すように、SiC層2aのみ、または、図2に示すように、BP層2bのみでもよく、あるいはまた、図3に示すように、SiC層2aおよびBP層2bの2種で形成してもよい。   In addition, the buffer layer made of one or more of SiC and BP formed on the Si (100) off-cut substrate is only the SiC layer 2a as shown in FIG. 1, or as shown in FIG. Only the BP layer 2b may be used, or alternatively, as shown in FIG. 3, the SiC layer 2a and the BP layer 2b may be used.

前記バッファー層において、SiCおよびBPの2種を選択する場合には、図3に示すように、BP層2bを形成した上に、SiC層2aを形成することが好ましい。
BPは、SiとSiCの中間の格子定数を有するため、Si(100)オフカット基板とSiC層との間に配置することにより、バッファー層としての効果を向上させることができ、また、SiC層を効率的に欠陥密度の低い膜として形成することができる。
When two types of SiC and BP are selected in the buffer layer, it is preferable to form the SiC layer 2a after forming the BP layer 2b as shown in FIG.
Since BP has an intermediate lattice constant between Si and SiC, the effect as a buffer layer can be improved by arranging the BP between the Si (100) off-cut substrate and the SiC layer. Can be efficiently formed as a film having a low defect density.

さらに、前記SiCまたはBPバッファー層上には、AlNバッファー層3を形成する。
このAlNバッファー層3は、基板1およびSiC2aもしくはBPバッファー層2bと、その上に形成されるGaN、AlNまたはInN単結晶4との結晶格子不整合を緩和する役割を果たす。
Further, an AlN buffer layer 3 is formed on the SiC or BP buffer layer.
The AlN buffer layer 3 serves to alleviate crystal lattice mismatch between the substrate 1 and the SiC 2a or BP buffer layer 2b and the GaN, AlN or InN single crystal 4 formed thereon.

前記AlNバッファー層の厚さは、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、上述したような基板およびSiCもしくはBPバッファー層と、その上に形成されるGaN(10‐1m)、AlN(10‐1m)またはInN(10‐1m)単結晶との結晶格子不整合を緩和する効果が十分に得られる程度で形成する。具体的には、厚さ1〜500nm程度であることが好ましい。
前記AlNバッファー層は、例えば、気相成長法により、前記SiCまたはBPバッファー層上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。
The thickness of the AlN buffer layer is preferably as thin as possible from the viewpoint of manufacturing cost. However, the substrate and the SiC or BP buffer layer as described above, and GaN (10-1 m), AlN formed thereon are preferable. (10-1m) or InN (10-1m) is formed to such an extent that the effect of relaxing the crystal lattice mismatch with the single crystal is sufficiently obtained. Specifically, the thickness is preferably about 1 to 500 nm.
The AlN buffer layer can be formed, for example, by epitaxial growth on the SiC or BP buffer layer by vapor deposition.

そして、前記AlNバッファー層上に、GaN(10‐1m)、AlN(10‐1m)またはInN(10‐1m)単結晶をエピタキシャル成長させることにより、これらの窒化物半導体単結晶を厚さ1μm以上の優れた結晶性を有する膜として形成することができる。   Then, a GaN (10-1m), AlN (10-1m) or InN (10-1m) single crystal is epitaxially grown on the AlN buffer layer, so that these nitride semiconductor single crystals have a thickness of 1 μm or more. It can be formed as a film having excellent crystallinity.

さらに、図4に、本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の他の態様を示す。
図4に示すように、上記と同様に形成された図1〜3のいずれかと同様にして形成されたSiCもしくはBPバッファー層2a(2b)およびAlNバッファー層3上に、GaN(10‐1m)およびAlN(10‐1m)を、薄膜として交互に積層させた超格子構造5で構成することにより、これらの窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
Further, FIG. 4 shows another aspect of the layer structure when the nitride semiconductor single crystal according to the present invention is formed.
As shown in FIG. 4, GaN (10-1 m) is formed on the SiC or BP buffer layer 2a (2b) and the AlN buffer layer 3 formed in the same manner as any of FIGS. Further, by forming the superlattice structure 5 in which AlN (10-1m) is alternately laminated as a thin film, the crystallinity of these nitride semiconductor single crystals can be further improved.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
[実施例1]
Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板を、反応管内の成長領域にセットし、キャリアガスとして水素を供給しながら、前記Si基板を1100℃に昇温し、基板表面のクリーニングを行った。
そして、プロパンを供給し、基板温度を1000〜1350℃として、Si基板表面を炭化した後、プロパンおよびシランを供給し、厚さ10〜10000nmのSiCバッファー層を成膜した。
次に、基板温度を保持したまま、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)およびアンモニアを供給し、前記SiC層上に、厚さ1〜500nmのAlNバッファー層を成膜した。
さらに、基板温度を1000℃程度に降温し、原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびアンモニアを供給し、GaN単結晶層を成膜した。
前記GaN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
[Example 1]
With respect to Si (100), an Si substrate having an off-cut angle of 8 ° from the <100> to the <110> direction is set in a growth region in the reaction tube, and while supplying hydrogen as a carrier gas, the Si substrate The substrate was heated to 1100 ° C. to clean the substrate surface.
Then, propane was supplied, the substrate temperature was set to 1000 to 1350 ° C., and the surface of the Si substrate was carbonized, and then propane and silane were supplied to form a SiC buffer layer having a thickness of 10 to 10,000 nm.
Next, trimethylaluminum (TMA) and ammonia were supplied as raw materials while maintaining the substrate temperature, and an AlN buffer layer having a thickness of 1 to 500 nm was formed on the SiC layer.
Further, the substrate temperature was lowered to about 1000 ° C., trimethylgallium (TMG) and ammonia were supplied as raw materials, and a GaN single crystal layer was formed.
Even when the GaN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例2]
実施例1と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板上に、SiCバッファー層およびAlNバッファー層を成膜した。
そして、基板温度を1200℃以上に昇温し、原料としてTMAおよびアンモニアを供給し、AlN単結晶層を成膜した。
前記AlN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a SiC buffer layer and an AlN buffer layer were formed on a Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction of 8 ° with respect to Si (100). .
Then, the substrate temperature was raised to 1200 ° C. or higher, TMA and ammonia were supplied as raw materials, and an AlN single crystal layer was formed.
Even when the AlN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例3]
実施例1と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板上に、SiCバッファー層およびAlNバッファー層を成膜した。
そして、基板温度を500℃以上に昇温し、原料としてトリメチルインジウム(TMIn)およびアンモニアを供給し、InN単結晶層を成膜した。
前記InN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a SiC buffer layer and an AlN buffer layer were formed on a Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction of 8 ° with respect to Si (100). .
Then, the substrate temperature was raised to 500 ° C. or higher, and trimethylindium (TMIn) and ammonia were supplied as raw materials to form an InN single crystal layer.
Even when the InN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例4]
実施例1と同様にしてクリーニングを施したSi基板上に、PH3ガスおよびB26ガスを供給し、厚さ10〜500nmのBPバッファー層を成膜した。
前記BPバッファー層上に、実施例1と同様にして、AlNバッファー層およびGaN単結晶層を成膜した。
前記GaN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 4]
PH 3 gas and B 2 H 6 gas were supplied onto a Si substrate cleaned in the same manner as in Example 1 to form a BP buffer layer having a thickness of 10 to 500 nm.
An AlN buffer layer and a GaN single crystal layer were formed on the BP buffer layer in the same manner as in Example 1.
Even when the GaN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例5]
実施例4と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板上に、BPバッファー層およびAlNバッファー層を成膜した。
前記AlNバッファー層上に、実施例2と同様にして、AlN単結晶層を成膜した。
前記AlN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 5]
In the same manner as in Example 4, a BP buffer layer and an AlN buffer layer were formed on a Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction of 8 ° with respect to Si (100). .
An AlN single crystal layer was formed on the AlN buffer layer in the same manner as in Example 2.
Even when the AlN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例6]
実施例4と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板上に、BPバッファー層およびAlNバッファー層を成膜した。
前記AlNバッファー層上に、実施例3と同様にして、InN単結晶層を成膜した。
前記InN単結晶層は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 6]
In the same manner as in Example 4, a BP buffer layer and an AlN buffer layer were formed on a Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction of 8 ° with respect to Si (100). .
An InN single crystal layer was formed on the AlN buffer layer in the same manner as in Example 3.
Even when the InN single crystal layer was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例7]
実施例1と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が8°であるSi基板上に、SiCバッファー層およびAlNバッファー層を成膜した。
そして、基板温度を1000℃程度に降温し、原料としてTMGおよびアンモニアを供給して、AlNバッファー層上に厚さ1〜500nmのGaN単結晶層を成膜し、さらに、基板温度を保持したまま、原料としてTMAおよびアンモニアを供給し、前記GaN単結晶層上に、厚さ1〜500nmのAlN単結晶層を成膜した。このGaN単結晶層およびAlN単結晶層を、同様にして、交互に複数積層させて、超格子構造を形成した。
前記超格子構造は、厚さ1μm以上まで形成した場合においても、平坦な表面が得られ、亀裂や欠陥は認められなかった。また、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 7]
In the same manner as in Example 1, a SiC buffer layer and an AlN buffer layer were formed on a Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction of 8 ° with respect to Si (100). .
Then, the substrate temperature is lowered to about 1000 ° C., TMG and ammonia are supplied as raw materials, a GaN single crystal layer having a thickness of 1 to 500 nm is formed on the AlN buffer layer, and the substrate temperature is maintained. Then, TMA and ammonia were supplied as raw materials, and an AlN single crystal layer having a thickness of 1 to 500 nm was formed on the GaN single crystal layer. In the same manner, a plurality of the GaN single crystal layers and AlN single crystal layers were alternately stacked to form a superlattice structure.
Even when the superlattice structure was formed to a thickness of 1 μm or more, a flat surface was obtained, and no cracks or defects were observed. The orientation direction was <10-12>.

[実施例8]
実施例1と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が4°であるSi基板上に、SiCバッファー層およびAlNバッファー層およびGaN単結晶層を成膜した。
前記GaN単結晶層は、面内の一部の領域において、平坦な表面を得られなかったが、その他の領域では、亀裂や欠陥は認められず、その配向方位は<10-12>であった。
[Example 8]
In the same manner as in Example 1, an SiC buffer layer, an AlN buffer layer, and a GaN single crystal were formed on a Si substrate having an off-cut angle of 4 ° from the <100> to the <110> direction with respect to Si (100). Layers were deposited.
In the GaN single crystal layer, a flat surface could not be obtained in a part of the in-plane region, but no crack or defect was observed in other regions, and the orientation direction was <10-12>. It was.

[比較例1,2]
実施例1と同様にして、Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が0°(比較例1)または45°(比較例2)であるSi基板上に、SiCバッファー層およびAlNバッファー層およびGaN単結晶層を成膜した。
前記GaN単結晶層は、いずれも、全体的に平坦な表面を得られなかった。
[Comparative Examples 1 and 2]
Similar to Example 1, with respect to Si (100), on an Si substrate with an off-cut angle from the <100> to the <110> direction being 0 ° (Comparative Example 1) or 45 ° (Comparative Example 2) Then, an SiC buffer layer, an AlN buffer layer, and a GaN single crystal layer were formed.
None of the GaN single crystal layers could obtain a generally flat surface.

本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the layer structure at the time of forming the nitride semiconductor single crystal concerning this invention. 本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the layer structure at the time of forming the nitride semiconductor single crystal concerning this invention. 本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the layer structure at the time of forming the nitride semiconductor single crystal concerning this invention. 本発明に係る窒化物半導体単結晶を形成する際の層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the layer structure at the time of forming the nitride semiconductor single crystal concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板
2a SiCバッファー層
2b BPバッファー層
3 AlNバッファー層
4 GaN、AlNまたはInN単結晶
5 超格子構造
1 Si substrate 2a SiC buffer layer 2b BP buffer layer 3 AlN buffer layer 4 GaN, AlN or InN single crystal 5 Superlattice structure

Claims (3)

Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が1〜35°であるSi基板上に、SiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層およびAlNバッファー層を介して形成され、GaN(10-1m)、AlN(10-1m)またはInN(10-1m)(m:自然数)からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。   A buffer layer and an AlN buffer layer made of at least one of SiC and BP on a Si substrate having an off-cut angle of 1 to 35 degrees from <100> to <110> with respect to Si (100) A nitride semiconductor single crystal formed of GaN (10-1 m), AlN (10-1 m), or InN (10-1 m) (m: natural number). Si(100)に対して、<100>から<110>方向へのオフカット角度が1〜35°であるSi基板上に、SiCまたはBPのいずれか1種以上からなるバッファー層およびAlNバッファー層を介して形成され、GaNおよびAlNの超格子構造からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。   A buffer layer and an AlN buffer layer made of at least one of SiC and BP on a Si substrate having an off-cut angle of 1 to 35 degrees from <100> to <110> with respect to Si (100) A nitride semiconductor single crystal formed through a superlattice structure of GaN and AlN. 前記Si基板のオフカット角度が、7〜9°であることを特徴とする請求項1または2記載の窒化物半導体単結晶。   The nitride semiconductor single crystal according to claim 1 or 2, wherein an off-cut angle of the Si substrate is 7 to 9 °.
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