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JP5005266B2 - AlN crystal fabrication method and AlN thick film - Google Patents

AlN crystal fabrication method and AlN thick film Download PDF

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JP5005266B2 JP2006159535A JP2006159535A JP5005266B2 JP 5005266 B2 JP5005266 B2 JP 5005266B2 JP 2006159535 A JP2006159535 A JP 2006159535A JP 2006159535 A JP2006159535 A JP 2006159535A JP 5005266 B2 JP5005266 B2 JP 5005266B2
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Description

本発明は、AlN系III族窒化物の厚膜作製技術に関する。   The present invention relates to a technique for producing a thick film of AlN group III nitride.

III族窒化物結晶は、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材料として用いられている。   Group III nitride crystals are used as a material constituting semiconductor elements such as photonic devices and electronic devices.

III族窒化物結晶の厚膜(III族窒化物厚膜)は、所定の基板の上に、III族窒化物結晶をエピタキシャル形成させることで作製されるのが一般的である。基板としては、サファイアやSiCなどの単結晶基材を用いる態様もあるが、そうした単結晶基材の上に、III族窒化物結晶をせいぜい10μm程度に(熱膨張率差に起因したそりの生じない程度に)エピタキシャル形成させてなる、いわゆるエピタキシャル基板(テンプレート基板とも称する)が用いられることもある。   A thick film of a group III nitride crystal (group III nitride thick film) is generally manufactured by epitaxially forming a group III nitride crystal on a predetermined substrate. There is an embodiment in which a single crystal base material such as sapphire or SiC is used as the substrate, but the group III nitride crystal is not more than about 10 μm on such a single crystal base material (the occurrence of warpage due to the difference in thermal expansion coefficient). A so-called epitaxial substrate (also referred to as a template substrate) that is epitaxially formed (to some extent) may be used.

エピタキシャル基板は通常、MOCVD法(有機金属化学的気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシ−法)といった薄膜形成方法を用いて、その上に形成する厚膜と同種又は異種のIII族窒化物結晶をエピタキシャル形成することによって得られる。   The epitaxial substrate is usually a group III nitridation that is the same or different from the thick film formed on the thin film forming method such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) or MBE (molecular beam epitaxy). It is obtained by epitaxially forming a physical crystal.

このようなエピタキシャル基板の上に、LPE(Liquid Phase Epitaxy)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、昇華法などの成長方法を用いてIII族窒化物厚膜を作製する技術は、すでに公知である(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。これらの手法は、成膜速度が速いという特徴を有しているので、III族窒化物厚膜の形成に適した手法であるといえる。   A technique for forming a Group III nitride thick film on such an epitaxial substrate using a growth method such as LPE (Liquid Phase Epitaxy), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), and sublimation is already known ( For example, see Patent Literature 1 and Patent Literature 2). Since these methods have a feature that the film forming speed is high, it can be said that these methods are suitable for forming a group III nitride thick film.

一方、サファイアまたはSiCの上に、100nm程度の厚みのAlNバッファ層を形成したうえで数μm程度の厚みを有するGaNおよびGaリッチなIII族窒化物の機能層を形成してなる発光素子の製造方法において、該機能層のひび割れを防ぐことを目的として、バッファ層形成後に1350℃〜1500℃でアニールを行う技術が公知である(例えば、特許文献3参照)。   On the other hand, a light emitting device is produced by forming an AlN buffer layer having a thickness of about 100 nm on sapphire or SiC and then forming a functional layer of GaN and Ga-rich group III nitride having a thickness of about several μm. In the method, a technique is known in which annealing is performed at 1350 ° C. to 1500 ° C. after the formation of the buffer layer for the purpose of preventing cracking of the functional layer (see, for example, Patent Document 3).

特開2005−223126号公報JP-A-2005-223126 特開2005−225248号公報JP 2005-225248 A 特開平9−64477号公報JP-A-9-64477

III族窒化物厚膜の形成にエピタキシャル基板を用いる場合、III族窒化物厚膜の結晶品質は、基板にエピタキシャル形成されてなるIII族窒化物層(テンプレート層)の結晶品質に依存する。例えば、特許文献2にも開示されているように、テンプレート層内で生じた転位は、その上に形成されるIII族窒化物厚膜に貫通することが知られている。   When an epitaxial substrate is used for forming the group III nitride thick film, the crystal quality of the group III nitride thick film depends on the crystal quality of the group III nitride layer (template layer) formed epitaxially on the substrate. For example, as disclosed in Patent Document 2, it is known that dislocations generated in the template layer penetrate through a thick group III nitride film formed thereon.

特許文献2においては、石英製の反応チャンバー内でHVPE法による気相成長を行う装置であって、原料ガスと基板とを独立に加熱する手段を設けてなる装置が開示されており、さらには、サファイア基板、Si基板あるいはこれらの基板上にAlNにて形成したテンプレート層の上に当該装置を用いてAlN厚膜を形成する場合に、基板温度を1300℃以上とすることで、エピタキシャル成長の横方向成長性を強めることができ、これによって厚膜の貫通転位を減少できる旨が開示されている。   Patent Document 2 discloses an apparatus for performing vapor phase growth by an HVPE method in a quartz reaction chamber, which is provided with means for independently heating a source gas and a substrate. When forming an AlN thick film on the sapphire substrate, Si substrate, or template layer formed of AlN on these substrates using the apparatus, the substrate temperature is set to 1300 ° C. It is disclosed that the direction growth property can be enhanced, and thereby threading dislocations in the thick film can be reduced.

特許文献2に開示されているAlN厚膜の成長に際しては、石英に対する腐食能を有するAlClよりもAlCl3が優先的に生成するように反応ガスの温度を750℃以下とするようになっているが、温度設定によっては相当程度のAlClが生成することになる。その一方で、基板は1300℃以上に、場合によっては1700℃にまで加熱するようになっている。また、係る加熱はAlNの厚膜成長を行っている間は維持されるものであるので、AlN膜の厚みを大きくしようとするほど、加熱時間も長くなることになる。このような基板への加熱が直接に石英チャンバーを加熱させるものではないとしても、高い加熱温度で長時間基板を加熱する場合には、基板周囲の雰囲気温度が想定よりも高くなる可能性は否定できず、そのような場合にAlClによる腐食が生じるおそれは高いと考えられる。 During the growth of the AlN thick film disclosed in Patent Document 2, the temperature of the reaction gas is set to 750 ° C. or lower so that AlCl 3 is preferentially generated over AlCl having a corrosive ability to quartz. However, a considerable amount of AlCl is generated depending on the temperature setting. On the other hand, the substrate is heated to 1300 ° C. or higher, and in some cases to 1700 ° C. Further, since the heating is maintained while the thick AlN film is being grown, the heating time becomes longer as the thickness of the AlN film is increased. Even if such heating to the substrate does not directly heat the quartz chamber, when the substrate is heated for a long time at a high heating temperature, the possibility that the ambient temperature around the substrate becomes higher than expected is denied. In such a case, the possibility of corrosion by AlCl is considered high.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡便な手法によって低転位のAlN系III族窒化物厚膜を得ることができる方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method by which a low dislocation AlN-based group III nitride thick film can be obtained by a relatively simple technique.

請求項1の発明は、所定の基材の上に全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上のIII族窒化物からなる下地層を形成することにより成長用基板を得る第1形成工程と、前記成長用基板の上に10μm以上の膜厚のAlNからなる結晶層を形成する第2形成工程と、を含むAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程における前記下地層の形成温度よりも高い温度であってかつ1500℃以上の温度を加熱温度として前記成長用基板を加熱する加熱工程、をさらに備え、前記加熱工程を経た成長用基板を用いて前記第2形成工程を行う、ことを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a first forming step of obtaining a growth substrate by forming a base layer made of a group III nitride having a ratio of Al in all group III elements of 80 mol% or more on a predetermined base material. And a second forming step of forming a crystal layer made of AlN having a thickness of 10 μm or more on the growth substrate, the method for producing an AlN crystal , wherein the underlayer in the first forming step A heating step of heating the growth substrate using a temperature higher than the formation temperature and 1500 ° C. or higher as a heating temperature, and using the growth substrate that has undergone the heating step, the second formation step. It is characterized by performing.

また、請求項2の発明は、請求項1に記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程における前記下地層の形成膜厚が前記第2の形成工程における前記結晶層の形成膜厚より小さい、ことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the method for producing an AlN crystal according to claim 1, wherein the formation thickness of the underlayer in the first formation step is the formation of the crystal layer in the second formation step. It is smaller than the film thickness.

また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程における前記下地層の形成速度が前記第2の形成工程における前記結晶層の形成速度よりも小さい、ことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the method for producing an AlN crystal according to claim 1 or 2, wherein the formation rate of the underlayer in the first formation step is the crystal in the second formation step. It is characterized by being smaller than the layer formation rate.

また、請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程をMOCVD法によって行い、前記第2形成工程をHVPE法によって行う、ことを特徴とする。 The invention of claim 4 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the first forming step is performed by MOCVD, and the second forming step is performed by an HVPE method. It is characterized by that.

また、請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程においては、AlNからなる前記下地層をエピタキシャル形成する、ことを特徴とする。 The invention of claim 5 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein, in the first forming step, the underlayer made of AlN is epitaxially formed. It is characterized by that.

また、請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第2形成工程における前記結晶層の形成温度が前記加熱温度以下である、ことを特徴とする。 The invention of claim 6 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the formation temperature of the crystal layer in the second formation step is equal to or lower than the heating temperature. It is characterized by that.

また、請求項7の発明は、請求項6に記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第2形成工程における前記結晶層の形成温度が1400℃以上である、ことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the method for producing an AlN crystal according to claim 6, wherein the formation temperature of the crystal layer in the second formation step is 1400 ° C. or more.

また、請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記第1形成工程における前記結晶層の形成温度が1300℃以下である、ことを特徴とする。 The invention of claim 8 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein the formation temperature of the crystal layer in the first formation step is 1300 ° C. or less. It is characterized by that.

また、請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記加熱工程を前記第1形成工程及び第2形成工程に用いる加熱手段とは異なる加熱手段を用いて行う、ことを特徴とする。
また、請求項10の発明は、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、前記加熱工程を窒素ガス雰囲気下で行う、ことを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein the heating step is used for the first forming step and the second forming step. Is performed using different heating means.
The invention according to claim 10 is the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 9, wherein the heating step is performed in a nitrogen gas atmosphere.

また、請求項11の発明は、AlN厚膜が、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法を用いて作製されてなることを特徴とする。 The invention of claim 11 is characterized in that the AlN thick film is produced by using the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 9.

請求項1ないし請求項11の発明によれば、厚膜成長に先立って、加熱処理という比較的簡便な処理を施すだけで、AlNからなる結晶層の低転位化を実現することができる。これには、下地層からの貫通転位が結晶層の成長方向に対して斜め方向に傾いて成長することによって合体消失することも寄与している。また、基材と下地層との間の熱応力に起因して、結晶層の面内方向に引張応力が生じるような場合であっても、加熱処理によって引張応力を低減することができるので、結晶層におけるクラックの発生も抑制できる。 According to the first to eleventh aspects of the invention, the dislocation reduction of the crystal layer made of AlN can be realized only by performing a relatively simple process such as heat treatment prior to the thick film growth. This also contributes to the disappearance of the coalescence due to the growth of threading dislocations from the underlayer inclined with respect to the growth direction of the crystal layer. In addition, even if tensile stress occurs in the in-plane direction of the crystal layer due to the thermal stress between the base material and the underlayer, the tensile stress can be reduced by heat treatment, Generation of cracks in the crystal layer can also be suppressed.

特に、請求項9の発明によれば、MOCVD法やHVPE法による結晶成長を行うための処理装置を加熱処理にまで用いずとも、汎用的な加熱処理装置を用いて加熱処理を行うことによって、AlNからなる結晶層の低転位化を実現することができる。従って、MOCVD法やHVPE法に用いる処理装置に加熱処理の実現に伴う特別の構成を備える必要はなく、また、HVPE法を用いた第2形成工程における処理条件に特段の制限が加わることもない。 In particular, according to the invention of claim 9, by performing the heat treatment using a general-purpose heat treatment apparatus without using the treatment apparatus for performing crystal growth by the MOCVD method or the HVPE method for the heat treatment, It is possible to realize a low dislocation in the crystal layer made of AlN . Therefore, the processing apparatus used for the MOCVD method or the HVPE method does not need to have a special configuration associated with the realization of the heat treatment, and the processing conditions in the second forming process using the HVPE method are not particularly limited. .

<成長下地層の形成>
図1は、本発明の実施の形態に係るAlN系III族窒化物厚膜の形成を説明するための模式図である。図1においては、AlN系III族窒化物厚膜形成用基板(以下、単に「基板」と称する)1の上に、AlN系III族窒化物からなる結晶層である厚膜層2が形成された積層構造3を断面図として示している。
<Formation of growth underlayer>
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the formation of an AlN-based group III nitride thick film according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a thick film layer 2 which is a crystal layer made of AlN group III nitride is formed on an AlN group III nitride thick film forming substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) 1. The laminated structure 3 is shown as a cross-sectional view.

基板1は、基材1aと、その上に形成された成長下地層1bとにより構成される。成長下地層1bは、AlリッチなIII族窒化物であるAlN系III族窒化物からなる結晶層である。なお、本実施の形態においてIII族窒化物とは、BxAlyGazIn1-x-y-zN(x,y,z≧0)の組成で表され、一般にはウルツ鉱構造のものを示すが、閃亜鉛鉱構造を有する物質でもよい。成長下地層1bは、基板1にとっては表面層であるが、基板1を用いた単結晶成長の際に下地層としての役割を果たすものである。成長下地層1bは、基材1a上にAlN系III族窒化物を成長させることによって形成される。すなわち、基板1はいわゆるテンプレート基板である。厚膜成長時には、成長下地層1bの直上に厚膜層2が形成される。本実施の形態に係る基板1は、この成長下地層1bが好適に形成されることで、高結晶品質のAlN系III族窒化物厚膜を得るのに適した基板として供されるものである。 The substrate 1 is composed of a base material 1a and a growth foundation layer 1b formed thereon. The growth underlayer 1b is a crystal layer made of an AlN group III nitride which is an Al-rich group III nitride. Note that the group III nitride in the present embodiment, is represented by a composition of B x Al y Ga z In 1 -xyz N (x, y, z ≧ 0), but generally indicate what wurtzite A substance having a zinc blende structure may be used. The growth foundation layer 1 b is a surface layer for the substrate 1, but plays a role as a foundation layer during single crystal growth using the substrate 1. The growth underlayer 1b is formed by growing an AlN group III nitride on the substrate 1a. That is, the substrate 1 is a so-called template substrate. During the thick film growth, the thick film layer 2 is formed immediately above the growth base layer 1b. The substrate 1 according to the present embodiment is provided as a substrate suitable for obtaining a high crystalline quality AlN-based group III nitride thick film by suitably forming the growth foundation layer 1b. .

基材1aは、その上に形成する成長下地層1bの組成や構造、あるいはさらにその上に形成される厚膜層2に応じて適宜に選択される。例えば、SiC(炭化ケイ素)やサファイアなどの基板を用いる。あるいは、ZnO、LiAlO2、LiGaO2、MgAl24、(LaSr)(AlTa)O3、NdGaO3、MgOといった各種酸化物材料、Si、Ge、ダイアモンドといった各種IV族単結晶、SiGeといった各種IV−IV族化合物、GaAs、AlN、GaN、AlGaNといった各種III−V族化合物およびZrB2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。このうち、(0001)面を主面とするIII族窒化物によって成長下地層1bを構成する場合には、例えば(0001)面SiCあるいは(11−20)面及び(0001)面サファイアを基材1aとして用いることができる。また、(11−20)面を主面とするIII族窒化物によって成長下地層1bを構成する場合には、例えば(11−20)面SiCあるいは(10−12)面サファイアを基材1aとして用いることができる。基材1aの厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μm〜数mmの厚みのものが好適である。 The base material 1a is appropriately selected according to the composition and structure of the growth base layer 1b formed thereon or the thick film layer 2 formed thereon. For example, a substrate such as SiC (silicon carbide) or sapphire is used. Alternatively, various oxide materials such as ZnO, LiAlO 2 , LiGaO 2 , MgAl 2 O 4 , (LaSr) (AlTa) O 3 , NdGaO 3 , and MgO, various IV group single crystals such as Si, Ge, and diamond, and various IVs such as SiGe Various III-V compounds such as -IV group compounds, GaAs, AlN, GaN and AlGaN, and various borides such as ZrB 2 may be appropriately selected and used. Of these, in the case where the growth base layer 1b is made of a group III nitride having a (0001) plane as a main surface, for example, a (0001) plane SiC or a (11-20) plane and a (0001) plane sapphire are used as a base material. It can be used as 1a. Further, when the growth foundation layer 1b is constituted by a group III nitride having a (11-20) plane as a main surface, for example, (11-20) plane SiC or (10-12) plane sapphire is used as the base material 1a. Can be used. The thickness of the substrate 1a is not particularly limited in terms of material, but a thickness of several hundreds μm to several mm is preferable for convenience of handling.

紫外域での光デバイス用途の場合には、基材1aとしては動作波長の光に対し透明な材料を用いることが望ましく、III族窒化物結晶の結晶構造との相性から鑑みると、サファイアが最も好適である。また、高出力の光デバイスや、放熱性が必要な電子デバイスなどを用途とする場合には、基材1aとしては高い熱伝導率を持つSiCが最も好適である。   In the case of an optical device application in the ultraviolet region, it is desirable to use a material transparent to the light of the operating wavelength as the substrate 1a, and in view of compatibility with the crystal structure of the group III nitride crystal, sapphire is the most Is preferred. In addition, when a high-power optical device or an electronic device that requires heat dissipation is used, SiC having high thermal conductivity is most suitable as the base material 1a.

成長下地層1bは、各種薄膜成膜方法によって形成されたAlN系III族窒化物からなるエピタキシャル膜であるのが、その好適な一態様である。成膜方法としては、MOCVD法、MBE法、スパッタ法、HVPE法等が想定される。MOCVD法を適用する場合には、PALE法(パルス原子層エピタキシ法;Pulsed Atomic Layer Epitaxy)、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。MOCVD法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。結晶品質の優れた厚膜層2を成長下地層1bの上に形成するという観点からは、少なくとも、成長下地層1bの形成速度が厚膜層2の形成速度よりも小さくなるように、成長下地層1bおよび厚膜層2の形成手法を選択することが好ましい。厚膜層2の形成手法については後述する。   The growth underlayer 1b is preferably an epitaxial film made of AlN group III nitride formed by various thin film forming methods. As a film forming method, MOCVD method, MBE method, sputtering method, HVPE method and the like are assumed. When the MOCVD method is applied, a PALE method (pulsed atomic layer epitaxy), a plasma assist method, a laser assist method, or the like can be used in combination. The MOCVD method is suitable for growing high-quality crystals because the manufacturing conditions can be controlled with high accuracy. From the viewpoint of forming the thick film layer 2 having excellent crystal quality on the growth base layer 1b, at least the growth base layer 1b is formed so that the formation speed is lower than the formation speed of the thick film layer 2. It is preferable to select a method for forming the base layer 1b and the thick film layer 2. A method for forming the thick film layer 2 will be described later.

なお、成長下地層1bとしては、エピタキシャル膜の他に、アモルファス膜なども想定される。成膜手法を同じくする場合であっても、成長形成条件(形成温度など)の設定を違えることで、両者を作り分けることは可能である。例えば、MOCVD法の場合であれば、形成温度が低ければ、アモルファス状の膜が形成され、高ければエピタキシャル膜が形成される。アモルファス膜よりもエピタキシャル膜として成長下地層1bを形成した場合の方が、後述する加熱処理を施した後においてより転位密度の低いものが容易に得られる点で、好適である。エピタキシャル膜として形成した場合、成長下地層1bは一般的には1×109/cm2程度ないしはそれ以上の転位を含んでいる。また、成長下地層1bにおいては刃状転位が主に存在する。 As the growth base layer 1b, an amorphous film or the like is assumed in addition to the epitaxial film. Even when the film forming methods are the same, it is possible to make both of them separately by setting different growth formation conditions (formation temperature, etc.). For example, in the case of MOCVD, an amorphous film is formed if the formation temperature is low, and an epitaxial film is formed if the formation temperature is high. The case where the growth base layer 1b is formed as an epitaxial film rather than an amorphous film is preferable in that a film having a lower dislocation density can be easily obtained after the heat treatment described later. When formed as an epitaxial film, the growth underlayer 1b generally contains dislocations of about 1 × 10 9 / cm 2 or more. Further, edge dislocations mainly exist in the growth underlayer 1b.

成長下地層1bの厚みは、特に限定されるものではなく、最終的に利用されるデバイス構造あるいは使用形態に最適な膜厚を選択する。例えば、数nm〜数mm程度の膜厚が想定される。ただし、後述するように、成長下地層1bの上に結晶層として10μm以上の厚膜層2を形成するような場合には、厚膜層2におけるクラック発生を抑制するという観点から、成長下地層1bの厚みの方が厚膜層2の厚みよりも小さいことが好ましい。また、成長下地層1bの組成は、平均組成を示しており、必ずしも組成が全て均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。   The thickness of the growth foundation layer 1b is not particularly limited, and an optimum film thickness is selected for the device structure or usage pattern to be finally used. For example, a film thickness of about several nm to several mm is assumed. However, as will be described later, when a thick film layer 2 having a thickness of 10 μm or more is formed as a crystal layer on the growth foundation layer 1b, the growth foundation layer is suppressed from the viewpoint of suppressing the generation of cracks in the thick film layer 2. The thickness of 1b is preferably smaller than the thickness of the thick film layer 2. In addition, the composition of the growth base layer 1b shows an average composition, and it is not always necessary that the composition is uniform. For example, a gradient composition or a stress relaxation layer having a different composition can be inserted. is there.

また、成長下地層1b内には、成長下地層1bを形成する際に不可避的に含まれてしまうH、C、O、Si、遷移金属等の不純物が存在する場合もあるし、導電率制御のために意図的に導入される、Si、Ge、Be、Mg、Zn、Cdといった不純物を含むこともできる。   In addition, impurities such as H, C, O, Si, and transition metals that are inevitably included when the growth base layer 1b is formed may exist in the growth base layer 1b, and conductivity control may be performed. It is also possible to include impurities such as Si, Ge, Be, Mg, Zn and Cd, which are intentionally introduced for the purpose.

特に、(0001)面を主面とするAlNエピタキシャル膜を成長下地層1bとして用いる場合、熱処理前の成長下地層1bについては、X線ロッキングカーブ測定(ωスキャン)による(0002)面の半値幅が200秒以下、より好ましくは100秒以下であることが好ましい。また、X線ロッキングカーブ測定(ωスキャン)による(0002)面の半値幅の下限値は、特に定めるものではないが、材料及び結晶構造から計算される理論値(〜10秒)を下回るものではない。係る半値幅が実現されるということは、成長下地層1bの表面において、成長方位に揺らぎが少なく、C面が揃い、らせん成分の転位が少ない状態が実現されているということになり、このことは成長下地層1b上に結晶品質の良い厚膜層2を形成する上でより好適だからである。上述のようなX線ロッキングカーブの半値幅を実現するためには、基材1a上に、いわゆる低温緩衝層を挿入することは望ましくないが、結晶品質を悪化させない程度の薄い低温緩衝層を挿入することは可能である。   In particular, when an AlN epitaxial film having a (0001) plane as the main surface is used as the growth foundation layer 1b, the half-width of the (0002) plane by X-ray rocking curve measurement (ω scan) for the growth foundation layer 1b before the heat treatment. Is preferably 200 seconds or shorter, more preferably 100 seconds or shorter. In addition, the lower limit value of the half width of the (0002) plane by X-ray rocking curve measurement (ω scan) is not particularly defined, but is less than the theoretical value (-10 seconds) calculated from the material and crystal structure. Absent. The realization of such a half width means that a state in which the growth orientation is less fluctuated, the C-plane is aligned, and the dislocation of the helical component is less is realized on the surface of the growth base layer 1b. This is because it is more suitable for forming the thick film layer 2 having good crystal quality on the growth base layer 1b. In order to realize the half width of the X-ray rocking curve as described above, it is not desirable to insert a so-called low-temperature buffer layer on the substrate 1a, but a thin low-temperature buffer layer that does not deteriorate the crystal quality is inserted. It is possible to do.

また、(0001)面を主面とするAlNエピタキシャル膜を成長下地層1bとして用いる場合、刃状転位密度は、AlNエピタキシャル膜としては低い数値である、5×1010/cm2以下であることが望ましい。なお、本実施の形態において、転位密度は、平面TEMを用いて評価している。窒化処理によって基材1aの表面に窒化層を形成した場合には、AlNの転位密度を上記のように低く抑えることができる。なお、条件設定によっては、成長下地層1bの転位密度を1×109/cm2の程度にまで低減することも可能である。ただし、本実施の形態においては、後述する加熱処理により転位低減の効果を得るようにしているので、必ずしも、窒化処理を加えない場合や、転位密度が5×1010/cm2よりも大きい場合を除外するものではない。 When an AlN epitaxial film having a (0001) plane as a main surface is used as the growth underlayer 1b, the edge dislocation density is 5 × 10 10 / cm 2 or less, which is a low value for an AlN epitaxial film. Is desirable. In this embodiment, the dislocation density is evaluated using a planar TEM. When a nitride layer is formed on the surface of the substrate 1a by nitriding, the dislocation density of AlN can be kept low as described above. Depending on the condition setting, the dislocation density of the growth underlayer 1b can be reduced to about 1 × 10 9 / cm 2 . However, in the present embodiment, since the effect of reducing dislocation is obtained by the heat treatment described later, the nitriding treatment is not necessarily applied, or the dislocation density is larger than 5 × 10 10 / cm 2. Is not excluded.

なお、このような結晶品質を持つ(0001)面を主面とするAlNエピタキシャル膜をMOCVD法によって成長下地層1bとして形成する場合には、形成速度をせいぜい数μm/hr程度とし、また、基板自体の温度を1100℃以上1300℃以下とすることが望ましい。例えば、形成速度を1.5μm/hrとし、基板温度を1200℃とするのが好適な一例である。形成速度を低く抑える一方で基板自体の温度を上げることにより、より平衡状態に近くすることができる。係る場合、形成時間等の効率から考えて、膜厚は10μm以下、好ましくは3μm以下とするのが好適である。なお、AlリッチなIII族窒化物であるAlN系III族窒化物の場合、なかでもAlNの場合には、MOCVD法による形成温度を1250℃以上に高くすることが想定される。なお、HVPE法でも同じような条件設定とすることにより同等の結晶品質のAlNエピタキシャル膜を得ることができる。ただし、MOCVD法と比べると原料供給量を微細に調整することが難しいことから、膜厚を安定して制御するには、MOCVD法が好適である。   In the case where an AlN epitaxial film having such a crystal quality as a principal surface and having a (0001) plane as the growth underlayer 1b is formed by the MOCVD method, the formation rate is at most several μm / hr, and the substrate It is desirable that the temperature of itself is 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. For example, a preferable example is that the formation speed is 1.5 μm / hr and the substrate temperature is 1200 ° C. By keeping the formation rate low and increasing the temperature of the substrate itself, it is possible to bring it closer to an equilibrium state. In such a case, the film thickness is 10 μm or less, preferably 3 μm or less in view of the efficiency of the formation time and the like. In the case of AlN group III nitride, which is an Al-rich group III nitride, in particular, in the case of AlN, it is assumed that the formation temperature by the MOCVD method is raised to 1250 ° C. or higher. Note that an AlN epitaxial film having an equivalent crystal quality can be obtained by setting the same conditions in the HVPE method. However, since it is difficult to finely adjust the amount of raw material supply compared to the MOCVD method, the MOCVD method is suitable for controlling the film thickness stably.

また、係る場合においては、形成時圧力を1Torr以上の減圧雰囲気、好ましくは100Torr以下、さらに好ましくは20Torr以下とし、トリメチルアルミニウム等のAl原料供給ガスとアンモニアの供給比を1:500以下、より好ましくは1:200以下とするのが望ましい。気相中での、原料の反応を効率的に抑制できるからである。また、窒素原料が不足することによる結晶品質の劣化を抑制するため、1:1以上とすることが望ましい。   In such a case, the forming pressure is a reduced pressure atmosphere of 1 Torr or more, preferably 100 Torr or less, more preferably 20 Torr or less, and the supply ratio of the Al source gas such as trimethylaluminum to ammonia is 1: 500 or less, more preferably. Is preferably 1: 200 or less. This is because the reaction of the raw material in the gas phase can be efficiently suppressed. Moreover, in order to suppress the deterioration of the crystal quality due to the shortage of nitrogen raw material, it is desirable that the ratio is 1: 1 or more.

<加熱処理>
本実施の形態においては、厚膜層2の形成に先立ち、基板1を、所定の処理装置によって加熱する熱処理(加熱処理)を行う。
<Heat treatment>
In the present embodiment, prior to the formation of the thick film layer 2, a heat treatment (heating treatment) is performed in which the substrate 1 is heated by a predetermined processing apparatus.

係る熱処理は、成長下地層1bを構成するIII族窒化物の結晶品質の改善を目的とするものである。特に、成長下地層1bの転位の低減やその表面におけるピットの解消に対して有効である。例えば、転位密度は、おおよそ1/10以下にまで減少する。特に、刃状転位を効果的に合体消失させることができる。なお、加熱処理前の転位密度が小さいほど、加熱処理による結晶品質の改善をより短時間でかつより効果的に実現することができる。   The heat treatment is intended to improve the crystal quality of the group III nitride constituting the growth underlayer 1b. This is particularly effective for reducing dislocations in the growth base layer 1b and eliminating pits on the surface. For example, the dislocation density decreases to approximately 1/10 or less. In particular, edge dislocations can be effectively eliminated. Note that as the dislocation density before the heat treatment is smaller, the improvement of the crystal quality by the heat treatment can be realized in a shorter time and more effectively.

加熱処理に際しては、加熱温度が少なくとも成長下地層1bの形成時の加熱温度よりも高く、さらに1500℃以上に達するように加熱を行う。   In the heat treatment, heating is performed so that the heating temperature is at least higher than the heating temperature at the time of forming the growth base layer 1b and further reaches 1500 ° C. or higher.

なお、少なくとも成長下地層1bの形成時の加熱温度よりも高い温度に達するように加熱するのは、そのような加熱を行うことで、少なくとも転位の低減という効果が得られるからである。成長下地層1bを形成するのに最も好適なMOCVD法を用いる場合を例とすると、MOCVD法は、一般に非平衡反応によって成膜を行う手法であるので、基材1a上のエピタキシャル膜には、熱平衡状態において存在する数よりも多くの結晶欠陥(転位など)が、いわば凍結されたような状態で存在していると考えられるが、そのような加熱を行うことで、熱平衡状態に近づき、転位が低減されるものと推察される。また、MOCVD法による結晶成長を行う場合の一般的な基板の加熱温度は1250℃以下、AlNの場合であってもせいぜい1500℃以下であるので、成長下地層1bの形成が係る温度範囲で行われているのであれば、1500℃以上に達するように加熱処理を行うことで、転位の低減という効果を得ることができる。もちろん、1500℃以上の基板温度で成長下地層1bを形成した場合においても、係る基板温度以上の温度で加熱処理を行うことにより、転位低減の効果を得ることはできる。また、他の成膜手法にて成長下地層1bを形成した場合も、1500℃以上に加熱することで、同様の転位低減効果を得ることができる。   The reason why the heating is performed so as to reach at least a temperature higher than the heating temperature at the time of forming the growth base layer 1b is that at least the effect of reducing dislocations can be obtained by performing such heating. Taking the case of using the most suitable MOCVD method for forming the growth underlayer 1b as an example, the MOCVD method is generally a method of forming a film by a non-equilibrium reaction. It is thought that more crystal defects (dislocations, etc.) than the number existing in the thermal equilibrium state exist in a frozen state. Is estimated to be reduced. Further, the heating temperature of a general substrate when performing crystal growth by the MOCVD method is 1250 ° C. or less, and even when AlN is 1500 ° C. or less at most, the formation of the growth base layer 1b is performed within the temperature range concerned. If it is, the effect of reduction of dislocation can be obtained by performing the heat treatment so as to reach 1500 ° C. or higher. Of course, even when the growth base layer 1b is formed at a substrate temperature of 1500 ° C. or higher, the effect of reducing dislocations can be obtained by performing the heat treatment at a temperature higher than the substrate temperature. Further, when the growth foundation layer 1b is formed by another film formation method, the same dislocation reduction effect can be obtained by heating to 1500 ° C. or higher.

加えて、成長下地層1bの膜厚がある程度大きい場合、例えば0.5μm程度ないしはそれ以上の場合には、表面に存在するピットの解消も加熱によって実現できる。加えて、後述する厚膜層2の面内方向に発生する引張応力を効果的に低減することもできる。引張応力の低減効果は1500℃以下での熱処理によっても確認できるが、厚膜層2として10μm以上の厚みの結晶層を成長させようとする場合には、係る温度範囲での加熱では応力低減の効果は不十分であり、厚膜層2の成長過程における厚膜層2でのクラックの発生を抑制することが困難となるという問題がある。なお、1500℃以上の加熱を行った場合には、表面平坦性の改善という効果が得られることも確認されている。   In addition, when the thickness of the growth base layer 1b is large to some extent, for example, about 0.5 μm or more, the elimination of pits existing on the surface can be realized by heating. In addition, the tensile stress generated in the in-plane direction of the thick film layer 2 described later can be effectively reduced. The effect of reducing the tensile stress can be confirmed by heat treatment at 1500 ° C. or lower, but when a crystal layer having a thickness of 10 μm or more is to be grown as the thick film layer 2, heating in such a temperature range reduces the stress. The effect is insufficient, and there is a problem that it becomes difficult to suppress the occurrence of cracks in the thick film layer 2 during the growth process of the thick film layer 2. It has been confirmed that the effect of improving the surface flatness can be obtained when heating at 1500 ° C. or higher.

一方、成長下地層1bの膜厚が0.005μm程度ないしそれ以上で、0.5μm以下の場合、例えば0.2μm程度の場合には、ピットの解消と表面粗さの改善のいずれについても実現するためには、1600℃以上における熱処理が必要である。このように、膜厚が薄い場合、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜を成長下地層1bとして形成する際に、成長下地層1bと基材1aの格子ミスマッチによる三次元核の形成に伴う表面平坦性の大幅な悪化が引き起こされているため、熱処理の温度を1600℃以上と高くすることにより、物質移動の効果をより促進する必要があると考えられる。もちろん、0.5μm以上の膜厚を持つ成長下地層1bにおいてもこの効果は存在し、より効果的にピットの解消が可能となるため、0.5μm以上の膜厚を持つ成長下地層1bの場合において1600℃以上における熱処理を行うことを排除するものではない。   On the other hand, when the thickness of the growth base layer 1b is about 0.005 μm or more and 0.5 μm or less, for example, about 0.2 μm, both pit elimination and surface roughness improvement are realized. In order to do so, heat treatment at 1600 ° C. or higher is necessary. Thus, when the film thickness is small, when forming an epitaxial film made of a group III nitride crystal as the growth underlayer 1b, the surface accompanying the formation of the three-dimensional nucleus due to the lattice mismatch between the growth underlayer 1b and the substrate 1a. Since the flatness is greatly deteriorated, it is considered that the effect of mass transfer needs to be further promoted by increasing the temperature of the heat treatment to 1600 ° C. or higher. Of course, this effect also exists in the growth base layer 1b having a film thickness of 0.5 μm or more, and pits can be more effectively eliminated. In some cases, heat treatment at 1600 ° C. or higher is not excluded.

このような加熱処理による転位低減その他の成長下地層1bの結晶品質の改善は、成長下地層1bを構成するAlN系III族窒化物の全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上である場合に特に有効であり、なかでもAlNの場合に有効である。AlNの場合、組成揺らぎ等のばらつきの問題が無いので、品質管理上はこの場合が最も望ましいが、全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上であれば、AlNで形成する場合とほぼ同程度の結晶品質を有する成長下地層1bをMOCVD法で得ることができ、さらにAlNの場合と同じ温度の加熱処理を行うことで、AlNの場合と同様の結晶品質の改善効果が確認される。全III族元素におけるAlの割合が80%未満の場合、AlNの場合と同じ温度で加熱処理を行うと、他のIII族元素、例えばGa成分の蒸発によるピットや点欠陥の発生が問題となり、表面平坦性が損なわれる場合がある。   The dislocation reduction and other improvements in the crystal quality of the growth underlayer 1b by such heat treatment are such that the proportion of Al in all group III elements of the AlN group III nitride constituting the growth underlayer 1b is 80 mol% or more. It is particularly effective in the case of AlN, especially in the case of AlN. In the case of AlN, there is no problem of variations such as composition fluctuations, so this is the most desirable for quality control. However, if the proportion of Al in all group III elements is 80 mol% or more, it is almost the same as the case of forming with AlN. The growth underlayer 1b having the same crystal quality can be obtained by the MOCVD method, and further, the same temperature improvement effect as in the case of AlN is confirmed by performing the heat treatment at the same temperature as in the case of AlN. . When the proportion of Al in all Group III elements is less than 80%, when heat treatment is performed at the same temperature as in AlN, the occurrence of pits and point defects due to evaporation of other Group III elements, such as Ga components, becomes a problem. The surface flatness may be impaired.

また、AlリッチなIII族窒化物ほど、効果的に結晶品質を改善することができ、AlNの場合にその効果が最も顕著である。Alを多く含むIII族窒化物は、同じくIII族窒化物であるGaN、InNなどと比較して融点が高く、熱分解による結晶品質劣化が起こりにくいため、高温での結晶品質の改善の効果を最も有効に活用できることがその理由である。なお、BNも融点が高いため、Bを多く含む場合にも本手法を適用することができるが、BN自体がウルツ鉱構造が安定状態の結晶構造でないため、Bを多量に含む場合は、顕著な効果を得ることは難しく、単相としてウルツ鉱構造が実現出来る程度のB濃度以下とする必要がある。   In addition, Al-rich group III nitride can improve the crystal quality more effectively, and the effect is most remarkable in the case of AlN. Group III nitrides containing a large amount of Al have a higher melting point than GaN and InN, which are also Group III nitrides, and are less susceptible to deterioration of crystal quality due to thermal decomposition. The reason is that it can be used most effectively. Note that since BN also has a high melting point, the present method can be applied even when it contains a large amount of B. However, since BN itself is not a crystal structure in which the wurtzite structure is in a stable state, it is prominent when it contains a large amount of B. It is difficult to obtain a sufficient effect, and it is necessary to make the B concentration below a level that can realize a wurtzite structure as a single phase.

ところで、III族窒化物結晶のエピタキシャル膜による成長下地層1bの形成そのものを、本実施の形態に係る加熱処理と同程度の高温下で行うことで結晶欠陥の抑制を図ろうとする場合、エピタキシャル成長の条件を好適に維持しつつ係る結晶欠陥の抑制を行うことになるため、その条件設定や成膜制御は一般に難しくなる。これに対して、本実施の形態においては、いったんIII族窒化物結晶のエピタキシャル膜を何らかの方法で作製した上で、これを作製温度(成膜温度)よりも高温に加熱することから、成膜自体の条件設定や制御に対して、特段の制限が要求されることがなく、品質の良いIII族窒化物結晶を得ることができる、というメリットがある。   By the way, when the formation of the growth foundation layer 1b by the epitaxial film of the group III nitride crystal itself is performed at a temperature as high as that of the heat treatment according to the present embodiment, when crystal defects are to be suppressed, Since the crystal defects are suppressed while suitably maintaining the conditions, it is generally difficult to set the conditions and control the film formation. On the other hand, in the present embodiment, a Group III nitride crystal epitaxial film is once produced by some method and then heated to a temperature higher than the production temperature (film formation temperature). There is an advantage that a high-quality group III nitride crystal can be obtained without any particular restriction on the condition setting and control of itself.

加熱処理中の雰囲気に関しては、III族窒化物の分解を防ぐためにも窒素元素を含有する雰囲気であるのが望ましい。例えば、窒素ガス、アンモニアガスを含む雰囲気を用いることができ、還元性を有しないということから、窒素ガス雰囲気が最も好ましい。還元性を有するガスを用いる場合、III族窒化物結晶がエッチングされてしまい、膜減り、表面荒れを生じるからである。このことを鑑みると、加熱処理に用いる処理装置については、基板1を目的とする加熱温度にまで加熱することができ、さらに、こうした窒素元素含有雰囲気を形成することができるものであれば、特に限定はされない。従って、公知の処理装置を用いることが可能である。なお、加熱処理時の圧力条件に関しては、減圧から加圧までどの圧力で行っても結晶品質が改善されることが、確認されている。   The atmosphere during the heat treatment is preferably an atmosphere containing nitrogen element in order to prevent the decomposition of the group III nitride. For example, an atmosphere containing nitrogen gas or ammonia gas can be used, and a nitrogen gas atmosphere is most preferred because it does not have reducing properties. This is because when a reducing gas is used, the group III nitride crystal is etched, the film is reduced, and the surface is roughened. In view of this, with respect to the processing apparatus used for the heat treatment, if the substrate 1 can be heated to the intended heating temperature and can further form such a nitrogen element-containing atmosphere, There is no limitation. Therefore, a known processing apparatus can be used. Regarding the pressure condition during the heat treatment, it has been confirmed that the crystal quality is improved regardless of the pressure from reduced pressure to increased pressure.

また、係る加熱処理においては、単結晶である基材1aの結晶配列の規則性を利用して、その上に形成された成長下地層1bの結晶品質の改善が実現されるものでもある。そのため、基材1aとして用いる材料は、結晶品質の改善のために行う加熱処理の温度帯で分解、融解しないもの、あるいは、成長下地層1bを形成するIII族窒化物結晶と強く反応しないものが望ましい。加熱処理中に基材1aの結晶配列に乱れが生じるのを回避する必要があるからである。従って、加熱処理の際、基材1aと成長下地層1bとの界面において両者の反応生成物が顕著に形成されないことが望ましい。反応生成物が顕著に形成されないとは、具体的には、加熱処理後の両者の界面に反応生成物が全く存在しないか、あるいは存在したとしてもその厚みがせいぜい成長下地層1bの膜厚の1/10以下であることを意味する。この膜厚を超えると、反応生成物の存在により、成長下地層1bの表面平坦性が損なわれる可能性があるからである。よって、加熱処理により基材1aと成長下地層1bとの界面において全体的にあるいは局所的に極薄の反応生成物が生成されることは、本発明からは除外されない。転位の低減等のためのバッファ層的な役割を果たすなど、こうした極薄の反応生成物が存在した方がむしろ好ましい場合もある。係る観点からは、融点の高いサファイア、MgO、SiCが、基材1aの材料として望ましい。   In the heat treatment, the crystal quality of the growth base layer 1b formed thereon is improved by utilizing the regularity of the crystal arrangement of the substrate 1a that is a single crystal. Therefore, the material used as the substrate 1a does not decompose or melt in the temperature range of the heat treatment performed for improving the crystal quality, or does not strongly react with the group III nitride crystal forming the growth underlayer 1b. desirable. This is because it is necessary to avoid the disorder of the crystal arrangement of the substrate 1a during the heat treatment. Therefore, it is desirable that the reaction product of the two is not significantly formed at the interface between the substrate 1a and the growth base layer 1b during the heat treatment. Specifically, the fact that the reaction product is not formed remarkably means that there is no reaction product at the interface between the two after the heat treatment, or even if it exists, the thickness of the growth base layer 1b is at most. It means 1/10 or less. This is because if the film thickness is exceeded, the surface flatness of the growth base layer 1b may be impaired due to the presence of the reaction product. Therefore, it is not excluded from the present invention that an ultrathin reaction product is generated entirely or locally at the interface between the substrate 1a and the growth underlayer 1b by the heat treatment. In some cases, the presence of such an ultrathin reaction product is preferable, such as acting as a buffer layer for reducing dislocations. From such a viewpoint, sapphire, MgO, and SiC having a high melting point are desirable as the material of the substrate 1a.

従って、加熱処理は、基材1aの融点を超えない温度範囲で、あるいは、基材1aと成長下地層1bとの反応生成物の生成が顕著に起こらない温度範囲つまりは過度な反応による成長下地層1bの結晶品質の劣化が生じない温度範囲で行うことが望ましい。特に、基材1aとしてサファイアを用い、成長下地層1bをAlN系III族窒化物にて形成する場合には、両者の界面にγ−ALONが顕著に形成されない温度範囲で加熱処理を行うことが好ましい。γ−ALONが顕著に形成されてしまうと、成長下地層1bの表面粗さが大きくなってしまうからである。   Therefore, the heat treatment is performed within a temperature range that does not exceed the melting point of the substrate 1a, or a temperature range in which the formation of a reaction product between the substrate 1a and the growth base layer 1b does not occur remarkably, that is, growth due to excessive reaction. It is desirable to carry out in a temperature range in which the crystal quality of the formation 1b does not deteriorate. In particular, when sapphire is used as the substrate 1a and the growth base layer 1b is formed of AlN group III nitride, the heat treatment may be performed in a temperature range in which γ-ALON is not significantly formed at the interface between the two. preferable. This is because if the γ-ALON is formed remarkably, the surface roughness of the growth foundation layer 1b increases.

なお、加熱処理による転位の低減は、熱平衡状態を目標とすることにより実現されるものであるので、熱処理時間は長い方が望ましい。しかし、過度な熱処理による表面平坦性の劣化が引き起こされることを避けるため、熱処理時間は、成長下地層1bの厚みに応じて適宜に設定する必要がある。   Note that the reduction of dislocations by heat treatment is realized by setting the thermal equilibrium state as a target, and therefore, a longer heat treatment time is desirable. However, in order to avoid the deterioration of surface flatness caused by excessive heat treatment, the heat treatment time needs to be set appropriately according to the thickness of the growth base layer 1b.

加熱処理は、成膜処理を行うための装置であるMOCVD装置やHVPE装置を用いて行う必要はなく、別の処理装置、例えばいわゆる熱処理炉などを用いて行うことが可能である。もちろん、成長下地層1bの形成と連続して、同じMOCVD装置で加熱処理を行うことや、また、次述するHVPE法による厚膜層2の形成に用いるHVPE装置で、該厚膜層2の形成に先立って加熱処理を行うことによっても、同様の効果を得ることができる。ただし、成膜処理と加熱処理とを別の装置で行う場合、それぞれの処理に好適な装置を用いて処理を行うことが出来るので、装置構成上の制約や、あるいは処理条件設定上のの制約が少ない、というメリットがある。   The heat treatment does not need to be performed using an MOCVD apparatus or an HVPE apparatus which are apparatuses for performing a film formation process, and can be performed using another processing apparatus such as a so-called heat treatment furnace. Of course, the heat treatment is performed in the same MOCVD apparatus continuously with the formation of the growth base layer 1b, or the HVPE apparatus used for forming the thick film layer 2 by the HVPE method described below is used. Similar effects can be obtained by performing heat treatment prior to formation. However, when the film formation process and the heat treatment are performed in different apparatuses, the process can be performed using an apparatus suitable for each process, so that there are restrictions on the apparatus configuration or restrictions on setting the processing conditions. There is a merit that there is little.

また、成長下地層1bが、(0001)面を主面とするIII族窒化物のエピタキシャル膜として形成されてなる場合、転位低減の効果が顕著に得られると共に、熱処理後の基板1の表面において、原子ステップが観察出来る程度の平坦性を実現することも可能である。このような主面を有するエピタキシャル膜として成長下地層1bを形成するためには、(0001)面サファイア、(11−20)面サファイア、(0001)面SiCを基材1aとして用いることが好適である。この場合、上記設定面から微傾斜させた基板を用いることもできる。   Further, when the growth foundation layer 1b is formed as a group III nitride epitaxial film having a (0001) plane as a main surface, the effect of reducing dislocation is remarkably obtained and the surface of the substrate 1 after the heat treatment is obtained. It is also possible to realize flatness that allows atomic steps to be observed. In order to form the growth foundation layer 1b as an epitaxial film having such a main surface, it is preferable to use (0001) plane sapphire, (11-20) plane sapphire, and (0001) plane SiC as the substrate 1a. is there. In this case, a substrate slightly tilted from the setting surface can be used.

なお、上述のように成長下地層1bを構成するウルツ鉱型構造をとるAlNは、結晶構造が対象中心を有さず、Al原子と窒素原子とが入れ換わると、結晶の向きが反転することになる。すなわち、結晶が原子配列に応じた極性を有しているといえる。このことを鑑みると、仮に、成長下地層1bの表面において互いに極性の異なる領域である反位区が併存する場合には、反位区の境界(反位境界)は一種の面欠陥となってしまう。この場合、熱処理後においても、この面欠陥に起因した欠陥が生じてしまうおそれがあり、好ましくない。よって、成長下地層1bは、その表面の極性が全体に揃っていることが好ましい。   In addition, as described above, AlN having a wurtzite structure constituting the growth underlayer 1b has a crystal structure that does not have a target center, and the direction of the crystal is reversed when Al atoms and nitrogen atoms are interchanged. become. That is, it can be said that the crystal has polarity according to the atomic arrangement. In view of this, if an inversion region that is a region having different polarities coexists on the surface of the growth base layer 1b, the inversion region boundary (inversion boundary) becomes a kind of surface defect. End up. In this case, even after the heat treatment, defects due to the surface defects may occur, which is not preferable. Therefore, it is preferable that the growth base layer 1b has the same surface polarity.

また、特にAlNを成長下地層1bのエピタキシャル膜として用いる場合、上記の転位低減効果は表面部分のみで見出されるものではなく、基材1aとIII族窒化物エピタキシャル膜界面の近傍0.01μm程度の範囲においても、表面部分と同程度に見出されることが特徴的である。これは、熱処理することにより、基板との界面近傍においても複数の刃状転位が合体消失が起こっていることによる。これは、加熱処理を行わない場合に、成長下地層1bであるAlNエピタキシャル膜の転位が、膜厚が厚くなるのに従い漸次に減少していくのと対照的である。   In particular, when AlN is used as the epitaxial film of the growth underlayer 1b, the above-described dislocation reduction effect is not found only in the surface portion, but is about 0.01 μm in the vicinity of the interface between the substrate 1a and the group III nitride epitaxial film. Also in the range, it is characteristic that it is found to the same extent as the surface portion. This is because a plurality of edge dislocations have disappeared due to heat treatment even in the vicinity of the interface with the substrate. This is in contrast to the case where the dislocation of the AlN epitaxial film, which is the growth base layer 1b, gradually decreases as the film thickness increases when heat treatment is not performed.

このような転位の低減状態を鑑みるに、AlNエピタキシャル膜を成長下地層1bとする基板1について、表面平坦性の向上のみならず、転位密度の低減の効果を引き出すには、成長下地層1bの厚みは、この刃状転位の合体消失がほぼ終わる膜厚である5nm以上であることが必要である。好ましくは、0.05μm以上である。これは、熱処理時にAlNエピタキシャル膜がエッチングされることによる膜厚減少を考慮したものである。   In view of such a reduced state of dislocation, in order to bring out not only the improvement of the surface flatness but also the reduction of the dislocation density in the substrate 1 using the AlN epitaxial film as the growth underlayer 1b, the growth underlayer 1b The thickness needs to be 5 nm or more, which is a film thickness at which the disappearance of the edge dislocations is almost finished. Preferably, it is 0.05 μm or more. This takes into account the reduction in film thickness due to the etching of the AlN epitaxial film during heat treatment.

加熱処理に用いる処理装置の内部には、水素成分、酸素成分、炭素成分などといったガス中の不純物を制御するための部材が配置されていてもよい。また、基板1を固定するための治具に本機能を持たせることもできる。   A member for controlling impurities in the gas such as a hydrogen component, an oxygen component, and a carbon component may be disposed inside the treatment apparatus used for the heat treatment. Moreover, this function can be given to a jig for fixing the substrate 1.

また、加熱処理の際、成長下地層1bの表面でのエッチングの抑制、不純物付着、あるいは過度な熱処理による表面荒れの抑制を目的として、成長下地層1bの表面上に、例えば窒化珪素からなる保護層を設けることもできる。ただし、特に、AlNエピタキシャル膜を成長下地層1bとして用いる場合は、その化学的安定性から、このような保護層を用いなくとも安定して熱処理の効果を得ることができる。   Further, during the heat treatment, for the purpose of suppressing etching on the surface of the growth base layer 1b, adhesion of impurities, or suppression of surface roughness due to excessive heat treatment, a protection made of, for example, silicon nitride is formed on the surface of the growth base layer 1b. Layers can also be provided. However, in particular, when an AlN epitaxial film is used as the growth underlayer 1b, the heat treatment effect can be obtained stably without using such a protective layer because of its chemical stability.

<厚膜成長>
厚膜層2は、HVPE法・MOCVD法等のCVD法や昇華法・フラックス法によってAlN系III族窒化物を基板1上にエピタキシャル成長させることにより形成される。原料コスト及び形成速度の観点では、HVPE法が好適である。HVPE法の場合、AlなどのIII族金属とHClガスなどのハイドライドガスとを500℃〜700℃程度の温度下で直接に反応させてIII族原料ガス(例えばAlClxガス)を生じさせ、これとNH3ガスとを反応させることによって、AlN系III族窒化物を生じさせ、これを例えば1100℃〜1700℃程度に加熱されてなる基板1上にエピタキシャル成長させる。高濃度のAl原料を供給することができることから、HVPE法によれば、他の成膜手法による形成速度(MOCVD法であればせいぜい数μm/hr)よりも大きな、例えば数十〜数百μm/hrという形成速度で単結晶膜を成長させることが、原理的には可能である。
<Thick film growth>
The thick film layer 2 is formed by epitaxially growing an AlN group III nitride on the substrate 1 by a CVD method such as HVPE method or MOCVD method, a sublimation method or a flux method. From the viewpoint of raw material cost and formation rate, the HVPE method is preferable. In the case of the HVPE method, a group III metal such as Al and a hydride gas such as HCl gas are directly reacted at a temperature of about 500 ° C. to 700 ° C. to generate a group III source gas (for example, AlCl x gas). And NH 3 gas are reacted to produce an AlN-based group III nitride, which is epitaxially grown on the substrate 1 heated to about 1100 ° C. to 1700 ° C., for example. Since high-concentration Al raw material can be supplied, the HVPE method has a rate higher than the rate of formation by other film forming methods (at most, several μm / hr for MOCVD method), for example, several tens to several hundreds μm. In principle, it is possible to grow a single crystal film at a formation rate of / hr.

厚膜層2は、10μm以上の厚みに、例えば数十〜数百μm程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。ただし、係る場合よりも薄く、あるいはさらに厚く形成することを除外するものではない。なお、厚膜層2には、意図的であるなしにかかわらず、不純物として、III族窒化物を構成する元素以外の元素が含まれても構わない。   The thick film layer 2 is a suitable example formed to a thickness of 10 μm or more, for example, a thickness of about several tens to several hundreds of μm. However, it is not excluded to form the film thinner or thicker than the case. The thick film layer 2 may contain elements other than those constituting the group III nitride as impurities, regardless of whether they are intentional.

AlN系III族窒化物からなる厚膜層2を、同じくAlN系III族窒化物からなる成長下地層1bの上に形成することは、基材1aの上に直接的に形成する場合に生じる、異相界面接合に伴う格子不整合あるいは結晶構造の違いによる結晶品質の劣化を防ぐことができる点で好適である。特に、HVPE法では界面部分での正確な条件制御が困難であるので、成長下地層1bを介さず直接に厚膜層2をHVPE法にて基材1a上に成長させた場合、その結晶品質は大幅に劣化してしまうことになるが、成長下地層1bの上に形成することで、このような状況は回避される。   Forming the thick film layer 2 made of AlN group III nitride on the growth base layer 1b also made of AlN group III nitride occurs when the layer is formed directly on the substrate 1a. This is preferable in that deterioration of crystal quality due to lattice mismatch or crystal structure difference accompanying heterogeneous interface bonding can be prevented. In particular, since it is difficult to accurately control conditions at the interface in the HVPE method, when the thick film layer 2 is directly grown on the substrate 1a by the HVPE method without using the growth base layer 1b, its crystal quality However, such a situation can be avoided by forming it on the growth base layer 1b.

さらに、本実施の形態においては、上述のように加熱処理を施すことによって転位の低減その他の結晶品質の改善がされてなる基板1を、具体的には加熱処理により処理前に比して転位密度が1/10程度にまで低減されてなる基板1を用いて厚膜層2を形成する。これにより、加熱処理を行わない場合に比して低転位の厚膜層2の形成が実現される。   Furthermore, in the present embodiment, the substrate 1 that has been subjected to heat treatment as described above to reduce dislocations and improve other crystal quality, specifically, the dislocation compared to before the treatment by heat treatment. The thick film layer 2 is formed by using the substrate 1 whose density is reduced to about 1/10. Thereby, formation of the thick film layer 2 with low dislocation is realized as compared with the case where heat treatment is not performed.

特に、成長下地層1bから厚膜層2へと貫通する貫通転位については、基板1の主面(成長面)に対して略垂直な方向に貫通しそのままの方向を保って成長するよりもむしろ、該方向に対して斜め方向に貫通し成長するものが支配的であること、さらには、係る成長に伴って貫通転位は厚膜層2の内部でほとんど合体消失することが確認される。すなわち、厚膜層2の形成に先立つ上述の加熱処理は、厚膜層2の厚み方向(高さ方向)への転位の成長を抑制するうえで効果があるといえる。貫通転位が残存する厚み範囲(つまりはほぼ全ての貫通転位が合体消失に至るまでの厚み範囲)は、成長下地層1bとの界面から概ね50μm程度の範囲であることから、これよりも十分に厚い厚膜層2を形成することで、加熱処理しない場合よりも低転位な領域を十分に有する厚膜層2を実現することができる。なお、少なくとも10μm以上の厚みに形成すれば、貫通転位が実質的に低減された領域を有する厚膜層2を得ることはできる。一方、厚膜層2の厚みが10μm以下である場合には、貫通転位の低減が必ずしも十分に実現されない場合がある。すなわち、本実施の形態に係る加熱処理は、10μm以上の厚膜層2を得ようとする場合により好適な手法であるといえる。   In particular, threading dislocations penetrating from the growth base layer 1b to the thick film layer 2 are grown rather than penetrating in a direction substantially perpendicular to the main surface (growth surface) of the substrate 1 and maintaining the same direction. It is confirmed that those that penetrate and grow in an oblique direction with respect to the direction are dominant, and that threading dislocations almost disappear together inside the thick film layer 2 with such growth. That is, it can be said that the above-described heat treatment prior to the formation of the thick film layer 2 is effective in suppressing the growth of dislocations in the thickness direction (height direction) of the thick film layer 2. The thickness range in which threading dislocations remain (that is, the thickness range until almost all threading dislocations have disappeared) is approximately 50 μm from the interface with the growth base layer 1b. By forming the thick thick film layer 2, it is possible to realize the thick film layer 2 having a sufficiently low dislocation region as compared with the case where the heat treatment is not performed. In addition, if it forms in the thickness of at least 10 micrometers or more, the thick film layer 2 which has the area | region where the threading dislocation was substantially reduced can be obtained. On the other hand, when the thickness of the thick film layer 2 is 10 μm or less, reduction of threading dislocations may not always be sufficiently realized. That is, it can be said that the heat treatment according to the present embodiment is a more suitable method when it is desired to obtain the thick film layer 2 of 10 μm or more.

基材1aと成長下地層1bとの間に熱応力が存在することに起因して、厚膜層2の、成長下地層1bとの界面近傍における面内方向に、引張応力が生じる場合には、厚膜層2内にクラックが発生することがある。これを回避するためには、厚膜層2の主面内格子定数が成長下地層1bの主面内格子定数以上であるように、結晶成長を行うことが好ましい。   When tensile stress occurs in the in-plane direction in the vicinity of the interface between the thick film layer 2 and the growth foundation layer 1b due to the presence of thermal stress between the substrate 1a and the growth foundation layer 1b. Cracks may occur in the thick film layer 2. In order to avoid this, it is preferable to perform crystal growth so that the in-plane lattice constant of the thick film layer 2 is equal to or greater than the in-plane lattice constant of the growth base layer 1b.

一方、厚膜層2の、成長下地層1bとの界面近傍における面内に、圧縮応力が生じる場合には、上述した転位を斜め方向に進行させることによって転位密度を抑制する効果がより促進される。従って、厚膜層2の主面内格子定数が、成長下地層1bの主面内格子定数より大きくなるように結晶成長を行うことが、より好ましい。具体的には、厚膜層2における、Ga、Inの組成を大きくするか、あるいは、下地層1bにおけるAl、Bの組成を大きくするか、あるいはこれらの組み合わせによって、係る結晶成長は実現される。   On the other hand, when compressive stress is generated in the plane of the thick film layer 2 in the vicinity of the interface with the growth base layer 1b, the effect of suppressing the dislocation density is further promoted by advancing the dislocations described above in an oblique direction. The Therefore, it is more preferable to perform crystal growth so that the main-plane lattice constant of the thick film layer 2 is larger than the main-plane lattice constant of the growth base layer 1b. Specifically, the crystal growth is realized by increasing the composition of Ga and In in the thick film layer 2, increasing the composition of Al and B in the underlayer 1b, or a combination thereof. .

なお、本実施の形態においては、あらかじめ加熱処理によって成長下地層1bの転位を低減させた上で、HVPE法等によって厚膜層2の形成を行うようにしているので、HVPE法等による厚膜層2の結晶成長の際に、転位の低減を目的として基板1を加熱する必要はない。従って、転位の低減が実現されることを意図として基板の加熱温度を設定する必要はなく、厚膜層2の成長について好適な温度条件を設定しさえすればよいので、HVPE成長中に高温加熱することによって転位の低減を図ろうとする技術に比して、処理条件を設定する上での制約が少ないといえる。例えば、厚膜層2を形成する際の基板1の加熱温度が、加熱処理における加熱温度よりも低い温度であってもよい。特に、係る温度関係をみたす厚膜層2の形成を、成長下地層1bの形成材料の熱膨張係数よりも基材1の熱膨張係数が大きい基板1を用いて行う場合には、両者の間に生じる熱応力により、厚膜層2の面内方向により大きな圧縮応力を生じることになるので、厚膜層2におけるクラックの発生をより低減させることができる。   In the present embodiment, the dislocation of the growth base layer 1b is reduced in advance by heat treatment, and then the thick film layer 2 is formed by the HVPE method or the like. Therefore, the thick film by the HVPE method or the like is used. During the crystal growth of the layer 2, it is not necessary to heat the substrate 1 for the purpose of reducing dislocations. Therefore, it is not necessary to set the heating temperature of the substrate with the intention of realizing the reduction of dislocations, and it is only necessary to set a suitable temperature condition for the growth of the thick film layer 2. By doing so, it can be said that there are few restrictions on setting the processing conditions, compared to a technique for reducing dislocations. For example, the heating temperature of the substrate 1 when forming the thick film layer 2 may be lower than the heating temperature in the heat treatment. In particular, when the formation of the thick film layer 2 satisfying such a temperature relationship is performed using the substrate 1 having a larger thermal expansion coefficient of the base material 1 than the thermal expansion coefficient of the forming material of the growth base layer 1b, between the two Since a large compressive stress is generated in the in-plane direction of the thick film layer 2 due to the thermal stress generated in, the occurrence of cracks in the thick film layer 2 can be further reduced.

さらには、基板温度と形成速度との関係を適宜に保つことによって、表面平坦性の良好な厚膜層2を形成することも可能である。その場合において、形成温度が1400℃以上であれば、形成速度の自由度が比較的高いことが確認されている。形成速度の制御は、Al原料ガスの供給量を制御することにより可能である。なぜならば、該供給量と厚膜層2の形成速度との間には、正の相関があるからである。ただし、具体的な供給量の範囲は、個々の製造装置の構成等によって適宜に定めることになる。なお、Al原料ガスの供給量に代えて、あるいはこれと共に、該製造装置の反応管内における形成時圧力や、NH3ガスの流量や、Al原料ガス等のガス流速のいずれか、あるいはこれらの一部若しくは全部を組み合わせた制御を行うことにより、形成速度を制御する態様であってもよい。   Furthermore, it is possible to form the thick film layer 2 with good surface flatness by appropriately maintaining the relationship between the substrate temperature and the formation speed. In that case, if the formation temperature is 1400 ° C. or higher, it has been confirmed that the degree of freedom in formation speed is relatively high. The formation rate can be controlled by controlling the supply amount of the Al source gas. This is because there is a positive correlation between the supply amount and the formation speed of the thick film layer 2. However, the specific supply amount range is appropriately determined depending on the configuration of each manufacturing apparatus. In addition to or in addition to the supply amount of the Al source gas, any of the pressure during formation in the reaction tube of the production apparatus, the flow rate of NH3 gas, the gas flow rate of the Al source gas, or a part thereof Or the aspect which controls formation speed by performing control which combined all may be sufficient.

なお、HVPE法による厚膜層2の形成に際しては、窒素ガスを主成分とすることで、厚膜層2の表面の平坦性をより向上させることができる。   When the thick film layer 2 is formed by the HVPE method, the flatness of the surface of the thick film layer 2 can be further improved by using nitrogen gas as a main component.

また、HVPE法にてAlClxガスとNH3ガスとを反応させる際には、形成時圧力を5Torr以上50Torr以下とするのが望ましい。こうした条件を選定した場合、気相中での反応が抑制されて、原料ガスの厚膜層2への取り込み率が大きくなるので、原料ガスの利用効率が高まるという利点がある。 Further, when the AlCl x gas and the NH 3 gas are reacted by the HVPE method, it is desirable that the forming pressure is 5 Torr or more and 50 Torr or less. When such conditions are selected, the reaction in the gas phase is suppressed, and the uptake rate of the source gas into the thick film layer 2 is increased, so that there is an advantage that the utilization efficiency of the source gas is increased.

以上、説明したように、本実施の形態によれば、所定の基材上にMOCVD法等によってエピタキシャル形成されてなるAlN系III族窒化物からなる成長下地層が形成されてなるエピタキシャル基板の上に、HVPE法等によってAlN系III族窒化物からなる厚膜層をエピタキシャル形成することによってAlN系III族窒化物厚膜を得る場合に、成長下地層を形成する際の加熱温度よりも高い温度であってかつ1500℃以上の温度で該エピタキシャル基板を加熱処理した上で、厚膜層の形成を行うようにすることで、厚膜層の低転位化を実現することができる。特に、10μm以上の膜厚を有するように厚膜層を形成するような場合に、低転位化の効果を好適に得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, on the epitaxial substrate formed with the growth base layer made of the AlN group III nitride formed epitaxially on the predetermined base material by MOCVD or the like. In addition, when an AlN group III nitride thick film is obtained by epitaxially forming a thick film layer made of AlN group III nitride by the HVPE method or the like, the temperature is higher than the heating temperature when forming the growth underlayer Moreover, the dislocation of the thick film layer can be reduced by forming the thick film layer after the epitaxial substrate is heated at a temperature of 1500 ° C. or higher. In particular, when the thick film layer is formed so as to have a thickness of 10 μm or more, the effect of lowering the dislocation can be suitably obtained.

すなわち、HVPE法等を用いた厚膜成長に先立って、加熱処理という比較的簡便な処理を施すだけで、厚膜層の成長に際して特別の構成を有する装置を用いたり、あるいは成長条件に特段の限定を加えたりしなくとも、低転位のAlN系III族窒化物からなる厚膜層を形成することができる。   That is, prior to thick film growth using the HVPE method or the like, only a relatively simple process such as heat treatment is performed, and an apparatus having a special configuration is used for the growth of the thick film layer. Even without limitation, a thick film layer made of low dislocation AlN group III nitride can be formed.

<変形例>
上述の実施の形態においては、加熱処理および厚膜成長に関し、主として、エピタキシャル膜として成長下地層を設けたテンプレート基板を用いる場合を対象に説明しているが、これに代わり、所定の単結晶基材の上に、アモルファスあるいは多結晶のいわゆる低温バッファ層を20nm程度の厚みで形成してなる下地基板を用いて結晶成長を行う場合であっても、下地基板に対する加熱処理は、結晶品質の優れた結晶層をその上に形成するうえで有効である。例えば、係る下地基板に対して1300℃以上の加熱温度で加熱処理を行い、その後、該加熱温度よりも低い形成温度にてIII族窒化物層を形成するようにすることで、結晶品質の優れたIII族窒化物単結晶層を得ることができる。
<Modification>
In the above-described embodiment, the heat treatment and the thick film growth are mainly described in the case of using a template substrate provided with a growth base layer as an epitaxial film, but instead of this, a predetermined single crystal substrate is used. Even when crystal growth is performed using a base substrate in which an amorphous or polycrystalline so-called low-temperature buffer layer is formed on a material with a thickness of about 20 nm, the heat treatment for the base substrate is excellent in crystal quality. It is effective in forming a crystalline layer on the substrate. For example, the base substrate is subjected to a heat treatment at a heating temperature of 1300 ° C. or higher, and then a group III nitride layer is formed at a formation temperature lower than the heating temperature, so that the crystal quality is excellent. Further, a group III nitride single crystal layer can be obtained.

(実施例1)
基材1aとして2インチ径の厚さ400μmの(0001)面サファイア単結晶を用いることとし、これを公知のMOCVD装置の反応容器内のサセプタに載置した。反応容器内の圧力を20Torr以下に設定した後、全ガスの平均流速を1m/sec以上となるように流量を設定し、基材1a自体の温度を1200℃まで昇温した。
Example 1
As the substrate 1a, a 2-inch diameter (0001) plane sapphire single crystal having a thickness of 400 μm was used, and this was placed on a susceptor in a reaction vessel of a known MOCVD apparatus. After setting the pressure in the reaction vessel to 20 Torr or less, the flow rate was set so that the average flow rate of all gases was 1 m / sec or more, and the temperature of the substrate 1a itself was raised to 1200 ° C.

その後、NH3ガスを供給して基材1aの表面に窒化処理を施した後、TMAとNH3とを供給して、成長下地層1bとして厚さ1μmのAlN層をエピタキシャル形成した。これにより、基板1を得た。この際、形成速度を1.5μm/hrとなるように、TMA及びNH3の供給量を設定した。AlNの(0002)面のX線ロッキングカーブを測定したところ、その半値幅は200秒以下であり、転位密度は8×109/cm2であり、AFM(原子間力顕微鏡)により原子ステップが明瞭に観察された。この際、III族原子面の成長を実現するために、AlN層成長中のIII族原料とV族原料の供給モル比が1:100となるように設定している。AlN層の成長終了後、基板1を反応容器から取り出した。 Thereafter, NH 3 gas was supplied to nitride the surface of the substrate 1a, and then TMA and NH 3 were supplied to epitaxially form an AlN layer having a thickness of 1 μm as the growth base layer 1b. Thereby, the substrate 1 was obtained. At this time, the supply amounts of TMA and NH 3 were set so that the formation rate was 1.5 μm / hr. When the X-ray rocking curve of the (0002) plane of AlN was measured, the half width was 200 seconds or less, the dislocation density was 8 × 10 9 / cm 2 , and the atomic step was measured by AFM (Atomic Force Microscope). Observed clearly. At this time, in order to realize the growth of the group III atomic plane, the supply molar ratio of the group III material and the group V material during the growth of the AlN layer is set to 1: 100. After the growth of the AlN layer was completed, the substrate 1 was taken out from the reaction vessel.

次に、基板1を公知の熱処理炉の炉室内の所定位置に配置して、炉室内の圧力を1気圧に保持しつつN2ガスを供給し、1650℃で2時間の加熱処理を行った。 Next, the substrate 1 was placed at a predetermined position in the furnace chamber of a known heat treatment furnace, N 2 gas was supplied while maintaining the pressure in the furnace chamber at 1 atm, and heat treatment was performed at 1650 ° C. for 2 hours. .

上記の加熱処理の後、AlN層の結晶品質を評価したところ、X線ロッキングカ−ブの(0002)面の半値幅が100秒、(10−12)面の半値幅が500秒であった。転位密度は、いずれも2×109/cm2であった。加熱処理の終了後、基板1を炉室内から取り出した。 When the crystal quality of the AlN layer was evaluated after the above heat treatment, the half width of the (0002) plane of the X-ray rocking curve was 100 seconds and the half width of the (10-12) plane was 500 seconds. . The dislocation density was 2 × 10 9 / cm 2 in all cases. After completion of the heat treatment, the substrate 1 was taken out from the furnace chamber.

次に、この基板1を公知のHVPE装置の反応管のサセプタに設置した。また、反応管内のボートには、金属Al原料を保持した、すなわち、III族元素としては、Alのみを用いるものとした。   Next, this board | substrate 1 was installed in the susceptor of the reaction tube of a well-known HVPE apparatus. Further, the boat in the reaction tube retained the metal Al raw material, that is, only Al was used as the group III element.

そして、反応管内の圧力を30Torrに設定するとともに、反応管内の気体反応領域の温度が550℃となるように、かつ、基板温度が1450℃となるように昇温を行った。昇温中は、NH3とN2ガスのみを供給している。 The pressure in the reaction tube was set to 30 Torr, and the temperature was increased so that the temperature of the gas reaction region in the reaction tube was 550 ° C. and the substrate temperature was 1450 ° C. During the temperature increase, only NH 3 and N 2 gas are supplied.

反応管内の圧力および温度が安定すると、それぞれのガス供給源から、NH3ガスと、H2ガスとHClガス(H2希釈、20%HClガス含有)とを所定のガス導入管を介してボートの近傍へと供給し、NH3ガスと、H2ガスとを、異なるガス導入管を介してサセプタで保持された基板1の近傍へ供給した。これにより、基板1の上にAlNからなる厚膜層2としてのAlN厚膜層を100μmの厚みにエピタキシャル形成させた。なお、係るAlN厚膜層の形成に際しては、HClの供給量を調整することによってAlNの成長速度が30μm/hrとなるように制御し、反応管内圧力は30Torrに設定している。 When the pressure and temperature in the reaction tube become stable, NH 3 gas, H 2 gas and HCl gas (H 2 diluted, containing 20% HCl gas) are supplied from each gas supply source through a predetermined gas introduction tube. Then, NH 3 gas and H 2 gas were supplied to the vicinity of the substrate 1 held by the susceptor via different gas introduction pipes. Thereby, an AlN thick film layer as a thick film layer 2 made of AlN was epitaxially formed on the substrate 1 to a thickness of 100 μm. In forming the AlN thick film layer, the supply rate of HCl is adjusted to control the AlN growth rate to be 30 μm / hr, and the pressure in the reaction tube is set to 30 Torr.

得られたAlN厚膜層の表面での転位密度は5×107/cm2であった。AlN厚膜層の内部の転位の状態をTEMにて確認したところ、転位の進行方向が、成長方向に対して大きく傾いており、転位同士の合体消失が顕著に生じていることが観察され、クラックも存在しなかった。なお、本実施例において、熱処理温度・時間の組み合わせを1550℃・20時間、1750℃・10分とした場合においても、同様の結果が確認された。 The dislocation density on the surface of the obtained AlN thick film layer was 5 × 10 7 / cm 2 . When the dislocation state inside the AlN thick film layer was confirmed by TEM, it was observed that the dislocation progress direction was greatly inclined with respect to the growth direction, and the coalescence disappearance between dislocations was remarkably generated. There were no cracks. In this example, the same results were confirmed when the combination of the heat treatment temperature and time was 1550 ° C./20 hours and 1750 ° C./10 minutes.

(実施例2)
基板1の加熱処理を、成長下地層1bとしてのAlN層の形成に用いたMOCVD装置内で、該AlN層の形成に引き続いて行ったほかは、実施例1と同様にAlN厚膜層の形成までを行った。MOCVD装置における加熱処理は、実施例1の場合と同様に、反応管内の圧力を1気圧に保持しつつN2ガスを供給し、1650℃で2時間行った。
(Example 2)
The AlN thick film layer is formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment of the substrate 1 is performed following the formation of the AlN layer in the MOCVD apparatus used to form the AlN layer as the growth base layer 1b. Went up. As in Example 1, the heat treatment in the MOCVD apparatus was performed at 1650 ° C. for 2 hours while supplying N 2 gas while maintaining the pressure in the reaction tube at 1 atm.

これにより得られたAlN厚膜層の転位の状態は、実施例1と同様であり、クラックも存在しなかった。   The dislocation state of the resulting AlN thick film layer was the same as in Example 1, and no cracks were present.

(実施例3)
基板1の加熱処理を、厚膜層2としてのAlN厚膜層の形成に用いたHVPE装置内で行い、その後引き続いて該装置にてAlN厚膜層の形成を行ったほかは、実施例1と同様にAlN厚膜層の形成までを行った。HVPE装置における加熱処理は、実施例1の場合と同様に、反応管内の圧力を1気圧に保持しつつN2ガスを供給し、1650℃で2時間行った。
(Example 3)
Example 1 except that the heat treatment of the substrate 1 was performed in the HVPE apparatus used to form the AlN thick film layer as the thick film layer 2 and subsequently the AlN thick film layer was formed in the apparatus. In the same manner as described above, the AlN thick film layer was formed. As in Example 1, the heat treatment in the HVPE apparatus was performed at 1650 ° C. for 2 hours while supplying N 2 gas while maintaining the pressure in the reaction tube at 1 atm.

これにより得られたAlN厚膜層の転位の状態は、実施例1と同様であり、クラックも存在しなかった。   The dislocation state of the resulting AlN thick film layer was the same as in Example 1, and no cracks were present.

(実施例4)
基材1aとして2インチ径の厚さ400μmの(0001)面6H−SiC単結晶を用いることとし、成長下地層1bとして厚さ0.5μmのAlN層をエピタキシャル形成する他、実施例1ないし3と同様にAlN厚膜層の形成を行った。
Example 4
In addition to using a (0001) 6H-SiC single crystal having a thickness of 400 μm with a diameter of 2 inches as the substrate 1a and forming an AlN layer with a thickness of 0.5 μm as the growth base layer 1b, the examples 1 to 3 In the same manner as described above, an AlN thick film layer was formed.

これにより得られたAlN厚膜層の転位の状態は、実施例1ないし3と同様であり、クラックも存在しなかった。   The dislocation state of the resulting AlN thick film layer was the same as in Examples 1 to 3, and no cracks were present.

(実施例5)
成長下地層1bを形成する際に、TMAとTEBとNH3とを供給して、成長下地層1bとして厚さ1μmのAl0.990.01N層をエピタキシャル形成する他、実施例1ないし3と同様にAlN厚膜層の形成を行った。
(Example 5)
When forming the growth foundation layer 1b, TMA, TEB and NH 3 are supplied to epitaxially form an Al 0.99 B 0.01 N layer having a thickness of 1 μm as the growth foundation layer 1b. Then, an AlN thick film layer was formed.

得られたAlN厚膜層の表面での転位密度は3×107/cm2であった。AlN厚膜層の内部の転位の状態をTEMにて確認したところ、転位の進行方向が、結晶成長方向に対して大きく傾いており、転位同士の合体消失が顕著に生じていることが観察され、クラックも存在しなかった。 The dislocation density on the surface of the obtained AlN thick film layer was 3 × 10 7 / cm 2 . When the dislocation state inside the AlN thick film layer was confirmed by TEM, it was observed that the dislocation progress direction was greatly inclined with respect to the crystal growth direction, and the dislocation of dislocations was noticeably lost. There were no cracks.

(実施例6)
厚膜層2として、金属Al原料及び金属Ga原料を用いてAl0.98Ga0.02N層を形成する他、実施例1ないし3と同様に厚膜層の形成を行った。
(Example 6)
As the thick film layer 2, a thick film layer was formed in the same manner as in Examples 1 to 3, except that an Al 0.98 Ga 0.02 N layer was formed using a metal Al raw material and a metal Ga raw material.

得られたAl0.98Ga0.02N厚膜層の表面での転位密度は3×107/cm2であった。Al0.98Ga0.02N厚膜層の内部の転位の状態をTEMにて確認したところ、転位の進行方向が、結晶成長方向に対して大きく傾いており、転位同士の合体消失が顕著に生じていることが観察された。 The dislocation density on the surface of the obtained Al 0.98 Ga 0.02 N thick film layer was 3 × 10 7 / cm 2 . When the dislocation state inside the Al 0.98 Ga 0.02 N thick film layer was confirmed by TEM, the dislocation progress direction was greatly inclined with respect to the crystal growth direction, and the dislocation disappearance between the dislocations occurred remarkably. It was observed.

(比較例1)
実施例1の加熱処理を省略した以外は、実施例1と同様に行った。すなわち、MOCVD装置におけるAlN層の形成後、加熱処理を行うことなくHVPE装置におけるAlN厚膜層の形成を行った。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the heat treatment in Example 1 was omitted. That is, after the formation of the AlN layer in the MOCVD apparatus, the AlN thick film layer was formed in the HVPE apparatus without performing heat treatment.

これにより得られたAlN厚膜層の表面での転位密度は、8×109/cm2であった。また、AlN厚膜層の内部の転位の状態を確認したところ、概ね結晶成長方向に対して略平行に進行していることが観察された。合体消失は、一部に生じているのみであり、クラックの存在が確認された。 The dislocation density at the surface of the AlN thick film layer thus obtained was 8 × 10 9 / cm 2 . Further, when the state of dislocation inside the AlN thick film layer was confirmed, it was observed that the dislocation was proceeding substantially parallel to the crystal growth direction. The disappearance of coalescence occurred only in part, and the presence of cracks was confirmed.

(比較例2)
AlN厚膜層の形成を、実施例1で用いたMOCVD装置を用いて行った。厚みは、100μmとした。その他の作製条件は、成長下地層1bとしてAlN層を形成する場合と同様とした。
(Comparative Example 2)
The AlN thick film layer was formed using the MOCVD apparatus used in Example 1. The thickness was 100 μm. The other fabrication conditions were the same as in the case where an AlN layer was formed as the growth foundation layer 1b.

これにより得られたAlN厚膜層の表面での転位密度は5×109/cm2であった。AlN厚膜層の内部の転位の状態を確認したところ、転位の進行方向が、概ね結晶成長方向に対して略平行であることが観察された。合体消失は、一部に生じているのみであり、クラックの存在が確認された。 The dislocation density on the surface of the AlN thick film layer thus obtained was 5 × 10 9 / cm 2 . When the state of dislocation inside the AlN thick film layer was confirmed, it was observed that the direction of dislocation progression was substantially parallel to the crystal growth direction. The disappearance of coalescence occurred only in part, and the presence of cracks was confirmed.

本発明の実施の形態に係るAlN系III族窒化物厚膜の形成を説明するための模式図である。It is a mimetic diagram for explaining formation of an AlN system group III nitride thick film concerning an embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
1a 基材
1b 成長下地層
2 厚膜層
3 積層構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1a Base material 1b Growth base layer 2 Thick film layer 3 Laminated structure

Claims (11)

所定の基材の上に全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上のIII族窒化物からなる下地層を形成することにより成長用基板を得る第1形成工程と、
前記成長用基板の上に10μm以上の膜厚のAlNからなる結晶層を形成する第2形成工程と、
を含むAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程における前記下地層の形成温度よりも高い温度であってかつ1500℃以上の温度を加熱温度として前記成長用基板を加熱する加熱工程、
をさらに備え、
前記加熱工程を経た成長用基板を用いて前記第2形成工程を行う、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A first forming step of obtaining a growth substrate by forming a base layer made of a group III nitride having a proportion of Al in all group III elements of 80 mol% or more on a predetermined base material;
A second forming step of forming a crystal layer made of AlN having a thickness of 10 μm or more on the growth substrate;
A method for producing an AlN crystal containing
A heating step of heating the growth substrate using a temperature higher than the formation temperature of the base layer in the first formation step and a temperature of 1500 ° C. or higher as a heating temperature;
Further comprising
Performing the second forming step using the growth substrate that has undergone the heating step;
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1に記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程における前記下地層の形成膜厚が前記第2の形成工程における前記結晶層の形成膜厚より小さい、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to claim 1,
The formation thickness of the underlayer in the first formation step is smaller than the formation thickness of the crystal layer in the second formation step,
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1または請求項2に記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程における前記下地層の形成速度が前記第2の形成工程における前記結晶層の形成速度よりも小さい、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to claim 1 or claim 2,
The formation rate of the underlayer in the first formation step is smaller than the formation rate of the crystal layer in the second formation step;
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程をMOCVD法によって行い、前記第2形成工程をHVPE法によって行う、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 3,
The first forming step is performed by MOCVD method, and the second forming step is performed by HVPE method.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程においては、AlNからなる前記下地層をエピタキシャル形成する、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 4,
In the first forming step, the base layer made of AlN is epitaxially formed.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第2形成工程における前記結晶層の形成温度が前記加熱温度以下である、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 5,
The formation temperature of the crystal layer in the second formation step is equal to or lower than the heating temperature.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項6に記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第2形成工程における前記結晶層の形成温度が1400℃以上である、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to claim 6,
The formation temperature of the crystal layer in the second formation step is 1400 ° C. or higher.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記第1形成工程における前記結晶層の形成温度が1300℃以下である、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 7,
The formation temperature of the crystal layer in the first formation step is 1300 ° C. or lower.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記加熱工程を前記第1形成工程及び第2形成工程に用いる加熱手段とは異なる加熱手段を用いて行う、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 8,
The heating step is performed using a heating means different from the heating means used in the first forming step and the second forming step.
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法であって、
前記加熱工程を窒素ガス雰囲気下で行う、
ことを特徴とするAlN結晶の作製方法。
A method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 9 ,
Performing the heating step in a nitrogen gas atmosphere;
A method for producing an AlN crystal characterized by the above.
請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のAlN結晶の作製方法を用いて作製されてなるAlN厚膜。An AlN thick film produced by using the method for producing an AlN crystal according to any one of claims 1 to 9.
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