[go: up one dir, main page]

JP2010278470A - Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same - Google Patents

Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2010278470A
JP2010278470A JP2010191049A JP2010191049A JP2010278470A JP 2010278470 A JP2010278470 A JP 2010278470A JP 2010191049 A JP2010191049 A JP 2010191049A JP 2010191049 A JP2010191049 A JP 2010191049A JP 2010278470 A JP2010278470 A JP 2010278470A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride semiconductor
iii nitride
group iii
substrate
growth substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010191049A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryuichi Toba
隆一 鳥羽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dowa Holdings Co Ltd
Dowa Electronics Materials Co Ltd
Original Assignee
Dowa Holdings Co Ltd
Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dowa Holdings Co Ltd, Dowa Electronics Materials Co Ltd filed Critical Dowa Holdings Co Ltd
Priority to JP2010191049A priority Critical patent/JP2010278470A/en
Publication of JP2010278470A publication Critical patent/JP2010278470A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial substrate for group-III nitride semiconductors, a group-III nitride semiconductor element, and a stand-alone substrate for group-III nitride semiconductors, which produce good crystallinity not only for materials having growth temperatures at or below 1050°C, such as AlGaN, GaN, and GaInN, but also for high-Al Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N compositions having high growth temperatures, and also to provide a substrate for growing group-III nitride semiconductors, for fabricating the same, and a method for efficient fabrication thereof. <P>SOLUTION: These are characterized by being provided with a crystal growth substrate, at least the surface region of which includes an aluminum-containing group-III nitride semiconductor, and a scandium nitride film formed on top of the surface region. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体成長用基板、III族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板、ならびに、これらの製造方法に関する。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor growth substrate, a group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor device, a group III nitride semiconductor free-standing substrate, and a method for manufacturing these.

一般に、Al、GaなどとNとの化合物からなるIII族窒化物半導体で構成される例えばIII族窒化物半導体素子は、発光素子または電子デバイス用素子として広く用いられている。このようなIII族窒化物半導体は、現在、例えばサファイアからなる結晶成長基板上に、MOCVD法により形成されるのが一般的である。   Generally, for example, a group III nitride semiconductor element composed of a group III nitride semiconductor composed of a compound of Al, Ga, etc. and N is widely used as a light emitting element or an electronic device element. Such a group III nitride semiconductor is currently generally formed by MOCVD on a crystal growth substrate made of, for example, sapphire.

しかしながら、III族窒化物半導体と結晶成長基板(一般にはサファイア)とは、格子定数が大きく異なるため、この格子定数の差に起因する転位が生じ、結晶成長基板上に成長させたIII族窒化物半導体層の結晶品質が低下してしまうという問題がある。   However, since the lattice constants of Group III nitride semiconductors and crystal growth substrates (generally sapphire) are greatly different, dislocations are generated due to the difference in lattice constants, and Group III nitrides grown on the crystal growth substrate. There exists a problem that the crystal quality of a semiconductor layer will fall.

この問題を解決するため、従来、例えばサファイア基板上に、低温多結晶または非晶質状態のバッファ層を介してGaN層を成長させる方法が広く用いられていた。しかし、サファイア基板の熱伝導率が小さいこと、絶縁性で電流を流せないため、サファイア基板の片面にn電極とp電極とを形成して電流を流す構成を取るため、大電流を流しにくく、また放熱性が悪いため高出力の発光ダイオード(LED)の作成には不適である。
このため、導電性で熱伝導率が大きい別の支持基板に貼り替えて、縦方向に電流を流せる構造とし、GaNのエネルギーギャップよりも大きな量子エネルギーを持つレーザー光を、サファイア基板上に形成されているGaN層に照射してGaと窒素に熱分解させ、サファイア基板とIII族窒化物半導体層とを剥がすレーザーリフトオフ法などの方法が採られている。
In order to solve this problem, conventionally, for example, a method of growing a GaN layer on a sapphire substrate through a low-temperature polycrystalline or amorphous buffer layer has been widely used. However, since the thermal conductivity of the sapphire substrate is small and current cannot flow due to insulation, the n electrode and the p electrode are formed on one side of the sapphire substrate so that the current flows. In addition, because of its poor heat dissipation, it is not suitable for making high-power light-emitting diodes (LEDs).
For this reason, it is affixed to another support substrate that is conductive and has high thermal conductivity so that current can flow in the vertical direction, and laser light with quantum energy larger than the energy gap of GaN is formed on the sapphire substrate. A method such as a laser lift-off method is employed in which a GaN layer is irradiated and thermally decomposed into Ga and nitrogen to peel off the sapphire substrate and the group III nitride semiconductor layer.

また、他の従来技術としては、特許文献1〜3に、サファイア基板上に、金属窒化物層を介してGaN層を成長させる技術が開示されている。この方法によれば、GaN層の転位密度を上記技術と比較して低減することができ、高品質のGaN層を成長させることが可能である。これは、金属窒化物層であるCrN層等とGaN層との格子定数および熱膨張係数の差が比較的小さいためである。また、このCrN層は、化学エッチング液で選択的にエッチングすることができ、ケミカルリフトオフ法を用いるプロセスにおいて有用である。   As other conventional techniques, Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for growing a GaN layer on a sapphire substrate via a metal nitride layer. According to this method, the dislocation density of the GaN layer can be reduced as compared with the above technique, and a high-quality GaN layer can be grown. This is because the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the GaN layer and the CrN layer, which is a metal nitride layer, is relatively small. Further, this CrN layer can be selectively etched with a chemical etching solution, and is useful in a process using a chemical lift-off method.

しかしながら、青色よりも短波長領域(例えば波長が400nm以下)の光を発生させるための窒化物半導体素子において、発生させるべき光の波長を短波長化するほど、窒化物半導体素子のAlxGa1-xN層のAl組成xを大きくする必要がある。概ねAl組成が30原子%を超えるAlxGa1-xNの成長温度は、CrNの融点である1050℃程度を超える。このため、CrN層上に概ねAl組成が30原子%を超えるAlxGa1-xNを含むIII族窒化物半導体層を成長させると、高温度環境下でCrNが溶融し、偏在等により、化学エッチングで除去することが困難となり、ケミカルリフトオフが困難となる。このことは、ケミカルリフトオフ法を採用する場合、CrN層は、窒化物半導体素子のAlxGa1-xN層のAl組成xの値は、概ね0.3以下の場合にしか使用できず、製造する発光素子には波長制限があることを示す。したがって、素子形成プロセスでケミカルリフトオフ法を採用する場合には、成長温度が高い高Al組成のAlxGa1-xNを成長させるためのバッファ層としては、CrNを用いることはできず、1050℃を超える高温の熱処理をおこなっても、化学エッチングにより除去が容易で、ケミカルリフトオフ法に適した材料が求められていた。
CrNの代わりに、高融点の金属を使用することも考えられるが、高融点の金属(Zr、Hf等)は、化学エッチングで溶解除去するには、腐食性が強いフッ酸系エッチング液を使用する必要がある。ケミカルリフトオフの際、前記のフッ酸系エッチング液を使用した場合には、基板や電極等に対する腐食性が強く、その保護対策が必要であり、その分、製造コストが高くなり、製造工程の自由度が低くなることが考えられた。
However, in a nitride semiconductor device for generating light in a shorter wavelength region than blue (for example, a wavelength of 400 nm or less), the shorter the wavelength of light to be generated, the more Al x Ga 1 of the nitride semiconductor device. -x It is necessary to increase the Al composition x of the N layer. The growth temperature of Al x Ga 1-x N whose Al composition generally exceeds 30 atomic% exceeds about 1050 ° C., which is the melting point of CrN. For this reason, when a group III nitride semiconductor layer containing Al x Ga 1-x N whose Al composition generally exceeds 30 atomic% is grown on the CrN layer, CrN melts in a high temperature environment, and due to uneven distribution, It becomes difficult to remove by chemical etching, and chemical lift-off becomes difficult. This means that when the chemical lift-off method is adopted, the CrN layer can be used only when the value of the Al composition x of the Al x Ga 1-x N layer of the nitride semiconductor device is approximately 0.3 or less, and is manufactured. It shows that the light emitting element has wavelength limitation. Therefore, when the chemical lift-off method is used in the element formation process, CrN cannot be used as a buffer layer for growing Al x Ga 1-x N having a high growth temperature and a high Al composition. There has been a demand for a material suitable for the chemical lift-off method, which can be easily removed by chemical etching even when heat treatment at a temperature higher than 0 ° C. is performed.
It is conceivable to use a metal with a high melting point instead of CrN, but use a highly corrosive hydrofluoric acid etching solution to dissolve and remove high melting point metals (Zr, Hf, etc.) by chemical etching. There is a need to. When the above-mentioned hydrofluoric acid-based etching solution is used at the time of chemical lift-off, the corrosiveness to the substrate and the electrode is strong, and the protection measures are necessary, and the manufacturing cost is increased correspondingly, and the manufacturing process is free. The degree was considered to be low.

WO2006/126330号公報WO2006 / 126330 特開2008−91728号公報JP 2008-91728 A 特開2008−91729号公報JP 2008-91729 A

本発明の目的は、上述した問題を解決し、成長温度が1050℃以下のAlGaNやGaNやGaInNだけでなく、成長温度が高い高Al組成のAlxGa1-xNにおいても、デバイス製造工程でケミカルリフトオフ法を採用することが可能である、結晶性の良いIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子、III族窒化物半導体自立基板およびこれらを製造するためのIII族窒化物半導体成長用基板、ならびに、これらを効率よく製造する方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and not only for AlGaN, GaN, and GaInN having a growth temperature of 1050 ° C. or lower, but also for Al x Ga 1-x N having a high Al composition and a high growth temperature. A group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor device, a group III nitride semiconductor free-standing substrate, and a group III nitride for manufacturing them, which can employ the chemical lift-off method It is an object of the present invention to provide a substrate for semiconductor growth and a method for efficiently manufacturing them.

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、前記表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板。
In order to achieve the above object, the gist of the present invention is as follows.
(1) A group III nitride semiconductor growth comprising a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al and a scandium nitride film formed on the surface portion. substrate.

(2)前記スカンジウム窒化物膜は、面方位が{111}の結晶方位をもつことを特徴とする上記(1)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (2) The group III nitride semiconductor growth substrate according to (1) above, wherein the scandium nitride film has a crystal orientation of {111} in the plane orientation.

(3)前記III族窒化物半導体の表面の面方位が{0001}である上記(1)または(2)に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (3) The group III nitride semiconductor growth substrate according to (1) or (2) above, wherein the surface orientation of the group III nitride semiconductor is {0001}.

(4)前記スカンジウム窒化物膜の厚さは、3〜100nmである上記(1)〜(3)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (4) The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (3), wherein the scandium nitride film has a thickness of 3 to 100 nm.

(5)前記結晶成長基板のベース基板が、サファイア、Si、SiC、GaNのいずれかであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (5) The group III nitride semiconductor growth according to any one of (1) to (4) above, wherein a base substrate of the crystal growth substrate is any one of sapphire, Si, SiC, and GaN. Substrate.

(6)前記少なくとも表面部分が、AlNからなる上記(1)〜(5)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (6) The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (5), wherein the at least surface portion is made of AlN.

(7)前記スカンジウム窒化物膜は、三角錐形状の複数の微結晶部からなり、該複数の微結晶部が前記表面部分上に一様に形成されていることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   (7) The scandium nitride film includes a plurality of triangular pyramid-shaped microcrystalline portions, and the plurality of microcrystalline portions are uniformly formed on the surface portion. The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of to (6).

(8)上記(1)〜(7)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。   (8) A Group III nitride comprising at least one Group III nitride semiconductor layer on the Group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (7) above Semiconductor epitaxial substrate.

(9)上記(1)〜(7)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半体自立基板。   (9) A group III nitride half-body self-supporting substrate manufactured using the group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (7) above.

(10)上記(1)〜(7)のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体素子。   (10) A Group III nitride semiconductor device manufactured using the Group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of (1) to (7) above.

(11)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。   (11) A step of forming a metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface part of Al, and heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas And a step of forming a scandium nitride film by performing a nitriding treatment, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor growth substrate.

(12)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製する工程と、前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離する工程と、前記III族窒化物半導体層側に支持基板を形成する工程と、前記スカンジウム窒化物膜を選択エッチングすることにより、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体素子を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。   (12) A step of forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas Forming a scandium nitride film by nitriding to produce a group III nitride semiconductor growth substrate, and at least one group III nitride semiconductor above the group III nitride semiconductor growth substrate. Forming a group III nitride semiconductor epitaxial substrate by epitaxially growing the layers, isolating the at least one group III nitride semiconductor layer, and forming a support substrate on the group III nitride semiconductor layer side And the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate are separated by chemical lift-off by selectively etching the scandium nitride film. A method for producing a group III nitride semiconductor device comprising the step of obtaining a compound semiconductor device.

(13)少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記スカンジウム窒化物膜を選択エッチングすることにより、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体自立基板を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。   (13) A step of forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface part of Al, and heating the metal layer in an atmospheric gas containing ammonia gas Forming a scandium nitride film by nitriding to produce a group III nitride semiconductor growth substrate, and at least one group III nitride semiconductor above the group III nitride semiconductor growth substrate. A step of epitaxially growing a layer, and a step of selectively etching the scandium nitride film to separate the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate by chemical lift-off to obtain a group III nitride semiconductor free-standing substrate A method for manufacturing a group III nitride semiconductor free-standing substrate, comprising:

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板は、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層をケミカルリフトオフにより容易に剥離することができる。
さらに、ケミカルリフトオフの際、酸性溶液をエッチング液として用いることにより結晶成長基板からIII族窒化物半導体層を容易に剥離することができる。エッチング液としては、例えば塩酸水溶液、硝酸水溶液、硫酸と硝酸の混酸、有機酸等を使用することができ、用いる支持基板や電極材などは溶けずに、ScNのみが溶解されるような酸性溶液を適宜選択することができる。
The substrate for group III nitride semiconductor growth of the present invention comprises a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and a scandium nitride film formed on the surface portion, Without significantly impairing the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) formed thereafter, and The group III nitride semiconductor layer can be easily peeled off from the crystal growth substrate by chemical lift-off.
Furthermore, at the time of chemical lift-off, the group III nitride semiconductor layer can be easily peeled from the crystal growth substrate by using an acidic solution as an etching solution. For example, an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous nitric acid solution, a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid, an organic acid, or the like can be used as an etching solution, and an acidic solution in which only ScN is dissolved without dissolving a supporting substrate or an electrode material to be used. Can be appropriately selected.

また、本発明によれば、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いることにより、ケミカルリフトオフにより基板除去が可能であり、かつ、CrN材料を用いた場合の波長制限を超えて、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、言い換えれば、1200℃以上の高温で成長されるAlNから500℃前後で成長されるInNまでを含むAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の全組成域の成長温度帯をカバーできる、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板を提供することができる。 Further, according to the present invention, by using the above-mentioned group III nitride semiconductor growth substrate, it is possible to remove the substrate by chemical lift-off, and the group III nitriding exceeds the wavelength limit when using a CrN material. covering things semiconductor material with a cover capable entire wavelength range (200nm~1.5μm), in other words, Al x Ga y in 1 comprising from AlN grown at a high temperature of at least 1200 ° C. until InN grown at 500 ° C. before and after Group III nitride semiconductor epitaxial substrate with good crystallinity that can cover the growth temperature range of the entire composition region of -xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), III A group nitride semiconductor device and a group III nitride semiconductor free-standing substrate can be provided.

さらに、本発明によれば、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、前記金属層に対して窒化処理を施す工程とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層をケミカルリフトオフにより容易に剥離することができるIII族窒化物半導体成長用基板を製造することができる。 Furthermore, according to the present invention, a step of forming a metal layer made of Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor containing at least Al on the surface portion, and nitriding treatment is performed on the metal layer by comprising the step, crystals then formed III-nitride semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) Thus, it is possible to manufacture a group III nitride semiconductor growth substrate that can easily separate the group III nitride semiconductor layer from the crystal growth substrate by chemical lift-off without significantly impairing the properties.

加えて、本発明は、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いて、ケミカルリフトオフを行うことにより、CrN材料を用いた場合の波長制限を超えて、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板を効率よく製造することができる。   In addition, the present invention provides a wavelength that can be covered with a group III nitride semiconductor material by exceeding the wavelength limit when using a CrN material by performing chemical lift-off using the above group III nitride semiconductor growth substrate. A group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor element, and a group III nitride semiconductor free-standing substrate with good crystallinity that cover the entire band (200 nm to 1.5 μm) can be efficiently manufactured.

本発明に従う窒化物半導体用基板の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the board | substrate for nitride semiconductors according to this invention. 本発明に従う窒化物半導体素子構造体の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor element structure according to this invention. X線回折装置による2θ/ωスキャン測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of 2 (theta) / omega scan measurement by a X-ray-diffraction apparatus. 本発明に従う試料の表面SEM写真である。4 is a surface SEM photograph of a sample according to the present invention. 本発明に従う試料の表面SEM写真である。4 is a surface SEM photograph of a sample according to the present invention. 本発明に従う試料の表面SEM写真である。4 is a surface SEM photograph of a sample according to the present invention. 本発明に従う試料の表面SEM写真である。4 is a surface SEM photograph of a sample according to the present invention. 本発明に従う試料のAFMによる表面高さ像である。It is the surface height image by AFM of the sample according to this invention. 本発明に従う試料の発光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum of the sample according to this invention.

次に、本発明のIII族窒化物半導体成長用基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。ここで、本発明におけるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板とは、上記III族窒化物半導体成長用基板上に、少なくとも1層のIII族窒化物半導体層を成長させたものをいい、III族窒化物半導体素子とは、上記III族窒化物半導体エピタキシャル基板に対して、電極蒸着などのデバイスプロセスを施したもの、および、素子分離したものをいい、そして、III族窒化物半導体自立基板とは、少なくとも50μm以上の厚さのIII族窒化物半導体層を上記III族窒化物半導体成長用基板上に成長させた後、このIII族窒化物半導体成長用基板を剥がして得られたものをいう。図1は、この発明に従うIII族窒化物半導体成長用基板の断面構造を模式的に示したものである。   Next, an embodiment of a group III nitride semiconductor growth substrate of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the group III nitride semiconductor epitaxial substrate in the present invention refers to a substrate in which at least one group III nitride semiconductor layer is grown on the group III nitride semiconductor growth substrate. A semiconductor element refers to a group III nitride semiconductor epitaxial substrate that has been subjected to a device process such as electrode deposition, and an element separated, and a group III nitride semiconductor free-standing substrate is at least This is obtained by growing a group III nitride semiconductor layer having a thickness of 50 μm or more on the group III nitride semiconductor growth substrate and then peeling the group III nitride semiconductor growth substrate. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a group III nitride semiconductor growth substrate according to the present invention.

図1に示すIII族窒化物半導体成長用基板1は、少なくとも表面部分、図1では表面部分2が少なくともAlを含むIII族窒化物半導体であり、この表面部分を有する結晶成長基板3と、表面部分2上に形成されたスカンジウム窒化物からなる窒化物膜4とを具え、かかる構成を採用することにより、スカンジウム窒化物膜4の上方に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を大きく損なわず、かつ、III族窒化物半導体層から結晶成長基板3をケミカルリフトオフにより剥離することを可能にしたものである。なお、図中のハッチングは、説明のため、便宜上施したものである。   A group III nitride semiconductor growth substrate 1 shown in FIG. 1 is a group III nitride semiconductor including at least a surface portion, and in FIG. 1, a surface portion 2 containing at least Al. A crystal growth substrate 3 having this surface portion, and a surface A nitride film 4 made of scandium nitride formed on the portion 2 and adopting such a configuration increases the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer formed above the scandium nitride film 4. The crystal growth substrate 3 can be peeled off from the group III nitride semiconductor layer by chemical lift-off without damage. In addition, the hatching in a figure is given for convenience for description.

III族窒化物半導体成長用基板1は、前記スカンジウム窒化物膜4上に形成された、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる少なくとも一層、図1では2層のバッファ層5a,5bからなる初期成長層5をさらに具えるのが好ましい。その上に成長させる窒化物半導体層結晶性を向上させるためである。これらバッファ層のAl組成は、その上に形成される材料に応じて適宜選択することができる。なお少量のInを含んでいても良い。 A group III nitride semiconductor growth substrate 1 is formed of at least one layer of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) formed on the scandium nitride film 4, and two buffer layers in FIG. It is preferable to further include an initial growth layer 5 composed of 5a and 5b. This is to improve the crystallinity of the nitride semiconductor layer grown thereon. The Al composition of these buffer layers can be appropriately selected according to the material formed thereon. A small amount of In may be included.

結晶成長基板3は、例えば、サファイア、Si、SiC若しくはGaNやAlGaNのようなIII族窒化物半導体の成長に用いられる材料のベース基板6上に少なくともAlを含むIII族窒化物半導体2を有するテンプレート基板、III族窒化物半導体2の単結晶基板、または、サファイアの表面を窒化して形成される表面窒化サファイア基板とすることができる。図1は、結晶成長基板3が、サファイア基板6上にAlN単結晶層2を有するAlNテンプレート基板である場合を示したものである。この少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる表面部分2は、この上方に成長させるAlGaN層の結晶欠陥を低減させる効果を有する。   The crystal growth substrate 3 is, for example, a template having a group III nitride semiconductor 2 containing at least Al on a base substrate 6 made of a material used for growing a group III nitride semiconductor such as sapphire, Si, SiC, or GaN or AlGaN. It can be a substrate, a single crystal substrate of group III nitride semiconductor 2, or a surface nitrided sapphire substrate formed by nitriding the surface of sapphire. FIG. 1 shows a case where the crystal growth substrate 3 is an AlN template substrate having an AlN single crystal layer 2 on a sapphire substrate 6. The surface portion 2 made of a group III nitride semiconductor containing at least Al has an effect of reducing crystal defects in the AlGaN layer grown thereabove.

結晶成長基板3は、少なくとも表面部分2が、Al組成が50原子%以上のAlxGa1-xN(0.5≦x≦1)からなるのがより好ましく、80原子%以上のAlxGa1-xN(0.8≦x≦1)からなるのがさらに好ましい。上方に成長させるIII族窒化物半導体層のAl組成と同等程度の場合、ホモエピタキシャル成長となり、転位欠陥密度の少ない良好な結晶性を持つ層を成長させることができるためである。また、上方に成長させるIII族窒化物半導体層のAl組成よりも高くすると、圧縮応力によりさらに転位低減の効果を期待できること、および、III族窒化物半導体材料の中で成長温度が最も高く、その上に成長させるIII族窒化物半導体層の成長時に劣化しないことから、表面部分2はAlNからなるのがもっとも好ましい。 Crystal growth substrate 3, at least the surface portion 2, more preferably consisting of Al composition of 50 atom% Al x Ga 1-x N (0.5 ≦ x ≦ 1), of more than 80 atomic% Al x Ga 1 More preferably, it consists of -xN (0.8≤x≤1). This is because homoepitaxial growth occurs when the Al composition of the group III nitride semiconductor layer grown upward is equivalent, and a layer having good crystallinity with low dislocation defect density can be grown. Further, when the Al composition of the group III nitride semiconductor layer grown upward is higher than that of the group III nitride semiconductor layer, the effect of further reducing dislocation can be expected by compressive stress, and the growth temperature is the highest among group III nitride semiconductor materials. The surface portion 2 is most preferably made of AlN because it does not deteriorate during the growth of the group III nitride semiconductor layer grown thereon.

スカンジウム窒化物(ScN)膜4は、金属Sc膜を窒化処理することにより得ることができる。ScN材料は、高融点であり、かつ、多様な酸性溶液をエッチング液として用いて溶解除去が可能であるという優れた物性を有する。また、ScN結晶は、岩塩構造であるが、結晶成長基板3の少なくとも表面部分2をAlを含むIII族窒化物半導体材料とした場合、このAlを含むIII族窒化物半導体の結晶構造と同じ三回回転軸を有する(111)面方位に配列し、a軸の格子定数および線膨張係数が前記Alを含むIII族窒化物半導体のものと近くなる。CrNを用いた場合と異なり、サファイア基板上にAlを含むIII族窒化物半導体材料を介さず直接ScNを形成した場合は、ScNとサファイアとの格子定数差が大きいためにScNの配向性が悪く、その上に良質なIII族窒化物半導体層を成長させることは困難である。   The scandium nitride (ScN) film 4 can be obtained by nitriding a metal Sc film. The ScN material has an excellent physical property that it has a high melting point and can be dissolved and removed by using various acidic solutions as etching solutions. The ScN crystal has a rock salt structure, but when at least the surface portion 2 of the crystal growth substrate 3 is made of a group III nitride semiconductor material containing Al, the same three crystal structures as those of the group III nitride semiconductor containing Al are included. Arranged in the (111) plane orientation having a rotation axis, the lattice constant and linear expansion coefficient of the a axis are close to those of the group III nitride semiconductor containing Al. Unlike the case of using CrN, when ScN is formed directly on a sapphire substrate without using a group III nitride semiconductor material containing Al, the ScN orientation is poor due to the large lattice constant difference between ScN and sapphire. It is difficult to grow a high-quality group III nitride semiconductor layer thereon.

スカンジウム窒化物膜4の厚さは、3〜100nmとするのが好ましい。3nm未満であると、スカンジウム窒化物膜4が薄すぎてエッチング液が入り込みにくくなったり、あるいは、金属Sc層の厚さが窒化処理によって不連続状態となり、下地基板である結晶成長基板表面が露出して、結晶成長基板上にIII族窒化物半導体層が直接成長したりして、ケミカルリフトオフが困難となる場合がある。一方、100nmを超えると、スカンジウム窒化物膜自体の固相エピによる高結晶化が望めず、その上のIII族窒化物半導体層の結晶性が悪化し、欠陥が増加する可能性があるためである。また、このスカンジウム窒化物膜4は、スパッタ法や真空蒸着法などの方法を用いて結晶成長基板3上に金属Sc層を形成し、窒化処理することにより形成させることができる。   The thickness of the scandium nitride film 4 is preferably 3 to 100 nm. If it is less than 3 nm, the scandium nitride film 4 is too thin to make it difficult for the etching solution to enter, or the thickness of the metal Sc layer becomes discontinuous by the nitriding treatment, and the surface of the crystal growth substrate that is the base substrate is exposed. In some cases, the group III nitride semiconductor layer directly grows on the crystal growth substrate, making chemical lift-off difficult. On the other hand, if it exceeds 100 nm, high crystallization due to solid phase epitaxy of the scandium nitride film itself cannot be expected, and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer thereon may deteriorate and defects may increase. is there. The scandium nitride film 4 can be formed by forming a metal Sc layer on the crystal growth substrate 3 using a method such as a sputtering method or a vacuum deposition method, and performing nitriding treatment.

図1には示されないが、上述した構成を有するIII族窒化物半導体成長用基板1上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を具えることにより、本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル成長基板を得ることができる。   Although not shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor epitaxial growth substrate according to the present invention is provided by providing at least one group III nitride semiconductor layer on a group III nitride semiconductor growth substrate 1 having the above-described configuration. Can be obtained.

同様に、図1には示されないが、上述した構成を有するIII族窒化物半導体成長用基板1を用いて、本発明に従うIII族窒化物半導体自立基板およびIII族窒化物半導体素子を得ることができる。   Similarly, although not shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor free-standing substrate and a group III nitride semiconductor device according to the present invention can be obtained using the group III nitride semiconductor growth substrate 1 having the above-described configuration. it can.

次に、本発明のIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。   Next, an embodiment of a method for producing a group III nitride semiconductor growth substrate of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板1は、図1に示すように、少なくとも表面部分2がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板3上にSc材料からなる単一金属層を形成する工程と、前記金属層を窒化処理することにより、スカンジウム窒化物膜4を形成する工程とを具え、かかる構成を採用することにより、その上方に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を大きく損なうことなくかつ、III族窒化物半導体層から結晶成長基板3をケミカルリフトオフにより剥離することを可能にしたものである。   As shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor growth substrate 1 of the present invention has a single metal layer made of a Sc material on a crystal growth substrate 3 made of a group III nitride semiconductor having at least a surface portion 2 containing Al. And forming the scandium nitride film 4 by nitriding the metal layer. By adopting such a configuration, the group III nitride semiconductor layer formed thereabove is formed. The crystal growth substrate 3 can be peeled off from the group III nitride semiconductor layer by chemical lift-off without greatly deteriorating the crystallinity.

ベース基板6は、例えばサファイア、Si、SiC、GaN、AlGaN、AlN等を使用することができる。基板調達コストの観点から、特にサファイアまたはSiが好適に使用できる。Sc材料からなる金属層は、スパッタ法で形成することができる。蒸着法でもよいがスパッタ法がより好適である。
Sc材料の窒化処理は、アンモニアを含み、かつ、不活性ガス(N2、Ar、He、Neなどの希ガスから選ばれる1種以上)と水素ガスの1種または2種を含む混合ガス、またはアンモニアガス中で加熱することにより行うことが出来る。Sc材料は昇華性をもつため、昇温過程において、昇華温度よりも低い温度から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めることが好ましい。これによりScが窒化されてScNとなることにより高温でも安定した材料となる。また、室温から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めても良いが、アンモニアの分解温度である500℃付近から前記混合ガスまたはアンモニアガスを流し始めると、アンモニアガスの浪費を防ぐことができてコスト低下に繋がり好ましい。加熱温度(ベース基板表面温度)は、最高温度が850〜1300℃とすることが好ましい。850℃未満の場合、窒化が十分にできない場合があり、1300℃超の場合には、高温とすることにより、設備寿命が短くなる場合がある。前記加熱は、850℃以上である時間が、1〜120分の範囲であることが好ましい。1分未満では、窒化が十分にできない場合があり、120分超としても特に効果はなく、生産性の点で不利になる。不活性ガスの種類は特に限定なく、N、Ar等を使用することができる。アンモニアガスの濃度は、0.01〜100容量%の範囲が好ましい。前記下限値未満では、窒化が十分にできない場合がある。アンモニアガスの濃度が高すぎる場合、窒化処理後の表面の表面粗さが大きくなる場合があり、アンモニアガスの濃度は、0.01〜90容量%が更に好ましい。また、前記混合ガスには、水素を20容量%以下含んでもよい。
なお、上記の窒化が十分でない条件であっても、Sc材料の少なくとも表面が(111)面方位に配列したScNであることが確認できれば、III族窒化物半導体を成長させることは可能である。
For the base substrate 6, for example, sapphire, Si, SiC, GaN, AlGaN, AlN or the like can be used. In particular, sapphire or Si can be suitably used from the viewpoint of substrate procurement cost. The metal layer made of Sc material can be formed by sputtering. A vapor deposition method may be used, but a sputtering method is more preferable.
The nitriding treatment of the Sc material is a mixed gas containing ammonia and containing one or two of inert gas (one or more selected from rare gases such as N2, Ar, He, Ne) and hydrogen gas, or This can be done by heating in ammonia gas. Since the Sc material has sublimability, it is preferable to start flowing the mixed gas or ammonia gas from a temperature lower than the sublimation temperature in the temperature raising process. As a result, Sc is nitrided to become ScN, which becomes a stable material even at high temperatures. The mixed gas or ammonia gas may start to flow from room temperature, but if the mixed gas or ammonia gas starts to flow from around 500 ° C., which is the decomposition temperature of ammonia, waste of ammonia gas can be prevented, resulting in cost reduction. This is preferable. The maximum temperature of the heating temperature (base substrate surface temperature) is preferably 850 to 1300 ° C. When the temperature is lower than 850 ° C., nitriding may not be sufficiently performed. When the temperature exceeds 1300 ° C., the equipment life may be shortened by increasing the temperature. The heating is preferably performed at a temperature of 850 ° C. or higher for 1 to 120 minutes. If it is less than 1 minute, nitriding may not be sufficient, and if it exceeds 120 minutes, there is no particular effect, which is disadvantageous in terms of productivity. The kind of the inert gas is not particularly limited, and N, Ar, etc. can be used. The concentration of ammonia gas is preferably in the range of 0.01 to 100% by volume. If the amount is less than the lower limit, nitriding may not be sufficient. When the concentration of ammonia gas is too high, the surface roughness after nitriding may increase, and the concentration of ammonia gas is more preferably 0.01 to 90% by volume. Further, the mixed gas may contain 20% by volume or less of hydrogen.
Even if the above nitridation is not sufficient, a group III nitride semiconductor can be grown if it can be confirmed that at least the surface of the Sc material is ScN arranged in the (111) plane orientation.

スカンジウム窒化物膜4上に、AlxGa1-xN材料(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層5を形成する工程をさらに具えるのが好ましい。その後形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性向上のためであって、その成長温度は、900〜1300℃の範囲とするのが好ましい。尚、前記初期成長層は、MOCVD法、HVPE法(ハイドライドベーパーフェーズエピタキシー法)、PLD法(パルス レーザー ディポジション法)等の公知の成長法で成長することができる。 It is preferable to further include a step of forming an initial growth layer 5 made of at least one buffer layer made of an Al x Ga 1-x N material (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film 4. In order to improve the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer formed thereafter, the growth temperature is preferably in the range of 900 to 1300 ° C. The initial growth layer can be grown by a known growth method such as MOCVD method, HVPE method (hydride vapor phase epitaxy method), PLD method (pulse laser deposition method).

本発明に従うIII窒化物半導体成長用基板1は、上述した方法を用いて製造することができる。   The substrate for growing III nitride semiconductor 1 according to the present invention can be manufactured using the method described above.

次に、図2(a)に示すように、本発明のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板8の製造方法は、上述した方法で作製されたIII族窒化物半導体成長用基板1の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層7をエピタキシャル成長させる工程を具え、かかる構成を有することにより、後述する結晶成長用基板3をケミカルリフトオフにより除去するためにCrN材料を用いた場合の温度制限(波長制限)を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を製造することができるものである。   Next, as shown in FIG. 2 (a), the Group III nitride semiconductor epitaxial substrate 8 according to the present invention is manufactured at least above the Group III nitride semiconductor growth substrate 1 produced by the above-described method. By including the step of epitaxially growing a single group III nitride semiconductor layer 7 and having such a structure, temperature limitation (wavelength limitation) when using a CrN material to remove the crystal growth substrate 3 described later by chemical lift-off is provided. 3), a group III nitride semiconductor epitaxial substrate with good crystallinity that covers the growth temperature zone of the group III nitride semiconductor material in the entire composition range can be manufactured.

III族窒化物半導体層7は、最高温度900〜1300℃の範囲で、MOCVD法、HVPE法、PLD法、MBE法等を用いて成長させることを含むのが好ましい。   It is preferable that the group III nitride semiconductor layer 7 includes growth using a MOCVD method, an HVPE method, a PLD method, an MBE method or the like at a maximum temperature in the range of 900 to 1300 ° C.

スカンジウム窒化物膜4上に、AlxGa1-xN材料(0≦x≦1)からなる少なくとも一層のバッファ層からなる初期成長層5を形成する工程をさらに具えるのが好ましい。その後形成されるIII族窒化物半導体層7の結晶性向上のためであって、その成長温度は、900〜1300℃の範囲とするのが好ましい。 It is preferable to further include a step of forming an initial growth layer 5 made of at least one buffer layer made of an Al x Ga 1-x N material (0 ≦ x ≦ 1) on the scandium nitride film 4. In order to improve the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer 7 formed thereafter, the growth temperature is preferably in the range of 900 to 1300 ° C.

初期成長層5は、一層とすることもできるが、二層以上とすることがその後形成されるIII族窒化物半導体層7の結晶性向上の観点からは好ましい。初期成長層5を二層とする場合、第1バッファ層5aおよびこの第1バッファ層5a上に成長された第2バッファ層5bからなり、第1バッファ層5aの成長温度が900〜1260℃の範囲で、第2バッファ層5bの成長温度が1000〜1300℃の範囲で、かつ第1バッファ層5aの成長温度が第2バッファ層5bの成長温度よりも小さいのが好ましい。第1のバッファ層5aを成長させる成長初期の段階において、比較的低い温度で成長させることにより多数の成長初期核の形成を促して結晶性の向上を図り、その後の第2のバッファ層5bを成長させる際に成長温度を高くすることにより多数の初期核の間にできた溝・窪みを埋めることにより、結晶性の向上とともに平坦性を向上させるためである。また、バッファ層は3層以上としてもよく、その場合は、成長温度を順次高くしていくのが好ましい。初期成長層5を一層とする場合には、成長温度を1000〜1300℃の範囲とすることが好ましい。   The initial growth layer 5 may be a single layer, but two or more layers are preferable from the viewpoint of improving the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer 7 formed thereafter. When the initial growth layer 5 has two layers, the first growth layer 5 includes a first buffer layer 5a and a second buffer layer 5b grown on the first buffer layer 5a. The growth temperature of the first buffer layer 5a is 900 to 1260 ° C. Preferably, the growth temperature of the second buffer layer 5b is in the range of 1000 to 1300 ° C., and the growth temperature of the first buffer layer 5a is lower than the growth temperature of the second buffer layer 5b. In the initial stage of growth for growing the first buffer layer 5a, growth is promoted at a relatively low temperature to promote the formation of a large number of initial growth nuclei to improve the crystallinity, and then the second buffer layer 5b is formed. This is because when the growth is performed, the crystallinity is improved and the flatness is improved by filling the grooves / dents formed between a large number of initial nuclei by increasing the growth temperature. Further, the buffer layer may have three or more layers. In that case, it is preferable to increase the growth temperature sequentially. When the initial growth layer 5 is a single layer, the growth temperature is preferably in the range of 1000 to 1300 ° C.

本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板8は、上述した方法を用いて製造することができる。   The group III nitride semiconductor epitaxial substrate 8 according to the present invention can be manufactured using the method described above.

次に、本発明のIII族窒化物半導体素子9の製造方法は、図2(a)および図2(b)に示すように、上述した方法で作成されたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板8に対し、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層7を素子分離する工程と、III族窒化物半導体層7側に支持基板10を形成する工程と、スカンジウム窒化物膜4を選択エッチングすることにより、III族窒化物半導体層7(図2(b)に示す場合にはIII族窒化物半導体層7およびバッファ層5)と結晶成長基板3とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体素子9を得る工程とを具え、かかる構成を採用することにより、結晶成長用基板3をケミカルリフトオフにより除去するためにCrN材料を用いた場合の温度制限(波長制限)を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体素子を効率よく製造することができる。   Next, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the manufacturing method of the group III nitride semiconductor device 9 of the present invention is applied to the group III nitride semiconductor epitaxial substrate 8 formed by the above-described method. On the other hand, the step of element isolation of at least one group III nitride semiconductor layer 7, the step of forming the support substrate 10 on the group III nitride semiconductor layer 7 side, and the selective etching of the scandium nitride film 4 make III The group nitride semiconductor layer 7 (the group III nitride semiconductor layer 7 and the buffer layer 5 in the case shown in FIG. 2B) and the crystal growth substrate 3 are separated by chemical lift-off, and the group III nitride semiconductor device 9 By adopting such a configuration, the temperature limit (wavelength limit) when using the CrN material for removing the crystal growth substrate 3 by chemical lift-off is exceeded, and the III of the entire composition range is obtained. Growth of group nitride semiconductor materials Covering degree band can crystallinity efficiently produced good III nitride semiconductor device.

少なくとも一層のIII族窒化物半導体層7は、図2(a)および図2(b)に示すように、例えばn-AlGaN層11、AlInGaN系量子井戸活性層12、p-AlGaN層13とすることができる。なお、これらIII族窒化物半導体層11、12および13の導電型の積層順序は逆であってもよい。また、支持基板10は、放熱性を有する材料を用いて形成するのが好ましい。   At least one group III nitride semiconductor layer 7 is, for example, an n-AlGaN layer 11, an AlInGaN-based quantum well active layer 12, and a p-AlGaN layer 13, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). be able to. It should be noted that the order of lamination of the group III nitride semiconductor layers 11, 12 and 13 may be reversed. In addition, the support substrate 10 is preferably formed using a material having heat dissipation properties.

本発明に従うIII族窒化物半導体素子9は、上述した方法を用いて製造することができる。   The group III nitride semiconductor device 9 according to the present invention can be manufactured using the method described above.

次に、本発明のIII族窒化物半導体自立基板の製造方法は、上述した方法で作製されたIII族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、スカンジウム窒化物膜4を選択エッチングすることにより、III族窒化物半導体層と結晶成長基板とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体自立基板を得る工程とを具え、かかる構成を採用することにより、結晶成長用基板3をケミカルリフトオフにより除去するためにCrN材料を用いた場合の温度制限(波長制限)を超えて、全組成域のIII族窒化物半導体材料の成長温度帯をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体自立基板を効率よく製造することができる。   Next, in the method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate of the present invention, the step of epitaxially growing at least one group III nitride semiconductor layer above the group III nitride semiconductor growth substrate produced by the method described above. And a step of selectively etching the scandium nitride film 4 to separate the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate by chemical lift-off to obtain a group III nitride semiconductor free-standing substrate. By adopting, the growth temperature range of the group III nitride semiconductor material in the entire composition range exceeds the temperature limit (wavelength limit) when the CrN material is used to remove the crystal growth substrate 3 by chemical lift-off. A group III nitride semiconductor free-standing substrate that covers and has good crystallinity can be efficiently manufactured.

III族窒化物半導体層の厚さは、50μm以上とする。ハンドリング性確保のためである。   The thickness of the group III nitride semiconductor layer is 50 μm or more. This is to ensure handling.

本発明に従うIII族窒化物半導体自立基板は、上述した方法を用いて製造することができる。   The group III nitride semiconductor free-standing substrate according to the present invention can be manufactured using the method described above.

なお、上述したところは、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。   The above description shows an example of a typical embodiment, and the present invention is not limited to this embodiment.

(実施例1)
サファイア上に、MOCVD法を用いてAlN単結晶層(厚さ:1μm)を成長させて、窒化物半導体成長用基板としてAlN(0001)テンプレート基板を作製した。得られたAlNテンプレート基板上に、スパッタ法を用いて、Scを表1に示す厚さで成膜し、その後、MOCVD装置内に設置して、窒素ガスおよびアンモニアガスの混合ガスを表1に記載の流量で流し、この雰囲気下で表1の温度(基板表面温度)まで昇温し、圧力200Torrにて、この温度を10分間保持して窒化処理を施した。その後、室温まで70分かけて冷却して、MOCVD装置から取り出し、試料1−1〜1−5の5試料を得た。
Example 1
An AlN single crystal layer (thickness: 1 μm) was grown on sapphire by MOCVD to produce an AlN (0001) template substrate as a nitride semiconductor growth substrate. On the obtained AlN template substrate, using the sputtering method, a film of Sc was formed in the thickness shown in Table 1, and then installed in a MOCVD apparatus, and a mixed gas of nitrogen gas and ammonia gas was shown in Table 1. Flowing at the indicated flow rate, the temperature was raised to the temperature shown in Table 1 (substrate surface temperature) in this atmosphere, and nitriding was performed at a pressure of 200 Torr while maintaining this temperature for 10 minutes. Then, it cooled to room temperature over 70 minutes, took out from the MOCVD apparatus, and obtained five samples of samples 1-1 to 1-5.

Figure 2010278470
Figure 2010278470

(評価)
前記5試料に対して、スカンジウム窒化物膜の結晶化および結晶方位を確認するため、X線回折装置により、2θ/ωスキャン測定をそれぞれ行った。図3は測定結果であり、横軸が2θの角度、縦軸は回折X線の強度を示す。試料1−1〜1−4では、下地基板として用いたAlNテンプレートのサファイアおよびAlNからの回折ピークの他に、ScNの(111)および(222)の回折ピークが見られる。この結果から、Sc膜は窒化されており、面方位が(111)の結晶方位をもつScNとなっていることが分かった。
窒化処理温度が830℃と低い試料1−5では、ScN(111)及び(222)のX線回折ピークは認められず、(111)配向のScNが形成していなかった。
また、試料1−1〜1−4の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて10万倍で観察した結果を図4〜図7に示す。特に図4では、スカンジウム窒化物膜の表面に三角錐形状の複数の凸部が存在し、各凸部はほぼ一様な大きさであり、隙間無く並んでいた。このような凸部は下地基板の表面全面に一様に分布していた。三角錐群は底辺の向きが二種類のもので構成されており、底辺の方向は下地のAlN(0001)の<1-100>方向群に沿ったものとなっている。また、三角錐の底面以外の面は略{100}面で構成されている。
試料1−1〜1−4を下記のエッチング液に室温で浸漬したところ、前記4試料いずれについても、全てのエッチング液によりScN膜を除去できることを確認した。

<エッチング液>
フッ酸(46%)、バッファードフッ酸(NH4HF2:17.1%、NHF4:18.9%)、硝酸(61%)、塩酸(36%)、硫酸(96%)、硫酸と硝酸の混酸(前記硫酸:前記硝酸=9:1)、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸 (%は質量%)
このように、本願のScN膜は、幅広い酸溶液により除去可能であり、使用する支持基板、電極、接合材料に応じて選択することができる。
(Evaluation)
In order to confirm the crystallization and crystal orientation of the scandium nitride film, 2θ / ω scan measurement was performed on each of the five samples using an X-ray diffractometer. FIG. 3 shows measurement results, in which the horizontal axis represents an angle of 2θ, and the vertical axis represents the intensity of diffracted X-rays. In Samples 1-1 to 1-4, in addition to diffraction peaks from sapphire and AlN of the AlN template used as the base substrate, diffraction peaks of Sc111 (111) and (222) are seen. From this result, it was found that the Sc film is nitrided and ScN has a crystal orientation of (111).
In Sample 1-5 having a low nitriding temperature of 830 ° C., the X-ray diffraction peaks of ScN (111) and (222) were not observed, and (111) -oriented ScN was not formed.
Moreover, the result of having observed the surface of Samples 1-1 to 1-4 with a scanning electron microscope (SEM) at 100,000 times is shown in FIGS. In particular, in FIG. 4, a plurality of triangular pyramid-shaped projections exist on the surface of the scandium nitride film, and each projection has a substantially uniform size and is arranged without a gap. Such convex portions were uniformly distributed over the entire surface of the base substrate. The triangular pyramid group is composed of two types of base directions, and the base direction is along the <1-100> direction group of the underlying AlN (0001). The surfaces other than the bottom surface of the triangular pyramid are substantially {100} planes.
When Samples 1-1 to 1-4 were immersed in the following etching solution at room temperature, it was confirmed that the ScN film could be removed by all the etching solutions for all the four samples.
<Etching solution>
Hydrofluoric acid (46%), buffered hydrofluoric acid (NH 4 HF 2: 17.1% , NHF 4: 18.9%), nitric acid (61%), hydrochloric acid (36%), sulfuric acid (96%), mixed acid of sulfuric acid and nitric acid (Sulfuric acid: Nitric acid = 9: 1), Malic acid, Citric acid, Tartaric acid (% is% by mass)
Thus, the ScN film of the present application can be removed with a wide range of acid solutions, and can be selected according to the support substrate, electrode, and bonding material to be used.

(実施例2)
実施例1と同様にAlN(0001)テンプレート基板上に、スパッタ法を用いて、表2に示す金属種および厚さの単一金属層を成膜した。このようにして形成した試料に対し、実施例1と同様にして、表2の条件で窒化処理を施した。ただし、試料2−2は窒化をしない比較例であり、水素ガス中で熱処理を行った。その後、引き続きMOCVD法を用い表2に示す条件で、AlN材料からなるバッファ層(1μm)をさらに成膜し、試料2−1〜2−3を得た。Alの原料ガスはTMAである。
(Example 2)
Similarly to Example 1, a single metal layer having the metal species and thickness shown in Table 2 was formed on an AlN (0001) template substrate by sputtering. The sample thus formed was subjected to nitriding treatment in the same manner as in Example 1 under the conditions shown in Table 2. However, Sample 2-2 is a comparative example in which nitriding is not performed, and heat treatment was performed in hydrogen gas. Thereafter, a buffer layer (1 μm) made of an AlN material was further formed using the MOCVD method under the conditions shown in Table 2, and Samples 2-1 to 2-3 were obtained. The source gas for Al is TMA.

Figure 2010278470
Figure 2010278470

(評価)
試料2−1〜2−3のAlNバッファ層に対し、AlNの(0002)面および(10-12)面に対するX線ロッキングカーブ測定、AFMによる表面平坦性の評価を行った結果を表3に示す。金属窒化物層がScNである試料2−1のX線ロッキングカーブの半値幅は、表3に示すように、金属窒化物層がCrNである試料2−3とほぼ同等であり、試料2−1のAlNバッファ層の結晶性は、試料2−3とほぼ同等であり、良好であった。
試料2−1〜2−3にマスクとして□850μmのSiO2パターンを形成し、ドライエッチングにより、AlNバッファ層をエッチングし、金属窒化物層を露出した溝部を形成した。その後AlNバッファ層上にAuを含む接合層を形成し、支持基板に接合した。支持基板はエッチングの際の水溶液に耐性のある材料を選択した。支持基板およびエッチング液の組み合わせは下記条件1〜4に示すとおりである。

条件1 フッ酸:HF(46質量%)を含む水溶液 (支持基板:Mo、接合層:Au−Sn)
条件2 硝酸:HNO3(61質量%)を含む水溶液 (支持基板:Si、接合層:Au−Au)
条件3 塩酸:HCl(36質量%)を含む水溶液 (支持基板:Si、接合層:Au−Au)
条件4 Crエッチング液:(NH4)2Ce(NO3)6(14質量%)、HNO3(3質量%)を含む水溶液
(支持基板:Si、接合層:Au−Au)
これら条件1〜4において水溶液の温度は25℃とし、試料2−1〜2−3を24時間浸漬した。
結果を表4に示す。表4において、AlNバッファ層と成長用基板を分離できた場合は○とし、分離できなかった場合は×とした。試料2−1では全ての条件でリフトオフが可能である。試料2−2では金属Scが昇華したことで被エッチング層である金属層が無くなり、AlNテンプレート上に直接AlNバッファ層が形成したため、リフトオフできなかったと推定される。試料2−3では高温下でCrNが溶解し、表面全体を覆うことができなくなり、部分的にAlNテンプレート上に直接AlNバッファ層が形成されたため、リフトオフできなかったと推定される。
(Evaluation)
Table 3 shows the results of the X-ray rocking curve measurement on the AlN (0002) and (10-12) planes and the evaluation of surface flatness by AFM for the AlN buffer layers of Samples 2-1 to 2-3. Show. As shown in Table 3, the half width of the X-ray rocking curve of Sample 2-1 in which the metal nitride layer is ScN is substantially the same as Sample 2-3 in which the metal nitride layer is CrN, and Sample 2- The crystallinity of the AlN buffer layer 1 was almost the same as that of the sample 2-3 and was good.
A □ 850 μm SiO 2 pattern was formed on Samples 2-1 to 2-3 as a mask, and the AlN buffer layer was etched by dry etching to form a groove portion exposing the metal nitride layer. Thereafter, a bonding layer containing Au was formed on the AlN buffer layer and bonded to the support substrate. As the support substrate, a material resistant to an aqueous solution during etching was selected. The combination of the support substrate and the etching solution is as shown in the following conditions 1 to 4.
Condition 1 Hydrofluoric acid: aqueous solution containing HF (46% by mass) (support substrate: Mo, bonding layer: Au-Sn)
Condition 2 Nitric acid: aqueous solution containing HNO 3 (61% by mass) (support substrate: Si, bonding layer: Au-Au)
Condition 3 Hydrochloric acid: aqueous solution containing HCl (36% by mass) (support substrate: Si, bonding layer: Au-Au)
Condition 4 Cr etching solution: aqueous solution containing (NH 4 ) 2Ce (NO 3 ) 6 (14 mass%), HNO 3 (3 mass%)
(Support substrate: Si, bonding layer: Au-Au)
Under these conditions 1 to 4, the temperature of the aqueous solution was 25 ° C., and samples 2-1 to 2-3 were immersed for 24 hours.
The results are shown in Table 4. In Table 4, when the AlN buffer layer and the growth substrate could be separated, it was marked as ◯, and when they could not be separated, it was marked as x. Sample 2-1 can be lifted off under all conditions. In Sample 2-2, the metal Sc as the layer to be etched disappeared due to the sublimation of the metal Sc, and the AlN buffer layer was formed directly on the AlN template. In Sample 2-3, CrN was dissolved at a high temperature, and the entire surface could not be covered, and the AlN buffer layer was partially formed directly on the AlN template.

Figure 2010278470
Figure 2010278470

Figure 2010278470
Figure 2010278470

(実施例3)
実施例1と同様にAlN(0001)テンプレート基板上に、スパッタ法を用いて、表5に示す厚さのSc金属層を成膜した後、表5に示す条件で、窒化処理をおこなった。このようにして形成した試料に、表5に示す条件下でAlN材料からなるバッファ層を1層または2層成膜し、試料3−1、3−2を得た。なお、表5に記載された以外の成膜条件は、実施例2と同様である。
(Example 3)
As in Example 1, an Sc metal layer having a thickness shown in Table 5 was formed on an AlN (0001) template substrate by sputtering, and then nitriding was performed under the conditions shown in Table 5. One or two buffer layers made of an AlN material were formed on the sample thus formed under the conditions shown in Table 5 to obtain Samples 3-1, 3-2. The film forming conditions other than those listed in Table 5 are the same as in Example 2.

Figure 2010278470
Figure 2010278470

(評価)
試料3−1のAFMの試料表面写真を図8に示す。原子ステップが観察され、原子レベルで平坦なAlN層が得られていることがわかる。一方、試料3−2については、表面の荒れによる凹凸が大きく、AFMによる測定が困難であった。
(Evaluation)
A sample surface photograph of the AFM of Sample 3-1 is shown in FIG. Atomic steps are observed, and it can be seen that a flat AlN layer is obtained at the atomic level. On the other hand, Sample 3-2 had large irregularities due to surface roughness, and measurement by AFM was difficult.

試料3−1、3−2のAlNバッファ層に対し、試料2−1〜2−3の場合と同様の方法で、X線ロッキングカーブの評価を行った結果、およびAFMにより測定したRaの結果を表6に示す。金属層の上のAlNバッファ層が2層である試料3−1では、AlNバッファ層が1層である試料3−2と比較して、Raが大きく改善した。AlNバッファ層を2層とすることにより、AlNバッファ層の表面平坦性を向上することが可能となる。   Results of evaluating the X-ray rocking curve for the AlN buffer layers of Samples 3-1 and 3-2 in the same manner as in Samples 2-1 to 2-3, and the results of Ra measured by AFM Is shown in Table 6. In Sample 3-1, in which the AlN buffer layer on the metal layer is two layers, Ra is greatly improved as compared with Sample 3-2 in which the AlN buffer layer is one layer. By using two AlN buffer layers, the surface flatness of the AlN buffer layer can be improved.

Figure 2010278470
Figure 2010278470

(実施例4)
実施例1と同様に直径2インチのAlN(0001)テンプレート基板上に、スパッタ法を用いて15nm厚みのSc金属層を成膜した後、MOCVD装置内で圧力200Torr、基板温度1150℃にて10分間の窒化処理を行った。この時、NH3とN2の混合比はそれぞれ体積%で30、70とした。
窒化処理後基板温度を1020℃まで降温し、圧力10Torrの条件下で、第1バッファ層としてAlNを80nmスカンジウム窒化物膜上に成長した後、基板温度を1200℃まで昇温し、第2バッファ層としてAlN層を920nm成長させた。AlN成長時のV/III比は120とし、成長速度は約1000nm/hrとした。
Example 4
As in Example 1, a 15-nm-thick Sc metal layer was formed on an AlN (0001) template substrate having a diameter of 2 inches by sputtering, and then the pressure was 200 Torr and the substrate temperature was 1150 ° C. in a MOCVD apparatus. A nitriding treatment was performed for a minute. At this time, the mixing ratio of NH 3 and N 2 was 30 and 70 by volume%, respectively.
After nitriding, the substrate temperature is lowered to 1020 ° C., AlN is grown on the 80 nm scandium nitride film as the first buffer layer under the condition of 10 Torr pressure, and then the substrate temperature is raised to 1200 ° C. As a layer, an AlN layer was grown to 920 nm. The V / III ratio during AlN growth was 120, and the growth rate was about 1000 nm / hr.

引続き、MOCVD炉でn型AlGaNクラッド層を2.5μm、AlInGaN/AlGaNのMQW(多重量子井戸)発光層、p−AlGaN電子ブロック層、p−AlGaNクラッド層・コンタクト層(p型層のトータル厚みは0.25μm)を成長し紫外LED構造エピタキシャル基板を得た。   Subsequently, in the MOCVD furnace, the n-type AlGaN cladding layer is 2.5 μm, the AlInGaN / AlGaN MQW (multiple quantum well) light-emitting layer, the p-AlGaN electron blocking layer, the p-AlGaN cladding layer / contact layer (the total thickness of the p-type layer is 0.25 μm) was grown to obtain an ultraviolet LED structure epitaxial substrate.

このエピタキシャル基板のエピタキシャル層を、碁盤目状にドライエッチングでAlNテンプレート部まで溝加工し、個々のLEDチップに一次分離した。次いで、p型コンタクト層にRh系オーミック電極を形成した後、AuSu系接合層を介して低抵抗率p型Si基板と真空加熱プレス法で接合した。溝加工部をエッチングチャンネルとして、塩酸を用いてスカンジウム窒化物膜を選択的に溶解し、成長用基板とLED構造エピタキシャル部を分離させSi支持基板側に移し替えた。なお、Si基板の裏面側に正極となるオーミック電極が形成されている。   The epitaxial layer of this epitaxial substrate was grooved to the AlN template portion by dry etching in a grid pattern, and was primarily separated into individual LED chips. Next, an Rh ohmic electrode was formed on the p-type contact layer, and then bonded to the low resistivity p-type Si substrate through a AuSu bonding layer by a vacuum heating press method. Using the groove processed portion as an etching channel, the scandium nitride film was selectively dissolved using hydrochloric acid, and the growth substrate and the LED structure epitaxial portion were separated and transferred to the Si support substrate side. An ohmic electrode serving as a positive electrode is formed on the back side of the Si substrate.

AlN層の少なくとも一部をドライエッチングで除去し、露出したn型AlGaNクラッド層部にTi/Al系のオーミック電極を形成した。一次分離溝に沿ってブレードダイサーによりダイシングし、LEDチップに個片化した。得られた縦型構造紫外LEDの特性を評価したところ、図9に示すようにピーク波長が326nmの発光スペクトルを示した。また、光出力は順方向駆動電流Ifが20mAの時に2.5mWと、この波長帯としては非常に良好な結果となった。なお、Crを用いた場合は、紫外LED構造エピタキシャル成長に至る前に1200℃の基板温度を履歴してしまい、それ以降のプロセスに至らず、この波長のLEDはできなかった。 At least a part of the AlN layer was removed by dry etching, and a Ti / Al based ohmic electrode was formed on the exposed n-type AlGaN cladding layer. Dicing was performed along the primary separation groove with a blade dicer and separated into LED chips. When the characteristics of the obtained vertical structure ultraviolet LED were evaluated, an emission spectrum having a peak wavelength of 326 nm was shown as shown in FIG. The light output was 2.5 mW when the forward drive current If was 20 mA, which was a very good result for this wavelength band. When Cr was used, the substrate temperature at 1200 ° C. was recorded before reaching the ultraviolet LED structure epitaxial growth, and the subsequent processes were not completed, and an LED having this wavelength could not be produced.

(実施例5)
実施例1と同様に直径2インチのAlN(0001)テンプレート基板上に、スパッタ法を用いて15nm厚みのSc金属層を成膜した後、MOCVD装置内で圧力200Torr、基板温度1150℃にて10分間の窒化処理を行った。この時、NH3とN2の混合比はそれぞれ体積%で30、70とした。
窒化処理後基板温度を1020℃まで降温し、圧力10Torrの条件下で、第1バッファ層としてAlNを80nmスカンジウム窒化物膜上に成長した後、基板温度を1200℃まで昇温し、第2バッファ層としてAlN層を920nm成長させた。AlN成長時のV/III比は120とし、成長速度は約1000nm/hrとした。Alの原料ガスはTMAである。
(Example 5)
As in Example 1, a 15-nm-thick Sc metal layer was formed on an AlN (0001) template substrate having a diameter of 2 inches using a sputtering method, and then the pressure was 200 Torr and the substrate temperature was 1150 ° C. in a MOCVD apparatus. A nitriding treatment was performed for a minute. At this time, the mixing ratio of NH 3 and N 2 was 30 and 70 by volume%, respectively.
After nitriding, the substrate temperature is lowered to 1020 ° C., AlN is grown on the 80 nm scandium nitride film as the first buffer layer under the condition of 10 Torr pressure, and then the substrate temperature is raised to 1200 ° C. As a layer, an AlN layer was grown to 920 nm. The V / III ratio during AlN growth was 120, and the growth rate was about 1000 nm / hr. The source gas for Al is TMA.

さらに基板温度を1250℃まで昇温した後、V/III比を保ちつつTMAの供給量を2倍とし、厚さ100μmのAlN層を48時間かけて成膜した。冷却し、取り出し後、塩酸に浸漬することより、スカンジウム窒化物膜を選択的にエッチングし、成長用のAlNテンプレート基板を剥離して、直径2インチのAlN単結晶の自立基板を得た。   Further, after raising the substrate temperature to 1250 ° C., the supply amount of TMA was doubled while maintaining the V / III ratio, and an AlN layer having a thickness of 100 μm was formed over 48 hours. After cooling, taking out and immersing in hydrochloric acid, the scandium nitride film was selectively etched, and the growth AlN template substrate was peeled off to obtain an AlN single crystal self-supporting substrate having a diameter of 2 inches.

(実施例6)
実施例1と同様に直径2インチのAlN(0001)テンプレート基板上に、スパッタ法を用いて20nm厚みのSc金属層を成膜した後、MOCVD装置内で圧力200Torr、基板温度1200℃にて10分間の窒化処理を行った。
窒化処理後基板温度を900℃まで降温し、10分間のGaN層初期成長を行った後、基板温度1040℃にて2時間のGaN厚膜成長(約7μm厚み)を行った。冷却し、取り出し後、HVPE炉に当該試料をセットし20℃/分の昇温速度で基板温度1040℃まで昇温した。なお、基板加熱と並行してGa原料ソース部の温度を850℃まで加熱しておく。なお雰囲気ガスの流量は、N2が300sccm、H2が100sccmで、試料昇温中600℃となった時点からNH3を1000sccmとした。基板温度1040℃で約5分間系の温度安定を待ち、Gaソース部に40sccmの流量でHClを供給開始し、GaNの成長を開始した。2時間後HClの供給を停止し、成長を終了し、25℃/分の冷却速度で冷却を行った。基板温度が600℃と成った時点でNH3ガスの供給を停止した。冷却終了、取り出して当該試料を塩酸に浸漬することより、スカンジウム窒化物膜を選択的にエッチングし、成長用のAlNテンプレート基板を剥離して、直径2インチ、厚さ163μmのGaN単結晶の自立基板を得た。
(Example 6)
As in Example 1, a 20-nm thick Sc metal layer was formed on an AlN (0001) template substrate having a diameter of 2 inches by sputtering, and was then applied in a MOCVD apparatus at a pressure of 200 Torr and a substrate temperature of 1200 ° C. A nitriding treatment was performed for a minute.
After the nitriding treatment, the substrate temperature was lowered to 900 ° C., GaN layer initial growth was performed for 10 minutes, and then GaN thick film growth (about 7 μm thickness) was performed for 2 hours at a substrate temperature of 1040 ° C. After cooling and taking out, the sample was set in an HVPE furnace and heated to a substrate temperature of 1040 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min. In parallel with the substrate heating, the temperature of the Ga source portion is heated to 850 ° C. Note that the flow rate of the atmospheric gas was 300 sccm for N 2 and 100 sccm for H 2 , and NH 3 was set to 1000 sccm when the sample temperature rose to 600 ° C. After waiting for the system to stabilize at a substrate temperature of 1040 ° C. for about 5 minutes, supply of HCl to the Ga source at a flow rate of 40 sccm was started, and growth of GaN was started. After 2 hours, the supply of HCl was stopped, the growth was terminated, and cooling was performed at a cooling rate of 25 ° C./min. When the substrate temperature reached 600 ° C., the supply of NH 3 gas was stopped. After cooling, the sample is immersed in hydrochloric acid, the scandium nitride film is selectively etched, the growth AlN template substrate is peeled off, and a GaN single crystal having a diameter of 2 inches and a thickness of 163 μm is self-supporting. A substrate was obtained.

以上、実施の形態および実施例において具体例を示しながら本発明を詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。   While the present invention has been described in detail with specific examples in the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples and does not depart from the scope of the present invention. All changes and modifications are possible within the scope.

本発明のIII族窒化物半導体成長用基板は、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板と、表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層をケミカルリフトオフにより容易に剥離することができる。
さらに、ケミカルリフトオフの際、酸性溶液をエッチング液として用いることにより結晶成長基板からIII族窒化物半導体層を容易に剥離することができる。エッチング液としては、例えば塩酸水溶液、硝酸水溶液、硫酸と硝酸の混酸、有機酸等を使用することができ、用いる支持基板や電極材などは溶けずに、ScNのみが溶解されるような酸性溶液を適宜選択することができる。
The substrate for group III nitride semiconductor growth of the present invention comprises a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al, and a scandium nitride film formed on the surface portion, Without significantly impairing the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) formed thereafter, and The group III nitride semiconductor layer can be easily peeled off from the crystal growth substrate by chemical lift-off.
Furthermore, at the time of chemical lift-off, the group III nitride semiconductor layer can be easily peeled from the crystal growth substrate by using an acidic solution as an etching solution. For example, an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous nitric acid solution, a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid, an organic acid, or the like can be used as an etching solution, and an acidic solution in which only ScN is dissolved without dissolving a supporting substrate or an electrode material to be used. Can be appropriately selected.

また、本発明によれば、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いることにより、ケミカルリフトオフにより基板除去が可能であり、かつ、CrN材料を用いた場合の波長制限を超えて、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、言い換えれば、1200℃以上の高温での成長されるAlNから500℃前後で成長されるInNまでを含むAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の全組成域の成長温度帯をカバーできる、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板を提供することができる。 Further, according to the present invention, by using the above-mentioned group III nitride semiconductor growth substrate, it is possible to remove the substrate by chemical lift-off, and the group III nitriding exceeds the wavelength limit when using a CrN material. covering things semiconductor material with a cover capable entire wavelength range (200nm~1.5μm), in other words, Al x Ga y in containing from AlN grown at a temperature higher than 1200 ° C. until InN grown at 500 ° C. before and after Group III nitride semiconductor epitaxial substrate with good crystallinity that can cover the growth temperature range of the entire composition range of 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A group III nitride semiconductor device and a group III nitride semiconductor free-standing substrate can be provided.

さらに、本発明によれば、少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、前記金属層に対して窒化処理を施す工程とを具えることにより、その後形成されるIII族窒化物半導体層AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)の結晶性を大きく損なうことなく、かつ、結晶成長基板からIII族窒化物半導体層をケミカルリフトオフにより容易に剥離することができるIII族窒化物半導体成長用基板を製造することができる。 Furthermore, according to the present invention, a step of forming a metal layer made of Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor containing at least Al on the surface portion, and nitriding treatment is performed on the metal layer by comprising the step, crystals then formed III-nitride semiconductor layer Al x Ga y in 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) Thus, it is possible to manufacture a group III nitride semiconductor growth substrate that can easily separate the group III nitride semiconductor layer from the crystal growth substrate by chemical lift-off without significantly impairing the properties.

加えて、本発明は、上記III族窒化物半導体成長用基板を用いて、ケミカルリフトオフを行うことにより、CrN材料を用いた場合の波長制限を超えて、III族窒化物半導体材料でカバーできる波長帯全域(200nm〜1.5μm)をカバーする、結晶性が良好なIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体自立基板を効率よく製造することができる。   In addition, the present invention provides a wavelength that can be covered with a group III nitride semiconductor material by exceeding the wavelength limit when using a CrN material by performing chemical lift-off using the above group III nitride semiconductor growth substrate. A group III nitride semiconductor epitaxial substrate, a group III nitride semiconductor element, and a group III nitride semiconductor free-standing substrate with good crystallinity that cover the entire band (200 nm to 1.5 μm) can be efficiently manufactured.

1 III族窒化物半導体成長用基板
2 表面部分
3 結晶成長基板
4 スカンジウム窒化物膜
5 初期成長層
5a 第1バッファ層
5b 第2バッファ層
6 ベース基板
7 III族窒化物半導体層
8 III族窒化物半導体エピタキシャル基板
9 III族窒化物半導体素子
10 支持基板
11 n-AlGaN層
12 AlInGaN系量子井戸活性層
13 p-AlGaN層
1 Group III nitride semiconductor growth substrate 2 Surface portion 3 Crystal growth substrate 4 Scandium nitride film 5 Initial growth layer 5a First buffer layer 5b Second buffer layer 6 Base substrate 7 Group III nitride semiconductor layer 8 Group III nitride Semiconductor epitaxial substrate 9 Group III nitride semiconductor device 10 Support substrate 11 n-AlGaN layer 12 AlInGaN quantum well active layer 13 p-AlGaN layer

Claims (13)

少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる表面部分を有する結晶成長基板と、
前記表面部分上に形成されたスカンジウム窒化物膜と
を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板。
A crystal growth substrate having a surface portion made of a group III nitride semiconductor containing at least Al; and
A group III nitride semiconductor growth substrate comprising a scandium nitride film formed on the surface portion.
前記スカンジウム窒化物膜は、面方位が{111}の結晶方位をもつことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   2. The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein the scandium nitride film has a crystal orientation of {111}. 前記III族窒化物半導体の表面の面方位が{0001}である請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1 or 2, wherein the surface orientation of the group III nitride semiconductor is {0001}. 前記スカンジウム窒化物膜の厚さは、3〜100nmである請求項1〜3のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the scandium nitride film has a thickness of 3 to 100 nm. 前記結晶成長基板のベース基板が、サファイア、Si、SiC、GaNのいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   5. The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein a base substrate of the crystal growth substrate is any one of sapphire, Si, SiC, and GaN. 前記少なくとも表面部分が、AlNからなる請求項1〜5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1, wherein at least the surface portion is made of AlN. 前記スカンジウム窒化物膜は、三角錐形状の複数の微結晶部を有し、該複数の微結晶部が前記表面部分上に一様に形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板。   The scandium nitride film has a plurality of triangular pyramid-shaped microcrystalline portions, and the plurality of microcrystalline portions are uniformly formed on the surface portion. The substrate for growing a group III nitride semiconductor according to any one of the above. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板上に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を具えることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。   A group III nitride semiconductor epitaxial substrate comprising at least one group III nitride semiconductor layer on the group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板。   A group III nitride semiconductor free-standing substrate produced using the group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用基板を用いて作製することを特徴とするIII族窒化物半導体素子。   A group III nitride semiconductor device manufactured using the group III nitride semiconductor growth substrate according to claim 1. 少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる表面部分を有する結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成する工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate having a surface portion made of a group III nitride semiconductor containing at least Al; and
And a step of forming a scandium nitride film by heating the metal layer in an atmosphere gas containing ammonia gas and performing a nitridation treatment. .
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製する工程と、
前記少なくとも一層のIII族窒化物半導体層を素子分離する工程と、
前記III族窒化物半導体層側に支持基板を形成する工程と、
前記スカンジウム窒化物膜を選択エッチングすることにより、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体素子を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
Heating the metal layer in an atmosphere gas containing ammonia gas, performing nitriding treatment to form a scandium nitride film, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate;
A step of producing a group III nitride semiconductor epitaxial substrate by epitaxially growing at least one group III nitride semiconductor layer above the group III nitride semiconductor growth substrate; and
Isolating the at least one group III nitride semiconductor layer, and
Forming a support substrate on the group III nitride semiconductor layer side;
Separating the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate by chemical lift-off by selectively etching the scandium nitride film to obtain a group III nitride semiconductor device. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor device.
少なくとも表面部分がAlを含むIII族窒化物半導体からなる結晶成長基板上に、Sc材料からなる金属層を形成する工程と、
アンモニアガスを含む雰囲気ガス中で、前記金属層を加熱して、窒化処理を施してスカンジウム窒化物膜を形成し、III族窒化物半導体成長用基板を作製する工程と、
前記III族窒化物半導体成長用基板の上方に、少なくとも一層のIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記スカンジウム窒化物膜を選択エッチングすることにより、前記III族窒化物半導体層と前記結晶成長基板とをケミカルリフトオフにより分離して、III族窒化物半導体自立基板を得る工程とを具えることを特徴とするIII族窒化物半導体自立基板の製造方法。
Forming a metal layer made of an Sc material on a crystal growth substrate made of a group III nitride semiconductor including at least a surface portion of Al; and
Heating the metal layer in an atmosphere gas containing ammonia gas, performing nitriding treatment to form a scandium nitride film, and producing a group III nitride semiconductor growth substrate;
Epitaxially growing at least one group III nitride semiconductor layer above the group III nitride semiconductor growth substrate; and
Separating the group III nitride semiconductor layer and the crystal growth substrate by chemical lift-off by selectively etching the scandium nitride film to obtain a group III nitride semiconductor free-standing substrate. A method for producing a group III nitride semiconductor free-standing substrate.
JP2010191049A 2009-03-27 2010-08-27 Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same Pending JP2010278470A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010191049A JP2010278470A (en) 2009-03-27 2010-08-27 Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009080242 2009-03-27
JP2010191049A JP2010278470A (en) 2009-03-27 2010-08-27 Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010069413A Division JP4597259B2 (en) 2009-03-27 2010-03-25 Group III nitride semiconductor growth substrate, group III nitride semiconductor epitaxial substrate, group III nitride semiconductor device, group III nitride semiconductor free-standing substrate, and methods of manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010278470A true JP2010278470A (en) 2010-12-09

Family

ID=43425080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010191049A Pending JP2010278470A (en) 2009-03-27 2010-08-27 Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010278470A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107452861A (en) * 2017-09-22 2017-12-08 广东工业大学 A kind of UV LED chip and preparation method thereof
CN111785794A (en) * 2020-07-20 2020-10-16 西安电子科技大学 N-polarity InGaN-based solar cells with enhanced electric field based on ScAlN and InAlN polarized intercalation layers

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000150875A (en) * 1998-11-13 2000-05-30 Toshiba Corp Semiconductor device and thin film forming method
JP2003178984A (en) * 2001-03-27 2003-06-27 Nec Corp Group III nitride semiconductor substrate and method of manufacturing the same
WO2006126330A1 (en) * 2005-04-04 2006-11-30 Tohoku Techno Arch Co., Ltd. METHOD FOR GROWTH OF GaN SINGLE CRYSTAL, METHOD FOR PREPARATION OF GaN SUBSTRATE, PROCESS FOR PRODUCING GaN-BASED ELEMENT, AND GaN-BASED ELEMENT
JP2008100860A (en) * 2006-10-17 2008-05-01 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Method for manufacturing single crystal aluminum nitride laminated substrate
JP2009054888A (en) * 2007-08-28 2009-03-12 Tohoku Techno Arch Co Ltd Group III nitride semiconductor and manufacturing method thereof
JP2009221083A (en) * 2008-03-18 2009-10-01 Tohoku Techno Arch Co Ltd Group iii nitride semiconductor and method for manufacturing the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000150875A (en) * 1998-11-13 2000-05-30 Toshiba Corp Semiconductor device and thin film forming method
JP2003178984A (en) * 2001-03-27 2003-06-27 Nec Corp Group III nitride semiconductor substrate and method of manufacturing the same
WO2006126330A1 (en) * 2005-04-04 2006-11-30 Tohoku Techno Arch Co., Ltd. METHOD FOR GROWTH OF GaN SINGLE CRYSTAL, METHOD FOR PREPARATION OF GaN SUBSTRATE, PROCESS FOR PRODUCING GaN-BASED ELEMENT, AND GaN-BASED ELEMENT
JP2008100860A (en) * 2006-10-17 2008-05-01 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Method for manufacturing single crystal aluminum nitride laminated substrate
JP2009054888A (en) * 2007-08-28 2009-03-12 Tohoku Techno Arch Co Ltd Group III nitride semiconductor and manufacturing method thereof
JP2009221083A (en) * 2008-03-18 2009-10-01 Tohoku Techno Arch Co Ltd Group iii nitride semiconductor and method for manufacturing the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107452861A (en) * 2017-09-22 2017-12-08 广东工业大学 A kind of UV LED chip and preparation method thereof
CN107452861B (en) * 2017-09-22 2024-01-23 广东工业大学 Ultraviolet LED chip and preparation method thereof
CN111785794A (en) * 2020-07-20 2020-10-16 西安电子科技大学 N-polarity InGaN-based solar cells with enhanced electric field based on ScAlN and InAlN polarized intercalation layers
CN111785794B (en) * 2020-07-20 2023-09-08 西安电子科技大学 N-polar InGaN-based solar cells based on ScAlN and InAlN polarization insertion layers to enhance the electric field

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4597259B2 (en) Group III nitride semiconductor growth substrate, group III nitride semiconductor epitaxial substrate, group III nitride semiconductor device, group III nitride semiconductor free-standing substrate, and methods of manufacturing the same
JP3886341B2 (en) Method for manufacturing gallium nitride crystal substrate and gallium nitride crystal substrate
TWI437637B (en) Method for manufacturing gallium nitride single crystal substrate by self-splitting
JP3821232B2 (en) Porous substrate for epitaxial growth, method for producing the same, and method for producing group III nitride semiconductor substrate
US8216869B2 (en) Group III nitride semiconductor and a manufacturing method thereof
JP2009184847A (en) Method for manufacturing group iii nitride single crystal
CN107227490A (en) III nitride semiconductor and its manufacture method
CN102326228B (en) III-nitride semiconductor growth substrate, III-nitride semiconductor epitaxial substrate, III-nitride semiconductor element, III-nitride semiconductor freestanding substrate, and method for fabricating these
JP5430467B2 (en) Group III nitride semiconductor growth substrate, group III nitride semiconductor free-standing substrate, group III nitride semiconductor device, and methods of manufacturing the same
JP2010278470A (en) Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, epitaxial substrate for group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor element, stand-alone substrate for group-iii nitride semiconductor, and methods for manufacturing the same
JP4786587B2 (en) Group III nitride semiconductor and method for manufacturing the same, substrate for manufacturing group III nitride semiconductor
JP5684551B2 (en) Group III nitride semiconductor growth substrate, group III nitride semiconductor epitaxial substrate, group III nitride semiconductor device, group III nitride semiconductor free-standing substrate, and methods of manufacturing the same
JP2005005723A (en) Nitride semiconductor epitaxial wafer manufacturing method and nitride semiconductor epitaxial wafer
JP2014224020A (en) METHOD FOR MANUFACTURING A GaN SELF-STANDING SUBSTRATE
JP4757834B2 (en) Group III nitride semiconductor and method for manufacturing the same, substrate for manufacturing group III nitride semiconductor
JP2011222778A (en) Method of manufacturing laminate, method of manufacturing self-supporting group-iii nitride single-crystal substrate, and laminate
JP2012121772A (en) Method for producing nitride semiconductor substrate

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130125

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140123

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140204

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140603